CESM模型教程

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前言

目前通用地球系统模式（Community Earth System Model，CESM）在研究地球的过去、现在和未来的气候状况中具有越来越普遍的应用。CESM由美国NCAR于2010年07月推出以来，一直受到气候学界的密切关注。近年升级的CESM2.0在大气、陆地、海洋、海冰、陆冰、径流等几大模块以及一个中央耦合器（CIME）中都有较大更新，可以在不同的硬件平台上移植使用，尤其可以用于CMIP6的研究。

CESM2.0中CIME (Common Infrastructure for Modeling the Earth)为模式配置、编译和运行提供个例控制器。CAM大气模块加入CLUBB (Cloud Layers Unified by Binormals)计算边界层湍流活动、浅对流、云微物理，CLUBB是一个诊断湿湍流方案，它能计算联合高阶次网格垂直速度，水含量、液态水和位温，也可以计算次网格垂直通量；引入提高的二阶诊断云微物理方案（MG2），可以诊断计算降水包括雨、雪和凝结云。CAM化学模块（CAM6-chem）包括对流化学方案MOZART-T1；计算二次有机气溶胶(SOA)的VBS（volatility basis set）方案中耦合了对流化学方案，并一直在持续改进，到目前的CESM2.2.0中，实现了区域加密的MUSICA-V0，并增加了能直接配置运行MOZART-TS2 化学模块以及进行nudging等的compset（配置）。WACCM6与CAM6所有的物理参数化方案都相符，并且在中层和上层大气中增加了显著的新功能。为了从火山和非火山源气体中提供平流层气溶胶的代表，WACCM6延展了Modal Aerosol Module (MAM4)功能。CLM5.0版本主要改进了土壤和植被水文过程、积雪融雪动力过程、碳氮循环和耦合模拟以及植被模拟等主要动力过程，另外，模式引进了MOSART径流模型替换了 RTM，同时引进FATES生态演替模型以改进经典的动态植被模型(DGVM)。地下层数由CLM4.5中的15层增加到了CLM5中的25层，考虑了土壤厚度的空间变量。它从0.4到8.5m之间变化。此外，在海冰、陆冰等模块中都有较大的更新。新的CLM强迫资料为全球土壤湿度计划的第三阶段(GSPW3)开发。它也是仅限于陆面模拟的LS3MIP和LUMIP默认的资料。

第一，运行前的准备

CESM 运行的系统和软件环境
CESM需要什么运行环境

CESM2.0运行环境的搭建

第二，Linux系统及编译基础

CESM 运行需要掌握的Linux及编译知识
Linux的基础
Linux编译的基础

基于Make 和CMake的编译体系

第三，CESM基础

CESM 的基本结构
CESM的几大功能模块
CESM2.0的基础知识

第四，CESM程序获取、结构及其功能

获取 CESM程序代码，CESM文件夹结构及各自功能
获取最新或特定版本的 CESM 代码
CESM文件夹结构作用

第五，CESM 移植、安装及快速运行

CESM 运行环境的准备，编译、安装及运行
检查并完善CESM 运行所需环境及软件
针对特定服务器环境的 CESM Machine File 修改
创建一个简单的 case，并编译运行这个 case

第六，CESM 配置选项及数据文件制备

CESM 运行的配置文件详解，运行所需数据文件制备
创建 CESM case时各选项及其意义
运行配置文件namelist ，常用选项选择及其意义
运行 CESM 所需数据文件结构及数据文件制备方法及程序
根据研究内容熟练创建 CESM case 并运行 CESM

第七，CESM单模块运行——以CLM为例

 CESM 单模块运行的 case 创建、文件准备及运行-以CLM为例
创建CLM单点或区域模式的方法
单点及区域运行所需文件的制备
单点及区域模式的运行

第八，CESM 的部分耦合运行——CAM-chem + CLM

CESM 部分模块耦合运行的 case 创建、文件准备及运行
部分耦合的原则
CAM+CLM 实例的创建及运行
CAM的拓展——CAM-chem、WACCM

第九，CESM 的全耦合运行

CESM 全耦合运行的 case 创建、文件准备及运行
全耦合运行的注意事项

全耦合实例的创建及运行

第十，CESM结果处理、分析及可视化-以CLM为例

CESM输出结果文件结构、变量意义、变量选择以及结果分析-以CLM为例
创建单点或区域模式的方法
单点及区域运行所需文件的制备
单点及区域模式的运行

第十一，CESM 代码修改、发展及改进

CESM代码的结构、主要模块的组成、Fortran程序的修改
CESM 主要的代码结构
CESM 几大模块的组成及相应的程序位置
根据需要修改代码，编译运行