source: trunk/LMDZ.GENERIC/libf/phystd/rain.F90 @ 2987

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Improved rain evaporation for les + correction in callkeys

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Line 
1subroutine rain(ngrid,nlayer,nq,ptimestep,pplev,pplay,pphi,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) :: pphi(ngrid,nlayer)   ! mid-layer geopotential
33      real,intent(in) :: t(ngrid,nlayer) ! input temperature (K)
34      real,intent(in) :: pdt(ngrid,nlayer) ! input tendency on temperature (K/s)     
35      real,intent(in) :: pq(ngrid,nlayer,nq)  ! tracers (kg/kg)
36      real,intent(in) :: pdq(ngrid,nlayer,nq) ! input tendency on tracers
37      real,intent(out) :: d_t(ngrid,nlayer) ! temperature tendency (K/s)
38      real,intent(out) :: dqrain(ngrid,nlayer,nq) ! tendency of H2O precipitation (kg/kg.s-1)
39      real,intent(out) :: dqsrain(ngrid)  ! rain flux at the surface (kg.m-2.s-1)
40      real,intent(out) :: dqssnow(ngrid)  ! snow flux at the surface (kg.m-2.s-1)
41      real,intent(out) :: reevap_precip(ngrid)  ! re-evaporation flux of precipitation integrated over the atmospheric column (kg.m-2.s-1)
42      real,intent(in) :: rneb(ngrid,nlayer) ! cloud fraction
43
44      REAL zt(ngrid,nlayer)         ! working temperature (K)
45      REAL ql(ngrid,nlayer)         ! liquid water (Kg/Kg)
46      REAL q(ngrid,nlayer)          ! specific humidity (Kg/Kg)
47      REAL d_q(ngrid,nlayer)        ! water vapor increment
48      REAL d_ql(ngrid,nlayer)       ! liquid water / ice increment
49
50!     Subroutine options
51      REAL,PARAMETER :: seuil_neb=0.001  ! Nebulosity threshold
52
53      INTEGER,save :: precip_scheme      ! id number for precipitaion scheme
54!     for simple scheme  (precip_scheme=1)
55      REAL,SAVE :: rainthreshold                ! Precipitation threshold in simple scheme
56!     for sundquist scheme  (precip_scheme=2-3)
57      REAL,SAVE :: cloud_sat                    ! Precipitation threshold in non simple scheme
58      REAL,SAVE :: precip_timescale             ! Precipitation timescale
59!     for Boucher scheme  (precip_scheme=4)
60      REAL,SAVE :: Cboucher ! Precipitation constant in Boucher 95 scheme
61      REAL,PARAMETER :: Kboucher=1.19E8
62      REAL,SAVE :: c1
63!$OMP THREADPRIVATE(precip_scheme,rainthreshold,cloud_sat,precip_timescale,Cboucher,c1)
64
65      INTEGER,PARAMETER :: ninter=5
66
67      logical,save :: evap_prec ! Does the rain evaporate?
68!$OMP THREADPRIVATE(evap_prec)
69
70!     for simple scheme
71      real,parameter :: t_crit=218.0
72      real lconvert
73
74!     Local variables
75      INTEGER i, k, n
76      REAL zqs(ngrid,nlayer),Tsat(ngrid,nlayer), zdelta, zcor
77      REAL precip_rate(ngrid), precip_rate_tmp(ngrid), zqev, zqevt
78
79      REAL zoliq(ngrid)
80      REAL zdz(ngrid),zrho(ngrid),ztot(ngrid), zrhol(ngrid)
81      REAL zchau(ngrid),zfroi(ngrid),zfrac(ngrid),zneb(ngrid)
82
83      real reffh2oliq(ngrid,nlayer),reffh2oice(ngrid,nlayer)
84 
85      real ttemp, ptemp, psat_tmp
86      real tnext(ngrid,nlayer)
87
88      real dmass(ngrid,nlayer)
89      real dWtot
90
91
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!$OMP THREADPRIVATE(i_vap,i_ice)
96
97      LOGICAL,SAVE :: firstcall=.true.
98!$OMP THREADPRIVATE(firstcall)
99
100!     Online functions
101      REAL fallv, fall2v, zzz ! falling speed of ice crystals
102      fallv (zzz) = 3.29 * ((zzz)**0.16)
103      fall2v (zzz) =10.6 * ((zzz)**0.31)  !for use with radii
104
105
106      IF (firstcall) THEN
107
108         i_vap=igcm_h2o_vap
109         i_ice=igcm_h2o_ice
110       
111         write(*,*) "rain: i_ice=",i_ice
112         write(*,*) "      i_vap=",i_vap
113
114         PRINT*, 'in rain.F, ninter=', ninter
115         PRINT*, 'in rain.F, evap_prec=', evap_prec
116
117         write(*,*) "Precipitation scheme to use?"
118         precip_scheme=1 ! default value
119         call getin_p("precip_scheme",precip_scheme)
120         write(*,*) " precip_scheme = ",precip_scheme
121
122         if (precip_scheme.eq.1) then
123            write(*,*) "rainthreshold in simple scheme?"
124            rainthreshold=0. ! default value
125            call getin_p("rainthreshold",rainthreshold)
126            write(*,*) " rainthreshold = ",rainthreshold
127
128         else if (precip_scheme.eq.2.or.precip_scheme.eq.3) then
129            write(*,*) "cloud water saturation level in non simple scheme?"
130            cloud_sat=2.6e-4   ! default value
131            call getin_p("cloud_sat",cloud_sat)
132            write(*,*) " cloud_sat = ",cloud_sat
133            write(*,*) "precipitation timescale in non simple scheme?"
134            precip_timescale=3600.  ! default value
135            call getin_p("precip_timescale",precip_timescale)
136            write(*,*) " precip_timescale = ",precip_timescale
137
138         else if (precip_scheme.eq.4) then
139            write(*,*) "multiplicative constant in Boucher 95 precip scheme"
140            Cboucher=1.   ! default value
141            call getin_p("Cboucher",Cboucher)
142            write(*,*) " Cboucher = ",Cboucher 
143            c1=1.00*1.097/rhowater*Cboucher*Kboucher 
144
145         endif
146
147         write(*,*) "re-evaporate precipitations?"
148         evap_prec=.true. ! default value
149         call getin_p("evap_prec",evap_prec)
150         write(*,*) " evap_prec = ",evap_prec
151
152         firstcall = .false.
153      ENDIF ! of IF (firstcall)
154
155!     GCM -----> subroutine variables
156      DO k = 1, nlayer
157      DO i = 1, ngrid
158
159         zt(i,k)   = t(i,k)+pdt(i,k)*ptimestep ! a big fat bug was here
160         q(i,k)    = pq(i,k,i_vap)+pdq(i,k,i_vap)*ptimestep
161         ql(i,k)   = pq(i,k,i_ice)+pdq(i,k,i_ice)*ptimestep
162
163         !q(i,k)    = pq(i,k,i_vap)!+pdq(i,k,i_vap)
164         !ql(i,k)   = pq(i,k,i_ice)!+pdq(i,k,i_ice)
165
166         if(q(i,k).lt.0.)then ! if this is not done, we don't conserve water
167            q(i,k)=0.
168         endif
169         if(ql(i,k).lt.0.)then
170            ql(i,k)=0.
171         endif
172
173      ENDDO
174      ENDDO
175
176!     Initialise the outputs
177      d_t(1:ngrid,1:nlayer) = 0.0
178      d_q(1:ngrid,1:nlayer) = 0.0
179      d_ql(1:ngrid,1:nlayer) = 0.0
180      precip_rate(1:ngrid) = 0.0
181      precip_rate_tmp(1:ngrid) = 0.0
182
183      ! calculate saturation mixing ratio
184      DO k = 1, nlayer
185         DO i = 1, ngrid
186            ptemp = pplay(i,k)
187            call Psat_water(zt(i,k) ,ptemp,psat_tmp,zqs(i,k))
188            call Tsat_water(ptemp,Tsat(i,k))
189         ENDDO
190      ENDDO
191
192      ! get column / layer conversion factor
193      DO k = 1, nlayer
194         DO i = 1, ngrid
195            dmass(i,k)=(pplev(i,k)-pplev(i,k+1))/g
196         ENDDO
197      ENDDO
198
199      ! Vertical loop (from top to bottom)
200      ! We carry the rain with us and calculate that added by warm/cold precipitation
201      ! processes and that subtracted by evaporation at each level.
202      DO k = nlayer, 1, -1
203
204         IF (evap_prec) THEN ! note no rneb dependence!
205            DO i = 1, ngrid
206               IF (precip_rate(i) .GT.0.) THEN
207
208                  if(zt(i,k).gt.Tsat(i,k))then
209!!                   treat the case where all liquid water should boil
210                     zqev=MIN((zt(i,k)-Tsat(i,k))*RCPD*dmass(i,k)/RLVTT/ptimestep,precip_rate(i))
211                     precip_rate(i)=MAX(precip_rate(i)-zqev,0.)
212                     d_q(i,k)=zqev/dmass(i,k)*ptimestep
213                     d_t(i,k) = - d_q(i,k) * RLVTT/RCPD
214                  else
215                     zqev = MAX (0.0, (zqs(i,k)-q(i,k)))*dmass(i,k)/ptimestep !there was a bug here
216                     zqevt= 2.0e-5*(1.0-q(i,k)/zqs(i,k))    & !default was 2.e-5
217                        *sqrt(precip_rate(i))*dmass(i,k)/pplay(i,k)*zt(i,k)*R ! BC modif here
218                     zqevt = MAX (zqevt, 0.0)
219                     zqev  = MIN (zqev, zqevt)
220                     zqev  = MAX (zqev, 0.0)
221                     precip_rate_tmp(i)= precip_rate(i) - zqev
222                     precip_rate_tmp(i)= max(precip_rate_tmp(i),0.0)
223
224                     d_q(i,k) = - (precip_rate_tmp(i)-precip_rate(i))/dmass(i,k)*ptimestep
225                     !d_t(i,k) = d_q(i,k) * RLVTT/RCPD!/(1.0+RVTMP2*q(i,k)) ! double BC modif here
226                     d_t(i,k) = - d_q(i,k) * RLVTT/RCPD ! was bugged!
227                     precip_rate(i)  = precip_rate_tmp(i)
228                  end if
229#ifdef MESOSCALE
230                  d_t(i,k) = d_t(i,k)+(pphi(i,k+1)-pphi(i,k))*precip_rate(i)*ptimestep/(RCPD*dmass(i,k))
231                  ! JL22. Accounts for gravitational energy of falling precipitations (probably not to be used in the GCM
232                  !   where the counterpart is not included in the dynamics.)
233#endif
234
235               ENDIF ! of IF (precip_rate(i) .GT.0.)
236            ENDDO
237         ENDIF ! of IF (evap_prec)
238
239         zoliq(1:ngrid) = 0.0
240
241
242         if(precip_scheme.eq.1)then
243
244            DO i = 1, ngrid
245               ttemp = zt(i,k)
246               IF (ttemp .ge. T_h2O_ice_liq) THEN
247                  lconvert=rainthreshold
248               ELSEIF (ttemp .gt. t_crit) THEN
249                  lconvert=rainthreshold*(1.- t_crit/ttemp)
250                  lconvert=MAX(0.0,lconvert)             
251               ELSE
252                  lconvert=0.
253               ENDIF
254
255
256               IF (ql(i,k).gt.1.e-9) then
257                  zneb(i)  = MAX(rneb(i,k), seuil_neb)
258                  IF ((ql(i,k)/zneb(i)).gt.lconvert)THEN ! precipitate!
259                     d_ql(i,k) = -MAX((ql(i,k)-lconvert*zneb(i)),0.0)
260                     precip_rate(i)   = precip_rate(i) - d_ql(i,k)*dmass(i,k)/ptimestep
261                  ENDIF
262               ENDIF
263            ENDDO
264
265         elseif (precip_scheme.ge.2) then
266         
267           DO i = 1, ngrid
268               IF (rneb(i,k).GT.0.0) THEN
269                  zoliq(i) = ql(i,k)
270                  zrho(i)  = pplay(i,k) / ( zt(i,k) * R )
271                  zdz(i)   = (pplev(i,k)-pplev(i,k+1)) / (zrho(i)*g)
272                  zfrac(i) = (zt(i,k)-T_h2O_ice_clouds) / (T_h2O_ice_liq-T_h2O_ice_clouds)
273                  zfrac(i) = MAX(zfrac(i), 0.0)
274                  zfrac(i) = MIN(zfrac(i), 1.0)
275                  zneb(i)  = MAX(rneb(i,k), seuil_neb)
276               ENDIF
277           ENDDO
278
279 !recalculate liquid water particle radii
280           call h2o_cloudrad(ngrid,nlayer,ql,reffh2oliq,reffh2oice)
281
282           SELECT CASE(precip_scheme)
283 !precip scheme from Sundquist 78
284           CASE(2)
285
286            DO n = 1, ninter
287               DO i = 1, ngrid
288                  IF (rneb(i,k).GT.0.0) THEN
289                     ! this is the ONLY place where zneb, precip_timescale and cloud_sat are used
290
291                     zchau(i) = (ptimestep/(FLOAT(ninter)*precip_timescale)) * zoliq(i)      &
292                          * (1.0-EXP(-(zoliq(i)/zneb(i)/cloud_sat)**2)) * zfrac(i)
293                     zrhol(i) = zrho(i) * zoliq(i) / zneb(i)
294                     zfroi(i) = ptimestep/FLOAT(ninter)/zdz(i)*zoliq(i)    &
295                          *fall2v(reffh2oice(i,k)) * (1.0-zfrac(i)) ! zfroi behaves oddly...
296                     ztot(i)  = zchau(i) + zfroi(i)
297
298                     IF (zneb(i).EQ.seuil_neb) ztot(i) = 0.0
299                     ztot(i)  = MIN(MAX(ztot(i),0.0),zoliq(i))
300                     zoliq(i) = MAX(zoliq(i)-ztot(i), 0.0)
301
302                  ENDIF
303               ENDDO
304            ENDDO           
305
306 !precip scheme modified from Sundquist 78 (in q**3)
307           CASE(3)         
308           
309            DO n = 1, ninter
310               DO i = 1, ngrid
311                  IF (rneb(i,k).GT.0.0) THEN
312                     ! this is the ONLY place where zneb, precip_timescale and cloud_sat are used
313
314                     zchau(i) = (ptimestep/(FLOAT(ninter)*precip_timescale*cloud_sat**2)) * (zoliq(i)/zneb(i))**3 
315                     zrhol(i) = zrho(i) * zoliq(i) / zneb(i)
316                     zfroi(i) = ptimestep/FLOAT(ninter)/zdz(i)*zoliq(i)    &
317                          *fall2v(reffh2oice(i,k)) * (1.0-zfrac(i)) ! zfroi behaves oddly...
318                     ztot(i)  = zchau(i) + zfroi(i)
319
320                     IF (zneb(i).EQ.seuil_neb) ztot(i) = 0.0
321                     ztot(i)  = MIN(MAX(ztot(i),0.0),zoliq(i))
322                     zoliq(i) = MAX(zoliq(i)-ztot(i), 0.0)
323
324                  ENDIF
325               ENDDO
326            ENDDO           
327
328 !precip scheme modified from Boucher 95
329           CASE(4)
330
331            DO n = 1, ninter
332               DO i = 1, ngrid
333                  IF (rneb(i,k).GT.0.0) THEN
334                     ! this is the ONLY place where zneb and c1 are used
335
336                     zchau(i) = ptimestep/FLOAT(ninter) *c1* zrho(i) &
337                                    *(zoliq(i)/zneb(i))**2*reffh2oliq(i,k)*zneb(i)* zfrac(i)
338                     zrhol(i) = zrho(i) * zoliq(i) / zneb(i)
339                     zfroi(i) = ptimestep/FLOAT(ninter)/zdz(i)*zoliq(i)    &
340                          *fall2v(reffh2oice(i,k)) * (1.0-zfrac(i)) ! zfroi behaves oddly...
341                     ztot(i)  = zchau(i) + zfroi(i)
342
343                     IF (zneb(i).EQ.seuil_neb) ztot(i) = 0.0
344                     ztot(i)  = MIN(MAX(ztot(i),0.0),zoliq(i))
345                     zoliq(i) = MAX(zoliq(i)-ztot(i), 0.0)
346
347                  ENDIF
348               ENDDO
349            ENDDO           
350
351           END SELECT ! precip_scheme
352
353            ! Change in cloud density and surface H2O values
354            DO i = 1, ngrid
355               IF (rneb(i,k).GT.0.0) THEN
356                  d_ql(i,k) = (zoliq(i) - ql(i,k))!/ptimestep
357                  precip_rate(i)   = precip_rate(i)+ MAX(ql(i,k)-zoliq(i),0.0)*dmass(i,k)/ptimestep
358               ENDIF
359            ENDDO
360
361
362         endif ! if precip_scheme=1
363
364      ENDDO ! of DO k = nlayer, 1, -1
365
366!     Rain or snow on the ground
367      DO i = 1, ngrid
368         if(precip_rate(i).lt.0.0)then
369            print*,'Droplets of negative rain are falling...'
370            call abort
371         endif
372         IF (t(i,1) .LT. T_h2O_ice_liq) THEN
373            dqssnow(i) = precip_rate(i)
374            dqsrain(i) = 0.0
375         ELSE
376            dqssnow(i) = 0.0
377            dqsrain(i) = precip_rate(i) ! liquid water = ice for now
378         ENDIF
379      ENDDO
380
381!     now subroutine -----> GCM variables
382      if (evap_prec) then
383        dqrain(1:ngrid,1:nlayer,i_vap)=d_q(1:ngrid,1:nlayer)/ptimestep
384        d_t(1:ngrid,1:nlayer)=d_t(1:ngrid,1:nlayer)/ptimestep
385        do i=1,ngrid
386           reevap_precip(i)=0.
387           do k=1,nlayer
388              reevap_precip(i)=reevap_precip(i)+dqrain(i,k,i_vap)*dmass(i,k)
389           enddo
390        enddo
391      else
392        dqrain(1:ngrid,1:nlayer,i_vap)=0.0
393        d_t(1:ngrid,1:nlayer)=0.0
394      endif
395      dqrain(1:ngrid,1:nlayer,i_ice) = d_ql(1:ngrid,1:nlayer)/ptimestep
396
397    end subroutine rain
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.