source: branches/UKMO/dev_r5518_GO6_package/NEMOGCM/NEMO/TOP_SRC/PISCES/P4Z/p4zflx.F90 @ 8356

Last change on this file since 8356 was 8356, checked in by davestorkey, 3 years ago

UKMO/dev_r5518_GO6_package branch: merge in changes from rev 6917 to 6959 of the 3.6_stable branch.

File size: 18.9 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   !!* Substitution
62#  include "top_substitute.h90"
63   !!----------------------------------------------------------------------
64   !! NEMO/TOP 3.3 , NEMO Consortium (2010)
65   !! $Id$
66   !! Software governed by the CeCILL licence     (NEMOGCM/NEMO_CeCILL.txt)
67   !!----------------------------------------------------------------------
68CONTAINS
69
70   SUBROUTINE p4z_flx ( kt, knt )
71      !!---------------------------------------------------------------------
72      !!                     ***  ROUTINE p4z_flx  ***
73      !!
74      !! ** Purpose :   CALCULATES GAS EXCHANGE AND CHEMISTRY AT SEA SURFACE
75      !!
76      !! ** Method  :
77      !!              - Include total atm P correction via Esbensen & Kushnir (1981)
78      !!              - Pressure correction NOT done for key_cpl_carbon_cycle
79      !!              - Remove Wanninkhof chemical enhancement;
80      !!              - Add option for time-interpolation of atcco2.txt 
81      !!---------------------------------------------------------------------
82      !
83      INTEGER, INTENT(in) ::   kt, knt   !
84      !
85      INTEGER  ::   ji, jj, jm, iind, iindm1
86      REAL(wp) ::   ztc, ztc2, ztc3, ztc4, zws, zkgwan
87      REAL(wp) ::   zfld, zflu, zfld16, zflu16, zfact
88      REAL(wp) ::   zvapsw, zsal, zfco2, zxc2, xCO2approx, ztkel, zfugcoeff
89      REAL(wp) ::   zph, zah2, zbot, zdic, zalk, zsch_o2, zalka, zsch_co2
90      REAL(wp) ::   zyr_dec, zdco2dt
91      CHARACTER (len=25) :: charout
92      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:) :: zkgco2, zkgo2, zh2co3, zoflx, zw2d, zpco2atm 
93      !!---------------------------------------------------------------------
94      !
95      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_start('p4z_flx')
96      !
97      CALL wrk_alloc( jpi, jpj, zkgco2, zkgo2, zh2co3, zoflx, zpco2atm )
98      !
99
100      ! SURFACE CHEMISTRY (PCO2 AND [H+] IN
101      !     SURFACE LAYER); THE RESULT OF THIS CALCULATION
102      !     IS USED TO COMPUTE AIR-SEA FLUX OF CO2
103
104      IF( kt /= nit000 .AND. knt == 1 ) CALL p4z_patm( kt )    ! Get sea-level pressure (E&K [1981] climatology) for use in flux calcs
105
106      IF( ln_co2int ) THEN 
107         ! Linear temporal interpolation  of atmospheric pco2.  atcco2.txt has annual values.
108         ! Caveats: First column of .txt must be in years, decimal  years preferably.
109         ! For nn_offset, if your model year is iyy, nn_offset=(years(1)-iyy)
110         ! then the first atmospheric CO2 record read is at years(1)
111         zyr_dec = REAL( nyear + nn_offset, wp ) + REAL( nday_year, wp ) / REAL( nyear_len(1), wp )
112         jm = 1
113         DO WHILE( jm <= nmaxrec .AND. years(jm) < zyr_dec ) ;  jm = jm + 1 ;  END DO
114         iind = jm  ;   iindm1 = jm - 1
115         zdco2dt = ( atcco2h(iind) - atcco2h(iindm1) ) / ( years(iind) - years(iindm1) + rtrn )
116         atcco2  = zdco2dt * ( zyr_dec - years(iindm1) ) + atcco2h(iindm1)
117         satmco2(:,:) = atcco2 
118      ENDIF
119
120#if defined key_cpl_carbon_cycle
121      satmco2(:,:) = atm_co2(:,:)
122#endif
123
124      DO jm = 1, 10
125!CDIR NOVERRCHK
126         DO jj = 1, jpj
127!CDIR NOVERRCHK
128            DO ji = 1, jpi
129
130               ! DUMMY VARIABLES FOR DIC, H+, AND BORATE
131               zbot  = borat(ji,jj,1)
132               zfact = rhop(ji,jj,1) / 1000. + rtrn
133               zdic  = trb(ji,jj,1,jpdic) / zfact
134               zph   = MAX( hi(ji,jj,1), 1.e-10 ) / zfact
135               zalka = trb(ji,jj,1,jptal) / zfact
136
137               ! CALCULATE [ALK]([CO3--], [HCO3-])
138               zalk  = zalka - (  akw3(ji,jj,1) / zph - zph / aphscale(ji,jj,1)    &
139               &       + zbot / ( 1.+ zph / akb3(ji,jj,1) )  )
140
141               ! CALCULATE [H+] AND [H2CO3]
142               zah2   = SQRT(  (zdic-zalk)**2 + 4.* ( zalk * ak23(ji,jj,1)   &
143                  &                                        / ak13(ji,jj,1) ) * ( 2.* zdic - zalk )  )
144               zah2   = 0.5 * ak13(ji,jj,1) / zalk * ( ( zdic - zalk ) + zah2 )
145               zh2co3(ji,jj) = ( 2.* zdic - zalk ) / ( 2.+ ak13(ji,jj,1) / zah2 ) * zfact
146               hi(ji,jj,1)   = zah2 * zfact
147            END DO
148         END DO
149      END DO
150
151
152      ! --------------
153      ! COMPUTE FLUXES
154      ! --------------
155
156      ! FIRST COMPUTE GAS EXCHANGE COEFFICIENTS
157      ! -------------------------------------------
158
159!CDIR NOVERRCHK
160      DO jj = 1, jpj
161!CDIR NOVERRCHK
162         DO ji = 1, jpi
163            ztc  = MIN( 35., tsn(ji,jj,1,jp_tem) )
164            ztc2 = ztc * ztc
165            ztc3 = ztc * ztc2 
166            ztc4 = ztc2 * ztc2 
167            ! Compute the schmidt Number both O2 and CO2
168            zsch_co2 = 2116.8 - 136.25 * ztc + 4.7353 * ztc2 - 0.092307 * ztc3 + 0.0007555 * ztc4
169            zsch_o2  = 1920.4 - 135.6  * ztc + 5.2122 * ztc2 - 0.109390 * ztc3 + 0.0009377 * ztc4
170            !  wind speed
171            zws  = wndm(ji,jj) * wndm(ji,jj)
172            ! Compute the piston velocity for O2 and CO2
173            zkgwan = 0.251 * zws
174            zkgwan = zkgwan * xconv * ( 1.- fr_i(ji,jj) ) * tmask(ji,jj,1)
175# if defined key_degrad
176            zkgwan = zkgwan * facvol(ji,jj,1)
177#endif 
178            ! compute gas exchange for CO2 and O2
179            zkgco2(ji,jj) = zkgwan * SQRT( 660./ zsch_co2 )
180            zkgo2 (ji,jj) = zkgwan * SQRT( 660./ zsch_o2 )
181         END DO
182      END DO
183
184      DO jj = 1, jpj
185         DO ji = 1, jpi
186            ztkel  = tsn(ji,jj,1,jp_tem) + 273.15
187            zsal   = tsn(ji,jj,1,jp_sal) + ( 1.- tmask(ji,jj,1) ) * 35.
188            zvapsw = EXP(24.4543 - 67.4509*(100.0/ztkel) - 4.8489*LOG(ztkel/100) - 0.000544*zsal)
189            zpco2atm(ji,jj) = satmco2(ji,jj) * ( patm(ji,jj) - zvapsw )
190            zxc2 = (1.0 - zpco2atm(ji,jj) * 1E-6 )**2
191            zfugcoeff = EXP(patm(ji,jj) * (chemc(ji,jj,2) + 2.0 * zxc2 * chemc(ji,jj,3) )   &
192            &           / (82.05736 * ztkel))
193            zfco2 = zpco2atm(ji,jj) * zfugcoeff
194
195            ! Compute CO2 flux for the sea and air
196            zfld = zfco2 * chemc(ji,jj,1) * zkgco2(ji,jj)  ! (mol/L) * (m/s)
197            zflu = zh2co3(ji,jj) * zkgco2(ji,jj)                                   ! (mol/L) (m/s) ?
198            oce_co2(ji,jj) = ( zfld - zflu ) * rfact2 * e1e2t(ji,jj) * tmask(ji,jj,1) * 1000.
199            ! compute the trend
200            tra(ji,jj,1,jpdic) = tra(ji,jj,1,jpdic) + ( zfld - zflu ) * rfact2 / fse3t(ji,jj,1) * tmask(ji,jj,1)
201
202            ! Compute O2 flux
203            zfld16 = patm(ji,jj) * chemo2(ji,jj,1) * zkgo2(ji,jj)          ! (mol/L) * (m/s)
204            zflu16 = trb(ji,jj,1,jpoxy) * zkgo2(ji,jj)
205            zoflx(ji,jj) = ( zfld16 - zflu16 ) * tmask(ji,jj,1)
206            tra(ji,jj,1,jpoxy) = tra(ji,jj,1,jpoxy) + zoflx(ji,jj) * rfact2 / fse3t(ji,jj,1)
207         END DO
208      END DO
209
210      t_oce_co2_flx     = glob_sum( oce_co2(:,:) )                    !  Total Flux of Carbon
211      t_oce_co2_flx_cum = t_oce_co2_flx_cum + t_oce_co2_flx       !  Cumulative Total Flux of Carbon
212!      t_atm_co2_flx     = glob_sum( satmco2(:,:) * e1e2t(:,:) )       ! Total atmospheric pCO2
213      t_atm_co2_flx     =  atcco2      ! Total atmospheric pCO2
214 
215      IF(ln_ctl)   THEN  ! print mean trends (used for debugging)
216         WRITE(charout, FMT="('flx ')")
217         CALL prt_ctl_trc_info(charout)
218         CALL prt_ctl_trc(tab4d=tra, mask=tmask, clinfo=ctrcnm)
219      ENDIF
220
221      IF( lk_iomput .AND. knt == nrdttrc ) THEN
222         CALL wrk_alloc( jpi, jpj, zw2d ) 
223         IF( iom_use( "Cflx"  ) )  THEN
224            zw2d(:,:) = oce_co2(:,:) / e1e2t(:,:) * rfact2r
225            CALL iom_put( "Cflx"     , zw2d ) 
226         ENDIF
227         IF( iom_use( "Oflx"  ) )  THEN
228            zw2d(:,:) =  zoflx(:,:) * 1000 * tmask(:,:,1)
229            CALL iom_put( "Oflx" , zw2d )
230         ENDIF
231         IF( iom_use( "Kg"    ) )  THEN
232            zw2d(:,:) =  zkgco2(:,:) * tmask(:,:,1)
233            CALL iom_put( "Kg"   , zw2d )
234         ENDIF
235         IF( iom_use( "Dpco2" ) ) THEN
236           zw2d(:,:) = ( zpco2atm(:,:) - zh2co3(:,:) / ( chemc(:,:,1) + rtrn ) ) * tmask(:,:,1)
237           CALL iom_put( "Dpco2" ,  zw2d )
238         ENDIF
239         IF( iom_use( "Dpo2" ) )  THEN
240           zw2d(:,:) = ( atcox * patm(:,:) - atcox * trn(:,:,1,jpoxy) / ( chemo2(:,:,1) + rtrn ) ) * tmask(:,:,1)
241           CALL iom_put( "Dpo2"  , zw2d )
242         ENDIF
243         IF( iom_use( "tcflx" ) )  CALL iom_put( "tcflx"    , t_oce_co2_flx * rfact2r )   ! molC/s
244         CALL iom_put( "tcflxcum" , t_oce_co2_flx_cum )      ! molC
245         !
246         CALL wrk_dealloc( jpi, jpj, zw2d )
247      ELSE
248         IF( ln_diatrc ) THEN
249            trc2d(:,:,jp_pcs0_2d    ) = oce_co2(:,:) / e1e2t(:,:) * rfact2r 
250            trc2d(:,:,jp_pcs0_2d + 1) = zoflx(:,:) * 1000 * tmask(:,:,1) 
251            trc2d(:,:,jp_pcs0_2d + 2) = zkgco2(:,:) * tmask(:,:,1) 
252            trc2d(:,:,jp_pcs0_2d + 3) = ( zpco2atm(:,:) - zh2co3(:,:) / ( chemc(:,:,1) + rtrn ) ) * tmask(:,:,1)
253         ENDIF
254      ENDIF
255      !
256      CALL wrk_dealloc( jpi, jpj, zkgco2, zkgo2, zh2co3, zoflx, zpco2atm )
257      !
258      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_stop('p4z_flx')
259      !
260   END SUBROUTINE p4z_flx
261
262
263   SUBROUTINE p4z_flx_init
264      !!----------------------------------------------------------------------
265      !!                  ***  ROUTINE p4z_flx_init  ***
266      !!
267      !! ** Purpose :   Initialization of atmospheric conditions
268      !!
269      !! ** Method  :   Read the nampisext namelist and check the parameters
270      !!      called at the first timestep (nittrc000)
271      !! ** input   :   Namelist nampisext
272      !!----------------------------------------------------------------------
273      NAMELIST/nampisext/ln_co2int, atcco2, clname, nn_offset
274      INTEGER :: jm
275      INTEGER :: ios                 ! Local integer output status for namelist read
276      !!----------------------------------------------------------------------
277      !
278
279      REWIND( numnatp_ref )              ! Namelist nampisext in reference namelist : Pisces atm. conditions
280      READ  ( numnatp_ref, nampisext, IOSTAT = ios, ERR = 901)
281901   IF( ios /= 0 ) CALL ctl_nam ( ios , 'nampisext in reference namelist', lwp )
282
283      REWIND( numnatp_cfg )              ! Namelist nampisext in configuration namelist : Pisces atm. conditions
284      READ  ( numnatp_cfg, nampisext, IOSTAT = ios, ERR = 902 )
285902   IF( ios /= 0 ) CALL ctl_nam ( ios , 'nampisext in configuration namelist', lwp )
286      IF(lwm) WRITE ( numonp, nampisext )
287      !
288      IF(lwp) THEN                         ! control print
289         WRITE(numout,*) ' '
290         WRITE(numout,*) ' Namelist parameters for air-sea exchange, nampisext'
291         WRITE(numout,*) ' ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~'
292         WRITE(numout,*) '    Choice for reading in the atm pCO2 file or constant value, ln_co2int =', ln_co2int
293         WRITE(numout,*) ' '
294      ENDIF
295      IF( .NOT.ln_co2int ) THEN
296         IF(lwp) THEN                         ! control print
297            WRITE(numout,*) '    Constant Atmospheric pCO2 value  atcco2    =', atcco2
298            WRITE(numout,*) ' '
299         ENDIF
300         satmco2(:,:)  = atcco2      ! Initialisation of atmospheric pco2
301      ELSE
302         IF(lwp)  THEN
303            WRITE(numout,*) '    Atmospheric pCO2 value  from file clname      =', TRIM( clname )
304            WRITE(numout,*) '    Offset model-data start year      nn_offset   =', nn_offset
305            WRITE(numout,*) ' '
306         ENDIF
307         CALL ctl_opn( numco2, TRIM( clname) , 'OLD', 'FORMATTED', 'SEQUENTIAL', -1 , numout, lwp )
308         jm = 0                      ! Count the number of record in co2 file
309         DO
310           READ(numco2,*,END=100) 
311           jm = jm + 1
312         END DO
313 100     nmaxrec = jm - 1 
314         ALLOCATE( years  (nmaxrec) )     ;      years  (:) = 0._wp
315         ALLOCATE( atcco2h(nmaxrec) )     ;      atcco2h(:) = 0._wp
316
317         REWIND(numco2)
318         DO jm = 1, nmaxrec          ! get  xCO2 data
319            READ(numco2, *)  years(jm), atcco2h(jm)
320            IF(lwp) WRITE(numout, '(f6.0,f7.2)')  years(jm), atcco2h(jm)
321         END DO
322         CLOSE(numco2)
323      ENDIF
324      !
325      oce_co2(:,:)  = 0._wp                ! Initialization of Flux of Carbon
326      t_oce_co2_flx = 0._wp
327      t_atm_co2_flx = 0._wp
328      !
329      CALL p4z_patm( nit000 )
330      !
331   END SUBROUTINE p4z_flx_init
332
333   SUBROUTINE p4z_patm( kt )
334
335      !!----------------------------------------------------------------------
336      !!                  ***  ROUTINE p4z_atm  ***
337      !!
338      !! ** Purpose :   Read and interpolate the external atmospheric sea-levl pressure
339      !! ** Method  :   Read the files and interpolate the appropriate variables
340      !!
341      !!----------------------------------------------------------------------
342      !! * arguments
343      INTEGER, INTENT( in  ) ::   kt   ! ocean time step
344      !
345      INTEGER            ::  ierr
346      INTEGER            ::  ios      ! Local integer output status for namelist read
347      CHARACTER(len=100) ::  cn_dir   ! Root directory for location of ssr files
348      TYPE(FLD_N)        ::  sn_patm  ! informations about the fields to be read
349      !!
350      NAMELIST/nampisatm/ ln_presatm, sn_patm, cn_dir
351
352      !                                         ! ----------------------- !
353      IF( kt == nit000 ) THEN                   ! First call kt=nittrc000 !
354
355         REWIND( numnatp_ref )              ! Namelist nampisatm in reference namelist : Pisces atm. sea level pressure file
356         READ  ( numnatp_ref, nampisatm, IOSTAT = ios, ERR = 901)
357901      IF( ios /= 0 ) CALL ctl_nam ( ios , 'nampisatm in reference namelist', lwp )
358
359         REWIND( numnatp_cfg )              ! Namelist nampisatm in configuration namelist : Pisces atm. sea level pressure file
360         READ  ( numnatp_cfg, nampisatm, IOSTAT = ios, ERR = 902 )
361902      IF( ios /= 0 ) CALL ctl_nam ( ios , 'nampisatm in configuration namelist', lwp )
362         IF(lwm) WRITE ( numonp, nampisatm )
363         !
364         !
365         IF(lwp) THEN                                 !* control print
366            WRITE(numout,*)
367            WRITE(numout,*) '   Namelist nampisatm : Atmospheric Pressure as external forcing'
368            WRITE(numout,*) '      constant atmopsheric pressure (F) or from a file (T)  ln_presatm = ', ln_presatm
369            WRITE(numout,*)
370         ENDIF
371         !
372         IF( ln_presatm ) THEN
373            ALLOCATE( sf_patm(1), STAT=ierr )           !* allocate and fill sf_patm (forcing structure) with sn_patm
374            IF( ierr > 0 )   CALL ctl_stop( 'STOP', 'p4z_flx: unable to allocate sf_patm structure' )
375            !
376            CALL fld_fill( sf_patm, (/ sn_patm /), cn_dir, 'p4z_flx', 'Atmospheric pressure ', 'nampisatm' )
377                                   ALLOCATE( sf_patm(1)%fnow(jpi,jpj,1)   )
378            IF( sn_patm%ln_tint )  ALLOCATE( sf_patm(1)%fdta(jpi,jpj,1,2) )
379         ENDIF
380         !                                         
381         IF( .NOT.ln_presatm )   patm(:,:) = 1.e0    ! Initialize patm if no reading from a file
382         !
383      ENDIF
384      !
385      IF( ln_presatm ) THEN
386         CALL fld_read( kt, 1, sf_patm )               !* input Patm provided at kt + 1/2
387         patm(:,:) = sf_patm(1)%fnow(:,:,1)                        ! atmospheric pressure
388      ENDIF
389      !
390   END SUBROUTINE p4z_patm
391
392   INTEGER FUNCTION p4z_flx_alloc()
393      !!----------------------------------------------------------------------
394      !!                     ***  ROUTINE p4z_flx_alloc  ***
395      !!----------------------------------------------------------------------
396      ALLOCATE( oce_co2(jpi,jpj), satmco2(jpi,jpj), patm(jpi,jpj), STAT=p4z_flx_alloc )
397      !
398      IF( p4z_flx_alloc /= 0 )   CALL ctl_warn('p4z_flx_alloc : failed to allocate arrays')
399      !
400   END FUNCTION p4z_flx_alloc
401
402#else
403   !!======================================================================
404   !!  Dummy module :                                   No PISCES bio-model
405   !!======================================================================
406CONTAINS
407   SUBROUTINE p4z_flx( kt )                   ! Empty routine
408      INTEGER, INTENT( in ) ::   kt
409      WRITE(*,*) 'p4z_flx: You should not have seen this print! error?', kt
410   END SUBROUTINE p4z_flx
411#endif 
412
413   !!======================================================================
414END MODULE p4zflx
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.