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/UKMO/test_moci_test_suite_namelist_read/NEMOGCM/NEMO/OPA_SRC/ZDF – NEMO

source: branches/UKMO/test_moci_test_suite_namelist_read/NEMOGCM/NEMO/OPA_SRC/ZDF/zdftmx.F90 @ 9366

Last change on this file since 9366 was 9366, checked in by andmirek, 6 years ago

#2050 first version. Compiled OK in moci test suite

File size: 53.9 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   PRIVATE  tmx_namelist
38
39   LOGICAL, PUBLIC, PARAMETER ::   lk_zdftmx = .TRUE.    !: tidal mixing flag
40
41   !                       !!* Namelist  namzdf_tmx : tidal mixing *
42   REAL(wp) ::  rn_htmx     ! vertical decay scale for turbulence (meters)
43   REAL(wp) ::  rn_n2min    ! threshold of the Brunt-Vaisala frequency (s-1)
44   REAL(wp) ::  rn_tfe      ! tidal dissipation efficiency (St Laurent et al. 2002)
45   REAL(wp) ::  rn_me       ! mixing efficiency (Osborn 1980)
46   LOGICAL  ::  ln_tmx_itf  ! Indonesian Through Flow (ITF): Koch-Larrouy et al. (2007) parameterization
47   REAL(wp) ::  rn_tfe_itf  ! ITF tidal dissipation efficiency (St Laurent et al. 2002)
48
49   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:)   ::   en_tmx     ! energy available for tidal mixing (W/m2)
50   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:)   ::   mask_itf   ! mask to use over Indonesian area
51   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:) ::   az_tmx     ! coefficient used to evaluate the tidal induced Kz
52
53   !! * Substitutions
54#  include "domzgr_substitute.h90"
55#  include "vectopt_loop_substitute.h90"
56   !!----------------------------------------------------------------------
57   !! NEMO/OPA 4.0 , NEMO Consortium (2011)
58   !! $Id$
59   !! Software governed by the CeCILL licence     (NEMOGCM/NEMO_CeCILL.txt)
60   !!----------------------------------------------------------------------
61CONTAINS
62
63   INTEGER FUNCTION zdf_tmx_alloc()
64      !!----------------------------------------------------------------------
65      !!                ***  FUNCTION zdf_tmx_alloc  ***
66      !!----------------------------------------------------------------------
67      ALLOCATE(en_tmx(jpi,jpj), mask_itf(jpi,jpj), az_tmx(jpi,jpj,jpk), STAT=zdf_tmx_alloc )
68      !
69      IF( lk_mpp             )   CALL mpp_sum ( zdf_tmx_alloc )
70      IF( zdf_tmx_alloc /= 0 )   CALL ctl_warn('zdf_tmx_alloc: failed to allocate arrays')
71   END FUNCTION zdf_tmx_alloc
72
73
74   SUBROUTINE zdf_tmx( kt )
75      !!----------------------------------------------------------------------
76      !!                  ***  ROUTINE zdf_tmx  ***
77      !!                   
78      !! ** Purpose :   add to the vertical mixing coefficients the effect of
79      !!              tidal mixing (Simmons et al 2004).
80      !!
81      !! ** Method  : - tidal-induced vertical mixing is given by:
82      !!                  Kz_tides = az_tmx / max( rn_n2min, N^2 )
83      !!              where az_tmx is a coefficient that specified the 3D space
84      !!              distribution of the faction of tidal energy taht is used
85      !!              for mixing. Its expression is set in zdf_tmx_init routine,
86      !!              following Simmons et al. 2004.
87      !!                NB: a specific bounding procedure is performed on av_tide
88      !!              so that the input tidal energy is actually almost used. The
89      !!              basic maximum value is 60 cm2/s, but values of 300 cm2/s
90      !!              can be reached in area where bottom stratification is too
91      !!              weak.
92      !!
93      !!              - update av_tide in the Indonesian Through Flow area
94      !!              following Koch-Larrouy et al. (2007) parameterisation
95      !!              (see tmx_itf routine).
96      !!
97      !!              - update the model vertical eddy viscosity and diffusivity:
98      !!                     avt  = avt  +    av_tides
99      !!                     avm  = avm  +    av_tides
100      !!                     avmu = avmu + mi(av_tides)
101      !!                     avmv = avmv + mj(av_tides)
102      !!
103      !! ** Action  :   avt, avm, avmu, avmv   increased by tidal mixing
104      !!
105      !! References : Simmons et al. 2004, Ocean Modelling, 6, 3-4, 245-263.
106      !!              Koch-Larrouy et al. 2007, GRL.
107      !!----------------------------------------------------------------------
108      USE oce, zav_tide  =>   ua    ! use ua as workspace
109      !!
110      INTEGER, INTENT(in) ::   kt   ! ocean time-step
111      !!
112      INTEGER  ::   ji, jj, jk   ! dummy loop indices
113      REAL(wp) ::   ztpc         ! scalar workspace
114      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:) ::   zkz
115      !!----------------------------------------------------------------------
116      !
117      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_start('zdf_tmx')
118      !
119      CALL wrk_alloc( jpi,jpj, zkz )
120
121      !                          ! ----------------------- !
122      !                          !  Standard tidal mixing  !  (compute zav_tide)
123      !                          ! ----------------------- !
124      !                             !* First estimation (with n2 bound by rn_n2min) bounded by 60 cm2/s
125      zav_tide(:,:,:) = MIN(  60.e-4, az_tmx(:,:,:) / MAX( rn_n2min, rn2(:,:,:) )  )
126
127      zkz(:,:) = 0.e0               !* Associated potential energy consummed over the whole water column
128      DO jk = 2, jpkm1
129         zkz(:,:) = zkz(:,:) + fse3w(:,:,jk) * MAX( 0.e0, rn2(:,:,jk) ) * rau0 * zav_tide(:,:,jk) * wmask(:,:,jk)
130      END DO
131
132      DO jj = 1, jpj                !* Here zkz should be equal to en_tmx ==> multiply by en_tmx/zkz to recover en_tmx
133         DO ji = 1, jpi
134            IF( zkz(ji,jj) /= 0.e0 )   zkz(ji,jj) = en_tmx(ji,jj) / zkz(ji,jj)
135         END DO
136      END DO
137
138      DO jk = 2, jpkm1     !* Mutiply by zkz to recover en_tmx, BUT bound by 30/6 ==> zav_tide bound by 300 cm2/s
139         DO jj = 1, jpj                !* Here zkz should be equal to en_tmx ==> multiply by en_tmx/zkz to recover en_tmx
140            DO ji = 1, jpi
141               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
142            END DO
143         END DO
144      END DO
145
146      IF( kt == nit000 ) THEN       !* check at first time-step: diagnose the energy consumed by zav_tide
147         ztpc = 0.e0
148         DO jk= 1, jpk
149            DO jj= 1, jpj
150               DO ji= 1, jpi
151                  ztpc = ztpc + fse3w(ji,jj,jk) * e1t(ji,jj) * e2t(ji,jj)   &
152                     &         * MAX( 0.e0, rn2(ji,jj,jk) ) * zav_tide(ji,jj,jk) * tmask(ji,jj,jk) * tmask_i(ji,jj)
153               END DO
154            END DO
155         END DO
156         ztpc= rau0 / ( rn_tfe * rn_me ) * ztpc
157         IF(lwp) WRITE(numout,*) 
158         IF(lwp) WRITE(numout,*) '          N Total power consumption by av_tide    : ztpc = ', ztpc * 1.e-12 ,'TW'
159      ENDIF
160       
161      !                          ! ----------------------- !
162      !                          !    ITF  tidal mixing    !  (update zav_tide)
163      !                          ! ----------------------- !
164      IF( ln_tmx_itf )   CALL tmx_itf( kt, zav_tide )
165
166      !                          ! ----------------------- !
167      !                          !   Update  mixing coefs  !                         
168      !                          ! ----------------------- !
169      DO jk = 2, jpkm1              !* update momentum & tracer diffusivity with tidal mixing
170         DO jj = 1, jpj                !* Here zkz should be equal to en_tmx ==> multiply by en_tmx/zkz to recover en_tmx
171            DO ji = 1, jpi
172               avt(ji,jj,jk) = avt(ji,jj,jk) + zav_tide(ji,jj,jk) * wmask(ji,jj,jk)
173               avm(ji,jj,jk) = avm(ji,jj,jk) + zav_tide(ji,jj,jk) * wmask(ji,jj,jk)
174            END DO
175         END DO
176      END DO
177     
178      DO jk = 2, jpkm1              !* update momentum & tracer diffusivity with tidal mixing
179         DO jj = 2, jpjm1
180            DO ji = fs_2, fs_jpim1  ! vector opt.
181               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)
182               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)
183            END DO
184         END DO
185      END DO
186      CALL lbc_lnk( avmu, 'U', 1. )   ;   CALL lbc_lnk( avmv, 'V', 1. )      ! lateral boundary condition
187
188      !                             !* output tidal mixing coefficient
189      CALL iom_put( "av_tide", zav_tide )
190
191      IF(ln_ctl)   CALL prt_ctl(tab3d_1=zav_tide , clinfo1=' tmx - av_tide: ', tab3d_2=avt, clinfo2=' avt: ', ovlap=1, kdim=jpk)
192      !
193      CALL wrk_dealloc( jpi,jpj, zkz )
194      !
195      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_stop('zdf_tmx')
196      !
197   END SUBROUTINE zdf_tmx
198
199
200   SUBROUTINE tmx_itf( kt, pav )
201      !!----------------------------------------------------------------------
202      !!                  ***  ROUTINE tmx_itf  ***
203      !!                   
204      !! ** Purpose :   modify the vertical eddy diffusivity coefficients
205      !!              (pav) in the Indonesian Through Flow area (ITF).
206      !!
207      !! ** Method  : - Following Koch-Larrouy et al. (2007), in the ITF defined
208      !!                by msk_itf (read in a file, see tmx_init), the tidal
209      !!                mixing coefficient is computed with :
210      !!                  * q=1 (i.e. all the tidal energy remains trapped in
211      !!                         the area and thus is used for mixing)
212      !!                  * the vertical distribution of the tifal energy is a
213      !!                    proportional to N above the thermocline (d(N^2)/dz > 0)
214      !!                    and to N^2 below the thermocline (d(N^2)/dz < 0)
215      !!
216      !! ** Action  :   av_tide   updated in the ITF area (msk_itf)
217      !!
218      !! References :  Koch-Larrouy et al. 2007, GRL
219      !!----------------------------------------------------------------------
220      INTEGER , INTENT(in   )                         ::   kt   ! ocean time-step
221      REAL(wp), INTENT(inout), DIMENSION(jpi,jpj,jpk) ::   pav  ! Tidal mixing coef.
222      !!
223      INTEGER  ::   ji, jj, jk    ! dummy loop indices
224      REAL(wp) ::   zcoef, ztpc   ! temporary scalar
225      REAL(wp), DIMENSION(:,:)  , POINTER ::   zkz                        ! 2D workspace
226      REAL(wp), DIMENSION(:,:)  , POINTER ::   zsum1 , zsum2 , zsum       !  -      -
227      REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), POINTER ::   zempba_3d_1, zempba_3d_2   ! 3D workspace
228      REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), POINTER ::   zempba_3d  , zdn2dz        !  -      -
229      REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), POINTER ::   zavt_itf                   !  -      -
230      !!----------------------------------------------------------------------
231      !
232      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_start('tmx_itf')
233      !
234      CALL wrk_alloc( jpi,jpj, zkz, zsum1 , zsum2 , zsum )
235      CALL wrk_alloc( jpi,jpj,jpk, zempba_3d_1, zempba_3d_2, zempba_3d, zdn2dz, zavt_itf )
236
237      !                             ! compute the form function using N2 at each time step
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      IF(lwm) THEN
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', lwm )
387         REWIND( numnam_cfg )              ! Namelist namzdf_tmx in configuration namelist : Tidal Mixing
388         READ  ( numnam_cfg, namzdf_tmx, IOSTAT = ios, ERR = 902 )
389902      IF( ios /= 0 ) CALL ctl_nam ( ios , 'namzdf_tmx in configuration namelist', lwm )
390      ENDIF
391
392      IF(lwm) WRITE ( numond, namzdf_tmx )
393     
394      call tmx_namelist()
395
396      IF(lwp) THEN                   ! Control print
397         WRITE(numout,*)
398         WRITE(numout,*) 'zdf_tmx_init : tidal mixing'
399         WRITE(numout,*) '~~~~~~~~~~~~'
400         WRITE(numout,*) '   Namelist namzdf_tmx : set tidal mixing parameters'
401         WRITE(numout,*) '      Vertical decay scale for turbulence   = ', rn_htmx 
402         WRITE(numout,*) '      Brunt-Vaisala frequency threshold     = ', rn_n2min
403         WRITE(numout,*) '      Tidal dissipation efficiency          = ', rn_tfe
404         WRITE(numout,*) '      Mixing efficiency                     = ', rn_me
405         WRITE(numout,*) '      ITF specific parameterisation         = ', ln_tmx_itf
406         WRITE(numout,*) '      ITF tidal dissipation efficiency      = ', rn_tfe_itf
407      ENDIF
408
409      !                              ! allocate tmx arrays
410      IF( zdf_tmx_alloc() /= 0 )   CALL ctl_stop( 'STOP', 'zdf_tmx_init : unable to allocate tmx arrays' )
411
412      IF( ln_tmx_itf ) THEN          ! read the Indonesian Through Flow mask
413         CALL iom_open('mask_itf',inum)
414         CALL iom_get (inum, jpdom_data, 'tmaskitf',mask_itf,1) !
415         CALL iom_close(inum)
416      ENDIF
417
418      ! read M2 tidal energy flux : W/m2  ( zem2 < 0 )
419      CALL iom_open('M2rowdrg',inum)
420      CALL iom_get (inum, jpdom_data, 'field',zem2,1) !
421      CALL iom_close(inum)
422
423      ! read K1 tidal energy flux : W/m2  ( zek1 < 0 )
424      CALL iom_open('K1rowdrg',inum)
425      CALL iom_get (inum, jpdom_data, 'field',zek1,1) !
426      CALL iom_close(inum)
427 
428      ! Total tidal energy ( M2, S2 and K1  with S2=(1/2)^2 * M2 )
429      ! only the energy available for mixing is taken into account,
430      ! (mixing efficiency tidal dissipation efficiency)
431      en_tmx(:,:) = - rn_tfe * rn_me * ( zem2(:,:) * 1.25 + zek1(:,:) ) * ssmask(:,:)
432
433!============
434!TG: Bug for VVL? Should this section be moved out of _init and be updated at every timestep?
435      ! Vertical structure (az_tmx)
436      DO jj = 1, jpj                ! part independent of the level
437         DO ji = 1, jpi
438            zhdep(ji,jj) = gdepw_0(ji,jj,mbkt(ji,jj)+1)       ! depth of the ocean
439            zfact(ji,jj) = rau0 * rn_htmx * ( 1. - EXP( -zhdep(ji,jj) / rn_htmx ) )
440            IF( zfact(ji,jj) /= 0 )   zfact(ji,jj) = en_tmx(ji,jj) / zfact(ji,jj)
441         END DO
442      END DO
443      DO jk= 1, jpk                 ! complete with the level-dependent part
444         DO jj = 1, jpj
445            DO ji = 1, jpi
446               az_tmx(ji,jj,jk) = zfact(ji,jj) * EXP( -( zhdep(ji,jj)-gdepw_0(ji,jj,jk) ) / rn_htmx ) * tmask(ji,jj,jk)
447            END DO
448         END DO
449      END DO
450!===========
451
452      IF( nprint == 1 .AND. lwp ) THEN
453         ! Control print
454         ! Total power consumption due to vertical mixing
455         ! zpc = rau0 * 1/rn_me * rn2 * zav_tide
456         zav_tide(:,:,:) = 0.e0
457         DO jk = 2, jpkm1
458            zav_tide(:,:,jk) = az_tmx(:,:,jk) / MAX( rn_n2min, rn2(:,:,jk) )
459         END DO
460
461         ztpc = 0.e0
462         zpc(:,:,:) = MAX(rn_n2min,rn2(:,:,:)) * zav_tide(:,:,:)
463         DO jk= 2, jpkm1
464            DO jj = 1, jpj
465               DO ji = 1, jpi
466                  ztpc = ztpc + fse3w(ji,jj,jk) * e1t(ji,jj) * e2t(ji,jj) * zpc(ji,jj,jk) * wmask(ji,jj,jk) * tmask_i(ji,jj)
467               END DO
468            END DO
469         END DO
470         ztpc= rau0 * 1/(rn_tfe * rn_me) * ztpc
471
472         WRITE(numout,*) 
473         WRITE(numout,*) '          Total power consumption of the tidally driven part of Kz : ztpc = ', ztpc * 1.e-12 ,'TW'
474
475
476         ! control print 2
477         zav_tide(:,:,:) = MIN( zav_tide(:,:,:), 60.e-4 )   
478         zkz(:,:) = 0.e0
479         DO jk = 2, jpkm1
480            DO jj = 1, jpj
481               DO ji = 1, jpi
482                  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)
483               END DO
484            END DO
485         END DO
486         ! Here zkz should be equal to en_tmx ==> multiply by en_tmx/zkz
487         DO jj = 1, jpj
488            DO ji = 1, jpi
489               IF( zkz(ji,jj) /= 0.e0 )   THEN
490                   zkz(ji,jj) = en_tmx(ji,jj) / zkz(ji,jj)
491               ENDIF
492            END DO
493         END DO
494         ztpc = 1.e50
495         DO jj = 1, jpj
496            DO ji = 1, jpi
497               IF( zkz(ji,jj) /= 0.e0 )   THEN
498                   ztpc = Min( zkz(ji,jj), ztpc)
499               ENDIF
500            END DO
501         END DO
502         WRITE(numout,*) '          Min de zkz ', ztpc, ' Max = ', maxval(zkz(:,:) )
503
504         DO jk = 2, jpkm1
505            DO jj = 1, jpj
506               DO ji = 1, jpi
507                  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
508               END DO
509            END DO
510         END DO
511         ztpc = 0.e0
512         zpc(:,:,:) = Max(0.e0,rn2(:,:,:)) * zav_tide(:,:,:)
513         DO jk= 1, jpk
514            DO jj = 1, jpj
515               DO ji = 1, jpi
516                  ztpc = ztpc + fse3w(ji,jj,jk) * e1t(ji,jj) * e2t(ji,jj) * zpc(ji,jj,jk) * wmask(ji,jj,jk) * tmask_i(ji,jj)
517               END DO
518            END DO
519         END DO
520         ztpc= rau0 * 1/(rn_tfe * rn_me) * ztpc
521         WRITE(numout,*) '          2 Total power consumption of the tidally driven part of Kz : ztpc = ', ztpc * 1.e-12 ,'TW'
522
523         DO jk = 1, jpk
524            ze_z =                  SUM( e1t(:,:) * e2t(:,:) * zav_tide(:,:,jk)     * tmask_i(:,:) )   &
525               &     / MAX( 1.e-20, SUM( e1t(:,:) * e2t(:,:) * wmask (:,:,jk) * tmask_i(:,:) ) )
526            ztpc = 1.E50
527            DO jj = 1, jpj
528               DO ji = 1, jpi
529                  IF( zav_tide(ji,jj,jk) /= 0.e0 )   ztpc =Min( ztpc, zav_tide(ji,jj,jk) )
530               END DO
531            END DO
532            WRITE(numout,*) '            N2 min - jk= ', jk,'   ', ze_z * 1.e4,' cm2/s min= ',ztpc*1.e4,   &
533               &       'max= ', MAXVAL(zav_tide(:,:,jk) )*1.e4, ' cm2/s'
534         END DO
535
536         WRITE(numout,*) '          e_tide : ', SUM( e1t*e2t*en_tmx ) / ( rn_tfe * rn_me ) * 1.e-12, 'TW'
537         WRITE(numout,*) 
538         WRITE(numout,*) '          Initial profile of tidal vertical mixing'
539         DO jk = 1, jpk
540            DO jj = 1,jpj
541               DO ji = 1,jpi
542                  zkz(ji,jj) = az_tmx(ji,jj,jk) /MAX( rn_n2min, rn2(ji,jj,jk) )
543               END DO
544            END DO
545            ze_z =                  SUM( e1t(:,:) * e2t(:,:) * zkz(:,:)     * tmask_i(:,:) )   &
546               &     / MAX( 1.e-20, SUM( e1t(:,:) * e2t(:,:) * wmask (:,:,jk) * tmask_i(:,:) ) )
547            WRITE(numout,*) '                jk= ', jk,'   ', ze_z * 1.e4,' cm2/s'
548         END DO
549         DO jk = 1, jpk
550            zkz(:,:) = az_tmx(:,:,jk) /rn_n2min
551            ze_z =                  SUM( e1t(:,:) * e2t(:,:) * zkz(:,:)     * tmask_i(:,:) )   &
552               &     / MAX( 1.e-20, SUM( e1t(:,:) * e2t(:,:) * wmask (:,:,jk) * tmask_i(:,:) ) )
553            WRITE(numout,*) 
554            WRITE(numout,*) '          N2 min - jk= ', jk,'   ', ze_z * 1.e4,' cm2/s min= ',MINVAL(zkz)*1.e4,   &
555               &       'max= ', MAXVAL(zkz)*1.e4, ' cm2/s'
556         END DO
557         !
558      ENDIF
559      !
560      CALL wrk_dealloc( jpi,jpj, zem2, zek1, zkz, zfact, zhdep )
561      CALL wrk_dealloc( jpi,jpj,jpk, zpc )
562      !
563      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_stop('zdf_tmx_init')
564      !
565   END SUBROUTINE zdf_tmx_init
566
567   SUBROUTINE tmx_namelist()
568     !!---------------------------------------------------------------------
569     !!                   ***  ROUTINE tmx_namelist  ***
570     !!                     
571     !! ** Purpose :   Broadcast namelist variables read by procesor lwm
572     !!
573     !! ** Method  :   use lib_mpp
574     !!----------------------------------------------------------------------
575#if defined key_mpp_mpi
576      CALL mpp_bcast(rn_htmx)
577      CALL mpp_bcast(rn_n2min)
578      CALL mpp_bcast(rn_tfe)
579      CALL mpp_bcast(rn_me)
580      CALL mpp_bcast(ln_tmx_itf)
581      CALL mpp_bcast(rn_tfe_itf)
582#endif
583
584   END SUBROUTINE tmx_namelist
585
586#elif defined key_zdftmx_new
587   !!----------------------------------------------------------------------
588   !!   'key_zdftmx_new'               Internal wave-driven vertical mixing
589   !!----------------------------------------------------------------------
590   !!   zdf_tmx       : global     momentum & tracer Kz with wave induced Kz
591   !!   zdf_tmx_init  : global     momentum & tracer Kz with wave induced Kz
592   !!----------------------------------------------------------------------
593   USE oce            ! ocean dynamics and tracers variables
594   USE dom_oce        ! ocean space and time domain variables
595   USE zdf_oce        ! ocean vertical physics variables
596   USE zdfddm         ! ocean vertical physics: double diffusive mixing
597   USE lbclnk         ! ocean lateral boundary conditions (or mpp link)
598   USE eosbn2         ! ocean equation of state
599   USE phycst         ! physical constants
600   USE prtctl         ! Print control
601   USE in_out_manager ! I/O manager
602   USE iom            ! I/O Manager
603   USE lib_mpp        ! MPP library
604   USE wrk_nemo       ! work arrays
605   USE timing         ! Timing
606   USE lib_fortran    ! Fortran utilities (allows no signed zero when 'key_nosignedzero' defined) 
607
608   IMPLICIT NONE
609   PRIVATE
610
611   PUBLIC   zdf_tmx         ! called in step module
612   PUBLIC   zdf_tmx_init    ! called in nemogcm module
613   PUBLIC   zdf_tmx_alloc   ! called in nemogcm module
614
615   LOGICAL, PUBLIC, PARAMETER ::   lk_zdftmx = .TRUE.    !: wave-driven mixing flag
616
617   !                       !!* Namelist  namzdf_tmx : internal wave-driven mixing *
618   INTEGER  ::  nn_zpyc     ! pycnocline-intensified mixing energy proportional to N (=1) or N^2 (=2)
619   LOGICAL  ::  ln_mevar    ! variable (=T) or constant (=F) mixing efficiency
620   LOGICAL  ::  ln_tsdiff   ! account for differential T/S wave-driven mixing (=T) or not (=F)
621
622   REAL(wp) ::  r1_6 = 1._wp / 6._wp
623
624   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:)   ::   ebot_tmx     ! power available from high-mode wave breaking (W/m2)
625   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:)   ::   epyc_tmx     ! power available from low-mode, pycnocline-intensified wave breaking (W/m2)
626   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:)   ::   ecri_tmx     ! power available from low-mode, critical slope wave breaking (W/m2)
627   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:)   ::   hbot_tmx     ! WKB decay scale for high-mode energy dissipation (m)
628   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:)   ::   hcri_tmx     ! decay scale for low-mode critical slope dissipation (m)
629   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:) ::   emix_tmx     ! local energy density available for mixing (W/kg)
630   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:) ::   bflx_tmx     ! buoyancy flux Kz * N^2 (W/kg)
631   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:)   ::   pcmap_tmx    ! vertically integrated buoyancy flux (W/m2)
632   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:) ::   zav_ratio    ! S/T diffusivity ratio (only for ln_tsdiff=T)
633   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:) ::   zav_wave     ! Internal wave-induced diffusivity
634
635   !! * Substitutions
636#  include "zdfddm_substitute.h90"
637#  include "domzgr_substitute.h90"
638#  include "vectopt_loop_substitute.h90"
639   !!----------------------------------------------------------------------
640   !! NEMO/OPA 4.0 , NEMO Consortium (2016)
641   !! $Id$
642   !! Software governed by the CeCILL licence     (NEMOGCM/NEMO_CeCILL.txt)
643   !!----------------------------------------------------------------------
644CONTAINS
645
646   INTEGER FUNCTION zdf_tmx_alloc()
647      !!----------------------------------------------------------------------
648      !!                ***  FUNCTION zdf_tmx_alloc  ***
649      !!----------------------------------------------------------------------
650      ALLOCATE(     ebot_tmx(jpi,jpj),  epyc_tmx(jpi,jpj),  ecri_tmx(jpi,jpj)    ,   &
651      &             hbot_tmx(jpi,jpj),  hcri_tmx(jpi,jpj),  emix_tmx(jpi,jpj,jpk),   &
652      &         bflx_tmx(jpi,jpj,jpk), pcmap_tmx(jpi,jpj), zav_ratio(jpi,jpj,jpk),   & 
653      &         zav_wave(jpi,jpj,jpk), STAT=zdf_tmx_alloc     )
654      !
655      IF( lk_mpp             )   CALL mpp_sum ( zdf_tmx_alloc )
656      IF( zdf_tmx_alloc /= 0 )   CALL ctl_warn('zdf_tmx_alloc: failed to allocate arrays')
657   END FUNCTION zdf_tmx_alloc
658
659
660   SUBROUTINE zdf_tmx( kt )
661      !!----------------------------------------------------------------------
662      !!                  ***  ROUTINE zdf_tmx  ***
663      !!                   
664      !! ** Purpose :   add to the vertical mixing coefficients the effect of
665      !!              breaking internal waves.
666      !!
667      !! ** Method  : - internal wave-driven vertical mixing is given by:
668      !!                  Kz_wave = min(  100 cm2/s, f(  Reb = emix_tmx /( Nu * N^2 )  )
669      !!              where emix_tmx is the 3D space distribution of the wave-breaking
670      !!              energy and Nu the molecular kinematic viscosity.
671      !!              The function f(Reb) is linear (constant mixing efficiency)
672      !!              if the namelist parameter ln_mevar = F and nonlinear if ln_mevar = T.
673      !!
674      !!              - Compute emix_tmx, the 3D power density that allows to compute
675      !!              Reb and therefrom the wave-induced vertical diffusivity.
676      !!              This is divided into three components:
677      !!                 1. Bottom-intensified low-mode dissipation at critical slopes
678      !!                     emix_tmx(z) = ( ecri_tmx / rau0 ) * EXP( -(H-z)/hcri_tmx )
679      !!                                   / ( 1. - EXP( - H/hcri_tmx ) ) * hcri_tmx
680      !!              where hcri_tmx is the characteristic length scale of the bottom
681      !!              intensification, ecri_tmx a map of available power, and H the ocean depth.
682      !!                 2. Pycnocline-intensified low-mode dissipation
683      !!                     emix_tmx(z) = ( epyc_tmx / rau0 ) * ( sqrt(rn2(z))^nn_zpyc )
684      !!                                   / SUM( sqrt(rn2(z))^nn_zpyc * e3w(z) )
685      !!              where epyc_tmx is a map of available power, and nn_zpyc
686      !!              is the chosen stratification-dependence of the internal wave
687      !!              energy dissipation.
688      !!                 3. WKB-height dependent high mode dissipation
689      !!                     emix_tmx(z) = ( ebot_tmx / rau0 ) * rn2(z) * EXP(-z_wkb(z)/hbot_tmx)
690      !!                                   / SUM( rn2(z) * EXP(-z_wkb(z)/hbot_tmx) * e3w(z) )
691      !!              where hbot_tmx is the characteristic length scale of the WKB bottom
692      !!              intensification, ebot_tmx is a map of available power, and z_wkb is the
693      !!              WKB-stretched height above bottom defined as
694      !!                    z_wkb(z) = H * SUM( sqrt(rn2(z'>=z)) * e3w(z'>=z) )
695      !!                                 / SUM( sqrt(rn2(z'))    * e3w(z')    )
696      !!
697      !!              - update the model vertical eddy viscosity and diffusivity:
698      !!                     avt  = avt  +    av_wave
699      !!                     avm  = avm  +    av_wave
700      !!                     avmu = avmu + mi(av_wave)
701      !!                     avmv = avmv + mj(av_wave)
702      !!
703      !!              - if namelist parameter ln_tsdiff = T, account for differential mixing:
704      !!                     avs  = avt  +    av_wave * diffusivity_ratio(Reb)
705      !!
706      !! ** Action  : - Define emix_tmx used to compute internal wave-induced mixing
707      !!              - avt, avs, avm, avmu, avmv increased by internal wave-driven mixing   
708      !!
709      !! References :  de Lavergne et al. 2015, JPO; 2016, in prep.
710      !!----------------------------------------------------------------------
711      INTEGER, INTENT(in) ::   kt   ! ocean time-step
712      !
713      INTEGER  ::   ji, jj, jk   ! dummy loop indices
714      REAL(wp) ::   ztpc         ! scalar workspace
715      REAL(wp), DIMENSION(:,:)  , POINTER ::  zfact     ! Used for vertical structure
716      REAL(wp), DIMENSION(:,:)  , POINTER ::  zhdep     ! Ocean depth
717      REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), POINTER ::  zwkb      ! WKB-stretched height above bottom
718      REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), POINTER ::  zweight   ! Weight for high mode vertical distribution
719      REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), POINTER ::  znu_t     ! Molecular kinematic viscosity (T grid)
720      REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), POINTER ::  znu_w     ! Molecular kinematic viscosity (W grid)
721      REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), POINTER ::  zReb      ! Turbulence intensity parameter
722      !!----------------------------------------------------------------------
723      !
724      IF( nn_timing == 1 )   CALL timing_start('zdf_tmx')
725      !
726      CALL wrk_alloc( jpi,jpj,       zfact, zhdep )
727      CALL wrk_alloc( jpi,jpj,jpk,   zwkb, zweight, znu_t, znu_w, zReb )
728
729      !                          ! ----------------------------- !
730      !                          !  Internal wave-driven mixing  !  (compute zav_wave)
731      !                          ! ----------------------------- !
732      !                             
733      !                        !* Critical slope mixing: distribute energy over the time-varying ocean depth,
734      !                                                 using an exponential decay from the seafloor.
735      DO jj = 1, jpj                ! part independent of the level
736         DO ji = 1, jpi
737            zhdep(ji,jj) = fsdepw(ji,jj,mbkt(ji,jj)+1)       ! depth of the ocean
738            zfact(ji,jj) = rau0 * (  1._wp - EXP( -zhdep(ji,jj) / hcri_tmx(ji,jj) )  )
739            IF( zfact(ji,jj) /= 0 )   zfact(ji,jj) = ecri_tmx(ji,jj) / zfact(ji,jj)
740         END DO
741      END DO
742
743      DO jk = 2, jpkm1              ! complete with the level-dependent part
744         emix_tmx(:,:,jk) = zfact(:,:) * (  EXP( ( fsde3w(:,:,jk  ) - zhdep(:,:) ) / hcri_tmx(:,:) )                      &
745            &                             - EXP( ( fsde3w(:,:,jk-1) - zhdep(:,:) ) / hcri_tmx(:,:) )  ) * wmask(:,:,jk)   &
746            &                          / ( fsde3w(:,:,jk) - fsde3w(:,:,jk-1) )
747      END DO
748
749      !                        !* Pycnocline-intensified mixing: distribute energy over the time-varying
750      !                        !* ocean depth as proportional to sqrt(rn2)^nn_zpyc
751
752      SELECT CASE ( nn_zpyc )
753
754      CASE ( 1 )               ! Dissipation scales as N (recommended)
755
756         zfact(:,:) = 0._wp
757         DO jk = 2, jpkm1              ! part independent of the level
758            zfact(:,:) = zfact(:,:) + fse3w(:,:,jk) * SQRT(  MAX( 0._wp, rn2(:,:,jk) )  ) * wmask(:,:,jk)
759         END DO
760
761         DO jj = 1, jpj
762            DO ji = 1, jpi
763               IF( zfact(ji,jj) /= 0 )   zfact(ji,jj) = epyc_tmx(ji,jj) / ( rau0 * zfact(ji,jj) )
764            END DO
765         END DO
766
767         DO jk = 2, jpkm1              ! complete with the level-dependent part
768            emix_tmx(:,:,jk) = emix_tmx(:,:,jk) + zfact(:,:) * SQRT(  MAX( 0._wp, rn2(:,:,jk) )  ) * wmask(:,:,jk)
769         END DO
770
771      CASE ( 2 )               ! Dissipation scales as N^2
772
773         zfact(:,:) = 0._wp
774         DO jk = 2, jpkm1              ! part independent of the level
775            zfact(:,:) = zfact(:,:) + fse3w(:,:,jk) * MAX( 0._wp, rn2(:,:,jk) ) * wmask(:,:,jk)
776         END DO
777
778         DO jj= 1, jpj
779            DO ji = 1, jpi
780               IF( zfact(ji,jj) /= 0 )   zfact(ji,jj) = epyc_tmx(ji,jj) / ( rau0 * zfact(ji,jj) )
781            END DO
782         END DO
783
784         DO jk = 2, jpkm1              ! complete with the level-dependent part
785            emix_tmx(:,:,jk) = emix_tmx(:,:,jk) + zfact(:,:) * MAX( 0._wp, rn2(:,:,jk) ) * wmask(:,:,jk)
786         END DO
787
788      END SELECT
789
790      !                        !* WKB-height dependent mixing: distribute energy over the time-varying
791      !                        !* ocean depth as proportional to rn2 * exp(-z_wkb/rn_hbot)
792     
793      zwkb(:,:,:) = 0._wp
794      zfact(:,:) = 0._wp
795      DO jk = 2, jpkm1
796         zfact(:,:) = zfact(:,:) + fse3w(:,:,jk) * SQRT(  MAX( 0._wp, rn2(:,:,jk) )  ) * wmask(:,:,jk)
797         zwkb(:,:,jk) = zfact(:,:)
798      END DO
799
800      DO jk = 2, jpkm1
801         DO jj = 1, jpj
802            DO ji = 1, jpi
803               IF( zfact(ji,jj) /= 0 )   zwkb(ji,jj,jk) = zhdep(ji,jj) * ( zfact(ji,jj) - zwkb(ji,jj,jk) )   &
804                                            &           * tmask(ji,jj,jk) / zfact(ji,jj)
805            END DO
806         END DO
807      END DO
808      zwkb(:,:,1) = zhdep(:,:) * tmask(:,:,1)
809
810      zweight(:,:,:) = 0._wp
811      DO jk = 2, jpkm1
812         zweight(:,:,jk) = MAX( 0._wp, rn2(:,:,jk) ) * hbot_tmx(:,:) * wmask(:,:,jk)                    &
813            &   * (  EXP( -zwkb(:,:,jk) / hbot_tmx(:,:) ) - EXP( -zwkb(:,:,jk-1) / hbot_tmx(:,:) )  )
814      END DO
815
816      zfact(:,:) = 0._wp
817      DO jk = 2, jpkm1              ! part independent of the level
818         zfact(:,:) = zfact(:,:) + zweight(:,:,jk)
819      END DO
820
821      DO jj = 1, jpj
822         DO ji = 1, jpi
823            IF( zfact(ji,jj) /= 0 )   zfact(ji,jj) = ebot_tmx(ji,jj) / ( rau0 * zfact(ji,jj) )
824         END DO
825      END DO
826
827      DO jk = 2, jpkm1              ! complete with the level-dependent part
828         emix_tmx(:,:,jk) = emix_tmx(:,:,jk) + zweight(:,:,jk) * zfact(:,:) * wmask(:,:,jk)   &
829            &                                / ( fsde3w(:,:,jk) - fsde3w(:,:,jk-1) )
830      END DO
831
832
833      ! Calculate molecular kinematic viscosity
834      znu_t(:,:,:) = 1.e-4_wp * (  17.91_wp - 0.53810_wp * tsn(:,:,:,jp_tem) + 0.00694_wp * tsn(:,:,:,jp_tem) * tsn(:,:,:,jp_tem)  &
835         &                                  + 0.02305_wp * tsn(:,:,:,jp_sal)  ) * tmask(:,:,:) * r1_rau0
836      DO jk = 2, jpkm1
837         znu_w(:,:,jk) = 0.5_wp * ( znu_t(:,:,jk-1) + znu_t(:,:,jk) ) * wmask(:,:,jk)
838      END DO
839
840      ! Calculate turbulence intensity parameter Reb
841      DO jk = 2, jpkm1
842         zReb(:,:,jk) = emix_tmx(:,:,jk) / MAX( 1.e-20_wp, znu_w(:,:,jk) * rn2(:,:,jk) )
843      END DO
844
845      ! Define internal wave-induced diffusivity
846      DO jk = 2, jpkm1
847         zav_wave(:,:,jk) = znu_w(:,:,jk) * zReb(:,:,jk) * r1_6   ! This corresponds to a constant mixing efficiency of 1/6
848      END DO
849
850      IF( ln_mevar ) THEN              ! Variable mixing efficiency case : modify zav_wave in the
851         DO jk = 2, jpkm1              ! energetic (Reb > 480) and buoyancy-controlled (Reb <10.224 ) regimes
852            DO jj = 1, jpj
853               DO ji = 1, jpi
854                  IF( zReb(ji,jj,jk) > 480.00_wp ) THEN
855                     zav_wave(ji,jj,jk) = 3.6515_wp * znu_w(ji,jj,jk) * SQRT( zReb(ji,jj,jk) )
856                  ELSEIF( zReb(ji,jj,jk) < 10.224_wp ) THEN
857                     zav_wave(ji,jj,jk) = 0.052125_wp * znu_w(ji,jj,jk) * zReb(ji,jj,jk) * SQRT( zReb(ji,jj,jk) )
858                  ENDIF
859               END DO
860            END DO
861         END DO
862      ENDIF
863
864      DO jk = 2, jpkm1                 ! Bound diffusivity by molecular value and 100 cm2/s
865         zav_wave(:,:,jk) = MIN(  MAX( 1.4e-7_wp, zav_wave(:,:,jk) ), 1.e-2_wp  ) * wmask(:,:,jk)
866      END DO
867
868      IF( kt == nit000 ) THEN        !* Control print at first time-step: diagnose the energy consumed by zav_wave
869         ztpc = 0._wp
870         DO jk = 2, jpkm1
871            DO jj = 1, jpj
872               DO ji = 1, jpi
873                  ztpc = ztpc + fse3w(ji,jj,jk) * e1e2t(ji,jj)   &
874                     &         * MAX( 0._wp, rn2(ji,jj,jk) ) * zav_wave(ji,jj,jk) * wmask(ji,jj,jk) * tmask_i(ji,jj)
875               END DO
876            END DO
877         END DO
878         IF( lk_mpp )   CALL mpp_sum( ztpc )
879         ztpc = rau0 * ztpc ! Global integral of rauo * Kz * N^2 = power contributing to mixing
880 
881         IF(lwp) THEN
882            WRITE(numout,*)
883            WRITE(numout,*) 'zdf_tmx : Internal wave-driven mixing (tmx)'
884            WRITE(numout,*) '~~~~~~~ '
885            WRITE(numout,*)
886            WRITE(numout,*) '      Total power consumption by av_wave: ztpc =  ', ztpc * 1.e-12_wp, 'TW'
887         ENDIF
888      ENDIF
889
890      !                          ! ----------------------- !
891      !                          !   Update  mixing coefs  !                         
892      !                          ! ----------------------- !
893      !     
894      IF( ln_tsdiff ) THEN          !* Option for differential mixing of salinity and temperature
895         DO jk = 2, jpkm1              ! Calculate S/T diffusivity ratio as a function of Reb
896            DO jj = 1, jpj
897               DO ji = 1, jpi
898                  zav_ratio(ji,jj,jk) = ( 0.505_wp + 0.495_wp *                                                                  &
899                      &   TANH(    0.92_wp * (   LOG10(  MAX( 1.e-20_wp, zReb(ji,jj,jk) * 5._wp * r1_6 )  ) - 0.60_wp   )    )   &
900                      &                 ) * wmask(ji,jj,jk)
901               END DO
902            END DO
903         END DO
904         CALL iom_put( "av_ratio", zav_ratio )
905         DO jk = 2, jpkm1           !* update momentum & tracer diffusivity with wave-driven mixing
906            fsavs(:,:,jk) = avt(:,:,jk) + zav_wave(:,:,jk) * zav_ratio(:,:,jk)
907            avt  (:,:,jk) = avt(:,:,jk) + zav_wave(:,:,jk)
908            avm  (:,:,jk) = avm(:,:,jk) + zav_wave(:,:,jk)
909         END DO
910         !
911      ELSE                          !* update momentum & tracer diffusivity with wave-driven mixing
912         DO jk = 2, jpkm1
913            fsavs(:,:,jk) = avt(:,:,jk) + zav_wave(:,:,jk)
914            avt  (:,:,jk) = avt(:,:,jk) + zav_wave(:,:,jk)
915            avm  (:,:,jk) = avm(:,:,jk) + zav_wave(:,:,jk)
916         END DO
917      ENDIF
918
919      DO jk = 2, jpkm1              !* update momentum diffusivity at wu and wv points
920         DO jj = 2, jpjm1
921            DO ji = fs_2, fs_jpim1  ! vector opt.
922               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)
923               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)
924            END DO
925         END DO
926      END DO
927      CALL lbc_lnk( avmu, 'U', 1. )   ;   CALL lbc_lnk( avmv, 'V', 1. )      ! lateral boundary condition
928
929      !                             !* output internal wave-driven mixing coefficient
930      CALL iom_put( "av_wave", zav_wave )
931                                    !* output useful diagnostics: N^2, Kz * N^2 (bflx_tmx),
932                                    !  vertical integral of rau0 * Kz * N^2 (pcmap_tmx), energy density (emix_tmx)
933      IF( iom_use("bflx_tmx") .OR. iom_use("pcmap_tmx") ) THEN
934         bflx_tmx(:,:,:) = MAX( 0._wp, rn2(:,:,:) ) * zav_wave(:,:,:)
935         pcmap_tmx(:,:) = 0._wp
936         DO jk = 2, jpkm1
937            pcmap_tmx(:,:) = pcmap_tmx(:,:) + fse3w(:,:,jk) * bflx_tmx(:,:,jk) * wmask(:,:,jk)
938         END DO
939         pcmap_tmx(:,:) = rau0 * pcmap_tmx(:,:)
940         CALL iom_put( "bflx_tmx", bflx_tmx )
941         CALL iom_put( "pcmap_tmx", pcmap_tmx )
942      ENDIF
943      CALL iom_put( "emix_tmx", emix_tmx )
944     
945      CALL wrk_dealloc( jpi,jpj,       zfact, zhdep )
946      CALL wrk_dealloc( jpi,jpj,jpk,   zwkb, zweight, znu_t, znu_w, zReb )
947
948      IF(ln_ctl)   CALL prt_ctl(tab3d_1=zav_wave , clinfo1=' tmx - av_wave: ', tab3d_2=avt, clinfo2=' avt: ', ovlap=1, kdim=jpk)
949      !
950      IF( nn_timing == 1 )   CALL timing_stop('zdf_tmx')
951      !
952   END SUBROUTINE zdf_tmx
953
954
955   SUBROUTINE zdf_tmx_init
956      !!----------------------------------------------------------------------
957      !!                  ***  ROUTINE zdf_tmx_init  ***
958      !!                     
959      !! ** Purpose :   Initialization of the wave-driven vertical mixing, reading
960      !!              of input power maps and decay length scales in netcdf files.
961      !!
962      !! ** Method  : - Read the namzdf_tmx namelist and check the parameters
963      !!
964      !!              - Read the input data in NetCDF files :
965      !!              power available from high-mode wave breaking (mixing_power_bot.nc)
966      !!              power available from pycnocline-intensified wave-breaking (mixing_power_pyc.nc)
967      !!              power available from critical slope wave-breaking (mixing_power_cri.nc)
968      !!              WKB decay scale for high-mode wave-breaking (decay_scale_bot.nc)
969      !!              decay scale for critical slope wave-breaking (decay_scale_cri.nc)
970      !!
971      !! ** input   : - Namlist namzdf_tmx
972      !!              - NetCDF files : mixing_power_bot.nc, mixing_power_pyc.nc, mixing_power_cri.nc,
973      !!              decay_scale_bot.nc decay_scale_cri.nc
974      !!
975      !! ** Action  : - Increase by 1 the nstop flag is setting problem encounter
976      !!              - Define ebot_tmx, epyc_tmx, ecri_tmx, hbot_tmx, hcri_tmx
977      !!
978      !! References : de Lavergne et al. 2015, JPO; 2016, in prep.
979      !!         
980      !!----------------------------------------------------------------------
981      INTEGER  ::   ji, jj, jk   ! dummy loop indices
982      INTEGER  ::   inum         ! local integer
983      INTEGER  ::   ios
984      REAL(wp) ::   zbot, zpyc, zcri   ! local scalars
985      !!
986      NAMELIST/namzdf_tmx_new/ nn_zpyc, ln_mevar, ln_tsdiff
987      !!----------------------------------------------------------------------
988      !
989      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_start('zdf_tmx_init')
990      !
991      IF(lwm) THEN
992         REWIND( numnam_ref )              ! Namelist namzdf_tmx in reference namelist : Wave-driven mixing
993         READ  ( numnam_ref, namzdf_tmx_new, IOSTAT = ios, ERR = 901)
994901      IF( ios /= 0 ) CALL ctl_nam ( ios , 'namzdf_tmx in reference namelist', lwp )
995      !
996         REWIND( numnam_cfg )              ! Namelist namzdf_tmx in configuration namelist : Wave-driven mixing
997         READ  ( numnam_cfg, namzdf_tmx_new, IOSTAT = ios, ERR = 902 )
998902      IF( ios /= 0 ) CALL ctl_nam ( ios , 'namzdf_tmx in configuration namelist', lwp )
999      ENDIF
1000      IF(lwm) WRITE ( numond, namzdf_tmx_new )
1001
1002      CALL tmx_namelist()
1003      !
1004      IF(lwp) THEN                  ! Control print
1005         WRITE(numout,*)
1006         WRITE(numout,*) 'zdf_tmx_init : internal wave-driven mixing'
1007         WRITE(numout,*) '~~~~~~~~~~~~'
1008         WRITE(numout,*) '   Namelist namzdf_tmx_new : set wave-driven mixing parameters'
1009         WRITE(numout,*) '      Pycnocline-intensified diss. scales as N (=1) or N^2 (=2) = ', nn_zpyc
1010         WRITE(numout,*) '      Variable (T) or constant (F) mixing efficiency            = ', ln_mevar
1011         WRITE(numout,*) '      Differential internal wave-driven mixing (T) or not (F)   = ', ln_tsdiff
1012      ENDIF
1013     
1014      ! The new wave-driven mixing parameterization elevates avt and avm in the interior, and
1015      ! ensures that avt remains larger than its molecular value (=1.4e-7). Therefore, avtb should
1016      ! be set here to a very small value, and avmb to its (uniform) molecular value (=1.4e-6).
1017      avmb(:) = 1.4e-6_wp        ! viscous molecular value
1018      avtb(:) = 1.e-10_wp        ! very small diffusive minimum (background avt is specified in zdf_tmx)   
1019      avtb_2d(:,:) = 1.e0_wp     ! uniform
1020      IF(lwp) THEN                  ! Control print
1021         WRITE(numout,*)
1022         WRITE(numout,*) '   Force the background value applied to avm & avt in TKE to be everywhere ',   &
1023            &               'the viscous molecular value & a very small diffusive value, resp.'
1024      ENDIF
1025     
1026      IF( .NOT.lk_zdfddm )   CALL ctl_stop( 'STOP', 'zdf_tmx_init_new : key_zdftmx_new requires key_zdfddm' )
1027     
1028      !                             ! allocate tmx arrays
1029      IF( zdf_tmx_alloc() /= 0 )   CALL ctl_stop( 'STOP', 'zdf_tmx_init : unable to allocate tmx arrays' )
1030      !
1031      !                             ! read necessary fields
1032      CALL iom_open('mixing_power_bot',inum)       ! energy flux for high-mode wave breaking [W/m2]
1033      CALL iom_get  (inum, jpdom_data, 'field', ebot_tmx, 1 ) 
1034      CALL iom_close(inum)
1035      !
1036      CALL iom_open('mixing_power_pyc',inum)       ! energy flux for pynocline-intensified wave breaking [W/m2]
1037      CALL iom_get  (inum, jpdom_data, 'field', epyc_tmx, 1 )
1038      CALL iom_close(inum)
1039      !
1040      CALL iom_open('mixing_power_cri',inum)       ! energy flux for critical slope wave breaking [W/m2]
1041      CALL iom_get  (inum, jpdom_data, 'field', ecri_tmx, 1 )
1042      CALL iom_close(inum)
1043      !
1044      CALL iom_open('decay_scale_bot',inum)        ! spatially variable decay scale for high-mode wave breaking [m]
1045      CALL iom_get  (inum, jpdom_data, 'field', hbot_tmx, 1 )
1046      CALL iom_close(inum)
1047      !
1048      CALL iom_open('decay_scale_cri',inum)        ! spatially variable decay scale for critical slope wave breaking [m]
1049      CALL iom_get  (inum, jpdom_data, 'field', hcri_tmx, 1 )
1050      CALL iom_close(inum)
1051
1052      ebot_tmx(:,:) = ebot_tmx(:,:) * ssmask(:,:)
1053      epyc_tmx(:,:) = epyc_tmx(:,:) * ssmask(:,:)
1054      ecri_tmx(:,:) = ecri_tmx(:,:) * ssmask(:,:)
1055
1056      ! Set once for all to zero the first and last vertical levels of appropriate variables
1057      emix_tmx (:,:, 1 ) = 0._wp
1058      emix_tmx (:,:,jpk) = 0._wp
1059      zav_ratio(:,:, 1 ) = 0._wp
1060      zav_ratio(:,:,jpk) = 0._wp
1061      zav_wave (:,:, 1 ) = 0._wp
1062      zav_wave (:,:,jpk) = 0._wp
1063
1064      zbot = glob_sum( e1e2t(:,:) * ebot_tmx(:,:) )
1065      zpyc = glob_sum( e1e2t(:,:) * epyc_tmx(:,:) )
1066      zcri = glob_sum( e1e2t(:,:) * ecri_tmx(:,:) )
1067      IF(lwp) THEN
1068         WRITE(numout,*) '      High-mode wave-breaking energy:             ', zbot * 1.e-12_wp, 'TW'
1069         WRITE(numout,*) '      Pycnocline-intensifed wave-breaking energy: ', zpyc * 1.e-12_wp, 'TW'
1070         WRITE(numout,*) '      Critical slope wave-breaking energy:        ', zcri * 1.e-12_wp, 'TW'
1071      ENDIF
1072      !
1073      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_stop('zdf_tmx_init')
1074      !
1075   END SUBROUTINE zdf_tmx_init
1076
1077   SUBROUTINE tmx_namelist()
1078     !!---------------------------------------------------------------------
1079     !!                   ***  ROUTINE tmx_namelist  ***
1080     !!                     
1081     !! ** Purpose :   Broadcast namelist variables read by procesor lwm
1082     !!
1083     !! ** Method  :   use lib_mpp
1084     !!----------------------------------------------------------------------
1085#if defined key_mpp_mpi
1086      CALL mpp_bcast(nn_zpyc)
1087      CALL mpp_bcast(ln_mevar)
1088      CALL mpp_bcast(ln_tsdiff)
1089#endif
1090   END SUBROUTINE tmx_namelist
1091
1092#else
1093   !!----------------------------------------------------------------------
1094   !!   Default option          Dummy module                NO Tidal MiXing
1095   !!----------------------------------------------------------------------
1096   LOGICAL, PUBLIC, PARAMETER ::   lk_zdftmx = .FALSE.   !: tidal mixing flag
1097CONTAINS
1098   SUBROUTINE zdf_tmx_init           ! Dummy routine
1099      WRITE(*,*) 'zdf_tmx: You should not have seen this print! error?'
1100   END SUBROUTINE zdf_tmx_init
1101   SUBROUTINE zdf_tmx( kt )          ! Dummy routine
1102      WRITE(*,*) 'zdf_tmx: You should not have seen this print! error?', kt
1103   END SUBROUTINE zdf_tmx
1104#endif
1105
1106   !!======================================================================
1107END MODULE zdftmx
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.