全部產品
Search

搜尋本產品

    Elastic High Performance Computing：使用WRF軟體進行氣象類比計算

    文件中心

    Elastic High Performance Computing：使用WRF軟體進行氣象類比計算

    更新時間：Jul 06, 2024

    本文介紹如何使用E-HPC叢集運行WRF軟體進行氣象類比計算。

    背景資訊

    WRF（Weather Research and Forecasting）採用新一代中尺度天氣預報模式，是氣象行業廣泛應用的開源氣象類比軟體。它為研究大氣過程提供了大量選項，並可以在多種計算平台運行。更多資訊，請參見WRF官網。WRF

    準備工作

    1. 建立E-HPC叢集。具體操作，請參見使用嚮導建立叢集。

      配置叢集時，軟硬體參數配置如下：

      參數

      說明

      硬體參數

      部署方式為標準，包含2個管控節點，1個計算節點和1個登入節點，均採用ecs.c7.large執行個體規格，配置為2 vCPU，4 GiB記憶體，Ice Lake處理器，2.7 GHz。

      軟體參數

      鏡像選擇CentOS 7.6公用鏡像，調度器選擇slurm，開啟VNC開關。

    2. 建立叢集使用者。具體操作，請參見系統管理使用者。

      本文使用的樣本使用者名稱為wrftest，許可權組為sudo許可權組。

    3. 在叢集中安裝WRF相關軟體。具體操作，請參見安裝與卸載軟體。

      需安裝的軟體如下：

      • wrf-mpich，版本為3.8.1。

      • mpich，版本為3.2。

    4. 在叢集中安裝NCL。

      NCL用於處理和可視化氣象資料，具體安裝方式請參見Installing NCL。

      說明

      由於CentOS鏡像預設安裝的Python版本較低，安裝NCL前，您需要升級Python。Python的下載地址請參見Python下載。

    步驟一：運行geogrid.exe

    geogrid.exe用於確定類比地區，並把靜態地形資料插值到網格點。

    1. 登入E-HPC叢集。

      登入時，請使用具有sudo許可權的使用者。具體操作，請參見登入叢集。

    2. 查看叢集是否已安裝WRF相關軟體。

      export MODULEPATH=/opt/ehpcmodulefiles/
module avail

      預期返回如下：

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

    3. 載入WRF軟體環境。

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

    4. 將安裝的WPS和WRF軟體拷貝到工作目錄。

      說明

      請將命令中的$WPSCOPYHOME和$WRFCOPYHOME替換為實際的工作目錄，本文使用/home/wrftest作為樣本。操作後，該目錄下將產生WPS和WRFV3兩個目錄。

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

    5. 進入WPS目錄，然後下載並解壓地表資料。

      說明

      本樣本中地表資料使用geog_complete.tar.gz，您也可以根據需要下載其他地表資料。更多資訊，請參見WRF官網。

      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. 連結到GEOGRID.TBL檔案。

      GEOGRID.TBL檔案定義了geogrid.exe需要插值到網格點上的各靜態地理資料集參數。

      ln -s geogrid/GEOGRID.TBL GEOGRID.TBL

    7. 修改namelist.wps檔案。

      namelist是WPS（WRF Preprocessing System，WRF預先處理系統）中的一個共用檔案，該檔案按照各個程式（geogrid.exe、ungrib.exe、metgrid.exe）所需要參數的不同分成三個部分（&geogrid、&ungrib、&metgrid）及一個共用部分（&share），分別定義了WPS模組所需要的各種參數。如下樣本為推薦配置，未提及的參數保持預設即可。詳細的namelist.wps檔案參數及說明，請參見namelist.wps。

      說明

      • 本樣本中，namelist.wps檔案存放在/home/wrftest/WPS目錄下。

      • 在namelist.wps檔案中，請使用!作為注釋標識。

      !共用部分
&share   
!wrf_core：選擇WRF dynamical core，有'ARW'和'NMM'兩個選項，預設值為'ARW'。
wrf_core = 'ARW', 
!start_date：類比開始時間
start_date = '2005-08-28_00:00:00',  
!end_date：類比結束時間
end_date = '2005-08-29_00:00:00',     
interval_seconds = 21600,
!max_dom：類比網格數（粗網格+嵌套網格），本樣本中包含一個粗網格
max_dom = 1, 
!#io_form_geogrid: geogrid程式輸出格式
io_form_geogrid = 2,    
/

!geogrid部分
!#確定地區範圍、嵌套關係、模型投影
&geogrid
parent_id = 1,
parent_grid_ratio = 1,
i_parent_start = 1,
j_parent_start = 1,

!確定網格在東西方向、南北方向的尺度（地區的向量場的柵格數），本樣本中為98*70個網格點
e_we = 98,       
e_sn = 70,
geog_data_res = 'default',

!定義地區的柵格尺寸，本樣本中網格解析度為30km
dx = 30000,     
dy = 30000,

!定義投影方式，關於投影方式說明可以參考WRF官網
map_proj = 'mercator'

!定義地區的中心經緯度座標
ref_lat = 25.00,
ref_lon = -89.00,

!投影的三個參數值，隨投影方式不同設定不同
truelat1 = 0.0,   
truelat2 = 0.0,
stand_lon = -89.0,
!geog_data_path = '地表資料存放區路徑'
geog_data_path = '/home/wrftest/WPS/geog'
/

!ungrib部分
&ungrib
!out_format：ungrib產生的可供metgrid讀取的檔案格式，有'WPS'、'SI'、'MM5'三種格式，預設值為'WPS'
out_format = 'WPS', 
!prefix：ungrib產生的中間檔案路徑和檔案首碼名
prefix = 'FILE'
/
 
!metgrid部分 
&metgrid  
!fg_name：ungrib程式產生的檔案
fg_name = 'FILE', 
!io_form_metgrid：metgrid產生的檔案格式
!支援三種格式1（binary，尾碼名.int）、2（net CDF，尾碼名.nc）、3（Grib1，尾碼名.gr1）
!預設值：2
io_form_metgrid = 2
/

    8. 將靜態地形資料插值到網格點。

      ./geogrid.exe

      運行geogrid.exe成功後，會在/home/wrftes/WPS目錄下產生geo_em.d0N.nc地形檔案，預期返回結果如下：

      WRF-1.png

    步驟二：運行ungrib.exe

    ungrib.exe用於從GRIB格式的氣象資料中提取所需要的氣象要素場。

    1. 下載並解壓Katrina氣象資料。

      說明

      本樣本中氣象資料為Katrina.tar.gz，請下載Katrina.tar.gz。您也可以根據需要下載其他氣象資料，更多資訊，請參見氣象資料。

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

    2. 通過link_grib.csh指令碼連結氣象資料。

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

    3. 選擇氣象資料相應的Vtable。

      本樣本使用的Vtable為Vtable.GFS，您可以根據需要使用其他的Vtable。

      ln -sf ungrib/Variable_Tables/Vtable.GFS Vtable

    4. 提取所需要的氣象要素場。

      ./ungrib.exe

      運行ungrib.exe成功後，會在/home/wrftest/WPS目錄下產生FILE:YYYY-MM-DD_hh*檔案，預期返回結果如下：

      WRF-2.png

    步驟三：運行metgrid.exe

    metgrid.exe用於將ungrib.exe提取出的氣象場資料水平插值到由geogrid.exe確定的網格點上。

    1. 連結到GEOGRID.TBL檔案。

      GEOGRID.TBL檔案定義了metgrid.exe如何將氣象資料水平插值到網格點上。

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

    2. 將氣象場資料水平插值到由geogrid確定的網格點上。

      ./metgrid.exe

      運行metgrid.exe成功後，會在/home/wrftes/WPS目錄下產生met_em.d0N.yyyy-mm-dd_hh:mm:ss.nc檔案，預期返回結果如下：

      WRF-3.png

    步驟五：運行wrf.exe

    wrf.exe用於輸出天氣預測資料。

    1. 串連WPS的處理結果。

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

    2. 修改namelist.input檔案。

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

      namelist.input檔案中&time_control、&domains部分的相關參數需要與namelist.wps檔案中的參數保持一致。本文使用的配置樣本如下，詳細的namelist.input檔案參數及說明，請參見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. 初始化類比資料。

      ./real.exe

      運行real.exe成功後，會在/home/wrftest/WRFV3/run目錄下產生wrfinput_d01、wrfbdy_d01檔案。

    4. 輸出天氣預測資料。

      1. 編寫作業指令碼。

        vim wrf.slurm

        wrf.slurm的內容樣本如下：

        #!/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. 提交作業。

        sbatch wrf.slurm

        作業運行成功後，會在/home/wrftest/WRFV3/run目錄下產生wrfout_d01_[date]檔案，例如wrfout_d01_2005-08-28_00:00:00。

    5. 使用NCL映像化WRF運行結果。

      樣本如下：

      WRF