地球系统模拟软件

地球系统模式数值模拟系统具备完整、自洽和严谨的动力、物理、化学和生态过程,构建具有我国自主知识产权和独创特色的新一代高分辨率模式软件系统,包含大气、海洋、陆面、植被生态、大气化学、海洋生化、陆地生化等过程的分系统模式及其耦合模式。同时建设日地空间环境、大陆冰盖和固体地球模式,为今后实现全耦合奠定基础。该系统大气模式水平分辨率不低于25公里,海洋模式不低于10公里,达到世界先进水平。

1. 大气环流模式

大气环流模式可以在给定的边界条件和初始条件下,模拟大气温度、风速、压力、降水、云量、水汽等基本的大气环流特征,其模拟结果可以为陆面模式、海冰模式、海洋模式等提供上边界条件,也可为区域大气模式提供侧边界条件。大气环流模式将在大气物理研究研发的现有的模式基础上进一步完善和发展。在模式的动力框架方面,将建立稳定、协调、高效和守恒的新设计方案,水平分辨率将达到25公里左右;此外在物理过程参数化方案方面,将重点发展和改进云微物理方案、积云对流参数化方案、云-辐射集合模拟方案、以及边界层过程参数化方案,以提高模式对全球气候,尤其是东亚气候的模拟性能。

2. 海洋环流模式

       海洋环流模式是用于研究海洋自身特性和变化规律,以及海洋与气候系统相互作用的数值模拟工具,其基本原理是基于地球流体力学原始方程组,在超级计算机上进行数值积分,实现对全球海洋环流及其特性的模拟。地球系统模式中的海洋分量将基于中国科学院大气物理研究所自主研发的海洋环流模式LICOM(全称:LASG/IAP Climate system Ocean Model),提高模式水平分辨率到10KM,并进一步发展完善其物理参数化过程,最终建立起高分辨率的全球海洋环流模式。高分辨率的模拟将极大地促进中尺度涡和西边界流等海洋中尺度现象的研究。在科研的同时,海洋模式还可用于海洋环境的预报,为远航航行、国防安全、海洋生产活动提供保障。

       3. 陆面过程模式

      陆面过程模式分系统研究是将地球大气圈、水圈、岩石圈、生物圈视为一个相互作用的大系统,以探索其中的物理、化学和生物过程及其变化规律的系统性研究。陆面过程模式是定量描述这些过程以及研究人类活动与环境相互作用的基本工具,是复杂陆面过程机理研究、区域/全球气象-水文-生态的精细业务预报、土地利用与变化、气候与生态环境变化等研究的重要平台,是定量研究人类活动与地球系统相互作用重要平台。陆面模式分系统将采纳我国具有自主知识产权的通用陆面模式(CoLM),通过多学科交叉融合,全面提升陆面过程模式的时空分辨率和适用性。

陆面过程模式.png

      4. 植被动力学模式

      全球植被动力学模式主要用于模拟全球植被的分布格局及其演变等。在地球系统模式全耦合模拟时,其模拟结果可为陆面过程模式提供植物生理生态特征信息,为大气环流模式提供植被-地表-大气间的通量交换(如碳通量、痕量气体排放)等。全球植被动力学模式将在我国自行研发的全球植被动力学模式(IAP-DGVM1.0)基础上进一步完善和发展。

      5.气溶胶和大气化学过程模式

      气溶胶和大气化学过程模式是用于研究化学成分在大气中生消演变的数学工具,它通过详细描述大气中化学成分的排放、平流、扩散、化学转化和干湿清除等过程,获得化学成分的浓度和沉降时空分布。模式可模拟、预测平流层和对流层中与气候和环境密切相关的臭氧、氮氧化物、一氧化碳、碳氢化合物等痕量气体以及沙尘、海盐、硫酸盐、硝酸盐、铵盐、黑碳、有机碳等气溶胶成分的时空变化。其模拟结果可为大气环流模式的辐射、云、降水等模块提供动态的化学成分信息,也可作为陆地-海洋生物地球化学循环模式的上边界条件。气溶胶和大气化学过程模式将在中国科学院大气物理研究所自主研发的全球多尺度嵌套大气化学模式(IAP-AACM)基础上进一步完善和发展。

气溶胶和大气化学过程模式.png

      6. 海洋生化模式

      海洋生化模式主要描述海洋中碳的生物地球化学循环过程,包括海洋生物地球化学模式和海洋生态模式两个部分。海洋生物地球化学模式从海气界面发生的碳交换开始,详细描述碳在海洋中的吸收,转化,存储等过程,并通过模拟这些过程对不同气候状态的反应,来量化海洋碳库对大气碳浓度的调节作用。海洋生态过程主要描述海洋上层浮游生物的动力学过程,通过对生态系统生长、消亡的在线模拟,为海洋上层无机碳向有机碳的转化提供过程描述。海洋生化模式分系统为大气模式分系统提供海气碳通量,用以计算大气CO2浓度随时间的改变。


       7.陆地生物地球化学模式

       陆地生物地球化学模式可以根据陆面模式给定的土壤物理环境条件,模拟土壤的生物地球化学过程,主要包括碳氮元素的迁移转化过程,同时其模拟结果可以为大气模式、气溶胶和大气化学过程模式提供不同生态系统的CO2、CH4、N2O、NH3的净交换量,即物质交换的下边界条件。此外,还可以提供空间分布均匀,时间分布连续的排放源变量信息,以弥补当前各种碳氮气体排放观测不连续,分布不均的缺陷,有助于深入研究陆地生态系统与大气系统之间的相互作用。

陆地生物地球化学模式.png

       8.日地空间模式

       日地空间环境模式整合运动学模型和3维磁流体动力学(magnetohydrodynamics, MHD)数值模型,以太阳大气等观测数据为驱动,考虑体积加热等物理机制,模拟太阳风在太阳日冕到地球空间中的传播演化过程。该模式用于研究不同太阳活动期的背景太阳风演化特征、大尺度太阳风扰动结构传播演化过程、多重日冕物质抛射(Coronal Mass Ejection, CME)/行星际激波相互作用中小尺度过程等物理过程。日地空间环境模式输出地球空间附近的太阳风磁场与等离子体基本参数的时空变化,可弥补当前日地空间探测数据稀少的缺陷,可用于分析地磁暴成因和空间天气预报实验。日地空间环境模式将在我国自主研发的太阳行星际模式基础上进一步完善和发展。

       9.大陆冰盖模式

       大陆冰盖模式分系统是基于并行有限元算法计算大陆冰盖和冰川演化的数值模拟系统,可以根据冰盖厚度、冰盖表面高程、基岩高程和年平均温度等卫星数据,结合大气环流分系统和海洋环流分系统输出的温度和速度场等数据,对大陆冰盖在全球气候快速变化情况下的演化历史和断裂发育进行模拟,并预测其发展趋势以及对地球各个圈层的影响。对大陆冰盖在全球气候快速变化情况下的演化历史和发展趋势进行模拟,以探讨陆冰对全球气候变化的反馈以及对全球重力场、大地水准面、地壳应力场等地球科学问题的影响。大陆冰盖模式分系统将以国际上主流的陆冰模拟软件(如CISM、ISSM)的数学模型为基础,采用更先进的网格处理技术和求解算法,使模拟结果在空间和时间上达到更高的分辨率,并且尝试考虑基底滑动、冰解(calving)等实际物理过程。

       10.固体地球模式

       固体地球模式旨在建立全球尺度地球动力学模式,同时提供大规模的并行可视化系统以对多重模拟数据进行可视化,并且能够在各个时间和空间尺度上与大气、海洋、冰盖和植被等模式进行耦合。固体地球模式包含六个子系统:地幔对流和板块运动子系统、全球粘弹性子系统、全球弹性子系统、地表过程耦合子系统、区域孔隙弹性耦合子系统和全球海潮-风暴潮-海啸传播子系统。