【SUEWS 教程第7.1期】天气研究与预报模型 WRF-SUEWS

[7.1.1.1. WRF-SUEWS Coupling](#7.1.1.1. WRF-SUEWS Coupling)
- [7.1.1.1.1 概述（Overview）](#7.1.1.1.1 概述（Overview）)
- [7.1.1.1.2 技术架构（Technical Architecture）](#7.1.1.1.2 技术架构（Technical Architecture）)
- [7.1.1.1.3 安装与配置（Installation and Setup）](#7.1.1.1.3 安装与配置（Installation and Setup）)
- [7.1.1.1.4 使用流程（Usage Workflow）](#7.1.1.1.4 使用流程（Usage Workflow）)
- [7.1.1.1.5 与现代 SUEWS 的集成（Integration with Modern SUEWS）](#7.1.1.1.5 与现代 SUEWS 的集成（Integration with Modern SUEWS）)
- [7.1.1.1.6 研究应用（Research Applications）](#7.1.1.1.6 研究应用（Research Applications）)
[GitHub-WRF-SUEWS 简介](#GitHub-WRF-SUEWS 简介)
参考

WRF-SUEWS 是一个将 天气研究与预报模型 （WRF ）与 城市表面能量与水分平衡模式 （SUEWS）相集成的耦合系统。它旨在通过结合大气环流模拟与城市地表物理过程，提高城市气候模拟的精度，尤其是在中尺度范围内。

7.1.1.1. WRF-SUEWS Coupling

7.1.1.1.1 概述（Overview）

目的：

WRF-SUEWS 联合模拟系统结合了 WRF 和 SUEWS 各自的优势：

WRF 提供中尺度三维大气动力与气象场模拟；
SUEWS 提供城市地表详细的能量与水分通量计算。

主要优势：

双向耦合 ：
- SUEWS 给 WRF 提供地表热通量；
- WRF 向 SUEWS 提供气象强迫；
城市物理机制增强：模拟城市热岛、植被影响等；
高分辨城市气候模拟：适用于评估微气候、热浪等；
研究应用广泛：城市规划、极端气候研究等。

7.1.1.1.2 技术架构（Technical Architecture）

耦合策略：

替换 WRF 默认的城市冠层模式（UCM）为 SUEWS；
初始化：将 SUEWS 地表参数嵌入到 WRF 土地利用数据中；
运行期：每时间步由 WRF 调用 SUEWS 生成地表热、湿通量；
数据交换：双向传输气象变量与地表能量平衡结果；
输出结果：保存结合后的 WRF 气象变量与 SUEWS 诊断量。

支持功能：

地表类型（7种）：建筑、硬化地面、植被、水体等；
能量平衡计算：包括地下热通量；
水文过程模拟：蒸散发、地表径流；
人为影响建模：例如人口密度、建筑耗能等。

7.1.1.1.3 安装与配置（Installation and Setup）

⚠️ 推荐在高性能计算平台（如 JASMIN HPC）运行，需较强技术背景。

系统依赖：

编译器：Intel Fortran（推荐）或 GCC；
依赖库：NetCDF、HDF5、MPI；
平台：Linux/Unix，Apple M1 支持；

安装步骤：

bash 复制代码

# 克隆代码库
git clone --recurse-submodules https://github.com/Urban-Meteorology-Reading/WRF-SUEWS.git
cd WRF-SUEWS

# 创建 Conda 环境并激活
conda env create --file=wrf_suews.yml
conda activate wrf_suews

然后根据不同平台编译说明完成编译。

7.1.1.1.4 使用流程（Usage Workflow）

预处理（WPS 阶段）

bash 复制代码

./geogrid.exe   # 生成地理数据
./ungrib.exe    # 解析气象数据
./metgrid.exe   # 网格内插

SUEWS 参数设置

土地利用分类
表面参数（建筑高度、植被覆盖率等）
人为强迫（人口密度、能耗模式）

运行 WRF-SUEWS 模拟

bash 复制代码

./real.exe       # 实际气象预处理
mpirun -np <cores> ./wrf.exe   # 并行运行耦合模型

输出分析

输出结果涵盖：

气象变量：温度、风速、湿度等；
地面通量：感热、潜热、动量通量；
城市诊断量：地下热通量、径流、建筑能耗等。

7.1.1.1.5 与现代 SUEWS 的集成（Integration with Modern SUEWS）

❗ 当前局限：

基于旧版 SUEWS，不支持 Python 接口 SuPy；
需复杂手动设置参数，缺乏自动化工具。

未来发展方向：

1、SuPy 接口构想：

python 复制代码

import supy as sp
import wrfsuews

sites = wrfsuews.generate_suews_sites(wrf_domain, landuse_data)
wrf_output = wrfsuews.run_coupled(
    wrf_config="namelist.input",
    suews_sites=sites,
    start_date="2020-06-01",
    end_date="2020-08-31"
)

2、自动参数推导：

利用现代 GIS 工具；
接入 UMEP 平台进行空间分析；
自动生成建筑与覆盖数据。

3、输出可视化与分析：

接入 Pandas/xarray；
半自动生成科技图表；
接入气候影响评估流程。

7.1.1.1.6 研究应用（Research Applications）

1、城市热岛（UHI）研究：

python 复制代码

urban_temp = wrf_output.sel(landuse='urban')['T2']
rural_temp = wrf_output.sel(landuse='rural')['T2']
uhi_intensity = urban_temp - rural_temp

2、气候变化情境模拟：

极端天气再现：如热浪；
模拟城市绿色基础设施效益；
建筑节能策略验证。

3、城市规划支持：

不同建设情境模拟；
城市自然通风与绿化配置优化；
城市尺度能耗模式分析。

GitHub-WRF-SUEWS 简介

WRF-SUEWS 是一个将传统的 WRF 模型中的城市冠层模块替换为更详细、更物理真实的城市地表能量与水分平衡模型 SUEWS 的耦合方案。被广泛用于城市热岛研究、气候影响评估以及城市规划支持。

bash 复制代码

git clone --recurse-submodules ...
        ↓
conda create & activate 环境
        ↓
编译 WRF & WRF-SUEWS 接口整合
        ↓
准备输入数据（met + SUEWS）
        ↓
运行 ./real.exe & ./wrf.exe
        ↓
分析增强后的输出

1、克隆 WRF-SUEWS 仓库 ➕ 子模块

WRF-SUEWS 使用 Git 的子模块功能来管理依赖的模块，比如 SUEWS 与运行脚本，因此需使用 --recurse-submodules 选项。

bash 复制代码

git clone --recurse-submodules https://github.com/Urban-Meteorology-Reading/WRF-SUEWS.git

git submodule init
git submodule update

cd WRF-SUEWS

2、安装环境依赖（推荐使用 Conda）

README 提供了一个 Conda 环境配置文件 wrf_suews.yml，可一键安装所需依赖。

步骤：

bash 复制代码

conda env create --file=wrf_suews.yml
conda activate wrf_suews

安装内容包括：

Fortran 编译器（如：ifort 或 gfortran）
NetCDF、MPI 库（HPC 并行计算支持）
Python 依赖（可能用于配置或分析）

3、编译 WRF 和 WRF-SUEWS

编译分为两部分：

3.1 编译标准 WRF:

需先配置 WRF 的编译环境（推荐 GCC 或 Intel 工具链）：

bash 复制代码

cd WRF/
./configure
./compile em_real >& compile.log &

3.2 编译 SUEWS 模块并向 WRF 中集成（WRF-SUEWS 定制）

根据仓库中的说明文件（通常包含在 WRF-SUEWS/README.md 或 doc/ 子目录中）调整如下：

替换 WRF 中的某些模块或添加接口函数（如 SurfaceDriver）；
修改 module_sf_noahdrv.F 加入 SUEWS 接口；
Makefile 中添加编译规则；

⚠️ 具体操作请参阅项目文档中的 "Platform-specific build instructions"。

4、准备运行所需的输入数据

模拟运行前，需要准备以下数据：

WPS 文件处理阶段：

bash 复制代码

./geogrid.exe
./ungrib.exe
./metgrid.exe

SUEWS 所需输入参数：

土地利用类型分类 (landuse)
城市表面参数（建筑、草地、植被覆盖等）
人为排放与能耗数据（如：人口密度、建筑用能）

这些可以通过 Python 工具或 GIS 工具生成。

5、运行模拟

bash 复制代码

./real.exe       # 预处理
mpirun -np <N> ./wrf.exe     # 并行运行 WRF-SUEWS

运行成功后，将生成联合模拟的输出文件，其中同时包含：

WRF 标准气象输出（温度、湿度、风速等）；
SUEWS 输出（感热通量、太阳辐射、地下热通量、人为热等）。

参考

1、官方文档-WRF-SUEWS 联合系统

2、GitHub-Urban-Meteorology-Reading/WRF-SUEWS

3、论文-J2024-WRF (v4.0)--SUEWS (v2018c) coupled system: development, evaluation and application-Geoscientific Model Development