WRF学习笔记二：WRF-chem简单入门运行指南

本内容相关视频讲解已更新，可点击WRF-Chem简单编译与运行查看

最近读文献觉得有必要学习一下WRF-chem，但因为没有回所，实在是没有勇气在自己的电脑上安装，决定搞搞理论了。之前写过一篇Cygwin下WRF运行安装，流程差异不大，正好比较一下WRF-chem和WRF的差异，等回所学习时也方便些。
关于运行WRF的内容已在之前也写过的WRF运行入门博客WRF模式入门 中提到，下文省略。
在查阅WRF-chem时发现资料较少，对于其运行流程国内也很少有完整且明白的表述，决定自己总结一下，也把搜到的资料汇总一番，希望后面自己跑WRF-chem能轻松一些。

WRF-chem是什么？与WRF的关系？

WRF-chem是模式是由美国NOAA预报系统实验室开发的，将气象模式WRF和化学模式chem耦合形成的区域空气质量模式，它作为WRF模式的一部分发布，由于其依赖于WRF模式对于使用WRF安装、配置、使用具有一定经验。
相比于之前的大气化学模式，WRF-chem能够较好的反应大气气溶胶与气象之间的反馈作用，能够模拟更加真实的大气环境。
目前，WRF-chem可以实现以下功能：

• 结合土壤/植被方案模拟干沉降
• 四种生物排放方案
• 三种人为排放方案选择
• 几种气相化学机理选择
• 三种光解方案选择
• 五种气溶胶情景选择
• 气溶胶的直接效应
• 气溶胶的间接效应
• 两种火山灰排放方案
• 温室气体被动示踪传输
• 用户自己提供数据，模拟示踪传输
• 野火排放烟羽模型
  WRF-chem模式系统如下图所示：
  
  不难看出，WRF-chem的主要模块与WRF一致，主要以下几个模块组成：
• WRF预处理WPS
• WRF-var资料同化
• WRF-solver（含化学）
• WRF后处理（可视化）
  与常规WRF不同的是，该模型的化学部分需要提供额外的与排放相关的网格输入数据。这些额外的输入数据可以由WPS(尘埃排放场)提供，也可以在real.exe初始化期间读取(例如，生物质燃烧、生物源排放、GOCART背景场等)，或者在执行WRF求解期间读取(例如，人为排放、边界条件、火山排放等)。不过，模拟大气化学状态的排放输入数据的生成非常复杂。有些时候，用户需要修改代码或者模型配置，以使其在项目中正常工作。

WRF-chem的安装与配置

WRF的模型的安装并不困难，包基本自带，并不需要以外部代码为基础的库，唯一例外的是netCDF库，此外，如果编译KPP，将需要快速词法分析器(FLEX)库。
前往WRF官网，安装WRF、在下载WRF-chem压缩包（记得保持版本一致），WRF安装、配置、运行请自行搜索，也可参考我之前的博客WRF运行入门博客WRFcygwin版入门
在Linux系统下安装WRF的流程与环境配置，已有许多博客珠玉在前，总结了很多bug，这里给出几篇参考：
WRF-chem单机安装指南
WRF-chemV4.0安装

WRF-chem运行流程

第一步：运行WRF
资料前处理WPS与WRF运行的namelist.wps的参数设置与WRF一致，
在运行完成后，我们能得到首先运行WRF，其流程与WRF一致（注意这时候WRF的运行不开启化学场，即chem_opt = 0，在real.exe完成后，会生成wrfinput_d0x 的初始场，和wrfbdy_d01 的边界场。注意，这两个是气象场，用来给模拟化学提供条件的。
与之不同的在于，WRF-chem的namelist多了一个 CHEM_OPT的选择。也就是说，namelist后增加了&chem的内容，在第一次运行时。chem_opt=0。因为我们只需要得到气象场。

第二步：准备排放数据
获得这气象场后，我们才开始正式跑chem。
在跑chem我们除了作为气象条件的气象场外，还需要排放数据集，这些数据需要放在WRFV3/test/em_real目录中，排放数据集可以分为三类分别是：

• 人为排放(anthropogenic emission)：
• 生物质排放(bio emission)：
• 生物质燃烧排放（biomass burning）

三类排放分别需要不同的处理方法，下面依次介绍：
人为排放
在WRF-chem官网上提供两个人为排放源数据集：
RETRO (0.5 °，月) 和EDGAR (1°，年)和美国国家排放清单。
使用RETRP和EDGAR两个全球排放数据集是最常见的选项，但是，这初始排放数据集需要进行前处理，才能将数据转化为WRF-chem可以读取运行的格式。
这个过程，我们称之化学前处理，前处理的目的是将初始人为排放数据映射到到WRF-chem的模拟域中
为此，WRF-chem提供了一个工具：prep_chem_sources
prep-chem-src一个网格测绘程序，由巴西CPTEC开发，可供WRF-Chem用户。将排放映射到WRF域后，将RADM2形成的数据输出到二进制数据文件中。然后，我们才可以使用转换实用程序将中间二进制数据文件转换为WRF输入数据文件。
对于其安装，可参考安装WRF-CHEM以及编译前处理软件prep-chem-src，接下来，简单介绍一下prep-chem-src的编译与使用。
prep-chem-src编译
安装prep-chem-src后会有三个文件夹：bin、src、aux_src。
想要编译prep-chem-src，需要将目录改为-bin/build,使用命令：

make OPT=pgi.wrf CHEM=RADM_WRF_FIM

便可以开始编译代码。
我们编译prep-chem-src时，主要就是修改bin文件夹下的prep_chem_sources.inp ，它的作用类似于namelist，关于其参数意义与修改，可以参考：prep-chem-src的用法
修改后，我们运行prep_chem_sources_RADM_WRF_FIM_.exe ，随后便得到文件：
WRF-T-2016-11-15-000000-g3-ab.bin （人为排放）
WRF-T-2016-11-15-000000-g3-bb.bin （生物质燃烧数据）
WRF-T-2016-11-15-000000-g3-gocartBG.bin （气溶胶背景场）
注意：该程序一次这能处理一个网格，如果存在嵌套的话，嵌套几层跑几次。
prep-chem-src只提供了一个非常简单的清单处理，偏向于全球模型，对于区域，比如MICS清单不太适用。
这种时候，就需要使用make_anthroo命令编译anthro_emiss程序。该命令将生成anthro_emiss可执行文件。在运行human -emiss程序之前，需要构造WRF域的输入文件并知道其位置。此外，还需要为anthro_emiss程序构造一个输入文件(例如，anthro_emiss.inp)，其中包含诸如可执行目录和wrfinput文件位置等信息。构建了anthro_emiss输入文件后，可以使用重定向命令运行代码。
不过这属于进阶内容了，这里挖个坑吧，总之，如果你使用的是prep-chem-src的话，不要忘记把前处理的文件转换成为WRF-chem可以读取的数据文件哦。
化学数据转化
将跑Pprep-chem-src得到的三个bin文件，链接到test/em_real文件夹下，然后分别将它们改名为：
emissopt3_d01
emissfire_d01
wrf_gocart_bg
随后，将最开始跑WRF得到的气象场wrfout文件和namelist文件复制过来，在namelist的&time_control部分加上：

 io_form_auxinput5 = 2
 io_form_auxinput6 = 2
 io_form_auxinput7 = 2
 io_form_auxinput8 = 2
 io_form_auxinput12 = 2,
 io_form_auxinput13 = 0,
 auxinput6_inname = 'wrfbiochemi_d01',
 auxinput7_inname = 'wrffirechemi_d',
 auxinput8_inname = 'wrfchemi_gocart_bg_d',
 auxinput12_inname = 'wrf_chem_input',
 auxinput13_inname = 'wrfchemv_d'
 auxinput5_interval_m = 1440,1440
 auxinput7_interval_m = 1440,1440
 auxinput8_interval_m = 1440,1440
 auxinput13_interval_m = 1440,1440
 frames_per_auxinput6 = 1,1
 frames_per_auxinput7 = 1,1
 frames_per_auxinput8 = 1,1
 frames_per_auxinput13 = 1,1

同时，我们还需要在&chem里添加内容，关于这部分的参数设置，请各位自行参加搜索文档，根据自身需要设置。
然后就可以onvert_emiss.exe，生成WRF需要的人为排放的nc数据啦，记得文件名需要与namelist里一致。
生物质排放
生物质排放通常使用MEGAN处理。
下载MEGAN源码和数据，编译后用于处理生物源。
进入… /MEGAN/megan_code/目录下，修改
“vim megan_bio_emiss_.inp”，修改对应的domains，wrf_dir，起始月份和终止月份，
以下是一段代码示例：

&control
domains = 3,
start_lai_mnth = 1,
end_lai_mnth = 12,
wrf_dir = '/n/holylfs/LABS/kuang_lab/adayalu/WRF/UTILINP',
megan_dir = '/n/holylfs/LABS/kuang_lab/adayalu/WRF/MEGAN'
/

如果运行得当，就可以得到wrfbiochemi_d0*文件，记得看看是不是对的。
生物质燃烧排放

关于生物质燃烧排放，可以用prep-chem-src处理，也可以使用FINN进行处理。
这个流程和MEGAN类似，进到./FINN/src/目录下，“vim finn2wrf*.inp”，修改对应的domains，fire_filename，然后执行命令*

“./fire_emis <finn2wrf*.inp”

得到wrffirechemi_d01文件

第三步：化学选项chem-opt运行
处理好了排放数据后，我们就可以开始chem-opt的运行了、
关于这个的选择参考官方教程，或者，在这篇博文里进行了部分的翻译WRF-Chem namelist.input设置
我们需要注意chem_opt的化学选项应当对应，将所得到的所有排放数据链接到WRFV3/test/em_real/ 目录，然后第二次运行real.exe，这样，我们就能得到将化学变量和原始气象场结合的文件。

第四步： 设定边界条件
在这一步我们需要重新修改WRF的初始与边界条件文件，由于我们重新运行了real.exe，我们需要根据其模拟结果，重新设置化学初始和边界条件。
当然，也可以不进行修改，也可以使用MOZBC来提供初始和边界条件。
前往 MOZART DOWNLOAD提交你需要的数据请求，包括域大小、边界、时间，提交后一段时间便能得到初始场边界文件。
注意：东西南北边界要覆盖住整个domain1；时间要覆盖住整个模拟时间。
使用MOZBC程序修改wrfinput/wrfbdy文件，使其包含化学边界条件。
从$CLIMATE_MODELS文件夹进入mozbc文件夹。随后：

cp CBMZ-MOSAIC_8bins.inp mozbc.inp

修改inp文件，对应的domain、与WRF，注意对应的化学机制。
下面给出一段示例：

do_bc = .true.
do_ic = .true.
domain = 3
#FYI, I've found mozbc can be unhappy when the set directory path is too long.

dir_wrf = '/n/holylfs/LABS/kuang_lab/adayalu/WRF/UTILINP/' #obviously this should be your specific path.
dir_moz = '/n/holylfs/LABS/kuang_lab/adayalu/WRF/MOZBC/' #obviously this should be your specific path.

修改完成后，我们就可以运行MOZBC：

./mozbc < mozbc.inp > mozbc.out

第五步：运行模式
好了，现在，我们终于做好所有准备工作，准备运行WRF-chem。
回到WRFV3/test/em_real目录，运行wrf.exe。
如果你是在超算中计算，打开并检查你的runwrf.sh文件，提交你的WRF任务。
超算下运行WRF参考如何使用WRF
以上，WRF-chem运行完毕。

总结

总体而言，WRF-chem是WRF的一个高阶应用，在设置与运行WRF-chem时，我们需要比较熟练的安装与运行WRF。
WRF-chem与WRF的不同之处在于，WRF-chem多了一个化学场的模拟，也增加了排放数据的输入，初学者在运行WRF-chem时很容易陷入混乱，不明白如何将化学场应用于WRF中，也不理解chem-opt何时设置运行，接下来，我对WRF-chem的运行流程进行总结。
Step1:只运行WRF
该流程与一般WRF运行一致，首先=进行WPS前处理，在运行WRF。
这一步我们不设置化学选项（chem_opt=0），只获取气象场。
step2：准备排放数据
运行WRF-chem需要输入排放数据，共有三类，每一类数据都有不同的下载与处理步骤。
step3:chem_opt的设置与运行
经过前两步，我们有了气象场，也有了排放数据，现在，我们需要将两者结合。开始根据你的域、时间以及化学机制设置chem_opt，第二次运行real.exe，得到将化学场和气象场结合的文件。
step4：重新设置化学初始边界场
将气象场与化学场结合后，我们需要根据化学模拟结果，重新制作初始与边界条件。
step5：运行WRF-chem
第二次运行WRF，得到最终结果。
为了更直观理解，我绘制了一张简单流程图

欢迎各位批评指正。

参考

WRF-chem运行流程
WRF-chem编译与运行指南
WRF-chem安装及使用说明手册
Detailed example:WRF-Chem: A PM2.5 example
A Quick Review Of How To Set-Up & Run WRF-Chem 3.9.1.1