source: NEMO/branches/2019/dev_r12072_MERGE_OPTION2_2019/src/ABL/ablmod.F90 @ 12154

Last change on this file since 12154 was 12154, checked in by cetlod, 10 months ago

commit

File size: 53.1 KB
Line 
1MODULE ablmod
2   !!======================================================================
3   !!                       ***  MODULE  ablmod  ***
4   !! Surface module :  ABL computation to provide atmospheric data
5   !!                   for surface fluxes computation
6   !!======================================================================
7   !! History :  3.6  ! 2019-03  (F. Lemarié & G. Samson)  Original code
8   !!----------------------------------------------------------------------
9   
10   !!----------------------------------------------------------------------
11   !!   abl_stp       : ABL single column model
12   !!   abl_zdf_tke   : atmospheric vertical closure
13   !!----------------------------------------------------------------------
14   USE abl            ! ABL dynamics and tracers
15   USE par_abl        ! ABL constants
16
17   USE phycst         ! physical constants
18   USE dom_oce, ONLY  : tmask 
19   USE sbc_oce, ONLY  : ght_abl, ghw_abl, e3t_abl, e3w_abl, jpka, jpkam1, rhoa
20   USE sbcblk         ! use rn_?fac
21   USE sbcblk_phy     ! use some physical constants for flux computation
22   !
23   USE prtctl         ! Print control                    (prt_ctl routine)
24   USE iom            ! IOM library
25   USE in_out_manager ! I/O manager
26   USE lib_mpp        ! MPP library
27   USE timing         ! Timing
28
29   IMPLICIT NONE
30
31   PUBLIC   abl_stp   ! called by sbcabl.F90
32   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:) ::   ustar2
33   !! * Substitutions
34#  include "vectopt_loop_substitute.h90"
35
36CONTAINS
37
38
39!===================================================================================================
40   SUBROUTINE abl_stp( kt, psst, pssu, pssv, pssq, &                            ! in
41              &            pu_dta, pv_dta, pt_dta, pq_dta,    & 
42              &            pslp_dta, pgu_dta, pgv_dta,        &
43              &            pcd_du, psen, pevp,                &                            ! in/out
44              &            pwndm, ptaui, ptauj, ptaum         & 
45#if defined key_si3         
46              &          , ptm_su,pssu_ice,pssv_ice,pssq_ice,pcd_du_ice  & 
47              &          , psen_ice, pevp_ice, pwndm_ice, pfrac_oce      & 
48              &          , ptaui_ice, ptauj_ice                          &
49#endif           
50           &   )
51!---------------------------------------------------------------------------------------------------
52
53      !!---------------------------------------------------------------------
54      !!                    ***  ROUTINE abl_stp ***
55      !!
56      !! ** Purpose :   Time-integration of the ABL model
57      !!
58      !! ** Method  :   Compute atmospheric variables : vertical turbulence
59      !!                             + Coriolis term + newtonian relaxation
60      !!               
61      !! ** Action  : - Advance TKE to time n+1 and compute Avm_abl, Avt_abl, PBLh
62      !!              - Advance tracers to time n+1 (Euler backward scheme)
63      !!              - Compute Coriolis term with forward-backward scheme (possibly with geostrophic guide)
64      !!              - Advance u,v to time n+1 (Euler backward scheme)
65      !!              - Apply newtonian relaxation on the dynamics and the tracers
66      !!              - Finalize flux computation in psen, pevp, pwndm, ptaui, ptauj, ptaum
67      !!
68      !!----------------------------------------------------------------------
69      INTEGER  , INTENT(in   )                   ::   kt         ! time step index
70      REAL(wp) , INTENT(in   ), DIMENSION(:,:  ) ::   psst       ! sea-surface temperature [Celsius]
71      REAL(wp) , INTENT(in   ), DIMENSION(:,:  ) ::   pssu       ! sea-surface u (U-point)
72      REAL(wp) , INTENT(in   ), DIMENSION(:,:  ) ::   pssv       ! sea-surface v (V-point)
73      REAL(wp) , INTENT(in   ), DIMENSION(:,:  ) ::   pssq       ! sea-surface humidity
74      REAL(wp) , INTENT(in   ), DIMENSION(:,:,:) ::   pu_dta     ! large-scale windi
75      REAL(wp) , INTENT(in   ), DIMENSION(:,:,:) ::   pv_dta     ! large-scale windj
76      REAL(wp) , INTENT(in   ), DIMENSION(:,:,:) ::   pgu_dta    ! large-scale hpgi
77      REAL(wp) , INTENT(in   ), DIMENSION(:,:,:) ::   pgv_dta    ! large-scale hpgj
78      REAL(wp) , INTENT(in   ), DIMENSION(:,:,:) ::   pt_dta     ! large-scale pot. temp.
79      REAL(wp) , INTENT(in   ), DIMENSION(:,:,:) ::   pq_dta     ! large-scale humidity
80      REAL(wp) , INTENT(in   ), DIMENSION(:,:  ) ::   pslp_dta   ! sea-level pressure
81      REAL(wp) , INTENT(in   ), DIMENSION(:,:  ) ::   pcd_du     ! Cd x Du (T-point)
82      REAL(wp) , INTENT(inout), DIMENSION(:,:  ) ::   psen       ! Ch x Du
83      REAL(wp) , INTENT(inout), DIMENSION(:,:  ) ::   pevp       ! Ce x Du
84      REAL(wp) , INTENT(inout), DIMENSION(:,:  ) ::   pwndm      ! ||uwnd||     
85      REAL(wp) , INTENT(  out), DIMENSION(:,:  ) ::   ptaui      ! taux
86      REAL(wp) , INTENT(  out), DIMENSION(:,:  ) ::   ptauj      ! tauy
87      REAL(wp) , INTENT(  out), DIMENSION(:,:  ) ::   ptaum      ! ||tau||
88      !
89#if defined key_si3   
90      REAL(wp) , INTENT(in   ), DIMENSION(:,:  ) ::   ptm_su       ! ice-surface temperature [K]
91      REAL(wp) , INTENT(in   ), DIMENSION(:,:  ) ::   pssu_ice     ! ice-surface u (U-point)
92      REAL(wp) , INTENT(in   ), DIMENSION(:,:  ) ::   pssv_ice     ! ice-surface v (V-point)     
93      REAL(wp) , INTENT(in   ), DIMENSION(:,:  ) ::   pssq_ice     ! ice-surface humidity
94      REAL(wp) , INTENT(in   ), DIMENSION(:,:  ) ::   pcd_du_ice   ! Cd x Du over ice (T-point)
95      REAL(wp) , INTENT(in   ), DIMENSION(:,:  ) ::   psen_ice     ! Ch x Du over ice (T-point)
96      REAL(wp) , INTENT(in   ), DIMENSION(:,:  ) ::   pevp_ice     ! Ce x Du over ice (T-point)
97      REAL(wp) , INTENT(in   ), DIMENSION(:,:  ) ::   pwndm_ice    ! ||uwnd - uice|| 
98      !REAL(wp) , INTENT(inout), DIMENSION(:,:  ) ::   pfrac_oce     !!GS: out useless ?
99      REAL(wp) , INTENT(in   ), DIMENSION(:,:  ) ::   pfrac_oce      !
100      REAL(wp) , INTENT(  out), DIMENSION(:,:  ) ::   ptaui_ice    ! ice-surface taux stress (U-point)
101      REAL(wp) , INTENT(  out), DIMENSION(:,:  ) ::   ptauj_ice    ! ice-surface tauy stress (V-point)     
102#endif     
103      !
104      REAL(wp), DIMENSION(1:jpi,1:jpj   )        ::   zwnd_i, zwnd_j
105      REAL(wp), DIMENSION(1:jpi,2:jpka  )        ::   zCF   
106      REAL(wp), DIMENSION(1:jpi,1:jpj,1:jpka)    ::   z_cft      !--FL--to be removed after the test phase   
107      !
108      REAL(wp), DIMENSION(1:jpi,1:jpka  )        ::   z_elem_a
109      REAL(wp), DIMENSION(1:jpi,1:jpka  )        ::   z_elem_b
110      REAL(wp), DIMENSION(1:jpi,1:jpka  )        ::   z_elem_c
111      !
112      INTEGER             ::   ji, jj, jk, jtra, jbak               ! dummy loop indices
113      REAL(wp)            ::   zztmp, zcff, ztemp, zhumi, zcff1, zztmp1, zztmp2
114      REAL(wp)            ::   zcff2, zfcor, zmsk, zsig, zcffu, zcffv, zzice,zzoce
115      !
116      !!---------------------------------------------------------------------     
117      !
118      IF(lwp .AND. kt == nit000) THEN                  ! control print
119         WRITE(numout,*)
120         WRITE(numout,*) 'abl_stp : ABL time stepping'
121         WRITE(numout,*) '~~~~~~'
122      ENDIF 
123      !
124      IF( kt == nit000 ) ALLOCATE ( ustar2( 1:jpi, 1:jpj ) )
125      !! Compute ustar squared as Cd || Uatm-Uoce ||^2
126      !! needed for surface boundary condition of TKE
127      !! pwndm contains | U10m - U_oce | (see blk_oce_1 in sbcblk)
128      DO jj = 1,jpj
129         DO ji = 1,jpi
130            zzoce         = pCd_du    (ji,jj) * pwndm    (ji,jj)
131#if defined key_si3
132            zzice         = pCd_du_ice(ji,jj) * pwndm_ice(ji,jj) 
133            ustar2(ji,jj) = zzoce * pfrac_oce(ji,jj) + (1._wp - pfrac_oce(ji,jj)) * zzice 
134#else
135            ustar2(ji,jj) = zzoce   
136#endif
137         END DO
138      END DO 
139      !
140      !                            !<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
141      !                            !  1 *** Advance TKE to time n+1 and compute Avm_abl, Avt_abl, PBLh
142      !                            !<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
143
144      CALL abl_zdf_tke( )                       !--> Avm_abl, Avt_abl, pblh defined on (1,jpi) x (1,jpj)
145         
146      !                            !<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
147      !                            !  2 *** Advance tracers to time n+1
148      !                            !<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
149     
150      !-------------
151      DO jj = 1, jpj    ! outer loop             !--> tq_abl computed on (1:jpi) x (1:jpj)
152      !-------------   
153         ! Compute matrix elements for interior points
154         DO jk = 3, jpkam1
155            DO ji = 1, jpi   ! vector opt.
156               z_elem_a( ji,     jk              ) = - rdt_abl * Avt_abl( ji, jj, jk-1 ) / e3w_abl( jk-1 )   ! lower-diagonal
157               z_elem_c( ji,     jk              ) = - rdt_abl * Avt_abl( ji, jj, jk   ) / e3w_abl( jk   )   ! upper-diagonal       
158               z_elem_b( ji,     jk              ) = e3t_abl(jk) - z_elem_a( ji, jk ) - z_elem_c( ji, jk )   !       diagonal           
159            END DO
160         END DO 
161         ! Boundary conditions 
162         DO ji = 1, jpi   ! vector opt.
163            ! Neumann at the bottom         
164            z_elem_a( ji,     2              ) = 0._wp
165            z_elem_c( ji,     2              ) = - rdt_abl * Avt_abl( ji, jj, 2   ) / e3w_abl( 2   )                                         
166            ! Homogeneous Neumann at the top
167            z_elem_a( ji,     jpka           ) = - rdt_abl * Avt_abl( ji, jj, jpka ) / e3w_abl( jpka ) 
168            z_elem_c( ji,     jpka           ) = 0._wp
169            z_elem_b( ji,     jpka           ) = e3t_abl( jpka ) - z_elem_a( ji,     jpka )
170         END DO           
171
172         DO jtra = 1,jptq  ! loop on active tracers
173               
174            DO jk = 3, jpkam1
175               DO ji = 1,jpi
176                  tq_abl  ( ji, jj, jk, nt_a, jtra ) = e3t_abl(jk) * tq_abl  ( ji, jj, jk, nt_n, jtra )   ! initialize right-hand-side
177               END DO
178            END DO
179
180            IF(jtra == jp_ta) THEN
181               DO ji = 1,jpi  ! boundary conditions for temperature             
182                  zztmp1 = psen(ji, jj) 
183                  zztmp2 = psen(ji, jj) * ( psst(ji, jj) + rt0 ) 
184#if defined key_si3             
185                  zztmp1 = zztmp1 * pfrac_oce(ji,jj) + (1._wp - pfrac_oce(ji,jj)) * psen_ice(ji,jj) 
186                  zztmp2 = zztmp2 * pfrac_oce(ji,jj) + (1._wp - pfrac_oce(ji,jj)) * psen_ice(ji,jj) * ptm_su(ji,jj)
187#endif             
188                  z_elem_b( ji,     2                ) = e3t_abl( 2 ) - z_elem_c( ji, 2 ) + rdt_abl * zztmp1             
189                  tq_abl  ( ji, jj, 2   , nt_a, jtra ) = e3t_abl( 2    ) * tq_abl  ( ji, jj, 2   , nt_n, jtra ) + rdt_abl * zztmp2               
190                  tq_abl  ( ji, jj, jpka, nt_a, jtra ) = e3t_abl( jpka ) * tq_abl  ( ji, jj, jpka, nt_n, jtra )
191               END DO
192            ELSE   
193               DO ji = 1,jpi  ! boundary conditions for humidity             
194                  zztmp1 = pevp(ji, jj) 
195                  zztmp2 = pevp(ji, jj) * pssq(ji, jj)   
196#if defined key_si3             
197                  zztmp1 = zztmp1 * pfrac_oce(ji,jj) + (1._wp - pfrac_oce(ji,jj)) * pevp_ice(ji,jj) 
198                  zztmp2 = zztmp2 * pfrac_oce(ji,jj) + (1._wp - pfrac_oce(ji,jj)) * pevp_ice(ji, jj) * pssq_ice(ji, jj)   
199#endif   
200                  z_elem_b( ji,     2                ) = e3t_abl( 2 ) - z_elem_c( ji, 2 ) + rdt_abl * zztmp1
201                  tq_abl  ( ji, jj, 2   , nt_a, jtra ) = e3t_abl( 2    ) * tq_abl  ( ji, jj, 2   , nt_n, jtra ) + rdt_abl * zztmp2               
202                  tq_abl  ( ji, jj, jpka, nt_a, jtra ) = e3t_abl( jpka ) * tq_abl  ( ji, jj, jpka, nt_n, jtra )
203               END DO                                     
204            END IF
205            !!
206            !! Matrix inversion
207            !! ----------------------------------------------------------
208            DO ji = 1,jpi           
209               zcff                       =  1._wp / z_elem_b( ji, 2 )
210               zCF   (ji,   2           ) = - zcff * z_elem_c( ji, 2 )
211               tq_abl(ji,jj,2,nt_a,jtra) =    zcff * tq_abl(ji,jj,2,nt_a,jtra)
212            END DO             
213
214            DO jk = 3, jpka           
215               DO ji = 1,jpi           
216                  zcff = 1._wp / ( z_elem_b( ji, jk ) + z_elem_a( ji, jk ) * zCF   (ji, jk-1 ) )
217                  zCF(ji,jk) = - zcff * z_elem_c( ji, jk )
218                  tq_abl(ji,jj,jk,nt_a,jtra) = zcff * ( tq_abl(ji,jj,jk  ,nt_a,jtra)   &
219                  &                - z_elem_a(ji, jk) * tq_abl(ji,jj,jk-1,nt_a,jtra) )
220               END DO
221            END DO
222!!FL at this point we could check positivity of tq_abl(:,:,:,nt_a,jp_qa) ... test to do ...         
223            DO jk = jpkam1,2,-1           
224               DO ji = 1,jpi 
225                  tq_abl(ji,jj,jk,nt_a,jtra) = tq_abl(ji,jj,jk,nt_a,jtra) +    &
226                     &                        zCF(ji,jk) * tq_abl(ji,jj,jk+1,nt_a,jtra)
227               END DO
228            END DO
229         
230         END DO   !<-- loop on tracers                   
231         !!
232      !-------------
233      END DO             ! end outer loop
234      !-------------   
235     
236     
237      !                            !<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
238      !                            !  3 *** Compute Coriolis term with geostrophic guide
239      !                            !<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< 
240      !-------------       
241      DO jk = 2, jpka    ! outer loop
242      !-------------
243         !             
244         ! Advance u_abl & v_abl to time n+1
245         DO jj = 1, jpj
246            DO ji = 1, jpi           
247               zcff = ( fft_abl(ji,jj) * rdt_abl )*( fft_abl(ji,jj) * rdt_abl )  ! (f dt)**2
248     
249               u_abl( ji, jj, jk, nt_a ) = e3t_abl(jk) *(  &
250                  &        (1._wp-gamma_Cor*(1._wp-gamma_Cor)*zcff)*u_abl( ji, jj, jk, nt_n )    &
251                  &                 +  rdt_abl * fft_abl(ji, jj) * v_abl ( ji , jj  , jk, nt_n ) )  &
252                  &                               / (1._wp + gamma_Cor*gamma_Cor*zcff)
253                 
254               v_abl( ji, jj, jk, nt_a ) =  e3t_abl(jk) *(  &
255                  &        (1._wp-gamma_Cor*(1._wp-gamma_Cor)*zcff)*v_abl( ji, jj, jk, nt_n )   &
256                  &                 -  rdt_abl * fft_abl(ji, jj) * u_abl ( ji   , jj, jk, nt_n )  ) &
257                  &                                / (1._wp + gamma_Cor*gamma_Cor*zcff)               
258            END DO
259         END DO 
260         !                                   
261      !-------------
262      END DO             ! end outer loop  !<-- u_abl and v_abl are properly updated on (1:jpi) x (1:jpj)
263      !-------------               
264      !
265      IF( ln_geos_winds ) THEN
266         DO jj = 1, jpj    ! outer loop       
267            DO jk = 1, jpka
268               DO ji = 1, jpi 
269                  u_abl( ji, jj, jk, nt_a ) = u_abl( ji, jj, jk, nt_a )   &
270                     &                      - rdt_abl * e3t_abl(jk) * fft_abl(ji  , jj) * pgv_dta(ji  ,jj  ,jk)
271                  v_abl( ji, jj, jk, nt_a ) = v_abl( ji, jj, jk, nt_a )   &
272                     &                      + rdt_abl * e3t_abl(jk) * fft_abl(ji, jj  ) * pgu_dta(ji  ,jj  ,jk)
273               END DO
274            END DO
275         END DO     
276      END IF 
277      !-------------           
278      !
279      IF( ln_hpgls_frc ) THEN
280         DO jj = 1, jpj    ! outer loop       
281            DO jk = 1, jpka
282               DO ji = 1, jpi 
283                  u_abl( ji, jj, jk, nt_a ) = u_abl( ji, jj, jk, nt_a ) - rdt_abl * e3t_abl(jk) * pgu_dta(ji,jj,jk)
284                  v_abl( ji, jj, jk, nt_a ) = v_abl( ji, jj, jk, nt_a ) - rdt_abl * e3t_abl(jk) * pgv_dta(ji,jj,jk) 
285               ENDDO
286            ENDDO
287         ENDDO 
288      END IF
289     
290      !                            !<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
291      !                            !  4 *** Advance u,v to time n+1
292      !                            !<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
293      !
294      !  Vertical diffusion for u_abl     
295      !-------------
296      DO jj = 1, jpj    ! outer loop
297      !-------------   
298
299         DO jk = 3, jpkam1
300            DO ji = 1, jpi 
301               z_elem_a( ji,     jk ) = - rdt_abl * Avm_abl( ji, jj, jk-1 ) / e3w_abl( jk-1 )  ! lower-diagonal
302               z_elem_c( ji,     jk ) = - rdt_abl * Avm_abl( ji, jj, jk   ) / e3w_abl( jk   )  ! upper-diagonal               
303               z_elem_b( ji,     jk ) = e3t_abl(jk) - z_elem_a( ji, jk ) - z_elem_c( ji, jk )                             !       diagonal
304            END DO
305         END DO 
306           
307         DO ji = 2, jpi   ! boundary conditions   (Avm_abl and pcd_du must be available at ji=jpi)           
308            !++ Surface boundary condition
309            z_elem_a( ji,     2    ) = 0._wp
310            z_elem_c( ji,     2    ) = - rdt_abl * Avm_abl( ji, jj, 2   ) / e3w_abl( 2   )                                       
311            !
312         zztmp1  = pcd_du(ji, jj)
313         zztmp2  = 0.5_wp * pcd_du(ji, jj) * ( pssu(ji-1, jj) + pssu(ji,jj) )       
314#if defined key_si3             
315            zztmp1 = zztmp1 * pfrac_oce(ji,jj) + (1._wp - pfrac_oce(ji,jj)) * pcd_du_ice(ji, jj)
316         zzice  = 0.5_wp * ( pssu_ice(ji-1, jj) + pssu_ice(ji,jj) )
317         zztmp2 = zztmp2 * pfrac_oce(ji,jj) + (1._wp - pfrac_oce(ji,jj)) * pcd_du_ice(ji, jj) * zzice
318#endif           
319         z_elem_b( ji,     2       ) = e3t_abl( 2 ) - z_elem_c( ji, 2 ) + rdt_abl * zztmp1         
320            u_abl( ji, jj,    2, nt_a ) =      u_abl( ji, jj,    2, nt_a ) + rdt_abl * zztmp2
321         
322            !++ Top Neumann B.C.
323            !z_elem_a( ji,     jpka ) = - 0.5_wp * rdt_abl * ( Avm_abl( ji, jj, jpka )+ Avm_abl( ji+1, jj, jpka ) ) / e3w_abl( jpka )
324            !z_elem_c( ji,     jpka ) = 0._wp
325            !z_elem_b( ji,     jpka ) = e3t_abl( jpka ) - z_elem_a( ji,     jpka )                                               
326            !++ Top Dirichlet B.C.
327            z_elem_a( ji,     jpka )       = 0._wp
328            z_elem_c( ji,     jpka )       = 0._wp
329            z_elem_b( ji,     jpka )       = e3t_abl( jpka )
330            u_abl   ( ji, jj, jpka, nt_a ) = e3t_abl( jpka ) * pu_dta(ji,jj,jk)             
331         END DO 
332         !!
333         !! Matrix inversion
334         !! ----------------------------------------------------------
335         DO ji = 2, jpi         
336            zcff                 =   1._wp / z_elem_b( ji, 2 )
337            zCF   (ji,   2     ) =  - zcff * z_elem_c( ji, 2 ) 
338            u_abl (ji,jj,2,nt_a) =    zcff * u_abl(ji,jj,2,nt_a)
339         END DO             
340
341         DO jk = 3, jpka           
342            DO ji = 2, jpi             
343               zcff = 1._wp / ( z_elem_b( ji, jk ) + z_elem_a( ji, jk ) * zCF   (ji, jk-1 ) )
344               zCF(ji,jk) = - zcff * z_elem_c( ji, jk )
345               u_abl(ji,jj,jk,nt_a) = zcff * ( u_abl(ji,jj,jk  ,nt_a)   &
346               &          - z_elem_a(ji, jk) * u_abl(ji,jj,jk-1,nt_a) )
347            END DO
348         END DO
349           
350         DO jk = jpkam1,2,-1           
351            DO ji = 2, jpi
352               u_abl(ji,jj,jk,nt_a) = u_abl(ji,jj,jk,nt_a) + zCF(ji,jk) * u_abl(ji,jj,jk+1,nt_a)
353            END DO
354         END DO
355                                         
356      !-------------
357      END DO             ! end outer loop
358      !-------------   
359
360      !
361      !  Vertical diffusion for v_abl     
362      !-------------
363      DO jj = 2, jpj   ! outer loop
364      !-------------   
365         !
366         DO jk = 3, jpkam1
367            DO ji = 1, jpi   
368               z_elem_a( ji,     jk ) = -rdt_abl * Avm_abl( ji, jj, jk-1 ) / e3w_abl( jk-1 )   ! lower-diagonal
369               z_elem_c( ji,     jk ) = -rdt_abl * Avm_abl( ji, jj, jk   ) / e3w_abl( jk   )   ! upper-diagonal             
370               z_elem_b( ji,     jk ) = e3t_abl(jk) - z_elem_a( ji, jk ) - z_elem_c( ji, jk )                              !       diagonal
371            END DO
372         END DO
373
374         DO ji = 1, jpi   ! boundary conditions (Avm_abl and pcd_du must be available at jj=jpj)         
375            !++ Surface boundary condition
376            z_elem_a( ji,     2    ) = 0._wp
377            z_elem_c( ji,     2    ) = - rdt_abl * Avm_abl( ji, jj, 2   ) / e3w_abl( 2   )       
378            !
379         zztmp1 = pcd_du(ji, jj)
380         zztmp2 = 0.5_wp * pcd_du(ji, jj) * ( pssv(ji, jj) + pssv(ji, jj-1) ) 
381#if defined key_si3             
382            zztmp1 = zztmp1 * pfrac_oce(ji,jj) + (1._wp - pfrac_oce(ji,jj)) * pcd_du_ice(ji, jj)
383         zzice  = 0.5_wp * ( pssv_ice(ji, jj) + pssv_ice(ji,jj-1) )
384         zztmp2 = zztmp2 * pfrac_oce(ji,jj) + (1._wp - pfrac_oce(ji,jj)) * pcd_du_ice(ji, jj) * zzice
385#endif         
386            z_elem_b( ji,     2       ) = e3t_abl( 2 ) - z_elem_c( ji, 2 ) + rdt_abl * zztmp1 
387            v_abl( ji, jj,    2, nt_a ) =         v_abl( ji, jj, 2, nt_a ) + rdt_abl * zztmp2
388            !++ Top Neumann B.C.           
389            !z_elem_a( ji,     jpka ) = -rdt_abl * Avm_abl( ji, jj, jpka ) / e3w_abl( jpka )
390            !z_elem_c( ji,     jpka ) = 0._wp
391            !z_elem_b( ji,     jpka ) = e3t_abl( jpka ) - z_elem_a( ji,     jpka )                                               
392            !++ Top Dirichlet B.C.
393            z_elem_a( ji,     jpka )       = 0._wp
394            z_elem_c( ji,     jpka )       = 0._wp
395            z_elem_b( ji,     jpka )       = e3t_abl( jpka )
396            v_abl   ( ji, jj, jpka, nt_a ) = e3t_abl( jpka ) * pv_dta(ji,jj,jk)             
397         END DO 
398         !!
399         !! Matrix inversion
400         !! ----------------------------------------------------------
401         DO ji = 1, jpi             
402            zcff                 =  1._wp / z_elem_b( ji, 2 )
403            zCF   (ji,   2     ) =   - zcff * z_elem_c( ji,     2       ) 
404            v_abl (ji,jj,2,nt_a) =     zcff * v_abl   ( ji, jj, 2, nt_a ) 
405         END DO             
406
407         DO jk = 3, jpka           
408            DO ji = 1, jpi                   
409               zcff = 1._wp / ( z_elem_b( ji, jk ) + z_elem_a( ji, jk ) * zCF   (ji, jk-1 ) )
410               zCF(ji,jk) = - zcff * z_elem_c( ji, jk )
411               v_abl(ji,jj,jk,nt_a) = zcff * ( v_abl(ji,jj,jk  ,nt_a)   &
412               &          - z_elem_a(ji, jk) * v_abl(ji,jj,jk-1,nt_a) )
413            END DO
414         END DO
415           
416         DO jk = jpkam1,2,-1           
417            DO ji = 1, jpi   
418               v_abl(ji,jj,jk,nt_a) = v_abl(ji,jj,jk,nt_a) + zCF(ji,jk) * v_abl(ji,jj,jk+1,nt_a)
419            END DO
420         END DO
421         !                                         
422      !-------------
423      END DO             ! end outer loop
424      !-------------   
425   
426      !                            !<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
427      !                            !  5 *** Apply nudging on the dynamics and the tracers
428      !                            !<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
429      z_cft(:,:,:) = 0._wp     
430     
431      IF( nn_dyn_restore > 0  ) THEN
432         !-------------
433         DO jk = 2, jpka    ! outer loop
434         !-------------       
435            DO jj = 2, jpj
436               DO ji = 2, jpi
437                  zcff1 = pblh( ji, jj )
438                  zsig  = ght_abl(jk) / MAX( jp_pblh_min,  MIN(  jp_pblh_max, zcff1  ) )                       
439                  zsig  =               MIN( jp_bmax    ,  MAX(         zsig, jp_bmin) ) 
440                  zmsk  = msk_abl(ji,jj)
441                  zcff2 = jp_alp3_dyn * zsig**3 + jp_alp2_dyn * zsig**2   &
442                     &  + jp_alp1_dyn * zsig    + jp_alp0_dyn
443                  zcff  = (1._wp-zmsk) + zmsk * zcff2 * rdt   ! zcff = 1 for masked points
444                                                              ! rdt = rdt_abl / nn_fsbc                         
445                  zcff  = zcff * rest_eq(ji,jj)
446                  z_cft( ji, jj, jk ) = zcff
447                  u_abl( ji, jj, jk, nt_a ) = (1._wp - zcff ) *  u_abl( ji, jj, jk, nt_a )   &
448                     &                               + zcff   * pu_dta( ji, jj, jk       )                     
449                  v_abl( ji, jj, jk, nt_a ) = (1._wp - zcff ) *  v_abl( ji, jj, jk, nt_a )   &
450                     &                               + zcff   * pv_dta( ji, jj, jk       )
451               END DO
452            END DO   
453         !-------------
454         END DO             ! end outer loop
455         !-------------               
456      END IF
457
458      !-------------
459      DO jk = 2, jpka    ! outer loop
460      !-------------       
461         DO jj = 1,jpj
462            DO ji = 1,jpi 
463               zcff1 = pblh( ji, jj )
464               zsig  = ght_abl(jk) / MAX( jp_pblh_min,  MIN(  jp_pblh_max, zcff1  ) )
465               zsig  =               MIN( jp_bmax    ,  MAX(         zsig, jp_bmin) ) 
466               zmsk  = msk_abl(ji,jj)
467               zcff2 = jp_alp3_tra * zsig**3 + jp_alp2_tra * zsig**2   &
468                  &  + jp_alp1_tra * zsig    + jp_alp0_tra
469               zcff  = (1._wp-zmsk) + zmsk * zcff2 * rdt   ! zcff = 1 for masked points
470                                                           ! rdt = rdt_abl / nn_fsbc                         
471               !z_cft( ji, jj, jk ) = zcff
472               tq_abl( ji, jj, jk, nt_a, jp_ta ) = (1._wp - zcff ) * tq_abl( ji, jj, jk, nt_a, jp_ta )   &
473                  &                                       + zcff   * pt_dta( ji, jj, jk )
474               
475               tq_abl( ji, jj, jk, nt_a, jp_qa ) = (1._wp - zcff ) * tq_abl( ji, jj, jk, nt_a, jp_qa )   &
476                  &                                       + zcff   * pq_dta( ji, jj, jk )
477               
478            END DO
479         END DO
480      !-------------
481      END DO             ! end outer loop
482      !-------------     
483      !                            !<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
484      !                            !  6 *** MPI exchanges 
485      !                            !<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
486      !
487      CALL lbc_lnk_multi( 'ablmod',  u_abl(:,:,:,nt_a      ), 'T', -1.,  v_abl(:,:,:,nt_a      ), 'T', -1. )
488      CALL lbc_lnk_multi( 'ablmod', tq_abl(:,:,:,nt_a,jp_ta), 'T',  1., tq_abl(:,:,:,nt_a,jp_qa), 'T',  1., kfillmode = jpfillnothing )   ! ++++ this should not be needed...
489      !
490      ! first ABL level
491      IF ( iom_use("uz1_abl") ) CALL iom_put ( "uz1_abl",   u_abl(:,:,2,nt_a      ) )
492      IF ( iom_use("vz1_abl") ) CALL iom_put ( "vz1_abl",   v_abl(:,:,2,nt_a      ) )
493      IF ( iom_use("tz1_abl") ) CALL iom_put ( "tz1_abl",  tq_abl(:,:,2,nt_a,jp_ta) )
494      IF ( iom_use("qz1_abl") ) CALL iom_put ( "qz1_abl",  tq_abl(:,:,2,nt_a,jp_qa) )
495      IF ( iom_use("uz1_dta") ) CALL iom_put ( "uz1_dta",  pu_dta(:,:,2           ) )
496      IF ( iom_use("vz1_dta") ) CALL iom_put ( "vz1_dta",  pv_dta(:,:,2           ) )
497      IF ( iom_use("tz1_dta") ) CALL iom_put ( "tz1_dta",  pt_dta(:,:,2           ) )
498      IF ( iom_use("qz1_dta") ) CALL iom_put ( "qz1_dta",  pq_dta(:,:,2           ) )
499      ! all ABL levels
500      IF ( iom_use("u_abl"  ) ) CALL iom_put ( "u_abl"  ,   u_abl(:,:,2:jpka,nt_a      ) )
501      IF ( iom_use("v_abl"  ) ) CALL iom_put ( "v_abl"  ,   v_abl(:,:,2:jpka,nt_a      ) )
502      IF ( iom_use("t_abl"  ) ) CALL iom_put ( "t_abl"  ,  tq_abl(:,:,2:jpka,nt_a,jp_ta) )
503      IF ( iom_use("q_abl"  ) ) CALL iom_put ( "q_abl"  ,  tq_abl(:,:,2:jpka,nt_a,jp_qa) )
504      IF ( iom_use("tke_abl") ) CALL iom_put ( "tke_abl", tke_abl(:,:,2:jpka,nt_a      ) )
505      IF ( iom_use("avm_abl") ) CALL iom_put ( "avm_abl", avm_abl(:,:,2:jpka           ) )
506      IF ( iom_use("avt_abl") ) CALL iom_put ( "avt_abl", avm_abl(:,:,2:jpka           ) )
507      IF ( iom_use("mxl_abl") ) CALL iom_put ( "mxl_abl", mxl_abl(:,:,2:jpka           ) )
508      IF ( iom_use("pblh"   ) ) CALL iom_put (  "pblh"  ,    pblh(:,:                  ) )
509      ! debug (to be removed)
510      IF ( iom_use("u_dta") ) CALL iom_put ( "u_dta",  pu_dta(:,:,2:jpka) )
511      IF ( iom_use("v_dta") ) CALL iom_put ( "v_dta",  pv_dta(:,:,2:jpka) )
512      IF ( iom_use("t_dta") ) CALL iom_put ( "t_dta",  pt_dta(:,:,2:jpka) )
513      IF ( iom_use("q_dta") ) CALL iom_put ( "q_dta",  pq_dta(:,:,2:jpka) )
514      IF ( iom_use("coeft") ) CALL iom_put ( "coeft",   z_cft(:,:,2:jpka) )
515      IF( ln_geos_winds ) THEN
516         IF ( iom_use("uz1_geo") ) CALL iom_put ( "uz1_geo", pgu_dta(:,:,2           ) )
517         IF ( iom_use("vz1_geo") ) CALL iom_put ( "vz1_geo", pgv_dta(:,:,2           ) )
518      END IF
519      IF( ln_hpgls_frc ) THEN
520         IF ( iom_use("uz1_geo") ) CALL iom_put ( "uz1_geo",  pgu_dta(:,:,2)/MAX(fft_abl(:,:),2.5e-5_wp)   )
521         IF ( iom_use("vz1_geo") ) CALL iom_put ( "vz1_geo", -pgv_dta(:,:,2)/MAX(fft_abl(:,:),2.5e-5_wp)   )
522      END IF
523      !
524      !                            !<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
525      !                            !  7 *** Finalize flux computation
526      !                            !<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
527
528      DO jj = 1, jpj
529         DO ji = 1, jpi
530            ztemp             = tq_abl  ( ji, jj, 2, nt_a, jp_ta ) 
531            zhumi             = tq_abl  ( ji, jj, 2, nt_a, jp_qa ) 
532            !zcff              = pslp_dta( ji, jj ) /   &              !<-- At this point ztemp and zhumi should not be zero ...
533            !   &                        (  R_dry*ztemp * ( 1._wp + rctv0*zhumi )  )
534            zcff              = rho_air( ztemp, zhumi, pslp_dta( ji, jj ) )
535            psen ( ji, jj )   =      cp_air(zhumi) * zcff * psen(ji,jj) * ( psst(ji,jj) + rt0 - ztemp )
536            pevp ( ji, jj )   = rn_efac*MAX( 0._wp,  zcff * pevp(ji,jj) * ( pssq(ji,jj)       - zhumi ) )
537            rhoa( ji, jj )   = zcff             
538         END DO
539      END DO
540     
541      DO jj = 2, jpj
542         DO ji = 2, jpi   ! vect. opt.
543            zwnd_i(ji,jj) = u_abl(ji  ,jj,2,nt_a) - 0.5_wp * rn_vfac * ( pssu(ji  ,jj) + pssu(ji-1,jj) ) 
544            zwnd_j(ji,jj) = v_abl(ji,jj  ,2,nt_a) - 0.5_wp * rn_vfac * ( pssv(ji,jj  ) + pssv(ji,jj-1) ) 
545         END DO
546      END DO
547      !
548      CALL lbc_lnk_multi( 'ablmod', zwnd_i(:,:) , 'T', -1., zwnd_j(:,:) , 'T', -1. )
549      !
550      ! ... scalar wind ( = | U10m - U_oce | ) at T-point (masked)
551      DO jj = 1, jpj
552         DO ji = 1, jpi     
553            zcff          = SQRT(  zwnd_i(ji,jj) * zwnd_i(ji,jj)   &
554               &                 + zwnd_j(ji,jj) * zwnd_j(ji,jj)  )  ! * msk_abl(ji,jj)
555            zztmp         = rhoa(ji,jj) * pcd_du(ji,jj)
556           
557            pwndm (ji,jj) =         zcff
558            ptaum (ji,jj) = zztmp * zcff
559            zwnd_i(ji,jj) = zztmp * zwnd_i(ji,jj)
560            zwnd_j(ji,jj) = zztmp * zwnd_j(ji,jj)
561         END DO
562      END DO   
563      ! ... utau, vtau at U- and V_points, resp.
564      !     Note the use of 0.5*(2-umask) in order to unmask the stress along coastlines
565      !     Note the use of MAX(tmask(i,j),tmask(i+1,j) is to mask tau over ice shelves
566      DO jj = 2, jpjm1
567         DO ji = 2, jpim1
568            zcff  = 0.5_wp * ( 2._wp - msk_abl(ji,jj)*msk_abl(ji+1,jj) )
569            zztmp = MAX(msk_abl(ji,jj),msk_abl(ji+1,jj))
570            ptaui(ji,jj) = zcff * zztmp * ( zwnd_i(ji,jj) + zwnd_i(ji+1,jj  ) )
571            zcff  = 0.5_wp * ( 2._wp - msk_abl(ji,jj)*msk_abl(ji,jj+1) )
572            zztmp = MAX(msk_abl(ji,jj),msk_abl(ji,jj+1))
573            ptauj(ji,jj) = zcff * zztmp * ( zwnd_j(ji,jj) + zwnd_j(ji  ,jj+1) )
574         END DO
575      END DO
576      !
577      CALL lbc_lnk_multi( 'ablmod', ptaui(:,:), 'U', -1., ptauj(:,:), 'V', -1. )
578
579      CALL iom_put( "taum_oce", ptaum )
580
581      IF(ln_ctl) THEN
582         CALL prt_ctl( tab2d_1=pwndm  , clinfo1=' abl_stp: wndm   : ' )
583         CALL prt_ctl( tab2d_1=ptaui  , clinfo1=' abl_stp: utau   : ' )
584         CALL prt_ctl( tab2d_2=ptauj  , clinfo2=          'vtau   : ' )
585      ENDIF
586
587#if defined key_si3
588         ! ------------------------------------------------------------ !
589         !    Wind stress relative to the moving ice ( U10m - U_ice )   !
590         ! ------------------------------------------------------------ !
591         DO jj = 2, jpjm1
592            DO ji = 2, jpim1 
593               
594               zztmp1 = 0.5_wp * ( u_abl(ji+1,jj,2,nt_a) + u_abl(ji,jj,2,nt_a) )
595               zztmp2 = 0.5_wp * ( v_abl(ji,jj+1,2,nt_a) + v_abl(ji,jj,2,nt_a) )
596           
597               ptaui_ice(ji,jj) = 0.5_wp * (  rhoa(ji+1,jj) * pCd_du_ice(ji+1,jj)             &
598                  &                      +    rhoa(ji  ,jj) * pCd_du_ice(ji  ,jj)  )          &
599                  &         * ( zztmp1 - rn_vfac * pssu_ice(ji,jj) )
600               ptauj_ice(ji,jj) = 0.5_wp * (  rhoa(ji,jj+1) * pCd_du_ice(ji,jj+1)             &
601                  &                      +    rhoa(ji,jj  ) * pCd_du_ice(ji,jj  )  )          &
602                  &         * ( zztmp2 - rn_vfac * pssv_ice(ji,jj) )
603            END DO
604         END DO
605         CALL lbc_lnk_multi( 'ablmod', ptaui_ice, 'U', -1., ptauj_ice, 'V', -1. )
606         !
607         IF(ln_ctl)   CALL prt_ctl( tab2d_1=ptaui_ice  , clinfo1=' abl_stp: putaui : '   &
608            &                     , tab2d_2=ptauj_ice  , clinfo2='          pvtaui : ' )
609#endif
610      !                            !<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
611      !                            !  8 *** Swap time indices for the next timestep
612      !                            !<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
613      nt_n = 1 + MOD( kt  , 2)
614      nt_a = 1 + MOD( kt+1, 2)
615      !   
616!---------------------------------------------------------------------------------------------------
617   END SUBROUTINE abl_stp
618!===================================================================================================
619
620
621
622
623
624
625
626
627
628
629
630
631
632
633
634
635
636!===================================================================================================
637   SUBROUTINE abl_zdf_tke( )
638!---------------------------------------------------------------------------------------------------
639
640      !!----------------------------------------------------------------------
641      !!                   ***  ROUTINE abl_zdf_tke  ***
642      !!
643      !! ** Purpose :   Time-step Turbulente Kinetic Energy (TKE) equation
644      !!
645      !! ** Method  : - source term due to shear
646      !!              - source term due to stratification
647      !!              - resolution of the TKE equation by inverting
648      !!                a tridiagonal linear system
649      !!
650      !! ** Action  : - en : now turbulent kinetic energy)
651      !!              - avmu, avmv : production of TKE by shear at u and v-points
652      !!                (= Kz dz[Ub] * dz[Un] )
653      !! ---------------------------------------------------------------------
654      INTEGER                                 ::   ji, jj, jk, tind, jbak, jkup, jkdwn 
655      INTEGER, DIMENSION(1:jpi          )     ::   ikbl
656      REAL(wp)                                ::   zcff, zcff2, ztken, zesrf, zetop, ziRic, ztv
657      REAL(wp)                                ::   zdU, zdV, zcff1,zshear,zbuoy,zsig, zustar2
658      REAL(wp)                                ::   zdU2,zdV2     
659      REAL(wp)                                ::   zwndi,zwndj
660      REAL(wp), DIMENSION(1:jpi,      1:jpka) ::   zsh2
661      REAL(wp), DIMENSION(1:jpi,1:jpj,1:jpka) ::   zbn2
662      REAL(wp), DIMENSION(1:jpi,1:jpka  )     ::   zFC, zRH, zCF       
663      REAL(wp), DIMENSION(1:jpi,1:jpka  )     ::   z_elem_a
664      REAL(wp), DIMENSION(1:jpi,1:jpka  )     ::   z_elem_b
665      REAL(wp), DIMENSION(1:jpi,1:jpka  )     ::   z_elem_c
666      LOGICAL                                 ::   ln_Patankar    = .FALSE.
667      LOGICAL                                 ::   ln_dumpvar     = .FALSE.
668      LOGICAL , DIMENSION(1:jpi         )     ::   ln_foundl 
669      !
670      tind  = nt_n
671      ziRic = 1._wp / rn_Ric
672      ! if tind = nt_a it is required to apply lbc_lnk on u_abl(nt_a) and v_abl(nt_a)
673      !                            !<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
674      !                            !  Advance TKE equation to time n+1
675      !                            !<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
676      !-------------
677      DO jj = 1, jpj    ! outer loop
678      !-------------
679         !
680         ! Compute vertical shear         
681         DO jk = 2, jpkam1
682            DO ji = 1,jpi 
683               zcff        = 1.0_wp / e3w_abl( jk )**2               
684               zdU         = zcff* Avm_abl(ji,jj,jk) * (u_abl( ji, jj, jk+1, tind)-u_abl( ji, jj, jk  , tind) )**2                           
685               zdV         = zcff* Avm_abl(ji,jj,jk) * (v_abl( ji, jj, jk+1, tind)-v_abl( ji, jj, jk  , tind) )**2
686               zsh2(ji,jk) = zdU+zdV
687            END DO
688         END DO   
689         !
690         ! Compute brunt-vaisala frequency
691         DO jk = 2, jpkam1
692            DO ji = 1,jpi 
693               zcff  = grav * itvref / e3w_abl( jk ) 
694               zcff1 =  tq_abl( ji, jj, jk+1, tind, jp_ta) - tq_abl( ji, jj, jk  , tind, jp_ta)
695               zcff2 =  tq_abl( ji, jj, jk+1, tind, jp_ta) * tq_abl( ji, jj, jk+1, tind, jp_qa)        &
696                  &   - tq_abl( ji, jj, jk  , tind, jp_ta) * tq_abl( ji, jj, jk  , tind, jp_qa)
697               zbn2(ji,jj,jk) = zcff * ( zcff1 + rctv0 * zcff2 )  !<-- zbn2 defined on (2,jpi)
698            END DO
699         END DO 
700         !
701         ! Terms for the tridiagonal problem
702         DO jk = 2, jpkam1
703            DO ji = 1,jpi 
704               zshear       =                 zsh2( ji,     jk )   ! zsh2 is already multiplied by Avm_abl at this point
705               zsh2(ji,jk)  = zsh2( ji, jk ) / Avm_abl( ji, jj, jk )   ! reformulate zsh2 as a 'true' vertical shear for PBLH computation         
706               zbuoy        = - Avt_abl( ji, jj, jk ) * zbn2( ji, jj, jk ) 
707               
708               z_elem_a( ji,     jk )   = - 0.5_wp * rdt_abl * rn_Sch * ( Avm_abl( ji, jj, jk   )+Avm_abl( ji, jj, jk-1 ) ) / e3t_abl( jk   ) ! lower-diagonal
709               z_elem_c( ji,     jk )   = - 0.5_wp * rdt_abl * rn_Sch * ( Avm_abl( ji, jj, jk   )+Avm_abl( ji, jj, jk+1 ) ) / e3t_abl( jk+1 ) ! upper-diagonal         
710               IF( (zbuoy + zshear) .gt. 0.) THEN    ! Patankar trick to avoid negative values of TKE
711                  z_elem_b( ji,     jk )   = e3w_abl(jk) - z_elem_a( ji, jk ) - z_elem_c( ji, jk )   &
712                     &                     + e3w_abl(jk) * rdt_abl * rn_Ceps * sqrt(tke_abl( ji, jj, jk, nt_n )) / mxl_abl(ji,jj,jk)     ! diagonal       
713                  tke_abl( ji, jj, jk, nt_a )  = e3w_abl(jk) * ( tke_abl( ji, jj, jk, nt_n ) + rdt_abl * ( zbuoy + zshear ) )             ! right-hand-side
714               ELSE
715                  z_elem_b( ji,     jk )   = e3w_abl(jk) - z_elem_a( ji, jk ) - z_elem_c( ji, jk )   &
716                     &                     + e3w_abl(jk) * rdt_abl * rn_Ceps * sqrt(tke_abl( ji, jj, jk, nt_n )) / mxl_abl(ji,jj,jk)   &  ! diagonal   
717                     &                     - e3w_abl(jk) * rdt_abl * zbuoy   
718                  tke_abl( ji, jj, jk, nt_a )  = e3w_abl(jk) * ( tke_abl( ji, jj, jk, nt_n ) + rdt_abl *  zshear )             ! right-hand-side                     
719               END IF
720            END DO
721         END DO 
722                           
723         DO ji = 1,jpi    ! vector opt.           
724            zesrf   =  MAX( 4.63_wp * ustar2(ji,jj), tke_min )           
725            zetop   = tke_min             
726            z_elem_a ( ji,     1    ) = 0._wp; z_elem_c ( ji,     1    ) = 0._wp; z_elem_b ( ji,     1    ) = 1._wp                                                   
727            z_elem_a ( ji,     jpka ) = 0._wp; z_elem_c ( ji,     jpka ) = 0._wp; z_elem_b ( ji,     jpka ) = 1._wp           
728            tke_abl( ji, jj,    1, nt_a ) = zesrf
729            tke_abl( ji, jj, jpka, nt_a ) = zetop 
730            zbn2(ji,jj,   1) = zbn2( ji,jj,   2) 
731            zsh2(ji,      1) = zsh2( ji,      2)                                     
732            zbn2(ji,jj,jpka) = zbn2( ji,jj,jpkam1) 
733            zsh2(ji,   jpka) = zsh2( ji  , jpkam1)
734         END DO       
735         !!
736         !! Matrix inversion
737         !! ----------------------------------------------------------
738         DO ji = 1,jpi
739            zcff                  =  1._wp / z_elem_b( ji, 1 )
740            zCF    (ji,   1     ) = - zcff * z_elem_c( ji,     1       ) 
741            tke_abl(ji,jj,1,nt_a) =   zcff * tke_abl ( ji, jj, 1, nt_a ) 
742         END DO             
743
744         DO jk = 2, jpka           
745            DO ji = 1,jpi
746               zcff = 1._wp / ( z_elem_b( ji, jk ) + z_elem_a( ji, jk ) * zCF(ji, jk-1 ) )
747               zCF(ji,jk) = - zcff * z_elem_c( ji, jk )
748               tke_abl(ji,jj,jk,nt_a) =   zcff * ( tke_abl(ji,jj,jk  ,nt_a)   &
749               &          - z_elem_a(ji, jk) * tke_abl(ji,jj,jk-1,nt_a) )
750            END DO
751         END DO
752           
753         DO jk = jpkam1,1,-1           
754            DO ji = 1,jpi
755               tke_abl(ji,jj,jk,nt_a) = tke_abl(ji,jj,jk,nt_a) + zCF(ji,jk) * tke_abl(ji,jj,jk+1,nt_a)
756            END DO
757         END DO
758         
759!!FL should not be needed because of Patankar procedure 
760         tke_abl(2:jpi,jj,1:jpka,nt_a) = MAX( tke_abl(2:jpi,jj,1:jpka,nt_a), tke_min )
761
762         !!
763         !! Diagnose PBL height
764         !! ----------------------------------------------------------
765         
766         
767         !                                                       
768         ! arrays zRH, zFC and zCF are available at this point
769         ! and zFC(:, 1 ) = 0.
770         ! diagnose PBL height based on zsh2 and zbn2
771         zFC (  :  ,1) = 0._wp
772         ikbl( 1:jpi ) = 0 
773         
774         DO jk = 2,jpka
775            DO ji = 1, jpi 
776               zcff  = ghw_abl( jk-1 )
777               zcff1 = zcff / ( zcff + rn_epssfc * pblh ( ji, jj ) )
778               zcff  = ghw_abl( jk   )
779               zcff2 = zcff / ( zcff + rn_epssfc * pblh ( ji, jj ) )
780               zFC( ji, jk ) = zFC( ji, jk-1) + 0.5_wp * e3t_abl( jk )*(                 &
781                               zcff2 * ( zsh2( ji, jk  ) - ziRic * zbn2( ji, jj, jk   ) &
782                           - rn_Cek  * ( fft_abl( ji, jj  ) * fft_abl( ji, jj ) ) ) &
783                             + zcff1 * ( zsh2( ji, jk-1) - ziRic * zbn2( ji, jj, jk-1 ) &
784                           - rn_Cek  * ( fft_abl( ji, jj  ) * fft_abl( ji, jj ) ) ) &
785                           &                                                 )
786               IF( ikbl(ji) == 0 .and. zFC( ji, jk ).lt.0._wp ) ikbl(ji)=jk
787            END DO
788         END DO
789         !
790         ! finalize the computation of the PBL height
791         DO ji = 1, jpi
792            jk = ikbl(ji)
793            IF( jk > 2 ) THEN ! linear interpolation to get subgrid value of pblh
794               pblh( ji, jj ) =  (  ghw_abl( jk-1 ) * zFC( ji, jk   )       &
795                  &              -  ghw_abl( jk   ) * zFC( ji, jk-1 )       &
796                  &              ) / ( zFC( ji, jk   ) - zFC( ji, jk-1 ) )
797            ELSE IF( jk==2 ) THEN
798               pblh( ji, jj ) = ghw_abl(2   )
799            ELSE
800               pblh( ji, jj ) = ghw_abl(jpka)
801            END IF
802         END DO
803      !-------------     
804      END DO     
805      !-------------
806      !
807      ! Optional : could add pblh smoothing if pblh is noisy horizontally ...
808      IF(ln_smth_pblh) THEN
809         CALL lbc_lnk( 'ablmod', pblh, 'T', 1.)
810         CALL smooth_pblh( pblh, msk_abl )
811         CALL lbc_lnk( 'ablmod', pblh, 'T', 1.)   
812      ENDIF
813      !                            !<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
814      !                            !  Diagnostic mixing length computation
815      !                            !<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
816      !
817      SELECT CASE ( nn_amxl )
818      !
819      CASE ( 0 )           ! Deardroff 80 length-scale bounded by the distance to surface and bottom         
820#   define zlup zRH     
821#   define zldw zFC 
822         DO jj = 1, jpj     ! outer loop
823            !
824            DO ji = 1, jpi
825               mxl_abl ( ji, jj,    1 )  = 0._wp
826               mxl_abl ( ji, jj, jpka )  = mxl_min
827               zldw( ji,        1 )  = 0._wp             
828               zlup( ji,     jpka )  = 0._wp
829            END DO
830            !
831            DO jk = 2, jpkam1   
832               DO ji = 1, jpi 
833                  zbuoy             = MAX( zbn2(ji, jj, jk), rsmall ) 
834                  mxl_abl( ji, jj, jk ) = MAX( mxl_min,  &
835                     &               SQRT( 2._wp * tke_abl( ji, jj, jk, nt_a ) / zbuoy )   ) 
836               END DO
837            END DO   
838            !
839            ! Limit mxl
840            DO jk = jpkam1,1,-1   
841               DO ji = 1, jpi 
842                  zlup(ji,jk) = MIN( zlup(ji,jk+1) + (ghw_abl(jk+1)-ghw_abl(jk)) , mxl_abl(ji, jj, jk) )
843               END DO
844            END DO   
845            !
846            DO jk = 2, jpka
847               DO ji = 1, jpi 
848                  zldw(ji,jk) = MIN( zldw(ji,jk-1) + (ghw_abl(jk)-ghw_abl(jk-1)) , mxl_abl(ji, jj, jk) )   
849               END DO
850            END DO 
851            !
852            DO jk = 1, jpka
853               DO ji = 1, jpi
854                  mxl_abl( ji, jj, jk ) = SQRT( zldw( ji, jk ) * zlup( ji, jk ) )   
855               END DO
856            END DO                         
857            !
858         END DO
859#   undef zlup     
860#   undef zldw 
861         !
862         !
863      CASE ( 1 )             ! length-scale computed as the distance to the PBL height
864         DO jj = 1,jpj      ! outer loop
865            !
866            DO ji = 1, jpi   ! vector opt.
867               zcff = 1._wp / pblh( ji, jj )     ! inverse of hbl             
868               DO jk = 1, jpka             
869                  zsig  = MIN( zcff * ghw_abl( jk ), 1. )   
870                  zcff1 = pblh( ji, jj )                 
871                  mxl_abl( ji, jj, jk ) =  mxl_min                           &
872                     &  +  zsig         * (  amx1*zcff1 + bmx1*mxl_min ) &
873                     &  +  zsig *  zsig * (  amx2*zcff1 + bmx2*mxl_min ) &
874                     &  +  zsig**3      * (  amx3*zcff1 + bmx3*mxl_min ) &
875                     &  +  zsig**4      * (  amx4*zcff1 + bmx4*mxl_min ) &
876                     &  +  zsig**5      * (  amx5*zcff1 + bmx5*mxl_min )
877               END DO
878            END DO 
879            !           
880         END DO           
881         !
882      CASE ( 2 )           ! Bougeault & Lacarrere 89 length-scale
883         !
884#   define zlup zRH     
885#   define zldw zFC           
886! zCF is used for matrix inversion
887!             
888       DO jj = 1, jpj      ! outer loop
889         
890         DO ji = 1, jpi           
891            zlup( ji,    1 ) = mxl_min
892            zldw( ji,    1 ) = mxl_min               
893            zlup( ji, jpka ) = mxl_min
894            zldw( ji, jpka ) = mxl_min               
895         END DO           
896         
897         DO jk = 2,jpka-1
898            DO ji = 1, jpi
899               zlup(ji,jk) = ghw_abl(jpka) - ghw_abl(jk)
900               zldw(ji,jk) = ghw_abl(jk  ) - ghw_abl( 1)       
901            END DO
902         END DO         
903         !!
904         !! BL89 search for lup
905         !! ----------------------------------------------------------           
906         DO jk=2,jpka-1 
907            !
908            DO ji = 1, jpi
909               zCF(ji,1:jpka) = 0._wp
910               zCF(ji,  jk  ) = - tke_abl( ji, jj, jk, nt_a )
911               ln_foundl(ji ) = .false.
912            END DO   
913            !           
914            DO jkup=jk+1,jpka-1
915               DO ji = 1, jpi
916                  zCF (ji,jkup) = zCF (ji,jkup-1) + 0.5_wp * e3t_abl(jkup) * &
917                     &               ( zbn2(ji,jj,jkup  )*(ghw_abl(jkup  )-ghw_abl(jk)) &
918                     &               + zbn2(ji,jj,jkup-1)*(ghw_abl(jkup-1)-ghw_abl(jk)) )
919                  IF( zCF (ji,jkup) * zCF (ji,jkup-1) .le. 0._wp .and. .not. ln_foundl(ji) ) THEN
920                     zcff2 = ghw_abl(jkup  ) - ghw_abl(jk)
921                     zcff1 = ghw_abl(jkup-1) - ghw_abl(jk)                   
922                     zcff  = ( zcff1 * zCF(ji,jkup) - zcff2 * zCF(ji,jkup-1) ) /   &
923                        &    (         zCF(ji,jkup) -         zCF(ji,jkup-1) ) 
924                     zlup(ji,jk) = zcff               
925                     ln_foundl(ji) = .true.
926                  END IF
927               END DO
928            END DO
929            !
930         END DO   
931         !!
932         !! BL89 search for ldwn
933         !! ----------------------------------------------------------         
934         DO jk=2,jpka-1         
935            !
936            DO ji = 1, jpi
937               zCF(ji,1:jpka) = 0._wp
938               zCF(ji,  jk  ) = - tke_abl( ji, jj, jk, nt_a )
939               ln_foundl(ji ) = .false.
940            END DO 
941            !   
942            DO jkdwn=jk-1,1,-1
943               DO ji = 1, jpi             
944                  zCF (ji,jkdwn) = zCF (ji,jkdwn+1) + 0.5_wp * e3t_abl(jkdwn+1)  &
945                     &               * ( zbn2(ji,jj,jkdwn+1)*(ghw_abl(jk)-ghw_abl(jkdwn+1)) &
946                                       + zbn2(ji,jj,jkdwn  )*(ghw_abl(jk)-ghw_abl(jkdwn  )) )   
947                  IF(zCF (ji,jkdwn) * zCF (ji,jkdwn+1) .le. 0._wp  .and. .not. ln_foundl(ji) ) THEN
948                     zcff2 = ghw_abl(jk) - ghw_abl(jkdwn+1)
949                     zcff1 = ghw_abl(jk) - ghw_abl(jkdwn  )             
950                     zcff  = ( zcff1 * zCF(ji,jkdwn+1) - zcff2 * zCF(ji,jkdwn) ) /   &
951                        &    (         zCF(ji,jkdwn+1) -         zCF(ji,jkdwn) ) 
952                     zldw(ji,jk) = zcff 
953                     ln_foundl(ji) = .true.               
954                  END IF                                   
955               END DO
956            END DO
957            !     
958         END DO
959
960         DO jk = 1, jpka
961            DO ji = 1, jpi 
962               mxl_abl( ji, jj, jk ) = MAX( SQRT( zldw( ji, jk ) * zlup( ji, jk ) ), mxl_min ) 
963            END DO
964         END DO 
965
966      END DO
967#   undef zlup     
968#   undef zldw           
969         !
970      END SELECT     
971      !                            !<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
972      !                            !  Finalize the computation of turbulent visc./diff.
973      !                            !<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
974     
975      !-------------
976      DO jj = 1, jpj     ! outer loop
977      !-------------
978         DO jk = 1, jpka   
979            DO ji = 1, jpi  ! vector opt.
980               zcff              = MAX( rn_phimax, rn_Ric * mxl_abl( ji, jj, jk ) * mxl_abl( ji, jj, jk )  &
981                  &                                       * zbn2(ji, jj, jk) / tke_abl( ji, jj, jk, nt_a ) ) 
982               zcff2             =  1. / ( 1. + zcff )   !<-- phi_z(z)
983               zcff              = mxl_abl( ji, jj, jk ) * SQRT( tke_abl( ji, jj, jk, nt_a ) )
984!!FL: MAX function probably useless because of the definition of mxl_min             
985               Avm_abl( ji, jj, jk ) = MAX( rn_Cm * zcff         , avm_bak   )
986               Avt_abl( ji, jj, jk ) = MAX( rn_Ct * zcff * zcff2 , avt_bak   )                             
987            END DO
988         END DO
989      !-------------         
990      END DO     
991      !-------------
992
993!---------------------------------------------------------------------------------------------------
994   END SUBROUTINE abl_zdf_tke
995!===================================================================================================
996
997
998!===================================================================================================
999   SUBROUTINE smooth_pblh( pvar2d, msk )
1000!---------------------------------------------------------------------------------------------------
1001
1002      !!----------------------------------------------------------------------
1003      !!                   ***  ROUTINE smooth_pblh  ***
1004      !!
1005      !! ** Purpose :   2D Hanning filter on atmospheric PBL height
1006      !!
1007      !! ---------------------------------------------------------------------
1008     REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj), INTENT(in   ) :: msk   
1009     REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj), INTENT(inout) :: pvar2d
1010      INTEGER                                     :: ji,jj
1011     REAL(wp)                                    :: smth_a, smth_b
1012     REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj)                :: zdX,zdY,zFX,zFY
1013     REAL(wp)                                    :: zumsk,zvmsk
1014      !!
1015      !!=========================================================
1016      !!
1017      !! Hanning filter
1018      smth_a = 1._wp / 8._wp
1019      smth_b = 1._wp / 4._wp
1020      !
1021      DO jj=1,jpj
1022         DO ji=1,jpi-1
1023            zumsk = msk(ji,jj) * msk(ji+1,jj)
1024            zdX ( ji, jj ) = ( pvar2d( ji+1,jj ) - pvar2d( ji  ,jj ) ) * zumsk
1025         END DO
1026      END DO     
1027     
1028     DO jj=1,jpj-1
1029         DO ji=1,jpi
1030            zvmsk = msk(ji,jj) * msk(ji,jj+1)
1031            zdY ( ji, jj ) = ( pvar2d( ji, jj+1 ) - pvar2d( ji  ,jj ) ) * zvmsk
1032         END DO
1033      END DO
1034     
1035     DO jj=1,jpj-1
1036         DO ji=2,jpi-1
1037            zFY ( ji, jj  ) =   zdY ( ji, jj   )                        &
1038               & +  smth_a*  ( (zdX ( ji, jj+1 ) - zdX( ji-1, jj+1 ))   &
1039               &            -  (zdX ( ji, jj   ) - zdX( ji-1, jj   ))  )
1040         END DO
1041      END DO
1042
1043      DO jj=2,jpj-1
1044         DO ji=1,jpi-1
1045            zFX( ji, jj  ) =    zdX( ji, jj   )                         &
1046              &    + smth_a*(  (zdY( ji+1, jj ) - zdY( ji+1, jj-1))     &
1047              &             -  (zdY( ji  , jj ) - zdY( ji  , jj-1)) )
1048         END DO
1049      END DO     
1050
1051      DO jj = 2, jpj-1
1052         DO ji = 2,jpi-1
1053            pvar2d( ji  ,jj ) = pvar2d( ji  ,jj )              &
1054     &         + msk(ji,jj) * smth_b * (                       &
1055     &                  zFX( ji, jj ) - zFX( ji-1, jj )        &
1056     &                 +zFY( ji, jj ) - zFY( ji, jj-1 )  )
1057         END DO
1058      END DO 
1059     !!
1060!---------------------------------------------------------------------------------------------------
1061   END SUBROUTINE smooth_pblh
1062!===================================================================================================
1063
1064!!======================================================================
1065END MODULE ablmod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.