令和 3 年 6 ⽉ 30 ⽇

第 10 回気象⽂化⼤賞
研究成果報告書
課題名：

雷雲の充放電監視を⽬的とした地上静電界計測網の拡充

研究代表者：

⼭下幸三

所属機関：

⾜利⼤学

⽬次
1.

研究背景・⽬的 .......................................................................................................................22.

観測システム ...........................................................................................................................2

3.

観測結果 ..................................................................................................................................44.

解析 ..........................................................................................................................................55.

4.1.

雲内電荷モデル ................................................................................................................ 54.2.

雲内の電荷量・電荷⾼度の導出 ...................................................................................... 6

まとめ・今後の課題 ................................................................................................................7

成果発表実績 ...................................................................................................................................7
謝辞 .................................................................................................................................................7
参考⽂献 ..........................................................................................................................................811.

研究背景・⽬的「雷」には、雲内で放電が⽣じる「雲放電」と、雲―地⾯間での放電が⽣じる「落雷」（もしくは対地雷放電）の⼆種に⼤別される。本研究課題の最終⽬的は、着雷点に甚⼤な経済的、⼈的被害をもたらす「落雷」の直前発⽣予測である。雷害低減の新技術を切り開く点において⼯学的意義がある。また、雷雲内で⽣じた静電気（以下、雲内電荷）が雲内での放電で収まらず、雲―地⾯間の落雷に⾄る原因は何か、という雷研究における根本的問いの⼀端の解明が期待される点において、理学的意義を有する。
「落雷」の発⽣予測法開発において、放電に電荷を供給する雲内電荷の動態の把握は不可⽋と考えられるが技術的課題は多い。先⾏研究では、雷雲内における電荷が集中する領域の特定や、電荷⾼度の推定が検討されている。最新研究では、電磁界計測に基づいた雷放電路の 3 次元標定データと、気象レーダによるエコー分布を組合せ、雷雲内における電荷領域を推定している[1]。雷放電路の 3 次元標定データを⽤い、雷雲内の正負電荷領域の⾼度を推定した報告もある[2-3]。また、雷雲内部に突⼊させた静電界センサーから電界の鉛直分布を導出し、雷雲内の電荷構造を推定した事例もある[4-5]。雲内電荷の⾼度推定が精⼒的に⾏われている反⾯、雷雲全体の巨視的な電荷量の定量評価や、その時間変化の推定を試みた報告はブラジルにおける観測１事例があるのみである。世界各国において、落雷発⽣と雲内電荷量の盛衰の定量⽐較は未着⼿課題といってよい状況にある。
本申請課題では、雷雲内の総電荷量の定量推定法の開発・確⽴を⽬的とし、2018 年より構築を進めている地上静電界の多点計測網の拡充に取り組んだ。栃⽊県・群⾺県の県境域に発⽣する空間的に孤⽴した雷雲（以下、孤⽴雲）を観測対象とした。孤⽴雲は、その内部に単純化した電荷構造モデル（点電荷モデル、⼆電荷モデル）を仮定しやすい。孤⽴雲に伴う地上静電界の⽔平分布を計 4 点以上で多点計測し、孤⽴雲内に想定した点電荷の電荷量を１秒分解能で導出した。雷雲内の充電(数分スケールの雲内電荷量の時間変化)と放電(落雷・雲放電による１秒以下の時間スケールでの雲内電荷の消失)の定量⽐較を可能とするデータセットを世界に先駆けて創出し、「落雷」の直前発⽣予測法の開発基盤を確⽴した。

2.

観測システム
申請者らは雷雲近傍の地上静電界の多点計測実施のため、2018 年より回転型静電界計測器（以下、フィールドミル）の独⾃開発に取り組んできた。同システムは GPS により 100ms以下の時刻精度での時刻同期機能を有する。本申請課題では 2019 年夏季に展開した独⾃開発システムを刷新した。2020 年夏季に計 15 機のセンサー製造、栃⽊県⾜利市周辺域への計12 機展開を実施した。2019 年版のシステムからの改良点は、下記 2 点である。
(1) 省電⼒化：従来システムの消費電⼒は約 2.4W であり、ソーラー発電駆動では夜間の観測は困難であった。本申請では省電⼒化(1.6W 程度)による夜間観測を実現した。
(2) ⼩型化：従来センサーは本体部重量が 4kg 程度あり、設置には⼤掛かりな固定具を要した。今後のセンサー展開(数 10 機規模)を⾒据え、軽量化(0.9 kg)を実施した。
2

センサー外観を図.1、センサー本体の拡⼤写真を図 2 に⽰す。また、センサー展開状況を図.3、センサー諸元を表.1 にまとめる。

図 1

足利市街地の空き地に設置した 2020 年
図 2 センサー本体部の拡大写真

版センサーの設置風景

図 1、図 2 のフィールドミルは、本申請課題において開発し、2020 年夏季観測に適⽤したセンサーの外観である。2019 年夏季観測に適⽤したセンサーシステムを改善し、⼩型化、省電⼒化、動作安定化を実現したものである。
表 1 2020 年版センサーの諸元

図 3

項目

詳細

動作電圧

11-15 V

動作電流~130 mA

消費電力~1.6 W

信号増幅度×100

サンプリング周波数

100 Hzセンサー部重量0.9 kg

2020 年雷雲観測におけるセンサー配置図

各センサーには GPS モジュールを接続し、誤差 100ms 以下の精度で時刻同期を実現した。2020 年度は計 15 機のセンサーを研究室内で製造し、2020 年 7 ⽉から 9 ⽉にかけて栃⽊県⾜利市、群⾺県太⽥市、群⾺県館林市にまたがるエリアに 12 機の配備に成功した。⽬
標設置数は 15 点であったがコロナ禍で⼤学周辺域との連携が難しく、⽬標設置数には⾄らなかった。計画の⽢さに起因した事項であり、次年度以降の観測における課題とした。
33.

観測結果
観測事例として、2020 年 8 ⽉ 27 ⽇未明に埼⽟県熊⾕市上空で発⽣し、群⾺県太⽥市へ移動した孤⽴雲を下記に⽰す。気象レーダによるエコー分布図を図 4 および図 5 に⽰す。
また、上記孤⽴雲に伴う地上静電界波形を計 7 点で取得した結果を図 6 に⽰す。

図 42020 年 8 月 27 日 1:40 [JST] の C

図 52020 年 8 月 27 日 2:10 [JST]の C バ

バンドレーダーによる高度 2km におけるンドレーダーによる高度 2km におけるエエコー分布図

コー分布図

図 6

2020 年 8 月 27 日未明に観測網付近で発生した孤立雲に伴う地上静電界の変動を計7 点で多点計測した事例
図 4 より、8 ⽉ 27 ⽇ 1:40[JST]頃に孤⽴雲となっていることが確認できた。また、図 5 に⽰す 2:10[JST]のエコー分布図より、2:00[JST]過ぎには降⽔領域が消失していることを確認した。解析対象とした孤⽴雲は、衰退期の雷雲であることが推測される結果となった。
4図 6 では 1:40[JST]頃に観測点 7 点で取得した波形形状が⼀致したことを確認できた。全観測点で、静電界は負の値（上空のマイナス電荷に対応した極性）をとった。同結果は、観測点 7 点で同⼀の点電荷に伴う地上静電界の変動を捉えたものと解釈できる。研究計画当
初は、雷雲内に点電荷モデルおよび⼆電荷モデルの双⽅を適⽤することを予定していた。本稿では、点電荷モデルを仮定した際の解析結果を下記に報告する。

4.

解析

4.1.

雲内電荷モデル

図 6 の結果より、雷雲内に負極性の点電荷を仮定し、電荷量・電荷⾼度の推定を実施した。想定する座標系を図 7 に、𝑖番⽬の観測点（⽔平位置を(𝑥! , 𝑦! )とした）における地上静電界強度𝐸"! (𝑥! , 𝑦! ) [𝑉/𝑚]を式(1)に⽰す。雲内電荷の電荷量を𝑄[𝐶]、三次元位置を(𝑥" , 𝑦" , 𝑧" )とした。
𝐸"! (𝑥! , 𝑦! ) =図 7

𝑄 ∙ 𝑧"[𝑉/𝑚]$2𝜋𝜀# ∙ {(𝑥" − 𝑥! ) + (𝑦" − 𝑦! )$ + 𝑧" $ }%.'

(1)

本申請課題で仮定した単電荷モデル

点電荷モデルを仮定した場合、式(1)における電界強度𝐸"! (𝑥! , 𝑦! ) [𝑉/𝑚]の多点計測より雲内電荷の位置および電荷量を導出する際の未知数は(𝑥" , 𝑦" , 𝑧" , 𝑄)の 4 点である。2020 年 8
⽉ 27 ⽇の観測事例では計 7 点で取得した電界強度𝐸(! [𝑉/𝑚]( 𝑖 = 1~7)を⽤い、雲内電荷における点電荷の位置および電荷量を導出した。
解析では、式(1)に⽰した地上静電界強度における位置(𝑥" , 𝑦" , 𝑧" )および電荷量𝑄[𝐶]を変え、各観測点における取得電界強度𝐸(! [𝑉/𝑚]と⽐較した。⽐較では、下記の式(2)を⽤いた[6]。式(2)において𝜈は解析の⾃由度であり、観測点の数と未知数の数の差分を⽤いた。𝜎! は各観測点における取得電界強度の不確かさである。
*𝜒)$(𝐸(! − 𝐸"! )$1= ∙@𝜈
𝜎! $!+%

5(2)

4.2.

雲内の電荷量・電荷⾼度の導出

式(2)を⽤い、地上静電界の多点計測データより点電荷の位置および電荷量を推定した結果を図 8〜10 に⽰す。図 8 は 1:40:00[JST]における点電荷の⽔平位置を⿊四⾓で⽰している。図 4 に⽰したエコー分布と⼤まかに⼀致したことが確認できた。また、図 9 は観測データと理論式の⽐較結果である。𝜒) の値は１以下となり、算出した電荷位置および電荷量の妥当性を⽰唆する結果となった。

図 8

静電界の多点計測データより算出した孤立雲内の点電荷の水平位置

図 10

図 9

静電界の多点計測データより算出した孤立雲内の点電荷の水平位置

2020 年 8 月 27 日 1:40-1:41[JST]の 1 分間における雲内電荷(点電荷モデルを仮定)の電荷量、電荷高度の時間変化

6

孤⽴雲内の点電荷の電荷量および電荷⾼度の時間変化を図 10 上段および中段に、1 秒ごとの𝜒) の値を図 10 下段に⽰す。𝜒) は解析の確からしさを表す指標であり、１.0 以下もしくは１.0 程度であれば測定値の分布と理論式の⼀致性を⽰すものとなる。
図 10 下段の結果は、本研究の解析の確からしさを⽰唆する結果と考えられる。電荷量は−20 C 程度、電荷⾼度は 7 km 程度となった。これらの数値が妥当なものか、現状において検証は不⼗分な状況である。今後、更なる観測事例の積み増し、気象データとの詳細⽐較が必要である。

5.

まとめ・今後の課題
本研究課題では、雷雲内の電荷量・電荷⾼度の定量評価による落雷予測技術の確⽴を⽬的とし、雷雲に伴う地上静電界の多点計測に取り組んだ。2020 年夏季、栃⽊県⾜利市とその周辺域に静電界センサー12 機を展開(2019 年は計 8 機展開)し、観測網の拡充に成功した。
2020 年 8 ⽉ 27 ⽇未明に⾜利市近傍に発⽣した孤⽴雲を解析対象とし、雲内電荷の電荷量・電荷⾼度を算出した。算出した電荷位置は、レーダエコー領域と⼤まかな⼀致を確認した。本研究における静電界計測および解析⼿法の妥当性を⽰す結果と考えられる。電荷量は−20 C 程度、電荷⾼度は 7 km 程度と推定された。これらの数値が妥当なものか、現状において検証は不⼗分である。今後、更なる観測網の拡張、孤⽴雲取得事例の積み増しに取り組む予定である。

成果発表実績
[1] ⼭下幸三，岩崎博之，藤坂浩史, 静電界計測に基づいた雷雲充放電監視の初期結果, ⽇本⼤気電気学会第 99 回研究発表会, 2021 年 1 ⽉[2] ⼭下幸三，岩崎博之，藤坂浩史, 多点静電界計測に基づいた雲内電荷推定の検討, 令和
３年電気学会全国⼤会, 7-068, 2021 年 3 ⽉[3] Yamashita, K., H. Fujisaka, H. Iwasaki, K. Kanno, M. Hayakawa: Construction of an
Electrostatic Sensor Network to Estimate Total Charge in an Isolated Thundercloud,Proc. of the 35th International Conference on Lightning Protection, 2020[査 読 有 、Accept]

謝辞
本研究にご協⼒頂いた⾜利銀⾏、⾜利市役所、太⽥市役所、わたらせ運動場、株式会社ジャングルデリバリー、⼤ちゃん農園、⼩堀農園の皆様に感謝致します。気象レーダデータ解析においてご尽⼒頂きました群⾺⼤学岩崎教授にも感謝致します。
本研究は第 9 回及び第 10 回気象⽂化⼤賞に加え、JSPS 科研費 18K24253002、第 2 回め
ぶきビジネスアワード⼤学イノベーション賞(常陽銀⾏/⾜利銀⾏)、とちぎ次世代産業創出・育成コンソーシアム 試作開発⽀援の助成を受けています。ここに記して感謝の意を表します。
7参考⽂献[1] Pilkey, J. T., M. A. Uman, J. D. Hill, T. Ngin, W. R. Gamerota, D. M. Jordan, J. Caicedo,and B. Hare: Rocket-triggered lightning propagation paths relative to preceding naturallightning activity and inferred cloud charge, J. Geophys. Res.Atmos., 119, pp.13,427‒
13,456 (2014)[2] Rison, W., Thomas, R. J., Krehbiel, P. R., Hamlin, T., and Harlin, J.: A GPS based three
dimensional lightning mapping system: initial observations in central New Mexico.
Geophys. Res. Lett., 26(23), pp.3573-3576 (1999)[3] Wu, T. , D. Wang, N. Takagi: Lightning mapping with an array of fast antennas, Geophys.
Res. Lett., 45, pp.3698-3705 (2018)[4] Simpson, G. C., and Scrase F. J.: The distribution of electricity in thunderclouds, Proc.
R. Soc. Lond. A161, pp.309‒352 (1937)[5] Marshall, T. C. and Stolzenburg, M.: Estimates of cloud charge densities inthunderstorms, J. Geophys. Res. Atmos., Vol.103, D16, pp.19,769-19,775 (1998)[6] Taylor, J. R.: An introductoin to error analysis, the study of uncertainties in physicalmeasurements (2nd edition), University Science Book (2000), S. Hayashi and R. Baba(Japanese translation), Tokyo Kagaku Doujin, pp.264-274 (2000)
以上8