source: NEMO/trunk/src/TOP/PISCES/P4Z/p4zflx.F90 @ 10068

Last change on this file since 10068 was 10068, checked in by nicolasmartin, 2 years ago

First part of modifications to have a common default header : fix typos and SVN keywords properties

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 18.4 KB
Line 
1MODULE p4zflx
2   !!======================================================================
3   !!                         ***  MODULE p4zflx  ***
4   !! TOP :   PISCES CALCULATES GAS EXCHANGE AND CHEMISTRY AT SEA SURFACE
5   !!======================================================================
6   !! History :   -   !  1988-07  (E. MAIER-REIMER) Original code
7   !!             -   !  1998     (O. Aumont) additions
8   !!             -   !  1999     (C. Le Quere) modifications
9   !!            1.0  !  2004     (O. Aumont) modifications
10   !!            2.0  !  2007-12  (C. Ethe, G. Madec)  F90
11   !!                 !  2011-02  (J. Simeon, J. Orr) Include total atm P correction
12   !!----------------------------------------------------------------------
13   !!   p4z_flx       :   CALCULATES GAS EXCHANGE AND CHEMISTRY AT SEA SURFACE
14   !!   p4z_flx_init  :   Read the namelist
15   !!   p4z_patm      :   Read sfc atm pressure [atm] for each grid cell
16   !!----------------------------------------------------------------------
17   USE oce_trc        !  shared variables between ocean and passive tracers
18   USE trc            !  passive tracers common variables
19   USE sms_pisces     !  PISCES Source Minus Sink variables
20   USE p4zche         !  Chemical model
21   USE prtctl_trc     !  print control for debugging
22   USE iom            !  I/O manager
23   USE fldread        !  read input fields
24
25   IMPLICIT NONE
26   PRIVATE
27
28   PUBLIC   p4z_flx 
29   PUBLIC   p4z_flx_init 
30   PUBLIC   p4z_flx_alloc 
31
32   !                                 !!** Namelist  nampisext  **
33   REAL(wp)          ::   atcco2      !: pre-industrial atmospheric [co2] (ppm) 
34   LOGICAL           ::   ln_co2int   !: flag to read in a file and interpolate atmospheric pco2 or not
35   CHARACTER(len=34) ::   clname      !: filename of pco2 values
36   INTEGER           ::   nn_offset   !: Offset model-data start year (default = 0)
37
38   !!  Variables related to reading atmospheric CO2 time history   
39   INTEGER                                   ::   nmaxrec, numco2   !
40   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:) ::   atcco2h, years    !
41
42   !                                  !!* nampisatm namelist (Atmospheric PRessure) *
43   LOGICAL, PUBLIC ::   ln_presatm     !: ref. pressure: global mean Patm (F) or a constant (F)
44   LOGICAL, PUBLIC ::   ln_presatmco2  !: accounting for spatial atm CO2 in the compuation of carbon flux (T) or not (F)
45
46   REAL(wp) , ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:) ::   patm      ! atmospheric pressure at kt                 [N/m2]
47   TYPE(FLD), ALLOCATABLE,       DIMENSION(:)   ::   sf_patm   ! structure of input fields (file informations, fields read)
48   TYPE(FLD), ALLOCATABLE,       DIMENSION(:)   ::   sf_atmco2 ! structure of input fields (file informations, fields read)
49
50   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:) ::  satmco2   !: atmospheric pco2
51
52   REAL(wp) ::   xconv  = 0.01_wp / 3600._wp   !: coefficients for conversion
53
54   !!----------------------------------------------------------------------
55   !! NEMO/TOP 4.0 , NEMO Consortium (2018)
56   !! $Id$
57   !! Software governed by the CeCILL license (see ./LICENSE)
58   !!----------------------------------------------------------------------
59CONTAINS
60
61   SUBROUTINE p4z_flx ( kt, knt )
62      !!---------------------------------------------------------------------
63      !!                     ***  ROUTINE p4z_flx  ***
64      !!
65      !! ** Purpose :   CALCULATES GAS EXCHANGE AND CHEMISTRY AT SEA SURFACE
66      !!
67      !! ** Method  :
68      !!              - Include total atm P correction via Esbensen & Kushnir (1981)
69      !!              - Remove Wanninkhof chemical enhancement;
70      !!              - Add option for time-interpolation of atcco2.txt 
71      !!---------------------------------------------------------------------
72      INTEGER, INTENT(in) ::   kt, knt   !
73      !
74      INTEGER  ::   ji, jj, jm, iind, iindm1
75      REAL(wp) ::   ztc, ztc2, ztc3, ztc4, zws, zkgwan
76      REAL(wp) ::   zfld, zflu, zfld16, zflu16, zfact
77      REAL(wp) ::   zvapsw, zsal, zfco2, zxc2, xCO2approx, ztkel, zfugcoeff
78      REAL(wp) ::   zph, zdic, zsch_o2, zsch_co2
79      REAL(wp) ::   zyr_dec, zdco2dt
80      CHARACTER (len=25) ::   charout
81      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   zkgco2, zkgo2, zh2co3, zoflx,  zpco2atm 
82      REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:) ::   zw2d
83      !!---------------------------------------------------------------------
84      !
85      IF( ln_timing )   CALL timing_start('p4z_flx')
86      !
87      ! SURFACE CHEMISTRY (PCO2 AND [H+] IN
88      !     SURFACE LAYER); THE RESULT OF THIS CALCULATION
89      !     IS USED TO COMPUTE AIR-SEA FLUX OF CO2
90
91      IF( kt /= nit000 .AND. .NOT.l_co2cpl .AND. knt == 1 )   CALL p4z_patm( kt )   ! Get sea-level pressure (E&K [1981] climatology) for use in flux calcs
92
93      IF( ln_co2int .AND. .NOT.ln_presatmco2 .AND. .NOT.l_co2cpl ) THEN 
94         ! Linear temporal interpolation  of atmospheric pco2.  atcco2.txt has annual values.
95         ! Caveats: First column of .txt must be in years, decimal  years preferably.
96         ! For nn_offset, if your model year is iyy, nn_offset=(years(1)-iyy)
97         ! then the first atmospheric CO2 record read is at years(1)
98         zyr_dec = REAL( nyear + nn_offset, wp ) + REAL( nday_year, wp ) / REAL( nyear_len(1), wp )
99         jm = 1
100         DO WHILE( jm <= nmaxrec .AND. years(jm) < zyr_dec ) ;  jm = jm + 1 ;  END DO
101         iind = jm  ;   iindm1 = jm - 1
102         zdco2dt = ( atcco2h(iind) - atcco2h(iindm1) ) / ( years(iind) - years(iindm1) + rtrn )
103         atcco2  = zdco2dt * ( zyr_dec - years(iindm1) ) + atcco2h(iindm1)
104         satmco2(:,:) = atcco2 
105      ENDIF
106
107      IF( l_co2cpl )   satmco2(:,:) = atm_co2(:,:)
108
109      DO jj = 1, jpj
110         DO ji = 1, jpi
111            ! DUMMY VARIABLES FOR DIC, H+, AND BORATE
112            zfact = rhop(ji,jj,1) / 1000. + rtrn
113            zdic  = trb(ji,jj,1,jpdic)
114            zph   = MAX( hi(ji,jj,1), 1.e-10 ) / zfact
115            ! CALCULATE [H2CO3]
116            zh2co3(ji,jj) = zdic/(1. + ak13(ji,jj,1)/zph + ak13(ji,jj,1)*ak23(ji,jj,1)/zph**2)
117         END DO
118      END DO
119
120      ! --------------
121      ! COMPUTE FLUXES
122      ! --------------
123
124      ! FIRST COMPUTE GAS EXCHANGE COEFFICIENTS
125      ! -------------------------------------------
126
127      DO jj = 1, jpj
128         DO ji = 1, jpi
129            ztc  = MIN( 35., tsn(ji,jj,1,jp_tem) )
130            ztc2 = ztc * ztc
131            ztc3 = ztc * ztc2 
132            ztc4 = ztc2 * ztc2 
133            ! Compute the schmidt Number both O2 and CO2
134            zsch_co2 = 2116.8 - 136.25 * ztc + 4.7353 * ztc2 - 0.092307 * ztc3 + 0.0007555 * ztc4
135            zsch_o2  = 1920.4 - 135.6  * ztc + 5.2122 * ztc2 - 0.109390 * ztc3 + 0.0009377 * ztc4
136            !  wind speed
137            zws  = wndm(ji,jj) * wndm(ji,jj)
138            ! Compute the piston velocity for O2 and CO2
139            zkgwan = 0.251 * zws
140            zkgwan = zkgwan * xconv * ( 1.- fr_i(ji,jj) ) * tmask(ji,jj,1)
141            ! compute gas exchange for CO2 and O2
142            zkgco2(ji,jj) = zkgwan * SQRT( 660./ zsch_co2 )
143            zkgo2 (ji,jj) = zkgwan * SQRT( 660./ zsch_o2 )
144         END DO
145      END DO
146
147
148      DO jj = 1, jpj
149         DO ji = 1, jpi
150            ztkel = tempis(ji,jj,1) + 273.15
151            zsal  = salinprac(ji,jj,1) + ( 1.- tmask(ji,jj,1) ) * 35.
152            zvapsw    = EXP(24.4543 - 67.4509*(100.0/ztkel) - 4.8489*LOG(ztkel/100) - 0.000544*zsal)
153            zpco2atm(ji,jj) = satmco2(ji,jj) * ( patm(ji,jj) - zvapsw )
154            zxc2      = ( 1.0 - zpco2atm(ji,jj) * 1E-6 )**2
155            zfugcoeff = EXP( patm(ji,jj) * (chemc(ji,jj,2) + 2.0 * zxc2 * chemc(ji,jj,3) )   &
156            &           / ( 82.05736 * ztkel ))
157            zfco2 = zpco2atm(ji,jj) * zfugcoeff
158
159            ! Compute CO2 flux for the sea and air
160            zfld = zfco2 * chemc(ji,jj,1) * zkgco2(ji,jj)  ! (mol/L) * (m/s)
161            zflu = zh2co3(ji,jj) * zkgco2(ji,jj)                                   ! (mol/L) (m/s) ?
162            oce_co2(ji,jj) = ( zfld - zflu ) * rfact2 * e1e2t(ji,jj) * tmask(ji,jj,1) * 1000.
163            ! compute the trend
164            tra(ji,jj,1,jpdic) = tra(ji,jj,1,jpdic) + ( zfld - zflu ) * rfact2 / e3t_n(ji,jj,1) * tmask(ji,jj,1)
165
166            ! Compute O2 flux
167            zfld16 = patm(ji,jj) * chemo2(ji,jj,1) * zkgo2(ji,jj)          ! (mol/L) * (m/s)
168            zflu16 = trb(ji,jj,1,jpoxy) * zkgo2(ji,jj)
169            zoflx(ji,jj) = ( zfld16 - zflu16 ) * tmask(ji,jj,1)
170            tra(ji,jj,1,jpoxy) = tra(ji,jj,1,jpoxy) + zoflx(ji,jj) * rfact2 / e3t_n(ji,jj,1)
171         END DO
172      END DO
173
174      t_oce_co2_flx     = glob_sum( oce_co2(:,:) )                    !  Total Flux of Carbon
175      t_oce_co2_flx_cum = t_oce_co2_flx_cum + t_oce_co2_flx       !  Cumulative Total Flux of Carbon
176!      t_atm_co2_flx     = glob_sum( satmco2(:,:) * e1e2t(:,:) )       ! Total atmospheric pCO2
177      t_atm_co2_flx     =  atcco2      ! Total atmospheric pCO2
178 
179      IF(ln_ctl)   THEN  ! print mean trends (used for debugging)
180         WRITE(charout, FMT="('flx ')")
181         CALL prt_ctl_trc_info(charout)
182         CALL prt_ctl_trc(tab4d=tra, mask=tmask, clinfo=ctrcnm)
183      ENDIF
184
185      IF( lk_iomput .AND. knt == nrdttrc ) THEN
186         ALLOCATE( zw2d(jpi,jpj) ) 
187         IF( iom_use( "Cflx"  ) )  THEN
188            zw2d(:,:) = oce_co2(:,:) / e1e2t(:,:) * rfact2r
189            CALL iom_put( "Cflx"     , zw2d ) 
190         ENDIF
191         IF( iom_use( "Oflx"  ) )  THEN
192            zw2d(:,:) =  zoflx(:,:) * 1000 * tmask(:,:,1)
193            CALL iom_put( "Oflx" , zw2d )
194         ENDIF
195         IF( iom_use( "Kg"    ) )  THEN
196            zw2d(:,:) =  zkgco2(:,:) * tmask(:,:,1)
197            CALL iom_put( "Kg"   , zw2d )
198         ENDIF
199         IF( iom_use( "Dpco2" ) ) THEN
200           zw2d(:,:) = ( zpco2atm(:,:) - zh2co3(:,:) / ( chemc(:,:,1) + rtrn ) ) * tmask(:,:,1)
201           CALL iom_put( "Dpco2" ,  zw2d )
202         ENDIF
203         IF( iom_use( "Dpo2" ) )  THEN
204           zw2d(:,:) = ( atcox * patm(:,:) - atcox * trb(:,:,1,jpoxy) / ( chemo2(:,:,1) + rtrn ) ) * tmask(:,:,1)
205           CALL iom_put( "Dpo2"  , zw2d )
206         ENDIF
207         IF( iom_use( "tcflx" ) )  CALL iom_put( "tcflx"    , t_oce_co2_flx * rfact2r )   ! molC/s
208         CALL iom_put( "tcflxcum" , t_oce_co2_flx_cum )      ! molC
209         !
210         DEALLOCATE( zw2d )
211      ENDIF
212      !
213      IF( ln_timing )   CALL timing_stop('p4z_flx')
214      !
215   END SUBROUTINE p4z_flx
216
217
218   SUBROUTINE p4z_flx_init
219      !!----------------------------------------------------------------------
220      !!                  ***  ROUTINE p4z_flx_init  ***
221      !!
222      !! ** Purpose :   Initialization of atmospheric conditions
223      !!
224      !! ** Method  :   Read the nampisext namelist and check the parameters
225      !!      called at the first timestep (nittrc000)
226      !!
227      !! ** input   :   Namelist nampisext
228      !!----------------------------------------------------------------------
229      INTEGER ::   jm, ios   ! Local integer
230      !!
231      NAMELIST/nampisext/ln_co2int, atcco2, clname, nn_offset
232      !!----------------------------------------------------------------------
233      IF(lwp) THEN
234         WRITE(numout,*)
235         WRITE(numout,*) ' p4z_flx_init : atmospheric conditions for air-sea flux calculation'
236         WRITE(numout,*) ' ~~~~~~~~~~~~'
237      ENDIF
238      !
239      REWIND( numnatp_ref )              ! Namelist nampisext in reference namelist : Pisces atm. conditions
240      READ  ( numnatp_ref, nampisext, IOSTAT = ios, ERR = 901)
241901   IF( ios /= 0 )   CALL ctl_nam ( ios , 'nampisext in reference namelist', lwp )
242      REWIND( numnatp_cfg )              ! Namelist nampisext in configuration namelist : Pisces atm. conditions
243      READ  ( numnatp_cfg, nampisext, IOSTAT = ios, ERR = 902 )
244902   IF( ios >  0 )   CALL ctl_nam ( ios , 'nampisext in configuration namelist', lwp )
245      IF(lwm) WRITE ( numonp, nampisext )
246      !
247      IF(lwp) THEN                         ! control print
248         WRITE(numout,*) '   Namelist : nampisext --- parameters for air-sea exchange'
249         WRITE(numout,*) '      reading in the atm pCO2 file or constant value   ln_co2int =', ln_co2int
250      ENDIF
251      !
252      CALL p4z_patm( nit000 )
253      !
254      IF( .NOT.ln_co2int .AND. .NOT.ln_presatmco2 ) THEN
255         IF(lwp) THEN                         ! control print
256            WRITE(numout,*) '         Constant Atmospheric pCO2 value               atcco2    =', atcco2
257         ENDIF
258         satmco2(:,:)  = atcco2      ! Initialisation of atmospheric pco2
259      ELSEIF( ln_co2int .AND. .NOT.ln_presatmco2 ) THEN
260         IF(lwp)  THEN
261            WRITE(numout,*) '         Constant Atmospheric pCO2 value               atcco2    =', atcco2
262            WRITE(numout,*) '         Atmospheric pCO2 value  from file             clname    =', TRIM( clname )
263            WRITE(numout,*) '         Offset model-data start year                  nn_offset =', nn_offset
264         ENDIF
265         CALL ctl_opn( numco2, TRIM( clname) , 'OLD', 'FORMATTED', 'SEQUENTIAL', -1 , numout, lwp )
266         jm = 0                      ! Count the number of record in co2 file
267         DO
268           READ(numco2,*,END=100) 
269           jm = jm + 1
270         END DO
271 100     nmaxrec = jm - 1 
272         ALLOCATE( years  (nmaxrec) )   ;   years  (:) = 0._wp
273         ALLOCATE( atcco2h(nmaxrec) )   ;   atcco2h(:) = 0._wp
274         !
275         REWIND(numco2)
276         DO jm = 1, nmaxrec          ! get  xCO2 data
277            READ(numco2, *)  years(jm), atcco2h(jm)
278            IF(lwp) WRITE(numout, '(f6.0,f7.2)')  years(jm), atcco2h(jm)
279         END DO
280         CLOSE(numco2)
281      ELSEIF( .NOT.ln_co2int .AND. ln_presatmco2 ) THEN
282         IF(lwp) WRITE(numout,*) '    Spatialized Atmospheric pCO2 from an external file'
283      ELSE
284         IF(lwp) WRITE(numout,*) '    Spatialized Atmospheric pCO2 from an external file'
285      ENDIF
286      !
287      oce_co2(:,:)  = 0._wp                ! Initialization of Flux of Carbon
288      t_oce_co2_flx = 0._wp
289      t_atm_co2_flx = 0._wp
290      !
291   END SUBROUTINE p4z_flx_init
292
293
294   SUBROUTINE p4z_patm( kt )
295      !!----------------------------------------------------------------------
296      !!                  ***  ROUTINE p4z_atm  ***
297      !!
298      !! ** Purpose :   Read and interpolate the external atmospheric sea-level pressure
299      !! ** Method  :   Read the files and interpolate the appropriate variables
300      !!
301      !!----------------------------------------------------------------------
302      INTEGER, INTENT(in) ::   kt   ! ocean time step
303      !
304      INTEGER            ::   ierr, ios   ! Local integer
305      CHARACTER(len=100) ::   cn_dir      ! Root directory for location of ssr files
306      TYPE(FLD_N)        ::   sn_patm     ! informations about the fields to be read
307      TYPE(FLD_N)        ::   sn_atmco2   ! informations about the fields to be read
308      !!
309      NAMELIST/nampisatm/ ln_presatm, ln_presatmco2, sn_patm, sn_atmco2, cn_dir
310      !!----------------------------------------------------------------------
311      !
312      IF( kt == nit000 ) THEN    !==  First call kt=nittrc000  ==!
313         !
314         IF(lwp) THEN
315            WRITE(numout,*)
316            WRITE(numout,*) ' p4z_patm : sea-level atmospheric pressure'
317            WRITE(numout,*) ' ~~~~~~~~'
318         ENDIF
319         !
320         REWIND( numnatp_ref )              ! Namelist nampisatm in reference namelist : Pisces atm. sea level pressure file
321         READ  ( numnatp_ref, nampisatm, IOSTAT = ios, ERR = 901)
322901      IF( ios /= 0 ) CALL ctl_nam ( ios , 'nampisatm in reference namelist', lwp )
323         REWIND( numnatp_cfg )              ! Namelist nampisatm in configuration namelist : Pisces atm. sea level pressure file
324         READ  ( numnatp_cfg, nampisatm, IOSTAT = ios, ERR = 902 )
325902      IF( ios >  0 )   CALL ctl_nam ( ios , 'nampisatm in configuration namelist', lwp )
326         IF(lwm) WRITE ( numonp, nampisatm )
327         !
328         !
329         IF(lwp) THEN                                 !* control print
330            WRITE(numout,*) '   Namelist : nampisatm --- Atmospheric Pressure as external forcing'
331            WRITE(numout,*) '      constant atmopsheric pressure (F) or from a file (T)  ln_presatm    = ', ln_presatm
332            WRITE(numout,*) '      spatial atmopsheric CO2 for flux calcs                ln_presatmco2 = ', ln_presatmco2
333         ENDIF
334         !
335         IF( ln_presatm ) THEN
336            ALLOCATE( sf_patm(1), STAT=ierr )           !* allocate and fill sf_patm (forcing structure) with sn_patm
337            IF( ierr > 0 )   CALL ctl_stop( 'STOP', 'p4z_flx: unable to allocate sf_patm structure' )
338            !
339            CALL fld_fill( sf_patm, (/ sn_patm /), cn_dir, 'p4z_flx', 'Atmospheric pressure ', 'nampisatm' )
340                                   ALLOCATE( sf_patm(1)%fnow(jpi,jpj,1)   )
341            IF( sn_patm%ln_tint )  ALLOCATE( sf_patm(1)%fdta(jpi,jpj,1,2) )
342         ENDIF
343         !                                         
344         IF( ln_presatmco2 ) THEN
345            ALLOCATE( sf_atmco2(1), STAT=ierr )           !* allocate and fill sf_atmco2 (forcing structure) with sn_atmco2
346            IF( ierr > 0 )   CALL ctl_stop( 'STOP', 'p4z_flx: unable to allocate sf_atmco2 structure' )
347            !
348            CALL fld_fill( sf_atmco2, (/ sn_atmco2 /), cn_dir, 'p4z_flx', 'Atmospheric co2 partial pressure ', 'nampisatm' )
349                                   ALLOCATE( sf_atmco2(1)%fnow(jpi,jpj,1)   )
350            IF( sn_atmco2%ln_tint )  ALLOCATE( sf_atmco2(1)%fdta(jpi,jpj,1,2) )
351         ENDIF
352         !
353         IF( .NOT.ln_presatm )   patm(:,:) = 1._wp    ! Initialize patm if no reading from a file
354         !
355      ENDIF
356      !
357      IF( ln_presatm ) THEN
358         CALL fld_read( kt, 1, sf_patm )               !* input Patm provided at kt + 1/2
359         patm(:,:) = sf_patm(1)%fnow(:,:,1)                        ! atmospheric pressure
360      ENDIF
361      !
362      IF( ln_presatmco2 ) THEN
363         CALL fld_read( kt, 1, sf_atmco2 )               !* input atmco2 provided at kt + 1/2
364         satmco2(:,:) = sf_atmco2(1)%fnow(:,:,1)                        ! atmospheric pressure
365      ELSE
366         satmco2(:,:) = atcco2    ! Initialize atmco2 if no reading from a file
367      ENDIF
368      !
369   END SUBROUTINE p4z_patm
370
371
372   INTEGER FUNCTION p4z_flx_alloc()
373      !!----------------------------------------------------------------------
374      !!                     ***  ROUTINE p4z_flx_alloc  ***
375      !!----------------------------------------------------------------------
376      ALLOCATE( satmco2(jpi,jpj), patm(jpi,jpj), STAT=p4z_flx_alloc )
377      !
378      IF( p4z_flx_alloc /= 0 )   CALL ctl_warn('p4z_flx_alloc : failed to allocate arrays')
379      !
380   END FUNCTION p4z_flx_alloc
381
382   !!======================================================================
383END MODULE p4zflx
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.