地球系统模式是研究全球变化的重要科学工具, 它包含了大气、陆面、海洋和海冰等多学科、多物理过程的应用程序^{[1, 2]}, 耦合器是地球系统模式中的核心器件之一, 在科学需求上它能够支持多个分量模块之间数据的传输、不同网格之间数据的插值、物理场向“ 目的分量” 模块的汇合以及能量等的守恒性诊断^[3]; 在技术需求上, 耦合器的“ 可插拔式” 模块性框架的发展更有利于促进地球系统模式的模块化和高效并行化^[4]。现有的耦合器主要有美国NCAR（National Center For Atmospheric Research, 国家大气研究中心）开发的CPL（Coupler）耦合器^{[5, 6]}、美国普林斯顿大学地球物理流体动力学实验室（Geophysical Fluid Dynamics Laboratory）开发的FMS（Flexible Modelling System）^[3]、美国的耦合工具库ESMF（Earth System Modelling Framework）^[8]、法国欧洲气候模拟和全球变化研究中（Centre Europé en de Rechercheet de Formation Avancé e en Calcul Scientifique）开发的OASIS^[9]等, 其中美国NCAR的CPL耦合器和法国的OASIS应用最为广泛, 分别已经发展了20多年^[10]。

在中国参与的第五次耦合模式比较计划（CMIP5）的地球系统模式^[11~14]中, FIO-ESMv1.0、BNU-ESM、FGOALS-s2、FGOALS-g2和BCC-CSM1.1都采用美国NCAR的CPL耦合器, 版本号都在6或者以下。在CPL6中, 大气、陆面、海洋、海冰等各个分量模块的运行都是相互独立的, 生成各自的可执行文件 (包括一个并行耦合器) ^[15], 但是随着模式分辨率的提高, 模式需要的核数越来越多, 多个可执行文件的存在会很大程度上限制了模式对于核数的可扩展性; 此外, 在CPL6的耦合架构上, 排序过程（耦合器负责）和通信调用（分量模块来驱动）之间缺乏透明度^[6], 用户也很难理解整个模式是如何一步一步运行的。CPL6在未来的模式发展中的局限性会越来越明显。

CPL7采用了一种全新的耦合架构, 最初被应用于CCSM4和CESM1^[7], 新的架构存在一个顶层驱动, 各个模式提供了3个标准接口供顶层驱动调用, 顶层驱动也会调用耦合器函数来实现模块之间的相互作用, 最后生成一个单独的可执行文件, 这种架构显著提高了模式的性能, 经过对CPL7在不同分辨率和不同处理器核数（高达30 000个）的性能评估发现^[16], 随着处理器核数的增多和分辨率的增加, CPL7的内存和性能的可扩展性比CPL6有了显著的提高。然而由于CPL7和CPL6的显著差别, 两者对应的模式代码有非常大的不同, 再加上与耦合器相关的地球系统模式其他模块的庞大性和复杂性, 中国在采用CPL耦合器的地球系统模式中, 目前还没有一个耦合器为CPL7的稳定版本, 这在很大程度上限制了这些模式在高分辨率方向上的发展。本文以CPL7与国内的一个大气模式的耦合为例, 简要概述了CPL7的耦合原理和过程, 并简要分析了其在中国地球系统模式中的应用前景。

图1

Fig.1

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	图1 CPL6和CPL7框架图比较Fig.1 The structure comparison of CPL6 and CPL7

CPL7与CPL6有很大的不同（图1）, CPL7包含了一个顶层驱动, 顶层驱动运行在所有的处理器之上, 控制各个分量模块运行的先后次序, 通过标准接口调用各个分量模块的初始化、运行和结束子程序, 同时也会直接调用一些耦合方法（网格插值、数据重排、汇合、海气通量计算等）, 耦合方法和分量模块一样运行在子处理器上, 可以看做一个单独的耦合器组件CPL, 各个分量模块以及耦合器组件被顶层驱动整合为一个单独的可执行文件。也就是说, CPL6的排序和控制功能转移到了顶层驱动里, 而耦合方法部分成为了CPL7中的一个耦合器组件^[17]。从图1中可以看出CPL6的运行方式是完全并行的, 而CPL7的处理器布局则更为灵活, 整个模式能够在一个处理器核上运行（不用MPI）, 也可以串行、并行、串并行混合运行, 这样比CPL6更容易调试、移植和达到负载平衡。

在CPL6框架下, 参与AMIP（大气环流模式比较计划）的单独（stand-alone）大气模式, 一般是一个包含了完全预报的大气模式、陆地表面模式、数据海洋模式和只有热动力学的海冰模式组成的耦合模式^{[18, 19]}, 而参与CMIP（耦合模式比较计划）的耦合模式更为复杂一些^{[13, 20]}, 其大气、海洋、陆面和海冰等都是完全的预报模式, 两者是2个不同的释放版本; CPL7框架则可以支持在完全耦合模式中运行单独的大气模式, 在程序更新的时候, 只需要释放一个耦合模式就足够, 这样更易于版本的管理, 也增加了代码的可重复利用性, 与此相对应, CPL6和CPL7框架下, 单独（stand-alone）大气模式的框架也有一定的不同, 相应的模式框架如图2和图3所示, 图2是CPL6框架下单独的（stand-alone）大气模式, 可以看出陆面、海冰海洋这些“ 表面模式” 是在大气中的物理过程中被调用的, 而在CPL7框架下（图3）, 引进了一个顶层驱动来代替原来大气自身的驱动, 大气模块和表面模块都是由顶层驱动来调用, 同时也在每个模块中引进了一个灵活的和可扩展的“ 薄耦合层” , 用于各个分量模块与驱动器/耦合器进行信息交换。

从上述可以看出, 在CPL7架构下, 由顶层驱动来调用各个模块的运行和模块之间的耦合等操作, 整个模式的运行过程对用户来说就比较透明了。

CPL7的顶层驱动模块主要分为初始化、运行和结束3个主要的调用, 与此相对应, 各个分量模块都需要有各自的初始化、运行和结束3个标准接口供顶层驱动来调用^[17]; CPL7的耦合接口目前有MCT（模式耦合工具库）和ESMF（地球系统模式框架）2种, 默认情况下使用的是MCT接口, 在MCT接口中传递的物理耦合场的数据是MCT数据类型。

图2

Fig.2

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	图2 CPL6下单独（stand-alone）大气模式框架Fig.2 The frame of standalone atmospheric model in CPL6

3.1 CPL7与GAMIL2的耦合过程

各个分量模块与CPL7的耦合原理是类似的, 可以单独从某一个分量模块的耦合过程来概述CPL7的耦合原理。GAMIL2是大气物理研究所研发的第二代格点大气环流模式^[19], 在参与CMIP5的FGOALS-g2（Flexible Global Ocean-Atmosphere-Land System Model, Grid-point Version 2）中它与其它分量模块通过CPL6连接^[13], 它与CPL7的耦合过程如下：

图3

Fig.3

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	图3 CPL7下单独大气模式实现的框架Fig.3 The frame of atmospheric model in CPL7

3.1.1初始化过程

在初始化阶段, 顶层驱动首先为GAMIL2（以及其他分量模块）初始化MPI通信子和控制耦合时间的变量, 然后通过调用GAMIL2（以及其他分量模块）的初始化函数, 分发这些MPI通信子和时间管理变量, 初始化函数先进行相应的初始化工作, 然后将自身的网格和剖分信息传递给顶层驱动, 顶层驱动根据获得的所有的网格和剖分信息来初始化重排器（重排器的作用是用于不同处理器之间数据的重排）, 通过读取离线生成的网格映射文件来获得映射权重（映射权重用于不同网格之间数据的插值）。GAMIL2的初始化接口在顶层驱动中被调用2次。

3.1.2运行过程

驱动模块在调用GAMIL2的运行接口时, 该接口包含两组物理场耦合参数x2a和a2x, x2a被传入运行接口, 被用作GAMIL2的外强迫; 而a2x则是GAMIL2的积分结果, 作为输出传递给驱动模块^[21]。在此之前驱动器首先会为GAMIL2准备外强迫数据即输入数据, 这些数据都是其他的分量模式的输出插值并汇合而来的; 最初这些“ 输入数据” 是分布在耦合器进程上的, 为了能够被GAMIL2直接使用, 需要使用重排器将数据转化成分布在GAMIL2进程上的排列方式; GAMIL2的运行函数接收这些边界条件, 来驱动模式内部的数值方程, 在耦合时间步长内进行积分, 并计算出需要的物理场输出数据; 同样最初的输出数据是分布在GAMIL2进程上的, 为了被顶层驱动使用, 也需要通过重排器将它们映射到耦合器上。在运行过程中, 因为大气模式需要下垫面传递的反照率来进行辐射计算, 因此GAMIL2的运行是在陆面和海冰之后的。GAMIL2的运行接口在顶层驱动中被调用若干次。

3.1.3结束过程

在结束阶段, 驱动器调用GAMIL2的结束接口, 进行释放内存等收尾工作。GAMIL2的结束接口在顶层驱动中被调用一次。

在参与CMIP5的地球系统模式中, 大气分量模式的平均水平分辨率为2.1° 左右, 海洋的分量模式平均水平分辨率在1° 左右, 中国的地球系统模式的水平分辨率处在较低分辩率的行列。研究表明, 低分辨率的地球系统模式无法刻画一些区域表面的复杂地形, 无法再现中小尺度的大气和海洋现象, 这些缺陷通过陆气、海气相互作用, 会造成较大的风场、海表温度等物理场的偏差, 也无法准确地扑捉热带风暴等社会需求很大的天气现象的形成和演化, 高分辨率模式可以显著的改进这些不足^{[27, 28, 29, 30]}, 因此为了模拟出更真实的物理现象, 在国际上, 采用高分辨率是一个很关键的方向, 比如日本研发的地球模拟器为超高分辨率的气候系统模式提供了运行平台^{[31, 32]}; 国内高分辨率的工作方面还主要以区域气候模式为主, 例如高学杰等的研究发现, 东亚季风需要高分辨率模式才能模拟好^[33~35], 在全球模式方面, 中国目前在研的10个气候/地球系统模式中有6个采用的都是CPL耦合器^[36], 较低版本的CPL耦合器在很大程度上限制了高分辨率模式发展。国内采用CPL耦合器的若干单位, 如大气物理研究所的国际气候与环境科学中心和LASG实验室等都正在积极开展将大气、海洋等分量模块与CPL7进行耦合的工作, 虽然中国目前还没有一个耦合器为CPL7的稳定版本的地球系统模式, 但是也已经做了一些与之相关的工作, 比如采用标准降尺度的方法将WRF通过CPL7耦合到CESM中^[30], 采用CPL7将GAMIL2耦合到CESM中, 在此基础上, 中国的地球系统模式的CPL耦合器升级为CPL7在技术上将会相对容易实现, 也是一个很显然的趋势。

图4

Fig.4

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	图4 与CPL7有关的MCT类的层次结构箭头指向是从子类到父类Fig.4 MCT class hierarchy associated with CPL7Downward directed arrows point from child to parent class