对流云中不同水成物谱分布离散度参数化方案的构建及应用

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云中水成物谱分布的离散度对模式中云微物理过程的准确描述至关重要,但是离散度的参数化存在很大的不确定性,尤其是冰相粒子谱分布的离散度,常被假定为常数。本文利用安徽寿县地区对流云的模拟结果(天气研究和预报模式WRF结合谱分档方案),研究不同水成物谱分布的离散度及其影响因子,构建了相应的参数化方案,并将该参数化方案应用到公共地球系统模式(CESM)中进行测试,研究新方案对云降水和辐射等过程的影响。得到的主要结论如下:(1)构建了不同水成物谱分布离散度的参数化方案,并分析了其对下落末速度的影响。无论在污染条件下还是清洁条件下,冰晶谱分布离散度与体积平均直径之间均为负相关关系,而其他水成物(云滴、雨滴、霰粒子与雪粒子)这两个量之间均为正相关关系。这主要是因为云滴和雨滴受碰并过程影响,冰晶、霰粒子和雪粒子分别受凝华、淞附和聚并过程的影响。综合考虑污染与清洁条件下离散度和体积平均直径之间的相关关系,建立了离散度参数化方案,并把该方案应用到下落末速度的计算中。结果表明,对于云滴、冰晶、霰粒子和雪粒子,在Gamma分布中假设谱形参数等于0会低估谱形参数而高估离散度。对于雨滴,假设谱形参数等于0与参数化方案结果接近。最后,针对不同的水成物粒子,给出了谱形参数最合适的数值。(2)研究了新的离散度参数化方案对CESM模式中云微物理、云量、辐射和降水的影响。离散度参数化方案的植入增大了谱形参数,与默认组相比,冰雪自动转化过程减弱,贝吉龙过程增强,云冰混合比增大,而对云水影响不大。随着谱形参数的增加,冰晶数浓度加权下落末速度增大,质量加权下落末速度减小。同时发现,谱形参数的增加使得云量、长波和短波辐射强迫增大,总降水减小,这与冰雪自动转化过程减弱密切相关。综合以上分析,本文构建了离散度的参数化方案,并将其植入CESM模式中进行测试,为改进模式中的云微物理参数化方案提供参考。
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