海洋-气象耦合关键技术的研究

　　现目前中国海模式的气象强迫来自WRF模式的输出，WRF与FVCOM还不是耦合的关系，下一步更新主要集中于耦合系统建立的更新，鉴于此首先开展了WRF-FVCOM南海区域耦合系统的研发。WRF-FVCOM南海区域耦合系统（图2.3a）主要通过CPL7耦合器将区域天气模型WRF（V3.6.1）与3-D海洋动力模型FVCOM（V4.1）进行连接（Sun et al., 2020），其中海冰模型UG-CICE自身已与FVCOM紧密耦合。这样的设计使得该区域系统在未来的发展中可以更灵活方面地吸纳其他模式分量。每个模式分量在专属的处理器上且与CPL7直接进行数据交换，并可以选择顺序（sequentially）或同时（concurrently）运行。CPL7包含一个顶层驱动（top-driver）运行在所有处理器上来控制模型运行次序（component sequencing,）、处理器的分割（processor decomposition）和数据间的交流（data communication）。其也提供了一些核心的功能例如数据插值（在相同处理器上）、重新排列（rearranging，数据在不同处理器组之间的转移）和合并等。这些功能都是在MCT（Model Coupling Toolkit）库的协助下进行完成。

　　图2.3 （a）WRF-FVCOM耦合系统的hub-and-spoke结构；（b）耦合系统积分过程中的数据交换过程，数据命名与Community Earth System Model（CESM）保持一致（第一部分代指具体耦合数据，第二部分代指数据格点类型和所在位置）

　　目前，WRF-FVCOM耦合系统采用顺序积分的方法（图2.3b），即FVCOM和WRF依次以设定的耦合时间间隔为单位进行积分，在积分前后分别通过与CPL7通信从而引进和输出交换数据。交换的数据和模式的格点类型（WRF：rectangular；FVCOM：unstructured triangular）都表示为MCT库的数据类型。两种网格之间的插值的完成是通过稀疏矩阵插值（sparse matrix interpolation）结合SCRIP（Spherical Coordinate Remapping Interpolation Package）提前计算的权重矩阵。

　　此外，根据ESMF（Earth System Modeling Framework）结构，标准的耦合接口被特别设计去连接顶层的驱动与模式库（直接从WRF和FVCOM代码编译）。具体一些主要的修改包括：1）将通过顶层驱动分配的MPI（Message Passing Interface）communicator去替换模型本身默认的root MPI communicator；2）将模型自身的时间管理系统（time managers）与顶层驱动进行同步；3）构建派生数据类型（derived data types）去存储与耦合器交换的变量；4）直接通过新的派生数据类型来对所需的强迫长和下边界条件（surface boundary conditions）进行更新。