【WRF工具】MPAS（多尺度预测模型）-输出WRF初始和横向边界条件

从WPS的v3.9版本开始，metgrid.exe程序能够从 跨尺度预测模型（The Model for Prediction Across Scales, MPAS） 读取netCDF格式的本机非结构化网格输出。本博客主要简介MPAS（多尺度预测模型）。

MPAS概述

官网-MPAS Overview

模型概述

MPAS（多尺度预测模型）是一个合作项目，旨在开发大气、海洋及其他地球系统模拟组件，用于气候研究、区域气候研究和天气预报。主要开发合作伙伴包括洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）的气候建模组（COSIM）和国家大气研究中心（NCAR）。这两个主要合作伙伴共同负责MPAS框架、通用操作符和工具的开发；LANL主要负责海洋和陆冰模型，而NCAR主要负责大气模型。

主要特点

• 非结构化Voronoi网格：
  MPAS采用非结构化的Voronoi网格，正式称为球面中心Voronoi划分（SCVTs），这使得模型能够进行球体的准均匀离散化和局部细化。
• C-grid离散化：
  模型使用C-grid离散化方法，特别适合进行高分辨率的中尺度大气和海洋模拟。在C-grid中，速度的法向分量是在网格边缘上进行预报的，这提高了模拟的精度。
• 陆冰模型：
  MPAS的陆冰模型利用SCVT的双重网格结构，采用适用于有限元离散化的三角形Delaunay划分。

使用MPAS输出WRF初始和横向边界条件

WRF User Guide-Using MPAS Output for WRF Initial and Lateral Boundary Conditions

从WPS的v3.9版本开始，metgrid.exe程序能够从跨尺度预测模型（MPAS）读取netCDF格式的本机非结构化网格输出；然后metgrid.exe程序可以水平地将MPAS字段直接插入到由geogrid.exe程序定义的任何域，以产生可由WRF real.exe程序使用的输出文件，其方式与从中间文件插入的metgrid输出完全相同。
这样，海洋资源系统的输出可用于为水资源资源提供初始和横向边界条件。

在运行MPAS模拟时，必须设置输出流以包含初始化WRF模拟所需的最小字段集。对于MPAS v5.x，下面的输出流应该足够了。

<stream name="wrf_ic_bc"type="output"filename_template="MPAS.$Y-$M-$D_$h.nc"output_interval="3:00:00" ><var name="xtime"/><var_array name="scalars"/><var name="pressure"/><var name="zgrid"/><var name="theta"/><var name="uReconstructZonal"/><var name="uReconstructMeridional"/><var name="u10"/><var name="v10"/><var name="q2"/><var name="t2m"/><var name="skintemp"/><var name="surface_pressure"/><var name="mslp"/><var name="tslb"/><var name="smois"/>
</stream>

在运行MPAS并定义合适的输出流之后，将生成一组包含本地MPAS网格上字段的netCDF文件。由于这些文件不包含描述MPAS网格单元的位置、几何形状和连通性的字段，因此必须将这些信息与来自MPAS仿真的“静态”文件一起提供给metgrid程序。因此，有必要在&metgrid命名列表记录中指定带有constants_name和fg_name变量的MPAS netCDF文件（前缀为‘ MPAS: ’），例如：

&metgridconstants_name = ‘mpas:static.nc’fg_name = ‘mpas:MPAS’
/

在上面的例子中，metgrid.exe程序将首先读取MPAS的静态文件。读取网格信息并计算从MPAS网格到由geogrid.exe程序定义的WRF域的重映射权重，然后将处理前缀为“MPAS”（后缀为YYYY-MM-DD_HH.nc）的MPAS文件的所有时间段。real.exe程序就可以正常运行了。

ungrib.exe程序创建的中间文件中的数据可以通过metgrid程序与MPAS数据相结合。这可能是有用的，例如，利用其他来源的海温、海冰或陆地表面场。

下面显示了一个将MPAS数据与带有土壤数据（带有‘ ERAI_SOIL ’前缀）的ERA-Interim中间文件组合在一起的示例。

&metgridconstants_name = ‘mpas:static.nc’fg_name = ‘mpas:MPAS’, ‘ERAI_SOIL’
/

由于MPAS ‘ zgrid ’字段不随时间变化，因此可以从MPAS周期输出流中省略；然而，在这种情况下，‘ zgrid ’字段必须放在它自己的netCDF文件中，该文件还必须将维度‘ Time ’定义为netCDF无限维度。然后，这个文件（比如‘ zgrid.nc ’）可以使用constants_name namelist变量提供给metgrid程序，例如：

&metgridconstants_name = ‘mpas:static.nc’, ‘mpas:zgrid.nc’fg_name = ‘mpas:MPAS’
/

将‘ zgrid ’字段放在它自己的文件中可以节省相当大的空间，当长MPAS模拟运行时，或者当输出流用作WRF初始和边界条件以高时间频率写出来时。下面的python脚本可以作为如何将‘ zgrid ’字段提取到其自己的netCDF文件的示例。

from netCDF4 import Datasetfin = Dataset('init.nc')
fout = Dataset('zgrid.nc','w',format='NETCDF3_64BIT')
nCells = fin.dimensions['nCells'].size
nVertLevelsP1 = fin.dimensions['nVertLevelsP1'].sizefout.createDimension(dimname='Time',size=None)
fout.createDimension(dimname='nCells',size=nCells)
fout.createDimension(dimname='nVertLevelsP1',size=nVertLevelsP1)
fout.createVariable(varname='zgrid',datatype='f',dimensions=('nCells', 'nVertLevelsP1'))
fout.variables['zgrid'][:] = fin.variables['zgrid'][:]
fout.close()
fin.close()

值得注意的是，metgrid.exe使用本机MPAS输出尚未对并行（即“dmpar”）构建的WPS进行彻底测试；因此，从WPS v4.0版本开始，建议在处理MPAS数据集时串行运行metgrid.exe。

此外，在大型MPAS网格的情况下，可能有必要增加metgrid代码中的两个常量的值，这两个常量用于静态分配用于计算从MPAS网格到WRF域的重映射权重的几个数据结构。这两个常量，如下所示，位于WPS/src/metgrid/remapper.F 文件中。

! should be at least (earth circumference / minimum grid distance)
integer, parameter :: max_queue_length    = 2700! should be at least (nCells/32)
integer, parameter :: max_dictionary_size = 82000  

在更改这些常量的值之后，必须重新编译metgrid。

参考