基于ndown的WRF模式降尺度方法研究

徐紅++龔強(qiáng)

摘要 在WRF中尺度模式應(yīng)用中，多層嵌套是一種常用的降尺度方案，能滿足不同空間和時(shí)間分辨率研究的需求。而在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于已有的模擬結(jié)果分辨率不能滿足應(yīng)用需求，或者是研究區(qū)域發(fā)生了改變的問(wèn)題，重新嵌套模擬的方法耗時(shí)久、效率低，尤其是需要模擬長(zhǎng)時(shí)間序列氣象數(shù)據(jù)時(shí)多層嵌套就有明顯不足。本文利用WRF模式提供的單向嵌套降尺度功能，能有效地解決上述問(wèn)題。

關(guān)鍵詞 WRF模式；多層嵌套；單向嵌套降尺度

中圖分類(lèi)號(hào) P413 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2015）20-0200-02

Sdudy on Method of Continuous Downscaling with WRF Model

XU Hong GONG Qiang

（Shenyang Area Climate Center，Shenyang Liaoning 110016）

Abstract Multilayer nesting was commonly used when we wanted to get different spatial and temporal resolution data with the mesoscale model WRF.In practical applications，sometimes the simulation results can′t meet the application requirements，or the study area have been changed，it will be a long time if we do a new nesting simulation，and it′s much poor efficiency，especially when we need a long time series of meteorological data.A one-way nesting function with WRF model could effectively solve the problem above.

Key words WRF model；multilevel nested；a one-way nesting downscaling

在氣象行業(yè)中，中尺度WRF模式具有可移植、易維護(hù)、可擴(kuò)充、高效率、使用方便等特性，使新的科研成果運(yùn)用于業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)模式更便捷[1-3]。在WRF中尺度模式應(yīng)用中，降尺度功能能將全球氣候模式輸出的粗空間分辨率和較長(zhǎng)時(shí)間間隔的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為幾千米以內(nèi)的空間尺度和短時(shí)間間隔的氣象數(shù)據(jù)，為氣象、水文、生態(tài)、環(huán)境模擬和預(yù)警研究提供數(shù)據(jù)資料和參考依據(jù)，現(xiàn)已成為氣象部門(mén)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域[4-8]。WRF模式還提供了ndown降尺度功能，在受地形影響的局地氣候特征模擬、分散式風(fēng)電場(chǎng)等很多工程應(yīng)用中很有應(yīng)用價(jià)值，但到目前為止，國(guó)內(nèi)對(duì)該功能還未有詳細(xì)的介紹和應(yīng)用，外國(guó)文獻(xiàn)中也很少有該功能的使用介紹。WRF模式用于實(shí)際業(yè)務(wù)時(shí)，針對(duì)不同的應(yīng)用，可能出現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)交叉重復(fù)問(wèn)題，不僅耗時(shí)長(zhǎng)，還需要大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。鑒于此，ndown功能顯得尤為重要，實(shí)際應(yīng)用中先設(shè)置簡(jiǎn)單的嵌套，模擬得到大區(qū)域粗空間分辨率數(shù)據(jù)結(jié)果以備使用，再通過(guò)模式中ndown功能生成各研究需要的細(xì)分辨率數(shù)據(jù)。

1 Ndown功能介紹

WRF模式提供的多層嵌套和ndown 2種功能可以實(shí)現(xiàn)多分辨率數(shù)據(jù)處理。左河疆等[9]用直接插值、WRF模式嵌套和WRF+CALMET 3種降尺度方案，得到目標(biāo)站點(diǎn)數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品，并將70m高度風(fēng)速、風(fēng)向、溫度與測(cè)風(fēng)塔觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明3種方案得到的風(fēng)速預(yù)報(bào)與實(shí)際觀測(cè)值相關(guān)性相差不大，其中，WRF嵌套方案最好。WRF支持單向嵌套，單向嵌套使用已經(jīng)生成的粗網(wǎng)格分辨率結(jié)果，通過(guò)ndown程序生成細(xì)網(wǎng)格分辨數(shù)據(jù)結(jié)果。該功能從粗格柵運(yùn)行得到細(xì)網(wǎng)格上運(yùn)行的邊界條件，從更高的分辨率陸地域輸入（例如，地形，土地利用，等）和屏蔽的表面領(lǐng)域?qū)傩裕ㄈ缤寥罍囟群退郑?。官網(wǎng)中對(duì)ndown有簡(jiǎn)單的介紹（http：//www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/docs/user_guide_V3/users_guide_chap5. htm），使用ndown做降尺度，由粗空間分辨率數(shù)據(jù)生成細(xì)空間分辨率數(shù)據(jù)比例要限制為≤5的整數(shù)，因而，有的情況下一次降尺度處理不能得到需求的數(shù)據(jù)，連續(xù)降尺度就非常必要。

2 連續(xù)降尺度方法

2.1 數(shù)據(jù)資料

本文采用1°×10的NCEP/NCAR再分析資料，以及該數(shù)據(jù)得到的遼寧省9 km×9 km分辨率的WRF模擬結(jié)果。WRF模式版本為WRF V3.4。要得到1 km×1 km的數(shù)據(jù)結(jié)果，可以先用WRF中ndown降尺度方法得到3 km×3 km數(shù)據(jù)，再在該數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上降尺度得到1 km×1 km的數(shù)據(jù)。

2.2 降尺度方法操作流程

（1）準(zhǔn)備已經(jīng)得到的粗空間分辨率結(jié)果數(shù)據(jù)wrfout_d01_，放在WRF安裝目錄中/test/em_real目錄下。本例中粗空間分辨率數(shù)據(jù)是通過(guò)2層嵌套得到的2011—2012年覆蓋遼寧省的9 km×9 km數(shù)據(jù)，表1為2層嵌套的模式參數(shù)設(shè)置，圖1為運(yùn)行流程。

（1）進(jìn)入WPS模塊，修改namelist.wps為3層嵌套，3層設(shè)置分別對(duì)應(yīng)于9 km×9 km、3 km×3 km和1 km×1 km空間分辨率設(shè)置。

運(yùn)行g(shù)eogrid.exe，生成相應(yīng)的geo_em.d01、geo_em.d02 和geo_em.d03地形文件。

鏈接Vtable和fnl數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)的命令分別為：

ln-sf ungrib/Variable_Tables/Vtable.GFS Vtable

./link_grib.csh /……/data/fnl

運(yùn)行ungrib.exe在WPS路徑下生成file文件。

運(yùn)行metgrid.exe，生成met_em.d01.、met_em.d02.和met_em.d03.。

（3）鏈接WPS中生成的geo_em.d0*和met_em.d0*.到WRF路徑的/test/em_real下。

修改/test/em_real /namelist.input為3層嵌套，設(shè)置須與namelist.wps對(duì)應(yīng)。

運(yùn)行real.exe并生成wrfinput_d01、wrfinput_d02、wrfinput_ d03和 wrfbdy_d01 文件。

（4）備份wrfinput_d02和wrfinput_d03，以備從3 km空間分辨率數(shù)據(jù)降尺度到1 km時(shí)使用。

將wrfinput_d02命名為wrfndi_d02（wrfinput_d03作為備用數(shù)據(jù)）。

修改namelist.input為2層嵌套，即max_domain=2，設(shè)為對(duì)應(yīng)于9 km×9 km和3 km×3 km的設(shè)置，并在&time_control 中增加io_form_auxinput2=2。如果要細(xì)化垂直分層，在WRF 3.2以后的版本中還要設(shè)置vert_refine_fact=整數(shù)。

運(yùn)行ndown.exe，該過(guò)程調(diào)用了空間分辨率為9 km×9 km的WRF數(shù)據(jù)結(jié)果和wrfndi_d02，并生成wrfinput_d02 和 wrfbdy_d02。

刪掉wrfinput_d01和 wrfbdy_d01，并把wrfinput_d02 和wrfbdy_d02 分別命名為wrfinput_d01 和wrfbdy_d01。

備份原9 km×9 km數(shù)據(jù) wrfout_d01* 數(shù)據(jù)到其他的文件夾下。

修改namelist.input為1層，即max_domain=1。該層設(shè)為對(duì)應(yīng)于3 km×3 km空間分辨率的設(shè)置。并注意修改時(shí)間步長(zhǎng)為合適的值。

運(yùn)行wrf.exe，生成了新的wrfout_d01*數(shù)據(jù)，即為3 km×3 km空間分辨率的數(shù)據(jù)結(jié)果，把該結(jié)果備份到其他的文件夾下以備使用，該數(shù)據(jù)即是降尺度到1 km×1 km的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。圖2為生成3 km數(shù)據(jù)的運(yùn)行流程。

（5）由3 km×3 km分辨率結(jié)果降尺度到1 km×1 km。刪掉上述wrfinput_d01和wrfndi_d02，分別重命名第3步備份的wrfinput_d02和wrfinput_d03為wrfinput_d01和wrfndi_d 02，并參照（3）、（4）的工作即可完成降尺度到1 km×1 km數(shù)值模擬。

3 結(jié)語(yǔ)

上述方法過(guò)程是連續(xù)2次降尺度得到所需數(shù)據(jù)的詳細(xì)流程，其中，具體模式運(yùn)行的參數(shù)設(shè)置在namelist.wps和namelist.input中應(yīng)依據(jù)需要設(shè)定。整個(gè)單向降尺度流程以腳本形式運(yùn)行，實(shí)際運(yùn)行時(shí)只進(jìn)行簡(jiǎn)單修改模擬的時(shí)間和區(qū)域設(shè)置，就可以針對(duì)遼寧特定區(qū)域進(jìn)行不同空間和時(shí)間尺度的氣象數(shù)據(jù)模擬，極大地提高了WRF模式在業(yè)務(wù)上的應(yīng)用。

4 致謝

該文的完成得到何曉鳳（中國(guó)氣象局公共服務(wù)中心）的幫助，在此表示感謝！

5 參考文獻(xiàn)

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