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.
p4zflx.F90 in branches/2015/dev_r5836_NOC3_vvl_by_default/NEMOGCM/NEMO/TOP_SRC/PISCES/P4Z – NEMO

source: branches/2015/dev_r5836_NOC3_vvl_by_default/NEMOGCM/NEMO/TOP_SRC/PISCES/P4Z/p4zflx.F90 @ 5845

Last change on this file since 5845 was 5845, checked in by gm, 8 years ago

#1613: vvl by default: suppression of domzgr_substitute.h90

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 18.2 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#if defined key_pisces
14   !!----------------------------------------------------------------------
15   !!   'key_pisces'                                       PISCES bio-model
16   !!----------------------------------------------------------------------
17   !!   p4z_flx       :   CALCULATES GAS EXCHANGE AND CHEMISTRY AT SEA SURFACE
18   !!   p4z_flx_init  :   Read the namelist
19   !!   p4z_patm      :   Read sfc atm pressure [atm] for each grid cell
20   !!----------------------------------------------------------------------
21   USE oce_trc                      !  shared variables between ocean and passive tracers
22   USE trc                          !  passive tracers common variables
23   USE sms_pisces                   !  PISCES Source Minus Sink variables
24   USE p4zche                       !  Chemical model
25   USE prtctl_trc                   !  print control for debugging
26   USE iom                          !  I/O manager
27   USE fldread                      !  read input fields
28#if defined key_cpl_carbon_cycle
29   USE sbc_oce, ONLY :  atm_co2     !  atmospheric pCO2               
30#endif
31
32   IMPLICIT NONE
33   PRIVATE
34
35   PUBLIC   p4z_flx 
36   PUBLIC   p4z_flx_init 
37   PUBLIC   p4z_flx_alloc 
38
39   !                               !!** Namelist  nampisext  **
40   REAL(wp)          ::  atcco2     !: pre-industrial atmospheric [co2] (ppm)   
41   LOGICAL           ::  ln_co2int  !: flag to read in a file and interpolate atmospheric pco2 or not
42   CHARACTER(len=34) ::  clname     !: filename of pco2 values
43   INTEGER           ::  nn_offset  !: Offset model-data start year (default = 0)
44
45   !!  Variables related to reading atmospheric CO2 time history   
46   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:) :: atcco2h, years
47   INTEGER  :: nmaxrec, numco2
48
49   !                               !!* nampisatm namelist (Atmospheric PRessure) *
50   LOGICAL, PUBLIC ::   ln_presatm  !: ref. pressure: global mean Patm (F) or a constant (F)
51
52   REAL(wp) , ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:)  ::  patm      ! atmospheric pressure at kt                 [N/m2]
53   TYPE(FLD), ALLOCATABLE,       DIMENSION(:)    ::  sf_patm   ! structure of input fields (file informations, fields read)
54
55
56   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:) :: oce_co2   !: ocean carbon flux
57   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:) :: satmco2   !: atmospheric pco2
58
59   REAL(wp) ::  xconv  = 0.01_wp / 3600._wp !: coefficients for conversion
60
61   !!----------------------------------------------------------------------
62   !! NEMO/TOP 3.3 , NEMO Consortium (2010)
63   !! $Id$
64   !! Software governed by the CeCILL licence     (NEMOGCM/NEMO_CeCILL.txt)
65   !!----------------------------------------------------------------------
66CONTAINS
67
68   SUBROUTINE p4z_flx ( kt, knt )
69      !!---------------------------------------------------------------------
70      !!                     ***  ROUTINE p4z_flx  ***
71      !!
72      !! ** Purpose :   CALCULATES GAS EXCHANGE AND CHEMISTRY AT SEA SURFACE
73      !!
74      !! ** Method  :
75      !!              - Include total atm P correction via Esbensen & Kushnir (1981)
76      !!              - Pressure correction NOT done for key_cpl_carbon_cycle
77      !!              - Remove Wanninkhof chemical enhancement;
78      !!              - Add option for time-interpolation of atcco2.txt 
79      !!---------------------------------------------------------------------
80      !
81      INTEGER, INTENT(in) ::   kt, knt   !
82      !
83      INTEGER  ::   ji, jj, jm, iind, iindm1
84      REAL(wp) ::   ztc, ztc2, ztc3, zws, zkgwan
85      REAL(wp) ::   zfld, zflu, zfld16, zflu16, zfact
86      REAL(wp) ::   zph, zah2, zbot, zdic, zalk, zsch_o2, zalka, zsch_co2
87      REAL(wp) ::   zyr_dec, zdco2dt
88      CHARACTER (len=25) :: charout
89      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:) :: zkgco2, zkgo2, zh2co3, zoflx, zw2d 
90      !!---------------------------------------------------------------------
91      !
92      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_start('p4z_flx')
93      !
94      CALL wrk_alloc( jpi, jpj, zkgco2, zkgo2, zh2co3, zoflx )
95      !
96
97      ! SURFACE CHEMISTRY (PCO2 AND [H+] IN
98      !     SURFACE LAYER); THE RESULT OF THIS CALCULATION
99      !     IS USED TO COMPUTE AIR-SEA FLUX OF CO2
100
101      IF( kt /= nit000 .AND. knt == 1 ) CALL p4z_patm( kt )    ! Get sea-level pressure (E&K [1981] climatology) for use in flux calcs
102
103      IF( ln_co2int ) THEN 
104         ! Linear temporal interpolation  of atmospheric pco2.  atcco2.txt has annual values.
105         ! Caveats: First column of .txt must be in years, decimal  years preferably.
106         ! For nn_offset, if your model year is iyy, nn_offset=(years(1)-iyy)
107         ! then the first atmospheric CO2 record read is at years(1)
108         zyr_dec = REAL( nyear + nn_offset, wp ) + REAL( nday_year, wp ) / REAL( nyear_len(1), wp )
109         jm = 1
110         DO WHILE( jm <= nmaxrec .AND. years(jm) < zyr_dec ) ;  jm = jm + 1 ;  END DO
111         iind = jm  ;   iindm1 = jm - 1
112         zdco2dt = ( atcco2h(iind) - atcco2h(iindm1) ) / ( years(iind) - years(iindm1) + rtrn )
113         atcco2  = zdco2dt * ( zyr_dec - years(iindm1) ) + atcco2h(iindm1)
114         satmco2(:,:) = atcco2 
115      ENDIF
116
117#if defined key_cpl_carbon_cycle
118      satmco2(:,:) = atm_co2(:,:)
119#endif
120
121      DO jm = 1, 10
122         DO jj = 1, jpj
123            DO ji = 1, jpi
124
125               ! DUMMY VARIABLES FOR DIC, H+, AND BORATE
126               zbot  = borat(ji,jj,1)
127               zfact = rhop(ji,jj,1) / 1000. + rtrn
128               zdic  = trb(ji,jj,1,jpdic) / zfact
129               zph   = MAX( hi(ji,jj,1), 1.e-10 ) / zfact
130               zalka = trb(ji,jj,1,jptal) / zfact
131
132               ! CALCULATE [ALK]([CO3--], [HCO3-])
133               zalk  = zalka - (  akw3(ji,jj,1) / zph - zph + zbot / ( 1.+ zph / akb3(ji,jj,1) )  )
134
135               ! CALCULATE [H+] AND [H2CO3]
136               zah2   = SQRT(  (zdic-zalk)**2 + 4.* ( zalk * ak23(ji,jj,1)   &
137                  &                                        / ak13(ji,jj,1) ) * ( 2.* zdic - zalk )  )
138               zah2   = 0.5 * ak13(ji,jj,1) / zalk * ( ( zdic - zalk ) + zah2 )
139               zh2co3(ji,jj) = ( 2.* zdic - zalk ) / ( 2.+ ak13(ji,jj,1) / zah2 ) * zfact
140               hi(ji,jj,1)   = zah2 * zfact
141            END DO
142         END DO
143      END DO
144
145
146      ! --------------
147      ! COMPUTE FLUXES
148      ! --------------
149
150      ! FIRST COMPUTE GAS EXCHANGE COEFFICIENTS
151      ! -------------------------------------------
152
153      DO jj = 1, jpj
154         DO ji = 1, jpi
155            ztc  = MIN( 35., tsn(ji,jj,1,jp_tem) )
156            ztc2 = ztc * ztc
157            ztc3 = ztc * ztc2 
158            ! Compute the schmidt Number both O2 and CO2
159            zsch_co2 = 2073.1 - 125.62 * ztc + 3.6276 * ztc2 - 0.043126 * ztc3
160            zsch_o2  = 1953.4 - 128.0  * ztc + 3.9918 * ztc2 - 0.050091 * ztc3
161            !  wind speed
162            zws  = wndm(ji,jj) * wndm(ji,jj)
163            ! Compute the piston velocity for O2 and CO2
164            zkgwan = 0.3 * zws  + 2.5 * ( 0.5246 + 0.016256 * ztc + 0.00049946  * ztc2 )
165            zkgwan = zkgwan * xconv * ( 1.- fr_i(ji,jj) ) * tmask(ji,jj,1)
166# if defined key_degrad
167            zkgwan = zkgwan * facvol(ji,jj,1)
168#endif 
169            ! compute gas exchange for CO2 and O2
170            zkgco2(ji,jj) = zkgwan * SQRT( 660./ zsch_co2 )
171            zkgo2 (ji,jj) = zkgwan * SQRT( 660./ zsch_o2 )
172         END DO
173      END DO
174
175      DO jj = 1, jpj
176         DO ji = 1, jpi
177            ! Compute CO2 flux for the sea and air
178            zfld = satmco2(ji,jj) * patm(ji,jj) * tmask(ji,jj,1) * chemc(ji,jj,1) * zkgco2(ji,jj)   ! (mol/L) * (m/s)
179            zflu = zh2co3(ji,jj) * tmask(ji,jj,1) * zkgco2(ji,jj)                                   ! (mol/L) (m/s) ?
180            oce_co2(ji,jj) = ( zfld - zflu ) * rfact2 * e1e2t(ji,jj) * tmask(ji,jj,1) * 1000.
181            ! compute the trend
182            tra(ji,jj,1,jpdic) = tra(ji,jj,1,jpdic) + ( zfld - zflu ) * rfact2 / e3t_n(ji,jj,1)
183
184            ! Compute O2 flux
185            zfld16 = atcox * patm(ji,jj) * chemc(ji,jj,2) * tmask(ji,jj,1) * zkgo2(ji,jj)          ! (mol/L) * (m/s)
186            zflu16 = trb(ji,jj,1,jpoxy) * tmask(ji,jj,1) * zkgo2(ji,jj)
187            zoflx(ji,jj) = zfld16 - zflu16
188            tra(ji,jj,1,jpoxy) = tra(ji,jj,1,jpoxy) + zoflx(ji,jj) * rfact2 / e3t_n(ji,jj,1)
189         END DO
190      END DO
191
192      t_oce_co2_flx     = glob_sum( oce_co2(:,:) )                    !  Total Flux of Carbon
193      t_oce_co2_flx_cum = t_oce_co2_flx_cum + t_oce_co2_flx       !  Cumulative Total Flux of Carbon
194!      t_atm_co2_flx     = glob_sum( satmco2(:,:) * e1e2t(:,:) )       ! Total atmospheric pCO2
195      t_atm_co2_flx     =  atcco2      ! Total atmospheric pCO2
196 
197      IF(ln_ctl)   THEN  ! print mean trends (used for debugging)
198         WRITE(charout, FMT="('flx ')")
199         CALL prt_ctl_trc_info(charout)
200         CALL prt_ctl_trc(tab4d=tra, mask=tmask, clinfo=ctrcnm)
201      ENDIF
202
203      IF( lk_iomput .AND. knt == nrdttrc ) THEN
204         CALL wrk_alloc( jpi, jpj, zw2d ) 
205         IF( iom_use( "Cflx"  ) )  THEN
206            zw2d(:,:) = oce_co2(:,:) / e1e2t(:,:) * rfact2r
207            CALL iom_put( "Cflx"     , zw2d ) 
208         ENDIF
209         IF( iom_use( "Oflx"  ) )  THEN
210            zw2d(:,:) =  zoflx(:,:) * 1000 * tmask(:,:,1)
211            CALL iom_put( "Oflx" , zw2d )
212         ENDIF
213         IF( iom_use( "Kg"    ) )  THEN
214            zw2d(:,:) =  zkgco2(:,:) * tmask(:,:,1)
215            CALL iom_put( "Kg"   , zw2d )
216         ENDIF
217         IF( iom_use( "Dpco2" ) ) THEN
218           zw2d(:,:) = ( satmco2(:,:) * patm(:,:) - zh2co3(:,:) / ( chemc(:,:,1) + rtrn ) ) * tmask(:,:,1)
219           CALL iom_put( "Dpco2" ,  zw2d )
220         ENDIF
221         IF( iom_use( "Dpo2" ) )  THEN
222           zw2d(:,:) = ( atcox * patm(:,:) - trb(:,:,1,jpoxy) / ( chemc(:,:,2) + rtrn ) ) * tmask(:,:,1)
223           CALL iom_put( "Dpo2"  , zw2d )
224         ENDIF
225         IF( iom_use( "tcflx" ) )  CALL iom_put( "tcflx"    , t_oce_co2_flx * rfact2r )   ! molC/s
226         CALL iom_put( "tcflxcum" , t_oce_co2_flx_cum )      ! molC
227         !
228         CALL wrk_dealloc( jpi, jpj, zw2d )
229      ELSE
230         IF( ln_diatrc ) THEN
231            trc2d(:,:,jp_pcs0_2d    ) = oce_co2(:,:) / e1e2t(:,:) * rfact2r 
232            trc2d(:,:,jp_pcs0_2d + 1) = zoflx(:,:) * 1000 * tmask(:,:,1) 
233            trc2d(:,:,jp_pcs0_2d + 2) = zkgco2(:,:) * tmask(:,:,1) 
234            trc2d(:,:,jp_pcs0_2d + 3) = ( satmco2(:,:) * patm(:,:) - zh2co3(:,:) / ( chemc(:,:,1) + rtrn ) ) * tmask(:,:,1) 
235         ENDIF
236      ENDIF
237      !
238      CALL wrk_dealloc( jpi, jpj, zkgco2, zkgo2, zh2co3, zoflx )
239      !
240      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_stop('p4z_flx')
241      !
242   END SUBROUTINE p4z_flx
243
244
245   SUBROUTINE p4z_flx_init
246      !!----------------------------------------------------------------------
247      !!                  ***  ROUTINE p4z_flx_init  ***
248      !!
249      !! ** Purpose :   Initialization of atmospheric conditions
250      !!
251      !! ** Method  :   Read the nampisext namelist and check the parameters
252      !!      called at the first timestep (nittrc000)
253      !! ** input   :   Namelist nampisext
254      !!----------------------------------------------------------------------
255      NAMELIST/nampisext/ln_co2int, atcco2, clname, nn_offset
256      INTEGER :: jm
257      INTEGER :: ios                 ! Local integer output status for namelist read
258      !!----------------------------------------------------------------------
259      !
260
261      REWIND( numnatp_ref )              ! Namelist nampisext in reference namelist : Pisces atm. conditions
262      READ  ( numnatp_ref, nampisext, IOSTAT = ios, ERR = 901)
263901   IF( ios /= 0 ) CALL ctl_nam ( ios , 'nampisext in reference namelist', lwp )
264
265      REWIND( numnatp_cfg )              ! Namelist nampisext in configuration namelist : Pisces atm. conditions
266      READ  ( numnatp_cfg, nampisext, IOSTAT = ios, ERR = 902 )
267902   IF( ios /= 0 ) CALL ctl_nam ( ios , 'nampisext in configuration namelist', lwp )
268      IF(lwm) WRITE ( numonp, nampisext )
269      !
270      IF(lwp) THEN                         ! control print
271         WRITE(numout,*) ' '
272         WRITE(numout,*) ' Namelist parameters for air-sea exchange, nampisext'
273         WRITE(numout,*) ' ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~'
274         WRITE(numout,*) '    Choice for reading in the atm pCO2 file or constant value, ln_co2int =', ln_co2int
275         WRITE(numout,*) ' '
276      ENDIF
277      IF( .NOT.ln_co2int ) THEN
278         IF(lwp) THEN                         ! control print
279            WRITE(numout,*) '    Constant Atmospheric pCO2 value  atcco2    =', atcco2
280            WRITE(numout,*) ' '
281         ENDIF
282         satmco2(:,:)  = atcco2      ! Initialisation of atmospheric pco2
283      ELSE
284         IF(lwp)  THEN
285            WRITE(numout,*) '    Atmospheric pCO2 value  from file clname      =', TRIM( clname )
286            WRITE(numout,*) '    Offset model-data start year      nn_offset   =', nn_offset
287            WRITE(numout,*) ' '
288         ENDIF
289         CALL ctl_opn( numco2, TRIM( clname) , 'OLD', 'FORMATTED', 'SEQUENTIAL', -1 , numout, lwp )
290         jm = 0                      ! Count the number of record in co2 file
291         DO
292           READ(numco2,*,END=100) 
293           jm = jm + 1
294         END DO
295 100     nmaxrec = jm - 1 
296         ALLOCATE( years  (nmaxrec) )     ;      years  (:) = 0._wp
297         ALLOCATE( atcco2h(nmaxrec) )     ;      atcco2h(:) = 0._wp
298
299         REWIND(numco2)
300         DO jm = 1, nmaxrec          ! get  xCO2 data
301            READ(numco2, *)  years(jm), atcco2h(jm)
302            IF(lwp) WRITE(numout, '(f6.0,f7.2)')  years(jm), atcco2h(jm)
303         END DO
304         CLOSE(numco2)
305      ENDIF
306      !
307      oce_co2(:,:)  = 0._wp                ! Initialization of Flux of Carbon
308      t_oce_co2_flx = 0._wp
309      t_atm_co2_flx = 0._wp
310      !
311      CALL p4z_patm( nit000 )
312      !
313   END SUBROUTINE p4z_flx_init
314
315   SUBROUTINE p4z_patm( kt )
316
317      !!----------------------------------------------------------------------
318      !!                  ***  ROUTINE p4z_atm  ***
319      !!
320      !! ** Purpose :   Read and interpolate the external atmospheric sea-levl pressure
321      !! ** Method  :   Read the files and interpolate the appropriate variables
322      !!
323      !!----------------------------------------------------------------------
324      !! * arguments
325      INTEGER, INTENT( in  ) ::   kt   ! ocean time step
326      !
327      INTEGER            ::  ierr
328      INTEGER            ::  ios      ! Local integer output status for namelist read
329      CHARACTER(len=100) ::  cn_dir   ! Root directory for location of ssr files
330      TYPE(FLD_N)        ::  sn_patm  ! informations about the fields to be read
331      !!
332      NAMELIST/nampisatm/ ln_presatm, sn_patm, cn_dir
333
334      !                                         ! ----------------------- !
335      IF( kt == nit000 ) THEN                   ! First call kt=nittrc000 !
336
337         REWIND( numnatp_ref )              ! Namelist nampisatm in reference namelist : Pisces atm. sea level pressure file
338         READ  ( numnatp_ref, nampisatm, IOSTAT = ios, ERR = 901)
339901      IF( ios /= 0 ) CALL ctl_nam ( ios , 'nampisatm in reference namelist', lwp )
340
341         REWIND( numnatp_cfg )              ! Namelist nampisatm in configuration namelist : Pisces atm. sea level pressure file
342         READ  ( numnatp_cfg, nampisatm, IOSTAT = ios, ERR = 902 )
343902      IF( ios /= 0 ) CALL ctl_nam ( ios , 'nampisatm in configuration namelist', lwp )
344         IF(lwm) WRITE ( numonp, nampisatm )
345         !
346         !
347         IF(lwp) THEN                                 !* control print
348            WRITE(numout,*)
349            WRITE(numout,*) '   Namelist nampisatm : Atmospheric Pressure as external forcing'
350            WRITE(numout,*) '      constant atmopsheric pressure (F) or from a file (T)  ln_presatm = ', ln_presatm
351            WRITE(numout,*)
352         ENDIF
353         !
354         IF( ln_presatm ) THEN
355            ALLOCATE( sf_patm(1), STAT=ierr )           !* allocate and fill sf_patm (forcing structure) with sn_patm
356            IF( ierr > 0 )   CALL ctl_stop( 'STOP', 'p4z_flx: unable to allocate sf_patm structure' )
357            !
358            CALL fld_fill( sf_patm, (/ sn_patm /), cn_dir, 'p4z_flx', 'Atmospheric pressure ', 'nampisatm' )
359                                   ALLOCATE( sf_patm(1)%fnow(jpi,jpj,1)   )
360            IF( sn_patm%ln_tint )  ALLOCATE( sf_patm(1)%fdta(jpi,jpj,1,2) )
361         ENDIF
362         !                                         
363         IF( .NOT.ln_presatm )   patm(:,:) = 1.e0    ! Initialize patm if no reading from a file
364         !
365      ENDIF
366      !
367      IF( ln_presatm ) THEN
368         CALL fld_read( kt, 1, sf_patm )               !* input Patm provided at kt + 1/2
369         patm(:,:) = sf_patm(1)%fnow(:,:,1)                        ! atmospheric pressure
370      ENDIF
371      !
372   END SUBROUTINE p4z_patm
373
374   INTEGER FUNCTION p4z_flx_alloc()
375      !!----------------------------------------------------------------------
376      !!                     ***  ROUTINE p4z_flx_alloc  ***
377      !!----------------------------------------------------------------------
378      ALLOCATE( oce_co2(jpi,jpj), satmco2(jpi,jpj), patm(jpi,jpj), STAT=p4z_flx_alloc )
379      !
380      IF( p4z_flx_alloc /= 0 )   CALL ctl_warn('p4z_flx_alloc : failed to allocate arrays')
381      !
382   END FUNCTION p4z_flx_alloc
383
384#else
385   !!======================================================================
386   !!  Dummy module :                                   No PISCES bio-model
387   !!======================================================================
388CONTAINS
389   SUBROUTINE p4z_flx( kt )                   ! Empty routine
390      INTEGER, INTENT( in ) ::   kt
391      WRITE(*,*) 'p4z_flx: You should not have seen this print! error?', kt
392   END SUBROUTINE p4z_flx
393#endif 
394
395   !!======================================================================
396END MODULE p4zflx
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.