source: lmdz_wrf/WRFV3/phys/module_sf_sfclay.F @ 1

Last change on this file since 1 was 1, checked in by lfita, 10 years ago
  • -- --- Opening of the WRF+LMDZ coupling repository --- -- -

WRF: version v3.3
LMDZ: version v1818

More details in:

File size: 46.0 KB
Line 
1!WRF:MODEL_LAYER:PHYSICS
2!
3MODULE module_sf_sfclay
4
5 REAL    , PARAMETER ::  VCONVC=1.
6 REAL    , PARAMETER ::  CZO=0.0185
7 REAL    , PARAMETER ::  OZO=1.59E-5
8
9 REAL,   DIMENSION(0:1000 ),SAVE          :: PSIMTB,PSIHTB
10
11CONTAINS
12
13!-------------------------------------------------------------------
14   SUBROUTINE SFCLAY(U3D,V3D,T3D,QV3D,P3D,dz8w,                    &
15                     CP,G,ROVCP,R,XLV,PSFC,CHS,CHS2,CQS2,CPM,      &
16                     ZNT,UST,PBLH,MAVAIL,ZOL,MOL,REGIME,PSIM,PSIH, &
17                     XLAND,HFX,QFX,LH,TSK,FLHC,FLQC,QGH,QSFC,RMOL, &
18                     U10,V10,TH2,T2,Q2,                            &
19                     GZ1OZ0,WSPD,BR,ISFFLX,DX,                     &
20                     SVP1,SVP2,SVP3,SVPT0,EP1,EP2,                 &
21                     KARMAN,EOMEG,STBOLT,                          &
22                     P1000mb,                                      &
23                     ids,ide, jds,jde, kds,kde,                    &
24                     ims,ime, jms,jme, kms,kme,                    &
25                     its,ite, jts,jte, kts,kte,                    &
26                     ustm,ck,cka,cd,cda,isftcflx,iz0tlnd           )
27!-------------------------------------------------------------------
28      IMPLICIT NONE
29!-------------------------------------------------------------------
30!-- U3D         3D u-velocity interpolated to theta points (m/s)
31!-- V3D         3D v-velocity interpolated to theta points (m/s)
32!-- T3D         temperature (K)
33!-- QV3D        3D water vapor mixing ratio (Kg/Kg)
34!-- P3D         3D pressure (Pa)
35!-- dz8w        dz between full levels (m)
36!-- CP          heat capacity at constant pressure for dry air (J/kg/K)
37!-- G           acceleration due to gravity (m/s^2)
38!-- ROVCP       R/CP
39!-- R           gas constant for dry air (J/kg/K)
40!-- XLV         latent heat of vaporization for water (J/kg)
41!-- PSFC        surface pressure (Pa)
42!-- ZNT         roughness length (m)
43!-- UST         u* in similarity theory (m/s)
44!-- USTM        u* in similarity theory (m/s) without vconv correction
45!               used to couple with TKE scheme
46!-- PBLH        PBL height from previous time (m)
47!-- MAVAIL      surface moisture availability (between 0 and 1)
48!-- ZOL         z/L height over Monin-Obukhov length
49!-- MOL         T* (similarity theory) (K)
50!-- REGIME      flag indicating PBL regime (stable, unstable, etc.)
51!-- PSIM        similarity stability function for momentum
52!-- PSIH        similarity stability function for heat
53!-- XLAND       land mask (1 for land, 2 for water)
54!-- HFX         upward heat flux at the surface (W/m^2)
55!-- QFX         upward moisture flux at the surface (kg/m^2/s)
56!-- LH          net upward latent heat flux at surface (W/m^2)
57!-- TSK         surface temperature (K)
58!-- FLHC        exchange coefficient for heat (W/m^2/K)
59!-- FLQC        exchange coefficient for moisture (kg/m^2/s)
60!-- CHS         heat/moisture exchange coefficient for LSM (m/s)
61!-- QGH         lowest-level saturated mixing ratio
62!-- QSFC        ground saturated mixing ratio
63!-- U10         diagnostic 10m u wind
64!-- V10         diagnostic 10m v wind
65!-- TH2         diagnostic 2m theta (K)
66!-- T2          diagnostic 2m temperature (K)
67!-- Q2          diagnostic 2m mixing ratio (kg/kg)
68!-- GZ1OZ0      log(z/z0) where z0 is roughness length
69!-- WSPD        wind speed at lowest model level (m/s)
70!-- BR          bulk Richardson number in surface layer
71!-- ISFFLX      isfflx=1 for surface heat and moisture fluxes
72!-- DX          horizontal grid size (m)
73!-- SVP1        constant for saturation vapor pressure (kPa)
74!-- SVP2        constant for saturation vapor pressure (dimensionless)
75!-- SVP3        constant for saturation vapor pressure (K)
76!-- SVPT0       constant for saturation vapor pressure (K)
77!-- EP1         constant for virtual temperature (R_v/R_d - 1) (dimensionless)
78!-- EP2         constant for specific humidity calculation
79!               (R_d/R_v) (dimensionless)
80!-- KARMAN      Von Karman constant
81!-- EOMEG       angular velocity of earth's rotation (rad/s)
82!-- STBOLT      Stefan-Boltzmann constant (W/m^2/K^4)
83!-- ck          enthalpy exchange coeff at 10 meters
84!-- cd          momentum exchange coeff at 10 meters
85!-- cka         enthalpy exchange coeff at the lowest model level
86!-- cda         momentum exchange coeff at the lowest model level
87!-- isftcflx    =0, (Charnock and Carlson-Boland); =1, AHW Ck, Cd, =2 Garratt
88!-- iz0tlnd     =0 Carlson-Boland, =1 Czil_new
89!-- ids         start index for i in domain
90!-- ide         end index for i in domain
91!-- jds         start index for j in domain
92!-- jde         end index for j in domain
93!-- kds         start index for k in domain
94!-- kde         end index for k in domain
95!-- ims         start index for i in memory
96!-- ime         end index for i in memory
97!-- jms         start index for j in memory
98!-- jme         end index for j in memory
99!-- kms         start index for k in memory
100!-- kme         end index for k in memory
101!-- its         start index for i in tile
102!-- ite         end index for i in tile
103!-- jts         start index for j in tile
104!-- jte         end index for j in tile
105!-- kts         start index for k in tile
106!-- kte         end index for k in tile
107!-------------------------------------------------------------------
108      INTEGER,  INTENT(IN )   ::        ids,ide, jds,jde, kds,kde, &
109                                        ims,ime, jms,jme, kms,kme, &
110                                        its,ite, jts,jte, kts,kte
111!                                                               
112      INTEGER,  INTENT(IN )   ::        ISFFLX
113      REAL,     INTENT(IN )   ::        SVP1,SVP2,SVP3,SVPT0
114      REAL,     INTENT(IN )   ::        EP1,EP2,KARMAN,EOMEG,STBOLT
115      REAL,     INTENT(IN )   ::        P1000mb
116!
117      REAL,     DIMENSION( ims:ime, kms:kme, jms:jme )           , &
118                INTENT(IN   )   ::                           dz8w
119                                       
120      REAL,     DIMENSION( ims:ime, kms:kme, jms:jme )           , &
121                INTENT(IN   )   ::                           QV3D, &
122                                                              P3D, &
123                                                              T3D
124
125      REAL,     DIMENSION( ims:ime, jms:jme )                    , &
126                INTENT(IN   )               ::             MAVAIL, &
127                                                             PBLH, &
128                                                            XLAND, &
129                                                              TSK
130      REAL,     DIMENSION( ims:ime, jms:jme )                    , &
131                INTENT(OUT  )               ::                U10, &
132                                                              V10, &
133                                                              TH2, &
134                                                               T2, &
135                                                               Q2, &
136                                                             QSFC
137
138!
139      REAL,     DIMENSION( ims:ime, jms:jme )                    , &
140                INTENT(INOUT)               ::             REGIME, &
141                                                              HFX, &
142                                                              QFX, &
143                                                               LH, &
144                                                          MOL,RMOL
145!m the following 5 are change to memory size
146!
147      REAL,     DIMENSION( ims:ime, jms:jme )                    , &
148                INTENT(INOUT)   ::                 GZ1OZ0,WSPD,BR, &
149                                                        PSIM,PSIH
150
151      REAL,     DIMENSION( ims:ime, kms:kme, jms:jme )           , &
152                INTENT(IN   )   ::                            U3D, &
153                                                              V3D
154                                       
155      REAL,     DIMENSION( ims:ime, jms:jme )                    , &
156                INTENT(IN   )               ::               PSFC
157
158      REAL,     DIMENSION( ims:ime, jms:jme )                    , &
159                INTENT(INOUT)   ::                            ZNT, &
160                                                              ZOL, &
161                                                              UST, &
162                                                              CPM, &
163                                                             CHS2, &
164                                                             CQS2, &
165                                                              CHS
166
167      REAL,     DIMENSION( ims:ime, jms:jme )                    , &
168                INTENT(INOUT)   ::                      FLHC,FLQC
169
170      REAL,     DIMENSION( ims:ime, jms:jme )                    , &
171                INTENT(INOUT)   ::                                 &
172                                                              QGH
173
174
175                                   
176      REAL,     INTENT(IN   )               ::   CP,G,ROVCP,R,XLV,DX
177 
178      REAL, OPTIONAL, DIMENSION( ims:ime, jms:jme )              , &
179                INTENT(OUT)     ::              ck,cka,cd,cda,ustm
180
181      INTEGER,  OPTIONAL,  INTENT(IN )   ::     ISFTCFLX, IZ0TLND
182
183! LOCAL VARS
184
185      REAL,     DIMENSION( its:ite ) ::                       U1D, &
186                                                              V1D, &
187                                                             QV1D, &
188                                                              P1D, &
189                                                              T1D
190
191      REAL,     DIMENSION( its:ite ) ::                    dz8w1d
192
193      INTEGER ::  I,J
194
195      DO J=jts,jte
196        DO i=its,ite
197          dz8w1d(I) = dz8w(i,1,j)
198        ENDDO
199   
200        DO i=its,ite
201           U1D(i) =U3D(i,1,j)
202           V1D(i) =V3D(i,1,j)
203           QV1D(i)=QV3D(i,1,j)
204           P1D(i) =P3D(i,1,j)
205           T1D(i) =T3D(i,1,j)
206        ENDDO
207
208        !  Sending array starting locations of optional variables may cause
209        !  troubles, so we explicitly change the call.
210
211        CALL SFCLAY1D(J,U1D,V1D,T1D,QV1D,P1D,dz8w1d,               &
212                CP,G,ROVCP,R,XLV,PSFC(ims,j),CHS(ims,j),CHS2(ims,j),&
213                CQS2(ims,j),CPM(ims,j),PBLH(ims,j), RMOL(ims,j),   &
214                ZNT(ims,j),UST(ims,j),MAVAIL(ims,j),ZOL(ims,j),    &
215                MOL(ims,j),REGIME(ims,j),PSIM(ims,j),PSIH(ims,j),  &
216                XLAND(ims,j),HFX(ims,j),QFX(ims,j),TSK(ims,j),     &
217                U10(ims,j),V10(ims,j),TH2(ims,j),T2(ims,j),        &
218                Q2(ims,j),FLHC(ims,j),FLQC(ims,j),QGH(ims,j),      &
219                QSFC(ims,j),LH(ims,j),                             &
220                GZ1OZ0(ims,j),WSPD(ims,j),BR(ims,j),ISFFLX,DX,     &
221                SVP1,SVP2,SVP3,SVPT0,EP1,EP2,KARMAN,EOMEG,STBOLT,  &
222                P1000mb,                                           &
223                ids,ide, jds,jde, kds,kde,                         &
224                ims,ime, jms,jme, kms,kme,                         &
225                its,ite, jts,jte, kts,kte                          &
226#if ( EM_CORE == 1 )
227                ,isftcflx,iz0tlnd,                                 &
228                USTM(ims,j),CK(ims,j),CKA(ims,j),                  &
229                CD(ims,j),CDA(ims,j)                               &
230#endif
231                                                                   )
232      ENDDO
233
234
235   END SUBROUTINE SFCLAY
236
237
238!-------------------------------------------------------------------
239   SUBROUTINE SFCLAY1D(J,UX,VX,T1D,QV1D,P1D,dz8w1d,                &
240                     CP,G,ROVCP,R,XLV,PSFCPA,CHS,CHS2,CQS2,CPM,PBLH,RMOL, &
241                     ZNT,UST,MAVAIL,ZOL,MOL,REGIME,PSIM,PSIH,      &
242                     XLAND,HFX,QFX,TSK,                            &
243                     U10,V10,TH2,T2,Q2,FLHC,FLQC,QGH,              &
244                     QSFC,LH,GZ1OZ0,WSPD,BR,ISFFLX,DX,             &
245                     SVP1,SVP2,SVP3,SVPT0,EP1,EP2,                 &
246                     KARMAN,EOMEG,STBOLT,                          &
247                     P1000mb,                                      &
248                     ids,ide, jds,jde, kds,kde,                    &
249                     ims,ime, jms,jme, kms,kme,                    &
250                     its,ite, jts,jte, kts,kte,                    &
251                     isftcflx, iz0tlnd,                            &
252                     ustm,ck,cka,cd,cda                            )
253!-------------------------------------------------------------------
254      IMPLICIT NONE
255!-------------------------------------------------------------------
256      REAL,     PARAMETER     ::        XKA=2.4E-5
257      REAL,     PARAMETER     ::        PRT=1.
258
259      INTEGER,  INTENT(IN )   ::        ids,ide, jds,jde, kds,kde, &
260                                        ims,ime, jms,jme, kms,kme, &
261                                        its,ite, jts,jte, kts,kte, &
262                                        J
263!                                                               
264      INTEGER,  INTENT(IN )   ::        ISFFLX
265      REAL,     INTENT(IN )   ::        SVP1,SVP2,SVP3,SVPT0
266      REAL,     INTENT(IN )   ::        EP1,EP2,KARMAN,EOMEG,STBOLT
267      REAL,     INTENT(IN )   ::        P1000mb
268
269!
270      REAL,     DIMENSION( ims:ime )                             , &
271                INTENT(IN   )               ::             MAVAIL, &
272                                                             PBLH, &
273                                                            XLAND, &
274                                                              TSK
275!
276      REAL,     DIMENSION( ims:ime )                             , &
277                INTENT(IN   )               ::             PSFCPA
278
279      REAL,     DIMENSION( ims:ime )                             , &
280                INTENT(INOUT)               ::             REGIME, &
281                                                              HFX, &
282                                                              QFX, &
283                                                         MOL,RMOL
284!m the following 5 are changed to memory size---
285!
286      REAL,     DIMENSION( ims:ime )                             , &
287                INTENT(INOUT)   ::                 GZ1OZ0,WSPD,BR, &
288                                                        PSIM,PSIH
289
290      REAL,     DIMENSION( ims:ime )                             , &
291                INTENT(INOUT)   ::                            ZNT, &
292                                                              ZOL, &
293                                                              UST, &
294                                                              CPM, &
295                                                             CHS2, &
296                                                             CQS2, &
297                                                              CHS
298
299      REAL,     DIMENSION( ims:ime )                             , &
300                INTENT(INOUT)   ::                      FLHC,FLQC
301
302      REAL,     DIMENSION( ims:ime )                             , &
303                INTENT(INOUT)   ::                                 &
304                                                              QGH
305
306      REAL,     DIMENSION( ims:ime )                             , &
307                INTENT(OUT)     ::                        U10,V10, &
308                                                TH2,T2,Q2,QSFC,LH
309
310                                   
311      REAL,     INTENT(IN   )               ::   CP,G,ROVCP,R,XLV,DX
312
313! MODULE-LOCAL VARIABLES, DEFINED IN SUBROUTINE SFCLAY
314      REAL,     DIMENSION( its:ite ),  INTENT(IN   )   ::  dz8w1d
315
316      REAL,     DIMENSION( its:ite ),  INTENT(IN   )   ::      UX, &
317                                                               VX, &
318                                                             QV1D, &
319                                                              P1D, &
320                                                              T1D
321 
322      REAL, OPTIONAL, DIMENSION( ims:ime )                       , &
323                INTENT(OUT)     ::              ck,cka,cd,cda,ustm
324
325      INTEGER,  OPTIONAL,  INTENT(IN )   ::     ISFTCFLX, IZ0TLND
326
327! LOCAL VARS
328
329      REAL,     DIMENSION( its:ite )        ::                 ZA, &
330                                                        THVX,ZQKL, &
331                                                           ZQKLP1, &
332                                                           THX,QX, &
333                                                            PSIH2, &
334                                                            PSIM2, &
335                                                           PSIH10, &
336                                                           PSIM10, &
337                                                           DENOMQ, &
338                                                          DENOMQ2, &
339                                                          DENOMT2, &
340                                                            WSPDI, &
341                                                           GZ2OZ0, &
342                                                           GZ10OZ0
343!
344      REAL,     DIMENSION( its:ite )        ::                     &
345                                                      RHOX,GOVRTH, &
346                                                            TGDSA
347!
348      REAL,     DIMENSION( its:ite)         ::          SCR3,SCR4
349      REAL,     DIMENSION( its:ite )        ::         THGB, PSFC
350!
351      INTEGER                               ::                 KL
352
353      INTEGER ::  N,I,K,KK,L,NZOL,NK,NZOL2,NZOL10
354
355      REAL    ::  PL,THCON,TVCON,E1
356      REAL    ::  ZL,TSKV,DTHVDZ,DTHVM,VCONV,RZOL,RZOL2,RZOL10,ZOL2,ZOL10
357      REAL    ::  DTG,PSIX,DTTHX,PSIX10,PSIT,PSIT2,PSIQ,PSIQ2,PSIQ10
358      REAL    ::  FLUXC,VSGD,Z0Q,VISC,RESTAR,CZIL,RESTAR2
359!-------------------------------------------------------------------
360      KL=kte
361
362      DO i=its,ite
363! PSFC cb
364         PSFC(I)=PSFCPA(I)/1000.
365      ENDDO
366!                                                     
367!----CONVERT GROUND TEMPERATURE TO POTENTIAL TEMPERATURE: 
368!                                                           
369      DO 5 I=its,ite                                   
370        TGDSA(I)=TSK(I)                                   
371! PSFC cb
372!        THGB(I)=TSK(I)*(100./PSFC(I))**ROVCP               
373        THGB(I)=TSK(I)*(P1000mb/PSFCPA(I))**ROVCP   
374    5 CONTINUE                                               
375!                                                           
376!-----DECOUPLE FLUX-FORM VARIABLES TO GIVE U,V,T,THETA,THETA-VIR.,
377!     T-VIR., QV, AND QC AT CROSS POINTS AND AT KTAU-1. 
378!                                                                 
379!     *** NOTE ***                                           
380!         THE BOUNDARY WINDS MAY NOT BE ADEQUATELY AFFECTED BY FRICTION,         
381!         SO USE ONLY INTERIOR VALUES OF UX AND VX TO CALCULATE
382!         TENDENCIES.                             
383!                                                           
384   10 CONTINUE                                                     
385
386!     DO 24 I=its,ite
387!        UX(I)=U1D(I)
388!        VX(I)=V1D(I)
389!  24 CONTINUE                                             
390                                                             
391   26 CONTINUE                                               
392                                                   
393!.....SCR3(I,K) STORE TEMPERATURE,                           
394!     SCR4(I,K) STORE VIRTUAL TEMPERATURE.                                       
395                                                                                 
396      DO 30 I=its,ite
397! PL cb
398         PL=P1D(I)/1000.
399         SCR3(I)=T1D(I)                                                   
400!         THCON=(100./PL)**ROVCP                                                 
401         THCON=(P1000mb*0.001/PL)**ROVCP
402         THX(I)=SCR3(I)*THCON                                               
403         SCR4(I)=SCR3(I)                                                   
404         THVX(I)=THX(I)                                                     
405         QX(I)=0.                                                             
406   30 CONTINUE                                                                 
407!                                                                               
408      DO I=its,ite
409         QGH(I)=0.                                                               
410         FLHC(I)=0.                                                               
411         FLQC(I)=0.                                                               
412         CPM(I)=CP                                                               
413      ENDDO
414!                                                                               
415!     IF(IDRY.EQ.1)GOTO 80                                                   
416      DO 50 I=its,ite
417         QX(I)=QV1D(I)                                                   
418         TVCON=(1.+EP1*QX(I))                                     
419         THVX(I)=THX(I)*TVCON                                               
420         SCR4(I)=SCR3(I)*TVCON                                             
421   50 CONTINUE                                                                 
422!                                                                               
423      DO 60 I=its,ite
424        E1=SVP1*EXP(SVP2*(TGDSA(I)-SVPT0)/(TGDSA(I)-SVP3))                       
425!  for land points QSFC can come from previous time step
426        if(xland(i).gt.1.5.or.qsfc(i).le.0.0)QSFC(I)=EP2*E1/(PSFC(I)-E1)                                                 
427! QGH CHANGED TO USE LOWEST-LEVEL AIR TEMP CONSISTENT WITH MYJSFC CHANGE
428! Q2SAT = QGH IN LSM
429        E1=SVP1*EXP(SVP2*(T1D(I)-SVPT0)/(T1D(I)-SVP3))                       
430        PL=P1D(I)/1000.
431        QGH(I)=EP2*E1/(PL-E1)                                                 
432        CPM(I)=CP*(1.+0.8*QX(I))                                   
433   60 CONTINUE                                                                   
434   80 CONTINUE
435                                                                                 
436!-----COMPUTE THE HEIGHT OF FULL- AND HALF-SIGMA LEVELS ABOVE GROUND             
437!     LEVEL, AND THE LAYER THICKNESSES.                                         
438                                                                                 
439      DO 90 I=its,ite
440        ZQKLP1(I)=0.
441        RHOX(I)=PSFC(I)*1000./(R*SCR4(I))                                       
442   90 CONTINUE                                                                   
443!                                                                               
444      DO 110 I=its,ite                                                   
445           ZQKL(I)=dz8w1d(I)+ZQKLP1(I)
446  110 CONTINUE                                                                 
447!                                                                               
448      DO 120 I=its,ite
449         ZA(I)=0.5*(ZQKL(I)+ZQKLP1(I))                                       
450  120 CONTINUE                                                                 
451!                                                                               
452      DO 160 I=its,ite
453        GOVRTH(I)=G/THX(I)                                                   
454  160 CONTINUE                                                                   
455                                                                                 
456!-----CALCULATE BULK RICHARDSON NO. OF SURFACE LAYER, ACCORDING TO               
457!     AKB(1976), EQ(12).                                                         
458                   
459      DO 260 I=its,ite
460        GZ1OZ0(I)=ALOG(ZA(I)/ZNT(I))                                       
461        GZ2OZ0(I)=ALOG(2./ZNT(I))                                       
462        GZ10OZ0(I)=ALOG(10./ZNT(I))                                       
463        IF((XLAND(I)-1.5).GE.0)THEN                                           
464          ZL=ZNT(I)                                                           
465        ELSE                                                                     
466          ZL=0.01                                                               
467        ENDIF                                                                   
468        WSPD(I)=SQRT(UX(I)*UX(I)+VX(I)*VX(I))                       
469
470        TSKV=THGB(I)*(1.+EP1*QSFC(I))                     
471        DTHVDZ=(THVX(I)-TSKV)                                                 
472!  Convective velocity scale Vc and subgrid-scale velocity Vsg
473!  following Beljaars (1995, QJRMS) and Mahrt and Sun (1995, MWR)
474!                                ... HONG Aug. 2001
475!
476!       VCONV = 0.25*sqrt(g/tskv*pblh(i)*dthvm)
477!      Use Beljaars over land, old MM5 (Wyngaard) formula over water
478        if (xland(i).lt.1.5) then
479        fluxc = max(hfx(i)/rhox(i)/cp                    &
480              + ep1*tskv*qfx(i)/rhox(i),0.)
481        VCONV = vconvc*(g/tgdsa(i)*pblh(i)*fluxc)**.33
482        else
483        IF(-DTHVDZ.GE.0)THEN
484          DTHVM=-DTHVDZ
485        ELSE
486          DTHVM=0.
487        ENDIF
488        VCONV = 2.*SQRT(DTHVM)
489        endif
490! Mahrt and Sun low-res correction
491        VSGD = 0.32 * (max(dx/5000.-1.,0.))**.33
492        WSPD(I)=SQRT(WSPD(I)*WSPD(I)+VCONV*VCONV+vsgd*vsgd)
493        WSPD(I)=AMAX1(WSPD(I),0.1)
494        BR(I)=GOVRTH(I)*ZA(I)*DTHVDZ/(WSPD(I)*WSPD(I))                       
495!  IF PREVIOUSLY UNSTABLE, DO NOT LET INTO REGIMES 1 AND 2
496        IF(MOL(I).LT.0.)BR(I)=AMIN1(BR(I),0.0)
497!jdf
498        RMOL(I)=-GOVRTH(I)*DTHVDZ*ZA(I)*KARMAN
499!jdf
500
501  260 CONTINUE                                                                   
502
503!                                                                               
504!-----DIAGNOSE BASIC PARAMETERS FOR THE APPROPRIATED STABILITY CLASS:           
505!                                                                               
506!                                                                               
507!     THE STABILITY CLASSES ARE DETERMINED BY BR (BULK RICHARDSON NO.)           
508!     AND HOL (HEIGHT OF PBL/MONIN-OBUKHOV LENGTH).                             
509!                                                                               
510!     CRITERIA FOR THE CLASSES ARE AS FOLLOWS:                                   
511!                                                                               
512!        1. BR .GE. 0.2;                                                         
513!               REPRESENTS NIGHTTIME STABLE CONDITIONS (REGIME=1),               
514!                                                                               
515!        2. BR .LT. 0.2 .AND. BR .GT. 0.0;                                       
516!               REPRESENTS DAMPED MECHANICAL TURBULENT CONDITIONS               
517!               (REGIME=2),                                                     
518!                                                                               
519!        3. BR .EQ. 0.0                                                         
520!               REPRESENTS FORCED CONVECTION CONDITIONS (REGIME=3),             
521!                                                                               
522!        4. BR .LT. 0.0                                                         
523!               REPRESENTS FREE CONVECTION CONDITIONS (REGIME=4).               
524!                                                                               
525!CCCCC                                                                           
526
527      DO 320 I=its,ite
528!CCCCC                                                                           
529!CC     REMOVE REGIME 3 DEPENDENCE ON PBL HEIGHT                                 
530!CC          IF(BR(I).LT.0..AND.HOL(I,J).GT.1.5)GOTO 310                         
531        IF(BR(I).LT.0.)GOTO 310                                                 
532!                                                                               
533!-----CLASS 1; STABLE (NIGHTTIME) CONDITIONS:                                   
534!                                                                               
535        IF(BR(I).LT.0.2)GOTO 270                                                 
536        REGIME(I)=1.                                                           
537        PSIM(I)=-10.*GZ1OZ0(I)                                                   
538!    LOWER LIMIT ON PSI IN STABLE CONDITIONS                                     
539        PSIM(I)=AMAX1(PSIM(I),-10.)                                             
540        PSIH(I)=PSIM(I)                                                         
541        PSIM10(I)=10./ZA(I)*PSIM(I)
542        PSIM10(I)=AMAX1(PSIM10(I),-10.)                               
543        PSIH10(I)=PSIM10(I)                                         
544        PSIM2(I)=2./ZA(I)*PSIM(I)
545        PSIM2(I)=AMAX1(PSIM2(I),-10.)                             
546        PSIH2(I)=PSIM2(I)                                         
547
548!       1.0 over Monin-Obukhov length
549        IF(UST(I).LT.0.01)THEN
550           RMOL(I)=BR(I)*GZ1OZ0(I) !ZA/L
551        ELSE
552           RMOL(I)=KARMAN*GOVRTH(I)*ZA(I)*MOL(I)/(UST(I)*UST(I)) !ZA/L
553        ENDIF
554        RMOL(I)=AMIN1(RMOL(I),9.999) ! ZA/L
555        RMOL(I) = RMOL(I)/ZA(I) !1.0/L
556
557        GOTO 320                                                                 
558!                                                                               
559!-----CLASS 2; DAMPED MECHANICAL TURBULENCE:                                     
560!                                                                               
561  270   IF(BR(I).EQ.0.0)GOTO 280                                                 
562        REGIME(I)=2.                                                           
563        PSIM(I)=-5.0*BR(I)*GZ1OZ0(I)/(1.1-5.0*BR(I))                             
564!    LOWER LIMIT ON PSI IN STABLE CONDITIONS                                     
565        PSIM(I)=AMAX1(PSIM(I),-10.)                                             
566!.....AKB(1976), EQ(16).                                                         
567        PSIH(I)=PSIM(I)                                                         
568        PSIM10(I)=10./ZA(I)*PSIM(I)
569        PSIM10(I)=AMAX1(PSIM10(I),-10.)                               
570        PSIH10(I)=PSIM10(I)                                         
571        PSIM2(I)=2./ZA(I)*PSIM(I)
572        PSIM2(I)=AMAX1(PSIM2(I),-10.)                             
573        PSIH2(I)=PSIM2(I)                                         
574
575        ! Linear form: PSIM = -0.5*ZA/L; e.g, see eqn 16 of
576        ! Blackadar, Modeling the nocturnal boundary layer, Preprints,
577        ! Third Symposium on Atmospheric Turbulence Diffusion and Air Quality,
578        ! Raleigh, NC, 1976
579        ZOL(I) = BR(I)*GZ1OZ0(I)/(1.00001-5.0*BR(I))
580
581        if ( ZOL(I) .GT. 0.5 ) then ! linear form ok
582           ! Holtslag and de Bruin, J. App. Meteor 27, 689-704, 1988;
583           ! see also, Launiainen, Boundary-Layer Meteor 76,165-179, 1995
584           ! Eqn (8) of Launiainen, 1995
585           ZOL(I) = ( 1.89*GZ1OZ0(I) + 44.2 ) * BR(I)*BR(I)    &
586                + ( 1.18*GZ1OZ0(I) - 1.37 ) * BR(I)
587           ZOL(I)=AMIN1(ZOL(I),9.999)
588        end if
589
590        ! 1.0 over Monin-Obukhov length
591        RMOL(I)= ZOL(I)/ZA(I)
592
593        GOTO 320                                                                 
594!                                                                               
595!-----CLASS 3; FORCED CONVECTION:                                               
596!                                                                               
597  280   REGIME(I)=3.                                                           
598        PSIM(I)=0.0                                                             
599        PSIH(I)=PSIM(I)                                                         
600        PSIM10(I)=0.                                                   
601        PSIH10(I)=PSIM10(I)                                           
602        PSIM2(I)=0.                                                 
603        PSIH2(I)=PSIM2(I)                                           
604
605                                                                                 
606        IF(UST(I).LT.0.01)THEN                                                 
607          ZOL(I)=BR(I)*GZ1OZ0(I)                                               
608        ELSE                                                                     
609          ZOL(I)=KARMAN*GOVRTH(I)*ZA(I)*MOL(I)/(UST(I)*UST(I))
610        ENDIF                                                                   
611
612        RMOL(I) = ZOL(I)/ZA(I) 
613
614        GOTO 320                                                                 
615!                                                                               
616!-----CLASS 4; FREE CONVECTION:                                                 
617!                                                                               
618  310   CONTINUE                                                                 
619        REGIME(I)=4.                                                           
620        IF(UST(I).LT.0.01)THEN                                                 
621          ZOL(I)=BR(I)*GZ1OZ0(I)                                               
622        ELSE                                                                     
623          ZOL(I)=KARMAN*GOVRTH(I)*ZA(I)*MOL(I)/(UST(I)*UST(I))
624        ENDIF                                                                   
625        ZOL10=10./ZA(I)*ZOL(I)                                   
626        ZOL2=2./ZA(I)*ZOL(I)                                     
627        ZOL(I)=AMIN1(ZOL(I),0.)                                             
628        ZOL(I)=AMAX1(ZOL(I),-9.9999)                                         
629        ZOL10=AMIN1(ZOL10,0.)                                         
630        ZOL10=AMAX1(ZOL10,-9.9999)                                   
631        ZOL2=AMIN1(ZOL2,0.)                                         
632        ZOL2=AMAX1(ZOL2,-9.9999)                                   
633        NZOL=INT(-ZOL(I)*100.)                                                 
634        RZOL=-ZOL(I)*100.-NZOL                                                 
635        NZOL10=INT(-ZOL10*100.)                                       
636        RZOL10=-ZOL10*100.-NZOL10                                     
637        NZOL2=INT(-ZOL2*100.)                                       
638        RZOL2=-ZOL2*100.-NZOL2                                     
639        PSIM(I)=PSIMTB(NZOL)+RZOL*(PSIMTB(NZOL+1)-PSIMTB(NZOL))                 
640        PSIH(I)=PSIHTB(NZOL)+RZOL*(PSIHTB(NZOL+1)-PSIHTB(NZOL))                 
641        PSIM10(I)=PSIMTB(NZOL10)+RZOL10*(PSIMTB(NZOL10+1)-PSIMTB(NZOL10))                                                   
642        PSIH10(I)=PSIHTB(NZOL10)+RZOL10*(PSIHTB(NZOL10+1)-PSIHTB(NZOL10))
643        PSIM2(I)=PSIMTB(NZOL2)+RZOL2*(PSIMTB(NZOL2+1)-PSIMTB(NZOL2))   
644        PSIH2(I)=PSIHTB(NZOL2)+RZOL2*(PSIHTB(NZOL2+1)-PSIHTB(NZOL2))   
645
646!---LIMIT PSIH AND PSIM IN THE CASE OF THIN LAYERS AND HIGH ROUGHNESS           
647!---  THIS PREVENTS DENOMINATOR IN FLUXES FROM GETTING TOO SMALL                 
648!       PSIH(I)=AMIN1(PSIH(I),0.9*GZ1OZ0(I))                                     
649!       PSIM(I)=AMIN1(PSIM(I),0.9*GZ1OZ0(I))                                     
650        PSIH(I)=AMIN1(PSIH(I),0.9*GZ1OZ0(I))
651        PSIM(I)=AMIN1(PSIM(I),0.9*GZ1OZ0(I))
652        PSIH2(I)=AMIN1(PSIH2(I),0.9*GZ2OZ0(I))
653        PSIM10(I)=AMIN1(PSIM10(I),0.9*GZ10OZ0(I))
654! AHW: mods to compute ck, cd
655        PSIH10(I)=AMIN1(PSIH10(I),0.9*GZ10OZ0(I))
656
657        RMOL(I) = ZOL(I)/ZA(I) 
658
659  320 CONTINUE                                                                   
660!                                                                               
661!-----COMPUTE THE FRICTIONAL VELOCITY:                                           
662!     ZA(1982) EQS(2.60),(2.61).                                                 
663!                                                                               
664      DO 330 I=its,ite
665        DTG=THX(I)-THGB(I)                                                   
666        PSIX=GZ1OZ0(I)-PSIM(I)                                                   
667        PSIX10=GZ10OZ0(I)-PSIM10(I)
668!     LOWER LIMIT ADDED TO PREVENT LARGE FLHC IN SOIL MODEL
669!     ACTIVATES IN UNSTABLE CONDITIONS WITH THIN LAYERS OR HIGH Z0
670        PSIT=AMAX1(GZ1OZ0(I)-PSIH(I),2.)
671
672        IF((XLAND(I)-1.5).GE.0)THEN                                           
673          ZL=ZNT(I)                                                           
674        ELSE                                                                     
675          ZL=0.01                                                               
676        ENDIF                                                                   
677        PSIQ=ALOG(KARMAN*UST(I)*ZA(I)/XKA+ZA(I)/ZL)-PSIH(I)   
678        PSIT2=GZ2OZ0(I)-PSIH2(I)                                     
679        PSIQ2=ALOG(KARMAN*UST(I)*2./XKA+2./ZL)-PSIH2(I)                                   
680! AHW: mods to compute ck, cd
681        PSIQ10=ALOG(KARMAN*UST(I)*10./XKA+10./ZL)-PSIH10(I)
682        IF ( PRESENT(ISFTCFLX) ) THEN
683           IF ( ISFTCFLX.EQ.1 .AND. (XLAND(I)-1.5).GE.0. ) THEN
684! v3.1
685!             Z0Q = 1.e-4 + 1.e-3*(MAX(0.,UST(I)-1.))**2
686! hfip1
687!             Z0Q = 0.62*2.0E-5/UST(I) + 1.E-3*(MAX(0.,UST(I)-1.5))**2
688! v3.2
689              Z0Q = 1.e-4
690              PSIQ=ALOG(ZA(I)/Z0Q)-PSIH(I)
691              PSIT=PSIQ
692              PSIQ2=ALOG(2./Z0Q)-PSIH2(I)
693              PSIQ10=ALOG(10./Z0Q)-PSIH10(I)
694              PSIT2=PSIQ2
695           ENDIF
696           IF ( ISFTCFLX.EQ.2 .AND. (XLAND(I)-1.5).GE.0. ) THEN
697! AHW: Garratt formula: Calculate roughness Reynolds number
698!        Kinematic viscosity of air (linear approc to
699!                 temp dependence at sea levle)
700              VISC=(1.32+0.009*(SCR3(I)-273.15))*1.E-5
701!!            VISC=1.5E-5
702              RESTAR=UST(I)*ZNT(I)/VISC
703              RESTAR2=2.48*SQRT(SQRT(RESTAR))-2.
704              PSIT=GZ1OZ0(I)-PSIH(I)+RESTAR2
705              PSIQ=GZ1OZ0(I)-PSIH(I)+2.28*SQRT(SQRT(RESTAR))-2.
706              PSIT2=GZ2OZ0(I)-PSIH2(I)+RESTAR2
707              PSIQ2=GZ2OZ0(I)-PSIH2(I)+2.28*SQRT(SQRT(RESTAR))-2.
708              PSIQ10=GZ10OZ0(I)-PSIH(I)+2.28*SQRT(SQRT(RESTAR))-2.
709           ENDIF
710        ENDIF
711        IF(PRESENT(ck) .and. PRESENT(cd) .and. PRESENT(cka) .and. PRESENT(cda)) THEN
712           Ck(I)=(karman/psix10)*(karman/psiq10)
713           Cd(I)=(karman/psix10)*(karman/psix10)
714           Cka(I)=(karman/psix)*(karman/psiq)
715           Cda(I)=(karman/psix)*(karman/psix)
716        ENDIF
717        IF ( PRESENT(IZ0TLND) ) THEN
718           IF ( IZ0TLND.EQ.1 .AND. (XLAND(I)-1.5).LE.0. ) THEN
719              ZL=ZNT(I)
720!             CZIL RELATED CHANGES FOR LAND
721              VISC=(1.32+0.009*(SCR3(I)-273.15))*1.E-5
722              RESTAR=UST(I)*ZL/VISC
723!             Modify CZIL according to Chen & Zhang, 2009
724
725              CZIL = 10.0 ** ( -0.40 * ( ZL / 0.07 ) )
726
727              PSIT=GZ1OZ0(I)-PSIH(I)+CZIL*KARMAN*SQRT(RESTAR)
728              PSIQ=GZ1OZ0(I)-PSIH(I)+CZIL*KARMAN*SQRT(RESTAR)
729              PSIT2=GZ2OZ0(I)-PSIH2(I)+CZIL*KARMAN*SQRT(RESTAR)
730              PSIQ2=GZ2OZ0(I)-PSIH2(I)+CZIL*KARMAN*SQRT(RESTAR)
731
732           ENDIF
733        ENDIF
734! TO PREVENT OSCILLATIONS AVERAGE WITH OLD VALUE
735        UST(I)=0.5*UST(I)+0.5*KARMAN*WSPD(I)/PSIX                                             
736! TKE coupling: compute ust without vconv for use in tke scheme
737        WSPDI(I)=SQRT(UX(I)*UX(I)+VX(I)*VX(I))
738        IF ( PRESENT(USTM) ) THEN
739        USTM(I)=0.5*USTM(I)+0.5*KARMAN*WSPDI(I)/PSIX
740        ENDIF
741        U10(I)=UX(I)*PSIX10/PSIX                                   
742        V10(I)=VX(I)*PSIX10/PSIX                                   
743        TH2(I)=THGB(I)+DTG*PSIT2/PSIT                               
744        Q2(I)=QSFC(I)+(QX(I)-QSFC(I))*PSIQ2/PSIQ                   
745!        T2(I) = TH2(I)*(PSFC(I)/100.)**ROVCP                     
746        T2(I) = TH2(I)*(PSFCPA(I)/P1000mb)**ROVCP                     
747!       LATER Q2 WILL BE OVERWRITTEN FOR LAND POINTS IN SURFCE     
748!       QA2(I,J) = Q2(I)                                         
749!       UA10(I,J) = U10(I)                                     
750!       VA10(I,J) = V10(I)                                     
751!       write(*,1002)UST(I),KARMAN*WSPD(I),PSIX,KARMAN*WSPD(I)/PSIX
752!                                                                               
753        IF((XLAND(I)-1.5).LT.0.)THEN                                           
754          UST(I)=AMAX1(UST(I),0.1)
755        ENDIF                                                                   
756        MOL(I)=KARMAN*DTG/PSIT/PRT                             
757        DENOMQ(I)=PSIQ
758        DENOMQ2(I)=PSIQ2
759        DENOMT2(I)=PSIT2
760  330 CONTINUE                                                                   
761!                                                                               
762  335 CONTINUE                                                                   
763                                                                                 
764!-----COMPUTE THE SURFACE SENSIBLE AND LATENT HEAT FLUXES:                       
765                                                                                 
766      DO i=its,ite
767        QFX(i)=0.                                                             
768        HFX(i)=0.                                                             
769      ENDDO
770
771      IF (ISFFLX.EQ.0) GOTO 410                                               
772                                                                                 
773!-----OVER WATER, ALTER ROUGHNESS LENGTH (ZNT) ACCORDING TO WIND (UST).         
774                                                                                 
775      DO 360 I=its,ite
776        IF((XLAND(I)-1.5).GE.0)THEN                                           
777          ZNT(I)=CZO*UST(I)*UST(I)/G+OZO                                   
778! AHW: change roughness length, and hence the drag coefficients Ck and Cd
779          IF ( PRESENT(ISFTCFLX) ) THEN
780             IF ( ISFTCFLX.NE.0 ) THEN
781!               ZNT(I)=10.*exp(-9.*UST(I)**(-.3333))
782                ZNT(I)=10.*exp(-9.5*UST(I)**(-.3333))
783                ZNT(I)=ZNT(I) + 0.11*1.5E-5/AMAX1(UST(I),0.01)
784                ZNT(I)=MIN(ZNT(I),2.85e-3)
785                ZNT(I)=MAX(ZNT(I),1.27e-7)
786             ENDIF
787          ENDIF
788          ZL = ZNT(I)
789        ELSE
790          ZL = 0.01
791        ENDIF                                                                   
792        FLQC(I)=RHOX(I)*MAVAIL(I)*UST(I)*KARMAN/DENOMQ(I)
793!       FLQC(I)=RHOX(I)*MAVAIL(I)*UST(I)*KARMAN/(   &
794!               ALOG(KARMAN*UST(I)*ZA(I)/XKA+ZA(I)/ZL)-PSIH(I))
795        DTTHX=ABS(THX(I)-THGB(I))                                           
796        IF(DTTHX.GT.1.E-5)THEN                                                   
797          FLHC(I)=CPM(I)*RHOX(I)*UST(I)*MOL(I)/(THX(I)-THGB(I))         
798!         write(*,1001)FLHC(I),CPM(I),RHOX(I),UST(I),MOL(I),THX(I),THGB(I),I
799 1001   format(f8.5,2x,f12.7,2x,f12.10,2x,f12.10,2x,f13.10,2x,f12.8,f12.8,2x,i3)
800        ELSE                                                                     
801          FLHC(I)=0.                                                             
802        ENDIF                                                                   
803  360 CONTINUE                                                                   
804
805!                                                                               
806!-----COMPUTE SURFACE MOIST FLUX:                                               
807!                                                                               
808!     IF(IDRY.EQ.1)GOTO 390                                               
809!                                                                               
810      DO 370 I=its,ite
811        QFX(I)=FLQC(I)*(QSFC(I)-QX(I))                                     
812        QFX(I)=AMAX1(QFX(I),0.)                                           
813        LH(I)=XLV*QFX(I)
814  370 CONTINUE                                                                 
815                                                                               
816!-----COMPUTE SURFACE HEAT FLUX:                                                 
817!                                                                               
818  390 CONTINUE                                                                 
819      DO 400 I=its,ite
820        IF(XLAND(I)-1.5.GT.0.)THEN                                           
821          HFX(I)=FLHC(I)*(THGB(I)-THX(I))                               
822          IF ( PRESENT(ISFTCFLX) ) THEN
823             IF ( ISFTCFLX.NE.0 ) THEN
824! AHW: add dissipative heating term
825                HFX(I)=HFX(I)+RHOX(I)*USTM(I)*USTM(I)*WSPDI(I)
826             ENDIF
827          ENDIF
828        ELSEIF(XLAND(I)-1.5.LT.0.)THEN                                       
829          HFX(I)=FLHC(I)*(THGB(I)-THX(I))                               
830          HFX(I)=AMAX1(HFX(I),-250.)                                       
831        ENDIF                                                                 
832  400 CONTINUE                                                                 
833         
834      DO I=its,ite
835         IF((XLAND(I)-1.5).GE.0)THEN
836           ZL=ZNT(I)
837         ELSE
838           ZL=0.01
839         ENDIF
840         CHS(I)=UST(I)*KARMAN/DENOMQ(I)
841!        GZ2OZ0(I)=ALOG(2./ZNT(I))
842!        PSIM2(I)=-10.*GZ2OZ0(I)
843!        PSIM2(I)=AMAX1(PSIM2(I),-10.)
844!        PSIH2(I)=PSIM2(I)
845         CQS2(I)=UST(I)*KARMAN/DENOMQ2(I)
846         CHS2(I)=UST(I)*KARMAN/DENOMT2(I)
847      ENDDO
848                                                                       
849  410 CONTINUE                                                                   
850!jdf
851!     DO I=its,ite
852!       IF(UST(I).GE.0.1) THEN
853!         RMOL(I)=RMOL(I)*(-FLHC(I))/(UST(I)*UST(I)*UST(I))
854!       ELSE
855!         RMOL(I)=RMOL(I)*(-FLHC(I))/(0.1*0.1*0.1)
856!       ENDIF
857!     ENDDO
858!jdf
859
860!                                                                               
861   END SUBROUTINE SFCLAY1D
862
863!====================================================================
864   SUBROUTINE sfclayinit( allowed_to_read )         
865
866   LOGICAL , INTENT(IN)      ::      allowed_to_read
867   INTEGER                   ::      N
868   REAL                      ::      ZOLN,X,Y
869
870   DO N=0,1000
871      ZOLN=-FLOAT(N)*0.01
872      X=(1-16.*ZOLN)**0.25
873      PSIMTB(N)=2*ALOG(0.5*(1+X))+ALOG(0.5*(1+X*X))- &
874                2.*ATAN(X)+2.*ATAN(1.)
875      Y=(1-16*ZOLN)**0.5
876      PSIHTB(N)=2*ALOG(0.5*(1+Y))
877   ENDDO
878
879   END SUBROUTINE sfclayinit
880
881!-------------------------------------------------------------------         
882
883END MODULE module_sf_sfclay
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.