WRF中尺度天气预报模式简介

3.1.3 WRF SI GUI

定义各模拟区域是一件烦琐的工作, 并且容易出现错误

的设置, 造成WRF SI无法正常运行。针对这一问题, 预报系统 试验室(FSL)使用Perl/TK描述语言编写了GUI界面(见图2), 用 户无需知道如何运行SI,通过该界面用户可以借助鼠标“画”出 欲模拟的区域及其子区域, 选择投影方式、选择或定制垂直方 向的层数及分布方式, 结合键盘的使用更加精确地设定中心 经纬度、网格距等参数, 系统会自动纠正错误的设置, 为用户 生成各区域的静态数据文件。在这里用户还可以选择GriB数 据的格式、起止时间、插值间隔, 最终完成对GriB数据的插值。 图2 WRF SI图形界面

3.2 ARW 模式

ARW是一个完全可压的非静力模式, 可以对真实或理想 大气进行模拟, 真实大气的模拟首先需要完成WRF SI过程, 理想大气不必经过WRF SI, 目前已经实现的一些理想大气方 案见表2。

表2 ARW的理想大气方案

3.2.1 ARW的动力框架

目前ARW的垂直坐标采用欧拉质量坐标, 先前版本的欧

拉高度坐标已经放弃, 半隐式半拉格朗日坐标仍未发布。网格 形式采用Arakawa C格点, 控制方程组都写为通量形式, 3阶 Runge- Kutta 显式时间分离差分方案、5阶或6阶平流差分方

案, 典型时间步长为6 x!x, 表3是ARW与MM5动力框架的对比。

3.2.2 ARW的物理方案

ARW提供了大量的物理方案选项, 并采用高度模块化, 可 插拔程序设计, 方案的选择是通过配置文件实现的。 主要方案提供的选项如下[2]。

微物理过程方案, 目前的有效选择为: 不采用微物理过程

方案、Kessler 方案(暖雨方案)、Lin 等的方案(水汽、雨、雪、云 水、冰、冰雹)、WSM3类简单冰方案、WSM5类方案、Ferrier(new 方案名称方案内容

Ideal Baroclinic wave 理想斜压波方案 Ideal 2D Squallline 理想二维飚线方案

Ideal 3D Supercell 理想三维超级单体云体方案

Ideal 2D hill 理想二维钟形山体方案 Ideal 2D grav 理想二维重力波方案

美国ARW模式系统简介———汤浩, 贾丽红25 新疆气象2006 年第29 卷第6 期

垂直坐标地形追随质量坐标地形追随高度 守恒性质量、动量、标量没有考虑

时间积分3rd oder Runge- Kutta 蛙跃格式 平滑抑制不需要4 阶平滑 典型时间步长6×!X 3×!X 运行时间相当 ARW MM5

平流计算5th order upwind 2nd order centered 6th orde centered

Eta)微物理方案(水汽、云水)、WSM6类冰雹方案、Thompson冰 雹方案、NCEP 3类简单冰方案(水汽、云/冰和雨/雪) ( 将放 弃) 、NCEP 5类方案(水汽、雨、雪、云水和冰)( 将放弃) 。 表3 ARW与MM5动力框架的对比

长波辐射方案, 目前的有效选择为: 不采用长波辐射方 案、rrtm 方案、GFDL (Eta) 长波方案(semi- supported)。 短波辐射方案, 目前的有效选择为: 不采用短波辐射方

案、Dudhia 方案、Goddard 短波方案、GFDL (Eta) 短波方案 (semi- supported)。

近地面层(surface- layer)方案, 目前的有效选择为: 不采

用近地面层方案、Monin- Obukhov 方案、MYJ Monin- Obukhov 方案(仅用于MYJ 边界层方案)。

陆面过程方案, 目前的有效选择为: 不采用陆面过程方

案、热量扩散方案、Noah陆面过程方案、RUC 陆面过程方案。 边界层方案, 目前的有效选择为: 不采用边界层方案、

YSU 方案、Eta Mellor- Yamada- Janjic TKE (湍流动能) 方案、 MRF 方案( 将放弃) 。

积云参数化方案, 目前的有效选择为: 不采用积云参数

化方案、浅对流Kain- Fritsch (newEta)方案、Betts-Miller- Janjic 方案、Grell- Devenyi 集合方案、老Kain- Fritsch 方案。

3.2.3 ARW的3DVAR

3DVAR (Variational Data Assimilation System)是与ARW模

式配套的3维变分分析系统。基础版本于2003年7月发布, 升级 版本于2004年5月发布(WRF- Var V2.0)。研究版本于2005年8 月发布(WRF- Var V2.1)。高级版本拟于2006年发布, 但截止目 前仍未发布。

研究版本的3DVAR具有如下特点: 分析时刻的背景场能 更好的应用非天气图定时观测于3DVAR中, 具有同化雷达反

射率的能力, 具有全球3DVAR分析的能力, 灵活选择控制变 量, 可以统计估算本区域的背景误差, 统一3DVAR 与WRV2.1 版的框架,为WRF的4DVAR做准备。

WRF 3DVAR 的一些参数配置是通过系统配置文件给入

的。这里包括定义分析的时间、格点维数的大小、水平与垂直分 辨率、观测资料类型的选取与使用、背景误差系数的调整、变量 尺度因子的控制、极小化迭代次数的控制、控制变量的选择等 等[2]。

3.2.4 ARW的嵌套

ARW自V2.0起实现了嵌套, 可以进行灵活的单向、双向、

移动嵌套, 嵌套层数可达9层, 嵌套区域可达99个。初始化程序 能适应格点数很大的区域,WRF SI GUI使得用户可以非常方 便的实现嵌套区域的设置, 同MM5相比有了较大的改进。 通过shell、Perl等语言编写的程序使用real.exe依次处理 WRF SI的结果, 得到边界和输入条件, 最后运行wrf model完 成指定的模拟。

关于模式系统动力框架、物理方案、3DVAR更详尽的说明 将另文给出, 在此仅作一般性介绍。

3.3 ARW的后处理

ARW的输出结果为NetCDF格式, 使用模式系统提供的

后处理工具可以将NetCDF数据转为RIP4、GrADS、NCL、Vis5D 等数据格式, 使用相应的浏览工具就可以实现预报结果的可 视化。 4 结语

我国新疆气象局于2005年引进了SGI Altix350高性能计算机 ( 32颗1.5G Intel Itanium2 64位CPU,64G内存, Ifort编译器, MPI 并行方式) , 目前已经完成了ARW的移植, 实现了双向三重嵌 套方案的试验运行, 初始为AVN格式的GriB数据, 正在积极的 进行本地化的工作。

ARW模式系统是美国气象界联合开发的新一代中尺度

预报模式和同化系统, 重点考虑从云尺度到天气尺度等重要 天气的预报, 水平分辨率重点考虑1～10km, 模式采用高度模 块化、并行化和分层设计技术, 集成了迄今为止在中尺度方面 的研究成果。模拟和实时预报试验表明, ARW模式系统在预报 各种天气中都具有较好的性能, 具有广阔的应用前景。由于 NCAR已经宣布停止对MM5的升级, 因此可以预计目前我国广 泛开展的对MM5模式的研究应用, 将逐渐转到ARW上来, 为 我国精细化天气预报和中小尺度灾害性天气的预报、服务和 研究提供有效的工具。