Collaborative Research: Enabling Cloud-Permitting and Coupled Climate Modeling via Nonhydrostatic Extensions of the CESM Spectral Element Dynamical Core

合作研究:通过 CESM 谱元动力核心的非静水力扩展实现云允许和耦合气候建模

基本信息

项目摘要

Earth System Models (ESMs) are very computationally intensive to run, with components spanning the atmosphere, ocean, land, biosphere, and ice. These models are typically run at resolutions which are too coarse to explicitly represent weather systems like thunderstorm complexes, tropical cyclones, and terrain-forced precipitation. However, computing power is now sufficient to allow explicit simulation of these systems on a global domain using grid spacings of a few kilometers, albeit for simulations of weeks to months rather than the decades to centuries possible at lower resolutions. In this project, the research team will enhance the Community Earth System Model (CESM), led by the NSF National Center for Atmospheric Research (NCAR), with the capability to run as a Global Storm Resolving Model (GSRM). The GSRM version of CESM has tremendous potential as a tool for research on the weather-climate interface, particularly as CESM has a worldwide community of developers and users and is the primary model used by the US academic research community. As part of the project, multiple students and early career scientists would be trained at the intersection of atmospheric science and high-performance computing, enhancing a workforce that is crucially needed for scientific advancement.The main objective of the project is to lay the groundwork for simulations with CESM, which is comprised of individual models including the Community Atmosphere Model, for which version 7 (CAM7) is currently under development for release in 2024. CAM7's dynamical core uses the Spectral Element (SE) method to solve the equations of fluid motion under the hydrostatic approximation, in which the acceleration term is neglected in the vertical momentum equation. This project will port the nonhydrostatic SE dynamical core developed for the Department of Energy’s (DOE’s) Energy Exascale Earth System Model (E3SM) into CESM/CAM7. A second, more experimental version of the SE dynamical core meant to run on advanced computing architectures will also be ported. The researchers will then run CAM7 to test the ability to reproduce smaller-scale phenomena. Specifically, the project will: • Port DOE’s nonhydrostatic, Fortran-based, SE dynamical core into the CESM framework.• Integrate an experimental C++ version of the SE core into CESM with a GPU-enabled physics package from the NSF-funded EarthWorks project.• Test and demonstrate the capabilities of the new CESM configuration using mesoscale convective systems and tropical cyclones as exemplars.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
地球系统模型 (ESM) 的运行计算量非常大,其组件涵盖大气、海洋、陆地、生物圈和冰层,这些模型通常以过于粗糙的分辨率运行,无法明确表示雷暴复合体、热带气旋等天气系统。然而,计算能力现在足以允许使用几公里的网格间距在全球范围内对这些系统进行显式模拟,尽管在较低分辨率下可以模拟数周至数月,而不是数十至数百年。 。在在该项目中,研究团队将增强由 NSF 国家大气研究中心 (NCAR) 领导的社区地球系统模型 (CESM),使其能够作为全球风暴解决模型 (GSRM) 运行。CESM 的 GSRM 版本。作为天气-气候界面研究的工具,CESM 具有巨大的潜力,特别是因为 CESM 拥有全球开发者和用户社区,并且是美国学术研究界使用的主要模型。科学家将是在大气科学和高性能计算交叉领域接受培训,增强科学进步所急需的劳动力队伍。该项目的主要目标是为 CESM 的模拟奠定基础,CESM 由包括社区大气在内的各个模型组成模型,目前正在开发版本 7 (CAM7),预计将于 2024 年发布。CAM7 的动力核心使用谱元 (SE) 方法来求解流体静力学近似下的流体运动方程,其中垂直动量方程中的加速度项被忽略。该项目将为能源部 (DOE) 能源百兆级地球系统模型 (E3SM) 开发的非静水力 SE 动力核心移植到 CESM/CAM7 中。随后,研究人员将运行 CAM7 来测试再现较小规模现象的能力。具体而言,该项目将: • 移植 DOE 的。将非静水压、基于 Fortran 的 SE 动态核心集成到 CESM 框架中。• 将实验性 C++ 版本的 SE 核心集成到 CESM 中,并使用来自 NSF 资助的 EarthWorks 项目的支持 GPU 的物理包。• 测试并演示新的功能CESM 配置以中尺度对流系统和热带气旋为范例。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响进行评估,被认为值得支持审查标准。

项目成果

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