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日本周辺域における前線の出現特性及び降雨の地域特性に関する研究
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| Title: | 日本周辺域における前線の出現特性及び降雨の地域特性に関する研究 |
| Other Titles: | A Study on Appearance of Atmospheric Fronts and Regional Characteristics of Rainfall around Japan |
| Authors: | 宮本, 真希 Browse this author |
| Issue Date: | 25-Mar-2024 |
| Publisher: | Hokkaido University |
| Abstract: | Atmospheric fronts are density interfaces formed between two air masses with different characteristics.
In particular, fronts stagnate around Japan from May to July, and are called Baiu fronts. The heavy rains
associated with Baiu fronts cause extensive damage from river overflows and landslides, and therefore, it
is necessary to develop flood control plans that take into account changes in the frequency and amount
of rainfall in the future climate with global warming. In addition, since fronts and typhoons are familiar
terms that are frequently used in daily weather forecasting, it is thought that the location information
of these fronts and typhoons can be utilized as disaster prevention information. Therefore, the inclusion
of weather factors such as fronts and typhoons in flood risk assessment can be used as information that
can be widely understood by the general public.
This study discusses the characteristics of fronts that have appeared around Japan over the past
43 years and their contribution to extreme rainfall events. This contributes to our understanding of
the mechanism of extreme rainfall events by proposing an analytical method to provide meteorological
background for assessing the risk of extreme rainfall events at the basin scale.
In Chapter 2, we developed a method for extracting fronts from ground weather images and converting
them to grid data. The location information of fronts for 43 years using this method shows that the
number of stagnant fronts appearing in August has increased 1.5 times since the 1990s in Hokkaido,
Japan. In recent years, the strengthening of the Pacific High and the weakening of the Okhotsk High
have caused the fronts to move northward.
In Chapter 3, the contribution of fronts to heavy rainfall events was evaluated for 109 first-class water
systems in Japan. In particular, it was found that the meteorological field patterns causing heavy rainfall
in the Ishikari River basin were divided into two main types: 40% were fronts associated with extratropical
cyclones, and 30% were combinations of fronts and typhoons far from the basin. In particular, the largest
rainfall event in early August 1981 was caused by a combination of a front and a distant typhoon.
In Chapter 4, fronts are defined as dimensionless indices consisting of horizontal temperature gradients
and vorticity determined from horizontal winds, based on the front data developed in Chapter 2. In the
area where the front appears, the horizontal temperature gradient is large and the vorticity determined
from the horizontal wind is positive. By developing a method for extracting fronts using dimensionless
numbers of both variables, it is possible to extract fronts from the atmospheric field.
In Chapter 5, the front extraction method developed in Chapter 4 is applied to the climate prediction
information d4PDF, which consists of a large number of ensemble experiments. The rainfall patterns in
the Ishikari River basin based on the 5-km-resolution precipitation distribution reproduced and predicted
by the climate model were similar to those observed in Chapter 3. In particular, the frequency of heavy
rainfall events of the size equivalent to that of the early August 1981 event increased by a factor of 2.3
with an increase in the climatic external forcing. The frequency of frontal torrential rains associated with
extratropical cyclones increased by a factor of 2.4, while the frequency of torrential rains associated with
frontal torrential rains combined with distant typhoons increased by a factor of 1.5. The top three cases
of heavy rainfall in the future climate that have higher precipitation than the largest heavy rainfall in
the past are the heavy rainfall of the said pattern.
In this study, we compiled information on the location of fronts over the past 43 years based on ground
weather maps and found that the number of stagnant fronts in Hokkaido has increased 1.5-fold in August
since the 1990s. It was also found that 40% of the heavy rainfall events in the Ishikari River basin were
caused by fronts associated with extratropical cyclones, and 30% were caused by a combination of fronts
and distant typhoons. We developed a method to estimate the location of fronts based on atmospheric
conditions. By applying this method to the latest climate projection information, it was found that in
the future climate, which is significantly influenced by climate change, the meteorological field pattern
of heavy rainfall in the Ishikari River basin is similar to that of the present climate. On the other hand,
the heavy rainfall corresponding to the largest rainfall pattern in the past is often caused by a front
associated with an extratropical cyclone in addition to a combination of a front and a distant typhoon,
and the frequency of the former increases 2.4 times and that of the latter increases 1.5 times with the
increase of external climatic forces. The rainfall pattern of this type is one of the top three in the future
climate, and it causes more extreme rainfall than the largest rainfall in the past. | | 大気中の前線は，性質の異なる 2 つの気団の間に形成される密度界面である．特に日本周辺においては 5
月から 7 月にかけて前線が停滞し，これを梅雨前線と呼ぶ．梅雨前線に伴い生じる豪雨によって発生する河
川の氾濫や土砂崩れの被害は甚大かつ広範囲に及ぶため，温暖化が進行した将来気候における当該パター
ンの豪雨の発生頻度や降水量の変化を考慮した治水計画の策定が必要である．加えて，前線や台風は日々の
天気予報において頻繁に使用される一般にも馴染みの深い用語であるため，これらの位置情報を把握する
ことで防災情報として活用できると考えられる．したがって水害リスクの評価に前線や台風などの気象要
因を含めることで，一般に広く理解しやすい情報として利用可能となる．
本研究は過去 43 年間において日本周辺に出現した前線の出現特性および極端豪雨への寄与を論じている．
これは流域スケールにおける豪雨リスクの評価に対して気象学的背景を付与するための分析手法を提案し，
豪雨の発生メカニズムの理解に貢献するものである．
第 2 章では，地上天気図の画像から前線を抽出し，グリッドデータに変換する手法を構築した．当該手
法を用いて作成した 43 年間の前線の位置情報によって，北海道においては 8 月に出現する停滞性の前線の
数が 1990 年代以降 1.5 倍に増加していることを示した．近年においては太平洋高気圧の強化とオホーツク
海高気圧の弱化により，前線の出現する位置が北上していたことが確認された．
第 3 章では，全国の一級水系 109 水系を対象に，大雨事例に対する前線の寄与を評価した．特に，石狩
川流域において豪雨をもたらす気象場パターンは主に 2 つに分けられ，温帯低気圧に伴う前線が 4 割，前
線と遠方の台風の組み合わせが 3 割を占めることがわかった．特に，既往最大の豪雨事例である 1981 年 8
月上旬における豪雨は前線と遠方の台風の組み合わせによるものであることを示した．
第 4 章では，第 2 章で作成した前線データに基づき，水平方向の気温勾配と水平風から決定される渦度
から構成される無次元数の指標で前線を定義した．前線の出現する領域においては水平方向の気温勾配が
大きく，水平風から決定される渦度が正となる．両変数の無次元数を用いた前線の抽出手法を構築すること
で，大気場からの前線抽出が可能となった．
第 5 章では，第 4 章で構築した前線の抽出手法を大量のアンサンブル実験で構成される気候予測情報
d4PDF に適用した．気候モデルにより再現・予測された 5km 解像度の降水量分布に基づく石狩川流域にお
ける豪雨の気象場パターンは第 3 章で示した観測のものと類似していた．特に 1981 年 8 月上旬の豪雨に相
当する降雨規模の豪雨の出現頻度は，気候外力の増加とともに 2.3 倍に増加することを示した．そのうち，
温帯低気圧に伴う前線による豪雨が 2.4 倍，前線と遠方の台風の組み合わせによる豪雨が 1.5 倍に増加する
ことがわかった．将来気候において既往最大規模の豪雨よりも降水量が多い上位 3 事例は当該パターンの
豪雨である．
これを要するに本研究では，地上天気図に基づいて過去 43 年間の前線の位置情報を作成し，これを用い
て北海道における停滞性の前線の 8 月の出現数が 1990 年台以降，1.5 倍に増加していることを明らかにし
た．また，石狩川流域において発生した豪雨事例のうち，温帯低気圧に伴う前線による豪雨が 4 割，前線
と遠方の台風の組み合わせによる豪雨が 3 割を占めることがわかった．さらに，大気の状態に基づいて前
線の位置を推定する手法を構築した．当該手法を最新の気候予測情報に適用することで，気候変動の影響
が顕著な将来気候においては，石狩川流域における豪雨の気象場パターンは現在の気候と同様であること
がわかった．その一方で，既往最大事例に相当する降雨規模の豪雨は，観測において確認された前線と遠方
の台風の組み合わせによる事例に加えて温帯低気圧に伴う前線による事例が多く，気候外力の増加とともに
前者の生起頻度は 2.4 倍，後者の生起頻度は 1.5 倍に増加することを示した．当該パターンの豪雨は将来気
候において上位 3 事例を占めており，既往最大規模の豪雨よりも極端な降水をもたらす． |
| Conffering University: | 北海道大学 |
| Degree Report Number: | 甲第15850号 |
| Degree Level: | 博士 |
| Degree Discipline: | 工学 |
| Examination Committee Members: | (主査) 教授 山田 朋人, 教授 泉 典洋, 教授 渡部 靖憲, 教授 萩原 亨 |
| Degree Affiliation: | 工学院（環境フィールド工学専攻） |
| Type: | theses (doctoral) |
| URI: | http://hdl.handle.net/2115/91968 |
| Appears in Collections: | 課程博士 (Doctorate by way of Advanced Course) > 工学院(Graduate School of Engineering)
学位論文 (Theses) > 博士 （工学）
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