学习笔记 | WRF动量粗糙度（Z0）修改教程

WRF动量粗糙度（Z0）修改教程

背景介绍

动量粗糙度长度（Z0, Momentum Roughness Length）是WRF模式中描述地表粗糙程度的关键参数，直接影响地表风场模拟。根据地表类型的不同（如农田、城市、湖泊等），Z0值会有显著差异。

WRF中Z0值的存储位置

WRF模式中Z0值存储在多个位置：

注意事项

• VEGPARM.TBL和LANDUSE.TBL虽然物理含义相同，但数值可能不同
• 各表的Z0值由开发者根据各自的信息指定，进行敏感性测试时需选择合适的表

修改方法

方法一：修改VEGPARM.TBL

适用场景：调整表面风模拟的敏感性

步骤：

1. 找到WRF运行目录中的VEGPARM.TBL文件
2. 在文件中找到需要修改的土地利用类别（如URBAN = 13）
3. 修改以下参数：
   • Z0MIN：最小动量粗糙度
   • Z0MAX：最大动量粗糙度

示例：

INDEX   CATEGORY      ISLT   ZSOIL  DMAX  ALBEDO    ...
13      URBAN AND BLD    1    2.0   0.5   0.15      ...
...     ...            ...    ...   ...   ...       ...
        Z0MIN          1.0
        Z0MAX          2.0

方法二：修改LANDUSE.TBL

适用场景：使用module_sf_sfclay.F或module_sf_sfclayrev.F时

步骤：

1. 找到LANDUSE.TBL文件
2. 查找对应土地利用类别的Z0列
3. 直接修改Z0值

注意：此修改适用于直接在边界层方案中使用LANDUSE.TBL的情况，不影响NOAH或RUC陆面模式。

方法三：修改lake module（针对湖泊）

适用场景：调整湖泊表面的粗糙度长度

步骤：

1. 定位到WRF源代码中的lake module（通常为module_lake.F）
2. 在文件中找到Z0的常量定义
3. 修改对应的Z0值

建议：对于湖泊相关的修改，直接修改lake module比修改VEGPARM.TBL更准确。

输出表面粗糙度ZNT

如果需要在模拟过程中输出表面粗糙度（ZNT）进行验证，需要修改WRF注册表。

步骤：

1. 找到WRF主目录下的Registry/Registry.EM_COMMON文件
2. 搜索ZNT变量
3. 将ZNT的状态从i3r（仅用于计算）改为i3rh（用于计算并输出）

修改示例：

# 修改前
state   real  ZNT         ij        misc      1       i3r    "ZNT AT PREVIOUS TIME STEP"    "m"

# 修改后
state   real  ZNT         ij        misc      1       i3rh   "ZNT AT PREVIOUS TIME STEP"    "m"

重新编译WRF：

./clean -a
./configure
./compile em_real

创建新的土地利用类别

如果现有土地利用类别的Z0值不符合研究需求，可以创建新的类别。

步骤：

1. 修改geo_em文件：
   • 使用NCL或其他工具打开geo_em.d0X.nc文件
   • 修改LU_INDEX变量的值，将部分区域分配给未使用的类别编号（如22）
   • 保存修改
2. **修改VEGPARM.TBL**：
   • 在表中添加新的类别索引（如22）
   • 为新类别设置相应的Z0MIN和Z0MAX值

示例：

INDEX   CATEGORY      ISLT   ZSOIL  DMAX  ALBEDO    ...
22      CUSTOM URBAN    1    2.5   0.6   0.12      ...
        Z0MIN          1.5
        Z0MAX          3.0

1. 重新运行WPS和WRF：
   • 更改会自动被met_em和wrfinput采用

注意事项

1. 物理合理性：修改Z0值时应确保物理意义合理，建议参考相关文献的典型值范围
2. 敏感性测试：进行Z0敏感性测试时，应选择适当的表（VEGPARM.TBL或LANDUSE.TBL）进行修改
3. 编译要求：修改注册表后必须重新编译WRF才能生效
4. LU_INDEX修改：修改geo_em中的LU_INDEX会影响整个模拟流程，确保met_em和wrfinput文件正确采用新值
5. 备份文件：修改前备份原始文件，以便出现问题时恢复
6. 验证结果：输出ZNT后，可通过可视化工具（如NCL、Python）检查修改效果

参考资源

• https://forum.mmm.ucar.edu/threads/how-to-change-surface-roughness-length-for-lake.3491/
• https://forum.mmm.ucar.edu/threads/roughness-value.13267/#post-32437
• WRF用户手册