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.
sbcblk.F90 in NEMO/releases/r4.0/r4.0-HEAD/src/OCE/SBC – NEMO

source: NEMO/releases/r4.0/r4.0-HEAD/src/OCE/SBC/sbcblk.F90 @ 15613

Last change on this file since 15613 was 15613, checked in by cetlod, 2 years ago

r4.0-HEAD : bugfix to better manage the diurnal cycle in TOP, see ticket #2739

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 75.2 KB
Line 
1MODULE sbcblk
2   !!======================================================================
3   !!                       ***  MODULE  sbcblk  ***
4   !! Ocean forcing:  momentum, heat and freshwater flux formulation
5   !!                         Aerodynamic Bulk Formulas
6   !!                        SUCCESSOR OF "sbcblk_core"
7   !!=====================================================================
8   !! History :  1.0  !  2004-08  (U. Schweckendiek)  Original CORE code
9   !!            2.0  !  2005-04  (L. Brodeau, A.M. Treguier)  improved CORE bulk and its user interface
10   !!            3.0  !  2006-06  (G. Madec)  sbc rewritting
11   !!             -   !  2006-12  (L. Brodeau)  Original code for turb_core
12   !!            3.2  !  2009-04  (B. Lemaire)  Introduce iom_put
13   !!            3.3  !  2010-10  (S. Masson)  add diurnal cycle
14   !!            3.4  !  2011-11  (C. Harris)  Fill arrays required by CICE
15   !!            3.7  !  2014-06  (L. Brodeau)  simplification and optimization of CORE bulk
16   !!            4.0  !  2016-06  (L. Brodeau)  sbcblk_core becomes sbcblk and is not restricted to the CORE algorithm anymore
17   !!                 !                        ==> based on AeroBulk (http://aerobulk.sourceforge.net/)
18   !!            4.0  !  2016-10  (G. Madec)  introduce a sbc_blk_init routine
19   !!            4.0  !  2016-10  (M. Vancoppenolle)  Introduce conduction flux emulator (M. Vancoppenolle)
20   !!----------------------------------------------------------------------
21
22   !!----------------------------------------------------------------------
23   !!   sbc_blk_init  : initialisation of the chosen bulk formulation as ocean surface boundary condition
24   !!   sbc_blk       : bulk formulation as ocean surface boundary condition
25   !!   blk_oce       : computes momentum, heat and freshwater fluxes over ocean
26   !!   rho_air       : density of (moist) air (depends on T_air, q_air and SLP
27   !!   cp_air        : specific heat of (moist) air (depends spec. hum. q_air)
28   !!   q_sat         : saturation humidity as a function of SLP and temperature
29   !!   L_vap         : latent heat of vaporization of water as a function of temperature
30   !!             sea-ice case only :
31   !!   blk_ice_tau   : provide the air-ice stress
32   !!   blk_ice_flx   : provide the heat and mass fluxes at air-ice interface
33   !!   blk_ice_qcn   : provide ice surface temperature and snow/ice conduction flux (emulating conduction flux)
34   !!   Cdn10_Lupkes2012 : Lupkes et al. (2012) air-ice drag
35   !!   Cdn10_Lupkes2015 : Lupkes et al. (2015) air-ice drag
36   !!----------------------------------------------------------------------
37   USE oce            ! ocean dynamics and tracers
38   USE dom_oce        ! ocean space and time domain
39   USE phycst         ! physical constants
40   USE fldread        ! read input fields
41   USE sbc_oce        ! Surface boundary condition: ocean fields
42   USE trc_oce         ! share SMS/Ocean variables
43   USE cyclone        ! Cyclone 10m wind form trac of cyclone centres
44   USE sbcdcy         ! surface boundary condition: diurnal cycle
45   USE sbcwave , ONLY :   cdn_wave ! wave module
46   USE sbc_ice        ! Surface boundary condition: ice fields
47   USE lib_fortran    ! to use key_nosignedzero
48#if defined key_si3
49   USE ice     , ONLY :   u_ice, v_ice, jpl, a_i_b, at_i_b, t_su, rn_cnd_s, hfx_err_dif, nn_qtrice
50   USE icevar         ! for CALL ice_var_snwblow
51#endif
52   USE sbcblk_algo_ncar     ! => turb_ncar     : NCAR - CORE (Large & Yeager, 2009)
53   USE sbcblk_algo_coare    ! => turb_coare    : COAREv3.0 (Fairall et al. 2003)
54   USE sbcblk_algo_coare3p5 ! => turb_coare3p5 : COAREv3.5 (Edson et al. 2013)
55   USE sbcblk_algo_ecmwf    ! => turb_ecmwf    : ECMWF (IFS cycle 31)
56   !
57   USE iom            ! I/O manager library
58   USE in_out_manager ! I/O manager
59   USE lib_mpp        ! distribued memory computing library
60   USE lbclnk         ! ocean lateral boundary conditions (or mpp link)
61   USE prtctl         ! Print control
62
63   IMPLICIT NONE
64   PRIVATE
65
66   PUBLIC   sbc_blk_init  ! called in sbcmod
67   PUBLIC   sbc_blk       ! called in sbcmod
68#if defined key_si3
69   PUBLIC   blk_ice_tau   ! routine called in icesbc
70   PUBLIC   blk_ice_flx   ! routine called in icesbc
71   PUBLIC   blk_ice_qcn   ! routine called in icesbc
72#endif 
73
74!!Lolo: should ultimately be moved in the module with all physical constants ?
75!!gm  : In principle, yes.
76   REAL(wp), PARAMETER ::   Cp_dry = 1005.0       !: Specic heat of dry air, constant pressure      [J/K/kg]
77   REAL(wp), PARAMETER ::   Cp_vap = 1860.0       !: Specic heat of water vapor, constant pressure  [J/K/kg]
78   REAL(wp), PARAMETER ::   R_dry = 287.05_wp     !: Specific gas constant for dry air              [J/K/kg]
79   REAL(wp), PARAMETER ::   R_vap = 461.495_wp    !: Specific gas constant for water vapor          [J/K/kg]
80   REAL(wp), PARAMETER ::   reps0 = R_dry/R_vap   !: ratio of gas constant for dry air and water vapor => ~ 0.622
81   REAL(wp), PARAMETER ::   rctv0 = R_vap/R_dry - 1._wp !: for virtual temperature (== (1-eps)/eps) => ~ 0.608
82
83   INTEGER , PARAMETER ::   jpfld   =11           ! maximum number of files to read
84   INTEGER , PARAMETER ::   jp_wndi = 1           ! index of 10m wind velocity (i-component) (m/s)    at T-point
85   INTEGER , PARAMETER ::   jp_wndj = 2           ! index of 10m wind velocity (j-component) (m/s)    at T-point
86   INTEGER , PARAMETER ::   jp_tair = 3           ! index of 10m air temperature             (Kelvin)
87   INTEGER , PARAMETER ::   jp_humi = 4           ! index of specific humidity               ( % )
88   INTEGER , PARAMETER ::   jp_qsr  = 5           ! index of solar heat                      (W/m2)
89   INTEGER , PARAMETER ::   jp_qlw  = 6           ! index of Long wave                       (W/m2)
90   INTEGER , PARAMETER ::   jp_prec = 7           ! index of total precipitation (rain+snow) (Kg/m2/s)
91   INTEGER , PARAMETER ::   jp_snow = 8           ! index of snow (solid prcipitation)       (kg/m2/s)
92   INTEGER , PARAMETER ::   jp_slp  = 9           ! index of sea level pressure              (Pa)
93   INTEGER , PARAMETER ::   jp_cc   =10           ! index of cloud cover                     (-)      range:0-1
94   INTEGER , PARAMETER ::   jp_tdif =11           ! index of tau diff associated to HF tau   (N/m2)   at T-point
95
96   TYPE(FLD), ALLOCATABLE, DIMENSION(:) ::   sf   ! structure of input fields (file informations, fields read)
97
98   !                                             !!! Bulk parameters
99   REAL(wp), PARAMETER ::   cpa    = 1000.5         ! specific heat of air (only used for ice fluxes now...)
100   REAL(wp), PARAMETER ::   Ls     =    2.839e6     ! latent heat of sublimation
101   REAL(wp), PARAMETER ::   Stef   =    5.67e-8     ! Stefan Boltzmann constant
102   REAL(wp), PARAMETER ::   Cd_ice =    1.4e-3      ! transfer coefficient over ice
103   REAL(wp), PARAMETER ::   albo   =    0.066       ! ocean albedo assumed to be constant
104   !
105   !                           !!* Namelist namsbc_blk : bulk parameters
106   LOGICAL  ::   ln_NCAR        ! "NCAR"      algorithm   (Large and Yeager 2008)
107   LOGICAL  ::   ln_COARE_3p0   ! "COARE 3.0" algorithm   (Fairall et al. 2003)
108   LOGICAL  ::   ln_COARE_3p5   ! "COARE 3.5" algorithm   (Edson et al. 2013)
109   LOGICAL  ::   ln_ECMWF       ! "ECMWF"     algorithm   (IFS cycle 31)
110   !
111   LOGICAL  ::   ln_taudif      ! logical flag to use the "mean of stress module - module of mean stress" data
112   REAL(wp) ::   rn_pfac        ! multiplication factor for precipitation
113   REAL(wp) ::   rn_efac        ! multiplication factor for evaporation
114   REAL(wp) ::   rn_vfac        ! multiplication factor for ice/ocean velocity in the calculation of wind stress
115   REAL(wp) ::   rn_zqt         ! z(q,t) : height of humidity and temperature measurements
116   REAL(wp) ::   rn_zu          ! z(u)   : height of wind measurements
117!!gm ref namelist initialize it so remove the setting to false below
118   LOGICAL  ::   ln_Cd_L12 = .FALSE. !  Modify the drag ice-atm depending on ice concentration (from Lupkes et al. JGR2012)
119   LOGICAL  ::   ln_Cd_L15 = .FALSE. !  Modify the drag ice-atm depending on ice concentration (from Lupkes et al. JGR2015)
120   !
121   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:) ::   Cd_atm                    ! transfer coefficient for momentum      (tau)
122   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:) ::   Ch_atm                    ! transfer coefficient for sensible heat (Q_sens)
123   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:) ::   Ce_atm                    ! tansfert coefficient for evaporation   (Q_lat)
124   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:) ::   t_zu                      ! air temperature at wind speed height (needed by Lupkes 2015 bulk scheme)
125   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:) ::   q_zu                      ! air spec. hum.  at wind speed height (needed by Lupkes 2015 bulk scheme)
126   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:) ::   cdn_oce, chn_oce, cen_oce ! needed by Lupkes 2015 bulk scheme
127
128   INTEGER  ::   nblk           ! choice of the bulk algorithm
129   !                            ! associated indices:
130   INTEGER, PARAMETER ::   np_NCAR      = 1   ! "NCAR" algorithm        (Large and Yeager 2008)
131   INTEGER, PARAMETER ::   np_COARE_3p0 = 2   ! "COARE 3.0" algorithm   (Fairall et al. 2003)
132   INTEGER, PARAMETER ::   np_COARE_3p5 = 3   ! "COARE 3.5" algorithm   (Edson et al. 2013)
133   INTEGER, PARAMETER ::   np_ECMWF     = 4   ! "ECMWF" algorithm       (IFS cycle 31)
134
135   !! * Substitutions
136#  include "vectopt_loop_substitute.h90"
137   !!----------------------------------------------------------------------
138   !! NEMO/OCE 4.0 , NEMO Consortium (2018)
139   !! $Id$
140   !! Software governed by the CeCILL license (see ./LICENSE)
141   !!----------------------------------------------------------------------
142CONTAINS
143
144   INTEGER FUNCTION sbc_blk_alloc()
145      !!-------------------------------------------------------------------
146      !!             ***  ROUTINE sbc_blk_alloc ***
147      !!-------------------------------------------------------------------
148      ALLOCATE( Cd_atm (jpi,jpj), Ch_atm (jpi,jpj), Ce_atm (jpi,jpj), t_zu(jpi,jpj), q_zu(jpi,jpj), &
149         &      cdn_oce(jpi,jpj), chn_oce(jpi,jpj), cen_oce(jpi,jpj), STAT=sbc_blk_alloc )
150      !
151      CALL mpp_sum ( 'sbcblk', sbc_blk_alloc )
152      IF( sbc_blk_alloc /= 0 )   CALL ctl_stop( 'STOP', 'sbc_blk_alloc: failed to allocate arrays' )
153   END FUNCTION sbc_blk_alloc
154
155
156   SUBROUTINE sbc_blk_init
157      !!---------------------------------------------------------------------
158      !!                    ***  ROUTINE sbc_blk_init  ***
159      !!
160      !! ** Purpose :   choose and initialize a bulk formulae formulation
161      !!
162      !! ** Method  :
163      !!
164      !!----------------------------------------------------------------------
165      INTEGER  ::   jfpr, jfld            ! dummy loop indice and argument
166      INTEGER  ::   ios, ierror, ioptio   ! Local integer
167      !!
168      CHARACTER(len=100)            ::   cn_dir                ! Root directory for location of atmospheric forcing files
169      TYPE(FLD_N), DIMENSION(jpfld) ::   slf_i                 ! array of namelist informations on the fields to read
170      TYPE(FLD_N) ::   sn_wndi, sn_wndj, sn_humi, sn_qsr       ! informations about the fields to be read
171      TYPE(FLD_N) ::   sn_qlw , sn_tair, sn_prec, sn_snow      !       "                        "
172      TYPE(FLD_N) ::   sn_slp , sn_tdif, sn_cc                 !       "                        "
173      NAMELIST/namsbc_blk/ sn_wndi, sn_wndj, sn_humi, sn_qsr, sn_qlw ,                &   ! input fields
174         &                 sn_tair, sn_prec, sn_snow, sn_slp, sn_tdif, sn_cc,         &
175         &                 ln_NCAR, ln_COARE_3p0, ln_COARE_3p5, ln_ECMWF,             &   ! bulk algorithm
176         &                 cn_dir , ln_taudif, rn_zqt, rn_zu,                         & 
177         &                 rn_pfac, rn_efac, rn_vfac, ln_Cd_L12, ln_Cd_L15
178      !!---------------------------------------------------------------------
179      !
180      !                                      ! allocate sbc_blk_core array
181      IF( sbc_blk_alloc() /= 0 )   CALL ctl_stop( 'STOP', 'sbc_blk : unable to allocate standard arrays' )
182      !
183      !                             !** read bulk namelist 
184      REWIND( numnam_ref )                !* Namelist namsbc_blk in reference namelist : bulk parameters
185      READ  ( numnam_ref, namsbc_blk, IOSTAT = ios, ERR = 901)
186901   IF( ios /= 0 )   CALL ctl_nam ( ios , 'namsbc_blk in reference namelist' )
187      !
188      REWIND( numnam_cfg )                !* Namelist namsbc_blk in configuration namelist : bulk parameters
189      READ  ( numnam_cfg, namsbc_blk, IOSTAT = ios, ERR = 902 )
190902   IF( ios >  0 )   CALL ctl_nam ( ios , 'namsbc_blk in configuration namelist' )
191      !
192      IF(lwm) WRITE( numond, namsbc_blk )
193      !
194      !                             !** initialization of the chosen bulk formulae (+ check)
195      !                                   !* select the bulk chosen in the namelist and check the choice
196                                                               ioptio = 0
197      IF( ln_NCAR      ) THEN   ;   nblk =  np_NCAR        ;   ioptio = ioptio + 1   ;   ENDIF
198      IF( ln_COARE_3p0 ) THEN   ;   nblk =  np_COARE_3p0   ;   ioptio = ioptio + 1   ;   ENDIF
199      IF( ln_COARE_3p5 ) THEN   ;   nblk =  np_COARE_3p5   ;   ioptio = ioptio + 1   ;   ENDIF
200      IF( ln_ECMWF     ) THEN   ;   nblk =  np_ECMWF       ;   ioptio = ioptio + 1   ;   ENDIF
201      !
202      IF( ioptio /= 1 )   CALL ctl_stop( 'sbc_blk_init: Choose one and only one bulk algorithm' )
203      !
204      IF( ln_dm2dc ) THEN                 !* check: diurnal cycle on Qsr
205         IF( sn_qsr%freqh /= 24. )   CALL ctl_stop( 'sbc_blk_init: ln_dm2dc=T only with daily short-wave input' )
206         IF( sn_qsr%ln_tint ) THEN
207            CALL ctl_warn( 'sbc_blk_init: ln_dm2dc=T daily qsr time interpolation done by sbcdcy module',   &
208               &           '              ==> We force time interpolation = .false. for qsr' )
209            sn_qsr%ln_tint = .false.
210         ENDIF
211      ENDIF
212      !                                   !* set the bulk structure
213      !                                      !- store namelist information in an array
214      slf_i(jp_wndi) = sn_wndi   ;   slf_i(jp_wndj) = sn_wndj
215      slf_i(jp_qsr ) = sn_qsr    ;   slf_i(jp_qlw ) = sn_qlw
216      slf_i(jp_tair) = sn_tair   ;   slf_i(jp_humi) = sn_humi
217      slf_i(jp_prec) = sn_prec   ;   slf_i(jp_snow) = sn_snow
218      slf_i(jp_slp)  = sn_slp    ;   slf_i(jp_cc)   = sn_cc
219      slf_i(jp_tdif) = sn_tdif
220      !
221      lhftau = ln_taudif                     !- add an extra field if HF stress is used
222      jfld = jpfld - COUNT( (/.NOT.lhftau/) )
223      !
224      !                                      !- allocate the bulk structure
225      ALLOCATE( sf(jfld), STAT=ierror )
226      IF( ierror > 0 )   CALL ctl_stop( 'STOP', 'sbc_blk_init: unable to allocate sf structure' )
227
228      !                                      !- fill the bulk structure with namelist informations
229      CALL fld_fill( sf, slf_i, cn_dir, 'sbc_blk_init', 'surface boundary condition -- bulk formulae', 'namsbc_blk' )
230      !
231      DO jfpr = 1, jfld
232         !
233         IF( TRIM(sf(jfpr)%clrootname) == 'NOT USED' ) THEN    !--  not used field  --!   (only now allocated and set to zero)
234            ALLOCATE( sf(jfpr)%fnow(jpi,jpj,1) )
235            sf(jfpr)%fnow(:,:,1) = 0._wp
236         ELSE                                                  !-- used field --!
237            ALLOCATE( sf(jfpr)%fnow(jpi,jpj,1) )
238            IF( slf_i(jfpr)%ln_tint )   ALLOCATE( sf(jfpr)%fdta(jpi,jpj,1,2) )
239            IF( slf_i(jfpr)%freqh > 0. .AND. MOD( NINT(3600. * slf_i(jfpr)%freqh), nn_fsbc * NINT(rdt) ) /= 0 )                      &
240               &  CALL ctl_warn( 'sbc_blk_init: sbcmod timestep rdt*nn_fsbc is NOT a submultiple of atmospheric forcing frequency.', &
241               &                 '               This is not ideal. You should consider changing either rdt or nn_fsbc value...' )
242         ENDIF
243      ENDDO
244      ! fill cloud cover array with constant value if "not used"
245      IF( TRIM(sf(jp_cc)%clrootname) == 'NOT USED' )   sf(jp_cc)%fnow(:,:,1) = pp_cldf
246         
247      IF ( ln_wave ) THEN
248      !Activated wave module but neither drag nor stokes drift activated
249         IF ( .NOT.(ln_cdgw .OR. ln_sdw .OR. ln_tauwoc .OR. ln_stcor ) )   THEN
250            CALL ctl_stop( 'STOP',  'Ask for wave coupling but ln_cdgw=F, ln_sdw=F, ln_tauwoc=F, ln_stcor=F' )
251      !drag coefficient read from wave model definable only with mfs bulk formulae and core
252         ELSEIF (ln_cdgw .AND. .NOT. ln_NCAR )       THEN       
253             CALL ctl_stop( 'drag coefficient read from wave model definable only with NCAR and CORE bulk formulae')
254         ELSEIF (ln_stcor .AND. .NOT. ln_sdw)                             THEN
255             CALL ctl_stop( 'Stokes-Coriolis term calculated only if activated Stokes Drift ln_sdw=T')
256         ENDIF
257      ELSE
258      IF ( ln_cdgw .OR. ln_sdw .OR. ln_tauwoc .OR. ln_stcor )                & 
259         &   CALL ctl_stop( 'Not Activated Wave Module (ln_wave=F) but asked coupling ',    &
260         &                  'with drag coefficient (ln_cdgw =T) '  ,                        &
261         &                  'or Stokes Drift (ln_sdw=T) ' ,                                 &
262         &                  'or ocean stress modification due to waves (ln_tauwoc=T) ',      & 
263         &                  'or Stokes-Coriolis term (ln_stcori=T)'  )
264      ENDIF 
265      !
266      !           
267      IF(lwp) THEN                     !** Control print
268         !
269         WRITE(numout,*)                  !* namelist
270         WRITE(numout,*) '   Namelist namsbc_blk (other than data information):'
271         WRITE(numout,*) '      "NCAR"      algorithm   (Large and Yeager 2008)     ln_NCAR      = ', ln_NCAR
272         WRITE(numout,*) '      "COARE 3.0" algorithm   (Fairall et al. 2003)       ln_COARE_3p0 = ', ln_COARE_3p0
273         WRITE(numout,*) '      "COARE 3.5" algorithm   (Edson et al. 2013)         ln_COARE_3p5 = ', ln_COARE_3p5
274         WRITE(numout,*) '      "ECMWF"     algorithm   (IFS cycle 31)              ln_ECMWF     = ', ln_ECMWF
275         WRITE(numout,*) '      add High freq.contribution to the stress module     ln_taudif    = ', ln_taudif
276         WRITE(numout,*) '      Air temperature and humidity reference height (m)   rn_zqt       = ', rn_zqt
277         WRITE(numout,*) '      Wind vector reference height (m)                    rn_zu        = ', rn_zu
278         WRITE(numout,*) '      factor applied on precipitation (total & snow)      rn_pfac      = ', rn_pfac
279         WRITE(numout,*) '      factor applied on evaporation                       rn_efac      = ', rn_efac
280         WRITE(numout,*) '      factor applied on ocean/ice velocity                rn_vfac      = ', rn_vfac
281         WRITE(numout,*) '         (form absolute (=0) to relative winds(=1))'
282         WRITE(numout,*) '      use ice-atm drag from Lupkes2012                    ln_Cd_L12    = ', ln_Cd_L12
283         WRITE(numout,*) '      use ice-atm drag from Lupkes2015                    ln_Cd_L15    = ', ln_Cd_L15
284         !
285         WRITE(numout,*)
286         SELECT CASE( nblk )              !* Print the choice of bulk algorithm
287         CASE( np_NCAR      )   ;   WRITE(numout,*) '   ==>>>   "NCAR" algorithm        (Large and Yeager 2008)'
288         CASE( np_COARE_3p0 )   ;   WRITE(numout,*) '   ==>>>   "COARE 3.0" algorithm   (Fairall et al. 2003)'
289         CASE( np_COARE_3p5 )   ;   WRITE(numout,*) '   ==>>>   "COARE 3.5" algorithm   (Edson et al. 2013)'
290         CASE( np_ECMWF     )   ;   WRITE(numout,*) '   ==>>>   "ECMWF" algorithm       (IFS cycle 31)'
291         END SELECT
292         !
293      ENDIF
294      !
295   END SUBROUTINE sbc_blk_init
296
297
298   SUBROUTINE sbc_blk( kt )
299      !!---------------------------------------------------------------------
300      !!                    ***  ROUTINE sbc_blk  ***
301      !!
302      !! ** Purpose :   provide at each time step the surface ocean fluxes
303      !!              (momentum, heat, freshwater and runoff)
304      !!
305      !! ** Method  : (1) READ each fluxes in NetCDF files:
306      !!      the 10m wind velocity (i-component) (m/s)    at T-point
307      !!      the 10m wind velocity (j-component) (m/s)    at T-point
308      !!      the 10m or 2m specific humidity     ( % )
309      !!      the solar heat                      (W/m2)
310      !!      the Long wave                       (W/m2)
311      !!      the 10m or 2m air temperature       (Kelvin)
312      !!      the total precipitation (rain+snow) (Kg/m2/s)
313      !!      the snow (solid prcipitation)       (kg/m2/s)
314      !!      the tau diff associated to HF tau   (N/m2)   at T-point   (ln_taudif=T)
315      !!              (2) CALL blk_oce
316      !!
317      !!      C A U T I O N : never mask the surface stress fields
318      !!                      the stress is assumed to be in the (i,j) mesh referential
319      !!
320      !! ** Action  :   defined at each time-step at the air-sea interface
321      !!              - utau, vtau  i- and j-component of the wind stress
322      !!              - taum        wind stress module at T-point
323      !!              - wndm        wind speed  module at T-point over free ocean or leads in presence of sea-ice
324      !!              - qns, qsr    non-solar and solar heat fluxes
325      !!              - emp         upward mass flux (evapo. - precip.)
326      !!              - sfx         salt flux due to freezing/melting (non-zero only if ice is present)
327      !!
328      !! ** References :   Large & Yeager, 2004 / Large & Yeager, 2008
329      !!                   Brodeau et al. Ocean Modelling 2010
330      !!----------------------------------------------------------------------
331      INTEGER, INTENT(in) ::   kt   ! ocean time step
332      !!---------------------------------------------------------------------
333      !
334      CALL fld_read( kt, nn_fsbc, sf )             ! input fields provided at the current time-step
335      !
336      !                                            ! compute the surface ocean fluxes using bulk formulea
337      IF( MOD( kt - 1, nn_fsbc ) == 0 )   CALL blk_oce( kt, sf, sst_m, ssu_m, ssv_m )
338
339#if defined key_cice
340      IF( MOD( kt - 1, nn_fsbc ) == 0 )   THEN
341         qlw_ice(:,:,1)   = sf(jp_qlw )%fnow(:,:,1)
342         IF( ln_dm2dc ) THEN ; qsr_ice(:,:,1) = sbc_dcy( sf(jp_qsr)%fnow(:,:,1) )
343         ELSE                ; qsr_ice(:,:,1) =          sf(jp_qsr)%fnow(:,:,1) 
344         ENDIF
345         tatm_ice(:,:)    = sf(jp_tair)%fnow(:,:,1)
346         qatm_ice(:,:)    = sf(jp_humi)%fnow(:,:,1)
347         tprecip(:,:)     = sf(jp_prec)%fnow(:,:,1) * rn_pfac
348         sprecip(:,:)     = sf(jp_snow)%fnow(:,:,1) * rn_pfac
349         wndi_ice(:,:)    = sf(jp_wndi)%fnow(:,:,1)
350         wndj_ice(:,:)    = sf(jp_wndj)%fnow(:,:,1)
351      ENDIF
352#endif
353      !
354   END SUBROUTINE sbc_blk
355
356
357   SUBROUTINE blk_oce( kt, sf, pst, pu, pv )
358      !!---------------------------------------------------------------------
359      !!                     ***  ROUTINE blk_oce  ***
360      !!
361      !! ** Purpose :   provide the momentum, heat and freshwater fluxes at
362      !!      the ocean surface at each time step
363      !!
364      !! ** Method  :   bulk formulea for the ocean using atmospheric
365      !!      fields read in sbc_read
366      !!
367      !! ** Outputs : - utau    : i-component of the stress at U-point  (N/m2)
368      !!              - vtau    : j-component of the stress at V-point  (N/m2)
369      !!              - taum    : Wind stress module at T-point         (N/m2)
370      !!              - wndm    : Wind speed module at T-point          (m/s)
371      !!              - qsr     : Solar heat flux over the ocean        (W/m2)
372      !!              - qns     : Non Solar heat flux over the ocean    (W/m2)
373      !!              - emp     : evaporation minus precipitation       (kg/m2/s)
374      !!
375      !!  ** Nota  :   sf has to be a dummy argument for AGRIF on NEC
376      !!---------------------------------------------------------------------
377      INTEGER  , INTENT(in   )                 ::   kt    ! time step index
378      TYPE(fld), INTENT(inout), DIMENSION(:)   ::   sf    ! input data
379      REAL(wp) , INTENT(in)   , DIMENSION(:,:) ::   pst   ! surface temperature                      [Celcius]
380      REAL(wp) , INTENT(in)   , DIMENSION(:,:) ::   pu    ! surface current at U-point (i-component) [m/s]
381      REAL(wp) , INTENT(in)   , DIMENSION(:,:) ::   pv    ! surface current at V-point (j-component) [m/s]
382      !
383      INTEGER  ::   ji, jj               ! dummy loop indices
384      REAL(wp) ::   zztmp                ! local variable
385      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   zwnd_i, zwnd_j    ! wind speed components at T-point
386      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   zsq               ! specific humidity at pst
387      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   zqlw, zqsb        ! long wave and sensible heat fluxes
388      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   zqla, zevap       ! latent heat fluxes and evaporation
389      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   zst               ! surface temperature in Kelvin
390      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   zU_zu             ! bulk wind speed at height zu  [m/s]
391      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   ztpot             ! potential temperature of air at z=rn_zqt [K]
392      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   zrhoa             ! density of air   [kg/m^3]
393      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   zcptrain, zcptsnw, zcptn ! Heat content per unit mass (J/kg)
394      !!---------------------------------------------------------------------
395      !
396      ! Heat content per unit mass (J/kg)
397      zcptrain(:,:) = (      sf(jp_tair)%fnow(:,:,1)        - rt0 ) * rcp  * tmask(:,:,1)
398      zcptsnw (:,:) = ( MIN( sf(jp_tair)%fnow(:,:,1), rt0 ) - rt0 ) * rcpi * tmask(:,:,1)
399      zcptn   (:,:) =        pst(:,:)                               * rcp  * tmask(:,:,1)
400      !
401      ! local scalars ( place there for vector optimisation purposes)
402      zst(:,:) = pst(:,:) + rt0      ! convert SST from Celcius to Kelvin (and set minimum value far above 0 K)
403
404      ! --- cloud cover --- !
405      cloud_fra(:,:) = sf(jp_cc)%fnow(:,:,1)
406
407      ! ----------------------------------------------------------------------------- !
408      !      0   Wind components and module at T-point relative to the moving ocean   !
409      ! ----------------------------------------------------------------------------- !
410
411      ! ... components ( U10m - U_oce ) at T-point (unmasked)
412!!gm    move zwnd_i (_j) set to zero  inside the key_cyclone ???
413      zwnd_i(:,:) = 0._wp
414      zwnd_j(:,:) = 0._wp
415#if defined key_cyclone
416      CALL wnd_cyc( kt, zwnd_i, zwnd_j )    ! add analytical tropical cyclone (Vincent et al. JGR 2012)
417      DO jj = 2, jpjm1
418         DO ji = fs_2, fs_jpim1   ! vect. opt.
419            sf(jp_wndi)%fnow(ji,jj,1) = sf(jp_wndi)%fnow(ji,jj,1) + zwnd_i(ji,jj)
420            sf(jp_wndj)%fnow(ji,jj,1) = sf(jp_wndj)%fnow(ji,jj,1) + zwnd_j(ji,jj)
421         END DO
422      END DO
423#endif
424      DO jj = 2, jpjm1
425         DO ji = fs_2, fs_jpim1   ! vect. opt.
426            zwnd_i(ji,jj) = (  sf(jp_wndi)%fnow(ji,jj,1) - rn_vfac * 0.5 * ( pu(ji-1,jj  ) + pu(ji,jj) )  )
427            zwnd_j(ji,jj) = (  sf(jp_wndj)%fnow(ji,jj,1) - rn_vfac * 0.5 * ( pv(ji  ,jj-1) + pv(ji,jj) )  )
428         END DO
429      END DO
430      CALL lbc_lnk_multi( 'sbcblk', zwnd_i, 'T', -1., zwnd_j, 'T', -1. )
431      ! ... scalar wind ( = | U10m - U_oce | ) at T-point (masked)
432      wndm(:,:) = SQRT(  zwnd_i(:,:) * zwnd_i(:,:)   &
433         &             + zwnd_j(:,:) * zwnd_j(:,:)  ) * tmask(:,:,1)
434
435      ! ----------------------------------------------------------------------------- !
436      !      I   Radiative FLUXES                                                     !
437      ! ----------------------------------------------------------------------------- !
438
439      ! ocean albedo assumed to be constant + modify now Qsr to include the diurnal cycle                    ! Short Wave
440      zztmp = 1. - albo
441      IF( ln_dm2dc ) THEN   ;   qsr(:,:) = zztmp * sbc_dcy( sf(jp_qsr)%fnow(:,:,1) ) * tmask(:,:,1)
442      ELSE                  ;   qsr(:,:) = zztmp *          sf(jp_qsr)%fnow(:,:,1)   * tmask(:,:,1)
443      ENDIF
444
445#if defined key_top
446      IF( ln_trcdc2dm )  THEN      !  diurnal cycle in TOP
447         IF( ln_dm2dc )  THEN  ;  qsr_mean(:,:) = zztmp * sf(jp_qsr)%fnow(:,:,1)  * tmask(:,:,1)
448         ELSE                  ;  ncpl_qsr_freq = sf(jp_qsr)%freqh * 3600 !   qsr_mean will be computed in TOP
449         ENDIF
450      ENDIF
451#endif
452
453      zqlw(:,:) = (  sf(jp_qlw)%fnow(:,:,1) - Stef * zst(:,:)*zst(:,:)*zst(:,:)*zst(:,:)  ) * tmask(:,:,1)   ! Long  Wave
454
455      ! ----------------------------------------------------------------------------- !
456      !     II    Turbulent FLUXES                                                    !
457      ! ----------------------------------------------------------------------------- !
458
459      ! ... specific humidity at SST and IST tmask(
460      zsq(:,:) = 0.98 * q_sat( zst(:,:), sf(jp_slp)%fnow(:,:,1) )
461      !!
462      !! Estimate of potential temperature at z=rn_zqt, based on adiabatic lapse-rate
463      !!    (see Josey, Gulev & Yu, 2013) / doi=10.1016/B978-0-12-391851-2.00005-2
464      !!    (since reanalysis products provide T at z, not theta !)
465      ztpot = sf(jp_tair)%fnow(:,:,1) + gamma_moist( sf(jp_tair)%fnow(:,:,1), sf(jp_humi)%fnow(:,:,1) ) * rn_zqt
466
467      SELECT CASE( nblk )        !==  transfer coefficients  ==!   Cd, Ch, Ce at T-point
468      !
469      CASE( np_NCAR      )   ;   CALL turb_ncar    ( rn_zqt, rn_zu, zst, ztpot, zsq, sf(jp_humi)%fnow, wndm,   &  ! NCAR-COREv2
470         &                                           Cd_atm, Ch_atm, Ce_atm, t_zu, q_zu, zU_zu, cdn_oce, chn_oce, cen_oce )
471      CASE( np_COARE_3p0 )   ;   CALL turb_coare   ( rn_zqt, rn_zu, zst, ztpot, zsq, sf(jp_humi)%fnow, wndm,   &  ! COARE v3.0
472         &                                           Cd_atm, Ch_atm, Ce_atm, t_zu, q_zu, zU_zu, cdn_oce, chn_oce, cen_oce )
473      CASE( np_COARE_3p5 )   ;   CALL turb_coare3p5( rn_zqt, rn_zu, zst, ztpot, zsq, sf(jp_humi)%fnow, wndm,   &  ! COARE v3.5
474         &                                           Cd_atm, Ch_atm, Ce_atm, t_zu, q_zu, zU_zu, cdn_oce, chn_oce, cen_oce )
475      CASE( np_ECMWF     )   ;   CALL turb_ecmwf   ( rn_zqt, rn_zu, zst, ztpot, zsq, sf(jp_humi)%fnow, wndm,   &  ! ECMWF
476         &                                           Cd_atm, Ch_atm, Ce_atm, t_zu, q_zu, zU_zu, cdn_oce, chn_oce, cen_oce )
477      CASE DEFAULT
478         CALL ctl_stop( 'STOP', 'sbc_oce: non-existing bulk formula selected' )
479      END SELECT
480
481      !                          ! Compute true air density :
482      IF( ABS(rn_zu - rn_zqt) > 0.01 ) THEN     ! At zu: (probably useless to remove zrho*grav*rn_zu from SLP...)
483         zrhoa(:,:) = rho_air( t_zu(:,:)              , q_zu(:,:)              , sf(jp_slp)%fnow(:,:,1) )
484      ELSE                                      ! At zt:
485         zrhoa(:,:) = rho_air( sf(jp_tair)%fnow(:,:,1), sf(jp_humi)%fnow(:,:,1), sf(jp_slp)%fnow(:,:,1) )
486      END IF
487
488!!      CALL iom_put( "Cd_oce", Cd_atm)  ! output value of pure ocean-atm. transfer coef.
489!!      CALL iom_put( "Ch_oce", Ch_atm)  ! output value of pure ocean-atm. transfer coef.
490
491      DO jj = 1, jpj             ! tau module, i and j component
492         DO ji = 1, jpi
493            zztmp = zrhoa(ji,jj)  * zU_zu(ji,jj) * Cd_atm(ji,jj)   ! using bulk wind speed
494            taum  (ji,jj) = zztmp * wndm  (ji,jj)
495            zwnd_i(ji,jj) = zztmp * zwnd_i(ji,jj)
496            zwnd_j(ji,jj) = zztmp * zwnd_j(ji,jj)
497         END DO
498      END DO
499
500      !                          ! add the HF tau contribution to the wind stress module
501      IF( lhftau )   taum(:,:) = taum(:,:) + sf(jp_tdif)%fnow(:,:,1)
502
503      CALL iom_put( "taum_oce", taum )   ! output wind stress module
504
505      ! ... utau, vtau at U- and V_points, resp.
506      !     Note the use of 0.5*(2-umask) in order to unmask the stress along coastlines
507      !     Note the use of MAX(tmask(i,j),tmask(i+1,j) is to mask tau over ice shelves
508      DO jj = 1, jpjm1
509         DO ji = 1, fs_jpim1
510            utau(ji,jj) = 0.5 * ( 2. - umask(ji,jj,1) ) * ( zwnd_i(ji,jj) + zwnd_i(ji+1,jj  ) ) &
511               &          * MAX(tmask(ji,jj,1),tmask(ji+1,jj,1))
512            vtau(ji,jj) = 0.5 * ( 2. - vmask(ji,jj,1) ) * ( zwnd_j(ji,jj) + zwnd_j(ji  ,jj+1) ) &
513               &          * MAX(tmask(ji,jj,1),tmask(ji,jj+1,1))
514         END DO
515      END DO
516      CALL lbc_lnk_multi( 'sbcblk', utau, 'U', -1., vtau, 'V', -1. )
517
518      !  Turbulent fluxes over ocean
519      ! -----------------------------
520
521      ! zqla used as temporary array, for rho*U (common term of bulk formulae):
522      zqla(:,:) = zrhoa(:,:) * zU_zu(:,:) * tmask(:,:,1)
523
524      IF( ABS( rn_zu - rn_zqt) < 0.01_wp ) THEN
525         !! q_air and t_air are given at 10m (wind reference height)
526         zevap(:,:) = rn_efac*MAX( 0._wp,             zqla(:,:)*Ce_atm(:,:)*(zsq(:,:) - sf(jp_humi)%fnow(:,:,1)) ) ! Evaporation, using bulk wind speed
527         zqsb (:,:) = cp_air(sf(jp_humi)%fnow(:,:,1))*zqla(:,:)*Ch_atm(:,:)*(zst(:,:) - ztpot(:,:)             )   ! Sensible Heat, using bulk wind speed
528      ELSE
529         !! q_air and t_air are not given at 10m (wind reference height)
530         ! Values of temp. and hum. adjusted to height of wind during bulk algorithm iteration must be used!!!
531         zevap(:,:) = rn_efac*MAX( 0._wp,             zqla(:,:)*Ce_atm(:,:)*(zsq(:,:) - q_zu(:,:) ) ) ! Evaporation, using bulk wind speed
532         zqsb (:,:) = cp_air(sf(jp_humi)%fnow(:,:,1))*zqla(:,:)*Ch_atm(:,:)*(zst(:,:) - t_zu(:,:) )   ! Sensible Heat, using bulk wind speed
533      ENDIF
534
535      zqla(:,:) = L_vap(zst(:,:)) * zevap(:,:)     ! Latent Heat flux
536
537
538      IF(ln_ctl) THEN
539         CALL prt_ctl( tab2d_1=zqla  , clinfo1=' blk_oce: zqla   : ', tab2d_2=Ce_atm , clinfo2=' Ce_oce  : ' )
540         CALL prt_ctl( tab2d_1=zqsb  , clinfo1=' blk_oce: zqsb   : ', tab2d_2=Ch_atm , clinfo2=' Ch_oce  : ' )
541         CALL prt_ctl( tab2d_1=zqlw  , clinfo1=' blk_oce: zqlw   : ', tab2d_2=qsr, clinfo2=' qsr : ' )
542         CALL prt_ctl( tab2d_1=zsq   , clinfo1=' blk_oce: zsq    : ', tab2d_2=zst, clinfo2=' zst : ' )
543         CALL prt_ctl( tab2d_1=utau  , clinfo1=' blk_oce: utau   : ', mask1=umask,   &
544            &          tab2d_2=vtau  , clinfo2=           ' vtau : ', mask2=vmask )
545         CALL prt_ctl( tab2d_1=wndm  , clinfo1=' blk_oce: wndm   : ')
546         CALL prt_ctl( tab2d_1=zst   , clinfo1=' blk_oce: zst    : ')
547      ENDIF
548
549      ! ----------------------------------------------------------------------------- !
550      !     III    Total FLUXES                                                       !
551      ! ----------------------------------------------------------------------------- !
552      !
553      emp (:,:) = (  zevap(:,:)                                          &   ! mass flux (evap. - precip.)
554         &         - sf(jp_prec)%fnow(:,:,1) * rn_pfac  ) * tmask(:,:,1)
555      !
556      qns(:,:) = zqlw(:,:) - zqsb(:,:) - zqla(:,:)                                &   ! Downward Non Solar
557         &     - sf(jp_snow)%fnow(:,:,1) * rn_pfac * rLfus                        &   ! remove latent melting heat for solid precip
558         &     - zevap(:,:) * zcptn(:,:)                                          &   ! remove evap heat content at SST
559         &     + ( sf(jp_prec)%fnow(:,:,1) - sf(jp_snow)%fnow(:,:,1) ) * rn_pfac  &   ! add liquid precip heat content at Tair
560         &     * zcptrain(:,:)                                                    &
561         &     + sf(jp_snow)%fnow(:,:,1) * rn_pfac                                &   ! add solid  precip heat content at min(Tair,Tsnow)
562         &     * zcptsnw(:,:)
563      qns(:,:) = qns(:,:) * tmask(:,:,1)
564      !
565#if defined key_si3
566      qns_oce(:,:) = zqlw(:,:) - zqsb(:,:) - zqla(:,:)                                ! non solar without emp (only needed by SI3)
567      qsr_oce(:,:) = qsr(:,:)
568#endif
569      !
570      IF ( nn_ice == 0 ) THEN
571         CALL iom_put( "qlw_oce" ,   zqlw )                 ! output downward longwave heat over the ocean
572         CALL iom_put( "qsb_oce" , - zqsb )                 ! output downward sensible heat over the ocean
573         CALL iom_put( "qla_oce" , - zqla )                 ! output downward latent   heat over the ocean
574         CALL iom_put( "qemp_oce",   qns-zqlw+zqsb+zqla )   ! output downward heat content of E-P over the ocean
575         CALL iom_put( "qns_oce" ,   qns  )                 ! output downward non solar heat over the ocean
576         CALL iom_put( "qsr_oce" ,   qsr  )                 ! output downward solar heat over the ocean
577         CALL iom_put( "qt_oce"  ,   qns+qsr )              ! output total downward heat over the ocean
578         tprecip(:,:) = sf(jp_prec)%fnow(:,:,1) * rn_pfac * tmask(:,:,1) ! output total precipitation [kg/m2/s]
579         sprecip(:,:) = sf(jp_snow)%fnow(:,:,1) * rn_pfac * tmask(:,:,1) ! output solid precipitation [kg/m2/s]
580         CALL iom_put( 'snowpre', sprecip )                 ! Snow
581         CALL iom_put( 'precip' , tprecip )                 ! Total precipitation
582      ENDIF
583      !
584      IF(ln_ctl) THEN
585         CALL prt_ctl(tab2d_1=zqsb , clinfo1=' blk_oce: zqsb   : ', tab2d_2=zqlw , clinfo2=' zqlw  : ')
586         CALL prt_ctl(tab2d_1=zqla , clinfo1=' blk_oce: zqla   : ', tab2d_2=qsr  , clinfo2=' qsr   : ')
587         CALL prt_ctl(tab2d_1=pst  , clinfo1=' blk_oce: pst    : ', tab2d_2=emp  , clinfo2=' emp   : ')
588         CALL prt_ctl(tab2d_1=utau , clinfo1=' blk_oce: utau   : ', mask1=umask,   &
589            &         tab2d_2=vtau , clinfo2=              ' vtau  : ' , mask2=vmask )
590      ENDIF
591      !
592   END SUBROUTINE blk_oce
593
594
595
596   FUNCTION rho_air( ptak, pqa, pslp )
597      !!-------------------------------------------------------------------------------
598      !!                           ***  FUNCTION rho_air  ***
599      !!
600      !! ** Purpose : compute density of (moist) air using the eq. of state of the atmosphere
601      !!
602      !! ** Author: L. Brodeau, june 2016 / AeroBulk (https://sourceforge.net/p/aerobulk)
603      !!-------------------------------------------------------------------------------
604      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj), INTENT(in) ::   ptak      ! air temperature             [K]
605      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj), INTENT(in) ::   pqa       ! air specific humidity   [kg/kg]
606      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj), INTENT(in) ::   pslp      ! pressure in                [Pa]
607      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj)             ::   rho_air   ! density of moist air   [kg/m^3]
608      !!-------------------------------------------------------------------------------
609      !
610      rho_air = pslp / (  R_dry*ptak * ( 1._wp + rctv0*pqa )  )
611      !
612   END FUNCTION rho_air
613
614
615   FUNCTION cp_air( pqa )
616      !!-------------------------------------------------------------------------------
617      !!                           ***  FUNCTION cp_air  ***
618      !!
619      !! ** Purpose : Compute specific heat (Cp) of moist air
620      !!
621      !! ** Author: L. Brodeau, june 2016 / AeroBulk (https://sourceforge.net/p/aerobulk)
622      !!-------------------------------------------------------------------------------
623      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj), INTENT(in) ::   pqa      ! air specific humidity         [kg/kg]
624      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj)             ::   cp_air   ! specific heat of moist air   [J/K/kg]
625      !!-------------------------------------------------------------------------------
626      !
627      Cp_air = Cp_dry + Cp_vap * pqa
628      !
629   END FUNCTION cp_air
630
631
632   FUNCTION q_sat( ptak, pslp )
633      !!----------------------------------------------------------------------------------
634      !!                           ***  FUNCTION q_sat  ***
635      !!
636      !! ** Purpose : Specific humidity at saturation in [kg/kg]
637      !!              Based on accurate estimate of "e_sat"
638      !!              aka saturation water vapor (Goff, 1957)
639      !!
640      !! ** Author: L. Brodeau, june 2016 / AeroBulk (https://sourceforge.net/p/aerobulk)
641      !!----------------------------------------------------------------------------------
642      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj), INTENT(in) ::   ptak    ! air temperature                       [K]
643      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj), INTENT(in) ::   pslp    ! sea level atmospheric pressure       [Pa]
644      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj)             ::   q_sat   ! Specific humidity at saturation   [kg/kg]
645      !
646      INTEGER  ::   ji, jj         ! dummy loop indices
647      REAL(wp) ::   ze_sat, ztmp   ! local scalar
648      !!----------------------------------------------------------------------------------
649      !
650      DO jj = 1, jpj
651         DO ji = 1, jpi
652            !
653            ztmp = rt0 / ptak(ji,jj)
654            !
655            ! Vapour pressure at saturation [hPa] : WMO, (Goff, 1957)
656            ze_sat = 10.**( 10.79574*(1. - ztmp) - 5.028*LOG10(ptak(ji,jj)/rt0)        &
657               &    + 1.50475*10.**(-4)*(1. - 10.**(-8.2969*(ptak(ji,jj)/rt0 - 1.)) )  &
658               &    + 0.42873*10.**(-3)*(10.**(4.76955*(1. - ztmp)) - 1.) + 0.78614  )
659               !
660            q_sat(ji,jj) = reps0 * ze_sat/( 0.01_wp*pslp(ji,jj) - (1._wp - reps0)*ze_sat )   ! 0.01 because SLP is in [Pa]
661            !
662         END DO
663      END DO
664      !
665   END FUNCTION q_sat
666
667
668   FUNCTION gamma_moist( ptak, pqa )
669      !!----------------------------------------------------------------------------------
670      !!                           ***  FUNCTION gamma_moist  ***
671      !!
672      !! ** Purpose : Compute the moist adiabatic lapse-rate.
673      !!     => http://glossary.ametsoc.org/wiki/Moist-adiabatic_lapse_rate
674      !!     => http://www.geog.ucsb.edu/~joel/g266_s10/lecture_notes/chapt03/oh10_3_01/oh10_3_01.html
675      !!
676      !! ** Author: L. Brodeau, june 2016 / AeroBulk (https://sourceforge.net/p/aerobulk)
677      !!----------------------------------------------------------------------------------
678      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj), INTENT(in) ::   ptak          ! air temperature       [K]
679      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj), INTENT(in) ::   pqa           ! specific humidity [kg/kg]
680      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj)             ::   gamma_moist   ! moist adiabatic lapse-rate
681      !
682      INTEGER  ::   ji, jj         ! dummy loop indices
683      REAL(wp) :: zrv, ziRT        ! local scalar
684      !!----------------------------------------------------------------------------------
685      !
686      DO jj = 1, jpj
687         DO ji = 1, jpi
688            zrv = pqa(ji,jj) / (1. - pqa(ji,jj))
689            ziRT = 1. / (R_dry*ptak(ji,jj))    ! 1/RT
690            gamma_moist(ji,jj) = grav * ( 1. + rLevap*zrv*ziRT ) / ( Cp_dry + rLevap*rLevap*zrv*reps0*ziRT/ptak(ji,jj) )
691         END DO
692      END DO
693      !
694   END FUNCTION gamma_moist
695
696
697   FUNCTION L_vap( psst )
698      !!---------------------------------------------------------------------------------
699      !!                           ***  FUNCTION L_vap  ***
700      !!
701      !! ** Purpose : Compute the latent heat of vaporization of water from temperature
702      !!
703      !! ** Author: L. Brodeau, june 2016 / AeroBulk (https://sourceforge.net/p/aerobulk)
704      !!----------------------------------------------------------------------------------
705      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj)             ::   L_vap   ! latent heat of vaporization   [J/kg]
706      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj), INTENT(in) ::   psst   ! water temperature                [K]
707      !!----------------------------------------------------------------------------------
708      !
709      L_vap = (  2.501 - 0.00237 * ( psst(:,:) - rt0)  ) * 1.e6
710      !
711   END FUNCTION L_vap
712
713#if defined key_si3
714   !!----------------------------------------------------------------------
715   !!   'key_si3'                                       SI3 sea-ice model
716   !!----------------------------------------------------------------------
717   !!   blk_ice_tau : provide the air-ice stress
718   !!   blk_ice_flx : provide the heat and mass fluxes at air-ice interface
719   !!   blk_ice_qcn : provide ice surface temperature and snow/ice conduction flux (emulating conduction flux)
720   !!   Cdn10_Lupkes2012 : Lupkes et al. (2012) air-ice drag
721   !!   Cdn10_Lupkes2015 : Lupkes et al. (2015) air-ice drag
722   !!----------------------------------------------------------------------
723
724   SUBROUTINE blk_ice_tau
725      !!---------------------------------------------------------------------
726      !!                     ***  ROUTINE blk_ice_tau  ***
727      !!
728      !! ** Purpose :   provide the surface boundary condition over sea-ice
729      !!
730      !! ** Method  :   compute momentum using bulk formulation
731      !!                formulea, ice variables and read atmospheric fields.
732      !!                NB: ice drag coefficient is assumed to be a constant
733      !!---------------------------------------------------------------------
734      INTEGER  ::   ji, jj    ! dummy loop indices
735      REAL(wp) ::   zwndi_f , zwndj_f, zwnorm_f   ! relative wind module and components at F-point
736      REAL(wp) ::   zwndi_t , zwndj_t             ! relative wind components at T-point
737      REAL(wp) ::   zztmp1  , zztmp2              ! temporary values
738      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   zrhoa     ! transfer coefficient for momentum      (tau)
739      !!---------------------------------------------------------------------
740      !
741      ! set transfer coefficients to default sea-ice values
742      Cd_atm(:,:) = Cd_ice
743      Ch_atm(:,:) = Cd_ice
744      Ce_atm(:,:) = Cd_ice
745
746      wndm_ice(:,:) = 0._wp      !!gm brutal....
747
748      ! ------------------------------------------------------------ !
749      !    Wind module relative to the moving ice ( U10m - U_ice )   !
750      ! ------------------------------------------------------------ !
751      ! C-grid ice dynamics :   U & V-points (same as ocean)
752      DO jj = 2, jpjm1
753         DO ji = fs_2, fs_jpim1   ! vect. opt.
754            zwndi_t = (  sf(jp_wndi)%fnow(ji,jj,1) - rn_vfac * 0.5 * ( u_ice(ji-1,jj  ) + u_ice(ji,jj) )  )
755            zwndj_t = (  sf(jp_wndj)%fnow(ji,jj,1) - rn_vfac * 0.5 * ( v_ice(ji  ,jj-1) + v_ice(ji,jj) )  )
756            wndm_ice(ji,jj) = SQRT( zwndi_t * zwndi_t + zwndj_t * zwndj_t ) * tmask(ji,jj,1)
757         END DO
758      END DO
759      CALL lbc_lnk( 'sbcblk', wndm_ice, 'T',  1. )
760      !
761      ! Make ice-atm. drag dependent on ice concentration
762      IF    ( ln_Cd_L12 ) THEN   ! calculate new drag from Lupkes(2012) equations
763         CALL Cdn10_Lupkes2012( Cd_atm )
764         Ch_atm(:,:) = Cd_atm(:,:)       ! momentum and heat transfer coef. are considered identical
765      ELSEIF( ln_Cd_L15 ) THEN   ! calculate new drag from Lupkes(2015) equations
766         CALL Cdn10_Lupkes2015( Cd_atm, Ch_atm ) 
767      ENDIF
768
769!!      CALL iom_put( "Cd_ice", Cd_atm)  ! output value of pure ice-atm. transfer coef.
770!!      CALL iom_put( "Ch_ice", Ch_atm)  ! output value of pure ice-atm. transfer coef.
771
772      ! local scalars ( place there for vector optimisation purposes)
773      ! Computing density of air! Way denser that 1.2 over sea-ice !!!
774      zrhoa (:,:) =  rho_air(sf(jp_tair)%fnow(:,:,1), sf(jp_humi)%fnow(:,:,1), sf(jp_slp)%fnow(:,:,1))
775
776      ! ------------------------------------------------------------ !
777      !    Wind stress relative to the moving ice ( U10m - U_ice )   !
778      ! ------------------------------------------------------------ !
779      zztmp1 = rn_vfac * 0.5_wp
780      DO jj = 2, jpj    ! at T point
781         DO ji = 2, jpi
782            zztmp2 = zrhoa(ji,jj) * Cd_atm(ji,jj) * wndm_ice(ji,jj)
783            utau_ice(ji,jj) = zztmp2 * ( sf(jp_wndi)%fnow(ji,jj,1) - zztmp1 * ( u_ice(ji-1,jj  ) + u_ice(ji,jj) ) )
784            vtau_ice(ji,jj) = zztmp2 * ( sf(jp_wndj)%fnow(ji,jj,1) - zztmp1 * ( v_ice(ji  ,jj-1) + v_ice(ji,jj) ) )
785         END DO
786      END DO
787      !
788      DO jj = 2, jpjm1  ! U & V-points (same as ocean).
789         DO ji = fs_2, fs_jpim1   ! vect. opt.
790            ! take care of the land-sea mask to avoid "pollution" of coastal stress. p[uv]taui used in frazil and  rheology
791            zztmp1 = 0.5_wp * ( 2. - umask(ji,jj,1) ) * MAX( tmask(ji,jj,1),tmask(ji+1,jj  ,1) )
792            zztmp2 = 0.5_wp * ( 2. - vmask(ji,jj,1) ) * MAX( tmask(ji,jj,1),tmask(ji  ,jj+1,1) )
793            utau_ice(ji,jj) = zztmp1 * ( utau_ice(ji,jj) + utau_ice(ji+1,jj  ) )
794            vtau_ice(ji,jj) = zztmp2 * ( vtau_ice(ji,jj) + vtau_ice(ji  ,jj+1) )
795         END DO
796      END DO
797      CALL lbc_lnk_multi( 'sbcblk', utau_ice, 'U', -1., vtau_ice, 'V', -1. )
798      !
799      !
800      IF(ln_ctl) THEN
801         CALL prt_ctl(tab2d_1=utau_ice  , clinfo1=' blk_ice: utau_ice : ', tab2d_2=vtau_ice  , clinfo2=' vtau_ice : ')
802         CALL prt_ctl(tab2d_1=wndm_ice  , clinfo1=' blk_ice: wndm_ice : ')
803      ENDIF
804      !
805   END SUBROUTINE blk_ice_tau
806
807
808   SUBROUTINE blk_ice_flx( ptsu, phs, phi, palb )
809      !!---------------------------------------------------------------------
810      !!                     ***  ROUTINE blk_ice_flx  ***
811      !!
812      !! ** Purpose :   provide the heat and mass fluxes at air-ice interface
813      !!
814      !! ** Method  :   compute heat and freshwater exchanged
815      !!                between atmosphere and sea-ice using bulk formulation
816      !!                formulea, ice variables and read atmmospheric fields.
817      !!
818      !! caution : the net upward water flux has with mm/day unit
819      !!---------------------------------------------------------------------
820      REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), INTENT(in)  ::   ptsu   ! sea ice surface temperature
821      REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), INTENT(in)  ::   phs    ! snow thickness
822      REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), INTENT(in)  ::   phi    ! ice thickness
823      REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), INTENT(in)  ::   palb   ! ice albedo (all skies)
824      !!
825      INTEGER  ::   ji, jj, jl               ! dummy loop indices
826      REAL(wp) ::   zst3                     ! local variable
827      REAL(wp) ::   zcoef_dqlw, zcoef_dqla   !   -      -
828      REAL(wp) ::   zztmp, z1_rLsub          !   -      -
829      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj,jpl) ::   z1_st         ! inverse of surface temperature
830      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj,jpl) ::   z_qlw         ! long wave heat flux over ice
831      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj,jpl) ::   z_qsb         ! sensible  heat flux over ice
832      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj,jpl) ::   z_dqlw        ! long wave heat sensitivity over ice
833      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj,jpl) ::   z_dqsb        ! sensible  heat sensitivity over ice
834      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj)     ::   zevap, zsnw   ! evaporation and snw distribution after wind blowing (SI3)
835      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj)     ::   zrhoa
836      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj)     ::   ztri
837      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj)     ::   zcptrain, zcptsnw, zcptn ! Heat content per unit mass (J/kg)
838      !!---------------------------------------------------------------------
839      !
840      zcoef_dqlw = 4.0 * 0.95 * Stef             ! local scalars
841      zcoef_dqla = -Ls * 11637800. * (-5897.8)
842      !
843      zrhoa(:,:) = rho_air( sf(jp_tair)%fnow(:,:,1), sf(jp_humi)%fnow(:,:,1), sf(jp_slp)%fnow(:,:,1) )
844      !
845      ! Heat content per unit mass (J/kg)
846      zcptrain(:,:) = (      sf(jp_tair)%fnow(:,:,1)        - rt0 ) * rcp  * tmask(:,:,1)
847      zcptsnw (:,:) = ( MIN( sf(jp_tair)%fnow(:,:,1), rt0 ) - rt0 ) * rcpi * tmask(:,:,1)
848      zcptn   (:,:) =        sst_m(:,:)                             * rcp  * tmask(:,:,1)
849      !
850      zztmp = 1. / ( 1. - albo )
851      WHERE( ptsu(:,:,:) /= 0._wp )   ;   z1_st(:,:,:) = 1._wp / ptsu(:,:,:)
852      ELSEWHERE                       ;   z1_st(:,:,:) = 0._wp
853      END WHERE
854      !                                     ! ========================== !
855      DO jl = 1, jpl                        !  Loop over ice categories  !
856         !                                  ! ========================== !
857         DO jj = 1 , jpj
858            DO ji = 1, jpi
859               ! ----------------------------!
860               !      I   Radiative FLUXES   !
861               ! ----------------------------!
862               zst3 = ptsu(ji,jj,jl) * ptsu(ji,jj,jl) * ptsu(ji,jj,jl)
863               ! Short Wave (sw)
864               qsr_ice(ji,jj,jl) = zztmp * ( 1. - palb(ji,jj,jl) ) * qsr(ji,jj)
865               ! Long  Wave (lw)
866               z_qlw(ji,jj,jl) = 0.95 * ( sf(jp_qlw)%fnow(ji,jj,1) - Stef * ptsu(ji,jj,jl) * zst3 ) * tmask(ji,jj,1)
867               ! lw sensitivity
868               z_dqlw(ji,jj,jl) = zcoef_dqlw * zst3
869
870               ! ----------------------------!
871               !     II    Turbulent FLUXES  !
872               ! ----------------------------!
873
874               ! ... turbulent heat fluxes with Ch_atm recalculated in blk_ice_tau
875               ! Sensible Heat
876               z_qsb(ji,jj,jl) = zrhoa(ji,jj) * cpa * Ch_atm(ji,jj) * wndm_ice(ji,jj) * (ptsu(ji,jj,jl) - sf(jp_tair)%fnow(ji,jj,1))
877               ! Latent Heat
878               qla_ice(ji,jj,jl) = rn_efac * MAX( 0.e0, zrhoa(ji,jj) * Ls  * Ch_atm(ji,jj) * wndm_ice(ji,jj) *  &
879                  &                ( 11637800. * EXP( -5897.8 * z1_st(ji,jj,jl) ) / zrhoa(ji,jj) - sf(jp_humi)%fnow(ji,jj,1) ) )
880               ! Latent heat sensitivity for ice (Dqla/Dt)
881               IF( qla_ice(ji,jj,jl) > 0._wp ) THEN
882                  dqla_ice(ji,jj,jl) = rn_efac * zcoef_dqla * Ch_atm(ji,jj) * wndm_ice(ji,jj) *  &
883                     &                 z1_st(ji,jj,jl)*z1_st(ji,jj,jl) * EXP(-5897.8 * z1_st(ji,jj,jl))
884               ELSE
885                  dqla_ice(ji,jj,jl) = 0._wp
886               ENDIF
887
888               ! Sensible heat sensitivity (Dqsb_ice/Dtn_ice)
889               z_dqsb(ji,jj,jl) = zrhoa(ji,jj) * cpa * Ch_atm(ji,jj) * wndm_ice(ji,jj)
890
891               ! ----------------------------!
892               !     III    Total FLUXES     !
893               ! ----------------------------!
894               ! Downward Non Solar flux
895               qns_ice (ji,jj,jl) =     z_qlw (ji,jj,jl) - z_qsb (ji,jj,jl) - qla_ice (ji,jj,jl)
896               ! Total non solar heat flux sensitivity for ice
897               dqns_ice(ji,jj,jl) = - ( z_dqlw(ji,jj,jl) + z_dqsb(ji,jj,jl) + dqla_ice(ji,jj,jl) )
898            END DO
899            !
900         END DO
901         !
902      END DO
903      !
904      tprecip(:,:) = sf(jp_prec)%fnow(:,:,1) * rn_pfac * tmask(:,:,1)  ! total precipitation [kg/m2/s]
905      sprecip(:,:) = sf(jp_snow)%fnow(:,:,1) * rn_pfac * tmask(:,:,1)  ! solid precipitation [kg/m2/s]
906      CALL iom_put( 'snowpre', sprecip )                    ! Snow precipitation
907      CALL iom_put( 'precip' , tprecip )                    ! Total precipitation
908
909      ! --- evaporation --- !
910      z1_rLsub = 1._wp / rLsub
911      evap_ice (:,:,:) = rn_efac * qla_ice (:,:,:) * z1_rLsub    ! sublimation
912      devap_ice(:,:,:) = rn_efac * dqla_ice(:,:,:) * z1_rLsub    ! d(sublimation)/dT
913      zevap    (:,:)   = rn_efac * ( emp(:,:) + tprecip(:,:) )   ! evaporation over ocean
914
915      ! --- evaporation minus precipitation --- !
916      zsnw(:,:) = 0._wp
917      CALL ice_var_snwblow( (1.-at_i_b(:,:)), zsnw )  ! snow distribution over ice after wind blowing
918      emp_oce(:,:) = ( 1._wp - at_i_b(:,:) ) * zevap(:,:) - ( tprecip(:,:) - sprecip(:,:) ) - sprecip(:,:) * (1._wp - zsnw )
919      emp_ice(:,:) = SUM( a_i_b(:,:,:) * evap_ice(:,:,:), dim=3 ) - sprecip(:,:) * zsnw
920      emp_tot(:,:) = emp_oce(:,:) + emp_ice(:,:)
921
922      ! --- heat flux associated with emp --- !
923      qemp_oce(:,:) = - ( 1._wp - at_i_b(:,:) ) * zevap(:,:) * zcptn(:,:)         & ! evap at sst
924         &          + ( tprecip(:,:) - sprecip(:,:) )   *   zcptrain(:,:)         & ! liquid precip at Tair
925         &          +   sprecip(:,:) * ( 1._wp - zsnw ) * ( zcptsnw (:,:) - rLfus ) ! solid precip at min(Tair,Tsnow)
926      qemp_ice(:,:) =   sprecip(:,:) *           zsnw   * ( zcptsnw (:,:) - rLfus ) ! solid precip (only)
927
928      ! --- total solar and non solar fluxes --- !
929      qns_tot(:,:) = ( 1._wp - at_i_b(:,:) ) * qns_oce(:,:) + SUM( a_i_b(:,:,:) * qns_ice(:,:,:), dim=3 )  &
930         &           + qemp_ice(:,:) + qemp_oce(:,:)
931      qsr_tot(:,:) = ( 1._wp - at_i_b(:,:) ) * qsr_oce(:,:) + SUM( a_i_b(:,:,:) * qsr_ice(:,:,:), dim=3 )
932
933      ! --- heat content of precip over ice in J/m3 (to be used in 1D-thermo) --- !
934      qprec_ice(:,:) = rhos * ( zcptsnw(:,:) - rLfus )
935
936      ! --- heat content of evap over ice in W/m2 (to be used in 1D-thermo) ---
937      DO jl = 1, jpl
938         qevap_ice(:,:,jl) = 0._wp ! should be -evap_ice(:,:,jl)*( ( Tice - rt0 ) * rcpi * tmask(:,:,1) )
939         !                         ! But we do not have Tice => consider it at 0degC => evap=0
940      END DO
941
942      ! --- shortwave radiation transmitted thru the surface scattering layer (W/m2) --- !
943      IF( nn_qtrice == 0 ) THEN
944         ! formulation derived from Grenfell and Maykut (1977), where transmission rate
945         !    1) depends on cloudiness
946         !    2) is 0 when there is any snow
947         !    3) tends to 1 for thin ice
948         ztri(:,:) = 0.18 * ( 1.0 - cloud_fra(:,:) ) + 0.35 * cloud_fra(:,:)  ! surface transmission when hi>10cm
949         DO jl = 1, jpl
950            WHERE    ( phs(:,:,jl) <= 0._wp .AND. phi(:,:,jl) <  0.1_wp )     ! linear decrease from hi=0 to 10cm 
951               qtr_ice_top(:,:,jl) = qsr_ice(:,:,jl) * ( ztri(:,:) + ( 1._wp - ztri(:,:) ) * ( 1._wp - phi(:,:,jl) * 10._wp ) )
952            ELSEWHERE( phs(:,:,jl) <= 0._wp .AND. phi(:,:,jl) >= 0.1_wp )     ! constant (ztri) when hi>10cm
953               qtr_ice_top(:,:,jl) = qsr_ice(:,:,jl) * ztri(:,:)
954            ELSEWHERE                                                         ! zero when hs>0
955               qtr_ice_top(:,:,jl) = 0._wp 
956            END WHERE
957         ENDDO
958      ELSEIF( nn_qtrice == 1 ) THEN
959         ! formulation is derived from the thesis of M. Lebrun (2019).
960         !    It represents the best fit using several sets of observations
961         !    It comes with snow conductivities adapted to freezing/melting conditions (see icethd_zdf_bl99.F90)
962         qtr_ice_top(:,:,:) = 0.3_wp * qsr_ice(:,:,:)
963      ENDIF
964      !
965
966      IF( iom_use('evap_ao_cea') .OR. iom_use('hflx_evap_cea') ) THEN
967         CALL iom_put( 'evap_ao_cea'  , zevap(:,:) * ( 1._wp - at_i_b(:,:) ) * tmask(:,:,1)              )   ! ice-free oce evap (cell average)
968         CALL iom_put( 'hflx_evap_cea', zevap(:,:) * ( 1._wp - at_i_b(:,:) ) * tmask(:,:,1) * zcptn(:,:) )   ! heat flux from evap (cell average)
969      ENDIF
970      IF( iom_use('rain') .OR. iom_use('rain_ao_cea') .OR. iom_use('hflx_rain_cea') ) THEN
971         CALL iom_put( 'rain'         ,   tprecip(:,:) - sprecip(:,:)                             )          ! liquid precipitation
972         CALL iom_put( 'rain_ao_cea'  , ( tprecip(:,:) - sprecip(:,:) ) * ( 1._wp - at_i_b(:,:) ) )          ! liquid precipitation over ocean (cell average)
973         CALL iom_put( 'hflx_rain_cea', ( tprecip(:,:) - sprecip(:,:) ) * zcptrain(:,:) )                    ! heat flux from rain (cell average)
974      ENDIF
975      IF(  iom_use('snow_ao_cea')   .OR. iom_use('snow_ai_cea')      .OR. &
976         & iom_use('hflx_snow_cea') .OR. iom_use('hflx_snow_ao_cea') .OR. iom_use('hflx_snow_ai_cea')  )  THEN
977         CALL iom_put( 'snow_ao_cea'     , sprecip(:,:)                            * ( 1._wp - zsnw(:,:) ) ) ! Snow over ice-free ocean  (cell average)
978         CALL iom_put( 'snow_ai_cea'     , sprecip(:,:)                            *           zsnw(:,:)   ) ! Snow over sea-ice         (cell average)
979         CALL iom_put( 'hflx_snow_cea'   , sprecip(:,:) * ( zcptsnw(:,:) - rLfus ) )                         ! heat flux from snow (cell average)
980         CALL iom_put( 'hflx_snow_ao_cea', sprecip(:,:) * ( zcptsnw(:,:) - rLfus ) * ( 1._wp - zsnw(:,:) ) ) ! heat flux from snow (over ocean)
981         CALL iom_put( 'hflx_snow_ai_cea', sprecip(:,:) * ( zcptsnw(:,:) - rLfus ) *           zsnw(:,:)   ) ! heat flux from snow (over ice)
982      ENDIF
983      IF( iom_use('hflx_prec_cea') ) THEN                                                                    ! heat flux from precip (cell average)
984         CALL iom_put('hflx_prec_cea' ,    sprecip(:,:)                  * ( zcptsnw (:,:) - rLfus )  &
985            &                          + ( tprecip(:,:) - sprecip(:,:) ) *   zcptrain(:,:) )
986      ENDIF
987      !
988      IF( iom_use('subl_ai_cea') .OR. iom_use('hflx_subl_cea') ) THEN
989         CALL iom_put( 'subl_ai_cea'  , SUM( a_i_b(:,:,:) *  evap_ice(:,:,:), dim=3 ) * tmask(:,:,1) ) ! Sublimation over sea-ice (cell average)
990         CALL iom_put( 'hflx_subl_cea', SUM( a_i_b(:,:,:) * qevap_ice(:,:,:), dim=3 ) * tmask(:,:,1) ) ! Heat flux from sublimation (cell average)
991      ENDIF
992     
993      IF(ln_ctl) THEN
994         CALL prt_ctl(tab3d_1=qla_ice , clinfo1=' blk_ice: qla_ice  : ', tab3d_2=z_qsb   , clinfo2=' z_qsb    : ', kdim=jpl)
995         CALL prt_ctl(tab3d_1=z_qlw   , clinfo1=' blk_ice: z_qlw    : ', tab3d_2=dqla_ice, clinfo2=' dqla_ice : ', kdim=jpl)
996         CALL prt_ctl(tab3d_1=z_dqsb  , clinfo1=' blk_ice: z_dqsb   : ', tab3d_2=z_dqlw  , clinfo2=' z_dqlw   : ', kdim=jpl)
997         CALL prt_ctl(tab3d_1=dqns_ice, clinfo1=' blk_ice: dqns_ice : ', tab3d_2=qsr_ice , clinfo2=' qsr_ice  : ', kdim=jpl)
998         CALL prt_ctl(tab3d_1=ptsu    , clinfo1=' blk_ice: ptsu     : ', tab3d_2=qns_ice , clinfo2=' qns_ice  : ', kdim=jpl)
999         CALL prt_ctl(tab2d_1=tprecip , clinfo1=' blk_ice: tprecip  : ', tab2d_2=sprecip , clinfo2=' sprecip  : ')
1000      ENDIF
1001      !
1002   END SUBROUTINE blk_ice_flx
1003   
1004
1005   SUBROUTINE blk_ice_qcn( ld_virtual_itd, ptsu, ptb, phs, phi )
1006      !!---------------------------------------------------------------------
1007      !!                     ***  ROUTINE blk_ice_qcn  ***
1008      !!
1009      !! ** Purpose :   Compute surface temperature and snow/ice conduction flux
1010      !!                to force sea ice / snow thermodynamics
1011      !!                in the case conduction flux is emulated
1012      !!               
1013      !! ** Method  :   compute surface energy balance assuming neglecting heat storage
1014      !!                following the 0-layer Semtner (1976) approach
1015      !!
1016      !! ** Outputs : - ptsu    : sea-ice / snow surface temperature (K)
1017      !!              - qcn_ice : surface inner conduction flux (W/m2)
1018      !!
1019      !!---------------------------------------------------------------------
1020      LOGICAL                   , INTENT(in   ) ::   ld_virtual_itd  ! single-category option
1021      REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), INTENT(inout) ::   ptsu            ! sea ice / snow surface temperature
1022      REAL(wp), DIMENSION(:,:)  , INTENT(in   ) ::   ptb             ! sea ice base temperature
1023      REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), INTENT(in   ) ::   phs             ! snow thickness
1024      REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), INTENT(in   ) ::   phi             ! sea ice thickness
1025      !
1026      INTEGER , PARAMETER ::   nit = 10                  ! number of iterations
1027      REAL(wp), PARAMETER ::   zepsilon = 0.1_wp         ! characteristic thickness for enhanced conduction
1028      !
1029      INTEGER  ::   ji, jj, jl           ! dummy loop indices
1030      INTEGER  ::   iter                 ! local integer
1031      REAL(wp) ::   zfac, zfac2, zfac3   ! local scalars
1032      REAL(wp) ::   zkeff_h, ztsu, ztsu0 !
1033      REAL(wp) ::   zqc, zqnet           !
1034      REAL(wp) ::   zhe, zqa0            !
1035      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj,jpl) ::   zgfac   ! enhanced conduction factor
1036      !!---------------------------------------------------------------------
1037     
1038      ! -------------------------------------!
1039      !      I   Enhanced conduction factor  !
1040      ! -------------------------------------!
1041      ! Emulates the enhancement of conduction by unresolved thin ice (ld_virtual_itd = T)
1042      ! Fichefet and Morales Maqueda, JGR 1997
1043      !
1044      zgfac(:,:,:) = 1._wp
1045     
1046      IF( ld_virtual_itd ) THEN
1047         !
1048         zfac  = 1._wp /  ( rn_cnd_s + rcnd_i )
1049         zfac2 = EXP(1._wp) * 0.5_wp * zepsilon
1050         zfac3 = 2._wp / zepsilon
1051         !   
1052         DO jl = 1, jpl               
1053            DO jj = 1 , jpj
1054               DO ji = 1, jpi
1055                  zhe = ( rn_cnd_s * phi(ji,jj,jl) + rcnd_i * phs(ji,jj,jl) ) * zfac                            ! Effective thickness
1056                  IF( zhe >=  zfac2 )   zgfac(ji,jj,jl) = MIN( 2._wp, 0.5_wp * ( 1._wp + LOG( zhe * zfac3 ) ) ) ! Enhanced conduction factor
1057               END DO
1058            END DO
1059         END DO
1060         !     
1061      ENDIF
1062     
1063      ! -------------------------------------------------------------!
1064      !      II   Surface temperature and conduction flux            !
1065      ! -------------------------------------------------------------!
1066      !
1067      zfac = rcnd_i * rn_cnd_s
1068      !
1069      DO jl = 1, jpl
1070         DO jj = 1 , jpj
1071            DO ji = 1, jpi
1072               !                   
1073               zkeff_h = zfac * zgfac(ji,jj,jl) / &                                    ! Effective conductivity of the snow-ice system divided by thickness
1074                  &      ( rcnd_i * phs(ji,jj,jl) + rn_cnd_s * MAX( 0.01, phi(ji,jj,jl) ) )
1075               ztsu    = ptsu(ji,jj,jl)                                                ! Store current iteration temperature
1076               ztsu0   = ptsu(ji,jj,jl)                                                ! Store initial surface temperature
1077               zqa0    = qsr_ice(ji,jj,jl) - qtr_ice_top(ji,jj,jl) + qns_ice(ji,jj,jl) ! Net initial atmospheric heat flux
1078               !
1079               DO iter = 1, nit     ! --- Iterative loop
1080                  zqc   = zkeff_h * ( ztsu - ptb(ji,jj) )                              ! Conduction heat flux through snow-ice system (>0 downwards)
1081                  zqnet = zqa0 + dqns_ice(ji,jj,jl) * ( ztsu - ptsu(ji,jj,jl) ) - zqc  ! Surface energy budget
1082                  ztsu  = ztsu - zqnet / ( dqns_ice(ji,jj,jl) - zkeff_h )              ! Temperature update
1083               END DO
1084               !
1085               ptsu   (ji,jj,jl) = MIN( rt0, ztsu )
1086               qcn_ice(ji,jj,jl) = zkeff_h * ( ptsu(ji,jj,jl) - ptb(ji,jj) )
1087               qns_ice(ji,jj,jl) = qns_ice(ji,jj,jl) + dqns_ice(ji,jj,jl) * ( ptsu(ji,jj,jl) - ztsu0 )
1088               qml_ice(ji,jj,jl) = ( qsr_ice(ji,jj,jl) - qtr_ice_top(ji,jj,jl) + qns_ice(ji,jj,jl) - qcn_ice(ji,jj,jl) )  &
1089                             &   * MAX( 0._wp , SIGN( 1._wp, ptsu(ji,jj,jl) - rt0 ) )
1090
1091               ! --- Diagnose the heat loss due to changing non-solar flux (as in icethd_zdf_bl99) --- !
1092               hfx_err_dif(ji,jj) = hfx_err_dif(ji,jj) - ( dqns_ice(ji,jj,jl) * ( ptsu(ji,jj,jl) - ztsu0 ) ) * a_i_b(ji,jj,jl) 
1093
1094            END DO
1095         END DO
1096         !
1097      END DO 
1098      !     
1099   END SUBROUTINE blk_ice_qcn
1100   
1101
1102   SUBROUTINE Cdn10_Lupkes2012( Cd )
1103      !!----------------------------------------------------------------------
1104      !!                      ***  ROUTINE  Cdn10_Lupkes2012  ***
1105      !!
1106      !! ** Purpose :    Recompute the neutral air-ice drag referenced at 10m
1107      !!                 to make it dependent on edges at leads, melt ponds and flows.
1108      !!                 After some approximations, this can be resumed to a dependency
1109      !!                 on ice concentration.
1110      !!               
1111      !! ** Method :     The parameterization is taken from Lupkes et al. (2012) eq.(50)
1112      !!                 with the highest level of approximation: level4, eq.(59)
1113      !!                 The generic drag over a cell partly covered by ice can be re-written as follows:
1114      !!
1115      !!                 Cd = Cdw * (1-A) + Cdi * A + Ce * (1-A)**(nu+1/(10*beta)) * A**mu
1116      !!
1117      !!                    Ce = 2.23e-3       , as suggested by Lupkes (eq. 59)
1118      !!                    nu = mu = beta = 1 , as suggested by Lupkes (eq. 59)
1119      !!                    A is the concentration of ice minus melt ponds (if any)
1120      !!
1121      !!                 This new drag has a parabolic shape (as a function of A) starting at
1122      !!                 Cdw(say 1.5e-3) for A=0, reaching 1.97e-3 for A~0.5
1123      !!                 and going down to Cdi(say 1.4e-3) for A=1
1124      !!
1125      !!                 It is theoretically applicable to all ice conditions (not only MIZ)
1126      !!                 => see Lupkes et al (2013)
1127      !!
1128      !! ** References : Lupkes et al. JGR 2012 (theory)
1129      !!                 Lupkes et al. GRL 2013 (application to GCM)
1130      !!
1131      !!----------------------------------------------------------------------
1132      REAL(wp), DIMENSION(:,:), INTENT(inout) ::   Cd
1133      REAL(wp), PARAMETER ::   zCe   = 2.23e-03_wp
1134      REAL(wp), PARAMETER ::   znu   = 1._wp
1135      REAL(wp), PARAMETER ::   zmu   = 1._wp
1136      REAL(wp), PARAMETER ::   zbeta = 1._wp
1137      REAL(wp)            ::   zcoef
1138      !!----------------------------------------------------------------------
1139      zcoef = znu + 1._wp / ( 10._wp * zbeta )
1140
1141      ! generic drag over a cell partly covered by ice
1142      !!Cd(:,:) = Cd_oce(:,:) * ( 1._wp - at_i_b(:,:) ) +  &                        ! pure ocean drag
1143      !!   &      Cd_ice      *           at_i_b(:,:)   +  &                        ! pure ice drag
1144      !!   &      zCe         * ( 1._wp - at_i_b(:,:) )**zcoef * at_i_b(:,:)**zmu   ! change due to sea-ice morphology
1145
1146      ! ice-atm drag
1147      Cd(:,:) = Cd_ice +  &                                                         ! pure ice drag
1148         &      zCe    * ( 1._wp - at_i_b(:,:) )**zcoef * at_i_b(:,:)**(zmu-1._wp)  ! change due to sea-ice morphology
1149     
1150   END SUBROUTINE Cdn10_Lupkes2012
1151
1152
1153   SUBROUTINE Cdn10_Lupkes2015( Cd, Ch )
1154      !!----------------------------------------------------------------------
1155      !!                      ***  ROUTINE  Cdn10_Lupkes2015  ***
1156      !!
1157      !! ** pUrpose :    Alternative turbulent transfert coefficients formulation
1158      !!                 between sea-ice and atmosphere with distinct momentum
1159      !!                 and heat coefficients depending on sea-ice concentration
1160      !!                 and atmospheric stability (no meltponds effect for now).
1161      !!               
1162      !! ** Method :     The parameterization is adapted from Lupkes et al. (2015)
1163      !!                 and ECHAM6 atmospheric model. Compared to Lupkes2012 scheme,
1164      !!                 it considers specific skin and form drags (Andreas et al. 2010)
1165      !!                 to compute neutral transfert coefficients for both heat and
1166      !!                 momemtum fluxes. Atmospheric stability effect on transfert
1167      !!                 coefficient is also taken into account following Louis (1979).
1168      !!
1169      !! ** References : Lupkes et al. JGR 2015 (theory)
1170      !!                 Lupkes et al. ECHAM6 documentation 2015 (implementation)
1171      !!
1172      !!----------------------------------------------------------------------
1173      !
1174      REAL(wp), DIMENSION(:,:), INTENT(inout) ::   Cd
1175      REAL(wp), DIMENSION(:,:), INTENT(inout) ::   Ch
1176      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj)            ::   ztm_su, zst, zqo_sat, zqi_sat
1177      !
1178      ! ECHAM6 constants
1179      REAL(wp), PARAMETER ::   z0_skin_ice  = 0.69e-3_wp  ! Eq. 43 [m]
1180      REAL(wp), PARAMETER ::   z0_form_ice  = 0.57e-3_wp  ! Eq. 42 [m]
1181      REAL(wp), PARAMETER ::   z0_ice       = 1.00e-3_wp  ! Eq. 15 [m]
1182      REAL(wp), PARAMETER ::   zce10        = 2.80e-3_wp  ! Eq. 41
1183      REAL(wp), PARAMETER ::   zbeta        = 1.1_wp      ! Eq. 41
1184      REAL(wp), PARAMETER ::   zc           = 5._wp       ! Eq. 13
1185      REAL(wp), PARAMETER ::   zc2          = zc * zc
1186      REAL(wp), PARAMETER ::   zam          = 2. * zc     ! Eq. 14
1187      REAL(wp), PARAMETER ::   zah          = 3. * zc     ! Eq. 30
1188      REAL(wp), PARAMETER ::   z1_alpha     = 1._wp / 0.2_wp  ! Eq. 51
1189      REAL(wp), PARAMETER ::   z1_alphaf    = z1_alpha    ! Eq. 56
1190      REAL(wp), PARAMETER ::   zbetah       = 1.e-3_wp    ! Eq. 26
1191      REAL(wp), PARAMETER ::   zgamma       = 1.25_wp     ! Eq. 26
1192      REAL(wp), PARAMETER ::   z1_gamma     = 1._wp / zgamma
1193      REAL(wp), PARAMETER ::   r1_3         = 1._wp / 3._wp
1194      !
1195      INTEGER  ::   ji, jj         ! dummy loop indices
1196      REAL(wp) ::   zthetav_os, zthetav_is, zthetav_zu
1197      REAL(wp) ::   zrib_o, zrib_i
1198      REAL(wp) ::   zCdn_skin_ice, zCdn_form_ice, zCdn_ice
1199      REAL(wp) ::   zChn_skin_ice, zChn_form_ice
1200      REAL(wp) ::   z0w, z0i, zfmi, zfmw, zfhi, zfhw
1201      REAL(wp) ::   zCdn_form_tmp
1202      !!----------------------------------------------------------------------
1203
1204      ! mean temperature
1205      WHERE( at_i_b(:,:) > 1.e-20 )   ;   ztm_su(:,:) = SUM( t_su(:,:,:) * a_i_b(:,:,:) , dim=3 ) / at_i_b(:,:)
1206      ELSEWHERE                       ;   ztm_su(:,:) = rt0
1207      ENDWHERE
1208     
1209      ! Momentum Neutral Transfert Coefficients (should be a constant)
1210      zCdn_form_tmp = zce10 * ( LOG( 10._wp / z0_form_ice + 1._wp ) / LOG( rn_zu / z0_form_ice + 1._wp ) )**2   ! Eq. 40
1211      zCdn_skin_ice = ( vkarmn                                      / LOG( rn_zu / z0_skin_ice + 1._wp ) )**2   ! Eq. 7
1212      zCdn_ice      = zCdn_skin_ice   ! Eq. 7 (cf Lupkes email for details)
1213      !zCdn_ice     = 1.89e-3         ! old ECHAM5 value (cf Eq. 32)
1214
1215      ! Heat Neutral Transfert Coefficients
1216      zChn_skin_ice = vkarmn**2 / ( LOG( rn_zu / z0_ice + 1._wp ) * LOG( rn_zu * z1_alpha / z0_skin_ice + 1._wp ) )   ! Eq. 50 + Eq. 52 (cf Lupkes email for details)
1217     
1218      ! Atmospheric and Surface Variables
1219      zst(:,:)     = sst_m(:,:) + rt0                                        ! convert SST from Celcius to Kelvin
1220      zqo_sat(:,:) = 0.98_wp * q_sat( zst(:,:)   , sf(jp_slp)%fnow(:,:,1) )  ! saturation humidity over ocean [kg/kg]
1221      zqi_sat(:,:) = 0.98_wp * q_sat( ztm_su(:,:), sf(jp_slp)%fnow(:,:,1) )  ! saturation humidity over ice   [kg/kg]
1222      !
1223      DO jj = 2, jpjm1           ! reduced loop is necessary for reproducibility
1224         DO ji = fs_2, fs_jpim1
1225            ! Virtual potential temperature [K]
1226            zthetav_os = zst(ji,jj)    * ( 1._wp + rctv0 * zqo_sat(ji,jj) )   ! over ocean
1227            zthetav_is = ztm_su(ji,jj) * ( 1._wp + rctv0 * zqi_sat(ji,jj) )   ! ocean ice
1228            zthetav_zu = t_zu (ji,jj)  * ( 1._wp + rctv0 * q_zu(ji,jj)    )   ! at zu
1229           
1230            ! Bulk Richardson Number (could use Ri_bulk function from aerobulk instead)
1231            zrib_o = grav / zthetav_os * ( zthetav_zu - zthetav_os ) * rn_zu / MAX( 0.5, wndm(ji,jj)     )**2   ! over ocean
1232            zrib_i = grav / zthetav_is * ( zthetav_zu - zthetav_is ) * rn_zu / MAX( 0.5, wndm_ice(ji,jj) )**2   ! over ice
1233           
1234            ! Momentum and Heat Neutral Transfert Coefficients
1235            zCdn_form_ice = zCdn_form_tmp * at_i_b(ji,jj) * ( 1._wp - at_i_b(ji,jj) )**zbeta  ! Eq. 40
1236            zChn_form_ice = zCdn_form_ice / ( 1._wp + ( LOG( z1_alphaf ) / vkarmn ) * SQRT( zCdn_form_ice ) )               ! Eq. 53
1237                       
1238            ! Momentum and Heat Stability functions (possibility to use psi_m_ecmwf instead)
1239            z0w = rn_zu * EXP( -1._wp * vkarmn / SQRT( Cdn_oce(ji,jj) ) ) ! over water
1240            z0i = z0_skin_ice                                             ! over ice (cf Lupkes email for details)
1241            IF( zrib_o <= 0._wp ) THEN
1242               zfmw = 1._wp - zam * zrib_o / ( 1._wp + 3._wp * zc2 * Cdn_oce(ji,jj) * SQRT( -zrib_o * ( rn_zu / z0w + 1._wp ) ) )  ! Eq. 10
1243               zfhw = ( 1._wp + ( zbetah * ( zthetav_os - zthetav_zu )**r1_3 / ( Chn_oce(ji,jj) * MAX(0.01, wndm(ji,jj)) )   &     ! Eq. 26
1244                  &             )**zgamma )**z1_gamma
1245            ELSE
1246               zfmw = 1._wp / ( 1._wp + zam * zrib_o / SQRT( 1._wp + zrib_o ) )   ! Eq. 12
1247               zfhw = 1._wp / ( 1._wp + zah * zrib_o / SQRT( 1._wp + zrib_o ) )   ! Eq. 28
1248            ENDIF
1249           
1250            IF( zrib_i <= 0._wp ) THEN
1251               zfmi = 1._wp - zam * zrib_i / (1._wp + 3._wp * zc2 * zCdn_ice * SQRT( -zrib_i * ( rn_zu / z0i + 1._wp)))   ! Eq.  9
1252               zfhi = 1._wp - zah * zrib_i / (1._wp + 3._wp * zc2 * zCdn_ice * SQRT( -zrib_i * ( rn_zu / z0i + 1._wp)))   ! Eq. 25
1253            ELSE
1254               zfmi = 1._wp / ( 1._wp + zam * zrib_i / SQRT( 1._wp + zrib_i ) )   ! Eq. 11
1255               zfhi = 1._wp / ( 1._wp + zah * zrib_i / SQRT( 1._wp + zrib_i ) )   ! Eq. 27
1256            ENDIF
1257           
1258            ! Momentum Transfert Coefficients (Eq. 38)
1259            Cd(ji,jj) = zCdn_skin_ice *   zfmi +  &
1260               &        zCdn_form_ice * ( zfmi * at_i_b(ji,jj) + zfmw * ( 1._wp - at_i_b(ji,jj) ) ) / MAX( 1.e-06, at_i_b(ji,jj) )
1261           
1262            ! Heat Transfert Coefficients (Eq. 49)
1263            Ch(ji,jj) = zChn_skin_ice *   zfhi +  &
1264               &        zChn_form_ice * ( zfhi * at_i_b(ji,jj) + zfhw * ( 1._wp - at_i_b(ji,jj) ) ) / MAX( 1.e-06, at_i_b(ji,jj) )
1265            !
1266         END DO
1267      END DO
1268      CALL lbc_lnk_multi( 'sbcblk', Cd, 'T',  1., Ch, 'T', 1. )
1269      !
1270   END SUBROUTINE Cdn10_Lupkes2015
1271
1272#endif
1273
1274   !!======================================================================
1275END MODULE sbcblk
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.