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地球系统模式概述 张贺 主要内容 数值模式 地球系统模式 大气环流模式 寄语 数值模式 数值模式的重要性 当前大气科学研究前沿的重要方向之一 大气科学研究的重要工具 什么是模式（大气、海洋学领域）？ 形式上：计算机程序（Fortran） 本质上：用数值方法求解偏微分方程或其他数学物理方程，以反映大气运动的基本物理规律 模式的特点 复杂性 公式繁多 代码量大 以IAP AGCM4.0为例，主体部分共有F90文件约320个，最大的一个文件有6365行，共约13万行 需熟悉Linux及相关软件的基本知识 计算量，存储量庞大 以IAP AGCM4.0 (1.4oX1.4oX26L)为例， 模式的用途 预报 中短期天气预报 短期气候预测 未来气候情景预估 数值试验（机理研究的重要手段） 海温、积雪 青藏高原 地球系统模式 地球系统模式的定义 2002年左右提出，目前，国际上尚未有权威和明确的定义。 基于地球系统中的动力、物理、化学和生物过程建立起来的数学方程组（包括动力学方程组和参数化方案）来确定其各个部分（大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈、生物圈）的性状，由此构成地球系统的数学物理模型，然后用数值的方法进行求解，并在计算机上付诸实现的一种大型综合性计算软件，它能够反映地球各圈层之间的相互作用。（王斌等，2008） 地球系统模式的定义（续） 将地球上大气、海洋、地理环境和生态各圈看成一个有机的整体进行研究，并统一协调全球气候、生态与环境变化的有关研究，称为地球系统动力学。描述上述地球系统内部的复杂物理-动力过程及整个系统相互作用的理论模式，即地球系统动力学模式。（曾庆存等，2008） 地球系统模式的发展阶段 物理气候系统模式：主要考虑地球流体及陆表间的物理过程（大气模式，陆面模式，海洋模式，海冰模式）。 地球气候系统模式：在物理气候系统模式的基础上，考虑各圈层间的生物、化学及人文过程（大气化学模式，陆地及海洋生物化学模式，人文过程影响模式等）。 完整的地球系统模式：在地球气候系统模式的基础上，进一步考虑其与固体地球（如地球版块移动及其引发的地形变化、地震、火山爆发等）和空间天气的相互作用。 地球系统模式的发展阶段（续） 地球系统模式的发展现状 国际上许多机构制定了地球系统模式的研究计划，并进入了实质的研制阶段： NCAR: CESM GFDL: ESM ECMWF: EC-EARTH … IAP: ? 2007年起陆续启动了多个有关地球系统模式的项目，也进入了实质的研制阶段。 大气环流模式 分类 组成部分 IAP AGCM4.0简介 IAP AGCM4.0 概况 离散方法：有限差分法（C网格） 分辨率：1.4?(lat)×1.4?(lon)×26L 垂直坐标： 坐标，模式顶约2.2 hPa 时间积分方案：非线性迭代+时间分解算法 水汽方案：半拉格朗日方案 物理过程：同CAM3.1基本相同，主要包括： 云及降水过程：Zhang et al.,2003; Klein et al.,1993 辐射：Rothman et al.,2003; Collins et al.,2006 深对流：Zhang et al.,1995; Emanuel et al., 1991 浅对流：Hack, 1994 边界层与垂直扩散：Holtslag et al.,1993; Boville et al.,2003 气溶胶：Barth et al.,2000; Rasch et al.,2000 干绝热调整 IAP AGCM4.0 的运行 操作系统：Linux 基本软件： 编译器(Fortran及C)：推荐 ifort 和 icc NetCDF MPI 运行速度： 视不同机器及不同CPU个数而定，以大气所SGI-F4200为例，使用32 CPU时运行1天可积分2.8年左右。 数据格式及大小： 大部分数据为NC格式，数据量大小视不同试验设计而定，初始场大小约为0.6 GB；按标准月输出计算，积分1年约输出数据2.2 GB 后处理 等 面到等压面插值程序(int_h0_stdp.f90) 可应用AMWG Diagnostic Package 对模式结果批处理绘图 IAP AGCM4.0 的数据-1 输入数据（10个基本数据） IAP AGCM4.0 的数据-2 输出数据（以月输出为例） IAP AGCM4.0 的数据-3 namelist 用于设置模式运行的一些参数，内容很丰富，需熟练掌握，以免试验设计出现错误。 设置输入数据的路径； 设置时间步长； 设置积分起止时间； 设置积分类型（initial or