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精品文档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 2008. 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)模式系统在过去的数年中得到了发展。最近公布了第三版，从2008年4月开始可供使用。ARW是灵活的，最先进的大气模拟系统，它易移植，并且有效的应用于各种操作系统。ARW适用于从米到成千上万公里尺度的各种天气系统的模拟，它的功能包括： 理想化模拟（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的中尺度以及微尺度气象部门最近维护以及支持整个WRF（第三版）的代码的子集，其中包括： WRF软件框架 Advanced Research WRF (ARW)动力求解方法，包括单向，双向嵌套以及移动嵌套 预处理系统 WRF多种数据同化系统（WRF-Var），该系统还支持3维同化能力 为WRF合作伙伴以及研究论坛提供的数值物理包. 一些画图程序和转换适合其他画图工具的程序这也是本文档的主题。WRF模式系统软件现在是公开以及免费使用的。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模式系统包括如下的主要部分：WRF预处理系统WRF参数同化系统ARW求解程序后处理以及可视化工具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这个程序的主要用于实时数值模拟。其中包括：1）定义模拟区域；2）插值地形数据（如地势，土地类型，以及土壤类型）到模拟区域；3）从其他模式结果中细致网格以及插值气象数据到此模拟区域。它的主要特点包括： 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 由用户接口输入其他数据及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该程序是可选择的，但可用于将观测数据融入到WPS所产生的插值分析中。它还可以在WRF模式处在循环模式运行时，用于更新WRF模式的初始条件.它的主要特点如下： 它是基于增量变分数据同化技术上而产生出来的 在分析控制变量空间,用共轭梯度法最小化成本函数 非交错的 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模式格点的最终分析 通过使用“obsproc ”工具,可以输入ASCII或者“PREPEUFR”格式的常规观测数据 复合雷达数据（反射率与雷达速度）以ASCII格式输入 背景场（初估计场）的水平分量误差通过递归滤波器（区域范围）或能量谱（全球范围）表现。垂直分量则通过气候学的平均特征向量以及其对应的特征值反映。 水平与垂直背景场误差是不可分割的。每个特征向量的都有各自的水平气候学尺度。 背景场的预处理函数是通过控制变量转换U，其定义为B=UUT 它包括通过NMC法或整体摄动法，用“gen_be”程序产生气候学背景场误差协方差估计 在WRF-Var后，用程序更新WRF的边界条件文件 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这是模式系统的关键组成部分，它由几个理想化，实时同化以及数值积分的初始化程序组成。它还包括了一个单向嵌套的程序。WRF 模式的关键特征有： 完全可压缩非静力方程带有一个静力选项 区域以及全球的应用 完整的科氏力以及曲率的条件 带有多重嵌套和嵌套层次的双向嵌套 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） 单调传输以及正定平流选项的水汽，标量，TKE 分时小步长的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 上边界吸收以及瑞利Rayleigh 阻尼 侧边界条件 理想化个例：周期边界，对称边界以及开放辐射 真实个例：指定的开放区域 完整的物理选项：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 数个理想化例子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 (http:/www.vapor.ucar.edu/), is a 3-dimensional data visualization tool, and it is developed and supported by the VAPOR team at NCAR (vaporucar.edu).Program MET, Model Evaluation Tools (http:/www.dtcenter.org/met/users/), is developed and supported by the Developmental Testbed Center at NCAR (met_helpucar.edu).The details of these programs are described more in the chapters in this users guide.图形与验证工具该部分包括了：RIP4, NCAR 图形命令语言 （NCL），以及为使用其他作图软件包：GrADS以及Vis5D的转换程序。VAPOR程序，海洋，大气，太阳研究的可视化以及分析平台，是一个三维数据可视化工具，由NCAR的VAPOR工作组开发与维护。MET程序，由NCAR的DTC工作组开发与维护。这些程序的详细信息会在以后的章节进一步介绍。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介绍WRF 前处理系统（WPS）是一个由三个程序组成的模块，这三个程序的作用是为真实数据模拟准备输入场。三个程序的各自用途为：geogrid确定模式区域并把 静态地形数据插值到格点；ungrib从GRIB格式的数据中提取气象要素场；metgird则是把提取出的气象要素场水平插值到由geogrid确定的 网格点上。把气象要素场垂直方向插值到WRF eta层则是WRF模块中的real程序的工作。上图给出了数据在WPS的三个程序之间的转换关系。正如图像所示，WPS里每个程序都会从一个共同的namelist文件里读取参数。这个 namelist文件按各个程序所需参数的不同分成了三个各自的记录部分及一个共享部分，它们分别定义了WPS系统所要用到的各种参数。被三个程序各自用 到的表格文件没有在图中显示出来。尽管这些表格无需用户改动，但是这些个表格却提供了控制程序运行的额外信息。GEOGRID.TBL, METGRID.TBL,和Vtable文件将会在后文中被详细介绍。安装WPS的步骤和安装WRF的步骤基本相同，都提供了编译的选项，只是平台有所变化。当MPICH库及合适的库可以使用时，metgird和 geogrid程序可以用分布式内存来编译，如果是这样操作，那当用户在设置大的模拟区域时就可以花更少的时间。但是ungrib程序却不能使用并行，因 此只能用单CPU来操作。各个程序的功能; w* C/ E. N y UWPS是由三个单独的程序geogrid，ungrib和metgird组成。当然，也包括了很多其它的应用程序，这些程序放在util目录下。下面是对这三个主要程序的一个简单描述，更详细的内容将在后边的章节进一步介绍。程序geogrid的目的是确定模拟区域，及把各种地形数据集插值到模式格点上。模拟区域的确定是通过设置namelist.wps文件中的与 “geogrid”有关的参数来实现的。除了计算经纬度和地图每个格点的比例因子外，geogrid还会根据默认值来插值土壤类型、地表利用类型、地形高 度、年平均深层土壤温度、月季植被覆盖、月季反照率、最大的积雪反照率及斜坡的类别。可以通过WRF的官方网站来下载这些场的全球数据集，而且这些资料可 以被看成是不随时间改变的，因此只需下一次就可以了。很多数据集只有在某一特定精度上才能使用，但是其它的则可在30,2, 5, 和10中的任何一个精度使用；其中的意思是弧秒而则是代表弧分（具体见下面的表格）。尽管一个与模拟区域分辨率接近的地形数据被应用后，这个插值后 的地形场可能更具代表性，但是用户仍是无需下载所有可用的分辨率的数据（SJ认为还是全下载的好）。尽管如此，那些希望应用拥有可以覆盖大范围的格点空间 的区域的用户，还是愿意下载所有分辨率的静态地形数据。除了插值默认的静态数据，geogrid程序还可以插值进更多的连续的且不同种类的地形到模拟区域。可以通过应用表格文件GEOGRID.TBL来实现插 值新的或额外的数据集到模拟区域。GEOGRID.TBL文件定义了所有可以被geogrid生成的地形场；它描述了插值一个地形场所需的方法，及所需数 据所放的具体位置。由geogrid生成的文件的格式是WRF I/O API，因此可以通过选择NetCDF I/O格式使geogrid生成NetCDF格式的输出文件，以便更方便的用一些外部软件ncview，NCL和最新版本的RIP4来实现可视化（画出 地形图）。ungrib程序ungrib 程序读GRIB文件，“抽出”数据，然后把它们用一个简单的格式写出来，这种格式就是“过渡”格式（格式是SJ的个人翻译，具体参考英文文献，及 writing data to the intermediate format一节以获得关于这个格式的更多细节）。GRIB文件包含随时间变化的气象要素场，而且它是从其它区域或全球模式如NCEP的NAM或GFS 模式而来的。ungrib程序可以读GRIB1的数据，当然，如果编译时选择了GRIB2的选项，则就可以读GRIB2的数据。GRIB 文件包含的要素场多于启动WRF所需的数量。两种不同格式的GRIB用了不同的编码来确定变量和在GRIB文件中的层次。ungrib用这些编码表格 Vtable（variable tables）来确定那些场需要从GRIB文件里提取出来并写成过渡格式。关于编码的细节可以在WMO GRIB文档中找到。对于相同GRIB模式输出文件的各种Vtables可以在WPS主目录下的/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），AFWA的AGRMET地表模式输出，ECMWF及其它数据 集。用户可以以其它Vtable做模板来为其它的模式输出创造自己的Vtable；要进一步了解关于Vtable中要素场的细节，可以参考 creating and editing Vtables。Ungrib 可以用三个用户可选格式中任何一个来写过渡数据，这三个格式是：WPS一个新的格式，它包含了对接下来的程序有用的额外信息；SIWRF之前使用过的 过渡格式；MM5用来向MM5模式输入GRIB2数据。尽管WPS格式是被推荐使用的，但是这三个中的任何一个格式都可以被用来启动WRF。程序气metgrid程序的作用是把ungrib程序提取出的气象要素场水平插值到geogrid确定的模拟区域上。这个插值后的数据可以被WRF的real程 序所识别并吸收。metgird插值的那些数据的时间段可以通过设置namelist.wps中share记录部分来调整，而且每个模拟区域（最外围区和 嵌套区）的时间都要单独设置。与ungrib程序一样，metgird所处理的数据也是随时间改变的，因此每次做新的模拟时，都要运行metgird程 序。METGRID.TBL 文件是用来控制如何把气象要素场进行插值的。METGRID.TBL文件为每个要素场都提供了一个区间，在这个区间里，可能会确定诸如要素场的插值方式、 作为标记插值以及要素场所要插值的网格（如ARW的U，V；NMM的H，V）。由metgrid生成的文件的格式是WRF I/O API，因此可以通过选择NetCDF I/O格式使metgrid生成NetCDF格式的输出文件，以便更方便的用一些外部软件ncview，NCL和最新版本的RIP4来实现可视化（画出 地形图）。运行WPSMe运行WRF Preprocessing System（WPS）有如下三个步骤：1，利用geogrid模块确定一个模式的粗糙区域（最外围的范围），及其它嵌套区域2，利用ungrib把模拟期间所需的气象要素场从GRIB资料集中提取出来3，利用metgird把上述的气象要素场（第二步所做的工作）水平插值到模式区域（第一步所做的工作）中当多个模拟在同一区域重复进行时，只需要做一次第一步的工作即可（也就是说geogrid.exe所做出的地形资料geo_em.d0*.nc可以重复 利用）；因此，只有随时间改变的数据才需要在每次模拟时用第二、三步来处理。类似的，如果在多次模拟中，气象数据是类似的，但是地形区域却不断改变的话， 那第二步是可以省略的。下面是各个步骤的详细说明：Step 1: 确定模式区域如 果WPS安装成功，会在WPS根目录下出现三个可执行程序geogrid.exe, ungrib.exe和metgird.exe（原程序在各自的同名子目录下）的链接。除了这三个可执行程序的链接，还有一个namelist.wps文 件。下面是一个WPS主目录下各组件的列表：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模式的最外层区域和其它嵌套区域都是在namelist.list中geogrid记录里设置的，另外，在share记录里也有需要设置的参数。下面是关 于这两个部分的一个模板，并且如果想获得更多关于每个参数的可能设置及其目的的信息，可以参考description of namelist variables&sharewrf_core = ARW,max_dom = 2,start_date = 2008-03-24_12:00:00,2008-03-24_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/为了总结一些列与 geogrid有关的share记录中的典型改变，与WRF的动力核有关的wrf_core要首先被选择。如果WPS要为ARW（Advanced Research WRF）模拟而运行，那wrf_core就设成ARW，如果要为NMM（Nonhydrostatic Mesoscale Model）模拟的话，则设成NMM。当选择好动力内核后，接下来选择max_dom，即区域（最外层的一个 嵌套数）的总数（当 wrf_core=ARW）或者嵌套的层次（当wrf_core=NMM）。因为geogrid生成的仅仅是时间独立的数据，因此 start_date,end_date, 和 interval_seconds这些参数将被其忽略。另外，还有一些可选的选项，如opt_output_from_geogrid_path，如果设 成默认值，则由geogrid.exe生成的地形文件将被放到当前工作目录（WPS的主目录），如果想放到别的目录下，则根据需要修改即 可；io_form_geogrid则是设置地形数据输出格式的。在geogrid的记录部分，是关于模拟区域投影的设置，同时也设置了模式格点的大小和 所在位置。模式所用的地图投影方式由map_proj来设置，其它用来设置投影的参数总结如下：Meteorological Numerical Model Union of China (MNMUC)中国气象数值模式联盟. _/ g# |& A& Y0 M地图投影方式/与相应投影方式有关的参数变量lambert truelat1truelat2 (optional)stand_lon& C6mercator truelat1polar truelat1stand_lonlat-lon pole_latstand_lon如果WRF是在一个局地区域里运行，那粗糙区域（最外层区域）位置则是通过ref_lat和ref_lon来定位，它们分别确定了粗糙区域的纬度和经度。如 果也要处理嵌套区域，则它们的位置是通过i_parent_start 和j_parent_start来确定；更多关于设置嵌套区域的细节可以参考nested domains一节。接下来，粗糙区域的维数由dx和dy来确定，它们分别确定了x轴和y轴上标准格距的长度，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）上的格点数（具体设置方案可见后边description of namelist v