source: palm/trunk/SOURCE/init_1d_model.f90 @ 1682

Last change on this file since 1682 was 1682, checked in by knoop, 9 years ago

Code annotations made doxygen readable

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 35.5 KB
Line 
1!> @file init_1d_model.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 terms
6! of the GNU General Public License as published by the Free Software Foundation,
7! either version 3 of the License, or (at your option) any later version.
8!
9! PALM is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY
10! WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR
11! A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License for more details.
12!
13! You should have received a copy of the GNU General Public License along with
14! PALM. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
15!
16! Copyright 1997-2014 Leibniz Universitaet Hannover
17!--------------------------------------------------------------------------------!
18!
19! Current revisions:
20! -----------------
21! Code annotations made doxygen readable
22!
23! Former revisions:
24! -----------------
25! $Id: init_1d_model.f90 1682 2015-10-07 23:56:08Z knoop $
26!
27! 1353 2014-04-08 15:21:23Z heinze
28! REAL constants provided with KIND-attribute
29!
30! 1346 2014-03-27 13:18:20Z heinze
31! Bugfix: REAL constants provided with KIND-attribute especially in call of
32! intrinsic function like MAX, MIN, SIGN
33!
34! 1322 2014-03-20 16:38:49Z raasch
35! REAL functions provided with KIND-attribute
36!
37! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
38! ONLY-attribute added to USE-statements,
39! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
40! kinds are defined in new module kinds,
41! revision history before 2012 removed,
42! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
43! all variable declaration statements
44!
45! 1036 2012-10-22 13:43:42Z raasch
46! code put under GPL (PALM 3.9)
47!
48! 1015 2012-09-27 09:23:24Z raasch
49! adjustment of mixing length to the Prandtl mixing length at first grid point
50! above ground removed
51!
52! 1001 2012-09-13 14:08:46Z raasch
53! all actions concerning leapfrog scheme removed
54!
55! 996 2012-09-07 10:41:47Z raasch
56! little reformatting
57!
58! 978 2012-08-09 08:28:32Z fricke
59! roughness length for scalar quantities z0h1d added
60!
61! Revision 1.1  1998/03/09 16:22:10  raasch
62! Initial revision
63!
64!
65! Description:
66! ------------
67!> 1D-model to initialize the 3D-arrays.
68!> The temperature profile is set as steady and a corresponding steady solution
69!> of the wind profile is being computed.
70!> All subroutines required can be found within this file.
71!------------------------------------------------------------------------------!
72 SUBROUTINE init_1d_model
73 
74
75    USE arrays_3d,                                                             &
76        ONLY:  l_grid, ug, u_init, vg, v_init, zu
77   
78    USE indices,                                                               &
79        ONLY:  nzb, nzt
80   
81    USE kinds
82   
83    USE model_1d,                                                              &
84        ONLY:  e1d, e1d_p, kh1d, km1d, l1d, l_black, qs1d, rif1d,              &
85               simulated_time_1d, te_e, te_em, te_u, te_um, te_v, te_vm, ts1d, &
86               u1d, u1d_p, us1d, usws1d, v1d, v1d_p, vsws1d, z01d, z0h1d
87   
88    USE control_parameters,                                                    &
89        ONLY:  constant_diffusion, f, humidity, kappa, km_constant,            &
90               mixing_length_1d, passive_scalar, prandtl_layer,                &
91               prandtl_number, roughness_length, simulated_time_chr,           &
92               z0h_factor
93
94    IMPLICIT NONE
95
96    CHARACTER (LEN=9) ::  time_to_string  !<
97   
98    INTEGER(iwp) ::  k  !<
99   
100    REAL(wp) ::  lambda !<
101
102!
103!-- Allocate required 1D-arrays
104    ALLOCATE( e1d(nzb:nzt+1),    e1d_p(nzb:nzt+1),                             &
105              kh1d(nzb:nzt+1),   km1d(nzb:nzt+1),                              &
106              l_black(nzb:nzt+1), l1d(nzb:nzt+1),                              &
107              rif1d(nzb:nzt+1),   te_e(nzb:nzt+1),                             &
108              te_em(nzb:nzt+1),  te_u(nzb:nzt+1),    te_um(nzb:nzt+1),         &
109              te_v(nzb:nzt+1),   te_vm(nzb:nzt+1),    u1d(nzb:nzt+1),          &
110              u1d_p(nzb:nzt+1),  v1d(nzb:nzt+1),                               &
111              v1d_p(nzb:nzt+1) )
112
113!
114!-- Initialize arrays
115    IF ( constant_diffusion )  THEN
116       km1d = km_constant
117       kh1d = km_constant / prandtl_number
118    ELSE
119       e1d = 0.0_wp; e1d_p = 0.0_wp
120       kh1d = 0.0_wp; km1d = 0.0_wp
121       rif1d = 0.0_wp
122!
123!--    Compute the mixing length
124       l_black(nzb) = 0.0_wp
125
126       IF ( TRIM( mixing_length_1d ) == 'blackadar' )  THEN
127!
128!--       Blackadar mixing length
129          IF ( f /= 0.0_wp )  THEN
130             lambda = 2.7E-4_wp * SQRT( ug(nzt+1)**2 + vg(nzt+1)**2 ) /        &
131                               ABS( f ) + 1E-10_wp
132          ELSE
133             lambda = 30.0_wp
134          ENDIF
135
136          DO  k = nzb+1, nzt+1
137             l_black(k) = kappa * zu(k) / ( 1.0_wp + kappa * zu(k) / lambda )
138          ENDDO
139
140       ELSEIF ( TRIM( mixing_length_1d ) == 'as_in_3d_model' )  THEN
141!
142!--       Use the same mixing length as in 3D model
143          l_black(1:nzt) = l_grid
144          l_black(nzt+1) = l_black(nzt)
145
146       ENDIF
147    ENDIF
148    l1d   = l_black
149    u1d   = u_init
150    u1d_p = u_init
151    v1d   = v_init
152    v1d_p = v_init
153
154!
155!-- Set initial horizontal velocities at the lowest grid levels to a very small
156!-- value in order to avoid too small time steps caused by the diffusion limit
157!-- in the initial phase of a run (at k=1, dz/2 occurs in the limiting formula!)
158    u1d(0:1)   = 0.1_wp
159    u1d_p(0:1) = 0.1_wp
160    v1d(0:1)   = 0.1_wp
161    v1d_p(0:1) = 0.1_wp
162
163!
164!-- For u*, theta* and the momentum fluxes plausible values are set
165    IF ( prandtl_layer )  THEN
166       us1d = 0.1_wp   ! without initial friction the flow would not change
167    ELSE
168       e1d(nzb+1)  = 1.0_wp
169       km1d(nzb+1) = 1.0_wp
170       us1d = 0.0_wp
171    ENDIF
172    ts1d = 0.0_wp
173    usws1d = 0.0_wp
174    vsws1d = 0.0_wp
175    z01d  = roughness_length
176    z0h1d = z0h_factor * z01d 
177    IF ( humidity .OR. passive_scalar )  qs1d = 0.0_wp
178
179!
180!-- Tendencies must be preset in order to avoid runtime errors within the
181!-- first Runge-Kutta step
182    te_em = 0.0_wp
183    te_um = 0.0_wp
184    te_vm = 0.0_wp
185
186!
187!-- Set start time in hh:mm:ss - format
188    simulated_time_chr = time_to_string( simulated_time_1d )
189
190!
191!-- Integrate the 1D-model equations using the leap-frog scheme
192    CALL time_integration_1d
193
194
195 END SUBROUTINE init_1d_model
196
197
198
199!------------------------------------------------------------------------------!
200! Description:
201! ------------
202!> Leap-frog time differencing scheme for the 1D-model.
203!------------------------------------------------------------------------------!
204 
205 SUBROUTINE time_integration_1d
206
207
208    USE arrays_3d,                                                             &
209        ONLY:  dd2zu, ddzu, ddzw, l_grid, pt_init, q_init, ug, vg, zu
210       
211    USE control_parameters,                                                    &
212        ONLY:  constant_diffusion, dissipation_1d, humidity,                   &
213               intermediate_timestep_count, intermediate_timestep_count_max,   &
214               f, g, ibc_e_b, kappa, mixing_length_1d, passive_scalar,         &
215               prandtl_layer, rif_max, rif_min, simulated_time_chr,            &
216               timestep_scheme, tsc
217               
218    USE indices,                                                               &
219        ONLY:  nzb, nzb_diff, nzt
220       
221    USE kinds
222   
223    USE model_1d,                                                              &
224        ONLY:  current_timestep_number_1d, damp_level_ind_1d, dt_1d,           &
225               dt_pr_1d, dt_run_control_1d, e1d, e1d_p, end_time_1d,           &
226               kh1d, km1d, l1d, l_black, qs1d, rif1d, simulated_time_1d,       &
227               stop_dt_1d, te_e, te_em, te_u, te_um, te_v, te_vm, time_pr_1d,  &
228               ts1d, time_run_control_1d, u1d, u1d_p, us1d, usws1d, v1d,       &
229               v1d_p, vsws1d, z01d, z0h1d
230       
231    USE pegrid
232
233    IMPLICIT NONE
234
235    CHARACTER (LEN=9) ::  time_to_string  !<
236   
237    INTEGER(iwp) ::  k  !<
238   
239    REAL(wp) ::  a            !<
240    REAL(wp) ::  b            !<
241    REAL(wp) ::  dissipation  !<
242    REAL(wp) ::  dpt_dz       !<
243    REAL(wp) ::  flux         !<
244    REAL(wp) ::  kmzm         !<
245    REAL(wp) ::  kmzp         !<
246    REAL(wp) ::  l_stable     !<
247    REAL(wp) ::  pt_0         !<
248    REAL(wp) ::  uv_total     !<
249
250!
251!-- Determine the time step at the start of a 1D-simulation and
252!-- determine and printout quantities used for run control
253    CALL timestep_1d
254    CALL run_control_1d
255
256!
257!-- Start of time loop
258    DO  WHILE ( simulated_time_1d < end_time_1d  .AND.  .NOT. stop_dt_1d )
259
260!
261!--    Depending on the timestep scheme, carry out one or more intermediate
262!--    timesteps
263
264       intermediate_timestep_count = 0
265       DO  WHILE ( intermediate_timestep_count < &
266                   intermediate_timestep_count_max )
267
268          intermediate_timestep_count = intermediate_timestep_count + 1
269
270          CALL timestep_scheme_steering
271
272!
273!--       Compute all tendency terms. If a Prandtl-layer is simulated, k starts
274!--       at nzb+2.
275          DO  k = nzb_diff, nzt
276
277             kmzm = 0.5_wp * ( km1d(k-1) + km1d(k) )
278             kmzp = 0.5_wp * ( km1d(k) + km1d(k+1) )
279!
280!--          u-component
281             te_u(k) =  f * ( v1d(k) - vg(k) ) + ( &
282                              kmzp * ( u1d(k+1) - u1d(k) ) * ddzu(k+1) &
283                            - kmzm * ( u1d(k) - u1d(k-1) ) * ddzu(k)   &
284                                                 ) * ddzw(k)
285!
286!--          v-component
287             te_v(k) = -f * ( u1d(k) - ug(k) ) + (                     &
288                              kmzp * ( v1d(k+1) - v1d(k) ) * ddzu(k+1) &
289                            - kmzm * ( v1d(k) - v1d(k-1) ) * ddzu(k)   &
290                                                 ) * ddzw(k)
291          ENDDO
292          IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
293             DO  k = nzb_diff, nzt
294!
295!--             TKE
296                kmzm = 0.5_wp * ( km1d(k-1) + km1d(k) )
297                kmzp = 0.5_wp * ( km1d(k) + km1d(k+1) )
298                IF ( .NOT. humidity )  THEN
299                   pt_0 = pt_init(k)
300                   flux =  ( pt_init(k+1)-pt_init(k-1) ) * dd2zu(k)
301                ELSE
302                   pt_0 = pt_init(k) * ( 1.0_wp + 0.61_wp * q_init(k) )
303                   flux = ( ( pt_init(k+1) - pt_init(k-1) ) +                  &
304                            0.61_wp * pt_init(k) *                             &
305                            ( q_init(k+1) - q_init(k-1) ) ) * dd2zu(k)
306                ENDIF
307
308                IF ( dissipation_1d == 'detering' )  THEN
309!
310!--                According to Detering, c_e=0.064
311                   dissipation = 0.064_wp * e1d(k) * SQRT( e1d(k) ) / l1d(k)
312                ELSEIF ( dissipation_1d == 'as_in_3d_model' )  THEN
313                   dissipation = ( 0.19_wp + 0.74_wp * l1d(k) / l_grid(k) )    &
314                                 * e1d(k) * SQRT( e1d(k) ) / l1d(k)
315                ENDIF
316
317                te_e(k) = km1d(k) * ( ( ( u1d(k+1) - u1d(k-1) ) * dd2zu(k) )**2&
318                                    + ( ( v1d(k+1) - v1d(k-1) ) * dd2zu(k) )**2&
319                                    )                                          &
320                                    - g / pt_0 * kh1d(k) * flux                &
321                                    +            (                             &
322                                     kmzp * ( e1d(k+1) - e1d(k) ) * ddzu(k+1)  &
323                                   - kmzm * ( e1d(k) - e1d(k-1) ) * ddzu(k)    &
324                                                 ) * ddzw(k)                   &
325                                   - dissipation
326             ENDDO
327          ENDIF
328
329!
330!--       Tendency terms at the top of the Prandtl-layer.
331!--       Finite differences of the momentum fluxes are computed using half the
332!--       normal grid length (2.0*ddzw(k)) for the sake of enhanced accuracy
333          IF ( prandtl_layer )  THEN
334
335             k = nzb+1
336             kmzm = 0.5_wp * ( km1d(k-1) + km1d(k) )
337             kmzp = 0.5_wp * ( km1d(k) + km1d(k+1) )
338             IF ( .NOT. humidity )  THEN
339                pt_0 = pt_init(k)
340                flux =  ( pt_init(k+1)-pt_init(k-1) ) * dd2zu(k)
341             ELSE
342                pt_0 = pt_init(k) * ( 1.0_wp + 0.61_wp * q_init(k) )
343                flux = ( ( pt_init(k+1) - pt_init(k-1) ) +                     &
344                         0.61_wp * pt_init(k) * ( q_init(k+1) - q_init(k-1) )  &
345                       ) * dd2zu(k)
346             ENDIF
347
348             IF ( dissipation_1d == 'detering' )  THEN
349!
350!--             According to Detering, c_e=0.064
351                dissipation = 0.064_wp * e1d(k) * SQRT( e1d(k) ) / l1d(k)
352             ELSEIF ( dissipation_1d == 'as_in_3d_model' )  THEN
353                dissipation = ( 0.19_wp + 0.74_wp * l1d(k) / l_grid(k) )       &
354                              * e1d(k) * SQRT( e1d(k) ) / l1d(k)
355             ENDIF
356
357!
358!--          u-component
359             te_u(k) = f * ( v1d(k) - vg(k) ) + (                              &
360                       kmzp * ( u1d(k+1) - u1d(k) ) * ddzu(k+1) + usws1d       &
361                                                ) * 2.0_wp * ddzw(k)
362!
363!--          v-component
364             te_v(k) = -f * ( u1d(k) - ug(k) ) + (                             &
365                       kmzp * ( v1d(k+1) - v1d(k) ) * ddzu(k+1) + vsws1d       &
366                                                 ) * 2.0_wp * ddzw(k)
367!
368!--          TKE
369             te_e(k) = km1d(k) * ( ( ( u1d(k+1) - u1d(k-1) ) * dd2zu(k) )**2   &
370                                 + ( ( v1d(k+1) - v1d(k-1) ) * dd2zu(k) )**2   &
371                                 )                                             &
372                                 - g / pt_0 * kh1d(k) * flux                   &
373                                 +           (                                 &
374                                  kmzp * ( e1d(k+1) - e1d(k) ) * ddzu(k+1)     &
375                                - kmzm * ( e1d(k) - e1d(k-1) ) * ddzu(k)       &
376                                              ) * ddzw(k)                      &
377                                - dissipation
378          ENDIF
379
380!
381!--       Prognostic equations for all 1D variables
382          DO  k = nzb+1, nzt
383
384             u1d_p(k) = u1d(k) + dt_1d * ( tsc(2) * te_u(k) + &
385                                           tsc(3) * te_um(k) )
386             v1d_p(k) = v1d(k) + dt_1d * ( tsc(2) * te_v(k) + &
387                                           tsc(3) * te_vm(k) )
388
389          ENDDO
390          IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
391             DO  k = nzb+1, nzt
392
393                e1d_p(k) = e1d(k) + dt_1d * ( tsc(2) * te_e(k) + &
394                                              tsc(3) * te_em(k) )
395
396             ENDDO
397!
398!--          Eliminate negative TKE values, which can result from the
399!--          integration due to numerical inaccuracies. In such cases the TKE
400!--          value is reduced to 10 percent of its old value.
401             WHERE ( e1d_p < 0.0_wp )  e1d_p = 0.1_wp * e1d
402          ENDIF
403
404!
405!--       Calculate tendencies for the next Runge-Kutta step
406          IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' ) THEN
407             IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  THEN
408
409                DO  k = nzb+1, nzt
410                   te_um(k) = te_u(k)
411                   te_vm(k) = te_v(k)
412                ENDDO
413
414                IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
415                   DO k = nzb+1, nzt
416                      te_em(k) = te_e(k)
417                   ENDDO
418                ENDIF
419
420             ELSEIF ( intermediate_timestep_count < &
421                         intermediate_timestep_count_max )  THEN
422
423                DO  k = nzb+1, nzt
424                   te_um(k) = -9.5625_wp * te_u(k) + 5.3125_wp * te_um(k)
425                   te_vm(k) = -9.5625_wp * te_v(k) + 5.3125_wp * te_vm(k)
426                ENDDO
427
428                IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
429                   DO k = nzb+1, nzt
430                      te_em(k) = -9.5625_wp * te_e(k) + 5.3125_wp * te_em(k)
431                   ENDDO
432                ENDIF
433
434             ENDIF
435          ENDIF
436
437
438!
439!--       Boundary conditions for the prognostic variables.
440!--       At the top boundary (nzt+1) u,v and e keep their initial values
441!--       (ug(nzt+1), vg(nzt+1), 0), at the bottom boundary the mirror
442!--       boundary condition applies to u and v.
443!--       The boundary condition for e is set further below ( (u*/cm)**2 ).
444         ! u1d_p(nzb) = -u1d_p(nzb+1)
445         ! v1d_p(nzb) = -v1d_p(nzb+1)
446
447          u1d_p(nzb) = 0.0_wp
448          v1d_p(nzb) = 0.0_wp
449
450!
451!--       Swap the time levels in preparation for the next time step.
452          u1d  = u1d_p
453          v1d  = v1d_p
454          IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
455             e1d  = e1d_p
456          ENDIF
457
458!
459!--       Compute diffusion quantities
460          IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
461
462!
463!--          First compute the vertical fluxes in the Prandtl-layer
464             IF ( prandtl_layer )  THEN
465!
466!--             Compute theta* using Rif numbers of the previous time step
467                IF ( rif1d(1) >= 0.0_wp )  THEN
468!
469!--                Stable stratification
470                   ts1d = kappa * ( pt_init(nzb+1) - pt_init(nzb) ) /          &
471                          ( LOG( zu(nzb+1) / z0h1d ) + 5.0_wp * rif1d(nzb+1) * &
472                                          ( zu(nzb+1) - z0h1d ) / zu(nzb+1)    &
473                          )
474                ELSE
475!
476!--                Unstable stratification
477                   a = SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rif1d(nzb+1) )
478                   b = SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rif1d(nzb+1) /                 &
479                       zu(nzb+1) * z0h1d )
480!
481!--                In the borderline case the formula for stable stratification
482!--                must be applied, because otherwise a zero division would
483!--                occur in the argument of the logarithm.
484                   IF ( a == 0.0_wp  .OR.  b == 0.0_wp )  THEN
485                      ts1d = kappa * ( pt_init(nzb+1) - pt_init(nzb) ) /       &
486                             ( LOG( zu(nzb+1) / z0h1d ) +                      &
487                               5.0_wp * rif1d(nzb+1) *                         &
488                               ( zu(nzb+1) - z0h1d ) / zu(nzb+1)               &
489                             )
490                   ELSE
491                      ts1d = kappa * ( pt_init(nzb+1) - pt_init(nzb) ) /       &
492                             LOG( (a-1.0_wp) / (a+1.0_wp) *                    &
493                                  (b+1.0_wp) / (b-1.0_wp) )
494                   ENDIF
495                ENDIF
496
497             ENDIF    ! prandtl_layer
498
499!
500!--          Compute the Richardson-flux numbers,
501!--          first at the top of the Prandtl-layer using u* of the previous
502!--          time step (+1E-30, if u* = 0), then in the remaining area. There
503!--          the rif-numbers of the previous time step are used.
504
505             IF ( prandtl_layer )  THEN
506                IF ( .NOT. humidity )  THEN
507                   pt_0 = pt_init(nzb+1)
508                   flux = ts1d
509                ELSE
510                   pt_0 = pt_init(nzb+1) * ( 1.0_wp + 0.61_wp * q_init(nzb+1) )
511                   flux = ts1d + 0.61_wp * pt_init(k) * qs1d
512                ENDIF
513                rif1d(nzb+1) = zu(nzb+1) * kappa * g * flux / &
514                               ( pt_0 * ( us1d**2 + 1E-30_wp ) )
515             ENDIF
516
517             DO  k = nzb_diff, nzt
518                IF ( .NOT. humidity )  THEN
519                   pt_0 = pt_init(k)
520                   flux = ( pt_init(k+1) - pt_init(k-1) ) * dd2zu(k)
521                ELSE
522                   pt_0 = pt_init(k) * ( 1.0_wp + 0.61_wp * q_init(k) )
523                   flux = ( ( pt_init(k+1) - pt_init(k-1) )                    &
524                            + 0.61_wp * pt_init(k)                             &
525                            * ( q_init(k+1) - q_init(k-1) )                    &
526                          ) * dd2zu(k)
527                ENDIF
528                IF ( rif1d(k) >= 0.0_wp )  THEN
529                   rif1d(k) = g / pt_0 * flux /                                &
530                              (  ( ( u1d(k+1) - u1d(k-1) ) * dd2zu(k) )**2     &
531                               + ( ( v1d(k+1) - v1d(k-1) ) * dd2zu(k) )**2     &
532                               + 1E-30_wp                                      &
533                              )
534                ELSE
535                   rif1d(k) = g / pt_0 * flux /                                &
536                              (  ( ( u1d(k+1) - u1d(k-1) ) * dd2zu(k) )**2     &
537                               + ( ( v1d(k+1) - v1d(k-1) ) * dd2zu(k) )**2     &
538                               + 1E-30_wp                                      &
539                              ) * ( 1.0_wp - 16.0_wp * rif1d(k) )**0.25_wp
540                ENDIF
541             ENDDO
542!
543!--          Richardson-numbers must remain restricted to a realistic value
544!--          range. It is exceeded excessively for very small velocities
545!--          (u,v --> 0).
546             WHERE ( rif1d < rif_min )  rif1d = rif_min
547             WHERE ( rif1d > rif_max )  rif1d = rif_max
548
549!
550!--          Compute u* from the absolute velocity value
551             IF ( prandtl_layer )  THEN
552                uv_total = SQRT( u1d(nzb+1)**2 + v1d(nzb+1)**2 )
553
554                IF ( rif1d(nzb+1) >= 0.0_wp )  THEN
555!
556!--                Stable stratification
557                   us1d = kappa * uv_total / (                                 &
558                             LOG( zu(nzb+1) / z01d ) + 5.0_wp * rif1d(nzb+1) * &
559                                              ( zu(nzb+1) - z01d ) / zu(nzb+1) &
560                                             )
561                ELSE
562!
563!--                Unstable stratification
564                   a = 1.0_wp / SQRT( SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rif1d(nzb+1) ) )
565                   b = 1.0_wp / SQRT( SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rif1d(nzb+1) /  &
566                                                     zu(nzb+1) * z01d ) )
567!
568!--                In the borderline case the formula for stable stratification
569!--                must be applied, because otherwise a zero division would
570!--                occur in the argument of the logarithm.
571                   IF ( a == 1.0_wp  .OR.  b == 1.0_wp )  THEN
572                      us1d = kappa * uv_total / (                              &
573                             LOG( zu(nzb+1) / z01d ) +                         &
574                             5.0_wp * rif1d(nzb+1) * ( zu(nzb+1) - z01d ) /    &
575                                                  zu(nzb+1) )
576                   ELSE
577                      us1d = kappa * uv_total / (                              &
578                                 LOG( (1.0_wp+b) / (1.0_wp-b) * (1.0_wp-a) /   &
579                                      (1.0_wp+a) ) +                           &
580                                 2.0_wp * ( ATAN( b ) - ATAN( a ) )            &
581                                                )
582                   ENDIF
583                ENDIF
584
585!
586!--             Compute the momentum fluxes for the diffusion terms
587                usws1d  = - u1d(nzb+1) / uv_total * us1d**2
588                vsws1d  = - v1d(nzb+1) / uv_total * us1d**2
589
590!
591!--             Boundary condition for the turbulent kinetic energy at the top
592!--             of the Prandtl-layer. c_m = 0.4 according to Detering.
593!--             Additional Neumann condition de/dz = 0 at nzb is set to ensure
594!--             compatibility with the 3D model.
595                IF ( ibc_e_b == 2 )  THEN
596                   e1d(nzb+1) = ( us1d / 0.1_wp )**2
597!                  e1d(nzb+1) = ( us1d / 0.4_wp )**2  !not used so far, see also
598                                                      !prandtl_fluxes
599                ENDIF
600                e1d(nzb) = e1d(nzb+1)
601
602                IF ( humidity .OR. passive_scalar ) THEN
603!
604!--                Compute q*
605                   IF ( rif1d(1) >= 0.0_wp )  THEN
606!
607!--                Stable stratification
608                   qs1d = kappa * ( q_init(nzb+1) - q_init(nzb) ) /            &
609                          ( LOG( zu(nzb+1) / z0h1d ) + 5.0_wp * rif1d(nzb+1) * &
610                                          ( zu(nzb+1) - z0h1d ) / zu(nzb+1)    &
611                          )
612                ELSE
613!
614!--                Unstable stratification
615                   a = SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rif1d(nzb+1) )
616                   b = SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rif1d(nzb+1) /                 &
617                                      zu(nzb+1) * z0h1d )
618!
619!--                In the borderline case the formula for stable stratification
620!--                must be applied, because otherwise a zero division would
621!--                occur in the argument of the logarithm.
622                   IF ( a == 1.0_wp  .OR.  b == 1.0_wp )  THEN
623                      qs1d = kappa * ( q_init(nzb+1) - q_init(nzb) ) /         &
624                             ( LOG( zu(nzb+1) / z0h1d ) +                      &
625                               5.0_wp * rif1d(nzb+1) *                         &
626                               ( zu(nzb+1) - z0h1d ) / zu(nzb+1)               &
627                             )
628                   ELSE
629                      qs1d = kappa * ( q_init(nzb+1) - q_init(nzb) ) /         &
630                             LOG( (a-1.0_wp) / (a+1.0_wp) *                    &
631                                  (b+1.0_wp) / (b-1.0_wp) )
632                   ENDIF
633                ENDIF               
634                ELSE
635                   qs1d = 0.0_wp
636                ENDIF             
637
638             ENDIF   !  prandtl_layer
639
640!
641!--          Compute the diabatic mixing length
642             IF ( mixing_length_1d == 'blackadar' )  THEN
643                DO  k = nzb+1, nzt
644                   IF ( rif1d(k) >= 0.0_wp )  THEN
645                      l1d(k) = l_black(k) / ( 1.0_wp + 5.0_wp * rif1d(k) )
646                   ELSE
647                      l1d(k) = l_black(k) *                                    &
648                               ( 1.0_wp - 16.0_wp * rif1d(k) )**0.25_wp
649                   ENDIF
650                   l1d(k) = l_black(k)
651                ENDDO
652
653             ELSEIF ( mixing_length_1d == 'as_in_3d_model' )  THEN
654                DO  k = nzb+1, nzt
655                   dpt_dz = ( pt_init(k+1) - pt_init(k-1) ) * dd2zu(k)
656                   IF ( dpt_dz > 0.0_wp )  THEN
657                      l_stable = 0.76_wp * SQRT( e1d(k) ) /                    &
658                                     SQRT( g / pt_init(k) * dpt_dz ) + 1E-5_wp
659                   ELSE
660                      l_stable = l_grid(k)
661                   ENDIF
662                   l1d(k) = MIN( l_grid(k), l_stable )
663                ENDDO
664             ENDIF
665
666!
667!--          Compute the diffusion coefficients for momentum via the
668!--          corresponding Prandtl-layer relationship and according to
669!--          Prandtl-Kolmogorov, respectively. The unstable stratification is
670!--          computed via the adiabatic mixing length, for the unstability has
671!--          already been taken account of via the TKE (cf. also Diss.).
672             IF ( prandtl_layer )  THEN
673                IF ( rif1d(nzb+1) >= 0.0_wp )  THEN
674                   km1d(nzb+1) = us1d * kappa * zu(nzb+1) /                    &
675                                 ( 1.0_wp + 5.0_wp * rif1d(nzb+1) )
676                ELSE
677                   km1d(nzb+1) = us1d * kappa * zu(nzb+1) *                    &
678                                 ( 1.0_wp - 16.0_wp * rif1d(nzb+1) )**0.25_wp
679                ENDIF
680             ENDIF
681             DO  k = nzb_diff, nzt
682!                km1d(k) = 0.4 * SQRT( e1d(k) ) !changed: adjustment to 3D-model
683                km1d(k) = 0.1_wp * SQRT( e1d(k) )
684                IF ( rif1d(k) >= 0.0_wp )  THEN
685                   km1d(k) = km1d(k) * l1d(k)
686                ELSE
687                   km1d(k) = km1d(k) * l_black(k)
688                ENDIF
689             ENDDO
690
691!
692!--          Add damping layer
693             DO  k = damp_level_ind_1d+1, nzt+1
694                km1d(k) = 1.1_wp * km1d(k-1)
695                km1d(k) = MIN( km1d(k), 10.0_wp )
696             ENDDO
697
698!
699!--          Compute the diffusion coefficient for heat via the relationship
700!--          kh = phim / phih * km
701             DO  k = nzb+1, nzt
702                IF ( rif1d(k) >= 0.0_wp )  THEN
703                   kh1d(k) = km1d(k)
704                ELSE
705                   kh1d(k) = km1d(k) * ( 1.0_wp - 16.0_wp * rif1d(k) )**0.25_wp
706                ENDIF
707             ENDDO
708
709          ENDIF   ! .NOT. constant_diffusion
710
711       ENDDO   ! intermediate step loop
712
713!
714!--    Increment simulated time and output times
715       current_timestep_number_1d = current_timestep_number_1d + 1
716       simulated_time_1d          = simulated_time_1d + dt_1d
717       simulated_time_chr         = time_to_string( simulated_time_1d )
718       time_pr_1d                 = time_pr_1d          + dt_1d
719       time_run_control_1d        = time_run_control_1d + dt_1d
720
721!
722!--    Determine and print out quantities for run control
723       IF ( time_run_control_1d >= dt_run_control_1d )  THEN
724          CALL run_control_1d
725          time_run_control_1d = time_run_control_1d - dt_run_control_1d
726       ENDIF
727
728!
729!--    Profile output on file
730       IF ( time_pr_1d >= dt_pr_1d )  THEN
731          CALL print_1d_model
732          time_pr_1d = time_pr_1d - dt_pr_1d
733       ENDIF
734
735!
736!--    Determine size of next time step
737       CALL timestep_1d
738
739    ENDDO   ! time loop
740
741
742 END SUBROUTINE time_integration_1d
743
744
745!------------------------------------------------------------------------------!
746! Description:
747! ------------
748!> Compute and print out quantities for run control of the 1D model.
749!------------------------------------------------------------------------------!
750 
751 SUBROUTINE run_control_1d
752
753
754    USE constants,                                                             &
755        ONLY:  pi
756       
757    USE indices,                                                               &
758        ONLY:  nzb, nzt
759       
760    USE kinds
761   
762    USE model_1d,                                                              &
763        ONLY:  current_timestep_number_1d, dt_1d, run_control_header_1d, u1d,  &
764               us1d, v1d
765   
766    USE pegrid
767   
768    USE control_parameters,                                                    &
769        ONLY:  simulated_time_chr
770
771    IMPLICIT NONE
772
773    INTEGER(iwp) ::  k  !<
774   
775    REAL(wp) ::  alpha 
776    REAL(wp) ::  energy 
777    REAL(wp) ::  umax
778    REAL(wp) ::  uv_total 
779    REAL(wp) ::  vmax
780
781!
782!-- Output
783    IF ( myid == 0 )  THEN
784!
785!--    If necessary, write header
786       IF ( .NOT. run_control_header_1d )  THEN
787          CALL check_open( 15 )
788          WRITE ( 15, 100 )
789          run_control_header_1d = .TRUE.
790       ENDIF
791
792!
793!--    Compute control quantities
794!--    grid level nzp is excluded due to mirror boundary condition
795       umax = 0.0_wp; vmax = 0.0_wp; energy = 0.0_wp
796       DO  k = nzb+1, nzt+1
797          umax = MAX( ABS( umax ), ABS( u1d(k) ) )
798          vmax = MAX( ABS( vmax ), ABS( v1d(k) ) )
799          energy = energy + 0.5_wp * ( u1d(k)**2 + v1d(k)**2 )
800       ENDDO
801       energy = energy / REAL( nzt - nzb + 1, KIND=wp )
802
803       uv_total = SQRT( u1d(nzb+1)**2 + v1d(nzb+1)**2 )
804       IF ( ABS( v1d(nzb+1) ) .LT. 1.0E-5_wp )  THEN
805          alpha = ACOS( SIGN( 1.0_wp , u1d(nzb+1) ) )
806       ELSE
807          alpha = ACOS( u1d(nzb+1) / uv_total )
808          IF ( v1d(nzb+1) <= 0.0_wp )  alpha = 2.0_wp * pi - alpha
809       ENDIF
810       alpha = alpha / ( 2.0_wp * pi ) * 360.0_wp
811
812       WRITE ( 15, 101 )  current_timestep_number_1d, simulated_time_chr, &
813                          dt_1d, umax, vmax, us1d, alpha, energy
814!
815!--    Write buffer contents to disc immediately
816       CALL local_flush( 15 )
817
818    ENDIF
819
820!
821!-- formats
822100 FORMAT (///'1D-Zeitschrittkontrollausgaben:'/ &
823              &'------------------------------'// &
824           &'ITER.  HH:MM:SS    DT      UMAX   VMAX    U*   ALPHA   ENERG.'/ &
825           &'-------------------------------------------------------------')
826101 FORMAT (I5,2X,A9,1X,F6.2,2X,F6.2,1X,F6.2,2X,F5.3,2X,F5.1,2X,F7.2)
827
828
829 END SUBROUTINE run_control_1d
830
831
832
833!------------------------------------------------------------------------------!
834! Description:
835! ------------
836!> Compute the time step w.r.t. the diffusion criterion
837!------------------------------------------------------------------------------!
838 
839 SUBROUTINE timestep_1d
840
841
842    USE arrays_3d,                                                             &
843        ONLY:  dzu, zu
844       
845    USE indices,                                                               &
846        ONLY:  nzb, nzt
847   
848    USE kinds
849   
850    USE model_1d,                                                              &
851        ONLY:  dt_1d, dt_max_1d, km1d, old_dt_1d, stop_dt_1d
852   
853    USE pegrid
854   
855    USE control_parameters,                                                              &
856        ONLY:  message_string
857
858    IMPLICIT NONE
859
860    INTEGER(iwp) ::  k !<
861   
862    REAL(wp) ::  div      !<
863    REAL(wp) ::  dt_diff  !<
864    REAL(wp) ::  fac      !<
865    REAL(wp) ::  value    !<
866
867
868!
869!-- Compute the currently feasible time step according to the diffusion
870!-- criterion. At nzb+1 the half grid length is used.
871    fac = 0.35_wp
872    dt_diff = dt_max_1d
873    DO  k = nzb+2, nzt
874       value   = fac * dzu(k) * dzu(k) / ( km1d(k) + 1E-20_wp )
875       dt_diff = MIN( value, dt_diff )
876    ENDDO
877    value   = fac * zu(nzb+1) * zu(nzb+1) / ( km1d(nzb+1) + 1E-20_wp )
878    dt_1d = MIN( value, dt_diff )
879
880!
881!-- Set flag when the time step becomes too small
882    IF ( dt_1d < ( 0.00001_wp * dt_max_1d ) )  THEN
883       stop_dt_1d = .TRUE.
884
885       WRITE( message_string, * ) 'timestep has exceeded the lower limit &', &
886                                  'dt_1d = ',dt_1d,' s   simulation stopped!'
887       CALL message( 'timestep_1d', 'PA0192', 1, 2, 0, 6, 0 )
888       
889    ENDIF
890
891!
892!-- A more or less simple new time step value is obtained taking only the
893!-- first two significant digits
894    div = 1000.0_wp
895    DO  WHILE ( dt_1d < div )
896       div = div / 10.0_wp
897    ENDDO
898    dt_1d = NINT( dt_1d * 100.0_wp / div ) * div / 100.0_wp
899
900    old_dt_1d = dt_1d
901
902
903 END SUBROUTINE timestep_1d
904
905
906
907!------------------------------------------------------------------------------!
908! Description:
909! ------------
910!> List output of profiles from the 1D-model
911!------------------------------------------------------------------------------!
912 
913 SUBROUTINE print_1d_model
914
915
916    USE arrays_3d,                                                             &
917        ONLY:  pt_init, zu
918       
919    USE indices,                                                               &
920        ONLY:  nzb, nzt
921       
922    USE kinds
923   
924    USE model_1d,                                                              &
925        ONLY:  e1d, kh1d, km1d, l1d, rif1d, u1d, v1d
926   
927    USE pegrid
928   
929    USE control_parameters,                                                    &
930        ONLY:  run_description_header, simulated_time_chr
931
932    IMPLICIT NONE
933
934
935    INTEGER(iwp) ::  k  !<
936
937
938    IF ( myid == 0 )  THEN
939!
940!--    Open list output file for profiles from the 1D-model
941       CALL check_open( 17 )
942
943!
944!--    Write Header
945       WRITE ( 17, 100 )  TRIM( run_description_header ), &
946                          TRIM( simulated_time_chr )
947       WRITE ( 17, 101 )
948
949!
950!--    Write the values
951       WRITE ( 17, 102 )
952       WRITE ( 17, 101 )
953       DO  k = nzt+1, nzb, -1
954          WRITE ( 17, 103)  k, zu(k), u1d(k), v1d(k), pt_init(k), e1d(k), &
955                            rif1d(k), km1d(k), kh1d(k), l1d(k), zu(k), k
956       ENDDO
957       WRITE ( 17, 101 )
958       WRITE ( 17, 102 )
959       WRITE ( 17, 101 )
960
961!
962!--    Write buffer contents to disc immediately
963       CALL local_flush( 17 )
964
965    ENDIF
966
967!
968!-- Formats
969100 FORMAT (//1X,A/1X,10('-')/' 1d-model profiles'/ &
970            ' Time: ',A)
971101 FORMAT (1X,79('-'))
972102 FORMAT ('   k     zu      u      v     pt      e    rif    Km    Kh     ', &
973            'l      zu      k')
974103 FORMAT (1X,I4,1X,F7.1,1X,F6.2,1X,F6.2,1X,F6.2,1X,F6.2,1X,F5.2,1X,F5.2, &
975            1X,F5.2,1X,F6.2,1X,F7.1,2X,I4)
976
977
978 END SUBROUTINE print_1d_model
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.