一発雷の発生頻度と季節変化

「一発雷」の発生頻度と季節変化

林修吾1_{，丸井知鶴}2

1. 気象庁気象研究所 2. 筑波大学大学院生命環境科学研究科

Frequency and seasonal variation of single lightning flash storm, "Ippatsurai", in Japan Syugo HAYASHI1_{, Chizuru MARUI}2

1. Meteorological Research Institute, 1-1 Nagamine, Tsukuba 305-0052, Japan. E-mail: [email protected]

2. Graduate School of Life and Environmental Science, University of Tsukuba, 1-1-1 Tennodai, Tsukuba 305-8577, Japan

Abstract. It is well known that single lightning flash storm (SLFS, Ippatsurai in Japanese) is sometimes observed Hokuriku area in winter Japan. However, the frequency and seasonal variation of SLFS are not evaluated quantitatively over the whole of Japan. We investigate the variability of SLFS by using human observations at weather station and electromagnetic observations over Japan from December 2009 to November 2011 for 3 years by Japan Meteorological Agency. As a result, it is confirmed that the higher occurrences of SLFS are concentrated on the Hokuriku coastal area in winter. Additionally, SLFS is also highly observed in Kuroshio extension region in winter and with scattered distribution over the western Japan in summer.

Key words: single lightning flash storm, lightning observation, winter lightning 1. はじめに

日本の北陸地方に見られる冬季雷では，「一発雷（"Ippatsurai", Takeuti et al.

(1978)より）」と呼ばれる突然発生し雷放電が一回しか観測されないかあるいは最初の雷放電 の発生から最後の雷放電までの活動継続時間が極端に短い現象があることが知られている （Takeuti et al. 1978，北川ほか，1996 など）．道本(1989)では，「一発雷」を「（レーダー エコー群ごとに）1 回～数回しか観測されず，しかもその発雷の間隔が数時間以上であるも の」として，活発な雷放電を伴うエコーと比較し，エコー頂温度や-10℃高度によって特徴付 けられることを示した．このように，一般的に「一発雷」は日本の北陸地方の冬季雷にみら れる特徴とされている．冬季雷の発生頻度やその分布については Kitagawa（1989）や Ishii et al. （2014）などで，日本海側，特に北陸地方沿岸部に局在することが示されているが，「一 発雷」に着目した発生頻度・分布の定量的な研究はこれまで行われていない．本論文では気 象庁が行った有人雷観測データと電磁波観測による雷位置標定データを用いて、「一発雷」に

関する定量的な解析を行い、日本周辺の「一発雷」の発生地域や季節変動について明らかに する． 2. 気象庁有人雷観測における「一発雷」発生頻度 2.1. 方法 気象庁の有人気象官署では「電光」および「雷鳴」の観測を行っている．観測記録 には，雷放電の起時および終了時刻が分単位で記録されており，1 回しか雷放電が観測され なかった場合には起時のみが記録される．この有人雷観測データを用いて，「一発雷」を「雷 鳴を伴い，起時のみが記録され，その前後_{6 時間に雷放電の記録がないもの」と定義し，そ} の発生頻度の調査を行う．加えて「雷日数」を「雷鳴が観測された日数」とし調査を行う（な お，本論文での「雷日数」の定義は，気象庁（2015）の定義「電光および雷鳴（強度 0）を 含めない」とは異なり，雷現象をより多く検出するために雷鳴（強度0）を含めている）．対 象期間は2009 年 12 月～2012 年 11 月の 3 年間である．調査対象とした地点は 24 時間有人 気象観測を行っている気象官署のうち，調査対象期間の_{3 年間に冬季（12，1，2 月）と夏季} （_{6，7，8 月）のそれぞれの気象庁定義による雷日数合計が最も多かった上位各 4 地点とす} る．この基準から，冬季は金沢（78 日），福井（59 日），新潟（35 日），富山（29 日）の 4 地点，夏季は熊本（66 日），前橋（63 日），宇都宮（59 日），鹿児島（57 日）の 4 地点，以 上合計8 地点が選択される（括弧内は各季節での 3 年間合計雷日数）．それぞれ地点での（本 論文定義による）雷日数，「一発雷」発生日数，「一発雷」発生回数の調査を行う．本論文で の各季節の定義は，冬季（_{12，1，2 月），春季（3，4，5 月），夏季（6，7，8 月），秋季（9，} 10，11 月）とする． 2.2. 結果 表1 に季節別の雷日数および「一発雷」日数を示す．北陸地方の 4 地点の雷日数は， 富山を除き冬に最も多くなり，春～秋にかけては少ない．北関東（前橋，宇都宮），南九州（熊

Table 1. Seasonal variation of Thunderstorm day and Single-Lightning-Flash-Storm (SLFS) day by human observation from De c. 2009 to Nov. 2011. SLFS frequency is shown

in the bracket. No bracket number indicates a SLFS once a day. Thunderstorm day SLFS day (frequency) Thunderstorm day SLFS day (frequency) Thunderstorm day SLFS day (frequency) Thunderstorm day SLFS day (frequency) Niigata 39 10 17 5 29 2 32 7 Toyama 30 7(9) 29 9 56 7 23 5 Kanazawa 79 18(19) 28 6 34 1 38 0 Fukui 63 22(23) 22 7 34 3 29 1 Maebashi 0 0 13 0 64 3 16 0 Utsunomiya 1 0 20 1 60 1 14 0 Kumamoto 7 1 10 0 73 1 14 0 Kagoshima 9 3 14 0 64 6 18 1

本，鹿児島）の雷日数は，夏に最大値，冬に最小値を示す．「一発雷」日数は冬季の北陸地方 で大きな値を示し，特に金沢，福井が突出して多く，いずれも3 年間で約 20 日が観測されて いる．ついで北陸地方の春もやや大きな値を示している．また富山では，季節によらず同程 度の日数が観測されている．北関東，南九州では「一発雷」はほとんど観測されず，鹿児島 の夏にのみやや大きな値を示す．この結果は，これまでいわれてきた「冬季の北陸地方に一 発雷が多い」と一致する． 3. 気象庁 LIDEN による「一発雷」発生頻度 3.1. 方法 前節で行った有人雷観測データを元にした調査では，広いエリアをカバーできない ことや，人・場所・時間帯などの観測条件によって雷検知の精度が異なる，といった問題が 含まれている． そこで，より広い領域かつ均質なデータで「一発雷」の発生頻度を調べるため，気 象庁の雷監視システム（LIDEN，気象庁（2001））を用いて，「一発雷」の発生頻度の調査を行 う．ここでは「一発雷」を，「緯度 0.2 度×経度 0.25 度格子（約 22km 四方）毎に，LIDEN に よる対地放電検知後，その前後 6 時間にその格子内に対地放電が検知されなかったもの，た だし検知後 1 分以内に検知された対地放電を除く」と定義する．1 分以内に検知された後続 の対地放電を除外したのは，有人雷観測が 1 分単位であり 1 分以内の複数発雷を判別してお らず，ここでは同じ基準に合わせるためである．解析格子を緯度方向 0.2 度×経度方向 0.25 度格子とする理由は，「20km 離れた雷鳴は聞こえにくい（気象庁，2011）」とされていること から，有人雷観測と同程度の観測距離となるよう解析格子サイズを設定するためである．対 象とする期間は前節の有人気象観測データ同様 2009 年 12 月～2012 年 11 月の 3 年間で，領 域は日本全土を対象とする． なお，LIDEN は LF 帯による対地放電観測に加えて VHF 帯による雲間放電観測も行っ ているが，観測手法の違いからその観測範囲や精度も異なるため，本論文ではより観測範囲 の広くシグナルが明瞭な LF 帯による対地放電観測のみ使用する． 3.2. 結果

図 1a～d に LIDEN による対地放電の 3 年間合計の季節別発生日数，図 2a～d に「一 発雷」発生日数を示す．表 2 では，表 1 の有人雷観測データと LIDEN 観測データの比較を示 す．北陸地方，関東北部および九州南部での対地放電発生日数は，厳密な日数は異なるもの の各季節別の発生日数の変化傾向は表 1 に示した有人雷観測地点における雷日数とおおよそ 一致している．ただし夏季の「一発雷」日数は LIDEN 観測によるものの方が大きくなってお り，これについては次節で議論する．以上から，LIDEN データの緯度 0.2 度×経度 0.25 度格 子設定は有人雷観測との比較におおよそ適切であると考えられ，日本全土での「一発雷」発 生日数の空間分布の調査が可能だと判断される．季節別の「一発雷」発生頻度の詳細につい て以下に述べる． 冬季の雷日数（図 1a）は日本海側および太平洋上に大きな日数が観測されている． 「一発雷」日数（図 2a）は日本海側の北陸地方の海岸線上に特に集中して大きな値があらわ れている．「一発雷」日数の特に大きな領域（新潟県・石川県・福井県の海岸線上）では，「一 発雷」日数も大きくなっていることが示されている．また関東の東方海上，いわゆる黒潮続 流域では，雷日数・「一発雷」日数が共に大きく，北陸地方沿岸部と同じ特徴を持つことが示

Figure 1. Distribution of Thunderstorm day by LIDEN observation from Dec. 2009 to Nov. 2011. (a) Winter (DJF), (b) Spring (MAM), (c) Summer (JJA), (d) Autumn (SON).

Figure 2. The same as Figure 1, but for Distribution of Single-Lightning-Flash-Storm (SLFS) day by LIDEN observation.

(2014)などでも指摘されているが，加えて「一発雷」の発生という特徴を，冬季の北陸地方 同様にもつことがここで示されている． 春季は，日本海側沿岸部だけでなく，内陸部や関東平野でも雷日数（図 1b）は大き くなっているが，「一発雷」日数（図 2b）はどの領域でも小さく，「一発雷」がほとんど発生 しなかったことを示している． 夏季は北海道を除く内陸部全ての領域で大きな雷日数（図 1c）を示しているが，「一 発雷」日数（図 2c）は雷日数の分布と異なり，西日本でより大きな値を示していたことが特 徴的である．有人雷観測（表 1）ではこのような特徴は見られなかったため，次節で追加の 調査を行う．一方，関東北部では，雷日数は平野部まで含めて大きな値を示しているが，「一 発雷」日数は内陸の山地側にピークがあり，平野側では小さな値になっている．このことは， 表 1 の前橋・宇都宮で雷日数が大きく，「一発雷」日数が小さかったことと整合的である． 秋季は，雷日数（図 1d）は日本海上および沿岸部と太平洋上で大きな値を示し，関 東平野および西日本でもやや大きな値を示している．一方で「一発雷」日数（図 2d）は日本 海側沿岸部でのみやや大きな値を示したほかは，陸上では小さな値である．冬季にみられた 北陸沿岸部への集中は明瞭でなく，冬季にはみられなかった秋田県・山形県沿岸部で「一発 雷」日数のピークがみられる．これらの分布は春季ともよく似ているが，日数は秋季の方が 大きい．さらに日本海側沿岸部の雷日数・「一発雷」日数分布を月別に見ると（図略），9 月 には沿岸部への雷日数の集中は見られず，10 月は北海道西岸部から東北日本海側沿岸部に極 大域，11 月は東北日本海側および北陸沿岸部に極大域があらわれ，季節の進行につれ発雷域 の沿岸部への集中と南下が起きていることが明瞭に見られる．このことは，道本（1989）な どで指摘された冬季雷の発生を特徴付ける-10℃高度や雲頂温度の季節変化に関連している と考えられるが，本論文ではその原因までは明らかではない．

Table 2. The same as Table 1, except for based on LIDEN observation.

Thunderstorm day SLFS day (frequency) Thunderstorm day SLFS day (frequency) Thunderstorm day SLFS day (frequency) Thunderstorm day SLFS day (frequency) Niigata 27 14(15) 11 3(5) 20 5(6) 20 7(9) Toyama 18 14 20 8 46 12 22 6 Kanazawa 62 25(28) 23 8(9) 36 10 37 10(12) Fukui 49 18(22) 20 7 23 6 32 11 Maebashi 1 1 10 3 61 11 12 2 Utsunomiya 1 0 20 6 53 6 14 5 Kumamoto 3 2 7 1 57 11 10 3 Kagoshima 3 2 11 4 51 23(25) 11 1

4. 有人雷観測と LIDEN の夏季「一発雷」日数の違い 2 節の有人雷観測結果（表 1）では夏季の「一発雷」発生日数は小さかったが，3 節 の LIDEN 観測結果（図 2c）では，「一発雷」日数は西日本を中心に大きくなっていたことか ら，まずは西日本の有人雷観測による「一発雷」日数を追加調査する． 表 3 に，京都，大阪，奈良，大分，宮崎の 5 地点の追加調査結果を示す．どの地点 も発雷日数は LIDEN 観測とよく一致している．一方で，「一発雷」日数は 4 日程度と，LIDEN 観測結果による日数 20 日前後に比べて小さく，ここでも二つの観測結果は大きく異なってい る． 雷 日 数 に は 違 い が な く ， 「一発雷」日数にのみ違いが表れる ことから，LIDEN で「一発雷」と判 定された時間帯に，有人雷観測では 近傍（別の LIDEN 格子）の発雷を検 知したことにより，その時間帯の発 雷が「一発雷」と判定されなかった 可能性が考えられる．そこで，3 節 の LIDEN 観測による「一発雷」の定 義をより厳しく制約し「ある格子で の対地雷発生時に，隣接格子を含め た（計 9 格子）前後 6 時間以内に対 地放電が検知されなかったもの」と したうえで「拡大領域内一発雷」と 名付けて，再調査を行う． 図 3a～d に，LIDEN で隣接格子が非発雷の条件を加えた「拡大領域内一発雷」日数を 示す．図 2a～d に比べて全体的に日数は大きく減少しているが，冬季（図 3a）の北陸地方沿 岸部には図 2a よりさらに集中して「拡大領域内一発雷」日数の大きな格子が存在している． 夏季（図 3c）はほとんどの地点で図 2c に比べ非常に大きく減少しており，西日本の一部の 地点で値の大きな地点が残っているが，冬季のような明瞭な地域性は見られない．表 4 に有 人雷観測地点位置での LIDEN で隣接格子が非発雷の「拡大領域内一発雷」日数を示した．表 4 を表 1～3 と比較すると，全体的に「拡大領域内一発雷」日数は「一発雷」日数に比べ大き く減少している．しかし，その中でも有人雷観測地点で「一発雷」日数の大きかった冬季の 北陸地方（金沢，新潟）や夏季の西日本（鹿児島）では，他に比べ大きな「拡大領域内一発 雷」日数を示している． 以上のように，LIDEN で隣接格子が非発雷の条件を加えた「拡大領域内一発雷」日数 は，「一発雷」日数に比べ夏季に特に大きく減少したことから，夏季には雷発生前後に近傍で 別の雷が同一時間帯に発生することにより有人雷観測での「一発雷」の判定が少なくなった と考えられる．ただし夏季にも「拡大領域内一発雷」日数が大きな格子が西日本に散在する ことから，冬のような地域性は持たないながらも夏季にも「一発雷」が発生している事を示 している．また冬季の北陸地方沿岸部の「一発雷」は近傍および同一時間帯で発雷が少なく， 有人雷観測でも「一発雷」と判定される事が多いと考えられる．このことは，夏季と冬季の 雷雲の形態や電気的性質違いによりもたらされた可能性があるが，さらに研究が必要である．

Table 3. Comparing Thunderstorm day and SLFS day from Dec. 2009 to Nov. 2011 in western Japan.

Summer Thunderstorm day SLFS day (frequency) Thunderstorm day SLFS day (frequency) Kyoto 51 4 51 17 Osaka 38 4 48 15(16) Nara 65 4 59 25 Oita 68 2 55 19(20) Miyazaki 62 3 53 20(21)

Figure 3. The same as Figure 1, but for Distribution of Single-Lightning-Flash-Storm (SLFS) day without neighboring lightning by LIDEN observation.

5. まとめ 「一発雷」は，これまでの定説通り，冬季の北陸地方沿岸部に局在する形で特徴的 に発生していたことが有人雷観測および LIDEN 観測の両者から確認出来た．加えて，黒潮続 流域上でも，「一発雷」が多数発生しており，この領域での雷放電の発生状況が北陸地方の冬 季雷と同様の特徴を持つことが明らかとなった．また，夏季の西日本でも「一発雷」に該当 する現象が観測されていたことが本論文により示された．関東や西日本では，雷日数は春～ 夏～秋に多くなり，特に夏季に内陸で極大を示すが，「一発雷」日数は西日本の陸上で大きな 値が散在しており，関東平野では大きな値を示さず雷日数の極大とは異なる傾向を示したこ とも夏季の「一発雷」の特徴であった．春季と秋季については，冬季の分布に似た特徴を持 つが，雷日数に比べ「一発雷」発生日数が小さく，北陸地方でも冬ほど発生頻度が高くなか った．ただし，東北日本海側沿岸部のみ，秋季に雷日数・「一発雷」日数ともに大きくなって いた． 本論文の結果を踏まえると，これまで「一発雷」が冬季雷固有の特徴とされてきた のは，夏季は雷日数に対して「一発雷」日数が相対的に小さいことと，夏季の「一発雷」は LIDEN 観測によると近傍で同一時間帯に他の発雷が観測されるケースが多いために有人雷観 測では「一発雷」と判定されづらいことが理由と推測される． 謝辞 気象庁観測部の石井恭介氏には _{LIDEN データの扱いでご協力いただいたことに感} 謝します．首都大学東京の藤部文昭博士および気象研究所の加藤輝之博士，吉田智博士には 研究の助言及びサポート頂いたことに感謝します．本研究はJSPS 科研費 25350514 の助成 を受けたものです． References

Ishii, K., S. Hayashi, and F. Fujibe, 2014: Statistical analysis of temporal and spatial Table 4. SLFS day without neighboring lightning by LIDEN observation

from Dec. 2009 to Nov. 2011 in western Japan.

Winter (DJF) Summer (JJA) Winter (DJF) Summer (JJA) Winter (DJF) Summer (JJA)

Niigata 4 1 Maebashi 1 1 Kyoto 1 2

Toyama 2 1 Utsunomiya 0 0 Osaka 3 2

Kanazawa 10 0 Kumamoto 1 1 Nara 1 6

Fukui 3 0 Kagoshima 0 6 Oita 2 3

Miyazaki 0 1 SLFS day without neighboring lightning SLFS day without neighboring lightning SLFS day without neighboring lightning

distribution of cloud-to-ground lightning in Japan from 2002 to 2008.

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(Received August 17 2015; revised January 18 2016; accepted January31 2016)

(Received August 17 2015; revised January 18 2016;