国立防災科学技術セソター研究報告第23号

1980年3月

551・578．4：551，501．8（521．41）

長岡における降雪粒子のZ−R関係
および粒度分布の特徴皿

八木鶴平＊・上田博＊

国立防災科学技術セソター

SizeDistribution

ana

Z−R

RelationshipObservedofin

Nagaoka，IIand

Himshi

Snow

Partic1es

By

Tsumhei

Yagi

Uyeda

Wα肋ηαげθ蜘κんCθ〃θ・伽必α∫伽〃ω舳ガ・・，肋舳Abstmct

Observations

Niigataofthesize

distributions

Prefecture，in1979fonowing

observations
partic1es
pitationwasandtoc1arify

theirtheTheaveragesize

exp（一ノω）whereasnowparticle

1979weresPecified

astheDis

theofmadein1978．Thetheradar

weresizeinNagaoka，

purposedistribution

reflectivity

Zandoftheofsnow

thepreci−

district．

for

the

me1t・The

particles

performed

betweenin

distributions

ND＝〃owould

those

snow

characteristics

relationships

intensity1モ，Prevailingofpartic1es

aregenera11y

diameter（mm）ofsnow

thewatercharacteristics

oflVo＝ユ・5×103R−o・38and1＝2．O

size
R

expressed

drop

distribution

o・34for

toby

which

observed

aggregated

in

snow．

f1akes，and

as

Wo＝0．97×103R−o・o1and1＝2．2R■o・20for

graupe1particles

whereismm

hr

ユ・The

Z＝2600R1・8for

aggregatedsnowflakes

and

Z＝960R工・6forgraupelreported

Iin

1978

have

been

Different

orologicalsize

extratropical

study

by

Gunn

and

fal1of1978，where
numerous

small

Based

on

in

cyclones

snowfal1sincyclonic

of

under

the

were

prevailed，were

found

were

monsoons

very

distinct

in

the

size

monsoontheevenincorresponding

respecttothedifferent

mete．

toto

be

similarcontrast

to

for

ahigh

those

conditions

wasref1ectivity

those

for

larger

than
Z．

for

thethesnow．

existence

precipitation

precipitation

same

一29一

for

in1979snowfal1s，

distributions，the＊第1研究部異常気候防災研究室

factors

distributions

occurred．In1978，the

radar

R

paper．

size

under

werewith

1979・The

winterwinterpresent

obtained

wasconditions

obtainedpartic1es，The

Marshal1（1958），andstrong

differences

heavy

partin1978andparticles

falls

relationships

distributions

situations

whereZ−R

intensity

thatofintensity．

forRinsnow−

国立防災科学技術セソター研究報告第23号

1980年3月

1．まえがき豪雪時の交通路降雪情報は，近年の輸送需要拡大に対応した道路交通量の増大に鑑み，その甫要性が大幅に増している．気象レーダーはこの降雪情報取得のための有力な手段と考えられるが，局地的な降雪現況の把握あるいは降雪域の動向の推測等には種々の利用上の問題点がある．その一つとして，レーダーを用いて降雪の降水強度を測定するために必要な降雪粒子のレーダー反射因子と降水強度の関係が確立していないことがあげられる．

この関係は一般にZ（レーダー反射因子）一R（降水強度）関係と言われ，雨滴に関しては数多くの観測がなされて気象状況やレーダーユコーパターソ等により整理されているが，降雪粒子についての観測は比較的少ない．観測例として，Imai4α1．（1955），GmnandMarsha11（1958），藤原・柳瀬・高橋（1972），由田（1975），梶川・木場（1978），播磨屋（1978）等があるが，これらの観測結果は降雪粒子のZ−R関係が，気象条件により，統一的に整理される段階に一ないことを示唆している．これは，単に観測例が少ないというだげでな

く，雨滴の場合と異なり，降雪粒子の場合は形態・密度・含水量等の相異により種々のZ−R関係が観測されるためであると考えられる．地域性あるいは気象条件の差がZ−R関係に現われるとすると，ある地域でのレーダーによる降雪の降水強度の現業観測には，むしろその地域での降雪粒子のZ−R関係をいくつかの気象条件により限定的に決める方が実用的であるといえるかも知れない．

本研究はこのような観点で新潟県長岡市において降雪粒子の観測を行ない，同地におけるZ−R関係を求め，降雪粒子の粒度分布の特徴を明らかにすることを目的とした．観測は昭和52年度と昭和53年度の冬期2シーズソにわたつて行なった．昭和52年度の観測結果は序報として前報（八木・清野，1979）に報告した．本報告は続報として，昭和53年度の観測結果に一ついて述べると共に，昭和52年度の結果と合せて考察を進める．

2．降雪粒子の観測と解析
観測と解析方法は前報に詳述してあるので，ここではその概略を記す．

降雪粒子の観測は，従来採用されてきた炉紙法によった．この方法は降雪粒子の粒径をその融解直径として固定する．融解直径Dによる降雪粒子の空間粒度分布1V刀は，一般に指数関数を仮定して，！V刀＝1〉oexp（一1D）（1）

で表現され．ここで，NoはD＝Oを仮定した場合の凡の値であり，∠は粒度分布の広がりを表わす．観測されたそれぞれの炉紙から空問粒度分布を計算するに際し必要た降雪粒子の落下速度は，著者らの観測地と同じ日本海側の秋田での実測値（梶川，1974；Kajikawa，1975）を用いた．

一30一

長岡における降雪粒子のZ−R関係および粒度分布の特徴u一八木・上田

空問粒度分布が決まれぱ，降雪の強さに関係するレーダー反射因子Zは融解直径の6乗に比例し

・一1M…

（・）

・一青1γ・・M・（・）となる．また降水強度Rはで求められる．ここでγは降雪粒子の落下速度である．この時，レーダー反射因子と降水強度の関係，すなわちZ−R関係は実験的に，Z＝3Rβ（4）で表現することができる．ここにBおよびβの値は降水の型や降水粒子の種類によって決まる定数である．

本研究では長岡での降雪粒子のB値とβ値および粒度分布の特徴を表わす（1）式のN。値と1値の降水強度に対する変化を観測資料をもとに解析する．

3．結果

観測期問は昭和54年1月24日から2月4日である．この年の観測では合計87枚の炉紙に粒度分布を固定することができたが，解析に一あたっては，受雪時に一部の降雪粒子が風のため
10ヨ10ヨGRAUPELSNOWFL岬E
1979「979Z＝2600R

1．6Z＝960R・loムlo

10ヨ10ヨ一EE㌔E

1♂

1o10l

1O01．l．o

図1

昭和54年の雪片のZ−R関係

図2

一31一．1

1

Rlmmh■〕

Rlmmh■〕

昭和54年のあられのZ−R関係

10国立防災科学技術セソター研究報告第23号

1980年3月

黒布から跳び出したものや，黒布上で粒子が破壊したものなどを除く63枚について解析した．

3．1気象状況
昭和54年の1月から2月にかげては異常高温・少雪の暖冬傾向が顕著であった．気温は全搬に高く，雨やみぞれの日が多くて降雪日は少なかった．観測地の中越地方平野部の積雪は平年の2〜3割であった．今回観測された降雪は本州中部を通過した低気圧あるいは前線によるものであった．また上層500mb面での顕著な寒気の南下はなかった．

一方，昭和53年に観測された降雪は1月下旬から2月初めの寒波による豪雪時のものが多くを占めた．上層500mbの温度は1月30日輪島で一35oCまで下り，以後数日北日本に寒冷渦が持続した．

3．2降雪粒子のZ−R関係
63回の有意な観測資料を，降雪粒子の種類別に，雪片，あられおよび粉雪の三種に大別し，それぞれのZ−R関係を求めた．

雪片が観測されたのは36回で，降水強度の範囲は0，031から4．3mm／hrであった．図1に解析結果を示す．実線は回帰直線を表わし．Z−R関係式（4）における3値は2600でβ値は1．8であった．

あられが観測されたのは22uで，降水強度の範囲は0．13から3．7mm／hrであった．3値は960，β値は1．6であった．解析結果は図2に示す．

粉雪だけの観測回数は少なく5回であった．粉雪だけが単独で降り続くことが少かったためである．わずか5回であるが回帰させるとB値で670，β値で1．6であった．

3．3降雪粒予の粒度分布の特徴観測された各炉紙について計算Lた空問粒度分布から降雪粒子の粒度分布の特徴を調べるため，前報で述べたように降水強度の階級ごとに分類して空問粒度分布の式（1）のN。と■を求めた．表1は雪片，表2はあられについての分類である．なお粉雪については観測回数
表1昭和54年の雪片の降水強度別の粒度分布におけるN・値と4．Rはそれぞれの階級での平均降水強度で，各階級の降水強度の幅は観測回数がおおむね平均化する

ように定めた・＿R（mm／hr）

R

一0．03〜O．4

woが少ないためにこの節では取扱わない．

図3と図4はそれぞれ雪片とあられについて・粒度分布の特徴・すなわちNOと■が降水強度の変化に対し，どのように変動するか／il

観測回数0．217

1．77x103 3．13

5O．4〜O．6O．497356×103一0．6〜1．O

O．782

2．62xl03 2，44

1．O〜1．5

1．242

1．00×103

1．72

1．5〜2．O

1．848

8．74x102

1．51

2．O〜3．0

2．266

1．01×103

1．55

3．0〜4．5

3．940

1．06×103

1．364755552．97

表2昭和54年のあられの降水強度別の粒度分
布におけるwo値と∠値．
R（mm／hr）

戻凡

〃
2，70

O．02〜O．5

0．341

8．94x102

0．5〜1．00．753

1．21×103

2．46

1．O〜2．0

1．275

8．85×ユ02

2，05

2・0〜4・02・73519・39×1021・82

一32一■観測回数−

長剛こおける降雪粒子のZ−R関係および粒度分布の特徴皿一八木・上田

1o1十。

Oi1♂

1O．01

R：mmh。■1〕

Rlmmh．11〕

1O

1o一〇一3／＝20R＼．
o1，lR｛而rnトrrOl1or1」lO

Rlm。。h一〕1〕

図4昭和54年のあられの粒度分布の特徴．

図3昭和54年の雪片の粒度分布の特徴．

上図はwoの，下図は4の，それぞれ降水強度Rに対する変化を表わす．

を表わしたもので．直線はそれぞれ表1と表2の凡，！のRに対する回帰直線である．
雪片の場合，N。は降水強度の噌加に伴って，No＝1．5×10明一〇・38で減少した．一方ノは1＝2．OR−o．34で減少した．すなわら昭和54年の雪片の空問粒度分布の特徴は降水強度が増加すると共に，分布の幅は広がるが小雪片の個数がむしろ減少して大雪片の数が増加するという緒果であった．この傾向は前報で報告した昭和53年の結果とは凡に関して全く逆である．

すなわち昭和53年は降水強度が増すにしたがって，小雪片の数も増加した．また分布の広がり方も大きい．昭和54年の結果は層状雲からの降雪を観測したGunnandMarsha11（1957）と同じ傾向である．

あられの場合は，昭和54年は，降水強度の増加に伴って，N・＝9．7×102R−o・01の関係でN・はほとんど一定であり，■はλ＝2．2R

o20で減少した．すなわち降水強度が増すに一したがって，大きなあられが増えることにより分布が広くなるという傾向を示した．これはやはり昭和53年の結果と同じではない．すなわち昭和53年のN。は降水強度の大きいところで増加しているが，昭和54年はほとんど一定であり，降水強度の増加に寄与しているのは昭和53年は全体的な個数の増加，昭和54年は大きなあられの個数の増加である．

4．考察

比較のため前報で報告した昭和53年の雪片とあられのZ−R関係および粒度分布の特徴を図5〜8に示す．
一33一

国立防災科学技術セソター研究報告

10ヨl05

SNOWFLAkE

第23号

1980年3月「鮒…
rl1Z・650R

1978

Z＝1200R
ro

1♂

1♂

E■E

EE

1♂

「o．01．1

Rlmmhf1〕

10101

図5昭和53年の雪片のZ−R関係．

図6．1

Rlmmh■〕

1

10

昭和53年のあられのZ−R関係．

SNOW戸LAκE

GR＾uPELコ o．ヨ1
No二3．7・1OR・。・・、6・1鉗目呂

1978

1978ro｝

lO工／

lOj

10コ

ro＝一＿」＿．．．＿＿＿＿」＿＿＿」

O「Rlmmh。」〕

「1o；

01

lO

lO

R｛m［hr〕↑、、、、ボT、、、．、岬、r、r

01

1

Rlmmh一〕1

図7昭和53年の雪片の粒度分布の特徴．

10Ol．1R1而hF1〕

110

図8昭和53年のあられの粒度分布の特徴．

一34一

長剛こおける降雪粒子のZ−R関係および粒度分布の特徴皿一八木・上田

初めに降雪粒子の種類別のZ−R関係をみると，まず雪片の場合，昭和53年の観測結果は68回の観測でZ＝1200R1・3，昭和54年の観測結果では，36回の観測でZ＝2600R1・8であった．この両年の観測結果が表わすZ−R関係の椙異は両年の気象状況の違いからくる粒度分布の相異によると思われる．すなわち昭和53年の観測は季節風下の豪雪型の降雪が多くを占め，一方昭和54年は暖冬であり取得されたデータの大部分は前線あるいは低気圧の通過に伴う降雪のものであった．これを粒度分布の特徴からみると，昭和54年度は粒度分布の式
凡＝N．exp（一11））におけるN。値が降水強度の増加に伴って減少し，また4の値も明らかな減少を示した．これはGmnandMarsha11（1958）と同じ傾向であり，降水強度の増加と共に付着凝集過程で小雪片あるいは単一雪結晶が減少して大雪片が増加していくと考えると説明されよう．このような粒度分布の特徴の相似性が，昭和54年のZ＝2600R1・8とGumand

Marsha11のZ＝2000R2・oが比較的良い一致をみせたことに関係すると考えられる．一方豪雪型の降雪が主であった昭和53年は，Noの値が降水強度の増加と共に，明らかな増加を示L，また1の値は昭和53年ほどではないがゆるやかな減少を示した．このことは降水強度が増加するに伴って大雪片の増加もみられるが，依然として小雪片ないし粉雪が存在し，小粒子から大粒子まで全体として個数が増加することにより降水強度が増加したことを示している．すなわち大雪片に混って降る小雪片や粉雪の存在が粒度分布の大きな特徴となった．この特徴が昭和53年のZ−R関係に反映し，同関係式におげるB値が1200・β値が1．3と昭和53年に比レ」・さな値になったと考えてよい．またこのようた豪雪時の粒度分布の特徴は，一過的な前線性あるいは低気圧性の降雪の場合と違って，季節風下の目本海の大気中への持続的な水蒸気供給に関係すると考えられるかも知れない．

あられの場合，昭和53年の観測結果は，38回の観測でZ＝650R1・ユ，昭和54年の観測結果

は22回の観測でZ＝960R1・6であった．両年の粒度分布の特徴は昭和53年がN・の増加・1の一定，昭和54年がN。の一定，ノーの減少である．昭和53年はあられに大量の粉雪が混って降ったことがこのような粒度分布として現われたと考えられ・Z−R関係式においては昭和
表3雪片について，他の地方で観測されたZ−R関係式におけるB値およびβ値と長剛こおける著者らの観測値の比較．

出典と観測地Imai〃α1．（1955）！・（㎜／・・）
東京

B
600〜2400
2000

Gunn and Marshan（1958） Montreal
Ohtake and Henmi（1970） Alaska
藤原他（1972）
金沢付近
武田他（1972）
英彦山（福岡）由田（1975）
札幌と近郊

β観測回数

1．8

2．0400〜3300 1．5〜2，32000〜2900

1．27〜1，70

300〜650

2．O〜2．7

1400

1．10，013〜111600

1．41041978（八木・清野，1979）

O．013〜11

1200

1．368

1979

0，031〜4．3

2600

1，836

著者ら

長岡

一35一

国立防災科学技術セソター研究報告

表4
出0htake第23号

1980年3月

あられについて，他の地方で観測されたZ−R関係式におけるB値およびβ値と長岡における著者らの観測値の比較1

典
andと観

Henmi（1970）

測地

A1aska藤原他（1972）

金沢付近

武田他（1972）

英彦山（福岡）O．001〜2，O「B

R（mm／hr）

一■

1

β900

！．6

観測回数
「60

300〜2000

1．30〜1．66

200〜500

1，5〜2．0

ユ400
793

1．3

1．25

63

110〜520

1．2〜1．535

由田（1975）

札幌と近郊

O．02

梶川・木場（1978）

秋田O．0025〜25

播磨屋（1978）

札幌と近郊

0．02

長岡

0，058〜8．1

780

1．3

O．058〜8．1

650

1．1

38

O．13 〜3．7
■

960

ユ．622

著者ら

1978（八木・清野，ユ979）
1979〜2．O〜4．O

860

10000

54年に比し，3値とβ値が小さくなった．

次にいくつかの気象状況のもとでの平均的な長岡での／一一一一抽之

Z−R関係という意味で，両年の結果を合わせて回帰直線／（ぶ∵を求めると雪片の場合，Z＝1600R1・4，またあられの場合，Z＝780R1・3となる．このような長岡での雪片とあられの、島；㍗伶

1000
19

Z−R関係を従来の他の地域の観測と比較するとそれぞれ。■

表3，表4のようになる．雪片の場合B値で数百から二千数百およびβ値で1．1から2．7にいたる範囲である．あられの場合3値で数百から二千，β値で1．1から1．7にいた

100

一一■…牌蹴（品る範囲である．著者らの結果にみられたように全般的にい：ll二蛆ごKE／・・・・…ってあられの方が雪片より3値とβ値双方において小さな値をとる傾向がある．表3，表4でみられたZ−R関係の変動はそれぞれの観測地点に卓越した気象状況の反映であると考えられるが，従来の報告では，気象状況を明確に示して結果を分類整理Lたものは少ない．むしろある観測地で観測された全ての雪片やあられ等降雪粒子別に資料を積み重ねて解析した場合が多い．図9は従来の測定値をも1008

図912162．O

β昭和53年と昭和54年の雪片およびあられのZ−R関係式における3値とβ値，およびHarimaya（ユ978）による従来の測定値の領域．とに播磨屋（1978）が雪片とあられについて，それぞれがとり得るB値とβ値の範囲をムβ面に描いたものである．破線で囲まれた領域が雪片について，実線の領域があられについてである．この図に一長剛こおける両年の結果を重複させると，雪片は丸印，あられは三角印のようなところにくる．それぞれ昭和54年の方を黒くぬりつぶしてある．ここで著者らが関心を持つことは，これら4つの点が播磨層の雪片とあられの領域にそれぞれおおむね包含されるということよりも，むしろ昭和53年の季節風による豪雪時の雪片とあられのZ−R関係と一36一

長岡における降雪粒子のZ−R関係および粒度分布の特徴皿一八木・上田

昭和54年の低気圧性の降雪のそれとが図のように相異したということである．なぜならこの相異から，レーダーで降雪の降水強度を推測する場合，同じレーダー反射因子に対して豪雪型の気象条件の時は低気圧性の降雪の時よりも降水強度が大きいという結果が導かれるからである．

5．結論

昭和54年の1月から2月にかけて，新潟県長岡市で降雪粒子の観測を実施し，解析の結果次のようなことがわかった．

（1）低気圧性の降雪であった昭和54年の雪片のZ−R関係は，Z＝2600R1・8であった．
（2）同じくあられのZ−R関係は，Z＝960R1・6であった．
（3）また雪片の粒度分布の特徴は，強水強度の増加と共に分布の幅は広がるが小粒子の個数はむしろ減少し大雪片が増加するという傾向であった．

（4）同じくあられの場合も粒度分布の幅は広がり小粒子の個数はほとんど一定であるが，大粒子が増加して降水強度が増加した．

またこれらの結果を季節風による豪雪型の降雪が卓越した昭和53年の観測資料の前報で報告した解析結果と比較すると，（5）昭和53年の雪片の粒度分布は，降水強度の増加と共に分布の幅が広がり，小粒子も含めて全体として個数が増加した．

（6）同じじくあられの場合も降水強度の増加に寄与する多数の小粒子の存在が顕著な特徴であった．

（7）このような粒度分布の対照的な特徴がZ−R関係に反映し，豪雪時の同関係式におけるB値とβ値は低気圧性の降雪の時より小さくなった．すなわち同じレーダー反射因子に対し豪雪型の気象条件の時は降水強度が大きいという結果にたった．

謝辞

この観測を実施するにあたっては，国立防災科学技術セソター雪害実験研究所に様々な便宜を計っていただいた．記して感謝の意を表わしたい．

本研究は科学技術特別研究促進調整費によるr豪雪時における降積雪の監視システムならびに降雪過程に関する総合研究」（昭和51〜53年度）の一環として行なわれたものである．

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ofsize

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f1ake．∫Fαc．

国立防災科学技術セソター研究報告∫cゴ．Ho尾后αゴ∂o4）

乙r〃ゴ〃．

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一38一