发展历史
ICM.V1
CIESM（Community Integrated Earth System Model）是由 ICM（Integrated Climate Model）模式发展而来。2008 年，在中国科学院大气物理研究所季风系统研究中心黄荣辉院士的倡议下，开始发展 ICM 模式，最初目的是服务于东亚-西北太平洋地区季节气候预测。2014 年发表第一版本 ICM.V1，发现它对气候平均态、ENSO 以及 ENSO 对东亚地区影响的关键物理过程，尤其是西北太平洋印度洋-西北太平洋电容器效应（IPOC）均表现出较高的模拟技巧。
ICM.V1 模式是一个大气-海洋-海冰耦合模式，其中海冰过程不参与动态变化，采用的气候态固定海冰过程。该模式能在不采用通量订正的情况下能稳定积分 1000 年以上。ICM.V1 模式大气模块采用德国马普研究所（Max Planck Institute for Metorology）研发的欧洲中心中尺度天气预报（ECMWF）模式第 5 版 ECHAM5， 海洋模式采用欧洲国家联合研发的 NEMO2.3，耦合器使用的是法国欧洲气候模拟与全球变化研究实验室（CERFACS）开发的 OASIS3。
ECHAM5 大气模块为谱模式，水平分辨率为 T31（约 3.75°×3.75°），垂直分辨率为 19 层。海洋模块 NEMO2.3 包含了物理海洋模块 OPA 和气候态的海冰模块。OPA 为有限差分海洋环流模式（OGCM），空间上采用 Arakawa C 型网格，时间差分采用蛙跳格式。NEMO 采用 ORCA2 不规则的三极型水平网格，一个位于南极中心，另外两个在加拿大和西伯利亚，允许跨极点流，避免北极点奇异点问题。水平经、纬度分辨率为 182×149。并考虑到热带海温的重要性，网格采用赤道加密技术，热带海区分辨率约为 0.5°，热带外海区水平分辨率 约 2°。垂直方向为 31 层，海表 0-100m 有 10 层，最深约为 5250.23 米。而OASIS3 耦合器则为串行耦合器，将大气模块 ECHAM5 和海洋模块NEMO2.3 耦合在一起。
ICM.V1对气候平均态、ENSO 以及东亚夏季气候均有着较好地模拟能力。另外，ICM.V1 模式还能模拟出 ENSO 衰减年夏季对东亚地区影响的关键物理过程印度洋-西北太平洋电容器效应（IPOC）。而对 IPOC 效应的模拟在很多 CMIP5 模式中都很难做得到，这也是我们要一直发展 ICM 模式的重要原因。但随着计算机业的迅猛发展以及研究内容的不断扩展，ICM.V1 模式分辨率过低，模式分量单一的问题凸显，无法满足研究全球变暖下众多科研问题的需要，例如海冰变率是如何调制以及影响东亚以及全球气候等。除此之外，受全球系统研究整体观的影响，以前科学家们仅从单个角度去研究地球局部现象的观点得以改变，大气和海洋科学学科与其他学科的交叉科学问题是当今大气和海洋界的研究热点问题。
另外研究普通民众切身利益相关的问题，如 ENSO 事件对经济、农作物以及股票市场的影响等具有较大的市场价值和实用价值，真正实现将基础科研服务于大众，这也需要地球系统模式的支持。因此，为了传承上述 ICM.V1 模式对东亚气候优越的模拟性能，同时让其跟上发展的需要，提高 ICM.V1 模式分辨率以及将该模式从海气耦合模式发展成为一个具有多个圈层相互作用的地球系统模式成为我们目前亟需解决的问题。
ICM.V2
为了传承 ICM.V1 模式对东亚气候模拟的优越性，并让其跟上模式发展的步伐，黄刚课题组刘波等人在王鹏飞等人的帮助下对其进行了一系列升级和应用，发展成为 ICM.V2。ICM.V2 是将 ICM.V1 大气模块水平分辨率从 T31（3.75°×3.75°）升级变成 T63 （1.8°×1.8°）。除此不同外，这两个版本的 ICM 拥有相同的物理过程。
高分辨率版本的 ICM.V2 对气候态 SST 的模拟有很明显的提升，尤其对热带太平洋冷舌区域偏冷的偏差上。另外对海洋边界的 SST 偏差也有一定的改善。这有可能是由于大气模式对表层风场的模拟能力提高的结果。ICM.V2 在对热带海洋性大陆和东亚地区的降水场模拟有一定的提升，ICM.V1 在这些地区降水模拟偏高。然而，模式在对气候态降水的模拟上仍需要后期更多的努力，“Double ITCZ”模拟偏差仍然很严峻。另外，我们发现高分辨率版本对年平均以及季节平均的 SST，降水以及风场与观测有着更高的相关、更小的标准偏差。这也就意味着 ICM.V2 有着更好的气候态SST、降水场以及风场型。而模式模拟的 EASM 空间型以及振幅也更贴近观测，以及西北太平洋地区主要的年际型态 P-J 型也有更好的模拟。
在对 ENSO 年际变率的模拟上，我们通过比较赤道太平洋 SST 季节循环以及 ENSO 周期和型态等模拟情况发现，高分辨率版本对 ENSO 有着更好的模拟性能。接着我们研究了与 ENSO 相关的东亚-西北太平洋夏季气候。模式水平分辨率的提高使得 ICM.V2 对早夏（AM）西北太平洋冷 SST 异常有着更好模拟，后夏（JA）北印度洋暖 SST 异常明显。这与观测结果分析有着很好的匹配。所以，高分辨率的 ICM.V2 对 ENSO 及其相关的东亚-西北太平洋夏季气候模拟有着更好的表现。经过后续的进一步分析，这一部分原因归根于更好的 IPOC（印度洋-西北太平洋电容器）效应的模拟；另外，对PDO 振荡模拟能力的改善也是另一部分可能原因。
CIESM（ICM.V3）
黄刚课题组刘波等人在王鹏飞等人的帮助下，将ICM.V2模式升级成为ICM.V3模式，建立了ENSO预报系统，并再将该模式命名为CIESM（Community Integrated Earth System Model）模式。
CIESM 模式能在没有通量订正的情况下稳定积分 1000 年以上，且不会出现气候漂移，说明模式在质量和物质守恒方面做得非常不错。它能对气候态 SST、降水和高、低空风场等都有很好的刻画能力，也对 EASM、ENSO 及其东亚-西北太平洋气候特征有着很好的模拟。对比之前版本，对降水的模拟效果改善最为显著，尤其对热带降水 GCM 模式普遍存在的“Double ITCZ”的情况有较大改善，这主要原因可能是 ECHAM6.3 大气模块中对流参数化方案的改进。另外，CIESM 模式对 P-J 遥相关型的模拟也有很大的提升，很好地模拟出了从低纬向高纬环流场异常的三极子分布形态，位置以及振幅均与观测更为接近。从对主要气候模态的分析中可以看出，CIESM 模式能较好地模拟出 PDO、NAO 以及 PNA 等主要气候遥相关型的空间特征，可胜任作为未来年际以及年代际尺度气候系统的研究工具。我们利用模式控制试验运行 1000 年的模拟结果研究了 EASM-ENSO 关系的多年代际变化的可能原因。结果发现，即使在没有人类活动和外强迫的作用下，ENSO 和 EASM 年际关系仍存在明显的多年代际变化。通过合成分析挑选了高、低相关年各自 210 年的样本后发现，高相关年中 El Niño 衰减年夏季，从热带低纬到西北太平洋中高纬，降水异常型呈现出明显地三极子型分布。除了印度洋增暖和对流层位势高度呈 Matsuno-Gill 型之外，西北太平洋反气旋异常能被热带西太平洋冷海温强化并使之延伸至中国内陆。低相关年中，异常环流场和三极子降水型均不显著，位于中纬度地区的梅雨带消失。从异常 SST 时间演变来分析，我们发现低相关时期的印度洋暖海温较弱，热带西太平洋冷海温并不明显。通过大气模式敏感性试验、波活动通量以及正压、斜压能量转换角度分析，造成高、低相关年环流场差异的主要原因是热带西太平洋 SST 异常场振幅大小的差异性导致的。这一结果能为在年代际时间尺度上回答 ENSO 如何影响东亚夏季气候和气候预测上提供一定地参考。
最后，我们应用 SST nudging 方案，将观测 SST 资料同化至 CIESM 模式中的海洋模块中，初步建立了 ENSO 预测系统。我们分别进行了从 1982-2011 年后报试验以及对未来 2019 年做了提前 1-6 个月的集合预报试验。从结果分析中我们发现模式对过去 30 年后报 ENSO 事件展现出了较高的预测技巧。能报对1982-2011 年中所有的冷暖事件，包括最强 1997/1998 El Niño 年，模式都能成功的准确预报。另外值得注意的是，模式在提前 1-3 个月的预报中，对 Niño3.4 区域内 SSTA 振幅模拟稍微偏强，而对提前 6 个月的预报振幅反而与观测更为接近，但峰值在某些年份会有所滞后。这可能跟赤道西太平洋季节内风场爆发的弱预测性有关。与其他大部分气候模式相同，CIESM 模式对 ENSO 预测也存在明显的春季预报障碍，表现为春季预报时随着预报时长的增长 ACC 快速下降以及 RMSE 迅速增大的现象。另外模式对北大西洋以及印度洋 SSTA 也展现了较高的预报技巧。而对印度洋 SSTA 的后报要明显难于其他两个海盆，可能原因是印度洋局地海气相互作用非常活跃以及信号扰动较为频繁的缘故，对赤道印度洋 SSTA 的预报提前一个季度的预报可信度比较高，但目前无法胜任提前两个月以上的预报。
2019 年，黄刚课题组李思叡接手了该模式，并初步使用耦合器试将海冰模块换成更高级的CICE。2022 年，黄刚课题组律成林接手了该模式，截止目前（2023年5月）在黄刚课题组刘永、刘波等人的帮助下，继续接手和发展 CIESM 模式气候预报系统，并和陈康君建立该模式的气候预报网站。 模式的结构框架
CIESM 模式是一个海洋-大气耦合模式，由 OASIS3_MCT_3.0 并行耦合器将大气模式 ECHAM6.3 和海洋模块 NEMO3.6 耦合在一起。大气模式和海洋模式分量版本至最新外，CIESM 模式还增加了 LIM3 动态海冰模块，JSBACH 陆面植被模块以及 TOP 海洋生物地球化学模块。CIESM 模式一共有 21 个耦合变量，包括从大气向海洋输送 15 个，从海洋向大气输送 6 个，各变量均设为 86400s 交换一次。另外新版耦合器保持了低干扰性、可移植性和灵活性的设计，还能实现全过程并行，大大增加耦合和运行效率。
CIESM 模式框架
大气模式分量
ECHAM系列是德国马普气象研究中心研发的MPI-ESM地球系统模式大气模式分量。ECHAM6.3是ECHAM系列发展到目前为止最新的版本，其属于全球大气环流模式，与JSBACH陆面模式嵌套一起升级发展。
ECHAM6.3包含了JSBACH陆面植被模块。JABACH拥有5层土壤，能模拟大气与陆地能量、动量、水汽以及示踪气体的交换过程，包含物理方面的参数化，比如热量、存储水以及与大气的相互交换过程等，还包含植物光合作用，植物和土壤中碳分配和储存等参数化，另外，JSBACH也包含水文模式，提供河流向海洋输送淡水等过程。本章使用的最新的JSBACH拥有动态变化的植被变化过程，陆地碳循环过程中能考虑外部指定的，人为土地覆盖变化等。
海洋模式分量
NEMO（Nucleus for European Modelling ofthe Ocean）全球海洋模式是由欧洲-地中海气候变化中心（Centro Euro-Mediterraneosui Cambiamenti Climatici，CMCC），法国国家科学研究中心（CentreNational de la Recherche Scientifique，CNRS），英国气象局（UnitedKingdom Met Office），墨卡托海洋国际（Mercator Ocean International）以及英国环境研究委员会（the Natural Environment Research Council，NERC）等5个欧洲联盟研究机构共同研发及发展。它的主体主要包括3个部分，物理海洋部分NEMO-OPA，海冰部分NEMO-LIM和生物地球化学部分NEMO-TOP。NEMO 的开源性以及在欧洲诸多研究机构的共同努力下使得其不断进化和发展。
NEMO3.6 选用与 NEMO2.3 保持类似的空间结构，采用三极子网格，原始方程采用Arakawa C格点求解。模式水平经纬分辨率为182×149，采用赤道加密技术，赤道附近分辨率为0.5°，赤道外为2°×2°，垂直层31层，从海表5 m到105 m有11层，最深层为5250.23 m。NEMO-OPA 物理海洋模块是采用有限差分、流体静力学、原始方程的海洋环流模型，垂直坐标采用z坐标系。示踪物和动量垂直混合方案采用湍流动能方案，对中尺度涡旋参数化采用GM90方案，等密度扩散系数和等密度面厚度扩散系数随时间和空间变化。NEMO3.6 还包含动态变化的海冰过程LIM3，增加多过程的海冰，裂冰以及冰山模块，满足了下一代 IPCC 的要求，为今后研究海冰对气候的影响提供有力工具；内嵌 XIOS Input/Output 管理系统，为模式并行后输入输出提供便利；海洋混合层方案 TKE 闭合方案的改进等等。
耦合器
在涉及多个模式分量相互作用的地球系统模式中，连接这些模式分量的软件就叫耦合器。耦合器是连接模式模块间相互交换变量的桥梁，一个好的耦合器它需要能够支持多个分量模块之间数据传输、不同网格之间数据的相互插值和协调模块间的运行，还需对插值后和传输后的数据保持质量守恒性，通量交换数据的稳定性等。另外，耦合的计算效率也必须是要考虑的一部分。
OASIS是由法国欧洲气候模拟和全球变化研究中心（CERFACS）自1991年开始开发出的耦合器，是世界上现有的耦合器中应用较为广泛的一个，至今发展有20多年。OASIS3的灵活性和它对分量模式间的低干扰性，让其在欧洲、澳大利亚、亚洲以及北美等地区有30多个不同的气候模式组在用它来耦合。
OASIS3_MCT 是 OASIS 耦合器搭配了美国阿贡实验室（Argonne National Laboratory）开发的 MCT 工具。它能提供耦合变量插值和交换的全并行计算，不需要生成可执行文件，另外，和 OASIS 之前的版本一样，OASIS3_MCT保持了其低干扰性、可移植性和灵活性的设计理念。还有一点与 OASIS3 不同的是，由于增加了 MCT，OASIS3_MCT 也支持了 NETCDF 文件之间的相互交换，方便数据的存储、运输和管理。