source: palm/trunk/SOURCE/init_3d_model.f90 @ 3049

Last change on this file since 3049 was 3049, checked in by Giersch, 3 years ago

Revision history corrected

  • 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: 98.7 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 3049 2018-05-29 13:52:36Z Giersch $
27! Error messages revised
28!
29! 3045 2018-05-28 07:55:41Z Giersch
30! Error messages revised
31!
32! 3042 2018-05-25 10:44:37Z schwenkel
33! Changed the name specific humidity to mixing ratio
34!
35! 3040 2018-05-25 10:22:08Z schwenkel
36! Add option to initialize warm air bubble close to surface
37!
38! 3014 2018-05-09 08:42:38Z maronga
39! Bugfix: initialization of ts_value missing
40!
41! 3011 2018-05-07 14:38:42Z schwenkel
42! removed redundant if statement
43!
44! 3004 2018-04-27 12:33:25Z Giersch
45! precipitation_rate removed
46!
47! 2995 2018-04-19 12:13:16Z Giersch
48! CALL radiation_control is not necessary during initialization because
49! calculation of radiative fluxes at model start is done in radiation_init
50! in any case
51!
52! 2977 2018-04-17 10:27:57Z kanani
53! Implement changes from branch radiation (r2948-2971) with minor modifications
54! (moh.hefny):
55! - set radiation_interactions according to the existence of urban/land vertical
56!   surfaces and trees to activiate RTM
57! - set average_radiation to TRUE if RTM is activiated
58!
59! 2938 2018-03-27 15:52:42Z suehring
60! - Revise Inifor initialization for geostrophic wind components
61! - Initialize synthetic turbulence generator in case of Inifor initialization 
62!
63! 2936 2018-03-27 14:49:27Z suehring
64! Synchronize parent and child models after initialization.
65! Remove obsolete masking of topography grid points for Runge-Kutta weighted
66! tendency arrays.
67!
68! 2920 2018-03-22 11:22:01Z kanani
69! Add call for precalculating apparent solar positions (moh.hefny)
70!
71! 2906 2018-03-19 08:56:40Z Giersch
72! The variables read/write_svf_on_init have been removed. Instead ENVIRONMENT
73! variables read/write_svf have been introduced. Location_message has been
74! added.
75!
76! 2894 2018-03-15 09:17:58Z Giersch
77! Renamed routines with respect to reading restart data, file 13 is closed in
78! rrd_read_parts_of_global now
79!
80! 2867 2018-03-09 09:40:23Z suehring
81! Further bugfix concerning call of user_init.
82!
83! 2864 2018-03-08 11:57:45Z suehring
84! Bugfix, move call of user_init in front of initialization of grid-point
85! arrays
86!
87! 2817 2018-02-19 16:32:21Z knoop
88! Preliminary gust module interface implemented
89!
90! 2776 2018-01-31 10:44:42Z Giersch
91! Variable use_synthetic_turbulence_generator has been abbreviated
92!
93! 2766 2018-01-22 17:17:47Z kanani
94! Removed preprocessor directive __chem
95!
96! 2758 2018-01-17 12:55:21Z suehring
97! In case of spinup of land- and urban-surface model, do not mask wind velocity
98! at first computational grid level
99!
100! 2746 2018-01-15 12:06:04Z suehring
101! Move flag plant canopy to modules
102!
103! 2718 2018-01-02 08:49:38Z maronga
104! Corrected "Former revisions" section
105!
106! 2705 2017-12-18 11:26:23Z maronga
107! Bugfix for reading initial profiles from ls/nuding file
108!
109! 2701 2017-12-15 15:40:50Z suehring
110! Changes from last commit documented
111!
112! 2700 2017-12-15 14:12:35Z suehring
113! Bugfix, missing initialization of surface attributes in case of
114! inifor-initialization branch
115!
116! 2698 2017-12-14 18:46:24Z suehring
117! Bugfix in get_topography_top_index
118!
119! 2696 2017-12-14 17:12:51Z kanani
120! Change in file header (GPL part)
121! Implementation of uv exposure model (FK)
122! Moved initialisation of diss, e, kh, km to turbulence_closure_mod (TG)
123! Added chemical emissions (FK)
124! Initialize masking arrays and number-of-grid-points arrays before initialize
125! LSM, USM and radiation module
126! Initialization with inifor (MS)
127!
128! 2618 2017-11-16 15:37:30Z suehring
129! Reorder calls of init_surfaces.
130!
131! 2564 2017-10-19 15:56:56Z Giersch
132! Variable wind_turbine was added to control_parameters.
133!
134! 2550 2017-10-16 17:12:01Z boeske
135! Modifications to cyclic fill method and turbulence recycling method in case of
136! complex terrain simulations
137!
138! 2513 2017-10-04 09:24:39Z kanani
139! Bugfix in storing initial scalar profile (wrong index)
140!
141! 2350 2017-08-15 11:48:26Z kanani
142! Bugfix in nopointer version
143!
144! 2339 2017-08-07 13:55:26Z gronemeier
145! corrected timestamp in header
146!
147! 2338 2017-08-07 12:15:38Z gronemeier
148! Modularize 1D model
149!
150! 2329 2017-08-03 14:24:56Z knoop
151! Removed temporary bugfix (r2327) as bug is properly resolved by this revision
152!
153! 2327 2017-08-02 07:40:57Z maronga
154! Temporary bugfix
155!
156! 2320 2017-07-21 12:47:43Z suehring
157! Modularize large-scale forcing and nudging
158!
159! 2292 2017-06-20 09:51:42Z schwenkel
160! Implementation of new microphysic scheme: cloud_scheme = 'morrison'
161! includes two more prognostic equations for cloud drop concentration (nc) 
162! and cloud water content (qc).
163!
164! 2277 2017-06-12 10:47:51Z kanani
165! Removed unused variable sums_up_fraction_l
166!
167! 2270 2017-06-09 12:18:47Z maronga
168! dots_num must be increased when LSM and/or radiation is used
169!
170! 2259 2017-06-08 09:09:11Z gronemeier
171! Implemented synthetic turbulence generator
172!
173! 2252 2017-06-07 09:35:37Z knoop
174! rho_air now depending on surface_pressure even in Boussinesq mode
175!
176! 2233 2017-05-30 18:08:54Z suehring
177!
178! 2232 2017-05-30 17:47:52Z suehring
179! Adjustments to new topography and surface concept:
180!   - Modify passed parameters for disturb_field
181!   - Topography representation via flags
182!   - Remove unused arrays.
183!   - Move initialization of surface-related quantities to surface_mod
184!
185! 2172 2017-03-08 15:55:25Z knoop
186! Bugfix: moved parallel random generator initialization into its module
187!
188! 2118 2017-01-17 16:38:49Z raasch
189! OpenACC directives removed
190!
191! 2037 2016-10-26 11:15:40Z knoop
192! Anelastic approximation implemented
193!
194! 2031 2016-10-21 15:11:58Z knoop
195! renamed variable rho to rho_ocean
196!
197! 2011 2016-09-19 17:29:57Z kanani
198! Flag urban_surface is now defined in module control_parameters.
199!
200! 2007 2016-08-24 15:47:17Z kanani
201! Added support for urban surface model,
202! adjusted location_message in case of plant_canopy
203!
204! 2000 2016-08-20 18:09:15Z knoop
205! Forced header and separation lines into 80 columns
206!
207! 1992 2016-08-12 15:14:59Z suehring
208! Initializaton of scalarflux at model top
209! Bugfixes in initialization of surface and top salinity flux, top scalar and
210! humidity fluxes
211!
212! 1960 2016-07-12 16:34:24Z suehring
213! Separate humidity and passive scalar
214! Increase dimension for mean_inflow_profiles
215! Remove inadvertent write-statement
216! Bugfix, large-scale forcing is still not implemented for passive scalars
217!
218! 1957 2016-07-07 10:43:48Z suehring
219! flight module added
220!
221! 1920 2016-05-30 10:50:15Z suehring
222! Initialize us with very small number to avoid segmentation fault during
223! calculation of Obukhov length
224!
225! 1918 2016-05-27 14:35:57Z raasch
226! intermediate_timestep_count is set 0 instead 1 for first call of pres,
227! bugfix: initialization of local sum arrays are moved to the beginning of the
228!         routine because otherwise results from pres are overwritten
229!
230! 1914 2016-05-26 14:44:07Z witha
231! Added initialization of the wind turbine model
232!
233! 1878 2016-04-19 12:30:36Z hellstea
234! The zeroth element of weight_pres removed as unnecessary
235!
236! 1849 2016-04-08 11:33:18Z hoffmann
237! Adapted for modularization of microphysics.
238! precipitation_amount, precipitation_rate, prr moved to arrays_3d.
239! Initialization of nc_1d, nr_1d, pt_1d, qc_1d, qr_1d, q_1d moved to
240! microphysics_init.
241!
242! 1845 2016-04-08 08:29:13Z raasch
243! nzb_2d replaced by nzb_u|v_inner
244!
245! 1833 2016-04-07 14:23:03Z raasch
246! initialization of spectra quantities moved to spectra_mod
247!
248! 1831 2016-04-07 13:15:51Z hoffmann
249! turbulence renamed collision_turbulence
250!
251! 1826 2016-04-07 12:01:39Z maronga
252! Renamed radiation calls.
253! Renamed canopy model calls.
254!
255! 1822 2016-04-07 07:49:42Z hoffmann
256! icloud_scheme replaced by microphysics_*
257!
258! 1817 2016-04-06 15:44:20Z maronga
259! Renamed lsm calls.
260!
261! 1815 2016-04-06 13:49:59Z raasch
262! zero-settings for velocities inside topography re-activated (was deactivated
263! in r1762)
264!
265! 1788 2016-03-10 11:01:04Z maronga
266! Added z0q.
267! Syntax layout improved.
268!
269! 1783 2016-03-06 18:36:17Z raasch
270! netcdf module name changed + related changes
271!
272! 1764 2016-02-28 12:45:19Z raasch
273! bugfix: increase size of volume_flow_area_l and volume_flow_initial_l by 1
274!
275! 1762 2016-02-25 12:31:13Z hellstea
276! Introduction of nested domain feature
277!
278! 1738 2015-12-18 13:56:05Z raasch
279! calculate mean surface level height for each statistic region
280!
281! 1734 2015-12-02 12:17:12Z raasch
282! no initial disturbances in case that the disturbance energy limit has been
283! set zero
284!
285! 1707 2015-11-02 15:24:52Z maronga
286! Bugfix: transfer of Richardson number from 1D model to Obukhov length caused
287! devision by zero in neutral stratification
288!
289! 1691 2015-10-26 16:17:44Z maronga
290! Call to init_surface_layer added. rif is replaced by ol and zeta.
291!
292! 1682 2015-10-07 23:56:08Z knoop
293! Code annotations made doxygen readable
294!
295! 1615 2015-07-08 18:49:19Z suehring
296! Enable turbulent inflow for passive_scalar and humidity
297!
298! 1585 2015-04-30 07:05:52Z maronga
299! Initialization of radiation code is now done after LSM initializtion
300!
301! 1575 2015-03-27 09:56:27Z raasch
302! adjustments for psolver-queries
303!
304! 1551 2015-03-03 14:18:16Z maronga
305! Allocation of land surface arrays is now done in the subroutine lsm_init_arrays,
306! which is part of land_surface_model.
307!
308! 1507 2014-12-10 12:14:18Z suehring
309! Bugfix: set horizontal velocity components to zero inside topography
310!
311! 1496 2014-12-02 17:25:50Z maronga
312! Added initialization of the land surface and radiation schemes
313!
314! 1484 2014-10-21 10:53:05Z kanani
315! Changes due to new module structure of the plant canopy model:
316! canopy-related initialization (e.g. lad and canopy_heat_flux) moved to new
317! subroutine init_plant_canopy within the module plant_canopy_model_mod,
318! call of subroutine init_plant_canopy added.
319!
320! 1431 2014-07-15 14:47:17Z suehring
321! var_d added, in order to normalize spectra.
322!
323! 1429 2014-07-15 12:53:45Z knoop
324! Ensemble run capability added to parallel random number generator
325!
326! 1411 2014-05-16 18:01:51Z suehring
327! Initial horizontal velocity profiles were not set to zero at the first vertical
328! grid level in case of non-cyclic lateral boundary conditions.
329!
330! 1406 2014-05-16 13:47:01Z raasch
331! bugfix: setting of initial velocities at k=1 to zero not in case of a
332! no-slip boundary condition for uv
333!
334! 1402 2014-05-09 14:25:13Z raasch
335! location messages modified
336!
337! 1400 2014-05-09 14:03:54Z knoop
338! Parallel random number generator added
339!
340! 1384 2014-05-02 14:31:06Z raasch
341! location messages added
342!
343! 1361 2014-04-16 15:17:48Z hoffmann
344! tend_* removed
345! Bugfix: w_subs is not allocated anymore if it is already allocated
346!
347! 1359 2014-04-11 17:15:14Z hoffmann
348! module lpm_init_mod added to use statements, because lpm_init has become a
349! module
350!
351! 1353 2014-04-08 15:21:23Z heinze
352! REAL constants provided with KIND-attribute
353!
354! 1340 2014-03-25 19:45:13Z kanani
355! REAL constants defined as wp-kind
356!
357! 1322 2014-03-20 16:38:49Z raasch
358! REAL constants defined as wp-kind
359! module interfaces removed
360!
361! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
362! ONLY-attribute added to USE-statements,
363! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
364! kinds are defined in new module kinds,
365! revision history before 2012 removed,
366! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
367! all variable declaration statements
368!
369! 1316 2014-03-17 07:44:59Z heinze
370! Bugfix: allocation of w_subs
371!
372! 1299 2014-03-06 13:15:21Z heinze
373! Allocate w_subs due to extension of large scale subsidence in combination
374! with large scale forcing data (LSF_DATA)
375!
376! 1241 2013-10-30 11:36:58Z heinze
377! Overwrite initial profiles in case of nudging
378! Inititialize shf and qsws in case of large_scale_forcing
379!
380! 1221 2013-09-10 08:59:13Z raasch
381! +rflags_s_inner in copyin statement, use copyin for most arrays instead of
382! copy
383!
384! 1212 2013-08-15 08:46:27Z raasch
385! array tri is allocated and included in data copy statement
386!
387! 1195 2013-07-01 12:27:57Z heinze
388! Bugfix: move allocation of ref_state to parin.f90 and read_var_list.f90
389!
390! 1179 2013-06-14 05:57:58Z raasch
391! allocate and set ref_state to be used in buoyancy terms
392!
393! 1171 2013-05-30 11:27:45Z raasch
394! diss array is allocated with full size if accelerator boards are used
395!
396! 1159 2013-05-21 11:58:22Z fricke
397! -bc_lr_dirneu, bc_lr_neudir, bc_ns_dirneu, bc_ns_neudir
398!
399! 1153 2013-05-10 14:33:08Z raasch
400! diss array is allocated with dummy elements even if it is not needed
401! (required by PGI 13.4 / CUDA 5.0)
402!
403! 1115 2013-03-26 18:16:16Z hoffmann
404! unused variables removed
405!
406! 1113 2013-03-10 02:48:14Z raasch
407! openACC directive modified
408!
409! 1111 2013-03-08 23:54:10Z raasch
410! openACC directives added for pres
411! array diss allocated only if required
412!
413! 1092 2013-02-02 11:24:22Z raasch
414! unused variables removed
415!
416! 1065 2012-11-22 17:42:36Z hoffmann
417! allocation of diss (dissipation rate) in case of turbulence = .TRUE. added
418!
419! 1053 2012-11-13 17:11:03Z hoffmann
420! allocation and initialisation of necessary data arrays for the two-moment
421! cloud physics scheme the two new prognostic equations (nr, qr):
422! +dr, lambda_r, mu_r, sed_*, xr, *s, *sws, *swst, *, *_p, t*_m, *_1, *_2, *_3,
423! +tend_*, prr
424!
425! 1036 2012-10-22 13:43:42Z raasch
426! code put under GPL (PALM 3.9)
427!
428! 1032 2012-10-21 13:03:21Z letzel
429! save memory by not allocating pt_2 in case of neutral = .T.
430!
431! 1025 2012-10-07 16:04:41Z letzel
432! bugfix: swap indices of mask for ghost boundaries
433!
434! 1015 2012-09-27 09:23:24Z raasch
435! mask is set to zero for ghost boundaries
436!
437! 1010 2012-09-20 07:59:54Z raasch
438! cpp switch __nopointer added for pointer free version
439!
440! 1003 2012-09-14 14:35:53Z raasch
441! nxra,nyna, nzta replaced ny nxr, nyn, nzt
442!
443! 1001 2012-09-13 14:08:46Z raasch
444! all actions concerning leapfrog scheme removed
445!
446! 996 2012-09-07 10:41:47Z raasch
447! little reformatting
448!
449! 978 2012-08-09 08:28:32Z fricke
450! outflow damping layer removed
451! roughness length for scalar quantites z0h added
452! damping zone for the potential temperatur in case of non-cyclic lateral
453! boundaries added
454! initialization of ptdf_x, ptdf_y
455! initialization of c_u_m, c_u_m_l, c_v_m, c_v_m_l, c_w_m, c_w_m_l
456!
457! 849 2012-03-15 10:35:09Z raasch
458! init_particles renamed lpm_init
459!
460! 825 2012-02-19 03:03:44Z raasch
461! wang_collision_kernel renamed wang_kernel
462!
463! Revision 1.1  1998/03/09 16:22:22  raasch
464! Initial revision
465!
466!
467! Description:
468! ------------
469!> Allocation of arrays and initialization of the 3D model via
470!> a) pre-run the 1D model
471!> or
472!> b) pre-set constant linear profiles
473!> or
474!> c) read values of a previous run
475!------------------------------------------------------------------------------!
476 SUBROUTINE init_3d_model
477 
478
479    USE advec_ws
480
481    USE arrays_3d
482
483    USE chemistry_model_mod,                                                   &
484        ONLY:  chem_emissions
485
486    USE cloud_parameters,                                                      &
487        ONLY:  cp, l_v, r_d
488
489    USE constants,                                                             &
490        ONLY:  pi
491   
492    USE control_parameters
493   
494    USE flight_mod,                                                            &
495        ONLY:  flight_init
496   
497    USE grid_variables,                                                        &
498        ONLY:  dx, dy, ddx2_mg, ddy2_mg
499
500    USE gust_mod,                                                              &
501        ONLY:  gust_init, gust_init_arrays, gust_module_enabled
502   
503    USE indices
504
505    USE lpm_init_mod,                                                          &
506        ONLY:  lpm_init
507   
508    USE kinds
509
510    USE land_surface_model_mod,                                                &
511        ONLY:  lsm_init, lsm_init_arrays
512 
513    USE lsf_nudging_mod,                                                       &
514        ONLY:  lsf_init, ls_forcing_surf, nudge_init
515
516    USE microphysics_mod,                                                      &
517        ONLY:  collision_turbulence, microphysics_init
518
519    USE model_1d_mod,                                                          &
520        ONLY:  e1d, init_1d_model, kh1d, km1d, l1d, rif1d, u1d, us1d, usws1d,  &
521               v1d, vsws1d
522
523    USE netcdf_interface,                                                      &
524        ONLY:  dots_max, dots_num, dots_unit, dots_label
525
526    USE netcdf_data_input_mod,                                                 &
527        ONLY:  init_3d, netcdf_data_input_interpolate, netcdf_data_input_init_3d
528   
529    USE particle_attributes,                                                   &
530        ONLY:  particle_advection, use_sgs_for_particles, wang_kernel
531   
532    USE pegrid
533   
534    USE plant_canopy_model_mod,                                                &
535        ONLY:  pcm_init
536
537    USE pmc_interface,                                                         &
538        ONLY:  nested_run
539
540    USE radiation_model_mod,                                                   &
541        ONLY:  average_radiation,                                              &
542               radiation_init, radiation, radiation_scheme,                    &
543               radiation_calc_svf, radiation_write_svf,                        &
544               radiation_interaction, radiation_interactions,                  &
545               radiation_interaction_init, radiation_read_svf,                 &
546               radiation_presimulate_solar_pos, radiation_interactions_on
547   
548    USE random_function_mod
549   
550    USE random_generator_parallel,                                             &
551        ONLY:  init_parallel_random_generator
552
553    USE read_restart_data_mod,                                                 &
554        ONLY:  rrd_read_parts_of_global, rrd_local                                     
555   
556    USE statistics,                                                            &
557        ONLY:  hom, hom_sum, mean_surface_level_height, pr_palm, rmask,        &
558               statistic_regions, sums, sums_divnew_l, sums_divold_l, sums_l,  &
559               sums_l_l, sums_wsts_bc_l, ts_value,                             &
560               weight_pres, weight_substep
561
562    USE synthetic_turbulence_generator_mod,                                    &
563        ONLY:  stg_init, use_syn_turb_gen
564
565    USE surface_layer_fluxes_mod,                                              &
566        ONLY:  init_surface_layer_fluxes
567
568    USE surface_mod,                                                           &
569        ONLY :  init_surface_arrays, init_surfaces, surf_def_h, surf_lsm_h,    &
570                surf_usm_h, get_topography_top_index_ji, vertical_surfaces_exist
571   
572    USE transpose_indices
573
574    USE turbulence_closure_mod,                                                &
575        ONLY:  tcm_init_arrays, tcm_init
576
577    USE urban_surface_mod,                                                     &
578        ONLY:  usm_init_urban_surface, usm_allocate_surface
579
580    USE uv_exposure_model_mod,                                                 &
581        ONLY:  uvem_init, uvem_init_arrays
582
583    USE wind_turbine_model_mod,                                                &
584        ONLY:  wtm_init, wtm_init_arrays
585
586    IMPLICIT NONE
587
588    INTEGER(iwp) ::  i             !<
589    INTEGER(iwp) ::  ind_array(1)  !<
590    INTEGER(iwp) ::  j             !<
591    INTEGER(iwp) ::  k             !<
592    INTEGER(iwp) ::  k_surf        !< surface level index
593    INTEGER(iwp) ::  m             !< index of surface element in surface data type
594    INTEGER(iwp) ::  sr            !< index of statistic region
595
596    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE   ::  ngp_2dh_l  !<
597
598    INTEGER(iwp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  ngp_2dh_outer_l    !<
599    INTEGER(iwp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  ngp_2dh_s_inner_l  !<
600
601    REAL(wp)     ::  t_surface !< air temperature at the surface
602
603    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  p_hydrostatic !< hydrostatic pressure
604
605    INTEGER(iwp) ::  l       !< loop variable
606    INTEGER(iwp) ::  nzt_l   !< index of top PE boundary for multigrid level
607    REAL(wp) ::  dx_l !< grid spacing along x on different multigrid level
608    REAL(wp) ::  dy_l !< grid spacing along y on different multigrid level
609
610    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  volume_flow_area_l     !<
611    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  volume_flow_initial_l  !<
612
613    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  mean_surface_level_height_l    !<
614    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  ngp_3d_inner_l    !<
615    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  ngp_3d_inner_tmp  !<
616
617    INTEGER(iwp) ::  nz_u_shift   !<
618    INTEGER(iwp) ::  nz_v_shift   !<
619    INTEGER(iwp) ::  nz_w_shift   !<
620    INTEGER(iwp) ::  nz_s_shift   !<
621    INTEGER(iwp) ::  nz_u_shift_l !<
622    INTEGER(iwp) ::  nz_v_shift_l !<
623    INTEGER(iwp) ::  nz_w_shift_l !<
624    INTEGER(iwp) ::  nz_s_shift_l !<
625
626    CALL location_message( 'allocating arrays', .FALSE. )
627!
628!-- Allocate arrays
629    ALLOCATE( mean_surface_level_height(0:statistic_regions),                  &
630              mean_surface_level_height_l(0:statistic_regions),                &
631              ngp_2dh(0:statistic_regions), ngp_2dh_l(0:statistic_regions),    &
632              ngp_3d(0:statistic_regions),                                     &
633              ngp_3d_inner(0:statistic_regions),                               &
634              ngp_3d_inner_l(0:statistic_regions),                             &
635              ngp_3d_inner_tmp(0:statistic_regions),                           &
636              sums_divnew_l(0:statistic_regions),                              &
637              sums_divold_l(0:statistic_regions) )
638    ALLOCATE( dp_smooth_factor(nzb:nzt), rdf(nzb+1:nzt), rdf_sc(nzb+1:nzt) )
639    ALLOCATE( ngp_2dh_outer(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                    &
640              ngp_2dh_outer_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                  &
641              ngp_2dh_s_inner(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                  &
642              ngp_2dh_s_inner_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                &
643              rmask(nysg:nyng,nxlg:nxrg,0:statistic_regions),                  &
644              sums(nzb:nzt+1,pr_palm+max_pr_user),                             &
645              sums_l(nzb:nzt+1,pr_palm+max_pr_user,0:threads_per_task-1),      &
646              sums_l_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions,0:threads_per_task-1),    &
647              sums_wsts_bc_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                   &
648              ts_value(dots_max,0:statistic_regions) )
649    ALLOCATE( ptdf_x(nxlg:nxrg), ptdf_y(nysg:nyng) )
650
651    ALLOCATE( d(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr),                                    &
652              p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                                &
653              tend(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
654
655#if defined( __nopointer )
656    ALLOCATE( pt(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                               &
657              pt_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
658              u(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                                &
659              u_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
660              v(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                                &
661              v_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
662              w(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                                &
663              w_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
664              tpt_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                            &
665              tu_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
666              tv_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
667              tw_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
668#else
669    ALLOCATE( pt_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
670              pt_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
671              u_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
672              u_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
673              u_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
674              v_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
675              v_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
676              v_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
677              w_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
678              w_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
679              w_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
680    IF (  .NOT.  neutral )  THEN
681       ALLOCATE( pt_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
682    ENDIF
683#endif
684
685!
686!-- Following array is required for perturbation pressure within the iterative
687!-- pressure solvers. For the multistep schemes (Runge-Kutta), array p holds
688!-- the weighted average of the substeps and cannot be used in the Poisson
689!-- solver.
690    IF ( psolver == 'sor' )  THEN
691       ALLOCATE( p_loc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
692    ELSEIF ( psolver(1:9) == 'multigrid' )  THEN
693!
694!--    For performance reasons, multigrid is using one ghost layer only
695       ALLOCATE( p_loc(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
696    ENDIF
697
698!
699!-- Array for storing constant coeffficients of the tridiagonal solver
700    IF ( psolver == 'poisfft' )  THEN
701       ALLOCATE( tri(nxl_z:nxr_z,nys_z:nyn_z,0:nz-1,2) )
702       ALLOCATE( tric(nxl_z:nxr_z,nys_z:nyn_z,0:nz-1) )
703    ENDIF
704
705    IF ( humidity )  THEN
706!
707!--    3D-humidity
708#if defined( __nopointer )
709       ALLOCATE( q(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
710                 q_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
711                 tq_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                          &
712                 vpt(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
713#else
714       ALLOCATE( q_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
715                 q_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
716                 q_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
717                 vpt_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ) 
718#endif
719
720       IF ( cloud_physics )  THEN
721!
722!--          Liquid water content
723#if defined( __nopointer )
724          ALLOCATE ( ql(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
725#else
726          ALLOCATE ( ql_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
727#endif
728
729!
730!--       3D-cloud water content
731          IF ( .NOT. microphysics_morrison )  THEN
732#if defined( __nopointer )
733             ALLOCATE( qc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
734#else
735             ALLOCATE( qc_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
736#endif
737          ENDIF
738!
739!--       Precipitation amount and rate (only needed if output is switched)
740          ALLOCATE( precipitation_amount(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
741
742!
743!--       3d-precipitation rate
744          ALLOCATE( prr(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
745
746          IF ( microphysics_morrison )  THEN
747!
748!--          3D-cloud drop water content, cloud drop concentration arrays
749#if defined( __nopointer )
750             ALLOCATE( nc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                      &
751                       nc_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                    &
752                       qc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                      &
753                       qc_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                    &
754                       tnc_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                   & 
755                       tqc_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
756#else
757             ALLOCATE( nc_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                    &
758                       nc_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                    &
759                       nc_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                    &
760                       qc_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                    &
761                       qc_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                    &
762                       qc_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
763#endif
764          ENDIF
765
766          IF ( microphysics_seifert )  THEN
767!
768!--          3D-rain water content, rain drop concentration arrays
769#if defined( __nopointer )
770             ALLOCATE( nr(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                      &
771                       nr_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                    &
772                       qr(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                      &
773                       qr_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                    &
774                       tnr_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                   &
775                       tqr_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
776#else
777             ALLOCATE( nr_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                    &
778                       nr_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                    &
779                       nr_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                    &
780                       qr_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                    &
781                       qr_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                    &
782                       qr_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
783#endif
784          ENDIF
785
786       ENDIF
787
788       IF ( cloud_droplets )  THEN
789!
790!--       Liquid water content, change in liquid water content
791#if defined( __nopointer )
792          ALLOCATE ( ql(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                        &
793                     ql_c(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
794#else
795          ALLOCATE ( ql_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                      &
796                     ql_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
797#endif
798!
799!--       Real volume of particles (with weighting), volume of particles
800          ALLOCATE ( ql_v(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                      &
801                     ql_vp(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
802       ENDIF
803
804    ENDIF   
805   
806    IF ( passive_scalar )  THEN
807
808!
809!--    3D scalar arrays
810#if defined( __nopointer )
811       ALLOCATE( s(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
812                 s_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
813                 ts_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
814#else
815       ALLOCATE( s_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
816                 s_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
817                 s_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
818#endif
819    ENDIF
820
821    IF ( ocean )  THEN
822#if defined( __nopointer )
823       ALLOCATE( prho(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                          &
824                 rho_ocean(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
825                 sa(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                            &
826                 sa_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                          &
827                 tsa_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
828#else
829       ALLOCATE( prho_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                        &
830                 rho_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                         &
831                 sa_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                          &
832                 sa_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                          &
833                 sa_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
834       prho => prho_1
835       rho_ocean  => rho_1  ! routines calc_mean_profile and diffusion_e require
836                      ! density to be apointer
837#endif
838    ENDIF
839
840!
841!-- Allocation of anelastic and Boussinesq approximation specific arrays
842    ALLOCATE( p_hydrostatic(nzb:nzt+1) )
843    ALLOCATE( rho_air(nzb:nzt+1) )
844    ALLOCATE( rho_air_zw(nzb:nzt+1) )
845    ALLOCATE( drho_air(nzb:nzt+1) )
846    ALLOCATE( drho_air_zw(nzb:nzt+1) )
847
848!
849!-- Density profile calculation for anelastic approximation
850    t_surface = pt_surface * ( surface_pressure / 1000.0_wp )**( r_d / cp )
851    IF ( TRIM( approximation ) == 'anelastic' ) THEN
852       DO  k = nzb, nzt+1
853          p_hydrostatic(k)    = surface_pressure * 100.0_wp *                  &
854                                ( 1 - ( g * zu(k) ) / ( cp * t_surface )       &
855                                )**( cp / r_d )
856          rho_air(k)          = ( p_hydrostatic(k) *                           &
857                                  ( 100000.0_wp / p_hydrostatic(k)             &
858                                  )**( r_d / cp )                              &
859                                ) / ( r_d * pt_init(k) )
860       ENDDO
861       DO  k = nzb, nzt
862          rho_air_zw(k) = 0.5_wp * ( rho_air(k) + rho_air(k+1) )
863       ENDDO
864       rho_air_zw(nzt+1)  = rho_air_zw(nzt)                                    &
865                            + 2.0_wp * ( rho_air(nzt+1) - rho_air_zw(nzt)  )
866    ELSE
867       DO  k = nzb, nzt+1
868          p_hydrostatic(k)    = surface_pressure * 100.0_wp *                  &
869                                ( 1 - ( g * zu(nzb) ) / ( cp * t_surface )       &
870                                )**( cp / r_d )
871          rho_air(k)          = ( p_hydrostatic(k) *                           &
872                                  ( 100000.0_wp / p_hydrostatic(k)             &
873                                  )**( r_d / cp )                              &
874                                ) / ( r_d * pt_init(nzb) )
875       ENDDO
876       DO  k = nzb, nzt
877          rho_air_zw(k) = 0.5_wp * ( rho_air(k) + rho_air(k+1) )
878       ENDDO
879       rho_air_zw(nzt+1)  = rho_air_zw(nzt)                                    &
880                            + 2.0_wp * ( rho_air(nzt+1) - rho_air_zw(nzt)  )
881    ENDIF
882!
883!-- compute the inverse density array in order to avoid expencive divisions
884    drho_air    = 1.0_wp / rho_air
885    drho_air_zw = 1.0_wp / rho_air_zw
886
887!
888!-- Allocation of flux conversion arrays
889    ALLOCATE( heatflux_input_conversion(nzb:nzt+1) )
890    ALLOCATE( waterflux_input_conversion(nzb:nzt+1) )
891    ALLOCATE( momentumflux_input_conversion(nzb:nzt+1) )
892    ALLOCATE( heatflux_output_conversion(nzb:nzt+1) )
893    ALLOCATE( waterflux_output_conversion(nzb:nzt+1) )
894    ALLOCATE( momentumflux_output_conversion(nzb:nzt+1) )
895
896!
897!-- calculate flux conversion factors according to approximation and in-/output mode
898    DO  k = nzb, nzt+1
899
900        IF ( TRIM( flux_input_mode ) == 'kinematic' )  THEN
901            heatflux_input_conversion(k)      = rho_air_zw(k)
902            waterflux_input_conversion(k)     = rho_air_zw(k)
903            momentumflux_input_conversion(k)  = rho_air_zw(k)
904        ELSEIF ( TRIM( flux_input_mode ) == 'dynamic' ) THEN
905            heatflux_input_conversion(k)      = 1.0_wp / cp
906            waterflux_input_conversion(k)     = 1.0_wp / l_v
907            momentumflux_input_conversion(k)  = 1.0_wp
908        ENDIF
909
910        IF ( TRIM( flux_output_mode ) == 'kinematic' )  THEN
911            heatflux_output_conversion(k)     = drho_air_zw(k)
912            waterflux_output_conversion(k)    = drho_air_zw(k)
913            momentumflux_output_conversion(k) = drho_air_zw(k)
914        ELSEIF ( TRIM( flux_output_mode ) == 'dynamic' ) THEN
915            heatflux_output_conversion(k)     = cp
916            waterflux_output_conversion(k)    = l_v
917            momentumflux_output_conversion(k) = 1.0_wp
918        ENDIF
919
920        IF ( .NOT. humidity ) THEN
921            waterflux_input_conversion(k)  = 1.0_wp
922            waterflux_output_conversion(k) = 1.0_wp
923        ENDIF
924
925    ENDDO
926
927!
928!-- In case of multigrid method, compute grid lengths and grid factors for the
929!-- grid levels with respective density on each grid
930    IF ( psolver(1:9) == 'multigrid' )  THEN
931
932       ALLOCATE( ddx2_mg(maximum_grid_level) )
933       ALLOCATE( ddy2_mg(maximum_grid_level) )
934       ALLOCATE( dzu_mg(nzb+1:nzt+1,maximum_grid_level) )
935       ALLOCATE( dzw_mg(nzb+1:nzt+1,maximum_grid_level) )
936       ALLOCATE( f1_mg(nzb+1:nzt,maximum_grid_level) )
937       ALLOCATE( f2_mg(nzb+1:nzt,maximum_grid_level) )
938       ALLOCATE( f3_mg(nzb+1:nzt,maximum_grid_level) )
939       ALLOCATE( rho_air_mg(nzb:nzt+1,maximum_grid_level) )
940       ALLOCATE( rho_air_zw_mg(nzb:nzt+1,maximum_grid_level) )
941
942       dzu_mg(:,maximum_grid_level) = dzu
943       rho_air_mg(:,maximum_grid_level) = rho_air
944!       
945!--    Next line to ensure an equally spaced grid.
946       dzu_mg(1,maximum_grid_level) = dzu(2)
947       rho_air_mg(nzb,maximum_grid_level) = rho_air(nzb) +                     &
948                                             (rho_air(nzb) - rho_air(nzb+1))
949
950       dzw_mg(:,maximum_grid_level) = dzw
951       rho_air_zw_mg(:,maximum_grid_level) = rho_air_zw
952       nzt_l = nzt
953       DO  l = maximum_grid_level-1, 1, -1
954           dzu_mg(nzb+1,l) = 2.0_wp * dzu_mg(nzb+1,l+1)
955           dzw_mg(nzb+1,l) = 2.0_wp * dzw_mg(nzb+1,l+1)
956           rho_air_mg(nzb,l)    = rho_air_mg(nzb,l+1) + (rho_air_mg(nzb,l+1) - rho_air_mg(nzb+1,l+1))
957           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))
958           rho_air_mg(nzb+1,l)    = rho_air_mg(nzb+1,l+1)
959           rho_air_zw_mg(nzb+1,l) = rho_air_zw_mg(nzb+1,l+1)
960           nzt_l = nzt_l / 2
961           DO  k = 2, nzt_l+1
962              dzu_mg(k,l) = dzu_mg(2*k-2,l+1) + dzu_mg(2*k-1,l+1)
963              dzw_mg(k,l) = dzw_mg(2*k-2,l+1) + dzw_mg(2*k-1,l+1)
964              rho_air_mg(k,l)    = rho_air_mg(2*k-1,l+1)
965              rho_air_zw_mg(k,l) = rho_air_zw_mg(2*k-1,l+1)
966           ENDDO
967       ENDDO
968
969       nzt_l = nzt
970       dx_l  = dx
971       dy_l  = dy
972       DO  l = maximum_grid_level, 1, -1
973          ddx2_mg(l) = 1.0_wp / dx_l**2
974          ddy2_mg(l) = 1.0_wp / dy_l**2
975          DO  k = nzb+1, nzt_l
976             f2_mg(k,l) = rho_air_zw_mg(k,l) / ( dzu_mg(k+1,l) * dzw_mg(k,l) )
977             f3_mg(k,l) = rho_air_zw_mg(k-1,l) / ( dzu_mg(k,l)   * dzw_mg(k,l) )
978             f1_mg(k,l) = 2.0_wp * ( ddx2_mg(l) + ddy2_mg(l) ) &
979                          * rho_air_mg(k,l) + f2_mg(k,l) + f3_mg(k,l)
980          ENDDO
981          nzt_l = nzt_l / 2
982          dx_l  = dx_l * 2.0_wp
983          dy_l  = dy_l * 2.0_wp
984       ENDDO
985
986    ENDIF
987
988!
989!-- 1D-array for large scale subsidence velocity
990    IF ( .NOT. ALLOCATED( w_subs ) )  THEN
991       ALLOCATE ( w_subs(nzb:nzt+1) )
992       w_subs = 0.0_wp
993    ENDIF
994
995!
996!-- Arrays to store velocity data from t-dt and the phase speeds which
997!-- are needed for radiation boundary conditions
998    IF ( outflow_l )  THEN
999       ALLOCATE( u_m_l(nzb:nzt+1,nysg:nyng,1:2),                               &
1000                 v_m_l(nzb:nzt+1,nysg:nyng,0:1),                               &
1001                 w_m_l(nzb:nzt+1,nysg:nyng,0:1) )
1002    ENDIF
1003    IF ( outflow_r )  THEN
1004       ALLOCATE( u_m_r(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nx-1:nx),                           &
1005                 v_m_r(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nx-1:nx),                           &
1006                 w_m_r(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nx-1:nx) )
1007    ENDIF
1008    IF ( outflow_l  .OR.  outflow_r )  THEN
1009       ALLOCATE( c_u(nzb:nzt+1,nysg:nyng), c_v(nzb:nzt+1,nysg:nyng),           &
1010                 c_w(nzb:nzt+1,nysg:nyng) )
1011    ENDIF
1012    IF ( outflow_s )  THEN
1013       ALLOCATE( u_m_s(nzb:nzt+1,0:1,nxlg:nxrg),                               &
1014                 v_m_s(nzb:nzt+1,1:2,nxlg:nxrg),                               &
1015                 w_m_s(nzb:nzt+1,0:1,nxlg:nxrg) )
1016    ENDIF
1017    IF ( outflow_n )  THEN
1018       ALLOCATE( u_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny,nxlg:nxrg),                           &
1019                 v_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny,nxlg:nxrg),                           &
1020                 w_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny,nxlg:nxrg) )
1021    ENDIF
1022    IF ( outflow_s  .OR.  outflow_n )  THEN
1023       ALLOCATE( c_u(nzb:nzt+1,nxlg:nxrg), c_v(nzb:nzt+1,nxlg:nxrg),           &
1024                 c_w(nzb:nzt+1,nxlg:nxrg) )
1025    ENDIF
1026    IF ( outflow_l  .OR.  outflow_r  .OR.  outflow_s  .OR.  outflow_n )  THEN
1027       ALLOCATE( c_u_m_l(nzb:nzt+1), c_v_m_l(nzb:nzt+1), c_w_m_l(nzb:nzt+1) )                   
1028       ALLOCATE( c_u_m(nzb:nzt+1), c_v_m(nzb:nzt+1), c_w_m(nzb:nzt+1) )
1029    ENDIF
1030
1031
1032#if ! defined( __nopointer )
1033!
1034!-- Initial assignment of the pointers
1035    IF ( .NOT. neutral )  THEN
1036       pt => pt_1;  pt_p => pt_2;  tpt_m => pt_3
1037    ELSE
1038       pt => pt_1;  pt_p => pt_1;  tpt_m => pt_3
1039    ENDIF
1040    u  => u_1;   u_p  => u_2;   tu_m  => u_3
1041    v  => v_1;   v_p  => v_2;   tv_m  => v_3
1042    w  => w_1;   w_p  => w_2;   tw_m  => w_3
1043
1044    IF ( humidity )  THEN
1045       q => q_1;  q_p => q_2;  tq_m => q_3
1046       IF ( humidity )  THEN
1047          vpt  => vpt_1   
1048          IF ( cloud_physics )  THEN
1049             ql => ql_1
1050             IF ( .NOT. microphysics_morrison )  THEN
1051                qc => qc_1
1052             ENDIF
1053             IF ( microphysics_morrison )  THEN
1054                qc => qc_1;  qc_p  => qc_2;  tqc_m  => qc_3
1055                nc => nc_1;  nc_p  => nc_2;  tnc_m  => nc_3
1056             ENDIF
1057             IF ( microphysics_seifert )  THEN
1058                qr => qr_1;  qr_p  => qr_2;  tqr_m  => qr_3
1059                nr => nr_1;  nr_p  => nr_2;  tnr_m  => nr_3
1060             ENDIF
1061          ENDIF
1062       ENDIF
1063       IF ( cloud_droplets )  THEN
1064          ql   => ql_1
1065          ql_c => ql_2
1066       ENDIF
1067    ENDIF
1068   
1069    IF ( passive_scalar )  THEN
1070       s => s_1;  s_p => s_2;  ts_m => s_3
1071    ENDIF   
1072
1073    IF ( ocean )  THEN
1074       sa => sa_1;  sa_p => sa_2;  tsa_m => sa_3
1075    ENDIF
1076#endif
1077!
1078!-- Initialize arrays for turbulence closure
1079    CALL tcm_init_arrays
1080!
1081!-- Initialize surface arrays
1082    CALL init_surface_arrays
1083!
1084!-- Allocate land surface model arrays
1085    IF ( land_surface )  THEN
1086       CALL lsm_init_arrays
1087    ENDIF
1088
1089!
1090!-- Allocate wind turbine model arrays
1091    IF ( wind_turbine )  THEN
1092       CALL wtm_init_arrays
1093    ENDIF
1094!
1095!-- Allocate gust module arrays
1096    IF ( gust_module_enabled )  THEN
1097       CALL gust_init_arrays
1098    ENDIF
1099
1100!
1101!-- Initialize virtual flight measurements
1102    IF ( virtual_flight )  THEN
1103       CALL flight_init
1104    ENDIF
1105
1106!
1107!-- Read uv exposure input data
1108    IF ( uv_exposure )  THEN
1109       CALL uvem_init
1110    ENDIF
1111!
1112!-- Allocate uv exposure arrays
1113    IF ( uv_exposure )  THEN
1114       CALL uvem_init_arrays
1115    ENDIF
1116
1117!
1118!-- Initialize nudging if required
1119    IF ( nudging )  THEN
1120       CALL nudge_init
1121    ENDIF
1122
1123!
1124!-- Initialize reading of large scale forcing from external file - if required
1125    IF ( large_scale_forcing  .OR.  forcing )  THEN
1126       CALL lsf_init
1127    ENDIF
1128
1129!
1130!-- Allocate arrays containing the RK coefficient for calculation of
1131!-- perturbation pressure and turbulent fluxes. At this point values are
1132!-- set for pressure calculation during initialization (where no timestep
1133!-- is done). Further below the values needed within the timestep scheme
1134!-- will be set.
1135    ALLOCATE( weight_substep(1:intermediate_timestep_count_max),               &
1136              weight_pres(1:intermediate_timestep_count_max) )
1137    weight_substep = 1.0_wp
1138    weight_pres    = 1.0_wp
1139    intermediate_timestep_count = 0  ! needed when simulated_time = 0.0
1140       
1141    CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
1142
1143!
1144!-- Initialize time series
1145    ts_value = 0.0_wp
1146
1147!
1148!-- Initialize local summation arrays for routine flow_statistics.
1149!-- This is necessary because they may not yet have been initialized when they
1150!-- are called from flow_statistics (or - depending on the chosen model run -
1151!-- are never initialized)
1152    sums_divnew_l      = 0.0_wp
1153    sums_divold_l      = 0.0_wp
1154    sums_l_l           = 0.0_wp
1155    sums_wsts_bc_l     = 0.0_wp
1156
1157
1158
1159!
1160!-- Initialize model variables
1161    IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data'  .AND.            &
1162         TRIM( initializing_actions ) /= 'cyclic_fill' )  THEN
1163!
1164!--    Initialization with provided input data derived from larger-scale model
1165       IF ( INDEX( initializing_actions, 'inifor' ) /= 0 )  THEN
1166          CALL location_message( 'initializing with INIFOR', .FALSE. )
1167!
1168!--       Read initial 1D profiles from NetCDF file if available.
1169!--       At the moment, only u, v, w, pt and q are provided.
1170          CALL netcdf_data_input_init_3d
1171!
1172!--       Please note, at the moment INIFOR assumes only an equidistant vertical
1173!--       grid. In case of vertical grid stretching, input of inital data
1174!--       need to be inter- and/or extrapolated.
1175!--       Therefore, check if zu grid on file is identical to numeric zw grid.
1176!--       Please note 
1177          IF ( ANY( zu(1:nzt+1) /= init_3d%zu_atmos(1:init_3d%nzu) ) )  THEN
1178
1179             CALL netcdf_data_input_interpolate( init_3d%u_init(nzb+1:nzt+1),  &
1180                                                 zu(nzb+1:nzt+1),              &
1181                                                 init_3d%zu_atmos )
1182             CALL netcdf_data_input_interpolate( init_3d%v_init(nzb+1:nzt+1),  &
1183                                                 zu(nzb+1:nzt+1),              &
1184                                                 init_3d%zu_atmos )
1185!              CALL netcdf_data_input_interpolate( init_3d%w_init(nzb+1:nzt),    &
1186!                                                  zw(nzb+1:nzt),                &
1187!                                                  init_3d%zw_atmos )
1188             IF ( .NOT. neutral )                                              &
1189                CALL netcdf_data_input_interpolate(                            &
1190                                             init_3d%pt_init(nzb+1:nzt+1),     &
1191                                             zu(nzb+1:nzt+1),                  &
1192                                             init_3d%zu_atmos )
1193             IF ( humidity )                                                   &
1194                CALL netcdf_data_input_interpolate(                            &
1195                                             init_3d%q_init(nzb+1:nzt+1),      &
1196                                             zu(nzb+1:nzt+1),                  &
1197                                             init_3d%zu_atmos )
1198          ENDIF
1199
1200          u_init = init_3d%u_init
1201          v_init = init_3d%v_init   
1202          IF( .NOT. neutral )  pt_init = init_3d%pt_init
1203          IF( humidity      )  q_init  = init_3d%q_init
1204
1205!
1206!--       Please note, Inifor provides data from nzb+1 to nzt+1.
1207!--       Initialize pt and q with Neumann condition at nzb.
1208          IF( .NOT. neutral )  pt_init(nzb) = pt_init(nzb+1)
1209          IF( humidity      )  q_init(nzb)  = q_init(nzb+1)
1210          DO  i = nxlg, nxrg
1211             DO  j = nysg, nyng
1212                u(:,j,i) = u_init(:)
1213                v(:,j,i) = v_init(:)
1214                IF( .NOT. neutral )  pt(:,j,i) = pt_init(:)
1215                IF( humidity      )  q(:,j,i)  = q_init(:)
1216             ENDDO
1217          ENDDO
1218!
1219!--       MS: What about the geostrophic wind profiles? Actually these
1220!--           are not identical to the initial wind profiles in this case.
1221!--           This need to be further revised.
1222          IF ( init_3d%from_file_ug )  THEN
1223             ug(:) = init_3d%ug_init(:)
1224          ENDIF
1225          IF ( init_3d%from_file_vg )  THEN
1226             vg(:) = init_3d%vg_init(:)
1227          ENDIF
1228
1229          ug(nzt+1) = ug(nzt)
1230          vg(nzt+1) = vg(nzt)
1231
1232!
1233!--       Set inital w to 0
1234          w = 0.0_wp
1235!
1236!--       Initialize the remaining quantities
1237          IF ( humidity )  THEN
1238             IF ( cloud_physics  .AND.  microphysics_morrison )  THEN
1239                DO  i = nxlg, nxrg
1240                   DO  j = nysg, nyng
1241                      qc(:,j,i) = 0.0_wp
1242                      nc(:,j,i) = 0.0_wp
1243                   ENDDO
1244                ENDDO
1245             ENDIF
1246
1247             IF ( cloud_physics  .AND.  microphysics_seifert )  THEN
1248                DO  i = nxlg, nxrg
1249                   DO  j = nysg, nyng
1250                      qr(:,j,i) = 0.0_wp
1251                      nr(:,j,i) = 0.0_wp
1252                   ENDDO
1253                ENDDO
1254             ENDIF
1255
1256          ENDIF
1257
1258          IF ( passive_scalar )  THEN
1259             DO  i = nxlg, nxrg
1260                DO  j = nysg, nyng
1261                   s(:,j,i) = s_init
1262                ENDDO
1263             ENDDO
1264          ENDIF
1265
1266          IF ( ocean )  THEN
1267             DO  i = nxlg, nxrg
1268                DO  j = nysg, nyng
1269                   sa(:,j,i) = sa_init
1270                ENDDO
1271             ENDDO
1272          ENDIF
1273
1274!
1275!--       Set velocity components at non-atmospheric / oceanic grid points to
1276!--       zero.
1277          u = MERGE( u, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 1 ) )
1278          v = MERGE( v, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 2 ) )
1279          w = MERGE( w, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 3 ) )
1280!
1281!--       Initialize surface variables, e.g. friction velocity, momentum
1282!--       fluxes, etc.
1283          CALL init_surfaces
1284!
1285!--       Initialize turbulence generator
1286          IF( use_syn_turb_gen )  CALL stg_init
1287
1288          CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
1289!
1290!--    Initialization via computed 1D-model profiles
1291       ELSEIF ( INDEX( initializing_actions, 'set_1d-model_profiles' ) /= 0 )  THEN
1292
1293          CALL location_message( 'initializing with 1D model profiles', .FALSE. )
1294!
1295!--       Use solutions of the 1D model as initial profiles,
1296!--       start 1D model
1297          CALL init_1d_model
1298!
1299!--       Transfer initial profiles to the arrays of the 3D model
1300          DO  i = nxlg, nxrg
1301             DO  j = nysg, nyng
1302                pt(:,j,i) = pt_init
1303                u(:,j,i)  = u1d
1304                v(:,j,i)  = v1d
1305             ENDDO
1306          ENDDO
1307
1308          IF ( humidity )  THEN
1309             DO  i = nxlg, nxrg
1310                DO  j = nysg, nyng
1311                   q(:,j,i) = q_init
1312                ENDDO
1313             ENDDO
1314             IF ( cloud_physics  .AND.  microphysics_morrison )  THEN
1315                DO  i = nxlg, nxrg
1316                   DO  j = nysg, nyng
1317                      qc(:,j,i) = 0.0_wp
1318                      nc(:,j,i) = 0.0_wp
1319                   ENDDO
1320                ENDDO
1321             ENDIF
1322             IF ( cloud_physics  .AND.  microphysics_seifert )  THEN
1323                DO  i = nxlg, nxrg
1324                   DO  j = nysg, nyng
1325                      qr(:,j,i) = 0.0_wp
1326                      nr(:,j,i) = 0.0_wp
1327                   ENDDO
1328                ENDDO
1329             ENDIF
1330          ENDIF
1331
1332          IF ( passive_scalar )  THEN
1333             DO  i = nxlg, nxrg
1334                DO  j = nysg, nyng
1335                   s(:,j,i) = s_init
1336                ENDDO
1337             ENDDO   
1338          ENDIF
1339!
1340!--          Store initial profiles for output purposes etc.
1341          IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
1342             hom(:,1,25,:) = SPREAD( l1d, 2, statistic_regions+1 )
1343          ENDIF
1344!
1345!--       Set velocities back to zero
1346          u = MERGE( u, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 1 ) )
1347          v = MERGE( v, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 2 ) )         
1348!
1349!--       WARNING: The extra boundary conditions set after running the
1350!--       -------  1D model impose an error on the divergence one layer
1351!--                below the topography; need to correct later
1352!--       ATTENTION: Provisional correction for Piacsek & Williams
1353!--       ---------  advection scheme: keep u and v zero one layer below
1354!--                  the topography.
1355          IF ( ibc_uv_b == 1 )  THEN
1356!
1357!--          Neumann condition
1358             DO  i = nxl-1, nxr+1
1359                DO  j = nys-1, nyn+1
1360                   u(nzb,j,i) = u(nzb+1,j,i)
1361                   v(nzb,j,i) = v(nzb+1,j,i)
1362                ENDDO
1363             ENDDO
1364
1365          ENDIF
1366!
1367!--       Initialize surface variables, e.g. friction velocity, momentum
1368!--       fluxes, etc.
1369          CALL init_surfaces
1370
1371          CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
1372
1373       ELSEIF ( INDEX(initializing_actions, 'set_constant_profiles') /= 0 )    &
1374       THEN
1375
1376          CALL location_message( 'initializing with constant profiles', .FALSE. )
1377!
1378!--       Overwrite initial profiles in case of synthetic turbulence generator
1379          IF( use_syn_turb_gen )  CALL stg_init
1380
1381!
1382!--       Use constructed initial profiles (velocity constant with height,
1383!--       temperature profile with constant gradient)
1384          DO  i = nxlg, nxrg
1385             DO  j = nysg, nyng
1386                pt(:,j,i) = pt_init
1387                u(:,j,i)  = u_init
1388                v(:,j,i)  = v_init
1389             ENDDO
1390          ENDDO
1391!
1392!--       Mask topography
1393          u = MERGE( u, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 1 ) )
1394          v = MERGE( v, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 2 ) )
1395!
1396!--       Set initial horizontal velocities at the lowest computational grid
1397!--       levels to zero in order to avoid too small time steps caused by the
1398!--       diffusion limit in the initial phase of a run (at k=1, dz/2 occurs
1399!--       in the limiting formula!).
1400!--       Please note, in case land- or urban-surface model is used and a
1401!--       spinup is applied, masking the lowest computational level is not
1402!--       possible as MOST as well as energy-balance parametrizations will not
1403!--       work with zero wind velocity.
1404          IF ( ibc_uv_b /= 1  .AND.  .NOT.  spinup )  THEN
1405             DO  i = nxlg, nxrg
1406                DO  j = nysg, nyng
1407                   DO  k = nzb, nzt
1408                      u(k,j,i) = MERGE( u(k,j,i), 0.0_wp,                      &
1409                                        BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 20 ) )
1410                      v(k,j,i) = MERGE( v(k,j,i), 0.0_wp,                      &
1411                                        BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 21 ) )
1412                   ENDDO
1413                ENDDO
1414             ENDDO
1415          ENDIF
1416
1417          IF ( humidity )  THEN
1418             DO  i = nxlg, nxrg
1419                DO  j = nysg, nyng
1420                   q(:,j,i) = q_init
1421                ENDDO
1422             ENDDO
1423             IF ( cloud_physics  .AND.  microphysics_morrison )  THEN
1424                DO  i = nxlg, nxrg
1425                   DO  j = nysg, nyng
1426                      qc(:,j,i) = 0.0_wp
1427                      nc(:,j,i) = 0.0_wp
1428                   ENDDO
1429                ENDDO
1430             ENDIF
1431
1432             IF ( cloud_physics  .AND.  microphysics_seifert )  THEN
1433                DO  i = nxlg, nxrg
1434                   DO  j = nysg, nyng
1435                      qr(:,j,i) = 0.0_wp
1436                      nr(:,j,i) = 0.0_wp
1437                   ENDDO
1438                ENDDO
1439             ENDIF
1440
1441          ENDIF
1442         
1443          IF ( passive_scalar )  THEN
1444             DO  i = nxlg, nxrg
1445                DO  j = nysg, nyng
1446                   s(:,j,i) = s_init
1447                ENDDO
1448             ENDDO
1449          ENDIF
1450
1451          IF ( ocean )  THEN
1452             DO  i = nxlg, nxrg
1453                DO  j = nysg, nyng
1454                   sa(:,j,i) = sa_init
1455                ENDDO
1456             ENDDO
1457          ENDIF
1458!
1459!--       Compute initial temperature field and other constants used in case
1460!--       of a sloping surface
1461          IF ( sloping_surface )  CALL init_slope
1462!
1463!--       Initialize surface variables, e.g. friction velocity, momentum
1464!--       fluxes, etc.
1465          CALL init_surfaces
1466
1467          CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
1468
1469       ELSEIF ( INDEX(initializing_actions, 'by_user') /= 0 )                  &
1470       THEN
1471
1472          CALL location_message( 'initializing by user', .FALSE. )
1473!
1474!--       Pre-initialize surface variables, i.e. setting start- and end-indices
1475!--       at each (j,i)-location. Please note, this does not supersede
1476!--       user-defined initialization of surface quantities.
1477          CALL init_surfaces
1478!
1479!--       Initialization will completely be done by the user
1480          CALL user_init_3d_model
1481
1482          CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
1483
1484       ENDIF
1485
1486       CALL location_message( 'initializing statistics, boundary conditions, etc.', &
1487                              .FALSE. )
1488
1489!
1490!--    Bottom boundary
1491       IF ( ibc_uv_b == 0 .OR. ibc_uv_b == 2  )  THEN
1492          u(nzb,:,:) = 0.0_wp
1493          v(nzb,:,:) = 0.0_wp
1494       ENDIF
1495
1496!
1497!--    Apply channel flow boundary condition
1498       IF ( TRIM( bc_uv_t ) == 'dirichlet_0' )  THEN
1499          u(nzt+1,:,:) = 0.0_wp
1500          v(nzt+1,:,:) = 0.0_wp
1501       ENDIF
1502
1503!
1504!--    Calculate virtual potential temperature
1505       IF ( humidity )  vpt = pt * ( 1.0_wp + 0.61_wp * q )
1506
1507!
1508!--    Store initial profiles for output purposes etc.. Please note, in case of
1509!--    initialization of u, v, w, pt, and q via output data derived from larger
1510!--    scale models, data will not be horizontally homogeneous. Actually, a mean
1511!--    profile should be calculated before.   
1512       hom(:,1,5,:) = SPREAD( u(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1513       hom(:,1,6,:) = SPREAD( v(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1514       IF ( ibc_uv_b == 0 .OR. ibc_uv_b == 2)  THEN
1515          hom(nzb,1,5,:) = 0.0_wp
1516          hom(nzb,1,6,:) = 0.0_wp
1517       ENDIF
1518       hom(:,1,7,:)  = SPREAD( pt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1519
1520
1521!
1522!--    Store initial salinity profile
1523       IF ( ocean )  THEN
1524          hom(:,1,26,:)  = SPREAD( sa(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1525       ENDIF
1526
1527       IF ( humidity )  THEN
1528!
1529!--       Store initial profile of total water content, virtual potential
1530!--       temperature
1531          hom(:,1,26,:) = SPREAD(   q(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1532          hom(:,1,29,:) = SPREAD( vpt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1533!
1534!--       Store initial profile of mixing ratio and potential
1535!--       temperature
1536          IF ( cloud_physics  .OR.  cloud_droplets ) THEN
1537             hom(:,1,27,:) = SPREAD(  q(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1538             hom(:,1,28,:) = SPREAD( pt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1539          ENDIF
1540       ENDIF
1541
1542!
1543!--    Store initial scalar profile
1544       IF ( passive_scalar )  THEN
1545          hom(:,1,121,:) = SPREAD(  s(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1546       ENDIF
1547
1548!
1549!--    Initialize the random number generators (from numerical recipes)
1550       CALL random_function_ini
1551       
1552       IF ( random_generator == 'random-parallel' )  THEN
1553          CALL init_parallel_random_generator(nx, ny, nys, nyn, nxl, nxr)
1554       ENDIF
1555!
1556!--    Set the reference state to be used in the buoyancy terms (for ocean runs
1557!--    the reference state will be set (overwritten) in init_ocean)
1558       IF ( use_single_reference_value )  THEN
1559          IF (  .NOT.  humidity )  THEN
1560             ref_state(:) = pt_reference
1561          ELSE
1562             ref_state(:) = vpt_reference
1563          ENDIF
1564       ELSE
1565          IF (  .NOT.  humidity )  THEN
1566             ref_state(:) = pt_init(:)
1567          ELSE
1568             ref_state(:) = vpt(:,nys,nxl)
1569          ENDIF
1570       ENDIF
1571
1572!
1573!--    For the moment, vertical velocity is zero
1574       w = 0.0_wp
1575
1576!
1577!--    Initialize array sums (must be defined in first call of pres)
1578       sums = 0.0_wp
1579
1580!
1581!--    In case of iterative solvers, p must get an initial value
1582       IF ( psolver(1:9) == 'multigrid'  .OR.  psolver == 'sor' )  p = 0.0_wp
1583
1584!
1585!--    Treating cloud physics, liquid water content and precipitation amount
1586!--    are zero at beginning of the simulation
1587       IF ( cloud_physics )  THEN
1588          ql = 0.0_wp
1589          qc = 0.0_wp
1590
1591          precipitation_amount = 0.0_wp
1592       ENDIF
1593!
1594!--    Impose vortex with vertical axis on the initial velocity profile
1595       IF ( INDEX( initializing_actions, 'initialize_vortex' ) /= 0 )  THEN
1596          CALL init_rankine
1597       ENDIF
1598
1599!
1600!--    Impose temperature anomaly (advection test only) or warm air bubble
1601!--    close to surface
1602       IF ( INDEX( initializing_actions, 'initialize_ptanom' ) /= 0  .OR.  &
1603            INDEX( initializing_actions, 'initialize_bubble' ) /= 0  )  THEN
1604          CALL init_pt_anomaly
1605       ENDIF
1606       
1607!
1608!--    If required, change the surface temperature at the start of the 3D run
1609       IF ( pt_surface_initial_change /= 0.0_wp )  THEN
1610          pt(nzb,:,:) = pt(nzb,:,:) + pt_surface_initial_change
1611       ENDIF
1612
1613!
1614!--    If required, change the surface humidity/scalar at the start of the 3D
1615!--    run
1616       IF ( humidity  .AND.  q_surface_initial_change /= 0.0_wp )              &
1617          q(nzb,:,:) = q(nzb,:,:) + q_surface_initial_change
1618         
1619       IF ( passive_scalar .AND.  s_surface_initial_change /= 0.0_wp )         &
1620          s(nzb,:,:) = s(nzb,:,:) + s_surface_initial_change
1621       
1622
1623!
1624!--    Initialize old and new time levels.
1625       tpt_m = 0.0_wp; tu_m = 0.0_wp; tv_m = 0.0_wp; tw_m = 0.0_wp
1626       pt_p = pt; u_p = u; v_p = v; w_p = w
1627
1628       IF ( humidity  )  THEN
1629          tq_m = 0.0_wp
1630          q_p = q
1631          IF ( cloud_physics  .AND.  microphysics_morrison )  THEN
1632             tqc_m = 0.0_wp
1633             qc_p  = qc
1634             tnc_m = 0.0_wp
1635             nc_p  = nc
1636          ENDIF
1637          IF ( cloud_physics  .AND.  microphysics_seifert )  THEN
1638             tqr_m = 0.0_wp
1639             qr_p  = qr
1640             tnr_m = 0.0_wp
1641             nr_p  = nr
1642          ENDIF
1643       ENDIF
1644       
1645       IF ( passive_scalar )  THEN
1646          ts_m = 0.0_wp
1647          s_p  = s
1648       ENDIF       
1649
1650       IF ( ocean )  THEN
1651          tsa_m = 0.0_wp
1652          sa_p  = sa
1653       ENDIF
1654       
1655       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
1656
1657    ELSEIF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data'  .OR.         &
1658             TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )                   &
1659    THEN
1660
1661       CALL location_message( 'initializing in case of restart / cyclic_fill', &
1662                              .FALSE. )
1663!
1664!--    Initialize surface elements and its attributes, e.g. heat- and
1665!--    momentumfluxes, roughness, scaling parameters. As number of surface
1666!--    elements might be different between runs, e.g. in case of cyclic fill,
1667!--    and not all surface elements are read, surface elements need to be
1668!--    initialized before.     
1669       CALL init_surfaces
1670!
1671!--    When reading data for cyclic fill of 3D prerun data files, read
1672!--    some of the global variables from the restart file which are required
1673!--    for initializing the inflow
1674       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  THEN
1675
1676          DO  i = 0, io_blocks-1
1677             IF ( i == io_group )  THEN
1678                CALL rrd_read_parts_of_global
1679             ENDIF
1680#if defined( __parallel )
1681             CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1682#endif
1683          ENDDO
1684
1685       ENDIF
1686
1687!
1688!--    Read processor specific binary data from restart file
1689       DO  i = 0, io_blocks-1
1690          IF ( i == io_group )  THEN
1691             CALL rrd_local
1692          ENDIF
1693#if defined( __parallel )
1694          CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1695#endif
1696       ENDDO
1697
1698!
1699!--    In case of complex terrain and cyclic fill method as initialization,
1700!--    shift initial data in the vertical direction for each point in the
1701!--    x-y-plane depending on local surface height
1702       IF ( complex_terrain  .AND.                                             &
1703            TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  THEN
1704          DO  i = nxlg, nxrg
1705             DO  j = nysg, nyng
1706                nz_u_shift = get_topography_top_index_ji( j, i, 'u' )
1707                nz_v_shift = get_topography_top_index_ji( j, i, 'v' )
1708                nz_w_shift = get_topography_top_index_ji( j, i, 'w' )
1709                nz_s_shift = get_topography_top_index_ji( j, i, 's' )
1710
1711                u(nz_u_shift:nzt+1,j,i)  = u(0:nzt+1-nz_u_shift,j,i)               
1712
1713                v(nz_v_shift:nzt+1,j,i)  = v(0:nzt+1-nz_v_shift,j,i)
1714
1715                w(nz_w_shift:nzt+1,j,i)  = w(0:nzt+1-nz_w_shift,j,i)
1716
1717                p(nz_s_shift:nzt+1,j,i)  =  p(0:nzt+1-nz_s_shift,j,i)
1718                pt(nz_s_shift:nzt+1,j,i) = pt(0:nzt+1-nz_s_shift,j,i)
1719             ENDDO
1720          ENDDO
1721       ENDIF
1722
1723!
1724!--    Initialization of the turbulence recycling method
1725       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill'  .AND.               &
1726            turbulent_inflow )  THEN
1727!
1728!--       First store the profiles to be used at the inflow.
1729!--       These profiles are the (temporally) and horizontally averaged vertical
1730!--       profiles from the prerun. Alternatively, prescribed profiles
1731!--       for u,v-components can be used.
1732          ALLOCATE( mean_inflow_profiles(nzb:nzt+1,7) )
1733
1734          IF ( use_prescribed_profile_data )  THEN
1735             mean_inflow_profiles(:,1) = u_init            ! u
1736             mean_inflow_profiles(:,2) = v_init            ! v
1737          ELSE
1738             mean_inflow_profiles(:,1) = hom_sum(:,1,0)    ! u
1739             mean_inflow_profiles(:,2) = hom_sum(:,2,0)    ! v
1740          ENDIF
1741          mean_inflow_profiles(:,4) = hom_sum(:,4,0)       ! pt
1742          IF ( humidity )                                                      &
1743             mean_inflow_profiles(:,6) = hom_sum(:,41,0)   ! q
1744          IF ( passive_scalar )                                                &
1745             mean_inflow_profiles(:,7) = hom_sum(:,115,0)   ! s
1746!
1747!--       In case of complex terrain, determine vertical displacement at inflow
1748!--       boundary and adjust mean inflow profiles
1749          IF ( complex_terrain )  THEN
1750             IF ( nxlg <= 0 .AND. nxrg >= 0 .AND. nysg <= 0 .AND. nyng >= 0 )  THEN
1751                nz_u_shift_l = get_topography_top_index_ji( 0, 0, 'u' )
1752                nz_v_shift_l = get_topography_top_index_ji( 0, 0, 'v' )
1753                nz_w_shift_l = get_topography_top_index_ji( 0, 0, 'w' )
1754                nz_s_shift_l = get_topography_top_index_ji( 0, 0, 's' )
1755             ELSE
1756                nz_u_shift_l = 0
1757                nz_v_shift_l = 0
1758                nz_w_shift_l = 0
1759                nz_s_shift_l = 0
1760             ENDIF
1761
1762#if defined( __parallel )
1763             CALL MPI_ALLREDUCE(nz_u_shift_l, nz_u_shift, 1, MPI_INTEGER,      &
1764                                MPI_MAX, comm2d, ierr)
1765             CALL MPI_ALLREDUCE(nz_v_shift_l, nz_v_shift, 1, MPI_INTEGER,      &
1766                                MPI_MAX, comm2d, ierr)
1767             CALL MPI_ALLREDUCE(nz_w_shift_l, nz_w_shift, 1, MPI_INTEGER,      & 
1768                                MPI_MAX, comm2d, ierr)
1769             CALL MPI_ALLREDUCE(nz_s_shift_l, nz_s_shift, 1, MPI_INTEGER,      &
1770                                MPI_MAX, comm2d, ierr)
1771#else
1772             nz_u_shift = nz_u_shift_l
1773             nz_v_shift = nz_v_shift_l
1774             nz_w_shift = nz_w_shift_l
1775             nz_s_shift = nz_s_shift_l
1776#endif
1777
1778             mean_inflow_profiles(:,1) = 0.0_wp
1779             mean_inflow_profiles(nz_u_shift:nzt+1,1) = hom_sum(0:nzt+1-nz_u_shift,1,0)  ! u
1780
1781             mean_inflow_profiles(:,2) = 0.0_wp
1782             mean_inflow_profiles(nz_v_shift:nzt+1,2) = hom_sum(0:nzt+1-nz_v_shift,2,0)  ! v
1783
1784             mean_inflow_profiles(nz_s_shift:nzt+1,4) = hom_sum(0:nzt+1-nz_s_shift,4,0)  ! pt
1785
1786          ENDIF
1787
1788!
1789!--       If necessary, adjust the horizontal flow field to the prescribed
1790!--       profiles
1791          IF ( use_prescribed_profile_data )  THEN
1792             DO  i = nxlg, nxrg
1793                DO  j = nysg, nyng
1794                   DO  k = nzb, nzt+1
1795                      u(k,j,i) = u(k,j,i) - hom_sum(k,1,0) + u_init(k)
1796                      v(k,j,i) = v(k,j,i) - hom_sum(k,2,0) + v_init(k)
1797                   ENDDO
1798                ENDDO
1799             ENDDO
1800          ENDIF
1801
1802!
1803!--       Use these mean profiles at the inflow (provided that Dirichlet
1804!--       conditions are used)
1805          IF ( inflow_l )  THEN
1806             DO  j = nysg, nyng
1807                DO  k = nzb, nzt+1
1808                   u(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,1)
1809                   v(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,2)
1810                   w(k,j,nxlg:-1)  = 0.0_wp
1811                   pt(k,j,nxlg:-1) = mean_inflow_profiles(k,4)
1812                   IF ( humidity )                                             &
1813                      q(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,6)
1814                   IF ( passive_scalar )                                       &
1815                      s(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,7)                     
1816                ENDDO
1817             ENDDO
1818          ENDIF
1819
1820!
1821!--       Calculate the damping factors to be used at the inflow. For a
1822!--       turbulent inflow the turbulent fluctuations have to be limited
1823!--       vertically because otherwise the turbulent inflow layer will grow
1824!--       in time.
1825          IF ( inflow_damping_height == 9999999.9_wp )  THEN
1826!
1827!--          Default: use the inversion height calculated by the prerun; if
1828!--          this is zero, inflow_damping_height must be explicitly
1829!--          specified.
1830             IF ( hom_sum(nzb+6,pr_palm,0) /= 0.0_wp )  THEN
1831                inflow_damping_height = hom_sum(nzb+6,pr_palm,0)
1832             ELSE
1833                WRITE( message_string, * ) 'inflow_damping_height must be ',   &
1834                     'explicitly specified because&the inversion height ',     &
1835                     'calculated by the prerun is zero.'
1836                CALL message( 'init_3d_model', 'PA0318', 1, 2, 0, 6, 0 )
1837             ENDIF
1838
1839          ENDIF
1840
1841          IF ( inflow_damping_width == 9999999.9_wp )  THEN
1842!
1843!--          Default for the transition range: one tenth of the undamped
1844!--          layer
1845             inflow_damping_width = 0.1_wp * inflow_damping_height
1846
1847          ENDIF
1848
1849          ALLOCATE( inflow_damping_factor(nzb:nzt+1) )
1850
1851          DO  k = nzb, nzt+1
1852
1853             IF ( zu(k) <= inflow_damping_height )  THEN
1854                inflow_damping_factor(k) = 1.0_wp
1855             ELSEIF ( zu(k) <= ( inflow_damping_height + inflow_damping_width ) )  THEN
1856                inflow_damping_factor(k) = 1.0_wp -                            &
1857                                           ( zu(k) - inflow_damping_height ) / &
1858                                           inflow_damping_width
1859             ELSE
1860                inflow_damping_factor(k) = 0.0_wp
1861             ENDIF
1862
1863          ENDDO
1864
1865       ENDIF
1866
1867!
1868!--    Inside buildings set velocities back to zero
1869       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' .AND.                &
1870            topography /= 'flat' )  THEN
1871!
1872!--       Inside buildings set velocities back to zero.
1873!--       Other scalars (pt, q, s, p, sa, ...) are ignored at present,
1874!--       maybe revise later.
1875          DO  i = nxlg, nxrg
1876             DO  j = nysg, nyng
1877                DO  k = nzb, nzt
1878                   u(k,j,i)     = MERGE( u(k,j,i), 0.0_wp,                     &
1879                                         BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 1 ) )
1880                   v(k,j,i)     = MERGE( v(k,j,i), 0.0_wp,                     &
1881                                         BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 2 ) )
1882                   w(k,j,i)     = MERGE( w(k,j,i), 0.0_wp,                     &
1883                                         BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 3 ) )
1884                ENDDO
1885             ENDDO
1886          ENDDO
1887
1888       ENDIF
1889
1890!
1891!--    Calculate initial temperature field and other constants used in case
1892!--    of a sloping surface
1893       IF ( sloping_surface )  CALL init_slope
1894
1895!
1896!--    Initialize new time levels (only done in order to set boundary values
1897!--    including ghost points)
1898       pt_p = pt; u_p = u; v_p = v; w_p = w
1899       IF ( humidity )  THEN
1900          q_p = q
1901          IF ( cloud_physics  .AND.  microphysics_morrison )  THEN
1902             qc_p = qc
1903             nc_p = nc
1904          ENDIF
1905          IF ( cloud_physics  .AND.  microphysics_seifert )  THEN
1906             qr_p = qr
1907             nr_p = nr
1908          ENDIF
1909       ENDIF
1910       IF ( passive_scalar )  s_p  = s
1911       IF ( ocean          )  sa_p = sa
1912
1913!
1914!--    Allthough tendency arrays are set in prognostic_equations, they have
1915!--    have to be predefined here because they are used (but multiplied with 0)
1916!--    there before they are set.
1917       tpt_m = 0.0_wp; tu_m = 0.0_wp; tv_m = 0.0_wp; tw_m = 0.0_wp
1918       IF ( humidity )  THEN
1919          tq_m = 0.0_wp
1920          IF ( cloud_physics  .AND.  microphysics_morrison )  THEN
1921             tqc_m = 0.0_wp
1922             tnc_m = 0.0_wp
1923          ENDIF
1924          IF ( cloud_physics  .AND.  microphysics_seifert )  THEN
1925             tqr_m = 0.0_wp
1926             tnr_m = 0.0_wp
1927          ENDIF
1928       ENDIF
1929       IF ( passive_scalar )  ts_m  = 0.0_wp
1930       IF ( ocean          )  tsa_m = 0.0_wp
1931!
1932!--    Initialize synthetic turbulence generator in case of restart.
1933       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data'  .AND.         &
1934            use_syn_turb_gen )  CALL stg_init
1935
1936       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
1937
1938    ELSE
1939!
1940!--    Actually this part of the programm should not be reached
1941       message_string = 'unknown initializing problem'
1942       CALL message( 'init_3d_model', 'PA0193', 1, 2, 0, 6, 0 )
1943    ENDIF
1944
1945!
1946!-- Initialize TKE, Kh and Km
1947    CALL tcm_init
1948
1949
1950    IF (  TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' )  THEN
1951!
1952!--    Initialize old timelevels needed for radiation boundary conditions
1953       IF ( outflow_l )  THEN
1954          u_m_l(:,:,:) = u(:,:,1:2)
1955          v_m_l(:,:,:) = v(:,:,0:1)
1956          w_m_l(:,:,:) = w(:,:,0:1)
1957       ENDIF
1958       IF ( outflow_r )  THEN
1959          u_m_r(:,:,:) = u(:,:,nx-1:nx)
1960          v_m_r(:,:,:) = v(:,:,nx-1:nx)
1961          w_m_r(:,:,:) = w(:,:,nx-1:nx)
1962       ENDIF
1963       IF ( outflow_s )  THEN
1964          u_m_s(:,:,:) = u(:,0:1,:)
1965          v_m_s(:,:,:) = v(:,1:2,:)
1966          w_m_s(:,:,:) = w(:,0:1,:)
1967       ENDIF
1968       IF ( outflow_n )  THEN
1969          u_m_n(:,:,:) = u(:,ny-1:ny,:)
1970          v_m_n(:,:,:) = v(:,ny-1:ny,:)
1971          w_m_n(:,:,:) = w(:,ny-1:ny,:)
1972       ENDIF
1973       
1974    ENDIF
1975
1976!
1977!-- Calculate the initial volume flow at the right and north boundary
1978    IF ( conserve_volume_flow )  THEN
1979
1980       IF ( use_prescribed_profile_data )  THEN
1981
1982          volume_flow_initial_l = 0.0_wp
1983          volume_flow_area_l    = 0.0_wp
1984
1985          IF ( nxr == nx )  THEN
1986             DO  j = nys, nyn
1987                DO  k = nzb+1, nzt
1988                   volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) +       &
1989                                              u_init(k) * dzw(k)               &
1990                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1991                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nxr), 1 )&
1992                                            )
1993
1994                   volume_flow_area_l(1)    = volume_flow_area_l(1) + dzw(k)   &
1995                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1996                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nxr), 1 )&
1997                                            )
1998                ENDDO
1999             ENDDO
2000          ENDIF
2001         
2002          IF ( nyn == ny )  THEN
2003             DO  i = nxl, nxr
2004                DO  k = nzb+1, nzt
2005                   volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) +       &
2006                                              v_init(k) * dzw(k)               &       
2007                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
2008                                              BTEST( wall_flags_0(k,nyn,i), 2 )&
2009                                            )
2010                   volume_flow_area_l(2)    = volume_flow_area_l(2) + dzw(k)   &       
2011                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
2012                                              BTEST( wall_flags_0(k,nyn,i), 2 )&
2013                                            )
2014                ENDDO
2015             ENDDO
2016          ENDIF
2017
2018#if defined( __parallel )
2019          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_initial_l(1), volume_flow_initial(1),&
2020                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2021          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_area_l(1), volume_flow_area(1),      &
2022                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2023
2024#else
2025          volume_flow_initial = volume_flow_initial_l
2026          volume_flow_area    = volume_flow_area_l
2027#endif 
2028
2029       ELSEIF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  THEN
2030
2031          volume_flow_initial_l = 0.0_wp
2032          volume_flow_area_l    = 0.0_wp
2033
2034          IF ( nxr == nx )  THEN
2035             DO  j = nys, nyn
2036                DO  k = nzb+1, nzt
2037                   volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) +       &
2038                                              hom_sum(k,1,0) * dzw(k)          &
2039                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
2040                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nx), 1 ) &
2041                                            )
2042                   volume_flow_area_l(1)    = volume_flow_area_l(1) + dzw(k)   &
2043                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
2044                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nx), 1 ) &
2045                                            )
2046                ENDDO
2047             ENDDO
2048          ENDIF
2049         
2050          IF ( nyn == ny )  THEN
2051             DO  i = nxl, nxr
2052                DO  k = nzb+1, nzt
2053                   volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) +       &
2054                                              hom_sum(k,2,0) * dzw(k)          &       
2055                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
2056                                              BTEST( wall_flags_0(k,ny,i), 2 ) &
2057                                            )
2058                   volume_flow_area_l(2)    = volume_flow_area_l(2) + dzw(k)   &       
2059                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
2060                                              BTEST( wall_flags_0(k,ny,i), 2 ) &
2061                                            )
2062                ENDDO
2063             ENDDO
2064          ENDIF
2065
2066#if defined( __parallel )
2067          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_initial_l(1), volume_flow_initial(1),&
2068                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2069          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_area_l(1), volume_flow_area(1),      &
2070                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2071
2072#else
2073          volume_flow_initial = volume_flow_initial_l
2074          volume_flow_area    = volume_flow_area_l
2075#endif 
2076
2077       ELSEIF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' )  THEN
2078
2079          volume_flow_initial_l = 0.0_wp
2080          volume_flow_area_l    = 0.0_wp
2081
2082          IF ( nxr == nx )  THEN
2083             DO  j = nys, nyn
2084                DO  k = nzb+1, nzt
2085                   volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) +       &
2086                                              u(k,j,nx) * dzw(k)               &
2087                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
2088                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nx), 1 ) &
2089                                            )
2090                   volume_flow_area_l(1)    = volume_flow_area_l(1) + dzw(k)   &
2091                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
2092                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nx), 1 ) &
2093                                            )
2094                ENDDO
2095             ENDDO
2096          ENDIF
2097         
2098          IF ( nyn == ny )  THEN
2099             DO  i = nxl, nxr
2100                DO  k = nzb+1, nzt
2101                   volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) +       &
2102                                              v(k,ny,i) * dzw(k)               &       
2103                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
2104                                              BTEST( wall_flags_0(k,ny,i), 2 ) &
2105                                            )
2106                   volume_flow_area_l(2)    = volume_flow_area_l(2) + dzw(k)   &       
2107                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
2108                                              BTEST( wall_flags_0(k,ny,i), 2 ) &
2109                                            )
2110                ENDDO
2111             ENDDO
2112          ENDIF
2113
2114#if defined( __parallel )
2115          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_initial_l(1), volume_flow_initial(1),&
2116                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2117          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_area_l(1), volume_flow_area(1),      &
2118                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2119
2120#else
2121          volume_flow_initial = volume_flow_initial_l
2122          volume_flow_area    = volume_flow_area_l
2123#endif 
2124
2125       ENDIF
2126
2127!
2128!--    In case of 'bulk_velocity' mode, volume_flow_initial is calculated
2129!--    from u|v_bulk instead
2130       IF ( TRIM( conserve_volume_flow_mode ) == 'bulk_velocity' )  THEN
2131          volume_flow_initial(1) = u_bulk * volume_flow_area(1)
2132          volume_flow_initial(2) = v_bulk * volume_flow_area(2)
2133       ENDIF
2134
2135    ENDIF
2136!
2137!-- Finally, if random_heatflux is set, disturb shf at horizontal
2138!-- surfaces. Actually, this should be done in surface_mod, where all other
2139!-- initializations of surface quantities are done. However, this
2140!-- would create a ring dependency, hence, it is done here. Maybe delete
2141!-- disturb_heatflux and tranfer the respective code directly into the
2142!-- initialization in surface_mod.         
2143    IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data'  .AND.            &
2144         TRIM( initializing_actions ) /= 'cyclic_fill' )  THEN
2145 
2146       IF ( use_surface_fluxes  .AND.  constant_heatflux  .AND.                &
2147            random_heatflux )  THEN
2148          IF ( surf_def_h(0)%ns >= 1 )  CALL disturb_heatflux( surf_def_h(0) )
2149          IF ( surf_lsm_h%ns    >= 1 )  CALL disturb_heatflux( surf_lsm_h    )
2150          IF ( surf_usm_h%ns    >= 1 )  CALL disturb_heatflux( surf_usm_h    )
2151       ENDIF
2152    ENDIF
2153
2154!
2155!-- Before initializing further modules, compute total sum of active mask
2156!-- grid points and the mean surface level height for each statistic region.
2157!-- ngp_2dh: number of grid points of a horizontal cross section through the
2158!--          total domain
2159!-- ngp_3d:  number of grid points of the total domain
2160    ngp_2dh_outer_l   = 0
2161    ngp_2dh_outer     = 0
2162    ngp_2dh_s_inner_l = 0
2163    ngp_2dh_s_inner   = 0
2164    ngp_2dh_l         = 0
2165    ngp_2dh           = 0
2166    ngp_3d_inner_l    = 0.0_wp
2167    ngp_3d_inner      = 0
2168    ngp_3d            = 0
2169    ngp_sums          = ( nz + 2 ) * ( pr_palm + max_pr_user )
2170
2171    mean_surface_level_height   = 0.0_wp
2172    mean_surface_level_height_l = 0.0_wp
2173!
2174!-- Pre-set masks for regional statistics. Default is the total model domain.
2175!-- Ghost points are excluded because counting values at the ghost boundaries
2176!-- would bias the statistics
2177    rmask = 1.0_wp
2178    rmask(:,nxlg:nxl-1,:) = 0.0_wp;  rmask(:,nxr+1:nxrg,:) = 0.0_wp
2179    rmask(nysg:nys-1,:,:) = 0.0_wp;  rmask(nyn+1:nyng,:,:) = 0.0_wp
2180!
2181!-- User-defined initializing actions
2182    CALL user_init
2183!
2184!-- To do: New concept for these non-topography grid points!
2185    DO  sr = 0, statistic_regions
2186       DO  i = nxl, nxr
2187          DO  j = nys, nyn
2188             IF ( rmask(j,i,sr) == 1.0_wp )  THEN
2189!
2190!--             All xy-grid points
2191                ngp_2dh_l(sr) = ngp_2dh_l(sr) + 1
2192!
2193!--             Determine mean surface-level height. In case of downward-
2194!--             facing walls are present, more than one surface level exist.
2195!--             In this case, use the lowest surface-level height.
2196                IF ( surf_def_h(0)%start_index(j,i) <=                         &
2197                     surf_def_h(0)%end_index(j,i) )  THEN
2198                   m = surf_def_h(0)%start_index(j,i)
2199                   k = surf_def_h(0)%k(m)
2200                   mean_surface_level_height_l(sr) =                           &
2201                                       mean_surface_level_height_l(sr) + zw(k-1)
2202                ENDIF
2203                IF ( surf_lsm_h%start_index(j,i) <=                            &
2204                     surf_lsm_h%end_index(j,i) )  THEN
2205                   m = surf_lsm_h%start_index(j,i)
2206                   k = surf_lsm_h%k(m)
2207                   mean_surface_level_height_l(sr) =                           &
2208                                       mean_surface_level_height_l(sr) + zw(k-1)
2209                ENDIF
2210                IF ( surf_usm_h%start_index(j,i) <=                            &
2211                     surf_usm_h%end_index(j,i) )  THEN
2212                   m = surf_usm_h%start_index(j,i)
2213                   k = surf_usm_h%k(m)
2214                   mean_surface_level_height_l(sr) =                           &
2215                                       mean_surface_level_height_l(sr) + zw(k-1)
2216                ENDIF
2217
2218                k_surf = k - 1
2219
2220                DO  k = nzb, nzt+1
2221!
2222!--                xy-grid points above topography
2223                   ngp_2dh_outer_l(k,sr) = ngp_2dh_outer_l(k,sr)     +         &
2224                                  MERGE( 1, 0, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 24 ) )
2225
2226                   ngp_2dh_s_inner_l(k,sr) = ngp_2dh_s_inner_l(k,sr) +         &
2227                                  MERGE( 1, 0, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 22 ) )
2228
2229                ENDDO
2230!
2231!--             All grid points of the total domain above topography
2232                ngp_3d_inner_l(sr) = ngp_3d_inner_l(sr) + ( nz - k_surf + 2 )
2233
2234
2235
2236             ENDIF
2237          ENDDO
2238       ENDDO
2239    ENDDO
2240!
2241!-- Initialize arrays encompassing number of grid-points in inner and outer
2242!-- domains, statistic regions, etc. Mainly used for horizontal averaging
2243!-- of turbulence statistics. Please note, user_init must be called before
2244!-- doing this.   
2245    sr = statistic_regions + 1
2246#if defined( __parallel )
2247    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2248    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_l(0), ngp_2dh(0), sr, MPI_INTEGER, MPI_SUM,    &
2249                        comm2d, ierr )
2250    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2251    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_outer_l(0,0), ngp_2dh_outer(0,0), (nz+2)*sr,   &
2252                        MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2253    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2254    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_s_inner_l(0,0), ngp_2dh_s_inner(0,0),          &
2255                        (nz+2)*sr, MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2256    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2257    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_3d_inner_l(0), ngp_3d_inner_tmp(0), sr, MPI_REAL,  &
2258                        MPI_SUM, comm2d, ierr )
2259    ngp_3d_inner = INT( ngp_3d_inner_tmp, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) )
2260    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2261    CALL MPI_ALLREDUCE( mean_surface_level_height_l(0),                        &
2262                        mean_surface_level_height(0), sr, MPI_REAL,            &
2263                        MPI_SUM, comm2d, ierr )
2264    mean_surface_level_height = mean_surface_level_height / REAL( ngp_2dh )
2265#else
2266    ngp_2dh         = ngp_2dh_l
2267    ngp_2dh_outer   = ngp_2dh_outer_l
2268    ngp_2dh_s_inner = ngp_2dh_s_inner_l
2269    ngp_3d_inner    = INT( ngp_3d_inner_l, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) )
2270    mean_surface_level_height = mean_surface_level_height_l / REAL( ngp_2dh_l )
2271#endif
2272
2273    ngp_3d = INT ( ngp_2dh, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) ) * &
2274             INT ( (nz + 2 ), KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) )
2275
2276!
2277!-- Set a lower limit of 1 in order to avoid zero divisions in flow_statistics,
2278!-- buoyancy, etc. A zero value will occur for cases where all grid points of
2279!-- the respective subdomain lie below the surface topography
2280    ngp_2dh_outer   = MAX( 1, ngp_2dh_outer(:,:)   ) 
2281    ngp_3d_inner    = MAX( INT(1, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 )),             &
2282                           ngp_3d_inner(:) )
2283    ngp_2dh_s_inner = MAX( 1, ngp_2dh_s_inner(:,:) ) 
2284
2285    DEALLOCATE( mean_surface_level_height_l, ngp_2dh_l, ngp_2dh_outer_l,       &
2286                ngp_3d_inner_l, ngp_3d_inner_tmp )
2287
2288!
2289!-- Initialize surface forcing corresponding to large-scale forcing. Therein,
2290!-- initialize heat-fluxes, etc. via datatype. Revise it later!
2291    IF ( large_scale_forcing .AND. lsf_surf )  THEN
2292       IF ( use_surface_fluxes  .AND.  constant_heatflux )  THEN
2293          CALL ls_forcing_surf ( simulated_time )
2294       ENDIF
2295    ENDIF
2296!
2297!-- Initialize quantities for special advections schemes
2298    CALL init_advec
2299
2300!
2301!-- Impose random perturbation on the horizontal velocity field and then
2302!-- remove the divergences from the velocity field at the initial stage
2303    IF ( create_disturbances  .AND.  disturbance_energy_limit /= 0.0_wp  .AND. &
2304         TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data'  .AND.            &
2305         TRIM( initializing_actions ) /= 'cyclic_fill' )  THEN
2306
2307       CALL location_message( 'creating initial disturbances', .FALSE. )
2308       CALL disturb_field( 'u', tend, u )
2309       CALL disturb_field( 'v', tend, v )
2310       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2311
2312       CALL location_message( 'calling pressure solver', .FALSE. )
2313       n_sor = nsor_ini
2314       CALL pres
2315       n_sor = nsor
2316       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2317
2318    ENDIF
2319
2320!
2321!-- If required, initialize quantities needed for the plant canopy model
2322    IF ( plant_canopy )  THEN
2323       CALL location_message( 'initializing plant canopy model', .FALSE. )   
2324       CALL pcm_init
2325       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2326    ENDIF
2327
2328!
2329!-- If required, initialize dvrp-software
2330    IF ( dt_dvrp /= 9999999.9_wp )  CALL init_dvrp
2331
2332    IF ( ocean )  THEN
2333!
2334!--    Initialize quantities needed for the ocean model
2335       CALL init_ocean
2336
2337    ELSE
2338!
2339!--    Initialize quantities for handling cloud physics
2340!--    This routine must be called before lpm_init, because
2341!--    otherwise, array pt_d_t, needed in data_output_dvrp (called by
2342!--    lpm_init) is not defined.
2343       CALL init_cloud_physics
2344!
2345!--    Initialize bulk cloud microphysics
2346       CALL microphysics_init
2347    ENDIF
2348
2349!
2350!-- If required, initialize particles
2351    IF ( particle_advection )  CALL lpm_init
2352
2353!
2354!-- If required, initialize quantities needed for the LSM
2355    IF ( land_surface )  THEN
2356       CALL location_message( 'initializing land surface model', .FALSE. )
2357       CALL lsm_init
2358       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2359    ENDIF
2360
2361!
2362!-- If required, allocate USM and LSM surfaces
2363    IF ( urban_surface )  THEN
2364       CALL location_message( 'initializing and allocating urban surfaces', .FALSE. )
2365       CALL usm_allocate_surface
2366       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2367    ENDIF
2368!
2369!-- If required, initialize urban surface model
2370    IF ( urban_surface )  THEN
2371       CALL location_message( 'initializing urban surface model', .FALSE. )
2372       CALL usm_init_urban_surface
2373       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2374    ENDIF
2375
2376!
2377!-- Initialize surface layer (done after LSM as roughness length are required
2378!-- for initialization
2379    IF ( constant_flux_layer )  THEN
2380       CALL location_message( 'initializing surface layer', .FALSE. )
2381       CALL init_surface_layer_fluxes
2382       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2383    ENDIF
2384
2385!
2386!-- If required, set chemical emissions
2387!-- (todo(FK): This should later on be CALLed time-dependently in init_3d_model)
2388    IF ( air_chemistry )  THEN
2389       CALL chem_emissions
2390    ENDIF
2391
2392!
2393!-- Initialize radiation processes
2394    IF ( radiation )  THEN
2395!
2396!--    Activate radiation_interactions according to the existence of vertical surfaces and/or trees.
2397!--    The namelist parameter radiation_interactions_on can override this behavior.
2398!--    (This check cannot be performed in check_parameters, because vertical_surfaces_exist is first set in
2399!--    init_surface_arrays.)
2400       IF ( radiation_interactions_on )  THEN
2401          IF ( vertical_surfaces_exist  .OR.  plant_canopy )  THEN
2402             radiation_interactions    = .TRUE.
2403             average_radiation         = .TRUE.
2404          ELSE
2405             radiation_interactions_on = .FALSE.   !< reset namelist parameter: no interactions
2406                                                   !< calculations necessary in case of flat surface
2407          ENDIF
2408       ELSEIF ( vertical_surfaces_exist  .OR.  plant_canopy )  THEN
2409          message_string = 'radiation_interactions_on is set to .FALSE. although '     // &
2410                           'vertical surfaces and/or trees exist. The model will run ' // &
2411                           'without RTM (no shadows, no radiation reflections)'
2412          CALL message( 'init_3d_model', 'PA0348', 0, 1, 0, 6, 0 )
2413       ENDIF
2414!
2415!--    If required, initialize radiation interactions between surfaces
2416!--    via sky-view factors. This must be done before radiation is initialized.
2417       IF ( radiation_interactions )  CALL radiation_interaction_init
2418
2419!
2420!--    Initialize radiation model
2421       CALL location_message( 'initializing radiation model', .FALSE. )
2422       CALL radiation_init
2423       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2424
2425!
2426!--    Find all discretized apparent solar positions for radiation interaction.
2427!--    This must be done after radiation_init.
2428       IF ( radiation_interactions )  CALL radiation_presimulate_solar_pos
2429
2430!
2431!--    If required, read or calculate and write out the SVF
2432       IF ( radiation_interactions .AND. read_svf)  THEN
2433!
2434!--       Read sky-view factors and further required data from file
2435          CALL location_message( '    Start reading SVF from file', .FALSE. )
2436          CALL radiation_read_svf()
2437          CALL location_message( '    Reading SVF from file has finished', .TRUE. )
2438
2439       ELSEIF ( radiation_interactions .AND. .NOT. read_svf)  THEN
2440!
2441!--       calculate SFV and CSF
2442          CALL location_message( '    Start calculation of SVF', .FALSE. )
2443          CALL radiation_calc_svf()
2444          CALL location_message( '    Calculation of SVF has finished', .TRUE. )
2445       ENDIF
2446
2447       IF ( radiation_interactions .AND. write_svf)  THEN
2448!
2449!--       Write svf, csf svfsurf and csfsurf data to file
2450          CALL location_message( '    Start writing SVF in file', .FALSE. )
2451          CALL radiation_write_svf()
2452          CALL location_message( '    Writing SVF in file has finished', .TRUE. )
2453       ENDIF
2454
2455!
2456!--    Adjust radiative fluxes. In case of urban and land surfaces, also
2457!--    call an initial interaction.
2458       IF ( radiation_interactions )  THEN
2459          CALL radiation_interaction
2460       ENDIF
2461    ENDIF
2462
2463!
2464!-- Temporary solution to add LSM and radiation time series to the default
2465!-- output
2466    IF ( land_surface  .OR.  radiation )  THEN
2467       IF ( TRIM( radiation_scheme ) == 'rrtmg' )  THEN
2468          dots_num = dots_num + 15
2469       ELSE
2470          dots_num = dots_num + 11
2471       ENDIF
2472    ENDIF
2473   
2474
2475
2476!
2477!-- If required, initialize quantities needed for the wind turbine model
2478    IF ( wind_turbine )  THEN
2479       CALL location_message( 'initializing wind turbine model', .FALSE. )
2480       CALL wtm_init
2481       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2482    ENDIF
2483
2484!
2485!-- If required, initialize quantities needed for the gust module
2486    IF ( gust_module_enabled )  THEN
2487       CALL gust_init( dots_label, dots_unit, dots_num, dots_max )
2488    ENDIF
2489
2490!
2491!-- Initialize the ws-scheme.   
2492    IF ( ws_scheme_sca .OR. ws_scheme_mom )  CALL ws_init       
2493
2494!
2495!-- Setting weighting factors for calculation of perturbation pressure
2496!-- and turbulent quantities from the RK substeps
2497    IF ( TRIM(timestep_scheme) == 'runge-kutta-3' )  THEN      ! for RK3-method
2498
2499       weight_substep(1) = 1._wp/6._wp
2500       weight_substep(2) = 3._wp/10._wp
2501       weight_substep(3) = 8._wp/15._wp
2502
2503       weight_pres(1)    = 1._wp/3._wp
2504       weight_pres(2)    = 5._wp/12._wp
2505       weight_pres(3)    = 1._wp/4._wp
2506
2507    ELSEIF ( TRIM(timestep_scheme) == 'runge-kutta-2' )  THEN  ! for RK2-method
2508
2509       weight_substep(1) = 1._wp/2._wp
2510       weight_substep(2) = 1._wp/2._wp
2511         
2512       weight_pres(1)    = 1._wp/2._wp
2513       weight_pres(2)    = 1._wp/2._wp       
2514
2515    ELSE                                     ! for Euler-method
2516
2517       weight_substep(1) = 1.0_wp     
2518       weight_pres(1)    = 1.0_wp                   
2519
2520    ENDIF
2521
2522!
2523!-- Initialize Rayleigh damping factors
2524    rdf    = 0.0_wp
2525    rdf_sc = 0.0_wp
2526    IF ( rayleigh_damping_factor /= 0.0_wp )  THEN
2527       IF (  .NOT.  ocean )  THEN
2528          DO  k = nzb+1, nzt
2529             IF ( zu(k) >= rayleigh_damping_height )  THEN
2530                rdf(k) = rayleigh_damping_factor *                             &
2531                      ( SIN( pi * 0.5_wp * ( zu(k) - rayleigh_damping_height ) &
2532                             / ( zu(nzt) - rayleigh_damping_height ) )         &
2533                      )**2
2534             ENDIF
2535          ENDDO
2536       ELSE
2537          DO  k = nzt, nzb+1, -1
2538             IF ( zu(k) <= rayleigh_damping_height )  THEN
2539                rdf(k) = rayleigh_damping_factor *                             &
2540                      ( SIN( pi * 0.5_wp * ( rayleigh_damping_height - zu(k) ) &
2541                             / ( rayleigh_damping_height - zu(nzb+1) ) )       &
2542                      )**2
2543             ENDIF
2544          ENDDO
2545       ENDIF
2546    ENDIF
2547    IF ( scalar_rayleigh_damping )  rdf_sc = rdf
2548
2549!
2550!-- Initialize the starting level and the vertical smoothing factor used for
2551!-- the external pressure gradient
2552    dp_smooth_factor = 1.0_wp
2553    IF ( dp_external )  THEN
2554!
2555!--    Set the starting level dp_level_ind_b only if it has not been set before
2556!--    (e.g. in init_grid).
2557       IF ( dp_level_ind_b == 0 )  THEN
2558          ind_array = MINLOC( ABS( dp_level_b - zu ) )
2559          dp_level_ind_b = ind_array(1) - 1 + nzb
2560                                        ! MINLOC uses lower array bound 1
2561       ENDIF
2562       IF ( dp_smooth )  THEN
2563          dp_smooth_factor(:dp_level_ind_b) = 0.0_wp
2564          DO  k = dp_level_ind_b+1, nzt
2565             dp_smooth_factor(k) = 0.5_wp * ( 1.0_wp + SIN( pi *               &
2566                        ( REAL( k - dp_level_ind_b, KIND=wp ) /                &
2567                          REAL( nzt - dp_level_ind_b, KIND=wp ) - 0.5_wp ) ) )
2568          ENDDO
2569       ENDIF
2570    ENDIF
2571
2572!
2573!-- Initialize damping zone for the potential temperature in case of
2574!-- non-cyclic lateral boundaries. The damping zone has the maximum value
2575!-- at the inflow boundary and decreases to zero at pt_damping_width.
2576    ptdf_x = 0.0_wp
2577    ptdf_y = 0.0_wp
2578    IF ( bc_lr_dirrad )  THEN
2579       DO  i = nxl, nxr
2580          IF ( ( i * dx ) < pt_damping_width )  THEN
2581             ptdf_x(i) = pt_damping_factor * ( SIN( pi * 0.5_wp *              &
2582                            REAL( pt_damping_width - i * dx, KIND=wp ) / (     &
2583                            REAL( pt_damping_width, KIND=wp ) ) ) )**2 
2584          ENDIF
2585       ENDDO
2586    ELSEIF ( bc_lr_raddir )  THEN
2587       DO  i = nxl, nxr
2588          IF ( ( i * dx ) > ( nx * dx - pt_damping_width ) )  THEN
2589             ptdf_x(i) = pt_damping_factor *                                   &
2590                         SIN( pi * 0.5_wp *                                    &
2591                                 ( ( i - nx ) * dx + pt_damping_width ) /      &
2592                                 REAL( pt_damping_width, KIND=wp ) )**2
2593          ENDIF
2594       ENDDO
2595    ELSEIF ( bc_ns_dirrad )  THEN
2596       DO  j = nys, nyn
2597          IF ( ( j * dy ) > ( ny * dy - pt_damping_width ) )  THEN
2598             ptdf_y(j) = pt_damping_factor *                                   &
2599                         SIN( pi * 0.5_wp *                                    &
2600                                 ( ( j - ny ) * dy + pt_damping_width ) /      &
2601                                 REAL( pt_damping_width, KIND=wp ) )**2
2602          ENDIF
2603       ENDDO
2604    ELSEIF ( bc_ns_raddir )  THEN
2605       DO  j = nys, nyn
2606          IF ( ( j * dy ) < pt_damping_width )  THEN
2607             ptdf_y(j) = pt_damping_factor *                                   &
2608                         SIN( pi * 0.5_wp *                                    &
2609                                ( pt_damping_width - j * dy ) /                &
2610                                REAL( pt_damping_width, KIND=wp ) )**2
2611          ENDIF
2612       ENDDO
2613    ENDIF
2614!
2615!-- Check if maximum number of allowed timeseries is exceeded
2616    IF ( dots_num > dots_max )  THEN
2617       WRITE( message_string, * ) 'number of time series quantities exceeds',  &
2618                                  ' its maximum of dots_max = ', dots_max,     &
2619                                  '&Please increase dots_max in modules.f90.'
2620       CALL message( 'init_3d_model', 'PA0194', 1, 2, 0, 6, 0 )   
2621    ENDIF
2622
2623!
2624!-- Input binary data file is not needed anymore. This line must be placed
2625!-- after call of user_init!
2626    CALL close_file( 13 )
2627!
2628!-- In case of nesting, put an barrier to assure that all parent and child
2629!-- domains finished initialization.
2630#if defined( __parallel )
2631    IF ( nested_run )  CALL MPI_BARRIER( MPI_COMM_WORLD, ierr )
2632#endif
2633
2634
2635    CALL location_message( 'leaving init_3d_model', .TRUE. )
2636
2637 END SUBROUTINE init_3d_model
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.