IPSL-CM5A2地球系统模型：面向多千年气候模拟的设计与评估

作者及机构
本研究的核心作者包括Pierre Sepulchre（第一作者，隶属法国气候与环境科学实验室LSCE/IPSL）、Arnaud Caubel、Jean-Baptiste Ladant等来自法国国家科学研究中心（CNRS）、索邦大学、巴黎萨克雷大学等机构的30余位科学家。研究发表于2020年7月的期刊*Geoscientific Model Development*（GMD），标题为“IPSL-CM5A2 – an Earth System Model designed for multi-millennial climate simulations”。

学术背景
IPSL-CM5A2的开发基于CMIP5（第五次耦合模式比较计划）框架下的IPSL地球系统模型前代版本（IPSL-CM5A），旨在解决古气候和长期气候模拟中的关键挑战。科学背景可概括为：
1. 需求驱动：传统高分辨率地球系统模型（ESM）因计算成本限制，难以完成数千年尺度的模拟，而此类模拟对研究地质历史气候（如白垩纪温室气候）或冰期-间冰期循环至关重要。
2. 模型缺陷：IPSL-CM5A存在持续性冷偏差（cold bias）、大西洋经向翻转环流（AMOC）偏弱等问题，且无法适应古地理大陆构型。
3. 目标：提升计算性能（目标模拟速度达100年/天）、修正气候偏差，并扩展模型对深时（deep-time）古气候的适用性。

研究流程与方法
1. 模型组件升级
- 大气模块LMDZ5：保留“标准物理”参数化方案（CMIP5兼容），但引入混合并行化（MPI-OpenMP）以优化计算效率。修订版3342修复了能量守恒问题。
- 陆面模型ORCHIDEE：升级至版本3930，修正水循环闭合问题，并支持XML-IO服务器（XIOS）输出。
- 海洋模块NEMO-LIM2-PISCES：升级至v3.6，改进径流处理；保留LIM2海冰模型（因LIM3耦合未就绪），海洋生物地球化学模块PISCES升级至v2版本。

1. 技术改进

   • 并行耦合库OASIS3-MCT：替代OASIS3.3，实现海洋-大气组件的全并行插值和场交换。
     
   • 异步I/O库XIOS：利用计算核心作为I/O服务器，减少数据读写对模拟的阻塞。
     
   • 古气候网格开发：针对非现代大陆构型（如白垩纪），重构NEMO的“paleORCA”网格，将北极双极点重新定位至60°N（106°E和74°W），移除现代海峡的硬编码通量限制。
     

2. 参数调优策略

   • 冷偏差修正：通过调整云水自动转化阈值（CLW从0.418降至0.343 g/kg），减少短波云辐射强迫（CRF）的负偏差，使全球平均地表温度升高2.2°C。
     
   • 验证实验：包括2800年稳态工业化前（pre-industrial）模拟和1850–2005年历史气候模拟，对比CERES、ERA-Interim等观测数据集。

主要结果
1. 性能提升
- 计算速度达100年/天（原IPSL-CM5A为10年/天），适用于数千年模拟。
- 能量平衡改善：非保守性能量泄漏从0.18 W/m²降至0.094 W/m²。

1. 气候偏差改进

   • 大气环流：经向温度梯度调整使北半球急流向高纬扩展，更接近再分析数据；但南半球急流位置仍偏北。
     
   • 海洋环流：AMOC强度从10.3 Sv提升至12.02 Sv（观测范围12–18 Sv），格陵兰海深层对流增强（混合层深度>1500米）。
     
   • 生物地球化学：全球海洋净初级生产力（NPP）从30.9 Pg C/yr增至47.5 Pg C/yr，更接近SeaWiFS观测值（52.1 Pg C/yr）。
     

2. 遗留问题

   • 淡水收支：海平面持续正漂移（0.19米/世纪），源于海冰-海洋模块的非守恒性。
     
   • 区域偏差：亚马逊干旱偏强（降水低估5 mm/d）、印尼群岛湿偏（降水高估5 mm/d），与云物理和植被反馈有关。

结论与价值
1. 科学意义
- IPSL-CM5A2是首个兼顾CMIP5级复杂度和多千年模拟能力的地球系统模型，填补了古气候建模工具链的空白。
- 通过技术优化与物理调参的协同，证明了在有限计算资源下平衡过程描述精度与模拟效率的可行性。

1. 应用前景
   
   • 支持深时气候研究（如白垩纪案例），揭示长期碳循环-气候反馈机制。
     
   • 为CMIP6后续计划（如Paleoclimate Modeling Intercomparison Project）提供基准模型。
     

研究亮点
1. 技术创新：混合并行化与异步I/O设计显著提升计算效率，突破ESM的千年模拟瓶颈。
2. 古气候适配：paleORCA网格首次实现IPSL模型对非现代大陆构型的兼容，为板块重建研究提供工具。
3. 跨学科整合：耦合动态植被、海洋生物地球化学等模块，支持全系统反馈分析。

其他价值
研究还探讨了AMOC多年代际变率的减弱机制（与暖化态下斜压不稳定性变化相关），为理解现代气候变率提供古气候视角。模型代码和配置方案已开源，促进社区协作（DOI:10.5194/gmd-13-3011-2020）。