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/UKMO/dev_r10171_test_crs_AMM7/NEMOGCM/NEMO/TOP_SRC/PISCES/P4Z – NEMO

source: branches/UKMO/dev_r10171_test_crs_AMM7/NEMOGCM/NEMO/TOP_SRC/PISCES/P4Z/p4zflx.F90 @ 10207

Last change on this file since 10207 was 10207, checked in by cmao, 6 years ago

remove svn keyword

File size: 18.6 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 sms_pisces                   !  PISCES Source Minus Sink variables
23   USE p4zche                       !  Chemical model
24   USE prtctl_trc , ONLY : prt_ctl_trc_info,prt_ctl_trc !  print control for debugging
25   USE fldread                      !  read input fields
26#if defined key_cpl_carbon_cycle
27   USE sbc_oce, ONLY :  atm_co2     !  atmospheric pCO2               
28#endif
29
30   IMPLICIT NONE
31   PRIVATE
32
33   PUBLIC   p4z_flx 
34   PUBLIC   p4z_flx_init 
35   PUBLIC   p4z_flx_alloc 
36
37   !                               !!** Namelist  nampisext  **
38   REAL(wp)          ::  atcco2     !: pre-industrial atmospheric [co2] (ppm)   
39   LOGICAL           ::  ln_co2int  !: flag to read in a file and interpolate atmospheric pco2 or not
40   CHARACTER(len=34) ::  clname     !: filename of pco2 values
41   INTEGER           ::  nn_offset  !: Offset model-data start year (default = 0)
42
43   !!  Variables related to reading atmospheric CO2 time history   
44   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:) :: atcco2h, years
45   INTEGER  :: nmaxrec, numco2
46
47   !                               !!* nampisatm namelist (Atmospheric PRessure) *
48   LOGICAL, PUBLIC ::   ln_presatm  !: ref. pressure: global mean Patm (F) or a constant (F)
49
50   REAL(wp) , ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:)  ::  patm      ! atmospheric pressure at kt                 [N/m2]
51   TYPE(FLD), ALLOCATABLE,       DIMENSION(:)    ::  sf_patm   ! structure of input fields (file informations, fields read)
52
53
54   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:) :: oce_co2   !: ocean carbon flux
55   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:) :: satmco2   !: atmospheric pco2
56
57   REAL(wp) ::  xconv  = 0.01_wp / 3600._wp !: coefficients for conversion
58
59   !!* Substitution
60#  include "top_substitute.h90"
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, ztc4, zws, zkgwan
85      REAL(wp) ::   zfld, zflu, zfld16, zflu16, zfact
86      REAL(wp) ::   zvapsw, zsal, zfco2, zxc2, xCO2approx, ztkel, zfugcoeff
87      REAL(wp) ::   zph, zdic, zsch_o2, zsch_co2
88      REAL(wp) ::   zyr_dec, zdco2dt
89      CHARACTER (len=25) :: charout
90      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:) :: zkgco2, zkgo2, zh2co3, zoflx, zw2d, zpco2atm 
91      !!---------------------------------------------------------------------
92      !
93      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_start('p4z_flx')
94      !
95      CALL wrk_alloc( jpi, jpj, zkgco2, zkgo2, zh2co3, zoflx, zpco2atm )
96      !
97
98      ! SURFACE CHEMISTRY (PCO2 AND [H+] IN
99      !     SURFACE LAYER); THE RESULT OF THIS CALCULATION
100      !     IS USED TO COMPUTE AIR-SEA FLUX OF CO2
101
102      IF( kt /= nit000 .AND. knt == 1 ) CALL p4z_patm( kt )    ! Get sea-level pressure (E&K [1981] climatology) for use in flux calcs
103
104      IF( ln_co2int ) THEN 
105         ! Linear temporal interpolation  of atmospheric pco2.  atcco2.txt has annual values.
106         ! Caveats: First column of .txt must be in years, decimal  years preferably.
107         ! For nn_offset, if your model year is iyy, nn_offset=(years(1)-iyy)
108         ! then the first atmospheric CO2 record read is at years(1)
109         zyr_dec = REAL( nyear + nn_offset, wp ) + REAL( nday_year, wp ) / REAL( nyear_len(1), wp )
110         jm = 1
111         DO WHILE( jm <= nmaxrec .AND. years(jm) < zyr_dec ) ;  jm = jm + 1 ;  END DO
112         iind = jm  ;   iindm1 = jm - 1
113         zdco2dt = ( atcco2h(iind) - atcco2h(iindm1) ) / ( years(iind) - years(iindm1) + rtrn )
114         atcco2  = zdco2dt * ( zyr_dec - years(iindm1) ) + atcco2h(iindm1)
115         satmco2(:,:) = atcco2 
116      ENDIF
117
118#if defined key_cpl_carbon_cycle
119      satmco2(:,:) = atm_co2(:,:)
120#endif
121
122      DO jj = 1, jpj
123         DO ji = 1, jpi
124            ! DUMMY VARIABLES FOR DIC, H+, AND BORATE
125            zfact = rhop(ji,jj,1) / 1000. + rtrn
126            zdic  = trb(ji,jj,1,jpdic)
127            zph   = MAX( hi(ji,jj,1), 1.e-10 ) / zfact
128            ! CALCULATE [H2CO3]
129            zh2co3(ji,jj) = zdic/(1. + ak13(ji,jj,1)/zph + ak13(ji,jj,1)*ak23(ji,jj,1)/zph**2)
130         END DO
131      END DO
132
133      ! --------------
134      ! COMPUTE FLUXES
135      ! --------------
136
137      ! FIRST COMPUTE GAS EXCHANGE COEFFICIENTS
138      ! -------------------------------------------
139
140!CDIR NOVERRCHK
141      DO jj = 1, jpj
142!CDIR NOVERRCHK
143         DO ji = 1, jpi
144            ztc  = MIN( 35., tsn(ji,jj,1,jp_tem) )
145            ztc2 = ztc * ztc
146            ztc3 = ztc * ztc2 
147            ztc4 = ztc2 * ztc2 
148            ! Compute the schmidt Number both O2 and CO2
149            zsch_co2 = 2116.8 - 136.25 * ztc + 4.7353 * ztc2 - 0.092307 * ztc3 + 0.0007555 * ztc4
150            zsch_o2  = 1920.4 - 135.6  * ztc + 5.2122 * ztc2 - 0.109390 * ztc3 + 0.0009377 * ztc4
151            !  wind speed
152            zws  = wndm(ji,jj) * wndm(ji,jj)
153            ! Compute the piston velocity for O2 and CO2
154            zkgwan = 0.251 * zws
155            zkgwan = zkgwan * xconv * ( 1.- fr_i(ji,jj) ) * tmask(ji,jj,1)
156# if defined key_degrad
157            zkgwan = zkgwan * facvol(ji,jj,1)
158#endif 
159            ! compute gas exchange for CO2 and O2
160            zkgco2(ji,jj) = zkgwan * SQRT( 660./ zsch_co2 )
161            zkgo2 (ji,jj) = zkgwan * SQRT( 660./ zsch_o2 )
162         END DO
163      END DO
164
165      DO jj = 1, jpj
166         DO ji = 1, jpi
167            ztkel  = tsn(ji,jj,1,jp_tem) + 273.15
168            zsal   = tsn(ji,jj,1,jp_sal) + ( 1.- tmask(ji,jj,1) ) * 35.
169            zvapsw = EXP(24.4543 - 67.4509*(100.0/ztkel) - 4.8489*LOG(ztkel/100) - 0.000544*zsal)
170            zpco2atm(ji,jj) = satmco2(ji,jj) * ( patm(ji,jj) - zvapsw )
171            zxc2 = (1.0 - zpco2atm(ji,jj) * 1E-6 )**2
172            zfugcoeff = EXP(patm(ji,jj) * (chemc(ji,jj,2) + 2.0 * zxc2 * chemc(ji,jj,3) )   &
173            &           / (82.05736 * ztkel))
174            zfco2 = zpco2atm(ji,jj) * zfugcoeff
175
176            ! Compute CO2 flux for the sea and air
177            zfld = zfco2 * chemc(ji,jj,1) * zkgco2(ji,jj)  ! (mol/L) * (m/s)
178            zflu = zh2co3(ji,jj) * zkgco2(ji,jj)                                   ! (mol/L) (m/s) ?
179            oce_co2(ji,jj) = ( zfld - zflu ) * rfact2 * e1e2t(ji,jj) * tmask(ji,jj,1) * 1000.
180            ! compute the trend
181#if defined key_crs
182            tra(ji,jj,1,jpdic) = tra(ji,jj,1,jpdic) + ( zfld - zflu ) * rfact2 / e3t_max_crs(ji,jj,1)
183#else
184            tra(ji,jj,1,jpdic) = tra(ji,jj,1,jpdic) + ( zfld - zflu ) * rfact2 / fse3t(ji,jj,1) * tmask(ji,jj,1)
185#endif
186
187            ! Compute O2 flux
188            zfld16 = patm(ji,jj) * chemo2(ji,jj,1) * zkgo2(ji,jj)          ! (mol/L) * (m/s)
189            zflu16 = trb(ji,jj,1,jpoxy) * zkgo2(ji,jj)
190            zoflx(ji,jj) = ( zfld16 - zflu16 ) * tmask(ji,jj,1)
191#if defined key_crs
192            tra(ji,jj,1,jpoxy) = tra(ji,jj,1,jpoxy) + zoflx(ji,jj) * rfact2 / e3t_max_crs(ji,jj,1)
193#else
194            tra(ji,jj,1,jpoxy) = tra(ji,jj,1,jpoxy) + zoflx(ji,jj) * rfact2 / fse3t(ji,jj,1)
195#endif
196         END DO
197      END DO
198
199      t_oce_co2_flx     = glob_sum( oce_co2(:,:) )                    !  Total Flux of Carbon
200      t_oce_co2_flx_cum = t_oce_co2_flx_cum + t_oce_co2_flx       !  Cumulative Total Flux of Carbon
201!      t_atm_co2_flx     = glob_sum( satmco2(:,:) * e1e2t(:,:) )       ! Total atmospheric pCO2
202      t_atm_co2_flx     =  atcco2      ! Total atmospheric pCO2
203
204#if ! defined key_crs
205      IF(ln_ctl)   THEN  ! print mean trends (used for debugging)
206         WRITE(charout, FMT="('flx ')")
207         CALL prt_ctl_trc_info(charout)
208         CALL prt_ctl_trc(tab4d=tra, mask=tmask, clinfo=ctrcnm)
209      ENDIF
210#endif
211
212      IF( lk_iomput .AND. knt == nrdttrc ) THEN
213         CALL wrk_alloc( jpi, jpj, zw2d ) 
214         IF( iom_use( "Cflx"  ) )  THEN
215            zw2d(:,:) = oce_co2(:,:) / e1e2t(:,:) * rfact2r
216            CALL iom_put( "Cflx"     , zw2d ) 
217         ENDIF
218         IF( iom_use( "Oflx"  ) )  THEN
219            zw2d(:,:) =  zoflx(:,:) * 1000 * tmask(:,:,1)
220            CALL iom_put( "Oflx" , zw2d )
221         ENDIF
222         IF( iom_use( "Kg"    ) )  THEN
223            zw2d(:,:) =  zkgco2(:,:) * tmask(:,:,1)
224            CALL iom_put( "Kg"   , zw2d )
225         ENDIF
226         IF( iom_use( "Dpco2" ) ) THEN
227           zw2d(:,:) = ( zpco2atm(:,:) - zh2co3(:,:) / ( chemc(:,:,1) + rtrn ) ) * tmask(:,:,1)
228           CALL iom_put( "Dpco2" ,  zw2d )
229         ENDIF
230         IF( iom_use( "Dpo2" ) )  THEN
231           zw2d(:,:) = ( atcox * patm(:,:) - atcox * trn(:,:,1,jpoxy) / ( chemo2(:,:,1) + rtrn ) ) * tmask(:,:,1)
232           CALL iom_put( "Dpo2"  , zw2d )
233         ENDIF
234         IF( iom_use( "tcflx" ) )  CALL iom_put( "tcflx"    , t_oce_co2_flx * rfact2r )   ! molC/s
235         CALL iom_put( "tcflxcum" , t_oce_co2_flx_cum )      ! molC
236         !
237         CALL wrk_dealloc( jpi, jpj, zw2d )
238      ELSE
239         IF( ln_diatrc ) THEN
240            trc2d(:,:,jp_pcs0_2d    ) = oce_co2(:,:) / e1e2t(:,:) * rfact2r 
241            trc2d(:,:,jp_pcs0_2d + 1) = zoflx(:,:) * 1000 * tmask(:,:,1) 
242            trc2d(:,:,jp_pcs0_2d + 2) = zkgco2(:,:) * tmask(:,:,1) 
243            trc2d(:,:,jp_pcs0_2d + 3) = ( zpco2atm(:,:) - zh2co3(:,:) / ( chemc(:,:,1) + rtrn ) ) * tmask(:,:,1)
244         ENDIF
245      ENDIF
246      !
247#if defined key_cpl_carbon_cycle
248      ! change units for carbon cycle coupling
249      oce_co2(:,:) = oce_co2(:,:) / e1e2t(:,:) * rfact2r ! in molC/m2/s
250#endif
251      !
252      CALL wrk_dealloc( jpi, jpj, zkgco2, zkgo2, zh2co3, zoflx, zpco2atm )
253      !
254      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_stop('p4z_flx')
255      !
256   END SUBROUTINE p4z_flx
257
258
259   SUBROUTINE p4z_flx_init
260      !!----------------------------------------------------------------------
261      !!                  ***  ROUTINE p4z_flx_init  ***
262      !!
263      !! ** Purpose :   Initialization of atmospheric conditions
264      !!
265      !! ** Method  :   Read the nampisext namelist and check the parameters
266      !!      called at the first timestep (nittrc000)
267      !! ** input   :   Namelist nampisext
268      !!----------------------------------------------------------------------
269      NAMELIST/nampisext/ln_co2int, atcco2, clname, nn_offset
270      INTEGER :: jm
271      INTEGER :: ios                 ! Local integer output status for namelist read
272      !!----------------------------------------------------------------------
273      !
274
275      REWIND( numnatp_ref )              ! Namelist nampisext in reference namelist : Pisces atm. conditions
276      READ  ( numnatp_ref, nampisext, IOSTAT = ios, ERR = 901)
277901   IF( ios /= 0 ) CALL ctl_nam ( ios , 'nampisext in reference namelist', lwp )
278
279      REWIND( numnatp_cfg )              ! Namelist nampisext in configuration namelist : Pisces atm. conditions
280      READ  ( numnatp_cfg, nampisext, IOSTAT = ios, ERR = 902 )
281902   IF( ios /= 0 ) CALL ctl_nam ( ios , 'nampisext in configuration namelist', lwp )
282      IF(lwm) WRITE ( numonp, nampisext )
283      !
284      IF(lwp) THEN                         ! control print
285         WRITE(numout,*) ' '
286         WRITE(numout,*) ' Namelist parameters for air-sea exchange, nampisext'
287         WRITE(numout,*) ' ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~'
288         WRITE(numout,*) '    Choice for reading in the atm pCO2 file or constant value, ln_co2int =', ln_co2int
289         WRITE(numout,*) ' '
290      ENDIF
291      IF( .NOT.ln_co2int ) THEN
292         IF(lwp) THEN                         ! control print
293            WRITE(numout,*) '    Constant Atmospheric pCO2 value  atcco2    =', atcco2
294            WRITE(numout,*) ' '
295         ENDIF
296         satmco2(:,:)  = atcco2      ! Initialisation of atmospheric pco2
297      ELSE
298         IF(lwp)  THEN
299            WRITE(numout,*) '    Atmospheric pCO2 value  from file clname      =', TRIM( clname )
300            WRITE(numout,*) '    Offset model-data start year      nn_offset   =', nn_offset
301            WRITE(numout,*) ' '
302         ENDIF
303         CALL ctl_opn( numco2, TRIM( clname) , 'OLD', 'FORMATTED', 'SEQUENTIAL', -1 , numout, lwp )
304         jm = 0                      ! Count the number of record in co2 file
305         DO
306           READ(numco2,*,END=100) 
307           jm = jm + 1
308         END DO
309 100     nmaxrec = jm - 1 
310         ALLOCATE( years  (nmaxrec) )     ;      years  (:) = 0._wp
311         ALLOCATE( atcco2h(nmaxrec) )     ;      atcco2h(:) = 0._wp
312
313         REWIND(numco2)
314         DO jm = 1, nmaxrec          ! get  xCO2 data
315            READ(numco2, *)  years(jm), atcco2h(jm)
316            IF(lwp) WRITE(numout, '(f6.0,f7.2)')  years(jm), atcco2h(jm)
317         END DO
318         CLOSE(numco2)
319      ENDIF
320      !
321      oce_co2(:,:)  = 0._wp                ! Initialization of Flux of Carbon
322      t_oce_co2_flx = 0._wp
323      t_atm_co2_flx = 0._wp
324      !
325      CALL p4z_patm( nit000 )
326      !
327   END SUBROUTINE p4z_flx_init
328
329   SUBROUTINE p4z_patm( kt )
330
331      !!----------------------------------------------------------------------
332      !!                  ***  ROUTINE p4z_atm  ***
333      !!
334      !! ** Purpose :   Read and interpolate the external atmospheric sea-levl pressure
335      !! ** Method  :   Read the files and interpolate the appropriate variables
336      !!
337      !!----------------------------------------------------------------------
338      !! * arguments
339      INTEGER, INTENT( in  ) ::   kt   ! ocean time step
340      !
341      INTEGER            ::  ierr
342      INTEGER            ::  ios      ! Local integer output status for namelist read
343      CHARACTER(len=100) ::  cn_dir   ! Root directory for location of ssr files
344      TYPE(FLD_N)        ::  sn_patm  ! informations about the fields to be read
345      !!
346      NAMELIST/nampisatm/ ln_presatm, sn_patm, cn_dir
347
348      !                                         ! ----------------------- !
349      IF( kt == nit000 ) THEN                   ! First call kt=nittrc000 !
350
351         REWIND( numnatp_ref )              ! Namelist nampisatm in reference namelist : Pisces atm. sea level pressure file
352         READ  ( numnatp_ref, nampisatm, IOSTAT = ios, ERR = 901)
353901      IF( ios /= 0 ) CALL ctl_nam ( ios , 'nampisatm in reference namelist', lwp )
354
355         REWIND( numnatp_cfg )              ! Namelist nampisatm in configuration namelist : Pisces atm. sea level pressure file
356         READ  ( numnatp_cfg, nampisatm, IOSTAT = ios, ERR = 902 )
357902      IF( ios /= 0 ) CALL ctl_nam ( ios , 'nampisatm in configuration namelist', lwp )
358         IF(lwm) WRITE ( numonp, nampisatm )
359         !
360         !
361         IF(lwp) THEN                                 !* control print
362            WRITE(numout,*)
363            WRITE(numout,*) '   Namelist nampisatm : Atmospheric Pressure as external forcing'
364            WRITE(numout,*) '      constant atmopsheric pressure (F) or from a file (T)  ln_presatm = ', ln_presatm
365            WRITE(numout,*)
366         ENDIF
367         !
368         IF( ln_presatm ) THEN
369            ALLOCATE( sf_patm(1), STAT=ierr )           !* allocate and fill sf_patm (forcing structure) with sn_patm
370            IF( ierr > 0 )   CALL ctl_stop( 'STOP', 'p4z_flx: unable to allocate sf_patm structure' )
371            !
372            CALL fld_fill( sf_patm, (/ sn_patm /), cn_dir, 'p4z_flx', 'Atmospheric pressure ', 'nampisatm' )
373                                   ALLOCATE( sf_patm(1)%fnow(jpi,jpj,1)   )
374            IF( sn_patm%ln_tint )  ALLOCATE( sf_patm(1)%fdta(jpi,jpj,1,2) )
375         ENDIF
376         !                                         
377         IF( .NOT.ln_presatm )   patm(:,:) = 1.e0    ! Initialize patm if no reading from a file
378         !
379      ENDIF
380      !
381      IF( ln_presatm ) THEN
382         CALL fld_read( kt, 1, sf_patm )               !* input Patm provided at kt + 1/2
383         patm(:,:) = sf_patm(1)%fnow(:,:,1)                        ! atmospheric pressure
384      ENDIF
385      !
386   END SUBROUTINE p4z_patm
387
388   INTEGER FUNCTION p4z_flx_alloc()
389      !!----------------------------------------------------------------------
390      !!                     ***  ROUTINE p4z_flx_alloc  ***
391      !!----------------------------------------------------------------------
392      ALLOCATE( oce_co2(jpi,jpj), satmco2(jpi,jpj), patm(jpi,jpj), STAT=p4z_flx_alloc )
393      !
394      IF( p4z_flx_alloc /= 0 )   CALL ctl_warn('p4z_flx_alloc : failed to allocate arrays')
395      !
396   END FUNCTION p4z_flx_alloc
397
398#else
399   !!======================================================================
400   !!  Dummy module :                                   No PISCES bio-model
401   !!======================================================================
402CONTAINS
403   SUBROUTINE p4z_flx( kt )                   ! Empty routine
404      INTEGER, INTENT( in ) ::   kt
405      WRITE(*,*) 'p4z_flx: You should not have seen this print! error?', kt
406   END SUBROUTINE p4z_flx
407#endif 
408
409   !!======================================================================
410END MODULE p4zflx
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.