source: palm/trunk/SOURCE/ocean_mod.f90 @ 4731

Last change on this file since 4731 was 4731, checked in by schwenkel, 4 years ago

Move exchange_horiz from time_integration to modules

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 94.8 KB
Line 
1!> @file ocean_mod.f90
2!------------------------------------------------------------------------------!
3! This file is part of the PALM model system.
4!
5! PALM is free software: you can redistribute it and/or modify it under the
6! terms of the GNU General Public License as published by the Free Software
7! Foundation, either version 3 of the License, or (at your option) any later
8! version.
9!
10! PALM is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY
11! WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR
12! A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License for more details.
13!
14! You should have received a copy of the GNU General Public License along with
15! PALM. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
16!
17! Copyright 2017-2020 Leibniz Universitaet Hannover
18!--------------------------------------------------------------------------------!
19!
20! Current revisions:
21! -----------------
22!
23!
24! Former revisions:
25! -----------------
26! $Id: ocean_mod.f90 4731 2020-10-07 13:25:11Z schwenkel $
27! Move exchange_horiz from time_integration to modules
28!
29! 4671 2020-09-09 20:27:58Z pavelkrc
30! Implementation of downward facing USM and LSM surfaces
31!
32! 4535 2020-05-15 12:07:23Z raasch
33! bugfix for restart data format query
34!
35! 4517 2020-05-03 14:29:30Z raasch
36! added restart with MPI-IO for reading local arrays
37!
38! 4495 2020-04-13 20:11:20Z raasch
39! restart data handling with MPI-IO added
40!
41! 4481 2020-03-31 18:55:54Z maronga
42! vector directives added to force vectorization on Intel19 compiler
43!
44! 4346 2019-12-18 11:55:56Z motisi
45! Introduction of wall_flags_total_0, which currently sets bits based on static
46! topography information used in wall_flags_static_0
47!
48! 4329 2019-12-10 15:46:36Z motisi
49! Renamed wall_flags_0 to wall_flags_static_0
50!
51! 4272 2019-10-23 15:18:57Z schwenkel
52! Further modularization of boundary conditions: moved boundary conditions to
53! respective modules
54!
55! 4196 2019-08-29 11:02:06Z gronemeier
56! Consider rotation of model domain for calculating the Stokes drift
57!
58! 4182 2019-08-22 15:20:23Z scharf
59! Corrected "Former revisions" section
60!
61! 4110 2019-07-22 17:05:21Z suehring
62! Pass integer flag array as well as boundary flags to WS scalar advection
63! routine
64!
65! 4109 2019-07-22 17:00:34Z suehring
66! implemented ocean_actions
67!
68! 3767 2019-02-27 08:18:02Z raasch
69! unused variable for file index and tmp_2d removed from rrd-subroutine parameter
70! list
71!
72! 3719 2019-02-06 13:10:18Z kanani
73! Changed log_point to log_point_s, otherwise this overlaps with
74! 'all progn.equations' cpu measurement.
75!
76! 3684 2019-01-20 20:20:58Z knoop
77! nopointer option removed
78! 3294 2018-10-01 02:37:10Z raasch
79! initial revision
80!
81!
82! Authors:
83! --------
84! @author Siegfried Raasch
85!
86! Description:
87! ------------
88!> This module contains relevant code for PALM's ocean mode, e.g. the
89!> prognostic equation for salinity, the equation of state for seawater,
90!> the Craik Leibovich force (Stokes force), and wave breaking effects
91!------------------------------------------------------------------------------!
92 MODULE ocean_mod
93 
94
95    USE arrays_3d,                                                             &
96        ONLY:  prho, prho_1, rho_ocean, rho_1, sa, sa_init, sa_1, sa_2, sa_3,  &
97               sa_p, tsa_m, flux_l_sa, flux_s_sa, diss_l_sa, diss_s_sa
98
99    USE control_parameters,                                                    &
100        ONLY:  atmos_ocean_sign, bottom_salinityflux,                          &
101               constant_top_salinityflux, restart_data_format_output, ocean_mode, top_salinityflux,&
102               wall_salinityflux, loop_optimization, ws_scheme_sca
103
104    USE kinds
105
106    USE pegrid,                                                                &
107        ONLY:  threads_per_task
108
109    USE statistics,                                                            &
110        ONLY:  sums_wssas_ws_l
111
112    USE indices,                                                               &
113        ONLY:  advc_flags_s, nxl, nxr, nyn, nys, nzb, nzt, wall_flags_total_0, nbgp
114
115    USE restart_data_mpi_io_mod,                                                                   &
116        ONLY:  rd_mpi_io_check_array, rrd_mpi_io, rrd_mpi_io_global_array, wrd_mpi_io,             &
117               wrd_mpi_io_global_array
118
119    USE surface_mod,                                                           &
120        ONLY:  bc_h, surf_def_v, surf_def_h, surf_lsm_h, surf_lsm_v,           &
121               surf_usm_h, surf_usm_v
122
123       USE exchange_horiz_mod,                                                                     &
124           ONLY:  exchange_horiz
125
126
127    IMPLICIT NONE
128
129    CHARACTER (LEN=20) ::  bc_sa_t = 'neumann'  !< namelist parameter
130
131    INTEGER(iwp) ::  ibc_sa_t   !< integer flag for bc_sa_t
132    INTEGER(iwp) ::  iran_ocean = -1234567  !< random number used for wave breaking effects
133
134    INTEGER(iwp) ::  sa_vertical_gradient_level_ind(10) = -9999  !< grid index values of sa_vertical_gradient_level(s)
135
136    LOGICAL ::  salinity = .TRUE.             !< switch for using salinity
137    LOGICAL ::  stokes_force = .FALSE.        !< switch to switch on the Stokes force
138    LOGICAL ::  wave_breaking = .FALSE.       !< switch to switch on wave breaking effects
139    LOGICAL ::  surface_cooling_switched_off = .FALSE.  !< variable to check if surface heat flux has been switched off
140
141    REAL(wp) ::  alpha_wave_breaking = 3.0_wp !< coefficient for wave breaking generated turbulence from Noh et al. (2004), JPO
142    REAL(wp) ::  prho_reference               !< reference state of potential density at ocean surface
143    REAL(wp) ::  sa_surface = 35.0_wp         !< surface salinity, namelist parameter
144    REAL(wp) ::  sa_vertical_gradient(10) = 0.0_wp               !< namelist parameter
145    REAL(wp) ::  sa_vertical_gradient_level(10) = -999999.9_wp   !< namelist parameter
146    REAL(wp) ::  stokes_waveheight = 0.0_wp  !< wave height assumed for Stokes drift velocity
147    REAL(wp) ::  stokes_wavelength = 0.0_wp  !< wavelength assumed for Stokes drift velocity
148    REAL(wp) ::  surface_cooling_spinup_time = 999999.9_wp  !< time after which surface heat flux is switched off
149    REAL(wp) ::  timescale_wave_breaking     !< time scale of random forcing
150    REAL(wp) ::  u_star_wave_breaking        !< to store the absolute value of friction velocity at the ocean surface
151
152    REAL(wp), DIMENSION(12), PARAMETER ::  nom =                               &
153                          (/ 9.9984085444849347D2,   7.3471625860981584D0,     &
154                            -5.3211231792841769D-2,  3.6492439109814549D-4,    &
155                             2.5880571023991390D0,  -6.7168282786692354D-3,    &
156                             1.9203202055760151D-3,  1.1798263740430364D-2,    &
157                             9.8920219266399117D-8,  4.6996642771754730D-6,    &
158                            -2.5862187075154352D-8, -3.2921414007960662D-12 /)
159                          !< constants used in equation of state for seawater
160
161    REAL(wp), DIMENSION(13), PARAMETER ::  den =                               &
162                          (/ 1.0D0,                  7.2815210113327091D-3,    &
163                            -4.4787265461983921D-5,  3.3851002965802430D-7,    &
164                             1.3651202389758572D-10, 1.7632126669040377D-3,    &
165                            -8.8066583251206474D-6, -1.8832689434804897D-10,   &
166                             5.7463776745432097D-6,  1.4716275472242334D-9,    &
167                             6.7103246285651894D-6, -2.4461698007024582D-17,   &
168                            -9.1534417604289062D-18 /)
169                          !< constants used in equation of state for seawater
170
171    SAVE
172
173    PUBLIC ::  bc_sa_t, ibc_sa_t, prho_reference, sa_surface,                  &
174               sa_vertical_gradient, sa_vertical_gradient_level,               &
175               sa_vertical_gradient_level_ind, stokes_force, wave_breaking
176
177
178    INTERFACE eqn_state_seawater
179       MODULE PROCEDURE eqn_state_seawater
180       MODULE PROCEDURE eqn_state_seawater_ij
181    END INTERFACE eqn_state_seawater
182
183    INTERFACE eqn_state_seawater_func
184       MODULE PROCEDURE eqn_state_seawater_func
185    END INTERFACE eqn_state_seawater_func
186
187    INTERFACE ocean_check_parameters
188       MODULE PROCEDURE ocean_check_parameters
189    END INTERFACE ocean_check_parameters
190
191    INTERFACE ocean_check_data_output
192       MODULE PROCEDURE ocean_check_data_output
193    END INTERFACE ocean_check_data_output
194
195    INTERFACE ocean_check_data_output_pr
196       MODULE PROCEDURE ocean_check_data_output_pr
197    END INTERFACE ocean_check_data_output_pr
198
199    INTERFACE ocean_define_netcdf_grid
200       MODULE PROCEDURE ocean_define_netcdf_grid
201    END INTERFACE ocean_define_netcdf_grid
202
203    INTERFACE ocean_data_output_2d
204       MODULE PROCEDURE ocean_data_output_2d
205    END INTERFACE ocean_data_output_2d
206
207    INTERFACE ocean_data_output_3d
208       MODULE PROCEDURE ocean_data_output_3d
209    END INTERFACE ocean_data_output_3d
210
211    INTERFACE ocean_exchange_horiz
212       MODULE PROCEDURE ocean_exchange_horiz
213    END INTERFACE ocean_exchange_horiz
214
215    INTERFACE ocean_header
216       MODULE PROCEDURE ocean_header
217    END INTERFACE ocean_header
218
219    INTERFACE ocean_init
220       MODULE PROCEDURE ocean_init
221    END INTERFACE ocean_init
222
223    INTERFACE ocean_init_arrays
224       MODULE PROCEDURE ocean_init_arrays
225    END INTERFACE ocean_init_arrays
226
227    INTERFACE ocean_parin
228       MODULE PROCEDURE ocean_parin
229    END INTERFACE ocean_parin
230
231    INTERFACE ocean_actions
232       MODULE PROCEDURE ocean_actions
233       MODULE PROCEDURE ocean_actions_ij
234    END INTERFACE ocean_actions
235
236    INTERFACE ocean_prognostic_equations
237       MODULE PROCEDURE ocean_prognostic_equations
238       MODULE PROCEDURE ocean_prognostic_equations_ij
239    END INTERFACE ocean_prognostic_equations
240
241    INTERFACE ocean_boundary_conditions
242       MODULE PROCEDURE ocean_boundary_conditions
243    END INTERFACE ocean_boundary_conditions
244
245    INTERFACE ocean_swap_timelevel
246       MODULE PROCEDURE ocean_swap_timelevel
247    END INTERFACE ocean_swap_timelevel
248
249    INTERFACE ocean_rrd_global
250       MODULE PROCEDURE ocean_rrd_global_ftn
251       MODULE PROCEDURE ocean_rrd_global_mpi
252    END INTERFACE ocean_rrd_global
253
254    INTERFACE ocean_rrd_local
255       MODULE PROCEDURE ocean_rrd_local_ftn
256       MODULE PROCEDURE ocean_rrd_local_mpi
257    END INTERFACE ocean_rrd_local
258
259    INTERFACE ocean_wrd_global
260       MODULE PROCEDURE ocean_wrd_global
261    END INTERFACE ocean_wrd_global
262
263    INTERFACE ocean_wrd_local
264       MODULE PROCEDURE ocean_wrd_local
265    END INTERFACE ocean_wrd_local
266
267    INTERFACE ocean_3d_data_averaging
268       MODULE PROCEDURE ocean_3d_data_averaging
269    END INTERFACE ocean_3d_data_averaging
270
271    INTERFACE stokes_drift_terms
272       MODULE PROCEDURE stokes_drift_terms
273       MODULE PROCEDURE stokes_drift_terms_ij
274    END INTERFACE stokes_drift_terms
275
276    INTERFACE wave_breaking_term
277       MODULE PROCEDURE wave_breaking_term
278       MODULE PROCEDURE wave_breaking_term_ij
279    END INTERFACE wave_breaking_term
280
281    PRIVATE
282!
283!-- Add INTERFACES that must be available to other modules (alphabetical order)
284    PUBLIC eqn_state_seawater, ocean_actions, ocean_check_data_output,         &
285           ocean_check_data_output_pr, ocean_check_parameters,                 &
286           ocean_data_output_2d, ocean_data_output_3d, ocean_exchange_horiz,   &
287           ocean_define_netcdf_grid, ocean_header, ocean_init,                 &
288           ocean_init_arrays, ocean_parin, ocean_prognostic_equations,         &
289           ocean_swap_timelevel, ocean_rrd_global, ocean_rrd_local,            &
290           ocean_wrd_global, ocean_wrd_local, ocean_3d_data_averaging,         &
291           ocean_boundary_conditions, stokes_drift_terms, wave_breaking_term
292
293
294 CONTAINS
295
296!------------------------------------------------------------------------------!
297! Description:
298! ------------
299!> Equation of state for seawater as a function of potential temperature,
300!> salinity, and pressure.
301!> For coefficients see Jackett et al., 2006: J. Atm. Ocean Tech.
302!> eqn_state_seawater calculates the potential density referred at hyp(0).
303!> eqn_state_seawater_func calculates density.
304!> TODO: so far, routine is not adjusted to use topography
305!------------------------------------------------------------------------------!
306 SUBROUTINE eqn_state_seawater
307
308    USE arrays_3d,                                                             &
309        ONLY:  hyp, prho, pt_p, rho_ocean, sa_p
310    USE indices,                                                               &
311        ONLY:  nxl, nxr, nyn, nys, nzb, nzt
312
313    IMPLICIT NONE
314
315    INTEGER(iwp) ::  i       !< running index x direction
316    INTEGER(iwp) ::  j       !< running index y direction
317    INTEGER(iwp) ::  k       !< running index z direction
318    INTEGER(iwp) ::  m       !< running index surface elements
319
320    REAL(wp) ::  pden   !< temporary scalar user for calculating density
321    REAL(wp) ::  pnom   !< temporary scalar user for calculating density
322    REAL(wp) ::  p1     !< temporary scalar user for calculating density
323    REAL(wp) ::  p2     !< temporary scalar user for calculating density
324    REAL(wp) ::  p3     !< temporary scalar user for calculating density
325    REAL(wp) ::  pt1    !< temporary scalar user for calculating density
326    REAL(wp) ::  pt2    !< temporary scalar user for calculating density
327    REAL(wp) ::  pt3    !< temporary scalar user for calculating density
328    REAL(wp) ::  pt4    !< temporary scalar user for calculating density
329    REAL(wp) ::  sa1    !< temporary scalar user for calculating density
330    REAL(wp) ::  sa15   !< temporary scalar user for calculating density
331    REAL(wp) ::  sa2    !< temporary scalar user for calculating density
332
333
334    DO  i = nxl, nxr
335       DO  j = nys, nyn
336          DO  k = nzb+1, nzt
337!
338!--          Pressure is needed in dbar
339             p1 = hyp(k) * 1E-4_wp
340             p2 = p1 * p1
341             p3 = p2 * p1
342
343!
344!--          Temperature needed in degree Celsius
345             pt1 = pt_p(k,j,i) - 273.15_wp
346             pt2 = pt1 * pt1
347             pt3 = pt1 * pt2
348             pt4 = pt2 * pt2
349
350             sa1  = sa_p(k,j,i)
351             sa15 = sa1 * SQRT( sa1 )
352             sa2  = sa1 * sa1
353
354             pnom = nom(1)           + nom(2)*pt1     + nom(3)*pt2     +       &
355                    nom(4)*pt3       + nom(5)*sa1     + nom(6)*sa1*pt1 +       &
356                    nom(7)*sa2
357
358             pden = den(1)           + den(2)*pt1     + den(3)*pt2     +       &
359                    den(4)*pt3       + den(5)*pt4     + den(6)*sa1     +       &
360                    den(7)*sa1*pt1   + den(8)*sa1*pt3 + den(9)*sa15    +       &
361                    den(10)*sa15*pt2
362!
363!--          Potential density (without pressure terms)
364             prho(k,j,i) = pnom / pden
365
366             pnom = pnom +             nom(8)*p1      + nom(9)*p1*pt2  +       &
367                    nom(10)*p1*sa1   + nom(11)*p2     + nom(12)*p2*pt2
368
369             pden = pden +             den(11)*p1     + den(12)*p2*pt3 +       &
370                    den(13)*p3*pt1
371
372!
373!--          In-situ density
374             rho_ocean(k,j,i) = pnom / pden
375
376          ENDDO
377
378!
379!--       Neumann conditions are assumed at top boundary and currently also at
380!--       bottom boundary (see comment lines below)
381          prho(nzt+1,j,i)      = prho(nzt,j,i)
382          rho_ocean(nzt+1,j,i) = rho_ocean(nzt,j,i)
383
384       ENDDO
385    ENDDO
386!
387!-- Neumann conditions at up/downward-facing surfaces
388    !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k )
389    DO  m = 1, bc_h(0)%ns
390       i = bc_h(0)%i(m)
391       j = bc_h(0)%j(m)
392       k = bc_h(0)%k(m)
393       prho(k-1,j,i)      = prho(k,j,i)
394       rho_ocean(k-1,j,i) = rho_ocean(k,j,i)
395    ENDDO
396!
397!-- Downward facing surfaces
398    !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k )
399    DO  m = 1, bc_h(1)%ns
400       i = bc_h(1)%i(m)
401       j = bc_h(1)%j(m)
402       k = bc_h(1)%k(m)
403       prho(k+1,j,i)      = prho(k,j,i)
404       rho_ocean(k+1,j,i) = rho_ocean(k,j,i)
405    ENDDO
406
407 END SUBROUTINE eqn_state_seawater
408
409
410!------------------------------------------------------------------------------!
411! Description:
412! ------------
413!> Same as above, but for grid point i,j
414!------------------------------------------------------------------------------!
415 SUBROUTINE eqn_state_seawater_ij( i, j )
416
417    USE arrays_3d,                                                             &
418        ONLY:  hyp, prho, pt_p, rho_ocean, sa_p
419
420    USE indices,                                                               &
421        ONLY:  nzb, nzt
422
423    IMPLICIT NONE
424
425    INTEGER(iwp) ::  i       !< running index x direction
426    INTEGER(iwp) ::  j       !< running index y direction
427    INTEGER(iwp) ::  k       !< running index z direction
428    INTEGER(iwp) ::  m       !< running index surface elements
429    INTEGER(iwp) ::  surf_e  !< end index of surface elements at (j,i)-gridpoint
430    INTEGER(iwp) ::  surf_s  !< start index of surface elements at (j,i)-gridpoint
431
432    REAL(wp) ::  pden   !< temporary scalar user for calculating density
433    REAL(wp) ::  pnom   !< temporary scalar user for calculating density
434    REAL(wp) ::  p1     !< temporary scalar user for calculating density
435    REAL(wp) ::  p2     !< temporary scalar user for calculating density
436    REAL(wp) ::  p3     !< temporary scalar user for calculating density
437    REAL(wp) ::  pt1    !< temporary scalar user for calculating density
438    REAL(wp) ::  pt2    !< temporary scalar user for calculating density
439    REAL(wp) ::  pt3    !< temporary scalar user for calculating density
440    REAL(wp) ::  pt4    !< temporary scalar user for calculating density
441    REAL(wp) ::  sa1    !< temporary scalar user for calculating density
442    REAL(wp) ::  sa15   !< temporary scalar user for calculating density
443    REAL(wp) ::  sa2    !< temporary scalar user for calculating density
444
445    DO  k = nzb+1, nzt
446!
447!--    Pressure is needed in dbar
448       p1 = hyp(k) * 1E-4_wp
449       p2 = p1 * p1
450       p3 = p2 * p1
451!
452!--    Temperature needed in degree Celsius
453       pt1 = pt_p(k,j,i) - 273.15_wp
454       pt2 = pt1 * pt1
455       pt3 = pt1 * pt2
456       pt4 = pt2 * pt2
457
458       sa1  = sa_p(k,j,i)
459       sa15 = sa1 * SQRT( sa1 )
460       sa2  = sa1 * sa1
461
462       pnom = nom(1)           + nom(2)*pt1     + nom(3)*pt2     +             &
463              nom(4)*pt3       + nom(5)*sa1     + nom(6)*sa1*pt1 + nom(7)*sa2
464
465       pden = den(1)           + den(2)*pt1     + den(3)*pt2     +             &
466              den(4)*pt3       + den(5)*pt4     + den(6)*sa1     +             &
467              den(7)*sa1*pt1   + den(8)*sa1*pt3 + den(9)*sa15    +             &
468              den(10)*sa15*pt2
469!
470!--    Potential density (without pressure terms)
471       prho(k,j,i) = pnom / pden
472
473       pnom = pnom +             nom(8)*p1      + nom(9)*p1*pt2  +             &
474              nom(10)*p1*sa1   + nom(11)*p2     + nom(12)*p2*pt2
475       pden = pden +             den(11)*p1     + den(12)*p2*pt3 +             &
476              den(13)*p3*pt1
477
478!
479!--    In-situ density
480       rho_ocean(k,j,i) = pnom / pden
481
482    ENDDO
483!
484!-- Neumann conditions at up/downward-facing walls
485    surf_s = bc_h(0)%start_index(j,i)
486    surf_e = bc_h(0)%end_index(j,i)
487    DO  m = surf_s, surf_e
488       k = bc_h(0)%k(m)
489       prho(k-1,j,i)      = prho(k,j,i)
490       rho_ocean(k-1,j,i) = rho_ocean(k,j,i)
491    ENDDO
492!
493!-- Downward facing surfaces
494    surf_s = bc_h(1)%start_index(j,i)
495    surf_e = bc_h(1)%end_index(j,i)
496    DO  m = surf_s, surf_e
497       k = bc_h(1)%k(m)
498       prho(k+1,j,i)      = prho(k,j,i)
499       rho_ocean(k+1,j,i) = rho_ocean(k,j,i)
500    ENDDO
501!
502!-- Neumann condition are assumed at top boundary
503    prho(nzt+1,j,i)      = prho(nzt,j,i)
504    rho_ocean(nzt+1,j,i) = rho_ocean(nzt,j,i)
505
506 END SUBROUTINE eqn_state_seawater_ij
507
508
509!------------------------------------------------------------------------------!
510! Description:
511! ------------
512!> Equation of state for seawater as a function
513!------------------------------------------------------------------------------!
514 REAL(wp) FUNCTION eqn_state_seawater_func( p, pt, sa )
515
516    IMPLICIT NONE
517
518    REAL(wp) ::  p      !< temporary scalar user for calculating density
519    REAL(wp) ::  p1     !< temporary scalar user for calculating density
520    REAL(wp) ::  p2     !< temporary scalar user for calculating density
521    REAL(wp) ::  p3     !< temporary scalar user for calculating density
522    REAL(wp) ::  pt     !< temporary scalar user for calculating density
523    REAL(wp) ::  pt1    !< temporary scalar user for calculating density
524    REAL(wp) ::  pt2    !< temporary scalar user for calculating density
525    REAL(wp) ::  pt3    !< temporary scalar user for calculating density
526    REAL(wp) ::  pt4    !< temporary scalar user for calculating density
527    REAL(wp) ::  sa     !< temporary scalar user for calculating density
528    REAL(wp) ::  sa15   !< temporary scalar user for calculating density
529    REAL(wp) ::  sa2    !< temporary scalar user for calculating density
530
531!
532!-- Pressure is needed in dbar
533    p1 = p  * 1.0E-4_wp
534    p2 = p1 * p1
535    p3 = p2 * p1
536
537!
538!-- Temperature needed in degree Celsius
539    pt1 = pt - 273.15_wp
540    pt2 = pt1 * pt1
541    pt3 = pt1 * pt2
542    pt4 = pt2 * pt2
543
544    sa15 = sa * SQRT( sa )
545    sa2  = sa * sa
546
547
548    eqn_state_seawater_func =                                                  &
549         ( nom(1)        + nom(2)*pt1       + nom(3)*pt2    + nom(4)*pt3     + &
550           nom(5)*sa     + nom(6)*sa*pt1    + nom(7)*sa2    + nom(8)*p1      + &
551           nom(9)*p1*pt2 + nom(10)*p1*sa    + nom(11)*p2    + nom(12)*p2*pt2   &
552         ) /                                                                   &
553         ( den(1)        + den(2)*pt1       + den(3)*pt2    + den(4)*pt3     + &
554           den(5)*pt4    + den(6)*sa        + den(7)*sa*pt1 + den(8)*sa*pt3  + &
555           den(9)*sa15   + den(10)*sa15*pt2 + den(11)*p1    + den(12)*p2*pt3 + &
556           den(13)*p3*pt1                                                      &
557         )
558
559
560 END FUNCTION eqn_state_seawater_func
561
562
563!------------------------------------------------------------------------------!
564! Description:
565! ------------
566!> Reads the ocean parameters namelist
567!------------------------------------------------------------------------------!
568 SUBROUTINE ocean_parin
569
570    IMPLICIT NONE
571
572    CHARACTER (LEN=80) ::  line  !< dummy string that contains the current line of the parameter file
573
574
575    NAMELIST /ocean_parameters/  bc_sa_t, bottom_salinityflux, salinity,       &
576             sa_surface, sa_vertical_gradient, sa_vertical_gradient_level,     &
577             stokes_waveheight, stokes_wavelength, surface_cooling_spinup_time,&
578             top_salinityflux, wall_salinityflux, wave_breaking
579
580!
581!-- Try to find the namelist
582    REWIND ( 11 )
583    line = ' '
584    DO WHILE ( INDEX( line, '&ocean_parameters' ) == 0 )
585       READ ( 11, '(A)', END=12 )  line
586    ENDDO
587    BACKSPACE ( 11 )
588
589!
590!-- Read namelist
591    READ ( 11, ocean_parameters, ERR = 10 )
592!
593!-- Set switch that enables PALM's ocean mode
594    ocean_mode = .TRUE.
595
596    GOTO 12
597
598 10 BACKSPACE( 11 )
599    READ( 11 , '(A)') line
600    CALL parin_fail_message( 'ocean_parameters', line )
601
602 12 CONTINUE
603
604 END SUBROUTINE ocean_parin
605
606!------------------------------------------------------------------------------!
607! Description:
608! ------------
609!> Check parameters routine for the ocean mode
610!------------------------------------------------------------------------------!
611 SUBROUTINE ocean_check_parameters
612
613    USE control_parameters,                                                    &
614        ONLY:  coupling_char, coupling_mode, initializing_actions,             &
615               message_string, use_top_fluxes
616
617    USE pmc_interface,                                                         &
618        ONLY:  nested_run
619
620    IMPLICIT NONE
621
622
623!
624!-- Check for invalid combinations
625    IF ( nested_run )  THEN
626       message_string = 'ocean mode not allowed for nesting'
627       CALL message( 'ocean_check_parameters', 'PA0510', 1, 2, 0, 6, 0 )
628    ENDIF
629
630    IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  THEN
631       message_string = 'ocean mode does not allow cyclic-fill initialization'
632       CALL message( 'ocean_check_parameters', 'PA0511', 1, 2, 0, 6, 0 )
633    ENDIF
634
635!
636!-- Check ocean setting
637    IF ( TRIM( coupling_mode ) == 'uncoupled'  .AND.                           &
638         TRIM( coupling_char ) == '_O' .AND.                                   &
639         .NOT. ocean_mode )  THEN
640
641!
642!--    Check whether an (uncoupled) atmospheric run has been declared as an
643!--    ocean run (this setting is done via palmrun-option -y)
644       message_string = 'ocean mode does not allow coupling_char = "' //       &
645                        TRIM( coupling_char ) // '" set by palmrun-option "-y"'
646       CALL message( 'ocean_check_parameters', 'PA0317', 1, 2, 0, 6, 0 )
647
648    ENDIF
649
650!
651!-- Ocean version must use flux boundary conditions at the top
652    IF ( .NOT. use_top_fluxes )  THEN
653       message_string = 'use_top_fluxes must be .TRUE. in ocean mode'
654       CALL message( 'ocean_check_parameters', 'PA0042', 1, 2, 0, 6, 0 )
655    ENDIF
656
657!
658!-- Boundary conditions for salinity
659    IF ( bc_sa_t == 'dirichlet' )  THEN
660       ibc_sa_t = 0
661    ELSEIF ( bc_sa_t == 'neumann' )  THEN
662       ibc_sa_t = 1
663    ELSE
664       message_string = 'unknown boundary condition: bc_sa_t = "' //           &
665                        TRIM( bc_sa_t ) // '"'
666       CALL message( 'ocean_check_parameters', 'PA0068', 1, 2, 0, 6, 0 )
667    ENDIF
668
669    IF ( top_salinityflux == 9999999.9_wp )  constant_top_salinityflux = .FALSE.
670
671    IF ( .NOT. salinity )  THEN
672       IF ( ( bottom_salinityflux /= 0.0_wp  .AND.                             &
673              bottom_salinityflux /= 9999999.9_wp )  .OR.                      &
674            ( top_salinityflux /= 0.0_wp     .AND.                             &
675              top_salinityflux /= 9999999.9_wp ) )                             &
676       THEN
677          message_string = 'salinityflux must not be set for ocean run ' //    &
678                           'without salinity'
679          CALL message( 'ocean_check_parameters', 'PA0509', 1, 2, 0, 6, 0 )
680       ENDIF
681    ENDIF
682
683    IF ( ibc_sa_t == 1  .AND.  top_salinityflux == 9999999.9_wp )  THEN
684       message_string = 'boundary condition: bc_sa_t = "' //                   &
685                        TRIM( bc_sa_t ) // '" requires to set top_salinityflux'
686       CALL message( 'ocean_check_parameters', 'PA0069', 1, 2, 0, 6, 0 )
687    ENDIF
688
689!
690!-- A fixed salinity at the top implies Dirichlet boundary condition for
691!-- salinity. In this case specification of a constant salinity flux is
692!-- forbidden.
693    IF ( ibc_sa_t == 0  .AND.  constant_top_salinityflux  .AND.                &
694         top_salinityflux /= 0.0_wp )  THEN
695       message_string = 'boundary condition: bc_sa_t = "' //                   &
696                        TRIM( bc_sa_t ) // '" is not allowed with ' //         &
697                        'top_salinityflux /= 0.0'
698       CALL message( 'ocean_check_parameters', 'PA0070', 1, 2, 0, 6, 0 )
699    ENDIF
700
701!
702!-- Check if Stokes force is to be used
703    IF ( stokes_waveheight /= 0.0_wp  .AND.  stokes_wavelength /= 0.0_wp )  THEN
704       stokes_force = .TRUE.
705    ELSE
706       IF ( ( stokes_waveheight <= 0.0_wp .AND. stokes_wavelength > 0.0_wp ) &
707            .OR.                                                               &
708            ( stokes_waveheight > 0.0_wp .AND. stokes_wavelength <= 0.0_wp ) &
709            .OR.                                                               &
710            ( stokes_waveheight < 0.0_wp .AND. stokes_wavelength < 0.0_wp  ) ) &
711       THEN
712          message_string = 'wrong settings for stokes_wavelength and/or ' //   &
713                           'stokes_waveheight'
714          CALL message( 'ocean_check_parameters', 'PA0460', 1, 2, 0, 6, 0 )
715       ENDIF
716    ENDIF
717
718 END SUBROUTINE ocean_check_parameters
719
720
721!------------------------------------------------------------------------------!
722! Description:
723! ------------
724!> Check data output.
725!------------------------------------------------------------------------------!
726 SUBROUTINE ocean_check_data_output( var, unit )
727 
728    IMPLICIT NONE
729
730    CHARACTER (LEN=*) ::  unit     !< unit of output variable
731    CHARACTER (LEN=*) ::  var      !< name of output variable
732
733
734    SELECT CASE ( TRIM( var ) )
735
736       CASE ( 'rho_sea_water' )
737          unit = 'kg/m3'
738
739       CASE ( 'sa' )
740          unit = 'psu'
741
742       CASE DEFAULT
743          unit = 'illegal'
744
745    END SELECT
746
747 END SUBROUTINE ocean_check_data_output
748
749
750!------------------------------------------------------------------------------!
751! Description:
752! ------------
753!> Check data output of profiles
754!------------------------------------------------------------------------------!
755 SUBROUTINE ocean_check_data_output_pr( variable, var_count, unit, dopr_unit )
756
757    USE arrays_3d,                                                             &
758        ONLY:  zu, zw
759
760    USE control_parameters,                                                    &
761        ONLY:  data_output_pr
762
763    USE indices
764
765    USE profil_parameter
766
767    USE statistics
768
769    IMPLICIT NONE
770
771    CHARACTER (LEN=*) ::  unit      !<
772    CHARACTER (LEN=*) ::  variable  !<
773    CHARACTER (LEN=*) ::  dopr_unit !< local value of dopr_unit
774
775    INTEGER(iwp) ::  var_count     !<
776
777    SELECT CASE ( TRIM( variable ) )
778
779       CASE ( 'prho' )
780          dopr_index(var_count) = 71
781          dopr_unit             = 'kg/m3'
782          hom(:,2,71,:) = SPREAD( zu, 2, statistic_regions+1 )
783          unit = dopr_unit
784
785       CASE ( 'rho_sea_water' )
786          dopr_index(var_count) = 64
787          dopr_unit             = 'kg/m3'
788          hom(:,2,64,:) = SPREAD( zu, 2, statistic_regions+1 )
789          IF ( data_output_pr(var_count)(1:1) == '#' )  THEN
790             dopr_initial_index(var_count) = 77
791             hom(:,2,77,:)             = SPREAD( zu, 2, statistic_regions+1 )
792             hom(nzb,2,77,:)           = 0.0_wp    ! because zu(nzb) is negative
793             data_output_pr(var_count) = data_output_pr(var_count)(2:)
794          ENDIF
795          unit = dopr_unit
796
797       CASE ( 'sa', '#sa' )
798          dopr_index(var_count) = 23
799          dopr_unit             = 'psu'
800          hom(:,2,23,:) = SPREAD( zu, 2, statistic_regions+1 )
801          IF ( data_output_pr(var_count)(1:1) == '#' )  THEN
802             dopr_initial_index(var_count) = 26
803             hom(:,2,26,:)             = SPREAD( zu, 2, statistic_regions+1 )
804             hom(nzb,2,26,:)           = 0.0_wp    ! because zu(nzb) is negative
805             data_output_pr(var_count) = data_output_pr(var_count)(2:)
806          ENDIF
807          unit = dopr_unit
808
809       CASE ( 'w"sa"' )
810          dopr_index(var_count) = 65
811          dopr_unit             = 'psu m/s'
812          hom(:,2,65,:) = SPREAD( zw, 2, statistic_regions+1 )
813          unit = dopr_unit
814
815       CASE ( 'w*sa*' )
816          dopr_index(var_count) = 66
817          dopr_unit             = 'psu m/s'
818          hom(:,2,66,:) = SPREAD( zw, 2, statistic_regions+1 )
819          unit = dopr_unit
820
821       CASE ( 'wsa' )
822          dopr_index(var_count) = 67
823          dopr_unit             = 'psu m/s'
824          hom(:,2,67,:) = SPREAD( zw, 2, statistic_regions+1 )
825          unit = dopr_unit
826
827       CASE DEFAULT
828          unit = 'illegal'
829
830    END SELECT
831
832
833 END SUBROUTINE ocean_check_data_output_pr
834
835
836!------------------------------------------------------------------------------!
837! Description:
838! ------------
839!> Define appropriate grid for netcdf variables.
840!> It is called out from subroutine netcdf.
841!------------------------------------------------------------------------------!
842 SUBROUTINE ocean_define_netcdf_grid( var, found, grid_x, grid_y, grid_z )
843   
844    IMPLICIT NONE
845
846    CHARACTER (LEN=*), INTENT(OUT) ::  grid_x   !< x grid of output variable
847    CHARACTER (LEN=*), INTENT(OUT) ::  grid_y   !< y grid of output variable
848    CHARACTER (LEN=*), INTENT(OUT) ::  grid_z   !< z grid of output variable
849    CHARACTER (LEN=*), INTENT(IN)  ::  var      !< name of output variable
850
851    LOGICAL, INTENT(OUT) ::  found   !< flag if output variable is found
852
853    found  = .TRUE.
854
855!
856!-- Check for the grid
857    SELECT CASE ( TRIM( var ) )
858
859       CASE ( 'rho_sea_water', 'rho_sea_water_xy', 'rho_sea_water_xz', &
860              'rho_sea_water_yz', 'sa', 'sa_xy', 'sa_xz', 'sa_yz' )
861          grid_x = 'x'
862          grid_y = 'y'
863          grid_z = 'zu'
864
865       CASE DEFAULT
866          found  = .FALSE.
867          grid_x = 'none'
868          grid_y = 'none'
869          grid_z = 'none'
870
871    END SELECT
872
873 END SUBROUTINE ocean_define_netcdf_grid
874
875
876!------------------------------------------------------------------------------!
877! Description:
878! ------------
879!> Average 3D data.
880!------------------------------------------------------------------------------!
881 SUBROUTINE ocean_3d_data_averaging( mode, variable )
882 
883
884    USE arrays_3d,                                                             &
885        ONLY:  rho_ocean, sa
886
887    USE averaging,                                                             &
888        ONLY:  rho_ocean_av, sa_av
889
890    USE control_parameters,                                                    &
891        ONLY:  average_count_3d
892
893    USE indices,                                                               &
894        ONLY:  nxlg, nxrg, nyng, nysg, nzb, nzt
895
896    IMPLICIT NONE
897
898    CHARACTER (LEN=*) ::  mode       !< flag defining mode 'allocate', 'sum' or 'average'
899    CHARACTER (LEN=*) ::  variable   !< name of variable
900
901    INTEGER(iwp) ::  i   !< loop index
902    INTEGER(iwp) ::  j   !< loop index
903    INTEGER(iwp) ::  k   !< loop index
904
905    IF ( mode == 'allocate' )  THEN
906
907       SELECT CASE ( TRIM( variable ) )
908
909          CASE ( 'rho_sea_water' )
910             IF ( .NOT. ALLOCATED( rho_ocean_av ) )  THEN
911                ALLOCATE( rho_ocean_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
912             ENDIF
913             rho_ocean_av = 0.0_wp
914
915          CASE ( 'sa' )
916             IF ( .NOT. ALLOCATED( sa_av ) )  THEN
917                ALLOCATE( sa_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
918             ENDIF
919             sa_av = 0.0_wp
920
921          CASE DEFAULT
922             CONTINUE
923
924       END SELECT
925
926    ELSEIF ( mode == 'sum' )  THEN
927
928       SELECT CASE ( TRIM( variable ) )
929
930          CASE ( 'rho_sea_water' )
931             IF ( ALLOCATED( rho_ocean_av ) )  THEN
932                DO  i = nxlg, nxrg
933                   DO  j = nysg, nyng
934                      DO  k = nzb, nzt+1
935                         rho_ocean_av(k,j,i) = rho_ocean_av(k,j,i) +           &
936                                               rho_ocean(k,j,i)
937                      ENDDO
938                   ENDDO
939                ENDDO
940             ENDIF
941
942          CASE ( 'sa' )
943             IF ( ALLOCATED( sa_av ) )  THEN
944                DO  i = nxlg, nxrg
945                   DO  j = nysg, nyng
946                      DO  k = nzb, nzt+1
947                         sa_av(k,j,i) = sa_av(k,j,i) + sa(k,j,i)
948                      ENDDO
949                   ENDDO
950                ENDDO
951             ENDIF
952
953          CASE DEFAULT
954             CONTINUE
955
956       END SELECT
957
958    ELSEIF ( mode == 'average' )  THEN
959
960       SELECT CASE ( TRIM( variable ) )
961
962          CASE ( 'rho_sea_water' )
963             IF ( ALLOCATED( rho_ocean_av ) ) THEN
964                DO  i = nxlg, nxrg
965                   DO  j = nysg, nyng
966                      DO  k = nzb, nzt+1
967                         rho_ocean_av(k,j,i) = rho_ocean_av(k,j,i) /           &
968                                               REAL( average_count_3d, KIND=wp )
969                      ENDDO
970                   ENDDO
971                ENDDO
972             ENDIF
973
974          CASE ( 'sa' )
975             IF ( ALLOCATED( sa_av ) ) THEN
976                DO  i = nxlg, nxrg
977                   DO  j = nysg, nyng
978                      DO  k = nzb, nzt+1
979                         sa_av(k,j,i) = sa_av(k,j,i) /                         &
980                                        REAL( average_count_3d, KIND=wp )
981                      ENDDO
982                   ENDDO
983                ENDDO
984             ENDIF
985
986       END SELECT
987
988    ENDIF
989
990 END SUBROUTINE ocean_3d_data_averaging
991
992
993!------------------------------------------------------------------------------!
994! Description:
995! ------------
996!> Define 2D output variables.
997!------------------------------------------------------------------------------!
998 SUBROUTINE ocean_data_output_2d( av, variable, found, grid, mode, local_pf,   &
999                                  nzb_do, nzt_do )
1000 
1001    USE arrays_3d,                                                             &
1002        ONLY:  rho_ocean, sa
1003
1004    USE averaging,                                                             &
1005        ONLY:  rho_ocean_av, sa_av
1006
1007    USE indices,                                                               &
1008        ONLY: nxl, nxlg, nxr, nxrg, nyn, nyng, nys, nysg, nzb, nzt,            &
1009              wall_flags_total_0
1010
1011    IMPLICIT NONE
1012
1013    CHARACTER (LEN=*) ::  grid       !< name of vertical grid
1014    CHARACTER (LEN=*) ::  mode       !< either 'xy', 'xz' or 'yz'
1015    CHARACTER (LEN=*) ::  variable   !< name of variable
1016
1017    INTEGER(iwp) ::  av        !< flag for (non-)average output
1018    INTEGER(iwp) ::  flag_nr   !< number of masking flag
1019    INTEGER(iwp) ::  i         !< loop index
1020    INTEGER(iwp) ::  j         !< loop index
1021    INTEGER(iwp) ::  k         !< loop index
1022    INTEGER(iwp) ::  nzb_do    !< vertical output index (bottom)
1023    INTEGER(iwp) ::  nzt_do    !< vertical output index (top)
1024
1025    LOGICAL ::  found   !< flag if output variable is found
1026    LOGICAL ::  resorted  !< flag if output is already resorted
1027
1028    REAL(wp) ::  fill_value = -999.0_wp  !< value for the _FillValue attribute
1029
1030    REAL(wp), DIMENSION(nxl:nxr,nys:nyn,nzb_do:nzt_do) ::  local_pf !< local
1031       !< array to which output data is resorted to
1032
1033    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), POINTER ::  to_be_resorted  !< points to selected output variable
1034   
1035    found = .TRUE.
1036    resorted = .FALSE.
1037!
1038!-- Set masking flag for topography for not resorted arrays
1039    flag_nr = 0
1040
1041    SELECT CASE ( TRIM( variable ) )
1042
1043       CASE ( 'rho_sea_water_xy', 'rho_sea_water_xz', 'rho_sea_water_yz' )
1044          IF ( av == 0 )  THEN
1045             to_be_resorted => rho_ocean
1046          ELSE
1047             IF ( .NOT. ALLOCATED( rho_ocean_av ) ) THEN
1048                ALLOCATE( rho_ocean_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
1049                rho_ocean_av = REAL( fill_value, KIND = wp )
1050             ENDIF
1051             to_be_resorted => rho_ocean_av
1052          ENDIF
1053
1054       CASE ( 'sa_xy', 'sa_xz', 'sa_yz' )
1055          IF ( av == 0 )  THEN
1056             to_be_resorted => sa
1057          ELSE
1058             IF ( .NOT. ALLOCATED( sa_av ) ) THEN
1059                ALLOCATE( sa_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
1060                sa_av = REAL( fill_value, KIND = wp )
1061             ENDIF
1062             to_be_resorted => sa_av
1063          ENDIF
1064          IF ( mode == 'xy' ) grid = 'zu'
1065
1066       CASE DEFAULT
1067          found = .FALSE.
1068          grid  = 'none'
1069
1070    END SELECT
1071
1072    IF ( found .AND. .NOT. resorted )  THEN
1073       DO  i = nxl, nxr
1074          DO  j = nys, nyn
1075             DO  k = nzb_do, nzt_do
1076                local_pf(i,j,k) = MERGE( to_be_resorted(k,j,i),                &
1077                                   REAL( fill_value, KIND = wp ),              &
1078                                   BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), flag_nr ) )
1079             ENDDO
1080          ENDDO
1081       ENDDO
1082       resorted = .TRUE.
1083    ENDIF
1084 
1085 END SUBROUTINE ocean_data_output_2d
1086
1087 
1088!------------------------------------------------------------------------------!
1089! Description:
1090! ------------
1091!> Define 3D output variables.
1092!------------------------------------------------------------------------------!
1093 SUBROUTINE ocean_data_output_3d( av, variable, found, local_pf, nzb_do, nzt_do )
1094 
1095
1096    USE arrays_3d,                                                             &
1097        ONLY:  rho_ocean, sa
1098
1099    USE averaging,                                                             &
1100        ONLY:  rho_ocean_av, sa_av
1101
1102    USE indices,                                                               &
1103        ONLY:  nxl, nxlg, nxr, nxrg, nyn, nyng, nys, nysg, nzb, nzt,           &
1104               wall_flags_total_0
1105
1106    IMPLICIT NONE
1107
1108    CHARACTER (LEN=*) ::  variable   !< name of variable
1109
1110    INTEGER(iwp) ::  av        !< flag for (non-)average output
1111    INTEGER(iwp) ::  flag_nr   !< number of masking flag
1112    INTEGER(iwp) ::  i         !< loop index
1113    INTEGER(iwp) ::  j         !< loop index
1114    INTEGER(iwp) ::  k         !< loop index
1115    INTEGER(iwp) ::  nzb_do    !< lower limit of the data output (usually 0)
1116    INTEGER(iwp) ::  nzt_do    !< vertical upper limit of the data output (usually nz_do3d)
1117
1118    LOGICAL ::  found     !< flag if output variable is found
1119    LOGICAL ::  resorted  !< flag if output is already resorted
1120
1121    REAL(wp) ::  fill_value = -999.0_wp  !< value for the _FillValue attribute
1122
1123    REAL(sp), DIMENSION(nxl:nxr,nys:nyn,nzb_do:nzt_do) ::  local_pf   !< local
1124                                  !< array to which output data is resorted to
1125
1126    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), POINTER ::  to_be_resorted  !< points to selected output variable
1127
1128    found = .TRUE.
1129    resorted = .FALSE.
1130!
1131!-- Set masking flag for topography for not resorted arrays
1132    flag_nr = 0
1133
1134    SELECT CASE ( TRIM( variable ) )
1135
1136       CASE ( 'rho_sea_water' )
1137          IF ( av == 0 )  THEN
1138             to_be_resorted => rho_ocean
1139          ELSE
1140             IF ( .NOT. ALLOCATED( rho_ocean_av ) ) THEN
1141                ALLOCATE( rho_ocean_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
1142                rho_ocean_av = REAL( fill_value, KIND = wp )
1143             ENDIF
1144             to_be_resorted => rho_ocean_av
1145          ENDIF
1146
1147       CASE ( 'sa' )
1148          IF ( av == 0 )  THEN
1149             to_be_resorted => sa
1150          ELSE
1151             IF ( .NOT. ALLOCATED( sa_av ) ) THEN
1152                ALLOCATE( sa_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
1153                sa_av = REAL( fill_value, KIND = wp )
1154             ENDIF
1155             to_be_resorted => sa_av
1156          ENDIF
1157
1158       CASE DEFAULT
1159          found = .FALSE.
1160
1161    END SELECT
1162
1163
1164    IF ( found  .AND.  .NOT. resorted )  THEN
1165       DO  i = nxl, nxr
1166          DO  j = nys, nyn
1167             DO  k = nzb_do, nzt_do
1168                local_pf(i,j,k) = MERGE( to_be_resorted(k,j,i),                &
1169                                   REAL( fill_value, KIND = wp ),              &
1170                                   BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), flag_nr ) )
1171             ENDDO
1172          ENDDO
1173       ENDDO
1174       resorted = .TRUE.
1175    ENDIF
1176
1177 END SUBROUTINE ocean_data_output_3d
1178
1179
1180!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1181! Description:
1182! ------------
1183!> Exchange ghostpoints
1184!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1185    SUBROUTINE ocean_exchange_horiz( location )
1186
1187       CHARACTER (LEN=*), INTENT(IN) ::  location !< call location string
1188
1189       SELECT CASE ( location )
1190
1191          CASE ( 'before_prognostic_equation' )
1192
1193          CASE ( 'after_prognostic_equation' )
1194
1195             CALL exchange_horiz( sa_p, nbgp )
1196             CALL exchange_horiz( rho_ocean, nbgp )
1197             CALL exchange_horiz( prho, nbgp )
1198
1199       END SELECT
1200
1201    END SUBROUTINE ocean_exchange_horiz
1202
1203
1204
1205!------------------------------------------------------------------------------!
1206! Description:
1207! ------------
1208!> Header output for ocean parameters
1209!------------------------------------------------------------------------------!
1210 SUBROUTINE ocean_header( io )
1211
1212
1213    IMPLICIT NONE
1214
1215    INTEGER(iwp), INTENT(IN) ::  io   !< Unit of the output file
1216
1217!
1218!-- Write ocean header
1219    WRITE( io, 1 )
1220    IF ( stokes_force  )  WRITE( io, 2 )  stokes_waveheight, stokes_wavelength
1221    IF ( wave_breaking )  THEN
1222       WRITE( io, 3 )  alpha_wave_breaking, timescale_wave_breaking
1223    ENDIF
1224    IF ( .NOT. salinity )  WRITE( io, 4 )
1225    IF ( surface_cooling_spinup_time /= 999999.9_wp )  THEN
1226       WRITE( io, 5 )  surface_cooling_spinup_time
1227    ENDIF
1228
12291   FORMAT (//' Ocean settings:'/                                              &
1230              ' ------------------------------------------'/)
12312   FORMAT ('    --> Craik-Leibovich vortex force and Stokes drift switched',  &
1232                     ' on'/                                                    &
1233            '        waveheight: ',F4.1,' m   wavelength: ',F6.1,' m')
12343   FORMAT ('    --> wave breaking generated turbulence switched on'/          &
1235            '        alpha:    ',F4.1/                                         &
1236            '        timescale:',F5.1,' s')
12374   FORMAT ('    --> prognostic salinity equation is switched off' )
12385   FORMAT ('    --> surface heat flux is switched off after ',F8.1,' s')
1239
1240 END SUBROUTINE ocean_header
1241
1242
1243!------------------------------------------------------------------------------!
1244! Description:
1245! ------------
1246!> Allocate arrays and assign pointers.
1247!------------------------------------------------------------------------------!
1248 SUBROUTINE ocean_init_arrays
1249
1250    USE indices,                                                               &
1251        ONLY:  nxlg, nxrg, nyn, nyng, nys, nysg, nzb, nzt
1252
1253    IMPLICIT NONE
1254
1255    ALLOCATE( prho_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
1256              rho_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                            &
1257              sa_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
1258              sa_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
1259
1260    IF (  salinity )  THEN
1261       ALLOCATE( sa_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
1262    ENDIF
1263
1264    IF ( ws_scheme_sca )  THEN
1265       ALLOCATE( sums_wssas_ws_l(nzb:nzt+1,0:threads_per_task-1) )
1266       sums_wssas_ws_l = 0.0_wp
1267    ENDIF
1268
1269    IF ( loop_optimization /= 'vector' )  THEN
1270
1271       IF ( ws_scheme_sca )  THEN
1272          ALLOCATE( flux_s_sa(nzb+1:nzt,0:threads_per_task-1) )
1273          ALLOCATE( diss_s_sa(nzb+1:nzt,0:threads_per_task-1) )
1274          ALLOCATE( flux_l_sa(nzb+1:nzt,nys:nyn,0:threads_per_task-1) )
1275          ALLOCATE( diss_l_sa(nzb+1:nzt,nys:nyn,0:threads_per_task-1) )
1276       ENDIF
1277
1278    ENDIF
1279
1280    prho => prho_1
1281    rho_ocean  => rho_1  ! routines calc_mean_profile and diffusion_e require
1282                         ! density to be a pointer
1283
1284!
1285!-- Initial assignment of pointers
1286    IF ( salinity )  THEN
1287       sa => sa_1;  sa_p => sa_2;  tsa_m => sa_3
1288    ELSE
1289       sa => sa_1;  sa_p => sa_1;  tsa_m => sa_3
1290    ENDIF
1291
1292 END SUBROUTINE ocean_init_arrays
1293
1294
1295!------------------------------------------------------------------------------!
1296! Description:
1297! ------------
1298!> Initialization of quantities needed for the ocean mode
1299!------------------------------------------------------------------------------!
1300 SUBROUTINE ocean_init
1301
1302
1303    USE arrays_3d,                                                             &
1304        ONLY:  dzu, dzw, hyp, pt_init, ref_state, u_stokes_zu, u_stokes_zw,    &
1305               v_stokes_zu, v_stokes_zw, zu, zw
1306
1307    USE basic_constants_and_equations_mod,                                     &
1308        ONLY:  g
1309
1310    USE basic_constants_and_equations_mod,                                     &
1311        ONLY:  pi
1312
1313    USE control_parameters,                                                    &
1314        ONLY:  initializing_actions, molecular_viscosity, rho_surface,         &
1315               rho_reference, surface_pressure, top_momentumflux_u,            &
1316               top_momentumflux_v, use_single_reference_value
1317
1318    USE indices,                                                               &
1319        ONLY:  nxl, nxlg, nxrg, nyng, nys, nysg, nzb, nzt
1320
1321    USE kinds
1322
1323    USE pegrid,                                                                &
1324        ONLY:  myid
1325
1326    USE statistics,                                                            &
1327        ONLY:  hom, statistic_regions
1328
1329    IMPLICIT NONE
1330
1331    INTEGER(iwp) ::  i  !< loop index
1332    INTEGER(iwp) ::  j  !< loop index
1333    INTEGER(iwp) ::  k  !< loop index
1334    INTEGER(iwp) ::  n  !< loop index
1335
1336    REAL(wp) ::  alpha !< angle of surface stress
1337    REAL(wp) ::  dum   !< dummy argument
1338    REAL(wp) ::  pt_l  !< local scalar for pt used in equation of state function
1339    REAL(wp) ::  sa_l  !< local scalar for sa used in equation of state function
1340    REAL(wp) ::  velocity_amplitude  !< local scalar for amplitude of Stokes drift velocity
1341    REAL(wp) ::  x     !< temporary variable to store surface stress along x
1342    REAL(wp) ::  y     !< temporary variable to store surface stress along y
1343
1344    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  rho_ocean_init  !< local array for initial density
1345
1346    ALLOCATE( hyp(nzb:nzt+1) )
1347
1348
1349!
1350!-- In case of no restart run, calculate the inital salinity profilevcusing the
1351!-- given salinity gradients
1352    IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' )  THEN
1353
1354       sa_init = sa_surface
1355!
1356!--    Last arguments gives back the gradient at top level to be used as
1357!--    possible Neumann boundary condition. This is not realized for the ocean
1358!--    mode, therefore a dummy argument is used.
1359       IF ( salinity )  THEN
1360          CALL init_vertical_profiles( sa_vertical_gradient_level_ind,          &
1361                                       sa_vertical_gradient_level,              &
1362                                       sa_vertical_gradient, sa_init,           &
1363                                       sa_surface, dum )
1364       ENDIF
1365    ENDIF
1366
1367!
1368!-- Initialize required 3d-arrays
1369    IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data'  .AND.            &
1370         TRIM( initializing_actions ) /= 'cyclic_fill' )  THEN
1371!
1372!--    Initialization via computed 1D-model profiles
1373       IF ( INDEX( initializing_actions, 'set_constant_profiles' ) /= 0 )  THEN
1374
1375          DO  i = nxlg, nxrg
1376             DO  j = nysg, nyng
1377                sa(:,j,i) = sa_init
1378             ENDDO
1379          ENDDO
1380
1381       ENDIF
1382!
1383!--    Store initial profiles for output purposes etc.
1384!--    Store initial salinity profile
1385       hom(:,1,26,:)  = SPREAD( sa(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1386!
1387!--    Initialize old and new time levels.
1388       tsa_m = 0.0_wp
1389       sa_p  = sa
1390
1391    ELSEIF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data' )  THEN
1392
1393!
1394!--    Initialize new time levels (only done in order to set boundary values
1395!--    including ghost points)
1396       sa_p = sa
1397!
1398!--    Allthough tendency arrays are set in prognostic_equations, they have
1399!--    have to be predefined here because they are used (but multiplied with 0)
1400!--    there before they are set.
1401       tsa_m = 0.0_wp
1402
1403    ENDIF
1404
1405!
1406!-- Set water density near the ocean surface
1407    rho_surface = 1027.62_wp
1408
1409!
1410!-- Set kinematic viscosity to sea water at 20C.
1411!-- This changes the default value that is given for air!
1412    molecular_viscosity = 1.05E-6_wp
1413
1414!
1415!-- Change sign of buoyancy/stability terms because density gradient is used
1416!-- instead of the potential temperature gradient to calculate the buoyancy
1417    atmos_ocean_sign = -1.0_wp
1418
1419!
1420!-- Calculate initial vertical profile of hydrostatic pressure (in Pa)
1421!-- and the reference density (used later in buoyancy term)
1422!-- First step: Calculate pressure using reference density
1423    hyp(nzt+1) = surface_pressure * 100.0_wp
1424    hyp(nzt)   = hyp(nzt+1) + rho_surface * g * 0.5_wp * dzu(nzt+1)
1425    rho_ocean_init(nzt)   = rho_surface
1426    rho_ocean_init(nzt+1) = rho_surface  ! only required for output
1427
1428    DO  k = nzt-1, 1, -1
1429       hyp(k) = hyp(k+1) + rho_surface * g * dzu(k)
1430    ENDDO
1431    hyp(0) = hyp(1) + rho_surface * g * dzu(1)
1432
1433!
1434!-- Second step: Iteratively calculate in situ density (based on presssure)
1435!-- and pressure (based on in situ density)
1436    DO  n = 1, 5
1437
1438       rho_reference = rho_surface * 0.5_wp * dzu(nzt+1)
1439
1440       DO  k = nzt, 0, -1
1441
1442          sa_l = 0.5_wp * ( sa_init(k) + sa_init(k+1) )
1443          pt_l = 0.5_wp * ( pt_init(k) + pt_init(k+1) )
1444
1445          rho_ocean_init(k) = eqn_state_seawater_func( hyp(k), pt_l, sa_l )
1446
1447          rho_reference = rho_reference + rho_ocean_init(k) * dzu(k+1)
1448
1449       ENDDO
1450
1451       rho_reference = rho_reference / ( zw(nzt) - zu(nzb) )
1452
1453       hyp(nzt) = hyp(nzt+1) + rho_surface * g * 0.5_wp * dzu(nzt+1)
1454       DO  k = nzt-1, 0, -1
1455          hyp(k) = hyp(k+1) + g * 0.5_wp * ( rho_ocean_init(k)                 &
1456                                           + rho_ocean_init(k+1) ) * dzu(k+1)
1457       ENDDO
1458
1459    ENDDO
1460
1461!
1462!-- Calculate the reference potential density
1463    prho_reference = 0.0_wp
1464    DO  k = 0, nzt
1465
1466       sa_l = 0.5_wp * ( sa_init(k) + sa_init(k+1) )
1467       pt_l = 0.5_wp * ( pt_init(k) + pt_init(k+1) )
1468
1469       prho_reference = prho_reference + dzu(k+1) * &
1470                        eqn_state_seawater_func( 0.0_wp, pt_l, sa_l )
1471
1472    ENDDO
1473
1474    prho_reference = prho_reference / ( zu(nzt) - zu(nzb) )
1475
1476!
1477!-- Calculate the 3d array of initial in situ and potential density,
1478!-- based on the initial temperature and salinity profile
1479    CALL eqn_state_seawater
1480
1481!
1482!-- Store initial density profile
1483    hom(:,1,77,:)  = SPREAD( rho_ocean_init(:), 2, statistic_regions+1 )
1484
1485!
1486!-- Set the reference state to be used in the buoyancy terms
1487    IF ( use_single_reference_value )  THEN
1488       ref_state(:) = rho_reference
1489    ELSE
1490       ref_state(:) = rho_ocean_init(:)
1491    ENDIF
1492
1493!
1494!-- Calculate the Stokes drift velocity profile
1495    IF ( stokes_force )  THEN
1496
1497!
1498!--    First, calculate angle of surface stress
1499       x = -top_momentumflux_u
1500       y = -top_momentumflux_v
1501       IF ( x == 0.0_wp )  THEN
1502          IF ( y > 0.0_wp )  THEN
1503             alpha = pi / 2.0_wp
1504          ELSEIF ( y < 0.0_wp )  THEN
1505             alpha = 3.0_wp * pi / 2.0_wp
1506          ENDIF
1507       ELSE
1508          IF ( x < 0.0_wp )  THEN
1509             alpha = ATAN( y / x ) + pi
1510          ELSE
1511             IF ( y < 0.0_wp )  THEN
1512                alpha = ATAN( y / x ) + 2.0_wp * pi
1513             ELSE
1514                alpha = ATAN( y / x )
1515             ENDIF
1516          ENDIF
1517       ENDIF
1518
1519       velocity_amplitude = ( pi * stokes_waveheight / stokes_wavelength )**2 *&
1520                            SQRT( g * stokes_wavelength / ( 2.0_wp * pi ) )
1521
1522       DO  k = nzb, nzt
1523          u_stokes_zu(k) = velocity_amplitude * COS( alpha ) *                 &
1524                           EXP( 4.0_wp * pi * zu(k) / stokes_wavelength )
1525          u_stokes_zw(k) = velocity_amplitude * COS( alpha ) *                 &
1526                           EXP( 4.0_wp * pi * zw(k) / stokes_wavelength )
1527          v_stokes_zu(k) = velocity_amplitude * SIN( alpha ) *                 &
1528                           EXP( 4.0_wp * pi * zu(k) / stokes_wavelength )
1529          v_stokes_zw(k) = velocity_amplitude * SIN( alpha ) *                 &
1530                           EXP( 4.0_wp * pi * zw(k) / stokes_wavelength )
1531       ENDDO
1532       u_stokes_zu(nzt+1) = u_stokes_zw(nzt) ! because zu(nzt+1) changes the sign
1533       u_stokes_zw(nzt+1) = u_stokes_zw(nzt) ! because zw(nzt+1) changes the sign
1534       v_stokes_zu(nzt+1) = v_stokes_zw(nzt) ! because zu(nzt+1) changes the sign
1535       v_stokes_zw(nzt+1) = v_stokes_zw(nzt) ! because zw(nzt+1) changes the sign
1536
1537    ENDIF
1538
1539!
1540!-- Wave breaking effects
1541    IF ( wave_breaking )  THEN
1542!
1543!--    Calculate friction velocity at ocean surface
1544       u_star_wave_breaking = SQRT( SQRT( top_momentumflux_u**2 +              &
1545                                          top_momentumflux_v**2 ) )
1546!
1547!--    Set the time scale of random forcing. The vertical grid spacing at the
1548!--    ocean surface is assumed as the length scale of turbulence.
1549!--    Formula follows Noh et al. (2004), JPO
1550       timescale_wave_breaking = 0.1_wp * dzw(nzt) / alpha_wave_breaking /     &
1551                                 u_star_wave_breaking
1552!
1553!--    Set random number seeds differently on the processor cores in order to
1554!--    create different random number sequences
1555       iran_ocean = iran_ocean + myid
1556    ENDIF
1557
1558 END SUBROUTINE ocean_init
1559
1560
1561!------------------------------------------------------------------------------!
1562! Description:
1563! ------------
1564!> Call for all grid points
1565!------------------------------------------------------------------------------!
1566 SUBROUTINE ocean_actions( location )
1567
1568
1569    CHARACTER (LEN=*), INTENT(IN) ::  location !< call location string
1570
1571    SELECT CASE ( location )
1572
1573       CASE ( 'before_timestep' )
1574
1575          IF ( ws_scheme_sca )  THEN
1576             sums_wssas_ws_l = 0.0_wp
1577          ENDIF
1578
1579       CASE DEFAULT
1580          CONTINUE
1581
1582    END SELECT
1583
1584 END SUBROUTINE ocean_actions
1585
1586
1587!------------------------------------------------------------------------------!
1588! Description:
1589! ------------
1590!> Call for grid points i,j
1591!------------------------------------------------------------------------------!
1592 SUBROUTINE ocean_actions_ij( i, j, location )
1593
1594
1595    INTEGER(iwp),      INTENT(IN) ::  i         !< grid index in x-direction
1596    INTEGER(iwp),      INTENT(IN) ::  j         !< grid index in y-direction
1597    CHARACTER (LEN=*), INTENT(IN) ::  location  !< call location string
1598    INTEGER(iwp)  ::  dummy  !< call location string
1599
1600    IF ( ocean_mode )   dummy = i + j
1601
1602    SELECT CASE ( location )
1603
1604       CASE ( 'before_timestep' )
1605
1606          IF ( ws_scheme_sca )  THEN
1607             sums_wssas_ws_l = 0.0_wp
1608          ENDIF
1609
1610       CASE DEFAULT
1611          CONTINUE
1612
1613    END SELECT
1614
1615 END SUBROUTINE ocean_actions_ij
1616
1617
1618!------------------------------------------------------------------------------!
1619! Description:
1620! ------------
1621!> Prognostic equation for salinity.
1622!> Vector-optimized version
1623!------------------------------------------------------------------------------!
1624 SUBROUTINE ocean_prognostic_equations
1625
1626    USE advec_s_bc_mod,                                                        &
1627        ONLY:  advec_s_bc
1628
1629    USE advec_s_pw_mod,                                                        &
1630        ONLY:  advec_s_pw
1631
1632    USE advec_s_up_mod,                                                        &
1633        ONLY:  advec_s_up
1634
1635    USE advec_ws,                                                              &
1636        ONLY:  advec_s_ws
1637
1638    USE arrays_3d,                                                             &
1639        ONLY:  rdf_sc, tend, tsa_m
1640
1641    USE control_parameters,                                                    &
1642        ONLY:  bc_dirichlet_l,                                                 &
1643               bc_dirichlet_n,                                                 &
1644               bc_dirichlet_r,                                                 &
1645               bc_dirichlet_s,                                                 &
1646               bc_radiation_l,                                                 &
1647               bc_radiation_n,                                                 &
1648               bc_radiation_r,                                                 &
1649               bc_radiation_s,                                                 &
1650               dt_3d, intermediate_timestep_count,                             &
1651               intermediate_timestep_count_max, scalar_advec, simulated_time,  &
1652               timestep_scheme, tsc, ws_scheme_sca
1653
1654    USE cpulog,                                                                &
1655        ONLY:  cpu_log, log_point_s
1656
1657    USE diffusion_s_mod,                                                       &
1658        ONLY:  diffusion_s
1659
1660    IMPLICIT NONE
1661
1662    INTEGER(iwp) ::  i       !< loop index
1663    INTEGER(iwp) ::  j       !< loop index
1664    INTEGER(iwp) ::  k       !< loop index
1665
1666    REAL(wp)     ::  sbt     !< weighting factor for sub-time step
1667
1668!
1669!-- Switch of the surface heat flux, if requested
1670    IF ( surface_cooling_spinup_time /= 999999.9_wp )  THEN
1671       IF ( .NOT. surface_cooling_switched_off  .AND.                          &
1672            simulated_time >= surface_cooling_spinup_time )  THEN
1673
1674          surf_def_h(2)%shf = 0.0_wp
1675          surface_cooling_switched_off = .TRUE.
1676
1677       ENDIF
1678    ENDIF
1679
1680!
1681!-- Compute prognostic equations for the ocean mode
1682!-- First, start with salinity
1683    IF ( salinity )  THEN
1684
1685       CALL cpu_log( log_point_s(20), 'sa-equation', 'start' )
1686
1687!
1688!--    sa-tendency terms with communication
1689       sbt = tsc(2)
1690       IF ( scalar_advec == 'bc-scheme' )  THEN
1691
1692          IF ( timestep_scheme(1:5) /= 'runge' )  THEN
1693!
1694!--          Bott-Chlond scheme always uses Euler time step. Thus:
1695             sbt = 1.0_wp
1696          ENDIF
1697          tend = 0.0_wp
1698          CALL advec_s_bc( sa, 'sa' )
1699
1700       ENDIF
1701
1702!
1703!--    sa-tendency terms with no communication
1704       IF ( scalar_advec /= 'bc-scheme' )  THEN
1705          tend = 0.0_wp
1706          IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
1707             IF ( ws_scheme_sca )  THEN
1708                CALL advec_s_ws( advc_flags_s, sa, 'sa',                       &
1709                                 bc_dirichlet_l  .OR.  bc_radiation_l,         &
1710                                 bc_dirichlet_n  .OR.  bc_radiation_n,         &
1711                                 bc_dirichlet_r  .OR.  bc_radiation_r,         &
1712                                 bc_dirichlet_s  .OR.  bc_radiation_s )
1713             ELSE
1714                CALL advec_s_pw( sa )
1715             ENDIF
1716          ELSE
1717             CALL advec_s_up( sa )
1718          ENDIF
1719       ENDIF
1720
1721       CALL diffusion_s( sa,                                                   &
1722                         surf_def_h(0)%sasws, surf_def_h(1)%sasws,             &
1723                         surf_def_h(2)%sasws,                                  &
1724                         surf_lsm_h(0)%sasws, surf_lsm_h(1)%sasws,             &
1725                         surf_usm_h(0)%sasws, surf_usm_h(1)%sasws,             &
1726                         surf_def_v(0)%sasws, surf_def_v(1)%sasws,             &
1727                         surf_def_v(2)%sasws, surf_def_v(3)%sasws,             &
1728                         surf_lsm_v(0)%sasws, surf_lsm_v(1)%sasws,             &
1729                         surf_lsm_v(2)%sasws, surf_lsm_v(3)%sasws,             &
1730                         surf_usm_v(0)%sasws, surf_usm_v(1)%sasws,             &
1731                         surf_usm_v(2)%sasws, surf_usm_v(3)%sasws )
1732
1733!       CALL user_actions( 'sa-tendency' ) ToDo: find general solution for dependency between modules
1734
1735!
1736!--    Prognostic equation for salinity
1737       DO  i = nxl, nxr
1738          DO  j = nys, nyn
1739             !following directive is required to vectorize on Intel19
1740             !DIR$ IVDEP
1741             DO  k = nzb+1, nzt
1742                sa_p(k,j,i) = sa(k,j,i) + ( dt_3d * ( sbt * tend(k,j,i) +            &
1743                                                      tsc(3) * tsa_m(k,j,i) )        &
1744                                                  - tsc(5) * rdf_sc(k) *             &
1745                                                    ( sa(k,j,i) - sa_init(k) )       &
1746                                          )                                          &
1747                                            * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                 &
1748                                               BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 0 ) &
1749                                                   )
1750                IF ( sa_p(k,j,i) < 0.0_wp )  sa_p(k,j,i) = 0.1_wp * sa(k,j,i)
1751             ENDDO
1752          ENDDO
1753       ENDDO
1754
1755!
1756!--    Calculate tendencies for the next Runge-Kutta step
1757       IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
1758          IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  THEN
1759             DO  i = nxl, nxr
1760                DO  j = nys, nyn
1761                   DO  k = nzb+1, nzt
1762                      tsa_m(k,j,i) = tend(k,j,i)
1763                   ENDDO
1764                ENDDO
1765             ENDDO
1766          ELSEIF ( intermediate_timestep_count < intermediate_timestep_count_max ) &
1767          THEN
1768             DO  i = nxl, nxr
1769                DO  j = nys, nyn
1770                   DO  k = nzb+1, nzt
1771                      tsa_m(k,j,i) =   -9.5625_wp * tend(k,j,i) +              &
1772                                        5.3125_wp * tsa_m(k,j,i)
1773                   ENDDO
1774                ENDDO
1775             ENDDO
1776          ENDIF
1777       ENDIF
1778
1779       CALL cpu_log( log_point_s(20), 'sa-equation', 'stop' )
1780
1781    ENDIF
1782
1783!
1784!-- Calculate density by the equation of state for seawater
1785    CALL cpu_log( log_point_s(21), 'eqns-seawater', 'start' )
1786    CALL eqn_state_seawater
1787    CALL cpu_log( log_point_s(21), 'eqns-seawater', 'stop' )
1788
1789 END SUBROUTINE ocean_prognostic_equations
1790
1791
1792!------------------------------------------------------------------------------!
1793! Description:
1794! ------------
1795!> Prognostic equations for ocean mode (so far, salinity only)
1796!> Cache-optimized version
1797!------------------------------------------------------------------------------!
1798 SUBROUTINE ocean_prognostic_equations_ij( i, j, i_omp_start, tn )
1799
1800    USE advec_s_pw_mod,                                                        &
1801        ONLY:  advec_s_pw
1802
1803    USE advec_s_up_mod,                                                        &
1804        ONLY:  advec_s_up
1805
1806    USE advec_ws,                                                              &
1807        ONLY:  advec_s_ws
1808
1809    USE arrays_3d,                                                             &
1810        ONLY:  diss_l_sa, diss_s_sa, flux_l_sa, flux_s_sa, rdf_sc, tend, tsa_m
1811
1812    USE control_parameters,                                                    &
1813        ONLY:  bc_dirichlet_l,                                                 &
1814               bc_dirichlet_n,                                                 &
1815               bc_dirichlet_r,                                                 &
1816               bc_dirichlet_s,                                                 &
1817               bc_radiation_l,                                                 &
1818               bc_radiation_n,                                                 &
1819               bc_radiation_r,                                                 &
1820               bc_radiation_s,                                                 &
1821               dt_3d, intermediate_timestep_count,                             &
1822               intermediate_timestep_count_max, simulated_time,                &
1823               timestep_scheme, tsc, ws_scheme_sca
1824
1825    USE diffusion_s_mod,                                                       &
1826        ONLY:  diffusion_s
1827
1828    IMPLICIT NONE
1829
1830    INTEGER(iwp) ::  i             !< loop index x direction
1831    INTEGER(iwp) ::  i_omp_start   !< first loop index of i-loop in calling    &
1832                                   !< routine prognostic_equations
1833    INTEGER(iwp) ::  j             !< loop index y direction
1834    INTEGER(iwp) ::  k             !< loop index z direction
1835    INTEGER(iwp) ::  tn            !< task number of openmp task
1836
1837
1838!
1839!-- Switch of the surface heat flux, if requested
1840    IF ( surface_cooling_spinup_time /= 999999.9_wp )  THEN
1841       IF ( .NOT. surface_cooling_switched_off  .AND.                          &
1842            simulated_time >= surface_cooling_spinup_time )  THEN
1843
1844          surf_def_h(2)%shf = 0.0_wp
1845          surface_cooling_switched_off = .TRUE.
1846
1847       ENDIF
1848    ENDIF
1849
1850!
1851!-- Compute prognostic equations for the ocean mode
1852!-- First, start with tendency-terms for salinity
1853    IF ( salinity )  THEN
1854
1855       tend(:,j,i) = 0.0_wp
1856       IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' ) &
1857       THEN
1858          IF ( ws_scheme_sca )  THEN
1859             CALL advec_s_ws( advc_flags_s,                                    &
1860                              i, j, sa, 'sa', flux_s_sa,  diss_s_sa, flux_l_sa,&
1861                              diss_l_sa, i_omp_start, tn,                      &
1862                              bc_dirichlet_l  .OR.  bc_radiation_l,            &
1863                              bc_dirichlet_n  .OR.  bc_radiation_n,            &
1864                              bc_dirichlet_r  .OR.  bc_radiation_r,            &
1865                              bc_dirichlet_s  .OR.  bc_radiation_s )
1866          ELSE
1867             CALL advec_s_pw( i, j, sa )
1868          ENDIF
1869       ELSE
1870          CALL advec_s_up( i, j, sa )
1871       ENDIF
1872       CALL diffusion_s( i, j, sa,                                             &
1873                         surf_def_h(0)%sasws, surf_def_h(1)%sasws,             &
1874                         surf_def_h(2)%sasws,                                  &
1875                         surf_lsm_h(0)%sasws, surf_lsm_h(1)%sasws,             &
1876                         surf_usm_h(0)%sasws, surf_usm_h(1)%sasws,             &
1877                         surf_def_v(0)%sasws, surf_def_v(1)%sasws,             &
1878                         surf_def_v(2)%sasws, surf_def_v(3)%sasws,             &
1879                         surf_lsm_v(0)%sasws, surf_lsm_v(1)%sasws,             &
1880                         surf_lsm_v(2)%sasws, surf_lsm_v(3)%sasws,             &
1881                         surf_usm_v(0)%sasws, surf_usm_v(1)%sasws,             &
1882                         surf_usm_v(2)%sasws, surf_usm_v(3)%sasws )
1883
1884!       CALL user_actions( i, j, 'sa-tendency' ) ToDo: find general solution for dependency between modules
1885
1886!
1887!--    Prognostic equation for salinity
1888       DO  k = nzb+1, nzt
1889
1890          sa_p(k,j,i) = sa(k,j,i) + ( dt_3d *                                  &
1891                                              ( tsc(2) * tend(k,j,i) +         &
1892                                                tsc(3) * tsa_m(k,j,i) )        &
1893                                    - tsc(5) * rdf_sc(k)                       &
1894                                             * ( sa(k,j,i) - sa_init(k) )      &
1895                                    ) * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                 &
1896                                         BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 0 ) )
1897
1898          IF ( sa_p(k,j,i) < 0.0_wp )  sa_p(k,j,i) = 0.1_wp * sa(k,j,i)
1899
1900       ENDDO
1901
1902!
1903!--    Calculate tendencies for the next Runge-Kutta step
1904       IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
1905          IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  THEN
1906             DO  k = nzb+1, nzt
1907                tsa_m(k,j,i) = tend(k,j,i)
1908             ENDDO
1909          ELSEIF ( intermediate_timestep_count < intermediate_timestep_count_max ) &
1910          THEN
1911             DO  k = nzb+1, nzt
1912                tsa_m(k,j,i) =   -9.5625_wp * tend(k,j,i) +                    &
1913                                  5.3125_wp * tsa_m(k,j,i)
1914             ENDDO
1915          ENDIF
1916       ENDIF
1917
1918    ENDIF
1919
1920!
1921!-- Calculate density by the equation of state for seawater
1922    CALL eqn_state_seawater( i, j )
1923
1924 END SUBROUTINE ocean_prognostic_equations_ij
1925
1926!------------------------------------------------------------------------------!
1927! Description:
1928! ------------
1929!> Boundary conditions for ocean model
1930!------------------------------------------------------------------------------!
1931 SUBROUTINE ocean_boundary_conditions
1932
1933    IMPLICIT NONE
1934
1935    INTEGER(iwp) ::  i                            !< grid index x direction.
1936    INTEGER(iwp) ::  j                            !< grid index y direction.
1937    INTEGER(iwp) ::  k                            !< grid index z direction.
1938    INTEGER(iwp) ::  l                            !< running index boundary type, for up- and downward-facing walls.
1939    INTEGER(iwp) ::  m                            !< running index surface elements.
1940
1941!
1942!--    Boundary conditions for salinity
1943!--    Bottom boundary: Neumann condition because salinity flux is always
1944!--    given.
1945       DO  l = 0, 1
1946          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k )
1947          DO  m = 1, bc_h(l)%ns
1948             i = bc_h(l)%i(m)
1949             j = bc_h(l)%j(m)
1950             k = bc_h(l)%k(m)
1951             sa_p(k+bc_h(l)%koff,j,i) = sa_p(k,j,i)
1952          ENDDO
1953       ENDDO
1954!
1955!--    Top boundary: Dirichlet or Neumann
1956       IF ( ibc_sa_t == 0 )  THEN
1957           sa_p(nzt+1,:,:) = sa(nzt+1,:,:)
1958       ELSEIF ( ibc_sa_t == 1 )  THEN
1959           sa_p(nzt+1,:,:) = sa_p(nzt,:,:)
1960       ENDIF
1961
1962 END SUBROUTINE ocean_boundary_conditions
1963
1964!------------------------------------------------------------------------------!
1965! Description:
1966! ------------
1967!> Swapping of timelevels.
1968!------------------------------------------------------------------------------!
1969 SUBROUTINE ocean_swap_timelevel( mod_count )
1970
1971    IMPLICIT NONE
1972
1973    INTEGER, INTENT(IN) ::  mod_count  !< flag defining where pointers point to
1974
1975
1976    SELECT CASE ( mod_count )
1977
1978       CASE ( 0 )
1979          IF ( salinity )  THEN
1980             sa => sa_1;    sa_p => sa_2
1981          ENDIF
1982
1983       CASE ( 1 )
1984          IF ( salinity )  THEN
1985             sa => sa_2;    sa_p => sa_1
1986          ENDIF
1987
1988    END SELECT
1989
1990 END SUBROUTINE ocean_swap_timelevel
1991
1992
1993!------------------------------------------------------------------------------!
1994! Description:
1995! ------------
1996!> Read module-specific global restart data (Fortran binary format).
1997!------------------------------------------------------------------------------!
1998 SUBROUTINE ocean_rrd_global_ftn( found )
1999
2000
2001    USE control_parameters,                                                    &
2002        ONLY: length, restart_string
2003
2004
2005    IMPLICIT NONE
2006
2007    LOGICAL, INTENT(OUT)  ::  found
2008
2009
2010    found = .TRUE.
2011
2012    SELECT CASE ( restart_string(1:length) )
2013
2014       CASE ( 'bc_sa_t' )
2015          READ ( 13 )  bc_sa_t
2016
2017       CASE ( 'bottom_salinityflux' )
2018          READ ( 13 )  bottom_salinityflux
2019
2020       CASE ( 'salinity' )
2021          READ ( 13 )  salinity
2022
2023       CASE ( 'sa_init' )
2024          READ ( 13 )  sa_init
2025
2026       CASE ( 'sa_surface' )
2027          READ ( 13 )  sa_surface
2028
2029       CASE ( 'sa_vertical_gradient' )
2030          READ ( 13 )  sa_vertical_gradient
2031
2032       CASE ( 'sa_vertical_gradient_level' )
2033          READ ( 13 )  sa_vertical_gradient_level
2034
2035       CASE ( 'stokes_waveheight' )
2036          READ ( 13 )  stokes_waveheight
2037
2038       CASE ( 'stokes_wavelength' )
2039          READ ( 13 )  stokes_wavelength
2040
2041       CASE ( 'surface_cooling_spinup_time' )
2042          READ ( 13 )  surface_cooling_spinup_time
2043
2044       CASE ( 'top_salinityflux' )
2045          READ ( 13 )  top_salinityflux
2046
2047       CASE ( 'wall_salinityflux' )
2048          READ ( 13 )  wall_salinityflux
2049
2050       CASE ( 'wave_breaking' )
2051          READ ( 13 )  wave_breaking
2052
2053       CASE DEFAULT
2054
2055          found = .FALSE.
2056
2057    END SELECT
2058
2059 END SUBROUTINE ocean_rrd_global_ftn
2060
2061
2062!------------------------------------------------------------------------------!
2063! Description:
2064! ------------
2065!> Read module-specific global restart data (MPI-IO).
2066!------------------------------------------------------------------------------!
2067 SUBROUTINE ocean_rrd_global_mpi
2068
2069    CALL rrd_mpi_io( 'bc_sa_t', bc_sa_t )
2070    CALL rrd_mpi_io( 'bottom_salinityflux', bottom_salinityflux )
2071    CALL rrd_mpi_io( 'salinity', salinity )
2072    CALL rrd_mpi_io_global_array( 'sa_init', sa_init )
2073    CALL rrd_mpi_io( 'sa_surface', sa_surface )
2074    CALL rrd_mpi_io_global_array( 'sa_vertical_gradient', sa_vertical_gradient )
2075    CALL rrd_mpi_io_global_array( 'sa_vertical_gradient_level', sa_vertical_gradient_level )
2076    CALL rrd_mpi_io_global_array( 'sa_vertical_gradient_level_ind', sa_vertical_gradient_level_ind )
2077    CALL rrd_mpi_io( 'stokes_waveheight', stokes_waveheight )
2078    CALL rrd_mpi_io( 'stokes_wavelength', stokes_wavelength )
2079    CALL rrd_mpi_io( 'surface_cooling_spinup_time', surface_cooling_spinup_time )
2080    CALL rrd_mpi_io( 'top_salinityflux', top_salinityflux )
2081    CALL rrd_mpi_io_global_array( 'wall_salinityflux', wall_salinityflux )
2082    CALL rrd_mpi_io( 'wave_breaking', wave_breaking )
2083
2084 END SUBROUTINE ocean_rrd_global_mpi
2085
2086
2087!------------------------------------------------------------------------------!
2088! Description:
2089! ------------
2090!> Read module-specific local restart data arrays (Fortran binary format).
2091!------------------------------------------------------------------------------!
2092 SUBROUTINE ocean_rrd_local_ftn( k, nxlf, nxlc, nxl_on_file, nxrf, nxrc,           &
2093                                 nxr_on_file, nynf, nync, nyn_on_file, nysf,       &
2094                                 nysc, nys_on_file, tmp_3d, found )
2095
2096    USE averaging,                                                             &
2097        ONLY:  rho_ocean_av, sa_av
2098
2099    USE control_parameters,                                                    &
2100        ONLY:  length, restart_string
2101
2102    USE indices,                                                               &
2103        ONLY:  nbgp, nxlg, nxrg, nyng, nysg, nzb, nzt
2104
2105    USE pegrid
2106
2107
2108    IMPLICIT NONE
2109
2110    INTEGER(iwp) ::  k               !<
2111    INTEGER(iwp) ::  nxlc            !<
2112    INTEGER(iwp) ::  nxlf            !<
2113    INTEGER(iwp) ::  nxl_on_file     !<
2114    INTEGER(iwp) ::  nxrc            !<
2115    INTEGER(iwp) ::  nxrf            !<
2116    INTEGER(iwp) ::  nxr_on_file     !<
2117    INTEGER(iwp) ::  nync            !<
2118    INTEGER(iwp) ::  nynf            !<
2119    INTEGER(iwp) ::  nyn_on_file     !<
2120    INTEGER(iwp) ::  nysc            !<
2121    INTEGER(iwp) ::  nysf            !<
2122    INTEGER(iwp) ::  nys_on_file     !<
2123
2124    LOGICAL, INTENT(OUT)  ::  found
2125
2126    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nys_on_file-nbgp:nyn_on_file+nbgp,nxl_on_file-nbgp:nxr_on_file+nbgp) :: tmp_3d   !<
2127
2128
2129    found = .TRUE.
2130
2131    SELECT CASE ( restart_string(1:length) )
2132
2133       CASE ( 'rho_ocean_av' )
2134          IF ( .NOT. ALLOCATED( rho_ocean_av ) )  THEN
2135             ALLOCATE( rho_ocean_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
2136          ENDIF
2137          IF ( k == 1 )  READ ( 13 )  tmp_3d
2138          rho_ocean_av(:,nysc-nbgp:nync+nbgp,nxlc-nbgp:nxrc+nbgp) =            &
2139                              tmp_3d(:,nysf-nbgp:nynf+nbgp,nxlf-nbgp:nxrf+nbgp)
2140
2141       CASE ( 'sa' )
2142          IF ( k == 1 )  READ ( 13 )  tmp_3d
2143          sa(:,nysc-nbgp:nync+nbgp,nxlc-nbgp:nxrc+nbgp) =                      &
2144                              tmp_3d(:,nysf-nbgp:nynf+nbgp,nxlf-nbgp:nxrf+nbgp)
2145
2146       CASE ( 'sa_av' )
2147          IF ( .NOT. ALLOCATED( sa_av ) )  THEN
2148              ALLOCATE( sa_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
2149          ENDIF
2150          IF ( k == 1 )  READ ( 13 )  tmp_3d
2151          sa_av(:,nysc-nbgp:nync+nbgp,nxlc-nbgp:nxrc+nbgp) =                   &
2152                              tmp_3d(:,nysf-nbgp:nynf+nbgp,nxlf-nbgp:nxrf+nbgp)
2153
2154       CASE DEFAULT
2155          found = .FALSE.
2156
2157    END SELECT
2158
2159 END SUBROUTINE ocean_rrd_local_ftn
2160
2161
2162!------------------------------------------------------------------------------!
2163! Description:
2164! ------------
2165!> Read module-specific local restart data arrays (MPI-IO).
2166!------------------------------------------------------------------------------!
2167 SUBROUTINE ocean_rrd_local_mpi
2168
2169    USE averaging,                                                             &
2170        ONLY:  rho_ocean_av, sa_av
2171
2172    USE indices,                                                               &
2173        ONLY:  nxlg, nxrg, nyng, nysg, nzb, nzt
2174
2175    IMPLICIT NONE
2176
2177    LOGICAL ::  array_found  !<
2178
2179
2180    CALL rd_mpi_io_check_array( 'rho_ocean_av' , found = array_found )
2181    IF ( array_found )  THEN
2182       IF ( .NOT. ALLOCATED( rho_ocean_av ) )  ALLOCATE( rho_ocean_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
2183       CALL rrd_mpi_io( 'rho_ocean_av', rho_ocean_av )
2184    ENDIF
2185
2186    CALL rrd_mpi_io( 'sa', sa )
2187
2188    CALL rd_mpi_io_check_array( 'sa_av' , found = array_found )
2189    IF ( array_found )  THEN
2190       IF ( .NOT. ALLOCATED( sa_av ) )  ALLOCATE( sa_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
2191       CALL rrd_mpi_io( 'sa_av', sa_av )
2192    ENDIF
2193
2194 END SUBROUTINE ocean_rrd_local_mpi
2195
2196
2197!------------------------------------------------------------------------------!
2198! Description:
2199! ------------
2200!> This routine writes the respective restart data for the ocean module.
2201!------------------------------------------------------------------------------!
2202 SUBROUTINE ocean_wrd_global
2203
2204    IMPLICIT NONE
2205
2206
2207    IF ( TRIM( restart_data_format_output ) == 'fortran_binary' )  THEN
2208
2209       CALL wrd_write_string( 'bc_sa_t' )
2210       WRITE ( 14 )  bc_sa_t
2211
2212       CALL wrd_write_string( 'bottom_salinityflux' )
2213       WRITE ( 14 )  bottom_salinityflux
2214
2215       CALL wrd_write_string( 'salinity' )
2216       WRITE ( 14 )  salinity
2217
2218       CALL wrd_write_string( 'sa_init' )
2219       WRITE ( 14 )  sa_init
2220
2221       CALL wrd_write_string( 'sa_surface' )
2222       WRITE ( 14 )  sa_surface
2223
2224       CALL wrd_write_string( 'sa_vertical_gradient' )
2225       WRITE ( 14 )  sa_vertical_gradient
2226
2227       CALL wrd_write_string( 'sa_vertical_gradient_level' )
2228       WRITE ( 14 )  sa_vertical_gradient_level
2229
2230       CALL wrd_write_string( 'stokes_waveheight' )
2231       WRITE ( 14 )  stokes_waveheight
2232
2233       CALL wrd_write_string( 'stokes_wavelength' )
2234       WRITE ( 14 )  stokes_wavelength
2235
2236       CALL wrd_write_string( 'surface_cooling_spinup_time' )
2237       WRITE ( 14 )  surface_cooling_spinup_time
2238
2239       CALL wrd_write_string( 'top_salinityflux' )
2240       WRITE ( 14 )  top_salinityflux
2241
2242       CALL wrd_write_string( 'wall_salinityflux' )
2243       WRITE ( 14 )  wall_salinityflux
2244
2245       CALL wrd_write_string( 'wave_breaking' )
2246       WRITE ( 14 )  wave_breaking
2247
2248    ELSEIF ( restart_data_format_output(1:3) == 'mpi' )  THEN
2249
2250       CALL wrd_mpi_io( 'bc_sa_t', bc_sa_t )
2251       CALL wrd_mpi_io( 'bottom_salinityflux', bottom_salinityflux )
2252       CALL wrd_mpi_io( 'salinity', salinity )
2253       CALL wrd_mpi_io_global_array( 'sa_init', sa_init )
2254       CALL wrd_mpi_io( 'sa_surface', sa_surface )
2255       CALL wrd_mpi_io_global_array( 'sa_vertical_gradient', sa_vertical_gradient )
2256       CALL wrd_mpi_io_global_array( 'sa_vertical_gradient_level', sa_vertical_gradient_level )
2257       CALL wrd_mpi_io_global_array( 'sa_vertical_gradient_level_ind', sa_vertical_gradient_level_ind )
2258       CALL wrd_mpi_io( 'stokes_waveheight', stokes_waveheight )
2259       CALL wrd_mpi_io( 'stokes_wavelength', stokes_wavelength )
2260       CALL wrd_mpi_io( 'surface_cooling_spinup_time', surface_cooling_spinup_time )
2261       CALL wrd_mpi_io( 'top_salinityflux', top_salinityflux )
2262       CALL wrd_mpi_io_global_array( 'wall_salinityflux', wall_salinityflux )
2263       CALL wrd_mpi_io( 'wave_breaking', wave_breaking )
2264
2265    ENDIF
2266
2267 END SUBROUTINE ocean_wrd_global
2268
2269
2270!------------------------------------------------------------------------------!
2271! Description:
2272! ------------
2273!> This routine writes the respective restart data for the ocean module.
2274!------------------------------------------------------------------------------!
2275 SUBROUTINE ocean_wrd_local
2276
2277    USE averaging,                                                             &
2278        ONLY:  rho_ocean_av, sa_av
2279
2280    IMPLICIT NONE
2281
2282
2283    IF ( TRIM( restart_data_format_output ) == 'fortran_binary' )  THEN
2284
2285       IF ( ALLOCATED( rho_ocean_av ) )  THEN
2286          CALL wrd_write_string( 'rho_ocean_av' )
2287          WRITE ( 14 )  rho_ocean_av
2288       ENDIF
2289
2290       CALL wrd_write_string( 'sa' )
2291       WRITE ( 14 )  sa
2292
2293       IF ( ALLOCATED( sa_av ) )  THEN
2294          CALL wrd_write_string( 'sa_av' )
2295          WRITE ( 14 )  sa_av
2296       ENDIF
2297
2298    ELSEIF ( restart_data_format_output(1:3) == 'mpi' )  THEN
2299
2300       IF ( ALLOCATED( rho_ocean_av ) )  CALL wrd_mpi_io( 'rho_ocean_av', rho_ocean_av )
2301       CALL wrd_mpi_io( 'sa', sa )
2302       IF ( ALLOCATED( sa_av ) )  CALL wrd_mpi_io( 'sa_av', sa_av )
2303
2304    ENDIF
2305
2306 END SUBROUTINE ocean_wrd_local
2307
2308
2309!------------------------------------------------------------------------------!
2310! Description:
2311! ------------
2312!> This routine calculates the Craik Leibovich vortex force and the additional
2313!> effect of the Stokes drift on the Coriolis force
2314!> Call for all gridpoints.
2315!------------------------------------------------------------------------------!
2316 SUBROUTINE stokes_drift_terms( component )
2317
2318    USE arrays_3d,                                                             &
2319        ONLY:  ddzu, u, u_stokes_zu, u_stokes_zw, v, v_stokes_zu,              &
2320               v_stokes_zw, w, tend
2321
2322    USE basic_constants_and_equations_mod,                                     &
2323        ONLY:  pi
2324
2325    USE control_parameters,                                                    &
2326        ONLY:  f, fs, message_string, rotation_angle
2327
2328    USE grid_variables,                                                        &
2329        ONLY:  ddx, ddy
2330
2331    USE indices,                                                               &
2332        ONLY:  nxl, nxr, nys, nysv, nyn, nzb, nzt
2333
2334    IMPLICIT NONE
2335
2336    INTEGER(iwp) ::  component      !< component of momentum equation
2337    INTEGER(iwp) ::  i              !< loop index along x
2338    INTEGER(iwp) ::  j              !< loop index along y
2339    INTEGER(iwp) ::  k              !< loop index along z
2340
2341    REAL(wp)     ::  cos_rot_angle  !< cosine of model rotation angle
2342    REAL(wp)     ::  sin_rot_angle  !< sine of model rotation angle
2343
2344!
2345!-- Compute Stokes terms for the respective velocity components
2346    SELECT CASE ( component )
2347
2348!
2349!--    u-component
2350       CASE ( 1 )
2351          DO  i = nxl, nxr
2352             DO  j = nysv, nyn
2353                DO  k = nzb+1, nzt
2354                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + v_stokes_zu(k) * (              &
2355                                   0.5 * ( v(k,j+1,i) - v(k,j+1,i-1)           &
2356                                         + v(k,j,i)   - v(k,j,i-1)   ) * ddx   &
2357                                 - 0.5 * ( u(k,j+1,i) - u(k,j-1,i) )   * ddy   &
2358                                                                )              &
2359                                 + f * v_stokes_zu(k)
2360                ENDDO
2361             ENDDO
2362          ENDDO
2363
2364!
2365!--    v-component
2366       CASE ( 2 )
2367          DO  i = nxl, nxr
2368             DO  j = nysv, nyn
2369                DO  k = nzb+1, nzt
2370                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i) - u_stokes_zu(k) * (              &
2371                                   0.5 * ( v(k,j,i+1) - v(k,j,i-1) )   * ddx   &
2372                                 - 0.5 * ( u(k,j,i) - u(k,j-1,i)               &
2373                                         + u(k,j,i+1) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy   &
2374                                                                )              &
2375                                 - f * u_stokes_zu(k)
2376                ENDDO
2377             ENDDO
2378          ENDDO
2379
2380!
2381!--    w-component
2382       CASE ( 3 )
2383
2384!
2385!--       Precalculate cosine and sine of rotation angle
2386          cos_rot_angle = COS( rotation_angle * pi / 180.0_wp )
2387          sin_rot_angle = SIN( rotation_angle * pi / 180.0_wp )
2388
2389          DO  i = nxl, nxr
2390             DO  j = nys, nyn
2391                DO  k = nzb+1, nzt
2392                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + u_stokes_zw(k) * (              &
2393                                             0.5 * ( u(k+1,j,i) - u(k,j,i)     &
2394                                                   + u(k+1,j,i+1) - u(k,j,i+1) &
2395                                                   ) * ddzu(k+1)               &
2396                                           - 0.5 * ( w(k,j,i+1) - w(k,j,i-1)   &
2397                                                   ) * ddx      )              &
2398                                             - v_stokes_zw(k) * (              &
2399                                             0.5 * ( w(k,j+1,i) - w(k,j-1,i)   &
2400                                                   ) * ddy                     &
2401                                           - 0.5 * ( v(k+1,j,i) - v(k,j,i)     &
2402                                                   + v(k+1,j+1,i) - v(k,j+1,i) &
2403                                                   ) * ddzu(k)  )              &
2404                                           + fs * (                            &
2405                                               sin_rot_angle * v_stokes_zw(k)  &
2406                                             + cos_rot_angle * u_stokes_zw(k)  &
2407                                                  )
2408                ENDDO
2409             ENDDO
2410          ENDDO
2411
2412       CASE DEFAULT
2413          WRITE( message_string, * ) 'wrong component of Stokes force: ',      &
2414                                     component
2415          CALL message( 'stokes_drift_terms', 'PA0091', 1, 2, 0, 6, 0 )
2416
2417    END SELECT
2418
2419 END SUBROUTINE stokes_drift_terms
2420
2421
2422!------------------------------------------------------------------------------!
2423! Description:
2424! ------------
2425!> This routine calculates the Craik Leibovich vortex force and the additional
2426!> effect of the Stokes drift on the Coriolis force
2427!> Call for gridpoints i,j.
2428!------------------------------------------------------------------------------!
2429
2430 SUBROUTINE stokes_drift_terms_ij( i, j, component )
2431
2432    USE arrays_3d,                                                             &
2433        ONLY:  ddzu, u, u_stokes_zu, u_stokes_zw, v, v_stokes_zu,              &
2434               v_stokes_zw, w, tend
2435
2436    USE basic_constants_and_equations_mod,                                     &
2437        ONLY:  pi
2438
2439    USE control_parameters,                                                    &
2440        ONLY:  f, fs, message_string, rotation_angle
2441
2442    USE grid_variables,                                                        &
2443        ONLY:  ddx, ddy
2444
2445    USE indices,                                                               &
2446        ONLY:  nzb, nzt
2447
2448    IMPLICIT NONE
2449
2450    INTEGER(iwp) ::  component      !< component of momentum equation
2451    INTEGER(iwp) ::  i              !< loop index along x
2452    INTEGER(iwp) ::  j              !< loop index along y
2453    INTEGER(iwp) ::  k              !< loop incex along z
2454
2455    REAL(wp)     ::  cos_rot_angle  !< cosine of model rotation angle
2456    REAL(wp)     ::  sin_rot_angle  !< sine of model rotation angle
2457
2458!
2459!-- Compute Stokes terms for the respective velocity components
2460    SELECT CASE ( component )
2461
2462!
2463!--    u-component
2464       CASE ( 1 )
2465          DO  k = nzb+1, nzt
2466             tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + v_stokes_zu(k) * (                    &
2467                                     0.5 * ( v(k,j+1,i) - v(k,j+1,i-1)         &
2468                                           + v(k,j,i)   - v(k,j,i-1)   ) * ddx &
2469                                   - 0.5 * ( u(k,j+1,i) - u(k,j-1,i) )   * ddy &
2470                                                          )                    &
2471                                       + f * v_stokes_zu(k)
2472          ENDDO
2473!
2474!--    v-component
2475       CASE ( 2 )
2476          DO  k = nzb+1, nzt
2477             tend(k,j,i) = tend(k,j,i) - u_stokes_zu(k) * (                    &
2478                                     0.5 * ( v(k,j,i+1) - v(k,j,i-1) )   * ddx &
2479                                   - 0.5 * ( u(k,j,i) - u(k,j-1,i)             &
2480                                           + u(k,j,i+1) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy &
2481                                                          )                    &
2482                                       - f * u_stokes_zu(k)
2483          ENDDO
2484
2485!
2486!--    w-component
2487       CASE ( 3 )
2488
2489!
2490!--       Precalculate cosine and sine of rotation angle
2491          cos_rot_angle = COS( rotation_angle * pi / 180.0_wp )
2492          sin_rot_angle = SIN( rotation_angle * pi / 180.0_wp )
2493
2494          DO  k = nzb+1, nzt
2495             tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + u_stokes_zw(k) * (              &
2496                                     0.5 * ( u(k+1,j,i) - u(k,j,i)     &
2497                                                   + u(k+1,j,i+1) - u(k,j,i+1) &
2498                                                   ) * ddzu(k+1)               &
2499                                           - 0.5 * ( w(k,j,i+1) - w(k,j,i-1)   &
2500                                                   ) * ddx )                   &
2501                                       - v_stokes_zw(k) * (                    &
2502                                             0.5 * ( w(k,j+1,i) - w(k,j-1,i)   &
2503                                                   ) * ddy                     &
2504                                           - 0.5 * ( v(k+1,j,i) - v(k,j,i)     &
2505                                                   + v(k+1,j+1,i) - v(k,j+1,i) &
2506                                                   ) * ddzu(k)  )              &
2507                                       + fs * ( sin_rot_angle * v_stokes_zw(k) &
2508                                              + cos_rot_angle * u_stokes_zw(k) &
2509                                              )
2510          ENDDO
2511
2512       CASE DEFAULT
2513          WRITE( message_string, * ) ' wrong component: ', component
2514          CALL message( 'stokes_drift_terms', 'PA0091', 1, 2, 0, 6, 0 )
2515
2516    END SELECT
2517
2518 END SUBROUTINE stokes_drift_terms_ij
2519
2520
2521!------------------------------------------------------------------------------!
2522! Description:
2523! ------------
2524!> This routine calculates turbulence generated by wave breaking near the ocean
2525!> surface, following a parameterization given in Noh et al. (2004), JPO
2526!> Call for all gridpoints.
2527!> TODO: so far, this routine only works if the model time step has about the
2528!>       same value as the time scale of wave breaking!
2529!------------------------------------------------------------------------------!
2530 SUBROUTINE wave_breaking_term( component )
2531
2532    USE arrays_3d,                                                             &
2533        ONLY:  u_p, v_p
2534
2535    USE control_parameters,                                                    &
2536        ONLY:  dt_3d, message_string
2537
2538    USE indices,                                                               &
2539        ONLY:  nxl, nxlu, nxr, nys, nysv, nyn, nzt
2540
2541    IMPLICIT NONE
2542
2543    INTEGER(iwp) ::  component  !< component of momentum equation
2544    INTEGER(iwp) ::  i          !< loop index along x
2545    INTEGER(iwp) ::  j          !< loop index along y
2546
2547    REAL(wp) ::  random_gauss  !< function that creates a random number with a
2548                               !< Gaussian distribution
2549
2550
2551!
2552!-- Compute wave breaking terms for the respective velocity components.
2553!-- Velocities are directly manipulated, since this is not a real force
2554    SELECT CASE ( component )
2555
2556!
2557!--    u-component
2558       CASE ( 1 )
2559          DO  i = nxlu, nxr
2560             DO  j = nys, nyn
2561                u_p(nzt,j,i) = u_p(nzt,j,i) +                                  &
2562                               ( random_gauss( iran_ocean, 1.0_wp ) - 1.0_wp ) &
2563                               * alpha_wave_breaking * u_star_wave_breaking    &
2564                               / timescale_wave_breaking * dt_3d
2565             ENDDO
2566          ENDDO
2567!
2568!--    v-component
2569       CASE ( 2 )
2570          DO  i = nxl, nxr
2571             DO  j = nysv, nyn
2572                v_p(nzt,j,i) = v_p(nzt,j,i) +                                  &
2573                               ( random_gauss( iran_ocean, 1.0_wp ) - 1.0_wp ) &
2574                               * alpha_wave_breaking * u_star_wave_breaking    &
2575                               / timescale_wave_breaking * dt_3d
2576             ENDDO
2577          ENDDO
2578
2579       CASE DEFAULT
2580          WRITE( message_string, * ) 'wrong component of wave breaking: ',     &
2581                                     component
2582          CALL message( 'stokes_drift_terms', 'PA0466', 1, 2, 0, 6, 0 )
2583
2584    END SELECT
2585
2586 END SUBROUTINE wave_breaking_term
2587
2588
2589!------------------------------------------------------------------------------!
2590! Description:
2591! ------------
2592!> This routine calculates turbulence generated by wave breaking near the ocean
2593!> surface, following a parameterization given in Noh et al. (2004), JPO
2594!> Call for gridpoint i,j.
2595!> TODO: so far, this routine only works if the model time step has about the
2596!>       same value as the time scale of wave breaking!
2597!------------------------------------------------------------------------------!
2598 SUBROUTINE wave_breaking_term_ij( i, j, component )
2599
2600    USE arrays_3d,                                                             &
2601        ONLY:  u_p, v_p
2602
2603    USE control_parameters,                                                    &
2604        ONLY:  dt_3d, message_string
2605
2606    USE indices,                                                               &
2607        ONLY:  nzt
2608
2609    IMPLICIT NONE
2610
2611    INTEGER(iwp) ::  component  !< component of momentum equation
2612    INTEGER(iwp) ::  i          !< loop index along x
2613    INTEGER(iwp) ::  j          !< loop index along y
2614
2615    REAL(wp) ::  random_gauss  !< function that creates a random number with a
2616                               !< Gaussian distribution
2617
2618!
2619!-- Compute wave breaking terms for the respective velocity components
2620    SELECT CASE ( component )
2621
2622!
2623!--    u-/v-component
2624       CASE ( 1 )
2625          u_p(nzt,j,i) = u_p(nzt,j,i) +                                        &
2626                         ( random_gauss( iran_ocean, 1.0_wp ) - 1.0_wp )       &
2627                         * alpha_wave_breaking * u_star_wave_breaking          &
2628                         / timescale_wave_breaking * dt_3d
2629
2630       CASE ( 2 )
2631          v_p(nzt,j,i) = v_p(nzt,j,i) +                                        &
2632                         ( random_gauss( iran_ocean, 1.0_wp ) - 1.0_wp )       &
2633                         * alpha_wave_breaking * u_star_wave_breaking          &
2634                         / timescale_wave_breaking * dt_3d
2635
2636       CASE DEFAULT
2637          WRITE( message_string, * ) 'wrong component of wave breaking: ',     &
2638                                     component
2639          CALL message( 'stokes_drift_terms', 'PA0466', 1, 2, 0, 6, 0 )
2640
2641    END SELECT
2642
2643 END SUBROUTINE wave_breaking_term_ij
2644
2645
2646 END MODULE ocean_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.