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Chapter 1：OverviewIntroductionThe Advanced Research WRF (ARW) modeling system has been in development for the past few years. The current release is Version 3，available since April . The ARW is designed to be a flexible，state-of-the-art atmospheric simulation system that is portable and efficient on available parallel computing platforms. The ARW is suitable for use in a broad range of applications across scales ranging from meters to thousands of kilometers，including: Idealized simulations (e.g. LES，convection，baroclinic waves) Parameterization research Data assimilation research Forecast research Real-time NWP Coupled-model applications Teaching简介Advanced Research WRF (ARW)模式系统在过去数年中得到了发展。近来发布了第三版，从4月开始可供使用。ARW是灵活，最先进大气模仿系统，它易移植，并且有效应用于各种操作系统。ARW合用于从米到成千上万公里尺度各种天气系统模仿，它功能涉及： 抱负化模仿（如，LES，对流，斜压波） 参数化研究 数据同化研究 预报研究 实时数值天气预报 耦合模式应用 教学The Mesoscale and Microscale Meteorology Division of NCAR is currently maintaining and supporting a subset of the overall WRF code (Version 3) that includes: WRF Software Framework (WSF) Advanced Research WRF (ARW) dynamic solver，including one-way，two-way nesting and moving nest. The WRF Preprocessing System (WPS) WRF Variational Data Assimilation (WRF-Var) system which currently supports 3DVAR capability Numerous physics packages contributed by WRF partners and the research community Several graphics programs and conversion programs for other graphics toolsAnd these are the subjects of this document.The WRF modeling system software is in the public domain and is freely available for community use.NCAR中尺度以及微尺度气象部门近来维护以及支持整个WRF（第三版）代码子集，其中涉及： WRF软件框架 Advanced Research WRF (ARW)动力求解办法，涉及单向，双向嵌套以及移动嵌套 预解决系统 WRF各种数据同化系统（WRF-Var），该系统还支持3维同化能力 为WRF合伙伙伴以及研究论坛提供数值物理包. 某些画图程序和转换适合其她画图工具程序这也是本文档主题。WRF模式系统软件当前是公开以及免费使用。As shown in the diagram，the WRF Modeling System consists of these major programs:The WRF Preprocessing System (WPS)WRF-VarARW solverPost-processing & Visualization tools如图所示，WRF模式系统涉及如下重要某些：WRF预解决系统WRF参数同化系统ARW求解程序后解决以及可视化工具WPSThis program is used primarily for real-data simulations. Its functions include 1) defining simulation domains；2) interpolating terrestrial data (such as terrain，landuse，and soil types) to the simulation domain；and 3) degribbing and interpolating meteorological data from another model to this simulation domain. Its main features include:GRIB 1/2 meteorological data from various centers around the worldMap projections for 1) polar stereographic，2) Lambert-Conformal，3) Mercator and 4) latitude-longitudeNestingUser-interfaces to input other static data as well as met data这个程序重要用于实时数值模仿。其中涉及：1）定义模仿区域；2）插值地形数据（如地势，土地类型，以及土壤类型）到模仿区域；3）从其她模式成果中细致网格以及插值气象数据到此模仿区域。它重要特点涉及： GRIB 1/2 格式全球格点气象数据 地图投影有1）极地投影，2）兰伯特-保角投影，3）麦卡托投影以及4）经纬度投影嵌套 由顾客接口输入其她数据及met 数据WRF-VarThis program is optional，but can be used to ingest observations into the interpolated analyses created by WPS. It can also be used to update WRF models initial condition when WRF model is run in cycling mode. Its main features are as follows. It is based on incremental variational data assimilation technique Conjugate gradient method is utilized to minimized the cost function in analysis control variable space Analysis is performed on un-staggered Arakawa A-grid Analysis increments are interpolated to staggered Arakawa C-grid and it gets added to the background (first guess) to get final analysis at WRF-model grid Conventional observation data input may be supplied both in ASCII or “PREPBUFR” format via “obsproc” utility Multiple radar data (reflectivity & radial velocity) input is supplied through ASCII format Horizontal component of the background (first guess) error is represented via recursive filter (for regional) or power spectrum (for global). The vertical component is applied through projections on climatologically generated averaged eigenvectors and its corresponding eigenvalues Horizontal and vertical background errors are non-separable. Each eigen vector has its own horizontal climatologically determined length scale Preconditioning of background part of the cost function is done via control variable transform U defined as B= UUT It includes “gen_be” utility to generate the climatological background error covariance estimate via the NMC-method or ensemble perturbations A utility program to update WRF boundary condition file after WRF-Var该程序是可选取，但可用于将观测数据融入到WPS所产生插值分析中。它还可以在WRF模式处在循环模式运营时，用于更新WRF模式初始条件.它重要特点如下： 它是基于增量变分数据同化技术上而产生出来 在分析控制变量空间,用共轭梯度法最小化成本函数 非交错 Arakawa A网格分析 增量分析插值到Arakawa C网格,以及附加到背景场（第一猜测场）以得到WRF模式格点最后分析 通过使用“obsproc ”工具,可以输入ASCII或者“PREPEUFR”格式常规观测数据 复合雷达数据（反射率与雷达速度）以ASCII格式输入 背景场（初预计场）水平分量误差通过递归滤波器（区域范畴）或能量谱（全球范畴）体现。垂直分量则通过气候学平均特性向量以及其相应特性值反映。 水平与垂直背景场误差是不可分割。每个特性向量均有各自水平气候学尺度。 背景场预解决函数是通过控制变量转换U，其定义为B=UUT 它涉及通过NMC法或整体摄动法，用“gen_be”程序产气愤候学背景场误差协方差预计 在WRF-Var后，用程序更新WRF边界条件文献 ARW SolverThis is the key component of the modeling system，which is composed of several initialization programs for idealized，and real-data simulations，and the numerical integration program. It also includes a program to do one-way nesting. The key feature of the WRF model includes: Fully compressible nonhydrostatic equations with hydrostatic option Regional and global applications Complete coriolis and curvature terms Two-way nesting with multiple nests and nest levels One-way nesting Moving nests Mass-based terrain following coordinate Vertical grid-spacing can vary with height Map-scale factors for these projections: o polar stereographic (conformal) o Lambert-conformal o Mercator (conformal) o Latitude and longitude which can be rotated Arakawa C-grid staggering Runge-Kutta 2nd and 3rd order time integration options Scalar-conserving flux form for prognostic variables 2nd to 6th order advection options (horizontal and vertical) Monotonic transport and positive-definite advection option for moisture，scalar and TKE Time-split small step for acoustic and gravity-wave modes: o small step horizontally explicit，vertically implicit o divergence damping option and vertical time off-centering o external-mode filtering option Upper boundary aborption and Rayleigh damping Lateral boundary conditions o idealized cases：periodic，symmetric，and open radiative o real cases：specified with relaxation zone Full physics options for land-surface，planetary boundary layer，atmospheric and surface radiation，microphysics and cumulus convection Grid analysis nudging using separate upperair and surface data and observation nudging Spectral nudging Digital filter initialization Gravity wave drag A number of idealized examples这是模式系统核心构成某些，它由几种抱负化，实时同化以及数值积分初始化程序构成。它还涉及了一种单向嵌套程序。WRF 模式核心特性有： 完全可压缩非静力方程带有一种静力选项 区域以及全球应用 完整科氏力以及曲率条件 带有多重嵌套和嵌套层次双向嵌套 单向嵌套 移动嵌套 地形跟随质量坐标 垂直格点大小随高度变化而变化 地图投影方案 极地立体投影（保角映射） 兰伯特保角投影 麦卡托（保角）投影 经纬度旋转投影 Arakawa C格点 Runge-Kutta二阶三阶时间积分 标量保守通量预测变量 二阶到六阶平流选项（水平与垂直） 单调传播以及正定平流选项水汽，标量，TKE 分时小步长声波以及重力波模式 小步长水平显显式，垂直隐式 辐散阻尼选项和垂直时间 外部模式滤波选项 上边界吸取以及瑞利Rayleigh 阻尼 侧边界条件 抱负化个例：周期边界，对称边界以及开放辐射 真实个例：指定开放区域 完整物理选项：陆面，行星边界层，大气与表面辐射，微物理与积云对流 使用上层空气与地表数据以及观测数据格点分析 光谱分析 初始化数字滤波器 重力波拖拽 数个抱负化例子Graphics and Verification ToolsSeveral programs are supported，including RIP4 (based on NCAR Graphics)，NCAR Graphics Command Language (NCL)，and conversion programs for other readily available graphics packages：GrADS and Vis5D.Program VAPOR，Visualization and Analysis Platform for Ocean，Atmosphere，and Solar Researchers ()，is a 3-dimensional data visualization tool，and it is developed and supported by the VAPOR team at NCAR ().Program MET，Model Evaluation Tools ()，is developed and supported by the Developmental Testbed Center at NCAR ().The details of these programs are described more in the chapters in this users guide.图形与验证工具该某些涉及了：RIP4，NCAR 图形命令语言 （NCL），以及为使用其她作图软件包：GrADS以及Vis5D转换程序。VAPOR程序，海洋，大气，太阳研究可视化以及分析平台，是一种三维数据可视化工具，由NCARVAPOR工作组开发与维护。MET程序，由NCARDTC工作组开发与维护。这些程序详细信息会在后来章节进一步简介。Chapter 3：WRF Preprocessing System (WPS)Chapter 3：WRF Preprocessing System (WPS)翻译by：SJTable of ContentsMeteor Installing the WPS Running the WPS Creating Nested Domains with the WPS Using Multiple Meteorological Data Sources Parallelism in the WPS Checking WPS Output WPS Utility Programs Creating and Editing Vtables9 Description of Namelist VariablesM Description of GEOGRID.TBL Options% x( v* o% g A Description of index Options Available Interpolation Options in Geogrid and Metgrid. y9 B/ v8 _- b& Land Use and Soil Categories in the Static Data简介WRF 前解决系统（WPS）是一种由三个程序构成模块，这三个程序作用是为真实数据模仿准备输入场。三个程序各自用途为：geogrid拟定模式区域并把 静态地形数据插值到格点；ungrib从GRIB格式数据中提取气象要素场；metgird则是把提取出气象要素场水平插值到由geogrid拟定 网格点上。把气象要素场垂直方向插值到WRF eta层则是WRF模块中real程序工作。上图给出了数据在WPS三个程序之间转换关系。正如图像所示，WPS里每个程序都会从一种共同namelist文献里读取参数。这个 namelist文献按各个程序所需参数不同提成了三个各自记录某些及一种共享某些，它们分别定义了WPS系统所要用到各种参数。被三个程序各自用 到表格文献没有在图中显示出来。尽管这些表格无需顾客改动，但是这些个表格却提供了控制程序运营额外信息。GEOGRID.TBL，METGRID.TBL,和Vtable文献将会在后文中被详细简介。安装WPS环节和安装WRF环节基本相似，都提供了编译选项，只是平台有所变化。当MPICH库及适当库可以使用时，metgird和 geogrid程序可以用分布式内存来编译，如果是这样操作，那当顾客在设立大模仿区域时就可以花更少时间。但是ungrib程序却不能使用并行，因 此只能用单CPU来操作。各个程序功能；w* C/ E. N y UWPS是由三个单独程序geogrid，ungrib和metgird构成。固然，也涉及了诸多其他应用程序，这些程序放在util目录下。下面是对这三个重要程序一种简朴描述，更详细内容将在后边章节进一步简介。程序geogrid目是拟定模仿区域，及把各种地形数据集插值到模式格点上。模仿区域拟定是通过设立namelist.wps文献中与 “geogrid”关于参数来实现。除了计算经纬度和地图每个格点比例因子外，geogrid还会依照默认值来插值土壤类型、地表运用类型、地形高 度、年平均深层土壤温度、月季植被覆盖、月季反照率、最大积雪反照率及斜坡类别。可以通过WRF官方网站来下载这些场全球数据集，并且这些资料可 以被当作是不随时间变化，因而只需下一次就可以了。诸多数据集只有在某一特定精度上才干使用，但是其他则可在30,2，5，和10中任何一种精度使用；其中意思是弧秒而则是代表弧分（详细见下面表格）。尽管一种与模仿区域辨别率接近地形数据被应用后，这个插值后 地形场也许更具代表性，但是顾客仍是无需下载所有可用辨别率数据（SJ以为还是全下载好）。尽管如此，那些但愿应用拥有可以覆盖大范畴格点空间 区域顾客，还是乐意下载所有辨别率静态地形数据。除了插值默认静态数据，geogrid程序还可以插值进更多持续且不同种类地形到模仿区域。可以通过应用表格文献GEOGRID.TBL来实现插 值新或额外数据集到模仿区域。GEOGRID.TBL文献定义了所有可以被geogrid生成地形场；它描述了插值一种地形场合需办法，及所需数 据所放详细位置。由geogrid生成文献格式是WRF I/O API，因而可以通过选取NetCDF I/O格式使geogrid生成NetCDF格式输出文献，以便更以便用某些外部软件ncview，NCL和最新版本RIP4来实现可视化（画出 地形图）。ungrib程序ungrib 程序读GRIB文献，“抽出”数据，然后把它们用一种简朴格式写出来，这种格式就是“过渡”格式（格式是SJ个人翻译，详细参照英文文献，及 writing data to the intermediate format一节以获得关于这个格式更多细节）。GRIB文献包括随时间变化气象要素场，并且它是从其他区域或全球模式如NCEPNAM或GFS 模式而来。ungrib程序可以读GRIB1数据，固然，如果编译时选取了GRIB2选项，则就可以读GRIB2数据。GRIB 文献包括要素场多于启动WRF所需数量。两种不同格式GRIB用了不同编码来拟定变量和在GRIB文献中层次。ungrib用这些编码表格 Vtable（variable tables）来拟定那些场需要从GRIB文献里提取出来并写成过渡格式。关于编码细节可以在WMO GRIB文档中找到。对于相似GRIB模式输出文献各种Vtables可以在WPS主目录下/ungrib/Variable_Tables/里。 WPS为NAM104和212格点、NAM AWIP格式、GFS、NCEP/NCAR再分析、RUC（气压坐标数据和混合坐标数据），AFWAAGRMET地表模式输出，ECMWF及其他数据 集。顾客可以以其他Vtable做模板来为其他模式输出创造自己Vtable；要进一步理解关于Vtable中要素场细节，可以参照 creating and editing Vtables。Ungrib 可以用三个顾客可选格式中任何一种来写过渡数据，这三个格式是：WPS一种新格式，它包括了对接下来程序有用额外信息；SIWRF之前使用过 过渡格式；MM5用来向MM5模式输入GRIB2数据。尽管WPS格式是被推荐使用，但是这三个中任何一种格式都可以被用来启动WRF。程序气metgrid程序作用是把ungrib程序提取出气象要素场水平插值到geogrid拟定模仿区域上。这个插值后数据可以被WRFreal程 序所辨认并吸取。metgird插值那些数据时间段可以通过设立namelist.wps中share记录某些来调节，并且每个模仿区域（最外围区和 嵌套区）时间都要单独设立。与ungrib程序同样，metgird所解决数据也是随时间变化，因而每次做新模仿时，都要运营metgird程 序。METGRID.TBL 文献是用来控制如何把气象要素场进行插值。METGRID.TBL文献为每个要素场都提供了一种区间，在这个区间里，也许会拟定诸如要素场插值方式、作为标记插值以及要素场合要插值网格（如ARWU，V；NMMH，V）。由metgrid生成文献格式是WRF I/O API，因而可以通过选取NetCDF I/O格式使metgrid生成NetCDF格式输出文献，以便更以便用某些外部软件ncview，NCL和最新版本RIP4来实现可视化（画出 地形图）。运营WPSMe运营WRF Preprocessing System（WPS）有如下三个环节：1，运用geogrid模块拟定一种模式粗糙区域（最外围范畴），及其他嵌套区域2，运用ungrib把模仿期间所需气象要素场从GRIB资料集中提取出来3，运用metgird把上述气象要素场（第二步所做工作）水平插值到模式区域（第一步所做工作）中当各种模仿在同一区域重复进行时，只需要做一次第一步工作即可（也就是说geogrid.exe所做出地形资料geo_em.d0*.nc可以重复 运用）；因而，只有随时间变化数据才需要在每次模仿时用第二、三步来解决。类似，如果在多次模仿中，气象数据是类似，但是地形区域却不断变化话， 那第二步是可以省略。下面是各个环节详细阐明：Step 1：拟定模式区域如 果WPS安装成功，会在WPS根目录下浮现三个可执行程序geogrid.exe，ungrib.exe和metgird.exe（原程序在各自同名子目录下）链接。除了这三个可执行程序链接，尚有一种namelist.wps文 件。下面是一种WPS主目录下各组件列表：drwxr-xr-x 2 4096 arch-rwxr-xr-x 1 1672 clean气-rwxr-xr-x 1 3510 compile-rw-r-r- 1 85973 compile.output-rwxr-xr-x 1 4257 configure-rw-r-r- 1 2486 configure.wpsdrwxr-xr-x 4 4096 geogridlrwxrwxrwx 1 23 geogrid.exe - geogrid/src/geogrid.exedrwxr-xr-x 3 4096 metgridlrwxrwxrwx 1 23 metgrid.exe - metgrid/src/metgrid.exe-rw-r-r- 1 1101 namelist.wps-rw-r-r- 1 1987 namelist.wps.all_options-rw-r-r- 1 652 namelist.wps.nmm-rw-r-r- 1 4786 READMElrwxrwxrwx 1 21 ungrib.exe - ungrib/src/ungrib.exedrwxr-xr-x 3 4096 utilMete模式最外层区域和其他嵌套区域都是在namelist.list中geogrid记录里设立，此外，在share记录里也有需要设立参数。下面是关 于这两个某些一种模板，并且如果想获得更多关于每个参数也许设立及其目信息，可以参照description of namelist variables&sharewrf_core = ARW,max_dom = 2,start_date = -03-24_12:00:00,-03-24_12:00:00,；r$ g% N i* ainterval_seconds = 21600,io_form_geogrid = 2/&geogridparent_id = 1，1,parent_grid_ratio = 1，3,Mj_parent_start = 1，17,s_we = 1，1,s_sn = 1，1,e_sn = 61，97,Mgeog_data_res = 10m,2m,dy = 30000,!map_proj = lambert,ref_lat = 34.83,气ref_lon = -81.03,truelat1 = 30.0,truelat2 = 60.0,geog_data_path = /mmm/users/wrfhelp/WPS_GEOG/为了总结某些列与 geogrid关于share记录中典型变化，与WRF动力核关于wrf_core要一方面被选取。如果WPS要为ARW（Advanced Research WRF）模仿而运营，那wrf_core就设成ARW，如果要为NMM（Nonhydrostatic Mesoscale Model）模仿话，则设成NMM。当选取好动力内核后，接下来选取max_dom，即区域（最外层一种 嵌套数）总数（当 wrf_core=ARW）或者嵌套层次（当wrf_core=NMM）。由于geogrid生成仅仅是时间独立数据，因而 start_date,end_date，和 interval_seconds这些参数将被其忽视。此外，尚有某些可选选项，如opt_output_from_geogrid_path，如果设 成默认值，则由geogrid.exe生成地形文献将被放到当前工作目录（WPS主目录），如果想放到别目录下，则依照需要修改即 可；io_form_geogrid则是设立地形数据输出格式。在geogrid记录某些，是关于模仿区域投影设立，同步也设立了模式格点大小和 所在位置。模式所用地图投影方式由map_proj来设立，其他用来设立投影参数总结如下：Meteorological Numerical Model Union of China (MNMUC)中华人民共和国气象数值模式联盟. _/ g# |& A& Y0 M地图投影方式/与相应投影方式关于参数变量lambert truelat1truelat2 (optional)stand_lon& C6mercator truelat1polar truelat1stand_lonlat-lon pole_latstand_lon如果WRF是在一种局地区域里运营，那粗糙区域（最外层区域）位置则是通过ref_lat和ref_lon来定位，它们分别拟定了粗糙区域纬度和经度。如 果也要解决嵌套区域，则它们位置是通过i_parent_start 和j_parent_start来拟定；更多关于设立嵌套区域细节可以参照nested domains一节。接下来，粗糙区域维数由dx和dy来拟定，它们分别拟定了x轴和y轴上原则格距长度，而e_we和e_sn则分别给出了x轴（东 西方向）和y轴（南北方向）上格点数（详细设立方案可见后边description of namelist variables）；相应lambert，mercator，和 polar投影方式，dx和dy单位是米，对于lat-lon投影方式，dx和dy单位则是度。对于嵌套区域，只有e_we和 e_sn可以用来拟定格点维数，格点dx和dy是不能被设定，由于它们值已经被parent_grid_ratio和parent_id所决定 了，这两个参数分别拟定了嵌套上一级区域（父区域）格点距离与嵌套格点距离比值和嵌套上一级区域ID【】。对于全球模仿，粗糙区域（最外围区域）覆盖范畴就应当是全球，因此ref_lat和ref_lon就不在被使用，并且dx和dy也不应当再被设立，这 是由于这个格距将依照格点数被自动计算出来。同样需要注意是，经纬度投影（map_proj = lat-lon）是WRF中唯一支持全球区域（全球模仿）投影方式。除 了设立与模式