Mars 垂直坐标与动力-物理共享状态约定

源码：

• LMDZ.COMMON-6.3\LMDZ.COMMON\libf\dyn3d_common\disvert_noterre.F
• LMDZ.COMMON-6.3\LMDZ.COMMON\libf\dyn3d_common\disvert.F90
• LMDZ.COMMON-6.3\LMDZ.COMMON\libf\dyn3d_common\comvert_mod.F90
• LMDZ.COMMON-6.3\LMDZ.COMMON\libf\phy_common\vertical_layers_mod.F90
• 边界上下文：LMDZ.MARS\libf\dynphy_lonlat\phymars\iniphysiq_mod.F90、ini_archive.F、lect_start_archive.F、readhead_NC.F、newstart.F、start2archive.F，以及 LMDZ.MARS\libf\phymars\physiq_mod.F、dyn1d\init_testphys1d_mod.F90。

本文只覆盖 COMMON 垂直坐标状态如何生成、复制到物理侧、被 Mars utility/physics 使用；Mars 文件只作为使用位置和接口边界。

结论

Mars/Generic 默认垂直坐标链是：

iniconst
  -> disvert_type default = 2 when planet_type != "earth"
  -> disvert_noterre
      -> read esasig.def or z2sig.def
      -> write comvert_mod: ap/bp/aps/bps/presnivs/pseudoalt
  -> inigeom
  -> iniphysiq
      -> inigeomphy
          -> init_vertical_layers(...)
          -> copy comvert_mod state into phy_common/vertical_layers_mod
  -> Mars physiq/outputs/1D/archive consumers

comvert_mod 是动力侧固定维度数组状态；vertical_layers_mod 是物理侧 ALLOCATABLE, SAVE, THREADPRIVATE 状态。两者不是自动共享内存，必须通过 inigeomphy -> init_vertical_layers 或 1D 初始化显式复制。

状态表

disvert_noterre 生成逻辑

disvert_noterre 是 Mars/Generic 默认路径。入口先设置：

• hybrid=.true.，然后 getin('hybrid', hybrid)；hybrid=.false. 时生成纯 sigma 坐标。
• 先尝试打开 esasig.def；失败后打开 z2sig.def；两者都不存在时打印错误并 stop。

esasig.def 分支

esasig.def 分支读取：

1. scaleheight
2. dz0
3. dz1
4. nhaut

然后把 dz0/dz1 除以 scaleheight，用指数和双曲正切构造 interface sig(1:llm+1)。该分支还构造 s(l) 并归一化，源码注释强调它来自能量守恒相关旧方案。

z2sig.def 分支

z2sig.def 分支读取：

1. 第一行 scaleheight
2. 接下来 llm 行 zsig(l)

若行数少于 llm，调用 abort_gcm(modname,"z2sig.def too short?",1)。若多于 llm，只写 WARNING，不 abort。

interface sigma 的构造是：

sig(1) = 1
sig(l) = 0.5 * ( exp(-zsig(l)/scaleheight)
               + exp(-zsig(l-1)/scaleheight) ), l=2..llm
sig(llm+1) = 0

这意味着 z2sig.def 给的是层中心或目标高度序列，disvert_noterre 用相邻高度的指数压力平均构造 interface sigma。

hybrid 与 sigma 分支

nivsigs(l)=l，nivsig(l)=l 只是垂直层索引。

若 hybrid=.true.：

sig_hybrid(sig(l), pa, preff, newsig)
bp(l) = exp(1 - 1/newsig**2)
ap(l) = pa * (newsig - bp(l))
bp(llm+1) = 0
ap(llm+1) = 0

sig_hybrid 求解的目标方程是：

(1 - pa/preff) * exp(1 - 1/newsig**2)
  + (pa/preff) * newsig = sig

当 sig*preff/pa < 0.25 时，源码直接用 newsig=sig*preff/pa；其他情况使用二分迭代，收敛标准按 pseudo-altitude 误差约束。

若 hybrid=.false.：

ap(l) = 0
bp(l) = sig(l)
ap(llm+1) = 0
bp(llm+1) = 0

mid-layer 与参考压力

大多数层：

aps(l) = 0.5 * (ap(l) + ap(l+1))
bps(l) = 0.5 * (bp(l) + bp(l+1))

顶层特殊处理：

• hybrid：aps(llm)=aps(llm-1)**2/aps(llm-2)，bps(llm)=0.5*(bp(llm)+bp(llm+1))
• sigma：bps(llm)=bps(llm-1)**2/bps(llm-2)，aps(llm)=0

然后：

presnivs(l) = aps(l) + bps(l) * preff
pseudoalt(l) = -scaleheight * log(presnivs(l)/preff)

源码注释提醒：顶层 mid-layer 选择是人为约定，并要求与 exner_milieu.F 使用相同假设。

disvert.F90 对照

disvert.F90 是 Earth/通用自动生成路径，iniconst 在 planet_type=="earth" 时默认选择它。它支持 vert_sampling：

• param：读 sigma.def
• sigma
• tropo
• strato
• strato_correct
• strato_custom0
• strato_custom
• read：读 hybrid.txt

它同样写入 comvert_mod: ap/bp/nivsigs/nivsig/preff/pa/presnivs/dpres/scaleheight，但 Mars/Generic 默认不走这条路径，除非 run.def 显式覆盖 disvert_type=1。

动力侧压力使用

动力核通过 pression(ngrid, ap, bp, ps, p) 计算 interface pressure：

p(:,l) = ap(l) + bp(l) * ps(:)

典型使用位置包括：

• caldyn/caldyn_p：动力 tendency 前计算 pressure。
• leapfrog/leapfrog_p 与 MARS leapfrog_nogcm：时间推进和 physics coupling 前刷新 pressure。
• integrd：积分写回前计算 pressure。
• vitvert/vitvert_p：用 bp(l+1) 修正垂直质量通量。
• inidissip、top_bound、sponge：使用 presnivs/scaleheight/pseudoalt 构造垂直剖面或诊断。

复制到物理侧

Mars iniphysiq_mod.F90 先调用 COMMON inigeomphy。inigeomphy_mod.F90 第 22-24 行 USE comvert_mod 读取 preff, ap, bp, aps, bps, presnivs, scaleheight, pseudoalt，第 243-245 行调用：

CALL init_vertical_layers(nlayer, preff, scaleheight,
                          ap, bp, aps, bps, presnivs, pseudoalt)

vertical_layers_mod 为物理侧分配数组并复制这些值。由于该模块变量是 THREADPRIVATE，OpenMP 运行中每个线程有自己的物理侧垂直层状态。

Mars physiq_mod.F 直接 USE vertical_layers_mod, ONLY: ap,bp,aps,bps,presnivs,pseudoalt：

• 初始化 XIOS 时把 presnivs/pseudoalt 传给 initialize_xios_output。
• 表面压力变化后用 zplay=aps+bps*ps、zplev=ap+bp*ps 更新压力层。
• XIOS 输出 ap/bp/aps/bps。

Mars callphysiq_mod.F90 仍从动力-物理接口接收 zplev/zplay/presnivs，但 physics 内部的垂直坐标常量来自 vertical_layers_mod。

Mars utility 和 archive 约定

ini_archive.F

ini_archive.F 从 comvert_mod 读取 ap,bp,aps,bps,pa,preff,presnivs,pseudoalt，写入 archive 变量：

• ap(llm+1)
• bp(llm+1)
• aps(llm)
• bps(llm)
• presnivs(llm)
• pseudoalt(llm)，带 units="km"、positive="up"

readhead_NC.F

readhead_NC.F 用于读取 header/control。它 USE comvert_mod, ONLY: aps,bps,preff，并要求 NetCDF 中存在 aps 和 bps；缺失或读取失败都会 CALL abort。

lect_start_archive.F

lect_start_archive.F 读取旧 archive 做插值：

• aps 缺失时把 apsold=0。
• bps 缺失时尝试读旧变量 sig_s；若也不存在则 abort。
• 垂直插值调用 interp_vert(old, new, apsold, bpsold, aps, bps, psold, ...)。
• q2 等 interface 量使用 ap/bp 作为新网格 interface 坐标。

这说明 archive 兼容层对旧文件有 fallback，但当前 header 读取链对 aps/bps 更严格。

newstart.F 和 start2archive.F

newstart.F 在初始化 physics 前调用 iniphysiq，因此会经 inigeomphy 初始化 vertical_layers_mod；后续在写新 start/startfi 前调用 pression(ip1jmp1, ap, bp, ps, p3d)。

start2archive.F 先调用 iniconst/inigeom/inifilr，再调用 iniphysiq，随后用 pression(ap,bp,ps,p3d) 和 exner_hyb 准备 archive 转换。

1D/testphys1d 约定

Mars 1D 初始化 init_testphys1d_mod.F90 直接使用 COMMON 转发的 comvert_mod：

1. 设置或读取 psurf、pa、preff。
2. 设置 hybrid=.true.，再由 getin("hybrid",hybrid) 覆盖。
3. 调用 disvert_noterre。
4. 调用 init_vertical_layers(nlayer,preff,scaleheight,ap,bp,aps,bps,presnivs,pseudoalt)。
5. 计算 plev=ap+psurf*bp、play=aps+psurf*bps。

这条链不经过 3D iniphysiq，所以 1D 必须自己完成 comvert_mod -> vertical_layers_mod 的复制。

复现检查清单

1. 确认 planet_type 和 disvert_type：Mars/Generic 默认 disvert_type=2。
2. 确认运行目录有 esasig.def 或 z2sig.def；若两者都有，esasig.def 优先。
3. 确认 pa/preff 来源：restart controle、conf_planete、或 1D 初始化默认/输入。
4. 确认 hybrid：默认 .true.，可由 getin("hybrid") 覆盖为纯 sigma。
5. 检查 ap/bp/aps/bps 是否写入 comvert_mod 后再调用 inigeomphy 或 1D init_vertical_layers。
6. 若处理 archive，检查 aps/bps 是否存在；旧 archive 只有 sig_s 时只能走 lect_start_archive fallback，不适合所有读取器。
7. 若排查输出坐标，确认 presnivs 是 Pa，history 常把它除以 100 写成 mb，而 pseudoalt 是 km。

风险和待确认

• disvert_noterre 的 z2sig.def 多余行只警告不 abort；少行才 abort。批量算例检查时应主动比对 llm 和文件行数。
• readhead_NC.F 只读取 aps/bps，不读取完整 ap/bp/pseudoalt；调用链如果需要完整 interface 坐标，必须确认它们已经由当前运行的 disvert_noterre 或其他入口生成。
• 旧 archive 的 sig_s fallback 只在 lect_start_archive 中存在；不能推断所有 Mars NetCDF 读取器都能处理旧格式。

相关页面

• iniconst / conf_planete 行星常数初始化链
• 垂直离散构造
• Mars utility 对 COMMON 状态的使用链路
• Mars utility 常量和垂直坐标使用链路
• Mars 3D gcm 主入口链
• dynetat0.F90 文件页