source: palm/trunk/SOURCE/diffusion_u.f90 @ 1003

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Line 
1 MODULE diffusion_u_mod
2
3!------------------------------------------------------------------------------!
4! Current revisions:
5! -----------------
6!
7!
8! Former revisions:
9! -----------------
10! $Id: diffusion_u.f90 1002 2012-09-13 15:12:24Z raasch $
11!
12! 1001 2012-09-13 14:08:46Z raasch
13! arrays comunicated by module instead of parameter list
14!
15! 978 2012-08-09 08:28:32Z fricke
16! outflow damping layer removed
17! kmym_x/_y and kmyp_x/_y change to kmym and kmyp
18!
19! 667 2010-12-23 12:06:00Z suehring/gryschka
20! nxl-1, nxr+1, nys-1, nyn+1 replaced by nxlg, nxrg, nysg, nyng
21!
22! 366 2009-08-25 08:06:27Z raasch
23! bc_ns replaced by bc_ns_cyc
24!
25! 106 2007-08-16 14:30:26Z raasch
26! Momentumflux at top (uswst) included as boundary condition,
27! i loop is starting from nxlu (needed for non-cyclic boundary conditions)
28!
29! 75 2007-03-22 09:54:05Z raasch
30! Wall functions now include diabatic conditions, call of routine wall_fluxes,
31! z0 removed from argument list, uxrp eliminated
32!
33! 20 2007-02-26 00:12:32Z raasch
34! Bugfix: ddzw dimensioned 1:nzt"+1"
35!
36! RCS Log replace by Id keyword, revision history cleaned up
37!
38! Revision 1.15  2006/02/23 10:35:35  raasch
39! nzb_2d replaced by nzb_u_outer in horizontal diffusion and by nzb_u_inner
40! or nzb_diff_u, respectively, in vertical diffusion,
41! wall functions added for north and south walls, +z0 in argument list,
42! terms containing w(k-1,..) are removed from the Prandtl-layer equation
43! because they cause errors at the edges of topography
44! WARNING: loops containing the MAX function are still not properly vectorized!
45!
46! Revision 1.1  1997/09/12 06:23:51  raasch
47! Initial revision
48!
49!
50! Description:
51! ------------
52! Diffusion term of the u-component
53! To do: additional damping (needed for non-cyclic bc) causes bad vectorization
54!        and slows down the speed on NEC about 5-10%
55!------------------------------------------------------------------------------!
56
57    USE wall_fluxes_mod
58
59    PRIVATE
60    PUBLIC diffusion_u
61
62    INTERFACE diffusion_u
63       MODULE PROCEDURE diffusion_u
64       MODULE PROCEDURE diffusion_u_ij
65    END INTERFACE diffusion_u
66
67 CONTAINS
68
69
70!------------------------------------------------------------------------------!
71! Call for all grid points
72!------------------------------------------------------------------------------!
73    SUBROUTINE diffusion_u
74
75       USE arrays_3d
76       USE control_parameters
77       USE grid_variables
78       USE indices
79
80       IMPLICIT NONE
81
82       INTEGER ::  i, j, k
83       REAL    ::  kmym, kmyp, kmzm, kmzp
84
85       REAL, DIMENSION(nzb:nzt+1,nys:nyn,nxl:nxr) ::  usvs
86
87!
88!--    First calculate horizontal momentum flux u'v' at vertical walls,
89!--    if neccessary
90       IF ( topography /= 'flat' )  THEN
91          CALL wall_fluxes( usvs, 1.0, 0.0, 0.0, 0.0, nzb_u_inner, &
92                            nzb_u_outer, wall_u )
93       ENDIF
94
95       DO  i = nxlu, nxr
96          DO  j = nys, nyn
97!
98!--          Compute horizontal diffusion
99             DO  k = nzb_u_outer(j,i)+1, nzt
100!
101!--             Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
102                kmyp = 0.25 * &
103                       ( km(k,j,i)+km(k,j+1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j+1,i-1) )
104                kmym = 0.25 * &
105                       ( km(k,j,i)+km(k,j-1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j-1,i-1) )
106
107                tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                    &
108                      & + 2.0 * (                                            &
109                      &           km(k,j,i)   * ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i)   )  &
110                      &         - km(k,j,i-1) * ( u(k,j,i)   - u(k,j,i-1) )  &
111                      &         ) * ddx2                                     &
112                      & + ( kmyp * ( u(k,j+1,i) - u(k,j,i)     ) * ddy       &
113                      &   + kmyp * ( v(k,j+1,i) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx       &
114                      &   - kmym * ( u(k,j,i) - u(k,j-1,i) ) * ddy           &
115                      &   - kmym * ( v(k,j,i) - v(k,j,i-1) ) * ddx           &
116                      &   ) * ddy
117             ENDDO
118
119!
120!--          Wall functions at the north and south walls, respectively
121             IF ( wall_u(j,i) /= 0.0 )  THEN
122
123                DO  k = nzb_u_inner(j,i)+1, nzb_u_outer(j,i)
124                   kmyp = 0.25 * &
125                          ( km(k,j,i)+km(k,j+1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j+1,i-1) )
126                   kmym = 0.25 * &
127                          ( km(k,j,i)+km(k,j-1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j-1,i-1) )
128
129                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                   &
130                                 + 2.0 * (                                     &
131                                       km(k,j,i)   * ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i) ) &
132                                     - km(k,j,i-1) * ( u(k,j,i) - u(k,j,i-1) ) &
133                                         ) * ddx2                              &
134                                 + (   fyp(j,i) * (                            &
135                                  kmyp * ( u(k,j+1,i) - u(k,j,i)     ) * ddy   &
136                                + kmyp * ( v(k,j+1,i) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx   &
137                                                  )                            &
138                                     - fym(j,i) * (                            &
139                                  kmym * ( u(k,j,i) - u(k,j-1,i) ) * ddy       &
140                                + kmym * ( v(k,j,i) - v(k,j,i-1) ) * ddx       &
141                                                  )                            &
142                                     + wall_u(j,i) * usvs(k,j,i)               &
143                                   ) * ddy
144                ENDDO
145             ENDIF
146
147!
148!--          Compute vertical diffusion. In case of simulating a Prandtl layer,
149!--          index k starts at nzb_u_inner+2.
150             DO  k = nzb_diff_u(j,i), nzt_diff
151!
152!--             Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
153                kmzp = 0.25 * &
154                       ( km(k,j,i)+km(k+1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k+1,j,i-1) )
155                kmzm = 0.25 * &
156                       ( km(k,j,i)+km(k-1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k-1,j,i-1) )
157
158                tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                    &
159                      & + ( kmzp * ( ( u(k+1,j,i) - u(k,j,i)   ) * ddzu(k+1) &
160                      &            + ( w(k,j,i)   - w(k,j,i-1) ) * ddx       &
161                      &            )                                         &
162                      &   - kmzm * ( ( u(k,j,i)   - u(k-1,j,i)   ) * ddzu(k) &
163                      &            + ( w(k-1,j,i) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx     &
164                      &            )                                          &
165                      &   ) * ddzw(k)
166             ENDDO
167
168!
169!--          Vertical diffusion at the first grid point above the surface,
170!--          if the momentum flux at the bottom is given by the Prandtl law or
171!--          if it is prescribed by the user.
172!--          Difference quotient of the momentum flux is not formed over half
173!--          of the grid spacing (2.0*ddzw(k)) any more, since the comparison
174!--          with other (LES) modell showed that the values of the momentum
175!--          flux becomes too large in this case.
176!--          The term containing w(k-1,..) (see above equation) is removed here
177!--          because the vertical velocity is assumed to be zero at the surface.
178             IF ( use_surface_fluxes )  THEN
179                k = nzb_u_inner(j,i)+1
180!
181!--             Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
182                kmzp = 0.25 * &
183                      ( km(k,j,i)+km(k+1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k+1,j,i-1) )
184                kmzm = 0.25 * &
185                      ( km(k,j,i)+km(k-1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k-1,j,i-1) )
186
187                tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                    &
188                      & + ( kmzp * ( w(k,j,i)   - w(k,j,i-1)   ) * ddx       &
189                      &   ) * ddzw(k)                                        &
190                      & + ( kmzp * ( u(k+1,j,i) - u(k,j,i)     ) * ddzu(k+1) &
191                      &   + usws(j,i)                                        &
192                      &   ) * ddzw(k)
193             ENDIF
194
195!
196!--          Vertical diffusion at the first gridpoint below the top boundary,
197!--          if the momentum flux at the top is prescribed by the user
198             IF ( use_top_fluxes  .AND.  constant_top_momentumflux )  THEN
199                k = nzt
200!
201!--             Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
202                kmzp = 0.25 * &
203                       ( km(k,j,i)+km(k+1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k+1,j,i-1) )
204                kmzm = 0.25 * &
205                       ( km(k,j,i)+km(k-1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k-1,j,i-1) )
206
207                tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                    &
208                      & - ( kmzm * ( w(k-1,j,i) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx       &
209                      &   ) * ddzw(k)                                        &
210                      & + ( -uswst(j,i)                                      &
211                      &   - kmzm * ( u(k,j,i)   - u(k-1,j,i)   ) * ddzu(k)   &
212                      &   ) * ddzw(k)
213             ENDIF
214
215          ENDDO
216       ENDDO
217
218    END SUBROUTINE diffusion_u
219
220
221!------------------------------------------------------------------------------!
222! Call for grid point i,j
223!------------------------------------------------------------------------------!
224    SUBROUTINE diffusion_u_ij( i, j )
225
226       USE arrays_3d
227       USE control_parameters
228       USE grid_variables
229       USE indices
230
231       IMPLICIT NONE
232
233       INTEGER ::  i, j, k
234       REAL    ::  kmym, kmyp, kmzm, kmzp
235
236       REAL, DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  usvs
237
238!
239!--    Compute horizontal diffusion
240       DO  k = nzb_u_outer(j,i)+1, nzt
241!
242!--       Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
243          kmyp = 0.25 * ( km(k,j,i)+km(k,j+1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j+1,i-1) )
244          kmym = 0.25 * ( km(k,j,i)+km(k,j-1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j-1,i-1) )
245
246          tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                          &
247                      & + 2.0 * (                                            &
248                      &           km(k,j,i)   * ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i)   )  &
249                      &         - km(k,j,i-1) * ( u(k,j,i)   - u(k,j,i-1) )  &
250                      &         ) * ddx2                                     &
251                      & + ( kmyp * ( u(k,j+1,i) - u(k,j,i)     ) * ddy       &
252                      &   + kmyp * ( v(k,j+1,i) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx       &
253                      &   - kmym * ( u(k,j,i) - u(k,j-1,i) ) * ddy           &
254                      &   - kmym * ( v(k,j,i) - v(k,j,i-1) ) * ddx           &
255                      &   ) * ddy
256       ENDDO
257
258!
259!--    Wall functions at the north and south walls, respectively
260       IF ( wall_u(j,i) .NE. 0.0 )  THEN
261
262!
263!--       Calculate the horizontal momentum flux u'v'
264          CALL wall_fluxes( i, j, nzb_u_inner(j,i)+1, nzb_u_outer(j,i),  &
265                            usvs, 1.0, 0.0, 0.0, 0.0 )
266
267          DO  k = nzb_u_inner(j,i)+1, nzb_u_outer(j,i)
268             kmyp = 0.25 * ( km(k,j,i)+km(k,j+1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j+1,i-1) )
269             kmym = 0.25 * ( km(k,j,i)+km(k,j-1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j-1,i-1) )
270
271             tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                         &
272                                 + 2.0 * (                                     &
273                                       km(k,j,i)   * ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i) ) &
274                                     - km(k,j,i-1) * ( u(k,j,i) - u(k,j,i-1) ) &
275                                         ) * ddx2                              &
276                                 + (   fyp(j,i) * (                            &
277                                  kmyp * ( u(k,j+1,i) - u(k,j,i)     ) * ddy   &
278                                + kmyp * ( v(k,j+1,i) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx   &
279                                                  )                            &
280                                     - fym(j,i) * (                            &
281                                  kmym * ( u(k,j,i) - u(k,j-1,i) ) * ddy       &
282                                + kmym * ( v(k,j,i) - v(k,j,i-1) ) * ddx       &
283                                                  )                            &
284                                     + wall_u(j,i) * usvs(k)                   &
285                                   ) * ddy
286          ENDDO
287       ENDIF
288
289!
290!--    Compute vertical diffusion. In case of simulating a Prandtl layer,
291!--    index k starts at nzb_u_inner+2.
292       DO  k = nzb_diff_u(j,i), nzt_diff
293!
294!--       Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
295          kmzp = 0.25 * ( km(k,j,i)+km(k+1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k+1,j,i-1) )
296          kmzm = 0.25 * ( km(k,j,i)+km(k-1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k-1,j,i-1) )
297
298          tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                          &
299                      & + ( kmzp * ( ( u(k+1,j,i) - u(k,j,i)   ) * ddzu(k+1) &
300                      &            + ( w(k,j,i)   - w(k,j,i-1) ) * ddx       &
301                      &            )                                         &
302                      &   - kmzm * ( ( u(k,j,i)   - u(k-1,j,i)   ) * ddzu(k) &
303                      &            + ( w(k-1,j,i) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx     &
304                      &            )                                         &
305                      &   ) * ddzw(k)
306       ENDDO
307
308!
309!--    Vertical diffusion at the first grid point above the surface, if the
310!--    momentum flux at the bottom is given by the Prandtl law or if it is
311!--    prescribed by the user.
312!--    Difference quotient of the momentum flux is not formed over half of
313!--    the grid spacing (2.0*ddzw(k)) any more, since the comparison with
314!--    other (LES) modell showed that the values of the momentum flux becomes
315!--    too large in this case.
316!--    The term containing w(k-1,..) (see above equation) is removed here
317!--    because the vertical velocity is assumed to be zero at the surface.
318       IF ( use_surface_fluxes )  THEN
319          k = nzb_u_inner(j,i)+1
320!
321!--       Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
322          kmzp = 0.25 * ( km(k,j,i)+km(k+1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k+1,j,i-1) )
323          kmzm = 0.25 * ( km(k,j,i)+km(k-1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k-1,j,i-1) )
324
325          tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                          &
326                      & + ( kmzp * ( w(k,j,i)   - w(k,j,i-1)   ) * ddx       &
327                      &   ) * ddzw(k)                                        &
328                      & + ( kmzp * ( u(k+1,j,i) - u(k,j,i)     ) * ddzu(k+1) &
329                      &   + usws(j,i)                                        &
330                      &   ) * ddzw(k)
331       ENDIF
332
333!
334!--    Vertical diffusion at the first gridpoint below the top boundary,
335!--    if the momentum flux at the top is prescribed by the user
336       IF ( use_top_fluxes  .AND.  constant_top_momentumflux )  THEN
337          k = nzt
338!
339!--       Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
340          kmzp = 0.25 * &
341                 ( km(k,j,i)+km(k+1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k+1,j,i-1) )
342          kmzm = 0.25 * &
343                 ( km(k,j,i)+km(k-1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k-1,j,i-1) )
344
345          tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                          &
346                      & - ( kmzm * ( w(k-1,j,i) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx       &
347                      &   ) * ddzw(k)                                        &
348                      & + ( -uswst(j,i)                                      &
349                      &   - kmzm * ( u(k,j,i)   - u(k-1,j,i)   ) * ddzu(k)   &
350                      &   ) * ddzw(k)
351       ENDIF
352
353    END SUBROUTINE diffusion_u_ij
354
355 END MODULE diffusion_u_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.