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.
zdftmx.F90 in branches/2017/dev_r7881_no_wrk_alloc/NEMOGCM/NEMO/OPA_SRC/ZDF – NEMO

source: branches/2017/dev_r7881_no_wrk_alloc/NEMOGCM/NEMO/OPA_SRC/ZDF/zdftmx.F90 @ 7910

Last change on this file since 7910 was 7910, checked in by timgraham, 7 years ago

All wrk_alloc removed

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 51.3 KB
RevLine 
[1418]1MODULE zdftmx
2   !!========================================================================
3   !!                       ***  MODULE  zdftmx  ***
4   !! Ocean physics: vertical tidal mixing coefficient
5   !!========================================================================
6   !! History :  1.0  !  2004-04  (L. Bessieres, G. Madec)  Original code
7   !!             -   !  2006-08  (A. Koch-Larrouy) Indonesian strait
[2528]8   !!            3.3  !  2010-10  (C. Ethe, G. Madec) reorganisation of initialisation phase
[1418]9   !!----------------------------------------------------------------------
[5836]10#if defined key_zdftmx
[1418]11   !!----------------------------------------------------------------------
12   !!   'key_zdftmx'                                  Tidal vertical mixing
13   !!----------------------------------------------------------------------
[3625]14   !!   zdf_tmx       : global     momentum & tracer Kz with tidal induced Kz
15   !!   tmx_itf       : Indonesian momentum & tracer Kz with tidal induced Kz
[1418]16   !!----------------------------------------------------------------------
[3625]17   USE oce            ! ocean dynamics and tracers variables
18   USE dom_oce        ! ocean space and time domain variables
19   USE zdf_oce        ! ocean vertical physics variables
20   USE lbclnk         ! ocean lateral boundary conditions (or mpp link)
21   USE eosbn2         ! ocean equation of state
22   USE phycst         ! physical constants
23   USE prtctl         ! Print control
24   USE in_out_manager ! I/O manager
25   USE iom            ! I/O Manager
26   USE lib_mpp        ! MPP library
27   USE timing         ! Timing
28   USE lib_fortran    ! Fortran utilities (allows no signed zero when 'key_nosignedzero' defined) 
[1418]29
30   IMPLICIT NONE
31   PRIVATE
32
[2528]33   PUBLIC   zdf_tmx         ! called in step module
34   PUBLIC   zdf_tmx_init    ! called in opa module
[2715]35   PUBLIC   zdf_tmx_alloc   ! called in nemogcm module
[1418]36
37   LOGICAL, PUBLIC, PARAMETER ::   lk_zdftmx = .TRUE.    !: tidal mixing flag
38
[4147]39   !                       !!* Namelist  namzdf_tmx : tidal mixing *
40   REAL(wp) ::  rn_htmx     ! vertical decay scale for turbulence (meters)
41   REAL(wp) ::  rn_n2min    ! threshold of the Brunt-Vaisala frequency (s-1)
42   REAL(wp) ::  rn_tfe      ! tidal dissipation efficiency (St Laurent et al. 2002)
43   REAL(wp) ::  rn_me       ! mixing efficiency (Osborn 1980)
44   LOGICAL  ::  ln_tmx_itf  ! Indonesian Through Flow (ITF): Koch-Larrouy et al. (2007) parameterization
45   REAL(wp) ::  rn_tfe_itf  ! ITF tidal dissipation efficiency (St Laurent et al. 2002)
[1418]46
[2715]47   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:)   ::   en_tmx     ! energy available for tidal mixing (W/m2)
48   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:)   ::   mask_itf   ! mask to use over Indonesian area
49   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:) ::   az_tmx     ! coefficient used to evaluate the tidal induced Kz
[1418]50
51   !! * Substitutions
52#  include "vectopt_loop_substitute.h90"
53   !!----------------------------------------------------------------------
[5836]54   !! NEMO/OPA 3.7 , NEMO Consortium (2014)
[2528]55   !! $Id$
[2715]56   !! Software governed by the CeCILL licence     (NEMOGCM/NEMO_CeCILL.txt)
[1418]57   !!----------------------------------------------------------------------
58CONTAINS
59
[2715]60   INTEGER FUNCTION zdf_tmx_alloc()
61      !!----------------------------------------------------------------------
62      !!                ***  FUNCTION zdf_tmx_alloc  ***
63      !!----------------------------------------------------------------------
64      ALLOCATE(en_tmx(jpi,jpj), mask_itf(jpi,jpj), az_tmx(jpi,jpj,jpk), STAT=zdf_tmx_alloc )
65      !
66      IF( lk_mpp             )   CALL mpp_sum ( zdf_tmx_alloc )
67      IF( zdf_tmx_alloc /= 0 )   CALL ctl_warn('zdf_tmx_alloc: failed to allocate arrays')
68   END FUNCTION zdf_tmx_alloc
69
70
[1418]71   SUBROUTINE zdf_tmx( kt )
72      !!----------------------------------------------------------------------
73      !!                  ***  ROUTINE zdf_tmx  ***
74      !!                   
75      !! ** Purpose :   add to the vertical mixing coefficients the effect of
[1496]76      !!              tidal mixing (Simmons et al 2004).
[1418]77      !!
78      !! ** Method  : - tidal-induced vertical mixing is given by:
[1496]79      !!                  Kz_tides = az_tmx / max( rn_n2min, N^2 )
80      !!              where az_tmx is a coefficient that specified the 3D space
81      !!              distribution of the faction of tidal energy taht is used
82      !!              for mixing. Its expression is set in zdf_tmx_init routine,
83      !!              following Simmons et al. 2004.
84      !!                NB: a specific bounding procedure is performed on av_tide
85      !!              so that the input tidal energy is actually almost used. The
86      !!              basic maximum value is 60 cm2/s, but values of 300 cm2/s
87      !!              can be reached in area where bottom stratification is too
88      !!              weak.
[1418]89      !!
[1496]90      !!              - update av_tide in the Indonesian Through Flow area
91      !!              following Koch-Larrouy et al. (2007) parameterisation
92      !!              (see tmx_itf routine).
[1418]93      !!
[1496]94      !!              - update the model vertical eddy viscosity and diffusivity:
95      !!                     avt  = avt  +    av_tides
[1527]96      !!                     avm  = avm  +    av_tides
[1496]97      !!                     avmu = avmu + mi(av_tides)
98      !!                     avmv = avmv + mj(av_tides)
99      !!
[1527]100      !! ** Action  :   avt, avm, avmu, avmv   increased by tidal mixing
[1496]101      !!
[1418]102      !! References : Simmons et al. 2004, Ocean Modelling, 6, 3-4, 245-263.
[1496]103      !!              Koch-Larrouy et al. 2007, GRL.
[1418]104      !!----------------------------------------------------------------------
105      INTEGER, INTENT(in) ::   kt   ! ocean time-step
[5836]106      !
[1418]107      INTEGER  ::   ji, jj, jk   ! dummy loop indices
108      REAL(wp) ::   ztpc         ! scalar workspace
[7910]109      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj)   ::   zkz
110      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj,jpk) ::   zav_tide
[1418]111      !!----------------------------------------------------------------------
[3294]112      !
113      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_start('zdf_tmx')
114      !
[5836]115      !
[1546]116      !                          ! ----------------------- !
117      !                          !  Standard tidal mixing  !  (compute zav_tide)
118      !                          ! ----------------------- !
[1496]119      !                             !* First estimation (with n2 bound by rn_n2min) bounded by 60 cm2/s
[7753]120      zav_tide(:,:,:) = MIN(  60.e-4, az_tmx(:,:,:) / MAX( rn_n2min, rn2(:,:,:) )  )
[1418]121
[7753]122      zkz(:,:) = 0.e0               !* Associated potential energy consummed over the whole water column
[1418]123      DO jk = 2, jpkm1
[7753]124         zkz(:,:) = zkz(:,:) + e3w_n(:,:,jk) * MAX( 0.e0, rn2(:,:,jk) ) * rau0 * zav_tide(:,:,jk) * wmask(:,:,jk)
[1418]125      END DO
126
[1496]127      DO jj = 1, jpj                !* Here zkz should be equal to en_tmx ==> multiply by en_tmx/zkz to recover en_tmx
[1418]128         DO ji = 1, jpi
129            IF( zkz(ji,jj) /= 0.e0 )   zkz(ji,jj) = en_tmx(ji,jj) / zkz(ji,jj)
130         END DO
131      END DO
132
[5120]133      DO jk = 2, jpkm1     !* Mutiply by zkz to recover en_tmx, BUT bound by 30/6 ==> zav_tide bound by 300 cm2/s
[7753]134         zav_tide(:,:,jk) = zav_tide(:,:,jk) * MIN( zkz(:,:), 30./6. ) * wmask(:,:,jk)  !kz max = 300 cm2/s
[1418]135      END DO
136
[1546]137      IF( kt == nit000 ) THEN       !* check at first time-step: diagnose the energy consumed by zav_tide
[5836]138         ztpc = 0._wp
[1418]139         DO jk= 1, jpk
140            DO jj= 1, jpj
141               DO ji= 1, jpi
[6140]142                  ztpc = ztpc + e3w_n(ji,jj,jk) * e1e2t(ji,jj)                  &
[5836]143                     &        * MAX( 0.e0, rn2(ji,jj,jk) ) * zav_tide(ji,jj,jk) * tmask(ji,jj,jk) * tmask_i(ji,jj)
[1418]144               END DO
145            END DO
146         END DO
[1495]147         ztpc= rau0 / ( rn_tfe * rn_me ) * ztpc
[5836]148         IF( lk_mpp )   CALL mpp_sum( ztpc )
[1418]149         IF(lwp) WRITE(numout,*) 
[1496]150         IF(lwp) WRITE(numout,*) '          N Total power consumption by av_tide    : ztpc = ', ztpc * 1.e-12 ,'TW'
[1418]151      ENDIF
[1495]152       
[1546]153      !                          ! ----------------------- !
154      !                          !    ITF  tidal mixing    !  (update zav_tide)
155      !                          ! ----------------------- !
156      IF( ln_tmx_itf )   CALL tmx_itf( kt, zav_tide )
[1418]157
[1546]158      !                          ! ----------------------- !
159      !                          !   Update  mixing coefs  !                         
160      !                          ! ----------------------- !
[5120]161      DO jk = 2, jpkm1              !* update momentum & tracer diffusivity with tidal mixing
[7753]162         avt(:,:,jk) = avt(:,:,jk) + zav_tide(:,:,jk) * wmask(:,:,jk)
163         avm(:,:,jk) = avm(:,:,jk) + zav_tide(:,:,jk) * wmask(:,:,jk)
[5120]164         DO jj = 2, jpjm1
165            DO ji = fs_2, fs_jpim1  ! vector opt.
166               avmu(ji,jj,jk) = avmu(ji,jj,jk) + 0.5 * ( zav_tide(ji,jj,jk) + zav_tide(ji+1,jj  ,jk) ) * wumask(ji,jj,jk)
167               avmv(ji,jj,jk) = avmv(ji,jj,jk) + 0.5 * ( zav_tide(ji,jj,jk) + zav_tide(ji  ,jj+1,jk) ) * wvmask(ji,jj,jk)
[1418]168            END DO
169         END DO
170      END DO
[1496]171      CALL lbc_lnk( avmu, 'U', 1. )   ;   CALL lbc_lnk( avmv, 'V', 1. )      ! lateral boundary condition
[1418]172
[1546]173      !                             !* output tidal mixing coefficient
174      CALL iom_put( "av_tide", zav_tide )
175
176      IF(ln_ctl)   CALL prt_ctl(tab3d_1=zav_tide , clinfo1=' tmx - av_tide: ', tab3d_2=avt, clinfo2=' avt: ', ovlap=1, kdim=jpk)
[1418]177      !
[2715]178      !
[3294]179      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_stop('zdf_tmx')
180      !
[1418]181   END SUBROUTINE zdf_tmx
182
183
[1546]184   SUBROUTINE tmx_itf( kt, pav )
[1418]185      !!----------------------------------------------------------------------
186      !!                  ***  ROUTINE tmx_itf  ***
187      !!                   
[1496]188      !! ** Purpose :   modify the vertical eddy diffusivity coefficients
[1546]189      !!              (pav) in the Indonesian Through Flow area (ITF).
[1418]190      !!
[1496]191      !! ** Method  : - Following Koch-Larrouy et al. (2007), in the ITF defined
192      !!                by msk_itf (read in a file, see tmx_init), the tidal
193      !!                mixing coefficient is computed with :
194      !!                  * q=1 (i.e. all the tidal energy remains trapped in
195      !!                         the area and thus is used for mixing)
196      !!                  * the vertical distribution of the tifal energy is a
197      !!                    proportional to N above the thermocline (d(N^2)/dz > 0)
198      !!                    and to N^2 below the thermocline (d(N^2)/dz < 0)
[1418]199      !!
[1496]200      !! ** Action  :   av_tide   updated in the ITF area (msk_itf)
[1418]201      !!
202      !! References :  Koch-Larrouy et al. 2007, GRL
203      !!----------------------------------------------------------------------
[1546]204      INTEGER , INTENT(in   )                         ::   kt   ! ocean time-step
205      REAL(wp), INTENT(inout), DIMENSION(jpi,jpj,jpk) ::   pav  ! Tidal mixing coef.
[1418]206      !!
[1495]207      INTEGER  ::   ji, jj, jk    ! dummy loop indices
208      REAL(wp) ::   zcoef, ztpc   ! temporary scalar
[7910]209      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj)   ::   zkz                        ! 2D workspace
210      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj)   ::   zsum1 , zsum2 , zsum       !  -      -
211      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj,jpk) ::   zempba_3d_1, zempba_3d_2   ! 3D workspace
212      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj,jpk) ::   zempba_3d  , zdn2dz        !  -      -
213      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj,jpk) ::   zavt_itf                   !  -      -
[1418]214      !!----------------------------------------------------------------------
[2715]215      !
[3294]216      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_start('tmx_itf')
217      !
218
[1418]219      !                             ! compute the form function using N2 at each time step
[7753]220      zempba_3d_1(:,:,jpk) = 0.e0
221      zempba_3d_2(:,:,jpk) = 0.e0
[1518]222      DO jk = 1, jpkm1             
[7753]223         zdn2dz     (:,:,jk) = rn2(:,:,jk) - rn2(:,:,jk+1)           ! Vertical profile of dN2/dz
224         zempba_3d_1(:,:,jk) = SQRT(  MAX( 0.e0, rn2(:,:,jk) )  )    !    -        -    of N
225         zempba_3d_2(:,:,jk) =        MAX( 0.e0, rn2(:,:,jk) )       !    -        -    of N^2
[1418]226      END DO
[1518]227      !
[7753]228      zsum (:,:) = 0.e0
229      zsum1(:,:) = 0.e0
230      zsum2(:,:) = 0.e0
[1418]231      DO jk= 2, jpk
[7753]232         zsum1(:,:) = zsum1(:,:) + zempba_3d_1(:,:,jk) * e3w_n(:,:,jk) * wmask(:,:,jk)
233         zsum2(:,:) = zsum2(:,:) + zempba_3d_2(:,:,jk) * e3w_n(:,:,jk) * wmask(:,:,jk)               
[1418]234      END DO
235      DO jj = 1, jpj
[1518]236         DO ji = 1, jpi
237            IF( zsum1(ji,jj) /= 0.e0 )   zsum1(ji,jj) = 1.e0 / zsum1(ji,jj)
238            IF( zsum2(ji,jj) /= 0.e0 )   zsum2(ji,jj) = 1.e0 / zsum2(ji,jj)               
239         END DO
[1418]240      END DO
241
242      DO jk= 1, jpk
243         DO jj = 1, jpj
244            DO ji = 1, jpi
[1518]245               zcoef = 0.5 - SIGN( 0.5, zdn2dz(ji,jj,jk) )       ! =0 if dN2/dz > 0, =1 otherwise
246               ztpc  = zempba_3d_1(ji,jj,jk) * zsum1(ji,jj) *        zcoef     &
247                  &  + zempba_3d_2(ji,jj,jk) * zsum2(ji,jj) * ( 1. - zcoef )
248               !
249               zempba_3d(ji,jj,jk) =               ztpc 
[6140]250               zsum     (ji,jj)    = zsum(ji,jj) + ztpc * e3w_n(ji,jj,jk)
[1418]251            END DO
252         END DO
253       END DO
254       DO jj = 1, jpj
255          DO ji = 1, jpi
[1518]256             IF( zsum(ji,jj) > 0.e0 )   zsum(ji,jj) = 1.e0 / zsum(ji,jj)               
[1418]257          END DO
258       END DO
259
[1495]260      !                             ! first estimation bounded by 10 cm2/s (with n2 bounded by rn_n2min)
261      zcoef = rn_tfe_itf / ( rn_tfe * rau0 )
[1518]262      DO jk = 1, jpk
[7753]263         zavt_itf(:,:,jk) = MIN(  10.e-4, zcoef * en_tmx(:,:) * zsum(:,:) * zempba_3d(:,:,jk)   &
264            &                                      / MAX( rn_n2min, rn2(:,:,jk) ) * tmask(:,:,jk)  )
265      END DO           
[1418]266
[7753]267      zkz(:,:) = 0.e0               ! Associated potential energy consummed over the whole water column
[1418]268      DO jk = 2, jpkm1
[7753]269         zkz(:,:) = zkz(:,:) + e3w_n(:,:,jk) * MAX( 0.e0, rn2(:,:,jk) ) * rau0 * zavt_itf(:,:,jk) * wmask(:,:,jk)
[1418]270      END DO
271
272      DO jj = 1, jpj                ! Here zkz should be equal to en_tmx ==> multiply by en_tmx/zkz to recover en_tmx
273         DO ji = 1, jpi
274            IF( zkz(ji,jj) /= 0.e0 )   zkz(ji,jj) = en_tmx(ji,jj) * rn_tfe_itf / rn_tfe / zkz(ji,jj)
275         END DO
276      END DO
277
[1495]278      DO jk = 2, jpkm1              ! Mutiply by zkz to recover en_tmx, BUT bound by 30/6 ==> zavt_itf bound by 300 cm2/s
[7753]279         zavt_itf(:,:,jk) = zavt_itf(:,:,jk) * MIN( zkz(:,:), 120./10. ) * wmask(:,:,jk)   ! kz max = 120 cm2/s
[1418]280      END DO
281
[1495]282      IF( kt == nit000 ) THEN       ! diagnose the nergy consumed by zavt_itf
[1418]283         ztpc = 0.e0
284         DO jk= 1, jpk
285            DO jj= 1, jpj
286               DO ji= 1, jpi
[6140]287                  ztpc = ztpc + e1e2t(ji,jj) * e3w_n(ji,jj,jk) * MAX( 0.e0, rn2(ji,jj,jk) )   &
[5836]288                     &                       * zavt_itf(ji,jj,jk) * tmask(ji,jj,jk) * tmask_i(ji,jj)
[1418]289               END DO
290            END DO
291         END DO
[5836]292         IF( lk_mpp )   CALL mpp_sum( ztpc )
[1495]293         ztpc= rau0 * ztpc / ( rn_me * rn_tfe_itf )
294         IF(lwp) WRITE(numout,*) '          N Total power consumption by zavt_itf: ztpc = ', ztpc * 1.e-12 ,'TW'
[1418]295      ENDIF
296
[1546]297      !                             ! Update pav with the ITF mixing coefficient
[1418]298      DO jk = 2, jpkm1
[7753]299         pav(:,:,jk) = pav     (:,:,jk) * ( 1.e0 - mask_itf(:,:) )   &
300            &        + zavt_itf(:,:,jk) *          mask_itf(:,:) 
[1418]301      END DO
302      !
[2715]303      !
[3294]304      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_stop('tmx_itf')
305      !
[1418]306   END SUBROUTINE tmx_itf
307
308
309   SUBROUTINE zdf_tmx_init
310      !!----------------------------------------------------------------------
311      !!                  ***  ROUTINE zdf_tmx_init  ***
312      !!                     
313      !! ** Purpose :   Initialization of the vertical tidal mixing, Reading
[1496]314      !!              of M2 and K1 tidal energy in nc files
[1418]315      !!
[1496]316      !! ** Method  : - Read the namtmx namelist and check the parameters
317      !!
318      !!              - Read the input data in NetCDF files :
319      !!              M2 and K1 tidal energy. The total tidal energy, en_tmx,
320      !!              is the sum of M2, K1 and S2 energy where S2 is assumed
321      !!              to be: S2=(1/2)^2 * M2
322      !!              mask_itf, a mask array that determine where substituing
323      !!              the standard Simmons et al. (2005) formulation with the
324      !!              one of Koch_Larrouy et al. (2007).
325      !!
[1418]326      !!              - Compute az_tmx, a 3D coefficient that allows to compute
[1496]327      !!             the standard tidal-induced vertical mixing as follows:
328      !!                  Kz_tides = az_tmx / max( rn_n2min, N^2 )
329      !!             with az_tmx a bottom intensified coefficient is given by:
330      !!                 az_tmx(z) = en_tmx / ( rau0 * rn_htmx ) * EXP( -(H-z)/rn_htmx )
331      !!                                                  / ( 1. - EXP( - H   /rn_htmx ) )
332      !!             where rn_htmx the characteristic length scale of the bottom
333      !!             intensification, en_tmx the tidal energy, and H the ocean depth
[1418]334      !!
335      !! ** input   :   - Namlist namtmx
[1496]336      !!                - NetCDF file : M2_ORCA2.nc, K1_ORCA2.nc, and mask_itf.nc
[1418]337      !!
338      !! ** Action  : - Increase by 1 the nstop flag is setting problem encounter
339      !!              - defined az_tmx used to compute tidal-induced mixing
[1496]340      !!
341      !! References : Simmons et al. 2004, Ocean Modelling, 6, 3-4, 245-263.
342      !!              Koch-Larrouy et al. 2007, GRL.
[1418]343      !!----------------------------------------------------------------------
[2715]344      INTEGER  ::   ji, jj, jk   ! dummy loop indices
345      INTEGER  ::   inum         ! local integer
[4147]346      INTEGER  ::   ios
[2715]347      REAL(wp) ::   ztpc, ze_z   ! local scalars
[7910]348      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj)   ::  zem2, zek1     ! read M2 and K1 tidal energy
349      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj)   ::  zkz            ! total M2, K1 and S2 tidal energy
350      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj)   ::  zfact          ! used for vertical structure function
351      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj)   ::  zhdep          ! Ocean depth
352      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj,jpk) ::  zpc, zav_tide  ! power consumption
[1496]353      !!
[1601]354      NAMELIST/namzdf_tmx/ rn_htmx, rn_n2min, rn_tfe, rn_me, ln_tmx_itf, rn_tfe_itf
[1418]355      !!----------------------------------------------------------------------
[3294]356      !
357      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_start('zdf_tmx_init')
358      !
[5836]359      !
360      REWIND( numnam_ref )             ! Namelist namzdf_tmx in reference namelist : Tidal Mixing
[4147]361      READ  ( numnam_ref, namzdf_tmx, IOSTAT = ios, ERR = 901)
362901   IF( ios /= 0 ) CALL ctl_nam ( ios , 'namzdf_tmx in reference namelist', lwp )
[5836]363      !
364      REWIND( numnam_cfg )             ! Namelist namzdf_tmx in configuration namelist : Tidal Mixing
[4147]365      READ  ( numnam_cfg, namzdf_tmx, IOSTAT = ios, ERR = 902 )
366902   IF( ios /= 0 ) CALL ctl_nam ( ios , 'namzdf_tmx in configuration namelist', lwp )
[4624]367      IF(lwm) WRITE ( numond, namzdf_tmx )
[5836]368      !
369      IF(lwp) THEN                     ! Control print
[1418]370         WRITE(numout,*)
371         WRITE(numout,*) 'zdf_tmx_init : tidal mixing'
372         WRITE(numout,*) '~~~~~~~~~~~~'
[1601]373         WRITE(numout,*) '   Namelist namzdf_tmx : set tidal mixing parameters'
[1537]374         WRITE(numout,*) '      Vertical decay scale for turbulence   = ', rn_htmx 
375         WRITE(numout,*) '      Brunt-Vaisala frequency threshold     = ', rn_n2min
376         WRITE(numout,*) '      Tidal dissipation efficiency          = ', rn_tfe
377         WRITE(numout,*) '      Mixing efficiency                     = ', rn_me
378         WRITE(numout,*) '      ITF specific parameterisation         = ', ln_tmx_itf
379         WRITE(numout,*) '      ITF tidal dissipation efficiency      = ', rn_tfe_itf
[1418]380      ENDIF
[5836]381      !                                ! allocate tmx arrays
[2715]382      IF( zdf_tmx_alloc() /= 0 )   CALL ctl_stop( 'STOP', 'zdf_tmx_init : unable to allocate tmx arrays' )
383
[5836]384      IF( ln_tmx_itf ) THEN            ! read the Indonesian Through Flow mask
[1518]385         CALL iom_open('mask_itf',inum)
386         CALL iom_get (inum, jpdom_data, 'tmaskitf',mask_itf,1) !
387         CALL iom_close(inum)
388      ENDIF
[5836]389      !                                ! read M2 tidal energy flux : W/m2  ( zem2 < 0 )
[1418]390      CALL iom_open('M2rowdrg',inum)
391      CALL iom_get (inum, jpdom_data, 'field',zem2,1) !
392      CALL iom_close(inum)
[5836]393      !                                ! read K1 tidal energy flux : W/m2  ( zek1 < 0 )
[1418]394      CALL iom_open('K1rowdrg',inum)
395      CALL iom_get (inum, jpdom_data, 'field',zek1,1) !
396      CALL iom_close(inum)
[5836]397      !                                ! Total tidal energy ( M2, S2 and K1  with S2=(1/2)^2 * M2 )
398      !                                ! only the energy available for mixing is taken into account,
399      !                                ! (mixing efficiency tidal dissipation efficiency)
[7753]400      en_tmx(:,:) = - rn_tfe * rn_me * ( zem2(:,:) * 1.25 + zek1(:,:) ) * ssmask(:,:)
[1418]401
[5021]402!============
403!TG: Bug for VVL? Should this section be moved out of _init and be updated at every timestep?
[5836]404!!gm : you are right, but tidal mixing acts in deep ocean (H>500m) where e3 is O(100m)
405!!     the error is thus ~1% which I feel comfortable with, compared to uncertainties in tidal energy dissipation.
406      !                                ! Vertical structure (az_tmx)
407      DO jj = 1, jpj                         ! part independent of the level
[1418]408         DO ji = 1, jpi
[5021]409            zhdep(ji,jj) = gdepw_0(ji,jj,mbkt(ji,jj)+1)       ! depth of the ocean
[1418]410            zfact(ji,jj) = rau0 * rn_htmx * ( 1. - EXP( -zhdep(ji,jj) / rn_htmx ) )
411            IF( zfact(ji,jj) /= 0 )   zfact(ji,jj) = en_tmx(ji,jj) / zfact(ji,jj)
412         END DO
413      END DO
[5836]414      DO jk= 1, jpk                          ! complete with the level-dependent part
[1418]415         DO jj = 1, jpj
416            DO ji = 1, jpi
[5021]417               az_tmx(ji,jj,jk) = zfact(ji,jj) * EXP( -( zhdep(ji,jj)-gdepw_0(ji,jj,jk) ) / rn_htmx ) * tmask(ji,jj,jk)
[1418]418            END DO
419         END DO
420      END DO
[5021]421!===========
[5836]422      !
[1418]423      IF( nprint == 1 .AND. lwp ) THEN
424         ! Control print
425         ! Total power consumption due to vertical mixing
[1546]426         ! zpc = rau0 * 1/rn_me * rn2 * zav_tide
[7753]427         zav_tide(:,:,:) = 0.e0
[1418]428         DO jk = 2, jpkm1
[7753]429            zav_tide(:,:,jk) = az_tmx(:,:,jk) / MAX( rn_n2min, rn2(:,:,jk) )
[1418]430         END DO
[5836]431         !
[7753]432         ztpc = 0._wp
433         zpc(:,:,:) = MAX(rn_n2min,rn2(:,:,:)) * zav_tide(:,:,:)
[5120]434         DO jk= 2, jpkm1
435            DO jj = 1, jpj
436               DO ji = 1, jpi
[6140]437                  ztpc = ztpc + e3w_n(ji,jj,jk) * e1e2t(ji,jj) * zpc(ji,jj,jk) * wmask(ji,jj,jk) * tmask_i(ji,jj)
[1418]438               END DO
439            END DO
440         END DO
[5836]441         IF( lk_mpp )   CALL mpp_sum( ztpc )
[1418]442         ztpc= rau0 * 1/(rn_tfe * rn_me) * ztpc
[5836]443         !
[1418]444         WRITE(numout,*) 
445         WRITE(numout,*) '          Total power consumption of the tidally driven part of Kz : ztpc = ', ztpc * 1.e-12 ,'TW'
[5836]446         !
[1418]447         ! control print 2
[7753]448         zav_tide(:,:,:) = MIN( zav_tide(:,:,:), 60.e-4 )   
449         zkz(:,:) = 0._wp
[5120]450         DO jk = 2, jpkm1
[7753]451               zkz(:,:) = zkz(:,:) + e3w_n(:,:,jk) * MAX(0.e0, rn2(:,:,jk)) * rau0 * zav_tide(:,:,jk) * wmask(:,:,jk)
[1418]452         END DO
453         ! Here zkz should be equal to en_tmx ==> multiply by en_tmx/zkz
454         DO jj = 1, jpj
455            DO ji = 1, jpi
456               IF( zkz(ji,jj) /= 0.e0 )   THEN
457                   zkz(ji,jj) = en_tmx(ji,jj) / zkz(ji,jj)
458               ENDIF
459            END DO
460         END DO
461         ztpc = 1.e50
462         DO jj = 1, jpj
463            DO ji = 1, jpi
464               IF( zkz(ji,jj) /= 0.e0 )   THEN
465                   ztpc = Min( zkz(ji,jj), ztpc)
466               ENDIF
467            END DO
468         END DO
469         WRITE(numout,*) '          Min de zkz ', ztpc, ' Max = ', maxval(zkz(:,:) )
[5836]470         !
[5120]471         DO jk = 2, jpkm1
[7753]472            zav_tide(:,:,jk) = zav_tide(:,:,jk) * MIN( zkz(:,:), 30./6. ) * wmask(:,:,jk)  !kz max = 300 cm2/s
[1418]473         END DO
[5836]474         ztpc = 0._wp
[7753]475         zpc(:,:,:) = Max(0.e0,rn2(:,:,:)) * zav_tide(:,:,:)
[1418]476         DO jk= 1, jpk
477            DO jj = 1, jpj
478               DO ji = 1, jpi
[6140]479                  ztpc = ztpc + e3w_n(ji,jj,jk) * e1e2t(ji,jj) * zpc(ji,jj,jk) * wmask(ji,jj,jk) * tmask_i(ji,jj)
[1418]480               END DO
481            END DO
482         END DO
[5836]483         IF( lk_mpp )   CALL mpp_sum( ztpc )
[1418]484         ztpc= rau0 * 1/(rn_tfe * rn_me) * ztpc
485         WRITE(numout,*) '          2 Total power consumption of the tidally driven part of Kz : ztpc = ', ztpc * 1.e-12 ,'TW'
[5836]486!!gm bug mpp  in these diagnostics
[1418]487         DO jk = 1, jpk
[5836]488            ze_z =                  SUM( e1e2t(:,:) * zav_tide(:,:,jk) * tmask_i(:,:) )   &
489               &     / MAX( 1.e-20, SUM( e1e2t(:,:) * wmask   (:,:,jk) * tmask_i(:,:) ) )
490            ztpc = 1.e50
[1418]491            DO jj = 1, jpj
492               DO ji = 1, jpi
[5836]493                  IF( zav_tide(ji,jj,jk) /= 0.e0 )   ztpc = MIN( ztpc, zav_tide(ji,jj,jk) )
[1418]494               END DO
495            END DO
496            WRITE(numout,*) '            N2 min - jk= ', jk,'   ', ze_z * 1.e4,' cm2/s min= ',ztpc*1.e4,   &
[1546]497               &       'max= ', MAXVAL(zav_tide(:,:,jk) )*1.e4, ' cm2/s'
[1418]498         END DO
499
[5836]500         WRITE(numout,*) '          e_tide : ', SUM( e1e2t*en_tmx ) / ( rn_tfe * rn_me ) * 1.e-12, 'TW'
[1418]501         WRITE(numout,*) 
502         WRITE(numout,*) '          Initial profile of tidal vertical mixing'
503         DO jk = 1, jpk
504            DO jj = 1,jpj
505               DO ji = 1,jpi
506                  zkz(ji,jj) = az_tmx(ji,jj,jk) /MAX( rn_n2min, rn2(ji,jj,jk) )
507               END DO
508            END DO
[5836]509            ze_z =                  SUM( e1e2t(:,:) * zkz  (:,:)    * tmask_i(:,:) )   &
510               &     / MAX( 1.e-20, SUM( e1e2t(:,:) * wmask(:,:,jk) * tmask_i(:,:) ) )
[1418]511            WRITE(numout,*) '                jk= ', jk,'   ', ze_z * 1.e4,' cm2/s'
512         END DO
513         DO jk = 1, jpk
[7753]514            zkz(:,:) = az_tmx(:,:,jk) /rn_n2min
[5836]515            ze_z =                  SUM( e1e2t(:,:) * zkz  (:,:)    * tmask_i(:,:) )   &
516               &     / MAX( 1.e-20, SUM( e1e2t(:,:) * wmask(:,:,jk) * tmask_i(:,:) ) )
[1418]517            WRITE(numout,*) 
518            WRITE(numout,*) '          N2 min - jk= ', jk,'   ', ze_z * 1.e4,' cm2/s min= ',MINVAL(zkz)*1.e4,   &
519               &       'max= ', MAXVAL(zkz)*1.e4, ' cm2/s'
520         END DO
[5836]521!!gm  end bug mpp
[1418]522         !
523      ENDIF
[2528]524      !
[2715]525      !
[3294]526      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_stop('zdf_tmx_init')
527      !
[1418]528   END SUBROUTINE zdf_tmx_init
529
[6497]530#elif defined key_zdftmx_new
531   !!----------------------------------------------------------------------
532   !!   'key_zdftmx_new'               Internal wave-driven vertical mixing
533   !!----------------------------------------------------------------------
534   !!   zdf_tmx       : global     momentum & tracer Kz with wave induced Kz
535   !!   zdf_tmx_init  : global     momentum & tracer Kz with wave induced Kz
536   !!----------------------------------------------------------------------
537   USE oce            ! ocean dynamics and tracers variables
538   USE dom_oce        ! ocean space and time domain variables
539   USE zdf_oce        ! ocean vertical physics variables
540   USE zdfddm         ! ocean vertical physics: double diffusive mixing
541   USE lbclnk         ! ocean lateral boundary conditions (or mpp link)
542   USE eosbn2         ! ocean equation of state
543   USE phycst         ! physical constants
544   USE prtctl         ! Print control
545   USE in_out_manager ! I/O manager
546   USE iom            ! I/O Manager
547   USE lib_mpp        ! MPP library
548   USE timing         ! Timing
549   USE lib_fortran    ! Fortran utilities (allows no signed zero when 'key_nosignedzero' defined) 
550
551   IMPLICIT NONE
552   PRIVATE
553
554   PUBLIC   zdf_tmx         ! called in step module
555   PUBLIC   zdf_tmx_init    ! called in nemogcm module
556   PUBLIC   zdf_tmx_alloc   ! called in nemogcm module
557
558   LOGICAL, PUBLIC, PARAMETER ::   lk_zdftmx = .TRUE.    !: wave-driven mixing flag
559
560   !                       !!* Namelist  namzdf_tmx : internal wave-driven mixing *
561   INTEGER  ::  nn_zpyc     ! pycnocline-intensified mixing energy proportional to N (=1) or N^2 (=2)
562   LOGICAL  ::  ln_mevar    ! variable (=T) or constant (=F) mixing efficiency
563   LOGICAL  ::  ln_tsdiff   ! account for differential T/S wave-driven mixing (=T) or not (=F)
564
565   REAL(wp) ::  r1_6 = 1._wp / 6._wp
566
567   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:)   ::   ebot_tmx     ! power available from high-mode wave breaking (W/m2)
568   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:)   ::   epyc_tmx     ! power available from low-mode, pycnocline-intensified wave breaking (W/m2)
569   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:)   ::   ecri_tmx     ! power available from low-mode, critical slope wave breaking (W/m2)
570   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:)   ::   hbot_tmx     ! WKB decay scale for high-mode energy dissipation (m)
571   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:)   ::   hcri_tmx     ! decay scale for low-mode critical slope dissipation (m)
572   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:) ::   emix_tmx     ! local energy density available for mixing (W/kg)
573   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:) ::   bflx_tmx     ! buoyancy flux Kz * N^2 (W/kg)
574   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:)   ::   pcmap_tmx    ! vertically integrated buoyancy flux (W/m2)
575   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:) ::   zav_ratio    ! S/T diffusivity ratio (only for ln_tsdiff=T)
576   REAL(wp), ALLOCATABLE, SAVE, DIMENSION(:,:,:) ::   zav_wave     ! Internal wave-induced diffusivity
577
578   !! * Substitutions
579#  include "zdfddm_substitute.h90"
580#  include "vectopt_loop_substitute.h90"
581   !!----------------------------------------------------------------------
582   !! NEMO/OPA 4.0 , NEMO Consortium (2016)
583   !! $Id$
584   !! Software governed by the CeCILL licence     (NEMOGCM/NEMO_CeCILL.txt)
585   !!----------------------------------------------------------------------
586CONTAINS
587
588   INTEGER FUNCTION zdf_tmx_alloc()
589      !!----------------------------------------------------------------------
590      !!                ***  FUNCTION zdf_tmx_alloc  ***
591      !!----------------------------------------------------------------------
592      ALLOCATE(     ebot_tmx(jpi,jpj),  epyc_tmx(jpi,jpj),  ecri_tmx(jpi,jpj)    ,   &
593      &             hbot_tmx(jpi,jpj),  hcri_tmx(jpi,jpj),  emix_tmx(jpi,jpj,jpk),   &
594      &         bflx_tmx(jpi,jpj,jpk), pcmap_tmx(jpi,jpj), zav_ratio(jpi,jpj,jpk),   & 
595      &         zav_wave(jpi,jpj,jpk), STAT=zdf_tmx_alloc     )
596      !
597      IF( lk_mpp             )   CALL mpp_sum ( zdf_tmx_alloc )
598      IF( zdf_tmx_alloc /= 0 )   CALL ctl_warn('zdf_tmx_alloc: failed to allocate arrays')
599   END FUNCTION zdf_tmx_alloc
600
601
602   SUBROUTINE zdf_tmx( kt )
603      !!----------------------------------------------------------------------
604      !!                  ***  ROUTINE zdf_tmx  ***
605      !!                   
606      !! ** Purpose :   add to the vertical mixing coefficients the effect of
607      !!              breaking internal waves.
608      !!
609      !! ** Method  : - internal wave-driven vertical mixing is given by:
610      !!                  Kz_wave = min(  100 cm2/s, f(  Reb = emix_tmx /( Nu * N^2 )  )
611      !!              where emix_tmx is the 3D space distribution of the wave-breaking
612      !!              energy and Nu the molecular kinematic viscosity.
613      !!              The function f(Reb) is linear (constant mixing efficiency)
614      !!              if the namelist parameter ln_mevar = F and nonlinear if ln_mevar = T.
615      !!
616      !!              - Compute emix_tmx, the 3D power density that allows to compute
617      !!              Reb and therefrom the wave-induced vertical diffusivity.
618      !!              This is divided into three components:
619      !!                 1. Bottom-intensified low-mode dissipation at critical slopes
620      !!                     emix_tmx(z) = ( ecri_tmx / rau0 ) * EXP( -(H-z)/hcri_tmx )
621      !!                                   / ( 1. - EXP( - H/hcri_tmx ) ) * hcri_tmx
622      !!              where hcri_tmx is the characteristic length scale of the bottom
623      !!              intensification, ecri_tmx a map of available power, and H the ocean depth.
624      !!                 2. Pycnocline-intensified low-mode dissipation
625      !!                     emix_tmx(z) = ( epyc_tmx / rau0 ) * ( sqrt(rn2(z))^nn_zpyc )
626      !!                                   / SUM( sqrt(rn2(z))^nn_zpyc * e3w(z) )
627      !!              where epyc_tmx is a map of available power, and nn_zpyc
628      !!              is the chosen stratification-dependence of the internal wave
629      !!              energy dissipation.
630      !!                 3. WKB-height dependent high mode dissipation
631      !!                     emix_tmx(z) = ( ebot_tmx / rau0 ) * rn2(z) * EXP(-z_wkb(z)/hbot_tmx)
632      !!                                   / SUM( rn2(z) * EXP(-z_wkb(z)/hbot_tmx) * e3w(z) )
633      !!              where hbot_tmx is the characteristic length scale of the WKB bottom
634      !!              intensification, ebot_tmx is a map of available power, and z_wkb is the
635      !!              WKB-stretched height above bottom defined as
636      !!                    z_wkb(z) = H * SUM( sqrt(rn2(z'>=z)) * e3w(z'>=z) )
637      !!                                 / SUM( sqrt(rn2(z'))    * e3w(z')    )
638      !!
639      !!              - update the model vertical eddy viscosity and diffusivity:
640      !!                     avt  = avt  +    av_wave
641      !!                     avm  = avm  +    av_wave
642      !!                     avmu = avmu + mi(av_wave)
643      !!                     avmv = avmv + mj(av_wave)
644      !!
645      !!              - if namelist parameter ln_tsdiff = T, account for differential mixing:
646      !!                     avs  = avt  +    av_wave * diffusivity_ratio(Reb)
647      !!
648      !! ** Action  : - Define emix_tmx used to compute internal wave-induced mixing
649      !!              - avt, avs, avm, avmu, avmv increased by internal wave-driven mixing   
650      !!
651      !! References :  de Lavergne et al. 2015, JPO; 2016, in prep.
652      !!----------------------------------------------------------------------
653      INTEGER, INTENT(in) ::   kt   ! ocean time-step
654      !
655      INTEGER  ::   ji, jj, jk   ! dummy loop indices
656      REAL(wp) ::   ztpc         ! scalar workspace
[7910]657      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj)   ::  zfact     ! Used for vertical structure
658      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj)   ::  zhdep     ! Ocean depth
659      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj,jpk) ::  zwkb      ! WKB-stretched height above bottom
660      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj,jpk) ::  zweight   ! Weight for high mode vertical distribution
661      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj,jpk) ::  znu_t     ! Molecular kinematic viscosity (T grid)
662      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj,jpk) ::  znu_w     ! Molecular kinematic viscosity (W grid)
663      REAL(wp), DIMENSION(jpi,jpj,jpk) ::  zReb      ! Turbulence intensity parameter
[6497]664      !!----------------------------------------------------------------------
665      !
666      IF( nn_timing == 1 )   CALL timing_start('zdf_tmx')
667      !
668
669      !                          ! ----------------------------- !
670      !                          !  Internal wave-driven mixing  !  (compute zav_wave)
671      !                          ! ----------------------------- !
672      !                             
673      !                        !* Critical slope mixing: distribute energy over the time-varying ocean depth,
674      !                                                 using an exponential decay from the seafloor.
675      DO jj = 1, jpj                ! part independent of the level
676         DO ji = 1, jpi
677            zhdep(ji,jj) = gdepw_0(ji,jj,mbkt(ji,jj)+1)       ! depth of the ocean
678            zfact(ji,jj) = rau0 * (  1._wp - EXP( -zhdep(ji,jj) / hcri_tmx(ji,jj) )  )
679            IF( zfact(ji,jj) /= 0 )   zfact(ji,jj) = ecri_tmx(ji,jj) / zfact(ji,jj)
680         END DO
681      END DO
682
683      DO jk = 2, jpkm1              ! complete with the level-dependent part
[7753]684         emix_tmx(:,:,jk) = zfact(:,:) * (  EXP( ( gde3w_n(:,:,jk  ) - zhdep(:,:) ) / hcri_tmx(:,:) )                      &
685            &                             - EXP( ( gde3w_n(:,:,jk-1) - zhdep(:,:) ) / hcri_tmx(:,:) )  ) * wmask(:,:,jk)   &
686            &                          / ( gde3w_n(:,:,jk) - gde3w_n(:,:,jk-1) )
[6497]687      END DO
688
689      !                        !* Pycnocline-intensified mixing: distribute energy over the time-varying
690      !                        !* ocean depth as proportional to sqrt(rn2)^nn_zpyc
691
692      SELECT CASE ( nn_zpyc )
693
694      CASE ( 1 )               ! Dissipation scales as N (recommended)
695
[7753]696         zfact(:,:) = 0._wp
[6497]697         DO jk = 2, jpkm1              ! part independent of the level
[7753]698            zfact(:,:) = zfact(:,:) + e3w_n(:,:,jk) * SQRT(  MAX( 0._wp, rn2(:,:,jk) )  ) * wmask(:,:,jk)
[6497]699         END DO
700
701         DO jj = 1, jpj
702            DO ji = 1, jpi
703               IF( zfact(ji,jj) /= 0 )   zfact(ji,jj) = epyc_tmx(ji,jj) / ( rau0 * zfact(ji,jj) )
704            END DO
705         END DO
706
707         DO jk = 2, jpkm1              ! complete with the level-dependent part
[7753]708            emix_tmx(:,:,jk) = emix_tmx(:,:,jk) + zfact(:,:) * SQRT(  MAX( 0._wp, rn2(:,:,jk) )  ) * wmask(:,:,jk)
[6497]709         END DO
710
711      CASE ( 2 )               ! Dissipation scales as N^2
712
[7753]713         zfact(:,:) = 0._wp
714         DO jk = 2, jpkm1              ! part independent of the level
715            zfact(:,:) = zfact(:,:) + e3w_n(:,:,jk) * MAX( 0._wp, rn2(:,:,jk) ) * wmask(:,:,jk)
[6497]716         END DO
717
718         DO jj= 1, jpj
719            DO ji = 1, jpi
720               IF( zfact(ji,jj) /= 0 )   zfact(ji,jj) = epyc_tmx(ji,jj) / ( rau0 * zfact(ji,jj) )
721            END DO
722         END DO
723
724         DO jk = 2, jpkm1              ! complete with the level-dependent part
[7753]725            emix_tmx(:,:,jk) = emix_tmx(:,:,jk) + zfact(:,:) * MAX( 0._wp, rn2(:,:,jk) ) * wmask(:,:,jk)
[6497]726         END DO
727
728      END SELECT
729
730      !                        !* WKB-height dependent mixing: distribute energy over the time-varying
731      !                        !* ocean depth as proportional to rn2 * exp(-z_wkb/rn_hbot)
732     
[7753]733      zwkb(:,:,:) = 0._wp
734      zfact(:,:) = 0._wp
[6497]735      DO jk = 2, jpkm1
[7753]736         zfact(:,:) = zfact(:,:) + e3w_n(:,:,jk) * SQRT(  MAX( 0._wp, rn2(:,:,jk) )  ) * wmask(:,:,jk)
737         zwkb(:,:,jk) = zfact(:,:)
[6497]738      END DO
739
740      DO jk = 2, jpkm1
741         DO jj = 1, jpj
742            DO ji = 1, jpi
743               IF( zfact(ji,jj) /= 0 )   zwkb(ji,jj,jk) = zhdep(ji,jj) * ( zfact(ji,jj) - zwkb(ji,jj,jk) )   &
744                                            &           * tmask(ji,jj,jk) / zfact(ji,jj)
745            END DO
746         END DO
747      END DO
[7753]748      zwkb(:,:,1) = zhdep(:,:) * tmask(:,:,1)
[6497]749
[7753]750      zweight(:,:,:) = 0._wp
[6497]751      DO jk = 2, jpkm1
[7753]752         zweight(:,:,jk) = MAX( 0._wp, rn2(:,:,jk) ) * hbot_tmx(:,:) * wmask(:,:,jk)                    &
753            &   * (  EXP( -zwkb(:,:,jk) / hbot_tmx(:,:) ) - EXP( -zwkb(:,:,jk-1) / hbot_tmx(:,:) )  )
[6497]754      END DO
755
[7753]756      zfact(:,:) = 0._wp
[6497]757      DO jk = 2, jpkm1              ! part independent of the level
[7753]758         zfact(:,:) = zfact(:,:) + zweight(:,:,jk)
[6497]759      END DO
760
761      DO jj = 1, jpj
762         DO ji = 1, jpi
763            IF( zfact(ji,jj) /= 0 )   zfact(ji,jj) = ebot_tmx(ji,jj) / ( rau0 * zfact(ji,jj) )
764         END DO
765      END DO
766
767      DO jk = 2, jpkm1              ! complete with the level-dependent part
[7753]768         emix_tmx(:,:,jk) = emix_tmx(:,:,jk) + zweight(:,:,jk) * zfact(:,:) * wmask(:,:,jk)   &
769            &                                / ( gde3w_n(:,:,jk) - gde3w_n(:,:,jk-1) )
[6497]770      END DO
771
772
773      ! Calculate molecular kinematic viscosity
[7753]774      znu_t(:,:,:) = 1.e-4_wp * (  17.91_wp - 0.53810_wp * tsn(:,:,:,jp_tem) + 0.00694_wp * tsn(:,:,:,jp_tem) * tsn(:,:,:,jp_tem)  &
775         &                                  + 0.02305_wp * tsn(:,:,:,jp_sal)  ) * tmask(:,:,:) * r1_rau0
[6497]776      DO jk = 2, jpkm1
[7753]777         znu_w(:,:,jk) = 0.5_wp * ( znu_t(:,:,jk-1) + znu_t(:,:,jk) ) * wmask(:,:,jk)
[6497]778      END DO
779
780      ! Calculate turbulence intensity parameter Reb
781      DO jk = 2, jpkm1
[7753]782         zReb(:,:,jk) = emix_tmx(:,:,jk) / MAX( 1.e-20_wp, znu_w(:,:,jk) * rn2(:,:,jk) )
[6497]783      END DO
784
785      ! Define internal wave-induced diffusivity
786      DO jk = 2, jpkm1
[7753]787         zav_wave(:,:,jk) = znu_w(:,:,jk) * zReb(:,:,jk) * r1_6   ! This corresponds to a constant mixing efficiency of 1/6
[6497]788      END DO
789
790      IF( ln_mevar ) THEN              ! Variable mixing efficiency case : modify zav_wave in the
791         DO jk = 2, jpkm1              ! energetic (Reb > 480) and buoyancy-controlled (Reb <10.224 ) regimes
792            DO jj = 1, jpj
793               DO ji = 1, jpi
794                  IF( zReb(ji,jj,jk) > 480.00_wp ) THEN
795                     zav_wave(ji,jj,jk) = 3.6515_wp * znu_w(ji,jj,jk) * SQRT( zReb(ji,jj,jk) )
796                  ELSEIF( zReb(ji,jj,jk) < 10.224_wp ) THEN
797                     zav_wave(ji,jj,jk) = 0.052125_wp * znu_w(ji,jj,jk) * zReb(ji,jj,jk) * SQRT( zReb(ji,jj,jk) )
798                  ENDIF
799               END DO
800            END DO
801         END DO
802      ENDIF
803
804      DO jk = 2, jpkm1                 ! Bound diffusivity by molecular value and 100 cm2/s
[7753]805         zav_wave(:,:,jk) = MIN(  MAX( 1.4e-7_wp, zav_wave(:,:,jk) ), 1.e-2_wp  ) * wmask(:,:,jk)
[6497]806      END DO
807
808      IF( kt == nit000 ) THEN        !* Control print at first time-step: diagnose the energy consumed by zav_wave
809         ztpc = 0._wp
810         DO jk = 2, jpkm1
811            DO jj = 1, jpj
812               DO ji = 1, jpi
813                  ztpc = ztpc + e3w_n(ji,jj,jk) * e1e2t(ji,jj)   &
814                     &         * MAX( 0._wp, rn2(ji,jj,jk) ) * zav_wave(ji,jj,jk) * wmask(ji,jj,jk) * tmask_i(ji,jj)
815               END DO
816            END DO
817         END DO
818         IF( lk_mpp )   CALL mpp_sum( ztpc )
819         ztpc = rau0 * ztpc ! Global integral of rauo * Kz * N^2 = power contributing to mixing
820 
821         IF(lwp) THEN
822            WRITE(numout,*)
823            WRITE(numout,*) 'zdf_tmx : Internal wave-driven mixing (tmx)'
824            WRITE(numout,*) '~~~~~~~ '
825            WRITE(numout,*)
826            WRITE(numout,*) '      Total power consumption by av_wave: ztpc =  ', ztpc * 1.e-12_wp, 'TW'
827         ENDIF
828      ENDIF
829
830      !                          ! ----------------------- !
831      !                          !   Update  mixing coefs  !                         
832      !                          ! ----------------------- !
833      !     
834      IF( ln_tsdiff ) THEN          !* Option for differential mixing of salinity and temperature
835         DO jk = 2, jpkm1              ! Calculate S/T diffusivity ratio as a function of Reb
836            DO jj = 1, jpj
837               DO ji = 1, jpi
838                  zav_ratio(ji,jj,jk) = ( 0.505_wp + 0.495_wp *                                                                  &
839                      &   TANH(    0.92_wp * (   LOG10(  MAX( 1.e-20_wp, zReb(ji,jj,jk) * 5._wp * r1_6 )  ) - 0.60_wp   )    )   &
840                      &                 ) * wmask(ji,jj,jk)
841               END DO
842            END DO
843         END DO
[7753]844         CALL iom_put( "av_ratio", zav_ratio )
[6497]845         DO jk = 2, jpkm1           !* update momentum & tracer diffusivity with wave-driven mixing
[7753]846            fsavs(:,:,jk) = avt(:,:,jk) + zav_wave(:,:,jk) * zav_ratio(:,:,jk)
847            avt  (:,:,jk) = avt(:,:,jk) + zav_wave(:,:,jk)
848            avm  (:,:,jk) = avm(:,:,jk) + zav_wave(:,:,jk)
[6497]849         END DO
850         !
851      ELSE                          !* update momentum & tracer diffusivity with wave-driven mixing
852         DO jk = 2, jpkm1
[7753]853            fsavs(:,:,jk) = avt(:,:,jk) + zav_wave(:,:,jk)
854            avt  (:,:,jk) = avt(:,:,jk) + zav_wave(:,:,jk)
855            avm  (:,:,jk) = avm(:,:,jk) + zav_wave(:,:,jk)
[6497]856         END DO
857      ENDIF
858
859      DO jk = 2, jpkm1              !* update momentum diffusivity at wu and wv points
860         DO jj = 2, jpjm1
861            DO ji = fs_2, fs_jpim1  ! vector opt.
862               avmu(ji,jj,jk) = avmu(ji,jj,jk) + 0.5_wp * ( zav_wave(ji,jj,jk) + zav_wave(ji+1,jj  ,jk) ) * wumask(ji,jj,jk)
863               avmv(ji,jj,jk) = avmv(ji,jj,jk) + 0.5_wp * ( zav_wave(ji,jj,jk) + zav_wave(ji  ,jj+1,jk) ) * wvmask(ji,jj,jk)
864            END DO
865         END DO
866      END DO
867      CALL lbc_lnk( avmu, 'U', 1. )   ;   CALL lbc_lnk( avmv, 'V', 1. )      ! lateral boundary condition
868
869      !                             !* output internal wave-driven mixing coefficient
870      CALL iom_put( "av_wave", zav_wave )
871                                    !* output useful diagnostics: N^2, Kz * N^2 (bflx_tmx),
872                                    !  vertical integral of rau0 * Kz * N^2 (pcmap_tmx), energy density (emix_tmx)
873      IF( iom_use("bflx_tmx") .OR. iom_use("pcmap_tmx") ) THEN
[7753]874         bflx_tmx(:,:,:) = MAX( 0._wp, rn2(:,:,:) ) * zav_wave(:,:,:)
875         pcmap_tmx(:,:) = 0._wp
876         DO jk = 2, jpkm1
877            pcmap_tmx(:,:) = pcmap_tmx(:,:) + e3w_n(:,:,jk) * bflx_tmx(:,:,jk) * wmask(:,:,jk)
[6497]878         END DO
[7753]879         pcmap_tmx(:,:) = rau0 * pcmap_tmx(:,:)
[6497]880         CALL iom_put( "bflx_tmx", bflx_tmx )
881         CALL iom_put( "pcmap_tmx", pcmap_tmx )
882      ENDIF
883      CALL iom_put( "bn2", rn2 )
884      CALL iom_put( "emix_tmx", emix_tmx )
885     
886
887      IF(ln_ctl)   CALL prt_ctl(tab3d_1=zav_wave , clinfo1=' tmx - av_wave: ', tab3d_2=avt, clinfo2=' avt: ', ovlap=1, kdim=jpk)
888      !
889      IF( nn_timing == 1 )   CALL timing_stop('zdf_tmx')
890      !
891   END SUBROUTINE zdf_tmx
892
893
894   SUBROUTINE zdf_tmx_init
895      !!----------------------------------------------------------------------
896      !!                  ***  ROUTINE zdf_tmx_init  ***
897      !!                     
898      !! ** Purpose :   Initialization of the wave-driven vertical mixing, reading
899      !!              of input power maps and decay length scales in netcdf files.
900      !!
901      !! ** Method  : - Read the namzdf_tmx namelist and check the parameters
902      !!
903      !!              - Read the input data in NetCDF files :
904      !!              power available from high-mode wave breaking (mixing_power_bot.nc)
905      !!              power available from pycnocline-intensified wave-breaking (mixing_power_pyc.nc)
906      !!              power available from critical slope wave-breaking (mixing_power_cri.nc)
907      !!              WKB decay scale for high-mode wave-breaking (decay_scale_bot.nc)
908      !!              decay scale for critical slope wave-breaking (decay_scale_cri.nc)
909      !!
910      !! ** input   : - Namlist namzdf_tmx
911      !!              - NetCDF files : mixing_power_bot.nc, mixing_power_pyc.nc, mixing_power_cri.nc,
912      !!              decay_scale_bot.nc decay_scale_cri.nc
913      !!
914      !! ** Action  : - Increase by 1 the nstop flag is setting problem encounter
915      !!              - Define ebot_tmx, epyc_tmx, ecri_tmx, hbot_tmx, hcri_tmx
916      !!
917      !! References : de Lavergne et al. 2015, JPO; 2016, in prep.
918      !!         
919      !!----------------------------------------------------------------------
920      INTEGER  ::   ji, jj, jk   ! dummy loop indices
921      INTEGER  ::   inum         ! local integer
922      INTEGER  ::   ios
923      REAL(wp) ::   zbot, zpyc, zcri   ! local scalars
924      !!
925      NAMELIST/namzdf_tmx_new/ nn_zpyc, ln_mevar, ln_tsdiff
926      !!----------------------------------------------------------------------
927      !
928      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_start('zdf_tmx_init')
929      !
930      REWIND( numnam_ref )              ! Namelist namzdf_tmx in reference namelist : Wave-driven mixing
931      READ  ( numnam_ref, namzdf_tmx_new, IOSTAT = ios, ERR = 901)
932901   IF( ios /= 0 ) CALL ctl_nam ( ios , 'namzdf_tmx in reference namelist', lwp )
933      !
934      REWIND( numnam_cfg )              ! Namelist namzdf_tmx in configuration namelist : Wave-driven mixing
935      READ  ( numnam_cfg, namzdf_tmx_new, IOSTAT = ios, ERR = 902 )
936902   IF( ios /= 0 ) CALL ctl_nam ( ios , 'namzdf_tmx in configuration namelist', lwp )
937      IF(lwm) WRITE ( numond, namzdf_tmx_new )
938      !
939      IF(lwp) THEN                  ! Control print
940         WRITE(numout,*)
941         WRITE(numout,*) 'zdf_tmx_init : internal wave-driven mixing'
942         WRITE(numout,*) '~~~~~~~~~~~~'
943         WRITE(numout,*) '   Namelist namzdf_tmx_new : set wave-driven mixing parameters'
944         WRITE(numout,*) '      Pycnocline-intensified diss. scales as N (=1) or N^2 (=2) = ', nn_zpyc
945         WRITE(numout,*) '      Variable (T) or constant (F) mixing efficiency            = ', ln_mevar
946         WRITE(numout,*) '      Differential internal wave-driven mixing (T) or not (F)   = ', ln_tsdiff
947      ENDIF
948     
949      ! The new wave-driven mixing parameterization elevates avt and avm in the interior, and
950      ! ensures that avt remains larger than its molecular value (=1.4e-7). Therefore, avtb should
951      ! be set here to a very small value, and avmb to its (uniform) molecular value (=1.4e-6).
952      avmb(:) = 1.4e-6_wp        ! viscous molecular value
953      avtb(:) = 1.e-10_wp        ! very small diffusive minimum (background avt is specified in zdf_tmx)   
[7753]954      avtb_2d(:,:) = 1.e0_wp     ! uniform
[6497]955      IF(lwp) THEN                  ! Control print
956         WRITE(numout,*)
957         WRITE(numout,*) '   Force the background value applied to avm & avt in TKE to be everywhere ',   &
958            &               'the viscous molecular value & a very small diffusive value, resp.'
959      ENDIF
960     
961      IF( .NOT.lk_zdfddm )   CALL ctl_stop( 'STOP', 'zdf_tmx_init_new : key_zdftmx_new requires key_zdfddm' )
962     
963      !                             ! allocate tmx arrays
964      IF( zdf_tmx_alloc() /= 0 )   CALL ctl_stop( 'STOP', 'zdf_tmx_init : unable to allocate tmx arrays' )
965      !
966      !                             ! read necessary fields
967      CALL iom_open('mixing_power_bot',inum)       ! energy flux for high-mode wave breaking [W/m2]
968      CALL iom_get  (inum, jpdom_data, 'field', ebot_tmx, 1 ) 
969      CALL iom_close(inum)
970      !
971      CALL iom_open('mixing_power_pyc',inum)       ! energy flux for pynocline-intensified wave breaking [W/m2]
972      CALL iom_get  (inum, jpdom_data, 'field', epyc_tmx, 1 )
973      CALL iom_close(inum)
974      !
975      CALL iom_open('mixing_power_cri',inum)       ! energy flux for critical slope wave breaking [W/m2]
976      CALL iom_get  (inum, jpdom_data, 'field', ecri_tmx, 1 )
977      CALL iom_close(inum)
978      !
979      CALL iom_open('decay_scale_bot',inum)        ! spatially variable decay scale for high-mode wave breaking [m]
980      CALL iom_get  (inum, jpdom_data, 'field', hbot_tmx, 1 )
981      CALL iom_close(inum)
982      !
983      CALL iom_open('decay_scale_cri',inum)        ! spatially variable decay scale for critical slope wave breaking [m]
984      CALL iom_get  (inum, jpdom_data, 'field', hcri_tmx, 1 )
985      CALL iom_close(inum)
986
[7753]987      ebot_tmx(:,:) = ebot_tmx(:,:) * ssmask(:,:)
988      epyc_tmx(:,:) = epyc_tmx(:,:) * ssmask(:,:)
989      ecri_tmx(:,:) = ecri_tmx(:,:) * ssmask(:,:)
[6497]990
[7753]991      ! Set once for all to zero the first and last vertical levels of appropriate variables
992      emix_tmx (:,:, 1 ) = 0._wp
993      emix_tmx (:,:,jpk) = 0._wp
994      zav_ratio(:,:, 1 ) = 0._wp
995      zav_ratio(:,:,jpk) = 0._wp
996      zav_wave (:,:, 1 ) = 0._wp
997      zav_wave (:,:,jpk) = 0._wp
998
[6497]999      zbot = glob_sum( e1e2t(:,:) * ebot_tmx(:,:) )
1000      zpyc = glob_sum( e1e2t(:,:) * epyc_tmx(:,:) )
1001      zcri = glob_sum( e1e2t(:,:) * ecri_tmx(:,:) )
1002      IF(lwp) THEN
1003         WRITE(numout,*) '      High-mode wave-breaking energy:             ', zbot * 1.e-12_wp, 'TW'
1004         WRITE(numout,*) '      Pycnocline-intensifed wave-breaking energy: ', zpyc * 1.e-12_wp, 'TW'
1005         WRITE(numout,*) '      Critical slope wave-breaking energy:        ', zcri * 1.e-12_wp, 'TW'
1006      ENDIF
1007      !
1008      IF( nn_timing == 1 )  CALL timing_stop('zdf_tmx_init')
1009      !
1010   END SUBROUTINE zdf_tmx_init
1011
[1418]1012#else
1013   !!----------------------------------------------------------------------
1014   !!   Default option          Dummy module                NO Tidal MiXing
1015   !!----------------------------------------------------------------------
1016   LOGICAL, PUBLIC, PARAMETER ::   lk_zdftmx = .FALSE.   !: tidal mixing flag
1017CONTAINS
[2528]1018   SUBROUTINE zdf_tmx_init           ! Dummy routine
1019      WRITE(*,*) 'zdf_tmx: You should not have seen this print! error?'
1020   END SUBROUTINE zdf_tmx_init
1021   SUBROUTINE zdf_tmx( kt )          ! Dummy routine
[1418]1022      WRITE(*,*) 'zdf_tmx: You should not have seen this print! error?', kt
1023   END SUBROUTINE zdf_tmx
1024#endif
1025
1026   !!======================================================================
1027END MODULE zdftmx
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.