Sources/phylmd/coefkz.f

module coefkz_m

  IMPLICIT none

contains

  SUBROUTINE coefkz(nsrf, knon, paprs, pplay, ksta, ksta_ter, ts, rugos, u, v, &
       t, q, qsurf, coefm, coefh)

    ! Authors: F. Hourdin, M. Forichon, Z. X. Li (LMD/CNRS)
    ! date: 1993/09/22
    ! Objet : calculer le coefficient de frottement du sol ("Cdrag") et les
    ! coefficients d'échange turbulent dans l'atmosphère.

    USE indicesol, ONLY: is_oce
    USE dimphy, ONLY: klev, klon
    USE conf_gcm_m, ONLY: prt_level
    USE suphec_m, ONLY: rcpd, rd, retv, rg, rkappa, rlstt, rlvtt, rtt
    USE yoethf_m, ONLY: r2es, r5ies, r5les, rvtmp2
    USE fcttre, ONLY: dqsatl, dqsats, foede, foeew, qsatl, qsats, thermcep
    USE conf_phys_m, ONLY: iflag_pbl
    use clcdrag_m, only: clcdrag

    ! Arguments:

    integer, intent(in):: nsrf ! indicateur de la nature du sol
    INTEGER, intent(in):: knon ! nombre de points a traiter

    REAL, intent(in):: paprs(klon, klev+1)
    ! pression a chaque intercouche (en Pa)

    real, intent(in):: pplay(klon, klev)
    ! pression au milieu de chaque couche (en Pa)

    REAL, intent(in):: ksta, ksta_ter
    REAL, intent(in):: ts(klon) ! temperature du sol (en Kelvin)
    REAL, intent(in):: rugos(klon) ! longeur de rugosite (en m)
    REAL, intent(in):: u(klon, klev), v(klon, klev) ! wind
    REAL, intent(in):: t(klon, klev) ! temperature (K)
    real, intent(in):: q(klon, klev) ! vapeur d'eau (kg/kg)
    real, intent(in):: qsurf(klon) 
    REAL, intent(out):: coefm(:, :) ! (knon, klev) coefficient, vitesse

    real, intent(out):: coefh(:, :) ! (knon, klev) 
    ! coefficient, chaleur et humidité

    ! Local:

    INTEGER itop(knon) ! numero de couche du sommet de la couche limite

    ! Quelques constantes et options:

    REAL, PARAMETER:: cepdu2 =0.1**2
    REAL, PARAMETER:: CKAP = 0.4
    REAL, PARAMETER:: cb = 5.
    REAL, PARAMETER:: cc = 5.
    REAL, PARAMETER:: cd = 5.
    REAL, PARAMETER:: clam = 160.
    REAL, PARAMETER:: ratqs = 0.05 ! largeur de distribution de vapeur d'eau
    
    LOGICAL, PARAMETER:: richum = .TRUE.
    ! utilise le nombre de Richardson humide

    REAL, PARAMETER:: ric = 0.4 ! nombre de Richardson critique
    REAL, PARAMETER:: prandtl = 0.4

    REAL kstable ! diffusion minimale (situation stable)
    REAL, PARAMETER:: mixlen = 35. ! constante contrôlant longueur de mélange
    INTEGER, PARAMETER:: isommet = klev ! sommet de la couche limite

    LOGICAL, PARAMETER:: tvirtu = .TRUE.
    ! calculer Ri d'une maniere plus performante

    LOGICAL, PARAMETER:: opt_ec = .FALSE.
    ! formule du Centre Europeen dans l'atmosphere

    INTEGER i, k
    REAL zgeop(klon, klev)
    REAL zmgeom(klon)
    REAL ri(klon)
    REAL l2(klon)

    REAL u1(klon), v1(klon), t1(klon), q1(klon), z1(klon)

    REAL zdphi, zdu2, ztvd, ztvu, cdn
    REAL scf
    REAL zt, zq, zcvm5, zcor, zqs, zfr, zdqs
    logical zdelta
    REAL z2geomf, zalh2, alm2, zscfh, scfm
    REAL, PARAMETER:: t_coup = 273.15
    REAL gamt(2:klev) ! contre-gradient pour la chaleur sensible: Kelvin/metre

    !--------------------------------------------------------------------

    ! Prescrire la valeur de contre-gradient
    if (iflag_pbl.eq.1) then
       DO k = 3, klev
          gamt(k) = -1.0E-03
       ENDDO
       gamt(2) = -2.5E-03
    else
       DO k = 2, klev
          gamt(k) = 0.0
       ENDDO
    ENDIF

    IF ( nsrf .NE. is_oce ) THEN
       kstable = ksta_ter
    ELSE
       kstable = ksta
    ENDIF

    ! Calculer les géopotentiels de chaque couche
    DO i = 1, knon
       zgeop(i, 1) = RD * t(i, 1) / (0.5 * (paprs(i, 1) + pplay(i, 1))) &
            * (paprs(i, 1) - pplay(i, 1))
    ENDDO
    DO k = 2, klev
       DO i = 1, knon
          zgeop(i, k) = zgeop(i, k-1) &
               + RD * 0.5*(t(i, k-1)+t(i, k)) / paprs(i, k) &
               * (pplay(i, k-1)-pplay(i, k))
       ENDDO
    ENDDO

    ! Calculer le frottement au sol (Cdrag)

    DO i = 1, knon
       u1(i) = u(i, 1)
       v1(i) = v(i, 1)
       t1(i) = t(i, 1)
       q1(i) = q(i, 1)
       z1(i) = zgeop(i, 1)
    ENDDO

    CALL clcdrag(klon, knon, nsrf, .false., u1, v1, t1, q1, z1, ts, qsurf, &
         rugos, coefm(:, 1), coefh(:, 1)) 

    ! Calculer les coefficients turbulents dans l'atmosphere

    itop = isommet

    loop_vertical: DO k = 2, isommet
       loop_horiz: DO i = 1, knon
          zdu2 = MAX(cepdu2, (u(i, k)-u(i, k-1))**2 &
               +(v(i, k)-v(i, k-1))**2)
          zmgeom(i) = zgeop(i, k)-zgeop(i, k-1)
          zdphi =zmgeom(i) / 2.0
          zt = (t(i, k)+t(i, k-1)) * 0.5
          zq = (q(i, k)+q(i, k-1)) * 0.5

          ! calculer Qs et dQs/dT:

          IF (thermcep) THEN
             zdelta = RTT >=zt
             zcvm5 = merge(R5IES * RLSTT, R5LES * RLVTT, zdelta) / RCPD &
                  / (1. + RVTMP2*zq)
             zqs = R2ES * FOEEW(zt, zdelta) / pplay(i, k)
             zqs = MIN(0.5, zqs)
             zcor = 1./(1.-RETV*zqs)
             zqs = zqs*zcor
             zdqs = FOEDE(zt, zdelta, zcvm5, zqs, zcor)
          ELSE
             IF (zt  <  t_coup) THEN
                zqs = qsats(zt) / pplay(i, k)
                zdqs = dqsats(zt, zqs)
             ELSE
                zqs = qsatl(zt) / pplay(i, k)
                zdqs = dqsatl(zt, zqs)
             ENDIF
          ENDIF

          ! calculer la fraction nuageuse (processus humide):

          zfr = (zq+ratqs*zq-zqs) / (2.0*ratqs*zq)
          zfr = MAX(0.0, MIN(1.0, zfr))
          IF (.NOT.richum) zfr = 0.0

          !  calculer le nombre de Richardson:

          IF (tvirtu) THEN
             ztvd =( t(i, k) &
                  + zdphi/RCPD/(1.+RVTMP2*zq) &
                  *( (1.-zfr) + zfr*(1.+RLVTT*zqs/RD/zt)/(1.+zdqs) ) &
                  )*(1.+RETV*q(i, k))
             ztvu =( t(i, k-1) &
                  - zdphi/RCPD/(1.+RVTMP2*zq) &
                  *( (1.-zfr) + zfr*(1.+RLVTT*zqs/RD/zt)/(1.+zdqs) ) &
                  )*(1.+RETV*q(i, k-1))
             ri(i) =zmgeom(i)*(ztvd-ztvu)/(zdu2*0.5*(ztvd+ztvu))
             ri(i) = ri(i) &
                  + zmgeom(i)*zmgeom(i)/RG*gamt(k) &
                  *(paprs(i, k)/101325.0)**RKAPPA &
                  /(zdu2*0.5*(ztvd+ztvu))
          ELSE
             ! calcul de Ridchardson compatible LMD5
             ri(i) =(RCPD*(t(i, k)-t(i, k-1)) &
                  -RD*0.5*(t(i, k)+t(i, k-1))/paprs(i, k) &
                  *(pplay(i, k)-pplay(i, k-1)) &
                  )*zmgeom(i)/(zdu2*0.5*RCPD*(t(i, k-1)+t(i, k)))
             ri(i) = ri(i) + &
                  zmgeom(i)*zmgeom(i)*gamt(k)/RG &
                  *(paprs(i, k)/101325.0)**RKAPPA &
                  /(zdu2*0.5*(t(i, k-1)+t(i, k)))
          ENDIF

          ! finalement, les coefficients d'echange sont obtenus:

          cdn = SQRT(zdu2) / zmgeom(i) * RG

          IF (opt_ec) THEN
             z2geomf = zgeop(i, k-1)+zgeop(i, k)
             alm2 = (0.5*ckap/RG*z2geomf &
                  /(1.+0.5*ckap/rg/clam*z2geomf))**2
             zalh2 = (0.5*ckap/rg*z2geomf &
                  /(1.+0.5*ckap/RG/(clam*SQRT(1.5*cd))*z2geomf))**2
             IF (ri(i) < 0.) THEN
                ! situation instable
                scf = ((zgeop(i, k)/zgeop(i, k-1))**(1./3.)-1.)**3 &
                     / (zmgeom(i)/RG)**3 / (zgeop(i, k-1)/RG)
                scf = SQRT(-ri(i)*scf)
                scfm = 1.0 / (1.0+3.0*cb*cc*alm2*scf)
                zscfh = 1.0 / (1.0+3.0*cb*cc*zalh2*scf)
                coefm(i, k) = cdn * alm2 * (1. - 2. * cb * ri(i) * scfm)
                coefh(i, k) = cdn*zalh2*(1.-3.0*cb*ri(i)*zscfh)
             ELSE
                ! situation stable
                scf = SQRT(1.+cd*ri(i))
                coefm(i, k) = cdn * alm2 / (1. + 2. * cb * ri(i) / scf)
                coefh(i, k) = cdn*zalh2/(1.+3.0*cb*ri(i)*scf)
             ENDIF
          ELSE
             l2(i) = (mixlen*MAX(0.0, (paprs(i, k)-paprs(i, itop(i)+1)) &
                  /(paprs(i, 2)-paprs(i, itop(i)+1)) ))**2
             coefm(i, k) = sqrt(max(cdn**2 * (ric - ri(i)) / ric, kstable))
             coefm(i, k)= l2(i) * coefm(i, k)
             coefh(i, k) = coefm(i, k) / prandtl ! h et m different
          ENDIF
       ENDDO loop_horiz
    ENDDO loop_vertical

    ! Au-delà du sommet, pas de diffusion turbulente :
    forall (i = 1: knon)
       coefh(i, itop(i) + 1:) = 0.
       coefm(i, itop(i) + 1:) = 0.
    END forall

  END SUBROUTINE coefkz

end module coefkz_m
1	guez	47	module coefkz_m
2	guez	3
3	guez	40	IMPLICIT none
4	guez	3
5	guez	47	contains
6	guez	3
7	guez	47	SUBROUTINE coefkz(nsrf, knon, paprs, pplay, ksta, ksta_ter, ts, rugos, u, v, &
8	guez	62	t, q, qsurf, coefm, coefh)
9	guez	40
10	guez	62	! Authors: F. Hourdin, M. Forichon, Z. X. Li (LMD/CNRS)
11	guez	47	! date: 1993/09/22
12			! Objet : calculer le coefficient de frottement du sol ("Cdrag") et les
13			! coefficients d'échange turbulent dans l'atmosphère.
14	guez	40
15	guez	62	USE indicesol, ONLY: is_oce
16	guez	71	USE dimphy, ONLY: klev, klon
17	guez	62	USE conf_gcm_m, ONLY: prt_level
18			USE suphec_m, ONLY: rcpd, rd, retv, rg, rkappa, rlstt, rlvtt, rtt
19			USE yoethf_m, ONLY: r2es, r5ies, r5les, rvtmp2
20			USE fcttre, ONLY: dqsatl, dqsats, foede, foeew, qsatl, qsats, thermcep
21			USE conf_phys_m, ONLY: iflag_pbl
22			use clcdrag_m, only: clcdrag
23	guez	40
24	guez	47	! Arguments:
25	guez	40
26	guez	47	integer, intent(in):: nsrf ! indicateur de la nature du sol
27			INTEGER, intent(in):: knon ! nombre de points a traiter
28	guez	40
29	guez	47	REAL, intent(in):: paprs(klon, klev+1)
30			! pression a chaque intercouche (en Pa)
31	guez	40
32	guez	47	real, intent(in):: pplay(klon, klev)
33			! pression au milieu de chaque couche (en Pa)
34	guez	40
35	guez	47	REAL, intent(in):: ksta, ksta_ter
36			REAL, intent(in):: ts(klon) ! temperature du sol (en Kelvin)
37			REAL, intent(in):: rugos(klon) ! longeur de rugosite (en m)
38			REAL, intent(in):: u(klon, klev), v(klon, klev) ! wind
39			REAL, intent(in):: t(klon, klev) ! temperature (K)
40			real, intent(in):: q(klon, klev) ! vapeur d'eau (kg/kg)
41			real, intent(in):: qsurf(klon)
42	guez	62	REAL, intent(out):: coefm(:, :) ! (knon, klev) coefficient, vitesse
43	guez	40
44	guez	62	real, intent(out):: coefh(:, :) ! (knon, klev)
45			! coefficient, chaleur et humidité
46
47	guez	47	! Local:
48	guez	40
49	guez	62	INTEGER itop(knon) ! numero de couche du sommet de la couche limite
50	guez	40
51	guez	47	! Quelques constantes et options:
52	guez	40
53	guez	47	REAL, PARAMETER:: cepdu2 =0.1**2
54			REAL, PARAMETER:: CKAP = 0.4
55			REAL, PARAMETER:: cb = 5.
56			REAL, PARAMETER:: cc = 5.
57			REAL, PARAMETER:: cd = 5.
58			REAL, PARAMETER:: clam = 160.
59	guez	62	REAL, PARAMETER:: ratqs = 0.05 ! largeur de distribution de vapeur d'eau
60
61			LOGICAL, PARAMETER:: richum = .TRUE.
62			! utilise le nombre de Richardson humide
63
64	guez	47	REAL, PARAMETER:: ric = 0.4 ! nombre de Richardson critique
65			REAL, PARAMETER:: prandtl = 0.4
66	guez	40
67	guez	47	REAL kstable ! diffusion minimale (situation stable)
68	guez	62	REAL, PARAMETER:: mixlen = 35. ! constante contrôlant longueur de mélange
69			INTEGER, PARAMETER:: isommet = klev ! sommet de la couche limite
70	guez	40
71	guez	47	LOGICAL, PARAMETER:: tvirtu = .TRUE.
72			! calculer Ri d'une maniere plus performante
73	guez	40
74	guez	47	LOGICAL, PARAMETER:: opt_ec = .FALSE.
75			! formule du Centre Europeen dans l'atmosphere
76	guez	40
77	guez	105	INTEGER i, k
78	guez	47	REAL zgeop(klon, klev)
79			REAL zmgeom(klon)
80	guez	62	REAL ri(klon)
81			REAL l2(klon)
82	guez	40
83	guez	47	REAL u1(klon), v1(klon), t1(klon), q1(klon), z1(klon)
84	guez	40
85	guez	62	REAL zdphi, zdu2, ztvd, ztvu, cdn
86			REAL scf
87	guez	103	REAL zt, zq, zcvm5, zcor, zqs, zfr, zdqs
88			logical zdelta
89	guez	62	REAL z2geomf, zalh2, alm2, zscfh, scfm
90	guez	47	REAL, PARAMETER:: t_coup = 273.15
91			REAL gamt(2:klev) ! contre-gradient pour la chaleur sensible: Kelvin/metre
92	guez	40
93	guez	47	!--------------------------------------------------------------------
94	guez	40
95	guez	47	! Prescrire la valeur de contre-gradient
96			if (iflag_pbl.eq.1) then
97			DO k = 3, klev
98			gamt(k) = -1.0E-03
99			ENDDO
100			gamt(2) = -2.5E-03
101			else
102			DO k = 2, klev
103			gamt(k) = 0.0
104			ENDDO
105			ENDIF
106	guez	40
107	guez	47	IF ( nsrf .NE. is_oce ) THEN
108			kstable = ksta_ter
109			ELSE
110			kstable = ksta
111			ENDIF
112	guez	40
113	guez	47	! Calculer les géopotentiels de chaque couche
114			DO i = 1, knon
115			zgeop(i, 1) = RD * t(i, 1) / (0.5 * (paprs(i, 1) + pplay(i, 1))) &
116			* (paprs(i, 1) - pplay(i, 1))
117			ENDDO
118			DO k = 2, klev
119			DO i = 1, knon
120			zgeop(i, k) = zgeop(i, k-1) &
121			+ RD * 0.5*(t(i, k-1)+t(i, k)) / paprs(i, k) &
122			* (pplay(i, k-1)-pplay(i, k))
123			ENDDO
124			ENDDO
125	guez	40
126	guez	47	! Calculer le frottement au sol (Cdrag)
127	guez	40
128	guez	47	DO i = 1, knon
129			u1(i) = u(i, 1)
130			v1(i) = v(i, 1)
131			t1(i) = t(i, 1)
132			q1(i) = q(i, 1)
133			z1(i) = zgeop(i, 1)
134			ENDDO
135	guez	40
136	guez	47	CALL clcdrag(klon, knon, nsrf, .false., u1, v1, t1, q1, z1, ts, qsurf, &
137	guez	62	rugos, coefm(:, 1), coefh(:, 1))
138	guez	40
139	guez	47	! Calculer les coefficients turbulents dans l'atmosphere
140	guez	40
141	guez	62	itop = isommet
142	guez	40
143	guez	47	loop_vertical: DO k = 2, isommet
144			loop_horiz: DO i = 1, knon
145			zdu2 = MAX(cepdu2, (u(i, k)-u(i, k-1))**2 &
146			+(v(i, k)-v(i, k-1))**2)
147			zmgeom(i) = zgeop(i, k)-zgeop(i, k-1)
148			zdphi =zmgeom(i) / 2.0
149			zt = (t(i, k)+t(i, k-1)) * 0.5
150			zq = (q(i, k)+q(i, k-1)) * 0.5
151	guez	40
152	guez	47	! calculer Qs et dQs/dT:
153	guez	40
154	guez	47	IF (thermcep) THEN
155	guez	103	zdelta = RTT >=zt
156			zcvm5 = merge(R5IES * RLSTT, R5LES * RLVTT, zdelta) / RCPD &
157			/ (1. + RVTMP2*zq)
158	guez	47	zqs = R2ES * FOEEW(zt, zdelta) / pplay(i, k)
159			zqs = MIN(0.5, zqs)
160			zcor = 1./(1.-RETV*zqs)
161			zqs = zqs*zcor
162			zdqs = FOEDE(zt, zdelta, zcvm5, zqs, zcor)
163			ELSE
164	guez	62	IF (zt < t_coup) THEN
165	guez	47	zqs = qsats(zt) / pplay(i, k)
166			zdqs = dqsats(zt, zqs)
167			ELSE
168			zqs = qsatl(zt) / pplay(i, k)
169			zdqs = dqsatl(zt, zqs)
170			ENDIF
171			ENDIF
172	guez	40
173	guez	47	! calculer la fraction nuageuse (processus humide):
174	guez	40
175	guez	47	zfr = (zq+ratqszq-zqs) / (2.0ratqs*zq)
176			zfr = MAX(0.0, MIN(1.0, zfr))
177			IF (.NOT.richum) zfr = 0.0
178	guez	40
179	guez	47	! calculer le nombre de Richardson:
180	guez	40
181	guez	47	IF (tvirtu) THEN
182			ztvd =( t(i, k) &
183			+ zdphi/RCPD/(1.+RVTMP2*zq) &
184			( (1.-zfr) + zfr(1.+RLVTT*zqs/RD/zt)/(1.+zdqs) ) &
185			)(1.+RETVq(i, k))
186			ztvu =( t(i, k-1) &
187			- zdphi/RCPD/(1.+RVTMP2*zq) &
188			( (1.-zfr) + zfr(1.+RLVTT*zqs/RD/zt)/(1.+zdqs) ) &
189			)(1.+RETVq(i, k-1))
190	guez	62	ri(i) =zmgeom(i)(ztvd-ztvu)/(zdu20.5*(ztvd+ztvu))
191			ri(i) = ri(i) &
192	guez	47	+ zmgeom(i)zmgeom(i)/RGgamt(k) &
193			(paprs(i, k)/101325.0)*RKAPPA &
194			/(zdu20.5(ztvd+ztvu))
195			ELSE
196			! calcul de Ridchardson compatible LMD5
197	guez	62	ri(i) =(RCPD*(t(i, k)-t(i, k-1)) &
198	guez	47	-RD0.5(t(i, k)+t(i, k-1))/paprs(i, k) &
199			*(pplay(i, k)-pplay(i, k-1)) &
200			)zmgeom(i)/(zdu20.5RCPD(t(i, k-1)+t(i, k)))
201	guez	62	ri(i) = ri(i) + &
202	guez	47	zmgeom(i)zmgeom(i)gamt(k)/RG &
203			(paprs(i, k)/101325.0)*RKAPPA &
204			/(zdu20.5(t(i, k-1)+t(i, k)))
205			ENDIF
206	guez	40
207	guez	47	! finalement, les coefficients d'echange sont obtenus:
208	guez	40
209	guez	62	cdn = SQRT(zdu2) / zmgeom(i) * RG
210	guez	40
211	guez	47	IF (opt_ec) THEN
212			z2geomf = zgeop(i, k-1)+zgeop(i, k)
213	guez	62	alm2 = (0.5ckap/RGz2geomf &
214	guez	47	/(1.+0.5ckap/rg/clamz2geomf))**2
215			zalh2 = (0.5ckap/rgz2geomf &
216			/(1.+0.5ckap/RG/(clamSQRT(1.5cd))z2geomf))**2
217	guez	62	IF (ri(i) < 0.) THEN
218	guez	47	! situation instable
219	guez	62	scf = ((zgeop(i, k)/zgeop(i, k-1))(1./3.)-1.)3 &
220	guez	47	/ (zmgeom(i)/RG)**3 / (zgeop(i, k-1)/RG)
221	guez	62	scf = SQRT(-ri(i)*scf)
222			scfm = 1.0 / (1.0+3.0cbccalm2scf)
223			zscfh = 1.0 / (1.0+3.0cbcczalh2scf)
224			coefm(i, k) = cdn * alm2 * (1. - 2. * cb * ri(i) * scfm)
225			coefh(i, k) = cdnzalh2(1.-3.0cbri(i)*zscfh)
226	guez	47	ELSE
227			! situation stable
228	guez	62	scf = SQRT(1.+cd*ri(i))
229			coefm(i, k) = cdn * alm2 / (1. + 2. * cb * ri(i) / scf)
230			coefh(i, k) = cdnzalh2/(1.+3.0cbri(i)scf)
231	guez	47	ENDIF
232			ELSE
233	guez	62	l2(i) = (mixlen*MAX(0.0, (paprs(i, k)-paprs(i, itop(i)+1)) &
234	guez	47	/(paprs(i, 2)-paprs(i, itop(i)+1)) ))**2
235	guez	62	coefm(i, k) = sqrt(max(cdn*2 (ric - ri(i)) / ric, kstable))
236			coefm(i, k)= l2(i) * coefm(i, k)
237			coefh(i, k) = coefm(i, k) / prandtl ! h et m different
238	guez	47	ENDIF
239			ENDDO loop_horiz
240			ENDDO loop_vertical
241	guez	40
242	guez	62	! Au-delà du sommet, pas de diffusion turbulente :
243			forall (i = 1: knon)
244			coefh(i, itop(i) + 1:) = 0.
245			coefm(i, itop(i) + 1:) = 0.
246			END forall
247	guez	40
248	guez	47	END SUBROUTINE coefkz
249	guez	40
250	guez	47	end module coefkz_m