source: palm/trunk/SOURCE/init_1d_model.f90 @ 1001

Last change on this file since 1001 was 1001, checked in by raasch, 12 years ago

leapfrog timestep scheme and upstream-spline advection scheme completely removed from the code,
reading of dt_fixed from restart file removed

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 30.3 KB
Line 
1 SUBROUTINE init_1d_model
2
3!------------------------------------------------------------------------------!
4! Current revisions:
5! -----------------
6! all actions concerning leapfrog scheme removed
7!
8! Former revisions:
9! -----------------
10! $Id: init_1d_model.f90 1001 2012-09-13 14:08:46Z raasch $
11!
12! 996 2012-09-07 10:41:47Z raasch
13! little reformatting
14!
15! 978 2012-08-09 08:28:32Z fricke
16! roughness length for scalar quantities z0h1d added
17!
18! 667 2010-12-23 12:06:00Z suehring/gryschka
19! replaced mirror boundary conditions for u and v  at the ground
20! by dirichlet boundary conditions
21!
22! 254 2009-03-05 15:33:42Z heinze
23! Output of messages replaced by message handling routine.
24!
25! 184 2008-08-04 15:53:39Z letzel
26! provisional solution for run_control_1d output: add 'CALL check_open( 15 )'
27!
28! 135 2007-11-22 12:24:23Z raasch
29! Bugfix: absolute value of f must be used when calculating the Blackadar
30! mixing length
31!
32! 82 2007-04-16 15:40:52Z raasch
33! Preprocessor strings for different linux clusters changed to "lc",
34! routine local_flush is used for buffer flushing
35!
36! 75 2007-03-22 09:54:05Z raasch
37! Bugfix: preset of tendencies te_em, te_um, te_vm,
38! moisture renamed humidity
39!
40! RCS Log replace by Id keyword, revision history cleaned up
41!
42! Revision 1.21  2006/06/02 15:19:57  raasch
43! cpp-directives extended for lctit
44!
45! Revision 1.1  1998/03/09 16:22:10  raasch
46! Initial revision
47!
48!
49! Description:
50! ------------
51! 1D-model to initialize the 3D-arrays.
52! The temperature profile is set as steady and a corresponding steady solution
53! of the wind profile is being computed.
54! All subroutines required can be found within this file.
55!------------------------------------------------------------------------------!
56
57    USE arrays_3d
58    USE indices
59    USE model_1d
60    USE control_parameters
61
62    IMPLICIT NONE
63
64    CHARACTER (LEN=9) ::  time_to_string
65    INTEGER ::  k
66    REAL    ::  lambda
67
68!
69!-- Allocate required 1D-arrays
70    ALLOCATE( e1d(nzb:nzt+1),    e1d_p(nzb:nzt+1), &
71              kh1d(nzb:nzt+1),   km1d(nzb:nzt+1),  &
72              l_black(nzb:nzt+1), l1d(nzb:nzt+1),   &
73              rif1d(nzb:nzt+1),   te_e(nzb:nzt+1),  &
74              te_em(nzb:nzt+1),  te_u(nzb:nzt+1),    te_um(nzb:nzt+1), &
75              te_v(nzb:nzt+1),   te_vm(nzb:nzt+1),    u1d(nzb:nzt+1),   &
76              u1d_p(nzb:nzt+1),  v1d(nzb:nzt+1),   &
77              v1d_p(nzb:nzt+1) )
78
79!
80!-- Initialize arrays
81    IF ( constant_diffusion )  THEN
82       km1d = km_constant
83       kh1d = km_constant / prandtl_number
84    ELSE
85       e1d = 0.0; e1d_p = 0.0
86       kh1d = 0.0; km1d = 0.0
87       rif1d = 0.0
88!
89!--    Compute the mixing length
90       l_black(nzb) = 0.0
91
92       IF ( TRIM( mixing_length_1d ) == 'blackadar' )  THEN
93!
94!--       Blackadar mixing length
95          IF ( f /= 0.0 )  THEN
96             lambda = 2.7E-4 * SQRT( ug(nzt+1)**2 + vg(nzt+1)**2 ) / &
97                               ABS( f ) + 1E-10
98          ELSE
99             lambda = 30.0
100          ENDIF
101
102          DO  k = nzb+1, nzt+1
103             l_black(k) = kappa * zu(k) / ( 1.0 + kappa * zu(k) / lambda )
104          ENDDO
105
106       ELSEIF ( TRIM( mixing_length_1d ) == 'as_in_3d_model' )  THEN
107!
108!--       Use the same mixing length as in 3D model
109          l_black(1:nzt) = l_grid
110          l_black(nzt+1) = l_black(nzt)
111
112       ENDIF
113
114!
115!--    Adjust mixing length to the prandtl mixing length (within the prandtl
116!--    layer)
117       IF ( adjust_mixing_length  .AND.  prandtl_layer )  THEN
118          k = nzb+1
119          l_black(k) = MIN( l_black(k), kappa * zu(k) )
120       ENDIF
121    ENDIF
122    l1d   = l_black
123    u1d   = u_init
124    u1d_p = u_init
125    v1d   = v_init
126    v1d_p = v_init
127
128!
129!-- Set initial horizontal velocities at the lowest grid levels to a very small
130!-- value in order to avoid too small time steps caused by the diffusion limit
131!-- in the initial phase of a run (at k=1, dz/2 occurs in the limiting formula!)
132    u1d(0:1)   = 0.1
133    u1d_p(0:1) = 0.1
134    v1d(0:1)   = 0.1
135    v1d_p(0:1) = 0.1
136
137!
138!-- For u*, theta* and the momentum fluxes plausible values are set
139    IF ( prandtl_layer )  THEN
140       us1d = 0.1   ! without initial friction the flow would not change
141    ELSE
142       e1d(nzb+1)  = 1.0
143       km1d(nzb+1) = 1.0
144       us1d = 0.0
145    ENDIF
146    ts1d = 0.0
147    usws1d = 0.0
148    vsws1d = 0.0
149    z01d  = roughness_length
150    z0h1d = z0h_factor * z01d 
151    IF ( humidity .OR. passive_scalar )  qs1d = 0.0
152
153!
154!-- Tendencies must be preset in order to avoid runtime errors within the
155!-- first Runge-Kutta step
156    te_em = 0.0
157    te_um = 0.0
158    te_vm = 0.0
159
160!
161!-- Set start time in hh:mm:ss - format
162    simulated_time_chr = time_to_string( simulated_time_1d )
163
164!
165!-- Integrate the 1D-model equations using the leap-frog scheme
166    CALL time_integration_1d
167
168
169 END SUBROUTINE init_1d_model
170
171
172
173 SUBROUTINE time_integration_1d
174
175!------------------------------------------------------------------------------!
176! Description:
177! ------------
178! Leap-frog time differencing scheme for the 1D-model.
179!------------------------------------------------------------------------------!
180
181    USE arrays_3d
182    USE control_parameters
183    USE indices
184    USE model_1d
185    USE pegrid
186
187    IMPLICIT NONE
188
189    CHARACTER (LEN=9) ::  time_to_string
190    INTEGER ::  k
191    REAL    ::  a, b, dissipation, dpt_dz, flux, kmzm, kmzp, l_stable, pt_0, &
192                uv_total
193
194!
195!-- Determine the time step at the start of a 1D-simulation and
196!-- determine and printout quantities used for run control
197    CALL timestep_1d
198    CALL run_control_1d
199
200!
201!-- Start of time loop
202    DO  WHILE ( simulated_time_1d < end_time_1d  .AND.  .NOT. stop_dt_1d )
203
204!
205!--    Depending on the timestep scheme, carry out one or more intermediate
206!--    timesteps
207
208       intermediate_timestep_count = 0
209       DO  WHILE ( intermediate_timestep_count < &
210                   intermediate_timestep_count_max )
211
212          intermediate_timestep_count = intermediate_timestep_count + 1
213
214          CALL timestep_scheme_steering
215
216!
217!--       Compute all tendency terms. If a Prandtl-layer is simulated, k starts
218!--       at nzb+2.
219          DO  k = nzb_diff, nzt
220
221             kmzm = 0.5 * ( km1d(k-1) + km1d(k) )
222             kmzp = 0.5 * ( km1d(k) + km1d(k+1) )
223!
224!--          u-component
225             te_u(k) =  f * ( v1d(k) - vg(k) ) + ( &
226                              kmzp * ( u1d(k+1) - u1d(k) ) * ddzu(k+1) &
227                            - kmzm * ( u1d(k) - u1d(k-1) ) * ddzu(k)   &
228                                                 ) * ddzw(k)
229!
230!--          v-component
231             te_v(k) = -f * ( u1d(k) - ug(k) ) + (                     &
232                              kmzp * ( v1d(k+1) - v1d(k) ) * ddzu(k+1) &
233                            - kmzm * ( v1d(k) - v1d(k-1) ) * ddzu(k)   &
234                                                 ) * ddzw(k)
235          ENDDO
236          IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
237             DO  k = nzb_diff, nzt
238!
239!--             TKE
240                kmzm = 0.5 * ( km1d(k-1) + km1d(k) )
241                kmzp = 0.5 * ( km1d(k) + km1d(k+1) )
242                IF ( .NOT. humidity )  THEN
243                   pt_0 = pt_init(k)
244                   flux =  ( pt_init(k+1)-pt_init(k-1) ) * dd2zu(k)
245                ELSE
246                   pt_0 = pt_init(k) * ( 1.0 + 0.61 * q_init(k) )
247                   flux = ( ( pt_init(k+1) - pt_init(k-1) ) +                 &
248                            0.61 * pt_init(k) * ( q_init(k+1) - q_init(k-1) ) &
249                          ) * dd2zu(k)
250                ENDIF
251
252                IF ( dissipation_1d == 'detering' )  THEN
253!
254!--                According to Detering, c_e=0.064
255                   dissipation = 0.064 * e1d(k) * SQRT( e1d(k) ) / l1d(k)
256                ELSEIF ( dissipation_1d == 'as_in_3d_model' )  THEN
257                   dissipation = ( 0.19 + 0.74 * l1d(k) / l_grid(k) ) &
258                                 * e1d(k) * SQRT( e1d(k) ) / l1d(k)
259                ENDIF
260
261                te_e(k) = km1d(k) * ( ( ( u1d(k+1) - u1d(k-1) ) * dd2zu(k) )**2&
262                                    + ( ( v1d(k+1) - v1d(k-1) ) * dd2zu(k) )**2&
263                                    )                                          &
264                                    - g / pt_0 * kh1d(k) * flux                &
265                                    +            (                             &
266                                     kmzp * ( e1d(k+1) - e1d(k) ) * ddzu(k+1)  &
267                                   - kmzm * ( e1d(k) - e1d(k-1) ) * ddzu(k)    &
268                                                 ) * ddzw(k)                   &
269                                   - dissipation
270             ENDDO
271          ENDIF
272
273!
274!--       Tendency terms at the top of the Prandtl-layer.
275!--       Finite differences of the momentum fluxes are computed using half the
276!--       normal grid length (2.0*ddzw(k)) for the sake of enhanced accuracy
277          IF ( prandtl_layer )  THEN
278
279             k = nzb+1
280             kmzm = 0.5 * ( km1d(k-1) + km1d(k) )
281             kmzp = 0.5 * ( km1d(k) + km1d(k+1) )
282             IF ( .NOT. humidity )  THEN
283                pt_0 = pt_init(k)
284                flux =  ( pt_init(k+1)-pt_init(k-1) ) * dd2zu(k)
285             ELSE
286                pt_0 = pt_init(k) * ( 1.0 + 0.61 * q_init(k) )
287                flux = ( ( pt_init(k+1) - pt_init(k-1) ) +                 &
288                         0.61 * pt_init(k) * ( q_init(k+1) - q_init(k-1) ) &
289                       ) * dd2zu(k)
290             ENDIF
291
292             IF ( dissipation_1d == 'detering' )  THEN
293!
294!--             According to Detering, c_e=0.064
295                dissipation = 0.064 * e1d(k) * SQRT( e1d(k) ) / l1d(k)
296             ELSEIF ( dissipation_1d == 'as_in_3d_model' )  THEN
297                dissipation = ( 0.19 + 0.74 * l1d(k) / l_grid(k) ) &
298                              * e1d(k) * SQRT( e1d(k) ) / l1d(k)
299             ENDIF
300
301!
302!--          u-component
303             te_u(k) = f * ( v1d(k) - vg(k) ) + (                              &
304                       kmzp * ( u1d(k+1) - u1d(k) ) * ddzu(k+1) + usws1d       &
305                                                ) * 2.0 * ddzw(k)
306!
307!--          v-component
308             te_v(k) = -f * ( u1d(k) - ug(k) ) + (                             &
309                       kmzp * ( v1d(k+1) - v1d(k) ) * ddzu(k+1) + vsws1d       &
310                                                 ) * 2.0 * ddzw(k)
311!
312!--          TKE
313             te_e(k) = km1d(k) * ( ( ( u1d(k+1) - u1d(k-1) ) * dd2zu(k) )**2   &
314                                 + ( ( v1d(k+1) - v1d(k-1) ) * dd2zu(k) )**2   &
315                                 )                                             &
316                                 - g / pt_0 * kh1d(k) * flux                   &
317                                 +           (                                 &
318                                  kmzp * ( e1d(k+1) - e1d(k) ) * ddzu(k+1)     &
319                                - kmzm * ( e1d(k) - e1d(k-1) ) * ddzu(k)       &
320                                              ) * ddzw(k)                      &
321                                - dissipation
322          ENDIF
323
324!
325!--       Prognostic equations for all 1D variables
326          DO  k = nzb+1, nzt
327
328             u1d_p(k) = u1d(k) + dt_1d * ( tsc(2) * te_u(k) + &
329                                           tsc(3) * te_um(k) )
330             v1d_p(k) = v1d(k) + dt_1d * ( tsc(2) * te_v(k) + &
331                                           tsc(3) * te_vm(k) )
332
333          ENDDO
334          IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
335             DO  k = nzb+1, nzt
336
337                e1d_p(k) = e1d(k) + dt_1d * ( tsc(2) * te_e(k) + &
338                                              tsc(3) * te_em(k) )
339
340             ENDDO
341!
342!--          Eliminate negative TKE values, which can result from the
343!--          integration due to numerical inaccuracies. In such cases the TKE
344!--          value is reduced to 10 percent of its old value.
345             WHERE ( e1d_p < 0.0 )  e1d_p = 0.1 * e1d
346          ENDIF
347
348!
349!--       Calculate tendencies for the next Runge-Kutta step
350          IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' ) THEN
351             IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  THEN
352
353                DO  k = nzb+1, nzt
354                   te_um(k) = te_u(k)
355                   te_vm(k) = te_v(k)
356                ENDDO
357
358                IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
359                   DO k = nzb+1, nzt
360                      te_em(k) = te_e(k)
361                   ENDDO
362                ENDIF
363
364             ELSEIF ( intermediate_timestep_count < &
365                         intermediate_timestep_count_max )  THEN
366
367                DO  k = nzb+1, nzt
368                   te_um(k) = -9.5625 * te_u(k) + 5.3125 * te_um(k)
369                   te_vm(k) = -9.5625 * te_v(k) + 5.3125 * te_vm(k)
370                ENDDO
371
372                IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
373                   DO k = nzb+1, nzt
374                      te_em(k) = -9.5625 * te_e(k) + 5.3125 * te_em(k)
375                   ENDDO
376                ENDIF
377
378             ENDIF
379          ENDIF
380
381
382!
383!--       Boundary conditions for the prognostic variables.
384!--       At the top boundary (nzt+1) u,v and e keep their initial values
385!--       (ug(nzt+1), vg(nzt+1), 0), at the bottom boundary the mirror
386!--       boundary condition applies to u and v.
387!--       The boundary condition for e is set further below ( (u*/cm)**2 ).
388         ! u1d_p(nzb) = -u1d_p(nzb+1)
389         ! v1d_p(nzb) = -v1d_p(nzb+1)
390
391          u1d_p(nzb) = 0.0
392          v1d_p(nzb) = 0.0
393
394!
395!--       Swap the time levels in preparation for the next time step.
396          u1d  = u1d_p
397          v1d  = v1d_p
398          IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
399             e1d  = e1d_p
400          ENDIF
401
402!
403!--       Compute diffusion quantities
404          IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
405
406!
407!--          First compute the vertical fluxes in the Prandtl-layer
408             IF ( prandtl_layer )  THEN
409!
410!--             Compute theta* using Rif numbers of the previous time step
411                IF ( rif1d(1) >= 0.0 )  THEN
412!
413!--                Stable stratification
414                   ts1d = kappa * ( pt_init(nzb+1) - pt_init(nzb) ) /       &
415                          ( LOG( zu(nzb+1) / z0h1d ) + 5.0 * rif1d(nzb+1) * &
416                                          ( zu(nzb+1) - z0h1d ) / zu(nzb+1) &
417                          )
418                ELSE
419!
420!--                Unstable stratification
421                   a = SQRT( 1.0 - 16.0 * rif1d(nzb+1) )
422                   b = SQRT( 1.0 - 16.0 * rif1d(nzb+1) / zu(nzb+1) * z0h1d )
423!
424!--                In the borderline case the formula for stable stratification
425!--                must be applied, because otherwise a zero division would
426!--                occur in the argument of the logarithm.
427                   IF ( a == 0.0  .OR.  b == 0.0 )  THEN
428                      ts1d = kappa * ( pt_init(nzb+1) - pt_init(nzb) ) /       &
429                             ( LOG( zu(nzb+1) / z0h1d ) + 5.0 * rif1d(nzb+1) * &
430                                             ( zu(nzb+1) - z0h1d ) / zu(nzb+1) &
431                             )
432                   ELSE
433                      ts1d = kappa * ( pt_init(nzb+1) - pt_init(nzb) ) / &
434                             LOG( (a-1.0) / (a+1.0) * (b+1.0) / (b-1.0) )
435                   ENDIF
436                ENDIF
437
438             ENDIF    ! prandtl_layer
439
440!
441!--          Compute the Richardson-flux numbers,
442!--          first at the top of the Prandtl-layer using u* of the previous
443!--          time step (+1E-30, if u* = 0), then in the remaining area. There
444!--          the rif-numbers of the previous time step are used.
445
446             IF ( prandtl_layer )  THEN
447                IF ( .NOT. humidity )  THEN
448                   pt_0 = pt_init(nzb+1)
449                   flux = ts1d
450                ELSE
451                   pt_0 = pt_init(nzb+1) * ( 1.0 + 0.61 * q_init(nzb+1) )
452                   flux = ts1d + 0.61 * pt_init(k) * qs1d
453                ENDIF
454                rif1d(nzb+1) = zu(nzb+1) * kappa * g * flux / &
455                               ( pt_0 * ( us1d**2 + 1E-30 ) )
456             ENDIF
457
458             DO  k = nzb_diff, nzt
459                IF ( .NOT. humidity )  THEN
460                   pt_0 = pt_init(k)
461                   flux = ( pt_init(k+1) - pt_init(k-1) ) * dd2zu(k)
462                ELSE
463                   pt_0 = pt_init(k) * ( 1.0 + 0.61 * q_init(k) )
464                   flux = ( ( pt_init(k+1) - pt_init(k-1) )                    &
465                            + 0.61 * pt_init(k) * ( q_init(k+1) - q_init(k-1) )&
466                          ) * dd2zu(k)
467                ENDIF
468                IF ( rif1d(k) >= 0.0 )  THEN
469                   rif1d(k) = g / pt_0 * flux /                              &
470                              (  ( ( u1d(k+1) - u1d(k-1) ) * dd2zu(k) )**2   &
471                               + ( ( v1d(k+1) - v1d(k-1) ) * dd2zu(k) )**2   &
472                               + 1E-30                                       &
473                              )
474                ELSE
475                   rif1d(k) = g / pt_0 * flux /                              &
476                              (  ( ( u1d(k+1) - u1d(k-1) ) * dd2zu(k) )**2   &
477                               + ( ( v1d(k+1) - v1d(k-1) ) * dd2zu(k) )**2   &
478                               + 1E-30                                       &
479                              ) * ( 1.0 - 16.0 * rif1d(k) )**0.25
480                ENDIF
481             ENDDO
482!
483!--          Richardson-numbers must remain restricted to a realistic value
484!--          range. It is exceeded excessively for very small velocities
485!--          (u,v --> 0).
486             WHERE ( rif1d < rif_min )  rif1d = rif_min
487             WHERE ( rif1d > rif_max )  rif1d = rif_max
488
489!
490!--          Compute u* from the absolute velocity value
491             IF ( prandtl_layer )  THEN
492                uv_total = SQRT( u1d(nzb+1)**2 + v1d(nzb+1)**2 )
493
494                IF ( rif1d(nzb+1) >= 0.0 )  THEN
495!
496!--                Stable stratification
497                   us1d = kappa * uv_total / (                                 &
498                             LOG( zu(nzb+1) / z01d ) + 5.0 * rif1d(nzb+1) *    &
499                                              ( zu(nzb+1) - z01d ) / zu(nzb+1) &
500                                             )
501                ELSE
502!
503!--                Unstable stratification
504                   a = 1.0 / SQRT( SQRT( 1.0 - 16.0 * rif1d(nzb+1) ) )
505                   b = 1.0 / SQRT( SQRT( 1.0 - 16.0 * rif1d(nzb+1) / zu(nzb+1) &
506                                                    * z01d ) )
507!
508!--                In the borderline case the formula for stable stratification
509!--                must be applied, because otherwise a zero division would
510!--                occur in the argument of the logarithm.
511                   IF ( a == 1.0  .OR.  b == 1.0 )  THEN
512                      us1d = kappa * uv_total / (                            &
513                             LOG( zu(nzb+1) / z01d ) +                       &
514                             5.0 * rif1d(nzb+1) * ( zu(nzb+1) - z01d ) /     &
515                                                  zu(nzb+1) )
516                   ELSE
517                      us1d = kappa * uv_total / (                              &
518                                 LOG( (1.0+b) / (1.0-b) * (1.0-a) / (1.0+a) ) +&
519                                 2.0 * ( ATAN( b ) - ATAN( a ) )               &
520                                                )
521                   ENDIF
522                ENDIF
523
524!
525!--             Compute the momentum fluxes for the diffusion terms
526                usws1d  = - u1d(nzb+1) / uv_total * us1d**2
527                vsws1d  = - v1d(nzb+1) / uv_total * us1d**2
528
529!
530!--             Boundary condition for the turbulent kinetic energy at the top
531!--             of the Prandtl-layer. c_m = 0.4 according to Detering.
532!--             Additional Neumann condition de/dz = 0 at nzb is set to ensure
533!--             compatibility with the 3D model.
534                IF ( ibc_e_b == 2 )  THEN
535                   e1d(nzb+1) = ( us1d / 0.1 )**2
536!                  e1d(nzb+1) = ( us1d / 0.4 )**2  !not used so far, see also
537                                                   !prandtl_fluxes
538                ENDIF
539                e1d(nzb) = e1d(nzb+1)
540
541                IF ( humidity .OR. passive_scalar ) THEN
542!
543!--                Compute q*
544                   IF ( rif1d(1) >= 0.0 )  THEN
545!
546!--                Stable stratification
547                   qs1d = kappa * ( q_init(nzb+1) - q_init(nzb) ) /         &
548                          ( LOG( zu(nzb+1) / z0h1d ) + 5.0 * rif1d(nzb+1) * &
549                                          ( zu(nzb+1) - z0h1d ) / zu(nzb+1) &
550                          )
551                ELSE
552!
553!--                Unstable stratification
554                   a = SQRT( 1.0 - 16.0 * rif1d(nzb+1) )
555                   b = SQRT( 1.0 - 16.0 * rif1d(nzb+1) / zu(nzb+1) * z0h1d )
556!
557!--                In the borderline case the formula for stable stratification
558!--                must be applied, because otherwise a zero division would
559!--                occur in the argument of the logarithm.
560                   IF ( a == 1.0  .OR.  b == 1.0 )  THEN
561                      qs1d = kappa * ( q_init(nzb+1) - q_init(nzb) ) /         &
562                             ( LOG( zu(nzb+1) / z0h1d ) + 5.0 * rif1d(nzb+1) * &
563                                             ( zu(nzb+1) - z0h1d ) / zu(nzb+1) &
564                             )
565                   ELSE
566                      qs1d = kappa * ( q_init(nzb+1) - q_init(nzb) ) / &
567                             LOG( (a-1.0) / (a+1.0) * (b+1.0) / (b-1.0) )
568                   ENDIF
569                ENDIF               
570                ELSE
571                   qs1d = 0.0
572                ENDIF             
573
574             ENDIF   !  prandtl_layer
575
576!
577!--          Compute the diabatic mixing length
578             IF ( mixing_length_1d == 'blackadar' )  THEN
579                DO  k = nzb+1, nzt
580                   IF ( rif1d(k) >= 0.0 )  THEN
581                      l1d(k) = l_black(k) / ( 1.0 + 5.0 * rif1d(k) )
582                   ELSE
583                      l1d(k) = l_black(k) * ( 1.0 - 16.0 * rif1d(k) )**0.25
584                   ENDIF
585                   l1d(k) = l_black(k)
586                ENDDO
587
588             ELSEIF ( mixing_length_1d == 'as_in_3d_model' )  THEN
589                DO  k = nzb+1, nzt
590                   dpt_dz = ( pt_init(k+1) - pt_init(k-1) ) * dd2zu(k)
591                   IF ( dpt_dz > 0.0 )  THEN
592                      l_stable = 0.76 * SQRT( e1d(k) ) / &
593                                     SQRT( g / pt_init(k) * dpt_dz ) + 1E-5
594                   ELSE
595                      l_stable = l_grid(k)
596                   ENDIF
597                   l1d(k) = MIN( l_grid(k), l_stable )
598                ENDDO
599             ENDIF
600
601!
602!--          Adjust mixing length to the prandtl mixing length
603             IF ( adjust_mixing_length  .AND.  prandtl_layer )  THEN
604                k = nzb+1
605                IF ( rif1d(k) >= 0.0 )  THEN
606                   l1d(k) = MIN( l1d(k), kappa * zu(k) / ( 1.0 + 5.0 * &
607                                                           rif1d(k) ) )
608                ELSE
609                   l1d(k) = MIN( l1d(k), kappa * zu(k) *          &
610                                  SQRT( SQRT( 1.0 - 16.0 * rif1d(k) ) ) )
611                ENDIF
612             ENDIF
613
614!
615!--          Compute the diffusion coefficients for momentum via the
616!--          corresponding Prandtl-layer relationship and according to
617!--          Prandtl-Kolmogorov, respectively. The unstable stratification is
618!--          computed via the adiabatic mixing length, for the unstability has
619!--          already been taken account of via the TKE (cf. also Diss.).
620             IF ( prandtl_layer )  THEN
621                IF ( rif1d(nzb+1) >= 0.0 )  THEN
622                   km1d(nzb+1) = us1d * kappa * zu(nzb+1) / &
623                                 ( 1.0 + 5.0 * rif1d(nzb+1) )
624                ELSE
625                   km1d(nzb+1) = us1d * kappa * zu(nzb+1) * &
626                                 ( 1.0 - 16.0 * rif1d(nzb+1) )**0.25
627                ENDIF
628             ENDIF
629             DO  k = nzb_diff, nzt
630!                km1d(k) = 0.4 * SQRT( e1d(k) ) !changed: adjustment to 3D-model
631                km1d(k) = 0.1 * SQRT( e1d(k) )
632                IF ( rif1d(k) >= 0.0 )  THEN
633                   km1d(k) = km1d(k) * l1d(k)
634                ELSE
635                   km1d(k) = km1d(k) * l_black(k)
636                ENDIF
637             ENDDO
638
639!
640!--          Add damping layer
641             DO  k = damp_level_ind_1d+1, nzt+1
642                km1d(k) = 1.1 * km1d(k-1)
643                km1d(k) = MIN( km1d(k), 10.0 )
644             ENDDO
645
646!
647!--          Compute the diffusion coefficient for heat via the relationship
648!--          kh = phim / phih * km
649             DO  k = nzb+1, nzt
650                IF ( rif1d(k) >= 0.0 )  THEN
651                   kh1d(k) = km1d(k)
652                ELSE
653                   kh1d(k) = km1d(k) * ( 1.0 - 16.0 * rif1d(k) )**0.25
654                ENDIF
655             ENDDO
656
657          ENDIF   ! .NOT. constant_diffusion
658
659       ENDDO   ! intermediate step loop
660
661!
662!--    Increment simulated time and output times
663       current_timestep_number_1d = current_timestep_number_1d + 1
664       simulated_time_1d          = simulated_time_1d + dt_1d
665       simulated_time_chr         = time_to_string( simulated_time_1d )
666       time_pr_1d                 = time_pr_1d          + dt_1d
667       time_run_control_1d        = time_run_control_1d + dt_1d
668
669!
670!--    Determine and print out quantities for run control
671       IF ( time_run_control_1d >= dt_run_control_1d )  THEN
672          CALL run_control_1d
673          time_run_control_1d = time_run_control_1d - dt_run_control_1d
674       ENDIF
675
676!
677!--    Profile output on file
678       IF ( time_pr_1d >= dt_pr_1d )  THEN
679          CALL print_1d_model
680          time_pr_1d = time_pr_1d - dt_pr_1d
681       ENDIF
682
683!
684!--    Determine size of next time step
685       CALL timestep_1d
686
687    ENDDO   ! time loop
688
689
690 END SUBROUTINE time_integration_1d
691
692
693 SUBROUTINE run_control_1d
694
695!------------------------------------------------------------------------------!
696! Description:
697! ------------
698! Compute and print out quantities for run control of the 1D model.
699!------------------------------------------------------------------------------!
700
701    USE constants
702    USE indices
703    USE model_1d
704    USE pegrid
705    USE control_parameters
706
707    IMPLICIT NONE
708
709    INTEGER ::  k
710    REAL    ::  alpha, energy, umax, uv_total, vmax
711
712!
713!-- Output
714    IF ( myid == 0 )  THEN
715!
716!--    If necessary, write header
717       IF ( .NOT. run_control_header_1d )  THEN
718          CALL check_open( 15 )
719          WRITE ( 15, 100 )
720          run_control_header_1d = .TRUE.
721       ENDIF
722
723!
724!--    Compute control quantities
725!--    grid level nzp is excluded due to mirror boundary condition
726       umax = 0.0; vmax = 0.0; energy = 0.0
727       DO  k = nzb+1, nzt+1
728          umax = MAX( ABS( umax ), ABS( u1d(k) ) )
729          vmax = MAX( ABS( vmax ), ABS( v1d(k) ) )
730          energy = energy + 0.5 * ( u1d(k)**2 + v1d(k)**2 )
731       ENDDO
732       energy = energy / REAL( nzt - nzb + 1 )
733
734       uv_total = SQRT( u1d(nzb+1)**2 + v1d(nzb+1)**2 )
735       IF ( ABS( v1d(nzb+1) ) .LT. 1.0E-5 )  THEN
736          alpha = ACOS( SIGN( 1.0 , u1d(nzb+1) ) )
737       ELSE
738          alpha = ACOS( u1d(nzb+1) / uv_total )
739          IF ( v1d(nzb+1) <= 0.0 )  alpha = 2.0 * pi - alpha
740       ENDIF
741       alpha = alpha / ( 2.0 * pi ) * 360.0
742
743       WRITE ( 15, 101 )  current_timestep_number_1d, simulated_time_chr, &
744                          dt_1d, umax, vmax, us1d, alpha, energy
745!
746!--    Write buffer contents to disc immediately
747       CALL local_flush( 15 )
748
749    ENDIF
750
751!
752!-- formats
753100 FORMAT (///'1D-Zeitschrittkontrollausgaben:'/ &
754              &'------------------------------'// &
755           &'ITER.  HH:MM:SS    DT      UMAX   VMAX    U*   ALPHA   ENERG.'/ &
756           &'-------------------------------------------------------------')
757101 FORMAT (I5,2X,A9,1X,F6.2,2X,F6.2,1X,F6.2,2X,F5.3,2X,F5.1,2X,F7.2)
758
759
760 END SUBROUTINE run_control_1d
761
762
763
764 SUBROUTINE timestep_1d
765
766!------------------------------------------------------------------------------!
767! Description:
768! ------------
769! Compute the time step w.r.t. the diffusion criterion
770!------------------------------------------------------------------------------!
771
772    USE arrays_3d
773    USE indices
774    USE model_1d
775    USE pegrid
776    USE control_parameters
777
778    IMPLICIT NONE
779
780    INTEGER ::  k
781    REAL    ::  div, dt_diff, fac, value
782
783
784!
785!-- Compute the currently feasible time step according to the diffusion
786!-- criterion. At nzb+1 the half grid length is used.
787    fac = 0.35
788    dt_diff = dt_max_1d
789    DO  k = nzb+2, nzt
790       value   = fac * dzu(k) * dzu(k) / ( km1d(k) + 1E-20 )
791       dt_diff = MIN( value, dt_diff )
792    ENDDO
793    value   = fac * zu(nzb+1) * zu(nzb+1) / ( km1d(nzb+1) + 1E-20 )
794    dt_1d = MIN( value, dt_diff )
795
796!
797!-- Set flag when the time step becomes too small
798    IF ( dt_1d < ( 0.00001 * dt_max_1d ) )  THEN
799       stop_dt_1d = .TRUE.
800
801       WRITE( message_string, * ) 'timestep has exceeded the lower limit &', &
802                                  'dt_1d = ',dt_1d,' s   simulation stopped!'
803       CALL message( 'timestep_1d', 'PA0192', 1, 2, 0, 6, 0 )
804       
805    ENDIF
806
807!
808!-- A more or less simple new time step value is obtained taking only the
809!-- first two significant digits
810    div = 1000.0
811    DO  WHILE ( dt_1d < div )
812       div = div / 10.0
813    ENDDO
814    dt_1d = NINT( dt_1d * 100.0 / div ) * div / 100.0
815
816    old_dt_1d = dt_1d
817
818
819 END SUBROUTINE timestep_1d
820
821
822
823 SUBROUTINE print_1d_model
824
825!------------------------------------------------------------------------------!
826! Description:
827! ------------
828! List output of profiles from the 1D-model
829!------------------------------------------------------------------------------!
830
831    USE arrays_3d
832    USE indices
833    USE model_1d
834    USE pegrid
835    USE control_parameters
836
837    IMPLICIT NONE
838
839
840    INTEGER ::  k
841
842
843    IF ( myid == 0 )  THEN
844!
845!--    Open list output file for profiles from the 1D-model
846       CALL check_open( 17 )
847
848!
849!--    Write Header
850       WRITE ( 17, 100 )  TRIM( run_description_header ), &
851                          TRIM( simulated_time_chr )
852       WRITE ( 17, 101 )
853
854!
855!--    Write the values
856       WRITE ( 17, 102 )
857       WRITE ( 17, 101 )
858       DO  k = nzt+1, nzb, -1
859          WRITE ( 17, 103)  k, zu(k), u1d(k), v1d(k), pt_init(k), e1d(k), &
860                            rif1d(k), km1d(k), kh1d(k), l1d(k), zu(k), k
861       ENDDO
862       WRITE ( 17, 101 )
863       WRITE ( 17, 102 )
864       WRITE ( 17, 101 )
865
866!
867!--    Write buffer contents to disc immediately
868       CALL local_flush( 17 )
869
870    ENDIF
871
872!
873!-- Formats
874100 FORMAT (//1X,A/1X,10('-')/' 1d-model profiles'/ &
875            ' Time: ',A)
876101 FORMAT (1X,79('-'))
877102 FORMAT ('   k     zu      u      v     pt      e    rif    Km    Kh     ', &
878            'l      zu      k')
879103 FORMAT (1X,I4,1X,F7.1,1X,F6.2,1X,F6.2,1X,F6.2,1X,F6.2,1X,F5.2,1X,F5.2, &
880            1X,F5.2,1X,F6.2,1X,F7.1,2X,I4)
881
882
883 END SUBROUTINE print_1d_model
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.