美国NCEP FNL全球分析资料在Windows XP系统上的解码及其图形显示软件简介 伞齿轮传动
邓伟1马振升2田宏伟1陈海波1张永涛3申占营1（1河南省气象科学研究所，郑州 450003；2 河南省培训中心，郑州 450003； 3 河南省监测网络处，郑州 450003）
摘要：介绍了美国环境预报中心（NCEP）FNL资料的相关内容内容，该资料由于分辨率较高且融合了大量的观测资料及卫星反演资料而被广泛用于数值模式及天气、气候的诊断分析研究中。本文的重点在于对该类资料解码程序及绘图时所需控制文件、索引文件生成方法的介绍。通过对批处理命令的介绍，可以为大量FNL资料的解码及绘图处理提供一定的参考作用。 关键词：NCEP FNL资料；Dos环境；grib1码；wgrib解码；GrADS绘图
引言
继美国国家环境预报中心（NCEP）/美国国家大气研究中心（NCAR）提供的全球再分析资料之后，NCEP又为广大科研工作者提供了FNL 全球分析资料(Final Operational Global Analysis，以下简称为“FNL资料”)。当前发布的FNL资料由于比再分析资料具有更高的时间、空间分辨率而逐渐得到学者的更多关注。由于当前的FNL资料充分同化了尽可能全面的观测资料，NCEP认为：与其他资料相比较，FNL资料作为长期业务模式存档分析资料“可能是最好的选择”。
机读答题卡国内对NCEP再分析资料要素的分析、比较及可信度检验工作开展的较多[1-4]，而对FNL 资料的可信度研究相对较少。周青等[5]利用2005年的FNL资料与中国753个台站观测的地表温度和地面1.5m高气温从时次变化和空间变化等方面进行了对比分析，研究表明：除青藏高原、内蒙古东部、四川盆地外，大部分地区的FNL资料较观测值偏低，在东北、西北尤其是青藏高原和云贵高原、西南部地区FNL资料的误差相对较大；FNL资料的气温值在我国东南地区与观测值比较接近，大部分地区FNL的分析值低于观测值，而且，夏季和观测值接近的程度要比冬季好。
与NCEP再分析资料相似，FNL资料不仅可以为气象模式[6]、气候模式提供初始场，而且用于暴雨[8-9]、暴雪[10-11]和强寒潮[12]等天气过程及气候的诊断分析研究。此外，李戈等[13]开展了沙尘天气中尺度动力机制分析，苏爱芳等[14]进行了增雨潜势分析研究。农机自动驾驶
由于篇幅所限，本文只能对FNL资料做一个整体性的介绍，对资料的解码程序、图形显示软件等做一基本说明，为科研工作者在资料内容提取和图形显示等方面的工作提供一定的参考。FNL资料编码采用世界气象组织推荐的二进制格点形式加工数据GRIB（GRIdded Binary）版本1（以下简称为GRIB1码）格式，因此，对该类编码（如NCEP再分析资料）的解码及图形显示软件的介绍具有很强的通用性。 *基金项目：
作者简介：邓伟(1973－)，男，硕士，硕士，主要从事大气物理学与大气环境方面的研究，mail：
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1 FNL资料内容简介
由于观测资料来源的限制，不同时期FNL资料获取的同化资料是不同的。资料生成模式分辨率的不断改善，导致不同时期FNL资料的时间、空间分辨率的不同。按照NCEP提供资料的时段可以将其划分为3个时段：第一时段是1976年7月1日0时~1997年4月12日12时，该时段资料有GRIB1码和ON84码两种格式，空间分辨率为2.5°×2.5°，时间间隔为12小时，累计有12个标准等压层（1000mb~50mb），南、北半球的资料是分开存放的。第二时段是1997年4月1日0时~2007年6月30日12时，其资料分辨率、时次与第一时段相同，编码格式为GRIB1码，累计有16个标准等压层（1000mb~10mb），南、北半球的资料也是分开存放的。第三时段是从1999年7月30日18时至今，该时段的FNL资料是本文介绍的重点，其相关内容如下：
第三时段FNL资料的空间分辨率为1°×1°，时间间隔为6小时的GRIB1码全球资料（从2008年9月30日12时开始，文件名增加后缀“_c”，表明其编码形式已由GRIB2码转化为GRIB1码）。该资料包含了地表26个标准等压层（1000mb~10mb）、地表边界层（部分为σ层）和对流层顶的要素信息。当前的FNL资料至少收集了过去6小时的观测资料，每天4次（世界时0、6、12、18时）做一个全球性的数据
分析。该资料是由T254 L64谱模式获取的高分辨率资料，同化了地面观测、无线电探空、探空气球、飞机及卫星观测资料。仅参与（曾经参与）同化的卫星资料就有热带测雨卫星（TRMM）、NOAA系列卫星、美国国防气象卫星计划（DMSP）、Earth Probe卫星和地球静止轨道环境业务卫星(GOES)等卫星的成像光谱仪、微波辐射计、臭氧总量测绘光谱仪等不同观测资料。以文件名为“fnl070701_06_00”（无扩展名）的FNL资料为例，对其输出的物理量（关键字）说明如下（表1）。
表1 FNL资料输出的物理量及单位
喷淋吸收塔
no4LFTXsfc 近地表4个等压面的抬升指数[K] POTsig995
位温（σ=0.995）[K]
气压[Pa]
no5WA V Aprs 500mb等压面位势高度距平[gpm] PRE*
一叶荻no5WA VHprs 500mb等压面位势高度[gpm] PWATclm
气柱的可降水量[kg/m2]
相对湿度[%]
ABSVprs 26个等压面的绝对涡度[/s] RH*
土壤体积含水量
CAPE* 对流有效位能[J/kg] SOILW*
CIN* 对流抑制能[J/kg] SPFH*
比湿[kg/kg]
对流云总云量[%]
CLWMRprs 21个等压面的云水[kg/kg] TCDCcvl
温度[K]
CWATclm 气柱云水[kg/m2] TM*
气柱总臭氧量[Dobson]
GPAprs 2个等压面的位势高度距平[gpm] TOZNEclm
HGT* 位势高度 [gpm] UGRD* u分量[m/s]
v分量[m/s]
HPBLsfc 地表行星边界层高度[m] VGRD*
ICECsfc 海冰密集度(ice=1; no ice=0) VVEL* 气压垂直速度[Pa/s]
LANDsfc 陆地覆盖(land=1; sea=0) VWSH* 垂直风切变[1/s]
地表累计雪量[kg/m2]
LFTXsfc 地表抬升指数[K] WEASDsfc
O3MRprs 6个等压面的臭氧层混合比[kg/kg]
备注：1）该文件参数由grib2ctl软件运行后生成，其生成方法参见本文2.2。
2）“*”表示为了节省篇幅仅给出其关键字，该参数含有多个层（次）的值。
2 FNl资料的解码程序及图形显示软件
脉康合剂FNL资料的解码程序及图形显示软件可以在linux、unix和Windows XP等操作系统上运行。作为一套应用广泛、使用方便的免费科学数据绘图软件包，GrADS（The Grid Analysis and Display System）软件以能够处理多种格式的数据、提供一定的数据加工能力而被广泛应用。
本文以Windows XP系统的Dos环境、1.8SL11版本的GrADS软件为例，对其解码程序及图形显示软件进行介绍。该版本的GrADS软件需要X server系统的支持，作者安装的是xmanager软件（版本号2.1）。在运行GrADS软件绘图时，一定要先运行Xmanager软件以提供背景支持。在GrADS软件的安装时需要注意：1）建议GrADS软件的安装路径不要有空格，以避免软件运行时出现不必要的错误。2）在安装完成后需要对操作系统的环境变量进行设置。
2.1 wgrib解码程序[15]
当前wgrib解码程序已经被植入到GrADS软件中。该程序在“Dos”环境下是以命令行的形式进行操作，输入“wgrib”命令即可看见该程序的版本信息、主要命令参数及对应功能。wgrib程序的不仅用于创建文件（格式为grib1码）的目录，而且还可以对grib1码的源文件解码并进行格式转换。
2.1.1 wgrib基本命令及参数选项
wgrib命令格式的命令格式如下：
wgrib [grib1码文件文件名] [参数选项]
常用的参数选项及相关说明如下：
-s/v 列出简要/详细的文件目录
-V 对结果进行诊断输出
-d 可以选择n或all两类参数：n表示对第n个记录进行解码，all是对所有记录进行解码。
-p 对指定的字节进行解码。
-i 按照目录列表进行数据操作
-text/IEEE/grib/bin 指定输出文件的格式
-o 指定输出文件的（路径）文件名。该参数仅在进行数据解码操作时有效。如果不选择该项，解码后的生成文件的默认文件名为“dump”。
在实际操作中，可以通过上述参数的组合生成对应的输出结果。
2.1.2 目录及诊断结果命令
在“Dos”环境下，输入目录生成命令：
wgrib fnl_070701_06_00 -v > v.txt
上述命令可将“fnl_070701_06_00”文件的详细目录输出到v.txt文本文件中（“>”为Dos 系统下的输出重定向语句，下同）。如果省略“> v.txt”，则直接以屏幕显示的方式列出文件。
以生成文件的第一行输出结果为例，对其参数进行说明如下：
1:0:D=2007070106:HGT:1000 mb:kpds=7,100,1000:anl:"Geopotential height [gpm]
该输出结果以“：”为分隔符，计有8个参数，各参数的含义如下：
1）记录序号。
2）该记录的起始存贮位置。
3）时间信息，格式为年月日时。
4）物理量的缩写。
5）物理量所在的高度（或指定层）。
6）7为GRIB1的参数代码（kpds5）。如参数1表示气压；参数2表示订正的海平面气压。
100为资料所在高度（或指定层）的代码（kpds6）。如参数1表示地表；参数2表示云底高度。
1000为资料所在高度（或指定层）的高度、气压等物理量的层次代码（kpds7）。
7）anl表示为分析（或再分析）数据，主要是与预报数据（代码为fcst）相区别。
8）对物理量的详细说明及对应单位。
上述结果内容的含义为：2007年7月1日06时次FNL资料中记录号为1、起始存储位置为0开始存贮的物理量是1000mb位势高度。
在“Dos”环境下，输入诊断输出命令：
wgrib fnl_070701_06_00 -V > V.txt
该命令生成记录号为1的诊断结果如下：
rec 1:0:date 2007070106 HGT kpds5=7 kpds6=100 kpds7=1000 levels=(3,232) grid=3 1000 mb anl:
HGT=Geopotential height [gpm]
timerange 10 P1 0 P2 0 TimeU 1 nx 360 ny 181 GDS grid 0 num_in_ave 0 missing 0
center 7 subcenter 0 process 82 Table 2
latlon: lat 90.000000 to -90.000000 by 1.000000 nxny 65160
long 0.000000 to -1.000000 by 1.000000, (360 x 181) scan 0 mode 128 bdsgrid 1 min/max data -417.4 390.4 num bits 13 BDS_Ref -4174 DecScale 1 BinScale 0 该诊断结果主要给出了记录号为1的相关信息（部分内容可参见上例），如存贮的起始位置、资料时间、对应的物理量、层次信息、格点大小（360×181）、起始经纬度（经度范围为0°~-1°（即359°）、纬度范围为-90°~90°）及该数据的最小值、最大值（min/max data）等信息。诊断结果的输出，不仅记录信息更为详尽，而且为人工阅读提供了方便。
2.1.3解码命令
在“Dos”环境下，输入解码命令：
wgrib fnl_070701_06_00 -d 1 -text
该命令可以将“fnl_070701_06_00”文件中记录号为1的数据解码、提取并转化成文本格
式输出（默认的输出文件名为“dump”）。此外，还可以利用参数“–p n”按照存贮位置（n）来进行数据解码。
通过带有参数“–s”（或“–v”）的wgrib命令可以获取相关物理量的缩写字母，从而可以对这些物理量进行数据解码、提取。如通过以下命令可将fnl_070701_06_00文件中1000mb 的位势高度结果输出到文本文件“”中：
wgrib -s fnl_070701_06_00 | find ":HGT:1000 mb:" | wgrib -i -text fnl_070701_06_00 -
以下面的命令建立一个批处理文件，运行该文件即可将“E:\FNL”文件夹下所有FNL文件中地表气压解码、提取出来，并以GRIB1码的形式分别存贮在该文件夹中（本例中FNL数据文件没有扩展名，故在输入文件时选择通配符“*.”，必要时可以增加文件的扩展名。生成文件以源文件名称命名，扩展名为“.grib”）。在将输出文件转化为文本文件格式后，其输出数据的精度可能会降低。
for %%c in (E:\FNL\*.) do wgrib -s %%c | find ":PRES:sfc:" | wgrib -i -grib %%c -o %%c.grib
2.2 FNL控制及索引文件的生成
GrADS软件是通过描述文件来调用数据并实现对数据的访问及绘图。在利用GrADS软件绘制FNL资料图之前，需要生成对应的控制文件（扩展名为“.ctl”）和索引文件（扩展名为“.idx”）。
FNL的控制文件可以通过“grib2ctl”软件生成，该软件可以从网上免费下载。将下载后的“grib2ctl”软件拷贝至GrADS安装目录下的“win32”文件夹中，即可实现以下的操作。对于较早版本“grib2ctl”软件运行后获取的控制文件中，可能需要手动将控制文件中“ENDV ARS”后的语句删除掉。利用“grib2ctl”软件生成单个FNL数据控制文件的命令如下：grib2ctl FNL数据文件名 > FNL数据的控制文件名（文件扩展名为“.ctl”）
FNL的索引文件是通过GrADS软件中的“gribmap”程序生成，该程序已经嵌入在GrADS 软件中，其生成单个FNL数据索引文件的命令如下：
gribmap -i FNL数据的控制文件名（文件扩展名为“.ctl”）
将以下面命令拷贝到一个批处理文件中，运行后即可生成“E:\ FNL”下所有FNL文件的控制文件和索引文件。
for %%c in (E:\FNL\*.) %%c > %%c.ctl
for %%c in (E:\FNL\*.ctl) do gribmap -i %%c -0
2.3 GrADS绘图
由于GrADS软件在气象绘图方面的应用较广泛，且从网络上可以下载相关教程，故本文仅举一个简单的个例。运行GrADS软件和Xmanager软件，在GrADS命令提示符下，键入以下命令（后面的文字为命令说明）即可查看2007年7月1日06时中国区域地表2米高度的温度图（参见图1）。
open fnl_070701_l 打开FNL的控制文件
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