calltherm_interface_mod.F90

路径

LMDZ.MARS\libf\phymars\calltherm_interface_mod.F90

所属目录 / 模块

libf\phymars

文件定位

calltherm_interface_mod.F90 定义 Martian thermal plume model 的 physiq 接口层。它不直接求解完整热羽流结构，而是在 physiq_mod.F 的主物理时间步中，当 callkeys_mod:calltherm 为真且 turb_mod:turb_resolved 为假时，准备热羽流输入场、把物理时间步拆成 comtherm_h:nsplit_thermals 个子步长、调用 thermcell_main_mars 计算热羽流温度/CO2 耦合演化，再用 thermcell_dqup 对风、非 CO2 tracer 和可选 TKE 做被动上升输送。

该接口还负责单位约定：thermcell_main_mars 的温度和 CO2 tracer 结果在子步长累计阶段以整步增量保存，写回 physiq 前温度和 CO2 tracer 要除以 ptimestep 变成 tendency；而 thermcell_dqup 返回的风、非 CO2 tracer 和 TKE 已是导数形式。最后，本例程把扩散热通量和热羽流热通量合并，更新 hfmax 和 wstar，供下一物理时间步的 surface-layer gustiness 使用。

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

• 本例程读取 comtherm_h 的编译期参数；其中 GCM 默认 nsplit_thermals=10，qtransport_thermals=.true.，dtke_thermals=.false.。
• 本例程读取 comcstfi_h 中的 r、g、cpp，但不写入该模块。
• 本例程没有 SAVE 状态、没有文件 I/O，也不直接写 NetCDF；所有结果通过 intent(out) 参数返回给 physiq。
• physiq_mod.F 在 calltherm .and. .not.turb_resolved 时调用本接口；若 calltherm 为假或 turbulence-resolved 路径启用，physiq 将 wstar 和 hfmax_th 清零。
• conf_phys.F 中 calltherm 默认 .false.；源码禁止 calltherm 与 calladj 同时开启，并在 calltherm 开启但 callyamada4 或 callrichsl 未开启时打印强建议。

核心逻辑

1. 将所有热羽流输出、诊断和累计数组清零，包括 pdu_th、pdv_th、pdt_th、pdq_th、pbl_dtke、fm_therm、entr_therm、detr_therm、heatFlux、zmaxth。
2. 用热羽流之前已经累计的 tendency 构造输入状态：
   • zu = pu + pdu * ptimestep
   • zv = pv + pdv * ptimestep
   • zt = pt + pdt * ptimestep
   • 若 qtransport_thermals 为真，pq_therm = pq + pdq * ptimestep
3. 若 dtke_thermals 为真，把界面 TKE q2(:,l) 和 q2(:,l+1) 平均成层中心 q2_therm(:,l)。
4. 令 zdt = ptimestep / nsplit_thermals，循环 isplit=1..nsplit_thermals 调用 thermcell_main_mars。每个子步长返回的热羽流高度、质量通量、卷入/脱离、热通量、浮力和垂直速度诊断按 fact=1/nsplit_thermals 做时间平均。
5. 子步长内温度增量 d_t_the 乘以 ptimestep*fact 后累计到 d_t_ajs，并立即加回 zt 作为下一子步长输入；若存在 CO2 tracer，d_q_the(:,:,igcm_co2) 也按相同方式转成整步增量、累计并加回 pq_therm(:,:,igcm_co2)。
6. 子步长结束后，按 masse=(pplev(:,l)-pplev(:,l+1))/g 计算层质量，用 fm_therm(l)-fm_therm(l+1)+entr_therm(l) 重算 detrmod。若 detrmod<0，源码通过减少 entr_therm 并把 detrmod 置零来避免负 detrainment。
7. 以固定 ndt=10 调用 thermcell_dqup 输送 u、v、非 CO2 tracer 和可选 TKE。该例程内部再把 ptimestep 分成 ndt 个输送子步长，最后返回导数。
8. 将输出写回：pdu_th/pdv_th 直接取 d_u_ajs/d_v_ajs；非 CO2 pdq_th 直接取 d_q_ajs；CO2 pdq_th 由于累计的是整步 delta q，需要除以 ptimestep；pdt_th 由 d_t_ajs/ptimestep 得到。
9. 用扩散位温 tendency、感热通量、热羽流温度 tendency 和热羽流底部热通量计算 hfmax，再按 wstar=(g*zmaxth*hfmax/pbl_teta)**(1/3) 更新自由对流速度尺度；若当前 zmax 不大于 0，则 wstar=0。

伪代码

calltherm_interface(...):
    zero all thermals tendencies and diagnostics

    zu = pu + pdu * ptimestep
    zv = pv + pdv * ptimestep
    zt = pt + pdt * ptimestep
    if qtransport_thermals:
        pq_therm = pq + pdq * ptimestep

    if dtke_thermals:
        q2_therm(l) = 0.5 * (q2(l) + q2(l+1))

    zdt = ptimestep / nsplit_thermals
    for each thermal substep:
        thermcell_main_mars(..., zdt, zu, zv, zt, pq_therm, q2_therm, ...)
        average mass fluxes, entrainment/detrainment, plume height, diagnostics
        accumulate temperature delta into d_t_ajs
        if CO2 tracer exists:
            accumulate CO2 delta into d_q_ajs(:,:,igcm_co2)
        update zt and CO2 tracer for next substep

    masse = layer pressure thickness / g
    detrmod = fm(l) - fm(l+1) + entr(l)
    clip negative detrmod by reducing entrainment

    thermcell_dqup(..., zu, d_u_ajs, ndt=10, limz)
    thermcell_dqup(..., zv, d_v_ajs, ndt=10, limz)
    for each non-CO2 tracer:
        thermcell_dqup(..., pq_therm(:,:,iq), d_q_ajs(:,:,iq), ndt=10, limz)
    if dtke_thermals:
        thermcell_dqup(..., q2_therm, dq2_therm, ndt=10, limz)

    pdu_th = d_u_ajs
    pdv_th = d_v_ajs
    pdt_th = d_t_ajs / ptimestep
    pdq_th(non-CO2) = d_q_ajs
    pdq_th(CO2) = d_q_ajs / ptimestep
    pbl_dtke = layer/interface average of dq2_therm when enabled

    combine diffusion heat flux and thermal heat flux
    hfmax = max(wtth + wtdif)
    wstar = cubic_root(g * zmaxth * hfmax / pbl_teta) if zmax > 0 else 0

参与的主题流程

写法特点

• 本文件是自由格式 .F90 模块，但仍使用 LMD 历史风格的长参数列表和 continuation。
• thermcell_main_mars 负责热羽流主动变量的子步长演化；thermcell_dqup 负责质量通量已知后的被动输送，两者在本接口中分阶段耦合。
• CO2 tracer 被特殊处理：CO2 会影响 thermcell_main_mars 的极夜混合逻辑，因此它在主子步长循环中和温度一起更新；非 CO2 tracer 则后处理为被动输送。
• limz 由 thermcell_main_mars 返回，后续输出和 thermcell_dqup 都只填到 limz；初始化保证未覆盖层保持 0。
• wstar 明确滞后一时间步影响 surface layer，因为源码注释说明 surface layer 和 diffusion 在 thermals 之前调用。

复现要点

• 开启路径需要 callphys.def 或默认配置链中 calltherm=.true.；但 conf_phys.F 默认 calltherm=.false.。
• 不要同时开启 calltherm 和 calladj；源码会通过 abort_physic 中止。
• 若复现 thermal plume 方案，comtherm_h 中 nsplit_thermals 是编译期参数，不是运行时 getin_p 参数；GCM 默认 10，MESOSCALE 默认 4。
• qtransport_thermals=.true. 时才输出 tracer tendency；当前源码默认开启。
• dtke_thermals=.false. 是当前默认，且注释标明仍为实验性质；复现实验若打开它，需要同时检查 q2 的层界面/层中心转换。
• CO2 tracer 的 pdq_th 单位转换不同于非 CO2 tracer：CO2 子步长累计的是 delta q，输出前必须除以 ptimestep。
• wstar 和 hfmax 是下一时间步 surface layer gustiness 的反馈量，不应理解为同一时间步已经影响了本次 surface-atmosphere exchange。

待确认

• tracer_mod, only: nqmx,noms 在本文件可见逻辑中未直接使用；待确认是否为历史接口保留。
• pbl_teta 取 MINLOC(abs(dteta(ig,1:lmax(ig))))，若某格点 lmax(ig)=0 的 Fortran 切片行为和运行时保护需要结合编译器/上游 thermcell_main_mars 保证确认；源码随后仅用 zmax>0 控制 wstar，但 pbl_teta 赋值循环未显式跳过 lmax=0。

相关页面

• pbl_parameters_mod：边界层诊断参数中记录了 calltherm 与稳定度函数、calladj 路径的关系。
• config-system：总体物理开关配置入口。
• testphys1d-config：1D 配置和 PBL/对流开关上下文。
• thermcell_main_mars：热羽流主体结构和子步长核心，返回温度、CO2、质量通量和诊断量。
• thermcell_dqup：质量通量已知后的上升输送算子。
• comtherm_h：热羽流编译期参数、子步长数、tracer/TKE 输送开关和主体模型调参常数。
• turb_mod：提供 q2、wstar、hfmax_th、zmax_th 和 sensibFlux 等共享状态数组。
• physiq_mod.md：主物理时间步调度总入口。