【利用ERA5数据驱动WRF】：手把手教你如何使用ERA5数据进行气象模拟的完整教程
这篇教程是我一步步踩坑总结出来的“血泪经验”，希望能帮到正在折腾WRF的你，少踩几个雷，少熬几个夜，少掉几根头发 😂。从ERA5数据的下载，到WPS预处理，再到WRF跑通，每一步都是自己亲手试过、调过、失败过再爬起来的过程。也正因为这些坑踩得够多，我更理解刚入门时那种“为什么它又报错了？”的崩溃感 🤯。所以，如果你在过程中遇到什么问题，或者有哪个地方没看懂，欢迎来私聊！
1.什么是ERA5数据？
在进行区域气象模拟时，WRF（Weather Research and Forecasting）常常需要高质量的气象数据作为输入。ERA5是由欧洲中期天气预报中心（ECMWF）提供的第五代全球再分析气象数据集，具有较高的时空分辨率（0.25°、逐小时），广泛应用于天气预报、气候研究和环境模拟等领域。本文将详细讲解如何将ERA5数据用于驱动WRF模型。
2.如何下载ERA5数据集？
步骤和自动化下载脚本参考：
【最新ERA5再分析数据下载】通过API代码轻松获取ERA5数据，完美驱动WRF模拟-CSDN博客
3.如何利用ERA5数据集跑WRF?
WRF整体框架与流程WRF模式学习入门基础（建议收藏！！！）-CSDN博客
4.利用ERA5数据集跑WRF模型的全流程实操指南
4.1 前提条件
在开始运行WRF之前，请确保你具备以下环境和数据：
4.1.1 软件与编译环境：
-
WRF 4.X：已经成功编译，包括real.exe和wrf.exe两个可执行文件
-
WPS 4.X：已经编译完成，包含geogrid.exe、ungrib.exe和metgrid.exe
-
安装好netCDF, MPI, jasper, libpng, zlib等依赖库
-
具备基本的Linux命令行操作能力
4.1.2 数据准备：
-
ERA5数据：从ECMWF或Copernicus Climate Data Store获取的
.grib格式小时级数据（通常是单月或多日） -
地形与地理数据：已下载好WPS需要的地理数据，下载地址Static Data Downloads 建议下载Download Highest Resolution of each Mandatory Field
4.2 操作步骤详解
4.2.1 编辑namelist.wps【namelist.wps】WRF数值模式中namelist.wps的配置详解-CSDN博客
1.注意确定好模拟域的配置
2.参考namelist.wps配置
&share
wrf_core = 'ARW',
max_dom = 1,
start_date = '2021-07-20_00:00:00',
end_date = '2021-07-30_00:00:00',
interval_seconds = 3600
/
&geogrid
parent_id = 1,
parent_grid_ratio = 1,
i_parent_start = 1,
j_parent_start = 1,
e_we = 78,
e_sn = 64,
geog_data_res = 'default',
dx = 30000,
dy = 30000,
map_proj = 'lambert',
ref_lat = 38.030,
ref_lon = 114.501,
truelat1 = 38.328,
truelat2 = 38.328,
stand_lon = 117.070,
geog_data_path = '/WPS_GEOG/'
/
&ungrib
out_format = 'WPS',
prefix = 'FILE',
/
&metgrid
fg_name = 'FILE'
/
4.2.2 运行WPS
4.2.2.1 geogrid
./geogrid.exe
geogrid.exe 执行成功后会生成地形文件 geo_em.d01.nc。如果模拟区域不变，在多次运行 WRF 时无需重复执行该命令，一次生成即可复用。
这一步通常不会出错，唯一可能的问题是地理静态数据未完整下载。只需根据提示逐项补全即可。
我的静态地理数据目录如下：
4.2.2.2 ungrib
(1) 链接Vtable
由于处理的是 ERA5 数据，需使用 ECMWF 对应的 Vtable：
ln -sf ungrib/Variable_Tables/Vtable.ECMWF Vtable创建链接后，WPS 目录中会生成名为 Vtable 的链接文件。此操作仅需执行一次，重复运行 WRF 时，如该链接已存在，则无需再次创建。
（2）准备 ERA5 数据
此处以同时处理高空和地表数据为例，将 ERA5 的 .grib 文件链接至当前目录：
ln -sf ../wrf_era5/ERA5_hourly_data/*.grib .成功后，当前目录下将出现多个 .grib 文件，如下图（只截图了一部分）：
（3）链接GRIB文件
使用./ink grib.csh将 GRIB 数据链接为 ungrib.exe可识别的格式：
./link_grib.csh *.grib该脚本会将 GRIB 文件按 WRF 格式重命名为 GRIBFILE.AAA、GRIBFILE.AAB 等，保存在当前目录（WPS 文件夹）下。
（4）执行./ungrib.exe
./ungrib.exe运行成功后，终端会显示 Successful completion of ungrib. 等提示信息，并在 WPS 目录下生成以 FILE 开头、格式为 FILE:yyyy-mm-dd_hh 的中间文件，如下图（只截图了一部分）。这些文件是将 ERA5 数据转换为 WRF 可读格式的结果。
其中 FILE 是由 namelist.wps 中 &ungrib 的 prefix = 'FILE' 设置决定的，后文会详细介绍该参数的作用。
4.2.2.3 metgrid
执行metgrid.exe
mpirun -np 16 ./metgrid.exe运行成功后，WPS 目录下生成以 met_em开头的中间文件，如下图（只截图了一部分）
4.2.2.4 WPS完整流程
# 进入WPS目录下
cd wps
# 运行地理处理
./geogrid.exe
# 设置Vtable为ECMWF格式
ln -sf ungrib/Variable_Tables/Vtable.ECMWF Vtable
# 软链接ERA5的grib数据
ln -sf ../wrf_era5/ERA5_hourly_data/*.grib .
# 链接GRIB文件
./link_grib.csh *.grib
# 解压grib为中间格式
./ungrib.exe
# 生成met_em中间文件
./metgrid.exe
注意事项
- &geogrid中的 geog_data_path = '/data/WPS_GEOG/' # 是你下载的静态地理数据的路径
- &ungrib 中的 prefix = 'FILE', # 设置了 ungrib 步骤生成的中间文件的前缀。这个前缀决定了 ungrib 生成的文件名。默认值是 FILE，可以根据需要修改。
- &metgrid中的 fg_name = 'FILE' # 设置了 metgrid 步骤生成的文件的前缀。由于 metgrid 步骤通常需要匹配 ungrib 步骤生成的中间文件，因此 fg_name 应该与 ungrib 步骤中的 prefix 匹配。默认值也是 FILE。
- 由于 ERA5 数据将高空数据和地表数据分开存储，因此也有一些教程建议将
ungrib步骤分开执行，分别处理高空数据和地表数据。具体步骤如下：
- 链接高空数据：使用 ./link_grib.csh your_path/pl.grib 命令将高空数据（例如，pl.grib）链接到工作目录
- 编辑 namelist.wps：设置高空数据的前缀：prefix = 'PL'。
- 执行 ./ungrib.exe 解包高空数据
- 链接地表数据：使用 ./link_grib.csh your_path/sur.grib 命令将地表数据（例如，sur.grib）链接到工作目录。
- 编辑 namelist.wps：设置地表数据的前缀：prefix = 'SL'。
- 运行 ungrib：执行 ./ungrib.exe 解包地表数据
- metgrid 步骤：在 namelist.wps 中，设置 fg_name 为 fg_name = 'PL', 'SL'，这样 metgrid 会同时处理高空数据和地表数据。
- 运行 metgrid：执行 ./metgrid.exe，metgrid 会依次处理PL 和 SL 前缀的数据集。
4.2.3 运行WRF
（1）将路径切换到wrf的run路径下
cd ../wrf-4.6/run/（2）将上一步生成的met em.文件链接到WRF运行的路径下(如果链接没成功，可以直接复制过来)，结果如下图（只截图了一部分）：
# 软链接met_em数据
ln -s ../../wps-4.6/met_em.d01.*.nc .
4.2.3.1 编辑namelist.input
在进行 WRF 模拟前，需要根据实验设计编辑 namelist.input，尤其要注意模拟时间、区域范围、垂直层数等关键参数设置。
⚠️ 由于使用的是 ERA5 数据，需设置
num_metgrid_levels = 38，即 ERA5 的垂直层数。
&time_control
run_days = 10,
run_hours = 0,
run_minutes = 0,
run_seconds = 0,
start_year = 2021,
start_month = 07,
start_day = 20,
start_hour = 00,
end_year = 2021,
end_month = 07,
end_day = 30,
end_hour = 00,
interval_seconds = 3600
input_from_file = .true.,
history_interval = 60,
frames_per_outfile = 1,
restart = .false.,
restart_interval = 7200,
io_form_history = 2
io_form_restart = 2
io_form_input = 2
io_form_boundary = 2
/
&domains
time_step = 180,
time_step_fract_num = 0,
time_step_fract_den = 1,
max_dom = 2,
e_we = 78,
e_sn = 64,
e_vert = 45,
dzstretch_s = 1.1
p_top_requested = 5000,
num_metgrid_levels = 38,
num_metgrid_soil_levels = 4,
dx = 30000,
dy = 30000,
grid_id = 1, 2,
parent_id = 0, 1,
i_parent_start = 1, 53,
j_parent_start = 1, 25,
parent_grid_ratio = 1, 3,
parent_time_step_ratio = 1, 3,
feedback = 1,
smooth_option = 0
/
&physics
physics_suite = 'CONUS'
mp_physics = -1, -1,
cu_physics = -1, -1,
ra_lw_physics = -1, -1,
ra_sw_physics = -1, -1,
bl_pbl_physics = -1, -1,
sf_sfclay_physics = -1, -1,
sf_surface_physics = -1, -1,
radt = 15, 15,
bldt = 0, 0,
cudt = 0, 0,
icloud = 1,
num_land_cat = 21,
sf_urban_physics = 0, 0,
fractional_seaice = 1,
/
&fdda
/
&dynamics
hybrid_opt = 2,
w_damping = 0,
diff_opt = 2, 2,
km_opt = 4, 4,
diff_6th_opt = 0, 0,
diff_6th_factor = 0.12, 0.12,
base_temp = 290.
damp_opt = 3,
zdamp = 5000., 5000.,
dampcoef = 0.2, 0.2,
khdif = 0, 0,
kvdif = 0, 0,
non_hydrostatic = .true., .true.,
moist_adv_opt = 1, 1,
scalar_adv_opt = 1, 1,
gwd_opt = 1, 0,
/
&bdy_control
spec_bdy_width = 5,
specified = .true.
/
&grib2
/
&namelist_quilt
nio_tasks_per_group = 0,
nio_groups = 1,
/注：所有物理过程设置为 -1 表示启用 physics_suite 中的 CONUS 默认方案。
4.2.3.2 real
运行 real.exe 以生成初始场和边界条件：
./real.exe执行过程中日志信息会写入 rsl.error.0000 文件，可通过该文件检查运行是否成功或排查错误。
✅ 运行成功后，会在当前目录下生成若干以
wrfinput_d0*和wrfbdy_d01命名的文件，分别对应不同嵌套层的初始场和边界条件。
并行运行（推荐使用 MPI），例如使用 4 个核心：
mpirun -np 4 ./real.exe4.2.3.3 wrf
wrf.exe 是 WRF 模型的主程序，用于正式进行数值模拟：
./wrf.exe同样，运行日志会写入 rsl.error.0000 文件，可用于查看模拟进度与是否出错。
✅ 模拟成功后，将在当前目录下生成以
wrfout_d0*开头的输出文件，包含每个时刻的模拟结果，可用于后续可视化或分析。
并行运行（推荐使用 MPI），例如使用 8 个核心：
mpirun -np 8 ./wrf.exe4.2.3.4 WRF完整流程
cd ../wrf-4.6/run/
# 软链接新的met_em数据
ln -s ../../wps-4.6/met_em.d01.*.nc .
# 运行real.exe生成初始与边界文件
./real.exe
# 运行WRF主程序，多线程跑wrf.exe命令 mpirun -np 16 ./wrf.exe
./wrf.exe
WRF血泪史｜写在最后
这篇教程是我一步步踩坑总结出来的“血泪经验”，希望能帮到正在折腾WRF的你，少踩几个雷，少熬几个夜，少掉几根头发 😂。
从ERA5数据的下载，到WPS预处理，再到WRF跑通，每一步都是自己亲手试过、调过、失败过再爬起来的过程。也正因为这些坑踩得够多，我更理解刚入门时那种“为什么它又报错了？”的崩溃感 🤯。
所以，如果你在过程中遇到什么问题，或者有哪个地方没看懂，欢迎来私聊！
DAMO开发者矩阵，由阿里巴巴达摩院和中国互联网协会联合发起，致力于探讨最前沿的技术趋势与应用成果，搭建高质量的交流与分享平台，推动技术创新与产业应用链接，围绕“人工智能与新型计算”构建开放共享的开发者生态。
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