source: trunk/LMDZ.GENERIC/libf/phystd/turbdiff_mod.F90 @ 3469

Last change on this file since 3469 was 3236, checked in by gmilcareck, 10 months ago

Add virtual correction for convective adjustment and turbulent diffusion (turbdiff and vdifc) + correction of allocated tables in physiq_mod for varspec.

File size: 28.4 KB
Line 
1module turbdiff_mod
2     
3implicit none
4     
5contains
6     
7      subroutine turbdiff(ngrid,nlay,nq,rnat,          &
8          ptimestep,pcapcal,                    &   
9          pplay,pplev,pzlay,pzlev,pz0,                 &
10          pu,pv,pt,ppopsk,pq,ptsrf,pemis,pqsurf,       &
11          pdtfi,pdqfi,pfluxsrf,            &
12          Pdudif,pdvdif,pdtdif,pdtsrf,sensibFlux,pq2,  &
13          pdqdif,pdqevap,pdqsdif,flux_u,flux_v)
14
15      use watercommon_h, only : RLVTT, T_h2O_ice_liq, RCPD, mx_eau_sol,Psat_water, Lcpdqsat_water
16      use radcommon_h, only : sigma, glat
17      use surfdat_h, only: dryness
18      use tracer_h, only: igcm_h2o_vap, igcm_h2o_ice
19      use comcstfi_mod, only: rcp, g, r, cpp
20      use callkeys_mod, only: water,tracer,nosurf,kmixmin
21      use turb_mod, only : ustar
22#ifdef MESOSCALE
23      use comm_wrf, only : comm_LATENT_HF
24#endif
25      implicit none
26
27!==================================================================
28!     
29!     Purpose
30!     -------
31!     Turbulent diffusion (mixing) for pot. T, U, V and tracers
32!     
33!     Implicit scheme
34!     We start by adding to variables x the physical tendencies
35!     already computed. We resolve the equation:
36!
37!     x(t+1) =  x(t) + dt * (dx/dt)phys(t)  +  dt * (dx/dt)difv(t+1)
38!     
39!     Authors
40!     -------
41!     F. Hourdin, F. Forget, R. Fournier (199X)
42!     R. Wordsworth, B. Charnay (2010)
43!     J. Leconte (2012): To f90
44!         - Rewritten the diffusion scheme to conserve total enthalpy
45!               by accounting for dissipation of turbulent kinetic energy.
46!         - Accounting for lost mean flow kinetic energy should come soon.
47!     
48!==================================================================
49
50!-----------------------------------------------------------------------
51!     declarations
52!     ------------
53
54!     arguments
55!     ---------
56      INTEGER,INTENT(IN) :: ngrid
57      INTEGER,INTENT(IN) :: nlay
58      REAL,INTENT(IN) :: ptimestep
59      REAL,INTENT(IN) :: pplay(ngrid,nlay),pplev(ngrid,nlay+1)
60      REAL,INTENT(IN) :: pzlay(ngrid,nlay),pzlev(ngrid,nlay+1)
61      REAL,INTENT(IN) :: pu(ngrid,nlay),pv(ngrid,nlay)
62      REAL,INTENT(IN) :: pt(ngrid,nlay),ppopsk(ngrid,nlay)
63      REAL,INTENT(IN) :: ptsrf(ngrid) ! surface temperature (K)
64      REAL,INTENT(IN) :: pemis(ngrid)
65      REAL,INTENT(IN) :: pdtfi(ngrid,nlay)
66      REAL,INTENT(IN) :: pfluxsrf(ngrid)
67      REAL,INTENT(OUT) :: pdudif(ngrid,nlay),pdvdif(ngrid,nlay)
68      REAL,INTENT(OUT) :: pdtdif(ngrid,nlay)
69      REAL,INTENT(OUT) :: pdtsrf(ngrid) ! tendency (K/s) on surface temperature
70      REAL,INTENT(OUT) :: sensibFlux(ngrid)
71      REAL,INTENT(IN) :: pcapcal(ngrid)
72      REAL,INTENT(INOUT) :: pq2(ngrid,nlay+1)
73      REAL,INTENT(OUT) :: flux_u(ngrid),flux_v(ngrid)
74      REAL,INTENT(IN) :: rnat(ngrid)     
75
76      REAL,INTENT(IN) :: pz0
77
78!     Tracers
79!     --------
80      integer,intent(in) :: nq
81      real,intent(in) :: pqsurf(ngrid,nq)
82      real,intent(in) :: pq(ngrid,nlay,nq), pdqfi(ngrid,nlay,nq)
83      real,intent(out) :: pdqdif(ngrid,nlay,nq)
84      real,intent(out) :: pdqsdif(ngrid,nq)
85     
86!     local
87!     -----
88      integer ilev,ig,ilay,nlev
89
90      REAL z4st,zdplanck(ngrid)
91      REAL zkv(ngrid,nlay+1),zkh(ngrid,nlay+1)
92      REAL zcdv(ngrid),zcdh(ngrid)
93      REAL zcdv_true(ngrid),zcdh_true(ngrid)
94      REAL zu(ngrid,nlay),zv(ngrid,nlay)
95      REAL zh(ngrid,nlay),zt(ngrid,nlay)
96      REAL ztsrf(ngrid)
97      REAL z1(ngrid),z2(ngrid)
98      REAL zmass(ngrid,nlay)
99      REAL zfluxv(ngrid,nlay),zfluxt(ngrid,nlay),zfluxq(ngrid,nlay)
100      REAL zb0(ngrid,nlay)
101      REAL zExner(ngrid,nlay),zovExner(ngrid,nlay)
102      REAL zcv(ngrid,nlay),zdv(ngrid,nlay)  !inversion coefficient for winds
103      REAL zct(ngrid,nlay),zdt(ngrid,nlay)  !inversion coefficient for temperature
104      REAL zcq(ngrid,nlay),zdq(ngrid,nlay)  !inversion coefficient for tracers
105      REAL zcst1
106      REAL zu2!, a
107      REAL zcq0(ngrid),zdq0(ngrid)
108      REAL zx_alf1(ngrid),zx_alf2(ngrid)
109      ! 1D eddy diffusion coefficient
110      REAL kzz_eddy(nlay)
111      REAL pmin_kzz
112
113      LOGICAL,SAVE :: firstcall=.true.
114!$OMP THREADPRIVATE(firstcall)
115     
116!     Tracers
117!     -------
118      INTEGER iq
119      REAL zq(ngrid,nlay,nq)
120      REAL zqnoevap(ngrid,nlay) !special for water case to compute where evaporated water goes.
121      REAL pdqevap(ngrid,nlay) !special for water case to compute where evaporated water goes.
122      REAL zdmassevap(ngrid)
123      REAL rho(ngrid)         ! near-surface air density
124
125!     Variables added for implicit latent heat inclusion
126!     --------------------------------------------------
127      real dqsat(ngrid),psat_temp,qsat(ngrid),psat(ngrid)
128
129      integer, save :: ivap, iliq, iliq_surf,iice_surf ! also make liq for clarity on surface...
130!$OMP THREADPRIVATE(ivap,iliq,iliq_surf,iice_surf)
131
132      real, parameter :: karman=0.4
133      real cd0, roughratio
134
135      real dqsdif_total(ngrid)
136      real zq0(ngrid)
137
138
139!     Coherence test
140!     --------------
141
142      IF (firstcall) THEN
143
144         if(water)then
145             ivap=igcm_h2o_vap
146             iliq=igcm_h2o_ice
147             iliq_surf=igcm_h2o_vap
148             iice_surf=igcm_h2o_ice ! simply to make the code legible               
149                                  ! to be generalised
150         else
151             ivap=0
152             iliq=0
153             iliq_surf=0
154             iice_surf=0 ! simply to make the code legible                       
155         endif
156         sensibFlux(:)=0.
157
158         firstcall=.false.
159      ENDIF
160
161!-----------------------------------------------------------------------
162!     1. Initialisation
163!     -----------------
164
165      nlev=nlay+1
166
167!     Calculate rho*dz, (P/Ps)**(R/cp) and dt*rho/dz=dt*rho**2 g/dp
168!     with rho=p/RT=p/ (R Theta) (p/ps)**kappa
169!     ---------------------------------------------
170
171      DO ilay=1,nlay
172         DO ig=1,ngrid
173            zmass(ig,ilay)=(pplev(ig,ilay)-pplev(ig,ilay+1))/glat(ig)
174            zExner(ig,ilay)=(pplev(ig,ilay)/pplev(ig,1))**rcp
175            zovExner(ig,ilay)=1./ppopsk(ig,ilay)
176         ENDDO
177      ENDDO
178
179      zcst1=4.*g*ptimestep/(R*R)
180      DO ilev=2,nlev-1
181         DO ig=1,ngrid
182            zb0(ig,ilev)=pplev(ig,ilev)/(pt(ig,ilev-1)+pt(ig,ilev))
183            zb0(ig,ilev)=zcst1*zb0(ig,ilev)*zb0(ig,ilev)/(pplay(ig,ilev-1)-pplay(ig,ilev))
184         ENDDO
185      ENDDO
186      DO ig=1,ngrid
187         zb0(ig,1)=ptimestep*pplev(ig,1)/(R*ptsrf(ig))
188      ENDDO
189      dqsdif_total(:)=0.0
190
191!-----------------------------------------------------------------------
192!     2. Add the physical tendencies computed so far
193!     ----------------------------------------------
194
195      DO ilev=1,nlay
196         DO ig=1,ngrid
197            zu(ig,ilev)=pu(ig,ilev)
198            zv(ig,ilev)=pv(ig,ilev)
199            zt(ig,ilev)=pt(ig,ilev)+pdtfi(ig,ilev)*ptimestep
200            zh(ig,ilev)=pt(ig,ilev)*zovExner(ig,ilev) !for call vdif_kc, but could be moved and computed there
201        ENDDO
202      ENDDO
203      if(tracer) then
204         DO iq =1, nq
205            DO ilev=1,nlay
206               DO ig=1,ngrid
207                  zq(ig,ilev,iq)=pq(ig,ilev,iq) + pdqfi(ig,ilev,iq)*ptimestep
208               ENDDO
209            ENDDO
210         ENDDO
211         if (water) then
212            DO ilev=1,nlay
213               DO ig=1,ngrid
214                  zqnoevap(ig,ilev)=pq(ig,ilev,ivap) + pdqfi(ig,ilev,ivap)*ptimestep
215               ENDDO
216            ENDDO
217         Endif
218      end if
219
220!-----------------------------------------------------------------------
221!     3. Turbulence scheme
222!     --------------------
223!
224!     Source of turbulent kinetic energy at the surface
225!     -------------------------------------------------
226!     Formula is Cd_0 = (karman / log[1+z1/z0])^2
227
228      DO ig=1,ngrid
229         roughratio = 1. + pzlay(ig,1)/pz0
230         cd0 = karman/log(roughratio)
231         cd0 = cd0*cd0
232         zcdv_true(ig) = cd0
233         zcdh_true(ig) = cd0
234       if(nosurf)then
235         zcdv_true(ig)=0.D+0 !JL12 disable atm/surface momentum flux
236         zcdh_true(ig)=0.D+0 !JL12 disable sensible heat flux
237       endif
238      ENDDO
239
240      DO ig=1,ngrid
241         zu2=pu(ig,1)*pu(ig,1)+pv(ig,1)*pv(ig,1)
242         zcdv(ig)=zcdv_true(ig)*sqrt(zu2)
243         zcdh(ig)=zcdh_true(ig)*sqrt(zu2)
244      ENDDO
245
246!     Turbulent diffusion coefficients in the boundary layer
247!     ------------------------------------------------------
248
249      call vdif_kc(ngrid,nlay,nq,ptimestep,g,pzlev,pzlay,pu,pv,pq,zh,zcdv_true,pq2,zkv,zkh) !JL12 why not call vdif_kc with updated winds and temperature
250     
251!     Adding eddy mixing to mimic 3D general circulation in 1D
252!     R. Wordsworth & F. Forget (2010)
253      if ((ngrid.eq.1)) then
254         ! kmixmin minimum eddy mix coeff in 1D
255         ! set up in inifis_mod.F90 - default value 1.0e-2
256         do ilev=1,nlay
257
258!            Here to code your specific eddy mix coeff in 1D
259!            Earth example that can be uncommented below
260!            -------------------------------------------------
261!            *====== Earth kzz from Zahnle et al. 2006 ======*
262!            -------------------------------------------------
263!            if(pzlev(1,ilev).le.11.0e3) then
264!               kzz_eddy(ilev)=10.0
265!               pmin_kzz=pplev(1,ilev)*exp((pzlev(1,ilev)-11.0e3)*g/(r*zt(1,ilev)))
266!            else
267!               kzz_eddy(ilev)=0.1*(pplev(1,ilev)/pmin_kzz)**(-0.5)
268!               kzz_eddy(ilev)=min(kzz_eddy(ilev),100.0)
269!            endif
270!            do ig=1,ngrid
271!               zkh(ig,ilev) = max(kzz_eddy(ilev),zkh(ig,ilev))
272!               zkv(ig,ilev) = max(kzz_eddy(ilev),zkv(ig,ilev))
273!            end do
274
275            do ig=1,ngrid
276               zkh(ig,ilev) = max(kmixmin,zkh(ig,ilev))
277               zkv(ig,ilev) = max(kmixmin,zkv(ig,ilev))
278            end do
279         end do
280      end if
281
282!JL12 change zkv at the surface by zcdv to calculate the surface momentum flux properly
283      DO ig=1,ngrid
284         zkv(ig,1)=zcdv(ig)
285      ENDDO
286!we treat only winds, energy and tracers coefficients will be computed with upadted winds
287!JL12 calculate the flux coefficients (tables multiplied elements by elements)
288      zfluxv(1:ngrid,1:nlay)=zkv(1:ngrid,1:nlay)*zb0(1:ngrid,1:nlay)
289     
290!-----------------------------------------------------------------------
291!     4. Implicit inversion of u
292!     --------------------------
293
294!     u(t+1) =  u(t) + dt * {(du/dt)phys}(t)  +  dt * {(du/dt)difv}(t+1)
295!     avec
296!     /zu/ = u(t) + dt * {(du/dt)phys}(t)   (voir paragraphe 2.)
297!     et
298!     dt * {(du/dt)difv}(t+1) = dt * {(d/dz)[ Ku (du/dz) ]}(t+1)
299!     donc les entrees sont /zcdv/ pour la condition a la limite sol
300!     et /zkv/ = Ku
301
302      DO ig=1,ngrid
303         z1(ig)=1./(zmass(ig,nlay)+zfluxv(ig,nlay))
304         zcv(ig,nlay)=zmass(ig,nlay)*zu(ig,nlay)*z1(ig)
305         zdv(ig,nlay)=zfluxv(ig,nlay)*z1(ig)
306      ENDDO
307
308      DO ilay=nlay-1,1,-1
309         DO ig=1,ngrid
310            z1(ig)=1./(zmass(ig,ilay)+zfluxv(ig,ilay) + zfluxv(ig,ilay+1)*(1.-zdv(ig,ilay+1)))
311            zcv(ig,ilay)=(zmass(ig,ilay)*zu(ig,ilay)+zfluxv(ig,ilay+1)*zcv(ig,ilay+1))*z1(ig)
312            zdv(ig,ilay)=zfluxv(ig,ilay)*z1(ig)
313         ENDDO
314      ENDDO
315
316      DO ig=1,ngrid
317         zu(ig,1)=zcv(ig,1)
318      ENDDO
319      DO ilay=2,nlay
320         DO ig=1,ngrid
321            zu(ig,ilay)=zcv(ig,ilay)+zdv(ig,ilay)*zu(ig,ilay-1)
322         ENDDO
323      ENDDO
324
325!-----------------------------------------------------------------------
326!     5. Implicit inversion of v
327!     --------------------------
328
329!     v(t+1) =  v(t) + dt * {(dv/dt)phys}(t)  +  dt * {(dv/dt)difv}(t+1)
330!     avec
331!     /zv/ = v(t) + dt * {(dv/dt)phys}(t)   (voir paragraphe 2.)
332!     et
333!     dt * {(dv/dt)difv}(t+1) = dt * {(d/dz)[ Kv (dv/dz) ]}(t+1)
334!     donc les entrees sont /zcdv/ pour la condition a la limite sol
335!     et /zkv/ = Kv
336
337      DO ig=1,ngrid
338         z1(ig)=1./(zmass(ig,nlay)+zfluxv(ig,nlay))
339         zcv(ig,nlay)=zmass(ig,nlay)*zv(ig,nlay)*z1(ig)
340         zdv(ig,nlay)=zfluxv(ig,nlay)*z1(ig)
341      ENDDO
342
343      DO ilay=nlay-1,1,-1
344         DO ig=1,ngrid
345            z1(ig)=1./(zmass(ig,ilay)+zfluxv(ig,ilay)+zfluxv(ig,ilay+1)*(1.-zdv(ig,ilay+1)))
346            zcv(ig,ilay)=(zmass(ig,ilay)*zv(ig,ilay)+zfluxv(ig,ilay+1)*zcv(ig,ilay+1))*z1(ig)
347            zdv(ig,ilay)=zfluxv(ig,ilay)*z1(ig)
348         ENDDO
349      ENDDO
350
351      DO ig=1,ngrid
352         zv(ig,1)=zcv(ig,1)
353      ENDDO
354      DO ilay=2,nlay
355         DO ig=1,ngrid
356            zv(ig,ilay)=zcv(ig,ilay)+zdv(ig,ilay)*zv(ig,ilay-1)
357         ENDDO
358      ENDDO
359
360!     Calcul of wind stress
361
362      DO ig=1,ngrid
363         flux_u(ig) = zfluxv(ig,1)/ptimestep*zu(ig,1)
364         flux_v(ig) = zfluxv(ig,1)/ptimestep*zv(ig,1)
365      ENDDO
366
367
368!----------------------------------------------------------------------------
369!     6. Implicit inversion of h, not forgetting the coupling with the ground
370
371!     h(t+1) =  h(t) + dt * {(dh/dt)phys}(t)  +  dt * {(dh/dt)difv}(t+1)
372!     avec
373!     /zh/ = h(t) + dt * {(dh/dt)phys}(t)   (voir paragraphe 2.)
374!     et
375!     dt * {(dh/dt)difv}(t+1) = dt * {(d/dz)[ Kh (dh/dz) ]}(t+1)
376!     donc les entrees sont /zcdh/ pour la condition de raccord au sol
377!     et /zkh/ = Kh
378
379!     Using the wind modified by friction for lifting and sublimation
380!     ---------------------------------------------------------------
381      DO ig=1,ngrid
382         zu2      = zu(ig,1)*zu(ig,1)+zv(ig,1)*zv(ig,1)
383         zcdv(ig) = zcdv_true(ig)*sqrt(zu2)
384         zcdh(ig) = zcdh_true(ig)*sqrt(zu2)
385         zkh(ig,1)= zcdh(ig)
386         ustar(ig)=sqrt(zcdv_true(ig))*sqrt(zu2)
387      ENDDO
388
389
390!     JL12 calculate the flux coefficients (tables multiplied elements by elements)
391!     ---------------------------------------------------------------
392      zfluxq(1:ngrid,1:nlay)=zkh(1:ngrid,1:nlay)*zb0(1:ngrid,1:nlay) !JL12 we save zfluxq which doesn't need the Exner factor
393      zfluxt(1:ngrid,1:nlay)=zfluxq(1:ngrid,1:nlay)*zExner(1:ngrid,1:nlay)
394
395      DO ig=1,ngrid
396         z1(ig)=1./(zmass(ig,nlay)+zfluxt(ig,nlay)*zovExner(ig,nlay))
397         zct(ig,nlay)=zmass(ig,nlay)*zt(ig,nlay)*z1(ig)
398         zdt(ig,nlay)=zfluxt(ig,nlay)*zovExner(ig,nlay-1)*z1(ig)
399      ENDDO
400
401      DO ilay=nlay-1,2,-1
402         DO ig=1,ngrid
403            z1(ig)=1./(zmass(ig,ilay)+zfluxt(ig,ilay)*zovExner(ig,ilay)+   &
404            zfluxt(ig,ilay+1)*(zovExner(ig,ilay)-zdt(ig,ilay+1)*zovExner(ig,ilay+1)))
405            zct(ig,ilay)=(zmass(ig,ilay)*zt(ig,ilay)+zfluxt(ig,ilay+1)*zct(ig,ilay+1)*zovExner(ig,ilay+1))*z1(ig)
406            zdt(ig,ilay)=zfluxt(ig,ilay)*z1(ig)*zovExner(ig,ilay-1)
407         ENDDO
408      ENDDO
409
410!JL12 we treat last point afterward because zovExner(ig,ilay-1) does not exist there
411      DO ig=1,ngrid
412         z1(ig)=1./(zmass(ig,1)+zfluxt(ig,1)*zovExner(ig,1)+  &
413             zfluxt(ig,2)*(zovExner(ig,1)-zdt(ig,2)*zovExner(ig,2)))
414         zct(ig,1)=(zmass(ig,1)*zt(ig,1)+zfluxt(ig,2)*zct(ig,2)*zovExner(ig,2))*z1(ig)
415         zdt(ig,1)=zfluxt(ig,1)*z1(ig)
416      ENDDO
417
418
419!     Calculate (d Planck / dT) at the interface temperature
420!     ------------------------------------------------------
421
422      z4st=4.0*sigma*ptimestep
423      DO ig=1,ngrid
424         zdplanck(ig)=z4st*pemis(ig)*ptsrf(ig)*ptsrf(ig)*ptsrf(ig)
425      ENDDO
426
427!     Calculate temperature tendency at the interface (dry case)
428!     ----------------------------------------------------------
429!     Sum of fluxes at interface at time t + \delta t gives change in T:
430!       radiative fluxes
431!       turbulent convective (sensible) heat flux
432!       flux (if any) from subsurface
433
434      if(.not.water) then
435
436         DO ig=1,ngrid
437            z1(ig)=pcapcal(ig)*ptsrf(ig)+cpp*zfluxt(ig,1)*zct(ig,1)*zovExner(ig,1) &
438                + pfluxsrf(ig)*ptimestep + zdplanck(ig)*ptsrf(ig)
439            z2(ig) = pcapcal(ig)+zdplanck(ig)+cpp*zfluxt(ig,1)*(1.-zovExner(ig,1)*zdt(ig,1))
440            ztsrf(ig) = z1(ig) / z2(ig)
441            pdtsrf(ig) = (ztsrf(ig) - ptsrf(ig))/ptimestep
442            zt(ig,1)   = zct(ig,1) + zdt(ig,1)*ztsrf(ig)
443         ENDDO
444! JL12 note that the black body radiative flux emitted by the surface has been updated by the implicit scheme
445
446
447!     Recalculate temperature to top of atmosphere, starting from ground
448!     ------------------------------------------------------------------
449
450         DO ilay=2,nlay
451            DO ig=1,ngrid
452               zt(ig,ilay)=zct(ig,ilay)+zdt(ig,ilay)*zt(ig,ilay-1)
453            ENDDO
454         ENDDO
455
456      endif                     ! not water
457
458!-----------------------------------------------------------------------
459!     TRACERS (no vapour)
460!     -------
461
462      if(tracer) then
463
464!     Calculate vertical flux from the bottom to the first layer (dust)
465!     -----------------------------------------------------------------
466         do ig=1,ngrid
467            rho(ig) = zb0(ig,1) /ptimestep
468         end do
469
470         pdqsdif(:,:)=0.
471
472!     Implicit inversion of q
473!     -----------------------
474         do iq=1,nq
475
476            if (iq.ne.ivap) then
477
478               DO ig=1,ngrid
479                  z1(ig)=1./(zmass(ig,nlay)+zfluxq(ig,nlay))
480                  zcq(ig,nlay)=zmass(ig,nlay)*zq(ig,nlay,iq)*z1(ig)
481                  zdq(ig,nlay)=zfluxq(ig,nlay)*z1(ig)
482               ENDDO
483           
484               DO ilay=nlay-1,2,-1
485                  DO ig=1,ngrid
486                     z1(ig)=1./(zmass(ig,ilay)+zfluxq(ig,ilay)+zfluxq(ig,ilay+1)*(1.-zdq(ig,ilay+1)))
487                     zcq(ig,ilay)=(zmass(ig,ilay)*zq(ig,ilay,iq)+zfluxq(ig,ilay+1)*zcq(ig,ilay+1))*z1(ig)
488                     zdq(ig,ilay)=zfluxq(ig,ilay)*z1(ig)
489                  ENDDO
490               ENDDO
491
492               if ((water).and.(iq.eq.iliq)) then
493                  ! special case for condensed water tracer: do not include
494                  ! h2o ice tracer from surface (which is set when handling
495                  ! h2o vapour case (see further down).
496                  ! zb(ig,1)=0 if iq ne ivap
497                  DO ig=1,ngrid
498                     z1(ig)=1./(zmass(ig,1)+zfluxq(ig,2)*(1.-zdq(ig,2)))
499                     zcq(ig,1)=(zmass(ig,1)*zq(ig,1,iq)+zfluxq(ig,2)*zcq(ig,2))*z1(ig)
500                  ENDDO
501               else             ! general case
502                  do ig=1,ngrid
503                     z1(ig)=1./(zmass(ig,1)+zfluxq(ig,2)*(1.-zdq(ig,2)))
504                     zcq(ig,1)=(zmass(ig,1)*zq(ig,1,iq)+zfluxq(ig,2)*zcq(ig,2)+(-pdqsdif(ig,iq))*ptimestep)*z1(ig)
505                          ! tracer flux from surface
506                          ! currently pdqsdif always zero here,
507                          ! so last line is superfluous
508                  enddo
509               endif            ! of if (water.and.(iq.eq.igcm_h2o_ice))
510
511
512!     Starting upward calculations for simple tracer mixing (e.g., dust)
513               do ig=1,ngrid
514                  zq(ig,1,iq)=zcq(ig,1)
515               end do
516
517               do ilay=2,nlay
518                  do ig=1,ngrid
519                     zq(ig,ilay,iq)=zcq(ig,ilay)+zdq(ig,ilay)*zq(ig,ilay-1,iq)
520                  end do
521               end do
522
523            endif               ! if (iq.ne.ivap)
524
525!     Calculate temperature tendency including latent heat term
526!     and assuming an infinite source of water on the ground
527!     ------------------------------------------------------------------
528
529            if (water.and.(iq.eq.ivap)) then
530           
531               ! compute evaporation efficiency
532               do ig=1,ngrid
533                  if(nint(rnat(ig)).eq.1)then
534                     dryness(ig)=pqsurf(ig,iliq_surf)+pqsurf(ig,iice_surf)
535                     dryness(ig)=MIN(1.,2*dryness(ig)/mx_eau_sol)
536                     dryness(ig)=MAX(0.,dryness(ig))
537                  endif
538               enddo
539
540               do ig=1,ngrid
541                ! Calculate the value of qsat at the surface (water)
542                call Psat_water(ptsrf(ig),pplev(ig,1),psat(ig),qsat(ig))
543                call Lcpdqsat_water(ptsrf(ig),pplev(ig,1),psat(ig),qsat(ig),dqsat(ig),psat_temp)
544                dqsat(ig)=dqsat(ig)*RCPD/RLVTT
545               enddo
546
547! coefficients for q
548
549               do ig=1,ngrid
550                  z1(ig)=1./(zmass(ig,nlay)+zfluxq(ig,nlay))
551                  zcq(ig,nlay)=zmass(ig,nlay)*zq(ig,nlay,iq)*z1(ig)
552                  zdq(ig,nlay)=zfluxq(ig,nlay)*z1(ig)
553               enddo
554         
555               do ilay=nlay-1,2,-1
556                  do ig=1,ngrid
557                     z1(ig)=1./(zmass(ig,ilay)+zfluxq(ig,ilay)+zfluxq(ig,ilay+1)*(1.-zdq(ig,ilay+1)))
558                     zcq(ig,ilay)=(zmass(ig,ilay)*zq(ig,ilay,iq)+zfluxq(ig,ilay+1)*zcq(ig,ilay+1))*z1(ig)
559                     zdq(ig,ilay)=zfluxq(ig,ilay)*z1(ig)
560                  enddo
561               enddo
562
563               do ig=1,ngrid
564                  z1(ig)=1./(zmass(ig,1)+zfluxq(ig,1)*dryness(ig)+zfluxq(ig,2)*(1.-zdq(ig,2)))
565                  zcq(ig,1)=(zmass(ig,1)*zq(ig,1,iq)+zfluxq(ig,2)*zcq(ig,2))*z1(ig)
566                  zdq(ig,1)=dryness(ig)*zfluxq(ig,1)*z1(ig)
567               enddo
568
569              do ig=1,ngrid
570!calculation of surface temperature
571                  zdq0(ig) = dqsat(ig)
572                  zcq0(ig) = qsat(ig)-dqsat(ig)*ptsrf(ig)
573
574                  z1(ig) = pcapcal(ig)*ptsrf(ig) +cpp*zfluxt(ig,1)*zct(ig,1)*zovExner(ig,1)   &
575                      + zdplanck(ig)*ptsrf(ig) + pfluxsrf(ig)*ptimestep                       &
576                      + zfluxq(ig,1)*dryness(ig)*RLVTT*((zdq(ig,1)-1.0)*zcq0(ig)+zcq(ig,1))
577
578                  z2(ig) = pcapcal(ig) + cpp*zfluxt(ig,1)*(1.-zovExner(ig,1)*zdt(ig,1))       &
579                      + zdplanck(ig)+zfluxq(ig,1)*dryness(ig)*RLVTT*zdq0(ig)*(1.0-zdq(ig,1))
580
581                  ztsrf(ig) = z1(ig) / z2(ig)
582
583! calculation of qs and q1
584                  zq0(ig)     = zcq0(ig)+zdq0(ig)*ztsrf(ig)
585                  zq(ig,1,iq) = zcq(ig,1)+zdq(ig,1)*zq0(ig)
586
587! calculation of evaporation             
588                  dqsdif_total(ig)=zfluxq(ig,1)*dryness(ig)*(zq(ig,1,ivap)-zq0(ig))
589
590!     --------------------------------------------------------
591!     Now check if we've taken too much water from the surface
592!     This can only occur on the continent
593!     If we do, we recompute Tsurf, T1 and q1 accordingly
594                  if((-dqsdif_total(ig).gt.(pqsurf(ig,iice_surf)+pqsurf(ig,iliq_surf))).and.rnat(ig).eq.1)then
595                      !water flux * ptimestep
596                      dqsdif_total(ig)=-(pqsurf(ig,iice_surf)+pqsurf(ig,iliq_surf))
597
598                      !recompute surface temperature 
599                      z1(ig) = pcapcal(ig)*ptsrf(ig) +cpp*zfluxq(ig,1)*zct(ig,1)*zovExner(ig,1)   &
600                        + zdplanck(ig)*ptsrf(ig) + pfluxsrf(ig)*ptimestep                       &
601                        + RLVTT*dqsdif_total(ig)
602                      z2(ig) = pcapcal(ig) + cpp*zfluxq(ig,1)*(1.-zovExner(ig,1)*zdt(ig,1))       &
603                        + zdplanck(ig)
604                      ztsrf(ig) = z1(ig) / z2(ig)
605
606                      !recompute q1 with new water flux from surface 
607                      zq(ig,1,iq) = (zmass(ig,1)*(pq(ig,1,iq)+ptimestep*pdqfi(ig,1,iq))  &
608                                            +zfluxq(ig,2)*zcq(ig,2)-dqsdif_total(ig))     &
609                                 / (zmass(ig,1)+(1.-zdq(ig,2))*zfluxq(ig,2))                 
610                  end if
611                 
612! calculation surface T tendency  and T(1)           
613                  pdtsrf(ig) = (ztsrf(ig) - ptsrf(ig))/ptimestep
614                  zt(ig,1)   = zct(ig,1) + zdt(ig,1)*ztsrf(ig)               
615               enddo
616
617
618! recalculate temperature and q(vap) to top of atmosphere, starting from ground
619               do ilay=2,nlay
620                  do ig=1,ngrid
621                     zq(ig,ilay,iq)=zcq(ig,ilay)+zdq(ig,ilay)*zq(ig,ilay-1,iq)
622                     zt(ig,ilay)=zct(ig,ilay)+zdt(ig,ilay)*zt(ig,ilay-1)
623                  end do
624               end do
625
626
627               do ig=1,ngrid
628!     --------------------------------------------------------------------------
629!     On the ocean, if T > 0 C then the vapour tendency must replace the ice one
630!     The surface vapour tracer is actually liquid. To make things difficult.
631
632                  if (nint(rnat(ig)).eq.0) then ! unfrozen ocean
633                     
634                     pdqsdif(ig,iliq_surf)=dqsdif_total(ig)/ptimestep
635                     pdqsdif(ig,iice_surf)=0.0
636
637                  elseif (nint(rnat(ig)).eq.1) then ! (continent)
638!     If water is evaporating / subliming, we take it from ice before liquid
639!     -- is this valid??
640                     if(dqsdif_total(ig).lt.0)then
641                        if (-dqsdif_total(ig).gt.pqsurf(ig,iice_surf))then
642                           pdqsdif(ig,iice_surf) = -pqsurf(ig,iice_surf)/ptimestep ! removes all the ice!
643                           pdqsdif(ig,iliq_surf) = dqsdif_total(ig)/ptimestep- pdqsdif(ig,iice_surf) ! take the remainder from the liquid instead
644                        else               
645                           pdqsdif(ig,iice_surf)=dqsdif_total(ig)/ptimestep
646                           pdqsdif(ig,iliq_surf)=0.
647                        end if
648                     else !dqsdif_total(ig).ge.0
649                        !If water vapour is condensing, we must decide whether it forms ice or liquid.
650                        if(ztsrf(ig).gt.T_h2O_ice_liq)then
651                           pdqsdif(ig,iice_surf)=0.0
652                           pdqsdif(ig,iliq_surf)=dqsdif_total(ig)/ptimestep
653                        else
654                           pdqsdif(ig,iice_surf)=dqsdif_total(ig)/ptimestep
655                           pdqsdif(ig,iliq_surf)=0.0
656                        endif               
657                     endif
658
659                  elseif (nint(rnat(ig)).eq.2) then ! (continental glaciers)
660                     pdqsdif(ig,iliq_surf)=0.0
661                     pdqsdif(ig,iice_surf)=dqsdif_total(ig)/ptimestep
662
663                  endif !rnat
664               end do            ! of DO ig=1,ngrid
665
666           endif                ! if (water et iq=ivap)
667        end do                  ! of do iq=1,nq
668
669        if (water) then  ! special case where we recompute water mixing without any evaporation.
670                         !    The difference with the first calculation then tells us where evaporated water has gone
671
672            DO ig=1,ngrid
673               z1(ig)=1./(zmass(ig,nlay)+zfluxq(ig,nlay))
674               zcq(ig,nlay)=zmass(ig,nlay)*zqnoevap(ig,nlay)*z1(ig)
675               zdq(ig,nlay)=zfluxq(ig,nlay)*z1(ig)
676            ENDDO
677           
678            DO ilay=nlay-1,2,-1
679               DO ig=1,ngrid
680                  z1(ig)=1./(zmass(ig,ilay)+zfluxq(ig,ilay)+zfluxq(ig,ilay+1)*(1.-zdq(ig,ilay+1)))
681                  zcq(ig,ilay)=(zmass(ig,ilay)*zqnoevap(ig,ilay)+zfluxq(ig,ilay+1)*zcq(ig,ilay+1))*z1(ig)
682                  zdq(ig,ilay)=zfluxq(ig,ilay)*z1(ig)
683               ENDDO
684            ENDDO
685
686            do ig=1,ngrid
687               z1(ig)=1./(zmass(ig,1)+zfluxq(ig,2)*(1.-zdq(ig,2)))
688               zcq(ig,1)=(zmass(ig,1)*zqnoevap(ig,1)+zfluxq(ig,2)*zcq(ig,2))*z1(ig)
689            enddo
690
691!     Starting upward calculations for simple tracer mixing (e.g., dust)
692            do ig=1,ngrid
693               zqnoevap(ig,1)=zcq(ig,1)
694            end do
695
696            do ilay=2,nlay
697               do ig=1,ngrid
698                  zqnoevap(ig,ilay)=zcq(ig,ilay)+zdq(ig,ilay)*zqnoevap(ig,ilay-1)
699               end do
700            end do
701
702         endif               ! if water
703       
704       
705      endif                     ! tracer
706
707
708!-----------------------------------------------------------------------
709!     8. Final calculation of the vertical diffusion tendencies
710!     -----------------------------------------------------------------
711
712      do ilev = 1, nlay
713         do ig=1,ngrid
714            pdudif(ig,ilev)=(zu(ig,ilev)-(pu(ig,ilev)))/ptimestep
715            pdvdif(ig,ilev)=(zv(ig,ilev)-(pv(ig,ilev)))/ptimestep
716            pdtdif(ig,ilev)=( zt(ig,ilev)- pt(ig,ilev))/ptimestep-pdtfi(ig,ilev)
717         enddo
718      enddo
719     
720      DO ig=1,ngrid ! computing sensible heat flux (atm => surface)
721         sensibFlux(ig)=cpp*zfluxt(ig,1)/ptimestep*(zt(ig,1)*zovExner(ig,1)-ztsrf(ig))
722      ENDDO
723
724      if (tracer) then
725         do iq = 1, nq
726            do ilev = 1, nlay
727               do ig=1,ngrid
728                  pdqdif(ig,ilev,iq)=(zq(ig,ilev,iq)-(pq(ig,ilev,iq)+pdqfi(ig,ilev,iq)*ptimestep))/ptimestep
729               enddo
730            enddo
731         enddo
732         if (water) then
733            do ilev = 1, nlay
734               do ig=1,ngrid
735                  pdqevap(ig,ilev)=(zq(ig,ilev,ivap)-zqnoevap(ig,ilev))/ptimestep
736               enddo
737            enddo
738            do ig=1,ngrid
739               zdmassevap(ig)=SUM(pdqevap(ig,:)*zmass(ig,:))*ptimestep
740            end do         
741         endif
742      endif
743
744      if(water)then
745#ifndef MESOSCALE
746         call writediagfi(ngrid,'beta','Dryness coefficient',' ',2,dryness)
747#endif
748         if (tracer) then
749#ifndef MESOSCALE
750            call writediagfi(ngrid,'evap_surf_flux','surface latent heat flux','W.m-2',2,RLVTT*dqsdif_total/ptimestep)
751            call writediagfi(ngrid,'fluxsurf_rad','total IR and VIS surface flux','W.m-2',2,pfluxsrf)
752            call writediagfi(ngrid,'dqevap','evaporated water vapor specific concentration','s-1',3,pdqevap)
753#else
754            comm_LATENT_HF(:)=0.0
755            comm_LATENT_HF(1:ngrid)=RLVTT*dqsdif_total(1:ngrid)/ptimestep
756#endif
757         endif
758      endif
759
760      end subroutine turbdiff
761     
762end module turbdiff_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.