source: NEMO/trunk/src/OCE/DIA/diahth.F90 @ 12489

Last change on this file since 12489 was 12489, checked in by davestorkey, 7 months ago

Preparation for new timestepping scheme #2390.
Main changes:

  1. Initial euler timestep now handled in stp and not in TRA/DYN routines.
  2. Renaming of all timestep parameters. In summary, the namelist parameter is now rn_Dt and the current timestep is rDt (and rDt_ice, rDt_trc etc).
  3. Renaming of a few miscellaneous parameters, eg. atfp → rn_atfp (namelist parameter used everywhere) and rau0 → rho0.

This version gives bit-comparable results to the previous version of the trunk.

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 18.0 KB
Line 
1MODULE diahth
2   !!======================================================================
3   !!                       ***  MODULE  diahth  ***
4   !! Ocean diagnostics: thermocline and 20 degree depth
5   !!======================================================================
6   !! History :  OPA  !  1994-09  (J.-P. Boulanger)  Original code
7   !!                 !  1996-11  (E. Guilyardi)  OPA8
8   !!                 !  1997-08  (G. Madec)  optimization
9   !!                 !  1999-07  (E. Guilyardi)  hd28 + heat content
10   !!   NEMO     1.0  !  2002-06  (G. Madec)  F90: Free form and module
11   !!            3.2  !  2009-07  (S. Masson) hc300 bugfix + cleaning + add new diag
12   !!----------------------------------------------------------------------
13   !!   dia_hth      : Compute varius diagnostics associated with the mixed layer
14   !!----------------------------------------------------------------------
15   USE oce             ! ocean dynamics and tracers
16   USE dom_oce         ! ocean space and time domain
17   USE phycst          ! physical constants
18   !
19   USE in_out_manager  ! I/O manager
20   USE lib_mpp         ! MPP library
21   USE iom             ! I/O library
22   USE timing          ! preformance summary
23
24   IMPLICIT NONE
25   PRIVATE
26
27   PUBLIC   dia_hth       ! routine called by step.F90
28   PUBLIC   dia_hth_alloc ! routine called by nemogcm.F90
29
30   LOGICAL, SAVE  ::   l_hth     !: thermocline-20d depths flag
31   
32   ! note: following variables should move to local variables once iom_put is always used
33   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:) ::   hth    !: depth of the max vertical temperature gradient [m]
34   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:) ::   hd20   !: depth of 20 C isotherm                         [m]
35   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:) ::   hd26   !: depth of 26 C isotherm                         [m]
36   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:) ::   hd28   !: depth of 28 C isotherm                         [m]
37   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:) ::   htc3   !: heat content of first 300 m                    [W]
38   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:) ::   htc7   !: heat content of first 700 m                    [W]
39   REAL(wp), PUBLIC, ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:) ::   htc20  !: heat content of first 2000 m                   [W]
40
41
42   !! * Substitutions
43#  include "do_loop_substitute.h90"
44   !!----------------------------------------------------------------------
45   !! NEMO/OCE 4.0 , NEMO Consortium (2018)
46   !! $Id$
47   !! Software governed by the CeCILL license (see ./LICENSE)
48   !!----------------------------------------------------------------------
49CONTAINS
50
51   FUNCTION dia_hth_alloc()
52      !!---------------------------------------------------------------------
53      INTEGER :: dia_hth_alloc
54      !!---------------------------------------------------------------------
55      !
56      ALLOCATE( hth(jpi,jpj), hd20(jpi,jpj), hd26(jpi,jpj), hd28(jpi,jpj), &
57         &      htc3(jpi,jpj), htc7(jpi,jpj), htc20(jpi,jpj), STAT=dia_hth_alloc )
58      !
59      CALL mpp_sum ( 'diahth', dia_hth_alloc )
60      IF(dia_hth_alloc /= 0)   CALL ctl_stop( 'STOP', 'dia_hth_alloc: failed to allocate arrays.' )
61      !
62   END FUNCTION dia_hth_alloc
63
64
65   SUBROUTINE dia_hth( kt, Kmm )
66      !!---------------------------------------------------------------------
67      !!                  ***  ROUTINE dia_hth  ***
68      !!
69      !! ** Purpose : Computes
70      !!      the mixing layer depth (turbocline): avt = 5.e-4
71      !!      the depth of strongest vertical temperature gradient
72      !!      the mixed layer depth with density     criteria: rho = rho(10m or surf) + 0.03(or 0.01)
73      !!      the mixed layer depth with temperature criteria: abs( tn - tn(10m) ) = 0.2       
74      !!      the top of the thermochine: tn = tn(10m) - ztem2
75      !!      the pycnocline depth with density criteria equivalent to a temperature variation
76      !!                rho = rho10m + (dr/dT)(T,S,10m)*(-0.2 degC)
77      !!      the barrier layer thickness
78      !!      the maximal verical inversion of temperature and its depth max( 0, max of tn - tn(10m) )
79      !!      the depth of the 20 degree isotherm (linear interpolation)
80      !!      the depth of the 28 degree isotherm (linear interpolation)
81      !!      the heat content of first 300 m
82      !!
83      !! ** Method :
84      !!-------------------------------------------------------------------
85      INTEGER, INTENT( in ) ::   kt      ! ocean time-step index
86      INTEGER, INTENT( in ) ::   Kmm     ! ocean time level index
87      !!
88      INTEGER                      ::   ji, jj, jk            ! dummy loop arguments
89      REAL(wp)                     ::   zrho3 = 0.03_wp       ! density     criterion for mixed layer depth
90      REAL(wp)                     ::   zrho1 = 0.01_wp       ! density     criterion for mixed layer depth
91      REAL(wp)                     ::   ztem2 = 0.2_wp        ! temperature criterion for mixed layer depth
92      REAL(wp)                     ::   zztmp, zzdep          ! temporary scalars inside do loop
93      REAL(wp)                     ::   zu, zv, zw, zut, zvt  ! temporary workspace
94      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   zabs2      ! MLD: abs( tn - tn(10m) ) = ztem2
95      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   ztm2       ! Top of thermocline: tn = tn(10m) - ztem2     
96      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   zrho10_3   ! MLD: rho = rho10m + zrho3     
97      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   zpycn      ! pycnocline: rho = rho10m + (dr/dT)(T,S,10m)*(-0.2 degC)
98      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   ztinv      ! max of temperature inversion
99      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   zdepinv    ! depth of temperature inversion
100      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   zrho0_3    ! MLD rho = rho(surf) = 0.03
101      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   zrho0_1    ! MLD rho = rho(surf) = 0.01
102      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   zmaxdzT    ! max of dT/dz
103      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) ::   zdelr      ! delta rho equivalent to deltaT = 0.2
104      !!----------------------------------------------------------------------
105      IF( ln_timing )   CALL timing_start('dia_hth')
106
107      IF( kt == nit000 ) THEN
108         l_hth = .FALSE.
109         IF(   iom_use( 'mlddzt'   ) .OR. iom_use( 'mldr0_3'  ) .OR. iom_use( 'mldr0_1'  )    .OR.  & 
110            &  iom_use( 'mld_dt02' ) .OR. iom_use( 'topthdep' ) .OR. iom_use( 'mldr10_3' )    .OR.  &   
111            &  iom_use( '20d'      ) .OR. iom_use( '26d'      ) .OR. iom_use( '28d'      )    .OR.  &   
112            &  iom_use( 'hc300'    ) .OR. iom_use( 'hc700'    ) .OR. iom_use( 'hc2000'   )    .OR.  &   
113            &  iom_use( 'pycndep'  ) .OR. iom_use( 'tinv'     ) .OR. iom_use( 'depti'    )  ) l_hth = .TRUE.
114         !                                      ! allocate dia_hth array
115         IF( l_hth ) THEN
116            IF( dia_hth_alloc() /= 0 )   CALL ctl_stop( 'STOP', 'dia_hth : unable to allocate standard arrays' )
117            IF(lwp) WRITE(numout,*)
118            IF(lwp) WRITE(numout,*) 'dia_hth : diagnostics of the thermocline depth'
119            IF(lwp) WRITE(numout,*) '~~~~~~~ '
120            IF(lwp) WRITE(numout,*)
121         ENDIF
122      ENDIF
123
124      IF( l_hth ) THEN
125         !
126         IF( iom_use( 'mlddzt' ) .OR. iom_use( 'mldr0_3' ) .OR. iom_use( 'mldr0_1' ) ) THEN
127            ! initialization
128            ztinv  (:,:) = 0._wp 
129            zdepinv(:,:) = 0._wp 
130            zmaxdzT(:,:) = 0._wp 
131            DO_2D_11_11
132               zztmp = gdepw(ji,jj,mbkt(ji,jj)+1,Kmm) 
133               hth     (ji,jj) = zztmp
134               zabs2   (ji,jj) = zztmp
135               ztm2    (ji,jj) = zztmp
136               zrho10_3(ji,jj) = zztmp
137               zpycn   (ji,jj) = zztmp
138            END_2D
139            IF( nla10 > 1 ) THEN
140               DO_2D_11_11
141                  zztmp = gdepw(ji,jj,mbkt(ji,jj)+1,Kmm) 
142                  zrho0_3(ji,jj) = zztmp
143                  zrho0_1(ji,jj) = zztmp
144               END_2D
145            ENDIF
146     
147            ! Preliminary computation
148            ! computation of zdelr = (dr/dT)(T,S,10m)*(-0.2 degC)
149            DO_2D_11_11
150               IF( tmask(ji,jj,nla10) == 1. ) THEN
151                  zu  =  1779.50 + 11.250 * ts(ji,jj,nla10,jp_tem,Kmm) - 3.80   * ts(ji,jj,nla10,jp_sal,Kmm)  &
152                     &           - 0.0745 * ts(ji,jj,nla10,jp_tem,Kmm) * ts(ji,jj,nla10,jp_tem,Kmm)   &
153                     &           - 0.0100 * ts(ji,jj,nla10,jp_tem,Kmm) * ts(ji,jj,nla10,jp_sal,Kmm)
154                  zv  =  5891.00 + 38.000 * ts(ji,jj,nla10,jp_tem,Kmm) + 3.00   * ts(ji,jj,nla10,jp_sal,Kmm)  &
155                     &           - 0.3750 * ts(ji,jj,nla10,jp_tem,Kmm) * ts(ji,jj,nla10,jp_tem,Kmm)
156                  zut =    11.25 -  0.149 * ts(ji,jj,nla10,jp_tem,Kmm) - 0.01   * ts(ji,jj,nla10,jp_sal,Kmm)
157                  zvt =    38.00 -  0.750 * ts(ji,jj,nla10,jp_tem,Kmm)
158                  zw  = (zu + 0.698*zv) * (zu + 0.698*zv)
159                  zdelr(ji,jj) = ztem2 * (1000.*(zut*zv - zvt*zu)/zw)
160               ELSE
161                  zdelr(ji,jj) = 0._wp
162               ENDIF
163            END_2D
164
165            ! ------------------------------------------------------------- !
166            ! thermocline depth: strongest vertical gradient of temperature !
167            ! turbocline depth (mixing layer depth): avt = zavt5            !
168            ! MLD: rho = rho(1) + zrho3                                     !
169            ! MLD: rho = rho(1) + zrho1                                     !
170            ! ------------------------------------------------------------- !
171            DO_3DS_11_11( jpkm1, 2, -1 )
172               !
173               zzdep = gdepw(ji,jj,jk,Kmm)
174               zztmp = ( ts(ji,jj,jk-1,jp_tem,Kmm) - ts(ji,jj,jk,jp_tem,Kmm) ) &
175                      & / zzdep * tmask(ji,jj,jk)   ! vertical gradient of temperature (dT/dz)
176               zzdep = zzdep * tmask(ji,jj,1)
177
178               IF( zztmp > zmaxdzT(ji,jj) ) THEN                       
179                   zmaxdzT(ji,jj) = zztmp   
180                   hth    (ji,jj) = zzdep                ! max and depth of dT/dz
181               ENDIF
182         
183               IF( nla10 > 1 ) THEN
184                  zztmp = rhop(ji,jj,jk) - rhop(ji,jj,1)                       ! delta rho(1)
185                  IF( zztmp > zrho3 )   zrho0_3(ji,jj) = zzdep                ! > 0.03
186                  IF( zztmp > zrho1 )   zrho0_1(ji,jj) = zzdep                ! > 0.01
187               ENDIF
188            END_3D
189         
190            CALL iom_put( 'mlddzt', hth )            ! depth of the thermocline
191            IF( nla10 > 1 ) THEN
192               CALL iom_put( 'mldr0_3', zrho0_3 )   ! MLD delta rho(surf) = 0.03
193               CALL iom_put( 'mldr0_1', zrho0_1 )   ! MLD delta rho(surf) = 0.01
194            ENDIF
195            !
196         ENDIF
197         !
198         IF(  iom_use( 'mld_dt02' ) .OR. iom_use( 'topthdep' ) .OR. iom_use( 'mldr10_3' ) .OR.  &   
199            &  iom_use( 'pycndep' ) .OR. iom_use( 'tinv'     ) .OR. iom_use( 'depti'    )  ) THEN
200            ! ------------------------------------------------------------- !
201            ! MLD: abs( tn - tn(10m) ) = ztem2                              !
202            ! Top of thermocline: tn = tn(10m) - ztem2                      !
203            ! MLD: rho = rho10m + zrho3                                     !
204            ! pycnocline: rho = rho10m + (dr/dT)(T,S,10m)*(-0.2 degC)       !
205            ! temperature inversion: max( 0, max of tn - tn(10m) )          !
206            ! depth of temperature inversion                                !
207            ! ------------------------------------------------------------- !
208            DO_3DS_11_11( jpkm1, nlb10, -1 )
209               !
210               zzdep = gdepw(ji,jj,jk,Kmm) * tmask(ji,jj,1)
211               !
212               zztmp = ts(ji,jj,nla10,jp_tem,Kmm) - ts(ji,jj,jk,jp_tem,Kmm)  ! - delta T(10m)
213               IF( ABS(zztmp) > ztem2 )      zabs2   (ji,jj) = zzdep   ! abs > 0.2
214               IF(     zztmp  > ztem2 )      ztm2    (ji,jj) = zzdep   ! > 0.2
215               zztmp = -zztmp                                          ! delta T(10m)
216               IF( zztmp >  ztinv(ji,jj) ) THEN                        ! temperature inversion
217                  ztinv(ji,jj) = zztmp   
218                  zdepinv (ji,jj) = zzdep   ! max value and depth
219               ENDIF
220
221               zztmp = rhop(ji,jj,jk) - rhop(ji,jj,nla10)              ! delta rho(10m)
222               IF( zztmp > zrho3        )    zrho10_3(ji,jj) = zzdep   ! > 0.03
223               IF( zztmp > zdelr(ji,jj) )    zpycn   (ji,jj) = zzdep   ! > equi. delta T(10m) - 0.2
224               !
225            END_3D
226
227            CALL iom_put( 'mld_dt02', zabs2    )   ! MLD abs(delta t) - 0.2
228            CALL iom_put( 'topthdep', ztm2     )   ! T(10) - 0.2
229            CALL iom_put( 'mldr10_3', zrho10_3 )   ! MLD delta rho(10m) = 0.03
230            CALL iom_put( 'pycndep' , zpycn    )   ! MLD delta rho equi. delta T(10m) = 0.2
231            CALL iom_put( 'tinv'    , ztinv    )   ! max. temp. inv. (t10 ref)
232            CALL iom_put( 'depti'   , zdepinv  )   ! depth of max. temp. inv. (t10 ref)
233            !
234         ENDIF
235 
236         ! ------------------------------- !
237         !  Depth of 20C/26C/28C isotherm  !
238         ! ------------------------------- !
239         IF( iom_use ('20d') ) THEN  ! depth of the 20 isotherm
240            ztem2 = 20.
241            CALL dia_hth_dep( Kmm, ztem2, hd20 ) 
242            CALL iom_put( '20d', hd20 )   
243         ENDIF
244         !
245         IF( iom_use ('26d') ) THEN  ! depth of the 26 isotherm
246            ztem2 = 26.
247            CALL dia_hth_dep( Kmm, ztem2, hd26 ) 
248            CALL iom_put( '26d', hd26 )   
249         ENDIF
250         !
251         IF( iom_use ('28d') ) THEN  ! depth of the 28 isotherm
252            ztem2 = 28.
253            CALL dia_hth_dep( Kmm, ztem2, hd28 ) 
254            CALL iom_put( '28d', hd28 )   
255         ENDIF
256       
257         ! ----------------------------- !
258         !  Heat content of first 300 m  !
259         ! ----------------------------- !
260         IF( iom_use ('hc300') ) THEN 
261            zzdep = 300.
262            CALL  dia_hth_htc( Kmm, zzdep, ts(:,:,:,jp_tem,Kmm), htc3 )
263            CALL iom_put( 'hc300', rho0_rcp * htc3 )  ! vertically integrated heat content (J/m2)
264         ENDIF
265         !
266         ! ----------------------------- !
267         !  Heat content of first 700 m  !
268         ! ----------------------------- !
269         IF( iom_use ('hc700') ) THEN 
270            zzdep = 700.
271            CALL  dia_hth_htc( Kmm, zzdep, ts(:,:,:,jp_tem,Kmm), htc7 )
272            CALL iom_put( 'hc700', rho0_rcp * htc7 )  ! vertically integrated heat content (J/m2)
273 
274         ENDIF
275         !
276         ! ----------------------------- !
277         !  Heat content of first 2000 m  !
278         ! ----------------------------- !
279         IF( iom_use ('hc2000') ) THEN 
280            zzdep = 2000.
281            CALL  dia_hth_htc( Kmm, zzdep, ts(:,:,:,jp_tem,Kmm), htc20 )
282            CALL iom_put( 'hc2000', rho0_rcp * htc20 )  ! vertically integrated heat content (J/m2) 
283         ENDIF
284         !
285      ENDIF
286
287      !
288      IF( ln_timing )   CALL timing_stop('dia_hth')
289      !
290   END SUBROUTINE dia_hth
291
292   SUBROUTINE dia_hth_dep( Kmm, ptem, pdept )
293      !
294      INTEGER , INTENT(in) :: Kmm      ! ocean time level index
295      REAL(wp), INTENT(in) :: ptem
296      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj), INTENT(out) :: pdept     
297      !
298      INTEGER  :: ji, jj, jk, iid
299      REAL(wp) :: zztmp, zzdep
300      INTEGER, DIMENSION(jpi,jpj) :: iktem
301     
302      ! --------------------------------------- !
303      ! search deepest level above ptem         !
304      ! --------------------------------------- !
305      iktem(:,:) = 1
306      DO_3D_11_11( 1, jpkm1 )
307         zztmp = ts(ji,jj,jk,jp_tem,Kmm)
308         IF( zztmp >= ptem )   iktem(ji,jj) = jk
309      END_3D
310
311      ! ------------------------------- !
312      !  Depth of ptem isotherm         !
313      ! ------------------------------- !
314      DO_2D_11_11
315         !
316         zzdep = gdepw(ji,jj,mbkt(ji,jj)+1,Kmm)       ! depth of the ocean bottom
317         !
318         iid = iktem(ji,jj)
319         IF( iid /= 1 ) THEN
320             zztmp =     gdept(ji,jj,iid  ,Kmm)   &                     ! linear interpolation
321               &  + (    gdept(ji,jj,iid+1,Kmm) - gdept(ji,jj,iid,Kmm)                       )   &
322               &  * ( 20.*tmask(ji,jj,iid+1) - ts(ji,jj,iid,jp_tem,Kmm)                       )   &
323               &  / ( ts(ji,jj,iid+1,jp_tem,Kmm) - ts(ji,jj,iid,jp_tem,Kmm) + (1.-tmask(ji,jj,1)) )
324            pdept(ji,jj) = MIN( zztmp , zzdep) * tmask(ji,jj,1)       ! bound by the ocean depth
325         ELSE
326            pdept(ji,jj) = 0._wp
327         ENDIF
328      END_2D
329      !
330   END SUBROUTINE dia_hth_dep
331
332
333   SUBROUTINE dia_hth_htc( Kmm, pdep, pt, phtc )
334      !
335      INTEGER , INTENT(in) :: Kmm      ! ocean time level index
336      REAL(wp), INTENT(in) :: pdep     ! depth over the heat content
337      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj,jpk), INTENT(in) :: pt   
338      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj), INTENT(inout) :: phtc 
339      !
340      INTEGER  :: ji, jj, jk, ik
341      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) :: zthick
342      INTEGER , DIMENSION(jpi,jpj) :: ilevel
343
344
345      ! surface boundary condition
346     
347      IF( .NOT. ln_linssh ) THEN   ;   zthick(:,:) = 0._wp       ;   phtc(:,:) = 0._wp                                   
348      ELSE                         ;   zthick(:,:) = ssh(:,:,Kmm)   ;   phtc(:,:) = pt(:,:,1) * ssh(:,:,Kmm) * tmask(:,:,1)   
349      ENDIF
350      !
351      ilevel(:,:) = 1
352      DO_3D_11_11( 2, jpkm1 )
353         IF( ( gdept(ji,jj,jk,Kmm) < pdep ) .AND. ( tmask(ji,jj,jk) == 1 ) ) THEN
354             ilevel(ji,jj) = jk
355             zthick(ji,jj) = zthick(ji,jj) + e3t(ji,jj,jk,Kmm)
356             phtc  (ji,jj) = phtc  (ji,jj) + e3t(ji,jj,jk,Kmm) * pt(ji,jj,jk)
357         ENDIF
358      END_3D
359      !
360      DO_2D_11_11
361         ik = ilevel(ji,jj)
362         zthick(ji,jj) = pdep - zthick(ji,jj)   !   remaining thickness to reach depht pdep
363         phtc(ji,jj)   = phtc(ji,jj) + pt(ji,jj,ik+1) * MIN( e3t(ji,jj,ik+1,Kmm), zthick(ji,jj) ) &
364                                                       * tmask(ji,jj,ik+1)
365      END_2D
366      !
367      !
368   END SUBROUTINE dia_hth_htc
369
370   !!======================================================================
371END MODULE diahth
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.