Merge remote-tracking branch 'origin/release-v4.6.1'
[WRF.git] / test / em_real / README.obs_fdda
blobc07d2ce45255d4364e4e6c17a92d117926474e23
1 General description
2 -------------------
3 Features and advantages of observational nudging are discussed in (*) below. 
4 The method uses relaxation terms based on the model error at observational 
5 stations, and the relaxation is such as to reduce this error.
6 Each observation has a radius of influence, a time window, and a relaxation 
7 time scale determined by user-specified input. These determine where, when, 
8 and how much it affects the model solution.  Typical model grid points may 
9 be within the radius of influence of several observations, and their 
10 contributions are weighted according to the distance from the observation(s). 
11 Before performing obs-nudging, you will need to generate an observation 
12 input file for each WRF domain. The observation file(s) contain chronological 
13 lists of the 3D positions and values of each observation, in a specific format.
14 It is critical that your observations be listed in chronological time order!
16 *  Liu, Y., A. Bourgeois, T. Warner, S. Swerdlin and J. Hacker, 2005: An
17   implementation of obs-nudging-based FDDA into WRF for supporting
18   ATEC test operations. 2005 WRF user workshop. Paper 10.7.
21 How to use the obs-data converter
22 -------------------------------------
23 A utility program for converting observation data to the format required by 
24 WRF has been provided (RT_fdda_reformat_obsnud.pl). The converter assumes 
25 that your observation data is in standard LITTLE_R format. 
27 To convert your data that is in LITTLE_R format:
29   RT_fdda_reformat_obsnud.pl yourfilename
31 where "yourfilename" is the obs-data in LITTLE_R format. The converter will 
32 produce a file named yourfilename.obsnud, in the format required by the WRF
33 model.
35 Note that during the conversion process:
37   1). P,T,U,V and RH fields are extracted.
39   2). U and V are assumed to be the wind components rotated to
40       the model map-projection (see 3DVAR and MM5 Little_R).
42   3). SPD, DIR and Td fields are ignored.
44   4). For upper-air data, currently WRF nudging only takes
45       those data with valid pressure records. For obs with
46       height levels (e.g. wind profilers data), users need to
47       calculate or estimate the pressure value. Inaccurate
48       estimate of pressure will lead to bad data assimilation.
51 Naming your obs-nudge input files
52 ---------------------------------
53 After you have converted your obs data file to the proper format for WRF, 
54 you will need to rename it according to the naming convention for the WRF
55 domain on which the obs-nudging is to be performed. For example, for
56 observations to be used in Domain 1, use the naming convention OBS_DOMAIN101,
57 for Domain 2, OBS_DOMAIN201, etc. 
59 These files must be present in your WRF run directory, along with the usual
60 WRF input and boundary files.
64 How to activate obs-nudging
65 ---------------------------
66 To activate the observational nudging option in WRF, you will need to set
67 the obs_nudge_opt flag(s) in the WRF "fdda" namelist. Note that there is
68 a unique flag for each WRF domain in which you want to activate obs-nudging.
70 To activate the print statements within the obs-nudging subroutines ERROB,
71 NUDOB, and IN4DOB, set the respective print flags obs_ipf_errob, 
72 obs_ipf_nudob, and obs_ipf_in4dob to ".true." You can then easily verify that 
73 you have activated observational nudging by observing text in your WRF
74 "standard out" that tell you how many obs stations are being processed at
75 given model timesteps. This information will look something like:
77 0****** CALL IN4DOB AT KTAU =     8 AND XTIME =      24.00:  NSTA =   11040 ******
78 ++++++CALL ERROB AT KTAU =     8 AND INEST =  1:  NSTA = 11040 ++++++
80 These lines will print out for each nest in which you have activated nudging, 
81 while nudging is active on that domain.
83 Below is an example of a namelist set up to activate obs-nudging on domains
84 1, 2, and 3:
86 &fdda
87 obs_nudge_opt                       = 1,1,1,0,0   
88 max_obs                             = 150000,
89 fdda_start                          =     0.,     0.,     0.,     0.,     0.
90 fdda_end                            = 99999., 99999., 99999., 99999., 99999.
91 obs_nudge_wind                      = 1,1,1,1,1
92 obs_coef_wind                       = 6.E-4,6.E-4,6.E-4,6.E-4,6.E-4
93 obs_nudge_temp                      = 1,1,1,1,1
94 obs_coef_temp                       = 6.E-4,6.E-4,6.E-4,6.E-4,6.E-4
95 obs_nudge_mois                      = 1,1,1,1,1
96 obs_coef_mois                       = 6.E-4,6.E-4,6.E-4,6.E-4,6.E-4
97 obs_rinxy                           = 240.,240.,180.,180,180
98 obs_rinsig                          = 0.1,
99 obs_twindo                          = 0.6666667,0.6666667,0.6666667,0.6666667,0.6666667,
100 obs_npfi                            = 10,
101 obs_ionf                            = 2, 2, 2, 2, 2,
102 obs_idynin                          = 0,
103 obs_dtramp                          = 40.,
104 obs_prt_freq                        = 10, 10, 10, 10, 10,
105 obs_prt_max                         = 10
106 obs_ipf_errob                       = .true.
107 obs_ipf_nudob                       = .true.
108 obs_ipf_in4dob                      = .true.
109 obs_ipf_init                        = .true.
111 In addition, add the following in &time_control:
113 auxinput11_interval_s               = 180, 180, 180, 180, 180,
114 auxinput11_end_h                    = 6, 6, 6, 6, 6,
117 *********************
118     NEW FOR V3.1
119 *********************
121 1) Enhanced diagnostics
122   --------------------
123   For version 3.1, diagnostics have been enhanced to allow the user to verify
124   grid placement for observations throughout the model run. For v3.1, the fdda namelist
125   variable "nobs_obs_prt" is obsolete, and has been replaced by the two namelist
126   variables:
128   obs_prt_max  - maximum allowed obs entries in diagnostic printout (integer)
129   obs_prt_freq - frequency in obs index for diagnostic printout (max_domains integer)
131   For example, specifying:
133   obs_prt_max         = 5,
134   obs_prt_freq        = 1000, 500, 100,
136   allows up to 5 observations and their locations to be reported for each model timestep
137   at which the obs are read and weights calculated (see obs_ionf). For this example, the
138   obs are reported for domain 1 with an obs-index frequency of 1000, on domain 2 with a
139   frequency of 500, and on domain 3 with a frequency of 100. Below is an example of the
140   initial obs diagnostic report produced for each nest, using the namelist values above.
142   ++++++CALL ERROB AT KTAU =     0 AND INEST =  1:  NSTA = 17090 ++++++
144   REPORTING OBS MASS-PT LOCS FOR NEST    1 AT XTIME=     0.0 MINUTES
145   FREQ=1000, MAX=    5 LOCS, NEWLY READ OBS ONLY, -999 => OBS OFF PROC
147       OBS#     I       J       K     OBS LAT  OBS LON   XLAT(I,J)  XLONG(I,J)  TIME(hrs)
148           1   5.282   2.658   1.000   27.580  -97.220     27.580    -97.220     0.00
149        1001  47.851   9.468  32.377   30.380  -84.360     30.380    -84.360     0.00
150        2001  40.728  19.834  26.618   33.160  -86.700     33.160    -86.700     0.00
151        3001  60.866  30.631 -99.000   36.080  -79.950   -999.000   -999.000     0.00
152        4001  73.216  38.315 -99.000   37.930  -75.480   -999.000   -999.000     0.00
153  ...
155   ++++++CALL ERROB AT KTAU =     0 AND INEST =  2:  NSTA =  3504 ++++++
157   REPORTING OBS MASS-PT LOCS FOR NEST    2 AT XTIME=     0.0 MINUTES
158   FREQ= 500, MAX=    5 LOCS, NEWLY READ OBS ONLY, -999 => OBS OFF PROC
160       OBS#     I       J       K     OBS LAT  OBS LON   XLAT(I,J)  XLONG(I,J)  TIME(hrs)
161           1  62.717   3.505   1.000   34.600  -78.580   -999.000   -999.000     0.00
162         501  45.014  30.857  32.102   37.200  -80.410     37.200    -80.410     0.00
163        1001  15.585  54.082 -99.000   39.410  -83.810   -999.000   -999.000     0.00
164        1501  18.822  78.673   1.000   41.690  -83.400   -999.000   -999.000     0.00
165        2001  67.015 103.930   1.000   43.830  -77.150   -999.000   -999.000     0.00
166  ...
168   ++++++CALL ERROB AT KTAU =     0 AND INEST =  3:  NSTA =   606 ++++++
170   REPORTING OBS MASS-PT LOCS FOR NEST    3 AT XTIME=     0.0 MINUTES
171   FREQ= 100, MAX=    5 LOCS, NEWLY READ OBS ONLY, -999 => OBS OFF PROC
173       OBS#     I       J       K     OBS LAT  OBS LON   XLAT(I,J)  XLONG(I,J)  TIME(hrs)
174           1  48.735   3.730   1.000   38.220  -76.040   -999.000   -999.000     0.00
175         101  10.646  25.032  34.295   38.980  -77.460     38.980    -77.460     0.00
176         201  25.010  28.538   9.296   39.050  -76.880     39.050    -76.880     0.00
177         301  28.675  46.438   1.000   39.590  -76.670   -999.000   -999.000     0.15
178         401  12.030  38.804   1.000   39.400  -77.360     39.400    -77.360     0.30
181   With this report, the user can verify the WRF mapping of each reported observation.
182   The report shows:
184   (1) the real-valued WRF grid (I,J,K) location to which the obs is mapped,
185   (2) the input obs latitude and longitude coordinate (OBS LAT, OBS LON), and
186   (3) the corresponding model lat, lon coordinate (XLAT(I,J), XLONG(I,J)) for (I,J,K) 
187   (4) the input obs time in hours into the run
189   Note that each processor produces a report (rsl.out.0000, rsl.out.0001, etc) for the
190   same set of observations, but that full information for an individual observation is
191   only available in the report from the processor whose grid "patch" contains that
192   observation. A -999.000 entry in the XLAT and XLONG columns indicates that the
193   observation is not located on the processor producing the report. In the example
194   above, the rsl.out.0000 file indicates that OBS#1 for nest 3 is not located on the
195   WRF patch handled by process 0. OBS#1 falls on the patch for process 1, and the
196   report for nest 3 from the rsl.out.0001 file looks like:
198   ++++++CALL ERROB AT KTAU =     0 AND INEST =  3:  NSTA =   606 ++++++
200   REPORTING OBS MASS-PT LOCS FOR NEST    3 AT XTIME=     0.0 MINUTES
201   FREQ= 100, MAX=    5 LOCS, NEWLY READ OBS ONLY, -999 => OBS OFF PROC
203       OBS#     I       J       K     OBS LAT  OBS LON   XLAT(I,J)  XLONG(I,J)  TIME(hrs)
204           1  48.735   3.730   1.000   38.220  -76.040     38.220    -76.040     0.00
205         101  10.646  25.032 -99.000   38.980  -77.460   -999.000   -999.000     0.00
206         201  25.010  28.538 -99.000   39.050  -76.880   -999.000   -999.000     0.00
207         301  28.675  46.438   1.000   39.590  -76.670   -999.000   -999.000     0.15
208         401  12.030  38.804   1.000   39.400  -77.360   -999.000   -999.000     0.30
210   which confirms this.
212   Note that the namelist variable obs_prt_max can be declared as large as desired, but
213   a value larger than 10^4 might significantly affect performance.
215   CAUTION! Depending on how many observations are in your obs-nudge input file, be
216   aware that your diagnostic output can potentially produce obs_prt_max/obs_prt_freq
217   lines of output for each domain, for each obs input step!
219 2) Option to input wind vectors in Earth coordinates
221   In previous WRF versions, input wind vectors were required to be in WRF grid-relative 
222   coordinates (that is, already rotated from Earth coordinates to the WRF grid). In
223   WRFV3.1, the user may specify winds in Earth coordinates and have the WRF model
224   internally rotate them to the WRF grid. To activate this capability, the user must
225   specify a u- and v-component QC flag value of 129 for each wind vector that is to be
226   rotated. Otherwise, the model assumes the wind vector to be WRF grid-relative. For
227   future releases, this option will possibly be activated by a namelist variable.
229 3) Option for Obs-in-height
231   I previous WRF versions, the vertical model coordinate for an upper air observation
232   is determined by its input pressure field. In WRFV3.1, the obs height field may be
233   used instead. In the new implementation, if the obs pressure field contains "missing
234   value" -888888 and the obs height field good, the vertical model coordinate for the 
235   obs is determined using a geopotential height calculation.
237 4) U-, V-, and T-ratios are calculated in all surface schemes
239   In previous WRF versions, calculations for u-,v-, and t- ratios (from 10 meter winds
240   and 2 meter temperatures) are only done in the SFCLAY surface scheme. These ratios
241   are now calculated for all surface scheme options. (The ratios are used in the
242   obs-nudging routine to correct obs to model sigma level using reverse similarity
243   theory.)