source: LMDZ6/trunk/libf/phylmd/StratAer/sulfate_aer_mod.F90 @ 5150

Last change on this file since 5150 was 4950, checked in by lebasn, 6 months ago

StratAer?: New model version (microphysic, composition routine, code cleaning, new params...)

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 31.8 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_KELVIN(sh,t_seri,pplay)
10!
11!     Aerosol H2SO4 weight fraction as a function of PH2O and temperature
12!     INPUT:
13!     sh: MMR of H2O
14!     t_seri: temperature (K)
15!     pplay: middle layer pression (Pa)
16!
17!     Modified in modules:
18!     R2SO4: aerosol H2SO4 weight fraction (percent)
19!     R2SO4B: aerosol H2SO4 weight fraction (percent) for each aerosol bin
20!     DENSO4: aerosol density (gr/cm3)
21!     DENSO4B: aerosol density (gr/cm3)for each aerosol bin
22!     f_r_wet: factor for converting dry to wet radius
23!        assuming 'flat surface' composition (does not depend on aerosol size)
24!     f_r_wetB: factor for converting dry to wet radius
25!        assuming 'curved surface' composition (depends on aerosol size)
26   
27      USE dimphy, ONLY : klon,klev ! nb of longitude and altitude bands
28      USE infotrac_phy, ONLY : nbtr_bin
29      USE aerophys
30      USE phys_local_var_mod, ONLY: R2SO4, R2SO4B, DENSO4, DENSO4B, f_r_wet, f_r_wetB
31      USE strataer_local_var_mod, ONLY: RRSI
32!     WARNING: in phys_local_var_mod R2SO4B, DENSO4B, f_r_wetB (klon,klev,nbtr_bin)
33!          and dens_aer_dry must be declared somewhere
34   
35      IMPLICIT NONE
36   
37      REAL,DIMENSION(klon,klev),INTENT(IN)    :: t_seri  ! Temperature
38      REAL,DIMENSION(klon,klev),INTENT(IN)    :: pplay   ! pression in the middle of each layer (Pa)
39      REAL,DIMENSION(klon,klev),INTENT(IN)    :: sh      ! specific humidity (kg h2o/kg air)
40     
41!     local variables
42      integer         :: ilon,ilev,ik
43      real, parameter :: rath2oair = mAIRmol/mH2Omol 
44      real, parameter :: third = 1./3.
45      real            :: pph2ogas(klon,klev)
46      real            :: temp, wpp, xa, surtens, mvh2o, radwet, fkelvin, pph2okel, r2so4ik, denso4ik
47!----------------------------------------
48 
49!     gas-phase h2o partial pressure (Pa)
50!                                vmr=sh*rath2oair
51      pph2ogas(:,:) = pplay(:,:)*sh(:,:)*rath2oair
52   
53      DO ilon=1,klon
54      DO ilev=1,klev
55         
56        temp = max(t_seri(ilon,ilev),190.)
57        temp = min(temp,300.)
58
59!    ***   H2SO4-H2O flat surface ***
60!!       equilibrium H2O pressure over pure flat liquid water (Pa)
61!!        pflath2o=psh2o(temp)
62!       h2so4 weight percent(%) = f(P_h2o(Pa),T)
63        R2SO4(ilon,ilev)=wph2so4(pph2ogas(ilon,ilev),temp) 
64!       h2so4 mass fraction (0<wpp<1)
65        wpp=R2SO4(ilon,ilev)*1.e-2     
66!       mole fraction
67        xa=18.*wpp/(18.*wpp+98.*(1.-wpp))
68
69!        CHECK:compare h2so4 sat/ pressure (see Marti et al., 97 & reef. therein)
70!               R2SO4(ilon,ilev)=70.    temp=298.15
71!        equilibrium h2so4 number density over H2SO4/H2O solution (molec/cm3)
72!        include conversion from molec/cm3 to Pa
73!        ph2so4=solh2so4(temp,xa)*(1.38065e-16*temp)/10.
74!        print*,' ph2so4=',ph2so4,temp,R2SO4(ilon,ilev)
75!        good match with Martin, et Ayers, not with Gmitro (the famous 0.086)
76
77!       surface tension (mN/m=1.e-3.kg/s2) = f(T,h2so4 mole fraction)
78        surtens=surftension(temp,xa)
79!       molar volume of pure h2o (cm3.mol-1 =1.e-6.m3.mol-1)
80        mvh2o= rmvh2o(temp)
81!       aerosol density (gr/cm3) = f(T,h2so4 mass fraction)
82        DENSO4(ilon,ilev)=density(temp,wpp)
83!           ->x1000., to have it in kg/m3
84!       factor for converting dry to wet radius
85        f_r_wet(ilon,ilev) = (dens_aer_dry/(DENSO4(ilon,ilev)*1.e3)/ &
86                   &    (R2SO4(ilon,ilev)*1.e-2))**third
87!    ***   End of H2SO4-H2O flat surface ***
88
89
90!          Loop on bin radius (RRSI in cm)
91           DO IK=1,nbtr_bin
92 
93!      ***   H2SO4-H2O curved surface - Kelvin effect factor ***
94!            wet radius (m) (RRSI(IK) in [cm])
95             if (f_r_wetB(ilon,ilev,IK) .gt. 1.0) then
96               radwet = 1.e-2*RRSI(IK)*f_r_wetB(ilon,ilev,IK)
97             else
98!              H2SO4-H2O flat surface, only on the first timestep
99               radwet = 1.e-2*RRSI(IK)*f_r_wet(ilon,ilev)
100             endif
101!            Kelvin factor:
102!            surface tension (mN/m=1.e-3.kg/s2)
103!            molar volume of pure h2o (cm3.mol-1 =1.e-6.m3.mol-1)
104             fkelvin=exp( 2.*1.e-3*surtens*1.e-6*mvh2o/ (radwet*rgas*temp) )
105!            equilibrium: pph2o(gas) = pph2o(liq) = pph2o(liq_flat) * fkelvin
106!            equilibrium: pph2o(liq_flat) = pph2o(gas) / fkelvin
107!            h2o liquid partial pressure before Kelvin effect (Pa)
108             pph2okel = pph2ogas(ilon,ilev) / fkelvin
109!            h2so4 weight percent(%) = f(P_h2o(Pa),temp)
110             r2so4ik=wph2so4(pph2okel,temp)
111!            h2so4 mass fraction (0<wpp<1)
112             wpp=r2so4ik*1.e-2   
113!            mole fraction
114             xa=18.*wpp/(18.*wpp+98.*(1.-wpp))
115!            aerosol density (gr/cm3) = f(T,h2so4 mass fraction)
116             denso4ik=density(temp,wpp)
117!           
118!            recalculate Kelvin factor with surface tension and radwet
119!                              with new R2SO4B and DENSO4B
120             surtens=surftension(temp,xa)
121!            wet radius (m)
122             radwet = 1.e-2*RRSI(IK)*(dens_aer_dry/(denso4ik*1.e3)/ &
123                   &    (r2so4ik*1.e-2))**third
124             fkelvin=exp( 2.*1.e-3*surtens*1.e-6*mvh2o / (radwet*rgas*temp) )
125             pph2okel=pph2ogas(ilon,ilev) / fkelvin
126!            h2so4 weight percent(%) = f(P_h2o(Pa),temp)
127             R2SO4B(ilon,ilev,IK)=wph2so4(pph2okel,temp)
128!            h2so4 mass fraction (0<wpp<1)
129             wpp=R2SO4B(ilon,ilev,IK)*1.e-2   
130             xa=18.*wpp/(18.*wpp+98.*(1.-wpp))
131!            aerosol density (gr/cm3) = f(T,h2so4 mass fraction)
132             DENSO4B(ilon,ilev,IK)=density(temp,wpp)
133!            factor for converting dry to wet radius
134             f_r_wetB(ilon,ilev,IK) = (dens_aer_dry/(DENSO4B(ilon,ilev,IK)*1.e3)/ &
135                   &    (R2SO4B(ilon,ilev,IK)*1.e-2))**third
136!
137!             print*,'R,Rwet(m),kelvin,h2so4(%),ro=',RRSI(ik),radwet,fkelvin, &
138!              &  R2SO4B(ilon,ilev,IK),DENSO4B(ilon,ilev,IK)
139!             print*,' equil.h2so4(molec/cm3), &
140!              & sigma',solh2so4(temp,xa),surftension(temp,xa)
141
142           ENDDO
143
144      ENDDO
145      ENDDO
146
147      RETURN
148   
149  END SUBROUTINE STRACOMP_KELVIN
150!********************************************************************
151    SUBROUTINE STRACOMP(sh,t_seri,pplay)
152
153!   AEROSOL H2SO4 WEIGHT FRACTION AS A FUNCTION OF PH2O AND TEMPERATURE
154!   ----------------------------------------------------------------
155!   INPUT:
156!   H2O: VMR of H2O
157!   t_seri: temperature (K)
158!   PMB: pressure (mb)
159!   klon: number of latitude bands in the model domain
160!   klev: number of altitude bands in the model domain
161!   for IFS: perhaps add another dimension for longitude
162!
163!   OUTPUT:
164!   R2SO4: aerosol H2SO4 weight fraction (percent)
165 
166    USE dimphy, ONLY : klon,klev
167    USE aerophys
168    USE phys_local_var_mod, ONLY: R2SO4
169
170    IMPLICIT NONE
171
172    REAL,DIMENSION(klon,klev),INTENT(IN)          :: t_seri  ! Temperature
173    REAL,DIMENSION(klon,klev),INTENT(IN)          :: pplay   ! pression pour le mileu de chaque couche (en Pa)
174    REAL,DIMENSION(klon,klev),INTENT(IN)          :: sh      ! humidite specifique
175     
176    REAL PMB(klon,klev), H2O(klon,klev)
177!
178!   working variables
179    INTEGER I,J,K
180    REAL TP, PH2O, VAL, A, B
181!     local variables to be saved on exit
182    INTEGER INSTEP
183    INTEGER, PARAMETER :: N=16, M=28
184    DATA INSTEP/0/
185    REAL F(N,M)
186    REAL XC(N)
187    REAL YC(M)
188    REAL XC1, XC16, YC1, YC28
189!
190    SAVE INSTEP,F,XC,YC,XC1,XC16,YC1,YC28
191!$OMP THREADPRIVATE(INSTEP,F,XC,YC,XC1,XC16,YC1,YC28)
192
193! convert pplay (in Pa) to PMB (in mb)
194    PMB(:,:)=pplay(:,:)/100.0
195
196! convert specific humidity sh (in kg/kg) to VMR H2O
197    H2O(:,:)=sh(:,:)*mAIRmol/mH2Omol
198
199    IF(INSTEP.EQ.0) THEN
200   
201       INSTEP=1
202       XC(1)=0.01
203       XC(2)=0.1
204       XC(3)=0.5
205       XC(4)=1.0
206       XC(5)=1.5
207       XC(6)=2.0
208       XC(7)=3.0
209       XC(8)=5.0
210       XC(9)=6.0
211       XC(10)=8.0
212       XC(11)=10.0
213       XC(12)=12.0
214       XC(13)=15.0
215       XC(14)=20.0
216       XC(15)=30.0
217       XC(16)=100.0
218!
219       YC(1)=175.0
220       DO I=2,28
221         YC(I)=YC(I-1)+5.0
222       ENDDO
223
224!      CONVERSION mb IN 1.0E-4mB
225       DO I=1,16
226         XC(I)=XC(I)*1.0E-4
227       ENDDO
228!
229       XC1=XC(1)+1.E-10
230       XC16=XC(16)-1.E-8
231       YC1=YC(1)+1.E-5
232       YC28=YC(28)-1.E-5
233
234       F(6,4)=43.45
235       F(6,5)=53.96
236       F(6,6)=60.62
237       F(6,7)=65.57
238       F(6,8)=69.42
239       F(6,9)=72.56
240       F(6,10)=75.17
241       F(6,11)=77.38
242       F(6,12)=79.3
243       F(6,13)=80.99
244       F(6,14)=82.5
245       F(6,15)=83.92
246       F(6,16)=85.32
247       F(6,17)=86.79
248       F(6,18)=88.32
249!
250!      ADD FACTOR  BECAUSE THE SLOP IS TOO IMPORTANT
251!      NOT FOR THIS ONE BUT THE REST
252!      LOG DOESN'T WORK
253       A=(F(6,5)-F(6,4))/( (YC(5)-YC(4))*2.0)
254       B=-A*YC(4) + F(6,4)
255       F(6,1)=A*YC(1) + B
256       F(6,2)=A*YC(2) + B
257       F(6,3)=A*YC(3) + B
258!
259       F(7,4)=37.02
260       F(7,5)=49.46
261       F(7,6)=57.51
262       F(7,7)=63.12
263       F(7,8)=67.42
264       F(7,9)=70.85
265       F(7,10)=73.70
266       F(7,11)=76.09
267       F(7,12)=78.15
268       F(7,13)=79.96
269       F(7,14)=81.56
270       F(7,15)=83.02
271       F(7,16)=84.43
272       F(7,17)=85.85
273       F(7,18)=87.33
274!
275       A=(F(7,5)-F(7,4))/( (YC(5)-YC(4))*2.0)
276       B=-A*YC(4) + F(7,4)
277       F(7,1)=A*YC(1) + B
278       F(7,2)=A*YC(2) + B
279       F(7,3)=A*YC(3) + B
280!
281       F(8,4)=25.85
282       F(8,5)=42.26
283       F(8,6)=52.78
284       F(8,7)=59.55
285       F(8,8)=64.55
286       F(8,9)=68.45
287       F(8,10)=71.63
288       F(8,11)=74.29
289       F(8,12)=76.56
290       F(8,13)=78.53
291       F(8,14)=80.27
292       F(8,15)=81.83
293       F(8,16)=83.27
294       F(8,17)=84.67
295       F(8,18)=86.10
296!
297       A=(F(8,5)-F(8,4))/( (YC(5)-YC(4))*2.5 )
298       B=-A*YC(4) + F(8,4)
299       F(8,1)=A*YC(1) + B
300       F(8,2)=A*YC(2) + B
301       F(8,3)=A*YC(3) + B
302!
303       F(9,4)=15.38
304       F(9,5)=39.35
305       F(9,6)=50.73
306       F(9,7)=58.11
307       F(9,8)=63.41
308       F(9,9)=67.52
309       F(9,10)=70.83
310       F(9,11)=73.6
311       F(9,12)=75.95
312       F(9,13)=77.98
313       F(9,14)=79.77
314       F(9,15)=81.38
315       F(9,16)=82.84
316       F(9,17)=84.25
317       F(9,18)=85.66
318!
319       A=(F(9,5)-F(9,4))/( (YC(5)-YC(4))*7.0)
320       B=-A*YC(4) + F(9,4)
321       F(9,1)=A*YC(1) + B
322       F(9,2)=A*YC(2) + B
323       F(9,3)=A*YC(3) + B
324!
325       F(10,4)=0.0
326       F(10,5)=34.02
327       F(10,6)=46.93
328       F(10,7)=55.61
329       F(10,8)=61.47
330       F(10,9)=65.94
331       F(10,10)=69.49
332       F(10,11)=72.44
333       F(10,12)=74.93
334       F(10,13)=77.08
335       F(10,14)=78.96
336       F(10,15)=80.63
337       F(10,16)=82.15
338       F(10,17)=83.57
339       F(10,18)=84.97
340!
341       A=(F(10,6)-F(10,5))/( (YC(6)-YC(5))*1.5)
342       B=-A*YC(5) + F(10,5)
343       F(10,1)=A*YC(1) + B
344       F(10,2)=A*YC(2) + B
345       F(10,3)=A*YC(3) + B
346       F(10,4)=A*YC(4) + B
347!
348       F(11,4)=0.0
349       F(11,5)=29.02
350       F(11,6)=43.69
351       F(11,7)=53.44
352       F(11,8)=59.83
353       F(11,9)=64.62
354       F(11,10)=68.39
355       F(11,11)=71.48
356       F(11,12)=74.10
357       F(11,13)=76.33
358       F(11,14)=78.29
359       F(11,15)=80.02
360       F(11,16)=81.58
361       F(11,17)=83.03
362       F(11,18)=84.44
363!
364       A=(F(11,6)-F(11,5))/( (YC(6)-YC(5))*2.5 )
365       B=-A*YC(5) + F(11,5)
366       F(11,1)=A*YC(1) + B
367       F(11,2)=A*YC(2) + B
368       F(11,3)=A*YC(3) + B
369       F(11,4)=A*YC(4) + B
370!
371       F(12,4)=0.0
372       F(12,5)=23.13
373       F(12,6)=40.86
374       F(12,7)=51.44
375       F(12,8)=58.38
376       F(12,9)=63.47
377       F(12,10)=67.43
378       F(12,11)=70.66
379       F(12,12)=73.38
380       F(12,13)=75.70
381       F(12,14)=77.72
382       F(12,15)=79.51
383       F(12,16)=81.11
384       F(12,17)=82.58
385       F(12,18)=83.99
386!
387       A=(F(12,6)-F(12,5))/( (YC(6)-YC(5))*3.5 )
388       B=-A*YC(5) + F(12,5)
389       F(12,1)=A*YC(1) + B
390       F(12,2)=A*YC(2) + B
391       F(12,3)=A*YC(3) + B
392       F(12,4)=A*YC(4) + B
393!
394       F(13,4)=0.0
395       F(13,5)=0.0
396       F(13,6)=36.89
397       F(13,7)=48.63
398       F(13,8)=56.46
399       F(13,9)=61.96
400       F(13,10)=66.19
401       F(13,11)=69.6
402       F(13,12)=72.45
403       F(13,13)=74.89
404       F(13,14)=76.99
405       F(13,15)=78.85
406       F(13,16)=80.50
407       F(13,17)=82.02
408       F(13,18)=83.44
409!
410       A=(F(13,7)-F(13,6))/( (YC(7)-YC(6))*2.0)
411       B=-A*YC(6) + F(13,6)
412       F(13,1)=A*YC(1) + B
413       F(13,2)=A*YC(2) + B
414       F(13,3)=A*YC(3) + B
415       F(13,4)=A*YC(4) + B
416       F(13,5)=A*YC(5) + B
417!
418       F(14,4)=0.0
419       F(14,5)=0.0
420       F(14,6)=30.82
421       F(14,7)=44.49
422       F(14,8)=53.69
423       F(14,9)=59.83
424       F(14,10)=64.47
425       F(14,11)=68.15
426       F(14,12)=71.19
427       F(14,13)=73.77
428       F(14,14)=76.0
429       F(14,15)=77.95
430       F(14,16)=79.69
431       F(14,17)=81.26
432       F(14,18)=82.72
433!
434       A=(F(14,7)-F(14,6))/( (YC(7)-YC(6))*2.5 )
435       B=-A*YC(6) + F(14,6)
436       F(14,1)=A*YC(1) + B
437       F(14,2)=A*YC(2) + B
438       F(14,3)=A*YC(3) + B
439       F(14,4)=A*YC(4) + B
440       F(14,5)=A*YC(5) + B
441!
442       F(15,4)=0.0
443       F(15,5)=0.0
444       F(15,6)=0.0
445       F(15,7)=37.71
446       F(15,8)=48.49
447       F(15,9)=56.40
448       F(15,10)=61.75
449       F(15,11)=65.89
450       F(15,12)=69.25
451       F(15,13)=72.07
452       F(15,14)=74.49
453       F(15,15)=76.59
454       F(15,16)=78.45
455       F(15,17)=80.12
456       F(15,18)=81.64
457!
458       A=(F(15,8)-F(15,7))/( (YC(8)-YC(7))*1.5)
459       B=-A*YC(7) + F(15,7)
460       F(15,1)=A*YC(1) + B
461       F(15,2)=A*YC(2) + B
462       F(15,3)=A*YC(3) + B
463       F(15,4)=A*YC(4) + B
464       F(15,5)=A*YC(5) + B
465       F(15,6)=A*YC(6) + B
466
467!      SUPPOSE THAT AT GIVEN  AND PH2O<2mB,
468!      %H2SO4 = A *LOG(PH2O) +B
469!      XC(1-5) :EXTENSION LEFT (LOW H2O)
470       DO J=1,18
471         A=(F(6,J)-F(7,J))/(LOG(XC(6))-LOG(XC(7)))
472         B=-A*LOG(XC(6)) + F(6,J)
473         DO K=1,5
474           F(K,J)=A*LOG(XC(K)) + B
475         ENDDO
476       ENDDO
477
478!      XC(16) :EXTENSION RIGHT (HIGH H2O)
479       DO J=1,18
480         A=(F(15,J)-F(14,J))/(XC(15)-XC(14))
481         B=-A*XC(15) + F(15,J)
482       F(16,J)=A*XC(16) + B
483!       F(16,2)=1.0
484       ENDDO
485
486!      YC(16-25) :EXTENSION DOWN (HIGH T)
487       DO I=1,16
488         A=(F(I,18)-F(I,17))/(YC(18)-YC(17))
489         B=-A*YC(18) + F(I,18)
490         DO K=19,28
491         F(I,K)=A*YC(K) + B
492         ENDDO
493       ENDDO
494
495!      MANUAL CORRECTIONS
496       DO J=1,10
497       F(1,J)=94.0
498       ENDDO
499
500       DO J=1,6
501       F(2,J)=77.0 +REAL(J)
502       ENDDO
503
504       DO J=1,7
505       F(16,J)=9.0
506       ENDDO
507
508       DO I=1,16
509       DO J=1,28
510         IF (F(I,J).LT.9.0)  F(I,J)=30.0
511         IF (F(I,J).GT.99.99) F(I,J)=99.99
512       ENDDO
513       ENDDO
514     
515    ENDIF
516
517    DO I=1,klon
518    DO J=1,klev
519        TP=t_seri(I,J)
520        IF (TP.LT.175.1) TP=175.1
521!    Partial pressure of H2O (mb)
522        PH2O =PMB(I,J)*H2O(I,J)
523        IF (PH2O.LT.XC1) THEN
524          R2SO4(I,J)=99.99
525!          PH2O=XC(1)+1.0E-10
526        ELSE
527          IF (PH2O.GT.XC16) PH2O=XC16
528!         SIMPLE LINEAR INTERPOLATIONS
529          CALL FIND(PH2O,TP,XC,YC,F,VAL,N,M)
530          IF (PMB(I,J).GE.10.0.AND.VAL.LT.60.0) VAL=60.0
531          R2SO4(I,J)=VAL
532        ENDIF
533    ENDDO
534    ENDDO
535
536    END SUBROUTINE
537
538!****************************************************************
539    SUBROUTINE STRAACT(ACTSO4)
540
541!   H2SO4 ACTIVITY (GIAUQUE) AS A FUNCTION OF H2SO4 WP
542!   ----------------------------------------
543!   INPUT:
544!   H2SO4: VMR of H2SO4
545!   klon: number of latitude bands in the model domain
546!   klev: number of altitude bands in the model domain
547!   for IFS: perhaps add another dimension for longitude
548!
549!   OUTPUT:
550!   ACTSO4: H2SO4 activity (percent)
551 
552    USE dimphy, ONLY : klon,klev
553    USE phys_local_var_mod, ONLY: R2SO4
554
555    IMPLICIT NONE
556     
557    REAL ACTSO4(klon,klev)
558   
559!   Working variables         
560    INTEGER NN,I,J,JX,JX1
561    REAL TC,TB,TA,XT
562    PARAMETER (NN=109)
563    REAL XC(NN),  X(NN)
564
565!   H2SO4 activity
566    DATA X/ &
567     &   0.0,0.25,0.78,1.437,2.19,3.07,4.03,5.04,6.08 &
568     &  ,7.13,8.18,14.33,18.59,28.59,39.17,49.49 &
569     &  ,102.4,157.8,215.7,276.9,341.6,409.8,481.5,556.6 &
570     &  ,635.5,719.,808.,902.,1000.,1103.,1211.,1322.,1437.,1555. &
571     &  ,1677.,1800.,1926.,2054.,2183.,2312.,2442.,2572.,2701.,2829. &
572     &  ,2955.,3080.,3203.,3325.,3446.,3564.,3681.,3796.,3910.,4022. &
573     &  ,4134.,4351.,4564.,4771.,4974.,5171.,5364.,5551.,5732.,5908. &
574     &  ,6079.,6244.,6404.,6559.,6709.,6854.,6994.,7131.,7264.,7393. &
575     &  ,7520.,7821.,8105.,8373.,8627.,8867.,9093.,9308.,9511.,9703. &
576     &  ,9885.,10060.,10225.,10535.,10819.,11079.,11318.,11537. &
577     &  ,11740.,12097.,12407.,12676.,12915.,13126.,13564.,13910. &
578     &  ,14191.,14423.,14617.,14786.,10568.,15299.,15491.,15654. &
579     &  ,15811./
580!   H2SO4 weight fraction (percent)
581    DATA XC/ &
582     &   100.0,99.982,99.963,99.945,99.927,99.908,99.890,99.872 &
583     &  ,99.853,99.835,99.817,99.725,99.634,99.452,99.270 &
584     &  ,99.090,98.196,97.319,96.457,95.610,94.777,93.959,93.156 &
585     &  ,92.365,91.588,90.824,90.073,89.334,88.607,87.892,87.188 &
586     &  ,86.495,85.814,85.143,84.482,83.832,83.191,82.560,81.939 &
587     &  ,81.327,80.724,80.130,79.545,78.968,78.399,77.839,77.286 &
588     &  ,76.741,76.204,75.675,75.152,74.637,74.129,73.628,73.133 &
589     &  ,72.164,71.220,70.300,69.404,68.530,67.678,66.847,66.037 &
590     &  ,65.245,64.472,63.718,62.981,62.261,61.557,60.868,60.195 &
591     &  ,59.537,58.893,58.263,57.646,56.159,54.747,53.405,52.126 &
592     &  ,50.908,49.745,48.634,47.572,46.555,45.580,44.646,43.749 &
593     &  ,42.059,40.495,39.043,37.691,36.430,35.251,33.107,31.209 &
594     &  ,29.517,27.999,26.629,23.728,21.397,19.482,17.882,16.525 &
595     &  ,15.360,13.461,11.980,10.792,9.819,8.932/
596
597    DO I=1,klon
598    DO J=1,klev
599!     HERE LINEAR INTERPOLATIONS
600        XT=R2SO4(I,J)
601        CALL POSACT(XT,XC,NN,JX)
602        JX1=JX+1
603        IF(JX.EQ.0) THEN
604          ACTSO4(I,J)=0.0
605        ELSE IF(JX.GE.NN) THEN
606          ACTSO4(I,J)=15811.0
607        ELSE
608          TC=XT            -XC(JX)
609          TB=X(JX1)        -X(JX)
610          TA=XC(JX1)       -XC(JX)
611          TA=TB/TA
612          ACTSO4(I,J)=X(JX)  + TA*TC
613        ENDIF
614    ENDDO
615    ENDDO
616
617    END SUBROUTINE
618 
619!****************************************************************
620    SUBROUTINE DENH2SA(t_seri)
621
622!   AERSOL DENSITY AS A FUNCTION OF H2SO4 WEIGHT PERCENT AND T
623!   ---------------------------------------------
624!   VERY ROUGH APPROXIMATION (SEE FOR WATER IN HANDBOOK
625!   LINEAR 2% FOR 30 DEGREES with RESPECT TO WATER)
626!   
627!   INPUT:
628!   R2SO4: aerosol H2SO4 weight fraction (percent)
629!   t_seri: temperature (K)
630!   klon: number of latitude bands in the model domain
631!   klev: number of altitude bands in the model domain
632!   for IFS: perhaps add another dimension for longitude
633!
634!   OUTPUT:
635!   DENSO4: aerosol mass density (gr/cm3 = aerosol mass/aerosol volume)
636!   
637    USE dimphy, ONLY : klon,klev
638    USE phys_local_var_mod, ONLY: R2SO4, DENSO4
639
640    IMPLICIT NONE
641
642    REAL,DIMENSION(klon,klev),INTENT(IN)   :: t_seri  ! Temperature
643       
644    INTEGER I,J
645
646!   Loop on model domain (2 dimension for UPMC model; 3 for IFS)
647    DO I=1,klon
648    DO J=1,klev
649!     RO AT 20C
650      DENSO4(I,J)=0.78681252E-5*R2SO4(I,J)*R2SO4(I,J)+ 0.82185978E-2*R2SO4(I,J)+0.97968381
651      DENSO4(I,J)=DENSO4(I,J)* ( 1.0 - (t_seri(I,J)-293.0)*0.02/30.0 )
652    ENDDO
653    ENDDO
654
655    END SUBROUTINE
656
657!***********************************************************
658    SUBROUTINE FIND(X,Y,XC,YC,F,VAL,N,M)
659!
660!   BI-LINEAR INTERPOLATION
661
662!   INPUT:
663!   X: Partial pressure of H2O (mb)
664!   Y: temperature (K)
665!   XC: Table partial pressure of H2O (mb)
666!   YC: Table temperature (K)
667!   F: Table aerosol H2SO4 weight fraction=f(XC,YC) (percent)
668!
669!   OUTPUT:
670!   VAL: aerosol H2SO4 weight fraction (percent)
671 
672    IMPLICIT NONE
673   
674    INTEGER N,M
675    REAL X,Y,XC(N),YC(M),F(N,M),VAL
676!
677!   working variables
678    INTEGER  IERX,IERY,JX,JY,JXP1,JYP1
679    REAL SXY,SX1Y,SX1Y1,SXY1,TA,TB,T,UA,UB,U
680
681    IERX=0
682    IERY=0
683    CALL POSITION(XC,X,N,JX,IERX)
684    CALL POSITION(YC,Y,M,JY,IERY)
685
686    IF(JX.EQ.0.OR.IERY.EQ.1) THEN
687       VAL=99.99
688       RETURN
689    ENDIF
690
691    IF(JY.EQ.0.OR.IERX.EQ.1) THEN
692       VAL=9.0
693       RETURN
694    ENDIF
695
696    JXP1=JX+1
697    JYP1=JY+1
698    SXY=F(JX,  JY  )
699    SX1Y=F(JXP1,JY  )
700    SX1Y1=F(JXP1,JYP1)
701    SXY1=F(JX,  JYP1)
702
703!   x-slope.
704    TA=X       -XC(JX)
705    TB=XC(JXP1)-XC(JX)
706    T=TA/TB
707
708!   y-slope.
709    UA=Y       -YC(JY)
710    UB=YC(JYP1)-YC(JY)
711    U=UA/UB
712
713!   Use bilinear interpolation to determine function at point X,Y.
714    VAL=(1.-T)*(1.-U)*SXY + T*(1.0-U)*SX1Y + T*U*SX1Y1 + (1.0-T)*U*SXY1
715
716    IF(VAL.LT.9.0) VAL=9.0
717    IF(VAL.GT.99.99) VAL=99.99
718   
719    RETURN
720    END SUBROUTINE
721!****************************************************************
722       SUBROUTINE POSITION(XC,X,N,JX,IER)
723 
724       IMPLICIT NONE
725   
726       INTEGER N,JX,IER,I
727       REAL X,XC(N)
728
729       IER=0
730       IF(X.LT.XC(1)) THEN
731         JX=0
732       ELSE
733         DO 10 I=1,N
734           IF (X.LT.XC(I)) GO TO 20
735 10      CONTINUE
736         IER=1
737 20      JX=I-1
738       ENDIF
739
740       RETURN
741       END SUBROUTINE
742!********************************************************************
743       SUBROUTINE POSACT(XT,X,N,JX)
744   
745!      POSITION OF XT IN THE ARRAY X
746!    -----------------------------------------------
747   
748       IMPLICIT NONE
749   
750       INTEGER N
751       REAL XT,X(N)
752!      Working variables                   
753       INTEGER JX,I
754 
755       IF(XT.GT.X(1)) THEN
756         JX=0
757       ELSE
758         DO 10 I=1,N
759           IF (XT.GT.X(I)) GO TO 20
760 10      CONTINUE
761 20      JX=I
762       ENDIF
763   
764       RETURN
765       END SUBROUTINE
766!********************************************************************
767!-----------------------------------------------------------------------
768      real function psh2so4(T) result(psh2so4_out)
769!     equilibrium H2SO4 pressure over pure H2SO4 solution (Pa)
770!
771!---->Ayers et.al. (1980), GRL (7) pp 433-436
772!     plus corrections for lower temperatures by Kulmala and Laaksonen (1990)
773!     and Noppel et al. (1990)
774
775      implicit none
776      real, intent(in) :: T
777      real, parameter ::      &
778              &  b1=1.01325e5, &
779              &  b2=11.5,  &
780              &  b3=1.0156e4,  &
781              &  b4=0.38/545., &
782              &  tref=360.15
783
784!     saturation vapor pressure ( N/m2 = Pa = kg/(m.s2) )
785      psh2so4_out=b1*exp(  -b2 +b3*( 1./tref-1./T  &
786           &  +b4*(1.+log(tref/T)-tref/T) )   ) 
787
788       return
789    end function psh2so4
790!-----------------------------------------------------------------------
791    real function ndsh2so4(T) result(ndsh2so4_out)
792!     equilibrium H2SO4 number density over pure H2SO4 (molec/cm3)
793
794      implicit none
795      real, intent(in) :: T
796      real :: presat
797
798!     Boltzmann constant ( 1.38065e-23 J/K = m2⋅kg/(s2⋅K) )
799!      akb idem in cm2⋅g/(s2⋅K)
800      real, parameter :: akb=1.38065e-16
801
802!     pure h2so4 saturation vapor pressure (Pa)
803      presat=psh2so4(T)
804!     saturation number density (1/cm3) - (molec/cm3)
805      ndsh2so4_out=presat*10./(akb*T)
806
807       return
808     end function ndsh2so4
809!-----------------------------------------------------------------------
810     real function psh2o(T) result(psh2o_out)
811!     equilibrium H2O pressure over pure liquid water (Pa)
812!
813      implicit none
814      real, intent(in) :: T
815
816      if(T.gt.229.) then
817!        Preining et al., 1981 (from Kulmala et al., 1998)
818!        saturation vapor pressure (N/m2 = 1 Pa = 1 kg/(m·s2))
819         psh2o_out=exp( 77.34491296  -7235.424651/T &
820             &                 -8.2*log(T) + 5.7133e-3*T )
821      else
822!        Tabazadeh et al., 1997, parameterization for 185<T<260
823!        saturation water vapor partial pressure (mb = hPa =1.E2 kg/(m·s2))
824!        or from Clegg and Brimblecombe , J. Chem. Eng., p43, 1995.
825;
826         psh2o_out=18.452406985 -3505.1578807/T &
827              &    -330918.55082/(T*T)             &
828              &    +12725068.262/(T*T*T)
829!        in Pa
830         psh2o_out=100.*exp(psh2o_out)
831      end if
832!      print*,psh2o_out
833     
834       return
835     end function psh2o
836!-----------------------------------------------------------------------
837     real function density(T,so4mfrac) result(density_out)
838!        calculation of particle density (gr/cm3)
839
840!        requires Temperature (T) and acid mass fraction (so4mfrac)
841!---->Vehkamaeki et al. (2002)
842
843      implicit none
844      real, intent(in) :: T, so4mfrac
845      real, parameter :: &
846           &      a1= 0.7681724,&
847           &      a2= 2.184714, &
848           &      a3= 7.163002, &
849           &      a4=-44.31447, &
850           &      a5= 88.74606, &
851           &      a6=-75.73729, &
852           &      a7= 23.43228
853      real, parameter :: &
854           &      b1= 1.808225e-3, &
855           &      b2=-9.294656e-3, &
856           &      b3=-3.742148e-2, &
857           &      b4= 2.565321e-1, &
858           &      b5=-5.362872e-1, &
859           &      b6= 4.857736e-1, &
860           &      b7=-1.629592e-1
861      real, parameter :: &
862           &      c1=-3.478524e-6, &
863           &      c2= 1.335867e-5, &
864           &      c3= 5.195706e-5, &
865           &      c4=-3.717636e-4, &
866           &      c5= 7.990811e-4, &
867           &      c6=-7.458060e-4, &
868           &      c7= 2.581390e-4
869      real :: a,b,c,so4m2,so4m3,so4m4,so4m5,so4m6
870     
871      so4m2=so4mfrac*so4mfrac
872      so4m3=so4mfrac*so4m2
873      so4m4=so4mfrac*so4m3
874      so4m5=so4mfrac*so4m4
875      so4m6=so4mfrac*so4m5
876
877      a=+a1+a2*so4mfrac+a3*so4m2+a4*so4m3 &
878         &     +a5*so4m4+a6*so4m5+a7*so4m6
879      b=+b1+b2*so4mfrac+b3*so4m2+b4*so4m3 &
880         &     +b5*so4m4+b6*so4m5+b7*so4m6
881      c=+c1+c2*so4mfrac+c3*so4m2+c4*so4m3 &
882         &     +c5*so4m4+c6*so4m5+c7*so4m6
883      density_out=(a+b*T+c*T*T) ! units are gm/cm**3
884
885       return
886     end function density
887!-----------------------------------------------------------------------
888     real function surftension(T,so4frac) result(surftension_out)
889!        calculation of surface tension (mN/meter)
890!        requires Temperature (T) and acid mole fraction (so4frac)
891!---->Vehkamaeki et al. (2002)
892
893      implicit none
894      real,intent(in) :: T, so4frac
895      real :: a,b,so4mfrac,so4m2,so4m3,so4m4,so4m5,so4sig
896      real, parameter :: &
897            &     a1= 0.11864, &
898            &     a2=-0.11651, &
899            &     a3= 0.76852, &
900            &     a4=-2.40909, &
901            &     a5= 2.95434, &
902            &     a6=-1.25852
903      real, parameter :: &
904            &     b1=-1.5709e-4, &
905            &     b2= 4.0102e-4, &
906            &     b3=-2.3995e-3, &
907            &     b4= 7.611235e-3, &
908            &     b5=-9.37386e-3, &
909            &     b6= 3.89722e-3
910      real, parameter :: convfac=1.e3  ! convert from newton/m to dyne/cm
911      real, parameter :: Mw=18.01528, Ma=98.079
912
913!     so4 mass fraction
914      so4mfrac=Ma*so4frac/( Ma*so4frac+Mw*(1.-so4frac) )
915      so4m2=so4mfrac*so4mfrac
916      so4m3=so4mfrac*so4m2
917      so4m4=so4mfrac*so4m3
918      so4m5=so4mfrac*so4m4
919
920      a=+a1+a2*so4mfrac+a3*so4m2+a4*so4m3+a5*so4m4+a6*so4m5
921      b=+b1+b2*so4mfrac+b3*so4m2+b4*so4m3+b5*so4m4+b6*so4m5
922      so4sig=a+b*T
923      surftension_out=so4sig*convfac
924
925       return
926     end function surftension
927!-----------------------------------------------------------------------
928     real function wph2so4(pph2o,T) result(wph2so4_out)
929!     Calculates the equilibrium composition of h2so4 aerosols
930!     as a function of temperature and  H2O pressure, using
931!     the parameterization of Tabazadeh et al., GRL, p1931, 1997.
932!
933!   Parameters
934!
935!    input:
936!      T.....temperature (K)
937!      pph2o..... amhbiant 2o pressure (Pa)
938!
939!    output:
940!      wph2so4......sulfuric acid composition (weight percent wt % h2so4)
941!                     = h2so4 mass fraction*100.
942!
943      implicit none
944      real, intent(in) :: pph2o, T
945     
946      real :: aw, rh, y1, y2, sulfmolal
947 
948!       psh2o(T): equilibrium H2O pressure over pure liquid water (Pa)
949!       relative humidity
950        rh=pph2o/psh2o(T)
951!       water activity
952!        aw=min( 0.999,max(1.e-3,rh) )
953        aw=min( 0.999999999,max(1.e-8,rh) )
954
955!       composition
956!       calculation of h2so4 molality
957            if(aw .le. 0.05 .and. aw .gt. 0.) then
958               y1=12.372089320*aw**(-0.16125516114) &
959                 &  -30.490657554*aw -2.1133114241
960               y2=13.455394705*aw**(-0.19213122550) &
961                 &  -34.285174607*aw -1.7620073078
962            else if(aw .le. 0.85 .and. aw .gt. 0.05) then
963               y1=11.820654354*aw**(-0.20786404244) &
964                 &  -4.8073063730*aw -5.1727540348
965               y2=12.891938068*aw**(-0.23233847708) &
966                 &  -6.4261237757*aw -4.9005471319
967            else
968               y1=-180.06541028*aw**(-0.38601102592) &
969                 &  -93.317846778*aw +273.88132245
970               y2=-176.95814097*aw**(-0.36257048154) &
971                 &  -90.469744201*aw +267.45509988
972            end if
973!        h2so4 molality (m=moles of h2so4 (solute)/ kg of h2o(solvent))
974         sulfmolal = y1+((T-190.)*(y2-y1)/70.)
975
976!        for a solution containing mh2so4 and mh2o:
977!        sulfmolal = (mh2so4(gr)/h2so4_molar_mass(gr/mole)) / (mh2o(gr)*1.e-3)
978!        mh2o=1.e3*(mh2so4/Mh2so4)/sulfmolal=1.e3*mh2so4/(Mh2so4*sulfmolal)
979!        h2so4_mass_fraction = mfh2so4 = mh2so4/(mh2o + mh2so4)
980!        mh2o=mh2so4*(1-mfh2so4)/mfh2so4
981!        combining the 2 equations
982!        1.e3*mh2so4/(Mh2so4*sulfmolal) = mh2so4*(1-mfh2so4)/mfh2so4
983!        1.e3/(Mh2so4*sulfmolal) = (1-mfh2so4)/mfh2so4
984!        1000*mfh2so4 = (1-mfh2so4)*Mh2so4*sulfmolal
985!        mfh2so4*(1000.+Mh2so4*sulfmolal) = Mh2so4*sulfmolal
986!        mfh2so4 = Mh2so4*sulfmolal / (1000.+Mh2so4*sulfmolal)
987!        wph2so4 (% mass fraction)= 100.*Mh2so4*sulfmolal / (1000.+Mh2so4*sulfmolal)
988!        recall activity of i = a_i = P_i/P_pure_i and
989!          activity coefficient of i = gamma_i = a_i/X_i (X_i: mole fraction of i)
990!        so  P_i = gamma_i*X_i*P_pure_i
991!        if ideal solution, gamma_i=1, P_i = X_i*P_pure_i
992
993!        h2so4 weight precent
994         wph2so4_out = 9800.*sulfmolal/(98.*sulfmolal+1000.)
995!         print*,rh,pph2o,psh2o(T),vpice(T)
996!         print*,T,aw,sulfmolal,wph2so4_out
997         wph2so4_out = max(wph2so4_out,15.)
998         wph2so4_out = min(wph2so4_out,99.999)
999
1000       return
1001     end function wph2so4
1002!-----------------------------------------------------------------------
1003     real function solh2so4(T,xa) result(solh2so4_out)
1004!     equilibrium h2so4 number density over H2SO4/H2O solution (molec/cm3)
1005
1006      implicit none
1007      real, intent(in) :: T, xa       ! T(K)  xa(H2SO4 mass fraction)
1008     
1009      real :: xw, a12,b12, cacta, presat
1010     
1011      xw=1.0-xa
1012
1013!     pure h2so4 saturation number density (molec/cm3)
1014      presat=ndsh2so4(T)
1015!     compute activity of acid
1016      a12=5.672E3 -4.074E6/T +4.421E8/(T*T)
1017      b12=1./0.527
1018      cacta=10.**(a12*xw*xw/(xw+b12*xa)**2/T)
1019!     h2so4 saturation number density over H2SO4/H2O solution (molec/cm3)
1020      solh2so4_out=cacta*xa*presat
1021
1022       return
1023     end function solh2so4
1024!-----------------------------------------------------------------------     
1025     real function rpmvh2so4(T,ws) result(rpmvh2so4_out)
1026!     partial molar volume of h2so4 in h2so4/h2o solution (cm3/mole)
1027
1028      implicit none
1029      real, intent(in) :: T, ws
1030      real, dimension(22),parameter :: x=(/  &
1031       & 2.393284E-02,-4.359335E-05,7.961181E-08,0.0,-0.198716351, &
1032       & 1.39564574E-03,-2.020633E-06,0.51684706,-3.0539E-03,4.505475E-06, &
1033       & -0.30119511,1.840408E-03,-2.7221253742E-06,-0.11331674116, &
1034       & 8.47763E-04,-1.22336185E-06,0.3455282,-2.2111E-03,3.503768245E-06, &
1035       & -0.2315332,1.60074E-03,-2.5827835E-06/)
1036     
1037      real :: w
1038
1039        w=ws*0.01
1040        rpmvh2so4_out=x(5)+x(6)*T+x(7)*T*T+(x(8)+x(9)*T+x(10)*T*T)*w &
1041          +(x(11)+x(12)*T+x(13)*T*T)*w*w
1042!       h2so4 partial molar volume in h2so4/h2o solution (cm3/mole)
1043        rpmvh2so4_out=rpmvh2so4_out*1000.
1044       
1045       return
1046     end function rpmvh2so4
1047!-----------------------------------------------------------------------
1048     real function rmvh2o(T) result(rmvh2o_out)
1049!     molar volume of pure h2o (cm3/mole)
1050
1051       implicit none
1052       real, intent(in) :: T
1053       real, parameter :: x1=2.393284E-02,x2=-4.359335E-05,x3=7.961181E-08
1054
1055!      1000: L/mole ->  cm3/mole
1056!      pure h2o molar volume (cm3/mole)
1057       rmvh2o_out=(x1+x2*T+x3*T*T)*1000.
1058       
1059       return
1060     end function rmvh2o
1061!
1062END MODULE sulfate_aer_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.