--- trunk/libf/phylmd/coefkz.f 2008/07/21 16:05:07 12 +++ trunk/phylmd/coefkz.f90 2013/11/15 18:45:49 76 @@ -1,325 +1,249 @@ - SUBROUTINE coefkz(nsrf, knon, paprs, pplay, -cIM 261103 - . ksta, ksta_ter, -cIM 261103 - . ts, rugos, - . u,v,t,q, - . qsurf, - . pcfm, pcfh) - use dimens_m - use indicesol - use dimphy - use iniprint - use YOMCST - use yoethf - use fcttre - use conf_phys_m - IMPLICIT none -c====================================================================== -c Auteur(s) F. Hourdin, M. Forichon, Z.X. Li (LMD/CNRS) date: 19930922 -c (une version strictement identique a l'ancien modele) -c Objet: calculer le coefficient du frottement du sol (Cdrag) et les -c coefficients d'echange turbulent dans l'atmosphere. -c Arguments: -c nsrf-----input-I- indicateur de la nature du sol -c knon-----input-I- nombre de points a traiter -c paprs----input-R- pression a chaque intercouche (en Pa) -c pplay----input-R- pression au milieu de chaque couche (en Pa) -c ts-------input-R- temperature du sol (en Kelvin) -c rugos----input-R- longeur de rugosite (en m) -c u--------input-R- vitesse u -c v--------input-R- vitesse v -c t--------input-R- temperature (K) -c q--------input-R- vapeur d'eau (kg/kg) -c -c itop-----output-I- numero de couche du sommet de la couche limite -c pcfm-----output-R- coefficients a calculer (vitesse) -c pcfh-----output-R- coefficients a calculer (chaleur et humidite) -c====================================================================== -c -c Arguments: -c - INTEGER knon, nsrf - REAL ts(klon) - REAL paprs(klon,klev+1), pplay(klon,klev) - REAL u(klon,klev), v(klon,klev), t(klon,klev), q(klon,klev) - REAL rugos(klon) -c - REAL pcfm(klon,klev), pcfh(klon,klev) - INTEGER itop(klon) -c -c Quelques constantes et options: -c - REAL cepdu2, ckap, cb, cc, cd, clam - PARAMETER (cepdu2 =(0.1)**2) - PARAMETER (CKAP=0.4) - PARAMETER (cb=5.0) - PARAMETER (cc=5.0) - PARAMETER (cd=5.0) - PARAMETER (clam=160.0) - REAL ratqs ! largeur de distribution de vapeur d'eau - PARAMETER (ratqs=0.05) - LOGICAL richum ! utilise le nombre de Richardson humide - PARAMETER (richum=.TRUE.) - REAL ric ! nombre de Richardson critique - PARAMETER(ric=0.4) - REAL prandtl - PARAMETER (prandtl=0.4) - REAL kstable ! diffusion minimale (situation stable) - ! GKtest - ! PARAMETER (kstable=1.0e-10) - REAL ksta, ksta_ter -cIM: 261103 REAL kstable_ter, kstable_sinon -cIM: 211003 cf GK PARAMETER (kstable_ter = 1.0e-6) -cIM: 261103 PARAMETER (kstable_ter = 1.0e-8) -cIM: 261103 PARAMETER (kstable_ter = 1.0e-10) -cIM: 261103 PARAMETER (kstable_sinon = 1.0e-10) - ! fin GKtest - REAL mixlen ! constante controlant longueur de melange - PARAMETER (mixlen=35.0) - INTEGER isommet ! le sommet de la couche limite - PARAMETER (isommet=klev) - LOGICAL tvirtu ! calculer Ri d'une maniere plus performante - PARAMETER (tvirtu=.TRUE.) - LOGICAL opt_ec ! formule du Centre Europeen dans l'atmosphere - PARAMETER (opt_ec=.FALSE.) - -c -c Variables locales: -c - INTEGER i, k, kk !IM 120704 - REAL zgeop(klon,klev) - REAL zmgeom(klon) - REAL zri(klon) - REAL zl2(klon) - - REAL u1(klon), v1(klon), t1(klon), q1(klon), z1(klon) - REAL pcfm1(klon), pcfh1(klon) -c - REAL zdphi, zdu2, ztvd, ztvu, zcdn - REAL zscf - REAL zt, zq, zdelta, zcvm5, zcor, zqs, zfr, zdqs - REAL z2geomf, zalh2, zalm2, zscfh, zscfm - REAL t_coup - PARAMETER (t_coup=273.15) -cIM - LOGICAL check - PARAMETER (check=.false.) -c -c contre-gradient pour la chaleur sensible: Kelvin/metre - REAL gamt(2:klev) - real qsurf(klon) -c - LOGICAL appel1er - SAVE appel1er -c -c Fonctions thermodynamiques et fonctions d'instabilite - REAL fsta, fins, x - LOGICAL zxli ! utiliser un jeu de fonctions simples - PARAMETER (zxli=.FALSE.) -c - fsta(x) = 1.0 / (1.0+10.0*x*(1+8.0*x)) - fins(x) = SQRT(1.0-18.0*x) -c - DATA appel1er /.TRUE./ -c - IF (appel1er) THEN - if (prt_level > 9) THEN - print *,'coefkz, opt_ec:', opt_ec - print *,'coefkz, richum:', richum - IF (richum) print *,'coefkz, ratqs:', ratqs - print *,'coefkz, isommet:', isommet - print *,'coefkz, tvirtu:', tvirtu - appel1er = .FALSE. - endif - ENDIF -c -c Initialiser les sorties -c - DO k = 1, klev - DO i = 1, knon - pcfm(i,k) = 0.0 - pcfh(i,k) = 0.0 - ENDDO - ENDDO - DO i = 1, knon - itop(i) = 0 - ENDDO - -c -c Prescrire la valeur de contre-gradient -c - 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 -cIM cf JLD/ GKtest - IF ( nsrf .NE. is_oce ) THEN -cIM 261103 kstable = kstable_ter - kstable = ksta_ter - ELSE -cIM 261103 kstable = kstable_sinon - kstable = ksta - ENDIF -cIM cf JLD/ GKtest fin -c -c Calculer les geopotentiels de chaque couche -c - 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 -c -c Calculer le frottement au sol (Cdrag) -c - 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 -c - CALL clcdrag(klon, knon, nsrf, zxli, - $ u1, v1, t1, q1, z1, - $ ts, qsurf, rugos, - $ pcfm1, pcfh1) -cIM $ ts, qsurf, rugos, -C - DO i = 1, knon - pcfm(i,1)=pcfm1(i) - pcfh(i,1)=pcfh1(i) - ENDDO -c -c Calculer les coefficients turbulents dans l'atmosphere -c - DO i = 1, knon - itop(i) = isommet - ENDDO - - - DO k = 2, isommet - 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 -c -c calculer Qs et dQs/dT: -c - IF (thermcep) THEN - zdelta = MAX(0.,SIGN(1.,RTT-zt)) - zcvm5 = R5LES*RLVTT/RCPD/(1.0+RVTMP2*zq)*(1.-zdelta) - . + R5IES*RLSTT/RCPD/(1.0+RVTMP2*zq)*zdelta - 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 .LT. 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 -c -c calculer la fraction nuageuse (processus humide): -c - zfr = (zq+ratqs*zq-zqs) / (2.0*ratqs*zq) - zfr = MAX(0.0,MIN(1.0,zfr)) - IF (.NOT.richum) zfr = 0.0 -c -c calculer le nombre de Richardson: -c - 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)) - zri(i) =zmgeom(i)*(ztvd-ztvu)/(zdu2*0.5*(ztvd+ztvu)) - zri(i) = zri(i) - . + zmgeom(i)*zmgeom(i)/RG*gamt(k) - . *(paprs(i,k)/101325.0)**RKAPPA - . /(zdu2*0.5*(ztvd+ztvu)) -c - ELSE ! calcul de Ridchardson compatible LMD5 -c - zri(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))) - zri(i) = zri(i) + - . zmgeom(i)*zmgeom(i)*gamt(k)/RG -cSB . /(paprs(i,k)/101325.0)**RKAPPA - . *(paprs(i,k)/101325.0)**RKAPPA - . /(zdu2*0.5*(t(i,k-1)+t(i,k))) - ENDIF -c -c finalement, les coefficients d'echange sont obtenus: -c - zcdn=SQRT(zdu2) / zmgeom(i) * RG -c +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, kk + 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, zdelta, zcvm5, zcor, zqs, zfr, zdqs + 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 = MAX(0., SIGN(1., RTT-zt)) + zcvm5 = R5LES*RLVTT/RCPD/(1.0+RVTMP2*zq)*(1.-zdelta) & + + R5IES*RLSTT/RCPD/(1.0+RVTMP2*zq)*zdelta + 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) - zalm2=(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 (zri(i).LT.0.0) THEN ! situation instable - zscf = ((zgeop(i,k)/zgeop(i,k-1))**(1./3.)-1.)**3 - . / (zmgeom(i)/RG)**3 / (zgeop(i,k-1)/RG) - zscf = SQRT(-zri(i)*zscf) - zscfm = 1.0 / (1.0+3.0*cb*cc*zalm2*zscf) - zscfh = 1.0 / (1.0+3.0*cb*cc*zalh2*zscf) - pcfm(i,k)=zcdn*zalm2*(1.-2.0*cb*zri(i)*zscfm) - pcfh(i,k)=zcdn*zalh2*(1.-3.0*cb*zri(i)*zscfh) - ELSE ! situation stable - zscf=SQRT(1.+cd*zri(i)) - pcfm(i,k)=zcdn*zalm2/(1.+2.0*cb*zri(i)/zscf) - pcfh(i,k)=zcdn*zalh2/(1.+3.0*cb*zri(i)*zscf) - ENDIF + 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 - zl2(i)=(mixlen*MAX(0.0,(paprs(i,k)-paprs(i,itop(i)+1)) - . /(paprs(i,2)-paprs(i,itop(i)+1)) ))**2 - pcfm(i,k)=sqrt(max(zcdn*zcdn*(ric-zri(i))/ric, kstable)) - pcfm(i,k)= zl2(i)* pcfm(i,k) - pcfh(i,k) = pcfm(i,k) /prandtl ! h et m different + 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 - ENDDO -c -c Au-dela du sommet, pas de diffusion turbulente: -c - DO i = 1, knon - IF (itop(i)+1 .LE. klev) THEN - DO k = itop(i)+1, klev - pcfh(i,k) = 0.0 - pcfm(i,k) = 0.0 - ENDDO - ENDIF - ENDDO -c - RETURN - END + 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