A Revised Approach to Ice Microphysical Process for the Bulk Parameterization of Cloud and Precipitation

SONG-YOU HONG, JIMY DUDHIA, SHU-HUA CHEN

January2004, JOURNAL OF THE ATMOSPHERIC SCIENCES VOLUME 103~130

Introduction

CRMs(cloud-resolving models) 、 CEMs(cumulus ensemble models) 跟 GCM 的合併使用

LFO83(Lin et al.1983) 、 RH83(Rutledge and Hobbs) 忽略一些跟 number concentration 有關的物理條件 (溫度、沉降率 )

本篇文章即是介紹更正模式中的物理條件所產生的不同

Modifications of microphysical process introduce to a commonly used bulk cloud scheme

作者選擇利用 WRF Simple ice 來修改 利用 RH83 和 D98 更正模組 主要是利用 temperature-dependent intercept parameter for snow, cloud-ice-mass-dependent ice number concentration and related changes in ice process

a.Sedimentation of falling ice crystal

ρ空氣密度， qI雲冰混和比

0) Donner199and fieldHD90(Heyms

)(29.3)( 16.01II qmsV

New velocity-diameter formula HI200(Heymsfiled and Iaquinta)

D ：冰粒子形狀不同中的方程

x,y,α,β都是跟 ice crystal在不同形狀下的係數

b.Ice mass, diameter, and number concentration relationship

T 是溫度，T0是冰點

Fletcher1962

I

II N

qM

可以得到在不同冰形狀下係數的不同

column bullet rosette

c 3.02*107 5.38*107 2.76*108

d 0.72 0.75 0.8

利用上頁公式畫出，三種粒子的粒子數目濃度本篇文章取中位數 (single column) 來修正模式

利用 single column 的粒子數濃度求出來各項的數值

c.Intercept parameter for snow

Note : 最大值為 2*108(m-4)

Houze et al.1979

d.Initiation of cloud ice crystal

q 為水汽的混合比， qsi 為冰的飽和混合比，qI0=NI0MI0/ρ ， qI 為冰混合比

(a)Ice nuclei number concentration

(b)Initial ice crystal amount

e.Vapor deposition of a small ice crystal(PIsd)

SI=qSI/q ， AI,BI 熱力和動力方程

f.Accretion of cloud ice by snow (Pacr)

本篇文章修正了碰撞係數 ESI，令它為一個溫度的函數

g.Conversion of ice crystals to snow(PautI)

qIcrit(MImaxNI/ρ) 為 autoconversion 的門檻值

h.Sublimation and deposition grower of snow/evaporation of rain(Pres)

當雨滴蒸發時，代表水汽未達到飽和，但是以冰相粒子而言，有可能已經達到冰的飽和，使得冰晶成長

i.Autoconversion of cloud water to rain (Pautc)

qC0代表產生 autoconversion 的門檻值

Kessler1969

在 Tripoli and Cotton 1980(TC80) 對參數qC0 、α做了物理上的定義

3. Numerical experimentsTwo sets of experiments are carried out : 1) An idealized 2D thunderstorm case2) A 3D real-data simulation of a heavy

rain event

Note : using the simple ice scheme for grid-resolvable, and the KF cumulus parameterization for subgrid scale precipitation process

An idealized 2D thunderstorm case

2-D domain 在 x方向有 201 點，間距為 250m 垂直分有 80層 積分一小時， time step=3s 初始值，在模式中心有一半徑 4km 的暖胞，最大溫度

擾動為 3 K˚ 地表風速 12ms-1，遞減到 2.5km 時風速為零 為開放邊界，沒有科氏力和摩擦力

比較 Exp4 和 PLS 實驗的凝結場

比較在 Exp1~Exp4 中的 average-domain condensate 和降水混合比

Note : 細實線 (Exp1) 點線 (Exp2) 虛線 (Exp3) 粗實線 (Exp4)

A 3D real-data simulation of a heavyrain event

目的：利用新的參數模擬降水和上層大氣大尺度系統特徵

時間： 25 July 1997(Korea)

降水特徵：在西部有一個降水最大值，在南端也有數個不連續的大降水

大尺度特色：在黃海有一個低壓系統 (中緯度氣旋 )

初始和邊界條件來自 NCEP 利用 MM5 來加強其高層的探空資料並使得 WRF model

方便使用 48 小時的模擬時間 (1200 UTC 23 July 1997) 水平網格間距 45km共 80 點，中心位於 Korea peninsu

la 使用 Lambert-conformal conic projection 垂直分 23層

The simulation of the real case(setting)

南方高麗半島統計降水，和在 300hpa domain-average 的溫度

Bias score=the simulation/the observation

Domain-average 垂直剖面

24 小時累積降水，左圖為 Exp1右圖為 Exp2

南方局部降水，主要因素跟西方降水不同，因為太平洋副熱帶高壓帶來暖濕空氣使得不穩定度提高，所以積雲參數法在此區域重要

平均 1 小時累積降水 (domain-average)

垂直積分 ice cloud/water 混合比 (1200UTC 25 July 1997) (a) is Exp1, (b) is Exp4

Exp1~Exp4 間的 cloud/ice water 的濃度、 300hpa平均溫度

Exp1( 實線 ) NORA=no radiation( 點線 ) NOSW=no short wave radiation( 點虛線 ) NOLW=no long wave radiation( 長虛線 )都是利用 Exp1 的條件並關掉各個參數

Concluding Ideal case1) 降水和雲的模擬在雲微物理過程比冰晶沉降作用敏感2) 冰晶沉降造成了 anvil 的減少，在暖區的雪增加3) 可以產生類似有 graupel 的雲結構產生In heavy rain fall1) 雲微物理和沉降作用改善了雲和溫度的模擬 (沉降作用重要 )

2) 模式可以在較冷的環境下產生較少的冰晶 (接近觀測 )3) 地表降水和 300hpa平均溫度的改善影響了輻射的回饋作

用