WRF中尺度天气预报模式简介.docx

ARW模式系统简介一．概述1997年美国国家大气研究中心(NCAR) 中小尺度气象处(MMM)、国家环境预报中心(NCEP)的环境模拟中心(EMC)、预报系统试验室的预报研究处(FRD)和俄克拉荷马大学的风暴分析预报中心(CAPS)四部门联合发起新一代高分辨率中尺度天气研究预报模式WRF ( Weather Research Forecast) 开发计划, 拟重点解决分辨率为1～10Km、时效为60h以内的有限区域天气预报和模拟问题。该计划由美国国家自然科学基金会(NSF)和美国国家海洋和大气管理局(NOAA)共同支持, 1998年已形成共同开发的标准, 2000年2月被确定为实现美国天气研究计划(USWRP)主要目标而制定的研究实施计划之一。现在,这项计划吸引了许多其它研究部门及大学的科学家共同参与。WRF在发展过程中由于科研与业务的不同需求, 形成了两个不同的版本, 一个是在NCAR的MM5模式基础上发展的ARW(Advanced Research WRF),另一个是在NCEP的Eta模式上发展而来的NMM(Nonhydrostatic Mesoscale Model) [1、2]。ARW作为一个公共模式, 由NCAR负责维护和技术支持,免费对外发布。第一版发布于2000年11月30日, 随后在2001年5月8日发布了1.1版。2001年11月6日, 很快进行了模式的第三次发布, 只是改了两个错误, 没有很大的改动, 因此版本号定为1.1.1。直到2002年4月24日, 才正式第四次发布, 版本号为1.2。同样, 在稍微修改一些错误后, 2002年5月22日第五次发布模式系统, 版本号为1.2.1。原定于2002年10月前后的第六次发布, 直到2003年3月20才推出, 版本号为1.3。2003年11月21日进行了更新。2004年5月21日推出了嵌套版本V2.0。2004年6月3日进行了更新, 至2006年1月30日为止必威体育精装版版本为2.1.2[3]。本文主要介绍的是NCAR的ARW模式嵌套版本V2.1, 同时对ARW和MM5进行简单的对比。二． ARW的程序结构2.1 ARW的程序概况ARW的程序总共250,000行, 其中50,000行为程序框架,100,000行为科学计算部分, 40,000行为外部程序包, 其余的60,000行由编译工具自动产生,见图1所示。模式的前处理部分主要使用Fortran语言和少量C语言编写, 各执行程序使用Perl描述语言顺序调用执行, Perl/TK用于WRFSI图形界面的执行。模式部分主要使用Fortran90 语言编写, 负责通信的RSL_LITE和其它一些辅助程序由C语言编写, 另外还有一些Shell程序。模式后处理部分主要使用Fortran语言和部分C语言。2.2 ARW的程序结构ARW模式是一个多机型、跨平台、标准化的模式。可以在IBM AIX、HP/Compaq Linux/HPUX、SGI Irix/Linux、Cray Uni-COS、Sun SunOS、PC/PC Cluster Linux等机型上运行, 同时支持共享内存(Open MP API)和分布内存(MPI)并行运算。ARW不允许使用公共数据块, 因此所有的变量必须通过参数列表传递给子程序。模块技术(Fortran90的功能)的运用很好地解决了程序直接接口的问题。为了让用户在尽量少涉及模式其它部分源代码的情况下, 很容易地在模式中实现自己的方案设计,ARW将自己的结构设计为三层: 驱动层、中间层、模式层[4、5]。2.2.1 驱动层驱动层是模式的最顶层, 它控制着模式的初始化、时间步长、输入/输出、模式的计算区域嵌套关系、计算区域的分解计算、计算机处理器的分布以及其它有关并行的控制。2.2.2 中间层中间层介于模式层和驱动层之间, 起着连接作用。中间层具有驱动层和模式层两者的重要信息。比如模式层中的模式积分计算的流控制信息、驱动层中的内存分布以及设备通讯图1 ARW的程序组成24数据名称数据内容topo- 30s 30 秒地形数据landuse- 30s 30 秒24 类比土地利用数据soiltype- top- 30s 30 秒16 类表层土壤类型数据soiltype- bot- 30s 30 秒16 类底层土壤类型数据greenfrac 10 分植被指数数据soiltemp- ldeg 1 度全球深层土壤温度数据数据albedo- ncep 10 分地表反照率maxsnowalb 10 分雪地反照率islope 1 度地形坡度信息。中间层能很好地将模式层信息进行封装, 有利于程序的移植和交换。2.2.3 模式层模式层是由执行实际模式计算功能的子程序组成的, 这一层的程序通常是由气象科学专家编写。模式层中的子程序