用WRF模型进行气象模拟入门(2)——WPS的配置与使用

由 xg1990
2014年10月11日2016年9月21日
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安装好WRF之后，还不能直接使用。需要先使用WPS进行数据预处理，准备好必须的输入数据与模拟参数，才能顺利运行模拟程序。

WRF提供了多种气象模拟模式，本文只介绍进行真实模拟（real）所必须的相关操作。

1.概述

运行WRF模型之前，需要进行以下三个预处理操作：

定义模型运行空间，以及嵌套区域
进行数据重投影，转坐标
对地表参数、气象数据进行时空插值

这三个功能则由WPS的三个子程序完成，分别为：

geogrid.exe 主要功能为定义模型投影、区域范围，嵌套关系，对地表参数进行插值
ungrib.exe 主要功能为从grib数据中提取所需要的气象参数
metgrid.exe 主要功能为将气象参数插值到模拟区域

这三个程序运行前需要先对它们的配置文件进行相应的修改。配置文件文件名为 namelist.wps，位于WPS 源码根目录下。

一个namelist.wps文件样例如下：

&share
 wrf_core = 'ARW',
 max_dom = 2,
 start_date = '2006-08-16_12:00:00','2006-08-16_12:00:00',
 end_date = '2006-08-16_18:00:00','2006-08-16_12:00:00',
 interval_seconds = 21600
 io_form_geogrid = 2,
 /
&geogrid
 parent_id = 1, 1,
 parent_grid_ratio = 1, 3,
 i_parent_start = 1, 31,
 j_parent_start = 1, 17,
 e_we = 74, 112,
 e_sn = 61, 97,
 geog_data_res = '10m','2m',
 dx = 30000,
 dy = 30000,
 map_proj = 'lambert',
 ref_lat = 34.83,
 ref_lon = -81.03,
 truelat1 = 30.0,
 truelat2 = 60.0,
 stand_lon = -98.0,
 geog_data_path = '/glade/p/work/wrfhelp/WPS_GEOG/'
 /
&ungrib
 out_format = 'WPS',
 prefix = 'FILE',
 /
&metgrid
 fg_name = 'FILE'
 io_form_metgrid = 2,
 /

其中以&符号开头的为配置模块名称。 &share 模块描述了通用配置选项，&geogrid 描述了geogrid.exe的配置选项，&ungrib 描述了 ungrib.exe的配置选项，&metgrid 描述了 metgrid.exe的配置选项。

在&SHARE部分中，

wrf_core = ‘ARW’,

用于设定WRF 的运行核心，其值为’ARW’ 或 ‘NMM’之一，本文只介绍’ARW’的配置

max_dom = 2,

用于设定嵌套区域数量

start_date = '2006-08-16_12:00:00','2006-08-16_12:00:00',
end_date = '2006-08-16_12:00:00','2006-08-16_12:00:00',

是输入数据的起始和结束时间，对于ARW的嵌套区（样例中的区域2）只需要指定start_date即可，end_date的设定一般是无效的。

interval_seconds = 21600

设置输入数据的时间间隔，单位为秒；对于6小时再分析资料，就设为21600秒

io_form_geogrid = 2,

这是geogrid.exe的输出格式，2代表netCDF格式，推荐使用这个格式

2. 嵌套关系定义与投影设定

2.1 嵌套关系定义

以下为区域嵌套关系的设定，结合下图来说明：

Geogrid def

parent_id = 1, 1,

定义了各个嵌套区域的上级区域编号，在样例里：区域1(d01) 是根区域，因此区域1(d01)的上级区域还是区域1(d01)；而区域2(d02)嵌套在区域1(d01) 中，那么
区域2(d02) 的上级区域是区域1(d01)。

i_parent_start = 1, 31,
j_parent_start = 1, 17,

设定了子区域左下角起点在上级区域的位置（栅格数）

e_we = 74, 112,
e_sn = 61, 97,

设定了各个区域的矢量场的栅格数。矢量场的栅格数要比标量场栅格数多1。也就是说，在样例文件中，区域2的栅格数为\(111\times 96\)

parent_grid_ratio = 1, 3,

上级区域与下级区域之间的栅格尺寸比率；如果使用真实数据模拟，这个数必须设为奇数。

各个区域中的 parent_grid_ratio 与 e_we, e_sn 之间必须满足\(\frac{e\_we-1}{parent\_grid\_ratio}\)和\(\frac{e\_sn-1}{parent\_grid\_ratio}\)为整数

geog_data_res = '10m','2m',

设定该嵌套区域静态数据的数据来源（WRF的自带数据通过分辨率来命名的）

dx = 30000,
dy = 30000,

定义了根区域的栅格尺寸，在经纬度投影下，其单位是度；其他投影下其单位是米

样例文件中的嵌套定义结果如下

Geogrid example

2.2 定义研究区范围与投影

接下来定义研究区范围与投影

map_proj = 'lambert',

定义投影类型。在ARW中有4中投影类型供选择，分别为：’lambert’, ‘polar’, ‘mercator’, 和 ‘lat-lon’；而对于NMM只能使用’rotated\_ll’投影。本文仅讨论ARW四种投影。

ref_lat = 34.83,
ref_lon = -81.03,

定义了根区域的中心经纬度坐标，含义如下图所示：

Proj parameter

通过 ref_lon， ref_lat 以及上文中提到的 e_we, e_sn, dx, dy 这六个参数共同确定了总研究区的空间范围。

truelat1 = 30.0,
truelat2 = 60.0,
stand_lon = -98.0,

这三个是投影参数，对于不同的投影类型有不用的含义，具体解释如下：

对于lambert投影

Proj lambert

需要定义truelat1 和 truelat2，stand_lon则定义了在投影后与y轴平行的那条经线(见前一个图中的投影参数)。这个投影适合在中纬度地区使用

对于 polar 投影

Proj polar

只需要定义 truelat1 和 stand_lon 即可。适合在高纬度地区使用

对于 mercator 投影，

Proj mercator

也只需要定义 truelat1 和 stand_lon 即可。适合在低纬度地区使用

对于 lat-lon 投影，

Proj lat lon

需要定义的参数为pole_lat, pole_lon, stand_lon。用于全球范围的模拟。
如果用于对于北半球区域模拟，一般进行如下设定

pole_lat=90.0 - ref_lat 
pole_lon=180.0 
stand_lon= -ref_lon

而对于南半球区域模拟，一般设定

pole_lat=90.0 + ref_lat 
pole_lon=0.0
stand_lon=180.0 - ref_lon

注意以上 ref_lat 和 ref_lon 要代入计算后的值

最后一个配置参数：

geog_data_path = '/glade/p/work/wrfhelp/WPS_GEOG/'

指明地理基础数据（如landcover）所在路径，该数据通常可以从WRF/ARW官网下载到（如 http://www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/download/get_sources_wps_geog.html）。

以上配置完成后，要确保在WPS根目录下存在 geogrid/GEOGRID.TBL 文件链接指向 GEOGRID.TBL.ARW，如果不存在，则需要使用如下命令手动生成文件链接

cd geogrid; ln -s GEOGRID.TBL.ARW GEOGRID.TBL

完成后即可执行 ./geogrid.exe

如果执行成功，会在WPS目录生成相应的 geo_em.d0x.nc 文件。如果出现错误，先确认下载的数据与使用的WRF版本是否匹配。

此外，如果计算机中安装了NCL，可以执行 WPS 目录下的 util/plotgrids.ncl 脚本，它会将 namelist.wps 中的嵌套区域绘制出来，来确保配置正确

绘图命令为：

ncl util/plotgrids_new.ncl

就能得到这样的图示

Proj example

3. 气象数据的准备(Ungrib.exe)

我们可以使用多种来源的气象数据驱动WRF运行，各种来源的数据都会被ungrib.exe处理为统一的格式。

在WPS源码目录的 ungrib/Variable_Tables/ 路径下可以找到许多名为 Vtable.* 的文件，如：

README                        Vtable.ECMWF                  Vtable.NCEP2
Vtable.AFWAICE                Vtable.ECMWF_sigma            Vtable.NNRP
Vtable.AGRMETSNOW             Vtable.ERA-interim.ml         Vtable.NOGAPS
Vtable.AGRMETSOIL             Vtable.ERA-interim.pl         Vtable.NOGAPS_needs_GFS_soil
Vtable.AGRMETSOIL2            Vtable.GFDL                   Vtable.RAP.hybrid.ncep
Vtable.AGRWRF                 Vtable.GFS                    Vtable.RAP.pressure.ncep
Vtable.ARW                    Vtable.GFSENS                 Vtable.RAP.sigma.gsd
Vtable.ARWp                   Vtable.GFS+TROP               Vtable.RUCb
Vtable.AVN0P5WRF              Vtable.GODAS                  Vtable.RUCp
Vtable.AWIP                   Vtable.GSM                    Vtable.SST
Vtable.CFSR2_web              Vtable.JMAGSM                 Vtable.TCRP
Vtable.CFSR_mean              Vtable.NAM                    Vtable.UKMO_ENDGame
Vtable.CFSR_press_pgbh06      Vtable.NARR                   Vtable.UKMO_LANDSEA
Vtable.CFSR_sfc_flxf06        Vtable.NavySST                Vtable.UKMO_no_heights

点后面的名称即为WRF 所支持的气象数据来源，比如 ECMWP, NCEP2。这些文件就描述了各个来源的气象数据应当如何读取。

但是我们更加关心的事情是这些气象数据从哪里获取？这也可以在这些描述文件中找到，以 Vtable.GFS 文件为例，其最后一部分内容为：

34 #

35 # Vtable for GFS pressure-level data from the ncep server.

36 #

37 # ftp://ftpprd.ncep.noaa.gov/pub/data/nccf/com/gfs/prod/gfs.ccyymmddhh/ (note hh at end)

38 #

39 # approx. grid hours domain dx notes

40 # file size no.

41 #

42 # gfs.t12z.pgrb2f00 56000 Kb 4 3-h to 192-h global 0.5 deg (26 p-levels plus sfc and trop, 1000 to 10 mb).

43 # gfs.t12z.pgrbf00.grib2 18000 Kb 3 3-h to 384-h global 1.0 deg (26 p-levels plus sfc and trop, 1000 to 10 mb).

44 #

45 #

46 #

47 # For SNOWH, NCEP starts with the AFWA snow depth analysis and converts it to a water-equivalent.

48 # For some reason, NCEP uses a different ratio in the GFS/GDAS than in the NAM and that which is assumed in WRF.

49 # Therefore, we need to adjust SNOW and compute SNOWH in ungrib.

这里已经将GFS的下载地址，文件名等信息介绍的十分清楚了，直接前往下载即可。下载好数据之后需要配置 namelist.wps 文件

首先确保 &share 模块的三个参数 start_date , end_date , interval_seconds 覆盖的时间范围和步长与已经下载的数据一致，然后编辑 &ungrib 模块的参数

out_format = 'WPS',

用于指定输出格式，有’WPS’, ‘SI’, ‘MM5’三中选项；推荐使用’WPS’

prefix = 'FILE’,

指定输出文件的前缀

接下来需要设定所使用 Vtable 文件。Vtable 文件描述了输入的气象场数据中各个参数的名称、单位，以及他们对应与WRF所需的什么变量。对于不同的气象数据，需要一个不同的Vtable来描述。WRF所支持的气象数据集对应的 Vtable 保存在WPS代码目录的 ungrib/Variable_Tables/ 中。

我们需要做的就是把需要的Vtable链接到ungrib.exe运行目录，例如

ln -s ungrib/Variable_Tables/Vtable.GFS Vtable

ungrib.exe 通常会在目录下寻找名为 GRIBFILE.AAA, GRIBFILE.AAB, GRIBFILE.AAC, 等的气象数据文件，所以需要使用WPS根目录下的脚本 link_grib.csh 来自动生成所需要的链接，命令如下：

link_grib.csh /data/GRIB/GFS/gfs*

其中 /data/GRIB/GFS/ 要替换为存放了气象数据文件的路径。

然后执行 ./ungrib.exe 即可从气象数据中提取所需要的数据。提取出来的文件的前缀是 FILE，与namelist.wps中的prefix参数一致。文件名形如 FILE:yyyy-mm-dd_hh

4. 气象数据的重投影重采样

最后需要把 ./geogrid.exe 和 ./ungrib.exe 准备好的数据重投影采样，为模型运行做准备。

首先修改 namelist.wps 中的 &metgrid 模块

fg_name = 'FILE'

用于指定 ungrib.exe 得到的中间文件的文件名前缀，与 &ungrib 中的 prefix 保持一致即可

io_form_metgrid = 2,

指定输出文件格式，2代表netCDF格式。通常推荐使用这种格式

这样 namelist.wps 中的配置就完成了，接下来要配置metgrid自己的配置文件METGRID.TBL。通常在 WPS根目录下的 metgrid/ 目录中有常用的默认配置，本文使用ARW，则确保WPS目录下的 METGRID.TBL 链接文件指向 ./metgrid/METGRID.TBL.ARW

METGRID.TBL -> ./metgrid/METGRID.TBL.ARW

如果不是，需要使用如下命令重新链接

ln -s ./metgrid/METGRID.TBL.ARW METGRID.TBL

接下来即可执行 ./metgrid.exe

会给各个嵌套区都生成形如 met_em.d0x.yyyy-mm-dd_hh:mm:ss.nc 的数据文件，这些文件将会用来驱动WRF运行。如果执行失败，则需要根据错误原因上网搜索解决办法。

至此所有使用WPS的准备工作已经全部完成。

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