source: NEMO/trunk/src/TOP/PISCES/P4Z/p4zfechem.F90 @ 11536

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1MODULE p4zfechem
2   !!======================================================================
3   !!                         ***  MODULE p4zfechem  ***
4   !! TOP :   PISCES Compute iron chemistry and scavenging
5   !!======================================================================
6   !! History :   3.5  !  2012-07 (O. Aumont, A. Tagliabue, C. Ethe) Original code
7   !!             3.6  !  2015-05  (O. Aumont) PISCES quota
8   !!----------------------------------------------------------------------
9   !!   p4z_fechem       : Compute remineralization/scavenging of iron
10   !!   p4z_fechem_init  : Initialisation of parameters for remineralisation
11   !!   p4z_fechem_alloc : Allocate remineralisation variables
12   !!----------------------------------------------------------------------
13   USE oce_trc         ! shared variables between ocean and passive tracers
14   USE trc             ! passive tracers common variables
15   USE sms_pisces      ! PISCES Source Minus Sink variables
16   USE p4zche          ! chemical model
17   USE p4zsbc          ! Boundary conditions from sediments
18   USE prtctl_trc      ! print control for debugging
19   USE iom             ! I/O manager
20
21   IMPLICIT NONE
22   PRIVATE
23
24   PUBLIC   p4z_fechem        ! called in p4zbio.F90
25   PUBLIC   p4z_fechem_init   ! called in trcsms_pisces.F90
26
27   LOGICAL          ::   ln_ligvar    !: boolean for variable ligand concentration following Tagliabue and voelker
28   REAL(wp), PUBLIC ::   xlam1        !: scavenging rate of Iron
29   REAL(wp), PUBLIC ::   xlamdust     !: scavenging rate of Iron by dust
30   REAL(wp), PUBLIC ::   ligand       !: ligand concentration in the ocean
31   REAL(wp), PUBLIC ::   kfep         !: rate constant for nanoparticle formation
32
33   !!----------------------------------------------------------------------
34   !! NEMO/TOP 4.0 , NEMO Consortium (2018)
35   !! $Id$
36   !! Software governed by the CeCILL license (see ./LICENSE)
37   !!----------------------------------------------------------------------
38CONTAINS
39
40   SUBROUTINE p4z_fechem( kt, knt )
41      !!---------------------------------------------------------------------
42      !!                     ***  ROUTINE p4z_fechem  ***
43      !!
44      !! ** Purpose :   Compute remineralization/scavenging of iron
45      !!
46      !! ** Method  :   A simple chemistry model of iron from Aumont and Bopp (2006)
47      !!                based on one ligand and one inorganic form
48      !!---------------------------------------------------------------------
49      INTEGER, INTENT(in) ::   kt, knt   ! ocean time step
50      !
51      INTEGER  ::   ji, jj, jk, jic, jn
52      REAL(wp) ::   zdep, zlam1a, zlam1b, zlamfac
53      REAL(wp) ::   zkeq, zfeequi, zfesatur, zfecoll, fe3sol
54      REAL(wp) ::   zdenom1, zscave, zaggdfea, zaggdfeb, zcoag
55      REAL(wp) ::   ztrc, zdust
56      REAL(wp) ::   zdenom2
57      REAL(wp) ::   zzFeL1, zzFeL2, zzFe2, zzFeP, zzFe3, zzstrn2
58      REAL(wp) ::   zrum, zcodel, zargu, zlight
59      REAL(wp) ::   zkox, zkph1, zkph2, zph, zionic, ztligand
60      REAL(wp) ::   za, zb, zc, zkappa1, zkappa2, za0, za1, za2
61      REAL(wp) ::   zxs, zfunc, zp, zq, zd, zr, zphi, zfff, zp3, zq2
62      REAL(wp) ::   ztfe, zoxy, zhplus, zxlam
63      REAL(wp) ::   zaggliga, zaggligb
64      REAL(wp) ::   dissol, zligco
65      REAL(wp) :: zrfact2
66      CHARACTER (len=25) :: charout
67      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj,jpk) ::   zTL1, zFe3, ztotlig, precip, zFeL1
68      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj,jpk) ::   zcoll3d, zscav3d, zlcoll3d
69      !!---------------------------------------------------------------------
70      !
71      IF( ln_timing )   CALL timing_start('p4z_fechem')
72      !
73      zFe3 (:,:,:) = 0.
74      zFeL1(:,:,:) = 0.
75      zTL1 (:,:,:) = 0.
76
77      ! Total ligand concentration : Ligands can be chosen to be constant or variable
78      ! Parameterization from Tagliabue and Voelker (2011)
79      ! -------------------------------------------------
80      IF( ln_ligvar ) THEN
81         ztotlig(:,:,:) =  0.09 * trb(:,:,:,jpdoc) * 1E6 + ligand * 1E9
82         ztotlig(:,:,:) =  MIN( ztotlig(:,:,:), 10. )
83      ELSE
84        IF( ln_ligand ) THEN  ;   ztotlig(:,:,:) = trb(:,:,:,jplgw) * 1E9
85        ELSE                  ;   ztotlig(:,:,:) = ligand * 1E9
86        ENDIF
87      ENDIF
88
89      ! ------------------------------------------------------------
90      !  from Aumont and Bopp (2006)
91      ! This model is based on one ligand and Fe'
92      ! Chemistry is supposed to be fast enough to be at equilibrium
93      ! ------------------------------------------------------------
94      DO jk = 1, jpkm1
95         DO jj = 1, jpj
96            DO ji = 1, jpi
97               zTL1(ji,jj,jk)  = ztotlig(ji,jj,jk)
98               zkeq            = fekeq(ji,jj,jk)
99               zfesatur        = zTL1(ji,jj,jk) * 1E-9
100               ztfe            = trb(ji,jj,jk,jpfer) 
101               ! Fe' is the root of a 2nd order polynom
102               zFe3 (ji,jj,jk) = ( -( 1. + zfesatur * zkeq - zkeq * ztfe )               &
103                  &              + SQRT( ( 1. + zfesatur * zkeq - zkeq * ztfe )**2       &
104                  &              + 4. * ztfe * zkeq) ) / ( 2. * zkeq )
105               zFe3 (ji,jj,jk) = zFe3(ji,jj,jk) * 1E9
106               zFeL1(ji,jj,jk) = MAX( 0., trb(ji,jj,jk,jpfer) * 1E9 - zFe3(ji,jj,jk) )
107           END DO
108         END DO
109      END DO
110         !
111
112      zdust = 0.         ! if no dust available
113      DO jk = 1, jpkm1
114         DO jj = 1, jpj
115            DO ji = 1, jpi
116               ! Scavenging rate of iron. This scavenging rate depends on the load of particles of sea water.
117               ! This parameterization assumes a simple second order kinetics (k[Particles][Fe]).
118               ! Scavenging onto dust is also included as evidenced from the DUNE experiments.
119               ! --------------------------------------------------------------------------------------
120               zhplus  = max( rtrn, hi(ji,jj,jk) )
121               fe3sol  = fesol(ji,jj,jk,1) * ( zhplus**3 + fesol(ji,jj,jk,2) * zhplus**2  &
122               &         + fesol(ji,jj,jk,3) * zhplus + fesol(ji,jj,jk,4)     &
123               &         + fesol(ji,jj,jk,5) / zhplus )
124               !
125               zfeequi = zFe3(ji,jj,jk) * 1E-9
126               zhplus  = max( rtrn, hi(ji,jj,jk) )
127               fe3sol  = fesol(ji,jj,jk,1) * ( zhplus**3 + fesol(ji,jj,jk,2) * zhplus**2  &
128                  &         + fesol(ji,jj,jk,3) * zhplus + fesol(ji,jj,jk,4)     &
129                  &         + fesol(ji,jj,jk,5) / zhplus )
130               zfecoll = 0.5 * zFeL1(ji,jj,jk) * 1E-9
131               ! precipitation of Fe3+, creation of nanoparticles
132               precip(ji,jj,jk) = MAX( 0., ( zFe3(ji,jj,jk) * 1E-9 - fe3sol ) ) * kfep * xstep
133               !
134               ztrc   = ( trb(ji,jj,jk,jppoc) + trb(ji,jj,jk,jpgoc) + trb(ji,jj,jk,jpcal) + trb(ji,jj,jk,jpgsi) ) * 1.e6 
135               IF( ln_dust )  zdust  = dust(ji,jj) / ( wdust / rday ) * tmask(ji,jj,jk) &
136               &  * EXP( -gdept_n(ji,jj,jk) / 540. )
137               IF (ln_ligand) THEN
138                  zxlam  = xlam1 * MAX( 1.E-3, EXP(-2 * etot(ji,jj,jk) / 10. ) * (1. - EXP(-2 * trb(ji,jj,jk,jpoxy) / 100.E-6 ) ))
139               ELSE
140                  zxlam  = xlam1 * 1.0
141               ENDIF
142               zlam1b = 3.e-5 + xlamdust * zdust + zxlam * ztrc
143               zscave = zfeequi * zlam1b * xstep
144
145               ! Compute the different ratios for scavenging of iron
146               ! to later allocate scavenged iron to the different organic pools
147               ! ---------------------------------------------------------
148               zdenom1 = zxlam * trb(ji,jj,jk,jppoc) / zlam1b
149               zdenom2 = zxlam * trb(ji,jj,jk,jpgoc) / zlam1b
150
151               !  Increased scavenging for very high iron concentrations found near the coasts
152               !  due to increased lithogenic particles and let say it is unknown processes (precipitation, ...)
153               !  -----------------------------------------------------------
154               zlamfac = MAX( 0.e0, ( gphit(ji,jj) + 55.) / 30. )
155               zlamfac = MIN( 1.  , zlamfac )
156               zdep    = MIN( 1., 1000. / gdept_n(ji,jj,jk) )
157               zcoag   = 1E-4 * ( 1. - zlamfac ) * zdep * xstep * trb(ji,jj,jk,jpfer)
158
159               !  Compute the coagulation of colloidal iron. This parameterization
160               !  could be thought as an equivalent of colloidal pumping.
161               !  It requires certainly some more work as it is very poorly constrained.
162               !  ----------------------------------------------------------------
163               zlam1a   = ( 0.369  * 0.3 * trb(ji,jj,jk,jpdoc) + 102.4  * trb(ji,jj,jk,jppoc) ) * xdiss(ji,jj,jk)    &
164                   &      + ( 114.   * 0.3 * trb(ji,jj,jk,jpdoc) )
165               zaggdfea = zlam1a * xstep * zfecoll
166               !
167               zlam1b   = 3.53E3 * trb(ji,jj,jk,jpgoc) * xdiss(ji,jj,jk)
168               zaggdfeb = zlam1b * xstep * zfecoll
169               !
170               tra(ji,jj,jk,jpfer) = tra(ji,jj,jk,jpfer) - zscave - zaggdfea - zaggdfeb &
171               &                     - zcoag - precip(ji,jj,jk)
172               tra(ji,jj,jk,jpsfe) = tra(ji,jj,jk,jpsfe) + zscave * zdenom1 + zaggdfea
173               tra(ji,jj,jk,jpbfe) = tra(ji,jj,jk,jpbfe) + zscave * zdenom2 + zaggdfeb
174               zscav3d(ji,jj,jk)   = zscave
175               zcoll3d(ji,jj,jk)   = zaggdfea + zaggdfeb
176               !
177            END DO
178         END DO
179      END DO
180      !
181      !  Define the bioavailable fraction of iron
182      !  ----------------------------------------
183      biron(:,:,:) = trb(:,:,:,jpfer) 
184      !
185      IF( ln_ligand ) THEN
186         !
187         DO jk = 1, jpkm1
188            DO jj = 1, jpj
189               DO ji = 1, jpi
190                  zlam1a   = ( 0.369  * 0.3 * trb(ji,jj,jk,jpdoc) + 102.4  * trb(ji,jj,jk,jppoc) ) * xdiss(ji,jj,jk)    &
191                      &    + ( 114.   * 0.3 * trb(ji,jj,jk,jpdoc) )
192                  !
193                  zlam1b   = 3.53E3 *   trb(ji,jj,jk,jpgoc) * xdiss(ji,jj,jk)
194                  zligco   = 0.5 * trn(ji,jj,jk,jplgw)
195                  zaggliga = zlam1a * xstep * zligco
196                  zaggligb = zlam1b * xstep * zligco
197                  tra(ji,jj,jk,jplgw) = tra(ji,jj,jk,jplgw) - zaggliga - zaggligb
198                  zlcoll3d(ji,jj,jk)  = zaggliga + zaggligb
199               END DO
200            END DO
201         END DO
202         !
203         plig(:,:,:) =  MAX( 0., ( ( zFeL1(:,:,:) * 1E-9 ) / ( trb(:,:,:,jpfer) +rtrn ) ) )
204         !
205      ENDIF
206      !  Output of some diagnostics variables
207      !     ---------------------------------
208      IF( lk_iomput ) THEN
209         IF( knt == nrdttrc ) THEN
210            zrfact2 = 1.e3 * rfact2r  ! conversion from mol/L/timestep into mol/m3/s
211            IF( iom_use("Fe3")    )  CALL iom_put("Fe3"    , zFe3   (:,:,:)       * tmask(:,:,:) )   ! Fe3+
212            IF( iom_use("FeL1")   )  CALL iom_put("FeL1"   , zFeL1  (:,:,:)       * tmask(:,:,:) )   ! FeL1
213            IF( iom_use("TL1")    )  CALL iom_put("TL1"    , zTL1   (:,:,:)       * tmask(:,:,:) )   ! TL1
214            IF( iom_use("Totlig") )  CALL iom_put("Totlig" , ztotlig(:,:,:)       * tmask(:,:,:) )   ! TL
215            IF( iom_use("Biron")  )  CALL iom_put("Biron"  , biron  (:,:,:)  * 1e9 * tmask(:,:,:) )   ! biron
216            IF( iom_use("FESCAV") )  CALL iom_put("FESCAV" , zscav3d(:,:,:)  * 1e9 * tmask(:,:,:) * zrfact2 )
217            IF( iom_use("FECOLL") )  CALL iom_put("FECOLL" , zcoll3d(:,:,:)  * 1e9 * tmask(:,:,:) * zrfact2 )
218            IF( iom_use("LGWCOLL"))  CALL iom_put("LGWCOLL", zlcoll3d(:,:,:) * 1e9 * tmask(:,:,:) * zrfact2 )
219         ENDIF
220      ENDIF
221
222      IF(ln_ctl)   THEN  ! print mean trends (used for debugging)
223         WRITE(charout, FMT="('fechem')")
224         CALL prt_ctl_trc_info(charout)
225         CALL prt_ctl_trc(tab4d=tra, mask=tmask, clinfo=ctrcnm)
226      ENDIF
227      !
228      IF( ln_timing )   CALL timing_stop('p4z_fechem')
229      !
230   END SUBROUTINE p4z_fechem
231
232
233   SUBROUTINE p4z_fechem_init
234      !!----------------------------------------------------------------------
235      !!                  ***  ROUTINE p4z_fechem_init  ***
236      !!
237      !! ** Purpose :   Initialization of iron chemistry parameters
238      !!
239      !! ** Method  :   Read the nampisfer namelist and check the parameters
240      !!      called at the first timestep
241      !!
242      !! ** input   :   Namelist nampisfer
243      !!
244      !!----------------------------------------------------------------------
245      INTEGER ::   ios   ! Local integer
246      !!
247      NAMELIST/nampisfer/ ln_ligvar, xlam1, xlamdust, ligand, kfep 
248      !!----------------------------------------------------------------------
249      !
250      IF(lwp) THEN
251         WRITE(numout,*)
252         WRITE(numout,*) 'p4z_rem_init : Initialization of iron chemistry parameters'
253         WRITE(numout,*) '~~~~~~~~~~~~'
254      ENDIF
255      !
256      REWIND( numnatp_ref )            ! Namelist nampisfer in reference namelist : Pisces iron chemistry
257      READ  ( numnatp_ref, nampisfer, IOSTAT = ios, ERR = 901)
258901   IF( ios /= 0 )   CALL ctl_nam ( ios , 'nampisfer in reference namelist' )
259      REWIND( numnatp_cfg )            ! Namelist nampisfer in configuration namelist : Pisces iron chemistry
260      READ  ( numnatp_cfg, nampisfer, IOSTAT = ios, ERR = 902 )
261902   IF( ios >  0 )   CALL ctl_nam ( ios , 'nampisfer in configuration namelist' )
262      IF(lwm) WRITE( numonp, nampisfer )
263
264      IF(lwp) THEN                     ! control print
265         WRITE(numout,*) '   Namelist : nampisfer'
266         WRITE(numout,*) '      variable concentration of ligand          ln_ligvar    =', ln_ligvar
267         WRITE(numout,*) '      scavenging rate of Iron                   xlam1        =', xlam1
268         WRITE(numout,*) '      scavenging rate of Iron by dust           xlamdust     =', xlamdust
269         WRITE(numout,*) '      ligand concentration in the ocean         ligand       =', ligand
270         WRITE(numout,*) '      rate constant for nanoparticle formation  kfep         =', kfep
271      ENDIF
272      !
273   END SUBROUTINE p4z_fechem_init
274   
275   !!======================================================================
276END MODULE p4zfechem
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.