WRF學習之 ch4 WRF初始化

翻譯自源網頁：https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/docs/user_guide_v4/v4.1/users_guide_chap4.html

介紹

WRF模式可以進行兩大類模擬：具有理想初始化的模擬和利用真實數據的模擬。理想模擬通常根據現有的一維或二維觀測為WRF模型生成初始條件文件，並假設簡化的解析地形圖。真實的數據情況通常需要WPS包的預處理，WPS包為每個大氣和靜態場提供適合於模型所選網格分辨率的保真度。WRF模型可執行文件本身不會通過選擇一個初始化選項而改變（理想化的與實際的），但是WRF模型預處理器（real.exe和理想.exe程序）是根據用戶的選擇專門構建的。
real.exe和ideal.exe程序不能一起使用。real.exe和ideal.exe都是在WRF模型運行之前處理的程序。
理想情況與真實情況的划分如下：

• Ideal cases – initialization programs named “ideal.exe”
• 3d

• em_b_wave - baroclinic wave, 100 km
• em_fire – surface fire, 50 m
• em_heldsuarez – global case with polar filtering, 625 km
• em_les – large eddy simulation, 100 m
• em_quarter_ss - super cell, 2 km
• em_tropical_cyclone – hurricane, 15 km

• 2d

• em_grav2d_x – gravity current, 100 m
• em_hill2d_x – flow over a hill, 2 km
• em_seabreeze2d_x – water and land, 2 km, full physics
• em_squall2d_x – squall line, 250 m
• em_squall2d_y – transpose of above problem

• 1d

• em_scm_xy – single column model, 4 km, full physics
  
  
• Real data cases – initialization program named “real.exe”
  • em_real – examples from 4 to 30 km, full physics

在./compile選擇預報類型。在選擇要研究的不同案例時，必須重新編譯代碼以選擇正確的模式初始條件。例如，在配置設置architecture（使用./configure命令）之后，如果用戶發出命令./compile em_real，那么初始化程序將使用module_initialize_real.F作為目標模塊（./WRF/dyn_em/module_initialize*.F文件中的一個）
對於理想的初始化，可以使用文件組合來構建可執行文件。對於em_fire, em_heldsuarez, em_scm_xy和em_tropical_cyclone情況，存在一個單獨的初始化文件。對於其余理想化的情況，使用文件./WRF/dyn_em/module_initialize_ideal.F。注意，這兩種初始化程序的WRF預測模型是相同的。在每個初始化模塊中，都會執行相同的活動：

• 計算位勢和氣柱壓力的基本態/參考廓線
• 計算位勢和氣柱壓的相對於基本態的擾動
• 初始化氣象變量：u，v，位溫，水汽混合比
• 定義模式坐標
• 將數據插值到模式的垂直坐標
• 初始化地圖投影和物理表面的靜態場；對於許多理想例子，這些都是簡化的初始化，例如將地圖因子設置為1，將地形高度設置為0
• 在退出處理這些預處理活動的例程之前，如果用戶使用濕位溫請求熱場，則計算該診斷變量

 

real.exe程序和ideal.exe程序共享大部分源代碼，以執行以下任務：

• 從namelist中讀取數據
• 為請求的網格分配空間，並在運行時指定模式變量
• 生成初始條件文件

真實的數據案例會做一些額外的處理：

• 從WRF預處理系統（WPS）讀取氣象和靜態輸入數據
• 准備模型中使用的土壤場（通常，垂直插值到指定陸面方案所需的層次）
• 檢查土壤類別、土地利用、陸面覆蓋、土壤溫度、海面溫度是否一致
• 處理多個輸入時段以生成側邊界條件，除非處理全球預測，否則需要這些條件
• 三維邊界數據（u，v，位溫，蒸汽混合比，總位勢）與總柱壓耦合

 

真實數據個例初始化

真實數據WRF例子是有輸入數據輸入到WRF前處理系統（WPS)的"real.exe"程序的。WPS中的這些數據最初是從以前運行的外部分析或預測模型生成的。原始數據很可能是GriB 格式的，並且很可能是通過首先從美國國家氣象局的一個ftp站點匿名提取原始GriB數據到WPS中的。

例如，假設一個單網格WRF預報，條件如下：

• 從2000年1月24日1200 UTC到1月25日1200 UTC
• 原始GriB數據以6小時為增量

WPS將生成以下粗網格文件（起始日期到結束日期，以6小時為增量）：

• met_em.d01.2000-01-24_12:00:00.nc
• met_em.d01.2000-01-24_18:00:00.nc
• met_em.d01.2000-01-25_00:00:00.nc
• met_em.d01.2000-01-25_06:00:00.nc
• met_em.d01.2000-01-25_12:00:00.nc

慣例是使用“met_”來表示從WPS“metgrid.exe”程序輸出並輸入到“real.exe”程序中的數據。名稱的“d01”表示該數據引用的域，這個域允許嵌套。下一組字符是有效日期/時間（UTC），其中每個WPS輸出文件只有一個時間片。文件擴展名后綴“.nc”表示WPS的輸出格式，對於“real.exe”程序，該格式必須是netCDF中。對於區域預測，必須由“real.exe”處理多個時段，以便模型可以使用側邊界文件。WRF的全球選項只需要一個初始條件。

WPS包提供的數據可供“real.exe”程序在WRF系統中使用。

• 數據遵循WRF IO API。除非您正在開發特殊工具，否則請堅持使用netCDF選項在WPS包和“real.exe”之間進行通信。
• 數據已經被水平插值到每個變量的正確網格點錯開，風被正確旋轉到WRF模型地圖投影。
• WPS要求的三維氣象數據：氣壓、u、v、溫度、相對濕度、位勢高度
• 可在運行時向實際程序提供可選的三維水文氣象數據，但這些場不會在粗網格側邊界文件中使用。可以從metgrid輸出文件中輸入名為QR、QC、QS、QI、QG、QH、QNI（雨、雲、雪、冰、霰、冰雹和數值濃度的混合比）的場。
• 來自WPS的三維土壤數據：土壤溫度、土壤濕度、土壤液體（可選，取決於WRF模型中的物理選擇）
• 來自WPS的2D氣象數據：海平面氣壓、地面氣壓、地面u和v、地面溫度、地面相對濕度、初步地形高程
• 來自WPS的二維氣象可選數據：海面溫度、物理雪深、水當量雪深
• 物理表面的二維靜態數據：地形高程、土地利用類型、土壤質地類型、時間插值月數據、海陸界面、輸入模型地形高程
• 投影的二維靜態數據：地圖因子、科里奧利、投影旋轉、計算緯度
• 常量：網格大小、網格距離、日期
• WPS數據可以是等壓的，也可以是更廣義的垂直坐標，其中每一列的壓力都是單調的
• WPS的輸出可以包括一個垂直坐標上的氣象數據，以及另一個完全不同的垂直坐標上的三維數據（如排放量）
• 所有三維氣象數據（風、溫度、高度、濕度、壓力）必須具有相同數量的垂直層次，變量必須具有完全相同的級別。例如，溫度（例如）高於高度是不可接受的。另外，在第8層的高度的溫度是700 hPa的溫度，而在第8層高度的水平風分量是750 hPa的溫度是不可接受的。

真實數據測試用例：2000年1月24日/12日至25日/12

• 可以從WRF下載頁訪問測試數據集。在“WRF模型測試數據”列表下，選擇一月數據。這是一個74x6130公里的區域，中心位於美國東部。
• 確保已成功生成代碼（下載中提供了精細網格嵌套的初始數據，因此可以使用基本嵌套選項生成代碼），/WRF/main/real.exe和/WRF/main/WRF.exe必須同時存在。
• 在./WRF/test/em_real目錄中，將一月案例的名稱列表復制到默認名稱
  • cp namelist.input.jan00 namelist.input
• 將WPS文件（下載中的“met_em*”文件）鏈接到./WRF/test/em_real目錄。
• 對於單處理器，要執行real程序，請鍵入real.exe（對於這個有五個時間段的小情況，這應該不到一分鍾）。
• 運行“real.exe”程序后，文件“wrfinput_d01”和“wrfbdy_d01”應在此目錄中；這些文件將直接由WRF模型使用。
• 接下來執行“wrf.exe”程序（鍵入wrf.exe），這只需要幾分鍾（在名稱列表文件中只請求12小時的預測）。
• 輸出文件wrfout_d01:2000-01-24_12:00:00應包含間隔3小時的12小時預測。

近期發布的注意事項

在WRFv4.0版本中，默認行為是包括濕位溫選項和混合垂直坐標。這兩個選項使向后兼容變得困難。

• 濕位勢溫度溫度：use_theta_m = 0 (off), 1 (on)

在v3.8的WRF系統中引入了初始化濕位溫能力。在v3.8到v3.9.1.1中，濕theta的所有處理都由模式處理。這導致在主解算器子程序內反復切換，因此變量網格%t_2的定義取決於子程序內的位置。代碼現在已經被正確地移植，以便在真實/理想的預處理器中包含潮濕的theta選項，並且grid%t_2變量的含義始終相同。在v4.0中，所有真實和理想的情況都支持濕位溫度選項。由於v4.0代碼假定輸入變量與濕θ的名稱列表設置一致，因此通常不會使用早期版本的wrfinput_d0x和wrfbdy_d01文件。

如果用戶有較舊的輸入數據（v4.0之前的版本），並且如果用戶關閉了潮濕θ選項，則可以使用wrfinput_d0x和wrfbdy_d01數據。
如果用戶打開“濕位溫度”選項，則只能使用新的wrfinput_d0x和wrfbdy_d01數據。

 

• 混合垂直坐標（HVC）： hybrid_opt = 0 ((off), 2 (on)

自v3.9以來，WRF代碼支持混合垂直坐標，但僅適用於實際數據初始化和2d希爾情況下的流量。在v4.0中，所有真實和理想的情況都支持使用HVC。混合垂直坐標和濕θ選項也適用同樣的禁例。

如果用戶有不使用HVC的舊輸入數據（v4.0之前的版本），並且如果用戶關閉WRF模型中的“混合垂直坐標”選項，則可以使用WRF input_d0x和wrfbdy_d01數據。
如果用戶打開HVC選項，則只能使用新的wrfinput_d0x和wrfbdy_d01數據。

從v4.0開始，有一個新的namelist選項可用（force_use_old_data=.TRUE.）顯式允許將舊的wrfinput_d0x和wrfbdy_d01文件引入WRF模型。

 

設置模式垂直層次

用戶可以使用namelist的選項eta_levels顯式定義完整的eta層次。給出了28和35個層次的分布。層次數必須與分配的eta面數一致（e_vert）。用戶可以選擇只請求層次的數量（使用e_vert），而real程序將計算值。從V4.0中，有兩種方法可以選擇auto_levels_opt=1（舊）或2（新）。舊的計算假設一個已知的前幾層，然后生成等高間隔層直到到式頂部的。新方法具有表面和上層拉伸因子（dz_stretch_s和dz_stretch_u）用以根據log p來拉伸層次，厚度dzbot開始，直到最大厚度點（max_stretch_dz）。當厚度達到max_dz/2時，拉伸從dz_stretch_s過渡到dzstretch_u。

當dzbot=50 m 且 max_dz=1000 m時，層次數目最小值是dzstretch和p_top的函數

dzstretch\ptop	50	30	20	10	1
1.1	44	47	50	54	67
1.2	32	35	37	41	54
1.3*	28	31	33	37	50

*1.3  在低於約5km高度（13層）的層次的厚度達到1km，——一般不建議
1.2  在約7km高度（19層）的層次的厚度達到1km
1.1  在約13km高度（36層）的層次的厚度達到1km

dzstretch=1.1 在地面高度1km以下有12層，在10 km以下有34層
dzstretch=1.2 在地面高度1km以下有9層，在10km以下有22層
dzstretch=1.3 在地面高度1km以下有8層，在10 km以下有18層

 

使用dzstretch_s 和dzstretch_u時的層次數目的最小值

dzstretch\ptop	50	30	20	10	1
1.2-1.02	53	58	62	67	81
1.2-1.04	46	49	51	55	68
1.2-1.06	41	44	47	50	63
1.3-1.1	33	36	39	43	56

為了避免在對流層上部出現最大厚度，在達到恆定的d(logp)之前，拉伸層次需要延伸到對流層頂以上。這可以通過使用足夠低的dzstretch_u值（但大於~1.02）來達到對流層頂，同時拉伸足夠快來補償遞減率。
可以使用另外兩個namelist來增加靈活性：dzbot是第一個在全層之間的模式層的厚度（默認值為50 m），max_dz是允許的最大層厚度，其默認值為1000 m。