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/2015/dev_r5044_CNRS_LIM3CLEAN/NEMOGCM/NEMO/LIM_SRC_3 – NEMO

source: branches/2015/dev_r5044_CNRS_LIM3CLEAN/NEMOGCM/NEMO/LIM_SRC_3/limthd_dh.F90 @ 5078

Last change on this file since 5078 was 5078, checked in by clem, 9 years ago

LIM3: cosmetic changes to increase readability and performance

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 34.6 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
[4688]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 thd_ice        ! LIM thermodynamics
23   USE in_out_manager ! I/O manager
24   USE lib_mpp        ! MPP library
25   USE wrk_nemo       ! work arrays
26   USE lib_fortran    ! Fortran utilities (allows no signed zero when 'key_nosignedzero' defined) 
[4688]27   
[825]28   IMPLICIT NONE
29   PRIVATE
30
[1572]31   PUBLIC   lim_thd_dh   ! called by lim_thd
[825]32
33   !!----------------------------------------------------------------------
[4161]34   !! NEMO/LIM3 4.0 , UCL - NEMO Consortium (2010)
[1156]35   !! $Id$
[2715]36   !! Software governed by the CeCILL licence     (NEMOGCM/NEMO_CeCILL.txt)
[825]37   !!----------------------------------------------------------------------
38CONTAINS
39
[4688]40   SUBROUTINE lim_thd_dh( kideb, kiut )
[921]41      !!------------------------------------------------------------------
42      !!                ***  ROUTINE lim_thd_dh  ***
43      !!
[1572]44      !! ** Purpose :   determines variations of ice and snow thicknesses.
[921]45      !!
[1572]46      !! ** Method  :   Ice/Snow surface melting arises from imbalance in surface fluxes
47      !!              Bottom accretion/ablation arises from flux budget
48      !!              Snow thickness can increase by precipitation and decrease by sublimation
49      !!              If snow load excesses Archmiede limit, snow-ice is formed by
50      !!              the flooding of sea-water in the snow
[921]51      !!
[1572]52      !!                 1) Compute available flux of heat for surface ablation
53      !!                 2) Compute snow and sea ice enthalpies
54      !!                 3) Surface ablation and sublimation
55      !!                 4) Bottom accretion/ablation
56      !!                 5) Case of Total ablation
57      !!                 6) Snow ice formation
[921]58      !!
[1572]59      !! References : Bitz and Lipscomb, 1999, J. Geophys. Res.
60      !!              Fichefet T. and M. Maqueda 1997, J. Geophys. Res., 102(C6), 12609-12646   
61      !!              Vancoppenolle, Fichefet and Bitz, 2005, Geophys. Res. Let.
62      !!              Vancoppenolle et al.,2009, Ocean Modelling
[921]63      !!------------------------------------------------------------------
[1572]64      INTEGER , INTENT(in) ::   kideb, kiut   ! Start/End point on which the  the computation is applied
65      !!
66      INTEGER  ::   ji , jk        ! dummy loop indices
[4161]67      INTEGER  ::   ii, ij         ! 2D corresponding indices to ji
[1572]68      INTEGER  ::   iter
[825]69
[4688]70      REAL(wp) ::   ztmelts             ! local scalar
[5047]71      REAL(wp) ::   zfdum       
[1572]72      REAL(wp) ::   zfracs       ! fractionation coefficient for bottom salt entrapment
73      REAL(wp) ::   zcoeff       ! dummy argument for snowfall partitioning over ice and leads
[4688]74      REAL(wp) ::   zs_snic  ! snow-ice salinity
[1572]75      REAL(wp) ::   zswi1        ! switch for computation of bottom salinity
76      REAL(wp) ::   zswi12       ! switch for computation of bottom salinity
77      REAL(wp) ::   zswi2        ! switch for computation of bottom salinity
78      REAL(wp) ::   zgrr         ! bottom growth rate
[4688]79      REAL(wp) ::   zt_i_new     ! bottom formation temperature
80
81      REAL(wp) ::   zQm          ! enthalpy exchanged with the ocean (J/m2), >0 towards the ocean
82      REAL(wp) ::   zEi          ! specific enthalpy of sea ice (J/kg)
83      REAL(wp) ::   zEw          ! specific enthalpy of exchanged water (J/kg)
84      REAL(wp) ::   zdE          ! specific enthalpy difference (J/kg)
85      REAL(wp) ::   zfmdt        ! exchange mass flux x time step (J/m2), >0 towards the ocean
86      REAL(wp) ::   zsstK        ! SST in Kelvin
87
[3294]88      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:) ::   zh_s        ! snow layer thickness
[4688]89      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:) ::   zqprec      ! energy of fallen snow                       (J.m-3)
90      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:) ::   zq_su       ! heat for surface ablation                   (J.m-2)
91      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:) ::   zq_bo       ! heat for bottom ablation                    (J.m-2)
92      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:) ::   zq_rema     ! remaining heat at the end of the routine    (J.m-2)
93      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:) ::   zf_tt     ! Heat budget to determine melting or freezing(W.m-2)
94      INTEGER , POINTER, DIMENSION(:) ::   icount      ! number of layers vanished by melting
[3294]95
[3625]96      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:) ::   zdh_s_mel   ! snow melt
97      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:) ::   zdh_s_pre   ! snow precipitation
98      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:) ::   zdh_s_sub   ! snow sublimation
[3294]99
100      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:) ::   zdeltah
[4688]101      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:) ::   zh_i      ! ice layer thickness
[3294]102
[4688]103      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:) ::   zqh_i       ! total ice heat content  (J.m-2)
104      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:) ::   zqh_s       ! total snow heat content (J.m-2)
105      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:) ::   zq_s        ! total snow enthalpy     (J.m-3)
[3294]106
[5047]107      REAL(wp) :: zswitch_sal
[4161]108
[3294]109      ! Heat conservation
[4688]110      INTEGER  ::   num_iter_max
111
[1572]112      !!------------------------------------------------------------------
[825]113
[5067]114      ! Discriminate between varying salinity (nn_icesal=2) and prescribed cases (other values)
115      SELECT CASE( nn_icesal )                       ! varying salinity or not
[4688]116         CASE( 1, 3, 4 ) ;   zswitch_sal = 0       ! prescribed salinity profile
117         CASE( 2 )       ;   zswitch_sal = 1       ! varying salinity profile
118      END SELECT
[825]119
[5047]120      CALL wrk_alloc( jpij, zh_s, zqprec, zq_su, zq_bo, zf_tt, zq_rema )
[4688]121      CALL wrk_alloc( jpij, zdh_s_mel, zdh_s_pre, zdh_s_sub, zqh_i, zqh_s, zq_s )
[4873]122      CALL wrk_alloc( jpij, nlay_i+1, zdeltah, zh_i )
[4688]123      CALL wrk_alloc( jpij, icount )
[4161]124     
[4688]125      dh_i_surf  (:) = 0._wp ; dh_i_bott  (:) = 0._wp ; dh_snowice(:) = 0._wp
126      dsm_i_se_1d(:) = 0._wp ; dsm_i_si_1d(:) = 0._wp   
127 
128      zqprec (:) = 0._wp ; zq_su  (:) = 0._wp ; zq_bo  (:) = 0._wp ; zf_tt  (:) = 0._wp
[5047]129      zq_rema(:) = 0._wp
[2715]130
[4688]131      zh_s     (:) = 0._wp       
132      zdh_s_pre(:) = 0._wp
133      zdh_s_mel(:) = 0._wp
134      zdh_s_sub(:) = 0._wp
135      zqh_s    (:) = 0._wp     
136      zqh_i    (:) = 0._wp   
[4161]137
[4688]138      zh_i      (:,:) = 0._wp       
139      zdeltah   (:,:) = 0._wp       
140      icount    (:)   = 0
141
142      ! initialize layer thicknesses and enthalpies
143      h_i_old (:,0:nlay_i+1) = 0._wp
144      qh_i_old(:,0:nlay_i+1) = 0._wp
145      DO jk = 1, nlay_i
146         DO ji = kideb, kiut
[5078]147            h_i_old (ji,jk) = ht_i_1d(ji) * r1_nlay_i
[4872]148            qh_i_old(ji,jk) = q_i_1d(ji,jk) * h_i_old(ji,jk)
[4688]149         ENDDO
150      ENDDO
[921]151      !
152      !------------------------------------------------------------------------------!
[4688]153      !  1) Calculate available heat for surface and bottom ablation                 !
[921]154      !------------------------------------------------------------------------------!
155      !
[2715]156      DO ji = kideb, kiut
[4990]157         rswitch       = 1._wp - MAX(  0._wp , SIGN( 1._wp , - ht_s_1d(ji) ) )
158         ztmelts       = rswitch * rtt + ( 1._wp - rswitch ) * rtt
[825]159
[4990]160         zfdum      = qns_ice_1d(ji) + ( 1._wp - i0(ji) ) * qsr_ice_1d(ji) - fc_su(ji) 
161         zf_tt(ji)  = fc_bo_i(ji) + fhtur_1d(ji) + fhld_1d(ji) 
[4688]162
[4872]163         zq_su (ji) = MAX( 0._wp, zfdum     * rdt_ice ) * MAX( 0._wp , SIGN( 1._wp, t_su_1d(ji) - ztmelts ) )
[4688]164         zq_bo (ji) = MAX( 0._wp, zf_tt(ji) * rdt_ice )
165      END DO
166
[921]167      !
168      !------------------------------------------------------------------------------!
[4688]169      ! If snow temperature is above freezing point, then snow melts
170      ! (should not happen but sometimes it does)
[921]171      !------------------------------------------------------------------------------!
[4688]172      DO ji = kideb, kiut
[4872]173         IF( t_s_1d(ji,1) > rtt ) THEN !!! Internal melting
[4688]174            ! Contribution to heat flux to the ocean [W.m-2], < 0 
[4872]175            hfx_res_1d(ji) = hfx_res_1d(ji) + q_s_1d(ji,1) * ht_s_1d(ji) * a_i_1d(ji) * r1_rdtice
[4688]176            ! Contribution to mass flux
[4872]177            wfx_snw_1d(ji) = wfx_snw_1d(ji) + rhosn * ht_s_1d(ji) * a_i_1d(ji) * r1_rdtice
[4688]178            ! updates
[4872]179            ht_s_1d(ji)   = 0._wp
180            q_s_1d (ji,1) = 0._wp
181            t_s_1d (ji,1) = rtt
[4688]182         END IF
183      END DO
184
185      !------------------------------------------------------------!
186      !  2) Computing layer thicknesses and enthalpies.            !
187      !------------------------------------------------------------!
[921]188      !
[4688]189      DO ji = kideb, kiut     
[5078]190         zh_s(ji) = ht_s_1d(ji) * r1_nlay_s
[825]191      END DO
[2715]192      !
[825]193      DO jk = 1, nlay_s
[2715]194         DO ji = kideb, kiut
[4872]195            zqh_s(ji) =  zqh_s(ji) + q_s_1d(ji,jk) * zh_s(ji)
[825]196         END DO
197      END DO
[2715]198      !
[825]199      DO jk = 1, nlay_i
[2715]200         DO ji = kideb, kiut
[5078]201            zh_i(ji,jk) = ht_i_1d(ji) * r1_nlay_i
[4872]202            zqh_i(ji)   = zqh_i(ji) + q_i_1d(ji,jk) * zh_i(ji,jk)
[825]203         END DO
204      END DO
[921]205      !
206      !------------------------------------------------------------------------------|
207      !  3) Surface ablation and sublimation                                         |
208      !------------------------------------------------------------------------------|
209      !
[834]210      !-------------------------
211      ! 3.1 Snow precips / melt
212      !-------------------------
[825]213      ! Snow accumulation in one thermodynamic time step
214      ! snowfall is partitionned between leads and ice
215      ! if snow fall was uniform, a fraction (1-at_i) would fall into leads
216      ! but because of the winds, more snow falls on leads than on sea ice
217      ! and a greater fraction (1-at_i)^beta of the total mass of snow
[834]218      ! (beta < 1) falls in leads.
[825]219      ! In reality, beta depends on wind speed,
220      ! and should decrease with increasing wind speed but here, it is
[834]221      ! considered as a constant. an average value is 0.66
[825]222      ! Martin Vancoppenolle, December 2006
223
224      DO ji = kideb, kiut
[4688]225         !-----------
226         ! Snow fall
227         !-----------
228         ! thickness change
[5067]229         zcoeff = ( 1._wp - ( 1._wp - at_i_1d(ji) )**rn_betas ) / at_i_1d(ji) 
[5078]230         zdh_s_pre(ji) = zcoeff * sprecip_1d(ji) * rdt_ice * r1_rhosn
[4688]231         ! enthalpy of the precip (>0, J.m-3) (tatm_ice is now in K)
232         zqprec   (ji) = rhosn * ( cpic * ( rtt - MIN( tatm_ice_1d(ji), rt0_snow) ) + lfus )   
233         IF( sprecip_1d(ji) == 0._wp ) zqprec(ji) = 0._wp
234         ! heat flux from snow precip (>0, W.m-2)
[4872]235         hfx_spr_1d(ji) = hfx_spr_1d(ji) + zdh_s_pre(ji) * a_i_1d(ji) * zqprec(ji) * r1_rdtice
[4688]236         ! mass flux, <0
[4872]237         wfx_spr_1d(ji) = wfx_spr_1d(ji) - rhosn * a_i_1d(ji) * zdh_s_pre(ji) * r1_rdtice
[4688]238         ! update thickness
[4872]239         ht_s_1d    (ji) = MAX( 0._wp , ht_s_1d(ji) + zdh_s_pre(ji) )
[825]240
[4688]241         !---------------------
242         ! Melt of falling snow
243         !---------------------
244         ! thickness change
245         IF( zdh_s_pre(ji) > 0._wp ) THEN
[4990]246         rswitch        = 1._wp - MAX( 0._wp , SIGN( 1._wp , - zqprec(ji) + epsi20 ) )
247         zdh_s_mel (ji) = - rswitch * zq_su(ji) / MAX( zqprec(ji) , epsi20 )
[4688]248         zdh_s_mel (ji) = MAX( - zdh_s_pre(ji), zdh_s_mel(ji) ) ! bound melting
249         ! heat used to melt snow (W.m-2, >0)
[4872]250         hfx_snw_1d(ji) = hfx_snw_1d(ji) - zdh_s_mel(ji) * a_i_1d(ji) * zqprec(ji) * r1_rdtice
[4688]251         ! snow melting only = water into the ocean (then without snow precip), >0
[4872]252         wfx_snw_1d(ji) = wfx_snw_1d(ji) - rhosn * a_i_1d(ji) * zdh_s_mel(ji) * r1_rdtice
[4688]253         
254         ! updates available heat + thickness
255         zq_su (ji) = MAX( 0._wp , zq_su (ji) + zdh_s_mel(ji) * zqprec(ji) )     
[4872]256         ht_s_1d(ji) = MAX( 0._wp , ht_s_1d(ji) + zdh_s_mel(ji) )
[5078]257         zh_s  (ji) = ht_s_1d(ji) * r1_nlay_s
[4688]258
259         ENDIF
[825]260      END DO
261
[4688]262      ! If heat still available, then melt more snow
263      zdeltah(:,:) = 0._wp ! important
[825]264      DO jk = 1, nlay_s
265         DO ji = kideb, kiut
[4688]266            ! thickness change
[4990]267            rswitch          = 1._wp - MAX( 0._wp, SIGN( 1._wp, - ht_s_1d(ji) ) ) 
268            rswitch          = rswitch * ( 1._wp - MAX( 0._wp, SIGN( 1._wp, - q_s_1d(ji,jk) + epsi20 ) ) ) 
269            zdeltah  (ji,jk) = - rswitch * zq_su(ji) / MAX( q_s_1d(ji,jk), epsi20 )
[4688]270            zdeltah  (ji,jk) = MAX( zdeltah(ji,jk) , - zh_s(ji) ) ! bound melting
271            zdh_s_mel(ji)    = zdh_s_mel(ji) + zdeltah(ji,jk)   
272            ! heat used to melt snow(W.m-2, >0)
[4872]273            hfx_snw_1d(ji)   = hfx_snw_1d(ji) - zdeltah(ji,jk) * a_i_1d(ji) * q_s_1d(ji,jk) * r1_rdtice 
[4688]274            ! snow melting only = water into the ocean (then without snow precip)
[4872]275            wfx_snw_1d(ji)   = wfx_snw_1d(ji) - rhosn * a_i_1d(ji) * zdeltah(ji,jk) * r1_rdtice
[825]276
[4688]277            ! updates available heat + thickness
[5070]278            zq_su (ji)  = MAX( 0._wp , zq_su (ji) + zdeltah(ji,jk) * q_s_1d(ji,jk) )
[4872]279            ht_s_1d(ji) = MAX( 0._wp , ht_s_1d(ji) + zdeltah(ji,jk) )
[825]280
[1572]281         END DO
282      END DO
[825]283
[4688]284      !----------------------
285      ! 3.2 Snow sublimation
286      !----------------------
287      ! qla_ice is always >=0 (upwards), heat goes to the atmosphere, therefore snow sublimates
288      ! clem comment: not counted in mass exchange in limsbc since this is an exchange with atm. (not ocean)
289      ! clem comment: ice should also sublimate
290      IF( lk_cpl ) THEN
291         ! coupled mode: sublimation already included in emp_ice (to do in limsbc_ice)
292         zdh_s_sub(:)      =  0._wp 
293      ELSE
294         ! forced  mode: snow thickness change due to sublimation
[921]295         DO ji = kideb, kiut
[4872]296            zdh_s_sub(ji)  =  MAX( - ht_s_1d(ji) , - parsub * qla_ice_1d(ji) / ( rhosn * lsub ) * rdt_ice )
[4688]297            ! Heat flux by sublimation [W.m-2], < 0
298            !      sublimate first snow that had fallen, then pre-existing snow
299            zcoeff         =      ( MAX( zdh_s_sub(ji), - MAX( 0._wp, zdh_s_pre(ji) + zdh_s_mel(ji) ) )   * zqprec(ji) +   &
[4872]300               &  ( 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) )  &
301               &  * a_i_1d(ji) * r1_rdtice
[4688]302            hfx_sub_1d(ji) = hfx_sub_1d(ji) + zcoeff
303            ! Mass flux by sublimation
[4872]304            wfx_sub_1d(ji) =  wfx_sub_1d(ji) - rhosn * a_i_1d(ji) * zdh_s_sub(ji) * r1_rdtice
[4688]305            ! new snow thickness
[4872]306            ht_s_1d(ji)     =  MAX( 0._wp , ht_s_1d(ji) + zdh_s_sub(ji) )
[1572]307         END DO
308      ENDIF
[825]309
[4688]310      ! --- Update snow diags --- !
[825]311      DO ji = kideb, kiut
[4688]312         dh_s_tot(ji)   = zdh_s_mel(ji) + zdh_s_pre(ji) + zdh_s_sub(ji)
[5078]313         zh_s(ji)       = ht_s_1d(ji) * r1_nlay_s
[4688]314      END DO ! ji
[825]315
[4688]316      !-------------------------------------------
317      ! 3.3 Update temperature, energy
318      !-------------------------------------------
319      ! new temp and enthalpy of the snow (remaining snow precip + remaining pre-existing snow)
320      zq_s(:) = 0._wp 
[825]321      DO jk = 1, nlay_s
322         DO ji = kideb,kiut
[4990]323            rswitch       =  MAX(  0._wp , SIGN( 1._wp, - ht_s_1d(ji) + epsi20 )  )
324            q_s_1d(ji,jk) = ( 1._wp - rswitch ) / MAX( ht_s_1d(ji), epsi20 ) *             &
[4688]325              &            ( (   MAX( 0._wp, dh_s_tot(ji) )              ) * zqprec(ji) +  &
[4872]326              &              ( - MAX( 0._wp, dh_s_tot(ji) ) + ht_s_1d(ji) ) * rhosn * ( cpic * ( rtt - t_s_1d(ji,jk) ) + lfus ) )
327            zq_s(ji)     =  zq_s(ji) + q_s_1d(ji,jk)
[825]328         END DO
329      END DO
330
[4688]331      !--------------------------
332      ! 3.4 Surface ice ablation
333      !--------------------------
334      zdeltah(:,:) = 0._wp ! important
335      DO jk = 1, nlay_i
336         DO ji = kideb, kiut 
[5078]337            zEi            = - q_i_1d(ji,jk) * r1_rhoic             ! Specific enthalpy of layer k [J/kg, <0]
[4688]338
[4872]339            ztmelts        = - tmut * s_i_1d(ji,jk) + rtt           ! Melting point of layer k [K]
[4688]340
341            zEw            =    rcp * ( ztmelts - rt0 )            ! Specific enthalpy of resulting meltwater [J/kg, <0]
342
343            zdE            =    zEi - zEw                          ! Specific enthalpy difference < 0
344
345            zfmdt          = - zq_su(ji) / zdE                     ! Mass flux to the ocean [kg/m2, >0]
346
[5078]347            zdeltah(ji,jk) = - zfmdt * r1_rhoic                    ! Melt of layer jk [m, <0]
[4688]348
349            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]
350
351            zq_su(ji)      = MAX( 0._wp , zq_su(ji) - zdeltah(ji,jk) * rhoic * zdE ) ! update available heat
352
353            dh_i_surf(ji)  = dh_i_surf(ji) + zdeltah(ji,jk)        ! Cumulate surface melt
354
355            zfmdt          = - rhoic * zdeltah(ji,jk)              ! Recompute mass flux [kg/m2, >0]
356
357            zQm            = zfmdt * zEw                           ! Energy of the melt water sent to the ocean [J/m2, <0]
358
[4872]359            ! Contribution to salt flux (clem: using sm_i_1d and not s_i_1d(jk) is ok)
360            sfx_sum_1d(ji)   = sfx_sum_1d(ji) - sm_i_1d(ji) * a_i_1d(ji) * zdeltah(ji,jk) * rhoic * r1_rdtice
[4688]361
362            ! Contribution to heat flux [W.m-2], < 0
[4872]363            hfx_thd_1d(ji) = hfx_thd_1d(ji) + zfmdt * a_i_1d(ji) * zEw * r1_rdtice
[4688]364
365            ! Total heat flux used in this process [W.m-2], > 0 
[4872]366            hfx_sum_1d(ji) = hfx_sum_1d(ji) - zfmdt * a_i_1d(ji) * zdE * r1_rdtice
[4688]367
368            ! Contribution to mass flux
[4872]369            wfx_sum_1d(ji) =  wfx_sum_1d(ji) - rhoic * a_i_1d(ji) * zdeltah(ji,jk) * r1_rdtice
[4688]370           
371            ! record which layers have disappeared (for bottom melting)
372            !    => icount=0 : no layer has vanished
373            !    => icount=5 : 5 layers have vanished
[4990]374            rswitch     = MAX( 0._wp , SIGN( 1._wp , - ( zh_i(ji,jk) + zdeltah(ji,jk) ) ) ) 
375            icount(ji)  = icount(ji) + NINT( rswitch )
[4688]376            zh_i(ji,jk) = MAX( 0._wp , zh_i(ji,jk) + zdeltah(ji,jk) )
377
378            ! update heat content (J.m-2) and layer thickness
[4872]379            qh_i_old(ji,jk) = qh_i_old(ji,jk) + zdeltah(ji,jk) * q_i_1d(ji,jk)
[4688]380            h_i_old (ji,jk) = h_i_old (ji,jk) + zdeltah(ji,jk)
[825]381         END DO
[921]382      END DO
[4688]383      ! update ice thickness
384      DO ji = kideb, kiut
[4872]385         ht_i_1d(ji) =  MAX( 0._wp , ht_i_1d(ji) + dh_i_surf(ji) )
[4688]386      END DO
[825]387
[921]388      !
389      !------------------------------------------------------------------------------!
390      ! 4) Basal growth / melt                                                       !
391      !------------------------------------------------------------------------------!
392      !
[4688]393      !------------------
394      ! 4.1 Basal growth
395      !------------------
396      ! Basal growth is driven by heat imbalance at the ice-ocean interface,
397      ! between the inner conductive flux  (fc_bo_i), from the open water heat flux
398      ! (fhld) and the turbulent ocean flux (fhtur).
399      ! fc_bo_i is positive downwards. fhtur and fhld are positive to the ice
[825]400
[4688]401      ! If salinity varies in time, an iterative procedure is required, because
402      ! the involved quantities are inter-dependent.
403      ! Basal growth (dh_i_bott) depends upon new ice specific enthalpy (zEi),
404      ! which depends on forming ice salinity (s_i_new), which depends on dh/dt (dh_i_bott)
405      ! -> need for an iterative procedure, which converges quickly
406
[5067]407      IF ( nn_icesal == 2 ) THEN
[4688]408         num_iter_max = 5
409      ELSE
410         num_iter_max = 1
[1572]411      ENDIF
[825]412
[5051]413      ! Just to be sure that enthalpy at nlay_i+1 is null
[4688]414      DO ji = kideb, kiut
[4872]415         q_i_1d(ji,nlay_i+1) = 0._wp
[4688]416      END DO
[825]417
[4688]418      ! Iterative procedure
419      DO iter = 1, num_iter_max
420         DO ji = kideb, kiut
421            IF(  zf_tt(ji) < 0._wp  ) THEN
[825]422
[4688]423               ! New bottom ice salinity (Cox & Weeks, JGR88 )
424               !--- zswi1  if dh/dt < 2.0e-8
425               !--- zswi12 if 2.0e-8 < dh/dt < 3.6e-7
426               !--- zswi2  if dh/dt > 3.6e-7
427               zgrr               = MIN( 1.0e-3, MAX ( dh_i_bott(ji) * r1_rdtice , epsi10 ) )
428               zswi2              = MAX( 0._wp , SIGN( 1._wp , zgrr - 3.6e-7 ) )
429               zswi12             = MAX( 0._wp , SIGN( 1._wp , zgrr - 2.0e-8 ) ) * ( 1.0 - zswi2 )
430               zswi1              = 1. - zswi2 * zswi12
431               zfracs             = MIN ( zswi1  * 0.12 + zswi12 * ( 0.8925 + 0.0568 * LOG( 100.0 * zgrr ) )   &
432                  &               + zswi2  * 0.26 / ( 0.26 + 0.74 * EXP ( - 724300.0 * zgrr ) )  , 0.5 )
[825]433
[4688]434               ii = MOD( npb(ji) - 1, jpi ) + 1 ; ij = ( npb(ji) - 1 ) / jpi + 1
[825]435
[4688]436               s_i_new(ji)        = zswitch_sal * zfracs * sss_m(ii,ij)  &  ! New ice salinity
[4872]437                                  + ( 1. - zswitch_sal ) * sm_i_1d(ji) 
[4688]438               ! New ice growth
439               ztmelts            = - tmut * s_i_new(ji) + rtt          ! New ice melting point (K)
[825]440
[4872]441               zt_i_new           = zswitch_sal * t_bo_1d(ji) + ( 1. - zswitch_sal) * t_i_1d(ji, nlay_i)
[4688]442               
443               zEi                = cpic * ( zt_i_new - ztmelts ) &     ! Specific enthalpy of forming ice (J/kg, <0)     
444                  &               - lfus * ( 1.0 - ( ztmelts - rtt ) / ( zt_i_new - rtt ) )   &
445                  &               + rcp  * ( ztmelts-rtt )         
446
[4872]447               zEw                = rcp  * ( t_bo_1d(ji) - rt0 )         ! Specific enthalpy of seawater (J/kg, < 0)
[4688]448
449               zdE                = zEi - zEw                           ! Specific enthalpy difference (J/kg, <0)
450
451               dh_i_bott(ji)      = rdt_ice * MAX( 0._wp , zf_tt(ji) / ( zdE * rhoic ) )
452
[4872]453               q_i_1d(ji,nlay_i+1) = -zEi * rhoic                        ! New ice energy of melting (J/m3, >0)
[4688]454               
455            ENDIF ! fc_bo_i
456         END DO ! ji
457      END DO ! iter
458
459      ! Contribution to Energy and Salt Fluxes
[825]460      DO ji = kideb, kiut
[4688]461         IF(  zf_tt(ji) < 0._wp  ) THEN
462            ! New ice growth
463                                   
464            zfmdt          = - rhoic * dh_i_bott(ji)             ! Mass flux x time step (kg/m2, < 0)
465
466            ztmelts        = - tmut * s_i_new(ji) + rtt          ! New ice melting point (K)
467           
[4872]468            zt_i_new       = zswitch_sal * t_bo_1d(ji) + ( 1. - zswitch_sal) * t_i_1d(ji, nlay_i)
[4688]469           
470            zEi            = cpic * ( zt_i_new - ztmelts ) &     ! Specific enthalpy of forming ice (J/kg, <0)     
471               &               - lfus * ( 1.0 - ( ztmelts - rtt ) / ( zt_i_new - rtt ) )   &
472               &               + rcp  * ( ztmelts-rtt )         
473           
[4872]474            zEw            = rcp  * ( t_bo_1d(ji) - rt0 )         ! Specific enthalpy of seawater (J/kg, < 0)
[4688]475           
476            zdE            = zEi - zEw                           ! Specific enthalpy difference (J/kg, <0)
477           
478            ! Contribution to heat flux to the ocean [W.m-2], >0 
[4872]479            hfx_thd_1d(ji) = hfx_thd_1d(ji) + zfmdt * a_i_1d(ji) * zEw * r1_rdtice
[4688]480
481            ! Total heat flux used in this process [W.m-2], <0 
[4872]482            hfx_bog_1d(ji) = hfx_bog_1d(ji) - zfmdt * a_i_1d(ji) * zdE * r1_rdtice
[4688]483           
484            ! Contribution to salt flux, <0
[4872]485            sfx_bog_1d(ji) = sfx_bog_1d(ji) + s_i_new(ji) * a_i_1d(ji) * zfmdt * r1_rdtice
[4688]486
487            ! Contribution to mass flux, <0
[4872]488            wfx_bog_1d(ji) =  wfx_bog_1d(ji) - rhoic * a_i_1d(ji) * dh_i_bott(ji) * r1_rdtice
[4688]489
490            ! update heat content (J.m-2) and layer thickness
[4872]491            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)
[4688]492            h_i_old (ji,nlay_i+1) = h_i_old (ji,nlay_i+1) + dh_i_bott(ji)
[825]493         ENDIF
494      END DO
495
[4688]496      !----------------
497      ! 4.2 Basal melt
498      !----------------
499      zdeltah(:,:) = 0._wp ! important
[825]500      DO jk = nlay_i, 1, -1
501         DO ji = kideb, kiut
[4688]502            IF(  zf_tt(ji)  >=  0._wp  .AND. jk > icount(ji) ) THEN   ! do not calculate where layer has already disappeared from surface melting
[825]503
[4872]504               ztmelts = - tmut * s_i_1d(ji,jk) + rtt  ! Melting point of layer jk (K)
[825]505
[4872]506               IF( t_i_1d(ji,jk) >= ztmelts ) THEN !!! Internal melting
[825]507
[5078]508                  zEi               = - q_i_1d(ji,jk) * r1_rhoic    ! Specific enthalpy of melting ice (J/kg, <0)
[825]509
[4872]510                  !!zEw               = rcp * ( t_i_1d(ji,jk) - rtt )  ! Specific enthalpy of meltwater at T = t_i_1d (J/kg, <0)
[4161]511
[4688]512                  zdE               = 0._wp                         ! Specific enthalpy difference   (J/kg, <0)
513                                                                    ! set up at 0 since no energy is needed to melt water...(it is already melted)
[4161]514
[4688]515                  zdeltah   (ji,jk) = MIN( 0._wp , - zh_i(ji,jk) ) ! internal melting occurs when the internal temperature is above freezing     
516                                                                   ! this should normally not happen, but sometimes, heat diffusion leads to this
[825]517
[4688]518                  dh_i_bott (ji)    = dh_i_bott(ji) + zdeltah(ji,jk)
[825]519
[4688]520                  zfmdt             = - zdeltah(ji,jk) * rhoic          ! Mass flux x time step > 0
[825]521
[4688]522                  ! Contribution to heat flux to the ocean [W.m-2], <0 (ice enthalpy zEi is "sent" to the ocean)
[4872]523                  hfx_res_1d(ji) = hfx_res_1d(ji) + zfmdt * a_i_1d(ji) * zEi * r1_rdtice
[825]524
[4872]525                  ! Contribution to salt flux (clem: using sm_i_1d and not s_i_1d(jk) is ok)
526                  sfx_res_1d(ji) = sfx_res_1d(ji) - sm_i_1d(ji) * a_i_1d(ji) * zdeltah(ji,jk) * rhoic * r1_rdtice
[4688]527                                   
528                  ! Contribution to mass flux
[4872]529                  wfx_res_1d(ji) =  wfx_res_1d(ji) - rhoic * a_i_1d(ji) * zdeltah(ji,jk) * r1_rdtice
[825]530
[4688]531                  ! update heat content (J.m-2) and layer thickness
[4872]532                  qh_i_old(ji,jk) = qh_i_old(ji,jk) + zdeltah(ji,jk) * q_i_1d(ji,jk)
[4688]533                  h_i_old (ji,jk) = h_i_old (ji,jk) + zdeltah(ji,jk)
[825]534
[4688]535               ELSE                               !!! Basal melting
[825]536
[5078]537                  zEi               = - q_i_1d(ji,jk) * r1_rhoic ! Specific enthalpy of melting ice (J/kg, <0)
[825]538
[5078]539                  zEw               = rcp * ( ztmelts - rtt )    ! Specific enthalpy of meltwater (J/kg, <0)
[825]540
[5078]541                  zdE               = zEi - zEw                  ! Specific enthalpy difference   (J/kg, <0)
[4688]542
[5078]543                  zfmdt             = - zq_bo(ji) / zdE          ! Mass flux x time step (kg/m2, >0)
[4688]544
[5078]545                  zdeltah(ji,jk)    = - zfmdt * r1_rhoic         ! Gross thickness change
[4688]546
547                  zdeltah(ji,jk)    = MIN( 0._wp , MAX( zdeltah(ji,jk), - zh_i(ji,jk) ) ) ! bound thickness change
548                 
549                  zq_bo(ji)         = MAX( 0._wp , zq_bo(ji) - zdeltah(ji,jk) * rhoic * zdE ) ! update available heat. MAX is necessary for roundup errors
550
551                  dh_i_bott(ji)     = dh_i_bott(ji) + zdeltah(ji,jk)    ! Update basal melt
552
553                  zfmdt             = - zdeltah(ji,jk) * rhoic          ! Mass flux x time step > 0
554
555                  zQm               = zfmdt * zEw         ! Heat exchanged with ocean
556
557                  ! Contribution to heat flux to the ocean [W.m-2], <0 
[4872]558                  hfx_thd_1d(ji) = hfx_thd_1d(ji) + zfmdt * a_i_1d(ji) * zEw * r1_rdtice
[4688]559
[4872]560                  ! Contribution to salt flux (clem: using sm_i_1d and not s_i_1d(jk) is ok)
561                  sfx_bom_1d(ji) = sfx_bom_1d(ji) - sm_i_1d(ji) * a_i_1d(ji) * zdeltah(ji,jk) * rhoic * r1_rdtice
[4688]562                 
563                  ! Total heat flux used in this process [W.m-2], >0 
[4872]564                  hfx_bom_1d(ji) = hfx_bom_1d(ji) - zfmdt * a_i_1d(ji) * zdE * r1_rdtice
[4688]565                 
566                  ! Contribution to mass flux
[4872]567                  wfx_bom_1d(ji) =  wfx_bom_1d(ji) - rhoic * a_i_1d(ji) * zdeltah(ji,jk) * r1_rdtice
[4688]568
569                  ! update heat content (J.m-2) and layer thickness
[4872]570                  qh_i_old(ji,jk) = qh_i_old(ji,jk) + zdeltah(ji,jk) * q_i_1d(ji,jk)
[4688]571                  h_i_old (ji,jk) = h_i_old (ji,jk) + zdeltah(ji,jk)
572               ENDIF
573           
574            ENDIF
[5070]575         END DO
576      END DO
[4688]577
[825]578      !-------------------------------------------
[4688]579      ! Update temperature, energy
[825]580      !-------------------------------------------
581      DO ji = kideb, kiut
[4872]582         ht_i_1d(ji) =  MAX( 0._wp , ht_i_1d(ji) + dh_i_bott(ji) )
[4688]583      END DO 
[825]584
[4688]585      !-------------------------------------------
586      ! 5. What to do with remaining energy
587      !-------------------------------------------
588      ! If heat still available for melting and snow remains, then melt more snow
589      !-------------------------------------------
590      zdeltah(:,:) = 0._wp ! important
591      DO ji = kideb, kiut
592         zq_rema(ji)     = zq_su(ji) + zq_bo(ji) 
[4872]593!         zindh           = 1._wp - MAX( 0._wp, SIGN( 1._wp, - ht_s_1d(ji) ) )   ! =1 if snow
[4688]594!         zindq           = 1._wp - MAX( 0._wp, SIGN( 1._wp, - zq_s(ji) + epsi20 ) )
595!         zdeltah  (ji,1) = - zindh * zindq * zq_rema(ji) / MAX( zq_s(ji), epsi20 )
[4872]596!         zdeltah  (ji,1) = MIN( 0._wp , MAX( zdeltah(ji,1) , - ht_s_1d(ji) ) ) ! bound melting
[4688]597!         zdh_s_mel(ji)   = zdh_s_mel(ji) + zdeltah(ji,1)   
598!         dh_s_tot (ji)   = dh_s_tot(ji) + zdeltah(ji,1)
[4872]599!         ht_s_1d   (ji)   = ht_s_1d(ji)   + zdeltah(ji,1)
[4688]600!       
601!         zq_rema(ji)     = zq_rema(ji) + zdeltah(ji,1) * zq_s(ji)                ! update available heat (J.m-2)
602!         ! heat used to melt snow
[4872]603!         hfx_snw_1d(ji)  = hfx_snw_1d(ji) - zdeltah(ji,1) * a_i_1d(ji) * zq_s(ji) * r1_rdtice ! W.m-2 (>0)
[4688]604!         ! Contribution to mass flux
[4872]605!         wfx_snw_1d(ji)  =  wfx_snw_1d(ji) - rhosn * a_i_1d(ji) * zdeltah(ji,1) * r1_rdtice
[4688]606!   
607         ii = MOD( npb(ji) - 1, jpi ) + 1 ; ij = ( npb(ji) - 1 ) / jpi + 1
608         ! Remaining heat flux (W.m-2) is sent to the ocean heat budget
[5047]609         hfx_out(ii,ij)  = hfx_out(ii,ij) + ( zq_rema(ji) * a_i_1d(ji) ) * r1_rdtice
[825]610
[4688]611         IF( ln_nicep .AND. zq_rema(ji) < 0. .AND. lwp ) WRITE(numout,*) 'ALERTE zq_rema <0 = ', zq_rema(ji)
612      END DO
613     
[921]614      !
615      !------------------------------------------------------------------------------|
616      !  6) Snow-Ice formation                                                       |
617      !------------------------------------------------------------------------------|
[1572]618      ! When snow load excesses Archimede's limit, snow-ice interface goes down under sea-level,
619      ! flooding of seawater transforms snow into ice dh_snowice is positive for the ice
[825]620      DO ji = kideb, kiut
[1572]621         !
[4872]622         dh_snowice(ji) = MAX(  0._wp , ( rhosn * ht_s_1d(ji) + (rhoic-rau0) * ht_i_1d(ji) ) / ( rhosn+rau0-rhoic )  )
[825]623
[4872]624         ht_i_1d(ji)     = ht_i_1d(ji) + dh_snowice(ji)
625         ht_s_1d(ji)     = ht_s_1d(ji) - dh_snowice(ji)
[825]626
[4688]627         ! Salinity of snow ice
628         ii = MOD( npb(ji) - 1, jpi ) + 1 ; ij = ( npb(ji) - 1 ) / jpi + 1
[5078]629         zs_snic = zswitch_sal * sss_m(ii,ij) * ( rhoic - rhosn ) * r1_rhoic + ( 1. - zswitch_sal ) * sm_i_1d(ji)
[825]630
631         ! entrapment during snow ice formation
[4688]632         ! new salinity difference stored (to be used in limthd_ent.F90)
[5067]633         IF (  nn_icesal == 2  ) THEN
[4990]634            rswitch = MAX( 0._wp , SIGN( 1._wp , ht_i_1d(ji) - epsi10 ) )
[4161]635            ! salinity dif due to snow-ice formation
[4990]636            dsm_i_si_1d(ji) = ( zs_snic - sm_i_1d(ji) ) * dh_snowice(ji) / MAX( ht_i_1d(ji), epsi10 ) * rswitch     
[4161]637            ! salinity dif due to bottom growth
[4688]638            IF (  zf_tt(ji)  < 0._wp ) THEN
[4990]639               dsm_i_se_1d(ji) = ( s_i_new(ji) - sm_i_1d(ji) ) * dh_i_bott(ji) / MAX( ht_i_1d(ji), epsi10 ) * rswitch
[4161]640            ENDIF
641         ENDIF
[825]642
[4688]643         ! Contribution to energy flux to the ocean [J/m2], >0 (if sst<0)
644         ii = MOD( npb(ji) - 1, jpi ) + 1 ; ij = ( npb(ji) - 1 ) / jpi + 1
645         zfmdt          = ( rhosn - rhoic ) * MAX( dh_snowice(ji), 0._wp )    ! <0
646         zsstK          = sst_m(ii,ij) + rt0                               
647         zEw            = rcp * ( zsstK - rt0 )
648         zQm            = zfmdt * zEw 
649         
650         ! Contribution to heat flux
[4872]651         hfx_thd_1d(ji) = hfx_thd_1d(ji) + zfmdt * a_i_1d(ji) * zEw * r1_rdtice 
[825]652
[4688]653         ! Contribution to salt flux
[4872]654         sfx_sni_1d(ji) = sfx_sni_1d(ji) + sss_m(ii,ij) * a_i_1d(ji) * zfmdt * r1_rdtice 
[4688]655         
656         ! Contribution to mass flux
657         ! All snow is thrown in the ocean, and seawater is taken to replace the volume
[4872]658         wfx_sni_1d(ji) = wfx_sni_1d(ji) - a_i_1d(ji) * dh_snowice(ji) * rhoic * r1_rdtice
659         wfx_snw_1d(ji) = wfx_snw_1d(ji) + a_i_1d(ji) * dh_snowice(ji) * rhosn * r1_rdtice
[4688]660
661         ! update heat content (J.m-2) and layer thickness
[4872]662         qh_i_old(ji,0) = qh_i_old(ji,0) + dh_snowice(ji) * q_s_1d(ji,1) + zfmdt * zEw
[4688]663         h_i_old (ji,0) = h_i_old (ji,0) + dh_snowice(ji)
664         
665         ! Total ablation (to debug)
[4872]666         IF( ht_i_1d(ji) <= 0._wp )   a_i_1d(ji) = 0._wp
[825]667
[4688]668      END DO !ji
[4161]669
[2715]670      !
[4688]671      !-------------------------------------------
672      ! Update temperature, energy
673      !-------------------------------------------
674      !clem bug: we should take snow into account here
675      DO ji = kideb, kiut
[4990]676         rswitch     =  1.0 - MAX( 0._wp , SIGN( 1._wp , - ht_i_1d(ji) ) ) 
677         t_su_1d(ji) =  rswitch * t_su_1d(ji) + ( 1.0 - rswitch ) * rtt
[4688]678      END DO  ! ji
679
680      DO jk = 1, nlay_s
681         DO ji = kideb,kiut
682            ! mask enthalpy
[4990]683            rswitch       =  MAX(  0._wp , SIGN( 1._wp, - ht_s_1d(ji) )  )
684            q_s_1d(ji,jk) = ( 1.0 - rswitch ) * q_s_1d(ji,jk)
[4872]685            ! recalculate t_s_1d from q_s_1d
[4990]686            t_s_1d(ji,jk) = rtt + ( 1._wp - rswitch ) * ( - q_s_1d(ji,jk) / ( rhosn * cpic ) + lfus / cpic )
[4688]687         END DO
688      END DO
[5048]689     
[5047]690      CALL wrk_dealloc( jpij, zh_s, zqprec, zq_su, zq_bo, zf_tt, zq_rema )
[4688]691      CALL wrk_dealloc( jpij, zdh_s_mel, zdh_s_pre, zdh_s_sub, zqh_i, zqh_s, zq_s )
[4873]692      CALL wrk_dealloc( jpij, nlay_i+1, zdeltah, zh_i )
[4688]693      CALL wrk_dealloc( jpij, icount )
[2715]694      !
[4161]695      !
[921]696   END SUBROUTINE lim_thd_dh
[1572]697   
[825]698#else
[1572]699   !!----------------------------------------------------------------------
700   !!   Default option                               NO  LIM3 sea-ice model
701   !!----------------------------------------------------------------------
[825]702CONTAINS
703   SUBROUTINE lim_thd_dh          ! Empty routine
704   END SUBROUTINE lim_thd_dh
705#endif
[1572]706
707   !!======================================================================
[921]708END MODULE limthd_dh
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.