首先应该要说明一下,气象上的开源数值模式并不仅仅只用WRF,例如ARPS,RegCM,CESM等模式也是常常使用的。那么为什么会有中感觉WRF是气象上预报和模拟最常用的数值模式呢?我们来简单过一下这几个模式。
RegCM:全名是Regional Climate Model。基于MM5发展起来的静力平衡区域气候模式。主要面向区域气候模拟。计算相对稳定。
WRF:全名是Weather Research and Forecast Model。从名字上就可以看出,WRF的主要面向对象是天气预报和天气研究。WRF中有NMM和ARW两种框架可以选择,可以作为全球模式进行天气预报,也可以作为区域模式进行天气现象的数值模拟。WRF是非静力平衡的数值模式,垂直方向采用eta坐标。
CESM:Community Earth System Model。地球系统模式。里面的大气分量CAM(Community Atmospheric Model)也是一种常用的非静力平衡大气模式,主要面向气候方面的研究。CAM垂直方向采用混合坐标。
ARPS:Advanced Regional Prediction System。针对中小尺度天气研究开发的数值模式,垂直方向采用高度坐标。
从上面可以看到,其他几个模式是针对某一类型的问题细化的。RegCM的设计主要是面向区域气候领域,计算稳定,静力平衡,整体计算规模会比WRF小一些。CESM(CAM)只支持全球模拟,也是面向气候,环流等等研究,垂直方向上混合坐标,对于很多有强垂直运动的天气现象并不合适。ARPS则是对天气研究进行了强化,垂直方向高度坐标能够更好地解析垂直速度,但是模式也很不稳定。
我们再看WRF。非静力平衡,垂直方向eta坐标,能够满足大部分中尺度的天气研究。最近几年WRF也开始作为区域气候模式使用,一定程度上也是因为eta坐标的特点和里面包含大量的物理参数化方案(WRF的扩展性是这些模式中最好的)。WRF在全球模式下可以进行天气预报。WRF还包含理想模型,从单柱模式到理想飑线到理想台风,WRF的理想模式可以用于理论研究。WRF甚至还包含单独的大气化学模块,可以进行气溶胶的预报等等。WRF还有一个同化系统WRFDA,里面有三维变分,四维变分,集合卡尔曼滤波等等。所以WRF的功能几乎可以覆盖整个大气科学专业本科教学的大部分课程。想学天气学原理,中小尺度天气学吗?可以用WRF模拟个台风分析分析玩玩;想学数值天气预报吗?可以用WRF做预报;想了解同化吗?里面有同化系统;想学气候学吗?WRF可以做区域气候模式;想学动力气象吗?WRF里有理想模型,可以做一些动力学分析。。。
那么为什么只有WRF才有这么多功能?我个人的理解是:1.WRF发展初期,主要针对中尺度天气研究,同时考虑了计算量和计算稳定性,没有像ARPS一样完全针对中小尺度天气研究,所以为后续的扩展提供了可能;2.WRF良好的设计,代码扩展便利;3.作为NCAR主推的模式之一,NCAR强大的科研实力和巨大的科研工具需求为WRF开发了大量的优质资源,比如NCL可以支持WRF输出处理,现在还有pyWRF可以支持WRF输出处理;4.开源且良好的社区,以及很多物理方案都加入到WRF中。
那么怎么样快速入门呢?当然是先找一个问题,然后设计一下实验方案,最后才开始入门学习WRF。这样学习者就可以在WRF的诸多功能中选择自己有需要的部分,然后熟悉调参的过程,模拟分析的过程。当这一个研究问题结束,我想对WRF一定有了初步的了解,那么后面再熟悉不同的功能,甚至不同的数值模式就会很快了。