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limthd_dif.F90 in trunk/NEMOGCM/NEMO/LIM_SRC_3 – NEMO

source: trunk/NEMOGCM/NEMO/LIM_SRC_3/limthd_dif.F90 @ 4765

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Compilation issue, see ticket #1379

  • Property svn:keywords set to Id
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Line 
1MODULE limthd_dif
2   !!======================================================================
3   !!                       ***  MODULE limthd_dif ***
4   !!                       heat diffusion in sea ice
5   !!                   computation of surface and inner T 
6   !!======================================================================
7   !! History :  LIM  ! 02-2003 (M. Vancoppenolle) original 1D code
8   !!                 ! 06-2005 (M. Vancoppenolle) 3d version
9   !!                 ! 11-2006 (X Fettweis) Vectorization by Xavier
10   !!                 ! 04-2007 (M. Vancoppenolle) Energy conservation
11   !!            4.0  ! 2011-02 (G. Madec) dynamical allocation
12   !!             -   ! 2012-05 (C. Rousset) add penetration solar flux
13   !!----------------------------------------------------------------------
14#if defined key_lim3
15   !!----------------------------------------------------------------------
16   !!   'key_lim3'                                      LIM3 sea-ice model
17   !!----------------------------------------------------------------------
18   USE par_oce        ! ocean parameters
19   USE phycst         ! physical constants (ocean directory)
20   USE ice            ! LIM-3 variables
21   USE par_ice        ! LIM-3 parameters
22   USE thd_ice        ! LIM-3: thermodynamics
23   USE in_out_manager ! I/O manager
24   USE lib_mpp        ! MPP library
25   USE wrk_nemo       ! work arrays
26   USE lib_fortran    ! Fortran utilities (allows no signed zero when 'key_nosignedzero' defined) 
27   USE cpl_oasis3, ONLY : lk_cpl
28
29   IMPLICIT NONE
30   PRIVATE
31
32   PUBLIC   lim_thd_dif   ! called by lim_thd
33
34   REAL(wp) ::   epsi10 = 1.e-10_wp    !
35   !!----------------------------------------------------------------------
36   !! NEMO/LIM3 4.0 , UCL - NEMO Consortium (2011)
37   !! $Id$
38   !! Software governed by the CeCILL licence     (NEMOGCM/NEMO_CeCILL.txt)
39   !!----------------------------------------------------------------------
40CONTAINS
41
42   SUBROUTINE lim_thd_dif( kideb , kiut )
43      !!------------------------------------------------------------------
44      !!                ***  ROUTINE lim_thd_dif  ***
45      !! ** Purpose :
46      !!           This routine determines the time evolution of snow and sea-ice
47      !!           temperature profiles.
48      !! ** Method  :
49      !!           This is done by solving the heat equation diffusion with
50      !!           a Neumann boundary condition at the surface and a Dirichlet one
51      !!           at the bottom. Solar radiation is partially absorbed into the ice.
52      !!           The specific heat and thermal conductivities depend on ice salinity
53      !!           and temperature to take into account brine pocket melting. The
54      !!           numerical
55      !!           scheme is an iterative Crank-Nicolson on a non-uniform multilayer grid
56      !!           in the ice and snow system.
57      !!
58      !!           The successive steps of this routine are
59      !!           1.  Thermal conductivity at the interfaces of the ice layers
60      !!           2.  Internal absorbed radiation
61      !!           3.  Scale factors due to non-uniform grid
62      !!           4.  Kappa factors
63      !!           Then iterative procedure begins
64      !!           5.  specific heat in the ice
65      !!           6.  eta factors
66      !!           7.  surface flux computation
67      !!           8.  tridiagonal system terms
68      !!           9.  solving the tridiagonal system with Gauss elimination
69      !!           Iterative procedure ends according to a criterion on evolution
70      !!           of temperature
71      !!
72      !! ** Arguments :
73      !!           kideb , kiut : Starting and ending points on which the
74      !!                         the computation is applied
75      !!
76      !! ** Inputs / Ouputs : (global commons)
77      !!           surface temperature : t_su_b
78      !!           ice/snow temperatures   : t_i_b, t_s_b
79      !!           ice salinities          : s_i_b
80      !!           number of layers in the ice/snow: nlay_i, nlay_s
81      !!           profile of the ice/snow layers : z_i, z_s
82      !!           total ice/snow thickness : ht_i_b, ht_s_b
83      !!
84      !! ** External :
85      !!
86      !! ** References :
87      !!
88      !! ** History :
89      !!           (02-2003) Martin Vancoppenolle, Louvain-la-Neuve, Belgium
90      !!           (06-2005) Martin Vancoppenolle, 3d version
91      !!           (11-2006) Vectorized by Xavier Fettweis (UCL-ASTR)
92      !!           (04-2007) Energy conservation tested by M. Vancoppenolle
93      !!------------------------------------------------------------------
94      INTEGER , INTENT(in) ::   kideb, kiut   ! Start/End point on which the  the computation is applied
95
96      !! * Local variables
97      INTEGER ::   ji          ! spatial loop index
98      INTEGER ::   ii, ij      ! temporary dummy loop index
99      INTEGER ::   numeq       ! current reference number of equation
100      INTEGER ::   layer       ! vertical dummy loop index
101      INTEGER ::   nconv       ! number of iterations in iterative procedure
102      INTEGER ::   minnumeqmin, maxnumeqmax
103      INTEGER, POINTER, DIMENSION(:) ::   numeqmin   ! reference number of top equation
104      INTEGER, POINTER, DIMENSION(:) ::   numeqmax   ! reference number of bottom equation
105      INTEGER, POINTER, DIMENSION(:) ::   isnow      ! switch for presence (1) or absence (0) of snow
106      REAL(wp) ::   zg1s      =  2._wp        ! for the tridiagonal system
107      REAL(wp) ::   zg1       =  2._wp        !
108      REAL(wp) ::   zgamma    =  18009._wp    ! for specific heat
109      REAL(wp) ::   zbeta     =  0.117_wp     ! for thermal conductivity (could be 0.13)
110      REAL(wp) ::   zraext_s  =  1.e+8_wp     ! extinction coefficient of radiation in the snow
111      REAL(wp) ::   zkimin    =  0.10_wp      ! minimum ice thermal conductivity
112      REAL(wp) ::   ztsu_err  =  1.e-5_wp     ! range around which t_su is considered as 0°C
113      REAL(wp) ::   ztmelt_i    ! ice melting temperature
114      REAL(wp) ::   zerritmax   ! current maximal error on temperature
115      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:) ::   ztfs        ! ice melting point
116      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:) ::   ztsuold     ! old surface temperature (before the iterative procedure )
117      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:) ::   ztsuoldit   ! surface temperature at previous iteration
118      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:) ::   zh_i        ! ice layer thickness
119      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:) ::   zh_s        ! snow layer thickness
120      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:) ::   zfsw        ! solar radiation absorbed at the surface
121      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:) ::   zf          ! surface flux function
122      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:) ::   dzf         ! derivative of the surface flux function
123      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:) ::   zerrit      ! current error on temperature
124      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:) ::   zdifcase    ! case of the equation resolution (1->4)
125      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:) ::   zftrice     ! solar radiation transmitted through the ice
126      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:) ::   zihic, zhsu
127      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:) ::   ztcond_i    ! Ice thermal conductivity
128      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:) ::   zradtr_i    ! Radiation transmitted through the ice
129      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:) ::   zradab_i    ! Radiation absorbed in the ice
130      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:) ::   zkappa_i    ! Kappa factor in the ice
131      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:) ::   ztiold      ! Old temperature in the ice
132      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:) ::   zeta_i      ! Eta factor in the ice
133      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:) ::   ztitemp     ! Temporary temperature in the ice to check the convergence
134      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:) ::   zspeche_i   ! Ice specific heat
135      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:) ::   z_i         ! Vertical cotes of the layers in the ice
136      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:) ::   zradtr_s    ! Radiation transmited through the snow
137      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:) ::   zradab_s    ! Radiation absorbed in the snow
138      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:) ::   zkappa_s    ! Kappa factor in the snow
139      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:) ::   zeta_s       ! Eta factor in the snow
140      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:) ::   ztstemp      ! Temporary temperature in the snow to check the convergence
141      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:) ::   ztsold       ! Temporary temperature in the snow
142      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:) ::   z_s          ! Vertical cotes of the layers in the snow
143      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:) ::   zindterm   ! Independent term
144      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:) ::   zindtbis   ! temporary independent term
145      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:) ::   zdiagbis
146      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:,:) ::   ztrid   ! tridiagonal system terms
147      ! diag errors on heat
148      REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:) :: zdq, zq_ini
149      REAL(wp)                        :: zhfx_err
150      !!------------------------------------------------------------------     
151      !
152      CALL wrk_alloc( jpij, numeqmin, numeqmax, isnow )
153      CALL wrk_alloc( jpij, ztfs, ztsuold, ztsuoldit, zh_i, zh_s, zfsw )
154      CALL wrk_alloc( jpij, zf, dzf, zerrit, zdifcase, zftrice, zihic, zhsu )
155      CALL wrk_alloc( jpij, nlay_i+1, ztcond_i, zradtr_i, zradab_i, zkappa_i, ztiold, zeta_i, ztitemp, z_i, zspeche_i, kjstart=0)
156      CALL wrk_alloc( jpij, nlay_s+1,           zradtr_s, zradab_s, zkappa_s, ztsold, zeta_s, ztstemp, z_s, kjstart=0)
157      CALL wrk_alloc( jpij, jkmax+2, zindterm, zindtbis, zdiagbis  )
158      CALL wrk_alloc( jpij, jkmax+2, 3, ztrid )
159
160      CALL wrk_alloc( jpij, zdq, zq_ini )
161
162      ! --- diag error on heat diffusion - PART 1 --- !
163      zdq(:) = 0._wp ; zq_ini(:) = 0._wp     
164      DO ji = kideb, kiut
165         zq_ini(ji) = ( SUM( q_i_b(ji,1:nlay_i) ) * ht_i_b(ji) / REAL( nlay_i ) +  &
166            &           SUM( q_s_b(ji,1:nlay_s) ) * ht_s_b(ji) / REAL( nlay_s ) ) 
167      END DO
168
169      !------------------------------------------------------------------------------!
170      ! 1) Initialization                                                            !
171      !------------------------------------------------------------------------------!
172      ! clem clean: replace just ztfs by rtt
173      DO ji = kideb , kiut
174         ! is there snow or not
175         isnow(ji)= NINT(  1._wp - MAX( 0._wp , SIGN(1._wp, - ht_s_b(ji) ) )  )
176         ! surface temperature of fusion
177         ztfs(ji) = REAL( isnow(ji) ) * rtt + REAL( 1 - isnow(ji) ) * rtt
178         ! layer thickness
179         zh_i(ji) = ht_i_b(ji) / REAL( nlay_i )
180         zh_s(ji) = ht_s_b(ji) / REAL( nlay_s )
181      END DO
182
183      !--------------------
184      ! Ice / snow layers
185      !--------------------
186
187      z_s(:,0) = 0._wp   ! vert. coord. of the up. lim. of the 1st snow layer
188      z_i(:,0) = 0._wp   ! vert. coord. of the up. lim. of the 1st ice layer
189
190      DO layer = 1, nlay_s            ! vert. coord of the up. lim. of the layer-th snow layer
191         DO ji = kideb , kiut
192            z_s(ji,layer) = z_s(ji,layer-1) + ht_s_b(ji) / REAL( nlay_s )
193         END DO
194      END DO
195
196      DO layer = 1, nlay_i            ! vert. coord of the up. lim. of the layer-th ice layer
197         DO ji = kideb , kiut
198            z_i(ji,layer) = z_i(ji,layer-1) + ht_i_b(ji) / REAL( nlay_i )
199         END DO
200      END DO
201      !
202      !------------------------------------------------------------------------------|
203      ! 2) Radiations                                                                |
204      !------------------------------------------------------------------------------|
205      !
206      !-------------------
207      ! Computation of i0
208      !-------------------
209      ! i0 describes the fraction of solar radiation which does not contribute
210      ! to the surface energy budget but rather penetrates inside the ice.
211      ! We assume that no radiation is transmitted through the snow
212      ! If there is no no snow
213      ! zfsw    = (1-i0).qsr_ice   is absorbed at the surface
214      ! zftrice = io.qsr_ice       is below the surface
215      ! ftr_ice = io.qsr_ice.exp(-k(h_i)) transmitted below the ice
216
217      DO ji = kideb , kiut
218         ! switches
219         isnow(ji) = NINT(  1._wp - MAX( 0._wp , SIGN( 1._wp , - ht_s_b(ji) ) )  ) 
220         ! hs > 0, isnow = 1
221         zhsu (ji) = hnzst  ! threshold for the computation of i0
222         zihic(ji) = MAX( 0._wp , 1._wp - ( ht_i_b(ji) / zhsu(ji) ) )     
223
224         i0(ji)    = REAL( 1 - isnow(ji) ) * ( fr1_i0_1d(ji) + zihic(ji) * fr2_i0_1d(ji) )
225         !fr1_i0_1d = i0 for a thin ice surface
226         !fr1_i0_2d = i0 for a thick ice surface
227         !            a function of the cloud cover
228         !
229         !i0(ji)     =  (1.0-FLOAT(isnow(ji)))*3.0/(100*ht_s_b(ji)+10.0)
230         !formula used in Cice
231      END DO
232
233      !-------------------------------------------------------
234      ! Solar radiation absorbed / transmitted at the surface
235      ! Derivative of the non solar flux
236      !-------------------------------------------------------
237      DO ji = kideb , kiut
238         zfsw   (ji) =  qsr_ice_1d(ji) * ( 1 - i0(ji) )   ! Shortwave radiation absorbed at surface
239         zftrice(ji) =  qsr_ice_1d(ji) *       i0(ji)     ! Solar radiation transmitted below the surface layer
240         dzf    (ji) = dqns_ice_1d(ji)                    ! derivative of incoming nonsolar flux
241      END DO
242
243      !---------------------------------------------------------
244      ! Transmission - absorption of solar radiation in the ice
245      !---------------------------------------------------------
246
247      DO ji = kideb, kiut           ! snow initialization
248         zradtr_s(ji,0) = zftrice(ji)     ! radiation penetrating through snow
249      END DO
250
251      DO layer = 1, nlay_s          ! Radiation through snow
252         DO ji = kideb, kiut
253            !                             ! radiation transmitted below the layer-th snow layer
254            zradtr_s(ji,layer) = zradtr_s(ji,0) * EXP( - zraext_s * ( MAX ( 0._wp , z_s(ji,layer) ) ) )
255            !                             ! radiation absorbed by the layer-th snow layer
256            zradab_s(ji,layer) = zradtr_s(ji,layer-1) - zradtr_s(ji,layer)
257         END DO
258      END DO
259
260      DO ji = kideb, kiut           ! ice initialization
261         zradtr_i(ji,0) = zradtr_s(ji,nlay_s) * REAL( isnow(ji) ) + zftrice(ji) * REAL( 1 - isnow(ji) )
262      END DO
263
264      DO layer = 1, nlay_i          ! Radiation through ice
265         DO ji = kideb, kiut
266            !                             ! radiation transmitted below the layer-th ice layer
267            zradtr_i(ji,layer) = zradtr_i(ji,0) * EXP( - kappa_i * ( MAX ( 0._wp , z_i(ji,layer) ) ) )
268            !                             ! radiation absorbed by the layer-th ice layer
269            zradab_i(ji,layer) = zradtr_i(ji,layer-1) - zradtr_i(ji,layer)
270         END DO
271      END DO
272
273      DO ji = kideb, kiut           ! Radiation transmitted below the ice
274         !!!ftr_ice_1d(ji) = ftr_ice_1d(ji) + iatte_1d(ji) * zradtr_i(ji,nlay_i) * a_i_b(ji) / at_i_b(ji) ! clem modif
275         ftr_ice_1d(ji) = zradtr_i(ji,nlay_i) 
276      END DO
277
278      !
279      !------------------------------------------------------------------------------|
280      !  3) Iterative procedure begins                                               |
281      !------------------------------------------------------------------------------|
282      !
283      DO ji = kideb, kiut        ! Old surface temperature
284         ztsuold  (ji) =  t_su_b(ji)                              ! temperature at the beg of iter pr.
285         ztsuoldit(ji) =  t_su_b(ji)                              ! temperature at the previous iter
286         t_su_b   (ji) =  MIN( t_su_b(ji), ztfs(ji) - ztsu_err )  ! necessary
287         zerrit   (ji) =  1000._wp                                ! initial value of error
288      END DO
289
290      DO layer = 1, nlay_s       ! Old snow temperature
291         DO ji = kideb , kiut
292            ztsold(ji,layer) =  t_s_b(ji,layer)
293         END DO
294      END DO
295
296      DO layer = 1, nlay_i       ! Old ice temperature
297         DO ji = kideb , kiut
298            ztiold(ji,layer) =  t_i_b(ji,layer)
299         END DO
300      END DO
301
302      nconv     =  0           ! number of iterations
303      zerritmax =  1000._wp    ! maximal value of error on all points
304
305      DO WHILE ( zerritmax > maxer_i_thd .AND. nconv < nconv_i_thd )
306         !
307         nconv = nconv + 1
308         !
309         !------------------------------------------------------------------------------|
310         ! 4) Sea ice thermal conductivity                                              |
311         !------------------------------------------------------------------------------|
312         !
313         IF( thcon_i_swi == 0 ) THEN      ! Untersteiner (1964) formula
314            DO ji = kideb , kiut
315               ztcond_i(ji,0)        = rcdic + zbeta*s_i_b(ji,1) / MIN(-epsi10,t_i_b(ji,1)-rtt)
316               ztcond_i(ji,0)        = MAX(ztcond_i(ji,0),zkimin)
317            END DO
318            DO layer = 1, nlay_i-1
319               DO ji = kideb , kiut
320                  ztcond_i(ji,layer) = rcdic + zbeta*( s_i_b(ji,layer) + s_i_b(ji,layer+1) ) /  &
321                     MIN(-2.0_wp * epsi10, t_i_b(ji,layer)+t_i_b(ji,layer+1) - 2.0_wp * rtt)
322                  ztcond_i(ji,layer) = MAX(ztcond_i(ji,layer),zkimin)
323               END DO
324            END DO
325         ENDIF
326
327         IF( thcon_i_swi == 1 ) THEN      ! Pringle et al formula included: 2.11 + 0.09 S/T - 0.011.T
328            DO ji = kideb , kiut
329               ztcond_i(ji,0) = rcdic + 0.090_wp * s_i_b(ji,1) / MIN( -epsi10, t_i_b(ji,1)-rtt )   &
330                  &                   - 0.011_wp * ( t_i_b(ji,1) - rtt ) 
331               ztcond_i(ji,0) = MAX( ztcond_i(ji,0), zkimin )
332            END DO
333            DO layer = 1, nlay_i-1
334               DO ji = kideb , kiut
335                  ztcond_i(ji,layer) = rcdic +                                                                     & 
336                     &                 0.090_wp * ( s_i_b(ji,layer) + s_i_b(ji,layer+1) )                          &
337                     &                 / MIN(-2.0_wp * epsi10, t_i_b(ji,layer)+t_i_b(ji,layer+1) - 2.0_wp * rtt)   &
338                     &               - 0.0055_wp* ( t_i_b(ji,layer) + t_i_b(ji,layer+1) - 2.0*rtt ) 
339                  ztcond_i(ji,layer) = MAX( ztcond_i(ji,layer), zkimin )
340               END DO
341            END DO
342            DO ji = kideb , kiut
343               ztcond_i(ji,nlay_i) = rcdic + 0.090_wp * s_i_b(ji,nlay_i) / MIN(-epsi10,t_bo_b(ji)-rtt)   &
344                  &                        - 0.011_wp * ( t_bo_b(ji) - rtt ) 
345               ztcond_i(ji,nlay_i) = MAX( ztcond_i(ji,nlay_i), zkimin )
346            END DO
347         ENDIF
348         !
349         !------------------------------------------------------------------------------|
350         !  5) kappa factors                                                            |
351         !------------------------------------------------------------------------------|
352         !
353         DO ji = kideb, kiut
354
355            !-- Snow kappa factors
356            zkappa_s(ji,0)         = rcdsn / MAX(epsi10,zh_s(ji))
357            zkappa_s(ji,nlay_s)    = rcdsn / MAX(epsi10,zh_s(ji))
358         END DO
359
360         DO layer = 1, nlay_s-1
361            DO ji = kideb , kiut
362               zkappa_s(ji,layer)  = 2.0 * rcdsn / &
363                  MAX(epsi10,2.0*zh_s(ji))
364            END DO
365         END DO
366
367         DO layer = 1, nlay_i-1
368            DO ji = kideb , kiut
369               !-- Ice kappa factors
370               zkappa_i(ji,layer)  = 2.0*ztcond_i(ji,layer)/ &
371                  MAX(epsi10,2.0*zh_i(ji)) 
372            END DO
373         END DO
374
375         DO ji = kideb , kiut
376            zkappa_i(ji,0)        = ztcond_i(ji,0)/MAX(epsi10,zh_i(ji))
377            zkappa_i(ji,nlay_i)   = ztcond_i(ji,nlay_i) / MAX(epsi10,zh_i(ji))
378            !-- Interface
379            zkappa_s(ji,nlay_s)   = 2.0*rcdsn*ztcond_i(ji,0)/MAX(epsi10, &
380               (ztcond_i(ji,0)*zh_s(ji) + rcdsn*zh_i(ji)))
381            zkappa_i(ji,0)        = zkappa_s(ji,nlay_s)*REAL( isnow(ji) ) &
382               + zkappa_i(ji,0)*REAL( 1 - isnow(ji) )
383         END DO
384         !
385         !------------------------------------------------------------------------------|
386         ! 6) Sea ice specific heat, eta factors                                        |
387         !------------------------------------------------------------------------------|
388         !
389         DO layer = 1, nlay_i
390            DO ji = kideb , kiut
391               ztitemp(ji,layer)   = t_i_b(ji,layer)
392               zspeche_i(ji,layer) = cpic + zgamma*s_i_b(ji,layer)/ &
393                  MAX((t_i_b(ji,layer)-rtt)*(ztiold(ji,layer)-rtt),epsi10)
394               zeta_i(ji,layer)    = rdt_ice / MAX(rhoic*zspeche_i(ji,layer)*zh_i(ji), &
395                  epsi10)
396            END DO
397         END DO
398
399         DO layer = 1, nlay_s
400            DO ji = kideb , kiut
401               ztstemp(ji,layer) = t_s_b(ji,layer)
402               zeta_s(ji,layer)  = rdt_ice / MAX(rhosn*cpic*zh_s(ji),epsi10)
403            END DO
404         END DO
405         !
406         !------------------------------------------------------------------------------|
407         ! 7) surface flux computation                                                  |
408         !------------------------------------------------------------------------------|
409         !
410         DO ji = kideb , kiut
411            ! update of the non solar flux according to the update in T_su
412            qns_ice_1d(ji) = qns_ice_1d(ji) + dqns_ice_1d(ji) * ( t_su_b(ji) - ztsuoldit(ji) )
413
414            ! update incoming flux
415            zf(ji)    =   zfsw(ji)              & ! net absorbed solar radiation
416               + qns_ice_1d(ji)                  ! non solar total flux
417            ! (LWup, LWdw, SH, LH)
418         END DO
419
420         !
421         !------------------------------------------------------------------------------|
422         ! 8) tridiagonal system terms                                                  |
423         !------------------------------------------------------------------------------|
424         !
425         !!layer denotes the number of the layer in the snow or in the ice
426         !!numeq denotes the reference number of the equation in the tridiagonal
427         !!system, terms of tridiagonal system are indexed as following :
428         !!1 is subdiagonal term, 2 is diagonal and 3 is superdiagonal one
429
430         !!ice interior terms (top equation has the same form as the others)
431
432         DO numeq=1,jkmax+2
433            DO ji = kideb , kiut
434               ztrid(ji,numeq,1) = 0.
435               ztrid(ji,numeq,2) = 0.
436               ztrid(ji,numeq,3) = 0.
437               zindterm(ji,numeq)= 0.
438               zindtbis(ji,numeq)= 0.
439               zdiagbis(ji,numeq)= 0.
440            ENDDO
441         ENDDO
442
443         DO numeq = nlay_s + 2, nlay_s + nlay_i 
444            DO ji = kideb , kiut
445               layer              = numeq - nlay_s - 1
446               ztrid(ji,numeq,1)  =  - zeta_i(ji,layer)*zkappa_i(ji,layer-1)
447               ztrid(ji,numeq,2)  =  1.0 + zeta_i(ji,layer)*(zkappa_i(ji,layer-1) + &
448                  zkappa_i(ji,layer))
449               ztrid(ji,numeq,3)  =  - zeta_i(ji,layer)*zkappa_i(ji,layer)
450               zindterm(ji,numeq) =  ztiold(ji,layer) + zeta_i(ji,layer)* &
451                  zradab_i(ji,layer)
452            END DO
453         ENDDO
454
455         numeq =  nlay_s + nlay_i + 1
456         DO ji = kideb , kiut
457            !!ice bottom term
458            ztrid(ji,numeq,1)  =  - zeta_i(ji,nlay_i)*zkappa_i(ji,nlay_i-1)   
459            ztrid(ji,numeq,2)  =  1.0 + zeta_i(ji,nlay_i)*( zkappa_i(ji,nlay_i)*zg1 &
460               +  zkappa_i(ji,nlay_i-1) )
461            ztrid(ji,numeq,3)  =  0.0
462            zindterm(ji,numeq) =  ztiold(ji,nlay_i) + zeta_i(ji,nlay_i)* &
463               ( zradab_i(ji,nlay_i) + zkappa_i(ji,nlay_i)*zg1 &
464               *  t_bo_b(ji) ) 
465         ENDDO
466
467
468         DO ji = kideb , kiut
469            IF ( ht_s_b(ji).gt.0.0 ) THEN
470               !
471               !------------------------------------------------------------------------------|
472               !  snow-covered cells                                                          |
473               !------------------------------------------------------------------------------|
474               !
475               !!snow interior terms (bottom equation has the same form as the others)
476               DO numeq = 3, nlay_s + 1
477                  layer =  numeq - 1
478                  ztrid(ji,numeq,1)   =  - zeta_s(ji,layer)*zkappa_s(ji,layer-1)
479                  ztrid(ji,numeq,2)   =  1.0 + zeta_s(ji,layer)*( zkappa_s(ji,layer-1) + &
480                     zkappa_s(ji,layer) )
481                  ztrid(ji,numeq,3)   =  - zeta_s(ji,layer)*zkappa_s(ji,layer)
482                  zindterm(ji,numeq)  =  ztsold(ji,layer) + zeta_s(ji,layer)* &
483                     zradab_s(ji,layer)
484               END DO
485
486               !!case of only one layer in the ice (ice equation is altered)
487               IF ( nlay_i.eq.1 ) THEN
488                  ztrid(ji,nlay_s+2,3)    =  0.0
489                  zindterm(ji,nlay_s+2)   =  zindterm(ji,nlay_s+2) + zkappa_i(ji,1)* &
490                     t_bo_b(ji) 
491               ENDIF
492
493               IF ( t_su_b(ji) .LT. rtt ) THEN
494
495                  !------------------------------------------------------------------------------|
496                  !  case 1 : no surface melting - snow present                                  |
497                  !------------------------------------------------------------------------------|
498                  zdifcase(ji)    =  1.0
499                  numeqmin(ji)    =  1
500                  numeqmax(ji)    =  nlay_i + nlay_s + 1
501
502                  !!surface equation
503                  ztrid(ji,1,1) = 0.0
504                  ztrid(ji,1,2) = dzf(ji) - zg1s*zkappa_s(ji,0)
505                  ztrid(ji,1,3) = zg1s*zkappa_s(ji,0)
506                  zindterm(ji,1) = dzf(ji)*t_su_b(ji)   - zf(ji)
507
508                  !!first layer of snow equation
509                  ztrid(ji,2,1)  =  - zkappa_s(ji,0)*zg1s*zeta_s(ji,1)
510                  ztrid(ji,2,2)  =  1.0 + zeta_s(ji,1)*(zkappa_s(ji,1) + zkappa_s(ji,0)*zg1s)
511                  ztrid(ji,2,3)  =  - zeta_s(ji,1)* zkappa_s(ji,1)
512                  zindterm(ji,2) =  ztsold(ji,1) + zeta_s(ji,1)*zradab_s(ji,1)
513
514               ELSE 
515                  !
516                  !------------------------------------------------------------------------------|
517                  !  case 2 : surface is melting - snow present                                  |
518                  !------------------------------------------------------------------------------|
519                  !
520                  zdifcase(ji)    =  2.0
521                  numeqmin(ji)    =  2
522                  numeqmax(ji)    =  nlay_i + nlay_s + 1
523
524                  !!first layer of snow equation
525                  ztrid(ji,2,1)  =  0.0
526                  ztrid(ji,2,2)  =  1.0 + zeta_s(ji,1) * ( zkappa_s(ji,1) + &
527                     zkappa_s(ji,0) * zg1s )
528                  ztrid(ji,2,3)  =  - zeta_s(ji,1)*zkappa_s(ji,1) 
529                  zindterm(ji,2) = ztsold(ji,1) + zeta_s(ji,1) *            &
530                     ( zradab_s(ji,1) +                         &
531                     zkappa_s(ji,0) * zg1s * t_su_b(ji) ) 
532               ENDIF
533            ELSE
534               !
535               !------------------------------------------------------------------------------|
536               !  cells without snow                                                          |
537               !------------------------------------------------------------------------------|
538               !
539               IF (t_su_b(ji) .LT. rtt) THEN
540                  !
541                  !------------------------------------------------------------------------------|
542                  !  case 3 : no surface melting - no snow                                       |
543                  !------------------------------------------------------------------------------|
544                  !
545                  zdifcase(ji)      =  3.0
546                  numeqmin(ji)      =  nlay_s + 1
547                  numeqmax(ji)      =  nlay_i + nlay_s + 1
548
549                  !!surface equation   
550                  ztrid(ji,numeqmin(ji),1)   =  0.0
551                  ztrid(ji,numeqmin(ji),2)   =  dzf(ji) - zkappa_i(ji,0)*zg1   
552                  ztrid(ji,numeqmin(ji),3)   =  zkappa_i(ji,0)*zg1
553                  zindterm(ji,numeqmin(ji))  =  dzf(ji)*t_su_b(ji) - zf(ji)
554
555                  !!first layer of ice equation
556                  ztrid(ji,numeqmin(ji)+1,1) =  - zkappa_i(ji,0) * zg1 * zeta_i(ji,1)
557                  ztrid(ji,numeqmin(ji)+1,2) =  1.0 + zeta_i(ji,1) * ( zkappa_i(ji,1) & 
558                     + zkappa_i(ji,0) * zg1 )
559                  ztrid(ji,numeqmin(ji)+1,3) =  - zeta_i(ji,1)*zkappa_i(ji,1) 
560                  zindterm(ji,numeqmin(ji)+1)=  ztiold(ji,1) + zeta_i(ji,1)*zradab_i(ji,1) 
561
562                  !!case of only one layer in the ice (surface & ice equations are altered)
563
564                  IF (nlay_i.eq.1) THEN
565                     ztrid(ji,numeqmin(ji),1)    =  0.0
566                     ztrid(ji,numeqmin(ji),2)    =  dzf(ji) - zkappa_i(ji,0)*2.0
567                     ztrid(ji,numeqmin(ji),3)    =  zkappa_i(ji,0)*2.0
568                     ztrid(ji,numeqmin(ji)+1,1)  =  -zkappa_i(ji,0)*2.0*zeta_i(ji,1)
569                     ztrid(ji,numeqmin(ji)+1,2)  =  1.0 + zeta_i(ji,1)*(zkappa_i(ji,0)*2.0 + &
570                        zkappa_i(ji,1))
571                     ztrid(ji,numeqmin(ji)+1,3)  =  0.0
572
573                     zindterm(ji,numeqmin(ji)+1) =  ztiold(ji,1) + zeta_i(ji,1)* &
574                        ( zradab_i(ji,1) + zkappa_i(ji,1)*t_bo_b(ji) )
575                  ENDIF
576
577               ELSE
578
579                  !
580                  !------------------------------------------------------------------------------|
581                  ! case 4 : surface is melting - no snow                                        |
582                  !------------------------------------------------------------------------------|
583                  !
584                  zdifcase(ji)    =  4.0
585                  numeqmin(ji)    =  nlay_s + 2
586                  numeqmax(ji)    =  nlay_i + nlay_s + 1
587
588                  !!first layer of ice equation
589                  ztrid(ji,numeqmin(ji),1)      =  0.0
590                  ztrid(ji,numeqmin(ji),2)      =  1.0 + zeta_i(ji,1)*(zkappa_i(ji,1) + zkappa_i(ji,0)* &
591                     zg1) 
592                  ztrid(ji,numeqmin(ji),3)      =  - zeta_i(ji,1) * zkappa_i(ji,1)
593                  zindterm(ji,numeqmin(ji))     =  ztiold(ji,1) + zeta_i(ji,1)*( zradab_i(ji,1) + &
594                     zkappa_i(ji,0) * zg1 * t_su_b(ji) ) 
595
596                  !!case of only one layer in the ice (surface & ice equations are altered)
597                  IF (nlay_i.eq.1) THEN
598                     ztrid(ji,numeqmin(ji),1)  =  0.0
599                     ztrid(ji,numeqmin(ji),2)  =  1.0 + zeta_i(ji,1)*(zkappa_i(ji,0)*2.0 + &
600                        zkappa_i(ji,1))
601                     ztrid(ji,numeqmin(ji),3)  =  0.0
602                     zindterm(ji,numeqmin(ji)) =  ztiold(ji,1) + zeta_i(ji,1)* &
603                        (zradab_i(ji,1) + zkappa_i(ji,1)*t_bo_b(ji)) &
604                        + t_su_b(ji)*zeta_i(ji,1)*zkappa_i(ji,0)*2.0
605                  ENDIF
606
607               ENDIF
608            ENDIF
609
610         END DO
611
612         !
613         !------------------------------------------------------------------------------|
614         ! 9) tridiagonal system solving                                                |
615         !------------------------------------------------------------------------------|
616         !
617
618         ! Solve the tridiagonal system with Gauss elimination method.
619         ! Thomas algorithm, from Computational fluid Dynamics, J.D. ANDERSON,
620         ! McGraw-Hill 1984. 
621
622         maxnumeqmax = 0
623         minnumeqmin = jkmax+4
624
625         DO ji = kideb , kiut
626            zindtbis(ji,numeqmin(ji)) =  zindterm(ji,numeqmin(ji))
627            zdiagbis(ji,numeqmin(ji)) =  ztrid(ji,numeqmin(ji),2)
628            minnumeqmin               =  MIN(numeqmin(ji),minnumeqmin)
629            maxnumeqmax               =  MAX(numeqmax(ji),maxnumeqmax)
630         END DO
631
632         DO layer = minnumeqmin+1, maxnumeqmax
633            DO ji = kideb , kiut
634               numeq               =  min(max(numeqmin(ji)+1,layer),numeqmax(ji))
635               zdiagbis(ji,numeq)  =  ztrid(ji,numeq,2) - ztrid(ji,numeq,1)* &
636                  ztrid(ji,numeq-1,3)/zdiagbis(ji,numeq-1)
637               zindtbis(ji,numeq)  =  zindterm(ji,numeq) - ztrid(ji,numeq,1)* &
638                  zindtbis(ji,numeq-1)/zdiagbis(ji,numeq-1)
639            END DO
640         END DO
641
642         DO ji = kideb , kiut
643            ! ice temperatures
644            t_i_b(ji,nlay_i)    =  zindtbis(ji,numeqmax(ji))/zdiagbis(ji,numeqmax(ji))
645         END DO
646
647         DO numeq = nlay_i + nlay_s + 1, nlay_s + 2, -1
648            DO ji = kideb , kiut
649               layer    =  numeq - nlay_s - 1
650               t_i_b(ji,layer)  =  (zindtbis(ji,numeq) - ztrid(ji,numeq,3)* &
651                  t_i_b(ji,layer+1))/zdiagbis(ji,numeq)
652            END DO
653         END DO
654
655         DO ji = kideb , kiut
656            ! snow temperatures     
657            IF (ht_s_b(ji).GT.0._wp) &
658               t_s_b(ji,nlay_s)     =  (zindtbis(ji,nlay_s+1) - ztrid(ji,nlay_s+1,3) &
659               *  t_i_b(ji,1))/zdiagbis(ji,nlay_s+1) &
660               *        MAX(0.0,SIGN(1.0,ht_s_b(ji))) 
661
662            ! surface temperature
663            isnow(ji)     = NINT(  1.0 - MAX( 0.0 , SIGN( 1.0 , -ht_s_b(ji) )  )  )
664            ztsuoldit(ji) = t_su_b(ji)
665            IF( t_su_b(ji) < ztfs(ji) ) &
666               t_su_b(ji) = ( zindtbis(ji,numeqmin(ji)) - ztrid(ji,numeqmin(ji),3)* ( REAL( isnow(ji) )*t_s_b(ji,1)   &
667               &          + REAL( 1 - isnow(ji) )*t_i_b(ji,1) ) ) / zdiagbis(ji,numeqmin(ji)) 
668         END DO
669         !
670         !--------------------------------------------------------------------------
671         !  10) Has the scheme converged ?, end of the iterative procedure         |
672         !--------------------------------------------------------------------------
673         !
674         ! check that nowhere it has started to melt
675         ! zerrit(ji) is a measure of error, it has to be under maxer_i_thd
676         DO ji = kideb , kiut
677            t_su_b(ji) =  MAX(  MIN( t_su_b(ji) , ztfs(ji) ) , 190._wp  )
678            zerrit(ji) =  ABS( t_su_b(ji) - ztsuoldit(ji) )     
679         END DO
680
681         DO layer  =  1, nlay_s
682            DO ji = kideb , kiut
683               t_s_b(ji,layer) = MAX(  MIN( t_s_b(ji,layer), rtt ), 190._wp  )
684               zerrit(ji)      = MAX(zerrit(ji),ABS(t_s_b(ji,layer) - ztstemp(ji,layer)))
685            END DO
686         END DO
687
688         DO layer  =  1, nlay_i
689            DO ji = kideb , kiut
690               ztmelt_i        = -tmut * s_i_b(ji,layer) + rtt 
691               t_i_b(ji,layer) =  MAX(MIN(t_i_b(ji,layer),ztmelt_i), 190._wp)
692               zerrit(ji)      =  MAX(zerrit(ji),ABS(t_i_b(ji,layer) - ztitemp(ji,layer)))
693            END DO
694         END DO
695
696         ! Compute spatial maximum over all errors
697         ! note that this could be optimized substantially by iterating only the non-converging points
698         zerritmax = 0._wp
699         DO ji = kideb, kiut
700            zerritmax = MAX( zerritmax, zerrit(ji) )   
701         END DO
702         IF( lk_mpp ) CALL mpp_max( zerritmax, kcom=ncomm_ice )
703
704      END DO  ! End of the do while iterative procedure
705
706      IF( ln_nicep .AND. lwp ) THEN
707         WRITE(numout,*) ' zerritmax : ', zerritmax
708         WRITE(numout,*) ' nconv     : ', nconv
709      ENDIF
710
711      !
712      !-------------------------------------------------------------------------!
713      !   11) Fluxes at the interfaces                                          !
714      !-------------------------------------------------------------------------!
715      DO ji = kideb, kiut
716         ! forced mode only : update of latent heat fluxes (sublimation) (always >=0, upward flux)
717         IF( .NOT. lk_cpl) qla_ice_1d (ji) = MAX( 0._wp, qla_ice_1d (ji) + dqla_ice_1d(ji) * ( t_su_b(ji) - ztsuold(ji) ) )
718         !                                ! surface ice conduction flux
719         isnow(ji)       = NINT(  1._wp - MAX( 0._wp, SIGN( 1._wp, -ht_s_b(ji) ) )  )
720         fc_su(ji)       =  -     REAL( isnow(ji) ) * zkappa_s(ji,0) * zg1s * (t_s_b(ji,1) - t_su_b(ji))   &
721            &               - REAL( 1 - isnow(ji) ) * zkappa_i(ji,0) * zg1  * (t_i_b(ji,1) - t_su_b(ji))
722         !                                ! bottom ice conduction flux
723         fc_bo_i(ji)     =  - zkappa_i(ji,nlay_i) * ( zg1*(t_bo_b(ji) - t_i_b(ji,nlay_i)) )
724      END DO
725
726      !-----------------------------------------
727      ! Heat flux used to warm/cool ice in W.m-2
728      !-----------------------------------------
729      DO ji = kideb, kiut
730         IF( t_su_b(ji) < rtt ) THEN  ! case T_su < 0degC
731            hfx_dif_1d(ji) = hfx_dif_1d(ji)  +   &
732               &            ( qns_ice_1d(ji) + qsr_ice_1d(ji) - zradtr_i(ji,nlay_i) - fc_bo_i(ji) ) * a_i_b(ji)
733         ELSE                         ! case T_su = 0degC
734            hfx_dif_1d(ji) = hfx_dif_1d(ji) +    &
735               &             ( fc_su(ji) + i0(ji) * qsr_ice_1d(ji) - zradtr_i(ji,nlay_i) - fc_bo_i(ji) ) * a_i_b(ji)
736         ENDIF
737      END DO
738
739      ! --- computes sea ice energy of melting compulsory for limthd_dh --- !
740      CALL lim_thd_enmelt( kideb, kiut )
741
742      ! --- diag error on heat diffusion - PART 2 --- !
743      DO ji = kideb, kiut
744         zdq(ji)        = - zq_ini(ji) + ( SUM( q_i_b(ji,1:nlay_i) ) * ht_i_b(ji) / REAL( nlay_i ) +  &
745            &                              SUM( q_s_b(ji,1:nlay_s) ) * ht_s_b(ji) / REAL( nlay_s ) )
746         zhfx_err    = ( fc_su(ji) + i0(ji) * qsr_ice_1d(ji) - zradtr_i(ji,nlay_i) - fc_bo_i(ji) + zdq(ji) * r1_rdtice ) 
747         hfx_err_1d(ji) = hfx_err_1d(ji) + zhfx_err * a_i_b(ji)
748         ! --- correction of qns_ice and surface conduction flux --- !
749         qns_ice_1d(ji) = qns_ice_1d(ji) - zhfx_err 
750         fc_su     (ji) = fc_su     (ji) - zhfx_err 
751         ! --- Heat flux at the ice surface in W.m-2 --- !
752         ii = MOD( npb(ji) - 1, jpi ) + 1 ; ij = ( npb(ji) - 1 ) / jpi + 1
753         hfx_in (ii,ij) = hfx_in (ii,ij) + a_i_b(ji) * ( qsr_ice_1d(ji) + qns_ice_1d(ji) )
754      END DO
755   
756      !
757      CALL wrk_dealloc( jpij, numeqmin, numeqmax, isnow )
758      CALL wrk_dealloc( jpij, ztfs, ztsuold, ztsuoldit, zh_i, zh_s, zfsw )
759      CALL wrk_dealloc( jpij, zf, dzf, zerrit, zdifcase, zftrice, zihic, zhsu )
760      CALL wrk_dealloc( jpij, nlay_i+1, ztcond_i, zradtr_i, zradab_i, zkappa_i,   &
761         &              ztiold, zeta_i, ztitemp, z_i, zspeche_i, kjstart = 0 )
762      CALL wrk_dealloc( jpij, nlay_s+1,           zradtr_s, zradab_s, zkappa_s, ztsold, zeta_s, ztstemp, z_s, kjstart = 0 )
763      CALL wrk_dealloc( jpij, jkmax+2, zindterm, zindtbis, zdiagbis )
764      CALL wrk_dealloc( jpij, jkmax+2, 3, ztrid )
765      CALL wrk_dealloc( jpij, zdq, zq_ini )
766
767   END SUBROUTINE lim_thd_dif
768
769   SUBROUTINE lim_thd_enmelt( kideb, kiut )
770      !!-----------------------------------------------------------------------
771      !!                   ***  ROUTINE lim_thd_enmelt ***
772      !!                 
773      !! ** Purpose :   Computes sea ice energy of melting q_i (J.m-3) from temperature
774      !!
775      !! ** Method  :   Formula (Bitz and Lipscomb, 1999)
776      !!-------------------------------------------------------------------
777      INTEGER, INTENT(in) ::   kideb, kiut   ! bounds for the spatial loop
778      !
779      INTEGER  ::   ji, jk   ! dummy loop indices
780      REAL(wp) ::   ztmelts, zindb  ! local scalar
781      !!-------------------------------------------------------------------
782      !
783      DO jk = 1, nlay_i             ! Sea ice energy of melting
784         DO ji = kideb, kiut
785            ztmelts      = - tmut  * s_i_b(ji,jk) + rtt 
786            zindb        = MAX( 0._wp , SIGN( 1._wp , -(t_i_b(ji,jk) - rtt) - epsi10 ) )
787            q_i_b(ji,jk) = rhoic * ( cpic * ( ztmelts - t_i_b(ji,jk) )                                             &
788               &                   + lfus * ( 1.0 - zindb * ( ztmelts-rtt ) / MIN( t_i_b(ji,jk)-rtt, -epsi10 ) )   &
789               &                   - rcp  *                 ( ztmelts-rtt )  ) 
790         END DO
791      END DO
792      DO jk = 1, nlay_s             ! Snow energy of melting
793         DO ji = kideb, kiut
794            q_s_b(ji,jk) = rhosn * ( cpic * ( rtt - t_s_b(ji,jk) ) + lfus )
795         END DO
796      END DO
797      !
798   END SUBROUTINE lim_thd_enmelt
799
800#else
801   !!----------------------------------------------------------------------
802   !!                   Dummy Module                 No LIM-3 sea-ice model
803   !!----------------------------------------------------------------------
804CONTAINS
805   SUBROUTINE lim_thd_dif          ! Empty routine
806   END SUBROUTINE lim_thd_dif
807#endif
808   !!======================================================================
809END MODULE limthd_dif
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.