source: trunk/LMDZ.GENERIC/libf/phystd/optci.F90 @ 2870

Last change on this file since 2870 was 2861, checked in by mturbet, 3 years ago

add the CO2-CH4 CIA opacity from Turbet2020 in the model

File size: 16.5 KB
Line 
1MODULE optci_mod
2
3IMPLICIT NONE
4
5CONTAINS
6
7subroutine optci(PLEV,TLEV,DTAUI,TAUCUMI,      &
8     QXIAER,QSIAER,GIAER,COSBI,WBARI,TAUAERO,  &
9     TMID,PMID,TAUGSURF,QVAR,MUVAR)
10
11  use radinc_h, only: L_LEVELS, L_NLAYRAD, L_NSPECTI, L_NGAUSS, &
12                      L_NLEVRAD, L_REFVAR, naerkind
13  use radcommon_h, only: gasi,tlimit,wrefVAR,Cmk,tgasref,pfgasref,wnoi,scalep,indi,glat_ig
14  use gases_h, only: gfrac, ngasmx, igas_N2, igas_He, igas_H2O, igas_H2, igas_CH4
15  use comcstfi_mod, only: g, r, mugaz
16  use callkeys_mod, only: kastprof,continuum,graybody
17  use recombin_corrk_mod, only: corrk_recombin, gasi_recomb
18  use tpindex_mod, only: tpindex
19
20  implicit none
21
22  !==================================================================
23  !     
24  !     Purpose
25  !     -------
26  !     Calculates longwave optical constants at each level. For each
27  !     layer and spectral interval in the IR it calculates WBAR, DTAU
28  !     and COSBAR. For each level it calculates TAU.
29  !     
30  !     TAUCUMI(L,LW) is the cumulative optical depth at level L (or alternatively
31  !     at the *bottom* of layer L), LW is the spectral wavelength interval.
32  !     
33  !     TLEV(L) - Temperature at the layer boundary (i.e., level)
34  !     PLEV(L) - Pressure at the layer boundary (i.e., level)
35  !
36  !     Authors
37  !     -------
38  !     Adapted from the NASA Ames code by R. Wordsworth (2009)
39  !     
40  !==================================================================
41
42
43  real*8 DTAUI(L_NLAYRAD,L_NSPECTI,L_NGAUSS)
44  real*8 DTAUKI(L_LEVELS,L_NSPECTI,L_NGAUSS)
45  real*8 TAUI(L_NLEVRAD,L_NSPECTI,L_NGAUSS)
46  real*8 TAUCUMI(L_LEVELS,L_NSPECTI,L_NGAUSS)
47  real*8 PLEV(L_LEVELS)
48  real*8 TLEV(L_LEVELS)
49  real*8 TMID(L_LEVELS), PMID(L_LEVELS)
50  real*8 COSBI(L_NLAYRAD,L_NSPECTI,L_NGAUSS)
51  real*8 WBARI(L_NLAYRAD,L_NSPECTI,L_NGAUSS)
52
53  ! for aerosols
54  real*8  QXIAER(L_LEVELS,L_NSPECTI,NAERKIND)
55  real*8  QSIAER(L_LEVELS,L_NSPECTI,NAERKIND)
56  real*8  GIAER(L_LEVELS,L_NSPECTI,NAERKIND)
57  real*8  TAUAERO(L_LEVELS,NAERKIND)
58  real*8  TAUAEROLK(L_LEVELS,L_NSPECTI,NAERKIND)
59  real*8  TAEROS(L_LEVELS,L_NSPECTI,NAERKIND)
60
61  integer L, NW, NG, K, LK, IAER
62  integer MT(L_LEVELS), MP(L_LEVELS), NP(L_LEVELS)
63  real*8  ANS, TAUGAS
64  real*8  DPR(L_LEVELS), U(L_LEVELS)
65  real*8  LCOEF(4), LKCOEF(L_LEVELS,4)
66
67  real*8 taugsurf(L_NSPECTI,L_NGAUSS-1)
68  real*8 DCONT,DAERO
69  double precision wn_cont, p_cont, p_air, T_cont, dtemp, dtempc
70  double precision p_cross
71
72  ! variable species mixing ratio variables
73  real*8  QVAR(L_LEVELS), WRATIO(L_LEVELS), MUVAR(L_LEVELS)
74  real*8  KCOEF(4)
75  integer NVAR(L_LEVELS)
76 
77  ! temporary variables to reduce memory access time to gasi
78  real*8 tmpk(2,2)
79  real*8 tmpkvar(2,2,2)
80
81  ! temporary variables for multiple aerosol calculation
82  real*8 atemp
83  real*8 btemp(L_NLAYRAD,L_NSPECTI)
84
85  ! variables for k in units m^-1
86  real*8 dz(L_LEVELS)
87  !real*8 rho !! see test below
88
89  integer igas, jgas
90
91  integer interm
92
93  !--- Kasting's CIA ----------------------------------------
94  !real*8, parameter :: Ci(L_NSPECTI)=[                         &
95  !     3.8E-5, 1.2E-5, 2.8E-6, 7.6E-7, 4.5E-7, 2.3E-7,    &
96  !     5.4E-7, 1.6E-6, 0.0,                               &
97  !     0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0,            &
98  !     0.0, 4.0E-7, 4.0E-6, 1.4E-5,    &
99  !     1.0E-5, 1.2E-6, 2.0E-7, 5.0E-8, 3.0E-8, 0.0 ]
100  !real*8, parameter :: Ti(L_NSPECTI)=[ -2.2, -1.9,             &
101  !     -1.7, -1.7, -1.7, -1.7, -1.7, -1.7,                &
102  !     0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, &
103  !     -1.7,-1.7,-1.7,-1.7,-1.7,-1.7,-1.7, -1.7,0.0 ]
104  !----------------------------------------------------------
105
106  !! AS: to save time in computing continuum (see bilinearbig)
107  IF (.not.ALLOCATED(indi)) THEN
108      ALLOCATE(indi(L_NSPECTI,ngasmx,ngasmx))
109      indi = -9999  ! this initial value means "to be calculated"
110  ENDIF
111
112  !=======================================================================
113  !     Determine the total gas opacity throughout the column, for each
114  !     spectral interval, NW, and each Gauss point, NG.
115
116  taugsurf(:,:) = 0.0
117  dpr(:)        = 0.0
118  lkcoef(:,:)   = 0.0
119
120  do K=2,L_LEVELS
121     DPR(k) = PLEV(K)-PLEV(K-1)
122
123     !--- Kasting's CIA ----------------------------------------
124     !dz(k)=dpr(k)*189.02*TMID(K)/(0.03720*PMID(K))
125     ! this is CO2 path length (in cm) as written by Francois
126     ! delta_z = delta_p * R_specific * T / (g * P)
127     ! But Kasting states that W is in units of _atmosphere_ cm
128     ! So we do
129     !dz(k)=dz(k)*(PMID(K)/1013.25)
130     !dz(k)=dz(k)/100.0 ! in m for SI calc
131     !----------------------------------------------------------
132
133     ! if we have continuum opacities, we need dz
134     if(kastprof)then
135        dz(k) = dpr(k)*(1000.0d0*8.3145d0/muvar(k))*TMID(K)/(g*PMID(K))
136        U(k)  = Cmk*DPR(k)*mugaz/muvar(k)
137     else
138        dz(k) = dpr(k)*R*TMID(K)/(glat_ig*PMID(K))*mugaz/muvar(k)
139        U(k)  = Cmk*DPR(k)*mugaz/muvar(k)     ! only Cmk line in optci.F 
140            !JL13 the mugaz/muvar factor takes into account water meanmolecular weight if water is present
141     endif
142
143     call tpindex(PMID(K),TMID(K),QVAR(K),pfgasref,tgasref,WREFVAR, &
144          LCOEF,MT(K),MP(K),NVAR(K),WRATIO(K))
145
146     do LK=1,4
147        LKCOEF(K,LK) = LCOEF(LK)
148     end do
149  end do                    ! levels
150
151  ! Spectral dependance of aerosol absorption
152  do iaer=1,naerkind
153     DO NW=1,L_NSPECTI
154        do K=2,L_LEVELS
155           TAEROS(K,NW,IAER) = TAUAERO(K,IAER) * QXIAER(K,NW,IAER)
156        end do                    ! levels
157     END DO
158  end do
159
160  do NW=1,L_NSPECTI
161
162     do K=2,L_LEVELS
163     
164        DAERO=SUM(TAEROS(K,NW,1:naerkind)) ! aerosol absorption
165
166        DCONT = 0.0d0 ! continuum absorption
167
168        if(continuum.and.(.not.graybody))then
169           ! include continua if necessary
170           wn_cont = dble(wnoi(nw))
171           T_cont  = dble(TMID(k))
172           do igas=1,ngasmx
173
174              if(gfrac(igas).eq.-1)then ! variable
175                 p_cont  = dble(PMID(k)*scalep*QVAR(k)) ! qvar = mol/mol
176              else
177                 p_cont  = dble(PMID(k)*scalep*gfrac(igas)*(1.-QVAR(k)))
178              endif
179
180              dtemp=0.0d0
181              if(igas.eq.igas_N2)then
182
183                 interm = indi(nw,igas,igas)
184                 call interpolateN2N2(wn_cont,T_cont,p_cont,dtemp,.false.,interm)
185                 indi(nw,igas,igas) = interm
186
187              elseif(igas.eq.igas_H2)then
188
189                 ! first do self-induced absorption
190                 interm = indi(nw,igas,igas)
191                 call interpolateH2H2(wn_cont,T_cont,p_cont,dtemp,.false.,interm)
192                 indi(nw,igas,igas) = interm
193
194                 ! then cross-interactions with other gases
195                 do jgas=1,ngasmx
196                    p_cross = dble(PMID(k)*scalep*gfrac(jgas)*(1.-QVAR(k)))
197                    dtempc  = 0.0d0
198                    if(jgas.eq.igas_N2)then
199                       interm = indi(nw,igas,jgas)
200                       call interpolateN2H2(wn_cont,T_cont,p_cross,p_cont,dtempc,.false.,interm)
201                       indi(nw,igas,jgas) = interm
202                    elseif(jgas.eq.igas_CO2)then
203                       interm = indi(nw,igas,jgas)
204                       call interpolateCO2H2(wn_cont,T_cont,p_cross,p_cont,dtempc,.false.,interm)
205                       indi(nw,igas,jgas) = interm
206                    elseif(jgas.eq.igas_He)then
207                       interm = indi(nw,igas,jgas)
208                       call interpolateH2He(wn_cont,T_cont,p_cross,p_cont,dtempc,.false.,interm)
209                       indi(nw,igas,jgas) = interm
210                    endif
211                    dtemp = dtemp + dtempc
212                 enddo
213
214              elseif(igas.eq.igas_CH4)then
215
216                 ! first do self-induced absorption
217                 interm = indi(nw,igas,igas)
218                 call interpolateCH4CH4(wn_cont,T_cont,p_cont,dtemp,.false.,interm)
219                 indi(nw,igas,igas) = interm
220
221                 ! then cross-interactions with other gases
222                 do jgas=1,ngasmx
223                    p_cross = dble(PMID(k)*scalep*gfrac(jgas)*(1.-QVAR(k)))
224                    dtempc  = 0.0d0
225                    if(jgas.eq.igas_H2)then
226                       interm = indi(nw,igas,jgas)
227                       call interpolateH2CH4(wn_cont,T_cont,p_cross,p_cont,dtempc,.false.,interm)
228                       indi(nw,igas,jgas) = interm
229                    elseif(jgas.eq.igas_CO2)then
230                       interm = indi(nw,igas,jgas)
231                       call interpolateCO2CH4(wn_cont,T_cont,p_cross,p_cont,dtempc,.false.,interm)
232                       indi(nw,igas,jgas) = interm
233                    elseif(jgas.eq.igas_He)then
234                       interm = indi(nw,igas,jgas)
235                       call interpolateHeCH4(wn_cont,T_cont,p_cross,p_cont,dtempc,.false.,interm)
236                       indi(nw,igas,jgas) = interm
237                    endif
238                    dtemp = dtemp + dtempc
239                 enddo
240
241              elseif(igas.eq.igas_H2O.and.T_cont.gt.100.0)then
242                 ! Compute self and foreign (with air) continuum of H2O
243                 p_air = dble(PMID(k)*scalep) - p_cont ! note assumes background is air!
244                 interm = indi(nw,igas,igas)
245                 call interpolateH2O_self_foreign(wn_cont,T_cont,p_cont,p_air,dtemp,.false.,interm) ! MTCKD v3.3
246                 indi(nw,igas,igas) = interm
247
248              endif
249
250              DCONT = DCONT + dtemp
251
252           enddo
253
254           ! Oobleck test
255           !rho = PMID(k)*scalep / (TMID(k)*286.99)
256           !if(WNOI(nw).gt.300.0 .and. WNOI(nw).lt.500.0)then
257           !   DCONT = rho * 0.125 * 4.6e-4
258           !elseif(WNOI(nw).gt.500.0 .and. WNOI(nw).lt.700.0)then
259           !   DCONT = 1000*dpr(k) * 1.0 * 4.6e-4 / g
260           !   DCONT = rho * 1.0 * 4.6e-4
261           !elseif(WNOI(nw).gt.700.0 .and. WNOI(nw).lt.900.0)then
262           !   DCONT = rho * 0.125 * 4.6e-4
263           !endif
264
265           DCONT = DCONT*dz(k)
266
267        endif
268
269        do ng=1,L_NGAUSS-1
270
271           ! Now compute TAUGAS
272
273           ! Interpolate between water mixing ratios
274           ! WRATIO = 0.0 if the requested water amount is equal to, or outside the
275           ! the water data range
276
277           if(L_REFVAR.eq.1)then ! added by RW for special no variable case
278           
279              ! JVO 2017 : added tmpk because the repeated calls to gasi/v increased dramatically
280              ! the execution time of optci/v -> ~ factor 2 on the whole radiative
281              ! transfer on the tested simulations !
282
283              IF (corrk_recombin) THEN ! added by JVO
284                tmpk = GASI_RECOMB(MT(K):MT(K)+1,MP(K):MP(K)+1,1,NW,NG) ! contains the mix of recombined species
285              ELSE
286                tmpk = GASI(MT(K):MT(K)+1,MP(K):MP(K)+1,1,NW,NG)
287              ENDIF
288
289              KCOEF(1) = tmpk(1,1) ! KCOEF(1) = GASI(MT(K),MP(K),1,NW,NG)
290              KCOEF(2) = tmpk(1,2) ! KCOEF(2) = GASI(MT(K),MP(K)+1,1,NW,NG)
291              KCOEF(3) = tmpk(2,2) ! KCOEF(3) = GASI(MT(K)+1,MP(K)+1,1,NW,NG)
292              KCOEF(4) = tmpk(2,1) ! KCOEF(4) = GASI(MT(K)+1,MP(K),1,NW,NG)
293
294           else
295
296              IF (corrk_recombin) THEN ! added by JVO
297                tmpkvar = GASI_RECOMB(MT(K):MT(K)+1,MP(K):MP(K)+1,NVAR(K):NVAR(K)+1,NW,NG)
298              ELSE
299                tmpkvar = GASI(MT(K):MT(K)+1,MP(K):MP(K)+1,NVAR(K):NVAR(K)+1,NW,NG)
300              ENDIF
301
302              KCOEF(1) = tmpkvar(1,1,1) + WRATIO(K) *  &
303                        ( tmpkvar(1,1,2)-tmpkvar(1,1,1) )
304
305              KCOEF(2) = tmpkvar(1,2,1) + WRATIO(K) *  &
306                        ( tmpkvar(1,2,2)-tmpkvar(1,2,1) )
307
308              KCOEF(3) = tmpkvar(2,2,1) + WRATIO(K) *  &
309                        ( tmpkvar(2,2,2)-tmpkvar(2,2,1) )
310             
311              KCOEF(4) = tmpkvar(2,1,1) + WRATIO(K) *  &
312                        ( tmpkvar(2,1,2)-tmpkvar(2,1,1) )
313
314           endif
315
316           ! Interpolate the gaseous k-coefficients to the requested T,P values
317
318           ANS = LKCOEF(K,1)*KCOEF(1) + LKCOEF(K,2)*KCOEF(2) +            &
319                LKCOEF(K,3)*KCOEF(3) + LKCOEF(K,4)*KCOEF(4)
320
321           TAUGAS  = U(k)*ANS
322
323           TAUGSURF(NW,NG) = TAUGSURF(NW,NG) + TAUGAS + DCONT
324           DTAUKI(K,nw,ng) = TAUGAS    &
325                             + DCONT   & ! For parameterized continuum absorption
326                             + DAERO     ! For aerosol absorption
327
328        end do
329
330        ! Now fill in the "clear" part of the spectrum (NG = L_NGAUSS),
331        ! which holds continuum opacity only
332
333        NG              = L_NGAUSS
334        DTAUKI(K,nw,ng) = 0.d0      &
335                          + DCONT   & ! For parameterized continuum absorption
336                          + DAERO     ! For aerosol absorption
337
338     end do
339  end do
340
341  !=======================================================================
342  !     Now the full treatment for the layers, where besides the opacity
343  !     we need to calculate the scattering albedo and asymmetry factors
344
345  do iaer=1,naerkind
346    DO NW=1,L_NSPECTI
347     DO K=2,L_LEVELS
348           TAUAEROLK(K,NW,IAER) = TAUAERO(K,IAER)*QSIAER(K,NW,IAER) ! effect of scattering albedo
349     ENDDO
350    ENDDO
351  end do
352 
353  DO NW=1,L_NSPECTI
354     DO L=1,L_NLAYRAD-1
355        K              = 2*L+1
356        btemp(L,NW) = SUM(TAUAEROLK(K,NW,1:naerkind)) + SUM(TAUAEROLK(K+1,NW,1:naerkind))
357     END DO ! L vertical loop
358     
359     ! Last level
360     L           = L_NLAYRAD
361     K           = 2*L+1   
362     btemp(L,NW) = SUM(TAUAEROLK(K,NW,1:naerkind))
363     
364  END DO                    ! NW spectral loop
365 
366
367  DO NW=1,L_NSPECTI
368     NG = L_NGAUSS
369     DO L=1,L_NLAYRAD-1
370
371        K              = 2*L+1
372        DTAUI(L,nw,ng) = DTAUKI(K,NW,NG) + DTAUKI(K+1,NW,NG)! + 1.e-50
373
374        atemp = 0.
375        if(DTAUI(L,NW,NG) .GT. 1.0D-9) then
376           do iaer=1,naerkind
377              atemp = atemp +                                     &
378                   GIAER(K,NW,IAER)   * TAUAEROLK(K,NW,IAER) +    &
379                   GIAER(K+1,NW,IAER) * TAUAEROLK(K+1,NW,IAER)
380           end do
381           WBARI(L,nw,ng) = btemp(L,nw)  / DTAUI(L,NW,NG)
382        else
383           WBARI(L,nw,ng) = 0.0D0
384           DTAUI(L,NW,NG) = 1.0D-9
385        endif
386
387        if(btemp(L,nw) .GT. 0.0d0) then
388           cosbi(L,NW,NG) = atemp/btemp(L,nw)
389        else
390           cosbi(L,NW,NG) = 0.0D0
391        end if
392
393     END DO ! L vertical loop
394     
395     ! Last level
396     
397     L              = L_NLAYRAD
398     K              = 2*L+1
399     DTAUI(L,nw,ng) = DTAUKI(K,NW,NG) ! + 1.e-50
400
401     atemp = 0.
402     if(DTAUI(L,NW,NG) .GT. 1.0D-9) then
403        do iaer=1,naerkind
404           atemp = atemp + GIAER(K,NW,IAER)   * TAUAEROLK(K,NW,IAER)
405        end do
406        WBARI(L,nw,ng) = btemp(L,nw)  / DTAUI(L,NW,NG)
407     else
408        WBARI(L,nw,ng) = 0.0D0
409        DTAUI(L,NW,NG) = 1.0D-9
410     endif
411
412     if(btemp(L,nw) .GT. 0.0d0) then
413        cosbi(L,NW,NG) = atemp/btemp(L,nw)
414     else
415        cosbi(L,NW,NG) = 0.0D0
416     end if
417     
418
419     ! Now the other Gauss points, if needed.
420
421     DO NG=1,L_NGAUSS-1
422        IF(TAUGSURF(NW,NG) .gt. TLIMIT) THEN
423
424           DO L=1,L_NLAYRAD-1
425              K              = 2*L+1
426              DTAUI(L,nw,ng) = DTAUKI(K,NW,NG)+DTAUKI(K+1,NW,NG)! + 1.e-50
427
428              if(DTAUI(L,NW,NG) .GT. 1.0D-9) then
429
430                 WBARI(L,nw,ng) = btemp(L,nw)  / DTAUI(L,NW,NG)
431
432              else
433                 WBARI(L,nw,ng) = 0.0D0
434                 DTAUI(L,NW,NG) = 1.0D-9
435              endif
436
437              cosbi(L,NW,NG) = cosbi(L,NW,L_NGAUSS)
438           END DO ! L vertical loop
439           
440           ! Last level
441           L              = L_NLAYRAD
442           K              = 2*L+1
443           DTAUI(L,nw,ng) = DTAUKI(K,NW,NG)! + 1.e-50
444
445           if(DTAUI(L,NW,NG) .GT. 1.0D-9) then
446
447              WBARI(L,nw,ng) = btemp(L,nw)  / DTAUI(L,NW,NG)
448
449           else
450              WBARI(L,nw,ng) = 0.0D0
451              DTAUI(L,NW,NG) = 1.0D-9
452           endif
453
454           cosbi(L,NW,NG) = cosbi(L,NW,L_NGAUSS)
455           
456        END IF
457
458     END DO                 ! NG Gauss loop
459  END DO                    ! NW spectral loop
460
461  ! Total extinction optical depths
462
463  DO NG=1,L_NGAUSS       ! full gauss loop
464     DO NW=1,L_NSPECTI       
465        TAUCUMI(1,NW,NG)=0.0D0
466        DO K=2,L_LEVELS
467           TAUCUMI(K,NW,NG)=TAUCUMI(K-1,NW,NG)+DTAUKI(K,NW,NG)
468        END DO
469     END DO                 ! end full gauss loop
470  END DO
471
472  ! be aware when comparing with textbook results
473  ! (e.g. Pierrehumbert p. 218) that
474  ! taucumi does not take the <cos theta>=0.5 factor into
475  ! account. It is the optical depth for a vertically
476  ! ascending ray with angle theta = 0.
477
478  !open(127,file='taucum.out')
479  !do nw=1,L_NSPECTI
480  !   write(127,*) taucumi(L_LEVELS,nw,L_NGAUSS)
481  !enddo
482  !close(127)
483 
484!  print*,'WBARI'
485!  print*,WBARI
486!  print*,'DTAUI'
487!  print*,DTAUI
488!  call abort
489
490end subroutine optci
491
492END MODULE optci_mod
493
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.