Instalação WRF

Instalação WRF

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MANUAL DE INSTALAÇÃO, COMPILAÇÃO E EXECUÇÃO DO MODELO DE MESOESCALA WRF NO ICEA (VERSÃO 3.4.1)

Miguel Ângelo Vargas de Carvalho (PBCA/ICEA)

Milton Luiz Abrunhosa (FSDTP/ICEA) Jonas Ricardo Oliveira Lopes (PBCA/ICEA)

Projeto de pesquisa coordenado pelo Grupo de Trabalho do Programa de Modelagem Numérica de Tempo (PMNT)

São José dos Campos – SP PBCA/ICEA 2013

1 INTRODUÇÃO5
1.1 Objetivo6
2 DESCRIÇÃO DO MODELO WRF7
WRF9
3.1 Preparação inicial9
3.2 Bibliotecas opcionais para o GRIB210
3.2 Instalação do NetCDF1
3.3 Instalação do WRF12
3.4.1 Instalação do subsistema WRFV312
3.4.2 Instalação do subsistema WPS14
3.4.3 Instalação do subsistema ARWpost16
3.5 Dados geográficos e de terreno17
3.6 Instalação do pacote gráfico GrADs17
4 CONFIGURAÇÕES INICIAIS DO WRF19
5 EXECUTANDO O WRF23
5.1. Execução do WPS23
5.1.1 Execução GEOGRID24
5.1.2 Execução UNGRIB25
5.1.3 Execução METGRID27
5.2 Execução do Real e WRF28
5.3 Execução do ARWpost30
6 CONSIDERAÇÕES FINAIS3
7 AGRADECIMENTOS34
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS35
APÊNDICE A – NAMELISTS GRADE SUDESTE37
APÊNDICE B – NAMELISTS GRADE NORDESTE41
APÊNDICE C – NAMELISTS GRADE NORTE45

1 INTRODUÇÃO

Para o Comando da Aeronáutica, a previsão de fenômenos meteorológicos é importante por causa do impacto nas atividades aeronáuticas e aeroespaciais, tais como gerenciamento do fluxo de tráfego aéreo e lançamento de foguetes. No Brasil, o responsável pelas informações e prognósticos meteorológicos para a aviação é o Departamento de Controle do Espaço Aéreo (DECEA). Informações e prognósticos meteorológicos confiáveis são ferramentas essenciais que possibilitam a segurança das operações aéreas, o conforto dos passageiros e estabelecimento de rotas mais rápidas e econômicas para as aeronaves. Por intermédio da Portaria DECEA 009/SDAD, de 06 de outubro de 2008, e reestruturado pela Portaria DECEA 033/SDOP, de 12 de março de 2013, foi constituído o Grupo de Trabalho (GT) do Programa de Modelagem Numérica do Tempo (PMNT). Os participantes do GT são oriundos de diferentes organizações do

Sistema de Controle do Espaço Aéreo Brasileiro (SISCEAB), da especialidade de Meteorologia, na sua maioria com curso de pós-graduação (nível Doutorado e Mestrado), ou com conhecimentos específicos da área da Tecnologia da Informação (TI). O PMNT visa proporcionar prognósticos em alta resolução para áreas de maior fluxo da navegação aérea nacional, o que possibilita um aumento do detalhamento das informações meteorológicas e da qualidade da previsão do tempo para o SISCEAB. Em 2002, foram iniciadas, tanto para fins operacionais, quanto para pesquisa, as primeiras simulações com modelos de Previsão Numérica de Tempo (PNT) na Força Aérea Brasileira (FAB). O modelo de PNT inicialmente escolhido foi a 5ª Geração do Modelo de Mesoescala (MM5). Atualmente, o MM5 tem sido usado pelas seguintes instituições: Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE), Instituto de Controle do Espaço Aéreo (ICEA) e Centro Nacional de Meteorologia Aeronáutica (CNMA). Os prognósticos gerados pelo MM5 estão disponibilizados na homepage do ICEA e da Rede de Meteorologia do Comando da Aeronáutica (REDEMET). Com o continuo aumento na capacidade de processamento dos computadores e de conectividade, tornou-se possível o emprego de modelos numéricos de previsão de tempo cada vez mais sofisticados. Assim, em 2011, iniciou-se a instalação do Weather Research and Forecasting (WRF) no ICEA. O WRF é a ultima geração de modelo numérico de previsão do tempo que servirá tanto para a operacionalidade dos centros meteorológicos como para as pesquisas atmosféricas. Com a sua implementação o ICEA consegue estar inserido no crescimento natural das pesquisas na área de previsão operacional do tempo.

1.1 Objetivo

O objetivo deste trabalho é descrever as etapas de instalação, compilação e execução da versão 3.4.1 do WRF, sob uma plataforma Linux de 64 bits, aperfeiçoando o projeto iniciado no ICEA em parceria com o IAE e o CNMA (IRIART, CARVALHO e PEREIRA NETO, 2011). Associado com a aquisição de novos recursos computacionais e de conectividade, a instalação dessa nova versão possibilitou melhorias no sistema de modelagem numérica instalado no ICEA, destacando-se: o aumento da resolução espacial (18 e 6 km), o redimensionamento dos domínios e aumento no número de rodadas do modelo, ou seja, a sua inicialização 4 vezes ao dia (00Z, 12Z, 18Z e 00Z).

2 DESCRIÇÃO DO MODELO WRF

O WRF é a ultima geração de modelo numérico de previsão do tempo que servirá tanto para a operacionalidade dos centros meteorológicos como para as pesquisas atmosféricas. Ele foi desenvolvido através de uma parceria entre diversos órgãos, entre eles o National Center for Atmospheric Research (NCAR), National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), National Center for Environmental Prediction (NCEP), Forecast Systens Laboratory (FSL), Air Force Weather Agency (FAWA), e outros órgãos de pesquisa e desenvolvimento. Maiores informações sobre o WRF podem ser obtidas no sítio http://www.wrf-model.org

As características do modelo que mais se destacam são: os múltiplos núcleos dinâmicos, sistema variável de assimilação de dados tri-dimensional e uma estrutura de software que permite o paralelismo computacional, bem como a extensibilidade do sistema. Pode ser instalado em diversas plataformas computacionais (p. ex. Linux), é muito portátil, flexível, de domínio público e disponibilizado gratuitamente pela internet. O modelo pode ser executado tanto para situações atmosféricas idealizadas como situações reais, em um espectro amplo de aplicações em escalas horizontais que variam de milhares de quilômetros a poucos metros.

O sistema de modelagem do WRF compreende diversos componentes (Fig. 1; para maiores detalhes, veja ARW V3 Modeling System Users Guide, 2011). Os principais são: no pré processamento o WRF Preprocessing System (WPS); inicialização do WRF (real); execução do WRF; e pós-processamento (ARWpost). O WPS é um conjunto de três subsistemas que prepara os dados de entrada para a simulação: geogrid, ungrib e metgrib. O geogrid define o domínio do modelo e interpola os dados terrestres para as grades. O ungrib extrai os campos meteorológicos do formato GRIB (V1 e V2) necessários para iniciar o modelo. O metgrid interpola horizontalmente os campos meteorológicos extraídos pelo ungrib para as grades do modelo definida pelo geogrid. O trabalho de interpolar verticalmente os campos do WRF é feito dentro do programa real. O WRF é responsável pela execução do modelo propriamente dito. Por fim, o ARWpost é usado para converter as saídas do modelos para um formato que possam ser visualizados por aplicativos gráficos.

Dados externos

Figura 1 – Representação esquemática do sistema de modelagem. Adaptado de ARW V3 Modeling System Users Guide, 2011.

geogrid ungrib metgrid real

Dados Geográficos

Análises, Reanálises;

Previsão

Pós-Process. ARWpost namelist.wps

3. INSTALAÇÃO, COMPILAÇÃO E EXECUÇÃO DOS SUBSISTEMAS DO WRF

O modelo WRF versão 3.4.1 foi instalado sob o sistema operacional livre Debian1 versão 7.0 “Wheezy” de 64 bits, em máquinas multicore, que possibilita diversos fluxos de execução simultâneos. O WRF foi desenvolvido de maneira a explorar o uso do paralelismo computacional.

Os principais componentes do hardware são: servidores Dell PowerEdge R720 com 01 (um) processador 6-Core, 12-threads com clock de 2.0 GHz com 64 (sessenta e quatro) GB de memória RAM; uma unidade de disco rígido interno de 300 GB; e memória cache de 256 MB. Cada servidor simulará um domínio. Maiores detalhes da configuração dos domínios serão fornecidos mais adiante.

Para que o WRF funcione corretamente, é necessária a instalação de diversos componentes de software (bibliotecas, compiladores, linguagens de programação, etc.), bem como o NetCDF e os arquivos de instalação dos subsistemas do modelo. Alguns aplicativos estão disponíveis no repositório de software do Debian, outros em sítios da internet. Para procurar, instalar ou manipular pacotes de software a partir dos repositórios do Debian utiliza-se a ferramenta Advanced Packaging Tool (APT). Os arquivos da internet podem ser baixados diretamente para um diretório a sua escolha

(neste trabalho, /usr/local/src/). Os sítios necessários para instalação do modelo serão informados neste trabalho. A seguir, será apresentada uma descrição detalhada de cada etapa da instalação do modelo.

3.1 Preparação Inicial

Antes da instalação dos subsistemas do WRF, é necessário a instalação ou atualização de diversos componentes (bibliotecas, compiladores C/C++ e Fortran, linguagens de programação, etc.). Com a ferramenta APT, são instalados os seguintes componentes: gfortran, gcc, g++, cpp, flex, csh, libncurses5-dev, bison, curl, m4, perl, make, zip. Para a execução do modelo em paralelo, ainda são instalados: openmpi-bin, libopenmpi-dev. Todos devem ser instalados antes da instalação dos subsistemas do WRF. Os comandos no terminal do Linux são executados como “root” do sistema.

1 w.debian.org/releases/wheezy/index.en.html

# apt-get update # apt-get install gfortran gcc g++ cpp flex csh bison curl m4 perl make zip libncurses5- dev openmpi-bin libopenmpi-dev

3.2 Bibliotecas opcionais para GRIB2

As condições iniciais e de contorno utilizadas no modelo estão no formato da segunda versão do código General Regularly-distributed Information in Binary (GRIB2). O código GRIB é um formato de arquivo padrão da World Meteorological Organization (WMO) para o armazenamento de campos regularmente distribuídos (p.ex., pontos de grade). Para a extração dos campos meteorológicos desses arquivos pelo WRF, é necessária a instalação de três bibliotecas: JasPer 1.900.12 bibliotecas são, então, copiadas e descompactadas no diretório /usr/local.

Concluída a descompactação dos arquivos, deve-se entrar nos três diretórios criados (Fig.2, zlib-1.2.5, jasPer-1.900.1 e libpng-1.4.7) e compilar as respectivas bibliotecas:

# cd zlib-1.2.5 # ./configure --prefix=/usr/local

# make

# make intall

# ./configure --prefix=/usr/local

# make

# make intall

2 w.ece.uvic.ca/~mdadams/jasper/

3 w.zlib.net

4 w.libpng.org/pub/png/libpng.html

# ./configure --prefix=/usr/local # make check

# make intall

# cd

O script de instalação do WPS possui versões diferentes dessas bibliotecas. Mais adiante, será mostrado como alterar a versão das bibliotecas que estão localizadas dentro do arquivo configure.wps.

3.3 Instalação do NetCDF

A versão do NetCDF instalada é a 4.1.3 (não compilada), disponibilizada por Unidata Program Center5 (“NetCDF C/C++/Fortran Stable Releases”). Após o download, o arquivo é copiado e descompactado para o diretório /usr/local:

# cp –f /home/webpca/WRF/install/netcdf-4.1.3.tar.gz /usr/local/ # cd /usr/local/

Entre no diretório criado (netcdf-4.1.3), configure e compile o NetCDF. Uma mensagem, no final da instalação, informará o êxito da instalação.

# cd netcdf-4.1.3 # ./configure --prefix=/usr/local/netcdf

# make

# make check

# make install

# cd

“Congratulations! You have successfully installed netCDF”

Se ocorrerem erros, informações adicionais podem ser obtidas no Guia de Instalação do

NetCDF6 .

5 w.unidada.ucar.edu/downloads/netcdf/index.jsp

6 w.unidata.ucar.edu/software/netcdf/docs/netcdf-install

3.4 Instalação do WRF

Os arquivos necessários para instalação dos subsistemas do WRF estão disponibilizados no sítio University Corporation for Atmospheric Research (UCAR)7 . O local escolhido para instalação do modelo é o diretório /home/webpca/WRF. Inicialmente, são baixados e transferidos para o novo diretório os arquivos de instalação do WRF (versão 3.4.1), WPS (versão 3.4.1) e ARWPost (versão 3.1), bem como os dados geográficos e de terreno para a montagem dos domínios.

# mkdir /home/webpca/WRF #cp –f /home/webpca/WRF/install/geog_v3.1.tar.gz WPSV3.4.1.TAR WRFV3.4.1.TAR ARWpost.tar.gz /home/webpca/WRF # cd /home/webpca/WRF

Para todos os subsistemas do modelo, os procedimentos para instalação são semelhantes. Após descompactar o arquivo, o NetCDF é definido como variável ambiental e para que ele possa suportar arquivos grandes (>2GB). O próximo passo é realizar a configuração e compilação dos subsistemas. A sequência de comandos utilizados para a instalação de cada subsistema do WRF é mostrada abaixo:

3.4.1 Instalação do subsistema WRFV3

# tar –vxf WRFV3.4.1.TAR # cd WRFV3

# export NETCDF=/usr/local/netcdf ! (setar a variável de ambiente)

# export WRFIO_NCD_LARGE_FILE_SUPPORT=1 ! (arquivos grandes)

# ./configure ! (escolher a opção dentre as oferecidas, Fig. 2)

# ./compile em_real >& compile.log

# cd

O script configure cria o arquivo de configuração do WRF. Sua função é checar os recursos computacionais (hardware e software) e oferecer aos usuários opções para a configuração do WRF. O arquivo criado chama-se configure.wrf. Este novo arquivo também pode ser editado com outras opções, caso seja necessário. Para a compilação do

7 http://www.m.ucar.edu/wrf/users/download/get_source.html

WRF, utiliza-se o script compile. Se for executado com sucesso, os seguintes executáveis são criados no diretório /main: ndown.exe, tc.exe, nup.exe, real.exe e wrf.exe. Caso um ou mais destes arquivos não tenham sido criados, procurar erros dentro do arquivo compile.log, corrigi-los e repetir a seqüência de comando deste tópico. Antes de recompilar, execute o script clean (./clean -a). A Figura 2 mostra as opções escolhidas para a instalação do modelo nos servidores do ICEA e a Figura 3, os arquivos criados na pasta WRFV3.

Figura 2 – Figura ilustrativa do terminal mostrando as opções escolhidas para a compilação do WRF. Os retângulos vermelhos mostram as opções selecionadas.

Figura 3 – Figura ilustrativa do terminal mostrando a pasta /home/webpca/WRF/WRFV3/main.

Os retângulos vermelhos mostram os executáveis criados após a compilação do WRF.

Obs.: A compilação do WRF leva algum tempo, pois todo o código é compilado. Caso não ocorram alterações, a compilação é realizada somente uma vez.

3.4.2 Instalação do subsistema WPS:

# tar –vxf WPSV3.4.1.TAR # cd WPS

# export NETCDF=/usr/local/netcdf

# export WRFIO_NCD_LARGE_FILE_SUPPORT=1 # ./configure ! (escolher a opção dentre as oferecidas, Fig. 4)

# ./compile >& compile.log

# cd

Como informado anteriormente, a seqüência de comandos utilizada para configuração e compilação do WPS é semelhante à mostrada para o WRF. Agora, o arquivo de configuração criado é o configure.wps e, após a compilação do WPS, os seguintes executáveis são criados nos diretórios: geogrid.exe (define o tamanho e localização do domínio) em geogrid/src; ungrib.exe (extrai os campos meteorológicos dos arquivos GRIB) em ungrib/src; e metgrid.exe (interpola horizontalmente os campos meteorológicos para a grade simulada definida) em metgrid/src. Os atalhos desses executáveis são criados no diretório /WPS. Caso um ou mais desses arquivos não tenham sido criados ou o nome deles estiver piscando, procurar erros dentro do arquivo compile.log, corrigi-los e repetir a seqüência de comandos deste tópico. Antes de recompilar, execute o script clean (./clean -a). A Figura 4 mostra as opções escolhidas para a instalação do modelo nos servidores do ICEA e a Figura 5, os atalhos criados no diretório /WPS.

Figura 4 – Figura ilustrativa do terminal mostrando as opções escolhidas para a compilação do WPS. Os retângulos vermelhos mostram as opções selecionadas.

Obs.: A execução do WPS ocorre em série, pois o ganho da execução deste subsistema em paralelo é muito pequeno.

Figura 5 – Figura ilustrativa do terminal mostrando a pasta /home/webpca/WRF/WPS. Os retângulos vermelhos mostram os executáveis criados após a compilação do WPS.

Erros podem ocorrer associados à ausência das variáveis ambientais. Para checar se elas estão criadas no diretório WPS, digite o seguinte comando no terminal:

# env | grep -i NETCDF

Durante a instalação do WPS, pode ser necessário mudar a versão da biblioteca libpng, indicada na variável COMPRESSION_LIBS que está localizada dentro do arquivo configure.wps:

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