New URL for NEMO forge!   http://forge.nemo-ocean.eu

Since March 2022 along with NEMO 4.2 release, the code development moved to a self-hosted GitLab.
This present forge is now archived and remained online for history.
sbcblk.F90 in NEMO/branches/2019/dev_r11085_ASINTER-05_Brodeau_Advanced_Bulk/src/OCE/SBC – NEMO

source: NEMO/branches/2019/dev_r11085_ASINTER-05_Brodeau_Advanced_Bulk/src/OCE/SBC/sbcblk.F90 @ 12020

Last change on this file since 12020 was 12020, checked in by laurent, 4 years ago

Improved syntax...

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 68.3 KB
Line 
1MODULE sbcblk
2   !!======================================================================
3   !!                       ***  MODULE  sbcblk  ***
4   !! Ocean forcing:  momentum, heat and freshwater flux formulation
5   !!                         Aerodynamic Bulk Formulas
6   !!                        SUCCESSOR OF "sbcblk_core"
7   !!=====================================================================
8   !! History :  1.0  !  2004-08  (U. Schweckendiek)  Original CORE code
9   !!            2.0  !  2005-04  (L. Brodeau, A.M. Treguier)  improved CORE bulk and its user interface
10   !!            3.0  !  2006-06  (G. Madec)  sbc rewritting
11   !!             -   !  2006-12  (L. Brodeau)  Original code for turb_core
12   !!            3.2  !  2009-04  (B. Lemaire)  Introduce iom_put
13   !!            3.3  !  2010-10  (S. Masson)  add diurnal cycle
14   !!            3.4  !  2011-11  (C. Harris)  Fill arrays required by CICE
15   !!            3.7  !  2014-06  (L. Brodeau)  simplification and optimization of CORE bulk
16   !!            4.0  !  2016-06  (L. Brodeau)  sbcblk_core becomes sbcblk and is not restricted to the CORE algorithm anymore
17   !!                 !                        ==> based on AeroBulk (https://github.com/brodeau/aerobulk/)
18   !!            4.0  !  2016-10  (G. Madec)  introduce a sbc_blk_init routine
19   !!            4.0  !  2016-10  (M. Vancoppenolle)  Introduce conduction flux emulator (M. Vancoppenolle)
20   !!----------------------------------------------------------------------
21
22   !!----------------------------------------------------------------------
23   !!   sbc_blk_init  : initialisation of the chosen bulk formulation as ocean surface boundary condition
24   !!   sbc_blk       : bulk formulation as ocean surface boundary condition
25   !!   blk_oce       : computes momentum, heat and freshwater fluxes over ocean
26   !!             sea-ice case only :
27   !!   blk_ice_tau   : provide the air-ice stress
28   !!   blk_ice_flx   : provide the heat and mass fluxes at air-ice interface
29   !!   blk_ice_qcn   : provide ice surface temperature and snow/ice conduction flux (emulating conduction flux)
30   !!   Cdn10_Lupkes2012 : Lupkes et al. (2012) air-ice drag
31   !!   Cdn10_Lupkes2015 : Lupkes et al. (2015) air-ice drag
32   !!----------------------------------------------------------------------
33   USE oce            ! ocean dynamics and tracers
34   USE dom_oce        ! ocean space and time domain
35   USE phycst         ! physical constants
36   USE fldread        ! read input fields
37   USE sbc_oce        ! Surface boundary condition: ocean fields
38   USE cyclone        ! Cyclone 10m wind form trac of cyclone centres
39   USE sbcdcy         ! surface boundary condition: diurnal cycle
40   USE sbcwave , ONLY :   cdn_wave ! wave module
41   USE sbc_ice        ! Surface boundary condition: ice fields
42   USE lib_fortran    ! to use key_nosignedzero
43#if defined key_si3
44   USE ice     , ONLY :   u_ice, v_ice, jpl, a_i_b, at_i_b, t_su, rn_cnd_s, hfx_err_dif
45   USE icethd_dh      ! for CALL ice_thd_snwblow
46#endif
47   USE sbcblk_algo_ncar     ! => turb_ncar     : NCAR - CORE (Large & Yeager, 2009)
48   USE sbcblk_algo_coare3p0 ! => turb_coare3p0 : COAREv3.0 (Fairall et al. 2003)
49   USE sbcblk_algo_coare3p6 ! => turb_coare3p6 : COAREv3.6 (Fairall et al. 201 + Edson et al. 2013)
50   USE sbcblk_algo_ecmwf    ! => turb_ecmwf    : ECMWF (IFS cycle 45r1)
51   !
52   USE iom            ! I/O manager library
53   USE in_out_manager ! I/O manager
54   USE lib_mpp        ! distribued memory computing library
55   USE lbclnk         ! ocean lateral boundary conditions (or mpp link)
56   USE prtctl         ! Print control
57
58   USE sbcblk_phy     ! a catalog of functions for physical/meteorological parameters in the marine boundary layer, rho_air, q_sat, etc...
59
60
61   IMPLICIT NONE
62   PRIVATE
63
64   PUBLIC   sbc_blk_init  ! called in sbcmod
65   PUBLIC   sbc_blk       ! called in sbcmod
66#if defined key_si3
67   PUBLIC   blk_ice_tau   ! routine called in icesbc
68   PUBLIC   blk_ice_flx   ! routine called in icesbc
69   PUBLIC   blk_ice_qcn   ! routine called in icesbc
70#endif
71
72   INTEGER , PARAMETER ::   jpfld   =10           ! maximum number of files to read
73   INTEGER , PARAMETER ::   jp_wndi = 1           ! index of 10m wind velocity (i-component) (m/s)    at T-point
74   INTEGER , PARAMETER ::   jp_wndj = 2           ! index of 10m wind velocity (j-component) (m/s)    at T-point
75   INTEGER , PARAMETER ::   jp_tair = 3           ! index of 10m air temperature             (Kelvin)
76   INTEGER , PARAMETER ::   jp_humi = 4           ! index of specific humidity               ( % )
77   INTEGER , PARAMETER ::   jp_qsr  = 5           ! index of solar heat                      (W/m2)
78   INTEGER , PARAMETER ::   jp_qlw  = 6           ! index of Long wave                       (W/m2)
79   INTEGER , PARAMETER ::   jp_prec = 7           ! index of total precipitation (rain+snow) (Kg/m2/s)
80   INTEGER , PARAMETER ::   jp_snow = 8           ! index of snow (solid prcipitation)       (kg/m2/s)
81   INTEGER , PARAMETER ::   jp_slp  = 9           ! index of sea level pressure              (Pa)
82   INTEGER , PARAMETER ::   jp_tdif =10           ! index of tau diff associated to HF tau   (N/m2)   at T-point
83
84   TYPE(FLD), ALLOCATABLE, DIMENSION(:) ::   sf   ! structure of input fields (file informations, fields read)
85
86   !                           !!* Namelist namsbc_blk : bulk parameters
87   LOGICAL  ::   ln_NCAR        ! "NCAR"      algorithm   (Large and Yeager 2008)
88   LOGICAL  ::   ln_COARE_3p0   ! "COARE 3.0" algorithm   (Fairall et al. 2003)
89   LOGICAL  ::   ln_COARE_3p6   ! "COARE 3.6" algorithm   (Edson et al. 2013)
90   LOGICAL  ::   ln_ECMWF       ! "ECMWF"     algorithm   (IFS cycle 45r1)
91   !
92   LOGICAL  ::   ln_taudif      ! logical flag to use the "mean of stress module - module of mean stress" data
93   REAL(wp) ::   rn_pfac        ! multiplication factor for precipitation
94   REAL(wp) ::   rn_efac        ! multiplication factor for evaporation
95   REAL(wp) ::   rn_vfac        ! multiplication factor for ice/ocean velocity in the calculation of wind stress
96   REAL(wp) ::   rn_zqt         ! z(q,t) : height of humidity and temperature measurements
97   REAL(wp) ::   rn_zu          ! z(u)   : height of wind measurements
98   !!gm ref namelist initialize it so remove the setting to false below
99   LOGICAL  ::   ln_Cd_L12 = .FALSE. !  Modify the drag ice-atm depending on ice concentration (from Lupkes et al. JGR2012)
100   LOGICAL  ::   ln_Cd_L15 = .FALSE. !  Modify the drag ice-atm depending on ice concentration (from Lupkes et al. JGR2015)
101   !
102   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:) ::   Cd_atm                    ! transfer coefficient for momentum      (tau)
103   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:) ::   Ch_atm                    ! transfer coefficient for sensible heat (Q_sens)
104   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:) ::   Ce_atm                    ! tansfert coefficient for evaporation   (Q_lat)
105   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:) ::   t_zu                      ! air temperature at wind speed height (needed by Lupkes 2015 bulk scheme)
106   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:) ::   q_zu                      ! air spec. hum.  at wind speed height (needed by Lupkes 2015 bulk scheme)
107   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:) ::   cdn_oce, chn_oce, cen_oce ! needed by Lupkes 2015 bulk scheme
108
109   !LB:
110   LOGICAL  ::   ln_skin_cs     ! use the cool-skin (only available in ECMWF and COARE algorithms) !LB
111   LOGICAL  ::   ln_skin_wl     ! use the warm-layer parameterization (only available in ECMWF and COARE algorithms) !LB
112   LOGICAL  ::   ln_humi_sph    ! humidity read in files ("sn_humi") is specific humidity [kg/kg] if .true. !LB
113   LOGICAL  ::   ln_humi_dpt    ! humidity read in files ("sn_humi") is dew-point temperature [K] if .true. !LB
114   LOGICAL  ::   ln_humi_rlh    ! humidity read in files ("sn_humi") is relative humidity     [%] if .true. !LB
115   !
116   INTEGER  ::   nhumi          ! choice of the bulk algorithm
117   !                            ! associated indices:
118   INTEGER, PARAMETER :: np_humi_sph = 1
119   INTEGER, PARAMETER :: np_humi_dpt = 2
120   INTEGER, PARAMETER :: np_humi_rlh = 3
121   !LB.
122
123   INTEGER  ::   nblk           ! choice of the bulk algorithm
124   !                            ! associated indices:
125   INTEGER, PARAMETER ::   np_NCAR      = 1   ! "NCAR" algorithm        (Large and Yeager 2008)
126   INTEGER, PARAMETER ::   np_COARE_3p0 = 2   ! "COARE 3.0" algorithm   (Fairall et al. 2003)
127   INTEGER, PARAMETER ::   np_COARE_3p6 = 3   ! "COARE 3.6" algorithm   (Edson et al. 2013)
128   INTEGER, PARAMETER ::   np_ECMWF     = 4   ! "ECMWF" algorithm       (IFS cycle 45r1)
129
130   !! * Substitutions
131#  include "vectopt_loop_substitute.h90"
132   !!----------------------------------------------------------------------
133   !! NEMO/OCE 4.0 , NEMO Consortium (2018)
134   !! $Id$
135   !! Software governed by the CeCILL license (see ./LICENSE)
136   !!----------------------------------------------------------------------
137CONTAINS
138
139   INTEGER FUNCTION sbc_blk_alloc()
140      !!-------------------------------------------------------------------
141      !!             ***  ROUTINE sbc_blk_alloc ***
142      !!-------------------------------------------------------------------
143      ALLOCATE( Cd_atm (jpi,jpj), Ch_atm (jpi,jpj), Ce_atm (jpi,jpj), t_zu(jpi,jpj), q_zu(jpi,jpj), &
144         &      cdn_oce(jpi,jpj), chn_oce(jpi,jpj), cen_oce(jpi,jpj), tsk (jpi,jpj), STAT=sbc_blk_alloc )
145      !
146      CALL mpp_sum ( 'sbcblk', sbc_blk_alloc )
147      IF( sbc_blk_alloc /= 0 )   CALL ctl_stop( 'STOP', 'sbc_blk_alloc: failed to allocate arrays' )
148   END FUNCTION sbc_blk_alloc
149
150
151   SUBROUTINE sbc_blk_init
152      !!---------------------------------------------------------------------
153      !!                    ***  ROUTINE sbc_blk_init  ***
154      !!
155      !! ** Purpose :   choose and initialize a bulk formulae formulation
156      !!
157      !! ** Method  :
158      !!
159      !!----------------------------------------------------------------------
160      INTEGER  ::   ifpr, jfld            ! dummy loop indice and argument
161      INTEGER  ::   ios, ierror, ioptio   ! Local integer
162      !!
163      CHARACTER(len=100)            ::   cn_dir                ! Root directory for location of atmospheric forcing files
164      TYPE(FLD_N), DIMENSION(jpfld) ::   slf_i                 ! array of namelist informations on the fields to read
165      TYPE(FLD_N) ::   sn_wndi, sn_wndj, sn_humi, sn_qsr       ! informations about the fields to be read
166      TYPE(FLD_N) ::   sn_qlw , sn_tair, sn_prec, sn_snow      !       "                        "
167      TYPE(FLD_N) ::   sn_slp , sn_tdif                        !       "                        "
168      NAMELIST/namsbc_blk/ sn_wndi, sn_wndj, sn_humi, sn_qsr, sn_qlw ,                &   ! input fields
169         &                 sn_tair, sn_prec, sn_snow, sn_slp, sn_tdif,                &
170         &                 ln_NCAR, ln_COARE_3p0, ln_COARE_3p6, ln_ECMWF,             &   ! bulk algorithm
171         &                 cn_dir , ln_taudif, rn_zqt, rn_zu,                         &
172         &                 rn_pfac, rn_efac, rn_vfac, ln_Cd_L12, ln_Cd_L15,           &
173         &                 ln_skin_cs, ln_skin_wl, ln_humi_sph, ln_humi_dpt, ln_humi_rlh    ! cool-skin / warm-layer !LB
174      !!---------------------------------------------------------------------
175      !
176      !                                      ! allocate sbc_blk_core array
177      IF( sbc_blk_alloc() /= 0 )   CALL ctl_stop( 'STOP', 'sbc_blk : unable to allocate standard arrays' )
178      !
179      !                             !** read bulk namelist
180      REWIND( numnam_ref )                !* Namelist namsbc_blk in reference namelist : bulk parameters
181      READ  ( numnam_ref, namsbc_blk, IOSTAT = ios, ERR = 901)
182901   IF( ios /= 0 )   CALL ctl_nam ( ios , 'namsbc_blk in reference namelist' )
183      !
184      REWIND( numnam_cfg )                !* Namelist namsbc_blk in configuration namelist : bulk parameters
185      READ  ( numnam_cfg, namsbc_blk, IOSTAT = ios, ERR = 902 )
186902   IF( ios >  0 )   CALL ctl_nam ( ios , 'namsbc_blk in configuration namelist' )
187      !
188      IF(lwm) WRITE( numond, namsbc_blk )
189      !
190      !                             !** initialization of the chosen bulk formulae (+ check)
191      !                                   !* select the bulk chosen in the namelist and check the choice
192      ioptio = 0
193      IF( ln_NCAR      ) THEN
194         nblk =  np_NCAR        ;   ioptio = ioptio + 1
195      ENDIF
196      IF( ln_COARE_3p0 ) THEN
197         nblk =  np_COARE_3p0   ;   ioptio = ioptio + 1
198      ENDIF
199      IF( ln_COARE_3p6 ) THEN
200         nblk =  np_COARE_3p6   ;   ioptio = ioptio + 1
201      ENDIF
202      IF( ln_ECMWF     ) THEN
203         nblk =  np_ECMWF       ;   ioptio = ioptio + 1
204      ENDIF
205      IF( ioptio /= 1 )   CALL ctl_stop( 'sbc_blk_init: Choose one and only one bulk algorithm' )
206
207
208
209
210      !                             !** initialization of the cool-skin / warm-layer parametrization
211      IF( ln_skin_cs .OR. ln_skin_wl ) THEN
212         !! Some namelist sanity tests:
213         IF( ln_NCAR )      &
214            & CALL ctl_stop( 'sbc_blk_init: Cool-skin/warm-layer param. not compatible with NCAR algorithm' )
215         IF( nn_fsbc /= 1 ) &
216            & CALL ctl_stop( 'sbc_blk_init: Please set "nn_fsbc" to 1 when using cool-skin/warm-layer param.')
217      END IF
218
219      ioptio = 0
220      IF( ln_humi_sph ) THEN
221         nhumi =  np_humi_sph    ;   ioptio = ioptio + 1
222      ENDIF
223      IF( ln_humi_dpt ) THEN
224         nhumi =  np_humi_dpt    ;   ioptio = ioptio + 1
225      ENDIF
226      IF( ln_humi_rlh ) THEN
227         nhumi =  np_humi_rlh    ;   ioptio = ioptio + 1
228      ENDIF
229      IF( ioptio /= 1 )   CALL ctl_stop( 'sbc_blk_init: Choose one and only one type of air humidity' )
230      !LB.
231
232      !
233      IF( ln_dm2dc ) THEN                 !* check: diurnal cycle on Qsr
234         IF( sn_qsr%freqh /= 24. )   CALL ctl_stop( 'sbc_blk_init: ln_dm2dc=T only with daily short-wave input' )
235         IF( sn_qsr%ln_tint ) THEN
236            CALL ctl_warn( 'sbc_blk_init: ln_dm2dc=T daily qsr time interpolation done by sbcdcy module',   &
237               &           '              ==> We force time interpolation = .false. for qsr' )
238            sn_qsr%ln_tint = .false.
239         ENDIF
240      ENDIF
241      !                                   !* set the bulk structure
242      !                                      !- store namelist information in an array
243      slf_i(jp_wndi) = sn_wndi   ;   slf_i(jp_wndj) = sn_wndj
244      slf_i(jp_qsr ) = sn_qsr    ;   slf_i(jp_qlw ) = sn_qlw
245      slf_i(jp_tair) = sn_tair   ;   slf_i(jp_humi) = sn_humi
246      slf_i(jp_prec) = sn_prec   ;   slf_i(jp_snow) = sn_snow
247      slf_i(jp_slp)  = sn_slp    ;   slf_i(jp_tdif) = sn_tdif
248      !
249      lhftau = ln_taudif                     !- add an extra field if HF stress is used
250      jfld = jpfld - COUNT( (/.NOT.lhftau/) )
251      !
252      !                                      !- allocate the bulk structure
253      ALLOCATE( sf(jfld), STAT=ierror )
254      IF( ierror > 0 )   CALL ctl_stop( 'STOP', 'sbc_blk_init: unable to allocate sf structure' )
255      DO ifpr= 1, jfld
256         ALLOCATE( sf(ifpr)%fnow(jpi,jpj,1) )
257         IF( slf_i(ifpr)%ln_tint )   ALLOCATE( sf(ifpr)%fdta(jpi,jpj,1,2) )
258         IF( slf_i(ifpr)%freqh > 0. .AND. MOD( NINT(3600. * slf_i(ifpr)%freqh), nn_fsbc * NINT(rdt) ) /= 0 )   &
259            &  CALL ctl_warn( 'sbc_blk_init: sbcmod timestep rdt*nn_fsbc is NOT a submultiple of atmospheric forcing frequency.',   &
260            &                 '               This is not ideal. You should consider changing either rdt or nn_fsbc value...' )
261
262      END DO
263      !                                      !- fill the bulk structure with namelist informations
264      CALL fld_fill( sf, slf_i, cn_dir, 'sbc_blk_init', 'surface boundary condition -- bulk formulae', 'namsbc_blk' )
265      !
266      IF( ln_wave ) THEN
267         !Activated wave module but neither drag nor stokes drift activated
268         IF( .NOT.(ln_cdgw .OR. ln_sdw .OR. ln_tauwoc .OR. ln_stcor ) )   THEN
269            CALL ctl_stop( 'STOP',  'Ask for wave coupling but ln_cdgw=F, ln_sdw=F, ln_tauwoc=F, ln_stcor=F' )
270            !drag coefficient read from wave model definable only with mfs bulk formulae and core
271         ELSEIF(ln_cdgw .AND. .NOT. ln_NCAR )       THEN
272            CALL ctl_stop( 'drag coefficient read from wave model definable only with NCAR and CORE bulk formulae')
273         ELSEIF(ln_stcor .AND. .NOT. ln_sdw)                             THEN
274            CALL ctl_stop( 'Stokes-Coriolis term calculated only if activated Stokes Drift ln_sdw=T')
275         ENDIF
276      ELSE
277         IF( ln_cdgw .OR. ln_sdw .OR. ln_tauwoc .OR. ln_stcor )                &
278            &   CALL ctl_stop( 'Not Activated Wave Module (ln_wave=F) but asked coupling ',    &
279            &                  'with drag coefficient (ln_cdgw =T) '  ,                        &
280            &                  'or Stokes Drift (ln_sdw=T) ' ,                                 &
281            &                  'or ocean stress modification due to waves (ln_tauwoc=T) ',      &
282            &                  'or Stokes-Coriolis term (ln_stcori=T)'  )
283      ENDIF
284      !
285      !
286      IF(lwp) THEN                     !** Control print
287         !
288         WRITE(numout,*)                  !* namelist
289         WRITE(numout,*) '   Namelist namsbc_blk (other than data information):'
290         WRITE(numout,*) '      "NCAR"      algorithm   (Large and Yeager 2008)     ln_NCAR      = ', ln_NCAR
291         WRITE(numout,*) '      "COARE 3.0" algorithm   (Fairall et al. 2003)       ln_COARE_3p0 = ', ln_COARE_3p0
292         WRITE(numout,*) '      "COARE 3.6" algorithm (Fairall 2018 + Edson al 2013)ln_COARE_3p6 = ', ln_COARE_3p6
293         WRITE(numout,*) '      "ECMWF"     algorithm   (IFS cycle 45r1)            ln_ECMWF     = ', ln_ECMWF
294         WRITE(numout,*) '      add High freq.contribution to the stress module     ln_taudif    = ', ln_taudif
295         WRITE(numout,*) '      Air temperature and humidity reference height (m)   rn_zqt       = ', rn_zqt
296         WRITE(numout,*) '      Wind vector reference height (m)                    rn_zu        = ', rn_zu
297         WRITE(numout,*) '      factor applied on precipitation (total & snow)      rn_pfac      = ', rn_pfac
298         WRITE(numout,*) '      factor applied on evaporation                       rn_efac      = ', rn_efac
299         WRITE(numout,*) '      factor applied on ocean/ice velocity                rn_vfac      = ', rn_vfac
300         WRITE(numout,*) '         (form absolute (=0) to relative winds(=1))'
301         WRITE(numout,*) '      use ice-atm drag from Lupkes2012                    ln_Cd_L12    = ', ln_Cd_L12
302         WRITE(numout,*) '      use ice-atm drag from Lupkes2015                    ln_Cd_L15    = ', ln_Cd_L15
303         !
304         WRITE(numout,*)
305         SELECT CASE( nblk )              !* Print the choice of bulk algorithm
306         CASE( np_NCAR      )   ;   WRITE(numout,*) '   ==>>>   "NCAR" algorithm        (Large and Yeager 2008)'
307         CASE( np_COARE_3p0 )   ;   WRITE(numout,*) '   ==>>>   "COARE 3.0" algorithm   (Fairall et al. 2003)'
308         CASE( np_COARE_3p6 )   ;   WRITE(numout,*) '   ==>>>   "COARE 3.6" algorithm (Fairall 2018+Edson et al. 2013)'
309         CASE( np_ECMWF     )   ;   WRITE(numout,*) '   ==>>>   "ECMWF" algorithm       (IFS cycle 45r1)'
310         END SELECT
311         !
312         WRITE(numout,*)
313         WRITE(numout,*) '      use cool-skin  parameterization (SSST)  ln_skin_cs  = ', ln_skin_cs
314         WRITE(numout,*) '      use warm-layer parameterization (SSST)  ln_skin_wl  = ', ln_skin_wl
315         !
316         WRITE(numout,*)
317         SELECT CASE( nhumi )              !* Print the choice of air humidity
318         CASE( np_humi_sph )   ;   WRITE(numout,*) '   ==>>>   air humidity is SPECIFIC HUMIDITY     [kg/kg]'
319         CASE( np_humi_dpt )   ;   WRITE(numout,*) '   ==>>>   air humidity is DEW-POINT TEMPERATURE [K]'
320         CASE( np_humi_rlh )   ;   WRITE(numout,*) '   ==>>>   air humidity is RELATIVE HUMIDITY     [%]'
321         END SELECT
322         !
323      ENDIF
324      !
325   END SUBROUTINE sbc_blk_init
326
327
328   SUBROUTINE sbc_blk( kt )
329      !!---------------------------------------------------------------------
330      !!                    ***  ROUTINE sbc_blk  ***
331      !!
332      !! ** Purpose :   provide at each time step the surface ocean fluxes
333      !!              (momentum, heat, freshwater and runoff)
334      !!
335      !! ** Method  : (1) READ each fluxes in NetCDF files:
336      !!      the 10m wind velocity (i-component) (m/s)    at T-point
337      !!      the 10m wind velocity (j-component) (m/s)    at T-point
338      !!      the 10m or 2m specific humidity     ( % )
339      !!      the solar heat                      (W/m2)
340      !!      the Long wave                       (W/m2)
341      !!      the 10m or 2m air temperature       (Kelvin)
342      !!      the total precipitation (rain+snow) (Kg/m2/s)
343      !!      the snow (solid prcipitation)       (kg/m2/s)
344      !!      the tau diff associated to HF tau   (N/m2)   at T-point   (ln_taudif=T)
345      !!              (2) CALL blk_oce
346      !!
347      !!      C A U T I O N : never mask the surface stress fields
348      !!                      the stress is assumed to be in the (i,j) mesh referential
349      !!
350      !! ** Action  :   defined at each time-step at the air-sea interface
351      !!              - utau, vtau  i- and j-component of the wind stress
352      !!              - taum        wind stress module at T-point
353      !!              - wndm        wind speed  module at T-point over free ocean or leads in presence of sea-ice
354      !!              - qns, qsr    non-solar and solar heat fluxes
355      !!              - emp         upward mass flux (evapo. - precip.)
356      !!              - sfx         salt flux due to freezing/melting (non-zero only if ice is present)
357      !!
358      !! ** References :   Large & Yeager, 2004 / Large & Yeager, 2008
359      !!                   Brodeau et al. Ocean Modelling 2010
360      !!----------------------------------------------------------------------
361      INTEGER, INTENT(in) ::   kt   ! ocean time step
362      !!---------------------------------------------------------------------
363      !
364      CALL fld_read( kt, nn_fsbc, sf )             ! input fields provided at the current time-step
365      !
366      IF( kt == nit000 ) tsk(:,:) = sst_m(:,:)*tmask(:,:,1)  ! no previous estimate of skin temperature => using bulk SST (use restart?)
367      !                                                      ! compute the surface ocean fluxes using bulk formulea
368      IF( MOD( kt - 1, nn_fsbc ) == 0 )   CALL blk_oce( kt, sf, sst_m, ssu_m, ssv_m )
369
370#if defined key_cice
371      IF( MOD( kt - 1, nn_fsbc ) == 0 )   THEN
372         qlw_ice(:,:,1)   = sf(jp_qlw )%fnow(:,:,1)
373         IF( ln_dm2dc ) THEN
374            qsr_ice(:,:,1) = sbc_dcy( sf(jp_qsr)%fnow(:,:,1) )
375         ELSE
376            qsr_ice(:,:,1) =          sf(jp_qsr)%fnow(:,:,1)
377         ENDIF
378         tatm_ice(:,:)    = sf(jp_tair)%fnow(:,:,1)
379         SELECT CASE( nhumi )
380         CASE( np_humi_sph )
381            qatm_ice(:,:) =           sf(jp_humi)%fnow(:,:,1)
382         CASE( np_humi_dpt )
383            qatm_ice(:,:) = q_sat(    sf(jp_humi)%fnow(:,:,1), sf(jp_slp)%fnow(:,:,1) )
384         CASE( np_humi_rlh )
385            qatm_ice(:,:) = q_air_rh( 0.01_wp*sf(jp_humi)%fnow(:,:,1), sf(jp_tair)%fnow(:,:,1), sf(jp_slp)%fnow(:,:,1)) !LB: 0.01 => RH is % percent in file
386         END SELECT
387         tprecip(:,:)     = sf(jp_prec)%fnow(:,:,1) * rn_pfac
388         sprecip(:,:)     = sf(jp_snow)%fnow(:,:,1) * rn_pfac
389         wndi_ice(:,:)    = sf(jp_wndi)%fnow(:,:,1)
390         wndj_ice(:,:)    = sf(jp_wndj)%fnow(:,:,1)
391      ENDIF
392#endif
393      !
394   END SUBROUTINE sbc_blk
395
396
397   SUBROUTINE blk_oce( kt, sf, pst, pu, pv )
398      !!---------------------------------------------------------------------
399      !!                     ***  ROUTINE blk_oce  ***
400      !!
401      !! ** Purpose :   provide the momentum, heat and freshwater fluxes at
402      !!      the ocean surface at each time step
403      !!
404      !! ** Method  :   bulk formulea for the ocean using atmospheric
405      !!      fields read in sbc_read
406      !!
407      !! ** Outputs : - utau    : i-component of the stress at U-point  (N/m2)
408      !!              - vtau    : j-component of the stress at V-point  (N/m2)
409      !!              - taum    : Wind stress module at T-point         (N/m2)
410      !!              - wndm    : Wind speed module at T-point          (m/s)
411      !!              - qsr     : Solar heat flux over the ocean        (W/m2)
412      !!              - qns     : Non Solar heat flux over the ocean    (W/m2)
413      !!              - emp     : evaporation minus precipitation       (kg/m2/s)
414      !!
415      !!  ** Nota  :   sf has to be a dummy argument for AGRIF on NEC
416      !!---------------------------------------------------------------------
417      INTEGER  , INTENT(in   )                 ::   kt    ! time step index
418      TYPE(fld), INTENT(inout), DIMENSION(:)   ::   sf    ! input data
419      REAL(wp) , INTENT(in)   , DIMENSION(:,:) ::   pst   ! surface temperature                      [Celcius]
420      REAL(wp) , INTENT(in)   , DIMENSION(:,:) ::   pu    ! surface current at U-point (i-component) [m/s]
421      REAL(wp) , INTENT(in)   , DIMENSION(:,:) ::   pv    ! surface current at V-point (j-component) [m/s]
422      !
423      INTEGER  ::   ji, jj               ! dummy loop indices
424      REAL(wp) ::   zztmp                ! local variable
425      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   zwnd_i, zwnd_j    ! wind speed components at T-point
426      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   zsq               ! specific humidity at pst  [kg/kg]
427      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   zqlw, zqsb        ! long wave and sensible heat fluxes
428      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   zqla, zevap       ! latent heat fluxes and evaporation
429      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   zst               ! surface temperature in Kelvin
430      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   zU_zu             ! bulk wind speed at height zu  [m/s]
431      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   ztpot             ! potential temperature of air at z=rn_zqt [K]
432      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   zqair             ! specific humidity     of air at z=rn_zqt [kg/kg]
433      !!---------------------------------------------------------------------
434      !
435      ! local scalars ( place there for vector optimisation purposes)
436      zst(:,:) = pst(:,:) + rt0      ! convert SST from Celcius to Kelvin (and set minimum value far above 0 K)
437
438      ! ----------------------------------------------------------------------------- !
439      !      0   Wind components and module at T-point relative to the moving ocean   !
440      ! ----------------------------------------------------------------------------- !
441
442      ! ... components ( U10m - U_oce ) at T-point (unmasked)
443      !!gm    move zwnd_i (_j) set to zero  inside the key_cyclone ???
444      zwnd_i(:,:) = 0._wp
445      zwnd_j(:,:) = 0._wp
446#if defined key_cyclone
447      CALL wnd_cyc( kt, zwnd_i, zwnd_j )    ! add analytical tropical cyclone (Vincent et al. JGR 2012)
448      DO jj = 2, jpjm1
449         DO ji = fs_2, fs_jpim1   ! vect. opt.
450            sf(jp_wndi)%fnow(ji,jj,1) = sf(jp_wndi)%fnow(ji,jj,1) + zwnd_i(ji,jj)
451            sf(jp_wndj)%fnow(ji,jj,1) = sf(jp_wndj)%fnow(ji,jj,1) + zwnd_j(ji,jj)
452         END DO
453      END DO
454#endif
455      DO jj = 2, jpjm1
456         DO ji = fs_2, fs_jpim1   ! vect. opt.
457            zwnd_i(ji,jj) = (  sf(jp_wndi)%fnow(ji,jj,1) - rn_vfac * 0.5 * ( pu(ji-1,jj  ) + pu(ji,jj) )  )
458            zwnd_j(ji,jj) = (  sf(jp_wndj)%fnow(ji,jj,1) - rn_vfac * 0.5 * ( pv(ji  ,jj-1) + pv(ji,jj) )  )
459         END DO
460      END DO
461      CALL lbc_lnk_multi( 'sbcblk', zwnd_i, 'T', -1., zwnd_j, 'T', -1. )
462      ! ... scalar wind ( = | U10m - U_oce | ) at T-point (masked)
463      wndm(:,:) = SQRT(  zwnd_i(:,:) * zwnd_i(:,:)   &
464         &             + zwnd_j(:,:) * zwnd_j(:,:)  ) * tmask(:,:,1)
465
466      ! ----------------------------------------------------------------------------- !
467      !      I   Solar FLUX                                                           !
468      ! ----------------------------------------------------------------------------- !
469
470      ! ocean albedo assumed to be constant + modify now Qsr to include the diurnal cycle                    ! Short Wave
471      zztmp = 1. - albo
472      IF( ln_dm2dc ) THEN
473         qsr(:,:) = zztmp * sbc_dcy( sf(jp_qsr)%fnow(:,:,1) ) * tmask(:,:,1)
474      ELSE
475         qsr(:,:) = zztmp *          sf(jp_qsr)%fnow(:,:,1)   * tmask(:,:,1)
476      ENDIF
477
478
479      ! ----------------------------------------------------------------------------- !
480      !     II    Turbulent FLUXES                                                    !
481      ! ----------------------------------------------------------------------------- !
482
483      ! ... specific humidity at SST and IST tmask(
484      zsq(:,:) = rdct_qsat_salt * q_sat( zst(:,:), sf(jp_slp)%fnow(:,:,1) )
485
486      IF( ln_skin_cs .OR. ln_skin_wl ) THEN
487         zqsb(:,:) = zst(:,:) !LB: using array zqsb to backup original zst before skin action
488         zqla(:,:) = zsq(:,:) !LB: using array zqla to backup original zsq before skin action
489      ENDIF
490
491      !LB:
492      ! zqair = specific humidity of air at "rn_zqt" m above thes sea:
493      SELECT CASE( nhumi )
494      CASE( np_humi_sph )
495         zqair(:,:) =        sf(jp_humi)%fnow(:,:,1)      ! what we read in file is already a spec. humidity!
496      CASE( np_humi_dpt )
497         !IF(lwp) WRITE(numout,*) ' *** blk_oce => computing q_air out of d_air and slp !' !LBrm
498         zqair(:,:) = q_sat( sf(jp_humi)%fnow(:,:,1), sf(jp_slp)%fnow(:,:,1) )
499      CASE( np_humi_rlh )
500         !IF(lwp) WRITE(numout,*) ' *** blk_oce => computing q_air out of RH, t_air and slp !' !LBrm
501         zqair(:,:) = q_air_rh( 0.01_wp*sf(jp_humi)%fnow(:,:,1), sf(jp_tair)%fnow(:,:,1), sf(jp_slp)%fnow(:,:,1) ) !LB: 0.01 => RH is % percent in file
502      END SELECT
503      !LB.
504
505      !! Estimate of potential temperature at z=rn_zqt, based on adiabatic lapse-rate
506      !!    (see Josey, Gulev & Yu, 2013) / doi=10.1016/B978-0-12-391851-2.00005-2
507      !!    (since reanalysis products provide absolute temperature "T" at z, not theta !)
508      ztpot = sf(jp_tair)%fnow(:,:,1) + gamma_moist( sf(jp_tair)%fnow(:,:,1), zqair(:,:) ) * rn_zqt
509
510
511      !! Time to call the user-selected bulk parameterization for
512      !!  ==  transfer coefficients  ==!   Cd, Ch, Ce at T-point, and more...
513      SELECT CASE( nblk )
514
515      CASE( np_NCAR      )
516         CALL turb_ncar     (     rn_zqt, rn_zu, zst, ztpot, zsq, zqair, wndm,                         &
517            &                Cd_atm, Ch_atm, Ce_atm, t_zu, q_zu, zU_zu, cdn_oce, chn_oce, cen_oce )
518
519      CASE( np_COARE_3p0 )
520         CALL turb_coare3p0 ( kt, rn_zqt, rn_zu, zst, ztpot, zsq, zqair, wndm, ln_skin_cs, ln_skin_wl, &
521            &                Cd_atm, Ch_atm, Ce_atm, t_zu, q_zu, zU_zu, cdn_oce, chn_oce, cen_oce,     &
522            &                Qsw=qsr(:,:), rad_lw=sf(jp_qlw)%fnow(:,:,1), slp=sf(jp_slp)%fnow(:,:,1) )
523
524      CASE( np_COARE_3p6 )
525         CALL turb_coare3p6 ( kt, rn_zqt, rn_zu, zst, ztpot, zsq, zqair, wndm, ln_skin_cs, ln_skin_wl, &
526            &                Cd_atm, Ch_atm, Ce_atm, t_zu, q_zu, zU_zu, cdn_oce, chn_oce, cen_oce,     &
527            &                Qsw=qsr(:,:), rad_lw=sf(jp_qlw)%fnow(:,:,1), slp=sf(jp_slp)%fnow(:,:,1) )
528
529      CASE( np_ECMWF     )
530         CALL turb_ecmwf   ( kt, rn_zqt, rn_zu, zst, ztpot, zsq, zqair, wndm, ln_skin_cs, ln_skin_wl,  &
531            &                Cd_atm, Ch_atm, Ce_atm, t_zu, q_zu, zU_zu, cdn_oce, chn_oce, cen_oce,     &
532            &                Qsw=qsr(:,:), rad_lw=sf(jp_qlw)%fnow(:,:,1), slp=sf(jp_slp)%fnow(:,:,1) )
533
534      CASE DEFAULT
535         CALL ctl_stop( 'STOP', 'sbc_oce: non-existing bulk formula selected' )
536      END SELECT
537
538      IF( ln_skin_cs .OR. ln_skin_wl ) THEN
539         !! In the presence of sea-ice we forget about the cool-skin/warm-layer update of zst and zsq:
540         WHERE ( fr_i(:,:) < 0.001_wp )
541            ! zst and zsq have been updated by cool-skin/warm-layer scheme and we keep them !!!
542            zst(:,:) = zst(:,:)*tmask(:,:,1)
543            zsq(:,:) = zsq(:,:)*tmask(:,:,1)
544         ELSEWHERE
545            ! we forget about the update...
546            zst(:,:) = zqsb(:,:) !#LB: using what we backed up before skin-algo
547            zsq(:,:) = zqla(:,:) !#LB:  "   "   "
548         END WHERE
549         tsk(:,:) = zst(:,:) !#LB: Update of tsk, the "official" array for skin temperature
550      END IF
551
552      !!      CALL iom_put( "Cd_oce", Cd_atm)  ! output value of pure ocean-atm. transfer coef.
553      !!      CALL iom_put( "Ch_oce", Ch_atm)  ! output value of pure ocean-atm. transfer coef.
554
555      IF( ABS(rn_zu - rn_zqt) < 0.1_wp ) THEN
556         !! If zu == zt, then ensuring once for all that:
557         t_zu(:,:) = ztpot(:,:)
558         q_zu(:,:) = zqair(:,:)
559      ENDIF
560
561
562      !  Turbulent fluxes over ocean  => BULK_FORMULA @ sbcblk_phy.F90
563      ! -------------------------------------------------------------
564
565      CALL BULK_FORMULA( rn_zu, zst(:,:), zsq(:,:), t_zu(:,:), q_zu(:,:), &
566         &               Cd_atm(:,:), Ch_atm(:,:), Ce_atm(:,:),           &
567         &               wndm(:,:), zU_zu(:,:), sf(jp_slp)%fnow(:,:,1),   &
568         &               taum(:,:), zqsb(:,:), zqla(:,:),                 &
569         &               pEvap=zevap(:,:), prhoa=rhoa(:,:) )
570
571      zqla(:,:)  =  zqla(:,:) * tmask(:,:,1)
572      zqsb(:,:)  =  zqsb(:,:) * tmask(:,:,1)
573      taum(:,:)  =  taum(:,:) * tmask(:,:,1)
574      zevap(:,:) = zevap(:,:) * tmask(:,:,1)
575
576      ! Tau i and j component on T-grid points, using array "Cd_atm" as a temporary array...
577      Cd_atm(:,:) = 0._wp
578      WHERE ( wndm(:,:) > 0._wp ) Cd_atm(:,:) = taum(:,:) / wndm(:,:)
579      zwnd_i(:,:) = Cd_atm(:,:) * zwnd_i(:,:)
580      zwnd_j(:,:) = Cd_atm(:,:) * zwnd_j(:,:)
581     
582      !                          ! add the HF tau contribution to the wind stress module
583      IF( lhftau )   taum(:,:) = taum(:,:) + sf(jp_tdif)%fnow(:,:,1)
584
585      CALL iom_put( "taum_oce", taum )   ! output wind stress module
586
587      ! ... utau, vtau at U- and V_points, resp.
588      !     Note the use of 0.5*(2-umask) in order to unmask the stress along coastlines
589      !     Note the use of MAX(tmask(i,j),tmask(i+1,j) is to mask tau over ice shelves
590      DO jj = 1, jpjm1
591         DO ji = 1, fs_jpim1
592            utau(ji,jj) = 0.5 * ( 2. - umask(ji,jj,1) ) * ( zwnd_i(ji,jj) + zwnd_i(ji+1,jj  ) ) &
593               &          * MAX(tmask(ji,jj,1),tmask(ji+1,jj,1))
594            vtau(ji,jj) = 0.5 * ( 2. - vmask(ji,jj,1) ) * ( zwnd_j(ji,jj) + zwnd_j(ji  ,jj+1) ) &
595               &          * MAX(tmask(ji,jj,1),tmask(ji,jj+1,1))
596         END DO
597      END DO
598      CALL lbc_lnk_multi( 'sbcblk', utau, 'U', -1., vtau, 'V', -1. )
599
600
601      ! ----------------------------------------------------------------------------- !
602      !     III    Net longwave radiative FLUX                                        !
603      ! ----------------------------------------------------------------------------- !
604
605      !! LB: now moved after Turbulent fluxes because must use the skin temperature rather that the SST
606      !! (zst is skin temperature if ln_skin_cs==.TRUE. .OR. ln_skin_wl==.TRUE.)
607      zqlw(:,:) = emiss_w * ( sf(jp_qlw)%fnow(:,:,1) - stefan*zst(:,:)*zst(:,:)*zst(:,:)*zst(:,:) ) * tmask(:,:,1)   ! Net radiative longwave flux
608
609
610      IF(ln_ctl) THEN
611         CALL prt_ctl( tab2d_1=zevap , clinfo1=' blk_oce: zevap  : ') !LB
612         CALL prt_ctl( tab2d_1=zqla  , clinfo1=' blk_oce: zqla   : ', tab2d_2=Ce_atm , clinfo2=' Ce_oce  : ' )
613         CALL prt_ctl( tab2d_1=zqsb  , clinfo1=' blk_oce: zqsb   : ', tab2d_2=Ch_atm , clinfo2=' Ch_oce  : ' )
614         CALL prt_ctl( tab2d_1=zqlw  , clinfo1=' blk_oce: zqlw   : ', tab2d_2=qsr, clinfo2=' qsr : ' )
615         CALL prt_ctl( tab2d_1=zsq   , clinfo1=' blk_oce: zsq    : ', tab2d_2=zst, clinfo2=' zst : ' )
616         CALL prt_ctl( tab2d_1=utau  , clinfo1=' blk_oce: utau   : ', mask1=umask,   &
617            &          tab2d_2=vtau  , clinfo2=           ' vtau : ', mask2=vmask )
618         CALL prt_ctl( tab2d_1=wndm  , clinfo1=' blk_oce: wndm   : ')
619         CALL prt_ctl( tab2d_1=zst   , clinfo1=' blk_oce: zst    : ')
620      ENDIF
621
622      ! ----------------------------------------------------------------------------- !
623      !     IV    Total FLUXES                                                       !
624      ! ----------------------------------------------------------------------------- !
625      !
626      emp (:,:) = (  zevap(:,:)                                          &   ! mass flux (evap. - precip.)
627         &         - sf(jp_prec)%fnow(:,:,1) * rn_pfac  ) * tmask(:,:,1)
628      !
629      qns(:,:) = zqlw(:,:) + zqsb(:,:) + zqla(:,:)                                &   ! Downward Non Solar
630         &     - sf(jp_snow)%fnow(:,:,1) * rn_pfac * rLfus                        &   ! remove latent melting heat for solid precip
631         &     - zevap(:,:) * pst(:,:) * rcp                                      &   ! remove evap heat content at SST !LB??? pst is Celsius !?
632         &     + ( sf(jp_prec)%fnow(:,:,1) - sf(jp_snow)%fnow(:,:,1) ) * rn_pfac  &   ! add liquid precip heat content at Tair
633         &     * ( sf(jp_tair)%fnow(:,:,1) - rt0 ) * rcp                          &
634         &     + sf(jp_snow)%fnow(:,:,1) * rn_pfac                                &   ! add solid  precip heat content at min(Tair,Tsnow)
635         &     * ( MIN( sf(jp_tair)%fnow(:,:,1), rt0 ) - rt0 ) * rcpi
636      qns(:,:) = qns(:,:) * tmask(:,:,1)
637      !
638#if defined key_si3
639      qns_oce(:,:) = zqlw(:,:) + zqsb(:,:) + zqla(:,:)                                ! non solar without emp (only needed by SI3)
640      qsr_oce(:,:) = qsr(:,:)
641#endif
642      !
643      !!#LB: NO WHY???? IF( nn_ice == 0 ) THEN
644      CALL iom_put( "rho_air"  ,   rhoa )                 ! output air density (kg/m^3) !#LB
645      CALL iom_put( "qlw_oce"  ,   zqlw )                 ! output downward longwave heat over the ocean
646      CALL iom_put( "qsb_oce"  ,   zqsb )                 ! output downward sensible heat over the ocean
647      CALL iom_put( "qla_oce"  ,   zqla )                 ! output downward latent   heat over the ocean
648      CALL iom_put( "evap_oce" ,  zevap )                 ! evaporation
649      CALL iom_put( "qemp_oce" ,   qns-zqlw-zqsb-zqla )   ! output downward heat content of E-P over the ocean
650      CALL iom_put( "qns_oce"  ,   qns  )                 ! output downward non solar heat over the ocean
651      CALL iom_put( "qsr_oce"  ,   qsr  )                 ! output downward solar heat over the ocean
652      CALL iom_put( "qt_oce"   ,   qns+qsr )              ! output total downward heat over the ocean
653      tprecip(:,:) = sf(jp_prec)%fnow(:,:,1) * rn_pfac * tmask(:,:,1) ! output total precipitation [kg/m2/s]
654      sprecip(:,:) = sf(jp_snow)%fnow(:,:,1) * rn_pfac * tmask(:,:,1) ! output solid precipitation [kg/m2/s]
655      CALL iom_put( 'snowpre', sprecip )                 ! Snow
656      CALL iom_put( 'precip' , tprecip )                 ! Total precipitation
657      IF( ln_skin_cs .OR. ln_skin_wl ) THEN
658         CALL iom_put( "t_skin" ,  (zst - rt0) * tmask(:,:,1) )           ! T_skin in Celsius
659         CALL iom_put( "dt_skin" , (zst - pst - rt0) * tmask(:,:,1) )     ! T_skin - SST temperature difference...
660      ENDIF
661      !
662      IF(ln_ctl) THEN
663         CALL prt_ctl(tab2d_1=zqsb , clinfo1=' blk_oce: zqsb   : ', tab2d_2=zqlw , clinfo2=' zqlw  : ')
664         CALL prt_ctl(tab2d_1=zqla , clinfo1=' blk_oce: zqla   : ', tab2d_2=qsr  , clinfo2=' qsr   : ')
665         CALL prt_ctl(tab2d_1=pst  , clinfo1=' blk_oce: pst    : ', tab2d_2=emp  , clinfo2=' emp   : ')
666         CALL prt_ctl(tab2d_1=utau , clinfo1=' blk_oce: utau   : ', mask1=umask,   &
667            &         tab2d_2=vtau , clinfo2=              ' vtau  : ' , mask2=vmask )
668      ENDIF
669      !
670   END SUBROUTINE blk_oce
671
672
673
674#if defined key_si3
675   !!----------------------------------------------------------------------
676   !!   'key_si3'                                       SI3 sea-ice model
677   !!----------------------------------------------------------------------
678   !!   blk_ice_tau : provide the air-ice stress
679   !!   blk_ice_flx : provide the heat and mass fluxes at air-ice interface
680   !!   blk_ice_qcn : provide ice surface temperature and snow/ice conduction flux (emulating conduction flux)
681   !!   Cdn10_Lupkes2012 : Lupkes et al. (2012) air-ice drag
682   !!   Cdn10_Lupkes2015 : Lupkes et al. (2015) air-ice drag
683   !!----------------------------------------------------------------------
684
685   SUBROUTINE blk_ice_tau
686      !!---------------------------------------------------------------------
687      !!                     ***  ROUTINE blk_ice_tau  ***
688      !!
689      !! ** Purpose :   provide the surface boundary condition over sea-ice
690      !!
691      !! ** Method  :   compute momentum using bulk formulation
692      !!                formulea, ice variables and read atmospheric fields.
693      !!                NB: ice drag coefficient is assumed to be a constant
694      !!---------------------------------------------------------------------
695      INTEGER  ::   ji, jj    ! dummy loop indices
696      REAL(wp) ::   zwndi_f , zwndj_f, zwnorm_f   ! relative wind module and components at F-point
697      REAL(wp) ::   zwndi_t , zwndj_t             ! relative wind components at T-point
698      !!---------------------------------------------------------------------
699      !
700      ! set transfer coefficients to default sea-ice values
701      Cd_atm(:,:) = rCd_ice
702      Ch_atm(:,:) = rCd_ice
703      Ce_atm(:,:) = rCd_ice
704
705      wndm_ice(:,:) = 0._wp      !!gm brutal....
706
707      ! ------------------------------------------------------------ !
708      !    Wind module relative to the moving ice ( U10m - U_ice )   !
709      ! ------------------------------------------------------------ !
710      ! C-grid ice dynamics :   U & V-points (same as ocean)
711      DO jj = 2, jpjm1
712         DO ji = fs_2, fs_jpim1   ! vect. opt.
713            zwndi_t = (  sf(jp_wndi)%fnow(ji,jj,1) - rn_vfac * 0.5 * ( u_ice(ji-1,jj  ) + u_ice(ji,jj) )  )
714            zwndj_t = (  sf(jp_wndj)%fnow(ji,jj,1) - rn_vfac * 0.5 * ( v_ice(ji  ,jj-1) + v_ice(ji,jj) )  )
715            wndm_ice(ji,jj) = SQRT( zwndi_t * zwndi_t + zwndj_t * zwndj_t ) * tmask(ji,jj,1)
716         END DO
717      END DO
718      CALL lbc_lnk( 'sbcblk', wndm_ice, 'T',  1. )
719      !
720      ! Make ice-atm. drag dependent on ice concentration
721      IF    ( ln_Cd_L12 ) THEN   ! calculate new drag from Lupkes(2012) equations
722         CALL Cdn10_Lupkes2012( Cd_atm )
723         Ch_atm(:,:) = Cd_atm(:,:)       ! momentum and heat transfer coef. are considered identical
724      ELSEIF( ln_Cd_L15 ) THEN   ! calculate new drag from Lupkes(2015) equations
725         CALL Cdn10_Lupkes2015( Cd_atm, Ch_atm )
726      ENDIF
727
728      !!      CALL iom_put( "rCd_ice", Cd_atm)  ! output value of pure ice-atm. transfer coef.
729      !!      CALL iom_put( "Ch_ice", Ch_atm)  ! output value of pure ice-atm. transfer coef.
730
731      ! local scalars ( place there for vector optimisation purposes)
732
733      !!gm brutal....
734      utau_ice  (:,:) = 0._wp
735      vtau_ice  (:,:) = 0._wp
736      !!gm end
737
738      ! ------------------------------------------------------------ !
739      !    Wind stress relative to the moving ice ( U10m - U_ice )   !
740      ! ------------------------------------------------------------ !
741      ! C-grid ice dynamics :   U & V-points (same as ocean)
742      DO jj = 2, jpjm1
743         DO ji = fs_2, fs_jpim1   ! vect. opt.
744            utau_ice(ji,jj) = 0.5 * rhoa(ji,jj) * Cd_atm(ji,jj) * ( wndm_ice(ji+1,jj  ) + wndm_ice(ji,jj) )            &
745               &          * ( 0.5 * (sf(jp_wndi)%fnow(ji+1,jj,1) + sf(jp_wndi)%fnow(ji,jj,1) ) - rn_vfac * u_ice(ji,jj) )
746            vtau_ice(ji,jj) = 0.5 * rhoa(ji,jj) * Cd_atm(ji,jj) * ( wndm_ice(ji,jj+1  ) + wndm_ice(ji,jj) )            &
747               &          * ( 0.5 * (sf(jp_wndj)%fnow(ji,jj+1,1) + sf(jp_wndj)%fnow(ji,jj,1) ) - rn_vfac * v_ice(ji,jj) )
748         END DO
749      END DO
750      CALL lbc_lnk_multi( 'sbcblk', utau_ice, 'U', -1., vtau_ice, 'V', -1. )
751      !
752      !
753      IF(ln_ctl) THEN
754         CALL prt_ctl(tab2d_1=utau_ice  , clinfo1=' blk_ice: utau_ice : ', tab2d_2=vtau_ice  , clinfo2=' vtau_ice : ')
755         CALL prt_ctl(tab2d_1=wndm_ice  , clinfo1=' blk_ice: wndm_ice : ')
756      ENDIF
757      !
758   END SUBROUTINE blk_ice_tau
759
760
761   SUBROUTINE blk_ice_flx( ptsu, phs, phi, palb )
762      !!---------------------------------------------------------------------
763      !!                     ***  ROUTINE blk_ice_flx  ***
764      !!
765      !! ** Purpose :   provide the heat and mass fluxes at air-ice interface
766      !!
767      !! ** Method  :   compute heat and freshwater exchanged
768      !!                between atmosphere and sea-ice using bulk formulation
769      !!                formulea, ice variables and read atmmospheric fields.
770      !!
771      !! caution : the net upward water flux has with mm/day unit
772      !!---------------------------------------------------------------------
773      REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), INTENT(in)  ::   ptsu   ! sea ice surface temperature
774      REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), INTENT(in)  ::   phs    ! snow thickness
775      REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), INTENT(in)  ::   phi    ! ice thickness
776      REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), INTENT(in)  ::   palb   ! ice albedo (all skies)
777      !!
778      INTEGER  ::   ji, jj, jl               ! dummy loop indices
779      REAL(wp) ::   zst3                     ! local variable
780      REAL(wp) ::   zcoef_dqlw, zcoef_dqla   !   -      -
781      REAL(wp) ::   zztmp, z1_rLsub          !   -      -
782      REAL(wp) ::   zfr1, zfr2               ! local variables
783      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj,jpl) ::   z1_st         ! inverse of surface temperature
784      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj,jpl) ::   z_qlw         ! long wave heat flux over ice
785      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj,jpl) ::   z_qsb         ! sensible  heat flux over ice
786      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj,jpl) ::   z_dqlw        ! long wave heat sensitivity over ice
787      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj,jpl) ::   z_dqsb        ! sensible  heat sensitivity over ice
788      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj)     ::   zevap, zsnw   ! evaporation and snw distribution after wind blowing (SI3)
789      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj)     ::   zqair         ! specific humidity of air at z=rn_zqt [kg/kg] !LB
790      !!---------------------------------------------------------------------
791      !
792      zcoef_dqlw = 4._wp * 0.95_wp * stefan             ! local scalars
793      zcoef_dqla = -rLsub * 11637800._wp * (-5897.8_wp) !LB: BAD!
794      !
795
796      !LB:
797      SELECT CASE( nhumi )
798      CASE( np_humi_sph )
799         zqair(:,:) =        sf(jp_humi)%fnow(:,:,1)      ! what we read in file is already a spec. humidity!
800      CASE( np_humi_dpt )
801         !IF(lwp) WRITE(numout,*) ' *** blk_ice_flx => computing q_air out of d_air and slp !' !LBrm
802         zqair(:,:) = q_sat( sf(jp_humi)%fnow(:,:,1), sf(jp_slp)%fnow(:,:,1) )
803      CASE( np_humi_rlh )
804         !IF(lwp) WRITE(numout,*) ' *** blk_ice_flx => computing q_air out of RH, t_air and slp !' !LBrm
805         zqair(:,:) = q_air_rh( 0.01_wp*sf(jp_humi)%fnow(:,:,1), sf(jp_tair)%fnow(:,:,1), sf(jp_slp)%fnow(:,:,1) ) !LB: 0.01 => RH is % percent in file
806      END SELECT
807      !LB.
808
809      zztmp = 1. / ( 1. - albo )
810      WHERE( ptsu(:,:,:) /= 0._wp )
811         z1_st(:,:,:) = 1._wp / ptsu(:,:,:)
812      ELSEWHERE
813         z1_st(:,:,:) = 0._wp
814      END WHERE
815      !                                     ! ========================== !
816      DO jl = 1, jpl                        !  Loop over ice categories  !
817         !                                  ! ========================== !
818         DO jj = 1 , jpj
819            DO ji = 1, jpi
820               ! ----------------------------!
821               !      I   Radiative FLUXES   !
822               ! ----------------------------!
823               zst3 = ptsu(ji,jj,jl) * ptsu(ji,jj,jl) * ptsu(ji,jj,jl)
824               ! Short Wave (sw)
825               qsr_ice(ji,jj,jl) = zztmp * ( 1. - palb(ji,jj,jl) ) * qsr(ji,jj)
826               ! Long  Wave (lw)
827               z_qlw(ji,jj,jl) = 0.95 * ( sf(jp_qlw)%fnow(ji,jj,1) - stefan * ptsu(ji,jj,jl) * zst3 ) * tmask(ji,jj,1)
828               ! lw sensitivity
829               z_dqlw(ji,jj,jl) = zcoef_dqlw * zst3
830
831               ! ----------------------------!
832               !     II    Turbulent FLUXES  !
833               ! ----------------------------!
834
835               ! ... turbulent heat fluxes with Ch_atm recalculated in blk_ice_tau
836               ! Sensible Heat
837               z_qsb(ji,jj,jl) = rhoa(ji,jj) * rCp_air * Ch_atm(ji,jj) * wndm_ice(ji,jj) * (ptsu(ji,jj,jl) - sf(jp_tair)%fnow(ji,jj,1))
838               ! Latent Heat
839               qla_ice(ji,jj,jl) = rn_efac * MAX( 0.e0, rhoa(ji,jj) * rLsub  * Ch_atm(ji,jj) * wndm_ice(ji,jj) *  &
840                  &                ( 11637800. * EXP( -5897.8 * z1_st(ji,jj,jl) ) / rhoa(ji,jj) - zqair(ji,jj) ) )
841               ! Latent heat sensitivity for ice (Dqla/Dt)
842               IF( qla_ice(ji,jj,jl) > 0._wp ) THEN
843                  dqla_ice(ji,jj,jl) = rn_efac * zcoef_dqla * Ch_atm(ji,jj) * wndm_ice(ji,jj) *  &
844                     &                 z1_st(ji,jj,jl)*z1_st(ji,jj,jl) * EXP(-5897.8 * z1_st(ji,jj,jl))
845               ELSE
846                  dqla_ice(ji,jj,jl) = 0._wp
847               ENDIF
848
849               ! Sensible heat sensitivity (Dqsb_ice/Dtn_ice)
850               z_dqsb(ji,jj,jl) = rhoa(ji,jj) * rCp_air * Ch_atm(ji,jj) * wndm_ice(ji,jj)
851
852               ! ----------------------------!
853               !     III    Total FLUXES     !
854               ! ----------------------------!
855               ! Downward Non Solar flux
856               qns_ice (ji,jj,jl) =     z_qlw (ji,jj,jl) - z_qsb (ji,jj,jl) - qla_ice (ji,jj,jl)
857               ! Total non solar heat flux sensitivity for ice
858               dqns_ice(ji,jj,jl) = - ( z_dqlw(ji,jj,jl) + z_dqsb(ji,jj,jl) + dqla_ice(ji,jj,jl) )
859            END DO
860            !
861         END DO
862         !
863      END DO
864      !
865      tprecip(:,:) = sf(jp_prec)%fnow(:,:,1) * rn_pfac * tmask(:,:,1)  ! total precipitation [kg/m2/s]
866      sprecip(:,:) = sf(jp_snow)%fnow(:,:,1) * rn_pfac * tmask(:,:,1)  ! solid precipitation [kg/m2/s]
867      CALL iom_put( 'snowpre', sprecip )                    ! Snow precipitation
868      CALL iom_put( 'precip' , tprecip )                    ! Total precipitation
869
870      ! --- evaporation --- !
871      z1_rLsub = 1._wp / rLsub
872      evap_ice (:,:,:) = rn_efac * qla_ice (:,:,:) * z1_rLsub    ! sublimation
873      devap_ice(:,:,:) = rn_efac * dqla_ice(:,:,:) * z1_rLsub    ! d(sublimation)/dT
874      zevap    (:,:)   = rn_efac * ( emp(:,:) + tprecip(:,:) )   ! evaporation over ocean
875
876      ! --- evaporation minus precipitation --- !
877      zsnw(:,:) = 0._wp
878      CALL ice_thd_snwblow( (1.-at_i_b(:,:)), zsnw )  ! snow distribution over ice after wind blowing
879      emp_oce(:,:) = ( 1._wp - at_i_b(:,:) ) * zevap(:,:) - ( tprecip(:,:) - sprecip(:,:) ) - sprecip(:,:) * (1._wp - zsnw )
880      emp_ice(:,:) = SUM( a_i_b(:,:,:) * evap_ice(:,:,:), dim=3 ) - sprecip(:,:) * zsnw
881      emp_tot(:,:) = emp_oce(:,:) + emp_ice(:,:)
882
883      ! --- heat flux associated with emp --- !
884      qemp_oce(:,:) = - ( 1._wp - at_i_b(:,:) ) * zevap(:,:) * sst_m(:,:) * rcp                  & ! evap at sst
885         &          + ( tprecip(:,:) - sprecip(:,:) ) * ( sf(jp_tair)%fnow(:,:,1) - rt0 ) * rcp  & ! liquid precip at Tair
886         &          +   sprecip(:,:) * ( 1._wp - zsnw ) *                                        & ! solid precip at min(Tair,Tsnow)
887         &              ( ( MIN( sf(jp_tair)%fnow(:,:,1), rt0 ) - rt0 ) * rcpi * tmask(:,:,1) - rLfus )
888      qemp_ice(:,:) =   sprecip(:,:) * zsnw *                                                    & ! solid precip (only)
889         &              ( ( MIN( sf(jp_tair)%fnow(:,:,1), rt0 ) - rt0 ) * rcpi * tmask(:,:,1) - rLfus )
890
891      ! --- total solar and non solar fluxes --- !
892      qns_tot(:,:) = ( 1._wp - at_i_b(:,:) ) * qns_oce(:,:) + SUM( a_i_b(:,:,:) * qns_ice(:,:,:), dim=3 )  &
893         &           + qemp_ice(:,:) + qemp_oce(:,:)
894      qsr_tot(:,:) = ( 1._wp - at_i_b(:,:) ) * qsr_oce(:,:) + SUM( a_i_b(:,:,:) * qsr_ice(:,:,:), dim=3 )
895
896      ! --- heat content of precip over ice in J/m3 (to be used in 1D-thermo) --- !
897      qprec_ice(:,:) = rhos * ( ( MIN( sf(jp_tair)%fnow(:,:,1), rt0 ) - rt0 ) * rcpi * tmask(:,:,1) - rLfus )
898
899      ! --- heat content of evap over ice in W/m2 (to be used in 1D-thermo) ---
900      DO jl = 1, jpl
901         qevap_ice(:,:,jl) = 0._wp ! should be -evap_ice(:,:,jl)*( ( Tice - rt0 ) * rcpi * tmask(:,:,1) )
902         !                         ! But we do not have Tice => consider it at 0degC => evap=0
903      END DO
904
905      ! --- shortwave radiation transmitted below the surface (W/m2, see Grenfell Maykut 77) --- !
906      zfr1 = ( 0.18 * ( 1.0 - cldf_ice ) + 0.35 * cldf_ice )            ! transmission when hi>10cm
907      zfr2 = ( 0.82 * ( 1.0 - cldf_ice ) + 0.65 * cldf_ice )            ! zfr2 such that zfr1 + zfr2 to equal 1
908      !
909      WHERE    ( phs(:,:,:) <= 0._wp .AND. phi(:,:,:) <  0.1_wp )       ! linear decrease from hi=0 to 10cm
910         qtr_ice_top(:,:,:) = qsr_ice(:,:,:) * ( zfr1 + zfr2 * ( 1._wp - phi(:,:,:) * 10._wp ) )
911      ELSEWHERE( phs(:,:,:) <= 0._wp .AND. phi(:,:,:) >= 0.1_wp )       ! constant (zfr1) when hi>10cm
912         qtr_ice_top(:,:,:) = qsr_ice(:,:,:) * zfr1
913      ELSEWHERE                                                         ! zero when hs>0
914         qtr_ice_top(:,:,:) = 0._wp
915      END WHERE
916      !
917      IF(ln_ctl) THEN
918         CALL prt_ctl(tab3d_1=qla_ice , clinfo1=' blk_ice: qla_ice  : ', tab3d_2=z_qsb   , clinfo2=' z_qsb    : ', kdim=jpl)
919         CALL prt_ctl(tab3d_1=z_qlw   , clinfo1=' blk_ice: z_qlw    : ', tab3d_2=dqla_ice, clinfo2=' dqla_ice : ', kdim=jpl)
920         CALL prt_ctl(tab3d_1=z_dqsb  , clinfo1=' blk_ice: z_dqsb   : ', tab3d_2=z_dqlw  , clinfo2=' z_dqlw   : ', kdim=jpl)
921         CALL prt_ctl(tab3d_1=dqns_ice, clinfo1=' blk_ice: dqns_ice : ', tab3d_2=qsr_ice , clinfo2=' qsr_ice  : ', kdim=jpl)
922         CALL prt_ctl(tab3d_1=ptsu    , clinfo1=' blk_ice: ptsu     : ', tab3d_2=qns_ice , clinfo2=' qns_ice  : ', kdim=jpl)
923         CALL prt_ctl(tab2d_1=tprecip , clinfo1=' blk_ice: tprecip  : ', tab2d_2=sprecip , clinfo2=' sprecip  : ')
924      ENDIF
925      !
926   END SUBROUTINE blk_ice_flx
927
928
929   SUBROUTINE blk_ice_qcn( ld_virtual_itd, ptsu, ptb, phs, phi )
930      !!---------------------------------------------------------------------
931      !!                     ***  ROUTINE blk_ice_qcn  ***
932      !!
933      !! ** Purpose :   Compute surface temperature and snow/ice conduction flux
934      !!                to force sea ice / snow thermodynamics
935      !!                in the case conduction flux is emulated
936      !!
937      !! ** Method  :   compute surface energy balance assuming neglecting heat storage
938      !!                following the 0-layer Semtner (1976) approach
939      !!
940      !! ** Outputs : - ptsu    : sea-ice / snow surface temperature (K)
941      !!              - qcn_ice : surface inner conduction flux (W/m2)
942      !!
943      !!---------------------------------------------------------------------
944      LOGICAL                   , INTENT(in   ) ::   ld_virtual_itd  ! single-category option
945      REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), INTENT(inout) ::   ptsu            ! sea ice / snow surface temperature
946      REAL(wp), DIMENSION(:,:)  , INTENT(in   ) ::   ptb             ! sea ice base temperature
947      REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), INTENT(in   ) ::   phs             ! snow thickness
948      REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), INTENT(in   ) ::   phi             ! sea ice thickness
949      !
950      INTEGER , PARAMETER ::   nit = 10                  ! number of iterations
951      REAL(wp), PARAMETER ::   zepsilon = 0.1_wp         ! characteristic thickness for enhanced conduction
952      !
953      INTEGER  ::   ji, jj, jl           ! dummy loop indices
954      INTEGER  ::   iter                 ! local integer
955      REAL(wp) ::   zfac, zfac2, zfac3   ! local scalars
956      REAL(wp) ::   zkeff_h, ztsu, ztsu0 !
957      REAL(wp) ::   zqc, zqnet           !
958      REAL(wp) ::   zhe, zqa0            !
959      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj,jpl) ::   zgfac   ! enhanced conduction factor
960      !!---------------------------------------------------------------------
961
962      ! -------------------------------------!
963      !      I   Enhanced conduction factor  !
964      ! -------------------------------------!
965      ! Emulates the enhancement of conduction by unresolved thin ice (ld_virtual_itd = T)
966      ! Fichefet and Morales Maqueda, JGR 1997
967      !
968      zgfac(:,:,:) = 1._wp
969
970      IF( ld_virtual_itd ) THEN
971         !
972         zfac  = 1._wp /  ( rn_cnd_s + rcnd_i )
973         zfac2 = EXP(1._wp) * 0.5_wp * zepsilon
974         zfac3 = 2._wp / zepsilon
975         !
976         DO jl = 1, jpl
977            DO jj = 1 , jpj
978               DO ji = 1, jpi
979                  zhe = ( rn_cnd_s * phi(ji,jj,jl) + rcnd_i * phs(ji,jj,jl) ) * zfac                            ! Effective thickness
980                  IF( zhe >=  zfac2 )   zgfac(ji,jj,jl) = MIN( 2._wp, 0.5_wp * ( 1._wp + LOG( zhe * zfac3 ) ) ) ! Enhanced conduction factor
981               END DO
982            END DO
983         END DO
984         !
985      ENDIF
986
987      ! -------------------------------------------------------------!
988      !      II   Surface temperature and conduction flux            !
989      ! -------------------------------------------------------------!
990      !
991      zfac = rcnd_i * rn_cnd_s
992      !
993      DO jl = 1, jpl
994         DO jj = 1 , jpj
995            DO ji = 1, jpi
996               !
997               zkeff_h = zfac * zgfac(ji,jj,jl) / &                                    ! Effective conductivity of the snow-ice system divided by thickness
998                  &      ( rcnd_i * phs(ji,jj,jl) + rn_cnd_s * MAX( 0.01, phi(ji,jj,jl) ) )
999               ztsu    = ptsu(ji,jj,jl)                                                ! Store current iteration temperature
1000               ztsu0   = ptsu(ji,jj,jl)                                                ! Store initial surface temperature
1001               zqa0    = qsr_ice(ji,jj,jl) - qtr_ice_top(ji,jj,jl) + qns_ice(ji,jj,jl) ! Net initial atmospheric heat flux
1002               !
1003               DO iter = 1, nit     ! --- Iterative loop
1004                  zqc   = zkeff_h * ( ztsu - ptb(ji,jj) )                              ! Conduction heat flux through snow-ice system (>0 downwards)
1005                  zqnet = zqa0 + dqns_ice(ji,jj,jl) * ( ztsu - ptsu(ji,jj,jl) ) - zqc  ! Surface energy budget
1006                  ztsu  = ztsu - zqnet / ( dqns_ice(ji,jj,jl) - zkeff_h )              ! Temperature update
1007               END DO
1008               !
1009               ptsu   (ji,jj,jl) = MIN( rt0, ztsu )
1010               qcn_ice(ji,jj,jl) = zkeff_h * ( ptsu(ji,jj,jl) - ptb(ji,jj) )
1011               qns_ice(ji,jj,jl) = qns_ice(ji,jj,jl) + dqns_ice(ji,jj,jl) * ( ptsu(ji,jj,jl) - ztsu0 )
1012               qml_ice(ji,jj,jl) = ( qsr_ice(ji,jj,jl) - qtr_ice_top(ji,jj,jl) + qns_ice(ji,jj,jl) - qcn_ice(ji,jj,jl) )  &
1013                  &   * MAX( 0._wp , SIGN( 1._wp, ptsu(ji,jj,jl) - rt0 ) )
1014
1015               ! --- Diagnose the heat loss due to changing non-solar flux (as in icethd_zdf_bl99) --- !
1016               hfx_err_dif(ji,jj) = hfx_err_dif(ji,jj) - ( dqns_ice(ji,jj,jl) * ( ptsu(ji,jj,jl) - ztsu0 ) ) * a_i_b(ji,jj,jl)
1017
1018            END DO
1019         END DO
1020         !
1021      END DO
1022      !
1023   END SUBROUTINE blk_ice_qcn
1024
1025
1026   SUBROUTINE Cdn10_Lupkes2012( Cd )
1027      !!----------------------------------------------------------------------
1028      !!                      ***  ROUTINE  Cdn10_Lupkes2012  ***
1029      !!
1030      !! ** Purpose :    Recompute the neutral air-ice drag referenced at 10m
1031      !!                 to make it dependent on edges at leads, melt ponds and flows.
1032      !!                 After some approximations, this can be resumed to a dependency
1033      !!                 on ice concentration.
1034      !!
1035      !! ** Method :     The parameterization is taken from Lupkes et al. (2012) eq.(50)
1036      !!                 with the highest level of approximation: level4, eq.(59)
1037      !!                 The generic drag over a cell partly covered by ice can be re-written as follows:
1038      !!
1039      !!                 Cd = Cdw * (1-A) + Cdi * A + Ce * (1-A)**(nu+1/(10*beta)) * A**mu
1040      !!
1041      !!                    Ce = 2.23e-3       , as suggested by Lupkes (eq. 59)
1042      !!                    nu = mu = beta = 1 , as suggested by Lupkes (eq. 59)
1043      !!                    A is the concentration of ice minus melt ponds (if any)
1044      !!
1045      !!                 This new drag has a parabolic shape (as a function of A) starting at
1046      !!                 Cdw(say 1.5e-3) for A=0, reaching 1.97e-3 for A~0.5
1047      !!                 and going down to Cdi(say 1.4e-3) for A=1
1048      !!
1049      !!                 It is theoretically applicable to all ice conditions (not only MIZ)
1050      !!                 => see Lupkes et al (2013)
1051      !!
1052      !! ** References : Lupkes et al. JGR 2012 (theory)
1053      !!                 Lupkes et al. GRL 2013 (application to GCM)
1054      !!
1055      !!----------------------------------------------------------------------
1056      REAL(wp), DIMENSION(:,:), INTENT(inout) ::   Cd
1057      REAL(wp), PARAMETER ::   zCe   = 2.23e-03_wp
1058      REAL(wp), PARAMETER ::   znu   = 1._wp
1059      REAL(wp), PARAMETER ::   zmu   = 1._wp
1060      REAL(wp), PARAMETER ::   zbeta = 1._wp
1061      REAL(wp)            ::   zcoef
1062      !!----------------------------------------------------------------------
1063      zcoef = znu + 1._wp / ( 10._wp * zbeta )
1064
1065      ! generic drag over a cell partly covered by ice
1066      !!Cd(:,:) = Cd_oce(:,:) * ( 1._wp - at_i_b(:,:) ) +  &                        ! pure ocean drag
1067      !!   &      rCd_ice      *           at_i_b(:,:)   +  &                        ! pure ice drag
1068      !!   &      zCe         * ( 1._wp - at_i_b(:,:) )**zcoef * at_i_b(:,:)**zmu   ! change due to sea-ice morphology
1069
1070      ! ice-atm drag
1071      Cd(:,:) = rCd_ice +  &                                                         ! pure ice drag
1072         &      zCe    * ( 1._wp - at_i_b(:,:) )**zcoef * at_i_b(:,:)**(zmu-1._wp)  ! change due to sea-ice morphology
1073
1074   END SUBROUTINE Cdn10_Lupkes2012
1075
1076
1077   SUBROUTINE Cdn10_Lupkes2015( Cd, Ch )
1078      !!----------------------------------------------------------------------
1079      !!                      ***  ROUTINE  Cdn10_Lupkes2015  ***
1080      !!
1081      !! ** pUrpose :    Alternative turbulent transfert coefficients formulation
1082      !!                 between sea-ice and atmosphere with distinct momentum
1083      !!                 and heat coefficients depending on sea-ice concentration
1084      !!                 and atmospheric stability (no meltponds effect for now).
1085      !!
1086      !! ** Method :     The parameterization is adapted from Lupkes et al. (2015)
1087      !!                 and ECHAM6 atmospheric model. Compared to Lupkes2012 scheme,
1088      !!                 it considers specific skin and form drags (Andreas et al. 2010)
1089      !!                 to compute neutral transfert coefficients for both heat and
1090      !!                 momemtum fluxes. Atmospheric stability effect on transfert
1091      !!                 coefficient is also taken into account following Louis (1979).
1092      !!
1093      !! ** References : Lupkes et al. JGR 2015 (theory)
1094      !!                 Lupkes et al. ECHAM6 documentation 2015 (implementation)
1095      !!
1096      !!----------------------------------------------------------------------
1097      !
1098      REAL(wp), DIMENSION(:,:), INTENT(inout) ::   Cd
1099      REAL(wp), DIMENSION(:,:), INTENT(inout) ::   Ch
1100      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj)            ::   ztm_su, zst, zqo_sat, zqi_sat
1101      !
1102      ! ECHAM6 constants
1103      REAL(wp), PARAMETER ::   z0_skin_ice  = 0.69e-3_wp  ! Eq. 43 [m]
1104      REAL(wp), PARAMETER ::   z0_form_ice  = 0.57e-3_wp  ! Eq. 42 [m]
1105      REAL(wp), PARAMETER ::   z0_ice       = 1.00e-3_wp  ! Eq. 15 [m]
1106      REAL(wp), PARAMETER ::   zce10        = 2.80e-3_wp  ! Eq. 41
1107      REAL(wp), PARAMETER ::   zbeta        = 1.1_wp      ! Eq. 41
1108      REAL(wp), PARAMETER ::   zc           = 5._wp       ! Eq. 13
1109      REAL(wp), PARAMETER ::   zc2          = zc * zc
1110      REAL(wp), PARAMETER ::   zam          = 2. * zc     ! Eq. 14
1111      REAL(wp), PARAMETER ::   zah          = 3. * zc     ! Eq. 30
1112      REAL(wp), PARAMETER ::   z1_alpha     = 1._wp / 0.2_wp  ! Eq. 51
1113      REAL(wp), PARAMETER ::   z1_alphaf    = z1_alpha    ! Eq. 56
1114      REAL(wp), PARAMETER ::   zbetah       = 1.e-3_wp    ! Eq. 26
1115      REAL(wp), PARAMETER ::   zgamma       = 1.25_wp     ! Eq. 26
1116      REAL(wp), PARAMETER ::   z1_gamma     = 1._wp / zgamma
1117      REAL(wp), PARAMETER ::   r1_3         = 1._wp / 3._wp
1118      !
1119      INTEGER  ::   ji, jj         ! dummy loop indices
1120      REAL(wp) ::   zthetav_os, zthetav_is, zthetav_zu
1121      REAL(wp) ::   zrib_o, zrib_i
1122      REAL(wp) ::   zCdn_skin_ice, zCdn_form_ice, zCdn_ice
1123      REAL(wp) ::   zChn_skin_ice, zChn_form_ice
1124      REAL(wp) ::   z0w, z0i, zfmi, zfmw, zfhi, zfhw
1125      REAL(wp) ::   zCdn_form_tmp
1126      !!----------------------------------------------------------------------
1127
1128      ! mean temperature
1129      WHERE( at_i_b(:,:) > 1.e-20 )
1130         ztm_su(:,:) = SUM( t_su(:,:,:) * a_i_b(:,:,:) , dim=3 ) / at_i_b(:,:)
1131      ELSEWHERE
1132         ztm_su(:,:) = rt0
1133      ENDWHERE
1134
1135      ! Momentum Neutral Transfert Coefficients (should be a constant)
1136      zCdn_form_tmp = zce10 * ( LOG( 10._wp / z0_form_ice + 1._wp ) / LOG( rn_zu / z0_form_ice + 1._wp ) )**2   ! Eq. 40
1137      zCdn_skin_ice = ( vkarmn                                      / LOG( rn_zu / z0_skin_ice + 1._wp ) )**2   ! Eq. 7
1138      zCdn_ice      = zCdn_skin_ice   ! Eq. 7 (cf Lupkes email for details)
1139      !zCdn_ice     = 1.89e-3         ! old ECHAM5 value (cf Eq. 32)
1140
1141      ! Heat Neutral Transfert Coefficients
1142      zChn_skin_ice = vkarmn**2 / ( LOG( rn_zu / z0_ice + 1._wp ) * LOG( rn_zu * z1_alpha / z0_skin_ice + 1._wp ) )   ! Eq. 50 + Eq. 52 (cf Lupkes email for details)
1143
1144      ! Atmospheric and Surface Variables
1145      zst(:,:)     = sst_m(:,:) + rt0                                        ! convert SST from Celcius to Kelvin
1146      zqo_sat(:,:) = rdct_qsat_salt * q_sat( zst(:,:)   , sf(jp_slp)%fnow(:,:,1) )  ! saturation humidity over ocean [kg/kg]
1147      zqi_sat(:,:) =                  q_sat( ztm_su(:,:), sf(jp_slp)%fnow(:,:,1) )  ! saturation humidity over ice   [kg/kg] !LB: no 0.98 !!(rdct_qsat_salt)
1148      !
1149      DO jj = 2, jpjm1           ! reduced loop is necessary for reproducibility
1150         DO ji = fs_2, fs_jpim1
1151            ! Virtual potential temperature [K]
1152            zthetav_os = zst(ji,jj)    * ( 1._wp + rctv0 * zqo_sat(ji,jj) )   ! over ocean
1153            zthetav_is = ztm_su(ji,jj) * ( 1._wp + rctv0 * zqi_sat(ji,jj) )   ! ocean ice
1154            zthetav_zu = t_zu (ji,jj)  * ( 1._wp + rctv0 * q_zu(ji,jj)    )   ! at zu
1155
1156            ! Bulk Richardson Number (could use Ri_bulk function from aerobulk instead)
1157            zrib_o = grav / zthetav_os * ( zthetav_zu - zthetav_os ) * rn_zu / MAX( 0.5, wndm(ji,jj)     )**2   ! over ocean
1158            zrib_i = grav / zthetav_is * ( zthetav_zu - zthetav_is ) * rn_zu / MAX( 0.5, wndm_ice(ji,jj) )**2   ! over ice
1159
1160            ! Momentum and Heat Neutral Transfert Coefficients
1161            zCdn_form_ice = zCdn_form_tmp * at_i_b(ji,jj) * ( 1._wp - at_i_b(ji,jj) )**zbeta  ! Eq. 40
1162            zChn_form_ice = zCdn_form_ice / ( 1._wp + ( LOG( z1_alphaf ) / vkarmn ) * SQRT( zCdn_form_ice ) )               ! Eq. 53
1163
1164            ! Momentum and Heat Stability functions (possibility to use psi_m_ecmwf instead)
1165            z0w = rn_zu * EXP( -1._wp * vkarmn / SQRT( Cdn_oce(ji,jj) ) ) ! over water
1166            z0i = z0_skin_ice                                             ! over ice (cf Lupkes email for details)
1167            IF( zrib_o <= 0._wp ) THEN
1168               zfmw = 1._wp - zam * zrib_o / ( 1._wp + 3._wp * zc2 * Cdn_oce(ji,jj) * SQRT( -zrib_o * ( rn_zu / z0w + 1._wp ) ) )  ! Eq. 10
1169               zfhw = ( 1._wp + ( zbetah * ( zthetav_os - zthetav_zu )**r1_3 / ( Chn_oce(ji,jj) * MAX(0.01, wndm(ji,jj)) )   &     ! Eq. 26
1170                  &             )**zgamma )**z1_gamma
1171            ELSE
1172               zfmw = 1._wp / ( 1._wp + zam * zrib_o / SQRT( 1._wp + zrib_o ) )   ! Eq. 12
1173               zfhw = 1._wp / ( 1._wp + zah * zrib_o / SQRT( 1._wp + zrib_o ) )   ! Eq. 28
1174            ENDIF
1175
1176            IF( zrib_i <= 0._wp ) THEN
1177               zfmi = 1._wp - zam * zrib_i / (1._wp + 3._wp * zc2 * zCdn_ice * SQRT( -zrib_i * ( rn_zu / z0i + 1._wp)))   ! Eq.  9
1178               zfhi = 1._wp - zah * zrib_i / (1._wp + 3._wp * zc2 * zCdn_ice * SQRT( -zrib_i * ( rn_zu / z0i + 1._wp)))   ! Eq. 25
1179            ELSE
1180               zfmi = 1._wp / ( 1._wp + zam * zrib_i / SQRT( 1._wp + zrib_i ) )   ! Eq. 11
1181               zfhi = 1._wp / ( 1._wp + zah * zrib_i / SQRT( 1._wp + zrib_i ) )   ! Eq. 27
1182            ENDIF
1183
1184            ! Momentum Transfert Coefficients (Eq. 38)
1185            Cd(ji,jj) = zCdn_skin_ice *   zfmi +  &
1186               &        zCdn_form_ice * ( zfmi * at_i_b(ji,jj) + zfmw * ( 1._wp - at_i_b(ji,jj) ) ) / MAX( 1.e-06, at_i_b(ji,jj) )
1187
1188            ! Heat Transfert Coefficients (Eq. 49)
1189            Ch(ji,jj) = zChn_skin_ice *   zfhi +  &
1190               &        zChn_form_ice * ( zfhi * at_i_b(ji,jj) + zfhw * ( 1._wp - at_i_b(ji,jj) ) ) / MAX( 1.e-06, at_i_b(ji,jj) )
1191            !
1192         END DO
1193      END DO
1194      CALL lbc_lnk_multi( 'sbcblk', Cd, 'T',  1., Ch, 'T', 1. )
1195      !
1196   END SUBROUTINE Cdn10_Lupkes2015
1197
1198#endif
1199
1200   !!======================================================================
1201END MODULE sbcblk
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.