GEOS-Chem中DELP_DRY初始化问题导致负浓度现象分析

GEOS-Chem中DELP_DRY初始化问题导致负浓度现象分析

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 14.6.0版本的CH4模拟过程中，研究人员发现了一个导致负浓度值的数值问题。该问题出现在模拟开始后的5分钟，表现为CH4浓度出现负值，最终导致模拟崩溃。经过排查，这个问题与PR 2521中对DELP_DRY变量初始化位置的修改直接相关。

技术细节分析

DELP_DRY是GEOS-Chem中表示干空气压力差的变量，在气象数据处理和化学物质传输计算中起着重要作用。在14.6.0版本之前，DELP_DRY的初始化位于hco_interface_gc_mod.F90模块中，而在PR 2521中，其初始化被移动到了hco_utilities_gc_mod.F90模块。

这种初始化位置的改变导致了以下问题链：

1. 当使用不包含DELP_DRY的初始条件文件时，变量被赋予无意义的随机值
2. 这些错误值被传递给AirQnt子程序
3. AirQnt使用这些错误值计算State_Met%DP_DRY_PREV
4. 最终导致化学物质浓度计算出现负值

问题验证与解决方案探索

研究人员进行了四种不同配置的测试：

1. 原始14.6.0版本

   • 不含DELP_DRY的初始条件：出现负浓度并崩溃
   • 含DELP_DRY的初始条件：运行正常

2. 恢复DELP_DRY到hco_interface_gc_mod.F90初始化

   • 两种初始条件均运行正常
   • 含DELP_DRY初始条件的结果与原始版本有微小差异(~1e-8 v/v)

3. 移除hco_utilities_mod_gc.F90中的ELSE语句

   • 两种初始条件均运行正常
   • 结果与第二种配置完全一致

4. 完全移除DELP_DRY从初始条件初始化

   • 两种初始条件均运行正常
   • 结果与第二种配置完全一致

测试结果表明，DELP_DRY实际上不需要从初始条件文件中读取，可以在第一次调用AirQnt时进行初始化。这一发现简化了代码结构，同时保持了数值稳定性。

最终解决方案与后续工作

基于测试结果，研究团队决定：

1. 移除设置DELP_DRY为零的ELSE语句，作为当前问题的修复方案
2. 保留DELP_DRY在初始条件文件中的存储，用于GCPy等后处理工具的单位转换
3. 创建新的issue进一步评估DELP_DRY初始化的最佳实践

这一解决方案确保了：

• 对于包含DELP_DRY的初始条件文件，结果与之前版本完全一致
• 对于不包含DELP_DRY的情况，避免了负浓度问题的出现
• 保持了后处理工具的兼容性

对模型用户的建议

对于使用GEOS-Chem 14.6.0版本进行CH4模拟的用户，如果遇到类似的负浓度问题，建议：

1. 检查初始条件文件是否包含DELP_DRY变量
2. 考虑升级到包含此修复的14.6.1或更高版本
3. 在分割长时间模拟时，注意检查浓度场的连续性

这一问题的解决不仅修复了当前的数值稳定性问题，也为GEOS-Chem中气象变量初始化的最佳实践提供了重要参考。

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