source: trunk/LMDZ.MARS/libf/phymars/pbl_parameters.F @ 2266

Last change on this file since 2266 was 1393, checked in by aslmd, 10 years ago

bug fix pbl_parameter in cases of specific Ri

File size: 12.3 KB
Line 
1      SUBROUTINE pbl_parameters(ngrid,nlay,ps,pplay,pz0,
2     & pg,zzlay,zzlev,pu,pv,wstar_in,hfmax,zmax,pts,ph,z_out,n_out,
3     & T_out,u_out,ustar,tstar,L_mo,vhf,vvv)
4      USE comcstfi_h
5      IMPLICIT NONE
6!=======================================================================
7!
8!   Anlysis of the PBL from input temperature, wind field and thermals outputs.
9!
10!   ------- 
11!
12!   Author: Arnaud Colaitis 09/01/12
13!   -------
14!
15!   Arguments:
16!   ----------
17!
18!   inputs:
19!   ------
20!     ngrid            size of the horizontal grid
21!     nlay             size of the vertical grid
22!     pz0(ngrid)       surface roughness length
23!     pg               gravity (m s -2)
24!     zzlay(ngrid,nlay)   height of mid-layers
25!     zzlev(ngrid,nlay+1)   height of layers interfaces
26!     pu(ngrid,nlay)   u component of the wind
27!     pv(ngrid,nlay)   v component of the wind
28!     wstar_in(ngrid)  free convection velocity in PBL
29!     hfmax(ngrid)     maximum vertical turbulent heat flux in thermals
30!     zmax(ngrid)      height reached by the thermals (pbl height)
31!     pts(ngrid)       surface temperature
32!     ph(ngrid,nlay)   potential temperature T*(p/ps)^kappa
33!     z_out(n_out)     heights of interpolation
34!     n_out            number of points for interpolation
35!
36!   outputs:
37!   ------
38!
39!     Teta_out(ngrid,n_out)  interpolated teta
40!     u_out(ngrid,n_out)     interpolated u
41!     ustar(ngrid)     friction velocity
42!     tstar(ngrid)     friction temperature
43!     L_mo(ngrid)      monin_obukhov length
44!
45!
46!=======================================================================
47!
48!-----------------------------------------------------------------------
49!   Declarations:
50!   -------------
51
52#include "callkeys.h"
53
54!   Arguments:
55!   ----------
56
57      INTEGER, INTENT(IN) :: ngrid,nlay,n_out
58      REAL, INTENT(IN) :: pz0(ngrid),ps(ngrid),pplay(ngrid,nlay)
59      REAL, INTENT(IN) :: pg,zzlay(ngrid,nlay),zzlev(ngrid,nlay)
60      REAL, INTENT(IN) :: pu(ngrid,nlay),pv(ngrid,nlay)
61      REAL, INTENT(IN) :: wstar_in(ngrid),hfmax(ngrid),zmax(ngrid)
62      REAL, INTENT(IN) :: pts(ngrid),ph(ngrid,nlay)
63      REAL, INTENT(IN) :: z_out(n_out)
64
65!    Outputs:
66!    --------
67
68      REAL, INTENT(OUT) :: T_out(ngrid,n_out),u_out(ngrid,n_out)
69      REAL Teta_out(ngrid,n_out)
70      REAL, INTENT(OUT) :: ustar(ngrid), tstar(ngrid)
71      REAL, INTENT(OUT) :: L_mo(ngrid)
72
73!   Local:
74!   ------
75
76      INTEGER ig,k,n
77      REAL karman,nu
78      DATA karman,nu/.41,0.001/
79      SAVE karman,nu
80
81!    Local(2):
82!    ---------
83     
84      REAL zout
85      REAL rib(ngrid)  ! Bulk Richardson number
86      REAL fm(ngrid) ! stability function for momentum
87      REAL fh(ngrid) ! stability function for heat
88      REAL z1z0,z1z0t ! ratios z1/z0 and z1/z0T
89          ! phim = 1+betam*zeta   or   (1-bm*zeta)**am
90          ! phih = alphah + betah*zeta    or   alphah(1.-bh*zeta)**ah
91      REAL betam, betah, alphah, bm, bh, lambda
92          ! ah and am are assumed to be -0.25 and -0.5 respectively
93      REAL cdn(ngrid),chn(ngrid)  ! neutral momentum and heat drag coefficient
94      REAL pz0t        ! initial thermal roughness length. (local)
95      REAL ric         ! critical richardson number
96      REAL reynolds(ngrid)    ! reynolds number for UBL
97      REAL prandtl(ngrid)     ! prandtl number for UBL
98      REAL pz0tcomp(ngrid)     ! computed z0t
99      REAL ite
100      REAL residual,zcd0,z1
101      REAL pcdv(ngrid),pcdh(ngrid)
102      REAL zu2(ngrid)                  ! Large-scale wind at first layer
103      REAL pbl_teta(ngrid)             ! mixed-layer potential temperature
104      INTEGER pbl_height_index(ngrid)  ! index of nearest vertical grid point for zmax
105      REAL dteta(ngrid,nlay),x(ngrid)  ! potential temperature gradient and z/zi
106      REAL dvhf(ngrid),dvvv(ngrid)     ! dimensionless vertical heat flux and
107                                       ! dimensionless vertical velocity variance
108      REAL vhf(ngrid),vvv(ngrid)       ! vertical heat flux and vertical velocity variance
109      INTEGER ii(1)
110! temporary
111      INTEGER dimout
112
113!------------------------------------------------------------------------
114!------------------------------------------------------------------------
115! PART I : RICHARDSON/REYNOLDS/THERMAL_ROUGHNESS/STABILITY_COEFFICIENTS
116!------------------------------------------------------------------------
117!------------------------------------------------------------------------
118
119      DO n=1,n_out
120
121c Initialisation :
122
123      L_mo(:)=0.
124      ustar(:)=0.
125      tstar(:)=0.
126      zout=z_out(n)
127      reynolds(:)=0.
128      pz0t = 0.
129      pz0tcomp(:) = 0.1*pz0(:)
130      rib(:)=0.
131      pcdv(:)=0.
132      pcdh(:)=0.
133
134      ! this formulation assumes alphah=1., implying betah=betam
135      ! We use Dyer et al. parameters, as they cover a broad range of Richardson numbers :
136
137      bm=16.            !UBL
138      bh=16.            !UBL
139      alphah=1.
140      betam=5.         !SBL
141      betah=5.         !SBL
142      lambda=(sqrt(bh/bm))/alphah
143      ric=betah/(betam**2)
144      DO ig=1,ngrid
145       ite=0.
146       residual=abs(pz0tcomp(ig)-pz0t)
147
148       zu2(ig)=pu(ig,1)*pu(ig,1)+pv(ig,1)*pv(ig,1)
149     &     + (log(1.+0.7*wstar_in(ig) + 2.3*wstar_in(ig)**2))**2
150
151       DO WHILE((residual .gt. 0.01*pz0(ig)) .and.  (ite .lt. 10.))
152
153         pz0t=pz0tcomp(ig)
154         IF (zu2(ig) .ne. 0.) THEN
155            ! Richardson number formulation proposed by D.E. England et al. (1995)
156          rib(ig) = (pg/pts(ig))
157     &        *sqrt(zzlay(ig,1)*pz0(ig))
158     &        *(((log(zzlay(ig,1)/pz0(ig)))**2)/(log(zzlay(ig,1)/pz0t)))
159     &        *(ph(ig,1)-pts(ig))/(pu(ig,1)*pu(ig,1)+pv(ig,1)*pv(ig,1))
160         ELSE
161            print*,'warning, infinite Richardson at surface'
162            print*,pu(ig,1),pv(ig,1)
163            rib(ig) = ric
164         ENDIF
165
166         z1z0=zzlay(ig,1)/pz0(ig)
167         z1z0t=zzlay(ig,1)/pz0t
168
169         cdn(ig)=karman/log(z1z0)
170         cdn(ig)=cdn(ig)*cdn(ig)
171         chn(ig)=cdn(ig)*log(z1z0)/log(z1z0t)
172
173         ! STABLE BOUNDARY LAYER :
174         IF (rib(ig) .gt. 0.) THEN
175            ! From D.E. England et al. (95)
176            prandtl(ig)=1.
177            if(rib(ig) .lt. ric) then
178               ! Assuming alphah=1. and bh=bm for stable conditions :
179               fm(ig)=((ric-rib(ig))/ric)**2
180               fh(ig)=((ric-rib(ig))/ric)**2
181            else
182               ! For Ri>Ric, we consider Ri->Infinity => no turbulent mixing at surface
183               fm(ig)=0.
184               fh(ig)=0.
185            endif
186         ! UNSTABLE BOUNDARY LAYER :
187         ELSE
188            ! From D.E. England et al. (95)
189            fm(ig)=sqrt(1.-lambda*bm*rib(ig))
190            fh(ig)=(1./alphah)*((1.-lambda*bh*rib(ig))**0.5)*
191     &                     (1.-lambda*bm*rib(ig))**0.25
192            prandtl(ig)=alphah*((1.-lambda*bm*rib(ig))**0.25)/
193     &             ((1.-lambda*bh*rib(ig))**0.5)
194         ENDIF
195 
196        reynolds(ig)=karman*sqrt(fm(ig))
197     &              *sqrt(zu2(ig))
198     &              *pz0(ig)/(log(z1z0)*nu)
199        pz0tcomp(ig)=pz0(ig)*exp(-karman*7.3*
200     &              (reynolds(ig)**0.25)*(prandtl(ig)**0.5))
201        residual = abs(pz0t-pz0tcomp(ig))
202        ite = ite+1
203
204       ENDDO  ! of while
205       pz0t=0.
206
207! Drag computation:
208
209         pcdv(ig)=cdn(ig)*fm(ig)
210         pcdh(ig)=chn(ig)*fh(ig)
211       
212      ENDDO ! of ngrid
213
214!------------------------------------------------------------------------
215!------------------------------------------------------------------------
216! PART II : USTAR/TSTAR/U_OUT/TETA_OUT COMPUTATIONS
217!------------------------------------------------------------------------
218!------------------------------------------------------------------------
219
220! u* theta* computation
221
222      DO ig=1,ngrid
223         IF (rib(ig) .ge. ric) THEN
224           ustar(ig)=0.
225           tstar(ig)=0.
226         ELSE
227           ustar(ig)=sqrt(pcdv(ig))
228     &        *sqrt(pu(ig,1)*pu(ig,1)+pv(ig,1)*pv(ig,1))
229           tstar(ig)=-pcdh(ig)*(pts(ig)-ph(ig,1))
230     &        /sqrt(pcdv(ig))
231         ENDIF
232      ENDDO
233
234! Interpolation:
235
236      DO ig=1,ngrid
237        IF(zout .lt. pz0tcomp(ig)) THEN
238           u_out(ig,n)=0.
239           Teta_out(ig,n)=pts(ig)
240
241        ELSE
242          IF (rib(ig) .ge. ric) THEN ! ustar=tstar=0  (and fm=fh=0)
243           u_out(ig,n)=0
244           Teta_out(ig,n)=pts(ig)
245          ELSE
246           u_out(ig,n)= ustar(ig)*log(zout/pz0(ig))/
247     &(karman*sqrt(fm(ig)))
248
249           Teta_out(ig,n)=pts(ig)+(tstar(ig)*sqrt(fm(ig))*log(zout/
250     & (pz0tcomp(ig)))/
251     &(karman*fh(ig)))
252          ENDIF
253        ENDIF
254
255        IF (zout .lt. pz0(ig)) THEN
256           u_out(ig,n)=0.
257        ENDIF
258
259      ENDDO
260
261! when using convective adjustment without thermals, a vertical potential temperature
262! profile is assumed up to the thermal roughness length. Hence, theoretically, theta
263! interpolated at any height in the surface layer is theta at the first level.
264
265      IF ((.not.calltherm).and.(calladj)) THEN
266       Teta_out(:,n)=ph(:,1)
267       u_out(:,n)=(sqrt(cdn(:))*sqrt(pu(:,1)*pu(:,1)+pv(:,1)*pv(:,1))
268     &                                /karman)*log(zout/pz0(:))
269      ENDIF
270              T_out(:,n) = Teta_out(:,n)*(exp(
271     &   (zout/zzlay(:,1))*(log(pplay(:,1)/ps))
272     &                             )
273     &                         )**rcp
274
275      ENDDO   !of n=1,n_out
276
277
278!------------------------------------------------------------------------
279!------------------------------------------------------------------------
280! PART III : WSTAR COMPUTATION
281!------------------------------------------------------------------------
282!------------------------------------------------------------------------
283
284! Detection of the mixed-layer potential temperature
285! ------------
286
287! Nearest index for the pbl height
288
289      IF (calltherm) THEN
290
291      pbl_height_index(:)=1
292
293      DO k=1,nlay-1
294         DO ig=1, ngrid
295            IF (abs(zmax(ig)-zzlay(ig,k)) .lt.
296     &              abs(zmax(ig)-zzlay(ig,pbl_height_index(ig)))) THEN
297               pbl_height_index(ig)=k
298            ENDIF
299         ENDDO
300      ENDDO
301
302! Potential temperature gradient
303
304      dteta(:,nlay)=0.
305      DO k=1,nlay-1
306         DO ig=1, ngrid
307         dteta(ig,k) = (ph(ig,k+1)-ph(ig,k))/(zzlay(ig,k+1)-zzlay(ig,k))
308         ENDDO
309      ENDDO
310
311! Computation of the pbl mixed layer temperature
312
313      DO ig=1, ngrid
314         ii=MINLOC(abs(dteta(ig,1:pbl_height_index(ig))))
315         pbl_teta(ig) = ph(ig,ii(1))
316      ENDDO
317
318
319!------------------------------------------------------------------------
320!------------------------------------------------------------------------
321! PART IV : VERTICAL_VELOCITY_VARIANCE/VERTICAL_TURBULENT_FLUX PROFILES
322!------------------------------------------------------------------------
323!------------------------------------------------------------------------
324
325! We follow Spiga et. al 2010 (QJRMS)
326! ------------
327
328      DO ig=1, ngrid
329         IF (zmax(ig) .gt. 0.) THEN
330            x(ig) = zout/zmax(ig)
331         ELSE
332            x(ig) = 999.
333         ENDIF
334      ENDDO
335
336      DO ig=1, ngrid
337         ! dimensionless vertical heat flux
338         IF (x(ig) .le. 0.3) THEN
339            dvhf(ig) = ((-3.85/log(x(ig)))+0.07*log(x(ig)))
340     &                                       *exp(-4.61*x(ig))
341         ELSEIF (x(ig) .le. 1.) THEN
342            dvhf(ig) = -1.52*x(ig) + 1.24
343         ELSE
344            dvhf(ig) = 0.
345         ENDIF
346         ! dimensionless vertical velocity variance
347         IF (x(ig) .le. 1.) THEN
348            dvvv(ig) = 2.05*(x(ig)**(2./3.))*(1.-0.64*x(ig))**2
349         ELSE
350            dvvv(ig) = 0.
351         ENDIF
352      ENDDO
353
354      vhf(:) = dvhf(:)*hfmax(:)
355      vvv(:) = dvvv(:)*(wstar_in(:))**2
356
357      ENDIF ! of if calltherm
358
359#ifndef MESOSCALE
360            call WRITEDIAGFI(ngrid,'rib_pbl',
361     &   'Richardson in pbl parameter','m/s',2,rib)
362            call WRITEDIAGFI(ngrid,'cdn_pbl',
363     &   'neutral momentum coef','m/s',2,cdn)
364            call WRITEDIAGFI(ngrid,'fm_pbl',
365     &   'momentum stab function','m/s',2,fm)
366            call WRITEDIAGFI(ngrid,'uv',
367     &   'wind norm first layer','m/s',2,sqrt(zu2))
368            call WRITEDIAGFI(ngrid,'uvtrue',
369     &   'wind norm first layer','m/s',2,sqrt(pu(:,1)**2+pv(:,1)**2))
370            call WRITEDIAGFI(ngrid,'chn_pbl',
371     &   'neutral momentum coef','m/s',2,chn)
372            call WRITEDIAGFI(ngrid,'fh_pbl',
373     &   'momentum stab function','m/s',2,fh)
374            call WRITEDIAGFI(ngrid,'B_pbl',
375     &   'buoyancy','m/',2,(ph(:,1)-pts(:))/pts(:))
376            call WRITEDIAGFI(ngrid,'zot_pbl',
377     &   'buoyancy','ms',2,pz0tcomp)
378       call WRITEDIAGFI(ngrid,'zz1','buoyancy','m',2,zzlay(:,1))
379#endif
380
381      RETURN
382      END
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.