关于数值模式spin up的一些说明
使用数值模式往往会涉及到spin-up的问题，在气海同途的数值模式交流群中，有不少模式初学者经常感到疑惑。本篇谈谈自己的一些理解以及整理的总结。
由于难以得到理想的准确的初始场，模式初始场各变量之间，或者与外部条件之间存在着不平衡或者不匹配。因此模式启动后，需要运行一段时间，以达到所需的“平衡状态”。而达到这个状态所需要的时间，称为spin up time（起转时间）。在完成spin up之前，模式的输出结果往往是不可信的。
对于不同的研究对象或者不同模式，其spin up关注的侧重点与所需的时间是不一样的。
对于中小尺度气象模式，比如WRF，初始场各变量特别是湿度场，往往过于平滑，使得模式的初始时刻的辐散场、非绝热加热与湿度场之间缺乏一致性，动力、热力过程与水分循环不协调。且中小尺度模式一般是由无云初始场开始的，所以开始需要一定的时间产生相应的云水信息，冷启动之后往往需要若干小时才能产生符合实际的云水信息。
一般认为，WRF模式在6小时即可完成spin up（也许更短，6小时是一个比较保守的估计）。由于spin up的存在，限制了数值模式在短临预报的应用。因此有不少资料同化的工作，追求尽可能同化云水相关的观测信息，缩短模式spin up时间。
而在气候模拟中，spin up的时间更长。例如在CMIP6的高分辨率模式比较计划 （HighResMIP）中，其第二层级 （Tier-2）试验为1950—2050 年的百年耦合试验。为了在试验前尽可能达到海-气准平衡态，HighResMIP工作组建议先进行约 50年的spin up，之后再以“热启动”(restart) 的方式完成该段试验。
大气的反馈过程较快，而海洋的状态调整和反馈相对较慢。在海洋模式中，spin-up需要的时间更久。海洋模型需要多长时间才能达到平衡？ 与关注的研究对象和使用的模型密切相关。
在海盆尺度和全球尺度的海洋环流模型中，模式要达到平衡状态较难，可能需要数百年的时间。海洋模型用当前的海洋状态（气候态）做初始化，并向前积分，直到环流结构和密度场等平衡匹配。
深海海洋需要数百年的适应，上层海洋只需要大约50年左右。
例如要研究上层海洋过程（比如厄尔尼诺），则一般只需上层海洋（在主温跃层之上）达到平衡状态。
实际上，spin up时间尺度是第一和第二模态的长罗斯贝波（大规模行星波）从东到西穿过盆地、影响水流并最终影响水团特性所需的时间。
沿赤道，第一模态斜压罗斯贝波横渡太平洋约需9个月；然而，第二模态的长罗斯贝波斜压性更强，传播得更慢。因此，在赤道中需要spin up几年时间才能达到平衡。
在中纬度地区，长波传播得更慢。罗斯贝波横渡太平洋大约需要 11 年。对于全球海洋模型，需要几十年才能在海洋上层达到平衡。
如果只考虑正压模式，或者模型是二维的，那么spin up调整时间会更快，大约几天，因为正压波传播得更快。
如果想缩短spin up时间，还可以通过资料同化（nudge）的方式，使得模式状态不断逼近观测。比如正压模型中，可以使用海表面高度资料（SSH）。
此外，如果只关心风力驱动的水循环，例如由 Ekman 抽吸引起的海面斜坡产生的流动，那么几天的spin up时间可能就足够了。
文章来源于微信公众号：气海同途
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