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trunk/libf/phylmd/coefkz.f90 revision 40 by guez, Tue Feb 22 13:49:36 2011 UTC trunk/phylmd/Interface_surf/coefkz.f revision 288 by guez, Tue Jul 24 16:27:12 2018 UTC
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1  SUBROUTINE coefkz(nsrf, knon, paprs, pplay, ksta, ksta_ter, ts, rugos, u, v, &  module coefkz_m
      t, q, qsurf, pcfm, pcfh)  
   
   ! Auteur(s) F. Hourdin, M. Forichon, Z.X. Li (LMD/CNRS) date: 1993/09/22  
   !           (une version strictement identique a l'ancien modele)  
   ! Objet: calculer le coefficient du frottement du sol (Cdrag) et les  
   !        coefficients d'echange turbulent dans l'atmosphere.  
   
   USE indicesol, ONLY : is_oce  
   USE dimphy, ONLY : klev, klon, max  
   USE iniprint, 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  
2    
3    IMPLICIT none    IMPLICIT none
4    
5    ! Arguments:  contains
6    ! nsrf-----input-I- indicateur de la nature du sol  
7    ! knon-----input-I- nombre de points a traiter    SUBROUTINE coefkz(nsrf, paprs, pplay, ts, u, v, t, q, zgeop, coefm, coefh)
8    ! paprs----input-R- pression a chaque intercouche (en Pa)  
9    ! pplay----input-R- pression au milieu de chaque couche (en Pa)      ! Authors: F. Hourdin, M. Forichon, Z. X. Li (LMD/CNRS)
10    ! ts-------input-R- temperature du sol (en Kelvin)      ! Date: September 22nd, 1993
11    ! rugos----input-R- longeur de rugosite (en m)  
12    ! u--------input-R- vitesse u      ! Objet : calculer les coefficients d'échange turbulent dans
13    ! v--------input-R- vitesse v      ! l'atmosphère.
14    ! q--------input-R- vapeur d'eau (kg/kg)  
15        USE clesphys, ONLY: ksta, ksta_ter
16    ! itop-----output-I- numero de couche du sommet de la couche limite      USE conf_phys_m, ONLY: iflag_pbl
17    ! pcfm-----output-R- coefficients a calculer (vitesse)      USE dimphy, ONLY: klev
18    ! pcfh-----output-R- coefficients a calculer (chaleur et humidite)      USE fcttre, ONLY: foede, foeew
19        USE indicesol, ONLY: is_oce
20    INTEGER knon, nsrf      USE suphec_m, ONLY: rcpd, rd, retv, rg, rkappa, rlstt, rlvtt, rtt
21    REAL ts(klon)      USE yoethf_m, ONLY: r2es, r5ies, r5les, rvtmp2
22    REAL paprs(klon, klev+1), pplay(klon, klev)  
23    REAL u(klon, klev), v(klon, klev), q(klon, klev)      integer, intent(in):: nsrf ! indicateur de la nature du sol
24    REAL, intent(in):: t(klon, klev) ! temperature (K)  
25    REAL rugos(klon)      REAL, intent(in):: paprs(:, :) ! (knon, klev + 1)
26        ! pression a chaque intercouche (en Pa)
27    REAL pcfm(klon, klev), pcfh(klon, klev)  
28    INTEGER itop(klon)      real, intent(in):: pplay(:, :) ! (knon, klev)
29        ! pression au milieu de chaque couche (en Pa)
30    ! Quelques constantes et options:  
31        REAL, intent(in):: ts(:) ! (knon) temperature du sol (en Kelvin)
32    REAL cepdu2, ckap, cb, cc, cd, clam      REAL, intent(in):: u(:, :), v(:, :) ! (knon, klev) wind
33    PARAMETER (cepdu2 =(0.1)**2)      REAL, intent(in):: t(:, :) ! (knon, klev) temperature (K)
34    PARAMETER (CKAP=0.4)      real, intent(in):: q(:, :) ! (knon, klev) vapeur d'eau (kg/kg)
35    PARAMETER (cb=5.0)      REAL, intent(in):: zgeop(:, :) ! (knon, klev)
36    PARAMETER (cc=5.0)      REAL, intent(out):: coefm(:, 2:) ! (knon, 2:klev) coefficient, vitesse
37    PARAMETER (cd=5.0)  
38    PARAMETER (clam=160.0)      real, intent(out):: coefh(:, 2:) ! (knon, 2:klev)
39    REAL ratqs ! largeur de distribution de vapeur d'eau      ! coefficient, chaleur et humidité
40    PARAMETER (ratqs=0.05)  
41    LOGICAL richum ! utilise le nombre de Richardson humide      ! Local:
42    PARAMETER (richum=.TRUE.)  
43    REAL ric ! nombre de Richardson critique      INTEGER knon ! nombre de points a traiter
44    PARAMETER(ric=0.4)  
45    REAL prandtl      INTEGER itop(size(ts)) ! (knon)
46    PARAMETER (prandtl=0.4)      ! numero de couche du sommet de la couche limite
47    REAL kstable ! diffusion minimale (situation stable)  
48    ! GKtest      ! Quelques constantes et options:
49    ! PARAMETER (kstable=1.0e-10)  
50    REAL ksta, ksta_ter      REAL, PARAMETER:: cepdu2 =0.1**2
51    !IM: 261103     REAL kstable_ter, kstable_sinon      REAL, PARAMETER:: ratqs = 0.05 ! largeur de distribution de vapeur d'eau
52    !IM: 211003 cf GK   PARAMETER (kstable_ter = 1.0e-6)      REAL, PARAMETER:: ric = 0.4 ! nombre de Richardson critique
53    !IM: 261103     PARAMETER (kstable_ter = 1.0e-8)      REAL, PARAMETER:: prandtl = 0.4
54    !IM: 261103   PARAMETER (kstable_ter = 1.0e-10)  
55    !IM: 261103   PARAMETER (kstable_sinon = 1.0e-10)      REAL kstable ! diffusion minimale (situation stable)
56    ! fin GKtest      REAL, PARAMETER:: mixlen = 35. ! constante contrôlant longueur de mélange
57    REAL mixlen ! constante controlant longueur de melange      INTEGER, PARAMETER:: isommet = klev ! sommet de la couche limite
58    PARAMETER (mixlen=35.0)      INTEGER i, k
59    INTEGER isommet ! le sommet de la couche limite      REAL zmgeom(size(ts))
60    PARAMETER (isommet=klev)      REAL ri(size(ts))
61    LOGICAL tvirtu ! calculer Ri d'une maniere plus performante      REAL l2(size(ts))
62    PARAMETER (tvirtu=.TRUE.)      REAL zdphi, zdu2, ztvd, ztvu, cdn
63    LOGICAL opt_ec ! formule du Centre Europeen dans l'atmosphere      REAL zt, zq, zcvm5, zcor, zqs, zfr, zdqs
64    PARAMETER (opt_ec=.FALSE.)      logical zdelta
65        REAL gamt(2:klev) ! contre-gradient pour la chaleur sensible: Kelvin/metre
66    ! Variables locales:  
67        !--------------------------------------------------------------------
68    INTEGER i, k, kk !IM 120704  
69    REAL zgeop(klon, klev)      knon = size(ts)
70    REAL zmgeom(klon)  
71    REAL zri(klon)      ! Prescrire la valeur de contre-gradient
72    REAL zl2(klon)      if (iflag_pbl == 1) then
73           DO k = 3, klev
74    REAL u1(klon), v1(klon), t1(klon), q1(klon), z1(klon)            gamt(k) = - 1E-3
75    REAL pcfm1(klon), pcfh1(klon)         ENDDO
76           gamt(2) = - 2.5E-3
77    REAL zdphi, zdu2, ztvd, ztvu, zcdn      else
78    REAL zscf         DO k = 2, klev
79    REAL zt, zq, zdelta, zcvm5, zcor, zqs, zfr, zdqs            gamt(k) = 0.0
80    REAL z2geomf, zalh2, zalm2, zscfh, zscfm         ENDDO
81    REAL t_coup      ENDIF
82    PARAMETER (t_coup=273.15)  
83    !IM      kstable = merge(ksta, ksta_ter, nsrf == is_oce)
84    LOGICAL check  
85    PARAMETER (check=.false.)      ! Calculer les coefficients turbulents dans l'atmosphere
86    
87    ! contre-gradient pour la chaleur sensible: Kelvin/metre      itop = isommet
88    REAL gamt(2:klev)  
89    real qsurf(klon)      DO k = 2, isommet
90           DO i = 1, knon
91    LOGICAL appel1er            zdu2 = MAX(cepdu2, (u(i, k) - u(i, k - 1))**2 &
92    SAVE appel1er                 + (v(i, k) - v(i, k - 1))**2)
93              zmgeom(i) = zgeop(i, k) - zgeop(i, k - 1)
94    ! Fonctions thermodynamiques et fonctions d'instabilite            zdphi = zmgeom(i) / 2.0
95    REAL fsta, fins, x            zt = (t(i, k) + t(i, k - 1)) * 0.5
96    LOGICAL zxli ! utiliser un jeu de fonctions simples            zq = (q(i, k) + q(i, k - 1)) * 0.5
97    PARAMETER (zxli=.FALSE.)  
98              ! calculer Qs et dQs/dT:
99    fsta(x) = 1.0 / (1.0+10.0*x*(1+8.0*x))            zdelta = RTT >=zt
100    fins(x) = SQRT(1.0-18.0*x)            zcvm5 = merge(R5IES * RLSTT, R5LES * RLVTT, zdelta) / RCPD &
101                   / (1. + RVTMP2 * zq)
102    DATA appel1er /.TRUE./            zqs = R2ES * FOEEW(zt, zdelta) / pplay(i, k)
103              zqs = MIN(0.5, zqs)
104    !--------------------------------------------------------------------            zcor = 1./(1. - RETV * zqs)
105              zqs = zqs * zcor
106    IF (appel1er) THEN            zdqs = FOEDE(zt, zdelta, zcvm5, zqs, zcor)
107       if (prt_level > 9) THEN  
108          print *, 'coefkz, opt_ec:', opt_ec            ! calculer la fraction nuageuse (processus humide):
109          print *, 'coefkz, richum:', richum            zfr = (zq + ratqs * zq - zqs) / (2.0 * ratqs * zq)
110          IF (richum) print *, 'coefkz, ratqs:', ratqs            zfr = MAX(0.0, MIN(1.0, zfr))
111          print *, 'coefkz, isommet:', isommet  
112          print *, 'coefkz, tvirtu:', tvirtu            ! calculer le nombre de Richardson:
113          appel1er = .FALSE.            ztvd = (t(i, k) &
114       endif                 + zdphi/RCPD/(1. + RVTMP2 * zq) &
115    ENDIF                 * ((1. - zfr) + zfr * (1. + RLVTT * zqs/RD/zt)/(1. + zdqs)) &
116                   ) * (1. + RETV * q(i, k))
117    ! Initialiser les sorties            ztvu = (t(i, k - 1) &
118                   - zdphi/RCPD/(1. + RVTMP2 * zq) &
119    DO k = 1, klev                 * ((1. - zfr) + zfr * (1. + RLVTT * zqs/RD/zt)/(1. + zdqs)) &
120       DO i = 1, knon                 ) * (1. + RETV * q(i, k - 1))
121          pcfm(i, k) = 0.0            ri(i) = zmgeom(i) * (ztvd - ztvu)/(zdu2 * 0.5 * (ztvd + ztvu))
122          pcfh(i, k) = 0.0            ri(i) = ri(i) &
123       ENDDO                 + zmgeom(i) * zmgeom(i)/RG * gamt(k) &
124    ENDDO                 * (paprs(i, k)/101325.0)**RKAPPA &
125    DO i = 1, knon                 /(zdu2 * 0.5 * (ztvd + ztvu))
126       itop(i) = 0  
127    ENDDO            ! finalement, les coefficients d'echange sont obtenus:
128    
129    ! Prescrire la valeur de contre-gradient            cdn = SQRT(zdu2) / zmgeom(i) * RG
130    
131    if (iflag_pbl.eq.1) then            l2(i) = (mixlen * MAX(0.0, (paprs(i, k) - paprs(i, itop(i) + 1)) &
132       DO k = 3, klev                 /(paprs(i, 2) - paprs(i, itop(i) + 1))))**2
133          gamt(k) = -1.0E-03            coefm(i, k) = sqrt(max(cdn**2 * (ric - ri(i)) / ric, kstable))
134       ENDDO            coefm(i, k) = l2(i) * coefm(i, k)
135       gamt(2) = -2.5E-03            coefh(i, k) = coefm(i, k) / prandtl ! h et m different
136    else         ENDDO
137       DO k = 2, klev      ENDDO
138          gamt(k) = 0.0  
139       ENDDO      ! Au-delà du sommet, pas de diffusion turbulente :
140    ENDIF      forall (i = 1: knon)
141           coefh(i, itop(i) + 1:) = 0.
142    IF ( nsrf .NE. is_oce ) THEN         coefm(i, itop(i) + 1:) = 0.
143       kstable = ksta_ter      END forall
144    ELSE  
145       kstable = ksta    END SUBROUTINE coefkz
   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, zxli,  &  
        u1, v1, t1, q1, z1, &  
        ts, qsurf, rugos, &  
        pcfm1, pcfh1)  
   !IM  $             ts, qsurf, rugos,  
   
   DO i = 1, knon  
      pcfm(i, 1)=pcfm1(i)  
      pcfh(i, 1)=pcfh1(i)  
   ENDDO  
   
   ! Calculer les coefficients turbulents dans l'atmosphere  
   
   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  
   
         !           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 .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  
   
         !           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))  
            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))  
   
         ELSE ! calcul de Ridchardson compatible LMD5  
   
            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 &  
                 *(paprs(i, k)/101325.0)**RKAPPA &  
                 /(zdu2*0.5*(t(i, k-1)+t(i, k)))  
         ENDIF  
   
         !           finalement, les coefficients d'echange sont obtenus:  
   
         zcdn=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  
         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  
         ENDIF  
      ENDDO  
   ENDDO  
   
   ! Au-dela du sommet, pas de diffusion turbulente:  
   
   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  
146    
147  END SUBROUTINE coefkz  end module coefkz_m

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