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

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Line 
1subroutine rain(ngrid,nlayer,nq,ptimestep,pplev,pplay,t,pdt,pq,pdq,d_t,dqrain,dqsrain,dqssnow,reevap_precip,rneb)
2
3
4  use ioipsl_getin_p_mod, only: getin_p
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
7  USE tracer_h, only: igcm_h2o_vap, igcm_h2o_ice
8  use comcstfi_mod, only: g, r
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)
20!     Added rain vaporization in case of T>Tsat
21!     Original author Z. X. Li (1993)
22!     
23!==================================================================
24
25!     Arguments
26      integer,intent(in) :: ngrid ! number of atmospheric columns
27      integer,intent(in) :: nlayer ! number of atmospheric layers
28      integer,intent(in) :: nq ! number of tracers
29      real,intent(in) :: ptimestep    ! time interval
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)
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)
40      real,intent(out) :: reevap_precip(ngrid)  ! re-evaporation flux of precipitation integrated over the atmospheric column (kg.m-2.s-1)
41      real,intent(in) :: rneb(ngrid,nlayer) ! cloud fraction
42
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
48
49!     Subroutine options
50      REAL,PARAMETER :: seuil_neb=0.001  ! Nebulosity threshold
51
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
62!$OMP THREADPRIVATE(precip_scheme,rainthreshold,cloud_sat,precip_timescale,Cboucher,c1)
63
64      INTEGER,PARAMETER :: ninter=5
65
66      logical,save :: evap_prec ! Does the rain evaporate?
67!$OMP THREADPRIVATE(evap_prec)
68
69!     for simple scheme
70      real,parameter :: t_crit=218.0
71      real lconvert
72
73!     Local variables
74      INTEGER i, k, n
75      REAL zqs(ngrid,nlayer),Tsat(ngrid,nlayer), zdelta, zcor
76      REAL zrfl(ngrid), zrfln(ngrid), zqev, zqevt
77
78      REAL zoliq(ngrid)
79      REAL zdz(ngrid),zrho(ngrid),ztot(ngrid), zrhol(ngrid)
80      REAL zchau(ngrid),zfroi(ngrid),zfrac(ngrid),zneb(ngrid)
81
82      real reffh2oliq(ngrid,nlayer),reffh2oice(ngrid,nlayer)
83 
84      real ttemp, ptemp, psat_tmp
85      real tnext(ngrid,nlayer)
86
87      real l2c(ngrid,nlayer)
88      real dWtot
89
90
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
94!$OMP THREADPRIVATE(i_vap,i_ice)
95
96      LOGICAL,SAVE :: firstcall=.true.
97!$OMP THREADPRIVATE(firstcall)
98
99!     Online functions
100      REAL fallv, fall2v, zzz ! falling speed of ice crystals
101      fallv (zzz) = 3.29 * ((zzz)**0.16)
102      fall2v (zzz) =10.6 * ((zzz)**0.31)  !for use with radii
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
116         write(*,*) "Precipitation scheme to use?"
117         precip_scheme=1 ! default value
118         call getin_p("precip_scheme",precip_scheme)
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
124            call getin_p("rainthreshold",rainthreshold)
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
130            call getin_p("cloud_sat",cloud_sat)
131            write(*,*) " cloud_sat = ",cloud_sat
132            write(*,*) "precipitation timescale in non simple scheme?"
133            precip_timescale=3600.  ! default value
134            call getin_p("precip_timescale",precip_timescale)
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
140            call getin_p("Cboucher",Cboucher)
141            write(*,*) " Cboucher = ",Cboucher 
142            c1=1.00*1.097/rhowater*Cboucher*Kboucher 
143
144         endif
145
146         write(*,*) "re-evaporate precipitations?"
147         evap_prec=.true. ! default value
148         call getin_p("evap_prec",evap_prec)
149         write(*,*) " evap_prec = ",evap_prec
150
151         firstcall = .false.
152      ENDIF ! of IF (firstcall)
153
154!     GCM -----> subroutine variables
155      DO k = 1, nlayer
156      DO i = 1, ngrid
157
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
161
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
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
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
179      zrfl(1:ngrid) = 0.0
180      zrfln(1:ngrid) = 0.0
181
182      ! calculate saturation mixing ratio
183      DO k = 1, nlayer
184         DO i = 1, ngrid
185            ptemp = pplay(i,k)
186            call Psat_water(zt(i,k) ,ptemp,psat_tmp,zqs(i,k))
187            call Tsat_water(ptemp,Tsat(i,k))
188         ENDDO
189      ENDDO
190
191      ! get column / layer conversion factor
192      DO k = 1, nlayer
193         DO i = 1, ngrid
194            l2c(i,k)=(pplev(i,k)-pplev(i,k+1))/g
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.
201      DO k = nlayer, 1, -1
202
203         IF (evap_prec) THEN ! note no rneb dependence!
204            DO i = 1, ngrid
205               IF (zrfl(i) .GT.0.) THEN
206
207                  if(zt(i,k).gt.Tsat(i,k))then
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))
210                     zrfl(i)=MAX(zrfl(i)-zqev,0.)
211                     d_q(i,k)=zqev/l2c(i,k)*ptimestep
212                     d_t(i,k) = - d_q(i,k) * RLVTT/RCPD
213                  else
214                     zqev = MAX (0.0, (zqs(i,k)-q(i,k)))*l2c(i,k)/ptimestep !there was a bug here
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)
222
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                     
229
230               ENDIF ! of IF (zrfl(i) .GT.0.)
231            ENDDO
232         ENDIF ! of IF (evap_prec)
233
234         zoliq(1:ngrid) = 0.0
235
236
237         if(precip_scheme.eq.1)then
238
239            DO i = 1, ngrid
240               ttemp = zt(i,k)
241               IF (ttemp .ge. T_h2O_ice_liq) THEN
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
249
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!
254                     d_ql(i,k) = -MAX((ql(i,k)-lconvert*zneb(i)),0.0)
255                     zrfl(i)   = zrfl(i) - d_ql(i,k)*l2c(i,k)/ptimestep
256                  ENDIF
257               ENDIF
258            ENDDO
259
260         elseif (precip_scheme.ge.2) then
261         
262           DO i = 1, ngrid
263               IF (rneb(i,k).GT.0.0) THEN
264                  zoliq(i) = ql(i,k)
265                  zrho(i)  = pplay(i,k) / ( zt(i,k) * R )
266                  zdz(i)   = (pplev(i,k)-pplev(i,k+1)) / (zrho(i)*g)
267                  zfrac(i) = (zt(i,k)-T_h2O_ice_clouds) / (T_h2O_ice_liq-T_h2O_ice_clouds)
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
272           ENDDO
273
274 !recalculate liquid water particle radii
275           call h2o_cloudrad(ngrid,nlayer,ql,reffh2oliq,reffh2oice)
276
277           SELECT CASE(precip_scheme)
278 !precip scheme from Sundquist 78
279           CASE(2)
280
281            DO n = 1, ninter
282               DO i = 1, ngrid
283                  IF (rneb(i,k).GT.0.0) THEN
284                     ! this is the ONLY place where zneb, precip_timescale and cloud_sat are used
285
286                     zchau(i) = (ptimestep/(FLOAT(ninter)*precip_timescale)) * zoliq(i)      &
287                          * (1.0-EXP(-(zoliq(i)/zneb(i)/cloud_sat)**2)) * zfrac(i)
288                     zrhol(i) = zrho(i) * zoliq(i) / zneb(i)
289                     zfroi(i) = ptimestep/FLOAT(ninter)/zdz(i)*zoliq(i)    &
290                          *fall2v(reffh2oice(i,k)) * (1.0-zfrac(i)) ! zfroi behaves oddly...
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)
296
297                  ENDIF
298               ENDDO
299            ENDDO           
300
301 !precip scheme modified from Sundquist 78 (in q**3)
302           CASE(3)         
303           
304            DO n = 1, ninter
305               DO i = 1, ngrid
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)    &
312                          *fall2v(reffh2oice(i,k)) * (1.0-zfrac(i)) ! zfroi behaves oddly...
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
327               DO i = 1, ngrid
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)    &
335                          *fall2v(reffh2oice(i,k)) * (1.0-zfrac(i)) ! zfroi behaves oddly...
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
348            ! Change in cloud density and surface H2O values
349            DO i = 1, ngrid
350               IF (rneb(i,k).GT.0.0) THEN
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
353               ENDIF
354            ENDDO
355
356
357         endif ! if precip_scheme=1
358
359      ENDDO ! of DO k = nlayer, 1, -1
360
361!     Rain or snow on the ground
362      DO i = 1, ngrid
363         if(zrfl(i).lt.0.0)then
364            print*,'Droplets of negative rain are falling...'
365            call abort
366         endif
367         IF (t(i,1) .LT. T_h2O_ice_liq) THEN
368            dqssnow(i) = zrfl(i)
369            dqsrain(i) = 0.0
370         ELSE
371            dqssnow(i) = 0.0
372            dqsrain(i) = zrfl(i) ! liquid water = ice for now
373         ENDIF
374      ENDDO
375
376!     now subroutine -----> GCM variables
377      if (evap_prec) then
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
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
386      else
387        dqrain(1:ngrid,1:nlayer,i_vap)=0.0
388        d_t(1:ngrid,1:nlayer)=0.0
389      endif
390      dqrain(1:ngrid,1:nlayer,i_ice) = d_ql(1:ngrid,1:nlayer)/ptimestep
391
392    end subroutine rain
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.