GEOS-Chem嵌套模拟中PBL预算诊断的负浓度问题分析

GEOS-Chem嵌套模拟中PBL预算诊断的负浓度问题分析

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

在使用GEOS-Chem 14.5.0版本进行0.5x0.625分辨率的嵌套模拟时，当开启PBL(行星边界层)预算诊断功能并设置use_non_local_pbl为false时，偶尔会出现负浓度错误导致模拟终止。该问题主要出现在IBr和O3等物种上，错误信息显示在mixing_mod.F90模块的DO_TEND和DO_MIXING子程序中。

问题原因分析

经过技术分析，该问题可能由以下几个因素导致：

1. 化学求解器问题：当化学求解器在单个网格中移除过多物种时，可能导致浓度变为负值。这种情况在平流层尤为常见，因为那里的初始浓度已经很低。

2. 编译器兼容性问题：使用较旧版本的Intel Fortran编译器(如ifort 18)可能导致数值计算不稳定。GEOS-Chem开发团队推荐使用ifort 19或更高版本，或者GNU Compiler Collection 10及以上版本。

3. 预算诊断实现问题：虽然14.5.0版本已经修复了部分预算诊断相关的bug，但在特定配置下仍可能出现问题。

临时解决方案

目前可以采取的临时解决方案包括：

1. 负值截断处理：借鉴TOMAS模拟的处理方式，在mixing_mod.F90中将负浓度强制设置为一个极小正值(如1e-26)。

2. 编译器升级：将编译器升级至推荐的稳定版本，如ifort 19或GCC 10+。

3. 诊断配置调整：检查PBL预算诊断的配置，确保所有诊断字段的索引设置正确。

长期解决方案展望

GEOS-Chem开发团队已经在14.6.0版本中修复了相关的预算诊断问题。对于用户而言，建议：

1. 关注版本更新，及时升级到稳定版本
2. 在平流层等低浓度区域考虑增加浓度下限保护
3. 对关键物种的化学过程进行更细致的参数调优

最佳实践建议

1. 进行敏感性测试时，建议先在小区域、短时间范围内验证配置
2. 记录出现负浓度的具体位置和条件，有助于针对性优化
3. 考虑使用更稳定的编译器组合
4. 对于关键研究，建议等待14.6.0版本的正式发布

通过以上分析和建议，希望能帮助用户更好地理解和解决GEOS-Chem嵌套模拟中的PBL预算诊断问题。

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