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CESM2.0 全流程解析：从环境搭建到多模块耦合模拟

news 来源：原创 2025/5/23 6:34:01

技术点目录

- 运行前的准备
- Linux系统及编译
- CESM原理、结构
- CESM程序获取、结构及其功能
- CESM 移植、安装及快速运行
- CESM 配置选项及数据文件制备
- CESM单模块运行——以CLM为例
- CESM 的部分耦合运行——CAM-chem + CLM
- CESM 的全耦合运行
- CESM结果处理、分析及可视化-以CLM为例
- CESM 代码修改、发展及改进
- 了解更多

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前言综述
地球系统模式（CESM）作为研究全球气候变化的核心工具，通过整合大气、陆地、海洋等多模块，实现对地球气候系统的高精度模拟。其最新版本 CESM2.0 及后续更新强化了各模块的物理过程描述，如 CLUBB 边界层方案、CAM6-chem 化学模块等，为 CMIP6 研究提供了强大支持。本次学习围绕 CESM 的全流程应用，从环境搭建、单模块运行到多模块耦合，结合代码修改与结果分析，系统解析模型在气候模拟中的关键技术，助力研究者掌握复杂地球系统的建模方法，提升气候变化研究的深度与精度。

一、CESM 模型基础与环境搭建

CESM 运行依赖特定的 Linux 系统环境与编译工具链（如 Make、CMake）。模型核心由大气（CAM）、陆面（CLM）、海洋（POP）、海冰（CICE）等模块及中央耦合器（CIME）组成，各模块通过 CIME 实现参数传递与协同计算。学习者需掌握代码获取路径（如 NCAR 官网）、文件夹结构（如、DIN_LOC_ROOT）及单模块运行流程，以 CLM 为例，通过创建单点或区域案例，熟悉输入数据制备（如 GSPW3 强迫数据）与模型初始化过程。

二、CESM 耦合运行与数据处理

耦合运行是 CESM 的核心优势，支持大气 - 陆面（CAM-CLM）、大气化学 - 陆面（CAM-chem+CLM）等部分耦合场景，以及包含海洋、海冰的全耦合模拟。配置文件（namelist）的参数设置是关键，需根据研究目标选择 compset（如包含化学模块的 WACCM6）与网格分辨率。结果数据处理涉及 NetCDF 文件解析，利用 NCL 等工具提取变量（如气温、径流）并进行时空可视化，通过对比观测数据验证模型精度。

三、模型进阶开发与应用实践

CLM 模块的单点模拟可用于局地生态过程研究，如土壤碳氮循环；区域模拟则需结合遥感数据同化，提升空间异质性刻画能力。代码修改允许研究者自定义物理过程，例如调整 CLM5 的土壤层数或植被参数，通过 Fortran 代码调试实现模型优化。典型应用包括 CMIP6 情景模拟、极端气候事件归因分析，以及耦合卫星观测数据的陆面过程验证，为气候变化影响评估提供量化依据。