WRFChem安装及使用说明手册

WRF-Chem安装及使用说明手册V1.0编写者：王彬2015年6月1目录1.引言...................................................................................................31.1编写目的...................................................................................31.2背景...........................................................................................31.3参考资料...................................................................................42.安装过程...........................................................................................42.1设定环境变量............................................................................42.2WRFV3安装................................................................................52.3WPS与WRFDA的安装.................................................................63.使用过程...........................................................................................63.1WPS数据准备说明.....................................................................73.2气象初始场的准备说明............................................................83.3化学数据前处理程序的使用说明............................................83.4化学数据转化程序的使用说明................................................9附录1（prep_chem_sources.inp）.................................................14附录2（ncl程序）.............................................................................18附录3（convert.f90）.......................................................................1921.引言1.1编写目的本手册为指导WRF-Chem数值模拟的用户，方便轻松掌握WRF-Chem数值模式的安装及使用而编写。希望该手册在大家使用和学习过程中起到引导和帮助的作用。1.2背景WRF-Chem模式是由国家大气研究中心（NCAR）等机构联合开发的新一代大气预报模式，真正实现了气象模式与化学传输模式在时空上的耦合。它不仅能够模拟污染气体和气溶胶的排放、传输以及混合过程，还可用于分析空气质量、云与化学之间的相互作用等。研究表明，WRF-Chem对气象场以及污染物的模拟表现出值得信赖的能力。WRF-Chem在原有WRF模式的基础上耦合了化学反应过程，它通过在WRF的辐射方案中引入气溶胶光学厚度、单次散射反照率和不对称因子表现气溶胶的直接辐射效应。此外，还增加了云滴数浓度的计算，这会改变原有WRF辐射方案中云粒子有效半径的计算方式，从而影响云的反照率，体现气溶胶的Twomey效应。另一方面，Liuetal.提出了以云滴数浓度为阈值的新的云水向雨水自动转换参数化方案，取代了原有的Kessler方案，体现气溶胶的Albrecht效应。31.3参考资料1）WRF-Chem说明手册2），WRF-Chem学习网站2.安装过程这里选用bluesky服务器和intel编译器进行WRF-ChemV3.7.1的安装说明，WRF-Chem的安装和WRF的区别只在于WRFV3部分，WRFDA和WPS可以直接链接已经安装好的版本。2.1设定环境变量exportWRF_CHEM=1（必选）exportWRF_KPP=1exportYACC=’/usr/bin/yacc-d’（设定yacc的位置）exportFLEX_LIB_DIR=/usr/lib64（设定libfl.a的位置）其中后3个是根据自己的需要设定的，如果用到KPP（动能预处理系统），就可以选择安装42.2WRFV3安装1）将chem的程序包复制到WRFV3下2）./configure，选择20（取决于机器与编译环境），然后选择1（basic）3）修改configure.wrf中的netcdf的安装版本，将默认的pgi版本改为intel版本4）./compileem_real，安装完成后会在run文件夹下看到如下可执行文件55）./compileemi_conv（安装化学数据转化程序），结束后会在chem文件夹下生成convert_emiss.exe2.3WPS与WRFDA的安装WPS与WRFDA的安装与原有过程一致，具体可参考WRF的安装手册，注意WPS安装用到的编译器要与WRFV3一致，WRFDA可单独选取编译器。3.使用过程这里以2009年11月30日陆雾个例为例，选取GOCART气溶胶机制进行使用的说明。63.1WPS数据准备说明首先进入run_wps目录（最新的地形数据已经添加了erod数据，所以不需要自己手动添加，如果没有，需要自己手动加入）下的geogrid文件夹，将GEOGRID.TBL重新链接为GEOGRID.TBL.ARW_CHEM，执行wps_real_cycle_3dvar.csh，在生成的RESULT_seafog_FNL中，会有新的erod（灰尘）变量生成。73.2气象初始场的准备说明修改namelist.input_wrf，关闭&dfi_control中的dfi_radar和&physics中的chem_opt，然后在&grib2的后面添加&chem的内容运行cycling_3dvar.csh，得到一个单纯的气象场my_case_result（其中也包含灰尘erod的数据）3.3化学数据前处理程序的使用说明运行PREP-CHEM-SRC，得到化学排放源前处理数据（这里选择PREP-CHEM-SRC-1.2进行演示，更高版本的PREP-CHEM-SRC可能需要自己安装，安装流程参考WRF-Chem的官网）1）进入PREP-CHEM-SRC-1.2/bin中，修改prep_chem_sources.inp（修改好的版本请见附录1）首先是投影和日期（初始时刻），然后选择化学排放源数据的路径（这里用到了官方提供的排放源数据，，8建议用绝对路径），最后是网格的设置。2）修改完以后运行prep_chem_sources_RADM_WRF_FIM.exe，得到如下结果（该程序一次只能处理一个网格的数据，所以先处理大区，然后把小区看做单独的区域（改分辨率和格点），继续用它进行处理）。其中，WRF-TUTORIAL-T-2009-11-30-120000-g1-ab.bin代表人为排放数据，WRF-TUTORIAL-T-2009-11-30-120000-g1-bb.bin代表生物质燃烧数据，WRF-TUTORIAL-T-2009-11-30-120000-g1-gocartBG.bin代表气溶胶背景场3.4化学数据转化程序的使用说明1）将上述生成的三种数据链接到/WRFV3/test/em_real下，重新改名为emissopt3_d01，emissfire_d01和wrf_gocart_backg2）把my_case_result中的namelist.input，wrfinput_d01，wrfbdy_d01和wrflowinp_d01复制过来，在&time_control中添加如下内容。9其中，io_form_auxinput5=2代表打开人为排放，io_form_auxinput7代表打开生物质燃烧，io_form_auxinput8代表打开气溶胶背景场。在&physics中添加progn（云滴数浓度，只有当选择的机制能体现气溶胶间接效应时才会起作用），在&chem部分添加如下内容，表中各参数的含义及设置参见WRF-Chem说明手册。103）修改完毕以后运行convert_emiss.exe（该程序一次只能处理一个区域，所以也是先处理大区，然后修改格点和分辨率，再做小区），得到wrfchemi_d01（人为排放），wrffirechemi_d01（生物燃烧）和wrfchemi_gocart_bg_d01（气溶胶背景场）4）将人为排放源数据改名为wrfchemi_12z_d01，另外两种数据通过附录2中的ncl程序添加进原有的wrfinput_d01。执行完ncl后，可以在原有的wrfinput中看到新添加的数据种类，见下图115）小区仿照上述操作，最终得到wrfchemi_12z_d02和修改好的wrfinput_d02，最后将namelist.input中的io_form_auxinput7和io_form_auxinput8关闭，执行wrf.exe几点说明：（1）在选用能够体现气溶胶间接成核效应的机制时（具体机制种类见WRF-Chem说明手册），progn必须打开，此时运算过程时间比较长，推荐用大机器进行模拟。（2）对于演示用到的GOCART机制，需要用到气溶胶背景场、生物质排放和人为排放源，其它机制需要的化学数据种类并不是固定的，具体需要参见运行手册，最终排放排放源数据的生成既可以用PREP-CHEM-SRC配合convert_emiss.exe来做，也可以自主生成（这方面工作有待进一步加强）（3）从演示中能够看到，最后我们只是将气溶胶背景场和生物质排放添加进初始场，然后单独地得到了一个人为排放源，对侧边界并没有进行更新，从运行手12册和官方的说明来看，侧边界也可以进行化学的更新，有机会可以进行学习。（4）个人觉得，如果能够得到合适的排放源数据，可以仿照PREP-CHEM-SRC中的做法，将这些排放源种类写成Global_emissions_v3中的样式，然后处理得到最终的结果，这部分我写过一点程序，见附录3。内容还比较粗糙，当时只是做了一点尝试性的工作，需要进一下深入研究（5）最后，WRF-Chem的运行需要大家仔细研读官方的说明和手册，还需要你们多动手多尝试，祝大家用起来一切顺利，有问题的话可以随时跟我交流。13附录1（prep_chem_sources.inp）$RP_INPUT!##########################################################################!!CATT-BRAMS/MCGA-CPTECemissionmodelCPTEC/INPE!!version1:28/feb