WRF-3DVAR同化系统介绍

WRF3DVAR同化系统介绍WRF3DVAR进展WRF3DVAR(WeatherResearchForecastVariationalDataAssimilationSystem)是与WRF模式配套的变分分析系统。它由NCAR、NCEP、FSL等联合倡导众多美国研究部门和大学开发建立预报系统,旨在建立一个既可以适用于科学研究，又可以用于业务预报的统一的天气学模式。系统特点：可移植性、可扩展性、易维护性、可读性、实用性。WRF3DVAR进展(续)WRF3DVAR发展分几个阶段，出几个版本。()基础版本：2003年7月释放。升级版本：2004年5月释放(WRF-VarV2.0)。研究版本:2005年8月释放(WRF-VarV2.1)。高级版本:2006年释放。WRF3DVAR进展(续)基础版本:2003年7月释放。分析中采用增量形式，程序采用灵活的F90结构，分析变量选择采用弱平衡约束、非交错格点，分析前采用质量控制，观测资料可采用BUFR格式，分析结果有完备的诊断输出。升级版本：2004年5月释放。该版与WRFV2.0版相配套同化雷达径向速度,地面观测,浮标观测和风廓线观测算子等。重新调整排序I=xK=1(在底层)极小化方法选用共轭梯度法。WRF3DVAR进展(续)研究版本:2005年8月释放,该版与WRFV2.1版相配套分析时刻的背景场能更好的应用非天气图定时观测于3DVAR中具有同化雷达反射率的能力。具有全球3DVAR分析的能力。灵活选择控制变量。可以统计估算本区域的背景误差。统一3DVAR与WRV2.1版的框架,为WRF的4DVAR做准备。本地化所要做的工作1.3DVAR软硬件环境2.3DVAR的编译/安装/运行3.主要部分的认识4.背景误差文件的调整5.结果的诊断WRF3DVAR运行环境硬件环境是一个多机型、跨平台、标准化的模式软件环境UNIX操作系统Perl5.003以上Fortran程序编辑器（包括Fortran90和Fortran77编译器）C程序编译器NetCDF函数库WRF3DVAR运行环境3DVAR的编译、安装编译环境、编译环境配置与WRF模式相同3DVAR的安装文件的获取gunzipwrfvar.tar.gztar-xvfwrfvar.tarcdwrfvarWRF_3DVAR分析预报流程图数据预处理WRF数据初始化WRF3DVAR分析系统更新边界条件WRF模式预报系统预报后处理,检验3DVAR_OBSPROC资料的预处理解压缩后进入目录,执行make,生成3dvar_obs.exeCpnamelist.3dvar_obs.wrfvar_tutnamelist.3dvar_obs,编辑namelist,执行./3dvar_obs.exe,应该生成obs_gts.3dvar.复制到$DAT_DIR目录下,并改名为obs_gts.3dvar.2005080700WRFVAR变分同化系统解压缩后,进入目录,./configure,选择configurevar,然后compilevar,生成wrfvar.exe.安装成功.运行很简单,在可执行脚本DARunwrf-Var.csh中修改然后运行即可.WRFVAR_BC后处理升级边界条件与新的初始场相协调,进入目录后,make编译即可以生成update_wrf_bc.exe把旧边界条件场文件wrfbdy.d01和初始场文件放入同一目录,执行new_bc.csh即可.源程序包括的主要子目录子目录主要是按照功能和性质来划分。完成某一功能的所有子程序、或相近性质子程序存放在同一子目录下3DVAR源程序中主要子目录的说明:da_solve_v3d/整个分析程序流程的控制DA_Constants/存放定义系统常用变量、常数、通道、选项等和读入namelist.3dvar的模块文件。DA_Define_Structures/存放定义系统所用的派生数据类型和分配释放派生数据类型内存空间的模块文件。DA_Grid_Definitions/计算分析格点变量的模块文件。DA_Interpolation/存放水平、垂直插值的模块文件。DA_Setup_Structures/存放读入背景场、观测资料及背景误差的模块文件和分析结果的输出文件的模块文件。3DVAR源程序中主要子目录的说明:DA_Dynamics/存放平衡关系变换的系统动力学约束关系的模块文件。DA_Physics/存放用于物理变换（分析变量到模式变量的变换）的模块文件。DA_Minimisation/存放计算极小化和梯度有关的模块文件。DA_FFTs/存放傅氏变换，解Poisson方程的模块文件。DA_Recursive_Filter/存放与递归滤波有关的模块文件。DA_ReadWrite_MM5/存放与MM5相配套的读写接口程序的模块文件。DA-obs/存放观测算子的模块文件DA_Airep/存放各类观测算子（包括正演、切线性及伴随）的模块文件。DA_Synop/DA_Ships/DA_Sound/DA_Pilot/DA_Buoy/DA_Metar/DA_Profiler/DA_Radar/DA_Satem/DA_Satob/卫星资料DA_SSMI/da_qscat/DA_Statistics/存放计算分析诊断输出的统计量的模块文件。DA_Tools/存放算法工具(包括计算特征长度、特征向量)的模块文件。DA_VToX_Transforms/存放由控制变量到模式变量转换的模块文件。LAPACK/存放专用线性代数计算包的模块文件。da_bufrlib/存放跟Buf资料库有关的模块文件。da_pseudo/存放与单点试验有关的模块文件。par_util/存放有关数据交换（局地变量和全局变量收集与广播)的模块文件。WRF3DVAR参数配置说明文件WRF3DVAR的一些参数配置是通过namelist.input和namelist.3dvar文件给入的。这里包括定义分析的时间,格点维数的大小、水平与垂直分辨率，观测资料类型的选取与使用，背景误差系数的调整，变量尺度因子的控制，极小化迭代次数的控制，控制变量的选择等等。背景场形成采用WRF输入形式（netCDF格式）a)来源于其它模式经过SI标准初始化处理，形成模式输入的netCDF形式（coldstart）b)WRF模式本身输出(warmstart)。3DVAR背景场T213预报场SI标准初始化REALWRF预报场COLDSTARTWARMSTART转换接口观测资料经过资料预处理和质量控制观测资料检索和预处理A.观测的气候值检查B.垂直一致性检查1).LnP线性内插检查2).温度垂直递减率检查3).静力学检查4).风的垂直切变检查等C.观测余差（观测值与背景场的差）的极值检查检查观测资料在时间上的连续性和倾向性D.去除多余资料；太近太密E.水平一致性检查。每个资料的观测余差与周围观测比较背景误差统计文件网上提供的背景误差统计文件采用气候统计“NMC”方法来构造背景误差协方差矩阵。其核心是用对同一时刻不同时效的预报值之间的差作为预报误差的近似。背景误差应该随季节变化，分辨率不同而不同，甚至于在“冷起动”与“暖起动”中都有所区别。背景误差的特征应与模式区域的平均天气情况相对应，故三维变分同化应在其模式区域进行误差统计采用气候统计“NMC”方法,分析了我国区域范围的背景场误差协方差的三维结构特征。并结合IV方法的结果，对背景场误差协方差,特征长度等进行了调整,形成适合中国区域的背景场误差文件。更新边界条件当完成WRF3DVAR运行并得到正确的结果，如果要作模式预报必须更新边界条件，使之与新的3DVAR初值相一致。WRF3DVAR同化系统主要部分数据预处理:利用全球T213业务系统提供的1200(或0000)UTC标准等压面和等经纬度粗网格的预报场(0~72小时)，通过插值计算得到1200(或0000)UTC同化系统冷启动时的WRF模式模式预报区域相应层次和分辨率的边界条件和初值背景场，包括以后模式预报的侧边界条件。冷启动后同化循环其它时次的分析背景场，由同化模式自身6小时预报产生。WRF数据的初始化:对模式输入数据进行识别,将数据与模式运行方案进行匹配,形成WRF模式输入所需要的分辨率下的NetCDF格式的文件。观测资料预处理:提取每次同化过程分析时刻1200、1800、0000(或0000、0600、1200)UTC前后3小时经过格式化处理后的观测资料，对观测资料进行必要的质量控制,通过质量控制的资料才会用到3DVAR分析中。WRF3DVAR同化系统主要部分WRF3DVAR:利用更多的描述大气真实状况的观测资料信息，获得与预报模式更匹配的模式初值。WRF同化模式:一个完全可压的非静力模式,网格采用ArakawaC格点形式。模式的动力框架有不同的方案可供选择。WRF模式中物理过程及参数化方案也有多种选择。模式后处理检验:将模式预报结果插值到标准等压面,把WRF模式的NetCDF格式的结果转换成图形系统所能识别的格式。