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tranxt.F90 in branches/UKMO/dev_r5107_mld_zint/NEMOGCM/NEMO/OPA_SRC/TRA – NEMO

source: branches/UKMO/dev_r5107_mld_zint/NEMOGCM/NEMO/OPA_SRC/TRA/tranxt.F90 @ 5447

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RevLine 
[3]1MODULE tranxt
2   !!======================================================================
3   !!                       ***  MODULE  tranxt  ***
4   !! Ocean active tracers:  time stepping on temperature and salinity
5   !!======================================================================
[1110]6   !! History :  OPA  !  1991-11  (G. Madec)  Original code
7   !!            7.0  !  1993-03  (M. Guyon)  symetrical conditions
8   !!            8.0  !  1996-02  (G. Madec & M. Imbard)  opa release 8.0
9   !!             -   !  1996-04  (A. Weaver)  Euler forward step
10   !!            8.2  !  1999-02  (G. Madec, N. Grima)  semi-implicit pressure grad.
11   !!  NEMO      1.0  !  2002-08  (G. Madec)  F90: Free form and module
12   !!             -   !  2002-11  (C. Talandier, A-M Treguier) Open boundaries
13   !!             -   !  2005-04  (C. Deltel) Add Asselin trend in the ML budget
14   !!            2.0  !  2006-02  (L. Debreu, C. Mazauric) Agrif implementation
15   !!            3.0  !  2008-06  (G. Madec)  time stepping always done in trazdf
[1438]16   !!            3.1  !  2009-02  (G. Madec, R. Benshila)  re-introduce the vvl option
[2528]17   !!            3.3  !  2010-04  (M. Leclair, G. Madec)  semi-implicit hpg with asselin filter + modified LF-RA
18   !!             -   !  2010-05  (C. Ethe, G. Madec)  merge TRC-TRA
[3]19   !!----------------------------------------------------------------------
[503]20
21   !!----------------------------------------------------------------------
[2528]22   !!   tra_nxt       : time stepping on tracers
23   !!   tra_nxt_fix   : time stepping on tracers : fixed    volume case
24   !!   tra_nxt_vvl   : time stepping on tracers : variable volume case
[3]25   !!----------------------------------------------------------------------
26   USE oce             ! ocean dynamics and tracers variables
27   USE dom_oce         ! ocean space and time domain variables
[2528]28   USE sbc_oce         ! surface boundary condition: ocean
[4990]29   USE zdf_oce         ! ocean vertical mixing
[1438]30   USE domvvl          ! variable volume
[1601]31   USE dynspg_oce      ! surface     pressure gradient variables
32   USE dynhpg          ! hydrostatic pressure gradient
[4990]33   USE trd_oce         ! trends: ocean variables
34   USE trdtra          ! trends manager: tracers
35   USE traqsr          ! penetrative solar radiation (needed for nksr)
36   USE phycst          ! physical constant
37   USE ldftra_oce      ! lateral physics on tracers
38   USE bdy_oce         ! BDY open boundary condition variables
[3294]39   USE bdytra          ! open boundary condition (bdy_tra routine)
[4990]40   !
[3]41   USE in_out_manager  ! I/O manager
42   USE lbclnk          ! ocean lateral boundary conditions (or mpp link)
[258]43   USE prtctl          ! Print control
[4990]44   USE wrk_nemo        ! Memory allocation
45   USE timing          ! Timing
[2528]46#if defined key_agrif
[389]47   USE agrif_opa_update
48   USE agrif_opa_interp
[2528]49#endif
[3]50
51   IMPLICIT NONE
52   PRIVATE
53
[2528]54   PUBLIC   tra_nxt       ! routine called by step.F90
55   PUBLIC   tra_nxt_fix   ! to be used in trcnxt
56   PUBLIC   tra_nxt_vvl   ! to be used in trcnxt
[592]57
[2715]58   REAL(wp) ::   rbcp   ! Brown & Campana parameters for semi-implicit hpg
[1438]59
[592]60   !! * Substitutions
61#  include "domzgr_substitute.h90"
[3]62   !!----------------------------------------------------------------------
[2528]63   !! NEMO/OPA 3.3 , NEMO-Consortium (2010)
[2715]64   !! $Id$
65   !! Software governed by the CeCILL licence     (NEMOGCM/NEMO_CeCILL.txt)
[3]66   !!----------------------------------------------------------------------
67CONTAINS
68
69   SUBROUTINE tra_nxt( kt )
70      !!----------------------------------------------------------------------
71      !!                   ***  ROUTINE tranxt  ***
72      !!
[1110]73      !! ** Purpose :   Apply the boundary condition on the after temperature 
74      !!             and salinity fields, achieved the time stepping by adding
75      !!             the Asselin filter on now fields and swapping the fields.
[3]76      !!
[1110]77      !! ** Method  :   At this stage of the computation, ta and sa are the
78      !!             after temperature and salinity as the time stepping has
79      !!             been performed in trazdf_imp or trazdf_exp module.
[3]80      !!
[1110]81      !!              - Apply lateral boundary conditions on (ta,sa)
82      !!             at the local domain   boundaries through lbc_lnk call,
[4328]83      !!             at the one-way open boundaries (lk_bdy=T),
[4990]84      !!             at the AGRIF zoom   boundaries (lk_agrif=T)
[1110]85      !!
[1438]86      !!              - Update lateral boundary conditions on AGRIF children
87      !!             domains (lk_agrif=T)
[1110]88      !!
89      !! ** Action  : - (tb,sb) and (tn,sn) ready for the next time step
90      !!              - (ta,sa) time averaged (t,s)   (ln_dynhpg_imp = T)
[503]91      !!----------------------------------------------------------------------
92      INTEGER, INTENT(in) ::   kt    ! ocean time-step index
93      !!
[2528]94      INTEGER  ::   jk, jn    ! dummy loop indices
95      REAL(wp) ::   zfact     ! local scalars
[3294]96      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:,:) ::  ztrdt, ztrds
[3]97      !!----------------------------------------------------------------------
[3294]98      !
99      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_start( 'tra_nxt')
100      !
[1110]101      IF( kt == nit000 ) THEN
102         IF(lwp) WRITE(numout,*)
103         IF(lwp) WRITE(numout,*) 'tra_nxt : achieve the time stepping by Asselin filter and array swap'
104         IF(lwp) WRITE(numout,*) '~~~~~~~'
[2528]105         !
[4230]106         rbcp = 0.25_wp * (1._wp + atfp) * (1._wp + atfp) * ( 1._wp - atfp)      ! Brown & Campana parameter for semi-implicit hpg
[592]107      ENDIF
108
[1110]109      ! Update after tracer on domain lateral boundaries
110      !
[4230]111      CALL lbc_lnk( tsa(:,:,:,jp_tem), 'T', 1._wp )      ! local domain boundaries  (T-point, unchanged sign)
112      CALL lbc_lnk( tsa(:,:,:,jp_sal), 'T', 1._wp )
[1110]113      !
[2528]114#if defined key_bdy 
[3294]115      IF( lk_bdy )   CALL bdy_tra( kt )  ! BDY open boundaries
[1110]116#endif
[392]117#if defined key_agrif
[2528]118      CALL Agrif_tra                     ! AGRIF zoom boundaries
[389]119#endif
[1438]120 
121      ! set time step size (Euler/Leapfrog)
[2715]122      IF( neuler == 0 .AND. kt == nit000 ) THEN   ;   r2dtra(:) =     rdttra(:)      ! at nit000             (Euler)
[4230]123      ELSEIF( kt <= nit000 + 1 )           THEN   ;   r2dtra(:) = 2._wp* rdttra(:)      ! at nit000 or nit000+1 (Leapfrog)
[1438]124      ENDIF
[3]125
[1110]126      ! trends computation initialisation
[2528]127      IF( l_trdtra )   THEN                    ! store now fields before applying the Asselin filter
[3294]128         CALL wrk_alloc( jpi, jpj, jpk, ztrdt, ztrds )
129         ztrdt(:,:,:) = tsn(:,:,:,jp_tem) 
130         ztrds(:,:,:) = tsn(:,:,:,jp_sal)
[4990]131         IF( ln_traldf_iso ) THEN              ! diagnose the "pure" Kz diffusive trend
132            CALL trd_tra( kt, 'TRA', jp_tem, jptra_zdfp, ztrdt )
133            CALL trd_tra( kt, 'TRA', jp_sal, jptra_zdfp, ztrds )
134         ENDIF
[1110]135      ENDIF
136
[2528]137      IF( neuler == 0 .AND. kt == nit000 ) THEN       ! Euler time-stepping at first time-step (only swap)
138         DO jn = 1, jpts
139            DO jk = 1, jpkm1
140               tsn(:,:,jk,jn) = tsa(:,:,jk,jn)   
141            END DO
142         END DO
143      ELSE                                            ! Leap-Frog + Asselin filter time stepping
144         !
[5447]145         IF( lk_vvl )  THEN   ;   CALL tra_nxt_vvl( kt, nit000, rdttra, 'TRA', tsb, tsn, tsa,   &
146           &                                                              sbc_tsc, sbc_tsc_b, jpts )  ! variable volume level (vvl)
147         ELSE                 ;   CALL tra_nxt_fix( kt, nit000,         'TRA', tsb, tsn, tsa, jpts )  ! fixed    volume level
[2528]148         ENDIF
149      ENDIF 
[2715]150      !
[1438]151#if defined key_agrif
152      ! Update tracer at AGRIF zoom boundaries
153      IF( .NOT.Agrif_Root() )    CALL Agrif_Update_Tra( kt )      ! children only
154#endif     
[2715]155      !
[1438]156      ! trends computation
[2528]157      IF( l_trdtra ) THEN      ! trend of the Asselin filter (tb filtered - tb)/dt     
[1110]158         DO jk = 1, jpkm1
[4990]159            zfact = 1._wp / r2dtra(jk)             
[2528]160            ztrdt(:,:,jk) = ( tsb(:,:,jk,jp_tem) - ztrdt(:,:,jk) ) * zfact
161            ztrds(:,:,jk) = ( tsb(:,:,jk,jp_sal) - ztrds(:,:,jk) ) * zfact
[1110]162         END DO
[4990]163         CALL trd_tra( kt, 'TRA', jp_tem, jptra_atf, ztrdt )
164         CALL trd_tra( kt, 'TRA', jp_sal, jptra_atf, ztrds )
[3294]165         CALL wrk_dealloc( jpi, jpj, jpk, ztrdt, ztrds )
[1438]166      END IF
[2715]167      !
[1438]168      !                        ! control print
[2528]169      IF(ln_ctl)   CALL prt_ctl( tab3d_1=tsn(:,:,:,jp_tem), clinfo1=' nxt  - Tn: ', mask1=tmask,   &
170         &                       tab3d_2=tsn(:,:,:,jp_sal), clinfo2=       ' Sn: ', mask2=tmask )
[1438]171      !
[4990]172      IF( nn_timing == 1 )   CALL timing_stop('tra_nxt')
[3294]173      !
[1438]174   END SUBROUTINE tra_nxt
175
176
[3294]177   SUBROUTINE tra_nxt_fix( kt, kit000, cdtype, ptb, ptn, pta, kjpt )
[1438]178      !!----------------------------------------------------------------------
179      !!                   ***  ROUTINE tra_nxt_fix  ***
180      !!
181      !! ** Purpose :   fixed volume: apply the Asselin time filter and
182      !!                swap the tracer fields.
183      !!
184      !! ** Method  : - Apply a Asselin time filter on now fields.
185      !!              - save in (ta,sa) an average over the three time levels
186      !!             which will be used to compute rdn and thus the semi-implicit
187      !!             hydrostatic pressure gradient (ln_dynhpg_imp = T)
188      !!              - swap tracer fields to prepare the next time_step.
189      !!                This can be summurized for tempearture as:
[2528]190      !!             ztm = tn + rbcp * [ta -2 tn + tb ]       ln_dynhpg_imp = T
191      !!             ztm = 0                                   otherwise
192      !!                   with rbcp=1/4 * (1-atfp^4) / (1-atfp)
[1438]193      !!             tb  = tn + atfp*[ tb - 2 tn + ta ]
[2528]194      !!             tn  = ta 
[1438]195      !!             ta  = ztm       (NB: reset to 0 after eos_bn2 call)
196      !!
197      !! ** Action  : - (tb,sb) and (tn,sn) ready for the next time step
198      !!              - (ta,sa) time averaged (t,s)   (ln_dynhpg_imp = T)
199      !!----------------------------------------------------------------------
[2715]200      INTEGER         , INTENT(in   )                               ::   kt       ! ocean time-step index
[3294]201      INTEGER         , INTENT(in   )                               ::   kit000   ! first time step index
[2715]202      CHARACTER(len=3), INTENT(in   )                               ::   cdtype   ! =TRA or TRC (tracer indicator)
203      INTEGER         , INTENT(in   )                               ::   kjpt     ! number of tracers
204      REAL(wp)        , INTENT(inout), DIMENSION(jpi,jpj,jpk,kjpt)  ::   ptb      ! before tracer fields
205      REAL(wp)        , INTENT(inout), DIMENSION(jpi,jpj,jpk,kjpt)  ::   ptn      ! now tracer fields
206      REAL(wp)        , INTENT(inout), DIMENSION(jpi,jpj,jpk,kjpt)  ::   pta      ! tracer trend
207      !
[2528]208      INTEGER  ::   ji, jj, jk, jn   ! dummy loop indices
209      LOGICAL  ::   ll_tra_hpg       ! local logical
210      REAL(wp) ::   ztn, ztd         ! local scalars
[1438]211      !!----------------------------------------------------------------------
212
[3294]213      IF( kt == kit000 )  THEN
[1438]214         IF(lwp) WRITE(numout,*)
[3294]215         IF(lwp) WRITE(numout,*) 'tra_nxt_fix : time stepping', cdtype
[1438]216         IF(lwp) WRITE(numout,*) '~~~~~~~~~~~'
217      ENDIF
218      !
[2528]219      IF( cdtype == 'TRA' )  THEN   ;   ll_tra_hpg = ln_dynhpg_imp    ! active  tracers case  and  semi-implicit hpg   
220      ELSE                          ;   ll_tra_hpg = .FALSE.          ! passive tracers case or NO semi-implicit hpg
221      ENDIF
222      !
223      DO jn = 1, kjpt
[1438]224         !
[2528]225         DO jk = 1, jpkm1
226            DO jj = 1, jpj
227               DO ji = 1, jpi
228                  ztn = ptn(ji,jj,jk,jn)                                   
229                  ztd = pta(ji,jj,jk,jn) - 2. * ztn + ptb(ji,jj,jk,jn)      !  time laplacian on tracers
230                  !
231                  ptb(ji,jj,jk,jn) = ztn + atfp * ztd                       ! ptb <-- filtered ptn
232                  ptn(ji,jj,jk,jn) = pta(ji,jj,jk,jn)                       ! ptn <-- pta
233                  !
234                  IF( ll_tra_hpg )   pta(ji,jj,jk,jn) = ztn + rbcp * ztd    ! pta <-- Brown & Campana average
[3]235               END DO
[2528]236           END DO
237         END DO
[1110]238         !
[2528]239      END DO
[1438]240      !
241   END SUBROUTINE tra_nxt_fix
[3]242
[1110]243
[5447]244   SUBROUTINE tra_nxt_vvl( kt, kit000, p2dt, cdtype, ptb, ptn, pta, psbc_tc, psbc_tc_b, kjpt )
[1438]245      !!----------------------------------------------------------------------
246      !!                   ***  ROUTINE tra_nxt_vvl  ***
247      !!
248      !! ** Purpose :   Time varying volume: apply the Asselin time filter 
249      !!                and swap the tracer fields.
250      !!
251      !! ** Method  : - Apply a thickness weighted Asselin time filter on now fields.
252      !!              - save in (ta,sa) a thickness weighted average over the three
253      !!             time levels which will be used to compute rdn and thus the semi-
254      !!             implicit hydrostatic pressure gradient (ln_dynhpg_imp = T)
255      !!              - swap tracer fields to prepare the next time_step.
256      !!                This can be summurized for tempearture as:
[2528]257      !!             ztm = ( e3t_n*tn + rbcp*[ e3t_b*tb - 2 e3t_n*tn + e3t_a*ta ] )   ln_dynhpg_imp = T
258      !!                  /( e3t_n    + rbcp*[ e3t_b    - 2 e3t_n    + e3t_a    ] )   
259      !!             ztm = 0                                                       otherwise
[1438]260      !!             tb  = ( e3t_n*tn + atfp*[ e3t_b*tb - 2 e3t_n*tn + e3t_a*ta ] )
261      !!                  /( e3t_n    + atfp*[ e3t_b    - 2 e3t_n    + e3t_a    ] )
262      !!             tn  = ta
263      !!             ta  = zt        (NB: reset to 0 after eos_bn2 call)
264      !!
265      !! ** Action  : - (tb,sb) and (tn,sn) ready for the next time step
266      !!              - (ta,sa) time averaged (t,s)   (ln_dynhpg_imp = T)
267      !!----------------------------------------------------------------------
[5447]268      INTEGER         , INTENT(in   )                               ::  kt       ! ocean time-step index
269      INTEGER         , INTENT(in   )                               ::  kit000   ! first time step index
270      REAL(wp)        , INTENT(in   ), DIMENSION(jpk)               ::  p2dt     ! time-step
271      CHARACTER(len=3), INTENT(in   )                               ::  cdtype   ! =TRA or TRC (tracer indicator)
272      INTEGER         , INTENT(in   )                               ::  kjpt     ! number of tracers
273      REAL(wp)        , INTENT(inout), DIMENSION(jpi,jpj,jpk,kjpt)  ::  ptb      ! before tracer fields
274      REAL(wp)        , INTENT(inout), DIMENSION(jpi,jpj,jpk,kjpt)  ::  ptn      ! now tracer fields
275      REAL(wp)        , INTENT(inout), DIMENSION(jpi,jpj,jpk,kjpt)  ::  pta      ! tracer trend
276      REAL(wp)        , INTENT(in   ), DIMENSION(jpi,jpj,kjpt)      ::  psbc_tc   ! surface tracer content
277      REAL(wp)        , INTENT(in   ), DIMENSION(jpi,jpj,kjpt)      ::  psbc_tc_b ! before surface tracer content
278
[1438]279      !!     
[5447]280      LOGICAL  ::   ll_tra_hpg, ll_traqsr   ! local logical
[2528]281      INTEGER  ::   ji, jj, jk, jn              ! dummy loop indices
[2715]282      REAL(wp) ::   zfact1, ztc_a , ztc_n , ztc_b , ztc_f , ztc_d    ! local scalar
283      REAL(wp) ::   zfact2, ze3t_b, ze3t_n, ze3t_a, ze3t_f, ze3t_d   !   -      -
[1438]284      !!----------------------------------------------------------------------
[3294]285      !
286      IF( kt == kit000 )  THEN
[1438]287         IF(lwp) WRITE(numout,*)
[3294]288         IF(lwp) WRITE(numout,*) 'tra_nxt_vvl : time stepping', cdtype
[1438]289         IF(lwp) WRITE(numout,*) '~~~~~~~~~~~'
290      ENDIF
[2528]291      !
292      IF( cdtype == 'TRA' )  THEN   
293         ll_tra_hpg = ln_dynhpg_imp    ! active  tracers case  and  semi-implicit hpg
294         ll_traqsr  = ln_traqsr        ! active  tracers case  and  solar penetration
295      ELSE                         
296         ll_tra_hpg = .FALSE.          ! passive tracers case or NO semi-implicit hpg
297         ll_traqsr  = .FALSE.          ! active  tracers case and NO solar penetration
298      ENDIF
299      !
300      DO jn = 1, kjpt     
301         DO jk = 1, jpkm1
[5447]302            zfact1 = atfp * p2dt(jk)
[2528]303            zfact2 = zfact1 / rau0
304            DO jj = 1, jpj
305               DO ji = 1, jpi
306                  ze3t_b = fse3t_b(ji,jj,jk)
307                  ze3t_n = fse3t_n(ji,jj,jk)
308                  ze3t_a = fse3t_a(ji,jj,jk)
309                  !                                         ! tracer content at Before, now and after
310                  ztc_b  = ptb(ji,jj,jk,jn) * ze3t_b
311                  ztc_n  = ptn(ji,jj,jk,jn) * ze3t_n
312                  ztc_a  = pta(ji,jj,jk,jn) * ze3t_a
313                  !
314                  ze3t_d = ze3t_a - 2. * ze3t_n + ze3t_b
315                  ztc_d  = ztc_a  - 2. * ztc_n  + ztc_b
316                  !
317                  ze3t_f = ze3t_n + atfp * ze3t_d
318                  ztc_f  = ztc_n  + atfp * ztc_d
319                  !
[5447]320                  IF( jk == 1 ) THEN           ! first level
321                     ze3t_f = ze3t_f - zfact2 * ( emp_b(ji,jj) - emp(ji,jj) )
322                     ztc_f  = ztc_f  - zfact1 * ( psbc_tc(ji,jj,jn) - psbc_tc_b(ji,jj,jn) )
[2528]323                  ENDIF
324                  IF( ll_traqsr .AND. jn == jp_tem .AND. jk <= nksr )   &     ! solar penetration (temperature only)
325                     &     ztc_f  = ztc_f  - zfact1 * ( qsr_hc(ji,jj,jk) - qsr_hc_b(ji,jj,jk) ) 
[1438]326
[2528]327                   ze3t_f = 1.e0 / ze3t_f
328                   ptb(ji,jj,jk,jn) = ztc_f * ze3t_f       ! ptb <-- ptn filtered
329                   ptn(ji,jj,jk,jn) = pta(ji,jj,jk,jn)     ! ptn <-- pta
330                   !
331                   IF( ll_tra_hpg ) THEN        ! semi-implicit hpg (T & S only)
332                      ze3t_d           = 1.e0   / ( ze3t_n + rbcp * ze3t_d )
333                      pta(ji,jj,jk,jn) = ze3t_d * ( ztc_n  + rbcp * ztc_d  )   ! ta <-- Brown & Campana average
334                   ENDIF
[1438]335               END DO
336            END DO
[2528]337         END DO
338         !
339      END DO
[503]340      !
[1438]341   END SUBROUTINE tra_nxt_vvl
[3]342
343   !!======================================================================
344END MODULE tranxt
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.