B201
線状対流系の組織化指標に対するマルチフラクタル的状態変化の先行性

Precedent Multifractal Variation against Organizing Index of Linear-shaped Convective Systems〇大野哲之・山口弘誠・中北英一〇 Akiyuki ONO, Kosei YAMAGUCHI, Eiichi NAKAKITA

Early warnings of LCSs considering the meteorological aspects of observation and numerical simulation data areessential in ensuring lead time for ﬂooding controls and evacuation. The current study examines the diagnostic
approach of multifractal analysis for LCSs using a cloud-resolving model with 500-m horizontal resolution. We
deﬁned multifractal as power laws of 3D spatial scale for water vapor ﬂux (QVF) and turbulence kinetic energy(TKE). To deﬁne the period of the organization of LCS, we estimate the temporal variation of convective massﬂux (CMF) which is the total volume of upward moisture ﬂux and fractal dimension of updraft (FDU). Whenthe isolated convective clouds initiated FDU showed a gradual increasing tendency. CMF and FDU increase as
merging convective clouds and forming LCS and we deﬁned this period as the organization of LCS. Our analyses
revealed multifractal signals on QVF and TKE that appeared about 1-h before LCS organization (148 words).

1. はじめに系の組織化を定量的に診断する手法を検討する．

局所的な小スケールの要因で発生する線状対流

そして大野ら (2022) が示した線状対流系周辺のマ系の発生予測は未だ挑戦的な課題である．線状対

ルチフラクタル的変動が組織化に先行して生じる流系の発生前から積乱雲群の組織化までの大気場ことを示し，マルチフラクタルの豪雨早期探知手パターンを定量的に評価し，発生の早期探知をリ法への応用可能性を検討する．

アルタイムで捉える枠組みは，治水管理や避難の2. 解析手法

リードタイムを大きくする意味で重要な課題であ雲解像モデルには CReSS を使用した．近畿地

る．数多くの先行研究がメソ対流系の組織化過程

方全域に渡る水平解像度 500 m の計算領域を設定について議論している（例えば Kato (2020) など）．

し，2012 年 7 月 15 日に発生した京都亀岡豪雨を一方で線状対流系の 3 次元的なメカニズムに根差対象に再現実験を行った．初期値・境界値には気して組織化を定量的に規定した研究はない．

象庁 MSM 解析値を使用し，モデルに与えた地形は解像度約 30 m の SRTMGL1 を用いて作成した．

ける 3 次元的な上昇流域の時間変化から線状対流マルチフラクタル解析の手法は大野ら (2022) を11.00600(a) Upward
10.0

9.0

8.0用いた．CReSS の予報変数である水蒸気混合比・0530

3 次元風速場を用いた水蒸気フラックス (QVF)，および乱流運動エネルギー (TKE) について解析し0500

0120JST (>50 mm h-1)
0130JST
0140JST
0150JST
0200JST
0210JST
0220JST

0430
0400
0330
0300
0230

7.00200

Time [JST]Convective mass flux [×1010 kg m s-1]

そこで本研究ではまず，雲解像モデル実験にお0130
6.001000030

5.0
1.600000
1.70

1.80

1.90

2.00

2.10

2.20

2.30

Fractal dimension D0た．マルチフラクタル性の強さを表す指標として一般化次元の差分 Δ𝐷 𝑞 ≡ 𝐷 1 − 𝐷 7 を用いた．
ここで対流系周辺の 3 次元空間内の上昇流域に着目した組織化指標として以下の 2 つを定義した:(i) 上昇流域のフラクタル次元 (𝐷 0 )，(ii) 対流性質
量フラックス (Convective Mass Flux; CMF)．ただし上昇流域は 𝑤 ≥ 1 m s −1 を満たす格子の集合とした．前者は上昇流域の 3 次元的な広がり度合い

図 1: 組織化指標の毎 5 分の時系列．横軸を上昇流域のの指標，後者は上昇流によって上向きに輸送されフラクタル次元 𝐷 0 に，縦軸を CMF に設定した．

る湿潤空気の総量と解釈することができる．

0100

Rainfall intensity [mm h-1]

35300300

25200400

151005000135.4

135.6

135.8

136.0

0.50
0.45

2.1

0.40
0.35

2.00.30

1.9

0.25
0.20

1.8QVF

50600
135.20.55(b) ΔDq

2.2400200

Time [JST]

2.345

136.2

ΔDq (TKE)

50

data using 2:1:3(a) KM-ST1×10-1ΔDq (QVF)0000

TKE

0.15

1.7
0.100000 0030 0100 0130 0200 0230 0300 0330 0400 0430 0500

Time [JST]Longitude [°E]

図 2: (a) 線状対流系の再現計算における (南北平均した) 地上降水強度のホフメラー図．(b) 対流系近傍領域のマルチフラクタル指標の時系列．赤色は図 1 の変曲点に基づいて組織化の時間帯と判定した時間帯を表す．

3. 解析結果
図 1 に組織化指標 𝐷 0 ，CMF を 5 分毎に色で塗り分けたプロットを，図 2(a) に再現計算における時間帯と定義する．今回の再現実験の場合では地上降水強度の時空間特性を示す．線状対流系にタル指標 Δ𝐷 𝑞 の時系列との比較する (図 2(b))．

直接関連した降水強度 50 mm h −1 以上の地点が始0150-0210 JST が組織化の時間帯と考えられる．
組織化の時間帯を踏まえた上でマルチフラク

三角の時刻よりも前から，𝐷 0 が増加していた．こ

QVF，TKE のどちらの Δ𝐷 𝑞 も組織化の時間帯の約 1 時間前 (豪雨開始の約 20 分前) に増加傾向に転じていたことが明らかになった．2 つの Δ𝐷 𝑞 がの間 CMF はほぼ横ばいであった．最初の降水域増大する原因は線状対流系初期の浅い対流が周囲は北東方向へ移動し，その上流側である 135.6◦ Eとは異なるべき乗則に従っていると判定されるた付近で新たな降水域が継続的に発生した (図 2(a))．

めである．QVF は対流の発達とともに比較的大一方で 0150 JST 以降 (図 1 の菱形) ではプロッ

きい値が対流コア・上流側の下層ジェットに集中

トが右上への上昇傾向に転じ， 𝐷 0 と CMF の両し，さらにマルチフラクタル性が強まった．一方方が増加している様子が見られた．プロットの移で TKE は対流系の初期段階において最も Δ𝐷 𝑞 が動傾向が右から右上へ変化するこの点を変曲点と増大するものの，組織化の時間帯以降は減少に転呼ぶことにする．高度約 1.5 km における上昇流じ一定範囲内で推移した．これは下層ジェットに域は，変曲点以前では団塊状であるのに対して，伴う水蒸気の潜熱放出が継続することで乱流生成

0220 JST 以降では大阪北部から京都府南部にかけが保たれたことと関係すると考えられる．て帯状の上昇流域が形成されるようになった．降4. まとめ

めて確認された豪雨開始時刻 (0120 JST) を示す上

水強度も 30 mm h −1 以上の強雨域 (図 2(a) 黄色)

本研究では 3 次元的な上昇流域に着目した線状が断続的に出現し，バックビルディング型の線状対流系の組織化指標を定義し，マルチフラクタル対流系として成熟段階にあったと考えられる．そ的変動の組織化指標に対する先行性を示した．の後図 1 では同様の増大傾向が継続し，対流系が参考文献衰退に向かう 0430 JST 以降では 𝐷 0 ，CMF の両方以上の結果を踏まえると，組織化指標のプロッ

Kato, T.: Quasi-stationary band-shaped precipitation systems, named Senjo-kousuitai , causing
localized heavy rainfall in Japan. J. Meteor. Soc.
Japan, 98, 485–509, 2020.
大野哲之・山口弘誠・中北英一: 線状対流系におけ

ト図 1 で変曲点を迎えた時刻は上昇流域が帯状る水蒸気フラックス・降水粒子分布のマルチフのまとまりを有するようになる時間帯と重なる．

ラクタル特性. 土木学会論文集 B1(水工学), 78,

従って変曲点の時間帯を線状対流系の組織化の319–324, 2022.

が減少に転じた．これは，線状対流系が衰退期を迎える兆候を捉えるという点においても 𝐷 0 が有効であることを示唆する結果である．