适用于气候模式的三参数冰相云微物理方案的研究

The role of ice phase cloud microphysics processes in the atmosphere is very important. However, ice phase cloud microphysics scheme is a main weakness of climate model, and usually lagged behind that used in high-resolution model. The simulations from high-resolution model show that it is difficult for two-moment ice phase cloud microphysics scheme to represent sedimentation process, however, this deficiency can be overcome by three-moment scheme that represent cirrus cloud evolution in a much more realistic manner. The goal of this study is to develop a three-moment ice phase cloud microphysics scheme with higher computational efficiency, which can be used in climate model, based on a three-moment scheme used in high-resolution model. The feature of climate model, such as low resolution and long time step, will be considered in this three-moment scheme. The simulations from our cloud-resolving model are considered to be benchmark. As compared to the default two-moment scheme, this three-moment scheme would improve the ability of climate model to simulate cirrus cloud and cloud radiative forcing, and enhance the reliability of model results about ice phase cloud microphysics processes.

冰相云微物理过程在大气中扮演着一个重要的角色。但是，气候模式中的冰相云微物理过程却是一个主要的薄弱环节，且往往落后于高分辨率模式中的云微物理参数化方案。近期高分辨率模式的数值实验结果表明：三参数冰相云微物理方案可以克服双参数方案难以模拟冰晶沉降过程的不足，进而更好地描述冰云的演化发展。因此，本研究项目拟借鉴高分辨率模式中的三参数云微物理方案，以云模式的模拟结果为参考标准，针对气候模式网格粗、步长大等特征，设计能够用于气候模式的具有较高计算效率的三参数冰相云微物理方案，取代目前使用的双参数方案，改进气候模式模拟冰云演化发展以及云辐射效应的能力，提升使用气候模式研究冰云相关问题的可信度。

气候模式普遍采用能够考虑气溶胶-云相互作用的双参数（数量和质量）云微物理方案。双参数方案中的云粒子半径分布通常采用伽马函数描述。伽马函数需要三个控制参数：截距参数（N0）、斜率参数（λ）和谱形参数（μ）。但是，双参数云微物理方案无法全部预测这三个控制参数。其中，谱形参数μ通常由经验公式计算或设定为常数。为更真实地描述冰晶粒子半径分布特征的演化发展（主要是μ），此项目开发了冰相三参数云微物理方案。在原双参数方案基础上，通过增加一个预报量（雷达反射率），进而预报冰晶半径分布参数μ（μi）的演化发展。. 为了能够深入了解使用三参数方案气候模拟试验产生的差异（相对于原双参数方案），首先深入细致地分析了μi对气候模拟的影响。计算公式表明：标准化后的冰晶半径分布特征完全由μi决定；质量平均半径（Rqi）与其他统计半径（例如：数量平均半径、辐射有效半径）的比值也完全由μi决定。离线测试表明：冰晶在相同数量、质量情况下，其凝华增长过程（吸收水汽速率）随着μi增加而明显加快；在相同Rqi情况下，冰晶向雪花的自动转换过程随μi增加而明显变慢。气候模拟试验表明：随μi增加，冰云质量显著增加而数量显著减少。敏感性试验进一步表明上述变化主要来自变慢的自动转换过程。此外，还展示介绍了μi影响气候模拟的各个主要机制。相对于双参数方案，三参数方案的一个主要优势在于它可以描述μi与冰晶下落过程的相互影响。采用三参数方案模拟得出的μi在1～6之间，与观测范围基本一致。μi通常是在大气对流层中部大、上部小。冰晶沉降过程是造成μi这种垂直分布特征的主要因素。总之，μi对气候模拟的影响不可忽略，三参数方案可以更好地描述μi的演化发展。