【技术教程】WRF-Chem 模式编译、安装与方案配置完整教程

WRF-Chem 模式编译、安装与方案配置完整指南

版本说明：本文基于 WRF-Chem v4.x 系列（当前最新稳定版 v4.7.1），适用于 Linux 服务器/工作站的 Intel/GNU 编译器环境。

一、前言与架构概览

WRF-Chem（Weather Research and Forecasting model coupled with Chemistry）是 WRF 模式的大气化学扩展版本，将气象动力过程与大气化学传输、气溶胶微物理过程进行在线耦合，广泛应用于空气质量预报、大气化学机制研究及气候变化评估等领域。

与标准 WRF 相比，WRF-Chem 的核心差异在于：

化学模块开关：通过 WRF_CHEM=1 启用化学编译
KPP 动力学预处理：通过 WRF_KPP=1 启用 Kinetic Pre-Processing
排放数据接口：需额外准备人为排放、生物源排放和生物质燃烧排放
化学机制选择：chem_opt 参数控制气相化学、 aerosol 机制的组合

二、系统环境与依赖库安装

2.1 基础依赖清单

WRF-Chem 的编译需要以下核心库支持，建议在统一的 Build_WRF/LIBRARIES 目录下集中安装：

依赖库	作用	推荐版本
NetCDF-C	科学数据存储（C接口）	4.8.x / 4.9.x
NetCDF-Fortran	Fortran 语言接口	4.5.x / 4.6.x
HDF5	NetCDF4 底层支持	1.12.x
MPICH / OpenMPI	分布式并行计算	3.4+ / 4.x
zlib	数据压缩	1.2.11+
libpng	PNG 图像处理	1.6.37
Jasper	JPEG-2000 解码	1.900.x / 2.x
Flex	词法分析器（KPP必需）	2.5.3+
BYacc	语法分析器（KPP必需）	最新版

2.2 依赖库编译安装示例

以下以 GNU 编译器（gcc/gfortran）为例，展示标准安装流程。假设所有源码包已下载至 ~/Build_WRF/LIBRARIES/ 目录。

export DIR=$HOME/Build_WRF/LIBRARIESexport CC=gccexport CXX=g++export FC=gfortranexport F77=gfortran

cd$DIRtar -xzvf zlib-1.2.11.tar.gzcd zlib-1.2.11./configure --prefix=$DIR/zlibmake -j4make install

cd$DIRtar -xzvf hdf5-1.12.1.tar.gzcd hdf5-1.12.1./configure --prefix=$DIR/hdf5 \    --with-zlib=$DIR/zlib \    --enable-fortran --enable-sharedmake -j4make install

cd$DIRtar -xzvf netcdf-c-4.8.1.tar.gzcd netcdf-c-4.8.1export LDFLAGS=-L$DIR/hdf5/libexport CPPFLAGS=-I$DIR/hdf5/include./configure --prefix=$DIR/netcdf \    --disable-dap --enable-netcdf4make -j4make install

cd$DIRtar -xzvf netcdf-fortran-4.5.3.tar.gzcd netcdf-fortran-4.5.3export LD_LIBRARY_PATH=$DIR/netcdf/lib:$LD_LIBRARY_PATHexport LIBS=”-lnetcdf -lhdf5_hl -lhdf5 -lz”export LDFLAGS=-L$DIR/netcdf/libexport CPPFLAGS=-I$DIR/netcdf/include./configure --prefix=$DIR/netcdfmake -j4make install

cd$DIRtar -xzvf mpich-3.4.2.tar.gzcd mpich-3.4.2./configure --prefix=$DIR/mpichmake -j4make install

# libpngcd$DIRtar -xzvf libpng-1.6.37.tar.gzcd libpng-1.6.37./configure --prefix=$DIR/libpngmake -j4make install# Jaspercd$DIRtar -xzvf jasper-1.900.1.tar.gzcd jasper-1.900.1./configure --prefix=$DIR/jaspermake -j4make install

# Flexcd$DIRtar -xzf flex-2.5.3.tar.gzcd flex-2.5.3./configure --prefix=$DIR/flexmakemake install# BYacccd$DIRtar -xzvf byacc.tar.gzcd byacc./configure --prefix=$DIR/byaccmakemake install

2.3 环境变量汇总配置

将以下环境变量写入 ~/.bashrc 或专用的 env_wrf.sh 脚本，每次编译/运行前 source 加载：

# ===== 基础编译器与库路径 =====export DIR=$HOME/Build_WRF/LIBRARIESexport CC=gccexport CXX=g++export FC=gfortranexport F77=gfortranexport PATH=$DIR/mpich/bin:$PATHexport PATH=$DIR/netcdf/bin:$PATHexport PATH=$DIR/flex/bin:$DIR/byacc/bin:$PATHexport LD_LIBRARY_PATH=$DIR/netcdf/lib:$DIR/hdf5/lib:$DIR/mpich/lib:$DIR/flex/lib:$LD_LIBRARY_PATH# ===== NetCDF 配置 =====export NETCDF=$DIR/netcdfexport NETCDF_DIR=$NETCDF# ===== WRF 核心选项 =====export WRF_EM_CORE=1# 启用 ARW 核心export WRF_NMM_CORE=0# 禁用 NMM 核心export WRF_CHEM=1# ★ 启用化学模块export WRF_KPP=1# ★ 启用 KPP 动力学预处理export WRF_DA_CORE=0# 禁用数据同化# ===== 大文件支持 =====export WRFIO_NCD_LARGE_FILE_SUPPORT=1# ===== KPP 工具路径 =====export YACC='/usr/bin/yacc -d'export FLEX_LIB_DIR=$DIR/flex/lib# ===== GRIB2 支持 =====export JASPERLIB=$DIR/jasper/libexport JASPERINC=$DIR/jasper/include

三、WRF-Chem 源码获取

3.1 下载源码

建议从官方 GitHub 仓库克隆最新发布版本（当前 v4.7.1），确保包含完整的化学子模块：

cd ~/Build_WRFgit clone --recurse-submodule --branch v4.7.1 https://github.com/wrf-model/WRF.git

注意：--recurse-submodule 参数至关重要，可确保化学机制相关的子模块完整下载。若遗漏，后续 KPP 编译将失败。

3.2 目录结构说明

WRF/├── arch/# 编译架构配置文件├── chem/# ★ 化学模块源码（含 KPP）├── dyn_em/# ARW 动力核心├── external/# 外部库（ESMF, IOAPI 等）├── frame/# 模式框架层├── main/# 主程序入口├── phys/# 物理参数化方案├── run/# 运行时配置文件模板├── test/# 测试用例（em_real 等）├── tools/# 辅助工具└── configure# 配置脚本

四、模式编译详细流程

4.1 清理与配置

进入源码目录，执行清理和配置：

cd ~/Build_WRF/WRF# 彻底清理之前的编译残留（首次编译可跳过）./clean -a# 启动交互式配置./configure

执行 ./configure 后，系统会列出检测到的编译选项。以 GNU 编译器 + MPI 并行（dmpar）为例，典型选项如下：

------------------------------------------------------------------------Please select from among the following Linux x86_64 options:  1. (serial)   GNU (gfortran/gcc)  2. (smpar)    GNU (gfortran/gcc)  3. (dmpar)    GNU (gfortran/gcc)          ← 推荐：分布式内存并行  4. (dm+sm)    GNU (gfortran/gcc)  ...  34. (dmpar)   INTEL (ifort/icc)  78. (dmpar)   INTEL (ifx/icx) : oneAPI LLVM  ← Intel 新编译器  ...Enter selection [1-83] : 3

选择建议：

单机多核：选择 dmpar（分布式内存并行），稳定性最佳
Intel 编译器：若使用 Intel oneAPI，选择选项 78（ifx/icx）
嵌套选项：选择 1（basic nesting，基础嵌套）

配置成功后，会生成 configure.wrf 文件，其中包含编译规则、链接库路径等关键设置。

4.2 修改 configure.wrf（MPI 编译器适配）

若使用 Intel MPI 或 OpenMPI，可能需要手动编辑 configure.wrf，确保 MPI 包装器正确：

# 使用 vi/vim 编辑vi configure.wrf# 修改以下两行（Intel 编译器示例）DM_FC  = mpif90# 或 mpiifort（Intel MPI）DM_CC  = mpicc# 或 mpiicc（Intel MPI）

4.3 编译 KPP（化学动力学预处理）

WRF-Chem 的化学机制通过 KPP 自动生成求解器代码，必须先编译 KPP 工具链：

cd ~/Build_WRF/WRF# 编译 KPP（约 5-10 分钟）./compile 2>&1 | tee compile_kpp.log

常见问题：若 KPP 编译报错 tuv_kpp 路径错误，需修改 chem/KPP/compile_wkc 第 121 行：

原内容

$WKC_HOME/util/wkc/tuv_kpp FIRST ../../inc/

修改为

$WKC_HOME/util/wkc/tuv_kpp FIRST ../../../../inc/
```

4.4 编译 WRF-Chem 主程序

编译核心模式可执行文件，这是整个过程中最耗时的步骤（约 20-60 分钟，取决于 CPU 性能）：

cd ~/Build_WRF/WRF# 编译 em_real 案例（真实数据模拟，最常用）./compile em_real 2>&1 | tee compile_wrf.log# 后台编译（推荐，避免 SSH 断连）nohup ./compile em_real > compile_wrf.log 2>&1 &

编译成功标志：main/ 目录下应生成以下 4 个可执行文件：

ls -lh main/*.exe# 预期输出：# main/ndown.exe# main/real.exe# main/tc.exe# main/wrf.exe

若缺少任一文件，需检查 compile_wrf.log 中的报错信息。

4.5 编译排放转换工具（可选但推荐）

WRF-Chem 需要将外部排放数据转换为模式输入格式，需编译 convert_emiss：

cd ~/Build_WRF/WRF./compile emi_conv 2>&1 | tee compile_emi.log

成功后会在 chem/ 目录下生成 convert_emiss.exe。

五、WPS 前处理系统编译

WPS（WRF Preprocessing System）负责将气象再分析资料（如 ERA5、FNL、GFS）插值到 WRF 模拟网格上，其编译依赖已成功编译的 WRF。

5.1 下载与配置

cd ~/Build_WRFgit clone https://github.com/wrf-model/WPS.gitcd WPS./configure

WPS 配置选项通常选择对应编译器的 serial 或 dmpar 版本。注意：WPS 通常选择serial（串行）编译即可，因其计算量较小且并行版本容易报错。

5.2 编译 WPS

cd ~/Build_WRF/WPS./compile 2>&1 | tee compile_wps.log

成功标志：生成 3 个可执行文件：

ls -lh *.exe# 预期输出：# geogrid.exe# ungrib.exe# metgrid.exe

六、化学机制与方案配置

6.1 化学机制概述

WRF-Chem 的化学机制通过 chem_opt 参数在 namelist.input 中指定，决定了气相化学、气溶胶模块及光化学的耦合方式。常见机制组合如下：

chem_opt	气相化学	Aerosol 方案	适用场景
0	无	无	纯气象模拟（第一步运行）
1	RADM2	无	早期臭氧研究
2	RADM2	MADE/SORGAM	区域气溶胶模拟
8	CBMZ	MOSAIC (8-bin)	详细气溶胶微物理
9	CBMZ	MOSAIC (4-bin)	平衡精度与效率
112	T1-MOZCART	GOCART	全球-区域尺度空气质量
202	MOZCART	GOCART	NCAR 实时预报系统
301	SAPRC99	MOSAIC	复杂 VOC 氧化机制

机制选择建议：区域空气质量研究推荐 chem_opt = 8/9（CBMZ-MOSAIC）；大尺度或气候相关研究推荐 chem_opt = 112/202（MOZCART-GOCART）。

6.2 namelist.input 化学部分核心参数

&chemchem_opt=8,        8,        8,       ! 化学机制（各域可不同） chem_in_opt                     = 1,        1,        1,       ! 化学初始场输入方式 emiss_inpt_opt                  = 1,        1,        1,       ! 排放输入格式（1=二进制, 2=netCDF） emiss_opt                       = 3,        3,        3,       ! 排放选项（3=RADM2/WRF标准） chem_in_spec                    = 'default', 'default', 'default', ! 光化学方案 phot_opt                        = 1,        1,        1,       ! 1=Madronich, 2=Fast-J ! 干湿沉降 drydep_opt                      = 1,        1,        1,       ! 干沉降方案 wetdep_opt                      = 1,        1,        1,       ! 湿沉降方案 ! 生物源排放 bio_emiss_opt                   = 3,        3,        3,       ! 3=MEGAN在线计算 dust_opt                        = 1,        1,        1,       ! 沙尘排放 seas_opt                        = 1,        1,        1,       ! 海盐排放 ! 气溶胶光学 aer_ra_feedback                 = 1,        1,        1,       ! 气溶胶辐射反馈（双向耦合） /

6.3 物理-化学耦合关键参数

化学模拟对气象场精度敏感，以下物理方案选择需与化学过程协调：

&physicsmp_physics=8,        8,        8,       ! Thompson 微物理（推荐用于化学） ra_lw_physics                   = 4,        4,        4,       ! RRTMG 长波辐射 ra_sw_physics                   = 4,        4,        4,       ! RRTMG 短波辐射（支持气溶胶光学） sf_sfclay_physics             = 1,        1,        1,       ! MM5 相似理论 sf_surface_physics            = 2,        2,        2,       ! Noah 陆面模式 bl_pbl_physics                = 1,        1,        1,       ! YSU PBL（化学常用） cu_physics                    = 2,        0,        0,       ! KF 积云对流（仅粗网格） /

七、排放数据准备与预处理

WRF-Chem 需要三类排放数据作为化学过程的源项：

7.1 排放数据分类

排放类型	处理工具	输出文件名格式
人为排放	`prep_chem_sources` / `anthro_emiss`	`wrfchemi_d01` / `emissopt3_d01`
生物源排放	MEGAN	`wrfbiochemi_d01`
生物质燃烧	FINN / `prep_chem_sources`	`wrffirechemi_d01`
气溶胶背景场	`prep_chem_sources`	`wrf_gocart_bg`

7.2 人为排放处理流程（以 prep_chem_sources 为例）

# 1. 编译前处理工具cd prep_chem_sources/bin/buildmake OPT=gcc.wrf CHEM=RADM_WRF_FIM# 2. 修改输入参数文件vim ../prep_chem_sources.inp# 关键参数：#   domains = 1#   wrf_dir = '/path/to/wrfinput'#   emission_data_dir = '/path/to/EDGAR_or_RETRO'# 3. 执行映射程序./prep_chem_sources_RADM_WRF_FIM_.exe# 4. 输出二进制文件转换# 生成：WRF-T-YYYY-MM-DD-000000-g3-ab.bin（人为排放）#       WRF-T-YYYY-MM-DD-000000-g3-bb.bin（生物质燃烧）

7.3 使用 convert_emiss 生成模式输入

将 prep_chem_sources 输出的二进制文件链接到 WRF 运行目录并转换：

cd ~/Build_WRF/WRF/test/em_real# 链接排放文件ln -s /path/to/emissions/WRF-T-*-ab.bin emissopt3_d01ln -s /path/to/emissions/WRF-T-*-bb.bin emissfire_d01ln -s /path/to/emissions/WRF-T-*-gocartBG.bin wrfchemi_gocart_bg_d01# 运行转换程序./convert_emiss.exe

7.4 MEGAN 生物源排放处理

# 修改 MEGAN 输入文件vim megan_bio_emiss.inp&control domains = 1, start_lai_mnth = 1, end_lai_mnth = 12, wrf_dir = '/path/to/wrfinput', megan_dir = '/path/to/MEGAN_data',/# 执行./megan_bio_emiss.exe < megan_bio_emiss.inp# 输出：wrfbiochemi_d01

八、模式运行完整流程

WRF-Chem 的运行分为两个关键阶段：

第一阶段：纯气象场模拟（chem_opt = 0）

此阶段关闭化学模块，仅生成气象初始场和边界场：

&chemchem_opt=0, 0, 0,    ! 关闭化学 /

# 1. WPS 前处理（geogrid → ungrib → metgrid）./geogrid.exe./ungrib.exe./metgrid.exe# 2. 生成气象初始/边界场./real.exe# 输出：wrfinput_d01, wrfbdy_d01

第二阶段：化学场耦合运行

准备排放数据后，重新运行 real.exe 并开启化学选项：

&chemchem_opt=8, 8, 8,           ! 启用 CBMZ-MOSAICemiss_inpt_opt=1, 1, 1, emiss_opt = 3, 3, 3, bio_emiss_opt = 3, 3, 3, /

# 1. 将排放数据链接到运行目录ln -sf /path/to/wrfchemi_d01 .ln -sf /path/to/wrfbiochemi_d01 .ln -sf /path/to/wrffirechemi_d01 .# 2. 重新运行 real.exe（合并化学变量）./real.exe# 输出：包含化学变量的 wrfinput_d01, wrfbdy_d01# 3. （可选）使用 MOZBC 设置化学边界条件./mozbc < mozbc.inp# 4. 运行主模式mpirun -np 64 ./wrf.exe

8.1 namelist.input 时间控制与排放输入示例

&time_controlrun_days=0, run_hours                       = 24, run_minutes                     = 0, run_seconds                     = 0, start_year                      = 2024, 2024, 2024, start_month                     = 01,   01,   01, start_day                       = 15,   15,   15, start_hour                      = 00,   00,   00, end_year                        = 2024, 2024, 2024, end_month                       = 01,   01,   01, end_day                         = 16,   16,   16, end_hour                        = 00,   00,   00, interval_seconds                = 21600,                        ! 边界条件更新间隔（6小时） input_from_file                 = .true.,.true.,.true., history_interval                = 60,   60,   60,              ! 输出频率（分钟） frames_per_outfile              = 1, 1, 1, restart                         = .false., restart_interval                = 7200, io_form_history                 = 2, io_form_restart                 = 2, io_form_input                   = 2, io_form_boundary                = 2, ! ★ 排放数据输入配置 io_form_auxinput5               = 2,       ! 人为排放 io_form_auxinput6               = 2,       ! 生物源排放 io_form_auxinput7               = 2,       ! 生物质燃烧 io_form_auxinput8               = 2,       ! GOCART 背景场 io_form_auxinput12              = 2, auxinput5_inname                = 'wrfchemi_d', auxinput6_inname                = 'wrfbiochemi_d', auxinput7_inname                = 'wrffirechemi_d', auxinput8_inname                = 'wrfchemi_gocart_bg_d', auxinput5_interval_m            = 1440, 1440, 1440,            ! 日更新 auxinput6_interval_m            = 1440, 1440, 1440, auxinput7_interval_m            = 1440, 1440, 1440, auxinput8_interval_m            = 1440, 1440, 1440, frames_per_auxinput5            = 1, 1, 1, frames_per_auxinput6            = 1, 1, 1, frames_per_auxinput7            = 1, 1, 1, frames_per_auxinput8            = 1, 1, 1, /

九、常见问题与排错指南

9.1 编译阶段

问题现象	可能原因	解决方案
`NetCDF not found`	环境变量未设置或库路径错误	检查 `NETCDF` 和 `LD_LIBRARY_PATH`
`KPP compilation failed`	子模块未完整下载	重新 clone 并加 `--recurse-submodule`
`tuv_kpp: command not found`	路径层级错误	修改 `chem/KPP/compile_wkc` 中的相对路径
`undefined reference to mpi_`	MPI 库未正确链接	确认 `DM_FC/DM_CC` 为 mpif90/mpicc
`grib2/libpng/jasper not found`	GRIB2 支持库缺失	安装 libpng/Jasper 并设置 `JASPERLIB/JASPERINC`

9.2 运行阶段

问题现象	可能原因	解决方案
`chem_opt inconsistent with emissions`	排放数据与化学机制不匹配	确保 `chem_opt` 与排放预处理时的 `CHEM=` 参数一致
`wrf.exe 运行后化学变量全为 0`	排放数据未正确链接或时间不匹配	检查 `auxinput` 文件名与 `namelist` 中 `inname` 是否一致
`MOZBC 报错维度不匹配`	MOZART 数据未覆盖模拟区域	确保 MOZART 数据的经纬度范围覆盖 WRF 域
`生物源排放为负值`	MEGAN 输入 LAI 数据错误	检查 LAI 月份范围与模拟时间是否对应

9.3 性能优化建议

I/O 优化：设置 io_form 为 2（NetCDF4）并启用分块输出，减少单文件体积
负载均衡：化学计算负载较重时，建议 domains 分解为接近正方形的子域
重启文件：长时间模拟务必设置 restart_interval，避免意外中断后从头计算

十、总结

WRF-Chem 的完整工作流可归纳为以下步骤：

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐│Step1: 依赖库安装（NetCDF/HDF5/MPI/Flex/Jasper...）      ││Step2: 环境变量配置（WRF_CHEM=1, WRF_KPP=1）              ││Step3: WRF-Chem 源码获取（git clone --recurse-submodule） ││Step4: ./configure → 选择编译器与并行方式                ││Step5: 编译 KPP→ 编译 em_real → 检查 4 个 exe 文件     ││Step6: 编译 WPS（geogrid/ungrib/metgrid）                ││Step7: 第一阶段运行：chem_opt=0，获取纯气象场            ││Step8: 排放数据预处理（人为/生物/燃烧）                  ││Step9: 第二阶段运行：chem_opt=8/112，耦合化学场          ││Step10: 后处理与分析（NCL/Python/ARWpost）│└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

WRF-Chem 的安装与配置涉及气象、化学、高性能计算等多学科交叉知识，建议在首次部署时选择经典的 chem_opt = 8（CBMZ-MOSAIC）机制进行测试，待流程跑通后再尝试更复杂的化学机制。遇到编译错误时，务必仔细查看 compile.log 的最后 50 行，绝大多数问题均可通过环境变量修正或路径调整解决。

参考资源：