source: trunk/LMDZ.GENERIC/libf/phystd/condense_cloud.F90 @ 1330

Last change on this file since 1330 was 1315, checked in by milmd, 10 years ago

LMDZ.GENERIC. OpenMP directives added in generic physic. When running in pure OpenMP or hybrid OpenMP/MPI, may have some bugs with condense_cloud and wstats routines.

  • Property svn:executable set to *
File size: 16.9 KB
Line 
1      subroutine condense_cloud(ngrid,nlayer,nq,ptimestep, &
2          pcapcal,pplay,pplev,ptsrf,pt, &
3          pphi,pdt,pdu,pdv,pdtsrf,pu,pv,pq,pdq, &
4          piceco2,psolaralb,pemisurf, &
5          pdtc,pdtsrfc,pdpsrf,pduc,pdvc, &
6          pdqc)
7
8      use radinc_h, only : naerkind
9      use gases_h, only: gfrac, igas_co2
10      use radii_mod, only : co2_reffrad
11      use aerosol_mod, only : iaero_co2
12      USE surfdat_h, only: albedodat, albedice, emisice, emissiv
13      USE comgeomfi_h, only: lati
14      USE tracer_h, only: noms, rho_co2
15
16
17      implicit none
18
19!==================================================================
20!     Purpose
21!     -------
22!     Condense and/or sublime CO2 ice on the ground and in the
23!     atmosphere, and sediment the ice.
24
25!     Inputs
26!     ------
27!     ngrid                 Number of vertical columns
28!     nlayer                Number of layers
29!     pplay(ngrid,nlayer)   Pressure layers
30!     pplev(ngrid,nlayer+1) Pressure levels
31!     pt(ngrid,nlayer)      Temperature (in K)
32!     ptsrf(ngrid)          Surface temperature
33!     
34!     pdt(ngrid,nlayer)   Time derivative before condensation/sublimation of pt
35!     pdtsrf(ngrid)         Time derivative before condensation/sublimation of ptsrf
36!     pqsurf(ngrid,nq)      Sedimentation flux at the surface (kg.m-2.s-1)
37!     
38!     Outputs
39!     -------
40!     pdpsrf(ngrid)       \  Contribution of condensation/sublimation
41!     pdtc(ngrid,nlayer)  /  to the time derivatives of Ps, pt, and ptsrf
42!     pdtsrfc(ngrid)     /
43!     
44!     Both
45!     ----
46!     piceco2(ngrid)        CO2 ice at the surface (kg/m2)
47!     psolaralb(ngrid)      Albedo at the surface
48!     pemisurf(ngrid)       Emissivity of the surface
49!
50!     Authors
51!     -------
52!     Francois Forget (1996)
53!     Converted to Fortran 90 and slightly modified by R. Wordsworth (2009)
54!     Includes simplifed nucleation by J. Leconte (2011)
55!     
56!==================================================================
57
58!#include "dimensions.h"
59!#include "dimphys.h"
60#include "comcstfi.h"
61!#include "comvert.h"
62#include "callkeys.h"
63
64!-----------------------------------------------------------------------
65!     Arguments
66
67      INTEGER,INTENT(IN) :: ngrid
68      INTEGER,INTENT(IN) :: nlayer
69      INTEGER,INTENT(IN) :: nq
70      REAL,INTENT(IN) :: ptimestep
71      REAL,INTENT(IN) :: pcapcal(ngrid)
72      REAL,INTENT(IN) :: pplay(ngrid,nlayer)
73      REAL,INTENT(IN) :: pplev(ngrid,nlayer+1)
74      REAL,INTENT(IN) :: ptsrf(ngrid)
75      REAL,INTENT(IN) :: pt(ngrid,nlayer)
76      REAL,INTENT(IN) :: pphi(ngrid,nlayer)
77      REAL,INTENT(IN) :: pdt(ngrid,nlayer)
78      REAL,INTENT(IN) :: pdu(ngrid,nlayer)
79      REAL,INTENT(IN) :: pdv(ngrid,nlayer)
80      REAL,INTENT(IN) :: pdtsrf(ngrid)
81      REAL,INTENT(IN) :: pu(ngrid,nlayer)
82      REAL,INTENT(IN) :: pv(ngrid,nlayer)
83      REAL,INTENT(IN) :: pq(ngrid,nlayer,nq)
84      REAL,INTENT(IN) :: pdq(ngrid,nlayer,nq)
85      REAL,INTENT(INOUT) :: piceco2(ngrid)
86      REAL,INTENT(OUT) :: psolaralb(ngrid)
87      REAL,INTENT(OUT) :: pemisurf(ngrid)
88      REAL,INTENT(OUT) :: pdtc(ngrid,nlayer)
89      REAL,INTENT(OUT) :: pdtsrfc(ngrid)
90      REAL,INTENT(OUT) :: pdpsrf(ngrid)
91      REAL,INTENT(OUT) :: pduc(ngrid,nlayer)
92      REAL,INTENT(OUT) :: pdvc(ngrid,nlayer)
93      REAL,INTENT(OUT) :: pdqc(ngrid,nlayer,nq)
94
95!-----------------------------------------------------------------------
96!     Local variables
97
98      INTEGER l,ig,icap,ilay,it,iq
99
100      REAL reffrad(ngrid,nlayer) ! radius (m) of the co2 ice particles
101      REAL*8 zt(ngrid,nlayer)
102      REAL zq(ngrid,nlayer,nq)
103      REAL zcpi
104      REAL ztcond (ngrid,nlayer)
105      REAL ztnuc (ngrid,nlayer)
106      REAL ztcondsol(ngrid)
107      REAL zdiceco2(ngrid)
108      REAL zcondicea(ngrid,nlayer), zcondices(ngrid)
109      REAL zfallice(ngrid), Mfallice(ngrid)
110      REAL zmflux(nlayer+1)
111      REAL zu(nlayer),zv(nlayer)
112      REAL ztsrf(ngrid)
113      REAL ztc(nlayer), ztm(nlayer+1)
114      REAL zum(nlayer+1) , zvm(nlayer+1)
115      LOGICAL condsub(ngrid)
116      REAL subptimestep
117      Integer Ntime
118      real masse (ngrid,nlayer), w(ngrid,nlayer,nq)
119      real wq(ngrid,nlayer+1)
120      real vstokes,reff
121
122!     Special diagnostic variables
123      real tconda1(ngrid,nlayer)
124      real tconda2(ngrid,nlayer)
125      real zdtsig (ngrid,nlayer)
126      real zdt (ngrid,nlayer)
127
128!-----------------------------------------------------------------------
129!     Saved local variables
130
131      REAL,SAVE :: latcond=5.9e5
132      REAL,SAVE :: ccond
133      REAL,SAVE :: cpice=1000.
134      REAL,SAVE,ALLOCATABLE,DIMENSION(:) :: emisref
135!$OMP THREADPRIVATE(latcond,ccond,cpice,emisref)
136
137      LOGICAL,SAVE :: firstcall=.true.
138!$OMP THREADPRIVATE(firstcall)
139      REAL,EXTERNAL :: SSUM
140
141      REAL,EXTERNAL :: CBRT
142
143      INTEGER,SAVE :: i_co2ice=0      ! co2 ice
144!$OMP THREADPRIVATE(i_co2ice)
145      CHARACTER(LEN=20) :: tracername ! to temporarily store text
146
147      integer igas
148
149      real ppco2
150
151!-----------------------------------------------------------------------
152!     Initializations
153
154      pdqc(1:ngrid,1:nlayer,1:nq)=0
155      pdtc(1:ngrid,1:nlayer)=0
156      zq(1:ngrid,1:nlayer,1:nq)=0
157      zt(1:ngrid,1:nlayer)=0
158
159!     Initialisation
160      IF (firstcall) THEN
161
162         ALLOCATE(emisref(ngrid)) !! this should be deallocated in lastcall...
163
164         ! find CO2 ice tracer
165         do iq=1,nq
166            tracername=noms(iq)
167            if (tracername.eq."co2_ice") then
168               i_co2ice=iq
169            endif
170         enddo
171         
172        write(*,*) "condense_cloud: i_co2ice=",i_co2ice       
173
174        if((i_co2ice.lt.1))then
175           print*,'In condens_cloud but no CO2 ice tracer, exiting.'
176           print*,'Still need generalisation to arbitrary species!'
177           stop
178        endif
179
180         ccond=cpp/(g*latcond)
181         print*,'In condens_cloud: ccond=',ccond,' latcond=',latcond
182
183!          Prepare special treatment if gas is not pure CO2
184             !if (addn2) then
185             !   m_co2   = 44.01E-3 ! CO2 molecular mass (kg/mol)   
186             !   m_noco2 = 28.02E-3 ! N2 molecular mass (kg/mol) 
187!               Compute A and B coefficient use to compute
188!               mean molecular mass Mair defined by
189!               1/Mair = q(ico2)/m_co2 + (1-q(ico2))/m_noco2
190!               1/Mair = A*q(ico2) + B
191             !   A = (1/m_co2 - 1/m_noco2)
192             !   B = 1/m_noco2
193             !endif
194
195!          Minimum CO2 mixing ratio below which mixing occurs with layer above:
196           !qco2min =0.75 
197
198           firstcall=.false.
199      ENDIF
200      zcpi=1./cpp
201
202!-----------------------------------------------------------------------
203!     Calculation of CO2 condensation / sublimation
204!
205!     Variables used:
206!     piceco2(ngrid)       amount of co2 ice on the ground  (kg/m2)
207!     zcondicea(ngrid,l)   condensation rate in layer l     (kg/m2/s)
208!     zcondices(ngrid)     condensation rate on the ground  (kg/m2/s)
209!     zfallice(ngrid)      flux of ice falling on surface   (kg/m2/s)
210!     pdtc(ngrid,nlayer) dT/dt due to phase changes       (K/s)
211     
212
213!     Tendencies initially set to 0 (except pdtc)
214      DO l=1,nlayer
215         DO ig=1,ngrid
216            zcondicea(ig,l) = 0.
217            pduc(ig,l)  = 0
218            pdvc(ig,l)  = 0
219            pdqc(ig,l,i_co2ice)  = 0
220         END DO
221      END DO
222     
223      DO ig=1,ngrid
224         Mfallice(ig) = 0.
225         zfallice(ig) = 0.
226         zcondices(ig) = 0.
227         pdtsrfc(ig) = 0.
228         pdpsrf(ig) = 0.
229         condsub(ig) = .false.
230         zdiceco2(ig) = 0.
231      ENDDO
232
233!-----------------------------------------------------------------------
234!     Atmospheric condensation
235
236
237!     Compute CO2 Volume mixing ratio
238!     -------------------------------
239!      if (addn2) then
240!         DO l=1,nlayer
241!            DO ig=1,ngrid
242!              qco2=pq(ig,l,ico2)+pdq(ig,l,ico2)*ptimestep
243!!             Mean air molecular mass = 1/(q(ico2)/m_co2 + (1-q(ico2))/m_noco2)
244!              mmean=1/(A*qco2 +B)
245!              vmr_co2(ig,l) = qco2*mmean/m_co2
246!            ENDDO
247!         ENDDO
248!      else
249!         DO l=1,nlayer
250!            DO ig=1,ngrid
251!              vmr_co2(ig,l)=0.5
252!            ENDDO
253!         ENDDO
254!      end if
255
256!     Forecast the atmospheric frost temperature 'ztcond' and nucleation temperature 'ztnuc'
257      DO l=1,nlayer
258         DO ig=1,ngrid
259            ppco2=gfrac(igas_CO2)*pplay(ig,l)
260            call get_tcond_co2(ppco2,ztcond(ig,l))
261            call get_tnuc_co2(ppco2,ztnuc(ig,l))
262         ENDDO
263      ENDDO
264     
265!     Initialize zq and zt at the beginning of the sub-timestep loop
266      DO l=1,nlayer
267         DO ig=1,ngrid
268            zt(ig,l)=pt(ig,l)
269            zq(ig,l,i_co2ice)=pq(ig,l,i_co2ice)
270            IF( zq(ig,l,i_co2ice).lt.-1.e-6 ) THEN
271               print*,'Uh-oh, zq = ',zq(ig,l,i_co2ice),'at ig,l=',ig,l
272               if(l.eq.1)then
273                  print*,'Perhaps the atmosphere is collapsing on surface...?'
274               endif
275            END IF
276         ENDDO
277      ENDDO
278
279!     Calculate the mass of each atmospheric layer (kg.m-2)
280      do  ilay=1,nlayer
281         DO ig=1,ngrid
282            masse(ig,ilay)=(pplev(ig,ilay) - pplev(ig,ilay+1)) /g
283         end do
284      end do
285
286!     -----------------------------------------------
287!     START CONDENSATION/SEDIMENTATION SUB-TIME LOOP
288!     -----------------------------------------------
289      Ntime =  20               ! number of sub-timestep
290      subptimestep = ptimestep/float(Ntime)           
291
292      DO it=1,Ntime
293
294!     Add the tendencies from other physical processes at each subtimstep
295         DO l=1,nlayer
296            DO ig=1,ngrid
297               zt(ig,l)   = zt(ig,l)   + pdt(ig,l)   * subptimestep
298               zq(ig,l,i_co2ice) = zq(ig,l,i_co2ice) + pdq(ig,l,i_co2ice) * subptimestep
299            END DO
300         END DO
301
302
303!     Gravitational sedimentation
304           
305!     sedimentation computed from radius computed from q in module radii_mod
306         call co2_reffrad(ngrid,nlayer,nq,zq,reffrad)
307         
308         do  ilay=1,nlayer
309            DO ig=1,ngrid
310
311               reff = reffrad(ig,ilay)
312
313               call stokes                      &
314                   (pplev(ig,ilay),pt(ig,ilay), &
315                    reff,vstokes,rho_co2)
316
317               !w(ig,ilay,i_co2ice) = 0.0
318               w(ig,ilay,i_co2ice) = vstokes *  subptimestep * &
319                   pplev(ig,ilay)/(r*pt(ig,ilay))
320
321            end do
322         end do
323
324!     Computing q after sedimentation
325
326         call vlz_fi(ngrid,nlayer,zq(1,1,i_co2ice),2.,masse,w(1,1,i_co2ice),wq)
327
328
329!     Progressively accumulating the flux to the ground
330!     Mfallice is the total amount of ice fallen to the ground
331         DO ig=1,ngrid
332            Mfallice(ig) =  Mfallice(ig) + wq(ig,i_co2ice)
333         end do
334
335
336!     Condensation / sublimation in the atmosphere
337!     --------------------------------------------
338!     (calculation of zcondicea, zfallice and pdtc)
339!     (MODIFICATIONS FOR EARLY MARS: falling heat neglected, condensation
340!     of CO2 into tracer i_co2ice)
341
342         DO l=nlayer , 1, -1
343            DO ig=1,ngrid
344               pdtc(ig,l)=0.
345
346
347   !     ztcond-> ztnuc in test beneath to nucleate only when super saturation occurs(JL 2011)
348               IF ((zt(ig,l).LT.ztnuc(ig,l)).or.(zq(ig,l,i_co2ice).gt.1.E-10)) THEN
349                  condsub(ig)=.true.
350                  pdtc(ig,l)   = (ztcond(ig,l) - zt(ig,l))/subptimestep
351                  pdqc(ig,l,i_co2ice) = pdtc(ig,l)*ccond*g
352
353!     Case when the ice from above sublimes entirely
354                  IF ((zq(ig,l,i_co2ice).lt.-pdqc(ig,l,i_co2ice)*subptimestep) &
355                      .AND. (zq(ig,l,i_co2ice).gt.0)) THEN
356
357                     pdqc(ig,l,i_co2ice) = -zq(ig,l,i_co2ice)/subptimestep
358                     pdtc(ig,l)   =-zq(ig,l,i_co2ice)/(ccond*g*subptimestep)
359
360                  END IF
361
362!     Temperature and q after condensation
363                  zt(ig,l)   = zt(ig,l)   + pdtc(ig,l)   * subptimestep
364                  zq(ig,l,i_co2ice) = zq(ig,l,i_co2ice) + pdqc(ig,l,i_co2ice) * subptimestep
365               END IF
366
367            ENDDO
368         ENDDO
369      ENDDO                     ! end of subtimestep loop
370
371!     Computing global tendencies after the subtimestep
372      DO l=1,nlayer
373         DO ig=1,ngrid
374            pdtc(ig,l) = &
375              (zt(ig,l) - (pt(ig,l) + pdt(ig,l)*ptimestep))/ptimestep
376            pdqc(ig,l,i_co2ice) = &
377              (zq(ig,l,i_co2ice)-(pq(ig,l,i_co2ice)+pdq(ig,l,i_co2ice)*ptimestep))/ptimestep
378         END DO
379      END DO
380      DO ig=1,ngrid
381         zfallice(ig) = Mfallice(ig)/ptimestep
382      END DO
383
384
385!-----------------------------------------------------------------------
386!     Condensation/sublimation on the ground
387!     (calculation of zcondices and pdtsrfc)
388
389!     forecast of ground temperature ztsrf and frost temperature ztcondsol
390      DO ig=1,ngrid
391         ppco2=gfrac(igas_CO2)*pplay(ig,1)
392         call get_tcond_co2(ppco2,ztcondsol(ig))
393         
394         ztsrf(ig) = ptsrf(ig)
395
396         if((ztsrf(ig).le.ztcondsol(ig)+2.0).and.(ngrid.eq.1))then
397            print*,'CO2 is condensing on the surface in 1D. This atmosphere is doomed.'
398            print*,'T_surf = ',ztsrf,'K'
399            print*,'T_cond = ',ztcondsol,'K'
400            open(116,file='surf_vals.out')
401            write(116,*) 0.0, pplev(1,1), 0.0, 0.0
402            close(116)
403            call abort
404         endif
405
406         ztsrf(ig) = ptsrf(ig) + pdtsrf(ig)*ptimestep
407
408      ENDDO
409     
410      DO ig=1,ngrid
411         IF(ig.GT.ngrid/2+1) THEN
412            icap=2
413         ELSE
414            icap=1
415         ENDIF
416
417!     Loop over where we have condensation / sublimation
418         IF ((ztsrf(ig) .LT. ztcondsol(ig)) .OR.           &        ! ground condensation
419                    (zfallice(ig).NE.0.) .OR.              &        ! falling snow
420                    ((ztsrf(ig) .GT. ztcondsol(ig)) .AND.  &        ! ground sublimation
421                    ((piceco2(ig)+zfallice(ig)*ptimestep) .NE. 0.))) THEN
422            condsub(ig) = .true.
423
424!     Condensation or partial sublimation of CO2 ice
425            zcondices(ig)=pcapcal(ig)*(ztcondsol(ig)-ztsrf(ig)) &
426                /(latcond*ptimestep)         
427            pdtsrfc(ig) = (ztcondsol(ig) - ztsrf(ig))/ptimestep
428
429!     If the entire CO_2 ice layer sublimes
430!     (including what has just condensed in the atmosphere)
431            IF((piceco2(ig)/ptimestep+zfallice(ig)).LE. &
432                -zcondices(ig))THEN
433               zcondices(ig) = -piceco2(ig)/ptimestep - zfallice(ig)
434               pdtsrfc(ig)=(latcond/pcapcal(ig))*       &
435                   (zcondices(ig))
436            END IF
437
438!     Changing CO2 ice amount and pressure
439
440            zdiceco2(ig) = zcondices(ig) + zfallice(ig)
441            piceco2(ig)  = piceco2(ig) + zdiceco2(ig)*ptimestep
442            pdpsrf(ig)   = -zdiceco2(ig)*g
443
444            IF(ABS(pdpsrf(ig)*ptimestep).GT.pplev(ig,1)) THEN
445               PRINT*,'STOP in condens'
446               PRINT*,'condensing more than total mass'
447               PRINT*,'Grid point ',ig
448               PRINT*,'Ps = ',pplev(ig,1)
449               PRINT*,'d Ps = ',pdpsrf(ig)
450               STOP
451            ENDIF
452         END IF
453      ENDDO
454
455!     Surface albedo and emissivity of the ground below the snow (emisref)
456!     --------------------------------------------------------------------
457      DO ig=1,ngrid
458         IF(lati(ig).LT.0.) THEN
459            icap=2 ! Southern Hemisphere
460         ELSE
461            icap=1 ! Nortnern hemisphere
462         ENDIF
463
464         if(.not.piceco2(ig).ge.0.) THEN
465            if(piceco2(ig).le.-1.e-8) print*,   &
466                'WARNING in condense_co2cloud: piceco2(',ig,')=', piceco2(ig)
467            piceco2(ig)=0.
468         endif
469         if (piceco2(ig).gt.0) then
470            psolaralb(ig) = albedice(icap)
471            emisref(ig)   = emisice(icap)
472         else
473            psolaralb(ig) = albedodat(ig)
474            emisref(ig)   = emissiv
475            pemisurf(ig)  = emissiv
476         end if
477      end do
478
479      return
480    end subroutine condense_cloud
481
482!-------------------------------------------------------------------------
483    subroutine get_tcond_co2(p,tcond)
484!   Calculates the condensation temperature for CO2
485
486      implicit none
487
488#include "callkeys.h"
489
490      real p, peff, tcond
491      real, parameter :: ptriple=518000.0
492
493      peff=p
494
495      if(peff.lt.ptriple)then
496         tcond = (-3167.8)/(log(.01*peff)-23.23) ! Fanale's formula
497      else
498         tcond = 684.2-92.3*log(peff)+4.32*log(peff)**2
499         ! liquid-vapour transition (based on CRC handbook 2003 data)
500      endif
501      return
502
503    end subroutine get_tcond_co2
504   
505   
506   
507 
508!-------------------------------------------------------------------------
509    subroutine get_tnuc_co2(p,tnuc)
510!   Calculates the nucleation temperature for CO2, based on a simple super saturation criterion
511!     (JL 2011)
512
513      implicit none
514
515#include "callkeys.h"
516
517      real p, peff, tnuc
518      real, parameter :: ptriple=518000.0
519
520      peff=p/co2supsat
521
522      if(peff.lt.ptriple)then
523         tnuc = (-3167.8)/(log(.01*peff)-23.23) ! Fanale's formula
524      else
525         tnuc = 684.2-92.3*log(peff)+4.32*log(peff)**2
526         ! liquid-vapour transition (based on CRC handbook 2003 data)
527      endif
528      return
529
530    end subroutine get_tnuc_co2
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.