source: NEMO/trunk/src/TOP/PISCES/P4Z/p4zfechem.F90 @ 12276

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  • Property svn:keywords set to Id
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Line 
1MODULE p4zfechem
2   !!======================================================================
3   !!                         ***  MODULE p4zfechem  ***
4   !! TOP :   PISCES Compute iron chemistry and scavenging
5   !!======================================================================
6   !! History :   3.5  !  2012-07 (O. Aumont, A. Tagliabue, C. Ethe) Original code
7   !!             3.6  !  2015-05  (O. Aumont) PISCES quota
8   !!----------------------------------------------------------------------
9   !!   p4z_fechem       : Compute remineralization/scavenging of iron
10   !!   p4z_fechem_init  : Initialisation of parameters for remineralisation
11   !!   p4z_fechem_alloc : Allocate remineralisation variables
12   !!----------------------------------------------------------------------
13   USE oce_trc         ! shared variables between ocean and passive tracers
14   USE trc             ! passive tracers common variables
15   USE sms_pisces      ! PISCES Source Minus Sink variables
16   USE p4zche          ! chemical model
17   USE p4zsbc           ! Boundary conditions from sediments
18   USE prtctl_trc      ! print control for debugging
19   USE iom             ! I/O manager
20
21   IMPLICIT NONE
22   PRIVATE
23
24   PUBLIC   p4z_fechem        ! called in p4zbio.F90
25   PUBLIC   p4z_fechem_init   ! called in trcsms_pisces.F90
26
27   LOGICAL          ::   ln_ligvar    !: boolean for variable ligand concentration following Tagliabue and voelker
28   REAL(wp), PUBLIC ::   xlam1        !: scavenging rate of Iron
29   REAL(wp), PUBLIC ::   xlamdust     !: scavenging rate of Iron by dust
30   REAL(wp), PUBLIC ::   ligand       !: ligand concentration in the ocean
31   REAL(wp), PUBLIC ::   kfep         !: rate constant for nanoparticle formation
32
33   !!----------------------------------------------------------------------
34   !! NEMO/TOP 4.0 , NEMO Consortium (2018)
35   !! $Id$
36   !! Software governed by the CeCILL license (see ./LICENSE)
37   !!----------------------------------------------------------------------
38CONTAINS
39
40   SUBROUTINE p4z_fechem( kt, knt )
41      !!---------------------------------------------------------------------
42      !!                     ***  ROUTINE p4z_fechem  ***
43      !!
44      !! ** Purpose :   Compute remineralization/scavenging of iron
45      !!
46      !! ** Method  :   A simple chemistry model of iron from Aumont and Bopp (2006)
47      !!                based on one ligand and one inorganic form
48      !!---------------------------------------------------------------------
49      INTEGER, INTENT(in) ::   kt, knt   ! ocean time step
50      !
51      INTEGER  ::   ji, jj, jk, jic, jn
52      REAL(wp) ::   zdep, zlam1a, zlam1b, zlamfac
53      REAL(wp) ::   zkeq, zfeequi, zfesatur, zfecoll, fe3sol
54      REAL(wp) ::   zdenom1, zscave, zaggdfea, zaggdfeb, zcoag
55      REAL(wp) ::   ztrc, zdust
56      REAL(wp) ::   zdenom2
57      REAL(wp) ::   zzFeL1, zzFeL2, zzFe2, zzFeP, zzFe3, zzstrn2
58      REAL(wp) ::   zrum, zcodel, zargu, zlight
59      REAL(wp) ::   zkox, zkph1, zkph2, zph, zionic, ztligand
60      REAL(wp) ::   za, zb, zc, zkappa1, zkappa2, za0, za1, za2
61      REAL(wp) ::   zxs, zfunc, zp, zq, zd, zr, zphi, zfff, zp3, zq2
62      REAL(wp) ::   ztfe, zoxy, zhplus, zxlam
63      REAL(wp) ::   zaggliga, zaggligb
64      REAL(wp) ::   dissol, zligco
65      REAL(wp) :: zrfact2
66      CHARACTER (len=25) :: charout
67      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj,jpk) ::   zTL1, zFe3, ztotlig, precip, zFeL1
68      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj,jpk) ::   zcoll3d, zscav3d, zlcoll3d
69      !!---------------------------------------------------------------------
70      !
71      IF( ln_timing )   CALL timing_start('p4z_fechem')
72      !
73
74      ! Total ligand concentration : Ligands can be chosen to be constant or variable
75      ! Parameterization from Tagliabue and Voelker (2011)
76      ! -------------------------------------------------
77      IF( ln_ligvar ) THEN
78         ztotlig(:,:,:) =  0.09 * trb(:,:,:,jpdoc) * 1E6 + ligand * 1E9
79         ztotlig(:,:,:) =  MIN( ztotlig(:,:,:), 10. )
80      ELSE
81        IF( ln_ligand ) THEN  ;   ztotlig(:,:,:) = trb(:,:,:,jplgw) * 1E9
82        ELSE                  ;   ztotlig(:,:,:) = ligand * 1E9
83        ENDIF
84      ENDIF
85
86      ! ------------------------------------------------------------
87      !  from Aumont and Bopp (2006)
88      ! This model is based on one ligand and Fe'
89      ! Chemistry is supposed to be fast enough to be at equilibrium
90      ! ------------------------------------------------------------
91      DO jk = 1, jpkm1
92         DO jj = 1, jpj
93            DO ji = 1, jpi
94               zTL1(ji,jj,jk)  = ztotlig(ji,jj,jk)
95               zkeq            = fekeq(ji,jj,jk)
96               zfesatur        = zTL1(ji,jj,jk) * 1E-9
97               ztfe            = trb(ji,jj,jk,jpfer) 
98               ! Fe' is the root of a 2nd order polynom
99               zFe3 (ji,jj,jk) = ( -( 1. + zfesatur * zkeq - zkeq * ztfe )               &
100                  &              + SQRT( ( 1. + zfesatur * zkeq - zkeq * ztfe )**2       &
101                  &              + 4. * ztfe * zkeq) ) / ( 2. * zkeq )
102               zFe3 (ji,jj,jk) = zFe3(ji,jj,jk) * 1E9
103               zFeL1(ji,jj,jk) = MAX( 0., trb(ji,jj,jk,jpfer) * 1E9 - zFe3(ji,jj,jk) )
104           END DO
105         END DO
106      END DO
107         !
108
109      zdust = 0.         ! if no dust available
110      DO jk = 1, jpkm1
111         DO jj = 1, jpj
112            DO ji = 1, jpi
113               ! Scavenging rate of iron. This scavenging rate depends on the load of particles of sea water.
114               ! This parameterization assumes a simple second order kinetics (k[Particles][Fe]).
115               ! Scavenging onto dust is also included as evidenced from the DUNE experiments.
116               ! --------------------------------------------------------------------------------------
117               zhplus  = max( rtrn, hi(ji,jj,jk) )
118               fe3sol  = fesol(ji,jj,jk,1) * ( zhplus**3 + fesol(ji,jj,jk,2) * zhplus**2  &
119               &         + fesol(ji,jj,jk,3) * zhplus + fesol(ji,jj,jk,4)     &
120               &         + fesol(ji,jj,jk,5) / zhplus )
121               !
122               zfeequi = zFe3(ji,jj,jk) * 1E-9
123               zhplus  = max( rtrn, hi(ji,jj,jk) )
124               fe3sol  = fesol(ji,jj,jk,1) * ( zhplus**3 + fesol(ji,jj,jk,2) * zhplus**2  &
125                  &         + fesol(ji,jj,jk,3) * zhplus + fesol(ji,jj,jk,4)     &
126                  &         + fesol(ji,jj,jk,5) / zhplus )
127               zfecoll = 0.5 * zFeL1(ji,jj,jk) * 1E-9
128               ! precipitation of Fe3+, creation of nanoparticles
129               precip(ji,jj,jk) = MAX( 0., ( zFe3(ji,jj,jk) * 1E-9 - fe3sol ) ) * kfep * xstep
130               !
131               ztrc   = ( trb(ji,jj,jk,jppoc) + trb(ji,jj,jk,jpgoc) + trb(ji,jj,jk,jpcal) + trb(ji,jj,jk,jpgsi) ) * 1.e6 
132               IF( ln_dust )  zdust  = dust(ji,jj) / ( wdust / rday ) * tmask(ji,jj,jk) &
133               &  * EXP( -gdept_n(ji,jj,jk) / 540. )
134               IF (ln_ligand) THEN
135                  zxlam  = xlam1 * MAX( 1.E-3, EXP(-2 * etot(ji,jj,jk) / 10. ) * (1. - EXP(-2 * trb(ji,jj,jk,jpoxy) / 100.E-6 ) ))
136               ELSE
137                  zxlam  = xlam1 * 1.0
138               ENDIF
139               zlam1b = 3.e-5 + xlamdust * zdust + zxlam * ztrc
140               zscave = zfeequi * zlam1b * xstep
141
142               ! Compute the different ratios for scavenging of iron
143               ! to later allocate scavenged iron to the different organic pools
144               ! ---------------------------------------------------------
145               zdenom1 = zxlam * trb(ji,jj,jk,jppoc) / zlam1b
146               zdenom2 = zxlam * trb(ji,jj,jk,jpgoc) / zlam1b
147
148               !  Increased scavenging for very high iron concentrations found near the coasts
149               !  due to increased lithogenic particles and let say it is unknown processes (precipitation, ...)
150               !  -----------------------------------------------------------
151               zlamfac = MAX( 0.e0, ( gphit(ji,jj) + 55.) / 30. )
152               zlamfac = MIN( 1.  , zlamfac )
153               zdep    = MIN( 1., 1000. / gdept_n(ji,jj,jk) )
154               zcoag   = 1E-4 * ( 1. - zlamfac ) * zdep * xstep * trb(ji,jj,jk,jpfer)
155
156               !  Compute the coagulation of colloidal iron. This parameterization
157               !  could be thought as an equivalent of colloidal pumping.
158               !  It requires certainly some more work as it is very poorly constrained.
159               !  ----------------------------------------------------------------
160               zlam1a   = ( 0.369  * 0.3 * trb(ji,jj,jk,jpdoc) + 102.4  * trb(ji,jj,jk,jppoc) ) * xdiss(ji,jj,jk)    &
161                   &      + ( 114.   * 0.3 * trb(ji,jj,jk,jpdoc) )
162               zaggdfea = zlam1a * xstep * zfecoll
163               !
164               zlam1b   = 3.53E3 * trb(ji,jj,jk,jpgoc) * xdiss(ji,jj,jk)
165               zaggdfeb = zlam1b * xstep * zfecoll
166               !
167               tra(ji,jj,jk,jpfer) = tra(ji,jj,jk,jpfer) - zscave - zaggdfea - zaggdfeb &
168               &                     - zcoag - precip(ji,jj,jk)
169               tra(ji,jj,jk,jpsfe) = tra(ji,jj,jk,jpsfe) + zscave * zdenom1 + zaggdfea
170               tra(ji,jj,jk,jpbfe) = tra(ji,jj,jk,jpbfe) + zscave * zdenom2 + zaggdfeb
171               zscav3d(ji,jj,jk)   = zscave
172               zcoll3d(ji,jj,jk)   = zaggdfea + zaggdfeb
173               !
174            END DO
175         END DO
176      END DO
177      !
178      !  Define the bioavailable fraction of iron
179      !  ----------------------------------------
180      biron(:,:,:) = trb(:,:,:,jpfer) 
181      !
182      IF( ln_ligand ) THEN
183         !
184         DO jk = 1, jpkm1
185            DO jj = 1, jpj
186               DO ji = 1, jpi
187                  zlam1a   = ( 0.369  * 0.3 * trb(ji,jj,jk,jpdoc) + 102.4  * trb(ji,jj,jk,jppoc) ) * xdiss(ji,jj,jk)    &
188                      &    + ( 114.   * 0.3 * trb(ji,jj,jk,jpdoc) )
189                  !
190                  zlam1b   = 3.53E3 *   trb(ji,jj,jk,jpgoc) * xdiss(ji,jj,jk)
191                  zligco   = 0.5 * trn(ji,jj,jk,jplgw)
192                  zaggliga = zlam1a * xstep * zligco
193                  zaggligb = zlam1b * xstep * zligco
194                  tra(ji,jj,jk,jplgw) = tra(ji,jj,jk,jplgw) - zaggliga - zaggligb
195                  zlcoll3d(ji,jj,jk)  = zaggliga + zaggligb
196               END DO
197            END DO
198         END DO
199         !
200         plig(:,:,:) =  MAX( 0., ( ( zFeL1(:,:,:) * 1E-9 ) / ( trb(:,:,:,jpfer) +rtrn ) ) )
201         !
202      ENDIF
203      !  Output of some diagnostics variables
204      !     ---------------------------------
205      IF( lk_iomput ) THEN
206         IF( knt == nrdttrc ) THEN
207            zrfact2 = 1.e3 * rfact2r  ! conversion from mol/L/timestep into mol/m3/s
208            IF( iom_use("Fe3")  )  THEN
209               zFe3(:,:,jpk) = 0.  ;  CALL iom_put("Fe3" , zFe3(:,:,:) * tmask(:,:,:) )   ! Fe3+
210            ENDIF
211            IF( iom_use("FeL1") )  THEN
212              zFeL1(:,:,jpk) = 0.  ;  CALL iom_put("FeL1", zFeL1(:,:,:) * tmask(:,:,:) )   ! FeL1
213            ENDIF
214            IF( iom_use("TL1")  )  THEN
215              zTL1(:,:,jpk) = 0.   ;  CALL iom_put("TL1" , zTL1(:,:,:) * tmask(:,:,:) )   ! TL1
216            ENDIF
217            CALL iom_put("Totlig" , ztotlig(:,:,:)       * tmask(:,:,:) )   ! TL
218            CALL iom_put("Biron"  , biron  (:,:,:)  * 1e9 * tmask(:,:,:) )   ! biron
219            IF( iom_use("FESCAV") )  THEN
220               zscav3d (:,:,jpk) = 0.  ;  CALL iom_put("FESCAV" , zscav3d(:,:,:)  * 1e9 * tmask(:,:,:) * zrfact2 )
221            ENDIF
222            IF( iom_use("FECOLL") ) THEN
223               zcoll3d (:,:,jpk) = 0.  ;   CALL iom_put("FECOLL" , zcoll3d(:,:,:)  * 1e9 * tmask(:,:,:) * zrfact2 )
224            ENDIF
225            IF( iom_use("LGWCOLL")) THEN
226               zlcoll3d(:,:,jpk) = 0.  ;  CALL iom_put("LGWCOLL", zlcoll3d(:,:,:) * 1e9 * tmask(:,:,:) * zrfact2 )
227            ENDIF
228         ENDIF
229      ENDIF
230
231      IF(ln_ctl)   THEN  ! print mean trends (used for debugging)
232         WRITE(charout, FMT="('fechem')")
233         CALL prt_ctl_trc_info(charout)
234         CALL prt_ctl_trc(tab4d=tra, mask=tmask, clinfo=ctrcnm)
235      ENDIF
236      !
237      IF( ln_timing )   CALL timing_stop('p4z_fechem')
238      !
239   END SUBROUTINE p4z_fechem
240
241
242   SUBROUTINE p4z_fechem_init
243      !!----------------------------------------------------------------------
244      !!                  ***  ROUTINE p4z_fechem_init  ***
245      !!
246      !! ** Purpose :   Initialization of iron chemistry parameters
247      !!
248      !! ** Method  :   Read the nampisfer namelist and check the parameters
249      !!      called at the first timestep
250      !!
251      !! ** input   :   Namelist nampisfer
252      !!
253      !!----------------------------------------------------------------------
254      INTEGER ::   ios   ! Local integer
255      !!
256      NAMELIST/nampisfer/ ln_ligvar, xlam1, xlamdust, ligand, kfep 
257      !!----------------------------------------------------------------------
258      !
259      IF(lwp) THEN
260         WRITE(numout,*)
261         WRITE(numout,*) 'p4z_rem_init : Initialization of iron chemistry parameters'
262         WRITE(numout,*) '~~~~~~~~~~~~'
263      ENDIF
264      !
265      REWIND( numnatp_ref )
266      READ  ( numnatp_ref, nampisfer, IOSTAT = ios, ERR = 901)
267901   IF( ios /= 0 )   CALL ctl_nam ( ios , 'nampisfer in reference namelist' )
268
269      REWIND( numnatp_cfg )
270      READ  ( numnatp_cfg, nampisfer, IOSTAT = ios, ERR = 902 )
271902   IF( ios >  0 )   CALL ctl_nam ( ios , 'nampisfer in configuration namelist' )
272      IF(lwm) WRITE( numonp, nampisfer )
273
274      IF(lwp) THEN                     ! control print
275         WRITE(numout,*) '   Namelist : nampisfer'
276         WRITE(numout,*) '      variable concentration of ligand          ln_ligvar    =', ln_ligvar
277         WRITE(numout,*) '      scavenging rate of Iron                   xlam1        =', xlam1
278         WRITE(numout,*) '      scavenging rate of Iron by dust           xlamdust     =', xlamdust
279         WRITE(numout,*) '      ligand concentration in the ocean         ligand       =', ligand
280         WRITE(numout,*) '      rate constant for nanoparticle formation  kfep         =', kfep
281      ENDIF
282      !
283   END SUBROUTINE p4z_fechem_init
284   
285   !!======================================================================
286END MODULE p4zfechem
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.