【WRF-Chem 实例1】namelist.input 详解- 模拟CO2
目录
- &time_control（时间控制）
- &physics（物理过程参数化方案）
- &fdda（四维数据同化）
- 工作机制简述
- &dynamics（WRF 动力核心的数值方法和选项）
- &bdy_control（边界控制设置）
- &chem（WRF-Chem 主要化学设置）
- &namelist_quilt（并行 I/O 控制）
- 参考
以下namelist.input 配置文件用于运行一个 简化的 CO₂ 模拟，使用 VPRM（植被光合作用与呼吸模型） 来计算陆地 CO₂ 通量，化学机制编号为 16，且：
- 没有使用完整的大气化学机制（如 MOZART 或 CBMZ）。
- 关闭气体化学反应，仅开启气溶胶模拟（以模拟 CO₂ 与 PM10/PM2.5 的共同分布）。
- CO₂ 的输入和输出通过
auxinput5（排放）和auxhist23（输出）来处理。 - 使用
VEGASflux_d<domain>文件（auxinput6）来输入植被 CO₂ 通量或其他生物地气交换数据。 - 启用 VPRM 表格
VPRM_table_US来提供植被参数。
&time_control（时间控制）
这一部分设置了模拟的时间范围、输出频率、输入文件格式等。
| 参数 | 含义 |
|---|---|
start_* / end_* | 模拟开始和结束时间。这里是从 2004 年 5 月 29 日 00:00 到 06:00，运行 6 小时。 |
interval_seconds = 21600 | WRF 的气象输入文件（met_em）的时间间隔，21600 秒 = 6 小时。 |
input_from_file = .true. | 从中间文件（如 met_em）读取初始和边界条件。三个域都启用。 |
history_interval = 1440 | 模拟输出的时间间隔，单位为分钟（1440 分钟 = 24 小时）。 |
frames_per_outfile = 1 | 每个 wrfout 文件包含一个时间帧。 |
restart = .false. | 不从重启文件继续模拟。 |
io_form_* = 2 | 输入输出文件格式。2 代表 NetCDF 格式。 |
auxinput5_inname = 'wrfchemi_d<domain>_<date>' | 化学排放输入文件的模板名称。 |
auxinput5_interval_m = 60 | 化学排放输入时间间隔，单位分钟（每小时一个）。 |
auxinput6_inname = 'VEGASflux_d<domain>_<date>' | 用于生物地气交换（如 CO₂）的输入文件。 |
auxhist23_outname = "wrfco2_d<domain>_<date>" | 用于输出 CO₂ 的辅助历史文件名模板。 |
iofields_filename = "io_fields_twh.txt" | 自定义 I/O 字段控制文件。 |
debug_level = 0, | 设置 WRF 模型运行时的调试信息输出等级（verbosity level） |
有关设置内容如下：（右侧为官方提供设置）
&physics（物理过程参数化方案）
| 参数名 | 值 | 含义 | 与 WRF-Chem 的关系 |
|---|---|---|---|
mp_physics | 8 | 微物理方案，8 = Thompson | 与气溶胶-云相互作用有关；适合气溶胶模拟 |
progn | 0 | 是否启用气溶胶控制的云滴激发 | 0 表示关闭，气溶胶不影响云滴形成 |
naer | 1e9 | 固定气溶胶粒子数浓度 (cm⁻³) | 仅在 progn=1 时有效，控制 CCN 数量 |
ra_lw_physics | 1 | 长波辐射方案：RRTM | 与气溶胶/温室气体的辐射反馈有关 |
ra_sw_physics | 2 | 短波辐射方案：Dudhia | 可与气溶胶短波吸收/散射过程耦合 |
radt | 30 | 辐射方案时间步长（分钟） | 与化学辐射反馈频率有关 |
sf_sfclay_physics | 1 | 表面层方案（MM5） | 决定地表与大气交换，对干沉降重要 |
sf_surface_physics | 2 | 陆面过程模型：Noah | 与 CO₂/VPRM、生物通量、干沉降直接相关 |
sf_urban_physics | 1 | 城市物理方案：SLUCM | 模拟城市热通量和排放，适合城市污染研究 |
bl_pbl_physics | 6 | 边界层方案：MYNN Level 3 | 与污染物垂直混合、沉降、湍流扩散相关 |
bldt | 1 | PBL 时间步长（分钟） | 控制边界层计算频率 |
cu_physics | 0 | 对流参数化关闭 | 适用于高分辨率模拟（显式对流） |
cudt | 30 | 对流方案时间步长（分钟） | 对流关闭时无效 |
isfflx | 1 | 输出地表通量 | 用于化学模拟中的地表排放、沉降诊断 |
ifsnow | 1 | 启用雪过程 | 与雪盖能量平衡和污染物沉降相关 |
icloud | 1 | 启用云过程 | 云对气溶胶、化学物种有显著影响 |
surface_input_source | 1 | 地表输入方式 | 标准方式，搭配 Noah LSM |
num_soil_layers | 4 | 土壤层数 | Noah LSM 默认，影响地表热/水交换 |
maxiens | 1 | 集合扰动控制参数 | 与化学无直接关系 |
maxens | 3 | 同上 | - |
maxens2 | 3 | 同上 | - |
maxens3 | 16 | 同上 | - |
ensdim | 144 | 同上 | - |
cu_rad_feedback | .true. | 对流辐射反馈 | 对气象模拟重要，影响污染物垂直输送 |
有关设置内容如下：（右侧为官方提供设置）
&fdda（四维数据同化）
FDDA 是一种在模拟过程中加入外部背景场（通常是分析数据，例如 GFS、ERA5），以防止模拟场长时间漂移。它通过在模拟中加入“微小的强迫项”来引导风场、温度、水汽等向外部数据靠拢。
&fdda 参数详细解释如下：
| 参数名 | 示例值 | 含义 | 说明 |
|---|---|---|---|
grid_fdda | 1, 1, 1 | 开启网格引导（Grid Nudging） | 对所有嵌套域启用 FDDA。1 表示启用，0 表示关闭。 |
gfdda_inname | "wrffdda_d<domain>" | FDDA 输入文件名模板 | 模型将自动替换 <domain> 为如 01，查找 wrffdda_d01 文件。 |
gfdda_interval_m | 360,360,360 | 同化数据时间间隔（单位：分钟） | 每 6 小时（360 分钟）读取一次引导资料，常与 met_em 相同。 |
gfdda_end_h | 24,24,24 | 引导持续时间（单位：小时） | 表示每个嵌套域的引导过程持续到模拟第 24 小时 |
guv | 0.0003 | 水平风场（U、V）引导系数 | 越大，风场越快向外部数据靠拢；建议值一般在 0.0001 ~ 0.001 之间 |
gt | 0.0003 | 温度引导系数 | 控制模拟温度向背景场的回归程度 |
gq | 0.0003 | 水汽混合比引导系数 | 控制湿度场引导强度 |
gph | 0.0003 | 地势高度（位势高度）引导系数 | 常用于大尺度模拟或山地地区修正高度场 |
有关设置内容如下：（右侧为官方提供设置）
工作机制简述
在模型运行过程中，FDDA 会在每个时间步添加一个微小的“修正项”，其形式大概如下：
dX/dt = 模拟物理过程 + nudging_term
nudging_term 形如：
nudging_term = -gX * (X_model - X_obs)
其中：
gX为引导系数（如guv,gt,gq,gph）X_model为当前模拟值X_obs为外部背景场值（如 GFS、ERA5）
使用 FDDA 的常见情景
| 应用场景 | 是否推荐使用 FDDA |
|---|---|
| 长时间（>3天）重现模拟（回放） | ✅ 推荐使用，防止漂移 |
| 大气化学模拟（WRF-Chem） | ✅ 推荐，保持气象场稳定，避免污染物模拟失真 |
| 天气预报（短时） | ✅ 推荐，提升初始条件精度 |
| 理想化敏感性实验 | ❌ 不推荐，FDDA 会干扰自由演化过程 |
&dynamics（WRF 动力核心的数值方法和选项）
&dynamics 配置段控制了 WRF 动力核心的数值方法和选项，包括湍流扩散、垂直混合、阻尼、非静力设置以及与化学模拟有关的物质输送方法等。
&dynamics 参数详解表格
| 参数名 | 示例值 | 含义 | 与 WRF-Chem 的关系 |
|---|---|---|---|
hybrid_opt | 2 | 开启混合垂直坐标（Hybrid vertical coordinate） | 结合了地形跟随的 sigma坐标（低空）与地形无关的 压力坐标（高空），能带来更好的数值稳定性和物理一致性，特别是在山地或高空对流层模拟中 |
w_damping | 1 | 开启垂直速度阻尼（W damping） | 有助于减少不稳定波，对气溶胶/污染物垂直传输有影响 |
diff_opt | 2 | 水平扩散方案：2 = 全扩散（full diffusion） | 与湍流扩散过程相关，影响化学物质的水平传播 |
km_opt | 4 | 湍流混合系数计算方法：4 = MYNN | 与 PBL 模式一致（MYNN），推荐保持一致性 |
diff_6th_opt | 0 | 是否启用六阶水平扩散（0=不启用） | 通常用于高分辨率模拟，非必须 |
diff_6th_factor | 0.12 | 六阶扩散强度因子（仅在 diff_6th_opt=1 时有效） | - |
base_temp | 290. | 基础温度（静力平衡参考温度） | 对模拟热力结构有间接影响 |
damp_opt | 0 | 顶层阻尼选项（Rayleigh damping）：0 = 关闭 | 若开启可抑制高空重力波，有利于大尺度模拟稳定性 |
zdamp | 5000. | Rayleigh 阻尼层起始高度（m） | 通常设置为 3–5 km |
dampcoef | 0.2 | 顶部阻尼系数 | 控制阻尼强度 |
khdif | 0 | 水平扩散率（设置为 0 通常表示使用默认或由物理方案决定） | 影响气象和化学物质的扩散 |
kvdif | 0 | 垂直扩散率（同上） | 同上 |
non_hydrostatic | .true. | 使用非静力模式（默认应为 true） | 必须为 true，才能正确模拟对流和气溶胶垂直输送 |
moist_adv_opt | 2 | 水汽输送方案：2 = 单调守恒方案 | 推荐用于化学模拟，避免负值或不守恒问题 |
scalar_adv_opt | 2 | 标量变量（如温度）的输送方案 | 与化学物质无直接关系 |
chem_adv_opt | 2 | 化学物种的输送方案：2 = 单调守恒 | ✅ 非常关键，确保化学物种的质量守恒性 |
tracer_opt | 2 | 其他示踪物输送方案：2 = 单调守恒 | ✅ 与 CO₂、PM2.5 等示踪气体密切相关 |
do_avgflx_em | 1,1,1,… | 在 real.exe 中平均地表通量（emissivity） | 保持默认即可 |
do_avgflx_cugd | 1,1,1,… | 在 real.exe 中平均对流通量 | 保持默认即可 |
有关设置内容如下：（右侧为官方提供设置）
&bdy_control（边界控制设置）
| 参数名 | 示例值 | 含义 | 说明 |
|---|---|---|---|
spec_bdy_width | 5 | 边界强迫区宽度（网格数） | 外部边界数据施加在距边界 5 个网格宽的区域 |
spec_zone | 1 | 指定边界区宽度 | 最靠近边界的 1 个网格点用于直接施加强迫边界值 |
relax_zone | 4 | 过渡区（缓冲区）宽度 | 用于边界值与内部模拟值之间的平滑过渡（spec_bdy_width = spec_zone + relax_zone） |
specified | .true., .false., .false. | 为每个域指定是否使用外部边界值驱动 | 只有 domain 1（主域）使用如 GFS 的边界数据 |
nested | .false., .true., .true. | 指定各域是否为嵌套域（从父域获得边界） | domain 2 和 3 是嵌套域，从上一级获得边界数据 |
假设你有 3 个模拟域：
| 域编号 | specified | nested | 边界来源 |
|---|---|---|---|
| d01 | .true. | .false. | 从 GFS/ERA5 等外部文件（wrfbdy_d01）读取边界数据 |
| d02 | .false. | .true. | 从 d01 插值得到边界值 |
| d03 | .false. | .true. | 从 d02 插值得到边界值 |
spec_bdy_width = 5：表示距边界 5 个网格点用于边界处理- 其中最外侧的
1个网格（spec_zone = 1）为强迫区 - 中间的
4个网格（relax_zone = 4）为缓冲区
- 其中最外侧的
- WRF 会在
spec_zone区域强行施加边界值，在relax_zone区域使用加权平均使边界过渡更平滑，防止数值震荡。
设置建议
| 情况 | 建议设置 |
|---|---|
| 只有一个主域 | specified = .true.，nested = .false. |
| 嵌套模拟 | 只有外层（d01）设置 specified = .true.，其余为 nested = .true. |
| 高分辨率嵌套 | 保持 spec_bdy_width ≥ 5，relax_zone ≥ 3，更平滑 |
&chem（WRF-Chem 主要化学设置）
这是 WRF-Chem 的关键配置部分，控制化学过程、排放、沉降等。
| 参数 | 说明 |
|---|---|
kemit = 1 | 从第 1 个时间步开始读取排放（必须是1）。 |
chem_opt = 16 | 选择化学机制。16 可能是一个简化的 CO₂ 跟踪机制（如 VPRM）。每个域设置相同。 |
chemdt = 10,3,1 | 化学积分时间步长（单位：分钟），分别对应不同嵌套域。 |
bioemdt, photdt = 0 | 生物排放和光解速率更新频率，0 表示默认或关闭。 |
io_style_emissions = 2 | 读取排放文件的方式，2 表示 NetCDF 文件。 |
emiss_opt = 16 | 排放选项编号（与 chem_opt 相对应）。 |
chem_in_opt = 0 | 是否使用化学初始条件，0 表示关闭。 |
gas_drydep_opt = 0, aer_drydep_opt = 1 | 气体干沉降关闭，气溶胶干沉降开启。 |
bio_emiss_opt = 16 | 生物排放选项为 16（与 CO₂/VPRM 模型有关）。 |
gas_ic_opt = 16, gas_bc_opt = 16 | CO₂ 化学初始/边界条件（机制 16） |
aer_ic_opt = 1, aer_bc_opt = 1 | 气溶胶初始/边界条件（对第一个域启用）。 |
gaschem_onoff = 0 | 气体化学过程关闭。 |
aerchem_onoff = 1 | 气溶胶化学过程开启（仅对第一个域）。 |
vertmix_onoff = 1 | 开启垂直混合对化学物种的作用。 |
chem_conv_tr = 0 | 对流输送关闭。 |
biomass_burn_opt = 0, dust_opt = 0, seas_opt = 0 | 生物质燃烧、沙尘、海盐排放均关闭。 |
plumerisefire_frq = 30 | 火源羽流抬升频率设置为 30 分钟（虽然火源关闭）。 |
have_bcs_chem = .true. | 对第一个域启用化学边界条件。 |
aer_ra_feedback = 0 | 气溶胶对辐射的反馈关闭。 |
vprm_opt = "VPRM_table_US" | VPRM 模型的参数表文件名。用于 CO₂ 生物通量模拟。 |
&namelist_quilt（并行 I/O 控制）
| 参数 | 说明 |
|---|---|
nio_tasks_per_group = 0 | 自动选择 NIO 任务数。 |
nio_groups = 1 | 使用一个并行 I/O 组。 |