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CESM v6 2011/6/10 本文档的主要内容是 CESM 的简介和移植方法,是实际工作的总结,不揣简陋,写出 来供 CESM 初学者参考,希望起到抛砖引玉的作用1 .

度度度度????CESM 的全称是 Community Earth System Model2 .从字面来看,CESM 是 地球系统模 式 .在进一步解释 地球系统模式 这一重要概念之前,先来看 CESM 能做什么?CESM 是一个地学数值模拟软件,通俗的说就是 地球模拟 .模拟什么?过去、现在及未来的地 学过程.例如: 过去

30 年的大气过程模拟;

模拟当今极地冰盖的变化;

模拟在当今的碳排放条件下,未来几十年的气候演变,等等. 从上面的例子可以看出,地学模式研究的问题往往是大范围的,从空间和时间来看,都 具有很大的延展性,例如大洋环流,大气环流等,时间跨度则可以是几十年,上百年,上千 年3 .受地学特点的限制,在没有计算机的时代,地学研究者主要靠实际观测来研究问题, 无法做人为受控的实验.与其他学科相比,地学更多的是观测,这可能是地学的一个特点. 计算机数值模拟则突破了这种限制, 使得地学研究也能像其他学科做实验一样, 变成了可重 复的,而且能够通过这种技术手段,做到以前不能做的事情,例如研究古代的气候,除了通 过化石等传统手段,利用数值模拟,能够提供新视角,产生新数据和新观点.利用数值模拟 可以对未来的气候演化做出合理的科学预测,所以具有很大的现实意义.例如,目前正在进 行的 IPCC AR5 的评估工作中,模式的开发和科学检验是十分重要的,关于碳排放、全球变 暖的预估,都是建立在计算机模拟的基础上的. 初学者心中一定会有这样的疑问: 地学研 究,是将地球(包括相关的地外因素,例如太阳辐射,月球引力)视作了一个物理系统(现 在的研究也包含了化学、生物因素等) .这个物理系统是相当复杂的,因此,地学专家首先 要做出科学的近似和抽象,将无关的或次要的因素不予考虑.例如,海洋物理学一般不考虑 海洋里面的生物活动, 一般不考虑地壳向海洋输送的热量, 甚至可以不考虑海表高度的变化. 在地学研究的问题中,海洋可被看做是一个互相联通的、 巨大的、有一定盐度的、广而 薄 的水体,这个水体的运动受到大陆轮廓和洋底的限制,还会与太阳辐射、大气运动等相关. 因此大尺度的海洋的动力过程, 可以用物理学进行描述, 而且这样的描述很好的反映了实际 的海洋运动.除了海洋,大气和陆面经过一番类似的抽象和近似的功夫,实际的地球圈就被 抽象成了 地球模式(earth model) .

1 联系人王晖 [email protected] 通信地址:北京

2704 信箱 中科院计算所高性能中心 邮编

100190 2 参考 http://www.cesm.ucar.edu/models/cesm1.0/

3 模拟也在小尺度上进行,例如海洋模拟,尺度可以从米级到百公里. 科学是求真的.利用地学模式模拟出来的过程,仅仅是存在于计算机中,并没有回答是 否真实的问题. 这个模拟世界中, 与真实的地球一样有海洋和大陆, 有阴晴雨雪, 季节更迭, 有大气环流和洋流,厄尔尼诺,温室效应,等等.利用可视化软件,还可以将数据很好的呈 现出来,看到模拟的图像或动态过程.至于模拟世界能否很好的契合真实世界,以及如何去 看待模拟结果,这是模式设计的核心问题之一,需要地学领域专家的分析总结.例如,参照 历史观测资料,分析模式的模拟结果,哪些是很好的反映了真实的情况,哪些出现了较大的 偏差. 出现偏差的原因是什么, 知道了误差来源, 就可以对现有的物理和数学模型进行修正, 对现有版本加以改进,推出新的更好的版本.从历史来看,现有的模式大都是有自己的历史 渊源的, 经历了长期的改进, 演化, 例如有的模式从最初的版本, 逐渐发展出了庞大的分支, 不同时期,不同国家/组织的科学家,都为模式的发展做出了贡献,使得模式能够更好的逼 近真实的地球. 气候模式的出现和发展, 与计算机的历史同步. 世界上第一个模式是大气环流模式,