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【WRF教程第四期】WRF 初始化概述：以4.5版本为例

news 来源：原创 2025/6/10 13:43:11

WRF 初始化（WRF Initialization）

Building Initialization Programs
- 编译方式
理想案例初始化（Initialization for Idealized Cases）
- 理想化案例的输入
- 可用的理想化案例
现实案例初始化（Initialization for Real Data Cases）
- （Real-data Test Case）
（Backward-compatibility）
模型垂直层设置（Setting Model Vertical Levels）
参考

WRF（Weather Research and Forecasting）模型支持两类初始化方式：

1、理想化初始化（Ideal Initialization）：

使用理想化的初始条件，如 1-D 或 2-D 的探空数据（sounding），假设简化的地形或解析的物理场。
专为研究特定的动力学或物理过程设计。
不需要外部实际观测数据，只需 namelist.input 和 input_sounding 文件。

2、实际数据初始化（Real Data Initialization）：

依赖外部观测数据或数值天气预报（如 GFS、ERA 等）的结果。
通过 WRF 预处理系统（WPS）处理大气和静态场数据，并根据模型网格分辨率插值生成初始条件和边界条件。
必须运行 real.exe 生成 wrfinput 和 wrfbdy 文件。

在运行 wrf.exe 之前，必须先运行 real.exe 或 ideal.exe。真实数据案例使用初始化程序“real.exe”，并在 WRF/test/em_real 内运行，其中有从 4 到 30 公里的示例案例（名称列表），包括完整的物理。

有多种 3-D、2-D 和 1-D 理想情况可供选择，每种情况都使用专门为每种情况构建的可执行文件“ideal.exe”。

Building Initialization Programs

初始化程序（Initialization Programs）是作为 WRF 代码安装的一部分进行编译的，并使用“/WRF/dyn_em/module_initialize_*.F”文件中的目标模块进行构建。

下面列出了所有可用的 WRF 案例，以及构建每个案例的初始化目标模块。
在这里插入图片描述
WRF 模型提供两个初始化程序：

1、ideal.exe

专用于理想化模拟。
根据用户选择的特定理想化案例（如重力波、海风、山地流等）生成相应的初始条件。
每个理想化案例对应一个特定的初始化模块，比如 module_initialize_ideal.F。

2、real.exe

专用于实际数据模拟，通过处理 WPS 输出的 met_em 数据生成初始条件和边界条件。
必须在运行 wrf.exe 之前执行。

编译方式

WRF 编译时，用户可以选择不同的模拟类型（如实际初始化或特定的理想化案例）。以下是编译命令示例：

实际数据初始化：

./compile em_real

编译结果生成 real.exe。

理想化案例（如重力波案例）：

./compile em_grav2d_x
./compile em_seabreeze2d_x

编译结果生成 ideal.exe。

注意：

如果需要编译多个案例（如em_real 和 em_les），必须分别编译并保存生成的可执行文件，以避免覆盖。
理想化案例的初始化模块位于 /WRF/dyn_em/module_initialize_*.F 文件中。

理想案例初始化（Initialization for Idealized Cases）

理想化初始化程序（ideal.exe）负责以下任务：

计算基本状态与扰动：生成基本的位势高度和柱压剖面，并叠加扰动场。
初始化气象变量：包括水平风场（u, v）、位温（potential temperature）、水汽混合比（vapor mixing ratio）等。
定义垂直坐标：将数据插值到模型所需的 eta 垂直坐标。
初始化静态场：包括地图投影因子、地形、物理表面等。对于许多理想化案例，这些- 初始化被简化（如地图因子为 1，地形高度为 0）。
生成初始文件：输出 wrfinput_d01 文件供 WRF 模型使用。

理想化案例的输入

1、namelist.input 文件：
控制网格大小、垂直层数、模型顶高度、时间步长、扩散和边界条件等。

2、input_sounding 文件：提供大气探空剖面数据，包含以下字段：

第一行：地表气压（hPa）、位温（K）、水汽混合比（g/kg）。
后续行：高度（m）、干位温（K）、水汽混合比（g/kg）、x方向风速（m/s）、y方向风速（m/s）。

理想化案例的特性

大多数理想化案例不使用复杂的物理过程（如辐射、地表通量等），仅保留基本的动力学特性。
某些案例具有完整的物理过程（如海风、湍流模拟）。
提供的默认设置便于用户验证模型的正确性，并开展基础研究。

可用的理想化案例

以下是页面列出的部分理想化案例及其特点：

1、2D重力波（em_grav2d_x）

测试案例来源：Straka et al. (1993)。
模拟二维重力波动力学。
默认设置：20 km 模型顶，80 水平层。

2、超级单体对流（em_quarter_ss）

模拟对流超级单体的左右移动。
提供 README 文件，包含案例详细说明。

3、山地流（em_hill2d_x）

模拟二维山地气流。
默认设置：10 km 半宽山丘，风速 10 m/s，N=0.01/s。

4、海风（em_seabreeze2d_x）

包含完整的物理过程（辐射、地表通量、边界层等）。
用于研究海陆风环流。

5、热带气旋（em_tropical_cyclone）

模拟基于 Jordan (1958) 的热带气旋。
包括简单的辐射冷却和完整物理选项。

6、大涡模拟（LES，em_les）

高分辨率（100 m 网格），用于模拟湍流边界层。

现实案例初始化（Initialization for Real Data Cases）

实际数据初始化的流程：实际数据初始化依赖外部数值天气预报（如 GFS 数据）或观测数据，并通过以下步骤完成：

1、WPS 处理：

使用 ungrib.exe 解码 GRIB 数据。
使用 metgrid.exe 将数据插值到模型网格。
输出 met_em 文件（NetCDF 格式），供 real.exe 使用。

2、real.exe 处理：

输入 met_em 文件。
生成模型初始条件（wrfinput）和侧边界条件（wrfbdy）。

3、wrf.exe 运行：

读取 wrfinput 和 wrfbdy 文件，进行数值模拟。

实际数据初始化的输入
1、met_em 文件：包括各时间步长的气象场（如风速、温度、水汽等）。
文件命名规则：

met_em.d01.YYYY-MM-DD_HH:MM:SS.ncmet_em.d01.2021-01-15_00:00:00.nc

实际数据初始化的输出

wrfinput_d01 文件：包含初始条件。
wrfbdy_d01 文件：包含边界条件。

（Real-data Test Case）

（Backward-compatibility）

模型垂直层设置（Setting Model Vertical Levels）

垂直层的两种配置方式
1、自动计算 Eta 层：
用户仅需设置层数（e_vert）。
real.exe 根据默认方法或拉伸因子（dzstretch_s, dzstretch_u）自动计算。

2、用户指定每个 Eta 层：
使用 eta_levels 参数明确定义每个层的位置。

关键参数

dzbot：第一层的厚度（默认为 50 m）。
max_dz：最大层厚度（默认为 1000 m）。
拉伸因子：
dzstretch_s：表面层拉伸因子。
dzstretch_u：高层拉伸因子。

在这里插入图片描述

参考

【WRF教程第四期】WRF 初始化概述：以4.5版本为例

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