source: palm/trunk/SOURCE/diffusion_u.f90 @ 993

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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 979 2012-08-09 08:50:11Z hoffmann $
11!
12! 978 2012-08-09 08:28:32Z fricke
13! outflow damping layer removed
14! kmym_x/_y and kmyp_x/_y change to kmym and kmyp
15!
16! 667 2010-12-23 12:06:00Z suehring/gryschka
17! nxl-1, nxr+1, nys-1, nyn+1 replaced by nxlg, nxrg, nysg, nyng
18!
19! 366 2009-08-25 08:06:27Z raasch
20! bc_ns replaced by bc_ns_cyc
21!
22! 106 2007-08-16 14:30:26Z raasch
23! Momentumflux at top (uswst) included as boundary condition,
24! i loop is starting from nxlu (needed for non-cyclic boundary conditions)
25!
26! 75 2007-03-22 09:54:05Z raasch
27! Wall functions now include diabatic conditions, call of routine wall_fluxes,
28! z0 removed from argument list, uxrp eliminated
29!
30! 20 2007-02-26 00:12:32Z raasch
31! Bugfix: ddzw dimensioned 1:nzt"+1"
32!
33! RCS Log replace by Id keyword, revision history cleaned up
34!
35! Revision 1.15  2006/02/23 10:35:35  raasch
36! nzb_2d replaced by nzb_u_outer in horizontal diffusion and by nzb_u_inner
37! or nzb_diff_u, respectively, in vertical diffusion,
38! wall functions added for north and south walls, +z0 in argument list,
39! terms containing w(k-1,..) are removed from the Prandtl-layer equation
40! because they cause errors at the edges of topography
41! WARNING: loops containing the MAX function are still not properly vectorized!
42!
43! Revision 1.1  1997/09/12 06:23:51  raasch
44! Initial revision
45!
46!
47! Description:
48! ------------
49! Diffusion term of the u-component
50! To do: additional damping (needed for non-cyclic bc) causes bad vectorization
51!        and slows down the speed on NEC about 5-10%
52!------------------------------------------------------------------------------!
53
54    USE wall_fluxes_mod
55
56    PRIVATE
57    PUBLIC diffusion_u
58
59    INTERFACE diffusion_u
60       MODULE PROCEDURE diffusion_u
61       MODULE PROCEDURE diffusion_u_ij
62    END INTERFACE diffusion_u
63
64 CONTAINS
65
66
67!------------------------------------------------------------------------------!
68! Call for all grid points
69!------------------------------------------------------------------------------!
70    SUBROUTINE diffusion_u( ddzu, ddzw, km, tend, u, usws, uswst, v, w )
71
72       USE control_parameters
73       USE grid_variables
74       USE indices
75
76       IMPLICIT NONE
77
78       INTEGER ::  i, j, k
79       REAL    ::  kmym, kmyp, kmzm, kmzp
80       REAL    ::  ddzu(1:nzt+1), ddzw(1:nzt+1)
81       REAL    ::  tend(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)
82       REAL, DIMENSION(:,:),   POINTER ::  usws, uswst
83       REAL, DIMENSION(:,:,:), POINTER ::  km, u, v, w
84       REAL, DIMENSION(nzb:nzt+1,nys:nyn,nxl:nxr) ::  usvs
85
86!
87!--    First calculate horizontal momentum flux u'v' at vertical walls,
88!--    if neccessary
89       IF ( topography /= 'flat' )  THEN
90          CALL wall_fluxes( usvs, 1.0, 0.0, 0.0, 0.0, nzb_u_inner, &
91                            nzb_u_outer, wall_u )
92       ENDIF
93
94       DO  i = nxlu, nxr
95          DO  j = nys,nyn
96!
97!--          Compute horizontal diffusion
98             DO  k = nzb_u_outer(j,i)+1, nzt
99!
100!--             Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
101                kmyp = 0.25 * &
102                       ( km(k,j,i)+km(k,j+1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j+1,i-1) )
103                kmym = 0.25 * &
104                       ( km(k,j,i)+km(k,j-1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j-1,i-1) )
105
106                tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                    &
107                      & + 2.0 * (                                            &
108                      &           km(k,j,i)   * ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i)   )  &
109                      &         - km(k,j,i-1) * ( u(k,j,i)   - u(k,j,i-1) )  &
110                      &         ) * ddx2                                     &
111                      & + ( kmyp * ( u(k,j+1,i) - u(k,j,i)     ) * ddy       &
112                      &   + kmyp * ( v(k,j+1,i) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx       &
113                      &   - kmym * ( u(k,j,i) - u(k,j-1,i) ) * ddy           &
114                      &   - kmym * ( v(k,j,i) - v(k,j,i-1) ) * ddx           &
115                      &   ) * ddy
116             ENDDO
117
118!
119!--          Wall functions at the north and south walls, respectively
120             IF ( wall_u(j,i) /= 0.0 )  THEN
121
122                DO  k = nzb_u_inner(j,i)+1, nzb_u_outer(j,i)
123                   kmyp = 0.25 * &
124                          ( km(k,j,i)+km(k,j+1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j+1,i-1) )
125                   kmym = 0.25 * &
126                          ( km(k,j,i)+km(k,j-1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j-1,i-1) )
127
128                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                   &
129                                 + 2.0 * (                                     &
130                                       km(k,j,i)   * ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i) ) &
131                                     - km(k,j,i-1) * ( u(k,j,i) - u(k,j,i-1) ) &
132                                         ) * ddx2                              &
133                                 + (   fyp(j,i) * (                            &
134                                  kmyp * ( u(k,j+1,i) - u(k,j,i)     ) * ddy   &
135                                + kmyp * ( v(k,j+1,i) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx   &
136                                                  )                            &
137                                     - fym(j,i) * (                            &
138                                  kmym * ( u(k,j,i) - u(k,j-1,i) ) * ddy       &
139                                + kmym * ( v(k,j,i) - v(k,j,i-1) ) * ddx       &
140                                                  )                            &
141                                     + wall_u(j,i) * usvs(k,j,i)               &
142                                   ) * ddy
143                ENDDO
144             ENDIF
145
146!
147!--          Compute vertical diffusion. In case of simulating a Prandtl layer,
148!--          index k starts at nzb_u_inner+2.
149             DO  k = nzb_diff_u(j,i), nzt_diff
150!
151!--             Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
152                kmzp = 0.25 * &
153                       ( km(k,j,i)+km(k+1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k+1,j,i-1) )
154                kmzm = 0.25 * &
155                       ( km(k,j,i)+km(k-1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k-1,j,i-1) )
156
157                tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                    &
158                      & + ( kmzp * ( ( u(k+1,j,i) - u(k,j,i)   ) * ddzu(k+1) &
159                      &            + ( w(k,j,i)   - w(k,j,i-1) ) * ddx       &
160                      &            )                                         &
161                      &   - kmzm * ( ( u(k,j,i)   - u(k-1,j,i)   ) * ddzu(k) &
162                      &            + ( w(k-1,j,i) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx     &
163                      &            )                                          &
164                      &   ) * ddzw(k)
165             ENDDO
166
167!
168!--          Vertical diffusion at the first grid point above the surface,
169!--          if the momentum flux at the bottom is given by the Prandtl law or
170!--          if it is prescribed by the user.
171!--          Difference quotient of the momentum flux is not formed over half
172!--          of the grid spacing (2.0*ddzw(k)) any more, since the comparison
173!--          with other (LES) modell showed that the values of the momentum
174!--          flux becomes too large in this case.
175!--          The term containing w(k-1,..) (see above equation) is removed here
176!--          because the vertical velocity is assumed to be zero at the surface.
177             IF ( use_surface_fluxes )  THEN
178                k = nzb_u_inner(j,i)+1
179!
180!--             Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
181                kmzp = 0.25 * &
182                      ( km(k,j,i)+km(k+1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k+1,j,i-1) )
183                kmzm = 0.25 * &
184                      ( km(k,j,i)+km(k-1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k-1,j,i-1) )
185
186                tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                    &
187                      & + ( kmzp * ( w(k,j,i)   - w(k,j,i-1)   ) * ddx       &
188                      &   ) * ddzw(k)                                        &
189                      & + ( kmzp * ( u(k+1,j,i) - u(k,j,i)     ) * ddzu(k+1) &
190                      &   + usws(j,i)                                        &
191                      &   ) * ddzw(k)
192             ENDIF
193
194!
195!--          Vertical diffusion at the first gridpoint below the top boundary,
196!--          if the momentum flux at the top is prescribed by the user
197             IF ( use_top_fluxes  .AND.  constant_top_momentumflux )  THEN
198                k = nzt
199!
200!--             Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
201                kmzp = 0.25 * &
202                       ( km(k,j,i)+km(k+1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k+1,j,i-1) )
203                kmzm = 0.25 * &
204                       ( km(k,j,i)+km(k-1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k-1,j,i-1) )
205
206                tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                    &
207                      & - ( kmzm * ( w(k-1,j,i) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx       &
208                      &   ) * ddzw(k)                                        &
209                      & + ( -uswst(j,i)                                      &
210                      &   - kmzm * ( u(k,j,i)   - u(k-1,j,i)   ) * ddzu(k)   &
211                      &   ) * ddzw(k)
212             ENDIF
213
214          ENDDO
215       ENDDO
216
217    END SUBROUTINE diffusion_u
218
219
220!------------------------------------------------------------------------------!
221! Call for grid point i,j
222!------------------------------------------------------------------------------!
223    SUBROUTINE diffusion_u_ij( i, j, ddzu, ddzw, km, tend, u, usws, &
224                               uswst, v, w )
225
226       USE control_parameters
227       USE grid_variables
228       USE indices
229
230       IMPLICIT NONE
231
232       INTEGER ::  i, j, k
233       REAL    ::  kmym, kmyp, kmzm, kmzp
234       REAL    ::  ddzu(1:nzt+1), ddzw(1:nzt+1)
235       REAL    ::  tend(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)
236       REAL, DIMENSION(nzb:nzt+1)      ::  usvs
237       REAL, DIMENSION(:,:),   POINTER ::  usws, uswst
238       REAL, DIMENSION(:,:,:), POINTER ::  km, u, v, w
239
240!
241!--    Compute horizontal diffusion
242       DO  k = nzb_u_outer(j,i)+1, nzt
243!
244!--       Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
245          kmyp = 0.25 * ( km(k,j,i)+km(k,j+1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j+1,i-1) )
246          kmym = 0.25 * ( km(k,j,i)+km(k,j-1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j-1,i-1) )
247
248          tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                          &
249                      & + 2.0 * (                                            &
250                      &           km(k,j,i)   * ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i)   )  &
251                      &         - km(k,j,i-1) * ( u(k,j,i)   - u(k,j,i-1) )  &
252                      &         ) * ddx2                                     &
253                      & + ( kmyp * ( u(k,j+1,i) - u(k,j,i)     ) * ddy       &
254                      &   + kmyp * ( v(k,j+1,i) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx       &
255                      &   - kmym * ( u(k,j,i) - u(k,j-1,i) ) * ddy           &
256                      &   - kmym * ( v(k,j,i) - v(k,j,i-1) ) * ddx           &
257                      &   ) * ddy
258       ENDDO
259
260!
261!--    Wall functions at the north and south walls, respectively
262       IF ( wall_u(j,i) .NE. 0.0 )  THEN
263
264!
265!--       Calculate the horizontal momentum flux u'v'
266          CALL wall_fluxes( i, j, nzb_u_inner(j,i)+1, nzb_u_outer(j,i),  &
267                            usvs, 1.0, 0.0, 0.0, 0.0 )
268
269          DO  k = nzb_u_inner(j,i)+1, nzb_u_outer(j,i)
270             kmyp = 0.25 * ( km(k,j,i)+km(k,j+1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j+1,i-1) )
271             kmym = 0.25 * ( km(k,j,i)+km(k,j-1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j-1,i-1) )
272
273             tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                         &
274                                 + 2.0 * (                                     &
275                                       km(k,j,i)   * ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i) ) &
276                                     - km(k,j,i-1) * ( u(k,j,i) - u(k,j,i-1) ) &
277                                         ) * ddx2                              &
278                                 + (   fyp(j,i) * (                            &
279                                  kmyp * ( u(k,j+1,i) - u(k,j,i)     ) * ddy   &
280                                + kmyp * ( v(k,j+1,i) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx   &
281                                                  )                            &
282                                     - fym(j,i) * (                            &
283                                  kmym * ( u(k,j,i) - u(k,j-1,i) ) * ddy       &
284                                + kmym * ( v(k,j,i) - v(k,j,i-1) ) * ddx       &
285                                                  )                            &
286                                     + wall_u(j,i) * usvs(k)                   &
287                                   ) * ddy
288          ENDDO
289       ENDIF
290
291!
292!--    Compute vertical diffusion. In case of simulating a Prandtl layer,
293!--    index k starts at nzb_u_inner+2.
294       DO  k = nzb_diff_u(j,i), nzt_diff
295!
296!--       Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
297          kmzp = 0.25 * ( km(k,j,i)+km(k+1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k+1,j,i-1) )
298          kmzm = 0.25 * ( km(k,j,i)+km(k-1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k-1,j,i-1) )
299
300          tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                          &
301                      & + ( kmzp * ( ( u(k+1,j,i) - u(k,j,i)   ) * ddzu(k+1) &
302                      &            + ( w(k,j,i)   - w(k,j,i-1) ) * ddx       &
303                      &            )                                         &
304                      &   - kmzm * ( ( u(k,j,i)   - u(k-1,j,i)   ) * ddzu(k) &
305                      &            + ( w(k-1,j,i) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx     &
306                      &            )                                         &
307                      &   ) * ddzw(k)
308       ENDDO
309
310!
311!--    Vertical diffusion at the first grid point above the surface, if the
312!--    momentum flux at the bottom is given by the Prandtl law or if it is
313!--    prescribed by the user.
314!--    Difference quotient of the momentum flux is not formed over half of
315!--    the grid spacing (2.0*ddzw(k)) any more, since the comparison with
316!--    other (LES) modell showed that the values of the momentum flux becomes
317!--    too large in this case.
318!--    The term containing w(k-1,..) (see above equation) is removed here
319!--    because the vertical velocity is assumed to be zero at the surface.
320       IF ( use_surface_fluxes )  THEN
321          k = nzb_u_inner(j,i)+1
322!
323!--       Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
324          kmzp = 0.25 * ( km(k,j,i)+km(k+1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k+1,j,i-1) )
325          kmzm = 0.25 * ( km(k,j,i)+km(k-1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k-1,j,i-1) )
326
327          tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                          &
328                      & + ( kmzp * ( w(k,j,i)   - w(k,j,i-1)   ) * ddx       &
329                      &   ) * ddzw(k)                                        &
330                      & + ( kmzp * ( u(k+1,j,i) - u(k,j,i)     ) * ddzu(k+1) &
331                      &   + usws(j,i)                                        &
332                      &   ) * ddzw(k)
333       ENDIF
334
335!
336!--    Vertical diffusion at the first gridpoint below the top boundary,
337!--    if the momentum flux at the top is prescribed by the user
338       IF ( use_top_fluxes  .AND.  constant_top_momentumflux )  THEN
339          k = nzt
340!
341!--       Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
342          kmzp = 0.25 * &
343                 ( km(k,j,i)+km(k+1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k+1,j,i-1) )
344          kmzm = 0.25 * &
345                 ( km(k,j,i)+km(k-1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k-1,j,i-1) )
346
347          tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                          &
348                      & - ( kmzm * ( w(k-1,j,i) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx       &
349                      &   ) * ddzw(k)                                        &
350                      & + ( -uswst(j,i)                                      &
351                      &   - kmzm * ( u(k,j,i)   - u(k-1,j,i)   ) * ddzu(k)   &
352                      &   ) * ddzw(k)
353       ENDIF
354
355    END SUBROUTINE diffusion_u_ij
356
357 END MODULE diffusion_u_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.