source: branches/2015/nemo_v3_6_STABLE/NEMOGCM/NEMO/OPA_SRC/SBC/albedo.F90 @ 7607

Last change on this file since 7607 was 7607, checked in by cetlod, 4 years ago

v3.6 stable : add missing features for CMIP6 exercise, see ticket #1834

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 15.1 KB
Line 
1MODULE albedo
2   !!======================================================================
3   !!                       ***  MODULE  albedo  ***
4   !! Ocean forcing:  bulk thermohaline forcing of the ocean (or ice)
5   !!=====================================================================
6   !! History :  8.0  ! 2001-04  (LIM 1.0)
7   !!   NEMO     1.0  ! 2003-07  (C. Ethe, G. Madec)  Optimization (old name:shine)
8   !!             -   ! 2004-11  (C. Talandier)  add albedo_init
9   !!             -   ! 2001-06  (M. Vancoppenolle) LIM 3.0
10   !!             -   ! 2006-08  (G. Madec)  cleaning for surface module
11   !!            3.6  ! 2016-01  (C. Rousset) new parameterization for sea ice albedo
12   !!----------------------------------------------------------------------
13
14   !!----------------------------------------------------------------------
15   !!   albedo_ice    : albedo for   ice (clear and overcast skies)
16   !!   albedo_oce    : albedo for ocean (clear and overcast skies)
17   !!   albedo_init   : initialisation of albedo computation
18   !!----------------------------------------------------------------------
19   USE phycst         ! physical constants
20   USE in_out_manager ! I/O manager
21   USE lib_mpp        ! MPP library
22   USE wrk_nemo       ! work arrays
23   USE lib_fortran    ! Fortran utilities (allows no signed zero when 'key_nosignedzero' defined) 
24
25   IMPLICIT NONE
26   PRIVATE
27
28   PUBLIC   albedo_ice   ! routine called sbcice_lim.F90
29   PUBLIC   albedo_oce   ! routine called by ???
30
31   INTEGER  ::   albd_init = 0      !: control flag for initialization
32 
33   REAL(wp) ::   rmue     = 0.40    !  cosine of local solar altitude
34   REAL(wp) ::   ralb_oce = 0.066   ! ocean or lead albedo (Pegau and Paulson, Ann. Glac. 2001)
35   REAL(wp) ::   c1       = 0.05    ! snow thickness (only for nn_ice_alb=0)
36   REAL(wp) ::   c2       = 0.10    !  "        "
37   REAL(wp) ::   rcloud   = 0.06    ! cloud effect on albedo (only-for nn_ice_alb=0)
38 
39   !                             !!* namelist namsbc_alb
40   INTEGER  ::   nn_ice_alb
41   REAL(wp) ::   rn_alb_sdry, rn_alb_smlt, rn_alb_idry, rn_alb_imlt
42
43   !!----------------------------------------------------------------------
44   !! NEMO/OPA 3.3 , NEMO Consortium (2010)
45   !! $Id$
46   !! Software governed by the CeCILL licence     (NEMOGCM/NEMO_CeCILL.txt)
47   !!----------------------------------------------------------------------
48CONTAINS
49
50   SUBROUTINE albedo_ice( pt_ice, ph_ice, ph_snw, pa_ice_cs, pa_ice_os )
51      !!----------------------------------------------------------------------
52      !!               ***  ROUTINE albedo_ice  ***
53      !!         
54      !! ** Purpose :   Computation of the albedo of the snow/ice system
55      !!       
56      !! ** Method  :   Two schemes are available (from namelist parameter nn_ice_alb)
57      !!                  0: the scheme is that of Shine & Henderson-Sellers (JGR 1985) for clear-skies
58      !!                  1: the scheme is "home made" (for cloudy skies) and based on Brandt et al. (J. Climate 2005)
59      !!                                                                           and Grenfell & Perovich (JGR 2004)
60      !!                Description of scheme 1:
61      !!                  1) Albedo dependency on ice thickness follows the findings from Brandt et al (2005)
62      !!                     which are an update of Allison et al. (JGR 1993) ; Brandt et al. 1999
63      !!                     0-5cm  : linear function of ice thickness
64      !!                     5-150cm: log    function of ice thickness
65      !!                     > 150cm: constant
66      !!                  2) Albedo dependency on snow thickness follows the findings from Grenfell & Perovich (2004)
67      !!                     i.e. it increases as -EXP(-snw_thick/0.02) during freezing and -EXP(-snw_thick/0.03) during melting
68      !!                  3) Albedo dependency on clouds is speculated from measurements of Grenfell and Perovich (2004)
69      !!                     i.e. cloudy-clear albedo depend on cloudy albedo following a 2d order polynomial law
70      !!                  4) The needed 4 parameters are: dry and melting snow, freezing ice and bare puddled ice
71      !!
72      !! ** Note    :   The parameterization from Shine & Henderson-Sellers presents several misconstructions:
73      !!                  1) ice albedo when ice thick. tends to 0 is different than ocean albedo
74      !!                  2) for small ice thick. covered with some snow (<3cm?), albedo is larger
75      !!                     under melting conditions than under freezing conditions
76      !!                  3) the evolution of ice albedo as a function of ice thickness shows 
77      !!                     3 sharp inflexion points (at 5cm, 100cm and 150cm) that look highly unrealistic
78      !!
79      !! References :   Shine & Henderson-Sellers 1985, JGR, 90(D1), 2243-2250.
80      !!                Brandt et al. 2005, J. Climate, vol 18
81      !!                Grenfell & Perovich 2004, JGR, vol 109
82      !!----------------------------------------------------------------------
83      REAL(wp), INTENT(in   ), DIMENSION(:,:,:) ::   pt_ice      !  ice surface temperature (Kelvin)
84      REAL(wp), INTENT(in   ), DIMENSION(:,:,:) ::   ph_ice      !  sea-ice thickness
85      REAL(wp), INTENT(in   ), DIMENSION(:,:,:) ::   ph_snw      !  snow thickness
86      REAL(wp), INTENT(  out), DIMENSION(:,:,:) ::   pa_ice_cs   !  albedo of ice under clear    sky
87      REAL(wp), INTENT(  out), DIMENSION(:,:,:) ::   pa_ice_os   !  albedo of ice under overcast sky
88      !!
89      INTEGER  ::   ji, jj, jl         ! dummy loop indices
90      INTEGER  ::   ijpl               ! number of ice categories (3rd dim of ice input arrays)
91      REAL(wp)            ::   ralb_im, ralb_sf, ralb_sm, ralb_if
92      REAL(wp)            ::   zswitch, z1_c1, z1_c2
93      REAL(wp)                            ::   zalb_sm, zalb_sf, zalb_st ! albedo of snow melting, freezing, total
94      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:,:) ::   zalb, zalb_it             ! intermediate variable & albedo of ice (snow free)
95      !!---------------------------------------------------------------------
96
97      ijpl = SIZE( pt_ice, 3 )                     ! number of ice categories
98     
99      CALL wrk_alloc( jpi,jpj,ijpl, zalb, zalb_it )
100
101      IF( albd_init == 0 )   CALL albedo_init      ! initialization
102
103      ralb_sf = rn_alb_sdry ! dry snow
104      ralb_sm = rn_alb_smlt ! melting snow
105      ralb_if = rn_alb_idry ! bare frozen ice
106      ralb_im = rn_alb_imlt ! bare puddled ice
107     
108      SELECT CASE ( nn_ice_alb )
109
110      !------------------------------------------
111      !  Shine and Henderson-Sellers (1985)
112      !------------------------------------------
113      CASE( 0 )
114       
115         !ralb_sf = 0.80       ! dry snow
116         !ralb_sm = 0.65       ! melting snow
117         !ralb_if = 0.72       ! bare frozen ice
118         !ralb_im = ...        ! bare puddled ice
119
120         !  Computation of ice albedo (free of snow)
121         WHERE     ( ph_snw == 0._wp .AND. pt_ice >= rt0_ice )   ;   zalb(:,:,:) = ralb_im
122         ELSE WHERE                                              ;   zalb(:,:,:) = ralb_if
123         END  WHERE
124     
125         WHERE     ( 1.5  < ph_ice                     )  ;  zalb_it = zalb
126         ELSE WHERE( 1.0  < ph_ice .AND. ph_ice <= 1.5 )  ;  zalb_it = 0.472  + 2.0 * ( zalb - 0.472 ) * ( ph_ice - 1.0 )
127         ELSE WHERE( 0.05 < ph_ice .AND. ph_ice <= 1.0 )  ;  zalb_it = 0.2467 + 0.7049 * ph_ice              &
128            &                                                                 - 0.8608 * ph_ice * ph_ice     &
129            &                                                                 + 0.3812 * ph_ice * ph_ice * ph_ice
130         ELSE WHERE                                       ;  zalb_it = 0.1    + 3.6    * ph_ice
131         END WHERE
132     
133         DO jl = 1, ijpl
134            DO jj = 1, jpj
135               DO ji = 1, jpi
136                  ! freezing snow
137                  ! no effect of underlying ice layer IF snow thickness > c1. Albedo does not depend on snow thick if > c2
138                  !                                        !  freezing snow       
139                  zswitch   = 1._wp - MAX( 0._wp , SIGN( 1._wp , - ( ph_snw(ji,jj,jl) - c1 ) ) )
140                  zalb_sf   = ( 1._wp - zswitch ) * (  zalb_it(ji,jj,jl)  &
141                     &                           + ph_snw(ji,jj,jl) * ( ralb_sf - zalb_it(ji,jj,jl) ) / c1  )   &
142                     &        +         zswitch   * ralb_sf 
143
144                  ! melting snow
145                  ! no effect of underlying ice layer. Albedo does not depend on snow thick IF > c2
146                  zswitch   = MAX( 0._wp , SIGN( 1._wp , ph_snw(ji,jj,jl) - c2 ) )
147                  zalb_sm = ( 1._wp - zswitch ) * ( ralb_im + ph_snw(ji,jj,jl) * ( ralb_sm - ralb_im ) / c2 )   &
148                      &     +         zswitch   *   ralb_sm 
149                  !
150                  ! snow albedo
151                  zswitch  =  MAX( 0._wp , SIGN( 1._wp , pt_ice(ji,jj,jl) - rt0_snow ) )   
152                  zalb_st  =  zswitch * zalb_sm + ( 1._wp - zswitch ) * zalb_sf
153               
154                  ! Ice/snow albedo
155                  zswitch   = 1._wp - MAX( 0._wp , SIGN( 1._wp , - ph_snw(ji,jj,jl) ) )
156                  pa_ice_cs(ji,jj,jl) =  zswitch * zalb_st + ( 1._wp - zswitch ) * zalb_it(ji,jj,jl)
157                  !
158               END DO
159            END DO
160         END DO
161
162         pa_ice_os(:,:,:) = pa_ice_cs(:,:,:) + rcloud       ! Oberhuber correction for overcast sky
163
164      !------------------------------------------
165      !  New parameterization (2016)
166      !------------------------------------------
167      CASE( 1 ) 
168
169!        ralb_im = ...        ! bare puddled ice
170! compilation of values from literature
171!        ralb_sf = 0.85      ! dry snow
172!        ralb_sm = 0.75      ! melting snow
173!        ralb_if = 0.60      ! bare frozen ice
174! Perovich et al 2002 (Sheba) => the only dataset for which all types of ice/snow were retrieved
175!         ralb_sf = 0.85       ! dry snow
176!         ralb_sm = 0.72       ! melting snow
177!         ralb_if = 0.65       ! bare frozen ice
178! Brandt et al 2005 (East Antarctica)
179!         ralb_sf = 0.87      ! dry snow
180!         ralb_sm = 0.82      ! melting snow
181!         ralb_if = 0.54      ! bare frozen ice
182!
183         !  Computation of ice albedo (free of snow)
184         z1_c1 = 1. / ( LOG(1.5) - LOG(0.05) ) 
185         z1_c2 = 1. / 0.05
186         WHERE     ( ph_snw == 0._wp .AND. pt_ice >= rt0_ice )   ;   zalb = ralb_im
187         ELSE WHERE                                              ;   zalb = ralb_if
188         END  WHERE
189         
190         WHERE     ( 1.5  < ph_ice                     )  ;  zalb_it = zalb
191         ELSE WHERE( 0.05 < ph_ice .AND. ph_ice <= 1.5 )  ;  zalb_it = zalb     + ( 0.18 - zalb     ) * z1_c1 *  &
192            &                                                                     ( LOG(1.5) - LOG(ph_ice) )
193         ELSE WHERE                                       ;  zalb_it = ralb_oce + ( 0.18 - ralb_oce ) * z1_c2 * ph_ice
194         END WHERE
195
196         z1_c1 = 1. / 0.02
197         z1_c2 = 1. / 0.03
198         !  Computation of the snow/ice albedo
199         DO jl = 1, ijpl
200            DO jj = 1, jpj
201               DO ji = 1, jpi
202                  zalb_sf = ralb_sf - ( ralb_sf - zalb_it(ji,jj,jl)) * EXP( - ph_snw(ji,jj,jl) * z1_c1 );
203                  zalb_sm = ralb_sm - ( ralb_sm - zalb_it(ji,jj,jl)) * EXP( - ph_snw(ji,jj,jl) * z1_c2 );
204
205                   ! snow albedo
206                  zswitch = MAX( 0._wp , SIGN( 1._wp , pt_ice(ji,jj,jl) - rt0_snow ) )   
207                  zalb_st = zswitch * zalb_sm + ( 1._wp - zswitch ) * zalb_sf
208
209                  ! Ice/snow albedo   
210                  zswitch             = MAX( 0._wp , SIGN( 1._wp , - ph_snw(ji,jj,jl) ) )
211                  pa_ice_os(ji,jj,jl) = ( 1._wp - zswitch ) * zalb_st + zswitch *  zalb_it(ji,jj,jl)
212
213              END DO
214            END DO
215         END DO
216         ! Effect of the clouds (2d order polynomial)
217         pa_ice_cs = pa_ice_os - ( - 0.1010 * pa_ice_os * pa_ice_os + 0.1933 * pa_ice_os - 0.0148 ); 
218
219      END SELECT
220     
221      CALL wrk_dealloc( jpi,jpj,ijpl, zalb, zalb_it )
222      !
223   END SUBROUTINE albedo_ice
224
225
226   SUBROUTINE albedo_oce( pa_oce_os , pa_oce_cs )
227      !!----------------------------------------------------------------------
228      !!               ***  ROUTINE albedo_oce  ***
229      !!
230      !! ** Purpose :   Computation of the albedo of the ocean
231      !!----------------------------------------------------------------------
232      REAL(wp), DIMENSION(:,:), INTENT(out) ::   pa_oce_os   !  albedo of ocean under overcast sky
233      REAL(wp), DIMENSION(:,:), INTENT(out) ::   pa_oce_cs   !  albedo of ocean under clear sky
234      !!
235      REAL(wp) :: zcoef 
236      !!----------------------------------------------------------------------
237      !
238      zcoef = 0.05 / ( 1.1 * rmue**1.4 + 0.15 )   ! Parameterization of Briegled and Ramanathan, 1982
239      pa_oce_cs(:,:) = zcoef 
240      pa_oce_os(:,:) = 0.06                       ! Parameterization of Kondratyev, 1969 and Payne, 1972
241      !
242   END SUBROUTINE albedo_oce
243
244
245   SUBROUTINE albedo_init
246      !!----------------------------------------------------------------------
247      !!                 ***  ROUTINE albedo_init  ***
248      !!
249      !! ** Purpose :   initializations for the albedo parameters
250      !!
251      !! ** Method  :   Read the namelist namsbc_alb
252      !!----------------------------------------------------------------------
253      INTEGER  ::   ios                 ! Local integer output status for namelist read
254      NAMELIST/namsbc_alb/ nn_ice_alb, rn_alb_sdry, rn_alb_smlt, rn_alb_idry , rn_alb_imlt
255      !!----------------------------------------------------------------------
256      !
257      albd_init = 1                     ! indicate that the initialization has been done
258      !
259      REWIND( numnam_ref )              ! Namelist namsbc_alb in reference namelist : Albedo parameters
260      READ  ( numnam_ref, namsbc_alb, IOSTAT = ios, ERR = 901)
261901   IF( ios /= 0 ) CALL ctl_nam ( ios , 'namsbc_alb in reference namelist', lwp )
262
263      REWIND( numnam_cfg )              ! Namelist namsbc_alb in configuration namelist : Albedo parameters
264      READ  ( numnam_cfg, namsbc_alb, IOSTAT = ios, ERR = 902 )
265902   IF( ios /= 0 ) CALL ctl_nam ( ios , 'namsbc_alb in configuration namelist', lwp )
266      IF(lwm) WRITE ( numond, namsbc_alb )
267      !
268      IF(lwp) THEN                      ! Control print
269         WRITE(numout,*)
270         WRITE(numout,*) 'albedo : set albedo parameters'
271         WRITE(numout,*) '~~~~~~~'
272         WRITE(numout,*) '   Namelist namsbc_alb : albedo '
273         WRITE(numout,*) '      choose the albedo parameterization                  nn_ice_alb = ', nn_ice_alb
274         WRITE(numout,*) '      albedo of dry snow                                  rn_alb_sdry = ', rn_alb_sdry
275         WRITE(numout,*) '      albedo of melting snow                              rn_alb_smlt = ', rn_alb_smlt
276         WRITE(numout,*) '      albedo of dry ice                                   rn_alb_idry = ', rn_alb_idry
277         WRITE(numout,*) '      albedo of bare puddled ice                          rn_alb_imlt = ', rn_alb_imlt
278      ENDIF
279      !
280   END SUBROUTINE albedo_init
281
282   !!======================================================================
283END MODULE albedo
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.