Merge pull request #22 from wirc-sjsu/develop-w21
[WRF-Fire-merge.git] / phys / module_bl_camuwpbl_driver.F
blob4bcabf09c9864bde7ac1f2906b080a3db028ab22
1 #define MODAL_AERO
2 MODULE module_bl_camuwpbl_driver
3   !Note: Comments starting with "!!" are directly taken from CAM's interface routine for the UW PBL (vertical_diffusion.F90)
4   !This modules is based on vertical_diffusion.F90 of CAM5
6   !List of possible modifications in the future:
7   !_____________________________________________
8   !1. Constituents(per Kg of DRY air or "dry" constituents) are not diffused currently. The call which 
9   !   makes DRY constituents diffusion decision flag 'true' is commented out in camuwpblinit subroutine. 
10   !   Therefore the flag is ALWAYS false for DRY constituent diffusion.
11   !
12   !   REASON: DRY constituents are Aerosols and other species (excepts for cloud mass mixing ratios and number concentrations).
13   !   ------  In WRF, DRY constituents appear only when WRF_CHEM simulations are run. DRY constituents are vertically mixed(diffused)
14   !           in dry_dep_driver of WRF_CHEM. Therefore, DRY constituents are not diffused in this PBL subroutine
15   !
16   !2. The liquid number concentrations is NOT diffused(or mixed) in PBL to mimic CAM5, which diffuses liquid number 
17   !   concentrations in dropmixnuc. 
18   !3. Surface fluxes for ALL the constituents are ZERO except for the water vapours (1st constituent)
19   !4. Molecular diffusion is turned off for now
20   !5. Mountain stresses are not computed for now (all calls to Mountain stresses currently may hold undefined variables)
21   !6. *Formulas used for computing surface stresses is based on the formula given in CAM5's BareGround.F90.
22   !   This formula may not work well for ocean surfaces (possible future modification)
23   !_____________________________________________
26   !!----------------------------------------------------------------------------------------------------- !
27   !! Module to compute vertical diffusion of momentum,  moisture, trace constituents                      !
28   !! and static energy. Separate modules compute                                                          !  
29   !!   1. stresses associated with turbulent flow over orography                                          !
30   !!      ( turbulent mountain stress )                                                                   !
31   !!   2. eddy diffusivities, including nonlocal tranport terms                                           !
32   !!   3. molecular diffusivities                                                                         ! 
33   !!   4. coming soon... gravity wave drag                                                                !  
34   !! Lastly, a implicit diffusion solver is called, and tendencies retrieved by                           !
35   !! differencing the diffused and initial states.                                                        !
36   !!                                                                                                      ! 
37   !! Calling sequence:                                                                                    !
38   !!                                                                                                      !
39   !!  vertical_diffusion_init      Initializes vertical diffustion constants and modules                  !
40   !!        init_molec_diff        Initializes molecular diffusivity module                               !
41   !!        init_eddy_diff         Initializes eddy diffusivity module (includes PBL)                     !  
42   !!        init_tms               Initializes turbulent mountain stress module                           !
43   !!        init_vdiff             Initializes diffusion solver module                                    !
44   !!  vertical_diffusion_ts_init   Time step initialization (only used for upper boundary condition)      ! 
45   !!  vertical_diffusion_tend      Computes vertical diffusion tendencies                                 ! 
46   !!        compute_tms            Computes turbulent mountain stresses                                   !
47   !!        compute_eddy_diff      Computes eddy diffusivities and countergradient terms                  !
48   !!        compute_vdiff          Solves vertical diffusion equations, including molecular diffusivities !         
49   !!                                                                                                      !
50   !!---------------------------Code history-------------------------------------------------------------- !
51   !! J. Rosinski : Jun. 1992                                                                              !
52   !! J. McCaa    : Sep. 2004                                                                              !
53   !! S. Park     : Aug. 2006, Dec. 2008. Jan. 2010                                                        !
54   !  B. Singh    : Nov. 2010 (ported to WRF by balwinder.singh@pnl.gov)
55   !!----------------------------------------------------------------------------------------------------- !
57   use shr_kind_mod,       only : r8 => shr_kind_r8
58   use module_cam_support, only : pcols, pver, pverp, endrun, iulog,fieldname_len,pcnst =>pcnst_runtime
59   use constituents,       only : qmin
60   use diffusion_solver,   only : vdiff_selector
61   use physconst,          only :          &
62        cpair  , &     ! Specific heat of dry air
63        gravit , &     ! Acceleration due to gravity
64        rair   , &     ! Gas constant for dry air
65        zvir   , &     ! rh2o/rair - 1
66        latvap , &     ! Latent heat of vaporization
67        latice , &     ! Latent heat of fusion
68        karman , &     ! von Karman constant 
69        mwdry  , &     ! Molecular weight of dry air
70        avogad , &     ! Avogadro's number
71        boltz          ! Boltzman's constant
72   
73   implicit none
74   private      
75   save
76   
77   !! ----------------- !
78   !! Public interfaces !
79   !! ----------------- !
80   
81   public camuwpblinit   ! Initialization
82   public camuwpbl       ! Driver for the PBL scheme
83   public vd_register    ! Init routine for constituents
84   
85   !! ------------ !
86   !! Private data !
87   !! ------------ !
88   
89   character(len=16)    :: eddy_scheme                  !! Default set in phys_control.F90, use namelist to change
90   !!     'HB'       = Holtslag and Boville (default)
91   !!     'HBR'      = Holtslag and Boville and Rash 
92   !!     'diag_TKE' = Bretherton and Park ( UW Moist Turbulence Scheme )
93   integer, parameter   :: nturb = 5                    !! Number of iterations for solution ( when 'diag_TKE' scheme is selected )
94   logical, parameter   :: wstarent = .true.            !! Use wstar (.true.) or TKE (.false.) entrainment closure ( when 'diag_TKE' scheme is selected )
95   logical              :: do_pseudocon_diff = .false.  !! If .true., do pseudo-conservative variables diffusion
97   
98   character(len=16)    :: shallow_scheme               !! For checking compatibility between eddy diffusion and shallow convection schemes
99   !!     'Hack'     = Hack Shallow Convection Scheme
100   !!     'UW'       = Park and Bretherton ( UW Shallow Convection Scheme )
101   character(len=16)    :: microp_scheme                !! Microphysics scheme
102   
103   logical              :: do_molec_diff = .false.      !! Switch for molecular diffusion
104   logical              :: do_tms                       !! Switch for turbulent mountain stress
105   real(r8)             :: tms_orocnst                  !! Converts from standard deviation to height
106   real(r8)             :: tms_z0fac                    ! Converts from standard deviation to height
107   
108   type(vdiff_selector) :: fieldlist_wet                !! Logical switches for moist mixing ratio diffusion
109   type(vdiff_selector) :: fieldlist_dry                !! Logical switches for dry mixing ratio diffusion
110   integer              :: ntop                         !! Top interface level to which vertical diffusion is applied ( = 1 ).
111   integer              :: nbot                         !! Bottom interface level to which vertical diffusion is applied ( = pver ).
112   integer              :: tke_idx, kvh_idx, kvm_idx    !! TKE and eddy diffusivity indices for fields in the physics buffer
113   integer              :: turbtype_idx, smaw_idx       !! Turbulence type and instability functions
114   integer              :: tauresx_idx, tauresy_idx     !! Redisual stress for implicit surface stress
116   integer              :: ixcldice, ixcldliq           !! Constituent indices for cloud liquid and ice water
117   integer              :: ixnumice, ixnumliq
118 #ifdef MODAL_AERO
119   integer              :: ixndrop
120 #endif
121   integer              :: wgustd_index   
122 CONTAINS
123   
124   subroutine camuwpbl(dt,u_phy,v_phy,th_phy,rho,qv_curr,hfx,qfx,ustar,p8w &
125        ,p_phy,z,t_phy,qc_curr,qi_curr,z_at_w,cldfra_old_mp,cldfra,ht      &
126        ,rthratenlw,exner,is_CAMMGMP_used                                  &
127        ,itimestep,qnc_curr,qni_curr,wsedl3d                               &
128        ,ids,ide, jds,jde, kds,kde                                         &
129        ,ims,ime, jms,jme, kms,kme                                         &
130        ,its,ite, jts,jte, kts,kte                                         &
131 !Intent-inout 
132        ,tauresx2d,tauresy2d                                               &
133        ,rublten,rvblten,rthblten,rqiblten,rqniblten,rqvblten,rqcblten     &
134        ,kvm3d,kvh3d                                                       &
135 !Intent-out
136        ,tpert2d,qpert2d,wpert2d,smaw3d,turbtype3d                         &
137        ,tke_pbl,pblh2d,kpbl2d                                             )  
139     !!---------------------------------------------------- !
140     !! This is an interface routine for vertical diffusion !
141     !  This subroutine is called by module_pbl_driver and  !
142     !  it calls: wrf_error_fatal,compute_tms,              !
143     !  compute_eddy_diff,aqsat,compute_vdiff and           !
144     !  positive_moisture.
145     !!---------------------------------------------------- !
146     use module_cam_support,    only : pcols
147     use trb_mtn_stress,        only : compute_tms
148     use eddy_diff,             only : compute_eddy_diff
149     use wv_saturation,         only : fqsatd, aqsat
150     use molec_diff,            only : compute_molec_diff, vd_lu_qdecomp
151     use constituents,          only : qmincg, qmin
152     use diffusion_solver !!, only : compute_vdiff, any, operator(.not.)
153 #ifdef MODAL_AERO
154     use modal_aero_data
155 #endif
156     
157     implicit none   
158     
159     !------------------------------------------------------------------------!
160     !                             Input                                      !
161     !------------------------------------------------------------------------!
162     logical, intent(in) :: is_CAMMGMP_used
163     integer, intent(in) :: ids,ide, jds,jde, kds,kde
164     integer, intent(in) :: ims,ime, jms,jme, kms,kme
165     integer, intent(in) :: its,ite, jts,jte, kts,kte
166     integer, intent(in) :: itimestep
168     real, intent(in) :: dt                                                ! Time step (s)
169     
170     real, dimension( ims:ime,jms:jme ), intent(in) :: hfx                   !Sensible heat flux at surface (w/m2)
171     real, dimension( ims:ime,jms:jme ), intent(in) :: qfx                   !Moisture      flux at surface (kg m-2 s-1)
172     real, dimension( ims:ime,jms:jme ), intent(in) :: ustar                 !Friction velocity (m/s)
173     real, dimension( ims:ime,jms:jme ), intent(in) :: ht                    !Terrain height (m)
175     real, dimension( ims:ime, kms:kme, jms:jme ), intent(in) :: v_phy       !Y-component of wind (m/s)
176     real, dimension( ims:ime, kms:kme, jms:jme ), intent(in) :: u_phy       !X-component of wind (m/s)
177     real, dimension( ims:ime, kms:kme, jms:jme ), intent(in) :: th_phy      !Potential temperature (K)
178     real, dimension( ims:ime, kms:kme, jms:jme ), intent(in) :: rho         !Air density (kg/m3)
179     real, dimension( ims:ime, kms:kme, jms:jme ), intent(in) :: qv_curr     !Water vapor mixing ratio - Moisture  (kg/kg)
180     real, dimension( ims:ime, kms:kme, jms:jme ), intent(in) :: qc_curr     !Cloud water mixing ratio - Cloud liq (kg/kg)
181     real, dimension( ims:ime, kms:kme, jms:jme ), intent(in) :: qi_curr     !Ice mixing ratio         - Cloud ice  (kg/kg)
182     real, dimension( ims:ime, kms:kme, jms:jme ), intent(in) :: qnc_curr    !Liq # mixing ratio       - Cloud liq #  (#/kg)
183     real, dimension( ims:ime, kms:kme, jms:jme ), intent(in) :: qni_curr    !Ice # mixing ratio       - Cloud ice #  (#/kg)
184     real, dimension( ims:ime, kms:kme, jms:jme ), intent(in) :: p_phy       !Pressure at mid-level (Pa)
185     real, dimension( ims:ime, kms:kme, jms:jme ), intent(in) :: p8w         !Pressure at level interface (Pa)
186     real, dimension( ims:ime, kms:kme, jms:jme ), intent(in) :: z           !Height above sea level at mid-level (m) 
187     real, dimension( ims:ime, kms:kme, jms:jme ), intent(in) :: t_phy       !Temperature (K)
188     real, dimension( ims:ime, kms:kme, jms:jme ), intent(in) :: z_at_w      !Height above sea level at layer interfaces (m) 
189     real, dimension( ims:ime, kms:kme, jms:jme ), intent(in) :: cldfra_old_mp !Cloud fraction [unitless]
190     real, dimension( ims:ime, kms:kme, jms:jme ), intent(in) :: cldfra      !Cloud fraction [unitless]
191     real, dimension( ims:ime, kms:kme, jms:jme ), intent(in) :: exner       !Dimensionless pressure [unitless]
192     real, dimension( ims:ime, kms:kme, jms:jme ), intent(in) :: rthratenlw  !Tendency for LW ( K/s)
193     real, dimension( ims:ime, kms:kme, jms:jme ), intent(in) :: wsedl3d     !Sedimentation velocity of stratiform liquid cloud droplet (m/s)
195     
196     
197     !------------------------------------------------------------------------!
198     !                          Output                                        !
199     !------------------------------------------------------------------------!   
200     real, dimension( ims:ime, kms:kme, jms:jme ), intent(inout) :: rublten     !Tendency for u_phy   (Pa m s-2)
201     real, dimension( ims:ime, kms:kme, jms:jme ), intent(inout) :: rvblten     !Tendency for v_phy   (Pa m s-2)
202     real, dimension( ims:ime, kms:kme, jms:jme ), intent(inout) :: rthblten    !Tendency for th_phy  (Pa K s-1)
203     real, dimension( ims:ime, kms:kme, jms:jme ), intent(inout) :: rqvblten    !Tendency for qv_curr (Pa kg kg-1 s-1)
204     real, dimension( ims:ime, kms:kme, jms:jme ), intent(inout) :: rqcblten    !Tendency for qc_curr (Pa kg kg-1 s-1)
205     real, dimension( ims:ime, kms:kme, jms:jme ), intent(inout) :: rqiblten    !Tendency for qi_curr (Pa kg kg-1 s-1)
206     real, dimension( ims:ime, kms:kme, jms:jme ), intent(inout) :: rqniblten   !Tendency for qni_curr(Pa # kg-1 s-1)
208     integer, dimension( ims:ime,jms:jme ), intent(out) :: kpbl2d !Layer index containing PBL top within or at the base interface
209     real,    dimension( ims:ime,jms:jme ), intent(out) :: pblh2d !Planetary boundary layer height (m)
211     real, dimension( ims:ime, kms:kme, jms:jme ), intent(out) :: tke_pbl     !Turbulence kinetic energy at midpoints  (m^2/s^2)
212     real, dimension( ims:ime, kms:kme, jms:jme ), intent(out) :: turbtype3d  !Turbulent interface types [ no unit ]
213     real, dimension( ims:ime, kms:kme, jms:jme ), intent(out) :: smaw3d      !Normalized Galperin instability function for momentum  ( 0<= <=4.964 and 1 at neutral ) [no units]
214         
216     
217     !---------------------------------------------------------------------------!
218     !     Local, carried on from one timestep to the other (defined in registry)!
219     !---------------------------------------------------------------------------!
220     
221     real, dimension( ims:ime, jms:jme )         , intent(inout ):: tauresx2d,tauresy2d !X AND Y-COMP OF RESIDUAL STRESSES(m^2/s^2)
222     real, dimension( ims:ime, jms:jme )         , intent(out)   :: tpert2d             ! Convective temperature excess (K)
223     real, dimension( ims:ime, jms:jme )         , intent(out)   :: qpert2d             ! Convective humidity excess (kg/kg)
224     real, dimension( ims:ime, jms:jme )         , intent(out)   :: wpert2d             ! Turbulent velocity excess (m/s)
226     real, dimension( ims:ime, kms:kme, jms:jme ), intent(inout) :: kvm3d,kvh3d         !Eddy diffusivity for momentum and heat(m^2/s)
229     !---------------------------------------------------------------------------!
230     !                               Local                                       !
231     !---------------------------------------------------------------------------!
233     character(128) :: errstring                              ! Error status for compute_vdiff
234     logical        :: kvinit                                 ! Tell compute_eddy_diff/ caleddy to initialize kvh, kvm (uses kvf)
235     logical        :: is_first_step                          ! Flag to know if this a first time step
236     integer        :: i,j,k,itsp1,itile_len,ktep1,kflip,ncol,ips,icnst,m,kp1
237     integer        :: lchnk                                  ! Chunk identifier
238     real(r8)       :: tauFac, uMean, dp, multFrc
239     real(r8)       :: ztodt                                  ! 2*delta-t (s)
240     real(r8)       :: rztodt                                 ! 1./ztodt (1/s)
241         real(r8),parameter :: invalidVal = -999888777.0_r8
243     real(r8) :: topflx(  pcols)                              ! Molecular heat flux at top interface                                                
244     real(r8) :: wpert(   pcols)                              ! Turbulent velocity excess (m/s)
245     real(r8) :: tauresx( pcols)                              ! [Residual stress to be added in vdiff to correct...
246     real(r8) :: tauresy( pcols)                              ! for turb stress mismatch between sfc and atm accumulated.] (N/m2)
247     real(r8) :: ipbl(    pcols)                              ! If 1, PBL is CL, while if 0, PBL is STL.
248     real(r8) :: kpblh(   pcols)                              ! Layer index containing PBL top within or at the base interface
249     real(r8) :: wstarPBL(pcols)                              ! Convective velocity within PBL (m/s)
250     real(r8) :: sgh(     pcols)                              ! Standard deviation of orography (m) 
251     real(r8) :: landfrac(pcols)                              ! Land fraction [unitless]
252     real(r8) :: taux(    pcols)                              ! x surface stress  (N/m2)
253     real(r8) :: tauy(    pcols)                              ! y surface stress  (N/m2)
254     real(r8) :: tautotx( pcols)                              ! U component of total surface stress (N/m2)
255     real(r8) :: tautoty( pcols)                              ! V component of total surface stress (N/m2)
256     real(r8) :: ksrftms( pcols)                              ! Turbulent mountain stress surface drag coefficient (kg/s/m2)
257     real(r8) :: tautmsx( pcols)                              ! U component of turbulent mountain stress (N/m2)
258     real(r8) :: tautmsy( pcols)                              ! V component of turbulent mountain stress (N/m2)
259     real(r8) :: ustar8(  pcols)                              ! Surface friction velocity (m/s)
260     real(r8) :: pblh(    pcols)                              ! Planetary boundary layer height (m)
261     real(r8) :: tpert(   pcols)                              ! Convective temperature excess (K)
262     real(r8) :: qpert(   pcols)                              ! Convective humidity excess (kg/kg)
263     real(r8) :: shflx(   pcols)                              ! Surface sensible heat flux  (w/m2)
264     real(r8) :: phis(    pcols)                              ! Geopotential at terrain height (m2/s2)
266     real(r8) :: cldn8(      pcols,kte)                       ! New stratus fraction (fraction)
267     real(r8) :: qrl8(       pcols,kte)                       ! LW radiative cooling rate(W/kg*Pa)
268     real(r8) :: wsedl8(     pcols,kte)                       ! Sedimentation velocity of stratiform liquid cloud droplet (m/s)
269     real(r8) :: dtk(        pcols,kte)                       ! T tendency from KE dissipation
270     real(r8) :: qt(         pcols,kte)                       !
271     real(r8) :: sl_prePBL(  pcols,kte)                       !
272     real(r8) :: qt_prePBL(  pcols,kte)                       !
273     real(r8) :: slten(      pcols,kte)                       !
274     real(r8) :: qtten(      pcols,kte)                       !
275     real(r8) :: sl(         pcols,kte)                       !                       
276     real(r8) :: ftem(       pcols,kte)                       ! Saturation vapor pressure before PBL
277     real(r8) :: ftem_prePBL(pcols,kte)                       ! Saturation vapor pressure before PBL
278     real(r8) :: ftem_aftPBL(pcols,kte)                       ! Saturation vapor pressure after PBL
279     real(r8) :: tem2(       pcols,kte)                       ! Saturation specific humidity and RH
280     real(r8) :: t_aftPBL(   pcols,kte)                       ! Temperature after PBL diffusion
281     real(r8) :: tten(       pcols,kte)                       ! Temperature tendency by PBL diffusion
282     real(r8) :: rhten(      pcols,kte)                       ! RH tendency by PBL diffusion
283     real(r8) :: qv_aft_PBL( pcols,kte)                       ! qv after PBL diffusion
284     real(r8) :: ql_aft_PBL( pcols,kte)                       ! ql after PBL diffusion
285     real(r8) :: qi_aft_PBL( pcols,kte)                       ! qi after PBL diffusion
286     real(r8) :: s_aft_PBL(  pcols,kte)                       ! s after PBL diffusion
287     real(r8) :: u_aft_PBL(  pcols,kte)                       ! u after PBL diffusion
288     real(r8) :: v_aft_PBL(  pcols,kte)                       ! v after PBL diffusion
289     real(r8) :: qv_pro(     pcols,kte)                       !
290     real(r8) :: ql_pro(     pcols,kte)                       !
291     real(r8) :: qi_pro(     pcols,kte)                       !
292     real(r8) :: s_pro(      pcols,kte)                       !
293     real(r8) :: t_pro(      pcols,kte)                       !
294     real(r8) :: u8(         pcols,kte)                       ! x component of velocity in CAM's data structure (m/s)
295     real(r8) :: v8(         pcols,kte)                       ! y component of velocity in CAM's data structure (m/s)
296     real(r8) :: t8(         pcols,kte)                       ! 
297     real(r8) :: pmid8(      pcols,kte)                       ! Pressure at the midpoints in CAM's data structure (Pa)
298     real(r8) :: pmiddry8(   pcols,kte)                       ! Dry Pressure at the midpoints in CAM's data structure (Pa)
299     real(r8) :: zm8(        pcols,kte)                       ! Height at the midpoints in CAM's data structure  (m)
300     real(r8) :: exner8(     pcols,kte)                       ! exner function in CAM's data structure
301     real(r8) :: s8(         pcols,kte)                       ! Dry static energy (m2/s2)
302     real(r8) :: rpdel8(     pcols,kte)                       ! Inverse of pressure difference (1/Pa)
303     real(r8) :: pdel8(      pcols,kte)                       ! Pressure difference (Pa) 
304     real(r8) :: rpdeldry8(  pcols,kte)                       ! Inverse of dry pressure difference (1/Pa)
305     real(r8) :: pdeldry8(   pcols,kte)                       ! dry pressure difference (1/Pa)
306     REAL(r8) :: stnd(       pcols,kte)                       ! Heating rate (dry static energy tendency, W/kg)
307     
308     real(r8) :: tke8(     pcols,kte+1)                       ! Turbulent kinetic energy [ m2/s2 ]
309     real(r8) :: turbtype( pcols,kte+1)                       ! Turbulent interface types [ no unit ]
310     real(r8) :: smaw(     pcols,kte+1)                       ! Normalized Galperin instability function for momentum  ( 0<= <=4.964 and 1 at neutral ) [no units]
311                                                              ! This is 1 when neutral condition (Ri=0), 4.964 for maximum unstable case, and 0 when Ri > Ricrit=0.19. 
312     real(r8) :: cgs(      pcols,kte+1)                       ! Counter-gradient star  [ cg/flux ]
313     real(r8) :: cgh(      pcols,kte+1)                       ! Counter-gradient term for heat [ J/kg/m ]
314     real(r8) :: kvh(      pcols,kte+1)                       ! Eddy diffusivity for heat [ m2/s ]
315     real(r8) :: kvm(      pcols,kte+1)                       ! Eddy diffusivity for momentum [ m2/s ]
316     real(r8) :: kvq(      pcols,kte+1)                       ! Eddy diffusivity for constituents [ m2/s ]
317     real(r8) :: kvh_in(   pcols,kte+1)                       ! kvh from previous timestep [ m2/s ]
318     real(r8) :: kvm_in(   pcols,kte+1)                       ! kvm from previous timestep [ m2/s ]
319     real(r8) :: bprod(    pcols,kte+1)                       ! Buoyancy production of tke [ m2/s3 ]
320     real(r8) :: sprod(    pcols,kte+1)                       ! Shear production of tke [ m2/s3 ]
321     real(r8) :: sfi(      pcols,kte+1)                       ! Saturation fraction at interfaces [ fraction ]
322     real(r8) :: pint8(    pcols,kte+1)                       ! Pressure at the interfaces in CAM's data structure (Pa)
323     real(r8) :: pintdry8( pcols,kte+1)                       ! Dry pressure at the interfaces in CAM's data structure (Pa)
324     real(r8) :: zi8(      pcols,kte+1)                       ! Height at the interfacesin CAM's data structure  (m)
326     real(r8) :: cloud(     pcols,kte,pcnst)                      ! Holder for cloud water and ice (q in cam)
327     real(r8) :: cloudtnd(  pcols,kte,pcnst)                      ! Holder for cloud tendencies (ptend_loc%q in cam)
328     real(r8) :: wind_tends(pcols,kte,2)                      ! Wind component tendencies (m/s2)
330     real(r8) :: cflx(pcols,pcnst)                            ! Surface constituent flux [ kg/m2/s ]
331     
332 #ifdef MODAL_AERO
333     real(r8) :: tmp1(pcols)                                         ! Temporary storage
334     integer  :: l, lspec
335 #endif
336     !! ----------------------- !
337     !! Main Computation Begins !
338     !! ----------------------- !
340     do icnst = 1 , pcnst
341        !Setting curface fluxes for all constituents to be zero. Later, cflx(:,1) is populated by the water vapour surface flux
342        cflx(:pcols,icnst)  = 0.0_r8
343     enddo
345     is_first_step  = .false.
346     if(itimestep == 1) then
347        is_first_step = .true.
348     endif
349     ncol   = pcols
350     ztodt  = DT
351     rztodt = 1.0_r8 / ztodt
353     !Few definitions in this subroutine require that ncol==1
354     if(ncol .NE. 1) then
355        call wrf_error_fatal('Number of CAM Columns (NCOL) in CAMUWPBL scheme must be 1')
356     endif
358     !Initialize errstring
359     errstring = ''
361     
362     !-------------------------------------------------------------------------------------!
363     !Map CAM variables to the corresponding WRF variables                                 !
364     !Loop over the points in the tile and treat them each as a CAM Chunk                  !
365     !-------------------------------------------------------------------------------------!
366     itsp1     = its - 1 
367     itile_len = ite - itsp1
368     do j    = jts , jte
369        do i = its , ite
371           lchnk   = (j - jts) * itile_len + (i - itsp1)          !1-D index location from a 2-D tile
372           phis(1) = ht(i,j) * gravit                             !Used for computing dry static energy
374           !Flip vertically quantities computed at the mid points
375           ktep1 = kte + 1
376           do k  = kts,kte
377              kflip               = ktep1 - k
378              
379              !Loop is used as vector assignment may take more computational time
380              do icnst = 1 , pcnst
381                 !Setting cloud and cloudtnd to values (obtained from module_cam_support) which should produce errors if used 
382                 !1st,2nd,3rd and 5th constituents are used (see the assignments below) and diffused presently in this scheme
383                 cloud(1,kflip,icnst)    = invalidVal
384                 cloudtnd(1,kflip,icnst) = invalidVal
385              enddo
387              u8(      1,kflip)   = u_phy(i,k,j)  ! X-component of velocity at the mid-points (m/s) [state%u in CAM]
388              v8(      1,kflip)   = v_phy(i,k,j)  ! Y-component of velocity at the mid-points (m/s) [state%v in CAM]
390              pmid8(   1,kflip)   = p_phy(i,k,j)  ! Pressure     at the mid-points    (Pa)      [state%pmid    in CAM]  
391              
392              dp                  = p8w(i,k,j) - p8w(i,k+1,j) !Change in pressure (Pa) 
393              pdel8(  1,kflip)    = dp
394              rpdel8(  1,kflip)   = 1.0_r8/dp     ! Reciprocal of pressure difference (1/Pa)     [state%rpdel in CAM]
395              zm8(     1,kflip)   = z(i,k,j)-ht(i,j)      ! Height above the ground at the midpoints (m) [state%zm    in CAM]
396              t8(      1,kflip)   = t_phy(i,k,j)  ! Temprature at the mid points (K)             [state%t     in CAM]
397              
398              s8(      1,kflip)   = cpair *t8(1,kflip) + gravit*zm8(1,kflip) + phis(1) ! Dry static energy (m2/s2) [state%s in CAM]-Formula tested in vertical_diffusion.F90 of CAM
399              qrl8(    1,kflip)   = rthratenlw(i,k,j) * exner(i,k,j) * cpair * dp ! Long Wave heating rate (W/kg*Pa)- Formula obtained from definition of qrlw(pcols,pver) in eddy_diff.F90 in CAM
401              wsedl8(  1,kflip)   = wsedl3d(i,k,j)               ! Sedimentation velocity of stratiform liquid cloud droplet (m/s)
402              
403              !Following three formulas are obtained from ported CAM's ZM cumulus scheme
404              !Values of 0 cause a crash in entropy
405              multFrc                  =  1._r8/(1._r8 + qv_curr(i,k,j))
406              cloud( 1,kflip,1)        = max( qv_curr(i,k,j) * multFrc, 1.0e-30_r8 ) !Specific humidity                       [state%q(:,:,1) in CAM]
407              cloud( 1,kflip,ixcldliq) = qc_curr(i,k,j)  * multFrc              !Convert to moist mix ratio-cloud liquid [state%q(:,:,2) in CAM]
408              cloud( 1,kflip,ixcldice) = qi_curr(i,k,j)  * multFrc              !cloud ice                               [state%q(:,:,3) in CAM]
409              cloud( 1,kflip,ixnumliq) = qnc_curr(i,k,j) * multFrc 
410              cloud( 1,kflip,ixnumice) = qni_curr(i,k,j) * multFrc 
412              exner8(1,kflip)   = exner(i,k,j)   !Exner function (no units)
413              if(is_CAMMGMP_used) then
414                 cldn8( 1,kflip)   = cldfra_old_mp(i,k,j)  !Cloud fraction (no unit)
415              else
416                 cldn8( 1,kflip)   = cldfra(i,k,j)  !Cloud fraction (no unit)
417              endif
419              !Following formula is obtained from physics_types.F90 of CAM (CESM101)
420              pdeldry8(1,kflip)    =  pdel8(1,kflip)*(1._r8-cloud(1,kflip,1))            
421              rpdeldry8(1,kflip)   =  1._r8/pdeldry8(1,kflip)
423           enddo
424           
425           do k = kts,kte+1
426              kflip = kte - k + 2
428              pint8(   1,kflip) = p8w(   i,k,j) ! Pressure at interfaces [state%pint in CAM]
430              zi8(     1,kflip) = z_at_w(i,k,j) -ht(i,j) ! Height at interfaces [state%zi   in CAM]
432              !Initialize Variables to zero, these are outputs from the "compute_eddy_diff" 
433              kvq(1,kflip)   = 0.0_r8        ! Eddy diffusivity for constituents (m2/s)
434              cgh(1,kflip)   = 0.0_r8        ! Counter-gradient term for heat
435              cgs(1,kflip)   = 0.0_r8        ! Counter-gradient star     (cg/flux)
436              if( is_first_step ) then
437                 kvm3d(i,k,j) = 0.0_r8     ! Eddy diffusivity for heat     (m2/s)
438                 kvh3d(i,k,j) = 0.0_r8     ! Eddy diffusivity for momentum (m2/s)
439              endif
440              kvh(1,kflip)   = kvh3d(i,k,j)  
441              kvm(1,kflip)   = kvm3d(i,k,j)  
442           end do
444           !Compute pintdry8 and pmiddry8
445           !Following formula is obtained from physics_types.F90 of CAM (CESM101)
446           pintdry8(1,1) = pint8(1,1)          
447           do k = 1, pver
448              pintdry8(1,k+1) =  pintdry8(1,k)  + pdeldry8(1,k)
449              pmiddry8(1,k)   = (pintdry8(1,k+1)+ pintdry8(1,k))*0.5_r8
450           end do
452           shflx(   ncol) = hfx(i,j)  ! Surface sensible heat flux (w/m2) 
454           !SGH and LANDFRAC are inputs for the compute_tms subroutine. Presently set to zero as do_tms is always false for now
455           sgh(     ncol) = 0.0_r8    ! Standard deviation of orography (m) 
456           landfrac(ncol) = 0.0_r8    ! Fraction (unitless)                 
458           uMean      = sqrt( u_phy(i,kts,j) * u_phy(i,kts,j) +  v_phy(i,kts,j) * v_phy(i,kts,j) ) ! Mean velocity
459           tauFac     = rho(i,kts,j) * ustar(i,j) *ustar(i,j)/uMean
461           taux(ncol) = -tauFac * u_phy(i,kts,j)  ! x surface stress (N/m2) [Formulation obtained from CAM's BareGround.F90]
462           tauy(ncol) = -tauFac * v_phy(i,kts,j)  ! y surface stress (N/m2)
464           !! Retrieve 'tauresx, tauresy' from from the last timestep
465           if( is_first_step ) then
466              tauresx2d(i,j) = 0._r8
467              tauresy2d(i,j) = 0._r8
468           endif
469           tauresx(:ncol) = tauresx2d(i,j)
470           tauresy(:ncol) = tauresy2d(i,j)
471           
472           !! All variables are modified by vertical diffusion
473           
474           !!------------------------------------------!
475           !! Computation of turbulent mountain stress !
476           !!------------------------------------------!
477           
478           !! Consistent with the computation of 'normal' drag coefficient, we are using 
479           !! the raw input (u,v) to compute 'ksrftms', not the provisionally-marched 'u,v' 
480           !! within the iteration loop of the PBL scheme. 
482           if( do_tms ) then
483              call compute_tms( pcols   , pver    , ncol  , &
484                   u8      , v8      , t8       , pmid8   , & 
485                   exner8  , zm8     , sgh      , ksrftms , & 
486                   tautmsx , tautmsy , landfrac )
487              !! Here, both 'taux, tautmsx' are explicit surface stresses.        
488              !! Note that this 'tautotx, tautoty' are different from the total stress
489              !! that has been actually added into the atmosphere. This is because both
490              !! taux and tautmsx are fully implicitly treated within compute_vdiff.
491              !! However, 'tautotx, tautoty' are not used in the actual numerical
492              !! computation in this module.   
493              tautotx(:ncol) = taux(:ncol) + tautmsx(:ncol)
494              tautoty(:ncol) = tauy(:ncol) + tautmsy(:ncol)
495           else
496              ksrftms(:ncol) = 0.0_r8
497              tautotx(:ncol) = taux(:ncol)
498              tautoty(:ncol) = tauy(:ncol)
499           endif
500           
501           !-------------------------------------------------------------------------------------!
502           !We are currenly using just water vapour flux at the surface, rest are set to zero
503           !-------------------------------------------------------------------------------------!
504           cflx(:pcols,1)   = qfx(i,j) ! Surface constituent flux (kg/m2/s)
505           
506           !Following variables are initialized to zero, they are the output from the "compute_eddy_diff" call
507           ustar8(  :pcols) = 0.0_r8   ! Surface friction velocity       (m/s)
508           pblh(    :pcols) = 0.0_r8   ! Planetary boundary layer height (m  )
509           ipbl(    :pcols) = 0.0_r8   ! If 1, PBL is CL, while if 0, PBL is STL.
510           kpblh(   :pcols) = 0.0_r8   ! Layer index containing PBL top within or at the base interface
511           wstarPBL(:pcols) = 0.0_r8   ! Convective velocity within PBL  (m/s)
514           !!----------------------------------------------------------------------- !
515           !!   Computation of eddy diffusivities - Select appropriate PBL scheme    !
516           !!----------------------------------------------------------------------- !
517           
518           select case (eddy_scheme)
519           case ( 'diag_TKE' ) 
520              
521              !! ---------------------------------------------------------------- !
522              !! At first time step, have eddy_diff.F90:caleddy() use kvh=kvm=kvf !
523              !! This has to be done in compute_eddy_diff after kvf is calculated !
524              !! ---------------------------------------------------------------- !
525              
526              kvinit = .false.
527              if(is_first_step) then
528                 kvinit = .true.
529              endif
530              !! ---------------------------------------------- !
531              !! Get LW radiative heating out of physics buffer !
532              !! ---------------------------------------------- !
533              
534              !! Retrieve eddy diffusivities for heat and momentum from physics buffer
535              !! from last timestep ( if first timestep, has been initialized by inidat.F90 )
536              
537              kvm_in(:ncol,:) = kvm(:ncol,:) 
538              kvh_in(:ncol,:) = kvh(:ncol,:) 
539              call compute_eddy_diff( lchnk  , pcols  , pver   , ncol   , t8      , cloud(:,:,1)   , ztodt    ,           &
540                   cloud(:,:,2), cloud(:,:,3), s8     , rpdel8 , cldn8  , qrl8    , wsedl8         , zm8      , zi8     , &
541                   pmid8       , pint8       , u8     , v8     , taux   , tauy    , shflx          , cflx(:,1), wstarent, &
542                   nturb       , ustar8      , pblh   , kvm_in , kvh_in , kvm     , kvh            , kvq      , cgh     , &                                                     
543                   cgs         , tpert       , qpert  , wpert  , tke8   , bprod   , sprod          , sfi      , fqsatd  , &
544                   kvinit      , tauresx     , tauresy, ksrftms, ipbl(:), kpblh(:), wstarPBL(:)    , turbtype , smaw      )
546              !! ----------------------------------------------- !       
547              !! Store TKE in pbuf for use by shallow convection !
548              !! ----------------------------------------------- !   
549              
550              !! Store updated kvh, kvm in pbuf to use here on the next timestep 
551              do k = kts,kte+1
552                 kflip          = kte - k + 2
553                 
554                 kvh3d(i,k,j)   = kvh(1,kflip)
555                 kvm3d(i,k,j)   = kvm(1,kflip)  
556              end do
557              
558              
559           end select
560           
561           !!------------------------------------ ! 
562           !!    Application of diffusivities     !
563           !!------------------------------------ !
564           cloudtnd(  :ncol,:,:) = cloud(:ncol,:,:)
565           stnd(      :ncol,:  ) = s8(   :ncol,:  )
566           wind_tends(:ncol,:,1) = u8(   :ncol,:  )
567           wind_tends(:ncol,:,2) = v8(   :ncol,:  )
569           !!------------------------------------------------------ !
570           !! Write profile output before applying diffusion scheme !
571           !!------------------------------------------------------ !
572           
573           sl_prePBL(:ncol,:pver)  = stnd(:ncol,:pver) - latvap * cloudtnd(:ncol,:pver,ixcldliq) &
574                - ( latvap + latice) * cloudtnd(:ncol,:pver,ixcldice)
575           qt_prePBL(:ncol,:pver)  = cloudtnd(:ncol,:pver,1) + cloudtnd(:ncol,:pver,ixcldliq) &
576                + cloudtnd(:ncol,:pver,ixcldice)
578           call aqsat( t8, pmid8, tem2, ftem, pcols, ncol, pver, 1, pver )
579           ftem_prePBL(:ncol,:) = cloud(:ncol,:,1)/ftem(:ncol,:)*100._r8
581           !! --------------------------------------------------------------------------------- !
582           !! Call the diffusivity solver and solve diffusion equation                          !
583           !! The final two arguments are optional function references to                       !
584           !! constituent-independent and constituent-dependent moleculuar diffusivity routines !
585           !! --------------------------------------------------------------------------------- !
586           
587           !! Modification : We may need to output 'tautotx_im,tautoty_im' from below 'compute_vdiff' and
588           !!                separately print out as diagnostic output, because these are different from
589           !!                the explicit 'tautotx, tautoty' computed above. 
590           !! Note that the output 'tauresx,tauresy' from below subroutines are fully implicit ones.
592           if( any(fieldlist_wet) ) then
593              call compute_vdiff( lchnk, pcols, pver, pcnst, ncol, pmid8, pint8, rpdel8, t8, ztodt, &
594                   taux, tauy, shflx, cflx, ntop, nbot, kvh, kvm, kvq, cgs, cgh, zi8, ksrftms, qmincg, &
595                   fieldlist_wet, wind_tends(:,:,1), wind_tends(:,:,2), cloudtnd, stnd, tautmsx,       &
596                   tautmsy, dtk, topflx, errstring, tauresx, tauresy, 1, do_molec_diff,                &
597                   compute_molec_diff, vd_lu_qdecomp)
598           end if
600           if( errstring .ne. '' ) then
601              call wrf_error_fatal(errstring)
602           endif
603           
604           if( any( fieldlist_dry ) ) then
605              if( do_molec_diff ) then
606                 errstring = "Design flaw: dry vdiff not currently supported with molecular diffusion"
607                 call wrf_error_fatal(errstring)
608              end if
609              
610              call compute_vdiff( lchnk, pcols, pver, pcnst, ncol, pmiddry8, pintdry8, rpdeldry8, t8, &
611                   ztodt, taux, tauy, shflx, cflx, ntop, nbot, kvh, kvm, kvq, cgs, cgh, zi8, ksrftms,    &
612                   qmincg, fieldlist_dry, wind_tends(:,:,1), wind_tends(:,:,2), cloudtnd, stnd, tautmsx, &
613                   tautmsy, dtk, topflx, errstring, tauresx, tauresy, 1, do_molec_diff,                  &
614                   compute_molec_diff, vd_lu_qdecomp)
616              if( errstring .ne. '' ) call wrf_error_fatal(errstring)
618           end if
619           
620           !! Store updated tauresx, tauresy to use here on the next timestep
621           tauresx2d(i,j) = tauresx(ncol)
622           tauresy2d(i,j) = tauresy(ncol)
624 #ifdef MODAL_AERO
625           
626           !! Add the explicit surface fluxes to the lowest layer
627           !! Modification : I should check whether this explicit adding is consistent with
628           !!                the treatment of other tracers.
630           !The following code is commented out as the diffusion for the Aerosols and other species is handled by CAMMGMP and WRF_CHEM's dry_dep_driver subroutines          
631           !tmp1(:ncol) = ztodt * gravit * rpdel8(:ncol,pver)
632           !do m = 1, ntot_amode
633           !   l = numptr_amode(m)
634           !   cloudtnd(:ncol,pver,l) = cloudtnd(:ncol,pver,l) + tmp1(:ncol) * cflx(:ncol,l)
635           !   do lspec = 1, nspec_amode(m)
636           !      l = lmassptr_amode(lspec,m)
637           !      cloudtnd(:ncol,pver,l) = cloudtnd(:ncol,pver,l) + tmp1(:ncol) * cflx(:ncol,l)
638           !   enddo
639           !enddo
640           
641 #endif          
642           !! -------------------------------------------------------- !
643           !! Diagnostics and output writing after applying PBL scheme !
644           !! -------------------------------------------------------- !
645           sl(:ncol,:pver)  = stnd(:ncol,:pver) -   latvap           * cloudtnd(:ncol,:pver,ixcldliq) &
646                - ( latvap + latice) * cloudtnd(:ncol,:pver,ixcldice)
647           qt(:ncol,:pver)  = cloudtnd(:ncol,:pver,1) + cloudtnd(:ncol,:pver,ixcldliq) &
648                + cloudtnd(:ncol,:pver,ixcldice)
649           
650           
651           
652           !! --------------------------------------------------------------- !
653           !! Convert the new profiles into vertical diffusion tendencies.    !
654           !! Convert KE dissipative heat change into "temperature" tendency. !
655           !! --------------------------------------------------------------- !
657           slten(:ncol,:)          = ( sl(:ncol,:)             - sl_prePBL(:ncol,:) )   * rztodt 
658           qtten(:ncol,:)          = ( qt(:ncol,:)             - qt_prePBL(:ncol,:) )   * rztodt 
659           stnd(:ncol,:)           = ( stnd(:ncol,:)           - s8(:ncol,:) )          * rztodt
660           wind_tends(:ncol,:,1)   = ( wind_tends(:ncol,:,1)   - u8(:ncol,:) )          * rztodt
661           wind_tends(:ncol,:,2)   = ( wind_tends(:ncol,:,2)   - v8(:ncol,:) )          * rztodt
662           cloudtnd(:ncol,:pver,:) = ( cloudtnd(:ncol,:pver,:) - cloud(:ncol,:pver,:) ) * rztodt
664           !! ----------------------------------------------------------- !
665           !! In order to perform 'pseudo-conservative varible diffusion' !
666           !! perform the following two stages:                           !
667           !!                                                             !
668           !! I.  Re-set (1) 'qvten' by 'qtten', and 'qlten = qiten = 0'  !
669           !!            (2) 'sten'  by 'slten', and                      !
670           !!            (3) 'qlten = qiten = 0'                          !
671           !!                                                             !
672           !! II. Apply 'positive_moisture'                               !
673           !!                                                             !
674           !! ----------------------------------------------------------- !
675           if( eddy_scheme .eq. 'diag_TKE' .and. do_pseudocon_diff ) then
676              cloudtnd(:ncol,:pver,1) = qtten(:ncol,:pver)
677              stnd(:ncol,:pver)       = slten(:ncol,:pver)
678              cloudtnd(:ncol,:pver,ixcldliq) = 0._r8         
679              cloudtnd(:ncol,:pver,ixcldice) = 0._r8         
680              cloudtnd(:ncol,:pver,ixnumliq) = 0._r8         
681              cloudtnd(:ncol,:pver,ixnumice) = 0._r8         
682              
683              do ips = 1, ncol
684                 do k = 1, pver
685                    qv_pro(ips,k) = cloud(ips,k,1)        + cloudtnd(ips,k,1)             * ztodt       
686                    ql_pro(ips,k) = cloud(ips,k,ixcldliq) + cloudtnd(ips,k,ixcldliq)      * ztodt
687                    qi_pro(ips,k) = cloud(ips,k,ixcldice) + cloudtnd(ips,k,ixcldice)      * ztodt              
688                    s_pro(ips,k)  = s8(ips,k)             + stnd(ips,k)                   * ztodt
689                    t_pro(ips,k)  = t8(ips,k)             + (1._r8/cpair)*stnd(ips,k) * ztodt
691                 end do
692              end do
693              call positive_moisture( cpair, latvap, latvap+latice, ncol, pver, ztodt, qmin(1), qmin(2), qmin(3),    &
694                   pdel8(:ncol,pver:1:-1), qv_pro(:ncol,pver:1:-1), ql_pro(:ncol,pver:1:-1), &
695                   qi_pro(:ncol,pver:1:-1), t_pro(:ncol,pver:1:-1), s_pro(:ncol,pver:1:-1),       &
696                   cloudtnd(:ncol,pver:1:-1,1), cloudtnd(:ncol,pver:1:-1,ixcldliq),                 &
697                   cloudtnd(:ncol,pver:1:-1,ixcldice), stnd(:ncol,pver:1:-1) )
698              
699           end if
700           
701           !! ----------------------------------------------------------------- !
702           !! Re-calculate diagnostic output variables after vertical diffusion !
703           !! ----------------------------------------------------------------- !
704           qv_aft_PBL(:ncol,:pver)  =   cloud(:ncol,:pver,1)         + cloudtnd(:ncol,:pver,1)        * ztodt
705           ql_aft_PBL(:ncol,:pver)  =   cloud(:ncol,:pver,ixcldliq)  + cloudtnd(:ncol,:pver,ixcldliq) * ztodt
706           qi_aft_PBL(:ncol,:pver)  =   cloud(:ncol,:pver,ixcldice)  + cloudtnd(:ncol,:pver,ixcldice) * ztodt
708           s_aft_PBL(:ncol,:pver)   =   s8(:ncol,:pver)           + stnd(:ncol,:pver)          * ztodt
709           t_aftPBL(:ncol,:pver)    = ( s_aft_PBL(:ncol,:pver) - gravit*zm8(:ncol,:pver) ) / cpair 
710           
711           u_aft_PBL(:ncol,:pver)   =  u8(:ncol,:pver)          + wind_tends(:ncol,:pver,1)            * ztodt
712           v_aft_PBL(:ncol,:pver)   =  v8(:ncol,:pver)          + wind_tends(:ncol,:pver,2)            * ztodt
713           
714           call aqsat( t_aftPBL, pmid8, tem2, ftem, pcols, ncol, pver, 1, pver )
715           ftem_aftPBL(:ncol,:pver) = qv_aft_PBL(:ncol,:pver) / ftem(:ncol,:pver) * 100._r8
716           
717           tten(:ncol,:pver)        = ( t_aftPBL(:ncol,:pver)    - t8(:ncol,:pver) )              * rztodt     
718           rhten(:ncol,:pver)       = ( ftem_aftPBL(:ncol,:pver) - ftem_prePBL(:ncol,:pver) )          * rztodt 
721           !Post processing of the output from CAM's parameterization
722           do k=kts,kte
723           
724              kflip = kte-k+1
725              
726              rublten(i,k,j)    = wind_tends(1,kflip,1)
727              rvblten(i,k,j)    = wind_tends(1,kflip,2)
728              rthblten(i,k,j)   = stnd(1,kflip)/cpair/exner8(1,kflip)
729              
730              multFrc           =  1._r8 + qv_curr(i,k,j)
732              rqvblten(i,k,j)   = cloudtnd(1,kflip,1       ) * multFrc * multFrc
733              rqcblten(i,k,j)   = cloudtnd(1,kflip,ixcldliq) * multFrc
734              rqiblten(i,k,j)   = cloudtnd(1,kflip,ixcldice) * multFrc
735              !*Important* : ixnumliq is mixed in the dropmixnuc, therefore ixnumliq is NOT mixed here (ONLY if CAMMGMP is used for mp_physics)
736              rqniblten(i,k,j)  = cloudtnd(1,kflip,ixnumice) * multFrc
738              !Diffusivity coefficients at the midpoints
739              kp1 = k + 1
740           end do
742           do k = kts,kte+1
743              kflip             = kte - k + 2
744              
745              tke_pbl(i,k,j)    = tke8(1,kflip)    !TKE at the interfaces
746              turbtype3d(i,k,j) = turbtype(1,kflip)
747              smaw3d(i,k,j)     = smaw(1,kflip)
748           end do
750           
752           kpbl2d(i,j)  = kte - int(kpblh(1)) + 1  !int(kpblh(1)) 
753           pblh2d(i,j)  = pblh( 1)
754           tpert2d(i,j) = tpert(1)
755           qpert2d(i,j) = qpert(1)
756           wpert2d(i,j) = wpert(1)
757           
758           !End Post processing of the output from CAM
759        enddo !loop of i
760     enddo !loop of j
761     return
762   end subroutine camuwpbl
767 !-----------------------------------------------------------------------------------------   
768   subroutine positive_moisture( cp, xlv, xls, ncol, mkx, dt, qvmin, qlmin, qimin, & 
769        dp, qv, ql, qi, t, s, qvten, qlten, qiten, sten )
770     !! ------------------------------------------------------------------------------- !
771     !! If any 'ql < qlmin, qi < qimin, qv < qvmin' are developed in any layer,         !
772     !! force them to be larger than minimum value by (1) condensating water vapor      !
773     !! into liquid or ice, and (2) by transporting water vapor from the very lower     !
774     !! layer. '2._r8' is multiplied to the minimum values for safety.                  !
775     !! Update final state variables and tendencies associated with this correction.    !
776     !! If any condensation happens, update (s,t) too.                                  !
777     !! Note that (qv,ql,qi,t,s) are final state variables after applying corresponding !
778     !! input tendencies.                                                               !
779     !! Be careful the order of k : '1': near-surface layer, 'mkx' : top layer          ! 
780     !! ------------------------------------------------------------------------------- !
781 !-----------------------------------------------------------------------------------------   
782     implicit none
783     integer,  intent(in)     :: ncol, mkx
784     real(r8), intent(in)     :: cp, xlv, xls
785     real(r8), intent(in)     :: dt, qvmin, qlmin, qimin
786     real(r8), intent(in)     :: dp(ncol,mkx)
787     real(r8), intent(inout)  :: qv(ncol,mkx), ql(ncol,mkx), qi(ncol,mkx), t(ncol,mkx), s(ncol,mkx)
788     real(r8), intent(inout)  :: qvten(ncol,mkx), qlten(ncol,mkx), qiten(ncol,mkx), sten(ncol,mkx)
789     integer   i, k
790     real(r8)  dql, dqi, dqv, sum, aa, dum 
791     
792     !! Modification : I should check whether this is exactly same as the one used in
793     !!                shallow convection and cloud macrophysics.
794     
795     do i = 1, ncol
796        do k = mkx, 1, -1    ! From the top to the 1st (lowest) layer from the surface
797           dql        = max(0._r8,1._r8*qlmin-ql(i,k))
798           dqi        = max(0._r8,1._r8*qimin-qi(i,k))
799           qlten(i,k) = qlten(i,k) +  dql/dt
800           qiten(i,k) = qiten(i,k) +  dqi/dt
801           qvten(i,k) = qvten(i,k) - (dql+dqi)/dt
802           sten(i,k)  = sten(i,k)  + xlv * (dql/dt) + xls * (dqi/dt)
803           ql(i,k)    = ql(i,k) +  dql
804           qi(i,k)    = qi(i,k) +  dqi
805           qv(i,k)    = qv(i,k) -  dql - dqi
806           s(i,k)     = s(i,k)  +  xlv * dql + xls * dqi
807           t(i,k)     = t(i,k)  + (xlv * dql + xls * dqi)/cp
808           dqv        = max(0._r8,1._r8*qvmin-qv(i,k))
809           qvten(i,k) = qvten(i,k) + dqv/dt
810           qv(i,k)    = qv(i,k)    + dqv
811           if( k .ne. 1 ) then 
812              qv(i,k-1)    = qv(i,k-1)    - dqv*dp(i,k)/dp(i,k-1)
813              qvten(i,k-1) = qvten(i,k-1) - dqv*dp(i,k)/dp(i,k-1)/dt
814           endif
815           qv(i,k) = max(qv(i,k),qvmin)
816           ql(i,k) = max(ql(i,k),qlmin)
817           qi(i,k) = max(qi(i,k),qimin)
818        end do
819        !! Extra moisture used to satisfy 'qv(i,1)=qvmin' is proportionally 
820        !! extracted from all the layers that has 'qv > 2*qvmin'. This fully
821        !! preserves column moisture. 
822        if( dqv .gt. 1.e-20_r8 ) then
823           sum = 0._r8
824           do k = 1, mkx
825              if( qv(i,k) .gt. 2._r8*qvmin ) sum = sum + qv(i,k)*dp(i,k)
826           enddo
827           aa = dqv*dp(i,1)/max(1.e-20_r8,sum)
828           if( aa .lt. 0.5_r8 ) then
829              do k = 1, mkx
830                 if( qv(i,k) .gt. 2._r8*qvmin ) then
831                    dum        = aa*qv(i,k)
832                    qv(i,k)    = qv(i,k) - dum
833                    qvten(i,k) = qvten(i,k) - dum/dt
834                 endif
835              enddo
836           else 
837              write(iulog,*) 'Full positive_moisture is impossible in vertical_diffusion'
838              call wrf_message(iulog)
839           endif
840        endif
841     end do
842     return
843     
844   end subroutine positive_moisture
845   
846   
848  !-----------------------------------------------------------------------------------------   
849   subroutine camuwpblinit(rublten,rvblten,rthblten,rqvblten, &
850        restart,tke_pbl,is_CAMMGMP_used,                      &
851        ids,ide,jds,jde,kds,kde,                              &
852        ims,ime,jms,jme,kms,kme,                              &
853        its,ite,jts,jte,kts,kte)
854     !!------------------------------------------------------------------!
855     !! Initialization of time independent fields for vertical diffusion !
856     !! Calls initialization routines for subsidiary modules             !
857     !!----------------------------------------------------------------- !
859     !This subroutine is based on vertical_diffusion_init of CAM. This subroutine 
860     !initializes variables for vertical diffusion subroutine calls. The layout 
861     !is kept similar to the original CAM subroutine to facillitate future adaptations.
862     !Called by : physics_init.F
863     !Calls: vd_register, cnst_get_ind, wrf_error_fatal,init_eddy_diff,init_tms,init_vdiff 
864 !-----------------------------------------------------------------------------------------
866     use eddy_diff,              only : init_eddy_diff
867     use molec_diff,             only : init_molec_diff
868     use trb_mtn_stress,         only : init_tms
869     use diffusion_solver,       only : init_vdiff, vdiff_select
870     use constituents,           only : cnst_get_ind, cnst_get_type_byind, cnst_name
871     use module_cam_support,     only : masterproc
872     use module_model_constants, only : epsq2
873 #ifdef MODAL_AERO
874     use modal_aero_data
875 #endif
876     
877     implicit none
879     !-------------------------------------------------------------------------------------!
880     !Input and output variables                                                           !
881     !-------------------------------------------------------------------------------------!
882     logical,intent(in) :: restart,is_CAMMGMP_used 
883     integer,intent(in) :: ids,ide,jds,jde,kds,kde
884     integer,intent(in) :: ims,ime,jms,jme,kms,kme
885     integer,intent(in) :: its,ite,jts,jte,kts,kte
886     
887     real,dimension(ims:ime,kms:kme,jms:jme),intent(inout) :: &
888          rublten, rvblten, rthblten, rqvblten
889     real,dimension(ims:ime,kms:kme,jms:jme),intent(out) :: TKE_PBL
891     !-------------------------------------------------------------------------------------!
892     !Local Variables                                                                      ! 
893     !-------------------------------------------------------------------------------------!
894     integer        :: i,j,k,itf,jtf,ktf 
895     integer        :: ntop_eddy         !! Top    interface level to which eddy vertical diffusion is applied ( = 1 )
896     integer        :: nbot_eddy         !! Bottom interface level to which eddy vertical diffusion is applied ( = pver )
897     integer        :: ntop_molec        !! Top    interface level to which molecular vertical diffusion is applied ( = 1 )
898     integer        :: nbot_molec        !! Bottom interface level to which molecular vertical diffusion is applied
899     character(128) :: errstring         !! Error status for init_vdiff
900     real(r8)       :: hypm(kte)         !! reference state midpoint pressures
901 #ifdef MODAL_AERO
902     integer        :: m, l
903 #endif
905     
906     jtf   = min(jte,jde-1)
907     ktf   = min(kte,kde-1)
908     itf   = min(ite,ide-1)
909     
910     !Map CAM veritcal level variables
911     pver  = ktf - kts + 1
912     pverp = pver + 1
913     
914     !Initialize flags and add constituents
915     call vd_register()  
916     
917     !! ----------------------------------------------------------------- !
918     !! Get indices of cloud liquid and ice within the constituents array !
919     !! ----------------------------------------------------------------- !
920     
921     call cnst_get_ind( 'CLDLIQ', ixcldliq )
922     call cnst_get_ind( 'CLDICE', ixcldice )
923     if( microp_scheme .eq. 'MG' ) then
924        call cnst_get_ind( 'NUMLIQ', ixnumliq )
925        call cnst_get_ind( 'NUMICE', ixnumice )
926     endif
927     
928     if (masterproc) then
929        write(iulog,*)'Initializing vertical diffusion (vertical_diffusion_init)'
930        call wrf_debug(1,iulog)
931     end if
932     
933     !! ---------------------------------------------------------------------------------------- !
934     !! Initialize molecular diffusivity module                                                  !
935     !! Molecular diffusion turned on above ~60 km (50 Pa) if model top is above ~90 km (.1 Pa). !
936     !! Note that computing molecular diffusivities is a trivial expense, but constituent        !
937     !! diffusivities depend on their molecular weights. Decomposing the diffusion matric        !
938     !! for each constituent is a needless expense unless the diffusivity is significant.        !
939     !! ---------------------------------------------------------------------------------------- !
940     
941     ntop_molec = 1       !! Should always be 1
942     nbot_molec = 0       !! Should be set below about 70 km
943     
944     !! ---------------------------------- !    
945     !! Initialize eddy diffusivity module !
946     !! ---------------------------------- !
947     
948     ntop_eddy  = 1       !! No reason not to make this 1, if > 1, must be <= nbot_molec
949     nbot_eddy  = pver    !! Should always be pver
950     
951     if( masterproc ) write(iulog,fmt='(a,i3,5x,a,i3)') 'NTOP_EDDY  =', ntop_eddy, 'NBOT_EDDY  =', nbot_eddy
952     call wrf_debug(1,iulog)
953     
954     select case ( eddy_scheme )
955     case ( 'diag_TKE' ) 
956        if( masterproc ) write(iulog,*) 'vertical_diffusion_init: eddy_diffusivity scheme'
957        call wrf_debug(1,iulog)
958        if( masterproc ) write(iulog,*) 'UW Moist Turbulence Scheme by Bretherton and Park'
959        call wrf_debug(1,iulog)
960        !! Check compatibility of eddy and shallow scheme
961        if( shallow_scheme .ne. 'UW' ) then
962           write(iulog,*) 'ERROR: shallow convection scheme ', shallow_scheme,' is incompatible with eddy scheme ', eddy_scheme
963           call wrf_message(iulog)
964           call wrf_error_fatal( 'convect_shallow_init: shallow_scheme and eddy_scheme are incompatible' )
965        endif
966        
967        call init_eddy_diff( r8, pver, gravit, cpair, rair, zvir, latvap, latice, &
968             ntop_eddy, nbot_eddy, hypm, karman )
969        
970        if( masterproc ) write(iulog,*) 'vertical_diffusion: nturb, ntop_eddy, nbot_eddy ', nturb, ntop_eddy, nbot_eddy
971        call wrf_debug(1,iulog)
972     end select
973     
974     !!-------------------------------------------------------------------------------------!
975     !! The vertical diffusion solver must operate                                          !
976     !! over the full range of molecular and eddy diffusion                                 !
977     !!-------------------------------------------------------------------------------------!
978     
979     ntop = min(ntop_molec,ntop_eddy)
980     nbot = max(nbot_molec,nbot_eddy)
981     
982     !! ------------------------------------------- !
983     !! Initialize turbulent mountain stress module !
984     !! ------------------------------------------- !
985     
986     if( do_tms ) then
987        call init_tms( r8, tms_orocnst, tms_z0fac, karman, gravit, rair )
988        if (masterproc) then
989           write(iulog,*)'Using turbulent mountain stress module'
990           call wrf_message(iulog)
991           write(iulog,*)'  tms_orocnst = ',tms_orocnst
992           call wrf_message(iulog)
993        end if
994     endif
995     
996     !! ---------------------------------- !
997     !! Initialize diffusion solver module !
998     !! ---------------------------------- !
999     
1000     call init_vdiff( r8, pcnst, rair, gravit, fieldlist_wet, fieldlist_dry, errstring )
1001     if( errstring .ne. '' ) call wrf_error_fatal( errstring )
1002     
1003     !!-------------------------------------------------------------------------------------
1004     !! Use fieldlist_wet to select the fields which will be diffused using moist mixing ratios ( all by default )
1005     !! Use fieldlist_dry to select the fields which will be diffused using dry   mixing ratios.
1006     !!-------------------------------------------------------------------------------------
1007     
1008     if( vdiff_select( fieldlist_wet, 'u' ) .ne. '' ) call wrf_error_fatal( vdiff_select( fieldlist_wet, 'u' ) )
1009     if( vdiff_select( fieldlist_wet, 'v' ) .ne. '' ) call wrf_error_fatal( vdiff_select( fieldlist_wet, 'v' ) )
1010     if( vdiff_select( fieldlist_wet, 's' ) .ne. '' ) call wrf_error_fatal( vdiff_select( fieldlist_wet, 's' ) )
1012 #ifdef MODAL_AERO
1013     !Get index for the liquid number concentration (#/kg)
1014     call cnst_get_ind( 'NUMLIQ', ixndrop )
1015 #endif    
1017     do k = 1, pcnst
1018        
1019 #ifdef MODAL_AERO
1020        !! Do not diffuse droplet number - treated in dropmixnuc
1022        !BSINGH:01/31/2013: The following if condition is modified from its original form[which is:if( k == ixndrop ) cycle]
1023        !to allow the PBL scheme to mix liquid number when CAMMGMP scheme is not being used
1025        if(is_CAMMGMP_used) then!BSINGH:01/31/2013: Modified this if cond. see comment above
1026           if( k == ixndrop ) cycle 
1027        endif
1028        !BSINGH-08/31/2012: In WRF, Physics init is called before chem init therefore
1029        !aerosol species are not yet added. Following condition, skip all other constituents
1030        !(which will be added in chem init) except first five (vapor, cld liq, cld ice, liq num and ice num)
1031        if( k > 5 ) cycle
1034        !The Following do-loop is commented out as Aerosols and other species are diffused in CAMMGMP and WRF_CHEM's dry_dep_driver subroutines
1036        !! Don't diffuse aerosol - treated in dropmixnuc
1037        !do m = 1, ntot_amode
1038        !   if( k == numptr_amode(m)   ) cycle
1039           !!         if( k == numptrcw_amode(m) ) go to 20
1040        !   do l = 1, nspec_amode(m)
1041        !      if( k == lmassptr_amode(l,m)   )cycle
1042              !!            if( k == lmassptrcw_amode(l,m) ) go to 20
1043        !   enddo
1044           !!         if( k == lwaterptr_amode(m) ) go to 20
1045        !enddo
1046 #endif
1047        !endif
1048        if( cnst_get_type_byind(k) .eq. 'wet' ) then
1049           if( vdiff_select( fieldlist_wet, 'q', k ) .ne. '' ) call wrf_error_fatal( vdiff_select( fieldlist_wet, 'q', k ) )
1050        else
1051           !The DRY constituents are not diffused currently in PBL, they are diffused in WRF_CHEM's dry_dep_driver subroutine. Therefore the following line is commented out
1052           !if( vdiff_select( fieldlist_dry, 'q', k ) .ne. '' ) call wrf_error_fatal( vdiff_select( fieldlist_dry, 'q', k ) )
1053        endif
1054     enddo
1055     
1056     !Initialize the tendencies
1057     jtf=min0(jte,jde-1)
1058     ktf=min0(kte,kde-1)
1059     itf=min0(ite,ide-1)
1060     
1061     if(.not.restart)then
1062        do j = jts , jtf
1063           do k = kts , ktf
1064              do i = its , itf
1065                 tke_pbl(i,k,j)  = epsq2
1066                 rublten(i,k,j)  = 0.
1067                 rvblten(i,k,j)  = 0.
1068                 rthblten(i,k,j) = 0.
1069                 rqvblten(i,k,j) = 0.
1070              enddo
1071           enddo
1072        enddo
1073     endif
1074   end subroutine camuwpblinit
1078 !-----------------------------------------------------------------------------------------
1079   subroutine vd_register()
1081 !This subroutine is based on the vd_register subroutine of CAM.
1082 !-----------------------------------------------------------------------------------------
1083     
1084     !Set flags for the PBL scheme (these flags are obtained using phys_getopts in CAM) 
1085     microp_scheme  = 'MG'       !Used for adding constituents
1086     eddy_scheme    = 'diag_TKE' !Used for calling eddy scheme 
1088     !The following flag is deliberately set to UW for now. 
1089     shallow_scheme = 'UW'       !Eddy scheme is ONLY compaticle with 'UW' shallow scheme; 
1091     do_tms         = .false.    !To include stresses due to orography
1092     tms_orocnst    = 1._r8      !Orography constant
1093     
1094   end subroutine vd_register
1095   
1096 end module module_bl_camuwpbl_driver