Следующая статья принадлежит Ци Хай Тонг Ту, автору Ци Хай Тонг Ту.

Характеристики атмосферы и океана определяют, что мы не можем проводить реальные эксперименты, поэтому численное моделирование является важным средством. В оперативном прогнозировании синоптики сейчас практически неотделимы от результатов моделей, а многие синоптики даже прямо заявляют, что выводы прогнозов по сути копируют результаты моделей. В научных исследованиях во многих областях также необходимо использовать численные модели. Даже если числовые модели не используются, данные повторного анализа, полученные в результате работы модели, все равно необходимы. Поэтому для специалистов в области наук об атмосфере и океане численные модели являются неизбежной темой.

Эта статья в основном представляет собой резюме моего собственного опыта использования этой модели и является справочной информацией для студентов, которые планируют принять в ней участие. Написание относительно разрознено, а глубина и систематичность статьи относительно недостаточны. Она ограничена уровнем, и ошибки неизбежны.

Введение в теорию шаблонов

Мы знаем, что движение атмосферы или океана подчиняется физическим законам. Независимо от атмосферы или океана, их законы могут быть выражены набором основных уравнений.

Система нестатических уравнений равновесия бароклинной атмосферы в декартовых координатах

Если мы хотим знать будущее движение атмосферы,Необходимо решить эту систему уравнений в частных производных. К сожалению,Данная система уравнений не имеет аналитического решения,Поэтому мы можем только численные решения。Суть численной модели атмосферы и океана заключается в применении различных численных алгоритмов для решения набора численных решений системы уравнений в частных производных.。

Решение системы уравнений в частных производных требует обеспечения начальных условий и боковых граничных условий. Если это глобальная модель атмосферы, то боковые граничные условия не требуются, поскольку сфера имеет естественные периодические границы и цикл повторяется. Если это региональная модель, из-за искусственного введения боковых границ значения этих боковых границ необходимо задавать на протяжении всего периода моделирования, а их начальные поля и боковые граничные условия обычно предоставляются глобальной моделью.

Поскольку боковые граничные условия региональной модели должны обеспечиваться глобальной моделью, по сути, именно глобальная модель действительно способна предсказывать будущее. Пока задано исходное поле, она может предсказывать погоду. на бесконечный период времени в будущем (точно это или нет – другой вопрос). Региональные модели не обладают возможностями прогнозирования. Они лишь уточняют результаты глобального моделирования в условиях ограничений глобальных моделей, что является так называемым «даунскейлингом».

Схема физической параметризации

дискретная сетка,Могут быть разрешены только процессы с длинами волн, превышающими два интервала сетки. Из-за ограниченного разрешения численной модели,Обычно километровый уровень считается высоким разрешением.。Для облачных микрофизических процессов、Длинноволновое и коротковолновое излучение, а также сеточные процессы равного порядка внутри пограничного слоя не могут быть идентифицированы.。ЭтиПодсеточные процессы необходимо охарактеризовать с помощью Схемы физической параметризации.。

Схема физической параметризации часто не хватает строгой теоретической поддержки и данных наблюдений, и существует много неопределенностей. Схема с большей неопределенностью физической параметризация является важным источником ошибок модели и оказывает важное влияние на эффект моделирования модели.

Как правило, новички могут настроить схему параметризации. Проведение некоторых тестов на чувствительность схем параметризации имеет множество преимуществ: во-первых, это несложно, и этот процесс также представляет собой процесс знакомства с моделью, во-вторых, это также базовая работа, с помощью которой можно тестировать определенные области моделирования и СОЗРЕЗОДЕГО на Погодное явление сопоставляется с более подходящей схемой квадратичной параметризации.,Это основа для последующей работы; также хорошо заниматься проектами и писать статьи.,Поместить главу в начало,Это может отражать рабочую нагрузку (проще говоря, это означает честную и честную гребу). Подробнее о параметризации WRF,Можно обратиться к：WRFСерия уроков2：Схема физической параметризации。

ассимиляция данных

Как правило, вы будете рассматривать ассимиляцию после того, как лучше поймете и получите опыт использования шаблона. контент, связанный с данными, ассимиляция данных заключается в улучшении исходного поля модели и повышении прогнозного эффекта.

Предположим, что шаблон идеален.,Учитывая соответствующие начальные состояния и граничные условия,Численные модели прямой интеграции могут получать прогнозную информацию на будущее. Состояние атмосферы нелинейно,Чрезвычайно чувствителен к начальным значениям,Даже если численная модель идеальна и сходится к истинному состоянию,небольшие изменения в исходном состоянии,Ошибка также станет очень большой после интегрирования. поэтому,Точность начального поля напрямую связана с прогнозирующим эффектом численной модели.,Чтобы получить хорошие результаты численного прогнозирования,Метеорологи десятилетиями работали над разработкойТехнология увеличения и улучшения исходного поля, т.е. технология ассимиляции данных.。связанныйассимиляция данных История развития теории,Порекомендуйте качественную статью здесь：Ассимиляция, откуда вы и куда идете?。

Если вы хотите получить ассимиляцию данных Соответствующие учебные материалы,Можно обратиться к这篇：Введение в ассимиляцию данных и установку WRFDA。

Знакомство с режимом WRF

WRF — одна из основных моделей, продвигаемых NCAR. Сильные научные исследования NCAR предоставляют большое количество высококачественных ресурсов для разработки WRF. В настоящее время WRF является наиболее широко используемой моделью с открытым исходным кодом. Хотя официально заявлено, что серьезных обновлений не будет, я лично считаю, что жизнеспособность WRF гарантирована как минимум на двадцать лет. Сама модель WRF, а также многие модели, разработанные на ее основе, в основном охватывают все области метеорологических исследований.

• Модель WRF способна моделировать реальную погоду и используется для оперативного прогнозирования и исследования атмосферы, моделирования климатических регионов и т. д.
• WRF содержит идеальные модели, от режима одной колонны, идеальной линии шквала до идеального тайфуна, которые можно использовать для теоретических исследований.
• WRF-Chem может выполнять моделирование и прогнозировать химический состав атмосферы.
• Система ассимиляции WRFDA, которая включает трехмерную вариацию, четырехмерную вариацию, ансамблевую фильтрацию Калмана и т. д.
• Гидрологическая модель WRF-Hydro может использоваться для прогнозирования и моделирования наводнений.
• WRF-Fire моделирует последствия лесных пожаров и т. д.
• Модель больших вихрей WRF-LES имитирует большие вихри
• Модель воздуха WRF-озера позволяет изучать озера.
• Режим связи COAWST с использованием модели WRF можно использовать для исследования режима связи.

Приведенный выше список не является полным. Функции WRF позволяют практически связать с ним большинство метеорологических полей. Чтобы модель достигла такого уровня, потребовалось почти 20 лет, учитывая силу и влияние NCAR в Соединенных Штатах. Для ведущих учреждений в разных странах нелегко написать удобную модель погоды, но для ее разработки и улучшения до такой степени, что WRF будет устранена, 20 лет, вероятно, являются очень консервативной оценкой.

Работа в режиме WRF

Режим атмосферного океана в основном работает в системах Linux. Поэтому необходимо знать систему Linux, владеть основными командами, устанавливать команды среды, режим ручной компиляции и его основные библиотеки и т. д. Если вы хотите создавать шаблоны, рекомендуется отказаться от работы с графическим интерфейсом. Вы сначала не знакомы с командной строкой терминала, но после некоторого привыкания к ней эффективность работы будет выше. чем при работе с графическим интерфейсом.

Структура и основные этапы работы режима WRF

Это просто упрощенная версия, чтобы дать вам общее представление о самом программном обеспечении шаблонов. Для получения более подробной информации вы можете обратиться к официальному руководству на сайте или к руководству пользователя. Также существует множество онлайн-руководств. Сама модель WRF по-прежнему имеет определенный порог и требует определенной степени самообучения и практических навыков. Если рядом с вами большой начальник, вы можете получить вдвое больший результат, прилагая вдвое меньше усилий, если будете вести вас шаг за шагом.

Режим бега должен быть обработан в первую очередьНачальные условия и боковые граничные условия,Затем выполните пункты.

• geogrid.exe: Определите область моделирования и интерполируйте статические данные в сетку шаблона.
• ungrib.exe: разархивируйте и извлеките данные метеорологического поля в промежуточный формат.
• metgrid.exe: Горизонтальная интерполяция данных метеорологического поля в сетку области моделирования.
• Real.exe: выполнить вертикальную интерполяцию, создать границы и начальные условия, то есть подготовить начальные условия и боковые граничные условия.
• wrf.exe: Прогнозирование точек вперед.

Постобработка узора

Результаты моделирования WRF сохраняются в виде файлов в формате NetCDF. Постобработка заключается в дальнейшем извлечении и обработке этих данных для визуального рисования и так далее.

Добавьте сюда что-нибудь,Разница между прогнозирующими и диагностическими величинами：Прогнозируемая величина — это величина, связанная с частной производной по времени в уравнении управления в начале.,Можно предсказать по очкам,По-прежнему,v, Т и др. Диагностические величины — это переменные, полученные с помощью диагностических методов. Многие часто используемые диагностические величины рассчитываются в WRF, например, отражательная способность радара, ветер на высоте 10 м и т. д.

Обычно используемые языки программирования для постобработки включают NCL, Matlab, Python и т. д. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки, и вы можете использовать его в соответствии со своими потребностями. Пользователи в общем режиме в основном осваивают более 2. -3 языка программирования. Кроме того, существуют инструменты, разработанные командой WRF, такие как ARWPost. Поскольку база пользователей WRF по-прежнему относительно велика, в Интернете все еще есть много готовых кодов. Правильное использование поисковых систем может сократить количество ненужной работы.

Интерпретация числового режима

интерпретация схемы,Как следует из названия, это интерпретация и применение результатов численной модели.,Как правило, последующие пользователи шаблона,В сочетании с потребностями деловой работы или потребностями отрасли,Дальнейшая обработка результатов модели для повышения ее точности или извлечения элементов прогноза, представляющих интерес для конкретных отраслей, и т. д.。

Понимание недостаточно глубокое, поэтому кратко упомяну несколько моментов в виде примеров. (1) Традиционные статистические методы, такие как прогнозирование MOS, выбирают важные факторы и используют множественные методы линейной регрессии для улучшения результатов прогнозирования модели. (2) Используйте методы машинного или глубокого обучения для корректировки модели температуры, ветра и т. д., особенно сейчас, когда мы стремимся предоставлять интеллектуальные прогнозы. (3) Ветряным электростанциям необходимы точные прогнозы мощности ветра для корректировки планов выработки электроэнергии, но сама модель не выводит информацию о мощности ветра, рассчитываемую на основе поля прогноза модели с помощью некоторых алгоритмов.

О требованиях к вычислительным ресурсам

Режим работы может быть реализован как на персональном компьютере, так и на суперкомпьютере. Если это просто практика и обучение, достаточно персонального компьютера. Рекомендуется иметь хотя бы рабочую станцию, чтобы она не слишком зависала.

Ввиду того, что сейчас все стремятся к высокому разрешению, разрешение глобальных моделей в крупных бизнес-центрах также улучшается. Разрешение региональных мезомасштабных моделей, как правило, лучше, чем у глобальных моделей, поэтому моделирование на километровом уровне является обычным явлением. Хотя стремление к высокому разрешению и высокому разрешению не является разумной идеей, при написании статей или выполнении проектов трудно сообщить, если разрешение слишком низкое.

Поэтому крупномасштабное моделирование с высоким разрешением,Все они требуют использования распределенного параллелизма суперкомпьютеров.,С одной стороны, необходимо увеличить скорость вычислений, чтобы обеспечить ход работы.,С другой стороны, более важно удовлетворить требования к памяти.,В противном случае режим вообще невозможно переключить.,Подробную информацию см.：Учебное пособие 4 серии WRF: Как определить количество параллельных ядер WRF?

Если у исследовательской группы нет вычислительных ресурсов, действуйте с осторожностью. Я видел много студентов, чья исследовательская группа наставников не предоставляет вычислительные ресурсы и испытывает трудности с личными компьютерами. Поскольку стоимость приобретения машин и их обслуживания по-прежнему высока, я предлагаю вам рассмотреть возможность аренды суперкомпьютерных ресурсов. В настоящее время крупные суперкомпьютерные центры обычно стоят менее 1 цента за ядро, а модельная среда уже готова.

окончание

Мои идеи немного подскочили, и я написал несколько отрывков. В общем, если вы хотите эффективно использовать числовые модели, вам нужно обладать всеми видами навыков: от теории и навыков программирования до навыков практического применения.

В этой статье модель WRF в основном используется в качестве введения, но независимо от того, является ли это моделью океана или атмосферы, многие теории одинаковы. Официальный аккаунт называется Ци Хай Тонг Ту, и в нем в основном представлены знания о числовых моделях в области метеорологии и океанографии. Из-за моего ограниченного уровня и фрагментарного характера информации, получаемой всеми в настоящее время, официальный аккаунт обычно представляет базовые знания. Если вы заинтересованы в их представлении, вы можете связаться со мной, чтобы поделиться метеорологическими и океанографическими ценностями, включая, помимо прочего, следующее:

• WRF/WRF-Chem
• MPAS/FV3
• CMAx/CMAQ
• RegCM/CAM
• ROMS/FVCOM/ADCIRC/POM
• COAWST/CESM
• SWAN/WW3/WAM
• WRFDA/GSI/DART/JEDI
• ......

Те, кто интересуется численными моделями атмосферы и океана, могут посетитьЦи и море совершают одно и то же путешествиеМеню официального аккаунта,Добавить автора,приглашаю вас присоединитьсяГруппа связи по численным моделям。

Дополнительные технические статьи, связанные с атмосферой и океаном, можно найти на странице Qihai Tongtu.