Original paper

The impact of the choice of the entire drop size distribution function on Cumulonimbus characteristics

Ćurić, Mladjen; Janc, Dejan; Vučković, Vladan; Kovačević, Nemanja

Meteorologische Zeitschrift Vol. 18 No. 2 (2009), p. 207 - 222

published: May 13, 2009

DOI: 10.1127/0941-2948/2009/0366

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ArtNo. ESP025011802012, Price: 29.00 €

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Abstract

The study compares two different ways to represent the size distributions of cloud droplets and raindrops in bulk microphysical schemes in the scope of cloud-resolving mesoscale modeling of cumulonimbus clouds. A unified Khrgian-Mazin size distribution for the entire liquid water is systematically compared to a widely applied approach using a Marshall-Palmer size distribution for rain and a fitted monodisperse distribution for cloud droplets. The impact of the distribution function on cloud microphysics, precipitation characteristics, cloud appearance and dynamics of one simulated cumulonimbus case is investigated. The agreement of the model values with typical observed cloud characteristics is discussed. The results of our study reveal that there are considerable differences between the two approaches, both with respect to the microphysical production terms and with respect to the cloud appearance while the differences are less pronounced in cloud dynamics. An important result is that the Khrgian-Mazin size distribution leads to more cumulative rain compared to the one composed of a monodisperse and a Marshall-Palmer distribution. There is observational evidence that a storm splitting, hail field characteristics and cumulative total precipitations are simulated more accurately by the Khrgian-Mazin distribution function.

Kurzfassung

Die Studie vergleicht zwei verschiedene Methoden, die Größenverteilungen von Wolkentröpfchen und Regentropfen in Bulk-Mikrophysik-Schemata im Rahmen der wolkenauflösenden mesoskaligen Modellierung von Cumulonimbus-Wolken zu repräsentieren. Eine vereinheitlichte Khrgian-Mazin-Größenverteilung für das gesamte flüssige Wasser wird systematisch mit einem weit verbreiteten Ansatz verglichen, bei dem eine Marshall-Palmer-Größenverteilung für Regen und eine angepasste monodisperse Verteilung für Wolkentröpfchen verwendet wird. Die Auswirkungen der Verteilungsfunktion auf die Wolkenmikrophysik, auf die Charakteristika des Niederschlags, auf das Erscheinungsbild der Wolken und auf die Dynamik eines simulierten Cumulonimbus-Falles werden untersucht. Die Übereinstimmung der Modellwerte mit typischen, beobachteten Charakteristika von Wolken wird diskutiert. Die Ergebnisse unserer Studie lassen erkennen, dass es beträchtliche Unterschiede zwischen den beiden Ansätzen gibt, sowohl im Hinblick auf die mikrophysikalischen Produktionsterme als auch im Hinblick auf das Erscheinungsbild der Wolken, während die Unterschiede bezüglich der Wolkendynamik weniger ausgeprägt sind. Ein wichtiges Ergebnis ist, dass die Khrgian-Mazin-Größenverteilung zu mehr akkumuliertem Regen führt als diejenige, die aus einer monodispersen und einer Marshall-Palmer-Verteilung zusammengesetzt ist. Es gibt auf Beobachtungen beruhende Beweise dafüur, dass die Aufspaltung von Stüurmen, die Charakteristika von Hagelfeldern und die Gesamtheit kumulativer Niederschläge mit der Khrgian-Mazin-Verteilungsfunktion genauer simuliert werden.