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/2016/dev_r7012_ROBUST5_CNRS/NEMOGCM/NEMO/TOP_SRC/PISCES/P4Z – NEMO

source: branches/2016/dev_r7012_ROBUST5_CNRS/NEMOGCM/NEMO/TOP_SRC/PISCES/P4Z/p4zflx.F90 @ 7068

Last change on this file since 7068 was 7068, checked in by cetlod, 6 years ago

ROBUST5_CNRS : implementation of part I of new TOP interface - 1st step -, see ticket #1782

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 17.6 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   !!   p4z_flx       :   CALCULATES GAS EXCHANGE AND CHEMISTRY AT SEA SURFACE
14   !!   p4z_flx_init  :   Read the namelist
15   !!   p4z_patm      :   Read sfc atm pressure [atm] for each grid cell
16   !!----------------------------------------------------------------------
17   USE oce_trc                      !  shared variables between ocean and passive tracers
18   USE trc                          !  passive tracers common variables
19   USE sms_pisces                   !  PISCES Source Minus Sink variables
20   USE p4zche                       !  Chemical model
21   USE prtctl_trc                   !  print control for debugging
22   USE iom                          !  I/O manager
23   USE fldread                      !  read input fields
24   USE sbc_oce, ONLY :  atm_co2     !  atmospheric pCO2               
25
26   IMPLICIT NONE
27   PRIVATE
28
29   PUBLIC   p4z_flx 
30   PUBLIC   p4z_flx_init 
31   PUBLIC   p4z_flx_alloc 
32
33   !                               !!** Namelist  nampisext  **
34   REAL(wp)          ::  atcco2     !: pre-industrial atmospheric [co2] (ppm)   
35   LOGICAL           ::  ln_co2int  !: flag to read in a file and interpolate atmospheric pco2 or not
36   CHARACTER(len=34) ::  clname     !: filename of pco2 values
37   INTEGER           ::  nn_offset  !: Offset model-data start year (default = 0)
38
39   !!  Variables related to reading atmospheric CO2 time history   
40   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:) :: atcco2h, years
41   INTEGER  :: nmaxrec, numco2
42
43   !                               !!* nampisatm namelist (Atmospheric PRessure) *
44   LOGICAL, PUBLIC ::   ln_presatm  !: ref. pressure: global mean Patm (F) or a constant (F)
45
46   REAL(wp) , ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:)  ::  patm      ! atmospheric pressure at kt                 [N/m2]
47   TYPE(FLD), ALLOCATABLE,       DIMENSION(:)    ::  sf_patm   ! structure of input fields (file informations, fields read)
48
49
50   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:) :: oce_co2   !: ocean carbon flux
51   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:) :: satmco2   !: atmospheric pco2
52
53   REAL(wp) ::  xconv  = 0.01_wp / 3600._wp !: coefficients for conversion
54
55   !!----------------------------------------------------------------------
56   !! NEMO/TOP 3.3 , NEMO Consortium (2010)
57   !! $Id$
58   !! Software governed by the CeCILL licence     (NEMOGCM/NEMO_CeCILL.txt)
59   !!----------------------------------------------------------------------
60CONTAINS
61
62   SUBROUTINE p4z_flx ( kt, knt )
63      !!---------------------------------------------------------------------
64      !!                     ***  ROUTINE p4z_flx  ***
65      !!
66      !! ** Purpose :   CALCULATES GAS EXCHANGE AND CHEMISTRY AT SEA SURFACE
67      !!
68      !! ** Method  :
69      !!              - Include total atm P correction via Esbensen & Kushnir (1981)
70      !!              - Pressure correction NOT done for key_cpl_carbon_cycle
71      !!              - Remove Wanninkhof chemical enhancement;
72      !!              - Add option for time-interpolation of atcco2.txt 
73      !!---------------------------------------------------------------------
74      !
75      INTEGER, INTENT(in) ::   kt, knt   !
76      !
77      INTEGER  ::   ji, jj, jm, iind, iindm1
78      REAL(wp) ::   ztc, ztc2, ztc3, ztc4, zws, zkgwan
79      REAL(wp) ::   zfld, zflu, zfld16, zflu16, zfact
80      REAL(wp) ::   zvapsw, zsal, zfco2, zxc2, xCO2approx, ztkel, zfugcoeff
81      REAL(wp) ::   zph, zah2, zbot, zdic, zalk, zsch_o2, zalka, zsch_co2
82      REAL(wp) ::   zyr_dec, zdco2dt
83      CHARACTER (len=25) :: charout
84      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:) :: zkgco2, zkgo2, zh2co3, zoflx, zw2d, zpco2atm 
85      !!---------------------------------------------------------------------
86      !
87      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_start('p4z_flx')
88      !
89      CALL wrk_alloc( jpi, jpj, zkgco2, zkgo2, zh2co3, zoflx, zpco2atm )
90      !
91
92      ! SURFACE CHEMISTRY (PCO2 AND [H+] IN
93      !     SURFACE LAYER); THE RESULT OF THIS CALCULATION
94      !     IS USED TO COMPUTE AIR-SEA FLUX OF CO2
95
96      IF( kt /= nit000 .AND. knt == 1 ) CALL p4z_patm( kt )    ! Get sea-level pressure (E&K [1981] climatology) for use in flux calcs
97
98      IF( ln_co2int ) THEN 
99         ! Linear temporal interpolation  of atmospheric pco2.  atcco2.txt has annual values.
100         ! Caveats: First column of .txt must be in years, decimal  years preferably.
101         ! For nn_offset, if your model year is iyy, nn_offset=(years(1)-iyy)
102         ! then the first atmospheric CO2 record read is at years(1)
103         zyr_dec = REAL( nyear + nn_offset, wp ) + REAL( nday_year, wp ) / REAL( nyear_len(1), wp )
104         jm = 1
105         DO WHILE( jm <= nmaxrec .AND. years(jm) < zyr_dec ) ;  jm = jm + 1 ;  END DO
106         iind = jm  ;   iindm1 = jm - 1
107         zdco2dt = ( atcco2h(iind) - atcco2h(iindm1) ) / ( years(iind) - years(iindm1) + rtrn )
108         atcco2  = zdco2dt * ( zyr_dec - years(iindm1) ) + atcco2h(iindm1)
109         satmco2(:,:) = atcco2 
110      ENDIF
111
112 !    IF( ln_cpl_carbon_cycle )   satmco2(:,:) = atm_co2(:,:)
113
114      DO jm = 1, 10
115         DO jj = 1, jpj
116            DO ji = 1, jpi
117
118               ! DUMMY VARIABLES FOR DIC, H+, AND BORATE
119               zbot  = borat(ji,jj,1)
120               zfact = rhop(ji,jj,1) / 1000. + rtrn
121               zdic  = trb(ji,jj,1,jpdic) / zfact
122               zph   = MAX( hi(ji,jj,1), 1.e-10 ) / zfact
123               zalka = trb(ji,jj,1,jptal) / zfact
124
125               ! CALCULATE [ALK]([CO3--], [HCO3-])
126               zalk  = zalka - (  akw3(ji,jj,1) / zph - zph / aphscale(ji,jj,1)    &
127               &       + zbot / ( 1.+ zph / akb3(ji,jj,1) )  )
128
129               ! CALCULATE [H+] AND [H2CO3]
130               zah2   = SQRT(  (zdic-zalk)**2 + 4.* ( zalk * ak23(ji,jj,1)   &
131                  &                                        / ak13(ji,jj,1) ) * ( 2.* zdic - zalk )  )
132               zah2   = 0.5 * ak13(ji,jj,1) / zalk * ( ( zdic - zalk ) + zah2 )
133               zh2co3(ji,jj) = ( 2.* zdic - zalk ) / ( 2.+ ak13(ji,jj,1) / zah2 ) * zfact
134               hi(ji,jj,1)   = zah2 * zfact
135            END DO
136         END DO
137      END DO
138
139
140      ! --------------
141      ! COMPUTE FLUXES
142      ! --------------
143
144      ! FIRST COMPUTE GAS EXCHANGE COEFFICIENTS
145      ! -------------------------------------------
146
147      DO jj = 1, jpj
148         DO ji = 1, jpi
149            ztc  = MIN( 35., tsn(ji,jj,1,jp_tem) )
150            ztc2 = ztc * ztc
151            ztc3 = ztc * ztc2 
152            ztc4 = ztc2 * ztc2 
153            ! Compute the schmidt Number both O2 and CO2
154            zsch_co2 = 2116.8 - 136.25 * ztc + 4.7353 * ztc2 - 0.092307 * ztc3 + 0.0007555 * ztc4
155            zsch_o2  = 1920.4 - 135.6  * ztc + 5.2122 * ztc2 - 0.109390 * ztc3 + 0.0009377 * ztc4
156            !  wind speed
157            zws  = wndm(ji,jj) * wndm(ji,jj)
158            ! Compute the piston velocity for O2 and CO2
159            zkgwan = 0.251 * zws
160            zkgwan = zkgwan * xconv * ( 1.- fr_i(ji,jj) ) * tmask(ji,jj,1)
161            ! compute gas exchange for CO2 and O2
162            zkgco2(ji,jj) = zkgwan * SQRT( 660./ zsch_co2 )
163            zkgo2 (ji,jj) = zkgwan * SQRT( 660./ zsch_o2 )
164         END DO
165      END DO
166
167      DO jj = 1, jpj
168         DO ji = 1, jpi
169            ztkel     = tsn(ji,jj,1,jp_tem) + 273.15
170            zsal      = tsn(ji,jj,1,jp_sal) + ( 1.- tmask(ji,jj,1) ) * 35.
171            zvapsw    = EXP(24.4543 - 67.4509*(100.0/ztkel) - 4.8489*LOG(ztkel/100) - 0.000544*zsal)
172            zpco2atm(ji,jj) = satmco2(ji,jj) * ( patm(ji,jj) - zvapsw )
173            zxc2      = ( 1.0 - zpco2atm(ji,jj) * 1E-6 )**2
174            zfugcoeff = EXP( patm(ji,jj) * (chemc(ji,jj,2) + 2.0 * zxc2 * chemc(ji,jj,3) )   &
175            &           / ( 82.05736 * ztkel ))
176            zfco2 = zpco2atm(ji,jj) * zfugcoeff
177
178            ! Compute CO2 flux for the sea and air
179            zfld = zfco2 * chemc(ji,jj,1) * zkgco2(ji,jj)  ! (mol/L) * (m/s)
180            zflu = zh2co3(ji,jj) * zkgco2(ji,jj)                                   ! (mol/L) (m/s) ?
181            oce_co2(ji,jj) = ( zfld - zflu ) * rfact2 * e1e2t(ji,jj) * tmask(ji,jj,1) * 1000.
182            ! compute the trend
183            tra(ji,jj,1,jpdic) = tra(ji,jj,1,jpdic) + ( zfld - zflu ) * rfact2 / e3t_n(ji,jj,1) * tmask(ji,jj,1)
184
185            ! Compute O2 flux
186            zfld16 = patm(ji,jj) * chemo2(ji,jj,1) * zkgo2(ji,jj)          ! (mol/L) * (m/s)
187            zflu16 = trb(ji,jj,1,jpoxy) * zkgo2(ji,jj)
188            zoflx(ji,jj) = ( zfld16 - zflu16 ) * tmask(ji,jj,1)
189            tra(ji,jj,1,jpoxy) = tra(ji,jj,1,jpoxy) + zoflx(ji,jj) * rfact2 / e3t_n(ji,jj,1)
190         END DO
191      END DO
192
193      t_oce_co2_flx     = glob_sum( oce_co2(:,:) )                    !  Total Flux of Carbon
194      t_oce_co2_flx_cum = t_oce_co2_flx_cum + t_oce_co2_flx       !  Cumulative Total Flux of Carbon
195!      t_atm_co2_flx     = glob_sum( satmco2(:,:) * e1e2t(:,:) )       ! Total atmospheric pCO2
196      t_atm_co2_flx     =  atcco2      ! Total atmospheric pCO2
197 
198      IF(ln_ctl)   THEN  ! print mean trends (used for debugging)
199         WRITE(charout, FMT="('flx ')")
200         CALL prt_ctl_trc_info(charout)
201         CALL prt_ctl_trc(tab4d=tra, mask=tmask, clinfo=ctrcnm)
202      ENDIF
203
204      IF( lk_iomput .AND. knt == nrdttrc ) THEN
205         CALL wrk_alloc( jpi, jpj, zw2d ) 
206         IF( iom_use( "Cflx"  ) )  THEN
207            zw2d(:,:) = oce_co2(:,:) / e1e2t(:,:) * rfact2r
208            CALL iom_put( "Cflx"     , zw2d ) 
209         ENDIF
210         IF( iom_use( "Oflx"  ) )  THEN
211            zw2d(:,:) =  zoflx(:,:) * 1000 * tmask(:,:,1)
212            CALL iom_put( "Oflx" , zw2d )
213         ENDIF
214         IF( iom_use( "Kg"    ) )  THEN
215            zw2d(:,:) =  zkgco2(:,:) * tmask(:,:,1)
216            CALL iom_put( "Kg"   , zw2d )
217         ENDIF
218         IF( iom_use( "Dpco2" ) ) THEN
219           zw2d(:,:) = ( zpco2atm(:,:) - zh2co3(:,:) / ( chemc(:,:,1) + rtrn ) ) * tmask(:,:,1)
220           CALL iom_put( "Dpco2" ,  zw2d )
221         ENDIF
222         IF( iom_use( "Dpo2" ) )  THEN
223           zw2d(:,:) = ( atcox * patm(:,:) - atcox * trn(:,:,1,jpoxy) / ( chemo2(:,:,1) + rtrn ) ) * tmask(:,:,1)
224           CALL iom_put( "Dpo2"  , zw2d )
225         ENDIF
226         IF( iom_use( "tcflx" ) )  CALL iom_put( "tcflx"    , t_oce_co2_flx * rfact2r )   ! molC/s
227         CALL iom_put( "tcflxcum" , t_oce_co2_flx_cum )      ! molC
228         !
229         CALL wrk_dealloc( jpi, jpj, zw2d )
230      ENDIF
231      !
232      CALL wrk_dealloc( jpi, jpj, zkgco2, zkgo2, zh2co3, zoflx, zpco2atm )
233      !
234      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_stop('p4z_flx')
235      !
236   END SUBROUTINE p4z_flx
237
238
239   SUBROUTINE p4z_flx_init
240      !!----------------------------------------------------------------------
241      !!                  ***  ROUTINE p4z_flx_init  ***
242      !!
243      !! ** Purpose :   Initialization of atmospheric conditions
244      !!
245      !! ** Method  :   Read the nampisext namelist and check the parameters
246      !!      called at the first timestep (nittrc000)
247      !! ** input   :   Namelist nampisext
248      !!----------------------------------------------------------------------
249      NAMELIST/nampisext/ln_co2int, atcco2, clname, nn_offset
250      INTEGER :: jm
251      INTEGER :: ios                 ! Local integer output status for namelist read
252      !!----------------------------------------------------------------------
253      !
254
255      REWIND( numnatp_ref )              ! Namelist nampisext in reference namelist : Pisces atm. conditions
256      READ  ( numnatp_ref, nampisext, IOSTAT = ios, ERR = 901)
257901   IF( ios /= 0 ) CALL ctl_nam ( ios , 'nampisext in reference namelist', lwp )
258
259      REWIND( numnatp_cfg )              ! Namelist nampisext in configuration namelist : Pisces atm. conditions
260      READ  ( numnatp_cfg, nampisext, IOSTAT = ios, ERR = 902 )
261902   IF( ios /= 0 ) CALL ctl_nam ( ios , 'nampisext in configuration namelist', lwp )
262      IF(lwm) WRITE ( numonp, nampisext )
263      !
264      IF(lwp) THEN                         ! control print
265         WRITE(numout,*) ' '
266         WRITE(numout,*) ' Namelist parameters for air-sea exchange, nampisext'
267         WRITE(numout,*) ' ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~'
268         WRITE(numout,*) '    Choice for reading in the atm pCO2 file or constant value, ln_co2int =', ln_co2int
269         WRITE(numout,*) ' '
270      ENDIF
271      IF( .NOT.ln_co2int ) THEN
272         IF(lwp) THEN                         ! control print
273            WRITE(numout,*) '    Constant Atmospheric pCO2 value  atcco2    =', atcco2
274            WRITE(numout,*) ' '
275         ENDIF
276         satmco2(:,:)  = atcco2      ! Initialisation of atmospheric pco2
277      ELSE
278         IF(lwp)  THEN
279            WRITE(numout,*) '    Atmospheric pCO2 value  from file clname      =', TRIM( clname )
280            WRITE(numout,*) '    Offset model-data start year      nn_offset   =', nn_offset
281            WRITE(numout,*) ' '
282         ENDIF
283         CALL ctl_opn( numco2, TRIM( clname) , 'OLD', 'FORMATTED', 'SEQUENTIAL', -1 , numout, lwp )
284         jm = 0                      ! Count the number of record in co2 file
285         DO
286           READ(numco2,*,END=100) 
287           jm = jm + 1
288         END DO
289 100     nmaxrec = jm - 1 
290         ALLOCATE( years  (nmaxrec) )     ;      years  (:) = 0._wp
291         ALLOCATE( atcco2h(nmaxrec) )     ;      atcco2h(:) = 0._wp
292
293         REWIND(numco2)
294         DO jm = 1, nmaxrec          ! get  xCO2 data
295            READ(numco2, *)  years(jm), atcco2h(jm)
296            IF(lwp) WRITE(numout, '(f6.0,f7.2)')  years(jm), atcco2h(jm)
297         END DO
298         CLOSE(numco2)
299      ENDIF
300      !
301      oce_co2(:,:)  = 0._wp                ! Initialization of Flux of Carbon
302      t_oce_co2_flx = 0._wp
303      t_atm_co2_flx = 0._wp
304      !
305      CALL p4z_patm( nit000 )
306      !
307   END SUBROUTINE p4z_flx_init
308
309   SUBROUTINE p4z_patm( kt )
310
311      !!----------------------------------------------------------------------
312      !!                  ***  ROUTINE p4z_atm  ***
313      !!
314      !! ** Purpose :   Read and interpolate the external atmospheric sea-levl pressure
315      !! ** Method  :   Read the files and interpolate the appropriate variables
316      !!
317      !!----------------------------------------------------------------------
318      !! * arguments
319      INTEGER, INTENT( in  ) ::   kt   ! ocean time step
320      !
321      INTEGER            ::  ierr
322      INTEGER            ::  ios      ! Local integer output status for namelist read
323      CHARACTER(len=100) ::  cn_dir   ! Root directory for location of ssr files
324      TYPE(FLD_N)        ::  sn_patm  ! informations about the fields to be read
325      !!
326      NAMELIST/nampisatm/ ln_presatm, sn_patm, cn_dir
327
328      !                                         ! ----------------------- !
329      IF( kt == nit000 ) THEN                   ! First call kt=nittrc000 !
330
331         REWIND( numnatp_ref )              ! Namelist nampisatm in reference namelist : Pisces atm. sea level pressure file
332         READ  ( numnatp_ref, nampisatm, IOSTAT = ios, ERR = 901)
333901      IF( ios /= 0 ) CALL ctl_nam ( ios , 'nampisatm in reference namelist', lwp )
334
335         REWIND( numnatp_cfg )              ! Namelist nampisatm in configuration namelist : Pisces atm. sea level pressure file
336         READ  ( numnatp_cfg, nampisatm, IOSTAT = ios, ERR = 902 )
337902      IF( ios /= 0 ) CALL ctl_nam ( ios , 'nampisatm in configuration namelist', lwp )
338         IF(lwm) WRITE ( numonp, nampisatm )
339         !
340         !
341         IF(lwp) THEN                                 !* control print
342            WRITE(numout,*)
343            WRITE(numout,*) '   Namelist nampisatm : Atmospheric Pressure as external forcing'
344            WRITE(numout,*) '      constant atmopsheric pressure (F) or from a file (T)  ln_presatm = ', ln_presatm
345            WRITE(numout,*)
346         ENDIF
347         !
348         IF( ln_presatm ) THEN
349            ALLOCATE( sf_patm(1), STAT=ierr )           !* allocate and fill sf_patm (forcing structure) with sn_patm
350            IF( ierr > 0 )   CALL ctl_stop( 'STOP', 'p4z_flx: unable to allocate sf_patm structure' )
351            !
352            CALL fld_fill( sf_patm, (/ sn_patm /), cn_dir, 'p4z_flx', 'Atmospheric pressure ', 'nampisatm' )
353                                   ALLOCATE( sf_patm(1)%fnow(jpi,jpj,1)   )
354            IF( sn_patm%ln_tint )  ALLOCATE( sf_patm(1)%fdta(jpi,jpj,1,2) )
355         ENDIF
356         !                                         
357         IF( .NOT.ln_presatm )   patm(:,:) = 1.e0    ! Initialize patm if no reading from a file
358         !
359      ENDIF
360      !
361      IF( ln_presatm ) THEN
362         CALL fld_read( kt, 1, sf_patm )               !* input Patm provided at kt + 1/2
363         patm(:,:) = sf_patm(1)%fnow(:,:,1)                        ! atmospheric pressure
364      ENDIF
365      !
366   END SUBROUTINE p4z_patm
367
368   INTEGER FUNCTION p4z_flx_alloc()
369      !!----------------------------------------------------------------------
370      !!                     ***  ROUTINE p4z_flx_alloc  ***
371      !!----------------------------------------------------------------------
372      ALLOCATE( oce_co2(jpi,jpj), satmco2(jpi,jpj), patm(jpi,jpj), STAT=p4z_flx_alloc )
373      !
374      IF( p4z_flx_alloc /= 0 )   CALL ctl_warn('p4z_flx_alloc : failed to allocate arrays')
375      !
376   END FUNCTION p4z_flx_alloc
377
378   !!======================================================================
379END MODULE p4zflx
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.