冰雪晶形态对混合相云微物理量分布影响的分档模式研究

Given the inherent shortcoming of the present MMM (Microphysical Method of Moments) bin scheme in discribing mix-phase cloud, the purposes of this project are to develop a noval mixed phase cloud bin scheme and provide a state-of-the-art tool for the study of cloud microphysics. By combining with latest research results, this mixed phase cloud bin scheme is expected to describe the detailed microphysical processes, including deposition, aggreation of ice crystals with different shapes, and the progressive conversion of rimed snow to graupel. Consequently, the ability of the numerical simulations of cloud microphysics in terms of riming, sublimation as well as aggregation can be improved by means of such scheme. Moreover, studies can be accomplished by comparing of simulations with in-situ aircraft observations (liquid water content, ice number concentration, ice water content as well as the size spectra) , in order to investigate the effects of ice habits on vertical distributions of microphysical properties as well as phase partitioning in mixed clouds. The achievements of this project are expected toimprove the scientific basis of cloud microphysics.

针对现有MMM(Microphysical method of moments)冰雪晶分档方案在冰相过程数值处理方面的不完备性，拟在原分档方案的基础上，结合云物理学最新的研究成果，发展一个考虑冰晶形状，可以较为精细的描述不同形状冰晶粒子凝华、丛集过程，并可较为详细地描述冰雪晶到霰的渐进性转化过程的混合相云多阶矩分档方案，以提高现有MMM分档方案对上述微物理过程的模拟能力，为云微物理研究提供一个新的实用工具；进而利用所发展的模式，对已有的飞机垂直探测所获取的云微观资料(各类冰雪晶数浓度，含水量及粒子谱型等)进行数值模拟，通过敏感性实验，研究冰雪晶形态对混合相云冰液相分布及转化的影响，并对比分析验证新分档方案的模拟能力。

本项目通过4年的研究，完成了飞机观测资料的处理分析，选取了典型地区层状云天气系统开展了飞机穿云观测，综合分析了华北地区层状云微物理垂直结构，尤其调查了典型层状云不同部位云微物理量，即冰雪晶粒子及液态水的分布情况。开展了中尺度天气预报模式WRF中冰雪晶形态可变方案与传统参数化方案对云结构和降水进行了模拟，飞机观察到中等程度的树枝状物和板状物表明，在成熟的降水阶段，凇附对冰粒子的生长有显著贡献。对冰晶聚合体和柱状冰晶的观测表明，聚合、沉降与凇附共存，这些过程在大量大冰晶粒子的形成中发挥了重要作用。两种方案的24小时地表降水累积的区域平均值非常接近。然而，两种方案在降水分布的时间和空间演变方面存在明显的差异，两种方案之间降水量的差异与降水粒子的云水含量分布和下落速度有关。具有可变冰晶形态的微物理方案能够更好地模拟层状降水的雨强，因为此类微物理方案能够捕捉到质量加权下降速度和密度从初始的粒子到降水粒子的渐近性变化。在此基础上，本项目使用 WRF 模式中的传统的参数化微物理方案结合分档方案，即Morrison、WSM6、SBM、P3 四种微物理方案构建集合，用以模拟2017年5月22日河北省的一次中尺度对流系统MCS降水过程。研究发现不同的微物理方案模拟的对流云区液态含水量，冰水含量的垂直分布各不相同，而模拟的层状云区液态含水量，冰水含量的垂直分布结果较为相似。冰粒子和雨滴数浓度的垂直分布可以通过三个成员的总体平均值（Morrison、P3和SBM方案）再现。此外，由两个成员的集合平均值（冰晶形态可变方案P3和分档SBM方案）模拟的对流云的范围大于观测值，而由两个成员的集合平均数模拟的层状云的范围与观测值相似。该研究在人工影响天气关键区的预报与判别方面、大气辐射等方面有较为重要的应用前景。