WPS模式运行.docx
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WPS模式运行
Chapter3:
WRFPreprocessingSystem（WPS）
TableofContents
•InstallingtheWPS
•RunningtheWPS
•CreatingNestedDomainswiththeWPS
•UsingMultipleMeteorologicalDataSources
•ParallelismintheWPS
•CheckingWPSOutput
•WPSUtilityPrograms
•CreatingandEditingVtables
•WritingStaticDatatotheGeogridBinaryFormat（数学高程模型二进制）
•DescriptionofNamelistVariables（名称变量的描述）
•DescriptionofGEOGRID.TBLOptions
•DescriptionofindexOptions
•AvailableInterpolationOptionsinGeogridandMetgrid
•LandUseandSoilCategoriesintheStaticData
介绍
WRF前处理系统（WPS）是一个由三个程序组成的模块，这三个程序的作用是为真实数据模拟准备输入场。
三个程序的各自用途为：
geogrid确定模式区域并把静态地形数据插值到格点；ungrib从GRIB格式的数据中提取气象要素场；metgird则是把提取出的气象要素场水平插值到由geogrid确定的网格点上。
把气象要素场垂直方向插值到WRFeta层则是WRF模块中的real程序的工作。
上图给出了数据在WPS的三个程序之间的转换关系。
正如图像所示，WPS里每个程序都会从一个共同的namelist文件里读取参数。
这个namelist文件按各个程序所需参数的不同分成了三个各自的记录部分及一个共享部分，它们分别定义了WPS系统所要用到的各种参数。
被三个程序各自用到的表格文件没有在图中显示出来。
尽管这些表格无需用户改动，但是这些个表格却提供了控制程序运行的额外信息。
GEOGRID.TBL,METGRID.TBL,和Vtable文件将会在后文中被详细介绍。
安装WPS的步骤和安装WRF的步骤基本相同，都提供了编译的选项，只是平台有所变化。
当MPICH库及合适的库可以使用时，metgird和geogrid程序可以用分布式内存来编译，如果是这样操作，那当用户在设置大的模拟区域时就可以花更少的时间。
但是ungrib程序却不能使用并行，因此只能用单CPU来操作。
各个程序的功能
WPS是由三个单独的程序—geogrid，ungrib和metgird组成。
当然，也包括了很多其它的应用程序，这些程序放在util目录下。
下面是对这三个主要程序的一个简单描述，更详细的内容将在后边的章节进一步介绍。
程序
geogrid的目的是确定模拟区域，及把各种地形数据集插值到模式格点上。
模拟区域的确定是通过设置namelist.wps文件中的与“geogrid”有关的参数来实现的。
除了计算经纬度和地图每个格点的比例因子外，geogrid还会根据默认值来插值土壤类型、地表利用类型、地形高度、年平均深层土壤温度、月季植被覆盖、月季反照率、最大的积雪反照率及斜坡的类别。
可以通过WRF的官方网站来下载这些场的全球数据集，而且这些资料可以被看成是不随时间改变的，因此只需下一次就可以了。
很多数据集只有在某一特定精度上才能使用，但是其它的则可在30",2',5',和10'中的任何一个精度使用；其中"的意思是弧秒而'则是代表弧分（具体见下面的表格）。
尽管一个与模拟区域分辨率接近的地形数据被应用后，这个插值后的地形场可能更具代表性，但是用户仍是无需下载所有可用的分辨率的数据（SJ认为还是全下载的好）。
尽管如此，那些希望应用拥有可以覆盖大范围的格点空间的区域的用户，还是愿意下载所有分辨率的静态地形数据。
除了插值默认的静态数据，geogrid程序还可以插值进更多的连续的且不同种类的地形到模拟区域。
可以通过应用表格文件—GEOGRID.TBL来实现插值新的或额外的数据集到模拟区域。
GEOGRID.TBL文件定义了所有可以被geogrid生成的地形场；它描述了插值一个地形场所需的方法，及所需数据所放的具体位置。
由geogrid生成的文件的格式是WRFI/OAPI，因此可以通过选择NetCDFI/O格式使geogrid生成NetCDF格式的输出文件，以便更方便的用一些外部软件—ncview，NCL和最新版本的RIP4来实现可视化（画出地形图）。
ungrib程序
ungrib程序读GRIB文件，“抽出”数据，然后把它们用一个简单的格式写出来，这种格式就是“过渡”格式（格式是SJ的个人翻译，具体参考英文文献，及writingdatatotheintermediateformat一节以获得关于这个格式的更多细节）。
GRIB文件包含随时间变化的气象要素场，而且它是从其它区域或全球模式—如NCEP的NAM或GFS模式而来的。
ungrib程序可以读GRIB1的数据，当然，如果编译时选择了GRIB2的选项，则就可以读GRIB2的数据。
GRIB文件包含的要素场多于启动WRF所需的数量。
两种不同格式的GRIB用了不同的编码来确定变量和在GRIB文件中的层次。
ungrib用这些编码表格—Vtable（variabletables）—来确定那些场需要从GRIB文件里提取出来并写成过渡格式。
关于编码的细节可以在WMOGRIB文档中找到。
对于相同GRIB模式输出文件的各种Vtables可以在WPS主目录下的/ungrib/Variable_Tables/里。
WPS为NAM104和212格点、NAMAWIP格式、GFS、NCEP/NCAR再分析、RUC（气压坐标数据和混合坐标数据），AFWA的AGRMET地表模式输出，ECMWF及其它数据集。
用户可以以其它Vtable做模板来为其它的模式输出创造自己的Vtable；要进一步了解关于Vtable中要素场的细节，可以参考creatingandeditingVtables。
Ungrib可以用三个用户可选格式中任何一个来写过渡数据，这三个格式是：
WPS—一个新的格式，它包含了对接下来的程序有用的额外信息；SI—WRF之前使用过的过渡格式；MM5—用来向MM5模式输入GRIB2数据。
尽管WPS格式是被推荐使用的，但是这三个中的任何一个格式都可以被用来启动WRF。
metgrid程序
metgrid程序的作用是把ungrib程序提取出的气象要素场水平插值到geogrid确定的模拟区域上。
这个插值后的数据可以被WRF的real程序所识别并吸收。
metgird插值的那些数据的时间段可以通过设置namelist.wps中share记录部分来调整，而且每个模拟区域（最外围区和嵌套区）的时间都要单独设置。
与ungrib程序一样，metgird所处理的数据也是随时间改变的，因此每次做新的模拟时，都要运行metgird程序。
METGRID.TBL文件是用来控制如何把气象要素场进行插值的。
METGRID.TBL文件为每个要素场都提供了一个区间，在这个区间里，可能会确定诸如要素场的插值方式、作为标记插值以及要素场所要插值的网格（如ARW的U，V；NMM的H，V）。
由metgrid生成的文件的格式是WRFI/OAPI，因此可以通过选择NetCDFI/O格式使metgrid生成NetCDF格式的输出文件，以便更方便的用一些外部软件—ncview，NCL和最新版本的RIP4来实现可视化（画出地形图）。
运行WPS
运行WRFPreprocessingSystem（WPS）有如下三个步骤：
1，利用geogrid模块确定一个模式的粗糙区域（最外围的范围），及其它嵌套区域
2，利用ungrib把模拟期间所需的气象要素场从GRIB资料集中提取出来
3，利用metgird把上述的气象要素场（第二步所做的工作）水平插值到模式区域（第一步所做的工作）中
当多个模拟在同一区域重复进行时，只需要做一次第一步的工作即可（也就是说geogrid.exe所做出的地形资料—geo_em.d0*.nc可以重复利用）；因此，只有随时间改变的数据才需要在每次模拟时用第二、三步来处理。
类似的，如果在多次模拟中，气象数据是类似的，但是地形区域却不断改变的话，那第二步是可以省略的。
下面是各个步骤的详细说明：
Step1:
确定模式区域
如果WPS安装成功，会在WPS根目录下出现三个可执行程序—geogrid.exe,ungrib.exe和metgird.exe（原程序在各自的同名子目录下）的链接。
除了这三个可执行程序的链接，还有一个namelist.wps文件。
下面是一个WPS主目录下各组件的列表：
drwxr-xr-x24096arch
-rwxr-xr-x11672clean
-rwxr-xr-x13510compile
-rw-r--r--185973compile.output
-rwxr-xr-x14257configure
-rw-r--r--12486configure.wps
drwxr-xr-x44096geogrid
lrwxrwxrwx123geogrid.exe->geogrid/src/geogrid.exe
drwxr-xr-x34096metgrid
lrwxrwxrwx123metgrid.exe->metgrid/src/metgrid.exe
-rw-r--r--14786README
lrwxrwxrwx121ungrib.exe->ungrib/src/ungrib.exe
drwxr-xr-x34096util
模式的最外层区域和其它嵌套区域都是在namelist.list中geogrid记录里设置的，另外，在share记录里也有需要设置的参数。
下面是关于这两个部分的一个模板，并且如果想获得更多关于每个参数的可能设置及其目的的信息，可以参考descriptionofnamelistvariables
&share
wrf_core='ARW',
max_dom=2,
start_date='2008-03-24_12:
00:
00','2008-03-24_12:
00:
00',
interval_seconds=21600,
io_form_geogrid=2
/
&geogrid
parent_id=1,1,
parent_grid_ratio=1,3,
j_parent_start=1,17,
s_we=1,1,
s_sn=1,1,
e_sn=61,97,
geog_data_res='10m','2m',
dy=30000,
map_proj='lambert',
ref_lat=34.83,
ref_lon=-81.03,
truelat1=30.0,
truelat2=60.0,
geog_data_path='/mmm/users/wrfhelp/WPS_GEOG/
/
为了总结一些列与geogrid有关的share记录中的典型改变，与WRF的动力核有关的wrf_core要首先被选择。
如果WPS要为ARW（AdvancedResearchWRF）模拟而运行，那wrf_core就设成‘ARW’，如果要为NMM（NonhydrostaticMesoscaleModel）模拟的话，则设成‘NMM’。
当选择好动力内核后，接下来选择max_dom，即区域（最外层的一个嵌套数）的总数（当wrf_core=‘ARW’）或者嵌套的层次（当wrf_core=‘NMM’）。
因为geogrid生成的仅仅是时间独立的数据，因此start_date,end_date,和interval_seconds这些参数将被其忽略。
另外，还有一些可选的选项，如opt_output_from_geogrid_path，如果设成默认值，则由geogrid.exe生成的地形文件将被放到当前工作目录（WPS的主目录），如果想放到别的目录下，则根据需要修改即可；io_form_geogrid则是设置地形数据输出格式的。
在geogrid的记录部分，是关于模拟区域投影的设置，同时也设置了模式格点的大小和所在位置。
模式所用的地图投影方式由map_proj来设置，其它用来设置投影的参数总结如下：
地图投影方式/与相应投影方式有关的参数变量
'lambert'truelat1
truelat2（optional）
stand_lon
'mercator'truelat1
'polar'truelat1
stand_lon
'lat-lon'pole_lat
stand_lon
如果WRF是在一个局地区域里运行，那粗糙区域（最外层区域）位置则是通过ref_lat和ref_lon来定位，它们分别确定了粗糙区域的纬度和经度。
如果也要处理嵌套区域，则它们的位置是通过i_parent_start和j_parent_start来确定；更多关于设置嵌套区域的细节可以参考nesteddomains一节。
接下来，粗糙区域的维数由dx和dy来确定，它们分别确定了x轴和y轴上标准格距的长度，而e_we和e_sn则分别给出了x轴（东西方向）和y轴（南北方向）上的格点数（具体设置方案可见后边descriptionofnamelistvariables）；对应'lambert','mercator',和'polar'投影方式，dx和dy的单位是'米'，对于'lat-lon'投影方式，dx和dy的单位则是'度'。
对于嵌套区域，只有e_we和e_sn可以用来确定格点的维数，格点的dx和dy是不能被设定的，因为它们的值已经被parent_grid_ratio和parent_id所决定了，这两个参数分别确定了嵌套的上一级区域（父区域）的格点距离与嵌套的格点距离的比值和嵌套的上一级区域的格点编号。
对于全球的模拟，粗糙区域（最外围区域）的覆盖范围就应该是全球，所以ref_lat和ref_lon就不在被使用，而且dx和dy也不应该再被设置，这是因为这个格距将根据格点数被自动计算出来。
同样需要注意的是，经纬度投影（map_proj='lat-lon'）是WRF中唯一支持全球区域（全球模拟）的投影方式。
除了设置与模式区域的投影方式、位置和覆盖范围有关的参数外，静态数据集的路径也必须通过参数geog_data_path被正确的设置。
同样，用户可能会通过设置geog_data_res参数来选择静态数据的分辨率以便于geogrid的插值，而分辨率的值要与GEOGRID.TBL中的数据分辨率吻合。
如果静态数据集是从WRF官网下载的，则可能的分辨率会包括'30s','2m','5m',和'10m',分别对应的是30秒，2-，5-，10-分的数据。
如果想了解更多的关于各个参数的意义和可能的选项，可以参考descriptionofthenamelistvariables。
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Successfulcompletionofgeogrid.!
并且WPS的主目录下会出现地形文件（或者出现在opt_output_from_geogrid_path所设定的目录下）。
如果没有出现，可以通过检查geogrid.log来找出可能的失败原因。
如果想了解更多的关于检查geogrid输出结果的信息，可以参考checkingWPSoutput一节。
$ls
drwxr-xr-x24096arch
-rwxr-xr-x11672clean
-rwxr-xr-x13510compile
-rw-r--r--185973compile.output
-rw-r--r--12486configure.wps
drwxr-xr-x44096geogrid
lrwxrwxrwx123geogrid.exe->geogrid/src/geogrid.exe
-rw-r--r--111169geogrid.log
-rwxr-xr-x11328link_grib.csh
drwxr-xr-x34096metgrid
Step2:
利用ungrib从GRIB文件中提取气象要素场
当已经下载了GRIB格式的气象数据后，提取要素场以转成过渡格式的第一步所要做的参数设置涉及到“share”和“ungrib”两个部分。
下面是关于这两部分的一个模板：
&share
wrf_core='ARW',
start_date='2008-03-24_12:
00:
00','2008-03-24_12:
00:
00',
interval_seconds=21600,
io_form_geogrid=2
/
&ungrib
out_format='WPS',
/
在“share”部分，与ungrib有关的参数是粗糙区域（外围区）的开始和结束时间（start_date和end_date;或者start_year,start_month,start_day,start_hour,end_year,end_month,end_day和end_hour）以及气象数据文件的时间间隔（interval_seconds）。
在“ungrib”部分，参数out_format是用来设置过渡数据文件的格式的；metgird程序可以读任何一个被ungrib支持的格式，因此虽然'WPS'是被推荐的格式,但是'WPS'，'SI',和'MM5'中的任何一个都可以作为选项被选择；另外，用户可以通过设置prefix参数来确定过渡数据文件的保存路径和前缀。
例如，如果prefix被设成'ARGRMET'，那过渡数据的文件名就是AGRMET:
YYYY-MM-DD_HH，其中YYYY-MM-DD_HH是文件中数据的真实的日期。
在合理的修改了namelist.wps文件后，Vtable文件也是需要事先被提供的，并且GRIB文件也要被链接（拷贝）到ungrib.exe所期望的目录下（一般是WPS的主目录，如果WPS被安装成功的话）。
如果WPS要处理气象数据，就要在Vtable的辅助下进行才行，即使Vtabel仅仅被象征性地以Vtable来命名并链接到ungrib.exe所期望的目录下（一般是WPS的主目录）。
例如，如果是来自GFS模式的GRIB数据，可以如此处理：
$ln-sungrib/Variable_Tables/Vtable.GFSVtable
程序将尝试以GRIBFILE.AAA,GRIBFILE.AAB,…,GRIBFILE.ZZZ这样的文件名来读取GRIB数据。
为了能简化把GRIB数据链接到到合适的目录，并以这些名字来命名，程序提供了一个shell的脚本link_grib.csh。
这个脚本通过读取一个以GRIB数据文件名为列表的命令行参数来完成上述工作。
例如，如果GRIB数据被下载到一个/data/gfs的目录下，那这些文件可以用下面的方法来进行链接：
$ls/data/gfs
$./link_grib.csh/data/gfs/gfs*
上述操作完成后，WPS目录下的列表将是如下所示：
drwxr-xr-x24096arch
-rwxr-xr-x11672clean
-rwxr-xr-x13510compile
-rwxr-xr-x14257configure
-rw-r--r--12486configure.wps
lrwxrwxrwx138GRIBFILE.AAB->/data/gfs/gfs_080324_12_06
-rwxr-xr-x11328link_grib.csh
drwxr-xr-x34096metgrid
-rw-r--r--11094namelist.wps
drwxr-xr-x34096util
lrwxrwxrwx133Vtable->ungrib/Variable_Tables/Vtable.GFS
修改完namelist.wps并链接了合适的Vtable和正确的GRIB文件后，ungrib.exe就可以被执行以生成过渡数据格式的气象数据文件了。
Ungrib可按如下命令进行操作：
$./ungrib.exe>&ungrib.output
因为ungrib程序会产生一个数量相当可观的输出，因此这个操作是被推荐的，这样可以把输出间接地输入到一个名字为ungrib.output的文件中。
如果ungrib.exe运行成功，过渡数据文件将会在正确的目录中出现，且则会有如下信息被打印在文件的最后部分：
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Successfulcompletionofungrib.!
这个过渡数据的文件名将会以FILE:
YYYY-MM-DD_HH的形式命名（除非prefix参数被设置成其它名字）
$ls
drwxr-xr-x24096arch
-rwxr-xr-x11672clean
-rwxr-xr-x13510compile
-rw-r--r--185973compile.output
drwxr-xr-x44096geogrid
lrwxrwxrwx123geogrid.exe->geogrid/src/geogrid.exe
-rw-r--r--111169geogrid.log
lrwxrwxrwx138GRIBFILE.AAA->/data/gfs/gfs_080324_12_00
lrwxrwxrwx138GRIBFILE.AAB->/data/gfs/gfs_080324_12_06
drwxr-xr-x34096metgrid
lrwxrwxrwx123metgrid.exe->metgrid/src/metgrid.exe
drwxr-xr-x44096ungrib
lrwxrwxrwx121ungrib.exe->ungrib/src/ungrib.exe
-rw-r--r--11418ungrib.log
drwxr-xr-x34096util
ungrib/Variable_Tables/Vtable.GFS
WPS创建嵌套区域
做带嵌套的模拟试验并不比做单层区域的难多少，嵌套区域的模拟和单层嵌套的不同之处在于，当运行geogrid和metgrid程序时，处理的将不止一个格点了。
为了确定嵌套的大小和位置，将要设置一系列的namelist.wps中的参数，下面是设置一个嵌套的模板：
&share
wrf_core='ARW',
max_dom
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