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.
icethd_pnd.F90 in NEMO/branches/2020/SI3_martin_ponds/src/ICE – NEMO

source: NEMO/branches/2020/SI3_martin_ponds/src/ICE/icethd_pnd.F90 @ 13931

Last change on this file since 13931 was 13931, checked in by vancop, 4 years ago

possible repro issue

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 66.0 KB
Line 
1MODULE icethd_pnd 
2   !!======================================================================
3   !!                     ***  MODULE  icethd_pnd   ***
4   !!   sea-ice: Melt ponds on top of sea ice
5   !!======================================================================
6   !! history :       !  2012     (O. Lecomte)       Adaptation from Flocco and Turner
7   !!                 !  2017     (M. Vancoppenolle, O. Lecomte, C. Rousset) Implementation
8   !!            4.0  !  2018     (many people)      SI3 [aka Sea Ice cube]
9   !!----------------------------------------------------------------------
10#if defined key_si3
11   !!----------------------------------------------------------------------
12   !!   'key_si3' :                                     SI3 sea-ice model
13   !!----------------------------------------------------------------------
14   !!   ice_thd_pnd_init : some initialization and namelist read
15   !!   ice_thd_pnd      : main calling routine
16   !!----------------------------------------------------------------------
17   USE phycst         ! physical constants
18   USE dom_oce        ! ocean space and time domain
19   USE ice            ! sea-ice: variables
20   USE ice1D          ! sea-ice: thermodynamics variables
21   USE icetab         ! sea-ice: 1D <==> 2D transformation
22   USE sbc_ice        ! surface energy budget
23   !
24   USE in_out_manager ! I/O manager
25   USE iom            ! I/O manager library
26   USE lib_mpp        ! MPP library
27   USE lib_fortran    ! fortran utilities (glob_sum + no signed zero)
28   USE timing         ! Timing
29
30   IMPLICIT NONE
31   PRIVATE
32
33   PUBLIC   ice_thd_pnd_init    ! routine called by icestp.F90
34   PUBLIC   ice_thd_pnd         ! routine called by icestp.F90
35
36   INTEGER ::              nice_pnd    ! choice of the type of pond scheme
37   !                                   ! associated indices:
38   INTEGER, PARAMETER ::   np_pndNO  = 0   ! No pond scheme
39   INTEGER, PARAMETER ::   np_pndCST = 1   ! Constant ice pond scheme
40   INTEGER, PARAMETER ::   np_pndLEV = 2   ! Level ice pond scheme
41   INTEGER, PARAMETER ::   np_pndTOPO = 3   ! Level ice pond scheme
42
43   REAL(wp), PARAMETER :: &   ! shared parameters for topographic melt ponds
44      zhi_min = 0.1_wp        , & ! minimum ice thickness with ponds (m)
45      zTd     = 0.15_wp       , & ! temperature difference for freeze-up (C)
46      zvp_min = 1.e-4_wp          ! minimum pond volume (m)
47
48   !--------------------------------------------------------------------------
49   !
50   ! Pond volume per area budget diags
51   
52   ! The idea of diags is the volume of ponds per grid cell area is
53   !
54   ! dV/dt = mlt + drn + lid + rnf
55   ! mlt   = input from surface melting
56   ! drn   = drainage through brine network
57   ! lid   = lid growth & melt
58   ! rnf   = runoff (water directly removed out of surface melting + overflow)
59   !
60   ! In topo mode, the pond water lost because it is in the snow is not included in the budget
61   !
62   ! In level mode, all terms are incorporated
63
64   REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:) :: & ! pond volume budget diagnostics
65      diag_dvpn_mlt,  &     !! meltwater pond volume input      [m/day]
66      diag_dvpn_drn,  &     !! pond volume lost by drainage     [m/day]
67      diag_dvpn_lid,  &     !! exchange with lid / refreezing   [m/day]
68      diag_dvpn_rnf         !! meltwater pond lost to runoff    [m/day]
69     
70   REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:) ::   & ! pond volume budget diagnostics (1d)
71      diag_dvpn_mlt_1d,  &  !! meltwater pond volume input      [m/day]
72      diag_dvpn_drn_1d,  &  !! pond volume lost by drainage     [m/day]
73      diag_dvpn_lid_1d,  &  !! exchange with lid / refreezing   [m/day]
74      diag_dvpn_rnf_1d      !! meltwater pond lost to runoff    [m/day]
75
76   !! * Substitutions
77#  include "do_loop_substitute.h90"
78   !!----------------------------------------------------------------------
79   !! NEMO/ICE 4.0 , NEMO Consortium (2018)
80   !! $Id$
81   !! Software governed by the CeCILL license (see ./LICENSE)
82   !!----------------------------------------------------------------------
83CONTAINS
84
85   SUBROUTINE ice_thd_pnd
86
87      !!-------------------------------------------------------------------
88      !!               ***  ROUTINE ice_thd_pnd   ***
89      !!               
90      !! ** Purpose :   change melt pond fraction and thickness
91      !!
92      !! Note: Melt ponds affect only radiative transfer for now
93      !!
94      !!       No heat, no salt.
95      !!       The melt water they carry is collected but
96      !!       not removed from fw budget or released to the ocean
97      !!
98      !!       A wfx_pnd has been coded for diagnostic purposes
99      !!       It is not fully consistent yet.
100      !!
101      !!       The current diagnostic lacks a contribution from drainage
102      !!
103      !!-------------------------------------------------------------------
104      !!
105     
106      ALLOCATE( diag_dvpn_mlt(jpi,jpj), diag_dvpn_lid(jpi,jpj), diag_dvpn_drn(jpi,jpj), diag_dvpn_rnf(jpi,jpj) )
107      ALLOCATE( diag_dvpn_mlt_1d(jpij), diag_dvpn_lid_1d(jpij), diag_dvpn_drn_1d(jpij), diag_dvpn_rnf_1d(jpij) )
108
109      diag_dvpn_mlt(:,:) = 0._wp    ;   diag_dvpn_drn(:,:)  = 0._wp
110      diag_dvpn_lid(:,:) = 0._wp    ;   diag_dvpn_rnf(:,:)  = 0._wp
111      diag_dvpn_mlt_1d(:) = 0._wp   ;   diag_dvpn_drn_1d(:) = 0._wp
112      diag_dvpn_lid_1d(:) = 0._wp   ;   diag_dvpn_rnf_1d(:) = 0._wp
113
114      SELECT CASE ( nice_pnd )
115      !
116      CASE (np_pndCST)   ;   CALL pnd_CST                              !==  Constant melt ponds  ==!
117         !
118      CASE (np_pndLEV)   ;   CALL pnd_LEV                              !==  Level ice melt ponds  ==!
119         !
120      CASE (np_pndTOPO)  ;   CALL pnd_TOPO                             !==  Topographic melt ponds  ==!
121         !
122      END SELECT
123      !
124
125      IF( iom_use('dvpn_mlt'  ) )   CALL iom_put( 'dvpn_mlt', diag_dvpn_mlt * 100._wp * 86400._wp ) ! input from melting
126      IF( iom_use('dvpn_lid'  ) )   CALL iom_put( 'dvpn_lid', diag_dvpn_lid * 100._wp * 86400._wp ) ! exchanges with lid
127      IF( iom_use('dvpn_drn'  ) )   CALL iom_put( 'dvpn_drn', diag_dvpn_drn * 100._wp * 86400._wp ) ! vertical drainage
128      IF( iom_use('dvpn_rnf'  ) )   CALL iom_put( 'dvpn_rnf', diag_dvpn_rnf * 100._wp * 86400._wp ) ! runoff + overflow
129
130      DEALLOCATE( diag_dvpn_mlt, diag_dvpn_lid, diag_dvpn_drn, diag_dvpn_rnf )
131      DEALLOCATE( diag_dvpn_mlt_1d, diag_dvpn_lid_1d, diag_dvpn_drn_1d, diag_dvpn_rnf_1d )
132     
133   END SUBROUTINE ice_thd_pnd 
134
135
136
137   SUBROUTINE pnd_CST 
138      !!-------------------------------------------------------------------
139      !!                ***  ROUTINE pnd_CST  ***
140      !!
141      !! ** Purpose :   Compute melt pond evolution
142      !!
143      !! ** Method  :   Melt pond fraction and thickness are prescribed
144      !!                to non-zero values when t_su = 0C
145      !!
146      !! ** Tunable parameters : pond fraction (rn_apnd), pond depth (rn_hpnd)
147      !!               
148      !! ** Note   : Coupling with such melt ponds is only radiative
149      !!             Advection, ridging, rafting... are bypassed
150      !!
151      !! ** References : Bush, G.W., and Trump, D.J. (2017)
152      !!-------------------------------------------------------------------
153      INTEGER  ::   ji        ! loop indices
154      !!-------------------------------------------------------------------
155      DO ji = 1, npti
156         !
157         IF( a_i_1d(ji) > 0._wp .AND. t_su_1d(ji) >= rt0 ) THEN
158            h_ip_1d(ji)      = rn_hpnd   
159            a_ip_1d(ji)      = rn_apnd * a_i_1d(ji)
160            h_il_1d(ji)      = 0._wp    ! no pond lids whatsoever
161         ELSE
162            h_ip_1d(ji)      = 0._wp   
163            a_ip_1d(ji)      = 0._wp
164            h_il_1d(ji)      = 0._wp
165         ENDIF
166         !
167      END DO
168      !
169   END SUBROUTINE pnd_CST
170
171
172   SUBROUTINE pnd_LEV
173      !!-------------------------------------------------------------------
174      !!                ***  ROUTINE pnd_LEV  ***
175      !!
176      !! ** Purpose : Compute melt pond evolution
177      !!
178      !! ** Method  : A fraction of meltwater is accumulated in ponds and sent to ocean when surface is freezing
179      !!              We  work with volumes and then redistribute changes into thickness and concentration
180      !!              assuming linear relationship between the two.
181      !!
182      !! ** Action  : - pond growth:      Vp = Vp + dVmelt                                          --- from Holland et al 2012 ---
183      !!                                     dVmelt = (1-r)/rhow * ( rhoi*dh_i + rhos*dh_s ) * a_i
184      !!                                        dh_i  = meltwater from ice surface melt
185      !!                                        dh_s  = meltwater from snow melt
186      !!                                        (1-r) = fraction of melt water that is not flushed
187      !!
188      !!              - limtations:       a_ip must not exceed (1-r)*a_i
189      !!                                  h_ip must not exceed 0.5*h_i
190      !!
191      !!              - pond shrinking:
192      !!                       if lids:   Vp = Vp -dH * a_ip
193      !!                                     dH = lid thickness change. Retrieved from this eq.:    --- from Flocco et al 2010 ---
194      !!
195      !!                                                                   rhoi * Lf * dH/dt = ki * MAX(Tp-Tsu,0) / H
196      !!                                                                      H = lid thickness
197      !!                                                                      Lf = latent heat of fusion
198      !!                                                                      Tp = -2C
199      !!
200      !!                                                                And solved implicitely as:
201      !!                                                                   H(t+dt)**2 -H(t) * H(t+dt) -ki * (Tp-Tsu) * dt / (rhoi*Lf) = 0
202      !!
203      !!                    if no lids:   Vp = Vp * exp(0.01*MAX(Tp-Tsu,0)/Tp)                      --- from Holland et al 2012 ---
204      !!
205      !!              - Flushing:         w = -perm/visc * rho_oce * grav * Hp / Hi                 --- from Flocco et al 2007 ---
206      !!                                     perm = permability of sea-ice
207      !!                                     visc = water viscosity
208      !!                                     Hp   = height of top of the pond above sea-level
209      !!                                     Hi   = ice thickness thru which there is flushing
210      !!
211      !!              - Corrections:      remove melt ponds when lid thickness is 10 times the pond thickness
212      !!
213      !!              - pond thickness and area is retrieved from pond volume assuming a linear relationship between h_ip and a_ip:
214      !!                                  a_ip/a_i = a_ip_frac = h_ip / zaspect
215      !!
216      !! ** Tunable parameters : rn_apnd_max, rn_apnd_min, rn_pnd_flush
217      !!
218      !! ** Note       :   Mostly stolen from CICE but not only. These are between level-ice ponds and CESM ponds.
219      !!
220      !! ** References :   Holland et al (J. Clim, 2012), Hunke et al (OM 2012)
221      !!                   
222      !!-------------------------------------------------------------------
223     
224      REAL(wp), DIMENSION(nlay_i) ::   ztmp           ! temporary array
225      !!
226      REAL(wp), PARAMETER ::   zaspect =  0.8_wp      ! pond aspect ratio
227      REAL(wp), PARAMETER ::   zTp     = -2._wp       ! reference temperature
228      REAL(wp), PARAMETER ::   zvisc   =  1.79e-3_wp  ! water viscosity
229      !!
230      REAL(wp) ::   zfr_mlt, zdv_mlt                  ! fraction and volume of available meltwater retained for melt ponding
231      REAL(wp) ::   zdv_frz, zdv_flush                ! Amount of melt pond that freezes, flushes
232      REAL(wp) ::   zhp                               ! heigh of top of pond lid wrt ssh
233      REAL(wp) ::   zv_ip_max                         ! max pond volume allowed
234      REAL(wp) ::   zdT                               ! zTp-t_su
235      REAL(wp) ::   zsbr                              ! Brine salinity
236      REAL(wp) ::   zperm                             ! permeability of sea ice
237      REAL(wp) ::   zfac, zdum                        ! temporary arrays
238      REAL(wp) ::   z1_rhow, z1_aspect, z1_Tp         ! inverse
239      REAL(wp) ::   zvold                             !
240      !!
241      INTEGER  ::   ji, jj, jk, jl                    ! loop indices
242     
243      !!-------------------------------------------------------------------
244     
245      z1_rhow   = 1._wp / rhow 
246      z1_aspect = 1._wp / zaspect
247      z1_Tp     = 1._wp / zTp 
248     
249      !-----------------------------------------------------------------------------------------------
250      !  Identify grid cells with ice
251      !-----------------------------------------------------------------------------------------------
252      at_i(:,:) = SUM( a_i, dim=3 )
253      !
254      npti = 0   ;   nptidx(:) = 0
255      DO_2D( 1, 1, 1, 1 )
256         IF ( at_i(ji,jj) > epsi10 ) THEN
257            npti = npti + 1
258            nptidx( npti ) = (jj - 1) * jpi + ji
259         ENDIF
260      END_2D
261     
262      !-----------------------------------------------------------------------------------------------
263      ! Prepare 1D arrays
264      !-----------------------------------------------------------------------------------------------
265
266      IF( npti > 0 ) THEN
267     
268         CALL tab_2d_1d( npti, nptidx(1:npti), wfx_snw_sum_1d(1:npti), wfx_snw_sum      )
269         CALL tab_2d_1d( npti, nptidx(1:npti), wfx_sum_1d (1:npti)   , wfx_sum          )
270         CALL tab_2d_1d( npti, nptidx(1:npti), wfx_pnd_1d (1:npti)   , wfx_pnd          )
271
272         CALL tab_2d_1d( npti, nptidx(1:npti), at_i_1d (1:npti)      , at_i             )
273         
274         CALL tab_2d_1d( npti, nptidx(1:npti), diag_dvpn_mlt_1d (1:npti), diag_dvpn_mlt )
275         CALL tab_2d_1d( npti, nptidx(1:npti), diag_dvpn_drn_1d (1:npti), diag_dvpn_drn )
276         CALL tab_2d_1d( npti, nptidx(1:npti), diag_dvpn_lid_1d (1:npti), diag_dvpn_lid )
277         CALL tab_2d_1d( npti, nptidx(1:npti), diag_dvpn_rnf_1d (1:npti), diag_dvpn_rnf )
278     
279         DO jl = 1, jpl
280         
281            CALL tab_2d_1d( npti, nptidx(1:npti), a_i_1d      (1:npti), a_i      (:,:,jl) )
282            CALL tab_2d_1d( npti, nptidx(1:npti), h_i_1d      (1:npti), h_i      (:,:,jl) )
283            CALL tab_2d_1d( npti, nptidx(1:npti), t_su_1d     (1:npti), t_su     (:,:,jl) )
284            CALL tab_2d_1d( npti, nptidx(1:npti), a_ip_1d     (1:npti), a_ip     (:,:,jl) )
285            CALL tab_2d_1d( npti, nptidx(1:npti), h_ip_1d     (1:npti), h_ip     (:,:,jl) )
286            CALL tab_2d_1d( npti, nptidx(1:npti), h_il_1d     (1:npti), h_il     (:,:,jl) )
287
288            CALL tab_2d_1d( npti, nptidx(1:npti), dh_i_sum    (1:npti), dh_i_sum_2d     (:,:,jl) )
289            CALL tab_2d_1d( npti, nptidx(1:npti), dh_s_mlt    (1:npti), dh_s_mlt_2d     (:,:,jl) )
290           
291            DO jk = 1, nlay_i
292               CALL tab_2d_1d( npti, nptidx(1:npti), sz_i_1d(1:npti,jk), sz_i(:,:,jk,jl)  )
293            END DO
294           
295            !-----------------------------------------------------------------------------------------------
296            ! Go for ponds
297            !-----------------------------------------------------------------------------------------------
298
299            DO ji = 1, npti
300               !                                                            !----------------------------------------------------!
301               IF( h_i_1d(ji) < rn_himin .OR. a_i_1d(ji) < epsi10 ) THEN    ! Case ice thickness < rn_himin or tiny ice fraction !
302                  !                                                         !----------------------------------------------------!
303                  !--- Remove ponds on thin ice or tiny ice fractions
304                  a_ip_1d(ji)      = 0._wp
305                  h_ip_1d(ji)      = 0._wp
306                  h_il_1d(ji)      = 0._wp
307                  !                                                         !--------------------------------!
308               ELSE                                                         ! Case ice thickness >= rn_himin !
309                  !                                                         !--------------------------------!
310                  v_ip_1d(ji) = h_ip_1d(ji) * a_ip_1d(ji)   ! retrieve volume from thickness
311                  v_il_1d(ji) = h_il_1d(ji) * a_ip_1d(ji)
312                  !
313                  !------------------!
314                  ! case ice melting !
315                  !------------------!
316                  !
317                  !--- available meltwater for melt ponding ---!
318                  zdum    = -( dh_i_sum(ji)*rhoi + dh_s_mlt(ji)*rhos ) * z1_rhow * a_i_1d(ji)
319                  zfr_mlt = rn_apnd_min + ( rn_apnd_max - rn_apnd_min ) * at_i_1d(ji) !  = ( 1 - r ) = fraction of melt water that is not flushed
320                  zdv_mlt = MAX( 0._wp, zfr_mlt * zdum ) ! max for roundoff errors?
321                 
322                  diag_dvpn_mlt_1d(ji) = diag_dvpn_mlt_1d(ji) + zdum * r1_Dt_ice                      ! surface melt input diag
323                  diag_dvpn_rnf_1d(ji) = diag_dvpn_rnf_1d(ji) + ( 1. - zfr_mlt ) * zdum * r1_Dt_ice   ! runoff diag
324                  !
325                  !--- overflow ---!
326                  !
327                  ! 1) area driven overflow
328                  !
329                  ! If pond area exceeds zfr_mlt * a_i_1d(ji) then reduce the pond water volume
330                  !    a_ip_max = zfr_mlt * a_i
331                  !    => from zaspect = h_ip / (a_ip / a_i), set v_ip_max as:
332                  zv_ip_max = zfr_mlt**2 * a_i_1d(ji) * zaspect
333                  zvold     = zdv_mlt
334                  zdv_mlt   = MAX( 0._wp, MIN( zdv_mlt, zv_ip_max - v_ip_1d(ji) ) )                     
335                 
336                  !
337                  ! 2) depth driven overflow
338                  !
339                  ! If pond depth exceeds half the ice thickness then reduce the pond volume
340                  !    h_ip_max = 0.5 * h_i
341                  !    => from zaspect = h_ip / (a_ip / a_i), set v_ip_max as:
342                  zv_ip_max = z1_aspect * a_i_1d(ji) * 0.25 * h_i_1d(ji) * h_i_1d(ji) ! MV dimensions are wrong here or comment is unclear
343                  zdv_mlt = MAX( 0._wp, MIN( zdv_mlt, zv_ip_max - v_ip_1d(ji) ) )
344                  diag_dvpn_rnf_1d(ji) = diag_dvpn_rnf_1d(ji) + ( zdv_mlt - zvold ) * r1_Dt_ice       ! runoff diag - overflow contribution
345           
346                  !--- Pond growing ---!
347                  v_ip_1d(ji) = v_ip_1d(ji) + zdv_mlt
348                  !
349                  !--- Lid melting ---!
350                  IF( ln_pnd_lids )   v_il_1d(ji) = MAX( 0._wp, v_il_1d(ji) - zdv_mlt ) ! must be bounded by 0
351                  !
352                  !--- mass flux ---!
353                  ! MV I would recommend to remove that
354                  ! Since melt ponds carry no freshwater there is no point in modifying water fluxes
355                 
356                  IF( zdv_mlt > 0._wp ) THEN
357                     zfac = zdv_mlt * rhow * r1_Dt_ice                        ! melt pond mass flux < 0 [kg.m-2.s-1]
358                     wfx_pnd_1d(ji) = wfx_pnd_1d(ji) - zfac
359                     !
360                     zdum = zfac / ( wfx_snw_sum_1d(ji) + wfx_sum_1d(ji) )    ! adjust ice/snow melting flux > 0 to balance melt pond flux
361                     wfx_snw_sum_1d(ji) = wfx_snw_sum_1d(ji) * (1._wp + zdum)
362                     wfx_sum_1d(ji)     = wfx_sum_1d(ji)     * (1._wp + zdum)
363                  ENDIF
364
365                  !-------------------!
366                  ! case ice freezing ! i.e. t_su_1d(ji) < (zTp+rt0)
367                  !-------------------!
368                  !
369                  zdT = MAX( zTp+rt0 - t_su_1d(ji), 0._wp )
370                  !
371                  !--- Pond contraction (due to refreezing) ---!
372                  zvold       = v_ip_1d(ji) ! for diag
373
374                  IF( ln_pnd_lids ) THEN
375                     !
376                     !--- Lid growing and subsequent pond shrinking ---!
377                     zdv_frz = 0.5_wp * MAX( 0._wp, -v_il_1d(ji) + & ! Flocco 2010 (eq. 5) solved implicitly as aH**2 + bH + c = 0
378                        &                    SQRT( v_il_1d(ji)**2 + a_ip_1d(ji)**2 * 4._wp * rcnd_i * zdT * rDt_ice / (rLfus * rhow) ) ) ! max for roundoff errors
379               
380                     ! Lid growing
381                     v_il_1d(ji) = MAX( 0._wp, v_il_1d(ji) + zdv_frz )
382               
383                     ! Pond shrinking
384                     v_ip_1d(ji) = MAX( 0._wp, v_ip_1d(ji) - zdv_frz )
385                     
386                  ELSE
387                 
388                     ! Pond shrinking
389                     v_ip_1d(ji) = v_ip_1d(ji) * EXP( 0.01_wp * zdT * z1_Tp ) ! Holland 2012 (eq. 6)
390                     
391                  ENDIF
392
393                  diag_dvpn_lid_1d(ji) = diag_dvpn_lid_1d(ji) + ( v_ip_1d(ji) - zvold ) * r1_Dt_ice   ! shrinking counted as lid diagnostic
394
395                  !
396                  !--- Set new pond area and depth ---! assuming linear relation between h_ip and a_ip_frac
397                  ! v_ip     = h_ip * a_ip
398                  ! a_ip/a_i = a_ip_frac = h_ip / zaspect (cf Holland 2012, fitting SHEBA so that knowing v_ip we can distribute it to a_ip and h_ip)
399                  a_ip_1d(ji)      = MIN( a_i_1d(ji), SQRT( v_ip_1d(ji) * z1_aspect * a_i_1d(ji) ) ) ! make sure a_ip < a_i
400                  h_ip_1d(ji)      = zaspect * a_ip_1d(ji) / a_i_1d(ji)
401
402                  !------------------------------------------------!           
403                  ! Pond drainage through brine network (flushing) !
404                  !------------------------------------------------!
405                  ! height of top of the pond above sea-level
406                  zhp = ( h_i_1d(ji) * ( rho0 - rhoi ) + h_ip_1d(ji) * ( rho0 - rhow * a_ip_1d(ji) / a_i_1d(ji) ) ) * r1_rho0
407           
408                  ! Calculate the permeability of the ice
409                  ! mv- note here that a linear expression for permeability is fine,
410                  ! simpler and more consistent with the rest of SI3 code
411                  DO jk = 1, nlay_i
412                     ztmp(jk) = sz_i_1d(ji,jk) / zsbr
413                  END DO
414                  zperm = MAX( 0._wp, 3.e-08_wp * MINVAL(ztmp)**3 )
415           
416                  ! Do the drainage using Darcy's law
417                  zdv_flush   = - zperm * rho0 * grav * zhp * rDt_ice / (zvisc * h_i_1d(ji)) * a_ip_1d(ji) * rn_pnd_flush
418                  zdv_flush   = MAX( zdv_flush, -v_ip_1d(ji) )
419                  ! zdv_flush   = 0._wp ! MV remove pond drainage for now
420                  v_ip_1d(ji) = v_ip_1d(ji) + zdv_flush
421                 
422                  diag_dvpn_drn_1d(ji) = diag_dvpn_drn_1d(ji) + zdv_flush * r1_Dt_ice   ! shrinking counted as lid diagnostic
423           
424                  ! MV --- why pond drainage does not give back water into freshwater flux ?           
425                  !--- Set new pond area and depth ---! assuming linear relation between h_ip and a_ip_frac
426                  a_ip_1d(ji)      = MIN( a_i_1d(ji), SQRT( v_ip_1d(ji) * z1_aspect * a_i_1d(ji) ) ) ! make sure a_ip < a_i
427                  h_ip_1d(ji)      = zaspect * a_ip_1d(ji) / a_i_1d(ji)
428
429                  !--- Corrections and lid thickness ---!
430                  IF( ln_pnd_lids ) THEN
431                     !--- retrieve lid thickness from volume ---!
432                     IF( a_ip_1d(ji) > epsi10 ) THEN   ;   h_il_1d(ji) = v_il_1d(ji) / a_ip_1d(ji)
433                     ELSE                              ;   h_il_1d(ji) = 0._wp
434                     ENDIF
435                     !--- remove ponds if lids are much larger than ponds ---!
436                     IF ( h_il_1d(ji) > h_ip_1d(ji) * 10._wp ) THEN
437                        a_ip_1d(ji)      = 0._wp
438                        h_ip_1d(ji)      = 0._wp
439                        h_il_1d(ji)      = 0._wp
440                     ENDIF
441                  ENDIF
442                  !
443               ENDIF
444               
445            END DO ! ji
446
447            !-----------------------------------------------------------------------------------------------
448            ! Retrieve 2D arrays
449            !-----------------------------------------------------------------------------------------------
450           
451            v_ip_1d(1:npti) = h_ip_1d(1:npti) * a_ip_1d(1:npti)
452            v_il_1d(1:npti) = h_il_1d(1:npti) * a_ip_1d(1:npti)
453           
454            CALL tab_1d_2d( npti, nptidx(1:npti), a_ip_1d     (1:npti), a_ip     (:,:,jl) )
455            CALL tab_1d_2d( npti, nptidx(1:npti), h_ip_1d     (1:npti), h_ip     (:,:,jl) )
456            CALL tab_1d_2d( npti, nptidx(1:npti), h_il_1d     (1:npti), h_il     (:,:,jl) )
457            CALL tab_1d_2d( npti, nptidx(1:npti), v_ip_1d     (1:npti), v_ip     (:,:,jl) )
458            CALL tab_1d_2d( npti, nptidx(1:npti), v_il_1d     (1:npti), v_il     (:,:,jl) )
459   
460         END DO ! ji
461                 
462         CALL tab_1d_2d( npti, nptidx(1:npti), wfx_snw_sum_1d(1:npti), wfx_snw_sum )
463         CALL tab_1d_2d( npti, nptidx(1:npti), wfx_sum_1d (1:npti), wfx_sum        )
464         CALL tab_1d_2d( npti, nptidx(1:npti), wfx_pnd_1d (1:npti), wfx_pnd        )
465         
466         CALL tab_1d_2d( npti, nptidx(1:npti), diag_dvpn_mlt_1d (1:npti), diag_dvpn_mlt        )
467         CALL tab_1d_2d( npti, nptidx(1:npti), diag_dvpn_drn_1d (1:npti), diag_dvpn_drn        )
468         CALL tab_1d_2d( npti, nptidx(1:npti), diag_dvpn_lid_1d (1:npti), diag_dvpn_lid        )
469         CALL tab_1d_2d( npti, nptidx(1:npti), diag_dvpn_rnf_1d (1:npti), diag_dvpn_rnf        )                 
470                           
471      !
472      ENDIF
473     
474   END SUBROUTINE pnd_LEV
475
476
477
478   SUBROUTINE pnd_TOPO   
479                                         
480      !!-------------------------------------------------------------------
481      !!                ***  ROUTINE pnd_TOPO  ***
482      !!
483      !! ** Purpose :   Compute melt pond evolution based on the ice
484      !!                topography inferred from the ice thickness distribution
485      !!
486      !! ** Method  :   This code is initially based on Flocco and Feltham
487      !!                (2007) and Flocco et al. (2010).
488      !!
489      !!                - Calculate available pond water base on surface meltwater
490      !!                - Redistribute water as a function of topography, drain water
491      !!                - Exchange water with the lid
492      !!
493      !! ** Tunable parameters :
494      !!
495      !! ** Note :
496      !!
497      !! ** References
498      !!
499      !!    Flocco, D. and D. L. Feltham, 2007.  A continuum model of melt pond
500      !!    evolution on Arctic sea ice.  J. Geophys. Res. 112, C08016, doi:
501      !!    10.1029/2006JC003836.
502      !!
503      !!    Flocco, D., D. L. Feltham and A. K. Turner, 2010.  Incorporation of
504      !!    a physically based melt pond scheme into the sea ice component of a
505      !!    climate model.  J. Geophys. Res. 115, C08012,
506      !!    doi: 10.1029/2009JC005568.
507      !!
508      !!-------------------------------------------------------------------
509
510      ! local variables
511      REAL(wp) :: &
512         zdHui,   &      ! change in thickness of ice lid (m)
513         zomega,  &      ! conduction
514         zdTice,  &      ! temperature difference across ice lid (C)
515         zdvice,  &      ! change in ice volume (m)
516         zTavg,   &      ! mean surface temperature across categories (C)
517         zfsurf,  &      ! net heat flux, excluding conduction and transmitted radiation (W/m2)
518         zTp,     &      ! pond freezing temperature (C)
519         zrhoi_L, &      ! volumetric latent heat of sea ice (J/m^3)
520         zfr_mlt, &      ! fraction and volume of available meltwater retained for melt ponding
521         z1_rhow, &      ! inverse water density
522         zv_pnd  , &     ! volume of meltwater contributing to ponds
523         zv_mlt          ! total amount of meltwater produced
524
525      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   zvolp, &     !! total melt pond water available before redistribution and drainage
526                                        zvolp_res    !! remaining melt pond water available after drainage
527                                       
528      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj,jpl) ::   z1_a_i
529
530      INTEGER  ::   ji, jj, jk, jl                    ! loop indices
531
532      INTEGER  ::   i_test
533
534      ! Note
535      ! equivalent for CICE translation
536      ! a_ip      -> apond
537      ! a_ip_frac -> apnd
538     
539      !---------------------------------------------------------------
540      ! Initialise
541      !---------------------------------------------------------------
542
543      ! Parameters & constants (move to parameters)
544      zrhoi_L   = rhoi * rLfus      ! volumetric latent heat (J/m^3)
545      zTp       = rt0 - 0.15_wp          ! pond freezing point, slightly below 0C (ponds are bid saline)
546      z1_rhow   = 1._wp / rhow 
547
548      ! Set required ice variables (hard-coded here for now)
549!      zfpond(:,:) = 0._wp          ! contributing freshwater flux (?)
550     
551      at_i (:,:) = SUM( a_i (:,:,:), dim=3 ) ! ice fraction
552      vt_i (:,:) = SUM( v_i (:,:,:), dim=3 ) ! volume per grid area
553      vt_ip(:,:) = SUM( v_ip(:,:,:), dim=3 ) ! pond volume per grid area
554      vt_il(:,:) = SUM( v_il(:,:,:), dim=3 ) ! lid volume per grid area
555     
556      ! thickness
557      WHERE( a_i(:,:,:) > epsi20 )   ;   z1_a_i(:,:,:) = 1._wp / a_i(:,:,:)
558      ELSEWHERE                      ;   z1_a_i(:,:,:) = 0._wp
559      END WHERE
560      h_i(:,:,:) = v_i (:,:,:) * z1_a_i(:,:,:)
561     
562      !---------------------------------------------------------------
563      ! Change 2D to 1D
564      !---------------------------------------------------------------
565      ! MV
566      ! a less computing-intensive version would have 2D-1D passage here
567      ! use what we have in iceitd.F90 (incremental remapping)
568
569      !--------------------------------------------------------------
570      ! Collect total available pond water volume
571      !--------------------------------------------------------------
572      ! Assuming that meltwater (+rain in principle) runsoff the surface
573      ! Holland et al (2012) suggest that the fraction of runoff decreases with total ice fraction
574      ! I cite her words, they are very talkative
575      ! "grid cells with very little ice cover (and hence more open water area)
576      ! have a higher runoff fraction to rep- resent the greater proximity of ice to open water."
577      ! "This results in the same runoff fraction r for each ice category within a grid cell"
578     
579      zvolp(:,:) = 0._wp
580
581      DO jl = 1, jpl
582         DO_2D( 1, 1, 1, 1 )
583                 
584               IF ( a_i(ji,jj,jl) > epsi10 ) THEN
585           
586                  !--- Available and contributing meltwater for melt ponding ---!
587                  zv_mlt  = - ( dh_i_sum_2d(ji,jj,jl) * rhoi + dh_s_mlt_2d(ji,jj,jl) * rhos ) &        ! available volume of surface melt water per grid area
588                     &    * z1_rhow * a_i(ji,jj,jl)
589                      ! MV -> could move this directly in ice_thd_dh and get an array (ji,jj,jl) for surface melt water volume per grid area
590                  zfr_mlt = rn_apnd_min + ( rn_apnd_max - rn_apnd_min ) * at_i(ji,jj)                  ! fraction of surface meltwater going to ponds
591                  zv_pnd  = zfr_mlt * zv_mlt                                                           ! contributing meltwater volume for category jl
592
593                  diag_dvpn_mlt(ji,jj) = diag_dvpn_mlt(ji,jj) + zv_mlt * r1_Dt_ice                     ! diags
594                  diag_dvpn_rnf(ji,jj) = diag_dvpn_rnf(ji,jj) + ( 1. - zfr_mlt ) * zv_mlt * r1_Dt_ice   
595
596                  !--- Create possible new ponds
597                  ! if pond does not exist, create new pond over full ice area
598                  !IF ( a_ip_frac(ji,jj,jl) < epsi10 ) THEN
599                  IF ( a_ip(ji,jj,jl) < epsi10 ) THEN
600                     a_ip(ji,jj,jl)       = a_i(ji,jj,jl)
601                     a_ip_frac(ji,jj,jl)  = 1.0_wp    ! pond fraction of sea ice (apnd for CICE)
602                  ENDIF
603                 
604                  !--- Deepen existing ponds with no change in pond fraction, before redistribution and drainage
605                  v_ip(ji,jj,jl) = v_ip(ji,jj,jl) +  zv_pnd                                            ! use pond water to increase thickness
606                  h_ip(ji,jj,jl) = v_ip(ji,jj,jl) / a_ip(ji,jj,jl)
607                 
608                  !--- Total available pond water volume (pre-existing + newly produced)j
609                  zvolp(ji,jj)   = zvolp(ji,jj)   + v_ip(ji,jj,jl) 
610!                 zfpond(ji,jj) = zfpond(ji,jj) + zpond * a_ip_frac(ji,jj,jl) ! useless for now
611                   
612               ENDIF ! a_i
613
614         END_2D
615      END DO ! ji
616                 
617      !--------------------------------------------------------------
618      ! Redistribute and drain water from ponds
619      !--------------------------------------------------------------   
620      CALL ice_thd_pnd_area( zvolp, zvolp_res )
621                                   
622      !--------------------------------------------------------------
623      ! Melt pond lid growth and melt
624      !--------------------------------------------------------------   
625     
626      IF( ln_pnd_lids ) THEN
627
628         DO_2D( 1, 1, 1, 1 )
629
630            IF ( at_i(ji,jj) > 0.01 .AND. hm_i(ji,jj) > zhi_min .AND. vt_ip(ji,jj) > zvp_min * at_i(ji,jj) ) THEN
631                 
632               !--------------------------
633               ! Pond lid growth and melt
634               !--------------------------
635               ! Mean surface temperature
636               zTavg = 0._wp
637               DO jl = 1, jpl
638                  zTavg = zTavg + t_su(ji,jj,jl)*a_i(ji,jj,jl)
639               END DO
640               zTavg = zTavg / a_i(ji,jj,jl) !!! could get a division by zero here
641         
642               DO jl = 1, jpl-1
643           
644                  IF ( v_il(ji,jj,jl) > epsi10 ) THEN
645               
646                     !----------------------------------------------------------------
647                     ! Lid melting: floating upper ice layer melts in whole or part
648                     !----------------------------------------------------------------
649                     ! Use Tsfc for each category
650                     IF ( t_su(ji,jj,jl) > zTp ) THEN
651
652                        zdvice = MIN( dh_i_sum_2d(ji,jj,jl)*a_ip(ji,jj,jl), v_il(ji,jj,jl) )
653                       
654                        IF ( zdvice > epsi10 ) THEN
655                       
656                           v_il (ji,jj,jl) = v_il (ji,jj,jl)   - zdvice
657                           v_ip(ji,jj,jl)  = v_ip(ji,jj,jl)    + zdvice ! MV: not sure i understand dh_i_sum seems counted twice -
658                                                                        ! as it is already counted in surface melt
659!                          zvolp(ji,jj)     = zvolp(ji,jj)     + zdvice ! pointless to calculate total volume (done in icevar)
660!                          zfpond(ji,jj)    = fpond(ji,jj)     + zdvice ! pointless to follow fw budget (ponds have no fw)
661                     
662                           IF ( v_il(ji,jj,jl) < epsi10 .AND. v_ip(ji,jj,jl) > epsi10) THEN
663                           ! ice lid melted and category is pond covered
664                              v_ip(ji,jj,jl)  = v_ip(ji,jj,jl)  + v_il(ji,jj,jl) 
665!                             zfpond(ji,jj)    = zfpond (ji,jj)    + v_il(ji,jj,jl)
666                              v_il(ji,jj,jl)   = 0._wp
667                           ENDIF
668                           h_ip(ji,jj,jl) = v_ip(ji,jj,jl) / a_ip(ji,jj,jl) !!! could get a division by zero here
669                           
670                           diag_dvpn_lid(ji,jj) = diag_dvpn_lid(ji,jj) + zdvice   ! diag
671                           
672                        ENDIF
673                       
674                     !----------------------------------------------------------------
675                     ! Freeze pre-existing lid
676                     !----------------------------------------------------------------
677
678                     ELSE IF ( v_ip(ji,jj,jl) > epsi10 ) THEN ! Tsfcn(i,j,n) <= Tp
679
680                        ! differential growth of base of surface floating ice layer
681                        zdTice = MAX( - t_su(ji,jj,jl) - zTd , 0._wp ) ! > 0   
682                        zomega = rcnd_i * zdTice / zrhoi_L
683                        zdHui  = SQRT( 2._wp * zomega * rDt_ice + ( v_il(ji,jj,jl) / a_i(ji,jj,jl) )**2 ) &
684                               - v_il(ji,jj,jl) / a_i(ji,jj,jl)
685                        zdvice = min( zdHui*a_ip(ji,jj,jl) , v_ip(ji,jj,jl) )
686                 
687                        IF ( zdvice > epsi10 ) THEN
688                           v_il (ji,jj,jl)  = v_il(ji,jj,jl)   + zdvice
689                           v_ip(ji,jj,jl)   = v_ip(ji,jj,jl)   - zdvice
690!                          zvolp(ji,jj)    = zvolp(ji,jj)     - zdvice
691!                          zfpond(ji,jj)   = zfpond(ji,jj)    - zdvice
692                           h_ip(ji,jj,jl)   = v_ip(ji,jj,jl) / a_ip(ji,jj,jl)
693                           
694                           diag_dvpn_lid(ji,jj) = diag_dvpn_lid(ji,jj) - zdvice    ! diag
695                           
696                        ENDIF
697                 
698                     ENDIF ! Tsfcn(i,j,n)
699
700                  !----------------------------------------------------------------
701                  ! Freeze new lids
702                  !----------------------------------------------------------------
703                  !  upper ice layer begins to form
704                  ! note: albedo does not change
705
706                  ELSE ! v_il < epsi10
707                   
708                     ! thickness of newly formed ice
709                     ! the surface temperature of a meltpond is the same as that
710                     ! of the ice underneath (0C), and the thermodynamic surface
711                     ! flux is the same
712                     
713                     !!! we need net surface energy flux, excluding conduction
714                     !!! fsurf is summed over categories in CICE
715                     !!! we have the category-dependent flux, let us use it ?
716                     zfsurf = qns_ice(ji,jj,jl) + qsr_ice(ji,jj,jl)                     
717                     zdHui  = MAX ( -zfsurf * rDt_ice/zrhoi_L , 0._wp )
718                     zdvice = MIN ( zdHui * a_ip(ji,jj,jl) , v_ip(ji,jj,jl) )
719                     IF ( zdvice > epsi10 ) THEN
720                        v_il (ji,jj,jl)  = v_il(ji,jj,jl)   + zdvice
721                        v_ip(ji,jj,jl)   = v_ip(ji,jj,jl)   - zdvice
722                       
723                        diag_dvpn_lid(ji,jj) = diag_dvpn_lid(ji,jj) - zdvice      ! diag
724!                       zvolp(ji,jj)     = zvolp(ji,jj)     - zdvice
725!                       zfpond(ji,jj)    = zfpond(ji,jj)    - zdvice
726                        h_ip(ji,jj,jl)   = v_ip(ji,jj,jl) / a_ip(ji,jj,jl) ! MV - in principle, this is useless as h_ip is computed in icevar
727                     ENDIF
728               
729                  ENDIF  ! v_il
730           
731               END DO ! jl
732
733            ELSE  ! remove ponds on thin ice
734
735               v_ip(ji,jj,:) = 0._wp
736               v_il(ji,jj,:) = 0._wp
737!              zfpond(ji,jj) = zfpond(ji,jj)- zvolp(ji,jj)
738!                 zvolp(ji,jj)    = 0._wp         
739
740            ENDIF
741
742         END_2D
743
744      ENDIF ! ln_pnd_lids
745
746      !---------------------------------------------------------------
747      ! Clean-up variables (probably duplicates what icevar would do)
748      !---------------------------------------------------------------
749      ! MV comment
750      ! In the ideal world, the lines above should update only v_ip, a_ip, v_il
751      ! icevar should recompute all other variables (if needed at all)
752
753      DO jl = 1, jpl
754
755         DO_2D( 1, 1, 1, 1 )
756
757!              ! zap lids on small ponds
758!              IF ( a_i(ji,jj,jl) > epsi10 .AND. v_ip(ji,jj,jl) < epsi10 &
759!                                          .AND. v_il(ji,jj,jl) > epsi10) THEN
760!                 v_il(ji,jj,jl) = 0._wp ! probably uselesss now since we get zap_small
761!              ENDIF
762     
763               ! recalculate equivalent pond variables
764               IF ( a_ip(ji,jj,jl) > epsi10) THEN
765                  h_ip(ji,jj,jl)      = v_ip(ji,jj,jl) / a_i(ji,jj,jl)
766                  a_ip_frac(ji,jj,jl) = a_ip(ji,jj,jl) / a_i(ji,jj,jl) ! MV in principle, useless as computed in icevar
767                  h_il(ji,jj,jl) = v_il(ji,jj,jl) / a_ip(ji,jj,jl) ! MV in principle, useless as computed in icevar
768               ENDIF
769!                 h_ip(ji,jj,jl)      = 0._wp ! MV in principle, useless as computed in icevar
770!                 h_il(ji,jj,jl)      = 0._wp ! MV in principle, useless as omputed in icevar
771!              ENDIF
772               
773         END_2D
774
775      END DO   ! jl
776
777   END SUBROUTINE pnd_TOPO
778
779   
780   SUBROUTINE ice_thd_pnd_area( zvolp , zdvolp )
781
782       !!-------------------------------------------------------------------
783       !!                ***  ROUTINE ice_thd_pnd_area ***
784       !!
785       !! ** Purpose : Given the total volume of available pond water,
786       !!              redistribute and drain water
787       !!
788       !! ** Method
789       !!
790       !-----------|
791       !           |
792       !           |-----------|
793       !___________|___________|______________________________________sea-level
794       !           |           |
795       !           |           |---^--------|
796       !           |           |   |        |
797       !           |           |   |        |-----------|              |-------
798       !           |           |   | alfan  |           |              |
799       !           |           |   |        |           |--------------|
800       !           |           |   |        |           |              |
801       !---------------------------v-------------------------------------------
802       !           |           |   ^        |           |              |
803       !           |           |   |        |           |--------------|
804       !           |           |   | betan  |           |              |
805       !           |           |   |        |-----------|              |-------
806       !           |           |   |        |
807       !           |           |---v------- |
808       !           |           |
809       !           |-----------|
810       !           |
811       !-----------|
812       !
813       !!
814       !!------------------------------------------------------------------
815       
816       REAL (wp), DIMENSION(jpi,jpj), INTENT(INOUT) :: &
817          zvolp,                                       &  ! total available pond water
818          zdvolp                                          ! remaining meltwater after redistribution
819
820       INTEGER ::  &
821          ns,      &
822          m_index, &
823          permflag
824
825       REAL (wp), DIMENSION(jpl) :: &
826          hicen, &
827          hsnon, &
828          asnon, &
829          alfan, &
830          betan, &
831          cum_max_vol, &
832          reduced_aicen
833
834       REAL (wp), DIMENSION(0:jpl) :: &
835          cum_max_vol_tmp
836
837       REAL (wp) :: &
838          hpond, &
839          drain, &
840          floe_weight, &
841          pressure_head, &
842          hsl_rel, &
843          deltah, &
844          perm, &
845          msno
846
847       REAL (wp), parameter :: &
848          viscosity = 1.79e-3_wp     ! kinematic water viscosity in kg/m/s
849
850       INTEGER  ::   ji, jj, jk, jl                    ! loop indices
851
852       a_ip(:,:,:) = 0._wp
853       h_ip(:,:,:) = 0._wp
854 
855       DO_2D( 1, 1, 1, 1 )
856 
857             IF ( at_i(ji,jj) > 0.01 .AND. hm_i(ji,jj) > zhi_min .AND. zvolp(ji,jj) > zvp_min * at_i(ji,jj) ) THEN
858 
859        !-------------------------------------------------------------------
860        ! initialize
861        !-------------------------------------------------------------------
862 
863        DO jl = 1, jpl
864 
865           !----------------------------------------
866           ! compute the effective snow fraction
867           !----------------------------------------
868 
869           IF (a_i(ji,jj,jl) < epsi10)  THEN
870              hicen(jl) =  0._wp
871              hsnon(jl) =  0._wp
872              reduced_aicen(jl) = 0._wp
873              asnon(jl) = 0._wp         !js: in CICE 5.1.2: make sense as the compiler may not initiate the variables
874           ELSE
875              hicen(jl) = v_i(ji,jj,jl) / a_i(ji,jj,jl)
876              hsnon(jl) = v_s(ji,jj,jl) / a_i(ji,jj,jl)
877              reduced_aicen(jl) = 1._wp ! n=jpl
878 
879              !js: initial code in NEMO_DEV
880              !IF (n < jpl) reduced_aicen(jl) = aicen(jl) &
881              !                     * (-0.024_wp*hicen(jl) + 0.832_wp)
882 
883              !js: from CICE 5.1.2: this limit reduced_aicen to 0.2 when hicen is too large
884              IF (jl < jpl) reduced_aicen(jl) = a_i(ji,jj,jl) & 
885                                   * max(0.2_wp,(-0.024_wp*hicen(jl) + 0.832_wp))
886 
887              asnon(jl) = reduced_aicen(jl)  ! effective snow fraction (empirical)
888              ! MV should check whether this makes sense to have the same effective snow fraction in here
889              ! OLI: it probably doesn't
890           END IF
891 
892  ! This choice for alfa and beta ignores hydrostatic equilibium of categories.
893  ! Hydrostatic equilibium of the entire ITD is accounted for below, assuming
894  ! a surface topography implied by alfa=0.6 and beta=0.4, and rigidity across all
895  ! categories.  alfa and beta partition the ITD - they are areas not thicknesses!
896  ! Multiplying by hicen, alfan and betan (below) are thus volumes per unit area.
897  ! Here, alfa = 60% of the ice area (and since hice is constant in a category,
898  ! alfan = 60% of the ice volume) in each category lies above the reference line,
899  ! and 40% below. Note: p6 is an arbitrary choice, but alfa+beta=1 is required.
900 
901  ! MV:
902  ! Note that this choice is not in the original FF07 paper and has been adopted in CICE
903  ! No reason why is explained in the doc, but I guess there is a reason. I'll try to investigate, maybe
904 
905  ! Where does that choice come from ? => OLI : Coz' Chuck Norris said so...
906 
907           alfan(jl) = 0.6 * hicen(jl)
908           betan(jl) = 0.4 * hicen(jl)
909 
910           cum_max_vol(jl)     = 0._wp
911           cum_max_vol_tmp(jl) = 0._wp
912 
913        END DO ! jpl
914 
915        cum_max_vol_tmp(0) = 0._wp
916        drain = 0._wp
917        zdvolp(ji,jj) = 0._wp
918 
919        !----------------------------------------------------------
920        ! Drain overflow water, update pond fraction and volume
921        !----------------------------------------------------------
922 
923        !--------------------------------------------------------------------------
924        ! the maximum amount of water that can be contained up to each ice category
925        !--------------------------------------------------------------------------
926        ! If melt ponds are too deep to be sustainable given the ITD (OVERFLOW)
927        ! Then the excess volume cum_max_vol(jl) drains out of the system
928        ! It should be added to wfx_pnd_out
929 
930        DO jl = 1, jpl-1 ! last category can not hold any volume
931 
932           IF (alfan(jl+1) >= alfan(jl) .AND. alfan(jl+1) > 0._wp ) THEN
933 
934              ! total volume in level including snow
935              cum_max_vol_tmp(jl) = cum_max_vol_tmp(jl-1) + &
936                 (alfan(jl+1) - alfan(jl)) * sum(reduced_aicen(1:jl))
937 
938              ! subtract snow solid volumes from lower categories in current level
939              DO ns = 1, jl
940                 cum_max_vol_tmp(jl) = cum_max_vol_tmp(jl) &
941                    - rhos/rhow * &     ! free air fraction that can be filled by water
942                      asnon(ns)  * &    ! effective areal fraction of snow in that category
943                      max(min(hsnon(ns)+alfan(ns)-alfan(jl), alfan(jl+1)-alfan(jl)), 0._wp)
944              END DO
945 
946           ELSE ! assume higher categories unoccupied
947              cum_max_vol_tmp(jl) = cum_max_vol_tmp(jl-1)
948           END IF
949           !IF (cum_max_vol_tmp(jl) < z0) THEN
950           !   CALL abort_ice('negative melt pond volume')
951           !END IF
952        END DO
953        cum_max_vol_tmp(jpl) = cum_max_vol_tmp(jpl-1)  ! last category holds no volume
954        cum_max_vol  (1:jpl) = cum_max_vol_tmp(1:jpl)
955 
956        !----------------------------------------------------------------
957        ! is there more meltwater than can be held in the floe?
958        !----------------------------------------------------------------
959        IF (zvolp(ji,jj) >= cum_max_vol(jpl)) THEN
960           drain = zvolp(ji,jj) - cum_max_vol(jpl) + epsi10
961           zvolp(ji,jj) = zvolp(ji,jj) - drain ! update meltwater volume available
962 
963           diag_dvpn_rnf(ji,jj) = - drain      ! diag - overflow counted in the runoff part (arbitrary choice)
964           
965           zdvolp(ji,jj) = drain         ! this is the drained water
966           IF (zvolp(ji,jj) < epsi10) THEN
967              zdvolp(ji,jj) = zdvolp(ji,jj) + zvolp(ji,jj)
968              zvolp(ji,jj) = 0._wp
969           END IF
970        END IF
971 
972        ! height and area corresponding to the remaining volume
973        ! routine leaves zvolp unchanged
974        CALL ice_thd_pnd_depth(reduced_aicen, asnon, hsnon, alfan, zvolp(ji,jj), cum_max_vol, hpond, m_index)
975 
976        DO jl = 1, m_index
977           !h_ip(jl) = hpond - alfan(jl) + alfan(1) ! here oui choulde update
978           !                                         !  volume instead, no ?
979           h_ip(ji,jj,jl) = max((hpond - alfan(jl) + alfan(1)), 0._wp)      !js: from CICE 5.1.2
980           a_ip(ji,jj,jl) = reduced_aicen(jl)
981           ! in practise, pond fraction depends on the empirical snow fraction
982           ! so in turn on ice thickness
983        END DO
984        !zapond = sum(a_ip(1:m_index))     !js: from CICE 5.1.2; not in Icepack1.1.0-6-gac6195d
985 
986        !------------------------------------------------------------------------
987        ! Drainage through brine network (permeability)
988        !------------------------------------------------------------------------
989        !!! drainage due to ice permeability - Darcy's law
990 
991        ! sea water level
992        msno = 0._wp 
993        DO jl = 1 , jpl
994          msno = msno + v_s(ji,jj,jl) * rhos
995        END DO
996        floe_weight = ( msno + rhoi*vt_i(ji,jj) + rho0*zvolp(ji,jj) ) / at_i(ji,jj)
997        hsl_rel = floe_weight / rho0 &
998                - ( ( sum(betan(:)*a_i(ji,jj,:)) / at_i(ji,jj) ) + alfan(1) )
999 
1000        deltah = hpond - hsl_rel
1001        pressure_head = grav * rho0 * max(deltah, 0._wp)
1002 
1003        ! drain if ice is permeable
1004        permflag = 0
1005 
1006        IF (pressure_head > 0._wp) THEN
1007           DO jl = 1, jpl-1
1008              IF ( hicen(jl) /= 0._wp ) THEN
1009 
1010              !IF (hicen(jl) > 0._wp) THEN           !js: from CICE 5.1.2
1011 
1012                 perm = 0._wp ! MV ugly dummy patch
1013                 CALL ice_thd_pnd_perm(t_i(ji,jj,:,jl),  sz_i(ji,jj,:,jl), perm) ! bof
1014                 IF (perm > 0._wp) permflag = 1
1015 
1016                 drain = perm*a_ip(ji,jj,jl)*pressure_head*rDt_ice / &
1017                                          (viscosity*hicen(jl))
1018                 zdvolp(ji,jj) = zdvolp(ji,jj) + min(drain, zvolp(ji,jj))
1019                 zvolp(ji,jj) = max(zvolp(ji,jj) - drain, 0._wp)
1020 
1021                 diag_dvpn_drn(ji,jj) = - drain ! diag (could be better coded)
1022                 
1023                 IF (zvolp(ji,jj) < epsi10) THEN
1024                    zdvolp(ji,jj) = zdvolp(ji,jj) + zvolp(ji,jj)
1025                    zvolp(ji,jj) = 0._wp
1026                 END IF
1027             END IF
1028          END DO
1029 
1030           ! adjust melt pond dimensions
1031           IF (permflag > 0) THEN
1032              ! recompute pond depth
1033             CALL ice_thd_pnd_depth(reduced_aicen, asnon, hsnon, alfan, zvolp(ji,jj), cum_max_vol, hpond, m_index)
1034              DO jl = 1, m_index
1035                 h_ip(ji,jj,jl) = hpond - alfan(jl) + alfan(1)
1036                 a_ip(ji,jj,jl) = reduced_aicen(jl)
1037              END DO
1038              !zapond = sum(a_ip(1:m_index))       !js: from CICE 5.1.2; not in Icepack1.1.0-6-gac6195d
1039           END IF
1040        END IF ! pressure_head
1041 
1042        !-------------------------------
1043        ! remove water from the snow
1044        !-------------------------------
1045        !------------------------------------------------------------------------
1046        ! total melt pond volume in category does not include snow volume
1047        ! snow in melt ponds is not melted
1048        !------------------------------------------------------------------------
1049       
1050        ! MV here, it seems that we remove some meltwater from the ponds, but I can't really tell
1051        ! how much, so I did not diagnose it
1052        ! so if there is a problem here, nobody is going to see it...
1053       
1054 
1055        ! Calculate pond volume for lower categories
1056        DO jl = 1,m_index-1
1057           v_ip(ji,jj,jl) = a_ip(ji,jj,jl) * h_ip(ji,jj,jl) & ! what is not in the snow
1058                          - (rhos/rhow) * asnon(jl) * min(hsnon(jl), h_ip(ji,jj,jl))
1059        END DO
1060 
1061        ! Calculate pond volume for highest category = remaining pond volume
1062 
1063        ! The following is completely unclear to Martin at least
1064        ! Could we redefine properly and recode in a more readable way ?
1065 
1066        ! m_index = last category with melt pond
1067 
1068        IF (m_index == 1) v_ip(ji,jj,m_index) = zvolp(ji,jj) ! volume of mw in 1st category is the total volume of melt water
1069 
1070        IF (m_index > 1) THEN
1071          IF (zvolp(ji,jj) > sum( v_ip(ji,jj,1:m_index-1))) THEN
1072             v_ip(ji,jj,m_index) = zvolp(ji,jj) - sum(v_ip(ji,jj,1:m_index-1))
1073          ELSE
1074             v_ip(ji,jj,m_index) = 0._wp 
1075             h_ip(ji,jj,m_index) = 0._wp
1076             a_ip(ji,jj,m_index) = 0._wp
1077             ! If remaining pond volume is negative reduce pond volume of
1078             ! lower category
1079             IF ( zvolp(ji,jj) + epsi10 < SUM(v_ip(ji,jj,1:m_index-1))) &
1080              v_ip(ji,jj,m_index-1) = v_ip(ji,jj,m_index-1) - sum(v_ip(ji,jj,1:m_index-1)) + zvolp(ji,jj)
1081          END IF
1082        END IF
1083 
1084        DO jl = 1,m_index
1085           IF (a_ip(ji,jj,jl) > epsi10) THEN
1086               h_ip(ji,jj,jl) = v_ip(ji,jj,jl) / a_ip(ji,jj,jl)
1087           ELSE
1088              zdvolp(ji,jj) = zdvolp(ji,jj) + v_ip(ji,jj,jl)
1089              h_ip(ji,jj,jl) = 0._wp 
1090              v_ip(ji,jj,jl)  = 0._wp
1091              a_ip(ji,jj,jl) = 0._wp
1092           END IF
1093        END DO
1094        DO jl = m_index+1, jpl
1095           h_ip(ji,jj,jl) = 0._wp 
1096           a_ip(ji,jj,jl) = 0._wp 
1097           v_ip(ji,jj,jl) = 0._wp 
1098        END DO
1099       
1100           ENDIF
1101
1102     END_2D
1103
1104    END SUBROUTINE ice_thd_pnd_area
1105
1106
1107    SUBROUTINE ice_thd_pnd_depth(aicen, asnon, hsnon, alfan, zvolp, cum_max_vol, hpond, m_index)
1108       !!-------------------------------------------------------------------
1109       !!                ***  ROUTINE ice_thd_pnd_depth  ***
1110       !!
1111       !! ** Purpose :   Compute melt pond depth
1112       !!-------------------------------------------------------------------
1113
1114       REAL (wp), DIMENSION(jpl), INTENT(IN) :: &
1115          aicen, &
1116          asnon, &
1117          hsnon, &
1118          alfan, &
1119          cum_max_vol
1120
1121       REAL (wp), INTENT(IN) :: &
1122          zvolp
1123
1124       REAL (wp), INTENT(OUT) :: &
1125          hpond
1126
1127       INTEGER, INTENT(OUT) :: &
1128          m_index
1129
1130       INTEGER :: n, ns
1131
1132       REAL (wp), DIMENSION(0:jpl+1) :: &
1133          hitl, &
1134          aicetl
1135
1136       REAL (wp) :: &
1137          rem_vol, &
1138          area, &
1139          vol, &
1140          tmp, &
1141          z0   = 0.0_wp
1142
1143       !----------------------------------------------------------------
1144       ! hpond is zero if zvolp is zero - have we fully drained?
1145       !----------------------------------------------------------------
1146
1147       IF (zvolp < epsi10) THEN
1148        hpond = z0
1149        m_index = 0
1150       ELSE
1151
1152        !----------------------------------------------------------------
1153        ! Calculate the category where water fills up to
1154        !----------------------------------------------------------------
1155
1156        !----------|
1157        !          |
1158        !          |
1159        !          |----------|                                     -- --
1160        !__________|__________|_________________________________________ ^
1161        !          |          |             rem_vol     ^                | Semi-filled
1162        !          |          |----------|-- -- -- - ---|-- ---- -- -- --v layer
1163        !          |          |          |              |
1164        !          |          |          |              |hpond
1165        !          |          |          |----------|   |     |-------
1166        !          |          |          |          |   |     |
1167        !          |          |          |          |---v-----|
1168        !          |          | m_index  |          |         |
1169        !-------------------------------------------------------------
1170
1171        m_index = 0  ! 1:m_index categories have water in them
1172        DO n = 1, jpl
1173           IF (zvolp <= cum_max_vol(n)) THEN
1174              m_index = n
1175              IF (n == 1) THEN
1176                 rem_vol = zvolp
1177              ELSE
1178                 rem_vol = zvolp - cum_max_vol(n-1)
1179              END IF
1180              exit ! to break out of the loop
1181           END IF
1182        END DO
1183        m_index = min(jpl-1, m_index)
1184
1185        !----------------------------------------------------------------
1186        ! semi-filled layer may have m_index different snow in it
1187        !----------------------------------------------------------------
1188
1189        !-----------------------------------------------------------  ^
1190        !                                                             |  alfan(m_index+1)
1191        !                                                             |
1192        !hitl(3)-->                             |----------|          |
1193        !hitl(2)-->                |------------| * * * * *|          |
1194        !hitl(1)-->     |----------|* * * * * * |* * * * * |          |
1195        !hitl(0)-->-------------------------------------------------  |  ^
1196        !                various snow from lower categories          |  |alfa(m_index)
1197
1198        ! hitl - heights of the snow layers from thinner and current categories
1199        ! aicetl - area of each snow depth in this layer
1200
1201        hitl(:) = z0
1202        aicetl(:) = z0
1203        DO n = 1, m_index
1204           hitl(n)   = max(min(hsnon(n) + alfan(n) - alfan(m_index), &
1205                                  alfan(m_index+1) - alfan(m_index)), z0)
1206           aicetl(n) = asnon(n)
1207
1208           aicetl(0) = aicetl(0) + (aicen(n) - asnon(n))
1209        END DO
1210
1211        hitl(m_index+1) = alfan(m_index+1) - alfan(m_index)
1212        aicetl(m_index+1) = z0
1213
1214        !----------------------------------------------------------------
1215        ! reorder array according to hitl
1216        ! snow heights not necessarily in height order
1217        !----------------------------------------------------------------
1218
1219        DO ns = 1, m_index+1
1220           DO n = 0, m_index - ns + 1
1221              IF (hitl(n) > hitl(n+1)) THEN ! swap order
1222                 tmp = hitl(n)
1223                 hitl(n) = hitl(n+1)
1224                 hitl(n+1) = tmp
1225                 tmp = aicetl(n)
1226                 aicetl(n) = aicetl(n+1)
1227                 aicetl(n+1) = tmp
1228              END IF
1229           END DO
1230        END DO
1231
1232        !----------------------------------------------------------------
1233        ! divide semi-filled layer into set of sublayers each vertically homogenous
1234        !----------------------------------------------------------------
1235
1236        !hitl(3)----------------------------------------------------------------
1237        !                                                       | * * * * * * * *
1238        !                                                       |* * * * * * * * *
1239        !hitl(2)----------------------------------------------------------------
1240        !                                    | * * * * * * * *  | * * * * * * * *
1241        !                                    |* * * * * * * * * |* * * * * * * * *
1242        !hitl(1)----------------------------------------------------------------
1243        !                 | * * * * * * * *  | * * * * * * * *  | * * * * * * * *
1244        !                 |* * * * * * * * * |* * * * * * * * * |* * * * * * * * *
1245        !hitl(0)----------------------------------------------------------------
1246        !    aicetl(0)         aicetl(1)           aicetl(2)          aicetl(3)
1247
1248        ! move up over layers incrementing volume
1249        DO n = 1, m_index+1
1250
1251           area = sum(aicetl(:)) - &                 ! total area of sub-layer
1252                (rhos/rho0) * sum(aicetl(n:jpl+1)) ! area of sub-layer occupied by snow
1253
1254           vol = (hitl(n) - hitl(n-1)) * area      ! thickness of sub-layer times area
1255
1256           IF (vol >= rem_vol) THEN  ! have reached the sub-layer with the depth within
1257              hpond = rem_vol / area + hitl(n-1) + alfan(m_index) - alfan(1)
1258
1259              exit
1260           ELSE  ! still in sub-layer below the sub-layer with the depth
1261              rem_vol = rem_vol - vol
1262           END IF
1263
1264        END DO
1265
1266       END IF
1267
1268    END SUBROUTINE ice_thd_pnd_depth
1269
1270
1271    SUBROUTINE ice_thd_pnd_perm(ticen, salin, perm)
1272       !!-------------------------------------------------------------------
1273       !!                ***  ROUTINE ice_thd_pnd_perm ***
1274       !!
1275       !! ** Purpose :   Determine the liquid fraction of brine in the ice
1276       !!                and its permeability
1277       !!-------------------------------------------------------------------
1278
1279       REAL (wp), DIMENSION(nlay_i), INTENT(IN) :: &
1280          ticen,  &     ! internal ice temperature (K)
1281          salin         ! salinity (ppt)     !js: ppt according to cice
1282
1283       REAL (wp), INTENT(OUT) :: &
1284          perm      ! permeability
1285
1286       REAL (wp) ::   &
1287          Sbr       ! brine salinity
1288
1289       REAL (wp), DIMENSION(nlay_i) ::   &
1290          Tin, &    ! ice temperature
1291          phi       ! liquid fraction
1292
1293       INTEGER :: k
1294
1295       !-----------------------------------------------------------------
1296       ! Compute ice temperatures from enthalpies using quadratic formula
1297       !-----------------------------------------------------------------
1298
1299       DO k = 1,nlay_i
1300          Tin(k) = ticen(k) - rt0   !js: from K to degC
1301       END DO
1302
1303       !-----------------------------------------------------------------
1304       ! brine salinity and liquid fraction
1305       !-----------------------------------------------------------------
1306
1307       DO k = 1, nlay_i
1308       
1309          Sbr    = - Tin(k) / rTmlt ! Consistent expression with SI3 (linear liquidus)
1310          ! Best expression to date is that one (Vancoppenolle et al JGR 2019)
1311          ! Sbr  = - 18.7 * Tin(k) - 0.519 * Tin(k)**2 - 0.00535 * Tin(k) **3
1312          phi(k) = salin(k) / Sbr
1313         
1314       END DO
1315
1316       !-----------------------------------------------------------------
1317       ! permeability
1318       !-----------------------------------------------------------------
1319
1320       perm = 3.0e-08_wp * (minval(phi))**3 ! Golden et al. (2007)
1321
1322   END SUBROUTINE ice_thd_pnd_perm
1323
1324   SUBROUTINE ice_thd_pnd_init 
1325      !!-------------------------------------------------------------------
1326      !!                  ***  ROUTINE ice_thd_pnd_init   ***
1327      !!
1328      !! ** Purpose : Physical constants and parameters linked to melt ponds
1329      !!              over sea ice
1330      !!
1331      !! ** Method  :  Read the namthd_pnd  namelist and check the melt pond 
1332      !!               parameter values called at the first timestep (nit000)
1333      !!
1334      !! ** input   :   Namelist namthd_pnd 
1335      !!-------------------------------------------------------------------
1336      INTEGER  ::   ios, ioptio   ! Local integer
1337      !!
1338      NAMELIST/namthd_pnd/  ln_pnd, ln_pnd_LEV , rn_apnd_min, rn_apnd_max, rn_pnd_flush, &
1339         &                          ln_pnd_CST , rn_apnd, rn_hpnd,         &
1340         &                          ln_pnd_TOPO,                           &
1341         &                          ln_pnd_lids, ln_pnd_alb
1342      !!-------------------------------------------------------------------
1343      !
1344      READ  ( numnam_ice_ref, namthd_pnd, IOSTAT = ios, ERR = 901)
1345901   IF( ios /= 0 )   CALL ctl_nam ( ios , 'namthd_pnd  in reference namelist' )
1346      READ  ( numnam_ice_cfg, namthd_pnd, IOSTAT = ios, ERR = 902 )
1347902   IF( ios >  0 )   CALL ctl_nam ( ios , 'namthd_pnd in configuration namelist' )
1348      IF(lwm) WRITE ( numoni, namthd_pnd )
1349      !
1350      IF(lwp) THEN                        ! control print
1351         WRITE(numout,*)
1352         WRITE(numout,*) 'ice_thd_pnd_init: ice parameters for melt ponds'
1353         WRITE(numout,*) '~~~~~~~~~~~~~~~~'
1354         WRITE(numout,*) '   Namelist namicethd_pnd:'
1355         WRITE(numout,*) '      Melt ponds activated or not                                 ln_pnd       = ', ln_pnd
1356         WRITE(numout,*) '         Topographic melt pond scheme                             ln_pnd_TOPO  = ', ln_pnd_TOPO
1357         WRITE(numout,*) '         Level ice melt pond scheme                               ln_pnd_LEV   = ', ln_pnd_LEV
1358         WRITE(numout,*) '            Minimum ice fraction that contributes to melt ponds   rn_apnd_min  = ', rn_apnd_min
1359         WRITE(numout,*) '            Maximum ice fraction that contributes to melt ponds   rn_apnd_max  = ', rn_apnd_max
1360         WRITE(numout,*) '            Pond flushing efficiency                              rn_pnd_flush = ', rn_pnd_flush
1361         WRITE(numout,*) '         Constant ice melt pond scheme                            ln_pnd_CST   = ', ln_pnd_CST
1362         WRITE(numout,*) '            Prescribed pond fraction                              rn_apnd      = ', rn_apnd
1363         WRITE(numout,*) '            Prescribed pond depth                                 rn_hpnd      = ', rn_hpnd
1364         WRITE(numout,*) '         Frozen lids on top of melt ponds                         ln_pnd_lids  = ', ln_pnd_lids
1365         WRITE(numout,*) '         Melt ponds affect albedo or not                          ln_pnd_alb   = ', ln_pnd_alb
1366      ENDIF
1367      !
1368      !                             !== set the choice of ice pond scheme ==!
1369      ioptio = 0
1370      IF( .NOT.ln_pnd ) THEN   ;   ioptio = ioptio + 1   ;   nice_pnd = np_pndNO     ;   ENDIF
1371      IF( ln_pnd_CST  ) THEN   ;   ioptio = ioptio + 1   ;   nice_pnd = np_pndCST    ;   ENDIF
1372      IF( ln_pnd_LEV  ) THEN   ;   ioptio = ioptio + 1   ;   nice_pnd = np_pndLEV    ;   ENDIF
1373      IF( ln_pnd_TOPO ) THEN   ;   ioptio = ioptio + 1   ;   nice_pnd = np_pndTOPO   ;   ENDIF
1374      IF( ioptio /= 1 )   &
1375         & CALL ctl_stop( 'ice_thd_pnd_init: choose either none (ln_pnd=F) or only one pond scheme (ln_pnd_LEV, ln_pnd_CST or ln_pnd_TOPO)' )
1376      !
1377      SELECT CASE( nice_pnd )
1378      CASE( np_pndNO )         
1379         IF( ln_pnd_alb  ) THEN ; ln_pnd_alb  = .FALSE. ; CALL ctl_warn( 'ln_pnd_alb=false when no ponds' )  ; ENDIF
1380         IF( ln_pnd_lids ) THEN ; ln_pnd_lids = .FALSE. ; CALL ctl_warn( 'ln_pnd_lids=false when no ponds' ) ; ENDIF
1381      CASE( np_pndCST )         
1382         IF( ln_pnd_lids ) THEN ; ln_pnd_lids = .FALSE. ; CALL ctl_warn( 'ln_pnd_lids=false when constant ponds' ) ; ENDIF
1383      END SELECT
1384      !
1385   END SUBROUTINE ice_thd_pnd_init
1386   
1387#else
1388   !!----------------------------------------------------------------------
1389   !!   Default option          Empty module          NO SI3 sea-ice model
1390   !!----------------------------------------------------------------------
1391#endif 
1392
1393   !!======================================================================
1394END MODULE icethd_pnd 
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.