WRF介绍-PPT

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]。

WRF使用说明范文WRF（Weather Research and Forecasting）是一种常用的大气动力学模型，用于天气预报、气候模拟等气象学研究领域。

本文将介绍WRF的基本原理和使用方法，帮助读者快速上手使用WRF进行天气预报。

一、WRF的基本原理WRF模型是一种通过数值模拟天气系统的大气模式，能够模拟和预报各种尺度的气象现象。

它基于Navier-Stokes方程和热力学原理，通过空间和时间离散化的数值计算方法，模拟大气的物理和动力特性。

WRF模型主要包括动力学核心、物理方案和分辨率配置三个方面。

动力学核心是WRF模型的计算引擎，包括模式的网格结构和求解方程的数值方法。

WRF模型支持三种动力学核心：全谱元谱法（全谱模式）、有限差分法（全局模式）和非均匀格点模型（多尺度模式）。

用户可以根据不同的需求选择合适的动力学核心。

物理方案是WRF模型的参数化方案，用于模拟大气中的各种物理过程。

物理方案包括微物理方案、辐射方案、降水方案、陆地过程方案等。

用户可以根据需要选择合适的物理方案，然后根据具体情况进行相应的参数调整。

分辨率配置是指WRF模型的网格设置，决定了模拟的空间和时间精度。

WRF模型支持多种网格类型，如地理坐标、斜坐标等，并提供了灵活的网格分辨率配置方法。

用户可以根据需要选择合适的网格类型和分辨率，以达到所需的模拟精度。

二、WRF的使用方法1.安装和配置环境2.模型运行和输入数据准备完成安装和配置后，用户可以使用WRF模型进行天气预报。

首先，用户需要准备输入数据，包括初始场和边界场。

初始场包括温度、湿度、风场等参数，可以从观测数据或其它模拟结果中得到。

边界场则包括在模拟区域周边的大气特征，如气压、海温等，通常可以从观测数据或全球模式中获取。

3.WRF模型运行和输出结果分析准备好输入数据后，用户可以运行WRF模型进行天气预报。

运行过程中，用户需要设置模拟的起始时间、模拟区域、物理参数、动力学核心等。

模式及数据介绍1 模式介绍近年来，随着大气科学、计算机技术以及地基与空基遥感技术等多个学科领域的发展，数值天气预报学科也得到了飞跃性的发展。

为了提高中小尺度灾害性天气预报的准确率，近30年的时间里中尺度数值模拟的研究得到了更多的重视。

虽然仍无法避免模式带来的预报误差，但其值已明显的减小。

宁贵财【16】等，采用WRF V3.3.1 中尺度预报模式研究北京地区2012年7月的一次暴雨过程时很好的模拟出了暴雨落区和24小时累积降水量等。

何由【17】等利用WRF 模式采用无嵌套方案模拟青藏高原一次暴雨过程时也较好地模拟出了强降水雨带的位置和中心、降水强度以及降水范围等。

因此WRF中尺度数值预报模式对暴雨过程的模拟时有着良好的效果。

WRF 模式是由美国国家大气研究中心（NCAR）、美国国家海洋和大气管理局（NOAA）以及天气预报系统实验室（FSL）等研究机构和大学联合开发的新一代高分辨率、非静力平衡的中尺度数值模式，简称WRF（Weather Research and Forecast）【18】。

WRF 模式主要包括四个部分组成：WRF的标准初始化模块（WRF SI）、同化系统（包括三维变分同化）、动力内核以及后处理模块【19】。

模式中动力内核部分可分为ARW（用于科学研究）和NMM（用于业务预报）两种模块。

后处理部分（图形软件）主要对模式的输出结果进行分析并处理，将模式面物理量转换到标准等压面、诊断分析物理场和图形数据转换等，模式流程图见图2.1。

图2.1 WRF 模式流程图2.2 资料介绍本文所用的降水资料为甘肃省加密雨量站实际观测资料。

模式模拟的初始资料采用NCEP （National Centers for Environmental Prediction ）提供的每6小时一次的（经度） 格点的再分析资料【20】。

目前，数值预报被视为最主要的天气预报工具，而数值预报常常被归结为一个初值问题，因此模式初值的改善一直是数值预报本地化研究的重要内容【21】。

WRF物理过程参数化方案简介（WRF V2)1 辐射过程参数化1.1 RRTM长波辐射方案来自于MM5模式，采用了Mlawer等人的方法。

它是利用一个预先处理的对照表来表示由于水汽、臭氧、二化碳和其他气体，以及云的光学厚度引起的长波过程。

1。

2 Dudhia 短波辐射方案来自于MM5模式，采用Dudhia的方法,它是简单地累加由于干净空气散射、水汽吸收、云反射和吸收所引起的太阳辐射通量。

采用了Stephens的云对照表。

1。

3 Goddard短波辐射方案它是由Chou和Suarez发展的一个复杂光学方案。

包括了霰的影响,适用于云分辨模式.1。

4 Eta Geophysical Fluid Dynamics Laboratory（GFDL)长波辐射方案这个辐射方案来自于GFDL。

它将Fels和Schwarzkopf的两个方案简单的结合起来了，计算了二氧化碳、水汽、臭氧的光谱波段.1. 5 Eta Geophysical Fluid Dynamics Laboratory(GFDL) 短波辐射方案这个短波辐射方案是Lacis和Hansen参数化的GFDL版本。

用Lacis和Hansen的方案计算大气水汽、臭氧的作用。

用Sasamori等人的方案计算二氧化碳的作用。

云是随机重叠考虑的。

短波计算用到时间间隔太阳高度角余弦的日平均。

2 微物理过程参数化2。

1 Kessler暖云方案来自于COMMAS模式，是一个简单的暖云降水方案，考虑的微物理过程包括:雨水的产生、降落以及蒸发，云水的增长，以及由凝结产生云水的过程,微物理过程中显式预报水汽、云水和雨水,无冰相过程.2.2 Purdue Lin方案微物理过程中,包括了对水汽、云水、雨、云冰、雪和霰的预报，在结冰点以下，云水处理为云冰,雨水处理为雪。

所有的参数化项都是在L in等人以及Rutledge和Hobbs的参数化方案的基础上得到的，某些地方稍有修改,饱和修正方案采用Tao的方法。

WRF介绍介绍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。

WRF模型原理1. 概述WRF（Weather Research and Forecasting model）是一种用于天气和气候模拟的数值模型。

它是一个开源的大气动力学模型，被广泛应用于气象学、气候学和环境研究领域。

WRF模型的基本原理是通过求解大气动力学和热力学方程，模拟大气中的运动、湍流和物理过程，从而预测未来的天气变化。

2. 大气动力学方程WRF模型的核心是求解大气动力学方程组，包括质量守恒、动量守恒和能量守恒方程。

这些方程描述了大气中的气体运动、湍流和辐射传输等过程。

2.1 质量守恒方程质量守恒方程描述了大气中的气体密度变化与质量通量之间的关系。

它可以写成以下形式：∂ρ∂t+∇⋅(ρu)=0其中，ρ为气体密度，u为气体的速度矢量，∇⋅(⋅)表示散度运算符。

这个方程表示气体的质量在空间和时间上的变化率等于质量通量的散度。

2.2 动量守恒方程动量守恒方程描述了气体运动的力学过程。

它可以分解为水平动量守恒方程和垂直动量守恒方程。

2.2.1 水平动量守恒方程水平动量守恒方程可以写成以下形式：∂ρu∂t+∇⋅(ρuu)=−∇p−fk×(ρu)+ρg其中，k为垂直向上的单位矢量，p为气体压强，f为科氏参数，g为重力加速度。

这个方程描述了气体在水平方向上的加速度与压强梯度、科氏力和重力之间的关系。

2.2.2 垂直动量守恒方程垂直动量守恒方程可以写成以下形式：∂ρw ∂t +∇⋅(ρwu)=∂p∂z+ρg其中，w为气体的垂直速度。

这个方程描述了气体在垂直方向上的加速度与垂直压强梯度和重力之间的关系。

2.3 能量守恒方程能量守恒方程描述了气体的温度和能量传输过程。

它可以写成以下形式：∂ρθ+∇⋅(ρθu)=−∇⋅(ρuc p T)+∇⋅(ρu⋅F)+Q∂t其中，θ为温度，c p为恒压比热容，T为气体的温度，F为辐射通量，Q为加热项。

这个方程描述了气体的温度变化与湍流混合、辐射传输和加热之间的关系。

WRF 模式操作指南The Institute of Atmospheric Physics， Chinese Academy of Sciences Northeast Institute of Geography and Agroecology, Chinese Academy of Sciences中国科学院大气物理研究所中国科学院东北地理与农业生态研究所二○一七年三月二十日目录1. WRF模式简介 (1)2. WRF模式的安装 (2)安装环境 (2)模式源程序 (2)NetCDF函数库的安装 (2)标准初始化（SI）的安装 (6)WRF模式的安装 (9)3. WRF模式与T213模式嵌套 (17)嵌套方案 (17)嵌套程序设计 (17)编译嵌套程序 (21)嵌套的实现 (22)4. WRF模式系统的运行 (29)理想大气方案 (29)真实大气方案 (32)5. WRF模式系统作业卡 (47)源程序 (47)真实大气方案 (48)6. 模式结果的显示处理 (61)Vis5D格式 (61)MICAPS格式 (62)GrADS格式 (65)附录1. WRF模式参数配置说明 (68)附录 2. T213场库参数表 (78)WRF模式系统安装/调试技术报告1. WRF模式简介WRF(Weather Research Forecast)模式系统是由许多美国研究部门及大学的科学家共同参与进行开发研究的新一代中尺度预报模式和同化系统。

WRF模式系统的开发计划是在1997年由NCAR中小尺度气象处、NCEP的环境模拟中心、FSL 的预报研究处和奥克拉荷马大学的风暴分析预报中心四部门联合发起建立的，并由国家自然科学基金和NOAA共同支持。

现在，这项计划，得到了许多其他研究部门及大学的科学家共同参与进行开发研究。

WRF模式系统具有可移植、易维护、可扩充、高效率、方便的等诸多特性，将为新的科研成果运用于业务预报模式更为便捷，并使得科技人员在大学、科研单位及业务部门之间的交流变得更加容易。