火星実験 (鉛直一次元計算)

鉛直一次元の火星の実験を行う方法を説明します.

この計算には以下の物理過程を用いています.

放射 (火星大気用放射, Takahashi et al., 2003; 2006 の改良・簡単化版)
鉛直拡散 (Mellor and Yamada, 1982, レベル 2.5)
乾燥対流調節
バケツモデル

概要

本実験では, 地面特性のデータ, 放射計算用データが必要です. したがって, 実験の実行は以下の 4 つのステップで行います.

実験ディレクトリの準備
初期値の準備
実験用データの準備
実験の実行

実験用ディレクトリ準備

DCPAM5 の数値実験はソースツリー内部では行わずソースツリーとは別の外部ディレクトリにて行うことを推奨いたします.

まず DCPAM5 ソースのトップディレクトリ(以下の例では dcpam5-YYYYMMDD とする)に移動してください. 以下では DCPAM5 ソースディレクトリの隣に ../dcpma5-exp/Mars-1D-exp ディレクトリを作成し, そこで実験を行うことにします. 次のように ../dcpam5-exp/Mars-1D-exp ディレクトリを作成し, 移動してください.

$ mkdir -p ../dcpam5-exp/Mars-1D-exp
$ cd ../dcpam5-exp/Mars-1D-exp

次に, このディレクトリに実行ファイルと設定ファイル置き場を作成します.

$ mkdir bin
$ mkdir conf

最後に作成したディレクトリに実行ファイルと設定ファイルをコピーします.

$ cp ../../dcpam5-YYYYMMDD/src/main/dcpam_main bin
$ cp ../../dcpam5-YYYYMMDD/src/main/dcpam_init_data  bin
$ cp ../../dcpam5-YYYYMMDD/src/main/dcpam_init_data_surface  bin
$ cp ../../dcpam5-YYYYMMDD/exp_setup_files/*.conf conf

なお, 実行ファイルと設定ファイル (NAMELIST ファイル) があれば, どのディレクトリにおいても計算を行うことができます.

初期値データファイルの作成

dcpam_init_data と init_data_M_1D_L36.conf, および dcpam_init_data_surface と surface_data_M_1D.conf を用いて初期値ファイル init_1D_L36.nc を作成します.

まず dcpam_init_data で大気中の変数の初期値を作成します.

$ ./bin/dcpam_init_data -N=./conf/init_data_M_1D_L36.conf

 *** MESSAGE [dcpam_init_data] ***  Run: Initial data generation
 *** MESSAGE [dcpam_init_data] ***  -- version = $Name:  $$Id: exp-Mars-1D.rd,v 1.3 2015/02/14 07:21:31 yot Exp $
 *** MESSAGE [namelist_util] ***  ----- Initialization Messages -----
 *** MESSAGE [namelist_util] ***    MaxNmlArySize = 256
 *** MESSAGE [namelist_util] ***  -- version = $Name:  $$Id: exp-Mars-1D.rd,v 1.3 2015/02/14 07:21:31 yot Exp $
 *** MESSAGE [timeset] ***  NAMELIST group "timeset_nml" is loaded from "init_data_M_1D_L36.conf".
&TIMESET_NML
 CAL_TYPE="noleap                          ",
                           :
 *** MESSAGE [restart_file_io] ***  Output::
 *** MESSAGE [restart_file_io] ***    OutputFile = init_1D_L36.nc
 *** MESSAGE [restart_file_io] ***    IntTime    = 365. [day]
 *** MESSAGE [restart_file_io] ***  -- version = $Name:  $$Id: exp-Mars-1D.rd,v 1.3 2015/02/14 07:21:31 yot Exp $
 *** MESSAGE [GDNcFileOpen] ***  "init_1D_L36.nc" is overwritten.
 *** MESSAGE [HistoryCreate1] ***  "init_1D_L36.nc" is created (origin=0.E+00 [sec])
 *** MESSAGE [HistoryClose] ***  "init_1D_L36.nc" is closed

 ############## CPU TIME SUMMARY ################
 others                 0.120000E-01
 ------------------------------------------------
        TOTAL TIME =    0.120000E-01

次に dcpam_init_data_surface で惑星表面の変数の初期値を作成します.

$ ./bin/dcpam_init_data_surface -N=./conf/surface_data_M_1D.conf

 *** MESSAGE [dcpam_init_data_surface] ***  Run: SST data generation
 *** MESSAGE [dcpam_init_data_surface] ***  -- version = $Name:  $$Id: exp-Mars-1D.rd,v 1.3 2015/02/14 07:21:31 yot Exp $
 *** MESSAGE [namelist_util] ***  ----- Initialization Messages -----
 *** MESSAGE [namelist_util] ***    MaxNmlArySize = 256
 *** MESSAGE [namelist_util] ***  -- version = $Name:  $$Id: exp-Mars-1D.rd,v 1.3 2015/02/14 07:21:31 yot Exp $
 *** MESSAGE [timeset] ***  NAMELIST group "timeset_nml" is loaded from "surface_data_M_1D.conf".
&TIMESET_NML
 CAL_TYPE="noleap                          ",
                 :
 *** MESSAGE [GDNcFileOpen] ***  "surface_1D.nc" is overwritten.
 *** MESSAGE [HistoryCreate1] ***  "surface_1D.nc" is created (origin=0.E+00 [day])
 *** MESSAGE [HistoryClose] ***  "surface_1D.nc" is closed

 ############## CPU TIME SUMMARY ################
 others                 0.800000E-02
 ------------------------------------------------
        TOTAL TIME =    0.800000E-02

実験用データの準備

実験用データとして, 放射パラメータのデータを以下に用意してあります.

サンプルデータ

上記のページから "lnactbl15m_2006-07-13.nc" をダウンロードして, 実験を行うディレクトリに置いてください.

実験の実行

最後に dcpam_main, dcpam_M_1D_L36.conf を用いて実験を実施します. 解像度 L36 で 67 日分計算を行います. リスタートデータ, 地表面リスタートデータといくつかのヒストリデータファイルが出力されます.

$ ./bin/dcpam_main -N=./conf/dcpam_M_1D_L36.conf | tee Mars.log

 *** MESSAGE [namelist_util] ***  ----- Initialization Messages -----
 *** MESSAGE [namelist_util] ***    MaxNmlArySize = 256
 *** MESSAGE [namelist_util] ***  -- version = $Name:  $$Id: exp-Mars-1D.rd,v 1.3 2015/02/14 07:21:31 yot Exp $
 *** MESSAGE [dcpam_main] ***  NAMELIST group "dcpam_main_nml" is loaded from "./conf/dcpam_M_T21L36.conf".
 &DCPAM_MAIN_NML FLAGDYNAMICS=T,FLAGFULLPHYSICS=T,FLAGHS94=F,FLAGVENUSSIMPLE=F,FLAGJUPITERSIMPLE=F,FLAGRADIATIONDENNOUAGCM=F,FLAGRADIATIONDCPAMEV1=F,FLAGRADIATIONDCPAMMV1=T,FLAGRADIATIONSL09=F,FLAGPHYIMP1LAYMODEL=F,FLAGPHYIMPSOILMODEL=T,FLAGPHYIMPSOILMODELSO=F,FLAGPHYIMPATMONLY=F,FLAGVERTICALFILTER=F/
 *** MESSAGE [dcpam_main] ***  FlagDynamics=<T>.
 *** MESSAGE [dcpam_main] ***  FlagRadiationDennouAGCM=<F>.
 *** MESSAGE [dcpam_main] ***  FlagRadiationDcpamEV1  =<F>.
 *** MESSAGE [dcpam_main] ***  FlagRadiationDcpamMV1  =<T>.
                       :

実験設定を変更する場合には, 上記の実行に際して conf ディレクトリ内の dcpam_M_1D_L36.conf を変更してください.

計算結果の解析・可視化の方法についてはこちらを参照してください.

結果の可視化

65-67 日目における温位の日変化は以下の図のようになります. ただし, コードのバージョンの違いによって, 図は必ずしも下の図と全く同じにはならないかもしれません.

images/mars_irb_pottemp_time65-67day.png

この図は, Gphys を用いて, 下の処理によって描画しています.

まず irb を起動. 

$ irb

以下のような irb のプロンプトが表示されます.

irb(main):001:0>

このプロンプトに, 以下のようにコマンドを打ちます.
左端の数字は行番号で, 打つ必要はありません.

1: require "numru/ggraph"
2: include NumRu
3: gphys = GPhys::IO.open('PotTemp.nc', 'PotTemp')
4: DCL.gropn(1)
5: DCL.sgpset('lcntl', false) ; DCL.uzfact(0.7)
6: GGraph.set_fig( 'itr'=> 1 )
7: GGraph.tone( gphys.cut('lon'=>0).cut('lat'=>0).cut('sig'=>1..0.6).cut('time'=>65*24..67*24), true, 'exchange'=>true )
8: GGraph.color_bar
9: DCL.grcls

irb のプロンプトにおいて quit と打つと irb を終了することができます.

なお, ここで表示している温位の参照圧力は 1000 hPa です. 火星の平均的な地面気圧は ~7 hPa であるため, 温位は温度と値が大きく異なっていることに注意してください.

また, 解析・可視化のもう少し詳しい方法についてはこちらを参照してください.

最後に

実験ディレクトリに作成された計算結果を保存しておきたい場合にはデータ用ディレクトリ(例えば data01)を作成し, ファイルを移動させて整理しておきましょう.

$ mkdir data01
$ mv *.nc *.log data01/

なお, 計算結果を計算実行時にサブディレクトリへ出力することも可能です. 実験設定の変更の出力設定の変更を参照し, NAMELIST "&gtool_historyauto_nml" の変数 "FilePrefix" による設定を試してみて下さい.

$Id: exp-Mars-1D.rd,v 1.3 2015/02/14 07:21:31 yot Exp $