WRF系列教程1:WRF如何得到更好的模拟结果?
本篇内容来源于WRF官网2021年的培训ppt:Application of WRF: How to Get Better Performance。
WRF作为成熟的区域中尺度气象模式,文档齐全且教程详细,对于用户较为友好,但是想要获得一个好的模拟结果,需要注意很多地方:
1.模拟区域domain设置
模拟区域不能太小,否则模拟结果基本为全球模式侧边界的强迫结果,无法自由发展出模式本身的中小尺度信息,一般网格数不能小于100×100(其中边界网格10)。
模式区域的边界附近应该避免剧烈的地形变化,例如边界不要设置在青藏高原上。
感兴趣的地区应该尽量设置在domain的中心,避免靠近边界。
基于大区域 (a) 和小区域(b) 模拟12小时的250hPa 风 (m s-1) ,模拟区域太小则中小尺度过程无法自由发展。 (Warner, 2011)
2.初始化和spin-up预热过程
模拟结果的好坏很大程度取决于初始场(IC)的质量。
要了解初始场的数据来源,比如初始场来源于预报数据、再分析数据或者气候数据。
对初始场数据的质量进行检查,如土地利用数据landuse是否符合实际,如有更高质量的土地利用数据可以进行替换。
模式启动的前几个小时,一般有一个预热过程,动力场和热力场在调整中,气压场会出现“噪音”,前几小时模拟的降雨也基本不可信。
3.侧边界条件
包括WRF在内的所有区域模式,人为引入的侧边界(LBC)是制约模式性能的一个重要因素。
侧边界可能会导致许多负效果,以下几点可减少或避免侧边界导致的负效果:
侧边界尽可能避免强强迫;
应使用分辨率一致的输入数据;
尽可能使用高时间分辨率的侧边界数据,即3小时间隔比6小间隔更好;
应尽可能使用交互边界。
4.网格分辨率及其影响
[*]dx>10km:需要使用积云对流参数化方案。
[*]10km>dx>5km: 灰色区域(Grey Zone), 是否使用积云对流参数化方案仍没有共识,可以尝试使用GF、MSKF等尺度自适应的积云方案。个人建议分辨率的设置可以避开5~10km。
[*]dx=3km:云解析,也即能显示表达积云的分辨率,此时不需要深对流的积云参数化方案。
[*]dx=100m~1km: 对大部分模拟需要开启行星边界层(PBL)参数化方案,但此时不仅可以关闭深对流积云参数化方案,还可以关闭浅对流的积云参数化方案(当然500m以上还需开启浅对流)。
[*]dx=30m:大涡模拟(large-eddy simulation, LES)所需的分辨率,不需要行星边界层(PBL)参数化方案。湍涡可由模式的显式处理(加上表层和次网格的湍流方案)。平流方案最好使用单调/非osciallaory选项(adv_opt ≥ 2)。
5.模式层和顶层高度
如果模式顶层为50hPa,则模式层最少设置为30层或更多。
如果模式顶层为1hPa(约45~50km),则模式层最少设置为60层或更多。
高于30hPa的部分,臭氧的作用逐渐凸显,辐射方案可选RRTMG或CAM。
对于低于50hPa的部分,垂直网格距dz<1000m。
水平分辨率越高,那么垂直层数应该越大,确保dz<dx,满足大气薄层近似。
6.复杂地形
地形过于陡峭(>45°)容易导致模式计算不稳定。可以进行如下设置增强稳定性:
可以在namelist.inputd的domain部分,增大epssm参数,从0.1-0.5甚至更大,对声波进行阻尼,增加模式稳定性。
对于大的斜坡地形,设置diff_opt=2。
对于3.6及其以后的版本,可以同时设置diff_opt=2和km_opt=4以增强模式稳定性。
7.物理参数方案的选择
WRF模式中,存在众多次网格过程需要使用物理参数方案进行表达,而每种物理参数化方案都有很多种选项,其不同的排列组合使得选项太多。
关于物理参数化方案,以后有时间再展开介绍,以下粗略提几点:
[*]给定一套参数化方案组合,对于不同的地区、domain大小、时间以及关注的天气现象,其模拟结果是不同的,没有哪种方案组合是完美的。
[*]可以根据研究对象确定重要的参数化方案再进行挑选,如对于台风,可能积云对流和微物理方案更重要。
[*]建议根据个人的具体应用,结合文献调研的基础上,选定一些参数化方案组合进行对比,验证哪种参数化方案组合对重点关注的天气现象模拟最好。
最后,WRF的使用者应该时刻牢记以下几点:
模拟结果受到很多因素的影响,如模拟区域的设置(水平和垂直的)、输入的数据(包括气象场和静态数据)、侧边界条件等;
模式是存在缺陷的,对于某些具体天气过程是无法得到好的模拟结果的,人为引入了侧边界;
找到模式何处存在偏差是非常重要的。
参考:
https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/tutorial/presentation_pdfs/202101/chen_better_performance.pdf
文章来源于微信公众号:气海同途
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