CESM2.0 全流程解析：从环境搭建到多模块耦合模拟

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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。

运行前的准备

CESM 运行的系统和软件环境
CESM需要什么运行环境
CESM2.0\2.1\2.2运行环境的搭建

Linux系统及编译

CESM 运行需要掌握的Linux及编译知识
Linux的基础知识及操作
Linux编译的基础及操作示例
基于Make 和CMake的编译体系

CESM原理、结构

CESM 的基本结构
CESM的几大功能模块
CESM的基础知识

CESM程序获取、结构及其功能

获取 CESM程序代码，CESM文件夹结构及各自功能
获取最新或特定版本的 CESM 代码
讲解 CESM文件夹结构作用

CESM 移植、安装及快速运行

CESM 运行环境的准备，编译、安装及运行
检查并完善CESM 运行所需环境及软件
针对特定服务器环境的 CESM Machine File 修改
创建一个简单的 case，并编译运行这个 case

CESM 配置选项及数据文件制备

CESM 运行的配置文件详解，运行所需数据文件制备
创建 CESM case时各选项及其意义
运行配置文件namelist 的详解，常用选项选择及其意义
运行 CESM 所需数据文件结构及数据文件制备方法及程序
根据研究内容熟练创建 CESM case 并运行 CESM

CESM单模块运行——以CLM为例

熟练掌握 CESM 单模块运行的 case 创建、文件准备及运行-以CLM为例
创建CLM单点或区域模式的方法
单点及区域运行所需文件的制备
单点及区域模式的运行

CESM 的部分耦合运行——CAM-chem + CLM

熟练掌握 CESM 部分模块耦合运行的 case 创建、文件准备及运行
部分耦合的原则
CAM+CLM 实例的创建及运行
CAM的拓展——CAM-chem、WACCM

CESM 的全耦合运行

熟练掌握 CESM 全耦合运行的 case 创建、文件准备及运行
全耦合运行的注意事项
全耦合实例的创建及运行

CESM结果处理、分析及可视化-以CLM为例

熟练掌握 CESM输出结果文件结构、变量意义、变量选择以及结果分析-以CLM为例
创建单点或区域模式的方法
单点及区域运行所需文件的制备
单点及区域模式的运行

CESM 代码修改、发展及改进

了解 CESM代码的结构、主要模块的组成、Fortran程序的修改
了解 CESM 主要的代码结构
了解 CESM 几大模块的组成及相应的程序位置
根据需要修改代码，编译运行

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