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.
zdftmx.F90 in branches/2015/nemo_v3_6_STABLE/NEMOGCM/NEMO/OPA_SRC/ZDF – NEMO

source: branches/2015/nemo_v3_6_STABLE/NEMOGCM/NEMO/OPA_SRC/ZDF/zdftmx.F90 @ 8788

Last change on this file since 8788 was 8788, checked in by gsamson, 6 years ago

fix ticket #1954 in nemo_v3_6_STABLE

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 52.7 KB
Line 
1MODULE zdftmx
2   !!========================================================================
3   !!                       ***  MODULE  zdftmx  ***
4   !! Ocean physics: vertical tidal mixing coefficient
5   !!========================================================================
6   !! History :  1.0  !  2004-04  (L. Bessieres, G. Madec)  Original code
7   !!             -   !  2006-08  (A. Koch-Larrouy) Indonesian strait
8   !!            3.3  !  2010-10  (C. Ethe, G. Madec) reorganisation of initialisation phase
9   !!----------------------------------------------------------------------
10#if defined key_zdftmx   ||   defined key_esopa
11   !!----------------------------------------------------------------------
12   !!   'key_zdftmx'                                  Tidal vertical mixing
13   !!----------------------------------------------------------------------
14   !!   zdf_tmx       : global     momentum & tracer Kz with tidal induced Kz
15   !!   tmx_itf       : Indonesian momentum & tracer Kz with tidal induced Kz
16   !!----------------------------------------------------------------------
17   USE oce            ! ocean dynamics and tracers variables
18   USE dom_oce        ! ocean space and time domain variables
19   USE zdf_oce        ! ocean vertical physics variables
20   USE lbclnk         ! ocean lateral boundary conditions (or mpp link)
21   USE eosbn2         ! ocean equation of state
22   USE phycst         ! physical constants
23   USE prtctl         ! Print control
24   USE in_out_manager ! I/O manager
25   USE iom            ! I/O Manager
26   USE lib_mpp        ! MPP library
27   USE wrk_nemo       ! work arrays
28   USE timing         ! Timing
29   USE lib_fortran    ! Fortran utilities (allows no signed zero when 'key_nosignedzero' defined) 
30
31   IMPLICIT NONE
32   PRIVATE
33
34   PUBLIC   zdf_tmx         ! called in step module
35   PUBLIC   zdf_tmx_init    ! called in opa module
36   PUBLIC   zdf_tmx_alloc   ! called in nemogcm module
37
38   LOGICAL, PUBLIC, PARAMETER ::   lk_zdftmx = .TRUE.    !: tidal mixing flag
39
40   !                       !!* Namelist  namzdf_tmx : tidal mixing *
41   REAL(wp) ::  rn_htmx     ! vertical decay scale for turbulence (meters)
42   REAL(wp) ::  rn_n2min    ! threshold of the Brunt-Vaisala frequency (s-1)
43   REAL(wp) ::  rn_tfe      ! tidal dissipation efficiency (St Laurent et al. 2002)
44   REAL(wp) ::  rn_me       ! mixing efficiency (Osborn 1980)
45   LOGICAL  ::  ln_tmx_itf  ! Indonesian Through Flow (ITF): Koch-Larrouy et al. (2007) parameterization
46   REAL(wp) ::  rn_tfe_itf  ! ITF tidal dissipation efficiency (St Laurent et al. 2002)
47
48   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:)   ::   en_tmx     ! energy available for tidal mixing (W/m2)
49   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:)   ::   mask_itf   ! mask to use over Indonesian area
50   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:) ::   az_tmx     ! coefficient used to evaluate the tidal induced Kz
51
52   !! * Substitutions
53#  include "domzgr_substitute.h90"
54#  include "vectopt_loop_substitute.h90"
55   !!----------------------------------------------------------------------
56   !! NEMO/OPA 4.0 , NEMO Consortium (2011)
57   !! $Id$
58   !! Software governed by the CeCILL licence     (NEMOGCM/NEMO_CeCILL.txt)
59   !!----------------------------------------------------------------------
60CONTAINS
61
62   INTEGER FUNCTION zdf_tmx_alloc()
63      !!----------------------------------------------------------------------
64      !!                ***  FUNCTION zdf_tmx_alloc  ***
65      !!----------------------------------------------------------------------
66      ALLOCATE(en_tmx(jpi,jpj), mask_itf(jpi,jpj), az_tmx(jpi,jpj,jpk), STAT=zdf_tmx_alloc )
67      !
68      IF( lk_mpp             )   CALL mpp_sum ( zdf_tmx_alloc )
69      IF( zdf_tmx_alloc /= 0 )   CALL ctl_warn('zdf_tmx_alloc: failed to allocate arrays')
70   END FUNCTION zdf_tmx_alloc
71
72
73   SUBROUTINE zdf_tmx( kt )
74      !!----------------------------------------------------------------------
75      !!                  ***  ROUTINE zdf_tmx  ***
76      !!                   
77      !! ** Purpose :   add to the vertical mixing coefficients the effect of
78      !!              tidal mixing (Simmons et al 2004).
79      !!
80      !! ** Method  : - tidal-induced vertical mixing is given by:
81      !!                  Kz_tides = az_tmx / max( rn_n2min, N^2 )
82      !!              where az_tmx is a coefficient that specified the 3D space
83      !!              distribution of the faction of tidal energy taht is used
84      !!              for mixing. Its expression is set in zdf_tmx_init routine,
85      !!              following Simmons et al. 2004.
86      !!                NB: a specific bounding procedure is performed on av_tide
87      !!              so that the input tidal energy is actually almost used. The
88      !!              basic maximum value is 60 cm2/s, but values of 300 cm2/s
89      !!              can be reached in area where bottom stratification is too
90      !!              weak.
91      !!
92      !!              - update av_tide in the Indonesian Through Flow area
93      !!              following Koch-Larrouy et al. (2007) parameterisation
94      !!              (see tmx_itf routine).
95      !!
96      !!              - update the model vertical eddy viscosity and diffusivity:
97      !!                     avt  = avt  +    av_tides
98      !!                     avm  = avm  +    av_tides
99      !!                     avmu = avmu + mi(av_tides)
100      !!                     avmv = avmv + mj(av_tides)
101      !!
102      !! ** Action  :   avt, avm, avmu, avmv   increased by tidal mixing
103      !!
104      !! References : Simmons et al. 2004, Ocean Modelling, 6, 3-4, 245-263.
105      !!              Koch-Larrouy et al. 2007, GRL.
106      !!----------------------------------------------------------------------
107      USE oce, zav_tide  =>   ua    ! use ua as workspace
108      !!
109      INTEGER, INTENT(in) ::   kt   ! ocean time-step
110      !!
111      INTEGER  ::   ji, jj, jk   ! dummy loop indices
112      REAL(wp) ::   ztpc         ! scalar workspace
113      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:) ::   zkz
114      !!----------------------------------------------------------------------
115      !
116      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_start('zdf_tmx')
117      !
118      CALL wrk_alloc( jpi,jpj, zkz )
119
120      !                          ! ----------------------- !
121      !                          !  Standard tidal mixing  !  (compute zav_tide)
122      !                          ! ----------------------- !
123      !                             !* First estimation (with n2 bound by rn_n2min) bounded by 60 cm2/s
124      zav_tide(:,:,:) = MIN(  60.e-4, az_tmx(:,:,:) / MAX( rn_n2min, rn2(:,:,:) )  )
125
126      zkz(:,:) = 0.e0               !* Associated potential energy consummed over the whole water column
127      DO jk = 2, jpkm1
128         zkz(:,:) = zkz(:,:) + fse3w(:,:,jk) * MAX( 0.e0, rn2(:,:,jk) ) * rau0 * zav_tide(:,:,jk) * wmask(:,:,jk)
129      END DO
130
131      DO jj = 1, jpj                !* Here zkz should be equal to en_tmx ==> multiply by en_tmx/zkz to recover en_tmx
132         DO ji = 1, jpi
133            IF( zkz(ji,jj) /= 0.e0 )   zkz(ji,jj) = en_tmx(ji,jj) / zkz(ji,jj)
134         END DO
135      END DO
136
137      DO jk = 2, jpkm1     !* Mutiply by zkz to recover en_tmx, BUT bound by 30/6 ==> zav_tide bound by 300 cm2/s
138         DO jj = 1, jpj                !* Here zkz should be equal to en_tmx ==> multiply by en_tmx/zkz to recover en_tmx
139            DO ji = 1, jpi
140               zav_tide(ji,jj,jk) = zav_tide(ji,jj,jk) * MIN( zkz(ji,jj), 30./6. ) * wmask(ji,jj,jk)  !kz max = 300 cm2/s
141            END DO
142         END DO
143      END DO
144
145      IF( kt == nit000 ) THEN       !* check at first time-step: diagnose the energy consumed by zav_tide
146         ztpc = 0.e0
147         DO jk= 1, jpk
148            DO jj= 1, jpj
149               DO ji= 1, jpi
150                  ztpc = ztpc + fse3w(ji,jj,jk) * e1t(ji,jj) * e2t(ji,jj)   &
151                     &         * MAX( 0.e0, rn2(ji,jj,jk) ) * zav_tide(ji,jj,jk) * tmask(ji,jj,jk) * tmask_i(ji,jj)
152               END DO
153            END DO
154         END DO
155         ztpc= rau0 / ( rn_tfe * rn_me ) * ztpc
156         IF(lwp) WRITE(numout,*) 
157         IF(lwp) WRITE(numout,*) '          N Total power consumption by av_tide    : ztpc = ', ztpc * 1.e-12 ,'TW'
158      ENDIF
159       
160      !                          ! ----------------------- !
161      !                          !    ITF  tidal mixing    !  (update zav_tide)
162      !                          ! ----------------------- !
163      IF( ln_tmx_itf )   CALL tmx_itf( kt, zav_tide )
164
165      !                          ! ----------------------- !
166      !                          !   Update  mixing coefs  !                         
167      !                          ! ----------------------- !
168      DO jk = 2, jpkm1              !* update momentum & tracer diffusivity with tidal mixing
169         DO jj = 1, jpj                !* Here zkz should be equal to en_tmx ==> multiply by en_tmx/zkz to recover en_tmx
170            DO ji = 1, jpi
171               avt(ji,jj,jk) = avt(ji,jj,jk) + zav_tide(ji,jj,jk) * wmask(ji,jj,jk)
172               avm(ji,jj,jk) = avm(ji,jj,jk) + zav_tide(ji,jj,jk) * wmask(ji,jj,jk)
173            END DO
174         END DO
175      END DO
176     
177      DO jk = 2, jpkm1              !* update momentum & tracer diffusivity with tidal mixing
178         DO jj = 2, jpjm1
179            DO ji = fs_2, fs_jpim1  ! vector opt.
180               avmu(ji,jj,jk) = avmu(ji,jj,jk) + 0.5 * ( zav_tide(ji,jj,jk) + zav_tide(ji+1,jj  ,jk) ) * wumask(ji,jj,jk)
181               avmv(ji,jj,jk) = avmv(ji,jj,jk) + 0.5 * ( zav_tide(ji,jj,jk) + zav_tide(ji  ,jj+1,jk) ) * wvmask(ji,jj,jk)
182            END DO
183         END DO
184      END DO
185      CALL lbc_lnk( avmu, 'U', 1. )   ;   CALL lbc_lnk( avmv, 'V', 1. )      ! lateral boundary condition
186
187      !                             !* output tidal mixing coefficient
188      CALL iom_put( "av_tide", zav_tide )
189
190      IF(ln_ctl)   CALL prt_ctl(tab3d_1=zav_tide , clinfo1=' tmx - av_tide: ', tab3d_2=avt, clinfo2=' avt: ', ovlap=1, kdim=jpk)
191      !
192      CALL wrk_dealloc( jpi,jpj, zkz )
193      !
194      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_stop('zdf_tmx')
195      !
196   END SUBROUTINE zdf_tmx
197
198
199   SUBROUTINE tmx_itf( kt, pav )
200      !!----------------------------------------------------------------------
201      !!                  ***  ROUTINE tmx_itf  ***
202      !!                   
203      !! ** Purpose :   modify the vertical eddy diffusivity coefficients
204      !!              (pav) in the Indonesian Through Flow area (ITF).
205      !!
206      !! ** Method  : - Following Koch-Larrouy et al. (2007), in the ITF defined
207      !!                by msk_itf (read in a file, see tmx_init), the tidal
208      !!                mixing coefficient is computed with :
209      !!                  * q=1 (i.e. all the tidal energy remains trapped in
210      !!                         the area and thus is used for mixing)
211      !!                  * the vertical distribution of the tifal energy is a
212      !!                    proportional to N above the thermocline (d(N^2)/dz > 0)
213      !!                    and to N^2 below the thermocline (d(N^2)/dz < 0)
214      !!
215      !! ** Action  :   av_tide   updated in the ITF area (msk_itf)
216      !!
217      !! References :  Koch-Larrouy et al. 2007, GRL
218      !!----------------------------------------------------------------------
219      INTEGER , INTENT(in   )                         ::   kt   ! ocean time-step
220      REAL(wp), INTENT(inout), DIMENSION(jpi,jpj,jpk) ::   pav  ! Tidal mixing coef.
221      !!
222      INTEGER  ::   ji, jj, jk    ! dummy loop indices
223      REAL(wp) ::   zcoef, ztpc   ! temporary scalar
224      REAL(wp), DIMENSION(:,:)  , POINTER ::   zkz                        ! 2D workspace
225      REAL(wp), DIMENSION(:,:)  , POINTER ::   zsum1 , zsum2 , zsum       !  -      -
226      REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), POINTER ::   zempba_3d_1, zempba_3d_2   ! 3D workspace
227      REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), POINTER ::   zempba_3d  , zdn2dz        !  -      -
228      REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), POINTER ::   zavt_itf                   !  -      -
229      !!----------------------------------------------------------------------
230      !
231      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_start('tmx_itf')
232      !
233      CALL wrk_alloc( jpi,jpj, zkz, zsum1 , zsum2 , zsum )
234      CALL wrk_alloc( jpi,jpj,jpk, zempba_3d_1, zempba_3d_2, zempba_3d, zdn2dz, zavt_itf )
235
236      !                             ! compute the form function using N2 at each time step
237      zdn2dz     (:,:,jpk) = 0.e0
238      zempba_3d_1(:,:,jpk) = 0.e0
239      zempba_3d_2(:,:,jpk) = 0.e0
240      DO jk = 1, jpkm1             
241         zdn2dz     (:,:,jk) = rn2(:,:,jk) - rn2(:,:,jk+1)           ! Vertical profile of dN2/dz
242!CDIR NOVERRCHK
243         zempba_3d_1(:,:,jk) = SQRT(  MAX( 0.e0, rn2(:,:,jk) )  )    !    -        -    of N
244         zempba_3d_2(:,:,jk) =        MAX( 0.e0, rn2(:,:,jk) )       !    -        -    of N^2
245      END DO
246      !
247      zsum (:,:) = 0.e0
248      zsum1(:,:) = 0.e0
249      zsum2(:,:) = 0.e0
250      DO jk= 2, jpk
251         zsum1(:,:) = zsum1(:,:) + zempba_3d_1(:,:,jk) * fse3w(:,:,jk) * tmask(:,:,jk) * tmask(:,:,jk-1)
252         zsum2(:,:) = zsum2(:,:) + zempba_3d_2(:,:,jk) * fse3w(:,:,jk) * tmask(:,:,jk) * tmask(:,:,jk-1)               
253      END DO
254      DO jj = 1, jpj
255         DO ji = 1, jpi
256            IF( zsum1(ji,jj) /= 0.e0 )   zsum1(ji,jj) = 1.e0 / zsum1(ji,jj)
257            IF( zsum2(ji,jj) /= 0.e0 )   zsum2(ji,jj) = 1.e0 / zsum2(ji,jj)               
258         END DO
259      END DO
260
261      DO jk= 1, jpk
262         DO jj = 1, jpj
263            DO ji = 1, jpi
264               zcoef = 0.5 - SIGN( 0.5, zdn2dz(ji,jj,jk) )       ! =0 if dN2/dz > 0, =1 otherwise
265               ztpc  = zempba_3d_1(ji,jj,jk) * zsum1(ji,jj) *        zcoef     &
266                  &  + zempba_3d_2(ji,jj,jk) * zsum2(ji,jj) * ( 1. - zcoef )
267               !
268               zempba_3d(ji,jj,jk) =               ztpc 
269               zsum     (ji,jj)    = zsum(ji,jj) + ztpc * fse3w(ji,jj,jk)
270            END DO
271         END DO
272       END DO
273       DO jj = 1, jpj
274          DO ji = 1, jpi
275             IF( zsum(ji,jj) > 0.e0 )   zsum(ji,jj) = 1.e0 / zsum(ji,jj)               
276          END DO
277       END DO
278
279      !                             ! first estimation bounded by 10 cm2/s (with n2 bounded by rn_n2min)
280      zcoef = rn_tfe_itf / ( rn_tfe * rau0 )
281      DO jk = 1, jpk
282         zavt_itf(:,:,jk) = MIN(  10.e-4, zcoef * en_tmx(:,:) * zsum(:,:) * zempba_3d(:,:,jk)   &
283            &                                      / MAX( rn_n2min, rn2(:,:,jk) ) * tmask(:,:,jk)  )
284      END DO           
285
286      zkz(:,:) = 0.e0               ! Associated potential energy consummed over the whole water column
287      DO jk = 2, jpkm1
288         zkz(:,:) = zkz(:,:) + fse3w(:,:,jk) * MAX( 0.e0, rn2(:,:,jk) ) * rau0 * zavt_itf(:,:,jk) * tmask(:,:,jk) * tmask(:,:,jk-1)
289      END DO
290
291      DO jj = 1, jpj                ! Here zkz should be equal to en_tmx ==> multiply by en_tmx/zkz to recover en_tmx
292         DO ji = 1, jpi
293            IF( zkz(ji,jj) /= 0.e0 )   zkz(ji,jj) = en_tmx(ji,jj) * rn_tfe_itf / rn_tfe / zkz(ji,jj)
294         END DO
295      END DO
296
297      DO jk = 2, jpkm1              ! Mutiply by zkz to recover en_tmx, BUT bound by 30/6 ==> zavt_itf bound by 300 cm2/s
298         zavt_itf(:,:,jk) = zavt_itf(:,:,jk) * MIN( zkz(:,:), 120./10. ) * tmask(:,:,jk) * tmask(:,:,jk-1)   ! kz max = 120 cm2/s
299      END DO
300
301      IF( kt == nit000 ) THEN       ! diagnose the nergy consumed by zavt_itf
302         ztpc = 0.e0
303         DO jk= 1, jpk
304            DO jj= 1, jpj
305               DO ji= 1, jpi
306                  ztpc = ztpc + e1t(ji,jj) * e2t(ji,jj) * fse3w(ji,jj,jk) * MAX( 0.e0, rn2(ji,jj,jk) )   &
307                     &                     * zavt_itf(ji,jj,jk) * tmask(ji,jj,jk) * tmask_i(ji,jj)
308               END DO
309            END DO
310         END DO
311         ztpc= rau0 * ztpc / ( rn_me * rn_tfe_itf )
312         IF(lwp) WRITE(numout,*) '          N Total power consumption by zavt_itf: ztpc = ', ztpc * 1.e-12 ,'TW'
313      ENDIF
314
315      !                             ! Update pav with the ITF mixing coefficient
316      DO jk = 2, jpkm1
317         pav(:,:,jk) = pav     (:,:,jk) * ( 1.e0 - mask_itf(:,:) )   &
318            &        + zavt_itf(:,:,jk) *          mask_itf(:,:) 
319      END DO
320      !
321      CALL wrk_dealloc( jpi,jpj, zkz, zsum1 , zsum2 , zsum )
322      CALL wrk_dealloc( jpi,jpj,jpk, zempba_3d_1, zempba_3d_2, zempba_3d, zdn2dz, zavt_itf )
323      !
324      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_stop('tmx_itf')
325      !
326   END SUBROUTINE tmx_itf
327
328
329   SUBROUTINE zdf_tmx_init
330      !!----------------------------------------------------------------------
331      !!                  ***  ROUTINE zdf_tmx_init  ***
332      !!                     
333      !! ** Purpose :   Initialization of the vertical tidal mixing, Reading
334      !!              of M2 and K1 tidal energy in nc files
335      !!
336      !! ** Method  : - Read the namtmx namelist and check the parameters
337      !!
338      !!              - Read the input data in NetCDF files :
339      !!              M2 and K1 tidal energy. The total tidal energy, en_tmx,
340      !!              is the sum of M2, K1 and S2 energy where S2 is assumed
341      !!              to be: S2=(1/2)^2 * M2
342      !!              mask_itf, a mask array that determine where substituing
343      !!              the standard Simmons et al. (2005) formulation with the
344      !!              one of Koch_Larrouy et al. (2007).
345      !!
346      !!              - Compute az_tmx, a 3D coefficient that allows to compute
347      !!             the standard tidal-induced vertical mixing as follows:
348      !!                  Kz_tides = az_tmx / max( rn_n2min, N^2 )
349      !!             with az_tmx a bottom intensified coefficient is given by:
350      !!                 az_tmx(z) = en_tmx / ( rau0 * rn_htmx ) * EXP( -(H-z)/rn_htmx )
351      !!                                                  / ( 1. - EXP( - H   /rn_htmx ) )
352      !!             where rn_htmx the characteristic length scale of the bottom
353      !!             intensification, en_tmx the tidal energy, and H the ocean depth
354      !!
355      !! ** input   :   - Namlist namtmx
356      !!                - NetCDF file : M2_ORCA2.nc, K1_ORCA2.nc, and mask_itf.nc
357      !!
358      !! ** Action  : - Increase by 1 the nstop flag is setting problem encounter
359      !!              - defined az_tmx used to compute tidal-induced mixing
360      !!
361      !! References : Simmons et al. 2004, Ocean Modelling, 6, 3-4, 245-263.
362      !!              Koch-Larrouy et al. 2007, GRL.
363      !!----------------------------------------------------------------------
364      USE oce     ,         zav_tide =>  ua         ! ua used as workspace
365      !!
366      INTEGER  ::   ji, jj, jk   ! dummy loop indices
367      INTEGER  ::   inum         ! local integer
368      INTEGER  ::   ios
369      REAL(wp) ::   ztpc, ze_z   ! local scalars
370      REAL(wp), DIMENSION(:,:)  , POINTER ::  zem2, zek1   ! read M2 and K1 tidal energy
371      REAL(wp), DIMENSION(:,:)  , POINTER ::  zkz          ! total M2, K1 and S2 tidal energy
372      REAL(wp), DIMENSION(:,:)  , POINTER ::  zfact        ! used for vertical structure function
373      REAL(wp), DIMENSION(:,:)  , POINTER ::  zhdep        ! Ocean depth
374      REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), POINTER ::  zpc      ! power consumption
375      !!
376      NAMELIST/namzdf_tmx/ rn_htmx, rn_n2min, rn_tfe, rn_me, ln_tmx_itf, rn_tfe_itf
377      !!----------------------------------------------------------------------
378      !
379      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_start('zdf_tmx_init')
380      !
381      CALL wrk_alloc( jpi,jpj, zem2, zek1, zkz, zfact, zhdep )
382      CALL wrk_alloc( jpi,jpj,jpk, zpc )
383     
384      REWIND( numnam_ref )              ! Namelist namzdf_tmx in reference namelist : Tidal Mixing
385      READ  ( numnam_ref, namzdf_tmx, IOSTAT = ios, ERR = 901)
386901   IF( ios /= 0 ) CALL ctl_nam ( ios , 'namzdf_tmx in reference namelist', lwp )
387
388      REWIND( numnam_cfg )              ! Namelist namzdf_tmx in configuration namelist : Tidal Mixing
389      READ  ( numnam_cfg, namzdf_tmx, IOSTAT = ios, ERR = 902 )
390902   IF( ios /= 0 ) CALL ctl_nam ( ios , 'namzdf_tmx in configuration namelist', lwp )
391      IF(lwm) WRITE ( numond, namzdf_tmx )
392
393      IF(lwp) THEN                   ! Control print
394         WRITE(numout,*)
395         WRITE(numout,*) 'zdf_tmx_init : tidal mixing'
396         WRITE(numout,*) '~~~~~~~~~~~~'
397         WRITE(numout,*) '   Namelist namzdf_tmx : set tidal mixing parameters'
398         WRITE(numout,*) '      Vertical decay scale for turbulence   = ', rn_htmx 
399         WRITE(numout,*) '      Brunt-Vaisala frequency threshold     = ', rn_n2min
400         WRITE(numout,*) '      Tidal dissipation efficiency          = ', rn_tfe
401         WRITE(numout,*) '      Mixing efficiency                     = ', rn_me
402         WRITE(numout,*) '      ITF specific parameterisation         = ', ln_tmx_itf
403         WRITE(numout,*) '      ITF tidal dissipation efficiency      = ', rn_tfe_itf
404      ENDIF
405
406      !                              ! allocate tmx arrays
407      IF( zdf_tmx_alloc() /= 0 )   CALL ctl_stop( 'STOP', 'zdf_tmx_init : unable to allocate tmx arrays' )
408
409      IF( ln_tmx_itf ) THEN          ! read the Indonesian Through Flow mask
410         CALL iom_open('mask_itf',inum)
411         CALL iom_get (inum, jpdom_data, 'tmaskitf',mask_itf,1) !
412         CALL iom_close(inum)
413      ENDIF
414
415      ! read M2 tidal energy flux : W/m2  ( zem2 < 0 )
416      CALL iom_open('M2rowdrg',inum)
417      CALL iom_get (inum, jpdom_data, 'field',zem2,1) !
418      CALL iom_close(inum)
419
420      ! read K1 tidal energy flux : W/m2  ( zek1 < 0 )
421      CALL iom_open('K1rowdrg',inum)
422      CALL iom_get (inum, jpdom_data, 'field',zek1,1) !
423      CALL iom_close(inum)
424 
425      ! Total tidal energy ( M2, S2 and K1  with S2=(1/2)^2 * M2 )
426      ! only the energy available for mixing is taken into account,
427      ! (mixing efficiency tidal dissipation efficiency)
428      en_tmx(:,:) = - rn_tfe * rn_me * ( zem2(:,:) * 1.25 + zek1(:,:) ) * ssmask(:,:)
429
430!============
431!TG: Bug for VVL? Should this section be moved out of _init and be updated at every timestep?
432      ! Vertical structure (az_tmx)
433      DO jj = 1, jpj                ! part independent of the level
434         DO ji = 1, jpi
435            zhdep(ji,jj) = gdepw_0(ji,jj,mbkt(ji,jj)+1)       ! depth of the ocean
436            zfact(ji,jj) = rau0 * rn_htmx * ( 1. - EXP( -zhdep(ji,jj) / rn_htmx ) )
437            IF( zfact(ji,jj) /= 0 )   zfact(ji,jj) = en_tmx(ji,jj) / zfact(ji,jj)
438         END DO
439      END DO
440      DO jk= 1, jpk                 ! complete with the level-dependent part
441         DO jj = 1, jpj
442            DO ji = 1, jpi
443               az_tmx(ji,jj,jk) = zfact(ji,jj) * EXP( -( zhdep(ji,jj)-gdepw_0(ji,jj,jk) ) / rn_htmx ) * tmask(ji,jj,jk)
444            END DO
445         END DO
446      END DO
447!===========
448
449      IF( nprint == 1 .AND. lwp ) THEN
450         ! Control print
451         ! Total power consumption due to vertical mixing
452         ! zpc = rau0 * 1/rn_me * rn2 * zav_tide
453         zav_tide(:,:,:) = 0.e0
454         DO jk = 2, jpkm1
455            zav_tide(:,:,jk) = az_tmx(:,:,jk) / MAX( rn_n2min, rn2(:,:,jk) )
456         END DO
457
458         ztpc = 0.e0
459         zpc(:,:,:) = MAX(rn_n2min,rn2(:,:,:)) * zav_tide(:,:,:)
460         DO jk= 2, jpkm1
461            DO jj = 1, jpj
462               DO ji = 1, jpi
463                  ztpc = ztpc + fse3w(ji,jj,jk) * e1t(ji,jj) * e2t(ji,jj) * zpc(ji,jj,jk) * wmask(ji,jj,jk) * tmask_i(ji,jj)
464               END DO
465            END DO
466         END DO
467         ztpc= rau0 * 1/(rn_tfe * rn_me) * ztpc
468
469         WRITE(numout,*) 
470         WRITE(numout,*) '          Total power consumption of the tidally driven part of Kz : ztpc = ', ztpc * 1.e-12 ,'TW'
471
472
473         ! control print 2
474         zav_tide(:,:,:) = MIN( zav_tide(:,:,:), 60.e-4 )   
475         zkz(:,:) = 0.e0
476         DO jk = 2, jpkm1
477            DO jj = 1, jpj
478               DO ji = 1, jpi
479                  zkz(ji,jj) = zkz(ji,jj) + fse3w(ji,jj,jk) * MAX(0.e0, rn2(ji,jj,jk)) * rau0 * zav_tide(ji,jj,jk) * wmask(ji,jj,jk)
480               END DO
481            END DO
482         END DO
483         ! Here zkz should be equal to en_tmx ==> multiply by en_tmx/zkz
484         DO jj = 1, jpj
485            DO ji = 1, jpi
486               IF( zkz(ji,jj) /= 0.e0 )   THEN
487                   zkz(ji,jj) = en_tmx(ji,jj) / zkz(ji,jj)
488               ENDIF
489            END DO
490         END DO
491         ztpc = 1.e50
492         DO jj = 1, jpj
493            DO ji = 1, jpi
494               IF( zkz(ji,jj) /= 0.e0 )   THEN
495                   ztpc = Min( zkz(ji,jj), ztpc)
496               ENDIF
497            END DO
498         END DO
499         WRITE(numout,*) '          Min de zkz ', ztpc, ' Max = ', maxval(zkz(:,:) )
500
501         DO jk = 2, jpkm1
502            DO jj = 1, jpj
503               DO ji = 1, jpi
504                  zav_tide(ji,jj,jk) = zav_tide(ji,jj,jk) * MIN( zkz(ji,jj), 30./6. ) * wmask(ji,jj,jk)  !kz max = 300 cm2/s
505               END DO
506            END DO
507         END DO
508         ztpc = 0.e0
509         zpc(:,:,:) = Max(0.e0,rn2(:,:,:)) * zav_tide(:,:,:)
510         DO jk= 1, jpk
511            DO jj = 1, jpj
512               DO ji = 1, jpi
513                  ztpc = ztpc + fse3w(ji,jj,jk) * e1t(ji,jj) * e2t(ji,jj) * zpc(ji,jj,jk) * wmask(ji,jj,jk) * tmask_i(ji,jj)
514               END DO
515            END DO
516         END DO
517         ztpc= rau0 * 1/(rn_tfe * rn_me) * ztpc
518         WRITE(numout,*) '          2 Total power consumption of the tidally driven part of Kz : ztpc = ', ztpc * 1.e-12 ,'TW'
519
520         DO jk = 1, jpk
521            ze_z =                  SUM( e1t(:,:) * e2t(:,:) * zav_tide(:,:,jk)     * tmask_i(:,:) )   &
522               &     / MAX( 1.e-20, SUM( e1t(:,:) * e2t(:,:) * wmask (:,:,jk) * tmask_i(:,:) ) )
523            ztpc = 1.E50
524            DO jj = 1, jpj
525               DO ji = 1, jpi
526                  IF( zav_tide(ji,jj,jk) /= 0.e0 )   ztpc =Min( ztpc, zav_tide(ji,jj,jk) )
527               END DO
528            END DO
529            WRITE(numout,*) '            N2 min - jk= ', jk,'   ', ze_z * 1.e4,' cm2/s min= ',ztpc*1.e4,   &
530               &       'max= ', MAXVAL(zav_tide(:,:,jk) )*1.e4, ' cm2/s'
531         END DO
532
533         WRITE(numout,*) '          e_tide : ', SUM( e1t*e2t*en_tmx ) / ( rn_tfe * rn_me ) * 1.e-12, 'TW'
534         WRITE(numout,*) 
535         WRITE(numout,*) '          Initial profile of tidal vertical mixing'
536         DO jk = 1, jpk
537            DO jj = 1,jpj
538               DO ji = 1,jpi
539                  zkz(ji,jj) = az_tmx(ji,jj,jk) /MAX( rn_n2min, rn2(ji,jj,jk) )
540               END DO
541            END DO
542            ze_z =                  SUM( e1t(:,:) * e2t(:,:) * zkz(:,:)     * tmask_i(:,:) )   &
543               &     / MAX( 1.e-20, SUM( e1t(:,:) * e2t(:,:) * wmask (:,:,jk) * tmask_i(:,:) ) )
544            WRITE(numout,*) '                jk= ', jk,'   ', ze_z * 1.e4,' cm2/s'
545         END DO
546         DO jk = 1, jpk
547            zkz(:,:) = az_tmx(:,:,jk) /rn_n2min
548            ze_z =                  SUM( e1t(:,:) * e2t(:,:) * zkz(:,:)     * tmask_i(:,:) )   &
549               &     / MAX( 1.e-20, SUM( e1t(:,:) * e2t(:,:) * wmask (:,:,jk) * tmask_i(:,:) ) )
550            WRITE(numout,*) 
551            WRITE(numout,*) '          N2 min - jk= ', jk,'   ', ze_z * 1.e4,' cm2/s min= ',MINVAL(zkz)*1.e4,   &
552               &       'max= ', MAXVAL(zkz)*1.e4, ' cm2/s'
553         END DO
554         !
555      ENDIF
556      !
557      CALL wrk_dealloc( jpi,jpj, zem2, zek1, zkz, zfact, zhdep )
558      CALL wrk_dealloc( jpi,jpj,jpk, zpc )
559      !
560      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_stop('zdf_tmx_init')
561      !
562   END SUBROUTINE zdf_tmx_init
563
564#elif defined key_zdftmx_new
565   !!----------------------------------------------------------------------
566   !!   'key_zdftmx_new'               Internal wave-driven vertical mixing
567   !!----------------------------------------------------------------------
568   !!   zdf_tmx       : global     momentum & tracer Kz with wave induced Kz
569   !!   zdf_tmx_init  : global     momentum & tracer Kz with wave induced Kz
570   !!----------------------------------------------------------------------
571   USE oce            ! ocean dynamics and tracers variables
572   USE dom_oce        ! ocean space and time domain variables
573   USE zdf_oce        ! ocean vertical physics variables
574   USE zdfddm         ! ocean vertical physics: double diffusive mixing
575   USE lbclnk         ! ocean lateral boundary conditions (or mpp link)
576   USE eosbn2         ! ocean equation of state
577   USE phycst         ! physical constants
578   USE prtctl         ! Print control
579   USE in_out_manager ! I/O manager
580   USE iom            ! I/O Manager
581   USE lib_mpp        ! MPP library
582   USE wrk_nemo       ! work arrays
583   USE timing         ! Timing
584   USE lib_fortran    ! Fortran utilities (allows no signed zero when 'key_nosignedzero' defined) 
585
586   IMPLICIT NONE
587   PRIVATE
588
589   PUBLIC   zdf_tmx         ! called in step module
590   PUBLIC   zdf_tmx_init    ! called in nemogcm module
591   PUBLIC   zdf_tmx_alloc   ! called in nemogcm module
592
593   LOGICAL, PUBLIC, PARAMETER ::   lk_zdftmx = .TRUE.    !: wave-driven mixing flag
594
595   !                       !!* Namelist  namzdf_tmx : internal wave-driven mixing *
596   INTEGER  ::  nn_zpyc     ! pycnocline-intensified mixing energy proportional to N (=1) or N^2 (=2)
597   LOGICAL  ::  ln_mevar    ! variable (=T) or constant (=F) mixing efficiency
598   LOGICAL  ::  ln_tsdiff   ! account for differential T/S wave-driven mixing (=T) or not (=F)
599
600   REAL(wp) ::  r1_6 = 1._wp / 6._wp
601
602   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:)   ::   ebot_tmx     ! power available from high-mode wave breaking (W/m2)
603   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:)   ::   epyc_tmx     ! power available from low-mode, pycnocline-intensified wave breaking (W/m2)
604   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:)   ::   ecri_tmx     ! power available from low-mode, critical slope wave breaking (W/m2)
605   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:)   ::   hbot_tmx     ! WKB decay scale for high-mode energy dissipation (m)
606   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:)   ::   hcri_tmx     ! decay scale for low-mode critical slope dissipation (m)
607   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:) ::   emix_tmx     ! local energy density available for mixing (W/kg)
608   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:) ::   bflx_tmx     ! buoyancy flux Kz * N^2 (W/kg)
609   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:)   ::   pcmap_tmx    ! vertically integrated buoyancy flux (W/m2)
610   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:) ::   zav_ratio    ! S/T diffusivity ratio (only for ln_tsdiff=T)
611   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:) ::   zav_wave     ! Internal wave-induced diffusivity
612
613   !! * Substitutions
614#  include "zdfddm_substitute.h90"
615#  include "domzgr_substitute.h90"
616#  include "vectopt_loop_substitute.h90"
617   !!----------------------------------------------------------------------
618   !! NEMO/OPA 4.0 , NEMO Consortium (2016)
619   !! $Id$
620   !! Software governed by the CeCILL licence     (NEMOGCM/NEMO_CeCILL.txt)
621   !!----------------------------------------------------------------------
622CONTAINS
623
624   INTEGER FUNCTION zdf_tmx_alloc()
625      !!----------------------------------------------------------------------
626      !!                ***  FUNCTION zdf_tmx_alloc  ***
627      !!----------------------------------------------------------------------
628      ALLOCATE(     ebot_tmx(jpi,jpj),  epyc_tmx(jpi,jpj),  ecri_tmx(jpi,jpj)    ,   &
629      &             hbot_tmx(jpi,jpj),  hcri_tmx(jpi,jpj),  emix_tmx(jpi,jpj,jpk),   &
630      &         bflx_tmx(jpi,jpj,jpk), pcmap_tmx(jpi,jpj), zav_ratio(jpi,jpj,jpk),   & 
631      &         zav_wave(jpi,jpj,jpk), STAT=zdf_tmx_alloc     )
632      !
633      IF( lk_mpp             )   CALL mpp_sum ( zdf_tmx_alloc )
634      IF( zdf_tmx_alloc /= 0 )   CALL ctl_warn('zdf_tmx_alloc: failed to allocate arrays')
635   END FUNCTION zdf_tmx_alloc
636
637
638   SUBROUTINE zdf_tmx( kt )
639      !!----------------------------------------------------------------------
640      !!                  ***  ROUTINE zdf_tmx  ***
641      !!                   
642      !! ** Purpose :   add to the vertical mixing coefficients the effect of
643      !!              breaking internal waves.
644      !!
645      !! ** Method  : - internal wave-driven vertical mixing is given by:
646      !!                  Kz_wave = min(  100 cm2/s, f(  Reb = emix_tmx /( Nu * N^2 )  )
647      !!              where emix_tmx is the 3D space distribution of the wave-breaking
648      !!              energy and Nu the molecular kinematic viscosity.
649      !!              The function f(Reb) is linear (constant mixing efficiency)
650      !!              if the namelist parameter ln_mevar = F and nonlinear if ln_mevar = T.
651      !!
652      !!              - Compute emix_tmx, the 3D power density that allows to compute
653      !!              Reb and therefrom the wave-induced vertical diffusivity.
654      !!              This is divided into three components:
655      !!                 1. Bottom-intensified low-mode dissipation at critical slopes
656      !!                     emix_tmx(z) = ( ecri_tmx / rau0 ) * EXP( -(H-z)/hcri_tmx )
657      !!                                   / ( 1. - EXP( - H/hcri_tmx ) ) * hcri_tmx
658      !!              where hcri_tmx is the characteristic length scale of the bottom
659      !!              intensification, ecri_tmx a map of available power, and H the ocean depth.
660      !!                 2. Pycnocline-intensified low-mode dissipation
661      !!                     emix_tmx(z) = ( epyc_tmx / rau0 ) * ( sqrt(rn2(z))^nn_zpyc )
662      !!                                   / SUM( sqrt(rn2(z))^nn_zpyc * e3w(z) )
663      !!              where epyc_tmx is a map of available power, and nn_zpyc
664      !!              is the chosen stratification-dependence of the internal wave
665      !!              energy dissipation.
666      !!                 3. WKB-height dependent high mode dissipation
667      !!                     emix_tmx(z) = ( ebot_tmx / rau0 ) * rn2(z) * EXP(-z_wkb(z)/hbot_tmx)
668      !!                                   / SUM( rn2(z) * EXP(-z_wkb(z)/hbot_tmx) * e3w(z) )
669      !!              where hbot_tmx is the characteristic length scale of the WKB bottom
670      !!              intensification, ebot_tmx is a map of available power, and z_wkb is the
671      !!              WKB-stretched height above bottom defined as
672      !!                    z_wkb(z) = H * SUM( sqrt(rn2(z'>=z)) * e3w(z'>=z) )
673      !!                                 / SUM( sqrt(rn2(z'))    * e3w(z')    )
674      !!
675      !!              - update the model vertical eddy viscosity and diffusivity:
676      !!                     avt  = avt  +    av_wave
677      !!                     avm  = avm  +    av_wave
678      !!                     avmu = avmu + mi(av_wave)
679      !!                     avmv = avmv + mj(av_wave)
680      !!
681      !!              - if namelist parameter ln_tsdiff = T, account for differential mixing:
682      !!                     avs  = avt  +    av_wave * diffusivity_ratio(Reb)
683      !!
684      !! ** Action  : - Define emix_tmx used to compute internal wave-induced mixing
685      !!              - avt, avs, avm, avmu, avmv increased by internal wave-driven mixing   
686      !!
687      !! References :  de Lavergne et al. 2015, JPO; 2016, in prep.
688      !!----------------------------------------------------------------------
689      INTEGER, INTENT(in) ::   kt   ! ocean time-step
690      !
691      INTEGER  ::   ji, jj, jk   ! dummy loop indices
692      REAL(wp) ::   ztpc         ! scalar workspace
693      REAL(wp), DIMENSION(:,:)  , POINTER ::  zfact     ! Used for vertical structure
694      REAL(wp), DIMENSION(:,:)  , POINTER ::  zhdep     ! Ocean depth
695      REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), POINTER ::  zwkb      ! WKB-stretched height above bottom
696      REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), POINTER ::  zweight   ! Weight for high mode vertical distribution
697      REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), POINTER ::  znu_t     ! Molecular kinematic viscosity (T grid)
698      REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), POINTER ::  znu_w     ! Molecular kinematic viscosity (W grid)
699      REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), POINTER ::  zReb      ! Turbulence intensity parameter
700      !!----------------------------------------------------------------------
701      !
702      IF( nn_timing == 1 )   CALL timing_start('zdf_tmx')
703      !
704      CALL wrk_alloc( jpi,jpj,       zfact, zhdep )
705      CALL wrk_alloc( jpi,jpj,jpk,   zwkb, zweight, znu_t, znu_w, zReb )
706
707      !                          ! ----------------------------- !
708      !                          !  Internal wave-driven mixing  !  (compute zav_wave)
709      !                          ! ----------------------------- !
710      !                             
711      !                        !* Critical slope mixing: distribute energy over the time-varying ocean depth,
712      !                                                 using an exponential decay from the seafloor.
713      DO jj = 1, jpj                ! part independent of the level
714         DO ji = 1, jpi
715            zhdep(ji,jj) = fsdepw(ji,jj,mbkt(ji,jj)+1)       ! depth of the ocean
716            zfact(ji,jj) = rau0 * (  1._wp - EXP( -zhdep(ji,jj) / hcri_tmx(ji,jj) )  )
717            IF( zfact(ji,jj) /= 0 )   zfact(ji,jj) = ecri_tmx(ji,jj) / zfact(ji,jj)
718         END DO
719      END DO
720
721      DO jk = 2, jpkm1              ! complete with the level-dependent part
722         emix_tmx(:,:,jk) = zfact(:,:) * (  EXP( ( fsde3w(:,:,jk  ) - zhdep(:,:) ) / hcri_tmx(:,:) )                      &
723            &                             - EXP( ( fsde3w(:,:,jk-1) - zhdep(:,:) ) / hcri_tmx(:,:) )  ) * wmask(:,:,jk)   &
724            &                          / ( fsde3w(:,:,jk) - fsde3w(:,:,jk-1) )
725      END DO
726
727      !                        !* Pycnocline-intensified mixing: distribute energy over the time-varying
728      !                        !* ocean depth as proportional to sqrt(rn2)^nn_zpyc
729
730      SELECT CASE ( nn_zpyc )
731
732      CASE ( 1 )               ! Dissipation scales as N (recommended)
733
734         zfact(:,:) = 0._wp
735         DO jk = 2, jpkm1              ! part independent of the level
736            zfact(:,:) = zfact(:,:) + fse3w(:,:,jk) * SQRT(  MAX( 0._wp, rn2(:,:,jk) )  ) * wmask(:,:,jk)
737         END DO
738
739         DO jj = 1, jpj
740            DO ji = 1, jpi
741               IF( zfact(ji,jj) /= 0 )   zfact(ji,jj) = epyc_tmx(ji,jj) / ( rau0 * zfact(ji,jj) )
742            END DO
743         END DO
744
745         DO jk = 2, jpkm1              ! complete with the level-dependent part
746            emix_tmx(:,:,jk) = emix_tmx(:,:,jk) + zfact(:,:) * SQRT(  MAX( 0._wp, rn2(:,:,jk) )  ) * wmask(:,:,jk)
747         END DO
748
749      CASE ( 2 )               ! Dissipation scales as N^2
750
751         zfact(:,:) = 0._wp
752         DO jk = 2, jpkm1              ! part independent of the level
753            zfact(:,:) = zfact(:,:) + fse3w(:,:,jk) * MAX( 0._wp, rn2(:,:,jk) ) * wmask(:,:,jk)
754         END DO
755
756         DO jj= 1, jpj
757            DO ji = 1, jpi
758               IF( zfact(ji,jj) /= 0 )   zfact(ji,jj) = epyc_tmx(ji,jj) / ( rau0 * zfact(ji,jj) )
759            END DO
760         END DO
761
762         DO jk = 2, jpkm1              ! complete with the level-dependent part
763            emix_tmx(:,:,jk) = emix_tmx(:,:,jk) + zfact(:,:) * MAX( 0._wp, rn2(:,:,jk) ) * wmask(:,:,jk)
764         END DO
765
766      END SELECT
767
768      !                        !* WKB-height dependent mixing: distribute energy over the time-varying
769      !                        !* ocean depth as proportional to rn2 * exp(-z_wkb/rn_hbot)
770     
771      zwkb(:,:,:) = 0._wp
772      zfact(:,:) = 0._wp
773      DO jk = 2, jpkm1
774         zfact(:,:) = zfact(:,:) + fse3w(:,:,jk) * SQRT(  MAX( 0._wp, rn2(:,:,jk) )  ) * wmask(:,:,jk)
775         zwkb(:,:,jk) = zfact(:,:)
776      END DO
777
778      DO jk = 2, jpkm1
779         DO jj = 1, jpj
780            DO ji = 1, jpi
781               IF( zfact(ji,jj) /= 0 )   zwkb(ji,jj,jk) = zhdep(ji,jj) * ( zfact(ji,jj) - zwkb(ji,jj,jk) )   &
782                                            &           * tmask(ji,jj,jk) / zfact(ji,jj)
783            END DO
784         END DO
785      END DO
786      zwkb(:,:,1) = zhdep(:,:) * tmask(:,:,1)
787
788      zweight(:,:,:) = 0._wp
789      DO jk = 2, jpkm1
790         zweight(:,:,jk) = MAX( 0._wp, rn2(:,:,jk) ) * hbot_tmx(:,:) * wmask(:,:,jk)                    &
791            &   * (  EXP( -zwkb(:,:,jk) / hbot_tmx(:,:) ) - EXP( -zwkb(:,:,jk-1) / hbot_tmx(:,:) )  )
792      END DO
793
794      zfact(:,:) = 0._wp
795      DO jk = 2, jpkm1              ! part independent of the level
796         zfact(:,:) = zfact(:,:) + zweight(:,:,jk)
797      END DO
798
799      DO jj = 1, jpj
800         DO ji = 1, jpi
801            IF( zfact(ji,jj) /= 0 )   zfact(ji,jj) = ebot_tmx(ji,jj) / ( rau0 * zfact(ji,jj) )
802         END DO
803      END DO
804
805      DO jk = 2, jpkm1              ! complete with the level-dependent part
806         emix_tmx(:,:,jk) = emix_tmx(:,:,jk) + zweight(:,:,jk) * zfact(:,:) * wmask(:,:,jk)   &
807            &                                / ( fsde3w(:,:,jk) - fsde3w(:,:,jk-1) )
808      END DO
809
810
811      ! Calculate molecular kinematic viscosity
812      znu_t(:,:,:) = 1.e-4_wp * (  17.91_wp - 0.53810_wp * tsn(:,:,:,jp_tem) + 0.00694_wp * tsn(:,:,:,jp_tem) * tsn(:,:,:,jp_tem)  &
813         &                                  + 0.02305_wp * tsn(:,:,:,jp_sal)  ) * tmask(:,:,:) * r1_rau0
814      DO jk = 2, jpkm1
815         znu_w(:,:,jk) = 0.5_wp * ( znu_t(:,:,jk-1) + znu_t(:,:,jk) ) * wmask(:,:,jk)
816      END DO
817
818      ! Calculate turbulence intensity parameter Reb
819      DO jk = 2, jpkm1
820         zReb(:,:,jk) = emix_tmx(:,:,jk) / MAX( 1.e-20_wp, znu_w(:,:,jk) * rn2(:,:,jk) )
821      END DO
822
823      ! Define internal wave-induced diffusivity
824      DO jk = 2, jpkm1
825         zav_wave(:,:,jk) = znu_w(:,:,jk) * zReb(:,:,jk) * r1_6   ! This corresponds to a constant mixing efficiency of 1/6
826      END DO
827
828      IF( ln_mevar ) THEN              ! Variable mixing efficiency case : modify zav_wave in the
829         DO jk = 2, jpkm1              ! energetic (Reb > 480) and buoyancy-controlled (Reb <10.224 ) regimes
830            DO jj = 1, jpj
831               DO ji = 1, jpi
832                  IF( zReb(ji,jj,jk) > 480.00_wp ) THEN
833                     zav_wave(ji,jj,jk) = 3.6515_wp * znu_w(ji,jj,jk) * SQRT( zReb(ji,jj,jk) )
834                  ELSEIF( zReb(ji,jj,jk) < 10.224_wp ) THEN
835                     zav_wave(ji,jj,jk) = 0.052125_wp * znu_w(ji,jj,jk) * zReb(ji,jj,jk) * SQRT( zReb(ji,jj,jk) )
836                  ENDIF
837               END DO
838            END DO
839         END DO
840      ENDIF
841
842      DO jk = 2, jpkm1                 ! Bound diffusivity by molecular value and 100 cm2/s
843         zav_wave(:,:,jk) = MIN(  MAX( 1.4e-7_wp, zav_wave(:,:,jk) ), 1.e-2_wp  ) * wmask(:,:,jk)
844      END DO
845
846      IF( kt == nit000 ) THEN        !* Control print at first time-step: diagnose the energy consumed by zav_wave
847         ztpc = 0._wp
848         DO jk = 2, jpkm1
849            DO jj = 1, jpj
850               DO ji = 1, jpi
851                  ztpc = ztpc + fse3w(ji,jj,jk) * e1e2t(ji,jj)   &
852                     &         * MAX( 0._wp, rn2(ji,jj,jk) ) * zav_wave(ji,jj,jk) * wmask(ji,jj,jk) * tmask_i(ji,jj)
853               END DO
854            END DO
855         END DO
856         IF( lk_mpp )   CALL mpp_sum( ztpc )
857         ztpc = rau0 * ztpc ! Global integral of rauo * Kz * N^2 = power contributing to mixing
858 
859         IF(lwp) THEN
860            WRITE(numout,*)
861            WRITE(numout,*) 'zdf_tmx : Internal wave-driven mixing (tmx)'
862            WRITE(numout,*) '~~~~~~~ '
863            WRITE(numout,*)
864            WRITE(numout,*) '      Total power consumption by av_wave: ztpc =  ', ztpc * 1.e-12_wp, 'TW'
865         ENDIF
866      ENDIF
867
868      !                          ! ----------------------- !
869      !                          !   Update  mixing coefs  !                         
870      !                          ! ----------------------- !
871      !     
872      IF( ln_tsdiff ) THEN          !* Option for differential mixing of salinity and temperature
873         DO jk = 2, jpkm1              ! Calculate S/T diffusivity ratio as a function of Reb
874            DO jj = 1, jpj
875               DO ji = 1, jpi
876                  zav_ratio(ji,jj,jk) = ( 0.505_wp + 0.495_wp *                                                                  &
877                      &   TANH(    0.92_wp * (   LOG10(  MAX( 1.e-20_wp, zReb(ji,jj,jk) * 5._wp * r1_6 )  ) - 0.60_wp   )    )   &
878                      &                 ) * wmask(ji,jj,jk)
879               END DO
880            END DO
881         END DO
882         CALL iom_put( "av_ratio", zav_ratio )
883         DO jk = 2, jpkm1           !* update momentum & tracer diffusivity with wave-driven mixing
884            fsavs(:,:,jk) = avt(:,:,jk) + zav_wave(:,:,jk) * zav_ratio(:,:,jk)
885            avt  (:,:,jk) = avt(:,:,jk) + zav_wave(:,:,jk)
886            avm  (:,:,jk) = avm(:,:,jk) + zav_wave(:,:,jk)
887         END DO
888         !
889      ELSE                          !* update momentum & tracer diffusivity with wave-driven mixing
890         DO jk = 2, jpkm1
891            fsavs(:,:,jk) = avt(:,:,jk) + zav_wave(:,:,jk)
892            avt  (:,:,jk) = avt(:,:,jk) + zav_wave(:,:,jk)
893            avm  (:,:,jk) = avm(:,:,jk) + zav_wave(:,:,jk)
894         END DO
895      ENDIF
896
897      DO jk = 2, jpkm1              !* update momentum diffusivity at wu and wv points
898         DO jj = 2, jpjm1
899            DO ji = fs_2, fs_jpim1  ! vector opt.
900               avmu(ji,jj,jk) = avmu(ji,jj,jk) + 0.5_wp * ( zav_wave(ji,jj,jk) + zav_wave(ji+1,jj  ,jk) ) * wumask(ji,jj,jk)
901               avmv(ji,jj,jk) = avmv(ji,jj,jk) + 0.5_wp * ( zav_wave(ji,jj,jk) + zav_wave(ji  ,jj+1,jk) ) * wvmask(ji,jj,jk)
902            END DO
903         END DO
904      END DO
905      CALL lbc_lnk( avmu, 'U', 1. )   ;   CALL lbc_lnk( avmv, 'V', 1. )      ! lateral boundary condition
906
907      !                             !* output internal wave-driven mixing coefficient
908      CALL iom_put( "av_wave", zav_wave )
909                                    !* output useful diagnostics: N^2, Kz * N^2 (bflx_tmx),
910                                    !  vertical integral of rau0 * Kz * N^2 (pcmap_tmx), energy density (emix_tmx)
911      IF( iom_use("bflx_tmx") .OR. iom_use("pcmap_tmx") ) THEN
912         bflx_tmx(:,:,:) = MAX( 0._wp, rn2(:,:,:) ) * zav_wave(:,:,:)
913         pcmap_tmx(:,:) = 0._wp
914         DO jk = 2, jpkm1
915            pcmap_tmx(:,:) = pcmap_tmx(:,:) + fse3w(:,:,jk) * bflx_tmx(:,:,jk) * wmask(:,:,jk)
916         END DO
917         pcmap_tmx(:,:) = rau0 * pcmap_tmx(:,:)
918         CALL iom_put( "bflx_tmx", bflx_tmx )
919         CALL iom_put( "pcmap_tmx", pcmap_tmx )
920      ENDIF
921      CALL iom_put( "bn2", rn2 )
922      CALL iom_put( "emix_tmx", emix_tmx )
923     
924      CALL wrk_dealloc( jpi,jpj,       zfact, zhdep )
925      CALL wrk_dealloc( jpi,jpj,jpk,   zwkb, zweight, znu_t, znu_w, zReb )
926
927      IF(ln_ctl)   CALL prt_ctl(tab3d_1=zav_wave , clinfo1=' tmx - av_wave: ', tab3d_2=avt, clinfo2=' avt: ', ovlap=1, kdim=jpk)
928      !
929      IF( nn_timing == 1 )   CALL timing_stop('zdf_tmx')
930      !
931   END SUBROUTINE zdf_tmx
932
933
934   SUBROUTINE zdf_tmx_init
935      !!----------------------------------------------------------------------
936      !!                  ***  ROUTINE zdf_tmx_init  ***
937      !!                     
938      !! ** Purpose :   Initialization of the wave-driven vertical mixing, reading
939      !!              of input power maps and decay length scales in netcdf files.
940      !!
941      !! ** Method  : - Read the namzdf_tmx namelist and check the parameters
942      !!
943      !!              - Read the input data in NetCDF files :
944      !!              power available from high-mode wave breaking (mixing_power_bot.nc)
945      !!              power available from pycnocline-intensified wave-breaking (mixing_power_pyc.nc)
946      !!              power available from critical slope wave-breaking (mixing_power_cri.nc)
947      !!              WKB decay scale for high-mode wave-breaking (decay_scale_bot.nc)
948      !!              decay scale for critical slope wave-breaking (decay_scale_cri.nc)
949      !!
950      !! ** input   : - Namlist namzdf_tmx
951      !!              - NetCDF files : mixing_power_bot.nc, mixing_power_pyc.nc, mixing_power_cri.nc,
952      !!              decay_scale_bot.nc decay_scale_cri.nc
953      !!
954      !! ** Action  : - Increase by 1 the nstop flag is setting problem encounter
955      !!              - Define ebot_tmx, epyc_tmx, ecri_tmx, hbot_tmx, hcri_tmx
956      !!
957      !! References : de Lavergne et al. 2015, JPO; 2016, in prep.
958      !!         
959      !!----------------------------------------------------------------------
960      INTEGER  ::   ji, jj, jk   ! dummy loop indices
961      INTEGER  ::   inum         ! local integer
962      INTEGER  ::   ios
963      REAL(wp) ::   zbot, zpyc, zcri   ! local scalars
964      !!
965      NAMELIST/namzdf_tmx_new/ nn_zpyc, ln_mevar, ln_tsdiff
966      !!----------------------------------------------------------------------
967      !
968      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_start('zdf_tmx_init')
969      !
970      REWIND( numnam_ref )              ! Namelist namzdf_tmx in reference namelist : Wave-driven mixing
971      READ  ( numnam_ref, namzdf_tmx_new, IOSTAT = ios, ERR = 901)
972901   IF( ios /= 0 ) CALL ctl_nam ( ios , 'namzdf_tmx in reference namelist', lwp )
973      !
974      REWIND( numnam_cfg )              ! Namelist namzdf_tmx in configuration namelist : Wave-driven mixing
975      READ  ( numnam_cfg, namzdf_tmx_new, IOSTAT = ios, ERR = 902 )
976902   IF( ios /= 0 ) CALL ctl_nam ( ios , 'namzdf_tmx in configuration namelist', lwp )
977      IF(lwm) WRITE ( numond, namzdf_tmx_new )
978      !
979      IF(lwp) THEN                  ! Control print
980         WRITE(numout,*)
981         WRITE(numout,*) 'zdf_tmx_init : internal wave-driven mixing'
982         WRITE(numout,*) '~~~~~~~~~~~~'
983         WRITE(numout,*) '   Namelist namzdf_tmx_new : set wave-driven mixing parameters'
984         WRITE(numout,*) '      Pycnocline-intensified diss. scales as N (=1) or N^2 (=2) = ', nn_zpyc
985         WRITE(numout,*) '      Variable (T) or constant (F) mixing efficiency            = ', ln_mevar
986         WRITE(numout,*) '      Differential internal wave-driven mixing (T) or not (F)   = ', ln_tsdiff
987      ENDIF
988     
989      ! The new wave-driven mixing parameterization elevates avt and avm in the interior, and
990      ! ensures that avt remains larger than its molecular value (=1.4e-7). Therefore, avtb should
991      ! be set here to a very small value, and avmb to its (uniform) molecular value (=1.4e-6).
992      avmb(:) = 1.4e-6_wp        ! viscous molecular value
993      avtb(:) = 1.e-10_wp        ! very small diffusive minimum (background avt is specified in zdf_tmx)   
994      avtb_2d(:,:) = 1.e0_wp     ! uniform
995      IF(lwp) THEN                  ! Control print
996         WRITE(numout,*)
997         WRITE(numout,*) '   Force the background value applied to avm & avt in TKE to be everywhere ',   &
998            &               'the viscous molecular value & a very small diffusive value, resp.'
999      ENDIF
1000     
1001      IF( .NOT.lk_zdfddm )   CALL ctl_stop( 'STOP', 'zdf_tmx_init_new : key_zdftmx_new requires key_zdfddm' )
1002     
1003      !                             ! allocate tmx arrays
1004      IF( zdf_tmx_alloc() /= 0 )   CALL ctl_stop( 'STOP', 'zdf_tmx_init : unable to allocate tmx arrays' )
1005      !
1006      !                             ! read necessary fields
1007      CALL iom_open('mixing_power_bot',inum)       ! energy flux for high-mode wave breaking [W/m2]
1008      CALL iom_get  (inum, jpdom_data, 'field', ebot_tmx, 1 ) 
1009      CALL iom_close(inum)
1010      !
1011      CALL iom_open('mixing_power_pyc',inum)       ! energy flux for pynocline-intensified wave breaking [W/m2]
1012      CALL iom_get  (inum, jpdom_data, 'field', epyc_tmx, 1 )
1013      CALL iom_close(inum)
1014      !
1015      CALL iom_open('mixing_power_cri',inum)       ! energy flux for critical slope wave breaking [W/m2]
1016      CALL iom_get  (inum, jpdom_data, 'field', ecri_tmx, 1 )
1017      CALL iom_close(inum)
1018      !
1019      CALL iom_open('decay_scale_bot',inum)        ! spatially variable decay scale for high-mode wave breaking [m]
1020      CALL iom_get  (inum, jpdom_data, 'field', hbot_tmx, 1 )
1021      CALL iom_close(inum)
1022      !
1023      CALL iom_open('decay_scale_cri',inum)        ! spatially variable decay scale for critical slope wave breaking [m]
1024      CALL iom_get  (inum, jpdom_data, 'field', hcri_tmx, 1 )
1025      CALL iom_close(inum)
1026
1027      ebot_tmx(:,:) = ebot_tmx(:,:) * ssmask(:,:)
1028      epyc_tmx(:,:) = epyc_tmx(:,:) * ssmask(:,:)
1029      ecri_tmx(:,:) = ecri_tmx(:,:) * ssmask(:,:)
1030
1031      ! Set once for all to zero the first and last vertical levels of appropriate variables
1032      emix_tmx (:,:, 1 ) = 0._wp
1033      emix_tmx (:,:,jpk) = 0._wp
1034      zav_ratio(:,:, 1 ) = 0._wp
1035      zav_ratio(:,:,jpk) = 0._wp
1036      zav_wave (:,:, 1 ) = 0._wp
1037      zav_wave (:,:,jpk) = 0._wp
1038
1039      zbot = glob_sum( e1e2t(:,:) * ebot_tmx(:,:) )
1040      zpyc = glob_sum( e1e2t(:,:) * epyc_tmx(:,:) )
1041      zcri = glob_sum( e1e2t(:,:) * ecri_tmx(:,:) )
1042      IF(lwp) THEN
1043         WRITE(numout,*) '      High-mode wave-breaking energy:             ', zbot * 1.e-12_wp, 'TW'
1044         WRITE(numout,*) '      Pycnocline-intensifed wave-breaking energy: ', zpyc * 1.e-12_wp, 'TW'
1045         WRITE(numout,*) '      Critical slope wave-breaking energy:        ', zcri * 1.e-12_wp, 'TW'
1046      ENDIF
1047      !
1048      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_stop('zdf_tmx_init')
1049      !
1050   END SUBROUTINE zdf_tmx_init
1051
1052#else
1053   !!----------------------------------------------------------------------
1054   !!   Default option          Dummy module                NO Tidal MiXing
1055   !!----------------------------------------------------------------------
1056   LOGICAL, PUBLIC, PARAMETER ::   lk_zdftmx = .FALSE.   !: tidal mixing flag
1057CONTAINS
1058   SUBROUTINE zdf_tmx_init           ! Dummy routine
1059      WRITE(*,*) 'zdf_tmx: You should not have seen this print! error?'
1060   END SUBROUTINE zdf_tmx_init
1061   SUBROUTINE zdf_tmx( kt )          ! Dummy routine
1062      WRITE(*,*) 'zdf_tmx: You should not have seen this print! error?', kt
1063   END SUBROUTINE zdf_tmx
1064#endif
1065
1066   !!======================================================================
1067END MODULE zdftmx
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.