当前位置：首页 > news >正文

【WRF理论第十七期】单向/双向嵌套机制（含namelist.input详细介绍）

news 来源：原创 2025/9/19 16:30:38

WRF运行的单向/双向嵌套机制

准备工作：
- WRF运行的基本流程
- namelist.input的详细设置
- - &time_control 设置
  - &domain 嵌套结构
  - &bdy_control 配置部分
- namelist 其他注意事项
嵌套说明
- 双向嵌套（two-way nesting）
- 单向嵌套（one-way nesting）
- 🔁 One-way vs Two-way 嵌套对比
另：“单向嵌套”与“双向嵌套” 的差异比较
- 设置"纯净"的嵌套模拟
参考

准备工作：

1、编译时选择支持嵌套的选项

2、确保生成了 real.exe, wrf.exe, ndown.exe（如需单独运行嵌套区域）
可查看wrf/run文件夹下的.exe文件内容：

ls -lh /home/directory/WRF-4.6/WRF-4.6.1/run/*.exe

对于ARW版本：输出结果应包含：

ndown.exe
real.exe
tc.exe
wrf.exe

3、对于 real-data 模拟，需生成 met_em.d0 文件供嵌套区域使用*

对于ARW版本：

met_em.d01.<date>, met_em.d0*.<date>

WRF运行的基本流程

WPS预处理和WRF运行的详细过程可参见另一博客-【WRF模拟】全过程总结：WPS预处理及WRF运行。

1、进入运行目录

cd /home/directory/WRF-4.6/WRF-4.6.1/run

2、链接或复制 WPS 输出文件

3、编辑 namelist.input

namelist.input 是关键：

嵌套运行的控制几乎全部依赖 namelist.input
关键参数：max_dom ≥ 2
注意嵌套相关多列参数设置（如时间、格点数等）

4、运行 real.exe 初始化

mpirun -np 3 ./real.exe

5、运行 wrf.exe 执行模拟

# 设置 堆栈大小 为 无限制，以避免分段错误
ulimit -s unlimited# <num_processes> 替换为希望使用的计算进程数。
mpirun -np <num_processes> ./wrf.exe# 单进程运行
mpirun -np 1 ./wrf.exe

namelist.input的详细设置

&time_control 设置

&time_control 部分的配置内容如下：
在这里插入图片描述
注意：嵌套域的起止时间可以不同于父域，但必须在父域的时间范围内！！！

参数解释与说明：

参数	含义	示例值	说明
run_days run_hours…	模拟总时长	0天24小时	模型运行时间为 24 小时
start_year, start_month…	各嵌套域的起始时间	2000-01-24 12:00:00	每列分别对应 D01, D02, D03
end_year, end_month…	各嵌套域的结束时间	2000-01-25 12:00:00	与起始时间一致表示三层嵌套同步运行24小时
interval_seconds	WPS met_em 文件的时间间隔（秒）	21600 秒（6小时）	WRF 每 6 小时读取一次边界数据

1、模拟时长可通过 run_* 设置，也可通过 start_* 和 end_* 控制：两者必须一致，否则行为不可预测。
2、interval_seconds 参数必须与 met_em 文件时间间隔一致：
常见值：21600（6小时）、10800（3小时）等。

&time_control 其他部分的配置如下：

&time_controlinterval_seconds     = 21600,history_interval     = 180, 60, 60,frame_per_outfile    = 1000, 1000, 1000,restart_interval     = 360,
/

参数解释与说明：

参数	示例值	说明
interval_seconds	21600	输入数据的时间间隔（单位：秒），通常指 met_em.d0* 文件的时间步长，21600 秒 = 6 小时
history_interval	180, 60, 60	每个 domain 输出一次历史文件的时间间隔（单位：分钟） - D01 每 180 分钟（3小时）输出一次 - D02 和 D03 每 60 分钟（1小时）输出一次
frame_per_outfile	1000, 1000, 1000	每个输出文件中包含的时间帧数（即多少个时间点的数据写入一个文件） - 如果模拟时间长，会自动拆分成多个 wrfout_* 文件
restart_interval	360	每 360 分钟（6小时）输出一次 wrfrst_d0* 重启动文件（restart file） - 便于从中断处继续模拟

注意：
1、每个嵌套域都会生成自己的 wrfout_d0* 历史文件（比如 wrfout_d01_…, wrfout_d02_…）
2、各嵌套层的输出间隔可以不同，便于根据分辨率控制输出精度与数据量（由 history_interval 控制）
3、每个域的重启文件（wrfrst_d0*）也分别生成，可用于单独或联合重启模拟（由restart_interval变量控制）
4、如果 frame_per_outfile 值较小，或模拟时间很长，会拆分出多个 wrfout 文件（例如按天或按小时）

3、&time_control 中关于嵌套域输入控制的变量

&time_controlinput_from_file     = .true., .true., .true.,fine_input_stream   = 0, 2, 2,
/

🔹 input_from_file（布尔型）
作用：控制 real.exe 是否为每个嵌套域读取 wrfinput_d0* 文件作为初始场。
对应域：

.true.：为该域读取 wrfinput_d0* 文件（通常由 real.exe 生成）；
.false.：该域不读取输入文件，WRF 会自动从父域插值获得初始场。

📌 在真实资料模拟（real-data run）中，通常都设为 .true.，这样每个域都有自己的初始化文件。这是 真实资料模拟（real） 中的常规做法。

🔹 fine_input_stream（整数型）
作用：指定嵌套域在初始化时使用哪些输入流（input streams）中定义的数据变量。
取值说明：

0：使用所有变量（默认）（fine_input_stream = 0）；
2：表示使用 Registry 中 io_form_2（即 I/O stream 2）中定义的变量；

这通常用于嵌套域在父域开始后延迟启动的情况，可避免不必要变量的初始化。

&domain 嵌套结构

&domains 支持以下嵌套结构：

多嵌套共享一个父域 ✅
多层嵌套（嵌套嵌套）✅
❌ 不允许多父域（如 D03 同时嵌套 D01 & D02）

嵌套域（Nest）在父域中的起始位置定义：
i_parent_start、j_parent_start：指定嵌套域在父域中的起始位置（起始网格点），以父域的网格坐标系为参考。
在这里插入图片描述
红色箭头指向嵌套域的左下角，说明其起始位置在父域的第 31 个网格点（I=31）。

对应在 namelist.input 的设置如下：

i_parent_start = 31,
j_parent_start = 17,

i_parent_start=31：嵌套域在父域的第31列网格点开始；
j_parent_start=17：嵌套域在父域的第17行网格点开始

&domain 的内容如下（参考）：

max_dom         = 3,
e_we            = 74, 112, 94,
e_sn            = 61, 97, 91,
e_vert          = 28, 28, 28,
grid_id         = 1, 2, 3,
parent_id       = 0, 1, 2,
i_parent_start  = 0, 31, 30,
j_parent_start  = 0, 17, 30,

在这里插入图片描述

设置项	含义	注意事项
max_dom	定义模拟的嵌套域数量	必须 ≥ 所用嵌套层数
e_we/e_sn	每个域的水平网格维度	与 WPS 完全一致
grid_id/parent_id	定义域的嵌套层级关系	编号从 1 开始，父域 ID 必须小于子域 ID
i/j_parent_start	嵌套域在父域中的起始位置	对应左下角，必须准确对齐 WPS 设置

注意：这些值必须与 WPS 中设置的嵌套起点一致，否则会报错或嵌套错位。

dx = 30000, 10000, 3333.33,
dy = 30000, 10000, 3333.33,
parent_grid_ratio = 1, 3, 3,
parent_time_step_ratio = 1, 3, 3,

参数详解：

参数	含义	示例值
dx, dy	每个网格点的水平间距（单位：米）	D01: 30km, D02: 10km, D03: 3.33km
parent_grid_ratio	当前域相对于父域的网格间距倍率	D01:1, D02:3, D03:3（都表示 finer by 3x）
parent_time_step_ratio	当前域相对于父域的时间步长倍率	通常与 grid ratio 相同，但可以不同

在这里插入图片描述

注意：
1、所有 4 个变量都必须显示设置（否则模拟会失败）；
2、grid ratio（网格比率）必须为整数，如 3、5；
3、time step ratio（时间步长比）可与 grid ratio 不同，但通常建议一致，以保持数值稳定性；
4、网格间距单位为米，即使使用经纬度投影（lat/lon）也必须换算为米；
对于旋转经纬度网格（rotated lat/lon），dx ≠ dy 是允许的。

与嵌套反馈机制相关的参数：feedback 和 smooth_option。它们控制嵌套域（Nest）与其父域（Parent Domain）之间的数据回馈与平滑处理。

&domainsfeedback      = 1,smooth_option = 0,
/

✅ feedback
作用：控制嵌套域（子域）是否将其模拟结果“反馈”给父域。
取值：

0：无反馈（称为一向嵌套 one-way nesting）
➤ 嵌套域不会修改父域的模拟结果；
1：开启反馈（称为双向嵌套 two-way nesting）
➤ 嵌套域的高分辨率结果可更新父域覆盖区域中的值。

📌 通常推荐在研究高分辨率区域对整个区域有反馈影响时使用 feedback = 1。

✅ smooth_option
作用：当开启 feedback=1 时，是否对嵌套与父域边界区域进行平滑处理，以减少突变。
取值：

0：不进行平滑（默认值）；
1：进行一次平滑；
2：进行两次平滑。

📌 平滑处理有助于防止嵌套区与父域交界处出现数值不连续，尤其在地形复杂区域。

参数	含义	常用值	建议
feedback	嵌套域是否影响父域	0 = one-way 1 = two-way	若嵌套区重要，建议设为 1
smooth_option	是否对 feedback 区域进行平滑	0, 1, 2	若反馈开启，建议设为 1 或 2

&bdy_control 配置部分

&bdy_control 配置部分主要控制边界条件的设置方式和边界区域的平滑处理，对于模型稳定性和嵌套域之间的一致性非常重要。

&bdy_controlspec_bdy_width = 5,spec_zone      = 1,relax_zone     = 4,specified      = .T., .F., .F.,nested         = .F., .T., .T.,
/

参数逐项解释：

参数	意义
spec_bdy_width	外边界总宽度（单位：格点数），包含指定区和缓冲区。这里为 5
spec_zone	指定区（specified zone）的宽度。外部强制施加边界值，比如来自 GFS 数据。这里为 1
relax_zone	缓冲过渡区（relaxation zone）的宽度，用于平滑地过渡到内部模拟区域。这里为 4
specified	是否为每个域施加外部边界条件： .T. 表示施加（一般只对最外层域 d01） .F. 表示不施加（嵌套域不需要）
nested	是否为嵌套域应用父域边界强制（嵌套边界条件）： d01 为 .F.（无父域） d02/d03 为 .T.（从父域获得边界）

📌 注意事项
1、spec_zone + relax_zone = spec_bdy_width
即边界区总宽度必须等于指定区与缓冲区之和。
2、对 ARW 模型，你可以自由设置 relax_zone 和 spec_zone 的值，但它们的总和必须等于 spec_bdy_width。
3、specified 和 nested 的布尔值列表应与你的 domain 数量一致（如 3 个域就要写 3 个值）。
在这里插入图片描述

左图：wrfinput_d02，为嵌套域的初始边界输入文件，边界区域过渡较生硬，颜色变化突兀；
右图：wrfout_d02，模拟过程中使用了边界平滑处理，边界（黑线标出）附近的颜色（变量值）过渡更加平滑。

📌 这说明设置合适的 relax_zone 能够有效减少边界处的不连续性，提高模拟稳定性和准确性。

namelist 其他注意事项

1、所有嵌套域应尽量使用相同的物理方案设置。

WRF 模拟中包括多种物理方案（如微物理、对流、边界层、辐射等），建议所有域（d01、d02、d03…）使用相同的物理参数配置。

⚠️ 例外：积云对流方案（cumulus scheme）
当嵌套域的分辨率非常高（通常 ≤ 3 km），对流可被显式解析（即用显式微物理方案模拟出来），不再需要参数化。即，对于高分辨率嵌套域（如 dx = 1 km 或 3 km），应关闭 cumulus 参数化：

cu_physics = 1, 0, 0,   ! d01 开启积云方案，d02/d03 关闭

2、所有域应使用相同的物理过程调用频率，如 radt, cudt 等。
参数说明：

参数	含义	单位
radt	辐射方案的调用间隔	秒
cudt	积云方案的调用间隔	秒

建议所有域统一设置这些频率，不要因分辨率不同而设置不同值。

radt = 30, 30, 30
cudt = 5,  0,  0

嵌套说明

嵌套方式总结：

嵌套类型	特征
Two-way (无 nest input)	input_from_file = .false.
Two-way (有 nest input)	input_from_file = .true.
Two-way（仅静态输入）	fine_input_stream = 2
One-way（并行）	feedback = 0
One-way（分开运行）	使用 ndown.exe
Two-way 移动嵌套	指定或自动追踪台风

双向嵌套（two-way nesting）

单向嵌套（one-way nesting）

🔁 One-way vs Two-way 嵌套对比

特性	One-way (feedback=0)	Two-way (feedback=1)
嵌套域影响父域？	❌ 否	✅ 是
边界光滑处理？	无需	可用 smooth_option
适用场景	较独立区域研究	局地对大尺度有反馈的研究

另：“单向嵌套”与“双向嵌套” 的差异比较

WRF论坛-Two-way and one-way nesting runs
在这里插入图片描述
根据此论坛内容，设置了两组WRF实验，期望D01（外层域）的模拟结果在以下两种设置下应完全相同：

实验一：双域模拟（D01+D02），设置 max_dom=2，feedback=0（即one-way nesting）
实验二：单域模拟（仅D01），设置 max_dom=1

两次实验都使用相同的时间步长、物理参数化方案等。但结果却发现：D01的模拟结果不一致。

对此的合理解释为：虽然理论上 feedback=0（即关闭反馈）时，父域D01的结果应与单独运行D01的结果一致，但实际上：

当设置 max_dom=2 时，WRF 仍然需要初始化和建立子域D02；
这个过程会引入一些数值噪声（noise），从而对D01的数值状态造成微小扰动；
即使关闭了 feedback，D01 的模拟过程还是被“打扰”了。

换句话说：
只要运行了嵌套（即使 feedback=0），D01 的结果就不会完全等同于不含嵌套的运行。

设置"纯净"的嵌套模拟

如果希望真正不受嵌套影响的 D01 结果，可以尝试使用 ndown程序来运行嵌套模拟。
这种方式可以先单独运行 D01，再将其结果作为边界条件驱动 D02，避免 D02 在运行中影响 D01。

参考

1、PPT-WRF Nesting: Set up and Run