提升GEOS-Chem模型对流层臭氧模拟及化学数据同化研究

### 提升GEOS - Chem模型对流层臭氧模拟及化学数据同化研究 #### 1. GEOS - Chem标准伴随模型 在计算模型输出梯度时，伴随方法有两种推导方式。一种是从控制正向模型的方程推导，得到连续伴随；另一种是从正向模型代码推导，得到离散伴随。连续伴随梯度可能与成本函数 $J$ 的实际数值梯度不同，且某些系统的连续伴随方程及所需的边界/初始条件并非总能轻易推导，但连续伴随方程的解对于解释伴随值的意义更有用。而离散伴随模型的优点是，对于非线性或迭代算法，数值成本函数的梯度是精确的，更易于验证，并且部分离散伴随代码可借助自动微分工具直接从正向代码生成。 GEOS - Chem中的化学模拟采用了Kinetic Pre - Processor（KPP）。KPP提供了多个化学求解器库，以及它们的切线性和伴随积分器。它生成化学伴随文件的方式与生成正向化学文件类似，生成的文件与GEOS - Chem伴随代码接口，更新KPP全局变量、参数和初始化文件。 不同过程的伴随模型构建方式如下： |过程|伴随模型类型|构建方式| | ---- | ---- | ---- | |GEOS - 4平流子程序|连续伴随|通过使用反向风场调用正向子程序推导| |GEOS - 4对流、行星边界混合（pbl_mix）和湿沉降|离散伴随|使用切线性和伴随模型编译器（TAMC）构建，正向运行中的中间参数在每个动态时间步进行检查点记录，并在伴随运行时读取| |linoz方案|线性且自伴随|无特殊构建方式，伴随变量遵循与正向示踪剂浓度相同的动力学| |GEOS - Chem排放和干沉降|通过化学处理|通过伪方程处理，这些过程的速率单独计算后附加到化学反应速率上，伴随通过伴随积分器计算并缩放| GEOS - Chem伴随函数调用流程如图所示： ```mermaid graph LR classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px; classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; A([开始]):::startend --> B(正向模式):::process B --> C(CONVERT_UNITS()转换示踪变量单位):::process C --> D(科学过程调用):::process D --> E(Make_*_CHK()创建检查点文件):::process E --> F(结束正向模式):::process F --> G(伴随模式):::process G --> H(Read_*_CHK()读取检查点文件):::process H --> I(反向调用科学过程伴随):::process I --> J(CONVERT_UNITS()转换伴随变量单位):::process J --> K([结束]):::startend ``` #### 2. 代码结构概述 新开发的GEOS - Chem伴随模型结构良好，遵循用户手册中的编码风格。对于一个科学过程，所有正向和相关伴随子程序都保存在同一个模块文件中，方便用户查看。为处理检查点记录，提供了额外的模块文件CHECKPOINT_MOD.F。此外，通过单独的文件提供了执行观测和背景成本函数计算、定义伴随变量、包含卫星观测等各种子程序。 标准GEOS - Chem伴随包（GCv7_ADJ）可从项目网站下载。用户有五种应用模式： - FWD_SMV模式：可从哈佛网站获取的正向GEOS - Chem代码，使用SMVGEAR积分器进行化学计算。 - FWD_KPP模式：与FWD_SMV类似，但使用KPP进行化学计算，为用户提供了一套快速且高精度的积分器供选择。 - ADJ_FD模式：有限差分测试模块，用于验证新构建的伴随子程序。 - ADJ_SENST模式：用于进行灵敏度分析。 - ADJ_4DVAR模式：用于进行4 - D变分数据同化。 用户可通过在编译脚本（v7 - 04 - 10.cmp）中简单地注释或取消注释模式选项来选择其中一种模式。4 - D变分数据同化需要多次正向和反向模型运行迭代才能收敛到合适的初始条件，用户可以在任何迭代中停止，并在以后从同一点重新开始，迭代次数通过运行脚本（v7 - 04 - 10.run）处理。 #### 3. 基于共享内存系统的并行加速结果 哈佛的GEOS - Chem代码是为共享内存系统并行编程的。开发伴随模型的一个挑战是完全并行化该模型。具体并行化方法如下： - 化学伴随：使用THREADPRIVATE变量允许多个线程并行执行不同网格单元的KPP化学例程。 - 排放和