source: trunk/LMDZ.GENERIC/libf/phystd/rain.F90 @ 2732

Last change on this file since 2732 was 1995, checked in by jleconte, 6 years ago

fix a small bug introduced in previous commit

File size: 14.3 KB
RevLine 
[1859]1subroutine rain(ngrid,nlayer,nq,ptimestep,pplev,pplay,t,pdt,pq,pdq,d_t,dqrain,dqsrain,dqssnow,reevap_precip,rneb)
[135]2
[253]3
[1521]4  use ioipsl_getin_p_mod, only: getin_p
[728]5  use watercommon_h, only: T_h2O_ice_liq,T_h2O_ice_clouds, RLVTT, RCPD, RCPV, RV, RVTMP2,Psat_water,Tsat_water,rhowater
6  use radii_mod, only: h2o_cloudrad
[1283]7  USE tracer_h, only: igcm_h2o_vap, igcm_h2o_ice
[1384]8  use comcstfi_mod, only: g, r
[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
[858]25!     Arguments
[1308]26      integer,intent(in) :: ngrid ! number of atmospheric columns
27      integer,intent(in) :: nlayer ! number of atmospheric layers
[858]28      integer,intent(in) :: nq ! number of tracers
29      real,intent(in) :: ptimestep    ! time interval
[1308]30      real,intent(in) :: pplev(ngrid,nlayer+1) ! inter-layer pressure (Pa)
31      real,intent(in) :: pplay(ngrid,nlayer)   ! mid-layer pressure (Pa)
32      real,intent(in) :: t(ngrid,nlayer) ! input temperature (K)
33      real,intent(in) :: pdt(ngrid,nlayer) ! input tendency on temperature (K/s)     
34      real,intent(in) :: pq(ngrid,nlayer,nq)  ! tracers (kg/kg)
35      real,intent(in) :: pdq(ngrid,nlayer,nq) ! input tendency on tracers
36      real,intent(out) :: d_t(ngrid,nlayer) ! temperature tendency (K/s)
37      real,intent(out) :: dqrain(ngrid,nlayer,nq) ! tendency of H2O precipitation (kg/kg.s-1)
[858]38      real,intent(out) :: dqsrain(ngrid)  ! rain flux at the surface (kg.m-2.s-1)
39      real,intent(out) :: dqssnow(ngrid)  ! snow flux at the surface (kg.m-2.s-1)
[1859]40      real,intent(out) :: reevap_precip(ngrid)  ! re-evaporation flux of precipitation integrated over the atmospheric column (kg.m-2.s-1)
[1308]41      real,intent(in) :: rneb(ngrid,nlayer) ! cloud fraction
[787]42
[1308]43      REAL zt(ngrid,nlayer)         ! working temperature (K)
44      REAL ql(ngrid,nlayer)         ! liquid water (Kg/Kg)
45      REAL q(ngrid,nlayer)          ! specific humidity (Kg/Kg)
46      REAL d_q(ngrid,nlayer)        ! water vapor increment
47      REAL d_ql(ngrid,nlayer)       ! liquid water / ice increment
[135]48
49!     Subroutine options
[858]50      REAL,PARAMETER :: seuil_neb=0.001  ! Nebulosity threshold
[135]51
[728]52      INTEGER,save :: precip_scheme      ! id number for precipitaion scheme
53!     for simple scheme  (precip_scheme=1)
54      REAL,SAVE :: rainthreshold                ! Precipitation threshold in simple scheme
55!     for sundquist scheme  (precip_scheme=2-3)
56      REAL,SAVE :: cloud_sat                    ! Precipitation threshold in non simple scheme
57      REAL,SAVE :: precip_timescale             ! Precipitation timescale
58!     for Boucher scheme  (precip_scheme=4)
59      REAL,SAVE :: Cboucher ! Precipitation constant in Boucher 95 scheme
60      REAL,PARAMETER :: Kboucher=1.19E8
61      REAL,SAVE :: c1
[1315]62!$OMP THREADPRIVATE(precip_scheme,rainthreshold,cloud_sat,precip_timescale,Cboucher,c1)
[135]63
[858]64      INTEGER,PARAMETER :: ninter=5
[135]65
[1016]66      logical,save :: evap_prec ! Does the rain evaporate?
[1315]67!$OMP THREADPRIVATE(evap_prec)
[135]68
69!     for simple scheme
[858]70      real,parameter :: t_crit=218.0
[135]71      real lconvert
72
73!     Local variables
74      INTEGER i, k, n
[1308]75      REAL zqs(ngrid,nlayer),Tsat(ngrid,nlayer), zdelta, zcor
[787]76      REAL zrfl(ngrid), zrfln(ngrid), zqev, zqevt
[135]77
[787]78      REAL zoliq(ngrid)
79      REAL zdz(ngrid),zrho(ngrid),ztot(ngrid), zrhol(ngrid)
80      REAL zchau(ngrid),zfroi(ngrid),zfrac(ngrid),zneb(ngrid)
[135]81
[1308]82      real reffh2oliq(ngrid,nlayer),reffh2oice(ngrid,nlayer)
[728]83 
[1995]84      real ttemp, ptemp, psat_tmp
[1308]85      real tnext(ngrid,nlayer)
[135]86
[1308]87      real l2c(ngrid,nlayer)
[253]88      real dWtot
[135]89
[253]90
[135]91!     Indices of water vapour and water ice tracers
92      INTEGER, SAVE :: i_vap=0  ! water vapour
93      INTEGER, SAVE :: i_ice=0  ! water ice
[1315]94!$OMP THREADPRIVATE(i_vap,i_ice)
[135]95
[858]96      LOGICAL,SAVE :: firstcall=.true.
[1315]97!$OMP THREADPRIVATE(firstcall)
[135]98
99!     Online functions
[731]100      REAL fallv, fall2v, zzz ! falling speed of ice crystals
[135]101      fallv (zzz) = 3.29 * ((zzz)**0.16)
[731]102      fall2v (zzz) =10.6 * ((zzz)**0.31)  !for use with radii
[135]103
104
105      IF (firstcall) THEN
106
107         i_vap=igcm_h2o_vap
108         i_ice=igcm_h2o_ice
109       
110         write(*,*) "rain: i_ice=",i_ice
111         write(*,*) "      i_vap=",i_vap
112
113         PRINT*, 'in rain.F, ninter=', ninter
114         PRINT*, 'in rain.F, evap_prec=', evap_prec
115
[728]116         write(*,*) "Precipitation scheme to use?"
117         precip_scheme=1 ! default value
[1315]118         call getin_p("precip_scheme",precip_scheme)
[728]119         write(*,*) " precip_scheme = ",precip_scheme
120
121         if (precip_scheme.eq.1) then
122            write(*,*) "rainthreshold in simple scheme?"
123            rainthreshold=0. ! default value
[1315]124            call getin_p("rainthreshold",rainthreshold)
[728]125            write(*,*) " rainthreshold = ",rainthreshold
126
127         else if (precip_scheme.eq.2.or.precip_scheme.eq.3) then
128            write(*,*) "cloud water saturation level in non simple scheme?"
129            cloud_sat=2.6e-4   ! default value
[1315]130            call getin_p("cloud_sat",cloud_sat)
[728]131            write(*,*) " cloud_sat = ",cloud_sat
132            write(*,*) "precipitation timescale in non simple scheme?"
133            precip_timescale=3600.  ! default value
[1315]134            call getin_p("precip_timescale",precip_timescale)
[728]135            write(*,*) " precip_timescale = ",precip_timescale
136
137         else if (precip_scheme.eq.4) then
138            write(*,*) "multiplicative constant in Boucher 95 precip scheme"
139            Cboucher=1.   ! default value
[1315]140            call getin_p("Cboucher",Cboucher)
[728]141            write(*,*) " Cboucher = ",Cboucher 
142            c1=1.00*1.097/rhowater*Cboucher*Kboucher 
143
144         endif
145
[1016]146         write(*,*) "re-evaporate precipitations?"
147         evap_prec=.true. ! default value
[1315]148         call getin_p("evap_prec",evap_prec)
[1016]149         write(*,*) " evap_prec = ",evap_prec
150
[135]151         firstcall = .false.
[1283]152      ENDIF ! of IF (firstcall)
[135]153
154!     GCM -----> subroutine variables
[1308]155      DO k = 1, nlayer
[787]156      DO i = 1, ngrid
[135]157
[253]158         zt(i,k)   = t(i,k)+pdt(i,k)*ptimestep ! a big fat bug was here
159         q(i,k)    = pq(i,k,i_vap)+pdq(i,k,i_vap)*ptimestep
160         ql(i,k)   = pq(i,k,i_ice)+pdq(i,k,i_ice)*ptimestep
[135]161
[253]162         !q(i,k)    = pq(i,k,i_vap)!+pdq(i,k,i_vap)
163         !ql(i,k)   = pq(i,k,i_ice)!+pdq(i,k,i_ice)
164
[135]165         if(q(i,k).lt.0.)then ! if this is not done, we don't conserve water
166            q(i,k)=0.
167         endif
168         if(ql(i,k).lt.0.)then
169            ql(i,k)=0.
170         endif
171
172      ENDDO
173      ENDDO
174
175!     Initialise the outputs
[1308]176      d_t(1:ngrid,1:nlayer) = 0.0
177      d_q(1:ngrid,1:nlayer) = 0.0
178      d_ql(1:ngrid,1:nlayer) = 0.0
[1283]179      zrfl(1:ngrid) = 0.0
180      zrfln(1:ngrid) = 0.0
[135]181
182      ! calculate saturation mixing ratio
[1308]183      DO k = 1, nlayer
[787]184         DO i = 1, ngrid
[135]185            ptemp = pplay(i,k)
[1993]186            call Psat_water(zt(i,k) ,ptemp,psat_tmp,zqs(i,k))
[728]187            call Tsat_water(ptemp,Tsat(i,k))
[135]188         ENDDO
189      ENDDO
190
[253]191      ! get column / layer conversion factor
[1308]192      DO k = 1, nlayer
[787]193         DO i = 1, ngrid
[253]194            l2c(i,k)=(pplev(i,k)-pplev(i,k+1))/g
[135]195         ENDDO
196      ENDDO
197
198      ! Vertical loop (from top to bottom)
199      ! We carry the rain with us and calculate that added by warm/cold precipitation
200      ! processes and that subtracted by evaporation at each level.
[1308]201      DO k = nlayer, 1, -1
[135]202
203         IF (evap_prec) THEN ! note no rneb dependence!
[787]204            DO i = 1, ngrid
[135]205               IF (zrfl(i) .GT.0.) THEN
[253]206
[728]207                  if(zt(i,k).gt.Tsat(i,k))then
[863]208!!                   treat the case where all liquid water should boil
209                     zqev=MIN((zt(i,k)-Tsat(i,k))*RCPD*l2c(i,k)/RLVTT/ptimestep,zrfl(i))
[728]210                     zrfl(i)=MAX(zrfl(i)-zqev,0.)
[863]211                     d_q(i,k)=zqev/l2c(i,k)*ptimestep
[728]212                     d_t(i,k) = - d_q(i,k) * RLVTT/RCPD
213                  else
[731]214                     zqev = MAX (0.0, (zqs(i,k)-q(i,k)))*l2c(i,k)/ptimestep !there was a bug here
[728]215                     zqevt= 2.0e-5*(1.0-q(i,k)/zqs(i,k))    & !default was 2.e-5
216                        *sqrt(zrfl(i))*l2c(i,k)/pplay(i,k)*zt(i,k)*R ! BC modif here
217                     zqevt = MAX (zqevt, 0.0)
218                     zqev  = MIN (zqev, zqevt)
219                     zqev  = MAX (zqev, 0.0)
220                     zrfln(i)= zrfl(i) - zqev
221                     zrfln(i)= max(zrfln(i),0.0)
[253]222
[728]223                     d_q(i,k) = - (zrfln(i)-zrfl(i))/l2c(i,k)*ptimestep
224                     !d_t(i,k) = d_q(i,k) * RLVTT/RCPD!/(1.0+RVTMP2*q(i,k)) ! double BC modif here
225                     d_t(i,k) = - d_q(i,k) * RLVTT/RCPD ! was bugged!
226                     zrfl(i)  = zrfln(i)
227                  end if
228                     
[135]229
[1283]230               ENDIF ! of IF (zrfl(i) .GT.0.)
[135]231            ENDDO
[1283]232         ENDIF ! of IF (evap_prec)
[135]233
[1283]234         zoliq(1:ngrid) = 0.0
[135]235
236
[728]237         if(precip_scheme.eq.1)then
[135]238
[787]239            DO i = 1, ngrid
[253]240               ttemp = zt(i,k)
[650]241               IF (ttemp .ge. T_h2O_ice_liq) THEN
[253]242                  lconvert=rainthreshold
243               ELSEIF (ttemp .gt. t_crit) THEN
244                  lconvert=rainthreshold*(1.- t_crit/ttemp)
245                  lconvert=MAX(0.0,lconvert)             
246               ELSE
247                  lconvert=0.
248               ENDIF
[135]249
[253]250
251               IF (ql(i,k).gt.1.e-9) then
252                  zneb(i)  = MAX(rneb(i,k), seuil_neb)
253                  IF ((ql(i,k)/zneb(i)).gt.lconvert)THEN ! precipitate!
[622]254                     d_ql(i,k) = -MAX((ql(i,k)-lconvert*zneb(i)),0.0)
[253]255                     zrfl(i)   = zrfl(i) - d_ql(i,k)*l2c(i,k)/ptimestep
256                  ENDIF
257               ENDIF
[135]258            ENDDO
259
[728]260         elseif (precip_scheme.ge.2) then
261         
[787]262           DO i = 1, ngrid
[135]263               IF (rneb(i,k).GT.0.0) THEN
264                  zoliq(i) = ql(i,k)
[253]265                  zrho(i)  = pplay(i,k) / ( zt(i,k) * R )
[135]266                  zdz(i)   = (pplev(i,k)-pplev(i,k+1)) / (zrho(i)*g)
[650]267                  zfrac(i) = (zt(i,k)-T_h2O_ice_clouds) / (T_h2O_ice_liq-T_h2O_ice_clouds)
[135]268                  zfrac(i) = MAX(zfrac(i), 0.0)
269                  zfrac(i) = MIN(zfrac(i), 1.0)
270                  zneb(i)  = MAX(rneb(i,k), seuil_neb)
271               ENDIF
[731]272           ENDDO
[135]273
[731]274 !recalculate liquid water particle radii
[1308]275           call h2o_cloudrad(ngrid,nlayer,ql,reffh2oliq,reffh2oice)
[731]276
[728]277           SELECT CASE(precip_scheme)
278 !precip scheme from Sundquist 78
279           CASE(2)
280
[135]281            DO n = 1, ninter
[787]282               DO i = 1, ngrid
[135]283                  IF (rneb(i,k).GT.0.0) THEN
[728]284                     ! this is the ONLY place where zneb, precip_timescale and cloud_sat are used
[253]285
[728]286                     zchau(i) = (ptimestep/(FLOAT(ninter)*precip_timescale)) * zoliq(i)      &
287                          * (1.0-EXP(-(zoliq(i)/zneb(i)/cloud_sat)**2)) * zfrac(i)
[135]288                     zrhol(i) = zrho(i) * zoliq(i) / zneb(i)
289                     zfroi(i) = ptimestep/FLOAT(ninter)/zdz(i)*zoliq(i)    &
[731]290                          *fall2v(reffh2oice(i,k)) * (1.0-zfrac(i)) ! zfroi behaves oddly...
[135]291                     ztot(i)  = zchau(i) + zfroi(i)
292
293                     IF (zneb(i).EQ.seuil_neb) ztot(i) = 0.0
294                     ztot(i)  = MIN(MAX(ztot(i),0.0),zoliq(i))
295                     zoliq(i) = MAX(zoliq(i)-ztot(i), 0.0)
[253]296
[135]297                  ENDIF
298               ENDDO
299            ENDDO           
300
[728]301 !precip scheme modified from Sundquist 78 (in q**3)
302           CASE(3)         
303           
304            DO n = 1, ninter
[787]305               DO i = 1, ngrid
[728]306                  IF (rneb(i,k).GT.0.0) THEN
307                     ! this is the ONLY place where zneb, precip_timescale and cloud_sat are used
308
309                     zchau(i) = (ptimestep/(FLOAT(ninter)*precip_timescale*cloud_sat**2)) * (zoliq(i)/zneb(i))**3 
310                     zrhol(i) = zrho(i) * zoliq(i) / zneb(i)
311                     zfroi(i) = ptimestep/FLOAT(ninter)/zdz(i)*zoliq(i)    &
[731]312                          *fall2v(reffh2oice(i,k)) * (1.0-zfrac(i)) ! zfroi behaves oddly...
[728]313                     ztot(i)  = zchau(i) + zfroi(i)
314
315                     IF (zneb(i).EQ.seuil_neb) ztot(i) = 0.0
316                     ztot(i)  = MIN(MAX(ztot(i),0.0),zoliq(i))
317                     zoliq(i) = MAX(zoliq(i)-ztot(i), 0.0)
318
319                  ENDIF
320               ENDDO
321            ENDDO           
322
323 !precip scheme modified from Boucher 95
324           CASE(4)
325
326            DO n = 1, ninter
[787]327               DO i = 1, ngrid
[728]328                  IF (rneb(i,k).GT.0.0) THEN
329                     ! this is the ONLY place where zneb and c1 are used
330
331                     zchau(i) = ptimestep/FLOAT(ninter) *c1* zrho(i) &
332                                    *(zoliq(i)/zneb(i))**2*reffh2oliq(i,k)*zneb(i)* zfrac(i)
333                     zrhol(i) = zrho(i) * zoliq(i) / zneb(i)
334                     zfroi(i) = ptimestep/FLOAT(ninter)/zdz(i)*zoliq(i)    &
[731]335                          *fall2v(reffh2oice(i,k)) * (1.0-zfrac(i)) ! zfroi behaves oddly...
[728]336                     ztot(i)  = zchau(i) + zfroi(i)
337
338                     IF (zneb(i).EQ.seuil_neb) ztot(i) = 0.0
339                     ztot(i)  = MIN(MAX(ztot(i),0.0),zoliq(i))
340                     zoliq(i) = MAX(zoliq(i)-ztot(i), 0.0)
341
342                  ENDIF
343               ENDDO
344            ENDDO           
345
346           END SELECT ! precip_scheme
347
[135]348            ! Change in cloud density and surface H2O values
[787]349            DO i = 1, ngrid
[135]350               IF (rneb(i,k).GT.0.0) THEN
[253]351                  d_ql(i,k) = (zoliq(i) - ql(i,k))!/ptimestep
352                  zrfl(i)   = zrfl(i)+ MAX(ql(i,k)-zoliq(i),0.0)*l2c(i,k)/ptimestep
[135]353               ENDIF
354            ENDDO
355
356
[728]357         endif ! if precip_scheme=1
358
[1308]359      ENDDO ! of DO k = nlayer, 1, -1
[135]360
361!     Rain or snow on the ground
[787]362      DO i = 1, ngrid
[253]363         if(zrfl(i).lt.0.0)then
364            print*,'Droplets of negative rain are falling...'
365            call abort
366         endif
[650]367         IF (t(i,1) .LT. T_h2O_ice_liq) THEN
[135]368            dqssnow(i) = zrfl(i)
[253]369            dqsrain(i) = 0.0
[135]370         ELSE
[253]371            dqssnow(i) = 0.0
[135]372            dqsrain(i) = zrfl(i) ! liquid water = ice for now
373         ENDIF
374      ENDDO
375
376!     now subroutine -----> GCM variables
[1283]377      if (evap_prec) then
[1308]378        dqrain(1:ngrid,1:nlayer,i_vap)=d_q(1:ngrid,1:nlayer)/ptimestep
379        d_t(1:ngrid,1:nlayer)=d_t(1:ngrid,1:nlayer)/ptimestep
[1859]380        do i=1,ngrid
381           reevap_precip(i)=0.
382           do k=1,nlayer
383              reevap_precip(i)=reevap_precip(i)+dqrain(i,k,i_vap)*l2c(i,k)
384           enddo
385        enddo
[1283]386      else
[1308]387        dqrain(1:ngrid,1:nlayer,i_vap)=0.0
388        d_t(1:ngrid,1:nlayer)=0.0
[1283]389      endif
[1308]390      dqrain(1:ngrid,1:nlayer,i_ice) = d_ql(1:ngrid,1:nlayer)/ptimestep
[135]391
392    end subroutine rain
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.