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使用WRF软件进行气象模拟计算

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本文介绍如何使用E-HPC集群运行WRF软件进行气象模拟计算。

背景信息

WRF(Weather Research and Forecasting)采用新一代中尺度天气预报模式,是气象行业广泛应用的开源气象模拟软件。它为研究大气过程提供了大量选项,并可以在多种计算平台运行。更多信息,请参见WRF官网WRF

准备工作

  1. 创建E-HPC集群。具体操作,请参见使用向导创建集群

    配置集群时,软硬件参数配置如下:

    参数

    说明

    硬件参数

    部署方式为标准,包含2个管控节点,1个计算节点和1个登录节点,均采用ecs.c7.large实例规格,配置为2 vCPU,4 GiB内存,Ice Lake处理器,2.7 GHz。

    软件参数

    镜像选择CentOS 7.6公共镜像,调度器选择slurm,打开VNC开关。

  2. 创建集群用户。具体操作,请参见管理用户

    本文使用的示例用户名为wrftest,权限组为sudo权限组。

  3. 在集群中安装WRF相关软件。具体操作,请参见安装软件

    需安装的软件如下:

    • wrf-mpich,版本为3.8.1。

    • mpich,版本为3.2。

  4. 在集群中安装NCL。

    NCL用于处理和可视化气象数据,具体安装方式请参见Installing NCL

    说明

    由于CentOS镜像默认安装的Python版本较低,安装NCL前,您需要升级Python。Python的下载地址请参见Python下载

步骤一:运行geogrid.exe

geogrid.exe用于确定模拟区域,并把静态地形数据插值到网格点。

  1. 登录E-HPC集群。

    登录时,请使用具有sudo权限的用户。具体操作,请参见登录集群

  2. 查看集群是否已安装WRF相关软件。

    export MODULEPATH=/opt/ehpcmodulefiles/
    module avail

    预期返回如下:

    ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- /opt/ehpcmodulefiles/ ------------------------------------------------------------------------------------------------------------
    mpich/3.2       vnc             wrf-mpich/3.8.1
  3. 加载WRF软件环境。

    module load wrf-mpich/3.8.1 mpich/3.2
    echo $WPSHOME $WRFHOME
  4. 将安装的WPS和WRF软件拷贝到工作目录。

    说明

    请将命令中的$WPSCOPYHOME$WRFCOPYHOME替换为实际的工作目录,本文使用/home/wrftest作为示例。操作后,该目录下将生成WPS和WRFV3两个目录。

    cp -r $WPSHOME $WPSCOPYHOME
    cp -r $WRFHOME $WRFCOPYHOME
  5. 进入WPS目录,然后下载并解压地表数据。

    说明

    本示例中地表数据使用geog_complete.tar.gz,您也可以根据需要下载其他地表数据。更多信息,请参见WRF官网

    cd /home/wrftest/WPS
    wget https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/src/wps_files/geog_complete.tar.gz
    tar -zxvf geog_complete.tar.gz
  6. 链接到GEOGRID.TBL文件。

    GEOGRID.TBL文件定义了geogrid.exe需要插值到网格点上的各静态地理数据集参数。

    ln -s geogrid/GEOGRID.TBL GEOGRID.TBL
  7. 修改namelist.wps文件。

    namelist是WPS(WRF Preprocessing System,WRF预处理系统)中的一个共享文件,该文件按照各个程序(geogrid.exe、ungrib.exe、metgrid.exe)所需要参数的不同分成三个部分(&geogrid、&ungrib、&metgrid)及一个共享部分(&share),分别定义了WPS模块所需要的各种参数。如下示例为推荐配置,未提及的参数保持默认即可。详细的namelist.wps文件参数及说明,请参见namelist.wps

    说明
    • 本示例中,namelist.wps文件存放在/home/wrftest/WPS目录下。

    • 在namelist.wps文件中,请使用!作为注释标识。

    !共享部分
    &share   
    !wrf_core:选择WRF dynamical core,有'ARW'和'NMM'两个选项,默认值为'ARW'。
    wrf_core = 'ARW', 
    !start_date:模拟开始时间
    start_date = '2005-08-28_00:00:00',  
    !end_date:模拟结束时间
    end_date = '2005-08-29_00:00:00',     
    interval_seconds = 21600,
    !max_dom:模拟网格数(粗网格+嵌套网格),本示例中包含一个粗网格
    max_dom = 1, 
    !#io_form_geogrid: geogrid程序输出格式
    io_form_geogrid = 2,    
    /
    
    !geogrid部分
    !#确定区域范围、嵌套关系、模型投影
    &geogrid
    parent_id = 1,
    parent_grid_ratio = 1,
    i_parent_start = 1,
    j_parent_start = 1,
    
    !确定网格在东西方向、南北方向的尺度(区域的矢量场的栅格数),本示例中为98*70个网格点
    e_we = 98,       
    e_sn = 70,
    geog_data_res = 'default',
    
    !定义区域的栅格尺寸,本示例中网格分辨率为30km
    dx = 30000,     
    dy = 30000,
    
    !定义投影方式,关于投影方式说明可以参考WRF官网
    map_proj = 'mercator'
    
    !定义区域的中心经纬度坐标
    ref_lat = 25.00,
    ref_lon = -89.00,
    
    !投影的三个参数值,随投影方式不同设定不同
    truelat1 = 0.0,   
    truelat2 = 0.0,
    stand_lon = -89.0,
    !geog_data_path = '地表数据存储路径'
    geog_data_path = '/home/wrftest/WPS/geog'
    /
    
    !ungrib部分
    &ungrib
    !out_format:ungrib生成的可供metgrid读取的文件格式,有'WPS'、'SI'、'MM5'三种格式,默认值为'WPS'
    out_format = 'WPS', 
    !prefix:ungrib生成的中间文件路径和文件前缀名
    prefix = 'FILE'
    /
     
    !metgrid部分 
    &metgrid  
    !fg_name:ungrib程序生成的文件
    fg_name = 'FILE', 
    !io_form_metgrid:metgrid生成的文件格式
    !支持三种格式1(binary,后缀名.int)、2(net CDF,后缀名.nc)、3(Grib1,后缀名.gr1)
    !默认值:2
    io_form_metgrid = 2
    /
  8. 将静态地形数据插值到网格点。

    ./geogrid.exe

    运行geogrid.exe成功后,会在/home/wrftes/WPS目录下生成geo_em.d0N.nc地形文件,预期返回结果如下:

    WRF-1.png

步骤二:运行ungrib.exe

ungrib.exe用于从GRIB格式的气象数据中提取所需要的气象要素场。

  1. 下载并解压Katrina气象数据。

    说明

    本示例中气象数据为Katrina.tar.gz,请下载Katrina.tar.gz。您也可以根据需要下载其他气象数据,更多信息,请参见气象数据

    cd /home/wrftest/WPS
    wget http://www2.mmm.ucar.edu/wrf/TUTORIAL_DATA/Katrina.tar.gz
    tar -zxvf Katrina.tar.gz
  2. 通过link_grib.csh脚本链接气象数据。

    ./link_grib.csh /home/wrftest/WPS/Katrina/avn*
  3. 选择气象数据相应的Vtable。

    本示例使用的Vtable为Vtable.GFS,您可以根据需要使用其他的Vtable。

    ln -sf ungrib/Variable_Tables/Vtable.GFS Vtable
  4. 提取所需要的气象要素场。

    ./ungrib.exe

    运行ungrib.exe成功后,会在/home/wrftest/WPS目录下生成FILE:YYYY-MM-DD_hh*文件,预期返回结果如下:

    WRF-2.png

步骤三:运行metgrid.exe

metgrid.exe用于将ungrib.exe提取出的气象场数据水平插值到由geogrid.exe确定的网格点上。

  1. 链接到GEOGRID.TBL文件。

    GEOGRID.TBL文件定义了metgrid.exe如何将气象数据水平插值到网格点上。

    cd /home/wrftest/WPS
    ln -s metgrid/METGRID.TBL.ARW METGRID.TBL
  2. 将气象场数据水平插值到由geogrid确定的网格点上。

    ./metgrid.exe

    运行metgrid.exe成功后,会在/home/wrftes/WPS目录下生成met_em.d0N.yyyy-mm-dd_hh:mm:ss.nc文件,预期返回结果如下:

    WRF-3.png

步骤五:运行wrf.exe

wrf.exe用于输出天气预测数据。

  1. 连接WPS的处理结果。

    cd /home/wrftest/WRFV3
    ln -s /home/wrftest/WPS/met_em.d01.2005-08-2*.
  2. 修改namelist.input文件。

    cd /home/wrftest/WRFV3/run
    vim namelist.input

    namelist.input文件中&time_control、&domains部分的相关参数需要与namelist.wps文件中的参数保持一致。本文使用的配置示例如下,详细的namelist.input文件参数及说明,请参见namelist.input

    &time_control
    run_days                            = 0,
    run_hours                           = 12,
    run_minutes                         = 0,
    run_seconds                         = 0,
    start_year                          = 2005, 2005, 2005,
    start_month                         = 08,   08,   08,
    start_day                           = 28,   28,   28,
    start_hour                          = 00,   00,   00,
    start_minute                        = 00,   00,   00,
    start_second                        = 00,   00,   00,
    end_year                            = 2005, 2005, 2005,
    end_month                           = 08,   08,   08,
    end_day                             = 29,   29,   29,
    end_hour                            = 00,   00,   00,
    end_minute                          = 00,   00,   00,
    end_second                          = 00,   00,   00,
    interval_seconds                    = 21600
    input_from_file                     = .true.,.true.,.true.,
    history_interval                    = 180,  60,   60,
    frames_per_outfile                  = 1000, 1000, 1000,
    restart                             = .false.,
    restart_interval                    = 5000,
    io_form_history                     = 2
    io_form_restart                     = 2
    io_form_input                       = 2
    io_form_boundary                    = 2
    debug_level                         = 0
    iofields_filename                   = "extraoutput_d01.txt"
    /
    
    &domains
    time_step                           = 180,
    time_step_fract_num                 = 0,
    time_step_fract_den                 = 1,
    max_dom                             = 1,
    e_we                                = 98,    112,   94,
    e_sn                                = 70,    97,    91,
    e_vert                              = 30,    30,    30,
    p_top_requested                     = 5000,
    num_metgrid_levels                  = 27,
    num_metgrid_soil_levels             = 4,
    dx                                  = 30000, 10000,  3333.33,
    dy                                  = 30000, 10000,  3333.33,
    grid_id                             = 1,     2,     3,
    parent_id                           = 0,     1,     2,
    i_parent_start                      = 1,     31,    30,
    j_parent_start                      = 1,     17,    30,
    parent_grid_ratio                   = 1,     3,     3,
    parent_time_step_ratio              = 1,     3,     3,
    feedback                            = 1,
    smooth_option                       = 0,
    /
    
    &physics
    mp_physics                          = 6,     6,     6,
    ra_lw_physics                       = 4,     4,     4,
    ra_sw_physics                       = 4,     4,     4,
    radt                                = 10,    10,    10,
    sf_sfclay_physics                   = 1,     1,     1,
    sf_surface_physics                  = 2,     2,     2,
    bl_pbl_physics                      = 1,     1,     1,
    bldt                                = 0,     0,     0,
    cu_physics                          = 0,     0,     0,
    cudt                                = 0,     0,     0,
    isfflx                              = 1,
    ifsnow                              = 0,
    icloud                              = 1,
    surface_input_source                = 1,
    num_soil_layers                     = 4,
    sf_urban_physics                    = 0,     0,     0,
    /
    
    
    
    &fdda
    /
    
    &dynamics
    w_damping                           = 0,
    diff_opt                            = 1,      1,      1,
    km_opt                              = 4,      4,      4,
    diff_6th_opt                        = 0,      0,      0,
    diff_6th_factor                     = 0.12,   0.12,   0.12,
    base_temp                           = 290.
    damp_opt                            = 0,
    zdamp                               = 5000.,  5000.,  5000.,
    dampcoef                            = 0.2,    0.2,    0.2
    khdif                               = 0,      0,      0,
    kvdif                               = 0,      0,      0,
    non_hydrostatic                     = .true., .true., .true.,
    moist_adv_opt                       = 1,      1,      1,     
    scalar_adv_opt                      = 1,      1,      1,     
    /
    
    &bdy_control
    spec_bdy_width                      = 5,
    spec_zone                           = 1,
    relax_zone                          = 4,
    specified                           = .true., .false.,.false.,
    nested                              = .false., .true., .true.,
    /
    
    &grib2
    /
    
    &namelist_quilt
    nio_tasks_per_group = 0,
    nio_groups = 1,
    /
  3. 初始化模拟数据。

    ./real.exe

    运行real.exe成功后,会在/home/wrftest/WRFV3/run目录下生成wrfinput_d01、wrfbdy_d01文件。

  4. 输出天气预测数据。

    1. 编写作业脚本。

      vim wrf.slurm

      wrf.slurm的内容示例如下:

      #!/bin/bash
      #SBATCH -N 1
      #SBATCH -n 2
      #SBATCH --cpus-per-task=1
      #SBATCH -J wrf-test
      #SBATCH -o wrf_test.log
      
      module load wrf-mpich/3.8.1 mpich/3.2
      mpirun -np 2 -ppn 1  -bind-to core:1 /home/wrftest/WRFV3/run/wrf.exe
    2. 提交作业。

      sbatch wrf.slurm

      作业运行成功后,会在/home/wrftest/WRFV3/run目录下生成wrfout_d01_[date]文件,例如wrfout_d01_2005-08-28_00:00:00。

  5. 使用NCL图像化WRF运行结果。

    示例如下:

    WRF

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