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.
limthd_dh.F90 in branches/2014/dev_r4650_UKMO2_ice_shelves/NEMOGCM/NEMO/LIM_SRC_3 – NEMO

source: branches/2014/dev_r4650_UKMO2_ice_shelves/NEMOGCM/NEMO/LIM_SRC_3/limthd_dh.F90 @ 5449

Last change on this file since 5449 was 4924, checked in by mathiot, 10 years ago

UKM02_ice_shelves merged and SETTE tested with revision 4879 of trunk

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 36.5 KB
RevLine 
[825]1MODULE limthd_dh
[1572]2   !!======================================================================
3   !!                       ***  MODULE limthd_dh ***
4   !!  LIM-3 :   thermodynamic growth and decay of the ice
5   !!======================================================================
6   !! History :  LIM  ! 2003-05 (M. Vancoppenolle) Original code in 1D
7   !!                 ! 2005-06 (M. Vancoppenolle) 3D version
[4924]8   !!            3.2  ! 2009-07 (M. Vancoppenolle, Y. Aksenov, G. Madec) bug correction in wfx_snw & wfx_ice
[3625]9   !!            3.4  ! 2011-02 (G. Madec) dynamical allocation
10   !!            3.5  ! 2012-10 (G. Madec & co) salt flux + bug fixes
[1572]11   !!----------------------------------------------------------------------
[825]12#if defined key_lim3
[834]13   !!----------------------------------------------------------------------
14   !!   'key_lim3'                                      LIM3 sea-ice model
15   !!----------------------------------------------------------------------
[3625]16   !!   lim_thd_dh    : vertical accr./abl. and lateral ablation of sea ice
[825]17   !!----------------------------------------------------------------------
[3625]18   USE par_oce        ! ocean parameters
19   USE phycst         ! physical constants (OCE directory)
20   USE sbc_oce        ! Surface boundary condition: ocean fields
21   USE ice            ! LIM variables
22   USE par_ice        ! LIM parameters
23   USE thd_ice        ! LIM thermodynamics
24   USE in_out_manager ! I/O manager
25   USE lib_mpp        ! MPP library
26   USE wrk_nemo       ! work arrays
27   USE lib_fortran    ! Fortran utilities (allows no signed zero when 'key_nosignedzero' defined) 
[4924]28   USE cpl_oasis3, ONLY : lk_cpl
29   
[825]30   IMPLICIT NONE
31   PRIVATE
32
[1572]33   PUBLIC   lim_thd_dh   ! called by lim_thd
[825]34
[4333]35   REAL(wp) ::   epsi20 = 1.e-20   ! constant values
36   REAL(wp) ::   epsi10 = 1.e-10   !
[825]37
38   !!----------------------------------------------------------------------
[4161]39   !! NEMO/LIM3 4.0 , UCL - NEMO Consortium (2010)
[1156]40   !! $Id$
[2715]41   !! Software governed by the CeCILL licence     (NEMOGCM/NEMO_CeCILL.txt)
[825]42   !!----------------------------------------------------------------------
43CONTAINS
44
[4924]45   SUBROUTINE lim_thd_dh( kideb, kiut )
[921]46      !!------------------------------------------------------------------
47      !!                ***  ROUTINE lim_thd_dh  ***
48      !!
[1572]49      !! ** Purpose :   determines variations of ice and snow thicknesses.
[921]50      !!
[1572]51      !! ** Method  :   Ice/Snow surface melting arises from imbalance in surface fluxes
52      !!              Bottom accretion/ablation arises from flux budget
53      !!              Snow thickness can increase by precipitation and decrease by sublimation
54      !!              If snow load excesses Archmiede limit, snow-ice is formed by
55      !!              the flooding of sea-water in the snow
[921]56      !!
[1572]57      !!                 1) Compute available flux of heat for surface ablation
58      !!                 2) Compute snow and sea ice enthalpies
59      !!                 3) Surface ablation and sublimation
60      !!                 4) Bottom accretion/ablation
61      !!                 5) Case of Total ablation
62      !!                 6) Snow ice formation
[921]63      !!
[1572]64      !! References : Bitz and Lipscomb, 1999, J. Geophys. Res.
65      !!              Fichefet T. and M. Maqueda 1997, J. Geophys. Res., 102(C6), 12609-12646   
66      !!              Vancoppenolle, Fichefet and Bitz, 2005, Geophys. Res. Let.
67      !!              Vancoppenolle et al.,2009, Ocean Modelling
[921]68      !!------------------------------------------------------------------
[1572]69      INTEGER , INTENT(in) ::   kideb, kiut   ! Start/End point on which the  the computation is applied
70      !!
71      INTEGER  ::   ji , jk        ! dummy loop indices
[4161]72      INTEGER  ::   ii, ij         ! 2D corresponding indices to ji
[1572]73      INTEGER  ::   iter
[825]74
[4924]75      REAL(wp) ::   ztmelts             ! local scalar
76      REAL(wp) ::   zdh, zfdum  !
[1572]77      REAL(wp) ::   zfracs       ! fractionation coefficient for bottom salt entrapment
78      REAL(wp) ::   zcoeff       ! dummy argument for snowfall partitioning over ice and leads
[4924]79      REAL(wp) ::   zs_snic  ! snow-ice salinity
[1572]80      REAL(wp) ::   zswi1        ! switch for computation of bottom salinity
81      REAL(wp) ::   zswi12       ! switch for computation of bottom salinity
82      REAL(wp) ::   zswi2        ! switch for computation of bottom salinity
83      REAL(wp) ::   zgrr         ! bottom growth rate
[4924]84      REAL(wp) ::   zt_i_new     ! bottom formation temperature
85
86      REAL(wp) ::   zQm          ! enthalpy exchanged with the ocean (J/m2), >0 towards the ocean
87      REAL(wp) ::   zEi          ! specific enthalpy of sea ice (J/kg)
88      REAL(wp) ::   zEw          ! specific enthalpy of exchanged water (J/kg)
89      REAL(wp) ::   zdE          ! specific enthalpy difference (J/kg)
90      REAL(wp) ::   zfmdt        ! exchange mass flux x time step (J/m2), >0 towards the ocean
91      REAL(wp) ::   zsstK        ! SST in Kelvin
92
[3294]93      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:) ::   zh_s        ! snow layer thickness
[4924]94      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:) ::   zqprec      ! energy of fallen snow                       (J.m-3)
95      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:) ::   zq_su       ! heat for surface ablation                   (J.m-2)
96      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:) ::   zq_bo       ! heat for bottom ablation                    (J.m-2)
97      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:) ::   zq_1cat     ! corrected heat in case 1-cat and hmelt>15cm (J.m-2)
98      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:) ::   zq_rema     ! remaining heat at the end of the routine    (J.m-2)
99      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:) ::   zf_tt     ! Heat budget to determine melting or freezing(W.m-2)
100      INTEGER , POINTER, DIMENSION(:) ::   icount      ! number of layers vanished by melting
[3294]101
[3625]102      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:) ::   zdh_s_mel   ! snow melt
103      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:) ::   zdh_s_pre   ! snow precipitation
104      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:) ::   zdh_s_sub   ! snow sublimation
[3294]105
106      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:) ::   zdeltah
[4924]107      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:) ::   zh_i      ! ice layer thickness
[3294]108
[4924]109      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:) ::   zqh_i       ! total ice heat content  (J.m-2)
110      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:) ::   zqh_s       ! total snow heat content (J.m-2)
111      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:) ::   zq_s        ! total snow enthalpy     (J.m-3)
[3294]112
[4161]113      ! mass and salt flux (clem)
[4924]114      REAL(wp) :: zdvres, zswitch_sal, zswitch
[4161]115
[3294]116      ! Heat conservation
[4924]117      INTEGER  ::   num_iter_max
118      REAL(wp) ::   zinda, zindq, zindh 
119      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:) ::   zintermelt   ! debug
120
[1572]121      !!------------------------------------------------------------------
[825]122
[4924]123      ! Discriminate between varying salinity (num_sal=2) and prescribed cases (other values)
124      SELECT CASE( num_sal )                       ! varying salinity or not
125         CASE( 1, 3, 4 ) ;   zswitch_sal = 0       ! prescribed salinity profile
126         CASE( 2 )       ;   zswitch_sal = 1       ! varying salinity profile
127      END SELECT
[825]128
[4924]129      CALL wrk_alloc( jpij, zh_s, zqprec, zq_su, zq_bo, zf_tt, zq_1cat, zq_rema )
130      CALL wrk_alloc( jpij, zdh_s_mel, zdh_s_pre, zdh_s_sub, zqh_i, zqh_s, zq_s )
131      CALL wrk_alloc( jpij, zintermelt )
132      CALL wrk_alloc( jpij, nlay_i+1, zdeltah, zh_i )
133      CALL wrk_alloc( jpij, icount )
[4161]134     
[4924]135      dh_i_surf  (:) = 0._wp ; dh_i_bott  (:) = 0._wp ; dh_snowice(:) = 0._wp
136      dsm_i_se_1d(:) = 0._wp ; dsm_i_si_1d(:) = 0._wp   
137 
138      zqprec (:) = 0._wp ; zq_su  (:) = 0._wp ; zq_bo  (:) = 0._wp ; zf_tt  (:) = 0._wp
139      zq_1cat(:) = 0._wp ; zq_rema(:) = 0._wp
[2715]140
[4924]141      zh_s     (:) = 0._wp       
142      zdh_s_pre(:) = 0._wp
143      zdh_s_mel(:) = 0._wp
144      zdh_s_sub(:) = 0._wp
145      zqh_s    (:) = 0._wp     
146      zqh_i    (:) = 0._wp   
[4161]147
[4924]148      zh_i      (:,:) = 0._wp       
149      zdeltah   (:,:) = 0._wp       
150      zintermelt(:)   = 0._wp
151      icount    (:)   = 0
152
153      ! initialize layer thicknesses and enthalpies
154      h_i_old (:,0:nlay_i+1) = 0._wp
155      qh_i_old(:,0:nlay_i+1) = 0._wp
156      DO jk = 1, nlay_i
157         DO ji = kideb, kiut
158            h_i_old (ji,jk) = ht_i_1d(ji) / REAL( nlay_i )
159            qh_i_old(ji,jk) = q_i_1d(ji,jk) * h_i_old(ji,jk)
160         ENDDO
161      ENDDO
[921]162      !
163      !------------------------------------------------------------------------------!
[4924]164      !  1) Calculate available heat for surface and bottom ablation                 !
[921]165      !------------------------------------------------------------------------------!
166      !
[2715]167      DO ji = kideb, kiut
[4924]168         zinda         = 1._wp - MAX(  0._wp , SIGN( 1._wp , - ht_s_1d(ji) ) )
169         ztmelts       = zinda * rtt + ( 1._wp - zinda ) * rtt
[825]170
[4924]171         zfdum     = qns_ice_1d(ji) + ( 1._wp - i0(ji) ) * qsr_ice_1d(ji) - fc_su(ji) 
172         zf_tt(ji) = fc_bo_i(ji) + fhtur_1d(ji) + fhld_1d(ji) 
173
174         zq_su (ji) = MAX( 0._wp, zfdum     * rdt_ice ) * MAX( 0._wp , SIGN( 1._wp, t_su_1d(ji) - ztmelts ) )
175         zq_bo (ji) = MAX( 0._wp, zf_tt(ji) * rdt_ice )
176      END DO
177
[921]178      !
179      !------------------------------------------------------------------------------!
[4924]180      ! If snow temperature is above freezing point, then snow melts
181      ! (should not happen but sometimes it does)
[921]182      !------------------------------------------------------------------------------!
[4924]183      DO ji = kideb, kiut
184         IF( t_s_1d(ji,1) > rtt ) THEN !!! Internal melting
185            ! Contribution to heat flux to the ocean [W.m-2], < 0 
186            hfx_res_1d(ji) = hfx_res_1d(ji) + q_s_1d(ji,1) * ht_s_1d(ji) * a_i_1d(ji) * r1_rdtice
187            ! Contribution to mass flux
188            wfx_snw_1d(ji) = wfx_snw_1d(ji) + rhosn * ht_s_1d(ji) * a_i_1d(ji) * r1_rdtice
189            ! updates
190            ht_s_1d(ji)   = 0._wp
191            q_s_1d (ji,1) = 0._wp
192            t_s_1d (ji,1) = rtt
193         END IF
194      END DO
195
196      !------------------------------------------------------------!
197      !  2) Computing layer thicknesses and enthalpies.            !
198      !------------------------------------------------------------!
[921]199      !
[4924]200      DO ji = kideb, kiut     
201         zh_s(ji) = ht_s_1d(ji) / REAL( nlay_s )
[825]202      END DO
[2715]203      !
[825]204      DO jk = 1, nlay_s
[2715]205         DO ji = kideb, kiut
[4924]206            zqh_s(ji) =  zqh_s(ji) + q_s_1d(ji,jk) * zh_s(ji)
[825]207         END DO
208      END DO
[2715]209      !
[825]210      DO jk = 1, nlay_i
[2715]211         DO ji = kideb, kiut
[4924]212            zh_i(ji,jk) = ht_i_1d(ji) / REAL( nlay_i )
213            zqh_i(ji)   = zqh_i(ji) + q_i_1d(ji,jk) * zh_i(ji,jk)
[825]214         END DO
215      END DO
[921]216      !
217      !------------------------------------------------------------------------------|
218      !  3) Surface ablation and sublimation                                         |
219      !------------------------------------------------------------------------------|
220      !
[834]221      !-------------------------
222      ! 3.1 Snow precips / melt
223      !-------------------------
[825]224      ! Snow accumulation in one thermodynamic time step
225      ! snowfall is partitionned between leads and ice
226      ! if snow fall was uniform, a fraction (1-at_i) would fall into leads
227      ! but because of the winds, more snow falls on leads than on sea ice
228      ! and a greater fraction (1-at_i)^beta of the total mass of snow
[834]229      ! (beta < 1) falls in leads.
[825]230      ! In reality, beta depends on wind speed,
231      ! and should decrease with increasing wind speed but here, it is
[834]232      ! considered as a constant. an average value is 0.66
[825]233      ! Martin Vancoppenolle, December 2006
234
235      DO ji = kideb, kiut
[4924]236         !-----------
237         ! Snow fall
238         !-----------
239         ! thickness change
240         zcoeff = ( 1._wp - ( 1._wp - at_i_1d(ji) )**betas ) / at_i_1d(ji) 
[825]241         zdh_s_pre(ji) = zcoeff * sprecip_1d(ji) * rdt_ice / rhosn
[4924]242         ! enthalpy of the precip (>0, J.m-3) (tatm_ice is now in K)
243         zqprec   (ji) = rhosn * ( cpic * ( rtt - MIN( tatm_ice_1d(ji), rt0_snow) ) + lfus )   
244         IF( sprecip_1d(ji) == 0._wp ) zqprec(ji) = 0._wp
245         ! heat flux from snow precip (>0, W.m-2)
246         hfx_spr_1d(ji) = hfx_spr_1d(ji) + zdh_s_pre(ji) * a_i_1d(ji) * zqprec(ji) * r1_rdtice
247         ! mass flux, <0
248         wfx_spr_1d(ji) = wfx_spr_1d(ji) - rhosn * a_i_1d(ji) * zdh_s_pre(ji) * r1_rdtice
249         ! update thickness
250         ht_s_1d    (ji) = MAX( 0._wp , ht_s_1d(ji) + zdh_s_pre(ji) )
[825]251
[4924]252         !---------------------
253         ! Melt of falling snow
254         !---------------------
255         ! thickness change
256         IF( zdh_s_pre(ji) > 0._wp ) THEN
257         zindq          = 1._wp - MAX( 0._wp , SIGN( 1._wp , - zqprec(ji) + epsi20 ) )
258         zdh_s_mel (ji) = - zindq * zq_su(ji) / MAX( zqprec(ji) , epsi20 )
259         zdh_s_mel (ji) = MAX( - zdh_s_pre(ji), zdh_s_mel(ji) ) ! bound melting
260         ! heat used to melt snow (W.m-2, >0)
261         hfx_snw_1d(ji) = hfx_snw_1d(ji) - zdh_s_mel(ji) * a_i_1d(ji) * zqprec(ji) * r1_rdtice
262         ! snow melting only = water into the ocean (then without snow precip), >0
263         wfx_snw_1d(ji) = wfx_snw_1d(ji) - rhosn * a_i_1d(ji) * zdh_s_mel(ji) * r1_rdtice
264         
265         ! updates available heat + thickness
266         zq_su (ji) = MAX( 0._wp , zq_su (ji) + zdh_s_mel(ji) * zqprec(ji) )     
267         ht_s_1d(ji) = MAX( 0._wp , ht_s_1d(ji) + zdh_s_mel(ji) )
268         zh_s  (ji) = ht_s_1d(ji) / REAL( nlay_s )
269
270         ENDIF
[825]271      END DO
272
[4924]273      ! If heat still available, then melt more snow
274      zdeltah(:,:) = 0._wp ! important
[825]275      DO jk = 1, nlay_s
276         DO ji = kideb, kiut
[4924]277            ! thickness change
278            zindh            = 1._wp - MAX( 0._wp, SIGN( 1._wp, - ht_s_1d(ji) ) ) 
279            zindq            = 1._wp - MAX( 0._wp, SIGN( 1._wp, - q_s_1d(ji,jk) + epsi20 ) ) 
280            zdeltah  (ji,jk) = - zindh * zindq * zq_su(ji) / MAX( q_s_1d(ji,jk), epsi20 )
281            zdeltah  (ji,jk) = MAX( zdeltah(ji,jk) , - zh_s(ji) ) ! bound melting
282            zdh_s_mel(ji)    = zdh_s_mel(ji) + zdeltah(ji,jk)   
283            ! heat used to melt snow(W.m-2, >0)
284            hfx_snw_1d(ji)   = hfx_snw_1d(ji) - zdeltah(ji,jk) * a_i_1d(ji) * q_s_1d(ji,jk) * r1_rdtice 
285            ! snow melting only = water into the ocean (then without snow precip)
286            wfx_snw_1d(ji)   = wfx_snw_1d(ji) - rhosn * a_i_1d(ji) * zdeltah(ji,jk) * r1_rdtice
[825]287
[4924]288            ! updates available heat + thickness
289            zq_su (ji) = MAX( 0._wp , zq_su (ji) + zdeltah(ji,jk) * q_s_1d(ji,jk) )
290            ht_s_1d(ji) = MAX( 0._wp , ht_s_1d(ji) + zdeltah(ji,jk) )
[825]291
[1572]292         END DO
293      END DO
[825]294
[4924]295      !----------------------
296      ! 3.2 Snow sublimation
297      !----------------------
298      ! qla_ice is always >=0 (upwards), heat goes to the atmosphere, therefore snow sublimates
299      ! clem comment: not counted in mass exchange in limsbc since this is an exchange with atm. (not ocean)
300      ! clem comment: ice should also sublimate
301      IF( lk_cpl ) THEN
302         ! coupled mode: sublimation already included in emp_ice (to do in limsbc_ice)
303         zdh_s_sub(:)      =  0._wp 
304      ELSE
305         ! forced  mode: snow thickness change due to sublimation
[921]306         DO ji = kideb, kiut
[4924]307            zdh_s_sub(ji)  =  MAX( - ht_s_1d(ji) , - parsub * qla_ice_1d(ji) / ( rhosn * lsub ) * rdt_ice )
308            ! Heat flux by sublimation [W.m-2], < 0
309            !      sublimate first snow that had fallen, then pre-existing snow
310            zcoeff         =      ( MAX( zdh_s_sub(ji), - MAX( 0._wp, zdh_s_pre(ji) + zdh_s_mel(ji) ) )   * zqprec(ji) +   &
311               &  ( zdh_s_sub(ji) - MAX( zdh_s_sub(ji), - MAX( 0._wp, zdh_s_pre(ji) + zdh_s_mel(ji) ) ) ) * q_s_1d(ji,1) )  &
312               &  * a_i_1d(ji) * r1_rdtice
313            hfx_sub_1d(ji) = hfx_sub_1d(ji) + zcoeff
314            ! Mass flux by sublimation
315            wfx_sub_1d(ji) =  wfx_sub_1d(ji) - rhosn * a_i_1d(ji) * zdh_s_sub(ji) * r1_rdtice
316            ! new snow thickness
317            ht_s_1d(ji)     =  MAX( 0._wp , ht_s_1d(ji) + zdh_s_sub(ji) )
[1572]318         END DO
319      ENDIF
[825]320
[4924]321      ! --- Update snow diags --- !
[825]322      DO ji = kideb, kiut
[4924]323         dh_s_tot(ji)   = zdh_s_mel(ji) + zdh_s_pre(ji) + zdh_s_sub(ji)
324         zh_s(ji)       = ht_s_1d(ji) / REAL( nlay_s )
325      END DO ! ji
[825]326
[4924]327      !-------------------------------------------
328      ! 3.3 Update temperature, energy
329      !-------------------------------------------
330      ! new temp and enthalpy of the snow (remaining snow precip + remaining pre-existing snow)
331      zq_s(:) = 0._wp 
[825]332      DO jk = 1, nlay_s
333         DO ji = kideb,kiut
[4924]334            zindh  =  MAX(  0._wp , SIGN( 1._wp, - ht_s_1d(ji) + epsi20 )  )
335            q_s_1d(ji,jk) = ( 1._wp - zindh ) / MAX( ht_s_1d(ji), epsi20 ) *             &
336              &            ( (   MAX( 0._wp, dh_s_tot(ji) )              ) * zqprec(ji) +  &
337              &              ( - MAX( 0._wp, dh_s_tot(ji) ) + ht_s_1d(ji) ) * rhosn * ( cpic * ( rtt - t_s_1d(ji,jk) ) + lfus ) )
338            zq_s(ji)     =  zq_s(ji) + q_s_1d(ji,jk)
[825]339         END DO
340      END DO
341
[4924]342      !--------------------------
343      ! 3.4 Surface ice ablation
344      !--------------------------
345      zdeltah(:,:) = 0._wp ! important
346      DO jk = 1, nlay_i
347         DO ji = kideb, kiut 
348            zEi            = - q_i_1d(ji,jk) / rhoic                ! Specific enthalpy of layer k [J/kg, <0]
349
350            ztmelts        = - tmut * s_i_1d(ji,jk) + rtt           ! Melting point of layer k [K]
351
352            zEw            =    rcp * ( ztmelts - rt0 )            ! Specific enthalpy of resulting meltwater [J/kg, <0]
353
354            zdE            =    zEi - zEw                          ! Specific enthalpy difference < 0
355
356            zfmdt          = - zq_su(ji) / zdE                     ! Mass flux to the ocean [kg/m2, >0]
357
358            zdeltah(ji,jk) = - zfmdt / rhoic                       ! Melt of layer jk [m, <0]
359
360            zdeltah(ji,jk) = MIN( 0._wp , MAX( zdeltah(ji,jk) , - zh_i(ji,jk) ) )    ! Melt of layer jk cannot exceed the layer thickness [m, <0]
361
362            zq_su(ji)      = MAX( 0._wp , zq_su(ji) - zdeltah(ji,jk) * rhoic * zdE ) ! update available heat
363
364            dh_i_surf(ji)  = dh_i_surf(ji) + zdeltah(ji,jk)        ! Cumulate surface melt
365
366            zfmdt          = - rhoic * zdeltah(ji,jk)              ! Recompute mass flux [kg/m2, >0]
367
368            zQm            = zfmdt * zEw                           ! Energy of the melt water sent to the ocean [J/m2, <0]
369
370            ! Contribution to salt flux (clem: using sm_i_1d and not s_i_1d(jk) is ok)
371            sfx_sum_1d(ji)   = sfx_sum_1d(ji) - sm_i_1d(ji) * a_i_1d(ji) * zdeltah(ji,jk) * rhoic * r1_rdtice
372
373            ! Contribution to heat flux [W.m-2], < 0
374            hfx_thd_1d(ji) = hfx_thd_1d(ji) + zfmdt * a_i_1d(ji) * zEw * r1_rdtice
375
376            ! Total heat flux used in this process [W.m-2], > 0 
377            hfx_sum_1d(ji) = hfx_sum_1d(ji) - zfmdt * a_i_1d(ji) * zdE * r1_rdtice
378
379            ! Contribution to mass flux
380            wfx_sum_1d(ji) =  wfx_sum_1d(ji) - rhoic * a_i_1d(ji) * zdeltah(ji,jk) * r1_rdtice
381           
382            ! record which layers have disappeared (for bottom melting)
383            !    => icount=0 : no layer has vanished
384            !    => icount=5 : 5 layers have vanished
385            zindh       = NINT( MAX( 0._wp , SIGN( 1._wp , - ( zh_i(ji,jk) + zdeltah(ji,jk) ) ) ) ) 
386            icount(ji)  = icount(ji) + zindh
387            zh_i(ji,jk) = MAX( 0._wp , zh_i(ji,jk) + zdeltah(ji,jk) )
388
389            ! update heat content (J.m-2) and layer thickness
390            qh_i_old(ji,jk) = qh_i_old(ji,jk) + zdeltah(ji,jk) * q_i_1d(ji,jk)
391            h_i_old (ji,jk) = h_i_old (ji,jk) + zdeltah(ji,jk)
[825]392         END DO
[921]393      END DO
[4924]394      ! update ice thickness
395      DO ji = kideb, kiut
396         ht_i_1d(ji) =  MAX( 0._wp , ht_i_1d(ji) + dh_i_surf(ji) )
397      END DO
[825]398
[921]399      !
400      !------------------------------------------------------------------------------!
401      ! 4) Basal growth / melt                                                       !
402      !------------------------------------------------------------------------------!
403      !
[4924]404      !------------------
405      ! 4.1 Basal growth
406      !------------------
407      ! Basal growth is driven by heat imbalance at the ice-ocean interface,
408      ! between the inner conductive flux  (fc_bo_i), from the open water heat flux
409      ! (fhld) and the turbulent ocean flux (fhtur).
410      ! fc_bo_i is positive downwards. fhtur and fhld are positive to the ice
[825]411
[4924]412      ! If salinity varies in time, an iterative procedure is required, because
413      ! the involved quantities are inter-dependent.
414      ! Basal growth (dh_i_bott) depends upon new ice specific enthalpy (zEi),
415      ! which depends on forming ice salinity (s_i_new), which depends on dh/dt (dh_i_bott)
416      ! -> need for an iterative procedure, which converges quickly
417
418      IF ( num_sal == 2 ) THEN
419         num_iter_max = 5
420      ELSE
421         num_iter_max = 1
[1572]422      ENDIF
[825]423
[4924]424      !clem debug. Just to be sure that enthalpy at nlay_i+1 is null
425      DO ji = kideb, kiut
426         q_i_1d(ji,nlay_i+1) = 0._wp
427      END DO
[825]428
[4924]429      ! Iterative procedure
430      DO iter = 1, num_iter_max
431         DO ji = kideb, kiut
432            IF(  zf_tt(ji) < 0._wp  ) THEN
[825]433
[4924]434               ! New bottom ice salinity (Cox & Weeks, JGR88 )
435               !--- zswi1  if dh/dt < 2.0e-8
436               !--- zswi12 if 2.0e-8 < dh/dt < 3.6e-7
437               !--- zswi2  if dh/dt > 3.6e-7
438               zgrr               = MIN( 1.0e-3, MAX ( dh_i_bott(ji) * r1_rdtice , epsi10 ) )
439               zswi2              = MAX( 0._wp , SIGN( 1._wp , zgrr - 3.6e-7 ) )
440               zswi12             = MAX( 0._wp , SIGN( 1._wp , zgrr - 2.0e-8 ) ) * ( 1.0 - zswi2 )
441               zswi1              = 1. - zswi2 * zswi12
442               zfracs             = MIN ( zswi1  * 0.12 + zswi12 * ( 0.8925 + 0.0568 * LOG( 100.0 * zgrr ) )   &
443                  &               + zswi2  * 0.26 / ( 0.26 + 0.74 * EXP ( - 724300.0 * zgrr ) )  , 0.5 )
[825]444
[4924]445               ii = MOD( npb(ji) - 1, jpi ) + 1 ; ij = ( npb(ji) - 1 ) / jpi + 1
[825]446
[4924]447               s_i_new(ji)        = zswitch_sal * zfracs * sss_m(ii,ij)  &  ! New ice salinity
448                                  + ( 1. - zswitch_sal ) * sm_i_1d(ji) 
449               ! New ice growth
450               ztmelts            = - tmut * s_i_new(ji) + rtt          ! New ice melting point (K)
[825]451
[4924]452               zt_i_new           = zswitch_sal * t_bo_1d(ji) + ( 1. - zswitch_sal) * t_i_1d(ji, nlay_i)
453               
454               zEi                = cpic * ( zt_i_new - ztmelts ) &     ! Specific enthalpy of forming ice (J/kg, <0)     
455                  &               - lfus * ( 1.0 - ( ztmelts - rtt ) / ( zt_i_new - rtt ) )   &
456                  &               + rcp  * ( ztmelts-rtt )         
457
458               zEw                = rcp  * ( t_bo_1d(ji) - rt0 )         ! Specific enthalpy of seawater (J/kg, < 0)
459
460               zdE                = zEi - zEw                           ! Specific enthalpy difference (J/kg, <0)
461
462               dh_i_bott(ji)      = rdt_ice * MAX( 0._wp , zf_tt(ji) / ( zdE * rhoic ) )
463
464               q_i_1d(ji,nlay_i+1) = -zEi * rhoic                        ! New ice energy of melting (J/m3, >0)
465               
466            ENDIF ! fc_bo_i
467         END DO ! ji
468      END DO ! iter
469
470      ! Contribution to Energy and Salt Fluxes
[825]471      DO ji = kideb, kiut
[4924]472         IF(  zf_tt(ji) < 0._wp  ) THEN
473            ! New ice growth
474                                   
475            zfmdt          = - rhoic * dh_i_bott(ji)             ! Mass flux x time step (kg/m2, < 0)
476
477            ztmelts        = - tmut * s_i_new(ji) + rtt          ! New ice melting point (K)
478           
479            zt_i_new       = zswitch_sal * t_bo_1d(ji) + ( 1. - zswitch_sal) * t_i_1d(ji, nlay_i)
480           
481            zEi            = cpic * ( zt_i_new - ztmelts ) &     ! Specific enthalpy of forming ice (J/kg, <0)     
482               &               - lfus * ( 1.0 - ( ztmelts - rtt ) / ( zt_i_new - rtt ) )   &
483               &               + rcp  * ( ztmelts-rtt )         
484           
485            zEw            = rcp  * ( t_bo_1d(ji) - rt0 )         ! Specific enthalpy of seawater (J/kg, < 0)
486           
487            zdE            = zEi - zEw                           ! Specific enthalpy difference (J/kg, <0)
488           
489            ! Contribution to heat flux to the ocean [W.m-2], >0 
490            hfx_thd_1d(ji) = hfx_thd_1d(ji) + zfmdt * a_i_1d(ji) * zEw * r1_rdtice
491
492            ! Total heat flux used in this process [W.m-2], <0 
493            hfx_bog_1d(ji) = hfx_bog_1d(ji) - zfmdt * a_i_1d(ji) * zdE * r1_rdtice
494           
495            ! Contribution to salt flux, <0
496            sfx_bog_1d(ji) = sfx_bog_1d(ji) + s_i_new(ji) * a_i_1d(ji) * zfmdt * r1_rdtice
497
498            ! Contribution to mass flux, <0
499            wfx_bog_1d(ji) =  wfx_bog_1d(ji) - rhoic * a_i_1d(ji) * dh_i_bott(ji) * r1_rdtice
500
501            ! update heat content (J.m-2) and layer thickness
502            qh_i_old(ji,nlay_i+1) = qh_i_old(ji,nlay_i+1) + dh_i_bott(ji) * q_i_1d(ji,nlay_i+1)
503            h_i_old (ji,nlay_i+1) = h_i_old (ji,nlay_i+1) + dh_i_bott(ji)
[825]504         ENDIF
505      END DO
506
[4924]507      !----------------
508      ! 4.2 Basal melt
509      !----------------
510      zdeltah(:,:) = 0._wp ! important
[825]511      DO jk = nlay_i, 1, -1
512         DO ji = kideb, kiut
[4924]513            IF(  zf_tt(ji)  >=  0._wp  .AND. jk > icount(ji) ) THEN   ! do not calculate where layer has already disappeared from surface melting
[825]514
[4924]515               ztmelts = - tmut * s_i_1d(ji,jk) + rtt  ! Melting point of layer jk (K)
[825]516
[4924]517               IF( t_i_1d(ji,jk) >= ztmelts ) THEN !!! Internal melting
518                  zintermelt(ji)    = 1._wp
[825]519
[4924]520                  zEi               = - q_i_1d(ji,jk) / rhoic        ! Specific enthalpy of melting ice (J/kg, <0)
[825]521
[4924]522                  !!zEw               = rcp * ( t_i_1d(ji,jk) - rtt )  ! Specific enthalpy of meltwater at T = t_i_1d (J/kg, <0)
[4161]523
[4924]524                  zdE               = 0._wp                         ! Specific enthalpy difference   (J/kg, <0)
525                                                                    ! set up at 0 since no energy is needed to melt water...(it is already melted)
[4161]526
[4924]527                  zdeltah   (ji,jk) = MIN( 0._wp , - zh_i(ji,jk) ) ! internal melting occurs when the internal temperature is above freezing     
528                                                                   ! this should normally not happen, but sometimes, heat diffusion leads to this
[825]529
[4924]530                  dh_i_bott (ji)    = dh_i_bott(ji) + zdeltah(ji,jk)
[825]531
[4924]532                  zfmdt             = - zdeltah(ji,jk) * rhoic          ! Mass flux x time step > 0
[825]533
[4924]534                  ! Contribution to heat flux to the ocean [W.m-2], <0 (ice enthalpy zEi is "sent" to the ocean)
535                  hfx_res_1d(ji) = hfx_res_1d(ji) + zfmdt * a_i_1d(ji) * zEi * r1_rdtice
[825]536
[4924]537                  ! Contribution to salt flux (clem: using sm_i_1d and not s_i_1d(jk) is ok)
538                  sfx_res_1d(ji) = sfx_res_1d(ji) - sm_i_1d(ji) * a_i_1d(ji) * zdeltah(ji,jk) * rhoic * r1_rdtice
539                                   
540                  ! Contribution to mass flux
541                  wfx_res_1d(ji) =  wfx_res_1d(ji) - rhoic * a_i_1d(ji) * zdeltah(ji,jk) * r1_rdtice
[825]542
[4924]543                  ! update heat content (J.m-2) and layer thickness
544                  qh_i_old(ji,jk) = qh_i_old(ji,jk) + zdeltah(ji,jk) * q_i_1d(ji,jk)
545                  h_i_old (ji,jk) = h_i_old (ji,jk) + zdeltah(ji,jk)
[825]546
[4924]547               ELSE                               !!! Basal melting
[825]548
[4924]549                  zEi               = - q_i_1d(ji,jk) / rhoic ! Specific enthalpy of melting ice (J/kg, <0)
[825]550
[4924]551                  zEw               = rcp * ( ztmelts - rtt )! Specific enthalpy of meltwater (J/kg, <0)
[825]552
[4924]553                  zdE               = zEi - zEw              ! Specific enthalpy difference   (J/kg, <0)
554
555                  zfmdt             = - zq_bo(ji) / zdE  ! Mass flux x time step (kg/m2, >0)
556
557                  zdeltah(ji,jk)    = - zfmdt / rhoic        ! Gross thickness change
558
559                  zdeltah(ji,jk)    = MIN( 0._wp , MAX( zdeltah(ji,jk), - zh_i(ji,jk) ) ) ! bound thickness change
560                 
561                  zq_bo(ji)         = MAX( 0._wp , zq_bo(ji) - zdeltah(ji,jk) * rhoic * zdE ) ! update available heat. MAX is necessary for roundup errors
562
563                  dh_i_bott(ji)     = dh_i_bott(ji) + zdeltah(ji,jk)    ! Update basal melt
564
565                  zfmdt             = - zdeltah(ji,jk) * rhoic          ! Mass flux x time step > 0
566
567                  zQm               = zfmdt * zEw         ! Heat exchanged with ocean
568
569                  ! Contribution to heat flux to the ocean [W.m-2], <0 
570                  hfx_thd_1d(ji) = hfx_thd_1d(ji) + zfmdt * a_i_1d(ji) * zEw * r1_rdtice
571
572                  ! Contribution to salt flux (clem: using sm_i_1d and not s_i_1d(jk) is ok)
573                  sfx_bom_1d(ji) = sfx_bom_1d(ji) - sm_i_1d(ji) * a_i_1d(ji) * zdeltah(ji,jk) * rhoic * r1_rdtice
574                 
575                  ! Total heat flux used in this process [W.m-2], >0 
576                  hfx_bom_1d(ji) = hfx_bom_1d(ji) - zfmdt * a_i_1d(ji) * zdE * r1_rdtice
577                 
578                  ! Contribution to mass flux
579                  wfx_bom_1d(ji) =  wfx_bom_1d(ji) - rhoic * a_i_1d(ji) * zdeltah(ji,jk) * r1_rdtice
580
581                  ! update heat content (J.m-2) and layer thickness
582                  qh_i_old(ji,jk) = qh_i_old(ji,jk) + zdeltah(ji,jk) * q_i_1d(ji,jk)
583                  h_i_old (ji,jk) = h_i_old (ji,jk) + zdeltah(ji,jk)
584               ENDIF
585           
586            ENDIF
587         END DO ! ji
588      END DO ! jk
589
590      !------------------------------------------------------------------------------!
591      ! Excessive ablation in a 1-category model
592      !     in a 1-category sea ice model, bottom ablation must not exceed hmelt (-0.15)
593      !------------------------------------------------------------------------------!
594      ! ??? keep ???
595      ! clem bug: I think this should be included above, so we would not have to
596      !           track heat/salt/mass fluxes backwards
597!      IF( jpl == 1 ) THEN
598!         DO ji = kideb, kiut
599!            IF(  zf_tt(ji)  >=  0._wp  ) THEN
600!               zdh            = MAX( hmelt , dh_i_bott(ji) )
601!               zdvres         = zdh - dh_i_bott(ji) ! >=0
602!               dh_i_bott(ji)  = zdh
603!
604!               ! excessive energy is sent to lateral ablation
605!               zinda = MAX( 0._wp, SIGN( 1._wp , 1._wp - at_i_1d(ji) - epsi20 ) )
606!               zq_1cat(ji) =  zinda * rhoic * lfus * at_i_1d(ji) / MAX( 1._wp - at_i_1d(ji) , epsi20 ) * zdvres ! J.m-2 >=0
607!
608!               ! correct salt and mass fluxes
609!               sfx_bom_1d(ji) = sfx_bom_1d(ji) - sm_i_1d(ji) * a_i_1d(ji) * zdvres * rhoic * r1_rdtice ! this is only a raw approximation
610!               wfx_bom_1d(ji) = wfx_bom_1d(ji) - rhoic * a_i_1d(ji) * zdvres * r1_rdtice
611!            ENDIF
612!         END DO
613!      ENDIF
614
[825]615      !-------------------------------------------
[4924]616      ! Update temperature, energy
[825]617      !-------------------------------------------
618      DO ji = kideb, kiut
[4924]619         ht_i_1d(ji) =  MAX( 0._wp , ht_i_1d(ji) + dh_i_bott(ji) )
620      END DO 
[825]621
[4924]622      !-------------------------------------------
623      ! 5. What to do with remaining energy
624      !-------------------------------------------
625      ! If heat still available for melting and snow remains, then melt more snow
626      !-------------------------------------------
627      zdeltah(:,:) = 0._wp ! important
628      DO ji = kideb, kiut
629         zq_rema(ji)     = zq_su(ji) + zq_bo(ji) 
630!         zindh           = 1._wp - MAX( 0._wp, SIGN( 1._wp, - ht_s_1d(ji) ) )   ! =1 if snow
631!         zindq           = 1._wp - MAX( 0._wp, SIGN( 1._wp, - zq_s(ji) + epsi20 ) )
632!         zdeltah  (ji,1) = - zindh * zindq * zq_rema(ji) / MAX( zq_s(ji), epsi20 )
633!         zdeltah  (ji,1) = MIN( 0._wp , MAX( zdeltah(ji,1) , - ht_s_1d(ji) ) ) ! bound melting
634!         zdh_s_mel(ji)   = zdh_s_mel(ji) + zdeltah(ji,1)   
635!         dh_s_tot (ji)   = dh_s_tot(ji) + zdeltah(ji,1)
636!         ht_s_1d   (ji)   = ht_s_1d(ji)   + zdeltah(ji,1)
637!       
638!         zq_rema(ji)     = zq_rema(ji) + zdeltah(ji,1) * zq_s(ji)                ! update available heat (J.m-2)
639!         ! heat used to melt snow
640!         hfx_snw_1d(ji)  = hfx_snw_1d(ji) - zdeltah(ji,1) * a_i_1d(ji) * zq_s(ji) * r1_rdtice ! W.m-2 (>0)
641!         ! Contribution to mass flux
642!         wfx_snw_1d(ji)  =  wfx_snw_1d(ji) - rhosn * a_i_1d(ji) * zdeltah(ji,1) * r1_rdtice
643!   
644         ii = MOD( npb(ji) - 1, jpi ) + 1 ; ij = ( npb(ji) - 1 ) / jpi + 1
645         ! Remaining heat flux (W.m-2) is sent to the ocean heat budget
646         hfx_out(ii,ij)  = hfx_out(ii,ij) + ( zq_1cat(ji) + zq_rema(ji) * a_i_1d(ji) ) * r1_rdtice
[825]647
[4924]648         IF( ln_nicep .AND. zq_rema(ji) < 0. .AND. lwp ) WRITE(numout,*) 'ALERTE zq_rema <0 = ', zq_rema(ji)
649      END DO
650     
[921]651      !
652      !------------------------------------------------------------------------------|
653      !  6) Snow-Ice formation                                                       |
654      !------------------------------------------------------------------------------|
[1572]655      ! When snow load excesses Archimede's limit, snow-ice interface goes down under sea-level,
656      ! flooding of seawater transforms snow into ice dh_snowice is positive for the ice
[825]657      DO ji = kideb, kiut
[1572]658         !
[4924]659         dh_snowice(ji) = MAX(  0._wp , ( rhosn * ht_s_1d(ji) + (rhoic-rau0) * ht_i_1d(ji) ) / ( rhosn+rau0-rhoic )  )
[825]660
[4924]661         ht_i_1d(ji)     = ht_i_1d(ji) + dh_snowice(ji)
662         ht_s_1d(ji)     = ht_s_1d(ji) - dh_snowice(ji)
[825]663
[4924]664         ! Salinity of snow ice
665         ii = MOD( npb(ji) - 1, jpi ) + 1 ; ij = ( npb(ji) - 1 ) / jpi + 1
666         zs_snic = zswitch_sal * sss_m(ii,ij) * ( rhoic - rhosn ) / rhoic + ( 1. - zswitch_sal ) * sm_i_1d(ji)
[825]667
668         ! entrapment during snow ice formation
[4924]669         ! new salinity difference stored (to be used in limthd_ent.F90)
[4161]670         IF (  num_sal == 2  ) THEN
[4924]671            zswitch = MAX( 0._wp , SIGN( 1._wp , ht_i_1d(ji) - epsi10 ) )
[4161]672            ! salinity dif due to snow-ice formation
[4924]673            dsm_i_si_1d(ji) = ( zs_snic - sm_i_1d(ji) ) * dh_snowice(ji) / MAX( ht_i_1d(ji), epsi10 ) * zswitch     
[4161]674            ! salinity dif due to bottom growth
[4924]675            IF (  zf_tt(ji)  < 0._wp ) THEN
676               dsm_i_se_1d(ji) = ( s_i_new(ji) - sm_i_1d(ji) ) * dh_i_bott(ji) / MAX( ht_i_1d(ji), epsi10 ) * zswitch
[4161]677            ENDIF
678         ENDIF
[825]679
[4924]680         ! Contribution to energy flux to the ocean [J/m2], >0 (if sst<0)
681         ii = MOD( npb(ji) - 1, jpi ) + 1 ; ij = ( npb(ji) - 1 ) / jpi + 1
682         zfmdt          = ( rhosn - rhoic ) * MAX( dh_snowice(ji), 0._wp )    ! <0
683         zsstK          = sst_m(ii,ij) + rt0                               
684         zEw            = rcp * ( zsstK - rt0 )
685         zQm            = zfmdt * zEw 
686         
687         ! Contribution to heat flux
688         hfx_thd_1d(ji) = hfx_thd_1d(ji) + zfmdt * a_i_1d(ji) * zEw * r1_rdtice 
[825]689
[4924]690         ! Contribution to salt flux
691         sfx_sni_1d(ji) = sfx_sni_1d(ji) + sss_m(ii,ij) * a_i_1d(ji) * zfmdt * r1_rdtice 
692         
693         ! Contribution to mass flux
694         ! All snow is thrown in the ocean, and seawater is taken to replace the volume
695         wfx_sni_1d(ji) = wfx_sni_1d(ji) - a_i_1d(ji) * dh_snowice(ji) * rhoic * r1_rdtice
696         wfx_snw_1d(ji) = wfx_snw_1d(ji) + a_i_1d(ji) * dh_snowice(ji) * rhosn * r1_rdtice
[825]697
[4924]698         ! update heat content (J.m-2) and layer thickness
699         qh_i_old(ji,0) = qh_i_old(ji,0) + dh_snowice(ji) * q_s_1d(ji,1) + zfmdt * zEw
700         h_i_old (ji,0) = h_i_old (ji,0) + dh_snowice(ji)
701         
702         ! Total ablation (to debug)
703         IF( ht_i_1d(ji) <= 0._wp )   a_i_1d(ji) = 0._wp
[4161]704
[825]705      END DO !ji
[4924]706
[2715]707      !
[4924]708      !-------------------------------------------
709      ! Update temperature, energy
710      !-------------------------------------------
711      !clem bug: we should take snow into account here
712      DO ji = kideb, kiut
713         zindh    =  1.0 - MAX( 0._wp , SIGN( 1._wp , - ht_i_1d(ji) ) ) 
714         t_su_1d(ji) =  zindh * t_su_1d(ji) + ( 1.0 - zindh ) * rtt
715      END DO  ! ji
716
717      DO jk = 1, nlay_s
718         DO ji = kideb,kiut
719            ! mask enthalpy
720            zinda        =  MAX(  0._wp , SIGN( 1._wp, - ht_s_1d(ji) )  )
721            q_s_1d(ji,jk) = ( 1.0 - zinda ) * q_s_1d(ji,jk)
722            ! recalculate t_s_1d from q_s_1d
723            t_s_1d(ji,jk) = rtt + ( 1._wp - zinda ) * ( - q_s_1d(ji,jk) / ( rhosn * cpic ) + lfus / cpic )
724         END DO
725      END DO
726
727      CALL wrk_dealloc( jpij, zh_s, zqprec, zq_su, zq_bo, zf_tt, zq_1cat, zq_rema )
728      CALL wrk_dealloc( jpij, zdh_s_mel, zdh_s_pre, zdh_s_sub, zqh_i, zqh_s, zq_s )
729      CALL wrk_dealloc( jpij, zintermelt )
730      CALL wrk_dealloc( jpij, nlay_i+1, zdeltah, zh_i )
731      CALL wrk_dealloc( jpij, icount )
[2715]732      !
[4161]733      !
[921]734   END SUBROUTINE lim_thd_dh
[1572]735   
[825]736#else
[1572]737   !!----------------------------------------------------------------------
738   !!   Default option                               NO  LIM3 sea-ice model
739   !!----------------------------------------------------------------------
[825]740CONTAINS
741   SUBROUTINE lim_thd_dh          ! Empty routine
742   END SUBROUTINE lim_thd_dh
743#endif
[1572]744
745   !!======================================================================
[921]746END MODULE limthd_dh
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.