source: LMDZ6/trunk/libf/phylmd/lmdz_lscp_tools.F90 @ 5045

Last change on this file since 5045 was 5007, checked in by evignon, 2 months ago

ajout de la nouvelle paramétrisation du partitonnement de phase
dans les nuages de phase mixte de Lea Raillard
La parametrisation s'active avec iflag_icefrac=1 et est fondé
sur la theorie de creation et maintien de sursaturation en atmosphere
turbulente avec ou sans presence de cristaux de glace

File size: 29.7 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
242SUBROUTINE ICEFRAC_LSCP_TURB(klon, dtime, temp, pplay, paprsdn, paprsup, qice_ini, snowcld, qtot_incl, cldfra, tke, tke_dissip, qliq, qvap_cld, qice, icefrac, dicefracdT, cldfraliq, sigma2_icefracturb, mean_icefracturb)
243!+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
244  ! Compute the liquid, ice and vapour content (+ice fraction) based
245  ! on turbulence (see Fields 2014, Furtado 2016)
246!+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
247
248
249   USE lmdz_lscp_ini, ONLY : prt_level, lunout
250   USE lmdz_lscp_ini, ONLY : RCPD, RLSTT, RLVTT, RLMLT, RVTMP2, RTT, RD, RG, RV, RPI
251   USE lmdz_lscp_ini, ONLY : seuil_neb, temp_nowater
252   USE lmdz_lscp_ini, ONLY : tau_mixenv, lmix_mpc, naero5, gamma_snwretro, gamma_taud, capa_crystal
253   USE lmdz_lscp_ini, ONLY : eps
254
255   IMPLICIT NONE
256
257   INTEGER,   INTENT(IN)                           :: klon              !--number of horizontal grid points
258   REAL,      INTENT(IN)                           :: dtime             !--time step [s]
259
260   REAL,      INTENT(IN),       DIMENSION(klon)    :: temp              !--temperature
261   REAL,      INTENT(IN),       DIMENSION(klon)    :: pplay             !--pressure in the middle of the layer       [Pa]
262   REAL,      INTENT(IN),       DIMENSION(klon)    :: paprsdn           !--pressure at the bottom interface of the layer [Pa]
263   REAL,      INTENT(IN),       DIMENSION(klon)    :: paprsup           !--pressure at the top interface of the layer [Pa]
264   REAL,      INTENT(IN),       DIMENSION(klon)    :: qtot_incl         !--specific total cloud water content, in-cloud content [kg/kg]
265   REAL,      INTENT(IN),       DIMENSION(klon)    :: cldfra            !--cloud fraction in gridbox [-]
266   REAL,      INTENT(IN),       DIMENSION(klon)    :: tke               !--turbulent kinetic energy [m2/s2]
267   REAL,      INTENT(IN),       DIMENSION(klon)    :: tke_dissip        !--TKE dissipation [m2/s3]
268
269   REAL,      INTENT(IN),       DIMENSION(klon)    :: qice_ini          !--initial specific ice content gridbox-mean [kg/kg]
270   REAL,      INTENT(IN),       DIMENSION(klon)    :: snowcld
271   REAL,      INTENT(OUT),      DIMENSION(klon)    :: qliq              !--specific liquid content gridbox-mean [kg/kg]
272   REAL,      INTENT(OUT),      DIMENSION(klon)    :: qvap_cld          !--specific cloud vapor content, gridbox-mean [kg/kg]
273   REAL,      INTENT(OUT),      DIMENSION(klon)    :: qice              !--specific ice content gridbox-mean [kg/kg]
274   REAL,      INTENT(OUT),      DIMENSION(klon)    :: icefrac           !--fraction of ice in condensed water [-]
275   REAL,      INTENT(OUT),      DIMENSION(klon)    :: dicefracdT
276
277   REAL,      INTENT(OUT),      DIMENSION(klon)    :: cldfraliq         !--fraction of cldfra which is liquid only
278   REAL,      INTENT(OUT),      DIMENSION(klon)    :: sigma2_icefracturb     !--Temporary
279   REAL,      INTENT(OUT),      DIMENSION(klon)    :: mean_icefracturb      !--Temporary
280
281   REAL, DIMENSION(klon) :: qzero, qsatl, dqsatl, qsati, dqsati         !--specific humidity saturation values
282   INTEGER :: i
283
284   REAL :: qvap_incl, qice_incl, qliq_incl, qiceini_incl                !--In-cloud specific quantities [kg/kg]
285   REAL :: qsnowcld_incl
286   !REAL :: capa_crystal                                                 !--Capacitance of ice crystals  [-]
287   REAL :: water_vapor_diff                                             !--Water-vapour diffusion coefficient in air [m2/s] (function of T&P)
288   REAL :: air_thermal_conduct                                          !--Thermal conductivity of air [J/m/K/s] (function of T)
289   REAL :: C0                                                           !--Lagrangian structure function [-]
290   REAL :: tau_mixingenv
291   REAL :: tau_dissipturb
292   REAL :: invtau_phaserelax
293   REAL :: sigma2_pdf, mean_pdf
294   REAL :: ai, bi, B0
295   REAL :: sursat_iceliq
296   REAL :: sursat_env
297   REAL :: liqfra_max
298   REAL :: sursat_iceext
299   REAL :: nb_crystals                                                  !--number concentration of ice crystals [#/m3]
300   REAL :: moment1_PSD                                                  !--1st moment of ice PSD
301   REAL :: N0_PSD, lambda_PSD                                           !--parameters of the exponential PSD
302
303   REAL :: rho_ice                                                      !--ice density [kg/m3]
304   REAL :: cldfra1D
305   REAL :: deltaz, rho_air
306   REAL :: psati                                                        !--saturation vapor pressure wrt i [Pa]
307   
308   C0            = 10.                                                  !--value assumed in Field2014           
309   rho_ice       = 950.
310   sursat_iceext = -0.1
311   !capa_crystal  = 1. !r_ice                                       
312   qzero(:)      = 0.
313   cldfraliq(:)  = 0.
314   icefrac(:)    = 0.
315   dicefracdT(:) = 0.
316
317   sigma2_icefracturb(:) = 0.
318   mean_icefracturb(:)  = 0.
319
320   !--wrt liquid water
321   CALL calc_qsat_ecmwf(klon,temp(:),qzero(:),pplay(:),RTT,1,.false.,qsatl(:),dqsatl(:))
322   !--wrt ice
323   CALL calc_qsat_ecmwf(klon,temp(:),qzero(:),pplay(:),RTT,2,.false.,qsati(:),dqsati(:))
324
325
326    DO i=1,klon
327
328
329     rho_air  = pplay(i) / temp(i) / RD
330     !deltaz   = ( paprsdn(i) - paprsup(i) ) / RG / rho_air(i)
331     ! because cldfra is intent in, but can be locally modified due to test
332     cldfra1D = cldfra(i)
333     IF (cldfra(i) .LE. 0.) THEN
334        qvap_cld(i)   = 0.
335        qliq(i)       = 0.
336        qice(i)       = 0.
337        cldfraliq(i)  = 0.
338        icefrac(i)    = 0.
339        dicefracdT(i) = 0.
340
341     ! If there is a cloud
342     ELSE
343        IF (cldfra(i) .GE. 1.0) THEN
344           cldfra1D = 1.0
345        END IF
346       
347        ! T>0°C, no ice allowed
348        IF ( temp(i) .GE. RTT ) THEN
349           qvap_cld(i)   = qsatl(i) * cldfra1D
350           qliq(i)       = MAX(0.0,qtot_incl(i)-qsatl(i))  * cldfra1D
351           qice(i)       = 0.
352           cldfraliq(i)  = 1.
353           icefrac(i)    = 0.
354           dicefracdT(i) = 0.
355       
356        ! T<-38°C, no liquid allowed
357        ELSE IF ( temp(i) .LE. temp_nowater) THEN
358           qvap_cld(i)   = qsati(i) * cldfra1D
359           qliq(i)       = 0.
360           qice(i)       = MAX(0.0,qtot_incl(i)-qsati(i)) * cldfra1D
361           cldfraliq(i)  = 0.
362           icefrac(i)    = 1.
363           dicefracdT(i) = 0.
364
365        ! MPC temperature
366        ELSE
367           ! Not enough TKE     
368           IF ( tke_dissip(i) .LE. eps )  THEN
369              qvap_cld(i)   = qsati(i) * cldfra1D
370              qliq(i)       = 0.
371              qice(i)       = MAX(0.,qtot_incl(i)-qsati(i)) * cldfra1D   
372              cldfraliq(i)  = 0.
373              icefrac(i)    = 1.
374              dicefracdT(i) = 0.
375           
376           ! Enough TKE   
377           ELSE   
378              !---------------------------------------------------------
379              !--               ICE SUPERSATURATION PDF   
380              !---------------------------------------------------------
381              !--If -38°C< T <0°C and there is enough turbulence,
382              !--we compute the cloud liquid properties with a Gaussian PDF
383              !--of ice supersaturation F(Si) (Field2014, Furtado2016).
384              !--Parameters of the PDF are function of turbulence and
385              !--microphysics/existing ice.
386
387              sursat_iceliq = qsatl(i)/qsati(i) - 1.
388              psati         = qsati(i) * pplay(i) / (RD/RV)
389
390              !-------------- MICROPHYSICAL TERMS --------------
391              !--We assume an exponential ice PSD whose parameters
392              !--are computed following Morrison&Gettelman 2008
393              !--Ice number density is assumed equals to INP density
394              !--which is a function of temperature (DeMott 2010) 
395              !--bi and B0 are microphysical function characterizing
396              !--vapor/ice interactions
397              !--tau_phase_relax is the typical time of vapor deposition
398              !--onto ice crystals
399             
400              qiceini_incl  = qice_ini(i) / cldfra1D
401              qsnowcld_incl = snowcld(i) * RG * dtime / ( paprsdn(i) - paprsup(i) ) / cldfra1D
402              sursat_env    = max(0., (qtot_incl(i) - qiceini_incl)/qsati(i) - 1.)
403              IF ( qiceini_incl .GT. eps ) THEN
404                nb_crystals = 1.e3 * 5.94e-5 * ( RTT - temp(i) )**3.33 * naero5**(0.0264*(RTT-temp(i))+0.0033)
405                lambda_PSD  = ( (RPI*rho_ice*nb_crystals*24.) / (6.*(qiceini_incl + gamma_snwretro * qsnowcld_incl)) ) ** (1./3.)
406                N0_PSD      = nb_crystals * lambda_PSD
407                moment1_PSD = N0_PSD/2./lambda_PSD**2
408              ELSE
409                moment1_PSD = 0.
410              ENDIF
411
412              !--Formulae for air thermal conductivity and water vapor diffusivity
413              !--comes respectively from Beard and Pruppacher (1971)
414              !--and  Hall and Pruppacher (1976)
415
416              air_thermal_conduct = ( 5.69 + 0.017 * ( temp(i) - RTT ) ) * 1.e-3 * 4.184
417              water_vapor_diff    = 2.11*1e-5 * ( temp(i) / RTT )**1.94 * ( 101325 / pplay(i) )
418             
419              bi = 1./((qsati(i)+qsatl(i))/2.) + RLSTT**2 / RCPD / RV / temp(i)**2
420              B0 = 4. * RPI * capa_crystal * 1. / (  RLSTT**2 / air_thermal_conduct / RV / temp(i)**2  &
421                                                  +  RV * temp(i) / psati / water_vapor_diff  )
422
423              invtau_phaserelax  = (bi * B0 * moment1_PSD )
424
425!             Old way of estimating moment1 : spherical crystals + monodisperse PSD             
426!             nb_crystals = rho_air * qiceini_incl / ( 4. / 3. * RPI * r_ice**3. * rho_ice )
427!             moment1_PSD = nb_crystals * r_ice
428
429              !----------------- TURBULENT SOURCE/SINK TERMS -----------------
430              !--Tau_mixingenv is the time needed to homogeneize the parcel
431              !--with its environment by turbulent diffusion over the parcel
432              !--length scale
433              !--if lmix_mpc <0, tau_mixigenv value is prescribed
434              !--else tau_mixigenv value is derived from tke_dissip and lmix_mpc
435              !--Tau_dissipturb is the time needed turbulence to decay due to
436              !--viscosity
437
438              ai = RG / RD / temp(i) * ( RD * RLSTT / RCPD / RV / temp(i) - 1. )
439              IF ( lmix_mpc .GT. 0 ) THEN
440                 tau_mixingenv = ( lmix_mpc**2. / tke_dissip(i) )**(1./3.)
441              ELSE
442                 tau_mixingenv = tau_mixenv
443              ENDIF
444             
445              tau_dissipturb = gamma_taud * 2. * 2./3. * tke(i) / tke_dissip(i) / C0
446
447              !--------------------- PDF COMPUTATIONS ---------------------
448              !--Formulae for sigma2_pdf (variance), mean of PDF in Furtado2016
449              !--cloud liquid fraction and in-cloud liquid content are given
450              !--by integrating resp. F(Si) and Si*F(Si)
451              !--Liquid is limited by the available water vapor trough a
452              !--maximal liquid fraction
453
454              liqfra_max = MAX(0., (MIN (1.,( qtot_incl(i) - qiceini_incl - qsati(i) * (1 + sursat_iceext ) ) / ( qsatl(i) - qsati(i) ) ) ) )
455              sigma2_pdf = 1./2. * ( ai**2 ) *  2./3. * tke(i) * tau_dissipturb / ( invtau_phaserelax + 1./tau_mixingenv )
456              mean_pdf   = sursat_env * 1./tau_mixingenv / ( invtau_phaserelax + 1./tau_mixingenv )
457              cldfraliq(i) = 0.5 * (1. - erf( ( sursat_iceliq - mean_pdf) / (SQRT(2.* sigma2_pdf) ) ) )
458              !IF (cldfraliq(i) .GT. liqfra_max) THEN
459              !    cldfraliq(i) = liqfra_max
460              !ENDIF
461             
462              qliq_incl = qsati(i) * SQRT(sigma2_pdf) / SQRT(2.*RPI) * EXP( -1.*(sursat_iceliq - mean_pdf)**2. / (2.*sigma2_pdf) )  &
463                        - qsati(i) * cldfraliq(i) * (sursat_iceliq - mean_pdf )
464             
465              sigma2_icefracturb(i)= sigma2_pdf
466              mean_icefracturb(i)  = mean_pdf     
467              !------------ ICE AMOUNT AND WATER CONSERVATION  ------------
468
469              IF ( (qliq_incl .LE. eps) .OR. (cldfraliq(i) .LE. eps) ) THEN
470                  qliq_incl    = 0.
471                  cldfraliq(i) = 0.
472              END IF
473             
474              !--Choice for in-cloud vapor :
475              !--1.Weighted mean between qvap in MPC parts and in ice-only parts
476              !--2.Always at ice saturation
477              qvap_incl = MAX(qsati(i), ( 1. - cldfraliq(i) ) * (sursat_iceext + 1.) * qsati(i) + cldfraliq(i) * qsatl(i) )
478               
479              IF ( qvap_incl  .GE. qtot_incl(i) ) THEN
480                 qvap_incl = qsati(i)
481                 qliq_incl = qtot_incl(i) - qvap_incl
482                 qice_incl = 0.
483
484              ELSEIF ( (qvap_incl + qliq_incl) .GE. qtot_incl(i) ) THEN
485                 qliq_incl = MAX(0.0,qtot_incl(i) - qvap_incl)
486                 qice_incl = 0.
487              ELSE
488                 qice_incl = qtot_incl(i) - qvap_incl - qliq_incl
489              END IF
490
491              qvap_cld(i)   = qvap_incl * cldfra1D
492              qliq(i)       = qliq_incl * cldfra1D
493              qice(i)       = qice_incl * cldfra1D
494              icefrac(i)    = qice(i) / ( qice(i) + qliq(i) )
495              dicefracdT(i) = 0.
496              !print*,'MPC turb'
497
498           END IF ! Enough TKE
499
500        END IF ! ! MPC temperature
501
502     END IF ! cldfra
503   
504   ENDDO ! klon
505END SUBROUTINE ICEFRAC_LSCP_TURB
506!+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
507
508
509SUBROUTINE CALC_QSAT_ECMWF(klon,temp,qtot,pressure,tref,phase,flagth,qs,dqs)
510!+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
511    ! Calculate qsat following ECMWF method
512!+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
513
514
515    IMPLICIT NONE
516
517    include "YOMCST.h"
518    include "YOETHF.h"
519    include "FCTTRE.h"
520
521    INTEGER, INTENT(IN) :: klon  ! number of horizontal grid points
522    REAL, INTENT(IN), DIMENSION(klon) :: temp     ! temperature in K
523    REAL, INTENT(IN), DIMENSION(klon) :: qtot     ! total specific water in kg/kg
524    REAL, INTENT(IN), DIMENSION(klon) :: pressure ! pressure in Pa
525    REAL, INTENT(IN)                  :: tref     ! reference temperature in K
526    LOGICAL, INTENT(IN) :: flagth     ! flag for qsat calculation for thermals
527    INTEGER, INTENT(IN) :: phase
528    ! phase: 0=depend on temperature sign (temp>tref -> liquid, temp<tref, solid)
529    !        1=liquid
530    !        2=solid
531
532    REAL, INTENT(OUT), DIMENSION(klon) :: qs      ! saturation specific humidity [kg/kg]
533    REAL, INTENT(OUT), DIMENSION(klon) :: dqs     ! derivation of saturation specific humidity wrt T
534
535    REAL delta, cor, cvm5
536    INTEGER i
537
538    DO i=1,klon
539
540    IF (phase .EQ. 1) THEN
541        delta=0.
542    ELSEIF (phase .EQ. 2) THEN
543        delta=1.
544    ELSE
545        delta=MAX(0.,SIGN(1.,tref-temp(i)))
546    ENDIF
547
548    IF (flagth) THEN
549    cvm5=R5LES*(1.-delta) + R5IES*delta
550    ELSE
551    cvm5 = R5LES*RLVTT*(1.-delta) + R5IES*RLSTT*delta
552    cvm5 = cvm5 /RCPD/(1.0+RVTMP2*(qtot(i)))
553    ENDIF
554
555    qs(i)= R2ES*FOEEW(temp(i),delta)/pressure(i)
556    qs(i)=MIN(0.5,qs(i))
557    cor=1./(1.-RETV*qs(i))
558    qs(i)=qs(i)*cor
559    dqs(i)= FOEDE(temp(i),delta,cvm5,qs(i),cor)
560
561    END DO
562
563END SUBROUTINE CALC_QSAT_ECMWF
564!+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
565
566
567!+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
568SUBROUTINE CALC_GAMMASAT(klon,temp,qtot,pressure,gammasat,dgammasatdt)
569
570!+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
571    ! programme that calculates the gammasat parameter that determines the
572    ! homogeneous condensation thresholds for cold (<0oC) clouds
573    ! condensation at q>gammasat*qsat
574    ! Etienne Vignon, March 2021
575!+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
576
577    use lmdz_lscp_ini, only: iflag_gammasat, t_glace_min, RTT
578
579    IMPLICIT NONE
580
581
582    INTEGER, INTENT(IN) :: klon                       ! number of horizontal grid points
583    REAL, INTENT(IN), DIMENSION(klon) :: temp         ! temperature in K
584    REAL, INTENT(IN), DIMENSION(klon) :: qtot         ! total specific water in kg/kg
585
586    REAL, INTENT(IN), DIMENSION(klon) :: pressure     ! pressure in Pa
587
588    REAL, INTENT(OUT), DIMENSION(klon) :: gammasat    ! coefficient to multiply qsat with to calculate saturation
589    REAL, INTENT(OUT), DIMENSION(klon) :: dgammasatdt ! derivative of gammasat wrt temperature
590
591    REAL, DIMENSION(klon) ::  qsi,qsl,dqsl,dqsi
592    REAL  fcirrus, fac
593    REAL, PARAMETER :: acirrus=2.349
594    REAL, PARAMETER :: bcirrus=259.0
595
596    INTEGER i
597   
598        CALL CALC_QSAT_ECMWF(klon,temp,qtot,pressure,RTT,1,.false.,qsl,dqsl)
599        CALL CALC_QSAT_ECMWF(klon,temp,qtot,pressure,RTT,2,.false.,qsi,dqsi)
600
601    DO i=1,klon
602
603        IF (temp(i) .GE. RTT) THEN
604            ! warm clouds: condensation at saturation wrt liquid
605            gammasat(i)=1.
606            dgammasatdt(i)=0.
607
608        ELSEIF ((temp(i) .LT. RTT) .AND. (temp(i) .GT. t_glace_min)) THEN
609           
610            IF (iflag_gammasat .GE. 2) THEN         
611               gammasat(i)=qsl(i)/qsi(i)
612               dgammasatdt(i)=(dqsl(i)*qsi(i)-dqsi(i)*qsl(i))/qsi(i)/qsi(i)
613            ELSE
614               gammasat(i)=1.
615               dgammasatdt(i)=0.
616            ENDIF
617
618        ELSE
619
620            IF (iflag_gammasat .GE.1) THEN
621            ! homogeneous freezing of aerosols, according to
622            ! Koop, 2000 and Karcher 2008, QJRMS
623            ! 'Cirrus regime'
624               fcirrus=acirrus-temp(i)/bcirrus
625               IF (fcirrus .GT. qsl(i)/qsi(i)) THEN
626                  gammasat(i)=qsl(i)/qsi(i)
627                  dgammasatdt(i)=(dqsl(i)*qsi(i)-dqsi(i)*qsl(i))/qsi(i)/qsi(i)
628               ELSE
629                  gammasat(i)=fcirrus
630                  dgammasatdt(i)=-1.0/bcirrus
631               ENDIF
632           
633            ELSE
634
635               gammasat(i)=1.
636               dgammasatdt(i)=0.
637
638            ENDIF
639
640        ENDIF
641   
642    END DO
643
644
645END SUBROUTINE CALC_GAMMASAT
646!+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
647
648
649!++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
650SUBROUTINE DISTANCE_TO_CLOUD_TOP(klon,klev,k,temp,pplay,paprs,rneb,distcltop1D,temp_cltop)
651!++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
652   
653   USE lmdz_lscp_ini, ONLY : rd,rg,tresh_cl
654
655   IMPLICIT NONE
656   
657   INTEGER, INTENT(IN) :: klon,klev                !number of horizontal and vertical grid points
658   INTEGER, INTENT(IN) :: k                        ! vertical index
659   REAL, INTENT(IN), DIMENSION(klon,klev) :: temp  ! temperature in K
660   REAL, INTENT(IN), DIMENSION(klon,klev) :: pplay ! pressure middle layer in Pa
661   REAL, INTENT(IN), DIMENSION(klon,klev+1) :: paprs ! pressure interfaces in Pa
662   REAL, INTENT(IN), DIMENSION(klon,klev) :: rneb  ! cloud fraction
663
664   REAL, INTENT(OUT), DIMENSION(klon) :: distcltop1D  ! distance from cloud top
665   REAL, INTENT(OUT), DIMENSION(klon) :: temp_cltop     ! temperature of cloud top
666   
667   REAL dzlay(klon,klev)
668   REAL zlay(klon,klev)
669   REAL dzinterf
670   INTEGER i,k_top, kvert
671   LOGICAL bool_cl
672
673
674   DO i=1,klon
675         ! Initialization height middle of first layer
676          dzlay(i,1) = Rd * temp(i,1) / rg * log(paprs(i,1)/paprs(i,2))
677          zlay(i,1) = dzlay(i,1)/2
678
679          DO kvert=2,klev
680                 IF (kvert.EQ.klev) THEN
681                       dzlay(i,kvert) = 2*(rd * temp(i,kvert) / rg * log(paprs(i,kvert)/pplay(i,kvert)))
682                 ELSE
683                       dzlay(i,kvert) = rd * temp(i,kvert) / rg * log(paprs(i,kvert)/paprs(i,kvert+1))
684                 ENDIF
685                       dzinterf       = rd * temp(i,kvert) / rg * log(pplay(i,kvert-1)/pplay(i,kvert))
686                       zlay(i,kvert)  = zlay(i,kvert-1) + dzinterf
687           ENDDO
688   ENDDO
689   
690   DO i=1,klon
691          k_top = k
692          IF (rneb(i,k) .LE. tresh_cl) THEN
693                 bool_cl = .FALSE.
694          ELSE
695                 bool_cl = .TRUE.
696          ENDIF
697
698          DO WHILE ((bool_cl) .AND. (k_top .LE. klev))
699          ! find cloud top
700                IF (rneb(i,k_top) .GT. tresh_cl) THEN
701                      k_top = k_top + 1
702                ELSE
703                      bool_cl = .FALSE.
704                      k_top   = k_top - 1
705                ENDIF
706          ENDDO
707          k_top=min(k_top,klev)
708
709          !dist to top is dist between current layer and layer of cloud top (from middle to middle) + dist middle to
710          !interf for layer of cloud top
711          distcltop1D(i) = zlay(i,k_top) - zlay(i,k) + dzlay(i,k_top)/2
712          temp_cltop(i)  = temp(i,k_top)
713   ENDDO ! klon
714
715END SUBROUTINE DISTANCE_TO_CLOUD_TOP
716!++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
717
718END MODULE lmdz_lscp_tools
719
720
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.