【WRFDA教程第十期】混合数据同化（Hybrid Data Assimilation）

本博客结合- WRFDA（Weather Research and Forecasting Data Assimilation）教程 详细介绍混合数据同化（Hybrid Data Assimilation）。

一、混合数据同化（Hybrid Data Assimilation）

背景

在传统的 WRFDA 3DVAR/4DVAR 中，背景误差协方差（Background Error Covariance）是 静态的（static），即不随天气场变化。

混合方法的不同点

混合方法结合了：

• 静态误差协方差（Static B matrix）
• 从集合预报中估计的流依赖误差协方差（Ensemble-based B matrix）

这使得背景误差可以随天气流场变化而变化，是所谓的 flow-dependent，从而提高了分析精度。

混合模式所用的可执行文件

在 WRFDA/var/build 目录下包含以下 4 个关键程序：

程序名	功能说明
gen_be_ensmean.exe	计算集合均值和方差
gen_be_ep2.exe	生成集合扰动（perturbations）
gen_be_vertloc.exe	垂直方向的局地化处理
da_wrfvar.exe	主同化程序，运行 hybrid 模式

对比总结表如下：

对比项	3DVAR/4DVAR	3DEnVar/4DEnVar
背景误差	静态	静态 + 动态（集合）
是否需要集合	否	是
是否需要 WRFPLUS	是（4DVAR）	否（4DEnVar）
优势	简单、经典	精度高、适应天气流场变化

二、3DEnVar 模式下混合同化的执行步骤

第1步：设置工作目录

setenv WORK_DIR your_hybrid_path
setenv DAT_DIR your_data_path
cd $WORK_DIR

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第2步：计算集合均值

a) 链接集合成员文件（10个集合预报）

ln -sf $DAT_DIR/Hybrid/fc/2015102612/wrfout_d01_2015-10-27_12:00:00.e* .

b) 准备模板文件

cp wrfout_d01_2015-10-27_12:00:00.e001 wrfout_d01_2015-10-27_12:00:00.mean
cp wrfout_d01_2015-10-27_12:00:00.e001 wrfout_d01_2015-10-27_12:00:00.vari

c) 设置 gen_be_ensmean_nl.nl 文件

&gen_be_ensmean_nl
directory = '.'
filename = 'wrfout_d01_2015-10-27_12:00:00'
num_members = 10
nv = 7
cv = 'U', 'V', 'W', 'PH', 'T', 'MU', 'QVAPOR'
/

d) 运行计算程序

ln -sf $WRFDA_DIR/var/build/gen_be_ensmean.exe .
./gen_be_ensmean.exe

输出文件：

• *.mean：集合均值
• *.vari：集合方差

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第3步：生成集合扰动（perturbations）

a) 创建工作子目录

mkdir -p ./ep
cd ./ep

b) 执行扰动生成程序（参数依次为日期、成员数、路径、文件名前缀）

ln -sf $WRFDA_DIR/var/build/gen_be_ep2.exe .
./gen_be_ep2.exe 2015102712 10 . ../wrfout_d01_2015-10-27_12:00:00

输出文件包括扰动文件和中间文件（tmp.e* 可删除）

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第4步：生成垂直局地化输入文件

cd $WORK_DIR
ln -sf $WRFDA_DIR/var/build/gen_be_vertloc.exe .
./gen_be_vertloc.exe 42

生成的文件是 be.vertloc.dat

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第5步：运行 WRFDA 混合同化

a) 准备输入文件（软链接）

ln -fs ./wrfout_d01_2015-10-27_12:00:00.mean ./fg
ln -fs $WRFDA_DIR/run/LANDUSE.TBL .
ln -fs $DAT_DIR/Hybrid/ob/2015102712/ob.ascii ./ob.ascii
ln -fs $DAT_DIR/Hybrid/be/be.dat ./be.dat
ln -sf $WRFDA_DIR/var/build/da_wrfvar.exe .
cp $DAT_DIR/Hybrid/namelist.input .

b) 编辑 namelist.input 文件

关键设置如下：

&wrfvar7
je_factor = 2.0
/&wrfvar16
ensdim_alpha = 10
alphacv_method = 2
alpha_corr_type = 3
alpha_corr_scale = 500.0
alpha_std_dev = 1.000
alpha_vertloc_opt = 2
ep_format = 1
/

• ensdim_alpha：集合维数
• alpha_corr_scale：水平局地化尺度（单位 km）

c) 执行主程序

./da_wrfvar.exe >& wrfda.log

输出结果与 3DVAR 类似。

三、4DEnVar 模式混合同化的执行步骤

特点

• 不需要 WRFPLUS（切线/伴随模型）
• 类似于 FGAT（First Guess at Appropriate Time）
• 需要多个时间的集合均值和扰动（每个时间窗都要）
• 同样运行 gen_be_ensmean.exe, gen_be_ep2.exe, gen_be_vertloc.exe

激活方式
在 namelist.input 文件中添加：

&wrfvar16
use_4denvar = .true.
/

示例

• 集合初始化时间：2005071512
• 有效时间：2005071521 到 2005071603
• 分析时间：2005071600

和 3DEnVar 类似，只是需要更多时间点的集合均值和扰动数据，计算量更大。

四、Dual-resolution Hybrid（双分辨率混合同化）

什么是 Dual-resolution Hybrid？

在 混合同化（Hybrid DA） 中，我们通常需要：

• 高分辨率背景场（用于最终分析）
• 集合扰动（用于估计流依赖误差）

Dual-resolution Hybrid 允许：

• 在 高分辨率分析域（如 15km）上执行同化；
• 使用从 低分辨率集合（如 45km）中提取的扰动来估计背景误差协方差。

这种方式可以 降低集合计算成本，同时保留高分辨率分析的优势。

🧠 背后原理

• 高分辨率背景提供更精准的局地天气细节；
• 低分辨率集合提供大尺度、流依赖的背景误差估计；
• 通过插值与映射关系，将低分辨率扰动影响传递到高分辨率分析中。

准备工作

需要两个 WRF 域（domain）：

• Domain 1：低分辨率集合域
  集合扰动文件必须来自 Domain 1
• Domain 2：高分辨率分析域
  分析运行将在 Domain 2 上进行

namelist.input 配置方法

1. &domains 设置

重点要求：

• max_dom = 2：两个域
• 低分辨率设置必须写在每列的第一项！
• parent_id 和 parent_grid_ratio 要正确设置嵌套关系

示例：

&domainstime_step            = 90,max_dom              = 2,s_we                 =   1,   1,e_we                 = 222, 184,s_sn                 =   1,   1,e_sn                 = 128, 196,s_vert               =   1,   1,e_vert               =  45,  45,dx                   = 45000, 15000,dy                   = 45000, 15000,grid_id              = 1,  2,parent_id            = 0,  1,i_parent_start       = 0, 89,j_parent_start       = 0, 22,parent_grid_ratio    = 1,  3,
/

2. &wrfvar16 设置

增加以下关键参数：

&wrfvar16
hybrid_dual_res = .true.   ! 激活双分辨率混合同化
ensdim_alpha    = 10       ! 使用的集合成员数（必须 > 0 才启用混合）
/

3. 其他要求
在工作目录中，准备一个名为 fg_ens 的文件：

ln -sf your_low_res_domain/wrfinput_d01 ./fg_ens

这个文件不用于分析计算，只是用于读取低分辨率集合域的网格映射信息。

五、Hybrid namelist options（混合模式相关 namelist 设置）

在 WRFDA（Weather Research and Forecasting Data Assimilation） 系统中，&wrfvar7 和 &wrfvar16 是 namelist.input 文件中用于混合同化（Hybrid DA） 和 变分同化（3DVAR/4DVAR） 的两个重要参数组。

&wrfvar7：混合协方差权重设置（Hybrid Covariance Weighting）

功能概述
&wrfvar7 主要用于控制静态背景误差协方差（B_static） 和 集合扰动误差协方差（B_ens） 之间的混合比例。

以下为与混合同化密切相关的 namelist 参数说明：

参数名	类型	默认值	说明
je_factor	实数	1.0	集合协方差权重因子，控制 B_ens 与 B_static 的混合比例。推荐值为 2.0（即 50:50 权重）
jb_factor	实数	自动计算	静态协方差权重因子，由程序根据 je_factor 自动计算： jb_factor = je_factor / (je_factor - 1)（如 je=2.0，则 jb=2.0）

混合协方差公式：
B_{\text{hybrid}} = \left(1 - \frac{1}{\text{je_factor}} \right) B_{\text{static}} + \frac{1}{\text{je_factor}} B_{\text{ens}}

例如：

• je_factor = 2.0 → 50% B_static + 50% B_ens
• je_factor = 3.0 → 66.7% B_static + 33.3% B_ens

&wrfvar16：混合模式控制与高级功能设置

功能概述
&wrfvar16 控制与 Hybrid DA、Dual-resolution Hybrid、4DEnVar、扰动读取格式 等相关的高级设置，是配置 Hybrid 系统的核心部分。

常用参数说明如下：

参数名	类型	默认值	说明
ensdim_alpha	整数	0	启用 hybrid 模式的开关，>0 则启用混合同化，值为集合成员数
use_4denvar	逻辑	.false.	启用 4DEnVar 模式
hybrid_dual_res	逻辑	.false.	启用双分辨率混合同化（Dual-resolution Hybrid）
ep_para_read	整数	0	扰动文件读取方式： 0=串行，1=并行
rden_bin	整数	1	并行读取的 bin 数，越小越快但占内存多；越大越慢但节省内存
alphacv_method	整数	2	协方差空间类型： 2=模型变量空间（推荐） 1=控制变量空间
alpha_corr_type	整数	3	协方差函数类型： 1=指数型，2=SOAR，3=高斯（推荐）
alpha_corr_scale	实数	200.0	协方差的水平局地化半径（单位：km）
alpha_std_dev	实数	1.0	alpha 的标准差（调节扰动强度）
alpha_vertloc_opt	整数	2	垂直局地化选项： 0=不局地化 2=默认 logP 层局地化（推荐）
ep_format	整数	1	扰动文件格式（v4.2+ 支持多种格式）： 1=原始格式，2/3=单精度合并格式，推荐用于大域

补充说明：ep_format 格式选项

ep_format	描述
1	每个变量每个成员一个文件（双精度）
11	同上，但为单精度
2	每个变量一个文件，包含所有成员（单精度）
3	每个变量一个文件，包含所有成员，分块域（decomposed patch），适合大区域模拟

参考