博 士（ 地 球環 境科 学） 牛山朋來
学 位論文 題名
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（ 西部熱 帯太平洋 で観測さ れた様 々な雲システムの熱力学特性に関する研究）

学 位 論 文 内 容 の 要旨

西 部 熱 帯 太 平 洋 は 地 球 上 で最 も 海 水面 温 度 の高 い 地 域 の1っ で ある 。 こ ニで は 活 発
な 対 流 活動 に 伴 う潜 熱 放 出が 、 大 気大 循 環 に対 し て 重要 な 影 響 をお よ ぼ して い る 。この よ う な対 流 活 動に と も なう 加 熱 分布 と 、 大気 へ の 影響 を 正 確 に知 る ニ とは 、 気 候シス テムの理 解にとっ て不可 欠な要素 である 。また単 に加熱 量だけでなく、：ルロ熟の鉛直分 布が、季 節内振動 (30ー60日振動ま たはMa
dden−Julia
nOscill
ation)などの熱帯域の現象 を再現す る上で重 要であ る。
こ れま で 降 水系 に よ る加 熱 分 布を 求 め る方 法 と して 、 ラ ジ オゾ ン デ によ る 観 測か ら
雲 の 集 団的 な 加 熱の 影 響 を求 め る 方法 と 、 ドッ プ ラ ーレ ー ダ ー の観 測 に よる 風 や 降水の 分 布 や 、 数 値 モ デ ル で 再 現 した 降 水 系内 部 の 構造 か ら 直 接求 め る 方法 の 2種類 が 用い られてき た。前者 は、比 較的簡便 に広範 囲の影響 を調べ ることができる：うミ、降水系の 内 部 構造 と の 関係 に つ いて は議 論でき ない。後 者は、降 水系の 内部構造 レこ関 する議論 ができる が、これ まで解 析事例が 限られ ていた。
そ こで 本 研 究で は 、 降水 系 の内部 構造に 関して時 間的に 連続した 議論を行 う、TOGA−COAREで 観 測 さ れ た 2ケ 月 間 以 上 にわ た る 2
台 の ド ッ プラ ー レ ーダ ー の デー タ を 用い 、デ ュ ア ルド ッ プ ラー 解 析 と熱 力 学 的リ ト リ ーバ ル 法 を用 い て 降 水系 内 部 の加 熱 分 布を直 接 的 に求 め る 解析 を 行 った 。 今 回、 レ ー ダー デ ー タか ら 解 析 でき る 範 囲は 約 oO
km四方 に 限 られ る が 、様 々 な タイ プ の 降水 系 に つい て 連 続的 に 、 内 部構 造 や 加熱 分 布 と環
境 場 と の関 係 に つい て 議 論し 、 大 規模 場 に 対す る 対 流系 の 影 響 を見 積 も るニ と が できた 。 加 熱分 布 に つい て は 、過 去 の 研究 に な らい 、 力 学的 構 造 や 雲物 理 学 的構 造 の 異なる 対流域と 層状域に 分類し て考察し た。
解 析を 行 っ たの は 、 レー ダ ー 解析 領 域 内で 発 生 また は 通 過 した 16事例 で あ る。 そ れぞ れ 対 流域 と 層 状域 に 分 離し 、 対 流域 か ら の降 水 量 の寄 与 が 大 きい も の を対 流 性 降水系 、 層 状域 の 方 が大 き い もの を 層 状性 降 水 系と 定 義 した 。 平 均 的な 加 熱 分布 で は 、層状 性 降 水 系 で は 高 度 約 3kmの 雲 底 を 境 に 上 層 約 10km程 度 ま で 加 熱 、 下 層 で 冷 却 、 特に 4〜 7kmで 加 熱 が 大 き か っ た 。 対流 性 降 水系 で は 、 地面 付 近 を除 い て 、時 に は 高度14km以 上 ま で に お よ ぶ 層 で 加 熱 と な り 、 特 に 2〜 10kmで 加 熱 が 大 き か っ た 。 地 上 降
水 量 で 正規 化 し た加 熱 率 は、 層 状 性降 水 系 の層 状 域 は高 度 4〜 6.5k
rnで 最大 約 lOK/cm

であり、過去のスコールラインの層状域の結果と一致していた。しかし、対流圏中層が極端に乾いている場合など、正規化した加熱率が過大な値を示すことがあった。層状性降水系の対流域部分の効果は無視できるほど小さかった。対流性降水系では、正規化 した 加熱 量は 5〜25K/cmとば らっ きが 大き いが 、対流域部分では高度約6kmで約20K/cmの最大加熱を持つ一定の分布であった。これは、対流性降水系の層状域の加熱分布が非常にばらっきが大きいためである。この結果は、TRMM(Tro]）iCa
JRainfallMeasuringMission)のような、降水系の加熱分布を知る計算方法を開発￣rる上で利用価値が高い。
この観測期間中に出現した降水系の加熱分布と、より大きなスケールの大気環境場との関係について考察した。赤道域の大気では、数カ月以下のスケールでは、30日〜60日周期の季節内振動にともなう大気場の変動が最も大きく、降水系の変f匕も最も大きかった。今回の観測では、季節内振動の1周期分の降水系の変化がとらえられており、これにともなう｀降水系の構造や加熱分布の変化を調べることができたー季節内振動に伴う対流活動の活発期の初期は、CAPE(ConvectiveA
vailablePoteIitialEnergy)が大きく、非常に深い対流が発生していた。しかし、中層以上の大気は比較的乾燥しており、風の鉛直シアーも小さいため、降水系の寿命は短く、大気の加熱の効果は小さかった。その後、中層以上の大気の湿度が上昇するのに伴い、層状性の持続時間の長い降水系が頻繁に発達するようになり、加熱高度はやや狭い範囲である：うミ、大気に与える影響は最も大きくなった。活発期の終りでは、風の鉛直シアーが非常に大きくなり、対流性降水系が卓越した。この時期の対流性降水系は、季節内振動の活発期の初期に 比べ 、持続 時間が 大きく 大気へ の加 熱効果 が大き かった 。
相関解析により、対流圏中層の湿度、CAPE、潜熱加熱量などの関係を調べた。単位面積単位時間あたりの加熱率は、CAPEと正の相関を持ち、対流圏中層の湿度と負の相関を持っていた。しかし、季節内振動の活発期の中心に入るにっれ、湿度の上昇とと も に、 降 水 系 の 持 続 時 間 が 増 大 する 効 果 の 方 が 実 際 に は 大 きか っ た。
また、対流圏中層で亜熱帯から2日程度の期間乾燥空気が流入し、対流圏中層の湿度が極度に減少する現象が現れた。これに伴い、降水系の構造や加熱分布｜こ著しい変化が現れた。季節内振動活発期の最中に発生した乾燥空気の流入時には、層状性降水系 の 発達 が 抑 え ら れ 、 一 時 的 に 対 流性 降 水 系 の 頻 繁 な 発 生 が みら れ た。
これらの解析によって得られた加熱分布の変動と、実際の大気の温度変f匕と比較した結果、数10日スケールの変動はよく一致していたが、数日スケールの変動については一致しない部分もあった。しかし、今回得られた結果は、数10kmスケールの観測領域で捉えられたサンプルの集合であるが、大規模な現象の特徴をある程度表していたと考えられる。
また、この解析によって得られた加熱分布をラジオゾンデの観測からjRめた加熱分
布と比較した。この解析で得られた層状域と対流域の加熱分布型を気象衛星ひまわりの赤 外画 像か ら解 析し た300kmx700kmの範囲の降水量に適用して求めた加熱分布の変動は、ラジオゾンデから求められたものに対し、30日程度のスケールでの変動はよくー致していた。しかし、レーダーから求めた加熱分布は、全体的に，)OliPa，程度低い位置に出ていた。これは、レーダーの特性上、小さな雲粒がとらえられな´ヽことによる影響だと考えられた。

学 位 論 文 審 査 の要 旨
主査

教授

藤吉康志

副査

教授

山崎孝治

副査

教授

竹内謙介

副査

助教授

謝副査

教授

上田尚平
博（大学院理学研究科）

学 位論 文 題 名
Thermodynamic Properties of Various Types ofPrecipitating Cloucls in TroplCSRetrieVed
fromDual― DOpplerRadarobSerVation．
（西部熱帯太平洋で観測 された様々な雲システムの熱力学特性に関する研究）

熱帯西部太平洋は、地球上で最も海面水温の高い地域であり、この地域における活発な対流活動に伴う潜熱放出が、大気大循環に対して重要な影響を及ばしている。この対流活動にともなう加熱分布と、大気への影響を正確に知ることは、気候システムの理解にとって不可欠な要素である。また単に全加熱量だけでなく、加熱の鉛直分布は、季節内振動(
30‑60日振動またはMa
dd
en‑Julian Oscillation)などの熱帯域の現象を再現する上でも重要である。これまで降水系による加熱分布を求める方法として、ラジオゾンデによる観測から雲の集団的な加熱の影響を求める方法と、ドップラーレーダー観測から求めた風や降水の分布、あるいは数値モデルで再現した降水 系内部の構造から直接求める方法の2種類が用いられてきた。前者は、比較的簡便に広範囲の影響を調ぺることができるが、降水系の内部構造との関係については議論できなぃ。後者は、降水系の内部構造に関する議論ができるが、これまでスコールラインなどの特徴的な雲システムにのみ解析事例が限られていた。
そ こで 本研 究で は、 TOG
A‑CO
AREの一 環と して パプ アニ ュー ギニ アの マヌ ス島 で、2ケ月聞以上にわたって行われた、2台のドップラーレーダーよる様々な雲システムの観測データを用い、デュアルドップラー解析と熱力学的リトリーバル法を用いて、降水系内部の加熱分布を 直接的に求める解析を行った。レーダーの観測範囲は約 50km四方に限られるが、長期にわたる様々なタイプの降水系の内部構造や加熱分布を明らかにすることによって、大規模場に対する対流系の影響を見積もることができた。
解析を行っ たのは、レーダー解析領域内で発生または通過した16事 例である。これらの雲システムを、力学的構造や雲物理学的構造の異なる対流域と層状域に分離し、対流域からの降水量の寄与が大きいものを対流性降水系、層状域の方が大きいものを層状性降水

系 と定 義し た。 平均 的な 加熱 分布 では、層状性降水系では高度約3kmの雲底を境に上層約 10km程 度 ま で 加 熱 、 下 層 で 冷 却、 特に 4‑7 kmで 加熱 が大 きか った 。対 流性 降水 系
で は、 地面 付近 を除 いて 、時 には 高度14km以上までにおよぶ層で加熱とな り、特に2〜10kmで 加熱が大きかった。地上降水量で正規化 した加熱率は、層状性降水系の層状域は高 度4〜 6.5kmで最 大約 lOK/cmであり、過去の スコールラインの層状域の結果と一致していた。しかし、対流圏中層 が極端に乾いている場合など、正規化した加熱率が過大な値を示すことがあった。層状性 降水系の対流域部分の効果は無視できるほど小さかった。対流性降水系では、正規化した 加熱量は5〜25K/cmとばらっ きが大きいが、．対流域部分では 高 度約 6kmで約 20K/cmの 最大 加 熱を 持つ 一定 の分 布で あっ た。 これ は、 対流 性降 水系の層状域の加熱分布が非常にぱらっきが大きいためである。
今回 の観測では、30日〜 60日周期の季節内振動の1周期分の降水系の変化がとらえられており、これにともなう降 水系の構造や加熱分布の変化を調べることができた。季節内振動に伴う対流活動の活発期の初期は、CAl:｝E(ConvectiveAvailablePotentialEnergy)が大きく、非常に深い対流が発生していた。しかし、中層以上の大気は比較的乾燥しており、風の鉛直シアーも小さいため 、降水系の寿命は短く、大気の加熱の効果は小さかった。その後、中層以上の大気の湿度 が上昇するのに伴い、層状性の持続時間の長い降水系が頻繁に発達するようになり、加熱 高度はやや狭い範囲であるが、大気に与える影響は最も大きくなった。活発期の終りでは 、風の鉛直シアーが非常に大きくなり、対流性降水系が卓越した。この時期の対流性降水 系は、季節内振動の活発期の初期に比べ、持続時間が大きく大気への加熱効果が大きかった。
これ らの解析によって得られた加熱分布、及 び本解析結果と気象衛星ひまわりの赤外画像とを組み合わせて推定し た加熱分布の変動は、実際の大気の温度変化、ラジオゾンデの 観 測 か ら 求 め た 30日 程 度 の ス ケ ー ル の 変 動 と よ く ― 致 し て い た 。 こ の 結 果 は 、TRMM(IYopical Rainfall Measuring Mi
s8iOn冫のような、衛星を用いて降水系の加熱分布を計算する手法を開発する上で極めて利用価値が高い。
よっ て審査員一同は、これらの成果を高く評 価し、また研究者として誠実かっ熱心であり、大学院課程における研鑚や取得単位なども併せ、申請者が博士（地球環境科学）の学位を受けるのに充分な資格を有するものと判定した。