WRF中尺度天气预报模式简介

ARW模式系统简介

一．概述

1997年美国国家大气研究中心(NCAR) 中小尺度气象处 (MMM)、国家环境预报中心(NCEP)的环境模拟中心(EMC)、预 报系统试验室的预报研究处(FRD)和俄克拉荷马大学的风暴 分析预报中心(CAPS)四部门联合发起新一代高分辨率中尺度 天气研究预报模式WRF ( Weather Research Forecast) 开发计 划, 拟重点解决分辨率为1～10Km、时效为60h以内的有限区域 天气预报和模拟问题。该计划由美国国家自然科学基金会 (NSF)和美国国家海洋和大气管理局(NOAA)共同支持, 1998年 已形成共同开发的标准, 2000年2月被确定为实现美国天气研 究计划(USWRP)主要目标而制定的研究实施计划之一。现在, 这项计划吸引了许多其它研究部门及大学的科学家共同参 与。WRF在发展过程中由于科研与业务的不同需求, 形成了两 个不同的版本, 一个是在NCAR的MM5模式基础上发展的

ARW(Advanced Research WRF), 另一个是在NCEP的Eta模式上 发展而来的NMM(Nonhydrostatic Mesoscale Model) [1、2]。 ARW作为一个公共模式, 由NCAR负责维护和技术支持, 免费对外发布。第一版发布于2000年11月30日, 随后在2001年 5月8日发布了1.1版。2001年11月6日, 很快进行了模式的第三 次发布, 只是改了两个错误, 没有很大的改动, 因此版本号定 为1.1.1。直到2002年4月24日, 才正式第四次发布, 版本号为

1.2。同样, 在稍微修改一些错误后, 2002年5月22日第五次发布 模式系统, 版本号为1.2.1。原定于2002年10月前后的第六次发 布, 直到2003年3月20才推出, 版本号为1.3。2003年11月21日 进行了更新。2004年5月21日推出了嵌套版本V2.0。2004年6月 3日进行了更新, 至2006年1月30日为止最新版本为2.1.2[3]。 本文主要介绍的是NCAR的ARW模式嵌套版本V2.1, 同时 对ARW和MM5进行简单的对比。

二． ARW的程序结构

2.1 ARW的程序概况

ARW的程序总共250,000行, 其中50,000行为程序框架, 100,000行为科学计算部分, 40,000行为外部程序包, 其余的 60,000行由编译工具自动产生,见图1所示。

模式的前处理部分主要使用Fortran语言和少量C语言编 写, 各执行程序使用Perl描述语言顺序调用执行, Perl/TK用于 WRFSI图形界面的执行。

模式部分主要使用Fortran90 语言编写, 负责通信的 RSL_LITE和其它一些辅助程序由C语言编写, 另外还有一些 Shell程序。

模式后处理部分主要使用Fortran语言和部分C语言。

2.2 ARW的程序结构

ARW模式是一个多机型、跨平台、标准化的模式。可以在 IBM AIX、HP/Compaq Linux/HPUX、SGI Irix/Linux、Cray Uni- COS、Sun SunOS、PC/PC Cluster Linux等机型上运行, 同时支持 共享内存(Open MP API)和分布内存(MPI)并行运算。ARW不允 许使用公共数据块, 因此所有的变量必须通过参数列表传递 给子程序。模块技术(Fortran90的功能)的运用很好地解决了程 序直接接口的问题。为了让用户在尽量少涉及模式其它部分 源代码的情况下, 很容易地在模式中实现自己的方案设计,

ARW将自己的结构设计为三层: 驱动层、中间层、模式层[4、5]。

2.2.1 驱动层

驱动层是模式的最顶层, 它控制着模式的初始化、时间步

长、输入/输出、模式的计算区域嵌套关系、计算区域的分解计 算、计算机处理器的分布以及其它有关并行的控制。

2.2.2 中间层

中间层介于模式层和驱动层之间, 起着连接作用。中间层 具有驱动层和模式层两者的重要信息。比如模式层中的模式 积分计算的流控制信息、驱动层中的内存分布以及设备通讯 图1 ARW的程序组成 24

数据名称数据内容

topo- 30s 30 秒地形数据

landuse- 30s 30 秒24 类比土地利用数据

soiltype- top- 30s 30 秒16 类表层土壤类型数据 soiltype- bot- 30s 30 秒16 类底层土壤类型数据 greenfrac 10 分植被指数数据

soiltemp- ldeg 1 度全球深层土壤温度数据数据 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。中间层能很好地将模式层信息进行封装, 有利于程序的 移植和交换。

2.2.3 模式层

模式层是由执行实际模式计算功能的子程序组成的, 这

一层的程序通常是由气象科学专家编写。模式层中的子程序 要求对于三维模式计算空间中的任何子空间都能调用。

三． ARW模式系统

模式的系统流程由(前处理)、(主模式)和(后处理部分)[2]三 部分组成。

3.1 WRF SI

WRF Standard Initialization是模式数据的前处理部分, 也 是模式的三维变分系统建立使用之前为模式提供初/边值的

部分, SI主要具有模式区域的定义和创建、数据插值两大功能。

3.1.1 模式区域的定义和创建

在这里, 用户可以设置各模拟区域的相关参数( 投影方

式、范围大小、区域位置、嵌套关系等) 。根据这些定义设置, gridgen会产生各区域的静态数据场文件, 数格式为NetCDF。 需要提供给WRF SI的数据见表1。 表1 WRF SI的静态数据

3.1.2 数据插值

将数据插值到模式的计算格点( 包括水平方向和垂直方 向) 上, 为模式提供初始场和边界条件。

这项功能是由hinterp和vinterp来完成。另外grib_prep是将 标准的GriB码格式的数据文件转换成hinterp程序能识别的格 式。也可以不用grib_prep, 而是直接将其它数据格式的数据写 成hinterp所能识别的格式。

这里输入到grib_prep的GriB数据文件含有其它全球或区 域模式输出的格点数据, GriB文件有多种不同的格式, 相同的 气象要素可能有不同的要素指示码, 对于这些不同的格式,

WRFSI提供了相对应的Vtable, 例如AWIP、GFS( AVN) 等等。用 户也可以使用自己的GriB文件, 只要有相应的Vtable。具体使 用何种Vtable以及GriB的路径等信息, 由grib_prep.nl给出。

3.1.3 WRF SI GUI

定义各模拟区域是一件烦琐的工作, 并且容易出现错误

的设置, 造成WRF SI无法正常运行。针对这一问题, 预报系统 试验室(FSL)使用Perl/TK描述语言编写了GUI界面(见图2), 用 户无需知道如何运行SI,通过该界面用户可以借助鼠标“画”出 欲模拟的区域及其子区域, 选择投影方式、选择或定制垂直方 向的层数及分布方式, 结合键盘的使用更加精确地设定中心 经纬度、网格距等参数, 系统会自动纠正错误的设置, 为用户 生成各区域的静态数据文件。在这里用户还可以选择GriB数 据的格式、起止时间、插值间隔, 最终完成对GriB数据的插值。 图2 WRF SI图形界面

3.2 ARW 模式

ARW是一个完全可压的非静力模式, 可以对真实或理想 大气进行模拟, 真实大气的模拟首先需要完成WRF SI过程, 理想大气不必经过WRF SI, 目前已经实现的一些理想大气方 案见表2。

表2 ARW的理想大气方案

3.2.1 ARW的动力框架

目前ARW的垂直坐标采用欧拉质量坐标, 先前版本的欧

拉高度坐标已经放弃, 半隐式半拉格朗日坐标仍未发布。网格 形式采用Arakawa C格点, 控制方程组都写为通量形式, 3阶 Runge- Kutta 显式时间分离差分方案、5阶或6阶平流差分方

案, 典型时间步长为6 x!x, 表3是ARW与MM5动力框架的对比。

3.2.2 ARW的物理方案

ARW提供了大量的物理方案选项, 并采用高度模块化, 可 插拔程序设计, 方案的选择是通过配置文件实现的。 主要方案提供的选项如下[2]。

微物理过程方案, 目前的有效选择为: 不采用微物理过程

方案、Kessler 方案(暖雨方案)、Lin 等的方案(水汽、雨、雪、云 水、冰、冰雹)、WSM3类简单冰方案、WSM5类方案、Ferrier(new 方案名称方案内容

Ideal Baroclinic wave 理想斜压波方案 Ideal 2D Squallline 理想二维飚线方案

Ideal 3D Supercell 理想三维超级单体云体方案

Ideal 2D hill 理想二维钟形山体方案 Ideal 2D grav 理想二维重力波方案

美国ARW模式系统简介———汤浩, 贾丽红25 新疆气象2006 年第29 卷第6 期

垂直坐标地形追随质量坐标地形追随高度 守恒性质量、动量、标量没有考虑

时间积分3rd oder Runge- Kutta 蛙跃格式 平滑抑制不需要4 阶平滑 典型时间步长6×!X 3×!X 运行时间相当 ARW MM5

平流计算5th order upwind 2nd order centered 6th orde centered

Eta)微物理方案(水汽、云水)、WSM6类冰雹方案、Thompson冰 雹方案、NCEP 3类简单冰方案(水汽、云/冰和雨/雪) ( 将放 弃) 、NCEP 5类方案(水汽、雨、雪、云水和冰)( 将放弃) 。 表3 ARW与MM5动力框架的对比

长波辐射方案, 目前的有效选择为: 不采用长波辐射方 案、rrtm 方案、GFDL (Eta) 长波方案(semi- supported)。 短波辐射方案, 目前的有效选择为: 不采用短波辐射方

案、Dudhia 方案、Goddard 短波方案、GFDL (Eta) 短波方案 (semi- supported)。

近地面层(surface- layer)方案, 目前的有效选择为: 不采

用近地面层方案、Monin- Obukhov 方案、MYJ Monin- Obukhov 方案(仅用于MYJ 边界层方案)。

陆面过程方案, 目前的有效选择为: 不采用陆面过程方

案、热量扩散方案、Noah陆面过程方案、RUC 陆面过程方案。 边界层方案, 目前的有效选择为: 不采用边界层方案、

YSU 方案、Eta Mellor- Yamada- Janjic TKE (湍流动能) 方案、 MRF 方案( 将放弃) 。

积云参数化方案, 目前的有效选择为: 不采用积云参数

化方案、浅对流Kain- Fritsch (newEta)方案、Betts-Miller- Janjic 方案、Grell- Devenyi 集合方案、老Kain- Fritsch 方案。

3.2.3 ARW的3DVAR

3DVAR (Variational Data Assimilation System)是与ARW模

式配套的3维变分分析系统。基础版本于2003年7月发布, 升级 版本于2004年5月发布(WRF- Var V2.0)。研究版本于2005年8 月发布(WRF- Var V2.1)。高级版本拟于2006年发布, 但截止目 前仍未发布。

研究版本的3DVAR具有如下特点: 分析时刻的背景场能 更好的应用非天气图定时观测于3DVAR中, 具有同化雷达反

射率的能力, 具有全球3DVAR分析的能力, 灵活选择控制变 量, 可以统计估算本区域的背景误差, 统一3DVAR 与WRV2.1 版的框架,为WRF的4DVAR做准备。

WRF 3DVAR 的一些参数配置是通过系统配置文件给入

的。这里包括定义分析的时间、格点维数的大小、水平与垂直分 辨率、观测资料类型的选取与使用、背景误差系数的调整、变量 尺度因子的控制、极小化迭代次数的控制、控制变量的选择等 等[2]。

3.2.4 ARW的嵌套

ARW自V2.0起实现了嵌套, 可以进行灵活的单向、双向、

移动嵌套, 嵌套层数可达9层, 嵌套区域可达99个。初始化程序 能适应格点数很大的区域,WRF SI GUI使得用户可以非常方 便的实现嵌套区域的设置, 同MM5相比有了较大的改进。 通过shell、Perl等语言编写的程序使用real.exe依次处理 WRF SI的结果, 得到边界和输入条件, 最后运行wrf model完 成指定的模拟。

关于模式系统动力框架、物理方案、3DVAR更详尽的说明 将另文给出, 在此仅作一般性介绍。

3.3 ARW的后处理

ARW的输出结果为NetCDF格式, 使用模式系统提供的

后处理工具可以将NetCDF数据转为RIP4、GrADS、NCL、Vis5D 等数据格式, 使用相应的浏览工具就可以实现预报结果的可 视化。 4 结语

我国新疆气象局于2005年引进了SGI Altix350高性能计算机 ( 32颗1.5G Intel Itanium2 64位CPU,64G内存, Ifort编译器, MPI 并行方式) , 目前已经完成了ARW的移植, 实现了双向三重嵌 套方案的试验运行, 初始为AVN格式的GriB数据, 正在积极的 进行本地化的工作。

ARW模式系统是美国气象界联合开发的新一代中尺度

预报模式和同化系统, 重点考虑从云尺度到天气尺度等重要 天气的预报, 水平分辨率重点考虑1～10km, 模式采用高度模 块化、并行化和分层设计技术, 集成了迄今为止在中尺度方面 的研究成果。模拟和实时预报试验表明, ARW模式系统在预报 各种天气中都具有较好的性能, 具有广阔的应用前景。由于 NCAR已经宣布停止对MM5的升级, 因此可以预计目前我国广 泛开展的对MM5模式的研究应用, 将逐渐转到ARW上来, 为 我国精细化天气预报和中小尺度灾害性天气的预报、服务和 研究提供有效的工具。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/r4n3.html