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Mars utility 常量和垂直坐标使用链路

源码范围：

本文只解释 Mars utility 如何读取、重建、写回 COMMON 常量和垂直坐标状态；更宽的 start/restart/archive 文件职责见 Mars start/restart/archive 边界，垂直离散公式见 Mars 垂直坐标约定。

NetCDF 读写和 helper 边界见 Mars utility NetCDF 和 COMMON helper 边界：Mars archive utilities 主要直接使用 netcdf.inc/NF_*，COMMON netcdf95/handle_err 只适用于实际 nf95_* 调用链。

结论

Mars newstart/start2archive/archive 工具不是只搬 NetCDF 变量。它们会把 archive 或 start/startfi 中的控制量重新灌回 COMMON 状态模块，再调用 COMMON 初始化链重建当前编译网格下的常量、垂直坐标和物理侧垂直层副本。

核心链路是：

archive/start header or Mars defaults
  -> comconst_mod: rad/omeg/g/cpp/kappa/r/daysec/dtvr/dtphys
  -> comvert_mod: ap/bp/aps/bps/pa/preff/presnivs/pseudoalt
  -> iniconst/inigeom/iniphysiq
  -> inigeomphy -> init_vertical_layers
  -> vertical_layers_mod physical-side copy
  -> archive write, vertical interpolation, physics restart/writeout

这条链的关键边界是：comvert_mod 是动力侧固定维度数组，vertical_layers_mod 是物理侧 ALLOCATABLE, SAVE, THREADPRIVATE 副本。两者不会自动同步，必须由 inigeomphy -> init_vertical_layers 或 1D 初始化显式复制。

状态提供者

模块 状态 维度和含义 Mars utility 使用方式
comconst_mod im,jm,lllm, dtvr, daysec, dtphys, rad, omeg, g, r, cpp, kappa, pi 动力维度、时间步和行星常量 newstart/readhead_NC/ini_archive/start2archive 读写 controle，lect_start_archive 用 kappa/g/pi 重构热力和守恒量，datareadnc 用 g/pi 做地形和角度换算。
comvert_mod ap,bp,aps,bps,presnivs,pseudoalt,pa,preff,scaleheight 动力侧 hybrid/sigma 垂直层状态 ini_archive 写入 archive；lect_start_archive 用新旧 ap/bp/aps/bps/preff 做垂直重映射；newstart/start2archive 在压力、Exner 和写出前使用。
vertical_layers_mod ap,bp,aps,bps,presnivs,pseudoalt,preff,scaleheight 物理侧 allocatable/threadprivate 副本 inigeomphy 或 1D init_testphys1d 调 init_vertical_layers 后供 Mars physics/XIOS/diagfi 使用。

vertical_layers_mod.F90 的 init_vertical_layers(nlayer,...) 只分配并复制输入数组，不重新计算垂直坐标。因此上游必须先保证 comvert_mod 中的 ap/bp/aps/bps/presnivs/pseudoalt 已经由 restart/header 或 disvert_noterre 等初始化路径生成。

newstart.F 的重建顺序

newstart.F 读取 start_archive.nc 或 start.nc/startfi.nc 后，会同时恢复 Mars 物理控制量和 COMMON 动力状态：

  1. 入口 USE comvert_mod, ONLY: ap,bp,pa,preff，并从 comconst_mod 取 lllm/daysec/dtphys/dtvr/cpp/kappa/rad/omeg/g/r/pi。
  2. 初始 Mars 常量先给默认值：cpp=744.499，preff=610.。这不是最终唯一来源，后续会结合 controle 和 tabfi 重写。
  3. 从 archive 或 start/startfi 读取 controle，把 kappa 和守恒基准量写回 COMMON 动力状态。
  4. 调 tabfi 读 Mars physics 控制量，再写回 rad/omeg/g/daysec；随后根据 day_step 计算 dtvr=daysec/day_step，并派生 dtphys=dtvr*iphysiq。
  5. 调 iniconst 和 inigeom 后再调 Mars iniphysiq。iniphysiq 内会进入 COMMON inigeomphy，把动力侧垂直层复制到 vertical_layers_mod。
  6. 从 archive 分支进入 lect_start_archive；从 start/startfi 分支进入 dynetat0/phyetat0。二者之后再写新的 restart.nc/restartfi.nc。

复现要点：newstart 的 preff=610. 是 Mars utility 保护性默认值，但 archive/start 分支仍会把大量控制量从文件读回。不要把这一行理解为所有垂直坐标都绕过 controle 或 disvert_noterre。

start2archive.F 的合并顺序

start2archive.F 从 start.nc/startfi.nc 合成 start_archive.nc：

  1. USE comvert_mod, ONLY: ap,bp，并从 comconst_mod 取 daysec/dtphys/rad/g/r/cpp。
  2. 先 defrun_new 和 infotrac_init，再调用 dynetat0 从 start.nc 恢复动力状态。
  3. 调 iniconst/inigeom/inifilr/iniphysiq 之后，COMMON 常量、几何和物理侧垂直层状态才对后续 archive 写出可用。
  4. 物理网格字段通过 gr_fi_dyn 回到动力 scalar 网格。
  5. 若 archive 不存在，调用 ini_archive 写头、controle 和垂直坐标；随后写当前 Time=day_ini+hour_ini 以及 2D/3D 变量。

复现要点：start2archive 依赖 dynetat0 和 phyetat0/tabfi 分别恢复动力与物理状态，但 archive 头中的常量和垂直坐标来自当前 COMMON 全局状态。因此如果先前的 iniconst/inigeom/iniphysiq 顺序被跳过，ini_archive 写出的 header 会不完整或不一致。

archive header 的写回和读取

ini_archive.F 是写出方向。它从 comconst_mod 和 comvert_mod 读取状态，填入长度 100 的 tab_cntrl：

同一例程还定义并写出 ap,bp,aps,bps,presnivs,pseudoalt。这些变量让后续 archive 可同时支持动力侧 pressure 计算、物理侧 vertical axis 和旧网格到新网格的垂直插值。

readhead_NC.F 是读取方向。它把 controle 写回 im/jm/lllm/day_ini/rad/omeg/g/cpp/kappa/daysec/dtvr 和能量基准量，再设置 r=kappa*cpp。源码中 preff=610. 覆盖了注释里的 tab_cntrl(18) 读取路径，并带有“diagfi 不一定适用”的注释。这是 Mars utility 的特殊边界：readhead_NC 并不等价于完整反序列化 ini_archive 的每一个字段。

lect_start_archive.F 的垂直插值使用

lect_start_archive.F 是 newstart 从 archive 重建 start 的核心读入器。它直接 USE comvert_mod, ONLY: ap,bp,aps,bps,preff，并从 comconst_mod 取 kappa,g,pi。

关键使用点：

复现要点：lect_start_archive 是兼容旧 archive 的地方。它可以处理某些旧变量名或缺失分支，但这种 fallback 不应推广到 readhead_NC、ini_archive 或其他读取器。

datareadnc.F 的常量使用

datareadnc.F 不使用垂直坐标，但使用 COMMON 常量接口。它从 comconst_mod 取 g,pi，读取 surface.nc 并把地形、反照率、热惯量等插值到当前动力网格：

这说明 Mars utility 的常量使用不只在 archive header 内，也贯穿 surface 初始化和网格插值输入准备。

1D/testphys1d 边界

Mars 1D 路径通过 phymars/dyn1d 转发文件暴露 COMMON 模块名，但初始化顺序不同于 3D GCM：

  1. init_testphys1d_mod.F90 手写 Mars 常量：rad=3397200., daysec=88775., g=3.72, mugaz=43.49，并派生 r/cpp/rcp。
  2. 默认 psurf=610.、pa=50.、preff=610.，也可以从 start1D.txt 或 testphys1d.def 覆盖。
  3. 调 disvert_noterre 写入 comvert_mod。
  4. 立即调用 init_vertical_layers(nlayer,preff,scaleheight,ap,bp,aps,bps,presnivs,pseudoalt)。
  5. 用 plev=ap+psurf*bp、play=aps+psurf*bps 供 physiq 调用；主循环中 surface pressure 变化后再重算 plev/play。

复现要点：1D 是接口兼容路径，不走 3D newstart/start2archive 的 archive header 链，也不应把 1D 的手写常量顺序误写成 3D GCM 的正常初始化顺序。

检查清单

复现或排查 Mars utility 常量/垂直状态时，按以下顺序检查：

  1. 文件来源：当前路径是 archive、start/startfi、还是 1D 文本 restart。
  2. 常量来源：rad/omeg/g/daysec/kappa/cpp/r/dtvr/dtphys 是从 controle/tabfi 恢复，还是由 1D/Mars 默认值重建。
  3. 垂直坐标来源：ap/bp/aps/bps/presnivs/pseudoalt 是从当前 disvert_noterre 生成，还是由 archive 变量参与插值。
  4. 物理侧副本：是否已经调用 iniphysiq -> inigeomphy -> init_vertical_layers，或 1D 直接调用 init_vertical_layers。
  5. preff 边界：newstart/readhead_NC/init_testphys1d 存在 Mars 610 Pa 默认或覆盖，不能简单假设 tab_cntrl(18) 在所有工具中原样生效。
  6. 旧 archive 兼容：lect_start_archive 的 fallback 只属于 archive 读入插值路径，不能替代 header 读取器的要求。

风险和待确认

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