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dynspg_flt.F90 in branches/2015/dev_r5836_NOC3_vvl_by_default/NEMOGCM/NEMO/OPA_SRC/DYN – NEMO

source: branches/2015/dev_r5836_NOC3_vvl_by_default/NEMOGCM/NEMO/OPA_SRC/DYN/dynspg_flt.F90 @ 5845

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#1613: vvl by default: suppression of domzgr_substitute.h90

  • Property svn:keywords set to Id
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Line 
1MODULE dynspg_flt
2   !!======================================================================
3   !!                   ***  MODULE  dynspg_flt  ***
4   !! Ocean dynamics:  surface pressure gradient trend
5   !!======================================================================
6   !! History    OPA  !  1998-05  (G. Roullet)  free surface
7   !!                 !  1998-10  (G. Madec, M. Imbard)  release 8.2
8   !!   NEMO     O.1  !  2002-08  (G. Madec)  F90: Free form and module
9   !!             -   !  2002-11  (C. Talandier, A-M Treguier) Open boundaries
10   !!            1.0  !  2004-08  (C. Talandier) New trends organization
11   !!             -   !  2005-11  (V. Garnier) Surface pressure gradient organization
12   !!            2.0  !  2006-07  (S. Masson)  distributed restart using iom
13   !!             -   !  2006-08  (J.Chanut, A.Sellar) Calls to BDY routines.
14   !!            3.2  !  2009-03  (G. Madec, M. Leclair, R. Benshila) introduce sshwzv module
15   !!            3.7  !  2014-04  (F. Roquet, G. Madec)  add some trends diag
16   !!             -   !  2014-12  (G. Madec) remove cross-land advection (cla)
17   !!----------------------------------------------------------------------
18#if defined key_dynspg_flt 
19   !!----------------------------------------------------------------------
20   !!   'key_dynspg_flt'                              filtered free surface
21   !!----------------------------------------------------------------------
22   !!   dyn_spg_flt  : update the momentum trend with the surface pressure gradient in the filtered free surface case
23   !!   flt_rst      : read/write the time-splitting restart fields in the ocean restart file
24   !!----------------------------------------------------------------------
25   USE oce             ! ocean dynamics and tracers
26   USE dom_oce         ! ocean space and time domain
27   USE zdf_oce         ! ocean vertical physics
28   USE sbc_oce         ! surface boundary condition: ocean
29   USE bdy_oce         ! Lateral open boundary condition
30   USE sol_oce         ! ocean elliptic solver
31   USE phycst          ! physical constants
32   USE domvvl          ! variable volume
33   USE dynadv          ! advection
34   USE solmat          ! matrix construction for elliptic solvers
35   USE solpcg          ! preconditionned conjugate gradient solver
36   USE solsor          ! Successive Over-relaxation solver
37   USE bdydyn          ! ocean open boundary condition on dynamics
38   USE bdyvol          ! ocean open boundary condition (bdy_vol routine)
39   USE trd_oce         ! trends: ocean variables
40   USE trddyn          ! trend manager: dynamics
41   !
42   USE in_out_manager  ! I/O manager
43   USE lib_mpp         ! distributed memory computing library
44   USE wrk_nemo        ! Memory Allocation
45   USE lbclnk          ! ocean lateral boundary conditions (or mpp link)
46   USE prtctl          ! Print control
47   USE iom
48   USE lib_fortran
49   USE timing          ! Timing
50#if defined key_agrif
51   USE agrif_opa_interp
52#endif
53
54   IMPLICIT NONE
55   PRIVATE
56
57   PUBLIC   dyn_spg_flt  ! routine called by step.F90
58   PUBLIC   flt_rst      ! routine called by istate.F90
59
60   !! * Substitutions
61#  include "vectopt_loop_substitute.h90"
62   !!----------------------------------------------------------------------
63   !! NEMO/OPA 3.3 , NEMO Consortium (2010)
64   !! $Id$
65   !! Software governed by the CeCILL licence     (NEMOGCM/NEMO_CeCILL.txt)
66   !!----------------------------------------------------------------------
67CONTAINS
68
69   SUBROUTINE dyn_spg_flt( kt, kindic )
70      !!----------------------------------------------------------------------
71      !!                  ***  routine dyn_spg_flt  ***
72      !!
73      !! ** Purpose :   Compute the now trend due to the surface pressure
74      !!      gradient in case of filtered free surface formulation  and add
75      !!      it to the general trend of momentum equation.
76      !!
77      !! ** Method  :   Filtered free surface formulation. The surface
78      !!      pressure gradient is given by:
79      !!         spgu = 1/rau0 d/dx(ps) =  1/e1u di( sshn + btda )
80      !!         spgv = 1/rau0 d/dy(ps) =  1/e2v dj( sshn + btda )
81      !!      where sshn is the free surface elevation and btda is the after
82      !!      time derivative of the free surface elevation
83      !!       -1- evaluate the surface presure trend (including the addi-
84      !!      tional force) in three steps:
85      !!        a- compute the right hand side of the elliptic equation:
86      !!            gcb = 1/(e1t e2t) [ di(e2u spgu) + dj(e1v spgv) ]
87      !!         where (spgu,spgv) are given by:
88      !!            spgu = vertical sum[ e3u (ub+ 2 rdt ua ) ]
89      !!                 - grav 2 rdt hu /e1u di[sshn + (emp-rnf)]
90      !!            spgv = vertical sum[ e3v (vb+ 2 rdt va) ]
91      !!                 - grav 2 rdt hv /e2v dj[sshn + (emp-rnf)]
92      !!         and define the first guess from previous computation :
93      !!            zbtd = btda
94      !!            btda = 2 zbtd - btdb
95      !!            btdb = zbtd
96      !!        b- compute the relative accuracy to be reached by the
97      !!         iterative solver
98      !!        c- apply the solver by a call to sol... routine
99      !!       -2- compute and add the free surface pressure gradient inclu-
100      !!      ding the additional force used to stabilize the equation.
101      !!
102      !! ** Action : - Update (ua,va) with the surf. pressure gradient trend
103      !!
104      !! References : Roullet and Madec, JGR, 2000.
105      !!---------------------------------------------------------------------
106      INTEGER, INTENT(in   ) ::   kt       ! ocean time-step index
107      INTEGER, INTENT(  out) ::   kindic   ! solver convergence flag (<0 if not converge)
108      !
109      INTEGER  ::   ji, jj, jk   ! dummy loop indices
110      REAL(wp) ::   z2dt, z2dtg, zgcb, zbtd, ztdgu, ztdgv   ! local scalars
111      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:,:) ::  ztrdu, ztrdv
112      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:)   ::  zpw
113      !!----------------------------------------------------------------------
114      !
115      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_start('dyn_spg_flt')
116      !
117      IF( kt == nit000 ) THEN
118         IF(lwp) WRITE(numout,*)
119         IF(lwp) WRITE(numout,*) 'dyn_spg_flt : surface pressure gradient trend'
120         IF(lwp) WRITE(numout,*) '~~~~~~~~~~~   (free surface constant volume case)'
121       
122         ! set to zero free surface specific arrays
123         spgu(:,:) = 0._wp                     ! surface pressure gradient (i-direction)
124         spgv(:,:) = 0._wp                     ! surface pressure gradient (j-direction)
125
126         ! read filtered free surface arrays in restart file
127         ! when using agrif, sshn, gcx have to be read in istate
128         IF(.NOT. lk_agrif)   CALL flt_rst( nit000, 'READ' )      ! read or initialize the following fields:
129         !                                                        ! gcx, gcxb
130      ENDIF
131
132      ! Local constant initialization
133      z2dt = 2. * rdt                                             ! time step: leap-frog
134      IF( neuler == 0 .AND. kt == nit000   )   z2dt = rdt         ! time step: Euler if restart from rest
135      IF( neuler == 0 .AND. kt == nit000+1 )   CALL sol_mat( kt )
136      z2dtg  = grav * z2dt
137
138      ! Evaluate the masked next velocity (effect of the additional force not included)
139      ! --------------------------------- 
140      IF( lk_vvl ) THEN          ! variable volume  (surface pressure gradient already included in dyn_hpg)
141         !
142         IF( ln_dynadv_vec ) THEN      ! vector form : applied on velocity
143            DO jk = 1, jpkm1
144               DO jj = 2, jpjm1
145                  DO ji = fs_2, fs_jpim1   ! vector opt.
146                     ua(ji,jj,jk) = (  ub(ji,jj,jk) + z2dt * ua(ji,jj,jk)  ) * umask(ji,jj,jk)
147                     va(ji,jj,jk) = (  vb(ji,jj,jk) + z2dt * va(ji,jj,jk)  ) * vmask(ji,jj,jk)
148                  END DO
149               END DO
150            END DO
151            !
152         ELSE                          ! flux form : applied on thickness weighted velocity
153            DO jk = 1, jpkm1
154               DO jj = 2, jpjm1
155                  DO ji = fs_2, fs_jpim1   ! vector opt.
156                     ua(ji,jj,jk) = (        ub(ji,jj,jk) * e3u_b(ji,jj,jk)    &
157                        &           + z2dt * ua(ji,jj,jk) * e3u_n(ji,jj,jk)  ) / e3u_a(ji,jj,jk) * umask(ji,jj,jk)
158                     va(ji,jj,jk) = (        vb(ji,jj,jk) * e3v_b(ji,jj,jk)    &
159                        &           + z2dt * va(ji,jj,jk) * e3v_n(ji,jj,jk)  ) / e3v_a(ji,jj,jk) * vmask(ji,jj,jk)
160                 END DO
161               END DO
162            END DO
163            !
164         ENDIF
165         !
166      ELSE                       ! fixed volume  (add the surface pressure gradient + unweighted time stepping)
167         !
168         DO jj = 2, jpjm1              ! Surface pressure gradient (now)
169            DO ji = fs_2, fs_jpim1   ! vector opt.
170               spgu(ji,jj) = - grav * ( sshn(ji+1,jj) - sshn(ji,jj) ) * r1_e1u(ji,jj)
171               spgv(ji,jj) = - grav * ( sshn(ji,jj+1) - sshn(ji,jj) ) * r1_e2v(ji,jj)
172            END DO
173         END DO
174         DO jk = 1, jpkm1              ! unweighted time stepping
175            DO jj = 2, jpjm1
176               DO ji = fs_2, fs_jpim1   ! vector opt.
177                  ua(ji,jj,jk) = (  ub(ji,jj,jk) + z2dt * ( ua(ji,jj,jk) + spgu(ji,jj) )  ) * umask(ji,jj,jk)
178                  va(ji,jj,jk) = (  vb(ji,jj,jk) + z2dt * ( va(ji,jj,jk) + spgv(ji,jj) )  ) * vmask(ji,jj,jk)
179               END DO
180            END DO
181         END DO
182         !
183         IF( l_trddyn )   THEN                      ! temporary save of spg trends
184            CALL wrk_alloc( jpi, jpj, jpk, ztrdu, ztrdv )
185            DO jk = 1, jpkm1              ! unweighted time stepping
186               DO jj = 2, jpjm1
187                  DO ji = fs_2, fs_jpim1   ! vector opt.
188                     ztrdu(ji,jj,jk) = spgu(ji,jj) * umask(ji,jj,jk)
189                     ztrdv(ji,jj,jk) = spgv(ji,jj) * vmask(ji,jj,jk)
190                  END DO
191               END DO
192            END DO
193            CALL trd_dyn( ztrdu, ztrdv, jpdyn_spgexp, kt )
194         ENDIF
195         !
196      ENDIF
197
198#if defined key_bdy
199      IF( lk_bdy ) CALL bdy_dyn( kt )   ! Update velocities on each open boundary
200      IF( lk_bdy ) CALL bdy_vol( kt )   ! Correction of the barotropic component velocity to control the volume of the system
201#endif
202#if defined key_agrif
203      CALL Agrif_dyn( kt )    ! Update velocities on each coarse/fine interfaces
204#endif
205
206      ! compute the next vertically averaged velocity (effect of the additional force not included)
207      ! ---------------------------------------------
208      DO jj = 2, jpjm1
209         DO ji = fs_2, fs_jpim1   ! vector opt.
210            spgu(ji,jj) = e3u_a(ji,jj,1) * ua(ji,jj,1)
211            spgv(ji,jj) = e3v_a(ji,jj,1) * va(ji,jj,1)
212         END DO
213      END DO
214      DO jk = 2, jpkm1                     ! vertical sum
215         DO jj = 2, jpjm1
216            DO ji = fs_2, fs_jpim1   ! vector opt.
217               spgu(ji,jj) = spgu(ji,jj) + e3u_a(ji,jj,jk) * ua(ji,jj,jk)
218               spgv(ji,jj) = spgv(ji,jj) + e3v_a(ji,jj,jk) * va(ji,jj,jk)
219            END DO
220         END DO
221      END DO
222
223      DO jj = 2, jpjm1                     ! transport: multiplied by the horizontal scale factor
224         DO ji = fs_2, fs_jpim1   ! vector opt.
225            spgu(ji,jj) = spgu(ji,jj) * e2u(ji,jj)
226            spgv(ji,jj) = spgv(ji,jj) * e1v(ji,jj)
227         END DO
228      END DO
229      CALL lbc_lnk( spgu, 'U', -1. )       ! lateral boundary conditions
230      CALL lbc_lnk( spgv, 'V', -1. )
231
232      IF( lk_vvl ) CALL sol_mat( kt )      ! build the matrix at kt (vvl case only)
233
234      ! Right hand side of the elliptic equation and first guess
235      ! --------------------------------------------------------
236      DO jj = 2, jpjm1
237         DO ji = fs_2, fs_jpim1   ! vector opt.
238            ! Divergence of the after vertically averaged velocity
239            zgcb =  spgu(ji,jj) - spgu(ji-1,jj)   &
240                  + spgv(ji,jj) - spgv(ji,jj-1)
241            gcb(ji,jj) = gcdprc(ji,jj) * zgcb
242            ! First guess of the after barotropic transport divergence
243            zbtd = gcx(ji,jj)
244            gcx (ji,jj) = 2. * zbtd   - gcxb(ji,jj)
245            gcxb(ji,jj) =      zbtd
246         END DO
247      END DO
248      ! applied the lateral boundary conditions
249      IF( nn_solv == 2 .AND. MAX( jpr2di, jpr2dj ) > 0 )   CALL lbc_lnk_e( gcb, c_solver_pt, 1., jpr2di, jpr2dj )   
250
251#if defined key_agrif
252      IF( .NOT. AGRIF_ROOT() ) THEN
253         ! add contribution of gradient of after barotropic transport divergence
254         IF( nbondi == -1 .OR. nbondi == 2 )   gcb(3     ,:) =   &
255            &    gcb(3     ,:) - z2dtg * z2dt * laplacu(2     ,:) * gcdprc(3     ,:) * hu_n(2     ,:) * e2u(2     ,:)
256         IF( nbondi ==  1 .OR. nbondi == 2 )   gcb(nlci-2,:) =   &
257            &    gcb(nlci-2,:) + z2dtg * z2dt * laplacu(nlci-2,:) * gcdprc(nlci-2,:) * hu_n(nlci-2,:) * e2u(nlci-2,:)
258         IF( nbondj == -1 .OR. nbondj == 2 )   gcb(:     ,3) =   &
259            &    gcb(:,3     ) - z2dtg * z2dt * laplacv(:,2     ) * gcdprc(:,3     ) * hv_n(:,2     ) * e1v(:,2     )
260         IF( nbondj ==  1 .OR. nbondj == 2 )   gcb(:,nlcj-2) =   &
261            &    gcb(:,nlcj-2) + z2dtg * z2dt * laplacv(:,nlcj-2) * gcdprc(:,nlcj-2) * hv_n(:,nlcj-2) * e1v(:,nlcj-2)
262      ENDIF
263#endif
264
265
266      ! Relative precision (computation on one processor)
267      ! ------------------
268      rnorme =0.e0
269      rnorme = GLOB_SUM( gcb(1:jpi,1:jpj) * gcdmat(1:jpi,1:jpj) * gcb(1:jpi,1:jpj) * bmask(:,:) )
270
271      epsr = eps * eps * rnorme
272      ncut = 0
273      ! if rnorme is 0, the solution is 0, the solver is not called
274      IF( rnorme == 0._wp ) THEN
275         gcx(:,:) = 0._wp
276         res   = 0._wp
277         niter = 0
278         ncut  = 999
279      ENDIF
280
281      ! Evaluate the next transport divergence
282      ! --------------------------------------
283      !    Iterarive solver for the elliptic equation (except IF sol.=0)
284      !    (output in gcx with boundary conditions applied)
285      kindic = 0
286      IF( ncut == 0 ) THEN
287         IF    ( nn_solv == 1 ) THEN   ;   CALL sol_pcg( kindic )      ! diagonal preconditioned conjuguate gradient
288         ELSEIF( nn_solv == 2 ) THEN   ;   CALL sol_sor( kindic )      ! successive-over-relaxation
289         ENDIF
290      ENDIF
291
292      ! Transport divergence gradient multiplied by z2dt
293      ! --------------------------------------------====
294      DO jj = 2, jpjm1
295         DO ji = fs_2, fs_jpim1   ! vector opt.
296            ! trend of Transport divergence gradient
297            ztdgu = z2dtg * (gcx(ji+1,jj  ) - gcx(ji,jj) ) / e1u(ji,jj)
298            ztdgv = z2dtg * (gcx(ji  ,jj+1) - gcx(ji,jj) ) / e2v(ji,jj)
299            ! multiplied by z2dt
300#if defined key_bdy
301            IF(lk_bdy) THEN
302            ! caution : grad D = 0 along open boundaries
303               spgu(ji,jj) = z2dt * ztdgu * bdyumask(ji,jj)
304               spgv(ji,jj) = z2dt * ztdgv * bdyvmask(ji,jj)
305            ELSE
306               spgu(ji,jj) = z2dt * ztdgu
307               spgv(ji,jj) = z2dt * ztdgv
308            ENDIF
309#else
310            spgu(ji,jj) = z2dt * ztdgu
311            spgv(ji,jj) = z2dt * ztdgv
312#endif
313         END DO
314      END DO
315
316#if defined key_agrif     
317      IF( .NOT. Agrif_Root() ) THEN
318         ! caution : grad D (fine) = grad D (coarse) at coarse/fine interface
319         IF( nbondi == -1 .OR. nbondi == 2 ) spgu(2     ,:) = z2dtg * z2dt * laplacu(2     ,:) * umask(2     ,:,1)
320         IF( nbondi ==  1 .OR. nbondi == 2 ) spgu(nlci-2,:) = z2dtg * z2dt * laplacu(nlci-2,:) * umask(nlci-2,:,1)
321         IF( nbondj == -1 .OR. nbondj == 2 ) spgv(:,2     ) = z2dtg * z2dt * laplacv(:,2     ) * vmask(:     ,2,1)
322         IF( nbondj ==  1 .OR. nbondj == 2 ) spgv(:,nlcj-2) = z2dtg * z2dt * laplacv(:,nlcj-2) * vmask(:,nlcj-2,1)
323      ENDIF
324#endif     
325
326      IF( l_trddyn )   THEN                     
327         ztrdu(:,:,:) = ua(:,:,:)                 ! save the after velocity before the filtered SPG
328         ztrdv(:,:,:) = va(:,:,:)
329         !
330         CALL wrk_alloc( jpi, jpj, zpw )
331         !
332         zpw(:,:) = - z2dt * gcx(:,:)
333         CALL iom_put( "ssh_flt" , zpw )          ! output equivalent ssh modification due to implicit filter
334         !
335         !                                        ! save surface pressure flux: -pw at z=0
336         zpw(:,:) = - rau0 * grav * sshn(:,:) * wn(:,:,1) * tmask(:,:,1)
337         CALL iom_put( "pw0_exp" , zpw )
338         zpw(:,:) = wn(:,:,1)
339         CALL iom_put( "w0" , zpw )
340         zpw(:,:) =  rau0 * z2dtg * gcx(:,:) * wn(:,:,1) * tmask(:,:,1)
341         CALL iom_put( "pw0_flt" , zpw )
342         !
343         CALL wrk_dealloc( jpi, jpj, zpw ) 
344         !                                   
345      ENDIF
346     
347      ! Add the trends multiplied by z2dt to the after velocity
348      ! -------------------------------------------------------
349      !     ( c a u t i o n : (ua,va) here are the after velocity not the
350      !                       trend, the leap-frog time stepping will not
351      !                       be done in dynnxt.F90 routine)
352      DO jk = 1, jpkm1
353         DO jj = 2, jpjm1
354            DO ji = fs_2, fs_jpim1   ! vector opt.
355               ua(ji,jj,jk) = ( ua(ji,jj,jk) + spgu(ji,jj) ) * umask(ji,jj,jk)
356               va(ji,jj,jk) = ( va(ji,jj,jk) + spgv(ji,jj) ) * vmask(ji,jj,jk)
357            END DO
358         END DO
359      END DO
360
361      IF( l_trddyn )   THEN                      ! save the explicit SPG trends for further diagnostics
362         ztrdu(:,:,:) = ( ua(:,:,:) - ztrdu(:,:,:) ) / z2dt
363         ztrdv(:,:,:) = ( va(:,:,:) - ztrdv(:,:,:) ) / z2dt
364         CALL trd_dyn( ztrdu, ztrdv, jpdyn_spgflt, kt )
365         !
366         CALL wrk_dealloc( jpi, jpj, jpk, ztrdu, ztrdv ) 
367      ENDIF
368
369      IF( lrst_oce )   CALL flt_rst( kt, 'WRITE' )      ! write filtered free surface arrays in restart file
370      !
371      IF( nn_timing == 1 )   CALL timing_stop('dyn_spg_flt')
372      !
373   END SUBROUTINE dyn_spg_flt
374
375
376   SUBROUTINE flt_rst( kt, cdrw )
377      !!---------------------------------------------------------------------
378      !!                   ***  ROUTINE ts_rst  ***
379      !!
380      !! ** Purpose : Read or write filtered free surface arrays in restart file
381      !!----------------------------------------------------------------------
382      INTEGER         , INTENT(in) ::   kt     ! ocean time-step
383      CHARACTER(len=*), INTENT(in) ::   cdrw   ! "READ"/"WRITE" flag
384      !!----------------------------------------------------------------------
385      !
386      IF( TRIM(cdrw) == 'READ' ) THEN
387         IF( iom_varid( numror, 'gcx', ldstop = .FALSE. ) > 0 ) THEN
388! Caution : extra-hallow
389! gcx and gcxb are defined as: DIMENSION(1-jpr2di:jpi+jpr2di,1-jpr2dj:jpj+jpr2dj)
390            CALL iom_get( numror, jpdom_autoglo, 'gcx' , gcx (1:jpi,1:jpj) )
391            CALL iom_get( numror, jpdom_autoglo, 'gcxb', gcxb(1:jpi,1:jpj) )
392            IF( neuler == 0 )   gcxb(:,:) = gcx (:,:)
393         ELSE
394            gcx (:,:) = 0.e0
395            gcxb(:,:) = 0.e0
396         ENDIF
397      ELSEIF( TRIM(cdrw) == 'WRITE' ) THEN
398! Caution : extra-hallow
399! gcx and gcxb are defined as: DIMENSION(1-jpr2di:jpi+jpr2di,1-jpr2dj:jpj+jpr2dj)
400         CALL iom_rstput( kt, nitrst, numrow, 'gcx' , gcx (1:jpi,1:jpj) )
401         CALL iom_rstput( kt, nitrst, numrow, 'gcxb', gcxb(1:jpi,1:jpj) )
402      ENDIF
403      !
404   END SUBROUTINE flt_rst
405
406#else
407   !!----------------------------------------------------------------------
408   !!   Default case :   Empty module   No standart free surface cst volume
409   !!----------------------------------------------------------------------
410CONTAINS
411   SUBROUTINE dyn_spg_flt( kt, kindic )       ! Empty routine
412      WRITE(*,*) 'dyn_spg_flt: You should not have seen this print! error?', kt, kindic
413   END SUBROUTINE dyn_spg_flt
414   SUBROUTINE flt_rst    ( kt, cdrw )         ! Empty routine
415      INTEGER         , INTENT(in) ::   kt         ! ocean time-step
416      CHARACTER(len=*), INTENT(in) ::   cdrw       ! "READ"/"WRITE" flag
417      WRITE(*,*) 'flt_rst: You should not have seen this print! error?', kt, cdrw
418   END SUBROUTINE flt_rst
419#endif
420   
421   !!======================================================================
422END MODULE dynspg_flt
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.