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ORCHIDEE

De Wikicima

ORCHIDEE

This manual provides the information about the land-surface model ORCHIDEE (technical page for advanced users) from Institute Pierre Simone Laplace (IPSL). Its installation on the HPC of the CIMA called hydra.

Model description

  • ORCHIDEE: sechiba & stomate
  • Two major modes of simulations: Off-line (no feedback) / on-line (LMDZ, WRF)

All forcing data to run ORCHIDEE is located here in CIMA's HPC: 

${ORforcing}=/share/DATA/ORCHIDEE/IGCM/SRF

Off-line atmospheric forcings

Desdcribed here: ORforcings

Atmoshperic variables required by ORCHIDEE: LWdown, PSurf, Qair, Rainf, SWdown, Snowf, Tair, Wind_E, Wind_N

Available data-bases in hydra:

  • WFDE5 CRU GPCC (v1, 0.5°): mixing ERA5 CRU and GPCC: WFDE5_CRU_GPCC_[YYYY].nc at hydra:
${ORforcing}/METEO/WFDE5_CRU_GPCC/v1/

Morphological forcings as data-base

Installed in CIMA's HPC hydra at 

/share/DATA/ORCHIDEE/IGCM/SRF

To be interpolated to the domain of simulation (region and resolution) at the first time step (done by ORCHIDEE) Mandatory:

PFT map

15 PFT, percentage of each by grid-point (maxvegetfrac, see table for equivalencies of PFT)

num description
1 bare ground
2 tropical broad-leaved evergreen
3 tropical broad-leaved raingreen
4 temperate needleleaf evergreen
5 temperate broad-leaved evergreen
6 temperate broad-leaved summergreen
7 boreal needleleaf evergreen
8 boreal broad-leaved summergreen
9 boreal needleleaf summergreen
10 C3 grass
11 C4 grass
12 C3 agriculture
13 C4 agriculture
14 C3 tropical natural grassland
15 C4 boreal natural grassland

PFTmap_IPCC_[YYYY].nc (0.5°, basic), a file per/year ESA-LUH2, v2 at: 

${ORforcing}/PFTMAPS/CMIP6/ESA-LUH2v2/historical/15PFT.v2/PFTmap_2000.nc

carteveg5km.nc (Olson's global classification of 94 PFT, 5km transformation)

No temporal evolution at: 

${ORforcing}/PFTMAPS/
Global Olson vegetation at 5 km of resolution Homolosine projection

Soil characterisitcs

  • soilcolor used to define background-albedo: albedowet, albedodry (using values from 1 to 8). To be find in soils_param.nc, soils_param_zobler.nc
  • soiltexture to define soil type, to be grouped as 3 types: corse, medium, fine (from 7 values). 3 different sources:
  • soils_param.nc (1.°, basic)
  • soils_param_zobler.nc: 7 types (1°)
  • soils_param_usda.nc: 12 types (0.08331404°)

WOODHARVEST

SOIL_BULK

Additional

  • LAI: on runs without stomate (otherwise, LAI is dynamic), one needs to provide climatologies of the LAI: 13 LAI values which evolves along time (monthly climatology) lai2D_[00/01/03].nc
  • Albedo: on runs without stomate (otherwise, albedo is dynamic) new maps only for the bare soil albedo at higher resolution to avoid the use of soilcolor from soils_param.nc. Fixed values for wet/dry background albedo. Or a new file
    • alb_bg_jrctip.nc: albedos climatologies retrieved from MODIS satellite JRC-TIP package
    • alb_bg_modisopt_2D.nc: Another non.climatological albedo from MODIS
${ORforcing}/albedo
  • Routing: routing.nc: worldwide data-base of river basins at 0.5°: 1-8 direction, <89 point at the sea, ... (trip), riverID (basins), water retention (topoind), etc..., cartepente2d_15min.nc topography slope (0.25°)
  • Floodplains: floodplain.nc To account for maximum flooded area: lake, dam, swamp, saline, pond, irrig
  • Chemistry: orchidee_fertilizer_1995.nc with fertilization (for N2) for rice and the others
  • Reference Temperature: To be used as a reference temperature for the soil (reftemp.nc)

All ORCHIDEE configuration is controlled by run.def.: Domain, period, physics activation, sechiba/stomate, routing, floodplains, ... ORparameters

I/O controlled by *.xml files from XIOS libraries

  • iodef.xml: main XIOS configuration
  • context_orchidee.xml: I/O global configuration for ORCHIDEE
  • field_def_orchidee.xml: definition of I/O variables (names, units, dimensions, long-name, ...)
  • file_def_orchidee.xml: definition of variables at each file (output frequency, level of output, ...)

Water balance & routing scheme

ORCHDIEE represent water dynamics in 2 main aspects: soil moisture, river routing (when activated).

Model manages water via 3 different reservoirs: river, fast and slow

soil moisture

This accounts for the water that reaches the soil. Precipitation can be intercepted by vegetation or direcly move away as runoff if it can not infiltrate.

Soil misture can directly evaporated from surface, or by transpiration from vegetation (via its roots).

river routing

Water than it is not kept in soil and translates horizontally in the surface as river water. This water is not evaporated unless it reaches a floodplains (when activated) from where it can evaporate.

Schematic water cycle in ORCHIDEE. source: Lluís Fita and Lucía Cappelletti

Installation

This installation guide is based on the installation in different machines from CIMA/DCAO computational resources:

which it must have pre-installed: netCDF libraries (netcdf-dev, netcdff), MPI libraries (mpi, mpich), Fortan and C compilers (gcc, gcc++ gfortran), pre-processing tools (cpp), subversion repository code tool (svn), Makefile (make, gmake), shells (ksh, csh)


NOTE 

Each new version of the code, has its own XIOS files! Make sure that you're using the right ones!! (otherwise, you would have an error...)

Running the model

ORCHIDEE can run in a large variety of forms. Here is desribed a simple way to run a year of simulation using the off-line configuration and the trunk branch.

Ejemplo básico

Preparé un ejemplo muy rápido para ver si las cosas funcionan con el work-flow (voy a ir documentándolo). Pero por el momento podríamos empezar por esto. Es una simulación de 5 días, troceada cada 2 días. 

/share/tools/workflows/OR4L/hydra/examples/OR4L_fast_daily

Acá encontrarás un archivo y un directorio:

  • EXPERIMENTparameters.txt: Este es el archivo que controla todo el workflow. En él se definen los parámetros de ejecución, periodo, etc...
  • EXPinf: este directorio contiene todas las namelist y archivos afines que se necesitan para poder realizar la simulación

En el EXPERIMENTSparameters.txt tendrías que configurar los directorios de trabajo del workflow y reemplazar [user] por tu nombre de usuaria.

La idea del workflow es la siguiente:

  • domainHOME: directorio con toda la información de las namelists. Es donde tiene que moverse el directorio EXPinf
  • expHOME: directorio raíz del workflow. En donde se lanza por primera vez el job inicial del workflow llamado 'launch_experiment.pbs'. De este directorio se creará la estructura de directorios de la parte de manejo del workflow. Este directorio se llamará [ExpName]/[SimName] (los valores de [ExpName] y [SimName] están definidos dentro de EXPERIMENTSparameters.txt)
  • runHOME: directorio donde correrá el modelo (distinto de 'expHOME'). En este directorio se creará también los nuevos directorios [ExpName]/[SimName]
  • storageHOME: directorio donde se guardarán las salidas y los logs de la simulación. En este directorio también se creará la estructura [ExpName]/[SimName]

La idea detrás de esto es que uno puede tener muchas simulaciones dentro del mismo experimento [ExpName]

Todos los archivos del workflow están en: 

/share/tools/workflows/OR4L/hydra

¿Cómo simular?

  1. Siempre trabajar desde el direcotorio /home/[user]/salidas/
  2. Crear un duirectorio en salidas que te sirva de punto de partida de todos los experimentos. Por ejemplo yo tengo
/home/[user]/salidas/estudios
  1. Crear el directorio raíz del workflow (el expHOME). Por ejemplo
/home/[user]/salidas/estudios/ORtest
  1. Desde /home/[user]/salidas/estudios/ORtest, copia:
cp /share/tools/workflows/OR4L/hydra/launch_experiment.pbs ./
cp /share/tools/workflows/OR4L/hydra/examples/OR4L_fast_daily/EXPERIM
  ENTparameters.txt ./
  1. Adapta los valores de EXPERIMENTSparamaters.txt a tu antojo. Por ejemplo:
domainHOME = /home/[user]/salidas/EXPS/ORtest/EXPinf
expHOME = /home/[user]/salidas/estudios/ORtest
runHOME = /home/[user]/salidas/RUN/ORtest
storageHOME = /home/[user]/salidas/EXPS/ORtest
  1. Modifica el valor de [user] de launch_experiment.pbs
#PBS -M [user]@cima.fcen.uba.ar
  1. Ya podés lanzar la simulación test
qsub launch_experiment.pbs

La simulación dura menos de 1 hora (si no hay atasco en la cola)

Yo propongo lo siguiente:

  1. Probá el test
  2. Creá una nueva simulación (cambiándole el nombre y modificando algún valor del run.def). Esto se puede hacer desde EXPERIMENTparameters.txt en la entrada: nlparameters. Por ejemplo duplícale el valor del CO2 atmosférico a 700.
  3. Corré una nueva simulación que corra 3 meses con trozos de 1 mes

salida

La salida está organizada de esta manera en el directorio storageHOME (hasta ahí donde yo entiendo, haría falta listar el contendio de cada archivo y ver qué contienene exactamante):

  • forcing_by_ORCHIDEE_[period_chunk].nc: Variables usadas para forzar off-line ORCHIDEE
  • sechiba_rest_out_[period_chunk].nc: restart de SECHIBA
  • stomate_rest_out_[period_chunk].nc: restart de STOMATE
  • sechiba_history_[period_chunk].nc: salida estándard de SECHIBA
  • sechiba_history_4dim_[period_chunk].nc: salida de SECHIBA de

variables con más de 1 nivel

  • sechiba_out_2_[period_chunk].nc: otra salida de SECHIBA
  • stomate_history_[period_chunk].nc: salida estándard de STOMATE
  • stomate_ipcc_history_[period_chunk].nc: salida de STOMATE para el IPCC
  • stomate_history_4dim_[period_chunk].nc: salida de STOMATE de variables con más de 1 nivel
  • stomate_fixed_dia_[period_chunk].nc: salida de STOMATE de clases de diámetro fijo
  • sechiba_stomate_history_[period_chunk].nc: mezcla de variables de SECHIVA y STOMATE

Toda la información de las variables que contiene cada archivo está en el archivo EXPinf/file_def_orchidee.xml

No sé mucho de la cantidad infinita de variables. Acordáte que aproximádamente:

  • SECHIBA: parte física
  • STOMATE: parte bioquímica

Ejemplos de variables a mirar serían:

  • SECHIBA 1D
    • lai: LAI
    • LAImean: LAI medio
    • evap: evaporación
    • evapot: evaporación potencial
    • fluxlat: flujo de calor latente
    • fluxsens: flujo de calor sensible
    • vegetfrac: fracción de cobertura por PFT en la celda
    • maxvegetfrac: máxima fracción de cobertura posible por PFT en la celda
  • SECHIBA 3D
    • SoilMoist: humedad del suelo
    • temp_sol_new: temperatura del suelo
  • STOMATE
    • npp: producción primaria neta
    • gpp: producción primaria bruta

Algunas variables están en porcentajes de la celda, o en flujos, ... es importante tenerlo claro para ir entendiendo qué quire decir cada variable.

Tené presente que estas simulaciones no son nada realistas, puesto que sólo son 4 días y ORCHIDEE anda en medio del spin-up (de al menos 1 año...)

Copié mi simualción de test a Papa-Deimos: 

https://wiki.cima.fcen.uba.ar/index.php/papa-deimos

Para que no tengas que descargarte nada y puedas hacer todas tus pruebas. 

/datos/MOD/ORCHIDEE/benchmark/OR4L_fast_daily/orig

Si querés que Lluís te suba las salidas a Papa-Deimos, antes tendrás que darle acceso al direcorio de la salida de la simulación mediante 

chmod a+r [storageHOME]


Running the model in DCAO's computational lab

Follow this link runORDCAO to set-up the runs in the machines of DCAO's computational laboratory

OR4L: L. Fita's work-flow management for ORCHIDEE

ORCHIDEE should be run with libIGCM which is a work-flow management for ORCHIDEE developed at the IPSL.

However, L. Fita developed an independent simpler and less potent work-flow called OR4L. See how it works in this wiki page ORCHIDEE/OR4L OR4L

OR_1proc: DCAO's 1-proc work-flow management for ORCHIDEE

DCAO's computational lab machines are 1 processors standard machines. A new work-flow management has been created for such cases. Mostly related to the UMI & DCAO course of [land-atmosphere interaction and its modelling]. All the iformation is available in the wiki page OR1proc OR 1proc

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