RQL's Blog 菜鸟成长记

CESM干模式

2019-06-15
renql

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_ordereul_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

$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"

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