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trunk/phylmd/yamada4.f revision 119 by guez, Wed Jan 7 14:34:57 2015 UTC trunk/phylmd/Interface_surf/yamada4.f revision 303 by guez, Thu Sep 6 14:25:07 2018 UTC
# Line 8  module yamada4_m Line 8  module yamada4_m
8    
9  contains  contains
10    
11    SUBROUTINE yamada4(ngrid, dt, g, zlev, zlay, u, v, teta, cd, q2, km, kn, kq, &    SUBROUTINE yamada4(zlev, zlay, u, v, teta, q2, coefm, coefh, ustar)
        ustar, iflag_pbl)  
12    
13      ! From LMDZ4/libf/phylmd/yamada4.F, version 1.1 2004/06/22 11:45:36      ! From LMDZ4/libf/phylmd/yamada4.F, version 1.1 2004/06/22 11:45:36
14    
15      use nr_util, only: assert      ! Library:
16      USE dimphy, ONLY: klev      use nr_util, only: assert, assert_eq
   
     integer, intent(in):: ngrid  
     REAL, intent(in):: dt ! pas de temps  
     real, intent(in):: g  
17    
18      REAL zlev(ngrid, klev+1)      use comconst, only: dtphys
19      ! altitude à chaque niveau (interface inférieure de la couche de      USE conf_phys_m, ONLY: iflag_pbl
20      ! même indice)      USE dimphy, ONLY: klev
21        USE suphec_m, ONLY: rg
22    
23      REAL zlay(ngrid, klev) ! altitude au centre de chaque couche      REAL, intent(in):: zlev(:, :) ! (knon, klev + 1)
24        ! altitude \`a chaque niveau (interface inf\'erieure de la couche de
25        ! m\^eme indice)
26    
27      REAL u(ngrid, klev), v(ngrid, klev)      REAL, intent(in):: zlay(:, :) ! (knon, klev) altitude au centre de
28      ! vitesse au centre de chaque couche (en entrée : la valeur au                                    ! chaque couche
     ! début du pas de temps)  
29    
30      REAL, intent(in):: teta(ngrid, klev)      REAL, intent(in):: u(:, :), v(:, :) ! (knon, klev)
31      ! température potentielle au centre de chaque couche (en entrée :      ! vitesse au centre de chaque couche (en entr\'ee : la valeur au
32      ! la valeur au début du pas de temps)      ! d\'ebut du pas de temps)
33    
34      REAL, intent(in):: cd(:) ! (ngrid) cdrag, valeur au début du pas de temps      REAL, intent(in):: teta(:, :) ! (knon, klev)
35        ! temp\'erature potentielle au centre de chaque couche (en entr\'ee :
36        ! la valeur au d\'ebut du pas de temps)
37    
38      REAL, intent(inout):: q2(ngrid, klev+1)      REAL, intent(inout):: q2(:, :) ! (knon, klev + 1)
39      ! $q^2$ au bas de chaque couche      ! $q^2$ au bas de chaque couche
40      ! En entrée : la valeur au début du pas de temps ; en sortie : la      ! En entr\'ee : la valeur au d\'ebut du pas de temps ; en sortie : la
41      ! valeur à la fin du pas de temps.      ! valeur \`a la fin du pas de temps.
42    
43      REAL km(ngrid, klev+1)      REAL, intent(out):: coefm(:, 2:) ! (knon, 2:klev)
44      ! diffusivité turbulente de quantité de mouvement (au bas de      ! diffusivit\'e turbulente de quantit\'e de mouvement (au bas de
45      ! chaque couche) (en sortie : la valeur à la fin du pas de temps)      ! chaque couche) (en sortie : la valeur \`a la fin du pas de temps)
46    
47      REAL kn(ngrid, klev+1)      REAL, intent(out):: coefh(:, 2:) ! (knon, 2:klev)
48      ! diffusivité turbulente des scalaires (au bas de chaque couche)      ! diffusivit\'e turbulente des scalaires (au bas de chaque couche)
49      ! (en sortie : la valeur à la fin du pas de temps)      ! (en sortie : la valeur \`a la fin du pas de temps)
   
     REAL kq(ngrid, klev+1)  
     real ustar(ngrid)  
   
     integer, intent(in):: iflag_pbl  
     ! iflag_pbl doit valoir entre 6 et 9  
     ! l = 6, on prend systématiquement une longueur d'équilibre  
     ! iflag_pbl = 6 : MY 2.0  
     ! iflag_pbl = 7 : MY 2.0.Fournier  
     ! iflag_pbl = 8 : MY 2.5  
     ! iflag_pbl = 9 : un test ?  
50    
51      ! Local:      real, intent(in):: ustar(:) ! (knon)
52    
53      real kmin, qmin, pblhmin(ngrid), coriol(ngrid)      ! Local:
54        
55        integer knon
56        real kmin, qmin
57        real pblhmin(size(ustar)), coriol(size(ustar)) ! (knon)
58      real qpre      real qpre
59      REAL unsdz(ngrid, klev)      REAL unsdz(size(zlay, 1), size(zlay, 2)) ! (knon, klev)
60      REAL unsdzdec(ngrid, klev+1)      REAL unsdzdec(size(zlev, 1), size(zlev, 2)) ! (knon, klev + 1)
61      REAL kmpre(ngrid, klev+1), tmp2      real delta(size(zlev, 1), size(zlev, 2)) ! (knon, klev + 1)
62      REAL mpre(ngrid, klev+1)      real aa(size(zlev, 1), size(zlev, 2)) ! (knon, klev + 1)
     real delta(ngrid, klev+1)  
     real aa(ngrid, klev+1), aa0, aa1  
     integer, PARAMETER:: nlev = klev+1  
63      logical:: first = .true.      logical:: first = .true.
     integer:: ipas = 0  
64      integer ig, k      integer ig, k
65      real ri      real ri
66      real rif(ngrid, klev+1), sm(ngrid, klev+1), alpha(ngrid, klev)      real, dimension(size(zlev, 1), size(zlev, 2)):: rif, sm ! (knon, klev + 1)
67      real m2(ngrid, klev+1), dz(ngrid, klev+1), zq, n2(ngrid, klev+1)      real alpha(size(zlay, 1), size(zlay, 2)) ! (knon, klev)
68      real dtetadz(ngrid, klev+1)  
69      real m2cstat, mcstat, kmcstat      real, dimension(size(zlev, 1), size(zlev, 2)):: m2, dz, n2
70      real l(ngrid, klev+1)      ! (knon, klev + 1)
71      real l0(ngrid)      
72      real sq(ngrid), sqz(ngrid), zz(ngrid, klev+1)      real zq
73        real dtetadz(size(zlev, 1), size(zlev, 2)) ! (knon, klev + 1)
74        real l(size(zlev, 1), size(zlev, 2)) ! (knon, klev + 1)
75        real l0(size(ustar)) ! (knon)
76        real sq(size(ustar)), sqz(size(ustar)) ! (knon)
77        real zz(size(zlev, 1), size(zlev, 2)) ! (knon, klev + 1)
78      integer iter      integer iter
79      real:: ric = 0.195, rifc = 0.191, b1 = 16.6, kap = 0.4      real:: ric = 0.195, rifc = 0.191, b1 = 16.6
     real rino(ngrid, klev+1), smyam(ngrid, klev), styam(ngrid, klev)  
     real lyam(ngrid, klev)  
80    
81      !-----------------------------------------------------------------------      !-----------------------------------------------------------------------
82    
83      call assert(iflag_pbl >= 6 .and. iflag_pbl <= 9, "yamada4")      call assert(any(iflag_pbl == [6, 8, 9]), "yamada4 iflag_pbl")
84        knon = assert_eq([size(zlev, 1), size(zlay, 1), size(u, 1), size(v, 1), &
85      ipas = ipas+1           size(teta, 1), size(ustar), size(q2, 1), size(coefm, 1), &
86             size(coefh, 1)], "yamada4 knon")
87        call assert(klev == [size(zlev, 2) - 1, size(zlay, 2), size(u, 2), &
88             size(v, 2), size(teta, 2), size(q2, 2) - 1, size(coefm, 2) + 1, &
89             size(coefh, 2) + 1], "yamada4 klev")
90    
91      ! les increments verticaux      ! les increments verticaux
     DO ig = 1, ngrid  
        ! alerte: zlev n'est pas declare a nlev  
        zlev(ig, nlev) = zlay(ig, klev) +(zlay(ig, klev) - zlev(ig, nlev-1))  
     ENDDO  
92    
93      DO k = 1, klev      DO k = 1, klev
94         DO ig = 1, ngrid         DO ig = 1, knon
95            unsdz(ig, k) = 1.E+0/(zlev(ig, k+1)-zlev(ig, k))            unsdz(ig, k) = 1.E+0/(zlev(ig, k + 1)-zlev(ig, k))
96         ENDDO         ENDDO
97      ENDDO      ENDDO
98    
99      DO ig = 1, ngrid      DO ig = 1, knon
100         unsdzdec(ig, 1) = 1.E+0/(zlay(ig, 1)-zlev(ig, 1))         unsdzdec(ig, 1) = 1.E+0/(zlay(ig, 1)-zlev(ig, 1))
101      ENDDO      ENDDO
102    
103      DO k = 2, klev      DO k = 2, klev
104         DO ig = 1, ngrid         DO ig = 1, knon
105            unsdzdec(ig, k) = 1.E+0/(zlay(ig, k)-zlay(ig, k-1))            unsdzdec(ig, k) = 1.E+0/(zlay(ig, k)-zlay(ig, k-1))
106         ENDDO         ENDDO
107      ENDDO      ENDDO
108    
109      DO ig = 1, ngrid      DO ig = 1, knon
110         unsdzdec(ig, klev+1) = 1.E+0/(zlev(ig, klev+1)-zlay(ig, klev))         unsdzdec(ig, klev + 1) = 1.E+0/(zlev(ig, klev + 1)-zlay(ig, klev))
111      ENDDO      ENDDO
112    
113      do k = 2, klev      do k = 2, klev
114         do ig = 1, ngrid         do ig = 1, knon
115            dz(ig, k) = zlay(ig, k)-zlay(ig, k-1)            dz(ig, k) = zlay(ig, k)-zlay(ig, k-1)
116            m2(ig, k) = ((u(ig, k)-u(ig, k-1))**2+(v(ig, k)-v(ig, k-1))**2) &            m2(ig, k) = ((u(ig, k)-u(ig, k-1))**2 + (v(ig, k)-v(ig, k-1))**2) &
117                 /(dz(ig, k)*dz(ig, k))                 /(dz(ig, k)*dz(ig, k))
118            dtetadz(ig, k) = (teta(ig, k)-teta(ig, k-1))/dz(ig, k)            dtetadz(ig, k) = (teta(ig, k)-teta(ig, k-1))/dz(ig, k)
119            n2(ig, k) = g*2.*dtetadz(ig, k)/(teta(ig, k-1)+teta(ig, k))            n2(ig, k) = rg*2.*dtetadz(ig, k)/(teta(ig, k-1) + teta(ig, k))
120            ri = n2(ig, k)/max(m2(ig, k), 1.e-10)            ri = n2(ig, k)/max(m2(ig, k), 1.e-10)
121            if (ri.lt.ric) then            if (ri.lt.ric) then
122               rif(ig, k) = frif(ri)               rif(ig, k) = frif(ri)
# Line 143  contains Line 134  contains
134         enddo         enddo
135      enddo      enddo
136    
137      ! Au premier appel, on détermine l et q2 de façon itérative.      ! Au premier appel, on d\'etermine l et q2 de fa\ccon it\'erative.
138      ! Itération pour déterminer la longueur de mélange      ! It\'eration pour d\'eterminer la longueur de m\'elange
139    
140      if (first .or. iflag_pbl == 6) then      if (first .or. iflag_pbl == 6) then
141         do ig = 1, ngrid         do ig = 1, knon
142            l0(ig) = 10.            l0(ig) = 10.
143         enddo         enddo
144         do k = 2, klev-1         do k = 2, klev-1
145            do ig = 1, ngrid            do ig = 1, knon
146               l(ig, k) = l0(ig) * kap * zlev(ig, k) &               l(ig, k) = l0(ig) * kap * zlev(ig, k) &
147                    / (kap * zlev(ig, k) + l0(ig))                    / (kap * zlev(ig, k) + l0(ig))
148            enddo            enddo
149         enddo         enddo
150    
151         do iter = 1, 10         do iter = 1, 10
152            do ig = 1, ngrid            do ig = 1, knon
153               sq(ig) = 1e-10               sq(ig) = 1e-10
154               sqz(ig) = 1e-10               sqz(ig) = 1e-10
155            enddo            enddo
156            do k = 2, klev-1            do k = 2, klev-1
157               do ig = 1, ngrid               do ig = 1, knon
158                  q2(ig, k) = l(ig, k)**2 * zz(ig, k)                  q2(ig, k) = l(ig, k)**2 * zz(ig, k)
159                  l(ig, k) = fl(zlev(ig, k), l0(ig), q2(ig, k), n2(ig, k))                  l(ig, k) = fl(zlev(ig, k), l0(ig), q2(ig, k), n2(ig, k))
160                  zq = sqrt(q2(ig, k))                  zq = sqrt(q2(ig, k))
# Line 172  contains Line 163  contains
163                  sq(ig) = sq(ig) + zq * (zlay(ig, k) - zlay(ig, k-1))                  sq(ig) = sq(ig) + zq * (zlay(ig, k) - zlay(ig, k-1))
164               enddo               enddo
165            enddo            enddo
166            do ig = 1, ngrid            do ig = 1, knon
167               l0(ig) = 0.2 * sqz(ig) / sq(ig)               l0(ig) = 0.2 * sqz(ig) / sq(ig)
168            enddo            enddo
169         enddo         enddo
# Line 181  contains Line 172  contains
172      ! Calcul de la longueur de melange.      ! Calcul de la longueur de melange.
173    
174      ! Mise a jour de l0      ! Mise a jour de l0
175      do ig = 1, ngrid      do ig = 1, knon
176         sq(ig) = 1.e-10         sq(ig) = 1.e-10
177         sqz(ig) = 1.e-10         sqz(ig) = 1.e-10
178      enddo      enddo
179      do k = 2, klev-1      do k = 2, klev-1
180         do ig = 1, ngrid         do ig = 1, knon
181            zq = sqrt(q2(ig, k))            zq = sqrt(q2(ig, k))
182            sqz(ig) = sqz(ig)+zq*zlev(ig, k)*(zlay(ig, k)-zlay(ig, k-1))            sqz(ig) = sqz(ig) + zq*zlev(ig, k)*(zlay(ig, k)-zlay(ig, k-1))
183            sq(ig) = sq(ig)+zq*(zlay(ig, k)-zlay(ig, k-1))            sq(ig) = sq(ig) + zq*(zlay(ig, k)-zlay(ig, k-1))
184         enddo         enddo
185      enddo      enddo
186      do ig = 1, ngrid      do ig = 1, knon
187         l0(ig) = 0.2*sqz(ig)/sq(ig)         l0(ig) = 0.2*sqz(ig)/sq(ig)
188      enddo      enddo
189      ! calcul de l(z)      ! calcul de l(z)
190      do k = 2, klev      do k = 2, klev
191         do ig = 1, ngrid         do ig = 1, knon
192            l(ig, k) = fl(zlev(ig, k), l0(ig), q2(ig, k), n2(ig, k))            l(ig, k) = fl(zlev(ig, k), l0(ig), q2(ig, k), n2(ig, k))
193            if (first) then            if (first) then
194               q2(ig, k) = l(ig, k)**2 * zz(ig, k)               q2(ig, k) = l(ig, k)**2 * zz(ig, k)
# Line 205  contains Line 196  contains
196         enddo         enddo
197      enddo      enddo
198    
     ! Yamada 2.0  
199      if (iflag_pbl == 6) then      if (iflag_pbl == 6) then
200           ! Yamada 2.0
201         do k = 2, klev         do k = 2, klev
202            do ig = 1, ngrid            do ig = 1, knon
203               q2(ig, k) = l(ig, k)**2 * zz(ig, k)               q2(ig, k) = l(ig, k)**2 * zz(ig, k)
204            enddo            enddo
205         enddo         enddo
     else if (iflag_pbl == 7) then  
        ! Yamada 2.Fournier  
   
        ! Calcul de l, km, au pas precedent  
        do k = 2, klev  
           do ig = 1, ngrid  
              delta(ig, k) = q2(ig, k) / (l(ig, k)**2 * sm(ig, k))  
              kmpre(ig, k) = l(ig, k) * sqrt(q2(ig, k)) * sm(ig, k)  
              mpre(ig, k) = sqrt(m2(ig, k))  
           enddo  
        enddo  
   
        do k = 2, klev-1  
           do ig = 1, ngrid  
              m2cstat = max(alpha(ig, k)*n2(ig, k)+delta(ig, k)/b1, 1.e-12)  
              mcstat = sqrt(m2cstat)  
   
              ! puis on ecrit la valeur de q qui annule l'equation de m  
              ! supposee en q3  
   
              IF (k == 2) THEN  
                 kmcstat = 1.E+0 / mcstat &  
                      *(unsdz(ig, k)*kmpre(ig, k+1) &  
                      *mpre(ig, k+1) &  
                      +unsdz(ig, k-1) &  
                      *cd(ig) &  
                      *(sqrt(u(ig, 3)**2+v(ig, 3)**2) &  
                      -mcstat/unsdzdec(ig, k) &  
                      -mpre(ig, k+1)/unsdzdec(ig, k+1))**2) &  
                      /(unsdz(ig, k)+unsdz(ig, k-1))  
              ELSE  
                 kmcstat = 1.E+0 / mcstat &  
                      *(unsdz(ig, k)*kmpre(ig, k+1) &  
                      *mpre(ig, k+1) &  
                      +unsdz(ig, k-1)*kmpre(ig, k-1) &  
                      *mpre(ig, k-1)) &  
                      /(unsdz(ig, k)+unsdz(ig, k-1))  
              ENDIF  
              tmp2 = kmcstat / (sm(ig, k) / q2(ig, k)) /l(ig, k)  
              q2(ig, k) = max(tmp2, 1.e-12)**(2./3.)  
           enddo  
        enddo  
206      else if (iflag_pbl >= 8) then      else if (iflag_pbl >= 8) then
207         ! Yamada 2.5 a la Didi         ! Yamada 2.5 a la Didi
208    
209         ! Calcul de l, km, au pas precedent         ! Calcul de l, coefm, au pas precedent
210         do k = 2, klev         do k = 2, klev
211            do ig = 1, ngrid            do ig = 1, knon
212               delta(ig, k) = q2(ig, k)/(l(ig, k)**2*sm(ig, k))               delta(ig, k) = q2(ig, k)/(l(ig, k)**2*sm(ig, k))
213               if (delta(ig, k).lt.1.e-20) then               if (delta(ig, k).lt.1.e-20) then
214                  delta(ig, k) = 1.e-20                  delta(ig, k) = 1.e-20
215               endif               endif
216               km(ig, k) = l(ig, k)*sqrt(q2(ig, k))*sm(ig, k)               coefm(ig, k) = l(ig, k)*sqrt(q2(ig, k))*sm(ig, k)
217               aa0 = (m2(ig, k)-alpha(ig, k)*n2(ig, k)-delta(ig, k)/b1)               aa(ig, k) = (m2(ig, k)*(1.-rif(ig, k))-delta(ig, k)/b1)*dtphys/(delta(ig, k)*l(ig, k))
              aa1 = (m2(ig, k)*(1.-rif(ig, k))-delta(ig, k)/b1)  
              aa(ig, k) = aa1*dt/(delta(ig, k)*l(ig, k))  
218               qpre = sqrt(q2(ig, k))               qpre = sqrt(q2(ig, k))
219               if (iflag_pbl == 8) then               if (iflag_pbl == 8) then
220                  if (aa(ig, k).gt.0.) then                  if (aa(ig, k).gt.0.) then
221                     q2(ig, k) = (qpre+aa(ig, k)*qpre*qpre)**2                     q2(ig, k) = (qpre + aa(ig, k)*qpre*qpre)**2
222                  else                  else
223                     q2(ig, k) = (qpre/(1.-aa(ig, k)*qpre))**2                     q2(ig, k) = (qpre/(1.-aa(ig, k)*qpre))**2
224                  endif                  endif
# Line 288  contains Line 235  contains
235         enddo         enddo
236      endif      endif
237    
238      ! Calcul des coefficients de mélange      ! Calcul des coefficients de m\'elange
239      do k = 2, klev      do k = 2, klev
240         do ig = 1, ngrid         do ig = 1, knon
241            zq = sqrt(q2(ig, k))            zq = sqrt(q2(ig, k))
242            km(ig, k) = l(ig, k)*zq*sm(ig, k)            coefm(ig, k) = l(ig, k)*zq*sm(ig, k)
243            kn(ig, k) = km(ig, k)*alpha(ig, k)            coefh(ig, k) = coefm(ig, k)*alpha(ig, k)
           kq(ig, k) = l(ig, k)*zq*0.2  
244         enddo         enddo
245      enddo      enddo
246    
# Line 304  contains Line 250  contains
250      ! Traitement particulier pour les cas tres stables.      ! Traitement particulier pour les cas tres stables.
251      ! D'apres Holtslag Boville.      ! D'apres Holtslag Boville.
252    
253      do ig = 1, ngrid      do ig = 1, knon
254         coriol(ig) = 1.e-4         coriol(ig) = 1.e-4
255         pblhmin(ig) = 0.07*ustar(ig)/max(abs(coriol(ig)), 2.546e-5)         pblhmin(ig) = 0.07*ustar(ig)/max(abs(coriol(ig)), 2.546e-5)
256      enddo      enddo
257    
     print *, 'pblhmin ', pblhmin  
258      do k = 2, klev      do k = 2, klev
259         do ig = 1, ngrid         do ig = 1, knon
260            if (teta(ig, 2).gt.teta(ig, 1)) then            if (teta(ig, 2).gt.teta(ig, 1)) then
261               qmin = ustar(ig)*(max(1.-zlev(ig, k)/pblhmin(ig), 0.))**2               qmin = ustar(ig)*(max(1.-zlev(ig, k)/pblhmin(ig), 0.))**2
262               kmin = kap*zlev(ig, k)*qmin               kmin = kap*zlev(ig, k)*qmin
263            else            else
264               kmin = -1. ! kmin n'est utilise que pour les SL stables.               kmin = -1. ! kmin n'est utilise que pour les SL stables.
265            endif            endif
266            if (kn(ig, k).lt.kmin.or.km(ig, k).lt.kmin) then            if (coefh(ig, k).lt.kmin.or.coefm(ig, k).lt.kmin) then
267               kn(ig, k) = kmin               coefh(ig, k) = kmin
268               km(ig, k) = kmin               coefm(ig, k) = kmin
              kq(ig, k) = kmin  
269               ! la longueur de melange est suposee etre l = kap z               ! la longueur de melange est suposee etre l = kap z
270               ! K = l q Sm d'ou q2 = (K/l Sm)**2               ! K = l q Sm d'ou q2 = (K/l Sm)**2
271               q2(ig, k) = (qmin/sm(ig, k))**2               q2(ig, k) = (qmin/sm(ig, k))**2
# Line 329  contains Line 273  contains
273         enddo         enddo
274      enddo      enddo
275    
     ! Diagnostique pour stokage  
   
     rino = rif  
     smyam(:, 1:klev) = sm(:, 1:klev)  
     styam = sm(:, 1:klev)*alpha(:, 1:klev)  
     lyam(1:ngrid, 1:klev) = l(:, 1:klev)  
   
276      first = .false.      first = .false.
277    
278    end SUBROUTINE yamada4    end SUBROUTINE yamada4
279    
280    !*******************************************************************    !*******************************************************************
281    
282    real function frif(ri)    pure real function frif(ri)
283    
284      real, intent(in):: ri      real, intent(in):: ri
285    
286      frif = 0.6588*(ri+0.1776-sqrt(ri*ri-0.3221*ri+0.03156))      frif = 0.6588*(ri + 0.1776-sqrt(ri*ri-0.3221*ri + 0.03156))
287    
288    end function frif    end function frif
289    
290    !*******************************************************************    !*******************************************************************
291    
292    real function falpha(ri)    pure real function falpha(ri)
293    
294      real, intent(in):: ri      real, intent(in):: ri
295    
# Line 362  contains Line 299  contains
299    
300    !*******************************************************************    !*******************************************************************
301    
302    real function fsm(ri)    pure real function fsm(ri)
303    
304      real, intent(in):: ri      real, intent(in):: ri
305    
# Line 372  contains Line 309  contains
309    
310    !*******************************************************************    !*******************************************************************
311    
312    real function fl(zzz, zl0, zq2, zn2)    pure real function fl(zzz, zl0, zq2, zn2)
313    
314      real, intent(in):: zzz, zl0, zq2, zn2      real, intent(in):: zzz, zl0, zq2, zn2
315    
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