source: NEMO/releases/release-3.6/NEMOGCM/NEMO/LIM_SRC_3/limhdf.F90 @ 10379

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1MODULE limhdf
2   !!======================================================================
3   !!                    ***  MODULE limhdf   ***
4   !! LIM ice model : horizontal diffusion of sea-ice quantities
5   !!======================================================================
6   !! History :  LIM  !  2000-01 (LIM) Original code
7   !!             -   !  2001-05 (G. Madec, R. Hordoir) opa norm
8   !!            1.0  !  2002-08 (C. Ethe)  F90, free form
9   !!            3.0  !  2015-08 (O. Tintó and M. Castrillo)  added lim_hdf (multiple)
10   !!----------------------------------------------------------------------
11#if defined key_lim3
12   !!----------------------------------------------------------------------
13   !!   'key_lim3'                                      LIM3 sea-ice model
14   !!----------------------------------------------------------------------
15   !!   lim_hdf       : diffusion trend on sea-ice variable
16   !!   lim_hdf_init  : initialisation of diffusion trend on sea-ice variable
17   !!----------------------------------------------------------------------
18   USE dom_oce        ! ocean domain
19   USE ice            ! LIM-3: ice variables
20   USE lbclnk         ! lateral boundary condition - MPP exchanges
21   USE lib_mpp        ! MPP library
22   USE wrk_nemo       ! work arrays
23   USE prtctl         ! Print control
24   USE in_out_manager ! I/O manager
25   USE lib_fortran    ! Fortran utilities (allows no signed zero when 'key_nosignedzero' defined) 
26
27   IMPLICIT NONE
28   PRIVATE
29
30   PUBLIC   lim_hdf ! called by lim_trp
31   PUBLIC   lim_hdf_init    ! called by sbc_lim_init
32
33   LOGICAL  ::   linit = .TRUE.                             ! initialization flag (set to flase after the 1st call)
34   INTEGER  ::   nn_convfrq                                 !:  convergence check frequency of the Crant-Nicholson scheme
35   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:) ::   efact   ! metric coefficient
36
37   !! * Substitution
38#  include "vectopt_loop_substitute.h90"
39   !!----------------------------------------------------------------------
40   !! NEMO/LIM3 4.0 , UCL - NEMO Consortium (2010)
41   !! $Id$
42   !! Software governed by the CeCILL licence     (NEMOGCM/NEMO_CeCILL.txt)
43   !!----------------------------------------------------------------------
44CONTAINS
45
46   SUBROUTINE lim_hdf( ptab , ihdf_vars , jpl , nlay_i )
47      !!-------------------------------------------------------------------
48      !!                  ***  ROUTINE lim_hdf  ***
49      !!
50      !! ** purpose :   Compute and add the diffusive trend on sea-ice variables
51      !!
52      !! ** method  :   Second order diffusive operator evaluated using a
53      !!              Cranck-Nicholson time Scheme.
54      !!
55      !! ** Action  :    update ptab with the diffusive contribution
56      !!-------------------------------------------------------------------
57      INTEGER                           :: jpl, nlay_i, isize, ihdf_vars
58      REAL(wp),  DIMENSION(:,:,:), INTENT( inout ),TARGET ::   ptab    ! Field on which the diffusion is applied
59      !
60      INTEGER                           ::  ji, jj, jk, jl , jm               ! dummy loop indices
61      INTEGER                           ::  iter, ierr           ! local integers
62      REAL(wp)                          ::  zrlxint     ! local scalars
63      REAL(wp), POINTER , DIMENSION ( : )        :: zconv     ! local scalars
64      REAL(wp), POINTER , DIMENSION(:,:,:) ::  zrlx,zdiv0, ztab0
65      REAL(wp), POINTER , DIMENSION(:,:) ::  zflu, zflv, zdiv
66      CHARACTER(lc)                     ::  charout                   ! local character
67      REAL(wp), PARAMETER               ::  zrelax = 0.5_wp           ! relaxation constant for iterative procedure
68      REAL(wp), PARAMETER               ::  zalfa  = 0.5_wp           ! =1.0/0.5/0.0 = implicit/Cranck-Nicholson/explicit
69      INTEGER , PARAMETER               ::  its    = 100              ! Maximum number of iteration
70      !!-------------------------------------------------------------------
71      TYPE(arrayptr)   , ALLOCATABLE, DIMENSION(:) ::   pt2d_array, zrlx_array
72      CHARACTER(len=1) , ALLOCATABLE, DIMENSION(:) ::   type_array ! define the nature of ptab array grid-points
73      !                                                            ! = T , U , V , F , W and I points
74      REAL(wp)        , ALLOCATABLE, DIMENSION(:)  ::   psgn_array    ! =-1 the sign change across the north fold boundary
75
76     !!---------------------------------------------------------------------
77
78      !                       !==  Initialisation  ==!
79      ! +1 open water diffusion
80      isize = jpl*(ihdf_vars+nlay_i)+1
81      ALLOCATE( zconv (isize) )
82      ALLOCATE( pt2d_array(isize) , zrlx_array(isize) )
83      ALLOCATE( type_array(isize) )
84      ALLOCATE( psgn_array(isize) )
85     
86      CALL wrk_alloc( jpi, jpj, isize, zrlx, zdiv0, ztab0 )
87      CALL wrk_alloc( jpi, jpj, zflu, zflv, zdiv )
88
89      DO jk= 1 , isize
90         pt2d_array(jk)%pt2d=>ptab(:,:,jk)
91         zrlx_array(jk)%pt2d=>zrlx(:,:,jk)
92         type_array(jk)='T'
93         psgn_array(jk)=1.
94      END DO
95
96      !
97      IF( linit ) THEN              ! Metric coefficient (compute at the first call and saved in efact)
98         ALLOCATE( efact(jpi,jpj) , STAT=ierr )
99         IF( lk_mpp    )   CALL mpp_sum( ierr )
100         IF( ierr /= 0 )   CALL ctl_stop( 'STOP', 'lim_hdf : unable to allocate arrays' )
101         DO jj = 2, jpjm1
102            DO ji = fs_2 , fs_jpim1   ! vector opt.
103               efact(ji,jj) = ( e2u(ji,jj) + e2u(ji-1,jj) + e1v(ji,jj) + e1v(ji,jj-1) ) * r1_e12t(ji,jj)
104            END DO
105         END DO
106         linit = .FALSE.
107      ENDIF
108      !                             ! Time integration parameters
109      !
110      zflu (jpi,: ) = 0._wp
111      zflv (jpi,: ) = 0._wp
112
113      DO jk=1 , isize
114         ztab0(:, : , jk ) = ptab(:,:,jk)      ! Arrays initialization
115         zdiv0(:, 1 , jk ) = 0._wp
116         zdiv0(:,jpj, jk ) = 0._wp
117         zdiv0(1,  :, jk ) = 0._wp
118         zdiv0(jpi,:, jk ) = 0._wp
119      END DO
120
121      zconv = 1._wp           !==  horizontal diffusion using a Crant-Nicholson scheme  ==!
122      iter  = 0
123      !
124      DO WHILE( MAXVAL(zconv(:)) > ( 2._wp * 1.e-04 ) .AND. iter <= its )   ! Sub-time step loop
125         !
126         iter = iter + 1                                 ! incrementation of the sub-time step number
127         !
128         DO jk = 1 , isize
129            jl = (jk-1) /( ihdf_vars+nlay_i)+1
130            IF (zconv(jk) > ( 2._wp * 1.e-04 )) THEN
131               DO jj = 1, jpjm1                                ! diffusive fluxes in U- and V- direction
132                  DO ji = 1 , fs_jpim1   ! vector opt.
133                     zflu(ji,jj) = pahu3D(ji,jj,jl) * e2u(ji,jj) * r1_e1u(ji,jj) * ( ptab(ji+1,jj,jk) - ptab(ji,jj,jk) )
134                     zflv(ji,jj) = pahv3D(ji,jj,jl) * e1v(ji,jj) * r1_e2v(ji,jj) * ( ptab(ji,jj+1,jk) - ptab(ji,jj,jk) )
135                  END DO
136               END DO
137               !
138               DO jj= 2, jpjm1                                 ! diffusive trend : divergence of the fluxes
139                  DO ji = fs_2 , fs_jpim1   ! vector opt.
140                     zdiv(ji,jj) = ( zflu(ji,jj) - zflu(ji-1,jj) + zflv(ji,jj) - zflv(ji,jj-1) ) * r1_e12t(ji,jj)
141                  END DO
142               END DO
143               !
144               IF( iter == 1 )   zdiv0(:,:,jk) = zdiv(:,:)        ! save the 1st evaluation of the diffusive trend in zdiv0
145               !
146               DO jj = 2, jpjm1                                ! iterative evaluation
147                  DO ji = fs_2 , fs_jpim1   ! vector opt.
148                     zrlxint = (   ztab0(ji,jj,jk)    &
149                        &       +  rdt_ice * (           zalfa   * ( zdiv(ji,jj) + efact(ji,jj) * ptab(ji,jj,jk) )   &
150                        &                      + ( 1.0 - zalfa ) *   zdiv0(ji,jj,jk) )                               &
151                        &      ) / ( 1.0 + zalfa * rdt_ice * efact(ji,jj) )
152                     zrlx(ji,jj,jk) = ptab(ji,jj,jk) + zrelax * ( zrlxint - ptab(ji,jj,jk) )
153                  END DO
154               END DO
155            END IF
156
157         END DO
158
159         CALL lbc_lnk_multi( zrlx_array, type_array , psgn_array , isize ) ! Multiple interchange of all the variables
160         !
161         
162         IF ( MOD( iter-1 , nn_convfrq ) == 0 )  THEN   !Convergence test every nn_convfrq iterations (perf. optimization )
163            DO jk=1,isize
164               zconv(jk) = 0._wp                                   ! convergence test
165               DO jj = 2, jpjm1
166                  DO ji = fs_2, fs_jpim1
167                     zconv(jk) = MAX( zconv(jk), ABS( zrlx(ji,jj,jk) - ptab(ji,jj,jk) )  )
168                  END DO
169               END DO
170            END DO
171            IF( lk_mpp ) CALL mpp_max_multiple( zconv , isize )            ! max over the global domain for all the variables
172         ENDIF
173         !
174         DO jk=1,isize
175            ptab(:,:,jk) = zrlx(:,:,jk)
176         END DO
177         !
178      END DO                                       ! end of sub-time step loop
179
180     ! -----------------------
181      !!! final step (clem) !!!
182      DO jk = 1, isize
183         jl = (jk-1) /( ihdf_vars+nlay_i)+1
184         DO jj = 1, jpjm1                                ! diffusive fluxes in U- and V- direction
185            DO ji = 1 , fs_jpim1   ! vector opt.
186               zflu(ji,jj) = pahu3D(ji,jj,jl) * e2u(ji,jj) * r1_e1u(ji,jj) * ( ptab(ji+1,jj,jk) - ptab(ji,jj,jk) )
187               zflv(ji,jj) = pahv3D(ji,jj,jl) * e1v(ji,jj) * r1_e2v(ji,jj) * ( ptab(ji,jj+1,jk) - ptab(ji,jj,jk) )
188            END DO
189         END DO
190         !
191         DO jj= 2, jpjm1                                 ! diffusive trend : divergence of the fluxes
192            DO ji = fs_2 , fs_jpim1   ! vector opt.
193               zdiv(ji,jj) = ( zflu(ji,jj) - zflu(ji-1,jj) + zflv(ji,jj) - zflv(ji,jj-1) ) * r1_e12t(ji,jj)
194               ptab(ji,jj,jk) = ztab0(ji,jj,jk) + 0.5 * ( zdiv(ji,jj) + zdiv0(ji,jj,jk) )
195            END DO
196         END DO
197      END DO
198
199      CALL lbc_lnk_multi( pt2d_array, type_array , psgn_array , isize ) ! Multiple interchange of all the variables
200
201      !!! final step (clem) !!!
202      ! -----------------------
203
204 !     IF(ln_ctl)   THEN
205 !        DO jk = 1 , isize
206 !           zrlx(:,:,jk) = ptab(:,:,jk) - ztab0(:,:,jk)
207 !           WRITE(charout,FMT="('lim_hdf  : zconv =',D23.16, ' iter =',I4)") zconv, iter
208 !           CALL prt_ctl( tab2d_1=zrlx(:,:,jk), clinfo1=charout )
209 !        END DO
210  !    ENDIF
211      !
212      CALL wrk_dealloc( jpi, jpj, isize, zrlx, zdiv0, ztab0 )
213      CALL wrk_dealloc( jpi, jpj, zflu, zflv, zdiv )
214
215      DEALLOCATE( zconv )
216      DEALLOCATE( pt2d_array , zrlx_array )
217      DEALLOCATE( type_array )
218      DEALLOCATE( psgn_array )
219      !
220   END SUBROUTINE lim_hdf
221
222
223   
224   SUBROUTINE lim_hdf_init
225      !!-------------------------------------------------------------------
226      !!                  ***  ROUTINE lim_hdf_init  ***
227      !!
228      !! ** Purpose : Initialisation of horizontal diffusion of sea-ice
229      !!
230      !! ** Method  : Read the namicehdf namelist
231      !!
232      !! ** input   : Namelist namicehdf
233      !!-------------------------------------------------------------------
234      INTEGER  ::   ios                 ! Local integer output status for namelist read
235      NAMELIST/namicehdf/  nn_ahi0, rn_ahi0_ref, nn_convfrq 
236      INTEGER  ::   ji, jj
237      REAL(wp) ::   za00, zd_max
238      !!-------------------------------------------------------------------
239      !
240      REWIND( numnam_ice_ref )              ! Namelist namicehdf in reference namelist : Ice horizontal diffusion
241      READ  ( numnam_ice_ref, namicehdf, IOSTAT = ios, ERR = 901)
242901   IF( ios /= 0 ) CALL ctl_nam ( ios , 'namicehdf in reference namelist', lwp )
243
244      REWIND( numnam_ice_cfg )              ! Namelist namicehdf in configuration namelist : Ice horizontal diffusion
245      READ  ( numnam_ice_cfg, namicehdf, IOSTAT = ios, ERR = 902 )
246902   IF( ios /= 0 ) CALL ctl_nam ( ios , 'namicehdf in configuration namelist', lwp )
247      IF(lwm) WRITE ( numoni, namicehdf )
248      !
249      IF(lwp) THEN                          ! control print
250         WRITE(numout,*)
251         WRITE(numout,*) 'lim_hdf_init : Ice horizontal diffusion'
252         WRITE(numout,*) '~~~~~~~~~~~'
253         WRITE(numout,*) '   horizontal diffusivity calculation                          nn_ahi0      = ', nn_ahi0
254         WRITE(numout,*) '   horizontal diffusivity coeff. (orca2 grid)                  rn_ahi0_ref  = ', rn_ahi0_ref
255         WRITE(numout,*) '   convergence check frequency of the Crant-Nicholson scheme   nn_convfrq   = ', nn_convfrq
256      ENDIF
257      !
258      !  Diffusion coefficients
259      SELECT CASE( nn_ahi0 )
260
261      CASE( -1 )
262         ahiu(:,:) = 0._wp
263         ahiv(:,:) = 0._wp
264
265         IF(lwp) WRITE(numout,*) ''
266         IF(lwp) WRITE(numout,*) '   No sea-ice diffusion applied'
267
268      CASE( 0 )
269         ahiu(:,:) = rn_ahi0_ref
270         ahiv(:,:) = rn_ahi0_ref
271
272         IF(lwp) WRITE(numout,*) ''
273         IF(lwp) WRITE(numout,*) '   laplacian operator: ahim constant = rn_ahi0_ref'
274
275      CASE( 1 ) 
276
277         zd_max = MAX( MAXVAL( e1t(:,:) ), MAXVAL( e2t(:,:) ) )
278         IF( lk_mpp )   CALL mpp_max( zd_max )          ! max over the global domain
279         
280         ahiu(:,:) = rn_ahi0_ref * zd_max * 1.e-05_wp   ! 1.e05 = 100km = max grid space at 60deg latitude in orca2
281                                                        !                    (60deg = min latitude for ice cover) 
282         ahiv(:,:) = rn_ahi0_ref * zd_max * 1.e-05_wp
283
284         IF(lwp) WRITE(numout,*) ''
285         IF(lwp) WRITE(numout,*) '   laplacian operator: ahim proportional to max of e1 e2 over the domain (', zd_max, ')'
286         IF(lwp) WRITE(numout,*) '   value for ahim = ', rn_ahi0_ref * zd_max * 1.e-05_wp 
287         
288      CASE( 2 ) 
289
290         zd_max = MAX( MAXVAL( e1t(:,:) ), MAXVAL( e2t(:,:) ) )
291         IF( lk_mpp )   CALL mpp_max( zd_max )   ! max over the global domain
292         
293         za00 = rn_ahi0_ref * 1.e-05_wp          ! 1.e05 = 100km = max grid space at 60deg latitude in orca2
294                                                 !                    (60deg = min latitude for ice cover) 
295         DO jj = 1, jpj
296            DO ji = 1, jpi
297               ahiu(ji,jj) = za00 * MAX( e1t(ji,jj), e2t(ji,jj) ) * umask(ji,jj,1)
298               ahiv(ji,jj) = za00 * MAX( e1f(ji,jj), e2f(ji,jj) ) * vmask(ji,jj,1)
299            END DO
300         END DO
301         !
302         IF(lwp) WRITE(numout,*) ''
303         IF(lwp) WRITE(numout,*) '   laplacian operator: ahim proportional to e1'
304         IF(lwp) WRITE(numout,*) '   maximum grid-spacing = ', zd_max, ' maximum value for ahim = ', za00*zd_max
305         
306      END SELECT
307      !
308   END SUBROUTINE lim_hdf_init
309#else
310   !!----------------------------------------------------------------------
311   !!   Default option          Dummy module           NO LIM sea-ice model
312   !!----------------------------------------------------------------------
313#endif
314
315   !!======================================================================
316END MODULE limhdf
317
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.