source: trunk/LMDZ.GENERIC/libf/phystd/condense_co2.F90 @ 3523

Last change on this file since 3523 was 2972, checked in by emillour, 18 months ago

Generic PCM:
Make number of scatterers fully dynamic (i.e. set in callphys.def
and no longer by compilation option "-s #").
One should now specify
naerkind = #
in callphys.def (default is 0).
EM

  • Property svn:executable set to *
File size: 18.4 KB
Line 
1      subroutine condense_co2(ngrid,nlayer,nq,ptimestep, &
2          pcapcal,pplay,pplev,ptsrf,pt,                  &
3          pdt,pdtsrf,pq,pdq,                             &
4          pqsurf,pdqsurfc,albedo,pemisurf,               &
5          albedo_bareground,albedo_co2_ice_SPECTV,       &
6          pdtc,pdtsrfc,pdpsrfc,pdqc)
7
8      use radinc_h, only : L_NSPECTV
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: emisice, emissiv
13      USE geometry_mod, only: latitude ! in radians
14      USE tracer_h, only: noms, rho_co2
15      use comcstfi_mod, only: g, r, cpp
16
17      implicit none
18
19!==================================================================
20!     Purpose
21!     -------
22!     Condense and/or sublime CO2 ice on the ground and in the atmosphere, and sediment the ice.
23
24!     Inputs
25!     ------
26!     ngrid                 Number of vertical columns.
27!     nlayer                Number of vertical layers.
28!     nq                    Number of tracers.
29!     ptimestep             Duration of the physical timestep (s).
30!     pplay(ngrid,nlayer)   Pressure layers (Pa).
31!     pplev(ngrid,nlayer+1) Pressure levels (Pa).
32!     pt(ngrid,nlayer)      Atmospheric Temperatures (K).
33!     ptsrf(ngrid)          Surface temperatures (K).
34!     pq(ngrid,nlayer,nq)   Atmospheric tracers mixing ratios (kg/kg of air).
35!     pqsurf(ngrid,nq)      Surface tracers (kg/m2).
36!     
37!     pdt(ngrid,nlayer)     Time derivative before condensation/sublimation of pt.
38!     pdtsrf(ngrid)         Time derivative before condensation/sublimation of ptsrf.
39!     pdq(ngrid,nlayer,nq)  Time derivative before condensation/sublimation of
40!
41!     albedo_bareground(ngrid)           Albedo of the bare ground.
42!     albedo_co2_ice_SPECTV(L_NSPECTV)   Spectral albedo of CO2 ice.
43!     
44!     Outputs
45!     -------
46!     pdpsrfc(ngrid)          \       Contribution of condensation/sublimation
47!     pdtc(ngrid,nlayer)       \            to the time derivatives of
48!     pdtsrfc(ngrid)           /     Surface Pressure, Atmospheric Temperatures,
49!     pdqsurfc(ngrid)         /         Surface Temperatures, Surface Tracers,
50!     pdqc(ngrid,nlayer,nq)  /                and Atmospheric Tracers.*
51!
52!     pemisurf(ngrid)              Emissivity of the surface.
53!     
54!     Both
55!     ----
56!     albedo(ngrid,L_NSPECTV)      Spectral albedo of the surface.
57!
58!     Authors
59!     -------
60!     Francois Forget (1996)
61!     Converted to Fortran 90 and slightly modified by R. Wordsworth (2009)
62!     Includes simplifed nucleation by J. Leconte (2011)
63!     
64!==================================================================
65
66!--------------------------
67!        Arguments
68!--------------------------
69
70
71      INTEGER,INTENT(IN) :: ngrid
72      INTEGER,INTENT(IN) :: nlayer
73      INTEGER,INTENT(IN) :: nq
74      REAL,INTENT(IN) :: ptimestep
75      REAL,INTENT(IN) :: pcapcal(ngrid)
76      REAL,INTENT(IN) :: pplay(ngrid,nlayer)
77      REAL,INTENT(IN) :: pplev(ngrid,nlayer+1)
78      REAL,INTENT(IN) :: ptsrf(ngrid)
79      REAL,INTENT(IN) :: pt(ngrid,nlayer)
80      REAL,INTENT(IN) :: pdt(ngrid,nlayer)
81      REAL,INTENT(IN) :: pdtsrf(ngrid)
82      REAL,INTENT(IN) :: pq(ngrid,nlayer,nq)
83      REAL,INTENT(IN) :: pqsurf(ngrid,nq)
84      REAL,INTENT(IN) :: pdq(ngrid,nlayer,nq)
85      REAL,INTENT(IN) :: albedo_bareground(ngrid)
86      REAL,INTENT(IN) :: albedo_co2_ice_SPECTV(L_NSPECTV)
87      REAL,INTENT(INOUT) :: albedo(ngrid,L_NSPECTV)
88      REAL,INTENT(OUT) :: pemisurf(ngrid)
89      REAL,INTENT(OUT) :: pdtc(ngrid,nlayer)
90      REAL,INTENT(OUT) :: pdtsrfc(ngrid)
91      REAL,INTENT(OUT) :: pdpsrfc(ngrid)
92      REAL,INTENT(OUT) :: pdqc(ngrid,nlayer,nq)
93      REAL,INTENT(OUT) :: pdqsurfc(ngrid)
94
95!------------------------------
96!       Local variables
97!------------------------------
98
99      INTEGER l,ig,icap,ilay,iq,nw,igas,it
100
101      REAL reffrad(ngrid,nlayer) ! Radius (m) of the CO2 ice particles.
102      REAL*8 zt(ngrid,nlayer)    ! Updated Atmospheric Temperatures (K).
103      REAL ztsrf(ngrid)          ! Updated Surface Temperatures (K).
104      REAL zq(ngrid,nlayer,nq)   ! Updated Atmospheric tracers mixing ratios (kg/kg of air).
105      REAL piceco2(ngrid)        ! Updated Surface Tracer (kg/m2).
106      REAL ztcond (ngrid,nlayer) ! Atmospheric Temperatures of condensation of CO2.
107      REAL ztnuc (ngrid,nlayer)  ! Atmospheric Nucleation Temperatures.
108      REAL ztcondsol(ngrid)      ! Temperatures of condensation of CO2 at the surface.
109      REAL zcondices(ngrid)      ! Condensation rate on the ground (kg/m2/s).
110      REAL zfallice(ngrid)       ! Flux of ice falling on the surface (kg/m2/s).
111      REAL Mfallice(ngrid)       ! Total amount of ice fallen to the ground during the timestep (kg/m2).
112      REAL wq(ngrid,nlayer+1)    ! Total amount of ice fallen to the ground during the timestep (kg/m2).
113      REAL subptimestep          ! Duration of the subtimestep (s) for the sedimentation.
114      Integer Ntime              ! Number of subtimesteps.
115      REAL masse (ngrid,nlayer)  ! Mass of atmospheric layers (kg/m2)
116      REAL w(ngrid,nlayer,nq)    !
117      REAL vstokes,reff          !
118      REAL ppco2                 !
119
120
121!------------------------------------------
122!         Saved local variables
123!------------------------------------------
124
125
126      REAL,SAVE :: latcond=5.9e5
127      REAL,SAVE :: ccond
128      REAL,SAVE,ALLOCATABLE,DIMENSION(:) :: emisref
129!$OMP THREADPRIVATE(latcond,ccond,emisref)
130      LOGICAL,SAVE :: firstcall=.true.
131!$OMP THREADPRIVATE(firstcall)
132      INTEGER,SAVE :: i_co2ice=0      ! co2 ice
133!$OMP THREADPRIVATE(i_co2ice)
134      CHARACTER(LEN=20) :: tracername ! to temporarily store text
135
136
137!------------------------------------------------
138!       Initialization at the first call
139!------------------------------------------------
140
141
142      IF (firstcall) THEN
143
144         ALLOCATE(emisref(ngrid))
145         ! Find CO2 ice tracer.
146         do iq=1,nq
147            tracername=noms(iq)
148            if (tracername.eq."co2_ice") then
149               i_co2ice=iq
150            endif
151         enddo
152         
153         write(*,*) "condense_co2: i_co2ice=",i_co2ice       
154
155         if((i_co2ice.lt.1))then
156            print*,'In condens_cloud but no CO2 ice tracer, exiting.'
157            print*,'Still need generalisation to arbitrary species!'
158            stop
159         endif
160
161         ccond=cpp/(g*latcond)
162         print*,'In condens_cloud: ccond=',ccond,' latcond=',latcond
163
164         ! Prepare special treatment if gas is not pure CO2
165         ! if (addn2) then
166         !    m_co2   = 44.01E-3 ! CO2 molecular mass (kg/mol)   
167         !    m_noco2 = 28.02E-3 ! N2 molecular mass (kg/mol) 
168         ! Compute A and B coefficient use to compute
169         ! mean molecular mass Mair defined by
170         ! 1/Mair = q(ico2)/m_co2 + (1-q(ico2))/m_noco2
171         ! 1/Mair = A*q(ico2) + B
172         ! A = (1/m_co2 - 1/m_noco2)
173         ! B = 1/m_noco2
174         ! endif
175
176         ! Minimum CO2 mixing ratio below which mixing occurs with layer above : qco2min =0.75 
177
178           firstcall=.false.
179      ENDIF
180
181
182!------------------------------------------------
183!        Tendencies initially set to 0
184!------------------------------------------------
185
186
187      pdqc(1:ngrid,1:nlayer,1:nq)     = 0.
188      pdtc(1:ngrid,1:nlayer)          = 0.
189      zq(1:ngrid,1:nlayer,1:nq)       = 0.
190      zt(1:ngrid,1:nlayer)            = 0.
191      Mfallice(1:ngrid)               = 0.     
192      zfallice(1:ngrid)               = 0.
193      zcondices(1:ngrid)              = 0.
194      pdtsrfc(1:ngrid)                = 0.
195      pdpsrfc(1:ngrid)                = 0.
196      pdqsurfc(1:ngrid)               = 0.
197
198
199!----------------------------------
200!     Atmospheric condensation
201!----------------------------------
202
203
204!     Compute CO2 Volume mixing ratio
205!     -------------------------------
206!      if (addn2) then
207!         DO l=1,nlayer
208!            DO ig=1,ngrid
209!              qco2=pq(ig,l,ico2)+pdq(ig,l,ico2)*ptimestep
210!              Mean air molecular mass = 1/(q(ico2)/m_co2 + (1-q(ico2))/m_noco2)
211!              mmean=1/(A*qco2 +B)
212!              vmr_co2(ig,l) = qco2*mmean/m_co2
213!            ENDDO
214!         ENDDO
215!      else
216!         DO l=1,nlayer
217!            DO ig=1,ngrid
218!              vmr_co2(ig,l)=0.5
219!            ENDDO
220!         ENDDO
221!      end if
222
223
224      ! Forecast the atmospheric frost temperature 'ztcond' and nucleation temperature 'ztnuc'.
225      DO l=1,nlayer
226         DO ig=1,ngrid
227            ppco2=gfrac(igas_CO2)*pplay(ig,l)
228            call get_tcond_co2(ppco2,ztcond(ig,l))
229            call get_tnuc_co2(ppco2,ztnuc(ig,l))
230         ENDDO
231      ENDDO
232     
233      ! Initialize zq and zt at the beginning of the sub-timestep loop and qsurf.
234      DO ig=1,ngrid
235         piceco2(ig)=pqsurf(ig,i_co2ice)
236         DO l=1,nlayer
237            zt(ig,l)=pt(ig,l)
238            zq(ig,l,i_co2ice)=pq(ig,l,i_co2ice)
239            IF( zq(ig,l,i_co2ice).lt.-1.e-6 ) THEN
240               print*,'Uh-oh, zq = ',zq(ig,l,i_co2ice),'at ig,l=',ig,l
241               if(l.eq.1)then
242                  print*,'Perhaps the atmosphere is collapsing on surface...?'
243               endif
244            END IF
245         ENDDO
246      ENDDO
247
248      ! Calculate the mass of each atmospheric layer (kg.m-2)
249      do  ilay=1,nlayer
250         DO ig=1,ngrid
251            masse(ig,ilay)=(pplev(ig,ilay) - pplev(ig,ilay+1)) /g
252         end do
253      end do
254
255
256!-----------------------------------------------------------
257!     START CONDENSATION/SEDIMENTATION SUB-TIME LOOP
258!-----------------------------------------------------------
259
260
261      Ntime =  20  ! number of sub-timestep
262      subptimestep = ptimestep/float(Ntime)           
263
264      ! Add the tendencies from other physical processes at each subtimstep.
265      DO it=1,Ntime
266         DO l=1,nlayer
267            DO ig=1,ngrid
268               zt(ig,l)   = zt(ig,l)   + pdt(ig,l)   * subptimestep
269               zq(ig,l,i_co2ice) = zq(ig,l,i_co2ice) + pdq(ig,l,i_co2ice) * subptimestep
270            END DO
271         END DO
272
273         ! Gravitational sedimentation starts.
274           
275         ! Sedimentation computed from radius computed from q in module radii_mod.
276         call co2_reffrad(ngrid,nlayer,nq,zq,reffrad)
277         
278         DO  ilay=1,nlayer
279            DO ig=1,ngrid
280
281               reff = reffrad(ig,ilay)
282
283               call stokes                      &
284                   (pplev(ig,ilay),pt(ig,ilay), &
285                    reff,vstokes,rho_co2)
286
287               !w(ig,ilay,i_co2ice) = 0.0
288               w(ig,ilay,i_co2ice) = vstokes *  subptimestep * &
289                   pplev(ig,ilay)/(r*pt(ig,ilay))
290
291            END DO
292         END DO
293
294         ! Computing q after sedimentation
295         call vlz_fi(ngrid,nlayer,zq(1,1,i_co2ice),2.,masse,w(1,1,i_co2ice),wq)
296
297
298         ! Progressively accumulating the flux to the ground.
299         ! Mfallice is the total amount of ice fallen to the ground.
300         DO ig=1,ngrid
301            Mfallice(ig) =  Mfallice(ig) + wq(ig,i_co2ice)
302         END DO
303
304!----------------------------------------------------------
305!       Condensation / sublimation in the atmosphere
306!----------------------------------------------------------
307!     (MODIFICATIONS FOR EARLY MARS: falling heat neglected, condensation of CO2 into tracer i_co2ice)
308
309
310         DO l=nlayer , 1, -1
311            DO ig=1,ngrid
312               pdtc(ig,l)=0.
313
314               ! ztcond-> ztnuc in test beneath to nucleate only when super saturation occurs(JL 2011)
315               IF ((zt(ig,l).LT.ztnuc(ig,l)).or.(zq(ig,l,i_co2ice).gt.1.E-10)) THEN
316                  pdtc(ig,l)   = (ztcond(ig,l) - zt(ig,l))/subptimestep
317                  pdqc(ig,l,i_co2ice) = pdtc(ig,l)*ccond*g
318
319                  ! Case when the ice from above sublimes entirely
320                  IF ((zq(ig,l,i_co2ice).lt.-pdqc(ig,l,i_co2ice)*subptimestep) &
321                      .AND. (zq(ig,l,i_co2ice).gt.0)) THEN
322
323                     pdqc(ig,l,i_co2ice) = -zq(ig,l,i_co2ice)/subptimestep
324                     pdtc(ig,l)   =-zq(ig,l,i_co2ice)/(ccond*g*subptimestep)
325
326                  END IF
327
328                  ! Temperature and q after condensation
329                  zt(ig,l)   = zt(ig,l)   + pdtc(ig,l)   * subptimestep
330                  zq(ig,l,i_co2ice) = zq(ig,l,i_co2ice) + pdqc(ig,l,i_co2ice) * subptimestep
331               END IF
332
333            ENDDO
334         ENDDO
335         
336      ENDDO! end of subtimestep loop.
337
338      ! Computing global tendencies after the subtimestep.
339      DO l=1,nlayer
340         DO ig=1,ngrid
341            pdtc(ig,l) = &
342              (zt(ig,l) - (pt(ig,l) + pdt(ig,l)*ptimestep))/ptimestep
343            pdqc(ig,l,i_co2ice) = &
344              (zq(ig,l,i_co2ice)-(pq(ig,l,i_co2ice)+pdq(ig,l,i_co2ice)*ptimestep))/ptimestep
345         END DO
346      END DO
347      DO ig=1,ngrid
348         zfallice(ig) = Mfallice(ig)/ptimestep
349      END DO
350
351
352!-----------------------------------------------------------------------
353!              Condensation/sublimation on the ground
354!-----------------------------------------------------------------------
355
356
357      ! Forecast of ground temperature ztsrf and frost temperature ztcondsol.
358      DO ig=1,ngrid
359         ppco2=gfrac(igas_CO2)*pplay(ig,1)
360         call get_tcond_co2(ppco2,ztcondsol(ig))
361         
362         ztsrf(ig) = ptsrf(ig)
363
364         if((ztsrf(ig).le.ztcondsol(ig)+2.0).and.(ngrid.eq.1))then
365            print*,'CO2 is condensing on the surface in 1D. This atmosphere is doomed.'
366            print*,'T_surf = ',ztsrf,'K'
367            print*,'T_cond = ',ztcondsol,'K'
368            open(116,file='surf_vals.out')
369            write(116,*) 0.0, pplev(1,1), 0.0, 0.0
370            close(116)
371            call abort
372         endif
373
374         ztsrf(ig) = ptsrf(ig) + pdtsrf(ig)*ptimestep
375
376      ENDDO
377     
378      DO ig=1,ngrid
379     
380         IF(ig.GT.ngrid/2+1) THEN
381            icap=2
382         ELSE
383            icap=1
384         ENDIF
385
386         ! Loop over where we have condensation / sublimation
387         IF ((ztsrf(ig) .LT. ztcondsol(ig)) .OR.           &        ! ground condensation
388                    (zfallice(ig).NE.0.) .OR.              &        ! falling snow
389                    ((ztsrf(ig) .GT. ztcondsol(ig)) .AND.  &        ! ground sublimation
390                    ((piceco2(ig)+zfallice(ig)*ptimestep) .NE. 0.))) THEN
391
392
393            ! Condensation or partial sublimation of CO2 ice
394            zcondices(ig)=pcapcal(ig)*(ztcondsol(ig)-ztsrf(ig)) &
395                /(latcond*ptimestep)         
396            pdtsrfc(ig) = (ztcondsol(ig) - ztsrf(ig))/ptimestep
397
398            ! If the entire CO_2 ice layer sublimes
399            ! (including what has just condensed in the atmosphere)
400            IF((piceco2(ig)/ptimestep+zfallice(ig)).LE. &
401                -zcondices(ig))THEN
402               zcondices(ig) = -piceco2(ig)/ptimestep - zfallice(ig)
403               pdtsrfc(ig)=(latcond/pcapcal(ig))*       &
404                   (zcondices(ig))
405            END IF
406
407            ! Changing CO2 ice amount and pressure
408            piceco2(ig)  =  piceco2(ig)   + pdqsurfc(ig)*ptimestep
409            pdqsurfc(ig) =  zcondices(ig) + zfallice(ig)
410            pdpsrfc(ig)  = -pdqsurfc(ig)*g
411
412            IF(ABS(pdpsrfc(ig)*ptimestep).GT.pplev(ig,1)) THEN
413               PRINT*,'STOP in condens in condense_co2'
414               PRINT*,'condensing more than total mass'
415               PRINT*,'Grid point ',ig
416               PRINT*,'Ps = ',pplev(ig,1)
417               PRINT*,'d Ps = ',pdpsrfc(ig)
418               STOP
419            ENDIF
420         END IF
421         
422      ENDDO ! end of ngrid loop.
423
424
425!---------------------------------------------------------------------------------------------
426!     Surface albedo and emissivity of the ground below the snow (emisref)
427!---------------------------------------------------------------------------------------------
428
429
430      DO ig=1,ngrid
431     
432         IF(latitude(ig).LT.0.) THEN
433            icap=2 ! Southern Hemisphere
434         ELSE
435            icap=1 ! Nortnern hemisphere
436         ENDIF
437
438         if(.not.piceco2(ig).ge.0.) THEN
439            if(piceco2(ig).le.-1.e-8) print*,   &
440              'WARNING : in condense_co2cloud: piceco2(',ig,')=', piceco2(ig)
441            piceco2(ig)=0.
442         endif
443         if (piceco2(ig) .gt. 1.) then  ! CO2 Albedo condition changed to ~1 mm coverage. Change by MT2015.
444            DO nw=1,L_NSPECTV
445               albedo(ig,nw) = albedo_co2_ice_SPECTV(nw)
446            ENDDO
447            emisref(ig)   = emisice(icap)
448         else
449            DO nw=1,L_NSPECTV
450               albedo(ig,nw) = albedo_bareground(ig) ! Note : If you have some water, it will be taken into account in the "hydrol" routine.
451            ENDDO
452            emisref(ig)   = emissiv
453            pemisurf(ig)  = emissiv
454         end if
455         
456      END DO
457
458      return
459     
460      end subroutine condense_co2
461
462
463
464!-------------------------------------------------------------------------
465!-------------------------------------------------------------------------
466!-------------------------------------------------------------------------
467!-------------------------------------------------------------------------
468!-------------------------------------------------------------------------
469!-------------------------------------------------------------------------
470
471
472
473      subroutine get_tcond_co2(p,tcond)  ! Calculates the condensation temperature for CO2
474     
475
476      implicit none
477
478      real p, peff, tcond
479      real, parameter :: ptriple=518000.0
480
481      peff=p
482
483      if(peff.lt.ptriple) then
484         tcond = (-3167.8)/(log(.01*peff)-23.23) ! Fanale's formula.
485      else
486         tcond = 684.2-92.3*log(peff)+4.32*log(peff)**2 ! liquid-vapour transition (based on CRC handbook 2003 data)       
487      endif
488      return
489
490      end subroutine get_tcond_co2
491
492
493
494!-------------------------------------------------------------------------
495!-------------------------------------------------------------------------
496!-------------------------------------------------------------------------
497!-------------------------------------------------------------------------
498!-------------------------------------------------------------------------
499!-------------------------------------------------------------------------
500
501
502
503      subroutine get_tnuc_co2(p,tnuc)
504      ! Calculates the nucleation temperature for CO2, based on a simple super saturation criterion. JL 2011.
505
506      use callkeys_mod, only: co2supsat
507
508      implicit none
509
510      real p, peff, tnuc
511      real, parameter :: ptriple=518000.0
512
513      peff=p/co2supsat
514
515      if(peff.lt.ptriple) then
516         tnuc = (-3167.8)/(log(.01*peff)-23.23) ! Fanale's formula
517      else
518         tnuc = 684.2-92.3*log(peff)+4.32*log(peff)**2
519         ! liquid-vapour transition (based on CRC handbook 2003 data)
520      endif
521     
522      return
523
524      end subroutine get_tnuc_co2
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.