读者答疑 | WRF土地利用类型如何修改？两份中国区域现成数据详解与使用指南

读者答疑 | WRF土地利用类型如何修改？两份中国区域现成数据详解与使用指南

前言

最近有读者在后台留言："近期在做城市化的WRF数值敏感性模拟时，发现模式默认的土地利用数据还是2000年左右的MODIS产品，经过二十多年的快速城市化，下垫面已经发生了很大变化。想更新研究区的土地利用类型，但不知道从哪里下载合适的数据，也不清楚具体怎么替换。有没有现成的、专门针对中国区域的WRF土地利用数据集可以直接使用？"

这个问题确实是很多做区域气候、大气污染扩散、风能评估等方向研究者会遇到的核心问题。下垫面作为陆-气交换过程的边界条件，其准确性直接影响模式对感热、潜热、粗糙度、反照率等关键物理量的计算，进而影响近地面气象要素的模拟效果。

好消息是，小编几年前在气象家园论坛就刷到相关的帖子，Zenodo平台上已经有研究者上传了两份专门针对WRF/WPS预处理系统的中国区域土地利用数据，下载后经过简单配置即可直接运行geogrid.exe调用。本文就来详细介绍这两份数据的具体内容、适用场景及使用方法。

为什么需要更新WRF的土地利用数据

WRF前处理系统WPS在运行geogrid.exe时，默认会从静态地理数据库（WPS_GEOG）中插值土地利用类型。默认的MODIS IGBP数据集基于2000年前后的遥感影像，空间分辨率约为30秒（约1km），时间跨度已逾二十年。

对于中国而言，这期间经历了大规模的城市扩张、退耕还林、湿地缩减等显著的下垫面变化。继续使用旧数据可能导致以下问题：

• 城市热岛效应模拟偏差：新建城区仍被识别为农田或自然植被，导致人为热和粗糙度参数被低估；
• 区域降水模拟偏移：下垫面蒸散发能力变化未得到准确反映；
• 边界层结构失真：地表通量计算偏差会向上传递，影响整层边界层演变。

因此，在开展高精度区域模拟时，使用更新的、高分辨率土地利用数据是有必要的。

数据集一：Land cover for WRF in China（300m，2019年）

3.1 基本信息

• 数据集名称：Land cover for WRF in China
• 发布平台：Zenodo
• 记录号：4915766
• DOI：10.5281/zenodo.3939050
• 空间分辨率：300米
• 时间：2019年
• 区域范围：中国
• 分类体系：Noah-modified 20-category IGBP-MODIS
• 数据格式：WRF/WPS geogrid二进制格式（已包含index文件）
• 下载链接：https://zenodo.org/records/4915766

3.2 数据说明

该数据集由研究者Chao Gao等专门制作并上传至Zenodo，目标是为WRF模式提供可直接接入WPS系统的中国区域高分辨率土地覆盖数据。数据已按照WPS geogrid要求的格式进行组织，包含二进制数据文件和配套的index元数据文件。

根据作者在页面中的说明，该数据集的森林和湿地植被类型与MODIS官方产品存在一定偏差，作者计划在后续版本中修正这一问题。使用者若研究重点关注森林或湿地下垫面，需对此保持注意。

3.3 分类体系

该数据集采用WRF中常用的Noah-modified IGBP-MODIS分类，共20类。与WRF默认的21类体系（增加第21类Lake）相比，该数据集使用了20类方案，在配置WPS时需要注意与namelist中选项的匹配。

各类别定义可参考WRF官方User Guide中MODIS IGBP分类表，主要涵盖常绿针叶林、常绿阔叶林、落叶林、混交林、灌木地、草地、湿地、农田、城市和建成区、农田/自然植被镶嵌体、裸地、冰雪等类型。

数据集二：land use dataset of geogrid in China 2020（500m，2020年）

4.1 基本信息

• 数据集名称：land use dataset of geogrid in China 2020
• 发布平台：Zenodo
• 记录号：6591122
• 空间分辨率：500米
• 时间：2020年
• 区域范围：中国
• 原始数据源：MCD12Q1 Version 006
• 分类体系：17-category IGBP-MODIS（适配WRF为21类体系）
• 数据格式：WRF/WPS geogrid二进制格式（已包含index文件）
• 下载链接：https://zenodo.org/records/6591122

4.2 数据说明

该数据集基于NASA官方发布的MCD12Q1 v006产品加工而成，作者则是公众号气象小筑的作者。MCD12Q1是MODIS Terra与Aqua联合反演的年度土地覆盖产品，采用500米分辨率，包含IGBP、UMD、LAI、BGC、PFT等多种分类方案。

该数据集选取了IGBP分类方案（17类），并进行了WRF适配处理。从作者提供的index文件可以看出，其配置参数为：

mminlu = "MODIFIED_IGBP_MODIS_NOAH"
category_min = 1
category_max = 21
iswater = 17
islake = 21
isice = 15
isurban = 13

这表明数据虽然源自MCD12Q1的17类IGBP产品，但已被重新编码为WRF标准的21类体系（其中第21类为湖泊），与WPS默认的MODIS静态数据完全兼容。

4.3 MCD12Q1 v006 IGBP 17类分类说明

原始MCD12Q1 v006的IGBP分类包含以下17个主要类型：

1. 常绿针叶林（Evergreen Needleleaf Forest）
2. 常绿阔叶林（Evergreen Broadleaf Forest）
3. 落叶针叶林（Deciduous Needleleaf Forest）
4. 落叶阔叶林（Deciduous Broadleaf Forest）
5. 混交林（Mixed Forest）
6. 密闭灌丛（Closed Shrublands）
7. 开阔灌丛（Open Shrublands）
8. 木本稀树草原（Woody Savannas）
9. 稀树草原（Savannas）
10. 草地（Grasslands）
11. 永久性湿地（Permanent Wetlands）
12. 农田（Croplands）
13. 城市和建成区（Urban and Built-up Lands）
14. 农田/自然植被镶嵌体（Cropland/Natural Vegetation Mosaics）
15. 冰雪（Snow and Ice）
16. 裸地或稀疏植被（Barren or Sparsely Vegetated）
17. 水体（Water Bodies）

该分类体系由国际地圈-生物圈计划（IGBP）制定，包含11个自然植被类型、3个人工改造和镶嵌类型、3个非植被类型，是全球土地覆盖研究中最广泛采用的标准之一。

两份数据集对比

如何选择？

• 若研究时段接近2019-2020年，且对空间分辨率敏感（如城市尺度高分辨率模拟），可优先考虑数据集一（300m），但需注意作者在页面中提示的森林和湿地偏差问题；
• 若追求与WRF默认配置的无缝衔接和数据源的可追溯性，数据集二（500m，MCD12Q1 v006）是更稳妥的选择；
• 若研究对森林、湿地蒸散发或碳循环过程高度敏感，建议进一步评估数据集一的类别偏差是否在可接受范围内，必要时可结合其他遥感产品进行交叉验证。

使用方法：在WPS中配置并运行

两份数据集均为WRF/WPS geogrid格式，使用步骤基本一致，具体如下：

6.1 下载与解压

访问上述Zenodo链接，下载数据集压缩包，解压至本地。

6.2 放置到WPS地理数据目录

将解压后的文件夹（包含数据文件和index文件）移动到你的WPS地理数据路径下，例如：

WPS_GEOG/
  modis_landuse_20class_300m_China2019/
    index
    00001-02016.00001-02016
    ...

或

WPS_GEOG/
  modis_landuse_21class_500m_China2020/
    index
    00001-05000.00001-05000
    ...

6.3 修改namelist.wps

在WPS的namelist.wps文件中，找到geogrid部分的geog_data_path确保指向你的WPS_GEOG目录。然后需要确认或修改GEOGRID.TBL文件中landuse相关的条目，使其指向新数据的路径。

更简便的方式是：备份默认的modis_landuse文件夹，将新下载的数据文件夹重命名为默认名称（如modis_landuse_21class_30s），或在GEOGRID.TBL中修改路径指向。

6.4 运行geogrid.exe

配置完成后，运行geogrid.exe：

./geogrid.exe

若配置正确，程序将读取新的土地利用数据并插值到你的模拟区域，生成geo_em.d01.nc等文件。

6.5 验证

使用ncview或Python（xarray/netCDF4）打开geo_em.d01.nc，检查LU_INDEX变量的空间分布是否合理，重点关注研究区的城市、农田、水体分布是否与实际情况相符

结语

本文介绍的两份Zenodo数据为研究者提供了即用型的中国区域高分辨率土地利用数据，省去了从原始遥感影像下载、投影转换、格式转换、生成index文件等繁琐步骤。

需要再次强调的是，无论使用哪份数据，都建议在正式模拟前进行敏感性试验：分别用默认数据和新数据运行短期（如一周）模拟，对比近地面温度、湿度、风场的差异，评估更新下垫面带来的改进效果。

如果你在使用过程中遇到geogrid报错、类别不匹配或空间分布异常等问题，欢迎在评论区留言交流。

参考链接与数据下载

1. Land cover for WRF in China (300m, 2019)：https://zenodo.org/records/4915766
2. land use dataset of geogrid in China 2020 (500m, MCD12Q1 v006)：https://zenodo.org/records/6591122
3. NASA MCD12Q1 v006 官方产品介绍：https://lpdaac.usgs.gov/products/mcd12q1v006/
4. NASA MCD12Q1 v006 User Guide：https://lpdaac.usgs.gov/documents/101/MCD12_User_Guide_V6.pdf
5. MODIS Land Cover Products 官方介绍：https://modis.gsfc.nasa.gov/data/dataprod/mod12.php
6. WRF & MPAS-A Support Forum（土地利用分类讨论）：https://forum.mmm.ucar.edu/threads/geogrid-land-use-classification.18496/
7. 如何在WRF中使用2020年土地利用类型数据集（腾讯云社区）：https://cloud.tencent.com/developer/article/2297389
8. WRF/WPS替换新版MODIS土地利用类型数据教程（CSDN）：https://blog.csdn.net/ME1010/article/details/148881961
9. NOAA官方index文件示例（MODIFIED_IGBP_MODIS_NOAH 21类）：https://www.nco.ncep.noaa.gov/pmb/codes/nwprod/hwrf.v13.2.5/fix/hwrf_wps_geo/modis_landuse_21class_30s/index
10. IGBP土地覆盖分类系统官方文档：https://www.ceom.ou.edu/static/docs/IGBP.pdf

本文基于Zenodo公开数据集及相关技术文档整理，仅供学术交流使用。数据版权归原作者及上传者所有，使用时请遵循相应的数据引用协议。