【WRF模拟】如何得到更佳的WRF模拟效果？

本博客总结WRF官网2021年的培训ppt：Application of WRF: How to Get Better Performance。。

PPT地址-Application of WRF: How to Get Better Performance

模型配置（The Model Configuration）

1.1 模拟区域domain设置

1、如何确定模拟域大小？
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（其中边界网格点不少于10）。

2、侧边界如何确定？

• 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。

模拟域的重要性：

基于大区域 (a) 和小区域(b) 模拟12小时的250hPa 风 (m/s) ，模拟区域太小则中小尺度过程无法自由发展。 (Warner, 2011)

1.2 分辨率Resolution (horizontal and vertical)

网格分辨率及其影响如下：

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)。

案例：The Derecho of 29-30 June 2012

雷达复合材料反射率（由提供美国国家海洋和大气管理局）

WRF模拟最大的反射率，DX=3公里，初始化于1200 世界标准时间 29六月

3 km运行得到的最大风速如下：

15 km运行得到的最大风速如下：

1.3 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（initial condition, IC）的质量。

• 合适的初始时间
• 初始场的质量（检查数据质量）
  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。
  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。
• 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。

案例1-有无不透水面积的皮肤温度模拟

不透水面积如下：

模拟得到的皮肤温度结果如下：

案例2：对流旋转-NCAR 3 公里对流运行的示例

1.4 侧边界条件（Lateral Boundary Locations）

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：
1、侧边界尽可能避免强强迫；

2、应使用分辨率一致的输入数据；

3、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；

4、应尽可能使用交互边界。

1.5 模式层和顶层高度（Model Levels and High Tops）

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。

1.6 复杂地形（Complex Terrain）

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：

1、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。

2、对于大的斜坡地形，设置diff_opt=2。

3、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。

1.7 物理参数方案的选择（Physics/dynamics options）

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。

总结

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

1、PPT地址-Application of WRF: How to Get Better Performance
2、Youtube-Application of WRF: How to Get Better Performance