source: palm/trunk/SOURCE/diffusion_v.f90 @ 2118

Last change on this file since 2118 was 2118, checked in by raasch, 5 years ago

all OpenACC directives and related parts removed from the code

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 18.2 KB
Line 
1!> @file diffusion_v.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 1997-2017 Leibniz Universitaet Hannover
18!------------------------------------------------------------------------------!
19!
20! Current revisions:
21! -----------------
22! OpenACC version of subroutine removed
23!
24! Former revisions:
25! -----------------
26! $Id: diffusion_v.f90 2118 2017-01-17 16:38:49Z raasch $
27!
28! 2037 2016-10-26 11:15:40Z knoop
29! Anelastic approximation implemented
30!
31! 2000 2016-08-20 18:09:15Z knoop
32! Forced header and separation lines into 80 columns
33!
34! 1873 2016-04-18 14:50:06Z maronga
35! Module renamed (removed _mod)
36!
37! 1850 2016-04-08 13:29:27Z maronga
38! Module renamed
39!
40! 1740 2016-01-13 08:19:40Z raasch
41! unnecessary calculations of kmzm and kmzp in wall bounded parts removed
42!
43! 1682 2015-10-07 23:56:08Z knoop
44! Code annotations made doxygen readable
45!
46! 1340 2014-03-25 19:45:13Z kanani
47! REAL constants defined as wp-kind
48!
49! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
50! ONLY-attribute added to USE-statements,
51! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
52! kinds are defined in new module kinds,
53! revision history before 2012 removed,
54! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
55! all variable declaration statements
56!
57! 1257 2013-11-08 15:18:40Z raasch
58! openacc loop and loop vector clauses removed, declare create moved after
59! the FORTRAN declaration statement
60!
61! 1128 2013-04-12 06:19:32Z raasch
62! loop index bounds in accelerator version replaced by i_left, i_right, j_south,
63! j_north
64!
65! 1036 2012-10-22 13:43:42Z raasch
66! code put under GPL (PALM 3.9)
67!
68! 1015 2012-09-27 09:23:24Z raasch
69! accelerator version (*_acc) added
70!
71! 1001 2012-09-13 14:08:46Z raasch
72! arrays comunicated by module instead of parameter list
73!
74! 978 2012-08-09 08:28:32Z fricke
75! outflow damping layer removed
76! kmxm_x/_y and kmxp_x/_y change to kmxm and kmxp
77!
78! Revision 1.1  1997/09/12 06:24:01  raasch
79! Initial revision
80!
81!
82! Description:
83! ------------
84!> Diffusion term of the v-component
85!------------------------------------------------------------------------------!
86 MODULE diffusion_v_mod
87 
88
89    USE wall_fluxes_mod
90
91    PRIVATE
92    PUBLIC diffusion_v
93
94    INTERFACE diffusion_v
95       MODULE PROCEDURE diffusion_v
96       MODULE PROCEDURE diffusion_v_ij
97    END INTERFACE diffusion_v
98
99 CONTAINS
100
101
102!------------------------------------------------------------------------------!
103! Description:
104! ------------
105!> Call for all grid points
106!------------------------------------------------------------------------------!
107    SUBROUTINE diffusion_v
108
109       USE arrays_3d,                                                          &
110           ONLY:  ddzu, ddzw, km, tend, u, v, vsws, vswst, w,                  &
111                  drho_air, rho_air_zw
112       
113       USE control_parameters,                                                 &
114           ONLY:  constant_top_momentumflux, topography, use_surface_fluxes,   &
115                  use_top_fluxes
116       
117       USE grid_variables,                                                     &
118           ONLY:  ddx, ddy, ddy2, fxm, fxp, wall_v
119       
120       USE indices,                                                            &
121           ONLY:  nxl, nxr, nyn, nys, nysv, nzb, nzb_diff_v, nzb_v_inner,      &
122                  nzb_v_outer, nzt, nzt_diff
123       
124       USE kinds
125
126       IMPLICIT NONE
127
128       INTEGER(iwp) ::  i     !<
129       INTEGER(iwp) ::  j     !<
130       INTEGER(iwp) ::  k     !<
131       REAL(wp)     ::  kmxm  !<
132       REAL(wp)     ::  kmxp  !<
133       REAL(wp)     ::  kmzm  !<
134       REAL(wp)     ::  kmzp  !<
135
136       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nys:nyn,nxl:nxr) ::  vsus  !<
137
138!
139!--    First calculate horizontal momentum flux v'u' at vertical walls,
140!--    if neccessary
141       IF ( topography /= 'flat' )  THEN
142          CALL wall_fluxes( vsus, 0.0_wp, 1.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, nzb_v_inner, &
143                            nzb_v_outer, wall_v )
144       ENDIF
145
146       DO  i = nxl, nxr
147          DO  j = nysv, nyn
148!
149!--          Compute horizontal diffusion
150             DO  k = nzb_v_outer(j,i)+1, nzt
151!
152!--             Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
153                kmxp = 0.25_wp * &
154                       ( km(k,j,i)+km(k,j,i+1)+km(k,j-1,i)+km(k,j-1,i+1) )
155                kmxm = 0.25_wp * &
156                       ( km(k,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j-1,i)+km(k,j-1,i-1) )
157
158                tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                      &
159                      & + ( kmxp * ( v(k,j,i+1) - v(k,j,i)     ) * ddx         &
160                      &   + kmxp * ( u(k,j,i+1) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy         &
161                      &   - kmxm * ( v(k,j,i) - v(k,j,i-1) ) * ddx             &
162                      &   - kmxm * ( u(k,j,i) - u(k,j-1,i) ) * ddy             &
163                      &   ) * ddx                                              &
164                      & + 2.0_wp * (                                           &
165                      &           km(k,j,i)   * ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i) )      &
166                      &         - km(k,j-1,i) * ( v(k,j,i) - v(k,j-1,i) )      &
167                      &            ) * ddy2
168             ENDDO
169
170!
171!--          Wall functions at the left and right walls, respectively
172             IF ( wall_v(j,i) /= 0.0_wp )  THEN
173
174                DO  k = nzb_v_inner(j,i)+1, nzb_v_outer(j,i)
175                   kmxp = 0.25_wp *                                            &
176                          ( km(k,j,i)+km(k,j,i+1)+km(k,j-1,i)+km(k,j-1,i+1) )
177                   kmxm = 0.25_wp *                                            &
178                          ( km(k,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j-1,i)+km(k,j-1,i-1) )
179                   
180                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                   &
181                                 + 2.0_wp * (                                  &
182                                       km(k,j,i)   * ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i) ) &
183                                     - km(k,j-1,i) * ( v(k,j,i) - v(k,j-1,i) ) &
184                                            ) * ddy2                           &
185                                 + (   fxp(j,i) * (                            &
186                                  kmxp * ( v(k,j,i+1) - v(k,j,i)     ) * ddx   &
187                                + kmxp * ( u(k,j,i+1) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy   &
188                                                  )                            &
189                                     - fxm(j,i) * (                            &
190                                  kmxm * ( v(k,j,i) - v(k,j,i-1) ) * ddx       &
191                                + kmxm * ( u(k,j,i) - u(k,j-1,i) ) * ddy       &
192                                                  )                            &
193                                     + wall_v(j,i) * vsus(k,j,i)               &
194                                   ) * ddx
195                ENDDO
196             ENDIF
197
198!
199!--          Compute vertical diffusion. In case of simulating a Prandtl
200!--          layer, index k starts at nzb_v_inner+2.
201             DO  k = nzb_diff_v(j,i), nzt_diff
202!
203!--             Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
204                kmzp = 0.25_wp * &
205                       ( km(k,j,i)+km(k+1,j,i)+km(k,j-1,i)+km(k+1,j-1,i) )
206                kmzm = 0.25_wp * &
207                       ( km(k,j,i)+km(k-1,j,i)+km(k,j-1,i)+km(k-1,j-1,i) )
208
209                tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                      &
210                      & + ( kmzp * ( ( v(k+1,j,i) - v(k,j,i) ) * ddzu(k+1)     &
211                      &            + ( w(k,j,i) - w(k,j-1,i) ) * ddy           &
212                      &            ) * rho_air_zw(k)                           &
213                      &   - kmzm * ( ( v(k,j,i)   - v(k-1,j,i)   ) * ddzu(k)   &
214                      &            + ( w(k-1,j,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy       &
215                      &            ) * rho_air_zw(k-1)                         &
216                      &   ) * ddzw(k) * drho_air(k)
217             ENDDO
218
219!
220!--          Vertical diffusion at the first grid point above the surface,
221!--          if the momentum flux at the bottom is given by the Prandtl law
222!--          or if it is prescribed by the user.
223!--          Difference quotient of the momentum flux is not formed over
224!--          half of the grid spacing (2.0*ddzw(k)) any more, since the
225!--          comparison with other (LES) models showed that the values of
226!--          the momentum flux becomes too large in this case.
227!--          The term containing w(k-1,..) (see above equation) is removed here
228!--          because the vertical velocity is assumed to be zero at the surface.
229             IF ( use_surface_fluxes )  THEN
230                k = nzb_v_inner(j,i)+1
231!
232!--             Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
233                kmzp = 0.25_wp *                                               &
234                       ( km(k,j,i)+km(k+1,j,i)+km(k,j-1,i)+km(k+1,j-1,i) )
235
236                tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                      &
237                      & + ( kmzp * ( ( v(k+1,j,i) - v(k,j,i)   ) * ddzu(k+1)   &
238                      &            + ( w(k,j,i)   - w(k,j-1,i) ) * ddy         &
239                      &            ) * rho_air_zw(k)                           &
240                      &   - ( -vsws(j,i) )                                     &
241                      &   ) * ddzw(k) * drho_air(k)
242             ENDIF
243
244!
245!--          Vertical diffusion at the first gridpoint below the top boundary,
246!--          if the momentum flux at the top is prescribed by the user
247             IF ( use_top_fluxes  .AND.  constant_top_momentumflux )  THEN
248                k = nzt
249!
250!--             Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
251                kmzm = 0.25_wp *                                               &
252                       ( km(k,j,i)+km(k-1,j,i)+km(k,j-1,i)+km(k-1,j-1,i) )
253
254                tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                      &
255                      & + ( ( -vswst(j,i) )                                    &
256                      &   - kmzm * ( ( v(k,j,i)   - v(k-1,j,i)   ) * ddzu(k)   &
257                      &            + ( w(k-1,j,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy       &
258                      &            ) * rho_air_zw(k-1)                         &
259                      &   ) * ddzw(k) * drho_air(k)
260             ENDIF
261
262          ENDDO
263       ENDDO
264
265    END SUBROUTINE diffusion_v
266
267
268!------------------------------------------------------------------------------!
269! Description:
270! ------------
271!> Call for grid point i,j
272!------------------------------------------------------------------------------!
273    SUBROUTINE diffusion_v_ij( i, j )
274
275       USE arrays_3d,                                                          &
276           ONLY:  ddzu, ddzw, km, tend, u, v, vsws, vswst, w,                  &
277                  drho_air, rho_air_zw
278       
279       USE control_parameters,                                                 &
280           ONLY:  constant_top_momentumflux, use_surface_fluxes, use_top_fluxes
281       
282       USE grid_variables,                                                     &
283           ONLY:  ddx, ddy, ddy2, fxm, fxp, wall_v
284       
285       USE indices,                                                            &
286           ONLY:  nzb, nzb_diff_v, nzb_v_inner, nzb_v_outer, nzt, nzt_diff
287       
288       USE kinds
289
290       IMPLICIT NONE
291
292       INTEGER(iwp) ::  i     !<
293       INTEGER(iwp) ::  j     !<
294       INTEGER(iwp) ::  k     !<
295       REAL(wp)     ::  kmxm  !<
296       REAL(wp)     ::  kmxp  !<
297       REAL(wp)     ::  kmzm  !<
298       REAL(wp)     ::  kmzp  !<
299
300       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  vsus  !<
301
302!
303!--    Compute horizontal diffusion
304       DO  k = nzb_v_outer(j,i)+1, nzt
305!
306!--       Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
307          kmxp = 0.25_wp * ( km(k,j,i)+km(k,j,i+1)+km(k,j-1,i)+km(k,j-1,i+1) )
308          kmxm = 0.25_wp * ( km(k,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j-1,i)+km(k,j-1,i-1) )
309
310          tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                            &
311                      & + ( kmxp * ( v(k,j,i+1) - v(k,j,i)     ) * ddx         &
312                      &   + kmxp * ( u(k,j,i+1) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy         &
313                      &   - kmxm * ( v(k,j,i) - v(k,j,i-1) ) * ddx             &
314                      &   - kmxm * ( u(k,j,i) - u(k,j-1,i) ) * ddy             &
315                      &   ) * ddx                                              &
316                      & + 2.0_wp * (                                           &
317                      &           km(k,j,i)   * ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i) )      &
318                      &         - km(k,j-1,i) * ( v(k,j,i) - v(k,j-1,i) )      &
319                      &            ) * ddy2
320       ENDDO
321
322!
323!--    Wall functions at the left and right walls, respectively
324       IF ( wall_v(j,i) /= 0.0_wp )  THEN
325
326!
327!--       Calculate the horizontal momentum flux v'u'
328          CALL wall_fluxes( i, j, nzb_v_inner(j,i)+1, nzb_v_outer(j,i),        &
329                            vsus, 0.0_wp, 1.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp )
330
331          DO  k = nzb_v_inner(j,i)+1, nzb_v_outer(j,i)
332             kmxp = 0.25_wp *                                                  &
333                    ( km(k,j,i)+km(k,j,i+1)+km(k,j-1,i)+km(k,j-1,i+1) )
334             kmxm = 0.25_wp *                                                  &
335                    ( km(k,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j-1,i)+km(k,j-1,i-1) )
336
337             tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                         &
338                                 + 2.0_wp * (                                  &
339                                       km(k,j,i)   * ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i) ) &
340                                     - km(k,j-1,i) * ( v(k,j,i) - v(k,j-1,i) ) &
341                                            ) * ddy2                           &
342                                 + (   fxp(j,i) * (                            &
343                                  kmxp * ( v(k,j,i+1) - v(k,j,i)     ) * ddx   &
344                                + kmxp * ( u(k,j,i+1) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy   &
345                                                  )                            &
346                                     - fxm(j,i) * (                            &
347                                  kmxm * ( v(k,j,i) - v(k,j,i-1) ) * ddx       &
348                                + kmxm * ( u(k,j,i) - u(k,j-1,i) ) * ddy       &
349                                                  )                            &
350                                     + wall_v(j,i) * vsus(k)                   &
351                                   ) * ddx
352          ENDDO
353       ENDIF
354
355!
356!--    Compute vertical diffusion. In case of simulating a Prandtl layer,
357!--    index k starts at nzb_v_inner+2.
358       DO  k = nzb_diff_v(j,i), nzt_diff
359!
360!--       Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
361          kmzp = 0.25_wp * ( km(k,j,i)+km(k+1,j,i)+km(k,j-1,i)+km(k+1,j-1,i) )
362          kmzm = 0.25_wp * ( km(k,j,i)+km(k-1,j,i)+km(k,j-1,i)+km(k-1,j-1,i) )
363
364          tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                            &
365                      & + ( kmzp * ( ( v(k+1,j,i) - v(k,j,i) ) * ddzu(k+1)     &
366                      &            + ( w(k,j,i) - w(k,j-1,i) ) * ddy           &
367                      &            ) * rho_air_zw(k)                           &
368                      &   - kmzm * ( ( v(k,j,i)   - v(k-1,j,i)   ) * ddzu(k)   &
369                      &            + ( w(k-1,j,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy       &
370                      &            ) * rho_air_zw(k-1)                         &
371                      &   ) * ddzw(k) * drho_air(k)
372       ENDDO
373
374!
375!--    Vertical diffusion at the first grid point above the surface, if the
376!--    momentum flux at the bottom is given by the Prandtl law or if it is
377!--    prescribed by the user.
378!--    Difference quotient of the momentum flux is not formed over half of
379!--    the grid spacing (2.0*ddzw(k)) any more, since the comparison with
380!--    other (LES) models showed that the values of the momentum flux becomes
381!--    too large in this case.
382!--    The term containing w(k-1,..) (see above equation) is removed here
383!--    because the vertical velocity is assumed to be zero at the surface.
384       IF ( use_surface_fluxes )  THEN
385          k = nzb_v_inner(j,i)+1
386!
387!--       Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
388          kmzp = 0.25_wp * ( km(k,j,i)+km(k+1,j,i)+km(k,j-1,i)+km(k+1,j-1,i) )
389
390          tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                            &
391                      & + ( kmzp * ( ( v(k+1,j,i) - v(k,j,i)   ) * ddzu(k+1)   &
392                      &            + ( w(k,j,i)   - w(k,j-1,i) ) * ddy         &
393                      &            ) * rho_air_zw(k)                           &
394                      &   - ( -vsws(j,i) )                                     &
395                      &   ) * ddzw(k) * drho_air(k)
396       ENDIF
397
398!
399!--    Vertical diffusion at the first gridpoint below the top boundary,
400!--    if the momentum flux at the top is prescribed by the user
401       IF ( use_top_fluxes  .AND.  constant_top_momentumflux )  THEN
402          k = nzt
403!
404!--       Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
405          kmzm = 0.25_wp * ( km(k,j,i)+km(k-1,j,i)+km(k,j-1,i)+km(k-1,j-1,i) )
406
407          tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                            &
408                      & + ( ( -vswst(j,i) )                                    &
409                      &   - kmzm * ( ( v(k,j,i)   - v(k-1,j,i)   ) * ddzu(k)   &
410                      &            + ( w(k-1,j,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy       &
411                      &            ) * rho_air_zw(k-1)                         &
412                      &   ) * ddzw(k) * drho_air(k)
413       ENDIF
414
415    END SUBROUTINE diffusion_v_ij
416
417 END MODULE diffusion_v_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.