双参数微物理方案在WRF单柱模式中的对比检验

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云系的演变及其与大气环流和地球表面的相互作用在天气和气候系统中扮演极其重要角色。在中尺度数值模式中,显式微物理方案直接预报云中粒子的发生发展。微物理方案对物理过程的描述更加准确有利于降水预报水平的提高,利用高分辨率的数值模拟结果来研究灾害性天气的发生发展机制也更加的准确和可信。随着模式分辨率的提高,微物理方案的发展和完善工作受到越来越多的重视。在前人的工作中,由于缺乏云微物理量的观测资料,微物理方案的模拟性能难以得到直接验证,造成不同方案模拟的宏观降水场差异的深层原因也很难追溯。微物理方案中,双参数微物理方案由于具有合理的物理基础而且弥补了单参数方案过于简单和分档方案计算量过于巨大的缺陷,因而模拟效果整体较好且应用较为广泛。本文利用耦合Milbrandt2-mon (MY)和Morrison2-mon(MOR)两种双参数微物理方案的WRF模式中的单柱模式,对TWP试验(Tropical Warm Pool International Cloud Experiment)期间的个例进行了数值模拟和敏感性试验,所得结论可以为微物理方案的发展应用和改进提供参考依据。通过与观测资料和云分辨率模式的模拟结果进行对比发现,两个方案均能够较好地模拟出热带云系的宏微观特征以及降水率和辐射场的量级和时间演变特征,显著的模拟误差主要出现在季风抑制期:浅对流模拟得过于活跃,高空冰云模拟偏厚。两方案中冰晶和雪的源汇项收支情况同冰云宏观分布非常匹配。其中在季风活跃期,冰相粒子的融化是产生降水的重要因子,而MOR方案中冰晶云对降水的形成主要是间接贡献。两方案模拟的冰云组成结构存在显著的差异:两个方案的冰云主要由冰晶和雪构成。MY方案模拟的冰晶在垂直方向上的分布更加深厚,而在MOR方案中,雪的发展要比MY方案更为强盛,雪对冰云的贡献更大。敏感性试验表明,雪密度(SBD)的处理方法对冰云组成结构有重要的影响:MOR方案中假定了SBD是定值,过小的SBD值会使雪的凝华增长过程得到虚假增强并消耗大量水汽,从而抑制冰晶增长;MY方案中假定SBD同雪粒子直径成反向变化,更符合观测事实,雪的增长过程相比于SBD的定值假设的情况受到抑制,因而冰晶对冰云的贡献更大。凝华凝冻核的数浓度(NIN)的气溶胶敏感性试验表明:MOR方案中,季风抑制期,高空的冰云的宏观和微观性质以及OLR对凝华凝冻核的响应情况呈现显著的线性特征,而在季风活跃期,响应情况无明显规律可循。MY方案中,无论是季风活跃期还是抑制期,微物理量以及辐射场对NIN数浓度的响应情况要比MOR方案复杂得多,响应情况同具体时段和天气条件有关。两个方案对NIN的响应情况差异主要同冰晶初始核化的参数化过程有关。
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