GEOS-Chem化学机制中KPP积分器收敛问题的分析与解决

GEOS-Chem化学机制中KPP积分器收敛问题的分析与解决

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 14.4.0-rc.0版本的高分辨率(0.25x0.3125)模拟中，研究人员遇到了KPP积分器的收敛问题。该问题表现为在模拟开始后的前30分钟内，KPP积分器无法完成化学求解，即使将相对容差(RTOL)参数调整到0.5e-4至1e-2的范围内，问题依然存在。

问题诊断过程

1. 初始现象观察：模拟在开始后不久即出现KPP积分失败，系统日志显示多个化学物种和反应速率为负值。

2. 排放源排查：尝试关闭KORUS和KORUS_SHIP排放源，但问题依然存在，排除了特定排放源导致问题的可能性。

3. 重启文件分析：检查发现重启文件中存在微小的负浓度值，这可能是导致化学求解不稳定的原因。研究人员尝试了不同的网格重映射方法(remapbic和remapcon)，发现remapcon方法可以消除负值，但问题仍未完全解决。

4. 光解过程测试：关闭所有光解过程后模拟可以正常运行，但切换到FASTJ光解方案后问题重现。进一步测试发现，仅关闭颗粒硝酸盐的光解过程即可解决KPP收敛问题。

技术要点解析

1. KPP积分器稳定性：KPP积分器对初始条件非常敏感，微小的负浓度值可能导致数值不稳定，特别是在高分辨率模拟中，网格尺度更小，数值问题更容易被放大。

2. 网格重映射影响：不同重映射算法对浓度场的处理方式不同，remapbic可能引入数值振荡导致负值，而remapcon通常能保持更好的单调性。

3. 光化学机制敏感性：颗粒硝酸盐的光解过程可能是化学机制中的"热点"反应，在高分辨率下其反应速率计算可能变得不稳定。

解决方案与建议

1. 使用保守重映射：对于重启文件和边界条件文件，推荐使用remapcon等保守的重映射方法，避免引入数值噪声。

2. 光解参数调整：对于高分辨率模拟，可考虑临时关闭颗粒硝酸盐光解过程，或调整相关反应参数。

3. 化学机制优化：长期解决方案应考虑优化化学机制中敏感反应的数值处理，特别是针对高分辨率模拟场景。

4. 诊断工具使用：建议在问题诊断时检查关键物种的浓度范围，使用ncview或panoply等工具可视化分析重启文件和边界条件文件。

总结

GEOS-Chem高分辨率模拟中的KPP积分问题往往由多个因素共同导致，包括初始条件质量、数值算法选择和化学机制敏感性等。通过系统性的诊断和有针对性的调整，可以有效解决这类数值稳定性问题，为后续的高精度大气化学模拟奠定基础。

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