【WRF教程第3.5期】预处理系统 WPS 详解：以4.5版本为例

将静态数据写入 Geogrid 二进制格式

WRF 的 WPS 模块（尤其是 geogrid）用于插值静态地理数据，存储这些数据的格式是 简单的二进制栅格格式。

1. Geogrid 数据格式概述

Geogrid 支持三种主要类型的地理数据集：

1、单层或多层连续字段：如地形高度。
2、以主导类别表示的分类字段：如 USGS 土地利用数据集中每个网格点的主要土地类型。
3、以每个类别的分数表示的分类字段：如每个网格点的各土地类型分布比例。

以下是 Geogrid 格式的核心特征：

• 数据存储为规则的 2D 或 3D 数组。
• 数据以行优先（从南到北）顺序写入到文件中。
• 文件中没有头部、记录标记或额外字节，所有数据按 big-endian 字节序 存储（可通过设置 index 文件中的 endian=little 使用 little-endian 字节序）。

2. 分类字段（Categorical Fields）格式

以主导类别为例，分类字段的存储格式如下：

• 数据表示：将网格点的主导类别存储为整数（1, 2, 3…）。
• 写入顺序：按行优先顺序写入文件，即从南到北、从西到东，逐行存储到文件中。
• 文件大小：每个元素使用 1、2、3 或 4 字节整数存储，所有元素必须使用相同的字节数。

示例
对于一个网格大小为 1000 × 1000 的分类字段，若每个值用 2 字节存储，文件大小为：

1000 × 1000 × 2 = 2,000,000 字节

注意事项
Fortran 限制：Fortran 语言的非格式化写入会添加额外字节，因此不能直接生成 Geogrid 二进制文件。可以使用 Geogrid 提供的 C 函数 write_geogrid.c 来写入数据。
命名规则：文件名必须包括网格的起始和结束索引（五位整数），例如：

00001-01200.00001-00800

表示一个 1200 × 800 网格矩阵。

3. 连续字段（Continuous Fields）格式

特点
连续字段（如地形高度）不同于分类字段，因为它们可能包含：

• 非整数值（如浮点数）。
• 负值。

处理步骤
1、缩放：将所有值按比例因子缩放为整数，以保留所需精度。例如：

• 若需要保留小数点后三位精度，-2.71828 被缩放为 -2718。
• 缩放因子为 1 / 所需精度，如 1 / 0.001 = 1000。

2、处理负值：将所有负值转换为正值：
在 WPS 静态数据中，连续字段（continuous fields） 可能包含负值，而 Geogrid 二进制格式要求字段值必须为正整数。因此，在写入文件前，负值需要通过以下方法调整为正值。

调整规则：每个负值通过增加一个常量变为正值：

• 1 字节存储：加上 2^8。
• 2 字节存储：加上 2^16。
• 3 字节存储：加上 2^24。
• 4 字节存储：加上 2^32。

3、写入文件：按分类字段的方式逐行写入。

多层连续字段
多层连续字段（如 3D 数据集）处理方式类似：每个层单独处理为 2D 数组，按层索引从低到高依次写入文件。

分类字段的分数表示
如果分类字段以分数形式表示（每个类别的分布比例），可视为多层连续字段，每一层对应一个类别的分数。

4. 文件组织与命名规则

单文件存储
文件名格式：xstart-xend.ystart-yend

• xstart 和 xend：x 方向的起始和结束索引。
• ystart 和 yend：y 方向的起始和结束索引。
• 索引必须从 1 开始，并用五位整数表示。

示例：

00001-01200.00001-01200

表示一个 1200 × 1200 的网格。

多文件存储

• 如果数据集分为多个文件，每个文件必须是规则的矩形网格。
• 文件之间的网格范围不能重叠，且每个文件的网格维度必须相同。
• 若数据不能被整除分块，必须填充缺失值（missing_value）。

大数据集
如果网格点超过 99999（x 或 y 方向），需将数据分为多个数据集（如东、西半球分别存储）。

5. 元数据文件（index 文件）

每个数据集必须有一个名为 index 的元数据文件，描述数据的属性和组织方式。

示例 index 文件：

type = continuous
signed = yes
projection = regular_ll
dx = 0.00833333
dy = 0.00833333
known_x = 1.0
known_y = 1.0
known_lat = -89.99583
known_lon = -179.99583
wordsize = 2
tile_x = 1200
tile_y = 1200
tile_z = 1
tile_bdr=3
units="meters MSL"
description="Topography height"

关键字段说明
type：

• categorical：分类字段。
• continuous：连续字段。

signed：

• yes：数据包含负值。
• no：数据仅包含正值。

projection：数据的投影类型（如 regular_ll 表示经纬度网格）。

dx/dy：x 和 y 方向的网格间距。
known_x/known_y/known_lat/known_lon：数据集中已知点的网格索引和经纬度。

wordsize：每个网格点存储所需字节数（1, 2, 3 或 4）。

tile_x/tile_y/tile_z：网格的 x, y, z 方向维度。

tile_bdr：网格边界的缓冲区大小。

units：数据的单位（如 meters MSL 表示海平面高度）。

description：数据的描述信息。

NLCD Urban Fraction Field

注意：美国大陆有基于 30 米 NLCD 2011 土地覆盖准备的城市分数字段；此数据集可从 WPS 地理静态数据下载页面的“可选字段”部分获取。

本部分内容详细描述如何使用NLCD（National Land Cover Database） 数据生成 WRF 使用的 城市化比例场（FRC_URB2D），在生成自己所需的城市分数字段时十分有用。

WRF 使用静态地理数据来模拟地表物理过程，其中城市化比例场（FRC_URB2D）可以通过高分辨率的 NLCD 数据生成。以下是具体步骤：

1.1 下载 NLCD 数据

1、前往 Multi-Resolution Land Characteristics Consortium (MRLC) 网站，选择合适的 NLCD 数据集（1992、2001、2006 或 2011）。
2、选择覆盖 WRF 模拟域的区域。
3、确保选择 GeoTIFF 格式，方便后续处理。
4、如果直接下载的是 BIL 格式，可以跳过格式转换步骤。

1.2 转换 GeoTIFF 为二进制栅格格式

1、解压下载的文件包，会包含一个 .tif 文件和 .tfw 文件。

2、使用 GDAL 工具（Geospatial Data Abstraction Library） 将 .tif 文件转换为 ENVI 格式的二进制文件：

gdal_translate -of ENVI foo.tif data.bil

• foo.tif 是下载的 GeoTIFF 文件。
• data.bil 是生成的二进制文件，符合 geogrid 的栅格格式要求。

3、重命名文件：
根据生成的文件行数和列数，将 data.bil 重命名为：

00001-ncols.00001-nrows

• ncols 是图像的列数（5 位整数，如 01200）。
• nrows 是图像的行数（5 位整数，如 00800）。
• 行列数可以在运行 gdal_translate 时打印的输出中找到。

1.3 提取城市类别并生成城市化比例场

使用一个转换程序，从二进制文件中提取城市类别（NLCD 中的城市类别通常对应特定值，如 21、22、23、24），并基于城市类别生成城市化比例场。

转换后的文件需要覆盖原始土地利用文件，命名规则同上（如 00001-ncols.00001-nrows）。

1.4 创建元数据文件（index 文件）

index 文件描述了栅格数据的基本信息，供 geogrid.exe 使用。以下是一个示例：

type=continuous
projection=albers_nad83
dx=30.0
dy=30.0
known_x=1.0
known_y=2351.0            # <- 根据数据调整
known_lat =   40.096571   # <- 根据 .tfw 文件调整
known_lon = -105.405615   # <- 根据 .tfw 文件调整
truelat1=29.5
truelat2=45.5
stdlon=-96.0
wordsize=1
scale_factor=0.01
row_order=top_bottom
tile_x=2407               # <- 根据数据调整
tile_y=2351               # <- 根据数据调整
tile_z=1
units="unitless"
description="urban fraction"

关键字段说明：

• type：数据类型，城市化比例场为连续字段（continuous）。
• projection：投影方式，NLCD 使用 Albers Equal Area NAD83。
• dx/dy：网格分辨率（单位：米），NLCD 数据为 30 m。
• known_x, known_y：网格中已知点的索引。
• known_lat, known_lon：已知点的纬度和经度（从 .tfw 文件中获取）。
• wordsize：每个像素的存储字节数，这里为 1 字节。
• scale_factor：缩放因子，城市化比例场通常在 0-1 范围内，因此乘以 100 转换为整数存储。
• tile_x, tile_y：网格大小（行列数）。
• units：数据单位。

1.5 修改 GEOGRID.TBL 配置

在 WPS/geogrid 目录中，修改 GEOGRID.TBL 文件，添加以下条目：

===============================
name=FRC_URB2D
priority=1
dest_type=continuous
fill_missing = 0.
interp_option=default: average_gcell(1.0)+four_pt
abs_path=default:/path/to/dataset/
===============================

• 替换 /path/to/dataset/ 为步骤 3 和 4 中生成文件所在的路径。
• fill_missing = 0. 指定缺失值填充的默认值为 0。

1.6 运行 geogrid

配置完成后，运行 geogrid.exe，生成包含 FRC_URB2D 的网格静态文件。

INDEX 选择

与 GEOGRID.TBL 相关的是与每个静态数据集相关的索引文件。索引文件定义特定于该数据集的参数，而 GEOGRID.TBL 文件描述地理网格应如何处理每个数据集。与 GEOGRID.TBL 一样，索引文件中的规范采用关键字=值的形式。以下是可能的关键字及其可能的值。

参考