Piggy_Packages V2026.1 帮助文档（二）WRF理想模式

准备工作这一节让我们一起来使用Piggy_Packages打卡WRF的一些理想模式通过今天的学习你就能初步感受到Piggy_Packages的全能和方便了。WRF理想模式不需要真实的地形或观测数据即不需要WPS预处理它是纯数学和物理公式驱动的理想化世界。Piggy_Packages 中WRF模式安装在 /pp_model1/WRF-4.7.1 目录下其中WRF-Ideal目录是各种WRF理想模式。我们首先将WRF理想模式目录拷贝到当前目录下输入命令ln -s /pp_model/WRF-4.7.1/WRF-Ideal .在这条命令中ln -s是创建软链接的意思命令最后的点代表当前目录。链接完成后可以输入以下命令进入链接过来的目录cd WRF-Idealcd是切换目录的意思。然后我们可以输入以下命令查看目录ls输入以下命令能够通过资源管理器浏览该目录open注意open是Piggy_Packages的专有命令模拟了macOS操作系统的open命令用于通过Windows资源管理器打开指定文件或目录Linux操作系统没有open命令。下面我们来尝试运行几个WRF理想模式案例。em_b_wave 案例em_b_wave是一个非常经典的理想化实验案例全称是Baroclinic Wave (斜压波)实验。它主要用于模拟中纬度大气中由于斜压不稳定 (Baroclinic Instability)产生的气旋发展过程。首先进入该案例的运行目录cd em_b_wave/run然后依次运行ideal.exe 和 wrf.exe./ideal.exe ./wrf.exe运行过程中屏幕会输出运行信息运行完成后会生成wrfout结果文件。输入以下命令查看它生成了哪些wrfout文件ls wrfout*然后我们可以通过NCVIEW可视化查看该文件ncview wrfout_d01_0001-01-01_00:00:00通过这个模拟案例我们直观的看到了在斜压波的作用下锋面和气旋的形成过程。接下来我们修改案例的配置文件 namelist.inputopen -e namelist.input注意open -e 表示通过编辑器打开文件如果你已经安装了VS Code它将调用VS Code打开文件否则它将使用记事本打开文件。例如我们将输出时间间隔history_interval从360分钟修改为180分钟参数化方案mp_physics选择1增加水汽模拟保存后再次运行模式。运行完之后通过以下命令返回刚刚的目录cd -em_les 案例em_les是一个专门用于大涡模拟 (Large-Eddy Simulation)的实验配置。与宏观的天气尺度模拟如斜压波不同em_les将视角缩小到了大气边界层内部旨在直接模拟那些携带大部分能量的大尺度涡旋通常是几百米到几公里的尺度。在标准的天气预报中像“热对流涡旋”这种几百米的小东西是无法被网格捕捉的只能通过“边界层参数化PBL Scheme”来间接估算。 而在em_les模式下网格间距极细通常在10m - 100m之间直接计算出大涡旋的运动。只有那些比网格还小的极微小湍流才通过数学闭合方案如 Smagorinsky 方案来处理。WRF所有理想模式的运行方式相同【进入案例名称/run目录然后运行ideal.exe和wrf.exe】因此不再赘述直接看模拟结果。em_tropical_cyclone 案例em_tropical_cyclone是 WRF 理想化实验中非常迷人的一个案例它专门用于模拟**热带气旋TC/台风/飓风**从一个微弱的扰动演变为强大风暴的过程。与 LES 关注微观湍流或斜压波关注中纬度天气不同这个案例的核心是热力学驱动的中心对称涡旋发展。热带气旋的本质是一个“热机”。它的能量主要来源于底层海洋向大气输送的感热和潜热水汽凝结释放的热量。 在该案例中通过设置温暖的海温和初始的弱气旋性环流模拟大气如何通过对流过程将这些能量转化为动能。请注意该案例运行时间较长。由于WRF输出的是UV风我们首先用CDO将UV风合并为实际风速再通过ncview查看cdo expr,mag sqrt(U*U V*V) wrfout_d01_2007-09-01_00:00:00 wind_speed.nc ncview wind_speed.nc这里我们第一次使用了CDO它是一款专为气象、气候和预测模型数据设计的命令行工具集。CDO还有很多强⼤功能能够帮助⽤户轻松实现对数据的各种复杂操作包括数据选择、裁剪、合并、统计分析如计算平均值、最⼤/最⼩值、⽅差等、空间插值、场运算以及数据格式转换等。如您想要详细了解这些功能请参阅官⽅帮助⽂档https://code.mpimet.mpg.de/projects/cdo/embedded/cdo.pdfem_convrad 案例em_convrad的全称是Convective-Radiative Equilibrium (辐射对流平衡)实验。在地球大气中太阳辐射加热地面地面加热底层空气产生对流向上输送能量同时大气向宇宙发射长波辐射冷却。 当这两者达到平衡时大气会形成一个稳定的垂直温度和湿度结构。em_convrad就是为了模拟这个最纯粹的平衡状态剔除了地形、大尺度环流和季节变化。这个案例可以研究气候敏感度例如探讨如果海温升高2℃热带地区的云量和降水会如何调整。以及研究为什么在没有外部强迫的情况下对流会自动聚集成一团这也是理解热带气旋胚胎形成的关键。em_fire 案例这个案例专门用于模拟野火山火与大气之间的双向耦合相互作用。传统的火灾模型往往假设“风是恒定的”但大型山火会自创天气。em_fire的理论价值在于它能模拟出这种复杂的非线性系统例如火引风火灾产生的上升气流导致周围空气急速向火场中心补充产生极强阵风。火旋风地形与极端热力产生的涡旋。与其他案例不同该案例可以使用MPI进行多进程运行。启动MPI时会有防火墙提示是否放行这是由于MPI需要通过TCP进行进程间通信。mpirun -np 4 ./ideal.exe mpirun -np 4 ./wrf.exe在运行时WRF会将输出保存到rsl.out.0000文件。为了查看它请再打开一个终端并输入tail -f /pp_model/WRF-4.7.1/WRF-Ideal/em_fire/run/rsl.out.0000可以看到实时的火灾模拟信息当看到运行成功的提示时按Ctrl C可以退出查看。用ncview查看火灾范围等信息提示该案例的namelist.input配置文件中frames_per_outfile默认设置为1这表示每个输出时刻创建一个wrfout文件因此你必须分别打开每个wrfout进行查看。如果你想要将所有输出放在一个文件中可以将frames_per_outfile设置为1000这样就可以在ncview中直接切换要查看的时间了。其他案例WRF-Ideal目录下还有其他很多理想案例大家可以自行运行探究。清理如今后不再需要WRF理论模式可以删除以释放磁盘空间。rm -rf /pp_model/WRF-4.7.1/WRF-Ideal