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/2011/dev_LOCEAN_2011/NEMOGCM/NEMO/TOP_SRC/PISCES – NEMO

source: branches/2011/dev_LOCEAN_2011/NEMOGCM/NEMO/TOP_SRC/PISCES/p4zflx.F90 @ 2977

Last change on this file since 2977 was 2977, checked in by cetlod, 13 years ago

Add in branch 2011/dev_LOCEAN_2011 changes from 2011/dev_r2787_PISCES_improvment, 2011/dev_r2787_LOCEAN_offline_fldread and 2011/dev_r2787_LOCEAN3_TRA_TRP branches, see ticket #877

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 17.9 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#if defined key_pisces
14   !!----------------------------------------------------------------------
15   !!   'key_pisces'                                       PISCES bio-model
16   !!----------------------------------------------------------------------
17   !!   p4z_flx       :   CALCULATES GAS EXCHANGE AND CHEMISTRY AT SEA SURFACE
18   !!   p4z_flx_init  :   Read the namelist
19   !!   p4z_patm      :   Read sfc atm pressure [atm] for each grid cell
20   !!----------------------------------------------------------------------
21   USE oce_trc                      !  shared variables between ocean and passive tracers
22   USE trc                          !  passive tracers common variables
23   USE sms_pisces                   !  PISCES Source Minus Sink variables
24   USE p4zche                       !  Chemical model
25   USE prtctl_trc                   !  print control for debugging
26   USE iom                          !  I/O manager
27   USE fldread                      !  read input fields
28#if defined key_cpl_carbon_cycle
29   USE sbc_oce, ONLY :  atm_co2     !  atmospheric pCO2               
30#endif
31
32   IMPLICIT NONE
33   PRIVATE
34
35   PUBLIC   p4z_flx 
36   PUBLIC   p4z_flx_init 
37   PUBLIC   p4z_flx_alloc 
38
39   !                                      !!** Namelist  nampisext  **
40   REAL(wp)          ::  atcco2    = 278._wp       !: pre-industrial atmospheric [co2] (ppm)   
41   LOGICAL           ::  ln_co2int = .FALSE.       !: flag to read in a file and interpolate atmospheric pco2 or not
42   CHARACTER(len=34) ::  clname    = 'atcco2.txt'  !: filename of pco2 values
43   INTEGER           ::  nn_offset = 0             !: Offset model-data start year (default = 0)
44
45   !!  Variables related to reading atmospheric CO2 time history   
46   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:) :: atcco2h, years
47   INTEGER  :: nmaxrec, numco2
48
49   REAL(wp) , ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:)  ::  patm      ! atmospheric pressure at kt                 [N/m2]
50   TYPE(FLD), ALLOCATABLE,       DIMENSION(:)    ::  sf_patm   ! structure of input fields (file informations, fields read)
51
52
53   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:) :: oce_co2   !: ocean carbon flux
54   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:) :: satmco2   !: atmospheric pco2
55
56   REAL(wp) ::  t_oce_co2_flx               !: Total ocean carbon flux
57   REAL(wp) ::  t_atm_co2_flx               !: global mean of atmospheric pco2
58   REAL(wp) ::  area                        !: ocean surface
59   REAL(wp) ::  xconv  = 0.01_wp / 3600._wp !: coefficients for conversion
60
61   !!* Substitution
62#  include "top_substitute.h90"
63   !!----------------------------------------------------------------------
64   !! NEMO/TOP 3.3 , NEMO Consortium (2010)
65   !! $Id$
66   !! Software governed by the CeCILL licence     (NEMOGCM/NEMO_CeCILL.txt)
67   !!----------------------------------------------------------------------
68CONTAINS
69
70   SUBROUTINE p4z_flx ( kt )
71      !!---------------------------------------------------------------------
72      !!                     ***  ROUTINE p4z_flx  ***
73      !!
74      !! ** Purpose :   CALCULATES GAS EXCHANGE AND CHEMISTRY AT SEA SURFACE
75      !!
76      !! ** Method  :
77      !!              - Include total atm P correction via Esbensen & Kushnir (1981)
78      !!              - Pressure correction NOT done for key_cpl_carbon_cycle
79      !!              - Remove Wanninkhof chemical enhancement;
80      !!              - Add option for time-interpolation of atcco2.txt 
81      !!---------------------------------------------------------------------
82      USE wrk_nemo, ONLY:   wrk_in_use, wrk_not_released
83      USE wrk_nemo, ONLY:   zkgco2 => wrk_2d_11 , zkgo2 => wrk_2d_12 , zh2co3 => wrk_2d_13 
84      USE wrk_nemo, ONLY:   zoflx  => wrk_2d_14 , zkg   => wrk_2d_15
85      USE wrk_nemo, ONLY:   zdpco2 => wrk_2d_16 , zdpo2 => wrk_2d_17
86      !
87      INTEGER, INTENT(in) ::   kt   !
88      !
89      INTEGER  ::   ji, jj, jm, iind, iindm1
90      REAL(wp) ::   ztc, ztc2, ztc3, zws, zkgwan
91      REAL(wp) ::   zfld, zflu, zfld16, zflu16, zfact
92      REAL(wp) ::   zph, zah2, zbot, zdic, zalk, zsch_o2, zalka, zsch_co2
93      REAL(wp) ::   zyr_dec, zdco2dt
94      CHARACTER (len=25) :: charout
95      !!---------------------------------------------------------------------
96
97      IF( wrk_in_use(2, 11,12,13,14,15,16,17) ) THEN
98         CALL ctl_stop('p4z_flx: requested workspace arrays unavailable')   ;   RETURN
99      ENDIF
100
101      ! SURFACE CHEMISTRY (PCO2 AND [H+] IN
102      !     SURFACE LAYER); THE RESULT OF THIS CALCULATION
103      !     IS USED TO COMPUTE AIR-SEA FLUX OF CO2
104
105      CALL p4z_patm( kt )    ! Get sea-level pressure (E&K [1981] climatology) for use in flux calcs
106
107      IF( ln_co2int ) THEN 
108         ! Linear temporal interpolation  of atmospheric pco2.  atcco2.txt has annual values.
109         ! Caveats: First column of .txt must be in years, decimal  years preferably.
110         ! For nn_offset, if your model year is iyy, nn_offset=(years(1)-iyy)
111         ! then the first atmospheric CO2 record read is at years(1)
112         zyr_dec = REAL( nyear + nn_offset, wp ) + REAL( nday_year, wp ) / REAL( nyear_len(1), wp )
113         jm = 2
114         DO WHILE( jm <= nmaxrec .AND. years(jm-1) < zyr_dec .AND. years(jm) >= zyr_dec ) ;  jm = jm + 1 ;  END DO
115         iind = jm  ;   iindm1 = jm - 1
116         zdco2dt = ( atcco2h(iind) - atcco2h(iindm1) ) / ( years(iind) - years(iindm1) + rtrn )
117         atcco2  = zdco2dt * ( zyr_dec - years(iindm1) ) + atcco2h(iindm1)
118         satmco2(:,:) = atcco2 
119      ENDIF
120
121#if defined key_cpl_carbon_cycle
122      satmco2(:,:) = atm_co2(:,:)
123#endif
124
125      DO jm = 1, 10
126!CDIR NOVERRCHK
127         DO jj = 1, jpj
128!CDIR NOVERRCHK
129            DO ji = 1, jpi
130
131               ! DUMMY VARIABLES FOR DIC, H+, AND BORATE
132               zbot  = borat(ji,jj,1)
133               zfact = rhop(ji,jj,1) / 1000. + rtrn
134               zdic  = trn(ji,jj,1,jpdic) / zfact
135               zph   = MAX( hi(ji,jj,1), 1.e-10 ) / zfact
136               zalka = trn(ji,jj,1,jptal) / zfact
137
138               ! CALCULATE [ALK]([CO3--], [HCO3-])
139               zalk  = zalka - (  akw3(ji,jj,1) / zph - zph + zbot / ( 1.+ zph / akb3(ji,jj,1) )  )
140
141               ! CALCULATE [H+] AND [H2CO3]
142               zah2   = SQRT(  (zdic-zalk)**2 + 4.* ( zalk * ak23(ji,jj,1)   &
143                  &                                        / ak13(ji,jj,1) ) * ( 2.* zdic - zalk )  )
144               zah2   = 0.5 * ak13(ji,jj,1) / zalk * ( ( zdic - zalk ) + zah2 )
145               zh2co3(ji,jj) = ( 2.* zdic - zalk ) / ( 2.+ ak13(ji,jj,1) / zah2 ) * zfact
146               hi(ji,jj,1)   = zah2 * zfact
147            END DO
148         END DO
149      END DO
150
151
152      ! --------------
153      ! COMPUTE FLUXES
154      ! --------------
155
156      ! FIRST COMPUTE GAS EXCHANGE COEFFICIENTS
157      ! -------------------------------------------
158
159!CDIR NOVERRCHK
160      DO jj = 1, jpj
161!CDIR NOVERRCHK
162         DO ji = 1, jpi
163            ztc  = MIN( 35., tsn(ji,jj,1,jp_tem) )
164            ztc2 = ztc * ztc
165            ztc3 = ztc * ztc2 
166            ! Compute the schmidt Number both O2 and CO2
167            zsch_co2 = 2073.1 - 125.62 * ztc + 3.6276 * ztc2 - 0.043126 * ztc3
168            zsch_o2  = 1953.4 - 128.0  * ztc + 3.9918 * ztc2 - 0.050091 * ztc3
169            !  wind speed
170            zws  = wndm(ji,jj) * wndm(ji,jj)
171            ! Compute the piston velocity for O2 and CO2
172            zkgwan = 0.3 * zws  + 2.5 * ( 0.5246 + 0.016256 * ztc + 0.00049946  * ztc2 )
173            zkgwan = zkgwan * xconv * ( 1.- fr_i(ji,jj) ) * tmask(ji,jj,1)
174# if defined key_degrad
175            zkgwan = zkgwan * facvol(ji,jj,1)
176#endif 
177            ! compute gas exchange for CO2 and O2
178            zkgco2(ji,jj) = zkgwan * SQRT( 660./ zsch_co2 )
179            zkgo2 (ji,jj) = zkgwan * SQRT( 660./ zsch_o2 )
180         END DO
181      END DO
182
183      DO jj = 1, jpj
184         DO ji = 1, jpi
185            ! Compute CO2 flux for the sea and air
186            zfld = satmco2(ji,jj) * patm(ji,jj) * tmask(ji,jj,1) * chemc(ji,jj,1) * zkgco2(ji,jj)   ! (mol/L) * (m/s)
187            zflu = zh2co3(ji,jj) * tmask(ji,jj,1) * zkgco2(ji,jj)                                   ! (mol/L) (m/s) ?
188            oce_co2(ji,jj) = ( zfld - zflu ) * rfact * e1e2t(ji,jj) * tmask(ji,jj,1) * 1000.
189            ! compute the trend
190            tra(ji,jj,1,jpdic) = tra(ji,jj,1,jpdic) + ( zfld - zflu ) / fse3t(ji,jj,1)
191
192            ! Compute O2 flux
193            zfld16 = atcox * patm(ji,jj) * chemc(ji,jj,2) * tmask(ji,jj,1) * zkgo2(ji,jj)          ! (mol/L) * (m/s)
194            zflu16 = trn(ji,jj,1,jpoxy) * tmask(ji,jj,1) * zkgo2(ji,jj)
195            tra(ji,jj,1,jpoxy) = tra(ji,jj,1,jpoxy) + ( zfld16 - zflu16 ) / fse3t(ji,jj,1)
196
197            IF( ln_diatrc ) THEN          ! Save diagnostics
198              IF( lk_iomput ) THEN
199                 zoflx(ji,jj) = ( zfld16 - zflu16 ) * 1000. * tmask(ji,jj,1)
200                 zkg  (ji,jj) = zkgco2(ji,jj) * tmask(ji,jj,1)
201                 zdpco2(ji,jj) = ( satmco2(ji,jj) * patm(ji,jj) - zh2co3(ji,jj) / ( chemc(ji,jj,1) + rtrn ) ) * tmask(ji,jj,1)
202                 zdpo2 (ji,jj) = ( atcox * patm(ji,jj) - trn(ji,jj,1,jpoxy)    / ( chemc(ji,jj,2) + rtrn ) ) * tmask(ji,jj,1)
203              ELSE
204                 zfact = 1. / e1e2t(ji,jj) / rfact
205                 trc2d(ji,jj,jp_pcs0_2d    ) = oce_co2(ji,jj) * zfact
206                 trc2d(ji,jj,jp_pcs0_2d + 1) = ( zfld16 - zflu16 ) * 1000. * tmask(ji,jj,1)
207                 trc2d(ji,jj,jp_pcs0_2d + 2) = zkgco2(ji,jj) * tmask(ji,jj,1)
208                 trc2d(ji,jj,jp_pcs0_2d + 3) = ( satmco2(ji,jj)  * patm(ji,jj) - zh2co3(ji,jj) / ( chemc(ji,jj,1) + rtrn ) ) &
209                    &                            * tmask(ji,jj,1)
210              ENDIF
211           ENDIF
212         END DO
213      END DO
214
215      t_oce_co2_flx = t_oce_co2_flx + glob_sum( oce_co2(:,:) )            ! Cumulative Total Flux of Carbon
216      IF( kt == nitend ) THEN
217         t_atm_co2_flx = glob_sum( satmco2(:,:) * patm(:,:) * e1e2t(:,:) )            ! Total atmospheric pCO2
218         !
219         t_oce_co2_flx = (-1.) * t_oce_co2_flx  * 12. / 1.e15             ! Conversion in PgC ; negative for out of the ocean
220         t_atm_co2_flx = t_atm_co2_flx  / area                            ! global mean of atmospheric pCO2
221         !
222         IF( lwp) THEN
223            WRITE(numout,*)
224            WRITE(numout,*) ' Global mean of atmospheric pCO2 (ppm) at it= ', kt, ' date= ', ndastp
225            WRITE(numout,*) '------------------------------------------------------- :  ',t_atm_co2_flx
226            WRITE(numout,*)
227            WRITE(numout,*) ' Cumulative total Flux of Carbon out of the ocean (PgC) :'
228            WRITE(numout,*) '-------------------------------------------------------  ',t_oce_co2_flx
229         ENDIF
230         !
231      ENDIF
232
233      IF(ln_ctl)   THEN  ! print mean trends (used for debugging)
234         WRITE(charout, FMT="('flx ')")
235         CALL prt_ctl_trc_info(charout)
236         CALL prt_ctl_trc(tab4d=tra, mask=tmask, clinfo=ctrcnm)
237      ENDIF
238
239      IF( ln_diatrc ) THEN
240         CALL iom_put( "Cflx" , oce_co2(:,:) / e1e2t(:,:) / rfact ) 
241         CALL iom_put( "Oflx" , zoflx  )
242         CALL iom_put( "Kg"   , zkg    )
243         CALL iom_put( "Dpco2", zdpco2 )
244         CALL iom_put( "Dpo2" , zdpo2  )
245      ENDIF
246      !
247      IF( wrk_not_released(2, 11,12,13,14,15,16,17) )  &
248        &             CALL ctl_stop('p4z_flx: failed to release workspace arrays')
249      !
250   END SUBROUTINE p4z_flx
251
252
253   SUBROUTINE p4z_flx_init
254      !!----------------------------------------------------------------------
255      !!                  ***  ROUTINE p4z_flx_init  ***
256      !!
257      !! ** Purpose :   Initialization of atmospheric conditions
258      !!
259      !! ** Method  :   Read the nampisext namelist and check the parameters
260      !!      called at the first timestep (nit000)
261      !! ** input   :   Namelist nampisext
262      !!----------------------------------------------------------------------
263      NAMELIST/nampisext/ln_co2int, atcco2, clname, nn_offset
264      INTEGER :: jm
265      !!----------------------------------------------------------------------
266      !
267      REWIND( numnatp )                     ! read numnatp
268      READ  ( numnatp, nampisext )
269      !
270      IF(lwp) THEN                         ! control print
271         WRITE(numout,*) ' '
272         WRITE(numout,*) ' Namelist parameters for air-sea exchange, nampisext'
273         WRITE(numout,*) ' ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~'
274         WRITE(numout,*) '    Choice for reading in the atm pCO2 file or constant value, ln_co2int =', ln_co2int
275         WRITE(numout,*) ' '
276      ENDIF
277      IF( .NOT.ln_co2int ) THEN
278         IF(lwp) THEN                         ! control print
279            WRITE(numout,*) '    Constant Atmospheric pCO2 value  atcco2    =', atcco2
280            WRITE(numout,*) ' '
281         ENDIF
282         satmco2(:,:)  = atcco2      ! Initialisation of atmospheric pco2
283      ELSE
284         IF(lwp)  THEN
285            WRITE(numout,*) '    Atmospheric pCO2 value  from file clname      =', TRIM( clname )
286            WRITE(numout,*) '    Offset model-data start year      nn_offset   =', nn_offset
287            WRITE(numout,*) ' '
288         ENDIF
289         CALL ctl_opn( numco2, TRIM( clname) , 'OLD', 'FORMATTED', 'SEQUENTIAL', -1 , numout, lwp )
290         jm = 0                      ! Count the number of record in co2 file
291         DO
292           READ(numco2,*,END=100) 
293           jm = jm + 1
294         END DO
295 100     nmaxrec = jm - 1 
296         ALLOCATE( years  (nmaxrec) )     ;      years  (:) = 0._wp
297         ALLOCATE( atcco2h(nmaxrec) )     ;      atcco2h(:) = 0._wp
298
299         REWIND(numco2)
300         DO jm = 1, nmaxrec          ! get  xCO2 data
301            READ(numco2, *)  years(jm), atcco2h(jm)
302            IF(lwp) WRITE(numout, '(f6.0,f7.2)')  years(jm), atcco2h(jm)
303         END DO
304         CLOSE(numco2)
305      ENDIF
306      !
307      area = glob_sum( e1e2t(:,:) )        ! interior global domain surface
308      !
309      oce_co2(:,:)  = 0._wp                ! Initialization of Flux of Carbon
310      t_atm_co2_flx = 0._wp
311      t_oce_co2_flx = 0._wp
312      !
313   END SUBROUTINE p4z_flx_init
314
315   SUBROUTINE p4z_patm( kt )
316
317      !!----------------------------------------------------------------------
318      !!                  ***  ROUTINE p4z_atm  ***
319      !!
320      !! ** Purpose :   Read and interpolate the external atmospheric sea-levl pressure
321      !! ** Method  :   Read the files and interpolate the appropriate variables
322      !!
323      !!----------------------------------------------------------------------
324      !! * arguments
325      INTEGER, INTENT( in  ) ::   kt   ! ocean time step
326      !
327      INTEGER            ::  ierr
328      CHARACTER(len=100) ::  cn_dir   ! Root directory for location of ssr files
329      TYPE(FLD_N)        ::  sn_patm  ! informations about the fields to be read
330      !!
331      NAMELIST/nampisatm/ sn_patm, cn_dir
332
333      !                                         ! -------------------- !
334      IF( kt == nit000 ) THEN                   ! First call kt=nit000 !
335         !                                      ! -------------------- !
336         !                                            !* set file information (default values)
337         ! ... default values (NB: frequency positive => hours, negative => months)
338         !            !   file   ! frequency !  variable  ! time intep !  clim   ! 'yearly' or ! weights  ! rotation !
339         !            !   name   !  (hours)  !   name     !   (T/F)    !  (T/F)  !  'monthly'  ! filename ! pairs    !
340         sn_patm = FLD_N( 'pres'  ,    24     ,  'patm'    ,  .false.   , .true.  ,   'yearly'  , ''       , ''       )
341         cn_dir  = './'          ! directory in which the Patm data are
342
343         REWIND( numnatp )                             !* read in namlist nampisatm
344         READ  ( numnatp, nampisatm ) 
345         !
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         !
353      ENDIF
354      !
355      CALL fld_read( kt, 1, sf_patm )               !* input Patm provided at kt + 1/2
356      patm(:,:) = sf_patm(1)%fnow(:,:,1)                        ! atmospheric pressure
357
358   END SUBROUTINE p4z_patm
359
360   INTEGER FUNCTION p4z_flx_alloc()
361      !!----------------------------------------------------------------------
362      !!                     ***  ROUTINE p4z_flx_alloc  ***
363      !!----------------------------------------------------------------------
364      ALLOCATE( oce_co2(jpi,jpj), satmco2(jpi,jpj), patm(jpi,jpj), STAT=p4z_flx_alloc )
365      !
366      IF( p4z_flx_alloc /= 0 )   CALL ctl_warn('p4z_flx_alloc : failed to allocate arrays')
367      !
368   END FUNCTION p4z_flx_alloc
369
370#else
371   !!======================================================================
372   !!  Dummy module :                                   No PISCES bio-model
373   !!======================================================================
374CONTAINS
375   SUBROUTINE p4z_flx( kt )                   ! Empty routine
376      INTEGER, INTENT( in ) ::   kt
377      WRITE(*,*) 'p4z_flx: You should not have seen this print! error?', kt
378   END SUBROUTINE p4z_flx
379#endif 
380
381   !!======================================================================
382END MODULE  p4zflx
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.