source: palm/trunk/SOURCE/advec_s_bc.f90 @ 1685

Last change on this file since 1685 was 1683, checked in by knoop, 9 years ago

last commit documented

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 54.2 KB
Line 
1!> @file advec_s_bc.f90
2!--------------------------------------------------------------------------------!
3! This file is part of PALM.
4!
5! PALM is free software: you can redistribute it and/or modify it under the terms
6! of the GNU General Public License as published by the Free Software Foundation,
7! either version 3 of the License, or (at your option) any later version.
8!
9! PALM is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY
10! WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR
11! A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License for more details.
12!
13! You should have received a copy of the GNU General Public License along with
14! PALM. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
15!
16! Copyright 1997-2014 Leibniz Universitaet Hannover
17!--------------------------------------------------------------------------------!
18!
19! Current revisions:
20! -----------------
21!
22!
23! Former revisions:
24! -----------------
25! $Id: advec_s_bc.f90 1683 2015-10-07 23:57:51Z raasch $
26!
27! 1682 2015-10-07 23:56:08Z knoop
28! Code annotations made doxygen readable
29!
30! 1517 2015-01-07 19:12:25Z hoffmann
31! interface added to advec_s_bc
32!
33! 1374 2014-04-25 12:55:07Z raasch
34! missing variables added to ONLY list
35!
36! 1361 2014-04-16 15:17:48Z hoffmann
37! nr and qr added
38!
39! 1353 2014-04-08 15:21:23Z heinze
40! REAL constants provided with KIND-attribute
41!
42! 1346 2014-03-27 13:18:20Z heinze
43! Bugfix: REAL constants provided with KIND-attribute especially in call of
44! intrinsic function like MAX, MIN, SIGN
45!
46! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
47! ONLY-attribute added to USE-statements,
48! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
49! kinds are defined in new module kinds,
50! revision history before 2012 removed,
51! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
52! all variable declaration statements
53!
54! 1318 2014-03-17 13:35:16Z raasch
55! module interfaces removed
56!
57! 1092 2013-02-02 11:24:22Z raasch
58! unused variables removed
59!
60! 1036 2012-10-22 13:43:42Z raasch
61! code put under GPL (PALM 3.9)
62!
63! 1010 2012-09-20 07:59:54Z raasch
64! cpp switch __nopointer added for pointer free version
65!
66! Revision 1.1  1997/08/29 08:53:46  raasch
67! Initial revision
68!
69!
70! Description:
71! ------------
72!> Advection term for scalar quantities using the Bott-Chlond scheme.
73!> Computation in individual steps for each of the three dimensions.
74!> Limiting assumptions:
75!> So far the scheme has been assuming equidistant grid spacing. As this is not
76!> the case in the stretched portion of the z-direction, there dzw(k) is used as
77!> a substitute for a constant grid length. This certainly causes incorrect
78!> results; however, it is hoped that they are not too apparent for weakly
79!> stretched grids.
80!> NOTE: This is a provisional, non-optimised version!
81!------------------------------------------------------------------------------!
82MODULE advec_s_bc_mod
83 
84
85    PRIVATE
86    PUBLIC advec_s_bc
87
88    INTERFACE advec_s_bc
89       MODULE PROCEDURE advec_s_bc
90    END INTERFACE advec_s_bc
91
92 CONTAINS
93
94!------------------------------------------------------------------------------!
95! Description:
96! ------------
97!> @todo Missing subroutine description.
98!------------------------------------------------------------------------------!
99    SUBROUTINE advec_s_bc( sk, sk_char )
100
101       USE advection,                                                             &
102           ONLY:  aex, bex, dex, eex
103
104       USE arrays_3d,                                                             &
105           ONLY:  d, ddzw, dzu, dzw, tend, u, v, w
106
107       USE control_parameters,                                                    &
108           ONLY:  dt_3d, bc_pt_t_val, bc_q_t_val, ibc_pt_b, ibc_pt_t, ibc_q_t,    &
109                  message_string, pt_slope_offset, sloping_surface, u_gtrans,     &
110                  v_gtrans
111
112       USE cpulog,                                                                &
113           ONLY:  cpu_log, log_point_s
114
115       USE grid_variables,                                                        &
116           ONLY:  ddx, ddy
117
118       USE indices,                                                               &
119           ONLY:  nx, nxl, nxlg, nxr, nxrg, nyn, nyng, nys, nysg, nzb, nzt
120
121       USE kinds
122
123       USE pegrid
124
125       USE statistics,                                                            &
126           ONLY:  rmask, statistic_regions, sums_wsts_bc_l
127
128
129       IMPLICIT NONE
130
131       CHARACTER (LEN=*) ::  sk_char !<
132
133       INTEGER(iwp) ::  i         !<
134       INTEGER(iwp) ::  ix        !<
135       INTEGER(iwp) ::  j         !<
136       INTEGER(iwp) ::  k         !<
137       INTEGER(iwp) ::  ngp       !<
138       INTEGER(iwp) ::  sr        !<
139       INTEGER(iwp) ::  type_xz_2 !<
140
141       REAL(wp) ::  cim    !<
142       REAL(wp) ::  cimf   !<
143       REAL(wp) ::  cip    !<
144       REAL(wp) ::  cipf   !<
145       REAL(wp) ::  d_new  !<
146       REAL(wp) ::  denomi !< denominator
147       REAL(wp) ::  fminus !<
148       REAL(wp) ::  fplus  !<
149       REAL(wp) ::  f2     !<
150       REAL(wp) ::  f4     !<
151       REAL(wp) ::  f8     !<
152       REAL(wp) ::  f12    !<
153       REAL(wp) ::  f24    !<
154       REAL(wp) ::  f48    !<
155       REAL(wp) ::  f1920  !<
156       REAL(wp) ::  im     !<
157       REAL(wp) ::  ip     !<
158       REAL(wp) ::  m2     !<
159       REAL(wp) ::  m3     !<
160       REAL(wp) ::  numera !< numerator
161       REAL(wp) ::  snenn  !<
162       REAL(wp) ::  sterm  !<
163       REAL(wp) ::  tendcy !<
164       REAL(wp) ::  t1     !<
165       REAL(wp) ::  t2     !<
166
167       REAL(wp) ::  fmax(2)   !<
168       REAL(wp) ::  fmax_l(2) !<
169       
170#if defined( __nopointer )
171       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::  sk !<
172#else
173       REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), POINTER ::  sk
174#endif
175
176       REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  a0   !<
177       REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  a1   !<
178       REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  a12  !<
179       REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  a2   !<
180       REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  a22  !<
181       REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  immb !<
182       REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  imme !<
183       REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  impb !<
184       REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  impe !<
185       REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  ipmb !<
186       REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  ipme !<
187       REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  ippb !<
188       REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  ippe !<
189       
190       REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  sk_p !<
191
192#if defined( __nec )
193       REAL(sp) ::  m1n, m1z  !Wichtig: Division !<
194       REAL(sp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE :: m1, sw !<
195#else
196       REAL(wp) ::  m1n, m1z 
197       REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE :: m1, sw
198#endif
199
200
201!
202!--    Array sk_p requires 2 extra elements for each dimension
203       ALLOCATE( sk_p(nzb-2:nzt+3,nys-3:nyn+3,nxl-3:nxr+3) )
204       sk_p = 0.0_wp
205
206!
207!--    Assign reciprocal values in order to avoid divisions later
208       f2    = 0.5_wp
209       f4    = 0.25_wp
210       f8    = 0.125_wp
211       f12   = 0.8333333333333333E-01_wp
212       f24   = 0.4166666666666666E-01_wp
213       f48   = 0.2083333333333333E-01_wp
214       f1920 = 0.5208333333333333E-03_wp
215
216!
217!--    Advection in x-direction:
218
219!
220!--    Save the quantity to be advected in a local array
221!--    add an enlarged boundary in x-direction
222       DO  i = nxl-1, nxr+1
223          DO  j = nys, nyn
224             DO  k = nzb, nzt+1
225                sk_p(k,j,i) = sk(k,j,i)
226             ENDDO
227          ENDDO
228       ENDDO
229#if defined( __parallel )
230       ngp = 2 * ( nzt - nzb + 6 ) * ( nyn - nys + 7 )
231       CALL cpu_log( log_point_s(11), 'advec_s_bc:sendrecv', 'start' )
232!
233!--    Send left boundary, receive right boundary
234       CALL MPI_SENDRECV( sk_p(nzb-2,nys-3,nxl+1), ngp, MPI_REAL, pleft,  0,      &
235                          sk_p(nzb-2,nys-3,nxr+2), ngp, MPI_REAL, pright, 0,      &
236                          comm2d, status, ierr )
237!
238!--    Send right boundary, receive left boundary
239       CALL MPI_SENDRECV( sk_p(nzb-2,nys-3,nxr-2), ngp, MPI_REAL, pright, 1,      &
240                          sk_p(nzb-2,nys-3,nxl-3), ngp, MPI_REAL, pleft,  1,      &
241                          comm2d, status, ierr )
242       CALL cpu_log( log_point_s(11), 'advec_s_bc:sendrecv', 'pause' )
243#else
244
245!
246!--    Cyclic boundary conditions
247       sk_p(:,nys:nyn,nxl-3) = sk_p(:,nys:nyn,nxr-2)
248       sk_p(:,nys:nyn,nxl-2) = sk_p(:,nys:nyn,nxr-1)
249       sk_p(:,nys:nyn,nxr+2) = sk_p(:,nys:nyn,nxl+1)
250       sk_p(:,nys:nyn,nxr+3) = sk_p(:,nys:nyn,nxl+2)
251#endif
252
253!
254!--    In case of a sloping surface, the additional gridpoints in x-direction
255!--    of the temperature field at the left and right boundary of the total
256!--    domain must be adjusted by the temperature difference between this distance
257       IF ( sloping_surface  .AND.  sk_char == 'pt' )  THEN
258          IF ( nxl ==  0 )  THEN
259             sk_p(:,nys:nyn,nxl-3) = sk_p(:,nys:nyn,nxl-3) - pt_slope_offset
260             sk_p(:,nys:nyn,nxl-2) = sk_p(:,nys:nyn,nxl-2) - pt_slope_offset
261          ENDIF
262          IF ( nxr == nx )  THEN
263             sk_p(:,nys:nyn,nxr+2) = sk_p(:,nys:nyn,nxr+2) + pt_slope_offset
264             sk_p(:,nys:nyn,nxr+3) = sk_p(:,nys:nyn,nxr+3) + pt_slope_offset
265          ENDIF
266       ENDIF
267
268!
269!--    Initialise control density
270       d = 0.0_wp
271
272!
273!--    Determine maxima of the first and second derivative in x-direction
274       fmax_l = 0.0_wp
275       DO  i = nxl, nxr
276          DO  j = nys, nyn
277             DO  k = nzb+1, nzt
278                numera = ABS( sk_p(k,j,i+1) - 2.0_wp * sk_p(k,j,i) + sk_p(k,j,i-1) )
279                denomi  = ABS( sk_p(k,j,i+1) - sk_p(k,j,i-1) )
280                fmax_l(1) = MAX( fmax_l(1) , numera )
281                fmax_l(2) = MAX( fmax_l(2) , denomi  )
282             ENDDO
283          ENDDO
284       ENDDO
285#if defined( __parallel )
286       IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
287       CALL MPI_ALLREDUCE( fmax_l, fmax, 2, MPI_REAL, MPI_MAX, comm2d, ierr )
288#else
289       fmax = fmax_l
290#endif
291
292       fmax = 0.04_wp * fmax
293
294!
295!--    Allocate temporary arrays
296       ALLOCATE( a0(nzb+1:nzt,nxl-1:nxr+1),   a1(nzb+1:nzt,nxl-1:nxr+1),          &
297                 a2(nzb+1:nzt,nxl-1:nxr+1),   a12(nzb+1:nzt,nxl-1:nxr+1),         &
298                 a22(nzb+1:nzt,nxl-1:nxr+1),  immb(nzb+1:nzt,nxl-1:nxr+1),        &
299                 imme(nzb+1:nzt,nxl-1:nxr+1), impb(nzb+1:nzt,nxl-1:nxr+1),        &
300                 impe(nzb+1:nzt,nxl-1:nxr+1), ipmb(nzb+1:nzt,nxl-1:nxr+1),        &
301                 ipme(nzb+1:nzt,nxl-1:nxr+1), ippb(nzb+1:nzt,nxl-1:nxr+1),        &
302                 ippe(nzb+1:nzt,nxl-1:nxr+1), m1(nzb+1:nzt,nxl-2:nxr+2),          &
303                 sw(nzb+1:nzt,nxl-1:nxr+1)                                        &
304               )
305       imme = 0.0_wp; impe = 0.0_wp; ipme = 0.0_wp; ippe = 0.0_wp
306
307!
308!--    Initialise point of time measuring of the exponential portion (this would
309!--    not work if done locally within the loop)
310       CALL cpu_log( log_point_s(12), 'advec_s_bc:exp', 'start' )
311       CALL cpu_log( log_point_s(12), 'advec_s_bc:exp', 'pause' )
312
313!
314!--    Outer loop of all j
315       DO  j = nys, nyn
316
317!
318!--       Compute polynomial coefficients
319          DO  i = nxl-1, nxr+1
320             DO  k = nzb+1, nzt
321                a12(k,i) = 0.5_wp * ( sk_p(k,j,i+1) - sk_p(k,j,i-1) )
322                a22(k,i) = 0.5_wp * ( sk_p(k,j,i+1) - 2.0_wp * sk_p(k,j,i)        &
323                                                    + sk_p(k,j,i-1) )
324                a0(k,i) = ( 9.0_wp * sk_p(k,j,i+2)    - 116.0_wp * sk_p(k,j,i+1)  &
325                            + 2134.0_wp * sk_p(k,j,i) - 116.0_wp * sk_p(k,j,i-1)  &
326                            + 9.0_wp * sk_p(k,j,i-2) ) * f1920
327                a1(k,i) = ( -5.0_wp * sk_p(k,j,i+2)   + 34.0_wp * sk_p(k,j,i+1)   &
328                            - 34.0_wp * sk_p(k,j,i-1) + 5.0_wp * sk_p(k,j,i-2)    &
329                          ) * f48
330                a2(k,i) = ( -3.0_wp * sk_p(k,j,i+2) + 36.0_wp * sk_p(k,j,i+1)     &
331                            - 66.0_wp * sk_p(k,j,i) + 36.0_wp * sk_p(k,j,i-1)     &
332                            - 3.0_wp * sk_p(k,j,i-2) ) * f48
333             ENDDO
334          ENDDO
335
336!
337!--       Fluxes using the Bott scheme
338!--       *VOCL LOOP,UNROLL(2)
339          DO  i = nxl, nxr
340             DO  k = nzb+1, nzt
341                cip  =  MAX( 0.0_wp, ( u(k,j,i+1) - u_gtrans ) * dt_3d * ddx )
342                cim  = -MIN( 0.0_wp, ( u(k,j,i+1) - u_gtrans ) * dt_3d * ddx )
343                cipf = 1.0_wp - 2.0_wp * cip
344                cimf = 1.0_wp - 2.0_wp * cim
345                ip   =   a0(k,i)   * f2  * ( 1.0_wp - cipf )                      &
346                       + a1(k,i)   * f8  * ( 1.0_wp - cipf*cipf )                 &
347                       + a2(k,i)   * f24 * ( 1.0_wp - cipf*cipf*cipf )
348                im   =   a0(k,i+1) * f2  * ( 1.0_wp - cimf )                      &
349                       - a1(k,i+1) * f8  * ( 1.0_wp - cimf*cimf )                 &
350                       + a2(k,i+1) * f24 * ( 1.0_wp - cimf*cimf*cimf )
351                ip   = MAX( ip, 0.0_wp )
352                im   = MAX( im, 0.0_wp )
353                ippb(k,i) = ip * MIN( 1.0_wp, sk_p(k,j,i)   / (ip+im+1E-15_wp) )
354                impb(k,i) = im * MIN( 1.0_wp, sk_p(k,j,i+1) / (ip+im+1E-15_wp) )
355
356                cip  =  MAX( 0.0_wp, ( u(k,j,i) - u_gtrans ) * dt_3d * ddx )
357                cim  = -MIN( 0.0_wp, ( u(k,j,i) - u_gtrans ) * dt_3d * ddx )
358                cipf = 1.0_wp - 2.0_wp * cip
359                cimf = 1.0_wp - 2.0_wp * cim
360                ip   =   a0(k,i-1) * f2  * ( 1.0_wp - cipf )                      &
361                       + a1(k,i-1) * f8  * ( 1.0_wp - cipf*cipf )                 &
362                       + a2(k,i-1) * f24 * ( 1.0_wp - cipf*cipf*cipf )
363                im   =   a0(k,i)   * f2  * ( 1.0_wp - cimf )                      &
364                       - a1(k,i)   * f8  * ( 1.0_wp - cimf*cimf )                 &
365                       + a2(k,i)   * f24 * ( 1.0_wp - cimf*cimf*cimf )
366                ip   = MAX( ip, 0.0_wp )
367                im   = MAX( im, 0.0_wp )
368                ipmb(k,i) = ip * MIN( 1.0_wp, sk_p(k,j,i-1) / (ip+im+1E-15_wp) )
369                immb(k,i) = im * MIN( 1.0_wp, sk_p(k,j,i)   / (ip+im+1E-15_wp) )
370             ENDDO
371          ENDDO
372
373!
374!--       Compute monitor function m1
375          DO  i = nxl-2, nxr+2
376             DO  k = nzb+1, nzt
377                m1z = ABS( sk_p(k,j,i+1) - 2.0_wp * sk_p(k,j,i) + sk_p(k,j,i-1) )
378                m1n = ABS( sk_p(k,j,i+1) - sk_p(k,j,i-1) )
379                IF ( m1n /= 0.0_wp  .AND.  m1n >= m1z )  THEN
380                   m1(k,i) = m1z / m1n
381                   IF ( m1(k,i) /= 2.0_wp  .AND.  m1n < fmax(2) )  m1(k,i) = 0.0_wp
382                ELSEIF ( m1n < m1z )  THEN
383                   m1(k,i) = -1.0_wp
384                ELSE
385                   m1(k,i) = 0.0_wp
386                ENDIF
387             ENDDO
388          ENDDO
389
390!
391!--       Compute switch sw
392          sw = 0.0_wp
393          DO  i = nxl-1, nxr+1
394             DO  k = nzb+1, nzt
395                m2 = 2.0_wp * ABS( a1(k,i) - a12(k,i) ) /                         &
396                     MAX( ABS( a1(k,i) + a12(k,i) ), 1E-35_wp )
397                IF ( ABS( a1(k,i) + a12(k,i) ) < fmax(2) )  m2 = 0.0_wp
398
399                m3 = 2.0_wp * ABS( a2(k,i) - a22(k,i) ) /                         &
400                     MAX( ABS( a2(k,i) + a22(k,i) ), 1E-35_wp )
401                IF ( ABS( a2(k,i) + a22(k,i) ) < fmax(1) )  m3 = 0.0_wp
402
403                t1 = 0.35_wp
404                t2 = 0.35_wp
405                IF ( m1(k,i) == -1.0_wp )  t2 = 0.12_wp
406
407!--             *VOCL STMT,IF(10)
408                IF ( m1(k,i-1) == 1.0_wp .OR. m1(k,i) == 1.0_wp                   &
409                     .OR. m1(k,i+1) == 1.0_wp .OR.  m2 > t2  .OR.  m3 > t2  .OR.  &
410                     ( m1(k,i) > t1  .AND.  m1(k,i-1) /= -1.0_wp  .AND.           &
411                       m1(k,i) /= -1.0_wp  .AND.  m1(k,i+1) /= -1.0_wp )          &
412                   )  sw(k,i) = 1.0_wp
413             ENDDO
414          ENDDO
415
416!
417!--       Fluxes using the exponential scheme
418          CALL cpu_log( log_point_s(12), 'advec_s_bc:exp', 'continue' )
419          DO  i = nxl, nxr
420             DO  k = nzb+1, nzt
421
422!--             *VOCL STMT,IF(10)
423                IF ( sw(k,i) == 1.0_wp )  THEN
424                   snenn = sk_p(k,j,i+1) - sk_p(k,j,i-1)
425                   IF ( ABS( snenn ) < 1E-9_wp )  snenn = 1E-9_wp
426                   sterm = ( sk_p(k,j,i) - sk_p(k,j,i-1) ) / snenn
427                   sterm = MIN( sterm, 0.9999_wp )
428                   sterm = MAX( sterm, 0.0001_wp )
429
430                   ix = INT( sterm * 1000 ) + 1
431
432                   cip =  MAX( 0.0_wp, ( u(k,j,i+1) - u_gtrans ) * dt_3d * ddx )
433
434                   ippe(k,i) = sk_p(k,j,i-1) * cip + snenn * (                    &
435                               aex(ix) * cip + bex(ix) / dex(ix) * (              &
436                               eex(ix) -                                          &
437                               EXP( dex(ix)*0.5_wp * ( 1.0_wp - 2.0_wp * cip ) )  &
438                                                                   )              &
439                                                             )
440                   IF ( sterm == 0.0001_wp )  ippe(k,i) = sk_p(k,j,i) * cip
441                   IF ( sterm == 0.9999_wp )  ippe(k,i) = sk_p(k,j,i) * cip
442
443                   snenn = sk_p(k,j,i-1) - sk_p(k,j,i+1)
444                   IF ( ABS( snenn ) < 1E-9_wp )  snenn = 1E-9_wp
445                   sterm = ( sk_p(k,j,i) - sk_p(k,j,i+1) ) / snenn
446                   sterm = MIN( sterm, 0.9999_wp )
447                   sterm = MAX( sterm, 0.0001_wp )
448
449                   ix = INT( sterm * 1000 ) + 1
450
451                   cim = -MIN( 0.0_wp, ( u(k,j,i) - u_gtrans ) * dt_3d * ddx )
452
453                   imme(k,i) = sk_p(k,j,i+1) * cim + snenn * (                    &
454                               aex(ix) * cim + bex(ix) / dex(ix) * (              &
455                               eex(ix) -                                          &
456                               EXP( dex(ix)*0.5_wp * ( 1.0_wp - 2.0_wp * cim ) )  &
457                                                                   )              &
458                                                             )
459                   IF ( sterm == 0.0001_wp )  imme(k,i) = sk_p(k,j,i) * cim
460                   IF ( sterm == 0.9999_wp )  imme(k,i) = sk_p(k,j,i) * cim
461                ENDIF
462
463!--             *VOCL STMT,IF(10)
464                IF ( sw(k,i+1) == 1.0_wp )  THEN
465                   snenn = sk_p(k,j,i) - sk_p(k,j,i+2)
466                   IF ( ABS( snenn ) .LT. 1E-9_wp )  snenn = 1E-9_wp
467                   sterm = ( sk_p(k,j,i+1) - sk_p(k,j,i+2) ) / snenn
468                   sterm = MIN( sterm, 0.9999_wp )
469                   sterm = MAX( sterm, 0.0001_wp )
470
471                   ix = INT( sterm * 1000 ) + 1
472
473                   cim = -MIN( 0.0_wp, ( u(k,j,i+1) - u_gtrans ) * dt_3d * ddx )
474
475                   impe(k,i) = sk_p(k,j,i+2) * cim + snenn * (                    &
476                               aex(ix) * cim + bex(ix) / dex(ix) * (              &
477                               eex(ix) -                                          &
478                               EXP( dex(ix)*0.5_wp * ( 1.0_wp - 2.0_wp * cim ) )  &
479                                                                   )              &
480                                                             )
481                   IF ( sterm == 0.0001_wp )  impe(k,i) = sk_p(k,j,i+1) * cim
482                   IF ( sterm == 0.9999_wp )  impe(k,i) = sk_p(k,j,i+1) * cim
483                ENDIF
484
485!--             *VOCL STMT,IF(10)
486                IF ( sw(k,i-1) == 1.0_wp )  THEN
487                   snenn = sk_p(k,j,i) - sk_p(k,j,i-2)
488                   IF ( ABS( snenn ) < 1E-9_wp )  snenn = 1E-9_wp
489                   sterm = ( sk_p(k,j,i-1) - sk_p(k,j,i-2) ) / snenn
490                   sterm = MIN( sterm, 0.9999_wp )
491                   sterm = MAX( sterm, 0.0001_wp )
492
493                   ix = INT( sterm * 1000 ) + 1
494
495                   cip = MAX( 0.0_wp, ( u(k,j,i) - u_gtrans ) * dt_3d * ddx )
496
497                   ipme(k,i) = sk_p(k,j,i-2) * cip + snenn * (                    &
498                               aex(ix) * cip + bex(ix) / dex(ix) * (              &
499                               eex(ix) -                                          &
500                               EXP( dex(ix)*0.5_wp * ( 1.0_wp - 2.0_wp * cip ) )  &
501                                                                   )              &
502                                                             )
503                   IF ( sterm == 0.0001_wp )  ipme(k,i) = sk_p(k,j,i-1) * cip
504                   IF ( sterm == 0.9999_wp )  ipme(k,i) = sk_p(k,j,i-1) * cip
505                ENDIF
506
507             ENDDO
508          ENDDO
509          CALL cpu_log( log_point_s(12), 'advec_s_bc:exp', 'pause' )
510
511!
512!--       Prognostic equation
513          DO  i = nxl, nxr
514             DO  k = nzb+1, nzt
515                fplus  = ( 1.0_wp - sw(k,i)   ) * ippb(k,i) + sw(k,i)   * ippe(k,i)  &
516                       - ( 1.0_wp - sw(k,i+1) ) * impb(k,i) - sw(k,i+1) * impe(k,i)
517                fminus = ( 1.0_wp - sw(k,i-1) ) * ipmb(k,i) + sw(k,i-1) * ipme(k,i)  &
518                       - ( 1.0_wp - sw(k,i)   ) * immb(k,i) - sw(k,i)   * imme(k,i)
519                tendcy = fplus - fminus
520!
521!--             Removed in order to optimize speed
522!                ffmax   = MAX( ABS( fplus ), ABS( fminus ), 1E-35_wp )
523!                IF ( ( ABS( tendcy ) / ffmax ) < 1E-7_wp )  tendcy = 0.0
524!
525!--             Density correction because of possible remaining divergences
526                d_new = d(k,j,i) - ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i) ) * dt_3d * ddx
527                sk_p(k,j,i) = ( ( 1.0_wp + d(k,j,i) ) * sk_p(k,j,i) - tendcy ) /    &
528                              ( 1.0_wp + d_new )
529                d(k,j,i)  = d_new
530             ENDDO
531          ENDDO
532
533       ENDDO   ! End of the advection in x-direction
534
535!
536!--    Deallocate temporary arrays
537       DEALLOCATE( a0, a1, a2, a12, a22, immb, imme, impb, impe, ipmb, ipme,      &
538                   ippb, ippe, m1, sw )
539
540
541!
542!--    Enlarge boundary of local array cyclically in y-direction
543#if defined( __parallel )
544       ngp = ( nzt - nzb + 6 ) * ( nyn - nys + 7 )
545       CALL MPI_TYPE_VECTOR( nxr-nxl+7, 3*(nzt-nzb+6), ngp, MPI_REAL,             &
546                             type_xz_2, ierr )
547       CALL MPI_TYPE_COMMIT( type_xz_2, ierr )
548!
549!--    Send front boundary, receive rear boundary
550       CALL cpu_log( log_point_s(11), 'advec_s_bc:sendrecv', 'continue' )
551       CALL MPI_SENDRECV( sk_p(nzb-2,nys,nxl-3),   1, type_xz_2, psouth, 0,       &
552                          sk_p(nzb-2,nyn+1,nxl-3), 1, type_xz_2, pnorth, 0,       &
553                          comm2d, status, ierr )
554!
555!--    Send rear boundary, receive front boundary
556       CALL MPI_SENDRECV( sk_p(nzb-2,nyn-2,nxl-3), 1, type_xz_2, pnorth, 1,       &
557                          sk_p(nzb-2,nys-3,nxl-3), 1, type_xz_2, psouth, 1,       &
558                          comm2d, status, ierr )
559       CALL MPI_TYPE_FREE( type_xz_2, ierr )
560       CALL cpu_log( log_point_s(11), 'advec_s_bc:sendrecv', 'pause' )
561#else
562       DO  i = nxl, nxr
563          DO  k = nzb+1, nzt
564             sk_p(k,nys-1,i) = sk_p(k,nyn,i)
565             sk_p(k,nys-2,i) = sk_p(k,nyn-1,i)
566             sk_p(k,nys-3,i) = sk_p(k,nyn-2,i)
567             sk_p(k,nyn+1,i) = sk_p(k,nys,i)
568             sk_p(k,nyn+2,i) = sk_p(k,nys+1,i)
569             sk_p(k,nyn+3,i) = sk_p(k,nys+2,i)
570          ENDDO
571       ENDDO
572#endif
573
574!
575!--    Determine the maxima of the first and second derivative in y-direction
576       fmax_l = 0.0_wp
577       DO  i = nxl, nxr
578          DO  j = nys, nyn
579             DO  k = nzb+1, nzt
580                numera = ABS( sk_p(k,j+1,i) - 2.0_wp * sk_p(k,j,i) + sk_p(k,j-1,i) )
581                denomi  = ABS( sk_p(k,j+1,i) - sk_p(k,j-1,i) )
582                fmax_l(1) = MAX( fmax_l(1) , numera )
583                fmax_l(2) = MAX( fmax_l(2) , denomi  )
584             ENDDO
585          ENDDO
586       ENDDO
587#if defined( __parallel )
588       IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
589       CALL MPI_ALLREDUCE( fmax_l, fmax, 2, MPI_REAL, MPI_MAX, comm2d, ierr )
590#else
591       fmax = fmax_l
592#endif
593
594       fmax = 0.04_wp * fmax
595
596!
597!--    Allocate temporary arrays
598       ALLOCATE( a0(nzb+1:nzt,nys-1:nyn+1),   a1(nzb+1:nzt,nys-1:nyn+1),          &
599                 a2(nzb+1:nzt,nys-1:nyn+1),   a12(nzb+1:nzt,nys-1:nyn+1),         &
600                 a22(nzb+1:nzt,nys-1:nyn+1),  immb(nzb+1:nzt,nys-1:nyn+1),        &
601                 imme(nzb+1:nzt,nys-1:nyn+1), impb(nzb+1:nzt,nys-1:nyn+1),        &
602                 impe(nzb+1:nzt,nys-1:nyn+1), ipmb(nzb+1:nzt,nys-1:nyn+1),        &
603                 ipme(nzb+1:nzt,nys-1:nyn+1), ippb(nzb+1:nzt,nys-1:nyn+1),        &
604                 ippe(nzb+1:nzt,nys-1:nyn+1), m1(nzb+1:nzt,nys-2:nyn+2),          &
605                 sw(nzb+1:nzt,nys-1:nyn+1)                                        &
606               )
607       imme = 0.0_wp; impe = 0.0_wp; ipme = 0.0_wp; ippe = 0.0_wp
608
609!
610!--    Outer loop of all i
611       DO  i = nxl, nxr
612
613!
614!--       Compute polynomial coefficients
615          DO  j = nys-1, nyn+1
616             DO  k = nzb+1, nzt
617                a12(k,j) = 0.5_wp * ( sk_p(k,j+1,i) - sk_p(k,j-1,i) )
618                a22(k,j) = 0.5_wp * ( sk_p(k,j+1,i) - 2.0_wp * sk_p(k,j,i)        &
619                                                    + sk_p(k,j-1,i) )
620                a0(k,j) = ( 9.0_wp * sk_p(k,j+2,i)    - 116.0_wp * sk_p(k,j+1,i)  &
621                            + 2134.0_wp * sk_p(k,j,i) - 116.0_wp * sk_p(k,j-1,i)  &
622                            + 9.0_wp * sk_p(k,j-2,i) ) * f1920
623                a1(k,j) = ( -5.0_wp   * sk_p(k,j+2,i) + 34.0_wp * sk_p(k,j+1,i)   &
624                            - 34.0_wp * sk_p(k,j-1,i) + 5.0_wp  * sk_p(k,j-2,i)   &
625                          ) * f48
626                a2(k,j) = ( -3.0_wp * sk_p(k,j+2,i) + 36.0_wp * sk_p(k,j+1,i)     &
627                            - 66.0_wp * sk_p(k,j,i) + 36.0_wp * sk_p(k,j-1,i)     &
628                            - 3.0_wp * sk_p(k,j-2,i) ) * f48
629             ENDDO
630          ENDDO
631
632!
633!--       Fluxes using the Bott scheme
634!--       *VOCL LOOP,UNROLL(2)
635          DO  j = nys, nyn
636             DO  k = nzb+1, nzt
637                cip  =  MAX( 0.0_wp, ( v(k,j+1,i) - v_gtrans ) * dt_3d * ddy )
638                cim  = -MIN( 0.0_wp, ( v(k,j+1,i) - v_gtrans ) * dt_3d * ddy )
639                cipf = 1.0_wp - 2.0_wp * cip
640                cimf = 1.0_wp - 2.0_wp * cim
641                ip   =   a0(k,j)   * f2  * ( 1.0_wp - cipf )                      &
642                       + a1(k,j)   * f8  * ( 1.0_wp - cipf*cipf )                 &
643                       + a2(k,j)   * f24 * ( 1.0_wp - cipf*cipf*cipf )
644                im   =   a0(k,j+1) * f2  * ( 1.0_wp - cimf )                      &
645                       - a1(k,j+1) * f8  * ( 1.0_wp - cimf*cimf )                 &
646                       + a2(k,j+1) * f24 * ( 1.0_wp - cimf*cimf*cimf )
647                ip   = MAX( ip, 0.0_wp )
648                im   = MAX( im, 0.0_wp )
649                ippb(k,j) = ip * MIN( 1.0_wp, sk_p(k,j,i)   / (ip+im+1E-15_wp) )
650                impb(k,j) = im * MIN( 1.0_wp, sk_p(k,j+1,i) / (ip+im+1E-15_wp) )
651
652                cip  =  MAX( 0.0_wp, ( v(k,j,i) - v_gtrans ) * dt_3d * ddy )
653                cim  = -MIN( 0.0_wp, ( v(k,j,i) - v_gtrans ) * dt_3d * ddy )
654                cipf = 1.0_wp - 2.0_wp * cip
655                cimf = 1.0_wp - 2.0_wp * cim
656                ip   =   a0(k,j-1) * f2  * ( 1.0_wp - cipf )                      &
657                       + a1(k,j-1) * f8  * ( 1.0_wp - cipf*cipf )                 &
658                       + a2(k,j-1) * f24 * ( 1.0_wp - cipf*cipf*cipf )
659                im   =   a0(k,j)   * f2  * ( 1.0_wp - cimf )                      &
660                       - a1(k,j)   * f8  * ( 1.0_wp - cimf*cimf )                 &
661                       + a2(k,j)   * f24 * ( 1.0_wp - cimf*cimf*cimf )
662                ip   = MAX( ip, 0.0_wp )
663                im   = MAX( im, 0.0_wp )
664                ipmb(k,j) = ip * MIN( 1.0_wp, sk_p(k,j-1,i) / (ip+im+1E-15_wp) )
665                immb(k,j) = im * MIN( 1.0_wp, sk_p(k,j,i)   / (ip+im+1E-15_wp) )
666             ENDDO
667          ENDDO
668
669!
670!--       Compute monitor function m1
671          DO  j = nys-2, nyn+2
672             DO  k = nzb+1, nzt
673                m1z = ABS( sk_p(k,j+1,i) - 2.0_wp * sk_p(k,j,i) + sk_p(k,j-1,i) )
674                m1n = ABS( sk_p(k,j+1,i) - sk_p(k,j-1,i) )
675                IF ( m1n /= 0.0_wp  .AND.  m1n >= m1z )  THEN
676                   m1(k,j) = m1z / m1n
677                   IF ( m1(k,j) /= 2.0_wp  .AND.  m1n < fmax(2) )  m1(k,j) = 0.0_wp
678                ELSEIF ( m1n < m1z )  THEN
679                   m1(k,j) = -1.0_wp
680                ELSE
681                   m1(k,j) = 0.0_wp
682                ENDIF
683             ENDDO
684          ENDDO
685
686!
687!--       Compute switch sw
688          sw = 0.0_wp
689          DO  j = nys-1, nyn+1
690             DO  k = nzb+1, nzt
691                m2 = 2.0_wp * ABS( a1(k,j) - a12(k,j) ) /                            &
692                     MAX( ABS( a1(k,j) + a12(k,j) ), 1E-35_wp )
693                IF ( ABS( a1(k,j) + a12(k,j) ) < fmax(2) )  m2 = 0.0_wp
694
695                m3 = 2.0_wp * ABS( a2(k,j) - a22(k,j) ) /                            &
696                     MAX( ABS( a2(k,j) + a22(k,j) ), 1E-35_wp )
697                IF ( ABS( a2(k,j) + a22(k,j) ) < fmax(1) )  m3 = 0.0_wp
698
699                t1 = 0.35_wp
700                t2 = 0.35_wp
701                IF ( m1(k,j) == -1.0_wp )  t2 = 0.12_wp
702
703!--             *VOCL STMT,IF(10)
704                IF ( m1(k,j-1) == 1.0_wp .OR. m1(k,j) == 1.0_wp                   &
705                     .OR. m1(k,j+1) == 1.0_wp .OR.  m2 > t2  .OR.  m3 > t2  .OR.  &
706                     ( m1(k,j) > t1  .AND.  m1(k,j-1) /= -1.0_wp  .AND.           &
707                       m1(k,j) /= -1.0_wp  .AND.  m1(k,j+1) /= -1.0_wp )          &
708                   )  sw(k,j) = 1.0_wp
709             ENDDO
710          ENDDO
711
712!
713!--       Fluxes using exponential scheme
714          CALL cpu_log( log_point_s(12), 'advec_s_bc:exp', 'continue' )
715          DO  j = nys, nyn
716             DO  k = nzb+1, nzt
717
718!--             *VOCL STMT,IF(10)
719                IF ( sw(k,j) == 1.0_wp )  THEN
720                   snenn = sk_p(k,j+1,i) - sk_p(k,j-1,i)
721                   IF ( ABS( snenn ) < 1E-9_wp )  snenn = 1E-9_wp
722                   sterm = ( sk_p(k,j,i) - sk_p(k,j-1,i) ) / snenn
723                   sterm = MIN( sterm, 0.9999_wp )
724                   sterm = MAX( sterm, 0.0001_wp )
725
726                   ix = INT( sterm * 1000 ) + 1
727
728                   cip =  MAX( 0.0_wp, ( v(k,j+1,i) - v_gtrans ) * dt_3d * ddy )
729
730                   ippe(k,j) = sk_p(k,j-1,i) * cip + snenn * (                    &
731                               aex(ix) * cip + bex(ix) / dex(ix) * (              &
732                               eex(ix) -                                          &
733                               EXP( dex(ix)*0.5_wp * ( 1.0_wp - 2.0_wp * cip ) )  &
734                                                                   )              &
735                                                             )
736                   IF ( sterm == 0.0001_wp )  ippe(k,j) = sk_p(k,j,i) * cip
737                   IF ( sterm == 0.9999_wp )  ippe(k,j) = sk_p(k,j,i) * cip
738
739                   snenn = sk_p(k,j-1,i) - sk_p(k,j+1,i)
740                   IF ( ABS( snenn ) < 1E-9_wp )  snenn = 1E-9_wp
741                   sterm = ( sk_p(k,j,i) - sk_p(k,j+1,i) ) / snenn
742                   sterm = MIN( sterm, 0.9999_wp )
743                   sterm = MAX( sterm, 0.0001_wp )
744
745                   ix = INT( sterm * 1000 ) + 1
746
747                   cim = -MIN( 0.0_wp, ( v(k,j,i) - v_gtrans ) * dt_3d * ddy )
748
749                   imme(k,j) = sk_p(k,j+1,i) * cim + snenn * (                    &
750                               aex(ix) * cim + bex(ix) / dex(ix) * (              &
751                               eex(ix) -                                          &
752                               EXP( dex(ix)*0.5_wp * ( 1.0_wp - 2.0_wp * cim ) )  &
753                                                                   )              &
754                                                             )
755                   IF ( sterm == 0.0001_wp )  imme(k,j) = sk_p(k,j,i) * cim
756                   IF ( sterm == 0.9999_wp )  imme(k,j) = sk_p(k,j,i) * cim
757                ENDIF
758
759!--             *VOCL STMT,IF(10)
760                IF ( sw(k,j+1) == 1.0_wp )  THEN
761                   snenn = sk_p(k,j,i) - sk_p(k,j+2,i)
762                   IF ( ABS( snenn ) .LT. 1E-9_wp )  snenn = 1E-9_wp
763                   sterm = ( sk_p(k,j+1,i) - sk_p(k,j+2,i) ) / snenn
764                   sterm = MIN( sterm, 0.9999_wp )
765                   sterm = MAX( sterm, 0.0001_wp )
766
767                   ix = INT( sterm * 1000 ) + 1
768
769                   cim = -MIN( 0.0_wp, ( v(k,j+1,i) - v_gtrans ) * dt_3d * ddy )
770
771                   impe(k,j) = sk_p(k,j+2,i) * cim + snenn * (                    &
772                               aex(ix) * cim + bex(ix) / dex(ix) * (              &
773                               eex(ix) -                                          &
774                               EXP( dex(ix)*0.5_wp * ( 1.0_wp - 2.0_wp * cim ) )  &
775                                                                   )              &
776                                                             )
777                   IF ( sterm == 0.0001_wp )  impe(k,j) = sk_p(k,j+1,i) * cim
778                   IF ( sterm == 0.9999_wp )  impe(k,j) = sk_p(k,j+1,i) * cim
779                ENDIF
780
781!--             *VOCL STMT,IF(10)
782                IF ( sw(k,j-1) == 1.0_wp )  THEN
783                   snenn = sk_p(k,j,i) - sk_p(k,j-2,i)
784                   IF ( ABS( snenn ) < 1E-9_wp )  snenn = 1E-9_wp
785                   sterm = ( sk_p(k,j-1,i) - sk_p(k,j-2,i) ) / snenn
786                   sterm = MIN( sterm, 0.9999_wp )
787                   sterm = MAX( sterm, 0.0001_wp )
788
789                   ix = INT( sterm * 1000 ) + 1
790
791                   cip = MAX( 0.0_wp, ( v(k,j,i) - v_gtrans ) * dt_3d * ddy )
792
793                   ipme(k,j) = sk_p(k,j-2,i) * cip + snenn * (                    &
794                               aex(ix) * cip + bex(ix) / dex(ix) * (              &
795                               eex(ix) -                                          &
796                               EXP( dex(ix)*0.5_wp * ( 1.0_wp - 2.0_wp * cip ) )  &
797                                                                   )              &
798                                                             )
799                   IF ( sterm == 0.0001_wp )  ipme(k,j) = sk_p(k,j-1,i) * cip
800                   IF ( sterm == 0.9999_wp )  ipme(k,j) = sk_p(k,j-1,i) * cip
801                ENDIF
802
803             ENDDO
804          ENDDO
805          CALL cpu_log( log_point_s(12), 'advec_s_bc:exp', 'pause' )
806
807!
808!--       Prognostic equation
809          DO  j = nys, nyn
810             DO  k = nzb+1, nzt
811                fplus  = ( 1.0_wp - sw(k,j)   ) * ippb(k,j) + sw(k,j)   * ippe(k,j) &
812                       - ( 1.0_wp - sw(k,j+1) ) * impb(k,j) - sw(k,j+1) * impe(k,j)
813                fminus = ( 1.0_wp - sw(k,j-1) ) * ipmb(k,j) + sw(k,j-1) * ipme(k,j) &
814                       - ( 1.0_wp - sw(k,j)   ) * immb(k,j) - sw(k,j)   * imme(k,j)
815                tendcy = fplus - fminus
816!
817!--             Removed in order to optimise speed
818!                ffmax   = MAX( ABS( fplus ), ABS( fminus ), 1E-35_wp )
819!                 IF ( ( ABS( tendcy ) / ffmax ) < 1E-7_wp )  tendcy = 0.0
820!
821!--             Density correction because of possible remaining divergences
822                d_new = d(k,j,i) - ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i) ) * dt_3d * ddy
823                sk_p(k,j,i) = ( ( 1.0_wp + d(k,j,i) ) * sk_p(k,j,i) - tendcy ) /  &
824                              ( 1.0_wp + d_new )
825                d(k,j,i)  = d_new
826             ENDDO
827          ENDDO
828
829       ENDDO   ! End of the advection in y-direction
830       CALL cpu_log( log_point_s(11), 'advec_s_bc:sendrecv', 'continue' )
831       CALL cpu_log( log_point_s(11), 'advec_s_bc:sendrecv', 'stop' )
832
833!
834!--    Deallocate temporary arrays
835       DEALLOCATE( a0, a1, a2, a12, a22, immb, imme, impb, impe, ipmb, ipme,      &
836                   ippb, ippe, m1, sw )
837
838
839!
840!--    Initialise for the computation of heat fluxes (see below; required in
841!--    UP flow_statistics)
842       IF ( sk_char == 'pt' )  sums_wsts_bc_l = 0.0_wp
843
844!
845!--    Add top and bottom boundaries according to the relevant boundary conditions
846       IF ( sk_char == 'pt' )  THEN
847
848!
849!--       Temperature boundary condition at the bottom boundary
850          IF ( ibc_pt_b == 0 )  THEN
851!
852!--       Dirichlet (fixed surface temperature)
853             DO  i = nxl, nxr
854                DO  j = nys, nyn
855                   sk_p(nzb-1,j,i) = sk_p(nzb,j,i)
856                   sk_p(nzb-2,j,i) = sk_p(nzb,j,i)
857                ENDDO
858             ENDDO
859
860          ELSE
861!
862!--          Neumann (i.e. here zero gradient)
863             DO  i = nxl, nxr
864                DO  j = nys, nyn
865                   sk_p(nzb,j,i)   = sk_p(nzb+1,j,i)
866                   sk_p(nzb-1,j,i) = sk_p(nzb,j,i)
867                   sk_p(nzb-2,j,i) = sk_p(nzb,j,i)
868                ENDDO
869             ENDDO
870
871          ENDIF
872
873!
874!--       Temperature boundary condition at the top boundary
875          IF ( ibc_pt_t == 0  .OR.  ibc_pt_t == 1 )  THEN
876!
877!--          Dirichlet or Neumann (zero gradient)
878             DO  i = nxl, nxr
879                DO  j = nys, nyn
880                   sk_p(nzt+2,j,i)   = sk_p(nzt+1,j,i)
881                   sk_p(nzt+3,j,i)   = sk_p(nzt+1,j,i)
882                ENDDO
883             ENDDO
884
885          ELSEIF ( ibc_pt_t == 2 )  THEN
886!
887!--          Neumann: dzu(nzt+2:3) are not defined, dzu(nzt+1) is used instead
888             DO  i = nxl, nxr
889                DO  j = nys, nyn
890                   sk_p(nzt+2,j,i)   = sk_p(nzt+1,j,i) + bc_pt_t_val * dzu(nzt+1)
891                   sk_p(nzt+3,j,i)   = sk_p(nzt+2,j,i) + bc_pt_t_val * dzu(nzt+1)
892                ENDDO
893             ENDDO
894
895          ENDIF
896
897       ELSEIF ( sk_char == 'sa' )  THEN
898
899!
900!--       Salinity boundary condition at the bottom boundary.
901!--       So far, always Neumann (i.e. here zero gradient) is used
902          DO  i = nxl, nxr
903             DO  j = nys, nyn
904                sk_p(nzb,j,i)   = sk_p(nzb+1,j,i)
905                sk_p(nzb-1,j,i) = sk_p(nzb,j,i)
906                sk_p(nzb-2,j,i) = sk_p(nzb,j,i)
907             ENDDO
908          ENDDO
909
910!
911!--       Salinity boundary condition at the top boundary.
912!--       Dirichlet or Neumann (zero gradient)
913          DO  i = nxl, nxr
914             DO  j = nys, nyn
915                sk_p(nzt+2,j,i)   = sk_p(nzt+1,j,i)
916                sk_p(nzt+3,j,i)   = sk_p(nzt+1,j,i)
917             ENDDO
918          ENDDO
919
920       ELSEIF ( sk_char == 'q' )  THEN
921
922!
923!--       Specific humidity boundary condition at the bottom boundary.
924!--       Dirichlet (fixed surface humidity) or Neumann (i.e. zero gradient)
925          DO  i = nxl, nxr
926             DO  j = nys, nyn
927                sk_p(nzb,j,i)   = sk_p(nzb+1,j,i)
928                sk_p(nzb-1,j,i) = sk_p(nzb,j,i)
929                sk_p(nzb-2,j,i) = sk_p(nzb,j,i)
930             ENDDO
931          ENDDO
932
933!
934!--       Specific humidity boundary condition at the top boundary
935          IF ( ibc_q_t == 0 )  THEN
936!
937!--          Dirichlet
938             DO  i = nxl, nxr
939                DO  j = nys, nyn
940                   sk_p(nzt+2,j,i)   = sk_p(nzt+1,j,i)
941                   sk_p(nzt+3,j,i)   = sk_p(nzt+1,j,i)
942                ENDDO
943             ENDDO
944
945          ELSE
946!
947!--          Neumann: dzu(nzt+2:3) are not defined, dzu(nzt+1) is used instead
948             DO  i = nxl, nxr
949                DO  j = nys, nyn
950                   sk_p(nzt+2,j,i)   = sk_p(nzt+1,j,i) + bc_q_t_val * dzu(nzt+1)
951                   sk_p(nzt+3,j,i)   = sk_p(nzt+2,j,i) + bc_q_t_val * dzu(nzt+1)
952                ENDDO
953             ENDDO
954
955          ENDIF
956
957       ELSEIF ( sk_char == 'qr' )  THEN
958
959!
960!--       Rain water content boundary condition at the bottom boundary:
961!--       Dirichlet (fixed surface rain water content).
962          DO  i = nxl, nxr
963             DO  j = nys, nyn
964                sk_p(nzb,j,i)   = sk_p(nzb+1,j,i)
965                sk_p(nzb-1,j,i) = sk_p(nzb,j,i)
966                sk_p(nzb-2,j,i) = sk_p(nzb,j,i)
967             ENDDO
968          ENDDO
969
970!
971!--       Rain water content boundary condition at the top boundary: Dirichlet
972          DO  i = nxl, nxr
973             DO  j = nys, nyn
974                sk_p(nzt+2,j,i)   = sk_p(nzt+1,j,i)
975                sk_p(nzt+3,j,i)   = sk_p(nzt+1,j,i)
976             ENDDO
977          ENDDO
978
979       ELSEIF ( sk_char == 'nr' )  THEN
980
981!
982!--       Rain drop concentration boundary condition at the bottom boundary:
983!--       Dirichlet (fixed surface rain drop concentration).
984          DO  i = nxl, nxr
985             DO  j = nys, nyn
986                sk_p(nzb,j,i)   = sk_p(nzb+1,j,i)
987                sk_p(nzb-1,j,i) = sk_p(nzb,j,i)
988                sk_p(nzb-2,j,i) = sk_p(nzb,j,i)
989             ENDDO
990          ENDDO
991
992!
993!--       Rain drop concentration boundary condition at the top boundary: Dirichlet
994          DO  i = nxl, nxr
995             DO  j = nys, nyn
996                sk_p(nzt+2,j,i)   = sk_p(nzt+1,j,i)
997                sk_p(nzt+3,j,i)   = sk_p(nzt+1,j,i)
998             ENDDO
999          ENDDO
1000
1001       ELSEIF ( sk_char == 'e' )  THEN
1002
1003!
1004!--       TKE boundary condition at bottom and top boundary (generally Neumann)
1005          DO  i = nxl, nxr
1006             DO  j = nys, nyn
1007                sk_p(nzb,j,i)   = sk_p(nzb+1,j,i)
1008                sk_p(nzb-1,j,i) = sk_p(nzb,j,i)
1009                sk_p(nzb-2,j,i) = sk_p(nzb,j,i)
1010                sk_p(nzt+2,j,i) = sk_p(nzt+1,j,i)
1011                sk_p(nzt+3,j,i) = sk_p(nzt+1,j,i)
1012             ENDDO
1013          ENDDO
1014
1015       ELSE
1016
1017          WRITE( message_string, * ) 'no vertical boundary condi',                &
1018                                   'tion for variable "', sk_char, '"'
1019          CALL message( 'advec_s_bc', 'PA0158', 1, 2, 0, 6, 0 )
1020         
1021       ENDIF
1022
1023!
1024!--    Determine the maxima of the first and second derivative in z-direction
1025       fmax_l = 0.0_wp
1026       DO  i = nxl, nxr
1027          DO  j = nys, nyn
1028             DO  k = nzb, nzt+1
1029                numera = ABS( sk_p(k+1,j,i) - 2.0_wp * sk_p(k,j,i) + sk_p(k-1,j,i) )
1030                denomi  = ABS( sk_p(k+1,j,i+1) - sk_p(k-1,j,i) )
1031                fmax_l(1) = MAX( fmax_l(1) , numera )
1032                fmax_l(2) = MAX( fmax_l(2) , denomi  )
1033             ENDDO
1034          ENDDO
1035       ENDDO
1036#if defined( __parallel )
1037       IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1038       CALL MPI_ALLREDUCE( fmax_l, fmax, 2, MPI_REAL, MPI_MAX, comm2d, ierr )
1039#else
1040       fmax = fmax_l
1041#endif
1042
1043       fmax = 0.04_wp * fmax
1044
1045!
1046!--    Allocate temporary arrays
1047       ALLOCATE( a0(nzb:nzt+1,nys:nyn),   a1(nzb:nzt+1,nys:nyn),                  &
1048                 a2(nzb:nzt+1,nys:nyn),   a12(nzb:nzt+1,nys:nyn),                 &
1049                 a22(nzb:nzt+1,nys:nyn),  immb(nzb+1:nzt,nys:nyn),                &
1050                 imme(nzb+1:nzt,nys:nyn), impb(nzb+1:nzt,nys:nyn),                &
1051                 impe(nzb+1:nzt,nys:nyn), ipmb(nzb+1:nzt,nys:nyn),                &
1052                 ipme(nzb+1:nzt,nys:nyn), ippb(nzb+1:nzt,nys:nyn),                &
1053                 ippe(nzb+1:nzt,nys:nyn), m1(nzb-1:nzt+2,nys:nyn),                &
1054                 sw(nzb:nzt+1,nys:nyn)                                            &
1055               )
1056       imme = 0.0_wp; impe = 0.0_wp; ipme = 0.0_wp; ippe = 0.0_wp
1057
1058!
1059!--    Outer loop of all i
1060       DO  i = nxl, nxr
1061
1062!
1063!--       Compute polynomial coefficients
1064          DO  j = nys, nyn
1065             DO  k = nzb, nzt+1
1066                a12(k,j) = 0.5_wp * ( sk_p(k+1,j,i) - sk_p(k-1,j,i) )
1067                a22(k,j) = 0.5_wp * ( sk_p(k+1,j,i) - 2.0_wp * sk_p(k,j,i)        &
1068                                                    + sk_p(k-1,j,i) )
1069                a0(k,j) = ( 9.0_wp * sk_p(k+2,j,i)    - 116.0_wp * sk_p(k+1,j,i)  &
1070                            + 2134.0_wp * sk_p(k,j,i) - 116.0_wp * sk_p(k-1,j,i)  &
1071                            + 9.0_wp * sk_p(k-2,j,i) ) * f1920
1072                a1(k,j) = ( -5.0_wp   * sk_p(k+2,j,i) + 34.0_wp * sk_p(k+1,j,i)   &
1073                            - 34.0_wp * sk_p(k-1,j,i) + 5.0_wp  * sk_p(k-2,j,i)   &
1074                          ) * f48
1075                a2(k,j) = ( -3.0_wp * sk_p(k+2,j,i) + 36.0_wp * sk_p(k+1,j,i)     &
1076                            - 66.0_wp * sk_p(k,j,i) + 36.0_wp * sk_p(k-1,j,i)     &
1077                            - 3.0_wp * sk_p(k-2,j,i) ) * f48
1078             ENDDO
1079          ENDDO
1080
1081!
1082!--       Fluxes using the Bott scheme
1083!--       *VOCL LOOP,UNROLL(2)
1084          DO  j = nys, nyn
1085             DO  k = nzb+1, nzt
1086                cip  =  MAX( 0.0_wp, w(k,j,i) * dt_3d * ddzw(k) )
1087                cim  = -MIN( 0.0_wp, w(k,j,i) * dt_3d * ddzw(k) )
1088                cipf = 1.0_wp - 2.0_wp * cip
1089                cimf = 1.0_wp - 2.0_wp * cim
1090                ip   =   a0(k,j)   * f2  * ( 1.0_wp - cipf )                      &
1091                       + a1(k,j)   * f8  * ( 1.0_wp - cipf*cipf )                 &
1092                       + a2(k,j)   * f24 * ( 1.0_wp - cipf*cipf*cipf )
1093                im   =   a0(k+1,j) * f2  * ( 1.0_wp - cimf )                      &
1094                       - a1(k+1,j) * f8  * ( 1.0_wp - cimf*cimf )                 &
1095                       + a2(k+1,j) * f24 * ( 1.0_wp - cimf*cimf*cimf )
1096                ip   = MAX( ip, 0.0_wp )
1097                im   = MAX( im, 0.0_wp )
1098                ippb(k,j) = ip * MIN( 1.0_wp, sk_p(k,j,i)   / (ip+im+1E-15_wp) )
1099                impb(k,j) = im * MIN( 1.0_wp, sk_p(k+1,j,i) / (ip+im+1E-15_wp) )
1100
1101                cip  =  MAX( 0.0_wp, w(k-1,j,i) * dt_3d * ddzw(k) )
1102                cim  = -MIN( 0.0_wp, w(k-1,j,i) * dt_3d * ddzw(k) )
1103                cipf = 1.0_wp - 2.0_wp * cip
1104                cimf = 1.0_wp - 2.0_wp * cim
1105                ip   =   a0(k-1,j) * f2  * ( 1.0_wp - cipf )                      &
1106                       + a1(k-1,j) * f8  * ( 1.0_wp - cipf*cipf )                 &
1107                       + a2(k-1,j) * f24 * ( 1.0_wp - cipf*cipf*cipf )
1108                im   =   a0(k,j)   * f2  * ( 1.0_wp - cimf )                      &
1109                       - a1(k,j)   * f8  * ( 1.0_wp - cimf*cimf )                 &
1110                       + a2(k,j)   * f24 * ( 1.0_wp - cimf*cimf*cimf )
1111                ip   = MAX( ip, 0.0_wp )
1112                im   = MAX( im, 0.0_wp )
1113                ipmb(k,j) = ip * MIN( 1.0_wp, sk_p(k-1,j,i) / (ip+im+1E-15_wp) )
1114                immb(k,j) = im * MIN( 1.0_wp, sk_p(k,j,i)   / (ip+im+1E-15_wp) )
1115             ENDDO
1116          ENDDO
1117
1118!
1119!--       Compute monitor function m1
1120          DO  j = nys, nyn
1121             DO  k = nzb-1, nzt+2
1122                m1z = ABS( sk_p(k+1,j,i) - 2.0_wp * sk_p(k,j,i) + sk_p(k-1,j,i) )
1123                m1n = ABS( sk_p(k+1,j,i) - sk_p(k-1,j,i) )
1124                IF ( m1n /= 0.0_wp  .AND.  m1n >= m1z )  THEN
1125                   m1(k,j) = m1z / m1n
1126                   IF ( m1(k,j) /= 2.0_wp  .AND.  m1n < fmax(2) )  m1(k,j) = 0.0_wp
1127                ELSEIF ( m1n < m1z )  THEN
1128                   m1(k,j) = -1.0_wp
1129                ELSE
1130                   m1(k,j) = 0.0_wp
1131                ENDIF
1132             ENDDO
1133          ENDDO
1134
1135!
1136!--       Compute switch sw
1137          sw = 0.0_wp
1138          DO  j = nys, nyn
1139             DO  k = nzb, nzt+1
1140                m2 = 2.0_wp * ABS( a1(k,j) - a12(k,j) ) /                         &
1141                     MAX( ABS( a1(k,j) + a12(k,j) ), 1E-35_wp )
1142                IF ( ABS( a1(k,j) + a12(k,j) ) < fmax(2) )  m2 = 0.0_wp
1143
1144                m3 = 2.0_wp * ABS( a2(k,j) - a22(k,j) ) /                         &
1145                     MAX( ABS( a2(k,j) + a22(k,j) ), 1E-35_wp )
1146                IF ( ABS( a2(k,j) + a22(k,j) ) < fmax(1) )  m3 = 0.0_wp
1147
1148                t1 = 0.35_wp
1149                t2 = 0.35_wp
1150                IF ( m1(k,j) == -1.0_wp )  t2 = 0.12_wp
1151
1152!--             *VOCL STMT,IF(10)
1153                IF ( m1(k-1,j) == 1.0_wp .OR. m1(k,j) == 1.0_wp                   &
1154                     .OR. m1(k+1,j) == 1.0_wp .OR.  m2 > t2  .OR.  m3 > t2  .OR.  &
1155                     ( m1(k,j) > t1  .AND.  m1(k-1,j) /= -1.0_wp  .AND.           &
1156                       m1(k,j) /= -1.0_wp  .AND.  m1(k+1,j) /= -1.0_wp )          &
1157                   )  sw(k,j) = 1.0_wp
1158             ENDDO
1159          ENDDO
1160
1161!
1162!--       Fluxes using exponential scheme
1163          CALL cpu_log( log_point_s(12), 'advec_s_bc:exp', 'continue' )
1164          DO  j = nys, nyn
1165             DO  k = nzb+1, nzt
1166
1167!--             *VOCL STMT,IF(10)
1168                IF ( sw(k,j) == 1.0_wp )  THEN
1169                   snenn = sk_p(k+1,j,i) - sk_p(k-1,j,i)
1170                   IF ( ABS( snenn ) < 1E-9_wp )  snenn = 1E-9_wp
1171                   sterm = ( sk_p(k,j,i) - sk_p(k-1,j,i) ) / snenn
1172                   sterm = MIN( sterm, 0.9999_wp )
1173                   sterm = MAX( sterm, 0.0001_wp )
1174
1175                   ix = INT( sterm * 1000 ) + 1
1176
1177                   cip =  MAX( 0.0_wp, w(k,j,i) * dt_3d * ddzw(k) )
1178
1179                   ippe(k,j) = sk_p(k-1,j,i) * cip + snenn * (                    &
1180                               aex(ix) * cip + bex(ix) / dex(ix) * (              &
1181                               eex(ix) -                                          &
1182                               EXP( dex(ix)*0.5_wp * ( 1.0_wp - 2.0_wp * cip ) )  &
1183                                                                   )              &
1184                                                             )
1185                   IF ( sterm == 0.0001_wp )  ippe(k,j) = sk_p(k,j,i) * cip
1186                   IF ( sterm == 0.9999_wp )  ippe(k,j) = sk_p(k,j,i) * cip
1187
1188                   snenn = sk_p(k-1,j,i) - sk_p(k+1,j,i)
1189                   IF ( ABS( snenn ) < 1E-9_wp )  snenn = 1E-9_wp
1190                   sterm = ( sk_p(k,j,i) - sk_p(k+1,j,i) ) / snenn
1191                   sterm = MIN( sterm, 0.9999_wp )
1192                   sterm = MAX( sterm, 0.0001_wp )
1193
1194                   ix = INT( sterm * 1000 ) + 1
1195
1196                   cim = -MIN( 0.0_wp, w(k-1,j,i) * dt_3d * ddzw(k) )
1197
1198                   imme(k,j) = sk_p(k+1,j,i) * cim + snenn * (                    &
1199                               aex(ix) * cim + bex(ix) / dex(ix) * (              &
1200                               eex(ix) -                                          &
1201                               EXP( dex(ix)*0.5_wp * ( 1.0_wp - 2.0_wp * cim ) ) &
1202                                                                   )              &
1203                                                             )
1204                   IF ( sterm == 0.0001_wp )  imme(k,j) = sk_p(k,j,i) * cim
1205                   IF ( sterm == 0.9999_wp )  imme(k,j) = sk_p(k,j,i) * cim
1206                ENDIF
1207
1208!--             *VOCL STMT,IF(10)
1209                IF ( sw(k+1,j) == 1.0_wp )  THEN
1210                   snenn = sk_p(k,j,i) - sk_p(k+2,j,i)
1211                   IF ( ABS( snenn ) .LT. 1E-9_wp )  snenn = 1E-9_wp
1212                   sterm = ( sk_p(k+1,j,i) - sk_p(k+2,j,i) ) / snenn
1213                   sterm = MIN( sterm, 0.9999_wp )
1214                   sterm = MAX( sterm, 0.0001_wp )
1215
1216                   ix = INT( sterm * 1000 ) + 1
1217
1218                   cim = -MIN( 0.0_wp, w(k,j,i) * dt_3d * ddzw(k) )
1219
1220                   impe(k,j) = sk_p(k+2,j,i) * cim + snenn * (                    &
1221                               aex(ix) * cim + bex(ix) / dex(ix) * (              &
1222                               eex(ix) -                                          &
1223                               EXP( dex(ix)*0.5_wp * ( 1.0_wp - 2.0_wp * cim ) )  &
1224                                                                   )              &
1225                                                             )
1226                   IF ( sterm == 0.0001_wp )  impe(k,j) = sk_p(k+1,j,i) * cim
1227                   IF ( sterm == 0.9999_wp )  impe(k,j) = sk_p(k+1,j,i) * cim
1228                ENDIF
1229
1230!--             *VOCL STMT,IF(10)
1231                IF ( sw(k-1,j) == 1.0_wp )  THEN
1232                   snenn = sk_p(k,j,i) - sk_p(k-2,j,i)
1233                   IF ( ABS( snenn ) < 1E-9_wp )  snenn = 1E-9_wp
1234                   sterm = ( sk_p(k-1,j,i) - sk_p(k-2,j,i) ) / snenn
1235                   sterm = MIN( sterm, 0.9999_wp )
1236                   sterm = MAX( sterm, 0.0001_wp )
1237
1238                   ix = INT( sterm * 1000 ) + 1
1239
1240                   cip = MAX( 0.0_wp, w(k-1,j,i) * dt_3d * ddzw(k) )
1241
1242                   ipme(k,j) = sk_p(k-2,j,i) * cip + snenn * (                    &
1243                               aex(ix) * cip + bex(ix) / dex(ix) * (              &
1244                               eex(ix) -                                          &
1245                               EXP( dex(ix)*0.5_wp * ( 1.0_wp - 2.0_wp * cip ) )  &
1246                                                                   )              &
1247                                                             )
1248                   IF ( sterm == 0.0001_wp )  ipme(k,j) = sk_p(k-1,j,i) * cip
1249                   IF ( sterm == 0.9999_wp )  ipme(k,j) = sk_p(k-1,j,i) * cip
1250                ENDIF
1251
1252             ENDDO
1253          ENDDO
1254          CALL cpu_log( log_point_s(12), 'advec_s_bc:exp', 'pause' )
1255
1256!
1257!--       Prognostic equation
1258          DO  j = nys, nyn
1259             DO  k = nzb+1, nzt
1260                fplus  = ( 1.0_wp - sw(k,j)   ) * ippb(k,j) + sw(k,j)   * ippe(k,j) &
1261                       - ( 1.0_wp - sw(k+1,j) ) * impb(k,j) - sw(k+1,j) * impe(k,j)
1262                fminus = ( 1.0_wp - sw(k-1,j) ) * ipmb(k,j) + sw(k-1,j) * ipme(k,j) &
1263                       - ( 1.0_wp - sw(k,j)   ) * immb(k,j) - sw(k,j)   * imme(k,j)
1264                tendcy = fplus - fminus
1265!
1266!--              Removed in order to optimise speed
1267!                ffmax   = MAX( ABS( fplus ), ABS( fminus ), 1E-35_wp )
1268!                IF ( ( ABS( tendcy ) / ffmax ) < 1E-7_wp )  tendcy = 0.0
1269!
1270!--             Density correction because of possible remaining divergences
1271                d_new = d(k,j,i) - ( w(k,j,i) - w(k-1,j,i) ) * dt_3d * ddzw(k)
1272                sk_p(k,j,i) = ( ( 1.0_wp + d(k,j,i) ) * sk_p(k,j,i) - tendcy ) /  &
1273                              ( 1.0_wp + d_new )
1274!
1275!--             Store heat flux for subsequent statistics output.
1276!--             array m1 is here used as temporary storage
1277                m1(k,j) = fplus / dt_3d * dzw(k)
1278             ENDDO
1279          ENDDO
1280
1281!
1282!--       Sum up heat flux in order to order to obtain horizontal averages
1283          IF ( sk_char == 'pt' )  THEN
1284             DO  sr = 0, statistic_regions
1285                DO  j = nys, nyn
1286                   DO  k = nzb+1, nzt
1287                      sums_wsts_bc_l(k,sr) = sums_wsts_bc_l(k,sr) +               &
1288                                             m1(k,j) * rmask(j,i,sr)
1289                   ENDDO
1290                ENDDO
1291             ENDDO
1292          ENDIF
1293
1294       ENDDO   ! End of the advection in z-direction
1295       CALL cpu_log( log_point_s(12), 'advec_s_bc:exp', 'continue' )
1296       CALL cpu_log( log_point_s(12), 'advec_s_bc:exp', 'stop' )
1297
1298!
1299!--    Deallocate temporary arrays
1300       DEALLOCATE( a0, a1, a2, a12, a22, immb, imme, impb, impe, ipmb, ipme,      &
1301                   ippb, ippe, m1, sw )
1302
1303!
1304!--    Store results as tendency and deallocate local array
1305       DO  i = nxl, nxr
1306          DO  j = nys, nyn
1307             DO  k = nzb+1, nzt
1308                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + ( sk_p(k,j,i) - sk(k,j,i) ) / dt_3d
1309             ENDDO
1310          ENDDO
1311       ENDDO
1312
1313       DEALLOCATE( sk_p )
1314
1315    END SUBROUTINE advec_s_bc
1316
1317 END MODULE advec_s_bc_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.