conc_mod.F90

路径

LMDZ.MARS\libf\phymars\conc_mod.F90

所属目录/模块

libf\phymars

文件定位

conc_mod.F90 定义 conc_mod，是 phymars 中保存逐格点、逐层大气混合物热力学属性的共享模块。它维护四个二维数组：平均摩尔质量 mmean、热导率系数 Akknew、定压比热 cpnew 和比气体常数 rnew。

初始化时，phys_state_var_init_mod.F90 只负责分配这些数组；physiq_mod.F 首次调用 init_r_cp_mu 把 rnew/cpnew/mmean 填成 comcstfi_h 的常数值。每个物理步中，只有 photochem 或 callthermos 为真时，physiq 才调用 update_r_cp_mu_ak，用当前 tracer 混合比和 tracer 摩尔质量重算 mmean/rnew/cpnew/Akknew。下游 CO2 云、CO2 饱和、NLTE、热层/化学和若干诊断路径读取这些数组，把质量混合比换成体积混合比、更新气体常数或比热。

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

• mmean/Akknew/cpnew/rnew 是 SAVE, ALLOCATABLE, PROTECTED 模块变量；模块外可读取，但不能直接写入。
• 四个数组都用 OpenMP THREADPRIVATE，并行复现时需要确认每个线程完成分配和初始化。
• update_r_cp_mu_ak 内部的 nbq/niq/aki/cpi/firstcall 也是 SAVE + THREADPRIVATE；首次调用时按当前 tracer 索引构造参与计算的 tracer 列表。
• 首次调用 update_r_cp_mu_ak 会向标准输出打印 nbq、niq(1:nbq)、aki(1:nbq)、cpi(1:nbq)。
• ini_conc_mod 只分配，不初始化数值；init_r_cp_mu 不写 Akknew。如果 photochem 和 callthermos 都为假，Akknew 可能未被本模块赋值，但通常也不会被需要动态热导率的路径读取。

核心逻辑

1. phys_state_var_init_mod.F90 在初始化共享物理状态时，先调用 end_conc_mod，再调用 ini_conc_mod(ngrid,nlayer)，分配 mmean/Akknew/cpnew/rnew。
2. physiq_mod.F 的 firstcall 阶段调用 init_r_cp_mu(ngrid,nlayer)，把 rnew(:,:)=r、cpnew(:,:)=cpp、mmean(:,:)=mugaz。
3. 每个物理时间步先把 pdt/pdq 等 tendency 清零，再经过动力质量修正等前置步骤。
4. 若 photochem.or.callthermos 为真，physiq 调用 update_r_cp_mu_ak(ngrid,nlayer,nq,zplay,pt,pdt,pq,pdq,ptimestep)。
5. update_r_cp_mu_ak 首次调用时，遍历 tracer_mod 中的化学/热层 tracer 索引，凡 igcm_* /= 0 的 tracer 都加入 niq(1:nbq)，并为它们设置热导率系数 aki 和比热 cpi。源码中包含 30 类候选：CO2、CO、O、O(1D)、O2、O3、H、H2、OH、HO2、H2O2、N2、Ar、H2O vapor、N、NO、NO2、N2D、He、CO2+、O+、O2+、CO+、C+、N+、NO+、N2+、H+、HCO2+、electron。
6. 每次更新时，先构造当前有效温度 zt=pt+pdt*ptimestep；再只对参与计算的 tracer 构造 zq=max(1.e-30, pq+pdq*ptimestep)。
7. 对每个格点和层，按 mmean = 1 / sum(zq(iq)/mmol(iq)) 计算平均摩尔质量，再按 rnew = 8.314/mmean*1.e3 转成比气体常数。
8. 继续按 ntot = pplay/(1.381e-23*zt)*1.e-6 计算总数密度（#/cm3），再按 ni = ntot*zq*mmean/mmol 得到各 tracer 数密度。
9. 按质量混合比加权求 cpnew = sum(zq*cpi)，按数密度加权求 Akknew = sum(ni*aki)/ntot。
10. 下游立即可用更新后的 rnew 计算 zzlay/zzlev，并用 mmean 做 CO2/H2O/化学 tracer 体积混合比诊断。

伪代码

ini_conc_mod(ngrid, nlayer):
    allocate mmean(ngrid,nlayer), Akknew(ngrid,nlayer)
    allocate cpnew(ngrid,nlayer), rnew(ngrid,nlayer)

end_conc_mod:
    deallocate each array if allocated

init_r_cp_mu(ngrid, nlayer):
    rnew = comcstfi_h:r
    cpnew = comcstfi_h:cpp
    mmean = comcstfi_h:mugaz

update_r_cp_mu_ak(...):
    if firstcall:
        build compact tracer list niq(1:nbq) from nonzero igcm_* indices
        assign aki/cpi coefficients for each selected tracer
        print selected indices and coefficients
        firstcall = false

    zt = pt + pdt * ptimestep
    for each selected tracer iq:
        zq(:,:,iq) = max(1e-30, pq(:,:,iq) + pdq(:,:,iq) * ptimestep)

    for each grid point and layer:
        mmean = 1 / sum_over_selected_tracers(zq(iq) / mmol(iq))
        rnew = 8.314 / mmean * 1000

        ntot = pplay / (k_B * zt) converted from m-3 to cm-3
        cpnew = sum_over_selected_tracers(zq(iq) * cpi(compact_index))
        Akknew = sum_over_selected_tracers(
                    ntot * zq(iq) * mmean / mmol(iq) * aki(compact_index)
                 ) / ntot

参与的主题流程

写法特点

• 自由格式 .F90 模块，使用 PROTECTED 防止模块外写共享数组。
• ini_conc_mod 没有已分配保护；调用方通过先 end_conc_mod 再 ini_conc_mod 避免重复分配。
• update_r_cp_mu_ak 的 tracer 系数表只在首次调用时构造，并受 THREADPRIVATE 影响。
• 多个 aki/cpi 值旁边带 !? 或 0，源码注释说明这些值是估计值；这在复现实验中属于参数不确定来源。
• zq 只为被选入 niq(1:nbq) 的 tracer 写值，后续也只读取这些 tracer。

复现要点

• 必须先执行 ini_conc_mod 分配数组，再执行 init_r_cp_mu 或 update_r_cp_mu_ak 填数值。
• 如果 photochem 和 callthermos 都关闭，mmean/rnew/cpnew 保持常数背景；不要假定它们每步都会随 CO2/H2O tracer 改变。
• mmean 使用 tracer_mod:mmol 的 g/mol 单位；rnew=8.314/mmean*1.e3 中的 1.e3 是从 g 转 kg 的换算。
• update_r_cp_mu_ak 只纳入源码列出的化学/热层 tracer。若某个未列入的 tracer 在质量上不可忽略，它不会进入 mmean/cpnew/Akknew。
• zq 对参与 tracer 设下限 1.e-30；极小或负 tracer tendency 不会让分子量求和变成零，但也可能掩盖非常小浓度下的符号问题。
• cpnew=sum(zq*cpi) 未显式除以 sum(zq)；复现时应确认参与 tracer 的质量混合比总和接近 1，或接受这是源码定义的质量加权形式。

待确认

• Akknew 在 photochem/callthermos 关闭时是否有任何运行路径读取；本页只确认 init_r_cp_mu 不初始化它。
• 若 tracer 列表中没有任何 igcm_* 被选入，mmean=1/sum(...) 会发生除零；实际配置是否总保证 nbq>0 需由 tracer 初始化约束确认。
• aki/cpi 中标注 !? 或设为 0 的物种参数是否仍代表当前推荐值，需要对照热层/化学方案文档。

相关页面

• phymars/index：phymars 目录总览。
• comcstfi_h：提供常数背景 r/cpp/mugaz。
• tracer_mod：提供 tracer 索引和 mmol 摩尔质量数组。
• co2-saturation-helpers：tcondco2 读取 mmean 计算 CO2 分压。
• co2cloud_mod：读取 mmean/rnew 做 CO2 云饱和、分压和几何相关计算。
• conduction：热层分子热传导，读取 Akknew/cpnew/rnew 构造传导系数与热容项。
• improvedco2clouds_mod：读取 mmean 做 CO2 云微物理分压和质量传输计算。
• improvedclouds_mod：读取 mmean 做水汽分压计算。
• massflowrateco2：其 Matm 输入来自 mmean(ig,l)。
• phys_state_var_init_mod
• physiq_mod.md：主物理时间步调度总入口。
• nlte_tcool_mod.md、nltecool.md：NLTE cooling-time 与冷却入口。