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_algo_ecmwf.F90 in NEMO/branches/2020/tickets_icb_1900/src/OCE/SBC – NEMO

source: NEMO/branches/2020/tickets_icb_1900/src/OCE/SBC/sbcblk_algo_ecmwf.F90 @ 14016

Last change on this file since 14016 was 14016, checked in by mathiot, 4 years ago

ticket 1900: upgrade to trunk@r14015 (head trunk at 16h27)

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 25.1 KB
RevLine 
[6723]1MODULE sbcblk_algo_ecmwf
2   !!======================================================================
[12377]3   !!                   ***  MODULE  sbcblk_algo_ecmwf  ***
4   !! Computes:
[6723]5   !!   * bulk transfer coefficients C_D, C_E and C_H
6   !!   * air temp. and spec. hum. adjusted from zt (2m) to zu (10m) if needed
7   !!   * the effective bulk wind speed at 10m U_blk
8   !!   => all these are used in bulk formulas in sbcblk.F90
9   !!
[12377]10   !!    Using the bulk formulation/param. of IFS of ECMWF (cycle 40r1)
[6723]11   !!         based on IFS doc (avaible online on the ECMWF's website)
12   !!
13   !!       Routine turb_ecmwf maintained and developed in AeroBulk
[12377]14   !!                     (https://github.com/brodeau/aerobulk)
[6723]15   !!
[12377]16   !! ** Author: L. Brodeau, June 2019 / AeroBulk (https://github.com/brodeau/aerobulk)
[6723]17   !!----------------------------------------------------------------------
[6727]18   !! History :  4.0  !  2016-02  (L.Brodeau)   Original code
[14016]19   !!            4.2  !  2020-12  (G. Madec, E. Clementi) Charnock coeff from wave model
[6723]20   !!----------------------------------------------------------------------
[6727]21
22   !!----------------------------------------------------------------------
[6723]23   !!   turb_ecmwf  : computes the bulk turbulent transfer coefficients
24   !!                   adjusts t_air and q_air from zt to zu m
25   !!                   returns the effective bulk wind speed at 10m
26   !!----------------------------------------------------------------------
27   USE oce             ! ocean dynamics and tracers
28   USE dom_oce         ! ocean space and time domain
29   USE phycst          ! physical constants
30   USE iom             ! I/O manager library
31   USE lib_mpp         ! distribued memory computing library
32   USE in_out_manager  ! I/O manager
33   USE prtctl          ! Print control
[14016]34   USE sbcwave, ONLY   : charn ! wave module
[9570]35#if defined key_si3 || defined key_cice
[6723]36   USE sbc_ice         ! Surface boundary condition: ice fields
37#endif
38   USE lib_fortran     ! to use key_nosignedzero
39
40   USE sbc_oce         ! Surface boundary condition: ocean fields
[12377]41   USE sbcblk_phy      ! all thermodynamics functions, rho_air, q_sat, etc... !LB
42   USE sbcblk_skin_ecmwf ! cool-skin/warm layer scheme !LB
[6723]43
44   IMPLICIT NONE
45   PRIVATE
46
[12377]47   PUBLIC :: SBCBLK_ALGO_ECMWF_INIT, TURB_ECMWF
48   !! * Substitutions
49#  include "do_loop_substitute.h90"
[6723]50
[12377]51   !! ECMWF own values for given constants, taken form IFS documentation...
[6723]52   REAL(wp), PARAMETER ::   charn0 = 0.018    ! Charnock constant (pretty high value here !!!
53   !                                          !    =>  Usually 0.011 for moderate winds)
54   REAL(wp), PARAMETER ::   zi0     = 1000.   ! scale height of the atmospheric boundary layer...1
55   REAL(wp), PARAMETER ::   Beta0    = 1.     ! gustiness parameter ( = 1.25 in COAREv3)
56   REAL(wp), PARAMETER ::   alpha_M = 0.11    ! For roughness length (smooth surface term)
57   REAL(wp), PARAMETER ::   alpha_H = 0.40    ! (Chapter 3, p.34, IFS doc Cy31r1)
58   REAL(wp), PARAMETER ::   alpha_Q = 0.62    !
[12377]59
60   INTEGER , PARAMETER ::   nb_itt = 10             ! number of itterations
61
[6723]62   !!----------------------------------------------------------------------
63CONTAINS
64
[12377]65
66   SUBROUTINE sbcblk_algo_ecmwf_init(l_use_cs, l_use_wl)
67      !!---------------------------------------------------------------------
68      !!                  ***  FUNCTION sbcblk_algo_ecmwf_init  ***
69      !!
70      !! INPUT :
71      !! -------
72      !!    * l_use_cs : use the cool-skin parameterization
73      !!    * l_use_wl : use the warm-layer parameterization
74      !!---------------------------------------------------------------------
75      LOGICAL , INTENT(in) ::   l_use_cs ! use the cool-skin parameterization
76      LOGICAL , INTENT(in) ::   l_use_wl ! use the warm-layer parameterization
77      INTEGER :: ierr
78      !!---------------------------------------------------------------------
79      IF( l_use_wl ) THEN
80         ierr = 0
81         ALLOCATE ( dT_wl(jpi,jpj), Hz_wl(jpi,jpj), STAT=ierr )
82         IF( ierr > 0 ) CALL ctl_stop( ' SBCBLK_ALGO_ECMWF_INIT => allocation of dT_wl & Hz_wl failed!' )
83         dT_wl(:,:)  = 0._wp
84         Hz_wl(:,:)  = rd0 ! (rd0, constant, = 3m is default for Zeng & Beljaars)
85      ENDIF
86      IF( l_use_cs ) THEN
87         ierr = 0
88         ALLOCATE ( dT_cs(jpi,jpj), STAT=ierr )
89         IF( ierr > 0 ) CALL ctl_stop( ' SBCBLK_ALGO_ECMWF_INIT => allocation of dT_cs failed!' )
90         dT_cs(:,:) = -0.25_wp  ! First guess of skin correction
91      ENDIF
92   END SUBROUTINE sbcblk_algo_ecmwf_init
93
94
95
96   SUBROUTINE turb_ecmwf( kt, zt, zu, T_s, t_zt, q_s, q_zt, U_zu, l_use_cs, l_use_wl, &
97      &                      Cd, Ch, Ce, t_zu, q_zu, U_blk,                           &
98      &                      Cdn, Chn, Cen,                                           &
99      &                      Qsw, rad_lw, slp, pdT_cs,                                & ! optionals for cool-skin (and warm-layer)
100      &                      pdT_wl, pHz_wl )                                           ! optionals for warm-layer only
[12615]101      !!----------------------------------------------------------------------------------
[6723]102      !!                      ***  ROUTINE  turb_ecmwf  ***
103      !!
104      !! ** Purpose :   Computes turbulent transfert coefficients of surface
[12377]105      !!                fluxes according to IFS doc. (cycle 45r1)
[6723]106      !!                If relevant (zt /= zu), adjust temperature and humidity from height zt to zu
[12377]107      !!                Returns the effective bulk wind speed at zu to be used in the bulk formulas
[6723]108      !!
[12377]109      !!                Applies the cool-skin warm-layer correction of the SST to T_s
110      !!                if the net shortwave flux at the surface (Qsw), the downwelling longwave
111      !!                radiative fluxes at the surface (rad_lw), and the sea-leve pressure (slp)
112      !!                are provided as (optional) arguments!
[6723]113      !!
114      !! INPUT :
115      !! -------
[12377]116      !!    *  kt   : current time step (starts at 1)
[6723]117      !!    *  zt   : height for temperature and spec. hum. of air            [m]
[12377]118      !!    *  zu   : height for wind speed (usually 10m)                     [m]
[6723]119      !!    *  t_zt : potential air temperature at zt                         [K]
120      !!    *  q_zt : specific humidity of air at zt                          [kg/kg]
[12377]121      !!    *  U_zu : scalar wind speed at zu                                 [m/s]
122      !!    * l_use_cs : use the cool-skin parameterization
123      !!    * l_use_wl : use the warm-layer parameterization
[6723]124      !!
[12377]125      !! INPUT/OUTPUT:
126      !! -------------
127      !!    *  T_s  : always "bulk SST" as input                              [K]
128      !!              -> unchanged "bulk SST" as output if CSWL not used      [K]
129      !!              -> skin temperature as output if CSWL used              [K]
[6723]130      !!
[12377]131      !!    *  q_s  : SSQ aka saturation specific humidity at temp. T_s       [kg/kg]
132      !!              -> doesn't need to be given a value if skin temp computed (in case l_use_cs=True or l_use_wl=True)
133      !!              -> MUST be given the correct value if not computing skint temp. (in case l_use_cs=False or l_use_wl=False)
134      !!
135      !! OPTIONAL INPUT:
136      !! ---------------
137      !!    *  Qsw    : net solar flux (after albedo) at the surface (>0)     [W/m^2]
138      !!    *  rad_lw : downwelling longwave radiation at the surface  (>0)   [W/m^2]
139      !!    *  slp    : sea-level pressure                                    [Pa]
140      !!
141      !! OPTIONAL OUTPUT:
142      !! ----------------
143      !!    * pdT_cs  : SST increment "dT" for cool-skin correction           [K]
144      !!    * pdT_wl  : SST increment "dT" for warm-layer correction          [K]
145      !!    * pHz_wl  : thickness of warm-layer                               [m]
146      !!
[6723]147      !! OUTPUT :
148      !! --------
149      !!    *  Cd     : drag coefficient
150      !!    *  Ch     : sensible heat coefficient
151      !!    *  Ce     : evaporation coefficient
152      !!    *  t_zu   : pot. air temperature adjusted at wind height zu       [K]
153      !!    *  q_zu   : specific humidity of air        //                    [kg/kg]
[12377]154      !!    *  U_blk  : bulk wind speed at zu                                 [m/s]
[6723]155      !!
156      !!
[12377]157      !! ** Author: L. Brodeau, June 2019 / AeroBulk (https://github.com/brodeau/aerobulk/)
[6723]158      !!----------------------------------------------------------------------------------
[12377]159      INTEGER,  INTENT(in   )                     ::   kt       ! current time step
[6723]160      REAL(wp), INTENT(in   )                     ::   zt       ! height for t_zt and q_zt                    [m]
161      REAL(wp), INTENT(in   )                     ::   zu       ! height for U_zu                             [m]
[12377]162      REAL(wp), INTENT(inout), DIMENSION(jpi,jpj) ::   T_s      ! sea surface temperature                [Kelvin]
[6723]163      REAL(wp), INTENT(in   ), DIMENSION(jpi,jpj) ::   t_zt     ! potential air temperature              [Kelvin]
[12377]164      REAL(wp), INTENT(inout), DIMENSION(jpi,jpj) ::   q_s      ! sea surface specific humidity           [kg/kg]
165      REAL(wp), INTENT(in   ), DIMENSION(jpi,jpj) ::   q_zt     ! specific air humidity at zt             [kg/kg]
[6723]166      REAL(wp), INTENT(in   ), DIMENSION(jpi,jpj) ::   U_zu     ! relative wind module at zu                [m/s]
[12377]167      LOGICAL , INTENT(in   )                     ::   l_use_cs ! use the cool-skin parameterization
168      LOGICAL , INTENT(in   )                     ::   l_use_wl ! use the warm-layer parameterization
[6723]169      REAL(wp), INTENT(  out), DIMENSION(jpi,jpj) ::   Cd       ! transfer coefficient for momentum         (tau)
170      REAL(wp), INTENT(  out), DIMENSION(jpi,jpj) ::   Ch       ! transfer coefficient for sensible heat (Q_sens)
171      REAL(wp), INTENT(  out), DIMENSION(jpi,jpj) ::   Ce       ! transfert coefficient for evaporation   (Q_lat)
172      REAL(wp), INTENT(  out), DIMENSION(jpi,jpj) ::   t_zu     ! pot. air temp. adjusted at zu               [K]
173      REAL(wp), INTENT(  out), DIMENSION(jpi,jpj) ::   q_zu     ! spec. humidity adjusted at zu           [kg/kg]
[12377]174      REAL(wp), INTENT(  out), DIMENSION(jpi,jpj) ::   U_blk    ! bulk wind speed at zu                     [m/s]
[9019]175      REAL(wp), INTENT(  out), DIMENSION(jpi,jpj) ::   Cdn, Chn, Cen ! neutral transfer coefficients
[6723]176      !
[12377]177      REAL(wp), INTENT(in   ), OPTIONAL, DIMENSION(jpi,jpj) ::   Qsw      !             [W/m^2]
178      REAL(wp), INTENT(in   ), OPTIONAL, DIMENSION(jpi,jpj) ::   rad_lw   !             [W/m^2]
179      REAL(wp), INTENT(in   ), OPTIONAL, DIMENSION(jpi,jpj) ::   slp      !             [Pa]
180      REAL(wp), INTENT(  out), OPTIONAL, DIMENSION(jpi,jpj) ::   pdT_cs
181      REAL(wp), INTENT(  out), OPTIONAL, DIMENSION(jpi,jpj) ::   pdT_wl   !             [K]
182      REAL(wp), INTENT(  out), OPTIONAL, DIMENSION(jpi,jpj) ::   pHz_wl   !             [m]
183      !
[6723]184      INTEGER :: j_itt
[12377]185      LOGICAL :: l_zt_equal_zu = .FALSE.      ! if q and t are given at same height as U
[6723]186      !
[12615]187      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) :: u_star, t_star, q_star
188      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) :: dt_zu, dq_zu
189      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) :: znu_a         !: Nu_air, Viscosity of air
[12377]190      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) :: Linv  !: 1/L (inverse of Monin Obukhov length...
191      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) :: z0, z0t, z0q
[6723]192      !
[12377]193      REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE :: zsst  ! to back up the initial bulk SST
[6723]194      !
[12377]195      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) :: func_m, func_h
196      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) :: ztmp0, ztmp1, ztmp2
197      CHARACTER(len=40), PARAMETER :: crtnm = 'turb_ecmwf@sbcblk_algo_ecmwf.F90'
198      !!----------------------------------------------------------------------------------
199      IF( kt == nit000 ) CALL SBCBLK_ALGO_ECMWF_INIT(l_use_cs, l_use_wl)
200
[12615]201      l_zt_equal_zu = ( ABS(zu - zt) < 0.01_wp ) ! testing "zu == zt" is risky with double precision
[6723]202
[12377]203      !! Initializations for cool skin and warm layer:
204      IF( l_use_cs .AND. (.NOT.(PRESENT(Qsw) .AND. PRESENT(rad_lw) .AND. PRESENT(slp))) ) &
205         &   CALL ctl_stop( '['//TRIM(crtnm)//'] => ' , 'you need to provide Qsw, rad_lw & slp to use cool-skin param!' )
[6723]206
[12377]207      IF( l_use_wl .AND. (.NOT.(PRESENT(Qsw) .AND. PRESENT(rad_lw) .AND. PRESENT(slp))) ) &
208         &   CALL ctl_stop( '['//TRIM(crtnm)//'] => ' , 'you need to provide Qsw, rad_lw & slp to use warm-layer param!' )
209
210      IF( l_use_cs .OR. l_use_wl ) THEN
211         ALLOCATE ( zsst(jpi,jpj) )
212         zsst = T_s ! backing up the bulk SST
213         IF( l_use_cs ) T_s = T_s - 0.25_wp   ! First guess of correction
214         q_s    = rdct_qsat_salt*q_sat(MAX(T_s, 200._wp), slp) ! First guess of q_s
215      ENDIF
216
217
218      ! Identical first gess as in COARE, with IFS parameter values though...
219      !
[6723]220      !! First guess of temperature and humidity at height zu:
[12377]221      t_zu = MAX( t_zt ,  180._wp )   ! who knows what's given on masked-continental regions...
222      q_zu = MAX( q_zt , 1.e-6_wp )   !               "
[6723]223
224      !! Pot. temp. difference (and we don't want it to be 0!)
[12377]225      dt_zu = t_zu - T_s ;   dt_zu = SIGN( MAX(ABS(dt_zu),1.E-6_wp), dt_zu )
226      dq_zu = q_zu - q_s ;   dq_zu = SIGN( MAX(ABS(dq_zu),1.E-9_wp), dq_zu )
[6723]227
[12377]228      znu_a = visc_air(t_zu) ! Air viscosity (m^2/s) at zt given from temperature in (K)
[6723]229
[12377]230      U_blk = SQRT(U_zu*U_zu + 0.5_wp*0.5_wp) ! initial guess for wind gustiness contribution
[6723]231
[12377]232      ztmp0   = LOG(    zu*10000._wp) ! optimization: 10000. == 1/z0 (with z0 first guess == 0.0001)
233      ztmp1   = LOG(10._wp*10000._wp) !       "                    "               "
234      u_star = 0.035_wp*U_blk*ztmp1/ztmp0       ! (u* = 0.035*Un10)
[6723]235
[14016]236      IF (ln_charn)  THEN          !  Charnock value if wave coupling
237         z0     = charn*u_star*u_star/grav + 0.11_wp*znu_a/u_star
238      ELSE
239         z0     = charn0*u_star*u_star/grav + 0.11_wp*znu_a/u_star
240      ENDIF
241
[12377]242      z0     = MIN( MAX(ABS(z0), 1.E-9) , 1._wp )                      ! (prevents FPE from stupid values from masked region later on)
[6723]243
[12377]244      z0t    = 1._wp / ( 0.1_wp*EXP(vkarmn/(0.00115/(vkarmn/ztmp1))) )
245      z0t    = MIN( MAX(ABS(z0t), 1.E-9) , 1._wp )                      ! (prevents FPE from stupid values from masked region later on)
246
[6723]247      Cd     = (vkarmn/ztmp0)**2    ! first guess of Cd
248
[12377]249      ztmp0 = vkarmn*vkarmn/LOG(zt/z0t)/Cd
[6723]250
[12377]251      ztmp2 = Ri_bulk( zu, T_s, t_zu, q_s, q_zu, U_blk ) ! Bulk Richardson Number (BRN)
[6723]252
[12377]253      !! First estimate of zeta_u, depending on the stability, ie sign of BRN (ztmp2):
254      ztmp1 = 0.5 + SIGN( 0.5_wp , ztmp2 )
[6723]255      func_m = ztmp0*ztmp2 ! temporary array !!
[12377]256      func_h = (1._wp-ztmp1) * (func_m/(1._wp+ztmp2/(-zu/(zi0*0.004_wp*Beta0**3)))) & !  BRN < 0 ! temporary array !!! func_h == zeta_u
257         &  +     ztmp1   * (func_m*(1._wp + 27._wp/9._wp*ztmp2/func_m))              !  BRN > 0
258      !#LB: should make sure that the "func_m" of "27./9.*ztmp2/func_m" is "ztmp0*ztmp2" and not "ztmp0==vkarmn*vkarmn/LOG(zt/z0t)/Cd" !
[6723]259
260      !! First guess M-O stability dependent scaling params.(u*,t*,q*) to estimate z0 and z/L
[12377]261      ztmp0  = vkarmn/(LOG(zu/z0t) - psi_h_ecmwf(func_h))
[6723]262
[12377]263      u_star = MAX ( U_blk*vkarmn/(LOG(zu) - LOG(z0)  - psi_m_ecmwf(func_h)) , 1.E-9 )  !  (MAX => prevents FPE from stupid values from masked region later on)
[6723]264      t_star = dt_zu*ztmp0
265      q_star = dq_zu*ztmp0
266
[12377]267      ! What needs to be done if zt /= zu:
[6723]268      IF( .NOT. l_zt_equal_zu ) THEN
269         !! First update of values at zu (or zt for wind)
270         ztmp0 = psi_h_ecmwf(func_h) - psi_h_ecmwf(zt*func_h/zu)    ! zt*func_h/zu == zeta_t
[12377]271         ztmp1 = LOG(zt/zu) + ztmp0
[6723]272         t_zu = t_zt - t_star/vkarmn*ztmp1
273         q_zu = q_zt - q_star/vkarmn*ztmp1
[12377]274         q_zu = (0.5_wp + SIGN(0.5_wp,q_zu))*q_zu !Makes it impossible to have negative humidity :
[6723]275         !
[12377]276         dt_zu = t_zu - T_s  ; dt_zu = SIGN( MAX(ABS(dt_zu),1.E-6_wp), dt_zu )
277         dq_zu = q_zu - q_s  ; dq_zu = SIGN( MAX(ABS(dq_zu),1.E-9_wp), dq_zu )
[6723]278      ENDIF
279
280
281      !! => that was same first guess as in COARE...
282
283
284      !! First guess of inverse of Monin-Obukov length (1/L) :
[12377]285      Linv = One_on_L( t_zu, q_zu, u_star, t_star, q_star )
[6723]286
287      !! Functions such as  u* = U_blk*vkarmn/func_m
[12377]288      ztmp0 = zu*Linv
289      func_m = LOG(zu) - LOG(z0)  - psi_m_ecmwf(ztmp0) + psi_m_ecmwf( z0*Linv)
290      func_h = LOG(zu) - LOG(z0t) - psi_h_ecmwf(ztmp0) + psi_h_ecmwf(z0t*Linv)
[6723]291
292      !! ITERATION BLOCK
293      DO j_itt = 1, nb_itt
294
295         !! Bulk Richardson Number at z=zu (Eq. 3.25)
[12377]296         ztmp0 = Ri_bulk( zu, T_s, t_zu, q_s, q_zu, U_blk ) ! Bulk Richardson Number (BRN)
[6723]297
298         !! New estimate of the inverse of the Monin-Obukhon length (Linv == zeta/zu) :
[12377]299         Linv = ztmp0*func_m*func_m/func_h / zu     ! From Eq. 3.23, Chap.3.2.3, IFS doc - Cy40r1
300         !! Note: it is slightly different that the L we would get with the usual
301         Linv = SIGN( MIN(ABS(Linv),200._wp), Linv ) ! (prevent FPE from stupid values from masked region later on...)
[6723]302
303         !! Update func_m with new Linv:
[12377]304         func_m = LOG(zu) -LOG(z0) - psi_m_ecmwf(zu*Linv) + psi_m_ecmwf(z0*Linv) ! LB: should be "zu+z0" rather than "zu" alone, but z0 is tiny wrt zu!
[6723]305
306         !! Need to update roughness lengthes:
307         u_star = U_blk*vkarmn/func_m
308         ztmp2  = u_star*u_star
309         ztmp1  = znu_a/u_star
[14016]310         IF (ln_charn) THEN     ! Charnock value if wave coupling
311            z0  = MIN( ABS( alpha_M*ztmp1 + charn*ztmp2/grav ) , 0.001_wp)         
312         ELSE
313            z0     = MIN( ABS( alpha_M*ztmp1 + charn0*ztmp2/grav ) , 0.001_wp)
314         ENDIF
[12377]315         z0t    = MIN( ABS( alpha_H*ztmp1                     ) , 0.001_wp)   ! eq.3.26, Chap.3, p.34, IFS doc - Cy31r1
316         z0q    = MIN( ABS( alpha_Q*ztmp1                     ) , 0.001_wp)
[6723]317
[12377]318         !! Update wind at zu with convection-related wind gustiness in unstable conditions (Chap. 3.2, IFS doc - Cy40r1, Eq.3.17 and Eq.3.18 + Eq.3.8)
319         ztmp2 = Beta0*Beta0*ztmp2*(MAX(-zi0*Linv/vkarmn,0._wp))**(2._wp/3._wp) ! square of wind gustiness contribution  (combining Eq. 3.8 and 3.18, hap.3, IFS doc - Cy31r1)
320         !!   ! Only true when unstable (L<0) => when ztmp0 < 0 => explains "-" before zi0
321         U_blk = MAX(SQRT(U_zu*U_zu + ztmp2), 0.2_wp)        ! include gustiness in bulk wind speed
[6723]322         ! => 0.2 prevents U_blk to be 0 in stable case when U_zu=0.
323
324
325         !! Need to update "theta" and "q" at zu in case they are given at different heights
326         !! as well the air-sea differences:
327         IF( .NOT. l_zt_equal_zu ) THEN
328            !! Arrays func_m and func_h are free for a while so using them as temporary arrays...
[12377]329            func_h = psi_h_ecmwf(zu*Linv) ! temporary array !!!
330            func_m = psi_h_ecmwf(zt*Linv) ! temporary array !!!
[6723]331
332            ztmp2  = psi_h_ecmwf(z0t*Linv)
333            ztmp0  = func_h - ztmp2
[12377]334            ztmp1  = vkarmn/(LOG(zu) - LOG(z0t) - ztmp0)
[6723]335            t_star = dt_zu*ztmp1
336            ztmp2  = ztmp0 - func_m + ztmp2
337            ztmp1  = LOG(zt/zu) + ztmp2
338            t_zu   = t_zt - t_star/vkarmn*ztmp1
339
340            ztmp2  = psi_h_ecmwf(z0q*Linv)
341            ztmp0  = func_h - ztmp2
[12377]342            ztmp1  = vkarmn/(LOG(zu) - LOG(z0q) - ztmp0)
[6723]343            q_star = dq_zu*ztmp1
344            ztmp2  = ztmp0 - func_m + ztmp2
[12377]345            ztmp1  = LOG(zt/zu) + ztmp2
[6723]346            q_zu   = q_zt - q_star/vkarmn*ztmp1
[12377]347         ENDIF
[6723]348
[12377]349         !! Updating because of updated z0 and z0t and new Linv...
350         ztmp0 = zu*Linv
351         func_m = log(zu) - LOG(z0 ) - psi_m_ecmwf(ztmp0) + psi_m_ecmwf(z0 *Linv)
352         func_h = log(zu) - LOG(z0t) - psi_h_ecmwf(ztmp0) + psi_h_ecmwf(z0t*Linv)
[9019]353
[6723]354
[12377]355         IF( l_use_cs ) THEN
356            !! Cool-skin contribution
[6723]357
[12377]358            CALL UPDATE_QNSOL_TAU( zu, T_s, q_s, t_zu, q_zu, u_star, t_star, q_star, U_zu, U_blk, slp, rad_lw, &
359               &                   ztmp1, ztmp0,  Qlat=ztmp2)  ! Qnsol -> ztmp1 / Tau -> ztmp0
[6723]360
[12377]361            CALL CS_ECMWF( Qsw, ztmp1, u_star, zsst )  ! Qnsol -> ztmp1
362
363            T_s(:,:) = zsst(:,:) + dT_cs(:,:)*tmask(:,:,1)
364            IF( l_use_wl ) T_s(:,:) = T_s(:,:) + dT_wl(:,:)*tmask(:,:,1)
365            q_s(:,:) = rdct_qsat_salt*q_sat(MAX(T_s(:,:), 200._wp), slp(:,:))
366
367         ENDIF
368
369         IF( l_use_wl ) THEN
370            !! Warm-layer contribution
371            CALL UPDATE_QNSOL_TAU( zu, T_s, q_s, t_zu, q_zu, u_star, t_star, q_star, U_zu, U_blk, slp, rad_lw, &
372               &                   ztmp1, ztmp2)  ! Qnsol -> ztmp1 / Tau -> ztmp2
373            CALL WL_ECMWF( Qsw, ztmp1, u_star, zsst )
374            !! Updating T_s and q_s !!!
375            T_s(:,:) = zsst(:,:) + dT_wl(:,:)*tmask(:,:,1) !
376            IF( l_use_cs ) T_s(:,:) = T_s(:,:) + dT_cs(:,:)*tmask(:,:,1)
377            q_s(:,:) = rdct_qsat_salt*q_sat(MAX(T_s(:,:), 200._wp), slp(:,:))
378         ENDIF
379
380         IF( l_use_cs .OR. l_use_wl .OR. (.NOT. l_zt_equal_zu) ) THEN
381            dt_zu = t_zu - T_s ;  dt_zu = SIGN( MAX(ABS(dt_zu),1.E-6_wp), dt_zu )
382            dq_zu = q_zu - q_s ;  dq_zu = SIGN( MAX(ABS(dq_zu),1.E-9_wp), dq_zu )
383         ENDIF
384
385      END DO !DO j_itt = 1, nb_itt
386
[6723]387      Cd = vkarmn*vkarmn/(func_m*func_m)
388      Ch = vkarmn*vkarmn/(func_m*func_h)
[12377]389      ztmp2 = log(zu/z0q) - psi_h_ecmwf(zu*Linv) + psi_h_ecmwf(z0q*Linv)   ! func_q
390      Ce = vkarmn*vkarmn/(func_m*ztmp2)
[6723]391
[12377]392      Cdn = vkarmn*vkarmn / (log(zu/z0 )*log(zu/z0 ))
393      Chn = vkarmn*vkarmn / (log(zu/z0t)*log(zu/z0t))
394      Cen = vkarmn*vkarmn / (log(zu/z0q)*log(zu/z0q))
[9019]395
[12377]396      IF( l_use_cs .AND. PRESENT(pdT_cs) ) pdT_cs = dT_cs
397      IF( l_use_wl .AND. PRESENT(pdT_wl) ) pdT_wl = dT_wl
398      IF( l_use_wl .AND. PRESENT(pHz_wl) ) pHz_wl = Hz_wl
[6723]399
[12377]400      IF( l_use_cs .OR. l_use_wl ) DEALLOCATE ( zsst )
[6723]401
[12377]402   END SUBROUTINE turb_ecmwf
403
404
[6723]405   FUNCTION psi_m_ecmwf( pzeta )
406      !!----------------------------------------------------------------------------------
407      !! Universal profile stability function for momentum
408      !!     ECMWF / as in IFS cy31r1 documentation, available online
409      !!     at ecmwf.int
410      !!
411      !! pzeta : stability paramenter, z/L where z is altitude measurement
412      !!         and L is M-O length
413      !!
[12377]414      !! ** Author: L. Brodeau, June 2016 / AeroBulk (https://github.com/brodeau/aerobulk/)
[6723]415      !!----------------------------------------------------------------------------------
416      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) :: psi_m_ecmwf
417      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj), INTENT(in) :: pzeta
418      !
419      INTEGER  ::   ji, jj    ! dummy loop indices
420      REAL(wp) :: zzeta, zx, ztmp, psi_unst, psi_stab, stab
421      !!----------------------------------------------------------------------------------
[13899]422      DO_2D( nn_hls, nn_hls, nn_hls, nn_hls )
[12615]423      !
424      zzeta = MIN( pzeta(ji,jj) , 5._wp ) !! Very stable conditions (L positif and big!):
425      !
426      ! Unstable (Paulson 1970):
427      !   eq.3.20, Chap.3, p.33, IFS doc - Cy31r1
428      zx = SQRT(ABS(1._wp - 16._wp*zzeta))
429      ztmp = 1._wp + SQRT(zx)
430      ztmp = ztmp*ztmp
431      psi_unst = LOG( 0.125_wp*ztmp*(1._wp + zx) )   &
432         &       -2._wp*ATAN( SQRT(zx) ) + 0.5_wp*rpi
433      !
434      ! Unstable:
435      ! eq.3.22, Chap.3, p.33, IFS doc - Cy31r1
436      psi_stab = -2._wp/3._wp*(zzeta - 5._wp/0.35_wp)*EXP(-0.35_wp*zzeta) &
437         &       - zzeta - 2._wp/3._wp*5._wp/0.35_wp
438      !
439      ! Combining:
440      stab = 0.5_wp + SIGN(0.5_wp, zzeta) ! zzeta > 0 => stab = 1
441      !
442      psi_m_ecmwf(ji,jj) = (1._wp - stab) * psi_unst & ! (zzeta < 0) Unstable
443         &                +      stab  * psi_stab      ! (zzeta > 0) Stable
444      !
[12377]445      END_2D
[6723]446   END FUNCTION psi_m_ecmwf
447
[12377]448
[6723]449   FUNCTION psi_h_ecmwf( pzeta )
450      !!----------------------------------------------------------------------------------
451      !! Universal profile stability function for temperature and humidity
452      !!     ECMWF / as in IFS cy31r1 documentation, available online
453      !!     at ecmwf.int
454      !!
455      !! pzeta : stability paramenter, z/L where z is altitude measurement
456      !!         and L is M-O length
457      !!
[12377]458      !! ** Author: L. Brodeau, June 2016 / AeroBulk (https://github.com/brodeau/aerobulk/)
[6723]459      !!----------------------------------------------------------------------------------
460      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj) :: psi_h_ecmwf
461      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj), INTENT(in) :: pzeta
462      !
463      INTEGER  ::   ji, jj     ! dummy loop indices
464      REAL(wp) ::  zzeta, zx, psi_unst, psi_stab, stab
465      !!----------------------------------------------------------------------------------
466      !
[13899]467      DO_2D( nn_hls, nn_hls, nn_hls, nn_hls )
[12615]468      !
469      zzeta = MIN(pzeta(ji,jj) , 5._wp)   ! Very stable conditions (L positif and big!):
470      !
471      zx  = ABS(1._wp - 16._wp*zzeta)**.25        ! this is actually (1/phi_m)**2  !!!
472      !                                     ! eq.3.19, Chap.3, p.33, IFS doc - Cy31r1
473      ! Unstable (Paulson 1970) :
474      psi_unst = 2._wp*LOG(0.5_wp*(1._wp + zx*zx))   ! eq.3.20, Chap.3, p.33, IFS doc - Cy31r1
475      !
476      ! Stable:
477      psi_stab = -2._wp/3._wp*(zzeta - 5._wp/0.35_wp)*EXP(-0.35_wp*zzeta) & ! eq.3.22, Chap.3, p.33, IFS doc - Cy31r1
478         &       - ABS(1._wp + 2._wp/3._wp*zzeta)**1.5_wp - 2._wp/3._wp*5._wp/0.35_wp + 1._wp
479      ! LB: added ABS() to avoid NaN values when unstable, which contaminates the unstable solution...
480      !
481      stab = 0.5_wp + SIGN(0.5_wp, zzeta) ! zzeta > 0 => stab = 1
482      !
483      !
484      psi_h_ecmwf(ji,jj) = (1._wp - stab) * psi_unst &   ! (zzeta < 0) Unstable
485         &                +    stab    * psi_stab        ! (zzeta > 0) Stable
486      !
[12377]487      END_2D
[6723]488   END FUNCTION psi_h_ecmwf
489
490
491   !!======================================================================
492END MODULE sbcblk_algo_ecmwf
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.