沙尘传输模拟教程(基于wrf-chem)

沙尘传输模拟教程(基于wrf-chem)

简介

实验目的

本实验的目的是使用 WRF-Chem 模拟和分析地表(沙漠)区域产生的沙尘的侵蚀和传输过程。通过构建一个包含沙尘侵蚀图的 WRF 域domain，研究沙尘在大气中的输送和扩散情况。

我们的实验区域为中国黄河附近的沙漠，研究时间为2024年7月11日-7月16日，最后得到这段时间的沙尘侵蚀和传输情况。

wrf-chem简介

WRF（Weather Research and Forecasting Model）是一个用于大气研究和天气预报的数值模型。

WRF-Chem 是 WRF 模型的一个扩展版本，它集成了大气化学和气溶胶过程的模拟功能。WRF-Chem可用于：

• 化学过程模拟：包括气态污染物、气溶胶和化学反应。
• 气溶胶过程：模拟气溶胶的生成、增长、凝结、沉降和输送。
• 污染物传输：模拟污染物在大气中的水平和垂直输送过程。
• 反馈机制：化学成分和气溶胶对气象过程的反馈，如辐射和云微物理过程。

软件准备

wps、wrf-chem安装

本教程这是官方例子（https://ruc.noaa.gov/wrf/wrf-chem/tutorialexercises.htm）的扩充，我们使用官方推荐的wrf 3.9和wps 3.9版本，熟悉这个过程后，可以切换为WRF V4版本。

前往网站：https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/download/get_sources.html下载。

参考网站：https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/OnLineTutorial/compilation_tutorial.php

按照网站给出的8个步骤，依次进行测试、安装好netcdf、mpich等包，最后再安装wps和wrf。

安装注意事项：

（1）WPS安装

安装wps3.9版本在configure后，会有一个configure.wps文件，需要手动修改WRF_DIR参数，改为wrf安装目录的相对路径。

（2）wrf-chem安装

安装wrf时，打开bashrc设置安装过程中编译wrf-chem（wrf默认是不安装的，需要手动开启）

#先打开环境变量
vim ~/.bashrc

然后在环境变量中添加以下参数，开启wrf-chem：

# 启用WRF-Chem
export WRF_EM_CORE=1
export EM_CORE=1
export NMM_CORE=0
export WRF_CHEM=1
export EM_CORE=1

这样wrf安装完毕后wrf-chem也同时编译完成了。

conda安装

在Linux系统中安装conda，前往网站：https://docs.anaconda.com/miniconda/ 下载miniconda，

安装过程参考官网，可以选择离线和在线两种安装方式，安装完成后，新建一个环境：

conda create -n nco_ncl_env
conda activate nco_ncl_env

设置频道优先级，优先使用 conda-forge 提供的包:

conda config --add channels conda-forge
conda config --set channel_priority strict

ncl安装

NCL（The NCAR Command Language）是由美国国家大气研究中心（NCAR）开发的一种专门用于气象数据展示的一门语言。有多种方式可以安装，我们选择最方便的conda进行安装。

conda install -c conda-forge ncl

ncap安装

我们后面还需要用到ncap处理wrfout数据（把不同颗粒大小的沙尘汇总）。

ncap 是 NCO (NetCDF Operators) 工具包中的一个命令行工具，用于处理 NetCDF 文件中的变量及其数据。这里我们依然可以偷懒，使用conda快速安装。

conda install -c conda-forge nco

数据准备

气象数据准备

前往FNL数据的官网：https://rda.ucar.edu/datasets/ds083.2/，选择Complete File List全气象要素（包含70多种气象要素）。

选择时间下载气象数据：

这里我下载了2024.07.11到2024.07.16的气象数据，请按照你的时间要求下载。

下垫面数据准备

前往网站：https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/download/get_sources_wps_geog_V3.html，下载wrf v3的下垫面数据：

这个下垫面数据包含有全球的地表特征，包括地形高度、土地利用、土壤类型、植被指数、水体覆盖和地表反照率等，也有我们这次实验需要模拟的沙尘侵蚀erodibility数据。下垫面数据大概是3G，解压后大概是20个G。

WPS数据预处理

namelist.wps的设置

可以根据自己的区域和时间段进行调整，下面是我的设置：

&sharewrf_core = 'ARW',max_dom = 1,start_date = '2024-07-11_00:00:00',end_date   = '2024-07-16_00:00:00',interval_seconds = 21600io_form_geogrid = 2,
/&geogridparent_id         =   1,  parent_grid_ratio =   1,  i_parent_start    =   1,  j_parent_start    =   1,  e_we              =  41, e_sn              =  41,  dx = 100000,dy = 100000,map_proj = 'lambert',ref_lat   =  38.00,ref_lon   =  104.00,truelat1  =  35.0,truelat2  =  45.0,stand_lon =  104.0,geog_data_path = '/WRF3_GEOG/geog'
/&ungribout_format = 'WPS',prefix = 'FILE',
/&metgridfg_name = 'FILE'io_form_metgrid = 2, 
/

geogrid.exe下垫面处理

cd geogridln -svf GEOGRID.TBL.ARW_CHEM GEOGRID.TBLcd .../geogrid.exe

文件夹中会多一个geo_em.d0*.nc 的文件，这个包含了研究区域的下垫面数据，

ungrib.exe气象数据预处理

使用ungrib.exe处理数据：

metgrid.exe气象插值

WRF模型运行

参数设置

namelist的具体参数可以参考官方说明，由于太多，这里不做说明，可查看官方网站的说明：https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/namelist_best_prac_wrf.html

&time_controlrun_days                            = 2,run_hours                           = 0,run_minutes                         = 0,run_seconds                         = 0,start_year                          = 2024,start_month                         = 07,start_day                           = 13,start_hour                          = 00,start_minute                        = 00,start_second                        = 00,end_year                            = 2024,end_month                           = 07,end_day                             = 15,end_hour                            = 00,end_minute                          = 00,end_second                          = 00,interval_seconds                    = 21600,input_from_file                     = .true.,history_interval                    = 60,frames_per_outfile                  = 72,restart                             = .false.,restart_interval                    =    0,io_form_history                     = 2,io_form_restart                     = 2,io_form_input                       = 2,io_form_boundary                    = 2,auxinput6_inname                    = 'wrfbiochemi_d01',auxinput7_inname                    = 'wrffirechemi_d<domain>',auxinput8_inname                    = 'wrfchemi_gocart_bg_d<domain>',auxinput12_inname                   = 'wrf_chem_input',auxinput5_interval_m                = 86400,auxinput7_interval_m                = 86400,auxinput8_interval_m                = 86400,io_form_auxinput2                   = 2,io_form_auxinput5                   = 0,io_form_auxinput6                   = 0,io_form_auxinput7                   = 0,io_form_auxinput8                   = 0,io_form_auxinput12                  = 0,debug_level                         = 0,auxinput1_inname                    = "met_em.d<domain>.<date>",
/auxinput13_inname                   = 'wrfchemv_d<domain>',auxinput13_interval_m               = 86400,io_form_auxinput13                  = 0,&dfi_control
/&domainstime_step                           = 600,time_step_fract_num                 = 0,time_step_fract_den                 = 1,max_dom                             = 1,s_we                                =   1,e_we                                = 41,s_sn                                =   1,e_sn                                = 41,e_vert                              = 31,num_metgrid_levels                  = 42,num_metgrid_soil_levels             = 4,dx                                  = 100000,dy                                  = 100000,grid_id                             = 1,parent_id                           = 0,i_parent_start                      = 1,j_parent_start                      = 1,parent_grid_ratio                   = 1,parent_time_step_ratio              = 1,p_top_requested                     = 5000,feedback                            = 1,smooth_option                       = 0,p_top_requested                     = 5000,zap_close_levels                    = 50,interp_type                         = 1,t_extrap_type                       = 2,force_sfc_in_vinterp                = 0,use_levels_below_ground             = .true.,use_surface                         = .true.,lagrange_order                      = 1,/sfcp_to_sfcp                        = .true.,&physicsnum_land_cat                        = 21,mp_physics                          = 4,progn                               = 0,ra_lw_physics                       = 1,ra_sw_physics                       = 2,radt                                = 30,sf_sfclay_physics                   = 1,sf_surface_physics                  = 2,bl_pbl_physics                      = 1,bldt                                = 0,cu_physics                          = 5,cu_diag                             = 1,cudt                                = 0,ishallow                            = 0,isfflx                              = 1,ifsnow                              = 1,icloud                              = 1,surface_input_source                = 1,num_soil_layers                     = 4,sf_urban_physics                    = 0,mp_zero_out                         = 2,mp_zero_out_thresh                  = 1.e-12,maxiens                             = 1,maxens                              = 3,maxens2                             = 3,maxens3                             = 16,ensdim                              = 144,cu_rad_feedback                     = .true.,/&fdda/&dynamicsrk_ord                              = 3,w_damping                           = 1,diff_opt                            = 1,km_opt                              = 4,diff_6th_opt                        = 0,diff_6th_factor                     = 0.12,base_temp                           = 290.damp_opt                            = 0,zdamp                               = 5000.,dampcoef                            = 0.01,khdif                               = 0,kvdif                               = 0,non_hydrostatic                     = .true.,moist_adv_opt                       = 2,scalar_adv_opt                      = 2,chem_adv_opt                        = 2,tke_adv_opt                         = 2,time_step_sound                     = 4,h_mom_adv_order                     = 5,v_mom_adv_order                     = 3,h_sca_adv_order                     = 5,v_sca_adv_order                     = 3,/&bdy_controlspec_bdy_width                      = 5,spec_zone                           = 1,relax_zone                          = 4,specified                           = .true.,nested                              = .false.,/&grib2/&namelist_quiltnio_tasks_per_group = 0,nio_groups = 1,/&chemkemit                               = 1,chem_opt                            = 401,bioemdt                             = 0,photdt                              = 0,chemdt                              = 10,io_style_emissions                  = 0,emiss_opt                           = 3,emiss_opt_vol                       = 0,emiss_ash_hgt                       = 20000.,chem_in_opt                         = 0,phot_opt                            = 0,gas_drydep_opt                      = 0,aer_drydep_opt                      = 1,bio_emiss_opt                       = 0,ne_area                             = 0,dust_opt                            = 1,dmsemis_opt                         = 0,seas_opt                            = 0,depo_fact                           = 0.25,gas_bc_opt                          = 0,gas_ic_opt                          = 0,aer_bc_opt                          = 1,aer_ic_opt                          = 1,gaschem_onoff                       = 0,aerchem_onoff                       = 1,wetscav_onoff                       = 0,cldchem_onoff                       = 0,vertmix_onoff                       = 1,chem_conv_tr                        = 0,conv_tr_wetscav                     = 0,conv_tr_aqchem                      = 0,biomass_burn_opt                    = 0,plumerisefire_frq                   = 30,have_bcs_chem                       = .false.,aer_ra_feedback                     = 0,aer_op_opt                          = 0,opt_pars_out                        = 0,diagnostic_chem                     = 0,/

沙尘模式选择

也可以试试其他沙尘传输模型，在namelist.input中修改，这里我选择的是dust_opt=1：

1. GOCART 沙尘方案（dust_opt=1）
   • 使用 GOCART（Goddard Chemistry Aerosol Radiation and Transport）沙尘排放方案。
2. AFWA 沙尘方案（dust_opt=3）
   • 使用 AFWA（Air Force Weather Agency）沙尘排放方案。
3. UoC 沙尘方案（dust_opt=4）
   • 使用 UoC（University of Cologne）沙尘排放方案。

real.exe生成气象场

使用命令：

#使用mpich并行运行,并用nohup后台运行
nohup mpirun -np 8 ./real.exe >&realexe.log &
#或者直接run
./real.exe#查看进度
tail -f rsl.out.0000

如果计算量比较大，可以用sbatch提交到超算平台进行计算。

wrf-chem进行沙尘侵蚀和传输模拟

mpirun -np 8 ./wrf.exe
#wrf.exe也可以用sbatch提交作业到超算平台上
tail rsl.out.0000

运行完成。

后处理与结果展示

数据后处理

我们模拟的，不同大小的沙尘相加:

使用ncap2进行汇总：

ncap2 -v -s "total_dust=DUST_1+DUST_2+DUST_3+DUST_4+DUST_5" wrfout_d01_2024-07-13_00:00:00 dust1_all.nc

结果图

我们可以用ncl直接出图，也可以下载到本地用panoply查看。

（1）地中海区域的沙尘传输浓度图（2010年某时刻）

（1）部分中国区域的沙尘浓度分布情况（2024年7月某时刻）

自此，实验完毕

（由于我还在入门，难免有不周到之处，后续还会继续更新这方面的教程）。

参考

官方实验地址：https://ruc.noaa.gov/wrf/wrf-chem/tutorialexercises.htm

WRF/WPS V3版本:https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/download/get_sources.html

WRF安装指南：https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/OnLineTutorial/compilation_tutorial.php

WPS的namelist制作与出图：https://zhuanlan.zhihu.com/p/705431890

下垫面数据：https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/download/get_sources_wps_geog_V3.html

conda下载地址：https://docs.anaconda.com/miniconda/

NCL出图：https://www.ncl.ucar.edu/Download/

namelist.wps的设置：https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/namelist_best_prac_wps.html

namelist.input的设置：https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/namelist_best_prac_wrf.html