source: palm/trunk/SOURCE/init_3d_model.f90 @ 2817

Last change on this file since 2817 was 2817, checked in by knoop, 4 years ago

Preliminary gust module interface implemented

  • Property svn:keywords set to Id
  • Property svn:mergeinfo set to False
    /palm/branches/forwind/SOURCE/init_3d_model.f901564-1913
    /palm/branches/palm4u/SOURCE/init_3d_model.f902540-2692
File size: 94.8 KB
Line 
1!> @file init_3d_model.f90
2!------------------------------------------------------------------------------!
3! This file is part of the PALM model system.
4!
5! PALM is free software: you can redistribute it and/or modify it under the
6! terms of the GNU General Public License as published by the Free Software
7! Foundation, either version 3 of the License, or (at your option) any later
8! version.
9!
10! PALM is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY
11! WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR
12! A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License for more details.
13!
14! You should have received a copy of the GNU General Public License along with
15! PALM. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
16!
17! Copyright 1997-2018 Leibniz Universitaet Hannover
18!------------------------------------------------------------------------------!
19!
20! Current revisions:
21! ------------------
22!
23!
24! Former revisions:
25! -----------------
26! $Id: init_3d_model.f90 2817 2018-02-19 16:32:21Z knoop $
27! Preliminary gust module interface implemented
28!
29! 2776 2018-01-31 10:44:42Z Giersch
30! Variable use_synthetic_turbulence_generator has been abbreviated
31!
32! 2766 2018-01-22 17:17:47Z kanani
33! Removed preprocessor directive __chem
34!
35! 2758 2018-01-17 12:55:21Z suehring
36! In case of spinup of land- and urban-surface model, do not mask wind velocity
37! at first computational grid level
38!
39! 2746 2018-01-15 12:06:04Z suehring
40! Move flag plant canopy to modules
41!
42! 2718 2018-01-02 08:49:38Z maronga
43! Corrected "Former revisions" section
44!
45! 2705 2017-12-18 11:26:23Z maronga
46! Bugfix for reading initial profiles from ls/nuding file
47!
48! 2701 2017-12-15 15:40:50Z suehring
49! Changes from last commit documented
50!
51! 2700 2017-12-15 14:12:35Z suehring
52! Bugfix, missing initialization of surface attributes in case of
53! inifor-initialization branch
54!
55! 2698 2017-12-14 18:46:24Z suehring
56! Bugfix in get_topography_top_index
57!
58! 2696 2017-12-14 17:12:51Z kanani
59! Change in file header (GPL part)
60! Implementation of uv exposure model (FK)
61! Moved initialisation of diss, e, kh, km to turbulence_closure_mod (TG)
62! Added chemical emissions (FK)
63! Initialize masking arrays and number-of-grid-points arrays before initialize
64! LSM, USM and radiation module
65! Initialization with inifor (MS)
66!
67! 2618 2017-11-16 15:37:30Z suehring
68! Reorder calls of init_surfaces.
69!
70! 2564 2017-10-19 15:56:56Z Giersch
71! Variable wind_turbine was added to control_parameters.
72!
73! 2550 2017-10-16 17:12:01Z boeske
74! Modifications to cyclic fill method and turbulence recycling method in case of
75! complex terrain simulations
76!
77! 2513 2017-10-04 09:24:39Z kanani
78! Bugfix in storing initial scalar profile (wrong index)
79!
80! 2350 2017-08-15 11:48:26Z kanani
81! Bugfix in nopointer version
82!
83! 2339 2017-08-07 13:55:26Z gronemeier
84! corrected timestamp in header
85!
86! 2338 2017-08-07 12:15:38Z gronemeier
87! Modularize 1D model
88!
89! 2329 2017-08-03 14:24:56Z knoop
90! Removed temporary bugfix (r2327) as bug is properly resolved by this revision
91!
92! 2327 2017-08-02 07:40:57Z maronga
93! Temporary bugfix
94!
95! 2320 2017-07-21 12:47:43Z suehring
96! Modularize large-scale forcing and nudging
97!
98! 2292 2017-06-20 09:51:42Z schwenkel
99! Implementation of new microphysic scheme: cloud_scheme = 'morrison'
100! includes two more prognostic equations for cloud drop concentration (nc) 
101! and cloud water content (qc).
102!
103! 2277 2017-06-12 10:47:51Z kanani
104! Removed unused variable sums_up_fraction_l
105!
106! 2270 2017-06-09 12:18:47Z maronga
107! dots_num must be increased when LSM and/or radiation is used
108!
109! 2259 2017-06-08 09:09:11Z gronemeier
110! Implemented synthetic turbulence generator
111!
112! 2252 2017-06-07 09:35:37Z knoop
113! rho_air now depending on surface_pressure even in Boussinesq mode
114!
115! 2233 2017-05-30 18:08:54Z suehring
116!
117! 2232 2017-05-30 17:47:52Z suehring
118! Adjustments to new topography and surface concept:
119!   - Modify passed parameters for disturb_field
120!   - Topography representation via flags
121!   - Remove unused arrays.
122!   - Move initialization of surface-related quantities to surface_mod
123!
124! 2172 2017-03-08 15:55:25Z knoop
125! Bugfix: moved parallel random generator initialization into its module
126!
127! 2118 2017-01-17 16:38:49Z raasch
128! OpenACC directives removed
129!
130! 2037 2016-10-26 11:15:40Z knoop
131! Anelastic approximation implemented
132!
133! 2031 2016-10-21 15:11:58Z knoop
134! renamed variable rho to rho_ocean
135!
136! 2011 2016-09-19 17:29:57Z kanani
137! Flag urban_surface is now defined in module control_parameters.
138!
139! 2007 2016-08-24 15:47:17Z kanani
140! Added support for urban surface model,
141! adjusted location_message in case of plant_canopy
142!
143! 2000 2016-08-20 18:09:15Z knoop
144! Forced header and separation lines into 80 columns
145!
146! 1992 2016-08-12 15:14:59Z suehring
147! Initializaton of scalarflux at model top
148! Bugfixes in initialization of surface and top salinity flux, top scalar and
149! humidity fluxes
150!
151! 1960 2016-07-12 16:34:24Z suehring
152! Separate humidity and passive scalar
153! Increase dimension for mean_inflow_profiles
154! Remove inadvertent write-statement
155! Bugfix, large-scale forcing is still not implemented for passive scalars
156!
157! 1957 2016-07-07 10:43:48Z suehring
158! flight module added
159!
160! 1920 2016-05-30 10:50:15Z suehring
161! Initialize us with very small number to avoid segmentation fault during
162! calculation of Obukhov length
163!
164! 1918 2016-05-27 14:35:57Z raasch
165! intermediate_timestep_count is set 0 instead 1 for first call of pres,
166! bugfix: initialization of local sum arrays are moved to the beginning of the
167!         routine because otherwise results from pres are overwritten
168!
169! 1914 2016-05-26 14:44:07Z witha
170! Added initialization of the wind turbine model
171!
172! 1878 2016-04-19 12:30:36Z hellstea
173! The zeroth element of weight_pres removed as unnecessary
174!
175! 1849 2016-04-08 11:33:18Z hoffmann
176! Adapted for modularization of microphysics.
177! precipitation_amount, precipitation_rate, prr moved to arrays_3d.
178! Initialization of nc_1d, nr_1d, pt_1d, qc_1d, qr_1d, q_1d moved to
179! microphysics_init.
180!
181! 1845 2016-04-08 08:29:13Z raasch
182! nzb_2d replaced by nzb_u|v_inner
183!
184! 1833 2016-04-07 14:23:03Z raasch
185! initialization of spectra quantities moved to spectra_mod
186!
187! 1831 2016-04-07 13:15:51Z hoffmann
188! turbulence renamed collision_turbulence
189!
190! 1826 2016-04-07 12:01:39Z maronga
191! Renamed radiation calls.
192! Renamed canopy model calls.
193!
194! 1822 2016-04-07 07:49:42Z hoffmann
195! icloud_scheme replaced by microphysics_*
196!
197! 1817 2016-04-06 15:44:20Z maronga
198! Renamed lsm calls.
199!
200! 1815 2016-04-06 13:49:59Z raasch
201! zero-settings for velocities inside topography re-activated (was deactivated
202! in r1762)
203!
204! 1788 2016-03-10 11:01:04Z maronga
205! Added z0q.
206! Syntax layout improved.
207!
208! 1783 2016-03-06 18:36:17Z raasch
209! netcdf module name changed + related changes
210!
211! 1764 2016-02-28 12:45:19Z raasch
212! bugfix: increase size of volume_flow_area_l and volume_flow_initial_l by 1
213!
214! 1762 2016-02-25 12:31:13Z hellstea
215! Introduction of nested domain feature
216!
217! 1738 2015-12-18 13:56:05Z raasch
218! calculate mean surface level height for each statistic region
219!
220! 1734 2015-12-02 12:17:12Z raasch
221! no initial disturbances in case that the disturbance energy limit has been
222! set zero
223!
224! 1707 2015-11-02 15:24:52Z maronga
225! Bugfix: transfer of Richardson number from 1D model to Obukhov length caused
226! devision by zero in neutral stratification
227!
228! 1691 2015-10-26 16:17:44Z maronga
229! Call to init_surface_layer added. rif is replaced by ol and zeta.
230!
231! 1682 2015-10-07 23:56:08Z knoop
232! Code annotations made doxygen readable
233!
234! 1615 2015-07-08 18:49:19Z suehring
235! Enable turbulent inflow for passive_scalar and humidity
236!
237! 1585 2015-04-30 07:05:52Z maronga
238! Initialization of radiation code is now done after LSM initializtion
239!
240! 1575 2015-03-27 09:56:27Z raasch
241! adjustments for psolver-queries
242!
243! 1551 2015-03-03 14:18:16Z maronga
244! Allocation of land surface arrays is now done in the subroutine lsm_init_arrays,
245! which is part of land_surface_model.
246!
247! 1507 2014-12-10 12:14:18Z suehring
248! Bugfix: set horizontal velocity components to zero inside topography
249!
250! 1496 2014-12-02 17:25:50Z maronga
251! Added initialization of the land surface and radiation schemes
252!
253! 1484 2014-10-21 10:53:05Z kanani
254! Changes due to new module structure of the plant canopy model:
255! canopy-related initialization (e.g. lad and canopy_heat_flux) moved to new
256! subroutine init_plant_canopy within the module plant_canopy_model_mod,
257! call of subroutine init_plant_canopy added.
258!
259! 1431 2014-07-15 14:47:17Z suehring
260! var_d added, in order to normalize spectra.
261!
262! 1429 2014-07-15 12:53:45Z knoop
263! Ensemble run capability added to parallel random number generator
264!
265! 1411 2014-05-16 18:01:51Z suehring
266! Initial horizontal velocity profiles were not set to zero at the first vertical
267! grid level in case of non-cyclic lateral boundary conditions.
268!
269! 1406 2014-05-16 13:47:01Z raasch
270! bugfix: setting of initial velocities at k=1 to zero not in case of a
271! no-slip boundary condition for uv
272!
273! 1402 2014-05-09 14:25:13Z raasch
274! location messages modified
275!
276! 1400 2014-05-09 14:03:54Z knoop
277! Parallel random number generator added
278!
279! 1384 2014-05-02 14:31:06Z raasch
280! location messages added
281!
282! 1361 2014-04-16 15:17:48Z hoffmann
283! tend_* removed
284! Bugfix: w_subs is not allocated anymore if it is already allocated
285!
286! 1359 2014-04-11 17:15:14Z hoffmann
287! module lpm_init_mod added to use statements, because lpm_init has become a
288! module
289!
290! 1353 2014-04-08 15:21:23Z heinze
291! REAL constants provided with KIND-attribute
292!
293! 1340 2014-03-25 19:45:13Z kanani
294! REAL constants defined as wp-kind
295!
296! 1322 2014-03-20 16:38:49Z raasch
297! REAL constants defined as wp-kind
298! module interfaces removed
299!
300! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
301! ONLY-attribute added to USE-statements,
302! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
303! kinds are defined in new module kinds,
304! revision history before 2012 removed,
305! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
306! all variable declaration statements
307!
308! 1316 2014-03-17 07:44:59Z heinze
309! Bugfix: allocation of w_subs
310!
311! 1299 2014-03-06 13:15:21Z heinze
312! Allocate w_subs due to extension of large scale subsidence in combination
313! with large scale forcing data (LSF_DATA)
314!
315! 1241 2013-10-30 11:36:58Z heinze
316! Overwrite initial profiles in case of nudging
317! Inititialize shf and qsws in case of large_scale_forcing
318!
319! 1221 2013-09-10 08:59:13Z raasch
320! +rflags_s_inner in copyin statement, use copyin for most arrays instead of
321! copy
322!
323! 1212 2013-08-15 08:46:27Z raasch
324! array tri is allocated and included in data copy statement
325!
326! 1195 2013-07-01 12:27:57Z heinze
327! Bugfix: move allocation of ref_state to parin.f90 and read_var_list.f90
328!
329! 1179 2013-06-14 05:57:58Z raasch
330! allocate and set ref_state to be used in buoyancy terms
331!
332! 1171 2013-05-30 11:27:45Z raasch
333! diss array is allocated with full size if accelerator boards are used
334!
335! 1159 2013-05-21 11:58:22Z fricke
336! -bc_lr_dirneu, bc_lr_neudir, bc_ns_dirneu, bc_ns_neudir
337!
338! 1153 2013-05-10 14:33:08Z raasch
339! diss array is allocated with dummy elements even if it is not needed
340! (required by PGI 13.4 / CUDA 5.0)
341!
342! 1115 2013-03-26 18:16:16Z hoffmann
343! unused variables removed
344!
345! 1113 2013-03-10 02:48:14Z raasch
346! openACC directive modified
347!
348! 1111 2013-03-08 23:54:10Z raasch
349! openACC directives added for pres
350! array diss allocated only if required
351!
352! 1092 2013-02-02 11:24:22Z raasch
353! unused variables removed
354!
355! 1065 2012-11-22 17:42:36Z hoffmann
356! allocation of diss (dissipation rate) in case of turbulence = .TRUE. added
357!
358! 1053 2012-11-13 17:11:03Z hoffmann
359! allocation and initialisation of necessary data arrays for the two-moment
360! cloud physics scheme the two new prognostic equations (nr, qr):
361! +dr, lambda_r, mu_r, sed_*, xr, *s, *sws, *swst, *, *_p, t*_m, *_1, *_2, *_3,
362! +tend_*, prr
363!
364! 1036 2012-10-22 13:43:42Z raasch
365! code put under GPL (PALM 3.9)
366!
367! 1032 2012-10-21 13:03:21Z letzel
368! save memory by not allocating pt_2 in case of neutral = .T.
369!
370! 1025 2012-10-07 16:04:41Z letzel
371! bugfix: swap indices of mask for ghost boundaries
372!
373! 1015 2012-09-27 09:23:24Z raasch
374! mask is set to zero for ghost boundaries
375!
376! 1010 2012-09-20 07:59:54Z raasch
377! cpp switch __nopointer added for pointer free version
378!
379! 1003 2012-09-14 14:35:53Z raasch
380! nxra,nyna, nzta replaced ny nxr, nyn, nzt
381!
382! 1001 2012-09-13 14:08:46Z raasch
383! all actions concerning leapfrog scheme removed
384!
385! 996 2012-09-07 10:41:47Z raasch
386! little reformatting
387!
388! 978 2012-08-09 08:28:32Z fricke
389! outflow damping layer removed
390! roughness length for scalar quantites z0h added
391! damping zone for the potential temperatur in case of non-cyclic lateral
392! boundaries added
393! initialization of ptdf_x, ptdf_y
394! initialization of c_u_m, c_u_m_l, c_v_m, c_v_m_l, c_w_m, c_w_m_l
395!
396! 849 2012-03-15 10:35:09Z raasch
397! init_particles renamed lpm_init
398!
399! 825 2012-02-19 03:03:44Z raasch
400! wang_collision_kernel renamed wang_kernel
401!
402! Revision 1.1  1998/03/09 16:22:22  raasch
403! Initial revision
404!
405!
406! Description:
407! ------------
408!> Allocation of arrays and initialization of the 3D model via
409!> a) pre-run the 1D model
410!> or
411!> b) pre-set constant linear profiles
412!> or
413!> c) read values of a previous run
414!------------------------------------------------------------------------------!
415 SUBROUTINE init_3d_model
416 
417
418    USE advec_ws
419
420    USE arrays_3d
421
422    USE chemistry_model_mod,                                                   &
423        ONLY:  chem_emissions
424
425    USE cloud_parameters,                                                      &
426        ONLY:  cp, l_v, r_d
427
428    USE constants,                                                             &
429        ONLY:  pi
430   
431    USE control_parameters
432   
433    USE flight_mod,                                                            &
434        ONLY:  flight_init
435   
436    USE grid_variables,                                                        &
437        ONLY:  dx, dy, ddx2_mg, ddy2_mg
438
439    USE gust_mod,                                                              &
440        ONLY:  gust_init, gust_init_arrays, gust_module_enabled
441   
442    USE indices
443
444    USE lpm_init_mod,                                                          &
445        ONLY:  lpm_init
446   
447    USE kinds
448
449    USE land_surface_model_mod,                                                &
450        ONLY:  lsm_init, lsm_init_arrays
451 
452    USE lsf_nudging_mod,                                                       &
453        ONLY:  lsf_init, ls_forcing_surf, nudge_init
454
455    USE microphysics_mod,                                                      &
456        ONLY:  collision_turbulence, microphysics_init
457
458    USE model_1d_mod,                                                          &
459        ONLY:  e1d, init_1d_model, kh1d, km1d, l1d, rif1d, u1d, us1d, usws1d,  &
460               v1d, vsws1d
461
462    USE netcdf_interface,                                                      &
463        ONLY:  dots_max, dots_num, dots_unit, dots_label
464
465    USE netcdf_data_input_mod,                                                  &
466        ONLY:  init_3d, netcdf_data_input_interpolate, netcdf_data_input_init_3d
467   
468    USE particle_attributes,                                                   &
469        ONLY:  particle_advection, use_sgs_for_particles, wang_kernel
470   
471    USE pegrid
472   
473    USE plant_canopy_model_mod,                                                &
474        ONLY:  pcm_init
475
476    USE radiation_model_mod,                                                   &
477        ONLY:  radiation_init, radiation, radiation_control, radiation_scheme, &
478               read_svf_on_init,                                               &
479               write_svf_on_init, radiation_calc_svf, radiation_write_svf,     &
480               radiation_interaction, radiation_interactions,                  &
481               radiation_interaction_init, radiation_read_svf
482   
483    USE random_function_mod
484   
485    USE random_generator_parallel,                                             &
486        ONLY:  init_parallel_random_generator
487   
488    USE statistics,                                                            &
489        ONLY:  hom, hom_sum, mean_surface_level_height, pr_palm, rmask,        &
490               statistic_regions, sums, sums_divnew_l, sums_divold_l, sums_l,  &
491               sums_l_l, sums_wsts_bc_l, ts_value,                             &
492               weight_pres, weight_substep
493
494    USE synthetic_turbulence_generator_mod,                                    &
495        ONLY:  stg_init, use_syn_turb_gen
496
497    USE surface_layer_fluxes_mod,                                              &
498        ONLY:  init_surface_layer_fluxes
499
500    USE surface_mod,                                                           &
501        ONLY :  init_surface_arrays, init_surfaces, surf_def_h, surf_lsm_h,    &
502                surf_usm_h, get_topography_top_index_ji
503   
504    USE transpose_indices
505
506    USE turbulence_closure_mod,                                                &
507        ONLY:  tcm_init_arrays, tcm_init
508
509    USE urban_surface_mod,                                                     &
510        ONLY:  usm_init_urban_surface, usm_allocate_surface
511
512    USE uv_exposure_model_mod,                                                 &
513        ONLY:  uvem_init, uvem_init_arrays
514
515    USE wind_turbine_model_mod,                                                &
516        ONLY:  wtm_init, wtm_init_arrays
517
518    IMPLICIT NONE
519
520    INTEGER(iwp) ::  i             !<
521    INTEGER(iwp) ::  ind_array(1)  !<
522    INTEGER(iwp) ::  j             !<
523    INTEGER(iwp) ::  k             !<
524    INTEGER(iwp) ::  k_surf        !< surface level index
525    INTEGER(iwp) ::  m             !< index of surface element in surface data type
526    INTEGER(iwp) ::  sr            !< index of statistic region
527
528    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE   ::  ngp_2dh_l  !<
529
530    INTEGER(iwp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  ngp_2dh_outer_l    !<
531    INTEGER(iwp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  ngp_2dh_s_inner_l  !<
532
533    REAL(wp)     ::  t_surface !< air temperature at the surface
534
535    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  p_hydrostatic !< hydrostatic pressure
536
537    INTEGER(iwp) ::  l       !< loop variable
538    INTEGER(iwp) ::  nzt_l   !< index of top PE boundary for multigrid level
539    REAL(wp) ::  dx_l !< grid spacing along x on different multigrid level
540    REAL(wp) ::  dy_l !< grid spacing along y on different multigrid level
541
542    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  volume_flow_area_l     !<
543    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  volume_flow_initial_l  !<
544
545    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  mean_surface_level_height_l    !<
546    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  ngp_3d_inner_l    !<
547    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  ngp_3d_inner_tmp  !<
548
549    INTEGER(iwp) ::  nz_u_shift   !<
550    INTEGER(iwp) ::  nz_v_shift   !<
551    INTEGER(iwp) ::  nz_w_shift   !<
552    INTEGER(iwp) ::  nz_s_shift   !<
553    INTEGER(iwp) ::  nz_u_shift_l !<
554    INTEGER(iwp) ::  nz_v_shift_l !<
555    INTEGER(iwp) ::  nz_w_shift_l !<
556    INTEGER(iwp) ::  nz_s_shift_l !<
557
558    CALL location_message( 'allocating arrays', .FALSE. )
559!
560!-- Allocate arrays
561    ALLOCATE( mean_surface_level_height(0:statistic_regions),                  &
562              mean_surface_level_height_l(0:statistic_regions),                &
563              ngp_2dh(0:statistic_regions), ngp_2dh_l(0:statistic_regions),    &
564              ngp_3d(0:statistic_regions),                                     &
565              ngp_3d_inner(0:statistic_regions),                               &
566              ngp_3d_inner_l(0:statistic_regions),                             &
567              ngp_3d_inner_tmp(0:statistic_regions),                           &
568              sums_divnew_l(0:statistic_regions),                              &
569              sums_divold_l(0:statistic_regions) )
570    ALLOCATE( dp_smooth_factor(nzb:nzt), rdf(nzb+1:nzt), rdf_sc(nzb+1:nzt) )
571    ALLOCATE( ngp_2dh_outer(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                    &
572              ngp_2dh_outer_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                  &
573              ngp_2dh_s_inner(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                  &
574              ngp_2dh_s_inner_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                &
575              rmask(nysg:nyng,nxlg:nxrg,0:statistic_regions),                  &
576              sums(nzb:nzt+1,pr_palm+max_pr_user),                             &
577              sums_l(nzb:nzt+1,pr_palm+max_pr_user,0:threads_per_task-1),      &
578              sums_l_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions,0:threads_per_task-1),    &
579              sums_wsts_bc_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                   &
580              ts_value(dots_max,0:statistic_regions) )
581    ALLOCATE( ptdf_x(nxlg:nxrg), ptdf_y(nysg:nyng) )
582
583    ALLOCATE( d(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr),                                    &
584              p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                                &
585              tend(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
586
587#if defined( __nopointer )
588    ALLOCATE( pt(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                               &
589              pt_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
590              u(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                                &
591              u_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
592              v(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                                &
593              v_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
594              w(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                                &
595              w_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
596              tpt_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                            &
597              tu_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
598              tv_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
599              tw_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
600#else
601    ALLOCATE( pt_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
602              pt_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
603              u_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
604              u_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
605              u_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
606              v_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
607              v_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
608              v_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
609              w_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
610              w_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
611              w_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
612    IF (  .NOT.  neutral )  THEN
613       ALLOCATE( pt_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
614    ENDIF
615#endif
616
617!
618!-- Following array is required for perturbation pressure within the iterative
619!-- pressure solvers. For the multistep schemes (Runge-Kutta), array p holds
620!-- the weighted average of the substeps and cannot be used in the Poisson
621!-- solver.
622    IF ( psolver == 'sor' )  THEN
623       ALLOCATE( p_loc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
624    ELSEIF ( psolver(1:9) == 'multigrid' )  THEN
625!
626!--    For performance reasons, multigrid is using one ghost layer only
627       ALLOCATE( p_loc(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
628    ENDIF
629
630!
631!-- Array for storing constant coeffficients of the tridiagonal solver
632    IF ( psolver == 'poisfft' )  THEN
633       ALLOCATE( tri(nxl_z:nxr_z,nys_z:nyn_z,0:nz-1,2) )
634       ALLOCATE( tric(nxl_z:nxr_z,nys_z:nyn_z,0:nz-1) )
635    ENDIF
636
637    IF ( humidity )  THEN
638!
639!--    3D-humidity
640#if defined( __nopointer )
641       ALLOCATE( q(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
642                 q_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
643                 tq_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
644#else
645       ALLOCATE( q_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
646                 q_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
647                 q_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
648#endif
649
650!
651!--    3D-arrays needed for humidity
652       IF ( humidity )  THEN
653#if defined( __nopointer )
654          ALLOCATE( vpt(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
655#else
656          ALLOCATE( vpt_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
657#endif
658
659          IF ( cloud_physics )  THEN
660!
661!--          Liquid water content
662#if defined( __nopointer )
663             ALLOCATE ( ql(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
664#else
665             ALLOCATE ( ql_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
666#endif
667
668!
669!--          3D-cloud water content
670             IF ( .NOT. microphysics_morrison )  THEN
671#if defined( __nopointer )
672                ALLOCATE( qc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
673#else
674                ALLOCATE( qc_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
675#endif
676             ENDIF
677!
678!--          Precipitation amount and rate (only needed if output is switched)
679             ALLOCATE( precipitation_amount(nysg:nyng,nxlg:nxrg),              &
680                       precipitation_rate(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
681
682!
683!--          3d-precipitation rate
684             ALLOCATE( prr(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
685
686             IF ( microphysics_morrison )  THEN
687!
688!--             3D-cloud drop water content, cloud drop concentration arrays
689#if defined( __nopointer )
690                ALLOCATE( nc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                &
691                          nc_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),              &
692                          qc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                &
693                          qc_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),              &
694                          tnc_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),             & 
695                          tqc_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
696#else
697                ALLOCATE( nc_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),              &
698                          nc_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),              &
699                          nc_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),              &
700                          qc_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),              &
701                          qc_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),              &
702                          qc_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
703#endif
704             ENDIF
705
706             IF ( microphysics_seifert )  THEN
707!
708!--             3D-rain water content, rain drop concentration arrays
709#if defined( __nopointer )
710                ALLOCATE( nr(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                &
711                          nr_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),              &
712                          qr(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                &
713                          qr_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),              &
714                          tnr_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),             &
715                          tqr_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
716#else
717                ALLOCATE( nr_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),              &
718                          nr_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),              &
719                          nr_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),              &
720                          qr_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),              &
721                          qr_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),              &
722                          qr_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
723#endif
724             ENDIF
725
726          ENDIF
727
728          IF ( cloud_droplets )  THEN
729!
730!--          Liquid water content, change in liquid water content
731#if defined( __nopointer )
732             ALLOCATE ( ql(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                     &
733                        ql_c(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
734#else
735             ALLOCATE ( ql_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                   &
736                        ql_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
737#endif
738!
739!--          Real volume of particles (with weighting), volume of particles
740             ALLOCATE ( ql_v(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                   &
741                        ql_vp(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
742          ENDIF
743
744       ENDIF
745
746    ENDIF
747   
748   
749    IF ( passive_scalar )  THEN
750
751!
752!--    3D scalar arrays
753#if defined( __nopointer )
754       ALLOCATE( s(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
755                 s_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
756                 ts_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
757#else
758       ALLOCATE( s_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
759                 s_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
760                 s_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
761#endif
762    ENDIF
763
764    IF ( ocean )  THEN
765#if defined( __nopointer )
766       ALLOCATE( prho(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                          &
767                 rho_ocean(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
768                 sa(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                            &
769                 sa_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                          &
770                 tsa_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
771#else
772       ALLOCATE( prho_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                        &
773                 rho_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                         &
774                 sa_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                          &
775                 sa_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                          &
776                 sa_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
777       prho => prho_1
778       rho_ocean  => rho_1  ! routines calc_mean_profile and diffusion_e require
779                      ! density to be apointer
780#endif
781    ENDIF
782
783!
784!-- Allocation of anelastic and Boussinesq approximation specific arrays
785    ALLOCATE( p_hydrostatic(nzb:nzt+1) )
786    ALLOCATE( rho_air(nzb:nzt+1) )
787    ALLOCATE( rho_air_zw(nzb:nzt+1) )
788    ALLOCATE( drho_air(nzb:nzt+1) )
789    ALLOCATE( drho_air_zw(nzb:nzt+1) )
790
791!
792!-- Density profile calculation for anelastic approximation
793    t_surface = pt_surface * ( surface_pressure / 1000.0_wp )**( r_d / cp )
794    IF ( TRIM( approximation ) == 'anelastic' ) THEN
795       DO  k = nzb, nzt+1
796          p_hydrostatic(k)    = surface_pressure * 100.0_wp *                  &
797                                ( 1 - ( g * zu(k) ) / ( cp * t_surface )       &
798                                )**( cp / r_d )
799          rho_air(k)          = ( p_hydrostatic(k) *                           &
800                                  ( 100000.0_wp / p_hydrostatic(k)             &
801                                  )**( r_d / cp )                              &
802                                ) / ( r_d * pt_init(k) )
803       ENDDO
804       DO  k = nzb, nzt
805          rho_air_zw(k) = 0.5_wp * ( rho_air(k) + rho_air(k+1) )
806       ENDDO
807       rho_air_zw(nzt+1)  = rho_air_zw(nzt)                                    &
808                            + 2.0_wp * ( rho_air(nzt+1) - rho_air_zw(nzt)  )
809    ELSE
810       DO  k = nzb, nzt+1
811          p_hydrostatic(k)    = surface_pressure * 100.0_wp *                  &
812                                ( 1 - ( g * zu(nzb) ) / ( cp * t_surface )       &
813                                )**( cp / r_d )
814          rho_air(k)          = ( p_hydrostatic(k) *                           &
815                                  ( 100000.0_wp / p_hydrostatic(k)             &
816                                  )**( r_d / cp )                              &
817                                ) / ( r_d * pt_init(nzb) )
818       ENDDO
819       DO  k = nzb, nzt
820          rho_air_zw(k) = 0.5_wp * ( rho_air(k) + rho_air(k+1) )
821       ENDDO
822       rho_air_zw(nzt+1)  = rho_air_zw(nzt)                                    &
823                            + 2.0_wp * ( rho_air(nzt+1) - rho_air_zw(nzt)  )
824    ENDIF
825!
826!-- compute the inverse density array in order to avoid expencive divisions
827    drho_air    = 1.0_wp / rho_air
828    drho_air_zw = 1.0_wp / rho_air_zw
829
830!
831!-- Allocation of flux conversion arrays
832    ALLOCATE( heatflux_input_conversion(nzb:nzt+1) )
833    ALLOCATE( waterflux_input_conversion(nzb:nzt+1) )
834    ALLOCATE( momentumflux_input_conversion(nzb:nzt+1) )
835    ALLOCATE( heatflux_output_conversion(nzb:nzt+1) )
836    ALLOCATE( waterflux_output_conversion(nzb:nzt+1) )
837    ALLOCATE( momentumflux_output_conversion(nzb:nzt+1) )
838
839!
840!-- calculate flux conversion factors according to approximation and in-/output mode
841    DO  k = nzb, nzt+1
842
843        IF ( TRIM( flux_input_mode ) == 'kinematic' )  THEN
844            heatflux_input_conversion(k)      = rho_air_zw(k)
845            waterflux_input_conversion(k)     = rho_air_zw(k)
846            momentumflux_input_conversion(k)  = rho_air_zw(k)
847        ELSEIF ( TRIM( flux_input_mode ) == 'dynamic' ) THEN
848            heatflux_input_conversion(k)      = 1.0_wp / cp
849            waterflux_input_conversion(k)     = 1.0_wp / l_v
850            momentumflux_input_conversion(k)  = 1.0_wp
851        ENDIF
852
853        IF ( TRIM( flux_output_mode ) == 'kinematic' )  THEN
854            heatflux_output_conversion(k)     = drho_air_zw(k)
855            waterflux_output_conversion(k)    = drho_air_zw(k)
856            momentumflux_output_conversion(k) = drho_air_zw(k)
857        ELSEIF ( TRIM( flux_output_mode ) == 'dynamic' ) THEN
858            heatflux_output_conversion(k)     = cp
859            waterflux_output_conversion(k)    = l_v
860            momentumflux_output_conversion(k) = 1.0_wp
861        ENDIF
862
863        IF ( .NOT. humidity ) THEN
864            waterflux_input_conversion(k)  = 1.0_wp
865            waterflux_output_conversion(k) = 1.0_wp
866        ENDIF
867
868    ENDDO
869
870!
871!-- In case of multigrid method, compute grid lengths and grid factors for the
872!-- grid levels with respective density on each grid
873    IF ( psolver(1:9) == 'multigrid' )  THEN
874
875       ALLOCATE( ddx2_mg(maximum_grid_level) )
876       ALLOCATE( ddy2_mg(maximum_grid_level) )
877       ALLOCATE( dzu_mg(nzb+1:nzt+1,maximum_grid_level) )
878       ALLOCATE( dzw_mg(nzb+1:nzt+1,maximum_grid_level) )
879       ALLOCATE( f1_mg(nzb+1:nzt,maximum_grid_level) )
880       ALLOCATE( f2_mg(nzb+1:nzt,maximum_grid_level) )
881       ALLOCATE( f3_mg(nzb+1:nzt,maximum_grid_level) )
882       ALLOCATE( rho_air_mg(nzb:nzt+1,maximum_grid_level) )
883       ALLOCATE( rho_air_zw_mg(nzb:nzt+1,maximum_grid_level) )
884
885       dzu_mg(:,maximum_grid_level) = dzu
886       rho_air_mg(:,maximum_grid_level) = rho_air
887!       
888!--    Next line to ensure an equally spaced grid.
889       dzu_mg(1,maximum_grid_level) = dzu(2)
890       rho_air_mg(nzb,maximum_grid_level) = rho_air(nzb) +                     &
891                                             (rho_air(nzb) - rho_air(nzb+1))
892
893       dzw_mg(:,maximum_grid_level) = dzw
894       rho_air_zw_mg(:,maximum_grid_level) = rho_air_zw
895       nzt_l = nzt
896       DO  l = maximum_grid_level-1, 1, -1
897           dzu_mg(nzb+1,l) = 2.0_wp * dzu_mg(nzb+1,l+1)
898           dzw_mg(nzb+1,l) = 2.0_wp * dzw_mg(nzb+1,l+1)
899           rho_air_mg(nzb,l)    = rho_air_mg(nzb,l+1) + (rho_air_mg(nzb,l+1) - rho_air_mg(nzb+1,l+1))
900           rho_air_zw_mg(nzb,l) = rho_air_zw_mg(nzb,l+1) + (rho_air_zw_mg(nzb,l+1) - rho_air_zw_mg(nzb+1,l+1))
901           rho_air_mg(nzb+1,l)    = rho_air_mg(nzb+1,l+1)
902           rho_air_zw_mg(nzb+1,l) = rho_air_zw_mg(nzb+1,l+1)
903           nzt_l = nzt_l / 2
904           DO  k = 2, nzt_l+1
905              dzu_mg(k,l) = dzu_mg(2*k-2,l+1) + dzu_mg(2*k-1,l+1)
906              dzw_mg(k,l) = dzw_mg(2*k-2,l+1) + dzw_mg(2*k-1,l+1)
907              rho_air_mg(k,l)    = rho_air_mg(2*k-1,l+1)
908              rho_air_zw_mg(k,l) = rho_air_zw_mg(2*k-1,l+1)
909           ENDDO
910       ENDDO
911
912       nzt_l = nzt
913       dx_l  = dx
914       dy_l  = dy
915       DO  l = maximum_grid_level, 1, -1
916          ddx2_mg(l) = 1.0_wp / dx_l**2
917          ddy2_mg(l) = 1.0_wp / dy_l**2
918          DO  k = nzb+1, nzt_l
919             f2_mg(k,l) = rho_air_zw_mg(k,l) / ( dzu_mg(k+1,l) * dzw_mg(k,l) )
920             f3_mg(k,l) = rho_air_zw_mg(k-1,l) / ( dzu_mg(k,l)   * dzw_mg(k,l) )
921             f1_mg(k,l) = 2.0_wp * ( ddx2_mg(l) + ddy2_mg(l) ) &
922                          * rho_air_mg(k,l) + f2_mg(k,l) + f3_mg(k,l)
923          ENDDO
924          nzt_l = nzt_l / 2
925          dx_l  = dx_l * 2.0_wp
926          dy_l  = dy_l * 2.0_wp
927       ENDDO
928
929    ENDIF
930
931!
932!-- 1D-array for large scale subsidence velocity
933    IF ( .NOT. ALLOCATED( w_subs ) )  THEN
934       ALLOCATE ( w_subs(nzb:nzt+1) )
935       w_subs = 0.0_wp
936    ENDIF
937
938!
939!-- Arrays to store velocity data from t-dt and the phase speeds which
940!-- are needed for radiation boundary conditions
941    IF ( outflow_l )  THEN
942       ALLOCATE( u_m_l(nzb:nzt+1,nysg:nyng,1:2),                               &
943                 v_m_l(nzb:nzt+1,nysg:nyng,0:1),                               &
944                 w_m_l(nzb:nzt+1,nysg:nyng,0:1) )
945    ENDIF
946    IF ( outflow_r )  THEN
947       ALLOCATE( u_m_r(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nx-1:nx),                           &
948                 v_m_r(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nx-1:nx),                           &
949                 w_m_r(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nx-1:nx) )
950    ENDIF
951    IF ( outflow_l  .OR.  outflow_r )  THEN
952       ALLOCATE( c_u(nzb:nzt+1,nysg:nyng), c_v(nzb:nzt+1,nysg:nyng),           &
953                 c_w(nzb:nzt+1,nysg:nyng) )
954    ENDIF
955    IF ( outflow_s )  THEN
956       ALLOCATE( u_m_s(nzb:nzt+1,0:1,nxlg:nxrg),                               &
957                 v_m_s(nzb:nzt+1,1:2,nxlg:nxrg),                               &
958                 w_m_s(nzb:nzt+1,0:1,nxlg:nxrg) )
959    ENDIF
960    IF ( outflow_n )  THEN
961       ALLOCATE( u_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny,nxlg:nxrg),                           &
962                 v_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny,nxlg:nxrg),                           &
963                 w_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny,nxlg:nxrg) )
964    ENDIF
965    IF ( outflow_s  .OR.  outflow_n )  THEN
966       ALLOCATE( c_u(nzb:nzt+1,nxlg:nxrg), c_v(nzb:nzt+1,nxlg:nxrg),           &
967                 c_w(nzb:nzt+1,nxlg:nxrg) )
968    ENDIF
969    IF ( outflow_l  .OR.  outflow_r  .OR.  outflow_s  .OR.  outflow_n )  THEN
970       ALLOCATE( c_u_m_l(nzb:nzt+1), c_v_m_l(nzb:nzt+1), c_w_m_l(nzb:nzt+1) )                   
971       ALLOCATE( c_u_m(nzb:nzt+1), c_v_m(nzb:nzt+1), c_w_m(nzb:nzt+1) )
972    ENDIF
973
974
975#if ! defined( __nopointer )
976!
977!-- Initial assignment of the pointers
978    IF ( .NOT. neutral )  THEN
979       pt => pt_1;  pt_p => pt_2;  tpt_m => pt_3
980    ELSE
981       pt => pt_1;  pt_p => pt_1;  tpt_m => pt_3
982    ENDIF
983    u  => u_1;   u_p  => u_2;   tu_m  => u_3
984    v  => v_1;   v_p  => v_2;   tv_m  => v_3
985    w  => w_1;   w_p  => w_2;   tw_m  => w_3
986
987    IF ( humidity )  THEN
988       q => q_1;  q_p => q_2;  tq_m => q_3
989       IF ( humidity )  THEN
990          vpt  => vpt_1   
991          IF ( cloud_physics )  THEN
992             ql => ql_1
993             IF ( .NOT. microphysics_morrison )  THEN
994                qc => qc_1
995             ENDIF
996             IF ( microphysics_morrison )  THEN
997                qc => qc_1;  qc_p  => qc_2;  tqc_m  => qc_3
998                nc => nc_1;  nc_p  => nc_2;  tnc_m  => nc_3
999             ENDIF
1000             IF ( microphysics_seifert )  THEN
1001                qr => qr_1;  qr_p  => qr_2;  tqr_m  => qr_3
1002                nr => nr_1;  nr_p  => nr_2;  tnr_m  => nr_3
1003             ENDIF
1004          ENDIF
1005       ENDIF
1006       IF ( cloud_droplets )  THEN
1007          ql   => ql_1
1008          ql_c => ql_2
1009       ENDIF
1010    ENDIF
1011   
1012    IF ( passive_scalar )  THEN
1013       s => s_1;  s_p => s_2;  ts_m => s_3
1014    ENDIF   
1015
1016    IF ( ocean )  THEN
1017       sa => sa_1;  sa_p => sa_2;  tsa_m => sa_3
1018    ENDIF
1019#endif
1020!
1021!-- Initialize arrays for turbulence closure
1022    CALL tcm_init_arrays
1023!
1024!-- Initialize surface arrays
1025    CALL init_surface_arrays
1026!
1027!-- Allocate land surface model arrays
1028    IF ( land_surface )  THEN
1029       CALL lsm_init_arrays
1030    ENDIF
1031
1032!
1033!-- Allocate wind turbine model arrays
1034    IF ( wind_turbine )  THEN
1035       CALL wtm_init_arrays
1036    ENDIF
1037!
1038!-- Allocate gust module arrays
1039    IF ( gust_module_enabled )  THEN
1040       CALL gust_init_arrays
1041    ENDIF
1042
1043!
1044!-- Initialize virtual flight measurements
1045    IF ( virtual_flight )  THEN
1046       CALL flight_init
1047    ENDIF
1048
1049!
1050!-- Read uv exposure input data
1051    IF ( uv_exposure )  THEN
1052       CALL uvem_init
1053    ENDIF
1054!
1055!-- Allocate uv exposure arrays
1056    IF ( uv_exposure )  THEN
1057       CALL uvem_init_arrays
1058    ENDIF
1059
1060!
1061!-- Initialize nudging if required
1062    IF ( nudging )  THEN
1063       CALL nudge_init
1064    ENDIF
1065
1066!
1067!-- Initialize reading of large scale forcing from external file - if required
1068    IF ( large_scale_forcing  .OR.  forcing )  THEN
1069       CALL lsf_init
1070    ENDIF
1071
1072!
1073!-- Allocate arrays containing the RK coefficient for calculation of
1074!-- perturbation pressure and turbulent fluxes. At this point values are
1075!-- set for pressure calculation during initialization (where no timestep
1076!-- is done). Further below the values needed within the timestep scheme
1077!-- will be set.
1078    ALLOCATE( weight_substep(1:intermediate_timestep_count_max),               &
1079              weight_pres(1:intermediate_timestep_count_max) )
1080    weight_substep = 1.0_wp
1081    weight_pres    = 1.0_wp
1082    intermediate_timestep_count = 0  ! needed when simulated_time = 0.0
1083       
1084    CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
1085
1086!
1087!-- Initialize local summation arrays for routine flow_statistics.
1088!-- This is necessary because they may not yet have been initialized when they
1089!-- are called from flow_statistics (or - depending on the chosen model run -
1090!-- are never initialized)
1091    sums_divnew_l      = 0.0_wp
1092    sums_divold_l      = 0.0_wp
1093    sums_l_l           = 0.0_wp
1094    sums_wsts_bc_l     = 0.0_wp
1095
1096
1097
1098!
1099!-- Initialize model variables
1100    IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data'  .AND.            &
1101         TRIM( initializing_actions ) /= 'cyclic_fill' )  THEN
1102!
1103!--    Initialization with provided input data derived from larger-scale model
1104       IF ( INDEX( initializing_actions, 'inifor' ) /= 0 )  THEN
1105          CALL location_message( 'initializing with INIFOR', .FALSE. )
1106!
1107!--       Read initial 1D profiles from NetCDF file if available.
1108!--       At the moment, only u, v, w, pt and q are provided.
1109          CALL netcdf_data_input_init_3d
1110!
1111!--       Please note, at the moment INIFOR assumes only an equidistant vertical
1112!--       grid. In case of vertical grid stretching, input of inital data
1113!--       need to be inter- and/or extrapolated.
1114!--       Therefore, check if zu grid on file is identical to numeric zw grid.
1115!--       Please note 
1116          IF ( ANY( zu(1:nzt+1) /= init_3d%zu_atmos(1:init_3d%nzu) ) )  THEN
1117
1118             CALL netcdf_data_input_interpolate( init_3d%u_init(nzb+1:nzt+1),  &
1119                                                 zu(nzb+1:nzt+1),              &
1120                                                 init_3d%zu_atmos )
1121             CALL netcdf_data_input_interpolate( init_3d%v_init(nzb+1:nzt+1),  &
1122                                                 zu(nzb+1:nzt+1),              &
1123                                                 init_3d%zu_atmos )
1124!              CALL netcdf_data_input_interpolate( init_3d%w_init(nzb+1:nzt),    &
1125!                                                  zw(nzb+1:nzt),                &
1126!                                                  init_3d%zw_atmos )
1127             IF ( .NOT. neutral )                                              &
1128                CALL netcdf_data_input_interpolate(                            &
1129                                             init_3d%pt_init(nzb+1:nzt+1),     &
1130                                             zu(nzb+1:nzt+1),                  &
1131                                             init_3d%zu_atmos )
1132             IF ( humidity )                                                   &
1133                CALL netcdf_data_input_interpolate(                            &
1134                                             init_3d%q_init(nzb+1:nzt+1),      &
1135                                             zu(nzb+1:nzt+1),                  &
1136                                             init_3d%zu_atmos )
1137          ENDIF
1138
1139          u_init = init_3d%u_init
1140          v_init = init_3d%v_init   
1141          IF( .NOT. neutral )  pt_init = init_3d%pt_init
1142          IF( humidity      )  q_init  = init_3d%q_init
1143
1144!
1145!--       Please note, Inifor provides data from nzb+1 to nzt+1.
1146!--       Initialize pt and q with Neumann condition at nzb.
1147          IF( .NOT. neutral )  pt_init(nzb) = pt_init(nzb+1)
1148          IF( humidity      )  q_init(nzb)  = q_init(nzb+1)
1149          DO  i = nxlg, nxrg
1150             DO  j = nysg, nyng
1151                u(:,j,i) = u_init(:)
1152                v(:,j,i) = v_init(:)
1153                IF( .NOT. neutral )  pt(:,j,i) = pt_init(:)
1154                IF( humidity      )  q(:,j,i)  = q_init(:)
1155             ENDDO
1156          ENDDO
1157!
1158!--       MS: What about the geostrophic wind profiles? Actually these
1159!--           are not identical to the initial wind profiles in this case.
1160!--           This need to be further revised.
1161!           ug(:) = u_init(:)
1162!           vg(:) = v_init(:)
1163!
1164!--       Set inital w to 0
1165          w = 0.0_wp
1166!
1167!--       Initialize the remaining quantities
1168          IF ( humidity )  THEN
1169             IF ( cloud_physics  .AND.  microphysics_morrison )  THEN
1170                DO  i = nxlg, nxrg
1171                   DO  j = nysg, nyng
1172                      qc(:,j,i) = 0.0_wp
1173                      nc(:,j,i) = 0.0_wp
1174                   ENDDO
1175                ENDDO
1176             ENDIF
1177
1178             IF ( cloud_physics  .AND.  microphysics_seifert )  THEN
1179                DO  i = nxlg, nxrg
1180                   DO  j = nysg, nyng
1181                      qr(:,j,i) = 0.0_wp
1182                      nr(:,j,i) = 0.0_wp
1183                   ENDDO
1184                ENDDO
1185             ENDIF
1186
1187          ENDIF
1188
1189          IF ( passive_scalar )  THEN
1190             DO  i = nxlg, nxrg
1191                DO  j = nysg, nyng
1192                   s(:,j,i) = s_init
1193                ENDDO
1194             ENDDO
1195          ENDIF
1196
1197          IF ( ocean )  THEN
1198             DO  i = nxlg, nxrg
1199                DO  j = nysg, nyng
1200                   sa(:,j,i) = sa_init
1201                ENDDO
1202             ENDDO
1203          ENDIF
1204
1205!
1206!--       Set velocity components at non-atmospheric / oceanic grid points to
1207!--       zero.
1208          u = MERGE( u, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 1 ) )
1209          v = MERGE( v, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 2 ) )
1210          w = MERGE( w, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 3 ) )
1211!
1212!--       Initialize surface variables, e.g. friction velocity, momentum
1213!--       fluxes, etc.
1214          CALL init_surfaces
1215
1216          CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
1217!
1218!--    Initialization via computed 1D-model profiles
1219       ELSEIF ( INDEX( initializing_actions, 'set_1d-model_profiles' ) /= 0 )  THEN
1220
1221          CALL location_message( 'initializing with 1D model profiles', .FALSE. )
1222!
1223!--       Use solutions of the 1D model as initial profiles,
1224!--       start 1D model
1225          CALL init_1d_model
1226!
1227!--       Transfer initial profiles to the arrays of the 3D model
1228          DO  i = nxlg, nxrg
1229             DO  j = nysg, nyng
1230                pt(:,j,i) = pt_init
1231                u(:,j,i)  = u1d
1232                v(:,j,i)  = v1d
1233             ENDDO
1234          ENDDO
1235
1236          IF ( humidity )  THEN
1237             DO  i = nxlg, nxrg
1238                DO  j = nysg, nyng
1239                   q(:,j,i) = q_init
1240                ENDDO
1241             ENDDO
1242             IF ( cloud_physics  .AND.  microphysics_morrison )  THEN
1243                DO  i = nxlg, nxrg
1244                   DO  j = nysg, nyng
1245                      qc(:,j,i) = 0.0_wp
1246                      nc(:,j,i) = 0.0_wp
1247                   ENDDO
1248                ENDDO
1249             ENDIF
1250             IF ( cloud_physics  .AND.  microphysics_seifert )  THEN
1251                DO  i = nxlg, nxrg
1252                   DO  j = nysg, nyng
1253                      qr(:,j,i) = 0.0_wp
1254                      nr(:,j,i) = 0.0_wp
1255                   ENDDO
1256                ENDDO
1257             ENDIF
1258          ENDIF
1259
1260          IF ( passive_scalar )  THEN
1261             DO  i = nxlg, nxrg
1262                DO  j = nysg, nyng
1263                   s(:,j,i) = s_init
1264                ENDDO
1265             ENDDO   
1266          ENDIF
1267!
1268!--          Store initial profiles for output purposes etc.
1269          IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
1270             hom(:,1,25,:) = SPREAD( l1d, 2, statistic_regions+1 )
1271          ENDIF
1272!
1273!--       Set velocities back to zero
1274          u = MERGE( u, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 1 ) )
1275          v = MERGE( v, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 2 ) )         
1276!
1277!--       WARNING: The extra boundary conditions set after running the
1278!--       -------  1D model impose an error on the divergence one layer
1279!--                below the topography; need to correct later
1280!--       ATTENTION: Provisional correction for Piacsek & Williams
1281!--       ---------  advection scheme: keep u and v zero one layer below
1282!--                  the topography.
1283          IF ( ibc_uv_b == 1 )  THEN
1284!
1285!--          Neumann condition
1286             DO  i = nxl-1, nxr+1
1287                DO  j = nys-1, nyn+1
1288                   u(nzb,j,i) = u(nzb+1,j,i)
1289                   v(nzb,j,i) = v(nzb+1,j,i)
1290                ENDDO
1291             ENDDO
1292
1293          ENDIF
1294!
1295!--       Initialize surface variables, e.g. friction velocity, momentum
1296!--       fluxes, etc.
1297          CALL init_surfaces
1298
1299          CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
1300
1301       ELSEIF ( INDEX(initializing_actions, 'set_constant_profiles') /= 0 )    &
1302       THEN
1303
1304          CALL location_message( 'initializing with constant profiles', .FALSE. )
1305!
1306!--       Overwrite initial profiles in case of synthetic turbulence generator
1307          IF( use_syn_turb_gen ) THEN
1308             CALL stg_init
1309          ENDIF
1310
1311!
1312!--       Use constructed initial profiles (velocity constant with height,
1313!--       temperature profile with constant gradient)
1314          DO  i = nxlg, nxrg
1315             DO  j = nysg, nyng
1316                pt(:,j,i) = pt_init
1317                u(:,j,i)  = u_init
1318                v(:,j,i)  = v_init
1319             ENDDO
1320          ENDDO
1321!
1322!--       Mask topography
1323          u = MERGE( u, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 1 ) )
1324          v = MERGE( v, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 2 ) )
1325!
1326!--       Set initial horizontal velocities at the lowest computational grid
1327!--       levels to zero in order to avoid too small time steps caused by the
1328!--       diffusion limit in the initial phase of a run (at k=1, dz/2 occurs
1329!--       in the limiting formula!).
1330!--       Please note, in case land- or urban-surface model is used and a
1331!--       spinup is applied, masking the lowest computational level is not
1332!--       possible as MOST as well as energy-balance parametrizations will not
1333!--       work with zero wind velocity.
1334          IF ( ibc_uv_b /= 1  .AND.  .NOT.  spinup )  THEN
1335             DO  i = nxlg, nxrg
1336                DO  j = nysg, nyng
1337                   DO  k = nzb, nzt
1338                      u(k,j,i) = MERGE( u(k,j,i), 0.0_wp,                      &
1339                                        BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 20 ) )
1340                      v(k,j,i) = MERGE( v(k,j,i), 0.0_wp,                      &
1341                                        BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 21 ) )
1342                   ENDDO
1343                ENDDO
1344             ENDDO
1345          ENDIF
1346
1347          IF ( humidity )  THEN
1348             DO  i = nxlg, nxrg
1349                DO  j = nysg, nyng
1350                   q(:,j,i) = q_init
1351                ENDDO
1352             ENDDO
1353             IF ( cloud_physics  .AND.  microphysics_morrison )  THEN
1354                DO  i = nxlg, nxrg
1355                   DO  j = nysg, nyng
1356                      qc(:,j,i) = 0.0_wp
1357                      nc(:,j,i) = 0.0_wp
1358                   ENDDO
1359                ENDDO
1360             ENDIF
1361
1362             IF ( cloud_physics  .AND.  microphysics_seifert )  THEN
1363                DO  i = nxlg, nxrg
1364                   DO  j = nysg, nyng
1365                      qr(:,j,i) = 0.0_wp
1366                      nr(:,j,i) = 0.0_wp
1367                   ENDDO
1368                ENDDO
1369             ENDIF
1370
1371          ENDIF
1372         
1373          IF ( passive_scalar )  THEN
1374             DO  i = nxlg, nxrg
1375                DO  j = nysg, nyng
1376                   s(:,j,i) = s_init
1377                ENDDO
1378             ENDDO
1379          ENDIF
1380
1381          IF ( ocean )  THEN
1382             DO  i = nxlg, nxrg
1383                DO  j = nysg, nyng
1384                   sa(:,j,i) = sa_init
1385                ENDDO
1386             ENDDO
1387          ENDIF
1388!
1389!--       Compute initial temperature field and other constants used in case
1390!--       of a sloping surface
1391          IF ( sloping_surface )  CALL init_slope
1392!
1393!--       Initialize surface variables, e.g. friction velocity, momentum
1394!--       fluxes, etc.
1395          CALL init_surfaces
1396
1397          CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
1398
1399       ELSEIF ( INDEX(initializing_actions, 'by_user') /= 0 )                  &
1400       THEN
1401
1402          CALL location_message( 'initializing by user', .FALSE. )
1403!
1404!--       Pre-initialize surface variables, i.e. setting start- and end-indices
1405!--       at each (j,i)-location. Please note, this does not supersede
1406!--       user-defined initialization of surface quantities.
1407          CALL init_surfaces
1408!
1409!--       Initialization will completely be done by the user
1410          CALL user_init_3d_model
1411
1412          CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
1413
1414       ENDIF
1415
1416       CALL location_message( 'initializing statistics, boundary conditions, etc.', &
1417                              .FALSE. )
1418
1419!
1420!--    Bottom boundary
1421       IF ( ibc_uv_b == 0 .OR. ibc_uv_b == 2  )  THEN
1422          u(nzb,:,:) = 0.0_wp
1423          v(nzb,:,:) = 0.0_wp
1424       ENDIF
1425
1426!
1427!--    Apply channel flow boundary condition
1428       IF ( TRIM( bc_uv_t ) == 'dirichlet_0' )  THEN
1429          u(nzt+1,:,:) = 0.0_wp
1430          v(nzt+1,:,:) = 0.0_wp
1431       ENDIF
1432
1433!
1434!--    Calculate virtual potential temperature
1435       IF ( humidity )  vpt = pt * ( 1.0_wp + 0.61_wp * q )
1436
1437!
1438!--    Store initial profiles for output purposes etc.. Please note, in case of
1439!--    initialization of u, v, w, pt, and q via output data derived from larger
1440!--    scale models, data will not be horizontally homogeneous. Actually, a mean
1441!--    profile should be calculated before.   
1442       hom(:,1,5,:) = SPREAD( u(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1443       hom(:,1,6,:) = SPREAD( v(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1444       IF ( ibc_uv_b == 0 .OR. ibc_uv_b == 2)  THEN
1445          hom(nzb,1,5,:) = 0.0_wp
1446          hom(nzb,1,6,:) = 0.0_wp
1447       ENDIF
1448       hom(:,1,7,:)  = SPREAD( pt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1449
1450
1451!
1452!--    Store initial salinity profile
1453       IF ( ocean )  THEN
1454          hom(:,1,26,:)  = SPREAD( sa(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1455       ENDIF
1456
1457       IF ( humidity )  THEN
1458!
1459!--       Store initial profile of total water content, virtual potential
1460!--       temperature
1461          hom(:,1,26,:) = SPREAD(   q(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1462          hom(:,1,29,:) = SPREAD( vpt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1463!
1464!--       Store initial profile of specific humidity and potential
1465!--       temperature
1466          IF ( cloud_physics  .OR.  cloud_droplets ) THEN
1467             hom(:,1,27,:) = SPREAD(  q(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1468             hom(:,1,28,:) = SPREAD( pt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1469          ENDIF
1470       ENDIF
1471
1472!
1473!--    Store initial scalar profile
1474       IF ( passive_scalar )  THEN
1475          hom(:,1,121,:) = SPREAD(  s(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1476       ENDIF
1477
1478!
1479!--    Initialize the random number generators (from numerical recipes)
1480       CALL random_function_ini
1481       
1482       IF ( random_generator == 'random-parallel' )  THEN
1483          CALL init_parallel_random_generator(nx, ny, nys, nyn, nxl, nxr)
1484       ENDIF
1485!
1486!--    Set the reference state to be used in the buoyancy terms (for ocean runs
1487!--    the reference state will be set (overwritten) in init_ocean)
1488       IF ( use_single_reference_value )  THEN
1489          IF (  .NOT.  humidity )  THEN
1490             ref_state(:) = pt_reference
1491          ELSE
1492             ref_state(:) = vpt_reference
1493          ENDIF
1494       ELSE
1495          IF (  .NOT.  humidity )  THEN
1496             ref_state(:) = pt_init(:)
1497          ELSE
1498             ref_state(:) = vpt(:,nys,nxl)
1499          ENDIF
1500       ENDIF
1501
1502!
1503!--    For the moment, vertical velocity is zero
1504       w = 0.0_wp
1505
1506!
1507!--    Initialize array sums (must be defined in first call of pres)
1508       sums = 0.0_wp
1509
1510!
1511!--    In case of iterative solvers, p must get an initial value
1512       IF ( psolver(1:9) == 'multigrid'  .OR.  psolver == 'sor' )  p = 0.0_wp
1513
1514!
1515!--    Treating cloud physics, liquid water content and precipitation amount
1516!--    are zero at beginning of the simulation
1517       IF ( cloud_physics )  THEN
1518          ql = 0.0_wp
1519          qc = 0.0_wp
1520
1521          precipitation_amount = 0.0_wp
1522       ENDIF
1523!
1524!--    Impose vortex with vertical axis on the initial velocity profile
1525       IF ( INDEX( initializing_actions, 'initialize_vortex' ) /= 0 )  THEN
1526          CALL init_rankine
1527       ENDIF
1528
1529!
1530!--    Impose temperature anomaly (advection test only)
1531       IF ( INDEX( initializing_actions, 'initialize_ptanom' ) /= 0 )  THEN
1532          CALL init_pt_anomaly
1533       ENDIF
1534
1535!
1536!--    If required, change the surface temperature at the start of the 3D run
1537       IF ( pt_surface_initial_change /= 0.0_wp )  THEN
1538          pt(nzb,:,:) = pt(nzb,:,:) + pt_surface_initial_change
1539       ENDIF
1540
1541!
1542!--    If required, change the surface humidity/scalar at the start of the 3D
1543!--    run
1544       IF ( humidity  .AND.  q_surface_initial_change /= 0.0_wp )              &
1545          q(nzb,:,:) = q(nzb,:,:) + q_surface_initial_change
1546         
1547       IF ( passive_scalar .AND.  s_surface_initial_change /= 0.0_wp )         &
1548          s(nzb,:,:) = s(nzb,:,:) + s_surface_initial_change
1549       
1550
1551!
1552!--    Initialize old and new time levels.
1553       tpt_m = 0.0_wp; tu_m = 0.0_wp; tv_m = 0.0_wp; tw_m = 0.0_wp
1554       pt_p = pt; u_p = u; v_p = v; w_p = w
1555
1556       IF ( humidity  )  THEN
1557          tq_m = 0.0_wp
1558          q_p = q
1559          IF ( cloud_physics  .AND.  microphysics_morrison )  THEN
1560             tqc_m = 0.0_wp
1561             qc_p  = qc
1562             tnc_m = 0.0_wp
1563             nc_p  = nc
1564          ENDIF
1565          IF ( cloud_physics  .AND.  microphysics_seifert )  THEN
1566             tqr_m = 0.0_wp
1567             qr_p  = qr
1568             tnr_m = 0.0_wp
1569             nr_p  = nr
1570          ENDIF
1571       ENDIF
1572       
1573       IF ( passive_scalar )  THEN
1574          ts_m = 0.0_wp
1575          s_p  = s
1576       ENDIF       
1577
1578       IF ( ocean )  THEN
1579          tsa_m = 0.0_wp
1580          sa_p  = sa
1581       ENDIF
1582       
1583       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
1584
1585    ELSEIF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data'  .OR.         &
1586             TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )                   &
1587    THEN
1588
1589       CALL location_message( 'initializing in case of restart / cyclic_fill', &
1590                              .FALSE. )
1591!
1592!--    Initialize surface elements and its attributes, e.g. heat- and
1593!--    momentumfluxes, roughness, scaling parameters. As number of surface
1594!--    elements might be different between runs, e.g. in case of cyclic fill,
1595!--    and not all surface elements are read, surface elements need to be
1596!--    initialized before.     
1597       CALL init_surfaces
1598!
1599!--    When reading data for cyclic fill of 3D prerun data files, read
1600!--    some of the global variables from the restart file which are required
1601!--    for initializing the inflow
1602       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  THEN
1603
1604          DO  i = 0, io_blocks-1
1605             IF ( i == io_group )  THEN
1606                CALL read_parts_of_var_list
1607                CALL close_file( 13 )
1608             ENDIF
1609#if defined( __parallel )
1610             CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1611#endif
1612          ENDDO
1613
1614       ENDIF
1615
1616!
1617!--    Read binary data from restart file
1618       DO  i = 0, io_blocks-1
1619          IF ( i == io_group )  THEN
1620             CALL read_3d_binary
1621          ENDIF
1622#if defined( __parallel )
1623          CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1624#endif
1625       ENDDO
1626
1627!
1628!--    In case of complex terrain and cyclic fill method as initialization,
1629!--    shift initial data in the vertical direction for each point in the
1630!--    x-y-plane depending on local surface height
1631       IF ( complex_terrain  .AND.                                             &
1632            TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  THEN
1633          DO  i = nxlg, nxrg
1634             DO  j = nysg, nyng
1635                nz_u_shift = get_topography_top_index_ji( j, i, 'u' )
1636                nz_v_shift = get_topography_top_index_ji( j, i, 'v' )
1637                nz_w_shift = get_topography_top_index_ji( j, i, 'w' )
1638                nz_s_shift = get_topography_top_index_ji( j, i, 's' )
1639
1640                u(nz_u_shift:nzt+1,j,i)  = u(0:nzt+1-nz_u_shift,j,i)               
1641
1642                v(nz_v_shift:nzt+1,j,i)  = v(0:nzt+1-nz_v_shift,j,i)
1643
1644                w(nz_w_shift:nzt+1,j,i)  = w(0:nzt+1-nz_w_shift,j,i)
1645
1646                p(nz_s_shift:nzt+1,j,i)  =  p(0:nzt+1-nz_s_shift,j,i)
1647                pt(nz_s_shift:nzt+1,j,i) = pt(0:nzt+1-nz_s_shift,j,i)
1648             ENDDO
1649          ENDDO
1650       ENDIF
1651
1652!
1653!--    Initialization of the turbulence recycling method
1654       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill'  .AND.               &
1655            turbulent_inflow )  THEN
1656!
1657!--       First store the profiles to be used at the inflow.
1658!--       These profiles are the (temporally) and horizontally averaged vertical
1659!--       profiles from the prerun. Alternatively, prescribed profiles
1660!--       for u,v-components can be used.
1661          ALLOCATE( mean_inflow_profiles(nzb:nzt+1,7) )
1662
1663          IF ( use_prescribed_profile_data )  THEN
1664             mean_inflow_profiles(:,1) = u_init            ! u
1665             mean_inflow_profiles(:,2) = v_init            ! v
1666          ELSE
1667             mean_inflow_profiles(:,1) = hom_sum(:,1,0)    ! u
1668             mean_inflow_profiles(:,2) = hom_sum(:,2,0)    ! v
1669          ENDIF
1670          mean_inflow_profiles(:,4) = hom_sum(:,4,0)       ! pt
1671          IF ( humidity )                                                      &
1672             mean_inflow_profiles(:,6) = hom_sum(:,41,0)   ! q
1673          IF ( passive_scalar )                                                &
1674             mean_inflow_profiles(:,7) = hom_sum(:,115,0)   ! s
1675!
1676!--       In case of complex terrain, determine vertical displacement at inflow
1677!--       boundary and adjust mean inflow profiles
1678          IF ( complex_terrain )  THEN
1679             IF ( nxlg <= 0 .AND. nxrg >= 0 .AND. nysg <= 0 .AND. nyng >= 0 )  THEN
1680                nz_u_shift_l = get_topography_top_index_ji( 0, 0, 'u' )
1681                nz_v_shift_l = get_topography_top_index_ji( 0, 0, 'v' )
1682                nz_w_shift_l = get_topography_top_index_ji( 0, 0, 'w' )
1683                nz_s_shift_l = get_topography_top_index_ji( 0, 0, 's' )
1684             ELSE
1685                nz_u_shift_l = 0
1686                nz_v_shift_l = 0
1687                nz_w_shift_l = 0
1688                nz_s_shift_l = 0
1689             ENDIF
1690
1691#if defined( __parallel )
1692             CALL MPI_ALLREDUCE(nz_u_shift_l, nz_u_shift, 1, MPI_INTEGER,      &
1693                                MPI_MAX, comm2d, ierr)
1694             CALL MPI_ALLREDUCE(nz_v_shift_l, nz_v_shift, 1, MPI_INTEGER,      &
1695                                MPI_MAX, comm2d, ierr)
1696             CALL MPI_ALLREDUCE(nz_w_shift_l, nz_w_shift, 1, MPI_INTEGER,      & 
1697                                MPI_MAX, comm2d, ierr)
1698             CALL MPI_ALLREDUCE(nz_s_shift_l, nz_s_shift, 1, MPI_INTEGER,      &
1699                                MPI_MAX, comm2d, ierr)
1700#else
1701             nz_u_shift = nz_u_shift_l
1702             nz_v_shift = nz_v_shift_l
1703             nz_w_shift = nz_w_shift_l
1704             nz_s_shift = nz_s_shift_l
1705#endif
1706
1707             mean_inflow_profiles(:,1) = 0.0_wp
1708             mean_inflow_profiles(nz_u_shift:nzt+1,1) = hom_sum(0:nzt+1-nz_u_shift,1,0)  ! u
1709
1710             mean_inflow_profiles(:,2) = 0.0_wp
1711             mean_inflow_profiles(nz_v_shift:nzt+1,2) = hom_sum(0:nzt+1-nz_v_shift,2,0)  ! v
1712
1713             mean_inflow_profiles(nz_s_shift:nzt+1,4) = hom_sum(0:nzt+1-nz_s_shift,4,0)  ! pt
1714
1715          ENDIF
1716
1717!
1718!--       If necessary, adjust the horizontal flow field to the prescribed
1719!--       profiles
1720          IF ( use_prescribed_profile_data )  THEN
1721             DO  i = nxlg, nxrg
1722                DO  j = nysg, nyng
1723                   DO  k = nzb, nzt+1
1724                      u(k,j,i) = u(k,j,i) - hom_sum(k,1,0) + u_init(k)
1725                      v(k,j,i) = v(k,j,i) - hom_sum(k,2,0) + v_init(k)
1726                   ENDDO
1727                ENDDO
1728             ENDDO
1729          ENDIF
1730
1731!
1732!--       Use these mean profiles at the inflow (provided that Dirichlet
1733!--       conditions are used)
1734          IF ( inflow_l )  THEN
1735             DO  j = nysg, nyng
1736                DO  k = nzb, nzt+1
1737                   u(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,1)
1738                   v(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,2)
1739                   w(k,j,nxlg:-1)  = 0.0_wp
1740                   pt(k,j,nxlg:-1) = mean_inflow_profiles(k,4)
1741                   IF ( humidity )                                             &
1742                      q(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,6)
1743                   IF ( passive_scalar )                                       &
1744                      s(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,7)                     
1745                ENDDO
1746             ENDDO
1747          ENDIF
1748
1749!
1750!--       Calculate the damping factors to be used at the inflow. For a
1751!--       turbulent inflow the turbulent fluctuations have to be limited
1752!--       vertically because otherwise the turbulent inflow layer will grow
1753!--       in time.
1754          IF ( inflow_damping_height == 9999999.9_wp )  THEN
1755!
1756!--          Default: use the inversion height calculated by the prerun; if
1757!--          this is zero, inflow_damping_height must be explicitly
1758!--          specified.
1759             IF ( hom_sum(nzb+6,pr_palm,0) /= 0.0_wp )  THEN
1760                inflow_damping_height = hom_sum(nzb+6,pr_palm,0)
1761             ELSE
1762                WRITE( message_string, * ) 'inflow_damping_height must be ',   &
1763                     'explicitly specified because&the inversion height ',     &
1764                     'calculated by the prerun is zero.'
1765                CALL message( 'init_3d_model', 'PA0318', 1, 2, 0, 6, 0 )
1766             ENDIF
1767
1768          ENDIF
1769
1770          IF ( inflow_damping_width == 9999999.9_wp )  THEN
1771!
1772!--          Default for the transition range: one tenth of the undamped
1773!--          layer
1774             inflow_damping_width = 0.1_wp * inflow_damping_height
1775
1776          ENDIF
1777
1778          ALLOCATE( inflow_damping_factor(nzb:nzt+1) )
1779
1780          DO  k = nzb, nzt+1
1781
1782             IF ( zu(k) <= inflow_damping_height )  THEN
1783                inflow_damping_factor(k) = 1.0_wp
1784             ELSEIF ( zu(k) <= ( inflow_damping_height + inflow_damping_width ) )  THEN
1785                inflow_damping_factor(k) = 1.0_wp -                            &
1786                                           ( zu(k) - inflow_damping_height ) / &
1787                                           inflow_damping_width
1788             ELSE
1789                inflow_damping_factor(k) = 0.0_wp
1790             ENDIF
1791
1792          ENDDO
1793
1794       ENDIF
1795
1796!
1797!--    Inside buildings set velocities back to zero
1798       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' .AND.                &
1799            topography /= 'flat' )  THEN
1800!
1801!--       Inside buildings set velocities back to zero.
1802!--       Other scalars (pt, q, s, p, sa, ...) are ignored at present,
1803!--       maybe revise later.
1804          DO  i = nxlg, nxrg
1805             DO  j = nysg, nyng
1806                DO  k = nzb, nzt
1807                   u(k,j,i)     = MERGE( u(k,j,i), 0.0_wp,                     &
1808                                         BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 1 ) )
1809                   v(k,j,i)     = MERGE( v(k,j,i), 0.0_wp,                     &
1810                                         BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 2 ) )
1811                   w(k,j,i)     = MERGE( w(k,j,i), 0.0_wp,                     &
1812                                         BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 3 ) )
1813                   tu_m(k,j,i)  = MERGE( tu_m(k,j,i), 0.0_wp,                  &
1814                                         BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 1 ) )
1815                   tv_m(k,j,i)  = MERGE( tv_m(k,j,i), 0.0_wp,                  &
1816                                         BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 2 ) )
1817                   tw_m(k,j,i)  = MERGE( tw_m(k,j,i), 0.0_wp,                  &
1818                                         BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 3 ) )
1819                   tpt_m(k,j,i) = MERGE( tpt_m(k,j,i), 0.0_wp,                 &
1820                                         BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
1821                ENDDO
1822             ENDDO
1823          ENDDO
1824
1825       ENDIF
1826
1827!
1828!--    Calculate initial temperature field and other constants used in case
1829!--    of a sloping surface
1830       IF ( sloping_surface )  CALL init_slope
1831
1832!
1833!--    Initialize new time levels (only done in order to set boundary values
1834!--    including ghost points)
1835       pt_p = pt; u_p = u; v_p = v; w_p = w
1836       IF ( humidity )  THEN
1837          q_p = q
1838          IF ( cloud_physics  .AND.  microphysics_morrison )  THEN
1839             qc_p = qc
1840             nc_p = nc
1841          ENDIF
1842          IF ( cloud_physics  .AND.  microphysics_seifert )  THEN
1843             qr_p = qr
1844             nr_p = nr
1845          ENDIF
1846       ENDIF
1847       IF ( passive_scalar )  s_p  = s
1848       IF ( ocean          )  sa_p = sa
1849
1850!
1851!--    Allthough tendency arrays are set in prognostic_equations, they have
1852!--    have to be predefined here because they are used (but multiplied with 0)
1853!--    there before they are set.
1854       tpt_m = 0.0_wp; tu_m = 0.0_wp; tv_m = 0.0_wp; tw_m = 0.0_wp
1855       IF ( humidity )  THEN
1856          tq_m = 0.0_wp
1857          IF ( cloud_physics  .AND.  microphysics_morrison )  THEN
1858             tqc_m = 0.0_wp
1859             tnc_m = 0.0_wp
1860          ENDIF
1861          IF ( cloud_physics  .AND.  microphysics_seifert )  THEN
1862             tqr_m = 0.0_wp
1863             tnr_m = 0.0_wp
1864          ENDIF
1865       ENDIF
1866       IF ( passive_scalar )  ts_m  = 0.0_wp
1867       IF ( ocean          )  tsa_m = 0.0_wp
1868!
1869!--    Initialize synthetic turbulence generator in case of restart.
1870       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data'  .AND.         &
1871            use_syn_turb_gen )  CALL stg_init
1872
1873       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
1874
1875    ELSE
1876!
1877!--    Actually this part of the programm should not be reached
1878       message_string = 'unknown initializing problem'
1879       CALL message( 'init_3d_model', 'PA0193', 1, 2, 0, 6, 0 )
1880    ENDIF
1881
1882!
1883!-- Initialize TKE, Kh and Km
1884    CALL tcm_init
1885
1886
1887    IF (  TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' )  THEN
1888!
1889!--    Initialize old timelevels needed for radiation boundary conditions
1890       IF ( outflow_l )  THEN
1891          u_m_l(:,:,:) = u(:,:,1:2)
1892          v_m_l(:,:,:) = v(:,:,0:1)
1893          w_m_l(:,:,:) = w(:,:,0:1)
1894       ENDIF
1895       IF ( outflow_r )  THEN
1896          u_m_r(:,:,:) = u(:,:,nx-1:nx)
1897          v_m_r(:,:,:) = v(:,:,nx-1:nx)
1898          w_m_r(:,:,:) = w(:,:,nx-1:nx)
1899       ENDIF
1900       IF ( outflow_s )  THEN
1901          u_m_s(:,:,:) = u(:,0:1,:)
1902          v_m_s(:,:,:) = v(:,1:2,:)
1903          w_m_s(:,:,:) = w(:,0:1,:)
1904       ENDIF
1905       IF ( outflow_n )  THEN
1906          u_m_n(:,:,:) = u(:,ny-1:ny,:)
1907          v_m_n(:,:,:) = v(:,ny-1:ny,:)
1908          w_m_n(:,:,:) = w(:,ny-1:ny,:)
1909       ENDIF
1910       
1911    ENDIF
1912
1913!
1914!-- Calculate the initial volume flow at the right and north boundary
1915    IF ( conserve_volume_flow )  THEN
1916
1917       IF ( use_prescribed_profile_data )  THEN
1918
1919          volume_flow_initial_l = 0.0_wp
1920          volume_flow_area_l    = 0.0_wp
1921
1922          IF ( nxr == nx )  THEN
1923             DO  j = nys, nyn
1924                DO  k = nzb+1, nzt
1925                   volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) +       &
1926                                              u_init(k) * dzw(k)               &
1927                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1928                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nxr), 1 )&
1929                                            )
1930
1931                   volume_flow_area_l(1)    = volume_flow_area_l(1) + dzw(k)   &
1932                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1933                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nxr), 1 )&
1934                                            )
1935                ENDDO
1936             ENDDO
1937          ENDIF
1938         
1939          IF ( nyn == ny )  THEN
1940             DO  i = nxl, nxr
1941                DO  k = nzb+1, nzt
1942                   volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) +       &
1943                                              v_init(k) * dzw(k)               &       
1944                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1945                                              BTEST( wall_flags_0(k,nyn,i), 2 )&
1946                                            )
1947                   volume_flow_area_l(2)    = volume_flow_area_l(2) + dzw(k)   &       
1948                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1949                                              BTEST( wall_flags_0(k,nyn,i), 2 )&
1950                                            )
1951                ENDDO
1952             ENDDO
1953          ENDIF
1954
1955#if defined( __parallel )
1956          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_initial_l(1), volume_flow_initial(1),&
1957                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1958          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_area_l(1), volume_flow_area(1),      &
1959                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1960
1961#else
1962          volume_flow_initial = volume_flow_initial_l
1963          volume_flow_area    = volume_flow_area_l
1964#endif 
1965
1966       ELSEIF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  THEN
1967
1968          volume_flow_initial_l = 0.0_wp
1969          volume_flow_area_l    = 0.0_wp
1970
1971          IF ( nxr == nx )  THEN
1972             DO  j = nys, nyn
1973                DO  k = nzb+1, nzt
1974                   volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) +       &
1975                                              hom_sum(k,1,0) * dzw(k)          &
1976                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1977                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nx), 1 ) &
1978                                            )
1979                   volume_flow_area_l(1)    = volume_flow_area_l(1) + dzw(k)   &
1980                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1981                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nx), 1 ) &
1982                                            )
1983                ENDDO
1984             ENDDO
1985          ENDIF
1986         
1987          IF ( nyn == ny )  THEN
1988             DO  i = nxl, nxr
1989                DO  k = nzb+1, nzt
1990                   volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) +       &
1991                                              hom_sum(k,2,0) * dzw(k)          &       
1992                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1993                                              BTEST( wall_flags_0(k,ny,i), 2 ) &
1994                                            )
1995                   volume_flow_area_l(2)    = volume_flow_area_l(2) + dzw(k)   &       
1996                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1997                                              BTEST( wall_flags_0(k,ny,i), 2 ) &
1998                                            )
1999                ENDDO
2000             ENDDO
2001          ENDIF
2002
2003#if defined( __parallel )
2004          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_initial_l(1), volume_flow_initial(1),&
2005                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2006          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_area_l(1), volume_flow_area(1),      &
2007                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2008
2009#else
2010          volume_flow_initial = volume_flow_initial_l
2011          volume_flow_area    = volume_flow_area_l
2012#endif 
2013
2014       ELSEIF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' )  THEN
2015
2016          volume_flow_initial_l = 0.0_wp
2017          volume_flow_area_l    = 0.0_wp
2018
2019          IF ( nxr == nx )  THEN
2020             DO  j = nys, nyn
2021                DO  k = nzb+1, nzt
2022                   volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) +       &
2023                                              u(k,j,nx) * dzw(k)               &
2024                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
2025                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nx), 1 ) &
2026                                            )
2027                   volume_flow_area_l(1)    = volume_flow_area_l(1) + dzw(k)   &
2028                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
2029                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nx), 1 ) &
2030                                            )
2031                ENDDO
2032             ENDDO
2033          ENDIF
2034         
2035          IF ( nyn == ny )  THEN
2036             DO  i = nxl, nxr
2037                DO  k = nzb+1, nzt
2038                   volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) +       &
2039                                              v(k,ny,i) * dzw(k)               &       
2040                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
2041                                              BTEST( wall_flags_0(k,ny,i), 2 ) &
2042                                            )
2043                   volume_flow_area_l(2)    = volume_flow_area_l(2) + dzw(k)   &       
2044                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
2045                                              BTEST( wall_flags_0(k,ny,i), 2 ) &
2046                                            )
2047                ENDDO
2048             ENDDO
2049          ENDIF
2050
2051#if defined( __parallel )
2052          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_initial_l(1), volume_flow_initial(1),&
2053                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2054          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_area_l(1), volume_flow_area(1),      &
2055                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2056
2057#else
2058          volume_flow_initial = volume_flow_initial_l
2059          volume_flow_area    = volume_flow_area_l
2060#endif 
2061
2062       ENDIF
2063
2064!
2065!--    In case of 'bulk_velocity' mode, volume_flow_initial is calculated
2066!--    from u|v_bulk instead
2067       IF ( TRIM( conserve_volume_flow_mode ) == 'bulk_velocity' )  THEN
2068          volume_flow_initial(1) = u_bulk * volume_flow_area(1)
2069          volume_flow_initial(2) = v_bulk * volume_flow_area(2)
2070       ENDIF
2071
2072    ENDIF
2073!
2074!-- Finally, if random_heatflux is set, disturb shf at horizontal
2075!-- surfaces. Actually, this should be done in surface_mod, where all other
2076!-- initializations of surface quantities are done. However, this
2077!-- would create a ring dependency, hence, it is done here. Maybe delete
2078!-- disturb_heatflux and tranfer the respective code directly into the
2079!-- initialization in surface_mod.         
2080    IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data'  .AND.            &
2081         TRIM( initializing_actions ) /= 'cyclic_fill' )  THEN
2082 
2083       IF ( use_surface_fluxes  .AND.  constant_heatflux  .AND.                &
2084            random_heatflux )  THEN
2085          IF ( surf_def_h(0)%ns >= 1 )  CALL disturb_heatflux( surf_def_h(0) )
2086          IF ( surf_lsm_h%ns    >= 1 )  CALL disturb_heatflux( surf_lsm_h    )
2087          IF ( surf_usm_h%ns    >= 1 )  CALL disturb_heatflux( surf_usm_h    )
2088       ENDIF
2089    ENDIF
2090
2091!
2092!-- Before initializing further modules, compute total sum of active mask
2093!-- grid points and the mean surface level height for each statistic region.
2094!-- ngp_2dh: number of grid points of a horizontal cross section through the
2095!--          total domain
2096!-- ngp_3d:  number of grid points of the total domain
2097    ngp_2dh_outer_l   = 0
2098    ngp_2dh_outer     = 0
2099    ngp_2dh_s_inner_l = 0
2100    ngp_2dh_s_inner   = 0
2101    ngp_2dh_l         = 0
2102    ngp_2dh           = 0
2103    ngp_3d_inner_l    = 0.0_wp
2104    ngp_3d_inner      = 0
2105    ngp_3d            = 0
2106    ngp_sums          = ( nz + 2 ) * ( pr_palm + max_pr_user )
2107
2108    mean_surface_level_height   = 0.0_wp
2109    mean_surface_level_height_l = 0.0_wp
2110!
2111!-- Pre-set masks for regional statistics. Default is the total model domain.
2112!-- Ghost points are excluded because counting values at the ghost boundaries
2113!-- would bias the statistics
2114    rmask = 1.0_wp
2115    rmask(:,nxlg:nxl-1,:) = 0.0_wp;  rmask(:,nxr+1:nxrg,:) = 0.0_wp
2116    rmask(nysg:nys-1,:,:) = 0.0_wp;  rmask(nyn+1:nyng,:,:) = 0.0_wp
2117
2118!
2119!-- To do: New concept for these non-topography grid points!
2120    DO  sr = 0, statistic_regions
2121       DO  i = nxl, nxr
2122          DO  j = nys, nyn
2123             IF ( rmask(j,i,sr) == 1.0_wp )  THEN
2124!
2125!--             All xy-grid points
2126                ngp_2dh_l(sr) = ngp_2dh_l(sr) + 1
2127!
2128!--             Determine mean surface-level height. In case of downward-
2129!--             facing walls are present, more than one surface level exist.
2130!--             In this case, use the lowest surface-level height.
2131                IF ( surf_def_h(0)%start_index(j,i) <=                         &
2132                     surf_def_h(0)%end_index(j,i) )  THEN
2133                   m = surf_def_h(0)%start_index(j,i)
2134                   k = surf_def_h(0)%k(m)
2135                   mean_surface_level_height_l(sr) =                           &
2136                                       mean_surface_level_height_l(sr) + zw(k-1)
2137                ENDIF
2138                IF ( surf_lsm_h%start_index(j,i) <=                            &
2139                     surf_lsm_h%end_index(j,i) )  THEN
2140                   m = surf_lsm_h%start_index(j,i)
2141                   k = surf_lsm_h%k(m)
2142                   mean_surface_level_height_l(sr) =                           &
2143                                       mean_surface_level_height_l(sr) + zw(k-1)
2144                ENDIF
2145                IF ( surf_usm_h%start_index(j,i) <=                            &
2146                     surf_usm_h%end_index(j,i) )  THEN
2147                   m = surf_usm_h%start_index(j,i)
2148                   k = surf_usm_h%k(m)
2149                   mean_surface_level_height_l(sr) =                           &
2150                                       mean_surface_level_height_l(sr) + zw(k-1)
2151                ENDIF
2152
2153                k_surf = k - 1
2154
2155                DO  k = nzb, nzt+1
2156!
2157!--                xy-grid points above topography
2158                   ngp_2dh_outer_l(k,sr) = ngp_2dh_outer_l(k,sr)     +         &
2159                                  MERGE( 1, 0, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 24 ) )
2160
2161                   ngp_2dh_s_inner_l(k,sr) = ngp_2dh_s_inner_l(k,sr) +         &
2162                                  MERGE( 1, 0, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 22 ) )
2163
2164                ENDDO
2165!
2166!--             All grid points of the total domain above topography
2167                ngp_3d_inner_l(sr) = ngp_3d_inner_l(sr) + ( nz - k_surf + 2 )
2168
2169
2170
2171             ENDIF
2172          ENDDO
2173       ENDDO
2174    ENDDO
2175
2176    sr = statistic_regions + 1
2177#if defined( __parallel )
2178    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2179    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_l(0), ngp_2dh(0), sr, MPI_INTEGER, MPI_SUM,    &
2180                        comm2d, ierr )
2181    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2182    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_outer_l(0,0), ngp_2dh_outer(0,0), (nz+2)*sr,   &
2183                        MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2184    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2185    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_s_inner_l(0,0), ngp_2dh_s_inner(0,0),          &
2186                        (nz+2)*sr, MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2187    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2188    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_3d_inner_l(0), ngp_3d_inner_tmp(0), sr, MPI_REAL,  &
2189                        MPI_SUM, comm2d, ierr )
2190    ngp_3d_inner = INT( ngp_3d_inner_tmp, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) )
2191    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2192    CALL MPI_ALLREDUCE( mean_surface_level_height_l(0),                        &
2193                        mean_surface_level_height(0), sr, MPI_REAL,            &
2194                        MPI_SUM, comm2d, ierr )
2195    mean_surface_level_height = mean_surface_level_height / REAL( ngp_2dh )
2196#else
2197    ngp_2dh         = ngp_2dh_l
2198    ngp_2dh_outer   = ngp_2dh_outer_l
2199    ngp_2dh_s_inner = ngp_2dh_s_inner_l
2200    ngp_3d_inner    = INT( ngp_3d_inner_l, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) )
2201    mean_surface_level_height = mean_surface_level_height_l / REAL( ngp_2dh_l )
2202#endif
2203
2204    ngp_3d = INT ( ngp_2dh, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) ) * &
2205             INT ( (nz + 2 ), KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) )
2206
2207!
2208!-- Set a lower limit of 1 in order to avoid zero divisions in flow_statistics,
2209!-- buoyancy, etc. A zero value will occur for cases where all grid points of
2210!-- the respective subdomain lie below the surface topography
2211    ngp_2dh_outer   = MAX( 1, ngp_2dh_outer(:,:)   ) 
2212    ngp_3d_inner    = MAX( INT(1, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 )),             &
2213                           ngp_3d_inner(:) )
2214    ngp_2dh_s_inner = MAX( 1, ngp_2dh_s_inner(:,:) ) 
2215
2216    DEALLOCATE( mean_surface_level_height_l, ngp_2dh_l, ngp_2dh_outer_l,       &
2217                ngp_3d_inner_l, ngp_3d_inner_tmp )
2218
2219!
2220!-- Initialize surface forcing corresponding to large-scale forcing. Therein,
2221!-- initialize heat-fluxes, etc. via datatype. Revise it later!
2222    IF ( large_scale_forcing .AND. lsf_surf )  THEN
2223       IF ( use_surface_fluxes  .AND.  constant_heatflux )  THEN
2224          CALL ls_forcing_surf ( simulated_time )
2225       ENDIF
2226    ENDIF
2227!
2228!-- Initialize quantities for special advections schemes
2229    CALL init_advec
2230
2231!
2232!-- Impose random perturbation on the horizontal velocity field and then
2233!-- remove the divergences from the velocity field at the initial stage
2234    IF ( create_disturbances  .AND.  disturbance_energy_limit /= 0.0_wp  .AND. &
2235         TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data'  .AND.            &
2236         TRIM( initializing_actions ) /= 'cyclic_fill' )  THEN
2237
2238       CALL location_message( 'creating initial disturbances', .FALSE. )
2239       CALL disturb_field( 'u', tend, u )
2240       CALL disturb_field( 'v', tend, v )
2241       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2242
2243       CALL location_message( 'calling pressure solver', .FALSE. )
2244       n_sor = nsor_ini
2245       CALL pres
2246       n_sor = nsor
2247       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2248
2249    ENDIF
2250
2251!
2252!-- If required, initialize quantities needed for the plant canopy model
2253    IF ( plant_canopy )  THEN
2254       CALL location_message( 'initializing plant canopy model', .FALSE. )   
2255       CALL pcm_init
2256       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2257    ENDIF
2258
2259!
2260!-- If required, initialize dvrp-software
2261    IF ( dt_dvrp /= 9999999.9_wp )  CALL init_dvrp
2262
2263    IF ( ocean )  THEN
2264!
2265!--    Initialize quantities needed for the ocean model
2266       CALL init_ocean
2267
2268    ELSE
2269!
2270!--    Initialize quantities for handling cloud physics
2271!--    This routine must be called before lpm_init, because
2272!--    otherwise, array pt_d_t, needed in data_output_dvrp (called by
2273!--    lpm_init) is not defined.
2274       CALL init_cloud_physics
2275!
2276!--    Initialize bulk cloud microphysics
2277       CALL microphysics_init
2278    ENDIF
2279
2280!
2281!-- If required, initialize particles
2282    IF ( particle_advection )  CALL lpm_init
2283
2284!
2285!-- If required, initialize quantities needed for the LSM
2286    IF ( land_surface )  THEN
2287       CALL location_message( 'initializing land surface model', .FALSE. )
2288       CALL lsm_init
2289       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2290    ENDIF
2291
2292!
2293!-- If required, allocate USM and LSM surfaces
2294    IF ( urban_surface )  THEN
2295       CALL location_message( 'initializing and allocating urban surfaces', .FALSE. )
2296       CALL usm_allocate_surface
2297       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2298    ENDIF
2299!
2300!-- If required, initialize urban surface model
2301    IF ( urban_surface )  THEN
2302       CALL location_message( 'initializing urban surface model', .FALSE. )
2303       CALL usm_init_urban_surface
2304       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2305    ENDIF
2306
2307!
2308!-- Initialize surface layer (done after LSM as roughness length are required
2309!-- for initialization
2310    IF ( constant_flux_layer )  THEN
2311       CALL location_message( 'initializing surface layer', .FALSE. )
2312       CALL init_surface_layer_fluxes
2313       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2314    ENDIF
2315
2316!
2317!-- If required, set chemical emissions
2318!-- (todo(FK): This should later on be CALLed time-dependently in init_3d_model)
2319    IF ( air_chemistry ) THEN
2320       CALL chem_emissions
2321    ENDIF
2322
2323!
2324!-- Initialize radiation processes
2325    IF ( radiation )  THEN
2326!
2327!--    If required, initialize radiation interactions between surfaces
2328!--    via sky-view factors. This must be done befoe radiation is initialized.
2329       IF ( radiation_interactions )  CALL radiation_interaction_init
2330
2331!
2332!--    Initialize radiation model
2333       CALL location_message( 'initializing radiation model', .FALSE. )
2334       CALL radiation_init
2335       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2336
2337!
2338!--    If required, read or calculate and write out the SVF
2339       IF ( radiation_interactions  .AND.  read_svf_on_init )  THEN
2340!
2341!--       Read sky-view factors and further required data from file
2342          CALL location_message( '    Start reading SVF from file', .FALSE. )
2343          CALL radiation_read_svf()
2344          CALL location_message( '    Reading SVF from file has finished', .TRUE. )
2345
2346       ELSEIF ( radiation_interactions )  THEN
2347!
2348!--       calculate SFV and CSF
2349          CALL location_message( '    Start calculation of SVF', .FALSE. )
2350          CALL radiation_calc_svf()
2351          CALL location_message( '    Calculation of SVF has finished', .TRUE. )
2352       ENDIF
2353
2354       IF ( radiation_interactions  .AND.  write_svf_on_init )  THEN
2355!
2356!--       Write svf, csf svfsurf and csfsurf data to file
2357          CALL radiation_write_svf()
2358       ENDIF
2359
2360!
2361!--    Adjust radiative fluxes. In case of urban and land surfaces, also
2362!--    call an initial interaction.
2363       CALL radiation_control
2364       IF ( radiation_interactions )  THEN
2365          CALL radiation_interaction
2366       ENDIF
2367    ENDIF
2368   
2369!
2370!-- Temporary solution to add LSM and radiation time series to the default
2371!-- output
2372    IF ( land_surface  .OR.  radiation )  THEN
2373       IF ( TRIM( radiation_scheme ) == 'rrtmg' )  THEN
2374          dots_num = dots_num + 15
2375       ELSE
2376          dots_num = dots_num + 11
2377       ENDIF
2378    ENDIF
2379   
2380
2381
2382!
2383!-- If required, initialize quantities needed for the wind turbine model
2384    IF ( wind_turbine )  THEN
2385       CALL location_message( 'initializing wind turbine model', .FALSE. )
2386       CALL wtm_init
2387       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2388    ENDIF
2389
2390!
2391!-- If required, initialize quantities needed for the gust module
2392    IF ( gust_module_enabled )  THEN
2393       CALL gust_init( dots_label, dots_unit, dots_num, dots_max )
2394    ENDIF
2395
2396!
2397!-- Initialize the ws-scheme.   
2398    IF ( ws_scheme_sca .OR. ws_scheme_mom )  CALL ws_init       
2399
2400!
2401!-- Setting weighting factors for calculation of perturbation pressure
2402!-- and turbulent quantities from the RK substeps
2403    IF ( TRIM(timestep_scheme) == 'runge-kutta-3' )  THEN      ! for RK3-method
2404
2405       weight_substep(1) = 1._wp/6._wp
2406       weight_substep(2) = 3._wp/10._wp
2407       weight_substep(3) = 8._wp/15._wp
2408
2409       weight_pres(1)    = 1._wp/3._wp
2410       weight_pres(2)    = 5._wp/12._wp
2411       weight_pres(3)    = 1._wp/4._wp
2412
2413    ELSEIF ( TRIM(timestep_scheme) == 'runge-kutta-2' )  THEN  ! for RK2-method
2414
2415       weight_substep(1) = 1._wp/2._wp
2416       weight_substep(2) = 1._wp/2._wp
2417         
2418       weight_pres(1)    = 1._wp/2._wp
2419       weight_pres(2)    = 1._wp/2._wp       
2420
2421    ELSE                                     ! for Euler-method
2422
2423       weight_substep(1) = 1.0_wp     
2424       weight_pres(1)    = 1.0_wp                   
2425
2426    ENDIF
2427
2428!
2429!-- Initialize Rayleigh damping factors
2430    rdf    = 0.0_wp
2431    rdf_sc = 0.0_wp
2432    IF ( rayleigh_damping_factor /= 0.0_wp )  THEN
2433       IF (  .NOT.  ocean )  THEN
2434          DO  k = nzb+1, nzt
2435             IF ( zu(k) >= rayleigh_damping_height )  THEN
2436                rdf(k) = rayleigh_damping_factor *                             &
2437                      ( SIN( pi * 0.5_wp * ( zu(k) - rayleigh_damping_height ) &
2438                             / ( zu(nzt) - rayleigh_damping_height ) )         &
2439                      )**2
2440             ENDIF
2441          ENDDO
2442       ELSE
2443          DO  k = nzt, nzb+1, -1
2444             IF ( zu(k) <= rayleigh_damping_height )  THEN
2445                rdf(k) = rayleigh_damping_factor *                             &
2446                      ( SIN( pi * 0.5_wp * ( rayleigh_damping_height - zu(k) ) &
2447                             / ( rayleigh_damping_height - zu(nzb+1) ) )       &
2448                      )**2
2449             ENDIF
2450          ENDDO
2451       ENDIF
2452    ENDIF
2453    IF ( scalar_rayleigh_damping )  rdf_sc = rdf
2454
2455!
2456!-- Initialize the starting level and the vertical smoothing factor used for
2457!-- the external pressure gradient
2458    dp_smooth_factor = 1.0_wp
2459    IF ( dp_external )  THEN
2460!
2461!--    Set the starting level dp_level_ind_b only if it has not been set before
2462!--    (e.g. in init_grid).
2463       IF ( dp_level_ind_b == 0 )  THEN
2464          ind_array = MINLOC( ABS( dp_level_b - zu ) )
2465          dp_level_ind_b = ind_array(1) - 1 + nzb
2466                                        ! MINLOC uses lower array bound 1
2467       ENDIF
2468       IF ( dp_smooth )  THEN
2469          dp_smooth_factor(:dp_level_ind_b) = 0.0_wp
2470          DO  k = dp_level_ind_b+1, nzt
2471             dp_smooth_factor(k) = 0.5_wp * ( 1.0_wp + SIN( pi *               &
2472                        ( REAL( k - dp_level_ind_b, KIND=wp ) /                &
2473                          REAL( nzt - dp_level_ind_b, KIND=wp ) - 0.5_wp ) ) )
2474          ENDDO
2475       ENDIF
2476    ENDIF
2477
2478!
2479!-- Initialize damping zone for the potential temperature in case of
2480!-- non-cyclic lateral boundaries. The damping zone has the maximum value
2481!-- at the inflow boundary and decreases to zero at pt_damping_width.
2482    ptdf_x = 0.0_wp
2483    ptdf_y = 0.0_wp
2484    IF ( bc_lr_dirrad )  THEN
2485       DO  i = nxl, nxr
2486          IF ( ( i * dx ) < pt_damping_width )  THEN
2487             ptdf_x(i) = pt_damping_factor * ( SIN( pi * 0.5_wp *              &
2488                            REAL( pt_damping_width - i * dx, KIND=wp ) / (     &
2489                            REAL( pt_damping_width, KIND=wp ) ) ) )**2 
2490          ENDIF
2491       ENDDO
2492    ELSEIF ( bc_lr_raddir )  THEN
2493       DO  i = nxl, nxr
2494          IF ( ( i * dx ) > ( nx * dx - pt_damping_width ) )  THEN
2495             ptdf_x(i) = pt_damping_factor *                                   &
2496                         SIN( pi * 0.5_wp *                                    &
2497                                 ( ( i - nx ) * dx + pt_damping_width ) /      &
2498                                 REAL( pt_damping_width, KIND=wp ) )**2
2499          ENDIF
2500       ENDDO
2501    ELSEIF ( bc_ns_dirrad )  THEN
2502       DO  j = nys, nyn
2503          IF ( ( j * dy ) > ( ny * dy - pt_damping_width ) )  THEN
2504             ptdf_y(j) = pt_damping_factor *                                   &
2505                         SIN( pi * 0.5_wp *                                    &
2506                                 ( ( j - ny ) * dy + pt_damping_width ) /      &
2507                                 REAL( pt_damping_width, KIND=wp ) )**2
2508          ENDIF
2509       ENDDO
2510    ELSEIF ( bc_ns_raddir )  THEN
2511       DO  j = nys, nyn
2512          IF ( ( j * dy ) < pt_damping_width )  THEN
2513             ptdf_y(j) = pt_damping_factor *                                   &
2514                         SIN( pi * 0.5_wp *                                    &
2515                                ( pt_damping_width - j * dy ) /                &
2516                                REAL( pt_damping_width, KIND=wp ) )**2
2517          ENDIF
2518       ENDDO
2519    ENDIF
2520
2521!
2522!-- User-defined initializing actions. Check afterwards, if maximum number
2523!-- of allowed timeseries is exceeded
2524    CALL user_init
2525
2526    IF ( dots_num > dots_max )  THEN
2527       WRITE( message_string, * ) 'number of time series quantities exceeds',  &
2528                                  ' its maximum of dots_max = ', dots_max,     &
2529                                  ' &Please increase dots_max in modules.f90.'
2530       CALL message( 'init_3d_model', 'PA0194', 1, 2, 0, 6, 0 )   
2531    ENDIF
2532
2533!
2534!-- Input binary data file is not needed anymore. This line must be placed
2535!-- after call of user_init!
2536    CALL close_file( 13 )
2537
2538    CALL location_message( 'leaving init_3d_model', .TRUE. )
2539
2540 END SUBROUTINE init_3d_model
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.