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.
p4zche.F90 in trunk/NEMOGCM/NEMO/TOP_SRC/PISCES/P4Z – NEMO

source: trunk/NEMOGCM/NEMO/TOP_SRC/PISCES/P4Z/p4zche.F90 @ 6291

Last change on this file since 6291 was 6291, checked in by cetlod, 9 years ago

trunk : bugfix on PISCES carbonate chemistry, see ticket #1672

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 15.8 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
79   REAL(wp) ::   ft1    =    0.000067   ! constants for calculate concentrations for fluorides
80   REAL(wp) ::   ft2    = 1./18.9984    ! (Dickson & Riley 1979 )
81
82   !                                    ! volumetric solubility constants for o2 in ml/L 
83   REAL(wp) ::   ox0    =  2.00856      ! from Table 1 for Eq 8 of Garcia and Gordon, 1992.
84   REAL(wp) ::   ox1    =  3.22400      ! corrects for moisture and fugacity, but not total atmospheric pressure
85   REAL(wp) ::   ox2    =  3.99063      !      Original PISCES code noted this was a solubility, but
86   REAL(wp) ::   ox3    =  4.80299      ! was in fact a bunsen coefficient with units L-O2/(Lsw atm-O2)
87   REAL(wp) ::   ox4    =  9.78188e-1   ! Hence, need to divide EXP( zoxy ) by 1000, ml-O2 => L-O2
88   REAL(wp) ::   ox5    =  1.71069      ! and atcox = 0.20946 to add the 1/atm dimension.
89   REAL(wp) ::   ox6    = -6.24097e-3   
90   REAL(wp) ::   ox7    = -6.93498e-3 
91   REAL(wp) ::   ox8    = -6.90358e-3
92   REAL(wp) ::   ox9    = -4.29155e-3 
93   REAL(wp) ::   ox10   = -3.11680e-7 
94
95   !                                    ! coeff. for seawater pressure correction : millero 95
96   !                                    ! AGRIF doesn't like the DATA instruction
97   REAL(wp) :: devk11  = -25.5
98   REAL(wp) :: devk12  = -15.82
99   REAL(wp) :: devk13  = -29.48
100   REAL(wp) :: devk14  = -25.60
101   REAL(wp) :: devk15  = -48.76
102   !
103   REAL(wp) :: devk21  = 0.1271
104   REAL(wp) :: devk22  = -0.0219
105   REAL(wp) :: devk23  = 0.1622
106   REAL(wp) :: devk24  = 0.2324
107   REAL(wp) :: devk25  = 0.5304
108   !
109   REAL(wp) :: devk31  = 0.
110   REAL(wp) :: devk32  = 0.
111   REAL(wp) :: devk33  = 2.608E-3
112   REAL(wp) :: devk34  = -3.6246E-3
113   REAL(wp) :: devk35  = 0.
114   !
115   REAL(wp) :: devk41  = -3.08E-3
116   REAL(wp) :: devk42  = 1.13E-3
117   REAL(wp) :: devk43  = -2.84E-3
118   REAL(wp) :: devk44  = -5.13E-3
119   REAL(wp) :: devk45  = -11.76E-3
120   !
121   REAL(wp) :: devk51  = 0.0877E-3
122   REAL(wp) :: devk52  = -0.1475E-3     
123   REAL(wp) :: devk53  = 0.
124   REAL(wp) :: devk54  = 0.0794E-3     
125   REAL(wp) :: devk55  = 0.3692E-3     
126
127   !!----------------------------------------------------------------------
128   !! NEMO/TOP 3.3 , NEMO Consortium (2010)
129   !! $Id$
130   !! Software governed by the CeCILL licence     (NEMOGCM/NEMO_CeCILL.txt)
131   !!----------------------------------------------------------------------
132CONTAINS
133
134   SUBROUTINE p4z_che
135      !!---------------------------------------------------------------------
136      !!                     ***  ROUTINE p4z_che  ***
137      !!
138      !! ** Purpose :   Sea water chemistry computed following OCMIP protocol
139      !!
140      !! ** Method  : - ...
141      !!---------------------------------------------------------------------
142      INTEGER  ::   ji, jj, jk
143      REAL(wp) ::   ztkel, zt   , zt2   , zsal  , zsal2 , zbuf1 , zbuf2
144      REAL(wp) ::   ztgg , ztgg2, ztgg3 , ztgg4 , ztgg5
145      REAL(wp) ::   zpres, ztc  , zcl   , zcpexp, zoxy  , zcpexp2
146      REAL(wp) ::   zsqrt, ztr  , zlogt , zcek1
147      REAL(wp) ::   zis  , zis2 , zsal15, zisqrt
148      REAL(wp) ::   zckb , zck1 , zck2  , zckw  , zak1 , zak2  , zakb , zaksp0, zakw
149      REAL(wp) ::   zst  , zft  , zcks  , zckf  , zaksp1
150      !!---------------------------------------------------------------------
151      !
152      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_start('p4z_che')
153      !
154      ! CHEMICAL CONSTANTS - SURFACE LAYER
155      ! ----------------------------------
156      DO jj = 1, jpj
157         DO ji = 1, jpi
158            !                             ! SET ABSOLUTE TEMPERATURE
159            ztkel = tsn(ji,jj,1,jp_tem) + 273.15
160            zt    = ztkel * 0.01
161            zt2   = zt * zt
162            zsal  = tsn(ji,jj,1,jp_sal) + ( 1.- tmask(ji,jj,1) ) * 35.
163            zsal2 = zsal * zsal
164            zlogt = LOG( zt )
165            !                             ! LN(K0) OF SOLUBILITY OF CO2 (EQ. 12, WEISS, 1980)
166            !                             !     AND FOR THE ATMOSPHERE FOR NON IDEAL GAS
167            zcek1 = ca0 + ca1 / zt + ca2 * zlogt + ca3 * zt2 + zsal * ( ca4 + ca5 * zt + ca6 * zt2 )
168            !                             ! SET SOLUBILITIES OF O2 AND CO2
169            chemc(ji,jj) = EXP( zcek1 ) * 1.e-6 * rhop(ji,jj,1) / 1000.  ! mol/(L uatm)
170            !
171         END DO
172      END DO
173
174      ! OXYGEN SOLUBILITY - DEEP OCEAN
175      ! -------------------------------
176      DO jk = 1, jpk
177         DO jj = 1, jpj
178            DO ji = 1, jpi
179              ztkel = tsn(ji,jj,jk,jp_tem) + 273.15
180              zsal  = tsn(ji,jj,jk,jp_sal) + ( 1.- tmask(ji,jj,jk) ) * 35.
181              zsal2 = zsal * zsal
182              ztgg  = LOG( ( 298.15 - tsn(ji,jj,jk,jp_tem) ) / ztkel )  ! Set the GORDON & GARCIA scaled temperature
183              ztgg2 = ztgg  * ztgg
184              ztgg3 = ztgg2 * ztgg
185              ztgg4 = ztgg3 * ztgg
186              ztgg5 = ztgg4 * ztgg
187              zoxy  = ox0 + ox1 * ztgg + ox2 * ztgg2 + ox3 * ztgg3 + ox4 * ztgg4 + ox5 * ztgg5   &
188                     + zsal * ( ox6 + ox7 * ztgg + ox8 * ztgg2 + ox9 * ztgg3 ) +  ox10 * zsal2
189              chemo2(ji,jj,jk) = ( EXP( zoxy ) * o2atm ) * oxyco * atcox     ! mol/(L atm)
190            END DO
191          END DO
192        END DO
193
194
195
196      ! CHEMICAL CONSTANTS - DEEP OCEAN
197      ! -------------------------------
198      DO jk = 1, jpk
199         DO jj = 1, jpj
200            DO ji = 1, jpi
201
202               ! SET PRESSION
203               zpres   = 1.025e-1 * gdept_n(ji,jj,jk)
204
205               ! SET ABSOLUTE TEMPERATURE
206               ztkel   = tsn(ji,jj,jk,jp_tem) + 273.15
207               zsal    = tsn(ji,jj,jk,jp_sal) + ( 1.-tmask(ji,jj,jk) ) * 35.
208               zsqrt  = SQRT( zsal )
209               zsal15  = zsqrt * zsal
210               zlogt  = LOG( ztkel )
211               ztr    = 1. / ztkel
212               zis    = 19.924 * zsal / ( 1000.- 1.005 * zsal )
213               zis2   = zis * zis
214               zisqrt = SQRT( zis )
215               ztc     = tsn(ji,jj,jk,jp_tem) + ( 1.- tmask(ji,jj,jk) ) * 20.
216
217               ! CHLORINITY (WOOSTER ET AL., 1969)
218               zcl     = zsal * salchl
219
220               ! TOTAL SULFATE CONCENTR. [MOLES/kg soln]
221               zst     = st1 * zcl * st2
222
223               ! TOTAL FLUORIDE CONCENTR. [MOLES/kg soln]
224               zft     = ft1 * zcl * ft2
225
226               ! DISSOCIATION CONSTANT FOR SULFATES on free H scale (Dickson 1990)
227               zcks    = EXP(-4276.1 * ztr + 141.328 - 23.093 * zlogt         &
228               &         + (-13856. * ztr + 324.57 - 47.986 * zlogt) * zisqrt &
229               &         + (35474. * ztr - 771.54 + 114.723 * zlogt) * zis    &
230               &         - 2698. * ztr * zis**1.5 + 1776.* ztr * zis2         &
231               &         + LOG(1.0 - 0.001005 * zsal))
232               !
233               aphscale(ji,jj,jk) = ( 1. + zst / zcks )
234
235               ! DISSOCIATION CONSTANT FOR FLUORIDES on free H scale (Dickson and Riley 79)
236               zckf    = EXP( 1590.2*ztr - 12.641 + 1.525*zisqrt   &
237               &         + LOG(1.0d0 - 0.001005d0*zsal)            &
238               &         + LOG(1.0d0 + zst/zcks))
239
240               ! DISSOCIATION CONSTANT FOR CARBONATE AND BORATE
241               zckb=  (-8966.90 - 2890.53*zsqrt - 77.942*zsal        &
242               &      + 1.728*zsal15 - 0.0996*zsal*zsal)*ztr         &
243               &      + (148.0248 + 137.1942*zsqrt + 1.62142*zsal)   &
244               &      + (-24.4344 - 25.085*zsqrt - 0.2474*zsal)      & 
245               &      * zlogt + 0.053105*zsqrt*ztkel
246
247
248               zck1    = c10 * ztr + c11 + c12 * zlogt + c13 * zsal + c14 * zsal * zsal
249               zck2    = c20 * ztr + c21 + c22 * zsal   + c23 * zsal**2
250
251               ! PKW (H2O) (DICKSON AND RILEY, 1979)
252               zckw = -13847.26*ztr + 148.9652 - 23.6521 * zlogt    & 
253               &     + (118.67*ztr - 5.977 + 1.0495 * zlogt)        &
254               &     * zsqrt - 0.01615 * zsal
255
256               ! APPARENT SOLUBILITY PRODUCT K'SP OF CALCITE IN SEAWATER
257               !       (S=27-43, T=2-25 DEG C) at pres =0 (atmos. pressure) (MUCCI 1983)
258               zaksp0  = akcc1 + akcc2 * ztkel + akcc3 * ztr + akcc4 * LOG10( ztkel )   &
259                  &   + ( akcc5 + akcc6 * ztkel + akcc7 * ztr ) * zsqrt + akcc8 * zsal + akcc9 * zsal15
260
261               ! K1, K2 OF CARBONIC ACID, KB OF BORIC ACID, KW (H2O) (LIT.?)
262               zak1    = 10**(zck1)
263               zak2    = 10**(zck2)
264               zakb    = EXP( zckb  )
265               zakw    = EXP( zckw )
266               zaksp1  = 10**(zaksp0)
267
268               ! FORMULA FOR CPEXP AFTER EDMOND & GIESKES (1970)
269               !        (REFERENCE TO CULBERSON & PYTKOQICZ (1968) AS MADE
270               !        IN BROECKER ET AL. (1982) IS INCORRECT; HERE RGAS IS
271               !        TAKEN TENFOLD TO CORRECT FOR THE NOTATION OF pres  IN
272               !        DBAR INSTEAD OF BAR AND THE EXPRESSION FOR CPEXP IS
273               !        MULTIPLIED BY LN(10.) TO ALLOW USE OF EXP-FUNCTION
274               !        WITH BASIS E IN THE FORMULA FOR AKSPP (CF. EDMOND
275               !        & GIESKES (1970), P. 1285-1286 (THE SMALL
276               !        FORMULA ON P. 1286 IS RIGHT AND CONSISTENT WITH THE
277               !        SIGN IN PARTIAL MOLAR VOLUME CHANGE AS SHOWN ON P. 1285))
278               zcpexp  = zpres /(rgas*ztkel)
279               zcpexp2 = zpres * zpres/(rgas*ztkel)
280
281               ! KB OF BORIC ACID, K1,K2 OF CARBONIC ACID PRESSURE
282               !        CORRECTION AFTER CULBERSON AND PYTKOWICZ (1968)
283               !        (CF. BROECKER ET AL., 1982)
284
285               zbuf1  = -     ( devk11 + devk21 * ztc + devk31 * ztc * ztc )
286               zbuf2  = 0.5 * ( devk41 + devk51 * ztc )
287               ak13(ji,jj,jk) = zak1 * EXP( zbuf1 * zcpexp + zbuf2 * zcpexp2 )
288
289               zbuf1  =     - ( devk12 + devk22 * ztc + devk32 * ztc * ztc )
290               zbuf2  = 0.5 * ( devk42 + devk52 * ztc )
291               ak23(ji,jj,jk) = zak2 * EXP( zbuf1 * zcpexp + zbuf2 * zcpexp2 )
292
293               zbuf1  =     - ( devk13 + devk23 * ztc + devk33 * ztc * ztc )
294               zbuf2  = 0.5 * ( devk43 + devk53 * ztc )
295               akb3(ji,jj,jk) = zakb * EXP( zbuf1 * zcpexp + zbuf2 * zcpexp2 )
296
297               zbuf1  =     - ( devk14 + devk24 * ztc + devk34 * ztc * ztc )
298               zbuf2  = 0.5 * ( devk44 + devk54 * ztc )
299               akw3(ji,jj,jk) = zakw * EXP( zbuf1 * zcpexp + zbuf2 * zcpexp2 )
300
301
302               ! APPARENT SOLUBILITY PRODUCT K'SP OF CALCITE
303               !        AS FUNCTION OF PRESSURE FOLLOWING MILLERO
304               !        (P. 1285) AND BERNER (1976)
305               zbuf1  =     - ( devk15 + devk25 * ztc + devk35 * ztc * ztc )
306               zbuf2  = 0.5 * ( devk45 + devk55 * ztc )
307               aksp(ji,jj,jk) = zaksp1 * EXP( zbuf1 * zcpexp + zbuf2 * zcpexp2 )
308
309               ! TOTAL BORATE CONCENTR. [MOLES/L]
310               borat(ji,jj,jk) = bor1 * zcl * bor2
311
312               ! Iron and SIO3 saturation concentration from ...
313               sio3eq(ji,jj,jk) = EXP(  LOG( 10.) * ( 6.44 - 968. / ztkel )  ) * 1.e-6
314               fekeq (ji,jj,jk) = 10**( 17.27 - 1565.7 / ( 273.15 + ztc ) )
315
316            END DO
317         END DO
318      END DO
319      !
320      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_stop('p4z_che')
321      !
322   END SUBROUTINE p4z_che
323
324
325   INTEGER FUNCTION p4z_che_alloc()
326      !!----------------------------------------------------------------------
327      !!                     ***  ROUTINE p4z_che_alloc  ***
328      !!----------------------------------------------------------------------
329      ALLOCATE( sio3eq(jpi,jpj,jpk), fekeq(jpi,jpj,jpk), chemc(jpi,jpj), chemo2(jpi,jpj,jpk),   &
330      &         STAT=p4z_che_alloc )
331      !
332      IF( p4z_che_alloc /= 0 )   CALL ctl_warn('p4z_che_alloc : failed to allocate arrays.')
333      !
334   END FUNCTION p4z_che_alloc
335
336#else
337   !!======================================================================
338   !!  Dummy module :                                   No PISCES bio-model
339   !!======================================================================
340CONTAINS
341   SUBROUTINE p4z_che( kt )                   ! Empty routine
342      INTEGER, INTENT(in) ::   kt
343      WRITE(*,*) 'p4z_che: You should not have seen this print! error?', kt
344   END SUBROUTINE p4z_che
345#endif 
346
347   !!======================================================================
348END MODULE p4zche
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.