WRF 初始化(WRF Initialization)
- Building Initialization Programs
- 编译方式
- 理想案例初始化(Initialization for Idealized Cases)
- 理想化案例的输入
- 可用的理想化案例
- 现实案例初始化(Initialization for Real Data Cases)
- (Real-data Test Case)
- (Backward-compatibility)
- 模型垂直层设置(Setting Model Vertical Levels)
- 参考
WRF(Weather Research and Forecasting)模型支持两类初始化方式:
1、理想化初始化(Ideal Initialization):
- 使用理想化的初始条件,如 1-D 或 2-D 的探空数据(sounding),假设简化的地形或解析的物理场。
- 专为研究特定的动力学或物理过程设计。
- 不需要外部实际观测数据,只需 namelist.input 和 input_sounding 文件。
2、实际数据初始化(Real Data Initialization):
- 依赖外部观测数据或数值天气预报(如 GFS、ERA 等)的结果。
- 通过 WRF 预处理系统(WPS)处理大气和静态场数据,并根据模型网格分辨率插值生成初始条件和边界条件。
- 必须运行 real.exe 生成 wrfinput 和 wrfbdy 文件。
在运行 wrf.exe 之前,必须先运行 real.exe 或 ideal.exe。真实数据案例使用初始化程序“real.exe”,并在 WRF/test/em_real 内运行,其中有从 4 到 30 公里的示例案例(名称列表),包括完整的物理。
有多种 3-D、2-D 和 1-D 理想情况可供选择,每种情况都使用专门为每种情况构建的可执行文件“ideal.exe”。
Building Initialization Programs
初始化程序(Initialization Programs)是作为 WRF 代码安装的一部分进行编译的,并使用“/WRF/dyn_em/module_initialize_*.F”文件中的目标模块进行构建。
下面列出了所有可用的 WRF 案例,以及构建每个案例的初始化目标模块。
WRF 模型提供两个初始化程序:
1、ideal.exe
- 专用于理想化模拟。
- 根据用户选择的特定理想化案例(如重力波、海风、山地流等)生成相应的初始条件。
- 每个理想化案例对应一个特定的初始化模块,比如 module_initialize_ideal.F。
2、real.exe
- 专用于实际数据模拟,通过处理 WPS 输出的 met_em 数据生成初始条件和边界条件。
- 必须在运行 wrf.exe 之前执行。
编译方式
WRF 编译时,用户可以选择不同的模拟类型(如实际初始化或特定的理想化案例)。以下是编译命令示例:
实际数据初始化:
./compile em_real
编译结果生成 real.exe。
理想化案例(如重力波案例):
./compile em_grav2d_x
./compile em_seabreeze2d_x
编译结果生成 ideal.exe。
注意:
- 如果需要编译多个案例(如em_real 和 em_les),必须分别编译并保存生成的可执行文件,以避免覆盖。
- 理想化案例的初始化模块位于 /WRF/dyn_em/module_initialize_*.F 文件中。
理想案例初始化(Initialization for Idealized Cases)
理想化初始化程序(ideal.exe)负责以下任务:
- 计算基本状态与扰动:生成基本的位势高度和柱压剖面,并叠加扰动场。
- 初始化气象变量:包括水平风场(u, v)、位温(potential temperature)、水汽混合比(vapor mixing ratio)等。
- 定义垂直坐标:将数据插值到模型所需的 eta 垂直坐标。
- 初始化静态场:包括地图投影因子、地形、物理表面等。对于许多理想化案例,这些- 初始化被简化(如地图因子为 1,地形高度为 0)。
- 生成初始文件:输出 wrfinput_d01 文件供 WRF 模型使用。
理想化案例的输入
1、namelist.input 文件:
控制网格大小、垂直层数、模型顶高度、时间步长、扩散和边界条件等。
2、input_sounding 文件:提供大气探空剖面数据,包含以下字段:
- 第一行:地表气压(hPa)、位温(K)、水汽混合比(g/kg)。
- 后续行:高度(m)、干位温(K)、水汽混合比(g/kg)、x方向风速(m/s)、y方向风速(m/s)。
理想化案例的特性
- 大多数理想化案例不使用复杂的物理过程(如辐射、地表通量等),仅保留基本的动力学特性。
- 某些案例具有完整的物理过程(如海风、湍流模拟)。
- 提供的默认设置便于用户验证模型的正确性,并开展基础研究。
可用的理想化案例
以下是页面列出的部分理想化案例及其特点:
1、2D重力波(em_grav2d_x)
- 测试案例来源:Straka et al. (1993)。
- 模拟二维重力波动力学。
- 默认设置:20 km 模型顶,80 水平层。
2、超级单体对流(em_quarter_ss)
- 模拟对流超级单体的左右移动。
- 提供 README 文件,包含案例详细说明。
3、山地流(em_hill2d_x)
- 模拟二维山地气流。
- 默认设置:10 km 半宽山丘,风速 10 m/s,N=0.01/s。
4、海风(em_seabreeze2d_x)
- 包含完整的物理过程(辐射、地表通量、边界层等)。
- 用于研究海陆风环流。
5、热带气旋(em_tropical_cyclone)
- 模拟基于 Jordan (1958) 的热带气旋。
- 包括简单的辐射冷却和完整物理选项。
6、大涡模拟(LES,em_les)
- 高分辨率(100 m 网格),用于模拟湍流边界层。
现实案例初始化(Initialization for Real Data Cases)
实际数据初始化的流程:实际数据初始化依赖外部数值天气预报(如 GFS 数据)或观测数据,并通过以下步骤完成:
1、WPS 处理:
- 使用 ungrib.exe 解码 GRIB 数据。
- 使用 metgrid.exe 将数据插值到模型网格。
- 输出 met_em 文件(NetCDF 格式),供 real.exe 使用。
2、real.exe 处理:
- 输入 met_em 文件。
- 生成模型初始条件(wrfinput)和侧边界条件(wrfbdy)。
3、wrf.exe 运行:
- 读取 wrfinput 和 wrfbdy 文件,进行数值模拟。
实际数据初始化的输入
1、met_em 文件:包括各时间步长的气象场(如风速、温度、水汽等)。
文件命名规则:
met_em.d01.YYYY-MM-DD_HH:MM:SS.ncmet_em.d01.2021-01-15_00:00:00.nc
实际数据初始化的输出
- wrfinput_d01 文件:包含初始条件。
- wrfbdy_d01 文件:包含边界条件。
(Real-data Test Case)
(Backward-compatibility)
模型垂直层设置(Setting Model Vertical Levels)
垂直层的两种配置方式
1、自动计算 Eta 层:
用户仅需设置层数(e_vert)。
real.exe 根据默认方法或拉伸因子(dzstretch_s, dzstretch_u)自动计算。
2、用户指定每个 Eta 层:
使用 eta_levels 参数明确定义每个层的位置。
关键参数
- dzbot:第一层的厚度(默认为 50 m)。
- max_dz:最大层厚度(默认为 1000 m)。
- 拉伸因子:
dzstretch_s:表面层拉伸因子。
dzstretch_u:高层拉伸因子。