3D-CEMBS

CCSM4.0/CESM1.0 (Community Climate System Model/Community Earth System Model) składa się z pięciu oddzielnych elementów z dodatkowym łącznikiem (CPL7), który kontroluje czas, siły wymuszające, domeny, siatki oraz wymianę informacji między modelami. Centralna część modelu bazuje na MCT (The Model Coupling Toolkit), który jest w pełni równoległym narzędziem udostępniającym szereg usług, takich jak rejestr poszczególnych komponentów modelu, deskryptory rozkładu domeny na procesory, komunikację, redystrybucję danych oraz inne bardzo pomocne narzędzia. Dla naszych potrzeb CESM został dostosowany do Morza Bałtyckiego i został nazywany 3D-CEMBS. W trybie operacyjnym pracuje model oceanu (POP, wersja 2.1) z modułem ekosystemu oraz model lodu (CICE, wersja 4.0), które wymuszane są przez model danych atmosferycznych (datm7). Dodatkowo, dopływ wody słodkiej wraz z biogenami z rzek jest realizowany poprzez model lądu (dlnd). Pozostałe modele są wyłączone w tej konfiguracji (tryb stub). Głównym zadaniem datm7 jest interpolacja danych atmosferycznych na domenę modelu. Siły zewnętrzne to średnie dzienne z okresu czterdziestu lat, pochodzące z re-analizy ECMWF (ERA-40). Obecnie w stanie operacyjnym wykorzystywane są 48-godzinne prognozy atmosferyczne dostarczane przez model UM Interdyscyplinarnego Centrum Modelowania Uniwersytetu Warszawskiego.


Rysunek 1: Konfiguracja modelu 3D-CEMBS.

POP
Model oceanu bazuje na Parallel Ocean Program (POP, Smith i Gent, 2004), z Narodowego Laboratorium w Los Alamos (LANL – Los Alamos National Laboratory) który wywodzi się z modelu globalnego oceanu (Semtner, 1974) z dodatkowymi warunkami dla powierzchni swobodnej (Killworth et al., 1991). Jest to model typu ‘z’ (grubości warstw dla każdej komórki są identyczne), rozwiązuje on przy użyciu parametyzacji trójwymiarowe równania opisujące zachowanie się uwarstwionego oceanu. Numerycznie model określa pochodne przestrzenne we współrzędnych sferycznych za pomocą metody elementów skończonych. Wielkości fizyczne modelu osadzone są na sferycznym gridzie typu Arakawa B (Arakawa and Lamb, 1977). Równanie barotropowe jest rozwiązywane za pomocą „preconditioned conjugate gradient solver” (PCG), a adwekcja jest określana poprzez różniczkę centralną. Parametryzacja mieszania w poziomie realizowana jest poprzez operator biharmoniczny, natomiast turbulencje w pionie określa parametryzacja KPP. Używane jest także równanie stanu wprowadzone przez McDougall’a, Wright’a, Jackett’a i Feistel’a (2003).

CICE
CICE (Community Ice CodE) opiera się na elastyczno-lepkościowo-plastycznej reologii (Hunke and Dukowicz 1997). Jest tak zaprojektowany aby pracować zgodnie z modelem oceanu POP na maszynach wykorzystujących obliczenia równoległe. Składa się z kilku elementów oddziałujących ze sobą: model termodynamiczny, który oblicza lokalne przyrosty śniegu i lodu dzięki przewodzeniu w pionie strumieni energii i pędu. Określa również prędkość każdej komórki lodu na podstawie prędkości wiatru i prędkości oceanu. Posiada kilka kategorii w pionie, dzięki czemu rozkład naprężeń jest dużo bardziej zbliżony do rzeczywistego.

Ekosystem
Model ekosystemu (Rysunek 2) składa się z głównych składowych, takich jak: zooplankton, mały fitoplankton, duży fitoplankton, gatunki letnie (głównie sinice), mały detrytus pelagiczny (SDetr / DOC), rozpuszczony tlen, a także ze składników odżywczych takich jak: azotany, amoniak, fosforany i krzemiany. Klasa małego fitoplanktonu symbolizuje nano i pico wielkości fitoplanktonu i jest limitowana przez azotany, fosforany, temperaturę i dostępne światło. Klasa fitoplanktonu o większych rozmiarach reprezentowana głównie przez okrzemki jest limitowana przez powyższe czynniki, jak również krzemiany. Tempo wzrostu sinic zależy od fosforanów, temperatury i dostępnego światła. Mały detrytus pelagiczny (SDetr / DOC) jest reprezentowany przez rozpuszczony organiczny węgiel, a także inne bardzo małe cząsteczki. Plany na 2013 rok zakładają uwzględnienie w modelu 3D-CEMBS dużego detrytusu (LDetr / POC) reprezentowanego przez cząsteczkowy węgiel organiczny.


Rysunek 2: Schemat modelu ekosystemu 3D-CEMBS.



Konfiguracja modelu
Model 3D-CEMBS jest obecnie skonfigurowany dla 2 km rozdzielczości poziomej (dokładnie 1/48°). Batymetria modelu jest reprezentowana przez 21 poziomów, gdzie grubości pierwszych czterech warstw powierzchniowych wynoszą odpowiednio 5 metrów. Topografia dna jest oparta na modelu globalnym ETOPO2 (http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/global.html, National Geophysical Data Center). Dane batymetryczne zostały interpolowane na siatkę modelu za pomocą metody Kriginga. Dane inicjalizujące dla modelu oceanu zostały przygotowane przy użyciu temperatury i zasolenia pochodzących z danych klimatologicznych (Jansen et. all. 1999). Domena 3D-CEMBS oparta jest na obróconych współrzędnych stereograficznych, równik tej siatki znajduje się w centrum Morza Bałtyckiego, dzięki czemu możemy założyć, że kształt komórek jest kwadratowy i są one identyczne.


Rysunek 3: Topografia dna 3D-CEMBS oraz głębokości poziomów (m).

Źródła

  • Arakawa, A., V.R. Lamb, 1977. Computational design of the basic dynamic processes of the UCLA general circulation model. Methods Comput. Phys., 17, 173–265.
  • Hunke, E. C. and J. K. Dukowicz, 1997. An elastic-viscous-plastic model for sea ice dynamics. J. Phys. Oceanogr., 27, 1849–1867.
  • Jansen, F., C. Schrum, J.O. Backhaus, 1999. A climatological data set of temperature and salinity for the Baltic Sea and the North Sea. Dt.hydrogr. Z., Supplement 9, 245 pp.
  • Seifert, T., F. Tauber, B. Kayser, 2001. A high resolution spherical grid topography of the Baltic Sea – 2nd edition. Baltic Sea Science Congress, Stockholm 25-29. November 2001
  • Smith, R., P. Gent, 2004. Reference manual for the Parallel Ocean Program (POP). Los Alamos National Lab., New Mexico, 75 pp.
  • Semptner, A.J.,1974. A general circulation model for the World Ocean. UCLA Dept. of Meteorology Tech.Rep., No.8, 99pp.
  • Stroeve, J., M. M.. Holland, W. Meier, T. Scambos, M. Serreze, 2007, Arctic sea ice decline: Faster than forecast, Geophys. Res. Lett., 34
  • Amante, C. and B. W. Eakins, ETOPO1 1 Arc-Minute Global Relief Model: Procedures, Data Sources and Analysis. NOAA Technical Memorandum NESDIS NGDC-24, 19 pp, March 2009.
  • Moore, J.K., Doney, S.C., Kleypas, J.A., Glover, D.M., Fung, I.Y., 2002. An intermediate complexity marine ecosystem model for the global domain. Deep-Sea Res. II,49: 403-462.

Projekt

Prace zostały wykonane w ramach grantu nr NN305 111636 - Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego.

Obliczenia wykonano na komputerach Centrum Informatycznego Trójmiejskiej Akademickiej Sieci Komputerowej.