updaterad.F90

路径

LMDZ.MARS\libf\phymars\updaterad.F90

所属目录/模块

libf/phymars

文件定位

源码依据（第 5-7 行注释）：本模块将 GCM 中所有冰和尘埃的有效半径计算集中到一处，使全代码中的粒径计算保持一致，并让"大量半径 bug"更容易排查。

源码依据（第 9-11 行注释）：半径计算并非总在整个格点上执行（参见 improvedcloud），因此子例程设计为标量接口（逐格点逐层调用），而非数组接口。

在系统中，updaterad 是尘埃循环、水循环和 CO₂ 云循环中粒子粒径更新的底层统一计算工具。它被 callsedim_mod、improvedclouds_mod、watercloud_mod、simpleclouds_mod、co2cloud_mod、improvedco2clouds_mod 和 updatereffrad_mod 共 7 个模块调用。

定义的符号

模块级参数

依赖的模块

调用的关键例程

输入

所有子例程均为标量接口，逐格点逐层调用。

updaterice_micro

updaterice_microco2

updaterice_typ

updaterdust / updaterccn / updaterccnCO2

输出

updaterice_micro

updaterice_microco2

updaterice_typ / updaterdust / updaterccn / updaterccnCO2

共享状态与副作用

• 模块级参数：16 个阈值/限幅常数（第 18-50 行），为编译时常量（parameter），不可运行时修改。
• 无 SAVE/THREADPRIVATE 变量：所有计算为无状态纯函数。
• 无文件 I/O，无诊断输出。

核心逻辑

updaterice_micro（第 60-93 行）

1. 阈值保护（第 71-72 行）：nccn_true = max(nccn*coeff, 1e-30)，qccn_true = max(qccn*coeff, 1e-30)。
2. 云密度（第 79-80 行）： rhocloud = (qice*rho_ice + qccn_true*rho_dust) / (qice + qccn_true) 限幅：rhocloud = min(max(rhocloud, rho_ice), rho_dust)
3. 半径³（第 82 行）： rice = (qice + qccn_true) * 0.75 / (π * rhocloud * nccn_true)
4. 限幅取立方根（第 84-90 行）：rice ≤ r3icemin → ricemin；rice ≥ r3icemax → ricemax；否则 rice^(1/3)。

源码第 75-77 行警告：不可对 qccn 或 nccn 设阈值来强制 rice = ricemin，否则小但非零的 qice 会得到极大的不透明度。

updaterice_microco2（第 97-138 行）

1. 阈值保护（第 113-117 行）：CCN 和 H₂O CCN 分别设下限。
2. CO₂ 冰密度（第 119 行）：call density_co2_ice(temperature, rho_ice_co2T) — 温度依赖。
3. 云密度（第 121-123 行）： rhocloudco2 = (qice*rho_ice_co2T + qccn_true*rho_dust + qccn_h2o_true*rho_ice) / (qice + qccn_true + qccn_h2o_true)
4. 半径³（第 125 行）： rice = (qice + qccn_true + qccn_h2o_true) * 0.75 / (π * rhocloudco2 * (nccn_true + nccn_h2o_true))
5. 限幅取立方根（第 129-135 行）：同 updaterice_micro 模式。

updaterice_typ（第 146-186 行）

1. 典型 CCN 廓线（第 162 行，Montmessin et al. 2004）： nccn = 1.3e+8 * max(tau, 0.001) / 0.1 * exp(-pzlay/10000) 源码注释：N₀ = 2e6 m⁻³ 已用典型密度换为 1.3e8 kg⁻¹。
2. 若 nccn ≤ 1（第 166-168 行）：直接返回 ricemin。
3. 否则（第 170-184 行）：
   • 典型尘埃半径：rccn = max(rdust0 * exp(-pzlay/18000), 1e-9)（第 173 行）
   • R³ = qice * 0.75 / (π * rho_ice * nccn) + rccn³
   • 限幅取立方根。

updaterdust（第 203-238 行）

1. 阈值缩放（第 213-217 行）：若传了 tauscaling，用它缩放阈值；否则 coeff = 1。
2. 数浓度/质量过低（第 219-221 行）：若 ndust ≤ ndust_threshold/coeff 或 qdust ≤ qdust_threshold/coeff，返回 rdustmin。
3. 对数正态分布半径（第 225 行）： R³ = r3n_q * qdust / ndust 源码第 199-201 行注释说明：几何平均半径 = 质量平均半径 × exp(-1.5 σ₀²)，r3n_q = exp(-4.5 σ₀²) * (3/4) / (π * rho_dust)（源自 initracer.F90:611）。
4. 限幅取立方根（第 227-233 行）。

updaterccn（第 255-292 行）

与 updaterdust 结构相同，但用 0.75 / (π * rho_dust * nccn) 计算 R³，阈值用 nccn_threshold / qccn_threshold，限幅用 r3ccnmin/rccnmin 和 r3ccnmax/rccnmax。

updaterccnCO2（第 308-340 行）

与 updaterccn 基本相同，差异：

• 最低半径用 rccnCO2min（1e-9 m，第 329 行）而非 rccnmin。
• 无 r3ccnmax 上限保护，取立方根后硬编码 rccn = min(5e-4, rccn)（第 338 行，上限 500 μm）。

伪代码

module updaterad:
  # 全局阈值参数（编译时常量）
  ricemin=1e-10, ricemax=500e-6, rdustmin=1e-8, rdustmax=500e-6, ...

  subroutine updaterice_micro(qice, qccn, nccn, coeff, rice, rhocloud):
    nccn_true = max(nccn*coeff, 1e-30)
    qccn_true = max(qccn*coeff, 1e-30)
    rhocloud = (qice*rho_ice + qccn_true*rho_dust) / (qice + qccn_true)
    rhocloud = clamp(rhocloud, rho_ice, rho_dust)
    R3 = (qice + qccn_true) * 0.75 / (pi * rhocloud * nccn_true)
    rice = clip_cuberoot(R3, r3icemin..r3icemax, ricemin..ricemax)

  subroutine updaterdust(qdust, ndust, rdust, [tauscaling]):
    coeff = tauscaling or 1
    if ndust < threshold or qdust < threshold: rdust = rdustmin; return
    R3 = r3n_q * qdust / ndust
    rdust = clip_cuberoot(R3, r3dustmin..r3dustmax, rdustmin..rdustmax)

  subroutine updaterice_typ(qice, tau, pzlay, rice):
    nccn = 1.3e8 * max(tau, 0.001)/0.1 * exp(-pzlay/10000)  # Montmessin 2004
    if nccn ≤ 1: rice = ricemin; return
    rccn = max(rdust0 * exp(-pzlay/18000), 1e-9)
    R3 = qice * 0.75 / (pi * rho_ice * nccn) + rccn^3
    rice = clip_cuberoot(R3, r3icemin..r3icemax, ricemin..ricemax)

  subroutine updaterice_microco2(qice, qccn, nccn, qccn_h2o, nccn_h2o, T, coeff, rice, rhocloudco2):
    rho_ice_co2T = density_co2_ice(T)  # 温度依赖密度
    rhocloudco2 = (qice*rho_ice_co2T + qccn_true*rho_dust + qccn_h2o_true*rho_ice) / sum_q
    R3 = sum_q * 0.75 / (pi * rhocloudco2 * sum_n)
    rice = clip_cuberoot(R3, r3iceco2min..r3iceco2max, riceco2min..riceco2max)

  # updaterccn / updaterccnCO2 结构类似 updaterdust

参与的主题流程

写法特点

• 标量接口设计（第 9-11 行注释）：所有子例程接受标量而非数组，因为半径计算并非总在全部格点上执行（亚格点云 improvedcloud 模式），调用方逐格点逐层循环调用。
• parameter 编译时常量（第 18-50 行）：所有阈值和限幅值均为模块内部 parameter，不可通过 .def 文件覆盖。若需调参必须修改源码。
• 立方根 + 限幅的统一模式：6 个子例程中 5 个使用相同的 if R³ ≤ min → r_min; elif R³ ≥ max → r_max; else R = R^(1/3) 模式。唯一例外是 updaterccnCO2，它跳过了上限保护，改用硬编码 min(5e-4, rccn)。
• optional 参数 tauscaling（第 209、261、313 行）：提供时用于缩放阈值（"realistic values"），不提供时阈值使用虚拟值（第 214-216 行注释）。
• updaterice_micro 中 rhocloud 的双重计算（第 121-127 行 updaterice_microco2）：rhocloudco2 先在第 121 行计算，然后在第 127 行再次计算（在限幅 min/max 之后），推断：第 121 行用于 rice 计算，第 127 行恢复未限幅的真实密度作为输出。
• updaterice_typ 中的 rccn 命名混淆（第 173 行）：此处 rccn 实际表示尘埃 CCN（冰核）半径，与水 CCN 子例程中的 rccn 含义不同。

复现要点

• r3n_q 的初始化：r3n_q = exp(-4.5 * varian²) * (3/4) / (π * rho_dust)（initracer.F90:611）。varian 为对数正态分布的标准差参数。重新实现时必须确保此系数与 initracer 中的一致。
• updaterice_micro 的 qccn 阈值警告（第 75-77 行注释）：绝不要对 qccn 或 nccn 设阈值来强制 rice = ricemin，否则小但非零的 qice 会得到极大的云不透明度。重新实现时必须保留此约束。
• coeff 参数的双重语义（第 66 行注释）：当 microphys=T 时为 tauscaling，否则可能为 ccn_factor⁻¹。重新实现时需明确调用方传入的语义。
• updaterice_typ 的两个特征高度：N₀ 随高度衰减的尺度高度为 10000 m（第 162 行）；典型尘埃半径衰减的尺度高度为 18000 m（第 173 行）。这两个值影响非微物理模式下的水冰半径剖面。
• updaterccnCO2 的上限硬编码（第 338 行）：rccn = min(5e-4, rccn)，即 500 μm 上限，但不使用 r3ccnmax 限幅保护。重新实现时需保持一致。
• 复现风险：updaterice_microco2 中 rhocloudco2 被计算了两次（第 121 行和第 127 行），第二次恢复了未被 min/max 限幅的真实密度值作为输出。如果误解此意图，输出的 rhocloudco2 可能不正确。
• 复现风险：所有阈值参数均为编译时常量，无法通过 callphys.def 等运行时配置修改。重新实现时若希望可调，需改为模块变量 + 读取配置的方式。

待确认

• 待确认：coeff 参数在非微物理模式下的具体含义（"possibly ccn_factor⁻¹"，第 66 行注释使用 "possibly" 表示作者不确定）。
• 待确认：updaterice_microco2 两次计算 rhocloudco2 的意图——推断第一次用于 rice，第二次用于输出真实密度，但代码注释未明确说明。
• 待确认：qice_threshold（1e-15）和 qice_co2_threshold（1e-30）定义但在本模块中未被使用——推断留给调用方或 updatereffrad_mod。
• 待确认：updaterice_typ 中 rccn 变量名与水 CCN updaterccn 的同名变量是否存在语义混用的风险。

相关页面

• callsedim_mod.md：沉降调度器，调用 updaterdust、updaterice_micro、updaterice_typ 三类子例程更新沉降前后半径。
• vlz_fi.md：Van Leer 垂直输运格式，沉降输运内核。
• newsedim_mod.md：单示踪物沉降核心，使用 updaterice_micro/typ 更新的半径计算下落速度。
• rocketduststorm_mod.md：火箭式尘暴垂直输运方案。
• dust-cycle.md：尘埃循环主题页（粒径更新阶段详细调用链）。
• radiation.md：辐射主题页（updaterdust/updaterice 在辐射计算前更新粒径）。