通用地球模擬模式(英文名：Community Earth System Model，簡稱：CESM)是一個全耦合的全球氣候模式，為用戶提供地球過去、現在和未來氣候狀態的最先進的計算機模擬，是地球系統模擬的先進技術。自NCAR（美國國家大氣研究中心）於2010年6月發布以來，在地球科學領域廣受關注。CESM結合了新型數值算法，大大增強了模式前身（2004年6月發布的通用氣候系統模擬CCSM3）的模擬能力，並添加了諸如碳氮循環、人類活動導致的全球植被動態和土地利用變化、海洋生物地球化學模組、冰蓋動態模組及氣溶膠間接和直接影響的化學和物理過程等模組。最初的版本CESM1包括5個地球物理子模組，分別為大氣（CAM）、海洋（POP）、陸地（CLM）、海冰（CICE）和冰蓋（CISM）。截至2022年10月已更新至CESM2.2.0版本。
基本介紹
- 中文名：通用地球系統模式
- 外文名：Community Earth System Model
- 別名：地球系統模擬
- 簡稱：CESM
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發展歷程
通用地球模擬模式的前身是通用氣候模擬模式（CCSM），CCSM於1983年由NCAR發布作為一個開源的全球氣候模式被廣泛套用於氣候研究領域。隨著計算科學的迅速發展，CCSM被許多國立實驗室、高校廣泛套用。最初的CCSM存在一定的局限性，它沒有涵蓋海洋和海冰模型。後來在1994年，NCAR科學家們向NSF（美國國家科學基金會）遞交申請，計畫開發和使用氣候系統模式（CSM），其中包括大氣、陸表、海洋和海冰模組。這些模組無需通量調整即可耦合。這項計畫最初聚焦於氣候系統的物理方面，在後續版本中改進了生物地球化學和高層大氣的耦合。在模式開發過程中，NCAR科學家承諾感興趣的學者可以公平地參與到CSM的研發中。後來美國國家基金會批准了該計畫，並正式啟動模式研發。
1996年5月，第一屆CSM研討會於科羅拉多州布雷肯里奇舉行，工作小組自此成立並開始集中討論未來CSM治理性質，在科學界的充分參與及國家積極合作下第二階段正式開啟。此後成立了一個科學指導委員會（SSC）來領導CSM各項活動。先前的氣候模式分析和預測（CMAP）諮詢委員會重組為CAB。除了美國國家科學基金會的支持外，其他機構特別是能源部（DOE）和NASA也對CSM產生了興趣，在完善第二版本時，正式命名為CCSM，到2010年6月已開發至CCSM3。
而針對氣候變化的研究，無論是人為強迫還是自然過程都與大氣、海洋、陸表的物理、化學及生物過程密不可分。當將氣候系統研究拓寬到上千年的尺度時，工作重點必將轉向物理、化學和生物地球化學各個子系統之間的相互作用。這也將視野拓寬到了地球系統的研究，因此CESM應運而生。工作小組為此提出了幾點期許：提高計算機發展速度，以支持更精細複雜的模擬研究，提高解析度及和模擬時間跨度；提高對CESM中注入雲物理學、輻射傳輸、大氣化學、大尺度大氣環流與引力波的相互作用的理解；提高這些子模組之間相互作用的理解；改進針對地球物理流體動力學的數值模擬方法；加強大氣觀測，包括衛星觀測的重大進展。下面著重介紹CCSM3、CCSM4及CESM的發展過程。
CCSM3
CCSM3是一個耦合的氣候模式，包括代表大氣（CAM3）、海洋（POP）、海冰(CSIM5)和陸表（CLM3）的四個子模組，由一個通量耦合器連線起來。相比於之前版本，在模型物理上有重大改進，以減少或消除CCSM以前版本在平均氣候方面的一些系統性偏差。包括雲過程、氣溶膠輻射強迫、陸地-大氣通量以及海冰動力學的新處理方法。海冰厚度、極地輻射收支、熱帶海面溫度和雲輻射效應均有顯著改善。使得CCSM3可以對千年尺度進行穩定的氣候模擬，而無需對各子模組之間交換的通量進行特別的調整。但仍存在一定的不足，比如在在大陸以西沿海地區的海洋-大氣通量、ENSO變率譜、熱帶海洋降水空間分布、大陸降水以及陸表氣溫等方面還存在系統性偏差。工作目標即將CCSM擴展為一個更準確且全面的地球氣候系統模式。
HadISST數據集CCSM3模擬年平均表面溫度
CCSM4
與CCSM3相比，CCSM4最重要的改進是ENSO變化頻率、海面溫度變化與整個太平洋的相關性。但CCSM4仍存在明顯的偏差，需要進一步改進，例如CAM4對於深對流的改進並未消除雙熱帶輻合帶的問題。此外CCSM4中氣溶膠的間接影響缺失很可能是導致20世紀全球平均表面溫度比觀測值高的主要因素。需要改進大氣成分表示，包括更好地表示雲物理和氣溶膠，以便對氣溶膠的間接影響進行反饋。
CESM
在CCSM前三個版本（CCSM1-CCSM3）中，每個子模組和耦合器都作為獨立的可執行程式運行。對於CESM(和CCSM4)，整個系統作為一個執行檔運行，選擇模組處理器布局的靈活性大大增加。通常情況下，大氣、陸地和海冰模型在一組共同的處理器上運行，而海洋模型則在一組互不關聯的處理器上並行。CESM可以在不相連的處理器子集上運行所有組件。
從氣候模式到地球系統模式需要做哪些改進？Flato表示之間並沒有一個明確的界限，但至少地球系統模式要包括碳循環這一模組。在CCSM4發展的同時，為了解決更廣泛的科學問題，增加了額外的功能，形成了CESM1。額外的功能包括碳氮循環、人類活動導致的全球植被動態和土地利用變化、海洋生態系統—生物地球化學模組以及氣溶膠對氣候的直接和間接影響中的包含的化學和物理過程。並更新了大氣化學成分，使得這一模式將研究尺度從地表延伸到熱層的高層大氣（全大氣通用氣候模式 WACCM），此外可以將陸冰模組耦合起來模擬格陵蘭冰蓋變化及其在未來氣候變化中的作用。
CESM2模組
CESM2.2是CESM2家族的一個最新開發的版本，包含了自2018年6月發布的CESM2.0以來幾個子模組中的新研究進展。新進展包括：CAM6.3，具有新的動力核心配置和光譜元素（SE）以及NOAA的有限體積立方球（FV3）動力核心功能；WACCM-X的新版本，WACCM-X 6.2支持CAM6物理學過程；CLM的更新版本，包括基礎功能和參數改進；並提供模組化海洋模式第六版（MOM6）。下面主要從介紹CESM2的一些主要功能及優勢。
CESM2各子模組概略圖
大氣模組
通用大氣模式6（CAM6）使用和CCSM4與CESM1相同的有限體積（FV）動力核心，但它包含了對現有很多物理過程表示方法的改變。主要的變化是納入了統一湍流方案，同時可以預測降下的凝結物（雨和雪）的質量和數量濃度。CESM2的全大氣通用氣候模式（WACCM6）配置與CAM6相同，除了使用了70個垂直曾，模型頂高為4.5×10hPa（約130km），與CAM6相比，該模式具有更好的平流層表現，被稱為“高頂”模式，能描述對流層、平流層和高層大氣化學特徵，還能過模擬平流層的內部變化，包括季節尺度上的平流層突然變暖和精確解析的準兩年振盪。
海洋模組
海冰模組
與CESM1相比海冰模型包含了糊狀層熱力學特徵，以及冰鹽度的垂直預測剖面。
陸冰模組
這一部分改進使用了通用冰蓋模式2.1（CISM2.1），這是一種先進的並行模式，具有高階速度求解器（適用於高速流動的冰流和冰架），並改進了基礎滑動、冰山崩解和其他物理過程的處理方法。
陸地模組
主要提高了模式的水文和生態的真實性，並增強了人為土地利用活動對氣候和碳循環表征。具體來說更新了光合作用、溫度適應、土壤水文（凍土水文、空間土壤深度、乾表層對土壤蒸發作用的控制及地下水系方面的更新）、雪（新的積雪覆蓋率參數化），引入了機械化植物水力再分配方案，完全更新的湖泊模式，允許模擬永久凍土碳，增加了全球作物模式，納入了新的火災模式，代表人為和自然火災觸發。並包括多種城市類別和城市能源模式更新、植物氮動態表征的更新。
河流運輸模組
CESM1中使用的河流運輸模式（RTM）已經被規模自適應河流運輸模式（MOSART）代替，後者格線解析度為0.5°×0.5°。相比於RTM只模擬了水流（m/s），MOSART還模擬了隨時間變化的主河道流速（m/s）和水深，以及山坡和支流亞格線地表水流量。
耦合器
CESM2還配備一個新的協作軟體底層架構，用於構建和運行模式系統，以及控制組件之間的狀態和通量交換。這個框架被稱為通用地球模擬底層架構（CIME），包括模組化、數據同化多實例功能，並支持陸冰耦合。此外還包括新的Python功能且更容易擴展的重寫數據組件。CIME還提供了一個新的案例控制系統(CCS)，用於配置、編譯和執行複雜的地球系統模型實驗。CCS是一套面向對象的Python實用程式，它提供了許多新的功能，使可移植性、用例生成和用戶定製更容易。它記錄了所使用的模型版本的詳細信息以及用戶自定義的實驗設定。作為將CESM移植到其他機器的第一步，CIME可以在獨立模式下移植和測試，而不需要任何CESM預測組件。最後，CIME包含其他工具，例如新的統計一致性測試，允許用戶快速驗證他們的CESM2連線埠是否成功。
全球年平均表面溫度分布CESM模擬（540Ma到2020）
