【WRF理论第十七期】单向/双向嵌套机制（含namelist.input详细介绍）

准备工作：

1、编译时选择支持嵌套的选项

2、确保生成了 real.exe, wrf.exe, ndown.exe（如需单独运行嵌套区域）
可查看wrf/run文件夹下的.exe文件内容：

ls -lh /home/directory/WRF-4.6/WRF-4.6.1/run/*.exe

对于ARW版本：输出结果应包含：

ndown.exe
real.exe
tc.exe
wrf.exe

3、对于 real-data 模拟，需生成 met_em.d0 文件供嵌套区域使用*

对于ARW版本：（只有有一个时间段）

met_em.d01.<date>, met_em.d0*.<date>

WRF运行的基本流程

WPS预处理和WRF运行的详细过程可参见另一博客-【WRF模拟】全过程总结：WPS预处理及WRF运行。

1、进入运行目录

cd /home/directory/WRF-4.6/WRF-4.6.1/run

2、在wrf/run文件夹下，链接或复制 WPS 输出文件

cd test/em_real
ln -sf ../../../WPS/met_em.* .

3、编辑 namelist.input

namelist.input 是关键：

• 嵌套运行的控制几乎全部依赖 namelist.input
• 关键参数：max_dom ≥ 2
• 注意嵌套相关多列参数设置（如时间、格点数等）

4、运行 real.exe 初始化

mpirun -np N ./real.exe
mpirun -np 3 ./real.exe

N为并行进程数。

real.exe 运行成功后，会得到初始和边界条件文件：

wrfinput_d01
wrfinput_d02
wrfbdy_d01

• wrfinput_d0X：对所有域来说，这些文件只包含模型开始时间点的变量数据（即单一时刻的 3D 初始-场，如温度、风、湿度等）。
• 仅对 最外层域（d01） 生成的文件，包含多个时间层次的侧边界数据。这些数据会在模拟过程中不断注入模型边界，以保证大尺度强迫。

5、运行 wrf.exe 执行模拟

# 设置 堆栈大小 为 无限制，以避免分段错误
ulimit -s unlimited

# >& wrf.out：将标准输出与错误信息都写入 wrf.out 文件；
./wrf.exe >& wrf.out &

# <num_processes> 替换为希望使用的计算进程数。
mpirun -np <num_processes> ./wrf.exe

# 单进程运行
mpirun -np 1 ./wrf.exe

✅ 对于嵌套模拟（Nested Cases），强烈推荐使用并行运行！

运行成功，会生成以下文件：

wrfout_d01_2005-08-28_00:00:00
wrfout_d02_2005-08-28_00:00:00

如果选择了重启功能（Restart），则会生成以下文件：

wrfrst d01 <date>, wrfrst d02 <date>

这些文件包含完整的模型状态变量，可用于中断恢复或长时间跨阶段模拟。

namelist.input的详细设置

&time_control 设置

&time_control 部分的配置内容如下：

注意：嵌套域的起止时间可以不同于父域，但必须在父域的时间范围内！！！

参数解释与说明：

1、模拟时长可通过 run_* 设置，也可通过 start_* 和 end_* 控制：两者必须一致，否则行为不可预测。
2、interval_seconds 参数必须与 met_em 文件时间间隔一致：
常见值：21600（6小时）、10800（3小时）等。

&time_control 其他部分的配置如下：

&time_control
 interval_seconds     = 21600,
 history_interval     = 180, 60, 60,
 frame_per_outfile    = 1000, 1000, 1000,
 restart_interval     = 360,
/

参数解释与说明：

注意：
1、每个嵌套域都会生成自己的 wrfout_d0* 历史文件（比如 wrfout_d01_…, wrfout_d02_…）
2、各嵌套层的输出间隔可以不同，便于根据分辨率控制输出精度与数据量（由 history_interval 控制）
3、每个域的重启文件（wrfrst_d0*）也分别生成，可用于单独或联合重启模拟（由restart_interval变量控制）
4、如果 frame_per_outfile 值较小，或模拟时间很长，会拆分出多个 wrfout 文件（例如按天或按小时）

3、&time_control 中关于嵌套域输入控制的变量

&time_control
 input_from_file     = .true., .true., .true.,
 fine_input_stream   = 0, 2, 2,
/

🔹 input_from_file（布尔型）
作用：控制 real.exe 是否为每个嵌套域读取 wrfinput_d0* 文件作为初始场。
对应域：

• .true.：为该域读取 wrfinput_d0* 文件（通常由 real.exe 生成）；
• .false.：该域不读取输入文件，WRF 会自动从父域插值获得初始场。

📌 在 真实资料模拟（real-data run） 中，通常都设为 .true.，这样每个域都有自己的初始化文件。这是 真实资料模拟（real） 中的常规做法。

🔹 fine_input_stream（整数型）
作用：指定嵌套域在初始化时使用哪些输入流（input streams）中定义的数据变量。
取值说明：

• 0：使用所有变量（默认）（fine_input_stream = 0）；
• 2：表示使用 Registry 中 io_form_2（即 I/O stream 2）中定义的变量；

这通常用于嵌套域在父域开始后延迟启动的情况，可避免不必要变量的初始化。

&domain 嵌套结构

&domains 支持以下嵌套结构：

• 多嵌套共享一个父域 ✅
  

• 多层嵌套（嵌套嵌套）✅
  

• ❌ 不允许多父域（如 D03 同时嵌套 D01 & D02）
  

嵌套域（Nest）在父域中的起始位置定义：
i_parent_start、j_parent_start：指定嵌套域在父域中的起始位置（起始网格点），以父域的网格坐标系为参考。

红色箭头指向嵌套域的左下角，说明其起始位置在 父域的第 31 个网格点（I=31）。

对应在 namelist.input 的设置如下：

i_parent_start = 31,
j_parent_start = 17,

• i_parent_start=31：嵌套域在 父域的第31列网格点 开始；
• j_parent_start=17：嵌套域在 父域的第17行网格点 开始

&domain 的内容如下（参考）：

max_dom         = 3,
e_we            = 74, 112, 94,
e_sn            = 61, 97, 91,
e_vert          = 28, 28, 28,
grid_id         = 1, 2, 3,
parent_id       = 0, 1, 2,
i_parent_start  = 0, 31, 30,
j_parent_start  = 0, 17, 30,

注意：这些值必须与 WPS 中设置的嵌套起点一致，否则会报错或嵌套错位。

dx = 30000, 10000, 3333.33,
dy = 30000, 10000, 3333.33,
parent_grid_ratio = 1, 3, 3,
parent_time_step_ratio = 1, 3, 3,

参数详解：

注意：
1、所有 4 个变量都必须显示设置（否则模拟会失败）；
2、grid ratio（网格比率）必须为整数，如 3、5；
3、time step ratio（时间步长比）可与 grid ratio 不同，但通常建议一致，以保持数值稳定性；
4、网格间距单位为米，即使使用经纬度投影（lat/lon）也必须换算为米；
对于旋转经纬度网格（rotated lat/lon），dx ≠ dy 是允许的。

与嵌套反馈机制相关的参数：feedback 和 smooth_option。它们控制嵌套域（Nest）与其父域（Parent Domain）之间的数据回馈与平滑处理。

&domains
 feedback      = 1,
 smooth_option = 0,
/

✅ feedback
作用：控制嵌套域（子域）是否将其模拟结果“反馈”给父域。
取值：

• 0：无反馈（称为 一向嵌套 one-way nesting）
  ➤ 嵌套域不会修改父域的模拟结果；
• 1：开启反馈（称为 双向嵌套 two-way nesting）
  ➤ 嵌套域的高分辨率结果可更新父域覆盖区域中的值。

📌 通常推荐在研究高分辨率区域对整个区域有反馈影响时使用 feedback = 1。

✅ smooth_option
作用：当开启 feedback=1 时，是否对嵌套与父域边界区域进行平滑处理，以减少突变。
取值：

• 0：不进行平滑（默认值）；
• 1：进行一次平滑；
• 2：进行两次平滑。

📌 平滑处理有助于防止嵌套区与父域交界处出现数值不连续，尤其在地形复杂区域。

&bdy_control 配置部分

&bdy_control 配置部分主要控制边界条件的设置方式和边界区域的平滑处理，对于模型稳定性和嵌套域之间的一致性非常重要。

&bdy_control
 spec_bdy_width = 5,
 spec_zone      = 1,
 relax_zone     = 4,
 specified      = .T., .F., .F.,
 nested         = .F., .T., .T.,
/

参数逐项解释：

📌 注意事项
1、spec_zone + relax_zone = spec_bdy_width
即边界区总宽度必须等于指定区与缓冲区之和。
2、对 ARW 模型，你可以自由设置 relax_zone 和 spec_zone 的值，但它们的总和必须等于 spec_bdy_width。
3、specified 和 nested 的布尔值列表应与你的 domain 数量一致（如 3 个域就要写 3 个值）。

• 左图：wrfinput_d02，为嵌套域的初始边界输入文件，边界区域过渡较生硬，颜色变化突兀；
• 右图：wrfout_d02，模拟过程中使用了边界平滑处理，边界（黑线标出）附近的颜色（变量值）过渡更加平滑。

📌 这说明设置合适的 relax_zone 能够有效减少边界处的不连续性，提高模拟稳定性和准确性。

namelist 其他注意事项

1、所有嵌套域应尽量使用相同的物理方案设置。

WRF 模拟中包括多种物理方案（如微物理、对流、边界层、辐射等），建议所有域（d01、d02、d03…）使用相同的物理参数配置。

⚠️ 例外：积云对流方案（cumulus scheme）
当嵌套域的分辨率非常高（通常 ≤ 3 km），对流可被显式解析（即用显式微物理方案模拟出来），不再需要参数化。即，对于高分辨率嵌套域（如 dx = 1 km 或 3 km），应关闭 cumulus 参数化：

cu_physics = 1, 0, 0,   ! d01 开启积云方案，d02/d03 关闭

2、所有域应使用相同的物理过程调用频率，如 radt, cudt 等。
参数说明：

建议所有域统一设置这些频率，不要因分辨率不同而设置不同值。

radt = 30, 30, 30
cudt = 5,  0,  0

3、并非所有 namelist 参数都与域（domain）相关

有些变量必须为每个 domain 单独设置（如 dx, dy, i_parent_start），
但也有一些是全局变量（如 run_days, history_interval），不需要为每个域重复设置。

如果不确定某个参数是否与域有关，可以查阅：
➡️ Registry.EM
➡️ registry.io_boilerplate

在这些文件中查找 rconfig 或 namelist 字符串，可以判断该变量是否支持逐域设置。例如：

rconfig "dx"  real  namelist,domain  1  "grid spacing x-direction"

表示 dx 是 namelist.input 中的、支持逐域设置的变量。

Registry.EM

Registry.EM 是 WRF 模型的核心配置注册表，用于定义各类物理量、输入输出变量、namelist 参数等；其告诉 WRF 程序：

• 参数的类型（如整数、逻辑值等）；
• 参数属于哪个 namelist 区块；
• 是否逐域（per domain）设置；
• 默认值是多少。

示例字段如下：

rconfig integer spec_bdy_width namelist,bdy_control 1 5
rconfig logical specified namelist,bdy_control max_domains .false.

运行 ARW 嵌套

嵌套方式总结：

双向嵌套（two-way nesting）

Moving Nest Case（移动嵌套，仅 ARW 支持）

移动嵌套（Moving Nest）是指嵌套域（子域）可以在模拟过程中移动位置，以追踪目标系统（如热带气旋）。

1、节省计算资源：只在感兴趣区域使用高分辨率；
2、编译时需选择正确选项：
修改 configure.wrf 文件；
支持两种移动模式：

• preset move（指定路径）；
• vortex following（自动追踪台风等涡旋）；

3、运行时配置通过 namelist.input 控制；
4、所有子域都可以设置为移动。

选择1：手动控制嵌套域的移动路径：

• 用户预先指定每一步的移动方向；
• 每次移动只能移动一个网格单元（grid cell）；
• 必须提前设置嵌套初始位置。

namelist.input 中的关键参数（在 &domains 中）：

num_moves     = 10       ! 总共移动次数
move_id       = 2        ! 要移动的嵌套域 ID（如 d02）
move_interval = 60       ! 移动时间间隔（分钟）
move_cd_x     = 1,-1,... ! 每次移动在 x 方向的格点数
move_cd_y     = 0, 1,... ! 每次移动在 y 方向的格点数
corral_dist   = 4        ! 套索距离（防止跑出父域）

选择2：Automatic Moving Case（自动追踪嵌套）

适用于热带气旋模拟（自动追踪台风中心）：

• 嵌套域自动识别并追踪台风等涡旋系统；
• 更适合发展成熟的风暴。

namelist 中的关键参数（&domains）：

单向嵌套（one-way nesting）

流程解析：
1、使用 WPS 生成 met_em.d01.* 和 met_em.d02.*；
2、用 real.exe 处理 d01，生成 wrfinput_d01, wrfbdy_d01（黄色部分）；
3、用 wrf.exe 运行 d01（主模拟）；
4、然后运行 ndown.exe，在已有 d01 模拟基础上，生成 d02 的 wrfinput_d02 和 wrfbdy_d02（蓝色部分）；
5、最后运行 wrf.exe 模拟 d02。

特点：

• d01 和 d02 是 分开运行 的；
• d02 的边界来自 d01 的输出；
• 更适合单向嵌套的需求（如不需要反馈）。

🔁 One-way vs Two-way 嵌套对比

另：“单向嵌套”与“双向嵌套” 的差异比较

WRF论坛-Two-way and one-way nesting runs

根据此论坛内容，设置了两组WRF实验，期望D01（外层域）的模拟结果在以下两种设置下应完全相同：

• 实验一：双域模拟（D01+D02），设置 max_dom=2，feedback=0（即one-way nesting）
• 实验二：单域模拟（仅D01），设置 max_dom=1

两次实验都使用相同的时间步长、物理参数化方案等。但结果却发现：D01的模拟结果不一致。

对此的合理解释为：虽然理论上 feedback=0（即关闭反馈）时，父域D01的结果应与单独运行D01的结果一致，但实际上：

• 当设置 max_dom=2 时，WRF 仍然需要初始化和建立子域D02；
• 这个过程会引入一些数值噪声（noise），从而对D01的数值状态造成微小扰动；
• 即使关闭了 feedback，D01 的模拟过程还是被“打扰”了。

换句话说：
只要运行了嵌套（即使 feedback=0），D01 的结果就不会完全等同于不含嵌套的运行。

设置"纯净"的嵌套模拟

如果希望真正不受嵌套影响的 D01 结果，可以尝试使用 ndown程序 来运行嵌套模拟。
这种方式可以先单独运行 D01，再将其结果作为边界条件驱动 D02，避免 D02 在运行中影响 D01。

参考

1、PPT-WRF Nesting: Set up and Run