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地球系统模式CESM2.0 | 环境配置及安装

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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。

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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。

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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。

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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。

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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;


$ N4 o9 Q9 g# Q: W+ J! s! F) e

. i+ s2 N) ?+ v9 S& X

所需软件及依赖包


! x' }: W+ {( }* C5 A

7 g. A! H& g% Q6 _8 h: @  C. J

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:


% G  U; _7 b. F  c$ \

01 安装基础包

  • 1 B& g" q1 K" e* D1 N) q0 |2 T
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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
      m" p/ S1 i7 z& V+ K

02 安装zlib


  • ) F- U9 n6 A1 R& M. T! J& V
    [Shell] 纯文本查看 复制代码
    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 
    ; o8 v+ L* z+ _% n  j8 T- v5 z

03  安装HDF5

  • - l$ x) q+ u2 l/ W( p
    [Shell] 纯文本查看 复制代码
    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

    2 e" E& O( v; O- y' R2 [7 S. v

, q' \9 S3 ^3 w

! Y* K8 c8 w/ D6 H) C
2 i+ c* K7 J, m# \5 q7 Z  E/ d
# ~" o4 }' n: B0 c+ I; x8 ]2 K6 B

04  安装pnetcdf


  • + g) U6 s: q/ W' B7 T
    [Shell] 纯文本查看 复制代码
    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

  • & x) c' X; b+ v# O" \

    + ], ~* V* A% h6 ~* g! K* U+ c

05 安装netcdf


  • 9 _6 E: T1 _3 R- A7 \! @
  • 5 ]7 H* g6 ~% k' K
    [Shell] 纯文本查看 复制代码
    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

  • $ Y  h! Z" W3 j1 W: Q
  • 06安装netcdf-fortran
    ) l( h% d. f% \
  • [Shell] 纯文本查看 复制代码
    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
    0 B5 [/ t+ y8 f8 s# D9 H7 I0 L

07 建立动态链接库


  • 8 M: s% S4 k/ C: C
  • 4 j$ V4 f* F6 ~8 x1 n: g' D

    6 G' `& D$ A2 |2 m: N
[Shell] 纯文本查看 复制代码
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

[/size][/font][p=null, 2, center][font=新宋体][size=3]

结语

6 `% {: y& a( D: [/ o$ e
$ y2 D! U3 }3 Y; K

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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活跃在2022-4-10
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