source: LMDZ6/branches/contrails/libf/phylmd/lmdz_lscp_tools.f90 @ 5450

Last change on this file since 5450 was 5383, checked in by evignon, 3 weeks ago

update de la paramétrisation de phase des nuages de Lea et nettoyage associé

File size: 36.6 KB
Line 
1MODULE lmdz_lscp_tools
2
3    IMPLICIT NONE
4
5CONTAINS
6
7!+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
8SUBROUTINE FALLICE_VELOCITY(klon,iwc,temp,rho,pres,ptconv,velo)
9
10    ! Ref:
11    ! Stubenrauch, C. J., Bonazzola, M.,
12    ! Protopapadaki, S. E., & Musat, I. (2019).
13    ! New cloud system metrics to assess bulk
14    ! ice cloud schemes in a GCM. Journal of
15    ! Advances in Modeling Earth Systems, 11,
16    ! 3212–3234. https://doi.org/10.1029/2019MS001642
17   
18    use lmdz_lscp_ini, only: iflag_vice, ffallv_con, ffallv_lsc
19    use lmdz_lscp_ini, only: cice_velo, dice_velo
20
21    IMPLICIT NONE
22
23    INTEGER, INTENT(IN) :: klon
24    REAL, INTENT(IN), DIMENSION(klon) :: iwc       ! specific ice water content [kg/m3]
25    REAL, INTENT(IN), DIMENSION(klon) :: temp      ! temperature [K]
26    REAL, INTENT(IN), DIMENSION(klon) :: rho       ! dry air density [kg/m3]
27    REAL, INTENT(IN), DIMENSION(klon) :: pres      ! air pressure [Pa]
28    LOGICAL, INTENT(IN), DIMENSION(klon) :: ptconv    ! convective point  [-]
29
30    REAL, INTENT(OUT), DIMENSION(klon) :: velo    ! fallspeed velocity of crystals [m/s]
31
32
33    INTEGER i
34    REAL logvm,iwcg,tempc,phpa,fallv_tun
35    REAL m2ice, m2snow, vmice, vmsnow
36    REAL aice, bice, asnow, bsnow
37   
38
39    DO i=1,klon
40
41        IF (ptconv(i)) THEN
42            fallv_tun=ffallv_con
43        ELSE
44            fallv_tun=ffallv_lsc
45        ENDIF
46
47        tempc=temp(i)-273.15 ! celcius temp
48        iwcg=MAX(iwc(i)*1000.,1E-3) ! iwc in g/m3. We set a minimum value to prevent from division by 0
49        phpa=pres(i)/100.    ! pressure in hPa
50
51    IF (iflag_vice .EQ. 1) THEN
52        ! so-called 'empirical parameterization' in Stubenrauch et al. 2019
53        if (tempc .GE. -60.0) then
54
55            logvm= -0.0000414122*tempc*tempc*log(iwcg)-0.00538922*tempc*log(iwcg) &
56                    -0.0516344*log(iwcg)+0.00216078*tempc + 1.9714   
57            velo(i)=exp(logvm)
58        else
59            velo(i)=65.0*(iwcg**0.2)*(150./phpa)**0.15
60        endif
61       
62        velo(i)=fallv_tun*velo(i)/100.0 ! from cm/s to m/s
63
64    ELSE IF (iflag_vice .EQ. 2) THEN
65        ! so called  PSDM empirical coherent bulk ice scheme in Stubenrauch et al. 2019
66        aice=0.587
67        bice=2.45
68        asnow=0.0444
69        bsnow=2.1
70       
71        m2ice=((iwcg*0.001/aice)/(exp(13.6-bice*7.76+0.479*bice**2)* &
72                exp((-0.0361+bice*0.0151+0.00149*bice**2)*tempc)))   &
73                **(1./(0.807+bice*0.00581+0.0457*bice**2))
74
75        vmice=100.*1042.4*exp(13.6-(bice+1)*7.76+0.479*(bice+1.)**2)*exp((-0.0361+ &
76                 (bice+1.)*0.0151+0.00149*(bice+1.)**2)*tempc) &
77                 *(m2ice**(0.807+(bice+1.)*0.00581+0.0457*(bice+1.)**2))/(iwcg*0.001/aice)
78
79       
80        vmice=vmice*((1000./phpa)**0.2)
81     
82        m2snow=((iwcg*0.001/asnow)/(exp(13.6-bsnow*7.76+0.479*bsnow**2)* &
83               exp((-0.0361+bsnow*0.0151+0.00149*bsnow**2)*tempc)))         &
84               **(1./(0.807+bsnow*0.00581+0.0457*bsnow**2))
85
86
87        vmsnow=100.*14.3*exp(13.6-(bsnow+.416)*7.76+0.479*(bsnow+.416)**2)&
88                  *exp((-0.0361+(bsnow+.416)*0.0151+0.00149*(bsnow+.416)**2)*tempc)&
89                  *(m2snow**(0.807+(bsnow+.416)*0.00581+0.0457*(bsnow+.416)**2))/(iwcg*0.001/asnow)
90
91        vmsnow=vmsnow*((1000./phpa)**0.35)
92        velo(i)=fallv_tun*min(vmsnow,vmice)/100. ! to m/s
93
94    ELSE
95        ! By default, fallspeed velocity of ice crystals according to Heymsfield & Donner 1990
96        velo(i) = fallv_tun*cice_velo*((iwcg/1000.)**dice_velo)
97    ENDIF
98    ENDDO
99
100END SUBROUTINE FALLICE_VELOCITY
101!+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
102
103!+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
104SUBROUTINE ICEFRAC_LSCP(klon, temp, iflag_ice_thermo, distcltop, temp_cltop, icefrac, dicefracdT)
105!+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
106 
107  ! Compute the ice fraction 1-xliq (see e.g.
108  ! Doutriaux-Boucher & Quaas 2004, section 2.2.)
109  ! as a function of temperature
110  ! see also Fig 3 of Madeleine et al. 2020, JAMES
111!+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
112
113
114    USE print_control_mod, ONLY: lunout, prt_level
115    USE lmdz_lscp_ini, ONLY: t_glace_min, t_glace_max, exposant_glace, iflag_t_glace
116    USE lmdz_lscp_ini, ONLY : RTT, dist_liq, temp_nowater
117
118    IMPLICIT NONE
119
120
121    INTEGER, INTENT(IN)                 :: klon              ! number of horizontal grid points
122    REAL, INTENT(IN), DIMENSION(klon)   :: temp              ! temperature
123    REAL, INTENT(IN), DIMENSION(klon)   :: distcltop         ! distance to cloud top
124    REAL, INTENT(IN), DIMENSION(klon)   :: temp_cltop        ! temperature of cloud top
125    INTEGER, INTENT(IN)                 :: iflag_ice_thermo
126    REAL, INTENT(OUT), DIMENSION(klon)  :: icefrac
127    REAL, INTENT(OUT), DIMENSION(klon)  :: dicefracdT
128
129
130    INTEGER i
131    REAL    liqfrac_tmp, dicefrac_tmp
132    REAL    Dv, denomdep,beta,qsi,dqsidt
133    LOGICAL ice_thermo
134
135    CHARACTER (len = 20) :: modname = 'lscp_tools'
136    CHARACTER (len = 80) :: abort_message
137
138    IF ((iflag_t_glace.LT.2)) THEN !.OR. (iflag_t_glace.GT.6)) THEN
139       abort_message = 'lscp cannot be used if iflag_t_glace<2 or >6'
140       CALL abort_physic(modname,abort_message,1)
141    ENDIF
142
143    IF (.NOT.((iflag_ice_thermo .EQ. 1).OR.(iflag_ice_thermo .GE. 3))) THEN
144       abort_message = 'lscp cannot be used without ice thermodynamics'
145       CALL abort_physic(modname,abort_message,1)
146    ENDIF
147
148
149    DO i=1,klon
150 
151        ! old function with sole dependence upon temperature
152        IF (iflag_t_glace .EQ. 2) THEN
153            liqfrac_tmp = (temp(i)-t_glace_min) / (t_glace_max-t_glace_min)
154            liqfrac_tmp = MIN(MAX(liqfrac_tmp,0.0),1.0)
155            icefrac(i) = (1.0-liqfrac_tmp)**exposant_glace
156            IF (icefrac(i) .GT.0.) THEN
157                 dicefracdT(i)= exposant_glace * (icefrac(i)**(exposant_glace-1.)) &
158                           / (t_glace_min - t_glace_max)
159            ENDIF
160
161            IF ((icefrac(i).EQ.0).OR.(icefrac(i).EQ.1)) THEN
162                 dicefracdT(i)=0.
163            ENDIF
164
165        ENDIF
166
167        ! function of temperature used in CMIP6 physics
168        IF (iflag_t_glace .EQ. 3) THEN
169            liqfrac_tmp = (temp(i)-t_glace_min) / (t_glace_max-t_glace_min)
170            liqfrac_tmp = MIN(MAX(liqfrac_tmp,0.0),1.0)
171            icefrac(i) = 1.0-liqfrac_tmp**exposant_glace
172            IF ((icefrac(i) .GT.0.) .AND. (liqfrac_tmp .GT. 0.)) THEN
173                dicefracdT(i)= exposant_glace * ((liqfrac_tmp)**(exposant_glace-1.)) &
174                          / (t_glace_min - t_glace_max)
175            ELSE
176                dicefracdT(i)=0.
177            ENDIF
178        ENDIF
179
180        ! for iflag_t_glace .GE. 4, the liquid fraction depends upon temperature at cloud top
181        ! and then decreases with decreasing height
182
183        !with linear function of temperature at cloud top
184        IF (iflag_t_glace .EQ. 4) THEN 
185                liqfrac_tmp = (temp(i)-t_glace_min) / (t_glace_max-t_glace_min)
186                liqfrac_tmp = MIN(MAX(liqfrac_tmp,0.0),1.0)
187                icefrac(i)    =  MAX(MIN(1.,1.0 - liqfrac_tmp*exp(-distcltop(i)/dist_liq)),0.)
188                dicefrac_tmp = - temp(i)/(t_glace_max-t_glace_min)
189                dicefracdT(i) = dicefrac_tmp*exp(-distcltop(i)/dist_liq)
190                IF ((liqfrac_tmp .LE.0) .OR. (liqfrac_tmp .GE. 1)) THEN
191                        dicefracdT(i) = 0.
192                ENDIF
193        ENDIF
194
195        ! with CMIP6 function of temperature at cloud top
196        IF ((iflag_t_glace .EQ. 5) .OR. (iflag_t_glace .EQ. 7)) THEN
197                liqfrac_tmp = (temp(i)-t_glace_min) / (t_glace_max-t_glace_min)
198                liqfrac_tmp =  MIN(MAX(liqfrac_tmp,0.0),1.0)
199                liqfrac_tmp = liqfrac_tmp**exposant_glace
200                icefrac(i)  =  MAX(MIN(1.,1.0 - liqfrac_tmp*exp(-distcltop(i)/dist_liq)),0.)
201                IF ((liqfrac_tmp .LE.0) .OR. (liqfrac_tmp .GE. 1)) THEN
202                        dicefracdT(i) = 0.
203                ELSE
204                        dicefracdT(i) = exposant_glace*((liqfrac_tmp)**(exposant_glace-1.))/(t_glace_min- t_glace_max) &
205                                        *exp(-distcltop(i)/dist_liq)
206                ENDIF
207        ENDIF
208
209        ! with modified function of temperature at cloud top
210        ! to get largere values around 260 K, works well with t_glace_min = 241K
211        IF (iflag_t_glace .EQ. 6) THEN
212                IF (temp(i) .GT. t_glace_max) THEN
213                        liqfrac_tmp = 1.
214                ELSE
215                        liqfrac_tmp = -((temp(i)-t_glace_max) / (t_glace_max-t_glace_min))**2+1.
216                ENDIF
217                liqfrac_tmp  = MIN(MAX(liqfrac_tmp,0.0),1.0)
218                icefrac(i)   = MAX(MIN(1.,1.0 - liqfrac_tmp*exp(-distcltop(i)/dist_liq)),0.)       
219                IF ((liqfrac_tmp .LE.0) .OR. (liqfrac_tmp .GE. 1)) THEN
220                        dicefracdT(i) = 0.
221                ELSE
222                        dicefracdT(i) = 2*((temp(i)-t_glace_max) / (t_glace_max-t_glace_min))/(t_glace_max-t_glace_min) &
223                                  *exp(-distcltop(i)/dist_liq)
224                ENDIF
225        ENDIF
226
227        ! if temperature of cloud top <-40°C,
228        IF (iflag_t_glace .GE. 4) THEN
229                IF ((temp_cltop(i) .LE. temp_nowater) .AND. (temp(i) .LE. t_glace_max)) THEN
230                        icefrac(i) = 1.
231                        dicefracdT(i) = 0.
232                ENDIF
233        ENDIF
234     
235
236     ENDDO ! klon
237     RETURN
238 
239END SUBROUTINE ICEFRAC_LSCP
240!+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
241
242
243SUBROUTINE ICEFRAC_LSCP_TURB(klon, dtime, temp, pplay, paprsdn, paprsup, omega, qice_ini, snowcld, qtot_incl, cldfra, tke,   &
244                             tke_dissip, qliq, qvap_cld, qice, icefrac, dicefracdT, cldfraliq, sigma2_icefracturb, mean_icefracturb)
245!+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
246  ! Compute the liquid, ice and vapour content (+ice fraction) based
247  ! on turbulence (see Fields 2014, Furtado 2016, Raillard 2025)
248  ! L.Raillard (23/09/24)
249!+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
250
251
252   USE lmdz_lscp_ini, ONLY : prt_level, lunout
253   USE lmdz_lscp_ini, ONLY : RCPD, RLSTT, RLVTT, RLMLT, RVTMP2, RTT, RD, RG, RV, RPI
254   USE lmdz_lscp_ini, ONLY : seuil_neb, temp_nowater
255   USE lmdz_lscp_ini, ONLY : naero5, gamma_snwretro, gamma_taud, capa_crystal
256   USE lmdz_lscp_ini, ONLY : eps
257
258   IMPLICIT NONE
259
260   INTEGER,   INTENT(IN)                           :: klon                !--number of horizontal grid points
261   REAL,      INTENT(IN)                           :: dtime               !--time step [s]
262
263   REAL,      INTENT(IN),       DIMENSION(klon)    :: temp                !--temperature
264   REAL,      INTENT(IN),       DIMENSION(klon)    :: pplay               !--pressure in the middle of the layer           [Pa]
265   REAL,      INTENT(IN),       DIMENSION(klon)    :: paprsdn             !--pressure at the bottom interface of the layer [Pa]
266   REAL,      INTENT(IN),       DIMENSION(klon)    :: paprsup             !--pressure at the top interface of the layer    [Pa]
267   REAL,      INTENT(IN),       DIMENSION(klon)    :: omega               !--resolved vertical velocity                    [Pa/s]
268   REAL,      INTENT(IN),       DIMENSION(klon)    :: qtot_incl           !--specific total cloud water in-cloud content   [kg/kg]
269   REAL,      INTENT(IN),       DIMENSION(klon)    :: cldfra              !--cloud fraction in gridbox                     [-]
270   REAL,      INTENT(IN),       DIMENSION(klon)    :: tke                 !--turbulent kinetic energy                      [m2/s2]
271   REAL,      INTENT(IN),       DIMENSION(klon)    :: tke_dissip          !--TKE dissipation                               [m2/s3]
272
273   REAL,      INTENT(IN),       DIMENSION(klon)    :: qice_ini            !--initial specific ice content gridbox-mean     [kg/kg]
274   REAL,      INTENT(IN),       DIMENSION(klon)    :: snowcld
275   REAL,      INTENT(OUT),      DIMENSION(klon)    :: qliq                !--specific liquid content gridbox-mean          [kg/kg]
276   REAL,      INTENT(OUT),      DIMENSION(klon)    :: qvap_cld            !--specific cloud vapor content, gridbox-mean    [kg/kg]
277   REAL,      INTENT(OUT),      DIMENSION(klon)    :: qice                !--specific ice content gridbox-mean             [kg/kg]
278   REAL,      INTENT(OUT),      DIMENSION(klon)    :: icefrac             !--fraction of ice in condensed water            [-]
279   REAL,      INTENT(OUT),      DIMENSION(klon)    :: dicefracdT
280
281   REAL,      INTENT(OUT),      DIMENSION(klon)    :: cldfraliq           !--fraction of cldfra where liquid               [-]
282   REAL,      INTENT(OUT),      DIMENSION(klon)    :: sigma2_icefracturb  !--Sigma2 of the ice supersaturation PDF         [-]
283   REAL,      INTENT(OUT),      DIMENSION(klon)    :: mean_icefracturb    !--Mean of the ice supersaturation PDF           [-]
284
285   REAL, DIMENSION(klon) :: qzero, qsatl, dqsatl, qsati, dqsati           !--specific humidity saturation values
286   INTEGER :: i
287
288   REAL :: qvap_incl, qice_incl, qliq_incl, qiceini_incl                  !--In-cloud specific quantities                  [kg/kg]
289   REAL :: water_vapor_diff                                               !--Water-vapour diffusion coeff in air (f(T,P))  [m2/s]
290   REAL :: air_thermal_conduct                                            !--Thermal conductivity of air (f(T))            [J/m/K/s]
291   REAL :: C0                                                             !--Lagrangian structure function                 [-]
292   REAL :: tau_dissipturb
293   REAL :: tau_phaserelax
294   REAL :: sigma2_pdf, mean_pdf
295   REAL :: ai, bi, B0
296   REAL :: sursat_iceliq
297   REAL :: sursat_equ
298   REAL :: liqfra_max
299   REAL :: sursat_iceext
300   REAL :: nb_crystals                                                    !--number concentration of ice crystals          [#/m3]
301   REAL :: moment1_PSD                                                    !--1st moment of ice PSD
302   REAL :: N0_PSD, lambda_PSD                                             !--parameters of the exponential PSD
303
304   REAL :: rho_ice                                                        !--ice density                                   [kg/m3]
305   REAL :: cldfra1D
306   REAL :: rho_air
307   REAL :: psati                                                          !--saturation vapor pressure wrt ice             [Pa]
308   
309   REAL :: vitw                                                           !--vertical velocity                             [m/s]
310                                                                       
311   C0            = 10.                                                    !--value assumed in Field2014           
312   rho_ice       = 950.
313   sursat_iceext = -0.1
314   qzero(:)      = 0.
315   cldfraliq(:)  = 0.
316   icefrac(:)    = 0.
317   dicefracdT(:) = 0.
318
319   sigma2_icefracturb(:) = 0.
320   mean_icefracturb(:)   = 0.
321
322   !--wrt liquid
323   CALL calc_qsat_ecmwf(klon,temp(:),qzero(:),pplay(:),RTT,1,.false.,qsatl(:),dqsatl(:))
324   !--wrt ice
325   CALL calc_qsat_ecmwf(klon,temp(:),qzero(:),pplay(:),RTT,2,.false.,qsati(:),dqsati(:))
326
327
328    DO i=1,klon
329
330     rho_air  = pplay(i) / temp(i) / RD
331
332     ! because cldfra is intent in, but can be locally modified due to test
333     cldfra1D = cldfra(i)
334     IF (cldfra(i) .LE. 0.) THEN
335        qvap_cld(i)   = 0.
336        qliq(i)       = 0.
337        qice(i)       = 0.
338        cldfraliq(i)  = 0.
339        icefrac(i)    = 0.
340        dicefracdT(i) = 0.
341
342     ! If there is a cloud
343     ELSE
344        IF (cldfra(i) .GE. 1.0) THEN
345           cldfra1D = 1.0
346        END IF
347       
348        ! T>0°C, no ice allowed
349        IF ( temp(i) .GE. RTT ) THEN
350           qvap_cld(i)   = qsatl(i) * cldfra1D
351           qliq(i)       = MAX(0.0,qtot_incl(i)-qsatl(i))  * cldfra1D
352           qice(i)       = 0.
353           cldfraliq(i)  = 1.
354           icefrac(i)    = 0.
355           dicefracdT(i) = 0.
356       
357        ! T<-38°C, no liquid allowed
358        ELSE IF ( temp(i) .LE. temp_nowater) THEN
359           qvap_cld(i)   = qsati(i) * cldfra1D
360           qliq(i)       = 0.
361           qice(i)       = MAX(0.0,qtot_incl(i)-qsati(i)) * cldfra1D
362           cldfraliq(i)  = 0.
363           icefrac(i)    = 1.
364           dicefracdT(i) = 0.
365
366        !---------------------------------------------------------
367        !--             MIXED PHASE TEMPERATURE REGIME         
368        !---------------------------------------------------------
369        !--In the mixed phase regime (-38°C< T <0°C) we distinguish
370        !--3 possible subcases.
371        !--1.  No pre-existing ice 
372        !--2A. Pre-existing ice and no turbulence
373        !--2B. Pre-existing ice and turbulence
374        ELSE
375
376           vitw = -omega(i) / RG / rho_air
377           qiceini_incl  = qice_ini(i) / cldfra1D + snowcld(i) * RG * dtime / ( paprsdn(i) - paprsup(i) ) / cldfra1D
378
379           !--1. No preexisting ice : if vertical motion, fully liquid
380           !--cloud else fully iced cloud
381           IF ( qiceini_incl .LT. eps ) THEN
382              IF ( (vitw .GT. eps) .OR. (tke(i) .GT. eps) ) THEN
383                 qvap_cld(i)   = qsatl(i) * cldfra1D
384                 qliq(i)       = MAX(0.,qtot_incl(i)-qsatl(i)) * cldfra1D
385                 qice(i)       = 0.
386                 cldfraliq(i)  = 1.
387                 icefrac(i)    = 0.
388                 dicefracdT(i) = 0.
389              ELSE
390                 qvap_cld(i)   = qsati(i) * cldfra1D
391                 qliq(i)       = 0.
392                 qice(i)       = MAX(0.,qtot_incl(i)-qsati(i)) * cldfra1D
393                 cldfraliq(i)  = 0.
394                 icefrac(i)    = 1.
395                 dicefracdT(i) = 0.
396              ENDIF
397           
398
399           !--2. Pre-existing ice :computation of ice properties for
400           !--feedback
401           ELSE
402              ai = RG / RD / temp(i) * ( RD * RLSTT / RCPD / RV / temp(i) - 1. )
403
404              sursat_equ    = ai * vitw * tau_phaserelax
405
406              sursat_iceliq = qsatl(i)/qsati(i) - 1.
407              psati         = qsati(i) * pplay(i) / (RD/RV)
408             
409              !--We assume an exponential ice PSD whose parameters
410              !--are computed following Morrison&Gettelman 2008
411              !--Ice number density is assumed equals to INP density
412              !--which is a function of temperature (DeMott 2010) 
413              !--bi and B0 are microphysical function characterizing
414              !--vapor/ice interactions
415              !--tau_phase_relax is the typical time of vapor deposition
416              !--onto ice crystals
417
418              nb_crystals = 1.e3 * 5.94e-5 * ( RTT - temp(i) )**3.33 * naero5**(0.0264*(RTT-temp(i))+0.0033)
419              lambda_PSD  = ( (RPI*rho_ice*nb_crystals) / (rho_air * qiceini_incl ) ) ** (1./3.)
420              N0_PSD      = nb_crystals * lambda_PSD
421              moment1_PSD = N0_PSD/lambda_PSD**2
422
423              !--Formulae for air thermal conductivity and water vapor diffusivity
424              !--comes respectively from Beard and Pruppacher (1971)
425              !--and  Hall and Pruppacher (1976)
426
427              air_thermal_conduct = ( 5.69 + 0.017 * ( temp(i) - RTT ) ) * 1.e-3 * 4.184
428              water_vapor_diff    = 2.11*1e-5 * ( temp(i) / RTT )**1.94 * ( 101325 / pplay(i) )
429             
430              bi = 1./((qsati(i)+qsatl(i))/2.) + RLSTT**2 / RCPD / RV / temp(i)**2
431              B0 = 4. * RPI * capa_crystal * 1. / (  RLSTT**2 / air_thermal_conduct / RV / temp(i)**2  &
432                                                  +  RV * temp(i) / psati / water_vapor_diff  )
433              tau_phaserelax = 1. / (bi * B0 * moment1_PSD )
434             
435              ai = RG / RD / temp(i) * ( RD * RLSTT / RCPD / RV / temp(i) - 1. )
436
437              !--2A. No TKE : stationnary binary solution depending on omega
438              ! If Sequ > Siw liquid cloud, else ice cloud
439              IF ( tke_dissip(i) .LE. eps )  THEN
440                 IF (sursat_equ .GT. sursat_iceliq) THEN
441                    qvap_cld(i)   = qsatl(i) * cldfra1D
442                    qliq(i)       = MAX(0.,qtot_incl(i)-qsatl(i)) * cldfra1D
443                    qice(i)       = 0.
444                    cldfraliq(i)  = 1.
445                    icefrac(i)    = 0.
446                    dicefracdT(i) = 0.
447                 ELSE
448                    qvap_cld(i)   = qsati(i) * cldfra1D
449                    qliq(i)       = 0.
450                    qice(i)       = MAX(0.,qtot_incl(i)-qsati(i)) * cldfra1D
451                    cldfraliq(i)  = 0.
452                    icefrac(i)    = 1.
453                    dicefracdT(i) = 0.
454                 ENDIF
455                 
456              !--2B. TKE and ice : ice supersaturation PDF
457              !--we compute the cloud liquid properties with a Gaussian PDF
458              !--of ice supersaturation F(Si) (Field2014, Furtado2016).
459              !--Parameters of the PDF are function of turbulence and
460              !--microphysics/existing ice.
461              ELSE 
462                     
463                 !--Tau_dissipturb is the time needed for turbulence to decay
464                 !--due to viscosity
465                 tau_dissipturb = gamma_taud * 2. * 2./3. * tke(i) / tke_dissip(i) / C0
466
467                 !--------------------- PDF COMPUTATIONS ---------------------
468                 !--Formulae for sigma2_pdf (variance), mean of PDF in Raillard2025
469                 !--cloud liquid fraction and in-cloud liquid content are given
470                 !--by integrating resp. F(Si) and Si*F(Si)
471                 !--Liquid is limited by the available water vapor trough a
472                 !--maximal liquid fraction
473                 !--qice_ini(i) / cldfra1D = qiceincld without precip
474
475                 liqfra_max = MAX(0., (MIN (1.,( qtot_incl(i) - (qice_ini(i) / cldfra1D) - qsati(i) * (1 + sursat_iceext ) ) / ( qsatl(i) - qsati(i) ) ) ) )
476                 sigma2_pdf = 1./2. * ( ai**2 ) *  2./3. * tke(i) * tau_dissipturb * tau_phaserelax
477                 
478                 mean_pdf = ai * vitw * tau_phaserelax
479                 
480                 cldfraliq(i) = 0.5 * (1. - erf( ( sursat_iceliq - mean_pdf) / (SQRT(2.* sigma2_pdf) ) ) )
481                 IF (cldfraliq(i) .GT. liqfra_max) THEN
482                     cldfraliq(i) = liqfra_max
483                 ENDIF
484                 
485                 qliq_incl = qsati(i) * SQRT(sigma2_pdf) / SQRT(2.*RPI) * EXP( -1.*(sursat_iceliq - mean_pdf)**2. / (2.*sigma2_pdf) )  &
486                           - qsati(i) * cldfraliq(i) * (sursat_iceliq - mean_pdf )
487                 
488                 sigma2_icefracturb(i)= sigma2_pdf
489                 mean_icefracturb(i)  = mean_pdf
490     
491                 !------------ SPECIFIC VAPOR CONTENT AND WATER CONSERVATION  ------------
492
493                 IF ( (qliq_incl .LE. eps) .OR. (cldfraliq(i) .LE. eps) ) THEN
494                     qliq_incl    = 0.
495                     cldfraliq(i) = 0.
496                 END IF
497                 
498                 !--Specific humidity is the max between qsati and the weighted mean between
499                 !--qv in MPC patches and qv in ice-only parts. We assume that MPC parts are
500                 !--always at qsatl and ice-only parts slightly subsaturated (qsati*sursat_iceext+1)
501                 !--The whole cloud can therefore be supersaturated but never subsaturated.
502
503                 qvap_incl = MAX(qsati(i), ( 1. - cldfraliq(i) ) * (sursat_iceext + 1.) * qsati(i) + cldfraliq(i) * qsatl(i) )
504
505                 IF ( qvap_incl  .GE. qtot_incl(i) ) THEN
506                    qvap_incl = qsati(i)
507                    qliq_incl = qtot_incl(i) - qvap_incl
508                    qice_incl = 0.
509
510                 ELSEIF ( (qvap_incl + qliq_incl) .GE. qtot_incl(i) ) THEN
511                    qliq_incl = MAX(0.0,qtot_incl(i) - qvap_incl)
512                    qice_incl = 0.
513                 ELSE
514                    qice_incl = qtot_incl(i) - qvap_incl - qliq_incl
515                 END IF
516
517                 qvap_cld(i)   = qvap_incl * cldfra1D
518                 qliq(i)       = qliq_incl * cldfra1D
519                 qice(i)       = qice_incl * cldfra1D
520                 icefrac(i)    = qice(i) / ( qice(i) + qliq(i) )
521                 dicefracdT(i) = 0.
522
523              END IF ! Enough TKE
524           
525           END IF ! End qini
526
527        END IF ! ! MPC temperature
528
529     END IF ! cldfra
530   
531   ENDDO ! klon
532END SUBROUTINE ICEFRAC_LSCP_TURB
533!
534!+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
535
536
537SUBROUTINE CALC_QSAT_ECMWF(klon,temp,qtot,pressure,tref,phase,flagth,qs,dqs)
538!+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
539    ! Calculate qsat following ECMWF method
540!+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
541
542
543USE yoethf_mod_h
544        USE yomcst_mod_h
545IMPLICIT NONE
546
547
548    include "FCTTRE.h"
549
550    INTEGER, INTENT(IN) :: klon  ! number of horizontal grid points
551    REAL, INTENT(IN), DIMENSION(klon) :: temp     ! temperature in K
552    REAL, INTENT(IN), DIMENSION(klon) :: qtot     ! total specific water in kg/kg
553    REAL, INTENT(IN), DIMENSION(klon) :: pressure ! pressure in Pa
554    REAL, INTENT(IN)                  :: tref     ! reference temperature in K
555    LOGICAL, INTENT(IN) :: flagth     ! flag for qsat calculation for thermals
556    INTEGER, INTENT(IN) :: phase
557    ! phase: 0=depend on temperature sign (temp>tref -> liquid, temp<tref, solid)
558    !        1=liquid
559    !        2=solid
560
561    REAL, INTENT(OUT), DIMENSION(klon) :: qs      ! saturation specific humidity [kg/kg]
562    REAL, INTENT(OUT), DIMENSION(klon) :: dqs     ! derivation of saturation specific humidity wrt T
563
564    REAL delta, cor, cvm5
565    INTEGER i
566
567    DO i=1,klon
568
569    IF (phase .EQ. 1) THEN
570        delta=0.
571    ELSEIF (phase .EQ. 2) THEN
572        delta=1.
573    ELSE
574        delta=MAX(0.,SIGN(1.,tref-temp(i)))
575    ENDIF
576
577    IF (flagth) THEN
578    cvm5=R5LES*(1.-delta) + R5IES*delta
579    ELSE
580    cvm5 = R5LES*RLVTT*(1.-delta) + R5IES*RLSTT*delta
581    cvm5 = cvm5 /RCPD/(1.0+RVTMP2*(qtot(i)))
582    ENDIF
583
584    qs(i)= R2ES*FOEEW(temp(i),delta)/pressure(i)
585    qs(i)=MIN(0.5,qs(i))
586    cor=1./(1.-RETV*qs(i))
587    qs(i)=qs(i)*cor
588    dqs(i)= FOEDE(temp(i),delta,cvm5,qs(i),cor)
589
590    END DO
591
592END SUBROUTINE CALC_QSAT_ECMWF
593!+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
594
595
596!+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
597SUBROUTINE CALC_GAMMASAT(klon,temp,qtot,pressure,gammasat,dgammasatdt)
598
599!+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
600    ! programme that calculates the gammasat parameter that determines the
601    ! homogeneous condensation thresholds for cold (<0oC) clouds
602    ! condensation at q>gammasat*qsat
603    ! Etienne Vignon, March 2021
604!+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
605
606    use lmdz_lscp_ini, only: iflag_gammasat, temp_nowater, RTT
607    use lmdz_lscp_ini, only: a_homofreez, b_homofreez, delta_hetfreez
608
609    IMPLICIT NONE
610
611
612    INTEGER, INTENT(IN) :: klon                       ! number of horizontal grid points
613    REAL, INTENT(IN), DIMENSION(klon) :: temp         ! temperature in K
614    REAL, INTENT(IN), DIMENSION(klon) :: qtot         ! total specific water in kg/kg
615
616    REAL, INTENT(IN), DIMENSION(klon) :: pressure     ! pressure in Pa
617
618    REAL, INTENT(OUT), DIMENSION(klon) :: gammasat    ! coefficient to multiply qsat with to calculate saturation
619    REAL, INTENT(OUT), DIMENSION(klon) :: dgammasatdt ! derivative of gammasat wrt temperature
620
621    REAL, DIMENSION(klon) ::  qsi,qsl,dqsl,dqsi
622    REAL  f_homofreez, fac
623
624    INTEGER i
625   
626        CALL CALC_QSAT_ECMWF(klon,temp,qtot,pressure,RTT,1,.false.,qsl,dqsl)
627        CALL CALC_QSAT_ECMWF(klon,temp,qtot,pressure,RTT,2,.false.,qsi,dqsi)
628
629    DO i = 1, klon
630
631        IF ( temp(i) .GE. RTT ) THEN
632            ! warm clouds: condensation at saturation wrt liquid
633            gammasat(i) = 1.
634            dgammasatdt(i) = 0.
635
636        ELSE
637            ! cold clouds: qsi > qsl
638           
639            ! homogeneous freezing of aerosols, according to
640            ! Koop, 2000 and Ren and MacKenzie, 2005 (QJRMS)
641            ! 'Cirrus regime'
642            ! if f_homofreez > qsl / qsi, liquid nucleation
643            ! if f_homofreez < qsl / qsi, homogeneous freezing of aerosols
644            ! Note: f_homofreez = qsl / qsi for temp ~= -38degC
645            f_homofreez = a_homofreez - temp(i) / b_homofreez
646           
647            IF ( iflag_gammasat .GE. 3 ) THEN
648              ! condensation at homogeneous freezing threshold for temp < -38 degC
649              ! condensation at liquid saturation for temp > -38 degC
650              IF ( f_homofreez .LE. qsl(i) / qsi(i) ) THEN
651                gammasat(i) = f_homofreez
652                dgammasatdt(i) = - 1. / b_homofreez
653              ELSE
654                gammasat(i) = qsl(i) / qsi(i)
655                dgammasatdt(i) = ( dqsl(i) * qsi(i) - dqsi(i) * qsl(i) ) / qsi(i) / qsi(i)
656              ENDIF
657
658            ELSEIF ( iflag_gammasat .EQ. 2 ) THEN
659              ! condensation at homogeneous freezing threshold for temp < -38 degC
660              ! condensation at a threshold linearly decreasing between homogeneous
661              ! freezing and ice saturation for -38 degC < temp < temp_nowater
662              ! condensation at ice saturation for temp > temp_nowater
663              ! If temp_nowater = 235.15 K, this is equivalent to iflag_gammasat = 1
664              IF ( f_homofreez .LE. qsl(i) / qsi(i) ) THEN
665                gammasat(i) = f_homofreez
666                dgammasatdt(i) = - 1. / b_homofreez
667              ELSEIF ( temp(i) .LE. temp_nowater ) THEN
668                ! Here, we assume that f_homofreez = qsl / qsi for temp = -38 degC = 235.15 K
669                dgammasatdt(i) = ( a_homofreez - 235.15 / b_homofreez - 1. ) &
670                               / ( 235.15 - temp_nowater )
671                gammasat(i) = dgammasatdt(i) * ( temp(i) - temp_nowater ) + 1.
672              ELSE
673                gammasat(i) = 1.
674                dgammasatdt(i) = 0.
675              ENDIF
676
677            ELSEIF ( iflag_gammasat .EQ. 1 ) THEN
678              ! condensation at homogeneous freezing threshold for temp < -38 degC
679              ! condensation at ice saturation for temp > -38 degC
680              IF ( f_homofreez .LE. qsl(i) / qsi(i) ) THEN
681                gammasat(i) = f_homofreez
682                dgammasatdt(i) = - 1. / b_homofreez
683              ELSE
684                gammasat(i) = 1.
685                dgammasatdt(i) = 0.
686              ENDIF
687
688            ELSE
689              ! condensation at ice saturation for temp < -38 degC
690              ! condensation at ice saturation for temp > -38 degC
691              gammasat(i) = 1.
692              dgammasatdt(i) = 0.
693
694            ENDIF
695
696            ! Note that the delta_hetfreez parameter allows to linearly decrease the
697            ! condensation threshold between the calculated threshold and the ice saturation
698            ! for delta_hetfreez = 1, the threshold is the calculated condensation threshold
699            ! for delta_hetfreez = 0, the threshold is the ice saturation
700            gammasat(i) = ( 1. - delta_hetfreez ) + delta_hetfreez * gammasat(i)
701            dgammasatdt(i) = delta_hetfreez * dgammasatdt(i)
702
703        ENDIF
704   
705    END DO
706
707
708END SUBROUTINE CALC_GAMMASAT
709!+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
710
711
712!++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
713SUBROUTINE DISTANCE_TO_CLOUD_TOP(klon,klev,k,temp,pplay,paprs,rneb,distcltop1D,temp_cltop)
714!++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
715   
716   USE lmdz_lscp_ini, ONLY : rd,rg,tresh_cl
717
718   IMPLICIT NONE
719   
720   INTEGER, INTENT(IN) :: klon,klev                !number of horizontal and vertical grid points
721   INTEGER, INTENT(IN) :: k                        ! vertical index
722   REAL, INTENT(IN), DIMENSION(klon,klev) :: temp  ! temperature in K
723   REAL, INTENT(IN), DIMENSION(klon,klev) :: pplay ! pressure middle layer in Pa
724   REAL, INTENT(IN), DIMENSION(klon,klev+1) :: paprs ! pressure interfaces in Pa
725   REAL, INTENT(IN), DIMENSION(klon,klev) :: rneb  ! cloud fraction
726
727   REAL, INTENT(OUT), DIMENSION(klon) :: distcltop1D  ! distance from cloud top
728   REAL, INTENT(OUT), DIMENSION(klon) :: temp_cltop     ! temperature of cloud top
729   
730   REAL dzlay(klon,klev)
731   REAL zlay(klon,klev)
732   REAL dzinterf
733   INTEGER i,k_top, kvert
734   LOGICAL bool_cl
735
736
737   DO i=1,klon
738         ! Initialization height middle of first layer
739          dzlay(i,1) = Rd * temp(i,1) / rg * log(paprs(i,1)/paprs(i,2))
740          zlay(i,1) = dzlay(i,1)/2
741
742          DO kvert=2,klev
743                 IF (kvert.EQ.klev) THEN
744                       dzlay(i,kvert) = 2*(rd * temp(i,kvert) / rg * log(paprs(i,kvert)/pplay(i,kvert)))
745                 ELSE
746                       dzlay(i,kvert) = rd * temp(i,kvert) / rg * log(paprs(i,kvert)/paprs(i,kvert+1))
747                 ENDIF
748                       dzinterf       = rd * temp(i,kvert) / rg * log(pplay(i,kvert-1)/pplay(i,kvert))
749                       zlay(i,kvert)  = zlay(i,kvert-1) + dzinterf
750           ENDDO
751   ENDDO
752   
753   DO i=1,klon
754          k_top = k
755          IF (rneb(i,k) .LE. tresh_cl) THEN
756                 bool_cl = .FALSE.
757          ELSE
758                 bool_cl = .TRUE.
759          ENDIF
760
761          DO WHILE ((bool_cl) .AND. (k_top .LE. klev))
762          ! find cloud top
763                IF (rneb(i,k_top) .GT. tresh_cl) THEN
764                      k_top = k_top + 1
765                ELSE
766                      bool_cl = .FALSE.
767                      k_top   = k_top - 1
768                ENDIF
769          ENDDO
770          k_top=min(k_top,klev)
771
772          !dist to top is dist between current layer and layer of cloud top (from middle to middle) + dist middle to
773          !interf for layer of cloud top
774          distcltop1D(i) = zlay(i,k_top) - zlay(i,k) + dzlay(i,k_top)/2
775          temp_cltop(i)  = temp(i,k_top)
776   ENDDO ! klon
777
778END SUBROUTINE DISTANCE_TO_CLOUD_TOP
779!++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
780
781!++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
782FUNCTION GAMMAINC ( p, x )
783
784!*****************************************************************************80
785!
786!! GAMMAINC computes the regularized lower incomplete Gamma Integral
787!
788!  Modified:
789!
790!    20 January 2008
791!
792!  Author:
793!
794!    Original FORTRAN77 version by B Shea.
795!    FORTRAN90 version by John Burkardt.
796!
797!  Reference:
798!
799!    B Shea,
800!    Algorithm AS 239:
801!    Chi-squared and Incomplete Gamma Integral,
802!    Applied Statistics,
803!    Volume 37, Number 3, 1988, pages 466-473.
804!
805!  Parameters:
806!
807!    Input, real X, P, the parameters of the incomplete
808!    gamma ratio.  0 <= X, and 0 < P.
809!
810!    Output, real GAMMAINC, the value of the incomplete
811!    Gamma integral.
812!
813  IMPLICIT NONE
814
815  REAL A
816  REAL AN
817  REAL ARG
818  REAL B
819  REAL C
820  REAL, PARAMETER :: ELIMIT = - 88.0E+00
821  REAL GAMMAINC
822  REAL, PARAMETER :: OFLO = 1.0E+37
823  REAL P
824  REAL, PARAMETER :: PLIMIT = 1000.0E+00
825  REAL PN1
826  REAL PN2
827  REAL PN3
828  REAL PN4
829  REAL PN5
830  REAL PN6
831  REAL RN
832  REAL, PARAMETER :: TOL = 1.0E-14
833  REAL X
834  REAL, PARAMETER :: XBIG = 1.0E+08
835
836  GAMMAINC = 0.0E+00
837
838  IF ( X == 0.0E+00 ) THEN
839    GAMMAINC = 0.0E+00
840    RETURN
841  END IF
842!
843!  IF P IS LARGE, USE A NORMAL APPROXIMATION.
844!
845  IF ( PLIMIT < P ) THEN
846
847    PN1 = 3.0E+00 * SQRT ( P ) * ( ( X / P )**( 1.0E+00 / 3.0E+00 ) &
848    + 1.0E+00 / ( 9.0E+00 * P ) - 1.0E+00 )
849
850    GAMMAINC = 0.5E+00 * ( 1. + ERF ( PN1 ) )
851    RETURN
852
853  END IF
854!
855!  IF X IS LARGE SET GAMMAD = 1.
856!
857  IF ( XBIG < X ) THEN
858    GAMMAINC = 1.0E+00
859    RETURN
860  END IF
861!
862!  USE PEARSON'S SERIES EXPANSION.
863!  (NOTE THAT P IS NOT LARGE ENOUGH TO FORCE OVERFLOW IN ALOGAM).
864!
865  IF ( X <= 1.0E+00 .OR. X < P ) THEN
866
867    ARG = P * LOG ( X ) - X - LOG_GAMMA ( P + 1.0E+00 )
868    C = 1.0E+00
869    GAMMAINC = 1.0E+00
870    A = P
871
872    DO
873
874      A = A + 1.0E+00
875      C = C * X / A
876      GAMMAINC = GAMMAINC + C
877
878      IF ( C <= TOL ) THEN
879        EXIT
880      END IF
881
882    END DO
883
884    ARG = ARG + LOG ( GAMMAINC )
885
886    IF ( ELIMIT <= ARG ) THEN
887      GAMMAINC = EXP ( ARG )
888    ELSE
889      GAMMAINC = 0.0E+00
890    END IF
891!
892!  USE A CONTINUED FRACTION EXPANSION.
893!
894  ELSE
895
896    ARG = P * LOG ( X ) - X - LOG_GAMMA ( P )
897    A = 1.0E+00 - P
898    B = A + X + 1.0E+00
899    C = 0.0E+00
900    PN1 = 1.0E+00
901    PN2 = X
902    PN3 = X + 1.0E+00
903    PN4 = X * B
904    GAMMAINC = PN3 / PN4
905
906    DO
907
908      A = A + 1.0E+00
909      B = B + 2.0E+00
910      C = C + 1.0E+00
911      AN = A * C
912      PN5 = B * PN3 - AN * PN1
913      PN6 = B * PN4 - AN * PN2
914
915      IF ( PN6 /= 0.0E+00 ) THEN
916
917        RN = PN5 / PN6
918
919        IF ( ABS ( GAMMAINC - RN ) <= MIN ( TOL, TOL * RN ) ) THEN
920          EXIT
921        END IF
922
923        GAMMAINC = RN
924
925      END IF
926
927      PN1 = PN3
928      PN2 = PN4
929      PN3 = PN5
930      PN4 = PN6
931!
932!  RE-SCALE TERMS IN CONTINUED FRACTION IF TERMS ARE LARGE.
933!
934      IF ( OFLO <= ABS ( PN5 ) ) THEN
935        PN1 = PN1 / OFLO
936        PN2 = PN2 / OFLO
937        PN3 = PN3 / OFLO
938        PN4 = PN4 / OFLO
939      END IF
940
941    END DO
942
943    ARG = ARG + LOG ( GAMMAINC )
944
945    IF ( ELIMIT <= ARG ) THEN
946      GAMMAINC = 1.0E+00 - EXP ( ARG )
947    ELSE
948      GAMMAINC = 1.0E+00
949    END IF
950
951  END IF
952
953  RETURN
954END FUNCTION GAMMAINC
955!++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
956
957END MODULE lmdz_lscp_tools
958
959
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.