source: branches/2012/dev_MERGE_2012/NEMOGCM/NEMO/OPA_SRC/ZDF/zdfbfr.F90 @ 3820

Last change on this file since 3820 was 3820, checked in by hliu, 8 years ago

add the 2D-enhancement for loglayer bfr coefficient. see ticket 1058

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 15.5 KB
Line 
1MODULE zdfbfr
2   !!======================================================================
3   !!                       ***  MODULE  zdfbfr  ***
4   !! Ocean physics: Bottom friction
5   !!======================================================================
6   !! History :  OPA  ! 1997-06  (G. Madec, A.-M. Treguier)  Original code
7   !!   NEMO     1.0  ! 2002-06  (G. Madec)  F90: Free form and module
8   !!            3.2  ! 2009-09  (A.C.Coward)  Correction to include barotropic contribution
9   !!            3.3  ! 2010-10  (C. Ethe, G. Madec) reorganisation of initialisation phase
10   !!            3.4  ! 2011-11  (H. Liu) implementation of semi-implicit bottom friction option
11   !!                 ! 2012-06  (H. Liu) implementation of Log Layer bottom friction option
12   !!----------------------------------------------------------------------
13
14   !!----------------------------------------------------------------------
15   !!   zdf_bfr      : update momentum Kz at the ocean bottom due to the type of bottom friction chosen
16   !!   zdf_bfr_init : read in namelist and control the bottom friction parameters.
17   !!   zdf_bfr_2d   : read in namelist and control the bottom friction parameters.
18   !!----------------------------------------------------------------------
19   USE oce             ! ocean dynamics and tracers variables
20   USE dom_oce         ! ocean space and time domain variables
21   USE zdf_oce         ! ocean vertical physics variables
22   USE in_out_manager  ! I/O manager
23   USE lbclnk          ! ocean lateral boundary conditions (or mpp link)
24   USE lib_mpp         ! distributed memory computing
25   USE prtctl          ! Print control
26   USE timing          ! Timing
27
28   USE phycst, ONLY: vkarmn
29
30   IMPLICIT NONE
31   PRIVATE
32
33   PUBLIC   zdf_bfr         ! called by step.F90
34   PUBLIC   zdf_bfr_init    ! called by opa.F90
35
36   !                                    !!* Namelist nambfr: bottom friction namelist *
37   INTEGER , PUBLIC ::   nn_bfr      = 0           ! = 0/1/2/3 type of bottom friction  (PUBLIC for TAM)
38   REAL(wp), PUBLIC ::   rn_bfri1    = 4.0e-4_wp   ! bottom drag coefficient (linear case)  (PUBLIC for TAM)
39   REAL(wp), PUBLIC ::   rn_bfri2    = 1.0e-3_wp   ! bottom drag coefficient (non linear case) (PUBLIC for TAM)
40   REAL(wp), PUBLIC ::   rn_bfeb2    = 2.5e-3_wp   ! background bottom turbulent kinetic energy  [m2/s2] (PUBLIC for TAM)
41   REAL(wp), PUBLIC ::   rn_bfrien   = 30._wp      ! local factor to enhance coefficient bfri (PUBLIC for TAM)
42   LOGICAL , PUBLIC ::   ln_bfr2d    = .false.     ! logical switch for 2D enhancement (PUBLIC for TAM)
43   LOGICAL , PUBLIC ::   ln_loglayer = .false.     ! switch for log layer bfr coeff. (PUBLIC for TAM)
44   REAL(wp), PUBLIC ::   rn_bfrz0    = 0.003_wp    ! bottom roughness for loglayer bfr coeff (PUBLIC for TAM)
45   LOGICAL , PUBLIC                                    ::  ln_bfrimp = .false.  ! logical switch for implicit bottom friction
46   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:), PUBLIC ::  bfrcoef2d            ! 2D bottom drag coefficient (PUBLIC for TAM)
47
48   !! * Substitutions
49#  include "vectopt_loop_substitute.h90"
50#  include "domzgr_substitute.h90"
51   !!----------------------------------------------------------------------
52   !! NEMO/OPA 4.0 , NEMO Consortium (2011)
53   !! $Id$
54   !! Software governed by the CeCILL licence     (NEMOGCM/NEMO_CeCILL.txt)
55   !!----------------------------------------------------------------------
56CONTAINS
57
58   INTEGER FUNCTION zdf_bfr_alloc()
59      !!----------------------------------------------------------------------
60      !!                ***  FUNCTION zdf_bfr_alloc  ***
61      !!----------------------------------------------------------------------
62      ALLOCATE( bfrcoef2d(jpi,jpj), STAT=zdf_bfr_alloc )
63      !
64      IF( lk_mpp             )   CALL mpp_sum ( zdf_bfr_alloc )
65      IF( zdf_bfr_alloc /= 0 )   CALL ctl_warn('zdf_bfr_alloc: failed to allocate arrays.')
66   END FUNCTION zdf_bfr_alloc
67
68
69   SUBROUTINE zdf_bfr( kt )
70      !!----------------------------------------------------------------------
71      !!                   ***  ROUTINE zdf_bfr  ***
72      !!
73      !! ** Purpose :   compute the bottom friction coefficient.
74      !!
75      !! ** Method  :   Calculate and store part of the momentum trend due
76      !!              to bottom friction following the chosen friction type
77      !!              (free-slip, linear, or quadratic). The component
78      !!              calculated here is multiplied by the bottom velocity in
79      !!              dyn_bfr to provide the trend term.
80      !!                The coefficients are updated at each time step only
81      !!              in the quadratic case.
82      !!
83      !! ** Action  :   bfrua , bfrva   bottom friction coefficients
84      !!----------------------------------------------------------------------
85      INTEGER, INTENT( in ) ::   kt   ! ocean time-step index
86      !!
87      INTEGER  ::   ji, jj                       ! dummy loop indices
88      INTEGER  ::   ikbu, ikbv                   ! local integers
89      REAL(wp) ::   zvu, zuv, zecu, zecv         ! temporary scalars
90      REAL(wp) ::   ztmp, ztmp1                  ! temporary scalars
91      !!----------------------------------------------------------------------
92      !
93      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_start('zdf_bfr')
94      !
95      IF( nn_bfr == 2 ) THEN                 ! quadratic botton friction
96         ! Calculate and store the quadratic bottom friction coefficient bfrua and bfrva
97         ! where bfrUa = C_d*SQRT(u_bot^2 + v_bot^2 + e_b) {U=[u,v]}
98         ! from these the trend due to bottom friction:  -F_h/e3U  can be calculated
99         ! where -F_h/e3U_bot = bfrUa*Ub/e3U_bot {U=[u,v]}
100         !
101
102         IF(ln_loglayer) THEN       ! "log layer" bottom friction coefficient
103
104           ! add 2D-enhancement bottom friction
105           ztmp1 = 1._wp
106           IF(ABS(rn_bfri2) >= 1.e-10 ) THEN
107             ztmp1 = 1._wp / rn_bfri2
108           ELSE
109             CALL ctl_stop( 'rn_bfri2 must not be less than 1.e-10')
110           END IF
111
112#  if defined key_vectopt_loop
113           DO jj = 1, 1
114             DO ji = 1, jpij   ! vector opt. (forced unrolling)
115#  else
116           DO jj = 1, jpj
117             DO ji = 1, jpi
118#  endif
119                ztmp = 0.5_wp * fse3t(ji,jj,mbkt(ji,jj))
120                ztmp = max(ztmp, rn_bfrz0 + 1.e-10)
121                bfrcoef2d(ji,jj) = bfrcoef2d(ji,jj) * ztmp1 * &
122                                 & ( log( ztmp / rn_bfrz0 ) / vkarmn ) ** (-2)
123             END DO
124           END DO
125         ENDIF
126
127# if defined key_vectopt_loop
128         DO jj = 1, 1
129!CDIR NOVERRCHK
130            DO ji = jpi+2, jpij-jpi-1   ! vector opt. (forced unrolling)
131# else
132!CDIR NOVERRCHK
133         DO jj = 2, jpjm1
134!CDIR NOVERRCHK
135            DO ji = 2, jpim1
136# endif
137               ikbu = mbku(ji,jj)         ! ocean bottom level at u- and v-points
138               ikbv = mbkv(ji,jj)         ! (deepest ocean u- and v-points)
139               !
140               zvu  = 0.25 * (  vn(ji,jj  ,ikbu) + vn(ji+1,jj  ,ikbu)     &
141                  &           + vn(ji,jj-1,ikbu) + vn(ji+1,jj-1,ikbu)  )
142               zuv  = 0.25 * (  un(ji,jj  ,ikbv) + un(ji-1,jj  ,ikbv)     &
143                  &           + un(ji,jj+1,ikbv) + un(ji-1,jj+1,ikbv)  )
144               !
145               zecu = SQRT(  un(ji,jj,ikbu) * un(ji,jj,ikbu) + zvu*zvu + rn_bfeb2  )
146               zecv = SQRT(  vn(ji,jj,ikbv) * vn(ji,jj,ikbv) + zuv*zuv + rn_bfeb2  )
147               !
148               bfrua(ji,jj) = - 0.5_wp * ( bfrcoef2d(ji,jj) + bfrcoef2d(ji+1,jj  ) ) * zecu
149               bfrva(ji,jj) = - 0.5_wp * ( bfrcoef2d(ji,jj) + bfrcoef2d(ji  ,jj+1) ) * zecv
150            END DO
151         END DO
152
153         !
154         CALL lbc_lnk( bfrua, 'U', 1. )   ;   CALL lbc_lnk( bfrva, 'V', 1. )      ! Lateral boundary condition
155         !
156         IF(ln_ctl)   CALL prt_ctl( tab2d_1=bfrua, clinfo1=' bfr  - u: ', mask1=umask,        &
157            &                       tab2d_2=bfrva, clinfo2=       ' v: ', mask2=vmask,ovlap=1 )
158      ENDIF
159
160      !
161      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_stop('zdf_bfr')
162      !
163   END SUBROUTINE zdf_bfr
164
165
166   SUBROUTINE zdf_bfr_init
167      !!----------------------------------------------------------------------
168      !!                  ***  ROUTINE zdf_bfr_init  ***
169      !!
170      !! ** Purpose :   Initialization of the bottom friction
171      !!
172      !! ** Method  :   Read the nammbf namelist and check their consistency
173      !!              called at the first timestep (nit000)
174      !!----------------------------------------------------------------------
175      USE iom   ! I/O module for ehanced bottom friction file
176      !!
177      INTEGER   ::   inum         ! logical unit for enhanced bottom friction file
178      INTEGER   ::   ji, jj       ! dummy loop indexes
179      INTEGER   ::   ikbu, ikbv   ! temporary integers
180      INTEGER   ::   ictu, ictv   !    -          -
181      REAL(wp)  ::   zminbfr, zmaxbfr   ! temporary scalars
182      REAL(wp)  ::   zfru, zfrv         !    -         -
183      !!
184      NAMELIST/nambfr/ nn_bfr, rn_bfri1, rn_bfri2, rn_bfeb2, rn_bfrz0, ln_bfr2d, &
185                    &  rn_bfrien, ln_bfrimp, ln_loglayer
186      !!----------------------------------------------------------------------
187      !
188      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_start('zdf_bfr_init')
189      !
190      REWIND ( numnam )               !* Read Namelist nam_bfr : bottom momentum boundary condition
191      READ   ( numnam, nambfr )
192
193      !                               !* Parameter control and print
194      IF(lwp) WRITE(numout,*)
195      IF(lwp) WRITE(numout,*) 'zdf_bfr : momentum bottom friction'
196      IF(lwp) WRITE(numout,*) '~~~~~~~'
197      IF(lwp) WRITE(numout,*) '   Namelist nam_bfr : set bottom friction parameters'
198
199      !                              ! allocate zdfbfr arrays
200      IF( zdf_bfr_alloc() /= 0 )   CALL ctl_stop( 'STOP', 'zdf_bfr_init : unable to allocate arrays' )
201
202      !                              ! Make sure ln_zdfexp=.false. when use implicit bfr
203      IF( ln_bfrimp .AND. ln_zdfexp ) THEN
204         IF(lwp) THEN
205            WRITE(numout,*)
206            WRITE(numout,*) 'Implicit bottom friction can only be used when ln_zdfexp=.false.'
207            WRITE(numout,*) '         but you set: ln_bfrimp=.true. and ln_zdfexp=.true.!!!!'
208            WRITE(ctmp1,*)  '         set either ln_zdfexp = .false or ln_bfrimp = .false.'
209            CALL ctl_stop( ctmp1 )
210         END IF
211      END IF
212
213      SELECT CASE (nn_bfr)
214      !
215      CASE( 0 )
216         IF(lwp) WRITE(numout,*) '      free-slip '
217         bfrua(:,:) = 0.e0
218         bfrva(:,:) = 0.e0
219         !
220      CASE( 1 )
221         IF(lwp) WRITE(numout,*) '      linear botton friction'
222         IF(lwp) WRITE(numout,*) '      friction coef.   rn_bfri1  = ', rn_bfri1
223         IF( ln_bfr2d ) THEN
224            IF(lwp) WRITE(numout,*) '      read coef. enhancement distribution from file   ln_bfr2d  = ', ln_bfr2d
225            IF(lwp) WRITE(numout,*) '      coef rn_bfri2 enhancement factor                rn_bfrien  = ',rn_bfrien
226         ENDIF
227         !
228         bfrcoef2d(:,:) = rn_bfri1  ! initialize bfrcoef2d to the namelist variable
229         !
230         IF(ln_bfr2d) THEN
231            ! bfr_coef is a coefficient in [0,1] giving the mask where to apply the bfr enhancement
232            CALL iom_open('bfr_coef.nc',inum)
233            CALL iom_get (inum, jpdom_data, 'bfr_coef',bfrcoef2d,1) ! bfrcoef2d is used as tmp array
234            CALL iom_close(inum)
235            bfrcoef2d(:,:) = rn_bfri1 * ( 1 + rn_bfrien * bfrcoef2d(:,:) )
236         ENDIF
237         bfrua(:,:) = - bfrcoef2d(:,:)
238         bfrva(:,:) = - bfrcoef2d(:,:)
239         !
240      CASE( 2 )
241         IF(lwp) WRITE(numout,*) '      quadratic botton friction'
242         IF(lwp) WRITE(numout,*) '      friction coef.   rn_bfri2  = ', rn_bfri2
243         IF(lwp) WRITE(numout,*) '      background tke   rn_bfeb2  = ', rn_bfeb2
244         IF( ln_bfr2d ) THEN
245            IF(lwp) WRITE(numout,*) '      read coef. enhancement distribution from file   ln_bfr2d  = ', ln_bfr2d
246            IF(lwp) WRITE(numout,*) '      coef rn_bfri2 enhancement factor                rn_bfrien  = ',rn_bfrien
247         ENDIF
248         bfrcoef2d(:,:) = rn_bfri2  ! initialize bfrcoef2d to the namelist variable
249
250         !
251         IF(ln_bfr2d) THEN
252            ! bfr_coef is a coefficient in [0,1] giving the mask where to apply the bfr enhancement
253            CALL iom_open('bfr_coef.nc',inum)
254            CALL iom_get (inum, jpdom_data, 'bfr_coef',bfrcoef2d,1) ! bfrcoef2d is used as tmp array
255            CALL iom_close(inum)
256            bfrcoef2d(:,:)= rn_bfri2 * ( 1 + rn_bfrien * bfrcoef2d(:,:) )
257         ENDIF
258         !
259      CASE DEFAULT
260         IF(lwp) WRITE(ctmp1,*) '         bad flag value for nn_bfr = ', nn_bfr
261         CALL ctl_stop( ctmp1 )
262         !
263      END SELECT
264
265      IF( nn_bfr /= 2 .AND. ln_loglayer ) THEN
266         IF(lwp) THEN
267            WRITE(numout,*)
268            WRITE(numout,*) 'Loglayer can only be by applied for quadratic bottom friction' 
269            WRITE(numout,*) 'but you have set: nn_bfr /= 2 and ln_loglayer=.true.!!!!'
270            WRITE(ctmp1,*)  'check nn_bfr and ln_loglayer (should be 2 and true)'
271            CALL ctl_stop( ctmp1 )
272         END IF
273      END IF
274
275
276
277      IF(lwp) WRITE(numout,*) '      implicit bottom friction switch                ln_bfrimp  = ', ln_bfrimp
278      !
279      ! Basic stability check on bottom friction coefficient
280      !
281      ictu = 0               ! counter for stability criterion breaches at U-pts
282      ictv = 0               ! counter for stability criterion breaches at V-pts
283      zminbfr =  1.e10_wp    ! initialise tracker for minimum of bottom friction coefficient
284      zmaxbfr = -1.e10_wp    ! initialise tracker for maximum of bottom friction coefficient
285      !
286#  if defined key_vectopt_loop
287      DO jj = 1, 1
288!CDIR NOVERRCHK
289         DO ji = jpi+2, jpij-jpi-1   ! vector opt. (forced unrolling)
290#  else
291!CDIR NOVERRCHK
292      DO jj = 2, jpjm1
293!CDIR NOVERRCHK
294         DO ji = 2, jpim1
295#  endif
296             ikbu = mbku(ji,jj)       ! deepest ocean level at u- and v-points
297             ikbv = mbkv(ji,jj)
298             zfru = 0.5 * fse3u(ji,jj,ikbu) / rdt
299             zfrv = 0.5 * fse3v(ji,jj,ikbv) / rdt
300             IF( ABS( bfrcoef2d(ji,jj) ) > zfru ) THEN
301                IF( ln_ctl ) THEN
302                   WRITE(numout,*) 'BFR ', narea, nimpp+ji, njmpp+jj, ikbu
303                   WRITE(numout,*) 'BFR ', ABS( bfrcoef2d(ji,jj) ), zfru
304                ENDIF
305                ictu = ictu + 1
306             ENDIF
307             IF( ABS( bfrcoef2d(ji,jj) ) > zfrv ) THEN
308                 IF( ln_ctl ) THEN
309                     WRITE(numout,*) 'BFR ', narea, nimpp+ji, njmpp+jj, ikbv
310                     WRITE(numout,*) 'BFR ', bfrcoef2d(ji,jj), zfrv
311                 ENDIF
312                 ictv = ictv + 1
313             ENDIF
314             zminbfr = MIN(  zminbfr, MIN( zfru, ABS( bfrcoef2d(ji,jj) ) )  )
315             zmaxbfr = MAX(  zmaxbfr, MIN( zfrv, ABS( bfrcoef2d(ji,jj) ) )  )
316         END DO
317      END DO
318      IF( lk_mpp ) THEN
319         CALL mpp_sum( ictu )
320         CALL mpp_sum( ictv )
321         CALL mpp_min( zminbfr )
322         CALL mpp_max( zmaxbfr )
323      ENDIF
324      IF( .NOT.ln_bfrimp) THEN
325      IF( lwp .AND. ictu + ictv > 0 ) THEN
326         WRITE(numout,*) ' Bottom friction stability check failed at ', ictu, ' U-points '
327         WRITE(numout,*) ' Bottom friction stability check failed at ', ictv, ' V-points '
328         WRITE(numout,*) ' Bottom friction coefficient now ranges from: ', zminbfr, ' to ', zmaxbfr
329         WRITE(numout,*) ' Bottom friction coefficient will be reduced where necessary'
330      ENDIF
331      ENDIF
332      !
333      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_stop('zdf_bfr_init')
334      !
335   END SUBROUTINE zdf_bfr_init
336
337   !!======================================================================
338END MODULE zdfbfr
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.