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原创 WetWan WetWan 2025年11月4日
Segura et al.(2025)介绍了欧洲nextGEMS(Next Generation of Earth Modeling Systems)项目情况。nextGEMS以及相关项目（如数字孪生地球）推动欧洲地球系统模式进入公里级时代。
这里定义公里级地球系统模式为各分量模式的全球模拟水平分辨率小于等于10公里。其中公里级大气模拟也指风暴解析模拟（storm-resolving simulatins），公里级海洋模拟也指涡旋解析模拟（eddy-resolving simulations）。
欧盟"地平线2020计划"资助的nextGEMS项目为期三年，旨在构建新一代公里级地球系统模型。其中核心大气模式选择ICON模式和IFS模式，IFS大气模式与海洋模式FESOM耦合运行（也可以与NEMO耦合）。
nextGEMS项目可以分为四个阶段，每个阶段关注计算性能和能量一致气候模拟（一种近乎稳态的气候状态，其表现为大气顶(TOA)能量收支接近零、遵守全球质量和能量守恒，且近地表温度不存在漂移现象 ）。图1展示了nextGEMS四个阶段实施情况，横轴代表两个模式的计算性能的改进。
Figure 1 Timeline of nextGEMS from Cycles 1 to 4. The vertical axis shows the development cycles, including hackathons and milestones, and the horizontal axis shows the simulated years, including throughputs in simulated days per day (SDPD).
两个大气模式有一些差异性使它们可以对比、相互印证。其中ICON模式物理参数化过程只包括湍流、云微物理、辐射，不包括对流方案，而IFS物理参数化过程来自业务化模式，更加全面复杂。图2对比了ICON和IFS-FESOM的差异。
Figure 2 Overview of the Earth system models ICON and IFS-FESOM. Differences between the two models are highlighted in red.
下表总结了两个模式在项目四个阶段采用的分辨率、模拟时长、计算性能和是否能量一致。计算性能的改进可以看SDPD/node指标。
- 不同模式、不同阶段使用的超算不同，这里进行了性能推算。
- Cycle 2的IFS_F_C2-B相比Cycle 1的IFS_F-C1，海洋分量分辨率增加导致计算量和I/O压力增加、扩展性问题导致其计算吞吐量（0.116）相比第一阶段小一个量级。Cycle 3的IFS_F-C3计算性能改进主要是因为引入了异步I/O框架MultiIO以及减少写出。
- 由于项目时间和计算资源限制，Cycle 4两个模式大气分量分辨率降为~10公里，海洋分量为5公里，进行30年的模拟。
通过关注长期模拟的能量守恒问题，两个模式修正了一系列BUG，改进了模式预报性能，这应该是nextGEMS项目的一个主要收获。
具体科学方面的评估可阅读原文。
参考文献
Segura H, Pedruzo-Bagazgoitia X, Weiss P, et al., 2025. nextGEMS: entering the era of kilometer-scale Earth system modeling[J/OL]. Geoscientific Model Development, 18(20): 7735-7761. DOI:10.5194/gmd-18-7735-2025. | 
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