WRF-3DVAR同化系統(tǒng)介紹

WRF3DVAR同化系統(tǒng)介紹WRF3DVAR進(jìn)展WRF3DVAR(WeatherResearchForecastVariationalDataAssimilationSystem)是與WRF模式配套的變分分析系統(tǒng)。它由NCAR、NCEP、FSL等聯(lián)合倡導(dǎo)眾多美國研究部門和大學(xué)開發(fā)建立預(yù)報(bào)系統(tǒng),旨在建立一個(gè)既可以適用于科學(xué)研究，又可以用于業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)的統(tǒng)一的天氣學(xué)模式。系統(tǒng)特點(diǎn)：

可移植性、可擴(kuò)展性、易維護(hù)性、可讀性、實(shí)用性。WRF3DVAR進(jìn)展(續(xù))WRF3DVAR開展分幾個(gè)階段，出幾個(gè)版本。(:///wrf/WG4/)根底版本：2003年7月釋放。升級(jí)版本：2004年5月釋放(WRF-VarV2.0)。研究版本:2005年8月釋放(WRF-VarV2.1)。高級(jí)版本:2006年釋放。WRF3DVAR進(jìn)展(續(xù))根底版本:2003年7月釋放。分析中采用增量形式，程序采用靈活的F90結(jié)構(gòu)，分析變量選擇采用弱平衡約束、非交錯(cuò)格點(diǎn)，分析前采用質(zhì)量控制，觀測(cè)資料可采用BUFR格式，分析結(jié)果有完備的診斷輸出。升級(jí)版本：2004年5月釋放。該版與WRFV2.0版相配套同化雷達(dá)徑向速度,地面觀測(cè),浮標(biāo)觀測(cè)和風(fēng)廓線觀測(cè)算子等。重新調(diào)整排序I=xK=1(在底層)極小化方法選用共軛梯度法。WRF3DVAR進(jìn)展(續(xù))研究版本:2005年8月釋放,該版與WRFV2.1版相配套分析時(shí)刻的背景場(chǎng)能更好的應(yīng)用非天氣圖定時(shí)觀測(cè)于3DVAR中

具有同化雷達(dá)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(jì)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(zhǔn)備。本地化所要做的工作1.3DVAR軟硬件環(huán)境2.3DVAR的編譯/安裝/運(yùn)行3.主要局部的認(rèn)識(shí)4.背景誤差文件的調(diào)整5.結(jié)果的診斷WRF3DVAR運(yùn)行環(huán)境硬件環(huán)境是一個(gè)多機(jī)型、跨平臺(tái)、標(biāo)準(zhǔn)化的模式軟件環(huán)境UNIX操作系統(tǒng)Perl5.003以上Fortran程序編輯器〔包括Fortran90和Fortran77編譯器〕C程序編譯器NetCDF函數(shù)庫WRF3DVAR運(yùn)行環(huán)境3DVAR的編譯、安裝編譯環(huán)境、編譯環(huán)境配置與WRF模式相同3DVAR的安裝文件的獲取gunziptar-xvfwrfvar.tar

cdwrfvarWRF_3DVAR分析預(yù)報(bào)流程圖數(shù)據(jù)預(yù)處理WRF數(shù)據(jù)初始化WRF3DVAR分析系統(tǒng)更新邊界條件WRF模式預(yù)報(bào)系統(tǒng)預(yù)報(bào)后處理,檢驗(yàn)3DVAR_OBSPROC資料的預(yù)處理解壓縮后進(jìn)入目錄,執(zhí)行make,生成3dvar_obs.exeCpnamelist.3dvar_obs.wrfvar_tutnamelist.3dvar_obs,編輯namelist,執(zhí)行./3dvar_obs.exe,應(yīng)該生成obs_gts.3dvar.復(fù)制到$DAT_DIR目錄下,并改名為WRFVAR變分同化系統(tǒng)解壓縮后,進(jìn)入目錄,./configure,選擇configurevar,然后compilevar,生成wrfvar.exe.安裝成功.運(yùn)行很簡(jiǎn)單,在可執(zhí)行腳本DARunwrf-Var.csh中修改然后運(yùn)行即可.WRFVAR_BC后處理升級(jí)邊界條件與新的初始場(chǎng)相協(xié)調(diào),進(jìn)入目錄后,make編譯即可以生成update_wrf_bc.exe把舊邊界條件場(chǎng)文件wrfbdy.d01和初始場(chǎng)文件放入同一目錄,執(zhí)行new_bc.csh即可.源程序包括的主要子目錄

子目錄主要是按照功能和性質(zhì)來劃分。完成某一功能的所有子程序、或相近性質(zhì)子程序存放在同一子目錄下3DVAR源程序中主要子目錄的說明:

da_solve_v3d/

整個(gè)分析程序流程的控制DA_Constants/

存放定義系統(tǒng)常用變量、常數(shù)、通道、選項(xiàng)等和讀入namelist.3dvar的模塊文件。DA_Define_Structures/

存放定義系統(tǒng)所用的派生數(shù)據(jù)類型和分配釋放派生數(shù)據(jù)類型內(nèi)存空間的模塊文件。DA_Grid_Definitions/

計(jì)算分析格點(diǎn)變量的模塊文件。DA_Interpolation/存放水平、垂直插值的模塊文件。DA_Setup_Structures/

存放讀入背景場(chǎng)、觀測(cè)資料及背景誤差的模塊文件和分析結(jié)果的輸出文件的模塊文件。3DVAR源程序中主要子目錄的說明:

DA_Dynamics/存放平衡關(guān)系變換的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)約束關(guān)系的模塊文件。DA_Physics/存放用于物理變換〔分析變量到模式變量的變換〕的模塊文件。DA_Minimisation/存放計(jì)算極小化和梯度有關(guān)的模塊文件。DA_FFTs/存放傅氏變換，解Poisson方程的模塊文件。DA_Recursive_Filter/存放與遞歸濾波有關(guān)的模塊文件。DA_ReadWrite_MM5/存放與MM5相配套的讀寫接口程序的模塊文件。DA-obs/存放觀測(cè)算子的模塊文件DA_Airep/存放各類觀測(cè)算子〔包括正演、切線性及伴隨〕的模塊文件。DA_Synop/DA_Ships/DA_Sound/DA_Pilot/DA_Buoy/DA_Metar/DA_Profiler/DA_Radar/DA_Satem/DA_Satob/衛(wèi)星資料DA_SSMI/da_qscat/DA_Statistics/存放計(jì)算分析診斷輸出的統(tǒng)計(jì)量的模塊文件。DA_Tools/存放算法工具(包括計(jì)算特征長度、特征向量)的模塊文件。DA_VToX_Transforms/存放由控制變量到模式變量轉(zhuǎn)換的模塊文件。LAPACK/存放專用線性代數(shù)計(jì)算包的模塊文件。da_bufrlib/存放跟Buf資料庫有關(guān)的模塊文件。da_pseudo/存放與單點(diǎn)試驗(yàn)有關(guān)的模塊文件。par_util/存放有關(guān)數(shù)據(jù)交換〔局地變量和全局變量收集與播送)的模塊文件。WRF3DVAR參數(shù)配置說明文件

WRF3DVAR的一些參數(shù)配置是通過namelist.input和namelist.3dvar文件給入的。這里包括定義分析的時(shí)間,格點(diǎn)維數(shù)的大小、水平與垂直分辨率，觀測(cè)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。背景場(chǎng)形成采用WRF輸入形式〔netCDF格式〕a)來源于其它模式經(jīng)過SI標(biāo)準(zhǔn)初始化處理，形成模式輸入的netCDF形式〔coldstart〕b)WRF模式本身輸出(warmstart)。3DVAR背景場(chǎng)T213預(yù)報(bào)場(chǎng)SI標(biāo)準(zhǔn)初始化REALWRF預(yù)報(bào)場(chǎng)COLDSTARTWARMSTART轉(zhuǎn)換接口觀測(cè)資料經(jīng)過資料預(yù)處理和質(zhì)量控制

觀測(cè)資料檢索和預(yù)處理

A.觀測(cè)的氣候值檢查B.垂直一致性檢查1).LnP線性內(nèi)插檢查2).溫度垂直遞減率檢查3).靜力學(xué)檢查4).風(fēng)的垂直切變檢查等C.觀測(cè)余差〔觀測(cè)值與背景場(chǎng)的差〕的極值檢查檢查觀測(cè)資料在時(shí)間上的連續(xù)性和傾向性D.去除多余資料；太近太密E.水平一致性檢查。每個(gè)資料的觀測(cè)余差與周圍觀測(cè)比較背景誤差統(tǒng)計(jì)文件網(wǎng)上提供的背景誤差統(tǒng)計(jì)文件采用氣候統(tǒng)計(jì)“NMC”方法來構(gòu)造背景誤差協(xié)方差矩陣。其核心是用對(duì)同一時(shí)刻不同時(shí)效的預(yù)報(bào)值之間的差作為預(yù)報(bào)誤差的近似。背景誤差應(yīng)該隨季節(jié)變化，分辨率不同而不同，甚至于在“冷起動(dòng)”與“暖起動(dòng)”中都有所區(qū)別。背景誤差的特征應(yīng)與模式區(qū)域的平均天氣情況相對(duì)應(yīng)，故三維變分同化應(yīng)在其模式區(qū)域進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)采用氣候統(tǒng)計(jì)“NMC”方法,分析了我國區(qū)域范圍的背景場(chǎng)誤差協(xié)方差的三維結(jié)構(gòu)特征。并結(jié)合IV方法的結(jié)果，對(duì)背景場(chǎng)誤差協(xié)方差,特征長度等進(jìn)行了調(diào)整,形成適合中國區(qū)域的背景場(chǎng)誤差文件。更新邊界條件

當(dāng)完成WRF3DVAR運(yùn)行并得到正確的結(jié)果，如果要作模式預(yù)報(bào)必須更新邊界條件，使之與新的3DVAR初值相一致。WRF3DVAR同化系統(tǒng)主要局部數(shù)據(jù)預(yù)處理:利用全球T213業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供的1200(或0000)UTC標(biāo)準(zhǔn)等壓面和等經(jīng)緯度粗網(wǎng)格的預(yù)報(bào)場(chǎng)(0~72小時(shí))，通過插值計(jì)算得到1200(或0000)UTC同化系統(tǒng)冷啟動(dòng)時(shí)的WRF模式模式預(yù)報(bào)區(qū)域相應(yīng)層次和分辨率的邊界條件和初值背景場(chǎng)，包括以后模式預(yù)報(bào)的側(cè)邊界條件。冷啟動(dòng)后同化循環(huán)其它時(shí)次的分析背景場(chǎng)，由同化模式自身6小時(shí)預(yù)報(bào)產(chǎn)生。WRF數(shù)據(jù)的初始化:對(duì)模式輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別,將數(shù)據(jù)與模式運(yùn)行方案進(jìn)行匹配,形成WRF模式輸入所需要的分辨率下的NetCDF格式的文件。觀測(cè)資料預(yù)處理:提取每次同化過程分析時(shí)刻1200、1800、0000(或0000、0600、1200)UTC前后3小時(shí)經(jīng)過格式化處理后的觀測(cè)資料，對(duì)觀測(cè)資料進(jìn)行必要的質(zhì)量控制,通過質(zhì)量控制的資料才會(huì)用到3D