source: palm/trunk/SOURCE/diffusion_u.f90 @ 1725

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1!> @file diffusion_u.f90
2!--------------------------------------------------------------------------------!
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6! of the GNU General Public License as published by the Free Software Foundation,
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10! WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR
11! A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License for more details.
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14! PALM. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
15!
16! Copyright 1997-2015 Leibniz Universitaet Hannover
17!--------------------------------------------------------------------------------!
18!
19! Current revisions:
20! -----------------
21!
22!
23! Former revisions:
24! -----------------
25! $Id: diffusion_u.f90 1692 2015-10-26 16:29:17Z hoffmann $
26!
27! 1691 2015-10-26 16:17:44Z maronga
28! Formatting corrections.
29!
30! 1682 2015-10-07 23:56:08Z knoop
31! Code annotations made doxygen readable
32!
33! 1340 2014-03-25 19:45:13Z kanani
34! REAL constants defined as wp-kind
35!
36! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
37! ONLY-attribute added to USE-statements,
38! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
39! kinds are defined in new module kinds,
40! revision history before 2012 removed,
41! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
42! all variable declaration statements
43!
44! 1257 2013-11-08 15:18:40Z raasch
45! openacc loop and loop vector clauses removed, declare create moved after
46! the FORTRAN declaration statement
47!
48! 1128 2013-04-12 06:19:32Z raasch
49! loop index bounds in accelerator version replaced by i_left, i_right, j_south,
50! j_north
51!
52! 1036 2012-10-22 13:43:42Z raasch
53! code put under GPL (PALM 3.9)
54!
55! 1015 2012-09-27 09:23:24Z raasch
56! accelerator version (*_acc) added
57!
58! 1001 2012-09-13 14:08:46Z raasch
59! arrays comunicated by module instead of parameter list
60!
61! 978 2012-08-09 08:28:32Z fricke
62! outflow damping layer removed
63! kmym_x/_y and kmyp_x/_y change to kmym and kmyp
64!
65! Revision 1.1  1997/09/12 06:23:51  raasch
66! Initial revision
67!
68!
69! Description:
70! ------------
71!> Diffusion term of the u-component
72!> @todo additional damping (needed for non-cyclic bc) causes bad vectorization
73!>       and slows down the speed on NEC about 5-10%
74!------------------------------------------------------------------------------!
75 MODULE diffusion_u_mod
76 
77
78    USE wall_fluxes_mod
79
80    PRIVATE
81    PUBLIC diffusion_u, diffusion_u_acc
82
83    INTERFACE diffusion_u
84       MODULE PROCEDURE diffusion_u
85       MODULE PROCEDURE diffusion_u_ij
86    END INTERFACE diffusion_u
87
88    INTERFACE diffusion_u_acc
89       MODULE PROCEDURE diffusion_u_acc
90    END INTERFACE diffusion_u_acc
91
92 CONTAINS
93
94
95!------------------------------------------------------------------------------!
96! Description:
97! ------------
98!> Call for all grid points
99!------------------------------------------------------------------------------!
100    SUBROUTINE diffusion_u
101
102       USE arrays_3d,                                                          &
103           ONLY:  ddzu, ddzw, km, tend, u, usws, uswst, v, w
104       
105       USE control_parameters,                                                 &
106           ONLY:  constant_top_momentumflux, topography, use_surface_fluxes,   &
107                  use_top_fluxes
108       
109       USE grid_variables,                                                     &
110           ONLY:  ddx, ddx2, ddy, fym, fyp, wall_u
111       
112       USE indices,                                                            &
113           ONLY:  nxl, nxlu, nxr, nyn, nys, nzb, nzb_diff_u, nzb_u_inner,      &
114                  nzb_u_outer, nzt, nzt_diff
115       
116       USE kinds
117
118       IMPLICIT NONE
119
120       INTEGER(iwp) ::  i     !<
121       INTEGER(iwp) ::  j     !<
122       INTEGER(iwp) ::  k     !<
123       REAL(wp)     ::  kmym  !<
124       REAL(wp)     ::  kmyp  !<
125       REAL(wp)     ::  kmzm  !<
126       REAL(wp)     ::  kmzp  !<
127
128       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nys:nyn,nxl:nxr) ::  usvs  !<
129
130!
131!--    First calculate horizontal momentum flux u'v' at vertical walls,
132!--    if neccessary
133       IF ( topography /= 'flat' )  THEN
134          CALL wall_fluxes( usvs, 1.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, nzb_u_inner, &
135                            nzb_u_outer, wall_u )
136       ENDIF
137
138       DO  i = nxlu, nxr
139          DO  j = nys, nyn
140!
141!--          Compute horizontal diffusion
142             DO  k = nzb_u_outer(j,i)+1, nzt
143!
144!--             Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
145                kmyp = 0.25_wp *                                               &
146                       ( km(k,j,i)+km(k,j+1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j+1,i-1) )
147                kmym = 0.25_wp *                                               &
148                       ( km(k,j,i)+km(k,j-1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j-1,i-1) )
149
150                tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                      &
151                      & + 2.0_wp * (                                           &
152                      &           km(k,j,i)   * ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i)   )    &
153                      &         - km(k,j,i-1) * ( u(k,j,i)   - u(k,j,i-1) )    &
154                      &            ) * ddx2                                    &
155                      & + ( kmyp * ( u(k,j+1,i) - u(k,j,i)     ) * ddy         &
156                      &   + kmyp * ( v(k,j+1,i) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx         &
157                      &   - kmym * ( u(k,j,i) - u(k,j-1,i) ) * ddy             &
158                      &   - kmym * ( v(k,j,i) - v(k,j,i-1) ) * ddx             &
159                      &   ) * ddy
160             ENDDO
161
162!
163!--          Wall functions at the north and south walls, respectively
164             IF ( wall_u(j,i) /= 0.0_wp )  THEN
165
166                DO  k = nzb_u_inner(j,i)+1, nzb_u_outer(j,i)
167                   kmyp = 0.25_wp *                                            &
168                          ( km(k,j,i)+km(k,j+1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j+1,i-1) )
169                   kmym = 0.25_wp *                                            &
170                          ( km(k,j,i)+km(k,j-1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j-1,i-1) )
171
172                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                   &
173                                 + 2.0_wp * (                                  &
174                                       km(k,j,i)   * ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i) ) &
175                                     - km(k,j,i-1) * ( u(k,j,i) - u(k,j,i-1) ) &
176                                            ) * ddx2                           &
177                                 + (   fyp(j,i) * (                            &
178                                  kmyp * ( u(k,j+1,i) - u(k,j,i)     ) * ddy   &
179                                + kmyp * ( v(k,j+1,i) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx   &
180                                                  )                            &
181                                     - fym(j,i) * (                            &
182                                  kmym * ( u(k,j,i) - u(k,j-1,i) ) * ddy       &
183                                + kmym * ( v(k,j,i) - v(k,j,i-1) ) * ddx       &
184                                                  )                            &
185                                     + wall_u(j,i) * usvs(k,j,i)               &
186                                   ) * ddy
187                ENDDO
188             ENDIF
189
190!
191!--          Compute vertical diffusion. In case of simulating a Prandtl layer,
192!--          index k starts at nzb_u_inner+2.
193             DO  k = nzb_diff_u(j,i), nzt_diff
194!
195!--             Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
196                kmzp = 0.25_wp *                                               &
197                       ( km(k,j,i)+km(k+1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k+1,j,i-1) )
198                kmzm = 0.25_wp *                                               &
199                       ( km(k,j,i)+km(k-1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k-1,j,i-1) )
200
201                tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                      &
202                      & + ( kmzp * ( ( u(k+1,j,i) - u(k,j,i)   ) * ddzu(k+1)   &
203                      &            + ( w(k,j,i)   - w(k,j,i-1) ) * ddx         &
204                      &            )                                           &
205                      &   - kmzm * ( ( u(k,j,i)   - u(k-1,j,i)   ) * ddzu(k)   &
206                      &            + ( w(k-1,j,i) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx       &
207                      &            )                                           &
208                      &   ) * ddzw(k)
209             ENDDO
210
211!
212!--          Vertical diffusion at the first grid point above the surface,
213!--          if the momentum flux at the bottom is given by the Prandtl law or
214!--          if it is prescribed by the user.
215!--          Difference quotient of the momentum flux is not formed over half
216!--          of the grid spacing (2.0*ddzw(k)) any more, since the comparison
217!--          with other (LES) models showed that the values of the momentum
218!--          flux becomes too large in this case.
219!--          The term containing w(k-1,..) (see above equation) is removed here
220!--          because the vertical velocity is assumed to be zero at the surface.
221             IF ( use_surface_fluxes )  THEN
222                k = nzb_u_inner(j,i)+1
223!
224!--             Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
225                kmzp = 0.25_wp *                                               &
226                      ( km(k,j,i)+km(k+1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k+1,j,i-1) )
227                kmzm = 0.25_wp *                                               &
228                      ( km(k,j,i)+km(k-1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k-1,j,i-1) )
229
230                tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                      &
231                      & + ( kmzp * ( w(k,j,i)   - w(k,j,i-1)   ) * ddx         &
232                      &   ) * ddzw(k)                                          &
233                      & + ( kmzp * ( u(k+1,j,i) - u(k,j,i)     ) * ddzu(k+1)   &
234                      &   + usws(j,i)                                          &
235                      &   ) * ddzw(k)
236             ENDIF
237
238!
239!--          Vertical diffusion at the first gridpoint below the top boundary,
240!--          if the momentum flux at the top is prescribed by the user
241             IF ( use_top_fluxes  .AND.  constant_top_momentumflux )  THEN
242                k = nzt
243!
244!--             Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
245                kmzp = 0.25_wp *                                               &
246                       ( km(k,j,i)+km(k+1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k+1,j,i-1) )
247                kmzm = 0.25_wp *                                               &
248                       ( km(k,j,i)+km(k-1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k-1,j,i-1) )
249
250                tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                      &
251                      & - ( kmzm * ( w(k-1,j,i) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx         &
252                      &   ) * ddzw(k)                                          &
253                      & + ( -uswst(j,i)                                        &
254                      &   - kmzm * ( u(k,j,i)   - u(k-1,j,i)   ) * ddzu(k)     &
255                      &   ) * ddzw(k)
256             ENDIF
257
258          ENDDO
259       ENDDO
260
261    END SUBROUTINE diffusion_u
262
263
264!------------------------------------------------------------------------------!
265! Description:
266! ------------
267!> Call for all grid points - accelerator version
268!------------------------------------------------------------------------------!
269    SUBROUTINE diffusion_u_acc
270
271       USE arrays_3d,                                                          &
272           ONLY:  ddzu, ddzw, km, tend, u, usws, uswst, v, w
273       
274       USE control_parameters,                                                 &
275           ONLY:  constant_top_momentumflux, topography, use_surface_fluxes,   &
276                  use_top_fluxes
277       
278       USE grid_variables,                                                     &
279           ONLY:  ddx, ddx2, ddy, fym, fyp, wall_u
280       
281       USE indices,                                                            &
282           ONLY:  i_left, i_right, j_north, j_south, nxl, nxr, nyn, nys, nzb,  &
283                  nzb_diff_u, nzb_u_inner, nzb_u_outer, nzt, nzt_diff
284       
285       USE kinds
286
287       IMPLICIT NONE
288
289       INTEGER(iwp) ::  i     !<
290       INTEGER(iwp) ::  j     !<
291       INTEGER(iwp) ::  k     !<
292       REAL(wp)     ::  kmym  !<
293       REAL(wp)     ::  kmyp  !<
294       REAL(wp)     ::  kmzm  !<
295       REAL(wp)     ::  kmzp  !<
296
297       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nys:nyn,nxl:nxr) ::  usvs  !<
298       !$acc declare create ( usvs )
299
300!
301!--    First calculate horizontal momentum flux u'v' at vertical walls,
302!--    if neccessary
303       IF ( topography /= 'flat' )  THEN
304          CALL wall_fluxes_acc( usvs, 1.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp,          &
305                                nzb_u_inner, nzb_u_outer, wall_u )
306       ENDIF
307
308       !$acc kernels present ( u, v, w, km, tend, usws, uswst )                &
309       !$acc         present ( ddzu, ddzw, fym, fyp, wall_u )                  &
310       !$acc         present ( nzb_u_inner, nzb_u_outer, nzb_diff_u )
311       DO  i = i_left, i_right
312          DO  j = j_south, j_north
313!
314!--          Compute horizontal diffusion
315             DO  k = 1, nzt
316                IF ( k > nzb_u_outer(j,i) )  THEN
317!
318!--                Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
319                   kmyp = 0.25_wp *                                            &
320                          ( km(k,j,i)+km(k,j+1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j+1,i-1) )
321                   kmym = 0.25_wp *                                            &
322                          ( km(k,j,i)+km(k,j-1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j-1,i-1) )
323
324                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                   &
325                         & + 2.0_wp * (                                        &
326                         &           km(k,j,i)   * ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i)   ) &
327                         &         - km(k,j,i-1) * ( u(k,j,i)   - u(k,j,i-1) ) &
328                         &            ) * ddx2                                 &
329                         & + ( kmyp * ( u(k,j+1,i) - u(k,j,i)     ) * ddy      &
330                         &   + kmyp * ( v(k,j+1,i) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx      &
331                         &   - kmym * ( u(k,j,i) - u(k,j-1,i) ) * ddy          &
332                         &   - kmym * ( v(k,j,i) - v(k,j,i-1) ) * ddx          &
333                         &   ) * ddy
334                ENDIF
335             ENDDO
336
337!
338!--          Wall functions at the north and south walls, respectively
339             DO  k = 1, nzt
340                IF( k > nzb_u_inner(j,i)  .AND.  k <= nzb_u_outer(j,i)  .AND.  &
341                    wall_u(j,i) /= 0.0_wp )  THEN
342
343                   kmyp = 0.25_wp *                                            &
344                          ( km(k,j,i)+km(k,j+1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j+1,i-1) )
345                   kmym = 0.25_wp *                                            &
346                          ( km(k,j,i)+km(k,j-1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j-1,i-1) )
347
348                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                   &
349                                 + 2.0_wp * (                                  &
350                                       km(k,j,i)   * ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i) ) &
351                                     - km(k,j,i-1) * ( u(k,j,i) - u(k,j,i-1) ) &
352                                            ) * ddx2                           &
353                                 + (   fyp(j,i) * (                            &
354                                  kmyp * ( u(k,j+1,i) - u(k,j,i)     ) * ddy   &
355                                + kmyp * ( v(k,j+1,i) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx   &
356                                                  )                            &
357                                     - fym(j,i) * (                            &
358                                  kmym * ( u(k,j,i) - u(k,j-1,i) ) * ddy       &
359                                + kmym * ( v(k,j,i) - v(k,j,i-1) ) * ddx       &
360                                                  )                            &
361                                     + wall_u(j,i) * usvs(k,j,i)               &
362                                   ) * ddy
363                ENDIF
364             ENDDO
365
366!
367!--          Compute vertical diffusion. In case of simulating a Prandtl layer,
368!--          index k starts at nzb_u_inner+2.
369             DO  k = 1, nzt_diff
370                IF ( k >= nzb_diff_u(j,i) )  THEN
371!
372!--                Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
373                   kmzp = 0.25_wp *                                            &
374                          ( km(k,j,i)+km(k+1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k+1,j,i-1) )
375                   kmzm = 0.25_wp *                                            &
376                          ( km(k,j,i)+km(k-1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k-1,j,i-1) )
377
378                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                   &
379                         & + ( kmzp * ( ( u(k+1,j,i) - u(k,j,i)   ) * ddzu(k+1)&
380                         &            + ( w(k,j,i)   - w(k,j,i-1) ) * ddx      &
381                         &            )                                        &
382                         &   - kmzm * ( ( u(k,j,i)   - u(k-1,j,i)   ) * ddzu(k)&
383                         &            + ( w(k-1,j,i) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx    &
384                         &            )                                        &
385                         &   ) * ddzw(k)
386                ENDIF
387             ENDDO
388
389          ENDDO
390       ENDDO
391
392!
393!--    Vertical diffusion at the first grid point above the surface,
394!--    if the momentum flux at the bottom is given by the Prandtl law or
395!--    if it is prescribed by the user.
396!--    Difference quotient of the momentum flux is not formed over half
397!--    of the grid spacing (2.0*ddzw(k)) any more, since the comparison
398!--    with other (LES) models showed that the values of the momentum
399!--    flux becomes too large in this case.
400!--    The term containing w(k-1,..) (see above equation) is removed here
401!--    because the vertical velocity is assumed to be zero at the surface.
402       IF ( use_surface_fluxes )  THEN
403
404          DO  i = i_left, i_right
405             DO  j = j_south, j_north
406         
407                k = nzb_u_inner(j,i)+1
408!
409!--             Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
410                kmzp = 0.25_wp *                                               &
411                      ( km(k,j,i)+km(k+1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k+1,j,i-1) )
412                kmzm = 0.25_wp *                                               &
413                      ( km(k,j,i)+km(k-1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k-1,j,i-1) )
414
415                tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                      &
416                      & + ( kmzp * ( w(k,j,i)   - w(k,j,i-1)   ) * ddx         &
417                      &   ) * ddzw(k)                                          &
418                      & + ( kmzp * ( u(k+1,j,i) - u(k,j,i)     ) * ddzu(k+1)   &
419                      &   + usws(j,i)                                          &
420                      &   ) * ddzw(k)
421             ENDDO
422          ENDDO
423
424       ENDIF
425
426!
427!--    Vertical diffusion at the first gridpoint below the top boundary,
428!--    if the momentum flux at the top is prescribed by the user
429       IF ( use_top_fluxes  .AND.  constant_top_momentumflux )  THEN
430
431          k = nzt
432
433          DO  i = i_left, i_right
434             DO  j = j_south, j_north
435
436!
437!--             Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
438                kmzp = 0.25_wp *                                               &
439                       ( km(k,j,i)+km(k+1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k+1,j,i-1) )
440                kmzm = 0.25_wp *                                               &
441                       ( km(k,j,i)+km(k-1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k-1,j,i-1) )
442
443                tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                      &
444                      & - ( kmzm * ( w(k-1,j,i) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx         &
445                      &   ) * ddzw(k)                                          &
446                      & + ( -uswst(j,i)                                        &
447                      &   - kmzm * ( u(k,j,i)   - u(k-1,j,i)   ) * ddzu(k)     &
448                      &   ) * ddzw(k)
449             ENDDO
450          ENDDO
451
452       ENDIF
453       !$acc end kernels
454
455    END SUBROUTINE diffusion_u_acc
456
457
458!------------------------------------------------------------------------------!
459! Description:
460! ------------
461!> Call for grid point i,j
462!------------------------------------------------------------------------------!
463    SUBROUTINE diffusion_u_ij( i, j )
464
465       USE arrays_3d,                                                          &
466           ONLY:  ddzu, ddzw, km, tend, u, usws, uswst, v, w
467       
468       USE control_parameters,                                                 &
469           ONLY:  constant_top_momentumflux, use_surface_fluxes, use_top_fluxes
470       
471       USE grid_variables,                                                     &
472           ONLY:  ddx, ddx2, ddy, fym, fyp, wall_u
473       
474       USE indices,                                                            &
475           ONLY:  nzb, nzb_diff_u, nzb_u_inner, nzb_u_outer, nzt, nzt_diff
476       
477       USE kinds
478
479       IMPLICIT NONE
480
481       INTEGER(iwp) ::  i     !<
482       INTEGER(iwp) ::  j     !<
483       INTEGER(iwp) ::  k     !<
484       REAL(wp)     ::  kmym  !<
485       REAL(wp)     ::  kmyp  !<
486       REAL(wp)     ::  kmzm  !<
487       REAL(wp)     ::  kmzp  !<
488
489       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  usvs  !<
490
491!
492!--    Compute horizontal diffusion
493       DO  k = nzb_u_outer(j,i)+1, nzt
494!
495!--       Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
496          kmyp = 0.25_wp * ( km(k,j,i)+km(k,j+1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j+1,i-1) )
497          kmym = 0.25_wp * ( km(k,j,i)+km(k,j-1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j-1,i-1) )
498
499          tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                            &
500                      & + 2.0_wp * (                                           &
501                      &           km(k,j,i)   * ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i)   )    &
502                      &         - km(k,j,i-1) * ( u(k,j,i)   - u(k,j,i-1) )    &
503                      &            ) * ddx2                                    &
504                      & + ( kmyp * ( u(k,j+1,i) - u(k,j,i)     ) * ddy         &
505                      &   + kmyp * ( v(k,j+1,i) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx         &
506                      &   - kmym * ( u(k,j,i) - u(k,j-1,i) ) * ddy             &
507                      &   - kmym * ( v(k,j,i) - v(k,j,i-1) ) * ddx             &
508                      &   ) * ddy
509       ENDDO
510
511!
512!--    Wall functions at the north and south walls, respectively
513       IF ( wall_u(j,i) /= 0.0_wp )  THEN
514
515!
516!--       Calculate the horizontal momentum flux u'v'
517          CALL wall_fluxes( i, j, nzb_u_inner(j,i)+1, nzb_u_outer(j,i),        &
518                            usvs, 1.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp )
519
520          DO  k = nzb_u_inner(j,i)+1, nzb_u_outer(j,i)
521             kmyp = 0.25_wp * ( km(k,j,i)+km(k,j+1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j+1,i-1) )
522             kmym = 0.25_wp * ( km(k,j,i)+km(k,j-1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j-1,i-1) )
523
524             tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                         &
525                                 + 2.0_wp * (                                  &
526                                       km(k,j,i)   * ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i) ) &
527                                     - km(k,j,i-1) * ( u(k,j,i) - u(k,j,i-1) ) &
528                                            ) * ddx2                           &
529                                 + (   fyp(j,i) * (                            &
530                                  kmyp * ( u(k,j+1,i) - u(k,j,i)     ) * ddy   &
531                                + kmyp * ( v(k,j+1,i) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx   &
532                                                  )                            &
533                                     - fym(j,i) * (                            &
534                                  kmym * ( u(k,j,i) - u(k,j-1,i) ) * ddy       &
535                                + kmym * ( v(k,j,i) - v(k,j,i-1) ) * ddx       &
536                                                  )                            &
537                                     + wall_u(j,i) * usvs(k)                   &
538                                   ) * ddy
539          ENDDO
540       ENDIF
541
542!
543!--    Compute vertical diffusion. In case of simulating a Prandtl layer,
544!--    index k starts at nzb_u_inner+2.
545       DO  k = nzb_diff_u(j,i), nzt_diff
546!
547!--       Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
548          kmzp = 0.25_wp * ( km(k,j,i)+km(k+1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k+1,j,i-1) )
549          kmzm = 0.25_wp * ( km(k,j,i)+km(k-1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k-1,j,i-1) )
550
551          tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                            &
552                      & + ( kmzp * ( ( u(k+1,j,i) - u(k,j,i)   ) * ddzu(k+1)   &
553                      &            + ( w(k,j,i)   - w(k,j,i-1) ) * ddx         &
554                      &            )                                           &
555                      &   - kmzm * ( ( u(k,j,i)   - u(k-1,j,i)   ) * ddzu(k)   &
556                      &            + ( w(k-1,j,i) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx       &
557                      &            )                                           &
558                      &   ) * ddzw(k)
559       ENDDO
560
561!
562!--    Vertical diffusion at the first grid point above the surface, if the
563!--    momentum flux at the bottom is given by the Prandtl law or if it is
564!--    prescribed by the user.
565!--    Difference quotient of the momentum flux is not formed over half of
566!--    the grid spacing (2.0*ddzw(k)) any more, since the comparison with
567!--    other (LES) models showed that the values of the momentum flux becomes
568!--    too large in this case.
569!--    The term containing w(k-1,..) (see above equation) is removed here
570!--    because the vertical velocity is assumed to be zero at the surface.
571       IF ( use_surface_fluxes )  THEN
572          k = nzb_u_inner(j,i)+1
573!
574!--       Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
575          kmzp = 0.25_wp * ( km(k,j,i)+km(k+1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k+1,j,i-1) )
576          kmzm = 0.25_wp * ( km(k,j,i)+km(k-1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k-1,j,i-1) )
577
578          tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                            &
579                      & + ( kmzp * ( w(k,j,i)   - w(k,j,i-1)   ) * ddx         &
580                      &   ) * ddzw(k)                                          &
581                      & + ( kmzp * ( u(k+1,j,i) - u(k,j,i)     ) * ddzu(k+1)   &
582                      &   + usws(j,i)                                          &
583                      &   ) * ddzw(k)
584       ENDIF
585
586!
587!--    Vertical diffusion at the first gridpoint below the top boundary,
588!--    if the momentum flux at the top is prescribed by the user
589       IF ( use_top_fluxes  .AND.  constant_top_momentumflux )  THEN
590          k = nzt
591!
592!--       Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
593          kmzp = 0.25_wp *                                                     &
594                 ( km(k,j,i)+km(k+1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k+1,j,i-1) )
595          kmzm = 0.25_wp *                                                     &
596                 ( km(k,j,i)+km(k-1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k-1,j,i-1) )
597
598          tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                            &
599                      & - ( kmzm * ( w(k-1,j,i) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx         &
600                      &   ) * ddzw(k)                                          &
601                      & + ( -uswst(j,i)                                        &
602                      &   - kmzm * ( u(k,j,i)   - u(k-1,j,i)   ) * ddzu(k)     &
603                      &   ) * ddzw(k)
604       ENDIF
605
606    END SUBROUTINE diffusion_u_ij
607
608 END MODULE diffusion_u_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.