WRF 3DVAR同化系统介绍

3DVAR同化系统主要部分 WRF 3DVAR同化系统主要部分
WRF 3DVAR :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 同化模式: 用Arakawa C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变分同化系统
解压缩后,进入目录,./configure,选择configure var,然后compile var,生成wrfvar.exe.安装成 功. 运行很简单,在可执行脚本DA Run wrfVar.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.
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（cold start） b) WRF模式本身输出(warm start)。
COLD START
WARM START
T213 预报场 WRF 预报场 SI 标准初始化 转换接口
WRF 3DVAR参数配置说明文件 WRF 3DVAR 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。
REAL
3DVAR 背景场
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
文件的获取 /wrf/src/wrfvar_v2. 1.tar.gz gunzip wrfvar.tar.gz tar -xvf wrfvar.tar cd wrfvar
WRF_3DVAR 分析预报流程图
数据预处理
WRF 数据初始化
WRF 3DVAR分析系统 分析系统
DA_Define_Structures/ 存放定义系统所用的派生数据类
模块文件。 释放派生数据类型内存空间的
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
DA_Dynamics/存放平衡关系变换的系统动力学约束关系的
DA-obs/存放观测算子的模块文件
DA_Airep
件。 DA_Synop/ DA_Ships/ DA_Sound / DA_Pilot / DA_Buoy / DA_Metar/ DA_Profiler/ DA_Radar/ DA_Satem / DA_Satob / DA_SSMI / da_qscat/
WRF 3DVAR同化系 同化系 统介绍
WRF 3DVAR 进展
WRF 3DVAR (Weather Research Forecast Variational Data Assimilation System)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。
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WRF 3DVAR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。
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、
块文件。 型和分配
通道、选项等和读入namelist.3dvar 的模
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
景误差的 的模块文件。 模块文件和分析结果的输出文件
3DVAR源程序中主要子目录的说明:
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。
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
WRF 3DVAR运行环境 运行环境 3DVAR的编译、安装 的编译、 的编译 编译环境 、 编译环境配置与WRF模式相同
3DVAR的安装 的安装
/
存放各类观测算子（包括正演、切线性及伴随）的模块文
卫星资料
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。
系统特点：
可移植性、可扩展性、易维护性、 可读性、实用性。
WRF 3DVAR 进展(续)
WRF 3DVAR发展分几个阶段，出几个版本。 (/wrf/WG4/) 基础版本： 升级版本： 研究版本: 高级版本: 2003年7月释放。 2004年5月释放(WRF-Var V2.0)。 2005年8月释放(WRF-Var V2.1)。 2006年释放。
本地化所要做的工作
1.3DVAR软硬件环境 软硬件环境 2. 3DVAR的编译 安装 运行 的编译/安装 的编译 安装/运行 3.主要部分的认识 主要部分的认识 4.背景误差文件的调整 背景误差文件的调整 5.结果的诊断 结果的诊断
WRF 3DVAR运行环境 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
3DVAR同化系统主要部分 WRF 3DVAR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。
WRF 3DVAR 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。
WRF 3DVAR 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=x K=1(在底层) 极小化方法选用共轭梯度法。
更新边界条件
WRF 模式预报系统
预报后处理,检验 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.exe Cp namelist.3dvar_obs.wrfvar_tut namelist.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.2005080700