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区域气象-大气化学在线耦合模式（WRF/Chem）是大气环境模拟领域一个功能强大的工具，它将气象过程与大气化学过程在线、双向地耦合在一起，能够更真实地模拟气溶胶、污染物与气象要素（如云、降水、辐射）之间的复杂相互作用。对于从事空气质量预报、污染成因分析、气候变化评估以及环境政策制定的研究者和工程师而言，掌握WRF/Chem从零到一的完整搭建和应用流程，是一项极具价值但也充满挑战的核心技能。这个过程不仅涉及对大气物理化学理论的深刻理解，更是一场与Linux系统、编译器、依赖库和复杂配置文件的“硬核”较量。

许多初学者在尝试构建自己的WRF/Chem模拟环境时，常常止步于环境依赖冲突、编译失败或排放源数据格式错误。本文旨在为大气环境领域的实践者提供一份详尽、可复现的技术指南。我们将从模式的基本原理和工作流程讲起，逐步深入到Linux环境的准备、所有必要依赖库的编译安装、WRF和Chem模式的联合编译、人为与生物排放源清单的制备与处理，最终完成一个可运行的案例配置。文章将重点解释每一步操作背后的目的和原理，并提供具体的命令、配置示例和排错方法，力求让你在本地或服务器上成功构建并运行起自己的第一个WRF/Chem模拟。

1. 理解WRF/Chem：不只是气象与化学的简单叠加

在深入命令行之前，必须厘清WRF/Chem的核心设计思想。这决定了后续配置和编译时的关键选项选择。

1.1 什么是在线耦合？为什么它重要？

传统的气象与空气质量模拟常采用“离线”模式：先运行WRF等气象模式，输出气象场（如风、温、湿、压），再将这些结果作为静态输入，驱动另一个独立的化学传输模型（如CMAQ）。这种方式计算效率高，但存在根本缺陷——它假设化学物质的存在不影响气象过程。然而，现实世界中，气溶胶（如PM2.5）可以通过吸收和散射太阳辐射影响地表温度和大气稳定度（直接效应），还能作为云凝结核改变云的特性和降水（间接效应）。这些反馈机制在离线模式下被完全忽略。

WRF/Chem实现了“在线耦合”。这意味着气象模块和化学模块在同一个时间步长内交替执行，共享同一套网格和物理参数化方案。化学模块计算出的气溶胶浓度会实时反馈给辐射和云微物理方案，从而影响下一个时间步的气象场。这种双向互动使得模拟结果，特别是在重污染与复杂天气并存的情景下，理论上更加真实。

1.2 WRF/Chem的核心工作流程与组件

一个完整的WRF/Chem模拟可以分解为几个前后衔接的组件，理解这个数据流对后续排错至关重要。

1. 前处理系统 (WPS)：负责将全球再分析资料（如GFS、ECMWF）插值到用户定义的研究区域网格上。它为WRF主模式准备初始条件和边界条件。对于化学模拟，WPS通常只处理气象场。
2. WRF主模式 + 化学模块：这是核心计算引擎。编译时，需要同时选择气象和化学方案的组合。化学模块内嵌了多种气相化学机制（如RADM2、RACM、MOZART）和气溶胶模块（如MADE/SORGAM、MOSAIC）。你需要根据研究目标和计算资源进行选择。
3. 排放源处理系统：这是化学模拟独有的、也是最易出错的环节。它负责将静态的排放清单（如EDGAR、MEIC）在时空上分配到WRF网格上，并按照化学机制的要求，将排放物种映射到对应的模型物种。主要工具是PREP-CHEM-SRC、ANTHRO_EMISS或MOZBC等。
4. 化学初始/边界条件制备：类似于气象场，化学场也需要初始浓度和从模式边界输入的浓度。通常使用全球化学传输模型（如MOZART、CAM-chem）的输出结果，通过工具（如moZBC、wrfbdy_from_gfs)进行插值和转换。
5. 后处理与可视化：使用NCL、Python（如wrf-python、cartopy）或RIP4等工具对输出的NetCDF文件进行分析和绘图。

在实践层面，成功运行WRF/Chem意味着要让这五个部分无缝衔接，任何一个环节的数据格式或维度不匹配都会导致运行失败。

2. 构建基石：Linux系统环境与依赖库的精密配置

WRF/Chem及其依赖的绝大多数工具都是为类Unix系统设计的，一个纯净、可控的Linux环境是成功的先决条件。我们将在/opt/Build_WRF目录下构建所有依赖，以保持系统整洁。

2.1 操作系统选择与基础准备

推荐使用CentOS 7/8、Rocky Linux 8/9或Ubuntu 20.04/22.04 LTS等主流服务器发行版。避免使用桌面版过于花哨的图形环境。确保系统有至少50GB的可用磁盘空间和足够的内存（建议8GB以上）。

首先，更新系统并安装开发工具链和基础库：

# 对于基于RHEL的系统（如CentOS, Rocky Linux） sudo yum groupinstall -y "Development Tools" sudo yum install -y wget git tcsh flex curl gcc gcc-c++ gcc-gfortran m4 make perl ncurses-devel libjpeg-turbo-devel libpng-devel zlib-devel openssl-devel # 对于基于Debian的系统（如Ubuntu） sudo apt update sudo apt install -y build-essential sudo apt install -y wget git tcsh flex curl gcc gfortran m4 make perl libncurses-dev libjpeg-dev libpng-dev zlib1g-dev libssl-dev

创建一个统一的构建目录并设置环境变量，这是管理复杂依赖关系的关键：

export DIR=/opt/Build_WRF sudo mkdir -p $DIR sudo chown $(whoami):$(whoami) $DIR cd $DIR

将环境变量定义写入你的shell配置文件（如~/.bashrc），以便每次登录自动生效：

echo "export DIR=/opt/Build_WRF" >> ~/.bashrc echo "export PATH=\$DIR/bin:\$PATH" >> ~/.bashrc echo "export LD_LIBRARY_PATH=\$DIR/lib:\$LD_LIBRARY_PATH" >> ~/.bashrc source ~/.bashrc

2.2 编译器的选择与验证

WRF/Chem对Fortran和C编译器有严格要求。推荐使用GNU编译器集合（GCC）。必须验证gfortran的存在：

which gfortran gfortran --version

如果未安装，请通过系统包管理器安装gfortran。确保GCC版本在4.5以上，但避免使用过于前沿的版本（如GCC 12+），以免遇到未解决的兼容性问题。推荐使用GCC 7/8/9系列。

2.3 逐一下载并编译关键依赖库

以下库是WRF、WPS和化学预处理工具所必需的。我们将全部安装在$DIR下。编译时采用统一的$DIR作为安装前缀，并启用位置无关代码（-fPIC），这对后续链接至关重要。

• NetCDF库：用于读写模式输入输出数据。

  cd $DIR wget https://downloads.unidata.ucar.edu/netcdf-c/4.9.2/netcdf-c-4.9.2.tar.gz wget https://downloads.unidata.ucar.edu/netcdf-fortran/4.6.1/netcdf-fortran-4.6.1.tar.gz tar -xzf netcdf-c-4.9.2.tar.gz tar -xzf netcdf-fortran-4.6.1.tar.gz # 编译NetCDF-C cd netcdf-c-4.9.2 ./configure --prefix=$DIR --disable-dap make -j$(nproc) make install export PATH=$DIR/bin:$PATH export LD_LIBRARY_PATH=$DIR/lib:$LD_LIBRARY_PATH # 编译NetCDF-Fortran cd ../netcdf-fortran-4.6.1 CPPFLAGS=-I$DIR/include LDFLAGS=-L$DIR/lib ./configure --prefix=$DIR make -j$(nproc) make install

• MPICH：用于并行计算（如果你计划进行多核/多节点模拟）。

  cd $DIR wget https://www.mpich.org/static/downloads/4.1.2/mpich-4.1.2.tar.gz tar -xzf mpich-4.1.2.tar.gz cd mpich-4.1.2 ./configure --prefix=$DIR make -j$(nproc) make install export PATH=$DIR/bin:$PATH export LD_LIBRARY_PATH=$DIR/lib:$LD_LIBRARY_PATH

  编译后，运行which mpif90和mpif90 -v确认MPI包装器已正确指向你的gfortran。

• Jasper, LibPNG, Zlib：用于WPS处理GRIB2数据。

  cd $DIR wget https://www.ece.uvic.ca/~frodo/jasper/software/jasper-2.0.14.tar.gz wget http://www.zlib.net/zlib-1.2.13.tar.gz wget http://download.sourceforge.net/libpng/libpng-1.6.37.tar.gz # 编译顺序：Zlib -> LibPNG -> Jasper tar -xzf zlib-1.2.13.tar.gz && cd zlib-1.2.13 && ./configure --prefix=$DIR && make install && cd .. tar -xzf libpng-1.6.37.tar.gz && cd libpng-1.6.37 && CPPFLAGS=-I$DIR/include LDFLAGS=-L$DIR/lib ./configure --prefix=$DIR && make install && cd .. tar -xzf jasper-2.0.14.tar.gz && cd jasper-2.0.14 && mkdir build && cd build && cmake .. -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=$DIR && make install && cd ../..

• HDF5：某些化学数据格式可能需要。

  cd $DIR wget https://support.hdfgroup.org/ftp/HDF5/releases/hdf5-1.12/hdf5-1.12.2/src/hdf5-1.12.2.tar.gz tar -xzf hdf5-1.12.2.tar.gz cd hdf5-1.12.2 ./configure --prefix=$DIR --enable-fortran --enable-hl make -j$(nproc) make install

完成所有库的安装后，至关重要的一步是验证环境变量。创建一个测试脚本test_env.sh：

#!/bin/bash echo "=== 环境变量检查 ===" echo "NETCDF: $(which nc-config)" echo "MPI: $(which mpif90)" echo "PATH: $PATH" echo "LD_LIBRARY_PATH: $LD_LIBRARY_PATH" echo -e "\n=== 库链接测试 ===" cd $DIR cat > test_netcdf.f90 << EOF program test use netcdf implicit none integer :: ncid, varid, dimid, ierr ierr = nf90_create('test.nc', nf90_clobber, ncid) ierr = nf90_def_dim(ncid, 'x', 10, dimid) ierr = nf90_def_var(ncid, 'data', nf90_float, [dimid], varid) ierr = nf90_enddef(ncid) ierr = nf90_close(ncid) print *, 'NetCDF Fortran库测试通过。' end program test EOF mpif90 -I$DIR/include -L$DIR/lib -lnetcdff -lnetcdf -lhdf5_hl -lhdf5 -lz -lm test_netcdf.f90 -o test_netcdf ./test_netcdf

运行bash test_env.sh。如果成功创建test.nc文件并输出提示信息，说明依赖库配置基本正确。

3. 核心编译：WRF与WPS的联合构建与化学选项激活

环境就绪后，进入最关键的编译阶段。WRF和WPS需要分开下载和编译，但必须确保它们使用相同的底层库和编译器设置。

3.1 下载源代码与配置环境

从官方仓库或稳定发布版本获取代码。注意版本兼容性，WRF和Chem的版本需要匹配。

cd $DIR # 下载WRF（包含Chem） wget https://github.com/wrf-model/WRF/archive/refs/tags/v4.5.tar.gz -O WRF-4.5.tar.gz tar -xzf WRF-4.5.tar.gz cd WRF-4.5 # 设置编译环境，关键一步 export NETCDF=$DIR export HDF5=$DIR export PHDF5=$DIR # 并行HDF5，如果编译了的话 export JASPERLIB=$DIR/lib export JASPERINC=$DIR/include export WRF_CHEM=1 # 激活化学模块！ export WRF_KPP=1 # 激活KPP化学积分器 export YACC="/usr/bin/yacc -d" # 或 `bison -d`

3.2 配置与编译WRF主模式

运行配置脚本，根据你的系统进行选择。对于大多数Linux系统，选择GNU编译器（gcc/gfortran）和基本嵌套选项。

./configure

在交互界面中，通常会选择：

1. 34或35（代表 GNU gcc/gfortran 串行或并行编译）。
2. 选择嵌套级别（如1表示基本嵌套）。
3. 编译类型选择1（em_real， 真实案例模拟）。

配置完成后，会生成一个configure.wrf文件。在编译前，强烈建议检查此文件：

• 确保SFC和SCC等变量指向正确的gfortran和gcc。
• 确保NETCDFPATH指向$DIR。
• 搜索CHEM相关标志，确认WRF_CHEM和WRF_KPP已被定义。

开始编译。这是一个耗时过程，使用-j选项利用多核加速。

./compile em_real 2>&1 | tee compile.log

编译成功后，你会在main目录下找到wrf.exe（真实案例可执行文件）和real.exe（初始化程序）。使用以下命令验证关键模块是否生成：

ls -l main/*.exe ls -l chem/*.exe 2>/dev/null # 检查化学相关模块

务必检查compile.log文件末尾是否有“Executables successfully built”或类似信息，并且没有致命的Error提示。

3.3 配置与编译WPS

WPS为WRF准备初始和边界条件。它需要之前编译的Jasper等库。

cd $DIR wget https://github.com/wrf-model/WPS/archive/refs/tags/v4.5.tar.gz -O WPS-4.5.tar.gz tar -xzf WPS-4.5.tar.gz cd WPS-4.5 # 设置WPS所需的环境变量 export JASPERLIB=$DIR/lib export JASPERINC=$DIR/include export NETCDF=$DIR export WRF_DIR=$DIR/WRF-4.5 # 指向刚编译好的WRF目录 ./configure

在界面中选择与WRF编译时相同的编译器选项（如3对应 GNU serial）。配置后会生成configure.wps。

编译WPS：

./compile 2>&1 | tee wps_compile.log

成功编译后，会生成三个核心可执行文件：

• geogrid.exe: 定义模拟区域并处理静态地理数据。
• ungrib.exe: 从GRIB格式的全球分析资料中提取气象变量。
• metgrid.exe: 将气象变量水平插值到geogrid定义的网格上。

使用ls -l *.exe确认它们存在。

4. 化学模拟的“燃料”：排放源清单的制作与处理

对于WRF/Chem，仅有气象初始场是不够的，还必须提供化学物种的排放源。这是化学模拟特有的、最容易出错的步骤。

4.1 排放源类型与数据获取

排放源主要分为两类：

1. 人为排放源：来自工业、交通、居民生活等。常用清单包括中国的MEIC、清华的MIX，或全球的EDGAR、CEDS。
2. 生物源与自然源：如植被挥发的VOCs（MEGAN模型）、海盐、沙尘等。

你需要获取这些清单数据，它们通常是NetCDF或文本格式，包含不同物种（如SO2, NOx, CO, VOCs, PM2.5）的网格化或国家/省级排放强度。

4.2 使用PREP-CHEM-SRC工具处理排放源

PREP-CHEM-SRC是一个广泛使用的工具，能将多种排放清单转换为WRF-Chem可读的输入格式。你需要从WRF-Chem官网或相关研究组获取此工具。

cd $DIR # 假设已下载prep_chem_sources.tar.gz tar -xzf prep_chem_sources.tar.gz cd prep_chem_sources

编辑其配置文件prep_chem_sources.inp。这是一个关键文件，需要指定：

• 模拟区域的中心点、网格数、分辨率（必须与WPS中namelist.wps的设置完全一致）。
• 输入排放清单的路径和格式。
• 输出文件的路径和前缀。
• 要处理的化学物种映射关系。

一个简化的配置片段示例如下：

&control ! 区域设置 (必须与WPS一致) start_year = 2023 start_month = 07 start_day = 01 start_hour = 00 end_year = 2023 end_month = 07 end_day = 02 end_hour = 00 ! domain_name = ‘d01’ ! ! 网格设置 nx = 100 ny = 80 nz = 28 dx = 27000 dy = 27000 ! ! 排放清单选择 emission_type = ‘EDGAR’ ! 或 ‘MIX’等 ! ! 输入输出路径 dir_emissions = ‘/path/to/your/emission/data/’ dir_output = ‘./’ ! ! 输出文件前缀 prefix = ‘emiss’ /

配置完成后，使用Fortran编译器进行编译（通常提供Makefile），然后运行：

./prep_chem_sources

成功运行后，会在输出目录生成类似emissopt3_d01_2023-07-01_00:00:00.nc的文件，这就是WRF-Chem可识别的排放输入文件。

4.3 排放文件与WRF-Chem的链接

在运行real.exe（WRF初始化程序）之前，需要将生成的排放文件链接到WRF运行目录，并确保namelist.input中的化学选项指向正确的排放文件。

cd $DIR/WRF-4.5/test/em_real # 链接排放文件 ln -sf /path/to/your/emissopt3_d01_2023-07-01_00:00:00.nc emissopt3_d01.nc # 通常需要链接多个时间片的文件，或者链接一个代表持续排放的文件

5. 整合与首次运行：从配置到产出

现在，我们将所有部分串联起来，完成一次完整的流程。

5.1 配置WPS（namelist.wps）

在$DIR/WPS-4.5目录下，编辑namelist.wps。核心是&geogrid和&share部分。

&share wrf_core = 'ARW', max_dom = 1, start_date = '2023-07-01_00:00:00', end_date = '2023-07-02_00:00:00', interval_seconds = 21600, / &geogrid parent_id = 1, parent_grid_ratio = 1, i_parent_start = 1, j_parent_start = 1, e_we = 100, ! 东西向网格数 e_sn = 80, ! 南北向网格数 geog_data_res = 'modis_30s+30s', ! 地理数据分辨率 dx = 27000, ! 网格间距 (米) dy = 27000, map_proj = 'lambert', ref_lat = 35.0, ! 区域中心纬度 ref_lon = 110.0, ! 区域中心经度 truelat1 = 30.0, truelat2 = 60.0, stand_lon = 110.0, /

运行WPS三步曲：

./geogrid.exe ln -sf ungrib/Variable_Tables/Vtable.GFS Vtable ./link_grib.csh /path/to/your/gfs/files/GFS* ./ungrib.exe ./metgrid.exe

成功后会生成met_em.d01.*文件。

5.2 配置WRF（namelist.input）并链接文件

将met_em.d01.*文件链接到WRF运行目录，并编辑namelist.input。

cd $DIR/WRF-4.5/test/em_real ln -sf ../../../WPS-4.5/met_em.d01.* .

编辑namelist.input，化学相关的设置是重点：

&time_control run_days = 1, run_hours = 0, ... / &domains max_dom = 1, e_we = 100, ! 必须与WPS设置一致 e_sn = 80, e_vert = 28, dx = 27000, dy = 27000, ... / &physics mp_physics = 8, ! 微物理方案 ra_lw_physics = 4, ! 长波辐射 ra_sw_physics = 4, ! 短波辐射 radt = 30, ! 辐射调用频率（步长） chem_opt = 201, ! 化学机制选择！201代表GOCART简单气溶胶+MOZART气相化学 bios_emiss_opt = 1, ! 生物排放选项 phot_opt = 1, ! 光解选项 dust_opt = 1, ! 沙尘选项 seas_opt = 1, ! 海盐选项 / &chemistry kemit = 1, ! 排放层数 chemdt = 10, ! 化学步长（分钟） io_style_emissions = 2, ! 排放输入格式 emiss_inpt_opt = 1, ! 使用外部排放文件 emiss_opt = 9, ! 排放选项，与chem_opt匹配 / &namelist_quilt /

注意chem_opt和emiss_opt的选择必须兼容，并确保你准备的排放文件格式与之匹配。这需要查阅WRF-Chem用户手册。

5.3 运行real.exe和wrf.exe

首先运行real.exe生成初始和边界条件文件（wrfinput_d01和wrfbdy_d01）。它会读取气象初始场和排放文件。

mpirun -np 4 ./real.exe 2>&1 | tee real.log

检查real.log末尾是否有“SUCCESS”信息，并确认wrfinput_d01文件已生成且包含化学变量（如so2,no2等）。

最后，运行主模式：

mpirun -np 8 ./wrf.exe 2>&1 | tee wrf.log

监控wrf.log，观察积分步数是否正常推进，并留意是否有化学相关的报错。运行成功后，会生成一系列wrfout_d01_*文件。

5.4 结果验证与常见问题排查

使用ncdump或Python的netCDF4库快速检查输出文件：

ncdump -h wrfout_d01_2023-07-01_00:00:00 | head -50

查看其中是否包含预期的化学物种变量。

常见问题排查表：

6. 从学习到生产：关键实践与扩展方向

成功运行测试案例只是第一步。要将WRF/Chem应用于实际研究或业务，还需要考虑更多工程化因素。

6.1 生产环境考量

1. 高性能计算（HPC）与作业调度：在生产服务器上，通常使用Slurm、PBS等作业调度系统。你需要编写作业提交脚本，合理申请CPU核心数、内存和运行时间。编译WRF时需选择对应的MPI选项（如dmpar）。
2. 自动化流程管理：将WPS预处理、排放处理、WRF运行、后处理等步骤编写成Shell或Python脚本，实现一键化或定时自动化运行，减少人工干预错误。
3. 数据管理与存储：气象输入数据、排放清单、地理数据以及庞大的输出文件（一次模拟可能数百GB）需要有组织的存储、备份和清理策略。考虑使用NetCDF4的压缩特性节省空间。
4. 参数化方案选型与敏感性试验：化学机制(chem_opt)、气溶胶方案、气相化学机制、气象物理方案（积云对流、边界层、陆面过程）的选择对结果影响巨大。生产应用中需要进行敏感性试验来确定最适合研究区域的方案组合。
5. 验证与评估：使用地面观测站（如国控点）、卫星反演产品等对模拟的污染物浓度、气象要素进行验证，计算如均方根误差（RMSE）、相关系数等统计指标，评估模式性能并指导参数调优。

6.2 扩展学习与资源

• 深入化学机制：研究不同chem_opt（如202 for RACM-MADE/SORGAM, 300 for MOZART-MOSAIC）背后的科学机理和适用场景。
• 复杂排放源：学习处理在线生物排放（MEGAN）、沙尘起沙、海盐排放以及交通、扬尘等更高分辨率的排放清单。
• 数据同化：探索将观测数据同化到WRF/Chem中，以改进初始场和预报效果。
• 耦合其他模型：了解WRF与其他模型（如水文模型、城市冠层模型）的耦合。
• 官方资源：WRF官网、用户论坛、GitHub仓库以及发布在Geoscientific Model Development等期刊上的模式技术文档，是解决问题和深入学习的宝库。

构建和运行WRF/Chem是一个系统工程，耐心和细致的排错能力至关重要。从最简化的案例（小区域、短时长、简单化学机制）开始，确保每一步都成功，再逐步增加复杂性。每一次编译错误和运行崩溃，都是理解这个复杂系统内部工作机制的宝贵机会。