PDF《CESM》

1956 年创建.1963 年创建了第一个九层原始方程大气环流模式;

1972 年第一个谱模式问世;

二 十世纪八十年代以后,逐渐形成了更大范围的气候系统模式;

九十年代以后,学界开始形成 地球系统模式,直到今天的格局. 地学模式领域经过半个多世纪的积累, 拥有丰富的遗产和成果, 有许多国家和机构都在 组织、 参与和建设模式领域. 最初大气学家, 海洋学家等都是在各自的领域研究和发明模式, 例如大气模式 CAM,海洋模式 POP,这叫做独立分量.随着研究的深入,学者们发现研究 地学问题往往要综合考虑各个地学领域的成果,将大气、海洋、陆面、海冰,陆冰等综合起 来进行模拟,涉及各个子系统之间的交换.这样就产生了地学模式领域的耦合器.耦合器的 作用就是将独立的分量模式通过耦合器连接起来, 完成数据的转换和传输, 以及处理同步和 并发等问题.发展到今天,地学模式在朝着 全系统 的方向前进,综合考虑地球圈的各种 因素,包括人类活动例如碳排放.所以,地学模式就从最初的大气、海洋等分量模式,发展 到了 地球系统模式 .下图形象的显示了模式的发展历程.4

4 图片引用自 http://www.phy.pku.edu.cn/climate/class/cm2010/CM05-GCM-physics-1.pdf 有一篇

2008 年的论文可做入门材料, 《地球系统模式发展展望》5 .例如该文中提到, 地球系统模式是 .该文还综述了地球系 统模式以及各个分量模式存在的问题,并对未来发展趋势作出了展望. 另一方面, 全球变化研究中, 通过数值模拟得到的结论是否可靠?如果是模拟过去的气 候,又有历史同期观测资料,那么可以与历史资料进行对照,这是评判模式好坏的一个主要 的方法, 如果一个模式连过去的真实过程都模拟不了, 那么预测未来也就没有可信度. 此外, 由于时间尺度大,例如预测几十年之后的气候,这给检验带来了困难.国际上对 IPCC 的结 论也存在争议,例如碳排放与全球变暖的关系.这其中既有纯科学的讨论,也有部分政治的 因素6 .气候模拟是在大尺度上,涉及因素非常多,物理的、化学的、生物的、人文的,模 型是复杂的和综合的,即便是专家也要下一番功夫;

国际上现有的气候模式不下百种,各有 千秋,有很大的改进余地;

计算机只是工具,模拟的效果如何,一方面受限于机器的计算能 力,但根本上还是受限于人类的认识水平;

因此,预测有失误是正常的,不能因此否定地球 系统模式的价值,这也是地球系统模式工作前进的动力之一. 地学模拟数值计算,主要有以下三个要点: 一是要遵守基本物理定律. 例如牛顿第二定律,质量守恒定律,热力学守恒定律,气体的有关定律,等等;

二是符合运动方程. 例如连续方程,热力学方程,状态方程,水汽方程,等等;

三是在给定初始条件和边界条件下对方程进行求解. 例如,AGCM(Atmospheric General Circulation Model)的组成要素有:动力框架,物理过 程,初值,边界条件.AGCM 更多内容请参考国家气候中心王在志的 ppt《大气模式发展与 应用》 .一般来说,其他模式的构建要素也都包含动力框架,物理过程,初值,边界等内容. 更综合的模拟,还要考虑化学的,生物的因素. 例如,以大洋环流模式的设计过程为例. : 度:微:情B始钥龙集都 点始钥龙集都 源龙践题践w践: 践高都: 离践验过 度显播播 B量tt量量高妥:践高都:略践高 度显方度 : 感:护离源而理层的源系 离的点精突度密0 情微00感播::在具体讨论 CESM 之前, 先来看一下 CESM 的历史和地位, 以及这里为什么选择 CESM 作为案例. CESM 是地球系统模式家族中的一员, 它的前身 CCSM 进入了 IPCC AR4, CESM 也将参加 IPCC AR5 的评估.CESM 的模式有自己的特点及优点,同时也有不足之处.我国