DOI: https://doi.org/10.5194/gmd-18-1613-2025
تاريخ النشر: 2025-03-11
المؤلف: Katherine Smith وآخرون
الموضوع الرئيسي: العمليات المحيطية والجوية
نظرة عامة
يقدم نموذج نظام الأرض إكساسكال للطاقة (E3SM) التابع لوزارة الطاقة الأمريكية الإصدار 2.1 تحسينات كبيرة مقارنة بالإصدار 2، وذلك بشكل أساسي من خلال دمج معلمة دوامة الطبقة المختلطة التي قدمها فوكس-كيمبر وآخرون (2011). يساهم هذا الإضافة في تحسين تمثيل النموذج لديناميات المحيط، وخاصة في شمال الأطلسي، من خلال تقليل الانحيازات في درجة حرارة سطح البحر (SST) والملوحة (SSS)، مما يعزز بدوره تركيز الجليد البحري في القطب الشمالي. تسهل المعلمة إعادة التصنيف وتؤدي إلى انخفاض عام في أعماق الطبقة المختلطة (MLD)، على الرغم من وجود اختلافات إقليمية. ومن الجدير بالذكر أنه بينما يشهد دوران المحيط الأطلسي العمودي (AMOC) زيادة طفيفة، فإن تأثير المعلمة على AMOC يعتمد على النموذج ولا يغير بشكل كبير دوران الجير الفرعي في شمال الأطلسي.
تظهر التحليلات الإضافية أن تحسين تكوين المياه العميقة في البحر النرويجي يساهم في تعزيز AMOC، على الرغم من تحول الحمل الحراري العميق من المواقع التقليدية في بحار لابرادور وإيرمينجر إلى البحار الشمالية. تدعم هذه التغييرات تحليلات تحويل كتلة المياه، مما يشير إلى كثافة أكبر لتكوين المياه في الإصدار 2.1. ومع ذلك، قد يحد النقل الشمالي لهذه المياه الكثيفة إلى القطب الشمالي من تأثيرها على AMOC. كما يظهر النموذج تحسينات في المناخ الجوي وأنماط التغيرات الخارجية بين السنوات، وخاصة في تذبذب شمال الأطلسي (NAO) ونمط الشمال الحلقي (NAM)، على الرغم من أن العديد من الأنماط تظهر اختلافات طفيفة فقط عن الإصدار 2. بشكل عام، بينما يظهر E3SMv2.1 تقدمًا ملحوظًا في عدة جوانب من المناخ، تظل الاستجابة المناخية العابرة (TCR) وحساسية المناخ التوازني (ECS) متسقة مع الإصدار 2.
مقدمة
تم تصميم نموذج نظام الأرض إكساسكال للطاقة (E3SM) التابع لوزارة الطاقة الأمريكية لتلبية احتياجات الطاقة والعلمية للوزارة، مستفيدًا من الموارد الحاسوبية المتقدمة. تم إصدار الإصدار الأول، E3SMv1، في عام 2018، مع ميزات تعديل كبيرة في مكونات مختلفة مقارنة بنموذج نظام الأرض المجتمعي (CESM2)، بما في ذلك توجيه الأنهار وديناميات الغلاف الجوي. قدمت الإصدارات اللاحقة، E3SMv2 (2022) وE3SMv2.1، تحسينات مثل زيادة السرعة بمقدار الضعف ودمج معلمة دوامة الطبقة المختلطة “Fox-Kemper2011” (MLE)، التي تعالج عدم الاستقرار في الطبقة المختلطة للمحيط.
تحاكي معلمة FK11 تأثيرات دوامات الطبقة المختلطة، والتي تعتبر حاسمة لعمليات مثل إعادة التصنيف وإطلاق الطاقة في واجهات المحيط. تم دمج هذه المعلمة في عدة نماذج عالمية للمحيط ومن المتوقع أن تؤثر على ديناميات الطبقة المختلطة، ودوران المحيط الأطلسي العمودي (AMOC)، وعمليات محيطية أخرى. تركز الدراسة الحالية على تنفيذ معلمة FK11 ضمن مكون المحيط في E3SM، المعروف باسم نموذج التنبؤ عبر المقاييس – المحيط (MPAS-Ocean)، وتفحص تأثيرها على الحمل الحراري في العروض العالية ودوران المحيط على نطاق واسع.
طرق
في قسم الطرق، تناقش الأبحاث التحسينات التي تم إجراؤها في نموذج E3SMv2.1 مقارنة بسابقه، v2. تشمل التعديلات الرئيسية إصلاح الأخطاء وإدخال معلمة FK11 MLE، كما هو موضح من قبل فوكس-كيمبر وآخرون (2011). تؤكد الدراسة على أن المحاكاة التي أجريت باستخدام تكوين v2.1 لا تستخدم ميزات أخرى مدرجة في الملحق ب، وأن إصلاح الأخطاء المنفذة لم يغير بشكل كبير النتائج المناخية أثناء الاختبار. وبالتالي، ينسب المؤلفون أي اختلافات ملحوظة بين v2 وv2.1 بشكل أساسي إلى دمج معلمة FK11 MLE وآليات التغذية المرتدة المرتبطة بها ضمن النموذج.
مناقشة
تركز قسم المناقشة في ورقة البحث على تنفيذ وتقييم معلمة دوامة الطبقة المختلطة (MLE) FK11 ضمن نموذج المناخ E3SMv2.1. تم تصميم هذه المعلمة لالتقاط دوامات الطبقة المختلطة ذات السعة المحدودة، مما يسهل إعادة التصنيف من خلال دالة تدفق معينة. تصف المعادلات المقدمة سرعة النقل ودالة الهيكل، والتي تعتبر حاسمة لفهم تمثيل النموذج لديناميات الطبقة المختلطة. تقارن الدراسة المحاكاة من E3SMv2 وE3SMv2.1، مع تسليط الضوء على التحسينات في مقاييس المناخ، وخاصة في شمال الأطلسي، بسبب معلمة MLE.
تشير النتائج إلى أن تكوين v2.1 يظهر تحسينًا في دقة النموذج، مع زيادة في الارتباطات وتقليل في الأخطاء الجذرية المتوسطة التربيعية (RMSE) لدرجة حرارة سطح البحر (SST) وملوحة سطح البحر (SSS) وطاقة دوامة الحركة (EKE) مقارنةً بـ v2. ومن الجدير بالذكر أنه بينما تؤدي معلمة MLE إلى تقليل الانحيازات في SST وSSS في شمال الأطلسي، فإنها تؤدي أيضًا إلى انخفاض طفيف في عمق الطبقة المختلطة (MLD) وزيادة غير متوقعة في قوة دوران المحيط الأطلسي العمودي (AMOC). تقترح الورقة أن هذه التغييرات مرتبطة بتحسين تكوين المياه العميقة في البحار الشمالية، والتي تسهلها أعماق MLD الأعمق وزيادة الخلط، على الرغم من أن التأثير العام على قوة AMOC يبقى متواضعًا. تؤكد النتائج على أهمية معلمة MLE في تحسين أداء النموذج بينما تكشف أيضًا عن تفاعلات معقدة بين الانحيازات السطحية وديناميات المياه العميقة.
DOI: https://doi.org/10.5194/gmd-18-1613-2025
Publication Date: 2025-03-11
Author(s): Katherine Smith et al.
Primary Topic: Oceanographic and Atmospheric Processes
Overview
The U.S. Department of Energy’s Energy Exascale Earth System Model (E3SM) version 2.1 introduces significant enhancements over version 2, primarily through the incorporation of the Fox-Kemper et al. (2011) mixed-layer eddy parameterization. This addition improves the model’s representation of ocean dynamics, particularly in the North Atlantic, by reducing biases in sea surface temperature (SST) and salinity (SSS), which in turn enhances Arctic sea-ice concentration. The parameterization facilitates restratification and leads to a general shoaling of mixed-layer depths (MLD), although regional variations exist. Notably, while the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) experiences a slight increase, the parameterization’s impact on AMOC is model-dependent and does not significantly alter the North Atlantic Subpolar Gyre.
Further analysis reveals that the improved deep-water formation in the Norwegian Sea contributes to the enhanced AMOC, despite a shift in deep convection from traditional sites in the Labrador and Irminger seas to the Nordic Seas. This change is supported by water mass transformation analyses, indicating a greater density of water formation in version 2.1. However, the northward transport of this dense water into the Arctic may limit its influence on AMOC. The model also shows improvements in atmospheric climatology and interannual extratropical modes of variability, particularly in the North Atlantic Oscillation (NAO) and Northern Annular Mode (NAM), although many modes exhibit only minor differences from version 2. Overall, while E3SMv2.1 demonstrates notable advancements in several climate aspects, the transient climate response (TCR) and equilibrium climate sensitivity (ECS) remain consistent with version 2.
Introduction
The U.S. Department of Energy’s Energy Exascale Earth System Model (E3SM) is designed to address the energy and scientific needs of the DOE, leveraging advanced computational resources. The initial version, E3SMv1, was released in 2018, featuring significant modifications in various components compared to the Community Earth System Model (CESM2), including river routing and atmospheric dynamics. Subsequent versions, E3SMv2 (2022) and E3SMv2.1, introduced enhancements such as a twofold increase in speed and the incorporation of the “Fox-Kemper2011” mixed-layer eddy (MLE) parameterization, which addresses submesoscale instabilities in the ocean’s mixed layer.
The FK11 parameterization simulates the effects of mixed-layer eddies, which are critical for processes like restratification and energy release in ocean fronts. This parameterization has been integrated into several global ocean models and is expected to influence mixed layer dynamics, the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC), and other oceanic processes. The current study focuses on the implementation of the FK11 parameterization within the ocean component of E3SM, known as the Model for Prediction Across Scales – Ocean (MPAS-Ocean), and examines its impact on high-latitude convection and large-scale ocean circulation.
Methods
In the methods section, the research discusses the enhancements made in the E3SMv2.1 model compared to its predecessor, v2. Key modifications include bug fixes and the introduction of the FK11 MLE parameterization, as detailed by Fox-Kemper et al. (2011). The study emphasizes that the simulations conducted with the v2.1 configuration do not utilize other features listed in Appendix B, and the implemented bug fixes did not significantly alter climate outcomes during testing. Consequently, the authors attribute any observed differences between v2 and v2.1 primarily to the incorporation of the FK11 MLE parameterization and its associated feedback mechanisms within the model.
Discussion
The discussion section of the research paper focuses on the implementation and evaluation of the FK11 mixed-layer eddy (MLE) parameterization within the E3SMv2.1 climate model. This parameterization is designed to capture finite-amplitude mixed-layer eddies, primarily facilitating restratification through a defined overturning streamfunction. The equations presented describe the transport velocity and structure function, which are crucial for understanding the model’s representation of mixed-layer dynamics. The study compares simulations from E3SMv2 and E3SMv2.1, highlighting improvements in climate metrics, particularly in the North Atlantic, due to the MLE parameterization.
The results indicate that the v2.1 configuration shows enhanced model fidelity, with increased correlations and reduced root-mean-square errors (RMSE) for sea surface temperature (SST), sea surface salinity (SSS), and eddy kinetic energy (EKE) compared to v2. Notably, while the MLE parameterization leads to a reduction in SST and SSS biases in the North Atlantic, it also results in a slight shoaling of the mixed layer depth (MLD) and an unexpected increase in the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) strength. The paper suggests that these changes are linked to enhanced deep-water formation in the Nordic Seas, which is facilitated by deeper MLDs and increased mixing, although the overall impact on AMOC strength remains modest. The findings underscore the importance of the MLE parameterization in improving model performance while also revealing complex interactions between surface biases and deep-water dynamics.