source: palm/trunk/SOURCE/init_1d_model.f90 @ 1353

Last change on this file since 1353 was 1353, checked in by heinze, 11 years ago

REAL constants provided with KIND-attribute

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 35.4 KB
Line 
1 SUBROUTINE init_1d_model
2
3!--------------------------------------------------------------------------------!
4! This file is part of PALM.
5!
6! PALM is free software: you can redistribute it and/or modify it under the terms
7! of the GNU General Public License as published by the Free Software Foundation,
8! either version 3 of the License, or (at your option) any later 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 1997-2014 Leibniz Universitaet Hannover
18!--------------------------------------------------------------------------------!
19!
20! Current revisions:
21! -----------------
22! REAL constants provided with KIND-attribute
23!
24! Former revisions:
25! -----------------
26! $Id: init_1d_model.f90 1353 2014-04-08 15:21:23Z heinze $
27!
28! 1346 2014-03-27 13:18:20Z heinze
29! Bugfix: REAL constants provided with KIND-attribute especially in call of
30! intrinsic function like MAX, MIN, SIGN
31!
32! 1322 2014-03-20 16:38:49Z raasch
33! REAL functions provided with KIND-attribute
34!
35! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
36! ONLY-attribute added to USE-statements,
37! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
38! kinds are defined in new module kinds,
39! revision history before 2012 removed,
40! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
41! all variable declaration statements
42!
43! 1036 2012-10-22 13:43:42Z raasch
44! code put under GPL (PALM 3.9)
45!
46! 1015 2012-09-27 09:23:24Z raasch
47! adjustment of mixing length to the Prandtl mixing length at first grid point
48! above ground removed
49!
50! 1001 2012-09-13 14:08:46Z raasch
51! all actions concerning leapfrog scheme removed
52!
53! 996 2012-09-07 10:41:47Z raasch
54! little reformatting
55!
56! 978 2012-08-09 08:28:32Z fricke
57! roughness length for scalar quantities z0h1d added
58!
59! Revision 1.1  1998/03/09 16:22:10  raasch
60! Initial revision
61!
62!
63! Description:
64! ------------
65! 1D-model to initialize the 3D-arrays.
66! The temperature profile is set as steady and a corresponding steady solution
67! of the wind profile is being computed.
68! All subroutines required can be found within this file.
69!------------------------------------------------------------------------------!
70
71    USE arrays_3d,                                                             &
72        ONLY:  l_grid, ug, u_init, vg, v_init, zu
73   
74    USE indices,                                                               &
75        ONLY:  nzb, nzt
76   
77    USE kinds
78   
79    USE model_1d,                                                              &
80        ONLY:  e1d, e1d_p, kh1d, km1d, l1d, l_black, qs1d, rif1d,              &
81               simulated_time_1d, te_e, te_em, te_u, te_um, te_v, te_vm, ts1d, &
82               u1d, u1d_p, us1d, usws1d, v1d, v1d_p, vsws1d, z01d, z0h1d
83   
84    USE control_parameters,                                                    &
85        ONLY:  constant_diffusion, f, humidity, kappa, km_constant,            &
86               mixing_length_1d, passive_scalar, prandtl_layer,                &
87               prandtl_number, roughness_length, simulated_time_chr,           &
88               z0h_factor
89
90    IMPLICIT NONE
91
92    CHARACTER (LEN=9) ::  time_to_string  !:
93   
94    INTEGER(iwp) ::  k  !:
95   
96    REAL(wp) ::  lambda !:
97
98!
99!-- Allocate required 1D-arrays
100    ALLOCATE( e1d(nzb:nzt+1),    e1d_p(nzb:nzt+1),                             &
101              kh1d(nzb:nzt+1),   km1d(nzb:nzt+1),                              &
102              l_black(nzb:nzt+1), l1d(nzb:nzt+1),                              &
103              rif1d(nzb:nzt+1),   te_e(nzb:nzt+1),                             &
104              te_em(nzb:nzt+1),  te_u(nzb:nzt+1),    te_um(nzb:nzt+1),         &
105              te_v(nzb:nzt+1),   te_vm(nzb:nzt+1),    u1d(nzb:nzt+1),          &
106              u1d_p(nzb:nzt+1),  v1d(nzb:nzt+1),                               &
107              v1d_p(nzb:nzt+1) )
108
109!
110!-- Initialize arrays
111    IF ( constant_diffusion )  THEN
112       km1d = km_constant
113       kh1d = km_constant / prandtl_number
114    ELSE
115       e1d = 0.0_wp; e1d_p = 0.0_wp
116       kh1d = 0.0_wp; km1d = 0.0_wp
117       rif1d = 0.0_wp
118!
119!--    Compute the mixing length
120       l_black(nzb) = 0.0_wp
121
122       IF ( TRIM( mixing_length_1d ) == 'blackadar' )  THEN
123!
124!--       Blackadar mixing length
125          IF ( f /= 0.0_wp )  THEN
126             lambda = 2.7E-4_wp * SQRT( ug(nzt+1)**2 + vg(nzt+1)**2 ) /        &
127                               ABS( f ) + 1E-10_wp
128          ELSE
129             lambda = 30.0_wp
130          ENDIF
131
132          DO  k = nzb+1, nzt+1
133             l_black(k) = kappa * zu(k) / ( 1.0_wp + kappa * zu(k) / lambda )
134          ENDDO
135
136       ELSEIF ( TRIM( mixing_length_1d ) == 'as_in_3d_model' )  THEN
137!
138!--       Use the same mixing length as in 3D model
139          l_black(1:nzt) = l_grid
140          l_black(nzt+1) = l_black(nzt)
141
142       ENDIF
143    ENDIF
144    l1d   = l_black
145    u1d   = u_init
146    u1d_p = u_init
147    v1d   = v_init
148    v1d_p = v_init
149
150!
151!-- Set initial horizontal velocities at the lowest grid levels to a very small
152!-- value in order to avoid too small time steps caused by the diffusion limit
153!-- in the initial phase of a run (at k=1, dz/2 occurs in the limiting formula!)
154    u1d(0:1)   = 0.1_wp
155    u1d_p(0:1) = 0.1_wp
156    v1d(0:1)   = 0.1_wp
157    v1d_p(0:1) = 0.1_wp
158
159!
160!-- For u*, theta* and the momentum fluxes plausible values are set
161    IF ( prandtl_layer )  THEN
162       us1d = 0.1_wp   ! without initial friction the flow would not change
163    ELSE
164       e1d(nzb+1)  = 1.0_wp
165       km1d(nzb+1) = 1.0_wp
166       us1d = 0.0_wp
167    ENDIF
168    ts1d = 0.0_wp
169    usws1d = 0.0_wp
170    vsws1d = 0.0_wp
171    z01d  = roughness_length
172    z0h1d = z0h_factor * z01d 
173    IF ( humidity .OR. passive_scalar )  qs1d = 0.0_wp
174
175!
176!-- Tendencies must be preset in order to avoid runtime errors within the
177!-- first Runge-Kutta step
178    te_em = 0.0_wp
179    te_um = 0.0_wp
180    te_vm = 0.0_wp
181
182!
183!-- Set start time in hh:mm:ss - format
184    simulated_time_chr = time_to_string( simulated_time_1d )
185
186!
187!-- Integrate the 1D-model equations using the leap-frog scheme
188    CALL time_integration_1d
189
190
191 END SUBROUTINE init_1d_model
192
193
194
195 SUBROUTINE time_integration_1d
196
197!------------------------------------------------------------------------------!
198! Description:
199! ------------
200! Leap-frog time differencing scheme for the 1D-model.
201!------------------------------------------------------------------------------!
202
203    USE arrays_3d,                                                             &
204        ONLY:  dd2zu, ddzu, ddzw, l_grid, pt_init, q_init, ug, vg, zu
205       
206    USE control_parameters,                                                    &
207        ONLY:  constant_diffusion, dissipation_1d, humidity,                   &
208               intermediate_timestep_count, intermediate_timestep_count_max,   &
209               f, g, ibc_e_b, kappa, mixing_length_1d, passive_scalar,         &
210               prandtl_layer, rif_max, rif_min, simulated_time_chr,            &
211               timestep_scheme, tsc
212               
213    USE indices,                                                               &
214        ONLY:  nzb, nzb_diff, nzt
215       
216    USE kinds
217   
218    USE model_1d,                                                              &
219        ONLY:  current_timestep_number_1d, damp_level_ind_1d, dt_1d,           &
220               dt_pr_1d, dt_run_control_1d, e1d, e1d_p, end_time_1d,           &
221               kh1d, km1d, l1d, l_black, qs1d, rif1d, simulated_time_1d,       &
222               stop_dt_1d, te_e, te_em, te_u, te_um, te_v, te_vm, time_pr_1d,  &
223               ts1d, time_run_control_1d, u1d, u1d_p, us1d, usws1d, v1d,       &
224               v1d_p, vsws1d, z01d, z0h1d
225       
226    USE pegrid
227
228    IMPLICIT NONE
229
230    CHARACTER (LEN=9) ::  time_to_string  !:
231   
232    INTEGER(iwp) ::  k  !:
233   
234    REAL(wp) ::  a            !:
235    REAL(wp) ::  b            !:
236    REAL(wp) ::  dissipation  !:
237    REAL(wp) ::  dpt_dz       !:
238    REAL(wp) ::  flux         !:
239    REAL(wp) ::  kmzm         !:
240    REAL(wp) ::  kmzp         !:
241    REAL(wp) ::  l_stable     !:
242    REAL(wp) ::  pt_0         !:
243    REAL(wp) ::  uv_total     !:
244
245!
246!-- Determine the time step at the start of a 1D-simulation and
247!-- determine and printout quantities used for run control
248    CALL timestep_1d
249    CALL run_control_1d
250
251!
252!-- Start of time loop
253    DO  WHILE ( simulated_time_1d < end_time_1d  .AND.  .NOT. stop_dt_1d )
254
255!
256!--    Depending on the timestep scheme, carry out one or more intermediate
257!--    timesteps
258
259       intermediate_timestep_count = 0
260       DO  WHILE ( intermediate_timestep_count < &
261                   intermediate_timestep_count_max )
262
263          intermediate_timestep_count = intermediate_timestep_count + 1
264
265          CALL timestep_scheme_steering
266
267!
268!--       Compute all tendency terms. If a Prandtl-layer is simulated, k starts
269!--       at nzb+2.
270          DO  k = nzb_diff, nzt
271
272             kmzm = 0.5_wp * ( km1d(k-1) + km1d(k) )
273             kmzp = 0.5_wp * ( km1d(k) + km1d(k+1) )
274!
275!--          u-component
276             te_u(k) =  f * ( v1d(k) - vg(k) ) + ( &
277                              kmzp * ( u1d(k+1) - u1d(k) ) * ddzu(k+1) &
278                            - kmzm * ( u1d(k) - u1d(k-1) ) * ddzu(k)   &
279                                                 ) * ddzw(k)
280!
281!--          v-component
282             te_v(k) = -f * ( u1d(k) - ug(k) ) + (                     &
283                              kmzp * ( v1d(k+1) - v1d(k) ) * ddzu(k+1) &
284                            - kmzm * ( v1d(k) - v1d(k-1) ) * ddzu(k)   &
285                                                 ) * ddzw(k)
286          ENDDO
287          IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
288             DO  k = nzb_diff, nzt
289!
290!--             TKE
291                kmzm = 0.5_wp * ( km1d(k-1) + km1d(k) )
292                kmzp = 0.5_wp * ( km1d(k) + km1d(k+1) )
293                IF ( .NOT. humidity )  THEN
294                   pt_0 = pt_init(k)
295                   flux =  ( pt_init(k+1)-pt_init(k-1) ) * dd2zu(k)
296                ELSE
297                   pt_0 = pt_init(k) * ( 1.0_wp + 0.61_wp * q_init(k) )
298                   flux = ( ( pt_init(k+1) - pt_init(k-1) ) +                  &
299                            0.61_wp * pt_init(k) *                             &
300                            ( q_init(k+1) - q_init(k-1) ) ) * dd2zu(k)
301                ENDIF
302
303                IF ( dissipation_1d == 'detering' )  THEN
304!
305!--                According to Detering, c_e=0.064
306                   dissipation = 0.064_wp * e1d(k) * SQRT( e1d(k) ) / l1d(k)
307                ELSEIF ( dissipation_1d == 'as_in_3d_model' )  THEN
308                   dissipation = ( 0.19_wp + 0.74_wp * l1d(k) / l_grid(k) )    &
309                                 * e1d(k) * SQRT( e1d(k) ) / l1d(k)
310                ENDIF
311
312                te_e(k) = km1d(k) * ( ( ( u1d(k+1) - u1d(k-1) ) * dd2zu(k) )**2&
313                                    + ( ( v1d(k+1) - v1d(k-1) ) * dd2zu(k) )**2&
314                                    )                                          &
315                                    - g / pt_0 * kh1d(k) * flux                &
316                                    +            (                             &
317                                     kmzp * ( e1d(k+1) - e1d(k) ) * ddzu(k+1)  &
318                                   - kmzm * ( e1d(k) - e1d(k-1) ) * ddzu(k)    &
319                                                 ) * ddzw(k)                   &
320                                   - dissipation
321             ENDDO
322          ENDIF
323
324!
325!--       Tendency terms at the top of the Prandtl-layer.
326!--       Finite differences of the momentum fluxes are computed using half the
327!--       normal grid length (2.0*ddzw(k)) for the sake of enhanced accuracy
328          IF ( prandtl_layer )  THEN
329
330             k = nzb+1
331             kmzm = 0.5_wp * ( km1d(k-1) + km1d(k) )
332             kmzp = 0.5_wp * ( km1d(k) + km1d(k+1) )
333             IF ( .NOT. humidity )  THEN
334                pt_0 = pt_init(k)
335                flux =  ( pt_init(k+1)-pt_init(k-1) ) * dd2zu(k)
336             ELSE
337                pt_0 = pt_init(k) * ( 1.0_wp + 0.61_wp * q_init(k) )
338                flux = ( ( pt_init(k+1) - pt_init(k-1) ) +                     &
339                         0.61_wp * pt_init(k) * ( q_init(k+1) - q_init(k-1) )  &
340                       ) * dd2zu(k)
341             ENDIF
342
343             IF ( dissipation_1d == 'detering' )  THEN
344!
345!--             According to Detering, c_e=0.064
346                dissipation = 0.064_wp * e1d(k) * SQRT( e1d(k) ) / l1d(k)
347             ELSEIF ( dissipation_1d == 'as_in_3d_model' )  THEN
348                dissipation = ( 0.19_wp + 0.74_wp * l1d(k) / l_grid(k) )       &
349                              * e1d(k) * SQRT( e1d(k) ) / l1d(k)
350             ENDIF
351
352!
353!--          u-component
354             te_u(k) = f * ( v1d(k) - vg(k) ) + (                              &
355                       kmzp * ( u1d(k+1) - u1d(k) ) * ddzu(k+1) + usws1d       &
356                                                ) * 2.0_wp * ddzw(k)
357!
358!--          v-component
359             te_v(k) = -f * ( u1d(k) - ug(k) ) + (                             &
360                       kmzp * ( v1d(k+1) - v1d(k) ) * ddzu(k+1) + vsws1d       &
361                                                 ) * 2.0_wp * ddzw(k)
362!
363!--          TKE
364             te_e(k) = km1d(k) * ( ( ( u1d(k+1) - u1d(k-1) ) * dd2zu(k) )**2   &
365                                 + ( ( v1d(k+1) - v1d(k-1) ) * dd2zu(k) )**2   &
366                                 )                                             &
367                                 - g / pt_0 * kh1d(k) * flux                   &
368                                 +           (                                 &
369                                  kmzp * ( e1d(k+1) - e1d(k) ) * ddzu(k+1)     &
370                                - kmzm * ( e1d(k) - e1d(k-1) ) * ddzu(k)       &
371                                              ) * ddzw(k)                      &
372                                - dissipation
373          ENDIF
374
375!
376!--       Prognostic equations for all 1D variables
377          DO  k = nzb+1, nzt
378
379             u1d_p(k) = u1d(k) + dt_1d * ( tsc(2) * te_u(k) + &
380                                           tsc(3) * te_um(k) )
381             v1d_p(k) = v1d(k) + dt_1d * ( tsc(2) * te_v(k) + &
382                                           tsc(3) * te_vm(k) )
383
384          ENDDO
385          IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
386             DO  k = nzb+1, nzt
387
388                e1d_p(k) = e1d(k) + dt_1d * ( tsc(2) * te_e(k) + &
389                                              tsc(3) * te_em(k) )
390
391             ENDDO
392!
393!--          Eliminate negative TKE values, which can result from the
394!--          integration due to numerical inaccuracies. In such cases the TKE
395!--          value is reduced to 10 percent of its old value.
396             WHERE ( e1d_p < 0.0_wp )  e1d_p = 0.1_wp * e1d
397          ENDIF
398
399!
400!--       Calculate tendencies for the next Runge-Kutta step
401          IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' ) THEN
402             IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  THEN
403
404                DO  k = nzb+1, nzt
405                   te_um(k) = te_u(k)
406                   te_vm(k) = te_v(k)
407                ENDDO
408
409                IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
410                   DO k = nzb+1, nzt
411                      te_em(k) = te_e(k)
412                   ENDDO
413                ENDIF
414
415             ELSEIF ( intermediate_timestep_count < &
416                         intermediate_timestep_count_max )  THEN
417
418                DO  k = nzb+1, nzt
419                   te_um(k) = -9.5625_wp * te_u(k) + 5.3125_wp * te_um(k)
420                   te_vm(k) = -9.5625_wp * te_v(k) + 5.3125_wp * te_vm(k)
421                ENDDO
422
423                IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
424                   DO k = nzb+1, nzt
425                      te_em(k) = -9.5625_wp * te_e(k) + 5.3125_wp * te_em(k)
426                   ENDDO
427                ENDIF
428
429             ENDIF
430          ENDIF
431
432
433!
434!--       Boundary conditions for the prognostic variables.
435!--       At the top boundary (nzt+1) u,v and e keep their initial values
436!--       (ug(nzt+1), vg(nzt+1), 0), at the bottom boundary the mirror
437!--       boundary condition applies to u and v.
438!--       The boundary condition for e is set further below ( (u*/cm)**2 ).
439         ! u1d_p(nzb) = -u1d_p(nzb+1)
440         ! v1d_p(nzb) = -v1d_p(nzb+1)
441
442          u1d_p(nzb) = 0.0_wp
443          v1d_p(nzb) = 0.0_wp
444
445!
446!--       Swap the time levels in preparation for the next time step.
447          u1d  = u1d_p
448          v1d  = v1d_p
449          IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
450             e1d  = e1d_p
451          ENDIF
452
453!
454!--       Compute diffusion quantities
455          IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
456
457!
458!--          First compute the vertical fluxes in the Prandtl-layer
459             IF ( prandtl_layer )  THEN
460!
461!--             Compute theta* using Rif numbers of the previous time step
462                IF ( rif1d(1) >= 0.0_wp )  THEN
463!
464!--                Stable stratification
465                   ts1d = kappa * ( pt_init(nzb+1) - pt_init(nzb) ) /          &
466                          ( LOG( zu(nzb+1) / z0h1d ) + 5.0_wp * rif1d(nzb+1) * &
467                                          ( zu(nzb+1) - z0h1d ) / zu(nzb+1)    &
468                          )
469                ELSE
470!
471!--                Unstable stratification
472                   a = SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rif1d(nzb+1) )
473                   b = SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rif1d(nzb+1) /                 &
474                       zu(nzb+1) * z0h1d )
475!
476!--                In the borderline case the formula for stable stratification
477!--                must be applied, because otherwise a zero division would
478!--                occur in the argument of the logarithm.
479                   IF ( a == 0.0_wp  .OR.  b == 0.0_wp )  THEN
480                      ts1d = kappa * ( pt_init(nzb+1) - pt_init(nzb) ) /       &
481                             ( LOG( zu(nzb+1) / z0h1d ) +                      &
482                               5.0_wp * rif1d(nzb+1) *                         &
483                               ( zu(nzb+1) - z0h1d ) / zu(nzb+1)               &
484                             )
485                   ELSE
486                      ts1d = kappa * ( pt_init(nzb+1) - pt_init(nzb) ) /       &
487                             LOG( (a-1.0_wp) / (a+1.0_wp) *                    &
488                                  (b+1.0_wp) / (b-1.0_wp) )
489                   ENDIF
490                ENDIF
491
492             ENDIF    ! prandtl_layer
493
494!
495!--          Compute the Richardson-flux numbers,
496!--          first at the top of the Prandtl-layer using u* of the previous
497!--          time step (+1E-30, if u* = 0), then in the remaining area. There
498!--          the rif-numbers of the previous time step are used.
499
500             IF ( prandtl_layer )  THEN
501                IF ( .NOT. humidity )  THEN
502                   pt_0 = pt_init(nzb+1)
503                   flux = ts1d
504                ELSE
505                   pt_0 = pt_init(nzb+1) * ( 1.0_wp + 0.61_wp * q_init(nzb+1) )
506                   flux = ts1d + 0.61_wp * pt_init(k) * qs1d
507                ENDIF
508                rif1d(nzb+1) = zu(nzb+1) * kappa * g * flux / &
509                               ( pt_0 * ( us1d**2 + 1E-30_wp ) )
510             ENDIF
511
512             DO  k = nzb_diff, nzt
513                IF ( .NOT. humidity )  THEN
514                   pt_0 = pt_init(k)
515                   flux = ( pt_init(k+1) - pt_init(k-1) ) * dd2zu(k)
516                ELSE
517                   pt_0 = pt_init(k) * ( 1.0_wp + 0.61_wp * q_init(k) )
518                   flux = ( ( pt_init(k+1) - pt_init(k-1) )                    &
519                            + 0.61_wp * pt_init(k)                             &
520                            * ( q_init(k+1) - q_init(k-1) )                    &
521                          ) * dd2zu(k)
522                ENDIF
523                IF ( rif1d(k) >= 0.0_wp )  THEN
524                   rif1d(k) = g / pt_0 * flux /                                &
525                              (  ( ( u1d(k+1) - u1d(k-1) ) * dd2zu(k) )**2     &
526                               + ( ( v1d(k+1) - v1d(k-1) ) * dd2zu(k) )**2     &
527                               + 1E-30_wp                                      &
528                              )
529                ELSE
530                   rif1d(k) = g / pt_0 * flux /                                &
531                              (  ( ( u1d(k+1) - u1d(k-1) ) * dd2zu(k) )**2     &
532                               + ( ( v1d(k+1) - v1d(k-1) ) * dd2zu(k) )**2     &
533                               + 1E-30_wp                                      &
534                              ) * ( 1.0_wp - 16.0_wp * rif1d(k) )**0.25_wp
535                ENDIF
536             ENDDO
537!
538!--          Richardson-numbers must remain restricted to a realistic value
539!--          range. It is exceeded excessively for very small velocities
540!--          (u,v --> 0).
541             WHERE ( rif1d < rif_min )  rif1d = rif_min
542             WHERE ( rif1d > rif_max )  rif1d = rif_max
543
544!
545!--          Compute u* from the absolute velocity value
546             IF ( prandtl_layer )  THEN
547                uv_total = SQRT( u1d(nzb+1)**2 + v1d(nzb+1)**2 )
548
549                IF ( rif1d(nzb+1) >= 0.0_wp )  THEN
550!
551!--                Stable stratification
552                   us1d = kappa * uv_total / (                                 &
553                             LOG( zu(nzb+1) / z01d ) + 5.0_wp * rif1d(nzb+1) * &
554                                              ( zu(nzb+1) - z01d ) / zu(nzb+1) &
555                                             )
556                ELSE
557!
558!--                Unstable stratification
559                   a = 1.0_wp / SQRT( SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rif1d(nzb+1) ) )
560                   b = 1.0_wp / SQRT( SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rif1d(nzb+1) /  &
561                                                     zu(nzb+1) * z01d ) )
562!
563!--                In the borderline case the formula for stable stratification
564!--                must be applied, because otherwise a zero division would
565!--                occur in the argument of the logarithm.
566                   IF ( a == 1.0_wp  .OR.  b == 1.0_wp )  THEN
567                      us1d = kappa * uv_total / (                              &
568                             LOG( zu(nzb+1) / z01d ) +                         &
569                             5.0_wp * rif1d(nzb+1) * ( zu(nzb+1) - z01d ) /    &
570                                                  zu(nzb+1) )
571                   ELSE
572                      us1d = kappa * uv_total / (                              &
573                                 LOG( (1.0_wp+b) / (1.0_wp-b) * (1.0_wp-a) /   &
574                                      (1.0_wp+a) ) +                           &
575                                 2.0_wp * ( ATAN( b ) - ATAN( a ) )            &
576                                                )
577                   ENDIF
578                ENDIF
579
580!
581!--             Compute the momentum fluxes for the diffusion terms
582                usws1d  = - u1d(nzb+1) / uv_total * us1d**2
583                vsws1d  = - v1d(nzb+1) / uv_total * us1d**2
584
585!
586!--             Boundary condition for the turbulent kinetic energy at the top
587!--             of the Prandtl-layer. c_m = 0.4 according to Detering.
588!--             Additional Neumann condition de/dz = 0 at nzb is set to ensure
589!--             compatibility with the 3D model.
590                IF ( ibc_e_b == 2 )  THEN
591                   e1d(nzb+1) = ( us1d / 0.1_wp )**2
592!                  e1d(nzb+1) = ( us1d / 0.4_wp )**2  !not used so far, see also
593                                                      !prandtl_fluxes
594                ENDIF
595                e1d(nzb) = e1d(nzb+1)
596
597                IF ( humidity .OR. passive_scalar ) THEN
598!
599!--                Compute q*
600                   IF ( rif1d(1) >= 0.0_wp )  THEN
601!
602!--                Stable stratification
603                   qs1d = kappa * ( q_init(nzb+1) - q_init(nzb) ) /            &
604                          ( LOG( zu(nzb+1) / z0h1d ) + 5.0_wp * rif1d(nzb+1) * &
605                                          ( zu(nzb+1) - z0h1d ) / zu(nzb+1)    &
606                          )
607                ELSE
608!
609!--                Unstable stratification
610                   a = SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rif1d(nzb+1) )
611                   b = SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rif1d(nzb+1) /                 &
612                                      zu(nzb+1) * z0h1d )
613!
614!--                In the borderline case the formula for stable stratification
615!--                must be applied, because otherwise a zero division would
616!--                occur in the argument of the logarithm.
617                   IF ( a == 1.0_wp  .OR.  b == 1.0_wp )  THEN
618                      qs1d = kappa * ( q_init(nzb+1) - q_init(nzb) ) /         &
619                             ( LOG( zu(nzb+1) / z0h1d ) +                      &
620                               5.0_wp * rif1d(nzb+1) *                         &
621                               ( zu(nzb+1) - z0h1d ) / zu(nzb+1)               &
622                             )
623                   ELSE
624                      qs1d = kappa * ( q_init(nzb+1) - q_init(nzb) ) /         &
625                             LOG( (a-1.0_wp) / (a+1.0_wp) *                    &
626                                  (b+1.0_wp) / (b-1.0_wp) )
627                   ENDIF
628                ENDIF               
629                ELSE
630                   qs1d = 0.0_wp
631                ENDIF             
632
633             ENDIF   !  prandtl_layer
634
635!
636!--          Compute the diabatic mixing length
637             IF ( mixing_length_1d == 'blackadar' )  THEN
638                DO  k = nzb+1, nzt
639                   IF ( rif1d(k) >= 0.0_wp )  THEN
640                      l1d(k) = l_black(k) / ( 1.0_wp + 5.0_wp * rif1d(k) )
641                   ELSE
642                      l1d(k) = l_black(k) *                                    &
643                               ( 1.0_wp - 16.0_wp * rif1d(k) )**0.25_wp
644                   ENDIF
645                   l1d(k) = l_black(k)
646                ENDDO
647
648             ELSEIF ( mixing_length_1d == 'as_in_3d_model' )  THEN
649                DO  k = nzb+1, nzt
650                   dpt_dz = ( pt_init(k+1) - pt_init(k-1) ) * dd2zu(k)
651                   IF ( dpt_dz > 0.0_wp )  THEN
652                      l_stable = 0.76_wp * SQRT( e1d(k) ) /                    &
653                                     SQRT( g / pt_init(k) * dpt_dz ) + 1E-5_wp
654                   ELSE
655                      l_stable = l_grid(k)
656                   ENDIF
657                   l1d(k) = MIN( l_grid(k), l_stable )
658                ENDDO
659             ENDIF
660
661!
662!--          Compute the diffusion coefficients for momentum via the
663!--          corresponding Prandtl-layer relationship and according to
664!--          Prandtl-Kolmogorov, respectively. The unstable stratification is
665!--          computed via the adiabatic mixing length, for the unstability has
666!--          already been taken account of via the TKE (cf. also Diss.).
667             IF ( prandtl_layer )  THEN
668                IF ( rif1d(nzb+1) >= 0.0_wp )  THEN
669                   km1d(nzb+1) = us1d * kappa * zu(nzb+1) /                    &
670                                 ( 1.0_wp + 5.0_wp * rif1d(nzb+1) )
671                ELSE
672                   km1d(nzb+1) = us1d * kappa * zu(nzb+1) *                    &
673                                 ( 1.0_wp - 16.0_wp * rif1d(nzb+1) )**0.25_wp
674                ENDIF
675             ENDIF
676             DO  k = nzb_diff, nzt
677!                km1d(k) = 0.4 * SQRT( e1d(k) ) !changed: adjustment to 3D-model
678                km1d(k) = 0.1_wp * SQRT( e1d(k) )
679                IF ( rif1d(k) >= 0.0_wp )  THEN
680                   km1d(k) = km1d(k) * l1d(k)
681                ELSE
682                   km1d(k) = km1d(k) * l_black(k)
683                ENDIF
684             ENDDO
685
686!
687!--          Add damping layer
688             DO  k = damp_level_ind_1d+1, nzt+1
689                km1d(k) = 1.1_wp * km1d(k-1)
690                km1d(k) = MIN( km1d(k), 10.0_wp )
691             ENDDO
692
693!
694!--          Compute the diffusion coefficient for heat via the relationship
695!--          kh = phim / phih * km
696             DO  k = nzb+1, nzt
697                IF ( rif1d(k) >= 0.0_wp )  THEN
698                   kh1d(k) = km1d(k)
699                ELSE
700                   kh1d(k) = km1d(k) * ( 1.0_wp - 16.0_wp * rif1d(k) )**0.25_wp
701                ENDIF
702             ENDDO
703
704          ENDIF   ! .NOT. constant_diffusion
705
706       ENDDO   ! intermediate step loop
707
708!
709!--    Increment simulated time and output times
710       current_timestep_number_1d = current_timestep_number_1d + 1
711       simulated_time_1d          = simulated_time_1d + dt_1d
712       simulated_time_chr         = time_to_string( simulated_time_1d )
713       time_pr_1d                 = time_pr_1d          + dt_1d
714       time_run_control_1d        = time_run_control_1d + dt_1d
715
716!
717!--    Determine and print out quantities for run control
718       IF ( time_run_control_1d >= dt_run_control_1d )  THEN
719          CALL run_control_1d
720          time_run_control_1d = time_run_control_1d - dt_run_control_1d
721       ENDIF
722
723!
724!--    Profile output on file
725       IF ( time_pr_1d >= dt_pr_1d )  THEN
726          CALL print_1d_model
727          time_pr_1d = time_pr_1d - dt_pr_1d
728       ENDIF
729
730!
731!--    Determine size of next time step
732       CALL timestep_1d
733
734    ENDDO   ! time loop
735
736
737 END SUBROUTINE time_integration_1d
738
739
740 SUBROUTINE run_control_1d
741
742!------------------------------------------------------------------------------!
743! Description:
744! ------------
745! Compute and print out quantities for run control of the 1D model.
746!------------------------------------------------------------------------------!
747
748    USE constants,                                                             &
749        ONLY:  pi
750       
751    USE indices,                                                               &
752        ONLY:  nzb, nzt
753       
754    USE kinds
755   
756    USE model_1d,                                                              &
757        ONLY:  current_timestep_number_1d, dt_1d, run_control_header_1d, u1d,  &
758               us1d, v1d
759   
760    USE pegrid
761   
762    USE control_parameters,                                                    &
763        ONLY:  simulated_time_chr
764
765    IMPLICIT NONE
766
767    INTEGER(iwp) ::  k  !:
768   
769    REAL(wp) ::  alpha 
770    REAL(wp) ::  energy 
771    REAL(wp) ::  umax
772    REAL(wp) ::  uv_total 
773    REAL(wp) ::  vmax
774
775!
776!-- Output
777    IF ( myid == 0 )  THEN
778!
779!--    If necessary, write header
780       IF ( .NOT. run_control_header_1d )  THEN
781          CALL check_open( 15 )
782          WRITE ( 15, 100 )
783          run_control_header_1d = .TRUE.
784       ENDIF
785
786!
787!--    Compute control quantities
788!--    grid level nzp is excluded due to mirror boundary condition
789       umax = 0.0_wp; vmax = 0.0_wp; energy = 0.0_wp
790       DO  k = nzb+1, nzt+1
791          umax = MAX( ABS( umax ), ABS( u1d(k) ) )
792          vmax = MAX( ABS( vmax ), ABS( v1d(k) ) )
793          energy = energy + 0.5_wp * ( u1d(k)**2 + v1d(k)**2 )
794       ENDDO
795       energy = energy / REAL( nzt - nzb + 1, KIND=wp )
796
797       uv_total = SQRT( u1d(nzb+1)**2 + v1d(nzb+1)**2 )
798       IF ( ABS( v1d(nzb+1) ) .LT. 1.0E-5_wp )  THEN
799          alpha = ACOS( SIGN( 1.0_wp , u1d(nzb+1) ) )
800       ELSE
801          alpha = ACOS( u1d(nzb+1) / uv_total )
802          IF ( v1d(nzb+1) <= 0.0_wp )  alpha = 2.0_wp * pi - alpha
803       ENDIF
804       alpha = alpha / ( 2.0_wp * pi ) * 360.0_wp
805
806       WRITE ( 15, 101 )  current_timestep_number_1d, simulated_time_chr, &
807                          dt_1d, umax, vmax, us1d, alpha, energy
808!
809!--    Write buffer contents to disc immediately
810       CALL local_flush( 15 )
811
812    ENDIF
813
814!
815!-- formats
816100 FORMAT (///'1D-Zeitschrittkontrollausgaben:'/ &
817              &'------------------------------'// &
818           &'ITER.  HH:MM:SS    DT      UMAX   VMAX    U*   ALPHA   ENERG.'/ &
819           &'-------------------------------------------------------------')
820101 FORMAT (I5,2X,A9,1X,F6.2,2X,F6.2,1X,F6.2,2X,F5.3,2X,F5.1,2X,F7.2)
821
822
823 END SUBROUTINE run_control_1d
824
825
826
827 SUBROUTINE timestep_1d
828
829!------------------------------------------------------------------------------!
830! Description:
831! ------------
832! Compute the time step w.r.t. the diffusion criterion
833!------------------------------------------------------------------------------!
834
835    USE arrays_3d,                                                             &
836        ONLY:  dzu, zu
837       
838    USE indices,                                                               &
839        ONLY:  nzb, nzt
840   
841    USE kinds
842   
843    USE model_1d,                                                              &
844        ONLY:  dt_1d, dt_max_1d, km1d, old_dt_1d, stop_dt_1d
845   
846    USE pegrid
847   
848    USE control_parameters,                                                              &
849        ONLY:  message_string
850
851    IMPLICIT NONE
852
853    INTEGER(iwp) ::  k !:
854   
855    REAL(wp) ::  div      !:
856    REAL(wp) ::  dt_diff  !:
857    REAL(wp) ::  fac      !:
858    REAL(wp) ::  value    !:
859
860
861!
862!-- Compute the currently feasible time step according to the diffusion
863!-- criterion. At nzb+1 the half grid length is used.
864    fac = 0.35_wp
865    dt_diff = dt_max_1d
866    DO  k = nzb+2, nzt
867       value   = fac * dzu(k) * dzu(k) / ( km1d(k) + 1E-20_wp )
868       dt_diff = MIN( value, dt_diff )
869    ENDDO
870    value   = fac * zu(nzb+1) * zu(nzb+1) / ( km1d(nzb+1) + 1E-20_wp )
871    dt_1d = MIN( value, dt_diff )
872
873!
874!-- Set flag when the time step becomes too small
875    IF ( dt_1d < ( 0.00001_wp * dt_max_1d ) )  THEN
876       stop_dt_1d = .TRUE.
877
878       WRITE( message_string, * ) 'timestep has exceeded the lower limit &', &
879                                  'dt_1d = ',dt_1d,' s   simulation stopped!'
880       CALL message( 'timestep_1d', 'PA0192', 1, 2, 0, 6, 0 )
881       
882    ENDIF
883
884!
885!-- A more or less simple new time step value is obtained taking only the
886!-- first two significant digits
887    div = 1000.0_wp
888    DO  WHILE ( dt_1d < div )
889       div = div / 10.0_wp
890    ENDDO
891    dt_1d = NINT( dt_1d * 100.0_wp / div ) * div / 100.0_wp
892
893    old_dt_1d = dt_1d
894
895
896 END SUBROUTINE timestep_1d
897
898
899
900 SUBROUTINE print_1d_model
901
902!------------------------------------------------------------------------------!
903! Description:
904! ------------
905! List output of profiles from the 1D-model
906!------------------------------------------------------------------------------!
907
908    USE arrays_3d,                                                             &
909        ONLY:  pt_init, zu
910       
911    USE indices,                                                               &
912        ONLY:  nzb, nzt
913       
914    USE kinds
915   
916    USE model_1d,                                                              &
917        ONLY:  e1d, kh1d, km1d, l1d, rif1d, u1d, v1d
918   
919    USE pegrid
920   
921    USE control_parameters,                                                    &
922        ONLY:  run_description_header, simulated_time_chr
923
924    IMPLICIT NONE
925
926
927    INTEGER(iwp) ::  k  !:
928
929
930    IF ( myid == 0 )  THEN
931!
932!--    Open list output file for profiles from the 1D-model
933       CALL check_open( 17 )
934
935!
936!--    Write Header
937       WRITE ( 17, 100 )  TRIM( run_description_header ), &
938                          TRIM( simulated_time_chr )
939       WRITE ( 17, 101 )
940
941!
942!--    Write the values
943       WRITE ( 17, 102 )
944       WRITE ( 17, 101 )
945       DO  k = nzt+1, nzb, -1
946          WRITE ( 17, 103)  k, zu(k), u1d(k), v1d(k), pt_init(k), e1d(k), &
947                            rif1d(k), km1d(k), kh1d(k), l1d(k), zu(k), k
948       ENDDO
949       WRITE ( 17, 101 )
950       WRITE ( 17, 102 )
951       WRITE ( 17, 101 )
952
953!
954!--    Write buffer contents to disc immediately
955       CALL local_flush( 17 )
956
957    ENDIF
958
959!
960!-- Formats
961100 FORMAT (//1X,A/1X,10('-')/' 1d-model profiles'/ &
962            ' Time: ',A)
963101 FORMAT (1X,79('-'))
964102 FORMAT ('   k     zu      u      v     pt      e    rif    Km    Kh     ', &
965            'l      zu      k')
966103 FORMAT (1X,I4,1X,F7.1,1X,F6.2,1X,F6.2,1X,F6.2,1X,F6.2,1X,F5.2,1X,F5.2, &
967            1X,F5.2,1X,F6.2,1X,F7.1,2X,I4)
968
969
970 END SUBROUTINE print_1d_model
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.