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p4zlim.F90 in NEMO/branches/2020/dev_r13383_HPC-02_Daley_Tiling/src/TOP/PISCES/P4Z – NEMO

source: NEMO/branches/2020/dev_r13383_HPC-02_Daley_Tiling/src/TOP/PISCES/P4Z/p4zlim.F90 @ 13553

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1MODULE p4zlim
2   !!======================================================================
3   !!                         ***  MODULE p4zlim  ***
4   !! TOP :   PISCES
5   !!======================================================================
6   !! History :   1.0  !  2004     (O. Aumont) Original code
7   !!             2.0  !  2007-12  (C. Ethe, G. Madec)  F90
8   !!             3.4  !  2011-04  (O. Aumont, C. Ethe) Limitation for iron modelled in quota
9   !!----------------------------------------------------------------------
10   !!   p4z_lim        :   Compute the nutrients limitation terms
11   !!   p4z_lim_init   :   Read the namelist
12   !!----------------------------------------------------------------------
13   USE oce_trc         ! Shared ocean-passive tracers variables
14   USE trc             ! Tracers defined
15   USE sms_pisces      ! PISCES variables
16   USE iom             !  I/O manager
17
18   IMPLICIT NONE
19   PRIVATE
20
21   PUBLIC p4z_lim   
22   PUBLIC p4z_lim_init   
23   PUBLIC p4z_lim_alloc
24
25   !! * Shared module variables
26   REAL(wp), PUBLIC ::  concnno3    !:  NO3, PO4 half saturation   
27   REAL(wp), PUBLIC ::  concdno3    !:  Phosphate half saturation for diatoms 
28   REAL(wp), PUBLIC ::  concnnh4    !:  NH4 half saturation for phyto 
29   REAL(wp), PUBLIC ::  concdnh4    !:  NH4 half saturation for diatoms
30   REAL(wp), PUBLIC ::  concnfer    !:  Iron half saturation for nanophyto
31   REAL(wp), PUBLIC ::  concdfer    !:  Iron half saturation for diatoms 
32   REAL(wp), PUBLIC ::  concbno3    !:  NO3 half saturation  for bacteria
33   REAL(wp), PUBLIC ::  concbnh4    !:  NH4 half saturation for bacteria
34   REAL(wp), PUBLIC ::  xsizedia    !:  Minimum size criteria for diatoms
35   REAL(wp), PUBLIC ::  xsizephy    !:  Minimum size criteria for nanophyto
36   REAL(wp), PUBLIC ::  xsizern     !:  Size ratio for nanophytoplankton
37   REAL(wp), PUBLIC ::  xsizerd     !:  Size ratio for diatoms
38   REAL(wp), PUBLIC ::  xksi1       !:  half saturation constant for Si uptake
39   REAL(wp), PUBLIC ::  xksi2       !:  half saturation constant for Si/C
40   REAL(wp), PUBLIC ::  xkdoc       !:  2nd half-sat. of DOC remineralization 
41   REAL(wp), PUBLIC ::  concbfe     !:  Fe half saturation for bacteria
42   REAL(wp), PUBLIC ::  oxymin      !:  half saturation constant for anoxia
43   REAL(wp), PUBLIC ::  qnfelim     !:  optimal Fe quota for nanophyto
44   REAL(wp), PUBLIC ::  qdfelim     !:  optimal Fe quota for diatoms
45   REAL(wp), PUBLIC ::  caco3r      !:  mean rainratio
46
47   !!* Phytoplankton limitation terms
48   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:)  ::   xnanono3   !: ???
49   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:)  ::   xdiatno3   !: ???
50   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:)  ::   xnanonh4   !: ???
51   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:)  ::   xdiatnh4   !: ???
52   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:)  ::   xnanopo4   !: ???
53   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:)  ::   xdiatpo4   !: ???
54   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:)  ::   xlimphy    !: ???
55   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:)  ::   xlimdia    !: ???
56   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:)  ::   xlimnfe    !: ???
57   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:)  ::   xlimdfe    !: ???
58   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:)  ::   xlimsi     !: ???
59   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:)  ::   xlimbac    !: ??
60   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:)  ::   xlimbacl   !: ??
61   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:)  ::   concdfe    !: ???
62   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:)  ::   concnfe    !: ???
63
64   ! Coefficient for iron limitation
65   REAL(wp) ::  xcoef1   = 0.0016  / 55.85 
66   REAL(wp) ::  xcoef2   = 1.21E-5 * 14. / 55.85 / 7.625 * 0.5 * 1.5
67   REAL(wp) ::  xcoef3   = 1.15E-4 * 14. / 55.85 / 7.625 * 0.5 
68
69   !! * Substitutions
70#  include "do_loop_substitute.h90"
71   !!----------------------------------------------------------------------
72   !! NEMO/TOP 4.0 , NEMO Consortium (2018)
73   !! $Id: p4zlim.F90 10069 2018-08-28 14:12:24Z nicolasmartin $
74   !! Software governed by the CeCILL license (see ./LICENSE)
75   !!----------------------------------------------------------------------
76CONTAINS
77
78   SUBROUTINE p4z_lim( kt, knt, Kbb, Kmm )
79      !!---------------------------------------------------------------------
80      !!                     ***  ROUTINE p4z_lim  ***
81      !!
82      !! ** Purpose :   Compute the co-limitations by the various nutrients
83      !!              for the various phytoplankton species
84      !!
85      !! ** Method  : - ???
86      !!---------------------------------------------------------------------
87      INTEGER, INTENT(in)  :: kt, knt
88      INTEGER, INTENT(in)  :: Kbb, Kmm      ! time level indices
89      !
90      INTEGER  ::   ji, jj, jk
91      REAL(wp) ::   zlim1, zlim2, zlim3, zlim4, zno3, zferlim
92      REAL(wp) ::   zconcd, zconcd2, zconcn, zconcn2
93      REAL(wp) ::   z1_trbdia, z1_trbphy, ztem1, ztem2, zetot1, zetot2
94      REAL(wp) ::   zdenom, zratio, zironmin
95      REAL(wp) ::   zconc1d, zconc1dnh4, zconc0n, zconc0nnh4   
96      !!---------------------------------------------------------------------
97      !
98      IF( ln_timing )   CALL timing_start('p4z_lim')
99      !
100      DO_3D( 1, 1, 1, 1, 1, jpkm1 )
101         
102         ! Tuning of the iron concentration to a minimum level that is set to the detection limit
103         !-------------------------------------
104         zno3    = tr(ji,jj,jk,jpno3,Kbb) / 40.e-6
105         zferlim = MAX( 3e-11 * zno3 * zno3, 5e-12 )
106         zferlim = MIN( zferlim, 7e-11 )
107         tr(ji,jj,jk,jpfer,Kbb) = MAX( tr(ji,jj,jk,jpfer,Kbb), zferlim )
108
109         ! Computation of a variable Ks for iron on diatoms taking into account
110         ! that increasing biomass is made of generally bigger cells
111         !------------------------------------------------
112         zconcd   = MAX( 0.e0 , tr(ji,jj,jk,jpdia,Kbb) - xsizedia )
113         zconcd2  = tr(ji,jj,jk,jpdia,Kbb) - zconcd
114         zconcn   = MAX( 0.e0 , tr(ji,jj,jk,jpphy,Kbb) - xsizephy )
115         zconcn2  = tr(ji,jj,jk,jpphy,Kbb) - zconcn
116         z1_trbphy   = 1. / ( tr(ji,jj,jk,jpphy,Kbb) + rtrn )
117         z1_trbdia   = 1. / ( tr(ji,jj,jk,jpdia,Kbb) + rtrn )
118
119         concdfe(ji,jj,jk) = MAX( concdfer, ( zconcd2 * concdfer + concdfer * xsizerd * zconcd ) * z1_trbdia )
120         zconc1d           = MAX( concdno3, ( zconcd2 * concdno3 + concdno3 * xsizerd * zconcd ) * z1_trbdia )
121         zconc1dnh4        = MAX( concdnh4, ( zconcd2 * concdnh4 + concdnh4 * xsizerd * zconcd ) * z1_trbdia )
122
123         concnfe(ji,jj,jk) = MAX( concnfer, ( zconcn2 * concnfer + concnfer * xsizern * zconcn ) * z1_trbphy )
124         zconc0n           = MAX( concnno3, ( zconcn2 * concnno3 + concnno3 * xsizern * zconcn ) * z1_trbphy )
125         zconc0nnh4        = MAX( concnnh4, ( zconcn2 * concnnh4 + concnnh4 * xsizern * zconcn ) * z1_trbphy )
126
127         ! Michaelis-Menten Limitation term for nutrients Small bacteria
128         ! -------------------------------------------------------------
129         zdenom = 1. /  ( concbno3 * concbnh4 + concbnh4 * tr(ji,jj,jk,jpno3,Kbb) + concbno3 * tr(ji,jj,jk,jpnh4,Kbb) )
130         xnanono3(ji,jj,jk) = tr(ji,jj,jk,jpno3,Kbb) * concbnh4 * zdenom
131         xnanonh4(ji,jj,jk) = tr(ji,jj,jk,jpnh4,Kbb) * concbno3 * zdenom
132         !
133         zlim1    = xnanono3(ji,jj,jk) + xnanonh4(ji,jj,jk)
134         zlim2    = tr(ji,jj,jk,jppo4,Kbb) / ( tr(ji,jj,jk,jppo4,Kbb) + concbnh4 )
135         zlim3    = tr(ji,jj,jk,jpfer,Kbb) / ( concbfe + tr(ji,jj,jk,jpfer,Kbb) )
136         zlim4    = tr(ji,jj,jk,jpdoc,Kbb) / ( xkdoc   + tr(ji,jj,jk,jpdoc,Kbb) )
137         xlimbacl(ji,jj,jk) = MIN( zlim1, zlim2, zlim3 )
138         xlimbac (ji,jj,jk) = MIN( zlim1, zlim2, zlim3 ) * zlim4
139
140         ! Michaelis-Menten Limitation term for nutrients Small flagellates
141         ! -----------------------------------------------
142         zdenom = 1. /  ( zconc0n * zconc0nnh4 + zconc0nnh4 * tr(ji,jj,jk,jpno3,Kbb) + zconc0n * tr(ji,jj,jk,jpnh4,Kbb) )
143         xnanono3(ji,jj,jk) = tr(ji,jj,jk,jpno3,Kbb) * zconc0nnh4 * zdenom
144         xnanonh4(ji,jj,jk) = tr(ji,jj,jk,jpnh4,Kbb) * zconc0n    * zdenom
145         !
146         zlim1    = xnanono3(ji,jj,jk) + xnanonh4(ji,jj,jk)
147         zlim2    = tr(ji,jj,jk,jppo4,Kbb) / ( tr(ji,jj,jk,jppo4,Kbb) + zconc0nnh4 )
148         zratio   = tr(ji,jj,jk,jpnfe,Kbb) * z1_trbphy 
149         zironmin = xcoef1 * tr(ji,jj,jk,jpnch,Kbb) * z1_trbphy + xcoef2 * zlim1 + xcoef3 * xnanono3(ji,jj,jk)
150         zlim3    = MAX( 0.,( zratio - zironmin ) / qnfelim )
151         xnanopo4(ji,jj,jk) = zlim2
152         xlimnfe (ji,jj,jk) = MIN( 1., zlim3 )
153         xlimphy (ji,jj,jk) = MIN( zlim1, zlim2, zlim3 )
154         !
155         !   Michaelis-Menten Limitation term for nutrients Diatoms
156         !   ----------------------------------------------
157         zdenom   = 1. / ( zconc1d * zconc1dnh4 + zconc1dnh4 * tr(ji,jj,jk,jpno3,Kbb) + zconc1d * tr(ji,jj,jk,jpnh4,Kbb) )
158         xdiatno3(ji,jj,jk) = tr(ji,jj,jk,jpno3,Kbb) * zconc1dnh4 * zdenom
159         xdiatnh4(ji,jj,jk) = tr(ji,jj,jk,jpnh4,Kbb) * zconc1d    * zdenom
160         !
161         zlim1    = xdiatno3(ji,jj,jk) + xdiatnh4(ji,jj,jk)
162         zlim2    = tr(ji,jj,jk,jppo4,Kbb) / ( tr(ji,jj,jk,jppo4,Kbb) + zconc1dnh4  )
163         zlim3    = tr(ji,jj,jk,jpsil,Kbb) / ( tr(ji,jj,jk,jpsil,Kbb) + xksi(ji,jj) + rtrn )
164         zratio   = tr(ji,jj,jk,jpdfe,Kbb) * z1_trbdia
165         zironmin = xcoef1 * tr(ji,jj,jk,jpdch,Kbb) * z1_trbdia + xcoef2 * zlim1 + xcoef3 * xdiatno3(ji,jj,jk)
166         zlim4    = MAX( 0., ( zratio - zironmin ) / qdfelim )
167         xdiatpo4(ji,jj,jk) = zlim2
168         xlimdfe (ji,jj,jk) = MIN( 1., zlim4 )
169         xlimdia (ji,jj,jk) = MIN( zlim1, zlim2, zlim3, zlim4 )
170         xlimsi  (ji,jj,jk) = MIN( zlim1, zlim2, zlim4 )
171      END_3D
172
173      ! Compute the fraction of nanophytoplankton that is made of calcifiers
174      ! --------------------------------------------------------------------
175      DO_3D( 1, 1, 1, 1, 1, jpkm1 )
176         zlim1 =  ( tr(ji,jj,jk,jpno3,Kbb) * concnnh4 + tr(ji,jj,jk,jpnh4,Kbb) * concnno3 )    &
177            &   / ( concnno3 * concnnh4 + concnnh4 * tr(ji,jj,jk,jpno3,Kbb) + concnno3 * tr(ji,jj,jk,jpnh4,Kbb) ) 
178         zlim2  = tr(ji,jj,jk,jppo4,Kbb) / ( tr(ji,jj,jk,jppo4,Kbb) + concnnh4 )
179         zlim3  = tr(ji,jj,jk,jpfer,Kbb) / ( tr(ji,jj,jk,jpfer,Kbb) +  5.E-11   )
180         ztem1  = MAX( 0., ts(ji,jj,jk,jp_tem,Kmm) )
181         ztem2  = ts(ji,jj,jk,jp_tem,Kmm) - 10.
182         zetot1 = MAX( 0., etot_ndcy(ji,jj,jk) - 1.) / ( 4. + etot_ndcy(ji,jj,jk) ) 
183         zetot2 = 30. / ( 30. + etot_ndcy(ji,jj,jk) ) 
184
185         xfracal(ji,jj,jk) = caco3r * MIN( zlim1, zlim2, zlim3 )                  &
186            &                       * ztem1 / ( 0.1 + ztem1 )                     &
187            &                       * MAX( 1., tr(ji,jj,jk,jpphy,Kbb) * 1.e6 / 2. )  &
188            &                       * zetot1 * zetot2               &
189            &                       * ( 1. + EXP(-ztem2 * ztem2 / 25. ) )         &
190            &                       * MIN( 1., 50. / ( hmld(ji,jj) + rtrn ) )
191         xfracal(ji,jj,jk) = MIN( 0.8 , xfracal(ji,jj,jk) )
192         xfracal(ji,jj,jk) = MAX( 0.02, xfracal(ji,jj,jk) )
193      END_3D
194      !
195      DO_3D( 1, 1, 1, 1, 1, jpkm1 )
196         ! denitrification factor computed from O2 levels
197         nitrfac(ji,jj,jk) = MAX(  0.e0, 0.4 * ( 6.e-6  - tr(ji,jj,jk,jpoxy,Kbb) )    &
198            &                                / ( oxymin + tr(ji,jj,jk,jpoxy,Kbb) )  )
199         nitrfac(ji,jj,jk) = MIN( 1., nitrfac(ji,jj,jk) )
200         !
201         ! denitrification factor computed from NO3 levels
202         nitrfac2(ji,jj,jk) = MAX( 0.e0,       ( 1.E-6 - tr(ji,jj,jk,jpno3,Kbb) )  &
203            &                                / ( 1.E-6 + tr(ji,jj,jk,jpno3,Kbb) ) )
204         nitrfac2(ji,jj,jk) = MIN( 1., nitrfac2(ji,jj,jk) )
205      END_3D
206      !
207      IF( lk_iomput .AND. knt == nrdttrc ) THEN        ! save output diagnostics
208        CALL iom_put( "xfracal", xfracal(:,:,:) * tmask(:,:,:) )  ! euphotic layer deptht
209        CALL iom_put( "LNnut"  , xlimphy(:,:,:) * tmask(:,:,:) )  ! Nutrient limitation term
210        CALL iom_put( "LDnut"  , xlimdia(:,:,:) * tmask(:,:,:) )  ! Nutrient limitation term
211        CALL iom_put( "LNFe"   , xlimnfe(:,:,:) * tmask(:,:,:) )  ! Iron limitation term
212        CALL iom_put( "LDFe"   , xlimdfe(:,:,:) * tmask(:,:,:) )  ! Iron limitation term
213      ENDIF
214      !
215      IF( ln_timing )   CALL timing_stop('p4z_lim')
216      !
217   END SUBROUTINE p4z_lim
218
219
220   SUBROUTINE p4z_lim_init
221      !!----------------------------------------------------------------------
222      !!                  ***  ROUTINE p4z_lim_init  ***
223      !!
224      !! ** Purpose :   Initialization of nutrient limitation parameters
225      !!
226      !! ** Method  :   Read the nampislim namelist and check the parameters
227      !!      called at the first timestep (nittrc000)
228      !!
229      !! ** input   :   Namelist nampislim
230      !!
231      !!----------------------------------------------------------------------
232      INTEGER ::   ios   ! Local integer
233      !
234      NAMELIST/namp4zlim/ concnno3, concdno3, concnnh4, concdnh4, concnfer, concdfer, concbfe,   &
235         &                concbno3, concbnh4, xsizedia, xsizephy, xsizern, xsizerd,          & 
236         &                xksi1, xksi2, xkdoc, qnfelim, qdfelim, caco3r, oxymin
237      !!----------------------------------------------------------------------
238      !
239      IF(lwp) THEN
240         WRITE(numout,*)
241         WRITE(numout,*) 'p4z_lim_init : initialization of nutrient limitations'
242         WRITE(numout,*) '~~~~~~~~~~~~'
243      ENDIF
244      !
245      READ  ( numnatp_ref, namp4zlim, IOSTAT = ios, ERR = 901)
246901   IF( ios /= 0 )   CALL ctl_nam ( ios , 'namp4zlim in reference namelist' )
247      READ  ( numnatp_cfg, namp4zlim, IOSTAT = ios, ERR = 902 )
248902   IF( ios >  0 )   CALL ctl_nam ( ios , 'namp4zlim in configuration namelist' )
249      IF(lwm) WRITE( numonp, namp4zlim )
250      !
251      IF(lwp) THEN                         ! control print
252         WRITE(numout,*) '   Namelist : namp4zlim'
253         WRITE(numout,*) '      mean rainratio                           caco3r    = ', caco3r
254         WRITE(numout,*) '      NO3 half saturation of nanophyto         concnno3  = ', concnno3
255         WRITE(numout,*) '      NO3 half saturation of diatoms           concdno3  = ', concdno3
256         WRITE(numout,*) '      NH4 half saturation for phyto            concnnh4  = ', concnnh4
257         WRITE(numout,*) '      NH4 half saturation for diatoms          concdnh4  = ', concdnh4
258         WRITE(numout,*) '      half saturation constant for Si uptake   xksi1     = ', xksi1
259         WRITE(numout,*) '      half saturation constant for Si/C        xksi2     = ', xksi2
260         WRITE(numout,*) '      half-sat. of DOC remineralization        xkdoc     = ', xkdoc
261         WRITE(numout,*) '      Iron half saturation for nanophyto       concnfer  = ', concnfer
262         WRITE(numout,*) '      Iron half saturation for diatoms         concdfer  = ', concdfer
263         WRITE(numout,*) '      size ratio for nanophytoplankton         xsizern   = ', xsizern
264         WRITE(numout,*) '      size ratio for diatoms                   xsizerd   = ', xsizerd
265         WRITE(numout,*) '      NO3 half saturation of bacteria          concbno3  = ', concbno3
266         WRITE(numout,*) '      NH4 half saturation for bacteria         concbnh4  = ', concbnh4
267         WRITE(numout,*) '      Minimum size criteria for diatoms        xsizedia  = ', xsizedia
268         WRITE(numout,*) '      Minimum size criteria for nanophyto      xsizephy  = ', xsizephy
269         WRITE(numout,*) '      Fe half saturation for bacteria          concbfe   = ', concbfe
270         WRITE(numout,*) '      halk saturation constant for anoxia       oxymin   =' , oxymin
271         WRITE(numout,*) '      optimal Fe quota for nano.               qnfelim   = ', qnfelim
272         WRITE(numout,*) '      Optimal Fe quota for diatoms             qdfelim   = ', qdfelim
273      ENDIF
274      !
275      nitrfac (:,:,jpk) = 0._wp
276      nitrfac2(:,:,jpk) = 0._wp
277      xfracal (:,:,jpk) = 0._wp
278      xlimphy (:,:,jpk) = 0._wp
279      xlimdia (:,:,jpk) = 0._wp
280      xlimnfe (:,:,jpk) = 0._wp
281      xlimdfe (:,:,jpk) = 0._wp
282      !
283   END SUBROUTINE p4z_lim_init
284
285
286   INTEGER FUNCTION p4z_lim_alloc()
287      !!----------------------------------------------------------------------
288      !!                     ***  ROUTINE p5z_lim_alloc  ***
289      !!----------------------------------------------------------------------
290      USE lib_mpp , ONLY: ctl_stop
291      !!----------------------------------------------------------------------
292
293      !*  Biological arrays for phytoplankton growth
294      ALLOCATE( xnanono3(jpi,jpj,jpk), xdiatno3(jpi,jpj,jpk),       &
295         &      xnanonh4(jpi,jpj,jpk), xdiatnh4(jpi,jpj,jpk),       &
296         &      xnanopo4(jpi,jpj,jpk), xdiatpo4(jpi,jpj,jpk),       &
297         &      xlimphy (jpi,jpj,jpk), xlimdia (jpi,jpj,jpk),       &
298         &      xlimnfe (jpi,jpj,jpk), xlimdfe (jpi,jpj,jpk),       &
299         &      xlimbac (jpi,jpj,jpk), xlimbacl(jpi,jpj,jpk),       &
300         &      concnfe (jpi,jpj,jpk), concdfe (jpi,jpj,jpk),       &
301         &      xlimsi  (jpi,jpj,jpk), STAT=p4z_lim_alloc )
302      !
303      IF( p4z_lim_alloc /= 0 ) CALL ctl_stop( 'STOP', 'p4z_lim_alloc : failed to allocate arrays.' )
304      !
305   END FUNCTION p4z_lim_alloc
306
307   !!======================================================================
308END MODULE p4zlim
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.