«Применение ит в моделировании атмосферных процессов» (стр. 5 из 8)

С другой стороны, вычисления на различных областях счёта могут проводиться поочередно. В таком случае граничные условия для вложенной области счёта формируются после завершения вычислений программы wrf в исходной области. Файлы начальных и граничных условий формируются программой ndown на основе выходных файлов wrf и дополнительных данных системы WPS для вложенной области (например, для области №2 ndown сформирует файлы wrfinput_d02 и wrfbdy_d02).

Результаты моделирования в каждой области счёта разбиваются на несколько интервалов модельного времени рассматриваемой задачи одинаковой длительности в соответствии с значением параметра frames_per_outfile, указанным пользователем в файле namelist.input, и выводятся программой wrf в выходных файлах wrfout_dNN_YYYY-MM-DD_hh:mm:ss, где NN — порядковый номер области счёта, YYYY-MM-DD и hh:mm:ss – соответственно начальная дата и время для данного интервала модельного времени. Также при необходимости для всех областей счёта формируются файлы повторного запуска вида wrfrst_dNN_YYYY-MM-DD_hh:mm:ss, позволяющие продолжить моделирование с указанного момента модельного времени. Промежуток модельного времени между последовательными записями текущего состояния модели в файл повторного запуска задаётся параметром restart_interval файла namelist.input [9, 11].

2.3 Система подготовки входных данных WPS

2.3.1 Структура системы WPS

Система WPS состоит из трёх независимых программ, конечной задачей которых является подготовка входных данных для программы инициализации (real), и ряда вспомогательных утилит (plotgrids, g1print, g2print, rd_intermediate, plotfmt). Взаимодействие между компонентами системы WPS изображено на рисунке 2.5. Каждая из трёх основных программ отвечает за определённую стадию подготовки данных:

· geogrid — определение областей счёта модели и используемых в ней расчётных сеток, интерполяция статических геоданных на узлы заданных сеток.

· ungrib – извлечение полей метеорологических величин из файлов в формате GRIB.

· metgrid – горизонтальная интерполяция метеоданных, извлеченных с помощью ungrib, на узлы расчётных сеток, заданных geogrid.

Рисунок 2.5 — компоненты системы подготовки данных WPS

В качестве настроек используются значения параметров, указанные в общем файле списка имён namelist.wps, состоящем из нескольких записей. Файл включает в себя отдельную запись для каждой из трёх программ WPS и одну общую запись &share, содержащую параметры, используемые более чем одной программой [9, 11].

Кроме того, каждая из трёх программ использует также отдельный табличный *.TBL файл. В нём содержатся дополнительные параметры, в изменении значений которых во многих случаях нет необходимости.

2.3.2 Определение областей моделирования в geogrid

Расположение расчётных сеток определяется на основании заданных пользователем значений параметров, расположенных в записи &geogrid файла списка имен namelist.wps.

Область моделирования задаётся географическими координатами узла расчётной сетки, выбранного в качестве опорной точки, шагом сетки и количеством узлов в направлении двух координатных осей. Вложенные расчётные сетки определяются своим положением в области моделирования и значением шага.

Для визуализации положения области счёта на карте в соответствии с выбранными параметрами может использоваться вспомогательная утилита plotgrids, которая считывает параметры из файла namelist.wps и функционирует независимо от geogrid. Кроме того, конфигурация областей счёта и все этапы подготовки данных могут осуществляться интерактивно с помощью программы WRF Domain Wizard (входящей в состав WRF Portal) [12].

На основании заданных пользователем параметров для каждого узла расчётной сетки вычисляются значения широты, долготы и масштабного фактора картографической проекции. Затем geogrid производит интерполяцию на узлы сетки геоданных для заданной области моделирования. Геоданные представляют собой совокупность статических характеристик земной поверхности и включают в себя ряд непрерывно изменяющихся величин, таких как:

· высота местности над уровнем моря (рельеф)

· среднегодовая температура глубинных слоёв почвы

· среднемесячная доля растительного покрова (для каждого месяца)

· среднемесячное значение альбедо поверхности

· максимальное альбедо снежного покрова

Другие характеристики представляют собой дискретные величины (порядковый номер категории): тип почвы (16 категорий), тип земной поверхности (24 категории). Каждой такой величине соответствует таблица, содержащая типичные значения ряда физических величин (альбедо, доступное количество влаги, теплопроводность и др.) для каждой из категорий.

Данные глобального покрытия, содержащие указанные статические характеристики для всего земного шара в формате входных данных geogrid доступны для скачивания с сайта WRF [13] в различном пространственном разрешении на широтно-долготной сетке: 10', 5', 2' и 30''. Поскольку геоданные носят статический характер, достаточно однократного скачивания для их последующего постоянного использования.

Помимо интерполяции стандартного набора характеристик земной поверхности, программа geogrid позволяет в рамках общего подхода интерполировать на узлы расчётной сетки поля других величин. Дополнительные наборы данных могут предоставляться пользователем с помощью параметров табличного файла GEOGRID.TBL. В нём перечисляются поля всех величин, интерполируемых программой geogrid. Для каждой из величин указывается используемый метод интерполяции и расположение соответствующего набора данных в файловой системе [9].

Для выходных данных программы geogrid используется формат интерфейса ввода-вывода системы WRF (WRF I/O API). Если в качестве такового пользователем выбран NetCDF, то для визуализации выходных данных geogrid может использоваться широкий спектр сторонних программных средств, включая ncview, NCL и RIP4. Для ARW может быть сформирован отдельный файл geo_em.dNN для каждой области счёта NN, в то время как в NMM используется файл для исходной области счёта geo_nmm.d01 и файлы для различных уровней вложенности geo_nmm_nest.l01.

2.3.3 Извлечение метеоданных из файлов GRIB

Программа ungrib извлекает данные из файлов в формате GRIB и записывает их в достаточно простом формате данных — промежуточном формате системы WPS.

Файлы GRIB содержат изменяющиеся во времени поля метеорологических физических величин, значения которых приводятся в узлах некоторой сетки для определённого момента времени. Как правило, они представляют собой результат вычислений другой атмосферной модели (модели глобальной циркуляции, региональной или мезомасштабной модели). Программа ungrib считывает данные из файлов версии GRIB Edition 1, в случае выбора опции «GRIB2» на стадии компиляции — и из файлов GRIB Edition 2. Содержимое входных файлов форматов GRIB1 и GRIB2 при необходимости может быть просмотрено соответственно с помощью утилит g1print и g2print.

Как правило, в файлах GRIB содержится значительно больше информации, чем требуется для инициализации модели WRF. В обоих версиях формата GRIB для идентификации переменных и уровней вертикальной координаты, на которых приводятся их значения, используются различные стандартные коды. Детали, касающиеся их использования приводятся в официальной документации ВМО и дополнительно уточняются центрами рассылки данных.

В соответствии с этим в программе ungrib используются таблицы переменных Vtable (variable table), содержащие стандартные коды GRIB именно тех величин, поля которых необходимо извлечь из файлов GRIB и перевести в промежуточный формат. В системе WPS доступны стандартные файлы Vtable для работы с файлами GRIB различных версий ряда атмосферных моделей и архивов: NAM 104, NAM 212, NAM AWIP, GFS, данные реанализа NCEP/NCAR в архиве NCAR, RUC, разработанная AFWA модель земной поверхности AGRMET, ECMWF и других наборов данных. Пользователем могут быть созданы собственные таблицы Vtable для использования данных любой другой модели, при этом в качестве шаблона может использоваться любой из существующих файлов Vtable.

В качестве промежуточного формата для выходных данных ungrib может использоваться один из трёх форматов:

· WPS — новый формат данных системы WPS, содержащий некоторые дополнительные сведения (рекомендуется).

· SI – формат, использовавшийся в предыдущей системе подготовки данных WRF SI (WRF Standard Initialization).

· MM5 – формат атмосферной модели MM5 целесообразно использовать в ряде случаев, например, для использования формата GRIB2 в модели MM5.

Для просмотра содержимого выходных файлов ungrib может использоваться утилита rd_intermediate, а для визуализации содержащихся в них полей величин — утилита plotfmt [9, 11].

2.3.4 Интерполяция метеоданных на узлы сетки

В программе metgrid метеоданные в промежуточном формате, полученные с помощью ungrib, подвергаются горизонтальной интерполяции на узлы расчётной сетки, сформированной программой geogrid.

Значения полей рассматриваемых физических величин обрабатываются только для промежутка времени, заданного пользователем параметрами start_date и end_date в записи &share файла списка имён namelist.wps, при этом для каждой расчётной сетки может указываться собственный диапазон дат. В записи &metgrid указывается путь к файлам выходных данных ungrib и некоторые другие параметры.

Управление процессом интерполяции осуществляется также с помощью табличного файла METGRID.TBL. Каждой рассматриваемой величине в файле соответствует отдельный раздел, в котором указываются параметры: используемые методы интерполяции, поля величин, используемые в качестве шаблона для интерполяции с маской, расположение переменных в узлах разнесённой расчётной сетки.