WRF：理想实验指南

1. WRF模式介绍

WRF (Weather Research and Forecasting) 模式是一个开源、灵活、模块化的数值天气预报和大气模拟工具。

WRF模式的结构如图所示，其最为核心的部分是可执行程序wrf.exe（后缀仅仅是出于习惯，因为Linux并不以后缀标识文件类别）。

WRF模型可以运行两种不同的模拟：ideal和real。理想实验通常利用已有的sounding数据为WRF模型生成初始条件，而真实模拟则要求利用WPS（WRF Preprocessing System）进行前处理，将真实的测量数据转化为WRF模型的初始条件。WRF模型的可执行文件（wrf.exe）本身并不随着实验类型的不同而改变，但是这两种不同的实验对应两种不同的前处理程序，分别是ideal.exe和real.exe，它们都需要在WRF模式运行之前执行。

WRF的运行通常分为以下几个阶段：

1. 准备环境

• 安装依赖库（NetCDF、MPI等）
• 编译WRF

2. 数据处理（用于真实模拟）

• 使用WPS处理初始条件和边界条件

3. 运行模式

• 修改参数和初始廓线
• 运行初始化程序和主程序

4. 结果分析

• 使用NCL等数据分析工具对模式运行的结果进行分析和展示

本文的后几个部分会分别介绍第1,3,4个步骤。步骤2是专为真实模拟而进行的预处理，感兴趣的读者可以自行查阅WRF官方文档。

2. 环境准备

对于如何准备系统环境和编译WRF，官方有一个详细的指南：How to Compile WRF: The Complete Process，这里仅做一个简单的介绍。

2.1 安装依赖库

WRF模式运行所必不可少的库有且仅有NetCDF，同时如果想要进行并行运算，还需要安装OpenMPI。安装之后可以通过ncdump --version和mpirun --version来检查自己是否安装成功，以及查看软件的版本。

2.2 下载WRF

可以直接git clone：

git clone https://github.com/wrf-model/WRF
git clone https://github.com/wrf-model/WPS

如果遇到网络问题，也可以到github上手动下载。

下载解压之后，WRF的目录中应该有如下内容：

2.3 编译WRF

首先运行

./configure

在出现的列表中根据系统和编译器选择合适的选项，并根据需要选择串行或并行（并行需要有OpenMPI库的支持）。选择之后还需要对嵌套网络进行选择，对于简单情况直接保持默认即可。

配置之后，在目录中应该会出现一个名为configure.wrf的文件。此时对于4.5.x/4.6.x的版本，还需要进行一步额外的操作才能成功编译，需要在configure.wrf文件的LIB_EXTERNAL的最后添加-lnetcdf，而对于更老的版本4.2.x/4.3.x/4.4.x，则不需要进行这步操作。

之后就可以直接进行编译了。首先我们可以打开 test 目录查看可用的理想实验，包括

确定自己要运行的理想实验之后，回到 WRF 目录，输入

./compile -j 4 em_grav2d_x

其中，-j 4代表使用4个线程进行并行编译，这个选项不是必须的，可以根据需要删去或更改；em_grav2d_x是本文中理想实验的名称，可以替换成test目录中的其他理想实验。

如果编译没有问题，应该会显示”Executables successfully built”，这是我们进入理想实验的目录test/em_grav2d_x，可以看到出现了可执行程序ideal.exe和wrf.exe。

3. 理想实验：以em_grav2d_x为例

本文采用的理想实验是em_grav2d_x，用于模拟二维重力流。该实验基于Straka等人1993年发表的文章^[1]，在X-Z平面进行，水平方向满足周期性边界条件。

在运行程序之前，首先需要配置实验参数，这些参数在namelist.input文件中定义，其具体含义可以参见README.namelist，与本实验有关的参数及其含义如下：

run_minutes      = 15,      ! 模拟时长：15 分钟（控制模拟的时间范围）
history_interval = 1,       ! 输出结果的时间间隔：每 1 分钟（模拟时间）输出一次

time_step = 1,              ! 时间步长：1 秒（建议 dx/6 以确保稳定性）
e_we      = 513,            ! X 方向的网格点数：513
e_sn      = 3,              ! Y 方向的网格点数：3（保持 2D 模拟）
e_vert    = 65,             ! 垂直方向的网格点数：65
dx        = 100,            ! X 方向的水平分辨率：100 米
dy        = 100,            ! Y 方向的水平分辨率：100 米
ztop      = 6409.,          ! 模拟顶部的高度：6409 米

diff_opt          = 2,        ! 水平扩散方案：2（隐式扩散）
khdif             = 75,       ! 水平扩散系数：75
kvdif             = 75,       ! 垂直扩散系数：75
h_mom_adv_order   = 5,        ! 水平动量对流项的离散阶数：5 阶（高精度）
v_mom_adv_order   = 3,        ! 垂直动量对流项的离散阶数：3 阶
h_sca_adv_order   = 5,        ! 水平标量对流项的离散阶数：5 阶
v_sca_adv_order   = 3,        ! 垂直标量对流项的离散阶数：3 阶
non_hydrostatic   = .true.,   ! 非静力模式：启用

periodic_x        = .true.,   ! X 方向的周期边界：启用（允许冷池自由传播）
periodic_y        = .true.,   ! Y 方向的周期边界：启用

接着可以通过input_sounding文件设置初始大气的垂直廓线，文件夹中给出了静止大气的廓线和'input_sounding.um=20'，也就是有20m/s的水平风速的廓线，当然也可以根据需要自己定义大气的初始廓线。

完成参数和初始廓线的配置之后，就可以运行初始化程序./ideal.exe，注意，每次修改完namelist.input及input_sounding文件之后，都需要重新运行ideal，否则修改将不会生效。

之后我们就可以运行主程序了

./wrf.exe &

命令最后的&表示将程序提交到后台运行，这样即使前台的进程退出，程序依然可以正常工作。

如果想要中止之前的任务，可以先利用top命令查看自己作业的进程ID（PID），之后在命令行输入kill <PID>就可以结束掉该进程。

程序运行的结果将会保存在wrfout_d01_0001-01-01_00_00_00中，可以利用NCL等工具进行分析和后处理。

4. 结果分析

WRF模式支持多种分析结果的方式，包括NCL, RIP, ARWpost, UPP和VAPOR。程序默认输出的文件是netCDF格式的，可以利用NCL方便地进行处理。

作为简易快捷的查看方式，ncview可以让我们立刻观察到结果。但是为了更清晰地分析结果，可以使用NCL语言或者python的netCDF4库。

对于默认的初始参数，程序运行的结果如下：

可以看到，这团冷空气下落到地面的过程中就在水平方向上不断延展，之后会断裂成左右对称的两部分，并继续沿着地面移动。

我们可以改变实验中的参数，观察对于结果有什么影响。

1. 改变水平风速：修改input_sounding文件中的水平风速场，将水平风速分别设置为0,20,40，得到的结果如下（从上到下风速依次为0,20,40）：

可以看到，水平的风速对于系统仅有一个水平方向随时间平移的作用，对于气团的结构则几乎没有影响。

2. 改变分辨率：直接利用文件夹中提供的namelist.input.dx=200和namelist.input.dx=400文件，得到的结果如下（从上到下分辨率依次为100,200,400）：

分辨率降低的时候，程序运算的时间显著减少，但是代价是失去了气团的精细结构。

3. 改变扩散系数：修改namelist.input中的khdif和kvdif，得到的结果如下（从上到下扩散系数分别为50,75,100，其中75是默认值）：

综上，我们成功地编译并运行了WRF模式，并对em_grav2d_x这个简单的二位重力流问题进行了理想实验。

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1. 1.[Straka et al., Numerical Solutions of a Nonlinear Density Current: A Benchmark Solutioon and Comparisons, Int J Numer Meth Fl, 17 (1): 1-22, 1993] ↩