Reformulation of the Milbrandt and Yau microphysics parameterization: a triple-moment lognormal scheme

As spatial resolution in numerical models continue to increase, explicit microphysics schemes activated upon grid-scale saturation become more important in representing cloud and precipitation processes. Milbrandt and Yau's explicit microphysics parameterization is a bulk, multimoment scheme that allows for changes in three parameters in the gamma size distribution function. One of these parameters is the shape parameter α, which is obtained by inverting a function G(α). This inversion, however, can result in solutions of α that are negative and multi-valued. To avoid the problem, an assumption of α greater or equal to 0 is applied in the scheme. Another issue in relation to the shape parameter is that G(α) is asymptotic to one for increasing α, such that unreasonably large variations in α may result due to smallchanges in G(α). This problem is alleviated by restricting the maximum value of the shape parameter to 40. To relax these assumptions, a reformulation of the scheme is performed in this study by using the lognormal distribution function instead of the gamma distribution function to represent the size spectra of six hydrometeor categories. Preliminary evaluations are performed by interfacing the microphysics schemes with a one dimensional kinematic model. A tendency to produce excessive rates of change in the radar reflectivity and orders of magnitude differences between moment-weighted terminal fall speeds for the same hydrometeor were observed in the lognormal scheme, and are resolved by setting hydrometeor-specific maximum diameters for moment integrations when calculating the reflectivity tendencies andmoment-weighted sedimentation fall speeds. Simulation of a hail storm with the 1D kinematic column model then yields qualitatively comparable total number concentrations, mass mixing ratios, and radar reflectivities between the lognormal and the gamma formulations, while for the surface precipitation, a consistently stronger rate is found for the lognormal scheme.Comme la résolution spatiale dans les modèles numériques continuent d'augmenter, la système explicite de la microphysique activés sur échelle de la grille saturation deviennent plus important dans la représentation des processus de nuages ​​et de précipitations. La paramétrisation explicite par Milbrandt et Yau est une masse, schéma multimoment qui permet des changements dans trois paramètres de la fonction de distribution de gamma. L'un de ces paramètres est le paramètre de forme α, qui est obtenue par l'inversion d'une fonction G(α). Cette inversion peut provoque des solutions de α qui sont négatives et des valeurs multiples. Pour éviter le problème, l'hypothèse d'une α ≥ 0 est appliqué dans le schéma. Une autre question en ce qui concerne le paramètre de forme est que G(α) est asymptotique à 1 pour une augmentation de α, tels que déraisonnable de grandes variations de α peuvent survenir en raison de petits changements dans G(α). Ce problème est atténué en limitant la valeur maximale du paramètre de forme à 40. Pour détendre ces hypothèses, une reformulation du schéma est effectuée dans cette étude à l'aide de la fonction de distribution de log-normale à la place de la fonction de distribution de gamma pour représenter le spectre de taille de six catégories hydrométéores. Les évaluations préliminaires sont effectuées par l'intégration des systèmes de microphysique avec un modèle cinématique unidimensionnel. Une tendance à produire des taux excessifs de changement de la réflectivité et ordres de différences d'amplitude entre les vitesses de chute terminaux pour la même hydrométéore radar ont été observés dans le système log-normale, et sont résolus par la mise en diamètres maximales pour chaque spécifiques hydrométéore pour les intégrations de moment lors du calcul les tendances de la réflectivité et la vitesse de sédimentation de chute terminaux. Simulation d'un orage de grêle avec le modèle de la colonne cinématique 1D donne alors concentrations qualitativement comparables total des nombres, des rapports de mélange de masse, et réflectivité radar entre le log-normale et les formulations de gamma, tandis que pour la précipitation de surface, un taux toujours plus forte se trouve pour le régime log-normale