source: LMDZ5/trunk/libf/phylmd/StratAer/sulfate_aer_mod.F90 @ 2789

Last change on this file since 2789 was 2690, checked in by oboucher, 8 years ago

Adding a module for stratospheric aerosols with a bin scheme.
The module gets activated with -strataer true compiling option.
May not quite work yet, more testing needed, but should not affect
the rest of LMDz as everything is under a CPP_StratAer key.

File size: 15.1 KB
Line 
1MODULE sulfate_aer_mod
2
3! microphysical routines based on UPMC aerosol model by Slimane Bekki
4! adapted for stratospheric sulfate aerosol in LMDZ by Christoph Kleinschmitt
5
6CONTAINS
7
8!********************************************************************
9    SUBROUTINE STRACOMP(sh,t_seri,pplay)
10
11!   AEROSOL H2SO4 WEIGHT FRACTION AS A FUNCTION OF PH2O AND TEMPERATURE
12!   ----------------------------------------------------------------
13!   INPUT:
14!   H2O: VMR of H2O
15!   t_seri: temperature (K)
16!   PMB: pressure (mb)
17!   klon: number of latitude bands in the model domain
18!   klev: number of altitude bands in the model domain
19!   for IFS: perhaps add another dimension for longitude
20!
21!   OUTPUT:
22!   R2SO4: aerosol H2SO4 weight fraction (percent)
23 
24    USE dimphy, ONLY : klon,klev
25    USE aerophys
26    USE phys_local_var_mod, ONLY: R2SO4
27
28    IMPLICIT NONE
29
30    REAL,DIMENSION(klon,klev),INTENT(IN)          :: t_seri  ! Temperature
31    REAL,DIMENSION(klon,klev),INTENT(IN)          :: pplay   ! pression pour le mileu de chaque couche (en Pa)
32    REAL,DIMENSION(klon,klev),INTENT(IN)          :: sh      ! humidite specifique
33     
34    REAL PMB(klon,klev), H2O(klon,klev)
35!
36!   working variables
37    INTEGER I,J,K
38    REAL TP, PH2O, VAL, A, B
39!     local variables to be saved on exit
40    INTEGER INSTEP
41    INTEGER, PARAMETER :: N=16, M=28
42    DATA INSTEP/0/
43    REAL F(N,M)
44    REAL XC(N)
45    REAL YC(M)
46    REAL XC1, XC16, YC1, YC28
47!
48    SAVE INSTEP,F,XC,YC,XC1,XC16,YC1,YC28
49
50! convert pplay (in Pa) to PMB (in mb)
51    PMB(:,:)=pplay(:,:)/100.0
52
53! convert specific humidity sh (in kg/kg) to VMR H2O
54    H2O(:,:)=sh(:,:)*mAIRmol/mH2Omol
55
56    IF(INSTEP.EQ.0) THEN
57   
58       INSTEP=1
59       XC(1)=0.01
60       XC(2)=0.1
61       XC(3)=0.5
62       XC(4)=1.0
63       XC(5)=1.5
64       XC(6)=2.0
65       XC(7)=3.0
66       XC(8)=5.0
67       XC(9)=6.0
68       XC(10)=8.0
69       XC(11)=10.0
70       XC(12)=12.0
71       XC(13)=15.0
72       XC(14)=20.0
73       XC(15)=30.0
74       XC(16)=100.0
75!
76       YC(1)=175.0
77       DO I=2,28
78         YC(I)=YC(I-1)+5.0
79       ENDDO
80
81!      CONVERSION mb IN 1.0E-4mB
82       DO I=1,16
83         XC(I)=XC(I)*1.0E-4
84       ENDDO
85!
86       XC1=XC(1)+1.E-10
87       XC16=XC(16)-1.E-8
88       YC1=YC(1)+1.E-5
89       YC28=YC(28)-1.E-5
90
91       F(6,4)=43.45
92       F(6,5)=53.96
93       F(6,6)=60.62
94       F(6,7)=65.57
95       F(6,8)=69.42
96       F(6,9)=72.56
97       F(6,10)=75.17
98       F(6,11)=77.38
99       F(6,12)=79.3
100       F(6,13)=80.99
101       F(6,14)=82.5
102       F(6,15)=83.92
103       F(6,16)=85.32
104       F(6,17)=86.79
105       F(6,18)=88.32
106!
107!      ADD FACTOR  BECAUSE THE SLOP IS TOO IMPORTANT
108!      NOT FOR THIS ONE BUT THE REST
109!      LOG DOESN'T WORK
110       A=(F(6,5)-F(6,4))/( (YC(5)-YC(4))*2.0)
111       B=-A*YC(4) + F(6,4)
112       F(6,1)=A*YC(1) + B
113       F(6,2)=A*YC(2) + B
114       F(6,3)=A*YC(3) + B
115!
116       F(7,4)=37.02
117       F(7,5)=49.46
118       F(7,6)=57.51
119       F(7,7)=63.12
120       F(7,8)=67.42
121       F(7,9)=70.85
122       F(7,10)=73.70
123       F(7,11)=76.09
124       F(7,12)=78.15
125       F(7,13)=79.96
126       F(7,14)=81.56
127       F(7,15)=83.02
128       F(7,16)=84.43
129       F(7,17)=85.85
130       F(7,18)=87.33
131!
132       A=(F(7,5)-F(7,4))/( (YC(5)-YC(4))*2.0)
133       B=-A*YC(4) + F(7,4)
134       F(7,1)=A*YC(1) + B
135       F(7,2)=A*YC(2) + B
136       F(7,3)=A*YC(3) + B
137!
138       F(8,4)=25.85
139       F(8,5)=42.26
140       F(8,6)=52.78
141       F(8,7)=59.55
142       F(8,8)=64.55
143       F(8,9)=68.45
144       F(8,10)=71.63
145       F(8,11)=74.29
146       F(8,12)=76.56
147       F(8,13)=78.53
148       F(8,14)=80.27
149       F(8,15)=81.83
150       F(8,16)=83.27
151       F(8,17)=84.67
152       F(8,18)=86.10
153!
154       A=(F(8,5)-F(8,4))/( (YC(5)-YC(4))*2.5 )
155       B=-A*YC(4) + F(8,4)
156       F(8,1)=A*YC(1) + B
157       F(8,2)=A*YC(2) + B
158       F(8,3)=A*YC(3) + B
159!
160       F(9,4)=15.38
161       F(9,5)=39.35
162       F(9,6)=50.73
163       F(9,7)=58.11
164       F(9,8)=63.41
165       F(9,9)=67.52
166       F(9,10)=70.83
167       F(9,11)=73.6
168       F(9,12)=75.95
169       F(9,13)=77.98
170       F(9,14)=79.77
171       F(9,15)=81.38
172       F(9,16)=82.84
173       F(9,17)=84.25
174       F(9,18)=85.66
175!
176       A=(F(9,5)-F(9,4))/( (YC(5)-YC(4))*7.0)
177       B=-A*YC(4) + F(9,4)
178       F(9,1)=A*YC(1) + B
179       F(9,2)=A*YC(2) + B
180       F(9,3)=A*YC(3) + B
181!
182       F(10,4)=0.0
183       F(10,5)=34.02
184       F(10,6)=46.93
185       F(10,7)=55.61
186       F(10,8)=61.47
187       F(10,9)=65.94
188       F(10,10)=69.49
189       F(10,11)=72.44
190       F(10,12)=74.93
191       F(10,13)=77.08
192       F(10,14)=78.96
193       F(10,15)=80.63
194       F(10,16)=82.15
195       F(10,17)=83.57
196       F(10,18)=84.97
197!
198       A=(F(10,6)-F(10,5))/( (YC(6)-YC(5))*1.5)
199       B=-A*YC(5) + F(10,5)
200       F(10,1)=A*YC(1) + B
201       F(10,2)=A*YC(2) + B
202       F(10,3)=A*YC(3) + B
203       F(10,4)=A*YC(4) + B
204!
205       F(11,4)=0.0
206       F(11,5)=29.02
207       F(11,6)=43.69
208       F(11,7)=53.44
209       F(11,8)=59.83
210       F(11,9)=64.62
211       F(11,10)=68.39
212       F(11,11)=71.48
213       F(11,12)=74.10
214       F(11,13)=76.33
215       F(11,14)=78.29
216       F(11,15)=80.02
217       F(11,16)=81.58
218       F(11,17)=83.03
219       F(11,18)=84.44
220!
221       A=(F(11,6)-F(11,5))/( (YC(6)-YC(5))*2.5 )
222       B=-A*YC(5) + F(11,5)
223       F(11,1)=A*YC(1) + B
224       F(11,2)=A*YC(2) + B
225       F(11,3)=A*YC(3) + B
226       F(11,4)=A*YC(4) + B
227!
228       F(12,4)=0.0
229       F(12,5)=23.13
230       F(12,6)=40.86
231       F(12,7)=51.44
232       F(12,8)=58.38
233       F(12,9)=63.47
234       F(12,10)=67.43
235       F(12,11)=70.66
236       F(12,12)=73.38
237       F(12,13)=75.70
238       F(12,14)=77.72
239       F(12,15)=79.51
240       F(12,16)=81.11
241       F(12,17)=82.58
242       F(12,18)=83.99
243!
244       A=(F(12,6)-F(12,5))/( (YC(6)-YC(5))*3.5 )
245       B=-A*YC(5) + F(12,5)
246       F(12,1)=A*YC(1) + B
247       F(12,2)=A*YC(2) + B
248       F(12,3)=A*YC(3) + B
249       F(12,4)=A*YC(4) + B
250!
251       F(13,4)=0.0
252       F(13,5)=0.0
253       F(13,6)=36.89
254       F(13,7)=48.63
255       F(13,8)=56.46
256       F(13,9)=61.96
257       F(13,10)=66.19
258       F(13,11)=69.6
259       F(13,12)=72.45
260       F(13,13)=74.89
261       F(13,14)=76.99
262       F(13,15)=78.85
263       F(13,16)=80.50
264       F(13,17)=82.02
265       F(13,18)=83.44
266!
267       A=(F(13,7)-F(13,6))/( (YC(7)-YC(6))*2.0)
268       B=-A*YC(6) + F(13,6)
269       F(13,1)=A*YC(1) + B
270       F(13,2)=A*YC(2) + B
271       F(13,3)=A*YC(3) + B
272       F(13,4)=A*YC(4) + B
273       F(13,5)=A*YC(5) + B
274!
275       F(14,4)=0.0
276       F(14,5)=0.0
277       F(14,6)=30.82
278       F(14,7)=44.49
279       F(14,8)=53.69
280       F(14,9)=59.83
281       F(14,10)=64.47
282       F(14,11)=68.15
283       F(14,12)=71.19
284       F(14,13)=73.77
285       F(14,14)=76.0
286       F(14,15)=77.95
287       F(14,16)=79.69
288       F(14,17)=81.26
289       F(14,18)=82.72
290!
291       A=(F(14,7)-F(14,6))/( (YC(7)-YC(6))*2.5 )
292       B=-A*YC(6) + F(14,6)
293       F(14,1)=A*YC(1) + B
294       F(14,2)=A*YC(2) + B
295       F(14,3)=A*YC(3) + B
296       F(14,4)=A*YC(4) + B
297       F(14,5)=A*YC(5) + B
298!
299       F(15,4)=0.0
300       F(15,5)=0.0
301       F(15,6)=0.0
302       F(15,7)=37.71
303       F(15,8)=48.49
304       F(15,9)=56.40
305       F(15,10)=61.75
306       F(15,11)=65.89
307       F(15,12)=69.25
308       F(15,13)=72.07
309       F(15,14)=74.49
310       F(15,15)=76.59
311       F(15,16)=78.45
312       F(15,17)=80.12
313       F(15,18)=81.64
314!
315       A=(F(15,8)-F(15,7))/( (YC(8)-YC(7))*1.5)
316       B=-A*YC(7) + F(15,7)
317       F(15,1)=A*YC(1) + B
318       F(15,2)=A*YC(2) + B
319       F(15,3)=A*YC(3) + B
320       F(15,4)=A*YC(4) + B
321       F(15,5)=A*YC(5) + B
322       F(15,6)=A*YC(6) + B
323
324!      SUPPOSE THAT AT GIVEN  AND PH2O<2mB,
325!      %H2SO4 = A *LOG(PH2O) +B
326!      XC(1-5) :EXTENSION LEFT (LOW H2O)
327       DO J=1,18
328         A=(F(6,J)-F(7,J))/(LOG(XC(6))-LOG(XC(7)))
329         B=-A*LOG(XC(6)) + F(6,J)
330         DO K=1,5
331           F(K,J)=A*LOG(XC(K)) + B
332         ENDDO
333       ENDDO
334
335!      XC(16) :EXTENSION RIGHT (HIGH H2O)
336       DO J=1,18
337         A=(F(15,J)-F(14,J))/(XC(15)-XC(14))
338         B=-A*XC(15) + F(15,J)
339       F(16,J)=A*XC(16) + B
340!       F(16,2)=1.0
341       ENDDO
342
343!      YC(16-25) :EXTENSION DOWN (HIGH T)
344       DO I=1,16
345         A=(F(I,18)-F(I,17))/(YC(18)-YC(17))
346         B=-A*YC(18) + F(I,18)
347         DO K=19,28
348         F(I,K)=A*YC(K) + B
349         ENDDO
350       ENDDO
351
352!      MANUAL CORRECTIONS
353       DO J=1,10
354       F(1,J)=94.0
355       ENDDO
356
357       DO J=1,6
358       F(2,J)=77.0 +REAL(J)
359       ENDDO
360
361       DO J=1,7
362       F(16,J)=9.0
363       ENDDO
364
365       DO I=1,16
366       DO J=1,28
367         IF (F(I,J).LT.9.0)  F(I,J)=30.0
368         IF (F(I,J).GT.99.99) F(I,J)=99.99
369       ENDDO
370       ENDDO
371     
372    ENDIF
373
374    DO I=1,klon
375    DO J=1,klev
376        TP=t_seri(I,J)
377        IF (TP.LT.175.1) TP=175.1
378!    Partial pressure of H2O (mb)
379        PH2O =PMB(I,J)*H2O(I,J)
380        IF (PH2O.LT.XC1) THEN
381          R2SO4(I,J)=99.99
382!          PH2O=XC(1)+1.0E-10
383        ELSE
384          IF (PH2O.GT.XC16) PH2O=XC16
385!         SIMPLE LINEAR INTERPOLATIONS
386          CALL FIND(PH2O,TP,XC,YC,F,VAL,N,M)
387          IF (PMB(I,J).GE.10.0.AND.VAL.LT.60.0) VAL=60.0
388          R2SO4(I,J)=VAL
389        ENDIF
390    ENDDO
391    ENDDO
392
393    END SUBROUTINE
394
395!****************************************************************
396    SUBROUTINE STRAACT(ACTSO4)
397
398!   H2SO4 ACTIVITY (GIAUQUE) AS A FUNCTION OF H2SO4 WP
399!   ----------------------------------------
400!   INPUT:
401!   H2SO4: VMR of H2SO4
402!   klon: number of latitude bands in the model domain
403!   klev: number of altitude bands in the model domain
404!   for IFS: perhaps add another dimension for longitude
405!
406!   OUTPUT:
407!   ACTSO4: H2SO4 activity (percent)
408 
409    USE dimphy, ONLY : klon,klev
410    USE phys_local_var_mod, ONLY: R2SO4
411
412    IMPLICIT NONE
413     
414    REAL ACTSO4(klon,klev)
415   
416!   Working variables         
417    INTEGER NN,I,J,JX,JX1
418    REAL TC,TB,TA,XT
419    PARAMETER (NN=109)
420    REAL XC(NN),  X(NN)
421
422!   H2SO4 activity
423    DATA X/ &
424     &   0.0,0.25,0.78,1.437,2.19,3.07,4.03,5.04,6.08 &
425     &  ,7.13,8.18,14.33,18.59,28.59,39.17,49.49 &
426     &  ,102.4,157.8,215.7,276.9,341.6,409.8,481.5,556.6 &
427     &  ,635.5,719.,808.,902.,1000.,1103.,1211.,1322.,1437.,1555. &
428     &  ,1677.,1800.,1926.,2054.,2183.,2312.,2442.,2572.,2701.,2829. &
429     &  ,2955.,3080.,3203.,3325.,3446.,3564.,3681.,3796.,3910.,4022. &
430     &  ,4134.,4351.,4564.,4771.,4974.,5171.,5364.,5551.,5732.,5908. &
431     &  ,6079.,6244.,6404.,6559.,6709.,6854.,6994.,7131.,7264.,7393. &
432     &  ,7520.,7821.,8105.,8373.,8627.,8867.,9093.,9308.,9511.,9703. &
433     &  ,9885.,10060.,10225.,10535.,10819.,11079.,11318.,11537. &
434     &  ,11740.,12097.,12407.,12676.,12915.,13126.,13564.,13910. &
435     &  ,14191.,14423.,14617.,14786.,10568.,15299.,15491.,15654. &
436     &  ,15811./
437!   H2SO4 weight fraction (percent)
438    DATA XC/ &
439     &   100.0,99.982,99.963,99.945,99.927,99.908,99.890,99.872 &
440     &  ,99.853,99.835,99.817,99.725,99.634,99.452,99.270 &
441     &  ,99.090,98.196,97.319,96.457,95.610,94.777,93.959,93.156 &
442     &  ,92.365,91.588,90.824,90.073,89.334,88.607,87.892,87.188 &
443     &  ,86.495,85.814,85.143,84.482,83.832,83.191,82.560,81.939 &
444     &  ,81.327,80.724,80.130,79.545,78.968,78.399,77.839,77.286 &
445     &  ,76.741,76.204,75.675,75.152,74.637,74.129,73.628,73.133 &
446     &  ,72.164,71.220,70.300,69.404,68.530,67.678,66.847,66.037 &
447     &  ,65.245,64.472,63.718,62.981,62.261,61.557,60.868,60.195 &
448     &  ,59.537,58.893,58.263,57.646,56.159,54.747,53.405,52.126 &
449     &  ,50.908,49.745,48.634,47.572,46.555,45.580,44.646,43.749 &
450     &  ,42.059,40.495,39.043,37.691,36.430,35.251,33.107,31.209 &
451     &  ,29.517,27.999,26.629,23.728,21.397,19.482,17.882,16.525 &
452     &  ,15.360,13.461,11.980,10.792,9.819,8.932/
453
454    DO I=1,klon
455    DO J=1,klev
456!     HERE LINEAR INTERPOLATIONS
457        XT=R2SO4(I,J)
458        CALL POSACT(XT,XC,NN,JX)
459        JX1=JX+1
460        IF(JX.EQ.0) THEN
461          ACTSO4(I,J)=0.0
462        ELSE IF(JX.GE.NN) THEN
463          ACTSO4(I,J)=15811.0
464        ELSE
465          TC=XT            -XC(JX)
466          TB=X(JX1)        -X(JX)
467          TA=XC(JX1)       -XC(JX)
468          TA=TB/TA
469          ACTSO4(I,J)=X(JX)  + TA*TC
470        ENDIF
471    ENDDO
472    ENDDO
473
474    END SUBROUTINE
475
476!****************************************************************
477    SUBROUTINE DENH2SA(t_seri)
478
479!   AERSOL DENSITY AS A FUNCTION OF H2SO4 WEIGHT PERCENT AND T
480!   ---------------------------------------------
481!   VERY ROUGH APPROXIMATION (SEE FOR WATER IN HANDBOOK
482!   LINEAR 2% FOR 30 DEGREES with RESPECT TO WATER)
483!   
484!   INPUT:
485!   R2SO4: aerosol H2SO4 weight fraction (percent)
486!   t_seri: temperature (K)
487!   klon: number of latitude bands in the model domain
488!   klev: number of altitude bands in the model domain
489!   for IFS: perhaps add another dimension for longitude
490!
491!   OUTPUT:
492!   DENSO4: aerosol mass density (gr/cm3 = aerosol mass/aerosol volume)
493!   
494    USE dimphy, ONLY : klon,klev
495    USE phys_local_var_mod, ONLY: R2SO4, DENSO4
496
497    IMPLICIT NONE
498
499    REAL,DIMENSION(klon,klev),INTENT(IN)   :: t_seri  ! Temperature
500       
501    INTEGER I,J
502
503!   Loop on model domain (2 dimension for UPMC model; 3 for IFS)
504    DO I=1,klon
505    DO J=1,klev
506!     RO AT 20C
507      DENSO4(I,J)=0.78681252E-5*R2SO4(I,J)*R2SO4(I,J)+ 0.82185978E-2*R2SO4(I,J)+0.97968381
508      DENSO4(I,J)=DENSO4(I,J)* ( 1.0 - (t_seri(I,J)-293.0)*0.02/30.0 )
509    ENDDO
510    ENDDO
511
512    END SUBROUTINE
513
514!***********************************************************
515    SUBROUTINE FIND(X,Y,XC,YC,F,VAL,N,M)
516!
517!   BI-LINEAR INTERPOLATION
518
519!   INPUT:
520!   X: Partial pressure of H2O (mb)
521!   Y: temperature (K)
522!   XC: Table partial pressure of H2O (mb)
523!   YC: Table temperature (K)
524!   F: Table aerosol H2SO4 weight fraction=f(XC,YC) (percent)
525!
526!   OUTPUT:
527!   VAL: aerosol H2SO4 weight fraction (percent)
528 
529    IMPLICIT NONE
530   
531    INTEGER N,M
532    REAL X,Y,XC(N),YC(M),F(N,M),VAL
533!
534!   working variables
535    INTEGER  IERX,IERY,JX,JY,JXP1,JYP1
536    REAL SXY,SX1Y,SX1Y1,SXY1,TA,TB,T,UA,UB,U
537
538    IERX=0
539    IERY=0
540    CALL POSITION(XC,X,N,JX,IERX)
541    CALL POSITION(YC,Y,M,JY,IERY)
542
543    IF(JX.EQ.0.OR.IERY.EQ.1) THEN
544       VAL=99.99
545       RETURN
546    ENDIF
547
548    IF(JY.EQ.0.OR.IERX.EQ.1) THEN
549       VAL=9.0
550       RETURN
551    ENDIF
552
553    JXP1=JX+1
554    JYP1=JY+1
555    SXY=F(JX,  JY  )
556    SX1Y=F(JXP1,JY  )
557    SX1Y1=F(JXP1,JYP1)
558    SXY1=F(JX,  JYP1)
559
560!   x-slope.
561    TA=X       -XC(JX)
562    TB=XC(JXP1)-XC(JX)
563    T=TA/TB
564
565!   y-slope.
566    UA=Y       -YC(JY)
567    UB=YC(JYP1)-YC(JY)
568    U=UA/UB
569
570!   Use bilinear interpolation to determine function at point X,Y.
571    VAL=(1.-T)*(1.-U)*SXY + T*(1.0-U)*SX1Y + T*U*SX1Y1 + (1.0-T)*U*SXY1
572
573    IF(VAL.LT.9.0) VAL=9.0
574    IF(VAL.GT.99.99) VAL=99.99
575   
576    RETURN
577    END SUBROUTINE
578!****************************************************************
579       SUBROUTINE POSITION(XC,X,N,JX,IER)
580 
581       IMPLICIT NONE
582   
583       INTEGER N,JX,IER,I
584       REAL X,XC(N)
585
586       IER=0
587       IF(X.LT.XC(1)) THEN
588         JX=0
589       ELSE
590         DO 10 I=1,N
591           IF (X.LT.XC(I)) GO TO 20
592 10      CONTINUE
593         IER=1
594 20      JX=I-1
595       ENDIF
596
597       RETURN
598       END SUBROUTINE
599!********************************************************************
600       SUBROUTINE POSACT(XT,X,N,JX)
601   
602!      POSITION OF XT IN THE ARRAY X
603!    -----------------------------------------------
604   
605       IMPLICIT NONE
606   
607       INTEGER N
608       REAL XT,X(N)
609!      Working variables                   
610       INTEGER JX,I
611 
612       IF(XT.GT.X(1)) THEN
613         JX=0
614       ELSE
615         DO 10 I=1,N
616           IF (XT.GT.X(I)) GO TO 20
617 10      CONTINUE
618 20      JX=I
619       ENDIF
620   
621       RETURN
622       END SUBROUTINE
623
624END MODULE sulfate_aer_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.