PRESS RELEASE（2023/03/10）

令和 2 年 7 ⽉熊本豪⾬をもたらした⽔蒸気の起源と履歴を解明〜降⽔の同位体⽐から紐解く「線状降⽔帯」の新しい描像〜
ポイント① 令和２年７⽉豪⾬（以下「熊本豪⾬」）では、線状降⽔帯の発⽣と⻑時間の持続が甚⼤な災害をもたらした。しかし、線状降⽔帯の発⽣・維持のメカニズムは、依然として⼗分に解明されていない。そのメカニズムを紐解くには、従来とは全く異なる観点でのアプローチが求められる。
②

本研究では、⽔の同位体分別の過程を組み込んだ同位体領域気象モデル（IsoRSM）による数値シミュレーションから、線状降⽔帯で凝結する多量の⽔蒸気の流⼊過程とその履歴を明らかにすることで、線状降⽔帯の新しい描像を得ることに成功した。

③

⽔蒸気の動態を特徴づける同位体分別の情報から、線状降⽔帯の上流側（⼤陸上）の⽔循環過程の予測精度がないと、線状降⽔帯の降⽔量予測の精度向上も困難であることが⽰唆された。
また、本研究の⼿法は、予測精度の検証への活⽤も期待される。

概要
梅⾬期の九州地⽅では、線状降⽔帯の発⽣と持続によって甚⼤な豪⾬災害が⽣じています。ところが、線状降⽔帯予測の現状は不⼗分であり、その理由として線状降⽔帯⾃体の発⽣・維持のメカニズムが依然として解明されていないことにあります。本研究で、九州⼤学⼤学院理学研究院の李肖陽助教、川村隆⼀教授、熊本⼤学⼤学院先端科学研究部の⼀柳錦平准教授、東京⼤学⽣産技術研究所の芳村圭教授の研究グループは、⽔の同位体分別の過程を組み込んだ同位体領域気象モデル（IsoRSM）
１）を⽤いた⾼解像度数値シミュレーションによって、熊本豪⾬の要因となった線状降⽔帯の再現実験を⾏い、同位体分別の情報から線状降⽔帯形成の新しい描像を得ることに成功しました。
熊本豪⾬の線状降⽔帯は主に、湿潤アジアモンスーン地域から⻑距離にわたって輸送され⾃由⼤気経由で流⼊した⽔蒸気（アジアモンスーン起源）と太平洋⾼気圧の⻄縁に沿って⼤気境界層経由で流⼊した⽔蒸気（太平洋⾼気圧起源）の凝結によって形成・維持されていることがわかりました。前者は全体の凝結量の 57%、後者は 32%を占め、この熊本豪⾬をもたらした線状降⽔帯の構成要素の 89%を説明することができます。また線状降⽔帯の北側を構成するアジアモンスーン起源の⽔素同位体⽐は低く d-excess2）は⾼い⼀⽅、南側を構成する太平洋⾼気圧起源の⽔素同位体⽐は⾼く d-excess は低いという⾮対称構造が明らかになりました。対照的な同位体情報から線状降⽔帯の特異な⽔蒸気の履歴（history）が判明しました。これらの知⾒は豪⾬被害を軽減するための線状降⽔帯の降⽔量予測の精度向上に資することが期待されます。特に⼤陸上の複雑な⽔循環過程がアジアモンスーン起源の⽔蒸気の流⼊量と流⼊⾼度を左右するため、その過程を詳しく調べていく必要があります。
本研究成果は、2023 年 3 ⽉ 1 ⽇(⽔)に国際学術誌「Atmospheric Research」にオンライン掲載（早期公開）されました。また本研究は JSPS 科研費補助⾦（JP19H05696, JP20H00289）の助成を受けました。

(a)

(b)

【左図】(a) 2020 年 7 ⽉ 4
⽇ 5 時の気象衛星ひまわり
8 号の⾚外画像。(b) 同位体
領域気象モデルで再現された線状降⽔帯（同時刻に対応）。衛星画像に⾒られるクラウドクラスター（対流系システム）の中では線状降⽔帯が発達している。

【研究の背景と経緯】
近年、梅⾬期の 7 ⽉において、平成 29 年 7 ⽉九州北部豪⾬、平成 30 年 7 ⽉⻄⽇本豪⾬、令和 2 年
7 ⽉熊本豪⾬に代表されるような甚⼤な豪⾬災害が発⽣しています。また、九州南部の梅⾬降⽔量の年々変動は今世紀初頭から不安定期に移⾏しており（Fujiwara and Kawamura, 2022）、この気候レジームの遷移が近年の豪⾬頻発の背景にあることが指摘されています。
個々の積乱雲が発⽣・消滅を繰り返して⼊れ替わりながら、積乱雲の集団として線状に組織化され、その降⽔システムが⻑時間にわたって停滞する（地理的に固定される）現象、いわゆる線状降⽔帯が発⽣すると、特に甚⼤な災害がもたらされます。線状降⽔帯発⽣の引き⾦となるのは多量の⽔蒸気の流⼊ですが、その⽔蒸気の動態に関する情報が圧倒的に不⾜していることが、線状降⽔帯の発⽣・維持のメカニズムが依然として⼗分に解明されていない主な要因の⼀つになっています。
梅⾬期の豪⾬災害の減災・防災の観点から、線状降⽔帯の予測精度を向上させていくためには、予報モデルの⾼解像度化などの数値予報技術の⾼度化だけではなく、線状降⽔帯の形成メカニズムの全容を明らかにすることも必須であり、両者は⾞の両輪とも⾔えます。そのためには、従来とは全く異なる観点でのアプローチがメカニズム解明へのブレイクスルーになることが期待されます。

図１
⽔蒸気の起源となる海域（または陸域）を、アジアモンスーン起源（インド洋・南シナ海・アジア⼤陸）、太平洋⾼気圧起源（フィリピン海・太平洋）、近海起源（東シナ海・⿊潮・⽇本海）の三つのグループに⼤別している。図中の等値線は海⾯更正気圧、⽮印は鉛直積算
⽔蒸気フラックスを⽰す。

【研究の内容と成果】
本研究では、上記の背景と経緯を踏まえて、線状降⽔帯を形成する⽔蒸気がどこから来て、どのような過程を経てきたのか、その⽔蒸気の起源と履歴を明らかにすることで、「線状降⽔帯」の新しい描像を得ることを主な⽬的としました。具体的には、⽔蒸気の流⼊経路、流⼊⾼度、流⼊量、凝結量の情報だ
けではなく、降⽔の同位体⽐ 3）から⽔蒸気の履歴（history）も明らかにすることで、降⽔量予測の改善へと繋がることを期待して詳細に調査をしました。研究対象としたのは、球磨川流域で甚⼤な被害をもたらした熊本豪⾬です。九州地⽅への多量の⽔蒸気流⼊によって豪⾬災害がもたらされたという点では、
平成 24 年 7 ⽉九州北部豪⾬と並んで典型的な豪⾬事例です。また、⽔の同位体分別の過程を組み込んだ同位体領域気象モデル（IsoRSM）を⽤いた⽔平解像度 3 km の⾼解像度シミュレーションを実施し、熊本豪⾬をもたらした線状降⽔帯の再現を試みました。主な結果は以下の通りです。
(i) 熊本豪⾬の線状降⽔帯は、主に湿潤アジアモンスーン地域から⻑距離にわたって輸送され⾃由⼤気経由（極⼤⾼度は 900-800hPa 付近）で流⼊した⽔蒸気（アジアモンスーン起源）と太平洋⾼気圧の⻄縁に沿って（900hPa 以下の）⼤気境界層 4）経由で流⼊した⽔蒸気（太平洋⾼気圧起源）の凝結によって形成・維持されていることがわかりました（図１及び図 2 参照）。7 ⽉ 3 ⽇ 15 時から 7 ⽉ 4 ⽇ 5 時までの期間平均では、前者は全体の凝結量の 57%、後者は 32%を占め、この熊本豪⾬をもたらした線状降⽔帯の構成要素の 89%を説明することができます。対照的に近海起源は、10%未満に過ぎません。全体に占める割合が 10%未満であることは意外に思われるかもしれませんが、⿊潮の影響を除去した海⾯⽔温改変実験では、熊本豪⾬の線状降⽔帯の期間降⽔量が 9~11%程度減少するという報告があり（Kawano and Kawamura, 2022）、⼤きな⽭盾はありません。
(ii) アジアモンスーン起源と太平洋⾼気圧起源の⽔蒸気がマージして線状降⽔帯が形成されていますが、両起源の⽔の同位体情報から線状降⽔帯の特異な⽔蒸気の履歴（history）が明らかになりました。
具体的には、線状降⽔帯の北側を構成するアジアモンスーン起源の⽔素同位体⽐は低く、d-excess は⾼い⼀⽅、南側を構成する太平洋⾼気圧起源の⽔素同位体⽐は⾼く d-excess は低いという南北の⾮対称構造（図 3）が初めて⾒出されました。
(iii) アジアモンスーン起源の⽔蒸気は、⻑距離にわたって輸送される過程で、活発な降⽔活動によるrainout 効果（⽔蒸気の凝結による除去の効果）で主に⽔素同位体⽐は低下し、below-cloud evaporation効果（雲底下の⾬滴蒸発による効果）で d-excess が上昇傾向になっている履歴が明らかになりました。
対照的に、太平洋⾼気圧起源の⽔蒸気は、降⽔活動が抑制されている⾼気圧圏内の境界層内に閉じ込められているため、起源海域での蒸発時の同位体情報が⽐較的保存されていることが明らかになりました。

図２
線状降⽔帯発⽣前後の九州地⽅で領域平均された各物理量の時間的推移。(a)降⽔量、⽔蒸気フラックス収束、地表⾯蒸発。(b)起源海域（または陸域）毎の可降⽔量。(c) 起源海域（または陸域）毎の凝結量。(d)⽔素同位体⽐、d-excess。

図 3 (a)線状降⽔帯内の⽔素同位体⽐の空間分布。(b) d-excess の空間分布。単位は‰

【今後の展開】
熊本豪⾬の線状降⽔帯を形成・維持している⽔蒸気の流⼊経路、流⼊⾼度、流⼊量、凝結量が同定され、⽔蒸気の履歴情報も得ることができました。本研究の結果から、線状降⽔帯の予測に関して様々な有⽤な情報が得られています。太平洋⾼気圧起源の⽔蒸気は、⼤気境界層経由で流⼊してくるため、境界層内の⽔蒸気量の正確な⾒積もりが特に重要です。⼀⽅、アジアモンスーン起源の⽔蒸気は輸送過程において降⽔活動に伴う rainout と below-cloud evaporation を繰り返して 900-800hPa 付近から流⼊してくるため、線状降⽔帯の上流側に位置する⼤陸上の⽔循環過程の正確な把握が必要になってきます。
複雑な⽔循環過程が九州地⽅への⽔蒸気の流⼊量や流⼊⾼度に⼤きく影響するからです。
また、以上の知⾒は線状降⽔帯の予測精度の検証への活⽤も期待されます。たとえば、線状降⽔帯の予測に位置ずれが⽣じたり、降⽔量を過⼩評価したりした場合、各⽔蒸気起源の流⼊経路、流⼊⾼度、流⼊量、凝結量をそれぞれ検証することで、精度を悪くしている要因を特定できる可能性があります。
もし、上流側の⽔蒸気量の観測データを同化したことで精度が向上したのであれば、上述の検証から、その物理的要因を探ることができます。そのような検証は、数値予報モデルの改善にも繋がっていきます。今回は九州地⽅で甚⼤な被害を与えた典型的な豪⾬事例に着⽬しましたが、豪⾬をもたらす線状降⽔帯の特徴には著しい多様性があります。本研究の⼿法を活⽤して、線状降⽔帯の普遍的な理解をさらに進めていきたいと考えています。
【⽤語解説】
注 1) 同位体領域気象モデル（IsoRSM）
領域気象モデル（RSM）において⽔物質について計算する各物理プロセスに同位体過程が組み込まれた数値モデルです。凝結や蒸発時の同位体分別（平衡分別と動的分別）などが考慮されています。
注２) d-excess
⽔素同位体⽐と酸素同位体⽐から求められる指標で、主に⽔が蒸発した時の環境を反映している
ため、降⽔の元になっている⽔蒸気の起源を診断するトレーサーとして利⽤されています。
注３) 降⽔の同位体⽐
⽔循環過程において相変化の履歴や分⼦拡散の程度が⽔の安定同位体⽐の組成に反映されるため、その⽔の履歴を遡って起源を推定することができます。⽔素同位体⽐または酸素同位体⽐が使われます。
注４) ⼤気境界層
地表⾯（海⾯）から⾼度 1km ぐらいまでの⼤気層で、地表⾯（海⾯）の摩擦の影響や地表⾯（海⾯）からの熱・⽔蒸気供給の影響を強く受ける層です。⼤気境界層の上は⾃由⼤気と呼ばれています。
【謝辞】
本研究は JSPS 科研費補助⾦（JP19H05696,JP20H00289）の助成を受けて⾏われました。
【論⽂情報】
掲載誌：Atmospheric Research
タイトル： Moisture sources and isotopic composition of a record-breaking heavy Meiyu-Baiu
rainfall in southwestern Japan in early July 2020
著者名：Xiaoyang Li, Ryuichi Kawamura, Kimpei Ichiyanagi, Kei Yoshimura
D O I ：10.1016/j.atmosres.2023.106693

【お問合せ先】＜研究に関すること＞
九州⼤学⼤学院理学研究院 教授 川村 隆⼀（かわむら りゅういち）
T E L：092-802-4233
Mail：kawamura.ryuichi.130@m.kyushu-u.ac.jp＜報道に関すること＞
九州⼤学 広報室T E L：092-802-2130 FA X：092-802-2139
Mail：koho@jimu.kyushu-u.ac.jp
熊本⼤学 総務部総務課広報戦略室
T E L：096-342-3269 FA X：096-342-3110
Mail：sos-koho@jimu.kumamoto-u.ac.jp
東京⼤学 ⽣産技術研究所 広報室
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