co2condens

所属文件

LMDZ.MARS\libf\phymars\co2condens_mod.F

所属模块

co2condens_mod

例程定位

SUBROUTINE co2condens (行 11–890)

例程职责

CO2 地表和大气凝结/升华的主调度例程。根据 Forget et al. (Icarus, 1998) 方案，处理：

1. 大气中 CO2 凝结/升华（co2clouds=false 时自行计算，co2clouds=true 时接收微物理方案的沉降通量）
2. 地表 CO2 冰凝结/升华（含降雪撞击加热、可用 CO2 tracer 限制、冰层完全升华保护）
3. 地表 CO2 冰 albedo/emissivity 更新
4. sigma 层校正（Van Leer 垂直输送 T/U/V/Q）
5. 调用 co2snow 更新地表发射率
6. 可选的 CO2 清除尘埃/水冰（scavenging_by_co2）

被调用例程

输入

输出

INOUT 参数

共享状态与副作用

• module 变量：scavco2cond（SAVE+THREADPRIVATE，默认 .false.）控制 CO2 清除开关；CO2cond_ps（SAVE，默认 1.0）控制地表气压变化系数。
• SAVE+THREADPRIVATE：ico2（CO2 tracer 索引）、qco2、mmean、acond/bcond/ccond（凝结公式系数）、m_co2/m_noco2/A/B（分子量参数）、firstcall。
• firstcall：初始化凝结公式系数，搜索 CO2 tracer 索引，打印诊断。
• 诊断输出：co2condens_zfallice（CO2 降雪通量）、co2condens_pdtc（凝结温度倾向）。

核心逻辑

firstcall 初始化（行 203-230）

• 凝结公式系数：bcond = 1/tcond1mb（tcond1mb=136.27 K @ 1 mbar），ccond = cpp/(g*latcond)，acond = r/latcond。
• 搜索 CO2 tracer：遍历所有 tracer 找到 noms(iq)="co2"，记录 ico2。
• 分子量参数：m_co2 = 44.01e-3，m_noco2 = 33.37e-3，A = 1/m_co2 - 1/m_noco2，B = 1/m_noco2。
• 平均分子量：mmean = 1/(A*qco2 + B)。

大气凝结（行 283-392）

CO2 体积混合比（行 288-303）：

• improved_ztcond=true（硬编码参数）且 ico2≠0：vmr_co2 = qco2 * mmean / m_co2。
• 否则：vmr_co2 = 0.95（假设 95% CO2）。

分支：co2clouds=false（自计算凝结）（行 305-367）：

1. 凝结温度：ztcond = 1/(bcond - acond*log(0.01*vmr_co2*pplay))。
2. 从顶层向下循环：若 zt < ztcond 或有降雪落入，凝结发生。
3. 凝结率：zcondicea = (pplev(l)-pplev(l+1)) * ccond * (ztcond-zt)/ptimestep - zfallheat。
4. 降雪落入加热：zfallheat = zfallice(l+1) * (ΔΦ + cpice*(ztcond(l+1)-ztcond(l))) / latcond。
5. 冰完全升华保护：若 zfallice(l+1) < -zcondicea，限制凝结率。
6. 可选 scavenging_by_co2 清除尘埃/水冰。

分支：co2clouds=true（接收微物理方案）（行 371-392）：

• condens_layer = pcondicea_co2microp * Δp / g。
• zfallice(1) = zdqssed_co2。
• piceco2 += zdqssed_co2 * ptimestep。

地表凝结/升华（行 402-563）

1. 地表凝结温度：ztcondsol = 1/(bcond - acond*log(0.01*vmr_co2(1)*pplev(1)))。
2. 对每个格点和子坡面：
   • 条件：ztsrf < ztcondsol（凝结）或有降雪或有冰可升华。
   • 凝结率：zcondices = pcapcal*(ztcondsol-ztsrf) / ((latcond+cpp*(zt(1)-ztcond))*ptimestep) - zfallheat。
   • 升华率：zcondices = pcapcal*(ztcondsol-ztsrf) / (latcond*ptimestep) - zfallheat。
   • 可用 CO2 限制（ico2≠0）：若第一层 CO2 不够凝结，限制 zcondices。
   • 冰完全升华保护。
   • 更新 piceco2、pdpsrf = -g * zdiceco2_mesh_avg。
3. pdpsrf 超过总气压时 abort_physic。

Albedo/emissivity 更新（行 566-627）

• paleoclimate 时分离 piceco2 和 perennial_co2ice。
• 负值保护（阈值 -5e-8 打印警告，强制归零）。
• 调用 albedocaps 更新 albedo 和 emisref。
• 无冰时 pemisurf = emissiv。

Sigma 层校正（行 630-825）

对有凝结/升华的格点：

1. 计算质量通量 zmflux：zmflux(1) = -zcondices_mesh_avg - zdqssed_co2，逐层减去 condens_layer。
2. Van Leer 输送（vl1d）计算 T/U/V/Q 的界面值。
3. 计算 zdtsig（温度倾向）、pduc/pdvc（风速倾向）、pdqc（tracer 倾向）。
4. CO2 tracer 特殊处理：凝结时 pdqc(co2) 含 (zqm(co2)-1) 项（CO2 从气相移除）。

南极极冠锁定（行 871-888）

caps=true 且 obliquit<27° 且非 paleoclimate 时，将南极点地表温度锁定为 ztcondsol。

伪代码

co2condens(ngrid, nlayer, nq, nslope, ptimestep, ...):

  if firstcall:
    bcond = 1/136.27, ccond = cpp/(g*latcond), acond = r/latcond
    搜索 ico2, 计算 A, B, m_co2, m_noco2

  zt = pt + pdt*ptimestep
  zq = pq + pdq*ptimestep

  // --- CO2 体积混合比 ---
  if improved_ztcond and ico2≠0:
    vmr_co2 = qco2 * mmean / m_co2
  else:
    vmr_co2 = 0.95

  // --- 大气凝结 ---
  if NOT co2clouds:
    ztcond = 1/(bcond - acond*log(0.01*vmr_co2*pplay))
    从顶层向下: zt < ztcond → 凝结, 计算 zcondicea, zfallice
    可选 scavenging_by_co2
  else:
    condens_layer = pcondicea_co2microp * Δp/g
    zfallice(1) = zdqssed_co2
    piceco2 += zdqssed_co2 * ptimestep

  // --- 地表凝结/升华 ---
  ztcondsol = 1/(bcond - acond*log(0.01*vmr_co2(1)*pplev(1)))
  对每个 ig, islope:
    ztsrf < ztcondsol → 凝结, 否则升华
    可用 CO2 限制, 冰完全升华保护
    更新 piceco2, pdpsrf

  // --- Albedo/emissivity ---
  albedocaps → 更新 albedo, emisref
  无冰时 pemisurf = emissiv

  // --- Sigma 层校正 ---
  计算 zmflux, vl1d 输送 T/U/V/Q
  pdtc += zdtsig, pduc/pdvc/pdqc 更新

  // --- CO2 snow ---
  co2snow → 更新 pemisurf

  // --- 南极锁定 ---
  if caps and obliquit<27: pdtsrfc(south_pole) = (ztcondsol-ztsrf)/ptimestep

参与的主题流程

写法特点

• 固定格式 Fortran 77（.F 后缀，续行用第 6 列 & 或 c 注释）。
• SAVE + THREADPRIVATE：ico2、qco2、mmean、acond/bcond/ccond、m_co2/m_noco2/A/B、firstcall。
• firstcall 模式。
• 硬编码常数：latcond = 5.9e5 J/kg、tcond1mb = 136.27 K、cpice = 1000 J/kg/K、m_co2 = 44.01e-3 kg/mol、m_noco2 = 33.37e-3 kg/mol、improved_ztcond = .true.（逻辑参数）。
• 子坡面循环：对 nslope 个子坡面分别计算凝结/升华，按 cos(slope) 加权求网格平均。
• co2clouds 双路径：co2clouds=false 时自行计算大气凝结（含 ztcond、zfallice），co2clouds=true 时接收 co2cloud 微物理方案的沉降通量。
• vl1d Van Leer 输送：行 895-1014，1D 垂直输送算子，处理 T/U/V/Q 和同位素比。
• scavenging_by_co2：行 1017-1159，CO2 凝结时清除尘埃/水冰（scav_ratio=20），升华时释放。

复现要点

• improved_ztcond = .true. 硬编码——使用 CO2 分压计算凝结温度（而非固定 95% CO2）。
• m_noco2 = 33.37e-3 非凝结气体平均分子量——假设大气仅含 CO2 和"非凝结气体"。
• scav_ratio_dust = 20 硬编码——注释说"20 是在极夜去除尘埃而不干涸水循环的好折衷"。
• latcond = 5.9e5 J/kg（CO2 冰升华潜热），tcond1mb = 136.27 K（1 mbar 凝结温度）。
• 地表凝结率公式中分母含 cpp*(zt(1)-ztcond) 修正项（凝结时），升华时无此修正。
• 南极极冠锁定仅在 caps=true 且 obliquit<27° 且非 paleoclimate 时生效。

待确认

• CO2cond_ps module 变量声明但代码中未使用——可能是遗留参数。
• improved_ztcond 为逻辑参数（.true.）——始终使用分压计算，旧路径（vmr_co2=0.95）可能为历史遗留。
• scavenging_by_co2 中 scav_ccn_number 的积累使用了 scav_dust_number(l+1) 而非 scav_ccn_number(l+1)（行 1132）——可能是 bug。
• co2condens 不计算 pdqcloudco2(co2)——此倾向在此例程中通过 sigma 层校正的 pdqc(co2) 实现（含 zqm(co2)-1 项），而非 watercloud 式的 pdqcloudco2。

复现风险

• m_noco2 = 33.37e-3 假设非凝结气体分子量——与实际火星大气不完全一致。
• scav_ratio_dust = 20 硬编码——改变此值会显著影响尘埃清除和水循环。
• 地表凝结/升华公式中 pcapcal（地表热容量）直接影响凝结率——不同 pcapcal 配置结果差异大。

相关页面

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