吸湿性粒子シーディングに吸湿性粒子シーディングに 用いる物質の物理化学用いる物質の物理化学特性特性とと

雲粒生成過程への影響雲粒生成過程への影響

田尻田尻 拓也拓也, Tzu, Tzu--Hsien Hsien KuoKuo, , 折笠折笠成成宏宏, , 財前祐二財前祐二, , 村上村上 正隆正隆

気象研究所気象研究所 予報研究部予報研究部 2017.2.17 2017.2.17

((国立極地研究所国立極地研究所 33階セミナー室階セミナー室) )

[平成28年度 国立極地研究所・研究集会] エアロゾル・ 雲・降水の相互作用に関する研究集会

気温

(°

C)

0

-40

雲核 氷晶核

上昇気流

混合雲

蒸 発

昇華蒸発

雲水なし

併合

凝結

衝突併合

雲核活性 雲核活性

衝突併合

融 解

昇華成長

上層雲

着 氷

分裂

成長 雨 滴

地上降水 地上降水

航空機観測

雲粒子ゾンデ観測 雲粒子ゾンデ観測

2次氷晶

過冷却 雲粒

様々なエアロゾル種 様々なエアロゾル種

混合核

冷たい雲 冷たい雲

暖かい雲 暖かい雲

氷晶核活性 氷晶核活性

1次氷晶

氷晶 発生過程

雲粒 発生

[平成28年度 国立極地研究所・研究集会] エアロゾル・ 雲・降水の相互作用に関する研究集会

エアロゾルの間接効果エアロゾルの間接効果 エアロゾルの間接効果エアロゾルの間接効果

水滴水滴 氷粒子氷粒子 水の質量

不溶性物質(IN)の質量

水溶性物質(CCN)の質量

３次元ビン３次元ビン ５次元ビン５次元ビン

氷の質量

アスペクト比

氷の体積

不溶性物質(IN)の質量 水溶性物質(CCN)の質量

詳細雲微詳細雲微物理（物理（リファレンス）モデルの改良リファレンス）モデルの改良 詳細雲微詳細雲微物理（物理（リファレンス）モデルの改良リファレンス）モデルの改良

[平成28年度 国立極地研究所・研究集会] エアロゾル・ 雲・降水の相互作用に関する研究集会

0℃

HYGROSCOPIC

PARTICLES

large

cloud droplet

Hygroscopic particles

(A few micron size) act as CCN,

activated and readily grow by

vapor deposition initiation of

the Collision and coalescence process

immediately become

raindrop embryos

Seeding helicopter

Instrumented

Cloud Physics Aircraft

into the base of

developing cloud

[平成28年度 国立極地研究所・研究集会] エアロゾル・ 雲・降水の相互作用に関する研究集会

“Warm Cloud" Hygroscopic Seeding Process“Warm Cloud" Hygroscopic Seeding Process

意図的気象改変意図的気象改変 意図的気象改変意図的気象改変

MRI CLOUD SIMULATION CHAMBER

断熱上昇中の雲粒子成長

Improvement of detailed (bin) microphysics model

Hygroscopic seeding experiment

吸湿性シーディングにおいて最適な粒子の物理化学特性の同定

Micro-Powder

Hygroscopic Flare

cloud seeding agents

Sample analysis using Electron microscope

. . .

Background CCN

+

氷粒子

水滴

吸湿性粒子

シーディング

シーディング前 後

Development of numerical seeding model

Bin-type cloud physics + Seeding processes

Quantification of the hygroscopic seeding effects

Growth of cloud droplets In an adiabatically expanding air

Ice particles

Water droplets

Pre-Seeding

Cloud Seeded

[平成28年度 国立極地研究所・研究集会] エアロゾル・ 雲・降水の相互作用に関する研究集会

意図的気象改変意図的気象改変 意図的気象改変意図的気象改変

○ Salt micro-powder( MP )

NaCl微粒化技術

粉砕した数μmの粒子を雲底下に直接散布（散布量の低減）

散布粒子の選択（粒度、固結防止剤）、散布率の調節が可能

○ Pyrotechnic (Hygroscopic flare )

シーディング物質と火薬の配合された発炎筒

燃焼により気化-凝結を経て吸湿性粒子を散布

軽量（1kg×24本）、操作の簡便性（2～3分/本）

サブミクロン粒子が多く生成される

Seeding helicopter

flare rack

Burning flare MP disperser

吸湿性シーディング物質と手法吸湿性シーディング物質と手法 吸湿性シーディング物質と手法吸湿性シーディング物質と手法

[平成28年度 国立極地研究所・研究集会] エアロゾル・ 雲・降水の相互作用に関する研究集会

MP method Seeding agentSeeding agent Seeding agentSeeding agent

NaCl、SiO2、

CaCO3

[平成28年度 国立極地研究所・研究集会] エアロゾル・ 雲・降水の相互作用に関する研究集会

Flare method

[平成28年度 国立極地研究所・研究集会] エアロゾル・ 雲・降水の相互作用に関する研究集会

Seeding agentSeeding agent Seeding agentSeeding agent

“Advanced Study on Precipitation Enhancement in“Advanced Study on Precipitation Enhancement in “Advanced Study on Precipitation Enhancement in“Advanced Study on Precipitation Enhancement in Arid and Semi‐Arid Regions”Arid and Semi‐Arid Regions”

[平成28年度 国立極地研究所・研究集会] エアロゾル・ 雲・降水の相互作用に関する研究集会

2016 2016 ～～ 20182018

No. Sample (Supplier) anti-caking agents

Major Compositions

Density g2 cm-3

1 Silicon Dioxide ( AKO KASEI Co. )

Yes SiO2 2.65

2 Calcium Carbonate ( AKO KASEI Co. )

Yes CaCO3 2.71

3 Tricalcium Phosphate ( AKO KASEI Co. )

Yes Ca3(PO4)2 3.14

4 Sodium Chloride ( AKO KASEI Co. )

No NaCl 2.16

5 MP Israel type ( Rosenfeld et al. 2010 )

Contained in NaCl

Ca3(PO4)2 , SiO2 2.19

6 MP T-0 type ( AKO KASEI Co. )

Contained in NaCl

Ca3(PO4)2 , SiO2

2.19

7 Hygroscopic Flare (Ice Crystal Engineering)

No KCl, CaCl2

with metal-oxide ----

Tested Tested seeding seeding agents agents Tested Tested seeding seeding agents agents

[平成28年度 国立極地研究所・研究集会] エアロゾル・ 雲・降水の相互作用に関する研究集会

Flare method

粒子発生と前処理粒子発生と前処理 MP method

実験手法実験手法 実験手法実験手法

[平成28年度 国立極地研究所・研究集会] エアロゾル・ 雲・降水の相互作用に関する研究集会

Activated Fraction(AF) AF = CCN/CN

Critical Dry diameter: AF = 0.5

Particle generator

DMA

CPC

DMT-CCNC

Buffer tank

CN conc.

CCN conc.＠SSw

14:30 14:50 15:10 15:30 15:50 16:10 16:30

SS

or

Nu

mbe

r C

onc.

[#/c

m3]

0.1

1

10

100

SS_B

Conc_B

CN

DMA

Time

DMA [nm]

100 200 300 400 500

CC

N F

ractio

m

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

SS=0.2%

CN

DMA

SS

CCN

[平成28年度 国立極地研究所・研究集会] エアロゾル・ 雲・降水の相互作用に関する研究集会

吸湿度計測吸湿度計測 吸湿度計測吸湿度計測

Dry diam eter (m )

0.01 0.1 1

Critic

al S

S [%

]

0.1

1

AsianDust

ATD

NaCl

(NH

4)2SO

4

Illite

SiO2_10/7

CaCO3_10/11

CaCO3_10/12

SiO2_10/19

Ca3(PO4)2_10/13

Ca3(PO4)2_10/14

HF

MP_T0

Dry diam eter (m )

0.01 0.1 1

Critic

al S

S [%

]

0.1

1

AsianDust

ATD

NaCl

(NH

4)2SO

4

Illite

SiO2_10/7

CaCO3_10/11

CaCO3_10/12

SiO2_10/19

Ca3(PO4)2_10/13

Ca3(PO4)2_10/14

HF

MP_T0

[平成28年度 国立極地研究所・研究集会] エアロゾル・ 雲・降水の相互作用に関する研究集会

吸湿度計測（まとめ）吸湿度計測（まとめ） 吸湿度計測（まとめ）吸湿度計測（まとめ）

Diameter [um]

0.01 0.1 1 10 100

dn

/dlo

gd [c

m-3

]

10-1

100

101

102

103

104

105

HFMP(NH4)2SO4

[平成28年度 国立極地研究所・研究集会] エアロゾル・ 雲・降水の相互作用に関する研究集会

吸湿性粒子シーディング実験吸湿性粒子シーディング実験 吸湿性粒子シーディング実験吸湿性粒子シーディング実験

雲生成チェンバー実験雲生成チェンバー実験→→

Elapsed time (sec)

0 100 200 300 400

NC

AS [c

m-3

]

10-1

100

101

102

103

104

105

Elapsed time (sec)

0 100 200 300 400

NW

ela

s (c

m-3

)

10-1

100

101

102

103

104

105

a)

b)

D>10 m

D>2.0 m

D>0.3 m

D>20 m

D>2.0 m

D>10 m

CN

CN

D>20 m

Elapsed time (sec)

0 100 200 300 400

NC

AS [c

m-3

]

10-1

100

101

102

103

104

105

Elapsed time (sec)

0 100 200 300 400

NW

ela

s (c

m-3

)

10-1

100

101

102

103

104

105

a)

b)

D>10 m

D>2.0 m

D>0.3 m

D>20 m

D>2.0 m

D>10 m

CN

CN

D>20 m

MP without antiMP without anti--caking agents caking agents MP MP with with antianti--caking agents caking agents Onset of cloud droplet Onset of cloud droplet

Onset of cloud droplet Onset of cloud droplet

[平成28年度 国立極地研究所・研究集会] エアロゾル・ 雲・降水の相互作用に関する研究集会

吸湿性粒子シーディング実験吸湿性粒子シーディング実験 吸湿性粒子シーディング実験吸湿性粒子シーディング実験

雲生成チェンバー実験雲生成チェンバー実験

300sec

Diameter [um]

1 10 100

dn

/d

lo

gd

[c

m-3

]

100

101

102

103

104

105

Pure NaCl (CAS)

MP with anti-caking (CAS)

Pure NaCl (Welas)

MP with anti-caking (Welas)

350sec

Diameter [um]

1 10 100

dn

/d

lo

gd

[c

m-3

]

100

101

102

103

104

105

Pure NaCl (CAS)

MP with anti-caking (CAS)

Pure NaCl (Welas)

MP with anti-caking (Welas)

[平成28年度 国立極地研究所・研究集会] エアロゾル・ 雲・降水の相互作用に関する研究集会

吸湿性粒子シーディング実験吸湿性粒子シーディング実験 吸湿性粒子シーディング実験吸湿性粒子シーディング実験

雲生成チェンバー実験雲生成チェンバー実験

Droplet (Lab.)Droplet (Lab.)

Droplet Droplet (Model)(Model)

Ice crystal Ice crystal (Lab.)(Lab.)

Ice crystal Ice crystal (Model)(Model) IN INAS

CCN Kappa

[平成28年度 国立極地研究所・研究集会] エアロゾル・ 雲・降水の相互作用に関する研究集会

詳細雲微詳細雲微物理（物理（リファレンス）モデルの改良リファレンス）モデルの改良 詳細雲微詳細雲微物理（物理（リファレンス）モデルの改良リファレンス）モデルの改良

雲生成チェンバー実験との比較検証雲生成チェンバー実験との比較検証

Yamashita (2013)

純粋な純粋なNaClNaClと固結と固結防止剤を含む防止剤を含むMPMPおよび吸湿性フレアーおよび吸湿性フレアー

粒子の物理化学特性（粒径分布、粒子の物理化学特性（粒径分布、CCNCCN能、能、ININ能）を調査能）を調査

先行研究からの進展、先行研究からの進展、CCNCCN能および能およびININ能のパラメータ能のパラメータ

として、モード径ごとの吸湿度として、モード径ごとの吸湿度 κ κ およびおよびINAS densityINAS density

の気温依存性に着目の気温依存性に着目

雲生成チェンバーを用いて、発生初期の雲粒粒径分布の雲生成チェンバーを用いて、発生初期の雲粒粒径分布の

時間時間発展を純粋な発展を純粋なNaClNaClと固結と固結防止剤を含む防止剤を含むMPMP粒子に粒子に

ついて実施ついて実施 計測に基づくパラメータ計測に基づくパラメータκκを適用したパーセルモデル計算を適用したパーセルモデル計算 のの結果を雲生成チェンバーの実験結果と比較検証すること結果を雲生成チェンバーの実験結果と比較検証すること により、外部混合状態における競合的な雲核活性化に関すにより、外部混合状態における競合的な雲核活性化に関す るる知見を蓄積し、吸湿性粒子シーディングの最適化を図る知見を蓄積し、吸湿性粒子シーディングの最適化を図る

SummarySummary SummarySummary

[平成28年度 国立極地研究所・研究集会] エアロゾル・ 雲・降水の相互作用に関する研究集会