Merge branch 'master' into jm2/perimeter
[wrffire.git] / wrfv2_fire / phys / module_bl_temf.F
blobf869115147751be878deca6ff27fef8555855735
1 !wrf:model_layer:physics
6 module module_bl_temf
7 contains
9 !-------------------------------------------------------------------
11    subroutine temfpbl(u3d,v3d,th3d,t3d,qv3d,qc3d,qi3d,p3d,p3di,pi3d,rho,      &
12                   rublten,rvblten,rthblten,                                    &
13                   rqvblten,rqcblten,rqiblten,flag_qi,                          &
14                   g,cp,rcp,r_d,r_v,cpv,                                   &
15                   z,xlv,psfc,                                          &
16                   mut,p_top,                                           &
17                   znt,ht,ust,zol,hol,hpbl,psim,psih,                         &
18                   xland,hfx,qfx,tsk,qsfc,gz1oz0,wspd,br,                    &
19                   dt,dtmin,kpbl2d,                                             &
20                   svp1,svp2,svp3,svpt0,ep1,ep2,karman,eomeg,stbolt,            &
21                   kh_temf,km_temf,                                            &
22                   u10,v10,t2,                                                  &
23                   te_temf,shf_temf,qf_temf,uw_temf,vw_temf,                    &
24                   wupd_temf,mf_temf,thup_temf,qtup_temf,qlup_temf,            &
25                   cf3d_temf,cfm_temf,                                         &
26                   hd_temf,lcl_temf,hct_temf,                            &
27                   flhc,flqc,exch_temf,                                &
28                   fCor,                                                        &
29                   ids,ide, jds,jde, kds,kde,                                   &
30                   ims,ime, jms,jme, kms,kme,                                   &
31                   its,ite, jts,jte, kts,kte                                   &
32                   )
33 !-------------------------------------------------------------------
34       implicit none
35 !-------------------------------------------------------------------
36 ! New variables for TEMF
37 !-- te_temf     Total energy from this scheme
38 !-- shf_temf    Sensible heat flux profile from this scheme (kinematic)
39 !-- qf_temf     Moisture flux profile from this scheme (kinematic)
40 !-- uw_temf     U momentum flux component from this scheme
41 !-- vw_temf     V momentum flux component from this scheme
42 !-- kh_temf     Exchange coefficient for heat (3D)
43 !-- km_temf     Exchange coefficient for momentum (3D)
44 !-- wupd_temf     Updraft velocity from TEMF BL scheme
45 !-- mf_temf       Mass flux from TEMF BL scheme
46 !-- thup_temf   Updraft thetal from TEMF BL scheme
47 !-- qtup_temf   Updraft qt from TEMF BL scheme
48 !-- qlup_temf   Updraft ql from TEMF BL scheme
49 !-- cf3d_temf   3D cloud fraction from TEMF BL scheme
50 !-- cfm_temf    Column cloud fraction from TEMF BL scheme
51 !-- exch_temf   Surface exchange coefficient (as for moisture) from TEMF surface layer scheme
52 !-- flhc        Surface exchange coefficient for heat (needed by surface scheme)
53 !-- flqc        Surface exchange coefficient for moisture (including moisture availablity)
54 !-- fCor        Coriolis parameter (from grid%f)
56 !-- u3d         3d u-velocity interpolated to theta points (m/s)
57 !-- v3d         3d v-velocity interpolated to theta points (m/s)
58 !-- th3d               3d potential temperature (k)
59 !-- t3d         temperature (k)
60 !-- qv3d        3d water vapor mixing ratio (kg/kg)
61 !-- qc3d        3d cloud mixing ratio (kg/kg)
62 !-- qi3d        3d ice mixing ratio (kg/kg)
63 !               (note: if P_QI<PARAM_FIRST_SCALAR this should be zero filled)
64 !-- p3d         3d pressure (pa)
65 !-- p3di        3d pressure (pa) at interface level
66 !-- pi3d        3d exner function (dimensionless)
67 !-- rho         3d dry air density (kg/m^3)
68 !-- rublten     u tendency due to
69 !               pbl parameterization (m/s/s)
70 !-- rvblten     v tendency due to
71 !               pbl parameterization (m/s/s)
72 !-- rthblten    theta tendency due to
73 !               pbl parameterization (K/s)
74 !-- rqvblten    qv tendency due to
75 !               pbl parameterization (kg/kg/s)
76 !-- rqcblten    qc tendency due to
77 !               pbl parameterization (kg/kg/s)
78 !-- rqiblten    qi tendency due to
79 !               pbl parameterization (kg/kg/s)
80 !-- cp          heat capacity at constant pressure for dry air (j/kg/k)
81 !-- g           acceleration due to gravity (m/s^2)
82 !-- rovcp       r/cp
83 !-- r_d          gas constant for dry air (j/kg/k)
84 !-- rovg        r/g
85 !-- z           height above sea level (m)
86 !-- xlv         latent heat of vaporization (j/kg)
87 !-- r_v                 gas constant for water vapor (j/kg/k)
88 !-- psfc        pressure at the surface (pa)
89 !-- znt         roughness length (m)
90 !-- ht          terrain height ASL (m)
91 !-- ust         u* in similarity theory (m/s)
92 !-- zol         z/l height over monin-obukhov length
93 !-- hol         pbl height over monin-obukhov length
94 !-- hpbl        pbl height (m)
95 !-- psim        similarity stability function for momentum
96 !-- psih        similarity stability function for heat
97 !-- xland       land mask (1 for land, 2 for water)
98 !-- hfx         upward heat flux at the surface (w/m^2)
99 !-- qfx         upward moisture flux at the surface (kg/m^2/s)
100 !-- tsk         surface temperature (k)
101 !-- qsfc        surface specific humidity (kg/kg)
102 !-- gz1oz0      log(z/z0) where z0 is roughness length
103 !-- wspd        wind speed at lowest model level (m/s)
104 !-- u10         u-wind speed at 10 m (m/s)
105 !-- v10         v-wind speed at 10 m (m/s)
106 !-- br          bulk richardson number in surface layer
107 !-- dt          time step (s)
108 !-- dtmin       time step (minute)
109 !-- rvovrd      r_v divided by r_d (dimensionless)
110 !-- svp1        constant for saturation vapor pressure (kpa)
111 !-- svp2        constant for saturation vapor pressure (dimensionless)
112 !-- svp3        constant for saturation vapor pressure (k)
113 !-- svpt0       constant for saturation vapor pressure (k)
114 !-- ep1         constant for virtual temperature (r_v/r_d - 1) (dimensionless)
115 !-- ep2         constant for specific humidity calculation
116 !-- karman      von karman constant
117 !-- eomeg       angular velocity of earths rotation (rad/s)
118 !-- stbolt      stefan-boltzmann constant (w/m^2/k^4)
119 !-- ids         start index for i in domain
120 !-- ide         end index for i in domain
121 !-- jds         start index for j in domain
122 !-- jde         end index for j in domain
123 !-- kds         start index for k in domain
124 !-- kde         end index for k in domain
125 !-- ims         start index for i in memory
126 !-- ime         end index for i in memory
127 !-- jms         start index for j in memory
128 !-- jme         end index for j in memory
129 !-- kms         start index for k in memory
130 !-- kme         end index for k in memory
131 !-- its         start index for i in tile
132 !-- ite         end index for i in tile
133 !-- jts         start index for j in tile
134 !-- jte         end index for j in tile
135 !-- kts         start index for k in tile
136 !-- kte         end index for k in tile
137 !-------------------------------------------------------------------
138 ! Arguments
140    integer,  intent(in   )   ::      ids,ide, jds,jde, kds,kde,                &
141                                      ims,ime, jms,jme, kms,kme,                &
142                                      its,ite, jts,jte, kts,kte
144    real,     intent(in   )   ::      dt,dtmin,g,cp,rcp,r_d,r_v,xlv,cpv
146    real,     intent(in )     ::      svp1,svp2,svp3,svpt0
147    real,     intent(in )     ::      ep1,ep2,karman,eomeg,stbolt
149    real,     dimension( ims:ime, kms:kme, jms:jme )                          , &
150              intent(in   )   ::      qv3d, qc3d, qi3d, &
151                                      p3d, pi3d, th3d, t3d, &
152                                      z, rho
154    real,     dimension( ims:ime, kms:kme, jms:jme )                          , &
155              intent(inout)   ::      te_temf
156    real,     dimension( ims:ime, kms:kme, jms:jme )                          , &
157              intent(  out)   ::      shf_temf, qf_temf, uw_temf, vw_temf     , &
158                                      wupd_temf, mf_temf, thup_temf, qtup_temf, &
159                                      qlup_temf,cf3d_temf
160    real,     dimension( ims:ime, jms:jme )                          , &
161              intent(inout)   ::      flhc, flqc, exch_temf
162    real,     dimension( ims:ime, jms:jme )                                   , &
163              intent(in   )   ::      fCor
164    real,     dimension( ims:ime, jms:jme )                                   , &
165              intent(  out)   ::      hd_temf, lcl_temf, hct_temf, cfm_temf
167    real,     dimension( ims:ime, kms:kme, jms:jme )                          , &
168              intent(in   )   ::      p3di
170    real,     dimension( ims:ime, kms:kme, jms:jme )                          , &
171              intent(inout)   ::      rublten, rvblten, &
172                                      rthblten, &
173                                      rqvblten, rqcblten, rqiblten
175    real,     dimension( ims:ime, kms:kme, jms:jme )                          , &
176              intent(inout)   ::      kh_temf, km_temf
177    real,     dimension( ims:ime, jms:jme )                                   , &
178              intent(inout)   ::      u10, v10, t2
180    real,     dimension( ims:ime, jms:jme )                                   , &
181              intent(in   )   ::      xland, &
182                                      psim, psih, gz1oz0, br, &
183                                      psfc, tsk, qsfc
185    real,     dimension( ims:ime, jms:jme )                                   , &
186              intent(inout)   ::      hfx, qfx
187    real,     dimension( ims:ime, jms:jme )                                   , &
188              intent(inout)   ::      hol, ust, hpbl, znt, wspd, zol
189    real,     dimension( ims:ime, jms:jme )                                   , &
190              intent(in   )   ::      ht
192   real,      dimension( ims:ime, kms:kme, jms:jme )                          , &
193              intent(in   )   ::      u3d, v3d
195   integer,   dimension( ims:ime, jms:jme )                                   , &
196              intent(out  )   ::      kpbl2d
198      logical, intent(in)        ::   flag_qi
200 !   real,     dimension( ims:ime, kms:kme, jms:jme ), &
201 !             optional                              , &
202 !             intent(inout)   ::      rqiblten
204    real,     dimension( ims:ime, jms:jme )                                   , &
205              optional                                                        , &
206              intent(in   )   ::      mut
208    real,     optional, intent(in   )   ::  p_top
210 !-------------------------------------------------------
211 ! Local variables
212    integer :: j
214    do j = jts,jte
215       call temf2d(J=j,ux=u3d(ims,kms,j),vx=v3d(ims,kms,j)                      &
216               ,tx=t3d(ims,kms,j),thx=th3d(ims,kms,j)                           &
217               ,qvx=qv3d(ims,kms,j),qcx=qc3d(ims,kms,j)                         &
218               ,qix=qi3d(ims,kms,j)                                             &
219               ,p2d=p3d(ims,kms,j),p2di=p3di(ims,kms,j)                         &
220               ,pi2d=pi3d(ims,kms,j),rho=rho(ims,kms,j)                         &
221               ,rubltenx=rublten(ims,kms,j),rvbltenx=rvblten(ims,kms,j)         &
222               ,rthbltenx=rthblten(ims,kms,j),rqvbltenx=rqvblten(ims,kms,j)     &
223               ,rqcbltenx=rqcblten(ims,kms,j),rqibltenx=rqiblten(ims,kms,j)     &
224               ,g=g,cp=cp,rcp=rcp,r_d=r_d,r_v=r_v,cpv=cpv            &
225               ,z2d=z(ims,kms,j)                         &
226               ,xlv=xlv                                                   &
227               ,psfcpa=psfc(ims,j),znt=znt(ims,j),zsrf=ht(ims,j),ust=ust(ims,j) &
228               ,zol=zol(ims,j),hol=hol(ims,j),hpbl=hpbl(ims,j)                  &
229               ,psim=psim(ims,j)                           &
230               ,psih=psih(ims,j),xland=xland(ims,j)                             &
231               ,hfx=hfx(ims,j),qfx=qfx(ims,j)                                   &
232               ,tsk=tsk(ims,j),qsfc=qsfc(ims,j),gz1oz0=gz1oz0(ims,j)           &
233               ,wspd=wspd(ims,j),br=br(ims,j)                                   &
234               ,dt=dt,dtmin=dtmin,kpbl1d=kpbl2d(ims,j)                          &
235               ,svp1=svp1,svp2=svp2,svp3=svp3,svpt0=svpt0                       &
236               ,ep1=ep1,ep2=ep2,karman=karman,eomeg=eomeg                       &
237               ,stbolt=stbolt                                                   &
238               ,kh_temfx=kh_temf(ims,kms,j),km_temfx=km_temf(ims,kms,j)         &
239               ,u10=u10(ims,j),v10=v10(ims,j),t2=t2(ims,j)                      &
240               ,te_temfx=te_temf(ims,kms,j)                                     &
241               ,shf_temfx=shf_temf(ims,kms,j),qf_temfx=qf_temf(ims,kms,j)       &
242               ,uw_temfx=uw_temf(ims,kms,j),vw_temfx=vw_temf(ims,kms,j)       &
243               ,wupd_temfx=wupd_temf(ims,kms,j),mf_temfx=mf_temf(ims,kms,j)   &
244               ,thup_temfx=thup_temf(ims,kms,j),qtup_temfx=qtup_temf(ims,kms,j) &
245               ,qlup_temfx=qlup_temf(ims,kms,j) &
246               ,cf3d_temfx=cf3d_temf(ims,kms,j),cfm_temfx=cfm_temf(ims,j)       &
247               ,hd_temfx=hd_temf(ims,j),lcl_temfx=lcl_temf(ims,j)       &
248               ,hct_temfx=hct_temf(ims,j),exch_temfx=exch_temf(ims,j)    &
249               ,flhc=flhc(ims,j),flqc=flqc(ims,j)                     &
250               ,fCor=fCor(ims,j)                                              &
251               ,ids=ids,ide=ide, jds=jds,jde=jde, kds=kds,kde=kde               &
252               ,ims=ims,ime=ime, jms=jms,jme=jme, kms=kms,kme=kme               &
253               ,its=its,ite=ite, jts=jts,jte=jte, kts=kts,kte=kte   )
254    enddo
256    end subroutine temfpbl
258 !-------------------------------------------------------------------
260    subroutine temf2d(j,ux,vx,tx,thx,qvx,qcx,qix,p2d,p2di,pi2d,rho,            &
261                   rubltenx,rvbltenx,rthbltenx,                                 &
262                   rqvbltenx,rqcbltenx,rqibltenx,                               &
263                   g,cp,rcp,r_d,r_v,cpv,                            &
264                   z2d,                                                  &
265                   xlv,psfcpa,                                    &
266                   znt,zsrf,ust,zol,hol,hpbl,psim,psih,                      &
267                   xland,hfx,qfx,tsk,qsfc,gz1oz0,wspd,br,                   &
268                   dt,dtmin,kpbl1d,                                             &
269                   svp1,svp2,svp3,svpt0,ep1,ep2,karman,eomeg,stbolt,            &
270                   kh_temfx,km_temfx,                                         &
271                   u10,v10,t2,                                                 &
272                   te_temfx,shf_temfx,qf_temfx,uw_temfx,vw_temfx,               &
273                   wupd_temfx,mf_temfx,thup_temfx,qtup_temfx,qlup_temfx,       &
274                   cf3d_temfx,cfm_temfx,                                        &
275                   hd_temfx,lcl_temfx,hct_temfx,exch_temfx,           &
276                   flhc,flqc,                                                 &
277                   fCor,                                                        &
278                   ids,ide, jds,jde, kds,kde,                                   &
279                   ims,ime, jms,jme, kms,kme,                                   &
280                   its,ite, jts,jte, kts,kte                                   &
281                   )
282 !-------------------------------------------------------------------
283    implicit none
284 !-------------------------------------------------------------------
286 ! This is the Total Energy - Mass Flux (TEMF) PBL scheme.
287 ! Initial implementation 2010 by Wayne Angevine, CIRES/NOAA ESRL.
288 ! References:
289 !    Angevine et al., 2010, MWR
290 !    Angevine, 2005, JAM
291 !    Mauritsen et al., 2007, JAS
293 !-------------------------------------------------------------------
295    integer,  intent(in   )   ::      ids,ide, jds,jde, kds,kde,                &
296                                      ims,ime, jms,jme, kms,kme,                &
297                                      its,ite, jts,jte, kts,kte, j
299    real,     intent(in   )   ::      dt,dtmin,g,cp,rcp,r_d,r_v,cpv,xlv
301    real,     intent(in )     ::      svp1,svp2,svp3,svpt0
302    real,     intent(in )     ::      ep1,ep2,karman,eomeg,stbolt
304    real,     dimension( ims:ime, kms:kme ),                                    &
305              intent(in)      ::      z2d
307    real,     dimension( ims:ime, kms:kme )                                   , &
308              intent(in   )   ::      ux, vx
309    real,     dimension( ims:ime, kms:kme )                                   , &
310              intent(inout)   ::      te_temfx
311    real,     dimension( ims:ime, kms:kme )                                   , &
312              intent(  out)   ::      shf_temfx, qf_temfx, uw_temfx, vw_temfx , &
313                                      wupd_temfx, mf_temfx,thup_temfx,          &
314                                      qtup_temfx, qlup_temfx, cf3d_temfx
315    real,     dimension( ims:ime )                                   , &
316              intent(  out)   ::      hd_temfx, lcl_temfx, hct_temfx, cfm_temfx
317    real,     dimension( ims:ime )                                   , &
318              intent(in   )   ::      fCor
319    real,     dimension( ims:ime )                                   , &
320              intent(inout)   ::      flhc, flqc, exch_temfx
321    real,     dimension( ims:ime, kms:kme )                                   , &
322              intent(in   )   ::      tx, thx, qvx, qcx, qix, pi2d, rho
323    real,     dimension( ims:ime, kms:kme )                                 , &
324              intent(in   )   ::      p2di, p2d
326    real,     dimension( ims:ime, kms:kme )                                   , &
327              intent(inout)   ::      rubltenx, rvbltenx, rthbltenx,            &
328                                      rqvbltenx, rqcbltenx, rqibltenx
330    real,     dimension( ims:ime )                                            , &
331              intent(inout)   ::      hol, ust, hpbl, znt
332    real,     dimension( ims:ime )                                            , &
333              intent(in   )   ::      xland, zsrf
334    real,     dimension( ims:ime )                                            , &
335              intent(inout)   ::      hfx, qfx
337    real,     dimension( ims:ime ), intent(inout)   ::  wspd
338    real,     dimension( ims:ime ), intent(in  )    ::  br
340    real,     dimension( ims:ime ), intent(in   )   ::  psim, psih
341    real,     dimension( ims:ime ), intent(in   )   ::  gz1oz0
343    real,     dimension( ims:ime ), intent(in   )   ::  psfcpa
344    real,     dimension( ims:ime ), intent(in   )   ::  tsk, qsfc
345    real,     dimension( ims:ime ), intent(inout)   ::  zol
346    integer,  dimension( ims:ime ), intent(out  )   ::  kpbl1d
347    real,     dimension( ims:ime, kms:kme )                                   , &
348              intent(inout)   ::        kh_temfx, km_temfx
350    real,     dimension( ims:ime )                                            , &
351              intent(inout)    ::        u10, v10, t2
354 !-----------------------------------------------------------
355 ! Local variables
357 ! TE model constants
358    logical, parameter :: MFopt = .true.  ! Use mass flux or not
359 !   real, parameter :: visc_temf = 1.57e-5
360 !   real, parameter :: conduc_temf = 1.57e-5 / 0.733
361    real, parameter :: visc_temf = 1.57e-4   ! WA TEST bigger minimum K
362    real, parameter :: conduc_temf = 1.57e-4 / 0.733
363    real, parameter :: Pr_temf = 0.733
364    real, parameter :: TEmin = 1e-3
365    real, parameter :: ftau0 = 0.17
366    real, parameter :: fth0 = 0.145
367 !   real, parameter :: fth0 = 0.12    ! WA 10/13/10 to make PrT0 ~= 1
368    real, parameter :: critRi = 0.25
369    real, parameter :: Cf = 0.185
370    real, parameter :: CN = 2.0
371 !   real, parameter :: Ceps = ftau0**1.5
372    real, parameter :: Ceps = 0.070
373    real, parameter :: Cgamma = Ceps
374    real, parameter :: Cphi = Ceps
375 !   real, parameter :: PrT0 = Cphi/Ceps * ftau0**2. / 2 / fth0**2.
376    real, parameter :: PrT0 = Cphi/Ceps * ftau0**2 / 2. / fth0**2
377 ! EDMF constants
378    real, parameter :: CM = 0.03      ! Proportionality constant for subcloud MF
379    real, parameter :: Cdelt = 0.006  ! Prefactor for detrainment rate
380    real, parameter :: Cw = 0.5       ! Prefactor for surface wUPD
381    real, parameter :: Cc = 3.0       ! Prefactor for convective length scale
382    real, parameter :: lasymp = 200.0 ! Asymptotic length scale WA 11/20/09
383    real, parameter :: hmax = 4000.0  ! Max hd,hct WA 11/20/09
385    integer :: i, k, kt   ! Loop variable
386    integer, dimension( its:ite) ::  h0idx
387    real, dimension( its:ite)    ::  h0
388    real, dimension( its:ite)    ::  wstr, ang, wm
389    real, dimension( its:ite)    ::  hd,lcl,hct,ht
390    real, dimension( its:ite)    ::  convection_TKE_surface_src, sfcFTE
391    real, dimension( its:ite)    ::  sfcTHVF
392    real, dimension( its:ite)    ::  z0t
393    integer, dimension( its:ite) ::  hdidx,lclidx,hctidx,htidx
394    integer, dimension( its:ite) ::  tval
395    ! real, dimension( its:ite )   ::  sfcHF, sfcQF
396    real, dimension( its:ite, kts:kte) :: thetal, qt
397    real, dimension( its:ite, kts:kte) :: u_temf, v_temf
398    real, dimension( its:ite, kts:kte) :: rv, rl, rt
399    real, dimension( its:ite, kts:kte) :: chi_poisson, gam
400    real, dimension( its:ite, kts:kte) :: dthdz, dqtdz, dudz, dvdz
401    real, dimension( its:ite, kts:kte) :: lepsmin
402    real, dimension( its:ite, kts:kte) :: thetav
403    real, dimension( its:ite, kts:kte) :: MFCth, MFCq, MFCu, MFCv
404    real, dimension( its:ite, kts:kte) :: MFCql, MFCthv, MFCTE
405    real, dimension( its:ite, kts:kte) :: epsmf, deltmf, dMdz
406    real, dimension( its:ite, kts:kte) :: UUPD, VUPD
407    real, dimension( its:ite, kts:kte) :: thetavUPD, qlUPD, TEUPD
408    real, dimension( its:ite, kts:kte) :: thetavUPDmoist, wupd_dry
409    real, dimension( its:ite, kts:kte) :: B, Bmoist
410    real, dimension( its:ite, kts:kte) :: zm, zt, dzm, dzt
411    real, dimension( its:ite, kts:kte) :: dthUPDdz, dqtup_temfxdz, dwUPDdz
412    real, dimension( its:ite, kts:kte) :: dwUPDmoistdz
413    real, dimension( its:ite, kts:kte) :: dUUPDdz, dVUPDdz, dTEUPDdz
414    real, dimension( its:ite, kts:kte) :: TUPD, rstUPD, rUPD, rlUPD, qstUPD
415    real, dimension( its:ite, kts:kte) :: N2, S, Ri, beta, ftau, fth, ratio
416    real, dimension( its:ite, kts:kte) :: TKE, TE2
417    real, dimension( its:ite, kts:kte) :: ustrtilde, linv, leps
418    real, dimension( its:ite, kts:kte) :: km, kh
419    real, dimension( its:ite, kts:kte) :: Fz, QFK, uwk, vwk
420    real, dimension( its:ite, kts:kte) :: km_conv, kh_conv, lconv
421    real, dimension( its:ite, kts:kte) :: alpha2, beta2   ! For thetav flux calculation
422    real, dimension( its:ite, kts:kte) :: THVF, buoy_src, srcs
423    real, dimension( its:ite, kts:kte) :: u_new, v_new
424    real, dimension( its:ite, kts:kte) :: thx_new, qvx_new, qcx_new
425    real, dimension( its:ite, kts:kte) :: thup_new, qvup_new
426    real, dimension( its:ite, kts:kte) :: beta1 ! For saturation humidity calculations
427    real Cepsmf    ! Prefactor for entrainment rate
428    real red_fact  ! WA TEST for reducing MF components
429    logical is_convective
430    ! Vars for cloud fraction calculation
431    real, dimension( its:ite, kts:kte) :: au, sigq, qst, satdef
432    real sigq2, rst
434 !----------------------------------------------------------------------
435 ! Grid staggering:  Matlab version has mass and turbulence levels.
436 ! WRF has full levels (with w) and half levels (u,v,theta,q*).  Both
437 ! sets of levels use the same indices (kts:kte).  See pbl_driver or
438 ! WRF Physics doc for (a few) details.  
439 ! So *mass levels correspond to half levels.*
440 ! WRF full levels are ignored, we define our own turbulence levels
441 ! in order to put the first one below the first half level.
442 ! Another difference is that
443 ! the Matlab version (and the Mauritsen et al. paper) consider the
444 ! first mass level to be at z0 (effectively the surface).  WRF considers
445 ! the first half level to be above the effective surface.  The first half
446 ! level, at k=1, has nonzero values of u,v for example.  Here we convert
447 ! all incoming variables to internal ones with the correct indexing
448 ! in order to make the code consistent with the Matlab version.  We
449 ! already had to do this for thetal and qt anyway, so the only additional
450 ! overhead is for u and v.
451 ! I use suffixes m for mass and t for turbulence as in Matlab for things
452 ! like indices.
453 ! Note that zsrf is the terrain height ASL, from Registry variable ht.
454 ! Translations (Matlab to WRF):
455 !     dzt -> calculated below
456 !     dzm -> not supplied, calculated below
457 !     k -> karman
458 !     z0 -> znt
459 !     z0t -> not in WRF, calculated below
460 !     zt -> calculated below
461 !     zm -> (z2d - zsrf) but NOTE zm(1) is now z0 (znt) and zm(2) is
462 !                                 z2d(1) - zsrf
464 ! WA I take the temperature at z0 to be
465 ! TSK.  This isn't exactly robust.  Also I pass out the surface
466 ! exchange coefficients flhc, flqc for the surface scheme to use in the 
467 ! next timestep.
468 ! WA 2/16/11 removed calculation of flhc, flqc which are not needed here.
469 ! These should be removed from the calling sequence someday.
471 ! Other notes:
472 ! - I have often used 1 instead of kts below, because the scheme demands
473 !   to know where the surface is.  It won't work if kts .NE. 1.
476    do i = its,ite      ! Main loop 
478       ! Get incoming surface theta from TSK (WA for now)
479       thetal(i,1) = tsk(i) / pi2d(i,1)  ! WA really should use Exner func. at z0
480       if (exch_temfx(i) > 1.0e-12) then
481          qt(i,1) = qfx(i) / exch_temfx(i) + qvx(i,1)  ! WA assumes no liquid at z0
482       else
483          qt(i,1) = qvx(i,1)
484       end if
485       rv(i,1) = qt(i,1) / (1.-qt(i,1))   ! Water vapor
486       rl(i,1) = 0.
487       rt(i,1) = rv(i,1) + rl(i,1)        ! Total water (without ice)
488       chi_poisson(i,1) = rcp * (1.+rv(i,1)/ep2) / (1.+rv(i,1)*cpv/cp)
489       gam(i,1) = rv(i,1) * r_v / (cp + rv(i,1)*cpv)
490       ! thetav(i,1) = thetal(i,1) * (1. + 0.608*qt(i,1))  ! WA Assumes ql(env)=0, what if it isn't?
491       thetav(i,1) = thetal(i,1) * (1. + 0.608*qt(i,1) - qcx(i,1))  ! WA 4/6/10 allow environment liquid
492       ! WA TEST (R5) set z0t = z0
493       ! z0t(i) = znt(i) / 10.0   ! WA this is hard coded in Matlab version
494       z0t(i) = znt(i)
496       ! Convert incoming theta to thetal and qv,qc to qt
497       ! NOTE this is where the indexing gets changed from WRF to TEMF basis
498       do k = kts+1,kte
499          ! Convert specific humidities to mixing ratios
500          rv(i,k) = qvx(i,k-1) / (1.-qvx(i,k-1))   ! Water vapor
501          rl(i,k) = qcx(i,k-1) / (1.-qcx(i,k-1))   ! Liquid water 
502          rt(i,k) = rv(i,k) + rl(i,k)        ! Total water (without ice)
503          chi_poisson(i,k) = rcp * (1.+rv(i,k)/ep2) / (1.+rv(i,k)*cpv/cp)
504          gam(i,k) = rt(i,k) * r_v / (cp + rt(i,k)*cpv)
505          thetal(i,k) = thx(i,k-1) * ((ep2+rv(i,k))/(ep2+rt(i,k)))**chi_poisson(i,k) * (rv(i,k)/rt(i,k))**(-gam(i,k)) * exp( -xlv*rl(i,k) / ((cp + rt(i,k)*cpv) * tx(i,k)))
506          qt(i,k) = qvx(i,k-1) + qcx(i,k-1)
507          ! thetav(i,k) = thetal(i,k) * (1. + 0.608*qt(i,k))  ! WA Assumes ql(env)=0, what if it isn't?
508          thetav(i,k) = thetal(i,k) * (1. + 0.608*qt(i,k) - qcx(i,k-1))  ! WA 4/6/10 allow environment liquid
509       end do
511       ! Convert incoming u,v to internal u_temf, v_temf
512       ! NOTE this is where the indexing gets changed from WRF to TEMF basis
513       u_temf(i,1) = 0.   ! zero winds at z0
514       v_temf(i,1) = 0.
515       do k = kts+1,kte
516          u_temf(i,k) = ux(i,k-1)
517          v_temf(i,k) = vx(i,k-1)
518       end do
520       ! Get delta height at half (mass) levels
521       zm(i,1) = znt(i)
522       dzt(i,1) = z2d(i,1) - zsrf(i) - zm(i,1)
523       ! Get height and delta at turbulence levels
524       zt(i,1) = (z2d(i,1) - zsrf(i) - znt(i)) / 2.
525       do kt = kts+1,kte
526          zm(i,kt) = z2d(i,kt-1) - zsrf(i) ! Convert indexing from WRF to TEMF
527          zt(i,kt) = (zm(i,kt) + z2d(i,kt) - zsrf(i)) / 2.
528          dzm(i,kt) = zt(i,kt) - zt(i,kt-1)
529          dzt(i,kt) = z2d(i,kt+1) - z2d(i,kt)
530       end do
531       dzm(i,1) = dzm(i,2)  ! WA why?
532       dzt(i,kte) = dzt(i,kte-1)    ! WA 12/23/09
534       ! Gradients at first level
535       dthdz(i,1) = (thetal(i,2)-thetal(i,1)) / (zt(i,1) * log10(zm(i,2)/z0t(i)))
536       dqtdz(i,1) = (qt(i,2)-qt(i,1)) / (zt(i,1) * log10(zm(i,2)/z0t(i)))
537       dudz(i,1) = (u_temf(i,2)-u_temf(i,1)) / (zt(i,1) * log10(zm(i,2)/znt(i)))
538       dvdz(i,1) = (v_temf(i,2)-v_temf(i,1)) / (zt(i,1) * log10(zm(i,2)/znt(i)))
540       ! Surface thetaV flux from Stull p.147
541       sfcTHVF(i) = hfx(i)/(rho(i,1)*cp) * (1.+0.608*(qvx(i,1)+qcx(i,1))) + 0.608*thetav(i,1)*qf_temfx(i,1)
543       ! WA use hd_temf to calculate w* instead of finding h0 here????
544       ! Watch initialization!
545       h0idx(i) = 1
546       h0(i) = zm(i,1)
548       ! WA TEST (R4) remove lower limit on leps
549       ! lepsmin(i,kts) = min(0.4*zt(i,kts), 5.)
550       lepsmin(i,kts) = 0.
552       do k = kts+1,kte-1
553          ! WA TEST (R4) remove lower limit on leps
554          ! lepsmin(i,k) = min(0.4*zt(i,k), 5.)
555          lepsmin(i,k) = 0.
556          ! lepsmin(i,k) = min(zt(i,k), 20.)  ! WA to deal with runaway
558          ! Mean gradients
559          ! dthdz(i,k) = (thx(i,k) - thx(i,k-1)) / dzt(i,k)  ! WA 1/12/10
560          dthdz(i,k) = (thetal(i,k+1) - thetal(i,k)) / dzt(i,k)
561          dqtdz(i,k) = (qt(i,k+1) - qt(i,k)) / dzt(i,k)
562          dudz(i,k) = (u_temf(i,k+1) - u_temf(i,k)) / dzt(i,k)
563          dvdz(i,k) = (v_temf(i,k+1) - v_temf(i,k)) / dzt(i,k)
565          ! Find h0 (should eventually be interpolated for smoothness)
566          if (thetav(i,k) > thetav(i,1) .AND. h0idx(i) .EQ. 1) then
567          ! WA 9/28/11 limit h0 as for hd and hct
568             if (zm(i,k) < hmax) then
569                h0idx(i) = k
570                h0(i) = zm(i,k)
571             else
572                h0idx(i) = k
573                h0(i) = hmax
574             end if
575          end if
576       end do
578       ! Gradients at top level   
580       dthdz(i,kte) = dthdz(i,kte-1)
581       dqtdz(i,kte) = dqtdz(i,kte-1)
582       dudz(i,kte) = dudz(i,kte-1)
583       dvdz(i,kte) = dvdz(i,kte-1)
585       if ( hfx(i) > 0.) then
586          ! wstr(i) = (g * h0(i) / thetav(i,2) * shf_temfx(i,1) ) ** (1./3.)
587          wstr(i) = (g * h0(i) / thetav(i,2) * hfx(i)/(rho(i,1)*cp) ) ** (1./3.)
588       else
589          wstr(i) = 0.
590       end if
591       
593       ! Set flag convective or not for use below
594       is_convective = wstr(i) > 0. .AND. MFopt .AND. dthdz(i,1)<0. .AND. dthdz(i,2)<0.  ! WA 12/16/09 require two levels of negative (unstable) gradient
596       ! Find stability parameters and length scale (on turbulence levels)
597       do kt = 1,kte-1
598          N2(i,kt) = 2. * g / (thetav(i,kt) + thetav(i,kt+1))*dthdz(i,kt)
599          S(i,kt) = sqrt(dudz(i,kt)**2. + dvdz(i,kt)**2.)
600          Ri(i,kt) = N2(i,kt) / S(i,kt)**2.
601          if (S(i,kt) < 1e-15) then
602             if (N2(i,kt) >= 0) then
603                Ri(i,kt) = 10.
604             else
605                Ri(i,kt) = -1.
606             end if
607          end if
608          beta(i,kt) = 2. * g / (thetav(i,kt)+thetav(i,kt+1))
609          if (Ri(i,kt) > 0) then
610             ratio(i,kt) = Ri(i,kt)/(Cphi**2.*ftau0**2./(2.*Ceps**2.*fth0**2.)+3.*Ri(i,kt))
611             ftau(i,kt) = ftau0 * ((3./4.) / (1.+4.*Ri(i,kt)) + 1./4.)
612             fth(i,kt) = fth0 / (1.+4.*Ri(i,kt))
613             TE2(i,kt) = 2. * te_temfx(i,kt) * ratio(i,kt) * N2(i,kt) / beta(i,kt)**2.
614          else
615             ratio(i,kt) = Ri(i,kt)/(Cphi**2.*ftau0**2./(-2.*Ceps**2.*fth0**2.)+2.*Ri(i,kt))
616             ftau(i,kt) = ftau0
617             fth(i,kt) = fth0
618             TE2(i,kt) = 0.
619          end if
620          TKE(i,kt) = te_temfx(i,kt) * (1. - ratio(i,kt))
621          ustrtilde(i,kt) = sqrt(ftau(i,kt) * TKE(i,kt))
622          if (N2(i,kt) > 0.) then
623             linv(i,kt) = 1./karman / zt(i,kt) + abs(fCor(i)) / (Cf*ustrtilde(i,kt)) + sqrt(N2(i,kt))/(CN*ustrtilde(i,kt)) + 1./lasymp  ! WA Test 11/20/09
624          else
625             linv(i,kt) = 1./karman / zt(i,kt) + abs(fCor(i)) / (Cf*ustrtilde(i,kt)) + 1./lasymp  ! WA Test 11/20/09
626          end if
627          leps(i,kt) = 1./linv(i,kt)
628          leps(i,kt) = max(leps(i,kt),lepsmin(i,kt))
629       end do 
630       S(i,kte) = 0.0
631       N2(i,kte) = 0.0
632       TKE(i,kte) = 0.0
633       linv(i,kte) = linv(i,kte-1)
634       leps(i,kte) = leps(i,kte-1)
637       ! Find diffusion coefficients
638       ! First use basic formulae for stable and neutral cases,
639       ! then for convective conditions, and finally choose the larger
640       ! WA 12/23/09 use convective form up to hd/2 always
641       ! WA 12/28/09 after restructuring, this block is above MF block,
642       ! so hd is not yet available for this timestep, must use h0,
643       ! or use hd from previous timestep but be careful about initialization.
644       do kt = 1,kte-1    ! WA 12/22/09
645          ! WA 4/8/10 remove beta term to avoid negative and huge values
646          ! of km due to very small denominator.  This is an interim fix
647          ! until we find something better (more theoretically sound).
648          ! km(i,kt) = TKE(i,kt)**1.5 * ftau(i,kt)**2. / (-beta(i,kt) * fth(i,kt) * sqrt(TE2(i,kt)) + Ceps * sqrt(TKE(i,kt)*te_temfx(i,kt)) / leps(i,kt))
649          km(i,kt) = TKE(i,kt)**1.5 * ftau(i,kt)**2. / (Ceps * sqrt(TKE(i,kt)*te_temfx(i,kt)) / leps(i,kt))
650          kh(i,kt) = 2. * leps(i,kt) * fth(i,kt)**2. * TKE(i,kt) / sqrt(te_temfx(i,kt)) / Cphi
651          if ( is_convective) then
652             if (kt <= h0idx(i)) then
653                lconv(i,kt) = 1. / (1. / (karman*zt(i,kt)) + Cc / (karman * (h0(i) - zt(i,kt))))
654             else
655                lconv(i,kt) = 0.
656             end if
657             ! WA 12/15/09 use appropriate coeffs to match kh_conv and kh at neutral
658             kh_conv(i,kt) = ftau0**2. / Ceps / PrT0 * sqrt(TKE(i,kt)) * lconv(i,kt)
659             if (kh_conv(i,kt) < 0.) then
660                kh_conv(i,kt) = 0.
661             end if
662             km_conv(i,kt) = PrT0 * kh_conv(i,kt)
663             if (zt(i,kt) <= h0(i)/2.) then
664                km(i,kt) = km_conv(i,kt)
665                kh(i,kt) = kh_conv(i,kt)
666             end if
667             ! WA TEST 1/11/10 go back to max in upper BL
668             if (zt(i,kt) > h0(i)/2. .AND. kt <= h0idx(i)) then
669                km(i,kt) = max(km(i,kt),km_conv(i,kt),visc_temf)
670                kh(i,kt) = max(kh(i,kt),kh_conv(i,kt),conduc_temf)
671             end if
672          end if  ! is_convective
673          km(i,kt) = max(km(i,kt),visc_temf)
674          kh(i,kt) = max(kh(i,kt),conduc_temf)
675          Fz(i,kt) = -kh(i,kt) * dthdz(i,kt)  ! Diffusive heat flux
676       end do
677       km(i,kte) = km(i,kte-1)  ! WA 12/22/09
678       kh(i,kte) = kh(i,kte-1)
679       Fz(i,kte) = 0.0          ! WA 4/2/10
682       !*** Mass flux block starts here ***
684       if ( is_convective) then
686          Cepsmf = 2. / max(200.,h0(i))
687          Cepsmf = max(Cepsmf,0.002)    ! WA 7/20/10
688          do k = kts,kte
689             ! Calculate lateral entrainment fraction for subcloud layer
690             ! epsilon and delta are defined on mass grid (half levels)
691             epsmf(i,k) = Cepsmf
692          end do
694          ! Initialize updraft
695          thup_temfx(i,1) = thetal(i,1)    ! No excess
696          qtup_temfx(i,1) = qt(i,1)            ! No excess
697          rUPD(i,1) = qtup_temfx(i,1) / (1. - qtup_temfx(i,1))
698          wupd_temfx(i,1) = Cw * wstr(i)
699          wupd_dry(i,1) = Cw * wstr(i)
700          UUPD(i,1) = u_temf(i,1)
701          VUPD(i,1) = v_temf(i,1)
702          thetavUPD(i,1) = thup_temfx(i,1) * (1. + 0.608*qtup_temfx(i,1))  ! WA Assumes no liquid
703          thetavUPDmoist(i,1) = thup_temfx(i,1) * (1. + 0.608*qtup_temfx(i,1))  ! WA Assumes no liquid
704          TEUPD(i,1) = te_temfx(i,1) + g / thetav(i,1) * sfcTHVF(i)
705          ! qlUPD(i,1) = 0.
706          qlUPD(i,1) = qcx(i,1)  ! WA allow environment liquid
707          TUPD(i,1) = thup_temfx(i,1) * pi2d(i,1)   
708          rstUPD(i,1) = rsat(p2d(i,1),TUPD(i,1),ep2)  
709          rlUPD(i,1) = 0.
711          ! Calculate updraft parameters counting up
712          do k = 2,kte
713             dthUPDdz(i,k-1) = -epsmf(i,k) * (thup_temfx(i,k-1) - thetal(i,k-1))
714             thup_temfx(i,k) = thup_temfx(i,k-1) + dthUPDdz(i,k-1) * dzm(i,k-1)
715             dqtup_temfxdz(i,k-1) = -epsmf(i,k) * (qtup_temfx(i,k-1) - qt(i,k-1))
716             qtup_temfx(i,k) = qtup_temfx(i,k-1) + dqtup_temfxdz(i,k-1) * dzm(i,k-1)
717             thetavUPD(i,k) = thup_temfx(i,k) * (1. + 0.608*qtup_temfx(i,k))  ! WA Assumes no liquid
718             B(i,k-1) = g * (thetavUPD(i,k) - thetav(i,k)) / thetav(i,k)
719             if ( wupd_dry(i,k-1) < 1e-15 ) then
720                wupd_dry(i,k) = 0.
721             else
722                dwUPDdz(i,k-1) = -2. *epsmf(i,k)*wupd_dry(i,k-1) + 0.33*B(i,k-1)/wupd_dry(i,k-1)
723                wupd_dry(i,k) = wupd_dry(i,k-1) + dwUPDdz(i,k-1) * dzm(i,k-1)
724             end if
725             dUUPDdz(i,k-1) = -epsmf(i,k) * (UUPD(i,k-1) - u_temf(i,k-1))
726             UUPD(i,k) = UUPD(i,k-1) + dUUPDdz(i,k-1) * dzm(i,k-1)
727             dVUPDdz(i,k-1) = -epsmf(i,k) * (VUPD(i,k-1) - v_temf(i,k-1))
728             VUPD(i,k) = VUPD(i,k-1) + dVUPDdz(i,k-1) * dzm(i,k-1)
729             dTEUPDdz(i,k-1) = -epsmf(i,k) * (TEUPD(i,k-1) - te_temfx(i,k-1))
730             TEUPD(i,k) = TEUPD(i,k-1) + dTEUPDdz(i,k-1) * dzm(i,k-1)
731             ! Alternative updraft velocity based on moist thetav
732             ! Need thetavUPDmoist, qlUPD
733             rUPD(i,k) = qtup_temfx(i,k) / (1. - qtup_temfx(i,k))
734             ! WA Updraft temperature assuming no liquid
735             TUPD(i,k) = thup_temfx(i,k) * pi2d(i,k)   
736             ! Updraft saturation mixing ratio 
737             ! rstUPD(i,k) = rsat(p2d(i,k),TUPD(i,k),ep2)  ! WA 4/19/10
738             rstUPD(i,k) = rsat(p2d(i,k-1),TUPD(i,k),ep2)  
739             ! Correct to actual temperature (Sommeria & Deardorff 1977)
740             beta1(i,k) = 0.622 * (xlv/(r_d*TUPD(i,k))) * (xlv/(cp*TUPD(i,k)))
741             rstUPD(i,k) = rstUPD(i,k) * (1.0+beta1(i,k)*rUPD(i,k)) / (1.0+beta1(i,k)*rstUPD(i,k))
742             qstUPD(i,k) = rstUPD(i,k) / (1. + rstUPD(i,k))
743             if (rUPD(i,k) > rstUPD(i,k)) then
744                rlUPD(i,k) = rUPD(i,k) - rstUPD(i,k)
745                qlUPD(i,k) = rlUPD(i,k) / (1. + rlUPD(i,k))
746                thetavUPDmoist(i,k) = (thup_temfx(i,k) + ((xlv/cp)*qlUPD(i,k)/pi2d(i,k))) * (1. + 0.608*qstUPD(i,k) - qlUPD(i,k))
747             else
748                rlUPD(i,k) = 0.
749                ! qlUPD(i,k) = 0.
750                qlUPD(i,k) = qcx(i,k-1)   ! WA 4/6/10 allow environment liquid
751                ! WA does this make sense?  Should be covered above?
752                thetavUPDmoist(i,k) = thup_temfx(i,k) * (1. + 0.608*qtup_temfx(i,k))
753             end if
754             Bmoist(i,k-1) = g * (thetavUPDmoist(i,k) - thetav(i,k)) / thetav(i,k)
755             if ( wupd_temfx(i,k-1) < 1e-15 ) then
756                wupd_temfx(i,k) = 0.
757             else
758                dwUPDmoistdz(i,k-1) = -2. *epsmf(i,k)*wupd_temfx(i,k-1) + 0.33*Bmoist(i,k-1)/wupd_temfx(i,k-1)
759                wupd_temfx(i,k) = wupd_temfx(i,k-1) + dwUPDmoistdz(i,k-1) * dzm(i,k-1)
760             end if
761          end do
763          ! Find hd based on wUPD
764          if (wupd_dry(i,1) == 0.) then
765             hdidx(i) = 1
766          else
767             hdidx(i) = kte  ! In case wUPD <= 0 not found
768             do k = 2,kte
769                ! if (wupd_dry(i,k) <= 0.) then
770                if (wupd_dry(i,k) <= 0. .OR. zm(i,k) > hmax) then  ! WA Test
771                   hdidx(i) = k
772                   goto 100   ! FORTRAN made me do it!
773                end if
774             end do
775          end if
776 100      hd(i) = zm(i,hdidx(i))
777          ! kpbl1d(i) = hd(i)        ! WA not sure if this is what I want for diagnostic out to larger WRF universe....and it's not right if not convective
778          kpbl1d(i) = hdidx(i)  ! WA 5/11/10 kpbl should be index
779          hpbl(i) = hd(i)       ! WA 5/11/10 hpbl is height.  Should still be replaced by something that works whether convective or not.
781          ! Find LCL, hct, and ht
782          lclidx(i) = kte   ! In case LCL not found
783          do k = kts,kte
784             if (rUPD(i,k) > rstUPD(i,k)) then
785                lclidx(i) = k
786                goto 200
787             end if
788          end do
789 200      lcl(i) = zm(i,lclidx(i))
791          if (hd(i) > lcl(i)) then   ! Forced cloud (at least) occurs
792             ! Find hct based on wUPDmoist
793             if (wupd_temfx(i,1) == 0.) then
794                hctidx(i) = 1
795             else
796                hctidx(i) = kte  ! In case wUPD <= 0 not found
797                do k = 2,kte
798                   if (wupd_temfx(i,k) <= 0. .OR. zm(i,k) > hmax) then  ! WA Test
799                      hctidx(i) = k
800                      goto 300   ! FORTRAN made me do it!
801                   end if
802                end do
803             end if
804    300      hct(i) = zm(i,hctidx(i))
805             if (hctidx(i) <= hdidx(i)+1) then   ! No active cloud
806                hct(i) = hd(i)
807                hctidx(i) = hdidx(i)
808             else 
809             end if
810          else   ! No cloud
811             hct(i) = hd(i)
812             hctidx(i) = hdidx(i)
813          end if
814          ht(i) = max(hd(i),hct(i))
815          htidx(i) = max(hdidx(i),hctidx(i))
817          ! Now truncate updraft at ht with taper
818          do k = 1,kte
819             if (zm(i,k) < 0.9*ht(i)) then  ! Below taper region
820                tval(i) = 1
821             else if (zm(i,k) >= 0.9*ht(i) .AND. zm(i,k) <= 1.0*ht(i)) then
822                ! Within taper region
823                tval(i) = 1. - ((zm(i,k) - 0.9*ht(i)) / (1.0*ht(i) - 0.9*ht(i)))
824             else  ! Above taper region
825                tval(i) = 0.
826             end if
827             thup_temfx(i,k) = tval(i) * thup_temfx(i,k) + (1-tval(i))*thetal(i,k)
828             thetavUPD(i,k) = tval(i) * thetavUPD(i,k) + (1-tval(i))*thetav(i,k)
829             qtup_temfx(i,k) = tval(i) * qtup_temfx(i,k) + (1-tval(i)) * qt(i,k)
830             qlUPD(i,k) = tval(i) * qlUPD(i,k) + (1-tval(i)) * qcx(i,k-1)
831             UUPD(i,k) = tval(i) * UUPD(i,k) + (1-tval(i)) * u_temf(i,k)
832             VUPD(i,k) = tval(i) * VUPD(i,k) + (1-tval(i)) * v_temf(i,k)
833             TEUPD(i,k) = tval(i) * TEUPD(i,k) + (1-tval(i)) * te_temfx(i,k)
834             if (zm(i,k) > ht(i)) then  ! WA this is just for cleanliness
835                wupd_temfx(i,k) = 0.
836                dwUPDmoistdz(i,k) = 0.
837                wupd_dry(i,k) = 0.
838                dwUPDdz(i,k) = 0.
839             end if
840          end do
842          ! Calculate lateral detrainment rate for cloud layer
843          deltmf(i,1) = Cepsmf
844          do k = 2,kte-1
845             if (hctidx(i) > hdidx(i)+1) then      ! Some cloud
846                deltmf(i,k) = 0.9 * Cepsmf + Cdelt * (atan((zm(i,k)-(lcl(i)+(hct(i)-lcl(i))/1.5))/((hct(i)-lcl(i))/8))+(3.1415926/2))/3.1415926
847             else if (k < hdidx(i)) then   ! No cloud, below hd
848                deltmf(i,k) = Cepsmf + 0.05 * 1. / (hd(i) - zm(i,k))
849             else if (k >= hdidx(i)) then    ! No cloud, above hd
850                deltmf(i,k) = deltmf(i,k-1)
851             end if
852          end do
854          ! Calculate mass flux (defined on turbulence levels)
855          mf_temfx(i,1) = CM * wstr(i)
856          do kt = 2,kte-1
857             dMdz(i,kt) = (epsmf(i,kt) - deltmf(i,kt)) * mf_temfx(i,kt-1) * dzt(i,kt)
858             mf_temfx(i,kt) = mf_temfx(i,kt-1) + dMdz(i,kt)
859          end do
861          ! WA 12/28/09 If mass flux component > diffusive 
862          ! component at second level,
863          ! reduce M to prevent a stable layer
864          MFCth(i,2) = mf_temfx(i,2) * (thup_temfx(i,2)-thetal(i,2) + thup_temfx(i,3)-thetal(i,3)) / 2.
865          if (MFCth(i,2) > Fz(i,2)) then
866             red_fact = Fz(i,2) / MFCth(i,2)
867             do kt = 1,kte
868                mf_temfx(i,kt) = mf_temfx(i,kt) * red_fact
869             end do
870          end if  ! Reduce M to prevent stable layer at second level
872          ! Calculate mass flux contributions to fluxes (defined on turb levels)
873          ! Use log interpolation at first level
874          MFCth(i,1) = mf_temfx(i,1) * (thup_temfx(i,1)-thetal(i,1) + (thup_temfx(i,2)-thetal(i,2) - (thup_temfx(i,1)-thetal(i,1))) * log(zt(i,1)/znt(i))/log(zm(i,2)/znt(i)))
875          MFCq(i,1) = mf_temfx(i,1) * (qtup_temfx(i,1)-qt(i,1) + (qtup_temfx(i,2)-qt(i,2) - (qtup_temfx(i,1)-qt(i,1))) * log(zt(i,1)/znt(i))/log(zm(i,2)/znt(i)))
876          MFCu(i,1) = mf_temfx(i,1) * (UUPD(i,1)-u_temf(i,1) + (UUPD(i,2)-u_temf(i,2) - (UUPD(i,1)-u_temf(i,1))) * log(zt(i,1)/znt(i))/log(zm(i,2)/znt(i)))
877          MFCv(i,1) = mf_temfx(i,1) * (VUPD(i,1)-v_temf(i,1) + (VUPD(i,2)-v_temf(i,2) - (VUPD(i,1)-v_temf(i,1))) * log(zt(i,1)/znt(i))/log(zm(i,2)/znt(i)))
878          MFCql(i,1) = mf_temfx(i,1) * (qlUPD(i,1)-qcx(i,1) + (qlUPD(i,2)-qcx(i,2) - (qlUPD(i,1)-qcx(i,1))) * log(zt(i,1)/znt(i))/log(zm(i,2)/znt(i)))
879          MFCTE(i,1) = mf_temfx(i,1) * (TEUPD(i,1)-te_temfx(i,1) + (TEUPD(i,2)-te_temfx(i,2) - (TEUPD(i,1)-te_temfx(i,1))) * log(zt(i,1)/znt(i))/log(zm(i,2)/znt(i)))  ! WA Check this
880          do kt = 2,kte-1
881             MFCth(i,kt) = mf_temfx(i,kt) * (thup_temfx(i,kt)-thetal(i,kt) + thup_temfx(i,kt+1)-thetal(i,kt+1)) / 2.
882             MFCq(i,kt) = mf_temfx(i,kt) * (qtup_temfx(i,kt)-qt(i,kt) + qtup_temfx(i,kt+1)-qt(i,kt+1)) / 2.
883             MFCu(i,kt) = mf_temfx(i,kt) * (UUPD(i,kt)-u_temf(i,kt) + UUPD(i,kt+1)-u_temf(i,kt+1)) / 2.
884             MFCv(i,kt) = mf_temfx(i,kt) * (VUPD(i,kt)-v_temf(i,kt) + VUPD(i,kt+1)-v_temf(i,kt+1)) / 2.
885             MFCql(i,kt) = mf_temfx(i,kt) * (qlUPD(i,kt)-qcx(i,kt-1) + qlUPD(i,kt+1)-qcx(i,kt)) / 2.
886             MFCTE(i,kt) = mf_temfx(i,kt) * (TEUPD(i,kt)-te_temfx(i,kt)) ! TE is on turb levels
887          end do
888          MFCth(i,kte) = 0
889          MFCq(i,kte) = 0
890          MFCu(i,kte) = 0
891          MFCv(i,kte) = 0
892          MFCql(i,kte) = 0
893          MFCTE(i,kte) = 0
895          ! Calculate cloud fraction (on mass levels)
896          cf3d_temfx(i,1) = 0.0
897          cfm_temfx(i) = 0.0
898          do k = 2,kte
899             ! if (wupd_temfx(i,k-1) >= 1.0e-15 .AND. wupd_temfx(i,k) >= 1.0e-15 .AND. .NOT. isnan(wupd_temfx(i,k-1)) .AND. .NOT. isnan(wupd_temfx(i,k))) then
900             if (wupd_temfx(i,k-1) >= 1.0e-15 .AND. wupd_temfx(i,k) >= 1.0e-15) then
901                au(i,k) = ((mf_temfx(i,k-1)+mf_temfx(i,k))/2.0) / ((wupd_temfx(i,k-1)+wupd_temfx(i,k))/2.0)  ! WA average before divide, is that best?
902             else
903                au(i,k) = 0.0
904             end if
905             sigq2 = au(i,k) * (qtup_temfx(i,k)-qt(i,k))
906             if (sigq2 > 0.0) then
907                sigq(i,k) = sqrt(sigq2)
908             else
909                sigq(i,k) = 0.0
910             end if
911             ! rst = rsat(p2d(i,k),thx(i,k)*pi2d(i,k),ep2)
912             rst = rsat(p2d(i,k-1),thx(i,k-1)*pi2d(i,k-1),ep2)
913             qst(i,k) = rst / (1. + rst)
914             satdef(i,k) = qt(i,k) - qst(i,k)
915             if (satdef(i,k) <= 0.0) then
916                if (sigq(i,k) > 1.0e-15) then
917                   cf3d_temfx(i,k) = max(0.5 + 0.36 * atan(1.55*(satdef(i,k)/sigq(i,k))),0.0)
918                else
919                   cf3d_temfx(i,k) = 0.0
920                end if
921             else
922                cf3d_temfx(i,k) = 1.0
923             end if
924             if (zm(i,k) < lcl(i)) then
925                cf3d_temfx(i,k) = 0.0
926             end if
927             ! Put max value so far into cfm
928             if (zt(i,k) <= hmax) then
929                cfm_temfx(i) = max(cf3d_temfx(i,k),cfm_temfx(i))
930             end if
931          end do
933       else    ! not is_convective, no MF components
934          do kt = 1,kte
935             MFCth(i,kt) = 0
936             MFCq(i,kt) = 0
937             MFCu(i,kt) = 0
938             MFCv(i,kt) = 0
939             MFCql(i,kt) = 0
940             MFCTE(i,kt) = 0
941          end do
942          lcl(i) = zm(i,kte-1)
943          hct(i) = zm(i,1)
944          hctidx(i) = 1
945          hd(i) = zm(i,1)
946          hdidx(i) = 1
947          ht(i) = hd(i)
948          ! Cloud fraction calculations
949          cf3d_temfx(i,1) = 0.0
950          cfm_temfx(i) = 0.0
951          do k = 2,kte
952             if (qcx(i,k-1) > 1.0e-15) then
953                cf3d_temfx(i,k) = 1.0
954             else
955                cf3d_temfx(i,k) = 0.0
956             end if
957             ! Put max value so far into cfm
958             if (zt(i,k) <= hmax) then
959                cfm_temfx(i) = max(cf3d_temfx(i,k),cfm_temfx(i))
960             end if
961          end do
963       end if   ! MF components or not
964       cf3d_temfx(i,kte) = 0.0
965       ! Mass flux block ends here
967       ! Flux profiles
968       do kt = 2,kte
969          ! Fz(i,kt) = -kh(i,kt) * dthdz(i,kt)
970          shf_temfx(i,kt) = Fz(i,kt) + MFCth(i,kt)
971          QFK(i,kt) = -kh(i,kt) * dqtdz(i,kt)
972          qf_temfx(i,kt) = QFK(i,kt) + MFCq(i,kt)
973          uwk(i,kt) = -km(i,kt) * dudz(i,kt)
974          uw_temfx(i,kt) = uwk(i,kt) + MFCu(i,kt)
975          vwk(i,kt) = -km(i,kt) * dvdz(i,kt)
976          vw_temfx(i,kt) = vwk(i,kt) + MFCv(i,kt)
977       end do
979       ! Surface momentum fluxes
980       ust(i) = sqrt(ftau(i,1)/ftau0) * sqrt(u_temf(i,2)**2. + v_temf(i,2)**2.) * leps(i,1) / log(zm(i,2)/znt(i)) / zt(i,1)
981       ang(i) = atan2(v_temf(i,2),u_temf(i,2))
982       uw_temfx(i,1) = -cos(ang(i)) * ust(i)**2.
983       vw_temfx(i,1) = -sin(ang(i)) * ust(i)**2.
985       ! Calculate mixed scaling velocity (Moeng & Sullivan 1994 JAS p.1021)
986       ! Replaces ust everywhere (WA need to reconsider?)
987       ! wm(i) = (1./5. * (wstr(i)**3. + 5. * ust(i)**3.)) ** (1./3.) 
988       ! WA TEST (R2,R11) 7/23/10 reduce velocity scale to fix excessive fluxes
989       wm(i) = 0.5 * (1./5. * (wstr(i)**3. + 5. * ust(i)**3.)) ** (1./3.) 
990       ! WA TEST 2/14/11 limit contribution of w*
991       ! wm(i) = 0.5 * (1./5. * (min(0.8,wstr(i))**3. + 5. * ust(i)**3.)) ** (1./3.) 
992       ! WA TEST (R3-R11) 7/23/10 wm = u*
993       ! wm(i) = ust(i)
995       ! Specified flux versions (flux is modified by land surface)
996       shf_temfx(i,1) = hfx(i)/(rho(i,1)*cp) + (shf_temfx(i,2) - hfx(i)/(rho(i,1)*cp)) * (zt(i,2)-zt(i,1)) / (zt(i,2)-znt(i))
997       qf_temfx(i,1) = qfx(i)/rho(i,1) + (qf_temfx(i,2)-qfx(i)/rho(i,1)) * (zt(i,2)-zt(i,1)) / (zt(i,2)-znt(i))
998       Fz(i,1) = shf_temfx(i,1) - MFCth(i,1)
999       QFK(i,1) = qf_temfx(i,1) - MFCq(i,1)
1002       ! Calculate thetav and its flux
1003       ! From Lewellen 2004 eq. 3
1004       ! WA The constants and combinations below should probably be replaced
1005       ! by something more consistent with the WRF system, but for now
1006       ! I don't want to take the chance of breaking something.
1007       do kt = 2,kte-1
1008          alpha2(i,kt) = 0.61 * (thetal(i,kt) + thetal(i,kt+1)) / 2.
1009          beta2(i,kt) = (100000. / p2di(i,kt))**0.286 * 2.45e-6 / 1004.67 - 1.61 * (thetal(i,kt) + thetal(i,kt+1)) / 2.
1010       end do
1011       alpha2(i,1) = 0.61 * (thetal(i,1) + (thetal(i,2)-thetal(i,1)) * (zt(i,2) - znt(i)) / (zm(i,2) - znt(i)))
1012       alpha2(i,kte) = 0.61 * thetal(i,kte)
1013       beta2(i,1) = (100000. / p2di(i,1))**0.286 * 2.45e-6 / 1004.67 - 1.61 * (thetal(i,1) + (thetal(i,2) - thetal(i,1))  * (zt(i,2) - znt(i)) / (zm(i,2) - znt(i)))
1014       beta2(i,kte) = (100000. / p2di(i,kte))**0.286 * 2.45e-6 / 1004.67 - 1.61 * thetal(i,kte)
1015       if ( is_convective ) then ! Activate EDMF components
1016          do kt = 1,kte-1
1017             MFCthv(i,kt) = (1. + 0.61 * (qtup_temfx(i,kt)+qtup_temfx(i,kt+1))) / 2. * MFCth(i,kt) + alpha2(i,kt) * MFCq(i,kt) + beta2(i,kt) * MFCql(i,kt)
1018          end do
1019          MFCthv(i,kte) = 0.
1020       else    ! No MF components
1021          do kt = 1,kte
1022             MFCthv(i,kt) = 0.
1023          end do
1024       end if
1026       do kt = 1,kte
1027          THVF(i,kt) = (1. + 0.61 * qt(i,kt)) * Fz(i,kt) + alpha2(i,kt) * QFK(i,kt) + MFCthv(i,kt)
1028       end do
1030       ! Update mean variables:
1031       ! This is done with implicit solver for diffusion part followed
1032       ! by explicit solution for MF terms.
1033       ! Note that Coriolis terms that were source terms for u and v
1034       ! in Matlab code are now handled by WRF outside this PBL context.
1036       u_new(i,:) = u_temf(i,:)
1037       call solve_implicit_temf(km(i,kts:kte-1),u_new(i,kts+1:kte),uw_temfx(i,1),dzm(i,kts:kte-1),dzt(i,kts:kte-1),kts,kte-1,dt,.FALSE.)
1038       do k = 2,kte-1
1039          u_new(i,k) = u_new(i,k) + dt * (-(MFCu(i,k)-MFCu(i,k-1))) / dzm(i,k)
1040       end do
1042       v_new(i,:) = v_temf(i,:)
1043       call solve_implicit_temf(km(i,kts:kte-1),v_new(i,kts+1:kte),vw_temfx(i,1),dzm(i,kts:kte-1),dzt(i,kts:kte-1),kts,kte-1,dt,.FALSE.)
1044       do k = 2,kte-1
1045          v_new(i,k) = v_new(i,k) + dt * (-(MFCv(i,k)-MFCv(i,k-1))) / dzm(i,k)
1046       end do
1048       call solve_implicit_temf(kh(i,kts:kte-1),thetal(i,kts+1:kte),Fz(i,1),dzm(i,kts:kte-1),dzt(i,kts:kte-1),kts,kte-1,dt,.FALSE.)
1049       do k = 2,kte-1
1050          thetal(i,k) = thetal(i,k) + dt * (-(MFCth(i,k)-MFCth(i,k-1))) / dzm(i,k)
1051       end do
1053       call solve_implicit_temf(kh(i,kts:kte-1),qt(i,kts+1:kte),QFK(i,1),dzm(i,kts:kte-1),dzt(i,kts:kte-1),kts,kte-1,dt,.FALSE.)
1054       do k = 2,kte-1
1055          qt(i,k) = qt(i,k) + dt * (-(MFCq(i,k)-MFCq(i,k-1))) / dzm(i,k)
1056       end do
1058       ! Stepping TE forward is a bit more complicated
1059       te_temfx(i,1) = ust(i)**2. / ftau(i,1) * (1. + ratio(i,1))
1060       if ( is_convective ) then
1061          ! WA currently disabled if MFopt=false, is that right?
1062          convection_TKE_surface_src(i) = 2. * beta(i,1) * shf_temfx(i,1)
1063       else
1064          convection_TKE_surface_src(i) = 0.
1065       end if
1066       te_temfx(i,1) = max(te_temfx(i,1), (leps(i,1) / Cgamma * (ust(i)**2. * S(i,1) + convection_TKE_surface_src(i)))**(2./3.))
1067       if (te_temfx(i,1) > 20.0) then
1068          te_temfx(i,1) = 20.0    ! WA 9/28/11 limit max TE
1069       end if
1070       sfcFTE(i) = -(km(i,1)+km(i,2)) / 2. * (te_temfx(i,2)-te_temfx(i,1)) / dzm(i,2)
1072       do kt = 1,kte
1073          if (THVF(i,kt) >= 0) then
1074             buoy_src(i,kt) = 2. * g / thetav(i,kt) * THVF(i,kt)
1075          else
1076             buoy_src(i,kt) = 0.  ! Cancel buoyancy term when locally stable
1077          end if
1078          srcs(i,kt) = -uw_temfx(i,kt) * dudz(i,kt) - vw_temfx(i,kt) * dvdz(i,kt) - Cgamma * te_temfx(i,kt)**1.5 * linv(i,kt) + buoy_src(i,kt)
1079       end do
1080       call solve_implicit_temf((km(i,kts:kte-1)+km(i,kts+1:kte))/2.0,te_temfx(i,kts+1:kte),sfcFTE(i),dzt(i,kts+1:kte),dzt(i,kts:kte-1),kts,kte-1,dt,.false.)
1081       do kt = 2,kte-1
1082          te_temfx(i,kt) = te_temfx(i,kt) + dt * srcs(i,kt)
1083          te_temfx(i,kt) = te_temfx(i,kt) + dt * (-(MFCTE(i,kt)-MFCTE(i,kt-1))) / dzt(i,kt)
1084          if (te_temfx(i,kt) < TEmin) te_temfx(i,kt) = TEmin
1085       end do
1086       te_temfx(i,kte) = 0.0   ! WA 4/2/10
1087       do kt = 2,kte-1
1088          if (te_temfx(i,kt) > 20.0) then
1089             te_temfx(i,kt) = 20.0    ! WA 9/29/11 reduce limit max TE from 30
1090          end if
1091       end do
1093       ! Done with updates, now convert internal variables back to WRF vars
1094       do k = kts,kte
1095          ! Populate kh_temfx, km_temfx from kh, km
1096          kh_temfx(i,k) = kh(i,k)
1097          km_temfx(i,k) = km(i,k)
1098       end do
1100       ! Convert thetal, qt back to theta, qv, qc
1101       ! See opposite conversion at top of subroutine
1102       ! WA this accounts for offset of indexing between
1103       ! WRF and TEMF, see notes at top of this routine.
1104       call thlqt2thqvqc(thetal(i,kts+1:kte),qt(i,kts+1:kte),thx_new(i,kts:kte-1),qvx_new(i,kts:kte-1),qcx_new(i,kts:kte-1),p2d(i,kts:kte-1),pi2d(i,kts:kte-1),kts,kte-1,ep2,xlv,cp)
1106       do k = kts,kte-1
1107          ! Calculate tendency terms
1108          ! WA this accounts for offset of indexing between
1109          ! WRF and TEMF, see notes at top of this routine.
1110          rubltenx(i,k) = (u_new(i,k+1) - u_temf(i,k+1)) / dt
1111          rvbltenx(i,k) = (v_new(i,k+1) - v_temf(i,k+1)) / dt
1112          rthbltenx(i,k) = (thx_new(i,k) - thx(i,k)) / dt
1113          rqvbltenx(i,k) = (qvx_new(i,k) - qvx(i,k)) / dt
1114          rqcbltenx(i,k) = (qcx_new(i,k) - qcx(i,k)) / dt
1115       end do
1116       rubltenx(i,kte) = 0.
1117       rvbltenx(i,kte) = 0.
1118       rthbltenx(i,kte) = 0.
1119       rqvbltenx(i,kte) = 0.
1120       rqcbltenx(i,kte) = 0.
1122       ! Populate surface exchange coefficient variables to go back out
1123       ! for next time step of surface scheme
1124       ! Unit specifications in SLAB and sfclay are conflicting and probably
1125       ! incorrect.  This will give a dynamic heat flux (W/m^2) or moisture
1126       ! flux (kg(water)/(m^2*s)) when multiplied by a difference.
1127       ! These formulae are the same as what's used above to get surface
1128       ! flux from surface temperature and specific humidity.
1129       ! WA 2/16/11 removed, not needed in BL
1130       ! flhc(i) = rho(i,1) * cp * fth(i,1)/fth0 * wm(i) * leps(i,1) / PrT0 / log(zm(i,2)/z0t(i)) / zt(i,1)
1131       ! flqc(i)  = rho(i,1) * fth(i,1)/fth0 * wm(i) * leps(i,1) / PrT0 / log(zm(i,2)/z0t(i)) / zt(i,1)
1132       ! WA Must exchange coeffs be limited to avoid runaway in some 
1133       ! (convective?) conditions?  Something like this is done in sfclay.
1134       ! Doing nothing for now.
1136       ! Populate 10 m winds and 2 m temp
1137       ! WA Note this only works if first mass level is above 10 m
1138       u10(i) = u_new(i,2) * log(10.0/znt(i)) / log(zm(i,2)/znt(i))
1139       v10(i) = v_new(i,2) * log(10.0/znt(i)) / log(zm(i,2)/znt(i))
1140       t2(i) = (tsk(i)/pi2d(i,1) + (thx_new(i,1) - tsk(i)/pi2d(i,1)) * log(2.0/z0t(i)) / log(zm(i,2)/z0t(i))) * pi2d(i,1)  ! WA this should also use pi at z0
1142       ! Populate diagnostic variables
1143       hd_temfx(i) = hd(i)
1144       lcl_temfx(i) = lcl(i)
1145       hct_temfx(i) = hct(i)
1147       ! Send updraft liquid water back
1148       if ( is_convective) then
1149          do k = kts,kte-1
1150             qlup_temfx(i,k) = qlUPD(i,k)
1151          end do
1152       else
1153          qlup_temfx(i,1) = qcx(i,1)
1154          do k = kts+1,kte-1
1155             qlup_temfx(i,k) = qcx(i,k-1)
1156          end do
1157       end if
1158       qlup_temfx(i,kte) = qcx(i,kte)
1160    end do  ! Main (i) loop
1162    end subroutine temf2d
1164 !--------------------------------------------------------------------
1166    subroutine thlqt2thqvqc(thetal,qt,theta,qv,qc,p,piex,kbot,ktop,ep2,Lv,Cp)
1168 !  Calculates theta, qv, qc from thetal, qt.
1169 !  Originally from RAMS (subroutine satadjst) by way of Hongli Jiang.
1171    implicit none
1172    integer, intent(in   ) :: kbot, ktop
1173    real,    dimension( kbot:ktop ), intent(in   ) :: thetal, qt
1174    real,    dimension( kbot:ktop ), intent(  out) :: theta, qv, qc
1175    real,    dimension( kbot:ktop ), intent(in   ) :: p, piex
1176    real,    intent(in   ) :: ep2, Lv, Cp
1178 !  Local variables
1179    integer :: k, iterate
1180    real :: T1, Tt
1181    real, dimension( kbot:ktop) :: rst
1182    real, dimension( kbot:ktop) :: Tair, rc, rt, rv
1184    do k = kbot,ktop
1185       T1 = thetal(k) * piex(k)   ! First guess T is just thetal converted to T
1186       Tair(k) = T1
1187       rt(k) = qt(k) / (1. - qt(k))
1189       do iterate = 1,20
1190          rst(k) = rsat(p(k),Tair(k),ep2)
1191          rc(k) = max(rt(k) - rst(k), 0.)
1192          Tt = 0.7*Tair(k) + 0.3*T1 * (1.+Lv*rc(k) / (Cp*max(Tair(k),253.)))
1193          if ( abs(Tt - Tair(k)) < 0.001) GOTO 100
1194          Tair(k) = Tt
1195       end do
1196 100   continue
1197       rv(k) = rt(k) - rc(k)
1198       qv(k) = rv(k) / (1. + rv(k))
1199       qc(k) = rc(k) / (1. + rc(k))
1200       theta(k) = Tair(k) / piex(k)
1201    end do ! k loop
1202    return
1203    end subroutine thlqt2thqvqc
1205 !--------------------------------------------------------------------
1207    subroutine findhct_te( thetavenv,thetaparin,qpar, &
1208                           rpar,hdidx,paridx,zm,hct,hctidx,p,piex,ep2,kbot,ktop)
1210 ! Calculates the cloud top height (limit of convection) for the
1211 ! updraft properties.  hct is the level at which a parcel lifted
1212 ! at the moist adiabatic rate where it is saturated and at the dry
1213 ! adiabatic rate otherwise, first has thetav cooler than the environment.
1214 ! Loops start at LCL (paridx).
1216    implicit none
1217    integer, intent(in) :: kbot, ktop
1218    integer, intent(in) :: paridx, hdidx
1219    real, intent(in)    :: ep2
1220    real, dimension( kbot:ktop), intent(in) :: thetavenv
1221    real, dimension( kbot:ktop), intent(in) :: thetaparin
1222    real, dimension( kbot:ktop), intent(in) :: qpar, rpar, zm, p, piex
1223    real, intent(out)    :: hct
1224    integer, intent(out) :: hctidx
1225 ! Local variables
1226    integer k
1227    real, dimension( kbot:ktop) :: thetapar, thetavpar, qlpar, Tpar, rsatpar
1228    real, dimension( kbot:ktop) :: qsatpar
1229    real :: gammas, TparC
1231    thetapar(paridx) = thetaparin(paridx)
1232    Tpar(paridx) = thetapar(paridx) * piex(paridx)
1233    hctidx = ktop   ! In case hct not found
1234    do k = paridx+1,ktop
1235       ! Find saturation mixing ratio at parcel temperature
1236       rsatpar(k) = rsat(p(k-1),Tpar(k-1),ep2)
1237       qsatpar(k) = rsatpar(k) / (1. + rsatpar(k))
1239       ! When parcel is unsaturated, its temperature changes 
1240       ! at dry adiabatic rate (in other words, theta is constant).
1241       if (rpar(k) <= rsatpar(k)) then
1242          thetapar(k) = thetapar(k-1)
1243          Tpar(k) = thetapar(k) * piex(k)
1244          thetavpar(k) = thetapar(k) * (1.+0.608*qpar(k))
1245       else
1246          ! When parcel is saturated, its temperature changes at
1247          ! moist adiabatic rate
1248          ! Calculate moist adiabatic lapse rate according to Gill A4.12
1249          ! Requires T in deg.C
1250          TparC = Tpar(k-1) - 273.15
1251          gammas = 6.4 - 0.12 * TparC + 2.5e-5 * TparC**3. + (-2.4 + 1.e-3 * (TparC-5.)**2.) * (1. - p(k-1)/100000.)
1252          Tpar(k) = Tpar(k-1) - gammas/1000. * (zm(k)-zm(k-1))
1253          thetapar(k) = Tpar(k) / piex(k)
1254          qlpar(k) = qpar(k) - qsatpar(k)  ! Liquid water in parcel
1255          thetavpar(k) = thetapar(k) * (1. + 0.608 * qsatpar(k) - qlpar(k))
1256       end if
1257       if (thetavenv(k) >= thetavpar(k)) then
1258          hctidx = k
1259          goto 1000
1260       end if
1261    end do
1262 1000  hct = zm(hctidx)
1263    return
1264    end subroutine findhct_te
1266 !--------------------------------------------------------------------
1268    real function rsat(p,T,ep2)
1270 !  Calculates the saturation mixing ratio with respect to liquid water
1271 !  Arguments are pressure (Pa) and absolute temperature (K)
1272 !  Uses the formula from the ARM intercomparison setup.
1273 !  Converted from Matlab by WA 7/28/08
1275 implicit none
1276 real p, T, ep2
1277 real temp, x
1278 real, parameter :: c0 = 0.6105851e+3
1279 real, parameter :: c1 = 0.4440316e+2
1280 real, parameter :: c2 = 0.1430341e+1
1281 real, parameter :: c3 = 0.2641412e-1
1282 real, parameter :: c4 = 0.2995057e-3
1283 real, parameter :: c5 = 0.2031998e-5
1284 real, parameter :: c6 = 0.6936113e-8
1285 real, parameter :: c7 = 0.2564861e-11
1286 real, parameter :: c8 = -0.3704404e-13
1288 temp = T - 273.15
1290 x =c0+temp*(c1+temp*(c2+temp*(c3+temp*(c4+temp*(c5+temp*(c6+temp*(c7+temp*c8)))))))
1291 rsat = ep2*x/(p-x)
1293 return
1294 end function rsat
1296 !--------------------------------------------------------------------
1298    subroutine solve_implicit_temf(Khlf,psi_n,srf_flux,dzm,dzt,kbot,ktop,dt,print_flag)
1300 !  Implicit solution of vertical diffusion for conserved variable
1301 !  psi given diffusivity Khlf on turbulence levels,
1302 !  and surface flux srf_flux.
1303 !  dzm is delta_z of mass levels, dzt is delta_z of turbulence levels.
1304 !  dt is timestep (s).
1306    implicit none
1307    integer  :: kbot, ktop
1308    logical  :: print_flag
1309    real :: srf_flux, dt
1310    real,    dimension( kbot:ktop ), intent(in   ) :: Khlf
1311    real,    dimension( kbot:ktop ), intent(in   ) :: dzm, dzt
1312    real,    dimension( kbot:ktop ), intent(inout) :: psi_n
1314 !  Local variables
1315    integer :: k
1316    real,    dimension( kbot:ktop ) :: AU, BU, CU, YU
1318    AU(kbot) = Khlf(kbot) / (dzm(kbot)*dzt(kbot))
1319    BU(kbot) = -1.0/dt - Khlf(kbot+1)/(dzm(kbot+1)*dzt(kbot+1))
1320    CU(kbot) = Khlf(kbot+1)/(dzm(kbot)*dzt(kbot+1))
1321    YU(kbot) = -psi_n(kbot)/dt - srf_flux/dzm(kbot)
1323    do k = kbot+1,ktop-1
1324       ! Subdiagonal (A) vector
1325       AU(k) = Khlf(k) / (dzm(k) * dzt(k))
1326       ! Main diagonal (B) vector
1327       BU(k) = -1.0/dt - (Khlf(k)/dzt(k) + Khlf(k+1)/dzt(k+1)) / dzm(k)
1328       ! Superdiagonal (C) vector
1329       CU(k) = Khlf(k+1) / (dzm(k)*dzt(k+1))
1330       ! Result vector
1331       YU(k) = -psi_n(k)/dt
1332    end do ! k loop
1334    AU(ktop) = 0.
1335    BU(ktop) = -1.0 / dt
1336    YU(ktop) = -psi_n(ktop) / dt
1338    ! Compute result with tridiagonal routine
1339    psi_n = trid(AU,BU,CU,YU,kbot,ktop)
1341    return
1342    end subroutine solve_implicit_temf
1344 !--------------------------------------------------------------------
1346    function trid(a,b,c,r,kbot,ktop)
1348 !  Solves tridiagonal linear system.
1349 !  Inputs are subdiagonal vector a, main diagonal b, superdiagonal c,
1350 !  result r, column top and bottom indices kbot and ktop.
1351 !  Originally from Numerical Recipes section 2.4.
1353    implicit none
1354    real,    dimension( kbot:ktop ) :: trid
1355    integer  :: kbot, ktop
1356    real,    dimension( kbot:ktop ), intent(in   ) :: a, b, c, r
1358 !  Local variables
1359    integer :: k
1360    real    :: bet
1361    real,    dimension( kbot:ktop ) :: gam, u
1363    bet = b(kbot)
1364    u(kbot) = r(kbot) / bet
1366    do k = kbot+1,ktop
1367       gam(k) = c(k-1) / bet
1368       bet = b(k) - a(k)*gam(k)
1369       u(k) = (r(k) - a(k)*u(k-1)) / bet
1370    end do
1372    do k = ktop-1,kbot,-1
1373       u(k) = u(k) - gam(k+1)*u(k+1)
1374    end do
1376    trid = u
1378    return
1379    end function trid
1381 !--------------------------------------------------------------------
1383    subroutine temfinit(rublten,rvblten,rthblten,rqvblten,                      &
1384                       rqcblten,rqiblten,p_qi,p_first_scalar,                   &
1385                       restart, allowed_to_read,                                &
1386                       te_temf, cf3d_temf,                                     &
1387                       ids, ide, jds, jde, kds, kde,                            &
1388                       ims, ime, jms, jme, kms, kme,                            &
1389                       its, ite, jts, jte, kts, kte                 )
1390 !-------------------------------------------------------------------
1391    implicit none
1392 !-------------------------------------------------------------------
1394    logical , intent(in)          :: restart, allowed_to_read
1395    integer , intent(in)          ::  ids, ide, jds, jde, kds, kde,             &
1396                                      ims, ime, jms, jme, kms, kme,             &
1397                                      its, ite, jts, jte, kts, kte
1398    integer , intent(in)          ::  p_qi,p_first_scalar
1399    real , dimension( ims:ime , kms:kme , jms:jme ), intent(out) ::             &
1400                                                                       rublten, &
1401                                                                       rvblten, &
1402                                                                      rthblten, &
1403                                                                      rqvblten, &
1404                                                                      rqcblten, &
1405                                                                      rqiblten, &
1406                                                                      te_temf, &
1407                                                                      cf3d_temf
1408 ! Local variables
1409    integer :: i, j, k, itf, jtf, ktf
1410    real, parameter :: TEmin = 1e-3
1412    jtf = min0(jte,jde-1)
1413    ktf = min0(kte,kde-1)
1414    itf = min0(ite,ide-1)
1416    if(.not.restart)then
1417      do j = jts,jtf
1418      do k = kts,ktf
1419      do i = its,itf
1420         rublten(i,k,j) = 0.
1421         rvblten(i,k,j) = 0.
1422         rthblten(i,k,j) = 0.
1423         rqvblten(i,k,j) = 0.
1424         rqcblten(i,k,j) = 0.
1425         te_temf(i,k,j) = TEmin
1426         cf3d_temf(i,k,j) = 0.
1427      enddo
1428      enddo
1429      enddo
1430    endif
1432    if (p_qi .ge. p_first_scalar .and. .not.restart) then
1433       do j = jts,jtf
1434       do k = kts,ktf
1435       do i = its,itf
1436          rqiblten(i,k,j) = 0.
1437       enddo
1438       enddo
1439       enddo
1440    endif
1442    end subroutine temfinit
1443 !-------------------------------------------------------------------
1444 end module module_bl_temf