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使用WRF软件进行气象模拟计算

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，请参见创建用户。

    集群用户用于登录集群，进行编译软件、提交作业等操作，配置用户权限时，权限组请选择sudo权限组。

  3. 安装WRF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。

    • wrf-openmpi，版本为3.8.1。

    • mpich，版本为3.2。

    • openmpi，版本为1.10.7。

步骤一：准备算例文件

测试前您需要准备好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放置在/home/wrftest/WPS目录下。

#共享部分
&share   
wrf_core = 'ARW',    #wrf_core：选择WRF dynamical core，有'ARW'和'NMM'两个选项，默认值为'ARW'。
start_date = '2005-08-28_00:00:00',   #start_date：模拟开始时间
end_date = '2005-08-29_00:00:00',     #end_date：模拟结束时间
interval_seconds = 21600,
max_dom = 1,            #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
io_form_geogrid = 2,    #io_form_geogrid: geogrid程序输出格式


#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'


#ungrib部分
&ungrib
out_format = 'WPS',  #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：'WPS'
prefix = 'FILE'      #prefix：ungrib生成的中间文件路径和文件前缀名
 
 
#metgrid部分 
&metgrid  
fg_name = 'FILE',      #fg_name：ungrib程序生成的文件
io_form_metgrid = 2,   ##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

步骤二：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. 安装NCL软件。具体安装步骤，请参见NCL官网。

  3. 查看集群是否已安装WRF的相关软件。

    export MODULEPATH=/opt/ehpcmodulefiles/
module avail

  4. 加载WRF软件环境。

    module load wrf-mpich/3.8.1 mpich/3.2
echo $WPSHOME $WRFHOME

  5. 将安装的WPS和WRF软件拷贝到工作目录。

    cp -r $WPSHOME $WPSCOPYHOME
cp -r $WRFHOME $WRFCOPYHOME
    说明

    请将$WPSCOPYHOME和$WRFCOPYHOME修改为实际的工作目录，如本示例中的/home/wrftest/WPS。

  6. 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

  7. 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

  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WPS目录下生成geo_em.d0N.nc地形文件，预期返回结果如下：

    georgid

步骤三：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。

    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/wrfdata/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WPS目录下生成FILE:YYYY-MM-DD_hh*文件，预期返回结果如下：

    ungrib

步骤四：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。

    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：

    metgrid

步骤五：运行wrf.exe

wrf.exe用于输出天气预测数据。运行wrf.exe前，请先定义好namelist.input文件。namelist.input中&time_control、&domains部分的相关参数需要与namelist.wps文件中参数保持一致。详细的namelist.input文件参数及说明，请参见namelist.input。

说明

本示例中，namelist.input放置在/home/wrftest/WRFV3/run目录下。

  1. 进入WRFV3软件目录。

    cd /home/wrftest/WRFV3

  2. 连接WPS的处理结果。

    ln -s /home/wrftest/WRFV3/run/met_em*

  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.d0N、wrfbyd.dxx。

  4. 输出天气预测数据。

    mpirun -np 10 /home/wrftest/WRFV3/run/wrf.exe

    运行wrf.exe成功后，会在WRF目录下生成wrfout.d0N_[date]文件。

    使用NCL图像化WRF运行结果如下图所示：WRF

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