CESM干模式

• 干绝热斜压不稳定模式
• Held-Suarez
  • 水平扩散系数的选择
  • 动力核的修改
  • 在干模式中加入地形

由于实验需要，最近想跑一个有地形的干模式。然后发现CESM刚好有两种理想干模式实验，这是其官网介绍。

首先，这两种干动力核模式只有在 2018年发布的CESM2 中可以运行，均属于欧拉谱变换动力核（不知道谱模式的代码该如何修改呢？）

干绝热斜压不稳定模式

Dry Adiabatic Baroclinic Instability (DABI) test case。
该算例的编写是依据下面这篇文献：

Polvani, L. M., et al. (2004). “Numerically converged solutions of the global primitive equations for testing the dynamical core of atmospheric GCMs.” Monthly Weather Review 132(11): 2539-2552.

它的目的是通过对一个微扰动、斜压不稳定的中纬度急流进行12天的短积分，得到一个干燥、绝热、原始方程的收敛解。其初始条件包括简单的纬向流和中纬度的局域温度扰动，每一个都是解析指定的。

该算例有三种精度设置，T42L30, T85L30 and T85L60，第一个跑得比较快，但其结果难以收敛，适用于快速检查动力核是否正常运行；后两种的运行时间较长。

该算例的初始状况是用ncl代码生成的，可以利用该代码修改初始状况。

运行流程与其他算例类似：

./create_newcase --compset FDABIP04 --res T42z30_T42_mg17 --case $CASEDIR 
./xmlchange --file env_run.xml --id STOP_N --val 12
./case.setup
./case.build
./case.submit

Held-Suarez

在该算例下，CAM的动力包被以下过程所替代，一个简单的牛顿松弛法使温度场趋于纬向均一的辐射平衡温度场，在边界层采用简单线性拖曳力。该设置与下面这篇文章类似。感觉这个实验是没有年循环的。

Held, I. M. and M. J. Suarez (1994). “A proposal for the intercomparison of the dynamical cores of atmospheric general circulation models.” Bulletin of the American Meteorological Society 75(10): 1825-1830.

该算例的默认初始场是等温、静止的状态，并通过在温度场中加入扰动来引入不稳定。生成初始场的脚本与上面那个算例的脚本写在了同一个ncl文件中。可以通过修改该文件来修改初始文件。

默认的初始状态文件存放在 /HOME/sysu_hjkx_ys/WORKSPACE/cesm/input/atm/cam/inic/gaus/HS1994.64x128.L30_c061616.nc,存有纬度、经度、高度、时间、地表气压、各个高度的温度和风速（四个维度：时间，高度，纬度，经度）。

T42L30（lat=64，lon=128）, T85L30（lat=128，lon=256） and T85L60 当采用这三种默认精度之一时，初始条件会自动设置。

但当采用其他精度时，则需要自己通过修改ncl文件来生成初始文件。然后在 $CASEDIR/user_nl_cam 中加入初始文件的地址：

ncdata='myfilepath' 

该设置的常用精度同上述干绝热斜压不稳定算例，但官网说他也适用于其他精度，同时也可以用有限体积和谱元动力核。但并没有介绍怎么修改为这个。

It is recommended that an initial simulation of length 1200 days be performed to ensure the model is set up correctly.

./create_newcase --case $CASEDIR --compset FHS94 --res T42z30_T42_mg17
./xmlchange STOP_OPTION=ndays,STOP_N=1200
./xmlchange STOP_OPTION=ndays,STOP_N=300,RESUBMIT=3 #可以没有
./case.setup
./case.build
./case.submit

默认情况下，该模式会输出月平均和逐6小时的资料。其中一些变量的注意点：

• QRS（Solar heating rate，k/s）is the temperature tendency associated with the relaxation toward the equilibrium temperature profile
• 存在一个与水平扩散相关的非零的温度倾向值（DTH，不过我在CESM1.2的模式输出结果中没有找到这个变量），该倾向值包含摩擦加热率，该加热率与由动量水平扩散造成的动能耗散有关，另外还包含一个修正加热率，用以解释水平扩散应用于模型高度（不是气压高度）的这一事实。
• 逐6小时的瞬时场中似乎只包含了UVT三个变量

官网还提供了NCL脚本来画 eddy temperature variance, northward eddy momentum flux and northward eddy heat flux，这里的eddy是相对于纬向平均的异常。

此外，在这个算例下面还介绍了很多如何修改默认设置的方法，竟然有动力核、地形的修改方法。

水平扩散系数的选择

当选用欧拉谱模式动力核，必须考虑水平扩散系数的选择。
默认设置是用了四阶超扩散，最小尺度上的阻尼时间标度为0.5天。选择这个时间尺度是因为它被发现是在水平分辨率为T42和T85的涡度场中仍然能产生光滑结构的最弱阻尼强度之一。

决定水平扩散的阶数与强度的参数是 eul_hdif_order 和 eul_hdif_coef。这两个参数与阻尼时间标度之间的关系是：
eul_hdif_coef = (1/tau)(a^2/(n(n+1)))^(eul_hdif_order/2.)
where tau is the required damping timescale, a is the radius of the Earth and n is the total wavenumber of the smallest scale

该参数的修改是在 $CASEDIR/user_nl_cam 文件中

动力核的修改

可以通过修改精度来修改干模式的动力核。

#  run the finite volume dynamical core at 2 degree resolution
./create_newcase --case $CASEDIR --compset FHS94 --res f19z30_f19_mg17 --mach $MACH --run-unsupported

# run for a 1 degree with the spectral element dynamical core
./create_newcase --case $CASEDIR --compset FHS94 --res ne30z30_ne30_g16 --mach $MACH --run-unsupported

如果希望将垂直分辨率更改为不受官方支持的分辨率，只需要一个包含垂直级别的初始条件文件。

在CESM2.0版本中，当使用有限元FV或谱元素SE动力核时，需要关闭 the energy fixer（能量固定器或调整器），在CESM2.1及后续版本中，当采用上述两个动力核时，会默认关闭该功能。
the energy fixer是用来保证能量守恒的，因为在干模式的物理过程不能像完整的大气环流模式GCM那样使能量保持守恒，因此需要关闭该功能。

手动关闭the energy fixer的方法：

cp $CESM/components/cam/src/physics/simple/physpkg.F90  $CASEDIR/SourceMods/src.cam/physpkg.F90
vi $CASEDIR/SourceMods/src.cam/physpkg.F90

修改physpkg.F90中下面这部分代码, To turn off the energy fixer, the call to physics_update must be commented out

    !===================================================
    ! Global mean total energy fixer
    !===================================================
    call t_startf('energy_fixer')

    if (dycore_is('LR') .or. dycore_is('SE')) then
      call check_energy_fix(state, ptend, nstep, flx_heat)
      call physics_update(state, ptend, ztodt, tend) ! it should be commented out to turn of the energy fixer
      call check_energy_chng(state, tend, "chkengyfix", nstep, ztodt, zero, zero, zero, flx_heat)
      call outfld( 'EFIX', flx_heat    , pcols, lchnk   )
      call physics_ptend_dealloc(ptend)
    end if

在干模式中加入地形

在 $CASEDIR/user_nl_cam 文件中加入下面两句话即可，使用的地形文件中必须包含变量 PHIS（surface geopotential）in units of m2/s2 ，使用与模式相同的精度。如果使用的是真实的地形，可以直接使用CESM的地形资料（文件地址可能是 $INPUTDIR/atm/cam2/topo/）

use_topo_file = .true.
bnd_topo      = "location_of_your_topo_file"