WRF第3课：在超算上运行WRF官网案例——重启动-海温更新-嵌套

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Weather Research and Forcasting Model

WRF-ARW模式是针对大气研究和业务预报应用设计的中尺度数值天气预报系统，适用于从几十米到几千公里的广泛气象应用。本文将以WRF-ARW V3.9.1版本为例，介绍其在超算中心上模拟飓风马修登陆。给大家简单运行一下WRF在超算平台上处理实际应用中涉及到的重启动、海温更新、网格嵌套的问题。

前两期分别介绍了，《如何在超算上安装和配置WRF模式？》 ☜点击阅读

和 《WRF第2课：在超算上使用WRF模拟飓风马修登陆》 ☜点击阅读

本教程将以官网—2016年10月飓风马修登陆为例，介绍在实际应用WRF-ARW中涉及到的重启动、海温更新、以及网格嵌套等操作流程（基于北京超算中心云服务器平台）。

一、重启动（Restart）

重启动可以有效延长模拟周期。在长期数值模拟时生成重启动文件，可在模式出错中断时从指定时间重新诊断运行，相比从头开始积分节省大量计算资源。

在上一篇推文《WRF第2课：在超算上使用WRF模拟飓风马修登陆》的飓风马修登陆运行中，我们通过namelist.input中的如下设置（具体参数说明见https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/namelist_best_prac_wrf.html）

将模式运行时间设置为2016年10月6日至8日，每3小时输出模式运行结果且每8个输出时次打包为一个输出文件（wrfout*），每24小时输出一个重启动文件（wrfrst*）。在模式积分完成后会在运行目录得到以下文件：

若模式需要从2016年10月7日00时重启动，仅需将namelist.input中的start_day修改为07，restart设置为.true.，然后重新运行wrf.exe即可。

二、海温更新

WRF-ARW大气模式不会预测诸如海面温度、海冰、植被覆盖、土地利用类型、以及地表反照率等下边界的动态变化。在默认模拟中，模式会在积分过程中始终采用初始时刻下边界值，这显然不适用于长期数值模拟或者下边界条件变化剧烈的天气过程模拟。目前，WRF-ARW在namelist.input中提供了sst_update选项，即通过动态输入海温海冰场来应对以上问题。

在上一篇推文的飓风马修登陆运行中，我们在WPS预处理阶段，通过ungrib.exe得到了如下解码海温资料，时间分辨率为逐6小时。

对于短期模拟，可以在namelist.wps中按如下设置，

并通过运行metgrid.exe生成随时间变化的气象强迫，但令下边界海温海冰条件始终采用初始时刻值。

而对于长期数值模拟或下边界变化剧烈的天气过程模拟，此时需将fg_name修改为‘FILE’，‘SST’，并注释constants_name参数，再通过运行metgrid.exe水平插值生成匹配模式网格的动态气象和海温海冰强迫，并最终用于运行real.exe和wrf.exe。

三、网格嵌套

通过嵌套运行，我们可以针对具体应用问题，局地加密关键区，得到高分辨率模拟结果。相比于全区域高分辨率模拟，这种方式是兼顾节省计算资源和提高结果精度的合适选择。

目前，WRF-ARW嵌套运行主要分为双向和单向两类方式。

3.1 双向嵌套（Two-way nesting）

双向嵌套需要设置namelist.input中的feedback=1，即实现对不同分辨率网格的实时交互运行：低分辨率母网格为高分辨率子网格提供边界条件，而子网格计算结果会反馈至母网格。在实际案例运行时，可分为以下两种设置

3.1.1 仅采用母网格输入文件

此时WPS阶段和real.exe的处理流程同不嵌套运行方式保持一致：生成母网格的静态地形geo_em.d01、气象海温海冰强迫met_em.d01、初始场wrfinpt_d01、以及边界条件wrfbdy_d01。

在运行wrf.exe前，需要在namelist.input中进行如下设置：

即模式运行时的母网格强迫从以上预处理文件读入，而子网格的静态地形、初始场、以及边界条件均从母网格插值得到。

通过这种方式，我们可以灵活调整子网格的起始积分时间晚于母网格，但子网格的模拟结果精度将会因未能采用高分辨率静态数据（地形、土地类型等）而受限。

3.1.2 母网格和子网格均采用各自输入文件

相比于3.1.1，此时需在WPS阶段生成子网格的静态地形geo_em.d02和气象海温海冰强迫met_em.d02，并通过运行real.exe得到子网格的初始场wrfinput_d02。

若在namelist.input中为所有网格设置input_from_file=.true.，则意味着模式子网格的起始积分时间必须同母网格一致，且会从wrfinput_d02中读取静态地形和动态气象海温海冰强迫。

如果需要灵活调整子网格的起始积分时间晚于母网格，可以按如下设置：

即令子网格仅读取wrfinput_d02中的高分辨率静态地形数据，而其余数据同3.1.1一样从母网格插值得到。

3.2 单向嵌套（One-way nesting）

单向嵌套即子网格接收母网格的计算边界值，但积分结果不会反馈至母网格。

常用单向嵌套方式即保持WPS阶段和real.exe的处理流程同3.1.2节的双向嵌套运行一致，但在wrf.exe运行前设置namelist.input中feedback=0。

另一种单向嵌套运行方式：子网格运行wrf.exe时，采用高分辨率静态数据，以及由ndown.exe对母网格积分结果进行加密模拟获得的初始和边界条件。具体流程如下图所示：

对于飓风马修登陆案例，可按以下4步设置两层单向嵌套运行：

（a）生成嵌套网格、静态地形、以及气象海温海冰强迫文件

修改namelist.wps中的&share和&geogrid部分参数；

检查模式网格区域: ncl ${WRFPATH}/WPS/util/plotgrids.ncl；

运行geogrid.exe生成两个区域的地形文件geo_em.d01和geo_em.d02；

运行metgrid.exe生成两个区域的气象海温海冰强迫met_em.d01和met_em.d02。

（b）修改namelist.input中&domain的网格参数，并运行real.exe生成初始和边界条件wrfinput_d01, wrfinput_d02, wrfbdy_d01

（c）生成子网格的初始和边界条件

将（b）中的wrfinput_d02重命名为wrfndi_d02；

在namelist.input中的&time_control新增io_form_auxinput2=2参数，并保持其它模式参数和物理过程选项不变；

运行ndown.exe：此程序可选择并行；它会基于wrfndi_d02和母网格的模式积分结果wrfout_d01，生成子网格的初始和边界条件文件（wrfinput_d02 & wrfbdy_d02）。

（d）在子网格区域运行模式

将（c）中的wrfinput_d02重命名为wrfinput_d01，wrfbdy_d02重命名为wrfbdy_d01；

将母网格模式积分结果wrfout_d01移出当前模式运行目录保存，以免覆盖损失；

将namelist.input中针对子网格的模式参数和物理过程选项从第2列移动至第1列，同时设置max_dom=1;

运行wrf.exe：此时子网格模式输出文件为wrfout_d01，可在积分完毕后重命名为wrfout_d02保存。

四、小结

到此已经完成了处理实际应用中涉及到的重启动、海温更新、网格嵌套的问题。本节内容以及未曾涉及到的资料同化、分析nudging、还有模式结果可视化问题均可参考WRF-ARW Online Tutorial（见https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/OnLineTutorial/）,也可以下载WRF User's Guide 及时查阅和排错（见https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/docs/user_guide_v4/contents.html）。