WRF - 安装

发表于 2022-09-05 更新于 2023-10-18 分类于 WRF

本篇随笔将介绍 WRF 和 WPS 的环境配置、编译和安装

什么是 WRF ？

WRF (Weather Research and Forecasting Model) 是中尺度天气预报系统

组成：

2 dynamic cores (ARW and NMM)
ARW 由 NCAR 开发， NMM 由 NCEP 开发
1 数据同化系统
软件架构

官网：

WRF 下载

参考：
https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/download/get_sources_new.php

方式一

通过 git clone 从 github 克隆代码库

1	git clone --recurse-submodules git@github.com:wrf-model/WRF.git

复制到软件安装目录

1	sudo cp -pr ~/WRF /usr/lib/

方式二

访问 github.com/wrf-model/WRF/releases 下载对应版本源代码

解压到目标目录

1	sudo tar -zxf WRF-4.4.tar.gz --directory=/usr/lib/

WRF 目录的理解

源代码目录

dyn_em ：ARW dynamics cores
external ：外部包，包含 IO ，计时器和 MPI 等
frame ：包含 WRF 框架的模块
inc ：包含 'include' 文件
main ：包含主要的例行程序，如 wrf.F 和所有的可执行文件
phys ：包含所有的物理模块
share ：包含用于 WRF 中间层和 WRF I/O 的主要模块
tools ：存放开发人员的工具包

脚本

clean ：清理创建的文件和可执行文件的脚本
configure ：创建 configure.wrf 文件，为编译 WRF 做准备的脚本
compile ：编译 WRF 的脚本

其他

arch ：存放编译选项的目录
run ：用于运行 WRF 的目录
test ：包含几个测试案例，也可用于运行 WRF
Makefile ：Top–level makefile
Registry ：存放 WRF 注册表文件

WRF/WPS 环境测试

参考：
https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/OnLineTutorial/compilation_tutorial.php#STEP1

检查是否已经安装 `gfortran` ， `gcc` 和 `cpp`

1
2
3

which gfortran
which gcc
which cpp

如果都已安装，以上返回的应该是安装的路径

检查 `gcc` 的版本是否为4.6或更高版本

1	gcc --version

运行一些简单的测试

通过运行以下的简单测试来验证 fortran 编译器是否正确构建，以及是否与 C 编译器兼容

下载测试文件到 `TESTS` 目录中

mkdir TESTS
cd ./TESTS
wget https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/OnLineTutorial/compile_tutorial/tar_files/Fortran_C_tests.tar Fortran_C_tests.tar
tar -xf Fortran_C_tests.tar

测试 1 ：固定格式 Fortran

1	gfortran TEST_1_fortran_only_fixed.f && ./a.out

正确输出为：

1	SUCCESS test 1 fortran only fixed format

测试 2 ：自由格式 Fortran

1	gfortran TEST_2_fortran_only_free.f90 && ./a.out

正确输出为：

1 2	Assume Fortran 2003: has FLUSH, ALLOCATABLE derived type, and ISO C Binding SUCCESS test 2 fortran only free format

测试 3 ：C 编译

1	gcc TEST_3_c_only.c && ./a.out

正确输出为：

1	SUCCESS test 3 C only

测试 4 ：Fortran 调用 C

gcc -c -m64 TEST_4_fortran+c_c.c
gfortran -c -m64 TEST_4_fortran+c_f.f90
gfortran -m64 TEST_4_fortran+c_f.o TEST_4_fortran+c_c.o
./a.out

正确输出为：

1
2
3

C function called by Fortran
Values are xx =  2.00 and ii = 1
SUCCESS test 4 fortran calling c

测试 5 ：csh 脚本

1	./TEST_csh.csh

正确输出为：

1	SUCCESS csh test

测试 6 ：perl 脚本

1	./TEST_perl.pl

正确输出为：

1	SUCCESS perl test

测试 7 ：sh 脚本

1	./TEST_sh.sh

正确输出为：

1	SUCCESS sh test

安装 WRF/WPS 编译相关软件

参考：
https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/OnLineTutorial/compilation_tutorial.php#STEP2

下载编译软件

下载网站：
https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/OnLineTutorial/compile_tutorial/tar_files/

分别下载 netcdf , mpich , zlib , libpng 和 Jasper

wget https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/OnLineTutorial/compile_tutorial/tar_files/netcdf-4.1.3.tar.gz netcdf-4.1.3.tar.gz
wget https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/OnLineTutorial/compile_tutorial/tar_files/mpich-3.0.4.tar.gz mpich-3.0.4.tar.gz
wget http://zlib.net/zlib-1.2.12.tar.gz zlib-1.2.12.tar.gz
wget https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/OnLineTutorial/compile_tutorial/tar_files/libpng-1.2.50.tar.gz libpng-1.2.50.tar.gz
wget https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/OnLineTutorial/compile_tutorial/tar_files/jasper-1.900.1.tar.gz jasper-1.900.1.tar.gz

设置环境变量

export DIR=/usr/bin
export CC=gcc
export CXX=g++
export FC=gfortran
export FCFLAGS=-m64
export F77=gfortran
export FFLAGS=-m64
export JASPERLIB=$DIR/grib2/lib
export JASPERINC=$DIR/grib2/include
export LDFLAGS=-L$DIR/grib2/lib
export CPPFLAGS=-I$DIR/grib2/include
export NETCDF_classic=1
export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:$DIR/grib2/lib/

安装 `NetCDF4`

https://www.unidata.ucar.edu/software/netcdf/

解压 netcdf-4.1.3.tar.gz 到 /usr/bin/netcdf-4.1.3

sudo tar -xzvf netcdf-4.1.3.tar.gz --directory=/usr/bin/
cd /usr/bin/netcdf-4.1.3
sudo ./configure --prefix=$DIR/netcdf --disable-dap --disable-netcdf-4 --disable-shared
sudo make
sudo make install
export PATH=$DIR/netcdf/bin:$PATH
export NETCDF=$DIR/netcdf
cd -

检查是否安装成功：

1	which ncdump

正确输出为：

1	/usr/bin/netcdf/bin/ncdump

安装 `MPICH`

https://www.mpich.org/

MPICH 用于 WRF 的并行构建

解压 mpich-3.0.4.tar.gz 到 /usr/bin/mpich-3.0.4

sudo tar -xzvf mpich-3.0.4.tar.gz --directory=/usr/bin/
cd /usr/bin/mpich-3.0.4
sudo ./configure --prefix=$DIR/mpich
sudo make
sudo make install
export PATH=$DIR/mpich/bin:$PATH
cd -

安装 `zlib`

http://www.zlib.net/

zlib 是一个通用的数据压缩库，是 WPS ungrib 解码 GRIB 文件所必需的库

解压 zlib-1.2.12.tar.gz 到 /usr/bin/zlib-1.2.12

sudo tar -xzvf zlib-1.2.12.tar.gz --directory=/usr/bin/
cd /usr/bin/zlib-1.2.12
# sudo ./configure --prefix=$DIR/grib2
sudo ./configure
sudo make
sudo make install
cd -

安装 `libpng`

http://www.libpng.org/pub/png/libpng.html

libpng 支持几乎所有 PNG (Portable Network Graphics) 功能，是 WPS ungrib 解码 GRIB 文件所必需的库，需要 zlib-1.2.5 或更高版本

解压 libpng-1.2.50.tar.gz 到 /usr/bin/libpng-1.2.50

sudo tar -xzvf libpng-1.2.50.tar.gz --directory=/usr/bin/
cd /usr/bin/libpng-1.2.50
sudo ./configure --prefix=$DIR/grib2
sudo make
sudo make install
cd -

安装 `JasPer`

https://ece.engr.uvic.ca/~frodo/jasper/

JasPer 是图像处理/编码工具包，是 WPS ungrib 解码 GRIB 文件所必需的库

解压 jasper-1.900.1.tar.gz 到 /usr/bin/jasper-1.900.1

sudo tar -xzvf jasper-1.900.1.tar.gz --directory=/usr/bin/
cd /usr/bin/jasper-1.900.1
sudo ./configure --prefix=$DIR/grib2
sudo make
sudo make install
cd -

编译软件兼容性测试

参考：
https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/OnLineTutorial/compilation_tutorial.php#STEP3

下载测试文件

1
2
3

cd TESTS
wget https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/OnLineTutorial/compile_tutorial/tar_files/Fortran_C_NETCDF_MPI_tests.tar Fortran_C_NETCDF_MPI_tests.tar
tar -xf Fortran_C_NETCDF_MPI_tests.tar

测试 1 ： Fortran + C + NetCDF

cp ${NETCDF}/include/netcdf.inc .
gfortran -c 01_fortran+c+netcdf_f.f
gcc -c 01_fortran+c+netcdf_c.c
gfortran 01_fortran+c+netcdf_f.o 01_fortran+c+netcdf_c.o -L${NETCDF}/lib -lnetcdff -lnetcdf
./a.out

正确输出为：

1
2
3

C function called by Fortran
Values are xx = 2.00 and ii = 1
SUCCESS test 1 fortran + c + netcdf

测试 2 ： Fortran + C + NetCDF + MPI

cp ${NETCDF}/include/netcdf.inc .
mpif90 -c 02_fortran+c+netcdf+mpi_f.f
mpicc -c 02_fortran+c+netcdf+mpi_c.c
mpif90 02_fortran+c+netcdf+mpi_f.o 02_fortran+c+netcdf+mpi_c.o -L${NETCDF}/lib -lnetcdff -lnetcdf
mpirun ./a.out

正确输出为：

C function called by Fortran
Values are xx = 2.00 and ii = 1
status = 2
SUCCESS test 2 fortran + c + netcdf + mpi

安装和编译 WRF

参考：
https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/OnLineTutorial/compilation_tutorial.php#STEP4
https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/OnLineTutorial/Compile/wrf_compile3.php

安装 WRF

1 2	cd /usr/lib/WRF ./configure # 34 1

编译 WRF

编译，并将输出和错误信息写入到 log.compile 中

1 2	cd /usr/lib/WRF ./compile [case_name] >& log.compile

case_name	Type of case	case_name	Type of case
em_real	3d real case	em_hill2d_x	2d ideal case
em_quarter_ss	3d ideal case	em_squall2d_x	2d ideal case
em_b_wave	3d ideal case	em_squall2d_y	2d ideal case
em_les	3d ideal case	em_grav2d_x	2d ideal case
em_heldsuarez	3d ideal case	em_seabreeze2d_x	2d ideal case
em_tropical_cyclone	3d ideal case	em_scm_xy	1d ideal case

编译大约需要 20-30 分钟

编译成功后，会在 /usr/lib/WRF/main 目录下生成可执行文件 *.exe

1	ls -ls ./main/*.exe

如果编译的是 real case ，则生成的可执行文件为

wrf.exe (model executable)
real.exe (real data initialization)
ndown.exe (one-way nesting)
tc.exe (for tc bogusing--serial only)

如果编译的是 ideal case ，则生成的可执行文件为

1 2	wrf.exe (model executable) ideal.exe (ideal case initialization)

安装编译 WPS

WPS (WRF Preprocessing System Source Code)

WPS 是 WRF 预处理系统，用于运行 真实模型 之前 输入预处理 工作，准备好必须的输入数据和模型参数后才能顺利运行模式

WPS 主要做了三件事：

定义模型运行空间（投影、范围、分辨率等）和嵌套关系（ geogrid ）
从 GRIB 文件提取列在 Vtable 气象要素场（ ungrib ）
将地表参数、气象要素插值到模拟区域，将风场旋转到 WRF 网格（ metgrid ）

graph LR;
  A([静态地形数据]) --> B[geogrid]; 
  D([GRIB 格点数据]) --> E[ungrid];
  subgraph WPS;
    B[geogrid] --> C[metgrid];
    E[ungrid] --> C;
  end;
  C --> F([real]);

参考：
https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/OnLineTutorial/compilation_tutorial.php#STEP5
https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/OnLineTutorial/Compile/wps_compile1.php

下载 WPS

方式一

通过 git clone 从 github 克隆代码库：

1	git clone --recurse-submodules git@github.com:wrf-model/WPS.git

方式二

访问 github.com/wrf-model/WPS/releases 下载对应版本源代码

解压到目标目录

1	sudo tar -zxf WPS-4.4.tar.gz --directory=/usr/lib/

WPS 目录的理解

源代码目录

geogrid ：包含创建静态数据（不随时间变化）的代码
计算每个格点的经纬度、地图比例尺和科里奥利力参数
对地形参数（地形、高度、土壤类别、地面反照率等）进行水平插值
ungrib ：包含解压 GRIB 数据的代码
从 GRIB 文件提取列在 Vtable 气象要素场，写成 intermediate 格式
metgrid ：包含创建 WRF 的输入的代码
将 ungrib 解码的气象场水平插值到 geogrid 定义的网格上
将风场旋转到 WRF 网格，使得 u、v 风平行于 x 轴和 y 轴
util ：包含实用程序

脚本

clean ：清理创建的文件和可执行文件的脚本
configure ：创建 configure.wps 文件，配置环境，准备编译 WPS
compile ：编译 WPS 的脚本
link_grib.csh ：将 GRIB 文件链接到 WPS 目录的脚本

其他

arch ：收集编译选项的目录
namelist.wps ：将用于运行 geogrid.exe 、 ungrib.exe 和 metgrid.exe 的 WPS 名称列表
namelist.wps-all_options ：包含可以在 namelist.wps 文件中使用的所有其他选项的参考

安装 WPS

cd /usr/lib/WPS
./clean
export JASPERLIB=$DIR/grib2/lib
export JASPERINC=$DIR/grib2/include
./configure   # 1

编译 WPS

编译，并将输出和错误信息写入到 log.compile 中

1 2	cd /usr/lib/WPS ./compile >& log.compile

编译成功后，会在 /usr/lib/WPS 目录下生成可执行文件 *.exe

1	ls -ls ./*.exe

1
2
3

geogrid.exe -> geogrid/src/geogrid.exe
ungrib.exe -> ungrib/src/ungrib.exe
metgrid.exe -> metgrid/src/metgrid.exe

下载地形数据

WRF 模式能够创建理想化的模拟，如果要进行真实数据的案例，必须将模型创建在地球上的物理位置以及该位置的静态信息，这就需要一个包含地形和土地利用类别等信息的数据集

数据下载网址：
http://www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/download/get_sources_wps_geog.html

下载静态的地形数据后将数据解压到 /usr/share/WPS_GEOG/ 中

1 2	mkdir /usr/share/WPS_GEOG sudo tar -xf geog.tar.gz --directory=/usr/share/WPS_GEOG

修改 /usr/lib/WPS/namelist.wps 中的地形数据路径

1
2
3

cd /usr/lib/WPS/
vim namelist.wps
geog_data_path = '/usr/share/WPS_GEOG'

下载好地形数据后，便可执行 geogrid.exe 程序，具体内容将在 运行 WPS 和 WRF 小节展开

1 2	cd /usr/lib/WPS ./geogrid.exe >& log.geogrid

参考链接

https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/download/get_sources_new.php
https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/OnLineTutorial/compilation_tutorial.php
https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/OnLineTutorial/Introduction/start.php

什么是 WRF ？

WRF 下载

WRF 目录的理解

WRF/WPS 环境测试

检查是否已经安装 gfortran ， gcc 和 cpp

检查 gcc 的版本是否为4.6或更高版本

运行一些简单的测试

下载测试文件到 TESTS 目录中

安装 WRF/WPS 编译相关软件

下载编译软件

设置环境变量

安装 NetCDF4

安装 MPICH

安装 zlib

安装 libpng

安装 JasPer

编译软件兼容性测试

下载测试文件

安装和编译 WRF

安装 WRF

编译 WRF

安装编译 WPS

下载 WPS

WPS 目录的理解

安装 WPS

编译 WPS

下载地形数据

参考链接

检查是否已经安装 `gfortran` ， `gcc` 和 `cpp`

检查 `gcc` 的版本是否为4.6或更高版本

下载测试文件到 `TESTS` 目录中

安装 `NetCDF4`

安装 `MPICH`

安装 `zlib`

安装 `libpng`

安装 `JasPer`