WPS解码EC IFS确定性预报产品

TECH · TUTORIAL2026.07

从 ECMWF IFS 0.25°预报数据到 WRF 初始场：WPS 解码与 met_em 生成流程

公开数据下载 · GRIB2 解码 · 土壤层兼容 · 输出验证

ECMWF Open Data × WPS 4.6

IFSWRF

最近需要使用 ECMWF IFS 0.25°确定性预报资料驱动 WRF 模拟，因此整理了一套从公开数据获取到 WRF 初始场生成的完整流程。本文以 WPS 4.6 和 WRF 4.7.1 为例，记录 ECMWF GRIB2 数据下载、格式处理、Vtable 配置以及 ungrib.exe、metgrid.exe 和 real.exe 各环节的实现过程，方便后续重复使用。

PART

完整流程

WORKFLOW · 从数据到初始场

下载

公开桶获取 GRIB2

→

解码

重打包并映射变量

→

验证

生成并检查 met_em

...workflow

ECMWF Open Data

　　↓

anonymous download → grid_ccsds → grid_simple

　　↓

Vtable → ungrib.exe → FILE:YYYY-MM-DD_HH

　　↓

metgrid.exe → met_em.d01.*.nc

　　↓

real.exe → wrfinput_d01 + wrfbdy_d01

其中最关键的不是单个命令，而是四个环节必须彼此一致：下载的产品类型、GRIB2 编码、Vtable 字段映射，以及 WPS 对新版 ECMWF 土壤层的支持。

PART

选择正确的确定性产品

DATA STREAM · 先把时次选对

ECMWF Open Data 同时包含确定性预报和集合预报。本文处理的是 IFS 确定性预报，对象路径中的 type 为 fc，不会使用 enfo 集合成员。

在 IFS Cycle 50r1 之前，00/12 UTC 的确定性预报位于 oper，06/18 UTC 的短截止确定性预报位于 scda。短截止指观测资料接收和业务生产时效，不代表集合预报，也不等于降低空间分辨率。

例如，正式起报时间为 2025 年 8 月 7 日 00 UTC，前置 6 小时 spin-up 后，全球背景场初始时刻是 2025 年 8 月 6 日 18 UTC，因此使用历史 scda 流。

...object path

20250806/18z/ifs/0p25/scda/

20250806180000-0h-scda-fc.grib2

20250806180000-6h-scda-fc.grib2

从 2026 年 5 月 12 日 06 UTC 的 IFS Cycle 50r1 开始，06/18 UTC 的高分辨率确定性产品也合并到了 oper。兼顾历史数据与实时数据时，可以采用日期感知的 stream 选择。

...python

import datetime as dt

IFS_50R1_START = dt.datetime(2026, 5, 12, 6)

def resolve_stream(init_time):

　　if init_time >= IFS_50R1_START:

　　　　return "oper"

　　return "oper" if init_time.hour in {0, 12} else "scda"

PART

准备下载与解码环境

ENVIRONMENT · 统一运行依赖

STEP 01

安装下载依赖

下载程序使用公开 Google Cloud Storage 桶，不需要服务账号。安装下载与格式处理依赖。

...bash

pip install google-cloud-storage

pip install eccodes

随后确认 ecCodes、NetCDF 和 WPS 可执行文件已经就绪。

...bash

command -v grib_set

command -v ncdump

ls -l /home/exp/software/WPS-4.6.0/ungrib.exe

ls -l /home/exp/software/WPS-4.6.0/metgrid.exe

PART

从公开桶下载 GRIB2

DOWNLOAD · 匿名且可恢复

公开桶名称为 ecmwf-open-data。对象名由日期、循环时次、模式、分辨率、stream 和预报时效共同组成。

...path template

{YYYYMMDD}/{HH}z/ifs/0p25/{stream}/

{YYYYMMDDHH0000}-{step}h-{stream}-fc.grib2

STEP 02

直接运行完整下载脚本

下面的脚本固定下载 2025 年 8 月 7 日 00 UTC 的 IFS 0.25° 确定性预报，stream 为 oper，预报时效为 f000、f006……f036。下载时先写入 .part 临时文件，校验文件大小后再原子改名；重复运行会自动跳过已完整下载的文件。

...python

#!/usr/bin/env python3

from pathlib import Path

import os

import time

from google.cloud import storage

BUCKET_NAME = "ecmwf-open-data"

INIT_DAY = "20250807"

CYCLE = "00"

STREAM = "oper"

FORECAST_STEPS = range(0, 37, 6)

OUTPUT_DIR = Path("ecmwf_2025080700")

MAX_RETRIES = 5

def download_one(bucket, blob_name, destination):

　　blob = bucket.blob(blob_name)

　　blob.reload()

　　destination = Path(destination)

　　partial = destination.with_name(f"{destination.name}.part")

　　expected_size = blob.size

　　if (

　　　　destination.exists()

　　　　and expected_size is not None

　　　　and destination.stat().st_size == expected_size

　　　　print(f"[skip] {destination}")

　　　　return

　　for attempt in range(1, MAX_RETRIES + 1):

　　　　try:

　　　　　　partial.unlink(missing_ok=True)

　　　　　　blob.download_to_filename(str(partial))

　　　　　　actual_size = partial.stat().st_size

　　　　　　if expected_size is not None and actual_size != expected_size:

　　　　　　　　raise RuntimeError(

　　　　　　　　　f"size mismatch: local={actual_size}, remote={expected_size}"

　　　　　　　　)

　　　　　　os.replace(partial, destination)

　　　　　　print(f"[done] {blob_name} -> {destination}")

　　　　　　return

　　　　except Exception:

　　　　　　partial.unlink(missing_ok=True)

　　　　　　if attempt == MAX_RETRIES:

　　　　　　　　raise

　　　　　　time.sleep(2 ** attempt)

def main():

　　OUTPUT_DIR.mkdir(parents=True, exist_ok=True)

　　client = storage.Client.create_anonymous_client()

　　bucket = client.bucket(BUCKET_NAME)

　　init_stamp = f"{INIT_DAY}{CYCLE}0000"

　　for step in FORECAST_STEPS:

　　　　filename = f"{init_stamp}-{step}h-{STREAM}-fc.grib2"

　　　　blob_name = (

　　　　　　f"{INIT_DAY}/{CYCLE}z/ifs/0p25/{STREAM}/{filename}"

　　　　)

　　　　destination = OUTPUT_DIR / filename

　　　　download_one(bucket, blob_name, destination)

if __name__ == "__main__":

　　main()

把代码保存为 download_ecmwf_2025080700.py，然后运行：

...bash

python download_ecmwf_2025080700.py

下载完成后，目录中会得到以下 ECMWF 原始文件。

...local files

20250807000000-0h-oper-fc.grib2

20250807000000-6h-oper-fc.grib2

20250807000000-12h-oper-fc.grib2

...

20250807000000-36h-oper-fc.grib2

这些是 ECMWF 原始文件，下一步重打包时再统一改成便于 WPS 链接的文件名。

PART

将 CCSDS 重打包为 WPS 可读格式

REPACK · 只改变打包方式

ECMWF Open Data 的部分 GRIB2 消息采用 CCSDS 压缩，即 grid_ccsds。WPS 4.6 自带的 GRIB2 解码链路对该打包模板支持有限，因此在进入 ungrib.exe 前，用 ecCodes 转为 grid_simple。

STEP 03

使用 grib_set 重打包

...bash

grib_set -r \

　-w packingType=grid_ccsds \

　-s packingType=grid_simple \

　ecmwf_2025080700/20250807000000-0h-oper-fc.grib2 \

　ecmwf_2025080700/ecmwf.0p25.2025080700.f000.grib2

每个选项分别做什么

-r：重新打包数据值。修改 packingType 涉及数据编码方式，因此要让 ecCodes 重新编码数据段。

-w packingType=grid_ccsds：只修改当前采用 CCSDS 打包的消息；不匹配的消息仍会原样写入输出文件。

-s packingType=grid_simple：把匹配消息的打包方式设置为 WPS 更容易读取的 simple packing。

命令末尾的第一个文件名是下载得到的输入文件，第二个文件名是重打包后的输出文件。

行末的 \ 是 Shell 续行符，只负责把一条长命令拆成多行，删除后写成一行也能执行。

这里改变的是数据打包方式，不改变变量的气象含义、网格分辨率和预报时次。批处理时建议先写入 .part，确认命令返回值和文件大小后再改名。

PART

让 WPS 识别新版土壤层

SOIL LAYERS · 兼容 LEVEL 151

2024 年 11 月之后的 IFS Open Data 使用 GRIB2 level code 151 表示四层土壤场。针对 WPS 4.6，需要让 ungrib 识别 SOT、VSW 和 level code 151。

SOT

土壤温度，即 soil temperature。

VSW

体积土壤含水量，即 volumetric soil water。

Level 151

新版 ECMWF 四层土壤场使用的 GRIB2 层编码。

为兼容这些字段，需要给 WPS 4.6 增加一处补丁。补丁完成两件事：向 WPS 参数表加入 SOT/VSW，并把 level 151 按 Vtable 中的层号和实际深度转换为 WPS 土壤层。

...bash · apply patch

cd /home/exp/software/WPS-4.6.0

patch -p1 < wps-4.6-ecmwf-open-data.patch

./clean -a

./configure

./compile

补丁应用完成后必须重新编译 WPS，后续处理也要使用这次生成的 ungrib.exe，它才包含 level 151 土壤层支持。补丁获取方式见文末。

PART

配置 ECMWF 专用 Vtable

MAPPING · 把编码翻译成气象字段

Vtable 负责把 GRIB2 的 discipline、category、parameter 和 level 映射为 WPS 中间字段名。除气压层温度、湿度、风和位势高度外，地表皮肤温度与四层土壤场必须明确映射。

...Vtable

235 | 1 | 0 | | SKINTEMP | K | Skin Temperature | 0 | 0 | 17 | 1 |

0 | 1 | 0 | 7 | ST000007 | K | T of 0-7 cm soil layer | 2 | 3 | 18 | 151 |

1 | 2 | 7 | 28 | ST007028 | K | T of 7-28 cm soil layer | 2 | 3 | 18 | 151 |

2 | 3 |28 | 100 | ST028100 | K | T of 28-100 cm soil layer | 2 | 3 | 18 | 151 |

3 | 4 |100| 289 | ST100289 | K | T of 100-289 cm soil layer | 2 | 3 | 18 | 151 |

0 | 1 | 0 | 7 | SM000007 | fraction | Water of 0-7 cm soil layer | 2 | 0 | 25 | 151 |

1 | 2 | 7 | 28 | SM007028 | fraction | Water of 7-28 cm soil layer | 2 | 0 | 25 | 151 |

2 | 3 |28 | 100 | SM028100 | fraction | Water of 28-100 cm soil layer | 2 | 0 | 25 | 151 |

3 | 4 |100| 289 | SM100289 | fraction | Water of 100-289 cm soil layer| 2 | 0 | 25 | 151 |

其中 SKINTEMP 对应 ECMWF 参数 skt，GRIB2 编码为 discipline 0、category 0、parameter 17、surface level 1。该字段将用于生成 WRF 的地表温度。

运行前把专用表链接为 WPS 当前 Vtable。

...bash

ln -sf /home/exp/projects/RUC/scripts/Vtable.ECMWF.IFS.grib2 Vtable

PART

运行 ungrib 与 metgrid

WPS · 生成 MET_EM

假设全球背景每 6 小时一份，namelist.wps 的核心部分如下。

...namelist.wps

&share

　wrf_core = 'ARW',

　max_dom = 1,

　start_date = '2025-08-06_18:00:00',

　end_date = '2025-08-08_06:00:00',

　interval_seconds = 21600,

&ungrib

　out_format = 'WPS',

　prefix = 'FILE',

&metgrid

　fg_name = 'FILE',

　io_form_metgrid = 2,

STEP 04

链接文件并顺序运行

...bash

./link_grib.csh /data/ecmwf/2025080618/ecmwf.0p25.2025080618.f000.grib2

./ungrib.exe > ungrib.log 2>&1

./metgrid.exe > metgrid.log 2>&1

PART

验证 met_em 再进入 real

QUALITY CHECK · 结构与数值双检查

ungrib.exe 和 metgrid.exe 正常结束只是第一层检查。进入 real.exe 之前，还应核对垂直层数、土壤层数和关键地表变量。

本文选择 13 个气压层，加地面层后，num_metgrid_levels 应为 14；Noah LSM 所需的 num_st_layers 应为 4。

STEP 05

检查 NetCDF 结构

...bash

FILE=$(ls met_em.d01.*.nc | head -n 1)

ncdump -h "$FILE" | grep -Ei \

　'num_metgrid_levels|num_st_layers|SKINTEMP|ST000007|SM000007'

进一步用 xarray 检查数值范围。

...python

import glob

import xarray as xr

path = sorted(glob.glob("met_em.d01.*.nc"))[0]

with xr.open_dataset(path) as ds:

　　for name in ("SKINTEMP", "ST000007", "ST007028", "ST028100",

　　　　　　　 "ST100289", "SM000007", "SM007028", "SM028100", "SM100289"):

　　　　field = ds[name]

　　　　print(name, float(field.min()), float(field.max()))

确认地表温度和土壤温度处于合理的开尔文范围、土壤湿度具有有效空间变化后，再运行 real.exe。

...bash

mpirun -np 24 ./real.exe

grep "SUCCESS COMPLETE REAL_EM INIT" rsl.error.0000

ls -lh wrfinput_d01 wrfbdy_d01

///

LAST

写在最后

SUMMARY · 形成稳定处理链路

补丁获取

需要 WPS 4.6 ECMWF Open Data level 151 土壤层兼容补丁、数据下载脚本以及Vtable的读者，可在公众号后台私信关键词 「WPS补丁」 获取。

参考资料

ECMWF Open Data 官方入口

IFS Cycle 50r1 实施说明

WPS 对新版 ECMWF 土壤字段的兼容工作

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