source: trunk/NEMOGCM/NEMO/LIM_SRC_3/limsbc.F90 @ 7753

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1MODULE limsbc
2   !!======================================================================
3   !!                       ***  MODULE limsbc   ***
4   !!           computation of the flux at the sea ice/ocean interface
5   !!======================================================================
6   !! History :   -   ! 2006-07 (M. Vancoppelle)  LIM3 original code
7   !!            3.0  ! 2008-03 (C. Tallandier)  surface module
8   !!             -   ! 2008-04 (C. Tallandier)  split in 2 + new ice-ocean coupling
9   !!            3.3  ! 2010-05 (G. Madec) decrease ocean & ice reference salinities in the Baltic sea
10   !!                 !                  + simplification of the ice-ocean stress calculation
11   !!            3.4  ! 2011-02 (G. Madec) dynamical allocation
12   !!             -   ! 2012    (D. Iovino) salt flux change
13   !!             -   ! 2012-05 (C. Rousset) add penetration solar flux
14   !!            3.5  ! 2012-10 (A. Coward, G. Madec) salt fluxes ; ice+snow mass
15   !!----------------------------------------------------------------------
16#if defined key_lim3
17   !!----------------------------------------------------------------------
18   !!   'key_lim3'                                    LIM 3.0 sea-ice model
19   !!----------------------------------------------------------------------
20   !!   lim_sbc_alloc : allocate the limsbc arrays
21   !!   lim_sbc_init  : initialisation
22   !!   lim_sbc_flx   : updates mass, heat and salt fluxes at the ocean surface
23   !!   lim_sbc_tau   : update i- and j-stresses, and its modulus at the ocean surface
24   !!----------------------------------------------------------------------
25   USE par_oce        ! ocean parameters
26   USE oce     , ONLY : sshn, sshb, snwice_mass, snwice_mass_b, snwice_fmass
27   USE phycst         ! physical constants
28   USE dom_oce        ! ocean domain
29   USE ice            ! LIM sea-ice variables
30   USE sbc_ice        ! Surface boundary condition: sea-ice fields
31   USE sbc_oce        ! Surface boundary condition: ocean fields
32   USE sbccpl         ! Surface boundary condition: coupled interface
33   USE albedo         ! albedo parameters
34   USE traqsr         ! add penetration of solar flux in the calculation of heat budget
35   USE domvvl         ! Variable volume
36   USE limctl         !
37   USE limcons        !
38   USE bdy_oce  , ONLY: ln_bdy
39   !
40   USE in_out_manager ! I/O manager
41   USE iom            ! xIO server
42   USE lbclnk         ! ocean lateral boundary condition - MPP exchanges
43   USE lib_mpp        ! MPP library
44   USE wrk_nemo       ! work arrays
45   USE lib_fortran    ! Fortran utilities (allows no signed zero when 'key_nosignedzero' defined) 
46
47   IMPLICIT NONE
48   PRIVATE
49
50   PUBLIC   lim_sbc_init   ! called by sbc_lim_init
51   PUBLIC   lim_sbc_flx    ! called by sbc_ice_lim
52   PUBLIC   lim_sbc_tau    ! called by sbc_ice_lim
53
54   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:) ::   utau_oce, vtau_oce   ! air-ocean surface i- & j-stress     [N/m2]
55   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:) ::   tmod_io              ! modulus of the ice-ocean velocity   [m/s]
56   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:) ::   soce_0  , sice_0     ! cst SSS and ice salinity (levitating sea-ice)
57
58   !! * Substitutions
59#  include "vectopt_loop_substitute.h90"
60   !!----------------------------------------------------------------------
61   !! NEMO/LIM3 4.0 , UCL - NEMO Consortium (2011)
62   !! $Id$
63   !! Software governed by the CeCILL licence     (NEMOGCM/NEMO_CeCILL.txt)
64   !!----------------------------------------------------------------------
65CONTAINS
66
67   INTEGER FUNCTION lim_sbc_alloc()
68      !!-------------------------------------------------------------------
69      !!             ***  ROUTINE lim_sbc_alloc ***
70      !!-------------------------------------------------------------------
71      ALLOCATE( soce_0(jpi,jpj) , utau_oce(jpi,jpj) ,                       &
72         &      sice_0(jpi,jpj) , vtau_oce(jpi,jpj) , tmod_io(jpi,jpj), STAT=lim_sbc_alloc)
73         !
74      IF( lk_mpp             )   CALL mpp_sum( lim_sbc_alloc )
75      IF( lim_sbc_alloc /= 0 )   CALL ctl_warn('lim_sbc_alloc: failed to allocate arrays')
76   END FUNCTION lim_sbc_alloc
77
78
79   SUBROUTINE lim_sbc_flx( kt )
80      !!-------------------------------------------------------------------
81      !!                ***  ROUTINE lim_sbc_flx ***
82      !! 
83      !! ** Purpose :   Update the surface ocean boundary condition for heat
84      !!              salt and mass over areas where sea-ice is non-zero
85      !!         
86      !! ** Action  : - computes the heat and freshwater/salt fluxes
87      !!              at the ice-ocean interface.
88      !!              - Update the ocean sbc
89      !!     
90      !! ** Outputs : - qsr     : sea heat flux:     solar
91      !!              - qns     : sea heat flux: non solar
92      !!              - emp     : freshwater budget: volume flux
93      !!              - sfx     : salt flux
94      !!              - fr_i    : ice fraction
95      !!              - tn_ice  : sea-ice surface temperature
96      !!              - alb_ice : sea-ice albedo (recomputed only for coupled mode)
97      !!
98      !! References : Goosse, H. et al. 1996, Bul. Soc. Roy. Sc. Liege, 65, 87-90.
99      !!              Tartinville et al. 2001 Ocean Modelling, 3, 95-108.
100      !!              These refs are now obsolete since everything has been revised
101      !!              The ref should be Rousset et al., 2015
102      !!---------------------------------------------------------------------
103      INTEGER, INTENT(in) ::   kt   ! number of iteration
104      !
105      INTEGER  ::   ji, jj, jl, jk   ! dummy loop indices
106      REAL(wp) ::   zqmass           ! Heat flux associated with mass exchange ice->ocean (W.m-2)
107      REAL(wp) ::   zqsr             ! New solar flux received by the ocean
108      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:,:) ::   zalb_cs, zalb_os     ! 3D workspace
109      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:)   ::   zalb                 ! 2D workspace
110      !!---------------------------------------------------------------------
111
112      ! --- case we bypass ice thermodynamics --- !
113      IF( .NOT. ln_limthd ) THEN   ! we suppose ice is impermeable => ocean is isolated from atmosphere
114         hfx_in   (:,:)   = pfrld(:,:) * ( qns_oce(:,:) + qsr_oce(:,:) ) + qemp_oce(:,:)
115         hfx_out  (:,:)   = pfrld(:,:) *   qns_oce(:,:)                  + qemp_oce(:,:)
116         ftr_ice  (:,:,:) = 0._wp
117         emp_ice  (:,:)   = 0._wp
118         qemp_ice (:,:)   = 0._wp
119         qevap_ice(:,:,:) = 0._wp
120      ENDIF
121     
122      ! albedo output
123      CALL wrk_alloc( jpi,jpj, zalb )   
124
125      zalb(:,:) = 0._wp
126      WHERE     ( at_i_b <= epsi06 )  ;  zalb(:,:) = 0.066_wp
127      ELSEWHERE                       ;  zalb(:,:) = SUM( alb_ice * a_i_b, dim=3 ) / at_i_b
128      END WHERE
129      IF( iom_use('alb_ice' ) )  CALL iom_put( "alb_ice"  , zalb(:,:) )           ! ice albedo output
130
131      zalb(:,:) = SUM( alb_ice * a_i_b, dim=3 ) + 0.066_wp * ( 1._wp - at_i_b )     
132      IF( iom_use('albedo'  ) )  CALL iom_put( "albedo"  , zalb(:,:) )           ! ice albedo output
133
134      CALL wrk_dealloc( jpi,jpj, zalb )   
135
136      DO jj = 1, jpj
137         DO ji = 1, jpi
138
139            !------------------------------------------!
140            !      heat flux at the ocean surface      !
141            !------------------------------------------!
142            ! Solar heat flux reaching the ocean = zqsr (W.m-2)
143            !---------------------------------------------------
144            zqsr = qsr_tot(ji,jj)
145            DO jl = 1, jpl
146               zqsr = zqsr - a_i_b(ji,jj,jl) * (  qsr_ice(ji,jj,jl) - ftr_ice(ji,jj,jl) ) 
147            END DO
148
149            ! Total heat flux reaching the ocean = hfx_out (W.m-2)
150            !---------------------------------------------------
151            zqmass         = hfx_thd(ji,jj) + hfx_dyn(ji,jj) + hfx_res(ji,jj) ! heat flux from snow is 0 (T=0 degC)
152            hfx_out(ji,jj) = hfx_out(ji,jj) + zqmass + zqsr
153
154            ! Add the residual from heat diffusion equation and sublimation (W.m-2)
155            !----------------------------------------------------------------------
156            hfx_out(ji,jj) = hfx_out(ji,jj) + hfx_err_dif(ji,jj) +   &
157               &           ( hfx_sub(ji,jj) - SUM( qevap_ice(ji,jj,:) * a_i_b(ji,jj,:) ) )
158
159            ! New qsr and qns used to compute the oceanic heat flux at the next time step
160            !----------------------------------------------------------------------------
161            qsr(ji,jj) = zqsr                                     
162            qns(ji,jj) = hfx_out(ji,jj) - zqsr             
163
164            !------------------------------------------!
165            !      mass flux at the ocean surface      !
166            !------------------------------------------!
167            !  case of realistic freshwater flux (Tartinville et al., 2001) (presently ACTIVATED)
168            !  -------------------------------------------------------------------------------------
169            !  The idea of this approach is that the system that we consider is the ICE-OCEAN system
170            !  Thus  FW  flux  =  External ( E-P+snow melt)
171            !       Salt flux  =  Exchanges in the ice-ocean system then converted into FW
172            !                     Associated to Ice formation AND Ice melting
173            !                     Even if i see Ice melting as a FW and SALT flux
174            !       
175            ! mass flux from ice/ocean
176            wfx_ice(ji,jj) = wfx_bog(ji,jj) + wfx_bom(ji,jj) + wfx_sum(ji,jj) + wfx_sni(ji,jj)   &
177                           + wfx_opw(ji,jj) + wfx_dyn(ji,jj) + wfx_res(ji,jj) + wfx_lam(ji,jj) 
178
179            ! mass flux at the ocean/ice interface
180            fmmflx(ji,jj) = - ( wfx_ice(ji,jj) + wfx_snw(ji,jj) + wfx_err_sub(ji,jj) )              ! F/M mass flux save at least for biogeochemical model
181            emp(ji,jj)    = emp_oce(ji,jj) - wfx_ice(ji,jj) - wfx_snw(ji,jj) - wfx_err_sub(ji,jj)   ! mass flux + F/M mass flux (always ice/ocean mass exchange)
182         END DO
183      END DO
184
185      !------------------------------------------!
186      !      salt flux at the ocean surface      !
187      !------------------------------------------!
188      sfx(:,:) = sfx_bog(:,:) + sfx_bom(:,:) + sfx_sum(:,:) + sfx_sni(:,:) + sfx_opw(:,:)   &
189         &     + sfx_res(:,:) + sfx_dyn(:,:) + sfx_bri(:,:) + sfx_sub(:,:) + sfx_lam(:,:)
190
191      !-------------------------------------------------------------!
192      !   mass of snow and ice per unit area for embedded sea-ice   !
193      !-------------------------------------------------------------!
194      IF( nn_ice_embd /= 0 ) THEN
195         ! save mass from the previous ice time step
196         snwice_mass_b(:,:) = snwice_mass(:,:)                 
197         ! new mass per unit area
198         snwice_mass  (:,:) = tmask(:,:,1) * ( rhosn * vt_s(:,:) + rhoic * vt_i(:,:)  ) 
199         ! time evolution of snow+ice mass
200         snwice_fmass (:,:) = ( snwice_mass(:,:) - snwice_mass_b(:,:) ) * r1_rdtice
201      ENDIF
202
203      !-----------------------------------------------!
204      !   Storing the transmitted variables           !
205      !-----------------------------------------------!
206      fr_i  (:,:)   = at_i(:,:)             ! Sea-ice fraction           
207      tn_ice(:,:,:) = t_su(:,:,:)           ! Ice surface temperature                     
208
209      !------------------------------------------------------------------------!
210      !    Snow/ice albedo (only if sent to coupler, useless in forced mode)   !
211      !------------------------------------------------------------------------!
212      CALL wrk_alloc( jpi,jpj,jpl,   zalb_cs, zalb_os )   
213      CALL albedo_ice( t_su, ht_i, ht_s, zalb_cs, zalb_os )  ! cloud-sky and overcast-sky ice albedos
214      alb_ice(:,:,:) = ( 1. - cldf_ice ) * zalb_cs(:,:,:) + cldf_ice * zalb_os(:,:,:)
215      CALL wrk_dealloc( jpi,jpj,jpl,   zalb_cs, zalb_os )
216
217      ! conservation test
218      IF( ln_limdiachk .AND. .NOT. ln_bdy)  CALL lim_cons_final( 'limsbc' )
219
220      ! control prints
221      IF( ln_limctl )   CALL lim_prt( kt, iiceprt, jiceprt, 3, ' - Final state lim_sbc - ' )
222      IF( ln_ctl )      CALL lim_prt3D( 'limsbc' )
223
224   END SUBROUTINE lim_sbc_flx
225
226
227   SUBROUTINE lim_sbc_tau( kt , pu_oce, pv_oce )
228      !!-------------------------------------------------------------------
229      !!                ***  ROUTINE lim_sbc_tau ***
230      !! 
231      !! ** Purpose : Update the ocean surface stresses due to the ice
232      !!         
233      !! ** Action  : * at each ice time step (every nn_fsbc time step):
234      !!                - compute the modulus of ice-ocean relative velocity
235      !!                  (*rho*Cd) at T-point (C-grid) or I-point (B-grid)
236      !!                      tmod_io = rhoco * | U_ice-U_oce |
237      !!                - update the modulus of stress at ocean surface
238      !!                      taum = frld * taum + (1-frld) * tmod_io * | U_ice-U_oce |
239      !!              * at each ocean time step (every kt):
240      !!                  compute linearized ice-ocean stresses as
241      !!                      Utau = tmod_io * | U_ice - pU_oce |
242      !!                using instantaneous current ocean velocity (usually before)
243      !!
244      !!    NB: - ice-ocean rotation angle no more allowed
245      !!        - here we make an approximation: taum is only computed every ice time step
246      !!          This avoids mutiple average to pass from T -> U,V grids and next from U,V grids
247      !!          to T grid. taum is used in TKE and GLS, which should not be too sensitive to this approximaton...
248      !!
249      !! ** Outputs : - utau, vtau   : surface ocean i- and j-stress (u- & v-pts) updated with ice-ocean fluxes
250      !!              - taum         : modulus of the surface ocean stress (T-point) updated with ice-ocean fluxes
251      !!---------------------------------------------------------------------
252      INTEGER ,                     INTENT(in) ::   kt               ! ocean time-step index
253      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj), INTENT(in) ::   pu_oce, pv_oce   ! surface ocean currents
254      !
255      INTEGER  ::   ji, jj   ! dummy loop indices
256      REAL(wp) ::   zat_u, zutau_ice, zu_t, zmodt   ! local scalar
257      REAL(wp) ::   zat_v, zvtau_ice, zv_t, zrhoco  !   -      -
258      !!---------------------------------------------------------------------
259      zrhoco = rau0 * rn_cio
260      !
261      IF( MOD( kt-1, nn_fsbc ) == 0 ) THEN     !==  Ice time-step only  ==!   (i.e. surface module time-step)
262         DO jj = 2, jpjm1                             !* update the modulus of stress at ocean surface (T-point)
263            DO ji = fs_2, fs_jpim1
264               !                                               ! 2*(U_ice-U_oce) at T-point
265               zu_t = u_ice(ji,jj) + u_ice(ji-1,jj) - u_oce(ji,jj) - u_oce(ji-1,jj)   
266               zv_t = v_ice(ji,jj) + v_ice(ji,jj-1) - v_oce(ji,jj) - v_oce(ji,jj-1) 
267               !                                              ! |U_ice-U_oce|^2
268               zmodt =  0.25_wp * (  zu_t * zu_t + zv_t * zv_t  )
269               !                                               ! update the ocean stress modulus
270               taum(ji,jj) = ( 1._wp - at_i(ji,jj) ) * taum(ji,jj) + at_i(ji,jj) * zrhoco * zmodt
271               tmod_io(ji,jj) = zrhoco * SQRT( zmodt )          ! rhoco * |U_ice-U_oce| at T-point
272            END DO
273         END DO
274         CALL lbc_lnk_multi( taum, 'T', 1., tmod_io, 'T', 1. )
275         !
276         utau_oce(:,:) = utau(:,:)                    !* save the air-ocean stresses at ice time-step
277         vtau_oce(:,:) = vtau(:,:)
278         !
279      ENDIF
280      !
281      !                                      !==  every ocean time-step  ==!
282      !
283      DO jj = 2, jpjm1                                !* update the stress WITHOUT a ice-ocean rotation angle
284         DO ji = fs_2, fs_jpim1   ! Vect. Opt.
285            zat_u  = ( at_i(ji,jj) + at_i(ji+1,jj) ) * 0.5_wp   ! ice area at u and V-points
286            zat_v  = ( at_i(ji,jj) + at_i(ji,jj+1) ) * 0.5_wp
287            !                                                   ! linearized quadratic drag formulation
288            zutau_ice   = 0.5_wp * ( tmod_io(ji,jj) + tmod_io(ji+1,jj) ) * ( u_ice(ji,jj) - pu_oce(ji,jj) )
289            zvtau_ice   = 0.5_wp * ( tmod_io(ji,jj) + tmod_io(ji,jj+1) ) * ( v_ice(ji,jj) - pv_oce(ji,jj) )
290            !                                                   ! stresses at the ocean surface
291            utau(ji,jj) = ( 1._wp - zat_u ) * utau_oce(ji,jj) + zat_u * zutau_ice
292            vtau(ji,jj) = ( 1._wp - zat_v ) * vtau_oce(ji,jj) + zat_v * zvtau_ice
293         END DO
294      END DO
295      CALL lbc_lnk_multi( utau, 'U', -1., vtau, 'V', -1. )   ! lateral boundary condition
296      !
297     
298   END SUBROUTINE lim_sbc_tau
299
300
301   SUBROUTINE lim_sbc_init
302      !!-------------------------------------------------------------------
303      !!                  ***  ROUTINE lim_sbc_init  ***
304      !!             
305      !! ** Purpose : Preparation of the file ice_evolu for the output of
306      !!      the temporal evolution of key variables
307      !!
308      !! ** input   : Namelist namicedia
309      !!-------------------------------------------------------------------
310      INTEGER  ::   ji, jj, jk               ! dummy loop indices
311      REAL(wp) ::   zcoefu, zcoefv, zcoeff   ! local scalar
312      !!-------------------------------------------------------------------
313      !
314      IF(lwp) WRITE(numout,*)
315      IF(lwp) WRITE(numout,*) 'lim_sbc_init : LIM-3 sea-ice - surface boundary condition'
316      IF(lwp) WRITE(numout,*) '~~~~~~~~~~~~~   '
317
318      !                                      ! allocate lim_sbc array
319      IF( lim_sbc_alloc() /= 0 )   CALL ctl_stop( 'STOP', 'lim_sbc_init : unable to allocate standard arrays' )
320      !
321      soce_0(:,:) = soce                     ! constant SSS and ice salinity used in levitating sea-ice case
322      sice_0(:,:) = sice
323      !                                      ! decrease ocean & ice reference salinities in the Baltic Sea area
324      WHERE( 14._wp <= glamt(:,:) .AND. glamt(:,:) <= 32._wp .AND.   &
325         &   54._wp <= gphit(:,:) .AND. gphit(:,:) <= 66._wp         ) 
326         soce_0(:,:) = 4._wp
327         sice_0(:,:) = 2._wp
328      END WHERE
329      !
330      IF( .NOT. ln_rstart ) THEN
331         !                                      ! embedded sea ice
332         IF( nn_ice_embd /= 0 ) THEN            ! mass exchanges between ice and ocean (case 1 or 2) set the snow+ice mass
333            snwice_mass  (:,:) = tmask(:,:,1) * ( rhosn * vt_s(:,:) + rhoic * vt_i(:,:)  )
334            snwice_mass_b(:,:) = snwice_mass(:,:)
335         ELSE
336            snwice_mass  (:,:) = 0._wp          ! no mass exchanges
337            snwice_mass_b(:,:) = 0._wp          ! no mass exchanges
338         ENDIF
339         IF( nn_ice_embd == 2 ) THEN            ! full embedment (case 2) deplete the initial ssh below sea-ice area
340            sshn(:,:) = sshn(:,:) - snwice_mass(:,:) * r1_rau0
341            sshb(:,:) = sshb(:,:) - snwice_mass(:,:) * r1_rau0
342
343!!gm I really don't like this stuff here...  Find a way to put that elsewhere or differently
344!!gm
345            IF( .NOT.ln_linssh ) THEN
346               DO jk = 1,jpkm1                     ! adjust initial vertical scale factors
347                  e3t_n(:,:,jk) = e3t_0(:,:,jk)*( 1._wp + sshn(:,:)*tmask(:,:,1)/(ht_0(:,:) + 1.0 - tmask(:,:,1)) )
348                  e3t_b(:,:,jk) = e3t_0(:,:,jk)*( 1._wp + sshb(:,:)*tmask(:,:,1)/(ht_0(:,:) + 1.0 - tmask(:,:,1)) )
349               END DO
350               e3t_a(:,:,:) = e3t_b(:,:,:)
351               ! Reconstruction of all vertical scale factors at now and before time-steps
352               ! =========================================================================
353               ! Horizontal scale factor interpolations
354               ! --------------------------------------
355               CALL dom_vvl_interpol( e3t_b(:,:,:), e3u_b(:,:,:), 'U' )
356               CALL dom_vvl_interpol( e3t_b(:,:,:), e3v_b(:,:,:), 'V' )
357               CALL dom_vvl_interpol( e3t_n(:,:,:), e3u_n(:,:,:), 'U' )
358               CALL dom_vvl_interpol( e3t_n(:,:,:), e3v_n(:,:,:), 'V' )
359               CALL dom_vvl_interpol( e3u_n(:,:,:), e3f_n(:,:,:), 'F' )
360               ! Vertical scale factor interpolations
361                 ! ------------------------------------
362               CALL dom_vvl_interpol( e3t_n(:,:,:), e3w_n (:,:,:), 'W'  )
363               CALL dom_vvl_interpol( e3u_n(:,:,:), e3uw_n(:,:,:), 'UW' )
364               CALL dom_vvl_interpol( e3v_n(:,:,:), e3vw_n(:,:,:), 'VW' )
365               CALL dom_vvl_interpol( e3u_b(:,:,:), e3uw_b(:,:,:), 'UW' )
366               CALL dom_vvl_interpol( e3v_b(:,:,:), e3vw_b(:,:,:), 'VW' )
367               ! t- and w- points depth
368               ! ----------------------
369!!gm not sure of that....
370               gdept_n(:,:,1) = 0.5_wp * e3w_n(:,:,1)
371               gdepw_n(:,:,1) = 0.0_wp
372               gde3w_n(:,:,1) = gdept_n(:,:,1) - sshn(:,:)
373               DO jk = 2, jpk
374                  gdept_n(:,:,jk) = gdept_n(:,:,jk-1) + e3w_n(:,:,jk)
375                  gdepw_n(:,:,jk) = gdepw_n(:,:,jk-1) + e3t_n(:,:,jk-1)
376                  gde3w_n(:,:,jk) = gdept_n(:,:,jk  ) - sshn   (:,:)
377               END DO
378            ENDIF
379         ENDIF
380      ENDIF ! .NOT. ln_rstart
381      !
382   END SUBROUTINE lim_sbc_init
383
384#else
385   !!----------------------------------------------------------------------
386   !!   Default option :        Dummy module       NO LIM 3.0 sea-ice model
387   !!----------------------------------------------------------------------
388CONTAINS
389   SUBROUTINE lim_sbc           ! Dummy routine
390   END SUBROUTINE lim_sbc
391#endif 
392
393   !!======================================================================
394END MODULE limsbc
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.