source: trunk/LMDZ.GENERIC/libf/phystd/rain.F90 @ 1243

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07/08/2013 == JL

  • Water cycle in double precision (largescale+moistadj)
  • Improved wate rayleigh.
  • First step for rayleigh with variable species. Now, just need to change optcv.
  • changed some interpolation indices in callcorrk to limit dependency of OLR on the number of layers
File size: 14.0 KB
RevLine 
[787]1subroutine rain(ngrid,nq,ptimestep,pplev,pplay,t,pdt,pq,pdq,d_t,dqrain,dqsrain,dqssnow,rneb)
[135]2
[253]3
[728]4! to use  'getin'
5  use ioipsl_getincom
6  use watercommon_h, only: T_h2O_ice_liq,T_h2O_ice_clouds, RLVTT, RCPD, RCPV, RV, RVTMP2,Psat_water,Tsat_water,rhowater
7  use radii_mod, only: h2o_cloudrad
[787]8  USE tracer_h
[135]9  implicit none
10
11!==================================================================
12!     
13!     Purpose
14!     -------
15!     Calculates H2O precipitation using simplified microphysics.
16!     
17!     Authors
18!     -------
19!     Adapted from the LMDTERRE code by R. Wordsworth (2009)
[728]20!     Added rain vaporization in case of T>Tsat
[135]21!     Original author Z. X. Li (1993)
22!     
23!==================================================================
24
25#include "dimensions.h"
26#include "dimphys.h"
27#include "comcstfi.h"
28#include "callkeys.h"
29
[858]30!     Arguments
31      integer,intent(in) :: ngrid ! number of atmospherci columns
32      integer,intent(in) :: nq ! number of tracers
33      real,intent(in) :: ptimestep    ! time interval
34      real,intent(in) :: pplev(ngrid,nlayermx+1) ! inter-layer pressure (Pa)
35      real,intent(in) :: pplay(ngrid,nlayermx)   ! mid-layer pressure (Pa)
36      real,intent(in) :: t(ngrid,nlayermx) ! input temperature (K)
37      real,intent(in) :: pdt(ngrid,nlayermx) ! input tendency on temperature (K/s)     
38      real,intent(in) :: pq(ngrid,nlayermx,nq)  ! tracers (kg/kg)
39      real,intent(in) :: pdq(ngrid,nlayermx,nq) ! input tendency on tracers
40      real,intent(out) :: d_t(ngrid,nlayermx) ! temperature tendency (K/s)
41      real,intent(out) :: dqrain(ngrid,nlayermx,nq) ! tendency of H2O precipitation (kg/kg.s-1)
42      real,intent(out) :: dqsrain(ngrid)  ! rain flux at the surface (kg.m-2.s-1)
43      real,intent(out) :: dqssnow(ngrid)  ! snow flux at the surface (kg.m-2.s-1)
44      real,intent(in) :: rneb(ngrid,nlayermx) ! cloud fraction
[787]45
46      REAL zt(ngrid,nlayermx)         ! working temperature (K)
47      REAL ql(ngrid,nlayermx)         ! liquid water (Kg/Kg)
48      REAL q(ngrid,nlayermx)          ! specific humidity (Kg/Kg)
49      REAL d_q(ngrid,nlayermx)        ! water vapor increment
50      REAL d_ql(ngrid,nlayermx)       ! liquid water / ice increment
[135]51
52!     Subroutine options
[858]53      REAL,PARAMETER :: seuil_neb=0.001  ! Nebulosity threshold
[135]54
[728]55      INTEGER,save :: precip_scheme      ! id number for precipitaion scheme
56!     for simple scheme  (precip_scheme=1)
57      REAL,SAVE :: rainthreshold                ! Precipitation threshold in simple scheme
58!     for sundquist scheme  (precip_scheme=2-3)
59      REAL,SAVE :: cloud_sat                    ! Precipitation threshold in non simple scheme
60      REAL,SAVE :: precip_timescale             ! Precipitation timescale
61!     for Boucher scheme  (precip_scheme=4)
62      REAL,SAVE :: Cboucher ! Precipitation constant in Boucher 95 scheme
63      REAL,PARAMETER :: Kboucher=1.19E8
64      REAL,SAVE :: c1
[135]65
[858]66      INTEGER,PARAMETER :: ninter=5
[135]67
[1016]68      logical,save :: evap_prec ! Does the rain evaporate?
[135]69
70!     for simple scheme
[858]71      real,parameter :: t_crit=218.0
[135]72      real lconvert
73
74!     Local variables
75      INTEGER i, k, n
[787]76      REAL zqs(ngrid,nlayermx),Tsat(ngrid,nlayermx), zdelta, zcor
77      REAL zrfl(ngrid), zrfln(ngrid), zqev, zqevt
[135]78
[787]79      REAL zoliq(ngrid)
80      REAL zdz(ngrid),zrho(ngrid),ztot(ngrid), zrhol(ngrid)
81      REAL zchau(ngrid),zfroi(ngrid),zfrac(ngrid),zneb(ngrid)
[135]82
[787]83      real reffh2oliq(ngrid,nlayermx),reffh2oice(ngrid,nlayermx)
[728]84 
85      real ttemp, ptemp, psat_tmp
[787]86      real tnext(ngrid,nlayermx)
[135]87
[787]88      real l2c(ngrid,nlayermx)
[253]89      real dWtot
[135]90
[253]91
[135]92!     Indices of water vapour and water ice tracers
93      INTEGER, SAVE :: i_vap=0  ! water vapour
94      INTEGER, SAVE :: i_ice=0  ! water ice
95
[858]96      LOGICAL,SAVE :: firstcall=.true.
[135]97
98!     Online functions
[731]99      REAL fallv, fall2v, zzz ! falling speed of ice crystals
[135]100      fallv (zzz) = 3.29 * ((zzz)**0.16)
[731]101      fall2v (zzz) =10.6 * ((zzz)**0.31)  !for use with radii
[135]102
103
104      IF (firstcall) THEN
105
106         i_vap=igcm_h2o_vap
107         i_ice=igcm_h2o_ice
108       
109         write(*,*) "rain: i_ice=",i_ice
110         write(*,*) "      i_vap=",i_vap
111
112         PRINT*, 'in rain.F, ninter=', ninter
113         PRINT*, 'in rain.F, evap_prec=', evap_prec
114
[728]115         write(*,*) "Precipitation scheme to use?"
116         precip_scheme=1 ! default value
117         call getin("precip_scheme",precip_scheme)
118         write(*,*) " precip_scheme = ",precip_scheme
119
120         if (precip_scheme.eq.1) then
121            write(*,*) "rainthreshold in simple scheme?"
122            rainthreshold=0. ! default value
123            call getin("rainthreshold",rainthreshold)
124            write(*,*) " rainthreshold = ",rainthreshold
125
126         else if (precip_scheme.eq.2.or.precip_scheme.eq.3) then
127            write(*,*) "cloud water saturation level in non simple scheme?"
128            cloud_sat=2.6e-4   ! default value
129            call getin("cloud_sat",cloud_sat)
130            write(*,*) " cloud_sat = ",cloud_sat
131            write(*,*) "precipitation timescale in non simple scheme?"
132            precip_timescale=3600.  ! default value
133            call getin("precip_timescale",precip_timescale)
134            write(*,*) " precip_timescale = ",precip_timescale
135
136         else if (precip_scheme.eq.4) then
137            write(*,*) "multiplicative constant in Boucher 95 precip scheme"
138            Cboucher=1.   ! default value
139            call getin("Cboucher",Cboucher)
140            write(*,*) " Cboucher = ",Cboucher 
141            c1=1.00*1.097/rhowater*Cboucher*Kboucher 
142
143         endif
144
[1016]145         write(*,*) "re-evaporate precipitations?"
146         evap_prec=.true. ! default value
147         call getin("evap_prec",evap_prec)
148         write(*,*) " evap_prec = ",evap_prec
149
[135]150         firstcall = .false.
151      ENDIF
152
153!     GCM -----> subroutine variables
154      DO k = 1, nlayermx
[787]155      DO i = 1, ngrid
[135]156
[253]157         zt(i,k)   = t(i,k)+pdt(i,k)*ptimestep ! a big fat bug was here
158         q(i,k)    = pq(i,k,i_vap)+pdq(i,k,i_vap)*ptimestep
159         ql(i,k)   = pq(i,k,i_ice)+pdq(i,k,i_ice)*ptimestep
[135]160
[253]161         !q(i,k)    = pq(i,k,i_vap)!+pdq(i,k,i_vap)
162         !ql(i,k)   = pq(i,k,i_ice)!+pdq(i,k,i_ice)
163
[135]164         if(q(i,k).lt.0.)then ! if this is not done, we don't conserve water
165            q(i,k)=0.
166         endif
167         if(ql(i,k).lt.0.)then
168            ql(i,k)=0.
169         endif
170
171      ENDDO
172      ENDDO
173
174!     Initialise the outputs
175      DO k = 1, nlayermx
[787]176      DO i = 1, ngrid
[135]177         d_t(i,k) = 0.0
178         d_q(i,k) = 0.0
179         d_ql(i,k) = 0.0
180      ENDDO
181      ENDDO
[787]182      DO i = 1, ngrid
[135]183         zrfl(i)  = 0.0
184         zrfln(i) = 0.0
185      ENDDO
186
187      ! calculate saturation mixing ratio
188      DO k = 1, nlayermx
[787]189         DO i = 1, ngrid
[253]190            ttemp = zt(i,k)
[135]191            ptemp = pplay(i,k)
[728]192!            call watersat(ttemp,ptemp,zqs(i,k))
193            call Psat_water(ttemp,ptemp,psat_tmp,zqs(i,k))
194            call Tsat_water(ptemp,Tsat(i,k))
[135]195         ENDDO
196      ENDDO
197
[253]198      ! get column / layer conversion factor
[135]199      DO k = 1, nlayermx
[787]200         DO i = 1, ngrid
[253]201            l2c(i,k)=(pplev(i,k)-pplev(i,k+1))/g
[135]202         ENDDO
203      ENDDO
204
205
206      ! Vertical loop (from top to bottom)
207      ! We carry the rain with us and calculate that added by warm/cold precipitation
208      ! processes and that subtracted by evaporation at each level.
209      DO 9999 k = nlayermx, 1, -1
210
211         IF (evap_prec) THEN ! note no rneb dependence!
[787]212            DO i = 1, ngrid
[135]213               IF (zrfl(i) .GT.0.) THEN
[253]214
[728]215                  if(zt(i,k).gt.Tsat(i,k))then
[863]216!!                   treat the case where all liquid water should boil
217                     zqev=MIN((zt(i,k)-Tsat(i,k))*RCPD*l2c(i,k)/RLVTT/ptimestep,zrfl(i))
[728]218                     zrfl(i)=MAX(zrfl(i)-zqev,0.)
[863]219                     d_q(i,k)=zqev/l2c(i,k)*ptimestep
[728]220                     d_t(i,k) = - d_q(i,k) * RLVTT/RCPD
221                  else
[731]222                     zqev = MAX (0.0, (zqs(i,k)-q(i,k)))*l2c(i,k)/ptimestep !there was a bug here
[728]223                     zqevt= 2.0e-5*(1.0-q(i,k)/zqs(i,k))    & !default was 2.e-5
224                        *sqrt(zrfl(i))*l2c(i,k)/pplay(i,k)*zt(i,k)*R ! BC modif here
225                     zqevt = MAX (zqevt, 0.0)
226                     zqev  = MIN (zqev, zqevt)
227                     zqev  = MAX (zqev, 0.0)
228                     zrfln(i)= zrfl(i) - zqev
229                     zrfln(i)= max(zrfln(i),0.0)
[253]230
[728]231                     d_q(i,k) = - (zrfln(i)-zrfl(i))/l2c(i,k)*ptimestep
232                     !d_t(i,k) = d_q(i,k) * RLVTT/RCPD!/(1.0+RVTMP2*q(i,k)) ! double BC modif here
233                     d_t(i,k) = - d_q(i,k) * RLVTT/RCPD ! was bugged!
234                     zrfl(i)  = zrfln(i)
235                  end if
236                     
[135]237
238               ENDIF
239            ENDDO
240         ENDIF
241
[787]242         DO i = 1, ngrid
[135]243            zoliq(i) = 0.0
244         ENDDO
245
246
[728]247         if(precip_scheme.eq.1)then
[135]248
[787]249            DO i = 1, ngrid
[253]250               ttemp = zt(i,k)
[650]251               IF (ttemp .ge. T_h2O_ice_liq) THEN
[253]252                  lconvert=rainthreshold
253               ELSEIF (ttemp .gt. t_crit) THEN
254                  lconvert=rainthreshold*(1.- t_crit/ttemp)
255                  lconvert=MAX(0.0,lconvert)             
256               ELSE
257                  lconvert=0.
258               ENDIF
[135]259
[253]260
261               IF (ql(i,k).gt.1.e-9) then
262                  zneb(i)  = MAX(rneb(i,k), seuil_neb)
263                  IF ((ql(i,k)/zneb(i)).gt.lconvert)THEN ! precipitate!
[622]264                     d_ql(i,k) = -MAX((ql(i,k)-lconvert*zneb(i)),0.0)
[253]265                     zrfl(i)   = zrfl(i) - d_ql(i,k)*l2c(i,k)/ptimestep
266                  ENDIF
267               ENDIF
[135]268            ENDDO
269
[728]270         elseif (precip_scheme.ge.2) then
271         
[787]272           DO i = 1, ngrid
[135]273               IF (rneb(i,k).GT.0.0) THEN
274                  zoliq(i) = ql(i,k)
[253]275                  zrho(i)  = pplay(i,k) / ( zt(i,k) * R )
[135]276                  zdz(i)   = (pplev(i,k)-pplev(i,k+1)) / (zrho(i)*g)
[650]277                  zfrac(i) = (zt(i,k)-T_h2O_ice_clouds) / (T_h2O_ice_liq-T_h2O_ice_clouds)
[135]278                  zfrac(i) = MAX(zfrac(i), 0.0)
279                  zfrac(i) = MIN(zfrac(i), 1.0)
280                  zneb(i)  = MAX(rneb(i,k), seuil_neb)
281               ENDIF
[731]282           ENDDO
[135]283
[731]284 !recalculate liquid water particle radii
[787]285           call h2o_cloudrad(ngrid,ql,reffh2oliq,reffh2oice)
[731]286
[728]287           SELECT CASE(precip_scheme)
288 !precip scheme from Sundquist 78
289           CASE(2)
290
[135]291            DO n = 1, ninter
[787]292               DO i = 1, ngrid
[135]293                  IF (rneb(i,k).GT.0.0) THEN
[728]294                     ! this is the ONLY place where zneb, precip_timescale and cloud_sat are used
[253]295
[728]296                     zchau(i) = (ptimestep/(FLOAT(ninter)*precip_timescale)) * zoliq(i)      &
297                          * (1.0-EXP(-(zoliq(i)/zneb(i)/cloud_sat)**2)) * zfrac(i)
[135]298                     zrhol(i) = zrho(i) * zoliq(i) / zneb(i)
299                     zfroi(i) = ptimestep/FLOAT(ninter)/zdz(i)*zoliq(i)    &
[731]300                          *fall2v(reffh2oice(i,k)) * (1.0-zfrac(i)) ! zfroi behaves oddly...
[135]301                     ztot(i)  = zchau(i) + zfroi(i)
302
303                     IF (zneb(i).EQ.seuil_neb) ztot(i) = 0.0
304                     ztot(i)  = MIN(MAX(ztot(i),0.0),zoliq(i))
305                     zoliq(i) = MAX(zoliq(i)-ztot(i), 0.0)
[253]306
[135]307                  ENDIF
308               ENDDO
309            ENDDO           
310
[728]311 !precip scheme modified from Sundquist 78 (in q**3)
312           CASE(3)         
313           
314            DO n = 1, ninter
[787]315               DO i = 1, ngrid
[728]316                  IF (rneb(i,k).GT.0.0) THEN
317                     ! this is the ONLY place where zneb, precip_timescale and cloud_sat are used
318
319                     zchau(i) = (ptimestep/(FLOAT(ninter)*precip_timescale*cloud_sat**2)) * (zoliq(i)/zneb(i))**3 
320                     zrhol(i) = zrho(i) * zoliq(i) / zneb(i)
321                     zfroi(i) = ptimestep/FLOAT(ninter)/zdz(i)*zoliq(i)    &
[731]322                          *fall2v(reffh2oice(i,k)) * (1.0-zfrac(i)) ! zfroi behaves oddly...
[728]323                     ztot(i)  = zchau(i) + zfroi(i)
324
325                     IF (zneb(i).EQ.seuil_neb) ztot(i) = 0.0
326                     ztot(i)  = MIN(MAX(ztot(i),0.0),zoliq(i))
327                     zoliq(i) = MAX(zoliq(i)-ztot(i), 0.0)
328
329                  ENDIF
330               ENDDO
331            ENDDO           
332
333 !precip scheme modified from Boucher 95
334           CASE(4)
335
336            DO n = 1, ninter
[787]337               DO i = 1, ngrid
[728]338                  IF (rneb(i,k).GT.0.0) THEN
339                     ! this is the ONLY place where zneb and c1 are used
340
341                     zchau(i) = ptimestep/FLOAT(ninter) *c1* zrho(i) &
342                                    *(zoliq(i)/zneb(i))**2*reffh2oliq(i,k)*zneb(i)* zfrac(i)
343                     zrhol(i) = zrho(i) * zoliq(i) / zneb(i)
344                     zfroi(i) = ptimestep/FLOAT(ninter)/zdz(i)*zoliq(i)    &
[731]345                          *fall2v(reffh2oice(i,k)) * (1.0-zfrac(i)) ! zfroi behaves oddly...
[728]346                     ztot(i)  = zchau(i) + zfroi(i)
347
348                     IF (zneb(i).EQ.seuil_neb) ztot(i) = 0.0
349                     ztot(i)  = MIN(MAX(ztot(i),0.0),zoliq(i))
350                     zoliq(i) = MAX(zoliq(i)-ztot(i), 0.0)
351
352                  ENDIF
353               ENDDO
354            ENDDO           
355
356           END SELECT ! precip_scheme
357
[135]358            ! Change in cloud density and surface H2O values
[787]359            DO i = 1, ngrid
[135]360               IF (rneb(i,k).GT.0.0) THEN
[253]361                  d_ql(i,k) = (zoliq(i) - ql(i,k))!/ptimestep
362                  zrfl(i)   = zrfl(i)+ MAX(ql(i,k)-zoliq(i),0.0)*l2c(i,k)/ptimestep
[135]363               ENDIF
364            ENDDO
365
366
[728]367         endif ! if precip_scheme=1
368
[135]369 9999 continue
370
371!     Rain or snow on the ground
[787]372      DO i = 1, ngrid
[253]373         if(zrfl(i).lt.0.0)then
374            print*,'Droplets of negative rain are falling...'
375            call abort
376         endif
[650]377         IF (t(i,1) .LT. T_h2O_ice_liq) THEN
[135]378            dqssnow(i) = zrfl(i)
[253]379            dqsrain(i) = 0.0
[135]380         ELSE
[253]381            dqssnow(i) = 0.0
[135]382            dqsrain(i) = zrfl(i) ! liquid water = ice for now
383         ENDIF
384      ENDDO
385
386!     now subroutine -----> GCM variables
387      DO k = 1, nlayermx
[787]388         DO i = 1, ngrid
[135]389           
390            if(evap_prec)then
391               dqrain(i,k,i_vap) = d_q(i,k)/ptimestep
392               d_t(i,k)          = d_t(i,k)/ptimestep
393            else
394               dqrain(i,k,i_vap) = 0.0
395               d_t(i,k)          = 0.0
396            endif
[253]397            dqrain(i,k,i_ice) = d_ql(i,k)/ptimestep
[135]398         
399         ENDDO
400      ENDDO
401
402      RETURN
403    end subroutine rain
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.