source: LMDZ6/trunk/libf/phylmd/soil.F90 @ 5020

Last change on this file since 5020 was 3974, checked in by asima, 3 years ago

In the "bucket" soil model, soil thermal inertia (formerly a constant value) can also be now a function of soil moisture "qsol"
(F Cheruy's idea; results from "Stage L3" Eve Rebouillat, with E Vignon, A Sima, F Cheruy).

The function depends on iflag_inertie, read from physiq.def (via conf_phys_m.F90), as follows :
(only in physiq.def_NPv6.1 for the time being)


# Controle de la definition de l'inertie thermique du sol dans le modele "bucket":
# 0 (default) : constant
# 1 : fonction lineaire de qsol
# 2 : 2 fonctions lineaires de qsol :
# une pour "sable" (boite lat/lon pour Sahara), une pour le reste (limons et argile)
# 3 : fonction lineaire de qsol, valeurs entre 900 pour qsol=0 et 2000 pour qsol=150

iflag_inertie=0


Relevant changes are in soil.F90 and physiq.def_NPv6.1 ; the other files are adjusted accordingly.

  • Property copyright set to
    Name of program: LMDZ
    Creation date: 1984
    Version: LMDZ5
    License: CeCILL version 2
    Holder: Laboratoire de m\'et\'eorologie dynamique, CNRS, UMR 8539
    See the license file in the root directory
  • Property svn:eol-style set to native
  • Property svn:keywords set to Author Date Id Revision
File size: 12.9 KB
Line 
1!
2! $Header$
3!
4SUBROUTINE soil(ptimestep, indice, knon, snow, ptsrf, qsol, &
5     lon, lat, ptsoil, pcapcal, pfluxgrd)
6 
7  USE dimphy
8  USE mod_phys_lmdz_para
9  USE indice_sol_mod
10  USE print_control_mod, ONLY: lunout
11
12  IMPLICIT NONE
13
14!=======================================================================
15!
16!   Auteur:  Frederic Hourdin     30/01/92
17!   -------
18!
19!   Object:  Computation of : the soil temperature evolution
20!   -------                   the surfacic heat capacity "Capcal"
21!                            the surface conduction flux pcapcal
22!
23!   Update: 2021/07 : soil thermal inertia, formerly a constant value,
24!   ------   can also be now a function of soil moisture (F Cheruy's idea)
25!            depending on iflag_inertie, read from physiq.def via conf_phys_m.F90
26!            ("Stage L3" Eve Rebouillat, with E Vignon, A Sima, F Cheruy)
27!
28!   Method: Implicit time integration
29!   -------
30!   Consecutive ground temperatures are related by:
31!           T(k+1) = C(k) + D(k)*T(k)  (*)
32!   The coefficients C and D are computed at the t-dt time-step.
33!   Routine structure:
34!   1) C and D coefficients are computed from the old temperature
35!   2) new temperatures are computed using (*)
36!   3) C and D coefficients are computed from the new temperature
37!      profile for the t+dt time-step
38!   4) the coefficients A and B are computed where the diffusive
39!      fluxes at the t+dt time-step is given by
40!             Fdiff = A + B Ts(t+dt)
41!      or     Fdiff = F0 + Capcal (Ts(t+dt)-Ts(t))/dt
42!             with F0 = A + B (Ts(t))
43!                 Capcal = B*dt
44!           
45!   Interface:
46!   ----------
47!
48!   Arguments:
49!   ----------
50!   ptimestep            physical timestep (s)
51!   indice               sub-surface index
52!   snow(klon)           snow
53!   ptsrf(klon)          surface temperature at time-step t (K)
54!   qsol(klon)           soil moisture (kg/m2 or mm)
55!   lon(klon)            longitude in radian
56!   lat(klon)            latitude in radian
57!   ptsoil(klon,nsoilmx) temperature inside the ground (K)
58!   pcapcal(klon)        surfacic specific heat (W*m-2*s*K-1)
59!   pfluxgrd(klon)       surface diffusive flux from ground (Wm-2)
60!   
61!=======================================================================
62  INCLUDE "YOMCST.h"
63  INCLUDE "dimsoil.h"
64  INCLUDE "comsoil.h"
65!-----------------------------------------------------------------------
66! Arguments
67! ---------
68  REAL, INTENT(IN)                     :: ptimestep
69  INTEGER, INTENT(IN)                  :: indice, knon !, knindex
70  REAL, DIMENSION(klon), INTENT(IN)    :: snow
71  REAL, DIMENSION(klon), INTENT(IN)    :: ptsrf
72  REAL, DIMENSION(klon), INTENT(IN)    :: qsol
73  REAL, DIMENSION(klon), INTENT(IN)    :: lon
74  REAL, DIMENSION(klon), INTENT(IN)    :: lat
75
76  REAL, DIMENSION(klon,nsoilmx), INTENT(INOUT) :: ptsoil
77  REAL, DIMENSION(klon), INTENT(OUT)           :: pcapcal
78  REAL, DIMENSION(klon), INTENT(OUT)           :: pfluxgrd
79
80!-----------------------------------------------------------------------
81! Local variables
82! ---------------
83  INTEGER                             :: ig, jk, ierr
84  REAL                                :: min_period,dalph_soil
85  REAL, DIMENSION(nsoilmx)            :: zdz2
86  REAL                                :: z1s
87  REAL, DIMENSION(klon)               :: ztherm_i
88  REAL, DIMENSION(klon,nsoilmx,nbsrf) :: C_coef, D_coef
89
90! Local saved variables
91! ---------------------
92  REAL, SAVE                     :: lambda
93!$OMP THREADPRIVATE(lambda)
94  REAL, DIMENSION(nsoilmx), SAVE :: dz1, dz2
95!$OMP THREADPRIVATE(dz1,dz2)
96  LOGICAL, SAVE                  :: firstcall=.TRUE.
97!$OMP THREADPRIVATE(firstcall)
98   
99!-----------------------------------------------------------------------
100!   Depthts:
101!   --------
102  REAL fz,rk,fz1,rk1,rk2
103  fz(rk)=fz1*(dalph_soil**rk-1.)/(dalph_soil-1.)
104
105
106!-----------------------------------------------------------------------
107! Calculation of some constants
108! NB! These constants do not depend on the sub-surfaces
109!-----------------------------------------------------------------------
110
111  IF (firstcall) THEN
112!-----------------------------------------------------------------------
113!   ground levels
114!   grnd=z/l where l is the skin depth of the diurnal cycle:
115!-----------------------------------------------------------------------
116
117     min_period=1800. ! en secondes
118     dalph_soil=2.    ! rapport entre les epaisseurs de 2 couches succ.
119!$OMP MASTER
120     IF (is_mpi_root) THEN
121        OPEN(99,file='soil.def',status='old',form='formatted',iostat=ierr)
122        IF (ierr == 0) THEN ! Read file only if it exists
123           READ(99,*) min_period
124           READ(99,*) dalph_soil
125           WRITE(lunout,*)'Discretization for the soil model'
126           WRITE(lunout,*)'First level e-folding depth',min_period, &
127                '   dalph',dalph_soil
128           CLOSE(99)
129        END IF
130     ENDIF
131!$OMP END MASTER
132     CALL bcast(min_period)
133     CALL bcast(dalph_soil)
134
135!   la premiere couche represente un dixieme de cycle diurne
136     fz1=SQRT(min_period/3.14)
137     
138     DO jk=1,nsoilmx
139        rk1=jk
140        rk2=jk-1
141        dz2(jk)=fz(rk1)-fz(rk2)
142     ENDDO
143     DO jk=1,nsoilmx-1
144        rk1=jk+.5
145        rk2=jk-.5
146        dz1(jk)=1./(fz(rk1)-fz(rk2))
147     ENDDO
148     lambda=fz(.5)*dz1(1)
149     WRITE(lunout,*)'full layers, intermediate layers (seconds)'
150     DO jk=1,nsoilmx
151        rk=jk
152        rk1=jk+.5
153        rk2=jk-.5
154        WRITE(lunout,*)'fz=', &
155             fz(rk1)*fz(rk2)*3.14,fz(rk)*fz(rk)*3.14
156     ENDDO
157
158     firstcall =.FALSE.
159  END IF
160
161
162!-----------------------------------------------------------------------
163!   Calcul de l'inertie thermique a partir de la variable rnat.
164!   on initialise a inertie_sic meme au-dessus d'un point de mer au cas
165!   ou le point de mer devienne point de glace au pas suivant
166!   on corrige si on a un point de terre avec ou sans glace
167!
168!   iophys can be used to write the ztherm_i variable in a phys.nc file
169!   and check the results; to do so, add "CALL iophys_ini" in physiq_mod
170!   and add knindex to the list of inputs in all the calls to soil.F90
171!   (and to soil.F90 itself !)
172!-----------------------------------------------------------------------
173
174  IF (indice == is_sic) THEN
175     DO ig = 1, knon
176        ztherm_i(ig)   = inertie_sic
177     ENDDO
178     IF (iflag_sic == 0) THEN
179       DO ig = 1, knon
180         IF (snow(ig) > 0.0) ztherm_i(ig)   = inertie_sno
181       ENDDO
182!      Otherwise sea-ice keeps the same inertia, even when covered by snow
183     ENDIF
184!    CALL iophys_ecrit_index('ztherm_sic', 1, 'ztherm_sic', 'USI', &
185!      knon, knindex, ztherm_i)
186  ELSE IF (indice == is_lic) THEN
187     DO ig = 1, knon
188        ztherm_i(ig)   = inertie_lic
189        IF (snow(ig) > 0.0) ztherm_i(ig)   = inertie_sno
190     ENDDO
191!    CALL iophys_ecrit_index('ztherm_lic', 1, 'ztherm_lic', 'USI', &
192!      knon, knindex, ztherm_i)
193  ELSE IF (indice == is_ter) THEN
194     !
195     ! La relation entre l'inertie thermique du sol et qsol change d'apres
196     !   iflag_inertie, defini dans physiq.def, et appele via comsoil.h
197     !
198     DO ig = 1, knon
199        ! iflag_inertie=0 correspond au cas inertie=constant, comme avant
200        IF (iflag_inertie==0) THEN         
201           ztherm_i(ig)   = inertie_sol
202        ELSE IF (iflag_inertie == 1) THEN
203          ! I = a_qsol * qsol + b  modele lineaire deduit d'une
204          ! regression lineaire I = a_mrsos * mrsos + b obtenue sur
205          ! sorties MO d'une simulation LMDZOR(CMIP6) sur l'annee 2000
206          ! sur tous les points avec frac_snow=0
207          ! Difference entre qsol et mrsos prise en compte par un
208          ! facteur d'echelle sur le coefficient directeur de regression:
209          ! fact = 35./150. = mrsos_max/qsol_max
210          ! et a_qsol = a_mrsos * fact (car a = dI/dHumidite)
211            ztherm_i(ig) = 30.0 *35.0/150.0 *qsol(ig) +770.0
212          ! AS : pour qsol entre 0 - 150, on a I entre 770 - 1820
213        ELSE IF (iflag_inertie == 2) THEN
214          ! deux regressions lineaires, sur les memes sorties, 
215          ! distinguant le type de sol : sable ou autre (limons/argile)
216          ! Implementation simple : regression type "sable" seulement pour
217          ! Sahara, defini par une "boite" lat/lon (NB : en radians !! )
218          IF (lon(ig)>-0.35 .AND. lon(ig)<0.70 .AND. lat(ig)>0.17 .AND. lat(ig)<0.52) THEN
219              ! Valeurs theoriquement entre 728 et 2373 ; qsol valeurs basses
220              ztherm_i(ig) = 47. *35.0/150.0 *qsol(ig) +728.  ! boite type "sable" pour Sahara
221          ELSE
222              ! Valeurs theoriquement entre 550 et 1940 ; qsol valeurs moyennes et hautes
223              ztherm_i(ig) = 41. *35.0/150.0 *qsol(ig) +505.
224          ENDIF
225        ELSE IF (iflag_inertie == 3) THEN
226          ! AS : idee a tester :
227          ! si la relation doit etre une droite,
228          ! definissons-la en fonction des valeurs min et max de qsol (0:150),
229          ! et de l'inertie (900 : 2000 ou 2400 ; choix ici: 2000)
230          ! I = I_min + qsol * (I_max - I_min)/(qsol_max - qsol_min)
231              ztherm_i(ig) = 900. + qsol(ig) * (2000. - 900.)/150.
232        ELSE         
233          WRITE (lunout,*) "Le choix iflag_inertie = ",iflag_inertie," n'est pas defini. Veuillez choisir un entier entre 0 et 3"
234        ENDIF
235     !
236     ! Fin de l'introduction de la relation entre l'inertie thermique du sol et qsol
237     !-------------------------------------------
238        !AS : donc le moindre flocon de neige sur un point de grid
239        ! fait que l'inertie du point passe a la valeur pour neige !
240        IF (snow(ig) > 0.0) ztherm_i(ig)   = inertie_sno
241       
242     ENDDO
243!    CALL iophys_ecrit_index('ztherm_ter', 1, 'ztherm_ter', 'USI', &
244!      knon, knindex, ztherm_i)
245  ELSE IF (indice == is_oce) THEN
246     DO ig = 1, knon
247!       This is just in case, but SST should be used by the model anyway
248        ztherm_i(ig)   = inertie_sic
249     ENDDO
250!    CALL iophys_ecrit_index('ztherm_oce', 1, 'ztherm_oce', 'USI', &
251!      knon, knindex, ztherm_i)
252  ELSE
253     WRITE(lunout,*) "valeur d indice non prevue", indice
254     call abort_physic("soil", "", 1)
255  ENDIF
256
257
258!-----------------------------------------------------------------------
259! 1)
260! Calculation of Cgrf and Dgrd coefficients using soil temperature from
261! previous time step.
262!
263! These variables are recalculated on the local compressed grid instead
264! of saved in restart file.
265!-----------------------------------------------------------------------
266  DO jk=1,nsoilmx
267     zdz2(jk)=dz2(jk)/ptimestep
268  ENDDO
269 
270  DO ig=1,knon
271     z1s = zdz2(nsoilmx)+dz1(nsoilmx-1)
272     C_coef(ig,nsoilmx-1,indice)= &
273          zdz2(nsoilmx)*ptsoil(ig,nsoilmx)/z1s
274     D_coef(ig,nsoilmx-1,indice)=dz1(nsoilmx-1)/z1s
275  ENDDO
276 
277  DO jk=nsoilmx-1,2,-1
278     DO ig=1,knon
279        z1s = 1./(zdz2(jk)+dz1(jk-1)+dz1(jk) &
280             *(1.-D_coef(ig,jk,indice)))
281        C_coef(ig,jk-1,indice)= &
282             (ptsoil(ig,jk)*zdz2(jk)+dz1(jk)*C_coef(ig,jk,indice)) * z1s
283        D_coef(ig,jk-1,indice)=dz1(jk-1)*z1s
284     ENDDO
285  ENDDO
286
287!-----------------------------------------------------------------------
288! 2)
289! Computation of the soil temperatures using the Cgrd and Dgrd
290! coefficient computed above
291!
292!-----------------------------------------------------------------------
293
294!    Surface temperature
295  DO ig=1,knon
296     ptsoil(ig,1)=(lambda*C_coef(ig,1,indice)+ptsrf(ig))/  &
297          (lambda*(1.-D_coef(ig,1,indice))+1.)
298  ENDDO
299 
300!   Other temperatures
301  DO jk=1,nsoilmx-1
302     DO ig=1,knon
303        ptsoil(ig,jk+1)=C_coef(ig,jk,indice)+D_coef(ig,jk,indice) &
304             *ptsoil(ig,jk)
305     ENDDO
306  ENDDO
307
308  IF (indice == is_sic) THEN
309     DO ig = 1 , knon
310        ptsoil(ig,nsoilmx) = RTT - 1.8
311     END DO
312  ENDIF
313
314!-----------------------------------------------------------------------
315! 3)
316! Calculate the Cgrd and Dgrd coefficient corresponding to actual soil
317! temperature
318!-----------------------------------------------------------------------
319  DO ig=1,knon
320     z1s = zdz2(nsoilmx)+dz1(nsoilmx-1)
321     C_coef(ig,nsoilmx-1,indice) = zdz2(nsoilmx)*ptsoil(ig,nsoilmx)/z1s
322     D_coef(ig,nsoilmx-1,indice) = dz1(nsoilmx-1)/z1s
323  ENDDO
324 
325  DO jk=nsoilmx-1,2,-1
326     DO ig=1,knon
327        z1s = 1./(zdz2(jk)+dz1(jk-1)+dz1(jk) &
328             *(1.-D_coef(ig,jk,indice)))
329        C_coef(ig,jk-1,indice) = &
330             (ptsoil(ig,jk)*zdz2(jk)+dz1(jk)*C_coef(ig,jk,indice)) * z1s
331        D_coef(ig,jk-1,indice) = dz1(jk-1)*z1s
332     ENDDO
333  ENDDO
334
335!-----------------------------------------------------------------------
336! 4)
337! Computation of the surface diffusive flux from ground and
338! calorific capacity of the ground
339!-----------------------------------------------------------------------
340  DO ig=1,knon
341     pfluxgrd(ig) = ztherm_i(ig)*dz1(1)* &
342          (C_coef(ig,1,indice)+(D_coef(ig,1,indice)-1.)*ptsoil(ig,1))
343     pcapcal(ig)  = ztherm_i(ig)* &
344          (dz2(1)+ptimestep*(1.-D_coef(ig,1,indice))*dz1(1))
345     z1s = lambda*(1.-D_coef(ig,1,indice))+1.
346     pcapcal(ig)  = pcapcal(ig)/z1s
347     pfluxgrd(ig) = pfluxgrd(ig) &
348          + pcapcal(ig) * (ptsoil(ig,1) * z1s &
349          - lambda * C_coef(ig,1,indice) &
350          - ptsrf(ig)) &
351          /ptimestep
352  ENDDO
353   
354END SUBROUTINE soil
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.