一体化的CESM由5个主要模块组成，这5个模块分别对应以下四个地球系统最重要的组成部分：大气、海洋、陆面、冰雪。其中冰雪在CESM中分成陆冰（冰盖）（ice sheet）和海冰(sea ice)两部分考虑。

图片来源：气候模拟课程课件

CESM的5个子模块分别是：

(1) 大气模块-community atmosphere model (CAM)

https://www.cesm.ucar.edu/models/cesm2/atmosphere/

目前大气模块已经更新至CAM6，初学者可以从CAM6 tutorial开始学习:

https://www.cesm.ucar.edu/models/cesm2/atmosphere/CAM6tutorial/

大气模块主要包含了以下过程：辐射传输、降水和云微物理、成云过程、边界层和地表通量交换、动量能量耗散

目前CAM中的大气化学非常简单，CAM延伸出的CAM-Chem和CAM-WACCAM可以进行更完整精确的大气化学模拟，但是由于加进来非常多的化学反应，计算量的消耗大大增加。

(2) 海洋模块-parallel ocean program (POP) (注：CESM3中可能要改成modular ocean module, MOM)

目前CESM2中海洋模块使用的是pop2:https://www.cesm.ucar.edu/models/cesm2/ocean/

在pop2中，海洋主体的流动是解析的，但是涡旋和混合等过程是参数化的。

CESM3中应该会替换成mom6 (modular ocean module version6)

(3) 陆地模块-community land model (CLM)

陆地模块最新版目前是CLM5:https://www.cesm.ucar.edu/models/cesm2/land/

CLM中主要包括和陆地相关的过程如：土壤湿度、雪动力、地表反照率、动态植被、生态系统动力学、冰川、陆地使用和河流径流等。其中也会涉及大气-陆地通量计算。

(4) 海冰模块-community ice code (CICE)

海冰模块最新版目前是CICE5.1.2:https://www.cesm.ucar.edu/models/cesm2/sea-ice/

(5) 陆冰（冰盖）模块-CESM ice sheet model (CISM）

此外，CESM中还有对河流径流（Model for scale adaptive river transport, MOSART）和海浪(Wave Model, wave watch 3)的描述。如果你要算成7个模块的话，MOSART和WW3就算对应（6）和（7）吧。

更多细节，大家到官网看哈，CESM2主页面右下角：https://www.cesm.ucar.edu/models/cesm2/

气候模式中的耦合器：

气候模式由于通常是由多个子模块组成，各个模块通过中央耦合器CIME连接，耦合器（coupler）通过管理各个模块之间的通信将这些组件模块连接在一起。

耦合器的作用主要有以下几点：

（1）进行通量计算和单位转换；

（2）进行格点插值和转换：比如对湿度、能量通量等状态变量进行保形映射（conservative remapping）；

（3）进行时间同步管理；

（4）进行计算或并行管理。

各个子模块涉及的更多是climate science；耦合器中更多涉及的是computer science。

耦合处理器示意图：

由于海洋模块需要较大计算量,它单独占用一个处理器；而大气模块则与海浪模型、海冰、陆面模型共用一个处理器。Driver的作用主要是进行时间同步管理和并行（对应上述耦合器作用的3, 4）

fully-coupled or stand-alone ? (全耦合还是模块独立?)

这里就涉及一个跑气候模式比较重要的问题，我们是跑fully-coupled（全耦合） model还是stand-alone（模块独立） model。

CESM作为地球系统模式，能够支持多种不同的配置。如果CESM是全耦合运行，则表示各个模块都是动力参与进来的。当然，CESM也可以单独运行各个子模块，这种情况被称为stand-alone modeling,比如stand-alone atmosphere modeling就只有大气模块CAM是动力运行的，而使用一个数据集来替代其他动力运行的模块（例如，prescribed SST，也经常称作data ocean）。

经常受到私信有同学问：你好，我想跑CLM（或CAM），请问需要装完整的CESM吗？

回答是：只下standalone的CAM也是可以的，参考

10. Downloading CAM standalone — camdoc documentation (ncar.github.io)d

但是只下这个是不能跑fully-coupled model,所以为了以后方便起见，我觉得干脆一开始就装完整的CESM是更好的选择。

动力框架（可解析的或网格尺度过程）和参数化（不可解析的或次网格尺度过程）

动力框架（通常对应dynamic这个词）：数值模拟是对时间和空间进行离散化，在三维网格上进行大气运动方程组的求解，通常大尺度输送和行星波是可以在网格求解的

模式中的物理参数化（对应physics）：使用参数化方案常见的有两种原因：1)研究对象是次网格尺度过程，因此无法用显式的方程来表达这些过程，比如湍流或云微物理；2）对这些过程的了解还不够清楚，换句话说就是它可能是可以在网格尺度表示的，但是目前不知道方程是怎么样的；

参数化的方法通常有两种：1）使用基本的物理定律；2）基于观测总结的经验公式。

目前模式中的参数化过程包括：

云微物理、对流、辐射、边界层过程、重力波等

模式复杂度层级

上面这个图非常好地描述了模式是如何从简单到复杂的，感觉对理解模式系统很有帮助。

 (1) 浅水和平流测试案例，最简化的模拟仍然保留大气的关键物理过程，潜水模式采用了一组高度简化的流体动力学方程，平流过程则主要处理与水汽和其他示踪物输送有关的问题。因为这些模拟测试只考虑二维的流体运动，因此不包括与大气分层相关的复杂性，可以通过加入一些物理参数化方案或将模式移至三维来增加复杂性。

 (2) 动力核测试案例，该测试在著名的模式间比较计划中常常出现。在动力核测试基础上，可以通过添加与微物理、混合或辐射相关的简化的物理参数化过程来增加模式复杂性。

 (3) 水球试验，大部分数值模式中心通常会进行所谓的水球试验，即使用无地形的独立大气模块进行模拟。

 (4) AMIP测试，在水球试验的基础上，加入陆面模块，即得到常见的大气模拟，AMIP测试使用指定的海表面温度数据集驱动，不包含海洋动力过程。

 (5) CMIP测试，在AMIP测试的基础上，加入海洋模块，即得到全耦合的地球系统模拟。 

这篇的内容和图片1,3,4,5来源：

https://www.youtube.com/watch?v=RI6xWKWMEwU&list=PL_cuIb7hx5lihu3Wq605u6kVGltXgEfDt&index=2

最后安利一下Paul Uilrich老师的气候模拟相关课程：

The Art of Climate Modeling

Introduction to Atmospheric Dynamics

感兴趣的同学可以直接去听英文原版，讲的超好的！虽然我也没看几节，不过我学了的话也争取做些笔记和大家分享哇！