/[lmdze]/trunk/phylmd/Interface_surf/hbtm.f90
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trunk/Sources/phylmd/hbtm.f revision 149 by guez, Thu Jun 18 12:23:44 2015 UTC trunk/phylmd/Interface_surf/hbtm.f90 revision 346 by guez, Mon Dec 9 20:15:29 2019 UTC
# Line 4  module HBTM_m Line 4  module HBTM_m
4    
5  contains  contains
6    
7    SUBROUTINE HBTM(knon, paprs, pplay, t2m, q2m, ustar, flux_t, &    SUBROUTINE HBTM(paprs, pplay, t2m, q2m, ustar, flux_t, flux_q, u, v, t, q, &
8         flux_q, u, v, t, q, pblh, cape, EauLiq, ctei, pblT, therm, trmb1, &         pblh, cape, EauLiq, ctei, pblT, therm, plcl)
        trmb2, trmb3, plcl)  
9    
10      ! D'apr\'es Holstag et Boville et Troen et Mahrt      ! D'apr\'es Holstag et Boville et Troen et Mahrt
11      ! JAS 47 BLM      ! JAS 47 BLM
12      ! Algorithme th\'ese Anne Mathieu  
13      ! Crit\'ere d'entra\^inement Peter Duynkerke (JAS 50)      ! Algorithme th\'ese Anne Mathieu. Crit\'ere d'entra\^inement
14      ! written by: Anne MATHIEU and Alain LAHELLEC, 22nd November 1999      ! Peter Duynkerke (JAS 50).  Written by: Anne MATHIEU and Alain
15      ! features : implem. exces Mathieu      ! LAHELLEC, 22nd November 1999.
16    
17      ! modifications : decembre 99 passage th a niveau plus bas. voir fixer      ! Modifications : d\'ecembre 99 passage th \`a niveau plus bas. Voir fixer
18      ! la prise du th a z/Lambda = -.2 (max Ray)      ! la prise du th \`a z/Lambda = -.2 (max Ray)
19      ! Autre algo : entrainement ~ Theta+v =cste mais comment=>The?      ! Autre algorithme : entra\^inement ~ Theta + v =constante
20      ! on peut fixer q a .7 qsat (cf. non adiabatique) => T2 et The2      !  mais comment ? The ?
21      ! voir aussi //KE pblh = niveau The_e ou l = env.      ! On peut fixer q \`a 0.7 qsat (cf. non adiabatique) d'où T2 et The2.
22        ! Voir aussi KE pblh = niveau The_e ou l = env.
23      ! fin therm a la HBTM passage a forme Mathieu 12/09/2001  
24        ! Adaptation \`a LMDZ version coupl\'ee. Pour le moment on fait
25      ! Adaptation a LMDZ version couplee Pour le moment on fait passer      ! passer en argument les grandeurs de surface : flux, t, q2m. On
26      ! en argument les grandeurs de surface : flux, t, q2m, t, on va      ! va utiliser syst\'ematiquement les grandeurs \`a 2 m mais on
27      ! utiliser systematiquement les grandeurs a 2m mais on garde la      ! garde la possibilit\'e de changer si besoin (jusqu'\`a pr\'esent
28      ! possibilit\'e de changer si besoin est (jusqu'à pr\'esent la      ! la forme de HB avec le premier niveau mod\`ele \'etait
29      ! forme de HB avec le 1er niveau modele etait conservee)      ! conserv\'ee).
30    
31      USE dimphy, ONLY: klev, klon      USE dimphy, ONLY: klev, klon
32      USE suphec_m, ONLY: rcpd, rd, retv, rg, rkappa, rlvtt, rtt, rv      USE suphec_m, ONLY: rcpd, rd, retv, rg, rkappa, rtt
33      USE yoethf_m, ONLY: r2es, rvtmp2      USE yoethf_m, ONLY: r2es, rvtmp2
34      USE fcttre, ONLY: foeew      USE fcttre, ONLY: foeew
35    
     REAL RLvCp, REPS  
36      ! Arguments:      ! Arguments:
37    
     ! nombre de points a calculer  
     INTEGER, intent(in):: knon  
   
     REAL, intent(in):: t2m(klon) ! temperature a 2 m  
     ! q a 2 et 10m  
     REAL q2m(klon)  
     REAL ustar(klon)  
38      ! pression a inter-couche (Pa)      ! pression a inter-couche (Pa)
39      REAL paprs(klon, klev+1)      REAL, intent(in):: paprs(klon, klev+1)
40      ! pression au milieu de couche (Pa)      ! pression au milieu de couche (Pa)
41      REAL pplay(klon, klev)      REAL, intent(in):: pplay(klon, klev)
42      ! Flux      REAL, intent(in):: t2m(klon) ! temperature a 2 m
43      REAL flux_t(klon, klev), flux_q(klon, klev)      ! q a 2 et 10m
44      ! vitesse U (m/s)      REAL, intent(in):: q2m(klon)
45      REAL u(klon, klev)      REAL, intent(in):: ustar(:) ! (knon)
46      ! vitesse V (m/s)      REAL, intent(in):: flux_t(:), flux_q(:) ! (knon) flux à la surface
47      REAL v(klon, klev)      REAL, intent(in):: u(:, :) ! (knon, klev) vitesse U (m/s)
48      ! temperature (K)      REAL, intent(in):: v(:, :) ! (knon, klev) vitesse V (m/s)
49      REAL t(klon, klev)      REAL, intent(in):: t(:, :) ! (knon, klev) temperature (K)
50      ! vapeur d'eau (kg/kg)      REAL, intent(in):: q(:, :) ! (knon, klev) vapeur d'eau (kg/kg)
     REAL q(klon, klev)  
51    
52        REAL, intent(out):: pblh(:) ! (knon)
53        ! Cape du thermique
54        REAL Cape(klon)
55        ! Eau liqu integr du thermique
56        REAL EauLiq(klon)
57        ! Critere d'instab d'entrainmt des nuages de
58        REAL ctei(klon)
59        REAL pblT(klon)
60        ! thermal virtual temperature excess
61        REAL therm(klon)
62        REAL plcl(klon)
63    
64        ! Local:
65        
66        INTEGER knon ! nombre de points a calculer
67      INTEGER isommet      INTEGER isommet
68      ! limite max sommet pbl      ! limite max sommet pbl
69      PARAMETER (isommet=klev)      PARAMETER (isommet=klev)
# Line 67  contains Line 72  contains
72      PARAMETER (vk=0.35)      PARAMETER (vk=0.35)
73      REAL ricr      REAL ricr
74      PARAMETER (ricr=0.4)      PARAMETER (ricr=0.4)
     REAL fak  
     ! b calcul du Prandtl et de dTetas  
     PARAMETER (fak=8.5)  
     REAL fakn  
75      ! a      ! a
     PARAMETER (fakn=7.2)  
76      REAL onet      REAL onet
77      PARAMETER (onet=1.0/3.0)      PARAMETER (onet=1.0/3.0)
     REAL t_coup  
     PARAMETER(t_coup=273.15)  
78      REAL zkmin      REAL zkmin
79      PARAMETER (zkmin=0.01)      PARAMETER (zkmin=0.01)
80      REAL betam      REAL betam
81      ! pour Phim / h dans la S.L stable      ! pour Phim / h dans la S.L stable
82      PARAMETER (betam=15.0)      PARAMETER (betam=15.0)
     REAL betah  
     PARAMETER (betah=15.0)  
     REAL betas  
     ! Phit dans la S.L. stable (mais 2 formes /  
     PARAMETER (betas=5.0)  
83      ! z/OBL<>1      ! z/OBL<>1
84      REAL sffrac      REAL sffrac
85      ! S.L. = z/h < .1      ! S.L. = z/h < .1
86      PARAMETER (sffrac=0.1)      PARAMETER (sffrac=0.1)
87      REAL binm      REAL binm
88      PARAMETER (binm=betam*sffrac)      PARAMETER (binm=betam*sffrac)
     REAL binh  
     PARAMETER (binh=betah*sffrac)  
     REAL ccon  
     PARAMETER (ccon=fak*sffrac*vk)  
89    
90      REAL q_star, t_star      REAL q_star, t_star
91      ! Lambert correlations T' q' avec T* q*      ! Lambert correlations T' q' avec T* q*
# Line 122  contains Line 111  contains
111      REAL rhino(klon, klev)      REAL rhino(klon, klev)
112      ! pts w/unstbl pbl (positive virtual ht flx)      ! pts w/unstbl pbl (positive virtual ht flx)
113      LOGICAL unstbl(klon)      LOGICAL unstbl(klon)
     ! stable pbl with levels within pbl  
     LOGICAL stblev(klon)  
     ! unstbl pbl with levels within pbl  
     LOGICAL unslev(klon)  
     ! unstb pbl w/lvls within srf pbl lyr  
     LOGICAL unssrf(klon)  
     ! unstb pbl w/lvls in outer pbl lyr  
     LOGICAL unsout(klon)  
114      LOGICAL check(klon) ! Richardson number > critical      LOGICAL check(klon) ! Richardson number > critical
115      ! flag de prolongerment cape pour pt Omega      ! flag de prolongerment cape pour pt Omega
116      LOGICAL omegafl(klon)      LOGICAL omegafl(klon)
     REAL pblh(klon)  
     REAL pblT(klon)  
     REAL plcl(klon)  
117    
118      ! Monin-Obukhov lengh      ! Monin-Obukhov lengh
119      REAL obklen(klon)      REAL obklen(klon)
120    
121      REAL zdu2      REAL zdu2
     ! thermal virtual temperature excess  
     REAL therm(klon)  
     REAL trmb1(klon), trmb2(klon), trmb3(klon)  
122      ! Algorithme thermique      ! Algorithme thermique
123      REAL s(klon, klev) ! [P/Po]^Kappa milieux couches      REAL s(klon, klev) ! [P/Po]^Kappa milieux couches
     ! equivalent potential temperature of therma  
     REAL The_th(klon)  
124      ! total water of thermal      ! total water of thermal
125      REAL qT_th(klon)      REAL qT_th(klon)
126      ! T thermique niveau precedent      ! T thermique niveau precedent
     REAL Tbef(klon)  
127      REAL qsatbef(klon)      REAL qsatbef(klon)
128      ! le thermique est sature      ! le thermique est sature
129      LOGICAL Zsat(klon)      LOGICAL Zsat(klon)
130      ! Cape du thermique      REAL zthvd, zthvu, qqsat
     REAL Cape(klon)  
     ! Cape locale  
     REAL Kape(klon)  
     ! Eau liqu integr du thermique  
     REAL EauLiq(klon)  
     ! Critere d'instab d'entrainmt des nuages de  
     REAL ctei(klon)  
     REAL aa, zthvd, zthvu, qqsat  
     REAL a1, a2, a3  
131      REAL t2      REAL t2
132    
133      ! inverse phi function for momentum      ! inverse phi function for momentum
134      REAL phiminv(klon)      REAL phiminv(klon)
     ! inverse phi function for heat  
     REAL phihinv(klon)  
135      ! turbulent velocity scale for momentum      ! turbulent velocity scale for momentum
136      REAL wm(klon)      REAL wm(klon)
     ! k*ustar*pblh  
     REAL fak1(klon)  
     ! k*wm*pblh  
     REAL fak2(klon)  
     ! fakn*wstr/wm  
     REAL fak3(klon)  
     ! level eddy diffusivity for momentum  
     REAL pblk(klon)  
     ! Prandtl number for eddy diffusivities  
     REAL pr(klon)  
     ! zmzp / Obukhov length  
     REAL zl(klon)  
     ! zmzp / pblh  
     REAL zh(klon)  
     ! (1-(zmzp/pblh))**2  
     REAL zzh(klon)  
     ! w*, convective velocity scale  
     REAL wstr(klon)  
     ! current level height  
     REAL zm(klon)  
137      ! current level height + one level up      ! current level height + one level up
138      REAL zp(klon)      REAL zp(klon)
139      REAL zcor      REAL zcor
140    
141      REAL fac, pblmin, zmzp, term      REAL pblmin
142    
143      !-----------------------------------------------------------------      !-----------------------------------------------------------------
144    
145        knon = size(pblh)
146    
147      ! initialisations      ! initialisations
148      q_star = 0      q_star = 0
149      t_star = 0      t_star = 0
# Line 208  contains Line 151  contains
151      b212=sqrt(b1*b2)      b212=sqrt(b1*b2)
152      b2sr=sqrt(b2)      b2sr=sqrt(b2)
153    
     ! Initialisation  
     RLvCp = RLVTT/RCPD  
     REPS = RD/RV  
   
154      ! Calculer les hauteurs de chaque couche      ! Calculer les hauteurs de chaque couche
155      ! (geopotentielle Int_dp/ro = Int_[Rd.T.dp/p] z = geop/g)      ! (geopotentielle Int_dp/ro = Int_[Rd.T.dp/p] z = geop/g)
156      ! pourquoi ne pas utiliser Phi/RG ?      ! pourquoi ne pas utiliser Phi/RG ?
# Line 242  contains Line 181  contains
181         zxt = t2m(i)         zxt = t2m(i)
182    
183         ! convention >0 vers le bas ds lmdz         ! convention >0 vers le bas ds lmdz
184         khfs(i) = - flux_t(i, 1)*zxt*Rd / (RCPD*paprs(i, 1))         khfs(i) = - flux_t(i)*zxt*Rd / (RCPD*paprs(i, 1))
185         kqfs(i) = - flux_q(i, 1)*zxt*Rd / (paprs(i, 1))         kqfs(i) = - flux_q(i)*zxt*Rd / paprs(i, 1)
186         ! verifier que khfs et kqfs sont bien de la forme w'l'         ! verifier que khfs et kqfs sont bien de la forme w'l'
187         heatv(i) = khfs(i) + 0.608*zxt*kqfs(i)         heatv(i) = khfs(i) + 0.608*zxt*kqfs(i)
188         ! a comparer aussi aux sorties de clqh : flux_T/RoCp et flux_q/RoLv         ! a comparer aussi aux sorties de clqh : flux_T/RoCp et flux_q/RoLv
# Line 262  contains Line 201  contains
201         plcl(i) = 6000.         plcl(i) = 6000.
202         ! Lambda = -u*^3 / (alpha.g.kvon.<w'Theta'v>         ! Lambda = -u*^3 / (alpha.g.kvon.<w'Theta'v>
203         obklen(i) = -t(i, 1)*ustar(i)**3/(RG*vk*heatv(i))         obklen(i) = -t(i, 1)*ustar(i)**3/(RG*vk*heatv(i))
        trmb1(i) = 0.  
        trmb2(i) = 0.  
        trmb3(i) = 0.  
204      ENDDO      ENDDO
205    
206      ! PBL height calculation: Search for level of pbl. Scan upward      ! PBL height calculation: Search for level of pbl. Scan upward
207      ! until the Richardson number between the first level and the      ! until the Richardson number between the first level and the
208      ! current level exceeds the "critical" value.  (bonne idee Nu de      ! current level exceeds the "critical" value.  (bonne idee Nu de
209      ! separer le Ric et l'exces de temp du thermique)      ! separer le Ric et l'exces de temp du thermique)
     fac = 100.  
210      DO k = 2, isommet      DO k = 2, isommet
211         DO i = 1, knon         DO i = 1, knon
212            IF (check(i)) THEN            IF (check(i)) THEN
# Line 336  contains Line 271  contains
271            q_star = kqfs(i)/wm(i)            q_star = kqfs(i)/wm(i)
272            t_star = khfs(i)/wm(i)            t_star = khfs(i)/wm(i)
273    
           a1=b1*(1.+2.*RETV*qT_th(i))*t_star**2  
           a2=(RETV*T2m(i))**2*b2*q_star**2  
           a3=2.*RETV*T2m(i)*b212*q_star*t_star  
           aa=a1+a2+a3  
   
274            therm(i) = sqrt( b1*(1.+2.*RETV*qT_th(i))*t_star**2 &            therm(i) = sqrt( b1*(1.+2.*RETV*qT_th(i))*t_star**2 &
275                 + (RETV*T2m(i))**2*b2*q_star**2 &                 + (RETV*T2m(i))**2*b2*q_star**2 &
276                 + max(0., 2.*RETV*T2m(i)*b212*q_star*t_star))                 + max(0., 2.*RETV*T2m(i)*b212*q_star*t_star))
# Line 349  contains Line 279  contains
279            ! (attention, on ajoute therm(i) qui est virtuelle ...)            ! (attention, on ajoute therm(i) qui est virtuelle ...)
280            ! pourquoi pas sqrt(b1)*t_star ?            ! pourquoi pas sqrt(b1)*t_star ?
281            qT_th(i) = qT_th(i) + b2sr*q_star            qT_th(i) = qT_th(i) + b2sr*q_star
282            ! new on differre le calcul de Theta_e            ! new on diff\`ere le calcul de Theta_e
283            rhino(i, 1) = 0.            rhino(i, 1) = 0.
284         ENDIF         ENDIF
285      ENDDO      ENDDO
# Line 416  contains Line 346  contains
346         ! omegafl utilise pour prolongement CAPE         ! omegafl utilise pour prolongement CAPE
347         omegafl(i) = .FALSE.         omegafl(i) = .FALSE.
348         Cape(i) = 0.         Cape(i) = 0.
        Kape(i) = 0.  
349         EauLiq(i) = 0.         EauLiq(i) = 0.
350         CTEI(i) = 0.         CTEI(i) = 0.
        pblk(i) = 0.0  
        fak1(i) = ustar(i)*pblh(i)*vk  
351    
352         ! Do additional preparation for unstable cases only, set temperature         ! Do additional preparation for unstable cases only, set temperature
353         ! and moisture perturbations depending on stability.         ! and moisture perturbations depending on stability.
# Line 430  contains Line 357  contains
357            zxt=(T2m(i)-zref*0.5*RG/RCPD/(1.+RVTMP2*qT_th(i))) &            zxt=(T2m(i)-zref*0.5*RG/RCPD/(1.+RVTMP2*qT_th(i))) &
358                 *(1.+RETV*qT_th(i))                 *(1.+RETV*qT_th(i))
359            phiminv(i) = (1. - binm*pblh(i)/obklen(i))**onet            phiminv(i) = (1. - binm*pblh(i)/obklen(i))**onet
           phihinv(i) = sqrt(1. - binh*pblh(i)/obklen(i))  
360            wm(i) = ustar(i)*phiminv(i)            wm(i) = ustar(i)*phiminv(i)
           fak2(i) = wm(i)*pblh(i)*vk  
           wstr(i) = (heatv(i)*RG*pblh(i)/zxt)**onet  
           fak3(i) = fakn*wstr(i)/wm(i)  
361         ENDIF         ENDIF
        ! Computes Theta_e for thermal (all cases : to be modified)  
        ! attention ajout therm(i) = virtuelle  
        The_th(i) = T2m(i) + therm(i) + RLvCp*qT_th(i)  
362      ENDDO      ENDDO
363    
364      ! Main level loop to compute the diffusivities and      ! Main level loop to compute the diffusivities and
# Line 446  contains Line 366  contains
366      loop_level: DO k = 2, isommet      loop_level: DO k = 2, isommet
367         ! Find levels within boundary layer:         ! Find levels within boundary layer:
368         DO i = 1, knon         DO i = 1, knon
           unslev(i) = .FALSE.  
           stblev(i) = .FALSE.  
           zm(i) = z(i, k-1)  
369            zp(i) = z(i, k)            zp(i) = z(i, k)
370            IF (zkmin == 0. .AND. zp(i) > pblh(i)) zp(i) = pblh(i)            IF (zkmin == 0. .AND. zp(i) > pblh(i)) zp(i) = pblh(i)
           IF (zm(i) < pblh(i)) THEN  
              zmzp = 0.5*(zm(i) + zp(i))  
              zh(i) = zmzp/pblh(i)  
              zl(i) = zmzp/obklen(i)  
              zzh(i) = 0.  
              IF (zh(i) <= 1.) zzh(i) = (1. - zh(i))**2  
   
              ! stblev for points zm < plbh and stable and neutral  
              ! unslev for points zm < plbh and unstable  
              IF (unstbl(i)) THEN  
                 unslev(i) = .TRUE.  
              ELSE  
                 stblev(i) = .TRUE.  
              ENDIF  
           ENDIF  
        ENDDO  
   
        ! Stable and neutral points; set diffusivities; counter-gradient  
        ! terms zero for stable case:  
        DO i = 1, knon  
           IF (stblev(i)) THEN  
              IF (zl(i) <= 1.) THEN  
                 pblk(i) = fak1(i)*zh(i)*zzh(i)/(1. + betas*zl(i))  
              ELSE  
                 pblk(i) = fak1(i)*zh(i)*zzh(i)/(betas + zl(i))  
              ENDIF  
           ENDIF  
        ENDDO  
   
        ! unssrf, unstable within surface layer of pbl  
        ! unsout, unstable within outer layer of pbl  
        DO i = 1, knon  
           unssrf(i) = .FALSE.  
           unsout(i) = .FALSE.  
           IF (unslev(i)) THEN  
              IF (zh(i) < sffrac) THEN  
                 unssrf(i) = .TRUE.  
              ELSE  
                 unsout(i) = .TRUE.  
              ENDIF  
           ENDIF  
        ENDDO  
   
        ! Unstable for surface layer; counter-gradient terms zero  
        DO i = 1, knon  
           IF (unssrf(i)) THEN  
              term = (1. - betam*zl(i))**onet  
              pblk(i) = fak1(i)*zh(i)*zzh(i)*term  
              pr(i) = term/sqrt(1. - betah*zl(i))  
           ENDIF  
        ENDDO  
   
        ! Unstable for outer layer; counter-gradient terms non-zero:  
        DO i = 1, knon  
           IF (unsout(i)) THEN  
              pblk(i) = fak2(i)*zh(i)*zzh(i)  
              pr(i) = phiminv(i)/phihinv(i) + ccon*fak3(i)/fak  
           ENDIF  
371         ENDDO         ENDDO
372    
373         ! For all layers, compute integral info and CTEI         ! For all layers, compute integral info and CTEI
# Line 531  contains Line 390  contains
390                             * (qT_th(i)-qsatbef(i)) / (qsatbef(i)-qqsat)                             * (qT_th(i)-qsatbef(i)) / (qsatbef(i)-qqsat)
391                     endif                     endif
392                     Zsat(i) = .true.                     Zsat(i) = .true.
                    Tbef(i) = T2  
393                  endif                  endif
394               endif               endif
395               qsatbef(i) = qqsat               qsatbef(i) = qqsat
Legend:
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