UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS

INSTITUTO DE CIÊNCIAS ATMOSFÉRICAS ICAT-UFAL

MANUAL DE INSTALAÇÃO DO MODELO ATMOSFÉRICO WRF.

GIULIANO CARLOS DO NASCIMENTO

ROSIBERTO SALUSTIANO DA SILVA JUNIOR

MACEIÓ – AL

JANEIRO DE 2013

SUMÁRIO

Introdução 1

Objetivo 3

Guia de Instalação do WRF 3

Descrião do Modelo WRF 5

Guia de Cadastro do Usuário 6

Utilização do Bash 7

Instalação do Grads 7

Instalação do Compilador G95 9

Bibliotecas Utilizadas9

Bibliotecas opcionais para GRIB2. 10

Instalação do Modelo WRF. 11

Instalação do subsistema Pré-processamento 14

Instalação do subsistema Processamento 21

Instalação do subsistema Pós- Processamento 23

Considerações Finais 24

Referências Bibliográficas

...............................................................................................25

1. Introdução

WRF (Waether Research and Forecasting) é uma ferramenta que está disponível de

forma gratuita para download no endereço eletrônico

http://www.mmm.ucar.edu/wrf/users, precisando de algumas considerações para a sua

instalação.

O WRF é um modelo flexível no que diz respeito a assimilação e formato de

saída de dados, onde usa uma arquitetura computacional que lhe confere um alto

desempenho em suas simulações e para armazenamento de dados (NETCDF) e dos

arquivos de instalação dos subsistemas do modelo. Outro ponto importante do modelo

WRF é a adequação a uma ampla gama de aplicações em escalas que variam de metros

a milhares de quilômetros, incluindo:

Idealizado simulações (por exemplo, LES, convecção, ondas baroclínica).

Aplicações regionais e globais

Parametrização de pesquisa

Dados de pesquisa assimilação

Previsão de pesquisa

1

NWP em tempo real

O furacão pesquisa

Modelos acoplados de aplicações

Ensino

É a divisão de meteorologia de mesoescala e microescala do NCAR é uma das

principais responsáveis pela organização, atualizações e suporte do modelo WRF (que

atualmente se encontra na Versão 3.4.1) que inclui:

WRF Software Framework (FSM)

Advanced Research WRF (ARW) solver dinâmico, incluindo uma via, duas vias

de nidificação e ninhos em movimento, grade e observação nudging

WRF Sistema de Pré-Processamento (WPS)

WRF-DA sistema de assimilação de dados

Numerosos pacotes físico que contribui ao modelo atmosférico WRF (Waether

Research and Forecasting), parceiros e a comunidade de pesquisa.

Figura Ilustrativa do site do Modelo WRF versão 3.4.1

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2. Objetivo

O objetivo deste trabalho é descrever as etapas de instalação do modelo atmosférico

WRF e elaboração de manuais para novos alunos, desenvolvido no Laboratório de

Lodelagem Atmosférica – LabModel, projeto desenvolvido Programa Insticional de

Bolsas de iniciação Científica - PIBIC/UFAL.

3. Guia de Instalação do WRF

Para que o WRF funcione corretamente, é necessária a instalação de diversos

aplicativos (bibliotecas, compiladores, linguagens de programação, etc.), bem com do

NetCDF e dos arquivos de instalação dos subsistemasdo modelo. Para procurar, instalar

ou manipular pacotes de software a partir dos repositórios do Linux. A seguir, será

apresentada uma descrição detalhada de cada etapa da implementação do modelo WRF

e instalação

Antes da instalação dos subsistemas do WRF, é necessário preparar os servidores para

execução do modelo. Na figura (a) mostra a ferramenta Advanced Packaging Tool

(APT) e na figura (b) Central de Programação do Ubuntu (CPU), para instalação ou

atualização de diversos aplicativos (bibliotecas do Linux, compiladores C/C++ e

Fortran, linguagens de programação, etc. No Scripit Shell e na Central de Programa do

Ubuntu, são instalados os seguintes aplicativos: gfortran, gcc, g++, cpp, flex, csh,

libncurses5-dev, bison, curl, m4, perl, make, zip. Advanced Packaging Tool (APT)

utilização da ferramenta.

Figura Ilustrativa do Script Shell.

Como a execução do modelo ocorre em paralelo, ainda são instalados: Openmpi-bin,

Openmpi-doc, Libopenmpi-dev. Todos os programas devem ser instalados antes da

instalação dos subsistemas do WRF. Os comandos no terminal do Linux são executados

como root do sistema. Todos os programas e bibliotecas aqui apresentados serão

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instalados dentro do diretório /usr/local, para o qual é necessária senha do root. Logo, de

maneira geral, a estrutura de diretórios fica:

/usr/local/lib

/usr/local/bin

/usr/local/man

/usr/local/include

Figura Ilustrativa do Fluxo de Instalação Utilizando o Shell Scripit Sistema Operacional

do Linux.

Figura Ilustrativa do Fluxo de Instalação do Central de Programa do Ubuntu.

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4. 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 aextensibilidade 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. 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 doformato GRIB2 necessários para

inicializar o modelo. O metgrid interpola horizontalmente os campos meteorológicos

extraídos pelo ungrib para as gradesdo 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 umformato que possam ser visualizados por

aplicativos gráficos.

5

5. Guia de Cadastro do Usuário

Para obter o código fonte para o modelo ARW WRF está disponível na página de

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

Figura Ilustrativa Site WRF Guia de Cadastro do Usuário.

A partir da página acima, vá para novos usuários (os usuários serão solicitados a

registrar ou devem fornecer seu endereço de e-mail antes que eles possam fazer o

download do código novamente).

Você pode baixar a modelagem do sistema WRF códigos-fonte (incluindo WRF

modelo, WPS (WRF Sistema de pré-processamento), softwares gráficos, conjuntos de

dados terrestres para WPS, e dados de teste para o modelo WRF a partir deste site).

Figura Ilustrativa Site WRF Guia de Cadastro do Usuário.

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6. Utilização do bash

O bash é um interpretador de comandos, uma espécie de tradutor entre o sistema

operacional e o usuário, normalmente conhecido como shell. Permite a execução de

sequências de comandos direto no prompt do sistema ou escritas em arquivos de texto,

conhecidos como shell scripts.

.bashrc Possui as mesmas características do. bash_profile mas é executado por shells

que não requerem autenticação (como uma seção de terminal no X).

Os comandos deste arquivo são executados no momento que o usuário inicia um shell

com as características acima. Note que este é um arquivo oculto pois tem um "." no

inicio do nome.

Figura Ilustrativa .bashrc.

7. Instalação do GrADS

No GrADS, os dados binários e os dados meta ( contêm informações sobre os dados

binários) devem ser arquivados em arquivos separados. Os arquivos de dados meta

contêm uma completa descrição dos dados binários como também instruções ao GrADS

7

sobre onde encontrá-los e como lê-los. O arquivo de dados binário é puramente de

dados com nenhum espaço ou identificador de tempo. É o arquivo de dados meta que é

aberto no GrADS -- ele é chamado de arquivo descritor de dados. O arquivo descritor de

dados tem uma extensão .ctl e é algumas vezes também referido como arquivo de

controle. Baixar o código fonte pré-compilado no site http://www.iges.org/grads/

downloads.html

Figura Ilustrativa Download GrADS.

Salvar o arquivo no diretório /usr/local e descompactá-lo.

Figura Ilustrativa Arquivo do GrADS.

Exportar as variáveis de ambientes e salvá-las dentro do arquivo .bashrc, que encontra-

se dentro do diretório /home/usuário.

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export PATH=/usr/local/grads-xxx/bin:$PATH

export GADDIR=/usr/local/grads-xxx/data

export GASCRP=$GADDIR

8. Instalação Compilador G95

Baixar o arquivo pré-compilado g95 - http://www.g95.org/downloads.shtml

Figura Ilustrativa do Site G95.

Antes de você instalar o G95, escolher a arquitetura de forma apropriada:

Máquinas 32 bits: Linux x86

Máquinas 64 bits: Linux x86_64

Salvar o arquivo no diretório /usr/local e descompactá-lo. Entrar no diretório

/usr/local/bin e criar um link simbólico com o arquivo que está em g95-install/bin, ou

seja: ln -s /usr/local/g95-install/bin/i686-suse-linux-gnu-g95 g95

Verificar se está funcionando: digitar g95 no terminal e apertar enter, que deve

responder dizendo que não tem arquivo de entrada.

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9. Bibliotecas obrigatórias

A biblioteca apenas o que é necessário para construir o modelo WRF é NetCDF.   O

usuário pode encontrar o código fonte, binários pré-compilados, e documentação na

página inicial do UNIDATA (http://www.unidata.ucar.edu/software/netcdf/ ) . A

maioria dos usuários selecionar a opção NetCDF I / O para WPS, devido ao fácil acesso

a programas utilitários que suportam o formato de dados NetCDF.

Figura Ilustrativa Página Inicial do UNIDATA.

10. 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

A seguir, são bibliotecas externas deve-se instalar para a execução de ungrib para GRIB

dois dados: site http://www.mmm.ucar.edu/wrf/users/download/get_sources.htm.

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Figura Ilustrativa da Página de WRF Download.

JasPer  (uma implementação do JPEG 2000 padrão para compressão "com

perda"). Veja http://www.ece.uvic.ca/ ~ mdadams / jasper para mais

informações.

PNG  (bibliotecas de "lossless" de compressão). Vejahttp://www.libpng.org/pub/

png/libpng.html para mais informações.

zlib  (outra biblioteca de compressão). Veja http://www.zlib.net para mais

informações.

JasPer é kit de ferramentas para processamento de imagem, que inclui uma

implementação do JPEG-2000-Parte 1 codec. Este código é escrito na linguagem de

programação C. 

PNG (PNG formato de imagem) Gráficos de várias imagens de rede (MNG e JNG

formatos de imagem) e, claro, libpng (a biblioteca de referência livre para ler e escrever

PNGs)

ZLIB Desenvolvida sob a licença GNU/GPL a ZLib originalmente foi criada para

utilização em sistemas operacionais baseados em UNIX / Linux e com seu código

fonte em C, foi incluída pela equipe da Borland para utilização em aplicações com

o Delphi. Compressão de dados nada mais é do que um algoritmo avançado que

"agrupa" sequencias de caracteres substituindo-as por outra menor, ou seja, se o

conteúdo de um arquivo executável contém uma sequencia de cinco letras "A" seguidas

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(ou "AAAAA"), o algoritmo pode substituí-las por "5A". Por isso que quando

compactamos um banco de dados ou um arquivo texto sua proporção de compressão é

menor (quanto menor, melhor), pois arquivos deste tipo contêm muitos caracteres

sequenciais em sua estrutura, diferentemente de imagens bitmap ou arquivos mp3 onde

quase não há caracteres sequenciais em seu conteúdo.

11. Instalação do Modelo WRF

Se você é um usuário de primeira vez WRF, aprender a executar os programas através

do tutorial on-line. Na Figura mostra o site (www.mmm.ucar.edu/wrf/users/download/

get_source.html).

Figura Ilustrativa do Site de Acesso Para Utilização do Tutorail Online.

Antes de começar a manusear o WRF, cria uma nova pasta no Scripit Shell dentro do

sistema operacional Linux. Utilizando comandos mkdir, para criar uma pasta para

organizar os documentos e arquivos.

Figura Ilustrativa da Pasta do Script Shell.

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Dentro dos diretórios a baixar os arquivos de execução do modelo WRF pré-

processamento, processamento e pós-processamento. Na Figura (a) mostra Downloads

do modelo WRF no site http://www.mmm.ucar.edu/wrf/users/download/get_

sources.html. Utilizando os seguintes critérios.

Figura Ilustrativa do Download do Modelo WRF.

Dentro do diretório mostra dos dados de execução do modelo WRF. WPS (pré-

processamento), WRFV3 (processamento) e ARWpost (pós-processamento).

Figura Ilustrativa do Diretório do WRF.

Para descompactar os diretórios utilizando os seguinte comando exemplo: (tar –zxvf

nome do arquivo). Figura (a) WPS - pré-processamento, Figura (b) WRFV3 –

Processamento e Figura (c) ARWpost - Pós-processamento.

Figura Ilustrativa -WPS - pré-processamento, WRFV3 – Processamento e ARWpost -

Pós-processamento.

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Assim que descompactar os arquivos e estiver certificado que está tudo corretamente,

vai aparecer uma pasta de arquivo a qual você descompactou WPS (pré-processamento),

WRFV3 (processamento) e ARWpost (pós-processamento).

Figura Ilustrativa dos arquivos WPS (pré-processamento), WRFV3 (processamento) e

ARWpost (pós-processamento)..

12. Instalação do subsistema Pré-processamento

Versão do sistema de pré-processamento 3.4.1 (16 de Agosto de 2012, revisão 692). O

WRF de pré-processamento (WPS) é uma coleção de Fortran e C programas que

fornece dados utilizados como de entrada para os programas e real.exe real_nmm.exe.

Lá são três programas principais e um número de auxiliar programas que fazem parte da

WPS. Tanto a ARW e NMM núcleos dinâmicos em WRF são suportados por WPS.

Dentro do Pré-processamento encontrará vários arquivos e diretório.

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Figura Ilustrativa arquivos e diretórios do WPS.

Antes de você começar a instalar o pré-processamento, certifique-se a qual a configuração da

compilação do WPS (Configure.wps).

Figura Ilustrativa do Script de Configuração configure.wps.

Se o usuário estiver em uma arquitetura reconhecida irá exibir uma lista de disponíveis

opções de compilação. Existem múltiplos compiladores que são suportados, para exibir

essa informação basta você digitar o seguinte comando ./configure do WPS.

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Figura Ilustrativa do Terminal de Compilação do WPS.

Depois de emitir o comando de compilação, uma listagem do diretório de trabalho atual

deve revelar links simbólicos para arquivos executáveis para cada um dos três

programas WPS: geogrid.exe, ungrib.exe, e metgrid.exe. Se qualquer um desses links

não existe, verifique a saída de compilação em compile.output para ver o que deu

errado.

Figura Ilustrativa Compilação do WPS Após ./configure.

O arquivo de configuração criado é o configure.wps, 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.

Figura Ilustrativa Mostram os Executáveis Criados Após a Compilação do WPS.

Se você usuário houve algum problema na instalação do Modelo WRF, certifique-se

que tenha que refazer novamente a instalação.

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Figura Ilustrativa Arquivos e Diretórios do WPS.

Se você usuário houve algum problema na instalação do Modelo WRF, certifique-se

que tenha que recopilar novamente a instalação.

Para remover todos os arquivos objetos (exceto aqueles em externo/) e todos os

executáveis, digite: ./Clean

Para remover todos os arquivos construídos, incluindo configure.wrf,

digite: ./Clean –a

Figura Ilustrativa do Arquivo e Diretório do WPS

O próximo passo é criar os links simbólicos para informar a localização dos arquivos

GFS e dos arquivos Vtable.

Figura Ilustrativa do WPS.

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Os arquivos Vtable informam os campos meteorológicos a serem extraídos dos arquivos

GRIB2. Alguns Vtables estão localizados no diretório home/WRFV3.4.1/WPS/

ungrib/Variable_Tables (ex.: Vtable.GFS, Vtable.SST, Vtable.ECMWF).

Figura Ilustrativa do Arquivo Vtable.GFS .

Embora as Vtables sejam fornecidas para vários tipos de dados globais, seria

impossível para o programa ungrib cobrir todos os tipos de fontes de dados

meteorológicos. Quando uma nova fonte dos dados deve ser processado por UNGRIB,

o usuário pode criar sua própria Vtabela a partir do zero, ou usando um Vtabela

existentes como exemplo. Em ambos os casos, um conhecimento básico do significado

e uso dos vários campos das Vtabelas será preciso.

Ao criar sua própria vtables, note que um número de campos de entrada são

obrigatórios.

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Figura Ilustrativa da Localização do Arquivo Vtable Dentro do Pré-processamento.

Figura Ilustrativa do Link simbólicos do Arquivo Vtable.

Dados geográficos em todas as resoluções disponíveis (30 ", 2 ', 5' e 10 ') - inclui

MODIS, GWD, SSiB e VARSSO dados (726 MB compactado download, ~ 15,2 GB

descompactado)

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Figura Ilustrativa do Sistema Pré-processamento do WPS.

Os dados geográficos e de terreno são descompactados no diretório, criado dentro do

WPS. Esses dados são obtidos dentro de um único arquivo (geog.tar.gz).

Figura Ilustrativa arquivos e Diretórios Dentro WPS.

Após descompactado geog.tar.gz, cria automaticamente um novo diretório (geog) dentro

do WPS.

Figura Ilustrativa Arquivos e Diretórios do WPS.

Na execução do WPS, será editado o arquivo namelist.wps (variável geog_data_ path)

para indicar o caminho dos dados geográficos (geog).

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Figura Ilustrativa namelist.wps do WPS.

13. Instalação do subsistema Processamento

Processamento de dados consiste em realizar um processo sobre qualquer informação de

entrada (input) com o objetivo de gerar uma saída aceitável ou próxima disso.

Figura Ilustrativa Arquivos e Diretório do WRF.

Se o usuário estiver em uma arquitetura reconhecida irá exibir uma lista de disponíveis

opções de compilação. Existem múltiplos compiladores que são suportados, para exibir

essa informação basta você digitar o seguinte comando ./configure do WRF.

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Figura Ilustrativa da Compilação do WRF.

Para a compilação do WRF, utiliza-se o comando ./compile. Se for executado com

sucesso, os seguintes executáveis são criados no diretório /run.

Figura Ilustrativa Compilação do WRF.

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Assim que você terminar a configuração do modelo vai aparecer dentro da pasta run os

executais: Real.exe, ndown.exe, nup.exe, wrf.exe e namelist.input.

Figura Ilustrativa Executáveis do WRF.

Se você usuário houve algum problema na instalação do Modelo WRF, certifique-se

que tenha que recopilar novamente a instalação.

Para remover todos os arquivos objetos (exceto aqueles em externo/) e todos os

executáveis, digite: ./Clean

Para remover todos os arquivos construídos, incluindo configure.wrf,

digite: ./Clean –a

Figura Ilustrativa do WRF.

14. Instalação do subsistema Pós-processamento

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O ARWpost é usado para converter as saídas do modelos para um formato que possam

ser visualizados por ferramentas gráficas (GrADS e Vis5d).

Figura Ilustrativa do ARWpost.

Se o usuário estiver em uma arquitetura reconhecida irá exibir uma lista de disponíveis

opções de compilação. Existem múltiplos compiladores que são suportados, para exibir

essa informação basta você digitar o seguinte comando ./configure do ARWpost.

Figura Ilustrativa da Compilação do ARWpost.

Depois de ter feito a configuração do ARWpost execute comando compile do

ARWpost.

Figura Ilustrativa do Pós-processamento do ARWpost.

Depois de compilado vai aparece uma imagem abaixo.

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Figura ilustrativa do pós-processamento do ARWpost.

Para instalar ARWpost digite seguinte comando ./ARWpost depois de terminar a

configuração vai aparecer um executável ARWpost.exe.

Figura Ilustrativa do Pós-processamento do ARWpost.

Se você usuário houve algum problema na instalação do Modelo WRF, certifique-se

que tenha que recopilar novamente a instalação.

Para remover todos os arquivos objetos (exceto aqueles em externo/) e todos os

executáveis, digite: Clean

Para remover todos os arquivos construídos, incluindo configure.wrf, digite:

Clean –a

Figura ilustrativa do processamento do ARWpost.

15. Considerações Finais

Espera-se que o presente trabalho tenha contribuído para uma melhor compreensão das

características e dos procedimentos necessários para a instalação do modelo

Atmosférico WRF. Informação detalhada e precisada utilização desse modelo é

necessária para o aperfeiçoamento do sistema de previsão de tempo, tornando-se útil

25

para serem aplicadas nas atividades de interesse no laboratório de Modelagem

Atmosférica – LABMODEL.

16. Referências Bibliografias

ARW Version 3.4.1 Modeling System User´s Guide. Weather Research &

Forecasting. Mesoscale & Microscale Meteorology Division. National Center for

Atmospheric Research. Agosto de 2012.

http://pt.wikipedia.org/wiki/Bash

http://www.prosige.com.br/portal/index.php?

option=com_content&view=article&id=54:compactando-e-descompactando-com-

zlib&catid=30:delphi&Itemid=55

Citação: IRIART, P. G.; CARVALHO, M. V. C; PEREIRA NETO, A.V. Manual de

instalação, compilação e execução do sistema de modelagem numérica WRF no

ICEA. Subdivisão de Climatologia e Arquivo Meteorológico (PBCA), Instituto de

Controle do Espaço Aéreo (ICEA), São José dos Campos, 2011.

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