source: palm/trunk/SOURCE/biometeorology_mod.f90 @ 4811

Last change on this file since 4811 was 4807, checked in by gronemeier, 4 years ago

last commit documented

  • Property svn:keywords set to Id
  • Property svn:mergeinfo set to (toggle deleted branches)
    /palm/branches/chemistry/SOURCE/biometeorology_mod.f902047-3190,​3218-3297
    /palm/branches/resler/SOURCE/biometeorology_mod.f902023-4492
    /palm/branches/salsa/SOURCE/biometeorology_mod.f902503-3581
    /palm/trunk/SOURCE/biometeorology_mod.f90mergedeligible
    /palm/branches/forwind/SOURCE/biometeorology_mod.f901564-1913
    /palm/branches/fricke/SOURCE/biometeorology_mod.f90942-977
    /palm/branches/hoffmann/SOURCE/biometeorology_mod.f90989-1052
    /palm/branches/letzel/masked_output/SOURCE/biometeorology_mod.f90296-409
    /palm/branches/palm4u/SOURCE/biometeorology_mod.f902540-2692
    /palm/branches/rans/SOURCE/biometeorology_mod.f902078-3128
    /palm/branches/suehring/biometeorology_mod.f90423-666
File size: 197.2 KB
Line 
1!> @file biometeorology_mod.f90
2!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
3! This file is part of PALM-4U.
4!
5! PALM-4U is free software: You can redistribute it and/or modify it under the terms of the GNU
6! General Public License as published by the Free Software Foundation, either version 3 of the
7! License, or (at your option) any later version.
8!
9! PALM-4U is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY WARRANTY; without even
10! the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the GNU General
11! Public License for more details.
12!
13! You should have received a copy of the GNU General Public License along with PALM. If not, see
14! <http://www.gnu.org/licenses/>.
15!
16! Copyright 2018-2020 Deutscher Wetterdienst (DWD)
17! Copyright 2018-2020 Institute of Computer Science, Academy of Sciences, Prague
18! Copyright 2018-2020 Leibniz Universitaet Hannover
19!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
20!
21! Current revisions:
22! ------------------
23!
24!
25! Former revisions:
26! -----------------
27! $Id: biometeorology_mod.f90 4807 2020-12-02 21:02:28Z maronga $
28! Add checks for setup of UV exposure (only workaround!); corrected formatting errors.
29!
30! 4806 2020-12-02 21:00:32Z gronemeier
31! Enable 3D data output also with 64-bit precision
32!
33! 4633 2020-08-05 14:21:14Z suehring
34! Bugfix in check for humidity
35!
36! 4590 2020-07-06 14:34:59Z suehring
37! Enable restart via mpi-IO. Therefore, allocated array mrt_av_grid as 3D array instead of an
38! 1D array.
39!
40! 4577 2020-06-25 09:53:58Z raasch
41! further re-formatting concerning Fortran parameter variables
42!
43! 4540 2020-05-18 15:23:29Z raasch
44! file re-formatted to follow the PALM coding standard
45!
46! 4535 2020-05-15 12:07:23Z raasch
47! bugfix for restart data format query
48!
49! 4517 2020-05-03 14:29:30Z raasch
50! added restart with MPI-IO for reading local arrays
51!
52! 4495 2020-04-13 20:11:20Z raasch
53! restart data handling with MPI-IO added
54!
55! 4493 2020-04-10 09:49:43Z pavelkrc
56! Revise bad formatting
57!
58! 4286 2019-10-30 16:01:14Z resler
59! implement new palm_date_time_mod
60!
61! 4223 2019-09-10 09:20:47Z gronemeier
62! Corrected "Former revisions" section
63!
64! 4168 2019-08-16 13:50:17Z suehring
65! Replace function get_topography_top_index by topo_top_ind
66!
67! 4144 2019-08-06 09:11:47Z raasch
68! relational operators .EQ., .NE., etc. replaced by ==, /=, etc.
69!
70! 4127 2019-07-30 14:47:10Z suehring
71! Output for bio_mrt added (merge from branch resler)
72!
73! 4126 2019-07-30 11:09:11Z gronemeier
74! renamed vitd3_exposure_av into vitd3_dose,
75! renamed uvem_calc_exposure into bio_calculate_uv_exposure
76!
77! 3885 2019-04-11 11:29:34Z kanani
78! Changes related to global restructuring of location messages and introduction of additional debug
79! messages
80!
81! 3753 2019-02-19 14:48:54Z dom_dwd_user
82! - Added automatic setting of mrt_nlevels in case it was not part of radiation_parameters namelist
83!   (or set to 0 accidentially).
84! - Minor speed improvoemnts in perceived temperature calculations.
85! - Perceived temperature regression arrays now declared as PARAMETERs.
86!
87! 3750 2019-02-19 07:29:39Z dom_dwd_user
88! - Added addittional safety meassures to bio_calculate_thermal_index_maps.
89! - Replaced several REAL (un-)equality comparisons.
90!
91! 3742 2019-02-14 11:25:22Z dom_dwd_user
92! - Allocation of the input _av grids was moved to the "sum" section of bio_3d_data_averaging to
93!   make sure averaging is only done once!
94! - Moved call of bio_calculate_thermal_index_maps from biometeorology module to time_integration to
95!   make sure averaged input is updated before calculating.
96!
97! 3740 2019-02-13 12:35:12Z dom_dwd_user
98! - Added safety-meassure to catch the case that 'bio_mrt_av' is stated after 'bio_<index>' in the
99!   output section of the p3d file.
100!
101! 3739 2019-02-13 08:05:17Z dom_dwd_user
102! - Auto-adjusting thermal_comfort flag if not set by user, but thermal_indices set as output
103!   quantities.
104! - Renamed flags "bio_<index>" to "do_calculate_<index>" for better readability
105! - Removed everything related to "time_bio_results" as this is never used.
106! - Moved humidity warning to check_data_output.
107! - Fixed bug in mrt calculation introduced with my commit yesterday.
108!
109! 3735 2019-02-12 09:52:40Z dom_dwd_user
110! - Fixed auto-setting of thermal index calculation flags by output as originally proposed by
111!   resler.
112! - removed bio_pet and outher configuration variables.
113! - Updated namelist.
114!
115! 3711 2019-01-31 13:44:26Z knoop
116! Introduced interface routine bio_init_checks + small error message changes
117!
118! 3693 2019-01-23 15:20:53Z dom_dwd_user
119! Added usage of time_averaged mean radiant temperature, together with calculation, grid and restart
120! routines. General cleanup and commenting.
121!
122! 3685 2019-01-21 01:02:11Z knoop
123! Some interface calls moved to module_interface + cleanup
124!
125! 3650 2019-01-04 13:01:33Z kanani
126! Bugfixes and additions for enabling restarts with biometeorology
127!
128! 3448 2018-10-29 18:14:31Z kanani
129! Initial revision
130!
131!
132!
133! Authors:
134! --------
135! @author Dominik Froehlich <dominik.froehlich@dwd.de>, thermal indices
136! @author Jaroslav Resler <resler@cs.cas.cz>, mean radiant temperature
137! @author Michael Schrempf <schrempf@muk.uni-hannover.de>, uv exposure
138!
139!
140! Description:
141! ------------
142!> Biometeorology module consisting of two parts:
143!> 1.: Human thermal comfort module calculating thermal perception of a sample human being under the
144!> current meteorological conditions.
145!> 2.: Calculation of vitamin-D weighted UV exposure
146!>
147!> @todo Alphabetical sorting of "USE ..." lists, "ONLY" list, variable declarations
148!>       (per subroutine: first all CHARACTERs, then INTEGERs, LOGICALs, REALs, )
149!> @todo Comments start with capital letter --> "!-- Include..."
150!> @todo uv_vitd3dose-->new output type necessary (cumulative)
151!> @todo consider upwelling radiation in UV
152!> @todo re-design module to work with PALM's module interface and reduce number of workarounds
153!>
154!> @note nothing now
155!>
156!> @bug  checks for proper parameter settings and required input data are missing. Currently
157!<       implemented only by a workaround!
158!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
159 MODULE biometeorology_mod
160
161    USE arrays_3d,                                                                                 &
162        ONLY:  pt, p, u, v, w, q
163
164    USE averaging,                                                                                 &
165        ONLY:  pt_av, q_av, u_av, v_av, w_av
166
167    USE basic_constants_and_equations_mod,                                                         &
168        ONLY: degc_to_k, c_p, l_v, magnus, pi, sigma_sb
169
170    USE control_parameters,                                                                        &
171        ONLY:  average_count_3d,                                                                   &
172               biometeorology,                                                                     &
173               debug_output,                                                                       &
174               dz,                                                                                 &
175               dz_stretch_factor,                                                                  &
176               dz_stretch_level,                                                                   &
177               humidity,                                                                           &
178               initializing_actions, message_string,                                               &
179               nz_do3d,                                                                            &
180               restart_data_format_output,                                                         &
181               surface_pressure
182
183    USE grid_variables,                                                                            &
184        ONLY:  ddx, dx, ddy, dy
185
186    USE indices,                                                                                   &
187        ONLY:  nxl, nxr, nys, nyn, nzb, nzt, nys, nyn, nxl, nxr, nxlg, nxrg, nysg, nyng,           &
188               topo_top_ind
189
190    USE kinds  !< Set precision of INTEGER and REAL arrays according to PALM
191
192    USE netcdf_data_input_mod,                                                                     &
193        ONLY: building_obstruction_f,                                                              &
194              input_file_uvem,                                                                     &
195              input_pids_uvem,                                                                     &
196              netcdf_data_input_uvem,                                                              &
197              uvem_integration_f,                                                                  &
198              uvem_irradiance_f,                                                                   &
199              uvem_projarea_f,                                                                     &
200              uvem_radiance_f
201
202    USE palm_date_time_mod,                                                                        &
203        ONLY:  get_date_time
204!
205!-- Import radiation model to obtain input for mean radiant temperature
206    USE radiation_model_mod,                                                                       &
207        ONLY:  id, ix, iy, iz, mrt_include_sw, mrt_nlevels,                                        &
208               mrtbl, mrtinlw, mrtinsw, nmrtbl, radiation,                                         &
209               rad_lw_in, rad_lw_out, rad_sw_in, rad_sw_out, radiation_interactions
210
211    USE restart_data_mpi_io_mod,                                                                   &
212        ONLY:  rrd_mpi_io,                                                                         &
213               rd_mpi_io_check_array,                                                              &
214               wrd_mpi_io
215
216
217    IMPLICIT NONE
218
219!
220!-- Declare all global variables within the module (alphabetical order)
221    REAL(wp), PARAMETER ::  bio_fill_value = -9999.0_wp  !< set module fill value, replace by global fill value as soon as available
222    REAL(wp), PARAMETER ::  human_absorb = 0.7_wp  !< SW absorbtivity of a human body (Fanger 1972)
223    REAL(wp), PARAMETER ::  human_emiss = 0.97_wp  !< LW emissivity of a human body after (Fanger 1972)
224
225    INTEGER(iwp) ::  bio_cell_level     !< cell level biom calculates for
226
227    LOGICAL ::  thermal_comfort        = .FALSE.  !< Enables or disables the entire thermal comfort part
228    LOGICAL ::  do_average_theta       = .FALSE.  !< switch: do theta averaging in this module? (if .FALSE. this is done globally)
229    LOGICAL ::  do_average_q           = .FALSE.  !< switch: do e averaging in this module?
230    LOGICAL ::  do_average_u           = .FALSE.  !< switch: do u averaging in this module?
231    LOGICAL ::  do_average_v           = .FALSE.  !< switch: do v averaging in this module?
232    LOGICAL ::  do_average_w           = .FALSE.  !< switch: do w averaging in this module?
233    LOGICAL ::  do_average_mrt         = .FALSE.  !< switch: do mrt averaging in this module?
234    LOGICAL ::  average_trigger_perct  = .FALSE.  !< update averaged input on call to bio_perct?
235    LOGICAL ::  average_trigger_utci   = .FALSE.  !< update averaged input on call to bio_utci?
236    LOGICAL ::  average_trigger_pet    = .FALSE.  !< update averaged input on call to bio_pet?
237    LOGICAL ::  average_trigger_mrt    = .FALSE.  !< update averaged input on call to bio_pet?
238    LOGICAL ::  do_calculate_perct     = .FALSE.  !< Turn index PT (instant. input) on or off
239    LOGICAL ::  do_calculate_perct_av  = .FALSE.  !< Turn index PT (averaged input) on or off
240    LOGICAL ::  do_calculate_pet       = .FALSE.  !< Turn index PET (instant. input) on or off
241    LOGICAL ::  do_calculate_pet_av    = .FALSE.  !< Turn index PET (averaged input) on or off
242    LOGICAL ::  do_calculate_utci      = .FALSE.  !< Turn index UTCI (instant. input) on or off
243    LOGICAL ::  do_calculate_utci_av   = .FALSE.  !< Turn index UTCI (averaged input) on or off
244    LOGICAL ::  do_calculate_mrt2d     = .FALSE.  !< Turn index MRT 2D (averaged or inst) on or off
245
246    REAL(wp)    ::  bio_output_height  !< height output is calculated in m
247
248    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  perct      !< PT results   (degree_C)
249    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  pet        !< PET results  (degree_C)
250    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  tmrt_grid  !< tmrt results (degree_C)
251    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  utci       !< UTCI results (degree_C)
252!
253!-- Grids for averaged thermal indices
254    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  perct_av      !< PT results (aver. input)   (degree_C)
255    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  pet_av        !< PET results (aver. input)  (degree_C)
256    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  tmrt_av_grid  !< tmrt results (degree_C)
257    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  utci_av       !< UTCI results (aver. input) (degree_C)
258
259    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  mrt_av_grid   !< time average mean radiant temperature
260
261!
262!-- UVEM parameters from here
263    INTEGER(iwp) ::  ai                      = 0  !< loop index in azimuth direction
264    INTEGER(iwp) ::  bi                      = 0  !< loop index of bit location within an 8bit-integer (one Byte)
265    INTEGER(iwp) ::  bio_nmrtbl
266    INTEGER(iwp) ::  clothing                = 1  !< clothing (0=unclothed, 1=Arms,Hands,Face free, 3=Hand,Face free)
267    INTEGER(iwp) ::  iq                      = 0  !< loop index of irradiance quantity
268    INTEGER(iwp) ::  pobi                    = 0  !< loop index of the position of corresponding byte within ibset byte vektor
269    INTEGER(iwp) ::  obstruction_direct_beam = 0  !< Obstruction information for direct beam
270    INTEGER(iwp) ::  zi                      = 0  !< loop index in zenith direction
271
272    INTEGER(KIND=1), DIMENSION(0:44)  ::  obstruction_temp1 = 0  !< temporary obstruction information stored with ibset
273    INTEGER(iwp),    DIMENSION(0:359) ::  obstruction_temp2 = 0  !< restored temporary obstruction information from ibset file
274
275    INTEGER(iwp), DIMENSION(0:35,0:9) ::  obstruction       = 1  !< final 2D obstruction information array
276
277    LOGICAL ::  consider_obstructions = .TRUE.   !< namelist parameter (see documentation)
278    LOGICAL ::  sun_in_south          = .FALSE.  !< namelist parameter (see documentation)
279    LOGICAL ::  turn_to_sun           = .TRUE.   !< namelist parameter (see documentation)
280    LOGICAL ::  uv_exposure           = .FALSE.  !< namelist parameter (see documentation)
281
282    REAL(wp) ::  diffuse_exposure            =   0.0_wp  !< calculated exposure by diffuse radiation
283    REAL(wp) ::  direct_exposure             =   0.0_wp  !< calculated exposure by direct solar beam
284    REAL(wp) ::  orientation_angle           =   0.0_wp  !< orientation of front/face of the human model
285    REAL(wp) ::  projection_area_direct_beam =   0.0_wp  !< projection area for direct solar beam
286    REAL(wp) ::  saa                         = 180.0_wp  !< solar azimuth angle
287    REAL(wp) ::  startpos_human              =   0.0_wp  !< start value for azimuth interpolation of human geometry array
288    REAL(wp) ::  startpos_saa_float          =   0.0_wp  !< start value for azimuth interpolation of radiance array
289    REAL(wp) ::  sza                         =  20.0_wp  !< solar zenith angle
290    REAL(wp) ::  xfactor                     =   0.0_wp  !< relative x-position used for interpolation
291    REAL(wp) ::  yfactor                     =   0.0_wp  !< relative y-position used for interpolation
292
293    REAL(wp), DIMENSION(0:2)  ::  irradiance =   0.0_wp  !< iradiance values extracted from irradiance lookup table
294
295    REAL(wp), DIMENSION(0:2,0:90) ::  irradiance_lookup_table      = 0.0_wp  !< irradiance lookup table
296    REAL(wp), DIMENSION(0:35,0:9) ::  integration_array            = 0.0_wp  !< solid angle factors for hemispherical integration
297    REAL(wp), DIMENSION(0:35,0:9) ::  projection_area              = 0.0_wp  !< projection areas of a human (all directions)
298    REAL(wp), DIMENSION(0:35,0:9) ::  projection_area_lookup_table = 0.0_wp  !< human geometry lookup table (projection areas)
299    REAL(wp), DIMENSION(0:71,0:9) ::  projection_area_direct_temp  = 0.0_wp  !< temporary projection area for direct solar beam
300    REAL(wp), DIMENSION(0:71,0:9) ::  projection_area_temp         = 0.0_wp  !< temporary projection area for all directions
301    REAL(wp), DIMENSION(0:35,0:9) ::  radiance_array               = 0.0_wp  !< radiance extracted from radiance_lookup_table
302    REAL(wp), DIMENSION(0:71,0:9) ::  radiance_array_temp          = 0.0_wp  !< temporary radiance data
303
304    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  vitd3_exposure  !< result variable for instantaneous vitamin-D weighted exposures
305    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  vitd3_dose      !< result variable for summation of vitamin-D weighted exposures
306
307    REAL(wp), DIMENSION(0:35,0:9,0:90) ::  radiance_lookup_table   = 0.0_wp  !< radiance lookup table
308
309
310    PRIVATE
311
312!
313!-- INTERFACES that must be available to other modules (alphabetical order)
314    PUBLIC bio_3d_data_averaging,  bio_calculate_mrt_grid, bio_calculate_thermal_index_maps,       &
315           bio_calc_ipt, bio_check_data_output, bio_check_parameters,                              &
316           bio_data_output_2d, bio_data_output_3d,  bio_define_netcdf_grid,                        &
317           bio_get_thermal_index_input_ij, bio_header, bio_init, bio_init_checks, bio_nmrtbl,      &
318           bio_parin, bio_rrd_global, bio_rrd_local, bio_wrd_global, bio_wrd_local, thermal_comfort
319!
320!-- UVEM PUBLIC variables and methods
321    PUBLIC bio_calculate_uv_exposure, uv_exposure
322
323!
324!-- PALM interfaces:
325!
326!-- 3D averaging for HTCM _INPUT_ variables
327    INTERFACE bio_3d_data_averaging
328       MODULE PROCEDURE bio_3d_data_averaging
329    END INTERFACE bio_3d_data_averaging
330!
331!-- Calculate mtr from rtm fluxes and assign into 2D grid
332    INTERFACE bio_calculate_mrt_grid
333       MODULE PROCEDURE bio_calculate_mrt_grid
334    END INTERFACE bio_calculate_mrt_grid
335!
336!-- Calculate static thermal indices PT, UTCI and/or PET
337    INTERFACE bio_calculate_thermal_index_maps
338       MODULE PROCEDURE bio_calculate_thermal_index_maps
339    END INTERFACE bio_calculate_thermal_index_maps
340!
341!-- Calculate the dynamic index iPT (to be caled by the agent model)
342    INTERFACE bio_calc_ipt
343       MODULE PROCEDURE bio_calc_ipt
344    END INTERFACE bio_calc_ipt
345!
346!-- Data output checks for 2D/3D data to be done in check_parameters
347    INTERFACE bio_check_data_output
348       MODULE PROCEDURE bio_check_data_output
349    END INTERFACE bio_check_data_output
350!
351!-- Input parameter checks to be done in check_parameters
352    INTERFACE bio_check_parameters
353       MODULE PROCEDURE bio_check_parameters
354    END INTERFACE bio_check_parameters
355!
356!-- Data output of 2D quantities
357    INTERFACE bio_data_output_2d
358       MODULE PROCEDURE bio_data_output_2d
359    END INTERFACE bio_data_output_2d
360!
361!-- no 3D data, thus, no averaging of 3D data, removed
362    INTERFACE bio_data_output_3d
363       MODULE PROCEDURE bio_data_output_3d
364    END INTERFACE bio_data_output_3d
365!
366!-- Definition of data output quantities
367    INTERFACE bio_define_netcdf_grid
368       MODULE PROCEDURE bio_define_netcdf_grid
369    END INTERFACE bio_define_netcdf_grid
370!
371!-- Obtains all relevant input values to estimate local thermal comfort/stress
372    INTERFACE bio_get_thermal_index_input_ij
373       MODULE PROCEDURE bio_get_thermal_index_input_ij
374    END INTERFACE bio_get_thermal_index_input_ij
375!
376!-- Output of information to the header file
377    INTERFACE bio_header
378       MODULE PROCEDURE bio_header
379    END INTERFACE bio_header
380!
381!-- Initialization actions
382    INTERFACE bio_init
383       MODULE PROCEDURE bio_init
384    END INTERFACE bio_init
385!
386!-- Initialization checks
387    INTERFACE bio_init_checks
388       MODULE PROCEDURE bio_init_checks
389    END INTERFACE bio_init_checks
390!
391!-- Reading of NAMELIST parameters
392    INTERFACE bio_parin
393       MODULE PROCEDURE bio_parin
394    END INTERFACE bio_parin
395!
396!-- Read global restart parameters
397    INTERFACE bio_rrd_global
398       MODULE PROCEDURE bio_rrd_global_ftn
399       MODULE PROCEDURE bio_rrd_global_mpi
400    END INTERFACE bio_rrd_global
401!
402!-- Read local restart parameters
403    INTERFACE bio_rrd_local
404       MODULE PROCEDURE bio_rrd_local_ftn
405       MODULE PROCEDURE bio_rrd_local_mpi
406    END INTERFACE bio_rrd_local
407!
408!-- Write global restart parameters
409    INTERFACE bio_wrd_global
410       MODULE PROCEDURE bio_wrd_global
411    END INTERFACE bio_wrd_global
412!
413!-- Write local restart parameters
414    INTERFACE bio_wrd_local
415       MODULE PROCEDURE bio_wrd_local
416    END INTERFACE bio_wrd_local
417!
418!-- Calculate UV exposure grid
419    INTERFACE bio_calculate_uv_exposure
420       MODULE PROCEDURE bio_calculate_uv_exposure
421    END INTERFACE bio_calculate_uv_exposure
422
423 CONTAINS
424
425
426!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
427! Description:
428! ------------
429!> Sum up and time-average biom input quantities as well as allocate the array necessary for storing
430!> the average.
431!> There is a considerable difference to the 3d_data_averaging subroutines used by other modules:
432!> For the thermal indices, the module needs to average the input conditions, not the result!
433!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
434 SUBROUTINE bio_3d_data_averaging( mode, variable )
435
436    IMPLICIT NONE
437
438    CHARACTER (LEN=*) ::  mode     !< Averaging mode: allocate, sum, or average
439    CHARACTER (LEN=*) ::  variable !< The variable in question
440
441    INTEGER(iwp) ::  i        !< Running index, x-direction
442    INTEGER(iwp) ::  j        !< Running index, y-direction
443    INTEGER(iwp) ::  k        !< Running index, z-direction
444    INTEGER(iwp) ::  l        !< index used to link radiation arrays to 3d grid arrays
445
446
447    IF ( mode == 'allocate' )  THEN
448
449       SELECT CASE ( TRIM( variable ) )
450
451          CASE ( 'bio_mrt' )
452
453                IF ( .NOT. ALLOCATED( mrt_av_grid ) )  THEN
454                   ALLOCATE( mrt_av_grid(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
455                ENDIF
456                mrt_av_grid = 0.0_wp
457                do_average_mrt = .FALSE.  !< Overwrite if that was enabled somehow
458
459
460          CASE ( 'bio_perct*', 'bio_utci*', 'bio_pet*', 'bio_mrt*' )
461
462!
463!--          Averaging, as well as the allocation of the required grids must be done only once,
464!--          independent of for how many thermal indices averaged output is desired.
465!--          Therefore we need to memorize which index is the one that controls the averaging
466!--          (what must be the first thermal index called).
467!--          Indices are in unknown order as depending on the input file, determine first index to
468!--          average und update only once.
469!
470!--          Only proceed here if this was not done for any index before. This is done only once
471!--          during the whole model run.
472             IF ( .NOT. average_trigger_perct  .AND.                                               &
473                  .NOT. average_trigger_utci   .AND.                                               &
474                  .NOT. average_trigger_pet    .AND.                                               &
475                  .NOT. average_trigger_mrt )  THEN
476!
477!--             Memorize the first index called to control averaging
478                IF ( TRIM( variable ) == 'bio_perct*' )  THEN
479                    average_trigger_perct = .TRUE.
480                ENDIF
481                IF ( TRIM( variable ) == 'bio_utci*' )  THEN
482                    average_trigger_utci = .TRUE.
483                ENDIF
484                IF ( TRIM( variable ) == 'bio_pet*' )  THEN
485                    average_trigger_pet = .TRUE.
486                ENDIF
487                IF ( TRIM( variable ) == 'bio_mrt*' )  THEN
488                    average_trigger_mrt = .TRUE.
489                ENDIF
490             ENDIF
491!
492!--          Allocation of the input _av grids was moved to the "sum" section to make sure averaging
493!--          is only done once!
494
495          CASE ( 'uvem_vitd3dose*' )
496
497             IF ( .NOT. ALLOCATED( vitd3_dose ) )  THEN
498                ALLOCATE( vitd3_dose(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
499             ENDIF
500             vitd3_dose = 0.0_wp
501
502          CASE DEFAULT
503             CONTINUE
504
505       END SELECT
506
507    ELSEIF ( mode == 'sum' )  THEN
508
509       SELECT CASE ( TRIM( variable ) )
510
511          CASE ( 'bio_mrt' )
512!
513!--          Consider the case 'bio_mrt' is called after some thermal index. In that case
514!            do_average_mrt will be .TRUE. leading to a double-averaging.
515             IF ( .NOT. do_average_mrt  .AND.  ALLOCATED( mrt_av_grid ) )  THEN
516
517                IF ( mrt_include_sw )  THEN
518                   DO  l = 1, nmrtbl
519                      i = mrtbl(ix,l)
520                      j = mrtbl(iy,l)
521                      k = mrtbl(iz,l)
522                      mrt_av_grid(k,j,i) = mrt_av_grid(k,j,i)  +                                   &
523                                    ( ( human_absorb * mrtinsw(l) +                                &
524                                    mrtinlw(l) ) / ( human_emiss * sigma_sb ) )**0.25_wp - degc_to_k
525                   ENDDO
526                ELSE
527                   DO  l = 1, nmrtbl
528                      i = mrtbl(ix,l)
529                      j = mrtbl(iy,l)
530                      k = mrtbl(iz,l)
531                      mrt_av_grid(k,j,i) = mrt_av_grid(k,j,i)  +                                   &
532                                    ( mrtinlw(l) / ( human_emiss * sigma_sb ) )**0.25_wp - degc_to_k
533                   ENDDO
534                ENDIF
535             ENDIF
536
537          CASE ( 'bio_perct*', 'bio_utci*', 'bio_pet*', 'bio_mrt*' )
538!
539!--          Only continue if the current index is the one to trigger the input averaging, see
540!--          above.
541             IF ( average_trigger_perct  .AND.  TRIM( variable ) /= 'bio_perct*')    RETURN
542             IF ( average_trigger_utci   .AND.  TRIM( variable ) /= 'bio_utci*' )    RETURN
543             IF ( average_trigger_pet    .AND.  TRIM( variable ) /= 'bio_pet*'  )    RETURN
544             IF ( average_trigger_mrt    .AND.  TRIM( variable ) /= 'bio_mrt*'  )    RETURN
545!
546!--          Now memorize which of the input grids are not averaged by other modules. Set averaging
547!--          switch to .TRUE. and allocate the respective grid in that case.
548             IF ( .NOT. ALLOCATED( pt_av ) )  THEN  !< if not averaged by other module
549                ALLOCATE( pt_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
550                do_average_theta = .TRUE.  !< memorize, that bio is responsible
551                pt_av = 0.0_wp
552             ENDIF
553             IF ( ALLOCATED( pt_av )  .AND.  do_average_theta )  THEN
554                DO  i = nxl, nxr
555                   DO  j = nys, nyn
556                      DO  k = nzb, nzt+1
557                         pt_av(k,j,i) = pt_av(k,j,i) + pt(k,j,i)
558                      ENDDO
559                   ENDDO
560                ENDDO
561             ENDIF
562
563             IF ( .NOT. ALLOCATED( q_av ) )  THEN
564                ALLOCATE( q_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
565                do_average_q = .TRUE.
566                q_av = 0.0_wp
567             ENDIF
568             IF ( ALLOCATED( q_av )  .AND.  do_average_q )  THEN
569                DO  i = nxl, nxr
570                   DO  j = nys, nyn
571                      DO  k = nzb, nzt+1
572                         q_av(k,j,i) = q_av(k,j,i) + q(k,j,i)
573                      ENDDO
574                   ENDDO
575                ENDDO
576             ENDIF
577
578!
579!--          u_av, v_av and w_av are always allocated
580             IF ( .NOT. ALLOCATED( u_av ) )  THEN
581                ALLOCATE( u_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
582                do_average_u = .TRUE.
583                u_av = 0.0_wp
584             ENDIF
585             IF ( ALLOCATED( u_av )  .AND.  do_average_u )  THEN
586                DO  i = nxlg, nxrg       !< yes, ghost points are required here!
587                   DO  j = nysg, nyng
588                      DO  k = nzb, nzt+1
589                         u_av(k,j,i) = u_av(k,j,i) + u(k,j,i)
590                      ENDDO
591                   ENDDO
592                ENDDO
593             ENDIF
594
595             IF ( .NOT. ALLOCATED( v_av ) )  THEN
596                ALLOCATE( v_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
597                do_average_v = .TRUE.
598                v_av = 0.0_wp
599             ENDIF
600             IF ( ALLOCATED( v_av )  .AND.  do_average_v )  THEN
601                DO  i = nxlg, nxrg       !< yes, ghost points are required here!
602                   DO  j = nysg, nyng
603                      DO  k = nzb, nzt+1
604                         v_av(k,j,i) = v_av(k,j,i) + v(k,j,i)
605                      ENDDO
606                   ENDDO
607                ENDDO
608             ENDIF
609
610             IF ( .NOT. ALLOCATED( w_av ) )  THEN
611                ALLOCATE( w_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
612                do_average_w = .TRUE.
613                w_av = 0.0_wp
614             ENDIF
615             IF ( ALLOCATED( w_av )  .AND.  do_average_w )  THEN
616                DO  i = nxlg, nxrg       !< yes, ghost points are required here!
617                   DO  j = nysg, nyng
618                      DO  k = nzb, nzt+1
619                         w_av(k,j,i) = w_av(k,j,i) + w(k,j,i)
620                      ENDDO
621                   ENDDO
622                ENDDO
623             ENDIF
624
625             IF ( .NOT. ALLOCATED( mrt_av_grid ) )  THEN
626                ALLOCATE( mrt_av_grid(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
627                do_average_mrt = .TRUE.
628                mrt_av_grid = 0.0_wp
629             ENDIF
630             IF ( ALLOCATED( mrt_av_grid )  .AND.  do_average_mrt )  THEN
631
632                IF ( mrt_include_sw )  THEN
633                   DO  l = 1, nmrtbl
634                      i = mrtbl(ix,l)
635                      j = mrtbl(iy,l)
636                      k = mrtbl(iz,l)
637                      mrt_av_grid(k,j,i) = mrt_av_grid(k,j,i)  +                                   &
638                                    ( ( human_absorb * mrtinsw(l) +                                &
639                                    mrtinlw(l) ) /                                                 &
640                                      ( human_emiss  * sigma_sb ) )**0.25_wp - degc_to_k
641                   ENDDO
642                ELSE
643                   DO  l = 1, nmrtbl
644                      i = mrtbl(ix,l)
645                      j = mrtbl(iy,l)
646                      k = mrtbl(iz,l)
647                      mrt_av_grid(k,j,i) = mrt_av_grid(k,j,i) +                                    &
648                                    ( mrtinlw(l) /                                                 &
649                                    ( human_emiss * sigma_sb ) )**0.25_wp - degc_to_k
650                   ENDDO
651                ENDIF
652             ENDIF
653!
654!--       This is a cumulated dose. No mode == 'average' for this quantity.
655          CASE ( 'uvem_vitd3dose*' )
656             IF ( ALLOCATED( vitd3_dose ) )  THEN
657                DO  i = nxlg, nxrg
658                   DO  j = nysg, nyng
659                      vitd3_dose(j,i) = vitd3_dose(j,i) + vitd3_exposure(j,i)
660                   ENDDO
661                ENDDO
662             ENDIF
663
664          CASE DEFAULT
665             CONTINUE
666
667       END SELECT
668
669    ELSEIF ( mode == 'average' )  THEN
670
671       SELECT CASE ( TRIM( variable ) )
672
673          CASE ( 'bio_mrt' )
674!
675!--          Consider the case 'bio_mrt' is called after some thermal index. In that case
676!--          do_average_mrt will be .TRUE. leading to a double-averaging.
677             IF ( .NOT. do_average_mrt  .AND.  ALLOCATED( mrt_av_grid ) )  THEN
678                DO  i = nxl, nxr
679                   DO  j = nys, nyn
680                      DO  k = nzb, nzt+1
681                         mrt_av_grid(k,j,i) = mrt_av_grid(k,j,i) / REAL( average_count_3d, KIND=wp )
682                      ENDDO
683                   ENDDO
684                ENDDO
685             ENDIF
686
687          CASE ( 'bio_perct*', 'bio_utci*', 'bio_pet*', 'bio_mrt*' )
688!
689!--          Only continue if update index, see above
690             IF ( average_trigger_perct  .AND.                                                     &
691                TRIM( variable ) /= 'bio_perct*' )  RETURN
692             IF ( average_trigger_utci  .AND.                                                      &
693                TRIM( variable ) /= 'bio_utci*' )  RETURN
694             IF ( average_trigger_pet   .AND.                                                      &
695                TRIM( variable ) /= 'bio_pet*' )  RETURN
696             IF ( average_trigger_mrt   .AND.                                                      &
697                TRIM( variable ) /= 'bio_mrt*' )  RETURN
698
699             IF ( ALLOCATED( pt_av )  .AND.  do_average_theta )  THEN
700                DO  i = nxl, nxr
701                   DO  j = nys, nyn
702                      DO  k = nzb, nzt+1
703                         pt_av(k,j,i) = pt_av(k,j,i) /  REAL( average_count_3d, KIND = wp )
704                      ENDDO
705                   ENDDO
706                ENDDO
707             ENDIF
708
709             IF ( ALLOCATED( q_av )  .AND.  do_average_q )  THEN
710                DO  i = nxl, nxr
711                   DO  j = nys, nyn
712                      DO  k = nzb, nzt+1
713                         q_av(k,j,i) = q_av(k,j,i) / REAL( average_count_3d, KIND = wp )
714                      ENDDO
715                   ENDDO
716                ENDDO
717             ENDIF
718
719             IF ( ALLOCATED( u_av )  .AND.  do_average_u )  THEN
720                DO  i = nxlg, nxrg       !< yes, ghost points are required here!
721                   DO  j = nysg, nyng
722                      DO  k = nzb, nzt+1
723                         u_av(k,j,i) = u_av(k,j,i) / REAL( average_count_3d, KIND = wp )
724                      ENDDO
725                   ENDDO
726                ENDDO
727             ENDIF
728
729             IF ( ALLOCATED( v_av )  .AND.  do_average_v )  THEN
730                DO  i = nxlg, nxrg
731                   DO  j = nysg, nyng
732                      DO  k = nzb, nzt+1
733                         v_av(k,j,i) = v_av(k,j,i) / REAL( average_count_3d, KIND = wp )
734                      ENDDO
735                   ENDDO
736                ENDDO
737             ENDIF
738
739             IF ( ALLOCATED( w_av )  .AND.  do_average_w )  THEN
740                DO  i = nxlg, nxrg
741                   DO  j = nysg, nyng
742                      DO  k = nzb, nzt+1
743                         w_av(k,j,i) = w_av(k,j,i) / REAL( average_count_3d, KIND = wp )
744                      ENDDO
745                   ENDDO
746                ENDDO
747             ENDIF
748
749             IF ( ALLOCATED( mrt_av_grid )  .AND.  do_average_mrt )  THEN
750                DO  i = nxl, nxr
751                   DO  j = nys, nyn
752                      DO  k = nzb, nzt+1
753                         mrt_av_grid(k,j,i) = mrt_av_grid(k,j,i) / REAL( average_count_3d, KIND=wp )
754                      ENDDO
755                   ENDDO
756                ENDDO
757             ENDIF
758
759!
760!--     No averaging for UVEM since we are calculating a dose (only sum is calculated and saved to
761!--     av.nc file)
762        END SELECT
763
764    ENDIF
765
766
767 END SUBROUTINE bio_3d_data_averaging
768
769
770
771!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
772! Description:
773! ------------
774!> Check data output for biometeorology model
775!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
776 SUBROUTINE bio_check_data_output( var, unit, i, j, ilen, k )
777
778    USE control_parameters,                                                                        &
779        ONLY: data_output, message_string
780
781    IMPLICIT NONE
782
783    CHARACTER (LEN=*) ::  unit     !< The unit for the variable var
784    CHARACTER (LEN=*) ::  var      !< The variable in question
785
786    INTEGER(iwp), INTENT(IN) ::  i     !< Current element of data_output
787    INTEGER(iwp), INTENT(IN) ::  j     !< Average quantity? 0 = no, 1 = yes
788    INTEGER(iwp), INTENT(IN) ::  ilen  !< Length of current entry in data_output
789    INTEGER(iwp), INTENT(IN) ::  k     !< Output is xy mode? 0 = no, 1 = yes
790
791    SELECT CASE ( TRIM( var ) )
792!
793!--    Allocate a temporary array with the desired output dimensions.
794!--    Arrays for time-averaged thermal indices are also allocated here because they are not running
795!--    through the standard averaging procedure in bio_3d_data_averaging as the values of the
796!--    averaged thermal indices are derived in a single step based on priorly averaged arrays (see
797!--    bio_calculate_thermal_index_maps).
798       CASE ( 'bio_mrt', 'bio_mrt*' )
799          unit = 'degree_C'
800          thermal_comfort = .TRUE.  !< enable thermal_comfort if user forgot to do so
801          IF ( .NOT. ALLOCATED( tmrt_grid ) )  THEN
802             ALLOCATE( tmrt_grid (nys:nyn,nxl:nxr) )
803             tmrt_grid = REAL( bio_fill_value, KIND = wp )
804          ENDIF
805          IF ( TRIM( var ) == 'bio_mrt*' )  THEN
806             do_calculate_mrt2d = .TRUE.
807          END IF
808
809       CASE ( 'bio_perct*' )
810          unit = 'degree_C'
811          thermal_comfort = .TRUE.
812          IF ( j == 0 )  THEN                !< if instantaneous input
813             do_calculate_perct = .TRUE.
814             IF ( .NOT. ALLOCATED( perct ) )  THEN
815                ALLOCATE( perct (nys:nyn,nxl:nxr) )
816                perct = REAL( bio_fill_value, KIND = wp )
817             ENDIF
818          ELSE                               !< if averaged input
819             do_calculate_perct_av = .TRUE.
820             IF ( .NOT. ALLOCATED( perct_av ) )  THEN
821                ALLOCATE( perct_av (nys:nyn,nxl:nxr) )
822                perct_av = REAL( bio_fill_value, KIND = wp )
823             ENDIF
824          ENDIF
825
826       CASE ( 'bio_utci*' )
827          unit = 'degree_C'
828          thermal_comfort = .TRUE.
829          IF ( j == 0 )  THEN
830             do_calculate_utci = .TRUE.
831             IF ( .NOT. ALLOCATED( utci ) )  THEN
832                ALLOCATE( utci (nys:nyn,nxl:nxr) )
833                utci = REAL( bio_fill_value, KIND = wp )
834             ENDIF
835          ELSE
836             do_calculate_utci_av = .TRUE.
837             IF ( .NOT. ALLOCATED( utci_av ) )  THEN
838                ALLOCATE( utci_av (nys:nyn,nxl:nxr) )
839                utci_av = REAL( bio_fill_value, KIND = wp )
840             ENDIF
841          ENDIF
842
843       CASE ( 'bio_pet*' )
844          unit = 'degree_C'
845          thermal_comfort = .TRUE.
846          IF ( j == 0 )  THEN
847             do_calculate_pet = .TRUE.
848             IF ( .NOT. ALLOCATED( pet ) )  THEN
849                ALLOCATE( pet (nys:nyn,nxl:nxr) )
850                pet = REAL( bio_fill_value, KIND = wp )
851             ENDIF
852          ELSE
853             do_calculate_pet_av = .TRUE.
854             IF ( .NOT. ALLOCATED( pet_av ) )  THEN
855                ALLOCATE( pet_av (nys:nyn,nxl:nxr) )
856                pet_av = REAL( bio_fill_value, KIND = wp )
857             ENDIF
858          ENDIF
859
860
861       CASE ( 'uvem_vitd3*' )
862          IF ( .NOT. uv_exposure )  THEN
863             message_string = 'output of "' // TRIM( var ) // '" requires uv_exposure = .TRUE.' // &
864                              '&in namelist "biometeorology_parameters"'
865             CALL message( 'uvem_check_data_output', 'PA0512', 1, 2, 0, 6, 0 )
866          ENDIF
867          IF ( k == 0  .OR.  data_output(i)(ilen-2:ilen) /= '_xy' )  THEN
868             message_string = 'illegal value for data_output: "' //                                &
869                              TRIM( var ) // '" & only 2d-horizontal ' //                          &
870                              'cross sections are allowed for this value'
871             CALL message( 'check_parameters', 'PA0111', 1, 2, 0, 6, 0 )
872          ENDIF
873          unit = 'IU/s'
874          IF ( .NOT. ALLOCATED( vitd3_exposure ) )  THEN
875             ALLOCATE( vitd3_exposure(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
876          ENDIF
877          vitd3_exposure = 0.0_wp
878
879       CASE ( 'uvem_vitd3dose*' )
880          IF (  .NOT.  uv_exposure )  THEN
881             message_string = 'output of "' // TRIM( var ) // '" requires uv_exposure = .TRUE.' // &
882                              '&in namelist "biometeorology_parameters"'
883             CALL message( 'uvem_check_data_output', 'PA0512', 1, 2, 0, 6, 0 )
884          ENDIF
885          IF ( k == 0  .OR.  data_output(i)(ilen-2:ilen) /= '_xy' )  THEN
886             message_string = 'illegal value for data_output: "' //                                &
887                              TRIM( var ) // '" & only 2d-horizontal ' //                          &
888                              'cross sections are allowed for this value'
889             CALL message( 'check_parameters', 'PA0111', 1, 2, 0, 6, 0 )
890          ENDIF
891          unit = 'IU/av-h'
892          IF ( .NOT. ALLOCATED( vitd3_dose ) )  THEN
893             ALLOCATE( vitd3_dose(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
894          ENDIF
895          vitd3_dose = 0.0_wp
896
897       CASE DEFAULT
898          unit = 'illegal'
899
900    END SELECT
901
902!
903!-- Further checks if thermal comfort output is desired.
904    IF ( thermal_comfort  .AND.  unit(1:6) == 'degree' )  THEN
905!
906!--    Break if required modules "radiation" is not available.
907       IF ( .NOT.  radiation )  THEN
908          message_string = 'output of "' // TRIM( var ) // '" require' // 's radiation = .TRUE.'
909          CALL message( 'check_parameters', 'PA0509', 1, 2, 0, 6, 0 )
910          unit = 'illegal'
911       ENDIF
912!
913!--    All "thermal_comfort" outputs except from 'bio_mrt' will also need  humidity input. Check
914!--    also for that.
915       IF ( TRIM( var ) /= 'bio_mrt' )  THEN
916          IF ( .NOT.  humidity )  THEN
917             message_string = 'The estimation of thermal comfort '    //                           &
918                              'requires air humidity information, but ' //                         &
919                              'humidity module is disabled!'
920             CALL message( 'check_parameters', 'PA0561', 1, 2, 0, 6, 0 )
921             unit = 'illegal'
922          ENDIF
923       ENDIF
924
925
926    ENDIF
927
928 END SUBROUTINE bio_check_data_output
929
930!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
931! Description:
932! ------------
933!> Check parameters routine for biom module
934!> Currently unused but might come in handy for future checks?
935!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
936 SUBROUTINE bio_check_parameters
937
938
939    IMPLICIT NONE
940
941!
942!-- Check settings for UV exposure part
943    IF ( uv_exposure )  THEN
944
945!
946!--    Input file not present
947       IF ( .NOT. input_pids_uvem )  THEN
948          WRITE( message_string, * ) 'uv_exposure = .TRUE. but input file "' //                    &
949                                     TRIM( input_file_uvem ) // '" is not present.&' //            &
950                                     'Calculating UV exposure impossible.'
951          CALL message( 'bio_check_parameters', 'PA0513', 1, 2, 0, 6, 0 )
952       ELSE
953
954!
955!--       Required variables not given in input file
956          IF ( .NOT. uvem_integration_f%from_file  .OR.  .NOT. uvem_irradiance_f%from_file  .OR.   &
957               .NOT. uvem_projarea_f%from_file  .OR.  .NOT. uvem_radiance_f%from_file )  THEN
958             WRITE( message_string, * ) 'uv_exposure = .TRUE. but one or more required input ' //  &
959                                        'varaibles are not present in file "' //                   &
960                                        TRIM( input_file_uvem ) // '".&' //                        &
961                                        'Calculating UV exposure impossible.'
962             CALL message( 'bio_check_parameters', 'PA0514', 1, 2, 0, 6, 0 )
963          ENDIF
964
965!
966!--       Obstruction requested but not given
967          IF ( consider_obstructions  .AND.  .NOT. building_obstruction_f%from_file )  THEN
968             WRITE( message_string, * ) 'consider_obstructions = .TRUE. but varaible ' //          &
969                                        '"obstruction" is not present in file "' //                &
970                                        TRIM( input_file_uvem ) // '".&' //                        &
971                                        'Calculating UV exposure impossible.'
972             CALL message( 'bio_check_parameters', 'PA0515', 1, 2, 0, 6, 0 )
973          ENDIF
974       ENDIF
975    ENDIF
976
977 END SUBROUTINE bio_check_parameters
978
979
980!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
981! Description:
982! ------------
983!> Subroutine defining 2D output variables
984!> data_output_2d 1188ff
985!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
986 SUBROUTINE bio_data_output_2d( av, variable, found, grid, local_pf, two_d, nzb_do, nzt_do)
987
988
989    USE kinds
990
991
992    IMPLICIT NONE
993!
994!-- Input variables
995    CHARACTER (LEN=*), INTENT(IN) ::  variable    !< Char identifier to select var for output
996    INTEGER(iwp), INTENT(IN)      ::  av          !< Use averaged data? 0 = no, 1 = yes?
997    INTEGER(iwp), INTENT(IN)      ::  nzb_do      !< Unused. 2D. nz bottom to nz top
998    INTEGER(iwp), INTENT(IN)      ::  nzt_do      !< Unused.
999!
1000!-- Output variables
1001    CHARACTER (LEN=*), INTENT(OUT) ::  grid   !< Grid type (always "zu1" for biom)
1002
1003    LOGICAL, INTENT(OUT)           ::  found  !< Output found?
1004    LOGICAL, INTENT(OUT)           ::  two_d  !< Flag parameter that indicates 2D variables,
1005                                              !< horizontal cross sections, must be .TRUE. for thermal indices and uv
1006    REAL(wp), DIMENSION(nxl:nxr,nys:nyn,nzb_do:nzt_do) ::  local_pf  !< Temp. result grid to return
1007!
1008!-- Internal variables
1009    INTEGER(iwp) ::  i        !< Running index, x-dir
1010    INTEGER(iwp) ::  j        !< Running index, y-dir
1011    INTEGER(iwp) ::  k        !< Running index, z-dir
1012    INTEGER(iwp) ::  l        !< Running index, radiation grid
1013
1014
1015    found = .TRUE.
1016    local_pf = bio_fill_value
1017
1018    SELECT CASE ( TRIM( variable ) )
1019
1020
1021        CASE ( 'bio_mrt_xy' )
1022           grid = 'zu1'
1023           two_d = .FALSE.  !< can be calculated for several levels
1024           local_pf = REAL( bio_fill_value, KIND = wp )
1025           DO  l = 1, nmrtbl
1026              i = mrtbl(ix,l)
1027              j = mrtbl(iy,l)
1028              k = mrtbl(iz,l)
1029              IF ( k < nzb_do  .OR.  k > nzt_do  .OR.  j < nys  .OR.                               &
1030                 j > nyn  .OR.  i < nxl  .OR.  i > nxr )  CYCLE
1031              IF ( av == 0 )  THEN
1032                 IF ( mrt_include_sw )  THEN
1033                    local_pf(i,j,k) = ( ( human_absorb * mrtinsw(l) +                              &
1034                                      mrtinlw(l) ) /                                               &
1035                                      ( human_emiss * sigma_sb ) )**0.25_wp - degc_to_k
1036                 ELSE
1037                    local_pf(i,j,k) = ( mrtinlw(l) /                                               &
1038                                      ( human_emiss * sigma_sb ) )**0.25_wp - degc_to_k
1039                 ENDIF
1040              ELSE
1041                 local_pf(i,j,k) = mrt_av_grid(k,j,i)
1042              ENDIF
1043           ENDDO
1044
1045        CASE ( 'bio_mrt*_xy' )        ! 2d-array
1046           grid = 'zu1'
1047           two_d = .TRUE.
1048           IF ( av == 0 )  THEN
1049              DO  i = nxl, nxr
1050                 DO  j = nys, nyn
1051                    local_pf(i,j,nzb+1) = tmrt_grid(j,i)
1052                 ENDDO
1053              ENDDO
1054           ELSE
1055              DO  i = nxl, nxr
1056                 DO  j = nys, nyn
1057                    local_pf(i,j,nzb+1) = tmrt_av_grid(j,i)
1058                 ENDDO
1059              ENDDO
1060           ENDIF
1061
1062
1063        CASE ( 'bio_perct*_xy' )        ! 2d-array
1064           grid = 'zu1'
1065           two_d = .TRUE.
1066           IF ( av == 0 )  THEN
1067              DO  i = nxl, nxr
1068                 DO  j = nys, nyn
1069                    local_pf(i,j,nzb+1) = perct(j,i)
1070                 ENDDO
1071              ENDDO
1072           ELSE
1073              DO  i = nxl, nxr
1074                 DO  j = nys, nyn
1075                    local_pf(i,j,nzb+1) = perct_av(j,i)
1076                 ENDDO
1077              ENDDO
1078           ENDIF
1079
1080
1081        CASE ( 'bio_utci*_xy' )        ! 2d-array
1082           grid = 'zu1'
1083           two_d = .TRUE.
1084           IF ( av == 0 )  THEN
1085              DO  i = nxl, nxr
1086                 DO  j = nys, nyn
1087                    local_pf(i,j,nzb+1) = utci(j,i)
1088                 ENDDO
1089              ENDDO
1090           ELSE
1091              DO  i = nxl, nxr
1092                 DO  j = nys, nyn
1093                    local_pf(i,j,nzb+1) = utci_av(j,i)
1094                 ENDDO
1095              ENDDO
1096           ENDIF
1097
1098
1099        CASE ( 'bio_pet*_xy' )        ! 2d-array
1100           grid = 'zu1'
1101           two_d = .TRUE.
1102           IF ( av == 0 )  THEN
1103              DO  i = nxl, nxr
1104                 DO  j = nys, nyn
1105                    local_pf(i,j,nzb+1) = pet(j,i)
1106                 ENDDO
1107              ENDDO
1108           ELSE
1109              DO  i = nxl, nxr
1110                 DO  j = nys, nyn
1111                    local_pf(i,j,nzb+1) = pet_av(j,i)
1112                 ENDDO
1113              ENDDO
1114           ENDIF
1115
1116!
1117!--    Before data is transfered to local_pf, transfer is in 2D dummy variable and exchange ghost
1118!--    points therein. However, at this point this is only required for instantaneous arrays,
1119!--    time-averaged quantities are already exchanged.
1120       CASE ( 'uvem_vitd3*_xy' )        ! 2d-array
1121          IF ( av == 0 )  THEN
1122             DO  i = nxl, nxr
1123                DO  j = nys, nyn
1124                   local_pf(i,j,nzb+1) = vitd3_exposure(j,i)
1125                ENDDO
1126             ENDDO
1127          ENDIF
1128
1129          two_d = .TRUE.
1130          grid = 'zu1'
1131
1132       CASE ( 'uvem_vitd3dose*_xy' )        ! 2d-array
1133          IF ( av == 1 )  THEN
1134             DO  i = nxl, nxr
1135                DO  j = nys, nyn
1136                   local_pf(i,j,nzb+1) = vitd3_dose(j,i)
1137                ENDDO
1138             ENDDO
1139          ENDIF
1140
1141          two_d = .TRUE.
1142          grid = 'zu1'
1143
1144
1145       CASE DEFAULT
1146          found = .FALSE.
1147          grid  = 'none'
1148
1149    END SELECT
1150
1151
1152 END SUBROUTINE bio_data_output_2d
1153
1154
1155!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1156! Description:
1157! ------------
1158!> Subroutine defining 3D output variables (dummy, always 2d!)
1159!> data_output_3d 709ff
1160!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1161 SUBROUTINE bio_data_output_3d( av, variable, found, local_pf, nzb_do, nzt_do )
1162
1163    USE indices
1164
1165    USE kinds
1166
1167
1168    IMPLICIT NONE
1169!
1170!-- Input variables
1171    CHARACTER (LEN=*), INTENT(IN) ::  variable   !< Char identifier to select var for output
1172
1173    INTEGER(iwp), INTENT(IN) ::  av       !< Use averaged data? 0 = no, 1 = yes?
1174    INTEGER(iwp), INTENT(IN) ::  nzb_do   !< Unused. 2D. nz bottom to nz top
1175    INTEGER(iwp), INTENT(IN) ::  nzt_do   !< Unused.
1176!
1177!-- Output variables
1178    LOGICAL, INTENT(OUT) ::  found   !< Output found?
1179
1180    REAL(wp), DIMENSION(nxl:nxr,nys:nyn,nzb_do:nzt_do) ::  local_pf   !< Temp. result grid to return
1181!
1182!-- Internal variables
1183    INTEGER(iwp) ::  l    !< Running index, radiation grid
1184    INTEGER(iwp) ::  i    !< Running index, x-dir
1185    INTEGER(iwp) ::  j    !< Running index, y-dir
1186    INTEGER(iwp) ::  k    !< Running index, z-dir
1187
1188!    REAL(wp) ::  mrt  !< Buffer for mean radiant temperature
1189
1190    found = .TRUE.
1191
1192    SELECT CASE ( TRIM( variable ) )
1193
1194        CASE ( 'bio_mrt' )
1195            local_pf = REAL( bio_fill_value, KIND = sp )
1196            DO  l = 1, nmrtbl
1197               i = mrtbl(ix,l)
1198               j = mrtbl(iy,l)
1199               k = mrtbl(iz,l)
1200               IF ( k < nzb_do  .OR.  k > nzt_do  .OR.  j < nys  .OR.                              &
1201                  j > nyn  .OR.  i < nxl  .OR.  i > nxr )  CYCLE
1202               IF ( av == 0 )  THEN
1203                  IF ( mrt_include_sw )  THEN
1204                     local_pf(i,j,k) = REAL( ( ( human_absorb * mrtinsw(l) +                       &
1205                                       mrtinlw(l) ) /                                              &
1206                                       ( human_emiss * sigma_sb ) )**0.25_wp - degc_to_k,          &
1207                                         KIND = sp )
1208                  ELSE
1209                     local_pf(i,j,k) = REAL( ( mrtinlw(l) /                                        &
1210                                       ( human_emiss * sigma_sb ) )**0.25_wp - degc_to_k,          &
1211                                         KIND = sp )
1212                  ENDIF
1213               ELSE
1214                  local_pf(i,j,k) = REAL( mrt_av_grid(k,j,i), KIND = sp )
1215               ENDIF
1216            ENDDO
1217
1218       CASE DEFAULT
1219          found = .FALSE.
1220
1221    END SELECT
1222
1223 END SUBROUTINE bio_data_output_3d
1224
1225!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1226! Description:
1227! ------------
1228!> Subroutine defining appropriate grid for netcdf variables.
1229!> It is called out from subroutine netcdf_interface_mod.
1230!> netcdf_interface_mod 918ff
1231!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1232 SUBROUTINE bio_define_netcdf_grid( var, found, grid_x, grid_y, grid_z )
1233
1234    IMPLICIT NONE
1235!
1236!-- Input variables
1237    CHARACTER (LEN=*), INTENT(IN)  ::  var      !< Name of output variable
1238!
1239!-- Output variables
1240    CHARACTER (LEN=*), INTENT(OUT) ::  grid_x   !< x grid of output variable
1241    CHARACTER (LEN=*), INTENT(OUT) ::  grid_y   !< y grid of output variable
1242    CHARACTER (LEN=*), INTENT(OUT) ::  grid_z   !< z grid of output variable
1243
1244    LOGICAL, INTENT(OUT)           ::  found    !< Flag if output var is found
1245!
1246!-- Local variables
1247    INTEGER(iwp) :: l     !< Length of the var array
1248
1249    LOGICAL      :: is2d  !< Var is 2d?
1250
1251    found  = .FALSE.
1252    grid_x = 'none'
1253    grid_y = 'none'
1254    grid_z = 'none'
1255
1256    l = MAX( 2, LEN_TRIM( var ) )
1257    is2d = ( var(l-1:l) == 'xy' )
1258
1259    IF ( var(1:4) == 'bio_' )  THEN
1260       found  = .TRUE.
1261       grid_x = 'x'
1262       grid_y = 'y'
1263       grid_z = 'zu'
1264       IF ( is2d  .AND.  var(1:7) /= 'bio_mrt' )  grid_z = 'zu1'
1265    ENDIF
1266
1267    IF ( is2d  .AND.  var(1:4) == 'uvem' )  THEN
1268       grid_x = 'x'
1269       grid_y = 'y'
1270       grid_z = 'zu1'
1271    ENDIF
1272
1273 END SUBROUTINE bio_define_netcdf_grid
1274
1275!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1276! Description:
1277! ------------
1278!> Header output for biom module
1279!> header 982
1280!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1281 SUBROUTINE bio_header( io )
1282
1283    IMPLICIT NONE
1284!
1285!-- Input variables
1286    INTEGER(iwp), INTENT(IN) ::  io           !< Unit of the output file
1287!
1288!-- Internal variables
1289    CHARACTER (LEN=86) ::  output_height_chr  !< String for output height
1290
1291    WRITE( output_height_chr, '(F8.1,7X)' )  bio_output_height
1292!
1293!-- Write biom header
1294    WRITE( io, 1 )
1295    WRITE( io, 2 )  TRIM( output_height_chr )
1296    WRITE( io, 3 )  TRIM( ACHAR( bio_cell_level ) )
1297
12981   FORMAT (//' Human thermal comfort module information:'/                                        &
1299              ' ------------------------------'/)
13002   FORMAT ('    --> All indices calculated for a height of (m): ', A )
13013   FORMAT ('    --> This corresponds to cell level : ', A )
1302
1303 END SUBROUTINE bio_header
1304
1305
1306!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1307! Description:
1308! ------------
1309!> Initialization of the HTCM
1310!> init_3d_model 1987ff
1311!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1312 SUBROUTINE bio_init
1313
1314    USE netcdf_data_input_mod,                                                                     &
1315        ONLY:  netcdf_data_input_uvem
1316
1317    IMPLICIT NONE
1318!
1319!-- Internal vriables
1320    REAL ( wp )  :: height  !< current height in meters
1321
1322    IF ( debug_output )  CALL debug_message( 'bio_init', 'start' )
1323!
1324!-- Determine cell level corresponding to 1.1 m above ground level (gravimetric center of sample
1325!-- human)
1326
1327    bio_cell_level = 0_iwp
1328    bio_output_height = 0.5_wp * dz(1)
1329    height = 0.0_wp
1330
1331    bio_cell_level = INT( 1.099_wp / dz(1) )
1332    bio_output_height = bio_output_height + bio_cell_level * dz(1)
1333!
1334!-- Set radiation level if not done by user
1335    IF ( mrt_nlevels == 0 )  THEN
1336       mrt_nlevels = bio_cell_level + 1_iwp
1337    ENDIF
1338!
1339!-- Init UVEM and load lookup tables
1340    IF ( uv_exposure )  CALL netcdf_data_input_uvem
1341
1342!
1343!-- Check parameters
1344!-- WARNING This is a WORKAROUND! Due to the design of the module, checks are called at this point
1345!-- rather than within module_interface_check_parameters.
1346    CALL bio_check_parameters
1347
1348    IF ( debug_output )  CALL debug_message( 'bio_init', 'end' )
1349
1350 END SUBROUTINE bio_init
1351
1352
1353!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1354! Description:
1355! ------------
1356!> Checks done after the Initialization
1357!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1358 SUBROUTINE bio_init_checks
1359
1360    USE control_parameters,                                                                        &
1361        ONLY: message_string
1362
1363    IF ( (.NOT. radiation_interactions) .AND. ( thermal_comfort ) )  THEN
1364       message_string = 'The mrt calculation requires ' //                                         &
1365                        'enabled radiation_interactions but it ' //                                &
1366                        'is disabled!'
1367       CALL message( 'bio_init_checks', 'PAHU03', 1, 2, 0, 6, 0 )
1368    ENDIF
1369
1370
1371 END SUBROUTINE bio_init_checks
1372
1373
1374!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1375! Description:
1376! ------------
1377!> Parin for &biometeorology_parameters for reading biomet parameters
1378!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1379 SUBROUTINE bio_parin
1380
1381    IMPLICIT NONE
1382
1383!
1384!-- Internal variables
1385    CHARACTER (LEN=80) ::  line  !< Dummy string for current line in parameter file
1386
1387    NAMELIST /biometeorology_parameters/  clothing,                                                &
1388                                          consider_obstructions,                                   &
1389                                          orientation_angle,                                       &
1390                                          sun_in_south,                                            &
1391                                          thermal_comfort,                                         &
1392                                          turn_to_sun,                                             &
1393                                          uv_exposure
1394
1395
1396!-- Try to find biometeorology_parameters namelist
1397    REWIND ( 11 )
1398    line = ' '
1399    DO WHILE ( INDEX( line, '&biometeorology_parameters' ) == 0 )
1400       READ ( 11, '(A)', END = 20 )  line
1401    ENDDO
1402    BACKSPACE ( 11 )
1403
1404!
1405!-- Read biometeorology_parameters namelist
1406    READ ( 11, biometeorology_parameters, ERR = 10, END = 20 )
1407
1408!
1409!-- Set flag that indicates that the biomet_module is switched on
1410    biometeorology = .TRUE.
1411
1412    GOTO 20
1413
1414!
1415!-- In case of error
1416 10 BACKSPACE( 11 )
1417    READ( 11 , '(A)') line
1418    CALL parin_fail_message( 'biometeorology_parameters', line )
1419
1420!
1421!-- Complete
1422 20 CONTINUE
1423
1424
1425 END SUBROUTINE bio_parin
1426
1427!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1428! Description:
1429! ------------
1430!> Read module-specific global restart data (Fortran binary format).
1431!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1432 SUBROUTINE bio_rrd_global_ftn( found )
1433
1434    USE control_parameters,                                                                        &
1435        ONLY:  length, restart_string
1436
1437
1438    IMPLICIT NONE
1439
1440    LOGICAL, INTENT(OUT) ::  found      !< variable found? yes = .T., no = .F.
1441
1442    found = .TRUE.
1443
1444
1445    SELECT CASE ( restart_string(1:length) )
1446
1447!
1448!--    Read control flags to determine if input grids need to be averaged.
1449       CASE ( 'do_average_theta' )
1450          READ ( 13 )  do_average_theta
1451
1452       CASE ( 'do_average_q' )
1453          READ ( 13 )  do_average_q
1454
1455       CASE ( 'do_average_u' )
1456          READ ( 13 )  do_average_u
1457
1458       CASE ( 'do_average_v' )
1459          READ ( 13 )  do_average_v
1460
1461       CASE ( 'do_average_w' )
1462          READ ( 13 )  do_average_w
1463
1464       CASE ( 'do_average_mrt' )
1465          READ ( 13 )  do_average_mrt
1466
1467!
1468!--    Read control flags to determine which thermal index needs to trigger averaging.
1469       CASE ( 'average_trigger_perct' )
1470          READ ( 13 )  average_trigger_perct
1471
1472       CASE ( 'average_trigger_utci' )
1473          READ ( 13 )  average_trigger_utci
1474
1475       CASE ( 'average_trigger_pet' )
1476          READ ( 13 )  average_trigger_pet
1477
1478       CASE ( 'average_trigger_mrt' )
1479          READ ( 13 )  average_trigger_mrt
1480
1481
1482       CASE DEFAULT
1483
1484          found = .FALSE.
1485
1486    END SELECT
1487
1488
1489 END SUBROUTINE bio_rrd_global_ftn
1490
1491
1492!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1493! Description:
1494! ------------
1495!> Read module-specific global restart data (MPI-IO).
1496!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1497 SUBROUTINE bio_rrd_global_mpi
1498
1499
1500!
1501!--  Read control flags to determine if input grids need to be averaged
1502     CALL rrd_mpi_io( 'do_average_theta', do_average_theta )
1503     CALL rrd_mpi_io( 'do_average_q', do_average_q )
1504     CALL rrd_mpi_io( 'do_average_u', do_average_u )
1505     CALL rrd_mpi_io( 'do_average_v', do_average_v )
1506     CALL rrd_mpi_io( 'do_average_w', do_average_w )
1507     CALL rrd_mpi_io( 'do_average_mrt', do_average_mrt )
1508!
1509!--  Rad control flags to determine which thermal index needs to trigger averaging
1510     CALL rrd_mpi_io( 'average_trigger_perct', average_trigger_perct )
1511     CALL rrd_mpi_io( 'average_trigger_utci', average_trigger_utci )
1512     CALL rrd_mpi_io( 'average_trigger_pet', average_trigger_pet )
1513     CALL rrd_mpi_io( 'average_trigger_mrt', average_trigger_mrt )
1514
1515 END SUBROUTINE bio_rrd_global_mpi
1516
1517
1518!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1519! Description:
1520! ------------
1521!> Read module-specific local restart data arrays (Fortran binary format).
1522!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1523 SUBROUTINE bio_rrd_local_ftn( found )
1524
1525
1526    USE control_parameters,                                                                        &
1527        ONLY:  length, restart_string
1528
1529
1530    IMPLICIT NONE
1531
1532
1533    LOGICAL, INTENT(OUT) ::  found      !< variable found? yes = .TRUE., no = .FALSE.
1534
1535    found = .TRUE.
1536
1537
1538    SELECT CASE ( restart_string(1:length) )
1539
1540       CASE ( 'mrt_av_grid' )
1541          IF ( .NOT. ALLOCATED( mrt_av_grid ) )  THEN
1542             ALLOCATE( mrt_av_grid(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
1543             mrt_av_grid = 0.0_wp
1544          ENDIF
1545          READ ( 13 )  mrt_av_grid
1546
1547       CASE DEFAULT
1548
1549          found = .FALSE.
1550
1551    END SELECT
1552
1553
1554 END SUBROUTINE bio_rrd_local_ftn
1555
1556
1557!------------------------------------------------------------------------------!
1558! Description:
1559! ------------
1560!> Read module-specific local restart data arrays (Fortran binary format).
1561!------------------------------------------------------------------------------!
1562 SUBROUTINE bio_rrd_local_mpi
1563
1564    USE control_parameters
1565
1566    USE indices
1567
1568    USE kinds
1569
1570
1571    IMPLICIT NONE
1572
1573    LOGICAL      ::  array_found  !<
1574
1575    CALL rd_mpi_io_check_array( 'mrt_av_grid' , found = array_found )
1576    IF ( array_found )  THEN
1577       IF ( .NOT. ALLOCATED( mrt_av_grid ) )  ALLOCATE( mrt_av_grid(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
1578       CALL rrd_mpi_io( 'mrt_av_grid', mrt_av_grid )
1579    ENDIF
1580
1581 END SUBROUTINE bio_rrd_local_mpi
1582
1583
1584!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1585! Description:
1586! ------------
1587!> Write global restart data for the biometeorology module.
1588!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1589 SUBROUTINE bio_wrd_global
1590
1591    IF ( TRIM( restart_data_format_output ) == 'fortran_binary' )  THEN
1592
1593       CALL wrd_write_string( 'do_average_theta' )
1594       WRITE ( 14 )  do_average_theta
1595       CALL wrd_write_string( 'do_average_q' )
1596       WRITE ( 14 )  do_average_q
1597       CALL wrd_write_string( 'do_average_u' )
1598       WRITE ( 14 )  do_average_u
1599       CALL wrd_write_string( 'do_average_v' )
1600       WRITE ( 14 )  do_average_v
1601       CALL wrd_write_string( 'do_average_w' )
1602       WRITE ( 14 )  do_average_w
1603       CALL wrd_write_string( 'do_average_mrt' )
1604       WRITE ( 14 )  do_average_mrt
1605       CALL wrd_write_string( 'average_trigger_perct' )
1606       WRITE ( 14 )  average_trigger_perct
1607       CALL wrd_write_string( 'average_trigger_utci' )
1608       WRITE ( 14 )  average_trigger_utci
1609       CALL wrd_write_string( 'average_trigger_pet' )
1610       WRITE ( 14 )  average_trigger_pet
1611       CALL wrd_write_string( 'average_trigger_mrt' )
1612       WRITE ( 14 )  average_trigger_mrt
1613
1614    ELSEIF ( TRIM( restart_data_format_output(1:3) ) == 'mpi' )  THEN
1615
1616       CALL wrd_mpi_io( 'do_average_theta', do_average_theta )
1617       CALL wrd_mpi_io( 'do_average_q', do_average_q )
1618       CALL wrd_mpi_io( 'do_average_u', do_average_u )
1619       CALL wrd_mpi_io( 'do_average_v', do_average_v )
1620       CALL wrd_mpi_io( 'do_average_w', do_average_w )
1621       CALL wrd_mpi_io( 'do_average_mrt', do_average_mrt )
1622       CALL wrd_mpi_io( 'average_trigger_perct', average_trigger_perct )
1623       CALL wrd_mpi_io( 'average_trigger_utci', average_trigger_utci )
1624       CALL wrd_mpi_io( 'average_trigger_pet', average_trigger_pet )
1625       CALL wrd_mpi_io( 'average_trigger_mrt', average_trigger_mrt )
1626
1627    ENDIF
1628
1629 END SUBROUTINE bio_wrd_global
1630
1631
1632!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1633! Description:
1634! ------------
1635!> Write local restart data for the biometeorology module.
1636!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1637 SUBROUTINE bio_wrd_local
1638
1639    IF ( TRIM( restart_data_format_output ) == 'fortran_binary' )  THEN
1640
1641       IF ( ALLOCATED( mrt_av_grid ) )  THEN
1642          CALL wrd_write_string( 'mrt_av_grid' )
1643          WRITE ( 14 )  mrt_av_grid
1644       ENDIF
1645
1646    ELSEIF ( TRIM( restart_data_format_output(1:3) ) == 'mpi' )  THEN
1647
1648       IF ( ALLOCATED( mrt_av_grid ) )  CALL wrd_mpi_io( 'mrt_av_grid', mrt_av_grid )
1649
1650    ENDIF
1651
1652 END SUBROUTINE bio_wrd_local
1653
1654!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1655! Description:
1656! ------------
1657!> Calculate biometeorology MRT for all 2D grid
1658!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1659 SUBROUTINE bio_calculate_mrt_grid ( av )
1660
1661    IMPLICIT NONE
1662
1663    LOGICAL, INTENT(IN)         ::  av    !< use averaged input?
1664!
1665!-- Internal variables
1666    INTEGER(iwp)                ::  i     !< Running index, x-dir, radiation coordinates
1667    INTEGER(iwp)                ::  j     !< Running index, y-dir, radiation coordinates
1668    INTEGER(iwp)                ::  k     !< Running index, y-dir, radiation coordinates
1669    INTEGER(iwp)                ::  l     !< Running index, radiation coordinates
1670
1671
1672!
1673!-- We need to differentiate if averaged input is desired (av == .TRUE.) or not.
1674    IF ( av )  THEN
1675!
1676!--    Make sure tmrt_av_grid is present and initialize with the fill value
1677       IF ( .NOT. ALLOCATED( tmrt_av_grid ) )  THEN
1678          ALLOCATE( tmrt_av_grid(nys:nyn,nxl:nxr) )
1679       ENDIF
1680       tmrt_av_grid = REAL( bio_fill_value, KIND = wp )
1681
1682!
1683!--    mrt_av_grid should always be allcoated here, but better make sure ist actually is.
1684       IF ( ALLOCATED( mrt_av_grid ) )  THEN
1685!
1686!--       Iterate over the radiation grid (radiation coordinates) and fill the tmrt_av_grid
1687!--       (x, y coordinates) where appropriate: tmrt_av_grid is written for all i / j if level (k)
1688!--       matches output height.
1689          DO  l = 1, nmrtbl
1690             i = mrtbl(ix,l)
1691             j = mrtbl(iy,l)
1692             k = mrtbl(iz,l)
1693             IF ( k - topo_top_ind(j,i,0) == bio_cell_level + 1_iwp)  THEN
1694!
1695!--             Averaging was done before, so we can just copy the result here.
1696                tmrt_av_grid(j,i) = mrt_av_grid(k,j,i)
1697
1698             ENDIF
1699          ENDDO
1700       ENDIF
1701
1702!
1703!-- In case instantaneous input is desired, mrt values will be re-calculated.
1704    ELSE
1705!
1706!--    Calculate biometeorology MRT from local radiation fluxes calculated by RTM and assign into 2D
1707!--    grid. Depending on selected output quantities, tmrt_grid might not have been allocated in
1708!--    bio_check_data_output yet.
1709       IF ( .NOT. ALLOCATED( tmrt_grid ) )  THEN
1710          ALLOCATE( tmrt_grid (nys:nyn,nxl:nxr) )
1711       ENDIF
1712       tmrt_grid = REAL( bio_fill_value, KIND = wp )
1713
1714       DO  l = 1, nmrtbl
1715          i = mrtbl(ix,l)
1716          j = mrtbl(iy,l)
1717          k = mrtbl(iz,l)
1718          IF ( k - topo_top_ind(j,i,0) == bio_cell_level + 1_iwp)  THEN
1719             IF ( mrt_include_sw )  THEN
1720                tmrt_grid(j,i) = ( ( human_absorb * mrtinsw(l) +                                   &
1721                                 mrtinlw(l) )  /                                                   &
1722                                 ( human_emiss * sigma_sb ) )**0.25_wp -                           &
1723                                 degc_to_k
1724             ELSE
1725                tmrt_grid(j,i) = ( mrtinlw(l)  /                                                   &
1726                                 ( human_emiss * sigma_sb ) )**0.25_wp -                           &
1727                                 degc_to_k
1728             ENDIF
1729          ENDIF
1730       ENDDO
1731    ENDIF
1732
1733 END SUBROUTINE bio_calculate_mrt_grid
1734
1735
1736!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1737! Description:
1738! ------------
1739!> Calculate static thermal indices for 2D grid point i, j
1740!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1741 SUBROUTINE bio_get_thermal_index_input_ij( average_input, i, j, ta, vp, ws, pair, tmrt )
1742
1743    IMPLICIT NONE
1744!
1745!-- Input variables
1746    LOGICAL,      INTENT ( IN ) ::  average_input  !< Determine averaged input conditions?
1747    INTEGER(iwp), INTENT ( IN ) ::  i     !< Running index, x-dir
1748    INTEGER(iwp), INTENT ( IN ) ::  j     !< Running index, y-dir
1749!
1750!-- Output parameters
1751    REAL(wp), INTENT ( OUT )    ::  pair  !< Air pressure                    (hPa)
1752    REAL(wp), INTENT ( OUT )    ::  ta    !< Air temperature                 (degree_C)
1753    REAL(wp), INTENT ( OUT )    ::  tmrt  !< Mean radiant temperature        (degree_C)
1754    REAL(wp), INTENT ( OUT )    ::  vp    !< Vapour pressure                 (hPa)
1755    REAL(wp), INTENT ( OUT )    ::  ws    !< Wind speed    (local level)     (m/s)
1756!
1757!-- Internal variables
1758    INTEGER(iwp)                ::  k     !< Running index, z-dir
1759    INTEGER(iwp)                ::  k_wind  !< Running index, z-dir, wind speed only
1760
1761    REAL(wp)                    ::  vp_sat  !< Saturation vapor pressure     (hPa)
1762
1763!
1764!-- Determine cell level closest to 1.1m above ground by making use of truncation due to int cast.
1765    k = INT( topo_top_ind(j,i,0) + bio_cell_level )  !< Vertical cell center closest to 1.1m
1766
1767!
1768!-- Avoid non-representative horizontal u and v of 0.0 m/s too close to ground
1769    k_wind = k
1770    IF ( bio_cell_level < 1_iwp )  THEN
1771       k_wind = k + 1_iwp
1772    ENDIF
1773!
1774!-- Determine local values:
1775    IF ( average_input )  THEN
1776!
1777!--    Calculate ta from Tp assuming dry adiabatic laps rate
1778       ta = bio_fill_value
1779       IF ( ALLOCATED( pt_av ) )  THEN
1780          ta = pt_av(k,j,i) - ( 0.0098_wp * dz(1) * ( k + 0.5_wp ) ) - degc_to_k
1781       ENDIF
1782
1783       vp = bio_fill_value
1784       IF ( humidity  .AND.  ALLOCATED( q_av ) )  THEN
1785          vp = q_av(k,j,i)
1786       ENDIF
1787
1788       ws = bio_fill_value
1789       IF ( ALLOCATED( u_av )  .AND.  ALLOCATED( v_av )  .AND.                                     &
1790          ALLOCATED( w_av ) )  THEN
1791             ws = ( 0.5_wp * ABS( u_av(k_wind,j,i) + u_av(k_wind,j,i+1) ) +                        &
1792                    0.5_wp * ABS( v_av(k_wind,j,i) + v_av(k_wind,j+1,i) ) +                        &
1793                    0.5_wp * ABS( w_av(k_wind,j,i) + w_av(k_wind+1,j,i) ) )
1794       ENDIF
1795    ELSE
1796!
1797!--    Calculate ta from Tp assuming dry adiabatic laps rate
1798       ta = pt(k,j,i) - ( 0.0098_wp * dz(1) * (  k + 0.5_wp ) ) - degc_to_k
1799
1800       vp = bio_fill_value
1801       IF ( humidity )  THEN
1802          vp = q(k,j,i)
1803       ENDIF
1804
1805       ws = ( 0.5_wp * ABS( u(k_wind,j,i) + u(k_wind,j,i+1) )  +                                   &
1806              0.5_wp * ABS( v(k_wind,j,i) + v(k_wind,j+1,i) )  +                                   &
1807              0.5_wp * ABS( w(k_wind,j,i) + w(k_wind+1,j,i) ) )
1808
1809    ENDIF
1810!
1811!-- Local air pressure
1812    pair = surface_pressure
1813!
1814!-- Calculate water vapour pressure at saturation and convert to hPa.
1815!-- The magnus formula is limited to temperatures up to 333.15 K to avoid negative values of vp_sat.
1816    IF ( vp > -998.0_wp )  THEN
1817       vp_sat = 0.01_wp * magnus( MIN( ta + degc_to_k, 333.15_wp ) )
1818       vp  = vp * pair / ( vp + 0.622_wp )
1819       IF ( vp > vp_sat )  vp = vp_sat
1820    ENDIF
1821!
1822!-- Local mtr value at [i,j]
1823    tmrt = bio_fill_value  !< this can be a valid result (e.g. for inside some ostacle)
1824    IF ( .NOT. average_input )  THEN
1825!
1826!--    Use MRT from RTM precalculated in tmrt_grid
1827       tmrt = tmrt_grid(j,i)
1828    ELSE
1829       tmrt = tmrt_av_grid(j,i)
1830    ENDIF
1831
1832 END SUBROUTINE bio_get_thermal_index_input_ij
1833
1834
1835!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1836! Description:
1837! ------------
1838!> Calculate static thermal indices for any point within a 2D grid time_integration.f90: 1065ff
1839!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1840 SUBROUTINE bio_calculate_thermal_index_maps( av )
1841
1842    IMPLICIT NONE
1843!
1844!-- Input attributes
1845    LOGICAL, INTENT ( IN ) ::  av  !< Calculate based on averaged input conditions?
1846!
1847!-- Internal variables
1848    INTEGER(iwp) ::  i, j     !< Running index
1849
1850    REAL(wp) ::  clo          !< Clothing index                (no dimension)
1851    REAL(wp) ::  pair         !< Air pressure                     (hPa)
1852    REAL(wp) ::  perct_ij     !< Perceived temperature            (degree_C)
1853    REAL(wp) ::  pet_ij       !< Physiologically equivalent temperature  (degree_C)
1854    REAL(wp) ::  ta           !< Air temperature                  (degree_C)
1855    REAL(wp) ::  tmrt_ij      !< Mean radiant temperature         (degree_C)
1856    REAL(wp) ::  utci_ij      !< Universal thermal climate index  (degree_C)
1857    REAL(wp) ::  vp           !< Vapour pressure                  (hPa)
1858    REAL(wp) ::  ws           !< Wind speed    (local level)      (m/s)
1859
1860!
1861!-- Check if some thermal index is desired. Don't do anything if, e.g. only bio_mrt is desired.
1862    IF ( do_calculate_perct    .OR.  do_calculate_perct_av  .OR.  do_calculate_utci    .OR.        &
1863         do_calculate_utci_av  .OR.  do_calculate_pet       .OR.  do_calculate_pet_av  .OR.        &
1864         do_calculate_mrt2d )  THEN
1865
1866!
1867!--    fill out the MRT 2D grid from appropriate source (RTM, RRTMG,...)
1868       CALL bio_calculate_mrt_grid ( av )
1869
1870       DO  i = nxl, nxr
1871          DO  j = nys, nyn
1872!
1873!--          Determine local input conditions
1874             tmrt_ij = bio_fill_value
1875             vp      = bio_fill_value
1876!
1877!--          Determine local meteorological conditions
1878             CALL bio_get_thermal_index_input_ij ( av, i, j, ta, vp, ws, pair, tmrt_ij )
1879!
1880!--          Only proceed if input is available
1881             pet_ij   = bio_fill_value   !< set fail value, e.g. valid for
1882             perct_ij = bio_fill_value   !< within some obstacle
1883             utci_ij  = bio_fill_value
1884             IF ( .NOT. ( tmrt_ij <= -998.0_wp  .OR.  vp <= -998.0_wp  .OR.   ws <= -998.0_wp  .OR.&
1885                  ta <= -998.0_wp ) )  THEN
1886!
1887!--             Calculate static thermal indices based on local tmrt
1888                clo = bio_fill_value
1889
1890                IF ( do_calculate_perct  .OR.  do_calculate_perct_av )  THEN
1891!
1892!--                Estimate local perceived temperature
1893                   CALL calculate_perct_static( ta, vp, ws, tmrt_ij, pair, clo, perct_ij )
1894                ENDIF
1895
1896                IF ( do_calculate_utci  .OR.  do_calculate_utci_av )  THEN
1897!
1898!--                Estimate local universal thermal climate index
1899                   CALL calculate_utci_static( ta, vp, ws, tmrt_ij, bio_output_height, utci_ij )
1900                ENDIF
1901
1902                IF ( do_calculate_pet  .OR.  do_calculate_pet_av )  THEN
1903!
1904!--                Estimate local physiologically equivalent temperature
1905                   CALL calculate_pet_static( ta, vp, ws, tmrt_ij, pair, pet_ij )
1906                ENDIF
1907             ENDIF
1908
1909
1910             IF ( av )  THEN
1911!
1912!--             Write results for selected averaged indices
1913                IF ( do_calculate_perct_av )  THEN
1914                   perct_av(j, i) = perct_ij
1915                ENDIF
1916                IF ( do_calculate_utci_av )  THEN
1917                   utci_av(j, i) = utci_ij
1918                ENDIF
1919                IF ( do_calculate_pet_av )  THEN
1920                   pet_av(j, i)  = pet_ij
1921                ENDIF
1922             ELSE
1923!
1924!--             Write result for selected indices
1925                IF ( do_calculate_perct )  THEN
1926                   perct(j, i) = perct_ij
1927                ENDIF
1928                IF ( do_calculate_utci )  THEN
1929                   utci(j, i) = utci_ij
1930                ENDIF
1931                IF ( do_calculate_pet )  THEN
1932                   pet(j, i)  = pet_ij
1933                ENDIF
1934             ENDIF
1935
1936          ENDDO
1937       ENDDO
1938    ENDIF
1939
1940 END SUBROUTINE bio_calculate_thermal_index_maps
1941
1942!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1943! Description:
1944! ------------
1945!> Calculate dynamic thermal indices (currently only iPT, but expandable)
1946!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1947 SUBROUTINE bio_calc_ipt( ta, vp, ws, pair, tmrt, dt, energy_storage, t_clo, clo, actlev, age,     &
1948                          weight, height, work, sex, ipt )
1949
1950    IMPLICIT NONE
1951!
1952!-- Input parameters
1953    INTEGER(iwp), INTENT ( IN ) ::  sex  !< Sex of agent (1 = male, 2 = female)
1954
1955    REAL(wp), INTENT ( IN )  ::  age     !< Age of agent                     (y)
1956    REAL(wp), INTENT ( IN )  ::  dt      !< Time past since last calculation (s)
1957    REAL(wp), INTENT ( IN )  ::  height  !< Height of agent                  (m)
1958    REAL(wp), INTENT ( IN )  ::  pair    !< Air pressure                     (hPa)
1959    REAL(wp), INTENT ( IN )  ::  ta      !< Air temperature                  (degree_C)
1960    REAL(wp), INTENT ( IN )  ::  tmrt    !< Mean radiant temperature         (degree_C)
1961    REAL(wp), INTENT ( IN )  ::  vp      !< Vapour pressure                  (hPa)
1962    REAL(wp), INTENT ( IN )  ::  weight  !< Weight of agent                  (Kg)
1963    REAL(wp), INTENT ( IN )  ::  work    !< Mechanical workload of agent  (without metabolism!) (W)
1964    REAL(wp), INTENT ( IN )  ::  ws      !< Wind speed  (local level)        (m/s)
1965
1966!
1967!-- Both, input and output parameters
1968    Real(wp), INTENT ( INOUT )  ::  actlev            !< Individuals activity level
1969                                                      !< per unit surface area      (W/m²)
1970    Real(wp), INTENT ( INOUT )  ::  clo               !< Current clothing in sulation
1971    Real(wp), INTENT ( INOUT )  ::  energy_storage    !< Energy storage   (W/m²)
1972    Real(wp), INTENT ( INOUT )  ::  t_clo             !< Clothing temperature       (degree_C)
1973!
1974!-- Output parameters
1975    REAL(wp), INTENT ( OUT ) ::  ipt    !< Instationary perceived temp.   (degree_C)
1976!
1977!-- Return immediatelly if nothing to do!
1978    IF ( .NOT. thermal_comfort )  THEN
1979        RETURN
1980    ENDIF
1981!
1982!-- If clo equals the initial value, this is the initial call
1983    IF ( clo <= -998.0_wp )  THEN
1984!
1985!--    Initialize instationary perceived temperature with personalized PT as an initial guess, set
1986!--    actlev and clo
1987       CALL ipt_init( age, weight, height, sex, work, actlev, clo, ta, vp, ws, tmrt, pair, dt,     &
1988                      energy_storage, t_clo, ipt )
1989    ELSE
1990!
1991!--    Estimate local instatinoary perceived temperature
1992       CALL ipt_cycle ( ta, vp, ws, tmrt, pair, dt, energy_storage, t_clo, clo, actlev, work, ipt )
1993    ENDIF
1994
1995 END SUBROUTINE bio_calc_ipt
1996
1997
1998
1999!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
2000! Description:
2001! ------------
2002!> SUBROUTINE for calculating UTCI Temperature (UTCI)
2003!> computed by a 6th order approximation
2004!>
2005!> UTCI regression equation according to
2006!> Bröde P, Fiala D, Blazejczyk K, Holmér I, Jendritzky G, Kampmann B, Tinz B, Havenith G (2012)
2007!> Deriving the operational procedure for the Universal Thermal Climate Index (UTCI). International
2008!> Journal of Biometeorology 56 (3):481-494. doi:10.1007/s00484-011-0454-1
2009!>
2010!> original source available at:
2011!> www.utci.org
2012!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
2013 SUBROUTINE calculate_utci_static( ta_in, vp, ws_hag, tmrt, hag, utci_ij )
2014
2015    IMPLICIT NONE
2016!
2017!-- Type of input of the argument list
2018    REAL(WP), INTENT ( IN )  ::  hag      !< Height of wind speed input (m)
2019    REAL(WP), INTENT ( IN )  ::  ta_in    !< Local air temperature (degree_C)
2020    REAL(WP), INTENT ( IN )  ::  tmrt     !< Local mean radiant temperature (degree_C)
2021    REAL(WP), INTENT ( IN )  ::  vp       !< Loacl vapour pressure (hPa)
2022    REAL(WP), INTENT ( IN )  ::  ws_hag   !< Incident wind speed (m/s)
2023!
2024!-- Type of output of the argument list
2025    REAL(WP) ::  d_tmrt       !< delta-tmrt               (degree_C)
2026    REAL(WP) ::  d_tmrt2      !< 2 times d_tmrt
2027    REAL(WP) ::  d_tmrt3      !< 3 times d_tmrt
2028    REAL(WP) ::  d_tmrt4      !< 4 times d_tmrt
2029    REAL(WP) ::  d_tmrt5      !< 5 times d_tmrt
2030    REAL(WP) ::  d_tmrt6      !< 6 times d_tmrt
2031    REAL(WP) ::  offset       !< utci deviation by ta cond. exceeded      (degree_C)
2032    REAL(WP) ::  pa           !< air pressure in kPa      (kPa)
2033    REAL(WP) ::  pa2          !< 2 times pa
2034    REAL(WP) ::  pa3          !< 3 times pa
2035    REAL(WP) ::  pa4          !< 4 times pa
2036    REAL(WP) ::  pa5          !< 5 times pa
2037    REAL(WP) ::  pa6          !< 6 times pa
2038    REAL(WP) ::  part_d_tmrt  !< Mean radiant temp. related part of the reg.
2039    REAL(WP) ::  part_pa      !< Air pressure related part of the regression
2040    REAL(WP) ::  part_pa2     !< Air pressure^2 related part of the regression
2041    REAL(WP) ::  part_pa3     !< Air pressure^3 related part of the regression
2042    REAL(WP) ::  part_pa46    !< Air pressure^4-6 related part of the regression
2043    REAL(WP) ::  part_ta      !< Air temperature related part of the regression
2044    REAL(WP) ::  part_va      !< Vapour pressure related part of the regression
2045    REAL(WP) ::  ta           !< air temperature modified by offset (degree_C)
2046    REAL(WP) ::  ta2          !< 2 times ta
2047    REAL(WP) ::  ta3          !< 3 times ta
2048    REAL(WP) ::  ta4          !< 4 times ta
2049    REAL(WP) ::  ta5          !< 5 times ta
2050    REAL(WP) ::  ta6          !< 6 times ta
2051    REAL(WP) ::  va           !< wind speed at 10 m above ground level    (m/s)
2052    REAL(WP) ::  va2          !< 2 times va
2053    REAL(WP) ::  va3          !< 3 times va
2054    REAL(WP) ::  va4          !< 4 times va
2055    REAL(WP) ::  va5          !< 5 times va
2056    REAL(WP) ::  va6          !< 6 times va
2057
2058
2059    REAL(wp), INTENT ( OUT ) ::  utci_ij  !< Universal Thermal Climate Index (degree_C)
2060
2061!
2062!-- Initialize
2063    offset = 0.0_wp
2064    ta = ta_in
2065    d_tmrt = tmrt - ta_in
2066!
2067!-- Use vapour pressure in kpa
2068    pa = vp / 10.0_wp
2069!
2070!-- Wind altitude correction from hag to 10m after Broede et al. (2012), eq.3
2071!-- z(0) is set to 0.01 according to UTCI profile definition
2072    va = ws_hag *  log ( 10.0_wp / 0.01_wp ) / log ( hag / 0.01_wp )
2073!
2074!-- Check if input values in range after Broede et al. (2012)
2075    IF ( ( d_tmrt > 70.0_wp )  .OR.  ( d_tmrt < -30.0_wp )  .OR.  ( vp >= 50.0_wp ) )  THEN
2076       utci_ij = bio_fill_value
2077       RETURN
2078    ENDIF
2079!
2080!-- Apply eq. 2 in Broede et al. (2012) for ta out of bounds
2081    IF ( ta > 50.0_wp )  THEN
2082       offset = ta - 50.0_wp
2083       ta = 50.0_wp
2084    ENDIF
2085    IF ( ta < -50.0_wp )  THEN
2086       offset = ta + 50.0_wp
2087       ta = -50.0_wp
2088    ENDIF
2089!
2090!-- For routine application. For wind speeds and relative humidity values below 0.5 m/s or 5%,
2091!-- respectively, the user is advised to use the lower bounds for the calculations.
2092    IF ( va < 0.5_wp )  va = 0.5_wp
2093    IF ( va > 17.0_wp )  va = 17.0_wp
2094
2095!
2096!-- Pre-calculate multiples of input parameters to save time later
2097    ta2 = ta  * ta
2098    ta3 = ta2 * ta
2099    ta4 = ta3 * ta
2100    ta5 = ta4 * ta
2101    ta6 = ta5 * ta
2102
2103    va2 = va  * va
2104    va3 = va2 * va
2105    va4 = va3 * va
2106    va5 = va4 * va
2107    va6 = va5 * va
2108
2109    d_tmrt2 = d_tmrt  * d_tmrt
2110    d_tmrt3 = d_tmrt2 * d_tmrt
2111    d_tmrt4 = d_tmrt3 * d_tmrt
2112    d_tmrt5 = d_tmrt4 * d_tmrt
2113    d_tmrt6 = d_tmrt5 * d_tmrt
2114
2115    pa2 = pa  * pa
2116    pa3 = pa2 * pa
2117    pa4 = pa3 * pa
2118    pa5 = pa4 * pa
2119    pa6 = pa5 * pa
2120
2121!
2122!-- Pre-calculate parts of the regression equation
2123    part_ta = (  6.07562052e-01_wp )       +                                                       &
2124              ( -2.27712343e-02_wp ) * ta  +                                                       &
2125              (  8.06470249e-04_wp ) * ta2 +                                                       &
2126              ( -1.54271372e-04_wp ) * ta3 +                                                       &
2127              ( -3.24651735e-06_wp ) * ta4 +                                                       &
2128              (  7.32602852e-08_wp ) * ta5 +                                                       &
2129              (  1.35959073e-09_wp ) * ta6
2130
2131    part_va = ( -2.25836520e+00_wp ) *       va  +                                                 &
2132              (  8.80326035e-02_wp ) * ta  * va  +                                                 &
2133              (  2.16844454e-03_wp ) * ta2 * va  +                                                 &
2134              ( -1.53347087e-05_wp ) * ta3 * va  +                                                 &
2135              ( -5.72983704e-07_wp ) * ta4 * va  +                                                 &
2136              ( -2.55090145e-09_wp ) * ta5 * va  +                                                 &
2137              ( -7.51269505e-01_wp ) *       va2 +                                                 &
2138              ( -4.08350271e-03_wp ) * ta  * va2 +                                                 &
2139              ( -5.21670675e-05_wp ) * ta2 * va2 +                                                 &
2140              (  1.94544667e-06_wp ) * ta3 * va2 +                                                 &
2141              (  1.14099531e-08_wp ) * ta4 * va2 +                                                 &
2142              (  1.58137256e-01_wp ) *       va3 +                                                 &
2143              ( -6.57263143e-05_wp ) * ta  * va3 +                                                 &
2144              (  2.22697524e-07_wp ) * ta2 * va3 +                                                 &
2145              ( -4.16117031e-08_wp ) * ta3 * va3 +                                                 &
2146              ( -1.27762753e-02_wp ) *       va4 +                                                 &
2147              (  9.66891875e-06_wp ) * ta  * va4 +                                                 &
2148              (  2.52785852e-09_wp ) * ta2 * va4 +                                                 &
2149              (  4.56306672e-04_wp ) *       va5 +                                                 &
2150              ( -1.74202546e-07_wp ) * ta  * va5 +                                                 &
2151              ( -5.91491269e-06_wp ) * va6
2152
2153    part_d_tmrt = (  3.98374029e-01_wp ) *             d_tmrt  +                                   &
2154                  (  1.83945314e-04_wp ) * ta  *       d_tmrt  +                                   &
2155                  ( -1.73754510e-04_wp ) * ta2 *       d_tmrt  +                                   &
2156                  ( -7.60781159e-07_wp ) * ta3 *       d_tmrt  +                                   &
2157                  (  3.77830287e-08_wp ) * ta4 *       d_tmrt  +                                   &
2158                  (  5.43079673e-10_wp ) * ta5 *       d_tmrt  +                                   &
2159                  ( -2.00518269e-02_wp ) *       va  * d_tmrt  +                                   &
2160                  (  8.92859837e-04_wp ) * ta  * va  * d_tmrt  +                                   &
2161                  (  3.45433048e-06_wp ) * ta2 * va  * d_tmrt  +                                   &
2162                  ( -3.77925774e-07_wp ) * ta3 * va  * d_tmrt  +                                   &
2163                  ( -1.69699377e-09_wp ) * ta4 * va  * d_tmrt  +                                   &
2164                  (  1.69992415e-04_wp ) *       va2 * d_tmrt  +                                   &
2165                  ( -4.99204314e-05_wp ) * ta  * va2 * d_tmrt  +                                   &
2166                  (  2.47417178e-07_wp ) * ta2 * va2 * d_tmrt  +                                   &
2167                  (  1.07596466e-08_wp ) * ta3 * va2 * d_tmrt  +                                   &
2168                  (  8.49242932e-05_wp ) *       va3 * d_tmrt  +                                   &
2169                  (  1.35191328e-06_wp ) * ta  * va3 * d_tmrt  +                                   &
2170                  ( -6.21531254e-09_wp ) * ta2 * va3 * d_tmrt  +                                   &
2171                  ( -4.99410301e-06_wp ) * va4 *       d_tmrt  +                                   &
2172                  ( -1.89489258e-08_wp ) * ta  * va4 * d_tmrt  +                                   &
2173                  (  8.15300114e-08_wp ) *       va5 * d_tmrt  +                                   &
2174                  (  7.55043090e-04_wp ) *             d_tmrt2 +                                   &
2175                  ( -5.65095215e-05_wp ) * ta  *       d_tmrt2 +                                   &
2176                  ( -4.52166564e-07_wp ) * ta2 *       d_tmrt2 +                                   &
2177                  (  2.46688878e-08_wp ) * ta3 *       d_tmrt2 +                                   &
2178                  (  2.42674348e-10_wp ) * ta4 *       d_tmrt2 +                                   &
2179                  (  1.54547250e-04_wp ) *       va  * d_tmrt2 +                                   &
2180                  (  5.24110970e-06_wp ) * ta  * va  * d_tmrt2 +                                   &
2181                  ( -8.75874982e-08_wp ) * ta2 * va  * d_tmrt2 +                                   &
2182                  ( -1.50743064e-09_wp ) * ta3 * va  * d_tmrt2 +                                   &
2183                  ( -1.56236307e-05_wp ) *       va2 * d_tmrt2 +                                   &
2184                  ( -1.33895614e-07_wp ) * ta  * va2 * d_tmrt2 +                                   &
2185                  (  2.49709824e-09_wp ) * ta2 * va2 * d_tmrt2 +                                   &
2186                  (  6.51711721e-07_wp ) *       va3 * d_tmrt2 +                                   &
2187                  (  1.94960053e-09_wp ) * ta  * va3 * d_tmrt2 +                                   &
2188                  ( -1.00361113e-08_wp ) *       va4 * d_tmrt2 +                                   &
2189                  ( -1.21206673e-05_wp ) *             d_tmrt3 +                                   &
2190                  ( -2.18203660e-07_wp ) * ta  *       d_tmrt3 +                                   &
2191                  (  7.51269482e-09_wp ) * ta2 *       d_tmrt3 +                                   &
2192                  (  9.79063848e-11_wp ) * ta3 *       d_tmrt3 +                                   &
2193                  (  1.25006734e-06_wp ) *       va  * d_tmrt3 +                                   &
2194                  ( -1.81584736e-09_wp ) * ta  * va  * d_tmrt3 +                                   &
2195                  ( -3.52197671e-10_wp ) * ta2 * va  * d_tmrt3 +                                   &
2196                  ( -3.36514630e-08_wp ) *       va2 * d_tmrt3 +                                   &
2197                  (  1.35908359e-10_wp ) * ta  * va2 * d_tmrt3 +                                   &
2198                  (  4.17032620e-10_wp ) *       va3 * d_tmrt3 +                                   &
2199                  ( -1.30369025e-09_wp ) *             d_tmrt4 +                                   &
2200                  (  4.13908461e-10_wp ) * ta  *       d_tmrt4 +                                   &
2201                  (  9.22652254e-12_wp ) * ta2 *       d_tmrt4 +                                   &
2202                  ( -5.08220384e-09_wp ) *       va  * d_tmrt4 +                                   &
2203                  ( -2.24730961e-11_wp ) * ta  * va  * d_tmrt4 +                                   &
2204                  (  1.17139133e-10_wp ) *       va2 * d_tmrt4 +                                   &
2205                  (  6.62154879e-10_wp ) *             d_tmrt5 +                                   &
2206                  (  4.03863260e-13_wp ) * ta  *       d_tmrt5 +                                   &
2207                  (  1.95087203e-12_wp ) *       va  * d_tmrt5 +                                   &
2208                  ( -4.73602469e-12_wp ) *             d_tmrt6
2209
2210    part_pa = (  5.12733497e+00_wp ) *                       pa +                                  &
2211              ( -3.12788561e-01_wp ) * ta  *                 pa +                                  &
2212              ( -1.96701861e-02_wp ) * ta2 *                 pa +                                  &
2213              (  9.99690870e-04_wp ) * ta3 *                 pa +                                  &
2214              (  9.51738512e-06_wp ) * ta4 *                 pa +                                  &
2215              ( -4.66426341e-07_wp ) * ta5 *                 pa +                                  &
2216              (  5.48050612e-01_wp ) *       va  *           pa +                                  &
2217              ( -3.30552823e-03_wp ) * ta  * va  *           pa +                                  &
2218              ( -1.64119440e-03_wp ) * ta2 * va  *           pa +                                  &
2219              ( -5.16670694e-06_wp ) * ta3 * va  *           pa +                                  &
2220              (  9.52692432e-07_wp ) * ta4 * va  *           pa +                                  &
2221              ( -4.29223622e-02_wp ) *       va2 *           pa +                                  &
2222              (  5.00845667e-03_wp ) * ta  * va2 *           pa +                                  &
2223              (  1.00601257e-06_wp ) * ta2 * va2 *           pa +                                  &
2224              ( -1.81748644e-06_wp ) * ta3 * va2 *           pa +                                  &
2225              ( -1.25813502e-03_wp ) *       va3 *           pa +                                  &
2226              ( -1.79330391e-04_wp ) * ta  * va3 *           pa +                                  &
2227              (  2.34994441e-06_wp ) * ta2 * va3 *           pa +                                  &
2228              (  1.29735808e-04_wp ) *       va4 *           pa +                                  &
2229              (  1.29064870e-06_wp ) * ta  * va4 *           pa +                                  &
2230              ( -2.28558686e-06_wp ) *       va5 *           pa +                                  &
2231              ( -3.69476348e-02_wp ) *             d_tmrt  * pa +                                  &
2232              (  1.62325322e-03_wp ) * ta  *       d_tmrt  * pa +                                  &
2233              ( -3.14279680e-05_wp ) * ta2 *       d_tmrt  * pa +                                  &
2234              (  2.59835559e-06_wp ) * ta3 *       d_tmrt  * pa +                                  &
2235              ( -4.77136523e-08_wp ) * ta4 *       d_tmrt  * pa +                                  &
2236              (  8.64203390e-03_wp ) *       va  * d_tmrt  * pa +                                  &
2237              ( -6.87405181e-04_wp ) * ta  * va  * d_tmrt  * pa +                                  &
2238              ( -9.13863872e-06_wp ) * ta2 * va  * d_tmrt  * pa +                                  &
2239              (  5.15916806e-07_wp ) * ta3 * va  * d_tmrt  * pa +                                  &
2240              ( -3.59217476e-05_wp ) *       va2 * d_tmrt  * pa +                                  &
2241              (  3.28696511e-05_wp ) * ta  * va2 * d_tmrt  * pa +                                  &
2242              ( -7.10542454e-07_wp ) * ta2 * va2 * d_tmrt  * pa +                                  &
2243              ( -1.24382300e-05_wp ) *       va3 * d_tmrt  * pa +                                  &
2244              ( -7.38584400e-09_wp ) * ta  * va3 * d_tmrt  * pa +                                  &
2245              (  2.20609296e-07_wp ) *       va4 * d_tmrt  * pa +                                  &
2246              ( -7.32469180e-04_wp ) *             d_tmrt2 * pa +                                  &
2247              ( -1.87381964e-05_wp ) * ta  *       d_tmrt2 * pa +                                  &
2248              (  4.80925239e-06_wp ) * ta2 *       d_tmrt2 * pa +                                  &
2249              ( -8.75492040e-08_wp ) * ta3 *       d_tmrt2 * pa +                                  &
2250              (  2.77862930e-05_wp ) *       va  * d_tmrt2 * pa +                                  &
2251              ( -5.06004592e-06_wp ) * ta  * va  * d_tmrt2 * pa +                                  &
2252              (  1.14325367e-07_wp ) * ta2 * va  * d_tmrt2 * pa +                                  &
2253              (  2.53016723e-06_wp ) *       va2 * d_tmrt2 * pa +                                  &
2254              ( -1.72857035e-08_wp ) * ta  * va2 * d_tmrt2 * pa +                                  &
2255              ( -3.95079398e-08_wp ) *       va3 * d_tmrt2 * pa +                                  &
2256              ( -3.59413173e-07_wp ) *             d_tmrt3 * pa +                                  &
2257              (  7.04388046e-07_wp ) * ta  *       d_tmrt3 * pa +                                  &
2258              ( -1.89309167e-08_wp ) * ta2 *       d_tmrt3 * pa +                                  &
2259              ( -4.79768731e-07_wp ) *       va  * d_tmrt3 * pa +                                  &
2260              (  7.96079978e-09_wp ) * ta  * va  * d_tmrt3 * pa +                                  &
2261              (  1.62897058e-09_wp ) *       va2 * d_tmrt3 * pa +                                  &
2262              (  3.94367674e-08_wp ) *             d_tmrt4 * pa +                                  &
2263              ( -1.18566247e-09_wp ) * ta *        d_tmrt4 * pa +                                  &
2264              (  3.34678041e-10_wp ) *       va  * d_tmrt4 * pa +                                  &
2265              ( -1.15606447e-10_wp ) *             d_tmrt5 * pa
2266
2267    part_pa2 = ( -2.80626406e+00_wp ) *                       pa2 +                                &
2268               (  5.48712484e-01_wp ) * ta  *                 pa2 +                                &
2269               ( -3.99428410e-03_wp ) * ta2 *                 pa2 +                                &
2270               ( -9.54009191e-04_wp ) * ta3 *                 pa2 +                                &
2271               (  1.93090978e-05_wp ) * ta4 *                 pa2 +                                &
2272               ( -3.08806365e-01_wp ) *       va *            pa2 +                                &
2273               (  1.16952364e-02_wp ) * ta  * va *            pa2 +                                &
2274               (  4.95271903e-04_wp ) * ta2 * va *            pa2 +                                &
2275               ( -1.90710882e-05_wp ) * ta3 * va *            pa2 +                                &
2276               (  2.10787756e-03_wp ) *       va2 *           pa2 +                                &
2277               ( -6.98445738e-04_wp ) * ta  * va2 *           pa2 +                                &
2278               (  2.30109073e-05_wp ) * ta2 * va2 *           pa2 +                                &
2279               (  4.17856590e-04_wp ) *       va3 *           pa2 +                                &
2280               ( -1.27043871e-05_wp ) * ta  * va3 *           pa2 +                                &
2281               ( -3.04620472e-06_wp ) *       va4 *           pa2 +                                &
2282               (  5.14507424e-02_wp ) *             d_tmrt  * pa2 +                                &
2283               ( -4.32510997e-03_wp ) * ta  *       d_tmrt  * pa2 +                                &
2284               (  8.99281156e-05_wp ) * ta2 *       d_tmrt  * pa2 +                                &
2285               ( -7.14663943e-07_wp ) * ta3 *       d_tmrt  * pa2 +                                &
2286               ( -2.66016305e-04_wp ) *       va  * d_tmrt  * pa2 +                                &
2287               (  2.63789586e-04_wp ) * ta  * va  * d_tmrt  * pa2 +                                &
2288               ( -7.01199003e-06_wp ) * ta2 * va  * d_tmrt  * pa2 +                                &
2289               ( -1.06823306e-04_wp ) *       va2 * d_tmrt  * pa2 +                                &
2290               (  3.61341136e-06_wp ) * ta  * va2 * d_tmrt  * pa2 +                                &
2291               (  2.29748967e-07_wp ) *       va3 * d_tmrt  * pa2 +                                &
2292               (  3.04788893e-04_wp ) *             d_tmrt2 * pa2 +                                &
2293               ( -6.42070836e-05_wp ) * ta  *       d_tmrt2 * pa2 +                                &
2294               (  1.16257971e-06_wp ) * ta2 *       d_tmrt2 * pa2 +                                &
2295               (  7.68023384e-06_wp ) *       va  * d_tmrt2 * pa2 +                                &
2296               ( -5.47446896e-07_wp ) * ta  * va  * d_tmrt2 * pa2 +                                &
2297               ( -3.59937910e-08_wp ) *       va2 * d_tmrt2 * pa2 +                                &
2298               ( -4.36497725e-06_wp ) *             d_tmrt3 * pa2 +                                &
2299               (  1.68737969e-07_wp ) * ta  *       d_tmrt3 * pa2 +                                &
2300               (  2.67489271e-08_wp ) *       va  * d_tmrt3 * pa2 +                                &
2301               (  3.23926897e-09_wp ) *             d_tmrt4 * pa2
2302
2303    part_pa3 = ( -3.53874123e-02_wp ) *                       pa3 +                                &
2304               ( -2.21201190e-01_wp ) * ta  *                 pa3 +                                &
2305               (  1.55126038e-02_wp ) * ta2 *                 pa3 +                                &
2306               ( -2.63917279e-04_wp ) * ta3 *                 pa3 +                                &
2307               (  4.53433455e-02_wp ) *       va  *           pa3 +                                &
2308               ( -4.32943862e-03_wp ) * ta  * va  *           pa3 +                                &
2309               (  1.45389826e-04_wp ) * ta2 * va  *           pa3 +                                &
2310               (  2.17508610e-04_wp ) *       va2 *           pa3 +                                &
2311               ( -6.66724702e-05_wp ) * ta  * va2 *           pa3 +                                &
2312               (  3.33217140e-05_wp ) *       va3 *           pa3 +                                &
2313               ( -2.26921615e-03_wp ) *             d_tmrt  * pa3 +                                &
2314               (  3.80261982e-04_wp ) * ta  *       d_tmrt  * pa3 +                                &
2315               ( -5.45314314e-09_wp ) * ta2 *       d_tmrt  * pa3 +                                &
2316               ( -7.96355448e-04_wp ) *       va  * d_tmrt  * pa3 +                                &
2317               (  2.53458034e-05_wp ) * ta  * va  * d_tmrt  * pa3 +                                &
2318               ( -6.31223658e-06_wp ) *       va2 * d_tmrt  * pa3 +                                &
2319               (  3.02122035e-04_wp ) *             d_tmrt2 * pa3 +                                &
2320               ( -4.77403547e-06_wp ) * ta  *       d_tmrt2 * pa3 +                                &
2321               (  1.73825715e-06_wp ) *       va  * d_tmrt2 * pa3 +                                &
2322               ( -4.09087898e-07_wp ) *             d_tmrt3 * pa3
2323
2324    part_pa46 = (  6.14155345e-01_wp ) *                       pa4 +                               &
2325                ( -6.16755931e-02_wp ) * ta  *                 pa4 +                               &
2326                (  1.33374846e-03_wp ) * ta2 *                 pa4 +                               &
2327                (  3.55375387e-03_wp ) *       va  *           pa4 +                               &
2328                ( -5.13027851e-04_wp ) * ta  * va  *           pa4 +                               &
2329                (  1.02449757e-04_wp ) *       va2 *           pa4 +                               &
2330                ( -1.48526421e-03_wp ) *             d_tmrt  * pa4 +                               &
2331                ( -4.11469183e-05_wp ) * ta  *       d_tmrt  * pa4 +                               &
2332                ( -6.80434415e-06_wp ) *       va  * d_tmrt  * pa4 +                               &
2333                ( -9.77675906e-06_wp ) *             d_tmrt2 * pa4 +                               &
2334                (  8.82773108e-02_wp ) *                       pa5 +                               &
2335                ( -3.01859306e-03_wp ) * ta  *                 pa5 +                               &
2336                (  1.04452989e-03_wp ) *       va  *           pa5 +                               &
2337                (  2.47090539e-04_wp ) *             d_tmrt  * pa5 +                               &
2338                (  1.48348065e-03_wp ) *                       pa6
2339!
2340!-- Calculate 6th order polynomial as approximation
2341    utci_ij = ta + part_ta + part_va + part_d_tmrt + part_pa + part_pa2 + part_pa3 + part_pa46
2342!
2343!-- Consider offset in result
2344    utci_ij = utci_ij + offset
2345
2346 END SUBROUTINE calculate_utci_static
2347
2348
2349
2350
2351!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
2352! Description:
2353! ------------
2354!> Calculate_perct_static: Estimation of perceived temperature (PT, degree_C)
2355!> Value of perct is the Perceived Temperature, degree centigrade
2356!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
2357 SUBROUTINE calculate_perct_static( ta, vp, ws, tmrt, pair, clo, perct_ij )
2358
2359    IMPLICIT NONE
2360!
2361!-- Type of input of the argument list
2362    REAL(wp), INTENT ( IN )  :: pair !< Local barometric air pressure (hPa)
2363    REAL(wp), INTENT ( IN )  :: ta   !< Local air temperature (degC)
2364    REAL(wp), INTENT ( IN )  :: tmrt !< Local mean radiant temperature (degC)
2365    REAL(wp), INTENT ( IN )  :: vp   !< Local vapour pressure (hPa)
2366    REAL(wp), INTENT ( IN )  :: ws   !< Local wind velocitry (m/s)
2367!
2368!-- Type of output of the argument list
2369    REAL(wp), INTENT ( OUT ) :: clo       !< Clothing index (dimensionless)
2370    REAL(wp), INTENT ( OUT ) :: perct_ij  !< Perceived temperature (degC)
2371!
2372!-- Parameters for standard "Klima-Michel"
2373    REAL(wp), PARAMETER :: actlev = 134.6862_wp  !< Workload by activity per standardized surface (A_Du)
2374    REAL(wp), PARAMETER :: eta = 0.0_wp          !< Mechanical work efficiency for walking on flat
2375                                                 !< ground (compare to Fanger (1972) pp 24f)
2376!
2377!-- Type of program variables
2378    REAL(wp), PARAMETER :: eps = 0.0005  !< Accuracy in clothing insulation (clo) for evaluation the root of Fanger's PMV (pmva=0)
2379
2380    INTEGER(iwp) :: ncount      !< running index
2381    INTEGER(iwp) :: nerr_cold   !< error number (cold conditions)
2382    INTEGER(iwp) :: nerr        !< error number
2383
2384    LOGICAL :: sultrieness
2385
2386    REAL(wp) ::  clon           !< clo for neutral conditions   (clo)
2387    REAL(wp) ::  d_pmv          !< PMV deviation (dimensionless --> PMV)
2388    REAL(wp) ::  dgtcm          !< Mean deviation dependent on perct
2389    REAL(wp) ::  dgtcstd        !< Mean deviation plus its standard deviation
2390    REAL(wp) ::  d_std          !< factor to threshold for sultriness
2391    REAL(wp) ::  ireq_minimal   !< Minimal required clothing insulation (clo)
2392    REAL(wp) ::  pmv_s          !< Fangers predicted mean vote for summer clothing
2393    REAL(wp) ::  pmv_w          !< Fangers predicted mean vote for winter clothing
2394    REAL(wp) ::  pmva           !< adjusted predicted mean vote
2395    REAL(wp) ::  pmvs           !< pred. mean vote considering sultrieness
2396    REAL(wp) ::  ptc            !< perceived temp. for cold conditions (degree_C)
2397    REAL(wp) ::  sclo           !< summer clothing insulation
2398    REAL(wp) ::  svp_ta         !< saturation vapor pressure    (hPa)
2399    REAL(wp) ::  sult_lim       !< threshold for sultrieness    (hPa)
2400    REAL(wp) ::  wclo           !< winter clothing insulation
2401
2402!
2403!-- Initialise
2404    perct_ij = bio_fill_value
2405
2406    nerr     = 0_iwp
2407    ncount   = 0_iwp
2408    sultrieness  = .FALSE.
2409!
2410!-- Tresholds: clothing insulation (account for model inaccuracies)
2411!-- Summer clothing
2412    sclo     = 0.44453_wp
2413!
2414!-- Winter clothing
2415    wclo     = 1.76267_wp
2416!
2417!-- Eecision: first calculate for winter or summer clothing
2418    IF ( ta <= 10.0_wp )  THEN
2419!
2420!--    First guess: winter clothing insulation: cold stress
2421       clo = wclo
2422       CALL fanger ( ta, tmrt, vp, ws, pair, clo, actlev, eta, pmva )
2423       pmv_w = pmva
2424
2425       IF ( pmva > 0.0_wp )  THEN
2426!
2427!--       Case summer clothing insulation: heat load ?
2428          clo = sclo
2429          CALL fanger ( ta, tmrt, vp, ws, pair, clo, actlev, eta, pmva )
2430          pmv_s = pmva
2431          IF ( pmva <= 0.0_wp )  THEN
2432!
2433!--          Case: comfort achievable by varying clothing insulation between winter and summer set
2434!--                values
2435             CALL iso_ridder ( ta, tmrt, vp, ws, pair, actlev, eta, sclo, pmv_s, wclo, pmv_w, eps, &
2436                               pmva, ncount, clo )
2437             IF ( ncount < 0_iwp )  THEN
2438                nerr = -1_iwp
2439                RETURN
2440             ENDIF
2441          ELSE IF ( pmva > 0.06_wp )  THEN
2442             clo = 0.5_wp
2443             CALL fanger ( ta, tmrt, vp, ws, pair, clo, actlev, eta,  pmva )
2444          ENDIF
2445       ELSE IF ( pmva < - 0.11_wp )  THEN
2446          clo = 1.75_wp
2447          CALL fanger ( ta, tmrt, vp, ws, pair, clo, actlev, eta, pmva )
2448       ENDIF
2449    ELSE
2450!
2451!--    First guess: summer clothing insulation: heat load
2452       clo = sclo
2453       CALL fanger ( ta, tmrt, vp, ws, pair, clo, actlev, eta, pmva )
2454       pmv_s = pmva
2455
2456       IF ( pmva < 0.0_wp )  THEN
2457!
2458!--       Case winter clothing insulation: cold stress ?
2459          clo = wclo
2460          CALL fanger ( ta, tmrt, vp, ws, pair, clo, actlev, eta, pmva )
2461          pmv_w = pmva
2462
2463          IF ( pmva >= 0.0_wp )  THEN
2464!
2465!--          Case: comfort achievable by varying clothing insulation between winter and summer set
2466!--                values
2467             CALL iso_ridder ( ta, tmrt, vp, ws, pair, actlev, eta, sclo, pmv_s, wclo, pmv_w, eps, &
2468                               pmva, ncount, clo )
2469             IF ( ncount < 0_iwp )  THEN
2470                nerr = -1_iwp
2471                RETURN
2472             ENDIF
2473          ELSE IF ( pmva < - 0.11_wp )  THEN
2474             clo = 1.75_wp
2475             CALL fanger ( ta, tmrt, vp, ws, pair, clo, actlev, eta, pmva )
2476          ENDIF
2477       ELSE IF ( pmva > 0.06_wp )  THEN
2478          clo = 0.5_wp
2479          CALL fanger ( ta, tmrt, vp, ws, pair, clo, actlev, eta, pmva )
2480       ENDIF
2481
2482    ENDIF
2483!
2484!-- Determine perceived temperature by regression equation + adjustments
2485    pmvs = pmva
2486    CALL perct_regression( pmva, clo, perct_ij )
2487    ptc = perct_ij
2488    IF ( clo >= 1.75_wp  .AND.  pmva <= - 0.11_wp )  THEN
2489!
2490!--    Adjust for cold conditions according to Gagge 1986
2491       CALL dpmv_cold ( pmva, ta, ws, tmrt, nerr_cold, d_pmv )
2492       IF ( nerr_cold > 0_iwp )  nerr = -5_iwp
2493       pmvs = pmva - d_pmv
2494       IF ( pmvs > - 0.11_wp )  THEN
2495          d_pmv  = 0.0_wp
2496          pmvs   = - 0.11_wp
2497       ENDIF
2498       CALL perct_regression( pmvs, clo, perct_ij )
2499    ENDIF
2500!     clo_fanger = clo
2501    clon = clo
2502    IF ( clo > 0.5_wp  .AND.  perct_ij <= 8.73_wp )  THEN
2503!
2504!--    Required clothing insulation (ireq) is exclusively defined for perceived temperatures (perct)
2505!--    less 10 (C) for a reference wind of 0.2 m/s according to 8.73 (C) for 0.1 m/s.
2506       clon = ireq_neutral ( perct_ij, ireq_minimal, nerr )
2507       clo = clon
2508    ENDIF
2509    CALL calc_sultr( ptc, dgtcm, dgtcstd, sult_lim )
2510    sultrieness    = .FALSE.
2511    d_std = -99.0_wp
2512    IF ( pmva > 0.06_wp  .AND.  clo <= 0.5_wp )  THEN
2513!
2514!--    Adjust for warm/humid conditions according to Gagge 1986
2515       CALL saturation_vapor_pressure ( ta, svp_ta )
2516       d_pmv  = deltapmv ( pmva, ta, vp, svp_ta, tmrt, ws, nerr )
2517       pmvs   = pmva + d_pmv
2518       CALL perct_regression( pmvs, clo, perct_ij )
2519       IF ( sult_lim < 99.0_wp )  THEN
2520          IF ( (perct_ij - ptc) > sult_lim )  sultrieness = .TRUE.
2521!
2522!--       Set factor to threshold for sultriness
2523          IF ( ABS( dgtcstd ) > 0.00001_wp )  THEN
2524             d_std = ( ( perct_ij - ptc ) - dgtcm ) / dgtcstd
2525          ENDIF
2526       ENDIF
2527    ENDIF
2528
2529 END SUBROUTINE calculate_perct_static
2530
2531!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
2532! Description:
2533! ------------
2534!> The SUBROUTINE calculates the (saturation) water vapour pressure (hPa = hecto Pascal) for a given
2535!> temperature ta (degC).
2536!>'ta' can be the air temperature or the dew point temperature. The first will result in the current
2537!> vapor pressure (hPa), the latter will calulate the saturation vapor pressure (hPa).
2538!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
2539 SUBROUTINE saturation_vapor_pressure( ta, svp_ta )
2540
2541    IMPLICIT NONE
2542
2543    REAL(wp), INTENT ( IN )  ::  ta     !< ambient air temperature (degC)
2544    REAL(wp), INTENT ( OUT ) ::  svp_ta !< water vapour pressure (hPa)
2545
2546    REAL(wp)      ::  b
2547    REAL(wp)      ::  c
2548
2549
2550    IF ( ta < 0.0_wp )  THEN
2551!
2552!--    ta  < 0 (degC): water vapour pressure over ice
2553       b = 17.84362_wp
2554       c = 245.425_wp
2555    ELSE
2556!
2557!--    ta >= 0 (degC): water vapour pressure over water
2558       b = 17.08085_wp
2559       c = 234.175_wp
2560    ENDIF
2561!
2562!-- Saturation water vapour pressure
2563    svp_ta = 6.1078_wp * EXP( b * ta / ( c + ta ) )
2564
2565 END SUBROUTINE saturation_vapor_pressure
2566
2567!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
2568! Description:
2569! ------------
2570!> Find the clothing insulation value clo_res (clo) to make Fanger's Predicted Mean Vote (PMV) equal
2571!> comfort (pmva=0) for actual meteorological conditions (ta,tmrt, vp, ws, pair) and values of
2572!> individual's activity level.
2573!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
2574 SUBROUTINE iso_ridder( ta, tmrt, vp, ws, pair, actlev, eta, sclo, pmv_s, wclo, pmv_w, eps, pmva,  &
2575                        nerr, clo_res )
2576
2577    IMPLICIT NONE
2578!
2579!-- Input variables of argument list:
2580    REAL(wp), INTENT ( IN )  :: actlev   !< Individuals activity level per unit surface area (W/m2)
2581    REAL(wp), INTENT ( IN )  :: eps      !< (0.05) accuracy in clothing insulation (clo) for evaluation the root of Fanger's PMV (pmva=0)
2582    REAL(wp), INTENT ( IN )  :: eta      !< Individuals work efficiency (dimensionless)
2583    REAL(wp), INTENT ( IN )  :: pair     !< Barometric air pressure (hPa)
2584    REAL(wp), INTENT ( IN )  :: pmv_s    !< Fanger's PMV corresponding to sclo
2585    REAL(wp), INTENT ( IN )  :: pmv_w    !< Fanger's PMV corresponding to wclo
2586    REAL(wp), INTENT ( IN )  :: sclo     !< Lower threshold of bracketing clothing insulation (clo)
2587    REAL(wp), INTENT ( IN )  :: ta       !< Ambient temperature (degC)
2588    REAL(wp), INTENT ( IN )  :: tmrt     !< Mean radiant temperature (degC)
2589    REAL(wp), INTENT ( IN )  :: vp       !< Water vapour pressure (hPa)
2590    REAL(wp), INTENT ( IN )  :: wclo     !< Upper threshold of bracketing clothing insulation (clo)
2591    REAL(wp), INTENT ( IN )  :: ws       !< Wind speed (m/s) 1 m above ground
2592!
2593!-- Output variables of argument list:
2594    INTEGER(iwp), INTENT ( OUT ) :: nerr !< Error status / quality flag
2595                                         !< nerr >= 0, o.k., and nerr is the number of iterations for convergence
2596                                         !< nerr = -1: error = malfunction of Ridder's convergence method
2597                                         !< nerr = -2: error = maximum iterations (max_iteration) exceeded
2598                                         !< nerr = -3: error = root not bracketed between sclo and wclo
2599
2600    REAL(wp), INTENT ( OUT ) :: clo_res  !< Resulting clothing insulation value (clo)
2601    REAL(wp), INTENT ( OUT ) :: pmva     !< 0 (set to zero, because clo is evaluated for comfort)
2602!
2603!-- Type of program variables
2604    INTEGER(iwp), PARAMETER  ::  max_iteration = 15_iwp       !< max number of iterations
2605
2606    REAL(wp),     PARAMETER  ::  guess_0       = -1.11e30_wp  !< initial guess
2607
2608    INTEGER(iwp) ::  j       !< running index
2609
2610    REAL(wp) ::  clo_lower   !< lower limit of clothing insulation      (clo)
2611    REAL(wp) ::  clo_upper   !< upper limit of clothing insulation      (clo)
2612    REAL(wp) ::  sroot       !< sqrt of PMV-guess
2613    REAL(wp) ::  x_average   !< average of x_lower and x_upper          (clo)
2614    REAL(wp) ::  x_lower     !< lower guess for clothing insulation     (clo)
2615    REAL(wp) ::  x_new       !< preliminary result for clothing insulation (clo)
2616    REAL(wp) ::  x_ridder    !< current guess for clothing insulation   (clo)
2617    REAL(wp) ::  x_upper     !< upper guess for clothing insulation     (clo)
2618    REAL(wp) ::  y_average   !< average of y_lower and y_upper
2619    REAL(wp) ::  y_new       !< preliminary result for pred. mean vote
2620    REAL(wp) ::  y_lower     !< predicted mean vote for summer clothing
2621    REAL(wp) ::  y_upper     !< predicted mean vote for winter clothing
2622!
2623!-- Initialise
2624    nerr    = 0_iwp
2625!
2626!-- Set pmva = 0 (comfort): Root of PMV depending on clothing insulation
2627    x_ridder    = bio_fill_value
2628    pmva        = 0.0_wp
2629    clo_lower   = sclo
2630    y_lower     = pmv_s
2631    clo_upper   = wclo
2632    y_upper     = pmv_w
2633    IF ( ( y_lower > 0.0_wp .AND. y_upper < 0.0_wp )  .OR.                                         &
2634         ( y_lower < 0.0_wp .AND. y_upper > 0.0_wp ) )  THEN
2635       x_lower  = clo_lower
2636       x_upper  = clo_upper
2637       x_ridder = guess_0
2638
2639       DO  j = 1_iwp, max_iteration
2640          x_average = 0.5_wp * ( x_lower + x_upper )
2641          CALL fanger ( ta, tmrt, vp, ws, pair, x_average, actlev, eta, y_average )
2642          sroot = SQRT( y_average**2 - y_lower * y_upper )
2643          IF ( ABS( sroot ) < 0.00001_wp )  THEN
2644             clo_res = x_average
2645             nerr = j
2646             RETURN
2647          ENDIF
2648          x_new = x_average + ( x_average - x_lower ) *                                            &
2649                  ( SIGN ( 1.0_wp, y_lower - y_upper ) * y_average / sroot )
2650          IF ( ABS( x_new - x_ridder ) <= eps )  THEN
2651             clo_res = x_ridder
2652             nerr       = j
2653             RETURN
2654          ENDIF
2655          x_ridder = x_new
2656          CALL fanger ( ta, tmrt, vp, ws, pair, x_ridder, actlev, eta, y_new )
2657          IF ( ABS( y_new ) < 0.00001_wp )  THEN
2658             clo_res = x_ridder
2659             nerr       = j
2660             RETURN
2661          ENDIF
2662          IF ( ABS( SIGN( y_average, y_new ) - y_average ) > 0.00001_wp )  THEN
2663             x_lower = x_average
2664             y_lower = y_average
2665             x_upper  = x_ridder
2666             y_upper  = y_new
2667          ELSE IF ( ABS( SIGN( y_lower, y_new ) - y_lower ) > 0.00001_wp )  THEN
2668             x_upper  = x_ridder
2669             y_upper  = y_new
2670          ELSE IF ( ABS( SIGN( y_upper, y_new ) - y_upper ) > 0.00001_wp )  THEN
2671             x_lower = x_ridder
2672             y_lower = y_new
2673          ELSE
2674!
2675!--          Never get here in x_ridder: singularity in y
2676             nerr    = -1_iwp
2677             clo_res = x_ridder
2678             RETURN
2679          ENDIF
2680          IF ( ABS( x_upper - x_lower ) <= eps )  THEN
2681             clo_res = x_ridder
2682             nerr    = j
2683             RETURN
2684          ENDIF
2685       ENDDO
2686!
2687!--    x_ridder exceed maximum iterations
2688       nerr       = -2_iwp
2689       clo_res = y_new
2690       RETURN
2691    ELSE IF ( ABS( y_lower ) < 0.00001_wp )  THEN
2692       x_ridder = clo_lower
2693    ELSE IF ( ABS( y_upper ) < 0.00001_wp )  THEN
2694       x_ridder = clo_upper
2695    ELSE
2696!
2697!--    x_ridder not bracketed by u_clo and o_clo
2698       nerr = -3_iwp
2699       clo_res = x_ridder
2700       RETURN
2701    ENDIF
2702
2703 END SUBROUTINE iso_ridder
2704
2705!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
2706! Description:
2707! ------------
2708!> Regression relations between perceived temperature (perct) and (adjusted) PMV. The regression
2709!> presumes the Klima-Michel settings for reference individual and reference environment.
2710!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
2711 SUBROUTINE perct_regression( pmv, clo, perct_ij )
2712
2713    IMPLICIT NONE
2714
2715    REAL(wp), INTENT ( IN ) ::  clo   !< clothing insulation index (clo)
2716    REAL(wp), INTENT ( IN ) ::  pmv   !< Fangers predicted mean vote (dimensionless)
2717
2718    REAL(wp), INTENT ( OUT ) ::  perct_ij   !< perct (degC) corresponding to given PMV / clo
2719
2720    IF ( pmv <= - 0.11_wp )  THEN
2721       perct_ij = 5.805_wp + 12.6784_wp * pmv
2722    ELSE
2723       IF ( pmv >= + 0.01_wp )  THEN
2724          perct_ij = 16.826_wp + 6.163_wp * pmv
2725       ELSE
2726          perct_ij = 21.258_wp - 9.558_wp * clo
2727       ENDIF
2728    ENDIF
2729
2730 END SUBROUTINE perct_regression
2731
2732!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
2733! Description:
2734! ------------
2735!> FANGER.F90
2736!>
2737!> SI-VERSION: ACTLEV W m-2, VAPOUR PRESSURE hPa
2738!> Calculates the current Predicted Mean Vote according to Fanger.
2739!> The case of free convection (ws < 0.1 m/s) is dealt with ws = 0.1 m/s
2740!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
2741 SUBROUTINE fanger( ta, tmrt, pa, in_ws, pair, in_clo, actlev, eta, pmva )
2742
2743    IMPLICIT NONE
2744!
2745!-- Input variables of argument list:
2746    REAL(wp), INTENT ( IN ) ::  actlev   !< Individuals activity level per unit surface area (W/m2)
2747    REAL(wp), INTENT ( IN ) ::  eta      !< Individuals mechanical work efficiency (dimensionless)
2748    REAL(wp), INTENT ( IN ) ::  in_clo   !< Clothing insulation (clo)
2749    REAL(wp), INTENT ( IN ) ::  in_ws    !< Wind speed (m/s) 1 m above ground
2750    REAL(wp), INTENT ( IN ) ::  pa       !< Water vapour pressure (hPa)
2751    REAL(wp), INTENT ( IN ) ::  pair     !< Barometric pressure (hPa) at site
2752    REAL(wp), INTENT ( IN ) ::  ta       !< Ambient air temperature (degC)
2753    REAL(wp), INTENT ( IN ) ::  tmrt     !< Mean radiant temperature (degC)
2754
2755!
2756!-- Output variables of argument list:
2757    REAL(wp), INTENT ( OUT ) ::  pmva    !< Actual Predicted Mean Vote (PMV,
2758                                         !< dimensionless) according to Fanger corresponding to meteorological
2759                                         !< (ta,tmrt,pa,ws,pair) and individual variables (clo, actlev, eta)
2760!
2761!-- Internal variables
2762    INTEGER(iwp) :: i         !< running index
2763
2764    REAL(wp) ::  activity     !< persons activity  (must stay == actlev, W)
2765    REAL(wp) ::  bc           !< preliminary result storage
2766    REAL(wp) ::  cc           !< preliminary result storage
2767    REAL(wp) ::  clo          !< clothing insulation index              (clo)
2768    REAL(wp) ::  dc           !< preliminary result storage
2769    REAL(wp) ::  ec           !< preliminary result storage
2770    REAL(wp) ::  f_cl         !< Increase in surface due to clothing    (factor)
2771    REAL(wp) ::  gc           !< preliminary result storage
2772    REAL(wp) ::  heat_convection  !< energy loss by autocnvection       (W)
2773    REAL(wp) ::  hr           !< radiational heat resistence
2774    REAL(wp) ::  t_clothing   !< clothing temperature                   (degree_C)
2775    REAL(wp) ::  t_skin_aver  !< average skin temperature               (degree_C)
2776    REAL(wp) ::  ws           !< wind speed                             (m/s)
2777    REAL(wp) ::  z1           !< Empiric factor for the adaption of the heat
2778                              !< ballance equation to the psycho-physical scale (Equ. 40 in FANGER)
2779    REAL(wp) ::  z2           !< Water vapour diffution through the skin
2780    REAL(wp) ::  z3           !< Sweat evaporation from the skin surface
2781    REAL(wp) ::  z4           !< Loss of latent heat through respiration
2782    REAL(wp) ::  z5           !< Loss of radiational heat
2783    REAL(wp) ::  z6           !< Heat loss through forced convection
2784
2785!
2786!-- Clo must be > 0. to avoid div. by 0!
2787    clo = in_clo
2788    IF ( clo <= 0.0_wp )  clo = .001_wp
2789!
2790!-- f_cl = increase in surface due to clothing
2791    f_cl = 1.0_wp + 0.15_wp * clo
2792!
2793!-- Case of free convection (ws < 0.1 m/s ) not considered
2794    ws = in_ws
2795    IF ( ws < 0.1_wp )  THEN
2796       ws = 0.1_wp
2797    ENDIF
2798!
2799!-- Heat_convection = forced convection
2800    heat_convection = 12.1_wp * SQRT( ws * pair / 1013.25_wp )
2801!
2802!-- Activity = inner heat production per standardized surface
2803    activity = actlev * ( 1.0_wp - eta )
2804!
2805!-- t_skin_aver = average skin temperature
2806    t_skin_aver = 35.7_wp - 0.0275_wp * activity
2807!
2808!-- Calculation of constants for evaluation below
2809    bc = 0.155_wp * clo * 3.96_wp * 10.0_wp**( -8 ) * f_cl
2810    cc = f_cl * heat_convection
2811    ec = 0.155_wp * clo
2812    dc = ( 1.0_wp + ec * cc ) / bc
2813    gc = ( t_skin_aver + bc * ( tmrt + degc_to_k )**4 + ec * cc * ta ) / bc
2814!
2815!-- Calculation of clothing surface temperature (t_clothing) based on Newton-approximation with air
2816!-- temperature as initial guess.
2817    t_clothing = ta
2818    DO  i = 1, 3
2819       t_clothing = t_clothing - ( ( t_clothing + degc_to_k )**4 + t_clothing * dc - gc ) /        &
2820                    ( 4.0_wp * ( t_clothing + degc_to_k )**3 + dc )
2821    ENDDO
2822!
2823!-- Empiric factor for the adaption of the heat ballance equation to the psycho-physical scale (Equ.
2824!-- 40 in FANGER)
2825    z1 = ( 0.303_wp * EXP( - 0.036_wp * actlev ) + 0.0275_wp )
2826!
2827!-- Water vapour diffution through the skin
2828    z2 = 0.31_wp * ( 57.3_wp - 0.07_wp * activity-pa )
2829!
2830!-- Sweat evaporation from the skin surface
2831    z3 = 0.42_wp * ( activity - 58.0_wp )
2832!
2833!-- Loss of latent heat through respiration
2834    z4 = 0.0017_wp * actlev * ( 58.7_wp - pa ) + 0.0014_wp * actlev *                              &
2835         ( 34.0_wp - ta )
2836!
2837!-- Loss of radiational heat
2838    z5 = 3.96e-8_wp * f_cl * ( ( t_clothing + degc_to_k )**4 - ( tmrt + degc_to_k )**4 )
2839    IF ( ABS( t_clothing - tmrt ) > 0.0_wp )  THEN
2840       hr = z5 / f_cl / ( t_clothing - tmrt )
2841    ELSE
2842       hr = 0.0_wp
2843    ENDIF
2844!
2845!-- Heat loss through forced convection cc*(t_clothing-TT)
2846    z6 = cc * ( t_clothing - ta )
2847!
2848!-- Predicted Mean Vote
2849    pmva = z1 * ( activity - z2 - z3 - z4 - z5 - z6 )
2850
2851 END SUBROUTINE fanger
2852
2853!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
2854! Description:
2855! ------------
2856!> For pmva > 0 and clo =0.5 the increment (deltapmv) is calculated that converts pmva into Gagge's
2857!> et al. (1986) PMV*.
2858!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
2859 REAL(wp) FUNCTION deltapmv( pmva, ta, vp, svp_ta, tmrt, ws, nerr )
2860
2861    IMPLICIT NONE
2862
2863!
2864!-- Input variables of argument list:
2865    REAL(wp),     INTENT ( IN )  :: pmva     !< Actual Predicted Mean Vote (PMV) according to Fanger
2866    REAL(wp),     INTENT ( IN )  :: svp_ta   !< Saturation water vapour pressure (hPa) at ta
2867    REAL(wp),     INTENT ( IN )  :: ta       !< Ambient temperature (degC) at screen level
2868    REAL(wp),     INTENT ( IN )  :: tmrt     !< Mean radiant temperature (degC) at screen level
2869    REAL(wp),     INTENT ( IN )  :: vp       !< Water vapour pressure (hPa) at screen level
2870    REAL(wp),     INTENT ( IN )  :: ws       !< Wind speed (m/s) 1 m above ground
2871
2872!
2873!-- Output variables of argument list:
2874    INTEGER(iwp), INTENT ( OUT ) :: nerr     !< Error status / quality flag
2875                                             !<  0 = o.k.
2876                                             !< -2 = pmva outside valid regression range
2877                                             !< -3 = rel. humidity set to 5 % or 95 %, respectively
2878                                             !< -4 = deltapmv set to avoid pmvs < 0
2879
2880!
2881!-- Internal variables:
2882    INTEGER(iwp) :: nreg      !<
2883
2884    REAL(wp) ::  apa          !< natural logarithm of pa (with hard lower border)
2885    REAL(wp) ::  dapa         !< difference of apa and pa_p50
2886    REAL(wp) ::  dpmv_1       !<
2887    REAL(wp) ::  dpmv_2       !<
2888    REAL(wp) ::  dtmrt        !< difference mean radiation to air temperature
2889    REAL(wp) ::  pa           !< vapor pressure (hPa) with hard bounds
2890    REAL(wp) ::  pa_p50       !< ratio actual water vapour pressure to that of relative humidity of
2891                              !< 50 %
2892    REAL(wp) ::  pmv          !< temp storage og predicted mean vote
2893    REAL(wp) ::  pmvs         !<
2894    REAL(wp) ::  p10          !< lower bound for pa
2895    REAL(wp) ::  p95          !< upper bound for pa
2896    REAL(wp) ::  sqvel        !< square root of local wind velocity
2897    REAL(wp) ::  weight       !<
2898    REAL(wp) ::  weight2      !<
2899
2900!
2901!-- Regression coefficients:
2902    REAL(wp), DIMENSION(0:7), PARAMETER ::  bpmv = (/                                              &
2903     - 0.0556602_wp, - 0.1528680_wp, - 0.2336104_wp, - 0.2789387_wp,                               &
2904     - 0.3551048_wp, - 0.4304076_wp, - 0.4884961_wp, - 0.4897495_wp /)
2905
2906    REAL(wp), DIMENSION(0:7), PARAMETER ::  bpa_p50 = (/                                           &
2907     - 0.1607154_wp, - 0.4177296_wp, - 0.4120541_wp, - 0.0886564_wp,                               &
2908       0.4285938_wp,   0.6281256_wp,   0.5067361_wp,   0.3965169_wp /)
2909
2910    REAL(wp), DIMENSION(0:7), PARAMETER ::  bpa = (/                                               &
2911       0.0580284_wp,   0.0836264_wp,   0.1009919_wp,   0.1020777_wp,                               &
2912       0.0898681_wp,   0.0839116_wp,   0.0853258_wp,   0.0866589_wp /)
2913
2914    REAL(wp), DIMENSION(0:7), PARAMETER ::  bapa = (/                                              &
2915     - 1.7838788_wp, - 2.9306231_wp, - 1.6350334_wp,    0.6211547_wp,                              &
2916       3.3918083_wp,   5.5521025_wp,   8.4897418_wp,   16.6265851_wp /)
2917
2918    REAL(wp), DIMENSION(0:7), PARAMETER ::  bdapa = (/                                             &
2919       1.6752720_wp,   2.7379504_wp,   1.2940526_wp, -  1.0985759_wp,                              &
2920     - 3.9054732_wp, - 6.0403012_wp, - 8.9437119_wp, - 17.0671201_wp /)
2921
2922    REAL(wp), DIMENSION(0:7), PARAMETER ::  bsqvel = (/                                            &
2923     - 0.0315598_wp, - 0.0286272_wp, - 0.0009228_wp,   0.0483344_wp,                               &
2924       0.0992366_wp,   0.1491379_wp,   0.1951452_wp,   0.2133949_wp /)
2925
2926    REAL(wp), DIMENSION(0:7), PARAMETER ::  bta = (/                                               &
2927       0.0953986_wp,   0.1524760_wp,   0.0564241_wp, - 0.0893253_wp,                               &
2928     - 0.2398868_wp, - 0.3515237_wp, - 0.5095144_wp, - 0.9469258_wp /)
2929
2930    REAL(wp), DIMENSION(0:7), PARAMETER ::  bdtmrt = (/                                            &
2931     - 0.0004672_wp, - 0.0000514_wp, - 0.0018037_wp, - 0.0049440_wp,                               &
2932     - 0.0069036_wp, - 0.0075844_wp, - 0.0079602_wp, - 0.0089439_wp /)
2933
2934    REAL(wp), DIMENSION(0:7), PARAMETER ::  aconst = (/                                            &
2935       1.8686215_wp,   3.4260713_wp,    2.0116185_wp, -  0.7777552_wp,                             &
2936     - 4.6715853_wp, - 7.7314281_wp, - 11.7602578_wp, - 23.5934198_wp /)
2937
2938
2939!
2940!-- Test for compliance with regression range
2941    IF ( pmva < -1.0_wp  .OR.  pmva > 7.0_wp )  THEN
2942       nerr = -2_iwp
2943    ELSE
2944       nerr = 0_iwp
2945    ENDIF
2946!
2947!-- Initialise classic PMV
2948    pmv  = pmva
2949!
2950!-- Water vapour pressure of air
2951    p10  = 0.05_wp * svp_ta
2952    p95  = 1.00_wp * svp_ta
2953    IF ( vp >= p10  .AND.  vp <= p95 )  THEN
2954       pa = vp
2955    ELSE
2956       nerr = -3_iwp
2957       IF ( vp < p10 )  THEN
2958!
2959!--       Due to conditions of regression: r.H. >= 5 %
2960          pa = p10
2961       ELSE
2962!
2963!--       Due to conditions of regression: r.H. <= 95 %
2964          pa = p95
2965       ENDIF
2966    ENDIF
2967    IF ( pa > 0.0_wp )  THEN
2968!
2969!--    Natural logarithm of pa
2970       apa = LOG( pa )
2971    ELSE
2972       apa = -5.0_wp
2973    ENDIF
2974!
2975!-- Ratio actual water vapour pressure to that of a r.H. of 50 %
2976    pa_p50   = 0.5_wp * svp_ta
2977    IF ( pa_p50 > 0.0_wp  .AND.  pa > 0.0_wp )  THEN
2978       dapa   = apa - LOG( pa_p50 )
2979       pa_p50 = pa / pa_p50
2980    ELSE
2981       dapa   = -5.0_wp
2982       pa_p50 = 0.0_wp
2983    ENDIF
2984!
2985!-- Square root of wind velocity
2986    IF ( ws >= 0.0_wp )  THEN
2987       sqvel = SQRT( ws )
2988    ELSE
2989       sqvel = 0.0_wp
2990    ENDIF
2991!
2992!-- Difference mean radiation to air temperature
2993    dtmrt = tmrt - ta
2994!
2995!-- Select the valid regression coefficients
2996    nreg = INT( pmv )
2997    IF ( nreg < 0_iwp )  THEN
2998!
2999!--    Value of the FUNCTION in the case pmv <= -1
3000       deltapmv = 0.0_wp
3001       RETURN
3002    ENDIF
3003    weight = MOD ( pmv, 1.0_wp )
3004    IF ( weight < 0.0_wp )  weight = 0.0_wp
3005    IF ( nreg > 5_iwp )  THEN
3006       nreg  = 5_iwp
3007       weight   = pmv - 5.0_wp
3008       weight2  = pmv - 6.0_wp
3009       IF ( weight2 > 0_iwp )  THEN
3010          weight = ( weight - weight2 ) / weight
3011       ENDIF
3012    ENDIF
3013!
3014!-- Regression valid for 0. <= pmv <= 6., bounds are checked above
3015    dpmv_1 =                                                                                       &
3016             + bpa(nreg)     * pa                                                                  &
3017             + bpmv(nreg)    * pmv                                                                 &
3018             + bapa(nreg)    * apa                                                                 &
3019             + bta(nreg)     * ta                                                                  &
3020             + bdtmrt(nreg)  * dtmrt                                                               &
3021             + bdapa(nreg)   * dapa                                                                &
3022             + bsqvel(nreg)  * sqvel                                                               &
3023             + bpa_p50(nreg) * pa_p50                                                              &
3024             + aconst(nreg)
3025
3026!    dpmv_2 = 0.0_wp
3027!    IF ( nreg < 6_iwp )  THEN  !< nreg is always <= 5, see above
3028    dpmv_2 =                                                                                       &
3029             + bpa(nreg+1_iwp)     * pa                                                            &
3030             + bpmv(nreg+1_iwp)    * pmv                                                           &
3031             + bapa(nreg+1_iwp)    * apa                                                           &
3032             + bta(nreg+1_iwp)     * ta                                                            &
3033             + bdtmrt(nreg+1_iwp)  * dtmrt                                                         &
3034             + bdapa(nreg+1_iwp)   * dapa                                                          &
3035             + bsqvel(nreg+1_iwp)  * sqvel                                                         &
3036             + bpa_p50(nreg+1_iwp) * pa_p50                                                        &
3037             + aconst(nreg+1_iwp)
3038!    ENDIF
3039!
3040!-- Calculate pmv modification
3041    deltapmv = ( 1.0_wp - weight ) * dpmv_1 + weight * dpmv_2
3042    pmvs = pmva + deltapmv
3043    IF ( ( pmvs ) < 0.0_wp )  THEN
3044!
3045!--    Prevent negative pmv* due to problems with clothing insulation
3046       nerr = -4_iwp
3047       IF ( pmvs > -0.11_wp )  THEN
3048!
3049!--       Threshold from perct_regression for winter clothing insulation
3050          deltapmv = deltapmv + 0.11_wp
3051       ELSE
3052!
3053!--       Set pmvs to "0" for compliance with summer clothing insulation
3054          deltapmv = -1.0_wp * pmva
3055       ENDIF
3056    ENDIF
3057
3058 END FUNCTION deltapmv
3059
3060!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
3061! Description:
3062! ------------
3063!> The subroutine "calc_sultr" returns a threshold value to perceived temperature allowing to decide
3064!> whether the actual perceived temperature is linked to perecption of sultriness. The threshold
3065!> values depends on the Fanger's classical PMV, expressed here as perceived temperature perct.
3066!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
3067 SUBROUTINE calc_sultr( perct_ij, dperctm, dperctstd, sultr_res )
3068
3069    IMPLICIT NONE
3070!
3071!-- Input of the argument list:
3072    REAL(wp), INTENT ( IN )  ::  perct_ij   !< Classical perceived temperature: Base is Fanger's PMV
3073!
3074!-- Additional output variables of argument list:
3075    REAL(wp), INTENT ( OUT ) ::  dperctm    !< Mean deviation perct (classical gt) to gt* (rational
3076                                            !< gt calculated based on Gagge's rational PMV*)
3077    REAL(wp), INTENT ( OUT ) ::  dperctstd  !< dperctm plus its standard deviation times a factor
3078                                            !< determining the significance to perceive sultriness
3079    REAL(wp), INTENT ( OUT ) ::  sultr_res
3080!
3081!-- Types of coefficients mean deviation: third order polynomial
3082    REAL(wp), PARAMETER ::  dperctka =   7.5776086_wp
3083    REAL(wp), PARAMETER ::  dperctkb = - 0.740603_wp
3084    REAL(wp), PARAMETER ::  dperctkc =   0.0213324_wp
3085    REAL(wp), PARAMETER ::  dperctkd = - 0.00027797237_wp
3086!
3087!-- Types of coefficients mean deviation plus standard deviation
3088!-- regression coefficients: third order polynomial
3089    REAL(wp), PARAMETER ::  dperctsa =   0.0268918_wp
3090    REAL(wp), PARAMETER ::  dperctsb =   0.0465957_wp
3091    REAL(wp), PARAMETER ::  dperctsc = - 0.00054709752_wp
3092    REAL(wp), PARAMETER ::  dperctsd =   0.0000063714823_wp
3093!
3094!-- Factor to mean standard deviation defining SIGNificance for
3095!-- sultriness
3096    REAL(wp), PARAMETER :: faktor = 1.0_wp
3097!
3098!-- Initialise
3099    sultr_res = 99.0_wp
3100    dperctm   = 0.0_wp
3101    dperctstd = 999999.0_wp
3102
3103    IF ( perct_ij < 16.826_wp  .OR.  perct_ij > 56.0_wp )  THEN
3104!
3105!--    Unallowed value of classical perct!
3106       RETURN
3107    ENDIF
3108!
3109!-- Mean deviation dependent on perct
3110    dperctm = dperctka + dperctkb * perct_ij + dperctkc * perct_ij**2.0_wp + dperctkd *            &
3111              perct_ij**3.0_wp
3112!
3113!-- Mean deviation plus its standard deviation
3114    dperctstd = dperctsa + dperctsb * perct_ij + dperctsc * perct_ij**2.0_wp + dperctsd *          &
3115                perct_ij**3.0_wp
3116!
3117!-- Value of the FUNCTION
3118    sultr_res = dperctm + faktor * dperctstd
3119    IF ( ABS( sultr_res ) > 99.0_wp )  sultr_res = +99.0_wp
3120
3121 END SUBROUTINE calc_sultr
3122
3123!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
3124! Description:
3125! ------------
3126!> Multiple linear regression to calculate an increment delta_cold, to adjust Fanger's classical PMV
3127!> (pmva) by Gagge's 2 node model, applying Fanger's convective heat transfer coefficient, hcf.
3128!> Wind velocitiy of the reference environment is 0.10 m/s
3129!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
3130 SUBROUTINE dpmv_cold( pmva, ta, ws, tmrt, nerr, dpmv_cold_res )
3131
3132    IMPLICIT NONE
3133!
3134!-- Type of input arguments
3135    REAL(wp), INTENT ( IN ) ::  pmva   !< Fanger's classical predicted mean vote
3136    REAL(wp), INTENT ( IN ) ::  ta     !< Air temperature 2 m above ground (degC)
3137    REAL(wp), INTENT ( IN ) ::  tmrt   !< Mean radiant temperature (degC)
3138    REAL(wp), INTENT ( IN ) ::  ws     !< Relative wind velocity 1 m above ground (m/s)
3139!
3140!-- Type of output argument
3141    INTEGER(iwp), INTENT ( OUT ) ::  nerr !< Error indicator: 0 = o.k., +1 = denominator for
3142                                          !< intersection = 0
3143
3144    REAL(wp),     INTENT ( OUT ) ::  dpmv_cold_res    !< Increment to adjust pmva according to the
3145                                                      !< results of Gagge's 2 node model depending on the input
3146!
3147!-- Type of program variables
3148    INTEGER(iwp) ::  i          !< running index
3149    INTEGER(iwp) ::  i_bin      !< result row number
3150
3151    REAL(wp) ::  delta_cold(3)
3152    REAL(wp) ::  dtmrt          !< delta mean radiant temperature
3153    REAL(wp) ::  pmv_cross(2)
3154    REAL(wp) ::  reg_a(3)
3155    REAL(wp) ::  r_denominator  !< the regression equations denominator
3156    REAL(wp) ::  sqrt_ws        !< sqare root of wind speed
3157
3158!    REAL(wp) ::  coeff(3,5)  !< unsafe! array is (re-)writable!
3159!    coeff(1,1:5) =                                                             &
3160!       (/ +0.161_wp,   +0.130_wp, -1.125E-03_wp, +1.106E-03_wp, -4.570E-04_wp /)
3161!    coeff(2,1:5) =                                                             &
3162!       (/  0.795_wp,    0.713_wp, -8.880E-03_wp, -1.803E-03_wp, -2.816E-03_wp /)
3163!    coeff(3,1:5) =                                                             &
3164!       (/ +0.05761_wp, +0.458_wp, -1.829E-02_wp, -5.577E-03_wp, -1.970E-03_wp /)
3165
3166!
3167!-- Coefficient of the 3 regression lines:
3168!      1:const      2:*pmva    3:*ta          4:*sqrt_ws     5:*dtmrt
3169    REAL(wp), DIMENSION(1:3,1:5), PARAMETER ::  coeff = RESHAPE( (/                                &
3170        0.161_wp,   0.130_wp, -1.125E-03_wp,  1.106E-03_wp, -4.570E-04_wp,                         &
3171        0.795_wp,   0.713_wp, -8.880E-03_wp, -1.803E-03_wp, -2.816E-03_wp,                         &
3172        0.05761_wp, 0.458_wp, -1.829E-02_wp, -5.577E-03_wp, -1.970E-03_wp                          &
3173       /), SHAPE( coeff ), order=(/ 2, 1 /)                    )
3174!
3175!-- Initialise
3176    nerr           = 0_iwp
3177    dpmv_cold_res  = 0.0_wp
3178    dtmrt          = tmrt - ta
3179    sqrt_ws        = ws
3180    IF ( sqrt_ws < 0.1_wp )  THEN
3181       sqrt_ws = 0.1_wp
3182    ELSE
3183       sqrt_ws = SQRT( sqrt_ws )
3184    ENDIF
3185
3186    delta_cold = 0.0_wp
3187    pmv_cross = pmva
3188
3189!
3190!-- Determine regression constant for given meteorological conditions
3191    DO  i = 1, 3
3192       reg_a(i) = coeff(i,1) + coeff(i,3) * ta + coeff(i,4) * sqrt_ws + coeff(i,5)*dtmrt
3193       delta_cold(i) = reg_a(i) + coeff(i,2) * pmva
3194    ENDDO
3195!
3196!-- Intersection points of regression lines in terms of Fanger's PMV
3197    DO  i = 1, 2
3198       r_denominator = coeff(i,2) - coeff(i+1,2)
3199       IF ( ABS( r_denominator ) > 0.00001_wp )  THEN
3200          pmv_cross(i) = ( reg_a(i+1) - reg_a(i) ) / r_denominator
3201       ELSE
3202          nerr = 1_iwp
3203          RETURN
3204       ENDIF
3205    ENDDO
3206!
3207!-- Select result row number
3208    i_bin = 3
3209    DO  i = 1, 2
3210       IF ( pmva > pmv_cross(i) )  THEN
3211          i_bin = i
3212          EXIT
3213       ENDIF
3214    ENDDO
3215!
3216!-- Adjust to operative temperature scaled according to classical PMV (Fanger)
3217    dpmv_cold_res = delta_cold(i_bin) - dpmv_cold_adj(pmva)
3218
3219 END SUBROUTINE dpmv_cold
3220
3221!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
3222! Description:
3223! ------------
3224!> Calculates the summand dpmv_cold_adj adjusting to the operative temperature scaled according to
3225!> classical PMV (Fanger) for cold conditions. Valid for reference environment: v (1m) = 0.10 m/s,
3226!> dTMRT = 0 K, r.h. = 50 %
3227!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
3228 REAL(wp) FUNCTION dpmv_cold_adj( pmva )
3229
3230    IMPLICIT NONE
3231
3232    INTEGER(iwp)  ::  i       !< running index
3233    INTEGER(iwp)  ::  thr     !< thermal range
3234
3235    REAL(wp), INTENT ( IN ) ::  pmva        !< (adjusted) Predicted Mean Vote
3236
3237    REAL(wp)  ::  pmv     !< pmv-part of the regression
3238
3239!
3240!-- Provide regression coefficients for three thermal ranges:
3241!--                                                    slightly cold  cold           very cold
3242    REAL(wp), DIMENSION(1:3,0:3), PARAMETER ::  coef = RESHAPE( (/                                 &
3243                                                       0.0941540_wp, -0.1506620_wp, -0.0871439_wp, &
3244                                                       0.0783162_wp, -1.0612651_wp,  0.1695040_wp, &
3245                                                       0.1350144_wp, -1.0049144_wp, -0.0167627_wp, &
3246                                                       0.1104037_wp, -0.2005277_wp, -0.0003230_wp  &
3247                                                                 /), SHAPE(coef), order=(/ 1, 2 /) )
3248!
3249!-- Select thermal range
3250    IF ( pmva <= -2.1226_wp )  THEN     !< very cold
3251       thr = 3_iwp
3252    ELSE IF ( pmva <= -1.28_wp )  THEN  !< cold
3253       thr = 2_iwp
3254    ELSE                                !< slightly cold
3255       thr = 1_iwp
3256    ENDIF
3257!
3258!-- Initialize
3259    dpmv_cold_adj = coef(thr,0)
3260    pmv           = 1.0_wp
3261!
3262!-- Calculate pmv adjustment (dpmv_cold_adj)
3263    DO  i = 1, 3
3264       pmv           = pmv * pmva
3265       dpmv_cold_adj = dpmv_cold_adj + coef(thr,i) * pmv
3266    ENDDO
3267
3268    RETURN
3269 END FUNCTION dpmv_cold_adj
3270
3271!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
3272! Description:
3273! ------------
3274!> Based on perceived temperature (perct) as input, ireq_neutral determines the required clothing
3275!> insulation (clo) for thermally neutral conditions (neither body cooling nor body heating). It is
3276!> related to the Klima-Michel activity level (134.682 W/m2). IREQ_neutral is only defined for perct
3277!> < 10 (degC)
3278!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
3279 REAL(wp) FUNCTION ireq_neutral( perct_ij, ireq_minimal, nerr )
3280
3281    IMPLICIT NONE
3282!
3283!-- Type declaration of arguments
3284    INTEGER(iwp), INTENT ( OUT ) ::  nerr
3285
3286    REAL(wp),     INTENT ( IN )  ::  perct_ij
3287    REAL(wp),     INTENT ( OUT ) ::  ireq_minimal
3288!
3289!-- Type declaration for internal varables
3290    REAL(wp)                     ::  perct02
3291!
3292!-- Initialise
3293    nerr = 0_iwp
3294!
3295!-- Convert perceived temperature from basis 0.1 m/s to basis 0.2 m/s
3296    perct02 = 1.8788_wp + 0.9296_wp * perct_ij
3297!
3298!-- IREQ neutral conditions (thermal comfort)
3299    ireq_neutral = 1.62_wp - 0.0564_wp * perct02
3300!
3301!-- Regression only defined for perct <= 10 (degC)
3302    IF ( ireq_neutral < 0.5_wp )  THEN
3303       IF ( ireq_neutral < 0.48_wp )  THEN
3304          nerr = 1_iwp
3305       ENDIF
3306       ireq_neutral = 0.5_wp
3307    ENDIF
3308!
3309!-- Minimal required clothing insulation: maximal acceptable body cooling
3310    ireq_minimal = 1.26_wp - 0.0588_wp * perct02
3311    IF ( nerr > 0_iwp )  THEN
3312       ireq_minimal = ireq_neutral
3313    ENDIF
3314
3315    RETURN
3316 END FUNCTION ireq_neutral
3317
3318
3319!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
3320! Description:
3321! ------------
3322!> The SUBROUTINE surface area calculates the surface area of the individual according to its height
3323!> (m), weight (kg), and age (y)
3324!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
3325 SUBROUTINE surface_area( height_cm, weight, age, surf )
3326
3327    IMPLICIT NONE
3328
3329    INTEGER(iwp), INTENT(in)  ::  age
3330
3331    REAL(wp)    , INTENT(in)  ::  height_cm
3332    REAL(wp)    , INTENT(in)  ::  weight
3333
3334    REAL(wp)    , INTENT(out) ::  surf
3335
3336    REAL(wp)                  ::  height
3337
3338    height = height_cm * 100.0_wp
3339!
3340!-- According to Gehan-George, for children
3341    IF ( age < 19_iwp )  THEN
3342       IF ( age < 5_iwp )  THEN
3343          surf = 0.02667_wp * height**0.42246_wp * weight**0.51456_wp
3344          RETURN
3345       ENDIF
3346       surf = 0.03050_wp * height**0.35129_wp * weight**0.54375_wp
3347       RETURN
3348    ENDIF
3349!
3350!-- DuBois D, DuBois EF: A formula to estimate the approximate surface area if height and weight be
3351!>  known. In: Arch. Int. Med.. 17, 1916, pp. 863:871.
3352    surf = 0.007184_wp * height**0.725_wp * weight**0.425_wp
3353    RETURN
3354
3355 END SUBROUTINE surface_area
3356
3357!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
3358! Description:
3359! ------------
3360!> The SUBROUTINE persdat calculates
3361!>  - the total internal energy production = metabolic + workload,
3362!>  - the total internal energy production for a standardized surface (actlev)
3363!>  - the DuBois - area (a_surf [m2])
3364!> from
3365!>  - the persons age (years),
3366!>  - weight (kg),
3367!>  - height (m),
3368!>  - sex (1 = male, 2 = female),
3369!>  - work load (W)
3370!> for a sample human.
3371!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
3372 SUBROUTINE persdat( age, weight, height, sex, work, a_surf, actlev )
3373
3374    IMPLICIT NONE
3375
3376    INTEGER(iwp), INTENT(in) ::  sex
3377
3378
3379    REAL(wp), INTENT(in) ::  age
3380    REAL(wp), INTENT(in) ::  height
3381    REAL(wp), INTENT(in) ::  weight
3382    REAL(wp), INTENT(in) ::  work
3383
3384    REAL(wp), INTENT(out) ::  actlev
3385
3386    REAL(wp) ::  a_surf
3387    REAL(wp) ::  basic_heat_prod
3388    REAL(wp) ::  energy_prod
3389    REAL(wp) ::  factor
3390    REAL(wp) ::  s
3391
3392
3393    CALL surface_area( height, weight, INT( age ), a_surf )
3394    s = height * 100.0_wp / ( weight**( 1.0_wp / 3.0_wp ) )
3395    factor = 1.0_wp + .004_wp  * ( 30.0_wp - age )
3396    basic_heat_prod = 0.0_wp
3397    IF ( sex == 1_iwp )  THEN
3398       basic_heat_prod = 3.45_wp * weight**( 3.0_wp / 4.0_wp ) * ( factor + 0.01_wp                &
3399                         * ( s - 43.4_wp ) )
3400    ELSE IF ( sex == 2_iwp )  THEN
3401       basic_heat_prod = 3.19_wp * weight**( 3.0_wp / 4.0_wp ) * ( factor + 0.018_wp               &
3402                         * ( s - 42.1_wp ) )
3403    ENDIF
3404
3405    energy_prod = work + basic_heat_prod
3406    actlev = energy_prod / a_surf
3407
3408 END SUBROUTINE persdat
3409
3410
3411!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
3412! Description:
3413! ------------
3414!> SUBROUTINE ipt_init
3415!> initializes the instationary perceived temperature
3416!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
3417
3418 SUBROUTINE ipt_init( age, weight, height, sex, work, actlev, clo, ta, vp, ws, tmrt, pair, dt,     &
3419                      storage, t_clothing, ipt )
3420
3421    IMPLICIT NONE
3422!
3423!-- Input parameters
3424
3425    INTEGER(iwp), INTENT(in)  :: sex    !< Persons sex (1 = male, 2 = female)
3426
3427    REAL(wp), INTENT(in) ::  age        !< Persons age          (years)
3428    REAL(wp), INTENT(in) ::  dt         !< Timestep             (s)
3429    REAL(wp), INTENT(in) ::  height     !< Persons height       (m)7
3430    REAL(wp), INTENT(in) ::  pair       !< Air pressure         (hPa)
3431    REAL(wp), INTENT(in) ::  ta         !< Air Temperature      (degree_C)
3432    REAL(wp), INTENT(in) ::  tmrt       !< Mean radiant temperature   (degree_C)
3433    REAL(wp), INTENT(in) ::  vp         !< Vapor pressure       (hPa)
3434    REAL(wp), INTENT(in) ::  weight     !< Persons weight       (kg)
3435    REAL(wp), INTENT(in) ::  work       !< Current workload     (W)
3436    REAL(wp), INTENT(in) ::  ws         !< Wind speed in approx. 1.1m (m/s)
3437!
3438!-- Output parameters
3439    REAL(wp), INTENT(out) ::  actlev
3440    REAL(wp), INTENT(out) ::  clo
3441    REAL(wp), INTENT(out) ::  ipt
3442    REAL(wp), INTENT(out) ::  storage
3443    REAL(wp), INTENT(out) ::  t_clothing
3444!
3445!-- Internal variables
3446    REAL(wp), PARAMETER :: eps = 0.0005_wp
3447    REAL(wp), PARAMETER :: eta = 0.0_wp
3448
3449    INTEGER(iwp) ::  ncount
3450    INTEGER(iwp) ::  nerr_cold
3451    INTEGER(iwp) ::  nerr
3452
3453    LOGICAL ::  sultrieness
3454
3455!    REAL(wp) ::  acti
3456    REAL(wp) ::  a_surf
3457!    REAL(wp) ::  clo_fanger
3458    REAL(wp) ::  clon
3459    REAL(wp) ::  d_pmv
3460    REAL(wp) ::  d_std
3461    REAL(wp) ::  dgtcm
3462    REAL(wp) ::  dgtcstd
3463    REAL(wp) ::  ireq_minimal
3464    REAL(wp) ::  pmv_s
3465    REAL(wp) ::  pmv_w
3466    REAL(wp) ::  pmva
3467    REAL(wp) ::  pmvs
3468    REAL(wp) ::  ptc
3469    REAL(wp) ::  sclo
3470    REAL(wp) ::  sult_lim
3471    REAL(wp) ::  svp_ta
3472    REAL(wp) ::  wclo
3473
3474
3475    storage = 0.0_wp
3476    CALL persdat( age, weight, height, sex, work, a_surf, actlev )
3477!
3478!-- Initialise
3479    t_clothing = bio_fill_value
3480    ipt        = bio_fill_value
3481    nerr       = 0_wp
3482    ncount     = 0_wp
3483    sultrieness    = .FALSE.
3484!
3485!-- Tresholds: clothing insulation (account for model inaccuracies)
3486!-- Summer clothing
3487    sclo     = 0.44453_wp
3488!-- Winter clothing
3489    wclo     = 1.76267_wp
3490!
3491!-- Decision: firstly calculate for winter or summer clothing
3492    IF ( ta <= 10.0_wp )  THEN
3493!
3494!--    First guess: winter clothing insulation: cold stress
3495       clo = wclo
3496       t_clothing = bio_fill_value  ! force initial run
3497       CALL fanger_s_acti ( ta, tmrt, vp, ws, pair, clo, actlev, work, t_clothing, storage, dt,    &
3498                            pmva )
3499       pmv_w = pmva
3500
3501       IF ( pmva > 0.0_wp )  THEN
3502!
3503!--       Case summer clothing insulation: heat load ?
3504          clo = sclo
3505          t_clothing = bio_fill_value  ! force initial run
3506          CALL fanger_s_acti ( ta, tmrt, vp, ws, pair, clo, actlev, work, t_clothing, storage, dt, &
3507                               pmva )
3508          pmv_s = pmva
3509          IF ( pmva <= 0.0_wp )  THEN
3510!
3511!--          Case: comfort achievable by varying clothing insulation between winter and summer set
3512!--                values
3513             CALL iso_ridder ( ta, tmrt, vp, ws, pair, actlev, eta , sclo, pmv_s, wclo, pmv_w, eps,&
3514                               pmva, ncount, clo )
3515             IF ( ncount < 0_iwp )  THEN
3516                nerr = -1_iwp
3517                RETURN
3518             ENDIF
3519          ELSE IF ( pmva > 0.06_wp )  THEN
3520             clo = 0.5_wp
3521             t_clothing = bio_fill_value
3522             CALL fanger_s_acti ( ta, tmrt, vp, ws, pair, clo, actlev, work, t_clothing, storage,  &
3523                                  dt, pmva )
3524          ENDIF
3525       ELSE IF ( pmva < - 0.11_wp )  THEN
3526          clo = 1.75_wp
3527          t_clothing = bio_fill_value
3528          CALL fanger_s_acti ( ta, tmrt, vp, ws, pair, clo, actlev, work, t_clothing, storage, dt, &
3529                               pmva )
3530       ENDIF
3531
3532    ELSE
3533!
3534!--    First guess: summer clothing insulation: heat load
3535       clo = sclo
3536       t_clothing = bio_fill_value
3537       CALL fanger_s_acti ( ta, tmrt, vp, ws, pair, clo, actlev, work, t_clothing, storage, dt,    &
3538                            pmva )
3539       pmv_s = pmva
3540
3541       IF ( pmva < 0.0_wp )  THEN
3542!
3543!--       Case winter clothing insulation: cold stress ?
3544          clo = wclo
3545          t_clothing = bio_fill_value
3546          CALL fanger_s_acti ( ta, tmrt, vp, ws, pair, clo, actlev, work, t_clothing, storage, dt, &
3547                               pmva )
3548          pmv_w = pmva
3549
3550          IF ( pmva >= 0.0_wp )  THEN
3551!
3552!--          Case: comfort achievable by varying clothing insulation between winter and summer set
3553!--                values
3554             CALL iso_ridder ( ta, tmrt, vp, ws, pair, actlev, eta, sclo, pmv_s, wclo, pmv_w, eps, &
3555                               pmva, ncount, clo )
3556             IF ( ncount < 0_wp )  THEN
3557                nerr = -1_iwp
3558                RETURN
3559             ENDIF
3560          ELSE IF ( pmva < - 0.11_wp )  THEN
3561             clo = 1.75_wp
3562             t_clothing = bio_fill_value
3563             CALL fanger_s_acti ( ta, tmrt, vp, ws, pair, clo, actlev, work, t_clothing, storage,  &
3564                                  dt, pmva )
3565          ENDIF
3566       ELSE IF ( pmva > 0.06_wp )  THEN
3567          clo = 0.5_wp
3568          t_clothing = bio_fill_value
3569          CALL fanger_s_acti ( ta, tmrt, vp, ws, pair, clo, actlev, work, t_clothing, storage, dt, &
3570                               pmva )
3571       ENDIF
3572
3573    ENDIF
3574!
3575!-- Determine perceived temperature by regression equation + adjustments
3576    pmvs = pmva
3577    CALL perct_regression( pmva, clo, ipt )
3578    ptc = ipt
3579    IF ( clo >= 1.75_wp  .AND.  pmva <= - 0.11_wp )  THEN
3580!
3581!--    Adjust for cold conditions according to Gagge 1986
3582       CALL dpmv_cold ( pmva, ta, ws, tmrt, nerr_cold, d_pmv )
3583       IF ( nerr_cold > 0_iwp )  nerr = -5_iwp
3584       pmvs = pmva - d_pmv
3585       IF ( pmvs > - 0.11_wp )  THEN
3586          d_pmv  = 0.0_wp
3587          pmvs   = - 0.11_wp
3588       ENDIF
3589       CALL perct_regression( pmvs, clo, ipt )
3590    ENDIF
3591!     clo_fanger = clo
3592    clon = clo
3593    IF ( clo > 0.5_wp  .AND.  ipt <= 8.73_wp )  THEN
3594!
3595!--    Required clothing insulation (ireq) is exclusively defined for perceived temperatures (ipt)
3596!--    less 10 (C) for a reference wind of 0.2 m/s according to 8.73 (C) for 0.1 m/s
3597       clon = ireq_neutral ( ipt, ireq_minimal, nerr )
3598       clo = clon
3599    ENDIF
3600    CALL calc_sultr( ptc, dgtcm, dgtcstd, sult_lim )
3601    sultrieness    = .FALSE.
3602    d_std      = - 99.0_wp
3603    IF ( pmva > 0.06_wp  .AND.  clo <= 0.5_wp )  THEN
3604!
3605!--    Adjust for warm/humid conditions according to Gagge 1986
3606       CALL saturation_vapor_pressure ( ta, svp_ta )
3607       d_pmv  = deltapmv ( pmva, ta, vp, svp_ta, tmrt, ws, nerr )
3608       pmvs   = pmva + d_pmv
3609       CALL perct_regression( pmvs, clo, ipt )
3610       IF ( sult_lim < 99.0_wp )  THEN
3611          IF ( (ipt - ptc) > sult_lim )  sultrieness = .TRUE.
3612       ENDIF
3613    ENDIF
3614
3615
3616 END SUBROUTINE ipt_init
3617
3618!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
3619! Description:
3620! ------------
3621!> SUBROUTINE ipt_cycle
3622!> Calculates one timestep for the instationary version of perceived temperature (iPT, degree_C) for
3623!>  - standard measured/predicted meteorological values and TMRT as input;
3624!>  - regressions for determination of PT;
3625!>  - adjustment to Gagge's PMV* (2-node-model, 1986) as base of PT under warm/humid conditions
3626!>    (Icl= 0.50 clo) and under cold conditions (Icl= 1.75 clo)
3627!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
3628 SUBROUTINE ipt_cycle( ta, vp, ws, tmrt, pair, dt, storage, t_clothing, clo, actlev, work, ipt )
3629
3630    IMPLICIT NONE
3631!
3632!-- Type of input of the argument list
3633    REAL(wp), INTENT ( IN )  ::  actlev  !< Internal heat production    (W)
3634    REAL(wp), INTENT ( IN )  ::  clo     !< Clothing index              (no dim)
3635    REAL(wp), INTENT ( IN )  ::  dt      !< Timestep                    (s)
3636    REAL(wp), INTENT ( IN )  ::  pair    !< Air pressure                (hPa)
3637    REAL(wp), INTENT ( IN )  ::  ta      !< Air temperature             (degree_C)
3638    REAL(wp), INTENT ( IN )  ::  tmrt    !< Mean radiant temperature    (degree_C)
3639    REAL(wp), INTENT ( IN )  ::  vp      !< Vapor pressure              (hPa)
3640    REAL(wp), INTENT ( IN )  ::  work    !< Mechanical work load        (W)
3641    REAL(wp), INTENT ( IN )  ::  ws      !< Wind speed                  (m/s)
3642!
3643!-- In and output parameters
3644    REAL(wp), INTENT (INOUT) ::  storage     !< Heat storage            (W)
3645    REAL(wp), INTENT (INOUT) ::  t_clothing  !< Clothig temperature     (degree_C)
3646!
3647!-- Type of output of the argument list
3648    REAL(wp), INTENT ( OUT ) ::  ipt  !< Instationary perceived temperature (degree_C)
3649!
3650!-- Type of internal variables
3651    INTEGER(iwp) ::  nerr
3652    INTEGER(iwp) ::  nerr_cold
3653
3654    LOGICAL ::  sultrieness
3655
3656    REAL(wp) ::  d_pmv
3657    REAL(wp) ::  d_std
3658    REAL(wp) ::  dgtcm
3659    REAL(wp) ::  dgtcstd
3660    REAL(wp) ::  pmva
3661    REAL(wp) ::  pmvs
3662    REAL(wp) ::  ptc
3663    REAL(wp) ::  sult_lim
3664    REAL(wp) ::  svp_ta
3665!
3666!-- Initialise
3667    ipt = bio_fill_value
3668
3669    nerr     = 0_iwp
3670    sultrieness  = .FALSE.
3671!
3672!-- Determine pmv_adjusted for current conditions
3673    CALL fanger_s_acti ( ta, tmrt, vp, ws, pair, clo, actlev, work, t_clothing, storage, dt, pmva )
3674!
3675!-- Determine perceived temperature by regression equation + adjustments
3676    CALL perct_regression( pmva, clo, ipt )
3677!
3678!-- Consider cold conditions
3679    IF ( clo >= 1.75_wp  .AND.  pmva <= -0.11_wp )  THEN
3680!
3681!--    Adjust for cold conditions according to Gagge 1986
3682       CALL dpmv_cold ( pmva, ta, ws, tmrt, nerr_cold, d_pmv )
3683       IF ( nerr_cold > 0_iwp )  nerr = -5_iwp
3684       pmvs = pmva - d_pmv
3685       IF ( pmvs > - 0.11_wp )  THEN
3686          d_pmv  = 0.0_wp
3687          pmvs   = - 0.11_wp
3688       ENDIF
3689       CALL perct_regression( pmvs, clo, ipt )
3690    ENDIF
3691!
3692!-- Consider sultriness if appropriate
3693    ptc = ipt
3694    CALL calc_sultr( ptc, dgtcm, dgtcstd, sult_lim )
3695    sultrieness = .FALSE.
3696    d_std       = - 99.0_wp
3697    IF ( pmva > 0.06_wp  .AND.  clo <= 0.5_wp )  THEN
3698!
3699!--    Adjust for warm/humid conditions according to Gagge 1986
3700       CALL saturation_vapor_pressure ( ta, svp_ta )
3701       d_pmv = deltapmv ( pmva, ta, vp, svp_ta, tmrt, ws, nerr )
3702       pmvs  = pmva + d_pmv
3703       CALL perct_regression( pmvs, clo, ipt )
3704       IF ( sult_lim < 99.0_wp )  THEN
3705          IF ( (ipt - ptc) > sult_lim )  sultrieness = .TRUE.
3706       ENDIF
3707    ENDIF
3708
3709 END SUBROUTINE ipt_cycle
3710
3711!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
3712! Description:
3713! ------------
3714!> SUBROUTINE fanger_s calculates the actual Predicted Mean Vote (dimensionless) according to Fanger
3715!> corresponding to meteorological (ta,tmrt,pa,ws,pair) and individual variables (clo, actlev, eta)
3716!> considering a storage and clothing temperature for a given timestep.
3717!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
3718 SUBROUTINE fanger_s_acti( ta, tmrt, pa, in_ws, pair, in_clo, actlev, activity, t_cloth, s, dt,    &
3719                           pmva )
3720
3721    IMPLICIT NONE
3722!
3723!--  Input argument types
3724    REAL(wp), INTENT ( IN )  ::  activity !< Work load                (W/m²)
3725    REAL(wp), INTENT ( IN )  ::  actlev   !< Metabolic + work energy  (W/m²)
3726    REAL(wp), INTENT ( IN )  ::  dt       !< Timestep                 (s)
3727    REAL(wp), INTENT ( IN )  ::  in_clo   !< Clothing index (clo)     (no dim)
3728    REAL(wp), INTENT ( IN )  ::  in_ws    !< Wind speed               (m/s)
3729    REAL(wp), INTENT ( IN )  ::  pa       !< Vapour pressure          (hPa)
3730    REAL(wp), INTENT ( IN )  ::  pair     !< Air pressure             (hPa)
3731    REAL(wp), INTENT ( IN )  ::  ta       !< Air temperature          (degree_C)
3732    REAL(wp), INTENT ( IN )  ::  tmrt     !< Mean radiant temperature (degree_C)
3733!
3734!-- Output argument types
3735    REAL(wp), INTENT ( OUT ) ::  pmva  !< actual Predicted Mean Vote (no dim)
3736
3737    REAL(wp), INTENT (INOUT) ::  s  !< storage var. of energy balance (W/m2)
3738    REAL(wp), INTENT (INOUT) ::  t_cloth  !< clothing temperature (degree_C)
3739!
3740!-- Internal variables
3741    REAL(wp), PARAMETER  ::  time_equil = 7200.0_wp
3742
3743    INTEGER(iwp) :: i         !< running index
3744    INTEGER(iwp) ::  niter    !< Running index
3745
3746    REAL(wp) ::  adjustrate        !< Max storage adjustment rate
3747    REAL(wp) ::  adjustrate_cloth  !< max clothing temp. adjustment rate
3748    REAL(wp) ::  bc                !< preliminary result storage
3749    REAL(wp) ::  cc                !< preliminary result storage
3750    REAL(wp) ::  clo               !< clothing insulation index              (clo)
3751    REAL(wp) ::  d_s               !< Storage delta                          (W)
3752    REAL(wp) ::  dc                !< preliminary result storage
3753    REAL(wp) ::  en                !< Energy ballance                        (W)
3754    REAL(wp) ::  ec                !< preliminary result storage
3755    REAL(wp) ::  f_cl              !< Increase in surface due to clothing    (factor)
3756    REAL(wp) ::  gc                !< preliminary result storage
3757    REAL(wp) ::  heat_convection   !< energy loss by autocnvection       (W)
3758!    REAL(wp) ::  hr                !< radiational heat resistence
3759    REAL(wp) ::  t_clothing        !< clothing temperature                   (degree_C)
3760    REAL(wp) ::  t_skin_aver       !< average skin temperature               (degree_C)
3761    REAL(wp) ::  ws                !< wind speed                             (m/s)
3762    REAL(wp) ::  z1                !< Empiric factor for the adaption of the heat
3763                                   !< ballance equation to the psycho-physical scale
3764                                   !< (Equ. 40 in FANGER)
3765    REAL(wp) ::  z2                !< Water vapour diffution through the skin
3766    REAL(wp) ::  z3                !< Sweat evaporation from the skin surface
3767    REAL(wp) ::  z4                !< Loss of latent heat through respiration
3768    REAL(wp) ::  z5                !< Loss of radiational heat
3769    REAL(wp) ::  z6                !< Heat loss through forced convection
3770
3771
3772
3773
3774!
3775!-- Clo must be > 0. to avoid div. by 0!
3776    clo = in_clo
3777    IF ( clo < 001.0_wp )  clo = 0.001_wp
3778!
3779!-- Increase in surface due to clothing
3780    f_cl = 1.0_wp + 0.15_wp * clo
3781!
3782!-- Case of free convection (ws < 0.1 m/s ) not considered
3783    ws = in_ws
3784    IF ( ws < 0.1_wp )  THEN
3785       ws = 0.1_wp
3786    ENDIF
3787!
3788!-- Heat_convection = forced convection
3789    heat_convection = 12.1_wp * SQRT( ws * pair / 1013.25_wp )
3790!
3791!-- Average skin temperature
3792    t_skin_aver = 35.7_wp - 0.0275_wp * activity
3793!
3794!-- Calculation of constants for evaluation below
3795    bc = 0.155_wp * clo * 3.96_wp * 10.0_wp**( -8.0_wp ) * f_cl
3796    cc = f_cl * heat_convection
3797    ec = 0.155_wp * clo
3798    dc = ( 1.0_wp + ec * cc ) / bc
3799    gc = ( t_skin_aver + bc * ( tmrt + 273.2_wp )**4.0_wp + ec * cc * ta ) / bc
3800!
3801!-- Calculation of clothing surface temperature (t_clothing) based on Newton-approximation with air
3802!-- temperature as initial guess
3803    niter = INT( dt * 10.0_wp, KIND=iwp )
3804    IF ( niter < 1 )  niter = 1_iwp
3805    adjustrate = 1.0_wp - EXP( -1.0_wp * ( 10.0_wp / time_equil ) * dt )
3806    IF ( adjustrate >= 1.0_wp )  adjustrate = 1.0_wp
3807    adjustrate_cloth = adjustrate * 30.0_wp
3808    t_clothing = t_cloth
3809!
3810!-- Set initial values for niter, adjustrates and t_clothing if this is the first call
3811    IF ( t_cloth <= -998.0_wp )  THEN  ! If initial run
3812       niter = 3_iwp
3813       adjustrate = 1.0_wp
3814       adjustrate_cloth = 1.0_wp
3815       t_clothing = ta
3816    ENDIF
3817!
3818!-- Update clothing temperature
3819    DO  i = 1, niter
3820       t_clothing = t_clothing - adjustrate_cloth * ( ( t_clothing + 273.2_wp )**4.0_wp  +         &
3821                    t_clothing * dc - gc ) / ( 4.0_wp * ( t_clothing + 273.2_wp )**3.0_wp + dc )
3822    ENDDO
3823!
3824!-- Empiric factor for the adaption of the heat ballance equation to the psycho-physical scale
3825!-- (Equ. 40 in FANGER)
3826    z1 = ( 0.303_wp * EXP( - 0.036_wp * actlev ) + 0.0275_wp )
3827!
3828!-- Water vapour diffution through the skin
3829    z2 = 0.31_wp * ( 57.3_wp - 0.07_wp * activity-pa )
3830!
3831!-- Sweat evaporation from the skin surface
3832    z3 = 0.42_wp * ( activity - 58.0_wp )
3833!
3834!-- Loss of latent heat through respiration
3835    z4 = 0.0017_wp * actlev * ( 58.7_wp - pa ) + 0.0014_wp * actlev * ( 34.0_wp - ta )
3836!
3837!-- Loss of radiational heat
3838    z5 = 3.96e-8_wp * f_cl * ( ( t_clothing + 273.2_wp )**4 - ( tmrt + 273.2_wp )**4 )
3839!
3840!-- Heat loss through forced convection
3841    z6 = cc * ( t_clothing - ta )
3842!
3843!-- Write together as energy ballance
3844    en = activity - z2 - z3 - z4 - z5 - z6
3845!
3846!-- Manage storage
3847    d_s = adjustrate * en + ( 1.0_wp - adjustrate ) * s
3848!
3849!-- Predicted Mean Vote
3850    pmva = z1 * d_s
3851!
3852!-- Update storage
3853    s = d_s
3854    t_cloth = t_clothing
3855
3856 END SUBROUTINE fanger_s_acti
3857
3858
3859
3860!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
3861!
3862! Description:
3863! ------------
3864!> Physiologically Equivalent Temperature (PET),
3865!> stationary (calculated based on MEMI),
3866!> Subroutine based on PETBER vers. 1.5.1996 by P. Hoeppe
3867!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
3868
3869 SUBROUTINE calculate_pet_static( ta, vpa, v, tmrt, pair, pet_ij )
3870
3871    IMPLICIT NONE
3872!
3873!-- Input arguments:
3874    REAL(wp), INTENT( IN ) ::  pair  !< Air pressure                (hPa)
3875    REAL(wp), INTENT( IN ) ::  ta    !< Air temperature             (degree_C)
3876    REAL(wp), INTENT( IN ) ::  tmrt  !< Mean radiant temperature    (degree_C)
3877    REAL(wp), INTENT( IN ) ::  v     !< Wind speed                  (m/s)
3878    REAL(wp), INTENT( IN ) ::  vpa   !< Vapor pressure              (hPa)
3879!
3880!-- Output arguments:
3881    REAL(wp), INTENT ( OUT ) ::  pet_ij  !< PET                     (degree_C)
3882!
3883!-- Internal variables:
3884    REAL(wp) ::  acl        !< clothing area                        (m²)
3885    REAL(wp) ::  adu        !< Du Bois area                         (m²)
3886    REAL(wp) ::  aeff       !< effective area                       (m²)
3887    REAL(wp) ::  ere        !< energy ballance                      (W)
3888    REAL(wp) ::  erel       !< latent energy ballance               (W)
3889    REAL(wp) ::  esw        !< Energy-loss through sweat evap.      (W)
3890    REAL(wp) ::  facl       !< Surface area extension through clothing (factor)
3891    REAL(wp) ::  feff       !< Surface modification by posture      (factor)
3892    REAL(wp) ::  rdcl       !< Diffusion resistence of clothing     (factor)
3893    REAL(wp) ::  rdsk       !< Diffusion resistence of skin         (factor)
3894    REAL(wp) ::  rtv
3895    REAL(wp) ::  vpts       !< Sat. vapor pressure over skin        (hPa)
3896    REAL(wp) ::  tcl        !< Clothing temperature                 (degree_C)
3897    REAL(wp) ::  tsk        !< Skin temperature                     (degree_C)
3898    REAL(wp) ::  wetsk      !< Fraction of wet skin                 (factor)
3899!
3900!-- Variables:
3901    REAL(wp) :: int_heat    !< Internal heat        (W)
3902!
3903!-- MEMI configuration
3904    REAL(wp) :: age         !< Persons age          (a)
3905    REAL(wp) :: clo         !< Clothing insulation index (clo)
3906    REAL(wp) :: eta         !< Work efficiency      (dimensionless)
3907    REAL(wp) :: fcl         !< Surface area modification by clothing (factor)
3908    REAL(wp) :: ht          !< Persons height       (m)
3909    REAL(wp) :: mbody       !< Persons body mass    (kg)
3910    REAL(wp) :: work        !< Work load            (W)
3911!    INTEGER(iwp) :: pos     !< Posture: 1 = standing, 2 = sitting
3912!    INTEGER(iwp) :: sex     !< Sex: 1 = male, 2 = female
3913!
3914!-- Configuration, keep standard parameters!
3915    age   = 35.0_wp
3916    mbody = 75.0_wp
3917    ht    =  1.75_wp
3918    work  = 80.0_wp
3919    eta   =  0.0_wp
3920    clo   =  0.9_wp
3921    fcl   =  1.15_wp
3922!
3923!-- Call subfunctions
3924    CALL in_body( age, eta, ere, erel, ht, int_heat, mbody, pair, rtv, ta, vpa, work )
3925
3926    CALL heat_exch( acl, adu, aeff, clo, ere, erel, esw, facl, fcl, feff, ht, int_heat, mbody,     &
3927                    pair, rdcl, rdsk, ta, tcl, tmrt, tsk, v, vpa, vpts, wetsk )
3928
3929    CALL pet_iteration( acl, adu, aeff, esw, facl, feff, int_heat, pair, rdcl, rdsk, rtv, ta, tcl, &
3930                        tsk, pet_ij, vpts, wetsk )
3931
3932
3933 END SUBROUTINE calculate_pet_static
3934
3935
3936!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
3937! Description:
3938! ------------
3939!> Calculate internal energy ballance
3940!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
3941 SUBROUTINE in_body( age, eta, ere, erel, ht, int_heat, mbody, pair, rtv, ta, vpa, work )
3942!
3943!-- Input arguments:
3944    REAL(wp), INTENT( IN )  ::  age       !< Persons age              (a)
3945    REAL(wp), INTENT( IN )  ::  eta       !< Work efficiency     (dimensionless)
3946    REAL(wp), INTENT( IN )  ::  ht        !< Persons height           (m)
3947    REAL(wp), INTENT( IN )  ::  mbody     !< Persons body mass        (kg)
3948    REAL(wp), INTENT( IN )  ::  pair      !< air pressure             (hPa)
3949    REAL(wp), INTENT( IN )  ::  ta        !< air temperature          (degree_C)
3950    REAL(wp), INTENT( IN )  ::  vpa       !< vapor pressure           (hPa)
3951    REAL(wp), INTENT( IN )  ::  work      !< Work load                (W)
3952!
3953!-- Output arguments:
3954    REAL(wp), INTENT( OUT ) ::  ere       !< energy ballance          (W)
3955    REAL(wp), INTENT( OUT ) ::  erel      !< latent energy ballance   (W)
3956    REAL(wp), INTENT( OUT ) ::  int_heat  !< internal heat production (W)
3957    REAL(wp), INTENT( OUT ) ::  rtv       !< respiratory volume
3958!
3959!-- Internal variables:
3960    REAL(wp) ::  eres                     !< Sensible respiratory heat flux (W)
3961    REAL(wp) ::  met
3962    REAL(wp) ::  tex
3963    REAL(wp) ::  vpex
3964
3965!
3966!-- Metabolic heat production
3967    met = 3.45_wp * mbody**( 3.0_wp / 4.0_wp ) * (1.0_wp + 0.004_wp *                              &
3968          ( 30.0_wp - age) + 0.010_wp * ( ( ht * 100.0_wp /                                        &
3969          ( mbody**( 1.0_wp / 3.0_wp ) ) ) - 43.4_wp ) )
3970    met = work + met
3971    int_heat = met * (1.0_wp - eta)
3972!
3973!-- Sensible respiration energy
3974    tex  = 0.47_wp * ta + 21.0_wp
3975    rtv  = 1.44_wp * 10.0_wp**(-6.0_wp) * met
3976    eres = c_p * (ta - tex) * rtv
3977!
3978!-- Latent respiration energy
3979    vpex = 6.11_wp * 10.0_wp**( 7.45_wp * tex / ( 235.0_wp + tex ) )
3980    erel = 0.623_wp * l_v / pair * ( vpa - vpex ) * rtv
3981!
3982!-- Sum of the results
3983    ere = eres + erel
3984
3985 END SUBROUTINE in_body
3986
3987
3988!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
3989! Description:
3990! ------------
3991!> Calculate heat gain or loss
3992!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
3993 SUBROUTINE heat_exch( acl, adu, aeff, clo, ere, erel, esw, facl, fcl, feff, ht, int_heat, mbody,  &
3994                       pair, rdcl, rdsk, ta, tcl, tmrt, tsk, v, vpa, vpts, wetsk )
3995
3996!
3997!-- Input arguments:
3998    REAL(wp), INTENT( IN )  ::  clo    !< clothing insulation      (clo)
3999    REAL(wp), INTENT( IN )  ::  fcl    !< factor for surface area increase by clothing
4000    REAL(wp), INTENT( IN )  ::  ere    !< Energy ballance          (W)
4001    REAL(wp), INTENT( IN )  ::  erel   !< Latent energy ballance   (W)
4002    REAL(wp), INTENT( IN )  ::  ht     !< height                   (m)
4003    REAL(wp), INTENT( IN )  ::  int_heat  !< internal heat production (W)
4004    REAL(wp), INTENT( IN )  ::  mbody  !< body mass                (kg)
4005    REAL(wp), INTENT( IN )  ::  pair   !< Air pressure             (hPa)
4006    REAL(wp), INTENT( IN )  ::  ta     !< Air temperature          (degree_C)
4007    REAL(wp), INTENT( IN )  ::  tmrt   !< Mean radiant temperature (degree_C)
4008    REAL(wp), INTENT( IN )  ::  v      !< Wind speed               (m/s)
4009    REAL(wp), INTENT( IN )  ::  vpa    !< Vapor pressure           (hPa)
4010!
4011!-- Output arguments:
4012    REAL(wp), INTENT( OUT ) ::  acl    !< Clothing surface area        (m²)
4013    REAL(wp), INTENT( OUT ) ::  adu    !< Du-Bois area                 (m²)
4014    REAL(wp), INTENT( OUT ) ::  aeff   !< Effective surface area       (m²)
4015    REAL(wp), INTENT( OUT ) ::  esw    !< Energy-loss through sweat evap. (W)
4016    REAL(wp), INTENT( OUT ) ::  facl   !< Surface area extension through clothing (factor)
4017    REAL(wp), INTENT( OUT ) ::  feff   !< Surface modification by posture (factor)
4018    REAL(wp), INTENT( OUT ) ::  rdcl   !< Diffusion resistence of clothing (factor)
4019    REAL(wp), INTENT( OUT ) ::  rdsk   !< Diffusion resistence of skin (factor)
4020    REAL(wp), INTENT( OUT ) ::  tcl    !< Clothing temperature         (degree_C)
4021    REAL(wp), INTENT( OUT ) ::  tsk    !< Skin temperature             (degree_C)
4022    REAL(wp), INTENT( OUT ) ::  vpts   !< Sat. vapor pressure over skin (hPa)
4023    REAL(wp), INTENT( OUT ) ::  wetsk  !< Fraction of wet skin (dimensionless)
4024!
4025!-- Cconstants:
4026!     REAL(wp), PARAMETER :: cair = 1010.0_wp      !< replaced by c_p
4027    REAL(wp), PARAMETER :: cb   = 3640.0_wp        !<
4028    REAL(wp), PARAMETER :: emcl =    0.95_wp      !< Longwave emission coef. of cloth
4029    REAL(wp), PARAMETER :: emsk =    0.99_wp      !< Longwave emission coef. of skin
4030!    REAL(wp), PARAMETER :: evap = 2.42_wp * 10.0_wp **6.0_wp  !< replaced by l_v
4031    REAL(wp), PARAMETER :: food =    0.0_wp        !< Heat gain by food        (W)
4032    REAL(wp), PARAMETER :: po   = 1013.25_wp      !< Air pressure at sea level (hPa)
4033    REAL(wp), PARAMETER :: rob  =    1.06_wp      !<
4034!
4035!-- Internal variables
4036    INTEGER(iwp) ::  count1     !< running index
4037    INTEGER(iwp) ::  count3     !< running index
4038    INTEGER(iwp) ::  j          !< running index
4039    INTEGER(iwp) ::  i          !< running index
4040
4041    LOGICAL ::  skipincreasecount   !< iteration control flag
4042
4043    REAL(wp) ::  cbare          !< Convection through bare skin
4044    REAL(wp) ::  cclo           !< Convection through clothing
4045    REAL(wp) ::  csum           !< Convection in total
4046    REAL(wp) ::  di             !< difference between r1 and r2
4047    REAL(wp) ::  ed             !< energy transfer by diffusion     (W)
4048    REAL(wp) ::  enbal          !< energy ballance                  (W)
4049    REAL(wp) ::  enbal2         !< energy ballance (storage, last cycle)
4050    REAL(wp) ::  eswdif         !< difference between sweat production and evaporation potential
4051    REAL(wp) ::  eswphy         !< sweat created by physiology
4052    REAL(wp) ::  eswpot         !< potential sweat evaporation
4053    REAL(wp) ::  fec            !<
4054    REAL(wp) ::  hc             !<
4055    REAL(wp) ::  he             !<
4056    REAL(wp) ::  htcl           !<
4057    REAL(wp) ::  r1             !<
4058    REAL(wp) ::  r2             !<
4059    REAL(wp) ::  rbare          !< Radiational loss of bare skin    (W/m²)
4060    REAL(wp) ::  rcl            !<
4061    REAL(wp) ::  rclo           !< Radiational loss of clothing     (W/m²)
4062    REAL(wp) ::  rclo2          !< Longwave radiation gain or loss  (W/m²)
4063    REAL(wp) ::  rsum           !< Radiational loss or gain         (W/m²)
4064    REAL(wp) ::  sw             !<
4065!    REAL(wp) ::  swf            !< female factor, currently unused
4066    REAL(wp) ::  swm            !<
4067    REAL(wp) ::  tbody          !<
4068    REAL(wp) ::  vb             !<
4069    REAL(wp) ::  vb1            !<
4070    REAL(wp) ::  vb2            !<
4071    REAL(wp) ::  wd             !<
4072    REAL(wp) ::  wr             !<
4073    REAL(wp) ::  ws             !<
4074    REAL(wp) ::  wsum           !<
4075    REAL(wp) ::  xx             !< modification step                (K)
4076    REAL(wp) ::  y              !< fraction of bare skin
4077
4078    REAL(wp) ::  c(0:10)        !< Core temperature array           (degree_C)
4079    REAL(wp) ::  tcore(1:7)     !<
4080
4081!
4082!-- Initialize
4083    wetsk = 0.0_wp  !< skin is dry everywhere on init (no non-evaporated sweat)
4084!
4085!-- Set Du Bois Area for the sample person
4086    adu = 0.203_wp * mbody**0.425_wp * ht**0.725_wp
4087!
4088!-- Initialize convective heat considering local air preassure
4089    hc = 2.67_wp + ( 6.5_wp * v**0.67_wp )
4090    hc = hc * ( pair / po )**0.55_wp
4091!
4092!-- Set surface modification by posture (the person will always stand)
4093    feff = 0.725_wp                     !< Posture: 0.725 for stading
4094!
4095!-- Set surface modification by clothing
4096    facl = ( - 2.36_wp + 173.51_wp * clo - 100.76_wp * clo * clo + 19.28_wp * ( clo**3.0_wp ) )    &
4097           / 100.0_wp
4098    IF ( facl > 1.0_wp )  facl = 1.0_wp
4099!
4100!-- Initialize heat resistences
4101    rcl = ( clo / 6.45_wp ) / facl
4102    IF ( clo >= 2.0_wp )  y  = 1.0_wp
4103    IF ( ( clo > 0.6_wp )   .AND.  ( clo < 2.0_wp ) )   y = ( ht - 0.2_wp ) / ht
4104    IF ( ( clo <= 0.6_wp )  .AND.  ( clo > 0.3_wp ) )  y = 0.5_wp
4105    IF ( ( clo <= 0.3_wp )  .AND.  ( clo > 0.0_wp ) )   y = 0.1_wp
4106    r2   = adu * ( fcl - 1.0_wp + facl ) / ( 2.0_wp * 3.14_wp * ht * y )
4107    r1   = facl * adu / ( 2.0_wp * 3.14_wp * ht * y )
4108    di   = r2 - r1
4109
4110!
4111!-- Estimate skin temperatur
4112    DO  j = 1, 7
4113
4114       tsk    = 34.0_wp
4115       count1 = 0_iwp
4116       tcl    = ( ta + tmrt + tsk ) / 3.0_wp
4117       count3 = 1_iwp
4118       enbal2 = 0.0_wp
4119
4120       DO  i = 1, 100  ! allow for 100 iterations max
4121          acl   = adu * facl + adu * ( fcl - 1.0_wp )
4122          rclo2 = emcl * sigma_sb * ( ( tcl + degc_to_k )**4.0_wp -                                &
4123                  ( tmrt + degc_to_k )**4.0_wp ) * feff
4124          htcl  = 6.28_wp * ht * y * di / ( rcl * LOG( r2 / r1 ) * acl )
4125          tsk   = 1.0_wp / htcl * ( hc * ( tcl - ta ) + rclo2 ) + tcl
4126!
4127!--       Radiation saldo
4128          aeff  = adu * feff
4129          rbare = aeff * ( 1.0_wp - facl ) * emsk * sigma_sb *                                     &
4130                  ( ( tmrt + degc_to_k )**4.0_wp - ( tsk + degc_to_k )**4.0_wp )
4131          rclo  = feff * acl * emcl * sigma_sb *                                                   &
4132                  ( ( tmrt + degc_to_k )**4.0_wp - ( tcl + degc_to_k )**4.0_wp )
4133          rsum  = rbare + rclo
4134!
4135!--       Convection
4136          cbare = hc * ( ta - tsk ) * adu * ( 1.0_wp - facl )
4137          cclo  = hc * ( ta - tcl ) * acl
4138          csum  = cbare + cclo
4139!
4140!--       Core temperature
4141          c(0)  = int_heat + ere
4142          c(1)  = adu * rob * cb
4143          c(2)  = 18.0_wp - 0.5_wp * tsk
4144          c(3)  = 5.28_wp * adu * c(2)
4145          c(4)  = 0.0208_wp * c(1)
4146          c(5)  = 0.76075_wp * c(1)
4147          c(6)  = c(3) - c(5) - tsk * c(4)
4148          c(7)  = - c(0) * c(2) - tsk * c(3) + tsk * c(5)
4149          c(8)  = c(6) * c(6) - 4.0_wp * c(4) * c(7)
4150          c(9)  = 5.28_wp * adu - c(5) - c(4) * tsk
4151          c(10) = c(9) * c(9) - 4.0_wp * c(4) * ( c(5) * tsk - c(0) - 5.28_wp * adu * tsk )
4152
4153          IF ( ABS( tsk - 36.0_wp ) < 0.00001_wp )  tsk = 36.01_wp
4154          tcore(7) = c(0) / ( 5.28_wp * adu + c(1) * 6.3_wp / 3600.0_wp ) + tsk
4155          tcore(3) = c(0) / ( 5.28_wp * adu + ( c(1) * 6.3_wp / 3600.0_wp ) /   &
4156                     ( 1.0_wp + 0.5_wp * ( 34.0_wp - tsk ) ) ) + tsk
4157          IF ( c(10) >= 0.0_wp )  THEN
4158             tcore(6) = ( - c(9) - c(10)**0.5_wp ) / ( 2.0_wp * c(4) )
4159             tcore(1) = ( - c(9) + c(10)**0.5_wp ) / ( 2.0_wp * c(4) )
4160          ENDIF
4161
4162          IF ( c(8) >= 0.0_wp )  THEN
4163             tcore(2) = ( - c(6) + ABS( c(8) )**0.5_wp ) / ( 2.0_wp * c(4) )
4164             tcore(5) = ( - c(6) - ABS( c(8) )**0.5_wp ) / ( 2.0_wp * c(4) )
4165             tcore(4) = c(0) / ( 5.28_wp * adu + c(1) * 1.0_wp / 40.0_wp ) + tsk
4166          ENDIF
4167!
4168!--       Transpiration
4169          tbody = 0.1_wp * tsk + 0.9_wp * tcore(j)
4170          swm   = 304.94_wp * ( tbody - 36.6_wp ) * adu / 3600000.0_wp
4171          vpts  = 6.11_wp * 10.0_wp**( 7.45_wp * tsk / ( 235.0_wp + tsk ) )
4172
4173          IF ( tbody <= 36.6_wp )  swm = 0.0_wp  !< no need for sweating
4174
4175          sw = swm
4176          eswphy = - sw * l_v
4177          he     = 0.633_wp * hc / ( pair * c_p )
4178          fec    = 1.0_wp / ( 1.0_wp + 0.92_wp * hc * rcl )
4179          eswpot = he * ( vpa - vpts ) * adu * l_v * fec
4180          wetsk  = eswphy / eswpot
4181
4182          IF ( wetsk > 1.0_wp )  wetsk = 1.0_wp
4183!
4184!--       Sweat production > evaporation?
4185          eswdif = eswphy - eswpot
4186
4187          IF ( eswdif <= 0.0_wp )  esw = eswpot     !< Limit is evaporation
4188          IF ( eswdif > 0.0_wp )   esw = eswphy     !< Limit is sweat production
4189          IF ( esw  > 0.0_wp )     esw = 0.0_wp     !< Sweat can't be evaporated, no more cooling
4190                                                    !< effect
4191!
4192!--       Diffusion
4193          rdsk = 0.79_wp * 10.0_wp**7.0_wp
4194          rdcl = 0.0_wp
4195          ed   = l_v / ( rdsk + rdcl ) * adu * ( 1.0_wp - wetsk ) * ( vpa - vpts )
4196!
4197!--       Max vb
4198          vb1 = 34.0_wp - tsk
4199          vb2 = tcore(j) - 36.6_wp
4200
4201          IF ( vb2 < 0.0_wp )  vb2 = 0.0_wp
4202          IF ( vb1 < 0.0_wp )  vb1 = 0.0_wp
4203          vb = ( 6.3_wp + 75.0_wp * vb2 ) / ( 1.0_wp + 0.5_wp * vb1 )
4204!
4205!--       Energy ballence
4206          enbal = int_heat + ed + ere + esw + csum + rsum + food
4207!
4208!--       Clothing temperature
4209          xx = 0.001_wp
4210          IF ( count1 == 0_iwp )  xx = 1.0_wp
4211          IF ( count1 == 1_iwp )  xx = 0.1_wp
4212          IF ( count1 == 2_iwp )  xx = 0.01_wp
4213          IF ( count1 == 3_iwp )  xx = 0.001_wp
4214
4215          IF ( enbal > 0.0_wp )  tcl = tcl + xx
4216          IF ( enbal < 0.0_wp )  tcl = tcl - xx
4217
4218          skipincreasecount = .FALSE.
4219          IF ( ( (enbal <= 0.0_wp )  .AND.  (enbal2 > 0.0_wp ) )  .OR.                             &
4220             ( ( enbal >= 0.0_wp )   .AND.  ( enbal2 < 0.0_wp ) ) )  THEN
4221             skipincreasecount = .TRUE.
4222          ELSE
4223             enbal2 = enbal
4224             count3 = count3 + 1_iwp
4225          ENDIF
4226
4227          IF ( ( count3 > 200_iwp )  .OR.  skipincreasecount )  THEN
4228             IF ( count1 < 3_iwp )  THEN
4229                count1 = count1 + 1_iwp
4230                enbal2 = 0.0_wp
4231             ELSE
4232                EXIT
4233             ENDIF
4234          ENDIF
4235       ENDDO
4236
4237       IF ( count1 == 3_iwp )  THEN
4238          SELECT CASE ( j )
4239             CASE ( 2, 5)
4240                IF ( .NOT. ( ( tcore(j) >= 36.6_wp )  .AND.  ( tsk <= 34.050_wp ) ) )  CYCLE
4241             CASE ( 6, 1 )
4242                IF ( c(10) < 0.0_wp ) CYCLE
4243                IF ( .NOT. ( ( tcore(j) >= 36.6_wp )  .AND.  ( tsk > 33.850_wp ) ) )  CYCLE
4244             CASE ( 3 )
4245                IF ( .NOT. ( ( tcore(j) < 36.6_wp )  .AND.  ( tsk <= 34.000_wp ) ) )  CYCLE
4246             CASE ( 7 )
4247                IF ( .NOT. ( ( tcore(j) < 36.6_wp )  .AND.  ( tsk > 34.000_wp ) ) )  CYCLE
4248             CASE default
4249          END SELECT
4250       ENDIF
4251
4252       IF ( ( j /= 4_iwp )  .AND.  ( vb >= 91.0_wp ) )  CYCLE
4253       IF ( ( j == 4_iwp )  .AND.  ( vb < 89.0_wp ) )  CYCLE
4254       IF ( vb > 90.0_wp ) vb = 90.0_wp
4255!
4256!--    Loses by water
4257       ws = sw * 3600.0_wp * 1000.0_wp
4258       IF ( ws > 2000.0_wp )  ws = 2000.0_wp
4259       wd = ed / l_v * 3600.0_wp * ( -1000.0_wp )
4260       wr = erel / l_v * 3600.0_wp * ( -1000.0_wp )
4261
4262       wsum = ws + wr + wd
4263
4264       RETURN
4265    ENDDO
4266 END SUBROUTINE heat_exch
4267
4268!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
4269! Description:
4270! ------------
4271!> Calculate PET
4272!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
4273 SUBROUTINE pet_iteration( acl, adu, aeff, esw, facl, feff, int_heat, pair, rdcl, rdsk, rtv, ta,   &
4274                           tcl, tsk, pet_ij, vpts, wetsk )
4275!
4276!-- Input arguments:
4277    REAL(wp), INTENT( IN ) ::  acl       !< clothing surface area        (m²)
4278    REAL(wp), INTENT( IN ) ::  adu       !< Du-Bois area                 (m²)
4279    REAL(wp), INTENT( IN ) ::  esw       !< energy-loss through sweat evap. (W)
4280    REAL(wp), INTENT( IN ) ::  facl      !< surface area extension through clothing (factor)
4281    REAL(wp), INTENT( IN ) ::  feff      !< surface modification by posture (factor)
4282    REAL(wp), INTENT( IN ) ::  int_heat  !< internal heat production (W)
4283    REAL(wp), INTENT( IN ) ::  pair      !< air pressure                 (hPa)
4284    REAL(wp), INTENT( IN ) ::  rdcl      !< diffusion resistence of clothing (factor)
4285    REAL(wp), INTENT( IN ) ::  rdsk      !< diffusion resistence of skin (factor)
4286    REAL(wp), INTENT( IN ) ::  rtv       !< respiratory volume
4287    REAL(wp), INTENT( IN ) ::  ta        !< air temperature              (degree_C)
4288    REAL(wp), INTENT( IN ) ::  tcl       !< clothing temperature         (degree_C)
4289    REAL(wp), INTENT( IN ) ::  tsk       !< skin temperature             (degree_C)
4290    REAL(wp), INTENT( IN ) ::  vpts      !< sat. vapor pressure over skin (hPa)
4291    REAL(wp), INTENT( IN ) ::  wetsk     !< fraction of wet skin (dimensionless)
4292!
4293!-- Output arguments:
4294    REAL(wp), INTENT( OUT ) ::  aeff     !< effective surface area       (m²)
4295    REAL(wp), INTENT( OUT ) ::  pet_ij   !< PET                          (degree_C)
4296!
4297!-- Cconstants:
4298    REAL(wp), PARAMETER :: emcl =    0.95_wp      !< Longwave emission coef. of cloth
4299    REAL(wp), PARAMETER :: emsk =    0.99_wp      !< Longwave emission coef. of skin
4300    REAL(wp), PARAMETER :: po   = 1013.25_wp      !< Air pressure at sea level (hPa)
4301!
4302!-- Internal variables
4303    INTEGER ( iwp ) ::  count1        !< running index
4304    INTEGER ( iwp ) ::  i             !< running index
4305
4306    REAL ( wp ) ::  cbare             !< Convection through bare skin
4307    REAL ( wp ) ::  cclo              !< Convection through clothing
4308    REAL ( wp ) ::  csum              !< Convection in total
4309    REAL ( wp ) ::  ed                !< Diffusion                      (W)
4310    REAL ( wp ) ::  enbal             !< Energy ballance                (W)
4311    REAL ( wp ) ::  enbal2            !< Energy ballance (last iteration cycle)
4312    REAL ( wp ) ::  ere               !< Energy ballance result         (W)
4313    REAL ( wp ) ::  erel              !< Latent energy ballance         (W)
4314    REAL ( wp ) ::  eres              !< Sensible respiratory heat flux (W)
4315    REAL ( wp ) ::  hc                !<
4316    REAL ( wp ) ::  rbare             !< Radiational loss of bare skin  (W/m²)
4317    REAL ( wp ) ::  rclo              !< Radiational loss of clothing   (W/m²)
4318    REAL ( wp ) ::  rsum              !< Radiational loss or gain       (W/m²)
4319    REAL ( wp ) ::  tex               !< Temperat. of exhaled air       (degree_C)
4320    REAL ( wp ) ::  vpex              !< Vapor pressure of exhaled air  (hPa)
4321    REAL ( wp ) ::  xx                !< Delta PET per iteration        (K)
4322
4323
4324    pet_ij = ta
4325    enbal2 = 0.0_wp
4326
4327    DO  count1 = 0, 3
4328       DO  i = 1, 125  ! 500 / 4
4329          hc = 2.67_wp + 6.5_wp * 0.1_wp**0.67_wp
4330          hc = hc * ( pair / po )**0.55_wp
4331!
4332!--       Radiation
4333          aeff  = adu * feff
4334          rbare = aeff * ( 1.0_wp - facl ) * emsk * sigma_sb *                  &
4335                  ( ( pet_ij + degc_to_k )**4.0_wp - ( tsk + degc_to_k )**4.0_wp )
4336          rclo  = feff * acl * emcl * sigma_sb *                               &
4337                  ( ( pet_ij + degc_to_k )**4.0_wp - ( tcl + degc_to_k )**4.0_wp )
4338          rsum  = rbare + rclo
4339!
4340!--       Covection
4341          cbare = hc * ( pet_ij - tsk ) * adu * ( 1.0_wp - facl )
4342          cclo  = hc * ( pet_ij - tcl ) * acl
4343          csum  = cbare + cclo
4344!
4345!--       Diffusion
4346          ed = l_v / ( rdsk + rdcl ) * adu * ( 1.0_wp - wetsk ) * ( 12.0_wp - vpts )
4347!
4348!--       Respiration
4349          tex  = 0.47_wp * pet_ij + 21.0_wp
4350          eres = c_p * ( pet_ij - tex ) * rtv
4351          vpex = 6.11_wp * 10.0_wp**( 7.45_wp * tex / ( 235.0_wp + tex ) )
4352          erel = 0.623_wp * l_v / pair * ( 12.0_wp - vpex ) * rtv
4353          ere  = eres + erel
4354!
4355!--       Energy ballance
4356          enbal = int_heat + ed + ere + esw + csum + rsum
4357!
4358!--       Iteration concerning ta
4359          xx = 0.001_wp
4360          IF ( count1 == 0_iwp )  xx = 1.0_wp
4361          IF ( count1 == 1_iwp )  xx = 0.1_wp
4362          IF ( count1 == 2_iwp )  xx = 0.01_wp
4363!           IF ( count1 == 3_iwp )  xx = 0.001_wp
4364          IF ( enbal > 0.0_wp )  pet_ij = pet_ij - xx
4365          IF ( enbal < 0.0_wp )  pet_ij = pet_ij + xx
4366          IF ( ( enbal <= 0.0_wp )  .AND.  ( enbal2 > 0.0_wp ) )  EXIT
4367          IF ( ( enbal >= 0.0_wp )  .AND.  ( enbal2 < 0.0_wp ) )  EXIT
4368
4369          enbal2 = enbal
4370       ENDDO
4371    ENDDO
4372 END SUBROUTINE pet_iteration
4373
4374!
4375!-- UVEM specific subroutines
4376
4377!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
4378! Description:
4379! ------------
4380!> Module-specific routine for new module
4381!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
4382 SUBROUTINE uvem_solar_position
4383
4384    USE control_parameters,                                                                        &
4385       ONLY:  latitude, longitude, time_since_reference_point
4386
4387    IMPLICIT NONE
4388
4389    INTEGER(iwp) ::  day_of_year = 0       !< day of year
4390
4391    REAL(wp) ::  alpha         = 0.0_wp    !< solar azimuth angle in radiant
4392    REAL(wp) ::  declination   = 0.0_wp    !< declination
4393    REAL(wp) ::  dtor          = 0.0_wp    !< factor to convert degree to radiant
4394    REAL(wp) ::  js            = 0.0_wp    !< parameter for solar position calculation
4395    REAL(wp) ::  lat           = 52.39_wp  !< latitude
4396    REAL(wp) ::  lon           = 9.7_wp    !< longitude
4397    REAL(wp) ::  second_of_day = 0.0_wp    !< current second of the day
4398    REAL(wp) ::  thetar        = 0.0_wp    !< angle for solar zenith angle calculation
4399    REAL(wp) ::  thetasr       = 0.0_wp    !< angle for solar azimuth angle calculation
4400    REAL(wp) ::  zgl           = 0.0_wp    !< calculated exposure by direct beam
4401    REAL(wp) ::  woz           = 0.0_wp    !< calculated exposure by diffuse radiation
4402    REAL(wp) ::  wsp           = 0.0_wp    !< calculated exposure by direct beam
4403
4404
4405    CALL get_date_time( time_since_reference_point, day_of_year = day_of_year,                     &
4406                        second_of_day = second_of_day )
4407    dtor = pi / 180.0_wp
4408    lat = latitude
4409    lon = longitude
4410!
4411!-- Calculation of js, necessary for calculation of equation of time (zgl) :
4412    js=  72.0_wp * ( REAL( day_of_year, KIND = wp ) + ( second_of_day / 86400.0_wp ) ) / 73.0_wp
4413!
4414!-- Calculation of equation of time (zgl):
4415    zgl = 0.0066_wp + 7.3525_wp * COS( ( js + 85.9_wp ) * dtor ) + 9.9359_wp *                     &
4416    COS( ( 2.0_wp * js + 108.9_wp ) * dtor ) + 0.3387_wp * COS( ( 3 * js + 105.2_wp ) * dtor )
4417!
4418!-- Calculation of apparent solar time woz:
4419    woz = ( ( second_of_day / 3600.0_wp ) - ( 4.0_wp * ( 15.0_wp - lon ) ) / 60.0_wp ) +           &
4420          ( zgl / 60.0_wp )
4421!
4422!-- Calculation of hour angle (wsp):
4423    wsp = ( woz - 12.0_wp ) * 15.0_wp
4424!
4425!-- Calculation of declination:
4426    declination = 0.3948_wp - 23.2559_wp * COS( ( js + 9.1_wp ) * dtor ) -                         &
4427                  0.3915_wp * COS( ( 2.0_wp * js + 5.4_wp ) * dtor ) - 0.1764_wp *                 &
4428                  COS( ( 3.0_wp * js + 26.0_wp ) * dtor )
4429!
4430!-- Calculation of solar zenith angle
4431    thetar  = ACOS( SIN( lat * dtor) * SIN( declination * dtor ) + COS( wsp * dtor ) *             &
4432              COS( lat * dtor ) * COS( declination * dtor ) )
4433    thetasr = ASIN( SIN( lat * dtor) * SIN( declination * dtor ) + COS( wsp * dtor ) *             &
4434              COS( lat * dtor ) * COS( declination * dtor ) )
4435    sza = thetar / dtor
4436!
4437!-- calculation of solar azimuth angle
4438    IF (woz <= 12.0_wp) alpha = pi - ACOS( ( SIN(thetasr) * SIN( lat * dtor ) -                    &
4439                                SIN( declination * dtor ) ) / ( COS(thetasr) * COS( lat * dtor ) ) )
4440    IF (woz > 12.0_wp)  alpha = pi + ACOS( ( SIN(thetasr) * SIN( lat * dtor ) -                    &
4441                                SIN( declination * dtor ) ) / ( COS(thetasr) * COS( lat * dtor ) ) )
4442    saa = alpha / dtor
4443
4444 END SUBROUTINE uvem_solar_position
4445
4446
4447!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
4448! Description:
4449! ------------
4450!> Module-specific routine for new module
4451!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
4452 SUBROUTINE bio_calculate_uv_exposure
4453
4454    USE indices,                                                                                   &
4455        ONLY:  nxl, nxr, nyn, nys
4456
4457
4458    IMPLICIT NONE
4459
4460    INTEGER(iwp) ::  i     !< loop index in x direction
4461    INTEGER(iwp) ::  j     !< loop index in y direction
4462    INTEGER(iwp) ::  szai  !< loop index for different sza values
4463
4464    CALL uvem_solar_position
4465
4466    IF (sza  >=  90)  THEN
4467       vitd3_exposure(:,:) = 0.0_wp
4468    ELSE
4469
4470       DO  ai = 0, 35
4471          DO  zi = 0, 9
4472             projection_area_lookup_table(ai,zi) = uvem_projarea_f%var(clothing,zi,ai)
4473          ENDDO
4474       ENDDO
4475       DO  ai = 0, 35
4476          DO  zi = 0, 9
4477             integration_array(ai,zi) = uvem_integration_f%var(zi,ai)
4478          ENDDO
4479       ENDDO
4480       DO  ai = 0, 2
4481          DO  zi = 0, 90
4482             irradiance_lookup_table(ai,zi) = uvem_irradiance_f%var(zi,ai)
4483          ENDDO
4484       ENDDO
4485       DO  ai = 0, 35
4486          DO  zi = 0, 9
4487             DO  szai = 0, 90
4488                radiance_lookup_table(ai,zi,szai) = uvem_radiance_f%var(szai,zi,ai)
4489             ENDDO
4490          ENDDO
4491       ENDDO
4492
4493
4494!--    Rotate 3D-Model human to desired direction
4495       projection_area_temp( 0:35,:) = projection_area_lookup_table
4496       projection_area_temp(36:71,:) = projection_area_lookup_table
4497       IF (  .NOT.  turn_to_sun ) startpos_human = orientation_angle / 10.0_wp
4498       IF (       turn_to_sun ) startpos_human = saa / 10.0_wp
4499       DO  ai = 0, 35
4500          xfactor = ( startpos_human ) - INT( startpos_human )
4501          DO  zi = 0, 9
4502             projection_area(ai,zi) = ( projection_area_temp( 36 -                                 &
4503                                                               INT( startpos_human ) - 1 + ai , zi)&
4504                                        * ( xfactor ) )                                            &
4505                                      + ( projection_area_temp( 36 -                               &
4506                                                                INT( startpos_human ) + ai , zi)   &
4507                                        * ( 1.0_wp - xfactor ) )
4508          ENDDO
4509       ENDDO
4510!
4511!
4512!--    Interpolate to accurate Solar Zenith Angle
4513       DO  ai = 0, 35
4514          xfactor = ( sza )-INT( sza )
4515          DO  zi = 0, 9
4516             radiance_array(ai,zi) = ( radiance_lookup_table(ai, zi, INT( sza ) ) *                &
4517                                     ( 1.0_wp - xfactor) ) +                                       &
4518                                     ( radiance_lookup_table(ai,zi,INT( sza ) + 1) * xfactor )
4519          ENDDO
4520       ENDDO
4521       DO  iq = 0, 2
4522          irradiance(iq) = ( irradiance_lookup_table(iq, INT( sza ) ) * ( 1.0_wp - xfactor)) +     &
4523                           ( irradiance_lookup_table(iq, INT( sza ) + 1) * xfactor )
4524       ENDDO
4525!
4526!--    Interpolate to accurate Solar Azimuth Angle
4527       IF ( sun_in_south )  THEN
4528          startpos_saa_float = 180.0_wp / 10.0_wp
4529       ELSE
4530          startpos_saa_float = saa / 10.0_wp
4531       ENDIF
4532       radiance_array_temp( 0:35,:) = radiance_array
4533       radiance_array_temp(36:71,:) = radiance_array
4534       xfactor = (startpos_saa_float) - INT( startpos_saa_float )
4535       DO  ai = 0, 35
4536          DO  zi = 0, 9
4537             radiance_array(ai,zi) = ( radiance_array_temp(36 -                                    &
4538                                                           INT( startpos_saa_float ) - 1 + ai, zi) &
4539                                       * ( xfactor ) )                                             &
4540                                     + ( radiance_array_temp(36 -                                  &
4541                                                             INT( startpos_saa_float ) + ai, zi)   &
4542                                       * ( 1.0_wp - xfactor ) )
4543          ENDDO
4544       ENDDO
4545
4546!
4547!--    Calculate Projectionarea for direct beam
4548       projection_area_direct_temp( 0:35,:) = projection_area
4549       projection_area_direct_temp(36:71,:) = projection_area
4550       yfactor = ( sza / 10.0_wp ) - INT( sza / 10.0_wp )
4551       xfactor = ( startpos_saa_float ) - INT( startpos_saa_float )
4552       projection_area_direct_beam = ( projection_area_direct_temp( INT(startpos_saa_float)    ,INT(sza/10.0_wp)  ) * &
4553                                     ( 1.0_wp - xfactor ) * ( 1.0_wp - yfactor ) ) +                                  &
4554                                     ( projection_area_direct_temp( INT(startpos_saa_float) + 1,INT(sza/10.0_wp)  ) * &
4555                                     (          xfactor ) * ( 1.0_wp - yfactor ) ) +                                  &
4556                                     ( projection_area_direct_temp( INT(startpos_saa_float)    ,INT(sza/10.0_wp)+1) * &
4557                                     ( 1.0_wp - xfactor ) * (          yfactor ) ) +                                  &
4558                                     ( projection_area_direct_temp( INT(startpos_saa_float) + 1,INT(sza/10.0_wp)+1) * &
4559                                     (          xfactor ) * (          yfactor ) )
4560
4561
4562       DO  i = nxl, nxr
4563          DO  j = nys, nyn
4564!
4565!--          Extract obstruction from IBSET-Integer_Array
4566             IF (consider_obstructions )  THEN
4567                obstruction_temp1 = building_obstruction_f%var_3d(:,j,i)
4568                IF ( obstruction_temp1(0)  /=  9 )  THEN
4569                   DO  pobi = 0, 44
4570                      DO  bi = 0, 7
4571                         IF ( BTEST( obstruction_temp1(pobi), bi )  .EQV.  .TRUE.)  THEN
4572                            obstruction_temp2( ( pobi * 8 ) + bi ) = 1
4573                         ELSE
4574                            obstruction_temp2( ( pobi * 8 ) + bi ) = 0
4575                         ENDIF
4576                      ENDDO
4577                   ENDDO
4578                   DO  zi = 0, 9
4579                      obstruction(:,zi) = obstruction_temp2( zi * 36 :( zi * 36) + 35 )
4580                   ENDDO
4581                ELSE
4582                   obstruction(:,:) = 0
4583                ENDIF
4584             ENDIF
4585!
4586!--          Calculated human exposure
4587             diffuse_exposure = SUM( radiance_array * projection_area * integration_array *        &
4588                                     obstruction )
4589
4590             obstruction_direct_beam = obstruction( NINT( startpos_saa_float),                     &
4591                                                    NINT( sza / 10.0_wp ) )
4592             IF (sza  >=  89.99_wp)  THEN
4593                sza = 89.99999_wp
4594             ENDIF
4595!
4596!--          Calculate direct normal irradiance (direct beam)
4597             direct_exposure = ( irradiance(1) / COS( pi * sza / 180.0_wp ) ) *                    &
4598                               projection_area_direct_beam * obstruction_direct_beam
4599
4600             vitd3_exposure(j,i) = ( diffuse_exposure + direct_exposure ) / 1000.0_wp * 70.97_wp
4601!            unit = international units vitamin D per second
4602          ENDDO
4603       ENDDO
4604    ENDIF
4605
4606 END SUBROUTINE bio_calculate_uv_exposure
4607
4608 END MODULE biometeorology_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.