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p4zlim.F90 in branches/CNRS/dev_r6270_PISCES_QUOTA/NEMOGCM/NEMO/TOP_SRC/PISCES/P4Z – NEMO

source: branches/CNRS/dev_r6270_PISCES_QUOTA/NEMOGCM/NEMO/TOP_SRC/PISCES/P4Z/p4zlim.F90 @ 7180

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various bug fixes on iron chemistry

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Line 
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#if defined key_pisces
11   !!----------------------------------------------------------------------
12   !!   'key_pisces'                                       PISCES bio-model
13   !!----------------------------------------------------------------------
14   !!   p4z_lim        :   Compute the nutrients limitation terms
15   !!   p4z_lim_init   :   Read the namelist
16   !!----------------------------------------------------------------------
17   USE oce_trc         ! Shared ocean-passive tracers variables
18   USE trc             ! Tracers defined
19   USE sms_pisces      ! PISCES variables
20   USE p4zopt          ! Optical
21   USE iom             !  I/O manager
22
23   IMPLICIT NONE
24   PRIVATE
25
26   PUBLIC p4z_lim   
27   PUBLIC p4z_lim_init   
28   PUBLIC p4z_lim_alloc
29
30   !! * Shared module variables
31   REAL(wp), PUBLIC ::  concnno3    !:  NO3, PO4 half saturation   
32   REAL(wp), PUBLIC ::  concdno3    !:  Phosphate half saturation for diatoms 
33   REAL(wp), PUBLIC ::  concnnh4    !:  NH4 half saturation for phyto 
34   REAL(wp), PUBLIC ::  concdnh4    !:  NH4 half saturation for diatoms
35   REAL(wp), PUBLIC ::  concnfer    !:  Iron half saturation for nanophyto
36   REAL(wp), PUBLIC ::  concdfer    !:  Iron half saturation for diatoms 
37   REAL(wp), PUBLIC ::  concbno3    !:  NO3 half saturation  for bacteria
38   REAL(wp), PUBLIC ::  concbnh4    !:  NH4 half saturation for bacteria
39   REAL(wp), PUBLIC ::  xsizedia    !:  Minimum size criteria for diatoms
40   REAL(wp), PUBLIC ::  xsizephy    !:  Minimum size criteria for nanophyto
41   REAL(wp), PUBLIC ::  xsizern     !:  Size ratio for nanophytoplankton
42   REAL(wp), PUBLIC ::  xsizerd     !:  Size ratio for diatoms
43   REAL(wp), PUBLIC ::  xksi1       !:  half saturation constant for Si uptake
44   REAL(wp), PUBLIC ::  xksi2       !:  half saturation constant for Si/C
45   REAL(wp), PUBLIC ::  xkdoc       !:  2nd half-sat. of DOC remineralization 
46   REAL(wp), PUBLIC ::  concbfe     !:  Fe half saturation for bacteria
47   REAL(wp), PUBLIC ::  qnfelim     !:  optimal Fe quota for nanophyto
48   REAL(wp), PUBLIC ::  qdfelim     !:  optimal Fe quota for diatoms
49   REAL(wp), PUBLIC ::  caco3r      !:  mean rainratio
50
51   !!* Phytoplankton limitation terms
52   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:)  ::   xnanono3   !: ???
53   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:)  ::   xdiatno3   !: ???
54   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:)  ::   xnanonh4   !: ???
55   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:)  ::   xdiatnh4   !: ???
56   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:)  ::   xnanopo4   !: ???
57   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:)  ::   xdiatpo4   !: ???
58   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:)  ::   xlimphy    !: ???
59   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:)  ::   xlimdia    !: ???
60   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:)  ::   xlimnfe    !: ???
61   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:)  ::   xlimdfe    !: ???
62   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:)  ::   xlimsi     !: ???
63   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:)  ::   xlimbac    !: ??
64   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:)  ::   xlimbacl   !: ??
65   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:)  ::   concdfe    !: ???
66   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:)  ::   concnfe    !: ???
67
68   ! Coefficient for iron limitation
69   REAL(wp) ::  xcoef1   = 0.0016  / 55.85 
70   REAL(wp) ::  xcoef2   = 1.21E-5 * 14. / 55.85 / 7.625 * 0.5 * 1.5
71   REAL(wp) ::  xcoef3   = 1.15E-4 * 14. / 55.85 / 7.625 * 0.5 
72   !!* Substitution
73#  include "top_substitute.h90"
74   !!----------------------------------------------------------------------
75   !! NEMO/TOP 3.3 , NEMO Consortium (2010)
76   !! $Id: p4zlim.F90 3160 2011-11-20 14:27:18Z cetlod $
77   !! Software governed by the CeCILL licence (NEMOGCM/NEMO_CeCILL.txt)
78   !!----------------------------------------------------------------------
79
80CONTAINS
81
82   SUBROUTINE p4z_lim( kt, knt )
83      !!---------------------------------------------------------------------
84      !!                     ***  ROUTINE p4z_lim  ***
85      !!
86      !! ** Purpose :   Compute the co-limitations by the various nutrients
87      !!              for the various phytoplankton species
88      !!
89      !! ** Method  : - ???
90      !!---------------------------------------------------------------------
91      !
92      INTEGER, INTENT(in)  :: kt, knt
93      !
94      INTEGER  ::   ji, jj, jk
95      REAL(wp) ::   zlim1, zlim2, zlim3, zlim4, zno3, zferlim
96      REAL(wp) ::   zconcd, zconcd2, zconcn, zconcn2
97      REAL(wp) ::   z1_trbdia, z1_trbphy, ztem1, ztem2, zetot1, zetot2
98      REAL(wp) ::   zdenom, zratio, zironmin
99      REAL(wp) ::   zconc1d, zconc1dnh4, zconc0n, zconc0nnh4   
100      !!---------------------------------------------------------------------
101      !
102      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_start('p4z_lim')
103      !
104      DO jk = 1, jpkm1
105         DO jj = 1, jpj
106            DO ji = 1, jpi
107               
108               ! Tuning of the iron concentration to a minimum level that is set to the detection limit
109               !-------------------------------------
110               zno3    = trb(ji,jj,jk,jpno3) / 40.e-6
111               zferlim = MAX( 3e-11 * zno3 * zno3, 5e-12 )
112               zferlim = MIN( zferlim, 7e-11 )
113               trb(ji,jj,jk,jpfer) = MAX( trb(ji,jj,jk,jpfer), zferlim )
114
115               ! Computation of a variable Ks for iron on diatoms taking into account
116               ! that increasing biomass is made of generally bigger cells
117               !------------------------------------------------
118               zconcd   = MAX( 0.e0 , trb(ji,jj,jk,jpdia) - xsizedia )
119               zconcd2  = trb(ji,jj,jk,jpdia) - zconcd
120               zconcn   = MAX( 0.e0 , trb(ji,jj,jk,jpphy) - xsizephy )
121               zconcn2  = trb(ji,jj,jk,jpphy) - zconcn
122               z1_trbphy   = 1. / ( trb(ji,jj,jk,jpphy) + rtrn )
123               z1_trbdia   = 1. / ( trb(ji,jj,jk,jpdia) + rtrn )
124
125               concdfe(ji,jj,jk) = MAX( concdfer, ( zconcd2 * concdfer + concdfer * xsizerd * zconcd ) * z1_trbdia )
126               zconc1d           = MAX( concdno3, ( zconcd2 * concdno3 + concdno3 * xsizerd * zconcd ) * z1_trbdia )
127               zconc1dnh4        = MAX( concdnh4, ( zconcd2 * concdnh4 + concdnh4 * xsizerd * zconcd ) * z1_trbdia )
128
129               concnfe(ji,jj,jk) = MAX( concnfer, ( zconcn2 * concnfer + concnfer * xsizern * zconcn ) * z1_trbphy )
130               zconc0n           = MAX( concnno3, ( zconcn2 * concnno3 + concnno3 * xsizern * zconcn ) * z1_trbphy )
131               zconc0nnh4        = MAX( concnnh4, ( zconcn2 * concnnh4 + concnnh4 * xsizern * zconcn ) * z1_trbphy )
132
133               ! Michaelis-Menten Limitation term for nutrients Small bacteria
134               ! -------------------------------------------------------------
135               zdenom = 1. /  ( concbno3 * concbnh4 + concbnh4 * trb(ji,jj,jk,jpno3) + concbno3 * trb(ji,jj,jk,jpnh4) )
136               xnanono3(ji,jj,jk) = trb(ji,jj,jk,jpno3) * concbnh4 * zdenom
137               xnanonh4(ji,jj,jk) = trb(ji,jj,jk,jpnh4) * concbno3 * zdenom
138               !
139               zlim1    = xnanono3(ji,jj,jk) + xnanonh4(ji,jj,jk)
140               zlim2    = trb(ji,jj,jk,jppo4) / ( trb(ji,jj,jk,jppo4) + concbnh4 )
141               zlim3    = trb(ji,jj,jk,jpfer) / ( concbfe + trb(ji,jj,jk,jpfer) )
142               zlim4    = trb(ji,jj,jk,jpdoc) / ( xkdoc   + trb(ji,jj,jk,jpdoc) )
143               xlimbacl(ji,jj,jk) = MIN( zlim1, zlim2, zlim3 )
144               xlimbac (ji,jj,jk) = MIN( zlim1, zlim2, zlim3 ) * zlim4
145
146               ! Michaelis-Menten Limitation term for nutrients Small flagellates
147               ! -----------------------------------------------
148               zdenom = 1. /  ( zconc0n * zconc0nnh4 + zconc0nnh4 * trb(ji,jj,jk,jpno3) + zconc0n * trb(ji,jj,jk,jpnh4) )
149               xnanono3(ji,jj,jk) = trb(ji,jj,jk,jpno3) * zconc0nnh4 * zdenom
150               xnanonh4(ji,jj,jk) = trb(ji,jj,jk,jpnh4) * zconc0n    * zdenom
151               !
152               zlim1    = xnanono3(ji,jj,jk) + xnanonh4(ji,jj,jk)
153               zlim2    = trb(ji,jj,jk,jppo4) / ( trb(ji,jj,jk,jppo4) + zconc0nnh4 )
154               zratio   = trb(ji,jj,jk,jpnfe) * z1_trbphy 
155               zironmin = xcoef1 * trb(ji,jj,jk,jpnch) * z1_trbphy + xcoef2 * zlim1 + xcoef3 * xnanono3(ji,jj,jk)
156               zlim3    = MAX( 0.,( zratio - zironmin ) / qnfelim )
157               xnanopo4(ji,jj,jk) = zlim2
158               xlimnfe (ji,jj,jk) = MIN( 1., zlim3 )
159               xlimphy (ji,jj,jk) = MIN( zlim1, zlim2, zlim3 )
160               !
161               !   Michaelis-Menten Limitation term for nutrients Diatoms
162               !   ----------------------------------------------
163               zdenom   = 1. / ( zconc1d * zconc1dnh4 + zconc1dnh4 * trb(ji,jj,jk,jpno3) + zconc1d * trb(ji,jj,jk,jpnh4) )
164               xdiatno3(ji,jj,jk) = trb(ji,jj,jk,jpno3) * zconc1dnh4 * zdenom
165               xdiatnh4(ji,jj,jk) = trb(ji,jj,jk,jpnh4) * zconc1d    * zdenom
166               !
167               zlim1    = xdiatno3(ji,jj,jk) + xdiatnh4(ji,jj,jk)
168               zlim2    = trb(ji,jj,jk,jppo4) / ( trb(ji,jj,jk,jppo4) + zconc1dnh4  )
169               zlim3    = trb(ji,jj,jk,jpsil) / ( trb(ji,jj,jk,jpsil) + xksi(ji,jj) )
170               zratio   = trb(ji,jj,jk,jpdfe) * z1_trbdia
171               zironmin = xcoef1 * trb(ji,jj,jk,jpdch) * z1_trbdia + xcoef2 * zlim1 + xcoef3 * xdiatno3(ji,jj,jk)
172               zlim4    = MAX( 0., ( zratio - zironmin ) / qdfelim )
173               xdiatpo4(ji,jj,jk) = zlim2
174               xlimdfe (ji,jj,jk) = MIN( 1., zlim4 )
175               xlimdia (ji,jj,jk) = MIN( zlim1, zlim2, zlim3, zlim4 )
176               xlimsi  (ji,jj,jk) = MIN( zlim1, zlim2, zlim4 )
177           END DO
178         END DO
179      END DO
180
181      ! Compute the fraction of nanophytoplankton that is made of calcifiers
182      ! --------------------------------------------------------------------
183      DO jk = 1, jpkm1
184         DO jj = 1, jpj
185            DO ji = 1, jpi
186               zlim1 =  ( trb(ji,jj,jk,jpno3) * concnnh4 + trb(ji,jj,jk,jpnh4) * concnno3 )    &
187                  &   / ( concnno3 * concnnh4 + concnnh4 * trb(ji,jj,jk,jpno3) + concnno3 * trb(ji,jj,jk,jpnh4) ) 
188               zlim2  = trb(ji,jj,jk,jppo4) / ( trb(ji,jj,jk,jppo4) + concnnh4 )
189               zlim3  = trb(ji,jj,jk,jpfer) / ( trb(ji,jj,jk,jpfer) +  1.E-10  )
190               ztem1  = MAX( 0., tsn(ji,jj,jk,jp_tem) )
191               ztem2  = tsn(ji,jj,jk,jp_tem) - 10.
192               zetot1 = MAX( 0., etot_ndcy(ji,jj,jk) - 1.) / ( 4. + etot_ndcy(ji,jj,jk) ) 
193               zetot2 = 30. / ( 30. + etot_ndcy(ji,jj,jk) ) 
194
195               xfracal(ji,jj,jk) = caco3r * MIN( zlim1, zlim2, zlim3 )                  &
196                  &                       * ztem1 / ( 0.1 + ztem1 )                     &
197                  &                       * MAX( 1., trb(ji,jj,jk,jpphy) * 1.e6 / 2. )  &
198                  &                       * zetot1 * zetot2               &
199                  &                       * ( 1. + EXP(-ztem2 * ztem2 / 25. ) )         &
200                  &                       * MIN( 1., 50. / ( hmld(ji,jj) + rtrn ) )
201               xfracal(ji,jj,jk) = MIN( 0.8 , xfracal(ji,jj,jk) )
202               xfracal(ji,jj,jk) = MAX( 0.02, xfracal(ji,jj,jk) )
203            END DO
204         END DO
205      END DO
206      !
207      !
208      IF( lk_iomput .AND. knt == nrdttrc ) THEN        ! save output diagnostics
209        IF( iom_use( "xfracal" ) ) CALL iom_put( "xfracal", xfracal(:,:,:) * tmask(:,:,:) )  ! euphotic layer deptht
210        IF( iom_use( "LNnut"   ) ) CALL iom_put( "LNnut"  , xlimphy(:,:,:) * tmask(:,:,:) )  ! Nutrient limitation term
211        IF( iom_use( "LDnut"   ) ) CALL iom_put( "LDnut"  , xlimdia(:,:,:) * tmask(:,:,:) )  ! Nutrient limitation term
212        IF( iom_use( "LNFe"    ) ) CALL iom_put( "LNFe"   , xlimnfe(:,:,:) * tmask(:,:,:) )  ! Iron limitation term
213        IF( iom_use( "LDFe"    ) ) CALL iom_put( "LDFe"   , xlimdfe(:,:,:) * tmask(:,:,:) )  ! Iron limitation term
214      ENDIF
215      !
216      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_stop('p4z_lim')
217      !
218   END SUBROUTINE p4z_lim
219
220   SUBROUTINE p4z_lim_init
221
222      !!----------------------------------------------------------------------
223      !!                  ***  ROUTINE p4z_lim_init  ***
224      !!
225      !! ** Purpose :   Initialization of nutrient limitation parameters
226      !!
227      !! ** Method  :   Read the nampislim namelist and check the parameters
228      !!      called at the first timestep (nittrc000)
229      !!
230      !! ** input   :   Namelist nampislim
231      !!
232      !!----------------------------------------------------------------------
233
234      NAMELIST/nampislim/ concnno3, concdno3, concnnh4, concdnh4, concnfer, concdfer, concbfe,   &
235         &                concbno3, concbnh4, xsizedia, xsizephy, xsizern, xsizerd,          & 
236         &                xksi1, xksi2, xkdoc, qnfelim, qdfelim, caco3r
237      INTEGER :: ios                 ! Local integer output status for namelist read
238
239      REWIND( numnatp_ref )              ! Namelist nampislim in reference namelist : Pisces nutrient limitation parameters
240      READ  ( numnatp_ref, nampislim, IOSTAT = ios, ERR = 901)
241901   IF( ios /= 0 ) CALL ctl_nam ( ios , 'nampislim in reference namelist', lwp )
242
243      REWIND( numnatp_cfg )              ! Namelist nampislim in configuration namelist : Pisces nutrient limitation parameters
244      READ  ( numnatp_cfg, nampislim, IOSTAT = ios, ERR = 902 )
245902   IF( ios /= 0 ) CALL ctl_nam ( ios , 'nampislim in configuration namelist', lwp )
246      IF(lwm) WRITE ( numonp, nampislim )
247
248      IF(lwp) THEN                         ! control print
249         WRITE(numout,*) ' '
250         WRITE(numout,*) ' Namelist parameters for nutrient limitations, nampislim'
251         WRITE(numout,*) ' ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~'
252         WRITE(numout,*) '    mean rainratio                           caco3r    = ', caco3r
253         WRITE(numout,*) '    NO3 half saturation of nanophyto         concnno3  = ', concnno3
254         WRITE(numout,*) '    NO3 half saturation of diatoms           concdno3  = ', concdno3
255         WRITE(numout,*) '    NH4 half saturation for phyto            concnnh4  = ', concnnh4
256         WRITE(numout,*) '    NH4 half saturation for diatoms          concdnh4  = ', concdnh4
257         WRITE(numout,*) '    half saturation constant for Si uptake   xksi1     = ', xksi1
258         WRITE(numout,*) '    half saturation constant for Si/C        xksi2     = ', xksi2
259         WRITE(numout,*) '    half-sat. of DOC remineralization        xkdoc     = ', xkdoc
260         WRITE(numout,*) '    Iron half saturation for nanophyto       concnfer  = ', concnfer
261         WRITE(numout,*) '    Iron half saturation for diatoms         concdfer  = ', concdfer
262         WRITE(numout,*) '    size ratio for nanophytoplankton         xsizern   = ', xsizern
263         WRITE(numout,*) '    size ratio for diatoms                   xsizerd   = ', xsizerd
264         WRITE(numout,*) '    NO3 half saturation of bacteria          concbno3  = ', concbno3
265         WRITE(numout,*) '    NH4 half saturation for bacteria         concbnh4  = ', concbnh4
266         WRITE(numout,*) '    Minimum size criteria for diatoms        xsizedia  = ', xsizedia
267         WRITE(numout,*) '    Minimum size criteria for nanophyto      xsizephy  = ', xsizephy
268         WRITE(numout,*) '    Fe half saturation for bacteria          concbfe   = ', concbfe
269         WRITE(numout,*) '    optimal Fe quota for nano.               qnfelim   = ', qnfelim
270         WRITE(numout,*) '    Optimal Fe quota for diatoms             qdfelim   = ', qdfelim
271      ENDIF
272
273   END SUBROUTINE p4z_lim_init
274
275   INTEGER FUNCTION p4z_lim_alloc()
276      !!----------------------------------------------------------------------
277      !!                     ***  ROUTINE p5z_lim_alloc  ***
278      !!----------------------------------------------------------------------
279      USE lib_mpp , ONLY: ctl_warn
280      !!----------------------------------------------------------------------
281
282      !*  Biological arrays for phytoplankton growth
283      ALLOCATE( xnanono3(jpi,jpj,jpk), xdiatno3(jpi,jpj,jpk),       &
284         &      xnanonh4(jpi,jpj,jpk), xdiatnh4(jpi,jpj,jpk),       &
285         &      xnanopo4(jpi,jpj,jpk), xdiatpo4(jpi,jpj,jpk),       &
286         &      xlimphy (jpi,jpj,jpk), xlimdia (jpi,jpj,jpk),       &
287         &      xlimnfe (jpi,jpj,jpk), xlimdfe (jpi,jpj,jpk),       &
288         &      xlimbac (jpi,jpj,jpk), xlimbacl(jpi,jpj,jpk),       &
289         &      concnfe (jpi,jpj,jpk), concdfe (jpi,jpj,jpk),       &
290         &      xlimsi  (jpi,jpj,jpk), STAT=p4z_lim_alloc )
291      !
292      IF( p4z_lim_alloc /= 0 ) CALL ctl_warn('p4z_lim_alloc : failed to allocate arrays.')
293      !
294   END FUNCTION p4z_lim_alloc
295
296
297#else
298   !!======================================================================
299   !!  Dummy module :                                   No PISCES bio-model
300   !!======================================================================
301CONTAINS
302   SUBROUTINE p4z_lim                   ! Empty routine
303   END SUBROUTINE p4z_lim
304#endif 
305
306   !!======================================================================
307END MODULE p4zlim
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.