GFS數據驅動WRF

背景

• 本項作業的目的是提供東亞地區光化模式之即時氣象場。
• 雖然中央氣象局已經針對東亞地區(解析度15Km、網格代號CWBWRF_15k)與大陸東南地區(解析度3Km、網格代號CWBWRF_3k)進行預報模擬，並且在opendata網站定時公開。然其公開檔案內的項目有限，不足以模式光化煙霧，需另行補充。補充方式以四階同化(FDDA)最為完整、合理、且熟悉。
• 過去學術界及實務界經常使用GFS數據作為參考進行WRF模式模擬。
  • 由於GFS以再分析數據做為起始場，因此其預報0時之結果，也可以做為WRF等其他模式的起始場。而以GFS其他時間的預報場做為WRF的邊界場。
  • 完成臺灣地區的詳細邊界場，再填入前述CWBWRF_3k結果進行FDDA，以得到光化模式所需的氣象檔案。

GFS預報結果的下載

• 檔案存在NCEP的https目錄，可以用wget或者curl下載。
  • 檔案只會存在10天，
  • 10天後可以利用FNL檔案，時間為逐6小時，垂直與水平網格解析度、檔案項目及格式皆與gfs一致。
  • 是否存檔的討論詳見運用GFS/CWB/CAMS數值預報數進行台灣地區CMAQ模擬->下載作業->GFS預報檔下載
• 如果要求之時間太早或太晚，NCEP網站上並無提供，會發生下載錯誤，並不會產生空白檔。

腳本

• NCEP儲存位置含有8碼日期，其下則為預報起始小時數(00 ~ 18 逐6小時)，此處選擇00小時為例。(配合CMAQ起始時間)
• 舊版wget可能會需要開啟--no-check-certificate選項

wget=/usr/bin/wget
root=https://nomads.ncep.noaa.gov/pub/data/nccf/com/gfs/prod/gfs.
today=$(date -d +0day +%Y%m%d)
dir=$today/00/atmos/
gfs=/nas1/backup/data/NOAA/NCEP/GFS/YYYY
cmaq=/home/cmaqruns/2022fcst
fcst=/nas2/cmaqruns/2022fcst
sub=~/bin/sub
cd $gfs

# 執行gfs檔案下載
for ((i=0;i <= 120; i+=3));do
  iii=$(printf "%03d" $i)
  file=gfs.t00z.pgrb2.1p00.f$iii
  if [ -e $file ];then rm $file;fi
  $wget --no-check-certificate -q $root$dir$file
#  if [ $i -eq 120 ];then sleep 60;fi
done

下載的時間點

• 雖然ungrib會自動從GRIBFILE的連結找到正確時間的檔案，不必擔心找不到檔案的錯誤，只要下載範圍涵蓋了模擬範圍即可。但下載最近的預報結果還是比較符合最新情況。
• GFS起始時間與檔案上架時間。約差了3.5 ~ 5.5 小時，如再加上時差，與台北時間會差到12~14小時。
• 創設目錄的時間與最終檔案時間(UTC)如下

Parent Directory                                  -   
00/                          12-Aug-2022 03:32    -   
06/                          12-Aug-2022 09:31    -   
12/                          12-Aug-2022 15:32    -   
18/                          12-Aug-2022 21:33    -   
...
gfs.t18z.pgrb2.1p00.f381                     21-Aug-2022 23:12   42M  
gfs.t18z.pgrb2.1p00.f381.idx                 21-Aug-2022 23:12   40K  
gfs.t18z.pgrb2.1p00.f384                     21-Aug-2022 23:23   42M  
gfs.t18z.pgrb2.1p00.f384.idx                 21-Aug-2022 23:17   40K  

WPS之執行

geogrid.exe、網格數及核心數

• 網格數的設定與CMAQ及平行計算有關，與GFS數據無關
• CMAQ執行以能夠正確符合環保署公版模式網格系統為標準，以套用其排放量檔案。
• 網格數與平行運作的執行緒數(-np)有關，詳下說明。

ungrib.exe及metgrid.exe

• 此部分與一般由FNL檔案進行WRF分析並沒有顯著的差異，唯一的差異就是將下載的gfs檔案，全部連結成GRIBFILE即可：

./link_grib.csh gfs*

• 由於這個腳本會將既有的連結刪除，不必擔心會有舊的錯誤連結。
• 其餘執行完全一樣。
• 結果將會是解析度1度(內插到指定網格系統)、垂直34層定壓層、逐3小時的met_em檔案。

REAL之執行

是否執行雙向套疊的考量

• 同時執行3個網格系統雖然會省時間，但是會因FDDA的密度太過集中而造成數值不穩定。
• 此處尚未有完整的構想，先以完成各別系統CMAQ所需要的氣象檔再探討系統間的一致性與雙向套疊的必要性。

執行核心數之考量

• real/wrf的平行運作設定可以參考jiangleads的說明。此處以每核心負責10~12格為基準，符合內設之10格。
• 以下為各層namelist.wps(e_we×e_sn)及namelist.input(nproc_x×nproc_y)的相關設定

real/wrf執行核心數之安排

metoa_em的搭配

• 暫以下列方式進行REAL，產生WRF所需的wrffdda_d0?檔案

• d01~2mk_meteoa.py結果之所以造成WRF不穩定可能肇因於不良的內插機制，應還有進步空間。

• WRF之執行

• 如前所述，太過密集的FDDA對d01及d02是不穩定的，因此以gfs1度的數據即可。
• d01及d02的網格數僅差異1/3，但是執行時間卻差異1倍，還需檢討修正。

Reference

• oceanography-Rookie(2022), 使用GFS数据驱动WRF模式场–2层嵌套 全过程学习记录, 2022-02-26 16:52:40 发布.
• nco.ncep.noaa.gov, GFS PARAMETERS & UNITS
• nco.ncep.noaa.gov, GRIB Filters and View the URL