GEOS-Chem高分辨率模拟中GEOS-FP气象数据异常问题分析

GEOS-Chem高分辨率模拟中GEOS-FP气象数据异常问题分析

geos-chem GEOS-Chem "Science Codebase" repository. Contains GEOS-Chem science routines, run directory generation scripts, and interface code. This repository is used as a submodule within the GCClassic and GCHP wrappers, as well as in other modeling contexts (external ESMs). 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/ge/geos-chem

问题背景

在GEOS-Chem 14.5.1版本的0.25×0.3125高分辨率模拟中，研究人员使用GEOS-FP气象数据时遇到了计算异常问题。该问题在模拟到2020年5月11日17:05时出现，导致模型终止运行，报错信息显示在云对流计算过程中出现了NaN（非数值）值。

问题现象

模型运行过程中首先出现大量类似以下的警告信息：

OBK(I,J)=   0.00E+00  I,J =   29  12 LDT=  1
OBK(I,J)=   0.00E+00  I,J =   10  27 LDT=  2

最终因以下错误终止：

Infinity in DO_CLOUD_CONVECTION!
K, IC, Q(K):    9  21           NaN       BCPO

值得注意的是，当使用0.5×0.625分辨率的MERRA2气象数据时，模拟可以正常运行，这表明问题与高分辨率GEOS-FP数据有关。

技术分析

Monin-Obhukov长度计算

问题的根源在于干沉降计算中使用的Monin-Obhukov长度（OBK）变为零值。该参数的计算公式为：

OBK = - (空气密度 × Cp × 地表温度 × Ustar³) / (Kappa × 重力加速度 × 感热通量)

其中：

• Cp = 1000 J/kg/K（定压比热）
• Kappa = 0.4（冯卡曼常数）

在代码实现中（GeosCore/calc_met_mod.F90），为防止除以零，当分母绝对值小于等于零时，OBK会被设置为1.0e5。

气象数据异常

通过分析发现，问题发生在读取2020年5月11日17:30的GEOSFP.20200511.A1.025x03125.AS.nc4文件后。对比16:30和17:30的地表温度（T2M）场发现：

1. 16:30 UTC时的T2M场分布正常
2. 17:30 UTC时的T2M场出现异常值

这种异常导致Monin-Obhukov长度计算出现问题，进而影响后续的云对流计算。

解决方案

GEOS-Chem开发团队确认这是气象数据文件的问题，并重新生成了2020年5月11日的GEOS_0.25x0.3125_AS网格数据。用户更新数据后应能解决此问题。

经验总结

1. 高分辨率模拟对输入数据的质量更为敏感
2. 气象数据的瞬时异常可能导致模型计算失败
3. 在遇到类似计算异常时，应首先检查相关时刻的输入数据
4. 开发团队的数据验证流程可能需要加强，特别是对高分辨率数据

这个问题也提醒我们，在进行高分辨率模拟时，对输入数据进行预检查的重要性。建议用户在运行前对关键气象变量（如温度、通量等）进行简单的统计分析和可视化检查，以提前发现潜在问题。

geos-chem GEOS-Chem "Science Codebase" repository. Contains GEOS-Chem science routines, run directory generation scripts, and interface code. This repository is used as a submodule within the GCClassic and GCHP wrappers, as well as in other modeling contexts (external ESMs). 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/ge/geos-chem