source: palm/trunk/SOURCE/init_3d_model.f90 @ 1430

Last change on this file since 1430 was 1430, checked in by knoop, 10 years ago

last commit documented

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 67.5 KB
Line 
1 SUBROUTINE init_3d_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!
23!
24! Former revisions:
25! -----------------
26! $Id: init_3d_model.f90 1430 2014-07-15 12:57:11Z knoop $
27!
28! 1429 2014-07-15 12:53:45Z knoop
29! Ensemble run capability added to parallel random number generator
30!
31! 1411 2014-05-16 18:01:51Z suehring
32! Initial horizontal velocity profiles were not set to zero at the first vertical
33! grid level in case of non-cyclic lateral boundary conditions.
34!
35! 1406 2014-05-16 13:47:01Z raasch
36! bugfix: setting of initial velocities at k=1 to zero not in case of a
37! no-slip boundary condition for uv
38!
39! 1402 2014-05-09 14:25:13Z raasch
40! location messages modified
41!
42! 1400 2014-05-09 14:03:54Z knoop
43! Parallel random number generator added
44!
45! 1384 2014-05-02 14:31:06Z raasch
46! location messages added
47!
48! 1361 2014-04-16 15:17:48Z hoffmann
49! tend_* removed
50! Bugfix: w_subs is not allocated anymore if it is already allocated
51!
52! 1359 2014-04-11 17:15:14Z hoffmann
53! module lpm_init_mod added to use statements, because lpm_init has become a
54! module
55!
56! 1353 2014-04-08 15:21:23Z heinze
57! REAL constants provided with KIND-attribute
58!
59! 1340 2014-03-25 19:45:13Z kanani
60! REAL constants defined as wp-kind
61!
62! 1322 2014-03-20 16:38:49Z raasch
63! REAL constants defined as wp-kind
64! module interfaces removed
65!
66! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
67! ONLY-attribute added to USE-statements,
68! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
69! kinds are defined in new module kinds,
70! revision history before 2012 removed,
71! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
72! all variable declaration statements
73!
74! 1316 2014-03-17 07:44:59Z heinze
75! Bugfix: allocation of w_subs
76!
77! 1299 2014-03-06 13:15:21Z heinze
78! Allocate w_subs due to extension of large scale subsidence in combination
79! with large scale forcing data (LSF_DATA)
80!
81! 1241 2013-10-30 11:36:58Z heinze
82! Overwrite initial profiles in case of nudging
83! Inititialize shf and qsws in case of large_scale_forcing
84!
85! 1221 2013-09-10 08:59:13Z raasch
86! +rflags_s_inner in copyin statement, use copyin for most arrays instead of
87! copy
88!
89! 1212 2013-08-15 08:46:27Z raasch
90! array tri is allocated and included in data copy statement
91!
92! 1195 2013-07-01 12:27:57Z heinze
93! Bugfix: move allocation of ref_state to parin.f90 and read_var_list.f90
94!
95! 1179 2013-06-14 05:57:58Z raasch
96! allocate and set ref_state to be used in buoyancy terms
97!
98! 1171 2013-05-30 11:27:45Z raasch
99! diss array is allocated with full size if accelerator boards are used
100!
101! 1159 2013-05-21 11:58:22Z fricke
102! -bc_lr_dirneu, bc_lr_neudir, bc_ns_dirneu, bc_ns_neudir
103!
104! 1153 2013-05-10 14:33:08Z raasch
105! diss array is allocated with dummy elements even if it is not needed
106! (required by PGI 13.4 / CUDA 5.0)
107!
108! 1115 2013-03-26 18:16:16Z hoffmann
109! unused variables removed
110!
111! 1113 2013-03-10 02:48:14Z raasch
112! openACC directive modified
113!
114! 1111 2013-03-08 23:54:10Z raasch
115! openACC directives added for pres
116! array diss allocated only if required
117!
118! 1092 2013-02-02 11:24:22Z raasch
119! unused variables removed
120!
121! 1065 2012-11-22 17:42:36Z hoffmann
122! allocation of diss (dissipation rate) in case of turbulence = .TRUE. added
123!
124! 1053 2012-11-13 17:11:03Z hoffmann
125! allocation and initialisation of necessary data arrays for the two-moment
126! cloud physics scheme the two new prognostic equations (nr, qr):
127! +dr, lambda_r, mu_r, sed_*, xr, *s, *sws, *swst, *, *_p, t*_m, *_1, *_2, *_3,
128! +tend_*, prr
129!
130! 1036 2012-10-22 13:43:42Z raasch
131! code put under GPL (PALM 3.9)
132!
133! 1032 2012-10-21 13:03:21Z letzel
134! save memory by not allocating pt_2 in case of neutral = .T.
135!
136! 1025 2012-10-07 16:04:41Z letzel
137! bugfix: swap indices of mask for ghost boundaries
138!
139! 1015 2012-09-27 09:23:24Z raasch
140! mask is set to zero for ghost boundaries
141!
142! 1010 2012-09-20 07:59:54Z raasch
143! cpp switch __nopointer added for pointer free version
144!
145! 1003 2012-09-14 14:35:53Z raasch
146! nxra,nyna, nzta replaced ny nxr, nyn, nzt
147!
148! 1001 2012-09-13 14:08:46Z raasch
149! all actions concerning leapfrog scheme removed
150!
151! 996 2012-09-07 10:41:47Z raasch
152! little reformatting
153!
154! 978 2012-08-09 08:28:32Z fricke
155! outflow damping layer removed
156! roughness length for scalar quantites z0h added
157! damping zone for the potential temperatur in case of non-cyclic lateral
158! boundaries added
159! initialization of ptdf_x, ptdf_y
160! initialization of c_u_m, c_u_m_l, c_v_m, c_v_m_l, c_w_m, c_w_m_l
161!
162! 849 2012-03-15 10:35:09Z raasch
163! init_particles renamed lpm_init
164!
165! 825 2012-02-19 03:03:44Z raasch
166! wang_collision_kernel renamed wang_kernel
167!
168! Revision 1.1  1998/03/09 16:22:22  raasch
169! Initial revision
170!
171!
172! Description:
173! ------------
174! Allocation of arrays and initialization of the 3D model via
175! a) pre-run the 1D model
176! or
177! b) pre-set constant linear profiles
178! or
179! c) read values of a previous run
180!------------------------------------------------------------------------------!
181
182    USE advec_ws
183
184    USE arrays_3d
185   
186    USE cloud_parameters,                                                      &
187        ONLY:  nc_const, precipitation_amount, precipitation_rate, prr
188   
189    USE constants,                                                             &
190        ONLY:  pi
191   
192    USE control_parameters
193   
194    USE grid_variables,                                                        &
195        ONLY:  dx, dy
196   
197    USE indices
198
199    USE lpm_init_mod,                                                          &
200        ONLY:  lpm_init
201   
202    USE kinds
203   
204    USE ls_forcing_mod
205   
206    USE model_1d,                                                              &
207        ONLY:  e1d, kh1d, km1d, l1d, rif1d, u1d, us1d, usws1d, v1d, vsws1d 
208   
209    USE netcdf_control
210   
211    USE particle_attributes,                                                   &
212        ONLY:  particle_advection, use_sgs_for_particles, wang_kernel
213   
214    USE pegrid
215   
216    USE random_function_mod 
217   
218    USE random_generator_parallel,                                             &
219        ONLY:  random_number_parallel, random_seed_parallel, random_dummy,     &
220               id_random_array, seq_random_array
221   
222    USE statistics,                                                            &
223        ONLY:  hom, hom_sum, pr_palm, rmask, spectrum_x, spectrum_y,           &
224               statistic_regions, sums, sums_divnew_l, sums_divold_l, sums_l,  &
225               sums_l_l, sums_up_fraction_l, sums_wsts_bc_l, ts_value,         &
226               weight_pres, weight_substep 
227   
228    USE transpose_indices 
229
230    IMPLICIT NONE
231
232    INTEGER(iwp) ::  i             !:
233    INTEGER(iwp) ::  ind_array(1)  !:
234    INTEGER(iwp) ::  j             !:
235    INTEGER(iwp) ::  k             !:
236    INTEGER(iwp) ::  sr            !:
237
238    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE   ::  ngp_2dh_l  !:
239
240    INTEGER(iwp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  ngp_2dh_outer_l    !:
241    INTEGER(iwp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  ngp_2dh_s_inner_l  !:
242
243    REAL(wp), DIMENSION(1:2) ::  volume_flow_area_l     !:
244    REAL(wp), DIMENSION(1:2) ::  volume_flow_initial_l  !:
245
246    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  ngp_3d_inner_l    !:
247    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  ngp_3d_inner_tmp  !:
248
249
250    CALL location_message( 'allocating arrays', .FALSE. )
251!
252!-- Allocate arrays
253    ALLOCATE( ngp_2dh(0:statistic_regions), ngp_2dh_l(0:statistic_regions), &
254              ngp_3d(0:statistic_regions),                                  &
255              ngp_3d_inner(0:statistic_regions),                            &
256              ngp_3d_inner_l(0:statistic_regions),                          &
257              ngp_3d_inner_tmp(0:statistic_regions),                        &
258              sums_divnew_l(0:statistic_regions),                           &
259              sums_divold_l(0:statistic_regions) )
260    ALLOCATE( dp_smooth_factor(nzb:nzt), rdf(nzb+1:nzt), rdf_sc(nzb+1:nzt) )
261    ALLOCATE( ngp_2dh_outer(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                 &
262              ngp_2dh_outer_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),               &
263              ngp_2dh_s_inner(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),               &
264              ngp_2dh_s_inner_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),             &
265              rmask(nysg:nyng,nxlg:nxrg,0:statistic_regions),               &
266              sums(nzb:nzt+1,pr_palm+max_pr_user),                          &
267              sums_l(nzb:nzt+1,pr_palm+max_pr_user,0:threads_per_task-1),   &
268              sums_l_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions,0:threads_per_task-1), &
269              sums_up_fraction_l(10,3,0:statistic_regions),                 &
270              sums_wsts_bc_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                &
271              ts_value(dots_max,0:statistic_regions) )
272    ALLOCATE( ptdf_x(nxlg:nxrg), ptdf_y(nysg:nyng) )
273
274    ALLOCATE( rif(nysg:nyng,nxlg:nxrg), shf(nysg:nyng,nxlg:nxrg),     &
275              ts(nysg:nyng,nxlg:nxrg), tswst(nysg:nyng,nxlg:nxrg),    &
276              us(nysg:nyng,nxlg:nxrg), usws(nysg:nyng,nxlg:nxrg),     &
277              uswst(nysg:nyng,nxlg:nxrg), vsws(nysg:nyng,nxlg:nxrg),  &
278              vswst(nysg:nyng,nxlg:nxrg), z0(nysg:nyng,nxlg:nxrg),    &
279              z0h(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
280
281    ALLOCATE( d(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr),         &
282              kh(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),    &
283              km(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),    &
284              p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),     &
285              tend(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
286
287#if defined( __nopointer )
288    ALLOCATE( e(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),     &
289              e_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),   &
290              pt(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),    &
291              pt_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),  &
292              u(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),     &
293              u_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),   &
294              v(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),     &
295              v_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),   &
296              w(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),     &
297              w_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),   &
298              te_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),  &
299              tpt_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
300              tu_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),  &
301              tv_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),  &
302              tw_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
303#else
304    ALLOCATE( e_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),   &
305              e_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),   &
306              e_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),   &
307              pt_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),  &
308              pt_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),  &
309              u_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),   &
310              u_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),   &
311              u_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),   &
312              v_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),   &
313              v_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),   &
314              v_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),   &
315              w_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),   &
316              w_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),   &
317              w_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
318    IF ( .NOT. neutral )  THEN
319       ALLOCATE( pt_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
320    ENDIF
321#endif
322
323!
324!-- Following array is required for perturbation pressure within the iterative
325!-- pressure solvers. For the multistep schemes (Runge-Kutta), array p holds
326!-- the weighted average of the substeps and cannot be used in the Poisson
327!-- solver.
328    IF ( psolver == 'sor' )  THEN
329       ALLOCATE( p_loc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
330    ELSEIF ( psolver == 'multigrid' )  THEN
331!
332!--    For performance reasons, multigrid is using one ghost layer only
333       ALLOCATE( p_loc(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
334    ENDIF
335
336!
337!-- Array for storing constant coeffficients of the tridiagonal solver
338    IF ( psolver == 'poisfft' )  THEN
339       ALLOCATE( tri(nxl_z:nxr_z,nys_z:nyn_z,0:nz-1,2) )
340       ALLOCATE( tric(nxl_z:nxr_z,nys_z:nyn_z,0:nz-1) )
341    ENDIF
342
343    IF ( humidity  .OR.  passive_scalar ) THEN
344!
345!--    2D-humidity/scalar arrays
346       ALLOCATE ( qs(nysg:nyng,nxlg:nxrg),   &
347                  qsws(nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
348                  qswst(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
349
350!
351!--    3D-humidity/scalar arrays
352#if defined( __nopointer )
353       ALLOCATE( q(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),   &
354                 q_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
355                 tq_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
356#else
357       ALLOCATE( q_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
358                 q_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
359                 q_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
360#endif
361
362!
363!--    3D-arrays needed for humidity only
364       IF ( humidity )  THEN
365#if defined( __nopointer )
366          ALLOCATE( vpt(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
367#else
368          ALLOCATE( vpt_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
369#endif
370
371          IF ( cloud_physics ) THEN
372
373!
374!--          Liquid water content
375#if defined( __nopointer )
376             ALLOCATE ( ql(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
377#else
378             ALLOCATE ( ql_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
379#endif
380!
381!--          Precipitation amount and rate (only needed if output is switched)
382             ALLOCATE( precipitation_amount(nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
383                       precipitation_rate(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
384
385             IF ( icloud_scheme == 0 )  THEN
386!
387!--             1D-arrays
388                ALLOCATE ( nc_1d(nzb:nzt+1), pt_1d(nzb:nzt+1), &
389                           q_1d(nzb:nzt+1), qc_1d(nzb:nzt+1) ) 
390!
391!--             3D-cloud water content
392#if defined( __nopointer )
393                ALLOCATE( qc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
394#else
395                ALLOCATE( qc_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
396#endif
397
398                IF ( precipitation )  THEN
399!
400!--                1D-arrays
401                   ALLOCATE ( nr_1d(nzb:nzt+1), qr_1d(nzb:nzt+1) ) 
402
403!
404!--                2D-rain water content and rain drop concentration arrays
405                   ALLOCATE ( qrs(nysg:nyng,nxlg:nxrg),                 &
406                              qrsws(nysg:nyng,nxlg:nxrg),               &
407                              qrswst(nysg:nyng,nxlg:nxrg),              &
408                              nrs(nysg:nyng,nxlg:nxrg),                 &
409                              nrsws(nysg:nyng,nxlg:nxrg),               &
410                              nrswst(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
411!
412!--                3D-rain water content, rain drop concentration arrays
413#if defined( __nopointer )
414                   ALLOCATE( nr(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),         &
415                             nr_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),       &
416                             qr(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),         &
417                             qr_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),       &
418                             tnr_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),      &
419                             tqr_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
420#else
421                   ALLOCATE( nr_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),       &
422                             nr_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),       &
423                             nr_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),       &
424                             qr_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),       &
425                             qr_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),       &
426                             qr_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
427#endif
428!
429!--                3d-precipitation rate
430                   ALLOCATE( prr(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
431                ENDIF
432
433             ENDIF
434          ENDIF
435
436          IF ( cloud_droplets )  THEN
437!
438!--          Liquid water content, change in liquid water content
439#if defined( __nopointer )
440             ALLOCATE ( ql(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
441                        ql_c(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
442#else
443             ALLOCATE ( ql_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
444                        ql_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
445#endif
446!
447!--          Real volume of particles (with weighting), volume of particles
448             ALLOCATE ( ql_v(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
449                        ql_vp(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
450          ENDIF
451
452       ENDIF
453
454    ENDIF
455
456    IF ( ocean )  THEN
457       ALLOCATE( saswsb(nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
458                 saswst(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
459#if defined( __nopointer )
460       ALLOCATE( prho(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),   &
461                 rho(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),    &
462                 sa(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),     &
463                 sa_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),   &
464                 tsa_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
465#else
466       ALLOCATE( prho_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
467                 rho_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),  &
468                 sa_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),   &
469                 sa_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),   &
470                 sa_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
471       prho => prho_1
472       rho  => rho_1  ! routines calc_mean_profile and diffusion_e require
473                      ! density to be apointer
474#endif
475       IF ( humidity_remote )  THEN
476          ALLOCATE( qswst_remote(nysg:nyng,nxlg:nxrg))
477          qswst_remote = 0.0_wp
478       ENDIF
479    ENDIF
480
481!
482!-- 3D-array for storing the dissipation, needed for calculating the sgs
483!-- particle velocities
484    IF ( use_sgs_for_particles  .OR.  wang_kernel  .OR.  turbulence  .OR.  &
485         num_acc_per_node > 0 )  THEN
486       ALLOCATE( diss(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
487    ENDIF
488
489    IF ( dt_dosp /= 9999999.9_wp )  THEN
490       ALLOCATE( spectrum_x( 1:nx/2, 1:10, 1:10 ), &
491                 spectrum_y( 1:ny/2, 1:10, 1:10 ) )
492       spectrum_x = 0.0_wp
493       spectrum_y = 0.0_wp
494    ENDIF
495
496!
497!-- 1D-array for large scale subsidence velocity
498    IF ( .NOT. ALLOCATED( w_subs ) )  THEN
499       ALLOCATE ( w_subs(nzb:nzt+1) )
500       w_subs = 0.0_wp
501    ENDIF
502
503!
504!-- ID-array and state-space-array for the parallel random number generator
505    IF ( random_generator == 'random-parallel' )  THEN
506       ALLOCATE ( seq_random_array(5,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
507       ALLOCATE ( id_random_array(0:ny,0:nx) )
508       seq_random_array = 0
509       id_random_array  = 0
510    ENDIF
511   
512!
513!-- 3D-arrays for the leaf area density and the canopy drag coefficient
514    IF ( plant_canopy ) THEN
515       ALLOCATE ( lad_s(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),  &
516                  lad_u(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),  &
517                  lad_v(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),  &
518                  lad_w(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),  &
519                  cdc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
520
521       IF ( passive_scalar ) THEN
522          ALLOCATE ( sls(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),  &
523                     sec(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ) 
524       ENDIF
525
526       IF ( cthf /= 0.0_wp ) THEN
527          ALLOCATE ( lai(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),  &
528                     canopy_heat_flux(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
529       ENDIF
530
531    ENDIF
532
533!
534!-- 4D-array for storing the Rif-values at vertical walls
535    IF ( topography /= 'flat' )  THEN
536       ALLOCATE( rif_wall(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg,1:4) )
537       rif_wall = 0.0_wp
538    ENDIF
539
540!
541!-- Arrays to store velocity data from t-dt and the phase speeds which
542!-- are needed for radiation boundary conditions
543    IF ( outflow_l )  THEN
544       ALLOCATE( u_m_l(nzb:nzt+1,nysg:nyng,1:2), &
545                 v_m_l(nzb:nzt+1,nysg:nyng,0:1), &
546                 w_m_l(nzb:nzt+1,nysg:nyng,0:1) )
547    ENDIF
548    IF ( outflow_r )  THEN
549       ALLOCATE( u_m_r(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nx-1:nx), &
550                 v_m_r(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nx-1:nx), &
551                 w_m_r(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nx-1:nx) )
552    ENDIF
553    IF ( outflow_l  .OR.  outflow_r )  THEN
554       ALLOCATE( c_u(nzb:nzt+1,nysg:nyng), c_v(nzb:nzt+1,nysg:nyng), &
555                 c_w(nzb:nzt+1,nysg:nyng) )
556    ENDIF
557    IF ( outflow_s )  THEN
558       ALLOCATE( u_m_s(nzb:nzt+1,0:1,nxlg:nxrg), &
559                 v_m_s(nzb:nzt+1,1:2,nxlg:nxrg), &
560                 w_m_s(nzb:nzt+1,0:1,nxlg:nxrg) )
561    ENDIF
562    IF ( outflow_n )  THEN
563       ALLOCATE( u_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny,nxlg:nxrg), &
564                 v_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny,nxlg:nxrg), &
565                 w_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny,nxlg:nxrg) )
566    ENDIF
567    IF ( outflow_s  .OR.  outflow_n )  THEN
568       ALLOCATE( c_u(nzb:nzt+1,nxlg:nxrg), c_v(nzb:nzt+1,nxlg:nxrg), &
569                 c_w(nzb:nzt+1,nxlg:nxrg) )
570    ENDIF
571    IF ( outflow_l  .OR.  outflow_r  .OR.  outflow_s  .OR.  outflow_n )  THEN
572       ALLOCATE( c_u_m_l(nzb:nzt+1), c_v_m_l(nzb:nzt+1), c_w_m_l(nzb:nzt+1) )                   
573       ALLOCATE( c_u_m(nzb:nzt+1), c_v_m(nzb:nzt+1), c_w_m(nzb:nzt+1) )
574    ENDIF
575
576
577#if ! defined( __nopointer )
578!
579!-- Initial assignment of the pointers
580    e  => e_1;   e_p  => e_2;   te_m  => e_3
581    IF ( .NOT. neutral )  THEN
582       pt => pt_1;  pt_p => pt_2;  tpt_m => pt_3
583    ELSE
584       pt => pt_1;  pt_p => pt_1;  tpt_m => pt_3
585    ENDIF
586    u  => u_1;   u_p  => u_2;   tu_m  => u_3
587    v  => v_1;   v_p  => v_2;   tv_m  => v_3
588    w  => w_1;   w_p  => w_2;   tw_m  => w_3
589
590    IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
591       q => q_1;  q_p => q_2;  tq_m => q_3
592       IF ( humidity )  THEN
593          vpt  => vpt_1   
594          IF ( cloud_physics )  THEN
595             ql => ql_1
596             IF ( icloud_scheme == 0 )  THEN
597                qc => qc_1
598                IF ( precipitation )  THEN
599                   qr => qr_1;  qr_p  => qr_2;  tqr_m  => qr_3
600                   nr => nr_1;  nr_p  => nr_2;  tnr_m  => nr_3
601                ENDIF
602             ENDIF
603          ENDIF
604       ENDIF
605       IF ( cloud_droplets )  THEN
606          ql   => ql_1
607          ql_c => ql_2
608       ENDIF
609    ENDIF
610
611    IF ( ocean )  THEN
612       sa => sa_1;  sa_p => sa_2;  tsa_m => sa_3
613    ENDIF
614#endif
615
616!
617!-- Allocate arrays containing the RK coefficient for calculation of
618!-- perturbation pressure and turbulent fluxes. At this point values are
619!-- set for pressure calculation during initialization (where no timestep
620!-- is done). Further below the values needed within the timestep scheme
621!-- will be set.
622    ALLOCATE( weight_substep(1:intermediate_timestep_count_max), &
623              weight_pres(1:intermediate_timestep_count_max) )
624    weight_substep = 1.0_wp
625    weight_pres    = 1.0_wp
626    intermediate_timestep_count = 1  ! needed when simulated_time = 0.0
627       
628    CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
629!
630!-- Initialize model variables
631    IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data'  .AND.  &
632         TRIM( initializing_actions ) /= 'cyclic_fill' )  THEN
633!
634!--    First model run of a possible job queue.
635!--    Initial profiles of the variables must be computes.
636       IF ( INDEX( initializing_actions, 'set_1d-model_profiles' ) /= 0 )  THEN
637
638          CALL location_message( 'initializing with 1D model profiles', .FALSE. )
639!
640!--       Use solutions of the 1D model as initial profiles,
641!--       start 1D model
642          CALL init_1d_model
643!
644!--       Transfer initial profiles to the arrays of the 3D model
645          DO  i = nxlg, nxrg
646             DO  j = nysg, nyng
647                e(:,j,i)  = e1d
648                kh(:,j,i) = kh1d
649                km(:,j,i) = km1d
650                pt(:,j,i) = pt_init
651                u(:,j,i)  = u1d
652                v(:,j,i)  = v1d
653             ENDDO
654          ENDDO
655
656          IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
657             DO  i = nxlg, nxrg
658                DO  j = nysg, nyng
659                   q(:,j,i) = q_init
660                ENDDO
661             ENDDO
662             IF ( cloud_physics  .AND.  icloud_scheme == 0  .AND.              &
663                  precipitation )  THEN
664                DO  i = nxlg, nxrg
665                   DO  j = nysg, nyng
666                      qr(:,j,i) = 0.0_wp
667                      nr(:,j,i) = 0.0_wp
668                   ENDDO
669                ENDDO
670!
671!--             Initialze nc_1d with default value
672                nc_1d(:) = nc_const
673
674             ENDIF
675          ENDIF
676
677          IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
678             DO  i = nxlg, nxrg
679                DO  j = nysg, nyng
680                   e(:,j,i)  = e1d
681                ENDDO
682             ENDDO
683!
684!--          Store initial profiles for output purposes etc.
685             hom(:,1,25,:) = SPREAD( l1d, 2, statistic_regions+1 )
686
687             IF ( prandtl_layer )  THEN
688                rif  = rif1d(nzb+1)
689                ts   = 0.0_wp  ! could actually be computed more accurately in the
690                               ! 1D model. Update when opportunity arises.
691                us   = us1d
692                usws = usws1d
693                vsws = vsws1d
694             ELSE
695                ts   = 0.0_wp  ! must be set, because used in
696                rif  = 0.0_wp  ! flowste
697                us   = 0.0_wp
698                usws = 0.0_wp
699                vsws = 0.0_wp
700             ENDIF
701
702          ELSE
703             e    = 0.0_wp  ! must be set, because used in
704             rif  = 0.0_wp  ! flowste
705             ts   = 0.0_wp
706             us   = 0.0_wp
707             usws = 0.0_wp
708             vsws = 0.0_wp
709          ENDIF
710          uswst = top_momentumflux_u
711          vswst = top_momentumflux_v
712
713!
714!--       In every case qs = 0.0 (see also pt)
715!--       This could actually be computed more accurately in the 1D model.
716!--       Update when opportunity arises!
717          IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
718             qs = 0.0_wp
719             IF ( cloud_physics  .AND.  icloud_scheme == 0  .AND.              &
720                  precipitation )  THEN
721                qrs = 0.0_wp
722                nrs = 0.0_wp
723             ENDIF
724          ENDIF
725
726!
727!--       inside buildings set velocities back to zero
728          IF ( topography /= 'flat' )  THEN
729             DO  i = nxl-1, nxr+1
730                DO  j = nys-1, nyn+1
731                   u(nzb:nzb_u_inner(j,i),j,i) = 0.0_wp
732                   v(nzb:nzb_v_inner(j,i),j,i) = 0.0_wp
733                ENDDO
734             ENDDO
735             
736!
737!--          WARNING: The extra boundary conditions set after running the
738!--          -------  1D model impose an error on the divergence one layer
739!--                   below the topography; need to correct later
740!--          ATTENTION: Provisional correction for Piacsek & Williams
741!--          ---------  advection scheme: keep u and v zero one layer below
742!--                     the topography.
743             IF ( ibc_uv_b == 1 )  THEN
744!
745!--             Neumann condition
746                DO  i = nxl-1, nxr+1
747                   DO  j = nys-1, nyn+1
748                      IF ( nzb_u_inner(j,i) == 0 ) u(0,j,i) = u(1,j,i)
749                      IF ( nzb_v_inner(j,i) == 0 ) v(0,j,i) = v(1,j,i)
750                   ENDDO
751                ENDDO
752
753             ENDIF
754
755          ENDIF
756
757          CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
758
759       ELSEIF ( INDEX(initializing_actions, 'set_constant_profiles') /= 0 ) &
760       THEN
761
762          CALL location_message( 'initializing with constant profiles', .FALSE. )
763!
764!--       Overwrite initial profiles in case of nudging
765          IF ( nudging ) THEN
766             pt_init = ptnudge(:,1)
767             u_init  = unudge(:,1)
768             v_init  = vnudge(:,1)
769             IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
770                q_init = qnudge(:,1)
771             ENDIF
772
773             WRITE( message_string, * ) 'Initial profiles of u, v and ', &
774                 'scalars from NUDGING_DATA are used.'
775             CALL message( 'init_3d_model', 'PA0370', 0, 0, 0, 6, 0 )
776          ENDIF
777
778!
779!--       Use constructed initial profiles (velocity constant with height,
780!--       temperature profile with constant gradient)
781          DO  i = nxlg, nxrg
782             DO  j = nysg, nyng
783                pt(:,j,i) = pt_init
784                u(:,j,i)  = u_init
785                v(:,j,i)  = v_init
786             ENDDO
787          ENDDO
788
789!
790!--       Set initial horizontal velocities at the lowest computational grid
791!--       levels to zero in order to avoid too small time steps caused by the
792!--       diffusion limit in the initial phase of a run (at k=1, dz/2 occurs
793!--       in the limiting formula!). The original values are stored to be later
794!--       used for volume flow control.
795          IF ( ibc_uv_b /= 1 .AND. ( .NOT. bc_lr_dirrad .AND.                 &
796                                     .NOT. bc_lr_raddir .AND.                 &
797                                     .NOT. bc_ns_dirrad .AND.                 &
798                                     .NOT. bc_ns_raddir ) )  THEN   
799             DO  i = nxlg, nxrg
800                DO  j = nysg, nyng
801                   u(nzb:nzb_u_inner(j,i)+1,j,i) = 0.0_wp
802                   v(nzb:nzb_v_inner(j,i)+1,j,i) = 0.0_wp
803                ENDDO
804             ENDDO
805          ENDIF
806
807          IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
808             DO  i = nxlg, nxrg
809                DO  j = nysg, nyng
810                   q(:,j,i) = q_init
811                ENDDO
812             ENDDO
813             IF ( cloud_physics  .AND.  icloud_scheme == 0 )  THEN
814!
815!--             Initialze nc_1d with default value
816                nc_1d(:) = nc_const
817
818                IF ( precipitation )  THEN
819                   DO  i = nxlg, nxrg
820                      DO  j = nysg, nyng
821                         qr(:,j,i) = 0.0_wp
822                         nr(:,j,i) = 0.0_wp
823                      ENDDO
824                   ENDDO
825                ENDIF
826
827             ENDIF
828          ENDIF
829
830          IF ( ocean )  THEN
831             DO  i = nxlg, nxrg
832                DO  j = nysg, nyng
833                   sa(:,j,i) = sa_init
834                ENDDO
835             ENDDO
836          ENDIF
837         
838          IF ( constant_diffusion )  THEN
839             km   = km_constant
840             kh   = km / prandtl_number
841             e    = 0.0_wp
842          ELSEIF ( e_init > 0.0_wp )  THEN
843             DO  k = nzb+1, nzt
844                km(k,:,:) = 0.1_wp * l_grid(k) * SQRT( e_init )
845             ENDDO
846             km(nzb,:,:)   = km(nzb+1,:,:)
847             km(nzt+1,:,:) = km(nzt,:,:)
848             kh   = km / prandtl_number
849             e    = e_init
850          ELSE
851             IF ( .NOT. ocean )  THEN
852                kh   = 0.01_wp   ! there must exist an initial diffusion, because
853                km   = 0.01_wp   ! otherwise no TKE would be produced by the
854                              ! production terms, as long as not yet
855                              ! e = (u*/cm)**2 at k=nzb+1
856             ELSE
857                kh   = 0.00001_wp
858                km   = 0.00001_wp
859             ENDIF
860             e    = 0.0_wp
861          ENDIF
862          rif   = 0.0_wp
863          ts    = 0.0_wp
864          us    = 0.0_wp
865          usws  = 0.0_wp
866          uswst = top_momentumflux_u
867          vsws  = 0.0_wp
868          vswst = top_momentumflux_v
869          IF ( humidity  .OR.  passive_scalar ) qs = 0.0_wp
870
871!
872!--       Compute initial temperature field and other constants used in case
873!--       of a sloping surface
874          IF ( sloping_surface )  CALL init_slope
875
876          CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
877
878       ELSEIF ( INDEX(initializing_actions, 'by_user') /= 0 ) &
879       THEN
880
881          CALL location_message( 'initializing by user', .FALSE. )
882!
883!--       Initialization will completely be done by the user
884          CALL user_init_3d_model
885
886          CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
887
888       ENDIF
889
890       CALL location_message( 'initializing statistics, boundary conditions, etc.', &
891                              .FALSE. )
892
893!
894!--    Bottom boundary
895       IF ( ibc_uv_b == 0 .OR. ibc_uv_b == 2  )  THEN
896          u(nzb,:,:) = 0.0_wp
897          v(nzb,:,:) = 0.0_wp
898       ENDIF
899
900!
901!--    Apply channel flow boundary condition
902       IF ( TRIM( bc_uv_t ) == 'dirichlet_0' )  THEN
903          u(nzt+1,:,:) = 0.0_wp
904          v(nzt+1,:,:) = 0.0_wp
905       ENDIF
906
907!
908!--    Calculate virtual potential temperature
909       IF ( humidity ) vpt = pt * ( 1.0_wp + 0.61_wp * q )
910
911!
912!--    Store initial profiles for output purposes etc.
913       hom(:,1,5,:) = SPREAD( u(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
914       hom(:,1,6,:) = SPREAD( v(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
915       IF ( ibc_uv_b == 0 .OR. ibc_uv_b == 2)  THEN
916          hom(nzb,1,5,:) = 0.0_wp
917          hom(nzb,1,6,:) = 0.0_wp
918       ENDIF
919       hom(:,1,7,:)  = SPREAD( pt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
920       hom(:,1,23,:) = SPREAD( km(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
921       hom(:,1,24,:) = SPREAD( kh(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
922
923       IF ( ocean )  THEN
924!
925!--       Store initial salinity profile
926          hom(:,1,26,:)  = SPREAD( sa(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
927       ENDIF
928
929       IF ( humidity )  THEN
930!
931!--       Store initial profile of total water content, virtual potential
932!--       temperature
933          hom(:,1,26,:) = SPREAD(   q(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
934          hom(:,1,29,:) = SPREAD( vpt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
935          IF ( cloud_physics  .OR.  cloud_droplets ) THEN
936!
937!--          Store initial profile of specific humidity and potential
938!--          temperature
939             hom(:,1,27,:) = SPREAD(  q(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
940             hom(:,1,28,:) = SPREAD( pt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
941          ENDIF
942       ENDIF
943
944       IF ( passive_scalar )  THEN
945!
946!--       Store initial scalar profile
947          hom(:,1,26,:) = SPREAD(  q(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
948       ENDIF
949
950!
951!--    Initialize the random number generators (from numerical recipes)
952       CALL random_function_ini
953       
954       IF ( random_generator == 'random-parallel' )  THEN
955!--       Asigning an ID to every vertical gridpoint column
956!--       dependig on the ensemble run number.
957          random_dummy=1
958          DO j=0,ny
959             DO i=0,nx
960                id_random_array(j,i) = random_dummy + 1E6 * ( ensemble_member_nr - 1000 )
961                random_dummy = random_dummy + 1
962             END DO
963          ENDDO
964!--       Initializing with random_seed_parallel for every vertical
965!--       gridpoint column.
966          random_dummy=0
967          DO j = nysg, nyng
968             DO i = nxlg, nxrg
969                CALL random_seed_parallel (random_sequence=id_random_array(j, i))
970                CALL random_number_parallel (random_dummy)
971                CALL random_seed_parallel (get=seq_random_array(:, j, i))
972             END DO
973          ENDDO
974       ENDIF
975
976!
977!--    Initialize fluxes at bottom surface
978       IF ( use_surface_fluxes )  THEN
979
980          IF ( constant_heatflux )  THEN
981!
982!--          Heat flux is prescribed
983             IF ( random_heatflux )  THEN
984                CALL disturb_heatflux
985             ELSE
986                shf = surface_heatflux
987!
988!--             Initialize shf with data from external file LSF_DATA
989                IF ( large_scale_forcing .AND. lsf_surf ) THEN
990                   CALL ls_forcing_surf ( simulated_time )
991                ENDIF
992
993!
994!--             Over topography surface_heatflux is replaced by wall_heatflux(0)
995                IF ( TRIM( topography ) /= 'flat' )  THEN
996                   DO  i = nxlg, nxrg
997                      DO  j = nysg, nyng
998                         IF ( nzb_s_inner(j,i) /= 0 )  THEN
999                            shf(j,i) = wall_heatflux(0)
1000                         ENDIF
1001                      ENDDO
1002                   ENDDO
1003                ENDIF
1004             ENDIF
1005          ENDIF
1006
1007!
1008!--       Determine the near-surface water flux
1009          IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
1010             IF ( cloud_physics  .AND.  icloud_scheme == 0  .AND.  &
1011                  precipitation )  THEN
1012                qrsws = 0.0_wp
1013                nrsws = 0.0_wp
1014             ENDIF
1015             IF ( constant_waterflux )  THEN
1016                qsws   = surface_waterflux
1017!
1018!--             Over topography surface_waterflux is replaced by
1019!--             wall_humidityflux(0)
1020                IF ( TRIM( topography ) /= 'flat' )  THEN
1021                   wall_qflux = wall_humidityflux
1022                   DO  i = nxlg, nxrg
1023                      DO  j = nysg, nyng
1024                         IF ( nzb_s_inner(j,i) /= 0 )  THEN
1025                            qsws(j,i) = wall_qflux(0)
1026                         ENDIF
1027                      ENDDO
1028                   ENDDO
1029                ENDIF
1030             ENDIF
1031          ENDIF
1032
1033       ENDIF
1034
1035!
1036!--    Initialize fluxes at top surface
1037!--    Currently, only the heatflux and salinity flux can be prescribed.
1038!--    The latent flux is zero in this case!
1039       IF ( use_top_fluxes )  THEN
1040
1041          IF ( constant_top_heatflux )  THEN
1042!
1043!--          Heat flux is prescribed
1044             tswst = top_heatflux
1045
1046             IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
1047                qswst = 0.0_wp
1048                IF ( cloud_physics  .AND.  icloud_scheme == 0  .AND.  &
1049                     precipitation ) THEN
1050                   nrswst = 0.0_wp
1051                   qrswst = 0.0_wp
1052                ENDIF
1053             ENDIF
1054
1055             IF ( ocean )  THEN
1056                saswsb = bottom_salinityflux
1057                saswst = top_salinityflux
1058             ENDIF
1059          ENDIF
1060
1061!
1062!--       Initialization in case of a coupled model run
1063          IF ( coupling_mode == 'ocean_to_atmosphere' )  THEN
1064             tswst = 0.0_wp
1065          ENDIF
1066
1067       ENDIF
1068
1069!
1070!--    Initialize Prandtl layer quantities
1071       IF ( prandtl_layer )  THEN
1072
1073          z0 = roughness_length
1074          z0h = z0h_factor * z0
1075
1076          IF ( .NOT. constant_heatflux )  THEN 
1077!
1078!--          Surface temperature is prescribed. Here the heat flux cannot be
1079!--          simply estimated, because therefore rif, u* and theta* would have
1080!--          to be computed by iteration. This is why the heat flux is assumed
1081!--          to be zero before the first time step. It approaches its correct
1082!--          value in the course of the first few time steps.
1083             shf   = 0.0_wp
1084          ENDIF
1085
1086          IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
1087             IF ( .NOT. constant_waterflux )  qsws   = 0.0_wp
1088             IF ( cloud_physics  .AND.  icloud_scheme == 0  .AND.  &
1089                  precipitation )  THEN
1090                qrsws = 0.0_wp
1091                nrsws = 0.0_wp
1092             ENDIF
1093          ENDIF
1094
1095       ENDIF
1096
1097!
1098!--    Set the reference state to be used in the buoyancy terms (for ocean runs
1099!--    the reference state will be set (overwritten) in init_ocean)
1100       IF ( use_single_reference_value )  THEN
1101          IF ( .NOT. humidity )  THEN
1102             ref_state(:) = pt_reference
1103          ELSE
1104             ref_state(:) = vpt_reference
1105          ENDIF
1106       ELSE
1107          IF ( .NOT. humidity )  THEN
1108             ref_state(:) = pt_init(:)
1109          ELSE
1110             ref_state(:) = vpt(:,nys,nxl)
1111          ENDIF
1112       ENDIF
1113
1114!
1115!--    For the moment, vertical velocity is zero
1116       w = 0.0_wp
1117
1118!
1119!--    Initialize array sums (must be defined in first call of pres)
1120       sums = 0.0_wp
1121
1122!
1123!--    In case of iterative solvers, p must get an initial value
1124       IF ( psolver == 'multigrid'  .OR.  psolver == 'sor' )  p = 0.0_wp
1125
1126!
1127!--    Treating cloud physics, liquid water content and precipitation amount
1128!--    are zero at beginning of the simulation
1129       IF ( cloud_physics )  THEN
1130          ql = 0.0_wp
1131          IF ( precipitation )  precipitation_amount = 0.0_wp
1132          IF ( icloud_scheme == 0 )  THEN
1133             qc = 0.0_wp
1134             nc_1d = nc_const
1135          ENDIF
1136       ENDIF
1137!
1138!--    Impose vortex with vertical axis on the initial velocity profile
1139       IF ( INDEX( initializing_actions, 'initialize_vortex' ) /= 0 )  THEN
1140          CALL init_rankine
1141       ENDIF
1142
1143!
1144!--    Impose temperature anomaly (advection test only)
1145       IF ( INDEX( initializing_actions, 'initialize_ptanom' ) /= 0 )  THEN
1146          CALL init_pt_anomaly
1147       ENDIF
1148
1149!
1150!--    If required, change the surface temperature at the start of the 3D run
1151       IF ( pt_surface_initial_change /= 0.0_wp )  THEN
1152          pt(nzb,:,:) = pt(nzb,:,:) + pt_surface_initial_change
1153       ENDIF
1154
1155!
1156!--    If required, change the surface humidity/scalar at the start of the 3D
1157!--    run
1158       IF ( ( humidity .OR. passive_scalar ) .AND. &
1159            q_surface_initial_change /= 0.0_wp )  THEN
1160          q(nzb,:,:) = q(nzb,:,:) + q_surface_initial_change
1161       ENDIF
1162
1163!
1164!--    Initialize old and new time levels.
1165       te_m = 0.0_wp; tpt_m = 0.0_wp; tu_m = 0.0_wp; tv_m = 0.0_wp; tw_m = 0.0_wp
1166       e_p = e; pt_p = pt; u_p = u; v_p = v; w_p = w
1167
1168       IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
1169          tq_m = 0.0_wp
1170          q_p = q
1171          IF ( cloud_physics  .AND.  icloud_scheme == 0  .AND.  &
1172               precipitation )  THEN
1173             tqr_m = 0.0_wp
1174             qr_p = qr
1175             tnr_m = 0.0_wp
1176             nr_p = nr
1177          ENDIF
1178       ENDIF
1179
1180       IF ( ocean )  THEN
1181          tsa_m = 0.0_wp
1182          sa_p  = sa
1183       ENDIF
1184       
1185       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
1186
1187    ELSEIF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data'  .OR.    &
1188         TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  &
1189    THEN
1190
1191       CALL location_message( 'initializing in case of restart / cyclic_fill', &
1192                              .FALSE. )
1193!
1194!--    When reading data for cyclic fill of 3D prerun data files, read
1195!--    some of the global variables from the restart file which are required
1196!--    for initializing the inflow
1197       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  THEN
1198
1199          DO  i = 0, io_blocks-1
1200             IF ( i == io_group )  THEN
1201                CALL read_parts_of_var_list
1202                CALL close_file( 13 )
1203             ENDIF
1204#if defined( __parallel )
1205             CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1206#endif
1207          ENDDO
1208
1209       ENDIF
1210
1211!
1212!--    Read binary data from restart file
1213       DO  i = 0, io_blocks-1
1214          IF ( i == io_group )  THEN
1215             CALL read_3d_binary
1216          ENDIF
1217#if defined( __parallel )
1218          CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1219#endif
1220       ENDDO
1221
1222!
1223!--    Initialization of the turbulence recycling method
1224       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill'  .AND.  &
1225            turbulent_inflow )  THEN
1226!
1227!--       First store the profiles to be used at the inflow.
1228!--       These profiles are the (temporally) and horizontally averaged vertical
1229!--       profiles from the prerun. Alternatively, prescribed profiles
1230!--       for u,v-components can be used.
1231          ALLOCATE( mean_inflow_profiles(nzb:nzt+1,5) )
1232
1233          IF ( use_prescribed_profile_data )  THEN
1234             mean_inflow_profiles(:,1) = u_init            ! u
1235             mean_inflow_profiles(:,2) = v_init            ! v
1236          ELSE
1237             mean_inflow_profiles(:,1) = hom_sum(:,1,0)    ! u
1238             mean_inflow_profiles(:,2) = hom_sum(:,2,0)    ! v
1239          ENDIF
1240          mean_inflow_profiles(:,4) = hom_sum(:,4,0)       ! pt
1241          mean_inflow_profiles(:,5) = hom_sum(:,8,0)       ! e
1242
1243!
1244!--       If necessary, adjust the horizontal flow field to the prescribed
1245!--       profiles
1246          IF ( use_prescribed_profile_data )  THEN
1247             DO  i = nxlg, nxrg
1248                DO  j = nysg, nyng
1249                   DO  k = nzb, nzt+1
1250                      u(k,j,i) = u(k,j,i) - hom_sum(k,1,0) + u_init(k)
1251                      v(k,j,i) = v(k,j,i) - hom_sum(k,2,0) + v_init(k)
1252                   ENDDO
1253                ENDDO
1254             ENDDO
1255          ENDIF
1256
1257!
1258!--       Use these mean profiles at the inflow (provided that Dirichlet
1259!--       conditions are used)
1260          IF ( inflow_l )  THEN
1261             DO  j = nysg, nyng
1262                DO  k = nzb, nzt+1
1263                   u(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,1)
1264                   v(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,2)
1265                   w(k,j,nxlg:-1)  = 0.0_wp
1266                   pt(k,j,nxlg:-1) = mean_inflow_profiles(k,4)
1267                   e(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,5)
1268                ENDDO
1269             ENDDO
1270          ENDIF
1271
1272!
1273!--       Calculate the damping factors to be used at the inflow. For a
1274!--       turbulent inflow the turbulent fluctuations have to be limited
1275!--       vertically because otherwise the turbulent inflow layer will grow
1276!--       in time.
1277          IF ( inflow_damping_height == 9999999.9_wp )  THEN
1278!
1279!--          Default: use the inversion height calculated by the prerun; if
1280!--          this is zero, inflow_damping_height must be explicitly
1281!--          specified.
1282             IF ( hom_sum(nzb+6,pr_palm,0) /= 0.0_wp )  THEN
1283                inflow_damping_height = hom_sum(nzb+6,pr_palm,0)
1284             ELSE
1285                WRITE( message_string, * ) 'inflow_damping_height must be ',&
1286                     'explicitly specified because&the inversion height ', &
1287                     'calculated by the prerun is zero.'
1288                CALL message( 'init_3d_model', 'PA0318', 1, 2, 0, 6, 0 )
1289             ENDIF
1290
1291          ENDIF
1292
1293          IF ( inflow_damping_width == 9999999.9_wp )  THEN
1294!
1295!--          Default for the transition range: one tenth of the undamped
1296!--          layer
1297             inflow_damping_width = 0.1_wp * inflow_damping_height
1298
1299          ENDIF
1300
1301          ALLOCATE( inflow_damping_factor(nzb:nzt+1) )
1302
1303          DO  k = nzb, nzt+1
1304
1305             IF ( zu(k) <= inflow_damping_height )  THEN
1306                inflow_damping_factor(k) = 1.0_wp
1307             ELSEIF ( zu(k) <= ( inflow_damping_height + inflow_damping_width ) )  THEN
1308                inflow_damping_factor(k) = 1.0_wp -                            &
1309                                           ( zu(k) - inflow_damping_height ) / &
1310                                           inflow_damping_width
1311             ELSE
1312                inflow_damping_factor(k) = 0.0_wp
1313             ENDIF
1314
1315          ENDDO
1316
1317       ENDIF
1318
1319!
1320!--    Inside buildings set velocities and TKE back to zero
1321       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' .AND.  &
1322            topography /= 'flat' )  THEN
1323!
1324!--       Inside buildings set velocities and TKE back to zero.
1325!--       Other scalars (pt, q, s, km, kh, p, sa, ...) are ignored at present,
1326!--       maybe revise later.
1327          DO  i = nxlg, nxrg
1328             DO  j = nysg, nyng
1329                u  (nzb:nzb_u_inner(j,i),j,i)   = 0.0_wp
1330                v  (nzb:nzb_v_inner(j,i),j,i)   = 0.0_wp
1331                w  (nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i)   = 0.0_wp
1332                e  (nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i)   = 0.0_wp
1333                tu_m(nzb:nzb_u_inner(j,i),j,i)  = 0.0_wp
1334                tv_m(nzb:nzb_v_inner(j,i),j,i)  = 0.0_wp
1335                tw_m(nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i)  = 0.0_wp
1336                te_m(nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i)  = 0.0_wp
1337                tpt_m(nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i) = 0.0_wp
1338             ENDDO
1339          ENDDO
1340
1341       ENDIF
1342
1343!
1344!--    Calculate initial temperature field and other constants used in case
1345!--    of a sloping surface
1346       IF ( sloping_surface )  CALL init_slope
1347
1348!
1349!--    Initialize new time levels (only done in order to set boundary values
1350!--    including ghost points)
1351       e_p = e; pt_p = pt; u_p = u; v_p = v; w_p = w
1352       IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
1353          q_p = q
1354          IF ( cloud_physics  .AND.  icloud_scheme == 0  .AND.  &
1355               precipitation )  THEN
1356             qr_p = qr
1357             nr_p = nr
1358          ENDIF
1359       ENDIF
1360       IF ( ocean )  sa_p = sa
1361
1362!
1363!--    Allthough tendency arrays are set in prognostic_equations, they have
1364!--    have to be predefined here because they are used (but multiplied with 0)
1365!--    there before they are set.
1366       te_m = 0.0_wp; tpt_m = 0.0_wp; tu_m = 0.0_wp; tv_m = 0.0_wp; tw_m = 0.0_wp
1367       IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
1368          tq_m = 0.0_wp
1369          IF ( cloud_physics  .AND.  icloud_scheme == 0  .AND.  &
1370               precipitation )  THEN
1371             tqr_m = 0.0_wp
1372             tnr_m = 0.0_wp
1373          ENDIF
1374       ENDIF
1375       IF ( ocean )  tsa_m = 0.0_wp
1376
1377       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
1378
1379    ELSE
1380!
1381!--    Actually this part of the programm should not be reached
1382       message_string = 'unknown initializing problem'
1383       CALL message( 'init_3d_model', 'PA0193', 1, 2, 0, 6, 0 )
1384    ENDIF
1385
1386
1387    IF (  TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' )  THEN
1388!
1389!--    Initialize old timelevels needed for radiation boundary conditions
1390       IF ( outflow_l )  THEN
1391          u_m_l(:,:,:) = u(:,:,1:2)
1392          v_m_l(:,:,:) = v(:,:,0:1)
1393          w_m_l(:,:,:) = w(:,:,0:1)
1394       ENDIF
1395       IF ( outflow_r )  THEN
1396          u_m_r(:,:,:) = u(:,:,nx-1:nx)
1397          v_m_r(:,:,:) = v(:,:,nx-1:nx)
1398          w_m_r(:,:,:) = w(:,:,nx-1:nx)
1399       ENDIF
1400       IF ( outflow_s )  THEN
1401          u_m_s(:,:,:) = u(:,0:1,:)
1402          v_m_s(:,:,:) = v(:,1:2,:)
1403          w_m_s(:,:,:) = w(:,0:1,:)
1404       ENDIF
1405       IF ( outflow_n )  THEN
1406          u_m_n(:,:,:) = u(:,ny-1:ny,:)
1407          v_m_n(:,:,:) = v(:,ny-1:ny,:)
1408          w_m_n(:,:,:) = w(:,ny-1:ny,:)
1409       ENDIF
1410       
1411    ENDIF
1412
1413!
1414!-- Calculate the initial volume flow at the right and north boundary
1415    IF ( conserve_volume_flow )  THEN
1416
1417       IF ( use_prescribed_profile_data )  THEN
1418
1419          volume_flow_initial_l = 0.0_wp
1420          volume_flow_area_l    = 0.0_wp
1421
1422          IF ( nxr == nx )  THEN
1423             DO  j = nys, nyn
1424                DO  k = nzb_2d(j,nx)+1, nzt
1425                   volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) + &
1426                                              u_init(k) * dzw(k)
1427                   volume_flow_area_l(1)    = volume_flow_area_l(1) + dzw(k)
1428                ENDDO
1429             ENDDO
1430          ENDIF
1431         
1432          IF ( nyn == ny )  THEN
1433             DO  i = nxl, nxr
1434                DO  k = nzb_2d(ny,i)+1, nzt 
1435                   volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) + &
1436                                              v_init(k) * dzw(k)
1437                   volume_flow_area_l(2)    = volume_flow_area_l(2) + dzw(k)
1438                ENDDO
1439             ENDDO
1440          ENDIF
1441
1442#if defined( __parallel )
1443          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_initial_l(1), volume_flow_initial(1),&
1444                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1445          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_area_l(1), volume_flow_area(1),      &
1446                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1447
1448#else
1449          volume_flow_initial = volume_flow_initial_l
1450          volume_flow_area    = volume_flow_area_l
1451#endif 
1452
1453       ELSEIF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  THEN
1454
1455          volume_flow_initial_l = 0.0_wp
1456          volume_flow_area_l    = 0.0_wp
1457
1458          IF ( nxr == nx )  THEN
1459             DO  j = nys, nyn
1460                DO  k = nzb_2d(j,nx)+1, nzt
1461                   volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) + &
1462                                              hom_sum(k,1,0) * dzw(k)
1463                   volume_flow_area_l(1)    = volume_flow_area_l(1) + dzw(k)
1464                ENDDO
1465             ENDDO
1466          ENDIF
1467         
1468          IF ( nyn == ny )  THEN
1469             DO  i = nxl, nxr
1470                DO  k = nzb_2d(ny,i)+1, nzt 
1471                   volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) + &
1472                                              hom_sum(k,2,0) * dzw(k)
1473                   volume_flow_area_l(2)    = volume_flow_area_l(2) + dzw(k)
1474                ENDDO
1475             ENDDO
1476          ENDIF
1477
1478#if defined( __parallel )
1479          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_initial_l(1), volume_flow_initial(1),&
1480                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1481          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_area_l(1), volume_flow_area(1),      &
1482                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1483
1484#else
1485          volume_flow_initial = volume_flow_initial_l
1486          volume_flow_area    = volume_flow_area_l
1487#endif 
1488
1489       ELSEIF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' )  THEN
1490
1491          volume_flow_initial_l = 0.0_wp
1492          volume_flow_area_l    = 0.0_wp
1493
1494          IF ( nxr == nx )  THEN
1495             DO  j = nys, nyn
1496                DO  k = nzb_2d(j,nx)+1, nzt
1497                   volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) + &
1498                                              u(k,j,nx) * dzw(k)
1499                   volume_flow_area_l(1)    = volume_flow_area_l(1) + dzw(k)
1500                ENDDO
1501             ENDDO
1502          ENDIF
1503         
1504          IF ( nyn == ny )  THEN
1505             DO  i = nxl, nxr
1506                DO  k = nzb_2d(ny,i)+1, nzt 
1507                   volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) + &
1508                                              v(k,ny,i) * dzw(k)
1509                   volume_flow_area_l(2)    = volume_flow_area_l(2) + dzw(k)
1510                ENDDO
1511             ENDDO
1512          ENDIF
1513
1514#if defined( __parallel )
1515          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_initial_l(1), volume_flow_initial(1),&
1516                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1517          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_area_l(1), volume_flow_area(1),      &
1518                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1519
1520#else
1521          volume_flow_initial = volume_flow_initial_l
1522          volume_flow_area    = volume_flow_area_l
1523#endif 
1524
1525       ENDIF
1526
1527!
1528!--    In case of 'bulk_velocity' mode, volume_flow_initial is calculated
1529!--    from u|v_bulk instead
1530       IF ( TRIM( conserve_volume_flow_mode ) == 'bulk_velocity' )  THEN
1531          volume_flow_initial(1) = u_bulk * volume_flow_area(1)
1532          volume_flow_initial(2) = v_bulk * volume_flow_area(2)
1533       ENDIF
1534
1535    ENDIF
1536
1537!
1538!-- Initialize quantities for special advections schemes
1539    CALL init_advec
1540
1541!
1542!-- Impose random perturbation on the horizontal velocity field and then
1543!-- remove the divergences from the velocity field at the initial stage
1544    IF ( create_disturbances .AND. &
1545         TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data'  .AND.  &
1546         TRIM( initializing_actions ) /= 'cyclic_fill' )  THEN
1547
1548       CALL location_message( 'creating initial disturbances', .FALSE. )
1549       CALL disturb_field( nzb_u_inner, tend, u )
1550       CALL disturb_field( nzb_v_inner, tend, v )
1551       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
1552
1553       CALL location_message( 'calling pressure solver', .FALSE. )
1554       n_sor = nsor_ini
1555       !$acc data copyin( d, ddzu, ddzw, nzb_s_inner, nzb_u_inner )            &
1556       !$acc      copyin( nzb_v_inner, nzb_w_inner, p, rflags_s_inner, tend )  &
1557       !$acc      copyin( weight_pres, weight_substep )                        &
1558       !$acc      copy( tri, tric, u, v, w )
1559       CALL pres
1560       !$acc end data
1561       n_sor = nsor
1562       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
1563
1564    ENDIF
1565
1566!
1567!-- Initialization of the leaf area density
1568    IF ( plant_canopy )  THEN
1569 
1570       SELECT CASE ( TRIM( canopy_mode ) )
1571
1572          CASE( 'block' )
1573
1574             DO  i = nxlg, nxrg
1575                DO  j = nysg, nyng
1576                   lad_s(:,j,i) = lad(:)
1577                   cdc(:,j,i)   = drag_coefficient
1578                   IF ( passive_scalar )  THEN
1579                      sls(:,j,i) = leaf_surface_concentration
1580                      sec(:,j,i) = scalar_exchange_coefficient
1581                   ENDIF
1582                ENDDO
1583             ENDDO
1584
1585          CASE DEFAULT
1586
1587!
1588!--          The DEFAULT case is reached either if the parameter
1589!--          canopy mode contains a wrong character string or if the
1590!--          user has coded a special case in the user interface.
1591!--          There, the subroutine user_init_plant_canopy checks
1592!--          which of these two conditions applies.
1593             CALL user_init_plant_canopy
1594 
1595          END SELECT
1596
1597       CALL exchange_horiz( lad_s, nbgp )
1598       CALL exchange_horiz( cdc, nbgp )
1599
1600       IF ( passive_scalar )  THEN
1601          CALL exchange_horiz( sls, nbgp )
1602          CALL exchange_horiz( sec, nbgp )
1603       ENDIF
1604
1605!
1606!--    Sharp boundaries of the plant canopy in horizontal directions
1607!--    In vertical direction the interpolation is retained, as the leaf
1608!--    area density is initialised by prescribing a vertical profile
1609!--    consisting of piecewise linear segments. The upper boundary
1610!--    of the plant canopy is now defined by lad_w(pch_index,:,:) = 0.0.
1611
1612       DO  i = nxl, nxr
1613          DO  j = nys, nyn
1614             DO  k = nzb, nzt+1 
1615                IF ( lad_s(k,j,i) > 0.0_wp )  THEN
1616                   lad_u(k,j,i)   = lad_s(k,j,i) 
1617                   lad_u(k,j,i+1) = lad_s(k,j,i)
1618                   lad_v(k,j,i)   = lad_s(k,j,i)
1619                   lad_v(k,j+1,i) = lad_s(k,j,i)
1620                ENDIF
1621             ENDDO
1622             DO  k = nzb, nzt
1623                lad_w(k,j,i) = 0.5_wp * ( lad_s(k+1,j,i) + lad_s(k,j,i) )
1624             ENDDO
1625          ENDDO
1626       ENDDO
1627
1628       lad_w(pch_index,:,:) = 0.0_wp
1629       lad_w(nzt+1,:,:)     = lad_w(nzt,:,:)
1630
1631       CALL exchange_horiz( lad_u, nbgp )
1632       CALL exchange_horiz( lad_v, nbgp )
1633       CALL exchange_horiz( lad_w, nbgp )
1634
1635!
1636!--    Initialisation of the canopy heat source distribution
1637       IF ( cthf /= 0.0_wp )  THEN
1638!
1639!--       Piecewise evaluation of the leaf area index by
1640!--       integration of the leaf area density
1641          lai(:,:,:) = 0.0_wp
1642          DO  i = nxlg, nxrg
1643             DO  j = nysg, nyng
1644                DO  k = pch_index-1, 0, -1
1645                   lai(k,j,i) = lai(k+1,j,i) +                   &
1646                                ( 0.5_wp * ( lad_w(k+1,j,i) +    &
1647                                          lad_s(k+1,j,i) ) *     &
1648                                  ( zw(k+1) - zu(k+1) ) )  +     &
1649                                ( 0.5_wp * ( lad_w(k,j,i)   +    &
1650                                          lad_s(k+1,j,i) ) *     &
1651                                  ( zu(k+1) - zw(k) ) )
1652                ENDDO
1653             ENDDO
1654          ENDDO
1655
1656!
1657!--       Evaluation of the upward kinematic vertical heat flux within the
1658!--       canopy
1659          DO  i = nxlg, nxrg
1660             DO  j = nysg, nyng
1661                DO  k = 0, pch_index
1662                   canopy_heat_flux(k,j,i) = cthf *                    &
1663                                             exp( -0.6_wp * lai(k,j,i) )
1664                ENDDO
1665             ENDDO
1666          ENDDO
1667
1668!
1669!--       The near surface heat flux is derived from the heat flux
1670!--       distribution within the canopy
1671          shf(:,:) = canopy_heat_flux(0,:,:)
1672
1673       ENDIF
1674
1675    ENDIF
1676
1677!
1678!-- If required, initialize dvrp-software
1679    IF ( dt_dvrp /= 9999999.9_wp )  CALL init_dvrp
1680
1681    IF ( ocean )  THEN
1682!
1683!--    Initialize quantities needed for the ocean model
1684       CALL init_ocean
1685
1686    ELSE
1687!
1688!--    Initialize quantities for handling cloud physics
1689!--    This routine must be called before lpm_init, because
1690!--    otherwise, array pt_d_t, needed in data_output_dvrp (called by
1691!--    lpm_init) is not defined.
1692       CALL init_cloud_physics
1693    ENDIF
1694
1695!
1696!-- If required, initialize particles
1697    IF ( particle_advection )  CALL lpm_init
1698
1699!
1700!-- Initialize the ws-scheme.   
1701    IF ( ws_scheme_sca .OR. ws_scheme_mom )  CALL ws_init       
1702
1703!
1704!-- Setting weighting factors for calculation of perturbation pressure
1705!-- and turbulent quantities from the RK substeps               
1706    IF ( TRIM(timestep_scheme) == 'runge-kutta-3' )  THEN      ! for RK3-method
1707
1708       weight_substep(1) = 1._wp/6._wp
1709       weight_substep(2) = 3._wp/10._wp
1710       weight_substep(3) = 8._wp/15._wp
1711
1712       weight_pres(1)    = 1._wp/3._wp
1713       weight_pres(2)    = 5._wp/12._wp
1714       weight_pres(3)    = 1._wp/4._wp
1715
1716    ELSEIF ( TRIM(timestep_scheme) == 'runge-kutta-2' )  THEN  ! for RK2-method
1717
1718       weight_substep(1) = 1._wp/2._wp
1719       weight_substep(2) = 1._wp/2._wp
1720         
1721       weight_pres(1)    = 1._wp/2._wp
1722       weight_pres(2)    = 1._wp/2._wp       
1723
1724    ELSE                                     ! for Euler-method
1725
1726       weight_substep(1) = 1.0_wp     
1727       weight_pres(1)    = 1.0_wp                   
1728
1729    ENDIF
1730
1731!
1732!-- Initialize Rayleigh damping factors
1733    rdf    = 0.0_wp
1734    rdf_sc = 0.0_wp
1735    IF ( rayleigh_damping_factor /= 0.0_wp )  THEN
1736       IF ( .NOT. ocean )  THEN
1737          DO  k = nzb+1, nzt
1738             IF ( zu(k) >= rayleigh_damping_height )  THEN
1739                rdf(k) = rayleigh_damping_factor * &
1740                      ( SIN( pi * 0.5_wp * ( zu(k) - rayleigh_damping_height ) &
1741                                         / ( zu(nzt) - rayleigh_damping_height ) )&
1742                      )**2
1743             ENDIF
1744          ENDDO
1745       ELSE
1746          DO  k = nzt, nzb+1, -1
1747             IF ( zu(k) <= rayleigh_damping_height )  THEN
1748                rdf(k) = rayleigh_damping_factor * &
1749                      ( SIN( pi * 0.5_wp * ( rayleigh_damping_height - zu(k) ) &
1750                                         / ( rayleigh_damping_height - zu(nzb+1)))&
1751                      )**2
1752             ENDIF
1753          ENDDO
1754       ENDIF
1755    ENDIF
1756    IF ( scalar_rayleigh_damping )  rdf_sc = rdf
1757
1758!
1759!-- Initialize the starting level and the vertical smoothing factor used for
1760!-- the external pressure gradient
1761    dp_smooth_factor = 1.0_wp
1762    IF ( dp_external )  THEN
1763!
1764!--    Set the starting level dp_level_ind_b only if it has not been set before
1765!--    (e.g. in init_grid).
1766       IF ( dp_level_ind_b == 0 )  THEN
1767          ind_array = MINLOC( ABS( dp_level_b - zu ) )
1768          dp_level_ind_b = ind_array(1) - 1 + nzb 
1769                                        ! MINLOC uses lower array bound 1
1770       ENDIF
1771       IF ( dp_smooth )  THEN
1772          dp_smooth_factor(:dp_level_ind_b) = 0.0_wp
1773          DO  k = dp_level_ind_b+1, nzt
1774             dp_smooth_factor(k) = 0.5_wp * ( 1.0_wp + SIN( pi *               &
1775                        ( REAL( k - dp_level_ind_b, KIND=wp ) /                &
1776                          REAL( nzt - dp_level_ind_b, KIND=wp ) - 0.5_wp ) ) )
1777          ENDDO
1778       ENDIF
1779    ENDIF
1780
1781!
1782!-- Initialize damping zone for the potential temperature in case of
1783!-- non-cyclic lateral boundaries. The damping zone has the maximum value
1784!-- at the inflow boundary and decreases to zero at pt_damping_width.
1785    ptdf_x = 0.0_wp
1786    ptdf_y = 0.0_wp
1787    IF ( bc_lr_dirrad )  THEN
1788       DO  i = nxl, nxr
1789          IF ( ( i * dx ) < pt_damping_width )  THEN
1790             ptdf_x(i) = pt_damping_factor * ( SIN( pi * 0.5_wp *              &
1791                            REAL( pt_damping_width - i * dx, KIND=wp ) / (     &
1792                            REAL( pt_damping_width, KIND=wp )            ) ) )**2 
1793          ENDIF
1794       ENDDO
1795    ELSEIF ( bc_lr_raddir )  THEN
1796       DO  i = nxl, nxr
1797          IF ( ( i * dx ) > ( nx * dx - pt_damping_width ) )  THEN
1798             ptdf_x(i) = pt_damping_factor *                                   &
1799                         SIN( pi * 0.5_wp *                                    &
1800                                 ( ( i - nx ) * dx + pt_damping_width ) /      &
1801                                 REAL( pt_damping_width, KIND=wp ) )**2
1802          ENDIF
1803       ENDDO 
1804    ELSEIF ( bc_ns_dirrad )  THEN
1805       DO  j = nys, nyn
1806          IF ( ( j * dy ) > ( ny * dy - pt_damping_width ) )  THEN
1807             ptdf_y(j) = pt_damping_factor *                                   &
1808                         SIN( pi * 0.5_wp *                                    &
1809                                 ( ( j - ny ) * dy + pt_damping_width ) /      &
1810                                 REAL( pt_damping_width, KIND=wp ) )**2
1811          ENDIF
1812       ENDDO 
1813    ELSEIF ( bc_ns_raddir )  THEN
1814       DO  j = nys, nyn
1815          IF ( ( j * dy ) < pt_damping_width )  THEN
1816             ptdf_y(j) = pt_damping_factor *                                   &
1817                         SIN( pi * 0.5_wp *                                    &
1818                                ( pt_damping_width - j * dy ) /                &
1819                                REAL( pt_damping_width, KIND=wp ) )**2
1820          ENDIF
1821       ENDDO
1822    ENDIF
1823
1824!
1825!-- Initialize local summation arrays for routine flow_statistics.
1826!-- This is necessary because they may not yet have been initialized when they
1827!-- are called from flow_statistics (or - depending on the chosen model run -
1828!-- are never initialized)
1829    sums_divnew_l      = 0.0_wp
1830    sums_divold_l      = 0.0_wp
1831    sums_l_l           = 0.0_wp
1832    sums_up_fraction_l = 0.0_wp
1833    sums_wsts_bc_l     = 0.0_wp
1834
1835!
1836!-- Pre-set masks for regional statistics. Default is the total model domain.
1837!-- Ghost points are excluded because counting values at the ghost boundaries
1838!-- would bias the statistics
1839    rmask = 1.0_wp
1840    rmask(:,nxlg:nxl-1,:) = 0.0_wp;  rmask(:,nxr+1:nxrg,:) = 0.0_wp
1841    rmask(nysg:nys-1,:,:) = 0.0_wp;  rmask(nyn+1:nyng,:,:) = 0.0_wp
1842
1843!
1844!-- User-defined initializing actions. Check afterwards, if maximum number
1845!-- of allowed timeseries is exceeded
1846    CALL user_init
1847
1848    IF ( dots_num > dots_max )  THEN
1849       WRITE( message_string, * ) 'number of time series quantities exceeds', &
1850                                  ' its maximum of dots_max = ', dots_max,    &
1851                                  ' &Please increase dots_max in modules.f90.'
1852       CALL message( 'init_3d_model', 'PA0194', 1, 2, 0, 6, 0 )   
1853    ENDIF
1854
1855!
1856!-- Input binary data file is not needed anymore. This line must be placed
1857!-- after call of user_init!
1858    CALL close_file( 13 )
1859
1860!
1861!-- Compute total sum of active mask grid points
1862!-- ngp_2dh: number of grid points of a horizontal cross section through the
1863!--          total domain
1864!-- ngp_3d:  number of grid points of the total domain
1865    ngp_2dh_outer_l   = 0
1866    ngp_2dh_outer     = 0
1867    ngp_2dh_s_inner_l = 0
1868    ngp_2dh_s_inner   = 0
1869    ngp_2dh_l         = 0
1870    ngp_2dh           = 0
1871    ngp_3d_inner_l    = 0.0_wp
1872    ngp_3d_inner      = 0
1873    ngp_3d            = 0
1874    ngp_sums          = ( nz + 2 ) * ( pr_palm + max_pr_user )
1875
1876    DO  sr = 0, statistic_regions
1877       DO  i = nxl, nxr
1878          DO  j = nys, nyn
1879             IF ( rmask(j,i,sr) == 1.0_wp )  THEN
1880!
1881!--             All xy-grid points
1882                ngp_2dh_l(sr) = ngp_2dh_l(sr) + 1
1883!
1884!--             xy-grid points above topography
1885                DO  k = nzb_s_outer(j,i), nz + 1
1886                   ngp_2dh_outer_l(k,sr) = ngp_2dh_outer_l(k,sr) + 1
1887                ENDDO
1888                DO  k = nzb_s_inner(j,i), nz + 1
1889                   ngp_2dh_s_inner_l(k,sr) = ngp_2dh_s_inner_l(k,sr) + 1
1890                ENDDO
1891!
1892!--             All grid points of the total domain above topography
1893                ngp_3d_inner_l(sr) = ngp_3d_inner_l(sr) + &
1894                                     ( nz - nzb_s_inner(j,i) + 2 )
1895             ENDIF
1896          ENDDO
1897       ENDDO
1898    ENDDO
1899
1900    sr = statistic_regions + 1
1901#if defined( __parallel )
1902    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1903    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_l(0), ngp_2dh(0), sr, MPI_INTEGER, MPI_SUM,   &
1904                        comm2d, ierr )
1905    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1906    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_outer_l(0,0), ngp_2dh_outer(0,0), (nz+2)*sr,  &
1907                        MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1908    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1909    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_s_inner_l(0,0), ngp_2dh_s_inner(0,0),         &
1910                        (nz+2)*sr, MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1911    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1912    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_3d_inner_l(0), ngp_3d_inner_tmp(0), sr, MPI_REAL, &
1913                        MPI_SUM, comm2d, ierr )
1914    ngp_3d_inner = INT( ngp_3d_inner_tmp, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) )
1915#else
1916    ngp_2dh         = ngp_2dh_l
1917    ngp_2dh_outer   = ngp_2dh_outer_l
1918    ngp_2dh_s_inner = ngp_2dh_s_inner_l
1919    ngp_3d_inner    = INT( ngp_3d_inner_l, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) )
1920#endif
1921
1922    ngp_3d = INT ( ngp_2dh, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) ) * &
1923             INT ( (nz + 2 ), KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) )
1924
1925!
1926!-- Set a lower limit of 1 in order to avoid zero divisions in flow_statistics,
1927!-- buoyancy, etc. A zero value will occur for cases where all grid points of
1928!-- the respective subdomain lie below the surface topography
1929    ngp_2dh_outer   = MAX( 1, ngp_2dh_outer(:,:)   ) 
1930    ngp_3d_inner    = MAX( INT(1, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 )),            &
1931                           ngp_3d_inner(:) )
1932    ngp_2dh_s_inner = MAX( 1, ngp_2dh_s_inner(:,:) ) 
1933
1934    DEALLOCATE( ngp_2dh_l, ngp_2dh_outer_l, ngp_3d_inner_l, ngp_3d_inner_tmp )
1935
1936    CALL location_message( 'leaving init_3d_model', .TRUE. )
1937
1938 END SUBROUTINE init_3d_model
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.