WRF-LES大涡模拟 namelist.input参数详解

1 &time_control 时间控制

&time_control
 run_days                = 0,
 run_hours               = 6,
 run_minutes             = 0,
 run_seconds             = 0,
 start_date              = '2023-07-15_06:00:00',
 end_date                = '2023-07-15_12:00:00',   
 interval_seconds        = 3600,
 input_from_file         = .true., .true.,
 history_interval        = 10, 10,        ! 每 10 分钟输出一次（LES 需要高频输出）
 frames_per_outfile      = 1000,
 restart                 = .false.,
 restart_interval        = 1440,
 io_form_history         = 2,
 io_form_restart         = 2,
 io_form_input           = 2,
 io_form_boundary        = 2,
 debug_level             = 0,
/

关键参数说明：

⚠️ 注意：LES 的高频输出会产生非常大的文件。例如，100m 分辨率、每分钟输出一次，单个 wrfout 文件可能达到数 GB。请确保磁盘空间充足。

2 &domains 域设置

&domains
 time_step              = 1,              ! 整数秒部分
 time_step_fract_num    = 0,              ! 分数时间步：分子
 time_step_fract_den    = 2,              ! 分数时间步：分母
 ! 实际时间步 = 1 + 0/2 = 1.0 秒（适用于 dx=300m）
 ! 如果 dx=100m，建议：time_step=0, fract_num=1, fract_den=2 → 0.5s

 max_dom                = 2,
 s_we                   = 1, 1,
 e_we                   = 301, 901,       ! 东西方向格点数
 s_sn                   = 1, 1,
 e_sn                   = 301, 901,       ! 南北方向格点数
 s_vert                 = 1, 1,
 e_vert                 = 305, 305,       ! 垂直层数（LES 需要大量垂直层！）
 p_top_requested        = 10000,          ! 模式顶气压 (Pa)
 num_metgrid_levels     = 34,
 num_metgrid_soil_levels = 4,
 dx                     = 300, 100,       ! 水平分辨率 (米)
 dy                     = 300, 100,
 grid_id                = 1, 2,
 parent_id              = 1, 1,
 parent_grid_ratio      = 1, 3,           ! 嵌套比（推荐奇数）
 parent_time_step_ratio = 1, 2,           ! 时间步比（通常为嵌套比的 2/3）
 feedback               = 0,              ! 单向嵌套（LES 必须！）
 smooth_option          = 0,
/

关键参数详解：

分数时间步

LES 的时间步通常小于 1 秒，WRF 通过分数时间步实现：

实际时间步 = time_step + time_step_fract_num / time_step_fract_den

一般规则：time_step ≤ 6 × DX(km)，即 time_step ≤ 0.006 × DX(m)

垂直分辨率

LES 需要精细的垂直分辨率来解析边界层内的湍流结构：

• 边界层内（0~2km）：dz ≈ 20~50m
• 边界层以上：可逐渐增大
• 总垂直层数：通常 100~305 层
• 参考：HI-SCALE 实验使用 305 层垂直分辨率

域大小

• 理想 LES：至少 10km × 10km（如 WRF 默认 em_les 案例）
• 实际数据 LES：建议数百公里，以包含足够的大涡结构
• 统计采样：域需要足够大以获得统计意义上平稳的湍流

3 &physics 物理参数化

&physics
 mp_physics             = 8,  8,         ! Thompson 微物理方案
 cu_physics             = 0,  0,         ! 关闭积云参数化（LES 必须！）
 ra_lw_physics          = 4,  4,         ! RRTMG 长波辐射
 ra_sw_physics          = 4,  4,         ! RRTMG 短波辐射
 radt                   = 1,  1,         ! 辐射计算间隔（分钟）
 sf_sfclay_physics      = 1,  1,         ! Revised MM5 地表层方案
 sf_surface_physics     = 2,  2,         ! Noah 陆面模式
 bl_pbl_physics         = 0,  0,         ! 关闭 PBL 方案（LES 核心！）
 bldt                   = 0,  0,         ! PBL 计算间隔（关闭时无意义）
 isfflx                 = 1,             ! 启用地表热通量
 ifsnow                 = 0,
 icloud                 = 1,
 surface_input_source   = 1,
 num_soil_layers        = 4,
/

核心参数解释：

4 &dynamics 动力学参数（LES 核心）

这是 WRF-LES 与中尺度模拟差异最大的部分：

&dynamics
 rk_ord                 = 3,              ! 3 阶 Runge-Kutta 时间积分
 w_damping              = 0,              ! 垂直速度阻尼（一般关闭）
 diff_opt               = 2,  2,          ! 物理空间扩散（LES 必须！）
 km_opt                 = 2,  2,          ! Deardorff TKE SGS 模型
 damp_opt               = 3,  3,          ! w-Rayleigh 阻尼
 zdamp                  = 4000., 4000.,   ! 阻尼层深度 (m)
 dampcoef               = 0.2,  0.2,      ! 阻尼系数 (1/s)
 khdif                  = 0.,  0.,        ! 水平扩散系数（km_opt=2 时自动计算）
 kvdif                  = 0.,  0.,        ! 垂直扩散系数（km_opt=2 时自动计算）
 c_s                    = 0.18, 0.18,     ! Smagorinsky 常数（LES 推荐值！）
 c_k                    = 0.10, 0.10,     ! 垂直扩散常数（LES 推荐值！）
 smdiv                  = 0.1,  0.1,      ! 散度平滑系数
 emdiv                  = 0.01, 0.01,     ! 梯度平滑系数
 epssm                  = 0.1,  0.1,      ! eps 平滑系数
 tke_heat_flux          = 0.02, 0.02,     ! 地表热通量 (K·m/s)
 tke_drag_coefficient   = 0.0013, 0.0013, ! 地表拖曳系数
 mix_full_fields        = .true., .true., ! 混合完整场
 non_hydrostatic        = .true., .true., ! 非静力平衡（LES 必须）
 h_mom_adv_order        = 5,  5,          ! 5 阶水平动量平流
 v_mom_adv_order        = 3,  3,          ! 3 阶垂直动量平流
 h_sca_adv_order        = 5,  5,          ! 5 阶水平标量平流
 v_sca_adv_order        = 3,  3,          ! 3 阶垂直标量平流
 moist_adv_opt          = 2,  2,          ! 正定水汽平流
 scalar_adv_opt         = 2,  2,          ! 正定标量平流
 tke_adv_opt            = 2,  2,          ! 正定 TKE 平流
 base_temp              = 290.,           ! 基态温度 (K)
 use_theta_m            = 1,              ! 使用湿位温
 pert_coriolis          = .true.,         ! 扰动科氏力
/

逐参数详解

diff_opt = 2（物理空间扩散）

• 这是 LES 的核心设置之一
• 选项 2 在物理空间（x, y, z）中计算湍流扩散项
• 必须与 km_opt = 2 或 5 配合使用
• 绝对不要在 LES 中使用 diff_opt = 1（坐标面扩散）

km_opt = 2（Deardorff TKE SGS 模型）

• 最经典、最常用的 LES SGS 模型
• 求解预报 TKE 方程，涡动扩散系数 K 由 TKE 和长度尺度计算
• 不推荐用于 dx > 2km 的情况
• 替代方案：km_opt = 5（SMS-3DTKE，适合嵌套 LES）

c_s = 0.18 和 c_k = 0.10

• 必须使用这些 LES 推荐值，而非 WRF 默认值
• c_s：Smagorinsky 常数，控制水平扩散强度
• c_k：控制垂直扩散强度
• WRF 官方文档明确指出 LES 应使用这些值

damp_opt = 3（w-Rayleigh 阻尼）

• 在模式顶部附近施加 Rayleigh 阻尼，抑制波反射
• 选项 3（w-Rayleigh）专门用于实际数据案例
• dampcoef = 0.2：阻尼系数，单位为 1/s
• zdamp = 4000：阻尼层从模式顶向下延伸 4000m

平流阶数

• 水平 5 阶 + 垂直 3 阶是 LES 的标准配置
• 5 阶平流精度高、数值扩散小
• moist_adv_opt = 2 等选项启用正定/单调平流，防止负值

tke_heat_flux = 0.02

• 地表感热通量（K·m/s），用于驱动对流边界层湍流
• 仅在 bl_pbl_physics = 0 且 isfflx = 1 时使用
• 典型值：0.02（弱对流）~ 0.24（强对流）
• 实际数据案例中，此值会被地表方案覆盖

5 &bdy_control 边界条件

&bdy_control
 spec_bdy_width         = 5,              ! 侧边界宽度
 spec_zone              = 1,              ! 指定边界区域
 relax_zone             = 4,              ! 松弛边界区域
 specified              = .true., .false., ! D01: 指定边界, D02: 嵌套边界
 nested                 = .false., .true., ! D01: 非嵌套, D02: 嵌套
/

理想 LES 的特殊设置：

&bdy_control
 periodic_x             = .true.,         ! x 方向周期边界
 periodic_y             = .true.,         ! y 方向周期边界
/

周期边界适用于理想 LES 案例（如均匀地表上的对流边界层），允许涡旋从一侧流出后从另一侧流入。

6 参数速查表

下表总结了 WRF-LES 与中尺度 WRF 的关键参数对比：