气象水文耦合模式 WRF-Hydro 建模技术与案例实践应用

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在地球系统科学研究不断深入的当下，气象与水文过程的相互作用受到广泛关注。WRF-Hydro 模型作为一款重要的气象水文耦合模式，为深入探究这些复杂过程提供了有力工具。它基于 WRF 陆面过程发展而来，具备诸多优势，如高空间分辨率、全面的物理过程描述、与气象模型耦合的能力等，在洪水预报、水资源管理、生态水文研究等多个领域应用前景广阔。然而，该模型的使用涉及复杂的数据制备、代码编译以及运行操作，对初学者而言颇具挑战。为助力相关领域工作者掌握这一强大工具，本次培训课程围绕 WRF-Hydro 模型展开了全面且深入的讲解与实践。

WRF-Hydro 模型基础与环境搭建

WRF-Hydro 模型是一个分布式水文模型，采用 FORTRAN90 开发，其主要模块涵盖水文循环的多个关键环节，能模拟大气与水文的相互作用。该模型在洪水预报、水资源管理、生态水文研究等多领域应用广泛，例如在洪水预报中，其高分辨率特性可精准捕捉小尺度水文变化，为防洪减灾提供可靠依据。在运行环境搭建方面，需借助 vmware workstation 17 Pro 软件在 Windows10 系统中安装 Linux 系统（如 Rocky Linux），为模型运行提供基础平台。同时，要安装 Intel 编译器以及 NetCDF 链接库，为编译离线和在线 WRF-Hydro 模型提供支持；创建 Python/NCL 环境，以满足资料处理、后处理等需求，为后续模型操作奠定基础。

WRF-Hydro 模型编译与离线运行

深入了解 WRF-Hydro 模型的源代码结构是掌握该模型的关键。模型源代码包含多个目录，如arc/目录存放编译配置相关的宏文件，CPL/目录下有不同陆面模型的耦合接口等。在编译过程中，需根据研究需求合理选择编译选项，如WRF_HYDRO通常设为 1，HYDRO_D可控制诊断输出用于调试等。编译时要严格遵循流程，同时掌握常见错误的处理方法。通过运行示例区域文件，可初步熟悉模型运行所需的主要部分。在离线运行案例实践中，设置了丰富多样的案例，从使用示例文件模拟获取径流结果，到模式冷启动、替换降水资料模拟等，每个案例都针对特定的研究点或模型设置，帮助学习者全面掌握模型离线运行的技巧与应用。

WRF-Hydro 模型数据处理与耦合应用

在模型数据处理方面，多种工具发挥着关键作用。WPS 工具用于创建 LSM 区域文件，处理 DEM、土壤、植被等数据；WRF-Hydro GIS 工具可生成运行模型所需的 Domain 文件，涵盖流域、地形、河网、湖泊等信息；气象驱动工具（如 NCL 工具）能够将气象资料转换为模型驱动文件。在耦合编译与运行环节，通过编译双向耦合水文过程的 WRF 模型，实现气象与水文过程的实时交互模拟。多领域应用案例分析展示了模型在不同场景下的应用效果，如在湖泊模拟案例中，可清晰看到有无湖泊对径流模拟结果的显著影响，为流域水资源管理和生态保护提供科学依据。这些技术点相互关联，共同构成了 WRF-Hydro 模型完整的应用体系，为气象水文领域的研究和实践提供了有力支持。

第一部分、WRF-Hydro模型功能及运行流程、依赖库准备

1、WRF-Hydro模型、主要模块及应用领域介绍，主要介绍该模型开发背景，主要模块功能，以及运行的流程等

2、WRF-Hydro模型运行平台及所需要外部链接库介绍，主要讲解运行该模型需要的编译器环境、外部链接库等

3、虚拟机系统安装，使用vmware workstation 17 Pro 软件在windows10系统中可以安装Linux系统，方便运行模型

4、在vmware软件支持下，安装Rocky Linux系统，准备好模型基础平台

5、安装Intel编译器以及NetCDF链接库，主要为编译离线和在线WRFhydro模型提供支持

6、创建Python/NCL环境，为资料处理、后处理等提供支持

第二部分、WRF-Hydro模式编译、离线运行及案例实践

1、模型源代码，主要讲解模型的源代码结构，以及如何使用编译器和外部函数库将模型源代码编译为可执行程序

2、编译源代码，主要讲解模型编译选项、编译过程、错误处理等

3、初步运行，使用示例区域文件，讲解模型运行所需要的主要部分等

4、模型输入输出，主要讲解模型使用的NetCDF文件格式及相关的处理软件，如xarray等，并使用ncview和Jupyterlab环境讲解如何可视化模型区域等

5、案例1：讲解使用示例文件模拟，获取默认模式设置下的径流模拟结果，并使用工具可视化

6、案例2：模式冷启动，主要讲解模式冷启动和热启动的模式设置等，涉及到模式平衡及预热等

7、案例3：替换降水资料模拟，主要讲解使用更高质量降水资料驱动WRF-Hydro模式开展模拟等

8、案例4：Overland routing off模拟，主要讲解关闭overland routing设置进行模拟，以及overland routing的功能和作用

9、案例5：LSM过程参数修改模拟，主要讲解修改NaohMP中主要参数，包含一维和二维参数等修改和模拟等，以及这些参数的主要功能和影响

第三部分、结合多案例进行模式数据制备及实践应用

1、案例6：参数修改模拟，继续讲解修改模式参数，以及基流方案等

2、案例7：湖泊模拟案例，主要讲解利用模型模拟有无湖泊对径流模拟的影响等

3、工具1：WPS，主要讲解创建LSM区域文件，以及相关的DEM、土壤、植被等

4、工具2：WRF-Hydro GIS工具，主要讲解如何使用工具，生成运行WRF-Hydro模型的Domain文件，包括流域、地形、河网、湖泊等

5、工具3：气象驱动工具，主要讲解如何使用NCL工具，将主要的气象资料，包括预报、模拟等资料转换为模型的驱动文件等

第四部分、模式耦合编译及运行、总结

1、在线耦合编译，主要讲解使用编译器和外部函数库，编译双向耦合水文过程的WRF模型等

2、案例8：WPS之geogrid，主要讲解如何使用geogrid设置区域大小、分辨率、嵌套区域等

3、案例9：WPS之ungrib，主要讲解如何使用ungrib生成WRF的气象驱动场数据

4、案例10：WPS之metgrid，主要讲解metgrid的功能和作用

5、案例11：耦合模拟案例，运行耦合模拟案例，讲解模式输出结果等

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