Глава 2: Система атмосферного моделирования wrf

2.1Общая характеристика

Weather Research and Forecasting (WRF) – одна из наиболее современных и разработанных систем численного прогноза погоды и атмосферного моделирования. В настоящее время WRF позиционируется в качестве единого рабочего инструмента для совместного использования научно-исследовательскими учреждениями и метеослужбами.

Разработка системы WRF является результатом сотрудничества ряда ведомств, исследовательских организаций и университетов в рамках проекта по созданию нового поколения систем мезомасштабного атмосферного моделирования и усвоения данных метеонаблюдений с целью улучшения понимания физических процессов в атмосфере и повышения качества прогнозирования мезомасштабных погодных явлений, а также для скорейшего внедрения новейших научно-исследовательских разработок в сфере атмосферного моделирования в практику оперативного метеорологического прогнозирования [5].

WRF представляет собой чрезвычайно гибкую, открытую к модификациям программную систему, находящуюся в свободном доступе (Public Domain). Высокая степень машинонезависимости программного кода позволяет использовать WRF практически в любом программном окружении для широкого спектра вычислительных платформ, включая наиболее мощные суперкомпьютеры, серверы, рабочие станции, персональные и даже портативные компьютеры.

Наряду с использованием в практике численного прогноза погоды, приложения WRF включают в себя исследования в области усвоения данных метеонаблюдений, разработки схем параметризации физических процессов в атмосфере, моделирования регионального климата, анализа распространения примесей в атмосфере, взаимодействия атмосферы и океана, моделирования идеализированных случаев, представляющих интерес для теоретических исследований. Являясь свободно распространяемым программным обеспечением, WRF используется в научных и практических целях в различных странах мира и продолжает непрерывно развиваться [5].

В разработку WRF внесли свой вклад в целом более 150 организаций в США и за их пределами. Среди основных — подразделение мезомасштабной и микромасштабной метеорологии (MMM Division) NCAR [6], организации Межуниверситетского объединения по атмосферным исследованиям UCAR (University Cooperation for Atmospheric Research), Национальные центры прогнозирования окружающей среды NCEP (National Centers for Environmental Prediction) [7] и Лаборатория исследования систем Земли ESRL (Earth System Research Laboratory) [8] Национальной администрации по океану и атмосфере США (NOAA, National Oceanic and Atmospheric Administration), Метеослужба ВВС (AFWA, Air Force Weather Agency) и Лаборатория по морским исследованиям (NRL, Naval Research Laboratory) Минобороны США, Центр анализа и прогнозирования штормов CAPS (Center for Analysis and Prediction of Storms) при университете штата Оклахома и Федеральное авиационное агентство FAA (Federal Aviation Administration).

2.2Компоненты программной системы wrf

2.2.1Структура программной системы wrf

Гибкость системы WRF обусловлена модульной структурой её программного кода. WRF состоит из множества достаточно независимых компонент, выполняющих определённые задачи на разных стадиях моделирования.

Основные компоненты WRF изображены на рисунке 2.1 и включают в себя динамические ядра, программные модули представления физических процессов (Physics Packages) и интерфейс их взаимодействия с динамическими ядрами (Physics Interface), модуль вариационного усвоения данных метеонаблюдений WRF-Var и модель химического состава атмосферы WRF-Chem. Внешними компонентами WRF являются система подготовки входных данных WRF Preprocessing System (WPS), система объективного анализа данных стандартных метеонаблюдений OBSGRID, различные программные средства визуализации и последующей обработки (пост-процессинга) выходных данных WRF (результатов моделирования) [9].

Рисунок 2.1 — Структура программной системы WRF

Необходимое взаимодействие между различными компонентами WRF и обмен данными с внешними программами обеспечивается в рамках программного среды WRF Software Framework (WSF). В частности, интерфейс ввода-вывода WRF I/O API позволяет WRF функционировать совместно с различными сторонними программными средствами, что обеспечивает естественную поддержку системой множества форматов данных [9]. Интерфейс взаимодействия моделей (Model Coupling API) предоставляет возможность совместной работы WRF c другой системой моделирования, например, совместно с моделью циркуляции океана, моделью земной поверхности и т. п. WSF позволяет реализовать такое взаимодействие в рамках единого программного окружения Earth System Modeling Framework (ESMF).