IAP-LACS三参数暖云方案对暖雨形成过程的模拟验证研究

The complexity of warm rain formation increases the difficulty of building warm cloud bulk scheme, the parameterizations of cloud-rain water conversion rates have always been the focus of mesoscale and climate model researches. The parameterization schemes for different autoconversion and accretion rates have great impacts on warm rain simulation results, which means current parameterizations cannot simulate the drop stochastic collection equation properly. Based on the drop stochastic collection equation, the research group of Jiming Sun (IAP-LACS) successfully derived the analytical solutions of autoconversion and accretion rates through the characteristics of gamma distribution function and hypergeometric functions, and then the new triple-moment warm cloud microphysical bulk scheme has been built by using the mixing ratio of number concentration, mass and radar reflectivity of cloud droplets and raindrops to predict temporal variations of the shape and slope parameters and the number concentration. This is a big breakthrough for warm rain parameterization. To verify and improve the new scheme, this research plans to couple the new scheme into the WRF dynamical frame and evaluate its advantages and disadvantages through large eddy numerical simulation experiments with RICO data comparing with those simulated with two-moment and bin schemes, and to further improve the triple-moment scheme.

暖雨形成过程的复杂性增加了建立暖云参数化方案的难度，云雨转化率的参数化方案一直都是中尺度模式和气候模式发展关注的焦点。不同的云滴自动转化率和雨滴收集率参数化方案模拟的暖云降水结果差异很大，这证明目前的参数化方案对云滴和雨滴的随机碰并过程的描述存在很大的缺陷。大气所云降水物理与强风暴重点实验室（IAP-LACS）孙继明团队利用云滴和雨滴的随机碰撞的理论公式，根据云滴和雨滴的伽马谱分布的特征以及超几何函数的性质推导出了自动转化率和收集率的解析解，并建立了IAP-LACS三参数暖云微物理方案，即利用云滴和雨滴的比数浓度、比质量浓度和雷达反射率因子的时间变率确定伽马函数的谱形参数、斜率参数和比数浓度参数，这是暖雨参数化方案的一个重大突破。本项目计划将新暖云方案耦合到WRF模式，并通过与双参方案和分档方案的大涡理想数值模拟试验和RICO实际观测试验的模拟对比，揭示新方案的优缺点，并对方案进一步改进。

云雨碰并是暖云降水中最重要的微物理过程，目前WRF模式中双参数暖雨方案未对云雨谱分布伽马函数中谱型参数建立预报方程，这导致了碰并过程中暖雨形成和发展的预报误差。IAP-LACS三参数暖雨方案基于伽马谱分布函数和超几何函数性质，利用云雨滴数浓度、质量浓度和雷达反射率因子，推导出了云雨碰并过程中云滴谱和雨滴谱随时间演变的解析解预报方程。项目成功将新发展的三参数暖雨方案耦合入WRF区域数值模式。为了验证新方案对云雨碰并过程模拟的改进效果，研究工作利用参照一个高分辨率分档方案和外场观测试验的飞机探测数据对比了WRF模式中单参数、双参数和新三参数方案对暖雨形成、发展过程中云雨谱分布的模拟效果。. 数值模拟结果表明，不同方案模拟的云雨质量时空分布的不同是因为模拟的云雨谱分布的差异性导致。单参数、双参数模拟的谱分布在凝结和碰并过程中都有显著的虚假拓宽问题，这导致雨滴提前生成，加速了暖雨的发展速率、缩短积云生命期。三参数方案有效克服了单参数、双参数方案在模拟云滴凝结和云雨碰并过程中滴谱的虚假拓宽问题，雨水量初始生成的时间、高度和增长速率与分档方案接近，模拟云滴、雨滴数浓度、谱宽等特征也与分档方案结果较一致；三参数方案对飞机观测云雨谱分布的模拟也表明，新方案可以较准确地模拟在暖云内云滴、雨滴数浓度和粒径因为凝结、碰并过程的变化。研究工作证明新方案有效改进了暖雨的数值模拟效果，有利于提高暖云降水的预报准确性。