source: branches/UKMO/r6232_tracer_advection/NEMOGCM/NEMO/TOP_SRC/PISCES/P4Z/p4zche.F90 @ 9295

Last change on this file since 9295 was 9295, checked in by jcastill, 3 years ago

Remove svn keywords

File size: 17.9 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 trc           !  passive tracers common variables
22   USE sms_pisces    !  PISCES Source Minus Sink variables
23   USE lib_mpp       !  MPP library
24
25   IMPLICIT NONE
26   PRIVATE
27
28   PUBLIC   p4z_che         !
29   PUBLIC   p4z_che_alloc   !
30
31   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:) ::   sio3eq   ! chemistry of Si
32   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:) ::   fekeq    ! chemistry of Fe
33   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:) ::   chemc    ! Solubilities of O2 and CO2
34   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:) ::   chemo2    ! Solubilities of O2 and CO2
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) ::   akcc1  = -171.9065       ! coeff. for apparent solubility equilibrium
42   REAL(wp) ::   akcc2  =   -0.077993     ! Millero et al. 1995 from Mucci 1983
43   REAL(wp) ::   akcc3  = 2839.319       
44   REAL(wp) ::   akcc4  =   71.595       
45   REAL(wp) ::   akcc5  =   -0.77712     
46   REAL(wp) ::   akcc6  =    0.00284263   
47   REAL(wp) ::   akcc7  =  178.34       
48   REAL(wp) ::   akcc8  =   -0.07711     
49   REAL(wp) ::   akcc9  =    0.0041249   
50
51   REAL(wp) ::   rgas   = 83.143         ! universal gas constants
52   REAL(wp) ::   oxyco  = 1. / 22.4144   ! converts from liters of an ideal gas to moles
53
54   REAL(wp) ::   bor1   = 0.00023        ! borat constants
55   REAL(wp) ::   bor2   = 1. / 10.82
56
57   REAL(wp) ::   ca0    = -162.8301      ! WEISS & PRICE 1980, units mol/(kg atm)
58   REAL(wp) ::   ca1    =  218.2968
59   REAL(wp) ::   ca2    =   90.9241
60   REAL(wp) ::   ca3    =   -1.47696
61   REAL(wp) ::   ca4    =    0.025695
62   REAL(wp) ::   ca5    =   -0.025225
63   REAL(wp) ::   ca6    =    0.0049867
64
65   REAL(wp) ::   c10    = -3670.7        ! Coeff. for 1. dissoc. of carbonic acid (Edmond and Gieskes, 1970)   
66   REAL(wp) ::   c11    =    62.008     
67   REAL(wp) ::   c12    =    -9.7944   
68   REAL(wp) ::   c13    =     0.0118     
69   REAL(wp) ::   c14    =    -0.000116
70
71   REAL(wp) ::   c20    = -1394.7       ! coeff. for 2. dissoc. of carbonic acid (Millero, 1995)   
72   REAL(wp) ::   c21    =    -4.777   
73   REAL(wp) ::   c22    =     0.0184   
74   REAL(wp) ::   c23    =    -0.000118
75
76   REAL(wp) ::   st1    =      0.14     ! constants for calculate concentrations for sulfate
77   REAL(wp) ::   st2    =  1./96.062    !  (Morris & Riley 1966)
78   REAL(wp) ::   ks0    =    141.328 
79   REAL(wp) ::   ks1    =  -4276.1 
80   REAL(wp) ::   ks2    =    -23.093
81   REAL(wp) ::   ks3    = -13856. 
82   REAL(wp) ::   ks4    =   324.57 
83   REAL(wp) ::   ks5    =   -47.986
84   REAL(wp) ::   ks6    =  35474. 
85   REAL(wp) ::   ks7    =   -771.54
86   REAL(wp) ::   ks8    =    114.723
87   REAL(wp) ::   ks9    =  -2698. 
88   REAL(wp) ::   ks10   =   1776. 
89   REAL(wp) ::   ks11   =      1.
90   REAL(wp) ::   ks12   =     -0.001005 
91
92   REAL(wp) ::   ft1    =    0.000067   ! constants for calculate concentrations for fluorides
93   REAL(wp) ::   ft2    = 1./18.9984    ! (Dickson & Riley 1979 )
94   REAL(wp) ::   kf0    =  -12.641   
95   REAL(wp) ::   kf1    = 1590.2   
96   REAL(wp) ::   kf2    =    1.525   
97   REAL(wp) ::   kf3    =    1.0     
98   REAL(wp) ::   kf4    =   -0.001005
99
100   REAL(wp) ::   cb0    = -8966.90      ! Coeff. for 1. dissoc. of boric acid
101   REAL(wp) ::   cb1    = -2890.53      ! (Dickson and Goyet, 1994)
102   REAL(wp) ::   cb2    =   -77.942
103   REAL(wp) ::   cb3    =     1.728
104   REAL(wp) ::   cb4    =    -0.0996
105   REAL(wp) ::   cb5    =   148.0248
106   REAL(wp) ::   cb6    =   137.1942
107   REAL(wp) ::   cb7    =     1.62142
108   REAL(wp) ::   cb8    =   -24.4344
109   REAL(wp) ::   cb9    =   -25.085
110   REAL(wp) ::   cb10   =    -0.2474 
111   REAL(wp) ::   cb11   =     0.053105
112
113   REAL(wp) ::   cw0    = -13847.26     ! Coeff. for dissoc. of water (Dickson and Riley, 1979 )
114   REAL(wp) ::   cw1    =    148.9652 
115   REAL(wp) ::   cw2    =    -23.6521
116   REAL(wp) ::   cw3    =    118.67 
117   REAL(wp) ::   cw4    =     -5.977 
118   REAL(wp) ::   cw5    =      1.0495 
119   REAL(wp) ::   cw6    =     -0.01615
120
121   !                                    ! volumetric solubility constants for o2 in ml/L 
122   REAL(wp) ::   ox0    =  2.00856      ! from Table 1 for Eq 8 of Garcia and Gordon, 1992.
123   REAL(wp) ::   ox1    =  3.22400      ! corrects for moisture and fugacity, but not total atmospheric pressure
124   REAL(wp) ::   ox2    =  3.99063      !      Original PISCES code noted this was a solubility, but
125   REAL(wp) ::   ox3    =  4.80299      ! was in fact a bunsen coefficient with units L-O2/(Lsw atm-O2)
126   REAL(wp) ::   ox4    =  9.78188e-1   ! Hence, need to divide EXP( zoxy ) by 1000, ml-O2 => L-O2
127   REAL(wp) ::   ox5    =  1.71069      ! and atcox = 0.20946 to add the 1/atm dimension.
128   REAL(wp) ::   ox6    = -6.24097e-3   
129   REAL(wp) ::   ox7    = -6.93498e-3 
130   REAL(wp) ::   ox8    = -6.90358e-3
131   REAL(wp) ::   ox9    = -4.29155e-3 
132   REAL(wp) ::   ox10   = -3.11680e-7 
133
134   !                                    ! coeff. for seawater pressure correction : millero 95
135   !                                    ! AGRIF doesn't like the DATA instruction
136   REAL(wp) :: devk11  = -25.5
137   REAL(wp) :: devk12  = -15.82
138   REAL(wp) :: devk13  = -29.48
139   REAL(wp) :: devk14  = -25.60
140   REAL(wp) :: devk15  = -48.76
141   !
142   REAL(wp) :: devk21  = 0.1271
143   REAL(wp) :: devk22  = -0.0219
144   REAL(wp) :: devk23  = 0.1622
145   REAL(wp) :: devk24  = 0.2324
146   REAL(wp) :: devk25  = 0.5304
147   !
148   REAL(wp) :: devk31  = 0.
149   REAL(wp) :: devk32  = 0.
150   REAL(wp) :: devk33  = 2.608E-3
151   REAL(wp) :: devk34  = -3.6246E-3
152   REAL(wp) :: devk35  = 0.
153   !
154   REAL(wp) :: devk41  = -3.08E-3
155   REAL(wp) :: devk42  = 1.13E-3
156   REAL(wp) :: devk43  = -2.84E-3
157   REAL(wp) :: devk44  = -5.13E-3
158   REAL(wp) :: devk45  = -11.76E-3
159   !
160   REAL(wp) :: devk51  = 0.0877E-3
161   REAL(wp) :: devk52  = -0.1475E-3     
162   REAL(wp) :: devk53  = 0.
163   REAL(wp) :: devk54  = 0.0794E-3     
164   REAL(wp) :: devk55  = 0.3692E-3     
165
166   !!* Substitution
167#include "top_substitute.h90"
168   !!----------------------------------------------------------------------
169   !! NEMO/TOP 3.3 , NEMO Consortium (2010)
170   !! $Id$
171   !! Software governed by the CeCILL licence     (NEMOGCM/NEMO_CeCILL.txt)
172   !!----------------------------------------------------------------------
173CONTAINS
174
175   SUBROUTINE p4z_che
176      !!---------------------------------------------------------------------
177      !!                     ***  ROUTINE p4z_che  ***
178      !!
179      !! ** Purpose :   Sea water chemistry computed following OCMIP protocol
180      !!
181      !! ** Method  : - ...
182      !!---------------------------------------------------------------------
183      INTEGER  ::   ji, jj, jk
184      REAL(wp) ::   ztkel, zt   , zt2   , zsal  , zsal2 , zbuf1 , zbuf2
185      REAL(wp) ::   ztgg , ztgg2, ztgg3 , ztgg4 , ztgg5
186      REAL(wp) ::   zpres, ztc  , zcl   , zcpexp, zoxy  , zcpexp2
187      REAL(wp) ::   zsqrt, ztr  , zlogt , zcek1
188      REAL(wp) ::   zis  , zis2 , zsal15, zisqrt
189      REAL(wp) ::   zckb , zck1 , zck2  , zckw  , zak1 , zak2  , zakb , zaksp0, zakw
190      REAL(wp) ::   zst  , zft  , zcks  , zckf  , zaksp1
191      !!---------------------------------------------------------------------
192      !
193      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_start('p4z_che')
194      !
195      ! CHEMICAL CONSTANTS - SURFACE LAYER
196      ! ----------------------------------
197!CDIR NOVERRCHK
198      DO jj = 1, jpj
199!CDIR NOVERRCHK
200         DO ji = 1, jpi
201            !                             ! SET ABSOLUTE TEMPERATURE
202            ztkel = tsn(ji,jj,1,jp_tem) + 273.16
203            zt    = ztkel * 0.01
204            zt2   = zt * zt
205            zsal  = tsn(ji,jj,1,jp_sal) + ( 1.- tmask(ji,jj,1) ) * 35.
206            zsal2 = zsal * zsal
207            zlogt = LOG( zt )
208            !                             ! LN(K0) OF SOLUBILITY OF CO2 (EQ. 12, WEISS, 1980)
209            !                             !     AND FOR THE ATMOSPHERE FOR NON IDEAL GAS
210            zcek1 = ca0 + ca1 / zt + ca2 * zlogt + ca3 * zt2 + zsal * ( ca4 + ca5 * zt + ca6 * zt2 )
211            !                             ! LN(K0) OF SOLUBILITY OF O2 and N2 in ml/L (EQ. 8, GARCIA AND GORDON, 1992)
212            ztgg  = LOG( ( 298.15 - tsn(ji,jj,1,jp_tem) ) / ztkel )  ! Set the GORDON & GARCIA scaled temperature
213            ztgg2 = ztgg  * ztgg
214            ztgg3 = ztgg2 * ztgg
215            ztgg4 = ztgg3 * ztgg
216            ztgg5 = ztgg4 * ztgg
217            zoxy  = ox0 + ox1 * ztgg + ox2 * ztgg2 + ox3 * ztgg3 + ox4 * ztgg4 + ox5 * ztgg5   &
218                   + zsal * ( ox6 + ox7 * ztgg + ox8 * ztgg2 + ox9 * ztgg3 ) +  ox10 * zsal2
219
220            !                             ! SET SOLUBILITIES OF O2 AND CO2
221            chemc(ji,jj,1) = EXP( zcek1 ) * 1.e-6 * rhop(ji,jj,1) / 1000.  ! mol/(L uatm)
222            chemc(ji,jj,2) = ( EXP( zoxy  ) * o2atm ) * oxyco              ! mol/(L atm)
223            !
224         END DO
225      END DO
226
227      ! OXYGEN SOLUBILITY - DEEP OCEAN
228      ! -------------------------------
229!CDIR NOVERRCHK
230      DO jk = 1, jpk
231!CDIR NOVERRCHK
232         DO jj = 1, jpj
233!CDIR NOVERRCHK
234            DO ji = 1, jpi
235              ztkel = tsn(ji,jj,jk,jp_tem) + 273.16
236              zsal  = tsn(ji,jj,jk,jp_sal) + ( 1.- tmask(ji,jj,jk) ) * 35.
237              zsal2 = zsal * zsal
238              ztgg  = LOG( ( 298.15 - tsn(ji,jj,jk,jp_tem) ) / ztkel )  ! Set the GORDON & GARCIA scaled temperature
239              ztgg2 = ztgg  * ztgg
240              ztgg3 = ztgg2 * ztgg
241              ztgg4 = ztgg3 * ztgg
242              ztgg5 = ztgg4 * ztgg
243              zoxy  = ox0 + ox1 * ztgg + ox2 * ztgg2 + ox3 * ztgg3 + ox4 * ztgg4 + ox5 * ztgg5   &
244                     + zsal * ( ox6 + ox7 * ztgg + ox8 * ztgg2 + ox9 * ztgg3 ) +  ox10 * zsal2
245              chemo2(ji,jj,jk) = ( EXP( zoxy ) * o2atm ) * oxyco * atcox     ! mol/(L atm)
246            END DO
247          END DO
248        END DO
249
250
251
252      ! CHEMICAL CONSTANTS - DEEP OCEAN
253      ! -------------------------------
254!CDIR NOVERRCHK
255      DO jk = 1, jpk
256!CDIR NOVERRCHK
257         DO jj = 1, jpj
258!CDIR NOVERRCHK
259            DO ji = 1, jpi
260
261               ! SET PRESSION
262               zpres   = 1.025e-1 * fsdept(ji,jj,jk)
263
264               ! SET ABSOLUTE TEMPERATURE
265               ztkel   = tsn(ji,jj,jk,jp_tem) + 273.16
266               zsal    = tsn(ji,jj,jk,jp_sal) + ( 1.-tmask(ji,jj,jk) ) * 35.
267               zsqrt  = SQRT( zsal )
268               zsal15  = zsqrt * zsal
269               zlogt  = LOG( ztkel )
270               ztr    = 1. / ztkel
271               zis    = 19.924 * zsal / ( 1000.- 1.005 * zsal )
272               zis2   = zis * zis
273               zisqrt = SQRT( zis )
274               ztc     = tsn(ji,jj,jk,jp_tem) + ( 1.- tmask(ji,jj,jk) ) * 20.
275
276               ! CHLORINITY (WOOSTER ET AL., 1969)
277               zcl     = zsal * salchl
278
279               ! TOTAL SULFATE CONCENTR. [MOLES/kg soln]
280               zst     = st1 * zcl * st2
281
282               ! TOTAL FLUORIDE CONCENTR. [MOLES/kg soln]
283               zft     = ft1 * zcl * ft2
284
285               ! DISSOCIATION CONSTANT FOR SULFATES on free H scale (Dickson 1990)
286               zcks    = EXP(  ks1 * ztr + ks0 + ks2 * zlogt                           &
287                  &                     + ( ks3 * ztr + ks4 + ks5 * zlogt ) * zisqrt   &
288                  &                     + ( ks6 * ztr + ks7 + ks8 * zlogt ) * zis      &
289                  &                     + ks9 * ztr * zis * zisqrt + ks10 * ztr *zis2 + LOG( ks11 + ks12 *zsal )  )
290
291               ! DISSOCIATION CONSTANT FOR FLUORIDES on free H scale (Dickson and Riley 79)
292               zckf    = EXP(  kf1 * ztr + kf0 + kf2 * zisqrt + LOG( kf3 + kf4 * zsal )  )
293
294               ! DISSOCIATION CONSTANT FOR CARBONATE AND BORATE
295               zckb    = ( cb0 + cb1 * zsqrt + cb2  * zsal + cb3 * zsal15 + cb4 * zsal * zsal ) * ztr   &
296                  &    + ( cb5 + cb6 * zsqrt + cb7  * zsal )                                            &
297                  &    + ( cb8 + cb9 * zsqrt + cb10 * zsal ) * zlogt + cb11 * zsqrt * ztkel             &
298                  &    + LOG(  ( 1.+ zst / zcks + zft / zckf ) / ( 1.+ zst / zcks )  )
299
300               zck1    = c10 * ztr + c11 + c12 * zlogt + c13 * zsal + c14 * zsal * zsal
301               zck2    = c20 * ztr + c21 + c22 * zsal   + c23 * zsal**2
302
303               ! PKW (H2O) (DICKSON AND RILEY, 1979)
304               zckw    = cw0 * ztr + cw1 + cw2 * zlogt + ( cw3 * ztr + cw4 + cw5 * zlogt ) * zsqrt + cw6 * zsal
305
306
307               ! APPARENT SOLUBILITY PRODUCT K'SP OF CALCITE IN SEAWATER
308               !       (S=27-43, T=2-25 DEG C) at pres =0 (atmos. pressure) (MUCCI 1983)
309               zaksp0  = akcc1 + akcc2 * ztkel + akcc3 * ztr + akcc4 * LOG10( ztkel )   &
310                  &   + ( akcc5 + akcc6 * ztkel + akcc7 * ztr ) * zsqrt + akcc8 * zsal + akcc9 * zsal15
311
312               ! K1, K2 OF CARBONIC ACID, KB OF BORIC ACID, KW (H2O) (LIT.?)
313               zak1    = 10**(zck1)
314               zak2    = 10**(zck2)
315               zakb    = EXP( zckb  )
316               zakw    = EXP( zckw )
317               zaksp1  = 10**(zaksp0)
318
319               ! FORMULA FOR CPEXP AFTER EDMOND & GIESKES (1970)
320               !        (REFERENCE TO CULBERSON & PYTKOQICZ (1968) AS MADE
321               !        IN BROECKER ET AL. (1982) IS INCORRECT; HERE RGAS IS
322               !        TAKEN TENFOLD TO CORRECT FOR THE NOTATION OF pres  IN
323               !        DBAR INSTEAD OF BAR AND THE EXPRESSION FOR CPEXP IS
324               !        MULTIPLIED BY LN(10.) TO ALLOW USE OF EXP-FUNCTION
325               !        WITH BASIS E IN THE FORMULA FOR AKSPP (CF. EDMOND
326               !        & GIESKES (1970), P. 1285-1286 (THE SMALL
327               !        FORMULA ON P. 1286 IS RIGHT AND CONSISTENT WITH THE
328               !        SIGN IN PARTIAL MOLAR VOLUME CHANGE AS SHOWN ON P. 1285))
329               zcpexp  = zpres /(rgas*ztkel)
330               zcpexp2 = zpres * zpres/(rgas*ztkel)
331
332               ! KB OF BORIC ACID, K1,K2 OF CARBONIC ACID PRESSURE
333               !        CORRECTION AFTER CULBERSON AND PYTKOWICZ (1968)
334               !        (CF. BROECKER ET AL., 1982)
335
336               zbuf1  = -     ( devk11 + devk21 * ztc + devk31 * ztc * ztc )
337               zbuf2  = 0.5 * ( devk41 + devk51 * ztc )
338               ak13(ji,jj,jk) = zak1 * EXP( zbuf1 * zcpexp + zbuf2 * zcpexp2 )
339
340               zbuf1  =     - ( devk12 + devk22 * ztc + devk32 * ztc * ztc )
341               zbuf2  = 0.5 * ( devk42 + devk52 * ztc )
342               ak23(ji,jj,jk) = zak2 * EXP( zbuf1 * zcpexp + zbuf2 * zcpexp2 )
343
344               zbuf1  =     - ( devk13 + devk23 * ztc + devk33 * ztc * ztc )
345               zbuf2  = 0.5 * ( devk43 + devk53 * ztc )
346               akb3(ji,jj,jk) = zakb * EXP( zbuf1 * zcpexp + zbuf2 * zcpexp2 )
347
348               zbuf1  =     - ( devk14 + devk24 * ztc + devk34 * ztc * ztc )
349               zbuf2  = 0.5 * ( devk44 + devk54 * ztc )
350               akw3(ji,jj,jk) = zakw * EXP( zbuf1 * zcpexp + zbuf2 * zcpexp2 )
351
352
353               ! APPARENT SOLUBILITY PRODUCT K'SP OF CALCITE
354               !        AS FUNCTION OF PRESSURE FOLLOWING MILLERO
355               !        (P. 1285) AND BERNER (1976)
356               zbuf1  =     - ( devk15 + devk25 * ztc + devk35 * ztc * ztc )
357               zbuf2  = 0.5 * ( devk45 + devk55 * ztc )
358               aksp(ji,jj,jk) = zaksp1 * EXP( zbuf1 * zcpexp + zbuf2 * zcpexp2 )
359
360               ! TOTAL BORATE CONCENTR. [MOLES/L]
361               borat(ji,jj,jk) = bor1 * zcl * bor2
362
363               ! Iron and SIO3 saturation concentration from ...
364               sio3eq(ji,jj,jk) = EXP(  LOG( 10.) * ( 6.44 - 968. / ztkel )  ) * 1.e-6
365               fekeq (ji,jj,jk) = 10**( 17.27 - 1565.7 / ( 273.15 + ztc ) )
366
367            END DO
368         END DO
369      END DO
370      !
371      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_stop('p4z_che')
372      !
373   END SUBROUTINE p4z_che
374
375
376   INTEGER FUNCTION p4z_che_alloc()
377      !!----------------------------------------------------------------------
378      !!                     ***  ROUTINE p4z_che_alloc  ***
379      !!----------------------------------------------------------------------
380      ALLOCATE( sio3eq(jpi,jpj,jpk), fekeq(jpi,jpj,jpk), chemc(jpi,jpj,2), chemo2(jpi,jpj,jpk), STAT=p4z_che_alloc )
381      !
382      IF( p4z_che_alloc /= 0 )   CALL ctl_warn('p4z_che_alloc : failed to allocate arrays.')
383      !
384   END FUNCTION p4z_che_alloc
385
386#else
387   !!======================================================================
388   !!  Dummy module :                                   No PISCES bio-model
389   !!======================================================================
390CONTAINS
391   SUBROUTINE p4z_che( kt )                   ! Empty routine
392      INTEGER, INTENT(in) ::   kt
393      WRITE(*,*) 'p4z_che: You should not have seen this print! error?', kt
394   END SUBROUTINE p4z_che
395#endif 
396
397   !!======================================================================
398END MODULE p4zche
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.