修改 TSI（总太阳辐照度）教程

1. 背景和原理

TSI（Total Solar Irradiance，单位 W/m²） 是描述太阳辐射强度的关键参数。在气候模拟中，TSI 决定了行星表面接收到的能量，进而影响大气和海洋的热力过程。TSI 的改变不仅适用于研究地球气候，还对其他行星的宜居性研究具有重要意义。例如，由于行星距恒星的距离不同，以及恒星在其演化过程中光度的变化，不同的 TSI 水平可能决定一颗行星是否处于宜居带内。通过模拟 TSI 的变化，研究人员可以探索不同条件下的气候稳定性与宜居性特征。

• CAM4: 可以直接通过命名列表参数 solar_const 修改 TSI，无需额外准备输入文件。
• CAM5: 由于 RRTMG 辐射方案的限制，solar_const 不再适用，必须通过修改光谱辐照度文件（solar spectral irradiance file）来实现 TSI 的调整。

2. CAM4 中修改 TSI

2.1 修改方法

在 CAM4 的物理包中，TSI 可以直接通过 user_nl_cam 文件的 solar_const 参数设置。

2.2 实现步骤

1. 在案例目录中找到 user_nl_cam 文件。
2. 添加或修改以下参数：

   solar_const = 1300.0

   其中 1300.0 为目标 TSI 值（单位 W/m²）。
3. 运行 ./preview_namelist 验证更改。
4. 编译和运行模型：

   ./case.build
   ./case.submit

3. CAM5 中修改 TSI

3.1 问题说明

在 CAM5 物理包中，RRTMG 辐射方案使用光谱辐照度文件（solar_data_file）计算辐射强度，而不是直接使用 solar_const。

若同时设置 solar_const 和 solar_data_file，会报如下警告：

WARNING: It is not allowed to set both solar_const and solar_data_file. solar_const will be ignored.

此外，尝试切换回 CAMRT 辐射方案可能导致模型组件不兼容的错误。

3.2 解决方案

要在 CAM5 中修改 TSI，需通过修改光谱辐照度文件（solar spectral irradiance file）来实现。这涉及以下步骤：

1. 准备原始光谱辐照度文件，例如 ape_solar_ave_tsi_1365.nc。
2. 编写 Python 脚本调整文件（见下文）。
3. 在案例中指定新文件，并更新 user_nl_cam 文件。

3.3 Python 脚本

以下脚本用于生成新的光谱辐照度文件：

import xarray as xr

# 原始文件路径
input_file = "ape_solar_ave_tsi_1365.nc"

# 目标 TSI 值
target_tsi_values = [1300, 1200, 1100]

# 循环生成新文件
for target_tsi in target_tsi_values:
    # 打开原始文件
    ds = xr.open_dataset(input_file)

    # 计算缩放因子
    scale_factor = target_tsi / ds["tsi"].max().item()

    # 缩放 SSI 和更新 TSI
    ds["ssi"] = ds["ssi"] * scale_factor
    ds["tsi"][:] = target_tsi

    # 保存新文件
    output_file = f"ape_solar_ave_tsi_{target_tsi}.nc"
    ds.to_netcdf(output_file)

    print(f"生成新文件：{output_file}，目标 TSI = {target_tsi} W/m²")

3.4 在案例中指定新文件

1. 编辑案例目录中的 user_nl_cam 文件，指定新的光谱辐照度文件：

   solar_data_file = '/work/home/yinjiewang/inputdata/atm/cam/solar/ape_solar_ave_tsi_1100.nc'

2. 运行 ./preview_namelist 检查更改。
3. 编译和运行模型：

   ./case.build
   ./case.submit