source: LMDZ6/branches/IPSLCM6.0.15/libf/phylmd/StratAer/sulfate_aer_mod.F90 @ 4996

Last change on this file since 4996 was 3664, checked in by oboucher, 5 years ago

Adding some missing OMP THREADPRIVATE in StratAer? code

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!$OMP THREADPRIVATE(INSTEP,F,XC,YC,XC1,XC16,YC1,YC28)
50
51! convert pplay (in Pa) to PMB (in mb)
52    PMB(:,:)=pplay(:,:)/100.0
53
54! convert specific humidity sh (in kg/kg) to VMR H2O
55    H2O(:,:)=sh(:,:)*mAIRmol/mH2Omol
56
57    IF(INSTEP.EQ.0) THEN
58   
59       INSTEP=1
60       XC(1)=0.01
61       XC(2)=0.1
62       XC(3)=0.5
63       XC(4)=1.0
64       XC(5)=1.5
65       XC(6)=2.0
66       XC(7)=3.0
67       XC(8)=5.0
68       XC(9)=6.0
69       XC(10)=8.0
70       XC(11)=10.0
71       XC(12)=12.0
72       XC(13)=15.0
73       XC(14)=20.0
74       XC(15)=30.0
75       XC(16)=100.0
76!
77       YC(1)=175.0
78       DO I=2,28
79         YC(I)=YC(I-1)+5.0
80       ENDDO
81
82!      CONVERSION mb IN 1.0E-4mB
83       DO I=1,16
84         XC(I)=XC(I)*1.0E-4
85       ENDDO
86!
87       XC1=XC(1)+1.E-10
88       XC16=XC(16)-1.E-8
89       YC1=YC(1)+1.E-5
90       YC28=YC(28)-1.E-5
91
92       F(6,4)=43.45
93       F(6,5)=53.96
94       F(6,6)=60.62
95       F(6,7)=65.57
96       F(6,8)=69.42
97       F(6,9)=72.56
98       F(6,10)=75.17
99       F(6,11)=77.38
100       F(6,12)=79.3
101       F(6,13)=80.99
102       F(6,14)=82.5
103       F(6,15)=83.92
104       F(6,16)=85.32
105       F(6,17)=86.79
106       F(6,18)=88.32
107!
108!      ADD FACTOR  BECAUSE THE SLOP IS TOO IMPORTANT
109!      NOT FOR THIS ONE BUT THE REST
110!      LOG DOESN'T WORK
111       A=(F(6,5)-F(6,4))/( (YC(5)-YC(4))*2.0)
112       B=-A*YC(4) + F(6,4)
113       F(6,1)=A*YC(1) + B
114       F(6,2)=A*YC(2) + B
115       F(6,3)=A*YC(3) + B
116!
117       F(7,4)=37.02
118       F(7,5)=49.46
119       F(7,6)=57.51
120       F(7,7)=63.12
121       F(7,8)=67.42
122       F(7,9)=70.85
123       F(7,10)=73.70
124       F(7,11)=76.09
125       F(7,12)=78.15
126       F(7,13)=79.96
127       F(7,14)=81.56
128       F(7,15)=83.02
129       F(7,16)=84.43
130       F(7,17)=85.85
131       F(7,18)=87.33
132!
133       A=(F(7,5)-F(7,4))/( (YC(5)-YC(4))*2.0)
134       B=-A*YC(4) + F(7,4)
135       F(7,1)=A*YC(1) + B
136       F(7,2)=A*YC(2) + B
137       F(7,3)=A*YC(3) + B
138!
139       F(8,4)=25.85
140       F(8,5)=42.26
141       F(8,6)=52.78
142       F(8,7)=59.55
143       F(8,8)=64.55
144       F(8,9)=68.45
145       F(8,10)=71.63
146       F(8,11)=74.29
147       F(8,12)=76.56
148       F(8,13)=78.53
149       F(8,14)=80.27
150       F(8,15)=81.83
151       F(8,16)=83.27
152       F(8,17)=84.67
153       F(8,18)=86.10
154!
155       A=(F(8,5)-F(8,4))/( (YC(5)-YC(4))*2.5 )
156       B=-A*YC(4) + F(8,4)
157       F(8,1)=A*YC(1) + B
158       F(8,2)=A*YC(2) + B
159       F(8,3)=A*YC(3) + B
160!
161       F(9,4)=15.38
162       F(9,5)=39.35
163       F(9,6)=50.73
164       F(9,7)=58.11
165       F(9,8)=63.41
166       F(9,9)=67.52
167       F(9,10)=70.83
168       F(9,11)=73.6
169       F(9,12)=75.95
170       F(9,13)=77.98
171       F(9,14)=79.77
172       F(9,15)=81.38
173       F(9,16)=82.84
174       F(9,17)=84.25
175       F(9,18)=85.66
176!
177       A=(F(9,5)-F(9,4))/( (YC(5)-YC(4))*7.0)
178       B=-A*YC(4) + F(9,4)
179       F(9,1)=A*YC(1) + B
180       F(9,2)=A*YC(2) + B
181       F(9,3)=A*YC(3) + B
182!
183       F(10,4)=0.0
184       F(10,5)=34.02
185       F(10,6)=46.93
186       F(10,7)=55.61
187       F(10,8)=61.47
188       F(10,9)=65.94
189       F(10,10)=69.49
190       F(10,11)=72.44
191       F(10,12)=74.93
192       F(10,13)=77.08
193       F(10,14)=78.96
194       F(10,15)=80.63
195       F(10,16)=82.15
196       F(10,17)=83.57
197       F(10,18)=84.97
198!
199       A=(F(10,6)-F(10,5))/( (YC(6)-YC(5))*1.5)
200       B=-A*YC(5) + F(10,5)
201       F(10,1)=A*YC(1) + B
202       F(10,2)=A*YC(2) + B
203       F(10,3)=A*YC(3) + B
204       F(10,4)=A*YC(4) + B
205!
206       F(11,4)=0.0
207       F(11,5)=29.02
208       F(11,6)=43.69
209       F(11,7)=53.44
210       F(11,8)=59.83
211       F(11,9)=64.62
212       F(11,10)=68.39
213       F(11,11)=71.48
214       F(11,12)=74.10
215       F(11,13)=76.33
216       F(11,14)=78.29
217       F(11,15)=80.02
218       F(11,16)=81.58
219       F(11,17)=83.03
220       F(11,18)=84.44
221!
222       A=(F(11,6)-F(11,5))/( (YC(6)-YC(5))*2.5 )
223       B=-A*YC(5) + F(11,5)
224       F(11,1)=A*YC(1) + B
225       F(11,2)=A*YC(2) + B
226       F(11,3)=A*YC(3) + B
227       F(11,4)=A*YC(4) + B
228!
229       F(12,4)=0.0
230       F(12,5)=23.13
231       F(12,6)=40.86
232       F(12,7)=51.44
233       F(12,8)=58.38
234       F(12,9)=63.47
235       F(12,10)=67.43
236       F(12,11)=70.66
237       F(12,12)=73.38
238       F(12,13)=75.70
239       F(12,14)=77.72
240       F(12,15)=79.51
241       F(12,16)=81.11
242       F(12,17)=82.58
243       F(12,18)=83.99
244!
245       A=(F(12,6)-F(12,5))/( (YC(6)-YC(5))*3.5 )
246       B=-A*YC(5) + F(12,5)
247       F(12,1)=A*YC(1) + B
248       F(12,2)=A*YC(2) + B
249       F(12,3)=A*YC(3) + B
250       F(12,4)=A*YC(4) + B
251!
252       F(13,4)=0.0
253       F(13,5)=0.0
254       F(13,6)=36.89
255       F(13,7)=48.63
256       F(13,8)=56.46
257       F(13,9)=61.96
258       F(13,10)=66.19
259       F(13,11)=69.6
260       F(13,12)=72.45
261       F(13,13)=74.89
262       F(13,14)=76.99
263       F(13,15)=78.85
264       F(13,16)=80.50
265       F(13,17)=82.02
266       F(13,18)=83.44
267!
268       A=(F(13,7)-F(13,6))/( (YC(7)-YC(6))*2.0)
269       B=-A*YC(6) + F(13,6)
270       F(13,1)=A*YC(1) + B
271       F(13,2)=A*YC(2) + B
272       F(13,3)=A*YC(3) + B
273       F(13,4)=A*YC(4) + B
274       F(13,5)=A*YC(5) + B
275!
276       F(14,4)=0.0
277       F(14,5)=0.0
278       F(14,6)=30.82
279       F(14,7)=44.49
280       F(14,8)=53.69
281       F(14,9)=59.83
282       F(14,10)=64.47
283       F(14,11)=68.15
284       F(14,12)=71.19
285       F(14,13)=73.77
286       F(14,14)=76.0
287       F(14,15)=77.95
288       F(14,16)=79.69
289       F(14,17)=81.26
290       F(14,18)=82.72
291!
292       A=(F(14,7)-F(14,6))/( (YC(7)-YC(6))*2.5 )
293       B=-A*YC(6) + F(14,6)
294       F(14,1)=A*YC(1) + B
295       F(14,2)=A*YC(2) + B
296       F(14,3)=A*YC(3) + B
297       F(14,4)=A*YC(4) + B
298       F(14,5)=A*YC(5) + B
299!
300       F(15,4)=0.0
301       F(15,5)=0.0
302       F(15,6)=0.0
303       F(15,7)=37.71
304       F(15,8)=48.49
305       F(15,9)=56.40
306       F(15,10)=61.75
307       F(15,11)=65.89
308       F(15,12)=69.25
309       F(15,13)=72.07
310       F(15,14)=74.49
311       F(15,15)=76.59
312       F(15,16)=78.45
313       F(15,17)=80.12
314       F(15,18)=81.64
315!
316       A=(F(15,8)-F(15,7))/( (YC(8)-YC(7))*1.5)
317       B=-A*YC(7) + F(15,7)
318       F(15,1)=A*YC(1) + B
319       F(15,2)=A*YC(2) + B
320       F(15,3)=A*YC(3) + B
321       F(15,4)=A*YC(4) + B
322       F(15,5)=A*YC(5) + B
323       F(15,6)=A*YC(6) + B
324
325!      SUPPOSE THAT AT GIVEN  AND PH2O<2mB,
326!      %H2SO4 = A *LOG(PH2O) +B
327!      XC(1-5) :EXTENSION LEFT (LOW H2O)
328       DO J=1,18
329         A=(F(6,J)-F(7,J))/(LOG(XC(6))-LOG(XC(7)))
330         B=-A*LOG(XC(6)) + F(6,J)
331         DO K=1,5
332           F(K,J)=A*LOG(XC(K)) + B
333         ENDDO
334       ENDDO
335
336!      XC(16) :EXTENSION RIGHT (HIGH H2O)
337       DO J=1,18
338         A=(F(15,J)-F(14,J))/(XC(15)-XC(14))
339         B=-A*XC(15) + F(15,J)
340       F(16,J)=A*XC(16) + B
341!       F(16,2)=1.0
342       ENDDO
343
344!      YC(16-25) :EXTENSION DOWN (HIGH T)
345       DO I=1,16
346         A=(F(I,18)-F(I,17))/(YC(18)-YC(17))
347         B=-A*YC(18) + F(I,18)
348         DO K=19,28
349         F(I,K)=A*YC(K) + B
350         ENDDO
351       ENDDO
352
353!      MANUAL CORRECTIONS
354       DO J=1,10
355       F(1,J)=94.0
356       ENDDO
357
358       DO J=1,6
359       F(2,J)=77.0 +REAL(J)
360       ENDDO
361
362       DO J=1,7
363       F(16,J)=9.0
364       ENDDO
365
366       DO I=1,16
367       DO J=1,28
368         IF (F(I,J).LT.9.0)  F(I,J)=30.0
369         IF (F(I,J).GT.99.99) F(I,J)=99.99
370       ENDDO
371       ENDDO
372     
373    ENDIF
374
375    DO I=1,klon
376    DO J=1,klev
377        TP=t_seri(I,J)
378        IF (TP.LT.175.1) TP=175.1
379!    Partial pressure of H2O (mb)
380        PH2O =PMB(I,J)*H2O(I,J)
381        IF (PH2O.LT.XC1) THEN
382          R2SO4(I,J)=99.99
383!          PH2O=XC(1)+1.0E-10
384        ELSE
385          IF (PH2O.GT.XC16) PH2O=XC16
386!         SIMPLE LINEAR INTERPOLATIONS
387          CALL FIND(PH2O,TP,XC,YC,F,VAL,N,M)
388          IF (PMB(I,J).GE.10.0.AND.VAL.LT.60.0) VAL=60.0
389          R2SO4(I,J)=VAL
390        ENDIF
391    ENDDO
392    ENDDO
393
394    END SUBROUTINE
395
396!****************************************************************
397    SUBROUTINE STRAACT(ACTSO4)
398
399!   H2SO4 ACTIVITY (GIAUQUE) AS A FUNCTION OF H2SO4 WP
400!   ----------------------------------------
401!   INPUT:
402!   H2SO4: VMR of H2SO4
403!   klon: number of latitude bands in the model domain
404!   klev: number of altitude bands in the model domain
405!   for IFS: perhaps add another dimension for longitude
406!
407!   OUTPUT:
408!   ACTSO4: H2SO4 activity (percent)
409 
410    USE dimphy, ONLY : klon,klev
411    USE phys_local_var_mod, ONLY: R2SO4
412
413    IMPLICIT NONE
414     
415    REAL ACTSO4(klon,klev)
416   
417!   Working variables         
418    INTEGER NN,I,J,JX,JX1
419    REAL TC,TB,TA,XT
420    PARAMETER (NN=109)
421    REAL XC(NN),  X(NN)
422
423!   H2SO4 activity
424    DATA X/ &
425     &   0.0,0.25,0.78,1.437,2.19,3.07,4.03,5.04,6.08 &
426     &  ,7.13,8.18,14.33,18.59,28.59,39.17,49.49 &
427     &  ,102.4,157.8,215.7,276.9,341.6,409.8,481.5,556.6 &
428     &  ,635.5,719.,808.,902.,1000.,1103.,1211.,1322.,1437.,1555. &
429     &  ,1677.,1800.,1926.,2054.,2183.,2312.,2442.,2572.,2701.,2829. &
430     &  ,2955.,3080.,3203.,3325.,3446.,3564.,3681.,3796.,3910.,4022. &
431     &  ,4134.,4351.,4564.,4771.,4974.,5171.,5364.,5551.,5732.,5908. &
432     &  ,6079.,6244.,6404.,6559.,6709.,6854.,6994.,7131.,7264.,7393. &
433     &  ,7520.,7821.,8105.,8373.,8627.,8867.,9093.,9308.,9511.,9703. &
434     &  ,9885.,10060.,10225.,10535.,10819.,11079.,11318.,11537. &
435     &  ,11740.,12097.,12407.,12676.,12915.,13126.,13564.,13910. &
436     &  ,14191.,14423.,14617.,14786.,10568.,15299.,15491.,15654. &
437     &  ,15811./
438!   H2SO4 weight fraction (percent)
439    DATA XC/ &
440     &   100.0,99.982,99.963,99.945,99.927,99.908,99.890,99.872 &
441     &  ,99.853,99.835,99.817,99.725,99.634,99.452,99.270 &
442     &  ,99.090,98.196,97.319,96.457,95.610,94.777,93.959,93.156 &
443     &  ,92.365,91.588,90.824,90.073,89.334,88.607,87.892,87.188 &
444     &  ,86.495,85.814,85.143,84.482,83.832,83.191,82.560,81.939 &
445     &  ,81.327,80.724,80.130,79.545,78.968,78.399,77.839,77.286 &
446     &  ,76.741,76.204,75.675,75.152,74.637,74.129,73.628,73.133 &
447     &  ,72.164,71.220,70.300,69.404,68.530,67.678,66.847,66.037 &
448     &  ,65.245,64.472,63.718,62.981,62.261,61.557,60.868,60.195 &
449     &  ,59.537,58.893,58.263,57.646,56.159,54.747,53.405,52.126 &
450     &  ,50.908,49.745,48.634,47.572,46.555,45.580,44.646,43.749 &
451     &  ,42.059,40.495,39.043,37.691,36.430,35.251,33.107,31.209 &
452     &  ,29.517,27.999,26.629,23.728,21.397,19.482,17.882,16.525 &
453     &  ,15.360,13.461,11.980,10.792,9.819,8.932/
454
455    DO I=1,klon
456    DO J=1,klev
457!     HERE LINEAR INTERPOLATIONS
458        XT=R2SO4(I,J)
459        CALL POSACT(XT,XC,NN,JX)
460        JX1=JX+1
461        IF(JX.EQ.0) THEN
462          ACTSO4(I,J)=0.0
463        ELSE IF(JX.GE.NN) THEN
464          ACTSO4(I,J)=15811.0
465        ELSE
466          TC=XT            -XC(JX)
467          TB=X(JX1)        -X(JX)
468          TA=XC(JX1)       -XC(JX)
469          TA=TB/TA
470          ACTSO4(I,J)=X(JX)  + TA*TC
471        ENDIF
472    ENDDO
473    ENDDO
474
475    END SUBROUTINE
476
477!****************************************************************
478    SUBROUTINE DENH2SA(t_seri)
479
480!   AERSOL DENSITY AS A FUNCTION OF H2SO4 WEIGHT PERCENT AND T
481!   ---------------------------------------------
482!   VERY ROUGH APPROXIMATION (SEE FOR WATER IN HANDBOOK
483!   LINEAR 2% FOR 30 DEGREES with RESPECT TO WATER)
484!   
485!   INPUT:
486!   R2SO4: aerosol H2SO4 weight fraction (percent)
487!   t_seri: temperature (K)
488!   klon: number of latitude bands in the model domain
489!   klev: number of altitude bands in the model domain
490!   for IFS: perhaps add another dimension for longitude
491!
492!   OUTPUT:
493!   DENSO4: aerosol mass density (gr/cm3 = aerosol mass/aerosol volume)
494!   
495    USE dimphy, ONLY : klon,klev
496    USE phys_local_var_mod, ONLY: R2SO4, DENSO4
497
498    IMPLICIT NONE
499
500    REAL,DIMENSION(klon,klev),INTENT(IN)   :: t_seri  ! Temperature
501       
502    INTEGER I,J
503
504!   Loop on model domain (2 dimension for UPMC model; 3 for IFS)
505    DO I=1,klon
506    DO J=1,klev
507!     RO AT 20C
508      DENSO4(I,J)=0.78681252E-5*R2SO4(I,J)*R2SO4(I,J)+ 0.82185978E-2*R2SO4(I,J)+0.97968381
509      DENSO4(I,J)=DENSO4(I,J)* ( 1.0 - (t_seri(I,J)-293.0)*0.02/30.0 )
510    ENDDO
511    ENDDO
512
513    END SUBROUTINE
514
515!***********************************************************
516    SUBROUTINE FIND(X,Y,XC,YC,F,VAL,N,M)
517!
518!   BI-LINEAR INTERPOLATION
519
520!   INPUT:
521!   X: Partial pressure of H2O (mb)
522!   Y: temperature (K)
523!   XC: Table partial pressure of H2O (mb)
524!   YC: Table temperature (K)
525!   F: Table aerosol H2SO4 weight fraction=f(XC,YC) (percent)
526!
527!   OUTPUT:
528!   VAL: aerosol H2SO4 weight fraction (percent)
529 
530    IMPLICIT NONE
531   
532    INTEGER N,M
533    REAL X,Y,XC(N),YC(M),F(N,M),VAL
534!
535!   working variables
536    INTEGER  IERX,IERY,JX,JY,JXP1,JYP1
537    REAL SXY,SX1Y,SX1Y1,SXY1,TA,TB,T,UA,UB,U
538
539    IERX=0
540    IERY=0
541    CALL POSITION(XC,X,N,JX,IERX)
542    CALL POSITION(YC,Y,M,JY,IERY)
543
544    IF(JX.EQ.0.OR.IERY.EQ.1) THEN
545       VAL=99.99
546       RETURN
547    ENDIF
548
549    IF(JY.EQ.0.OR.IERX.EQ.1) THEN
550       VAL=9.0
551       RETURN
552    ENDIF
553
554    JXP1=JX+1
555    JYP1=JY+1
556    SXY=F(JX,  JY  )
557    SX1Y=F(JXP1,JY  )
558    SX1Y1=F(JXP1,JYP1)
559    SXY1=F(JX,  JYP1)
560
561!   x-slope.
562    TA=X       -XC(JX)
563    TB=XC(JXP1)-XC(JX)
564    T=TA/TB
565
566!   y-slope.
567    UA=Y       -YC(JY)
568    UB=YC(JYP1)-YC(JY)
569    U=UA/UB
570
571!   Use bilinear interpolation to determine function at point X,Y.
572    VAL=(1.-T)*(1.-U)*SXY + T*(1.0-U)*SX1Y + T*U*SX1Y1 + (1.0-T)*U*SXY1
573
574    IF(VAL.LT.9.0) VAL=9.0
575    IF(VAL.GT.99.99) VAL=99.99
576   
577    RETURN
578    END SUBROUTINE
579!****************************************************************
580       SUBROUTINE POSITION(XC,X,N,JX,IER)
581 
582       IMPLICIT NONE
583   
584       INTEGER N,JX,IER,I
585       REAL X,XC(N)
586
587       IER=0
588       IF(X.LT.XC(1)) THEN
589         JX=0
590       ELSE
591         DO 10 I=1,N
592           IF (X.LT.XC(I)) GO TO 20
593 10      CONTINUE
594         IER=1
595 20      JX=I-1
596       ENDIF
597
598       RETURN
599       END SUBROUTINE
600!********************************************************************
601       SUBROUTINE POSACT(XT,X,N,JX)
602   
603!      POSITION OF XT IN THE ARRAY X
604!    -----------------------------------------------
605   
606       IMPLICIT NONE
607   
608       INTEGER N
609       REAL XT,X(N)
610!      Working variables                   
611       INTEGER JX,I
612 
613       IF(XT.GT.X(1)) THEN
614         JX=0
615       ELSE
616         DO 10 I=1,N
617           IF (XT.GT.X(I)) GO TO 20
618 10      CONTINUE
619 20      JX=I
620       ENDIF
621   
622       RETURN
623       END SUBROUTINE
624
625END MODULE sulfate_aer_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.