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WRF 中如何接入 LCZ

14分钟阅读

做城市气象模拟时，WRF 默认的城市下垫面分类通常不够细。传统的土地利用数据里，城市可能只是一个或几个类别；但在城市热岛、街谷通风、建筑能耗或 LES 模拟里，“城市”内部的差异往往才是重点。

LCZ（Local Climate Zone，本地气候区）就是为这个问题准备的。它把城市按形态和下垫面特征分成紧凑高层、开阔中层、稀疏建筑、重工业等类型，比简单的“城市用地”更适合接入 WRF 的城市冠层方案。

Summary

现在最稳妥的做法是：用新版 WRF/WPS 的原生 LCZ 支持，优先走 WPS geogrid 的 CGLC_MODIS_LCZ_global 数据，不要一上来就用 W2W 改 geo_em。

对 WRF v4.5 之后的版本，核心检查项是：LU_INDEX 中 LCZ 城市类应为 51-61，num_land_cat = 61，并在 namelist.input 中打开 use_wudapt_lcz = 1。

最新版本优先

截至 2026-07，WRF 最新发布版是 v4.8.0，WPS 最新发布版 是 v4.6.0。对 LCZ 接入来说，它们仍沿用 WRF v4.5 之后的逻辑：LCZ 城市类编号是 51-61，而不是早期教程里常见的 31-41。

如果你现在新开一个实验，建议直接按这个版本逻辑来：

  1. 用 WPS 的 LCZ 版 GEOGRID.TBL；
  2. 下载并放好 CGLC_MODIS_LCZ_global 静态数据；
  3. 在 namelist.wps 中把土地利用数据源指向 cglc_modis_lcz+default；
  4. 跑完 geogrid.exe 后确认 geo_em 的 NUM_LAND_CAT 是 61；
  5. 在 WRF 里设置 num_land_cat = 61 和 use_wudapt_lcz = 1。

WPS 端处理

WPS 里通常这样处理：

cd /path/to/WPS
ln -sf geogrid/GEOGRID.TBL.ARW_LCZ geogrid/GEOGRID.TBL

namelist.wps 中的 geog_data_res 可以写成：

&geogrid
 geog_data_res = 'cglc_modis_lcz+default',
                 'cglc_modis_lcz+default',
                 'cglc_modis_lcz+default',
/

域数按自己的嵌套层数补齐即可。跑完 geogrid.exe 后先别急着往后走，先查：

ncdump -h geo_em.d01.nc | grep -i num_land_cat

正常情况下应该能看到类似：

:NUM_LAND_CAT = 61 ;

如果要更细一点，还可以看 LU_INDEX 里有没有 51-61 的城市格点。没有的话，要么研究区里确实没有城市，要么 LCZ 数据没有被 geogrid 正确读进去。

WRF 端设置

WRF 端的关键设置在 namelist.input 的 &physics：

&physics
 sf_surface_physics = 2, 2, 2,
 sf_urban_physics   = 2, 2, 2,
 num_land_cat       = 61,
 use_wudapt_lcz     = 1,
/

这里 sf_surface_physics = 2 是 Noah LSM；如果用 Noah-MP，也要确认相应表文件里的 LCZ 类别是一致的。sf_urban_physics 可以用：

取值含义备注
1SLUCM，单层城市冠层普通中低分辨率城市模拟可用
2BEP，多层建筑环境参数化高分辨率、复杂街谷更合适
3BEP+BEM，加入建筑能耗需要考虑空调、建筑能耗时使用

如果是内层 LES，尤其第一层只有几米到几十米，我更建议用 sf_urban_physics = 2 或 3。SLUCM 要求最低模式层高于建筑相关高度，高层或紧凑城市里很容易在 real.exe 阶段报：

ZDC + Z0C + 2m is larger than the 1st WRF level

这种情况不要硬调垂直层凑过去，先检查是不是该换 BEP / BEP+BEM。

Warning

URBPARM_LCZ.TBL 要在运行目录里，且要和当前 WRF 版本匹配。不要拿旧的 3 类城市 URBPARM.TBL 去配 LCZ，也不要把 WRF v4.3 时代的 41 类 geo_em 直接塞给 v4.5 之后的 WRF。

版本差异在哪里

WRF v4.5 之后做 LCZ，最容易踩的坑不是 use_wudapt_lcz，而是类别编号。

v4.5 之后：从 41 类变成 61 类

早期 WRF-LCZ 教程、W2W 示例和很多旧笔记会让你设置：

num_land_cat = 41

这是 WRF v4.3 那套做法。到了 v4.5 之后，LCZ 城市类变成：

LCZWRF 土地利用编号
LCZ 151
LCZ 252
LCZ 353
LCZ 454
LCZ 555
LCZ 656
LCZ 757
LCZ 858
LCZ 959
LCZ 1060
LCZ E / Asphalt61

严格说，这个变化在 v4.4.2 附近就已经出现；但对很多人来说，是从 v4.5、v4.5.2 开始集中遇到的。原因也简单：51-61 可以避开 NLCD 40 类土地利用的编号冲突，而旧的 31-41 会和一些数据体系打架。

所以，WRF v4.5 之后要记住三件事：

  • num_land_cat 用 61；
  • geo_em、met_em、wrfinput 里的土地分类都要保持 61 类；
  • LU_INDEX 的 LCZ 城市格点应该是 51-61，不是 31-41。

如果你用的是官方 CGLC_MODIS_LCZ_global 数据，geogrid 会把这套关系处理好。真正麻烦的是自制 LCZ 图，尤其是用 W2W 输出的结果。

W2W 的优点是可以把 LCZ Generator 或自己裁剪的 LCZ GeoTIFF 接进 WRF，并生成一些城市形态参数。这套工具也有对应的 JOSS 论文。但它的公开文档仍明确写着 num_land_cat = 41，并建议用于 WRF v4.3.x。也就是说，W2W 的默认产物更接近旧逻辑：31-41。

如果你把这样的 geo_em 直接拿去跑 WRF v4.5 之后的版本，常见结果是：

too many input landuse types
LANDUSE OUTSIDE RANGE

这不是 real.exe 偶发抽风，而是土地利用类别体系不一致。

Tip

如果没有强烈的城市定制图需求，优先用官方 CGLC-MODIS-LCZ 路径。只有在必须使用 LCZ Generator 城市定制图时，再考虑 W2W，并额外处理 31-41 到 51-61 的重映射。

这个重映射不是简单改一个全局属性。至少要同时处理：

  • LU_INDEX：把城市类从 31-41 映射到 51-61；
  • LANDUSEF：把 41 类维度扩展到 61 类，并把城市占比搬到正确位置；
  • NUM_LAND_CAT：从 41 改成 61；
  • 父域、子域、met_em、wrfinput：所有文件的类别数要一致。

只改 NUM_LAND_CAT 而不改 LANDUSEF，表面上可能能过一两步，后面仍然会在 real.exe 或 wrf.exe 里出问题。

v4.3 到 v4.4：主线开始支持 LCZ

WRF v4.3 是一个重要分界点：从这个版本开始，WRF 主线已经可以原生识别 WUDAPT LCZ 城市土地利用类型。换句话说，v4.3 之前常见的“改 WRF 源码接 LCZ”不再是必选项。

这一阶段的典型做法是：

&physics
 sf_surface_physics = 2,
 sf_urban_physics   = 2,
 num_land_cat       = 41,
 use_wudapt_lcz     = 1,
/

这里的 41 对应旧编号体系：LCZ 城市类通常放在 31-41。这也是为什么很多 W2W 教程会让你检查所有父域 NUM_LAND_CAT 是否为 41。

这个阶段，如果使用 W2W，流程大致是：

  1. 先正常跑 WPS，得到各层嵌套的 geo_em.d0*.nc；
  2. 准备覆盖目标内层区域的 LCZ GeoTIFF；
  3. 用 W2W 指向最内层 geo_em；
  4. 用 W2W 输出的 geo_em.d0X_LCZ_params.nc 或相关文件替换原 geo_em；
  5. 重新跑 metgrid.exe 和 real.exe。

示例命令类似：

w2w /path/to/workdir lcz_epsg4326.tif geo_em.d04.nc -l 1

其中 -l 1 常用于 LCZ Generator 生成的图，因为它的第 1 个 band 通常是推荐使用的高质量 LCZ 分类。

W2W 跑完后会生成几类文件：去城市版、LCZ 范围版、LCZ 参数版等。一般接城市冠层参数时用 *_LCZ_params.nc。如果使用 BEP 或 BEM，还要留意 W2W 最后打印的 nbui_max，它和 WRF 编译期的 num_urban_nbui 有关。

这个阶段的逻辑比 v4.5 之后简单一些，因为 W2W 默认输出和 WRF v4.3 的 41 类体系是匹配的。它的麻烦在另一个地方：你仍然要确保所有嵌套域的 NUM_LAND_CAT 一致，且 use_wudapt_lcz 在所有 domain 上的开关一致。

v4.3 之前：基本是补丁路线

WRF v4.3 之前没有现在这种主线内置的 LCZ 接口。那时要把 LCZ 接进 WRF，通常走的是 WUDAPT 早期方案：准备 LCZ 图，生成或替换 WRF 需要的城市参数，再配合修改过的 WRF 代码和表文件运行。

简单说，不是只改 namelist.input 就能完成。

早期流程一般包括：

  • 把 LCZ 图转换到 WRF 网格；
  • 把 LCZ 类别映射为 WRF 能识别的土地利用和城市类型；
  • 修改或替换 URBPARM.TBL、VEGPARM.TBL 等表文件；
  • 修改 WRF 物理初始化或城市冠层相关代码；
  • 重新编译 WRF；
  • 再跑 WPS、real.exe 和 wrf.exe。

这类方法现在不太建议新项目继续使用。不是说不能跑，而是可复现性和维护成本都比较差：换一个 WRF 小版本，补丁可能就不适用了；同一个实验给别人复现时，也很难说清到底改了哪些源码和表文件。

如果项目已经被历史版本锁死，比如前人用 WRF v3.x 做了一整套实验，需要严格复现实验设计，那可以继续沿用旧流程。但如果是新实验，最好直接升级到 v4.5 之后的版本，按 61 类 LCZ 体系重新整理。

检查与排错

接 LCZ 时，不要只看 namelist.input。很多错误其实在 geo_em 阶段就埋下了。

先检查类别数

我自己的检查顺序一般是：

ncdump -h geo_em.d01.nc   | grep -i NUM_LAND_CAT
ncdump -h met_em.d01*.nc  | grep -i NUM_LAND_CAT
ncdump -h wrfinput_d01    | grep -i NUM_LAND_CAT

如果是 WRF v4.5 之后，这三个地方都应该是 61。只要其中一个还是 41 或 21，就不要继续跑长时间模拟。

再检查表文件

还要检查运行目录里的表文件：

  • URBPARM_LCZ.TBL 是否存在；
  • VEGPARM.TBL 或 MPTABLE.TBL 是否包含 LCZ_1 到 LCZ_11；
  • 表文件里的 LCZ 编号是否和 LU_INDEX 一致；
  • 是否误用了别的 WRF 版本目录里的表文件。

常见报错

如果遇到下面这些报错，可以先按这个方向排：

报错或现象常见原因处理
LANDUSE OUTSIDE RANGE41 类和 61 类混用统一 geo_em、met_em、wrfinput 的土地分类体系
too many input landuse typesW2W 旧产物直接用于新版 WRF改用官方 LCZ 数据，或完整重映射到 61 类
USING 10 WUDAPT LCZ WITHOUT URBPARM_LCZ.TBL开了 LCZ 但缺参数表把匹配版本的 URBPARM_LCZ.TBL 放到运行目录
USING URBPARM_LCZ.TBL WITH OLD 3 URBAN CLASSESuse_wudapt_lcz 与输入数据不一致，也可能是域内 LCZ 类型太少触发误判先查 LU_INDEX，再决定是关 LCZ、补城市数据，还是换覆盖更完整的数据
ZDC + Z0C + 2m is larger than the 1st WRF levelSLUCM 与低模式层、高建筑冲突高分辨率城市模拟改用 BEP / BEP+BEM

Note

大范围粗分辨率父域里，有时城市格点很少，甚至没有足够多的 LCZ 类型。WRF 里曾经有过用 UTYPE_URB2D 最大值判断 LCZ 是否启用的逻辑问题，可能在城市类型较少时误判；这个问题在 WRF issue #1878 中有讨论。遇到相关报错时，不要只盯着 namelist，最好直接看 LU_INDEX 和 UTYPE_URB2D。

最后怎么选

最后把版本关系压成一句话：

WRF 版本LCZ 接入方式土地分类编号
v4.3 之前需要手动改代码、表文件和预处理流程取决于补丁方案
v4.3 到 v4.4主线开始支持 use_wudapt_lcz，W2W 路线较常见通常是 31-41，num_land_cat = 41
v4.5 之后优先用 WPS 原生 LCZ 静态数据和新版表文件51-61，num_land_cat = 61

如果只是想把实验稳定跑起来，建议按新版逻辑做：官方 LCZ 静态数据、GEOGRID.TBL.ARW_LCZ、num_land_cat = 61、use_wudapt_lcz = 1。等这条线跑通之后，再考虑是否需要用 LCZ Generator 和 W2W 做城市定制图。

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