source: palm/trunk/SOURCE/diffusion_u.f90 @ 2128

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[1873]1!> @file diffusion_u.f90
[2000]2!------------------------------------------------------------------------------!
[1036]3! This file is part of PALM.
4!
[2000]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.
[1036]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!
[2101]17! Copyright 1997-2017 Leibniz Universitaet Hannover
[2000]18!------------------------------------------------------------------------------!
[1036]19!
[484]20! Current revisions:
[1]21! -----------------
[1341]22!
[2119]23!
[1321]24! Former revisions:
25! -----------------
26! $Id: diffusion_u.f90 2119 2017-01-17 16:51:50Z suehring $
27!
[2119]28! 2118 2017-01-17 16:38:49Z raasch
29! OpenACC version of subroutine removed
30!
[2038]31! 2037 2016-10-26 11:15:40Z knoop
32! Anelastic approximation implemented
33!
[2001]34! 2000 2016-08-20 18:09:15Z knoop
35! Forced header and separation lines into 80 columns
36!
[1874]37! 1873 2016-04-18 14:50:06Z maronga
38! Module renamed (removed _mod)
39!
[1851]40! 1850 2016-04-08 13:29:27Z maronga
41! Module renamed
42!
[1741]43! 1740 2016-01-13 08:19:40Z raasch
44! unnecessary calculations of kmzm and kmzp in wall bounded parts removed
45!
[1692]46! 1691 2015-10-26 16:17:44Z maronga
47! Formatting corrections.
48!
[1683]49! 1682 2015-10-07 23:56:08Z knoop
50! Code annotations made doxygen readable
51!
[1341]52! 1340 2014-03-25 19:45:13Z kanani
53! REAL constants defined as wp-kind
54!
[1321]55! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
[1320]56! ONLY-attribute added to USE-statements,
57! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
58! kinds are defined in new module kinds,
59! revision history before 2012 removed,
60! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
61! all variable declaration statements
[1321]62!
[1258]63! 1257 2013-11-08 15:18:40Z raasch
64! openacc loop and loop vector clauses removed, declare create moved after
65! the FORTRAN declaration statement
66!
[1132]67! 1128 2013-04-12 06:19:32Z raasch
68! loop index bounds in accelerator version replaced by i_left, i_right, j_south,
69! j_north
70!
[1037]71! 1036 2012-10-22 13:43:42Z raasch
72! code put under GPL (PALM 3.9)
73!
[1017]74! 1015 2012-09-27 09:23:24Z raasch
75! accelerator version (*_acc) added
76!
[1002]77! 1001 2012-09-13 14:08:46Z raasch
78! arrays comunicated by module instead of parameter list
79!
[979]80! 978 2012-08-09 08:28:32Z fricke
81! outflow damping layer removed
82! kmym_x/_y and kmyp_x/_y change to kmym and kmyp
83!
[1]84! Revision 1.1  1997/09/12 06:23:51  raasch
85! Initial revision
86!
87!
88! Description:
89! ------------
[1682]90!> Diffusion term of the u-component
91!> @todo additional damping (needed for non-cyclic bc) causes bad vectorization
92!>       and slows down the speed on NEC about 5-10%
[1]93!------------------------------------------------------------------------------!
[1682]94 MODULE diffusion_u_mod
95 
[1]96
[56]97    USE wall_fluxes_mod
98
[1]99    PRIVATE
[2118]100    PUBLIC diffusion_u
[1]101
102    INTERFACE diffusion_u
103       MODULE PROCEDURE diffusion_u
104       MODULE PROCEDURE diffusion_u_ij
105    END INTERFACE diffusion_u
106
107 CONTAINS
108
109
110!------------------------------------------------------------------------------!
[1682]111! Description:
112! ------------
113!> Call for all grid points
[1]114!------------------------------------------------------------------------------!
[1001]115    SUBROUTINE diffusion_u
[1]116
[1320]117       USE arrays_3d,                                                          &
[2037]118           ONLY:  ddzu, ddzw, km, tend, u, usws, uswst, v, w,                  &
119                  drho_air, rho_air_zw
[1320]120       
121       USE control_parameters,                                                 &
122           ONLY:  constant_top_momentumflux, topography, use_surface_fluxes,   &
123                  use_top_fluxes
124       
125       USE grid_variables,                                                     &
126           ONLY:  ddx, ddx2, ddy, fym, fyp, wall_u
127       
128       USE indices,                                                            &
129           ONLY:  nxl, nxlu, nxr, nyn, nys, nzb, nzb_diff_u, nzb_u_inner,      &
130                  nzb_u_outer, nzt, nzt_diff
131       
132       USE kinds
[1]133
134       IMPLICIT NONE
135
[1682]136       INTEGER(iwp) ::  i     !<
137       INTEGER(iwp) ::  j     !<
138       INTEGER(iwp) ::  k     !<
139       REAL(wp)     ::  kmym  !<
140       REAL(wp)     ::  kmyp  !<
141       REAL(wp)     ::  kmzm  !<
142       REAL(wp)     ::  kmzp  !<
[1001]143
[1682]144       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nys:nyn,nxl:nxr) ::  usvs  !<
[1]145
[56]146!
147!--    First calculate horizontal momentum flux u'v' at vertical walls,
148!--    if neccessary
149       IF ( topography /= 'flat' )  THEN
[1320]150          CALL wall_fluxes( usvs, 1.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, nzb_u_inner, &
[56]151                            nzb_u_outer, wall_u )
152       ENDIF
153
[106]154       DO  i = nxlu, nxr
[1001]155          DO  j = nys, nyn
[1]156!
157!--          Compute horizontal diffusion
158             DO  k = nzb_u_outer(j,i)+1, nzt
159!
160!--             Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
[1340]161                kmyp = 0.25_wp *                                               &
[978]162                       ( km(k,j,i)+km(k,j+1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j+1,i-1) )
[1340]163                kmym = 0.25_wp *                                               &
[978]164                       ( km(k,j,i)+km(k,j-1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j-1,i-1) )
[1]165
[1320]166                tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                      &
[1340]167                      & + 2.0_wp * (                                           &
[1320]168                      &           km(k,j,i)   * ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i)   )    &
169                      &         - km(k,j,i-1) * ( u(k,j,i)   - u(k,j,i-1) )    &
[1340]170                      &            ) * ddx2                                    &
[1320]171                      & + ( kmyp * ( u(k,j+1,i) - u(k,j,i)     ) * ddy         &
172                      &   + kmyp * ( v(k,j+1,i) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx         &
173                      &   - kmym * ( u(k,j,i) - u(k,j-1,i) ) * ddy             &
174                      &   - kmym * ( v(k,j,i) - v(k,j,i-1) ) * ddx             &
[1]175                      &   ) * ddy
176             ENDDO
177
178!
179!--          Wall functions at the north and south walls, respectively
[1340]180             IF ( wall_u(j,i) /= 0.0_wp )  THEN
[51]181
[1]182                DO  k = nzb_u_inner(j,i)+1, nzb_u_outer(j,i)
[1340]183                   kmyp = 0.25_wp *                                            &
[978]184                          ( km(k,j,i)+km(k,j+1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j+1,i-1) )
[1340]185                   kmym = 0.25_wp *                                            &
[978]186                          ( km(k,j,i)+km(k,j-1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j-1,i-1) )
[1]187
188                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                   &
[1340]189                                 + 2.0_wp * (                                  &
[1]190                                       km(k,j,i)   * ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i) ) &
191                                     - km(k,j,i-1) * ( u(k,j,i) - u(k,j,i-1) ) &
[1340]192                                            ) * ddx2                           &
[1]193                                 + (   fyp(j,i) * (                            &
[978]194                                  kmyp * ( u(k,j+1,i) - u(k,j,i)     ) * ddy   &
195                                + kmyp * ( v(k,j+1,i) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx   &
[1]196                                                  )                            &
197                                     - fym(j,i) * (                            &
[978]198                                  kmym * ( u(k,j,i) - u(k,j-1,i) ) * ddy       &
199                                + kmym * ( v(k,j,i) - v(k,j,i-1) ) * ddx       &
[1]200                                                  )                            &
[56]201                                     + wall_u(j,i) * usvs(k,j,i)               &
[1]202                                   ) * ddy
203                ENDDO
204             ENDIF
205
206!
207!--          Compute vertical diffusion. In case of simulating a Prandtl layer,
208!--          index k starts at nzb_u_inner+2.
[102]209             DO  k = nzb_diff_u(j,i), nzt_diff
[1]210!
211!--             Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
[1340]212                kmzp = 0.25_wp *                                               &
[1]213                       ( km(k,j,i)+km(k+1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k+1,j,i-1) )
[1340]214                kmzm = 0.25_wp *                                               &
[1]215                       ( km(k,j,i)+km(k-1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k-1,j,i-1) )
216
[1320]217                tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                      &
218                      & + ( kmzp * ( ( u(k+1,j,i) - u(k,j,i)   ) * ddzu(k+1)   &
219                      &            + ( w(k,j,i)   - w(k,j,i-1) ) * ddx         &
[2037]220                      &            ) * rho_air_zw(k)                           &
[1320]221                      &   - kmzm * ( ( u(k,j,i)   - u(k-1,j,i)   ) * ddzu(k)   &
222                      &            + ( w(k-1,j,i) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx       &
[2037]223                      &            ) * rho_air_zw(k-1)                         &
224                      &   ) * ddzw(k) * drho_air(k)
[1]225             ENDDO
226
227!
228!--          Vertical diffusion at the first grid point above the surface,
229!--          if the momentum flux at the bottom is given by the Prandtl law or
230!--          if it is prescribed by the user.
231!--          Difference quotient of the momentum flux is not formed over half
232!--          of the grid spacing (2.0*ddzw(k)) any more, since the comparison
[1320]233!--          with other (LES) models showed that the values of the momentum
[1]234!--          flux becomes too large in this case.
235!--          The term containing w(k-1,..) (see above equation) is removed here
236!--          because the vertical velocity is assumed to be zero at the surface.
237             IF ( use_surface_fluxes )  THEN
238                k = nzb_u_inner(j,i)+1
239!
240!--             Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
[1340]241                kmzp = 0.25_wp *                                               &
[1]242                      ( km(k,j,i)+km(k+1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k+1,j,i-1) )
243
[1320]244                tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                      &
[2037]245                      & + ( kmzp * ( ( u(k+1,j,i) - u(k,j,i)   ) * ddzu(k+1)   &
246                      &            + ( w(k,j,i)   - w(k,j,i-1) ) * ddx         &
247                      &            ) * rho_air_zw(k)                           &
248                      &   - ( -usws(j,i) )                                     &
249                      &   ) * ddzw(k) * drho_air(k)
[1]250             ENDIF
251
[102]252!
253!--          Vertical diffusion at the first gridpoint below the top boundary,
254!--          if the momentum flux at the top is prescribed by the user
[103]255             IF ( use_top_fluxes  .AND.  constant_top_momentumflux )  THEN
[102]256                k = nzt
257!
258!--             Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
[1340]259                kmzm = 0.25_wp *                                               &
[102]260                       ( km(k,j,i)+km(k-1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k-1,j,i-1) )
261
[1320]262                tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                      &
[2037]263                      & + ( ( -uswst(j,i) )                                    &
264                      &   - kmzm * ( ( u(k,j,i)   - u(k-1,j,i)   ) * ddzu(k)   &
265                      &            + ( w(k-1,j,i) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx       &
266                      &            ) * rho_air_zw(k-1)                         &
267                      &   ) * ddzw(k) * drho_air(k)
[102]268             ENDIF
269
[1]270          ENDDO
271       ENDDO
272
273    END SUBROUTINE diffusion_u
274
275
276!------------------------------------------------------------------------------!
[1682]277! Description:
278! ------------
279!> Call for grid point i,j
[1]280!------------------------------------------------------------------------------!
[1001]281    SUBROUTINE diffusion_u_ij( i, j )
[1]282
[1320]283       USE arrays_3d,                                                          &
[2037]284           ONLY:  ddzu, ddzw, km, tend, u, usws, uswst, v, w,                  &
285                  drho_air, rho_air_zw
[1320]286       
287       USE control_parameters,                                                 &
288           ONLY:  constant_top_momentumflux, use_surface_fluxes, use_top_fluxes
289       
290       USE grid_variables,                                                     &
291           ONLY:  ddx, ddx2, ddy, fym, fyp, wall_u
292       
293       USE indices,                                                            &
294           ONLY:  nzb, nzb_diff_u, nzb_u_inner, nzb_u_outer, nzt, nzt_diff
295       
296       USE kinds
[1]297
298       IMPLICIT NONE
299
[1682]300       INTEGER(iwp) ::  i     !<
301       INTEGER(iwp) ::  j     !<
302       INTEGER(iwp) ::  k     !<
303       REAL(wp)     ::  kmym  !<
304       REAL(wp)     ::  kmyp  !<
305       REAL(wp)     ::  kmzm  !<
306       REAL(wp)     ::  kmzp  !<
[1]307
[1682]308       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  usvs  !<
[1001]309
[1]310!
311!--    Compute horizontal diffusion
312       DO  k = nzb_u_outer(j,i)+1, nzt
313!
314!--       Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
[1340]315          kmyp = 0.25_wp * ( km(k,j,i)+km(k,j+1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j+1,i-1) )
316          kmym = 0.25_wp * ( km(k,j,i)+km(k,j-1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j-1,i-1) )
[1]317
[1320]318          tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                            &
[1340]319                      & + 2.0_wp * (                                           &
[1320]320                      &           km(k,j,i)   * ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i)   )    &
321                      &         - km(k,j,i-1) * ( u(k,j,i)   - u(k,j,i-1) )    &
[1340]322                      &            ) * ddx2                                    &
[1320]323                      & + ( kmyp * ( u(k,j+1,i) - u(k,j,i)     ) * ddy         &
324                      &   + kmyp * ( v(k,j+1,i) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx         &
325                      &   - kmym * ( u(k,j,i) - u(k,j-1,i) ) * ddy             &
326                      &   - kmym * ( v(k,j,i) - v(k,j,i-1) ) * ddx             &
[1]327                      &   ) * ddy
328       ENDDO
329
330!
331!--    Wall functions at the north and south walls, respectively
[1691]332       IF ( wall_u(j,i) /= 0.0_wp )  THEN
[51]333
334!
335!--       Calculate the horizontal momentum flux u'v'
[1320]336          CALL wall_fluxes( i, j, nzb_u_inner(j,i)+1, nzb_u_outer(j,i),        &
337                            usvs, 1.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp )
[51]338
[1]339          DO  k = nzb_u_inner(j,i)+1, nzb_u_outer(j,i)
[1340]340             kmyp = 0.25_wp * ( km(k,j,i)+km(k,j+1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j+1,i-1) )
341             kmym = 0.25_wp * ( km(k,j,i)+km(k,j-1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j-1,i-1) )
[1]342
343             tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                         &
[1340]344                                 + 2.0_wp * (                                  &
[1]345                                       km(k,j,i)   * ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i) ) &
346                                     - km(k,j,i-1) * ( u(k,j,i) - u(k,j,i-1) ) &
[1340]347                                            ) * ddx2                           &
[1]348                                 + (   fyp(j,i) * (                            &
[978]349                                  kmyp * ( u(k,j+1,i) - u(k,j,i)     ) * ddy   &
350                                + kmyp * ( v(k,j+1,i) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx   &
[1]351                                                  )                            &
352                                     - fym(j,i) * (                            &
[978]353                                  kmym * ( u(k,j,i) - u(k,j-1,i) ) * ddy       &
354                                + kmym * ( v(k,j,i) - v(k,j,i-1) ) * ddx       &
[1]355                                                  )                            &
[51]356                                     + wall_u(j,i) * usvs(k)                   &
[1]357                                   ) * ddy
358          ENDDO
359       ENDIF
360
361!
362!--    Compute vertical diffusion. In case of simulating a Prandtl layer,
363!--    index k starts at nzb_u_inner+2.
[102]364       DO  k = nzb_diff_u(j,i), nzt_diff
[1]365!
366!--       Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
[1340]367          kmzp = 0.25_wp * ( km(k,j,i)+km(k+1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k+1,j,i-1) )
368          kmzm = 0.25_wp * ( km(k,j,i)+km(k-1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k-1,j,i-1) )
[1]369
[1320]370          tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                            &
371                      & + ( kmzp * ( ( u(k+1,j,i) - u(k,j,i)   ) * ddzu(k+1)   &
372                      &            + ( w(k,j,i)   - w(k,j,i-1) ) * ddx         &
[2037]373                      &            ) * rho_air_zw(k)                           &
[1320]374                      &   - kmzm * ( ( u(k,j,i)   - u(k-1,j,i)   ) * ddzu(k)   &
375                      &            + ( w(k-1,j,i) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx       &
[2037]376                      &            ) * rho_air_zw(k-1)                         &
377                      &   ) * ddzw(k) * drho_air(k)
[1]378       ENDDO
379
380!
381!--    Vertical diffusion at the first grid point above the surface, if the
382!--    momentum flux at the bottom is given by the Prandtl law or if it is
383!--    prescribed by the user.
384!--    Difference quotient of the momentum flux is not formed over half of
385!--    the grid spacing (2.0*ddzw(k)) any more, since the comparison with
[1320]386!--    other (LES) models showed that the values of the momentum flux becomes
[1]387!--    too large in this case.
388!--    The term containing w(k-1,..) (see above equation) is removed here
389!--    because the vertical velocity is assumed to be zero at the surface.
390       IF ( use_surface_fluxes )  THEN
391          k = nzb_u_inner(j,i)+1
392!
393!--       Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
[1340]394          kmzp = 0.25_wp * ( km(k,j,i)+km(k+1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k+1,j,i-1) )
[1]395
[1320]396          tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                            &
[2037]397                      & + ( kmzp * ( ( u(k+1,j,i) - u(k,j,i)   ) * ddzu(k+1)   &
398                      &            + ( w(k,j,i)   - w(k,j,i-1) ) * ddx         &
399                      &            ) * rho_air_zw(k)                           &
400                      &   - ( -usws(j,i) )                                     &
401                      &   ) * ddzw(k) * drho_air(k)
[1]402       ENDIF
403
[102]404!
405!--    Vertical diffusion at the first gridpoint below the top boundary,
406!--    if the momentum flux at the top is prescribed by the user
[103]407       IF ( use_top_fluxes  .AND.  constant_top_momentumflux )  THEN
[102]408          k = nzt
409!
410!--       Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
[2037]411          kmzm = 0.25_wp * ( km(k,j,i)+km(k-1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k-1,j,i-1) )
[102]412
[1320]413          tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                            &
[2037]414                      & + ( ( -uswst(j,i) )                                    &
415                      &   - kmzm * ( ( u(k,j,i)   - u(k-1,j,i)   ) * ddzu(k)   &
416                      &            + ( w(k-1,j,i) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx       &
417                      &            ) * rho_air_zw(k-1)                         &
418                      &   ) * ddzw(k) * drho_air(k)
[102]419       ENDIF
420
[1]421    END SUBROUTINE diffusion_u_ij
422
423 END MODULE diffusion_u_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.