【WRF-Urban】WRF 4.3版本中城市模块更新总结
- WRF 4.3 版本中城市模块更新
- 1. 局地气候区（LCZ）的引入
- WRF 查找表的修改：
- 如何启用 11 类 LCZ 分类：
- 2. 屋顶缓解策略与建筑材料渗透性
- 3. 新的建筑物阻力系数处理
- 使用LCZ的WRF-Urban模拟
- LCZ Generator
- 使用 LCZ 地图在 WRF 中进行模拟
- 参考
本博客主要对WRF-Urban教程中-Updates of WRF-urban in WRF 4.3进行分析与总结。
新版本的 WRF-urban 和 BEP+BEM 多层城市方案 现在允许将 WUDAPT（世界城市数据库与访问门户工具）局地气候区（LCZ） 的 11 类城市分类 纳入 WRF（天气研究与预报模型）模拟中。这一更新显著扩展了 WRF 在城市分类方面的能力，从之前的 3 类城市土地利用系统 发展到更详细且具有全球适用性的 LCZ 系统，由 WUDAPT 提供。
WRF 4.3 版本中城市模块更新
WRF 4.3（Weather Research and Forecasting Model 4.3 版本） 中的城市模块更新包括：
1、局地气候区（Local Climate Zones, LCZ）的引入：
在 WRF 4.3 版本中，传统的城市土地利用分类被扩展为 11 类，这些分类基于 WUDAPT（全球城市数据库，http://www.wudapt.org/）。
LCZ 提供了更详细的城市分类，包括高密度、低密度住宅区和工业区等。
2、新的太阳能光伏板屋顶参数化方案：
新增了太阳能光伏板（Photovoltaic Panels, PVP）屋顶的参数化方案，该方案与 BEP/BEM（建筑环境参数化模型）耦合，用于模拟光伏板对城市环境的影响。
3、绿色屋顶的参数化方案：
绿色屋顶（Green Roof, GR）参数化方案也被引入到 BEP/BEM 中，允许模拟绿色屋顶的影响，如温度调节和水分蒸发等。
4、新的建筑物阻力系数处理：
该更新改进了建筑物阻力系数的处理方式，允许根据建筑密度和布局动态调整阻力系数，从而提高城市风速和湍流运动模拟的精度。
1. 局地气候区（LCZ）的引入
之前的 WRF 模型城市土地利用分类使用 USGS 和 MODIS 的 3 类城市分类（低密度住宅区、高密度住宅区和工业区），而现在模型可以使用基于 WUDAPT 的 11 类 LCZ 分类。
LCZ 分类包括以下类别：
- LCZ 1：紧凑型高层建筑区
- LCZ 2：紧凑型中层建筑区
- LCZ 3：紧凑型低层建筑区
- LCZ 4：开放型高层建筑区
- LCZ 5：开放型中层建筑区
- LCZ 6：开放型低层建筑区
- LCZ 7：轻型低层建筑区
- LCZ 8：大型低层建筑区
- LCZ 9：稀疏建筑区
- LCZ 10：重工业区
- LCZ E：岩石和铺装地面（如大型停车场或机场跑道）
LCZ E（或 LCZ 11）是新增的类别，用于考虑像大型停车场或机场跑道这样的广阔铺装地面。
WRF 查找表的修改：
WRF 的查找表（如 LANDUSE.TBL、VEGPARM.TBL 和 MPTABLE.TBL）已经从 33 类扩展到 41 类，以考虑这些新的城市类别。同时，新增了 URBPARM_LCZ.TBL，用于 11 个 LCZ 城市类别的信息。
为了使用 LCZ 分类，需要在 WRF 预处理系统（WPS）中创建一个新的文件夹，包含 LCZ 地图的二进制文件和索引文件。如果土地利用类型的最大值大于 33，模型会停止并提示错误信息，提醒用户使用 LCZ 分类。
如何启用 11 类 LCZ 分类：
使用 LCZ 需要在 WRF namelist.input 文件的 &physics 部分中添加以下配置：
use_wudapt_lcz = 1 # 默认为0，设置为1启用LCZ
该标志允许 WRF 使用新的查找表 URBPARM_LCZ.TBL，其中包含 11 类城市分类的信息。
此外，WRF 4.3版本仍兼容传统城市分类：
尽管新的方案支持 11 类 LCZ 分类，它仍然兼容之前的 3 类城市分类系统。用户如有需要，仍然可以使用传统的城市分类。
2. 屋顶缓解策略与建筑材料渗透性
WRF 4.3 引入了新的 BEP+BEM 方案，允许模拟绿色屋顶（Green Roof, GR）和光伏板（Photovoltaic Panels, PVP）对城市气候的影响。
为了启用和控制这些新方案，URBPARM.TBL 查找表中新增了一些变量：
1、绿色屋顶参数：
您可以通过 URBPARM.TBL 文件中的以下变量控制绿色屋顶的参数化设置：
- GR_TYPE：设置为 1 表示草本植物，2 表示景天（Sedum）植物。
- GR_FLAG：设置为 1 启用绿色屋顶参数化。
- GR_FRAC_ROOF：绿色屋顶覆盖的屋顶比例，值范围为 0 到 1。
2、光伏板参数：
- PV_FRAC_ROOF：光伏板覆盖的屋顶比例，值范围为 0 到 1。
3、滴灌参数：
- IRHO：用于控制按小时的屋顶滴灌，1 表示每周 25 L/m² 的灌溉量，较小的值表示其比例。
绿色屋顶和光伏板模块是耦合的，因此可以模拟光伏板遮挡下的绿色屋顶。
相关变量已添加到注册文件，例如：
- EP_PV_URB3D：光伏板产生的电力（W/m²）
- T_PV_URB3D：光伏板的温度（K）
- TGR_URB3D：绿色屋顶的平均温度（K）
通过这些新增的变量，WRF 模型可以更加细致地模拟 绿色屋顶 和 光伏板 对城市气候的影响，包括它们对温度、湿度、能量通量和水分滞留的作用。这些参数化方案可以帮助研究人员评估屋顶缓解策略（如绿色屋顶或光伏板）在缓解城市热岛效应、节能和水资源管理中的效果。
3. 新的建筑物阻力系数处理
之前版本的 WRF 模型中，建筑物对平均风速和湍流动能的阻力系数是一个常数（CD = 0.4），无论建筑物的密度（或建筑物平面面积比例）如何，阻力系数都是不变的。
在 WRF 4.3 中，建筑物阻力系数现在可以根据 建筑物的平面面积比例 λp（即建筑物在地表的占地面积与总土地面积的比例） 动态调整。这一更新基于 Santiago 和 Martilli 的研究成果。
动态阻力系数公式：
新的阻力系数模型可以更好地反映建筑物密度的影响。λp 越大，意味着建筑物密度越高，阻力系数可能会相应增加。这种动态调整方式更加符合现实中的城市风速和湍流特性。
影响：
1、λp 越高（建筑物密度越大），风速受到的阻力越大，风速减弱得更多。
2、湍流动能：建筑物密度的增加会增大湍流动能的产生，影响局地气候中风的流动模式。
使用LCZ的WRF-Urban模拟
LCZ Generator
LCZ Generator 是一个在线工具，用于生成特定区域的 局地气候区（Local Climate Zones, LCZ） 地图。LCZ 分类系统扩展了传统的 WRF 模型中的城市土地利用分类，将其从 3 类城市区域（如低密度住宅区、高密度住宅区、工业/商业区）增加到 17 类土地类型，其中 10 类为城市区域。每个 LCZ 类别都有独特的物理特性，如地表覆盖、反照率等，这些特性在 URBPARM_LCZ.TBL 文件中详细定义。
LCZ 分类系统：LCZ（局地气候区） 是一种基于气候的分类系统，用于描述城市和非城市区域的不同土地类型。它包含 17 个不同的土地类别，其中包括：
- 10 类城市区域（如紧凑型高层建筑区、开放型低层建筑区、工业区等）
- 7 类自然和乡村区域（如水体、稀疏植被区、农业用地等）
这些 LCZ 类别通过不同的地表特性（如建筑物密度、地面覆盖材料、热容等）来区分。
使用 LCZ 地图在 WRF 中进行模拟
生成的 LCZ 地图可以通过 WRF 的 预处理系统（WPS） 进行集成。具体步骤包括：
1、LCZ 数据集成：LCZ 地图生成后，用户可以将其转换为适合 WRF 使用的格式。LCZ 的分类信息将被存储在一个二进制文件中，该文件包含土地利用类型的索引。
2、更新查找表：为了让 WRF 识别并应用新的 LCZ 分类，需要使用 URBPARM_LCZ.TBL 文件，该文件包含每个 LCZ 类型的详细物理参数（如表面粗糙度、建筑物高度、热容等）。
3、启用 LCZ 分类：在 WRF namelist.input 文件中，用户需要通过设置标志来启用 WRF 对 LCZ 分类的支持：
use_wudapt_lcz = 1
4、参数化设置：LCZ 分类在 WRF 的城市冠层模型中提供了更细致的城市结构描述，并且可以与 BEP+BEM 等城市冠层方案结合使用，以便更精确地模拟城市气候效应。
