冰相四参数微物理方案的建立及其数值模拟

Ice crystal habits will change under different ambient temperature and water vapor saturation, which results in different shapes with different aspect ratios. Such habits have been proven as critical factors impacting cloud physical processes and radiation. Therefore, we plan to develop a new four-parameters scheme for ice particles. For this new scheme, we will establish prediction equations concerning the total concentration of ice crystals, average spherical equivalent radius, mixing ratio and average natural logarithm of aspect ratio for Eulerian Models so that we can diagnose the dynamical advection change for intercept N0, shape parameter α and the slope parameter β of the gamma distribution, and even for ice crystal shape parameter ξ. Meanwhile, we also need to establish the time exact differentials for these parameters concerning microphysical processes. Recently we have already established these exact differentials and simulated the ice growth habits for the fixed density of ice crystals. We need further to consider the changeable density of ice crystals and riming processes in our new scheme for both small ice particles and large ones, respectively. And then we will couple our new scheme into a two cylinder cumulus cloud model to modify the scheme through comparing the results simulated by a bin cloud scheme. Finally, the new scheme will be coupled into WRF-LES to simulate thunderstorms observed in Tibet for further comparison with radar data.

冰晶在不同温度区间具有不同的凝华增长特性，冰晶形状表现出不同的纵横比，这种形状的差异对云微物理过程和辐射的影响都非常重要。因此,本项目的目的是研究发展一个新的四参数伽玛冰相粒子谱方案。该四参数方案需要建立包括总冰晶数浓度、平均球形等效半径、混合比和平均对数纵横比的欧拉预报方程，从而确定动力平流引起的伽玛谱截距，斜率，谱形和纵横比四个参数的变化；另外还要建立冰相粒子微物理过程导致这四个参数随时间演变的全微分方程组，计算微物理过程对这四个参数造成的变化。目前，我们已经建立了固定密度的冰晶凝华增长四参数方案，我们将进一步建立可变密度的小冰相粒子的凝华增长四参数方案和淞附增长的大冰相粒子的四参数方案。利用双柱积云模式模拟比较冰相粒子的实际观测个例,改进新方案。最终耦合到WRF-LES模式，模拟深对流天气的演变，并与地面和雷达观测资料对比，验证新方案的优越性。

参数化方案中云粒子谱常采用三参数伽马分布函数来表示。三个参数分别为截距参数/云粒子数浓度、谱形参数和斜率参数。云粒子谱的准确预报需要通过构建数浓度、谱形参数和斜率参数的常微分方程组来实现，而对于冰相云粒子，其非球形形状也是重要的云微物理特征，需引入表征冰晶长短轴比值的形状因子作为第四个参数。因此，冰晶凇附增长的准确模拟需要构建数浓度、谱形参数、斜率参数和形状参数的常微分方程组。然而，目前的各类参数化方案中斜率参数普遍采用诊断公式计算，而谱形参数则设为固定值或由经验公式所得，模拟的云粒子谱演变完全背离了云微物理变化规律；同时未考虑冰晶非球形形状对其增长的影响。.为了建立更加符合云微物理规律的冰晶凇附增长四参数方案，本项目首先确立冰粒子数浓度、云冰含量、雷达反射率和平均对数纵横比四个预报量与冰粒子伽马谱函数中谱形参数、斜率参数和形状参数的关系式，建立数浓度、谱形参数、斜率参数和形状参数在微物理过程中变化的常微分方程组，从而建立冰晶凇附增长四参数方案。在此基础上，将冰晶凇附增长四参数方案耦合到1.5D积云模式和3DWRF模式中，对实际观测个例进行数值模拟试验，并与分档模式模拟结果以及实际观测个例进行对比。.新方案能够更加合理地描述冰晶粒子谱及其形状的演变，在充分考虑冰晶形状对冰晶增长的影响下，也能够更加准确地模拟冰晶的凝华和凇附增长。