source: palm/trunk/SOURCE/diffusion_s.f90 @ 2037

Last change on this file since 2037 was 2037, checked in by knoop, 5 years ago

Anelastic approximation implemented

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 21.4 KB
Line 
1!> @file diffusion_s.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
6! terms of the GNU General Public License as published by the Free Software
7! Foundation, either version 3 of the License, or (at your option) any later
8! version.
9!
10! PALM is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY
11! WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR
12! A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License for more details.
13!
14! You should have received a copy of the GNU General Public License along with
15! PALM. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
16!
17! Copyright 1997-2016 Leibniz Universitaet Hannover
18!------------------------------------------------------------------------------!
19!
20! Current revisions:
21! ------------------
22! Anelastic approximation implemented
23!
24! Former revisions:
25! -----------------
26! $Id: diffusion_s.f90 2037 2016-10-26 11:15:40Z knoop $
27!
28! 2000 2016-08-20 18:09:15Z knoop
29! Forced header and separation lines into 80 columns
30!
31! 1873 2016-04-18 14:50:06Z maronga
32! Module renamed (removed _mod)
33!
34!
35! 1850 2016-04-08 13:29:27Z maronga
36! Module renamed
37!
38!
39! 1691 2015-10-26 16:17:44Z maronga
40! Formatting corrections.
41!
42! 1682 2015-10-07 23:56:08Z knoop
43! Code annotations made doxygen readable
44!
45! 1374 2014-04-25 12:55:07Z raasch
46! missing variables added to ONLY list
47!
48! 1340 2014-03-25 19:45:13Z kanani
49! REAL constants defined as wp-kind
50!
51! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
52! ONLY-attribute added to USE-statements,
53! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
54! kinds are defined in new module kinds,
55! revision history before 2012 removed,
56! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
57! all variable declaration statements
58!
59! 1257 2013-11-08 15:18:40Z raasch
60! openacc loop and loop vector clauses removed
61!
62! 1128 2013-04-12 06:19:32Z raasch
63! loop index bounds in accelerator version replaced by i_left, i_right, j_south,
64! j_north
65!
66! 1092 2013-02-02 11:24:22Z raasch
67! unused variables removed
68!
69! 1036 2012-10-22 13:43:42Z raasch
70! code put under GPL (PALM 3.9)
71!
72! 1015 2012-09-27 09:23:24Z raasch
73! accelerator version (*_acc) added
74!
75! 1010 2012-09-20 07:59:54Z raasch
76! cpp switch __nopointer added for pointer free version
77!
78! 1001 2012-09-13 14:08:46Z raasch
79! some arrays comunicated by module instead of parameter list
80!
81! Revision 1.1  2000/04/13 14:54:02  schroeter
82! Initial revision
83!
84!
85! Description:
86! ------------
87!> Diffusion term of scalar quantities (temperature and water content)
88!------------------------------------------------------------------------------!
89 MODULE diffusion_s_mod
90 
91
92    PRIVATE
93    PUBLIC diffusion_s, diffusion_s_acc
94
95    INTERFACE diffusion_s
96       MODULE PROCEDURE diffusion_s
97       MODULE PROCEDURE diffusion_s_ij
98    END INTERFACE diffusion_s
99
100    INTERFACE diffusion_s_acc
101       MODULE PROCEDURE diffusion_s_acc
102    END INTERFACE diffusion_s_acc
103
104 CONTAINS
105
106
107!------------------------------------------------------------------------------!
108! Description:
109! ------------
110!> Call for all grid points
111!------------------------------------------------------------------------------!
112    SUBROUTINE diffusion_s( s, s_flux_b, s_flux_t, wall_s_flux )
113
114       USE arrays_3d,                                                          &
115           ONLY:  ddzu, ddzw, kh, tend, drho_air, rho_air_zw
116       
117       USE control_parameters,                                                 & 
118           ONLY: use_surface_fluxes, use_top_fluxes
119       
120       USE grid_variables,                                                     &
121           ONLY:  ddx2, ddy2, fwxm, fwxp, fwym, fwyp, wall_w_x, wall_w_y
122       
123       USE indices,                                                            &
124           ONLY:  nxl, nxlg, nxr, nxrg, nyn, nyng, nys, nysg, nzb,             &
125                  nzb_diff_s_inner, nzb_s_inner, nzb_s_outer, nzt, nzt_diff
126       
127       USE kinds
128
129       IMPLICIT NONE
130
131       INTEGER(iwp) ::  i                 !<
132       INTEGER(iwp) ::  j                 !<
133       INTEGER(iwp) ::  k                 !<
134       REAL(wp)     ::  wall_s_flux(0:4)  !<
135       REAL(wp), DIMENSION(nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::  s_flux_b, s_flux_t !<
136#if defined( __nopointer )
137       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::  s  !<
138#else
139       REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), POINTER ::  s  !<
140#endif
141
142       DO  i = nxl, nxr
143          DO  j = nys,nyn
144!
145!--          Compute horizontal diffusion
146             DO  k = nzb_s_outer(j,i)+1, nzt
147
148                tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                      &
149                                          + 0.5_wp * (                         &
150                        ( kh(k,j,i) + kh(k,j,i+1) ) * ( s(k,j,i+1)-s(k,j,i) )  &
151                      - ( kh(k,j,i) + kh(k,j,i-1) ) * ( s(k,j,i)-s(k,j,i-1) )  &
152                                                     ) * ddx2                  &
153                                          + 0.5_wp * (                         &
154                        ( kh(k,j,i) + kh(k,j+1,i) ) * ( s(k,j+1,i)-s(k,j,i) )  &
155                      - ( kh(k,j,i) + kh(k,j-1,i) ) * ( s(k,j,i)-s(k,j-1,i) )  &
156                                                     ) * ddy2
157             ENDDO
158
159!
160!--          Apply prescribed horizontal wall heatflux where necessary
161             IF ( ( wall_w_x(j,i) /= 0.0_wp ) .OR. ( wall_w_y(j,i) /= 0.0_wp ) &
162                )  THEN
163                DO  k = nzb_s_inner(j,i)+1, nzb_s_outer(j,i)
164
165                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                   &
166                                                + ( fwxp(j,i) * 0.5_wp *       &
167                        ( kh(k,j,i) + kh(k,j,i+1) ) * ( s(k,j,i+1)-s(k,j,i) )  &
168                        + ( 1.0_wp - fwxp(j,i) ) * wall_s_flux(1)              &
169                                                   -fwxm(j,i) * 0.5_wp *       &
170                        ( kh(k,j,i) + kh(k,j,i-1) ) * ( s(k,j,i)-s(k,j,i-1) )  &
171                        + ( 1.0_wp - fwxm(j,i) ) * wall_s_flux(2)              &
172                                                  ) * ddx2                     &
173                                                + ( fwyp(j,i) * 0.5_wp *       &
174                        ( kh(k,j,i) + kh(k,j+1,i) ) * ( s(k,j+1,i)-s(k,j,i) )  &
175                        + ( 1.0_wp - fwyp(j,i) ) * wall_s_flux(3)              &
176                                                   -fwym(j,i) * 0.5_wp *       &
177                        ( kh(k,j,i) + kh(k,j-1,i) ) * ( s(k,j,i)-s(k,j-1,i) )  &
178                        + ( 1.0_wp - fwym(j,i) ) * wall_s_flux(4)              &
179                                                  ) * ddy2
180                ENDDO
181             ENDIF
182
183!
184!--          Compute vertical diffusion. In case that surface fluxes have been
185!--          prescribed or computed at bottom and/or top, index k starts/ends at
186!--          nzb+2 or nzt-1, respectively.
187             DO  k = nzb_diff_s_inner(j,i), nzt_diff
188
189                tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                      &
190                                       + 0.5_wp * (                            &
191            ( kh(k,j,i) + kh(k+1,j,i) ) * ( s(k+1,j,i)-s(k,j,i) ) * ddzu(k+1)  &
192                                                            * rho_air_zw(k)    &
193          - ( kh(k,j,i) + kh(k-1,j,i) ) * ( s(k,j,i)-s(k-1,j,i) ) * ddzu(k)    &
194                                                            * rho_air_zw(k-1)  &
195                                                  ) * ddzw(k) * drho_air(k)
196             ENDDO
197
198!
199!--          Vertical diffusion at the first computational gridpoint along
200!--          z-direction
201             IF ( use_surface_fluxes )  THEN
202
203                k = nzb_s_inner(j,i)+1
204
205                tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                      &
206                                       + ( 0.5_wp * ( kh(k,j,i)+kh(k+1,j,i) )  &
207                                                  * ( s(k+1,j,i)-s(k,j,i) )    &
208                                                  * ddzu(k+1)                  &
209                                                  * rho_air_zw(k)              &
210                                           + s_flux_b(j,i)                     &
211                                         ) * ddzw(k) * drho_air(k)
212
213             ENDIF
214
215!
216!--          Vertical diffusion at the last computational gridpoint along
217!--          z-direction
218             IF ( use_top_fluxes )  THEN
219
220                k = nzt
221
222                tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                      &
223                                       + ( - s_flux_t(j,i)                     &
224                                           - 0.5_wp * ( kh(k-1,j,i)+kh(k,j,i) )&
225                                                    * ( s(k,j,i)-s(k-1,j,i) )  &
226                                                    * ddzu(k)                  &
227                                                    * rho_air_zw(k-1)          &
228                                         ) * ddzw(k) * drho_air(k)
229
230             ENDIF
231
232          ENDDO
233       ENDDO
234
235    END SUBROUTINE diffusion_s
236
237
238!------------------------------------------------------------------------------!
239! Description:
240! ------------
241!> Call for all grid points - accelerator version
242!------------------------------------------------------------------------------!
243    SUBROUTINE diffusion_s_acc( s, s_flux_b, s_flux_t, wall_s_flux )
244
245       USE arrays_3d,                                                          &
246           ONLY:  ddzu, ddzw, kh, tend, drho_air, rho_air_zw
247           
248       USE control_parameters,                                                 & 
249           ONLY: use_surface_fluxes, use_top_fluxes
250       
251       USE grid_variables,                                                     &
252           ONLY:  ddx2, ddy2, fwxm, fwxp, fwym, fwyp, wall_w_x, wall_w_y
253       
254       USE indices, &
255           ONLY: i_left, i_right, j_north, j_south, nxlg, nxrg, nyng, nysg,    &
256                 nzb, nzb_diff_s_inner, nzb_s_inner, nzb_s_outer, nzt, nzt_diff
257           
258       USE kinds
259
260       IMPLICIT NONE
261
262       INTEGER(iwp) ::  i                 !<
263       INTEGER(iwp) ::  j                 !<
264       INTEGER(iwp) ::  k                 !<
265       REAL(wp)     ::  wall_s_flux(0:4)  !<
266       REAL(wp), DIMENSION(nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::  s_flux_b !<
267       REAL(wp), DIMENSION(nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::  s_flux_t !<
268#if defined( __nopointer )
269       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::  s  !<
270#else
271       REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), POINTER ::  s  !<
272#endif
273
274       !$acc kernels present( ddzu, ddzw, fwxm, fwxp, fwym, fwyp, kh )        &
275       !$acc         present( nzb_diff_s_inner, nzb_s_inner, nzb_s_outer, s ) &
276       !$acc         present( s_flux_b, s_flux_t, tend, wall_s_flux )         &
277       !$acc         present( wall_w_x, wall_w_y )
278       DO  i = i_left, i_right
279          DO  j = j_south, j_north
280!
281!--          Compute horizontal diffusion
282             DO  k = 1, nzt
283                IF ( k > nzb_s_outer(j,i) )  THEN
284
285                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                   &
286                                          + 0.5_wp * (                         &
287                        ( kh(k,j,i) + kh(k,j,i+1) ) * ( s(k,j,i+1)-s(k,j,i) )  &
288                      - ( kh(k,j,i) + kh(k,j,i-1) ) * ( s(k,j,i)-s(k,j,i-1) )  &
289                                                     ) * ddx2                  &
290                                          + 0.5_wp * (                         &
291                        ( kh(k,j,i) + kh(k,j+1,i) ) * ( s(k,j+1,i)-s(k,j,i) )  &
292                      - ( kh(k,j,i) + kh(k,j-1,i) ) * ( s(k,j,i)-s(k,j-1,i) )  &
293                                                     ) * ddy2
294                ENDIF
295             ENDDO
296
297!
298!--          Apply prescribed horizontal wall heatflux where necessary
299             DO  k = 1, nzt
300                IF ( k > nzb_s_inner(j,i)  .AND.  k <= nzb_s_outer(j,i)  .AND. &
301                     ( wall_w_x(j,i) /= 0.0_wp  .OR.  wall_w_y(j,i) /= 0.0_wp ) )    &
302                THEN
303                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                   &
304                                                + ( fwxp(j,i) * 0.5_wp *       &
305                        ( kh(k,j,i) + kh(k,j,i+1) ) * ( s(k,j,i+1)-s(k,j,i) )  &
306                        + ( 1.0_wp - fwxp(j,i) ) * wall_s_flux(1)              &
307                                                   -fwxm(j,i) * 0.5_wp *       &
308                        ( kh(k,j,i) + kh(k,j,i-1) ) * ( s(k,j,i)-s(k,j,i-1) )  &
309                        + ( 1.0_wp - fwxm(j,i) ) * wall_s_flux(2)              &
310                                                  ) * ddx2                     &
311                                                + ( fwyp(j,i) * 0.5_wp *       &
312                        ( kh(k,j,i) + kh(k,j+1,i) ) * ( s(k,j+1,i)-s(k,j,i) )  &
313                        + ( 1.0_wp - fwyp(j,i) ) * wall_s_flux(3)              &
314                                                   -fwym(j,i) * 0.5_wp *       &
315                        ( kh(k,j,i) + kh(k,j-1,i) ) * ( s(k,j,i)-s(k,j-1,i) )  &
316                        + ( 1.0_wp - fwym(j,i) ) * wall_s_flux(4)              &
317                                                  ) * ddy2
318                ENDIF
319             ENDDO
320
321!
322!--          Compute vertical diffusion. In case that surface fluxes have been
323!--          prescribed or computed at bottom and/or top, index k starts/ends at
324!--          nzb+2 or nzt-1, respectively.
325             DO  k = 1, nzt_diff
326                IF ( k >= nzb_diff_s_inner(j,i) )  THEN
327                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                   &
328                                       + 0.5_wp * (                            &
329            ( kh(k,j,i) + kh(k+1,j,i) ) * ( s(k+1,j,i)-s(k,j,i) ) * ddzu(k+1)  &
330                                                            * rho_air_zw(k)    &
331          - ( kh(k,j,i) + kh(k-1,j,i) ) * ( s(k,j,i)-s(k-1,j,i) ) * ddzu(k)    &
332                                                            * rho_air_zw(k-1)  &
333                                                  ) * ddzw(k) * drho_air(k)
334                ENDIF
335             ENDDO
336
337!
338!--          Vertical diffusion at the first computational gridpoint along
339!--          z-direction
340             DO  k = 1, nzt
341                IF ( use_surface_fluxes  .AND.  k == nzb_s_inner(j,i)+1 )  THEN
342                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                   &
343                                          + ( 0.5_wp * ( kh(k,j,i)+kh(k+1,j,i) )&
344                                                     * ( s(k+1,j,i)-s(k,j,i) ) &
345                                                     * ddzu(k+1)               &
346                                                     * rho_air_zw(k)           &
347                                              + s_flux_b(j,i)                  &
348                                            ) * ddzw(k) * drho_air(k)
349                ENDIF
350
351!
352!--             Vertical diffusion at the last computational gridpoint along
353!--             z-direction
354                IF ( use_top_fluxes  .AND.  k == nzt )  THEN
355                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                   &
356                                          + ( - s_flux_t(j,i)                  &
357                                              - 0.5_wp * ( kh(k-1,j,i)+kh(k,j,i) )&
358                                                       * ( s(k,j,i)-s(k-1,j,i) )  &
359                                                       * ddzu(k)                  &
360                                                       * rho_air_zw(k-1)          &
361                                            ) * ddzw(k) * drho_air(k)
362                ENDIF
363             ENDDO
364
365          ENDDO
366       ENDDO
367       !$acc end kernels
368
369    END SUBROUTINE diffusion_s_acc
370
371
372!------------------------------------------------------------------------------!
373! Description:
374! ------------
375!> Call for grid point i,j
376!------------------------------------------------------------------------------!
377    SUBROUTINE diffusion_s_ij( i, j, s, s_flux_b, s_flux_t, wall_s_flux )
378
379       USE arrays_3d,                                                          &
380           ONLY:  ddzu, ddzw, kh, tend, drho_air, rho_air_zw
381           
382       USE control_parameters,                                                 & 
383           ONLY: use_surface_fluxes, use_top_fluxes
384       
385       USE grid_variables,                                                     &
386           ONLY:  ddx2, ddy2, fwxm, fwxp, fwym, fwyp, wall_w_x, wall_w_y
387       
388       USE indices,                                                            &
389           ONLY:  nxlg, nxrg, nyng, nysg, nzb, nzb_diff_s_inner, nzb_s_inner,  &
390                  nzb_s_outer, nzt, nzt_diff
391       
392       USE kinds
393
394       IMPLICIT NONE
395
396       INTEGER(iwp) ::  i                 !<
397       INTEGER(iwp) ::  j                 !<
398       INTEGER(iwp) ::  k                 !<
399       REAL(wp)     ::  wall_s_flux(0:4)  !<
400       REAL(wp), DIMENSION(nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::  s_flux_b  !<
401       REAL(wp), DIMENSION(nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::  s_flux_t  !<
402#if defined( __nopointer )
403       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::  s !<
404#else
405       REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), POINTER ::  s  !<
406#endif
407
408!
409!--    Compute horizontal diffusion
410       DO  k = nzb_s_outer(j,i)+1, nzt
411
412          tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                            &
413                                          + 0.5_wp * (                         &
414                        ( kh(k,j,i) + kh(k,j,i+1) ) * ( s(k,j,i+1)-s(k,j,i) )  &
415                      - ( kh(k,j,i) + kh(k,j,i-1) ) * ( s(k,j,i)-s(k,j,i-1) )  &
416                                                     ) * ddx2                  &
417                                          + 0.5_wp * (                         &
418                        ( kh(k,j,i) + kh(k,j+1,i) ) * ( s(k,j+1,i)-s(k,j,i) )  &
419                      - ( kh(k,j,i) + kh(k,j-1,i) ) * ( s(k,j,i)-s(k,j-1,i) )  &
420                                                     ) * ddy2
421       ENDDO
422
423!
424!--    Apply prescribed horizontal wall heatflux where necessary
425       IF ( ( wall_w_x(j,i) /= 0.0_wp ) .OR. ( wall_w_y(j,i) /= 0.0_wp ) )     &
426       THEN
427          DO  k = nzb_s_inner(j,i)+1, nzb_s_outer(j,i)
428
429             tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                         &
430                                                + ( fwxp(j,i) * 0.5_wp *       &
431                        ( kh(k,j,i) + kh(k,j,i+1) ) * ( s(k,j,i+1)-s(k,j,i) )  &
432                        + ( 1.0_wp - fwxp(j,i) ) * wall_s_flux(1)              &
433                                                   -fwxm(j,i) * 0.5_wp *       &
434                        ( kh(k,j,i) + kh(k,j,i-1) ) * ( s(k,j,i)-s(k,j,i-1) )  &
435                        + ( 1.0_wp - fwxm(j,i) ) * wall_s_flux(2)              &
436                                                  ) * ddx2                     &
437                                                + ( fwyp(j,i) * 0.5_wp *       &
438                        ( kh(k,j,i) + kh(k,j+1,i) ) * ( s(k,j+1,i)-s(k,j,i) )  &
439                        + ( 1.0_wp - fwyp(j,i) ) * wall_s_flux(3)              &
440                                                   -fwym(j,i) * 0.5_wp *       &
441                        ( kh(k,j,i) + kh(k,j-1,i) ) * ( s(k,j,i)-s(k,j-1,i) )  &
442                        + ( 1.0_wp - fwym(j,i) ) * wall_s_flux(4)              &
443                                                  ) * ddy2
444          ENDDO
445       ENDIF
446
447!
448!--    Compute vertical diffusion. In case that surface fluxes have been
449!--    prescribed or computed at bottom and/or top, index k starts/ends at
450!--    nzb+2 or nzt-1, respectively.
451       DO  k = nzb_diff_s_inner(j,i), nzt_diff
452
453          tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                            &
454                                       + 0.5_wp * (                            &
455            ( kh(k,j,i) + kh(k+1,j,i) ) * ( s(k+1,j,i)-s(k,j,i) ) * ddzu(k+1)  &
456                                                            * rho_air_zw(k)    &
457          - ( kh(k,j,i) + kh(k-1,j,i) ) * ( s(k,j,i)-s(k-1,j,i) ) * ddzu(k)    &
458                                                            * rho_air_zw(k-1)  &
459                                                  ) * ddzw(k) * drho_air(k)
460       ENDDO
461
462!
463!--    Vertical diffusion at the first computational gridpoint along z-direction
464       IF ( use_surface_fluxes )  THEN
465
466          k = nzb_s_inner(j,i)+1
467
468          tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + ( 0.5_wp * ( kh(k,j,i)+kh(k+1,j,i) )     &
469                                               * ( s(k+1,j,i)-s(k,j,i) )       &
470                                               * ddzu(k+1)                     &
471                                               * rho_air_zw(k)                 &
472                                        + s_flux_b(j,i)                        &
473                                      ) * ddzw(k) * drho_air(k)
474
475       ENDIF
476
477!
478!--    Vertical diffusion at the last computational gridpoint along z-direction
479       IF ( use_top_fluxes )  THEN
480
481          k = nzt
482
483          tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + ( - s_flux_t(j,i)                        &
484                                      - 0.5_wp * ( kh(k-1,j,i)+kh(k,j,i) )     &
485                                               * ( s(k,j,i)-s(k-1,j,i) )       &
486                                               * ddzu(k)                       &
487                                               * rho_air_zw(k-1)               &
488                                      ) * ddzw(k) * drho_air(k)
489
490       ENDIF
491
492    END SUBROUTINE diffusion_s_ij
493
494 END MODULE diffusion_s_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.