為什么氣象數值模擬預報一直用的是wrf模式(轉)


首先應該要說明一下,氣象上的開源數值模式並不僅僅只用WRF,例如ARPS,RegCM,CESM等模式也是常常使用的。那么為什么會有中感覺WRF是氣象上預報和模擬最常用的數值模式呢?我們來簡單過一下這幾個模式。

RegCM:全名是Regional Climate Model。基於MM5發展起來的靜力平衡區域氣候模式。主要面向區域氣候模擬。計算相對穩定。
WRF:全名是Weather Research and Forecast Model。從名字上就可以看出,WRF的主要面向對象是天氣預報和天氣研究。WRF中有NMM和ARW兩種框架可以選擇,可以作為全球模式進行天氣預報,也可以作為區域模式進行天氣現象的數值模擬。WRF是非靜力平衡的數值模式,垂直方向采用eta坐標。
CESM:Community Earth System Model。地球系統模式。里面的大氣分量CAM(Community Atmospheric Model)也是一種常用的非靜力平衡大氣模式,主要面向氣候方面的研究。CAM垂直方向采用混合坐標。
ARPS:Advanced Regional Prediction System。針對中小尺度天氣研究開發的數值模式,垂直方向采用高度坐標。

從上面可以看到,其他幾個模式是針對某一類型的問題細化的。RegCM的設計主要是面向區域氣候領域,計算穩定,靜力平衡,整體計算規模會比WRF小一些。CESM(CAM)只支持全球模擬,也是面向氣候,環流等等研究,垂直方向上混合坐標,對於很多有強垂直運動的天氣現象並不合適。ARPS則是對天氣研究進行了強化,垂直方向高度坐標能夠更好地解析垂直速度,但是模式也很不穩定。

我們再看WRF。非靜力平衡,垂直方向eta坐標,能夠滿足大部分中尺度的天氣研究。最近幾年WRF也開始作為區域氣候模式使用,一定程度上也是因為eta坐標的特點和里面包含大量的物理參數化方案(WRF的擴展性是這些模式中最好的)。WRF在全球模式下可以進行天氣預報。WRF還包含理想模型,從單柱模式到理想颮線到理想台風,WRF的理想模式可以用於理論研究。WRF甚至還包含單獨的大氣化學模塊,可以進行氣溶膠的預報等等。WRF還有一個同化系統WRFDA,里面有三維變分,四維變分,集合卡爾曼濾波等等。所以WRF的功能幾乎可以覆蓋整個大氣科學專業本科教學的大部分課程。想學天氣學原理,中小尺度天氣學嗎?可以用WRF模擬個台風分析分析玩玩;想學數值天氣預報嗎?可以用WRF做預報;想了解同化嗎?里面有同化系統;想學氣候學嗎?WRF可以做區域氣候模式;想學動力氣象嗎?WRF里有理想模型,可以做一些動力學分析。。。

那么為什么只有WRF才有這么多功能?我個人的理解是:1.WRF發展初期,主要針對中尺度天氣研究,同時考慮了計算量和計算穩定性,沒有像ARPS一樣完全針對中小尺度天氣研究,所以為后續的擴展提供了可能;2.WRF良好的設計,代碼擴展便利;3.作為NCAR主推的模式之一,NCAR強大的科研實力和巨大的科研工具需求為WRF開發了大量的優質資源,比如NCL可以支持WRF輸出處理,現在還有pyWRF可以支持WRF輸出處理;4.開源且良好的社區,以及很多物理方案都加入到WRF中。

那么怎么樣快速入門呢?當然是先找一個問題,然后設計一下實驗方案,最后才開始入門學習WRF。這樣學習者就可以在WRF的諸多功能中選擇自己有需要的部分,然后熟悉調參的過程,模擬分析的過程。當這一個研究問題結束,我想對WRF一定有了初步的了解,那么后面再熟悉不同的功能,甚至不同的數值模式就會很快了。


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