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    弹性高性能计算E-HPC：使用WRF软件进行气象模拟计算

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    弹性高性能计算E-HPC：使用WRF软件进行气象模拟计算

    更新时间：Mar 19, 2024

    本文介绍如何使用E-HPC集群运行WRF软件进行气象模拟计算。

    背景信息

    WRF（Weather Research and Forecasting）采用新一代中尺度天气预报模式，是气象行业广泛应用的开源气象模拟软件。它为研究大气过程提供了大量选项，并可以在多种计算平台运行。更多信息，请参见WRF官网。WRF

    准备工作

    1. 创建E-HPC集群。具体操作，请参见使用向导创建集群。

      配置集群时，软硬件参数配置如下：

      参数

      说明

      硬件参数

      部署方式为标准，包含2个管控节点，1个计算节点和1个登录节点，均采用ecs.c7.large实例规格，配置为2 vCPU，4 GiB内存，Ice Lake处理器，2.7 GHz。

      软件参数

      镜像选择CentOS 7.6公共镜像，调度器选择slurm，打开VNC开关。

    2. 创建集群用户。具体操作，请参见管理用户。

      本文使用的示例用户名为wrftest，权限组为sudo权限组。

    3. 在集群中安装WRF相关软件。具体操作，请参见安装软件。

      需安装的软件如下：

      • wrf-mpich，版本为3.8.1。

      • mpich，版本为3.2。

    4. 在集群中安装NCL。

      NCL用于处理和可视化气象数据，具体安装方式请参见Installing NCL。

      说明

      由于CentOS镜像默认安装的Python版本较低，安装NCL前，您需要升级Python。Python的下载地址请参见Python下载。

    步骤一：运行geogrid.exe

    geogrid.exe用于确定模拟区域，并把静态地形数据插值到网格点。

    1. 登录E-HPC集群。

      登录时，请使用具有sudo权限的用户。具体操作，请参见登录集群。

    2. 查看集群是否已安装WRF相关软件。

      export MODULEPATH=/opt/ehpcmodulefiles/
module avail

      预期返回如下：

      ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- /opt/ehpcmodulefiles/ ------------------------------------------------------------------------------------------------------------
mpich/3.2       vnc             wrf-mpich/3.8.1

    3. 加载WRF软件环境。

      module load wrf-mpich/3.8.1 mpich/3.2
echo $WPSHOME $WRFHOME

    4. 将安装的WPS和WRF软件拷贝到工作目录。

      说明

      请将命令中的$WPSCOPYHOME和$WRFCOPYHOME替换为实际的工作目录，本文使用/home/wrftest作为示例。操作后，该目录下将生成WPS和WRFV3两个目录。

      cp -r $WPSHOME $WPSCOPYHOME
cp -r $WRFHOME $WRFCOPYHOME

    5. 进入WPS目录，然后下载并解压地表数据。

      说明

      本示例中地表数据使用geog_complete.tar.gz，您也可以根据需要下载其他地表数据。更多信息，请参见WRF官网。

      cd /home/wrftest/WPS
wget https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/src/wps_files/geog_complete.tar.gz
tar -zxvf geog_complete.tar.gz

    6. 链接到GEOGRID.TBL文件。

      GEOGRID.TBL文件定义了geogrid.exe需要插值到网格点上的各静态地理数据集参数。

      ln -s geogrid/GEOGRID.TBL GEOGRID.TBL

    7. 修改namelist.wps文件。

      namelist是WPS（WRF Preprocessing System，WRF预处理系统）中的一个共享文件，该文件按照各个程序（geogrid.exe、ungrib.exe、metgrid.exe）所需要参数的不同分成三个部分（&geogrid、&ungrib、&metgrid）及一个共享部分（&share），分别定义了WPS模块所需要的各种参数。如下示例为推荐配置，未提及的参数保持默认即可。详细的namelist.wps文件参数及说明，请参见namelist.wps。

      说明

      • 本示例中，namelist.wps文件存放在/home/wrftest/WPS目录下。

      • 在namelist.wps文件中，请使用!作为注释标识。

      !共享部分
&share   
!wrf_core：选择WRF dynamical core，有'ARW'和'NMM'两个选项，默认值为'ARW'。
wrf_core = 'ARW', 
!start_date：模拟开始时间
start_date = '2005-08-28_00:00:00',  
!end_date：模拟结束时间
end_date = '2005-08-29_00:00:00',     
interval_seconds = 21600,
!max_dom：模拟网格数（粗网格+嵌套网格），本示例中包含一个粗网格
max_dom = 1, 
!#io_form_geogrid: geogrid程序输出格式
io_form_geogrid = 2,    
/

!geogrid部分
!#确定区域范围、嵌套关系、模型投影
&geogrid
parent_id = 1,
parent_grid_ratio = 1,
i_parent_start = 1,
j_parent_start = 1,

!确定网格在东西方向、南北方向的尺度（区域的矢量场的栅格数），本示例中为98*70个网格点
e_we = 98,       
e_sn = 70,
geog_data_res = 'default',

!定义区域的栅格尺寸，本示例中网格分辨率为30km
dx = 30000,     
dy = 30000,

!定义投影方式，关于投影方式说明可以参考WRF官网
map_proj = 'mercator'

!定义区域的中心经纬度坐标
ref_lat = 25.00,
ref_lon = -89.00,

!投影的三个参数值，随投影方式不同设定不同
truelat1 = 0.0,   
truelat2 = 0.0,
stand_lon = -89.0,
!geog_data_path = '地表数据存储路径'
geog_data_path = '/home/wrftest/WPS/geog'
/

!ungrib部分
&ungrib
!out_format：ungrib生成的可供metgrid读取的文件格式，有'WPS'、'SI'、'MM5'三种格式，默认值为'WPS'
out_format = 'WPS', 
!prefix：ungrib生成的中间文件路径和文件前缀名
prefix = 'FILE'
/
 
!metgrid部分 
&metgrid  
!fg_name：ungrib程序生成的文件
fg_name = 'FILE', 
!io_form_metgrid：metgrid生成的文件格式
!支持三种格式1（binary，后缀名.int）、2（net CDF，后缀名.nc）、3（Grib1，后缀名.gr1）
!默认值：2
io_form_metgrid = 2
/

    8. 将静态地形数据插值到网格点。

      ./geogrid.exe

      运行geogrid.exe成功后，会在/home/wrftes/WPS目录下生成geo_em.d0N.nc地形文件，预期返回结果如下：

      WRF-1.png

    步骤二：运行ungrib.exe

    ungrib.exe用于从GRIB格式的气象数据中提取所需要的气象要素场。

    1. 下载并解压Katrina气象数据。

      说明

      本示例中气象数据为Katrina.tar.gz，请下载Katrina.tar.gz。您也可以根据需要下载其他气象数据，更多信息，请参见气象数据。

      cd /home/wrftest/WPS
wget http://www2.mmm.ucar.edu/wrf/TUTORIAL_DATA/Katrina.tar.gz
tar -zxvf Katrina.tar.gz

    2. 通过link_grib.csh脚本链接气象数据。

      ./link_grib.csh /home/wrftest/WPS/Katrina/avn*

    3. 选择气象数据相应的Vtable。

      本示例使用的Vtable为Vtable.GFS，您可以根据需要使用其他的Vtable。

      ln -sf ungrib/Variable_Tables/Vtable.GFS Vtable

    4. 提取所需要的气象要素场。

      ./ungrib.exe

      运行ungrib.exe成功后，会在/home/wrftest/WPS目录下生成FILE:YYYY-MM-DD_hh*文件，预期返回结果如下：

      WRF-2.png

    步骤三：运行metgrid.exe

    metgrid.exe用于将ungrib.exe提取出的气象场数据水平插值到由geogrid.exe确定的网格点上。

    1. 链接到GEOGRID.TBL文件。

      GEOGRID.TBL文件定义了metgrid.exe如何将气象数据水平插值到网格点上。

      cd /home/wrftest/WPS
ln -s metgrid/METGRID.TBL.ARW METGRID.TBL

    2. 将气象场数据水平插值到由geogrid确定的网格点上。

      ./metgrid.exe

      运行metgrid.exe成功后，会在/home/wrftes/WPS目录下生成met_em.d0N.yyyy-mm-dd_hh:mm:ss.nc文件，预期返回结果如下：

      WRF-3.png

    步骤五：运行wrf.exe

    wrf.exe用于输出天气预测数据。

    1. 连接WPS的处理结果。

      cd /home/wrftest/WRFV3
ln -s /home/wrftest/WPS/met_em.d01.2005-08-2*.

    2. 修改namelist.input文件。

      cd /home/wrftest/WRFV3/run
vim namelist.input

      namelist.input文件中&time_control、&domains部分的相关参数需要与namelist.wps文件中的参数保持一致。本文使用的配置示例如下，详细的namelist.input文件参数及说明，请参见namelist.input。

      &time_control
run_days                            = 0,
run_hours                           = 12,
run_minutes                         = 0,
run_seconds                         = 0,
start_year                          = 2005, 2005, 2005,
start_month                         = 08,   08,   08,
start_day                           = 28,   28,   28,
start_hour                          = 00,   00,   00,
start_minute                        = 00,   00,   00,
start_second                        = 00,   00,   00,
end_year                            = 2005, 2005, 2005,
end_month                           = 08,   08,   08,
end_day                             = 29,   29,   29,
end_hour                            = 00,   00,   00,
end_minute                          = 00,   00,   00,
end_second                          = 00,   00,   00,
interval_seconds                    = 21600
input_from_file                     = .true.,.true.,.true.,
history_interval                    = 180,  60,   60,
frames_per_outfile                  = 1000, 1000, 1000,
restart                             = .false.,
restart_interval                    = 5000,
io_form_history                     = 2
io_form_restart                     = 2
io_form_input                       = 2
io_form_boundary                    = 2
debug_level                         = 0
iofields_filename                   = "extraoutput_d01.txt"
/

&domains
time_step                           = 180,
time_step_fract_num                 = 0,
time_step_fract_den                 = 1,
max_dom                             = 1,
e_we                                = 98,    112,   94,
e_sn                                = 70,    97,    91,
e_vert                              = 30,    30,    30,
p_top_requested                     = 5000,
num_metgrid_levels                  = 27,
num_metgrid_soil_levels             = 4,
dx                                  = 30000, 10000,  3333.33,
dy                                  = 30000, 10000,  3333.33,
grid_id                             = 1,     2,     3,
parent_id                           = 0,     1,     2,
i_parent_start                      = 1,     31,    30,
j_parent_start                      = 1,     17,    30,
parent_grid_ratio                   = 1,     3,     3,
parent_time_step_ratio              = 1,     3,     3,
feedback                            = 1,
smooth_option                       = 0,
/

&physics
mp_physics                          = 6,     6,     6,
ra_lw_physics                       = 4,     4,     4,
ra_sw_physics                       = 4,     4,     4,
radt                                = 10,    10,    10,
sf_sfclay_physics                   = 1,     1,     1,
sf_surface_physics                  = 2,     2,     2,
bl_pbl_physics                      = 1,     1,     1,
bldt                                = 0,     0,     0,
cu_physics                          = 0,     0,     0,
cudt                                = 0,     0,     0,
isfflx                              = 1,
ifsnow                              = 0,
icloud                              = 1,
surface_input_source                = 1,
num_soil_layers                     = 4,
sf_urban_physics                    = 0,     0,     0,
/



&fdda
/

&dynamics
w_damping                           = 0,
diff_opt                            = 1,      1,      1,
km_opt                              = 4,      4,      4,
diff_6th_opt                        = 0,      0,      0,
diff_6th_factor                     = 0.12,   0.12,   0.12,
base_temp                           = 290.
damp_opt                            = 0,
zdamp                               = 5000.,  5000.,  5000.,
dampcoef                            = 0.2,    0.2,    0.2
khdif                               = 0,      0,      0,
kvdif                               = 0,      0,      0,
non_hydrostatic                     = .true., .true., .true.,
moist_adv_opt                       = 1,      1,      1,     
scalar_adv_opt                      = 1,      1,      1,     
/

&bdy_control
spec_bdy_width                      = 5,
spec_zone                           = 1,
relax_zone                          = 4,
specified                           = .true., .false.,.false.,
nested                              = .false., .true., .true.,
/

&grib2
/

&namelist_quilt
nio_tasks_per_group = 0,
nio_groups = 1,
/

    3. 初始化模拟数据。

      ./real.exe

      运行real.exe成功后，会在/home/wrftest/WRFV3/run目录下生成wrfinput_d01、wrfbdy_d01文件。

    4. 输出天气预测数据。

      1. 编写作业脚本。

        vim wrf.slurm

        wrf.slurm的内容示例如下：

        #!/bin/bash
#SBATCH -N 1
#SBATCH -n 2
#SBATCH --cpus-per-task=1
#SBATCH -J wrf-test
#SBATCH -o wrf_test.log

module load wrf-mpich/3.8.1 mpich/3.2
mpirun -np 2 -ppn 1  -bind-to core:1 /home/wrftest/WRFV3/run/wrf.exe

      2. 提交作业。

        sbatch wrf.slurm

        作业运行成功后，会在/home/wrftest/WRFV3/run目录下生成wrfout_d01_[date]文件，例如wrfout_d01_2005-08-28_00:00:00。

    5. 使用NCL图像化WRF运行结果。

      示例如下：

      WRF