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1MODULE tropopause_m
2
3  IMPLICIT NONE
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5  PRIVATE
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7  PUBLIC :: dyn_tropopause
8
9  REAL,    PARAMETER :: DynPTrMin = 8.E+3                  !--- Dyn tropopause pressures < DynPTrMin are set to DynPTrMin  (Pa)
10  REAL,    PARAMETER :: DynPTrMax = 4.E+4                  !--- Dyn tropopause pressures > DynPTrMax are set to DynPTrMax  (Pa)
11  REAL,    PARAMETER :: theta0 = 380.                      !--- Default threshold for theta-defined tropopause              (K)
12  REAL,    PARAMETER :: pVort0 = 2.0                       !--- Default threshold for PV-defined tropopause               (PVU)
13  REAL,    PARAMETER :: sg0  = 0.75                        !--- Bottom->top PV=pv0e search loop starts at sigma=sg0 level
14  INTEGER, PARAMETER :: nadj = 3                           !--- Threshold must be exceeded on nadj adjacent levels
15  INTEGER, PARAMETER :: ns   = 2                           !--- Number of neighbours used each side for vertical smoothing
16
17CONTAINS
18
19!===============================================================================================================================
20FUNCTION dyn_tropopause(t, ts, paprs, pplay, rot, itrop, thet0, potV0) RESULT(pTrop)
21  USE assert_m,     ONLY: assert
22  USE assert_eq_m,  ONLY: assert_eq
23  USE dimphy,       ONLY: klon, klev
24  USE geometry_mod, ONLY: latitude
25  USE strings_mod,  ONLY: maxlen
26  USE yomcst_mod_h, ONLY: ROMEGA, RKAPPA, RG
27  USE vertical_layers_mod,    ONLY: aps, bps, preff
28  USE lmdz_reprobus_wrappers, ONLY: itroprep
29  USE lmdz_cppkeys_wrapper,   ONLY: CPPKEY_REPROBUS
30  USE mod_phys_lmdz_para,     ONLY: is_master
31  USE mod_phys_lmdz_transfert_para, ONLY : bcast
32  IMPLICIT NONE
33  REAL                           :: pTrop(klon)            !--- Pressure at dynamical tropopause                           (Pa)
34  REAL,              INTENT(IN)  ::      t(:,:)            !--- Temperature at layers centers                               (K)
35  REAL,              INTENT(IN)  ::     ts(:)              !--- Temperature on surface layer interface                      (K)
36  REAL,              INTENT(IN)  ::  paprs(:,:)            !--- Pressure at layers interfaces                              (Pa)
37  REAL,              INTENT(IN)  ::  pplay(:,:)            !--- Pressure at layers centers                                 (Pa)
38  REAL,              INTENT(IN)  ::    rot(:,:)            !--- Relative vorticity at layers centers                      (s-1)
39  INTEGER, OPTIONAL, INTENT(OUT) :: itrop(klon)            !--- Last tropospheric layer idx
40  REAL,    OPTIONAL, INTENT(IN)  :: thet0                  !--- Potential temperature at the tropopause (tropical region)   (K)
41  REAL,    OPTIONAL, INTENT(IN)  :: potV0                  !--- Potential vorticity   at the tropopause (rest of globe)   (PVU)
42!------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
43  CHARACTER(LEN=maxlen) :: modname                         !--- Current routine name
44  REAL                  ::    Temp_edg(klon,klev)          !--- Regular   temperature at layers interfaces (except last one)(K)
45  REAL                  :: potTemp_edg(klon,klev)          !--- Potential temperature at layers interfaces (except last one)(K)
46  REAL                  :: potTemp_cen(klon,klev)          !--- Potential temperature at layers centers                     (K)
47  REAL                  :: potVort_cen(klon,klev)          !--- Potential vorticity   at layers centers                     (K)
48  REAL                  :: p_th0(klon)                     !--- Pressures at theta=380K                                    (Pa)
49  REAL                  :: p_pv0(klon)                     !--- Pressures at PV=2PVU                                       (Pa)
50  REAL                  :: al, th0, pv0                    !--- Interpolation coefficient + potential temp. and PV thresholds
51  INTEGER               :: i, k, kb, kt, kp, ib, ie, nw, n
52  INTEGER               :: ith(klon)                       !--- Indices of first TH=380K layers (top -> bottom search)
53  INTEGER               :: ipv(klon)                       !--- Indices of first PV=2PVU layers (top -> bottom search)
54  INTEGER               :: ipv0(klon)                      !--- Indices of first PV=2PVU layers (bottom -> top search)
55  INTEGER               :: ncons(klon)                     !--- Number of consecutive matching values found in vertical loops
56  INTEGER               :: itr(klon)                       !--- Index of last layer with a center pressure lower than pTrop
57  INTEGER               :: co(2*ns+1)                      !--- Binomial coefficients used compute smoothing weights "w(:,:)"
58  INTEGER,           SAVE :: k0                            !--- Start index (sigma=sg0) for 2PVU bottom->top search loop
59  REAL, ALLOCATABLE, SAVE :: fac(:)                        !--- Coriolis parameter: 2*ROMEGA*SIN(cells centers latitudes) (s-1)
60  REAL, ALLOCATABLE, SAVE :: w(:,:)                        !--- Coefficients for vertical smoothing froutine "smooth"
61  LOGICAL,           SAVE :: lFirst = .TRUE.
62!$OMP THREADPRIVATE(k0, fac, w, lFirst)
63!------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
64  modname = 'dyn_tropopause'
65  CALL assert(SIZE(t,  DIM=1) == klon,        TRIM(modname)//" t klon")
66  CALL assert(SIZE(t,  DIM=2) == klev,        TRIM(modname)//" t klev")
67  CALL assert(SIZE(ts, DIM=1) == klon,        TRIM(modname)//" ts klon")
68  CALL assert(SHAPE(paprs) == [klon, klev+1], TRIM(modname)//" paprs shape")
69  CALL assert(SHAPE(pplay) == [klon, klev  ], TRIM(modname)//" pplay shape")
70  CALL assert(SHAPE(rot)   == [klon, klev  ], TRIM(modname)//" rot shape")
71
72  !--- MODIFY THE THRESHOLDS FOR THE DYNAMICAL TROPOPAUSE DEFINITION IN CASE THE CORRESPONDING OPTIONAL ARGUMENTS ARE USED
73  th0 = theta0; IF(PRESENT(thet0)) th0 = thet0            !--- Potential temperature at the tropopause (tropical region)   (K)
74  pv0 = pVort0; IF(PRESENT(potV0)) pv0 = potV0            !--- Potential vorticity   at the tropopause (rest of globe)   (PVU)
75
76  IF(lFirst) THEN
77     ALLOCATE(fac(klon), w(ns+1, ns+1))
78
79     !--- COMPUTE THE CORIOLIS PARAMETER FOR PV ALCULATION ROUTINE "potentialVorticity"
80     DO i = 1, klon
81        fac(i) = 2. * ROMEGA * SIN(latitude(i))
82     END DO
83!$OMP BARRIER
84
85     IF(is_master) THEN
86
87       !--- GET THE INDEX "k0" OF THE FIRST LOWER INTERFACE LAYER WITH SIGMA COORDINATE LOWER THAN "sg0"
88       !--- NOTE: "k0" DEPENDS ON VERTICAL DISCRETIZATION ONLY (VIA HYBRID COEFFS aps, bps) AND IS NOT SIMULATION-DEPENDENT
89        DO k0 = 1, klev; IF( aps(k0) / preff + bps(k0) < sg0 ) EXIT; END DO     !--- START INDEX FOR BOTTOM->TOP PV SEARCH LOOP
90
91        !--- COMPUTE THE WEIGHTS FOR THE VERTICAL SMOOTHING ROUTINE "smooth"
92        co(:) = 0;  w(:, :) = 0.
93        co(1) = 1;  w(1, 1) = 1.
94        DO i = 1, ns
95           co(2:2*ns+1) = co(2:2*ns+1) + co(1:2*ns)        !--- C(n+1,p+1) = C(n,p+1) + C(n,p)
96           co(2:2*ns+1) = co(2:2*ns+1) + co(1:2*ns)        !--- C(n+1,p+1) = C(n,p+1) + C(n,p) AGAIN
97           w(i+1, 1:i+1) = REAL(co(i+1:2*i+1))/REAL(SUM(co(i+1:2*i+1)))
98        END DO
99
100        lFirst=.FALSE.
101     END IF
102     CALL bcast(k0)
103     CALL bcast(w)
104     CALL bcast(lFirst)
105  END IF
106
107  !=== DETERMINE THE PRESSURE AT WHICH THETA = th0 ============================================================================
108  CALL potentialTemperature(pplay, t, potTemp_cen)                             !--- POTENTIAL TEMPERATURE @ LAYERS CENTERS
109
110  !--- INDEX OF FIRST LAYERS WITH THETA<380K @ CENTER ON "nadj" CONSECUTIVE LAYERS
111  CALL getLayerIdx(potTemp_cen, th0, -1, nadj, ith)                            !--- FROM TOP TO BOTTOM
112
113  CALL getPressure(potTemp_cen, th0, ith, pplay, paprs, p_th0)                 !--- PRESSURE @ THETA = th0 SURFACE
114
115  !=== DETERMINE THE PRESSURE AT WHICH PV = pv0 ===============================================================================
116  CALL cen2edg(t, ts, pplay, paprs(:,1:klev), temp_edg)                        !--- TEMP @ LAYERS INTERFACES (EXCEPT LAST ONE)
117
118  CALL potentialTemperature (paprs(:,1:klev), temp_edg, potTemp_edg)           !--- TPOT @ LAYERS INTERFACES (EXCEPT LAST ONE)
119
120  CALL potentialVorticity(rot, potTemp_edg, paprs(:,1:klev), potVort_cen)      !--- ERTEL POTENTIAL VORTICITY @ LAYERS CENTERS
121
122  !--- INDEX OF FIRST LAYERS WITH PV<=2PVU @ CENTER ON "nadj" CONSECUTIVE LAYERS
123  CALL getLayerIdx(potVort_cen, pv0, -1, nadj, ipv)                            !--- FROM TOP TO BOTTOM
124  CALL getLayerIdx(potVort_cen, pv0, k0, nadj, ipv0)                           !--- FROM LAYER @ sig=sig0 TO TOP
125  DO i = 1, klon; n = 0                                                        !--- CHOOSE BETWEEN BOTTOM AND TOP INDEX
126     IF(ipv0(i) == k0-1 .OR. ipv0(i) > ipv(i)) CYCLE                           !--- ipv0 CAN'T BE USED
127     DO k = ipv0(i), ipv(i); IF(potVort_cen(i, k) > pv0) n = n+1; END DO       !--- NUMBER OF POINTS WITH PV>2PVU
128     IF(2 * n >= ipv(i)-ipv0(i)+1) ipv(i) = ipv0(i)                            !--- MORE THAN 50% > pv0 => LOWER POINT KEPT
129  END DO
130
131  CALL getPressure(potVort_cen, pv0, ipv, pplay, paprs, p_pv0)                  !--- PRESSURE @ PV = pv0 SURFACE
132
133  !=== DETERMINE THE UNFILTERED DYNAMICAL TROPOPAUSE PRESSURE FIELD (LOWER POINT BETWEEN THETA=380K AND PV=2PVU) ==============
134  DO i = 1, klon
135     pTrop(i) = MAX(p_th0(i), p_pv0(i))
136  END DO
137
138  !=== FILTER THE PRESSURE FIELD: TOO HIGH AND TOO LOW VALUES ARE CLIPPED =====================================================
139  DO i = 1, klon
140     IF(pTrop(i) < DynPTrMin) pTrop(i) = DynPTrMin
141     IF(pTrop(i) > DynPTrMax) pTrop(i) = DynPTrMax
142  END DO
143
144  !=== LAST VERTICAL INDEX WITH A PRESSURE HIGHER THAN TROPOPAUSE PRESSURE ====================================================
145  IF(.NOT.(PRESENT(itrop) .OR. CPPKEY_REPROBUS)) RETURN
146  DO i = 1, klon
147     DO k = 1, klev
148        IF(pplay(i,k+1) <= pTrop(i)) EXIT
149     END DO
150     IF(PRESENT(itrop )) itrop(i)    = k
151     IF(CPPKEY_REPROBUS) itroprep(i) = k
152  END DO
153
154CONTAINS
155
156!===============================================================================================================================
157SUBROUTINE cen2edg(v_cen, v0_edg, p_cen, p_edg, v_edg)
158  IMPLICIT NONE
159  REAL, DIMENSION(klon, klev), INTENT(IN)  :: v_cen, p_cen, p_edg
160  REAL, DIMENSION(klon),       INTENT(IN)  :: v0_edg
161  REAL, DIMENSION(klon, klev), INTENT(OUT) :: v_edg
162  INTEGER :: i, k
163  DO i = 1, klon
164     v_edg(i, 1) = v0_edg(i)
165  END DO
166  DO k = 2, klev
167     DO i = 1, klon
168        al = LOG(p_edg(i, k-1)/p_cen(i, k)) / LOG(p_cen(i, k-1)/p_cen(i, k))   !--- CENTER -> INTERFACE INTERPOLATION COEFF
169        v_edg(i, k) = v_cen(i, k-1) + al * (v_cen(i, k) - v_cen(i, k-1))       !--- FIELD AT LAYER INTERFACE
170     END DO
171  END DO
172END SUBROUTINE cen2edg
173!===============================================================================================================================
174SUBROUTINE getPressure(v_cen, v0, ix, p_cen, p_int, pre_v0)
175  IMPLICIT NONE
176  REAL,    INTENT(IN)  :: v_cen(klon, klev), v0
177  INTEGER, INTENT(IN)  ::    ix(klon)
178  REAL,    INTENT(IN)  :: p_cen(klon, klev), p_int(klon, klev+1)
179  REAL,    INTENT(OUT) :: pre_v0(klon)
180  REAL    :: al
181  INTEGER :: i, k
182  DO i = 1, klon; k = ix(i)
183     IF(k == 0) THEN
184        pre_v0(i) = p_int(i,1)
185     ELSE IF(k == klev) THEN
186        pre_v0(i) = p_int(i,klev+1)
187     ELSE
188        al =  (v0 - v_cen(i, k+1)) / (v_cen(i, k) - v_cen(i, k+1))
189        pre_v0(i) = p_cen(i, k+1)  * (p_cen(i, k) / p_cen(i, k+1))**al
190     END IF
191  END DO
192END SUBROUTINE getPressure
193!===============================================================================================================================
194SUBROUTINE getLayerIdx(v, v0, k0, nadj, ix)
195! Purpose: Search for the index of the last layer ix(i) with a value v(i,k) lower than or equal to v0.
196!          At least nadj adjacent layers must satisfy the criterium (less - as much as possible - near top or bottom).
197!          The search is done from:    * top to bottom if k0 < 0 (from k=klev to k=|k0|)
198!                                      * bottom to top if k0 > 0 (from k=k0   to k=klev)
199!          - nominal case: k0 <= ix(i) < klev
200!          - special case: ix(i) == klev:   ALL(v(i,k0:klev) <= v0)
201!          - special case: ix(i) == |k0|-1: ALL(v(i,k0:klev) >  v0)
202  IMPLICIT NONE
203  REAL,    INTENT(IN)  ::  v(klon, klev), v0
204  INTEGER, INTENT(IN)  :: k0, nadj
205  INTEGER, INTENT(OUT) :: ix(klon)
206  INTEGER :: i, k, nc(klon)
207  nc(:) = 0
208  ix(:) = 0
209  IF(k0 < 0) THEN
210     !=== SEARCH FROM TOP TO BOTTOM: klev -> -k0
211     !--- ix(i) depends on nc(i), the number of adjacent layers with v(i,:) <= v0 (k is the index of the last tested layer)
212     !---  *     nc(i) == nadj   nominal case: enough matching values   => ix(i) = k+nadj-1   (|k0|+nadj-1 <= k <= klev-nadj+1)
213     !---                     particular case: all values are matching  => ix(i) = klev       (k = klev-nadj+1)
214     !---  * 0 < nc(i) < nadj  bottom reached: nc<nadj matching values  => ix(i) = k+nc(i)-1  (k = |k0|)
215     !---  *     nc(i) == 0    bottom reached:      no matching values  => ix(i) = k          (k = |k0|-1)
216     !--- So ix(i) = MAX(k, k+nc(i)-1) fits for each case.
217     DO k = klev, -1, -k0
218        DO i = 1, klon
219           IF(ix(i) /= 0) CYCLE                                                !--- ADEQUATE LAYER ALREADY FOUND
220           nc(i) = nc(i) + 1
221           IF(ABS(v(i, k)) > v0) nc(i) = 0
222           IF(nc(i) /= nadj) CYCLE                                             !--- nc<nadj ADJACENT LAYERS WITH v<=v0 FOUND
223           ix(i) = 1                                                           !--- FAKE /=0 VALUE TO SKIP FOLLOWING ITERATIONS
224        END DO
225     END DO
226     DO i = 1, klon
227        ix(i) = MAX(k, k+nc(i)-1)                                              !--- INDEX OF LOWEST LAYER WITH v<=v0
228     END DO
229  ELSE
230     !=== SEARCH FROM BOTTOM TO TOP: k0 -> klev
231     !--- ix(i) depends on nc(i), the number of adjacent layers with v(i,:) > v0 (k is the index of the last tested layer)
232     !---  *     nc(i) == nadj   nominal case: enough matching values   => ix(i) = k-nadj     ( k0 +nadj-1 <= k <= klev-nadj+1)
233     !---                     particular case: all values are matching  => ix(i) = k0-1       (k = k0+nadj-1)
234     !---  * 0 < nc(i) < nadj     top reached: nc<nadj matching values  => ix(i) = k-nc(i)    (k = klev)
235     !---  *     nc(i) == 0       top reached:      no matching values  => ix(i) = k          (k = klev)
236     !--- So ix(i) = k-nc(i) fits for each case.
237     DO k = k0, klev
238        DO i = 1, klon
239           IF(ix(i) /= 0) CYCLE                                                !--- ADEQUATE LAYER ALREADY FOUND
240           nc(i) = nc(i) + 1
241           IF(ABS(v(i, k)) <= v0) nc(i) = 0
242           IF(nc(i) /= nadj) CYCLE                                             !--- nc<nadj ADJACENT LAYERS WITH v<=v0 FOUND
243           ix(i) = 1                                                           !--- FAKE /=0 VALUE TO SKIP FOLLOWING ITERATIONS
244        END DO
245     END DO
246     DO i = 1, klon
247        ix(i) = k-nc(i)                                                        !--- INDEX OF LOWEST LAYER WITH v<=v0
248     END DO
249  END IF
250END SUBROUTINE getLayerIdx
251!===============================================================================================================================
252SUBROUTINE potentialTemperature(pre, temp, tPot)
253  IMPLICIT NONE
254  REAL, DIMENSION(:, :),                       INTENT(IN)  :: pre, temp
255  REAL, DIMENSION(SIZE(pre, 1), SIZE(pre, 2)), INTENT(OUT) :: tPot
256  REAL, ALLOCATABLE :: tmp(:,:)
257  CHARACTER(LEN=maxlen) :: modname
258  INTEGER :: i, k, ni, nk
259  modname = 'potentialTemperature'
260  ni = SIZE(pre, 1)
261  nk = SIZE(pre, 2)
262  CALL assert(SIZE(temp, DIM=1) == ni, TRIM(modname)//" SIZE(temp,1) SIZE(pre,1)")
263  CALL assert(SIZE(temp, DIM=2) == nk, TRIM(modname)//" SIZE(temp,2) SIZE(pre,2)")
264  ALLOCATE(tmp(ni, nk))
265  DO k = 1, nk                                                                 !--- COMPUTE RAW FIELD
266     DO i = 1, ni
267        tmp(i, k) = temp(i, k) * (100000. / pre(i, k))**RKAPPA
268     END DO
269  END DO
270  DO k = 2, nk                                                                 !--- ENSURE GROWING FIELD WITH ALTITUDE
271     DO i = 1, ni
272        IF(tmp(i, k)< tmp(i, k-1)) tmp(i, k) = tmp(i, k-1) + 1.E-5
273     END DO
274  END DO
275  CALL smooth(tmp, tPot)                                                       !--- FILTER THE FIELD
276END SUBROUTINE potentialTemperature
277!===============================================================================================================================
278SUBROUTINE potentialVorticity(rot_cen, th_int, pint, pVor_cen)
279  IMPLICIT NONE
280  REAL, DIMENSION(klon, klev), INTENT(IN)  :: rot_cen, th_int, pint
281  REAL, DIMENSION(klon, klev), INTENT(OUT) :: pVor_cen
282  REAL ::     tmp(klon, klev)
283  INTEGER :: i, k, kp
284  DO k = 1, klev-1                                                             !--- COMPUTE RAW FIELD
285     DO i = 1, klon
286        tmp(i, k) = -1.E6 * RG * (rot_cen(i, k) + fac(i)) * (th_int(i, k+1)-th_int(i, k)) / (pint(i, k+1)-pint(i, k))
287     END DO
288  END DO
289  DO i = 1, klon
290     tmp(i, klev) = tmp(i, klev-1)
291  END DO
292  CALL smooth(tmp, pVor_cen)                                                   !--- FILTER THE FIELD
293END SUBROUTINE potentialVorticity
294!===============================================================================================================================
295SUBROUTINE smooth(v, vs)
296! Purpose: Vertical smoothing of each profile v(i,:) using 2*ns+1 centered binomial weights (+/- ns points).
297! Note:    For levels near the bottom (k <= ns) or the top (k > klev-ns), a narrower set of weights (n<ns) is used.
298!          => in particular, first and last levels are left untouched.
299  IMPLICIT NONE
300  REAL,    INTENT(IN)  :: v (klon, klev)
301  REAL,    INTENT(OUT) :: vs(klon, klev)
302  INTEGER :: i, j, k
303  vs(:, :) = 0.
304  DO k = 1, klev
305     n = MIN(k-1, klev-k, ns)
306     DO j = k-n, k+n
307        DO i = 1, klon
308           vs(i, k) = vs(i, k) + v(i, j) * w(n+1, 1+ABS(j-k))
309        END DO
310     END DO
311  END DO
312END SUBROUTINE smooth
313
314END FUNCTION dyn_tropopause
315
316END MODULE tropopause_m
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.