simpleclouds_mod.F

路径

LMDZ.MARS\libf\phymars\simpleclouds_mod.F

所属目录/模块

libf\phymars

文件定位

该文件定义 simpleclouds_mod 模块，含唯一 subroutine simpleclouds。职责是：在 GCM 某格点空气水汽过饱和时，用一个简化的水冰云方案形成/升华水冰。该方案几乎不含微物理——没有过饱和（瞬时调整到饱和）、不算成核率、不显式追踪 CCN，凝结/升华只按“水汽与饱和混合比之差”一步到位。源码注释明确指出更精确的方案在 improvedclouds。

它额外处理 HDO（半重水）同位素的分馏（hdo 开关），并在末尾调用 updaterice_typ 用 Montmessin et al. (2004) 的典型 CCN 廓线反演水冰晶半径 rice。

调用方（核验）：唯一被 watercloud_mod.F 的简化路径调用（:20 use，:349 call），即 microphys=.false. 时走 simpleclouds、microphys=.true. 时走 improvedclouds。

定义的符号

依赖的模块

调用的关键例程

本文件不调用其他源文件中的例程。

调用方（核验 watercloud_mod.F）：

输入

输出

注意：pdqcloud 只对 h2o_vap/h2o_ice（及 hdo 对应）赋值，其余 tracer 分量被初始化为 0。

共享状态与副作用

• 无 common block，不写文件，无诊断打印。
• 无 SAVE 变量、无 firstcall；纯计算（输出仅由输入和被调例程决定）。
• 内部用局部数组 zq/zq0/zt/zqsat 工作，不修改输入数组。
• 局部 ccn_factor（注释掉的 PARAMETER 4.5）和 rhocloud、rdusttyp、ccntyp、DoH_vap、DoH_ice 等声明但未实际使用（见写法特点）。

核心逻辑

1. 初始化（:90-121）：把 h2o_vap、h2o_ice（及 hdo 对应，若 hdo）按 pq + pdq*ptimestep 更新到局部 zq，水汽下限 1e-30、水冰下限 0，并存初值 zq0；温度 zt = pt + pdt*ptimestep。pdqcloud/pdtcloud/alpha_c 清零。
2. 饱和混合比（:128）：call watersat 得 zqsat。
3. 凝结/升华量（:133-150）：逐点
   • 若 zq(h2o_vap) >= zqsat（过饱和）：dzq = zq(h2o_vap) - zqsat（全部多余水汽凝结）。
   • 否则（不饱和）：dzq = -min(zqsat - zq(h2o_vap), zq(h2o_ice))（升华，但不超过现有冰量）。
   • 更新 zq(h2o_ice) += dzq、zq(h2o_vap) -= dzq。
4. tendency 与潜热（:155-163）：pdqcloud = (zq - zq0)/ptimestep；潜热 lw = (2834.3 - 0.28*(zt-To) - 0.004*(zt-To)²)*1e3（升华潜热温度依赖式，To=273.15），pdtcloud = -pdqcloud(h2o_vap)*lw/cpp。
5. HDO 分馏（:165-211，仅 hdo）：
   • 凝结（pdqcloud(h2o_ice)>0）：分馏系数 alpha_c = exp(13525/zt² - 5.59e-2)（Lamb，仅 hdofrac，否则 =1）；pdqcloud(hdo_ice) = pdqcloud(h2o_ice)*alpha_c*(hdo_vap/h2o_vap)（母体 h2o_vap>qparentmin 才算，否则 0），并以可用 hdo_vap 为上限封顶；pdqcloud(hdo_vap) = -pdqcloud(hdo_ice)。
   • 升华（else）：pdqcloud(hdo_ice) = pdqcloud(h2o_ice)*(hdo_ice/h2o_ice)（母体 h2o_ice>qparentmin 才算），以 -hdo_ice 为下限，pdqcloud(hdo_vap) = -pdqcloud(hdo_ice)。
6. 半径反演（:217-222）：逐点 call updaterice_typ(zq(h2o_ice), tau(ig,1), pzlay, rice)。

伪代码

subroutine simpleclouds(...):
    # 1. 更新局部场
    zq(h2o_vap) = max(pq + pdq*dt, 1e-30);  zq0 = zq
    zq(h2o_ice) = max(pq + pdq*dt, 0.)
    zt = pt + pdt*dt
    if hdo: 同样更新 hdo_vap, hdo_ice
    pdqcloud = 0;  pdtcloud = 0

    # 2. 饱和混合比
    call watersat(zt, pplay -> zqsat)

    # 3. 凝结/升华（瞬时调整到饱和）
    for ig,l:
        if zq(h2o_vap) >= zqsat: dzq = zq(h2o_vap) - zqsat       # 凝结
        else:                    dzq = -min(zqsat-zq(h2o_vap), zq(h2o_ice))  # 升华
        zq(h2o_ice) += dzq;  zq(h2o_vap) -= dzq

    # 4. tendency + 潜热
    for ig,l:
        pdqcloud(h2o_vap) = (zq(h2o_vap)-zq0)/dt
        pdqcloud(h2o_ice) = (zq(h2o_ice)-zq0)/dt
        lw = (2834.3 - 0.28*(zt-To) - 0.004*(zt-To)^2)*1e3
        pdtcloud = -pdqcloud(h2o_vap)*lw/cpp

    # 5. HDO 分馏（若 hdo）
        if 凝结: alpha = hdofrac ? exp(13525/zt^2 - 5.59e-2) : 1
                 pdqcloud(hdo_ice) = pdqcloud(h2o_ice)*alpha*(hdo_vap/h2o_vap)  # 受 qparentmin / 可用量限制
        else:    pdqcloud(hdo_ice) = pdqcloud(h2o_ice)*(hdo_ice/h2o_ice)
        pdqcloud(hdo_vap) = -pdqcloud(hdo_ice)

    # 6. 冰晶半径
    for ig,l: call updaterice_typ(zq(h2o_ice), tau(ig,1), pzlay -> rice)

参与的主题流程

写法特点

• 固定格式 Fortran（.F），续行第 6 列 &，注释 c。
• 简化方案核心是“瞬时饱和调整”：凝结把全部过饱和水汽转冰，升华受现有冰量限制，无过饱和/无成核动力学。
• 潜热 lw 用温度二次多项式（2834.3/0.28/0.004 硬编码系数）。
• HDO 分馏系数 exp(13525/zt² - 5.59e-2)（Lamb 形式）；源码另有一行被注释掉的旧系数 exp(16288/zt² - 9.34e-2)（:169）。
• 声明但未使用的变量：rhocloud、rdusttyp、ccntyp、DoH_vap、DoH_ice，以及注释掉的 ccn_factor。alpha_c 是数组但只在标量意义上逐点用。推断为历史遗留/未来扩展占位。
• 文件头注释提到的 ccn_factor（在一部分尘埃上成核）实际未在本版本代码中生效，半径由 updaterice_typ 的 Montmessin 廓线决定。

复现要点

• 凝结判据用的是“是否 >= zqsat”，过饱和度恒为 0（瞬时平衡）；与 improvedclouds 的显式过饱和/成核完全不同。
• 升华量被 min(..., zq(h2o_ice)) 限制，不会产生负冰。
• 潜热加热只由 pdqcloud(h2o_vap) 驱动（= 凝结潜热释放/升华吸热）。
• HDO 是被动“子”tracer：其 tendency 按母体 H2O 的相变量乘同位素比值（凝结时再乘分馏系数 alpha_c），并受 qparentmin 与可用量限制。复现需保持凝结/升华分支用不同的母体（凝结用 vap 比值，升华用 ice 比值）。
• rice 用 tau(ig,1)（第 1 类气溶胶 = 尘埃）的柱光深，经 updaterice_typ 的典型 CCN 廓线反演，不是预报量。
• 调用方在微物理子步内累加 tendency 作“阶梯输入”，复现时注意本例程内部又一次 pq + pdq*ptimestep 的前推。

待确认

• 文件头注释描述的 ccn_factor/“在一部分尘埃上成核”与当前代码不一致（ccn_factor 已注释掉，半径由 updaterice_typ 决定）。推断注释过时。
• 声明未用变量（rhocloud/rdusttyp/ccntyp/DoH_*）是否在其他版本曾被使用；当前版本确认未用。
• alpha_c 声明为 (ngrid,nlay) 数组但实际逐点赋值/使用，是否有意做空间变量（注释 !!MARGAUX）——当前不影响结果。

相关页面

• watercloud_mod：水云主调度，本例程的唯一调用方，按 microphys 在 simpleclouds/improvedclouds 间切换。
• improvedclouds_mod：完整水冰云微物理方案，本简化方案的对照。
• water-saturation-helpers：watersat 饱和混合比公式。
• updaterad：updaterice_typ 半径反演所在模块。
• 水循环父级主题页。