source: LMDZ6/trunk/libf/phylmd/StratAer/sulfate_aer_mod.F90 @ 3639

Last change on this file since 3639 was 3526, checked in by Laurent Fairhead, 5 years ago

Olivier's modifications + addition of Id keyword
  • Property svn:keywords set to Id
File size: 15.1 KB
RevLine 
[3526]1!
2! $Id: sulfate_aer_mod.F90 3526 2019-05-28 13:00:44Z lguez $
3!
[2690]4MODULE sulfate_aer_mod
5
6! microphysical routines based on UPMC aerosol model by Slimane Bekki
7! adapted for stratospheric sulfate aerosol in LMDZ by Christoph Kleinschmitt
8
9CONTAINS
10
11!********************************************************************
12    SUBROUTINE STRACOMP(sh,t_seri,pplay)
13
14!   AEROSOL H2SO4 WEIGHT FRACTION AS A FUNCTION OF PH2O AND TEMPERATURE
15!   ----------------------------------------------------------------
16!   INPUT:
17!   H2O: VMR of H2O
18!   t_seri: temperature (K)
19!   PMB: pressure (mb)
20!   klon: number of latitude bands in the model domain
21!   klev: number of altitude bands in the model domain
22!   for IFS: perhaps add another dimension for longitude
23!
24!   OUTPUT:
25!   R2SO4: aerosol H2SO4 weight fraction (percent)
26 
27    USE dimphy, ONLY : klon,klev
28    USE aerophys
29    USE phys_local_var_mod, ONLY: R2SO4
30
31    IMPLICIT NONE
32
33    REAL,DIMENSION(klon,klev),INTENT(IN)          :: t_seri  ! Temperature
34    REAL,DIMENSION(klon,klev),INTENT(IN)          :: pplay   ! pression pour le mileu de chaque couche (en Pa)
35    REAL,DIMENSION(klon,klev),INTENT(IN)          :: sh      ! humidite specifique
36     
37    REAL PMB(klon,klev), H2O(klon,klev)
38!
39!   working variables
40    INTEGER I,J,K
41    REAL TP, PH2O, VAL, A, B
42!     local variables to be saved on exit
43    INTEGER INSTEP
44    INTEGER, PARAMETER :: N=16, M=28
45    DATA INSTEP/0/
46    REAL F(N,M)
47    REAL XC(N)
48    REAL YC(M)
49    REAL XC1, XC16, YC1, YC28
50!
51    SAVE INSTEP,F,XC,YC,XC1,XC16,YC1,YC28
52
53! convert pplay (in Pa) to PMB (in mb)
54    PMB(:,:)=pplay(:,:)/100.0
55
56! convert specific humidity sh (in kg/kg) to VMR H2O
57    H2O(:,:)=sh(:,:)*mAIRmol/mH2Omol
58
59    IF(INSTEP.EQ.0) THEN
60   
61       INSTEP=1
62       XC(1)=0.01
63       XC(2)=0.1
64       XC(3)=0.5
65       XC(4)=1.0
66       XC(5)=1.5
67       XC(6)=2.0
68       XC(7)=3.0
69       XC(8)=5.0
70       XC(9)=6.0
71       XC(10)=8.0
72       XC(11)=10.0
73       XC(12)=12.0
74       XC(13)=15.0
75       XC(14)=20.0
76       XC(15)=30.0
77       XC(16)=100.0
78!
79       YC(1)=175.0
80       DO I=2,28
81         YC(I)=YC(I-1)+5.0
82       ENDDO
83
84!      CONVERSION mb IN 1.0E-4mB
85       DO I=1,16
86         XC(I)=XC(I)*1.0E-4
87       ENDDO
88!
89       XC1=XC(1)+1.E-10
90       XC16=XC(16)-1.E-8
91       YC1=YC(1)+1.E-5
92       YC28=YC(28)-1.E-5
93
94       F(6,4)=43.45
95       F(6,5)=53.96
96       F(6,6)=60.62
97       F(6,7)=65.57
98       F(6,8)=69.42
99       F(6,9)=72.56
100       F(6,10)=75.17
101       F(6,11)=77.38
102       F(6,12)=79.3
103       F(6,13)=80.99
104       F(6,14)=82.5
105       F(6,15)=83.92
106       F(6,16)=85.32
107       F(6,17)=86.79
108       F(6,18)=88.32
109!
110!      ADD FACTOR  BECAUSE THE SLOP IS TOO IMPORTANT
111!      NOT FOR THIS ONE BUT THE REST
112!      LOG DOESN'T WORK
113       A=(F(6,5)-F(6,4))/( (YC(5)-YC(4))*2.0)
114       B=-A*YC(4) + F(6,4)
115       F(6,1)=A*YC(1) + B
116       F(6,2)=A*YC(2) + B
117       F(6,3)=A*YC(3) + B
118!
119       F(7,4)=37.02
120       F(7,5)=49.46
121       F(7,6)=57.51
122       F(7,7)=63.12
123       F(7,8)=67.42
124       F(7,9)=70.85
125       F(7,10)=73.70
126       F(7,11)=76.09
127       F(7,12)=78.15
128       F(7,13)=79.96
129       F(7,14)=81.56
130       F(7,15)=83.02
131       F(7,16)=84.43
132       F(7,17)=85.85
133       F(7,18)=87.33
134!
135       A=(F(7,5)-F(7,4))/( (YC(5)-YC(4))*2.0)
136       B=-A*YC(4) + F(7,4)
137       F(7,1)=A*YC(1) + B
138       F(7,2)=A*YC(2) + B
139       F(7,3)=A*YC(3) + B
140!
141       F(8,4)=25.85
142       F(8,5)=42.26
143       F(8,6)=52.78
144       F(8,7)=59.55
145       F(8,8)=64.55
146       F(8,9)=68.45
147       F(8,10)=71.63
148       F(8,11)=74.29
149       F(8,12)=76.56
150       F(8,13)=78.53
151       F(8,14)=80.27
152       F(8,15)=81.83
153       F(8,16)=83.27
154       F(8,17)=84.67
155       F(8,18)=86.10
156!
157       A=(F(8,5)-F(8,4))/( (YC(5)-YC(4))*2.5 )
158       B=-A*YC(4) + F(8,4)
159       F(8,1)=A*YC(1) + B
160       F(8,2)=A*YC(2) + B
161       F(8,3)=A*YC(3) + B
162!
163       F(9,4)=15.38
164       F(9,5)=39.35
165       F(9,6)=50.73
166       F(9,7)=58.11
167       F(9,8)=63.41
168       F(9,9)=67.52
169       F(9,10)=70.83
170       F(9,11)=73.6
171       F(9,12)=75.95
172       F(9,13)=77.98
173       F(9,14)=79.77
174       F(9,15)=81.38
175       F(9,16)=82.84
176       F(9,17)=84.25
177       F(9,18)=85.66
178!
179       A=(F(9,5)-F(9,4))/( (YC(5)-YC(4))*7.0)
180       B=-A*YC(4) + F(9,4)
181       F(9,1)=A*YC(1) + B
182       F(9,2)=A*YC(2) + B
183       F(9,3)=A*YC(3) + B
184!
185       F(10,4)=0.0
186       F(10,5)=34.02
187       F(10,6)=46.93
188       F(10,7)=55.61
189       F(10,8)=61.47
190       F(10,9)=65.94
191       F(10,10)=69.49
192       F(10,11)=72.44
193       F(10,12)=74.93
194       F(10,13)=77.08
195       F(10,14)=78.96
196       F(10,15)=80.63
197       F(10,16)=82.15
198       F(10,17)=83.57
199       F(10,18)=84.97
200!
201       A=(F(10,6)-F(10,5))/( (YC(6)-YC(5))*1.5)
202       B=-A*YC(5) + F(10,5)
203       F(10,1)=A*YC(1) + B
204       F(10,2)=A*YC(2) + B
205       F(10,3)=A*YC(3) + B
206       F(10,4)=A*YC(4) + B
207!
208       F(11,4)=0.0
209       F(11,5)=29.02
210       F(11,6)=43.69
211       F(11,7)=53.44
212       F(11,8)=59.83
213       F(11,9)=64.62
214       F(11,10)=68.39
215       F(11,11)=71.48
216       F(11,12)=74.10
217       F(11,13)=76.33
218       F(11,14)=78.29
219       F(11,15)=80.02
220       F(11,16)=81.58
221       F(11,17)=83.03
222       F(11,18)=84.44
223!
224       A=(F(11,6)-F(11,5))/( (YC(6)-YC(5))*2.5 )
225       B=-A*YC(5) + F(11,5)
226       F(11,1)=A*YC(1) + B
227       F(11,2)=A*YC(2) + B
228       F(11,3)=A*YC(3) + B
229       F(11,4)=A*YC(4) + B
230!
231       F(12,4)=0.0
232       F(12,5)=23.13
233       F(12,6)=40.86
234       F(12,7)=51.44
235       F(12,8)=58.38
236       F(12,9)=63.47
237       F(12,10)=67.43
238       F(12,11)=70.66
239       F(12,12)=73.38
240       F(12,13)=75.70
241       F(12,14)=77.72
242       F(12,15)=79.51
243       F(12,16)=81.11
244       F(12,17)=82.58
245       F(12,18)=83.99
246!
247       A=(F(12,6)-F(12,5))/( (YC(6)-YC(5))*3.5 )
248       B=-A*YC(5) + F(12,5)
249       F(12,1)=A*YC(1) + B
250       F(12,2)=A*YC(2) + B
251       F(12,3)=A*YC(3) + B
252       F(12,4)=A*YC(4) + B
253!
254       F(13,4)=0.0
255       F(13,5)=0.0
256       F(13,6)=36.89
257       F(13,7)=48.63
258       F(13,8)=56.46
259       F(13,9)=61.96
260       F(13,10)=66.19
261       F(13,11)=69.6
262       F(13,12)=72.45
263       F(13,13)=74.89
264       F(13,14)=76.99
265       F(13,15)=78.85
266       F(13,16)=80.50
267       F(13,17)=82.02
268       F(13,18)=83.44
269!
270       A=(F(13,7)-F(13,6))/( (YC(7)-YC(6))*2.0)
271       B=-A*YC(6) + F(13,6)
272       F(13,1)=A*YC(1) + B
273       F(13,2)=A*YC(2) + B
274       F(13,3)=A*YC(3) + B
275       F(13,4)=A*YC(4) + B
276       F(13,5)=A*YC(5) + B
277!
278       F(14,4)=0.0
279       F(14,5)=0.0
280       F(14,6)=30.82
281       F(14,7)=44.49
282       F(14,8)=53.69
283       F(14,9)=59.83
284       F(14,10)=64.47
285       F(14,11)=68.15
286       F(14,12)=71.19
287       F(14,13)=73.77
288       F(14,14)=76.0
289       F(14,15)=77.95
290       F(14,16)=79.69
291       F(14,17)=81.26
292       F(14,18)=82.72
293!
294       A=(F(14,7)-F(14,6))/( (YC(7)-YC(6))*2.5 )
295       B=-A*YC(6) + F(14,6)
296       F(14,1)=A*YC(1) + B
297       F(14,2)=A*YC(2) + B
298       F(14,3)=A*YC(3) + B
299       F(14,4)=A*YC(4) + B
300       F(14,5)=A*YC(5) + B
301!
302       F(15,4)=0.0
303       F(15,5)=0.0
304       F(15,6)=0.0
305       F(15,7)=37.71
306       F(15,8)=48.49
307       F(15,9)=56.40
308       F(15,10)=61.75
309       F(15,11)=65.89
310       F(15,12)=69.25
311       F(15,13)=72.07
312       F(15,14)=74.49
313       F(15,15)=76.59
314       F(15,16)=78.45
315       F(15,17)=80.12
316       F(15,18)=81.64
317!
318       A=(F(15,8)-F(15,7))/( (YC(8)-YC(7))*1.5)
319       B=-A*YC(7) + F(15,7)
320       F(15,1)=A*YC(1) + B
321       F(15,2)=A*YC(2) + B
322       F(15,3)=A*YC(3) + B
323       F(15,4)=A*YC(4) + B
324       F(15,5)=A*YC(5) + B
325       F(15,6)=A*YC(6) + B
326
327!      SUPPOSE THAT AT GIVEN  AND PH2O<2mB,
328!      %H2SO4 = A *LOG(PH2O) +B
329!      XC(1-5) :EXTENSION LEFT (LOW H2O)
330       DO J=1,18
331         A=(F(6,J)-F(7,J))/(LOG(XC(6))-LOG(XC(7)))
332         B=-A*LOG(XC(6)) + F(6,J)
333         DO K=1,5
334           F(K,J)=A*LOG(XC(K)) + B
335         ENDDO
336       ENDDO
337
338!      XC(16) :EXTENSION RIGHT (HIGH H2O)
339       DO J=1,18
340         A=(F(15,J)-F(14,J))/(XC(15)-XC(14))
341         B=-A*XC(15) + F(15,J)
342       F(16,J)=A*XC(16) + B
343!       F(16,2)=1.0
344       ENDDO
345
346!      YC(16-25) :EXTENSION DOWN (HIGH T)
347       DO I=1,16
348         A=(F(I,18)-F(I,17))/(YC(18)-YC(17))
349         B=-A*YC(18) + F(I,18)
350         DO K=19,28
351         F(I,K)=A*YC(K) + B
352         ENDDO
353       ENDDO
354
355!      MANUAL CORRECTIONS
356       DO J=1,10
357       F(1,J)=94.0
358       ENDDO
359
360       DO J=1,6
361       F(2,J)=77.0 +REAL(J)
362       ENDDO
363
364       DO J=1,7
365       F(16,J)=9.0
366       ENDDO
367
368       DO I=1,16
369       DO J=1,28
370         IF (F(I,J).LT.9.0)  F(I,J)=30.0
371         IF (F(I,J).GT.99.99) F(I,J)=99.99
372       ENDDO
373       ENDDO
374     
375    ENDIF
376
377    DO I=1,klon
378    DO J=1,klev
379        TP=t_seri(I,J)
380        IF (TP.LT.175.1) TP=175.1
381!    Partial pressure of H2O (mb)
382        PH2O =PMB(I,J)*H2O(I,J)
383        IF (PH2O.LT.XC1) THEN
384          R2SO4(I,J)=99.99
385!          PH2O=XC(1)+1.0E-10
386        ELSE
387          IF (PH2O.GT.XC16) PH2O=XC16
388!         SIMPLE LINEAR INTERPOLATIONS
389          CALL FIND(PH2O,TP,XC,YC,F,VAL,N,M)
390          IF (PMB(I,J).GE.10.0.AND.VAL.LT.60.0) VAL=60.0
391          R2SO4(I,J)=VAL
392        ENDIF
393    ENDDO
394    ENDDO
395
396    END SUBROUTINE
397
398!****************************************************************
399    SUBROUTINE STRAACT(ACTSO4)
400
401!   H2SO4 ACTIVITY (GIAUQUE) AS A FUNCTION OF H2SO4 WP
402!   ----------------------------------------
403!   INPUT:
404!   H2SO4: VMR of H2SO4
405!   klon: number of latitude bands in the model domain
406!   klev: number of altitude bands in the model domain
407!   for IFS: perhaps add another dimension for longitude
408!
409!   OUTPUT:
410!   ACTSO4: H2SO4 activity (percent)
411 
412    USE dimphy, ONLY : klon,klev
413    USE phys_local_var_mod, ONLY: R2SO4
414
415    IMPLICIT NONE
416     
417    REAL ACTSO4(klon,klev)
418   
419!   Working variables         
420    INTEGER NN,I,J,JX,JX1
421    REAL TC,TB,TA,XT
422    PARAMETER (NN=109)
423    REAL XC(NN),  X(NN)
424
425!   H2SO4 activity
426    DATA X/ &
427     &   0.0,0.25,0.78,1.437,2.19,3.07,4.03,5.04,6.08 &
428     &  ,7.13,8.18,14.33,18.59,28.59,39.17,49.49 &
429     &  ,102.4,157.8,215.7,276.9,341.6,409.8,481.5,556.6 &
430     &  ,635.5,719.,808.,902.,1000.,1103.,1211.,1322.,1437.,1555. &
431     &  ,1677.,1800.,1926.,2054.,2183.,2312.,2442.,2572.,2701.,2829. &
432     &  ,2955.,3080.,3203.,3325.,3446.,3564.,3681.,3796.,3910.,4022. &
433     &  ,4134.,4351.,4564.,4771.,4974.,5171.,5364.,5551.,5732.,5908. &
434     &  ,6079.,6244.,6404.,6559.,6709.,6854.,6994.,7131.,7264.,7393. &
435     &  ,7520.,7821.,8105.,8373.,8627.,8867.,9093.,9308.,9511.,9703. &
436     &  ,9885.,10060.,10225.,10535.,10819.,11079.,11318.,11537. &
437     &  ,11740.,12097.,12407.,12676.,12915.,13126.,13564.,13910. &
438     &  ,14191.,14423.,14617.,14786.,10568.,15299.,15491.,15654. &
439     &  ,15811./
440!   H2SO4 weight fraction (percent)
441    DATA XC/ &
442     &   100.0,99.982,99.963,99.945,99.927,99.908,99.890,99.872 &
443     &  ,99.853,99.835,99.817,99.725,99.634,99.452,99.270 &
444     &  ,99.090,98.196,97.319,96.457,95.610,94.777,93.959,93.156 &
445     &  ,92.365,91.588,90.824,90.073,89.334,88.607,87.892,87.188 &
446     &  ,86.495,85.814,85.143,84.482,83.832,83.191,82.560,81.939 &
447     &  ,81.327,80.724,80.130,79.545,78.968,78.399,77.839,77.286 &
448     &  ,76.741,76.204,75.675,75.152,74.637,74.129,73.628,73.133 &
449     &  ,72.164,71.220,70.300,69.404,68.530,67.678,66.847,66.037 &
450     &  ,65.245,64.472,63.718,62.981,62.261,61.557,60.868,60.195 &
451     &  ,59.537,58.893,58.263,57.646,56.159,54.747,53.405,52.126 &
452     &  ,50.908,49.745,48.634,47.572,46.555,45.580,44.646,43.749 &
453     &  ,42.059,40.495,39.043,37.691,36.430,35.251,33.107,31.209 &
454     &  ,29.517,27.999,26.629,23.728,21.397,19.482,17.882,16.525 &
455     &  ,15.360,13.461,11.980,10.792,9.819,8.932/
456
457    DO I=1,klon
458    DO J=1,klev
459!     HERE LINEAR INTERPOLATIONS
460        XT=R2SO4(I,J)
461        CALL POSACT(XT,XC,NN,JX)
462        JX1=JX+1
463        IF(JX.EQ.0) THEN
464          ACTSO4(I,J)=0.0
465        ELSE IF(JX.GE.NN) THEN
466          ACTSO4(I,J)=15811.0
467        ELSE
468          TC=XT            -XC(JX)
469          TB=X(JX1)        -X(JX)
470          TA=XC(JX1)       -XC(JX)
471          TA=TB/TA
472          ACTSO4(I,J)=X(JX)  + TA*TC
473        ENDIF
474    ENDDO
475    ENDDO
476
477    END SUBROUTINE
478
479!****************************************************************
480    SUBROUTINE DENH2SA(t_seri)
481
482!   AERSOL DENSITY AS A FUNCTION OF H2SO4 WEIGHT PERCENT AND T
483!   ---------------------------------------------
484!   VERY ROUGH APPROXIMATION (SEE FOR WATER IN HANDBOOK
485!   LINEAR 2% FOR 30 DEGREES with RESPECT TO WATER)
486!   
487!   INPUT:
488!   R2SO4: aerosol H2SO4 weight fraction (percent)
489!   t_seri: temperature (K)
490!   klon: number of latitude bands in the model domain
491!   klev: number of altitude bands in the model domain
492!   for IFS: perhaps add another dimension for longitude
493!
494!   OUTPUT:
495!   DENSO4: aerosol mass density (gr/cm3 = aerosol mass/aerosol volume)
496!   
497    USE dimphy, ONLY : klon,klev
498    USE phys_local_var_mod, ONLY: R2SO4, DENSO4
499
500    IMPLICIT NONE
501
502    REAL,DIMENSION(klon,klev),INTENT(IN)   :: t_seri  ! Temperature
503       
504    INTEGER I,J
505
506!   Loop on model domain (2 dimension for UPMC model; 3 for IFS)
507    DO I=1,klon
508    DO J=1,klev
509!     RO AT 20C
510      DENSO4(I,J)=0.78681252E-5*R2SO4(I,J)*R2SO4(I,J)+ 0.82185978E-2*R2SO4(I,J)+0.97968381
511      DENSO4(I,J)=DENSO4(I,J)* ( 1.0 - (t_seri(I,J)-293.0)*0.02/30.0 )
512    ENDDO
513    ENDDO
514
515    END SUBROUTINE
516
517!***********************************************************
518    SUBROUTINE FIND(X,Y,XC,YC,F,VAL,N,M)
519!
520!   BI-LINEAR INTERPOLATION
521
522!   INPUT:
523!   X: Partial pressure of H2O (mb)
524!   Y: temperature (K)
525!   XC: Table partial pressure of H2O (mb)
526!   YC: Table temperature (K)
527!   F: Table aerosol H2SO4 weight fraction=f(XC,YC) (percent)
528!
529!   OUTPUT:
530!   VAL: aerosol H2SO4 weight fraction (percent)
531 
532    IMPLICIT NONE
533   
534    INTEGER N,M
535    REAL X,Y,XC(N),YC(M),F(N,M),VAL
536!
537!   working variables
538    INTEGER  IERX,IERY,JX,JY,JXP1,JYP1
539    REAL SXY,SX1Y,SX1Y1,SXY1,TA,TB,T,UA,UB,U
540
541    IERX=0
542    IERY=0
543    CALL POSITION(XC,X,N,JX,IERX)
544    CALL POSITION(YC,Y,M,JY,IERY)
545
546    IF(JX.EQ.0.OR.IERY.EQ.1) THEN
547       VAL=99.99
548       RETURN
549    ENDIF
550
551    IF(JY.EQ.0.OR.IERX.EQ.1) THEN
552       VAL=9.0
553       RETURN
554    ENDIF
555
556    JXP1=JX+1
557    JYP1=JY+1
558    SXY=F(JX,  JY  )
559    SX1Y=F(JXP1,JY  )
560    SX1Y1=F(JXP1,JYP1)
561    SXY1=F(JX,  JYP1)
562
563!   x-slope.
564    TA=X       -XC(JX)
565    TB=XC(JXP1)-XC(JX)
566    T=TA/TB
567
568!   y-slope.
569    UA=Y       -YC(JY)
570    UB=YC(JYP1)-YC(JY)
571    U=UA/UB
572
573!   Use bilinear interpolation to determine function at point X,Y.
574    VAL=(1.-T)*(1.-U)*SXY + T*(1.0-U)*SX1Y + T*U*SX1Y1 + (1.0-T)*U*SXY1
575
576    IF(VAL.LT.9.0) VAL=9.0
577    IF(VAL.GT.99.99) VAL=99.99
578   
579    RETURN
580    END SUBROUTINE
581!****************************************************************
582       SUBROUTINE POSITION(XC,X,N,JX,IER)
583 
584       IMPLICIT NONE
585   
586       INTEGER N,JX,IER,I
587       REAL X,XC(N)
588
589       IER=0
590       IF(X.LT.XC(1)) THEN
591         JX=0
592       ELSE
593         DO 10 I=1,N
594           IF (X.LT.XC(I)) GO TO 20
595 10      CONTINUE
596         IER=1
597 20      JX=I-1
598       ENDIF
599
600       RETURN
601       END SUBROUTINE
602!********************************************************************
603       SUBROUTINE POSACT(XT,X,N,JX)
604   
605!      POSITION OF XT IN THE ARRAY X
606!    -----------------------------------------------
607   
608       IMPLICIT NONE
609   
610       INTEGER N
611       REAL XT,X(N)
612!      Working variables                   
613       INTEGER JX,I
614 
615       IF(XT.GT.X(1)) THEN
616         JX=0
617       ELSE
618         DO 10 I=1,N
619           IF (XT.GT.X(I)) GO TO 20
620 10      CONTINUE
621 20      JX=I
622       ENDIF
623   
624       RETURN
625       END SUBROUTINE
626
627END MODULE sulfate_aer_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.