1. WRF模式输出变量入门指南第一次打开WRF模式的输出文件时我完全被里面密密麻麻的变量名搞晕了。U、V、W、PH、T...这些字母组合到底代表什么它们之间又有什么关系经过多年实际项目经验我发现理解这些变量是使用WRF结果的第一步也是最重要的一步。WRFWeather Research and Forecasting模式作为目前最流行的中尺度气象数值模式其输出变量涵盖了从大气动力到陆面过程的完整物理量。这些变量就像天气系统的体检报告每个参数都反映了大气状态的某个侧面。比如U、V、W三个变量分别代表东西、南北和垂直方向的风速它们共同构成了三维风场而PH和PHB则描述了位势高度场这是分析天气系统的重要依据。在实际工作中我经常看到新手会犯一个错误直接使用默认输出的所有变量结果导致数据文件巨大且难以处理。其实WRF允许用户自定义输出变量列表这就需要我们清楚每个变量的物理意义。举个例子如果只研究近地面气象要素可以只输出U10、V1010米高度风速、T22米高度温度等变量这样能显著减小数据量。2. 大气动力核心变量解析2.1 三维风场与气压场风场和气压场是天气分析的基础。WRF中U、V、W三个变量分别代表U变量东西方向风速经向风单位m/sV变量南北方向风速纬向风单位m/sW变量垂直方向风速单位m/s这里有个容易混淆的点U和V变量在网格上的位置并不相同。U位于网格的西侧边界west_east_stag维度V位于网格的南侧边界south_north_stag维度而质量变量如温度T则位于网格中心。这种交错网格设计是数值计算的常用技巧。气压场方面P和PB分别代表扰动气压和基态气压两者之和才是实际气压。这种分离处理是为了数值计算的稳定性。我记得在一次强对流模拟中发现P变量的值异常大后来才明白需要加上PB才是真实气压。2.2 位势高度与温度场位势高度是分析天气系统的重要工具PH扰动位势高度m²/s²PHB基态位势高度m²/s²T扰动位温KPHPHB得到总位势高度可以换算为常用的位势高度米数。位温T则是大气热力状态的关键指标它消除了气压变化的影响更适合用于垂直比较。在分析对流活动时我通常会先查看位温垂直剖面它能清晰显示大气稳定度。3. 水汽与降水过程变量3.1 水汽相关变量水汽是天气变化的燃料WRF提供了多种水汽变量QVAPOR水汽混合比kg/kgQCLOUD云水混合比kg/kgQRAIN雨水混合比kg/kg这些变量在微物理过程中扮演不同角色。比如在分析一次暴雨过程时我发现QCLOUD的高值区往往先于强降水出现这可以作为降水预警的指标之一。而QVAPOR的垂直分布则影响对流发展高度经验表明当低层QVAPOR0.015kg/kg时容易触发强对流。3.2 降水相关变量降水是WRF模拟的重要输出RAINC对流降水累积量mmRAINNC网格尺度降水累积量mmSNOWNC降雪量mm这里需要注意不同积云参数化方案对RAINC的影响很大。使用Kain-Fritsch方案时我发现RAINC占总降水的比例通常比使用Betts-Miller-Janjic方案时更高。在实际应用中我建议同时分析这两种降水特别是在研究极端降水事件时。4. 辐射与地表能量平衡变量4.1 辐射通量变量辐射是天气系统的能量来源SWDOWN向下短波辐射W/m²GLW向下长波辐射W/m²OLR向外长波辐射W/m²这些变量对地表能量平衡至关重要。在分析一次高温事件时我发现持续的高SWDOWN值配合低的云量可以从QCLOUD判断往往导致极端高温。而OLR的异常低值区有时对应着深厚对流系统。4.2 地表通量变量地表与大气间的能量交换HFX感热通量W/m²LH潜热通量W/m²GRDFLX土壤热通量W/m²在一次城市热岛效应研究中我对比了城区和郊区的HFX差异发现城区白天HFX明显更高这与城市下垫面的特性相符。而LH则与植被覆盖度VEGFRA密切相关这些变量在陆面过程研究中都是关键指标。5. 陆面过程关键变量5.1 土壤温湿度变量土壤状态影响大气边界层TSLB土壤温度KSMOIS土壤湿度m³/m³SH2O土壤液态水m³/m³在干旱模拟中初始土壤湿度SMOIS的设置非常关键。我遇到过因为初始SMOIS设置不当导致模拟的降水与实况偏差很大的情况。建议在使用WRF前先用LSM模型获取合理的土壤初始场。5.2 地表特征变量下垫面属性影响能量交换VEGFRA植被覆盖率-ALBEDO反照率-LANDMASK陆地掩码1陆地0水体这些静态变量虽然不随时间变化但对模拟结果影响深远。我记得在一次模拟中由于使用了过时的土地利用数据LU_INDEX导致城市区域偏小模拟温度明显偏低。现在我会仔细检查这些地表参数必要时更新为更高分辨率的数据。6. 实用变量选择建议经过多次项目实践我总结了一些变量选择经验基础天气分析U/V/W、T、P、PH/PHB、QVAPOR降水研究RAINC/RAINNC、QCLOUD/QRAIN、SNOWNC边界层研究PBLH、HFX、LH、UST陆气相互作用TSLB、SMOIS、VEGFRA、GRDFLX对于新手我建议先从基础变量开始逐步扩展到其他变量。WRF的输出变量虽然繁多但只要理解了它们的物理意义和应用场景就能像搭积木一样组合出需要的分析结果。
