数值模式 | WRF与CMAQ的桥梁——MCIP工具介绍

数值模式 | WRF与CMAQ的桥梁——MCIP工具介绍

最近读者问wrf数据怎么转cmaq的输入格式，小编于是稍作检索，将内容呈上（实际上是官方教程的搬运，如有问题还是去原仓库了解）

在空气质量数值模拟工作流中，WRF（Weather Research and Forecasting）模式提供气象场驱动，而CMAQ（Community Multiscale Air Quality）模式进行化学传输模拟。两者之间需要一个关键的桥梁——MCIP（Meteorology-Chemistry Interface Processor），将WRF输出的气象数据转换为CMAQ/SMOKE可用的气象输入文件。[^mcip_epa]

根据CMAQ官方用户手册，CMAQ所需的气象输入必须由MCIP从WRF输出生成，且MCIP应作为CMAQ预处理流程的第一步。[^cmaq_inputs]

常见痛点：

• WRF输出文件（wrfout）格式与CMAQ输入要求不匹配
• 需要处理网格交错、坐标转换、变量计算等复杂操作
• MCIP配置参数众多，容易出错

本教程将详细介绍如何使用MCIP进行格式转换，并补充关键配置与输出检查。

转换流程概览（Mermaid）

flowchart TD
  A[运行 WRF 生成 wrfout] --> B[配置 run_mcip.csh 参数]
  B --> C[运行 MCIP]
  C --> D[生成 CMAQ 输入文件]
  D --> E[最小成功判据检查]

技术方案概述

MCIP核心功能（概要）

以下功能概述基于 EPA 对 MCIP 的官方说明：[^mcip_epa]

输入输出文件

MCIP输入文件：（来自MCIP README）[^mcip_readme]

MCIP输出文件：（来自MCIP README）[^mcip_readme]

（以上文件清单与必需性说明来自 MCIP README）[^mcip_readme]

第一部分：MCIP安装与配置

1.1 环境准备

MCIP作为CMAQ的一部分发布，源码位于CMAQ仓库的 PREP/mcip 目录。[^mcip_readme]

提示：具体依赖、编译器版本与库要求请以你所使用的CMAQ发行版文档为准。

# 可选：检查环境变量与工具（在终端执行）
!nc-config --version
!nf-config --version
!echo $IOAPI

1.2 MCIP编译

MCIP源码随CMAQ发布，以下为常见编译流程示例（路径仅作示意）：

%%bash
# 设置CMAQ主目录（示例路径）
export CMAQ_HOME=/path/to/CMAQ

# 进入MCIP源码目录
cd$CMAQ_HOME/PREP/mcip/src/

# 加载配置文件
source$CMAQ_HOME/config_cmaq.csh

# 编译
./make |& tee make.mcip.log

# 检查编译结果
ls -la $CMAQ_HOME/PREP/mcip/src/mcip.exe

1.3 配置运行脚本

MCIP通过 run_mcip.csh 脚本运行，脚本会在每次运行时自动生成namelist。[^mcip_readme]

关键配置变量包括 InMetDir、InMetFiles、MCIP_START/END、INTVL、IOFORM 等。[^mcip_readme]

• InMetFiles 应按时间顺序列出，确保覆盖 MCIP_START/END。
• IOFORM 输出格式需与后续 CMAQ/工具链读取方式保持一致。

# MCIP配置参数示例（run_mcip.csh）
mcip_config = '''
# 应用名称（用于输出文件命名）
set APPL = "20240701"

# 坐标系统和网格名称
set CoordName = "LAM_40N100W"
set GridName = "Beijing_3km"

# 输入输出路径（示例路径）
set DataPath = "/data/CMAQ"
set InMetDir = "/data/WRF/wrfout"
set InGeoDir = "/data/WRF/geogrid"
set OutDir = "/data/CMAQ/mcip_output"

# WRF输出文件列表（最多300个）
# 按时间顺序列出，确保覆盖 MCIP_START/END
set InMetFiles = ( \
    $InMetDir/wrfout_d01_2024-07-01_00:00:00 \
    $InMetDir/wrfout_d01_2024-07-01_01:00:00 \
    # ... 更多文件
)

# 地理网格文件（可选）
set IfGeo = "T"
set InGeoFile = "$InGeoDir/geo_em.d01.nc"

# 时间设置（UTC）
set MCIP_START = "2024-07-01-00:00:00.0000"
set MCIP_END = "2024-07-02-00:00:00.0000"

# 输出时间间隔（分钟）
set INTVL = "60"

# 输出格式：1=I/O API, 2=netCDF
# 与后续 CMAQ/工具链读取方式保持一致
set IOFORM = "1"

# 边界裁剪：BTRIM=5 推荐用于去除 WRF 侧边界
# BTRIM=-1 则使用窗口裁剪（X0/Y0/NCOLS/NROWS）
set BTRIM = "5"

# 窗口裁剪参数（仅当BTRIM=-1时使用）
# set X0 = "5"      # 左下角X坐标
# set Y0 = "5"      # 左下角Y坐标
# set NCOLS = "100" # 输出列数
# set NROWS = "100" # 输出行数
'''

print(mcip_config)

1.4 运行MCIP

执行MCIP转换（脚本示例来自官方README）：[^mcip_readme]

1.5 最小成功判据（完成检查）

运行后在输出目录中至少应看到以下关键文件：GRIDDESC、GRID_CRO_2D、GRID_CRO_3D、MET_CRO_2D、MET_CRO_3D、MET_BDY_3D。 如设置 IOFORM=2，还应生成 mcip.nc 与 mcip_bdy.nc。[^mcip_readme]

%%bash
# 进入脚本目录
cd $CMAQ_HOME/PREP/mcip/scripts

# 运行MCIP
./run_mcip.csh |& tee run_mcip.log

# 检查输出
ls -la $OutDir/

参考与引用

[^mcip_epa]: EPA 官方 MCIP 页面（说明 MCIP 读取 WRF 输出并生成 CMAQ 输入） https://www.epa.gov/cmaq/meteorology-chemistry-interface-processor

[^mcip_readme]: USEPA CMAQ 官方仓库 MCIP README（输入输出、脚本参数、运行方式） https://github.com/USEPA/CMAQ/blob/main/PREP/mcip/README.md?plain=1

[^cmaq_inputs]: CMAQ 用户手册（说明气象输入由 MCIP 生成，且为流程第一步） https://usepa.github.io/CMAQ/DOCS/Users_Guide/CMAQ_UG_ch04_model_inputs.html