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 @ 12024

Last change on this file since 12024 was 12024, checked in by laurent, 4 years ago

Small fixes...

  • 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      CALL iom_put( "rho_air"  ,   rhoa )                 ! output air density (kg/m^3) !#LB
644      CALL iom_put( "evap_oce" ,  zevap )                 ! evaporation
645      !
646      IF ( nn_ice == 0 ) THEN
647         CALL iom_put( "qlw_oce"  ,   zqlw )                 ! output downward longwave heat over the ocean
648         CALL iom_put( "qsb_oce"  ,   zqsb )                 ! output downward sensible heat over the ocean
649         CALL iom_put( "qla_oce"  ,   zqla )                 ! output downward latent   heat over the ocean
650         CALL iom_put( "qemp_oce" ,   qns-zqlw-zqsb-zqla )   ! output downward heat content of E-P over the ocean
651         CALL iom_put( "qns_oce"  ,   qns  )                 ! output downward non solar heat over the ocean
652         CALL iom_put( "qsr_oce"  ,   qsr  )                 ! output downward solar heat over the ocean
653         CALL iom_put( "qt_oce"   ,   qns+qsr )              ! output total downward heat over the ocean
654         tprecip(:,:) = sf(jp_prec)%fnow(:,:,1) * rn_pfac * tmask(:,:,1) ! output total precipitation [kg/m2/s]
655         sprecip(:,:) = sf(jp_snow)%fnow(:,:,1) * rn_pfac * tmask(:,:,1) ! output solid precipitation [kg/m2/s]
656         CALL iom_put( 'snowpre', sprecip )                 ! Snow
657         CALL iom_put( 'precip' , tprecip )                 ! Total precipitation
658      ENDIF
659      IF( ln_skin_cs .OR. ln_skin_wl ) THEN
660         CALL iom_put( "t_skin" ,  (zst - rt0) * tmask(:,:,1) )           ! T_skin in Celsius
661         CALL iom_put( "dt_skin" , (zst - pst - rt0) * tmask(:,:,1) )     ! T_skin - SST temperature difference...
662      ENDIF
663      !
664      IF(ln_ctl) THEN
665         CALL prt_ctl(tab2d_1=zqsb , clinfo1=' blk_oce: zqsb   : ', tab2d_2=zqlw , clinfo2=' zqlw  : ')
666         CALL prt_ctl(tab2d_1=zqla , clinfo1=' blk_oce: zqla   : ', tab2d_2=qsr  , clinfo2=' qsr   : ')
667         CALL prt_ctl(tab2d_1=pst  , clinfo1=' blk_oce: pst    : ', tab2d_2=emp  , clinfo2=' emp   : ')
668         CALL prt_ctl(tab2d_1=utau , clinfo1=' blk_oce: utau   : ', mask1=umask,   &
669            &         tab2d_2=vtau , clinfo2=              ' vtau  : ' , mask2=vmask )
670      ENDIF
671      !
672   END SUBROUTINE blk_oce
673
674
675
676#if defined key_si3
677   !!----------------------------------------------------------------------
678   !!   'key_si3'                                       SI3 sea-ice model
679   !!----------------------------------------------------------------------
680   !!   blk_ice_tau : provide the air-ice stress
681   !!   blk_ice_flx : provide the heat and mass fluxes at air-ice interface
682   !!   blk_ice_qcn : provide ice surface temperature and snow/ice conduction flux (emulating conduction flux)
683   !!   Cdn10_Lupkes2012 : Lupkes et al. (2012) air-ice drag
684   !!   Cdn10_Lupkes2015 : Lupkes et al. (2015) air-ice drag
685   !!----------------------------------------------------------------------
686
687   SUBROUTINE blk_ice_tau
688      !!---------------------------------------------------------------------
689      !!                     ***  ROUTINE blk_ice_tau  ***
690      !!
691      !! ** Purpose :   provide the surface boundary condition over sea-ice
692      !!
693      !! ** Method  :   compute momentum using bulk formulation
694      !!                formulea, ice variables and read atmospheric fields.
695      !!                NB: ice drag coefficient is assumed to be a constant
696      !!---------------------------------------------------------------------
697      INTEGER  ::   ji, jj    ! dummy loop indices
698      REAL(wp) ::   zwndi_f , zwndj_f, zwnorm_f   ! relative wind module and components at F-point
699      REAL(wp) ::   zwndi_t , zwndj_t             ! relative wind components at T-point
700      !!---------------------------------------------------------------------
701      !
702      ! set transfer coefficients to default sea-ice values
703      Cd_atm(:,:) = rCd_ice
704      Ch_atm(:,:) = rCd_ice
705      Ce_atm(:,:) = rCd_ice
706
707      wndm_ice(:,:) = 0._wp      !!gm brutal....
708
709      ! ------------------------------------------------------------ !
710      !    Wind module relative to the moving ice ( U10m - U_ice )   !
711      ! ------------------------------------------------------------ !
712      ! C-grid ice dynamics :   U & V-points (same as ocean)
713      DO jj = 2, jpjm1
714         DO ji = fs_2, fs_jpim1   ! vect. opt.
715            zwndi_t = (  sf(jp_wndi)%fnow(ji,jj,1) - rn_vfac * 0.5 * ( u_ice(ji-1,jj  ) + u_ice(ji,jj) )  )
716            zwndj_t = (  sf(jp_wndj)%fnow(ji,jj,1) - rn_vfac * 0.5 * ( v_ice(ji  ,jj-1) + v_ice(ji,jj) )  )
717            wndm_ice(ji,jj) = SQRT( zwndi_t * zwndi_t + zwndj_t * zwndj_t ) * tmask(ji,jj,1)
718         END DO
719      END DO
720      CALL lbc_lnk( 'sbcblk', wndm_ice, 'T',  1. )
721      !
722      ! Make ice-atm. drag dependent on ice concentration
723      IF    ( ln_Cd_L12 ) THEN   ! calculate new drag from Lupkes(2012) equations
724         CALL Cdn10_Lupkes2012( Cd_atm )
725         Ch_atm(:,:) = Cd_atm(:,:)       ! momentum and heat transfer coef. are considered identical
726      ELSEIF( ln_Cd_L15 ) THEN   ! calculate new drag from Lupkes(2015) equations
727         CALL Cdn10_Lupkes2015( Cd_atm, Ch_atm )
728      ENDIF
729
730      !!      CALL iom_put( "rCd_ice", Cd_atm)  ! output value of pure ice-atm. transfer coef.
731      !!      CALL iom_put( "Ch_ice", Ch_atm)  ! output value of pure ice-atm. transfer coef.
732
733      ! local scalars ( place there for vector optimisation purposes)
734
735      !!gm brutal....
736      utau_ice  (:,:) = 0._wp
737      vtau_ice  (:,:) = 0._wp
738      !!gm end
739
740      ! ------------------------------------------------------------ !
741      !    Wind stress relative to the moving ice ( U10m - U_ice )   !
742      ! ------------------------------------------------------------ !
743      ! C-grid ice dynamics :   U & V-points (same as ocean)
744      DO jj = 2, jpjm1
745         DO ji = fs_2, fs_jpim1   ! vect. opt.
746            utau_ice(ji,jj) = 0.5 * rhoa(ji,jj) * Cd_atm(ji,jj) * ( wndm_ice(ji+1,jj  ) + wndm_ice(ji,jj) )            &
747               &          * ( 0.5 * (sf(jp_wndi)%fnow(ji+1,jj,1) + sf(jp_wndi)%fnow(ji,jj,1) ) - rn_vfac * u_ice(ji,jj) )
748            vtau_ice(ji,jj) = 0.5 * rhoa(ji,jj) * Cd_atm(ji,jj) * ( wndm_ice(ji,jj+1  ) + wndm_ice(ji,jj) )            &
749               &          * ( 0.5 * (sf(jp_wndj)%fnow(ji,jj+1,1) + sf(jp_wndj)%fnow(ji,jj,1) ) - rn_vfac * v_ice(ji,jj) )
750         END DO
751      END DO
752      CALL lbc_lnk_multi( 'sbcblk', utau_ice, 'U', -1., vtau_ice, 'V', -1. )
753      !
754      !
755      IF(ln_ctl) THEN
756         CALL prt_ctl(tab2d_1=utau_ice  , clinfo1=' blk_ice: utau_ice : ', tab2d_2=vtau_ice  , clinfo2=' vtau_ice : ')
757         CALL prt_ctl(tab2d_1=wndm_ice  , clinfo1=' blk_ice: wndm_ice : ')
758      ENDIF
759      !
760   END SUBROUTINE blk_ice_tau
761
762
763   SUBROUTINE blk_ice_flx( ptsu, phs, phi, palb )
764      !!---------------------------------------------------------------------
765      !!                     ***  ROUTINE blk_ice_flx  ***
766      !!
767      !! ** Purpose :   provide the heat and mass fluxes at air-ice interface
768      !!
769      !! ** Method  :   compute heat and freshwater exchanged
770      !!                between atmosphere and sea-ice using bulk formulation
771      !!                formulea, ice variables and read atmmospheric fields.
772      !!
773      !! caution : the net upward water flux has with mm/day unit
774      !!---------------------------------------------------------------------
775      REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), INTENT(in)  ::   ptsu   ! sea ice surface temperature
776      REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), INTENT(in)  ::   phs    ! snow thickness
777      REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), INTENT(in)  ::   phi    ! ice thickness
778      REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), INTENT(in)  ::   palb   ! ice albedo (all skies)
779      !!
780      INTEGER  ::   ji, jj, jl               ! dummy loop indices
781      REAL(wp) ::   zst3                     ! local variable
782      REAL(wp) ::   zcoef_dqlw, zcoef_dqla   !   -      -
783      REAL(wp) ::   zztmp, z1_rLsub          !   -      -
784      REAL(wp) ::   zfr1, zfr2               ! local variables
785      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj,jpl) ::   z1_st         ! inverse of surface temperature
786      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj,jpl) ::   z_qlw         ! long wave heat flux over ice
787      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj,jpl) ::   z_qsb         ! sensible  heat flux over ice
788      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj,jpl) ::   z_dqlw        ! long wave heat sensitivity over ice
789      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj,jpl) ::   z_dqsb        ! sensible  heat sensitivity over ice
790      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj)     ::   zevap, zsnw   ! evaporation and snw distribution after wind blowing (SI3)
791      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj)     ::   zqair         ! specific humidity of air at z=rn_zqt [kg/kg] !LB
792      !!---------------------------------------------------------------------
793      !
794      zcoef_dqlw = 4._wp * 0.95_wp * stefan             ! local scalars
795      zcoef_dqla = -rLsub * 11637800._wp * (-5897.8_wp) !LB: BAD!
796      !
797
798      !LB:
799      SELECT CASE( nhumi )
800      CASE( np_humi_sph )
801         zqair(:,:) =        sf(jp_humi)%fnow(:,:,1)      ! what we read in file is already a spec. humidity!
802      CASE( np_humi_dpt )
803         !IF(lwp) WRITE(numout,*) ' *** blk_ice_flx => computing q_air out of d_air and slp !' !LBrm
804         zqair(:,:) = q_sat( sf(jp_humi)%fnow(:,:,1), sf(jp_slp)%fnow(:,:,1) )
805      CASE( np_humi_rlh )
806         !IF(lwp) WRITE(numout,*) ' *** blk_ice_flx => computing q_air out of RH, t_air and slp !' !LBrm
807         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
808      END SELECT
809      !LB.
810
811      zztmp = 1. / ( 1. - albo )
812      WHERE( ptsu(:,:,:) /= 0._wp )
813         z1_st(:,:,:) = 1._wp / ptsu(:,:,:)
814      ELSEWHERE
815         z1_st(:,:,:) = 0._wp
816      END WHERE
817      !                                     ! ========================== !
818      DO jl = 1, jpl                        !  Loop over ice categories  !
819         !                                  ! ========================== !
820         DO jj = 1 , jpj
821            DO ji = 1, jpi
822               ! ----------------------------!
823               !      I   Radiative FLUXES   !
824               ! ----------------------------!
825               zst3 = ptsu(ji,jj,jl) * ptsu(ji,jj,jl) * ptsu(ji,jj,jl)
826               ! Short Wave (sw)
827               qsr_ice(ji,jj,jl) = zztmp * ( 1. - palb(ji,jj,jl) ) * qsr(ji,jj)
828               ! Long  Wave (lw)
829               z_qlw(ji,jj,jl) = 0.95 * ( sf(jp_qlw)%fnow(ji,jj,1) - stefan * ptsu(ji,jj,jl) * zst3 ) * tmask(ji,jj,1)
830               ! lw sensitivity
831               z_dqlw(ji,jj,jl) = zcoef_dqlw * zst3
832
833               ! ----------------------------!
834               !     II    Turbulent FLUXES  !
835               ! ----------------------------!
836
837               ! ... turbulent heat fluxes with Ch_atm recalculated in blk_ice_tau
838               ! Sensible Heat
839               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))
840               ! Latent Heat
841               qla_ice(ji,jj,jl) = rn_efac * MAX( 0.e0, rhoa(ji,jj) * rLsub  * Ch_atm(ji,jj) * wndm_ice(ji,jj) *  &
842                  &                ( 11637800. * EXP( -5897.8 * z1_st(ji,jj,jl) ) / rhoa(ji,jj) - zqair(ji,jj) ) )
843               ! Latent heat sensitivity for ice (Dqla/Dt)
844               IF( qla_ice(ji,jj,jl) > 0._wp ) THEN
845                  dqla_ice(ji,jj,jl) = rn_efac * zcoef_dqla * Ch_atm(ji,jj) * wndm_ice(ji,jj) *  &
846                     &                 z1_st(ji,jj,jl)*z1_st(ji,jj,jl) * EXP(-5897.8 * z1_st(ji,jj,jl))
847               ELSE
848                  dqla_ice(ji,jj,jl) = 0._wp
849               ENDIF
850
851               ! Sensible heat sensitivity (Dqsb_ice/Dtn_ice)
852               z_dqsb(ji,jj,jl) = rhoa(ji,jj) * rCp_air * Ch_atm(ji,jj) * wndm_ice(ji,jj)
853
854               ! ----------------------------!
855               !     III    Total FLUXES     !
856               ! ----------------------------!
857               ! Downward Non Solar flux
858               qns_ice (ji,jj,jl) =     z_qlw (ji,jj,jl) - z_qsb (ji,jj,jl) - qla_ice (ji,jj,jl)
859               ! Total non solar heat flux sensitivity for ice
860               dqns_ice(ji,jj,jl) = - ( z_dqlw(ji,jj,jl) + z_dqsb(ji,jj,jl) + dqla_ice(ji,jj,jl) )
861            END DO
862            !
863         END DO
864         !
865      END DO
866      !
867      tprecip(:,:) = sf(jp_prec)%fnow(:,:,1) * rn_pfac * tmask(:,:,1)  ! total precipitation [kg/m2/s]
868      sprecip(:,:) = sf(jp_snow)%fnow(:,:,1) * rn_pfac * tmask(:,:,1)  ! solid precipitation [kg/m2/s]
869      CALL iom_put( 'snowpre', sprecip )                    ! Snow precipitation
870      CALL iom_put( 'precip' , tprecip )                    ! Total precipitation
871
872      ! --- evaporation --- !
873      z1_rLsub = 1._wp / rLsub
874      evap_ice (:,:,:) = rn_efac * qla_ice (:,:,:) * z1_rLsub    ! sublimation
875      devap_ice(:,:,:) = rn_efac * dqla_ice(:,:,:) * z1_rLsub    ! d(sublimation)/dT
876      zevap    (:,:)   = rn_efac * ( emp(:,:) + tprecip(:,:) )   ! evaporation over ocean
877
878      ! --- evaporation minus precipitation --- !
879      zsnw(:,:) = 0._wp
880      CALL ice_thd_snwblow( (1.-at_i_b(:,:)), zsnw )  ! snow distribution over ice after wind blowing
881      emp_oce(:,:) = ( 1._wp - at_i_b(:,:) ) * zevap(:,:) - ( tprecip(:,:) - sprecip(:,:) ) - sprecip(:,:) * (1._wp - zsnw )
882      emp_ice(:,:) = SUM( a_i_b(:,:,:) * evap_ice(:,:,:), dim=3 ) - sprecip(:,:) * zsnw
883      emp_tot(:,:) = emp_oce(:,:) + emp_ice(:,:)
884
885      ! --- heat flux associated with emp --- !
886      qemp_oce(:,:) = - ( 1._wp - at_i_b(:,:) ) * zevap(:,:) * sst_m(:,:) * rcp                  & ! evap at sst
887         &          + ( tprecip(:,:) - sprecip(:,:) ) * ( sf(jp_tair)%fnow(:,:,1) - rt0 ) * rcp  & ! liquid precip at Tair
888         &          +   sprecip(:,:) * ( 1._wp - zsnw ) *                                        & ! solid precip at min(Tair,Tsnow)
889         &              ( ( MIN( sf(jp_tair)%fnow(:,:,1), rt0 ) - rt0 ) * rcpi * tmask(:,:,1) - rLfus )
890      qemp_ice(:,:) =   sprecip(:,:) * zsnw *                                                    & ! solid precip (only)
891         &              ( ( MIN( sf(jp_tair)%fnow(:,:,1), rt0 ) - rt0 ) * rcpi * tmask(:,:,1) - rLfus )
892
893      ! --- total solar and non solar fluxes --- !
894      qns_tot(:,:) = ( 1._wp - at_i_b(:,:) ) * qns_oce(:,:) + SUM( a_i_b(:,:,:) * qns_ice(:,:,:), dim=3 )  &
895         &           + qemp_ice(:,:) + qemp_oce(:,:)
896      qsr_tot(:,:) = ( 1._wp - at_i_b(:,:) ) * qsr_oce(:,:) + SUM( a_i_b(:,:,:) * qsr_ice(:,:,:), dim=3 )
897
898      ! --- heat content of precip over ice in J/m3 (to be used in 1D-thermo) --- !
899      qprec_ice(:,:) = rhos * ( ( MIN( sf(jp_tair)%fnow(:,:,1), rt0 ) - rt0 ) * rcpi * tmask(:,:,1) - rLfus )
900
901      ! --- heat content of evap over ice in W/m2 (to be used in 1D-thermo) ---
902      DO jl = 1, jpl
903         qevap_ice(:,:,jl) = 0._wp ! should be -evap_ice(:,:,jl)*( ( Tice - rt0 ) * rcpi * tmask(:,:,1) )
904         !                         ! But we do not have Tice => consider it at 0degC => evap=0
905      END DO
906
907      ! --- shortwave radiation transmitted below the surface (W/m2, see Grenfell Maykut 77) --- !
908      zfr1 = ( 0.18 * ( 1.0 - cldf_ice ) + 0.35 * cldf_ice )            ! transmission when hi>10cm
909      zfr2 = ( 0.82 * ( 1.0 - cldf_ice ) + 0.65 * cldf_ice )            ! zfr2 such that zfr1 + zfr2 to equal 1
910      !
911      WHERE    ( phs(:,:,:) <= 0._wp .AND. phi(:,:,:) <  0.1_wp )       ! linear decrease from hi=0 to 10cm
912         qtr_ice_top(:,:,:) = qsr_ice(:,:,:) * ( zfr1 + zfr2 * ( 1._wp - phi(:,:,:) * 10._wp ) )
913      ELSEWHERE( phs(:,:,:) <= 0._wp .AND. phi(:,:,:) >= 0.1_wp )       ! constant (zfr1) when hi>10cm
914         qtr_ice_top(:,:,:) = qsr_ice(:,:,:) * zfr1
915      ELSEWHERE                                                         ! zero when hs>0
916         qtr_ice_top(:,:,:) = 0._wp
917      END WHERE
918      !
919      IF(ln_ctl) THEN
920         CALL prt_ctl(tab3d_1=qla_ice , clinfo1=' blk_ice: qla_ice  : ', tab3d_2=z_qsb   , clinfo2=' z_qsb    : ', kdim=jpl)
921         CALL prt_ctl(tab3d_1=z_qlw   , clinfo1=' blk_ice: z_qlw    : ', tab3d_2=dqla_ice, clinfo2=' dqla_ice : ', kdim=jpl)
922         CALL prt_ctl(tab3d_1=z_dqsb  , clinfo1=' blk_ice: z_dqsb   : ', tab3d_2=z_dqlw  , clinfo2=' z_dqlw   : ', kdim=jpl)
923         CALL prt_ctl(tab3d_1=dqns_ice, clinfo1=' blk_ice: dqns_ice : ', tab3d_2=qsr_ice , clinfo2=' qsr_ice  : ', kdim=jpl)
924         CALL prt_ctl(tab3d_1=ptsu    , clinfo1=' blk_ice: ptsu     : ', tab3d_2=qns_ice , clinfo2=' qns_ice  : ', kdim=jpl)
925         CALL prt_ctl(tab2d_1=tprecip , clinfo1=' blk_ice: tprecip  : ', tab2d_2=sprecip , clinfo2=' sprecip  : ')
926      ENDIF
927      !
928   END SUBROUTINE blk_ice_flx
929
930
931   SUBROUTINE blk_ice_qcn( ld_virtual_itd, ptsu, ptb, phs, phi )
932      !!---------------------------------------------------------------------
933      !!                     ***  ROUTINE blk_ice_qcn  ***
934      !!
935      !! ** Purpose :   Compute surface temperature and snow/ice conduction flux
936      !!                to force sea ice / snow thermodynamics
937      !!                in the case conduction flux is emulated
938      !!
939      !! ** Method  :   compute surface energy balance assuming neglecting heat storage
940      !!                following the 0-layer Semtner (1976) approach
941      !!
942      !! ** Outputs : - ptsu    : sea-ice / snow surface temperature (K)
943      !!              - qcn_ice : surface inner conduction flux (W/m2)
944      !!
945      !!---------------------------------------------------------------------
946      LOGICAL                   , INTENT(in   ) ::   ld_virtual_itd  ! single-category option
947      REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), INTENT(inout) ::   ptsu            ! sea ice / snow surface temperature
948      REAL(wp), DIMENSION(:,:)  , INTENT(in   ) ::   ptb             ! sea ice base temperature
949      REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), INTENT(in   ) ::   phs             ! snow thickness
950      REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), INTENT(in   ) ::   phi             ! sea ice thickness
951      !
952      INTEGER , PARAMETER ::   nit = 10                  ! number of iterations
953      REAL(wp), PARAMETER ::   zepsilon = 0.1_wp         ! characteristic thickness for enhanced conduction
954      !
955      INTEGER  ::   ji, jj, jl           ! dummy loop indices
956      INTEGER  ::   iter                 ! local integer
957      REAL(wp) ::   zfac, zfac2, zfac3   ! local scalars
958      REAL(wp) ::   zkeff_h, ztsu, ztsu0 !
959      REAL(wp) ::   zqc, zqnet           !
960      REAL(wp) ::   zhe, zqa0            !
961      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj,jpl) ::   zgfac   ! enhanced conduction factor
962      !!---------------------------------------------------------------------
963
964      ! -------------------------------------!
965      !      I   Enhanced conduction factor  !
966      ! -------------------------------------!
967      ! Emulates the enhancement of conduction by unresolved thin ice (ld_virtual_itd = T)
968      ! Fichefet and Morales Maqueda, JGR 1997
969      !
970      zgfac(:,:,:) = 1._wp
971
972      IF( ld_virtual_itd ) THEN
973         !
974         zfac  = 1._wp /  ( rn_cnd_s + rcnd_i )
975         zfac2 = EXP(1._wp) * 0.5_wp * zepsilon
976         zfac3 = 2._wp / zepsilon
977         !
978         DO jl = 1, jpl
979            DO jj = 1 , jpj
980               DO ji = 1, jpi
981                  zhe = ( rn_cnd_s * phi(ji,jj,jl) + rcnd_i * phs(ji,jj,jl) ) * zfac                            ! Effective thickness
982                  IF( zhe >=  zfac2 )   zgfac(ji,jj,jl) = MIN( 2._wp, 0.5_wp * ( 1._wp + LOG( zhe * zfac3 ) ) ) ! Enhanced conduction factor
983               END DO
984            END DO
985         END DO
986         !
987      ENDIF
988
989      ! -------------------------------------------------------------!
990      !      II   Surface temperature and conduction flux            !
991      ! -------------------------------------------------------------!
992      !
993      zfac = rcnd_i * rn_cnd_s
994      !
995      DO jl = 1, jpl
996         DO jj = 1 , jpj
997            DO ji = 1, jpi
998               !
999               zkeff_h = zfac * zgfac(ji,jj,jl) / &                                    ! Effective conductivity of the snow-ice system divided by thickness
1000                  &      ( rcnd_i * phs(ji,jj,jl) + rn_cnd_s * MAX( 0.01, phi(ji,jj,jl) ) )
1001               ztsu    = ptsu(ji,jj,jl)                                                ! Store current iteration temperature
1002               ztsu0   = ptsu(ji,jj,jl)                                                ! Store initial surface temperature
1003               zqa0    = qsr_ice(ji,jj,jl) - qtr_ice_top(ji,jj,jl) + qns_ice(ji,jj,jl) ! Net initial atmospheric heat flux
1004               !
1005               DO iter = 1, nit     ! --- Iterative loop
1006                  zqc   = zkeff_h * ( ztsu - ptb(ji,jj) )                              ! Conduction heat flux through snow-ice system (>0 downwards)
1007                  zqnet = zqa0 + dqns_ice(ji,jj,jl) * ( ztsu - ptsu(ji,jj,jl) ) - zqc  ! Surface energy budget
1008                  ztsu  = ztsu - zqnet / ( dqns_ice(ji,jj,jl) - zkeff_h )              ! Temperature update
1009               END DO
1010               !
1011               ptsu   (ji,jj,jl) = MIN( rt0, ztsu )
1012               qcn_ice(ji,jj,jl) = zkeff_h * ( ptsu(ji,jj,jl) - ptb(ji,jj) )
1013               qns_ice(ji,jj,jl) = qns_ice(ji,jj,jl) + dqns_ice(ji,jj,jl) * ( ptsu(ji,jj,jl) - ztsu0 )
1014               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) )  &
1015                  &   * MAX( 0._wp , SIGN( 1._wp, ptsu(ji,jj,jl) - rt0 ) )
1016
1017               ! --- Diagnose the heat loss due to changing non-solar flux (as in icethd_zdf_bl99) --- !
1018               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)
1019
1020            END DO
1021         END DO
1022         !
1023      END DO
1024      !
1025   END SUBROUTINE blk_ice_qcn
1026
1027
1028   SUBROUTINE Cdn10_Lupkes2012( Cd )
1029      !!----------------------------------------------------------------------
1030      !!                      ***  ROUTINE  Cdn10_Lupkes2012  ***
1031      !!
1032      !! ** Purpose :    Recompute the neutral air-ice drag referenced at 10m
1033      !!                 to make it dependent on edges at leads, melt ponds and flows.
1034      !!                 After some approximations, this can be resumed to a dependency
1035      !!                 on ice concentration.
1036      !!
1037      !! ** Method :     The parameterization is taken from Lupkes et al. (2012) eq.(50)
1038      !!                 with the highest level of approximation: level4, eq.(59)
1039      !!                 The generic drag over a cell partly covered by ice can be re-written as follows:
1040      !!
1041      !!                 Cd = Cdw * (1-A) + Cdi * A + Ce * (1-A)**(nu+1/(10*beta)) * A**mu
1042      !!
1043      !!                    Ce = 2.23e-3       , as suggested by Lupkes (eq. 59)
1044      !!                    nu = mu = beta = 1 , as suggested by Lupkes (eq. 59)
1045      !!                    A is the concentration of ice minus melt ponds (if any)
1046      !!
1047      !!                 This new drag has a parabolic shape (as a function of A) starting at
1048      !!                 Cdw(say 1.5e-3) for A=0, reaching 1.97e-3 for A~0.5
1049      !!                 and going down to Cdi(say 1.4e-3) for A=1
1050      !!
1051      !!                 It is theoretically applicable to all ice conditions (not only MIZ)
1052      !!                 => see Lupkes et al (2013)
1053      !!
1054      !! ** References : Lupkes et al. JGR 2012 (theory)
1055      !!                 Lupkes et al. GRL 2013 (application to GCM)
1056      !!
1057      !!----------------------------------------------------------------------
1058      REAL(wp), DIMENSION(:,:), INTENT(inout) ::   Cd
1059      REAL(wp), PARAMETER ::   zCe   = 2.23e-03_wp
1060      REAL(wp), PARAMETER ::   znu   = 1._wp
1061      REAL(wp), PARAMETER ::   zmu   = 1._wp
1062      REAL(wp), PARAMETER ::   zbeta = 1._wp
1063      REAL(wp)            ::   zcoef
1064      !!----------------------------------------------------------------------
1065      zcoef = znu + 1._wp / ( 10._wp * zbeta )
1066
1067      ! generic drag over a cell partly covered by ice
1068      !!Cd(:,:) = Cd_oce(:,:) * ( 1._wp - at_i_b(:,:) ) +  &                        ! pure ocean drag
1069      !!   &      rCd_ice      *           at_i_b(:,:)   +  &                        ! pure ice drag
1070      !!   &      zCe         * ( 1._wp - at_i_b(:,:) )**zcoef * at_i_b(:,:)**zmu   ! change due to sea-ice morphology
1071
1072      ! ice-atm drag
1073      Cd(:,:) = rCd_ice +  &                                                         ! pure ice drag
1074         &      zCe    * ( 1._wp - at_i_b(:,:) )**zcoef * at_i_b(:,:)**(zmu-1._wp)  ! change due to sea-ice morphology
1075
1076   END SUBROUTINE Cdn10_Lupkes2012
1077
1078
1079   SUBROUTINE Cdn10_Lupkes2015( Cd, Ch )
1080      !!----------------------------------------------------------------------
1081      !!                      ***  ROUTINE  Cdn10_Lupkes2015  ***
1082      !!
1083      !! ** pUrpose :    Alternative turbulent transfert coefficients formulation
1084      !!                 between sea-ice and atmosphere with distinct momentum
1085      !!                 and heat coefficients depending on sea-ice concentration
1086      !!                 and atmospheric stability (no meltponds effect for now).
1087      !!
1088      !! ** Method :     The parameterization is adapted from Lupkes et al. (2015)
1089      !!                 and ECHAM6 atmospheric model. Compared to Lupkes2012 scheme,
1090      !!                 it considers specific skin and form drags (Andreas et al. 2010)
1091      !!                 to compute neutral transfert coefficients for both heat and
1092      !!                 momemtum fluxes. Atmospheric stability effect on transfert
1093      !!                 coefficient is also taken into account following Louis (1979).
1094      !!
1095      !! ** References : Lupkes et al. JGR 2015 (theory)
1096      !!                 Lupkes et al. ECHAM6 documentation 2015 (implementation)
1097      !!
1098      !!----------------------------------------------------------------------
1099      !
1100      REAL(wp), DIMENSION(:,:), INTENT(inout) ::   Cd
1101      REAL(wp), DIMENSION(:,:), INTENT(inout) ::   Ch
1102      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj)            ::   ztm_su, zst, zqo_sat, zqi_sat
1103      !
1104      ! ECHAM6 constants
1105      REAL(wp), PARAMETER ::   z0_skin_ice  = 0.69e-3_wp  ! Eq. 43 [m]
1106      REAL(wp), PARAMETER ::   z0_form_ice  = 0.57e-3_wp  ! Eq. 42 [m]
1107      REAL(wp), PARAMETER ::   z0_ice       = 1.00e-3_wp  ! Eq. 15 [m]
1108      REAL(wp), PARAMETER ::   zce10        = 2.80e-3_wp  ! Eq. 41
1109      REAL(wp), PARAMETER ::   zbeta        = 1.1_wp      ! Eq. 41
1110      REAL(wp), PARAMETER ::   zc           = 5._wp       ! Eq. 13
1111      REAL(wp), PARAMETER ::   zc2          = zc * zc
1112      REAL(wp), PARAMETER ::   zam          = 2. * zc     ! Eq. 14
1113      REAL(wp), PARAMETER ::   zah          = 3. * zc     ! Eq. 30
1114      REAL(wp), PARAMETER ::   z1_alpha     = 1._wp / 0.2_wp  ! Eq. 51
1115      REAL(wp), PARAMETER ::   z1_alphaf    = z1_alpha    ! Eq. 56
1116      REAL(wp), PARAMETER ::   zbetah       = 1.e-3_wp    ! Eq. 26
1117      REAL(wp), PARAMETER ::   zgamma       = 1.25_wp     ! Eq. 26
1118      REAL(wp), PARAMETER ::   z1_gamma     = 1._wp / zgamma
1119      REAL(wp), PARAMETER ::   r1_3         = 1._wp / 3._wp
1120      !
1121      INTEGER  ::   ji, jj         ! dummy loop indices
1122      REAL(wp) ::   zthetav_os, zthetav_is, zthetav_zu
1123      REAL(wp) ::   zrib_o, zrib_i
1124      REAL(wp) ::   zCdn_skin_ice, zCdn_form_ice, zCdn_ice
1125      REAL(wp) ::   zChn_skin_ice, zChn_form_ice
1126      REAL(wp) ::   z0w, z0i, zfmi, zfmw, zfhi, zfhw
1127      REAL(wp) ::   zCdn_form_tmp
1128      !!----------------------------------------------------------------------
1129
1130      ! mean temperature
1131      WHERE( at_i_b(:,:) > 1.e-20 )
1132         ztm_su(:,:) = SUM( t_su(:,:,:) * a_i_b(:,:,:) , dim=3 ) / at_i_b(:,:)
1133      ELSEWHERE
1134         ztm_su(:,:) = rt0
1135      ENDWHERE
1136
1137      ! Momentum Neutral Transfert Coefficients (should be a constant)
1138      zCdn_form_tmp = zce10 * ( LOG( 10._wp / z0_form_ice + 1._wp ) / LOG( rn_zu / z0_form_ice + 1._wp ) )**2   ! Eq. 40
1139      zCdn_skin_ice = ( vkarmn                                      / LOG( rn_zu / z0_skin_ice + 1._wp ) )**2   ! Eq. 7
1140      zCdn_ice      = zCdn_skin_ice   ! Eq. 7 (cf Lupkes email for details)
1141      !zCdn_ice     = 1.89e-3         ! old ECHAM5 value (cf Eq. 32)
1142
1143      ! Heat Neutral Transfert Coefficients
1144      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)
1145
1146      ! Atmospheric and Surface Variables
1147      zst(:,:)     = sst_m(:,:) + rt0                                        ! convert SST from Celcius to Kelvin
1148      zqo_sat(:,:) = rdct_qsat_salt * q_sat( zst(:,:)   , sf(jp_slp)%fnow(:,:,1) )  ! saturation humidity over ocean [kg/kg]
1149      zqi_sat(:,:) =                  q_sat( ztm_su(:,:), sf(jp_slp)%fnow(:,:,1) )  ! saturation humidity over ice   [kg/kg] !LB: no 0.98 !!(rdct_qsat_salt)
1150      !
1151      DO jj = 2, jpjm1           ! reduced loop is necessary for reproducibility
1152         DO ji = fs_2, fs_jpim1
1153            ! Virtual potential temperature [K]
1154            zthetav_os = zst(ji,jj)    * ( 1._wp + rctv0 * zqo_sat(ji,jj) )   ! over ocean
1155            zthetav_is = ztm_su(ji,jj) * ( 1._wp + rctv0 * zqi_sat(ji,jj) )   ! ocean ice
1156            zthetav_zu = t_zu (ji,jj)  * ( 1._wp + rctv0 * q_zu(ji,jj)    )   ! at zu
1157
1158            ! Bulk Richardson Number (could use Ri_bulk function from aerobulk instead)
1159            zrib_o = grav / zthetav_os * ( zthetav_zu - zthetav_os ) * rn_zu / MAX( 0.5, wndm(ji,jj)     )**2   ! over ocean
1160            zrib_i = grav / zthetav_is * ( zthetav_zu - zthetav_is ) * rn_zu / MAX( 0.5, wndm_ice(ji,jj) )**2   ! over ice
1161
1162            ! Momentum and Heat Neutral Transfert Coefficients
1163            zCdn_form_ice = zCdn_form_tmp * at_i_b(ji,jj) * ( 1._wp - at_i_b(ji,jj) )**zbeta  ! Eq. 40
1164            zChn_form_ice = zCdn_form_ice / ( 1._wp + ( LOG( z1_alphaf ) / vkarmn ) * SQRT( zCdn_form_ice ) )               ! Eq. 53
1165
1166            ! Momentum and Heat Stability functions (possibility to use psi_m_ecmwf instead)
1167            z0w = rn_zu * EXP( -1._wp * vkarmn / SQRT( Cdn_oce(ji,jj) ) ) ! over water
1168            z0i = z0_skin_ice                                             ! over ice (cf Lupkes email for details)
1169            IF( zrib_o <= 0._wp ) THEN
1170               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
1171               zfhw = ( 1._wp + ( zbetah * ( zthetav_os - zthetav_zu )**r1_3 / ( Chn_oce(ji,jj) * MAX(0.01, wndm(ji,jj)) )   &     ! Eq. 26
1172                  &             )**zgamma )**z1_gamma
1173            ELSE
1174               zfmw = 1._wp / ( 1._wp + zam * zrib_o / SQRT( 1._wp + zrib_o ) )   ! Eq. 12
1175               zfhw = 1._wp / ( 1._wp + zah * zrib_o / SQRT( 1._wp + zrib_o ) )   ! Eq. 28
1176            ENDIF
1177
1178            IF( zrib_i <= 0._wp ) THEN
1179               zfmi = 1._wp - zam * zrib_i / (1._wp + 3._wp * zc2 * zCdn_ice * SQRT( -zrib_i * ( rn_zu / z0i + 1._wp)))   ! Eq.  9
1180               zfhi = 1._wp - zah * zrib_i / (1._wp + 3._wp * zc2 * zCdn_ice * SQRT( -zrib_i * ( rn_zu / z0i + 1._wp)))   ! Eq. 25
1181            ELSE
1182               zfmi = 1._wp / ( 1._wp + zam * zrib_i / SQRT( 1._wp + zrib_i ) )   ! Eq. 11
1183               zfhi = 1._wp / ( 1._wp + zah * zrib_i / SQRT( 1._wp + zrib_i ) )   ! Eq. 27
1184            ENDIF
1185
1186            ! Momentum Transfert Coefficients (Eq. 38)
1187            Cd(ji,jj) = zCdn_skin_ice *   zfmi +  &
1188               &        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) )
1189
1190            ! Heat Transfert Coefficients (Eq. 49)
1191            Ch(ji,jj) = zChn_skin_ice *   zfhi +  &
1192               &        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) )
1193            !
1194         END DO
1195      END DO
1196      CALL lbc_lnk_multi( 'sbcblk', Cd, 'T',  1., Ch, 'T', 1. )
1197      !
1198   END SUBROUTINE Cdn10_Lupkes2015
1199
1200#endif
1201
1202   !!======================================================================
1203END MODULE sbcblk
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.