WRF中尺度天气预报模式简介ARW模式系统简介一．概述1997年美国国家大气研究中心(NCAR)中小尺度气象处(MMM)、国家环境预报中心(NCEP)的环境模拟中心(EMC)、预报系统试验室的预报研究处(FRD)和俄克拉荷马大学的风暴分析预报中心(CAPS)四部门联合发起新一代高分辨率中尺度天气研究预报模式WRF(WeatherReearchForecat)开发计划,拟重点解决分辨率为1～10Km、时效为60h以内的有限区域天气预报和模拟问题。该计划由美国国家自然科学基金会(NSF)和美国国家海洋和大气管理局(NOAA)共同支持,1998年已形成共同开发的标准,2000年2月被确定为实现美国天气研究计划(USWRP)主要目标而制定的研究实施计划之一。现在,这项计划吸引了许多其它研究部门及大学的科学家共同参与。WRF在发展过程中由于科研与业务的不同需求,形成了两个不同的版本,一个是在NCAR的MM5模式基础上发展的ARW(AdvancedReearchWRF),另一个是在NCEP的Eta模式上发展而来的NMM(NonhydrotaticMeocaleModel)[1、2]。ARW作为一个公共模式,由NCAR负责维护和技术支持,免费对外发布。第一版发布于2000年11月30日,随后在2001年5月8日发布了1.1版。2001年11月6日,很快进行了模式的第三次发布,只是改了两个错误,没有很大的改动,因此版本号定为1.1.1。直到2002年4月24日,才正式第四次发布,版本号为1.2。同样,在稍微修改一些错误后,2002年5月22日第五次发布模式系统,版本号为1.2.1。原定于2002年10月前后的第六次发布,直到2003年3月20才推出,版本号为1.3。2003年11月21日进行了更新。2004年5月21日推出了嵌套版本V2.0。2004年6月3日进行了更新,至2006年1月30日为止最新版本为2.1.2[3]。本文主要介绍的是NCAR的ARW模式嵌套版本V2.1,同时对ARW和MM5进行简单的对比。二．ARW的程序结构2.1ARW的程序概况ARW的程序总共250,000行,其中50,000行为程序框架,100,000行为科学计算部分,40,000行为外部程序包,其余的60,000行由编译工具自动产生,见图1所示。模式的前处理部分主要使用Fortran语言和少量C语言编写,各执行程序使用Perl描述语言顺序调用执行,Perl/TK用于WRFSI图形界面的执行。模式部分主要使用Fortran90语言编写,负责通信的RSL_LITE和其它一些辅助程序由C语言编写,另外还有一些Shell程序。模式后处理部分主要使用Fortran语言和部分C语言。2.2ARW的程序结构ARW将自己的结构设计为三层:驱动层、中间层、模式层[4、5]。2.2.1驱动层驱动层是模式的最顶层,它控制着模式的初始化、时间步长、输入/输出、模式的计算区域嵌套关系、计算区域的分解计算、计算机处理器的分布以及其它有关并行的控制。2.2.2中间层中间层介于模式层和驱动层之间,起着连接作用。中间层具有驱动层和模式层两者的重要信息。比如模式层中的模式积分计算的流控制信息、驱动层中的内存分布以及设备通讯图1ARW的程序组成24数据名称数据内容topo-3030秒地形数据landue-3030秒24类比土地利用数据oiltype-top-3030秒16类表层土壤类型数据oiltype-bot-3030秒16类底层土壤类型数据greenfrac10分植被指数数据oiltemp-ldeg1度全球深层土壤温度数据数据albedo-ncep10分地表反照率ma某nowalb10分雪地反照率ilope1度地形坡度信息。中间层能很好地将模式层信息进行封装,有利于程序的移植和交换。2.2.3模式层模式层是由执行实际模式计算功能的子程序组成的,这一层的程序通常是由气象科学专家编写。模式层中的子程序要求对于三维模式计算空间中的任何子空间都能调用。三．ARW模式系统模式的系统流程由(前处理)、(主模式)和(后处理部分)[2]三部分组成。3.1WRFSIWRFStandardInitialization是模式数据的前处理部分,也是模式的三维变分系统建立使用之前为模式提供初/边值的部分,SI主要具有模式区域的定义和创建、数据插值两大功能。3.1.1模式区域的定义和创建在这里,用户可以设置各模拟区域的相关参数(投影方式、范围大小、区域位置、嵌套关系等)根据这些定义设置,gridgen会产生各区域的静态数据场文件,数格式为NetCDF。需要提供给WRFSI的数据见表1。表1WRFSI的静态数据3.1.2数据插值将数据插值到模式的计算格点(包括水平方向和垂直方向)上,为模式提供初始场和边界条件。这项功能是由hinterp和vinterp...
