Identification of Generation/Driving Mechanisms of Upper-Atmospheric Discharges and Global Electric Circuit Using Satellite Data and Numerical Simulation

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16H04055
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 佐藤 光輝 北海道大学, 大学院理学研究院, 講師 (50312541)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 平木 康隆 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 研究員 (80514843)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 雷放電 / 高高度放電発光現象 / スプライト / グローバルサーキット / 国際宇宙ステーション

Outline of Annual Research Achievements

国際宇宙ステーションからの直下視観測ミッション(GLIMS)で得られた光学観測データ，数値モデル計算，地上雷観測データ，大気電場観測データを駆使することで，(1)雷放電が生起する放射電界と準静電界を統一的に解く数値モデルによってスプライトの水平空間分布を再現し生成機構を明らかにすること，(2)雲内放電と対地雷との比率及びその緯度依存性を明らかにし，全球電流回路の数値モデル計算結果と実観測データとを比較することで，大気放電が全球電流回路で担う役割を定量評価することを目的とする。
平成28年度は大きく分けて2つの研究課題に取り組んだ。第一に，スプライトを発生させた雷放電の上空における放射電界と電子密度の時空間変化を数値モデル計算するために，GLIMSの可視カメラで得られた画像データから雷放電の放電進展路をモデル化した。さらに，そのモデル化した放電進展路を時間領域差分法（FDTD）に組み込むためのデータ整備を行い，実際にFDTD計算を進めて放射電界と電子密度の時空間変化に関する初期結果を得つつある。第二に，GLIMSのフォトメタデータと可視カメラデータを無作為に約700例抽出し，観測波長の違いによる測光強度比の違いを明らかにした。さらに地上雷観測網（NLDN, WWLLN, JLDN）データとの比較を行うことで，雲内放電と対地雷とを判別する手法の開発に目処をつけた。これらの研究成果および関連する研究成果をまとめた査読論文は9本出版され(一部は印刷中)，修士論文も1本，国内・国際学会における講演も22件行うなど，積極的な成果公開に努めている。
平成29年度は，FDTD計算結果を基に，準静電場モデルによってスプライトを再現する数値計算を開始する。さらに，雲内放電と対地雷との判別手法をGLIMSが検出した全雷放電事例に対し適用し，雲内放電と対地雷との比率およびその緯度依存性を明らかにする。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

平成28年度に実施する予定であった研究課題，すなわち，(1)スプライトを生起した雷放電発光の可視カメラ観測画像データから放電進展路をモデル化し，FDTD法による計算を開始すること，(2)GLIMSと地上の雷観測データとを比較し雲内放電と対地雷とを判別する手法開発に目処をつけること，をほぼ達成できたからである。

Strategy for Future Research Activity

当初予定していた平成29年度の研究計画に大きな変更は無い。具体的に実施する研究課題は，(1)FDTD計算結果を組み込んだ準静電場モデルを開発し，この統一的数値モデルによるスプライト発生の計算を開始すること，(2)雲内放電と対地雷との判別手法を確立し，GLIMSが検出した全雷事例に適用して，雲内放電と対地雷との比率およびその緯度依存性を明らかにする，という2つの内容である。
ただ，これまで本課題に参画していた共同研究者が民間企業に就職し，今後は研究協力者として加わることとなった。これに起因するスケジュールの遅延等が発生しないよう，より頻繁かつ入念な研究打合せを行うなどの対策を取る予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] スタンフォード大学/コロラド大学/マサチューセッツ工科大学(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: スタンフォード大学/コロラド大学/マサチューセッツ工科大学
• [Int'l Joint Research] デンマーク工科大学(デンマーク)
  • Country Name: DENMARK
  • Counterpart Institution: デンマーク工科大学
• [Int'l Joint Research] アンダルシア天体物理学研究所(スペイン)
  • Country Name: SPAIN
  • Counterpart Institution: アンダルシア天体物理学研究所
• [Int'l Joint Research] 中国科学院(中国)
  • Country Name: CHINA
  • Counterpart Institution: 中国科学院
• [Int'l Joint Research] スウェーデン宇宙公社(スウェーデン)
  • Country Name: SWEDEN
  • Counterpart Institution: スウェーデン宇宙公社
• [Journal Article] Sprite possibly produced by two distinct positive cloud-to-ground lightning flashes (2017)
  • Author(s): Yang Jing、Lu Gaopeng、Liu Ningyu、Sato Mitsuteru、Feng Guili、Wang Yu、Chou Jung-Kuang
  • Journal Title: Terrestrial, Atmospheric and Oceanic Sciences Volume: 28 Pages: 609～624
  • DOI: 10.3319/TAO.2016.07.22.01
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Solar 27-day rotational period detected in a wide-area lightning activity in Japan (2017)
  • Author(s): Miyahara, H., C. Higuchi, T. Terasawa, R. Kataoka, M. Sato, and Y. Takahashi
  • Journal Title: Annales Geophysicae Communicates Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • DOI: (to be determined)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Identification of sprites in JEM-GLIMS nadir observations and their spatial distributions (2017)
  • Author(s): Sato, M., T. Adachi, T. Ushio, T. Morimoto, M. Kikuchi, H. Kikuchi, M. Suzuki, A. Yamazaki, Y. Takahashi, R. Ishida, Y. Sakamoto, K. Yoshida, and Y. Hobara
  • Journal Title: Terrestrial, Atmospheric and Oceanic Sciences Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • DOI: 10.3319/TAO.2016.09.21.02
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Simultaneous observations of optical lightning from space and LF band lightning waveforms from the ground (2017)
  • Author(s): Kikuchi, H., M. Sato, T. Ushio, T. Morimoto, M. Kikuchi, A. Yamazaki, M. Suzuki, R. Ishida, Y. Sakamoto, T. Wu, and Z. Kawasaki
  • Journal Title: Geophysical Research Letters Volume: 44 Pages: 1123-1131
  • DOI: 10.1002/2016GL071783
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] An overview of VHF lightning observations by digital interferometry from ISS / JEM-GLIMS (2016)
  • Author(s): Morimoto, T., H. Kikuchi, M. Sato, T. Ushio, A. Yamazaki, M. Suzuki, R. Ishida, Y. Sakamoto, K. Yoshida, Y. Hobara, T. Sano, T. Abe, and Z-I. Kawasaki
  • Journal Title: Earth, Planets and Space Volume: 68 Pages: 145
  • DOI: 10.1186/s40623-016-0522-1
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Studies of dust and discharges around a Martian rover with onboard hazard analyses using electromagnetic and acoustic wave measurements (2016)
  • Author(s): Yamamoto, M., M. Sato, K. Ishisaka, Y. Takahashi, K. Ogohara, M. Kamogawa, and H. Miyamoto
  • Journal Title: Ttansactions of the Japan Society for Aeronatical and Space Sciences Volume: 14 Pages: 41-45
  • DOI: 10.2322/tastj.14.Pk_41
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Identifying the occurrence of lightning and transient luminous evetns by nadir spectrophotometric observation (2016)
  • Author(s): Adachi, T., M. Sato, T. Ushio, A. Yamazaki, M. Suzuki, M. Kikuchi, Y. Takahashi, U. Inan, I. Linscott, Y. Hobara, H. Frey, S. Mende, A. Chen, R-R. Hsu, and K. Kusunoki
  • Journal Title: Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics Volume: 145 Pages: 85-97
  • DOI: 10.1016/j.jastp.2016.04.010
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Horizontal distributions of sprites derived from the JEM-GLIMS nadir observations (2016)
  • Author(s): Sato, M., M. Mihara, T. Adachi, T. Ushio, T. Morimoto, M. Kikuchi, H. Kikuchi, M. Suzuki, A. Yamazaki, Y. Takahashi, U. Inan, I. Linscott, R. Ishida, Y. Sakamoto, K. Yoshida, and Y. Hobara
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research - Atmosphere Volume: 121 Pages: 3171-3194
  • DOI: 10.1002/2015JD024311
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Relation between charge amounts of lightning discharges derived from ELF waveform data and severe weather (2016)
  • Author(s): Shimizu, C., M. Sato, Y. Hongo, F. Tsuchiya, and Y. Takahashi
  • Journal Title: IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials Volume: 136 Pages: 252-258
  • DOI: 10.1541/ieejfms.136.252
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 超長波(VLF帯)空電観測を用いた落雷位置標定システムによる落雷分布 (2017)
  • Author(s): 大野高寛, 山田素輝, 成田知巳, 佐藤光輝, 坂野井健, 土屋史紀, 金子英治, 原田繁実, 工藤剛史, 茆原正昭, 三塚洋明
  • Organizer: 平成29年電気学会全国大会
  • Place of Presentation: 富山大学五福キャンパス（富山県・富山市）
  • Year and Date: 2017-03-15 – 2017-03-17
• [Presentation] 北海道大学における地球惑星観測装置群の現状と課題 (2017)
  • Author(s): 佐藤光輝
  • Organizer: 名古屋大学宇宙地球環境研究所研究集会「太陽地球系科学に於ける地上観測の現状と課題」
  • Place of Presentation: 九州大学西新プラザ（福岡県・福岡市）
  • Year and Date: 2017-03-13 – 2017-03-13
• [Presentation] ELF帯電波観測による雷放電の電荷量推定とダウンバーストの予測可能性について (2017)
  • Author(s): 清水千春, 佐藤光輝, 高橋幸弘, 土屋史紀, 本郷保二, 阿部修司, 吉川顕正
  • Organizer: 日本大気電気学会第95回研究発表会
  • Place of Presentation: 神戸研究学園都市大学利用施設（兵庫県・神戸市）
  • Year and Date: 2017-01-06 – 2017-01-07
• [Presentation] 国際宇宙ステーションGLIMSミッションにより観測された雷発光強度を用いた雷の電気的特性導出に関する研究 (2017)
  • Author(s): 鈴木克徳, 柿沼遠方, 芳原容英, 佐藤光輝, 高橋幸弘, 足立透, 牛尾知雄, 河崎善一郎, 森本健志, 山崎敦, 鈴木睦, I. Linscott, U. Inan
  • Organizer: 日本大気電気学会第95回研究発表会
  • Place of Presentation: 神戸研究学園都市大学利用施設（兵庫県・神戸市）
  • Year and Date: 2017-01-06 – 2017-01-07
• [Presentation] 地吹雪発生時の地表大気電場変動の発生機構 (2017)
  • Author(s): 石川智也, 鈴木裕子, 源泰拓, 門倉昭, 佐藤光輝, 鴨川仁
  • Organizer: 日本大気電気学会第95回研究発表会
  • Place of Presentation: 神戸研究学園都市大学利用施設（兵庫県・神戸市）
  • Year and Date: 2017-01-06 – 2017-01-07
• [Presentation] Global occurrence rates and their LT/monthly/seasonal variations of lightning, elves, and sprites derived from JEM-GLIMS observations (2016)
  • Author(s): Sato, M.，T. Sato，T. Adachi，T. Ushio，T. Morimoto，M. Suzuki，A. Yamazaki，and Y. Takahashi
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2016
  • Place of Presentation: サンフランシスコ（アメリカ合衆国）
  • Year and Date: 2016-12-12 – 2016-12-16
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] あかつき LAC による金星雷観測の進捗 (2016)
  • Author(s): 高橋幸弘, 佐藤光輝, 今井正尭
  • Organizer: 第30回大気圏シンポジウム
  • Place of Presentation: 宇宙科学研究所（神奈川県・相模原市）
  • Year and Date: 2016-12-05 – 2016-12-06
• [Presentation] スプライトを誘起した雷放電による上空電子密度擾乱の再現 (2016)
  • Author(s): 佐藤光輝, 平木康隆, 足立透，牛尾知雄，森本健志，菊池博史，鈴木睦，山崎敦，高橋幸弘
  • Organizer: 第140回地球電磁気・地球惑星圏学会
  • Place of Presentation: 九州大学伊都キャンパス(福岡県・福岡市）
  • Year and Date: 2016-11-20 – 2016-11-24
• [Presentation] Optical ground-based observation of Venusian lightning in 2015 (2016)
  • Author(s): 今井正尭, 高橋幸弘, 佐藤光輝
  • Organizer: 第140回地球電磁気・地球惑星圏学会
  • Place of Presentation: 九州大学伊都キャンパス(福岡県・福岡市）
  • Year and Date: 2016-11-20 – 2016-11-24
• [Presentation] ELF帯電波観測により推定した雷放電の放電電荷量を用いたダウンバースト現象の予測可能性 (2016)
  • Author(s): 清水千春, 佐藤光輝, 高橋幸弘, 土屋史紀, 本郷保二, 阿部修司, 吉川顕正
  • Organizer: 第140回地球電磁気・地球惑星圏学会
  • Place of Presentation: 九州大学伊都キャンパス(福岡県・福岡市）
  • Year and Date: 2016-11-20 – 2016-11-24
• [Presentation] あかつきによる雷検出の現状 (2016)
  • Author(s): 高橋幸弘, 佐藤光輝, 今井正尭, 渡部重十
  • Organizer: 日本気象学会2016年度秋季大会
  • Place of Presentation: 名古屋大学東山キャンパス（愛知県・名古屋市）
  • Year and Date: 2016-10-26 – 2016-10-28
• [Presentation] Global occurrence rates of lightning, sprites, and elves and their LT dependences derived from JEM-GLIMS nadir observations (2016)
  • Author(s): Sato, M., T. Sato, T. Adachi, T. Ushio, T. Morimoto, H. Kikuchi, M. Suzuki, A. Yamazaki, Y. Takahashi, U. Inan, I. Linscott, and Y. Hobara
  • Organizer: Asia Oceania Geosciences Society (AOGS) 13th Annual Meeting
  • Place of Presentation: 北京（中国）
  • Year and Date: 2016-07-31 – 2016-08-05
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Detection of optical lightning flashes in Venus and Jupiter using spacecraft and ground-based telescope (2016)
  • Author(s): Takahashi, Y., M. Sato, M. Imai, S. Watanabe, and T. Imamura
  • Organizer: Asia Oceania Geosciences Society (AOGS) 13th Annual Meeting
  • Place of Presentation: 北京（中国）
  • Year and Date: 2016-07-31 – 2016-08-05
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Monitoring of thunderstorm and typhoon using lightning detection network and micro-satellites in Southeast Asia (2016)
  • Author(s): Takahashi, Y., M. Sato, K, Yamashita
  • Organizer: Asia Oceania Geosciences Society (AOGS) 13th Annual Meeting
  • Place of Presentation: 北京（中国）
  • Year and Date: 2016-07-31 – 2016-08-05
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] JEM-GLIMS直下視観測から同定したスプライトの水平空間分布と親雷放電との関係 (2016)
  • Author(s): 佐藤光輝, 足立透, 佐藤剛志, 牛尾知雄, 森本健志, 鈴木睦, 山崎敦, 高橋幸弘
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2016年大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ（千葉県・千葉市）
  • Year and Date: 2016-05-22 – 2016-05-26
• [Presentation] Future observations of lightning-exciting ELF waves in Asian region for the nowcasting of eevere weather development (2016)
  • Author(s): Sato, M., C. Shimizu, F. Tsuchiya, N. Honma, Y. Hongo, and Y. Takahashi
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2016年大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ（千葉県・千葉市）
  • Year and Date: 2016-05-22 – 2016-05-26
• [Presentation] Relation between charge amounts of lightning discharges derived from ELF waveform data and severe weather (2016)
  • Author(s): Shimizu, C., M. Sato, Y. Takahashi, F. Tsuchiya, Y. Hongo, S. Abe, and A. Yoshikawa
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2016年大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ（千葉県・千葉市）
  • Year and Date: 2016-05-22 – 2016-05-26
• [Presentation] 北陸冬季雷が下部電離圏に及ぼす影響 (2016)
  • Author(s): 森永洋介, 土屋史紀, 小原隆博, 三澤浩昭, 本間規泰, 佐藤光輝, 大矢浩代
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2016年大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ（千葉県・千葉市）
  • Year and Date: 2016-05-22 – 2016-05-26
• [Presentation] 台風の発生と太陽活動の関係 (2016)
  • Author(s): 高橋幸弘, 佐藤光輝, 山下幸三
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2016年大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ（千葉県・千葉市）
  • Year and Date: 2016-05-22 – 2016-05-26
• [Presentation] 雷放電・TLEsの全球発生分布および発生頻度と地方時間依存性 (2016)
  • Author(s): 佐藤剛志, 佐藤光輝, 牛尾知雄, 森本健志, 足立透, 鈴木睦, 山崎敦, 高橋幸弘
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2016年大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ（千葉県・千葉市）
  • Year and Date: 2016-05-22 – 2016-05-26
• [Presentation] Challenge of lightning detection with LAC on board Akatsuki spacecraft (2016)
  • Author(s): Takahashi, Y., M. Sato, M. Imai, Y. Yair, G. Fischer, and K. Aplin
  • Organizer: EGU General Assembly 2016
  • Place of Presentation: ウィーン（オーストリア）
  • Year and Date: 2016-04-17 – 2016-04-22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Exploration for lightning in Venus with LAC onboard AKATSUKI (2016)
  • Author(s): Takahashi, Y., M. Imai, and M. Sato
  • Organizer: International Venus Conference 2016
  • Place of Presentation: オックスフォード（英国）
  • Year and Date: 2016-04-04 – 2016-04-08
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] JEM-GLIMSミッションホームページ
  • URL: http://www.ep.sci.hokudai.ac.jp/~jemglims/index.html
• [Remarks] 佐藤研究室ホームページ・研究内容
  • URL: http://www.ep.sci.hokudai.ac.jp/~msato/research.html