MRI(核磁気共鳴画像法）を用いた水に浸った雪粒子の急速成長過程の研究

利用MRI（核磁共振成像）研究浸入水中的雪粒快速生长过程

基本信息

批准号：
20K04091
负责人：
竹内由香里
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Forest Research and Management Organization
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20K04091/
关键词：
雪粒子成長速度 MRI 雪粒子の成長過冷却

项目摘要

雪の粒子の大きさ（粒径）は積雪の密度や強度、透水性、アルベドなどの物理的な性質を左右する重要な要素である。雪は積もった直後から粒径が刻々と変化するが、水を含むと成長速度が速まり急速に粗大化する。水に浸った雪粒子は0℃であるが、本研究では、温度条件を変えて水に浸った雪粒子の成長過程を解明し、雪粒子の成長が早まる温度条件を考慮して雪の粒径変化を表す新しい「雪粒子成長モデル」を構築することを目的としている。2022年度は雪粒子の成長速度を測定するため、低温実験室内に設置した恒温水槽内で0.00℃の温度を保ちながら、水に浸した雪試料の粒径分布の時間変化を調べる実験に着手した。雪粒子の粒径分布は、雪氷用MRI（核磁気共鳴画像法）で測定した3次元データに基づいて、3D Distance Transform Watershed Segmentation (3DWS)法で画像解析して求めた。MRIは液体の水からの核磁気共鳴信号のみを検出して描画する装置で、得られた画像を反転させることにより、水以外の部分（ここでは雪粒子）の画像が得られる。実験を行なったところ、恒温水槽内に雪試料の入ったケースを置くために冷媒の循環が妨げられ、設定温度と雪試料の周囲温度が一致しない問題が生じた。0.00℃に保つために設定温度の調整や装置の改良が必要であることを確認した。また、MRIの分解能が0.1 mmであることに加え、MRIによる1回の測定時間を2時間程度に抑えるため、RFパルスを与える間隔（TR）を400 msecとしたところ、画質が不十分で実験初期の小さな粒子（粒径0.1～0.2 mm）の大きさが画像解析で正しく測定できないことが判明した。本研究の目的のためには分解能の高い方法でデータを得られるように手法を改善する必要があることも確認した。

雪颗粒的大小（粒径）是影响雪密度、强度、透水性、反照率等物理特性的重要因素。雪积聚后，其粒径立即迅速变化，但当含有水时，其生长速度更快，并迅速变粗。浸入水中的雪粒的温度为0℃，但在本研究中，我们通过改变温度条件来阐明浸入水中的雪粒的生长过程，并考虑了加速雪粒生长的温度条件的目的。就是构建一个新的表达直径变化的“雪粒子生长模型”。 2022财年，为了测量雪粒子的生长速度，我们开始了一项实验，在安装在日本的恒温水槽中，在保持0.00℃的温度的情况下，检查浸入水中的雪样本的粒径分布随时间的变化。低温实验室。基于 MRI（核磁共振成像）测量的雪和冰的 3D 数据，使用 3D 距离变换分水岭分割 (3DWS) 方法通过图像分析确定雪颗粒的粒径分布。 MRI是一种仅检测并提取液态水中核磁共振信号的装置，通过将获得的图像反转，可以获得水以外的部分（在本例中为雪颗粒）的图像。实验过程中，我们发现装有雪样的箱子放置在恒温水箱中，阻碍了制冷剂的循环，导致设定温度与雪样的环境温度不匹配的问题。经确认，为了维持在0.00℃，需要调整设定温度并改进设备。此外，除了MRI的分辨率为0.1毫米外，为了将单次MRI测量所需的时间限制在2小时左右，将RF脉冲间隔（TR）设置为400毫秒，但图像质量不足以满足实验发现，通过图像分析无法准确测量初始小颗粒（粒径0.1至0.2毫米）的尺寸。还证实，为了本研究的目的，有必要改进方法，以便能够用高分辨率方法获得数据。