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地球系统模式为地球系统变化规律、认识人类活动与全球变化之间的相互作用研究，以及相应政策制定提供了不可或缺的定量依据，是上述研究的科学量化工具之一。

国际上对地球科学数值模式的高度重视极大促进了目前地球系统模式的快速开发应用，其中通用地球系统模式（Community Earth System Model，CESM）是一个典型代表。CESM是一个完全耦合的全球气候模型，可用于研究地球的过去、现在和未来的气候状况，广泛应用于各类气候问题的研究中。自NCAR（美国国家大气研究中心）于2010年发布以来，在地球科学领域广受关注。

在完全兼容CCSM的基础上，CESM还支持陆地碳循环、动态植被等更多的物理、生物和化学过程，并将不同组织研发的分量模式通过耦合器进行联合，增加了气候模式框架的可插拔性。同时，CESM提供了单一可执行文件和灵活进程映射功能便于程序移植和优化。

作为地球系统耦合模式，CESM由大气、海洋、陆地、陆地冰、海冰等模型分量组成，外加一个中央耦合器组件CIME (Common Infrastructure for Modeling the Earth)，为模式配置、编译和运行提供个例控制器，实现不同分量之间的耦合。

主要的几个分量模式介绍：

• 大气（CAM）

• 海洋（POP）

• 陆地（CLM）

• 海冰（CICE）

• 陆冰（CISM）

大气分量

CAM（The Community Atmosphere Model ) 使用和CCSM4与CESM1相同的有限体积（FV）动力核心，但它包含了对现有很多物理过程表示方法的改变。主要的变化是纳入了统一湍流方案，同时可以预测降下的凝结物（雨和雪）的质量和数量浓度。

CESM2的全大气通用气候模式（WACCM6）配置与CAM6相同，除了使用了70个垂直层，模型顶高为4.5×10-6hPa（约130km），与CAM6相比，该模式具有更好的平流层表现，被称为“高顶”模式，能描述对流层、平流层和高层大气化学特征，还能过模拟平流层的内部变化，包括季节尺度上的平流层突然变暖和精确解析的准两年振荡。

海洋分量

POP（The Parallel Ocean Program）是由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室基于Bryan，Cox，Semtner和Chervin模型开发的全球海洋环流数值模式。从CESM V1.2版本开始， 海浪模块也被加入到模式中。

POP采用基于流体静力平衡和Boussinusq近似的薄层流体的三维原始动力方程进行描述的全球海洋环流模式，水平方向支持广义正交坐标， 垂直方向以海洋深度为垂直坐标。

除了作为CESM地球系统耦合模式的组件，也可以用于海洋中尺度涡的模拟。

陆面过程分量

CLM（The Community Land Model ）是目前世界上发展最为完善而且也是最具发展潜力的陆面过程模式之一。

它综合了生物圈—大气圈传输方案陆面模式(BATS)、中国科学院大气物理研究所陆面过程模式(IAP94)和NCAR的陆面 过程模式(LSM)等几个陆面模式的优点，改进了一些物理过程的参数化方案，并加入水文过程而开发出的综合性陆面模式，是目前国际上发展最为完善且得到广泛应用的陆面模式。

CLM模式完善的生物地球物理过程、水文过程、生物地球化学过程和动态植被过程使得模式不仅可以模拟植被覆盖相关的物理过程和与土壤水热传导相关的物理过程，可以模拟地表径流、基流、植被冠层蒸发、植被蒸腾、土壤蒸发等水文循环变量，可以通过嵌套次网格实现动态植被的碳氮循环模拟研究，更是可以用于冻土、林火、城市冠层以及陆气相互作用等有关陆面过程的各种研究。

海冰分量

CICE（The sea-ice component）是Los Alamos实验室开发，动力学模块采用弹-粘-塑(Elastic-Viscous-Plastic, EVP)海冰流变学计算海冰的内部应力，热力学模块考虑了海冰内部的卤水泡效应，并对其进行了参数化。为更好地模拟海冰厚度的分布，模式根据海冰厚度的不同将海冰分为5类，利用海冰厚度机械再分布方案进行不同类别之间的转换，同时考虑了成脊等过程的影响。模式包含多个显式的融池参数化方案，可以更好地模拟融池的发生、发展和重新冻结的过程，从而计算出融池的面积和深度，更准确地模拟大气、海冰和海洋界面的反照率和热量通量；模式采用了Delta-Eddington短波辐射方案，该方案根据实验观测的积雪和海冰的光学属性计算冰和积雪对短波辐射的反射、散射和吸收，同时包含了冰面融池的影响。在垂直方向上，模式包含一层积雪，海冰分为7层，且积雪和海冰的垂直层数可调，从而可以更好地反映积雪及海冰内部的温度和盐度属性。

陆冰（冰盖）分量

CISM（CESM ice sheet model）可用于用于预测气候变化中的冰盖演化和海平面上升。最早是基于布里斯托大学开发的 Glimmer 冰盖模型，开发是通过 CESM 陆地冰工作组进行的，由洛斯阿拉莫斯国家实验室的COSIM项目领导。

CISM是一种先进的并行模式，具有高阶速度求解器（适用于高速流动的冰流和冰架），并改进了基础滑动、冰山崩解和其他物理过程的处理方法，该模型是首批包含耦合动态冰盖的全球气候模型之一。

CISM已成功运行用于真实的格陵兰岛和南极冰盖模拟，水平分辨率高达约 1 公里，使用数千个处理器。

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