New URL for NEMO forge!   http://forge.nemo-ocean.eu

Since March 2022 along with NEMO 4.2 release, the code development moved to a self-hosted GitLab.
This present forge is now archived and remained online for history.
p4zche.F90 in branches/2015/dev_r5003_MERCATOR6_CRS/NEMOGCM/NEMO/TOP_SRC/PISCES/P4Z – NEMO

source: branches/2015/dev_r5003_MERCATOR6_CRS/NEMOGCM/NEMO/TOP_SRC/PISCES/P4Z/p4zche.F90 @ 7795

Last change on this file since 7795 was 7398, checked in by cbricaud, 7 years ago

coarsening branch: first implementation of coarsening in PISCES

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 16.2 KB
Line 
1MODULE p4zche
2   !!======================================================================
3   !!                         ***  MODULE p4zche  ***
4   !! TOP :   PISCES Sea water chemistry computed following OCMIP protocol
5   !!======================================================================
6   !! History :   OPA  !  1988     (E. Maier-Reimer)  Original code
7   !!              -   !  1998     (O. Aumont)  addition
8   !!              -   !  1999     (C. Le Quere)  modification
9   !!   NEMO      1.0  !  2004     (O. Aumont)  modification
10   !!              -   !  2006     (R. Gangsto)  modification
11   !!             2.0  !  2007-12  (C. Ethe, G. Madec)  F90
12   !!                  !  2011-02  (J. Simeon, J.Orr ) update O2 solubility constants
13   !!----------------------------------------------------------------------
14#if defined key_pisces
15   !!----------------------------------------------------------------------
16   !!   'key_pisces'                                       PISCES bio-model
17   !!----------------------------------------------------------------------
18   !!   p4z_che      :  Sea water chemistry computed following OCMIP protocol
19   !!----------------------------------------------------------------------
20   USE oce_trc       !  shared variables between ocean and passive tracers
21   USE sms_pisces    !  PISCES Source Minus Sink variables
22   USE lib_mpp       !  MPP library
23
24   IMPLICIT NONE
25   PRIVATE
26
27   PUBLIC   p4z_che         !
28   PUBLIC   p4z_che_alloc   !
29
30   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:) ::   sio3eq   ! chemistry of Si
31   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:) ::   fekeq    ! chemistry of Fe
32   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:) ::   chemc    ! Solubilities of O2 and CO2
33   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:) ::   chemo2   ! Solubilities of O2 and CO2
34   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:) ::   tempis   ! In situ temperature
35
36   REAL(wp), PUBLIC ::   atcox  = 0.20946         ! units atm
37
38   REAL(wp) ::   salchl = 1. / 1.80655    ! conversion factor for salinity --> chlorinity (Wooster et al. 1969)
39   REAL(wp) ::   o2atm  = 1. / ( 1000. * 0.20946 ) 
40
41   REAL(wp) ::   rgas   = 83.14472       ! universal gas constants
42   REAL(wp) ::   oxyco  = 1. / 22.4144   ! converts from liters of an ideal gas to moles
43
44   REAL(wp) ::   bor1   = 0.00023        ! borat constants
45   REAL(wp) ::   bor2   = 1. / 10.82
46
47   REAL(wp) ::   st1    =      0.14     ! constants for calculate concentrations for sulfate
48   REAL(wp) ::   st2    =  1./96.062    !  (Morris & Riley 1966)
49
50   REAL(wp) ::   ft1    =    0.000067   ! constants for calculate concentrations for fluorides
51   REAL(wp) ::   ft2    = 1./18.9984    ! (Dickson & Riley 1979 )
52
53   !                                    ! volumetric solubility constants for o2 in ml/L 
54   REAL(wp) ::   ox0    =  2.00856      ! from Table 1 for Eq 8 of Garcia and Gordon, 1992.
55   REAL(wp) ::   ox1    =  3.22400      ! corrects for moisture and fugacity, but not total atmospheric pressure
56   REAL(wp) ::   ox2    =  3.99063      !      Original PISCES code noted this was a solubility, but
57   REAL(wp) ::   ox3    =  4.80299      ! was in fact a bunsen coefficient with units L-O2/(Lsw atm-O2)
58   REAL(wp) ::   ox4    =  9.78188e-1   ! Hence, need to divide EXP( zoxy ) by 1000, ml-O2 => L-O2
59   REAL(wp) ::   ox5    =  1.71069      ! and atcox = 0.20946 to add the 1/atm dimension.
60   REAL(wp) ::   ox6    = -6.24097e-3   
61   REAL(wp) ::   ox7    = -6.93498e-3 
62   REAL(wp) ::   ox8    = -6.90358e-3
63   REAL(wp) ::   ox9    = -4.29155e-3 
64   REAL(wp) ::   ox10   = -3.11680e-7 
65
66   !                                    ! coeff. for seawater pressure correction : millero 95
67   !                                    ! AGRIF doesn't like the DATA instruction
68   REAL(wp) :: devk11  = -25.5
69   REAL(wp) :: devk12  = -15.82
70   REAL(wp) :: devk13  = -29.48
71   REAL(wp) :: devk14  = -25.60
72   REAL(wp) :: devk15  = -48.76
73   !
74   REAL(wp) :: devk21  = 0.1271
75   REAL(wp) :: devk22  = -0.0219
76   REAL(wp) :: devk23  = 0.1622
77   REAL(wp) :: devk24  = 0.2324
78   REAL(wp) :: devk25  = 0.5304
79   !
80   REAL(wp) :: devk31  = 0.
81   REAL(wp) :: devk32  = 0.
82   REAL(wp) :: devk33  = 2.608E-3
83   REAL(wp) :: devk34  = -3.6246E-3
84   REAL(wp) :: devk35  = 0.
85   !
86   REAL(wp) :: devk41  = -3.08E-3
87   REAL(wp) :: devk42  = 1.13E-3
88   REAL(wp) :: devk43  = -2.84E-3
89   REAL(wp) :: devk44  = -5.13E-3
90   REAL(wp) :: devk45  = -11.76E-3
91   !
92   REAL(wp) :: devk51  = 0.0877E-3
93   REAL(wp) :: devk52  = -0.1475E-3     
94   REAL(wp) :: devk53  = 0.
95   REAL(wp) :: devk54  = 0.0794E-3     
96   REAL(wp) :: devk55  = 0.3692E-3     
97
98   !!* Substitution
99#include "top_substitute.h90"
100   !!----------------------------------------------------------------------
101   !! NEMO/TOP 3.3 , NEMO Consortium (2010)
102   !! $Id$
103   !! Software governed by the CeCILL licence     (NEMOGCM/NEMO_CeCILL.txt)
104   !!----------------------------------------------------------------------
105CONTAINS
106
107   SUBROUTINE p4z_che
108      !!---------------------------------------------------------------------
109      !!                     ***  ROUTINE p4z_che  ***
110      !!
111      !! ** Purpose :   Sea water chemistry computed following OCMIP protocol
112      !!
113      !! ** Method  : - ...
114      !!---------------------------------------------------------------------
115      INTEGER  ::   ji, jj, jk
116      REAL(wp) ::   ztkel, zt   , zt2   , zsal  , zsal2 , zbuf1 , zbuf2
117      REAL(wp) ::   ztgg , ztgg2, ztgg3 , ztgg4 , ztgg5
118      REAL(wp) ::   zpres, ztc  , zcl   , zcpexp, zoxy  , zcpexp2
119      REAL(wp) ::   zsqrt, ztr  , zlogt , zcek1, zc1, zplat
120      REAL(wp) ::   zis  , zis2 , zsal15, zisqrt, za1  , za2
121      REAL(wp) ::   zckb , zck1 , zck2  , zckw  , zak1 , zak2  , zakb , zaksp0, zakw
122      REAL(wp) ::   zst  , zft  , zcks  , zckf  , zaksp1
123      !!---------------------------------------------------------------------
124      !
125      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_start('p4z_che')
126      !
127      ! Computations of chemical constants require in situ temperature
128      ! Here a quite simple formulation is used to convert
129      ! potential temperature to in situ temperature. The errors is less than
130      ! 0.04°C relative to an exact computation
131      ! ---------------------------------------------------------------------
132      DO jk = 1, jpk
133         DO jj = 1, jpj
134            DO ji = 1, jpi
135               zpres = fsdept(ji,jj,jk) / 1000.
136               za1 = 0.04 * ( 1.0 + 0.185 * tsn(ji,jj,jk,jp_tem) + 0.035 * (tsn(ji,jj,jk,jp_sal) - 35.0) )
137               za2 = 0.0075 * ( 1.0 - tsn(ji,jj,jk,jp_tem) / 30.0 )
138               tempis(ji,jj,jk) = tsn(ji,jj,jk,jp_tem) - za1 * zpres + za2 * zpres**2
139            END DO
140         END DO
141      END DO
142      !
143      ! CHEMICAL CONSTANTS - SURFACE LAYER
144      ! ----------------------------------
145!CDIR NOVERRCHK
146      DO jj = 1, jpj
147!CDIR NOVERRCHK
148         DO ji = 1, jpi
149            !                             ! SET ABSOLUTE TEMPERATURE
150            ztkel = tempis(ji,jj,1) + 273.15
151            zt    = ztkel * 0.01
152            zt2   = zt * zt
153            zsal  = tsn(ji,jj,1,jp_sal) + ( 1.- tmask(ji,jj,1) ) * 35.
154            zsal2 = zsal * zsal
155            zlogt = LOG( zt )
156            !                             ! LN(K0) OF SOLUBILITY OF CO2 (EQ. 12, WEISS, 1980)
157            !                             !     AND FOR THE ATMOSPHERE FOR NON IDEAL GAS
158            zcek1 = 9345.17/ztkel - 60.2409 + 23.3585 * LOG(zt) + zsal*(0.023517 - 0.00023656*ztkel    &
159            &       + 0.0047036e-4*ztkel**2)
160            !                             ! SET SOLUBILITIES OF O2 AND CO2
161            chemc(ji,jj,1) = EXP( zcek1 ) * 1.e-6 * rhop(ji,jj,1) / 1000. ! mol/(kg uatm)
162            chemc(ji,jj,2) = -1636.75 + 12.0408*ztkel - 0.0327957*ztkel**2 + 0.0000316528*ztkel**3
163            chemc(ji,jj,3) = 57.7 - 0.118*ztkel
164            !
165         END DO
166      END DO
167
168      ! OXYGEN SOLUBILITY - DEEP OCEAN
169      ! -------------------------------
170!CDIR NOVERRCHK
171      DO jk = 1, jpk
172!CDIR NOVERRCHK
173         DO jj = 1, jpj
174!CDIR NOVERRCHK
175            DO ji = 1, jpi
176              ztkel = tempis(ji,jj,jk) + 273.15
177              zsal  = tsn(ji,jj,jk,jp_sal) + ( 1.- tmask(ji,jj,jk) ) * 35.
178              zsal2 = zsal * zsal
179              ztgg  = LOG( ( 298.15 - tempis(ji,jj,jk) ) / ztkel )  ! Set the GORDON & GARCIA scaled temperature
180              ztgg2 = ztgg  * ztgg
181              ztgg3 = ztgg2 * ztgg
182              ztgg4 = ztgg3 * ztgg
183              ztgg5 = ztgg4 * ztgg
184              zoxy  = ox0 + ox1 * ztgg + ox2 * ztgg2 + ox3 * ztgg3 + ox4 * ztgg4 + ox5 * ztgg5   &
185                     + zsal * ( ox6 + ox7 * ztgg + ox8 * ztgg2 + ox9 * ztgg3 ) +  ox10 * zsal2
186              chemo2(ji,jj,jk) = ( EXP( zoxy ) * o2atm ) * oxyco * atcox     ! mol/(L atm)
187            END DO
188          END DO
189        END DO
190
191
192
193      ! CHEMICAL CONSTANTS - DEEP OCEAN
194      ! -------------------------------
195!CDIR NOVERRCHK
196      DO jk = 1, jpk
197!CDIR NOVERRCHK
198         DO jj = 1, jpj
199!CDIR NOVERRCHK
200            DO ji = 1, jpi
201
202               ! SET PRESSION ACCORDING TO SAUNDER (1980)
203               zplat   = SIN ( ABS(gphit(ji,jj)*3.141592654/180.) )
204               zc1 = 5.92E-3 + zplat**2 * 5.25E-3
205               zpres = ((1-zc1)-SQRT(((1-zc1)**2)-(8.84E-6*fsdept(ji,jj,jk)))) / 4.42E-6
206               zpres = zpres / 10.0
207
208               ! SET ABSOLUTE TEMPERATURE
209               ztkel   = tempis(ji,jj,jk) + 273.15
210               zsal    = tsn(ji,jj,jk,jp_sal) + ( 1.-tmask(ji,jj,jk) ) * 35.
211               zsqrt  = SQRT( zsal )
212               zsal15  = zsqrt * zsal
213               zlogt  = LOG( ztkel )
214               ztr    = 1. / ztkel
215               zis    = 19.924 * zsal / ( 1000.- 1.005 * zsal )
216               zis2   = zis * zis
217               zisqrt = SQRT( zis )
218               ztc     = tempis(ji,jj,jk) + ( 1.- tmask(ji,jj,jk) ) * 20.
219
220               ! CHLORINITY (WOOSTER ET AL., 1969)
221               zcl     = zsal * salchl
222
223               ! TOTAL SULFATE CONCENTR. [MOLES/kg soln]
224               zst     = st1 * zcl * st2
225
226               ! TOTAL FLUORIDE CONCENTR. [MOLES/kg soln]
227               zft     = ft1 * zcl * ft2
228
229               ! DISSOCIATION CONSTANT FOR SULFATES on free H scale (Dickson 1990)
230               zcks    = EXP(-4276.1 * ztr + 141.328 - 23.093 * zlogt         &
231               &         + (-13856. * ztr + 324.57 - 47.986 * zlogt) * zisqrt &
232               &         + (35474. * ztr - 771.54 + 114.723 * zlogt) * zis    &
233               &         - 2698. * ztr * zis**1.5 + 1776.* ztr * zis2         &
234               &         + LOG(1.0 - 0.001005 * zsal))
235               !
236               aphscale(ji,jj,jk) = ( 1. + zst / zcks )
237
238               ! DISSOCIATION CONSTANT FOR FLUORIDES on free H scale (Dickson and Riley 79)
239               zckf    = EXP( 1590.2*ztr - 12.641 + 1.525*zisqrt   &
240               &         + LOG(1.0d0 - 0.001005d0*zsal)            &
241               &         + LOG(1.0d0 + zst/zcks))
242
243               ! DISSOCIATION CONSTANT FOR CARBONATE AND BORATE
244               zckb=  (-8966.90 - 2890.53*zsqrt - 77.942*zsal        &
245               &      + 1.728*zsal15 - 0.0996*zsal*zsal)*ztr         &
246               &      + (148.0248 + 137.1942*zsqrt + 1.62142*zsal)   &
247               &      + (-24.4344 - 25.085*zsqrt - 0.2474*zsal)      & 
248               &      * zlogt + 0.053105*zsqrt*ztkel
249
250
251               ! DISSOCIATION COEFFICIENT FOR CARBONATE ACCORDING TO
252               ! MEHRBACH (1973) REFIT BY MILLERO (1995), seawater scale
253               zck1    = -1.0*(3633.86*ztr - 61.2172 + 9.6777*zlogt  &
254                  - 0.011555*zsal + 0.0001152*zsal*zsal)
255               zck2    = -1.0*(471.78*ztr + 25.9290 - 3.16967*zlogt      &
256                  - 0.01781*zsal + 0.0001122*zsal*zsal)
257
258               ! PKW (H2O) (DICKSON AND RILEY, 1979)
259               zckw = -13847.26*ztr + 148.9652 - 23.6521 * zlogt    & 
260               &     + (118.67*ztr - 5.977 + 1.0495 * zlogt)        &
261               &     * zsqrt - 0.01615 * zsal
262
263               ! APPARENT SOLUBILITY PRODUCT K'SP OF CALCITE IN SEAWATER
264               !       (S=27-43, T=2-25 DEG C) at pres =0 (atmos. pressure) (MUCCI 1983)
265               zaksp0  = -171.9065 -0.077993*ztkel + 2839.319*ztr + 71.595*LOG10( ztkel )   &
266                  &      + (-0.77712 + 0.00284263*ztkel + 178.34*ztr) * zsqrt  &
267                  &      - 0.07711*zsal + 0.0041249*zsal15
268
269               ! K1, K2 OF CARBONIC ACID, KB OF BORIC ACID, KW (H2O) (LIT.?)
270               zak1    = 10**(zck1)
271               zak2    = 10**(zck2)
272               zakb    = EXP( zckb  )
273               zakw    = EXP( zckw )
274               zaksp1  = 10**(zaksp0)
275
276               ! FORMULA FOR CPEXP AFTER EDMOND & GIESKES (1970)
277               !        (REFERENCE TO CULBERSON & PYTKOQICZ (1968) AS MADE
278               !        IN BROECKER ET AL. (1982) IS INCORRECT; HERE RGAS IS
279               !        TAKEN TENFOLD TO CORRECT FOR THE NOTATION OF pres  IN
280               !        DBAR INSTEAD OF BAR AND THE EXPRESSION FOR CPEXP IS
281               !        MULTIPLIED BY LN(10.) TO ALLOW USE OF EXP-FUNCTION
282               !        WITH BASIS E IN THE FORMULA FOR AKSPP (CF. EDMOND
283               !        & GIESKES (1970), P. 1285-1286 (THE SMALL
284               !        FORMULA ON P. 1286 IS RIGHT AND CONSISTENT WITH THE
285               !        SIGN IN PARTIAL MOLAR VOLUME CHANGE AS SHOWN ON P. 1285))
286               zcpexp  = zpres /(rgas*ztkel)
287               zcpexp2 = zpres * zpres/(rgas*ztkel)
288
289               ! KB OF BORIC ACID, K1,K2 OF CARBONIC ACID PRESSURE
290               !        CORRECTION AFTER CULBERSON AND PYTKOWICZ (1968)
291               !        (CF. BROECKER ET AL., 1982)
292
293               zbuf1  = -     ( devk11 + devk21 * ztc + devk31 * ztc * ztc )
294               zbuf2  = 0.5 * ( devk41 + devk51 * ztc )
295               ak13(ji,jj,jk) = zak1 * EXP( zbuf1 * zcpexp + zbuf2 * zcpexp2 )
296
297               zbuf1  =     - ( devk12 + devk22 * ztc + devk32 * ztc * ztc )
298               zbuf2  = 0.5 * ( devk42 + devk52 * ztc )
299               ak23(ji,jj,jk) = zak2 * EXP( zbuf1 * zcpexp + zbuf2 * zcpexp2 )
300
301               zbuf1  =     - ( devk13 + devk23 * ztc + devk33 * ztc * ztc )
302               zbuf2  = 0.5 * ( devk43 + devk53 * ztc )
303               akb3(ji,jj,jk) = zakb * EXP( zbuf1 * zcpexp + zbuf2 * zcpexp2 )
304
305               zbuf1  =     - ( devk14 + devk24 * ztc + devk34 * ztc * ztc )
306               zbuf2  = 0.5 * ( devk44 + devk54 * ztc )
307               akw3(ji,jj,jk) = zakw * EXP( zbuf1 * zcpexp + zbuf2 * zcpexp2 )
308
309
310               ! APPARENT SOLUBILITY PRODUCT K'SP OF CALCITE
311               !        AS FUNCTION OF PRESSURE FOLLOWING MILLERO
312               !        (P. 1285) AND BERNER (1976)
313               zbuf1  =     - ( devk15 + devk25 * ztc + devk35 * ztc * ztc )
314               zbuf2  = 0.5 * ( devk45 + devk55 * ztc )
315               aksp(ji,jj,jk) = zaksp1 * EXP( zbuf1 * zcpexp + zbuf2 * zcpexp2 )
316
317               ! TOTAL BORATE CONCENTR. [MOLES/L]
318               borat(ji,jj,jk) = bor1 * zcl * bor2
319
320               ! Iron and SIO3 saturation concentration from ...
321               sio3eq(ji,jj,jk) = EXP(  LOG( 10.) * ( 6.44 - 968. / ztkel )  ) * 1.e-6
322               fekeq (ji,jj,jk) = 10**( 17.27 - 1565.7 / ( 273.15 + ztc ) )
323
324            END DO
325         END DO
326      END DO
327      !
328      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_stop('p4z_che')
329      !
330   END SUBROUTINE p4z_che
331
332
333   INTEGER FUNCTION p4z_che_alloc()
334      !!----------------------------------------------------------------------
335      !!                     ***  ROUTINE p4z_che_alloc  ***
336      !!----------------------------------------------------------------------
337      ALLOCATE( sio3eq(jpi,jpj,jpk), fekeq(jpi,jpj,jpk), chemc(jpi,jpj,3), chemo2(jpi,jpj,jpk),   &
338      &         tempis(jpi,jpj,jpk), STAT=p4z_che_alloc )
339      !
340      IF( p4z_che_alloc /= 0 )   CALL ctl_warn('p4z_che_alloc : failed to allocate arrays.')
341      !
342   END FUNCTION p4z_che_alloc
343
344#else
345   !!======================================================================
346   !!  Dummy module :                                   No PISCES bio-model
347   !!======================================================================
348CONTAINS
349   SUBROUTINE p4z_che( kt )                   ! Empty routine
350      INTEGER, INTENT(in) ::   kt
351      WRITE(*,*) 'p4z_che: You should not have seen this print! error?', kt
352   END SUBROUTINE p4z_che
353#endif 
354
355   !!======================================================================
356END MODULE p4zche
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.