Aquaplanets with Slab Ocean in CESM1

Aquaplanets with Slab Ocean in CESM1

Brian Medeiros
November 13, 2013

0. 翻译者注

本文由于个人利用需要翻译为中文，从而更为直观的去实现这个内容,但我也修改了很多与我使用情况不太一样的内容。比如将原作者使用的计算机的一些配置更改为我所使用的sugon计算机的配置，撰写本文以便日后重新检查利用。另外由于作者在模式中所用的forcing文件、topo文件、domain文件在ucar的超级计算机服务器当中，我们没有ucar账户的人是获取不到的，所以用ExoCAM当中的initial_file代替ExoCAM中的initial_file Aquaplanets with slab ocean in CESM1

1. 描述

本文档概述了如何在CESM1中配置水星球（Aquaplanet）与平板海洋（slab ocean）模型。本文将介绍所需的边界条件以及如何处理不同选择的选项，如季节变化和海冰的处理方式。当使用CAM5作为大气物理包时，还提供了气溶胶的几种选择，我会简要介绍这些选项。然而，最重要的部分是运行此配置所需的设置步骤。

1.1 假设

在设置以下示例时，我们做出了一些基本假设。首先，所使用的代码示例是CESM1.2.1。我已经验证了这些修改在使用FV动力核心的此版本代码中能够正常工作，这些修改应该也适用于类似版本以及SE动力核心。尽管如此，这些修改后的案例并没有经过严格的审查，可能存在一些遗漏。如果您发现任何重要细节，请告诉我，我会将其添加到这份伪文档中。

以下所有内容都使用了CESM的标准脚本工作流，该工作流在CESM教程中有介绍。在接下来的两步中，我做了一些修改，要求在模型代码中具有写入权限，因此，如果您按照这个例子进行操作，需要将模型代码检出到您的个人沙箱中。

2. 基本水星球配置

在这个示例中，我们将设置一个没有海冰的水星球配置，并使用平板海洋模型。使用的是1.9°网格上的FV动力核心与CAM5物理模块，且使用了指定的气溶胶模型。

2.1 网格定义

我选择将网格设置硬编码到模型（CESM1.2）中，虽然也有其他方法可以实现相同的效果。在此案例中，我修改了 config_grid.xml 文件，以包含新的配置：


a%1.9x2.5_l%1.9x2.5_oi%gx1v6_r%r01_m%gx1v6_g%null_w%null

在这里，关键的操作是将海洋网格与大气网格设置为相同的网格。此外，已将掩膜网格设置为 null。在 config_grid.xml 文件的进一步配置中，我还取消了域文件的设置，稍后我们可以通过命名列表来设置这些值。

<griddom grid="1.9x2.5" mask="custom">
    <ICE_DOMAIN_FILE>UNSET</ICE_DOMAIN_FILE>
    <OCN_DOMAIN_FILE>UNSET</OCN_DOMAIN_FILE>
</griddom>

（config_grid.xml 文件位于 ccsm_utils/Case.template 目录下。）

2.2 新的使用案例

目前已有一些适用于水星球的CAM用例，它们在大多数情况下运行良好。然而，当应用平板海洋时，这些用例不能直接使用，因为 aqua_planet 命名列表参数会触发海洋组件使用分析SST代码。为了解决这个问题，可以将水星球的用例复制到一个新的用例文件，并删除 aqua_planet 选项（或将其设置为 false）。这些用例只是存储在模型目录 cesm1_2_1/models/atm/cam/bld/namelist_files/use_cases 中的命名列表参数。

2.3 设置案例

第一步是创建案例，和往常一样。我们可以使用CESM的选项来即时创建一个包含大气和平板海洋模型的配置集，同时为所有其他组件提供存根。这样就排除了海冰，但稍后我们会讨论如何处理海冰。

./create_newcase -case /work/home/yinjiewang/slab_ocean/slab_aquaplanet_case -user_compset 2000_CAM5_SLND_SICE_DOCN%SOM_SROF_SGLC_SWAV -res f19_f19_AQUA -mach sugon

到此为止，我们已经准备好设置案例：

cd /work/home/yinjiewang/slab_ocean/slab_aquaplanet_case
./cesm_setup

在没有海冰的示例配置中，我还希望使用“传统”的水星球设置，即常年春分的轨道参数。这是通过在 user_nl_cpl 命名列表中设置以下值来实现的：


orb_eccen = 0.
orb_obliq = 0.
orb_mvelp = 0.
orb_mode = 'fixed_parameters'

我们还需要对CAM的命名列表进行一些更改。首先，由于没有激活 aqua_planet 命名列表参数，因此在编译时不会触发一些便利代码。最重要的变化是没有设置表面重力势为零。我们可以通过提供一个修改后的地形边界条件文件来避免修改代码，将其设置为零。

此外，由于示例中使用的是CAM5物理模块，我们还需要决定如何处理气溶胶。一个选择是使用“整体气溶胶”模型。我们可以在 user_nl_cam 命名列表中做如下更改：


prescribed_aero_model = 'bulk'
bnd_topo = '/work/home/yinjiewang/ExoCAM/cesm1.2.1/initial_files/cam_aqua_fv/USGS-gtopo_aquaplanet_1.9x2.5.nc'

在继续之前，我们还需要确保在模型配置期间识别气溶胶选择，并在 env_build.xml 文件中提供：

env_build.xml
<entry id="CAM_CONFIG_OPTS" value="-phys cam5 -chem none" />

要运行平板海洋模型，还需要两个文件。第一个是域文件，在数据海洋命名列表中指定，该文件指定哪些网格点为海洋和陆地。为了构建水星球版本，修改了现有文件以去除陆地。第二个是“强迫”文件，指定海洋层的深度和温度以及“qflux”。在这个示例中，我提供了一个版本，其中混合层深度为50米，温度为288K，并且没有qflux。在user_nl_docn中我们指定domainfile为： 


domainfile = '/work/home/yinjiewang/ExoCAM/cesm1.2.1/initial_files/cam_aqua_fv/domain.ocn.1.9x2.5_aquaplanet.nc'

强迫文件在名为 user_docn.streams.txt.som 的文件中指定。该文件的内容可以从以前的平板海洋案例中复制。在这个示例中，文件内容如下：

<dataSource>
  GENERIC
</dataSource>
<domainInfo>
  <variableNames>
    time    time
    xc      lon
    yc      lat
    area    area
    mask    mask
  </variableNames>
  <filePath>
    /work/home/yinjiewang/ExoCAM/cesm1.2.1/initial_files/cam_aqua_fv
  </filePath>
  <fileNames>
    pop_frc.1.9x2.5d.090130_aquaplanet_0OHT_Earth.nc
  </fileNames>
</domainInfo>
<fieldInfo>
  <variableNames>
    T       t
    S       s
    U       u
    V       v
    dhdx    dhdx
    dhdy    dhdy
    hblt    h
    qdp     qbot
  </variableNames>
  <filePath>
    /work/home/yinjiewang/ExoCAM/cesm1.2.1/initial_files/cam_aqua_fv
  </filePath>
  <fileNames>
    pop_frc.1.9x2.5d.090130_aquaplanet_0OHT_Earth.nc
  </fileNames>
  <offset>
    0
  </offset>
</fieldInfo>

我们还需要在 env_run.xml 中指定我们的新用例：


<entry id="CAM_NML_USE_CASE" value="SOM_aquaplanet_cam5" />
<entry id="DOCN_SOM_FILENAME" value="/work/home/yinjiewang/ExoCAM/cesm1.2.1/initial_files/cam_aqua_fv/pop_frc.1.9x2.5d.090130_aquaplanet_0OHT_Earth.nc" />

到这一步，模型可以编译并运行。记得调整账户号码、运行时设置等。

./slab_aquaplanet_case.build
./slab_aquaplanet_case.submit

3. 海冰（SEA-ICE）

在水星球使用平板海洋模型时，主要问题是动态海冰模型。本质上，海冰动力学只能在位移极点网格（如 gx1v6）上运行。当移除陆地后，极点暴露，海冰模型因此失效。在上述示例中，我们在与大气相同的网格上运行了平板海洋模型，但未包含海冰模型。

如果在水星球设置中需要海冰，目前唯一可行的选项是以热力模式运行海冰。实现这一目标的一种方法是设置一个类似 AMIP 的案例，然后修改海冰以使用热力学代码。

 ./create_newcase -case /work/home/yinjiewang/slab_ocean/slab_aquaplanet_iced_case -compset F_2000 -res f19_f19 -mach sugon

接下来编辑 user_nl_cice 文件：


kitd = 1
prescribed_ice = .false.
tr_aero = .true.
tr_fy = .true.
tr_iage = .true.

参数 kitd 控制是否使用海冰热力学。我们也可以包含 kdyn = 0 来明确指定不使用海冰动力学（虽然在这个配置集中它已经默认被设为 0）。

将模式更改为平板海洋模式，通过修改 env_run.xml：


<entry id="CAM_NML_USE_CASE" value="SOM_aquaplanet_cam5" />
<!-- DOCN mode, valid values: prescribed, som, copyall, null (char) -->
<entry id="DOCN_MODE" value="som" />
<!-- Sets SOM forcing data filename for pres runs, only used in D and E compset (char) -->
<entry id="DOCN_SOM_FILENAME" value="/work/home/yinjiewang/ExoCAM/cesm1.2.1/initial_files/cam_aqua_fv/pop_frc.1.9x2.5d.090130_aquaplanet_0OHT_Earth.nc" />

然后按照正常步骤继续操作。

这种方法对包含热力海冰的水星球-SOM模式不完全适用。问题在于配置集假设存在陆地区域，即使指定了域文件，模型仍可能崩溃。

要运行包含热力海冰的水星球-SOM模式，可以采取类似的路径，但需要更复杂的 create_newcase 调用。以下是一个示例：

./create_newcase -case /work/home/yinjiewang/slab_ocean/slab_aquaplanet_iced_case -user_compset 2000_CAM5_SLND_CICE_DOCN%SOM_SROF_SGLC_SWAV -res f19_f19_AQUA -mach sugon

请注意，我使用了与上述无海冰案例相同的网格规范。唯一的变化是指定了一个海冰模型。

新的 user_nl_cice 文件应包含以下内容：


kdyn = 0
kitd = 1
prescribed_ice = .false.
tr_aero = .true.
tr_fy = .true.
tr_iage = .true.
grid_file = '/work/home/yinjiewang/ExoCAM/cesm1.2.1/initial_files/cam_aqua_fv/domain.ocn.1.9x2.5_aquaplanet.nc'
kmt_file = '/work/home/yinjiewang/ExoCAM/cesm1.2.1/initial_files/cam_aqua_fv/domain.ocn.1.9x2.5_aquaplanet.nc'
grid_type = 'latlon'
grid_format = 'nc'
kstrength = 0

与上述相比，这是更广泛的设置。现在需要指定 grid_file 和 kmt_file 为域文件。添加 kdyn 参数只是为了明确说明。此外，grid_type、grid_format 和 kstrength 参数是通过试验和错误确定为必要的。

其他更改遵循之前的描述：

4. 气溶胶（AEROSOL）

在水星球的大气中应使用哪种气溶胶？这一选择是任意的，但可能会影响模拟的某些方面。对于 CAM4 物理模块，有一个更明确的约定，即气溶胶不与辐射相互作用；同时，在 CAM4 中气溶胶也不与云相互作用，因此结果是一个“无气溶胶”的水星球。这是 CFMIP2 水星球实验的推荐做法，遵循 APE。对于 CAM5，气溶胶对云有间接影响，但没有标准方法可以“关闭”气溶胶效应。以下是一些可在 CAM5 水星球配置中应用的选项。每个选项都可以在 env_build.xml 中控制，如下所示：

env_build.xml
<entry id="CAM_CONFIG_OPTS" value="-phys cam5 -chem OPTION" />

其中，OPTION 可以填充多个值，但这里需要考虑的只有 none 和 trop_mam3。

4.1 规定气溶胶（PRESCRIBED AEROSOL）

如果我们想要使用规定的气溶胶，那么我们必须在 CAM 的命名列表参数 prescribed_aero_model 中指定为 modal 或 bulk，并将化学选项设置为 none。这是唯一的方法可以覆盖基于物理包的默认设置（即 CAM4 或 CAM5）；当化学选项设置为 none 时，prescribed_aero_model 默认设为 CAM5 的 modal。

规定的模式气溶胶基于模式气溶胶模块（MAM）代码，并使用基于云分数的条件采样来模拟气溶胶-云-辐射的相互作用，这与使用交互式气溶胶所预测的相似。

规定的体积气溶胶是 CAM4 中使用的体积气溶胶模块（BAM）。它不包含任何气溶胶的间接效应。云滴激活使用网格单元中的规定气溶胶浓度。

这两种版本都需要 netCDF 文件作为规定气溶胶的边界条件。为了在水星球中使用，可以将默认文件复制到本地目录并根据需要进行修改。然后可以在 CAM 的命名列表中指定这些文件的路径。

4.2 模式气溶胶模块（MODAL AEROSOL MODULE）

模式气溶胶模块（MAM）是 CAM5 中默认的气溶胶处理方式，因此它可能是水星球配置的最具吸引力的选项。与规定的气溶胶相比，它在计算上更为昂贵。MAM 有两个版本，一个具有三种气溶胶模式（即大小分类），另一个具有七种模式；只有三模式版本在气溶胶建模社区之外经常使用。

MAM3 也需要 netCDF 文件来提供边界条件，但这些是来自地表（或近地表）的气溶胶排放，而不是气溶胶浓度。与 BAM 文件类似，默认值可以复制到本地目录并进行修改。对于水星球配置，合理的做法是移除所有陆基排放，只留下由海洋生物产生的二甲硫醚（DMS）排放。是否应在水星球中包含海洋生物排放取决于个人喜好。

当 DMS 也被移除时，唯一剩下的气溶胶排放是进入大气中的海盐诊断通量。在比较仅有“盐”排放的配置与允许 DMS 排放的配置的实验中，两者之间的差异很小。与使用 MAM3 的 CAM5 的 AMIP 运行进行比较时，气溶胶的最大问题似乎是水星球在上对流层中以雪形式存在的水更多，而 AMIP 配置中则有更多的云冰。两者都具有辐射活性，但光学性质略有不同。目前认为这种差异是由于水星球上缺乏进入上对流层的冰核，而这可能是因为矿物尘埃是 CAM5 冰核的主要贡献者。