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sbcblk.F90 in branches/2017/dev_r7881_no_wrk_alloc/NEMOGCM/NEMO/OPA_SRC/SBC – NEMO

source: branches/2017/dev_r7881_no_wrk_alloc/NEMOGCM/NEMO/OPA_SRC/SBC/sbcblk.F90 @ 7910

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Line 
1MODULE sbcblk
2   !!======================================================================
3   !!                       ***  MODULE  sbcblk  ***
4   !! Ocean forcing:  momentum, heat and freshwater flux formulation
5   !!                         Aerodynamic Bulk Formulas
6   !!                        SUCCESSOR OF "sbcblk_core"
7   !!=====================================================================
8   !! History :  1.0  !  2004-08  (U. Schweckendiek)  Original CORE code
9   !!            2.0  !  2005-04  (L. Brodeau, A.M. Treguier)  improved CORE bulk and its user interface
10   !!            3.0  !  2006-06  (G. Madec)  sbc rewritting
11   !!             -   !  2006-12  (L. Brodeau)  Original code for turb_core
12   !!            3.2  !  2009-04  (B. Lemaire)  Introduce iom_put
13   !!            3.3  !  2010-10  (S. Masson)  add diurnal cycle
14   !!            3.4  !  2011-11  (C. Harris)  Fill arrays required by CICE
15   !!            3.7  !  2014-06  (L. Brodeau)  simplification and optimization of CORE bulk
16   !!            4.0  !  2016-06  (L. Brodeau)  sbcblk_core becomes sbcblk and is not restricted to the CORE algorithm anymore
17   !!                                          ==> based on AeroBulk (http://aerobulk.sourceforge.net/)
18   !!            4.0  !  2016-10  (G. Madec)  introduce a sbc_blk_init routine
19   !!----------------------------------------------------------------------
20
21   !!----------------------------------------------------------------------
22   !!   sbc_blk_init  : initialisation of the chosen bulk formulation as ocean surface boundary condition
23   !!   sbc_blk       : bulk formulation as ocean surface boundary condition
24   !!   blk_oce       : computes momentum, heat and freshwater fluxes over ocean
25   !!   blk_ice       : computes momentum, heat and freshwater fluxes over sea ice
26   !!   rho_air       : density of (moist) air (depends on T_air, q_air and SLP
27   !!   cp_air        : specific heat of (moist) air (depends spec. hum. q_air)
28   !!   q_sat         : saturation humidity as a function of SLP and temperature
29   !!   L_vap         : latent heat of vaporization of water as a function of temperature
30   !!----------------------------------------------------------------------
31   USE oce            ! ocean dynamics and tracers
32   USE dom_oce        ! ocean space and time domain
33   USE phycst         ! physical constants
34   USE fldread        ! read input fields
35   USE sbc_oce        ! Surface boundary condition: ocean fields
36   USE cyclone        ! Cyclone 10m wind form trac of cyclone centres
37   USE sbcdcy         ! surface boundary condition: diurnal cycle
38   USE sbcwave , ONLY :   cdn_wave ! wave module
39   USE sbc_ice        ! Surface boundary condition: ice fields
40   USE lib_fortran    ! to use key_nosignedzero
41#if defined key_lim3
42   USE ice     , ONLY :   u_ice, v_ice, jpl, pfrld, a_i_b, at_i_b
43   USE limthd_dh      ! for CALL lim_thd_snwblow
44#elif defined key_lim2
45   USE ice_2   , ONLY :   u_ice, v_ice
46   USE par_ice_2      ! LIM-2 parameters
47#endif
48   USE sbcblk_algo_ncar     ! => turb_ncar     : NCAR - CORE (Large & Yeager, 2009)
49   USE sbcblk_algo_coare    ! => turb_coare    : COAREv3.0 (Fairall et al. 2003)
50   USE sbcblk_algo_coare3p5 ! => turb_coare3p5 : COAREv3.5 (Edson et al. 2013)
51   USE sbcblk_algo_ecmwf    ! => turb_ecmwf    : ECMWF (IFS cycle 31)
52   !
53   USE iom            ! I/O manager library
54   USE in_out_manager ! I/O manager
55   USE lib_mpp        ! distribued memory computing library
56   USE timing         ! Timing
57   USE lbclnk         ! ocean lateral boundary conditions (or mpp link)
58   USE prtctl         ! Print control
59
60   IMPLICIT NONE
61   PRIVATE
62
63   PUBLIC   sbc_blk_init  ! called in sbcmod
64   PUBLIC   sbc_blk       ! called in sbcmod
65#if defined key_lim2 || defined key_lim3
66   PUBLIC   blk_ice_tau   ! routine called in sbc_ice_lim module
67   PUBLIC   blk_ice_flx   ! routine called in sbc_ice_lim module
68#endif
69
70!!Lolo: should ultimately be moved in the module with all physical constants ?
71!!gm  : In principle, yes.
72   REAL(wp), PARAMETER ::   Cp_dry = 1005.0       !: Specic heat of dry air, constant pressure      [J/K/kg]
73   REAL(wp), PARAMETER ::   Cp_vap = 1860.0       !: Specic heat of water vapor, constant pressure  [J/K/kg]
74   REAL(wp), PARAMETER ::   R_dry = 287.05_wp     !: Specific gas constant for dry air              [J/K/kg]
75   REAL(wp), PARAMETER ::   R_vap = 461.495_wp    !: Specific gas constant for water vapor          [J/K/kg]
76   REAL(wp), PARAMETER ::   reps0 = R_dry/R_vap   !: ratio of gas constant for dry air and water vapor => ~ 0.622
77   REAL(wp), PARAMETER ::   rctv0 = R_vap/R_dry   !: for virtual temperature (== (1-eps)/eps) => ~ 0.608
78
79   INTEGER , PARAMETER ::   jpfld   =10           ! maximum number of files to read
80   INTEGER , PARAMETER ::   jp_wndi = 1           ! index of 10m wind velocity (i-component) (m/s)    at T-point
81   INTEGER , PARAMETER ::   jp_wndj = 2           ! index of 10m wind velocity (j-component) (m/s)    at T-point
82   INTEGER , PARAMETER ::   jp_tair = 3           ! index of 10m air temperature             (Kelvin)
83   INTEGER , PARAMETER ::   jp_humi = 4           ! index of specific humidity               ( % )
84   INTEGER , PARAMETER ::   jp_qsr  = 5           ! index of solar heat                      (W/m2)
85   INTEGER , PARAMETER ::   jp_qlw  = 6           ! index of Long wave                       (W/m2)
86   INTEGER , PARAMETER ::   jp_prec = 7           ! index of total precipitation (rain+snow) (Kg/m2/s)
87   INTEGER , PARAMETER ::   jp_snow = 8           ! index of snow (solid prcipitation)       (kg/m2/s)
88   INTEGER , PARAMETER ::   jp_slp  = 9           ! index of sea level pressure              (Pa)
89   INTEGER , PARAMETER ::   jp_tdif =10           ! index of tau diff associated to HF tau   (N/m2)   at T-point
90
91   TYPE(FLD), ALLOCATABLE, DIMENSION(:) ::   sf   ! structure of input fields (file informations, fields read)
92
93   !                                             !!! Bulk parameters
94   REAL(wp), PARAMETER ::   cpa    = 1000.5         ! specific heat of air (only used for ice fluxes now...)
95   REAL(wp), PARAMETER ::   Ls     =    2.839e6     ! latent heat of sublimation
96   REAL(wp), PARAMETER ::   Stef   =    5.67e-8     ! Stefan Boltzmann constant
97   REAL(wp), PARAMETER ::   Cd_ice =    1.4e-3      ! iovi 1.63e-3     ! transfer coefficient over ice
98   REAL(wp), PARAMETER ::   albo   =    0.066       ! ocean albedo assumed to be constant
99   !
100   !                           !!* Namelist namsbc_blk : bulk parameters
101   LOGICAL  ::   ln_NCAR        ! "NCAR"      algorithm   (Large and Yeager 2008)
102   LOGICAL  ::   ln_COARE_3p0   ! "COARE 3.0" algorithm   (Fairall et al. 2003)
103   LOGICAL  ::   ln_COARE_3p5   ! "COARE 3.5" algorithm   (Edson et al. 2013)
104   LOGICAL  ::   ln_ECMWF       ! "ECMWF"     algorithm   (IFS cycle 31)
105   !
106   LOGICAL  ::   ln_taudif      ! logical flag to use the "mean of stress module - module of mean stress" data
107   REAL(wp) ::   rn_pfac        ! multiplication factor for precipitation
108   REAL(wp) ::   rn_efac        ! multiplication factor for evaporation (clem)
109   REAL(wp) ::   rn_vfac        ! multiplication factor for ice/ocean velocity in the calculation of wind stress (clem)
110   REAL(wp) ::   rn_zqt         ! z(q,t) : height of humidity and temperature measurements
111   REAL(wp) ::   rn_zu          ! z(u)   : height of wind measurements
112   LOGICAL  ::   ln_Cd_L12 = .FALSE. !  Modify the drag ice-atm and oce-atm depending on ice concentration (from Lupkes et al. JGR2012)
113   !
114   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:) ::   Cd_oce   ! air-ocean drag (clem)
115
116   INTEGER  ::   nblk           ! choice of the bulk algorithm
117   !                            ! associated indices:
118   INTEGER, PARAMETER ::   np_NCAR      = 1   ! "NCAR" algorithm        (Large and Yeager 2008)
119   INTEGER, PARAMETER ::   np_COARE_3p0 = 2   ! "COARE 3.0" algorithm   (Fairall et al. 2003)
120   INTEGER, PARAMETER ::   np_COARE_3p5 = 3   ! "COARE 3.5" algorithm   (Edson et al. 2013)
121   INTEGER, PARAMETER ::   np_ECMWF     = 4   ! "ECMWF" algorithm       (IFS cycle 31)
122
123   !! * Substitutions
124#  include "vectopt_loop_substitute.h90"
125   !!----------------------------------------------------------------------
126   !! NEMO/OPA 3.7 , NEMO-consortium (2014)
127   !! $Id: sbcblk.F90 6416 2016-04-01 12:22:17Z clem $
128   !! Software governed by the CeCILL licence     (NEMOGCM/NEMO_CeCILL.txt)
129   !!----------------------------------------------------------------------
130CONTAINS
131
132   INTEGER FUNCTION sbc_blk_alloc()
133      !!-------------------------------------------------------------------
134      !!             ***  ROUTINE sbc_blk_alloc ***
135      !!-------------------------------------------------------------------
136      ALLOCATE( Cd_oce(jpi,jpj) , STAT=sbc_blk_alloc )
137      !
138      IF( lk_mpp             )   CALL mpp_sum ( sbc_blk_alloc )
139      IF( sbc_blk_alloc /= 0 )   CALL ctl_warn('sbc_blk_alloc: failed to allocate arrays')
140   END FUNCTION sbc_blk_alloc
141
142   SUBROUTINE sbc_blk_init
143      !!---------------------------------------------------------------------
144      !!                    ***  ROUTINE sbc_blk_init  ***
145      !!
146      !! ** Purpose :   choose and initialize a bulk formulae formulation
147      !!
148      !! ** Method  :
149      !!
150      !!      C A U T I O N : never mask the surface stress fields
151      !!                      the stress is assumed to be in the (i,j) mesh referential
152      !!
153      !! ** Action  :   
154      !!
155      !!----------------------------------------------------------------------
156      INTEGER  ::   ifpr, jfld            ! dummy loop indice and argument
157      INTEGER  ::   ios, ierror, ioptio   ! Local integer
158      !!
159      CHARACTER(len=100)            ::   cn_dir                ! Root directory for location of atmospheric forcing files
160      TYPE(FLD_N), DIMENSION(jpfld) ::   slf_i                 ! array of namelist informations on the fields to read
161      TYPE(FLD_N) ::   sn_wndi, sn_wndj, sn_humi, sn_qsr       ! informations about the fields to be read
162      TYPE(FLD_N) ::   sn_qlw , sn_tair, sn_prec, sn_snow      !       "                        "
163      TYPE(FLD_N) ::   sn_slp , sn_tdif                        !       "                        "
164      NAMELIST/namsbc_blk/ sn_wndi, sn_wndj, sn_humi, sn_qsr, sn_qlw ,                &   ! input fields
165         &                 sn_tair, sn_prec, sn_snow, sn_slp, sn_tdif,                &
166         &                 ln_NCAR, ln_COARE_3p0, ln_COARE_3p5, ln_ECMWF,             &   ! bulk algorithm
167         &                 cn_dir , ln_taudif, rn_zqt, rn_zu,                         & 
168         &                 rn_pfac, rn_efac, rn_vfac, ln_Cd_L12
169      !!---------------------------------------------------------------------
170      !
171      !                                      ! allocate sbc_blk_core array
172      IF( sbc_blk_alloc() /= 0 )   CALL ctl_stop( 'STOP', 'sbc_blk : unable to allocate standard arrays' )
173      !
174      !                             !** read bulk namelist 
175      REWIND( numnam_ref )                !* Namelist namsbc_blk in reference namelist : bulk parameters
176      READ  ( numnam_ref, namsbc_blk, IOSTAT = ios, ERR = 901)
177901   IF( ios /= 0 ) CALL ctl_nam ( ios , 'namsbc_blk in reference namelist', lwp )
178      !
179      REWIND( numnam_cfg )                !* Namelist namsbc_blk in configuration namelist : bulk parameters
180      READ  ( numnam_cfg, namsbc_blk, IOSTAT = ios, ERR = 902 )
181902   IF( ios /= 0 ) CALL ctl_nam ( ios , 'namsbc_blk in configuration namelist', lwp )
182      !
183      IF(lwm) WRITE( numond, namsbc_blk )
184      !
185      !                             !** initialization of the chosen bulk formulae (+ check)
186      !                                   !* select the bulk chosen in the namelist and check the choice
187      ;                                                        ioptio = 0
188      IF( ln_NCAR      ) THEN   ;   nblk =  np_NCAR        ;   ioptio = ioptio + 1   ;   ENDIF
189      IF( ln_COARE_3p0 ) THEN   ;   nblk =  np_COARE_3p0   ;   ioptio = ioptio + 1   ;   ENDIF
190      IF( ln_COARE_3p5 ) THEN   ;   nblk =  np_COARE_3p5   ;   ioptio = ioptio + 1   ;   ENDIF
191      IF( ln_ECMWF     ) THEN   ;   nblk =  np_ECMWF       ;   ioptio = ioptio + 1   ;   ENDIF
192      !
193      IF( ioptio /= 1 )   CALL ctl_stop( 'sbc_blk_init: Choose one and only one bulk algorithm' )
194      !
195      IF( ln_dm2dc ) THEN                 !* check: diurnal cycle on Qsr
196         IF( sn_qsr%nfreqh /= 24 )   CALL ctl_stop( 'sbc_blk_init: ln_dm2dc=T only with daily short-wave input' )
197         IF( sn_qsr%ln_tint ) THEN
198            CALL ctl_warn( 'sbc_blk_init: ln_dm2dc=T daily qsr time interpolation done by sbcdcy module',   &
199               &           '              ==> We force time interpolation = .false. for qsr' )
200            sn_qsr%ln_tint = .false.
201         ENDIF
202      ENDIF
203      !                                   !* set the bulk structure
204      !                                      !- store namelist information in an array
205      slf_i(jp_wndi) = sn_wndi   ;   slf_i(jp_wndj) = sn_wndj
206      slf_i(jp_qsr ) = sn_qsr    ;   slf_i(jp_qlw ) = sn_qlw
207      slf_i(jp_tair) = sn_tair   ;   slf_i(jp_humi) = sn_humi
208      slf_i(jp_prec) = sn_prec   ;   slf_i(jp_snow) = sn_snow
209      slf_i(jp_slp)  = sn_slp    ;   slf_i(jp_tdif) = sn_tdif
210      !
211      lhftau = ln_taudif                     !- add an extra field if HF stress is used
212      jfld = jpfld - COUNT( (/.NOT.lhftau/) )
213      !
214      !                                      !- allocate the bulk structure
215      ALLOCATE( sf(jfld), STAT=ierror )
216      IF( ierror > 0 )   CALL ctl_stop( 'STOP', 'sbc_blk_init: unable to allocate sf structure' )
217      DO ifpr= 1, jfld
218         ALLOCATE( sf(ifpr)%fnow(jpi,jpj,1) )
219         IF( slf_i(ifpr)%ln_tint )   ALLOCATE( sf(ifpr)%fdta(jpi,jpj,1,2) )
220      END DO
221      !                                      !- fill the bulk structure with namelist informations
222      CALL fld_fill( sf, slf_i, cn_dir, 'sbc_blk_init', 'surface boundary condition -- bulk formulae', 'namsbc_blk' )
223      !
224      IF ( ln_wave ) THEN
225      !Activated wave module but neither drag nor stokes drift activated
226         IF ( .NOT.(ln_cdgw .OR. ln_sdw .OR. ln_tauoc .OR. ln_stcor ) )   THEN
227            CALL ctl_warn( 'Ask for wave coupling but ln_cdgw=F, ln_sdw=F, ln_tauoc=F, ln_stcor=F')
228      !drag coefficient read from wave model definable only with mfs bulk formulae and core
229         ELSEIF (ln_cdgw .AND. .NOT. ln_NCAR )       THEN       
230             CALL ctl_stop( 'drag coefficient read from wave model definable only with mfs bulk formulae and core')
231         ELSEIF (ln_stcor .AND. .NOT. ln_sdw)                             THEN
232             CALL ctl_stop( 'Stokes-Coriolis term calculated only if activated Stokes Drift ln_sdw=T')
233         ENDIF
234      ELSE
235      IF ( ln_cdgw .OR. ln_sdw .OR. ln_tauoc .OR. ln_stcor )                & 
236         &   CALL ctl_stop( 'Not Activated Wave Module (ln_wave=F) but asked coupling ',    &
237         &                  'with drag coefficient (ln_cdgw =T) '  ,                        &
238         &                  'or Stokes Drift (ln_sdw=T) ' ,                                 &
239         &                  'or ocean stress modification due to waves (ln_tauoc=T) ',      & 
240         &                  'or Stokes-Coriolis term (ln_stcori=T)'  )
241      ENDIF 
242      !
243      !           
244      IF(lwp) THEN                     !** Control print
245         !
246         WRITE(numout,*)                  !* namelist
247         WRITE(numout,*) '   Namelist namsbc_blk (other than data information):'
248         WRITE(numout,*) '      "NCAR"      algorithm   (Large and Yeager 2008)     ln_NCAR      = ', ln_NCAR
249         WRITE(numout,*) '      "COARE 3.0" algorithm   (Fairall et al. 2003)       ln_COARE_3p0 = ', ln_COARE_3p0
250         WRITE(numout,*) '      "COARE 3.5" algorithm   (Edson et al. 2013)         ln_COARE_3p5 = ', ln_COARE_3p0
251         WRITE(numout,*) '      "ECMWF"     algorithm   (IFS cycle 31)              ln_ECMWF     = ', ln_ECMWF
252         WRITE(numout,*) '      add High freq.contribution to the stress module     ln_taudif    = ', ln_taudif
253         WRITE(numout,*) '      Air temperature and humidity reference height (m)   rn_zqt       = ', rn_zqt
254         WRITE(numout,*) '      Wind vector reference height (m)                    rn_zu        = ', rn_zu
255         WRITE(numout,*) '      factor applied on precipitation (total & snow)      rn_pfac      = ', rn_pfac
256         WRITE(numout,*) '      factor applied on evaporation                       rn_efac      = ', rn_efac
257         WRITE(numout,*) '      factor applied on ocean/ice velocity                rn_vfac      = ', rn_vfac
258         WRITE(numout,*) '         (form absolute (=0) to relative winds(=1))'
259         !
260         WRITE(numout,*)
261         SELECT CASE( nblk )              !* Print the choice of bulk algorithm
262         CASE( np_NCAR      )   ;   WRITE(numout,*) '      ===>>   "NCAR" algorithm        (Large and Yeager 2008)'
263         CASE( np_COARE_3p0 )   ;   WRITE(numout,*) '      ===>>   "COARE 3.0" algorithm   (Fairall et al. 2003)'
264         CASE( np_COARE_3p5 )   ;   WRITE(numout,*) '      ===>>   "COARE 3.5" algorithm   (Edson et al. 2013)'
265         CASE( np_ECMWF     )   ;   WRITE(numout,*) '      ===>>   "ECMWF" algorithm       (IFS cycle 31)'
266         END SELECT
267         !
268      ENDIF
269      !
270   END SUBROUTINE sbc_blk_init
271
272
273   SUBROUTINE sbc_blk( kt )
274      !!---------------------------------------------------------------------
275      !!                    ***  ROUTINE sbc_blk  ***
276      !!
277      !! ** Purpose :   provide at each time step the surface ocean fluxes
278      !!      (momentum, heat, freshwater and runoff)
279      !!
280      !! ** Method  : (1) READ each fluxes in NetCDF files:
281      !!      the 10m wind velocity (i-component) (m/s)    at T-point
282      !!      the 10m wind velocity (j-component) (m/s)    at T-point
283      !!      the 10m or 2m specific humidity     ( % )
284      !!      the solar heat                      (W/m2)
285      !!      the Long wave                       (W/m2)
286      !!      the 10m or 2m air temperature       (Kelvin)
287      !!      the total precipitation (rain+snow) (Kg/m2/s)
288      !!      the snow (solid prcipitation)       (kg/m2/s)
289      !!      the tau diff associated to HF tau   (N/m2)   at T-point   (ln_taudif=T)
290      !!              (2) CALL blk_oce
291      !!
292      !!      C A U T I O N : never mask the surface stress fields
293      !!                      the stress is assumed to be in the (i,j) mesh referential
294      !!
295      !! ** Action  :   defined at each time-step at the air-sea interface
296      !!              - utau, vtau  i- and j-component of the wind stress
297      !!              - taum        wind stress module at T-point
298      !!              - wndm        wind speed  module at T-point over free ocean or leads in presence of sea-ice
299      !!              - qns, qsr    non-solar and solar heat fluxes
300      !!              - emp         upward mass flux (evapo. - precip.)
301      !!              - sfx         salt flux due to freezing/melting (non-zero only if ice is present)
302      !!                            (set in limsbc(_2).F90)
303      !!
304      !! ** References :   Large & Yeager, 2004 / Large & Yeager, 2008
305      !!                   Brodeau et al. Ocean Modelling 2010
306      !!----------------------------------------------------------------------
307      INTEGER, INTENT(in) ::   kt   ! ocean time step
308      !!---------------------------------------------------------------------
309      !
310      CALL fld_read( kt, nn_fsbc, sf )             ! input fields provided at the current time-step
311      !
312      !                                            ! compute the surface ocean fluxes using bulk formulea
313      IF( MOD( kt - 1, nn_fsbc ) == 0 )   CALL blk_oce( kt, sf, sst_m, ssu_m, ssv_m )
314
315#if defined key_cice
316      IF( MOD( kt - 1, nn_fsbc ) == 0 )   THEN
317         qlw_ice(:,:,1)   = sf(jp_qlw )%fnow(:,:,1)
318         IF( ln_dm2dc ) THEN ; qsr_ice(:,:,1) = sbc_dcy( sf(jp_qsr)%fnow(:,:,1) )
319         ELSE                ; qsr_ice(:,:,1) =          sf(jp_qsr)%fnow(:,:,1) 
320         ENDIF
321         tatm_ice(:,:)    = sf(jp_tair)%fnow(:,:,1)
322         qatm_ice(:,:)    = sf(jp_humi)%fnow(:,:,1)
323         tprecip(:,:)     = sf(jp_prec)%fnow(:,:,1) * rn_pfac
324         sprecip(:,:)     = sf(jp_snow)%fnow(:,:,1) * rn_pfac
325         wndi_ice(:,:)    = sf(jp_wndi)%fnow(:,:,1)
326         wndj_ice(:,:)    = sf(jp_wndj)%fnow(:,:,1)
327      ENDIF
328#endif
329      !
330   END SUBROUTINE sbc_blk
331
332
333   SUBROUTINE blk_oce( kt, sf, pst, pu, pv )
334      !!---------------------------------------------------------------------
335      !!                     ***  ROUTINE blk_oce  ***
336      !!
337      !! ** Purpose :   provide the momentum, heat and freshwater fluxes at
338      !!      the ocean surface at each time step
339      !!
340      !! ** Method  :   bulk formulea for the ocean using atmospheric
341      !!      fields read in sbc_read
342      !!
343      !! ** Outputs : - utau    : i-component of the stress at U-point  (N/m2)
344      !!              - vtau    : j-component of the stress at V-point  (N/m2)
345      !!              - taum    : Wind stress module at T-point         (N/m2)
346      !!              - wndm    : Wind speed module at T-point          (m/s)
347      !!              - qsr     : Solar heat flux over the ocean        (W/m2)
348      !!              - qns     : Non Solar heat flux over the ocean    (W/m2)
349      !!              - emp     : evaporation minus precipitation       (kg/m2/s)
350      !!
351      !!  ** Nota  :   sf has to be a dummy argument for AGRIF on NEC
352      !!---------------------------------------------------------------------
353      INTEGER  , INTENT(in   )                 ::   kt    ! time step index
354      TYPE(fld), INTENT(inout), DIMENSION(:)   ::   sf    ! input data
355      REAL(wp) , INTENT(in)   , DIMENSION(:,:) ::   pst   ! surface temperature                      [Celcius]
356      REAL(wp) , INTENT(in)   , DIMENSION(:,:) ::   pu    ! surface current at U-point (i-component) [m/s]
357      REAL(wp) , INTENT(in)   , DIMENSION(:,:) ::   pv    ! surface current at V-point (j-component) [m/s]
358      !
359      INTEGER  ::   ji, jj               ! dummy loop indices
360      REAL(wp) ::   zztmp                ! local variable
361      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   zwnd_i, zwnd_j    ! wind speed components at T-point
362      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   zsq               ! specific humidity at pst
363      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   zqlw, zqsb        ! long wave and sensible heat fluxes
364      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   zqla, zevap       ! latent heat fluxes and evaporation
365      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   Cd                ! transfer coefficient for momentum      (tau)
366      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   Ch                ! transfer coefficient for sensible heat (Q_sens)
367      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   Ce                ! tansfert coefficient for evaporation   (Q_lat)
368      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   zst               ! surface temperature in Kelvin
369      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   zt_zu             ! air temperature at wind speed height
370      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   zq_zu             ! air spec. hum.  at wind speed height
371      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   zU_zu             ! bulk wind speed at height zu  [m/s]
372      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   ztpot             ! potential temperature of air at z=rn_zqt [K]
373      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   zrhoa             ! density of air   [kg/m^3]
374      !!---------------------------------------------------------------------
375      !
376      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_start('blk_oce')
377      !
378      !
379
380      ! local scalars ( place there for vector optimisation purposes)
381      zst(:,:) = pst(:,:) + rt0      ! convert SST from Celcius to Kelvin (and set minimum value far above 0 K)
382
383      ! ----------------------------------------------------------------------------- !
384      !      0   Wind components and module at T-point relative to the moving ocean   !
385      ! ----------------------------------------------------------------------------- !
386
387      ! ... components ( U10m - U_oce ) at T-point (unmasked)
388!!gm    move zwnd_i (_j) set to zero  inside the key_cyclone ???
389      zwnd_i(:,:) = 0._wp
390      zwnd_j(:,:) = 0._wp
391#if defined key_cyclone
392      CALL wnd_cyc( kt, zwnd_i, zwnd_j )    ! add analytical tropical cyclone (Vincent et al. JGR 2012)
393      DO jj = 2, jpjm1
394         DO ji = fs_2, fs_jpim1   ! vect. opt.
395            sf(jp_wndi)%fnow(ji,jj,1) = sf(jp_wndi)%fnow(ji,jj,1) + zwnd_i(ji,jj)
396            sf(jp_wndj)%fnow(ji,jj,1) = sf(jp_wndj)%fnow(ji,jj,1) + zwnd_j(ji,jj)
397         END DO
398      END DO
399#endif
400      DO jj = 2, jpjm1
401         DO ji = fs_2, fs_jpim1   ! vect. opt.
402            zwnd_i(ji,jj) = (  sf(jp_wndi)%fnow(ji,jj,1) - rn_vfac * 0.5 * ( pu(ji-1,jj  ) + pu(ji,jj) )  )
403            zwnd_j(ji,jj) = (  sf(jp_wndj)%fnow(ji,jj,1) - rn_vfac * 0.5 * ( pv(ji  ,jj-1) + pv(ji,jj) )  )
404         END DO
405      END DO
406      CALL lbc_lnk( zwnd_i(:,:) , 'T', -1. )
407      CALL lbc_lnk( zwnd_j(:,:) , 'T', -1. )
408      ! ... scalar wind ( = | U10m - U_oce | ) at T-point (masked)
409      wndm(:,:) = SQRT(  zwnd_i(:,:) * zwnd_i(:,:)   &
410         &             + zwnd_j(:,:) * zwnd_j(:,:)  ) * tmask(:,:,1)
411
412      ! ----------------------------------------------------------------------------- !
413      !      I   Radiative FLUXES                                                     !
414      ! ----------------------------------------------------------------------------- !
415
416      ! ocean albedo assumed to be constant + modify now Qsr to include the diurnal cycle                    ! Short Wave
417      zztmp = 1. - albo
418      IF( ln_dm2dc ) THEN   ;   qsr(:,:) = zztmp * sbc_dcy( sf(jp_qsr)%fnow(:,:,1) ) * tmask(:,:,1)
419      ELSE                  ;   qsr(:,:) = zztmp *          sf(jp_qsr)%fnow(:,:,1)   * tmask(:,:,1)
420      ENDIF
421
422      zqlw(:,:) = (  sf(jp_qlw)%fnow(:,:,1) - Stef * zst(:,:)*zst(:,:)*zst(:,:)*zst(:,:)  ) * tmask(:,:,1)   ! Long  Wave
423
424
425
426      ! ----------------------------------------------------------------------------- !
427      !     II    Turbulent FLUXES                                                    !
428      ! ----------------------------------------------------------------------------- !
429
430      ! ... specific humidity at SST and IST tmask(
431      zsq(:,:) = 0.98 * q_sat( zst(:,:), sf(jp_slp)%fnow(:,:,1) )
432      !!
433      !! Estimate of potential temperature at z=rn_zqt, based on adiabatic lapse-rate
434      !!    (see Josey, Gulev & Yu, 2013) / doi=10.1016/B978-0-12-391851-2.00005-2
435      !!    (since reanalysis products provide T at z, not theta !)
436      ztpot = sf(jp_tair)%fnow(:,:,1) + gamma_moist( sf(jp_tair)%fnow(:,:,1), sf(jp_humi)%fnow(:,:,1) ) * rn_zqt
437
438      SELECT CASE( nblk )        !==  transfer coefficients  ==!   Cd, Ch, Ce at T-point
439      !
440      CASE( np_NCAR      )   ;   CALL turb_ncar    ( rn_zqt, rn_zu, zst, ztpot, zsq, sf(jp_humi)%fnow, wndm,   &  ! NCAR-COREv2
441         &                                               Cd, Ch, Ce, zt_zu, zq_zu, zU_zu )
442      CASE( np_COARE_3p0 )   ;   CALL turb_coare   ( rn_zqt, rn_zu, zst, ztpot, zsq, sf(jp_humi)%fnow, wndm,   &  ! COARE v3.0
443         &                                               Cd, Ch, Ce, zt_zu, zq_zu, zU_zu )
444      CASE( np_COARE_3p5 )   ;   CALL turb_coare3p5( rn_zqt, rn_zu, zst, ztpot, zsq, sf(jp_humi)%fnow, wndm,   &  ! COARE v3.5
445         &                                               Cd, Ch, Ce, zt_zu, zq_zu, zU_zu )
446      CASE( np_ECMWF     )   ;   CALL turb_ecmwf   ( rn_zqt, rn_zu, zst, ztpot, zsq, sf(jp_humi)%fnow, wndm,   &  ! ECMWF
447         &                                               Cd, Ch, Ce, zt_zu, zq_zu, zU_zu )
448      CASE DEFAULT
449         CALL ctl_stop( 'STOP', 'sbc_oce: non-existing bulk formula selected' )
450      END SELECT
451
452      !                          ! Compute true air density :
453      IF( ABS(rn_zu - rn_zqt) > 0.01 ) THEN     ! At zu: (probably useless to remove zrho*grav*rn_zu from SLP...)
454         zrhoa(:,:) = rho_air( zt_zu(:,:)             , zq_zu(:,:)             , sf(jp_slp)%fnow(:,:,1) )
455      ELSE                                      ! At zt:
456         zrhoa(:,:) = rho_air( sf(jp_tair)%fnow(:,:,1), sf(jp_humi)%fnow(:,:,1), sf(jp_slp)%fnow(:,:,1) )
457      END IF
458
459      Cd_oce(:,:) = Cd(:,:)  ! record value of pure ocean-atm. drag (clem)
460
461      DO jj = 1, jpj             ! tau module, i and j component
462         DO ji = 1, jpi
463            zztmp = zrhoa(ji,jj)  * zU_zu(ji,jj) * Cd(ji,jj)   ! using bulk wind speed
464            taum  (ji,jj) = zztmp * wndm  (ji,jj)
465            zwnd_i(ji,jj) = zztmp * zwnd_i(ji,jj)
466            zwnd_j(ji,jj) = zztmp * zwnd_j(ji,jj)
467         END DO
468      END DO
469
470      !                          ! add the HF tau contribution to the wind stress module
471      IF( lhftau )   taum(:,:) = taum(:,:) + sf(jp_tdif)%fnow(:,:,1)
472
473      CALL iom_put( "taum_oce", taum )   ! output wind stress module
474
475      ! ... utau, vtau at U- and V_points, resp.
476      !     Note the use of 0.5*(2-umask) in order to unmask the stress along coastlines
477      !     Note the use of MAX(tmask(i,j),tmask(i+1,j) is to mask tau over ice shelves
478      DO jj = 1, jpjm1
479         DO ji = 1, fs_jpim1
480            utau(ji,jj) = 0.5 * ( 2. - umask(ji,jj,1) ) * ( zwnd_i(ji,jj) + zwnd_i(ji+1,jj  ) ) &
481               &          * MAX(tmask(ji,jj,1),tmask(ji+1,jj,1))
482            vtau(ji,jj) = 0.5 * ( 2. - vmask(ji,jj,1) ) * ( zwnd_j(ji,jj) + zwnd_j(ji  ,jj+1) ) &
483               &          * MAX(tmask(ji,jj,1),tmask(ji,jj+1,1))
484         END DO
485      END DO
486      CALL lbc_lnk( utau(:,:), 'U', -1. )
487      CALL lbc_lnk( vtau(:,:), 'V', -1. )
488
489
490      !  Turbulent fluxes over ocean
491      ! -----------------------------
492
493      ! zqla used as temporary array, for rho*U (common term of bulk formulae):
494      zqla(:,:) = zrhoa(:,:) * zU_zu(:,:)
495
496      IF( ABS( rn_zu - rn_zqt) < 0.01_wp ) THEN
497         !! q_air and t_air are given at 10m (wind reference height)
498         zevap(:,:) = rn_efac*MAX( 0._wp,             zqla(:,:)*Ce(:,:)*(zsq(:,:) - sf(jp_humi)%fnow(:,:,1)) ) ! Evaporation, using bulk wind speed
499         zqsb (:,:) = cp_air(sf(jp_humi)%fnow(:,:,1))*zqla(:,:)*Ch(:,:)*(zst(:,:) - ztpot(:,:)             )   ! Sensible Heat, using bulk wind speed
500      ELSE
501         !! q_air and t_air are not given at 10m (wind reference height)
502         ! Values of temp. and hum. adjusted to height of wind during bulk algorithm iteration must be used!!!
503         zevap(:,:) = rn_efac*MAX( 0._wp,             zqla(:,:)*Ce(:,:)*(zsq(:,:) - zq_zu(:,:) ) ) ! Evaporation ! using bulk wind speed
504         zqsb (:,:) = cp_air(sf(jp_humi)%fnow(:,:,1))*zqla(:,:)*Ch(:,:)*(zst(:,:) - zt_zu(:,:) )   ! Sensible Heat ! using bulk wind speed
505      ENDIF
506
507      zqla(:,:) = L_vap(zst(:,:)) * zevap(:,:)     ! Latent Heat flux
508
509
510      IF(ln_ctl) THEN
511         CALL prt_ctl( tab2d_1=zqla  , clinfo1=' blk_oce: zqla   : ', tab2d_2=Ce , clinfo2=' Ce  : ' )
512         CALL prt_ctl( tab2d_1=zqsb  , clinfo1=' blk_oce: zqsb   : ', tab2d_2=Ch , clinfo2=' Ch  : ' )
513         CALL prt_ctl( tab2d_1=zqlw  , clinfo1=' blk_oce: zqlw   : ', tab2d_2=qsr, clinfo2=' qsr : ' )
514         CALL prt_ctl( tab2d_1=zsq   , clinfo1=' blk_oce: zsq    : ', tab2d_2=zst, clinfo2=' zst : ' )
515         CALL prt_ctl( tab2d_1=utau  , clinfo1=' blk_oce: utau   : ', mask1=umask,   &
516            &          tab2d_2=vtau  , clinfo2=           ' vtau : ', mask2=vmask )
517         CALL prt_ctl( tab2d_1=wndm  , clinfo1=' blk_oce: wndm   : ')
518         CALL prt_ctl( tab2d_1=zst   , clinfo1=' blk_oce: zst    : ')
519      ENDIF
520
521      ! ----------------------------------------------------------------------------- !
522      !     III    Total FLUXES                                                       !
523      ! ----------------------------------------------------------------------------- !
524      !
525      emp (:,:) = (  zevap(:,:)                                          &   ! mass flux (evap. - precip.)
526         &         - sf(jp_prec)%fnow(:,:,1) * rn_pfac  ) * tmask(:,:,1)
527      !
528      qns(:,:) = zqlw(:,:) - zqsb(:,:) - zqla(:,:)                                &   ! Downward Non Solar
529         &     - sf(jp_snow)%fnow(:,:,1) * rn_pfac * lfus                         &   ! remove latent melting heat for solid precip
530         &     - zevap(:,:) * pst(:,:) * rcp                                      &   ! remove evap heat content at SST
531         &     + ( sf(jp_prec)%fnow(:,:,1) - sf(jp_snow)%fnow(:,:,1) ) * rn_pfac  &   ! add liquid precip heat content at Tair
532         &     * ( sf(jp_tair)%fnow(:,:,1) - rt0 ) * rcp                          &
533         &     + sf(jp_snow)%fnow(:,:,1) * rn_pfac                                &   ! add solid  precip heat content at min(Tair,Tsnow)
534         &     * ( MIN( sf(jp_tair)%fnow(:,:,1), rt0_snow ) - rt0 ) * cpic * tmask(:,:,1)
535      !
536#if defined key_lim3
537      qns_oce(:,:) = zqlw(:,:) - zqsb(:,:) - zqla(:,:)                                ! non solar without emp (only needed by LIM3)
538      qsr_oce(:,:) = qsr(:,:)
539#endif
540      !
541      IF ( nn_ice == 0 ) THEN
542         CALL iom_put( "qlw_oce" ,   zqlw )                 ! output downward longwave heat over the ocean
543         CALL iom_put( "qsb_oce" , - zqsb )                 ! output downward sensible heat over the ocean
544         CALL iom_put( "qla_oce" , - zqla )                 ! output downward latent   heat over the ocean
545         CALL iom_put( "qemp_oce",   qns-zqlw+zqsb+zqla )   ! output downward heat content of E-P over the ocean
546         CALL iom_put( "qns_oce" ,   qns  )                 ! output downward non solar heat over the ocean
547         CALL iom_put( "qsr_oce" ,   qsr  )                 ! output downward solar heat over the ocean
548         CALL iom_put( "qt_oce"  ,   qns+qsr )              ! output total downward heat over the ocean
549         tprecip(:,:) = sf(jp_prec)%fnow(:,:,1) * rn_pfac   ! output total precipitation [kg/m2/s]
550         sprecip(:,:) = sf(jp_snow)%fnow(:,:,1) * rn_pfac   ! output solid precipitation [kg/m2/s]
551         CALL iom_put( 'snowpre', sprecip * 86400. )        ! Snow
552         CALL iom_put( 'precip' , tprecip * 86400. )        ! Total precipitation
553      ENDIF
554      !
555      IF(ln_ctl) THEN
556         CALL prt_ctl(tab2d_1=zqsb , clinfo1=' blk_oce: zqsb   : ', tab2d_2=zqlw , clinfo2=' zqlw  : ')
557         CALL prt_ctl(tab2d_1=zqla , clinfo1=' blk_oce: zqla   : ', tab2d_2=qsr  , clinfo2=' qsr   : ')
558         CALL prt_ctl(tab2d_1=pst  , clinfo1=' blk_oce: pst    : ', tab2d_2=emp  , clinfo2=' emp   : ')
559         CALL prt_ctl(tab2d_1=utau , clinfo1=' blk_oce: utau   : ', mask1=umask,   &
560            &         tab2d_2=vtau , clinfo2=              ' vtau  : ' , mask2=vmask )
561      ENDIF
562      !
563      !
564      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_stop('blk_oce')
565      !
566   END SUBROUTINE blk_oce
567
568#if defined key_lim2 || defined key_lim3
569
570   SUBROUTINE blk_ice_tau
571      !!---------------------------------------------------------------------
572      !!                     ***  ROUTINE blk_ice_tau  ***
573      !!
574      !! ** Purpose :   provide the surface boundary condition over sea-ice
575      !!
576      !! ** Method  :   compute momentum using bulk formulation
577      !!                formulea, ice variables and read atmospheric fields.
578      !!                NB: ice drag coefficient is assumed to be a constant
579      !!---------------------------------------------------------------------
580      INTEGER  ::   ji, jj    ! dummy loop indices
581      !
582      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj)   :: zrhoa
583      !
584      REAL(wp) ::   zwnorm_f, zwndi_f , zwndj_f               ! relative wind module and components at F-point
585      REAL(wp) ::             zwndi_t , zwndj_t               ! relative wind components at T-point
586      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   Cd               ! transfer coefficient for momentum      (tau)
587      !!---------------------------------------------------------------------
588      !
589      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_start('blk_ice_tau')
590      !
591
592      Cd(:,:) = Cd_ice
593
594      ! Make ice-atm. drag dependent on ice concentration (see Lupkes et al. 2012) (clem)
595#if defined key_lim3
596      IF( ln_Cd_L12 ) THEN
597         CALL Cdn10_Lupkes2012( Cd ) ! calculate new drag from Lupkes(2012) equations
598      ENDIF
599#endif
600
601      ! local scalars ( place there for vector optimisation purposes)
602      ! Computing density of air! Way denser that 1.2 over sea-ice !!!
603      !!
604      zrhoa (:,:) =  rho_air(sf(jp_tair)%fnow(:,:,1), sf(jp_humi)%fnow(:,:,1), sf(jp_slp)%fnow(:,:,1))
605
606      !!gm brutal....
607      utau_ice  (:,:) = 0._wp
608      vtau_ice  (:,:) = 0._wp
609      wndm_ice  (:,:) = 0._wp
610      !!gm end
611
612      ! ----------------------------------------------------------------------------- !
613      !    Wind components and module relative to the moving ocean ( U10m - U_ice )   !
614      ! ----------------------------------------------------------------------------- !
615      SELECT CASE( cp_ice_msh )
616      CASE( 'I' )                  ! B-grid ice dynamics :   I-point (i.e. F-point with sea-ice indexation)
617         !                           and scalar wind at T-point ( = | U10m - U_ice | ) (masked)
618         DO jj = 2, jpjm1
619            DO ji = 2, jpim1   ! B grid : NO vector opt
620               ! ... scalar wind at I-point (fld being at T-point)
621               zwndi_f = 0.25 * (  sf(jp_wndi)%fnow(ji-1,jj  ,1) + sf(jp_wndi)%fnow(ji  ,jj  ,1)   &
622                  &              + sf(jp_wndi)%fnow(ji-1,jj-1,1) + sf(jp_wndi)%fnow(ji  ,jj-1,1)  ) - rn_vfac * u_ice(ji,jj)
623               zwndj_f = 0.25 * (  sf(jp_wndj)%fnow(ji-1,jj  ,1) + sf(jp_wndj)%fnow(ji  ,jj  ,1)   &
624                  &              + sf(jp_wndj)%fnow(ji-1,jj-1,1) + sf(jp_wndj)%fnow(ji  ,jj-1,1)  ) - rn_vfac * v_ice(ji,jj)
625               zwnorm_f = zrhoa(ji,jj) * Cd(ji,jj) * SQRT( zwndi_f * zwndi_f + zwndj_f * zwndj_f )
626               ! ... ice stress at I-point
627               utau_ice(ji,jj) = zwnorm_f * zwndi_f
628               vtau_ice(ji,jj) = zwnorm_f * zwndj_f
629               ! ... scalar wind at T-point (fld being at T-point)
630               zwndi_t = sf(jp_wndi)%fnow(ji,jj,1) - rn_vfac * 0.25 * (  u_ice(ji,jj+1) + u_ice(ji+1,jj+1)   &
631                  &                                                    + u_ice(ji,jj  ) + u_ice(ji+1,jj  )  )
632               zwndj_t = sf(jp_wndj)%fnow(ji,jj,1) - rn_vfac * 0.25 * (  v_ice(ji,jj+1) + v_ice(ji+1,jj+1)   &
633                  &                                                    + v_ice(ji,jj  ) + v_ice(ji+1,jj  )  )
634               wndm_ice(ji,jj) = SQRT( zwndi_t * zwndi_t + zwndj_t * zwndj_t ) * tmask(ji,jj,1)
635            END DO
636         END DO
637         CALL lbc_lnk( utau_ice, 'I', -1. )
638         CALL lbc_lnk( vtau_ice, 'I', -1. )
639         CALL lbc_lnk( wndm_ice, 'T',  1. )
640         !
641      CASE( 'C' )                  ! C-grid ice dynamics :   U & V-points (same as ocean)
642         DO jj = 2, jpj
643            DO ji = fs_2, jpi   ! vect. opt.
644               zwndi_t = (  sf(jp_wndi)%fnow(ji,jj,1) - rn_vfac * 0.5 * ( u_ice(ji-1,jj  ) + u_ice(ji,jj) )  )
645               zwndj_t = (  sf(jp_wndj)%fnow(ji,jj,1) - rn_vfac * 0.5 * ( v_ice(ji  ,jj-1) + v_ice(ji,jj) )  )
646               wndm_ice(ji,jj) = SQRT( zwndi_t * zwndi_t + zwndj_t * zwndj_t ) * tmask(ji,jj,1)
647            END DO
648         END DO
649         DO jj = 2, jpjm1
650            DO ji = fs_2, fs_jpim1   ! vect. opt.
651               utau_ice(ji,jj) = 0.5 * zrhoa(ji,jj) * Cd(ji,jj) * ( wndm_ice(ji+1,jj  ) + wndm_ice(ji,jj) )                          &
652                  &          * ( 0.5 * (sf(jp_wndi)%fnow(ji+1,jj,1) + sf(jp_wndi)%fnow(ji,jj,1) ) - rn_vfac * u_ice(ji,jj) )
653               vtau_ice(ji,jj) = 0.5 * zrhoa(ji,jj) * Cd(ji,jj) * ( wndm_ice(ji,jj+1  ) + wndm_ice(ji,jj) )                          &
654                  &          * ( 0.5 * (sf(jp_wndj)%fnow(ji,jj+1,1) + sf(jp_wndj)%fnow(ji,jj,1) ) - rn_vfac * v_ice(ji,jj) )
655            END DO
656         END DO
657         CALL lbc_lnk( utau_ice, 'U', -1. )
658         CALL lbc_lnk( vtau_ice, 'V', -1. )
659         CALL lbc_lnk( wndm_ice, 'T',  1. )
660         !
661      END SELECT
662
663      IF(ln_ctl) THEN
664         CALL prt_ctl(tab2d_1=utau_ice  , clinfo1=' blk_ice: utau_ice : ', tab2d_2=vtau_ice  , clinfo2=' vtau_ice : ')
665         CALL prt_ctl(tab2d_1=wndm_ice  , clinfo1=' blk_ice: wndm_ice : ')
666      ENDIF
667
668      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_stop('blk_ice_tau')
669
670   END SUBROUTINE blk_ice_tau
671
672
673   SUBROUTINE blk_ice_flx( ptsu, palb )
674      !!---------------------------------------------------------------------
675      !!                     ***  ROUTINE blk_ice_flx  ***
676      !!
677      !! ** Purpose :   provide the surface boundary condition over sea-ice
678      !!
679      !! ** Method  :   compute heat and freshwater exchanged
680      !!                between atmosphere and sea-ice using bulk formulation
681      !!                formulea, ice variables and read atmmospheric fields.
682      !!
683      !! caution : the net upward water flux has with mm/day unit
684      !!---------------------------------------------------------------------
685      REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), INTENT(in)  ::   ptsu   ! sea ice surface temperature
686      REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), INTENT(in)  ::   palb   ! ice albedo (all skies)
687      !!
688      INTEGER  ::   ji, jj, jl               ! dummy loop indices
689      REAL(wp) ::   zst2, zst3               ! local variable
690      REAL(wp) ::   zcoef_dqlw, zcoef_dqla   !   -      -
691      REAL(wp) ::   zztmp, z1_lsub           !   -      -
692      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj,jpl) ::   z_qlw         ! long wave heat flux over ice
693      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj,jpl) ::   z_qsb         ! sensible  heat flux over ice
694      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj,jpl) ::   z_dqlw        ! long wave heat sensitivity over ice
695      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj,jpl) ::   z_dqsb        ! sensible  heat sensitivity over ice
696      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj)   ::   zevap, zsnw   ! evaporation and snw distribution after wind blowing (LIM3)
697      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj)   ::   zrhoa
698      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj)   ::   Cd            ! transfer coefficient for momentum      (tau)
699      !!---------------------------------------------------------------------
700      !
701      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_start('blk_ice_flx')
702      !
703
704      Cd(:,:) = Cd_ice
705
706      ! Make ice-atm. drag dependent on ice concentration (see Lupkes et al.  2012) (clem)
707#if defined key_lim3
708      IF( ln_Cd_L12 ) THEN
709         CALL Cdn10_Lupkes2012( Cd ) ! calculate new drag from Lupkes(2012) equations
710      ENDIF
711#endif
712
713      !
714      ! local scalars ( place there for vector optimisation purposes)
715      zcoef_dqlw   = 4.0 * 0.95 * Stef
716      zcoef_dqla   = -Ls * 11637800. * (-5897.8)
717      !
718      zrhoa(:,:) = rho_air( sf(jp_tair)%fnow(:,:,1), sf(jp_humi)%fnow(:,:,1), sf(jp_slp)%fnow(:,:,1) )
719      !
720      zztmp = 1. / ( 1. - albo )
721      !                                     ! ========================== !
722      DO jl = 1, jpl                        !  Loop over ice categories  !
723         !                                  ! ========================== !
724         DO jj = 1 , jpj
725            DO ji = 1, jpi
726               ! ----------------------------!
727               !      I   Radiative FLUXES   !
728               ! ----------------------------!
729               zst2 = ptsu(ji,jj,jl) * ptsu(ji,jj,jl)
730               zst3 = ptsu(ji,jj,jl) * zst2
731               ! Short Wave (sw)
732               qsr_ice(ji,jj,jl) = zztmp * ( 1. - palb(ji,jj,jl) ) * qsr(ji,jj)
733               ! Long  Wave (lw)
734               z_qlw(ji,jj,jl) = 0.95 * ( sf(jp_qlw)%fnow(ji,jj,1) - Stef * ptsu(ji,jj,jl) * zst3 ) * tmask(ji,jj,1)
735               ! lw sensitivity
736               z_dqlw(ji,jj,jl) = zcoef_dqlw * zst3
737
738               ! ----------------------------!
739               !     II    Turbulent FLUXES  !
740               ! ----------------------------!
741
742               ! ... turbulent heat fluxes
743               ! Sensible Heat
744               z_qsb(ji,jj,jl) = zrhoa(ji,jj) * cpa * Cd(ji,jj) * wndm_ice(ji,jj) * ( ptsu(ji,jj,jl) - sf(jp_tair)%fnow(ji,jj,1) )
745               ! Latent Heat
746               qla_ice(ji,jj,jl) = rn_efac * MAX( 0.e0, zrhoa(ji,jj) * Ls  * Cd(ji,jj) * wndm_ice(ji,jj)   &
747                  &                         * (  11637800. * EXP( -5897.8 / ptsu(ji,jj,jl) ) / zrhoa(ji,jj) - sf(jp_humi)%fnow(ji,jj,1)  ) )
748               ! Latent heat sensitivity for ice (Dqla/Dt)
749               IF( qla_ice(ji,jj,jl) > 0._wp ) THEN
750                  dqla_ice(ji,jj,jl) = rn_efac * zcoef_dqla * Cd(ji,jj) * wndm_ice(ji,jj) / ( zst2 ) * EXP( -5897.8 / ptsu(ji,jj,jl) )
751               ELSE
752                  dqla_ice(ji,jj,jl) = 0._wp
753               ENDIF
754
755               ! Sensible heat sensitivity (Dqsb_ice/Dtn_ice)
756               z_dqsb(ji,jj,jl) = zrhoa(ji,jj) * cpa * Cd(ji,jj) * wndm_ice(ji,jj)
757
758               ! ----------------------------!
759               !     III    Total FLUXES     !
760               ! ----------------------------!
761               ! Downward Non Solar flux
762               qns_ice (ji,jj,jl) =     z_qlw (ji,jj,jl) - z_qsb (ji,jj,jl) - qla_ice (ji,jj,jl)
763               ! Total non solar heat flux sensitivity for ice
764               dqns_ice(ji,jj,jl) = - ( z_dqlw(ji,jj,jl) + z_dqsb(ji,jj,jl) + dqla_ice(ji,jj,jl) )
765            END DO
766            !
767         END DO
768         !
769      END DO
770      !
771      tprecip(:,:) = sf(jp_prec)%fnow(:,:,1) * rn_pfac      ! total precipitation [kg/m2/s]
772      sprecip(:,:) = sf(jp_snow)%fnow(:,:,1) * rn_pfac      ! solid precipitation [kg/m2/s]
773      CALL iom_put( 'snowpre', sprecip * 86400. )                  ! Snow precipitation
774      CALL iom_put( 'precip' , tprecip * 86400. )                  ! Total precipitation
775
776#if defined  key_lim3
777
778      ! --- evaporation --- !
779      z1_lsub = 1._wp / Lsub
780      evap_ice (:,:,:) = rn_efac * qla_ice (:,:,:) * z1_lsub    ! sublimation
781      devap_ice(:,:,:) = rn_efac * dqla_ice(:,:,:) * z1_lsub    ! d(sublimation)/dT
782      zevap    (:,:)   = rn_efac * ( emp(:,:) + tprecip(:,:) )  ! evaporation over ocean
783
784      ! --- evaporation minus precipitation --- !
785      zsnw(:,:) = 0._wp
786      CALL lim_thd_snwblow( pfrld, zsnw )  ! snow distribution over ice after wind blowing
787      emp_oce(:,:) = pfrld(:,:) * zevap(:,:) - ( tprecip(:,:) - sprecip(:,:) ) - sprecip(:,:) * (1._wp - zsnw )
788      emp_ice(:,:) = SUM( a_i_b(:,:,:) * evap_ice(:,:,:), dim=3 ) - sprecip(:,:) * zsnw
789      emp_tot(:,:) = emp_oce(:,:) + emp_ice(:,:)
790
791      ! --- heat flux associated with emp --- !
792      qemp_oce(:,:) = - pfrld(:,:) * zevap(:,:) * sst_m(:,:) * rcp                               & ! evap at sst
793         &          + ( tprecip(:,:) - sprecip(:,:) ) * ( sf(jp_tair)%fnow(:,:,1) - rt0 ) * rcp  & ! liquid precip at Tair
794         &          +   sprecip(:,:) * ( 1._wp - zsnw ) *                                        & ! solid precip at min(Tair,Tsnow)
795         &              ( ( MIN( sf(jp_tair)%fnow(:,:,1), rt0_snow ) - rt0 ) * cpic * tmask(:,:,1) - lfus )
796      qemp_ice(:,:) =   sprecip(:,:) * zsnw *                                                    & ! solid precip (only)
797         &              ( ( MIN( sf(jp_tair)%fnow(:,:,1), rt0_snow ) - rt0 ) * cpic * tmask(:,:,1) - lfus )
798
799      ! --- total solar and non solar fluxes --- !
800      qns_tot(:,:) = pfrld(:,:) * qns_oce(:,:) + SUM( a_i_b(:,:,:) * qns_ice(:,:,:), dim=3 ) + qemp_ice(:,:) + qemp_oce(:,:)
801      qsr_tot(:,:) = pfrld(:,:) * qsr_oce(:,:) + SUM( a_i_b(:,:,:) * qsr_ice(:,:,:), dim=3 )
802
803      ! --- heat content of precip over ice in J/m3 (to be used in 1D-thermo) --- !
804      qprec_ice(:,:) = rhosn * ( ( MIN( sf(jp_tair)%fnow(:,:,1), rt0_snow ) - rt0 ) * cpic * tmask(:,:,1) - lfus )
805
806      ! --- heat content of evap over ice in W/m2 (to be used in 1D-thermo) ---
807      DO jl = 1, jpl
808         qevap_ice(:,:,jl) = 0._wp ! should be -evap_ice(:,:,jl)*( ( Tice - rt0 ) * cpic * tmask(:,:,1) )
809                                   ! But we do not have Tice => consider it at 0degC => evap=0
810      END DO
811
812#endif
813
814      !--------------------------------------------------------------------
815      ! FRACTIONs of net shortwave radiation which is not absorbed in the
816      ! thin surface layer and penetrates inside the ice cover
817      ! ( Maykut and Untersteiner, 1971 ; Ebert and Curry, 1993 )
818      !
819      fr1_i0(:,:) = ( 0.18 * ( 1.0 - cldf_ice ) + 0.35 * cldf_ice )
820      fr2_i0(:,:) = ( 0.82 * ( 1.0 - cldf_ice ) + 0.65 * cldf_ice )
821      !
822      !
823      IF(ln_ctl) THEN
824         CALL prt_ctl(tab3d_1=qla_ice , clinfo1=' blk_ice: qla_ice  : ', tab3d_2=z_qsb   , clinfo2=' z_qsb    : ', kdim=jpl)
825         CALL prt_ctl(tab3d_1=z_qlw   , clinfo1=' blk_ice: z_qlw    : ', tab3d_2=dqla_ice, clinfo2=' dqla_ice : ', kdim=jpl)
826         CALL prt_ctl(tab3d_1=z_dqsb  , clinfo1=' blk_ice: z_dqsb   : ', tab3d_2=z_dqlw  , clinfo2=' z_dqlw   : ', kdim=jpl)
827         CALL prt_ctl(tab3d_1=dqns_ice, clinfo1=' blk_ice: dqns_ice : ', tab3d_2=qsr_ice , clinfo2=' qsr_ice  : ', kdim=jpl)
828         CALL prt_ctl(tab3d_1=ptsu    , clinfo1=' blk_ice: ptsu     : ', tab3d_2=qns_ice , clinfo2=' qns_ice  : ', kdim=jpl)
829         CALL prt_ctl(tab2d_1=tprecip , clinfo1=' blk_ice: tprecip  : ', tab2d_2=sprecip , clinfo2=' sprecip  : ')
830      ENDIF
831
832      !
833      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_stop('blk_ice_flx')
834
835   END SUBROUTINE blk_ice_flx
836   
837#endif
838
839   FUNCTION rho_air( ptak, pqa, pslp )
840      !!-------------------------------------------------------------------------------
841      !!                           ***  FUNCTION rho_air  ***
842      !!
843      !! ** Purpose : compute density of (moist) air using the eq. of state of the atmosphere
844      !!
845      !! ** Author: L. Brodeau, june 2016 / AeroBulk (https://sourceforge.net/p/aerobulk)
846      !!-------------------------------------------------------------------------------
847      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj), INTENT(in) ::   ptak      ! air temperature             [K]
848      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj), INTENT(in) ::   pqa       ! air specific humidity   [kg/kg]
849      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj), INTENT(in) ::   pslp      ! pressure in                [Pa]
850      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj)             ::   rho_air   ! density of moist air   [kg/m^3]
851      !!-------------------------------------------------------------------------------
852      !
853      rho_air = pslp / (  R_dry*ptak * ( 1._wp + rctv0*pqa )  )
854      !
855   END FUNCTION rho_air
856
857
858   FUNCTION cp_air( pqa )
859      !!-------------------------------------------------------------------------------
860      !!                           ***  FUNCTION cp_air  ***
861      !!
862      !! ** Purpose : Compute specific heat (Cp) of moist air
863      !!
864      !! ** Author: L. Brodeau, june 2016 / AeroBulk (https://sourceforge.net/p/aerobulk)
865      !!-------------------------------------------------------------------------------
866      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj), INTENT(in) ::   pqa      ! air specific humidity         [kg/kg]
867      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj)             ::   cp_air   ! specific heat of moist air   [J/K/kg]
868      !!-------------------------------------------------------------------------------
869      !
870      Cp_air = Cp_dry + Cp_vap * pqa
871      !
872   END FUNCTION cp_air
873
874
875   FUNCTION q_sat( ptak, pslp )
876      !!----------------------------------------------------------------------------------
877      !!                           ***  FUNCTION q_sat  ***
878      !!
879      !! ** Purpose : Specific humidity at saturation in [kg/kg]
880      !!              Based on accurate estimate of "e_sat"
881      !!              aka saturation water vapor (Goff, 1957)
882      !!
883      !! ** Author: L. Brodeau, june 2016 / AeroBulk (https://sourceforge.net/p/aerobulk)
884      !!----------------------------------------------------------------------------------
885      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj), INTENT(in) ::   ptak    ! air temperature                       [K]
886      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj), INTENT(in) ::   pslp    ! sea level atmospheric pressure       [Pa]
887      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj)             ::   q_sat   ! Specific humidity at saturation   [kg/kg]
888      !
889      INTEGER  ::   ji, jj         ! dummy loop indices
890      REAL(wp) ::   ze_sat, ztmp   ! local scalar
891      !!----------------------------------------------------------------------------------
892      !
893      DO jj = 1, jpj
894         DO ji = 1, jpi
895            !
896            ztmp = rt0 / ptak(ji,jj)
897            !
898            ! Vapour pressure at saturation [hPa] : WMO, (Goff, 1957)
899            ze_sat = 10.**( 10.79574*(1. - ztmp) - 5.028*LOG10(ptak(ji,jj)/rt0)        &
900               &    + 1.50475*10.**(-4)*(1. - 10.**(-8.2969*(ptak(ji,jj)/rt0 - 1.)) )  &
901               &    + 0.42873*10.**(-3)*(10.**(4.76955*(1. - ztmp)) - 1.) + 0.78614  )
902               !
903            q_sat(ji,jj) = reps0 * ze_sat/( 0.01_wp*pslp(ji,jj) - (1._wp - reps0)*ze_sat )   ! 0.01 because SLP is in [Pa]
904            !
905         END DO
906      END DO
907      !
908   END FUNCTION q_sat
909
910
911   FUNCTION gamma_moist( ptak, pqa )
912      !!----------------------------------------------------------------------------------
913      !!                           ***  FUNCTION gamma_moist  ***
914      !!
915      !! ** Purpose : Compute the moist adiabatic lapse-rate.
916      !!     => http://glossary.ametsoc.org/wiki/Moist-adiabatic_lapse_rate
917      !!     => http://www.geog.ucsb.edu/~joel/g266_s10/lecture_notes/chapt03/oh10_3_01/oh10_3_01.html
918      !!
919      !! ** Author: L. Brodeau, june 2016 / AeroBulk (https://sourceforge.net/p/aerobulk)
920      !!----------------------------------------------------------------------------------
921      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj), INTENT(in) ::   ptak          ! air temperature       [K]
922      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj), INTENT(in) ::   pqa           ! specific humidity [kg/kg]
923      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj)             ::   gamma_moist   ! moist adiabatic lapse-rate
924      !
925      INTEGER  ::   ji, jj         ! dummy loop indices
926      REAL(wp) :: zrv, ziRT        ! local scalar
927      !!----------------------------------------------------------------------------------
928      !
929      DO jj = 1, jpj
930         DO ji = 1, jpi
931            zrv = pqa(ji,jj) / (1. - pqa(ji,jj))
932            ziRT = 1. / (R_dry*ptak(ji,jj))    ! 1/RT
933            gamma_moist(ji,jj) = grav * ( 1. + cevap*zrv*ziRT ) / ( Cp_dry + cevap*cevap*zrv*reps0*ziRT/ptak(ji,jj) )
934         END DO
935      END DO
936      !
937   END FUNCTION gamma_moist
938
939
940   FUNCTION L_vap( psst )
941      !!---------------------------------------------------------------------------------
942      !!                           ***  FUNCTION L_vap  ***
943      !!
944      !! ** Purpose : Compute the latent heat of vaporization of water from temperature
945      !!
946      !! ** Author: L. Brodeau, june 2016 / AeroBulk (https://sourceforge.net/p/aerobulk)
947      !!----------------------------------------------------------------------------------
948      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj)             ::   L_vap   ! latent heat of vaporization   [J/kg]
949      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj), INTENT(in) ::   psst   ! water temperature                [K]
950      !!----------------------------------------------------------------------------------
951      !
952      L_vap = (  2.501 - 0.00237 * ( psst(:,:) - rt0)  ) * 1.e6
953      !
954   END FUNCTION L_vap
955
956
957#if defined key_lim3
958   SUBROUTINE Cdn10_Lupkes2012( Cd )
959      !!----------------------------------------------------------------------
960      !!                      ***  ROUTINE  Cdn10_Lupkes2012  ***
961      !!
962      !! ** Purpose :    Recompute the ice-atm drag at 10m height to make
963      !!                 it dependent on edges at leads, melt ponds and flows.
964      !!                 After some approximations, this can be resumed to a dependency
965      !!                 on ice concentration.
966      !!               
967      !! ** Method :     The parameterization is taken from Lupkes et al. (2012) eq.(50)
968      !!                 with the highest level of approximation: level4, eq.(59)
969      !!                 The generic drag over a cell partly covered by ice can be re-written as follows:
970      !!
971      !!                 Cd = Cdw * (1-A) + Cdi * A + Ce * (1-A)**(nu+1/(10*beta)) * A**mu
972      !!
973      !!                    Ce = 2.23e-3       , as suggested by Lupkes (eq. 59)
974      !!                    nu = mu = beta = 1 , as suggested by Lupkes (eq. 59)
975      !!                    A is the concentration of ice minus melt ponds (if any)
976      !!
977      !!                 This new drag has a parabolic shape (as a function of A) starting at
978      !!                 Cdw(say 1.5e-3) for A=0, reaching 1.97e-3 for A~0.5
979      !!                 and going down to Cdi(say 1.4e-3) for A=1
980      !!
981      !!                 It is theoretically applicable to all ice conditions (not only MIZ)
982      !!                 => see Lupkes et al (2013)
983      !!
984      !! ** References : Lupkes et al. JGR 2012 (theory)
985      !!                 Lupkes et al. GRL 2013 (application to GCM)
986      !!
987      !!----------------------------------------------------------------------
988      REAL(wp), DIMENSION(:,:), INTENT(inout) ::   Cd
989      REAL(wp), PARAMETER ::   zCe   = 2.23e-03_wp
990      REAL(wp), PARAMETER ::   znu   = 1._wp
991      REAL(wp), PARAMETER ::   zmu   = 1._wp
992      REAL(wp), PARAMETER ::   zbeta = 1._wp
993      REAL(wp)            ::   zcoef
994      !!----------------------------------------------------------------------
995      zcoef = znu + 1._wp / ( 10._wp * zbeta )
996
997      ! generic drag over a cell partly covered by ice
998      !!Cd(:,:) = Cd_oce(:,:) * ( 1._wp - at_i_b(:,:) ) +  &                        ! pure ocean drag
999      !!   &      Cd_ice      *           at_i_b(:,:)   +  &                        ! pure ice drag
1000      !!   &      zCe         * ( 1._wp - at_i_b(:,:) )**zcoef * at_i_b(:,:)**zmu   ! change due to sea-ice morphology
1001
1002      ! ice-atm drag
1003      Cd(:,:) = Cd_ice +  &                                                         ! pure ice drag
1004         &      zCe    * ( 1._wp - at_i_b(:,:) )**zcoef * at_i_b(:,:)**(zmu-1._wp)  ! change due to sea-ice morphology
1005     
1006   END SUBROUTINE Cdn10_Lupkes2012
1007#endif
1008   
1009
1010   !!======================================================================
1011END MODULE sbcblk
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.