WRFV31用户手册之中文版非常难得之翻译版.docx

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WRFV31用户手册之中文版非常难得之翻译版

Chapter1:

Overview

翻译:

by澳洲的牛牛laiwf

由于译者水平有限,其中一定存在翻译不妥的地方,希望大家能帮忙指正

Introduction

TheAdvancedResearchWRF（ARW）modelingsystemhasbeenindevelopmentforthepastfewyears.ThecurrentreleaseisVersion3,availablesinceApril2008.TheARWisdesignedtobeaflexible,state-of-the-artatmosphericsimulationsystemthatisportableandefficientonavailableparallelcomputingplatforms.TheARWissuitableforuseinabroadrangeofapplicationsacrossscalesrangingfrommeterstothousandsofkilometers,including:

∙Idealizedsimulations（e.g.LES,convection,baroclinicwaves）

∙Parameterizationresearch

∙Dataassimilationresearch

∙Forecastresearch

∙Real-timeNWP

∙Coupled-modelapplications

∙Teaching

简介

AdvancedResearchWRF（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

TheMesoscaleandMicroscaleMeteorologyDivisionofNCARiscurrentlymaintainingandsupportingasubsetoftheoverallWRFcode（Version3）thatincludes:

∙WRFSoftwareFramework（WSF）

∙AdvancedResearchWRF（ARW）dynamicsolver,includingone-way,two-waynestingandmovingnest.

∙TheWRFPreprocessingSystem（WPS）

∙WRFVariationalDataAssimilation（WRF-Var）systemwhichcurrentlysupports3DVARcapability

∙NumerousphysicspackagescontributedbyWRFpartnersandtheresearchcommunity

∙Severalgraphicsprogramsandconversionprogramsforothergraphicstools

Andthesearethesubjectsofthisdocument.

TheWRFmodelingsystemsoftwareisinthepublicdomainandisfreelyavailableforcommunityuse.

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

∙AdvancedResearchWRF（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。

Asshowninthediagram,theWRFModelingSystemconsistsofthesemajorprograms:

TheWRFPreprocessingSystem（WPS）

WRF-Var

ARWsolver

Post-processing&Visualizationtools

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

WPS

Thisprogramisusedprimarilyforreal-datasimulations.Itsfunctionsinclude1）definingsimulationdomains;2）interpolatingterrestrialdata（suchasterrain,landuse,andsoiltypes）tothesimulationdomain;and3）degribbingandinterpolatingmeteorologicaldatafromanothermodeltothissimulationdomain.Itsmainfeaturesinclude:

·GRIB1/2meteorologicaldatafromvariouscentersaroundtheworld

·Mapprojectionsfor1）polarstereographic,2）Lambert-Conformal,3）Mercatorand4）latitude-longitude

·Nesting

·User-interfacestoinputotherstaticdataaswellasmetdata

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：

∙GRIB1/2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-Var

Thisprogramisoptional,butcanbeusedtoingestobservationsintotheinterpolatedanalysescreatedbyWPS.ItcanalsobeusedtoupdateWRFmodel'sinitialconditionwhenWRFmodelisrunincyclingmode.Itsmainfeaturesareasfollows.

·    Itisbasedonincrementalvariationaldataassimilationtechnique

·    Conjugategradientmethodisutilizedtominimizedthecostfunctioninanalysiscontrolvariablespace

·    Analysisisperformedonun-staggeredArakawaA-grid

·    AnalysisincrementsareinterpolatedtostaggeredArakawaC-gridanditgetsaddedtothebackground（firstguess）togetfinalanalysisatWRF-modelgrid

·    ConventionalobservationdatainputmaybesuppliedbothinASCIIor“PREPBUFR”formatvia“obsproc”utility

·    Multipleradardata（reflectivity&radialvelocity）inputissuppliedthroughASCIIformat

·    Horizontalcomponentofthebackground（firstguess）errorisrepresentedviarecursivefilter（forregional）orpowerspectrum（forglobal）.Theverticalcomponentisappliedthroughprojectionsonclimatologicallygeneratedaveragedeigenvectorsanditscorrespondingeigenvalues

·    Horizontalandverticalbackgrounderrorsarenon-separable.Eacheigenvectorhasitsownhorizontalclimatologicallydeterminedlengthscale

·    PreconditioningofbackgroundpartofthecostfunctionisdoneviacontrolvariabletransformUdefinedasB=UUT

·    Itincludes“gen_be”utilitytogeneratetheclimatologicalbackgrounderrorcovarianceestimateviatheNMC-methodorensembleperturbations

·    AutilityprogramtoupdateWRFboundaryconditionfileafterWRF-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ArakawaA网格分析

∙增量分析插值到ArakawaC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=UU^T

∙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

∙ARWSolver

Thisisthekeycomponentofthemodelingsystem,whichiscomposedofseveralinitializationprogramsforidealized,andreal-datasimulations,andthenumericalintegrationprogram.Italsoincludesaprogramtodoone-waynesting.ThekeyfeatureoftheWRFmodelincludes:

·    Fullycompressiblenonhydrostaticequationswithhydrostaticoption

·    Regionalandglobalapplications

·    Completecoriolisandcurvatureterms

·    Two-waynestingwithmultiplenestsandnestlevels

·    One-waynesting

·    Movingnests

·    Mass-basedterrainfollowingcoordinate

·    Verticalgrid-spacingcanvarywithheight

·    Map-scalefactorsfortheseprojections:

      o    polarstereographic（conformal）

      o    Lambert-conformal

      o    Mercator（conformal）

      o    Latitudeandlongitudewhichcanberotated

·    ArakawaC-gridstaggering

·    Runge-Kutta2ndand3rdordertimeintegrationoptions

·    Scalar-conservingfluxformforprognosticvariables

·    2ndto6thorderadvectionoptions（horizontalandvertical）

·    Monotonictransportandpositive-definiteadvectionoptionformoisture,scalarandTKE

·    Time-splitsmallstepforacousticandgravity-wavemodes:

      o    smallstephorizontallyexplicit,verticallyimplicit

      o    divergencedampingoptionandverticaltimeoff-centering

      o    external-modefilteringoption

·    UpperboundaryaborptionandRayleighdamping

·    Lateralboundaryconditions

        o    idealizedcases:

periodic,symmetric,andopenradiative

        o    realcases:

specifiedwithrelaxationzone

·    Fullphysicsoptionsforland-surface,planetaryboundarylayer,atmosphericandsurfaceradiation,microphysicsandcumulusconvection

·    Gridanalysisnudgingusingseparateupperairandsurfacedataandobservationnudging

·    Spectralnudging

·    Digitalfilterinitialization

·    Gravitywavedrag

·    Anumberofidealizedexamples

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

∙ArakawaC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

GraphicsandVerificationTools

Severalprogramsaresupported,includingRIP4（basedonNCARGraphics）,NCARGraphicsCommandLanguage（NCL）,andconversionprogramsforotherreadilyavailablegraphicspackages:

GrADSandVis5D.

ProgramVAPOR,VisualizationandAnalysisPlatformforOcean,Atmosphere,andSolarResearchers（http:

//www.vapor.ucar.edu/）,isa3-dimensionaldatavisualizationtool,anditisdevelopedandsupportedbytheVAPORteamatNCAR（vapor@ucar.edu）.

ProgramMET,ModelEvaluationTools（http:

//www.dtcenter.org/met/users/）,isdevelopedandsupportedbytheDevelopmentalTestbedCenteratNCAR（met_help@ucar.edu）.

Thedetailsoftheseprogramsaredescribedmoreinthechaptersinthisuser'sguide.

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。

Chapter3:

WRFPreprocessingSystem（WPS）

Chapter3:

WRFPreprocessingSystem（WPS）

翻译by:

SJ

TableofContents

•InstallingtheWPS

•RunningtheWPS

•CreatingNestedDomainswiththeWPS

•UsingMultipleMeteorologicalDataSources

•ParallelismintheWPS

•CheckingWPSOutput

•WPSUtilityPrograms

•CreatingandEditingVtables

•DescriptionofNamelistVariables

•DescriptionofGEOGRID.TBLOptions

•DescriptionofindexOptions

•AvailableInterpolationOptionsinGeogridandMetgrid

•LandUseandSoilCategoriesintheStaticData

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WRFeta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