Linux使用指南

Linux 使用指南

面向测绘工程 / 大气科学（WRF 数值模拟）方向研究生
系统平台：Ubuntu（20.04 / 22.04 / 24.04）
说明：本文所有命令均为真实可用的标准命令，涵盖基础指令、软件安装、系统管理、并行计算、科学计算（netCDF/HDF5）、WRF 实战以及求职应试高频考点。命令请结合实际环境核对参数后再执行。

第一部分基础篇
- 1. Linux 概述与文件系统
- 1. 命令行基础与 Shell
- 1. 文件与目录操作
- 1. 文本查看与处理
- 1. 文件查找
- 1. 文件压缩与归档
- 1. 用户与权限管理
- 1. 环境变量与 Shell 配置
- 1. 网络与远程连接
第二部分系统管理与软件安装
- 1. 进程管理与系统监控
- 1. 系统信息与硬件
- 1. 磁盘与文件系统
- 1. 服务管理与定时任务
- 1. 软件安装（apt / 源码 / conda / pip）
第三部分文本处理与脚本编程
- 1. grep / sed / awk 与正则表达式
- 1. Vim 编辑器
- 1. Shell 脚本编程
第四部分并行计算与科学计算
- 1. 高性能计算基础
- 1. OpenMP 共享内存并行
- 1. MPI 分布式并行
- 1. SLURM 作业调度系统
- 1. 环境模块 module
- 1. 科学计算库与数据工具
- 1. WRF 模型实战
第五部分求职与应试篇
- 1. 高频面试考点
- 1. 常用命令速查表

第一部分基础篇

1. Linux 概述与文件系统

1.1 什么是 Linux

Linux 是一款开源的类 Unix 操作系统内核（Kernel），1991 年由 Linus Torvalds 发布。通常所说的”Linux 系统”是”内核 + GNU 工具集 + 发行版”的组合。常见发行版：

Debian 系：Ubuntu、Debian、Linux Mint —— 使用 apt 包管理
RedHat 系：CentOS、RHEL、Fedora —— 使用 yum/dnf 包管理
SUSE 系：openSUSE、SLES —— 使用 zypper
Arch 系：Arch Linux、Manjaro —— 使用 pacman

为什么科研（WRF）要用 Linux：

免费开源，数值模式（WRF、WRF-Chem、CMAQ）官方支持 Linux
强大的 Shell 脚本能力，便于批量处理与自动循环
适合高性能计算（HPC）集群，多节点并行
稳定、资源占用低、权限控制清晰
大量科研工具（NCL、CDO、netCDF 工具、Fortran 编译器）原生支持

1.2 Shell 与终端

终端（Terminal）：人机交互的窗口程序
Shell：解释执行命令的程序，常见 Bash（Ubuntu 默认）、Zsh、Sh、Tcsh
查看当前 Shell：echo $SHELL
查看系统默认 Shell：cat /etc/passwd | grep $(whoami)

1.3 文件系统层次标准（FHS）

Linux 一切皆文件。常用目录：

目录	用途
`/`	根目录，所有文件的起点
`/home`	普通用户家目录（如 `/home/zhangsan`）
`/root`	超级用户（root）家目录
`/etc`	系统配置文件
`/bin`、`/sbin`	系统可执行命令（sbin 多为管理员命令）
`/usr`	系统软件与库（`/usr/local` 常为手动安装软件目录）
`/var`	可变数据，如日志 `/var/log`、缓存 `/var/cache`
`/tmp`	临时文件，重启可能清空
`/opt`	第三方大型软件
`/dev`	设备文件（硬盘、终端等）
`/proc`	虚拟文件系统，内存中的系统与进程信息
`/sys`	内核与硬件信息虚拟文件系统
`/mnt`、`/media`	挂载点（U 盘、光盘等）

路径概念：

绝对路径：从根目录开始，如 /home/user/test.nc
相对路径：相对当前目录，如 ./test.nc、../data/
. 当前目录；.. 上一级目录；~ 当前用户家目录；- 上一次所在目录
使用 pwd 查看当前绝对路径

2. 命令行基础与 Shell

2.1 命令格式

1	`命令 [选项] [参数]`

ls -la /home：ls 是命令，-l、-a 是选项，/home 是参数
短选项合并：ls -la 等价于 ls -l -a
长选项：ls --all --long

2.2 常用快捷键（Bash）

快捷键	作用
`Tab`	命令/文件名/路径自动补全
`Ctrl + C`	终止当前前台进程
`Ctrl + Z`	挂起当前进程（可用 `fg` 恢复）
`Ctrl + D`	退出当前 Shell（EOF）
`Ctrl + L`	清屏（等价于 `clear`）
`Ctrl + A` / `Ctrl + E`	光标跳到行首 / 行尾
`Ctrl + U` / `Ctrl + K`	删除光标前 / 光标后内容
`Ctrl + R`	反向搜索历史命令
`↑` / `↓`	浏览历史命令
`Ctrl + W`	删除光标前一个单词

2.3 获取帮助

man 命令：查看命令手册，如 man ls（q 退出，/ 搜索，n 下一个匹配）
命令 --help 或 命令 -h：快速查看用法
info 命令：更详细的文档
whatis 命令：一句话说明命令用途
apropos 关键词：按功能关键词搜索命令

man ls
ls --help
whatis grep
apropos compress

2.4 重定向与管道

# 重定向
command > file      # 标准输出覆盖写入文件
command >> file     # 标准输出追加到文件
command < file      # 从文件读取标准输入
command 2> err.log  # 标准错误单独写入文件
command > out.log 2>&1   # 标准输出和错误都写入同一文件
command > /dev/null      # 丢弃输出（/dev/null 是黑洞设备）

# 管道：把前一个命令的输出作为后一个命令的输入
ps aux | grep wrf
ls | wc -l
cat file | head -20

注意：2>&1 表示把文件描述符 2（stderr）重定向到 1（stdout）当前指向的位置，必须写成 2>&1 而不是 2>1。

3. 文件与目录操作

3.1 目录操作

pwd                       # 显示当前工作目录
cd /home/user             # 切换目录
cd ~  或 cd               # 回到家目录
cd -                      # 回到上次目录
cd ..                     # 上一级
mkdir dir1                # 创建目录
mkdir -p a/b/c            # 递归创建多级目录
rmdir dir                 # 删除空目录（非空会报错）
ls                        # 列出文件
ls -l                     # 长格式（权限、属主、大小、时间）
ls -a                     # 显示隐藏文件（以 . 开头）
ls -lh                    # 人类可读大小（K/M/G）
ls -lt                    # 按修改时间排序
ls -lR                    # 递归列出

3.2 文件操作

touch file.txt            # 创建空文件 / 更新文件时间戳
cp file1 file2            # 复制文件
cp -r dir1 dir2           # 递归复制目录
cp -i file1 file2         # 覆盖前提示
mv file1 file2            # 移动 / 重命名
rm file                   # 删除文件
rm -r dir                 # 递归删除目录
rm -f file                # 强制删除不提示
rm -rf dir                # 慎用！强制递归删除

⚠️ rm -rf 具有破坏性，执行前务必确认路径正确，尤其是 rm -rf / 或 rm -rf ~ 会造成灾难性后果。删除重要数据前建议先备份。

3.3 链接（ln）

软链接（符号链接）：类似 Windows 快捷方式，可跨文件系统，可指向目录；源文件删除后失效
硬链接：多个名字指向同一 inode，不可跨文件系统，不可指向目录；删除其中一个不影响另一个

ln -s /data/file.txt link.txt   # 创建软链接
ln /data/file.txt hard.txt      # 创建硬链接
ls -li                          # 查看 inode 编号
readlink link.txt               # 查看软链接指向

3.4 文件类型与元信息

1 2	`file test.nc # 查看文件类型 stat test.nc # 查看详细元信息（大小、权限、时间戳、inode）`

4. 文本查看与处理

4.1 查看文件

cat file            # 输出全部内容
cat -n file         # 带行号输出
less file           # 分页查看（推荐大文件）：空格翻页、/搜索、q退出
more file           # 分页查看（功能较少）
head -20 file       # 查看前 20 行（默认 10 行）
tail -20 file       # 查看后 20 行
tail -f file        # 实时跟踪文件新增内容（看日志必备，Ctrl+C 退出）
tail -n 50 -f log.txt
nl file             # 带行号输出

4.2 文本统计与处理

wc file             # 行数、单词数、字节数
wc -l file          # 只统计行数
sort file           # 排序（默认按字典序）
sort -n file        # 按数值排序
sort -r file        # 降序
sort -k2 file       # 按第 2 列排序
uniq                # 去重（必须先 sort，只去相邻重复）
sort file | uniq -c # 统计每行出现次数
cut -d: -f1 /etc/passwd      # 按冒号分隔取第 1 列
cut -c1-10 file              # 取每行前 10 个字符
paste a.txt b.txt            # 按列合并文件
tr 'a-z' 'A-Z' < file        # 大小写转换
diff file1 file2             # 比较文件差异
cmp file1 file2              # 逐字节比较

4.3 编码与十六进制

file -i file.txt       # 查看文件编码
iconv -f gbk -t utf8 old.txt > new.txt   # 编码转换（处理中文乱码常用）
od -c file             # 八进制/字符方式查看
xxd file               # 十六进制查看

5. 文件查找

5.1 find（最强大、最常用）

find . -name "*.nc"            # 按文件名查找（当前目录递归）
find /data -name "wrfout*"     # 指定路径查找
find . -type f                 # 只找普通文件
find . -type d                 # 只找目录
find . -size +100M             # 大于 100MB 的文件
find . -size -1k               # 小于 1KB
find . -mtime -7               # 最近 7 天内修改
find . -mtime +30              # 30 天前修改
find . -name "*.log" -exec rm {} \;    # 找到后执行删除
find . -name "*.tmp" -delete           # 直接删除
find . -maxdepth 2 -name "*.nc"        # 限制搜索深度
find . -perm 755               # 按权限查找
find . -user username          # 按属主查找
find . -newer ref.txt          # 比 ref.txt 更新的文件

5.2 其他查找命令

locate wrfout        # 基于数据库快速查找（需 updatedb 更新，可能不含最新文件）
which mpirun         # 查找命令所在路径
whereis gcc          # 查找命令、源码、man 手册位置
type ls              # 显示命令类型（内置/别名/外部命令）

5.3 在文件内容中查找

grep "keyword" file          # 在文件中匹配
grep -r "keyword" /path/     # 递归搜索目录
grep -n "error" log.txt      # 显示行号
grep -i "warning" file       # 忽略大小写
grep -v "^#" config          # 排除注释行
grep -c "error" log          # 统计匹配行数
grep -l "keyword" *.txt      # 只显示包含关键字的文件名
grep -A2 -B2 "error" log     # 显示匹配行及前后各 2 行

6. 文件压缩与归档

6.1 tar（最常用）

# 打包压缩
tar -czvf archive.tar.gz dir/       # 打包并用 gzip 压缩
tar -cjvf archive.tar.bz2 dir/      # 用 bzip2 压缩（更小更慢）
tar -cJvf archive.tar.xz dir/       # 用 xz 压缩
tar -czvf archive.tar.gz --exclude="*.log" dir/   # 排除某些文件

# 解压
tar -xzvf archive.tar.gz            # 解压到当前目录
tar -xzvf archive.tar.gz -C /target # 解压到指定目录
tar -tzvf archive.tar.gz            # 只查看内容不解压
tar -xvf archive.tar                # 解压未压缩的 tar

6.2 单独压缩工具

gzip file            # 压缩为 file.gz（原文件删除）
gzip -d file.gz      # 解压
gunzip file.gz
bzip2 file           # bzip2 压缩
xz file              # xz 压缩
zip -r archive.zip dir/    # 压缩为 zip
unzip archive.zip          # 解压 zip
unzip -l archive.zip       # 查看 zip 内容

6.3 直接查看压缩文件内容

1
2
3

zcat file.gz         # 查看 gz 文件内容
zgrep "error" file.gz
zless file.gz

科研中最常见的组合是 tar -xzvf 解压源码包，以及 tar -czvf 打包结果数据。建议统一使用 .tar.gz。

7. 用户与权限管理

7.1 用户与用户组概念

用户信息：/etc/passwd；组信息：/etc/group；密码（加密）：/etc/shadow
每个用户有 UID（用户 ID），root 的 UID 为 0
每个文件有属主（owner）、属组（group）、其他用户（others）

7.2 查看用户与身份

whoami          # 当前用户名
id              # 当前用户 UID、GID、所属组
id username     # 查看指定用户
who             # 当前登录用户
w               # 登录用户及其操作
last            # 最近登录记录
groups          # 当前用户所属组

7.3 用户管理（需 root 或 sudo）

sudo useradd -m -s /bin/bash zhangsan     # 创建用户并建家目录、指定 Shell
sudo passwd zhangsan                      # 设置/修改密码
sudo userdel -r zhangsan                  # 删除用户并删除家目录
sudo usermod -aG sudo zhangsan            # 把用户加入 sudo 组（-aG 追加）
sudo usermod -s /bin/zsh zhangsan         # 修改用户默认 Shell
sudo groupadd team1                       # 创建组
sudo groupdel team1                       # 删除组

7.4 权限基础

ls -l 输出中权限字段共 10 位，例如 -rwxr-xr--：

第 1 位：文件类型（- 普通文件、d 目录、l 链接、b/c 设备）
第 2-4 位：属主权限（r 读、w 写、x 执行）
第 5-7 位：属组权限
第 8-10 位：其他用户权限

权限数值（二进制加权）：读 r=4，写 w=2，执行 x=1

数值	含义
7	rwx（读+写+执行）
6	rw-（读+写）
5	r-x（读+执行）
4	r–（只读）
0	—（无权限）

7.5 chmod（修改权限）

chmod 755 script.sh     # rwxr-xr-x，属主可读写执行，其他人可读执行
chmod 644 file.txt      # rw-r--r--，常见于普通数据文件
chmod 600 id_rsa        # rw-------，私钥文件必须这样
chmod +x script.sh      # 给所有用户加执行权限
chmod u+x file          # 仅属主加执行权限
chmod g-w file          # 去掉组写权限
chmod -R 755 dir/       # 递归修改目录下所有文件

7.6 chown / chgrp（修改属主属组）

sudo chown user file                # 修改属主
sudo chown user:group file          # 同时修改属主和属组
sudo chown -R user:group dir/       # 递归修改
sudo chgrp group file               # 只修改属组

7.7 特殊权限

setuid (4xxx)：执行时以文件属主身份运行（如 /usr/bin/passwd）
setgid (2xxx)：目录内新建文件继承目录属组
sticky (1xxx)：目录内只能删除自己创建的文件（如 /tmp，权限为 drwxrwxrwt）

1 2	`chmod u+s /path/file # 加 setuid chmod 1777 /tmp # rwxrwxrwt，sticky 位`

7.8 默认权限 umask

1 2	`umask # 查看当前 umask（如 0022） umask 022 # 修改默认权限掩码`

7.9 su 与 sudo

su -                  # 切换到 root（- 表示同时加载 root 环境）
su - username         # 切换到指定用户
sudo command          # 以 root 权限执行单条命令
sudo -i               # 进入 root 交互 Shell
sudo -u user command  # 以指定用户身份执行

sudo 权限由 /etc/sudoers 控制（用 visudo 编辑）。sudo 执行需要密码，密码有缓存时间（默认 15 分钟）。

8. 环境变量与 Shell 配置

8.1 环境变量

echo $PATH               # 查看 PATH
printenv                 # 打印所有环境变量
env                      # 同上
export MYVAR=value       # 定义并导出环境变量（子进程可见）
MYVAR=value              # 仅当前 Shell 生效的变量
unset MYVAR              # 删除变量

常用环境变量：

PATH：可执行文件搜索路径（冒号分隔）
HOME：当前用户家目录
SHELL：当前 Shell
LANG：语言环境（如 zh_CN.UTF-8）
LD_LIBRARY_PATH：动态库搜索路径（源码编译软件常需设置）
NETCDF、HDF5、MPICH：科学计算软件自定义变量（WRF 安装关键）

8.2 修改 PATH

# 临时生效（当前终端）
export PATH=$PATH:/opt/software/bin

# 永久生效：写入 ~/.bashrc
echo 'export PATH=$PATH:/opt/software/bin' >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc

8.3 Shell 配置文件加载顺序

登录式 Shell（ssh 登录）：/etc/profile → ~/.profile（或 ~/.bash_profile）→ ~/.bashrc
非登录式 Shell（新终端）：~/.bashrc

1	`source ~/.bashrc # 立即重新加载配置（等价于 . ~/.bashrc）`

8.4 常用配置示例（~/.bashrc）

# 别名
alias ll='ls -alF'
alias la='ls -A'
alias rm='rm -i'
alias q='exit'

# 提示符
export PS1='\u@\h:\w\$ '

# WRF 相关环境变量（示例）
export DIR=/home/user/Build_WRF
export PATH=$DIR/netcdf/bin:$PATH
export NETCDF=$DIR/netcdf

8.5 命令历史

history          # 查看历史命令
history 20       # 查看最近 20 条
!ls              # 重新执行最近以 ls 开头的命令
!!               # 重新执行上一条命令
!$               # 上一条命令的最后一个参数

8.6 通配符

ls *.nc          # 匹配任意多个字符
ls file?.txt     # ？匹配单个字符
ls [abc]*.txt    # 匹配 a/b/c 开头
ls file[1-3].txt # 匹配数字 1-3
ls {1..10}.txt   # 花括号展开（Bash）

8.7 命令替换与变量替换

echo "Today is $(date)"        # $( ) 命令替换
echo "Today is `date`"         # 反引号命令替换（旧写法）
echo $HOME                     # 变量引用
echo ${HOME}                   # 变量引用（推荐写法）

9. 网络与远程连接

9.1 网络信息查看

ip addr              # 查看 IP 地址（推荐）
ip route             # 查看路由
hostname             # 查看主机名
hostname -I          # 查看本机 IP
ss -tulnp            # 查看监听端口（推荐，替代 netstat）
netstat -tulnp       # 旧命令，需安装 net-tools
ping www.baidu.com   # 测试连通性
traceroute host      # 路由追踪
nslookup domain      # DNS 查询
dig domain           # DNS 查询（更详细）
curl -I https://xxx  # 查看 HTTP 响应头

9.2 SSH 远程登录

# 基本登录
ssh user@192.168.1.100
ssh -p 2222 user@host        # 指定端口
ssh -X user@host             # 开启 X11 图形转发

# 密钥登录（免密）
ssh-keygen -t ed25519        # 生成密钥（可指定 -f ~/.ssh/id_ed25519）
ssh-copy-id user@host        # 把公钥复制到远程主机
ssh user@host                # 之后即可免密登录

# 配置文件 ~/.ssh/config（可定义主机别名）
Host cluster
    HostName 192.168.1.100
    User zhangsan
    Port 22
# 之后直接 ssh cluster

9.3 文件传输

# scp（加密拷贝）
scp file.txt user@host:/home/user/
scp -r dir user@host:/home/user/    # 递归拷贝目录
scp user@host:/path/file.txt ./     # 从远程下载

# rsync（增量同步，科研拷贝大目录首选）
rsync -avz /local/dir/ user@host:/remote/dir/
rsync -avz --delete src/ dst/       # 删除源端已不存在的文件（双向一致）
rsync -avz --progress data/ bak/    # 显示进度
rsync -e 'ssh -p 2222' src user@host:dst   # 指定端口

# sftp 交互式传输
sftp user@host
# 内部命令：get file 下载；put file 上传；ls；cd

9.4 下载工具

wget -c https://url/file.tar.gz     # 下载，-c 断点续传
wget -O name.tar.gz https://url     # 指定保存文件名
curl -O https://url/file.tar.gz     # 下载并保留原名
curl -o file https://url            # 指定文件名
curl -X POST -d "data" http://...   # 发送 POST 请求

9.5 长时间任务后台运行

nohup command > log.txt 2>&1 &      # 退出终端后仍继续运行
nohup python run.py > out.log 2>&1 &

# tmux（终端复用器，推荐，可断开重连）
tmux new -s work        # 新建会话
tmux detach             # 断开（Ctrl+B 然后 D）
tmux attach -t work     # 重新连接
tmux ls                 # 列出会话

# screen（另一种复用器）
screen -S work          # 新建
screen -r work          # 恢复

在远程服务器跑 WRF 等长时间任务，务必使用 nohup 或 tmux/screen，避免 SSH 断开导致任务中断。

第二部分系统管理与软件安装

10. 进程管理与系统监控

10.1 查看进程

ps aux              # 查看所有进程（BSD 风格）
ps -ef              # 查看所有进程（System V 风格）
ps -ef | grep wrf   # 过滤查看特定进程
pstree              # 以树状查看进程关系
pidof sshd          # 查看某程序 PID
pgrep -l python     # 按名字查 PID

ps aux 关键列：USER（用户）、PID（进程号）、%CPU、%MEM、VSZ/RSS（内存）、STAT（状态）、START、TIME、COMMAND

STAT 常见状态：R 运行、S 睡眠、D 不可中断睡眠、Z 僵尸进程、T 停止、< 高优先级、N 低优先级

10.2 动态监控

top                 # 动态监控（P 按 CPU 排序、M 按内存排序、q 退出）
htop                # 更友好的监控（需安装：sudo apt install htop）
free -h             # 查看内存使用
uptime              # 系统运行时间与负载
watch -n 2 free -h  # 每 2 秒刷新
vmstat 1 5          # 每秒输出一次，共 5 次（CPU/内存/IO）
iostat              # 磁盘 IO 监控

10.3 终止进程

kill PID            # 发送 TERM 信号（优雅终止）
kill -9 PID         # 强制终止（SIGKILL，无法被忽略）
kill -15 PID        # 默认 TERM
pkill python        # 按进程名终止
killall mpirun      # 按名称终止所有匹配进程

kill -9 是最后手段，可能导致数据丢失；先尝试 kill（TERM），无效再 -9。

10.4 后台任务管理

command &           # 后台运行
jobs                # 查看后台任务
fg %1               # 将后台任务 1 调到前台
bg %1               # 将挂起任务放后台继续运行
Ctrl+Z              # 挂起当前任务

10.5 进程优先级

1 2	`nice -n -5 command # 以更高优先级运行（nice 范围 -20~19，默认 0） renice -n -5 PID # 修改运行中进程优先级`

10.6 文件占用排查

1
2
3

lsof -i :8080       # 查看占用 8080 端口的进程
lsof file.txt       # 查看打开某文件的进程
lsof | grep deleted # 查看被删除但仍被占用的文件（磁盘空间不释放的常见原因）

10.7 日志与内核信息

dmesg               # 内核日志（硬件、驱动问题）
dmesg | tail -50    # 看最近的内核日志
journalctl          # systemd 日志
journalctl -u sshd -f   # 跟踪某服务日志

11. 系统信息与硬件

uname -a                 # 内核版本与系统架构
cat /etc/os-release      # 发行版信息
cat /etc/lsb-release     # Ubuntu 版本
lscpu                    # CPU 详细信息（核心数、线程数、架构、频率）
free -h                  # 内存总量与使用
lsblk                    # 磁盘与分区
df -h                    # 文件系统使用情况
du -sh /path             # 目录占用空间
hostnamectl              # 主机名与系统信息
uptime                   # 开机时长与负载
nproc                    # CPU 逻辑核心数（并行计算常用）
lsusb                    # USB 设备
lspci                    # PCI 设备（如显卡）

12. 磁盘与文件系统

12.1 磁盘使用情况

df -h               # 各挂载点磁盘占用（人类可读）
df -i               # inode 使用情况（inode 满但空间有余的排查）
du -sh dir/         # 目录总大小
du -sh *            # 当前目录下各项大小
du -h --max-depth=1 /home   # 限制深度

排查”磁盘满了”的标准流程：

df -h                       # 先看哪个分区满了
du -sh /* 2>/dev/null       # 逐层定位大目录
du -h --max-depth=1 /home/user 2>/dev/null | sort -hr | head
find / -xdev -size +1G -type f 2>/dev/null   # 找超大文件

12.2 挂载与卸载

mount                       # 查看当前挂载
mount /dev/sdb1 /mnt/data   # 挂载分区（需 sudo）
umount /mnt/data            # 卸载
lsblk -f                    # 查看分区格式与 UUID
blkid                       # 查看块设备 UUID

12.3 分区与格式化（了解，慎用）

1
2
3

sudo fdisk -l           # 查看磁盘与分区表
sudo fdisk /dev/sdb     # 交互式分区（危险操作）
sudo mkfs.ext4 /dev/sdb1   # 格式化为 ext4（会清空数据！）

12.4 /etc/fstab（开机自动挂载）

格式：设备 UUID 挂载点文件系统类型选项备份检查顺序

1 2	`# 示例行 UUID=xxxx-xxxx /data ext4 defaults 0 2`

修改后 sudo mount -a 生效（不要随意改动，写错可能导致无法开机）。

13. 服务管理与定时任务

13.1 systemd（现代 Ubuntu 服务管理）

systemctl status sshd        # 查看服务状态（Ubuntu 上 SSH 服务名为 ssh）
systemctl start ssh
systemctl stop ssh
systemctl restart ssh
systemctl enable ssh         # 开机自启
systemctl disable ssh        # 取消开机自启
systemctl list-units --type=service --state=running   # 列出运行中的服务
systemctl daemon-reload      # 重载配置（修改 unit 文件后）
systemd-analyze              # 分析开机耗时

注意：Ubuntu 上 SSH 服务的单元名为 ssh（不是 sshd），但 RHEL/CentOS 为 sshd。

13.2 journalctl 查看日志

1
2
3

journalctl -u ssh -n 50      # 查看 ssh 服务最近 50 行日志
journalctl -u ssh -f         # 实时跟踪
journalctl --since "1 hour ago"

13.3 crontab 定时任务

1
2
3

crontab -l          # 查看当前用户的定时任务
crontab -e          # 编辑定时任务
crontab -r          # 删除所有定时任务

cron 格式：分时日月周命令

# 每分钟执行
* * * * * command
# 每天凌晨 2 点执行
0 2 * * * /home/user/backup.sh
# 每小时的 5 分执行
5 * * * * command
# 每周一 8 点执行
0 8 * * 1 command
# 每 10 分钟
*/10 * * * * command

示例：每天凌晨 3 点备份数据

1	`0 3 * * * tar -czf /backup/data_$(date +\%Y\%m\%d).tar.gz /data`

注意：cron 命令中 % 需要转义为 \%。

13.4 at 一次性任务

1
2
3

at now + 1 hour          # 一小时后执行（然后输入命令，Ctrl+D 结束）
at 22:00                 # 晚上 10 点执行
atq                      # 查看待执行任务

14. 软件安装

14.1 apt（Debian/Ubuntu 包管理器）

sudo apt update                  # 更新软件源索引（必须定期执行）
sudo apt upgrade                 # 升级所有已安装软件
sudo apt install <包名>          # 安装软件
sudo apt install vim htop git    # 一次安装多个
sudo apt remove <包名>           # 卸载（保留配置文件）
sudo apt purge <包名>            # 彻底卸载（含配置）
sudo apt autoremove              # 自动清理无用的依赖包
sudo apt search <关键词>         # 搜索软件
apt show <包名>                  # 查看软件详情
apt list --installed             # 列出已安装软件
sudo apt clean                   # 清理下载缓存

换国内源（加速）：编辑 /etc/apt/sources.list（Ubuntu 22.04 及以后可能是 .sources 文件），将 archive.ubuntu.com 替换为清华/阿里/中科大镜像，然后 sudo apt update。

14.2 dpkg（底层包工具）

dpkg -l                # 列出所有已安装包
dpkg -L <包名>         # 查看包安装了哪些文件
dpkg -i package.deb    # 安装本地 deb 包（需 sudo）
dpkg -r <包名>         # 卸载

14.3 源码编译安装（科研软件最常见方式）

标准三步流程：

1
2
3

./configure --prefix=/opt/mylib
make
make install

常用编译参数与工具：

./configure --help                      # 查看所有配置选项
./configure --prefix=$HOME/install      # 指定安装目录
make -j4                                # 4 核并行编译（加速）
make check                              # 运行测试
make install                            # 安装
make clean                              # 清理编译中间文件

源码编译需安装编译工具链：

1 2	`sudo apt install build-essential # 含 gcc、g++、make 等 sudo apt install gfortran # Fortran 编译器（WRF 必需）`

常见编译错误排查思路：

缺少头文件 → 安装 *-dev 包
找不到库 → 检查 LD_LIBRARY_PATH、LDFLAGS
找不到编译器 → 检查 PATH 与 CC/FC 环境变量

14.4 conda / Miniconda（Python 科学环境管理）

安装 Miniconda：

1
2
3

wget https://repo.anaconda.com/miniconda/Miniconda3-latest-Linux-x86_64.sh
bash Miniconda3-latest-Linux-x86_64.sh
# 安装后重启终端或 source ~/.bashrc

常用命令：

conda create -n myenv python=3.10     # 创建环境（指定 Python 版本）
conda activate myenv                  # 激活环境
conda deactivate                      # 退出环境
conda env list                        # 查看所有环境
conda install numpy pandas            # 安装包
conda search numpy                    # 搜索包
conda list                            # 列出当前环境已装包
conda remove -n myenv --all           # 删除环境
conda env export > env.yml            # 导出环境配置
conda env create -f env.yml           # 从配置恢复环境

加速：配置国内 conda 源（清华镜像）

1
2
3

conda config --add channels https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/pkgs/main
conda config --add channels https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/pkgs/free
conda config --set show_channel_urls yes

科研建议：用 conda 创建独立环境管理 WRF 后处理工具（wrf-python、xarray、cartopy 等），避免污染系统 Python。

14.5 pip（Python 包管理）

pip install numpy                 # 安装
pip install -r requirements.txt   # 按文件批量安装
pip list                          # 列出已安装
pip show numpy                    # 查看包信息
pip uninstall numpy               # 卸载
pip freeze > requirements.txt     # 导出当前环境依赖
pip install --upgrade pip         # 升级 pip

配置国内 pip 源（清华镜像）：

1	`pip config set global.index-url https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/simple`

venv 虚拟环境（系统自带 Python 用）：

1
2
3

python3 -m venv myenv
source myenv/bin/activate
deactivate

14.6 其他安装方式

1 2	`sudo snap install <软件> # snap 包（Ubuntu 自带） sudo apt install flatpak # flatpak（较少用）`

第三部分文本处理与脚本编程

15. grep / sed / awk 与正则表达式

15.1 正则表达式基础

符号	含义	示例
`.`	任意单个字符	`a.c` 匹配 abc、axc
`*`	前一个字符重复 0 次或多次	`ab*c` 匹配 ac、abc、abbc
`+`	前一个字符重复 1 次或多次（需 -E）	`ab+c`
`?`	前一个字符出现 0 或 1 次（需 -E）	`ab?c`
`[]`	字符集合	`[abc]`、`[0-9]`、`[a-z]`
`[^]`	排除集合	`[^0-9]` 非数字
`^`	行首	`^#` 注释行
`$`	行尾	`end$`
`()`	分组	`(ab)+`
`\|`	或（需 -E）	`cat\|dog`
`{}`	重复次数（需 -E）	`a{2,4}`
`\b`	单词边界	`\bwrf\b`
`\d`、`\w`、`\s`	数字、单词字符、空白

15.2 grep（文本搜索）

grep "error" file                 # 基础匹配
grep -E "error|fail" log          # 扩展正则（或）
grep -E "^[0-9]+" file            # 行首数字
grep -P "\d+" file                # Perl 正则（\d）
grep -v "^#" config               # 排除注释行
grep -n "wrf" namelist.input      # 带行号
grep -r "SUCCESS" .               # 递归
grep -i "warning" log             # 忽略大小写
grep -w "file" txt                # 全词匹配

实用场景：

# 查看 WRF 运行日志中的成功标志
grep "SUCCESS" rsl.out.0000
# 统计错误次数
grep -c "ERROR" rsl.error.0000
# 找出包含 error 的文件
grep -rl "error" /home/user/logs/

15.3 sed（流编辑器）

基本格式：sed [选项] '脚本' 文件

sed 's/old/new/' file            # 每行第一个 old 替换为 new
sed 's/old/new/g' file           # 全部替换（g 全局）
sed -i 's/foo/bar/g' file        # 直接修改原文件（-i）
sed -n '5,10p' file              # 打印第 5-10 行
sed -n '1p' file                 # 打印第一行
sed '/^$/d' file                 # 删除空行（d 删除）
sed '/pattern/d' file            # 删除匹配行
sed -i '/^#/d' config            # 删除注释行
sed 's/^/>> /' file              # 每行行首加前缀
sed 's/$/<< /' file              # 行尾追加
sed 's/pattern/& &/' file        # & 代表匹配到的内容

实用场景：

# 备份后替换（保留原文件）
sed -i.bak 's/old/new/g' file
# 在 namelist 中批量替换路径
sed -i 's|/home/old|/home/new|g' namelist.wps

15.4 awk（文本处理神器）

基本格式：awk [选项] '模式 {动作}' 文件

awk '{print $1}' file            # 打印第一列（默认按空白分隔）
awk '{print $1, $3}' file        # 打印第一、三列
awk -F: '{print $1}' /etc/passwd # 指定分隔符为冒号
awk '{print NR, $0}' file        # NR 行号，$0 整行
awk '{sum += $1} END {print sum}' data   # 求第一列总和
awk '$3 > 100 {print $1}' data   # 条件过滤
awk 'NR>=2 && NR<=5 {print}' file # 打印 2-5 行
awk '{printf "%s %.2f\n", $1, $2}' file  # 格式化输出
awk 'BEGIN {print "start"} {print} END {print "end"}' file
awk '/pattern/ {print}' file     # 匹配正则的行
awk '{a[$1]++} END {for (k in a) print k, a[k]}' file   # 按第一列统计计数

awk 内置变量：NR 当前行号、NF 当前行字段数、$0 整行、$1~`$n 各字段、FS 字段分隔符、OFS` 输出分隔符

实用场景：

# 提取日志中的时间与温度
awk '{print $1, $2, $7}' obs.log
# 计算文件大小总和
ls -l *.nc | awk '{sum += $5} END {print sum/1024/1024 " MB"}'
# 统计各状态出现次数
ps aux | awk '{print $8}' | sort | uniq -c

16. Vim 编辑器

16.1 三种模式

普通模式：默认模式，用于移动与操作
插入模式：输入文字（按 i 进入）
命令模式：输入命令（按 : 进入）

1 2	`vim file.txt # 打开/创建文件 vim +20 file.txt # 打开并跳到第 20 行`

16.2 基本操作速查

操作	按键
进入插入模式	`i`（光标前）、`a`（光标后）、`o`（下一行新建）、`O`（上一行新建）
退出插入模式	`Esc`
保存	`:w`
退出	`:q`；强制退出 `:q!`
保存并退出	`:wq` 或 `ZZ`
移动光标	`h` `j` `k` `l`（左下上右）
跳行首/行尾	`0` / `$`
跳文件首/尾	`gg` / `G`
跳第 N 行	`:N` 或 `N G`
删除当前字符	`x`
删除当前行	`dd`
删除 N 行	`N dd`
复制当前行	`yy`
粘贴	`p`（光标后）、`P`（光标前）
撤销	`u`；重做 `Ctrl+R`
查找	`/keyword`（`n` 下一个、`N` 上一个）
替换	`:s/old/new/g`（当前行）；`:%s/old/new/g`（全文）
显示行号	`:set nu`；取消 `:set nonu`
分屏	`:sp` 水平、`:vsp` 垂直，`Ctrl+W` 切换
保存为其他文件	`:w newfile`
打开多个文件	`vim f1 f2`，`:n` 下一个，`:prev` 上一个

16.3 vim 个性化配置（~/.vimrc）

set nu              " 显示行号
set tabstop=4       " Tab 宽度
set shiftwidth=4    " 缩进宽度
set expandtab       " 用空格代替 Tab
set hlsearch        " 高亮搜索
set incsearch       " 增量搜索
syntax on           " 语法高亮
set mouse=a         " 启用鼠标

修改 WRF 的 namelist.wps、namelist.input 等配置文件，vim 是最常用工具。

17. Shell 脚本编程

17.1 脚本基础

1
2
3

#!/bin/bash
# 这是注释
echo "Hello World"

执行方式：

1
2
3

bash script.sh        # 用 bash 解释执行（无需执行权限）
./script.sh           # 直接执行（需 chmod +x）
source script.sh      # 在当前 Shell 执行（变量会保留）

17.2 变量

name="wrf"                # 赋值（等号两边不能有空格）
echo $name                # 引用
echo "${name}_run"        # 变量边界
readonly pi=3.14          # 只读变量
unset name                # 删除变量

# 位置参数
# 脚本 $0=脚本名，$1-$9 第 1-9 个参数，$# 参数个数，$@/$* 所有参数，$? 上条命令退出码
echo "脚本名: $0, 第一个参数: $1, 参数个数: $#"

17.3 数组

arr=(a b c)
echo ${arr[0]}           # a
echo ${arr[@]}           # 所有元素
echo ${#arr[@]}          # 元素个数
for i in "${arr[@]}"; do echo $i; done

17.4 运算

echo $((3 + 5))          # 整数运算
echo $((10 / 3))
# 浮点运算用 bc
echo "scale=2; 10/3" | bc

17.5 条件判断

if [ -f file ]; then
    echo "文件存在"
elif [ -d dir ]; then
    echo "是目录"
else
    echo "不存在"
fi

常用测试：

[ -f file ]    # 文件存在且为普通文件
[ -d dir ]     # 是目录
[ -e path ]    # 路径存在
[ -z "$var" ]  # 变量为空
[ -n "$var" ]  # 变量非空
[ "$a" = "$b" ]    # 字符串相等（注意 = 两边空格）
[ "$a" != "$b" ]
[ "$n" -gt 10 ]    # 数字比较：-eq -ne -gt -lt -ge -le
[ -x file ]    # 可执行
[ -r file ]    # 可读

17.6 循环

# for 数字循环
for i in {1..10}; do
    echo $i
done

# for 文件循环
for f in *.nc; do
    echo "处理 $f"
done

# while 循环
i=1
while [ $i -le 10 ]; do
    echo $i
    i=$((i+1))
done

# 读取文件每行
while read line; do
    echo "$line"
done < file.txt

# break 跳出，continue 跳过本次

17.7 case 分支

case "$1" in
    start) echo "启动" ;;
    stop)  echo "停止" ;;
    *)     echo "用法: $0 {start|stop}" ;;
esac

17.8 函数

function myfunc() {
    echo "参数: $1 $2"
    return 0
}
myfunc hello world

17.9 实用脚本示例

示例 1：批量重命名 .nc 文件（加前缀）

#!/bin/bash
for f in *.nc; do
    mv "$f" "wrf_$f"
done

示例 2：备份脚本

#!/bin/bash
backup_dir="/backup"
data_dir="/data/wrfout"
date_str=$(date +%Y%m%d_%H%M%S)
mkdir -p $backup_dir
tar -czf "$backup_dir/wrf_$date_str.tar.gz" "$data_dir"
echo "备份完成: $backup_dir/wrf_$date_str.tar.gz"

示例 3：批量提交作业（配合 sbatch）

#!/bin/bash
for case in {2019,2020,2021}; do
    sed "s/CASE/$case/g" template.slurm > run_$case.slurm
    sbatch run_$case.slurm
done

17.10 脚本调试

bash -x script.sh       # 跟踪执行过程（打印每条命令）
bash -n script.sh       # 只检查语法
# 脚本内开启
set -e      # 任何命令出错即退出
set -u      # 使用未定义变量报错
set -x      # 打印执行过程

17.11 后台与等待

#!/bin/bash
./task1.sh &
./task2.sh &
wait                  # 等待所有后台任务完成
echo "全部完成"

第四部分并行计算与科学计算

18. 高性能计算基础

18.1 为什么要并行

数值模式（WRF 等）计算量大，单核无法满足时效要求。并行方式：

共享内存并行（OpenMP / 多线程）：多核共享内存，线程间通过共享变量通信。适用于单节点。
分布式内存并行（MPI / 多进程）：进程间通过消息传递通信，可跨节点。适用于集群。

WRF 采用 MPI（分布式内存）为主，可结合 OpenMP 混合并行（较少用）。

18.2 查看计算资源

nproc                 # 逻辑 CPU 核心数
lscpu                 # CPU 详细架构（核数、线程、频率）
free -h               # 内存
df -h /data           # 数据盘空间

18.3 编译优化选项

# gcc / gfortran 常用优化选项
-O2          # 标准优化（默认推荐）
-O3          # 更激进优化
-O0          # 不优化（调试用）
-g           # 生成调试信息
-Wall        # 显示全部警告
-fopenmp     # 启用 OpenMP
-march=native # 针对本机 CPU 指令集优化
-O2 -march=native   # 常用组合

19. OpenMP 共享内存并行

19.1 概念

OpenMP 是共享内存并行编程标准，用编译指导指令 #pragma omp（C/C++）或 !$OMP（Fortran）实现。

19.2 示例（C）

#include <stdio.h>
#include <omp.h>

int main() {
    #pragma omp parallel
    {
        int tid = omp_get_thread_num();
        printf("Hello from thread %d\n", tid);
    }
    return 0;
}

19.3 编译与运行

gcc -fopenmp -o hello_omp hello.c
OMP_NUM_THREADS=4 ./hello_omp      # 用 4 个线程运行
export OMP_NUM_THREADS=8           # 或先设置环境变量
./hello_omp

19.4 常用 OpenMP 指令

#pragma omp parallel for        // 并行 for 循环
#pragma omp parallel num_threads(4)
#pragma omp critical            // 临界区（互斥）
#pragma omp reduction(+:sum)    // 归约
#pragma omp single / master     // 单线程执行

19.5 环境变量

1
2
3

OMP_NUM_THREADS        # 线程数
OMP_DYNAMIC            # 是否动态调整线程
OMP_STACKSIZE          # 栈大小

20. MPI 分布式并行

20.1 MPI 实现

MPICH：经典实现，WRF 官方教程默认推荐
OpenMPI：另一主流实现

Ubuntu 快速安装：

1 2	`sudo apt install mpich libmpich-dev # MPICH sudo apt install openmpi-bin libopenmpi-dev # OpenMPI`

查看安装：

1
2
3

mpirun --version
mpif90 --version
which mpirun

20.2 示例（C，MPI 基础流程）

#include <mpi.h>
#include <stdio.h>

int main(int argc, char **argv) {
    int rank, size;
    MPI_Init(&argc, &argv);
    MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &rank);   // 当前进程号
    MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &size);   // 总进程数
    printf("Hello from rank %d of %d\n", rank, size);
    MPI_Finalize();
    return 0;
}

20.3 编译与运行

mpicc -o hello_mpi hello.c          # C 程序用 mpicc
mpif90 -o hello_mpi hello.f90       # Fortran 程序用 mpif90
mpic++ -o hello_mpi hello.cpp       # C++ 用 mpicxx/mpic++

mpirun -np 4 ./hello_mpi            # 4 个进程并行运行
mpiexec -np 4 ./hello_mpi           # 同义命令
mpirun -np 8 ./wrf.exe              # 8 进程运行 WRF

20.4 多节点运行

# 主机文件 hostfile（每行一个节点名）
# login01
# compute01
# compute02
mpirun -np 16 -hostfile hostfile ./a.out
mpirun -np 16 --hosts compute01,compute02 ./a.out

20.5 常见 MPI 函数（了解）

MPI_Init / MPI_Finalize         // 初始化和结束
MPI_Comm_rank / MPI_Comm_size   // 获取进程号和总进程数
MPI_Send / MPI_Recv             // 点对点发送/接收
MPI_Bcast                       // 广播
MPI_Reduce / MPI_Allreduce      // 归约
MPI_Barrier                     // 同步屏障
MPI_Gather / MPI_Scatter        // 收集 / 分发

21. SLURM 作业调度系统

大多数超算中心 / 大学 HPC 平台使用 SLURM。登录节点用于编辑提交，计算节点用于跑作业。不要在登录节点直接运行大规模计算。

21.1 查看资源与队列

sinfo                     # 查看节点与分区状态
sinfo -Nel                # 详细节点信息
squeue                    # 查看作业队列
squeue -u $USER           # 只看自己的作业
squeue -l                 # 详细格式

sinfo 中节点状态：idle 空闲、alloc 已占满、mix 部分占用、down 故障、drain 维护。

21.2 提交批处理作业（sbatch）

作业脚本 job.slurm：

#!/bin/bash
#SBATCH --job-name=wrf_run        # 作业名
#SBATCH --partition=compute       # 分区
#SBATCH --nodes=1                 # 节点数
#SBATCH --ntasks=16               # 总进程数
#SBATCH --ntasks-per-node=16      # 每节点进程数
#SBATCH --cpus-per-task=1         # 每进程核数
#SBATCH --time=24:00:00           # 最长运行时间
#SBATCH --output=wrf_%j.out       # 标准输出（%j 为作业号）
#SBATCH --error=wrf_%j.err        # 错误输出
#SBATCH --mail-type=END           # 结束邮件通知
#SBATCH --mail-user=xxx@xx.com

cd $SLURM_SUBMIT_DIR              # 进入提交目录
module load mpich netcdf          # 加载环境（按平台要求）
mpirun -np $SLURM_NTASKS ./wrf.exe

提交与查看：

1
2
3

sbatch job.slurm
squeue -u $USER
scancel <jobid>            # 取消作业

21.3 交互式作业（srun / salloc）

srun --partition=compute --nodes=1 --ntasks=4 --time=01:00:00 --pty bash
# 申请资源并进入计算节点交互 Shell

salloc --ntasks=16 --time=2:00:00   # 分配资源后原地交互
mpirun -np 16 ./wrf.exe

21.4 查看作业详情与历史

scontrol show job <jobid>      # 查看作业详细信息
sacct -j <jobid>               # 查看作业计费与状态
sacct -u $USER                 # 查看自己的历史作业
sacct --format=JobID,JobName,State,Elapsed,MaxRSS,NodeList

21.5 SLURM 常用选项汇总

选项	含义
`--nodes/-N`	节点数
`--ntasks/-n`	总进程数
`--ntasks-per-node`	每节点进程数
`--cpus-per-task/-c`	每进程 CPU 核数
`--time/-t`	时间限制（DD-HH:MM:SS 或 HH:MM:SS）
`--partition/-p`	分区（队列）
`--mem`	内存需求
`--gres=gpu:1`	GPU 资源
`--job-name/-J`	作业名
`--output/--error`	输出/错误文件
`--array=1-10`	任务数组（批量并行）

21.6 PBS/Torque 简介（部分平台）

1
2
3

qsub job.pbs      # 提交
qstat             # 查看
qdel <jobid>      # 删除

22. 环境模块 module

超算平台常用 module 管理软件环境，避免冲突。

module avail            # 查看可用模块
module list             # 查看已加载
module load netcdf      # 加载
module load mpich/4.0.2
module unload netcdf    # 卸载
module purge            # 清空所有
module show netcdf      # 查看模块内容（PATH 等）

为什么用 module：不同版本软件共存、环境变量自动配置、避免污染系统环境。

23. 科学计算库与数据工具

23.1 编译器

1
2
3

gcc --version          # C 编译器
g++ --version          # C++ 编译器
gfortran --version     # Fortran 编译器（WRF 必需）

23.2 netCDF 工具

netCDF 是 WRF 输入输出采用的数据格式。命令行工具：

# 查看头信息（变量、维度、属性）——最常用
ncdump -h wrfout_d01_2026-09-01_00:00:00

# 查看全部数据
ncdump file.nc

# 查看指定变量
ncdump -v T2 file.nc

# 查看坐标变量
ncdump -c file.nc

# 图形化快速查看（需安装 ncview）
ncview wrfout_d01_2026-09-01_00:00:00

安装：

1	`sudo apt install netcdf-bin ncview`

23.3 NCO（netCDF 操作工具）

sudo apt install nco

ncks -v T2,T,PSFC in.nc out.nc     # 提取变量子集
ncatted -a units,T2,o,c,K in.nc    # 修改属性
ncra in1.nc in2.nc out.nc          # 时间维求平均
ncecat -u time *.nc out.nc         # 沿新维度拼接
ncbo in1.nc in2.nc diff.nc         # 求差
ncap2 -s "T2C=T2-273.15" in.nc out.nc   # 计算新变量
ncks -d time,0,10 in.nc out.nc     # 截取时间范围

23.4 CDO（气候数据操作工具）

sudo apt install cdo

cdo info file.nc                 # 查看变量信息
cdo daymean in.nc out.nc         # 求日平均
cdo monmean in.nc out.nc         # 求月平均
cdo timmean in.nc out.nc         # 求时间平均
cdo remapbil,r360x180 in.nc out.nc  # 重网格插值
cdo selvar,t2m in.nc out.nc      # 选变量
cdo seldate,2026-01-01,2026-01-31 in.nc out.nc   # 选时间段
cdo mergetime f*.nc out.nc       # 时间拼接

23.5 HDF5 工具

1
2
3

sudo apt install hdf5-tools
h5ls file.h5          # 列出结构
h5dump file.h5        # 转储内容

23.6 Python 科学计算栈（WRF 后处理）

常用库：numpy、scipy、pandas、matplotlib、xarray、netCDF4、wrf-python、cartopy、metpy、pyshp

conda create -n wrf python=3.10
conda activate wrf
conda install numpy scipy matplotlib xarray netcdf4
pip install wrf cartopy metpy

# xarray 读取 wrfout 示例
import xarray as xr
ds = xr.open_dataset('wrfout_d01_2026-09-01_00:00:00')
print(ds['T2'].values)          # 2m 温度
print(ds.data_vars)

# wrf-python 示例
from netCDF4 import Dataset
import wrf
nc = Dataset('wrfout_d01_2026-09-01_00:00:00')
slp = wrf.getvar(nc, 'slp')     # 海平面气压
wrf.cartopy_xlim(slp)

23.7 常用数据格式

格式	说明	查看工具
NetCDF (.nc)	WRF 输入输出、大气科学标准格式	ncdump、ncview、NCO、CDO
GRIB (.grb/.grb2)	气象业务数据（如 GFS、ERA5）	wgrib2、grib_ls
HDF5 (.h5)	科学数据通用格式	h5ls、h5dump
二进制 (.dat)	无头信息，需说明文档	od、xxd

24. WRF 模型实战

24.1 WRF 简介

WRF（Weather Research and Forecasting）是下一代中尺度天气预报模式，广泛应用于科研与业务。编译运行依赖：

netCDF-C + netCDF-Fortran：数据 I/O 库（WRF 的 Fortran 代码必须链接 Fortran 接口）
HDF5：netCDF-4 底层存储库
zlib、libpng、Jasper：GRIB2 压缩支持（WPS ungrib 处理 GRIB2 数据需要）
MPICH（或 OpenMPI）：并行库
gcc、gfortran、make：编译工具链

24.2 环境准备

# 系统工具
sudo apt update
sudo apt install -y build-essential gfortran cpp m4 csh tcsh \
    curl wget git unzip byacc flex bison libssl-dev libxml2-dev cmake

# 检查编译器
gcc --version
gfortran --version
make --version

24.3 目录规划与依赖库编译

1
2
3

export DIR=$HOME/Build_WRF
mkdir -p $DIR/src $DIR/LIBRARIES
cd $DIR/src

1) 编译安装 netCDF（C 与 Fortran）

cd $DIR/src
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
wget https://zlib.net/zlib-1.3.1.tar.gz
wget https://support.hdfgroup.org/ftp/HDF5/releases/hdf5-1.14/hdf5-1.14.3/src/hdf5-1.14.3.tar.gz
wget https://github.com/OSGeo/libpng/archive/refs/tags/v1.6.39.tar.gz
wget https://github.com/jasper-software/jasper/archive/refs/tags/version-2.0.33.tar.gz
wget https://www.mpich.org/static/downloads/4.2.3/mpich-4.2.3.tar.gz

按顺序编译：zlib → HDF5 → netCDF-C → netCDF-Fortran（netCDF-Fortran 依赖 C 库）。

# zlib
cd $DIR/src
tar -xzvf zlib-1.3.1.tar.gz && cd zlib-1.3.1
./configure --prefix=$DIR/grib2
make -j4 && make install

# HDF5
cd $DIR/src
tar -xzvf hdf5-1.14.3.tar.gz && cd hdf5-1.14.3
./configure --prefix=$DIR/grib2 --with-zlib=$DIR/grib2 --disable-shared
make -j4 && make install

# netCDF-C
cd $DIR/src
tar -xzvf netcdf-c-4.9.2.tar.gz && cd netcdf-c-4.9.2
CPPFLAGS=-I$DIR/grib2/include LDFLAGS=-L$DIR/grib2/lib \
    ./configure --prefix=$DIR/netcdf --disable-dap --disable-shared
make -j4 && make install

# netCDF-Fortran
cd $DIR/src
tar -xzvf netcdf-fortran-4.6.1.tar.gz && cd netcdf-fortran-4.6.1
CPPFLAGS=-I$DIR/netcdf/include LDFLAGS=-L$DIR/netcdf/lib \
    LIBS=-lnetcdf ./configure --prefix=$DIR/netcdf --disable-shared
make -j4 && make install

2) 编译安装 MPICH

cd $DIR/src
tar -xzvf mpich-4.2.3.tar.gz && cd mpich-4.2.3
./configure --prefix=$DIR/mpich
make -j4 && make install

3) 配置环境变量（写入 ~/.bashrc 持久化）

cat >> ~/.bashrc << 'EOF'
export DIR=$HOME/Build_WRF
export PATH=$DIR/netcdf/bin:$DIR/grib2/bin:$DIR/mpich/bin:$PATH
export NETCDF=$DIR/netcdf
export HDF5=$DIR/grib2
export JASPERLIB=$DIR/grib2/lib
export JASPERINC=$DIR/grib2/include
export LD_LIBRARY_PATH=$DIR/netcdf/lib:$DIR/grib2/lib:$LD_LIBRARY_PATH
EOF
source ~/.bashrc

版本号请以 WRF 官方在线教程（https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/OnLineTutorial/）当前推荐版本为准。不同 WRF 版本对依赖库版本有兼容性要求，务必核对官方教程。

24.4 编译 WRF

cd $DIR
wget https://github.com/wrf-model/WRF/releases/download/v4.5.2/v4.5.2.tar.gz
tar -xzvf v4.5.2.tar.gz
cd WRF-4.5.2
./configure

./configure 会进入交互菜单，选择 Fortran 编译器为 gcc (gfortran)、并行方式为 dmpar 的选项。不同版本序号不同（WRF 4.x 中通常为 34 或 35 号附近），务必以屏幕菜单实际显示的选项为准，例如选 34 后提示 Configuration successful。

# 编译（em_real 是大气模式核心，含 real.exe 和 wrf.exe）
./compile em_real 2>&1 | tee compile.log

# 检查是否成功：main 目录下应存在 4 个可执行文件
ls -l main/*.exe
# wrf.exe  real.exe  ndown.exe  tc.exe

若缺文件，用 grep -E "Error|错误" compile.log 排查。

24.5 编译 WPS（前处理）

cd $DIR
wget https://github.com/wrf-model/WPS/releases/download/v4.5/v4.5.tar.gz
tar -xzvf v4.5.tar.gz
cd WPS-4.5
./configure
# 选择 gfortran + dmpar 对应选项（以菜单为准）
./compile 2>&1 | tee compile.log
ls geogrid.exe ungrib.exe metgrid.exe   # 三个都应存在

下载静态地理数据（geogrid 需要）：

1
2
3

cd $DIR
wget https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/src/wps_files/geog_complete.tar.gz
tar -xzvf geog_complete.tar.gz    # 解压出 WPS_GEOG 目录

24.6 WRF 标准运行流程

第 1 步：geogrid（定义模拟区域，生成静态地形场）

1
2
3

cd $DIR/WPS-4.5
vi namelist.wps     # 修改模拟区域（max_dom、e_we、e_sn、dx、dy、ref_lat、ref_lon 等）
./geogrid.exe       # 生成 geo_em.d01.nc（成功输出 Successful completion of geogrid）

第 2 步：ungrib（解码 GRIB 气象数据）

1
2
3

./link_grib.csh /path/to/your/gfs_files/*.grib2    # 链接 GRIB 数据
ln -sf ungrib/Variable_Tables/Vtable.GFS Vtable    # 链接变量表（GFS 数据用 Vtable.GFS）
./ungrib.exe       # 生成 FILE:YYYY-MM-DD_HH 中间文件

第 3 步：metgrid（水平插值到模式网格）

1 2	`vi namelist.wps # 确认 fg_name = 'FILE' ./metgrid.exe # 生成 met_em.d01.YYYY-MM-DD_HH.nc`

第 4 步：real（生成初始场与边界条件）

cd $DIR/WRF-4.5.2/run
ln -sf /path/to/WPS/met_em.d01.* .
vi namelist.input  # 修改与 namelist.wps 一致的模拟区域、时间
./real.exe         # 生成 wrfinput_d01 和 wrfbdy_d01

第 5 步：wrf（运行模式主程序）

1	`./wrf.exe`

dmpar 版本用 mpirun 并行运行：
1
2
mpirun -np 8 ./real.exe
mpirun -np 8 ./wrf.exe

24.7 运行结果检查

# 检查并行日志（dmpar 会生成 rsl.out.0000 等文件）
tail -20 rsl.out.0000
tail -20 rsl.error.0000

# 成功标志
grep "SUCCESS" rsl.out.0000
# real 成功: SUCCESS COMPLETE REAL_EM INIT
# wrf 成功:   SUCCESS COMPLETE WRF

# 检查输出文件
ls wrfout_d01_*    # 模式输出（每隔一定时间一个文件）
ncdump -h wrfout_d01_2026-09-01_00:00:00

24.8 常见错误与排查

现象	常见原因	排查方向
`real.exe` 找不到文件	met_em 未链接或 namelist 不一致	检查 run 目录下的 met_em 链接、时间设置
CFL 错误 / 计算崩溃	时间步长太大	减小 `time_step`（建议 dx/（6×风速量级））
编译缺库	依赖库未安装或路径错	检查 NETCDF/HDF5/JASPERLIB 环境变量
`configure` 找不到 Fortran	gfortran 未装	`sudo apt install gfortran`
ungrib 报 GRIB2 错误	Jasper/libpng 缺失	检查 JASPERLIB/JASPERINC 与 Vtable 链接
运行到一半 stopped	磁盘满 / 内存不足 / 超过时限	`df -h`、`free -h`、查看 rsl.error.0000

24.9 WRF 后处理

# 时间维度信息
ncdump -h wrfout_d01_* | head -50
# 变量裁剪与计算（NCO）
ncks -v T2,PSFC,RAINC wrfout_d01_* out.nc
# 可视化
ncview wrfout_d01_2026-09-01_00:00:00
# Python 后处理
conda activate wrf
python plot_wrf.py

超算上提交 WRF 的 SLURM 脚本模板：

#!/bin/bash
#SBATCH --job-name=wrf
#SBATCH --partition=compute
#SBATCH --nodes=1
#SBATCH --ntasks-per-node=32
#SBATCH --time=48:00:00
#SBATCH --output=wrf_%j.out
#SBATCH --error=wrf_%j.err

cd $SLURM_SUBMIT_DIR
module load intel mpich netcdf   # 按平台环境修改
mpirun -np $SLURM_NTASKS ./wrf.exe

第五部分求职与应试篇

25. 高频面试考点

25.1 场景题（必会）

Q1：服务器 CPU/内存/磁盘满，如何排查？

top          # CPU 占用，按 P 排序找占用最高进程
free -h      # 内存
df -h        # 磁盘空间
du -sh /*    # 定位大目录
ps aux --sort=-%mem | head   # 内存占用前几名

Q2：某端口被占用，如何定位进程？

1 2	`ss -tulnp \| grep 8080 lsof -i :8080`

Q3：如何查找某个文件？

1 2	`find / -name "wrfout*" 2>/dev/null locate wrfout`

Q4：如何实时查看日志？

1 2	`tail -f /var/log/syslog journalctl -f -u ssh`

Q5：如何找出并杀掉占用资源的进程？

1 2	`ps aux \| grep python kill -9 <PID>`

25.2 概念题

1. 软链接 vs 硬链接

软链接：指向路径，可跨文件系统，可指目录，源删除则失效，有自己的 inode
硬链接：指向 inode，不可跨文件系统，不可指目录，源删除不影响

2. 进程 vs 线程

进程是资源分配的基本单位，有独立地址空间
线程是 CPU 调度的基本单位，共享进程地址空间

3. 管道 vs 重定向

管道 |：前命令输出作为后命令输入
重定向：改变输入/输出流向（文件等）

4. 僵尸进程 vs 孤儿进程

僵尸进程：子进程已退出但父进程未回收（wait），占用少量资源；用 ps aux | grep Z 查看
孤儿进程：父进程先退出，被 init（PID 1）收养

5. inode 是什么

存储文件元信息（权限、属主、大小、数据块指针）的数据结构，ls -i 查看 inode 号；df -i 查看 inode 使用

6. 如何设置开机自启

1	`systemctl enable service`

7. 绝对路径与相对路径

绝对路径从根 / 开始；相对路径相对当前目录

8. > >> 2>&1 区别

> 覆盖、>> 追加、2>&1 把标准错误并入标准输出

9. 如何彻底删除用户

1	`sudo userdel -r username`

10. 查看系统版本

1 2	`cat /etc/os-release uname -a`

25.3 高频命令问答

问题	答案
查看端口监听	`ss -tulnp` / `netstat -tulnp`
查看进程	`ps aux` / `top`
查找文件	`find` / `locate`
查看文件内容	`cat` / `less` / `tail`
文本查找	`grep`
文本替换	`sed 's/old/new/g'`
按列处理	`awk`
压缩解压	`tar -czvf` / `tar -xzvf`
查看磁盘	`df -h`
查看目录大小	`du -sh`
远程拷贝	`scp` / `rsync`
查看内存	`free -h`
修改权限	`chmod`
定时任务	`crontab -e`
查看历史	`history`
查看系统负载	`uptime` / `top`

25.4 面试常问的 Linux 核心概念

发行版与内核的区别
Shell 环境变量 PATH 的作用与修改
硬链接/软链接区别（上文）
进程状态（R/S/D/Z/T）
信号（SIGTERM=15、SIGKILL=9）
文件系统挂载 mount/umount
swap 分区的作用
静态库(.a) vs 动态库(.so)：静态库链接进程序，动态库运行时加载（LD_LIBRARY_PATH）
DNS、DHCP 基本概念
防火墙 ufw（Ubuntu）：sudo ufw status、sudo ufw allow 22

26. 常用命令速查表

26.1 文件与目录

命令	作用
`ls` / `ls -la`	列出 / 详细列出
`cd` `pwd`	切换 / 查看目录
`mkdir -p` / `rmdir`	创建 / 删除目录
`cp -r` / `mv` / `rm -rf`	复制 / 移动 / 删除
`touch`	创建空文件
`ln -s`	软链接
`file` `stat`	文件类型 / 元信息

26.2 文本查看与处理

命令	作用
`cat` `less` `more`	查看文件
`head` `tail`	首尾 N 行
`tail -f`	实时跟踪
`wc -l`	统计行数
`sort` `uniq`	排序 / 去重
`cut` `paste`	列操作
`tr`	字符转换
`diff`	文件比较

26.3 查找

命令	作用
`find`	按条件查找
`grep`	内容查找
`which` `whereis` `locate`	定位命令 / 文件

26.4 权限与用户

命令	作用
`chmod` `chown` `chgrp`	权限 / 属主 / 属组
`useradd` `userdel` `usermod`	用户管理
`passwd`	改密码
`su` `sudo`	切换 / 提权
`id` `whoami` `who`	身份查看

26.5 进程与系统

命令	作用
`ps` `top` `htop`	查看进程
`kill` `pkill` `killall`	终止进程
`free` `df` `du`	内存 / 磁盘
`uptime` `uname` `lscpu`	系统信息
`nohup` `&` `jobs` `fg` `bg`	后台任务

26.6 网络

命令	作用
`ssh`	远程登录
`scp` `rsync` `sftp`	文件传输
`wget` `curl`	下载
`ping` `ip addr` `ss`	网络诊断
`hostname`	主机名

26.7 软件与压缩

命令	作用
`apt` `dpkg`	软件管理
`make` `make install`	源码编译
`conda` `pip`	Python 环境
`tar` `gzip` `zip`	压缩归档

26.8 服务与任务

命令	作用
`systemctl`	服务管理
`journalctl`	日志查看
`crontab`	定时任务
`at`	一次性任务

26.9 并行与科学计算

命令	作用
`mpirun -np N`	MPI 并行运行
`sbatch` `squeue` `sinfo` `scancel` `sacct`	SLURM 作业管理
`module load`	环境模块
`ncdump` `ncview` `ncks` `cdo`	netCDF 数据处理
`gfortran` `gcc`	编译
`nproc` `lscpu`	查看核数

结语

这份指南覆盖了从基础命令到 WRF 实战的完整路径。建议学习路线：

打基础：掌握第一、二、三部分（命令、权限、系统管理、脚本）
并行能力：掌握第四部分 18-23 章（这是超算和科研求职的核心竞争力）
结合科研：按第 24 章完整走一遍 WRF 安装与运行流程
应试准备：用第 25-26 章做考前速查与自测

学习建议：任何命令都可以用 man 查询官方手册；多动手练习，多读日志，才是掌握 Linux 的最好方式。所有命令都建议先在本地 Ubuntu 虚拟机或实验机上验证后再用于生产环境。

Linux

#Linux #WRF

Linux使用指南

http://example.com/2026/09/07/Linux使用指南/

作者

Pengwen Zhang

发布于

2026年9月7日

许可协议

Hello World 上一篇

WRF在Linux系统下的安装教程（手动编译）下一篇

Linux使用指南

Linux 使用指南

目录

第一部分 基础篇

1. Linux 概述与文件系统

1.1 什么是 Linux

1.2 Shell 与终端

1.3 文件系统层次标准（FHS）

2. 命令行基础与 Shell

2.1 命令格式

2.2 常用快捷键（Bash）

2.3 获取帮助

2.4 重定向与管道

3. 文件与目录操作

3.1 目录操作

3.2 文件操作

3.3 链接（ln）

3.4 文件类型与元信息

4. 文本查看与处理

4.1 查看文件

4.2 文本统计与处理

4.3 编码与十六进制

5. 文件查找

5.1 find（最强大、最常用）

5.2 其他查找命令

5.3 在文件内容中查找

6. 文件压缩与归档

6.1 tar（最常用）

6.2 单独压缩工具

6.3 直接查看压缩文件内容

7. 用户与权限管理

7.1 用户与用户组概念

7.2 查看用户与身份

7.3 用户管理（需 root 或 sudo）

7.4 权限基础

7.5 chmod（修改权限）

7.6 chown / chgrp（修改属主属组）

7.7 特殊权限

7.8 默认权限 umask

7.9 su 与 sudo

8. 环境变量与 Shell 配置

8.1 环境变量

8.2 修改 PATH

8.3 Shell 配置文件加载顺序

8.4 常用配置示例（~/.bashrc）

8.5 命令历史

8.6 通配符

8.7 命令替换与变量替换

9. 网络与远程连接

9.1 网络信息查看

9.2 SSH 远程登录

9.3 文件传输

9.4 下载工具

9.5 长时间任务后台运行

第二部分 系统管理与软件安装

10. 进程管理与系统监控

10.1 查看进程

10.2 动态监控

10.3 终止进程

10.4 后台任务管理

10.5 进程优先级

10.6 文件占用排查

10.7 日志与内核信息

11. 系统信息与硬件

12. 磁盘与文件系统

12.1 磁盘使用情况

12.2 挂载与卸载

12.3 分区与格式化（了解，慎用）

12.4 /etc/fstab（开机自动挂载）

13. 服务管理与定时任务

13.1 systemd（现代 Ubuntu 服务管理）

13.2 journalctl 查看日志

13.3 crontab 定时任务

13.4 at 一次性任务

14. 软件安装

14.1 apt（Debian/Ubuntu 包管理器）

14.2 dpkg（底层包工具）

14.3 源码编译安装（科研软件最常见方式）

14.4 conda / Miniconda（Python 科学环境管理）

14.5 pip（Python 包管理）

第一部分基础篇

第二部分系统管理与软件安装

第三部分文本处理与脚本编程

第四部分并行计算与科学计算

第五部分求职与应试篇