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 @ 7162

Last change on this file since 7162 was 7162, checked in by cetlod, 8 years ago

new top interface : Add PISCES quota model

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 18.5 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
25   IMPLICIT NONE
26   PRIVATE
27
28   PUBLIC   p4z_flx 
29   PUBLIC   p4z_flx_init 
30   PUBLIC   p4z_flx_alloc 
31
32   !                               !!** Namelist  nampisext  **
33   REAL(wp)          ::  atcco2     !: pre-industrial atmospheric [co2] (ppm)   
34   LOGICAL           ::  ln_co2int  !: flag to read in a file and interpolate atmospheric pco2 or not
35   CHARACTER(len=34) ::  clname     !: filename of pco2 values
36   INTEGER           ::  nn_offset  !: Offset model-data start year (default = 0)
37
38   !!  Variables related to reading atmospheric CO2 time history   
39   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:) :: atcco2h, years
40   INTEGER  :: nmaxrec, numco2
41
42   !                               !!* nampisatm namelist (Atmospheric PRessure) *
43   LOGICAL, PUBLIC ::   ln_presatm     !: ref. pressure: global mean Patm (F) or a constant (F)
44   LOGICAL, PUBLIC ::   ln_presatmco2  !: accounting for spatial atm CO2 in the compuation of carbon flux (T) or not (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   TYPE(FLD), ALLOCATABLE,       DIMENSION(:)   ::  sf_atmco2 ! structure of input fields (file informations, fields read)
49
50   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:) :: satmco2   !: atmospheric pco2
51
52   REAL(wp) ::  xconv  = 0.01_wp / 3600._wp !: coefficients for conversion
53
54   !!----------------------------------------------------------------------
55   !! NEMO/TOP 3.3 , NEMO Consortium (2010)
56   !! $Id$
57   !! Software governed by the CeCILL licence     (NEMOGCM/NEMO_CeCILL.txt)
58   !!----------------------------------------------------------------------
59CONTAINS
60
61   SUBROUTINE p4z_flx ( kt, knt )
62      !!---------------------------------------------------------------------
63      !!                     ***  ROUTINE p4z_flx  ***
64      !!
65      !! ** Purpose :   CALCULATES GAS EXCHANGE AND CHEMISTRY AT SEA SURFACE
66      !!
67      !! ** Method  :
68      !!              - Include total atm P correction via Esbensen & Kushnir (1981)
69      !!              - Remove Wanninkhof chemical enhancement;
70      !!              - Add option for time-interpolation of atcco2.txt 
71      !!---------------------------------------------------------------------
72      !
73      INTEGER, INTENT(in) ::   kt, knt   !
74      !
75      INTEGER  ::   ji, jj, jm, iind, iindm1
76      REAL(wp) ::   ztc, ztc2, ztc3, ztc4, zws, zkgwan
77      REAL(wp) ::   zfld, zflu, zfld16, zflu16, zfact
78      REAL(wp) ::   zvapsw, zsal, zfco2, zxc2, xCO2approx, ztkel, zfugcoeff
79      REAL(wp) ::   zph, zdic, zsch_o2, zsch_co2
80      REAL(wp) ::   zyr_dec, zdco2dt
81      CHARACTER (len=25) :: charout
82      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:) :: zkgco2, zkgo2, zh2co3, zoflx, zw2d, zpco2atm 
83      !!---------------------------------------------------------------------
84      !
85      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_start('p4z_flx')
86      !
87      CALL wrk_alloc( jpi, jpj, zkgco2, zkgo2, zh2co3, zoflx, zpco2atm )
88      !
89
90      ! SURFACE CHEMISTRY (PCO2 AND [H+] IN
91      !     SURFACE LAYER); THE RESULT OF THIS CALCULATION
92      !     IS USED TO COMPUTE AIR-SEA FLUX OF CO2
93
94      IF( kt /= nit000 .AND. .NOT.l_co2cpl .AND. knt == 1 ) CALL p4z_patm( kt )    ! Get sea-level pressure (E&K [1981] climatology) for use in flux calcs
95
96      IF( ln_co2int .AND. .NOT.ln_presatmco2 .AND. .NOT.l_co2cpl ) THEN 
97         ! Linear temporal interpolation  of atmospheric pco2.  atcco2.txt has annual values.
98         ! Caveats: First column of .txt must be in years, decimal  years preferably.
99         ! For nn_offset, if your model year is iyy, nn_offset=(years(1)-iyy)
100         ! then the first atmospheric CO2 record read is at years(1)
101         zyr_dec = REAL( nyear + nn_offset, wp ) + REAL( nday_year, wp ) / REAL( nyear_len(1), wp )
102         jm = 1
103         DO WHILE( jm <= nmaxrec .AND. years(jm) < zyr_dec ) ;  jm = jm + 1 ;  END DO
104         iind = jm  ;   iindm1 = jm - 1
105         zdco2dt = ( atcco2h(iind) - atcco2h(iindm1) ) / ( years(iind) - years(iindm1) + rtrn )
106         atcco2  = zdco2dt * ( zyr_dec - years(iindm1) ) + atcco2h(iindm1)
107         satmco2(:,:) = atcco2 
108      ENDIF
109
110      IF( l_co2cpl )   satmco2(:,:) = atm_co2(:,:)
111
112      DO jj = 1, jpj
113         DO ji = 1, jpi
114            ! DUMMY VARIABLES FOR DIC, H+, AND BORATE
115            zfact = rhop(ji,jj,1) / 1000. + rtrn
116            zdic  = trb(ji,jj,1,jpdic)
117            zph   = MAX( hi(ji,jj,1), 1.e-10 ) / zfact
118            ! CALCULATE [H2CO3]
119            zh2co3(ji,jj) = zdic/(1. + ak13(ji,jj,1)/zph + ak13(ji,jj,1)*ak23(ji,jj,1)/zph**2)
120         END DO
121      END DO
122
123      ! --------------
124      ! COMPUTE FLUXES
125      ! --------------
126
127      ! FIRST COMPUTE GAS EXCHANGE COEFFICIENTS
128      ! -------------------------------------------
129
130      DO jj = 1, jpj
131         DO ji = 1, jpi
132            ztc  = MIN( 35., tsn(ji,jj,1,jp_tem) )
133            ztc2 = ztc * ztc
134            ztc3 = ztc * ztc2 
135            ztc4 = ztc2 * ztc2 
136            ! Compute the schmidt Number both O2 and CO2
137            zsch_co2 = 2116.8 - 136.25 * ztc + 4.7353 * ztc2 - 0.092307 * ztc3 + 0.0007555 * ztc4
138            zsch_o2  = 1920.4 - 135.6  * ztc + 5.2122 * ztc2 - 0.109390 * ztc3 + 0.0009377 * ztc4
139            !  wind speed
140            zws  = wndm(ji,jj) * wndm(ji,jj)
141            ! Compute the piston velocity for O2 and CO2
142            zkgwan = 0.251 * zws
143            zkgwan = zkgwan * xconv * ( 1.- fr_i(ji,jj) ) * tmask(ji,jj,1)
144            ! compute gas exchange for CO2 and O2
145            zkgco2(ji,jj) = zkgwan * SQRT( 660./ zsch_co2 )
146            zkgo2 (ji,jj) = zkgwan * SQRT( 660./ zsch_o2 )
147         END DO
148      END DO
149
150
151      DO jj = 1, jpj
152         DO ji = 1, jpi
153            ztkel = tempis(ji,jj,1) + 273.15
154            zsal  = salinprac(ji,jj,1) + ( 1.- tmask(ji,jj,1) ) * 35.
155            zvapsw    = EXP(24.4543 - 67.4509*(100.0/ztkel) - 4.8489*LOG(ztkel/100) - 0.000544*zsal)
156            zpco2atm(ji,jj) = satmco2(ji,jj) * ( patm(ji,jj) - zvapsw )
157            zxc2      = ( 1.0 - zpco2atm(ji,jj) * 1E-6 )**2
158            zfugcoeff = EXP( patm(ji,jj) * (chemc(ji,jj,2) + 2.0 * zxc2 * chemc(ji,jj,3) )   &
159            &           / ( 82.05736 * ztkel ))
160            zfco2 = zpco2atm(ji,jj) * zfugcoeff
161
162            ! Compute CO2 flux for the sea and air
163            zfld = zfco2 * chemc(ji,jj,1) * zkgco2(ji,jj)  ! (mol/L) * (m/s)
164            zflu = zh2co3(ji,jj) * zkgco2(ji,jj)                                   ! (mol/L) (m/s) ?
165            oce_co2(ji,jj) = ( zfld - zflu ) * rfact2 * e1e2t(ji,jj) * tmask(ji,jj,1) * 1000.
166            ! compute the trend
167            tra(ji,jj,1,jpdic) = tra(ji,jj,1,jpdic) + ( zfld - zflu ) * rfact2 / e3t_n(ji,jj,1) * tmask(ji,jj,1)
168
169            ! Compute O2 flux
170            zfld16 = patm(ji,jj) * chemo2(ji,jj,1) * zkgo2(ji,jj)          ! (mol/L) * (m/s)
171            zflu16 = trb(ji,jj,1,jpoxy) * zkgo2(ji,jj)
172            zoflx(ji,jj) = ( zfld16 - zflu16 ) * tmask(ji,jj,1)
173            tra(ji,jj,1,jpoxy) = tra(ji,jj,1,jpoxy) + zoflx(ji,jj) * rfact2 / e3t_n(ji,jj,1)
174         END DO
175      END DO
176
177      t_oce_co2_flx     = glob_sum( oce_co2(:,:) )                    !  Total Flux of Carbon
178      t_oce_co2_flx_cum = t_oce_co2_flx_cum + t_oce_co2_flx       !  Cumulative Total Flux of Carbon
179!      t_atm_co2_flx     = glob_sum( satmco2(:,:) * e1e2t(:,:) )       ! Total atmospheric pCO2
180      t_atm_co2_flx     =  atcco2      ! Total atmospheric pCO2
181 
182      IF(ln_ctl)   THEN  ! print mean trends (used for debugging)
183         WRITE(charout, FMT="('flx ')")
184         CALL prt_ctl_trc_info(charout)
185         CALL prt_ctl_trc(tab4d=tra, mask=tmask, clinfo=ctrcnm)
186      ENDIF
187
188      IF( lk_iomput .AND. knt == nrdttrc ) THEN
189         CALL wrk_alloc( jpi, jpj, zw2d ) 
190         IF( iom_use( "Cflx"  ) )  THEN
191            zw2d(:,:) = oce_co2(:,:) / e1e2t(:,:) * rfact2r
192            CALL iom_put( "Cflx"     , zw2d ) 
193         ENDIF
194         IF( iom_use( "Oflx"  ) )  THEN
195            zw2d(:,:) =  zoflx(:,:) * 1000 * tmask(:,:,1)
196            CALL iom_put( "Oflx" , zw2d )
197         ENDIF
198         IF( iom_use( "Kg"    ) )  THEN
199            zw2d(:,:) =  zkgco2(:,:) * tmask(:,:,1)
200            CALL iom_put( "Kg"   , zw2d )
201         ENDIF
202         IF( iom_use( "Dpco2" ) ) THEN
203           zw2d(:,:) = ( zpco2atm(:,:) - zh2co3(:,:) / ( chemc(:,:,1) + rtrn ) ) * tmask(:,:,1)
204           CALL iom_put( "Dpco2" ,  zw2d )
205         ENDIF
206         IF( iom_use( "Dpo2" ) )  THEN
207           zw2d(:,:) = ( atcox * patm(:,:) - atcox * trn(:,:,1,jpoxy) / ( chemo2(:,:,1) + rtrn ) ) * tmask(:,:,1)
208           CALL iom_put( "Dpo2"  , zw2d )
209         ENDIF
210         IF( iom_use( "tcflx" ) )  CALL iom_put( "tcflx"    , t_oce_co2_flx * rfact2r )   ! molC/s
211         CALL iom_put( "tcflxcum" , t_oce_co2_flx_cum )      ! molC
212         !
213         CALL wrk_dealloc( jpi, jpj, zw2d )
214      ENDIF
215      !
216      CALL wrk_dealloc( jpi, jpj, zkgco2, zkgo2, zh2co3, zoflx, zpco2atm )
217      !
218      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_stop('p4z_flx')
219      !
220   END SUBROUTINE p4z_flx
221
222
223   SUBROUTINE p4z_flx_init
224      !!----------------------------------------------------------------------
225      !!                  ***  ROUTINE p4z_flx_init  ***
226      !!
227      !! ** Purpose :   Initialization of atmospheric conditions
228      !!
229      !! ** Method  :   Read the nampisext namelist and check the parameters
230      !!      called at the first timestep (nittrc000)
231      !! ** input   :   Namelist nampisext
232      !!----------------------------------------------------------------------
233      NAMELIST/nampisext/ln_co2int, atcco2, clname, nn_offset
234      INTEGER :: jm
235      INTEGER :: ios                 ! Local integer output status for namelist read
236      !!----------------------------------------------------------------------
237      !
238
239      REWIND( numnatp_ref )              ! Namelist nampisext in reference namelist : Pisces atm. conditions
240      READ  ( numnatp_ref, nampisext, IOSTAT = ios, ERR = 901)
241901   IF( ios /= 0 ) CALL ctl_nam ( ios , 'nampisext in reference namelist', lwp )
242
243      REWIND( numnatp_cfg )              ! Namelist nampisext in configuration namelist : Pisces atm. conditions
244      READ  ( numnatp_cfg, nampisext, IOSTAT = ios, ERR = 902 )
245902   IF( ios /= 0 ) CALL ctl_nam ( ios , 'nampisext in configuration namelist', lwp )
246      IF(lwm) WRITE ( numonp, nampisext )
247      !
248      IF(lwp) THEN                         ! control print
249         WRITE(numout,*) ' '
250         WRITE(numout,*) ' Namelist parameters for air-sea exchange, nampisext'
251         WRITE(numout,*) ' ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~'
252         WRITE(numout,*) '    Choice for reading in the atm pCO2 file or constant value, ln_co2int =', ln_co2int
253         WRITE(numout,*) ' '
254      ENDIF
255     IF( .NOT.ln_co2int .AND. .NOT.ln_presatmco2 ) THEN
256         IF(lwp) THEN                         ! control print
257            WRITE(numout,*) '    Constant Atmospheric pCO2 value  atcco2    =', atcco2
258            WRITE(numout,*) ' '
259         ENDIF
260         satmco2(:,:)  = atcco2      ! Initialisation of atmospheric pco2
261      ELSEIF( ln_co2int .AND. .NOT.ln_presatmco2 ) THEN
262         IF(lwp)  THEN
263            WRITE(numout,*) '    Atmospheric pCO2 value  from file clname      =', TRIM( clname )
264            WRITE(numout,*) '    Offset model-data start year      nn_offset   =', nn_offset
265            WRITE(numout,*) ' '
266         ENDIF
267         CALL ctl_opn( numco2, TRIM( clname) , 'OLD', 'FORMATTED', 'SEQUENTIAL', -1 , numout, lwp )
268         jm = 0                      ! Count the number of record in co2 file
269         DO
270           READ(numco2,*,END=100) 
271           jm = jm + 1
272         END DO
273 100     nmaxrec = jm - 1 
274         ALLOCATE( years  (nmaxrec) )     ;      years  (:) = 0._wp
275         ALLOCATE( atcco2h(nmaxrec) )     ;      atcco2h(:) = 0._wp
276
277         REWIND(numco2)
278         DO jm = 1, nmaxrec          ! get  xCO2 data
279            READ(numco2, *)  years(jm), atcco2h(jm)
280            IF(lwp) WRITE(numout, '(f6.0,f7.2)')  years(jm), atcco2h(jm)
281         END DO
282         CLOSE(numco2)
283      ELSEIF( .NOT.ln_co2int .AND. ln_presatmco2 ) THEN
284         IF(lwp)  THEN
285            WRITE(numout,*) '    Spatialized Atmospheric pCO2 from an external file'
286            WRITE(numout,*) ' '
287         ENDIF
288      ELSE
289         IF(lwp)  THEN
290            WRITE(numout,*) '    Spatialized Atmospheric pCO2 from an external file'
291            WRITE(numout,*) ' '
292         ENDIF
293      ENDIF
294
295      !
296      oce_co2(:,:)  = 0._wp                ! Initialization of Flux of Carbon
297      t_oce_co2_flx = 0._wp
298      t_atm_co2_flx = 0._wp
299      !
300      CALL p4z_patm( nit000 )
301      !
302   END SUBROUTINE p4z_flx_init
303
304   SUBROUTINE p4z_patm( kt )
305
306      !!----------------------------------------------------------------------
307      !!                  ***  ROUTINE p4z_atm  ***
308      !!
309      !! ** Purpose :   Read and interpolate the external atmospheric sea-levl pressure
310      !! ** Method  :   Read the files and interpolate the appropriate variables
311      !!
312      !!----------------------------------------------------------------------
313      !! * arguments
314      INTEGER, INTENT( in  ) ::   kt   ! ocean time step
315      !
316      INTEGER            ::  ierr
317      INTEGER            ::  ios      ! Local integer output status for namelist read
318      CHARACTER(len=100) ::  cn_dir   ! Root directory for location of ssr files
319      TYPE(FLD_N)        ::  sn_patm  ! informations about the fields to be read
320      TYPE(FLD_N)        ::  sn_atmco2 ! informations about the fields to be read
321      !!
322      NAMELIST/nampisatm/ ln_presatm, ln_presatmco2, sn_patm, sn_atmco2, cn_dir
323
324      !                                         ! ----------------------- !
325      IF( kt == nit000 ) THEN                   ! First call kt=nittrc000 !
326
327         REWIND( numnatp_ref )              ! Namelist nampisatm in reference namelist : Pisces atm. sea level pressure file
328         READ  ( numnatp_ref, nampisatm, IOSTAT = ios, ERR = 901)
329901      IF( ios /= 0 ) CALL ctl_nam ( ios , 'nampisatm in reference namelist', lwp )
330
331         REWIND( numnatp_cfg )              ! Namelist nampisatm in configuration namelist : Pisces atm. sea level pressure file
332         READ  ( numnatp_cfg, nampisatm, IOSTAT = ios, ERR = 902 )
333902      IF( ios /= 0 ) CALL ctl_nam ( ios , 'nampisatm in configuration namelist', lwp )
334         IF(lwm) WRITE ( numonp, nampisatm )
335         !
336         !
337         IF(lwp) THEN                                 !* control print
338            WRITE(numout,*)
339            WRITE(numout,*) '   Namelist nampisatm : Atmospheric Pressure as external forcing'
340            WRITE(numout,*) '      constant atmopsheric pressure (F) or from a file (T)  ln_presatm = ', ln_presatm
341            WRITE(numout,*) '      spatial atmopsheric CO2 for flux calcs  ln_presatmco2 = ', ln_presatmco2
342            WRITE(numout,*)
343         ENDIF
344         !
345         IF( ln_presatm ) THEN
346            ALLOCATE( sf_patm(1), STAT=ierr )           !* allocate and fill sf_patm (forcing structure) with sn_patm
347            IF( ierr > 0 )   CALL ctl_stop( 'STOP', 'p4z_flx: unable to allocate sf_patm structure' )
348            !
349            CALL fld_fill( sf_patm, (/ sn_patm /), cn_dir, 'p4z_flx', 'Atmospheric pressure ', 'nampisatm' )
350                                   ALLOCATE( sf_patm(1)%fnow(jpi,jpj,1)   )
351            IF( sn_patm%ln_tint )  ALLOCATE( sf_patm(1)%fdta(jpi,jpj,1,2) )
352         ENDIF
353         !                                         
354         IF( ln_presatmco2 ) THEN
355            ALLOCATE( sf_atmco2(1), STAT=ierr )           !* allocate and fill sf_atmco2 (forcing structure) with sn_atmco2
356            IF( ierr > 0 )   CALL ctl_stop( 'STOP', 'p4z_flx: unable to allocate sf_atmco2 structure' )
357            !
358            CALL fld_fill( sf_atmco2, (/ sn_atmco2 /), cn_dir, 'p4z_flx', 'Atmospheric co2 partial pressure ', 'nampisatm' )
359                                   ALLOCATE( sf_atmco2(1)%fnow(jpi,jpj,1)   )
360            IF( sn_atmco2%ln_tint )  ALLOCATE( sf_atmco2(1)%fdta(jpi,jpj,1,2) )
361         ENDIF
362         !
363         IF( .NOT.ln_presatm )   patm(:,:) = 1.e0    ! Initialize patm if no reading from a file
364         !
365      ENDIF
366      !
367      IF( ln_presatm ) THEN
368         CALL fld_read( kt, 1, sf_patm )               !* input Patm provided at kt + 1/2
369         patm(:,:) = sf_patm(1)%fnow(:,:,1)                        ! atmospheric pressure
370      ENDIF
371      !
372      IF( ln_presatmco2 ) THEN
373         CALL fld_read( kt, 1, sf_atmco2 )               !* input atmco2 provided at kt + 1/2
374         satmco2(:,:) = sf_atmco2(1)%fnow(:,:,1)                        ! atmospheric pressure
375      ELSE
376         satmco2(:,:) = atcco2    ! Initialize atmco2 if no reading from a file
377      ENDIF
378      !
379   END SUBROUTINE p4z_patm
380
381
382   INTEGER FUNCTION p4z_flx_alloc()
383      !!----------------------------------------------------------------------
384      !!                     ***  ROUTINE p4z_flx_alloc  ***
385      !!----------------------------------------------------------------------
386      ALLOCATE( satmco2(jpi,jpj), patm(jpi,jpj), STAT=p4z_flx_alloc )
387      !
388      IF( p4z_flx_alloc /= 0 )   CALL ctl_warn('p4z_flx_alloc : failed to allocate arrays')
389      !
390   END FUNCTION p4z_flx_alloc
391
392   !!======================================================================
393END MODULE p4zflx
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.