CN109558612A - 基于管道通信的大气-海浪耦合系统及其运行方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于管道通信的大气‑海浪耦合系统。大气模式为WRFV3，海浪模式为WW3，WW3模式只与WRFV3模式的表面层模块进行数据交换；WRFV3模式通过海面10m风场驱动WW3模式，WRFV3模式提供大气底层的环境变量；WW3模式模拟海面的波浪状态，将波龄参数反馈给WRFV3模式。利用Linux操作系统的IPC技术中的管道通信，将中尺度大气模式WRFV3与第三代海浪模式WW3进行双向耦合。根据本申请实施例的技术方案，系统同时体现了动力耦合过程和热力耦合过程，提高了耦合模式的模拟效果，具有更好的可移植性和可扩展性，有效改善了中尺度大气模式对台风路径和强度的预报水平。本申请还公开了一种基于管道通信的大气‑海浪耦合系统的运行方法。
Description
技术领域
本发明属于气象预测技术领域，具体涉及一种大气-海浪耦合系统，尤其涉及一种基于管道通信的大气-海浪耦合系统及其运行方法。
背景技术
我国是一个海洋大国，拥有300多万平方公里的海洋国土。热带气旋(TC)是发生在热带海洋上的强气旋性涡旋。我国位于太平洋西岸，是世界上受热带气旋影响最为严重的国家之一。大气和海洋是全球气候和天气系统不可分割的重要组成部分，它们通过海-气界面的动量、热量及物质交换互相影响。大气通过风应力来驱动海洋，是海洋环流以及海浪的重要能量来源；而海洋又通过感热、潜热及水汽交换等影响着海上天气系统的发展和演变。因此，综合考虑大气-海浪的相互作用及海气界面上的各种交换过程和物理机制是研究海上天气系统演变的必由之路。
美国的海军研究试验所(NRL)自1994年开始发展建立的三维海气耦合中尺度预报系统(COAMPS)。1995年，美国JAMES D.Doyle 等利用美国海军COAMPS(Coupled OceanAtmospheric Mesoscale Prediction System)系统与第三代海浪模式WAM进行耦合，研究海表粗糙度对气旋影响。
Lars等(1998)利用一个海气耦合模式研究了海洋对热带气旋强度的影响，耦合模式中的大气模式分量是Emanuel的轴对称的飓风模式，满足梯度风平衡和静力平衡，海洋模式分量是Cooper和Thompson的四层海洋模式。1999年美国NCAR研究中心Jordan G.Powers等，中尺度大气模式MM5与区域海洋模式POM及海浪模式GDM(GLERL-Donelan Wave Model)进行耦合在伊利湖流域进行试验，研究大气对海表粗糙度的敏感性。同年，美国NOAA坏境研究中心Bao等，利用MM5、CUPOM及WAM耦合模式，模拟了墨西哥湾的一次强飓风过程。
Tenerelli等(2001)将MM5和第三代海浪模式WAVEWATCH进行耦合，模拟了发生在1999年11月巴哈马群岛的Floyd飓风过程。Yaocun Zhang and Perrie(2002)将NCAR的区域气候模式RegCM与海浪模式WAM进行耦合，由NCEP再分析资料作为模式边界驱动模式运行，用于模拟天气学上的风暴。Pat Fitzpayrick等(2002)将COAMPS系统与第三代海浪模式WAVEWATCH耦合并用于研究Gordon飓风。
William Perrie与中山大学的Z.Long等(2002)合作分别利用MC2与WW3耦合模式、CRCM与POM耦合模式研究了美国西海岸飞沫效应及海表温度对气旋的影响。Joseph.E.Tenerelli等(2003)将MM5和第三代海浪模式WWATCH进行耦合，模拟了发生在1999年11月的Floyd飓风。Xuejuan Ren等(2004)利用包含中尺度模式MC2和区域海洋模式POM的耦合模式研究了北大西洋风暴的中纬度海气耦合动力学机制。德国Ralf Weisse和西班牙Enrique F.Alvarez等(2001)联合开发了欧洲大气-海浪-海洋耦合模式ECAWOM。关皓(2006)利用管道通信技术将大气模式MM5(V3)及第三代海浪模式WWATCH进行双向耦合。
虽然当前大气-海浪耦合模式的研究已经取得很大的进展，但仍存在一些不足。对于海气界面的动量通量，实验室和外海观测以及理论研究已表明：中低风速下波浪状态会调制海面拖曳系数随风速的变化关系，影响海面动力学粗糙度；高风速下由于飞沫等因素的影响，海面拖曳系数不再随风速增大而增大，甚至反而减小。对于不同的个例，不同的区域，设置不同，得出的结论也会有差别。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供基于管道通信的大气-海浪耦合系统及其运行方法，克服了现有的主要基于动力耦合构建的大气-海浪耦合模式通用性差的缺陷。
第一方面，基于管道通信的大气-海浪耦合系统，大气模式为WRFV3，海浪模式为WW3，WW3模式只与WRFV3模式的表面层模块进行数据交换；WRFV3模式通过海面10m风场来驱动WW3模式，且WRFV3模式提供大气底层的环境变量，以确定海面的波浪状态波龄、海面飞沫热量和水汽通量；WW3模式模拟海面的波浪状态，将海面的波浪状态波龄参数反馈给WRFV3模式，海面的波浪状态波龄影响海标粗糙度，从而影响海气界面的动量、热量交换过程，同时海浪的破碎、海面风切削波峰产生的海面飞沫，在海面形成水滴蒸发层，既能影响海气界面的动量、热量传输，还能通过飞沫感热和潜热通量影响海气之间的热量、水汽交换；WRFV3模式与WW3模式之间通过耦合模块实现双向同步耦合，采用Linux系统下IPC技术中的管道通信来构建耦合模块，该耦合模块中包括两对管道，一对管道用于执行从WRFV3模式到WW3模式的读操作和写操作，另一对管道用于执行从WW3模式到WRFV3模式的读操作和写操作。
第二方面，基于管道通信的大气-海浪耦合系统的运行方法，包括以下步骤：
(1)WRFV3模式进行初始化，然后积分计算一个交换时间步长；将同一个模式两次接收数据或两次传递数据的时间间隔定义为交换时间步长；
(2)在WRFV3模式的第一个交换时次，WRFV3模式输出海面10m风场、模式网络经纬度和网格点上的海陆标识到三个指定文件，并将相应的交换序号通过管道传递给WW3模式，作为驱动WW3模式的初始场；
(3)WW3模式通过管道读取交换序号后，从步骤(2)所述的三个指定文件中读入相应物理量，再对风场数据进行插值，使之与WW3模式网格分辨率相适应，然后积分计算一个交换时间步长；当到达WW3模式交换时次，WW3模式将charnock参数进行插值，使之与WRFV3模式网格分辨率相适应，再输出到指定文件，并将相应的交换序号通过管道传递给WRFV3模式；
(4)WRFV3模式从管道读取交换序号后，从指定文件中读入charnock参数，并带入边界层方案中的粗糙度计算方案，然后模式正常积分；当到达WRFV3模式的第二个交换时次，WRFV3模式输出海面10m风场到指定文件，并将相应的交换序号通过管道传递给WW3模式；返回步骤(3)；
(5)反复循环步骤(3)、(4)，直至积分结束，即实现两个模式的双向同步耦合。
根据本申请实施例提供的技术方案，通过利用Linux操作系统的IPC技术中的管道通信，将中尺度大气模式WRFV3及第三代海浪模式WW3进行双向耦合，建立考虑了大气-海浪相互作用的风浪耦合模式，既体现了动力耦合过程，也体现了热力耦合过程，使得耦合模式能够更加真实地反映海气相互作用的物理过程。提高了耦合模式的模拟效果，具有更好的可移植性和可扩展性，有效改善了中尺度大气模式对台风路径和强度的预报水平。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明的大气-海浪耦合系统示意图。
图2是本发明的耦合模式运行流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
图1为本发明的大气-海浪耦合系统示意图。在海气相互作用中，大气分量的表面层(surface layer)与海浪部分进行着直接的动力和热力交换，由于WRF模式是一个三维的模式，其表面层的参数化过程就在模式垂直结构的最底层，因此，WW3模式只与WRF模式的表面层模块直接进行数据交换。飞沫效应的参数化方案也是在WRF模式表面层模块的不同方案中进行程序修改。
大气模式通过海面10m风场来驱动海浪模式，并为海面波浪状态参量波龄等的确定提供海面摩擦风速，同时为计算海面飞沫热量和水汽通量提供大气底层的环境变量包括海面摩擦风速，Obukhov长度，气温，比湿及气压等。海浪模式模拟海面的波浪状况，一方面海面不同的波浪状态波龄会影响海表粗糙度，从而影响海气界面的动量和热量交换过程；另一方面海浪的破碎以及海面风切削波峰等产生的海面飞沫在海面形成一个水滴蒸发层，不但可以影响海气界面的动量粗糙度，从而影响海气界面的动量和热量传输，还能通过飞沫感热和潜热通量直接影响海气之间的热量和水汽交换。
本发明考虑了中小尺度天气系统中海气相互作用的影响，涉及到大气诱导的海洋变化对大气的效应和海洋诱导的大气扰动对海洋的效应，即海-气之间双向的(two-way)响应和反馈。WRF模式和WW3模式是相互独立性很强的两个模式，他们分别是由不同学科的不同研究机构独立开发的，由于它们都在Linux操作系统下进行，本技术即利用Linux操作系统下IPC(Interprocess Communication)技术中的管道通信来实现大气模式WRF与海浪模式WAVEWATCHⅢ的双向同步耦合。
管道是Unix操作系统最强大和最具特色的性能之一，也是Linux支持的最初的Unix IPC形式。Linux系统下的管道分为无名管道(PIPE)和有名管道(FIFO)两种，本技术选用无名管道作为主要通信方式。无名管道(PIPE)是一个特殊的打开文件，只能在程序中由系统调用pipe()函数生成。无名管道没有文件路径名，不占用文件目录项，它只是存在于打开文件结构中的一个临时文件，随其所依附的进程的生存而生存，当进程终止时，管道也随之消亡。
WRFV3和WAVEWATCHⅢ都是用FORTRAN语言编写的相对独立的模式系统，为实现两模式间的数据交换，首先建立一个连接两个模式的耦合模块。Linux下对于管道的控制和通信都采用系统编程所用的C语言，而Linux系统支持混合语言的编程和链接，因此，我们用C语言编写耦合模块。该模块由五个C语言函数构成，其结构、功能及调用位置见表1。
表1
Linux系统下的管道通信是面向两个独立进程的。大气模式通过管道接收和传递的数据都在WRF V3的表面层模块中，而海浪模式不同，大气模式为其提供的10m风场要先经过模式预处理程序ww3_prep的计算后才能进入主程序，同时海浪模式传递给大气模式的物理量charnock参数是在主程序积分过程中得到的，因此为便于耦合模式中管道通信，首先必须对海浪模式进行改进，将其预处理程序ww3_prep与主程序ww3_shel合并，得到新的主程序块。此时，便可以在WRF V3模式的surface_driver模块与海浪模式主程序块ww3_shel间进行指定时间步长上的数据交换了。
由于耦合模式运行时，海浪模式的初始风场也由WRFV3提供，因此要先运行WRFV3，并且同一个模式读、写相应的传递数据要错开一定的时间步长，我们将同一个模式两次接收数据或两次传递数据的时间间隔定义为交换时间步长。具体步骤如下：
1、大气模式先进行初始化，并积分计算一个交换时间步长(N＝1)。
2、在第一个交换时次(N＝1时)，WRF模式输出海面10m风场(包括初始时刻和N＝1时刻共2个时次)，模式网格经纬度及网格点上的海陆标识(水点取1，陆点取0)到三个指定文件并将交换序号通过管道传给海浪模式(通过函数tellchild)，作为驱动海浪模式的初始场。
3、海浪模式通过管道读入正确的交换序号后(通过函数waitfather)，从前面的三个文件中读入相应物理量，对风场进行插值，积分计算一个交换时间步长。到交换时次，海浪模式将charnock参数插值到WRF模式的网格点上，输出到指定文件并对管道进行写操作(tellfather)。
由于大气和海浪模式采用的水平网格不同，因此在耦合过程中要对交换的物理量进行水平插值。在海浪模式中提供了标准的二次近似插值程序，只要将大气模式的网格经纬度和海陆标识传递给海浪模式，模式将自动对每个输入时次的风场资料在水点上进行插值，得到与海浪模式网格分辨率相适应的风场。将海浪模式输出的波龄参数传递给大气模式之前也要对其进行插值，因此我们在海浪模式中加入一个插值程序，程序设计中采用水点的Cressman插值。
4、WRF从管道读入正确的交换序号后(waitchild)从文件中读入charnock参数带入边界层方案中改进的粗糙度计算方案，然后模式正常积分，在第二个交换时次(N＝2)，WRF模式输出海面10m风场到指定文件(只在初始交换时输出模式网格经纬度及和海陆标识)并将交换序号写入管道。如此反复，直至积分结束，即可实现两个模式的双向同步耦合。图2为耦合模式的流程图。
为了使初始场更加协调合理，在进行双向耦合之前，还必须进行模式的初始化。WRF模式在积分的前几个小时做了nudging初始化，以得到更加合理的初始场。在初始化时，耦合模式是单向耦合，即只由WRF模式给WW3模式提供驱动风场，使得海浪模式能够达到理想状态，而WW3不反馈给WRF，之后才是双向耦合。
为了加强耦合模式实用性，依照WRF模式中的namelist.input表，本发明也制作了一个namelist.couple表，用来控制是否考虑飞沫效应、是否耦合以及用哪种海表粗糙度参数化方案，见表2。
表2
表2中，&couple_control为耦合控制部分：start_time是模式模拟的初始时间；couple_switch控制是否进行耦合；run_hours是总的模拟时间(单位为小时)；coup_start_hours是WRF V3与WAVEWATCHⅢ进行双向数据交换的开始时间(单位为小时)；timestep_WRF和timestep_WW3分别是WRF V3模式和WAVEWATCHⅢ模式的时间步长，它们的公倍数就是耦合时间步长；sfclay是海表粗糙度的参数化方案；data_form是交换数据的格式。&spray_control为飞沫效应控制部分，选择1，模式就会考虑飞沫效应的影响。不选择或者没有namelist.couple表，WRF模式将不会考虑耦合及飞沫效应。
耦合系统的交换时间步长couple_timestep为大气子模式时间步长timestep_WRF和海浪子模式时间步长timestep_WW3的公倍数，通常大气模式的时间步长比海浪模式的时间步长短，因而timestep_WW3一般大于timestep_WRF，而为了尽可能及时地交换大气和海浪模式的变量，couple_timestep通常取timestep_WW3，即耦合系统的时间步长与海浪子模式的时间步长相等，每积分一个海浪模式时步系统交换一次模式变量。大气-海浪耦合系统的初始化是由大气子模式和海浪子模式分别进行的。大气模式的初始场和侧边界由全球模式的预报或再分析资料(如FNL再分析资料)提供。海浪模式的初始场由海浪子模式根据大气模式提供的初始风场来生成，由于海浪场为强的受迫场，强烈地依赖于局地风，因此海浪模式的初始场经过一段时间积分后对模式结果的影响就可以忽略不计了。例如coup_start_hours设为12小时，则在模式模拟的前12小时，WRFV3模式不读入从海浪模式计算出来的数据。
在WRFV3中，允许对热带气旋进行自动移动嵌套，于是本文在WRF模式的自动移动嵌套模块中还加入了计算语句，使得模式运行过程中，每15分钟就能够把热带气旋的位置、强度、热通量等重点信息输出到指定的文本文件(track_d02.wrf)中。一方面更加精细化，另一方面也避免了庞大的结果处理。
模式运行结束之后，利用常规气象处理软件如NCL、Matlab进行数据处理，画图显示结果。
目前国际上可用的中尺度大气模型和海洋模型非常多，但是在海气相互作用过程的物理参数化方案中需要传递的参数大同小异，本发明技术方案均可以根据不同的模式重新构建相应的耦合框架，修改相应模块的模式代码。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (9)
1.一种基于管道通信的大气-海浪耦合系统，其特征在于：大气模式为WRFV3，海浪模式为WW3，WW3模式只与WRFV3模式的表面层模块进行数据交换；WRFV3模式通过海面10m风场来驱动WW3模式，且WRFV3模式提供大气底层的环境变量，以确定海面的波浪状态波龄、海面飞沫热量和水汽通量；WW3模式模拟海面的波浪状态，将海面的波浪状态波龄参数反馈给WRFV3模式；WRFV3模式与WW3模式之间通过耦合模块实现双向同步耦合，采用Linux系统下IPC技术中的管道通信来构建耦合模块，该耦合模块中包括两对管道，一对管道用于执行从WRFV3模式到WW3模式的读操作和写操作，另一对管道用于执行从WW3模式到WRFV3模式的读操作和写操作。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述大气底层的环境变量包括海面摩擦风速、Obukhov长度、气温、气压和比湿。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述管道采用无名管道。
4.一种基于管道通信的大气-海浪耦合系统的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)WRFV3模式进行初始化，然后积分计算一个交换时间步长；将同一个模式两次接收数据或两次传递数据的时间间隔定义为交换时间步长；
(2)在WRFV3模式的第一个交换时次，WRFV3模式输出海面10m风场、模式网络经纬度和网格点上的海陆标识到三个指定文件，并将相应的交换序号通过管道传递给WW3模式，作为驱动WW3模式的初始场；
(3)WW3模式通过管道读取交换序号后，从步骤(2)所述的三个指定文件中读入相应物理量，再对风场数据进行插值，使之与WW3模式网格分辨率相适应，然后积分计算一个交换时间步长；当到达WW3模式交换时次，WW3模式将charnock参数进行插值，使之与WRFV3模式网格分辨率相适应，再输出到指定文件，并将相应的交换序号通过管道传递给WRFV3模式；
(4)WRFV3模式从管道读取交换序号后，从指定文件中读入charnock参数，并带入边界层方案中的粗糙度计算方案，然后模式正常积分；当到达WRFV3模式的第二个交换时次，WRFV3模式输出海面10m风场到指定文件，并将相应的交换序号通过管道传递给WW3模式；返回步骤(3)；
(5)反复循环步骤(3)、(4)，直至积分结束，即实现两个模式的双向同步耦合。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：在运行过程中引入飞沫效应与耦合参数控制表，用于控制是否考虑飞沫效应、是否耦合以及采用的海表粗糙度参数化方案的类型。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述海表粗糙度参数化方案包括Smth92、SCOR01和Makin05。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：当考虑飞沫效应，采用Andreas飞沫效应参数化方案。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，对WRFV3模式进行nudging初始化，在初始化时，仅由WRF模式给WW3模式提供驱动风场，使得WW3模式达到理想状态，而WW3模式不反馈数据给WRFV3模式。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，将风场数据在水点上进行Cressman插值；将charnock参数在水点上进行Cressman插值。
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2017
- 2017-09-27 CN CN201710890169.2A patent/CN109558612A/zh active Pending
Patent Citations (1)
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| CN105894106A (zh) * | 2015-01-05 | 2016-08-24 | 国家电网公司 | 一种海洋模式和气象模式的一体化耦合方法 |
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