source: palm/trunk/SOURCE/diffusion_s.f90 @ 4632

Last change on this file since 4632 was 4583, checked in by raasch, 4 years ago

files re-formatted to follow the PALM coding standard

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 33.4 KB
RevLine 
[1873]1!> @file diffusion_s.f90
[4583]2!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
[2696]3! This file is part of the PALM model system.
[1036]4!
[4583]5! PALM is free software: you can redistribute it and/or modify it under the terms of the GNU General
6! Public License as published by the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
7! (at your option) any later version.
[1036]8!
[4583]9! PALM is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the
10! implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the GNU General
11! Public License for more details.
[1036]12!
[4583]13! You should have received a copy of the GNU General Public License along with PALM. If not, see
14! <http://www.gnu.org/licenses/>.
[1036]15!
[4360]16! Copyright 1997-2020 Leibniz Universitaet Hannover
[4583]17!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
[1036]18!
[484]19! Current revisions:
[1001]20! ------------------
[1341]21!
[2233]22!
[1321]23! Former revisions:
24! -----------------
25! $Id: diffusion_s.f90 4583 2020-06-29 12:36:47Z pavelkrc $
[4583]26! file re-formatted to follow the PALM coding standard
27!
28! 4360 2020-01-07 11:25:50Z suehring
29! Introduction of wall_flags_total_0, which currently sets bits based on static topography
30! information used in wall_flags_static_0
31!
[4346]32! 4329 2019-12-10 15:46:36Z motisi
33! Renamed wall_flags_0 to wall_flags_total_0
[4583]34!
[4329]35! 4182 2019-08-22 15:20:23Z scharf
[4182]36! Corrected "Former revisions" section
[4583]37!
[4182]38! 3927 2019-04-23 13:24:29Z raasch
[3927]39! pointer attribute removed from scalar 3d-array for performance reasons
[4583]40!
[3927]41! 3761 2019-02-25 15:31:42Z raasch
[3761]42! unused variables removed
[4583]43!
[3761]44! 3655 2019-01-07 16:51:22Z knoop
[3636]45! nopointer option removed
[1321]46!
[4182]47! Revision 1.1  2000/04/13 14:54:02  schroeter
48! Initial revision
49!
50!
[1]51! Description:
52! ------------
[1682]53!> Diffusion term of scalar quantities (temperature and water content)
[4583]54!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
[1682]55 MODULE diffusion_s_mod
[1]56
[4583]57
[1]58    PRIVATE
[2118]59    PUBLIC diffusion_s
[1]60
61    INTERFACE diffusion_s
62       MODULE PROCEDURE diffusion_s
63       MODULE PROCEDURE diffusion_s_ij
64    END INTERFACE diffusion_s
65
66 CONTAINS
67
68
[4583]69!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
[1682]70! Description:
71! ------------
72!> Call for all grid points
[4583]73!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
74    SUBROUTINE diffusion_s( s, s_flux_def_h_up,    s_flux_def_h_down,                              &
75                               s_flux_t,                                                           &
76                               s_flux_lsm_h_up,    s_flux_usm_h_up,                                &
77                               s_flux_def_v_north, s_flux_def_v_south,                             &
78                               s_flux_def_v_east,  s_flux_def_v_west,                              &
79                               s_flux_lsm_v_north, s_flux_lsm_v_south,                             &
80                               s_flux_lsm_v_east,  s_flux_lsm_v_west,                              &
81                               s_flux_usm_v_north, s_flux_usm_v_south,                             &
[2232]82                               s_flux_usm_v_east,  s_flux_usm_v_west )
[1]83
[4583]84       USE arrays_3d,                                                                              &
[2037]85           ONLY:  ddzu, ddzw, kh, tend, drho_air, rho_air_zw
[4583]86
87       USE control_parameters,                                                                     &
[1320]88           ONLY: use_surface_fluxes, use_top_fluxes
[4583]89
90       USE grid_variables,                                                                         &
[2759]91           ONLY:  ddx, ddx2, ddy, ddy2
[4583]92
93       USE indices,                                                                                &
94           ONLY:  nxl, nxlg, nxr, nxrg, nyn, nyng, nys, nysg, nzb, nzt, wall_flags_total_0
95
[1320]96       USE kinds
[1]97
[4583]98       USE surface_mod,                                                                            &
99           ONLY :  surf_def_h, surf_def_v, surf_lsm_h, surf_lsm_v, surf_usm_h, surf_usm_v
[2232]100
[1]101       IMPLICIT NONE
102
[2232]103       INTEGER(iwp) ::  i             !< running index x direction
104       INTEGER(iwp) ::  j             !< running index y direction
105       INTEGER(iwp) ::  k             !< running index z direction
106       INTEGER(iwp) ::  m             !< running index surface elements
107       INTEGER(iwp) ::  surf_e        !< End index of surface elements at (j,i)-gridpoint
108       INTEGER(iwp) ::  surf_s        !< Start index of surface elements at (j,i)-gridpoint
109
110       REAL(wp) ::  flag              !< flag to mask topography grid points
[4583]111       REAL(wp) ::  mask_bottom       !< flag to mask vertical upward-facing surface
112       REAL(wp) ::  mask_east         !< flag to mask vertical surface east of the grid point
[2232]113       REAL(wp) ::  mask_north        !< flag to mask vertical surface north of the grid point
[4583]114       REAL(wp) ::  mask_south        !< flag to mask vertical surface south of the grid point
115       REAL(wp) ::  mask_top          !< flag to mask vertical downward-facing surface
[2232]116       REAL(wp) ::  mask_west         !< flag to mask vertical surface west of the grid point
117
[4583]118       REAL(wp), DIMENSION(1:surf_def_h(1)%ns) ::  s_flux_def_h_down  !< flux at horizontal donwward-facing default-type surfaces
119       REAL(wp), DIMENSION(1:surf_def_h(0)%ns) ::  s_flux_def_h_up    !< flux at horizontal upward-facing default-type surfaces
120       REAL(wp), DIMENSION(1:surf_def_v(2)%ns) ::  s_flux_def_v_east  !< flux at east-facing vertical default-type surfaces
[2232]121       REAL(wp), DIMENSION(1:surf_def_v(0)%ns) ::  s_flux_def_v_north !< flux at north-facing vertical default-type surfaces
122       REAL(wp), DIMENSION(1:surf_def_v(1)%ns) ::  s_flux_def_v_south !< flux at south-facing vertical default-type surfaces
123       REAL(wp), DIMENSION(1:surf_def_v(3)%ns) ::  s_flux_def_v_west  !< flux at west-facing vertical default-type surfaces
124       REAL(wp), DIMENSION(1:surf_lsm_h%ns)    ::  s_flux_lsm_h_up    !< flux at horizontal upward-facing natural-type surfaces
[4583]125       REAL(wp), DIMENSION(1:surf_lsm_v(2)%ns) ::  s_flux_lsm_v_east  !< flux at east-facing vertical natural-type surfaces
[2232]126       REAL(wp), DIMENSION(1:surf_lsm_v(0)%ns) ::  s_flux_lsm_v_north !< flux at north-facing vertical natural-type surfaces
127       REAL(wp), DIMENSION(1:surf_lsm_v(1)%ns) ::  s_flux_lsm_v_south !< flux at south-facing vertical natural-type surfaces
128       REAL(wp), DIMENSION(1:surf_lsm_v(3)%ns) ::  s_flux_lsm_v_west  !< flux at west-facing vertical natural-type surfaces
129       REAL(wp), DIMENSION(1:surf_usm_h%ns)    ::  s_flux_usm_h_up    !< flux at horizontal upward-facing urban-type surfaces
[4583]130       REAL(wp), DIMENSION(1:surf_usm_v(2)%ns) ::  s_flux_usm_v_east  !< flux at east-facing vertical urban-type surfaces
[2232]131       REAL(wp), DIMENSION(1:surf_usm_v(0)%ns) ::  s_flux_usm_v_north !< flux at north-facing vertical urban-type surfaces
132       REAL(wp), DIMENSION(1:surf_usm_v(1)%ns) ::  s_flux_usm_v_south !< flux at south-facing vertical urban-type surfaces
133       REAL(wp), DIMENSION(1:surf_usm_v(3)%ns) ::  s_flux_usm_v_west  !< flux at west-facing vertical urban-type surfaces
134       REAL(wp), DIMENSION(1:surf_def_h(2)%ns) ::  s_flux_t           !< flux at model top
[3636]135
[3927]136       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::  s  !< treated scalar
[1]137
[3636]138
[3634]139       !$ACC PARALLEL LOOP COLLAPSE(2) PRIVATE(i, j, k, m) &
140       !$ACC PRIVATE(surf_e, surf_s, flag, mask_top, mask_bottom) &
141       !$ACC PRIVATE(mask_north, mask_south, mask_west, mask_east) &
[4346]142       !$ACC PRESENT(wall_flags_total_0, kh) &
[3634]143       !$ACC PRESENT(s) &
144       !$ACC PRESENT(ddzu, ddzw, drho_air, rho_air_zw) &
145       !$ACC PRESENT(surf_def_h(0:2), surf_def_v(0:3)) &
146       !$ACC PRESENT(surf_lsm_h, surf_lsm_v(0:3)) &
147       !$ACC PRESENT(surf_usm_h, surf_usm_v(0:3)) &
148       !$ACC PRESENT(s_flux_def_h_up, s_flux_def_h_down) &
149       !$ACC PRESENT(s_flux_t) &
150       !$ACC PRESENT(s_flux_def_v_north, s_flux_def_v_south) &
151       !$ACC PRESENT(s_flux_def_v_east, s_flux_def_v_west) &
152       !$ACC PRESENT(s_flux_lsm_h_up) &
153       !$ACC PRESENT(s_flux_lsm_v_north, s_flux_lsm_v_south) &
154       !$ACC PRESENT(s_flux_lsm_v_east, s_flux_lsm_v_west) &
155       !$ACC PRESENT(s_flux_usm_h_up) &
156       !$ACC PRESENT(s_flux_usm_v_north, s_flux_usm_v_south) &
157       !$ACC PRESENT(s_flux_usm_v_east, s_flux_usm_v_west) &
158       !$ACC PRESENT(tend)
[1]159       DO  i = nxl, nxr
160          DO  j = nys,nyn
161!
162!--          Compute horizontal diffusion
[2232]163             DO  k = nzb+1, nzt
164!
165!--             Predetermine flag to mask topography and wall-bounded grid points
[4583]166                flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 0 ) )
[2232]167!
[4583]168!--             Predetermine flag to mask wall-bounded grid points, equivalent to former s_outer
169!--             array
[4346]170                mask_west  = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i-1), 0 ) )
171                mask_east  = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i+1), 0 ) )
172                mask_south = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_total_0(k,j-1,i), 0 ) )
173                mask_north = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_total_0(k,j+1,i), 0 ) )
[1]174
[4583]175                tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                                          &
176                                                  + 0.5_wp * (                                     &
177                                mask_east  * ( kh(k,j,i) + kh(k,j,i+1) )                           &
178                                           * ( s(k,j,i+1) - s(k,j,i)   )                           &
179                              - mask_west  * ( kh(k,j,i) + kh(k,j,i-1) )                           &
180                                           * ( s(k,j,i)   - s(k,j,i-1) )                           &
181                                                             ) * ddx2 * flag                       &
182                                                  + 0.5_wp * (                                     &
183                                mask_north * ( kh(k,j,i) + kh(k,j+1,i) )                           &
184                                           * ( s(k,j+1,i) - s(k,j,i)   )                           &
185                              - mask_south * ( kh(k,j,i) + kh(k,j-1,i) )                           &
186                                           * ( s(k,j,i)   - s(k,j-1,i) )                           &
187                                                             ) * ddy2 * flag
[1]188             ENDDO
189
190!
[4583]191!--          Apply prescribed horizontal wall heatflux where necessary. First, determine start and
192!--          end index for respective (j,i)-index. Please note, in the flat case following loop will
193!--          not be entered, as surf_s=1 and surf_e=0. Furtermore, note, no vertical natural
194!--          surfaces so far.
195!--          First, for default-type surfaces.
[2232]196!--          North-facing vertical default-type surfaces
197             surf_s = surf_def_v(0)%start_index(j,i)
198             surf_e = surf_def_v(0)%end_index(j,i)
199             DO  m = surf_s, surf_e
200                k           = surf_def_v(0)%k(m)
[2759]201                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + s_flux_def_v_north(m) * ddy
[2232]202             ENDDO
203!
204!--          South-facing vertical default-type surfaces
205             surf_s = surf_def_v(1)%start_index(j,i)
206             surf_e = surf_def_v(1)%end_index(j,i)
207             DO  m = surf_s, surf_e
208                k           = surf_def_v(1)%k(m)
[2759]209                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + s_flux_def_v_south(m) * ddy
[2232]210             ENDDO
211!
212!--          East-facing vertical default-type surfaces
213             surf_s = surf_def_v(2)%start_index(j,i)
214             surf_e = surf_def_v(2)%end_index(j,i)
215             DO  m = surf_s, surf_e
216                k           = surf_def_v(2)%k(m)
[2759]217                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + s_flux_def_v_east(m) * ddx
[2232]218             ENDDO
219!
220!--          West-facing vertical default-type surfaces
221             surf_s = surf_def_v(3)%start_index(j,i)
222             surf_e = surf_def_v(3)%end_index(j,i)
223             DO  m = surf_s, surf_e
224                k           = surf_def_v(3)%k(m)
[2759]225                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + s_flux_def_v_west(m) * ddx
[2232]226             ENDDO
227!
228!--          Now, for natural-type surfaces.
229!--          North-facing
230             surf_s = surf_lsm_v(0)%start_index(j,i)
231             surf_e = surf_lsm_v(0)%end_index(j,i)
232             DO  m = surf_s, surf_e
233                k           = surf_lsm_v(0)%k(m)
[2759]234                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + s_flux_lsm_v_north(m) * ddy
[2232]235             ENDDO
236!
237!--          South-facing
238             surf_s = surf_lsm_v(1)%start_index(j,i)
239             surf_e = surf_lsm_v(1)%end_index(j,i)
240             DO  m = surf_s, surf_e
241                k           = surf_lsm_v(1)%k(m)
[2759]242                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + s_flux_lsm_v_south(m) * ddy
[2232]243             ENDDO
244!
245!--          East-facing
246             surf_s = surf_lsm_v(2)%start_index(j,i)
247             surf_e = surf_lsm_v(2)%end_index(j,i)
248             DO  m = surf_s, surf_e
249                k           = surf_lsm_v(2)%k(m)
[2759]250                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + s_flux_lsm_v_east(m) * ddx
[2232]251             ENDDO
252!
253!--          West-facing
254             surf_s = surf_lsm_v(3)%start_index(j,i)
255             surf_e = surf_lsm_v(3)%end_index(j,i)
256             DO  m = surf_s, surf_e
257                k           = surf_lsm_v(3)%k(m)
[2759]258                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + s_flux_lsm_v_west(m) * ddx
[2232]259             ENDDO
260!
261!--          Now, for urban-type surfaces.
262!--          North-facing
263             surf_s = surf_usm_v(0)%start_index(j,i)
264             surf_e = surf_usm_v(0)%end_index(j,i)
265             DO  m = surf_s, surf_e
266                k           = surf_usm_v(0)%k(m)
[2759]267                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + s_flux_usm_v_north(m) * ddy
[2232]268             ENDDO
269!
270!--          South-facing
271             surf_s = surf_usm_v(1)%start_index(j,i)
272             surf_e = surf_usm_v(1)%end_index(j,i)
273             DO  m = surf_s, surf_e
274                k           = surf_usm_v(1)%k(m)
[2759]275                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + s_flux_usm_v_south(m) * ddy
[2232]276             ENDDO
277!
278!--          East-facing
279             surf_s = surf_usm_v(2)%start_index(j,i)
280             surf_e = surf_usm_v(2)%end_index(j,i)
281             DO  m = surf_s, surf_e
282                k           = surf_usm_v(2)%k(m)
[2759]283                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + s_flux_usm_v_east(m) * ddx
[2232]284             ENDDO
285!
286!--          West-facing
287             surf_s = surf_usm_v(3)%start_index(j,i)
288             surf_e = surf_usm_v(3)%end_index(j,i)
289             DO  m = surf_s, surf_e
290                k           = surf_usm_v(3)%k(m)
[2759]291                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + s_flux_usm_v_west(m) * ddx
[2232]292             ENDDO
[1]293
294!
[4583]295!--          Compute vertical diffusion. In case that surface fluxes have been prescribed or
296!--          computed at bottom and/or top, index k starts/ends at nzb+2 or nzt-1, respectively.
297!--          Model top is also mask if top flux is given.
[2232]298             DO  k = nzb+1, nzt
299!
[4583]300!--             Determine flags to mask topography below and above. Flag 0 is used to mask
301!--             topography in general, and flag 8 implies information about use_surface_fluxes.
302!--             Flag 9 is used to control flux at model top.
303                mask_bottom = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_total_0(k-1,j,i), 8 ) )
304                mask_top    = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_total_0(k+1,j,i), 8 ) ) *   &
305                              MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_total_0(k+1,j,i), 9 ) )
306                flag        = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 0 ) )
[1]307
[4583]308                tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                                          &
309                                       + 0.5_wp * (                                                &
310                                      ( kh(k,j,i) + kh(k+1,j,i) ) *                                &
311                                          ( s(k+1,j,i)-s(k,j,i) ) * ddzu(k+1)                      &
312                                                            * rho_air_zw(k)                        &
313                                                            * mask_top                             &
314                                    - ( kh(k,j,i) + kh(k-1,j,i) ) *                                &
315                                          ( s(k,j,i)-s(k-1,j,i) ) * ddzu(k)                        &
316                                                            * rho_air_zw(k-1)                      &
317                                                            * mask_bottom                          &
318                                                  ) * ddzw(k) * drho_air(k)                        &
[2232]319                                                              * flag
[1]320             ENDDO
321
322!
[2232]323!--          Vertical diffusion at horizontal walls.
[1]324             IF ( use_surface_fluxes )  THEN
[2232]325!
[4583]326!--             Default-type surfaces, upward-facing
[2232]327                surf_s = surf_def_h(0)%start_index(j,i)
328                surf_e = surf_def_h(0)%end_index(j,i)
329                DO  m = surf_s, surf_e
[1]330
[2232]331                   k   = surf_def_h(0)%k(m)
[4583]332                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + s_flux_def_h_up(m) * ddzw(k) * drho_air(k)
[1]333
[2232]334                ENDDO
335!
[4583]336!--             Default-type surfaces, downward-facing
[2232]337                surf_s = surf_def_h(1)%start_index(j,i)
338                surf_e = surf_def_h(1)%end_index(j,i)
339                DO  m = surf_s, surf_e
[1]340
[2232]341                   k   = surf_def_h(1)%k(m)
[4583]342                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + s_flux_def_h_down(m) * ddzw(k) * drho_air(k)
[1]343
[2232]344                ENDDO
[19]345!
[4583]346!--             Natural-type surfaces, upward-facing
[2232]347                surf_s = surf_lsm_h%start_index(j,i)
348                surf_e = surf_lsm_h%end_index(j,i)
349                DO  m = surf_s, surf_e
[19]350
[2232]351                   k   = surf_lsm_h%k(m)
[4583]352                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + s_flux_lsm_h_up(m) * ddzw(k) * drho_air(k)
[19]353
[2232]354                ENDDO
355!
[4583]356!--             Urban-type surfaces, upward-facing
[2232]357                surf_s = surf_usm_h%start_index(j,i)
358                surf_e = surf_usm_h%end_index(j,i)
359                DO  m = surf_s, surf_e
[19]360
[2232]361                   k   = surf_usm_h%k(m)
[4583]362                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + s_flux_usm_h_up(m) * ddzw(k) * drho_air(k)
[2232]363
364                ENDDO
365
[19]366             ENDIF
[2232]367!
368!--          Vertical diffusion at the last computational gridpoint along z-direction
369             IF ( use_top_fluxes )  THEN
370                surf_s = surf_def_h(2)%start_index(j,i)
371                surf_e = surf_def_h(2)%end_index(j,i)
372                DO  m = surf_s, surf_e
[19]373
[2232]374                   k   = surf_def_h(2)%k(m)
[4583]375                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + ( - s_flux_t(m) ) * ddzw(k) * drho_air(k)
[2232]376                ENDDO
377             ENDIF
378
[1]379          ENDDO
380       ENDDO
381
382    END SUBROUTINE diffusion_s
383
[4583]384!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
[1682]385! Description:
386! ------------
387!> Call for grid point i,j
[4583]388!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
389    SUBROUTINE diffusion_s_ij( i, j, s,                                                            &
390                               s_flux_def_h_up,    s_flux_def_h_down,                              &
391                               s_flux_t,                                                           &
392                               s_flux_lsm_h_up,    s_flux_usm_h_up,                                &
393                               s_flux_def_v_north, s_flux_def_v_south,                             &
394                               s_flux_def_v_east,  s_flux_def_v_west,                              &
395                               s_flux_lsm_v_north, s_flux_lsm_v_south,                             &
396                               s_flux_lsm_v_east,  s_flux_lsm_v_west,                              &
397                               s_flux_usm_v_north, s_flux_usm_v_south,                             &
398                               s_flux_usm_v_east,  s_flux_usm_v_west )
[1]399
[4583]400       USE arrays_3d,                                                                              &
[2037]401           ONLY:  ddzu, ddzw, kh, tend, drho_air, rho_air_zw
[4583]402
403       USE control_parameters,                                                                     &
[1320]404           ONLY: use_surface_fluxes, use_top_fluxes
[4583]405
406       USE grid_variables,                                                                         &
[2759]407           ONLY:  ddx, ddx2, ddy, ddy2
[4583]408
409       USE indices,                                                                                &
[4346]410           ONLY:  nxlg, nxrg, nyng, nysg, nzb, nzt, wall_flags_total_0
[4583]411
[1320]412       USE kinds
[1]413
[4583]414       USE surface_mod,                                                                            &
415           ONLY :  surf_def_h, surf_def_v, surf_lsm_h, surf_lsm_v, surf_usm_h, surf_usm_v
[2232]416
[1]417       IMPLICIT NONE
418
[2232]419       INTEGER(iwp) ::  i             !< running index x direction
420       INTEGER(iwp) ::  j             !< running index y direction
421       INTEGER(iwp) ::  k             !< running index z direction
422       INTEGER(iwp) ::  m             !< running index surface elements
423       INTEGER(iwp) ::  surf_e        !< End index of surface elements at (j,i)-gridpoint
424       INTEGER(iwp) ::  surf_s        !< Start index of surface elements at (j,i)-gridpoint
425
426       REAL(wp) ::  flag              !< flag to mask topography grid points
[4583]427       REAL(wp) ::  mask_bottom       !< flag to mask vertical upward-facing surface
428       REAL(wp) ::  mask_east         !< flag to mask vertical surface east of the grid point
[2232]429       REAL(wp) ::  mask_north        !< flag to mask vertical surface north of the grid point
[4583]430       REAL(wp) ::  mask_south        !< flag to mask vertical surface south of the grid point
431       REAL(wp) ::  mask_top          !< flag to mask vertical downward-facing surface
[2232]432       REAL(wp) ::  mask_west         !< flag to mask vertical surface west of the grid point
433
[4583]434       REAL(wp), DIMENSION(1:surf_def_h(1)%ns) ::  s_flux_def_h_down  !< flux at horizontal donwward-facing default-type surfaces
435       REAL(wp), DIMENSION(1:surf_def_h(0)%ns) ::  s_flux_def_h_up    !< flux at horizontal upward-facing default-type surfaces
436       REAL(wp), DIMENSION(1:surf_def_v(2)%ns) ::  s_flux_def_v_east  !< flux at east-facing vertical default-type surfaces
[2232]437       REAL(wp), DIMENSION(1:surf_def_v(0)%ns) ::  s_flux_def_v_north !< flux at north-facing vertical default-type surfaces
438       REAL(wp), DIMENSION(1:surf_def_v(1)%ns) ::  s_flux_def_v_south !< flux at south-facing vertical default-type surfaces
439       REAL(wp), DIMENSION(1:surf_def_v(3)%ns) ::  s_flux_def_v_west  !< flux at west-facing vertical default-type surfaces
440       REAL(wp), DIMENSION(1:surf_lsm_h%ns)    ::  s_flux_lsm_h_up    !< flux at horizontal upward-facing natural-type surfaces
[4583]441       REAL(wp), DIMENSION(1:surf_lsm_v(2)%ns) ::  s_flux_lsm_v_east  !< flux at east-facing vertical urban-type surfaces
[2232]442       REAL(wp), DIMENSION(1:surf_lsm_v(0)%ns) ::  s_flux_lsm_v_north !< flux at north-facing vertical urban-type surfaces
443       REAL(wp), DIMENSION(1:surf_lsm_v(1)%ns) ::  s_flux_lsm_v_south !< flux at south-facing vertical urban-type surfaces
444       REAL(wp), DIMENSION(1:surf_lsm_v(3)%ns) ::  s_flux_lsm_v_west  !< flux at west-facing vertical urban-type surfaces
445       REAL(wp), DIMENSION(1:surf_usm_h%ns)    ::  s_flux_usm_h_up    !< flux at horizontal upward-facing urban-type surfaces
[4583]446       REAL(wp), DIMENSION(1:surf_usm_v(2)%ns) ::  s_flux_usm_v_east  !< flux at east-facing vertical urban-type surfaces
[2232]447       REAL(wp), DIMENSION(1:surf_usm_v(0)%ns) ::  s_flux_usm_v_north !< flux at north-facing vertical urban-type surfaces
448       REAL(wp), DIMENSION(1:surf_usm_v(1)%ns) ::  s_flux_usm_v_south !< flux at south-facing vertical urban-type surfaces
449       REAL(wp), DIMENSION(1:surf_usm_v(3)%ns) ::  s_flux_usm_v_west  !< flux at west-facing vertical urban-type surfaces
450       REAL(wp), DIMENSION(1:surf_def_h(2)%ns) ::  s_flux_t           !< flux at model top
[3636]451
[3927]452       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::  s  !< treated scalar
[1]453
[4583]454
[1]455!
456!--    Compute horizontal diffusion
[2232]457       DO  k = nzb+1, nzt
458!
459!--       Predetermine flag to mask topography and wall-bounded grid points
[4583]460          flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 0 ) )
[2232]461!
[4583]462!--       Predetermine flag to mask wall-bounded grid points, equivalent to former s_outer array
[4346]463          mask_west  = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i-1), 0 ) )
464          mask_east  = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i+1), 0 ) )
465          mask_south = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_total_0(k,j-1,i), 0 ) )
466          mask_north = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_total_0(k,j+1,i), 0 ) )
[2232]467!
[4583]468!--       Finally, determine flag to mask both topography itself as well as wall-bounded grid
469!--       points, which will be treated further below
[1]470
[4583]471          tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                                                &
472                                          + 0.5_wp * (                                             &
473                            mask_east  * ( kh(k,j,i) + kh(k,j,i+1) )                               &
474                                       * ( s(k,j,i+1) - s(k,j,i)   )                               &
475                          - mask_west  * ( kh(k,j,i) + kh(k,j,i-1) )                               &
476                                       * ( s(k,j,i)   - s(k,j,i-1) )                               &
477                                                     ) * ddx2 * flag                               &
478                                          + 0.5_wp * (                                             &
479                            mask_north * ( kh(k,j,i) + kh(k,j+1,i) )                               &
480                                       * ( s(k,j+1,i) - s(k,j,i)   )                               &
481                          - mask_south * ( kh(k,j,i) + kh(k,j-1,i) )                               &
482                                       * ( s(k,j,i)  - s(k,j-1,i)  )                               &
[2232]483                                                     ) * ddy2 * flag
[1]484       ENDDO
485
486!
[4583]487!--    Apply prescribed horizontal wall heatflux where necessary. First, determine start and end
488!--    index for respective (j,i)-index. Please note, in the flat case following loops will not be
489!--    entered, as surf_s=1 and surf_e=0. Furtermore, note, no vertical natural surfaces so far.
490!--    First, for default-type surfaces.
[2232]491!--    North-facing vertical default-type surfaces
492       surf_s = surf_def_v(0)%start_index(j,i)
493       surf_e = surf_def_v(0)%end_index(j,i)
494       DO  m = surf_s, surf_e
495          k           = surf_def_v(0)%k(m)
[2759]496          tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + s_flux_def_v_north(m) * ddy
[2232]497       ENDDO
498!
499!--    South-facing vertical default-type surfaces
500       surf_s = surf_def_v(1)%start_index(j,i)
501       surf_e = surf_def_v(1)%end_index(j,i)
502       DO  m = surf_s, surf_e
503          k           = surf_def_v(1)%k(m)
[2759]504          tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + s_flux_def_v_south(m) * ddy
[2232]505       ENDDO
506!
507!--    East-facing vertical default-type surfaces
508       surf_s = surf_def_v(2)%start_index(j,i)
509       surf_e = surf_def_v(2)%end_index(j,i)
510       DO  m = surf_s, surf_e
511          k           = surf_def_v(2)%k(m)
[2759]512          tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + s_flux_def_v_east(m) * ddx
[2232]513       ENDDO
514!
515!--    West-facing vertical default-type surfaces
516       surf_s = surf_def_v(3)%start_index(j,i)
517       surf_e = surf_def_v(3)%end_index(j,i)
518       DO  m = surf_s, surf_e
519          k           = surf_def_v(3)%k(m)
[2759]520          tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + s_flux_def_v_west(m) * ddx
[2232]521       ENDDO
522!
523!--    Now, for natural-type surfaces
524!--    North-facing
525       surf_s = surf_lsm_v(0)%start_index(j,i)
526       surf_e = surf_lsm_v(0)%end_index(j,i)
527       DO  m = surf_s, surf_e
528          k           = surf_lsm_v(0)%k(m)
[2759]529          tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + s_flux_lsm_v_north(m) * ddy
[2232]530       ENDDO
531!
532!--    South-facing
533       surf_s = surf_lsm_v(1)%start_index(j,i)
534       surf_e = surf_lsm_v(1)%end_index(j,i)
535       DO  m = surf_s, surf_e
536          k           = surf_lsm_v(1)%k(m)
[2759]537          tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + s_flux_lsm_v_south(m) * ddy
[2232]538       ENDDO
539!
540!--    East-facing
541       surf_s = surf_lsm_v(2)%start_index(j,i)
542       surf_e = surf_lsm_v(2)%end_index(j,i)
543       DO  m = surf_s, surf_e
544          k           = surf_lsm_v(2)%k(m)
[2759]545          tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + s_flux_lsm_v_east(m) * ddx
[2232]546       ENDDO
547!
548!--    West-facing
549       surf_s = surf_lsm_v(3)%start_index(j,i)
550       surf_e = surf_lsm_v(3)%end_index(j,i)
551       DO  m = surf_s, surf_e
552          k           = surf_lsm_v(3)%k(m)
[2759]553          tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + s_flux_lsm_v_west(m) * ddx
[2232]554       ENDDO
555!
556!--    Now, for urban-type surfaces
557!--    North-facing
558       surf_s = surf_usm_v(0)%start_index(j,i)
559       surf_e = surf_usm_v(0)%end_index(j,i)
560       DO  m = surf_s, surf_e
561          k           = surf_usm_v(0)%k(m)
[2759]562          tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + s_flux_usm_v_north(m) * ddy
[2232]563       ENDDO
564!
565!--    South-facing
566       surf_s = surf_usm_v(1)%start_index(j,i)
567       surf_e = surf_usm_v(1)%end_index(j,i)
568       DO  m = surf_s, surf_e
569          k           = surf_usm_v(1)%k(m)
[2759]570          tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + s_flux_usm_v_south(m) * ddy
[2232]571       ENDDO
572!
573!--    East-facing
574       surf_s = surf_usm_v(2)%start_index(j,i)
575       surf_e = surf_usm_v(2)%end_index(j,i)
576       DO  m = surf_s, surf_e
577          k           = surf_usm_v(2)%k(m)
[2759]578          tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + s_flux_usm_v_east(m) * ddx
[2232]579       ENDDO
580!
581!--    West-facing
582       surf_s = surf_usm_v(3)%start_index(j,i)
583       surf_e = surf_usm_v(3)%end_index(j,i)
584       DO  m = surf_s, surf_e
585          k           = surf_usm_v(3)%k(m)
[2759]586          tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + s_flux_usm_v_west(m) * ddx
[2232]587       ENDDO
[1]588
589
590!
[4583]591!--    Compute vertical diffusion. In case that surface fluxes have been prescribed or computed at
592!--    bottom and/or top, index k starts/ends at nzb+2 or nzt-1, respectively. Model top is also
593!--    mask if top flux is given.
[2232]594       DO  k = nzb+1, nzt
595!
[4583]596!--       Determine flags to mask topography below and above. Flag 0 is used to mask topography in
597!--       general, and flag 8 implies information about use_surface_fluxes. Flag 9 is used to
598!--       control flux at model top.
599          mask_bottom = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_total_0(k-1,j,i), 8 ) )
600          mask_top    = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_total_0(k+1,j,i), 8 ) )  *        &
601                        MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_total_0(k+1,j,i), 9 ) )
602          flag        = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 0 ) )
[1]603
[4583]604          tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                                                &
605                                       + 0.5_wp * (                                                &
606                                      ( kh(k,j,i) + kh(k+1,j,i) ) *                                &
607                                          ( s(k+1,j,i)-s(k,j,i) ) * ddzu(k+1)                      &
608                                                            * rho_air_zw(k)                        &
609                                                            * mask_top                             &
610                                    - ( kh(k,j,i) + kh(k-1,j,i) ) *                                &
611                                          ( s(k,j,i)-s(k-1,j,i) ) * ddzu(k)                        &
612                                                            * rho_air_zw(k-1)                      &
613                                                            * mask_bottom                          &
614                                                  ) * ddzw(k) * drho_air(k)                        &
[2232]615                                                              * flag
[1]616       ENDDO
617
618!
[2232]619!--    Vertical diffusion at horizontal walls.
620!--    TO DO: Adjust for downward facing walls and mask already in main loop
[1]621       IF ( use_surface_fluxes )  THEN
[2232]622!
623!--       Default-type surfaces, upward-facing
624          surf_s = surf_def_h(0)%start_index(j,i)
625          surf_e = surf_def_h(0)%end_index(j,i)
626          DO  m = surf_s, surf_e
[1]627
[2232]628             k   = surf_def_h(0)%k(m)
[1]629
[4583]630             tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + s_flux_def_h_up(m) * ddzw(k) * drho_air(k)
[2232]631          ENDDO
632!
633!--       Default-type surfaces, downward-facing
634          surf_s = surf_def_h(1)%start_index(j,i)
635          surf_e = surf_def_h(1)%end_index(j,i)
636          DO  m = surf_s, surf_e
[1]637
[2232]638             k   = surf_def_h(1)%k(m)
[1]639
[4583]640             tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + s_flux_def_h_down(m) * ddzw(k) * drho_air(k)
[2232]641          ENDDO
[19]642!
[2232]643!--       Natural-type surfaces, upward-facing
644          surf_s = surf_lsm_h%start_index(j,i)
645          surf_e = surf_lsm_h%end_index(j,i)
646          DO  m = surf_s, surf_e
647             k   = surf_lsm_h%k(m)
648
[4583]649             tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + s_flux_lsm_h_up(m) * ddzw(k) * drho_air(k)
[2232]650          ENDDO
651!
652!--       Urban-type surfaces, upward-facing
653          surf_s = surf_usm_h%start_index(j,i)
654          surf_e = surf_usm_h%end_index(j,i)
655          DO  m = surf_s, surf_e
656             k   = surf_usm_h%k(m)
657
[4583]658             tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + s_flux_usm_h_up(m) * ddzw(k) * drho_air(k)
[2232]659          ENDDO
660       ENDIF
661!
[19]662!--    Vertical diffusion at the last computational gridpoint along z-direction
663       IF ( use_top_fluxes )  THEN
[2232]664          surf_s = surf_def_h(2)%start_index(j,i)
665          surf_e = surf_def_h(2)%end_index(j,i)
666          DO  m = surf_s, surf_e
[19]667
[2232]668             k   = surf_def_h(2)%k(m)
[4583]669             tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + ( - s_flux_t(m) ) * ddzw(k) * drho_air(k)
[2232]670          ENDDO
[19]671       ENDIF
672
[1]673    END SUBROUTINE diffusion_s_ij
674
675 END MODULE diffusion_s_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.