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.
icbdyn.F90 in NEMO/trunk/src/OCE/ICB – NEMO

source: NEMO/trunk/src/OCE/ICB/icbdyn.F90 @ 13281

Last change on this file since 13281 was 13281, checked in by ayoung, 4 years ago

Merging changes for ticket #2407. Patch for iceberg melting stability. Fully SETTE tested: this merge introduces a change to the results in ORCA2_ICE_PISCES.
  • Property svn:keywords set to Id
File size: 17.8 KB
Line 
1MODULE icbdyn
2   !!======================================================================
3   !!                       ***  MODULE  icbdyn  ***
4   !! Iceberg:  time stepping routine for iceberg tracking
5   !!======================================================================
6   !! History :  3.3  !  2010-01  (Martin&Adcroft)  Original code
7   !!             -   !  2011-03  (Madec)  Part conversion to NEMO form
8   !!             -   !                    Removal of mapping from another grid
9   !!             -   !  2011-04  (Alderson)  Split into separate modules
10   !!             -   !  2011-05  (Alderson)  Replace broken grounding routine with one of
11   !!             -   !                       Gurvan's suggestions (just like the broken one)
12   !!----------------------------------------------------------------------
13   USE par_oce        ! NEMO parameters
14   USE dom_oce        ! NEMO ocean domain
15   USE phycst         ! NEMO physical constants
16   !
17   USE icb_oce        ! define iceberg arrays
18   USE icbutl         ! iceberg utility routines
19   USE icbdia         ! iceberg budget routines
20
21   IMPLICIT NONE
22   PRIVATE
23
24   PUBLIC   icb_dyn  ! routine called in icbstp.F90 module
25
26   !!----------------------------------------------------------------------
27   !! NEMO/OCE 4.0 , NEMO Consortium (2018)
28   !! $Id$
29   !! Software governed by the CeCILL license (see ./LICENSE)
30   !!----------------------------------------------------------------------
31CONTAINS
32
33   SUBROUTINE icb_dyn( kt )
34      !!----------------------------------------------------------------------
35      !!                  ***  ROUTINE icb_dyn  ***
36      !!
37      !! ** Purpose :   iceberg evolution.
38      !!
39      !! ** Method  : - See Martin & Adcroft, Ocean Modelling 34, 2010
40      !!----------------------------------------------------------------------
41      INTEGER, INTENT(in) ::   kt   !
42      !
43      LOGICAL  ::   ll_bounced
44      REAL(wp) ::   zuvel1 , zvvel1 , zu1, zv1, zax1, zay1, zxi1 , zyj1
45      REAL(wp) ::   zuvel2 , zvvel2 , zu2, zv2, zax2, zay2, zxi2 , zyj2
46      REAL(wp) ::   zuvel3 , zvvel3 , zu3, zv3, zax3, zay3, zxi3 , zyj3
47      REAL(wp) ::   zuvel4 , zvvel4 , zu4, zv4, zax4, zay4, zxi4 , zyj4
48      REAL(wp) ::   zuvel_n, zvvel_n, zxi_n   , zyj_n
49      REAL(wp) ::   zdt, zdt_2, zdt_6, ze1, ze2
50      TYPE(iceberg), POINTER ::   berg
51      TYPE(point)  , POINTER ::   pt
52      !!----------------------------------------------------------------------
53      !
54      ! 4th order Runge-Kutta to solve:   d/dt X = V,  d/dt V = A
55      !                    with I.C.'s:   X=X1 and V=V1
56      !
57      !                                    ; A1=A(X1,V1)
58      !  X2 = X1+dt/2*V1 ; V2 = V1+dt/2*A1 ; A2=A(X2,V2)
59      !  X3 = X1+dt/2*V2 ; V3 = V1+dt/2*A2 ; A3=A(X3,V3)
60      !  X4 = X1+  dt*V3 ; V4 = V1+  dt*A3 ; A4=A(X4,V4)
61      !
62      !  Xn = X1+dt*(V1+2*V2+2*V3+V4)/6
63      !  Vn = V1+dt*(A1+2*A2+2*A3+A4)/6
64
65      ! time steps
66      zdt   = berg_dt
67      zdt_2 = zdt * 0.5_wp
68      zdt_6 = zdt / 6._wp
69
70      berg => first_berg                    ! start from the first berg
71      !
72      DO WHILE ( ASSOCIATED(berg) )          !==  loop over all bergs  ==!
73         !
74         pt => berg%current_point
75
76         ll_bounced = .FALSE.
77
78
79         ! STEP 1 !
80         ! ====== !
81         zxi1 = pt%xi   ;   zuvel1 = pt%uvel     !**   X1 in (i,j)  ;  V1 in m/s
82         zyj1 = pt%yj   ;   zvvel1 = pt%vvel
83
84
85         !                                         !**   A1 = A(X1,V1)
86         CALL icb_accel( berg , zxi1, ze1, zuvel1, zuvel1, zax1,     &
87            &                   zyj1, ze2, zvvel1, zvvel1, zay1, zdt_2 )
88         !
89         zu1 = zuvel1 / ze1                           !**   V1 in d(i,j)/dt
90         zv1 = zvvel1 / ze2
91
92         ! STEP 2 !
93         ! ====== !
94         !                                         !**   X2 = X1+dt/2*V1   ;   V2 = V1+dt/2*A1
95         ! position using di/dt & djdt   !   V2  in m/s
96         zxi2 = zxi1 + zdt_2 * zu1          ;   zuvel2 = zuvel1 + zdt_2 * zax1
97         zyj2 = zyj1 + zdt_2 * zv1          ;   zvvel2 = zvvel1 + zdt_2 * zay1
98         !
99         CALL icb_ground( zxi2, zxi1, zu1,   &
100            &             zyj2, zyj1, zv1, ll_bounced )
101
102         !                                         !**   A2 = A(X2,V2)
103         CALL icb_accel( berg , zxi2, ze1, zuvel2, zuvel1, zax2,    &
104            &                   zyj2, ze2, zvvel2, zvvel1, zay2, zdt_2 )
105         !
106         zu2 = zuvel2 / ze1                           !**   V2 in d(i,j)/dt
107         zv2 = zvvel2 / ze2
108         !
109         ! STEP 3 !
110         ! ====== !
111         !                                         !**  X3 = X1+dt/2*V2  ;   V3 = V1+dt/2*A2; A3=A(X3)
112         zxi3  = zxi1  + zdt_2 * zu2   ;   zuvel3 = zuvel1 + zdt_2 * zax2
113         zyj3  = zyj1  + zdt_2 * zv2   ;   zvvel3 = zvvel1 + zdt_2 * zay2
114         !
115         CALL icb_ground( zxi3, zxi1, zu3,   &
116            &                zyj3, zyj1, zv3, ll_bounced )
117
118         !                                         !**   A3 = A(X3,V3)
119         CALL icb_accel( berg , zxi3, ze1, zuvel3, zuvel1, zax3,    &
120            &                   zyj3, ze2, zvvel3, zvvel1, zay3, zdt )
121         !
122         zu3 = zuvel3 / ze1                           !**   V3 in d(i,j)/dt
123         zv3 = zvvel3 / ze2
124
125         ! STEP 4 !
126         ! ====== !
127         !                                         !**   X4 = X1+dt*V3   ;   V4 = V1+dt*A3
128         zxi4 = zxi1 + zdt * zu3   ;   zuvel4 = zuvel1 + zdt * zax3
129         zyj4 = zyj1 + zdt * zv3   ;   zvvel4 = zvvel1 + zdt * zay3
130
131         CALL icb_ground( zxi4, zxi1, zu4,   &
132            &             zyj4, zyj1, zv4, ll_bounced )
133
134         !                                         !**   A4 = A(X4,V4)
135         CALL icb_accel( berg , zxi4, ze1, zuvel4, zuvel1, zax4,    &
136            &                   zyj4, ze2, zvvel4, zvvel1, zay4, zdt )
137
138         zu4 = zuvel4 / ze1                           !**   V4 in d(i,j)/dt
139         zv4 = zvvel4 / ze2
140
141         ! FINAL STEP !
142         ! ========== !
143         !                                         !**   Xn = X1+dt*(V1+2*V2+2*V3+V4)/6
144         !                                         !**   Vn = V1+dt*(A1+2*A2+2*A3+A4)/6
145         zxi_n   = pt%xi   + zdt_6 * (  zu1  + 2.*(zu2  + zu3 ) + zu4  )
146         zyj_n   = pt%yj   + zdt_6 * (  zv1  + 2.*(zv2  + zv3 ) + zv4  )
147         zuvel_n = pt%uvel + zdt_6 * (  zax1 + 2.*(zax2 + zax3) + zax4 )
148         zvvel_n = pt%vvel + zdt_6 * (  zay1 + 2.*(zay2 + zay3) + zay4 )
149
150         CALL icb_ground( zxi_n, zxi1, zuvel_n,   &
151            &             zyj_n, zyj1, zvvel_n, ll_bounced )
152
153         pt%uvel = zuvel_n                        !** save in berg structure
154         pt%vvel = zvvel_n
155         pt%xi   = zxi_n
156         pt%yj   = zyj_n
157
158         ! update actual position
159         pt%lon  = icb_utl_bilin_x(glamt, pt%xi, pt%yj )
160         pt%lat  = icb_utl_bilin(gphit, pt%xi, pt%yj, 'T' )
161
162         berg => berg%next                         ! switch to the next berg
163         !
164      END DO                                  !==  end loop over all bergs  ==!
165      !
166   END SUBROUTINE icb_dyn
167
168
169   SUBROUTINE icb_ground( pi, pi0, pu,   &
170      &                   pj, pj0, pv, ld_bounced )
171      !!----------------------------------------------------------------------
172      !!                  ***  ROUTINE icb_ground  ***
173      !!
174      !! ** Purpose :   iceberg grounding.
175      !!
176      !! ** Method  : - adjust velocity and then put iceberg back to start position
177      !!                NB two possibilities available one of which is hard-coded here
178      !!----------------------------------------------------------------------
179      REAL(wp), INTENT(inout) ::   pi , pj      ! current iceberg position
180      REAL(wp), INTENT(in   ) ::   pi0, pj0     ! previous iceberg position
181      REAL(wp), INTENT(inout) ::   pu  , pv     ! current iceberg velocities
182      LOGICAL , INTENT(  out) ::   ld_bounced   ! bounced indicator
183      !
184      INTEGER  ::   ii, ii0
185      INTEGER  ::   ij, ij0
186      INTEGER  ::   ibounce_method
187      !!----------------------------------------------------------------------
188      !
189      ld_bounced = .FALSE.
190      !
191      ii0 = INT( pi0+0.5 )   ;   ij0 = INT( pj0+0.5 )       ! initial gridpoint position (T-cell)
192      ii  = INT( pi +0.5 )   ;   ij  = INT( pj +0.5 )       ! current     -         -
193      !
194      IF( ii == ii0  .AND.  ij == ij0  )   RETURN           ! berg remains in the same cell
195      !
196      ! map into current processor
197      ii0 = mi1( ii0 )
198      ij0 = mj1( ij0 )
199      ii  = mi1( ii  )
200      ij  = mj1( ij  )
201      !
202      IF(  tmask(ii,ij,1)  /=   0._wp  )   RETURN           ! berg reach a new t-cell, but an ocean one
203      !
204      ! From here, berg have reach land: treat grounding/bouncing
205      ! -------------------------------
206      ld_bounced = .TRUE.
207
208      !! not obvious what should happen now
209      !! if berg tries to enter a land box, the only location we can return it to is the start
210      !! position (pi0,pj0), since it has to be in a wet box to do any melting;
211      !! first option is simply to set whole velocity to zero and move back to start point
212      !! second option (suggested by gm) is only to set the velocity component in the (i,j) direction
213      !! of travel to zero; at a coastal boundary this has the effect of sliding the berg along the coast
214
215      ibounce_method = 2
216      SELECT CASE ( ibounce_method )
217      CASE ( 1 )
218         pi = pi0
219         pj = pj0
220         pu = 0._wp
221         pv = 0._wp
222      CASE ( 2 )
223         IF( ii0 /= ii ) THEN
224            pi = pi0                   ! return back to the initial position
225            pu = 0._wp                 ! zeroing of velocity in the direction of the grounding
226         ENDIF
227         IF( ij0 /= ij ) THEN
228            pj = pj0                   ! return back to the initial position
229            pv = 0._wp                 ! zeroing of velocity in the direction of the grounding
230         ENDIF
231      END SELECT
232      !
233   END SUBROUTINE icb_ground
234
235
236   SUBROUTINE icb_accel( berg , pxi, pe1, puvel, puvel0, pax,                &
237      &                         pyj, pe2, pvvel, pvvel0, pay, pdt )
238      !!----------------------------------------------------------------------
239      !!                  ***  ROUTINE icb_accel  ***
240      !!
241      !! ** Purpose :   compute the iceberg acceleration.
242      !!
243      !! ** Method  : - sum the terms in the momentum budget
244      !!----------------------------------------------------------------------
245      TYPE(iceberg ), POINTER, INTENT(in   ) ::   berg             ! berg
246      REAL(wp)               , INTENT(in   ) ::   pxi   , pyj      ! berg position in (i,j) referential
247      REAL(wp)               , INTENT(in   ) ::   puvel , pvvel    ! berg velocity [m/s]
248      REAL(wp)               , INTENT(in   ) ::   puvel0, pvvel0   ! initial berg velocity [m/s]
249      REAL(wp)               , INTENT(  out) ::   pe1, pe2         ! horizontal scale factor at (xi,yj)
250      REAL(wp)               , INTENT(inout) ::   pax, pay         ! berg acceleration
251      REAL(wp)               , INTENT(in   ) ::   pdt              ! berg time step
252      !
253      REAL(wp), PARAMETER ::   pp_alpha     = 0._wp      !
254      REAL(wp), PARAMETER ::   pp_beta      = 1._wp      !
255      REAL(wp), PARAMETER ::   pp_vel_lim   =15._wp      ! max allowed berg speed
256      REAL(wp), PARAMETER ::   pp_accel_lim = 1.e-2_wp   ! max allowed berg acceleration
257      REAL(wp), PARAMETER ::   pp_Cr0       = 0.06_wp    !
258      !
259      INTEGER  ::   itloop
260      REAL(wp) ::   zuo, zui, zua, zuwave, zssh_x, zsst, zcn, zhi, zsss
261      REAL(wp) ::   zvo, zvi, zva, zvwave, zssh_y
262      REAL(wp) ::   zff, zT, zD, zW, zL, zM, zF
263      REAL(wp) ::   zdrag_ocn, zdrag_atm, zdrag_ice, zwave_rad
264      REAL(wp) ::   z_ocn, z_atm, z_ice
265      REAL(wp) ::   zampl, zwmod, zCr, zLwavelength, zLcutoff, zLtop
266      REAL(wp) ::   zlambda, zdetA, zA11, zA12, zaxe, zaye, zD_hi
267      REAL(wp) ::   zuveln, zvveln, zus, zvs, zspeed, zloc_dx, zspeed_new
268      !!----------------------------------------------------------------------
269
270      ! Interpolate gridded fields to berg
271      nknberg = berg%number(1)
272      CALL icb_utl_interp( pxi, pe1, zuo, zui, zua, zssh_x,                     &
273         &                 pyj, pe2, zvo, zvi, zva, zssh_y, zsst, zcn, zhi, zff, zsss )
274
275      zM = berg%current_point%mass
276      zT = berg%current_point%thickness               ! total thickness
277      zD = ( rn_rho_bergs / pp_rho_seawater ) * zT    ! draught (keel depth)
278      zF = zT - zD                                    ! freeboard
279      zW = berg%current_point%width
280      zL = berg%current_point%length
281
282      zhi   = MIN( zhi   , zD    )
283      zD_hi = MAX( 0._wp, zD-zhi )
284
285      ! Wave radiation
286      zuwave = zua - zuo   ;   zvwave = zva - zvo     ! Use wind speed rel. to ocean for wave model
287      zwmod  = zuwave*zuwave + zvwave*zvwave          ! The wave amplitude and length depend on the  current;
288      !                                               ! wind speed relative to the ocean. Actually wmod is wmod**2 here.
289      zampl        = 0.5 * 0.02025 * zwmod            ! This is "a", the wave amplitude
290      zLwavelength =       0.32    * zwmod            ! Surface wave length fitted to data in table at
291      !                                               ! http://www4.ncsu.edu/eos/users/c/ceknowle/public/chapter10/part2.html
292      zLcutoff     = 0.125 * zLwavelength
293      zLtop        = 0.25  * zLwavelength
294      zCr          = pp_Cr0 * MIN(  MAX( 0., (zL-zLcutoff) / ((zLtop-zLcutoff)+1.e-30)) , 1.)  ! Wave radiation coefficient
295      !                                               ! fitted to graph from Carrieres et al.,  POAC Drift Model.
296      zwave_rad    = 0.5 * pp_rho_seawater / zM * zCr * grav * zampl * MIN( zampl,zF ) * (2.*zW*zL) / (zW+zL)
297      zwmod        = SQRT( zua*zua + zva*zva )        ! Wind speed
298      IF( zwmod /= 0._wp ) THEN
299         zuwave = zua/zwmod   ! Wave radiation force acts in wind direction ...       !!gm  this should be the wind rel. to ocean ?
300         zvwave = zva/zwmod
301      ELSE
302         zuwave = 0.   ;    zvwave=0.   ;    zwave_rad=0. ! ... and only when wind is present.     !!gm  wave_rad=0. is useless
303      ENDIF
304
305      ! Weighted drag coefficients
306      z_ocn = pp_rho_seawater / zM * (0.5*pp_Cd_wv*zW*(zD_hi)+pp_Cd_wh*zW*zL)
307      z_atm = pp_rho_air      / zM * (0.5*pp_Cd_av*zW*zF     +pp_Cd_ah*zW*zL)
308      z_ice = pp_rho_ice      / zM * (0.5*pp_Cd_iv*zW*zhi              )
309      IF( abs(zui) + abs(zvi) == 0._wp )   z_ice = 0._wp
310
311      zuveln = puvel   ;   zvveln = pvvel ! Copy starting uvel, vvel
312      !
313      DO itloop = 1, 2  ! Iterate on drag coefficients
314         !
315         zus = 0.5 * ( zuveln + puvel )
316         zvs = 0.5 * ( zvveln + pvvel )
317         zdrag_ocn = z_ocn * SQRT( (zus-zuo)*(zus-zuo) + (zvs-zvo)*(zvs-zvo) )
318         zdrag_atm = z_atm * SQRT( (zus-zua)*(zus-zua) + (zvs-zva)*(zvs-zva) )
319         zdrag_ice = z_ice * SQRT( (zus-zui)*(zus-zui) + (zvs-zvi)*(zvs-zvi) )
320         !
321         ! Explicit accelerations
322         !zaxe= zff*pvvel -grav*zssh_x +zwave_rad*zuwave &
323         !    -zdrag_ocn*(puvel-zuo) -zdrag_atm*(puvel-zua) -zdrag_ice*(puvel-zui)
324         !zaye=-zff*puvel -grav*zssh_y +zwave_rad*zvwave &
325         !    -zdrag_ocn*(pvvel-zvo) -zdrag_atm*(pvvel-zva) -zdrag_ice*(pvvel-zvi)
326         zaxe = -grav * zssh_x + zwave_rad * zuwave
327         zaye = -grav * zssh_y + zwave_rad * zvwave
328         IF( pp_alpha > 0._wp ) THEN   ! If implicit, use time-level (n) rather than RK4 latest
329            zaxe = zaxe + zff*pvvel0
330            zaye = zaye - zff*puvel0
331         ELSE
332            zaxe = zaxe + zff*pvvel
333            zaye = zaye - zff*puvel
334         ENDIF
335         IF( pp_beta > 0._wp ) THEN    ! If implicit, use time-level (n) rather than RK4 latest
336            zaxe = zaxe - zdrag_ocn*(puvel0-zuo) - zdrag_atm*(puvel0-zua) -zdrag_ice*(puvel0-zui)
337            zaye = zaye - zdrag_ocn*(pvvel0-zvo) - zdrag_atm*(pvvel0-zva) -zdrag_ice*(pvvel0-zvi)
338         ELSE
339            zaxe = zaxe - zdrag_ocn*(puvel -zuo) - zdrag_atm*(puvel -zua) -zdrag_ice*(puvel -zui)
340            zaye = zaye - zdrag_ocn*(pvvel -zvo) - zdrag_atm*(pvvel -zva) -zdrag_ice*(pvvel -zvi)
341         ENDIF
342
343         ! Solve for implicit accelerations
344         IF( pp_alpha + pp_beta > 0._wp ) THEN
345            zlambda = zdrag_ocn + zdrag_atm + zdrag_ice
346            zA11    = 1._wp + pp_beta *pdt*zlambda
347            zA12    =         pp_alpha*pdt*zff
348            zdetA   = 1._wp / ( zA11*zA11 + zA12*zA12 )
349            pax     = zdetA * ( zA11*zaxe + zA12*zaye )
350            pay     = zdetA * ( zA11*zaye - zA12*zaxe )
351         ELSE
352            pax = zaxe   ;   pay = zaye
353         ENDIF
354
355         zuveln = puvel0 + pdt*pax
356         zvveln = pvvel0 + pdt*pay
357         !
358      END DO      ! itloop
359
360      IF( rn_speed_limit > 0._wp ) THEN       ! Limit speed of bergs based on a CFL criteria (if asked)
361         zspeed = SQRT( zuveln*zuveln + zvveln*zvveln )    ! Speed of berg
362         IF( zspeed > 0._wp ) THEN
363            zloc_dx = MIN( pe1, pe2 )                          ! minimum grid spacing
364            zspeed_new = zloc_dx / pdt * rn_speed_limit        ! Speed limit as a factor of dx / dt
365            IF( zspeed_new < zspeed ) THEN
366               zuveln = zuveln * ( zspeed_new / zspeed )        ! Scale velocity to reduce speed
367               zvveln = zvveln * ( zspeed_new / zspeed )        ! without changing the direction
368               CALL icb_dia_speed()
369            ENDIF
370         ENDIF
371      ENDIF
372      !                                      ! check the speed and acceleration limits
373      IF (nn_verbose_level > 0) THEN
374         IF( ABS( zuveln ) > pp_vel_lim   .OR. ABS( zvveln ) > pp_vel_lim   )   &
375            WRITE(numicb,'("pe=",i3,x,a)') narea,'Dump triggered by excessive velocity'
376         IF( ABS( pax    ) > pp_accel_lim .OR. ABS( pay    ) > pp_accel_lim )   &
377            WRITE(numicb,'("pe=",i3,x,a)') narea,'Dump triggered by excessive acceleration'
378      ENDIF
379      !
380   END SUBROUTINE icb_accel
381
382   !!======================================================================
383END MODULE icbdyn
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.