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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
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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。 CRMs是一種cloud-scale and circulation交互作用的方法….最近被使用 為了研究對流系統的特徵，有些學者開始使用雲解析模式(Cloud-resolving model，CRM)，來了解對流系統的發展過程，用以改進積雲參數化的表現能力
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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
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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)
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b.Ice mass, diameter, and number concentration relationship
(Fletcher 1962) column bullet rosette c 3.02*107 5.38*107 2.76*108 d 0.72 0.75 0.8 利用冰晶的平均重量在用HI2000帶入
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取single bullet來修正模式
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利用single bullet的粒子數濃度求出來各項的數值
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c.Intercept parameter for snow
Houze et al.1979 Note : 最大值為2*108(m-4) From Marshall and Palmer, 1948
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d.Initiation of cloud ice crystal
qsi:冰的飽和混合比 q=water vapor mixing ratio qI0=NI0MI0/ρ 條件\是在過飽和且還沒結成冰時
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(a)Ice nuclei number concentration (b)Initial ice crystal amount
(-43,1) (a)Ice nuclei number concentration (b)Initial ice crystal amount
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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
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f.Accretion of cloud ice by snow (Pacr)
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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
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h.Sublimation and deposition grower of snow/evaporation of rain(Pres)
當雨滴蒸發時，代表水汽未達到飽和，但是以冰相粒子而言，有可能已經達到冰的飽和，使得冰晶成長 μ=動力黏滯係數
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i.Autoconversion of cloud water to rain (Pautc)
(Kessler 1969) qc0 = critical liquid water content for cloud water 在Tripoli and Cotton 1980(TC80)對參數qC0、α做了物理上的定義 qC0代表產生autoconversion的門檻值
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3. Numerical experiments
Two sets of experiments are carried out : An idealized 2D thunderstorm case A 3D real-data simulation of a heavy rain event KF cumulus parameterization for subgrid scale precipitation process
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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
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qci qrs
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細實線(Exp1) 點線(Exp2) 虛線(Exp3) 粗實線 (Exp4)
3、4 1、2 細實線(Exp1) 點線(Exp2) 虛線(Exp3) 粗實線 (Exp4)
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A 3D real-data simulation of a heavy rain 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)
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A 3D real-data simulation of a heavy rain event
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The simulation of the real case(setting)
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
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The simulation of the real case
溫度是利用NCEP資料，降水是利用測站降水內插到各網格點，括弧中代表利用cloud5 Bias score=the simulation/the observation
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Vertical profiles, at 0000 UTC 25 Jun 1997
3 4 1 1 3 2 4 Vertical profiles, at 0000 UTC 25 Jun 1997
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The 24-h accumulated precipitation (mm) (a)Exp1 and (b) Exp4.
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平均1小時累積降水(domain-average)
南方局部降水，主要因素跟西方降水不同，因為太平洋 副熱帶高壓帶來暖濕空氣使得不穩定度提高，所以積雲 參數法在此區域重要 平均1小時累積降水(domain-average) (a) subgrid-scale (implicit) rain and (b) grid-resolvable (explicit) rain
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垂直積分cloud ice/water混合比(1200UTC 25 Jun.1997)
(a) is Exp1, (b) is Exp4
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Exp1~Exp4間的cloud ice/water的濃度、300hpa平均溫度
2 1 3 2 4 3 4 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).
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Conclusion Ideal case Heavy rain fall
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)
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Exp1(實線) NORA=no radiation(點線) NOSW=no short wave radiation(點虛線) NOLW=no long wave radiation(長虛線)
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