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_algo_ncar.F90 in NEMO/branches/2020/dev_r13648_ASINTER-04_laurent_bulk_ice/src/OCE/SBC – NEMO

source: NEMO/branches/2020/dev_r13648_ASINTER-04_laurent_bulk_ice/src/OCE/SBC/sbcblk_algo_ncar.F90 @ 13655

Last change on this file since 13655 was 13655, checked in by laurent, 4 years ago

Commit all my dev of 2020!

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 17.4 KB
RevLine 
[6723]1MODULE sbcblk_algo_ncar
2   !!======================================================================
3   !!                   ***  MODULE  sbcblk_algo_ncar  ***
4   !! Computes:
5   !!   * bulk transfer coefficients C_D, C_E and C_H
6   !!   * air temp. and spec. hum. adjusted from zt (2m) to zu (10m) if needed
[13655]7   !!   * the effective bulk wind speed at 10m Ubzu
[6723]8   !!   => all these are used in bulk formulas in sbcblk.F90
9   !!
10   !!    Using the bulk formulation/param. of Large & Yeager 2008
11   !!
12   !!       Routine turb_ncar maintained and developed in AeroBulk
[12377]13   !!                     (https://github.com/brodeau/aerobulk/)
[6723]14   !!
15   !!                         L. Brodeau, 2015
16   !!=====================================================================
[6727]17   !! History :  3.6  !  2016-02  (L.Brodeau) successor of old turb_ncar of former sbcblk_core.F90
[6723]18   !!----------------------------------------------------------------------
19
20   !!----------------------------------------------------------------------
21   !!   turb_ncar  : computes the bulk turbulent transfer coefficients
22   !!                   adjusts t_air and q_air from zt to zu m
23   !!                   returns the effective bulk wind speed at 10m
24   !!----------------------------------------------------------------------
25   USE dom_oce         ! ocean space and time domain
[13655]26   USE sbc_oce, ONLY: ln_cdgw
27   USE sbcwave, ONLY: cdn_wave ! wave module
[6723]28   USE phycst          ! physical constants
[13655]29   USE sbc_phy         ! all thermodynamics functions, rho_air, q_sat, etc... !LB
[6723]30
31   IMPLICIT NONE
32   PRIVATE
33
[12377]34   PUBLIC :: TURB_NCAR   ! called by sbcblk.F90
[6723]35
[12377]36   !! * Substitutions
37#  include "do_loop_substitute.h90"
38
[6723]39   !!----------------------------------------------------------------------
40CONTAINS
41
[13655]42   SUBROUTINE turb_ncar(    zt, zu, sst, t_zt, ssq, q_zt, U_zu, &
43      &                     Cd, Ch, Ce, t_zu, q_zu, Ubzu,       &
44      &                     nb_iter, CdN, ChN, CeN               )
[6723]45      !!----------------------------------------------------------------------------------
46      !!                      ***  ROUTINE  turb_ncar  ***
47      !!
48      !! ** Purpose :   Computes turbulent transfert coefficients of surface
49      !!                fluxes according to Large & Yeager (2004) and Large & Yeager (2008)
50      !!                If relevant (zt /= zu), adjust temperature and humidity from height zt to zu
[13655]51      !!                Returns the effective bulk wind speed at zu to be used in the bulk formulas
[6723]52      !!
53      !! INPUT :
54      !! -------
55      !!    *  zt   : height for temperature and spec. hum. of air            [m]
[12377]56      !!    *  zu   : height for wind speed (usually 10m)                     [m]
57      !!    *  sst  : bulk SST                                                [K]
[6723]58      !!    *  t_zt : potential air temperature at zt                         [K]
59      !!    *  ssq  : specific humidity at saturation at SST                  [kg/kg]
60      !!    *  q_zt : specific humidity of air at zt                          [kg/kg]
[12377]61      !!    *  U_zu : scalar wind speed at zu                                 [m/s]
[6723]62      !!
63      !!
64      !! OUTPUT :
65      !! --------
66      !!    *  Cd     : drag coefficient
67      !!    *  Ch     : sensible heat coefficient
68      !!    *  Ce     : evaporation coefficient
69      !!    *  t_zu   : pot. air temperature adjusted at wind height zu       [K]
70      !!    *  q_zu   : specific humidity of air        //                    [kg/kg]
[13655]71      !!    *  Ubzu   : bulk wind speed at zu                                 [m/s]
[12377]72      !!
[13655]73      !! OPTIONAL OUTPUT:
74      !! ----------------
75      !!    * CdN      : neutral-stability drag coefficient
76      !!    * ChN      : neutral-stability sensible heat coefficient
77      !!    * CeN      : neutral-stability evaporation coefficient
[12377]78      !!
79      !! ** Author: L. Brodeau, June 2019 / AeroBulk (https://github.com/brodeau/aerobulk/)
[6723]80      !!----------------------------------------------------------------------------------
81      REAL(wp), INTENT(in   )                     ::   zt       ! height for t_zt and q_zt                    [m]
82      REAL(wp), INTENT(in   )                     ::   zu       ! height for U_zu                             [m]
83      REAL(wp), INTENT(in   ), DIMENSION(jpi,jpj) ::   sst      ! sea surface temperature                [Kelvin]
84      REAL(wp), INTENT(in   ), DIMENSION(jpi,jpj) ::   t_zt     ! potential air temperature              [Kelvin]
85      REAL(wp), INTENT(in   ), DIMENSION(jpi,jpj) ::   ssq      ! sea surface specific humidity           [kg/kg]
[12377]86      REAL(wp), INTENT(in   ), DIMENSION(jpi,jpj) ::   q_zt     ! specific air humidity at zt             [kg/kg]
[6723]87      REAL(wp), INTENT(in   ), DIMENSION(jpi,jpj) ::   U_zu     ! relative wind module at zu                [m/s]
88      REAL(wp), INTENT(  out), DIMENSION(jpi,jpj) ::   Cd       ! transfer coefficient for momentum         (tau)
89      REAL(wp), INTENT(  out), DIMENSION(jpi,jpj) ::   Ch       ! transfer coefficient for sensible heat (Q_sens)
90      REAL(wp), INTENT(  out), DIMENSION(jpi,jpj) ::   Ce       ! transfert coefficient for evaporation   (Q_lat)
91      REAL(wp), INTENT(  out), DIMENSION(jpi,jpj) ::   t_zu     ! pot. air temp. adjusted at zu               [K]
92      REAL(wp), INTENT(  out), DIMENSION(jpi,jpj) ::   q_zu     ! spec. humidity adjusted at zu           [kg/kg]
[13655]93      REAL(wp), INTENT(  out), DIMENSION(jpi,jpj) ::   Ubzu    ! bulk wind speed at zu                     [m/s]
[6723]94      !
[13655]95      INTEGER , INTENT(in   ), OPTIONAL                     :: nb_iter  ! number of iterations
96      REAL(wp), INTENT(  out), OPTIONAL, DIMENSION(jpi,jpj) ::   CdN
97      REAL(wp), INTENT(  out), OPTIONAL, DIMENSION(jpi,jpj) ::   ChN
98      REAL(wp), INTENT(  out), OPTIONAL, DIMENSION(jpi,jpj) ::   CeN
99      !
100      INTEGER :: nbit, jit                    ! iterations...
[12377]101      LOGICAL :: l_zt_equal_zu = .FALSE.      ! if q and t are given at same height as U
[6723]102      !
[13655]103      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   zCdN, zCeN, zChN        ! 10m neutral latent/sensible coefficient
104      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   zsqrt_Cd, zsqrt_CdN   ! root square of Cd and Cd_neutral
[9125]105      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   zeta_u        ! stability parameter at height zu
106      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   ztmp0, ztmp1, ztmp2
[6723]107      !!----------------------------------------------------------------------------------
[13655]108      nbit = nb_iter0
109      IF( PRESENT(nb_iter) ) nbit = nb_iter
110
[12615]111      l_zt_equal_zu = ( ABS(zu - zt) < 0.01_wp ) ! testing "zu == zt" is risky with double precision
[6723]112
[13655]113      Ubzu = MAX( 0.5_wp , U_zu )   !  relative wind speed at zu (normally 10m), we don't want to fall under 0.5 m/s
[6723]114
115      !! First guess of stability:
[12377]116      ztmp0 = virt_temp(t_zt, q_zt) - virt_temp(sst, ssq) ! air-sea difference of virtual pot. temp. at zt
[13655]117      ztmp1 = 0.5_wp + SIGN(0.5_wp,ztmp0)                 ! ztmp1 = 1 if dTv > 0  => STABLE, 0 if unstable
[6723]118
119      !! Neutral coefficients at 10m:
120      IF( ln_cdgw ) THEN      ! wave drag case
[7753]121         cdn_wave(:,:) = cdn_wave(:,:) + rsmall * ( 1._wp - tmask(:,:,1) )
[13655]122         zCdN   (:,:) = cdn_wave(:,:)
[6723]123      ELSE
[13655]124      zCdN = cd_n10_ncar( Ubzu )
[6723]125      ENDIF
126
[13655]127      zsqrt_CdN = SQRT( zCdN )
[6723]128
129      !! Initializing transf. coeff. with their first guess neutral equivalents :
[13655]130      Cd = zCdN
131      Ce = ce_n10_ncar( zsqrt_CdN )
132      Ch = ch_n10_ncar( zsqrt_CdN , ztmp1 )   ! ztmp1 is stability (1/0)
133      zsqrt_Cd = zsqrt_CdN
134
[12377]135      IF( ln_cdgw ) THEN
[13655]136         zCeN = Ce
137         zChN = Ch
[12377]138      ENDIF
[6723]139
[13655]140      !! Initializing values at z_u with z_t values:
[12615]141      t_zu = MAX( t_zt ,  180._wp )   ! who knows what's given on masked-continental regions...
142      q_zu = MAX( q_zt , 1.e-6_wp )   !               "
[6723]143
[13655]144
[12377]145      !! ITERATION BLOCK
[13655]146      DO jit = 1, nbit
[6723]147         !
148         ztmp1 = t_zu - sst   ! Updating air/sea differences
149         ztmp2 = q_zu - ssq
150
[13655]151         ! Updating turbulent scales :   (L&Y 2004 Eq. (7))
152         ztmp0 = zsqrt_Cd*Ubzu       ! u*
153         ztmp1 = Ch/zsqrt_Cd*ztmp1    ! theta*
154         ztmp2 = Ce/zsqrt_Cd*ztmp2    ! q*
[6723]155
[13655]156         ! Estimate the inverse of Obukov length (1/L) at height zu:
[12377]157         ztmp0 = One_on_L( t_zu, q_zu, ztmp0, ztmp1, ztmp2 )
[13655]158
[6723]159         !! Stability parameters :
[12377]160         zeta_u   = zu*ztmp0
[13655]161         zeta_u   = sign( min(abs(zeta_u),10._wp), zeta_u )
[6723]162
[13655]163         !! Shifting temperature and humidity at zu (L&Y 2004 Eq. (9b-9c))
[6723]164         IF( .NOT. l_zt_equal_zu ) THEN
[13655]165            ztmp0 = zt*ztmp0 ! zeta_t !
166            ztmp0 = SIGN( MIN(ABS(ztmp0),10._wp), ztmp0 )  ! Temporaty array ztmp0 == zeta_t !!!
167            ztmp0 = LOG(zt/zu) + psi_h_ncar(zeta_u) - psi_h_ncar(ztmp0)                   ! ztmp0 just used as temp array again!
168            t_zu = t_zt - ztmp1/vkarmn*ztmp0    ! ztmp1 is still theta*  L&Y 2004 Eq. (9b)
169            !!
170            q_zu = q_zt - ztmp2/vkarmn*ztmp0    ! ztmp2 is still q*      L&Y 2004 Eq. (9c)
171            q_zu = MAX(0._wp, q_zu)
172         END IF
[6723]173
[13655]174         ! Update neutral wind speed at 10m and neutral Cd at 10m (L&Y 2004 Eq. 9a)...
[12377]175         !   In very rare low-wind conditions, the old way of estimating the
176         !   neutral wind speed at 10m leads to a negative value that causes the code
177         !   to crash. To prevent this a threshold of 0.25m/s is imposed.
[13655]178         ztmp2 = psi_m_ncar(zeta_u)
[6723]179         IF( ln_cdgw ) THEN      ! surface wave case
[13655]180            zsqrt_Cd = vkarmn / ( vkarmn / zsqrt_CdN - ztmp2 )
181            Cd   = zsqrt_Cd * zsqrt_Cd
182            ztmp0 = (LOG(zu/10._wp) - psi_h_ncar(zeta_u)) / vkarmn / zsqrt_CdN
183            ztmp2 = zsqrt_Cd / zsqrt_CdN
184            ztmp1 = 1._wp + zChN * ztmp0
185            Ch    = zChN * ztmp2 / ztmp1  ! L&Y 2004 eq. (10b)
186            ztmp1 = 1._wp + zCeN * ztmp0
187            Ce    = zCeN * ztmp2 / ztmp1  ! L&Y 2004 eq. (10c)
[10190]188
[6723]189         ELSE
[13655]190         ztmp0 = MAX( 0.25_wp , UN10_from_CD(zu, Ubzu, Cd, ppsi=ztmp2) ) ! U_n10 (ztmp2 == psi_m_ncar(zeta_u))
[6723]191
[13655]192         zCdN = cd_n10_ncar(ztmp0)
193         zsqrt_CdN = sqrt(zCdN)
[6723]194
[12377]195         !! Update of transfer coefficients:
[6723]196
[13655]197         !! C_D
198         ztmp1  = 1._wp + zsqrt_CdN/vkarmn*(LOG(zu/10._wp) - ztmp2)   ! L&Y 2004 Eq. (10a) (ztmp2 == psi_m(zeta_u))
199         Cd     = MAX( zCdN / ( ztmp1*ztmp1 ), Cx_min )
[6723]200
[13655]201         !! C_H and C_E
202         zsqrt_Cd = SQRT( Cd )
203         ztmp0 = ( LOG(zu/10._wp) - psi_h_ncar(zeta_u) ) / vkarmn / zsqrt_CdN
204         ztmp2 = zsqrt_Cd / zsqrt_CdN
205
206         ztmp1 = 0.5_wp + SIGN(0.5_wp,zeta_u)                                ! update stability
207         zChN  = 1.e-3_wp * zsqrt_CdN*(18._wp*ztmp1 + 32.7_wp*(1._wp - ztmp1))  ! L&Y 2004 eq. (6c-6d)
208         zCeN  = 1.e-3_wp * (34.6_wp * zsqrt_CdN)                             ! L&Y 2004 eq. (6b)
209
210         Ch    = MAX( zChN*ztmp2 / ( 1._wp + zChN*ztmp0 ) , Cx_min ) ! L&Y 2004 eq. (10b)
211         Ce    = MAX( zCeN*ztmp2 / ( 1._wp + zCeN*ztmp0 ) , Cx_min ) ! L&Y 2004 eq. (10c)
212
[12377]213         ENDIF
[13655]214         
215      END DO !DO jit = 1, nbit
216     
217      IF(PRESENT(CdN)) CdN(:,:) = zCdN(:,:)
218      IF(PRESENT(CeN)) CeN(:,:) = zCeN(:,:)
219      IF(PRESENT(ChN)) ChN(:,:) = zChN(:,:)
[12377]220
[6723]221   END SUBROUTINE turb_ncar
222
223
[13655]224   FUNCTION cd_n10_ncar( pw10 )
225      !!----------------------------------------------------------------------------------
[6723]226      !! Estimate of the neutral drag coefficient at 10m as a function
227      !! of neutral wind  speed at 10m
228      !!
[13655]229      !! Origin: Large & Yeager 2008, Eq. (11)
[6723]230      !!
[12377]231      !! ** Author: L. Brodeau, june 2016 / AeroBulk (https://github.com/brodeau/aerobulk/)
[6723]232      !!----------------------------------------------------------------------------------
233      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj), INTENT(in) :: pw10           ! scalar wind speed at 10m (m/s)
[13655]234      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj)             :: cd_n10_ncar
[6723]235      !
236      INTEGER  ::     ji, jj     ! dummy loop indices
237      REAL(wp) :: zgt33, zw, zw6 ! local scalars
238      !!----------------------------------------------------------------------------------
239      !
[13460]240      DO_2D( nn_hls, nn_hls, nn_hls, nn_hls )
[13655]241            !
242            zw  = pw10(ji,jj)
243            zw6 = zw*zw*zw
244            zw6 = zw6*zw6
245            !
246            ! When wind speed > 33 m/s => Cyclone conditions => special treatment
247            zgt33 = 0.5_wp + SIGN( 0.5_wp, (zw - 33._wp) )   ! If pw10 < 33. => 0, else => 1
248            !
249            cd_n10_ncar(ji,jj) = 1.e-3_wp * ( &
250               &       (1._wp - zgt33)*( 2.7_wp/zw + 0.142_wp + zw/13.09_wp - 3.14807E-10_wp*zw6) & ! wind <  33 m/s
251               &      +    zgt33   *      2.34_wp )                                                 ! wind >= 33 m/s
252            !
253            cd_n10_ncar(ji,jj) = MAX( cd_n10_ncar(ji,jj), Cx_min )
254            !
[12377]255      END_2D
[6723]256      !
[13655]257   END FUNCTION cd_n10_ncar
[6723]258
259
[13655]260   FUNCTION ch_n10_ncar( psqrtcdn10 , pstab )
[6723]261      !!----------------------------------------------------------------------------------
[13655]262      !! Estimate of the neutral heat transfer coefficient at 10m      !!
263      !! Origin: Large & Yeager 2008, Eq. (9) and (12)
264
265      !!----------------------------------------------------------------------------------
266      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj)             :: ch_n10_ncar
267      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj), INTENT(in) :: psqrtcdn10 ! sqrt( CdN10 )
268      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj), INTENT(in) :: pstab      ! stable ABL => 1 / unstable ABL => 0
269      !!----------------------------------------------------------------------------------
270      IF( ANY(pstab < -0.00001) .OR. ANY(pstab >  1.00001) ) THEN
271         PRINT *, 'ERROR: ch_n10_ncar@mod_blk_ncar.f90: pstab ='
272         PRINT *, pstab
273         STOP
274      END IF
275      !
276      ch_n10_ncar = MAX( 1.e-3_wp * psqrtcdn10*( 18._wp*pstab + 32.7_wp*(1._wp - pstab) )  , Cx_min )   ! Eq. (9) & (12) Large & Yeager, 2008
277      !
278   END FUNCTION ch_n10_ncar
279
280   FUNCTION ce_n10_ncar( psqrtcdn10 )
281      !!----------------------------------------------------------------------------------
282      !! Estimate of the neutral heat transfer coefficient at 10m      !!
283      !! Origin: Large & Yeager 2008, Eq. (9) and (13)
284      !!----------------------------------------------------------------------------------
285      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj)             :: ce_n10_ncar
286      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj), INTENT(in) :: psqrtcdn10 ! sqrt( CdN10 )
287      !!----------------------------------------------------------------------------------
288      ce_n10_ncar = MAX( 1.e-3_wp * ( 34.6_wp * psqrtcdn10 ) , Cx_min )
289      !
290   END FUNCTION ce_n10_ncar
291
292
293   FUNCTION psi_m_ncar( pzeta )
294      !!----------------------------------------------------------------------------------
[6723]295      !! Universal profile stability function for momentum
[13655]296      !!    !! Psis, L&Y 2004, Eq. (8c), (8d), (8e)
[12377]297      !!
298      !! pzeta : stability paramenter, z/L where z is altitude measurement
[6723]299      !!         and L is M-O length
300      !!
[12377]301      !! ** Author: L. Brodeau, June 2016 / AeroBulk (https://github.com/brodeau/aerobulk/)
[6723]302      !!----------------------------------------------------------------------------------
[13655]303      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) :: psi_m_ncar
[12377]304      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj), INTENT(in) :: pzeta
[6723]305      !
[12377]306      INTEGER  ::   ji, jj    ! dummy loop indices
[13655]307      REAL(wp) :: zta, zx2, zx, zpsi_unst, zpsi_stab,  zstab   ! local scalars
[6723]308      !!----------------------------------------------------------------------------------
[13460]309      DO_2D( nn_hls, nn_hls, nn_hls, nn_hls )
[13655]310            zta = pzeta(ji,jj)
311            !
312            zx2 = SQRT( ABS(1._wp - 16._wp*zta) )  ! (1 - 16z)^0.5
313            zx2 = MAX( zx2 , 1._wp )
314            zx  = SQRT(zx2)                          ! (1 - 16z)^0.25
315            zpsi_unst = 2._wp*LOG( (1._wp + zx )*0.5_wp )   &
316               &            + LOG( (1._wp + zx2)*0.5_wp )   &
317               &          - 2._wp*ATAN(zx) + rpi*0.5_wp
318            !
319            zpsi_stab = -5._wp*zta
320            !
321            zstab = 0.5_wp + SIGN(0.5_wp, zta) ! zta > 0 => zstab = 1
322            !
323            psi_m_ncar(ji,jj) =          zstab  * zpsi_stab &  ! (zta > 0) Stable
324               &              + (1._wp - zstab) * zpsi_unst    ! (zta < 0) Unstable
325            !
326            !
[12377]327      END_2D
[13655]328   END FUNCTION psi_m_ncar
[6723]329
330
[13655]331   FUNCTION psi_h_ncar( pzeta )
[6723]332      !!----------------------------------------------------------------------------------
333      !! Universal profile stability function for temperature and humidity
[13655]334      !!    !! Psis, L&Y 2004, Eq. (8c), (8d), (8e)
[6723]335      !!
[12377]336      !! pzeta : stability paramenter, z/L where z is altitude measurement
[6723]337      !!         and L is M-O length
338      !!
[12377]339      !! ** Author: L. Brodeau, June 2016 / AeroBulk (https://github.com/brodeau/aerobulk/)
[6723]340      !!----------------------------------------------------------------------------------
[13655]341      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) :: psi_h_ncar
[6723]342      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj), INTENT(in) :: pzeta
343      !
[12377]344      INTEGER  ::   ji, jj     ! dummy loop indices
[13655]345      REAL(wp) :: zta, zx2, zpsi_unst, zpsi_stab, zstab  ! local scalars
[6723]346      !!----------------------------------------------------------------------------------
347      !
[13460]348      DO_2D( nn_hls, nn_hls, nn_hls, nn_hls )
[13655]349            !
350            zta = pzeta(ji,jj)
351            !
352            zx2 = SQRT( ABS(1._wp - 16._wp*zta) )  ! (1 -16z)^0.5
353            zx2 = MAX( zx2 , 1._wp )
354            zpsi_unst = 2._wp*LOG( 0.5_wp*(1._wp + zx2) )
355            !
356            zpsi_stab = -5._wp*zta
357            !
358            zstab = 0.5_wp + SIGN(0.5_wp, zta) ! zta > 0 => zstab = 1
359            !
360            psi_h_ncar(ji,jj) =          zstab  * zpsi_stab &  ! (zta > 0) Stable
361               &              + (1._wp - zstab) * zpsi_unst    ! (zta < 0) Unstable
362            !
[12377]363      END_2D
[13655]364   END FUNCTION psi_h_ncar
[6723]365
366   !!======================================================================
367END MODULE sbcblk_algo_ncar
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.