本帖最后由 kermit 于 2025-5-10 01:00 编辑
本教程旨在帮助初学者运行并理解WRF数据前处理、数值预报、资料同化的完整流程，所描述的运行流程不是最简单的，但能够尽量避免遇到难以处理的问题。建议初学者按步骤操作，运行成功之后再尝试自己或者别的教程的方法。
1. Piggy Packages气象工具包 欢迎使用 Piggy_Packages！
Piggy_Packages 是一个专为气象科研人员和爱好者打造的、高度集成的软件包合集。它基于 Cygwin 进行了深度定制和优化，旨在 Windows 操作系统环境下提供一个“解压即用”的便捷科研平台。本软件包致力于消除在 Windows 系统中安装和配置复杂气象软件的障碍，让用户能够快速投入到实际的科研工作中。
Piggy_Packages 目前支持 Windows 10 （22H2）和 Windows 11。请注意，随着Windows 10支持周期的结束，对于 Windows 10 的支持将很快被移除。
Windows 11 已经内置了Windows Terminal，您无需额外安装。
2. WPS数据前处理系统的运行 假设现在是2022年4月1日06时（世界时），我们想要预报如图所示的区域在接下来24小时内的逐小时天气要素变化。 由于现在刚刚到2022年4月1日06时，虽然我们可以获取到这个时刻全球不同站点的气象观测，但是各种地面、高空、卫星、雷达以及微波辐射计、飞机报等观测资料时空维度不一，有的区域观测资料密集而有的区域观测资料稀疏，质量也参差不齐，无法直接处理成均匀的格点数据。我们的预报需要这个时刻的气象格点资料，最简便的方法是从全球模式的预报场获得。
为了完成24小时的逐小时天气要素预报，我们已获取了全球模式于2022年4月1日00时起报的6、9、12、15、18、21、34、27、30小时预报场。其中6小时预报场，即6小时前对当前时刻的全球大气预报，作为本次预报的初始场，9-30小时预报场作为预报过程中的边界条件（因为区域模式不关注区域外发生了什么，但是区域外的大尺度天气系统又足以对区域内的天气造成影响，因此区域模式预报时需要全球模式的预报场为其提供边界条件）。
首先将 WPS程序包拷贝到当前目录： - cp -r /pp_model/WRF-4.6.1/WPS ./
进入WPS目录： 打开当前目录： 将刚刚下载的GFS全球预报场资料拷贝至此。 在运行WPS之前，需要编辑namelist.wps 文件，该文件记录了WPS运行时的各种参数。 打开namelist.wps ： 清空所有内容，并且将以下内容粘贴进去： - &share
- wrf_core = 'ARW',
- max_dom = 3,
- start_date = '2022-04-01_06:00:00','2022-04-01_06:00:00','2022-04-01_06:00:00'
- end_date = '2022-04-02_06:00:00','2022-04-02_06:00:00','2022-04-02_06:00:00'
- interval_seconds = 10800,
- io_form_geogrid = 2,
- /
- &geogrid
- parent_id = 1, 1, 2,
- parent_grid_ratio = 1, 3, 3,
- i_parent_start = 1, 40, 17,
- j_parent_start = 1, 26, 21,
- e_we = 81, 49, 55,
- e_sn = 57, 49, 55,
- geog_data_res = 'lowres','lowres','lowres',
- dx = 81000,
- dy = 81000,
- map_proj = 'lambert',
- ref_lat = 35,
- ref_lon = 110,
- truelat1 = 30,
- truelat2 = 60,
- stand_lon = 116.397,
- geog_data_path = '/pp_model/WRF-4.6.1/WPS_GEOG/'
- /
- &ungrib
- out_format = 'WPS',
- prefix = 'FILE',
- /
- &metgrid
- fg_name = 'FILE'
- io_form_metgrid = 2,
- /
然后生成模拟区域的地形数据，运行geogrid.exe 成功之后将生成geo_em.d01.nc、geo_em.d02.nc、geo_em.d03.nc文件。 接下来从GRIB格式的GFS全球预报场数据中提取模式需要的气象要素场： - ./link_grib.csh gfs.0p25.2022*
- ln -sf ungrib/Variable_Tables/Vtable.GFS Vtable
- ./ungrib.exe
成功之后将生成FILE:2022-04-01_06、FILE:2022-04-01_09等文件 接下来将气象要素场插值到地形格点上： 成功之后将生成met_em.d01.2022-04-01_06:00:00.nc等文件 至此整个数据前处理流程运行完毕。
3. REAL生成模式的初始场和边界 回到Home目录： 将 WRF程序包拷贝到当前目录： - cp -r /pp_model/WRF-4.6.1/WRF-REAL ~/WRF
切换到WRF运行目录： real.exe的作用是将metgrid.exe生成的气象要素场处理为模式的初始场和边界条件，其运行参数储存在namelist.input 文件中。初学者可以直接使用我们提供的namelist.input文件。 打开当前目录： 将我们提供的namelist.input文件拷贝至此，覆盖原文件。 将metgrid.exe生成的met_em文件拷贝（对于初学者来说比较保险）到当前目录： 运行real.exe 运行完成后生成三层嵌套网格的初始场wrfinput_d01、wrfinput_d02、wrfinput_d03和最外层网格边界条件wrfbdy_d01 （内层网格的边界条件由外层网格提供，因此只有最外层网格需要全球模式为其提供边界条件）
4. 数值模式WRF的运行 现在到了激动人心的时刻了，让我们来运行数值模式WRF、占卜未来天气！ 或者，如果你的电脑CPU和内存充足，你可以多核运行WRF： - mpirun -np $NUMBER_OF_PROCESSORS ./wrf.exe #[使用全部CPU核心]
- mpirun -np 2 ./wrf.exe #[使用2个CPU核心]
等待其运行完成。 如果在等待过程中想要查看进度，可以另外开启一个终端窗口，输入： - tail -f ~/WRF/run/rsl.out.0000
运行完成后，将能看到每个小时的wrfout文件。
5. 绘图查看预报结果 您可以使用NCVIEW或者PANOPLY打开wrfout文件，直接查看各个变量绘图，或者使用NCL官网提供的脚本绘图。 - ncview wrfout_d01_2022-04-01_07:00:00
6. WRFDA资料同化 我们知道，模式预报效果很大程度取决于初始场的准确度。但是还记得我们给模式提供的初始场是从哪里来的吗？
是的，它来自于6小时之前全球模式的预报结果。既然是预报，就一定会存在误差！那么我们要怎么修正预报的误差呢？这时，我们就要用到当前时刻的观测资料。
我们知道，全球模式预报场尽管存在误差，但毕竟是整齐的网格化数据，能够基本反映全球大气真实状况；而观测资料数量众多，但空间分布疏密不均，质量参差不齐，由于设备故障或算法问题导致的数据错误或不准确时常发生。我们通过资料同化的方法充分利用优质的观测资料、按权重采信准确度一般但又有一定利用价值的观测资料，以修正模式初始场；而明显不可信的观测资料一般直接剔除。相关理论知识在此不予展开，请感兴趣的同学自行学习。
回到Home目录： 新建WRFDA运行目录： - mkdir -p WRFDA/d01 WRFDA/d02 WRFDA/d03 WRFDA/obs
然后将所需的namelist.input拷贝到对应目录，d01还需要拷贝更新边界条件的配置文件parame.in，观测资料拷贝到obs目录。 依次对三层嵌套的初始场进行同化： - #d01:
- cd d01
- cp ~/WRF/run/wrfinput_d01 fg #背景场
- cp ../obs/prepbufr.gdas.20220401.t06z.nr.48h ob.bufr #常规观测
- cp ../obs/gdas.1bamua.t06z.20220401.bufr amsua.bufr #卫星AMSUA观测
- cp /pp_model/WRF-4.6.1/WRFDA/var/run/be.dat.cv3 be.dat #背景误差协方差矩阵
- cp /pp_model/WRF-4.6.1/WRFDA/run/LANDUSE.TBL .
- # cp /pp_model/WRF-4.6.1/WRFDA/var/run/VarBC.in . ##如果导致WRFDA卡死，请删除VarBC.in文件
- cp /pp_model/WRF-4.6.1/WRFDA/var/run/radiance_info .
- ln -sf /pp_model/WRF-4.6.1/RTTOV/rtcoef_rttov12/rttov7pred54L rttov_coeffs
- /pp_model/WRF-4.6.1/WRFDA/var/build/da_wrfvar.exe
- #d01同化之后需要更新边界条件
- cp ~/WRF/run/wrfbdy_d01 .
- /pp_model/WRF-4.6.1/WRFDA/var/build/da_update_bc.exe
- cd ..
- #d02:
- cd d02
- cp ~/WRF/run/wrfinput_d02 fg #背景场
- cp ../obs/prepbufr.gdas.20220401.t06z.nr.48h ob.bufr #常规观测
- cp ../obs/gdas.1bamua.t06z.20220401.bufr amsua.bufr #卫星AMSUA观测
- cp /pp_model/WRF-4.6.1/WRFDA/var/run/be.dat.cv3 be.dat #背景误差协方差矩阵
- cp /pp_model/WRF-4.6.1/WRFDA/run/LANDUSE.TBL .
- cp /pp_model/WRF-4.6.1/WRFDA/var/run/VarBC.in .
- cp /pp_model/WRF-4.6.1/WRFDA/var/run/radiance_info .
- ln -sf /pp_model/WRF-4.6.1/RTTOV/rtcoef_rttov12/rttov7pred54L rttov_coeffs
- /pp_model/WRF-4.6.1/WRFDA/var/build/da_wrfvar.exe
- cd ..
- #d03:
- cd d03
- cp ~/WRF/run/wrfinput_d03 fg #背景场
- cp ../obs/prepbufr.gdas.20220401.t06z.nr.48h ob.bufr #常规观测
- cp ../obs/gdas.1bamua.t06z.20220401.bufr amsua.bufr #卫星AMSUA观测
- cp /pp_model/WRF-4.6.1/WRFDA/var/run/be.dat.cv3 be.dat #背景误差协方差矩阵
- cp /pp_model/WRF-4.6.1/WRFDA/run/LANDUSE.TBL .
- cp /pp_model/WRF-4.6.1/WRFDA/var/run/VarBC.in .
- cp /pp_model/WRF-4.6.1/WRFDA/var/run/radiance_info .
- ln -sf /pp_model/WRF-4.6.1/RTTOV/rtcoef_rttov12/rttov7pred54L rttov_coeffs
- /pp_model/WRF-4.6.1/WRFDA/var/build/da_wrfvar.exe
- cd ..
至此WRFDA资料同化的全部流程已经完成。在科研工作中，我们还需要对同化结果进行细致的诊断分析，以评估资料和同化算法的质量。感兴趣的同学可以自行学习。
7. 使用同化后的初始场进行数值预报 我们通过WRFDA同化系统，得到了更加准确的模式初始场，我们将这些初始场拷贝到WRF运行路径下，即可进行数值预报试验。 - cd ~/WRF/run
- #删除之前的初始场和预报结果
- rm -rf wrfbdy_d01 wrfinput_d0* wrfout_*
- #拷贝同化后的初始场和边界条件
- cp ~/WRFDA/d01/wrfbdy_d01 .
- cp ~/WRFDA/d01/wrfvar_output wrfinput_d01
- cp ~/WRFDA/d02/wrfvar_output wrfinput_d02
- cp ~/WRFDA/d03/wrfvar_output wrfinput_d03
- #运行WRF
- mpirun -np $NUMBER_OF_PROCESSORS ./wrf.exe
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发表于 2022-4-20 17:00:28
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