CESM气候建模入门：环境搭建与案例运行指南

1. 地球系统模式（CESM）入门指南：从零开始掌握气候建模利器

作为一名从事气候模拟研究多年的科研工作者，我深知CESM（Community Earth System Model）这个"巨无霸"给初学者带来的挑战。记得我第一次接触CESM时，光是搭建环境就折腾了两周时间。本文将分享我多年来总结的11步系统学习方案，帮助大家避开我当年踩过的坑。

CESM是目前全球最先进的地球系统模式之一，由美国国家大气研究中心（NCAR）主导开发。它能够模拟大气、海洋、陆地、海冰、陆冰等地球系统各圈层的相互作用，是研究气候变化的重要工具。最新版本的CESM2.2在物理过程参数化和计算效率方面都有显著提升，但同时也增加了学习曲线。

2. 环境准备：搭建CESM运行的基石

2.1 硬件与软件需求分析

CESM对运行环境有较高要求，合理的环境配置能节省大量调试时间。根据我的经验，建议准备：

• 硬件配置：

  • 计算节点：至少16核CPU，推荐32核以上
  • 内存：每个节点至少64GB，全耦合运行建议128GB以上
  • 存储：临时存储需要500GB以上空间，长期存储建议配置10TB以上的磁盘阵列

• 软件依赖：

  • 操作系统：Linux（推荐CentOS 7+或Ubuntu 18.04+）
  • 编译器：Intel编译器套件（icc/ifort）或GNU（gcc/gfortran）
  • MPI库：OpenMPI或MPICH
  • 基础库：NetCDF（含Fortran接口）、HDF5、Parallel-NetCDF

提示：使用Intel编译器通常能获得更好的性能，但在某些新型CPU架构上可能需要额外配置。

2.2 环境搭建实操步骤

以CentOS 7系统为例，以下是详细的环境配置流程：

bash复制# 安装基础开发工具
sudo yum groupinstall "Development Tools"
sudo yum install -y wget git cmake

# 安装Intel编译器（需提前获取安装包）
tar zxvf l_BaseKit_p_2023.2.0.49397.sh
./l_BaseKit_p_2023.2.0.49397.sh
# 按照提示完成安装并配置环境变量

# 安装NetCDF库
wget https://downloads.unidata.ucar.edu/netcdf-c/4.9.2/netcdf-c-4.9.2.tar.gz
tar zxvf netcdf-c-4.9.2.tar.gz
cd netcdf-c-4.9.2
./configure --prefix=/usr/local/netcdf
make && sudo make install

# 安装Parallel-NetCDF
wget https://parallel-netcdf.github.io/Release/pnetcdf-1.12.3.tar.gz
tar zxvf pnetcdf-1.12.3.tar.gz
cd pnetcdf-1.12.3
./configure --prefix=/usr/local/pnetcdf
make && sudo make install

环境变量配置示例（添加到~/.bashrc）：

bash复制export NETCDF=/usr/local/netcdf
export PNETCDF=/usr/local/pnetcdf
export PATH=$NETCDF/bin:$PNETCDF/bin:$PATH
export LD_LIBRARY_PATH=$NETCDF/lib:$PNETCDF/lib:$LD_LIBRARY_PATH

3. CESM代码获取与结构解析

3.1 获取源代码的正确姿势

CESM代码托管在GitHub上，推荐使用以下方法获取：

bash复制git clone https://github.com/ESCOMP/CESM.git
cd CESM
git checkout release-cesm2.2.0  # 切换到稳定版本
./manage_externals/checkout_externals

注意：checkout_externals会下载所有子模块，耗时较长，建议在网络状况良好时进行。

3.2 CESM目录结构深度解析

了解目录结构是掌握CESM的基础，主要目录及其功能如下：

4. 第一个CESM案例：从创建到运行

4.1 Machine File配置实战

在运行CESM前，需要为你的服务器创建Machine File。以名为"mycluster"的服务器为例：

1. 复制模板文件：

bash复制cd cime/config/cesm/machines
cp config_machines.xml.template config_machines.xml

2. 编辑config_machines.xml，添加以下内容：

xml复制<machine MACH="mycluster">
  <DESC>My computing cluster</DESC>
  <OS>LINUX</OS>
  <COMPILERS>intel</COMPILERS>
  <MPILIBS>openmpi</MPILIBS>
  <RUNDIR>/scratch/$USER/cesm/run</RUNDIR>
  <EXEROOT>/scratch/$USER/cesm/bld</EXEROOT>
  <DIN_LOC_ROOT>/data/cesm/inputdata</DIN_LOC_ROOT>
  <DIN_LOC_ROOT_CLMFORC>/data/cesm/inputdata/atm/datm7</DIN_LOC_ROOT_CLMFORC>
</machine>

4.2 创建并运行测试案例

创建一个简单的F1850气候模拟案例：

bash复制./create_newcase --case ~/cesm_cases/test_F1850 \
                --compset F1850 \
                --res f19_g17 \
                --machine mycluster \
                --compiler intel \
                --mpilib openmpi \
                --project myproject

cd ~/cesm_cases/test_F1850
./case.setup
./case.build
./case.submit

常见问题排查：

1. 如果build失败，检查CaseStatus文件中的错误信息
2. 运行时报错数据文件缺失，使用check_input_data脚本下载所需数据
3. MPI相关错误，尝试减少任务数或调整MPI参数

5. CLM单模块运行详解

5.1 单点模式配置技巧

CLM单点模式是研究陆面过程的理想选择。创建案例时使用I单点网格：

bash复制./create_newcase --case ~/cesm_cases/clm_point \
                --compset I2000Clm50BgcCrop \
                --res f09_g17 \
                --machine mycluster \
                --compiler intel \
                --mpilib openmpi

cd ~/cesm_cases/clm_point
./xmlchange CLM_FORCE_COLDSTART=on
./xmlchange STOP_OPTION=nyears,STOP_N=1
./case.setup

5.2 关键参数文件配置

CLM运行时需要三个关键文件：

1. drv_flds_in - 驱动场文件列表
2. lnd_in - 陆面模型参数
3. datm.streams.txt - 数据流配置

典型的lnd_in配置示例：

code复制&clm_inparm
  finidat = ''
  fpftcon = '$DIN_LOC_ROOT/lnd/clm2/paramdata/clm5_params.c210317.nc'
  fatmlndfrc = '$DIN_LOC_ROOT/share/domains/domain.lnd.fv0.9x1.25_gx1v6.151020.nc'
  urban_hac = 'OFF'
  use_snicar_frc = .true.
/

6. 耦合运行进阶技巧

6.1 CAM-chem与CLM耦合实战

创建CAM-chem与CLM耦合案例：

bash复制./create_newcase --case ~/cesm_cases/camchem_clm \
                --compset FC5CAMchemCLM50 \
                --res f09_g17 \
                --machine mycluster \
                --compiler intel \
                --mpilib openmpi

关键配置调整：

bash复制./xmlchange CAM_CONFIG_OPTS="-chem trop_mozart"
./xmlchange CLM_CONFIG_OPTS="-bgc cn -crop"

6.2 全耦合运行注意事项

全耦合运行时需要特别注意：

1. 各模块时间步长的协调
2. 耦合频率的设置
3. 数据交换的稳定性检查

建议首次全耦合运行时：

bash复制./xmlchange REST_OPTION=nyears,REST_N=1
./xmlchange STOP_OPTION=nyears,STOP_N=5

7. 结果分析与可视化

7.1 输出文件结构解析

CLM典型输出文件结构：

code复制CLM输出/
├── *.h0.*.nc  # 月平均输出
├── *.h1.*.nc  # 日平均输出
├── *.h2.*.nc  # 小时输出
└── *.h3.*.nc  # 瞬时场输出

关键变量说明：

• FSA：吸收的太阳辐射
• EFLX_LH_TOT：潜热通量
• TSOI：土壤温度
• H2OSOI：土壤湿度

7.2 使用Python进行结果分析

示例代码：计算年平均土壤温度

python复制import xarray as xr

ds = xr.open_dataset('clm_output.h0.0001-01.nc')
tsoil = ds['TSOI'].mean(dim='time')  # 时间平均
tsoil_global = tsoil.mean(dim=['lat','lon'])  # 空间平均

# 绘制垂直剖面
tsoil.isel(lat=50,lon=60).plot(y='levgrnd')

8. 代码修改与定制开发

8.1 代码结构导航

主要模块代码位置：

• 大气物理：components/cam/src/physics/cam/
• 陆面过程：components/clm/src/main/
• 耦合器：cime/src/drivers/mct/cime/

8.2 Fortran代码修改示例

修改土壤热传导率参数（clm5中）：

1. 找到文件components/clm/src/main/SoilBiogeophysMod.F90
2. 修改以下参数：

fortran复制real(r8), parameter :: tk_soil = 0.25_r8  ! 原值0.2

重新编译：

bash复制./case.build --clean-all
./case.build

9. 性能优化技巧

9.1 并行配置建议

典型全耦合运行的并行布局：

bash复制./xmlchange NTASKS_ATM=64,NTASKS_LND=32,NTASKS_OCN=128
./xmlchange NTHRDS_ATM=2,NTHRDS_LND=1,NTHRDS_OCN=2

9.2 I/O优化策略

减少输出频率和变量：

bash复制./xmlchange HIST_OPTION=nyears,HIST_N=1
./xmlchange ATM_NCPL=48  # 增加耦合步长

使用NetCDF4压缩：

bash复制./xmlchange PIO_TYPENAME=netcdf4c

10. 常见问题解决方案

10.1 编译错误排查表

10.2 运行时错误处理

遇到运行失败时：

1. 检查CaseStatus文件
2. 查看日志文件logs/下的最新日志
3. 使用./preview_run检查任务配置
4. 尝试减少任务数或缩短运行时长

11. 持续学习建议

掌握CESM需要长期实践，建议：

1. 定期查看CESM官网和GitHub的更新
2. 加入CESM用户邮件列表交流问题
3. 从简单案例开始，逐步增加复杂度
4. 保持代码和输入数据的版本管理

我在实际使用中发现，建立一个自己的案例库非常有用，将成功运行的案例配置保存下来，方便后续参考和复用。对于复杂的研究问题，建议采用增量开发的方式，先验证单个模块的行为，再逐步扩展到耦合模拟。