中尺度三参数云物理方案的建立和模拟研究

粒子谱采用Г分布时，在中尺度模式MM5动力框架和双参数显式云物理方案基础上，建立雨水、冰晶、雪和霰的雷达反射率因子预报方程，增加这些水凝物粒子雷达反射率因子源汇项计算，使谱形参数成为独立预报变量，从而在MM5中建立一个三参数显式云物理方案。利用三参数方案对不同降水个例进行观测和模拟比较研究，使用飞机观测资料拟合的粒子谱分布检验模式预报的谱形参数，使用雷达回波观测资料检验模式预报的雷达反射率。通过敏感性试验，将三参数方案和双参数方案的模拟结果进行比较研究，考察三参数方案对降水预报的提高程度，比较两种方案模拟的云和降水微观结构和微物理过程差异，表明模式中采用三参数方案的优越性和必要性。

随着计算能力的提高，中尺度模式中的显式云物理方案显得更加重要。很多双参数方案中粒子谱使用Γ分布n(D)=N0*D^α*exp(-λD)，这些方案中谱形参数α采用人为固定值。考虑到谱形参数的重要性，提出了一个三参数云物理方案。为了比较观测和数值模拟，使用飞机对雨层云进行了观测，结果表明雨层云中存在深厚过冷水层，-3 °C 至-6 °C层内出现的高浓度冰晶可以用H-M冰晶繁生机制解释。云中冰晶浓度在几百米的尺度上随时间有明显变化，存在不均匀性。高层云的飞机观测表明混合相云中过冷水含水量的分布存在双峰结构。云滴谱随高度增加出现拓宽，Γ分布拟合的云滴谱参数截距、斜率和谱形参数随高度增加基本保持不变。观测发现指数分布拟合的冰晶谱的截距和斜率之间存在幂函数关系。在中尺度模式MM5的双参数显式云物理方案基础上增加雷达反射率因子的预报方程并给出其源汇项计算公式，使模式能够预报雨水、冰晶、雪和霰的比含水量、数浓度和雷达反射率因子，从而使谱形参数α成为独立预报量。通过增加三参数云物理方案模块，最终建立一个包括单参数、双参数和三参数云物理方案的中尺度模式MM5。层状云降水个例的双参数和三参数显式云物理方案模拟表明，三参数方案和双参数方案模拟的各种降水粒子的垂直分布相近，而地面降水分布差异明显。