压力与质量算子 family

输入范围

dyn3d_common\pression.F90
dyn3d_common\massdair.F
dyn3d_common\massbar.F90
dyn3d_common\massbarxy.F90
dyn3d_common\psextbar.F
dyn3dpar\pression_p.F
dyn3dpar\massdair_p.F
dyn3dpar\massbar_p.F
dyn3dpar\massbarxy_p.F

Mars 运行参与度：必经。每次 ps 更新后都需要重新计算压力和空气质量；massbar/massbarxy 在初始化阶段必经，psextbar 仅串行初始化调用。

例程定位

这组短算子从地表压力 ps 和混合坐标系数 ap/bp 出发，依次构造 3D 压力场 p、每层空气质量 masse、质量在 U/V/Z 点的加权平均 massebx/masseby/massebxy 以及地表压力面积加权平均 psexbarxy。它们是 caldyn 初始化段和 leapfrog 主循环中压力/质量刷新的基础，被动力 tendency、能量诊断和耗散链路使用。

对照表

核心流程

pression：层界压力

SUBROUTINE pression( ngrid, ap, bp, ps, p )
INTEGER, INTENT(IN)  :: ngrid
REAL,    INTENT(IN)  :: ap(llmp1), bp(llmp1), ps(ngrid)
REAL,    INTENT(OUT) :: p(ngrid,llmp1)

公式：p(:,l) = ap(l) + bp(l) * ps(:)，对 l=1..llmp1 逐层计算。l=1 对应地表（p=ps），l=llm+1 对应模式顶（p=0，因为 ap(llmp1)=0, bp(llmp1)=0）。

Include：dimensions.h、paramet.h。

并行版 pression_p 额外 USE parallel_lmdz，用 ij_begin-iip1 到 ij_end+2*iip1 的子域范围扩展（保证 halo 带也有压力值），极点处缩减到 ij_begin/ij_end。OMP DO 调度。

massdair：每层空气质量

SUBROUTINE massdair( p, masse )
REAL p(ip1jmp1,llmp1), masse(ip1jmp1,llm)

公式：masse(ij,l) = airesurg(ij) * (p(ij,l) - p(ij,l+1))。使用 airesurg（来自 comgeom.h，由 inigeom 初始化）把压力差转为质量。每层循环后做周期边界复制：masse(ij+iim,l) = masse(ij,l) 把第一列复制到 iip1 列。

Include：dimensions.h、paramet.h、comgeom.h。

注意：源码注释掉了极点质量面积加权平均的段（原用于极点一致性处理），当前活跃路径不做极点平均。

并行版 massdair_p 用 ij_begin-iip1 到 ij_end+2*iip1 的扩展子域，极点缩减。OMP DO 调度。

massbar：U/V 点质量平均

SUBROUTINE massbar( masse, massebx, masseby )
REAL, INTENT(IN)  :: masse(ip1jmp1,llm)
REAL, INTENT(OUT) :: massebx(ip1jmp1,llm)
REAL, INTENT(OUT) :: masseby(ip1jm,llm)

按 C-grid staggered 网格的面积权重把标量点质量插值到风点：

• massebx(ij,l) = masse(ij,l)*alpha1p2(ij) + masse(ij+1,l)*alpha3p4(ij+1) — 定位于 U 点（纬向风点）。
• masseby(ij,l) = masse(ij,l)*alpha2p3(ij) + masse(ij+iip1,l)*alpha1p4(ij+iip1) — 定位于 V 点（经向风点）。

alpha1p2/alpha3p4/alpha2p3/alpha1p4 来自 comgeom.h，由 iniconst/inigeom 初始化的面积权重组合系数。

周期边界修正：massebx(iip1,j) = massebx(1,j)。

并行版 massbar_p 按子域范围执行，极点条件缩减。OMP DO 调度。

massbarxy：Z 点质量平均

SUBROUTINE massbarxy( masse, massebxy )
REAL, INTENT(IN)  :: masse(ip1jmp1,llm)
REAL, INTENT(OUT) :: massebxy(ip1jm,llm)

四邻加权：massebxy(ij,l) = masse(ij,l)*alpha2(ij) + masse(ij+1,l)*alpha3(ij+1) + masse(ij+iip1,l)*alpha1(ij+iip1) + masse(ij+iip2,l)*alpha4(ij+iip2)。定位于 Z 点（涡度/角点）。

使用原始 alpha1/alpha2/alpha3/alpha4（来自 comgeom.h），不是组合系数。周期边界修正同 massbar。

并行版 massbarxy_p 用 ij_begin-iip1 到 ij_end，极点各缩减 iip1。OMP DO 调度。

psextbar：地表压力面积加权平均

SUBROUTINE psextbar( ps, psexbarxy )
REAL ps(ip1jmp1), psexbarxy(ip1jm), pext(ip1jmp1)

先计算 pext(ij) = ps(ij) * aire(ij)，再做四邻加权平均到 Z 点：psexbarxy(ij) = pext(ij)*alpha2(ij) + pext(ij+1)*alpha3(ij+1) + pext(ij+iip1)*alpha1(ij+iip1) + pext(ij+iip2)*alpha4(ij+iip2)。

周期边界修正同上。

Include：dimensions.h、paramet.h、comgeom.h。

无并行变体：caldyn_p.F 中 psextbar 调用被注释掉（cym 标记），并行路径不产生 psexbarxy。

调用链路

caldyn 初始化段（一次性）

caldyn.F（串行）和 caldyn_p.F（并行）在初始化阶段调用完整五步链：

1. pression(ip1jmp1, ap, bp, ps, p) — 初始 3D 压力。
2. psextbar(ps, psexbarxy) — 仅串行；并行注释掉。
3. massdair(p, masse) — 初始空气质量。
4. massbar(masse, massebx, masseby) — 初始 U/V 质量。
5. massbarxy(masse, massebxy) — 初始 Z 质量。

leapfrog 主循环（反复刷新）

leapfrog.F 和 leapfrog_p.F 在主循环中每当 ps 更新后调用子集：

• pression/pression_p：每次 ps 变化后刷新 3D 压力（约 4 处调用点：初始化、tendency 后、conservation 前、physics 后）。
• massdair/massdair_p：当需要质量相关量（如 flumass、convmas）时刷新（约 2 处调用点）。
• massbar/massbarxy：主循环中不调用，仅初始化时使用。

leapfrog_nogcm

MARS phymars/leapfrog_nogcm.F 同样调用 pression 和 massdair，但不调用 massbar/massbarxy/psextbar（因为不走完整 caldyn 初始化路径）。

网格位置和面积权重

所有面积权重系数由 inigeom/iniconst 初始化并存储在 comgeom.h 中。C-grid staggered 网格的约定：

alpha1(i,j) = aire(i+1/4,j-1/4) / aire(i,j) 等四个系数分别对应四个象限的面积比。组合系数如 alpha1p2 = alpha1 + alpha2 是两个相邻象限的和。

串并行差异

复现要点

• pression 是所有压力相关计算的起点；ap/bp 来自 comvert_mod，ps 是 prognostic 变量。
• airesurg、alpha1..alpha4、alpha1p2..alpha1p4 等几何系数必须在 inigeom/iniconst 之后才可用。
• 并行版的 halo 扩展范围意味着 pression_p 和 massdair_p 的输出覆盖了 halo 带，调用方无需额外 halo 交换即可使用。
• massbar/massbarxy 只在初始化时被调用一次；后续主循环中不再刷新，因此假设 massebx/masseby/massebxy 在时间推进中保持不变或由其使用方自行更新。
• psextbar 的并行缺失不影响 Mars 正常运行，因为 psexbarxy 在并行路径中不被使用。

待确认

• psexbarxy 在串行 caldyn.F 中的使用方需在 caldyn 文件页中追踪确认。
• massbar/massbarxy 输出 massebx/masseby/massebxy 在 caldyn 中的使用链路需逐行确认（可能被 flumass、bernoui 或 tendency 组装使用）。
• massdair 注释掉的极点面积加权平均在 Mars 配置下是否有激活路径。

相关页面

• 风场转换与质量通量算子组
• mass-pressure-energy-overview
• caldyn-serial-parallel
• caldyn 动力 tendency 分段
• exner-cpdet-helpers
• leapfrog-state-contract
• vertical-discretization
• inigeom
• dynamics-initializers