WRF中尺度天氣預(yù)報模式簡介

1、ARW 模式系統(tǒng)簡介1997年美國國家大氣研究中心(NCAR)中小尺度氣象處(MMM)、國家環(huán)境預(yù)報中心(NCEP)的環(huán)境模擬中心(EMC)、預(yù) 報系統(tǒng)試驗室的預(yù)報研究處(FRD)和俄克拉荷馬大學(xué)的風(fēng)暴 分析預(yù)報中心(CAPS)四部門聯(lián)合發(fā)起新一代高分辨率中尺度 天氣研究預(yù)報模式 WRF ( Weather Research Forecast) 開發(fā)計 劃，擬重點解決分辨率為110Km、時效為60h以內(nèi)的有限區(qū)域天氣預(yù)報和模擬問題。該計劃由美國國家自然科學(xué)基金會(NSF)和美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)共同支持,1998年 已形成共同開發(fā)的標準, 2000年2月被確定為實現(xiàn)美國天氣研 究

2、計劃(USWRP )主要目標而制定的研究實施計劃之一?，F(xiàn)在，這項計劃吸引了許多其它研究部門及大學(xué)的科學(xué)家共同參與。WRF在發(fā)展過程中由于科研與業(yè)務(wù)的不同需求，形成了兩 個不同的版本，一個是在NCAR的MM5模式基礎(chǔ)上發(fā)展的 ARW(Advanced Research WRF),另一個是在 NCEP 的 Eta 模式上 發(fā)展而來的 NMM(Nonhydrostatic Mesoscale Model) 1、2。ARW作為一個公共模式，由NCAR負責(zé)維護和技術(shù)支持， 免費對外發(fā)布。第一版發(fā)布于2000年11月30日, 隨后在2001年 5月8日發(fā)布了 1.1版。 2001年11月6日, 很快進行了

3、模式的第三 次發(fā)布, 只是改了兩個錯誤, 沒有很大的改動, 因此版本號定 為1.1.1。直到2002年4月24日, 才正式第四次發(fā)布, 版本號為 1.2。同樣, 在稍微修改一些錯誤后, 2002 年 5 月 22 日第五次發(fā)布 模式系統(tǒng), 版本號為 1.2.1。原定于 2002 年 10 月前后的第六次發(fā) 布, 直到 2003 年 3 月 20 才推出, 版本號為 1.3。2003 年 11 月 21 日 進行了更新。2004年5月21日推出了嵌套版本V2.0。2004年6月 3日進行了更新, 至2006年1月 30日為止最新版本為2.1.23。 本文主要介紹的是 NCAR 的 ARW 模式嵌

4、套版本 V2.1, 同時 對 ARW 和 MM5 進行簡單的對比。二 ARW 的程序結(jié)構(gòu)2.1 ARW 的程序概況ARW 的程序總共 250,000 行, 其中 50,000 行為程序框架, 100,000行為科學(xué)計算部分, 40,000行為外部程序包, 其余的 60,000行由編譯工具自動產(chǎn)生,見圖1所示。模式的前處理部分主要使用 Fortran 語言和少量 C 語言編寫, 各執(zhí)行程序使用 Perl 描述語言順序調(diào)用執(zhí)行, Perl/TK 用于WRFSI 圖形界面的執(zhí)行。模式部分主要使用 Fortran90 語言編寫, 負責(zé)通信的RSL_LITE 和其它一些輔助程序由 C 語言編寫, 另外還

5、有一些 Shell 程序。模式后處理部分主要使用 Fortran 語言和部分 C 語言。2.2 ARW 的程序結(jié)構(gòu)ARW 模式是一個多機型、跨平臺、標準化的模式?？梢栽贗BM AIX、HP/Compaq Linux/HPUX、SGI Irix/Linux、Cray Uni- COS、Sun SunOS、PC/PC Cluster Linux 等機型上運行, 同時支持 共享內(nèi)存(Open MP API)和分布內(nèi)存(MPI)并行運算。ARW不允 許使用公共數(shù)據(jù)塊, 因此所有的變量必須通過參數(shù)列表傳遞 給子程序。模塊技術(shù)(Fortran90的功能)的運用很好地解決了程 序直接接口的問題。為了讓用戶在

6、盡量少涉及模式其它部分 源代碼的情況下, 很容易地在模式中實現(xiàn)自己的方案設(shè)計,ARW 將自己的結(jié)構(gòu)設(shè)計為三層: 驅(qū)動層、中間層、模式層4、52.2.1 驅(qū)動層驅(qū)動層是模式的最頂層, 它控制著模式的初始化、時間步 長、輸入/輸出、模式的計算區(qū)域嵌套關(guān)系、計算區(qū)域的分解計 算、計算機處理器的分布以及其它有關(guān)并行的控制。2.2.2 中間層中間層介于模式層和驅(qū)動層之間, 起著連接作用。中間層 具有驅(qū)動層和模式層兩者的重要信息。比如模式層中的模式 積分計算的流控制信息、驅(qū)動層中的內(nèi)存分布以及設(shè)備通訊 圖 1 ARW 的程序組成24數(shù)據(jù)名稱數(shù)據(jù)內(nèi)容topo- 30s 30 秒地形數(shù)據(jù)landuse- 30

7、s 30 秒 24 類比土地利用數(shù)據(jù)soiltype- top- 30s 30 秒 16 類表層土壤類型數(shù)據(jù)soiltype- bot- 30s 30 秒 16 類底層土壤類型數(shù)據(jù)greenfrac 10 分植被指數(shù)數(shù)據(jù)soiltemp- ldeg 1 度全球深層土壤溫度數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)albedo- ncep 10 分地表反照率maxsnowalb 10 分雪地反照率islope 1 度地形坡度 信息。中間層能很好地將模式層信息進行封裝, 有利于程序的 移植和交換。2.2.3 模式層模式層是由執(zhí)行實際模式計算功能的子程序組成的, 這 一層的程序通常是由氣象科學(xué)專家編寫。模式層中的子程序 要求對于三維

8、模式計算空間中的任何子空間都能調(diào)用。三 ARW 模式系統(tǒng)模式的系統(tǒng)流程由（前處理）、（主模式）和（后處理部分）2三 部分組成。3.1 WRF SIWRF Standard Initialization 是模式數(shù)據(jù)的前處理部分, 也 是模式的三維變分系統(tǒng)建立使用之前為模式提供初/邊值的 部分, SI 主要具有模式區(qū)域的定義和創(chuàng)建、數(shù)據(jù)插值兩大功能3.1.1 模式區(qū)域的定義和創(chuàng)建在這里, 用戶可以設(shè)置各模擬區(qū)域的相關(guān)參數(shù)（ 投影方 式、范圍大小、區(qū)域位置、嵌套關(guān)系等） 。根據(jù)這些定義設(shè)置, gridgen 會產(chǎn)生各區(qū)域的靜態(tài)數(shù)據(jù)場文件, 數(shù)格式為 NetCDF。 需要提供給WRF SI的數(shù)據(jù)見表1

9、。表 1 WRF SI 的靜態(tài)數(shù)據(jù)3.1.2 數(shù)據(jù)插值將數(shù)據(jù)插值到模式的計算格點（ 包括水平方向和垂直方 向） 上, 為模式提供初始場和邊界條件。這項功能是由 hinterp 和 vinterp 來完成。另外 grib_prep 是將 標準的GriB碼格式的數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換成hinterp程序能識別的格 式。也可以不用 grib_prep, 而是直接將其它數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)寫 成 hinterp 所能識別的格式。這里輸入到 grib_prep 的 GriB 數(shù)據(jù)文件含有其它全球或區(qū) 域模式輸出的格點數(shù)據(jù), GriB 文件有多種不同的格式, 相同的 氣象要素可能有不同的要素指示碼, 對于這些不同的格式,

10、 WRFSI 提供了相對應(yīng)的 Vtable, 例如 AWIP、GFS（ AVN） 等等。用 戶也可以使用自己的GriB文件，只要有相應(yīng)的Vtable。具體使 用何種Vtable以及GriB的路徑等信息，由grib_prep.nl給出。3.1.3 WRF SI GUI定義各模擬區(qū)域是一件煩瑣的工作, 并且容易出現(xiàn)錯誤 的設(shè)置, 造成 WRF SI 無法正常運行。針對這一問題, 預(yù)報系統(tǒng) 試驗室（FSL）使用Perl/TK描述語言編寫了 GUI界面（見圖2）,用 戶無需知道如何運行SI,通過該界面用戶可以借助鼠標“畫”出 欲模擬的區(qū)域及其子區(qū)域, 選擇投影方式、選擇或定制垂直方 向的層數(shù)及分布方式

11、, 結(jié)合鍵盤的使用更加精確地設(shè)定中心 經(jīng)緯度、網(wǎng)格距等參數(shù), 系統(tǒng)會自動糾正錯誤的設(shè)置, 為用戶 生成各區(qū)域的靜態(tài)數(shù)據(jù)文件。在這里用戶還可以選擇 GriB 數(shù) 據(jù)的格式、起止時間、插值間隔, 最終完成對 GriB 數(shù)據(jù)的插值 圖 2 WRF SI 圖形界面3.2 ARW 模式ARW 是一個完全可壓的非靜力模式, 可以對真實或理想 大氣進行模擬，真實大氣的模擬首先需要完成WRF SI過程， 理想大氣不必經(jīng)過 WRF SI, 目前已經(jīng)實現(xiàn)的一些理想大氣方 案見表2。表2 ARW的理想大氣方案3.2.1 ARW 的動力框架目前ARW的垂直坐標采用歐拉質(zhì)量坐標，先前版本的歐 拉高度坐標已經(jīng)放棄, 半隱

12、式半拉格朗日坐標仍未發(fā)布。網(wǎng)格 形式采用Arakawa C格點，控制方程組都寫為通量形式,3階 Runge- Kutta 顯式時間分離差分方案、5 階或 6 階平流差分方 案，典型時間步長為6 x!x,表3是ARW與MM5動力框架的對比。3.2.2 ARW 的物理方案ARW 提供了大量的物理方案選項, 并采用高度模塊化, 可 插拔程序設(shè)計, 方案的選擇是通過配置文件實現(xiàn)的。 主要方案提供的選項如下2。微物理過程方案, 目前的有效選擇為: 不采用微物理過程 方案、Kessler方案（暖雨方案）、Lin等的方案（水汽、雨、雪、云 水、冰、冰雹）、 WSM3 類簡單冰方案、 WSM5 類方案、 Fe

13、rrier（new 方案名稱方案內(nèi)容Ideal Baroclinic wave 理想斜壓波方案Ideal 2D Squallline 理想二維飚線方案Ideal 3D Supercell 理想三維超級單體云體方案Ideal 2D hill 理想二維鐘形山體方案Ideal 2D grav 理想二維重力波方案 美國ARW模式系統(tǒng)簡介湯浩，賈麗紅25新疆氣象2006 年第29 卷第 6 期 垂直坐標地形追隨質(zhì)量坐標地形追隨高度 守恒性質(zhì)量、動量、標量沒有考慮 時間積分 3rd oder Runge- Kutta 蛙躍格式 平滑抑制不需要 4 階平滑典型時間步長6X!X 3X!X運行時間相當(dāng)ARW M

14、M5平流計算 5th order upwind2nd order centered6th orde centeredEta)微物理方案(水汽、云水)、WSM6類冰雹方案、Thompson冰 雹方案、 NCEP 3類簡單冰方案(水汽、云/冰和雨/雪) ( 將放 棄) 、 NCEP 5類方案(水汽、雨、雪、云水和冰)( 將放棄) 。 表3 ARW與MM5動力框架的對比長波輻射方案, 目前的有效選擇為: 不采用長波輻射方 案、rrtm 方案、GFDL (Eta)長波方案(semi- supported)。 短波輻射方案, 目前的有效選擇為: 不采用短波輻射方 案、 Dudhia 方案、 Goddar

15、d 短波方案、 GFDL (Eta) 短波方案 (semi- supported)。近地面層(surface- layer)方案，目前的有效選擇為：不采 用近地面層方案、 Monin- Obukhov 方案、 MYJ Monin- Obukhov 方案(僅用于 MYJ 邊界層方案)。陸面過程方案, 目前的有效選擇為： 不采用陸面過程方 案、熱量擴散方案、 Noah 陸面過程方案、 RUC 陸面過程方案。 邊界層方案, 目前的有效選擇為： 不采用邊界層方案、YSU 方案、 Eta Mellor- Yamada- Janjic TKE (湍流動能) 方案、 MRF 方案( 將放棄) 。積云參數(shù)化方

16、案, 目前的有效選擇為： 不采用積云參數(shù) 化方案、淺對流 Kain- Fritsch (newEta)方案、Betts-Miller- Janjic 方案、Grell- Devenyi 集合方案、老 Kain- Fritsch 方案。323 ARW 的 3DVAR3DVAR (Variational Data Assimilation System)是與 ARW 模 式配套的3維變分分析系統(tǒng)?；A(chǔ)版本于2003年7月發(fā)布, 升級版本于2004年5月發(fā)布(WRF- Var V2.0)。研究版本于2005年8 月發(fā)布(WRF- Var V2.1)。高級版本擬于2006年發(fā)布，但截止目 前仍未發(fā)布。

17、研究版本的 3DVAR 具有如下特點： 分析時刻的背景場能 更好的應(yīng)用非天氣圖定時觀測于3DVAR中，具有同化雷達反 射率的能力, 具有全球 3DVAR 分析的能力, 靈活選擇控制變 量, 可以統(tǒng)計估算本區(qū)域的背景誤差, 統(tǒng)一 3DVAR 與 WRV2.1 版的框架,為 WRF 的 4DVAR 做準備。WRF 3DVAR 的一些參數(shù)配置是通過系統(tǒng)配置文件給入 的。這里包括定義分析的時間、格點維數(shù)的大小、水平與垂直分 辨率、觀測資料類型的選取與使用、背景誤差系數(shù)的調(diào)整、變量 尺度因子的控制、極小化迭代次數(shù)的控制、控制變量的選擇等 等2。3.2.4 ARW 的嵌套ARW 自 V2.0 起實現(xiàn)了嵌套

18、, 可以進行靈活的單向、雙向、 移動嵌套, 嵌套層數(shù)可達 9 層, 嵌套區(qū)域可達 99 個。初始化程序 能適應(yīng)格點數(shù)很大的區(qū)域,WRF SI GUI使得用戶可以非常方 便的實現(xiàn)嵌套區(qū)域的設(shè)置，同MM5相比有了較大的改進。通過 shell、Perl 等語言編寫的程序使用 real.exe 依次處理WRF SI的結(jié)果，得到邊界和輸入條件，最后運彳丁 wrf model完 成指定的模擬。關(guān)于模式系統(tǒng)動力框架、物理方案、3DVAR更詳盡的說明 將另文給出, 在此僅作一般性介紹。3.3 ARW 的后處理ARW的輸出結(jié)果為NetCDF格式，使用模式系統(tǒng)提供的 后處理工具可以將NetCDF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為RIP4、GrADS、NCL、Vis5D 等數(shù)據(jù)格式, 使用相應(yīng)的瀏覽工具就可以實現(xiàn)預(yù)報結(jié)果的可 視化。4 結(jié)語我國新疆氣象局于 2005 年引進了 SGI Altix350 高性能計算機 （32 顆 1.5G Intel Itanium2 64 位 CPU,64G 內(nèi)存，Ifort 編譯器，MPI 并行方式）,目前已經(jīng)完成了 ARW的移植，實現(xiàn)了雙向三重嵌 套方案的試驗運丁, 初始為 AV