地球系统模式CESM2.0 | 环境配置及安装

CESM（Community Earth System Model）是由美国国家大气中心（National Center For Atmospheric Research，NCAR）于1996研发的地球系统模式，是目前最先进、使用最广泛的地球系统模式之一。CESM利用耦合器协同大气、海洋、陆面、海冰等分量模式进行气候模拟。

CESM由大气模式（CAM）、海洋模式（POP）、陆面模式（CLM）、海冰模式（CICE）和陆冰模式（CISM）5个分量模式以及控制各分量交互的耦合器（CPL）组成，每个分量模式由动力模式和数据模式等多种选择，可以进行多种组合满足不同的研究目的，并且各分量模式及耦合器均为并行模型，它们同时支持分布式内存和共享内存两种并行机制，可以非常灵活的使用各种计算资源。

模型先后经历了CESM1.x.x，CESM2.x.x 多个版本的迭代， 经过多年的发展和沉淀，直到最近的CESM2.2.0版本。分量模式也增加了河流模式（RTM），形成现在“六位一体”的格局，模型水平结构和垂直结构也变得越来越复杂详尽。

整个模式的代码由FORTRAN编程语言所写。随着版本的更新和发展，为了更好地管理和调度各个模块，其模型中也添加了部分Python, Perl等语言脚本，但这些脚本旨在管理模型，并不参与模型结构本身。整个模型代码总量预计在5万行以上。

由于模型结构较为复杂，且以代码构成，没有可视化界面。

模型需要在Linux系统环境中运行，新手入门需花些时间成本。首先要对Linux的 “命令行” 交互模式进行适应。

模型的成功安装依赖于其所在的系统环境，因此需要对其进行配置和搭建。

现以Linux的Ubuntu 18.04版本为例，对CESM2.X 所需的模型环境进行配置；

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所需软件及依赖包

主要包括C、FORTRAN等编译器，mpi并行计算库，netcdf文件的并行读取库、make安装工具等等，列表如下：

gcc gfortran make m4 libtool libxml2-utils python

libxml-libxml-perl libcurl4-openssl-dev liblapack-dev libblas-dev

mpich libmpich-dev sudo cmake git zlib

HDF5 Pnetcdf netcdf netcdf-fortran

如果你具有系统的管理员权限，可利用Ubuntu的apt包管理工具实现一键安装，十分方便；

对于有些包，apt管理工具中可能没有或找不到，那就只能选择源码自行编译安装。本例以apt安装基础包，源码自行编译安装非基础包对两种安装方式都进行讲解，代码如下：

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01 安装基础包

• 
  ) {% ]4 j6 U. ]4 a6 {; K7 V  m
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  apt-get -y --no-install-recommends --assume-yes install gcc gfortran make m4 libtool libxml2-utils python libxml-libxml-perl libcurl4-openssl-dev liblapack-dev libblas-dev mpich libmpich-dev sudo cmake git
  
  apt-get clean

  
  ) {& E. W" J( x* Z

02 安装zlib

• 
  
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  ZDIR=/usr/local/zlib        #定义环境变量
  
  cd /usr/local/src/zlib-1.2.11                 
  
  ./configure --prefix=${ZDIR} 
  
  make 
  
  make check 
  
  make install 
  
  rm -rf /usr/local/src/zlib-1.2.11 

  
  

03  安装HDF5

• 
  
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  H5DIR=/usr/local/hdf5
  
  cd /usr/local/src/hdf5-1.10.4
  
  CC=mpicc CFLAGS=-w ./configure --prefix=${H5DIR} --with-zlib=${ZDIR} --enable-parallel --enable-hl 
  
  make 
  
  make check
  
  make install 
  
  rm -rf /usr/local/src/hdf5-1.10.4

  
  5 ~( W( O. V) a5 e

) s* ~6 h7 L  v2 l5 L+ u5 L
. w4 C/ j* z5 x; s! M9 a' Q
$ n) A  X+ ^! Q' p# S" l
$ @/ Q9 \  A) S! h9 S5 @6 B

04  安装pnetcdf

• 
  + d( O+ a+ Q: I0 X" _
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  PNDIR=/usr/local/pnetcdf
  
  cd /usr/local/src/pnetcdf-1.11.0 
  
  MPICC=mpicc CFLAGS="-fPIC -g -O2" ./configure --prefix=${PNDIR} --enable-shared --enable-profiling
  
  make
  
  make tests 
  
  make check
  
  make ptests 
  
  make install 
  
  rm -rf /usr/local/src/pnetcdf-1.11.0

• 
  - E8 z" S" I3 r- U  D, P( x
  
  

05 安装netcdf

• 
  
• 
  ' X9 B4 `* e* K5 g
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  NCDIR=/usr/local/netcdf4
  
  cd /usr/local/src/netcdf-c-4.6.2
  
  CC=mpicc CPPFLAGS="-I${PNDIR}/include -I${H5DIR}/include -I${ZDIR}/include" LDFLAGS="-L${PNDIR}/lib -L${H5DIR}/lib -L${ZDIR}/lib" ./configure --prefix=${NCDIR} --enable-parallel-tests --enable-parallel
  
  make
  
  make check
  
  make install 
  
  rm -rf /usr/local/src/netcdf-c-4.6.2

• 
  # `8 J+ f+ T8 E; ^7 R
• 06安装netcdf-fortran
  
  5 G  v* G& M4 U+ |4 h, ]

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  NFDIR=/usr/local/netcdff4
  
  cd /usr/local/src/netcdf-fortran-4.4.5
  
  CPPFLAGS=-I${NCDIR}/include LDFLAGS=-L${NCDIR}/lib ./configure --prefix=${NFDIR} 
  
  make
  
  make check
  
  make install
  
  rm -rf /usr/local/src/netcdf-fortran-4.4.5

  
  

07 建立动态链接库

• 
  
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echo ${NCDIR}/lib > /etc/ld.so.conf.d/netcdf.conf 

echo ${NFDIR}/lib >> /etc/ld.so.conf.d/netcdf.conf 

echo ${ZDIR}/lib >> /etc/ld.so.conf.d/netcdf.conf 

echo ${H5DIR}/lib >> /etc/ld.so.conf.d/netcdf.conf 

echo ${PNDIR}/lib >> /etc/ld.so.conf.d/netcdf.conf 

ldconfig

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结语

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如此，CESM2.X以上版本的环境就搭建好了。当然，每台机器的基本配置有所差异，如CPU不同，安装Linux发行版不同，此过程中可能会出现由于小问题。当然，如果这些问题都顺利通过，那基本上CESM模型的环境就搭建好了。搭建好之后，就可以进行CESM模型的下载及安装了！

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