aeropacity_mod.F

路径

LMDZ.MARS\libf\phymars\aeropacity_mod.F

所属目录/模块

libf\phymars

文件定位

该文件定义气溶胶不透明度（光学厚度）计算模块 aeropacity_mod，是辐射传输与尘埃/水冰/CO2 云之间的关键桥梁。模块导出一个例程 aeropacity，由辐射调用入口 callradite（行 430）在每个辐射时间步调用。

aeropacity 完成三件事：

1. 按配置开关 iaervar 得到参考气压 odpref（610 Pa）处的“规定”尘埃柱可见光柱光学厚度 tau_pref_scenario（常数、Viking、MGS、Escalier 解析场景，或调用 read_dust_scenario 读取观测同化/合成场景）。
2. 对每一种气溶胶（background dust、submicron dust、stormdust、topdust、水冰、CO2 冰）逐层计算可见光光学厚度 aerosol(ngrid,nlayer,naerkind)，并产出 density-scaled opacity 诊断 dsodust/dsords/dsotop。
3. 调用 compute_dustscaling 得到把 GCM 尘埃缩放到场景的系数 tauscaling/dust_rad_adjust，并在 freedust 模式下由尘埃 tracer 反算 GCM 实际柱光学厚度 tau_pref_gcm。

模块层还持有两个描述强制尘埃垂直分布的 SAVE 标量 iddist 和 topdustref，由 conf_phys 读取配置后写入。

定义的符号

依赖的模块

调用的关键例程

输入

输出

共享状态与副作用

• 模块级 SAVE 标量 iddist、topdustref 由 conf_phys（use aeropacity_mod, only: iddist, topdustref）写入，本例程只读。
• 例程内 SAVE + THREADPRIVATE 变量（行 174–189）：cstdustlevel、firstcall、i_ice、i_co2ice、naerdust。firstcall 时一次性识别尘埃散射体/尘埃 tracer、设定 i_ice/i_co2ice、读取 tauvis、按 freedust.or.rdstorm 决定 cstdustlevel。
• 标准输出副作用：firstcall 打印各气溶胶 Qext(vis)/Qext(IR) 与 Qext(IR)/Qabs(IR) 典型廓线，以及 i_ice/i_co2ice 值。
• compute_dustscaling 会就地修改 aerosol（缩放后）。
• 致命中止：非法 iaervar，或 freedust 下未做场景缩放时 tau_pref_gcm>50 触发 abort_physic。
• 编译宏 DUSTSTORM 控制是否编入局地尘暴扰动块；该块还会就地修改 pq(:,:,igcm_dust_mass/igcm_dust_number) 和 reffrad，并改变 firstcall 关闭时机（见“写法特点”）。

核心逻辑

1. 初始化：tau(1:ngrid,1:naerkind)=0。
2. firstcall（行 197–268）：扫描 name_iaer，把名字以 dust/storm/top 开头的归为尘埃散射体（填 naerdust、iaerdust）；扫描 noms 把名字以 dust 开头的 tracer 填入 nqdust；若 water.and.activice 设 i_ice=igcm_h2o_ice；若 co2clouds.and.activeco2ice 设 i_co2ice=igcm_co2_ice；打印诊断廓线；getin_p("tauvis")；按 freedust.or.rdstorm 把 cstdustlevel 设为 1，否则设为 cstdustlevel0=7。非 DUSTSTORM 编译下此处即关闭 firstcall。
3. Section 1 — 场景柱厚度（行 270–328）：按 iaervar 分支得到 tau_pref_scenario：
   • =1 常数 max(tauvis,1e-9)；
   • =2 Viking 余弦季节循环；
   • =3 MGS 纬度+季节 tanh 分布；
   • =5 Escalier 阶梯（Ls 30°–150° 间降到 0.2）；
   • 6–8、24–37、4/124–126 调 read_dust_scenario；
   • 否则 abort_physic。
4. Section 2 — 逐种气溶胶逐层光学厚度（行 330–701）：SELECT CASE(name_iaer(iaer))：
   • dust_conrath：按 iddist 选顶高（const/Viking/MGS），用指数垂直缩放函数（iddist>=1）或 Pollack90 分布（iddist=0）填 aerosol。
   • dust_doubleq：两矩方案。l<=cstdustlevel 时用 cstdustlevel 层值“冻结”避免近地虚高；公式 0.75*Qvis/(rho_dust*reffrad)*pq(dust_mass)*Δp/g；同时算红外 dsodust；若 reff_driven_IRtoVIS_scenario 且 clearatm.and.nohmons，累加 IR 吸收/VIS 消光柱量算 IRtoVIScoef=tauVISext/tauIRabs。
   • dust_submicron：用 igcm_dust_submicron，同样的冻结层处理，仅 VIS。
   • h2o_ice：clearsky 时填 1e-9；否则用 rho_ice 与 i_ice 计算，累加 taucloudvis/taucloudtes；CLFvarying 时按 max(totcloudfrac,0.01) 还原亚格点云。
   • co2_ice：逐点调 density_co2_ice(pt) 得密度，用 i_co2ice 计算并累加 taucloudco2vis/tes；CLFvaryingCO2 时按 totcloudco2frac 还原。
   • stormdust_doubleq：clearatm 时填 1e-25（网格内无风暴部分），否则用 igcm_stormdust_mass 计算并产出 dsords。
   • topdust_doubleq：nohmons 时填 1e-25，否则用 igcm_topdust_mass 计算并产出 dsotop。
5. Section 3 重算（行 703–721）：若 reff_driven_IRtoVIS_scenario，在 IRtoVIScoef 更新后对 iaervar 6–8/24–36/4,124–126 再次调用 read_dust_scenario。
6. DUSTSTORM 块（行 723–860，仅宏开启）：firstcall 下汇总参考 tau_pref_gcm，交互读取局地尘暴参数，按 Spiga et al. 2013 公式逐层加尘埃扰动到 pq 并可改 reffrad，最后把 tau_pref_gcm 清零。
7. 3.1 缩放（行 865）：compute_dustscaling(...) 计算 tauscaling/dust_rad_adjust 并就地缩放 aerosol。
8. 3.2 GCM 柱厚度（行 872–932）：freedust 时清零后只对 dust_doubleq/stormdust_doubleq/topdust_doubleq 累加各自 tracer 贡献，乘 odpref/pplev(:,1)；若 max(tau_pref_gcm)>50 则 abort_physic；非 freedust 时 tau_pref_gcm=tau_pref_scenario。
9. Section 4（行 937–943）：对每种气溶胶逐层累加得柱总 tau。
10. Section 5（行 957–983）：rdstorm 时把 aerosol(stormdust) 除以 totstormfract（折算到风暴面积内浓度）；topflows 时对 contains_mons 的格点把 aerosol(topdust) 除以 alpha_hmons。

伪代码

tau = 0
if firstcall:
    识别尘埃散射体 iaerdust / 尘埃 tracer nqdust
    设 i_ice, i_co2ice（依 water/activice, co2clouds/activeco2ice）
    打印典型 Qext 廓线; getin tauvis
    cstdustlevel = 1 if (freedust or rdstorm) else 7
    (非 DUSTSTORM 编译) firstcall = false

# 1. 场景柱光学厚度
select iaervar:
    1 -> 常数; 2 -> Viking; 3 -> MGS; 5 -> Escalier
    6-8/24-37/4,124-126 -> read_dust_scenario
    else -> abort_physic

# 2. 每种气溶胶逐层光学厚度
for iaer in 1..naerkind:
    select name_iaer(iaer):
        dust_conrath   -> 按 iddist 顶高 + 指数/Pollack 垂直分布
        dust_doubleq   -> 0.75*Qvis/(rho_dust*reff)*pq(dust_mass)*Δp/g
                          冻结 l<=cstdustlevel; 算 dsodust; (可选) IRtoVIScoef
        dust_submicron -> 同上, 用 dust_submicron
        h2o_ice        -> clearsky?1e-9 : 用 rho_ice,i_ice; 累加 taucloudtes; CLFvarying 还原
        co2_ice        -> clearsky?1e-9 : density_co2_ice(pt); 累加 taucloudco2tes; CLFvaryingCO2 还原
        stormdust      -> clearatm?1e-25 : 用 stormdust_mass; 算 dsords
        topdust        -> nohmons?1e-25 : 用 topdust_mass; 算 dsotop

# 3. reff 驱动场景重算（可选） + DUSTSTORM 扰动（宏）
# 3.1 compute_dustscaling 缩放 aerosol
# 3.2 freedust? 由 tracer 反算 tau_pref_gcm(>50 则 abort) : = tau_pref_scenario
# 4. tau = 逐层累加 aerosol
# 5. rdstorm? aerosol(storm)/totstormfract; topflows? aerosol(top)/alpha_hmons

参与的主题流程

写法特点

• 固定格式 Fortran（.F，第 6 列续行）。
• firstcall、cstdustlevel、i_ice、i_co2ice、naerdust 为 SAVE+THREADPRIVATE。
• 多处硬编码常数：参考波长几何因子 0.75、cstdustlevel0=7、Viking/MGS 顶高与季节系数、Escalier 阈值、CLF 下限 0.01、stormdust/topdust 占位值 1e-25、tau_pref_gcm>50 健全性阈值。
• 数值保护：max(...,1e-9)、max(...,1e-3)、max(1E-20,...) 等下限钳制。
• clearatm/nohmons/clearsky 三个开关使本例程在 callradite 内可被多次调用，分别累计网格内/外、含/不含云的贡献。
• iddist/topdustref 是模块级 SAVE，由 conf_phys 配置写入而非本例程内部设定。

复现要点

• 参考气压 odpref=610 Pa（来自 dust_param_mod）；柱质量恒用 (pplev(l)-pplev(l+1))/g。
• 光学厚度核心公式（两矩尘埃/冰）：0.75 * Qref / (rho * reffrad) * mmr * Δp / g。
• cstdustlevel：freedust 或 rdstorm 为 1（不冻结），否则为 7（前 7 层用第 7 层值冻结）。
• freedust=.true. 时 tau_pref_gcm 由 tracer 反算且设 50 的健全性上限；=.false. 时直接等于场景值。
• iaervar 决定场景来源；6–8/24–37/4/124–126 走 read_dust_scenario，需配套场景数据文件。
• stormdust/topdust 的最终 aerosol 在 section 5 分别除以 totstormfract/alpha_hmons，复现辐射传输输入时必须包含该折算。

待确认

• dust_conrath 的 iddist=0（Pollack90）分支写的是 aerosol(ig,l,1)（硬编码索引 1）而非 aerosol(ig,l,iaer)（行 392）。推断：dust_conrath 在 name_iaer 中通常为第 1 种气溶胶，故 iaer=1；但此处与其它分支用 iaer 的写法不一致，复现非默认气溶胶排序时需留意。待确认：iaer 是否恒为 1。
• IRtoVIScoef 仅在 clearatm.and.nohmons（即首次 RT 调用）时更新；其它调用沿用上次值。推断该设计是为只在一次调用里算系数，未在源码注释外进一步说明。

相关页面

• calcstormfract_mod — 产出 totstormfract，供本页 section 5 stormdust 折算
• density_co2_ice — CO2 冰云分支调用的温度依赖密度
• rocketduststorm_mod — stormdust 垂直输运，共享 stormdust tracer 与场景
• topmons_mod — topdust（山顶尘流）输运
• updaterad — 反演 reffrad，本页光学厚度公式的分母来源之一
• radiation 主题、dust-cycle 主题
• callradite_mod - 本页的唯一调用方和辐射入口。
• dust_scaling_mod.md：compute_dustscaling 缩放实现。
• dust_param_mod — 提供 odpref/freedust/reff_driven_IRtoVIS_scenario 和尘埃缩放状态
• read_dust_scenario_mod.md：read_dust_scenario 场景读取。
• conf_phys.md：写入 iddist/topdustref 等物理开关默认值。