令和5年度 気象研究所研究成果発表会

災害をもたらす自然現象や気候変動を理解し、命と暮らしを守る最新研究

２．雪粒子の特徴から探る降水形成メカニズム

気象予報研究部橋本 明弘

雪粒子の特徴から探る降水形成メカニズム橋本明弘
気象研究所 気象予報研究部
令和5年度 気象研究所 研究成果発表会

2023年12月2日

本研究の一部は、気象研究所緊急研究「集中観測等による線状降水帯の機構解明研究」 、および、JSPS科研費 22K03724 の助成を受けたものです。

数値予報モデル

発表内容
雲・降水のでき方
多様な雪粒子を表現する数値モデル
その仕組みと実際
降水メカニズム
雪粒子を手がかりに降水の仕組みを探る

雲・降水粒子の集合
水滴・氷粒子水滴

雲粒
Pruppacher, H. and Beard, K. V.: A wind tunnel investigation of theinternal circulation and shape of water drops falling at terminal
velocity in air. Q. J. Roy. Meteorol. Soc., 96, 247–256, 1970.

雨滴

氷

特理

氷粒子

その多様さ

Kikuchi, K., T. Kameda, K. Higuchi, A. Yamashita, WG members for
new classification of snow crystals, 2013: A global classificationof snow crystals, ice crystals, and solid precipitation based on
observations from middle latitudes to polar regions. Atmos. Res.,132-133, 460-472.

温態

成
な飽和水蒸気量

熱力学的因子による粒子の成長
水蒸気量がこの曲線より大きくなると粒子が成長する。

凝結成長・昇華成長

温度

湿度

温度・湿度条件に応じた氷粒子の成長

温度
Magono, C. and C. W. Lee, 1966: Meteorological Classification of Natural Snow
Crystals. Journal of the Faculty of Science, Hokkaido University. Series 7,Geophysics, 2(4), 321-335

機械的因子による粒子の成長

水滴同士が衝突する

氷粒子と水滴が衝突する機械的因子による粒子の成長

一体化する

水滴の衝突併合成長

水滴が凍る

氷粒子の雲粒捕捉成長

雲粒捕捉成長の痕跡

Kikuchi, K., T. Kameda, K. Higuchi, A. Yamashita, WG members for
new classification of snow crystals, 2013: A global classificationof snow crystals, ice crystals, and solid precipitation based on
observations from middle latitudes to polar regions. Atmos. Res.,
132-133, 460-472.

日射
雲雨雪

数値モデル

大気の流れや雲・雨・雪を乱流

物理学の法則をもとに計算する赤外放射
積雪 森林 海大気を加速/減速, 加熱/冷却, 加湿/除湿

湿度

モデル開発

温度
Magono, C. and C. W. Lee, 1966: Meteorological Classification of Natural Snow Crystals.
Journal of the Faculty of Science, Hokkaido University. Series 7, Geophysics, 2(4), 321-335

湿度

従来のモデルの雪粒子

温度
Magono, C. and C. W. Lee, 1966: Meteorological Classification of Natural Snow Crystals.
Journal of the Faculty of Science, Hokkaido University. Series 7, Geophysics, 2(4), 321-335

新しいモデルの雪粒子

湿度

※

温度
Magono, C. and C. W. Lee, 1966: Meteorological Classification of Natural Snow Crystals.
Journal of the Faculty of Science, Hokkaido University. Series 7, Geophysics, 2(4), 321-335※ 素過程追跡モデル

Hashimoto et al., 2020: Process-Tracking Scheme Based on Bulk Microphysics to Diagnose the Features of Snow
Particles. SOLA, 16, 51−56, doi:10.2151/sola.2020-009.

実際の降雪事例をモデルで再現する

その１

2018年2月23日早朝, 札幌
②

①

③

③1mm
1mm

1mm

④
①1mm
1mm
日本気象協会

1mm

日本気象協会

⑤

時刻時
12
34
56

気温℃
-4.1
-3.5
-3.4
-3.1
-2.8
-3.0

降水量
mm
0.0
0.0
0.5
1.5
1.5
0.5

風向
16方位
南東
北北東
北北東
東北東
北
東南東

風速m/s
2.4
1.3
0.9
1.2
0.3
0.8日照時間
h0.00.00.0

積雪深cm
106105106108110
111

7-2.90.0

南東

1.10.0111

石狩アメダスデー
タ20018/2/23 さっぽろ積雪情報 第19号 観測場所：札幌市北区 日本雪氷学会北海道支部 雪氷災害調査チーム

2018/2/23 8：30から 撮影
明け方から降雪、約17cm積もる。7時頃から家の前除雪、軽い雪、雲粒なし結晶目立つ。
朝食後、撮影開始（8：30～）。
気温は若干プラス。撮影の車庫内は+1.5℃。撮影中のサンプルの融解が速い。数秒内に撮影。薄い透明シートに載せて。新雪で質量が小さいので、融解が速い。大粒の雪なら+3℃でもOK。
天気図と雪雲を見ると、低気圧前面の降雪。降雪の前半は「鼓」が多く（③、④、⑤）、後半は樹枝が多い（①、②）。
今回の降雪はニセコ方面では降っていない模様。

新雪の深さ：約15cm①：表面②：表面から5cm下③8cm下④11cm下⑤15cm下1mm
20180223屯田

日本雪氷学会北海道支部のホームページ https://avalanche.seppyo.org/snow/

第19号

010

計算結果

3210

2018年2月23日

3201802231500
18JST
201802230900 UTC
UTC1mm④①15JST
201802230000 UTC
201802230300
201802230600
06JST

1

板状・樹枝状↑日本気象協会
03JST
201802221800 UTC 板状・柱状

00

気温℃
-4.1
-3.5
-3.4
-3.1
-2.8
-3.0

1

降水量mm
0.0
0.0
0.5
1.5
1.50.5質量比0201802221510 UTC

風向 数値気象モデルによる降雪粒
風速
日照時間
橋本他,2018:
子予測の高度化,
北海道の雪氷,37, h63-66,m/s
16方位
https://www.seppyo.org/hokkaido/journal/j37
2.4
南東/15_2018_snowhokkaido37_Hashimoto.pdf
北北東
北北東
東北東
北
東南東

1.3
0.9
1.2
0.3
0.8

0.0
0.00.0雪粒子の形状変化を再現できている

積雪深cm
106
105
106
108
110
111

石狩0

時刻
時
7-2.9
0.0
1.1
0.0
111
南東
1220018/2/23 さっぽろ積雪情報 第19号 観測場所：札幌市北区 日本雪氷学会北海道支部 雪氷災害調査チーム
345T (oC)
7 %
6Rain

-4

Dep-13

Si (%)

Akitaya

0

雨

1mm

1mm

①-10-13 -17 -20
0 %o-36oC

Temperature ( C)Dep-0 Dep-4 Dep-10 Dep-20 Dep-36 Accr

雪Snow

7霰

Graupel②0.0 0.1 0.2 0.31mm

日本気象協会2時刻時
12345632
10−20 −1020

recipitation amount①1mm

recipitation amountrecipitation
amount
降水量(mm)

Akitaya

①1mm

↑

3
2
10

日本気象協会

気温℃
1mm
-4.1
-3.5
-3.4
-3.1
-2.8
-3.0
-2.9

降水量
mm
0.0
0.0
0.5
1.5
1.5
0.5
0.01m

1mm
日本気象協会⑤−400 0
風向
16方位
南東
北北東
北北東
東北東
北
東南東

風速m/s
2.4
1.30.9
1.2
0.3
0.8

南東1.1

新雪の
①：表
②：表
③
④
日照時
⑤h

Heat flux (W0.00.0
0.00.020018/2/23 さっぽろ積雪情報 第19号 観測場所：札幌市北区 日本雪氷学会

実際の降雪事例をモデルで再現する

その２

2017年3月27日
降雪粒子が弱層形成に関与した可能性

中村ほか, 2018: 那須雪崩災害の現地調査, 平成 29 年度科学研究費補助金(特別研究促進費)「2017年3月27日に栃木県那須町で発生した雪崩災害に関する調査研究」
研究成果報告, 1-20, https://www.bosai.go.jp/seppyo/research/nasu_report.html .

雪崩地点の降雪粒子と新雪粒子層位

雲粒捕捉成長した粒子

雲粒捕捉成長していない粒子

雲粒捕捉成長した粒子

図8 積雪断面中の弱層の位置と雪結晶の写真
中村ほか, 2017: 那須町雪崩災害調査報告 第1回調査（2017.3.28）,
https://www.bosai.go.jp/seppyo/research/nor3uc00000007oqatt/report_20170328_NasuOnsen.pdf

雪崩地点の降雪粒子と新雪粒子層位
計算結果
雲粒捕捉成長した粒子

降水量 (mm)

86

雲粒捕捉成長していない粒子

4
雲粒捕捉成長した粒子

20

質量比

1

橋本ほか, 2018:降雪による弱層形成に関する数値気象モデルを用いた再現実験, 平成 29 年度科学研究費補助金(特別研究促進費)「2017年3月27日に栃木県那須町で発生した雪崩災害に関する調査研究」研究成果報告, 64-69,
https://www.bosai.go.jp/seppyo/research/o6cq970000000qe3-att/NasuKakenReport_chapter3-5.pdf

雲粒捕捉成長の度合いを再現できている

降水メカニズム解明

観測とモデルを駆使して降水粒子撮像ゾンデ Rainscope 明星電気

SOLA, 2023, Vol. 19, 261−268, doi:10.2151/sola.2023-034

263

Fig. 1. (a) Exterior of Rainscope. (b) Interior of Rainscope, equipped with a camera, LEDs, and two infrared sensors. (c) 400MHz band Yagi antenna for GPS radiosonde and Rainscope. (d) Image display on a PC. (e) Compact receiver.
Table 1. Specifications of Rainscope.
Detection sensitivity

0.3 mm or larger (changeable)

Field of view
Tone
Resolution
Shooting interval

32 × 24 mm
Monochrome
640 × 480 Pixel
2 or 4 fps (selectable)

Carrier frequency
Occupied bandwidthPower
Modulation method
Transmission speedTransmission interval

403.3–405.7 MHz (100 kHz interval)< 60 kHz100 mW (20 dBm)
FM-FSK
52.48 Kbps
0.5 fps

Suzuki et al.,2023:
of a NewParticle
sensor Development
IR line sensor width
40 mm Particle Imaging Radiosonde
Illumination
with Particle Fall Velocity MeasurementsWhitein LED
Clouds. SOLA, 19, 261-268,
Detector
2 IR line sensors
doi:10.2151/sola.2023-034.
Fall velocity sensor
Sensor distance
28 mmImageTransmitter2022年2月20日 Rainscope 試験観測事例

放球時刻 2022年2月20日 00:18:48 JST
放球場所 水戸市小吹町（北緯36.33528度、東経140.4217度）

茨城県沖から房総半島・相模湾にかけて降水域

橋本明弘, 鈴木賢士, 梅原章仁, 2023: Rainscopeゾンデにより観測された降水システムに関する数値実験 事例：2022年2月20日水戸, 日本地球惑星連合大会, AAS06-P04.

観測された鉛直プロファイルと粒子特性
(a)

(b)

湿度（℃）

風向（°）

(c)
00:38:42 JST
3,760m
雲粒捕捉の観測 モデル

観測 モデル

寄与が小さい粒子

水戸市から放球

高度（m）

0℃

00:29:37 JST
2,202m
雲粒捕捉の寄与が大きい粒子
00:26:42 JST
1,669m
融解中の粒子温度（℃）
放球時刻 2022年2月20日 00:18:48 JST
放球場所 水戸市小吹町（北緯36.33528度、東経140.4217度）

風速（m/s）

高度3-4 km雲粒の寄与が小さい粒子（角板・樹枝）
凍結高度のすぐ上
濃密雲粒付き粒子（角板・樹枝状粒子が雲粒捕捉成長したもの）
凍結高度より低い高度 融解した粒子

橋本明弘, 鈴木賢士, 梅原章仁, 2023: Rainscopeゾンデにより観測された降水システムに関する数値実験 事例：2022年2月20日水戸, 日本
地球惑星連合大会, AAS06-P04.
Suzuki et al., 2023: Development of a New Particle Imaging Radiosonde with Particle Fall Velocity Measurements in Clouds. SOLA, 19,261-268, doi:10.2151/sola.2023-034 .

計算結果

房総半島〜相模湾で雲粒捕捉の寄与が大きい
高度2000m付近

雲粒捕捉成長の寄与が50％以上
雲粒捕捉成長の寄与が50％未満

温度湿度別粒子タイプの中で最も大きい寄与を占めるタイプ

橋本明弘, 鈴木賢士, 梅原章仁, 2023: Rainscopeゾンデにより観測された降水システムに関する数値実験 事例：2022年2月20日水戸, 日本地球惑星連合大会, AAS06-P04.

計算結果
房総半島〜相模湾の下層で収束↓
周囲から空気が集まって持ち上がる↓
空気が冷やされる↓水滴ができる水戸上空の空気はどこから来たか？
水戸上空 4000 m の空気塊

水戸上空 2500 m の空気塊

138˚

2142˚

142˚142˚
Hourlyprecipitation
amount(mm)Hourlyprecipitation
amount(mm)収束域を相模湾上空で横断

橋本明弘, 鈴木賢士, 梅原章仁, 2023: Rainscopeゾンデにより観測された降水システムに関する数値実験 事例：2022年2月20日水戸, 日本地球惑星連合大会, AAS06-P04.

10.1

1
1

1
10
降水強度（mm/h）

10
100.1

0.1
0.1

10
10

1
1

0.1
0.1

Hourlyprecipitation
amount(mm)
Hourlyprecipitation
amount(mm)

収束域を房総〜茨城県南部上空で横断

140˚
140˚

140˚

138˚
138˚

140˚
140˚
140˚
140˚142˚
142˚
110
降水強度（mm/h）

34˚38˚38˚36˚36˚138˚138˚101

precipitation amount (mm)

(b)

140˚
140˚
140˚
0.1

34˚34˚38˚38˚36˚36˚34˚34˚38˚36˚(a)Hourly precipitat

観測結果の解釈
00:38:42 JST
3,760m
雲粒捕捉の寄与が小さい
粒子
2000 m

温度・湿度に応じた昇華成長

4000 m2500 m

00:29:37 JST
2,202m
雲粒捕捉の寄与が大きい
粒子

雲粒分布域

水戸
雲粒捕捉成長

枯渇
は雲粒

沢
潤
は粒
雲域
収束

雲粒は潤
沢

雲粒分布域

3000 m伊豆半島

まとめ
多様な雪粒子を再現できる数値モデルを開発
降水粒子の観測と数値モデルを組み合わせた
降水メカニズム解明
観測とモデルの進歩によって可能に鮮明な粒子画像
多様な雪粒子を再現
今後数値モデルの開発を進めながら、地上観測, 気球・航空機観測, 二重偏波レーダー, 衛星リモートセンシング等様々な観測から得られる粒子情報と組み合わせて、モデル検証・メカニズム解明を進める。

ご清聴ありがとうございました。