A Revised Approach to Ice Microphysical Process for the Bulk Parameterization of Clouds and Precipitation SONG-YOU HONG, JIMY DUDHIA, SHU-HUA CHEN

學生：陳文彬

指導老師：楊明仁老師

Introduction

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

RH83(Rutledge and Hobbs) 、 D89(Dudhia 1989)

本篇文章即是介紹修正模式中的微物理計算過程，並探討其影響。

Modifications of microphysical process introduce to a commonly used bulk cloud scheme 利用 WRF simple ice and mixing phase 來修改

利用 D89 和 RH83 更正模組

a.Sedimentation of falling ice crystal

HD90(Heymsfield and Donner 1990)

ρ 空氣密度， qI雲冰混和比

New velocity-diameter formula HI2000(Heymsfiled and Iaquinta)

16.01 )(29.3)( II qmsV

b.Ice mass, diameter, and number concentration relationship

(Fletcher 1962)

I

II N

qM

column bullet rosette

c 3.02*107 5.38*107 2.76*108

d 0.72 0.75 0.8

取 single bullet 來修正模式

利用 single bullet 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

From Marshall and Palmer, 1948

d.Initiation of cloud ice crystal

qsi: 冰的飽和混合比

q=water vapor mixing ratio

qI0=NI0MI0/ρ

(a)Ice nuclei number concentration

(b)Initial ice crystal amount

(-43,1)

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

SI=qSI/q

AI 、 BI 熱力和動力函數

RH83 、 D89

This study

f.Accretion of cloud ice by snow (Pacr)

g.Conversion of ice crystals to snow(PautI)

qIcrit(MImaxNI/ρ) 為 autoconversion 的門檻值

Fletcher : D89, RH83 qicrit has small range of T : 0.1 and 1 gkg-1 for –27 and –32C

This study

qicrit :18gkg-1, at T=-40C, P=300 mb

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

μ= 動力黏滯係數

i.Autoconversion of cloud water to rain (Pautc)

qc0 = critical liquid water content for cloud water

(Kessler 1969)

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

3. Numerical experiments

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

rain event

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 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 3K

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

qr

s

qci

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

1234

1 、 23 、4

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 Jun.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 )

A 3D real-data simulation of a heavyrain event

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讓 WRF model 使用

48 小時的模擬時間 (1200 UTC 25 Jun. 1997) 水平網格間距 45km 共 80 點，中心位於 Korea peninsula

使用 Lambert-conformal conic projection 垂直分 23層

The simulation of the real case(setting)

The simulation of the real case

Vertical profiles, at 0000 UTC 25 Jun 1997

1234

4

32

1

The 24-h accumulated precipitation (mm) (a)Exp1 and (b) Exp4.

平均 1小時累積降水 (domain-average)(a) subgrid-scale (implicit) rain and (b) grid-resolvable (explicit) rain

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

Exp1~Exp4 間的 cloud ice/water 的濃度、 300hpa 平均溫度Exp1 (thin solid),Exp2(dotted),Exp3(dashed),and Exp4(thick solid) and the analyses (solid line with open circles).

1

2

3

4

4

12

3

Conclusion

Ideal case 相對於雲微物理過程，考慮冰晶沉降作用對於降水和雲的模擬，影響較小。

冰晶沉降造成了 anvil ice 的減少，雪花增加 可以產生類似有 graupel 的雲結構產生Heavy rain fall 雲微物理和沉降作用改善了雲和溫度的模擬 模式在較冷的環境中產生較少的冰晶 (接近觀測 )

Exp1(實線 ) NORA=no radiation( 點線 ) NOSW=no short wave radiation( 點虛線 ) NOLW=no long wave radiation(長虛線 )