CO2 循环主题

主题目标

本页串联 LMDZ.MARS 中 CO2 气相、CO2 冰云、地表 CO2 冰、CO2 雪发射率、尘埃/水冰清除和诊断输出的主流程，目标是让读者可以沿源码复现一个物理时间步内的 CO2 循环：

1. physiq 中 co2cloud 与 co2condens 的调用点、顺序和 tendency 注入位置。
2. co2cloud_mod 如何调度 improvedco2clouds、内部沉降和 co2condens 所需的连接量。
3. co2sat / tcondco2 如何提供 CO2 饱和蒸汽压与凝结温度。
4. co2condens 如何在 co2clouds=false 时自算大气凝结，在 co2clouds=true 时接收微物理凝结/沉降，并继续处理地表 CO2 凝结、表压和 sigma 层校正。
5. nucleaco2、massflowrateco2、density_co2_ice 在 CO2 云微物理中的位置。
6. co2snow 如何把 CO2 雪沉降反馈到地表红外发射率。
7. scavco2cond / scavenging_by_co2、co2useh2o、meteo_flux 如何把 CO2 循环与尘埃、水冰和流星尘 tracer 耦合。
8. 配置开关、tracer、XIOS/write_output 输出和复现风险。

源码依据：本页用 rg 只读核验了 physiq_mod.F、co2condens_mod.F、co2cloud_mod.F90、improvedco2clouds_mod.F90、co2sat.F、tcondco2.F90、nucleaco2.F90、massflowrateco2.F90、density_co2_ice.F90、co2snow.F、initracer.F90、conf_phys.F、deftank/callphys.def*、deftank/traceur.def*、deftank/xios/field_def_physics.xml、deftank/xios/file_def_physics.xml。更细的文件级证据见相关子页。

入口

参与文件

主调用链

physiq
  -> IF (co2clouds):
       zero zdqssed_co2 / zdqssed_ccn
       call co2cloud(..., zdqcloudco2, zdtcloudco2,
                     zdqssed_co2, zdqssed_ccn,
                     zcondicea_co2microp)
         -> optional CLFvaryingCO2:
              tcondco2(pplay, co2_vapor) -> tcond
              cloud fraction in [mincloud, 1]
         -> for microstep = 1..imicroco2:
              improvedco2clouds(...)
                -> co2sat / tcondco2
                -> density_co2_ice
                -> nucleaco2 for dust / meteor / H2O ice CCN
                -> massflowrateco2 for ice growth or sublimation
              non-negative guards for co2/co2_ice/ccnco2/dust/meteor/H2O groups
              if sedimentation:
                updaterice_microco2 -> riceco2, rhocloudco2
                newsedim for co2_ice and CCNCO2 families
         -> pdqcloudco2(co2)=0; CO2 gas tendency is left to co2condens
       inject CO2 cloud pdt/pdq and surface CCN sedimentation into physiq accumulators

  -> IF (sedimentation):
       callsedim handles dust and water ice; CO2 cloud sedimentation is already done inside co2cloud

  -> IF (callcond):                         ! last atmospheric physical process
       call co2condens(...,
                       zdqssed_co2,
                       zcondicea_co2microp,
                       ...)
         -> if co2clouds=false:
              compute atmospheric CO2 condensation from local ztcond
              optional scavenging_by_co2
            else:
              consume co2cloud sedimentation/condensation diagnostics
         -> surface CO2 condensation/sublimation
         -> albedocaps and co2snow
         -> sigma-layer correction with vl1d
       inject zdtc/zdqc/zdqsc/zdtsurfc/pdpsrf
       update ps, zplay, zplev, zzlay, zzlev from pdpsrf

  -> diagnostics:
       CO2 column totals, wstats, write_output / XIOS fields

源码依据：physiq_mod.F:1933-1939 调用 co2cloud；physiq_mod.F:2308-2322 调用 co2condens 并传入 zdqssed_co2 与 zcondicea_co2microp；physiq_mod.F:2357-2403 在 co2condens 后更新表压和垂直坐标；co2cloud_mod.F90:632 调用 improvedco2clouds，co2cloud_mod.F90:819-884 调用多组 newsedim，co2cloud_mod.F90:982 把 pdqcloudco2(co2) 置零并注明由 co2condens 计算。

计算阶段

1. 配置和 tracer 准备

最小 CO2 凝结路径只要求 co2 tracer 与 callcond=.true.。标准 GCM6 样例中 callcond=.true. 且 scavco2cond=.true.，但不启用 CO2 云微物理。CO2 云微物理路径要求 co2clouds=.true.，并要求 traceur.def 至少包含：

co2
co2_ice
ccnco2_number
ccnco2_mass

若 co2useh2o=.true.，还需要 ccnco2_h2o_number、ccnco2_h2o_mass_ice、ccnco2_h2o_mass_ccn；若 meteo_flux=.true.，还需要 ccnco2_meteor_number、ccnco2_meteor_mass。仓库自带 traceur.def.co2clouds.GCM5 含基础 CO2 云 tracer 和水/尘 tracer，但源码核验未发现自带 traceur.def* 含 ccnco2_meteor_* 或 ccnco2_h2o_* 名字；启用这两个子路径时需要用户自备 tracer 配置。

源码依据：initracer.F90:221-225 识别 co2，:467-471 识别 co2_ice，:492-531 在 co2clouds 下识别 CCNCO2/meteor/H2O 子 tracer，:846-900 做缺失检查，:1042-1058 设定基础 CO2 云 tracer 物性。

复现风险：initracer.F90:891-900 的 meteo_flux 检查块存在报错文案拷贝错误和 igcm_ccnco2_meteor_mass 重复检查，需按源码字面行为复现，但不能把报错文案当作精确设计说明。

2. physiq 中先算 CO2 云，后算 CO2 凝结

co2cloud 位于 physiq 第 9a bis 段，早于第 11 段 co2condens。这不是可交换顺序：co2cloud 输出 zdqssed_co2 和 zcondicea_co2microp，随后 co2condens 消费这两个量来处理地表沉降、表压变化和层质量校正。

co2cloud 调用后，physiq 立即把 zdtcloudco2 加入 pdt，把 zdqcloudco2 加入 dust、CO2 ice、CCNCO2、meteor 和 H2O 相关 tracer。CO2 气相 tracer 的微物理 tendency 在 co2cloud_mod 中被置零，外层实际 CO2 气相变化由 co2condens 的 sigma 校正和凝结逻辑给出。

复现风险：不要把 CO2 冰沉降放到 physiq 第 9b 段的 callsedim 中。源码注释和调用链表明 CO2 cloud tracers 的沉降在 co2cloud 内部 microstep 完成；callsedim 继续处理尘埃和水冰。

3. CO2 饱和和凝结温度公式

co2sat 使用 James et al. 1992 形式的饱和蒸汽压：

psat = 1.382e12 * exp(-3182.48 / T)

tcondco2 使用相同公式反解凝结温度。调用方先把 CO2 质量混合比转成 CO2 分压：

pco2 = q(ig,l) * (mmean(ig,l) / 44.01) * p(ig,l)
A = log(1.382d12)
B = -3182.48
tcond = B / (log(pco2) - A)

其中 mmean 来自 conc_mod，q 是 CO2 tracer 质量混合比。co2cloud_mod 的 CLFvaryingCO2 路径传入 CO2 vapor；improvedco2clouds_mod 传入 co2 + co2_ice 作为凝结温度反解的质量输入。

复现风险：tcondco2 对 pco2 <= 0 没有保护，复现时必须保证调用点输入为正，或记录任何额外保护会改变原始源码行为。

4. co2cloud_mod 的分派和内部沉降

CO2 云没有水循环中 simpleclouds/improvedclouds 那样的双方案分派。co2clouds=.true. 即启用 co2cloud，而 co2cloud 内部始终调用 improvedco2clouds；旧配置项 microphysco2 仍出现在 callphys.def.co2clouds.GCM5，但 conf_phys.F 不再读取它，不能把它当作有效开关。

co2cloud 首次调用时读 imicroco2，默认全局版为 30、MESOSCALE 版为 2，并读取 optprop_co2ice_1mic.dat 构造 1 mic 光学厚度查表。每个 microstep 内：

1. 把此前 pdt/pdq 累加成 microstep 初始状态。
2. 调 improvedco2clouds 得到成核、增长/升华和 CCN 释放 tendency。
3. 对 CO2/CO2 ice、CCNCO2/dust、meteor、H2O 相关 tracer 做非负保护。
4. 若 sedimentation=true，对 co2_ice、CCNCO2、meteor 和 H2O 相关 CO2 cloud tracer 分别调 newsedim。
5. 输出 pcondicea、pdqs_sedco2、pdqs_sedccn、pdtcloudco2 和 pdqcloudco2。

CLFvaryingCO2 为真时，co2cloud 先用 tcondco2 和 SatIndex 估计云分数，把云内 tracer 放大为 pqeff = pq / co2cloudfrac，最终再把微物理 tendency 乘回 co2cloudfrac。源码疑点见下文：zdelt 未见赋值，NN = sqrt(g/zt(iq,l)*...) 使用了 iq 而非 ig。

5. improvedco2clouds 的微物理核心

improvedco2clouds 先用 co2sat(zt) 和 tcondco2(pplay, co2+co2_ice) 建立热力学状态，然后逐格逐层处理：

1. CO2 分压与过饱和比：

pco2 = co2 * (mmean / mco2 * 1e3) * pplay
satu = pco2 / zqsat

2. 若 satu >= 1，调用 density_co2_ice 得到温度依赖 CO2 冰密度，并把单分子冰体积写成 vo2co2 = m0co2 / rho_ice_co2T。
3. 对尘埃 CCN 调 nucleaco2(..., mtetaco2)；若 meteo_flux=true，对流星尘 CCN 也调 nucleaco2(..., mtetaco2)；若 co2useh2o=true，对水冰 CCN 调 nucleaco2(..., mteta)。
4. 若 CCNCO2 数浓度足够，调用 massflowrateco2 得到单粒质量传输率 Ic_rice，并转成网格质量变化：

dMice = ccnco2_number * Ic_rice * microtimestep * tauscaling

5. 用 facteurmax = abs(tcond - zt) * cpp/lw 和可用 co2/co2_ice 对 dMice 双向裁剪，再更新 co2_ice += dMice、co2 -= dMice、subpdtcloudco2 = dMice*lw/cpp/microtimestep。
6. 若冰消失或 CCN 不足，把 CCNCO2 释放回 dust、meteor 或 H2O ice/CCN 相关 tracer，并把剩余 CO2 ice 转回 CO2 气相。

待确认：massflowrateco2 的 Kelvin 因子使用 tracer_mod::rho_ice_co2 常数，而不是 density_co2_ice 的温度依赖密度；这是源码字面行为，不能把两者混写。

6. co2condens 的两条大气凝结路径

co2condens 首先计算 CO2 体积混合比。improved_ztcond=.true. 且找到 co2 tracer 时：

vmr_co2 = qco2 * mmean / m_co2

否则使用历史路径 vmr_co2 = 0.95。随后分两条路径：

• co2clouds=false：自行计算大气凝结温度 ztcond = 1/(bcond - acond*log(.01*vmr_co2*pplay))，从顶层向下计算凝结/升华、下落冰通量和可选 scavenging_by_co2。
• co2clouds=true：使用 co2cloud 输出的 pcondicea_co2microp 和 zdqssed_co2，把微物理路径已经算好的 CO2 凝结/沉降接入后续地表和层质量校正。

接着 co2condens 计算地表凝结温度 ztcondsol，对每个格点和坡面处理地表 CO2 凝结/升华、可用 CO2 限制、冰完全升华保护，并给出 pdpsrf = -g * zdiceco2_mesh_avg。physiq 随后用 pdpsrf 更新 ps、zplay、zplev、zzlay、zzlev。这就是 CO2 循环与模型垂直坐标的直接耦合点。

复现风险：co2condens 被注释标为最后一个大气物理过程。改变其相对顺序会改变表压、层质量和之后所有依赖坐标的诊断。

7. co2snow、albedo/emissivity 和地表能量

co2condens 在更新地表 CO2 冰后调用 albedocaps 和 co2snow。其中 co2snow 不改质量、温度或 tracer，只改 pemisurf。其核心逻辑为：

• 若当前列没有 CO2 凝结/升华，pemisurf = emisref。
• 若存在 CO2 雪过程，按纬度选择南/北半球参数 iceradius(icap) 与 dtemisice(icap)。
• 发射率变化率由两项相加：向参考发射率弛豫的雪变质项，以及由地表 CO2 冰下落通量 pfallice(ig,1) 驱动的新雪项。

复现风险：pemisurf 形参声明为 intent(out)，但公式读入调用前值；调用方在进入 co2snow 前确实把当前坡面发射率复制到临时数组。重新实现时应把它当作 in/out 行为处理。

8. CO2 凝结 scavenging

scavco2cond=true 时，且 co2clouds=false 时，co2condens 可调用 scavenging_by_co2。conf_phys.F 明确禁止 co2clouds 与 scavco2cond 同开，并要求 scavco2cond 需要 dustbin > 0。

scavenging_by_co2 对每个格点从顶层向下计算：

if pcondicea > 0:
  captured = 1 - exp(-20 * pcondicea * dt / layer_mass)
  dust/h2o_ice/ccn tendency = -pq/dt * captured
else if pcondicea < 0:
  release scavenged particles in proportion to -pcondicea / pfallice

清除下来的 dust、CCN 和 H2O ice 通量最终进入地表 pdqsc。这条路径把 CO2 凝结和尘埃/水循环耦合起来，但它是参数化路径，不是 CO2 cloud 微物理内部沉降路径。

待确认：升华释放分支直接除以 pfallice(l+1)，源码未见显式除零保护；pdqsc(dust_mass) 对 freedust 和 ccn 两部分分别累加，是否存在重复计数需要开发者确认。

状态变量

配置开关

数据依赖

与其他主题的耦合

输出结果

注意：field_def_physics.xml 定义了 co2、vmr_co2、num_co2、co2condens_pdtc 等字段，但 GCM6 的 file_def_physics.xml 只引用了部分地表 CO2 冰和 co2_layer1 字段；复现输出文件时必须核对 file_def_physics.xml 是否实际启用目标字段。

伪代码总览

for each physics timestep:
  read/use callphys switches and tracer indices initialized by initracer

  if co2clouds:
    co2cloud:
      if firstcall:
        imicroco2 = getin("imicroco2")
        read optprop_co2ice_1mic.dat
      if CLFvaryingCO2:
        tcondco2(pplay, co2_vapor) -> cloudfrac
      for microstep:
        improvedco2clouds:
          co2sat(zt) -> psat
          tcondco2(pplay, co2 + co2_ice) -> tcond
          density_co2_ice(T) -> rho_ice_co2T
          if satu >= 1:
            nucleaco2 for dust
            if meteo_flux: nucleaco2 for meteor CCN
            if co2useh2o: nucleaco2 for H2O ice CCN
          if enough CCN:
            massflowrateco2 -> Ic
            dMice = Nccnco2 * Ic * dt * tauscaling
            clip by thermal energy and available co2/co2_ice
            update co2_ice, co2, pdt tendency
          if ice exhausted:
            release CCN back to dust/meteor/H2O families
        protect negative tracer pairs
        if sedimentation:
          newsedim for co2_ice and CCNCO2 families
      return pcondicea, zdqssed_co2, zdqcloudco2, zdtcloudco2

    physiq injects cloud tendencies, except CO2 gas tendency is left for co2condens

  if callcond:
    co2condens:
      compute vmr_co2 and tcond/ztcondsol
      if not co2clouds:
        compute atmospheric CO2 condensation
        if scavco2cond: scavenging_by_co2
      else:
        consume pcondicea_co2microp and zdqssed_co2 from co2cloud
      compute surface CO2 condensation/sublimation on each slope
      update piceco2, pdpsrf, albedo/emissivity
      co2snow updates pemisurf from CO2 snow flux
      sigma correction with vl1d updates T/U/V/Q tendencies

    physiq injects co2condens tendencies
    if not MESOSCALE:
      ps = zplev(:,1) + pdpsrf * dt
      recompute pressure levels/layers and geometric heights

  update surface state and diagnostics

源码疑点与待确认项

• physiq_mod.F:2957 中 icetotco2(ig) = icetot(ig) + ... 疑似把水冰柱积分 icetot 用作 CO2 冰累加基值；这会影响 icetotco2/mtotco2 诊断。待确认是否为已知 bug。
• co2cloud_mod.F90:250,524-536 中 zdelt 参与 CLFvaryingCO2 云分数计算，但本页源码核验未看到赋值。复现 CLFvaryingCO2 时需确认编译器/调用路径下该值来源。
• co2cloud_mod.F90:479 的 SatIndex 计算使用 zt(iq,l)，其中 iq 是 tracer 循环变量名而非网格点 ig；疑似索引错误，需开发者确认。
• co2cloud_mod.F90 use density_co2_ice 但本体未直接调用；实际温度依赖密度调用在 improvedco2clouds_mod.F90:344。不能据 use 行推断 co2cloud 本体直接消费该例程。
• co2condens_mod.F:5-7 声明了 CO2cond_ps，physiq 在 1D 缩放中使用；子页曾记录其在 co2condens 内部未使用。复现 1D 时应核对 physiq 缩放段，而非只看 co2condens 本体。
• co2condens_mod.F:1100-1115 的 scavenging 升华释放分支除以 pfallice(l+1)，未见显式除零保护。
• co2condens_mod.F:1131 / 子页记录的 scav_ccn_number 累积细节和 pdqsc(dust_mass) 双段累加需要确认是否符合设计意图。
• initracer.F90:891-900 的 meteor tracer 检查存在报错文案拷贝错误和重复检查，影响用户定位缺失 tracer。
• co2snow 的 pemisurf 形参声明为 intent(out) 但读入旧值，实际依赖调用方预先复制有效发射率。
• microphysco2 出现在旧配置样例中但源码不读取；不能作为当前 CO2 云微物理开关。

相关页面

• physiq CO2 循环调用点
• co2condens
• co2condens-scavenging
• co2cloud_mod
• improvedco2clouds_mod
• co2-saturation-helpers
• nucleaco2
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• CO2 循环配置