source: palm/trunk/SOURCE/init_3d_model.f90 @ 3302

Last change on this file since 3302 was 3302, checked in by raasch, 3 years ago

Craik-Leibovich force and wave breaking effects added to ocean mode, header output for ocean mode

  • Property svn:keywords set to Id
  • Property svn:mergeinfo set to False
    /palm/branches/chemistry/SOURCE/init_3d_model.f902047-3190,​3218-3297
    /palm/branches/forwind/SOURCE/init_3d_model.f901564-1913
    /palm/branches/palm4u/SOURCE/init_3d_model.f902540-2692
    /palm/branches/rans/SOURCE/init_3d_model.f902078-3128
File size: 95.3 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 3302 2018-10-03 02:39:40Z raasch $
27! allocate and set stokes drift velocity profiles
28!
29! 3298 2018-10-02 12:21:11Z kanani
30! Minor formatting (kanani)
31! Added CALL to the chem_emissions module (Russo)
32!
33! 3294 2018-10-01 02:37:10Z raasch
34! changes concerning modularization of ocean option
35!
36! 3289 2018-09-28 10:23:58Z suehring
37! Introduce module parameter for number of inflow profiles
38!
39! 3288 2018-09-28 10:23:08Z suehring
40! Modularization of all bulk cloud physics code components
41!
42! 3241 2018-09-12 15:02:00Z raasch
43! unused variables removed
44!
45! 3234 2018-09-07 13:46:58Z schwenkel
46! The increase of dots_num in case of radiation or land surface model must
47! be done before user_init is called
48!
49! 3183 2018-07-27 14:25:55Z suehring
50! Revise Inifor initialization
51!
52! 3182 2018-07-27 13:36:03Z suehring
53! Added multi agent system
54!
55! 3129 2018-07-16 07:45:13Z gronemeier
56! Move initialization call for nudging and 1D/3D offline nesting.
57! Revise initialization with inifor data.
58!
59! 3045 2018-05-28 07:55:41Z Giersch
60! Error messages revised
61!
62! 3045 2018-05-28 07:55:41Z Giersch
63! Error messages revised
64!
65! 3042 2018-05-25 10:44:37Z schwenkel
66! Changed the name specific humidity to mixing ratio
67!
68! 3040 2018-05-25 10:22:08Z schwenkel
69! Add option to initialize warm air bubble close to surface
70!
71! 3014 2018-05-09 08:42:38Z maronga
72! Bugfix: initialization of ts_value missing
73!
74! 3011 2018-05-07 14:38:42Z schwenkel
75! removed redundant if statement
76!
77! 3004 2018-04-27 12:33:25Z Giersch
78! precipitation_rate removed
79!
80! 2995 2018-04-19 12:13:16Z Giersch
81! CALL radiation_control is not necessary during initialization because
82! calculation of radiative fluxes at model start is done in radiation_init
83! in any case
84!
85! 2977 2018-04-17 10:27:57Z kanani
86! Implement changes from branch radiation (r2948-2971) with minor modifications
87! (moh.hefny):
88! - set radiation_interactions according to the existence of urban/land vertical
89!   surfaces and trees to activiate RTM
90! - set average_radiation to TRUE if RTM is activiated
91!
92! 2938 2018-03-27 15:52:42Z suehring
93! - Revise Inifor initialization for geostrophic wind components
94! - Initialize synthetic turbulence generator in case of Inifor initialization 
95!
96! 2936 2018-03-27 14:49:27Z suehring
97! Synchronize parent and child models after initialization.
98! Remove obsolete masking of topography grid points for Runge-Kutta weighted
99! tendency arrays.
100!
101! 2920 2018-03-22 11:22:01Z kanani
102! Add call for precalculating apparent solar positions (moh.hefny)
103!
104! 2906 2018-03-19 08:56:40Z Giersch
105! The variables read/write_svf_on_init have been removed. Instead ENVIRONMENT
106! variables read/write_svf have been introduced. Location_message has been
107! added.
108!
109! 2894 2018-03-15 09:17:58Z Giersch
110! Renamed routines with respect to reading restart data, file 13 is closed in
111! rrd_read_parts_of_global now
112!
113! 2867 2018-03-09 09:40:23Z suehring
114! Further bugfix concerning call of user_init.
115!
116! 2864 2018-03-08 11:57:45Z suehring
117! Bugfix, move call of user_init in front of initialization of grid-point
118! arrays
119!
120! 2817 2018-02-19 16:32:21Z knoop
121! Preliminary gust module interface implemented
122!
123! 2776 2018-01-31 10:44:42Z Giersch
124! Variable use_synthetic_turbulence_generator has been abbreviated
125!
126! 2766 2018-01-22 17:17:47Z kanani
127! Removed preprocessor directive __chem
128!
129! 2758 2018-01-17 12:55:21Z suehring
130! In case of spinup of land- and urban-surface model, do not mask wind velocity
131! at first computational grid level
132!
133! 2746 2018-01-15 12:06:04Z suehring
134! Move flag plant canopy to modules
135!
136! 2718 2018-01-02 08:49:38Z maronga
137! Corrected "Former revisions" section
138!
139! 2705 2017-12-18 11:26:23Z maronga
140! Bugfix for reading initial profiles from ls/nuding file
141!
142! 2701 2017-12-15 15:40:50Z suehring
143! Changes from last commit documented
144!
145! 2700 2017-12-15 14:12:35Z suehring
146! Bugfix, missing initialization of surface attributes in case of
147! inifor-initialization branch
148!
149! 2698 2017-12-14 18:46:24Z suehring
150! Bugfix in get_topography_top_index
151!
152! 2696 2017-12-14 17:12:51Z kanani
153! Change in file header (GPL part)
154! Implementation of uv exposure model (FK)
155! Moved initialisation of diss, e, kh, km to turbulence_closure_mod (TG)
156! Added chemical emissions (FK)
157! Initialize masking arrays and number-of-grid-points arrays before initialize
158! LSM, USM and radiation module
159! Initialization with inifor (MS)
160!
161! 2618 2017-11-16 15:37:30Z suehring
162! Reorder calls of init_surfaces.
163!
164! 2564 2017-10-19 15:56:56Z Giersch
165! Variable wind_turbine was added to control_parameters.
166!
167! 2550 2017-10-16 17:12:01Z boeske
168! Modifications to cyclic fill method and turbulence recycling method in case of
169! complex terrain simulations
170!
171! 2513 2017-10-04 09:24:39Z kanani
172! Bugfix in storing initial scalar profile (wrong index)
173!
174! 2350 2017-08-15 11:48:26Z kanani
175! Bugfix in nopointer version
176!
177! 2339 2017-08-07 13:55:26Z gronemeier
178! corrected timestamp in header
179!
180! 2338 2017-08-07 12:15:38Z gronemeier
181! Modularize 1D model
182!
183! 2329 2017-08-03 14:24:56Z knoop
184! Removed temporary bugfix (r2327) as bug is properly resolved by this revision
185!
186! 2327 2017-08-02 07:40:57Z maronga
187! Temporary bugfix
188!
189! 2320 2017-07-21 12:47:43Z suehring
190! Modularize large-scale forcing and nudging
191!
192! 2292 2017-06-20 09:51:42Z schwenkel
193! Implementation of new microphysic scheme: cloud_scheme = 'morrison'
194! includes two more prognostic equations for cloud drop concentration (nc) 
195! and cloud water content (qc).
196!
197! 2277 2017-06-12 10:47:51Z kanani
198! Removed unused variable sums_up_fraction_l
199!
200! 2270 2017-06-09 12:18:47Z maronga
201! dots_num must be increased when LSM and/or radiation is used
202!
203! 2259 2017-06-08 09:09:11Z gronemeier
204! Implemented synthetic turbulence generator
205!
206! 2252 2017-06-07 09:35:37Z knoop
207! rho_air now depending on surface_pressure even in Boussinesq mode
208!
209! 2233 2017-05-30 18:08:54Z suehring
210!
211! 2232 2017-05-30 17:47:52Z suehring
212! Adjustments to new topography and surface concept:
213!   - Modify passed parameters for disturb_field
214!   - Topography representation via flags
215!   - Remove unused arrays.
216!   - Move initialization of surface-related quantities to surface_mod
217!
218! 2172 2017-03-08 15:55:25Z knoop
219! Bugfix: moved parallel random generator initialization into its module
220!
221! 2118 2017-01-17 16:38:49Z raasch
222! OpenACC directives removed
223!
224! 2037 2016-10-26 11:15:40Z knoop
225! Anelastic approximation implemented
226!
227! 2031 2016-10-21 15:11:58Z knoop
228! renamed variable rho to rho_ocean
229!
230! 2011 2016-09-19 17:29:57Z kanani
231! Flag urban_surface is now defined in module control_parameters.
232!
233! 2007 2016-08-24 15:47:17Z kanani
234! Added support for urban surface model,
235! adjusted location_message in case of plant_canopy
236!
237! 2000 2016-08-20 18:09:15Z knoop
238! Forced header and separation lines into 80 columns
239!
240! 1992 2016-08-12 15:14:59Z suehring
241! Initializaton of scalarflux at model top
242! Bugfixes in initialization of surface and top salinity flux, top scalar and
243! humidity fluxes
244!
245! 1960 2016-07-12 16:34:24Z suehring
246! Separate humidity and passive scalar
247! Increase dimension for mean_inflow_profiles
248! Remove inadvertent write-statement
249! Bugfix, large-scale forcing is still not implemented for passive scalars
250!
251! 1957 2016-07-07 10:43:48Z suehring
252! flight module added
253!
254! 1920 2016-05-30 10:50:15Z suehring
255! Initialize us with very small number to avoid segmentation fault during
256! calculation of Obukhov length
257!
258! 1918 2016-05-27 14:35:57Z raasch
259! intermediate_timestep_count is set 0 instead 1 for first call of pres,
260! bugfix: initialization of local sum arrays are moved to the beginning of the
261!         routine because otherwise results from pres are overwritten
262!
263! 1914 2016-05-26 14:44:07Z witha
264! Added initialization of the wind turbine model
265!
266! 1878 2016-04-19 12:30:36Z hellstea
267! The zeroth element of weight_pres removed as unnecessary
268!
269! 1849 2016-04-08 11:33:18Z hoffmann
270! Adapted for modularization of microphysics.
271! precipitation_amount, precipitation_rate, prr moved to arrays_3d.
272! Initialization of nc_1d, nr_1d, pt_1d, qc_1d, qr_1d, q_1d moved to
273! bcm_init.
274!
275! 1845 2016-04-08 08:29:13Z raasch
276! nzb_2d replaced by nzb_u|v_inner
277!
278! 1833 2016-04-07 14:23:03Z raasch
279! initialization of spectra quantities moved to spectra_mod
280!
281! 1831 2016-04-07 13:15:51Z hoffmann
282! turbulence renamed collision_turbulence
283!
284! 1826 2016-04-07 12:01:39Z maronga
285! Renamed radiation calls.
286! Renamed canopy model calls.
287!
288! 1822 2016-04-07 07:49:42Z hoffmann
289! icloud_scheme replaced by microphysics_*
290!
291! 1817 2016-04-06 15:44:20Z maronga
292! Renamed lsm calls.
293!
294! 1815 2016-04-06 13:49:59Z raasch
295! zero-settings for velocities inside topography re-activated (was deactivated
296! in r1762)
297!
298! 1788 2016-03-10 11:01:04Z maronga
299! Added z0q.
300! Syntax layout improved.
301!
302! 1783 2016-03-06 18:36:17Z raasch
303! netcdf module name changed + related changes
304!
305! 1764 2016-02-28 12:45:19Z raasch
306! bugfix: increase size of volume_flow_area_l and volume_flow_initial_l by 1
307!
308! 1762 2016-02-25 12:31:13Z hellstea
309! Introduction of nested domain feature
310!
311! 1738 2015-12-18 13:56:05Z raasch
312! calculate mean surface level height for each statistic region
313!
314! 1734 2015-12-02 12:17:12Z raasch
315! no initial disturbances in case that the disturbance energy limit has been
316! set zero
317!
318! 1707 2015-11-02 15:24:52Z maronga
319! Bugfix: transfer of Richardson number from 1D model to Obukhov length caused
320! devision by zero in neutral stratification
321!
322! 1691 2015-10-26 16:17:44Z maronga
323! Call to init_surface_layer added. rif is replaced by ol and zeta.
324!
325! 1682 2015-10-07 23:56:08Z knoop
326! Code annotations made doxygen readable
327!
328! 1615 2015-07-08 18:49:19Z suehring
329! Enable turbulent inflow for passive_scalar and humidity
330!
331! 1585 2015-04-30 07:05:52Z maronga
332! Initialization of radiation code is now done after LSM initializtion
333!
334! 1575 2015-03-27 09:56:27Z raasch
335! adjustments for psolver-queries
336!
337! 1551 2015-03-03 14:18:16Z maronga
338! Allocation of land surface arrays is now done in the subroutine lsm_init_arrays,
339! which is part of land_surface_model.
340!
341! 1507 2014-12-10 12:14:18Z suehring
342! Bugfix: set horizontal velocity components to zero inside topography
343!
344! 1496 2014-12-02 17:25:50Z maronga
345! Added initialization of the land surface and radiation schemes
346!
347! 1484 2014-10-21 10:53:05Z kanani
348! Changes due to new module structure of the plant canopy model:
349! canopy-related initialization (e.g. lad and canopy_heat_flux) moved to new
350! subroutine init_plant_canopy within the module plant_canopy_model_mod,
351! call of subroutine init_plant_canopy added.
352!
353! 1431 2014-07-15 14:47:17Z suehring
354! var_d added, in order to normalize spectra.
355!
356! 1429 2014-07-15 12:53:45Z knoop
357! Ensemble run capability added to parallel random number generator
358!
359! 1411 2014-05-16 18:01:51Z suehring
360! Initial horizontal velocity profiles were not set to zero at the first vertical
361! grid level in case of non-cyclic lateral boundary conditions.
362!
363! 1406 2014-05-16 13:47:01Z raasch
364! bugfix: setting of initial velocities at k=1 to zero not in case of a
365! no-slip boundary condition for uv
366!
367! 1402 2014-05-09 14:25:13Z raasch
368! location messages modified
369!
370! 1400 2014-05-09 14:03:54Z knoop
371! Parallel random number generator added
372!
373! 1384 2014-05-02 14:31:06Z raasch
374! location messages added
375!
376! 1361 2014-04-16 15:17:48Z hoffmann
377! tend_* removed
378! Bugfix: w_subs is not allocated anymore if it is already allocated
379!
380! 1359 2014-04-11 17:15:14Z hoffmann
381! module lpm_init_mod added to use statements, because lpm_init has become a
382! module
383!
384! 1353 2014-04-08 15:21:23Z heinze
385! REAL constants provided with KIND-attribute
386!
387! 1340 2014-03-25 19:45:13Z kanani
388! REAL constants defined as wp-kind
389!
390! 1322 2014-03-20 16:38:49Z raasch
391! REAL constants defined as wp-kind
392! module interfaces removed
393!
394! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
395! ONLY-attribute added to USE-statements,
396! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
397! kinds are defined in new module kinds,
398! revision history before 2012 removed,
399! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
400! all variable declaration statements
401!
402! 1316 2014-03-17 07:44:59Z heinze
403! Bugfix: allocation of w_subs
404!
405! 1299 2014-03-06 13:15:21Z heinze
406! Allocate w_subs due to extension of large scale subsidence in combination
407! with large scale forcing data (LSF_DATA)
408!
409! 1241 2013-10-30 11:36:58Z heinze
410! Overwrite initial profiles in case of nudging
411! Inititialize shf and qsws in case of large_scale_forcing
412!
413! 1221 2013-09-10 08:59:13Z raasch
414! +rflags_s_inner in copyin statement, use copyin for most arrays instead of
415! copy
416!
417! 1212 2013-08-15 08:46:27Z raasch
418! array tri is allocated and included in data copy statement
419!
420! 1195 2013-07-01 12:27:57Z heinze
421! Bugfix: move allocation of ref_state to parin.f90 and read_var_list.f90
422!
423! 1179 2013-06-14 05:57:58Z raasch
424! allocate and set ref_state to be used in buoyancy terms
425!
426! 1171 2013-05-30 11:27:45Z raasch
427! diss array is allocated with full size if accelerator boards are used
428!
429! 1159 2013-05-21 11:58:22Z fricke
430! -bc_lr_dirneu, bc_lr_neudir, bc_ns_dirneu, bc_ns_neudir
431!
432! 1153 2013-05-10 14:33:08Z raasch
433! diss array is allocated with dummy elements even if it is not needed
434! (required by PGI 13.4 / CUDA 5.0)
435!
436! 1115 2013-03-26 18:16:16Z hoffmann
437! unused variables removed
438!
439! 1113 2013-03-10 02:48:14Z raasch
440! openACC directive modified
441!
442! 1111 2013-03-08 23:54:10Z raasch
443! openACC directives added for pres
444! array diss allocated only if required
445!
446! 1092 2013-02-02 11:24:22Z raasch
447! unused variables removed
448!
449! 1065 2012-11-22 17:42:36Z hoffmann
450! allocation of diss (dissipation rate) in case of turbulence = .TRUE. added
451!
452! 1053 2012-11-13 17:11:03Z hoffmann
453! allocation and initialisation of necessary data arrays for the two-moment
454! cloud physics scheme the two new prognostic equations (nr, qr):
455! +dr, lambda_r, mu_r, sed_*, xr, *s, *sws, *swst, *, *_p, t*_m, *_1, *_2, *_3,
456! +tend_*, prr
457!
458! 1036 2012-10-22 13:43:42Z raasch
459! code put under GPL (PALM 3.9)
460!
461! 1032 2012-10-21 13:03:21Z letzel
462! save memory by not allocating pt_2 in case of neutral = .T.
463!
464! 1025 2012-10-07 16:04:41Z letzel
465! bugfix: swap indices of mask for ghost boundaries
466!
467! 1015 2012-09-27 09:23:24Z raasch
468! mask is set to zero for ghost boundaries
469!
470! 1010 2012-09-20 07:59:54Z raasch
471! cpp switch __nopointer added for pointer free version
472!
473! 1003 2012-09-14 14:35:53Z raasch
474! nxra,nyna, nzta replaced ny nxr, nyn, nzt
475!
476! 1001 2012-09-13 14:08:46Z raasch
477! all actions concerning leapfrog scheme removed
478!
479! 996 2012-09-07 10:41:47Z raasch
480! little reformatting
481!
482! 978 2012-08-09 08:28:32Z fricke
483! outflow damping layer removed
484! roughness length for scalar quantites z0h added
485! damping zone for the potential temperatur in case of non-cyclic lateral
486! boundaries added
487! initialization of ptdf_x, ptdf_y
488! initialization of c_u_m, c_u_m_l, c_v_m, c_v_m_l, c_w_m, c_w_m_l
489!
490! 849 2012-03-15 10:35:09Z raasch
491! init_particles renamed lpm_init
492!
493! 825 2012-02-19 03:03:44Z raasch
494! wang_collision_kernel renamed wang_kernel
495!
496! Revision 1.1  1998/03/09 16:22:22  raasch
497! Initial revision
498!
499!
500! Description:
501! ------------
502!> Allocation of arrays and initialization of the 3D model via
503!> a) pre-run the 1D model
504!> or
505!> b) pre-set constant linear profiles
506!> or
507!> c) read values of a previous run
508!------------------------------------------------------------------------------!
509 SUBROUTINE init_3d_model
510
511
512    USE advec_ws
513
514    USE arrays_3d
515
516    USE basic_constants_and_equations_mod,                                     &
517        ONLY:  c_p, g, l_v, pi, r_d, exner_function, exner_function_invers,    &
518               ideal_gas_law_rho, ideal_gas_law_rho_pt, barometric_formula
519
520    USE bulk_cloud_model_mod,                                                  &
521        ONLY:  bulk_cloud_model, bcm_init, bcm_init_arrays
522
523    USE chem_emissions_mod,                                                    &
524        ONLY:  chem_emissions_init
525
526    USE chem_modules,                                                          &
527        ONLY:  do_emis, max_pr_cs, nspec_out
528
529    USE control_parameters
530
531    USE flight_mod,                                                            &
532        ONLY:  flight_init
533
534    USE grid_variables,                                                        &
535        ONLY:  dx, dy, ddx2_mg, ddy2_mg
536
537    USE gust_mod,                                                              &
538        ONLY:  gust_init, gust_init_arrays, gust_module_enabled
539   
540    USE indices
541   
542    USE kinds
543
544    USE land_surface_model_mod,                                                &
545        ONLY:  lsm_init, lsm_init_arrays
546
547    USE lpm_init_mod,                                                          &
548        ONLY:  lpm_init
549 
550    USE lsf_nudging_mod,                                                       &
551        ONLY:  lsf_init, ls_forcing_surf, nudge_init
552
553    USE model_1d_mod,                                                          &
554        ONLY:  init_1d_model, l1d, u1d, v1d
555
556    USE multi_agent_system_mod,                                                &
557        ONLY:  agents_active, mas_init
558
559    USE netcdf_interface,                                                      &
560        ONLY:  dots_max, dots_num, dots_unit, dots_label
561
562    USE netcdf_data_input_mod,                                                 &
563        ONLY:  chem_emis, chem_emis_att, init_3d,                              &
564               netcdf_data_input_init_3d, netcdf_data_input_interpolate
565
566    USE ocean_mod,                                                             &
567        ONLY:  ocean_init, ocean_init_arrays
568
569    USE particle_attributes,                                                   &
570        ONLY:  particle_advection
571
572    USE pegrid
573
574    USE plant_canopy_model_mod,                                                &
575        ONLY:  pcm_init
576
577    USE pmc_interface,                                                         &
578        ONLY:  nested_run
579
580    USE radiation_model_mod,                                                   &
581        ONLY:  average_radiation,                                              &
582               radiation_init, radiation, radiation_scheme,                    &
583               radiation_calc_svf, radiation_write_svf,                        &
584               radiation_interaction, radiation_interactions,                  &
585               radiation_interaction_init, radiation_read_svf,                 &
586               radiation_presimulate_solar_pos, radiation_interactions_on
587   
588    USE random_function_mod
589   
590    USE random_generator_parallel,                                             &
591        ONLY:  init_parallel_random_generator
592
593    USE read_restart_data_mod,                                                 &
594        ONLY:  rrd_read_parts_of_global, rrd_local                                     
595   
596    USE statistics,                                                            &
597        ONLY:  hom, hom_sum, mean_surface_level_height, pr_palm, rmask,        &
598               statistic_regions, sums, sums_divnew_l, sums_divold_l, sums_l,  &
599               sums_l_l, sums_wsts_bc_l, ts_value,                             &
600               weight_pres, weight_substep
601
602    USE synthetic_turbulence_generator_mod,                                    &
603        ONLY:  stg_init, use_syn_turb_gen
604
605    USE surface_layer_fluxes_mod,                                              &
606        ONLY:  init_surface_layer_fluxes
607
608    USE surface_mod,                                                           &
609        ONLY :  init_surface_arrays, init_surfaces, surf_def_h, surf_lsm_h,    &
610                surf_usm_h, get_topography_top_index_ji, vertical_surfaces_exist
611   
612    USE transpose_indices
613
614    USE turbulence_closure_mod,                                                &
615        ONLY:  tcm_init_arrays, tcm_init
616
617    USE urban_surface_mod,                                                     &
618        ONLY:  usm_init_urban_surface, usm_allocate_surface
619
620    USE uv_exposure_model_mod,                                                 &
621        ONLY:  uvem_init, uvem_init_arrays
622
623    USE wind_turbine_model_mod,                                                &
624        ONLY:  wtm_init, wtm_init_arrays
625
626    IMPLICIT NONE
627
628    INTEGER(iwp) ::  i             !<
629    INTEGER(iwp) ::  ind_array(1)  !<
630    INTEGER(iwp) ::  j             !<
631    INTEGER(iwp) ::  k             !<
632    INTEGER(iwp) ::  k_surf        !< surface level index
633    INTEGER(iwp) ::  m             !< index of surface element in surface data type
634    INTEGER(iwp) ::  sr            !< index of statistic region
635
636    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE   ::  ngp_2dh_l  !<
637
638    INTEGER(iwp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  ngp_2dh_outer_l    !<
639    INTEGER(iwp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  ngp_2dh_s_inner_l  !<
640
641    REAL(wp)     ::  t_surface !< air temperature at the surface
642
643    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  init_l        !< dummy array used for averaging 3D data to obtain inital profiles
644    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  p_hydrostatic !< hydrostatic pressure
645
646    INTEGER(iwp) ::  l       !< loop variable
647    INTEGER(iwp) ::  nzt_l   !< index of top PE boundary for multigrid level
648    REAL(wp) ::  dx_l !< grid spacing along x on different multigrid level
649    REAL(wp) ::  dy_l !< grid spacing along y on different multigrid level
650
651    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  volume_flow_area_l     !<
652    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  volume_flow_initial_l  !<
653
654    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  mean_surface_level_height_l    !<
655    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  ngp_3d_inner_l    !<
656    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  ngp_3d_inner_tmp  !<
657
658    INTEGER(iwp) ::  nz_u_shift   !<
659    INTEGER(iwp) ::  nz_v_shift   !<
660    INTEGER(iwp) ::  nz_w_shift   !<
661    INTEGER(iwp) ::  nz_s_shift   !<
662    INTEGER(iwp) ::  nz_u_shift_l !<
663    INTEGER(iwp) ::  nz_v_shift_l !<
664    INTEGER(iwp) ::  nz_w_shift_l !<
665    INTEGER(iwp) ::  nz_s_shift_l !<
666
667    CALL location_message( 'allocating arrays', .FALSE. )
668!
669!-- Allocate arrays
670    ALLOCATE( mean_surface_level_height(0:statistic_regions),                  &
671              mean_surface_level_height_l(0:statistic_regions),                &
672              ngp_2dh(0:statistic_regions), ngp_2dh_l(0:statistic_regions),    &
673              ngp_3d(0:statistic_regions),                                     &
674              ngp_3d_inner(0:statistic_regions),                               &
675              ngp_3d_inner_l(0:statistic_regions),                             &
676              ngp_3d_inner_tmp(0:statistic_regions),                           &
677              sums_divnew_l(0:statistic_regions),                              &
678              sums_divold_l(0:statistic_regions) )
679    ALLOCATE( dp_smooth_factor(nzb:nzt), rdf(nzb+1:nzt), rdf_sc(nzb+1:nzt) )
680    ALLOCATE( ngp_2dh_outer(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                    &
681              ngp_2dh_outer_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                  &
682              ngp_2dh_s_inner(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                  &
683              ngp_2dh_s_inner_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                &
684              rmask(nysg:nyng,nxlg:nxrg,0:statistic_regions),                  &
685              sums(nzb:nzt+1,pr_palm+max_pr_user),                             &
686              sums_l(nzb:nzt+1,pr_palm+max_pr_user,0:threads_per_task-1),      &
687              sums_l_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions,0:threads_per_task-1),    &
688              sums_wsts_bc_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                   &
689              ts_value(dots_max,0:statistic_regions) )
690    ALLOCATE( ptdf_x(nxlg:nxrg), ptdf_y(nysg:nyng) )
691
692    ALLOCATE( d(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr),                                    &
693              p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                                &
694              tend(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
695
696#if defined( __nopointer )
697    ALLOCATE( pt(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                               &
698              pt_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
699              u(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                                &
700              u_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
701              v(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                                &
702              v_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
703              w(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                                &
704              w_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
705              tpt_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                            &
706              tu_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
707              tv_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
708              tw_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
709#else
710    ALLOCATE( pt_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
711              pt_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
712              u_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
713              u_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
714              u_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
715              v_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
716              v_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
717              v_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
718              w_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
719              w_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
720              w_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
721    IF (  .NOT.  neutral )  THEN
722       ALLOCATE( pt_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
723    ENDIF
724#endif
725
726!
727!-- Following array is required for perturbation pressure within the iterative
728!-- pressure solvers. For the multistep schemes (Runge-Kutta), array p holds
729!-- the weighted average of the substeps and cannot be used in the Poisson
730!-- solver.
731    IF ( psolver == 'sor' )  THEN
732       ALLOCATE( p_loc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
733    ELSEIF ( psolver(1:9) == 'multigrid' )  THEN
734!
735!--    For performance reasons, multigrid is using one ghost layer only
736       ALLOCATE( p_loc(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
737    ENDIF
738
739!
740!-- Array for storing constant coeffficients of the tridiagonal solver
741    IF ( psolver == 'poisfft' )  THEN
742       ALLOCATE( tri(nxl_z:nxr_z,nys_z:nyn_z,0:nz-1,2) )
743       ALLOCATE( tric(nxl_z:nxr_z,nys_z:nyn_z,0:nz-1) )
744    ENDIF
745
746    IF ( humidity )  THEN
747!
748!--    3D-humidity
749#if defined( __nopointer )
750       ALLOCATE( q(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
751                 q_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
752                 tq_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                          &
753                 vpt(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
754#else
755       ALLOCATE( q_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
756                 q_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
757                 q_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
758                 vpt_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ) 
759#endif
760
761       IF ( cloud_droplets )  THEN
762!
763!--       Liquid water content, change in liquid water content
764#if defined( __nopointer )
765          ALLOCATE ( ql(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                        &
766                     ql_c(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
767#else
768          ALLOCATE ( ql_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                      &
769                     ql_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
770#endif
771!
772!--       Real volume of particles (with weighting), volume of particles
773          ALLOCATE ( ql_v(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                      &
774                     ql_vp(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
775       ENDIF
776
777    ENDIF   
778   
779    IF ( passive_scalar )  THEN
780
781!
782!--    3D scalar arrays
783#if defined( __nopointer )
784       ALLOCATE( s(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
785                 s_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
786                 ts_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
787#else
788       ALLOCATE( s_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
789                 s_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
790                 s_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
791#endif
792    ENDIF
793
794!
795!-- Allocate and set 1d-profiles for Stokes drift velocity. It may be set to
796!-- non-zero values later in ocean_init
797    ALLOCATE( u_stokes_zu(nzb:nzt+1), u_stokes_zw(nzb:nzt+1),                  &
798              v_stokes_zu(nzb:nzt+1), v_stokes_zw(nzb:nzt+1) )
799    u_stokes_zu(:) = 0.0_wp
800    u_stokes_zw(:) = 0.0_wp
801    v_stokes_zu(:) = 0.0_wp
802    v_stokes_zw(:) = 0.0_wp
803
804!
805!-- Allocation of anelastic and Boussinesq approximation specific arrays
806    ALLOCATE( p_hydrostatic(nzb:nzt+1) )
807    ALLOCATE( rho_air(nzb:nzt+1) )
808    ALLOCATE( rho_air_zw(nzb:nzt+1) )
809    ALLOCATE( drho_air(nzb:nzt+1) )
810    ALLOCATE( drho_air_zw(nzb:nzt+1) )
811!
812!-- Density profile calculation for anelastic approximation
813    t_surface = pt_surface * ( surface_pressure / 1000.0_wp )**( r_d / c_p )
814    IF ( TRIM( approximation ) == 'anelastic' ) THEN
815       DO  k = nzb, nzt+1
816          p_hydrostatic(k)    = surface_pressure * 100.0_wp *                  &
817                                ( 1 - ( g * zu(k) ) / ( c_p * t_surface )      &
818                                )**( c_p / r_d )
819          rho_air(k)          = ( p_hydrostatic(k) *                           &
820                                  ( 100000.0_wp / p_hydrostatic(k)             &
821                                  )**( r_d / c_p )                             &
822                                ) / ( r_d * pt_init(k) )
823       ENDDO
824       DO  k = nzb, nzt
825          rho_air_zw(k) = 0.5_wp * ( rho_air(k) + rho_air(k+1) )
826       ENDDO
827       rho_air_zw(nzt+1)  = rho_air_zw(nzt)                                    &
828                            + 2.0_wp * ( rho_air(nzt+1) - rho_air_zw(nzt)  )
829    ELSE
830       DO  k = nzb, nzt+1
831          p_hydrostatic(k)    = surface_pressure * 100.0_wp *                  &
832                                ( 1 - ( g * zu(nzb) ) / ( c_p * t_surface )    &
833                                )**( c_p / r_d )
834          rho_air(k)          = ( p_hydrostatic(k) *                           &
835                                  ( 100000.0_wp / p_hydrostatic(k)             &
836                                  )**( r_d / c_p )                             &
837                                ) / ( r_d * pt_init(nzb) )
838       ENDDO
839       DO  k = nzb, nzt
840          rho_air_zw(k) = 0.5_wp * ( rho_air(k) + rho_air(k+1) )
841       ENDDO
842       rho_air_zw(nzt+1)  = rho_air_zw(nzt)                                    &
843                            + 2.0_wp * ( rho_air(nzt+1) - rho_air_zw(nzt)  )
844    ENDIF
845!
846!-- compute the inverse density array in order to avoid expencive divisions
847    drho_air    = 1.0_wp / rho_air
848    drho_air_zw = 1.0_wp / rho_air_zw
849
850!
851!-- Allocation of flux conversion arrays
852    ALLOCATE( heatflux_input_conversion(nzb:nzt+1) )
853    ALLOCATE( waterflux_input_conversion(nzb:nzt+1) )
854    ALLOCATE( momentumflux_input_conversion(nzb:nzt+1) )
855    ALLOCATE( heatflux_output_conversion(nzb:nzt+1) )
856    ALLOCATE( waterflux_output_conversion(nzb:nzt+1) )
857    ALLOCATE( momentumflux_output_conversion(nzb:nzt+1) )
858
859!
860!-- calculate flux conversion factors according to approximation and in-/output mode
861    DO  k = nzb, nzt+1
862
863        IF ( TRIM( flux_input_mode ) == 'kinematic' )  THEN
864            heatflux_input_conversion(k)      = rho_air_zw(k)
865            waterflux_input_conversion(k)     = rho_air_zw(k)
866            momentumflux_input_conversion(k)  = rho_air_zw(k)
867        ELSEIF ( TRIM( flux_input_mode ) == 'dynamic' ) THEN
868            heatflux_input_conversion(k)      = 1.0_wp / c_p
869            waterflux_input_conversion(k)     = 1.0_wp / l_v
870            momentumflux_input_conversion(k)  = 1.0_wp
871        ENDIF
872
873        IF ( TRIM( flux_output_mode ) == 'kinematic' )  THEN
874            heatflux_output_conversion(k)     = drho_air_zw(k)
875            waterflux_output_conversion(k)    = drho_air_zw(k)
876            momentumflux_output_conversion(k) = drho_air_zw(k)
877        ELSEIF ( TRIM( flux_output_mode ) == 'dynamic' ) THEN
878            heatflux_output_conversion(k)     = c_p
879            waterflux_output_conversion(k)    = l_v
880            momentumflux_output_conversion(k) = 1.0_wp
881        ENDIF
882
883        IF ( .NOT. humidity ) THEN
884            waterflux_input_conversion(k)  = 1.0_wp
885            waterflux_output_conversion(k) = 1.0_wp
886        ENDIF
887
888    ENDDO
889
890!
891!-- In case of multigrid method, compute grid lengths and grid factors for the
892!-- grid levels with respective density on each grid
893    IF ( psolver(1:9) == 'multigrid' )  THEN
894
895       ALLOCATE( ddx2_mg(maximum_grid_level) )
896       ALLOCATE( ddy2_mg(maximum_grid_level) )
897       ALLOCATE( dzu_mg(nzb+1:nzt+1,maximum_grid_level) )
898       ALLOCATE( dzw_mg(nzb+1:nzt+1,maximum_grid_level) )
899       ALLOCATE( f1_mg(nzb+1:nzt,maximum_grid_level) )
900       ALLOCATE( f2_mg(nzb+1:nzt,maximum_grid_level) )
901       ALLOCATE( f3_mg(nzb+1:nzt,maximum_grid_level) )
902       ALLOCATE( rho_air_mg(nzb:nzt+1,maximum_grid_level) )
903       ALLOCATE( rho_air_zw_mg(nzb:nzt+1,maximum_grid_level) )
904
905       dzu_mg(:,maximum_grid_level) = dzu
906       rho_air_mg(:,maximum_grid_level) = rho_air
907!       
908!--    Next line to ensure an equally spaced grid.
909       dzu_mg(1,maximum_grid_level) = dzu(2)
910       rho_air_mg(nzb,maximum_grid_level) = rho_air(nzb) +                     &
911                                             (rho_air(nzb) - rho_air(nzb+1))
912
913       dzw_mg(:,maximum_grid_level) = dzw
914       rho_air_zw_mg(:,maximum_grid_level) = rho_air_zw
915       nzt_l = nzt
916       DO  l = maximum_grid_level-1, 1, -1
917           dzu_mg(nzb+1,l) = 2.0_wp * dzu_mg(nzb+1,l+1)
918           dzw_mg(nzb+1,l) = 2.0_wp * dzw_mg(nzb+1,l+1)
919           rho_air_mg(nzb,l)    = rho_air_mg(nzb,l+1) + (rho_air_mg(nzb,l+1) - rho_air_mg(nzb+1,l+1))
920           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))
921           rho_air_mg(nzb+1,l)    = rho_air_mg(nzb+1,l+1)
922           rho_air_zw_mg(nzb+1,l) = rho_air_zw_mg(nzb+1,l+1)
923           nzt_l = nzt_l / 2
924           DO  k = 2, nzt_l+1
925              dzu_mg(k,l) = dzu_mg(2*k-2,l+1) + dzu_mg(2*k-1,l+1)
926              dzw_mg(k,l) = dzw_mg(2*k-2,l+1) + dzw_mg(2*k-1,l+1)
927              rho_air_mg(k,l)    = rho_air_mg(2*k-1,l+1)
928              rho_air_zw_mg(k,l) = rho_air_zw_mg(2*k-1,l+1)
929           ENDDO
930       ENDDO
931
932       nzt_l = nzt
933       dx_l  = dx
934       dy_l  = dy
935       DO  l = maximum_grid_level, 1, -1
936          ddx2_mg(l) = 1.0_wp / dx_l**2
937          ddy2_mg(l) = 1.0_wp / dy_l**2
938          DO  k = nzb+1, nzt_l
939             f2_mg(k,l) = rho_air_zw_mg(k,l) / ( dzu_mg(k+1,l) * dzw_mg(k,l) )
940             f3_mg(k,l) = rho_air_zw_mg(k-1,l) / ( dzu_mg(k,l)   * dzw_mg(k,l) )
941             f1_mg(k,l) = 2.0_wp * ( ddx2_mg(l) + ddy2_mg(l) ) &
942                          * rho_air_mg(k,l) + f2_mg(k,l) + f3_mg(k,l)
943          ENDDO
944          nzt_l = nzt_l / 2
945          dx_l  = dx_l * 2.0_wp
946          dy_l  = dy_l * 2.0_wp
947       ENDDO
948
949    ENDIF
950
951!
952!-- 1D-array for large scale subsidence velocity
953    IF ( .NOT. ALLOCATED( w_subs ) )  THEN
954       ALLOCATE ( w_subs(nzb:nzt+1) )
955       w_subs = 0.0_wp
956    ENDIF
957
958!
959!-- Arrays to store velocity data from t-dt and the phase speeds which
960!-- are needed for radiation boundary conditions
961    IF ( bc_radiation_l )  THEN
962       ALLOCATE( u_m_l(nzb:nzt+1,nysg:nyng,1:2),                               &
963                 v_m_l(nzb:nzt+1,nysg:nyng,0:1),                               &
964                 w_m_l(nzb:nzt+1,nysg:nyng,0:1) )
965    ENDIF
966    IF ( bc_radiation_r )  THEN
967       ALLOCATE( u_m_r(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nx-1:nx),                           &
968                 v_m_r(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nx-1:nx),                           &
969                 w_m_r(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nx-1:nx) )
970    ENDIF
971    IF ( bc_radiation_l  .OR.  bc_radiation_r )  THEN
972       ALLOCATE( c_u(nzb:nzt+1,nysg:nyng), c_v(nzb:nzt+1,nysg:nyng),           &
973                 c_w(nzb:nzt+1,nysg:nyng) )
974    ENDIF
975    IF ( bc_radiation_s )  THEN
976       ALLOCATE( u_m_s(nzb:nzt+1,0:1,nxlg:nxrg),                               &
977                 v_m_s(nzb:nzt+1,1:2,nxlg:nxrg),                               &
978                 w_m_s(nzb:nzt+1,0:1,nxlg:nxrg) )
979    ENDIF
980    IF ( bc_radiation_n )  THEN
981       ALLOCATE( u_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny,nxlg:nxrg),                           &
982                 v_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny,nxlg:nxrg),                           &
983                 w_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny,nxlg:nxrg) )
984    ENDIF
985    IF ( bc_radiation_s  .OR.  bc_radiation_n )  THEN
986       ALLOCATE( c_u(nzb:nzt+1,nxlg:nxrg), c_v(nzb:nzt+1,nxlg:nxrg),           &
987                 c_w(nzb:nzt+1,nxlg:nxrg) )
988    ENDIF
989    IF ( bc_radiation_l  .OR.  bc_radiation_r  .OR.  bc_radiation_s  .OR.      &
990         bc_radiation_n )  THEN
991       ALLOCATE( c_u_m_l(nzb:nzt+1), c_v_m_l(nzb:nzt+1), c_w_m_l(nzb:nzt+1) )                   
992       ALLOCATE( c_u_m(nzb:nzt+1), c_v_m(nzb:nzt+1), c_w_m(nzb:nzt+1) )
993    ENDIF
994
995
996#if ! defined( __nopointer )
997!
998!-- Initial assignment of the pointers
999    IF ( .NOT. neutral )  THEN
1000       pt => pt_1;  pt_p => pt_2;  tpt_m => pt_3
1001    ELSE
1002       pt => pt_1;  pt_p => pt_1;  tpt_m => pt_3
1003    ENDIF
1004    u  => u_1;   u_p  => u_2;   tu_m  => u_3
1005    v  => v_1;   v_p  => v_2;   tv_m  => v_3
1006    w  => w_1;   w_p  => w_2;   tw_m  => w_3
1007
1008    IF ( humidity )  THEN
1009       q => q_1;  q_p => q_2;  tq_m => q_3
1010       vpt  => vpt_1
1011       IF ( cloud_droplets )  THEN
1012          ql   => ql_1
1013          ql_c => ql_2
1014       ENDIF
1015    ENDIF
1016   
1017    IF ( passive_scalar )  THEN
1018       s => s_1;  s_p => s_2;  ts_m => s_3
1019    ENDIF   
1020#endif
1021
1022!
1023!-- Initialize arrays for turbulence closure
1024    CALL tcm_init_arrays
1025!
1026!-- Initialize surface arrays
1027    CALL init_surface_arrays
1028!
1029!-- Allocate arrays for other modules
1030    IF ( bulk_cloud_model    )  CALL bcm_init_arrays
1031    IF ( gust_module_enabled )  CALL gust_init_arrays
1032    IF ( land_surface        )  CALL lsm_init_arrays
1033    IF ( ocean_mode          )  CALL ocean_init_arrays
1034    IF ( wind_turbine        )  CALL wtm_init_arrays
1035    IF ( uv_exposure         )  CALL uvem_init_arrays
1036
1037!
1038!-- Initialize virtual flight measurements
1039    IF ( virtual_flight )  THEN
1040       CALL flight_init
1041    ENDIF
1042
1043!
1044!-- Read uv exposure input data
1045    IF ( uv_exposure )  THEN
1046       CALL uvem_init
1047    ENDIF
1048
1049!
1050!-- Allocate arrays containing the RK coefficient for calculation of
1051!-- perturbation pressure and turbulent fluxes. At this point values are
1052!-- set for pressure calculation during initialization (where no timestep
1053!-- is done). Further below the values needed within the timestep scheme
1054!-- will be set.
1055    ALLOCATE( weight_substep(1:intermediate_timestep_count_max),               &
1056              weight_pres(1:intermediate_timestep_count_max) )
1057    weight_substep = 1.0_wp
1058    weight_pres    = 1.0_wp
1059    intermediate_timestep_count = 0  ! needed when simulated_time = 0.0
1060       
1061    CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
1062
1063!
1064!-- Initialize time series
1065    ts_value = 0.0_wp
1066
1067!
1068!-- Initialize local summation arrays for routine flow_statistics.
1069!-- This is necessary because they may not yet have been initialized when they
1070!-- are called from flow_statistics (or - depending on the chosen model run -
1071!-- are never initialized)
1072    sums_divnew_l      = 0.0_wp
1073    sums_divold_l      = 0.0_wp
1074    sums_l_l           = 0.0_wp
1075    sums_wsts_bc_l     = 0.0_wp
1076   
1077!
1078!-- Initialize model variables
1079    IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data'  .AND.            &
1080         TRIM( initializing_actions ) /= 'cyclic_fill' )  THEN
1081!
1082!--    Initialization with provided input data derived from larger-scale model
1083       IF ( INDEX( initializing_actions, 'inifor' ) /= 0 )  THEN
1084          CALL location_message( 'initializing with INIFOR', .FALSE. )
1085!
1086!--       Read initial 1D profiles or 3D data from NetCDF file, depending
1087!--       on the provided level-of-detail.
1088!--       At the moment, only u, v, w, pt and q are provided.
1089          CALL netcdf_data_input_init_3d
1090!
1091!--       Please note, Inifor provides data from nzb+1 to nzt.
1092!--       Bottom and top boundary conditions for Inifor profiles are already
1093!--       set (just after reading), so that this is not necessary here.
1094!--       Depending on the provided level-of-detail, initial Inifor data is
1095!--       either stored on data type (lod=1), or directly on 3D arrays (lod=2).
1096!--       In order to obtain also initial profiles in case of lod=2 (which
1097!--       is required for e.g. damping), average over 3D data.
1098          IF( init_3d%lod_u == 1 )  THEN
1099             u_init = init_3d%u_init
1100          ELSEIF( init_3d%lod_u == 2 )  THEN
1101             ALLOCATE( init_l(nzb:nzt+1) ) 
1102             DO  k = nzb, nzt+1
1103                init_l(k) = SUM( u(k,nys:nyn,nxl:nxr) )
1104             ENDDO
1105             init_l = init_l / REAL( ( nx + 1 ) * ( ny + 1 ), KIND = wp )
1106
1107#if defined( __parallel )
1108             CALL MPI_ALLREDUCE( init_l, u_init, nzt+1-nzb+1,                  &
1109                                 MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1110#else
1111             u_init = init_l
1112#endif
1113             DEALLOCATE( init_l )
1114
1115          ENDIF
1116           
1117          IF( init_3d%lod_v == 1 )  THEN 
1118             v_init = init_3d%v_init
1119          ELSEIF( init_3d%lod_v == 2 )  THEN
1120             ALLOCATE( init_l(nzb:nzt+1) ) 
1121             DO  k = nzb, nzt+1
1122                init_l(k) = SUM( v(k,nys:nyn,nxl:nxr) )
1123             ENDDO
1124             init_l = init_l / REAL( ( nx + 1 ) * ( ny + 1 ), KIND = wp )
1125
1126#if defined( __parallel )
1127             CALL MPI_ALLREDUCE( init_l, v_init, nzt+1-nzb+1,                  &
1128                                 MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1129#else
1130             v_init = init_l
1131#endif
1132             DEALLOCATE( init_l )
1133          ENDIF
1134          IF( .NOT. neutral )  THEN
1135             IF( init_3d%lod_pt == 1 )  THEN
1136                pt_init = init_3d%pt_init
1137             ELSEIF( init_3d%lod_pt == 2 )  THEN
1138                ALLOCATE( init_l(nzb:nzt+1) ) 
1139                DO  k = nzb, nzt+1
1140                   init_l(k) = SUM( pt(k,nys:nyn,nxl:nxr) )
1141                ENDDO
1142                init_l = init_l / REAL( ( nx + 1 ) * ( ny + 1 ), KIND = wp )
1143
1144#if defined( __parallel )
1145                CALL MPI_ALLREDUCE( init_l, pt_init, nzt+1-nzb+1,               &
1146                                    MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1147#else
1148                pt_init = init_l
1149#endif
1150                DEALLOCATE( init_l )
1151             ENDIF
1152          ENDIF
1153
1154
1155          IF( humidity )  THEN
1156             IF( init_3d%lod_q == 1 )  THEN
1157                q_init = init_3d%q_init
1158             ELSEIF( init_3d%lod_q == 2 )  THEN
1159                ALLOCATE( init_l(nzb:nzt+1) ) 
1160                DO  k = nzb, nzt+1
1161                   init_l(k) = SUM( q(k,nys:nyn,nxl:nxr) )
1162                ENDDO
1163                init_l = init_l / REAL( ( nx + 1 ) * ( ny + 1 ), KIND = wp )
1164
1165#if defined( __parallel )
1166                CALL MPI_ALLREDUCE( init_l, q_init, nzt+1-nzb+1,               &
1167                                    MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1168#else
1169                q_init = init_l
1170#endif
1171                DEALLOCATE( init_l )
1172             ENDIF
1173          ENDIF
1174
1175!
1176!--       Write initial profiles onto 3D arrays. Note, only in case of lod = 1,
1177!--       for lod = 2 data is already on 3D arrays.   
1178          DO  i = nxlg, nxrg
1179             DO  j = nysg, nyng
1180                IF( init_3d%lod_u == 1 )  u(:,j,i) = u_init(:)
1181                IF( init_3d%lod_v == 1 )  v(:,j,i) = v_init(:)
1182                IF( .NOT. neutral  .AND.  init_3d%lod_pt == 1 )                &
1183                   pt(:,j,i) = pt_init(:)
1184                IF( humidity  .AND.  init_3d%lod_q == 1 )  q(:,j,i) = q_init(:)
1185             ENDDO
1186          ENDDO
1187!
1188!--       Exchange ghost points in case of level-of-detail = 2
1189          IF( init_3d%lod_u == 2 )   CALL exchange_horiz( u, nbgp )
1190          IF( init_3d%lod_v == 2 )   CALL exchange_horiz( v, nbgp )
1191          IF( init_3d%lod_w == 2 )   CALL exchange_horiz( w, nbgp )
1192          IF( .NOT. neutral  .AND.  init_3d%lod_pt == 2 )                      &
1193             CALL exchange_horiz( pt, nbgp )
1194          IF( humidity  .AND.  init_3d%lod_q == 2 )                            &
1195             CALL exchange_horiz( q, nbgp )
1196!
1197!--       Set geostrophic wind components. 
1198          IF ( init_3d%from_file_ug )  THEN
1199             ug(:) = init_3d%ug_init(:)
1200          ENDIF
1201          IF ( init_3d%from_file_vg )  THEN
1202             vg(:) = init_3d%vg_init(:)
1203          ENDIF
1204         
1205          ug(nzt+1) = ug(nzt)
1206          vg(nzt+1) = vg(nzt)
1207!
1208!--       Set inital w to 0
1209          w = 0.0_wp
1210
1211          IF ( passive_scalar )  THEN
1212             DO  i = nxlg, nxrg
1213                DO  j = nysg, nyng
1214                   s(:,j,i) = s_init
1215                ENDDO
1216             ENDDO
1217          ENDIF
1218
1219!
1220!--       Set velocity components at non-atmospheric / oceanic grid points to
1221!--       zero.
1222          u = MERGE( u, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 1 ) )
1223          v = MERGE( v, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 2 ) )
1224          w = MERGE( w, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 3 ) )
1225!
1226!--       Initialize surface variables, e.g. friction velocity, momentum
1227!--       fluxes, etc.
1228          CALL init_surfaces
1229!
1230!--       Initialize turbulence generator
1231          IF( use_syn_turb_gen )  CALL stg_init
1232
1233          CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
1234!
1235!--    Initialization via computed 1D-model profiles
1236       ELSEIF ( INDEX( initializing_actions, 'set_1d-model_profiles' ) /= 0 )  THEN
1237
1238          CALL location_message( 'initializing with 1D model profiles', .FALSE. )
1239!
1240!--       Use solutions of the 1D model as initial profiles,
1241!--       start 1D model
1242          CALL init_1d_model
1243!
1244!--       Transfer initial profiles to the arrays of the 3D model
1245          DO  i = nxlg, nxrg
1246             DO  j = nysg, nyng
1247                pt(:,j,i) = pt_init
1248                u(:,j,i)  = u1d
1249                v(:,j,i)  = v1d
1250             ENDDO
1251          ENDDO
1252
1253          IF ( humidity )  THEN
1254             DO  i = nxlg, nxrg
1255                DO  j = nysg, nyng
1256                   q(:,j,i) = q_init
1257                ENDDO
1258             ENDDO
1259          ENDIF
1260
1261          IF ( passive_scalar )  THEN
1262             DO  i = nxlg, nxrg
1263                DO  j = nysg, nyng
1264                   s(:,j,i) = s_init
1265                ENDDO
1266             ENDDO   
1267          ENDIF
1268!
1269!--          Store initial profiles for output purposes etc.
1270          IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
1271             hom(:,1,25,:) = SPREAD( l1d, 2, statistic_regions+1 )
1272          ENDIF
1273!
1274!--       Set velocities back to zero
1275          u = MERGE( u, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 1 ) )
1276          v = MERGE( v, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 2 ) )         
1277!
1278!--       WARNING: The extra boundary conditions set after running the
1279!--       -------  1D model impose an error on the divergence one layer
1280!--                below the topography; need to correct later
1281!--       ATTENTION: Provisional correction for Piacsek & Williams
1282!--       ---------  advection scheme: keep u and v zero one layer below
1283!--                  the topography.
1284          IF ( ibc_uv_b == 1 )  THEN
1285!
1286!--          Neumann condition
1287             DO  i = nxl-1, nxr+1
1288                DO  j = nys-1, nyn+1
1289                   u(nzb,j,i) = u(nzb+1,j,i)
1290                   v(nzb,j,i) = v(nzb+1,j,i)
1291                ENDDO
1292             ENDDO
1293
1294          ENDIF
1295!
1296!--       Initialize surface variables, e.g. friction velocity, momentum
1297!--       fluxes, etc.
1298          CALL init_surfaces
1299
1300          CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
1301
1302       ELSEIF ( INDEX(initializing_actions, 'set_constant_profiles') /= 0 )    &
1303       THEN
1304
1305          CALL location_message( 'initializing with constant profiles', .FALSE. )
1306!
1307!--       Overwrite initial profiles in case of synthetic turbulence generator
1308          IF( use_syn_turb_gen )  CALL stg_init
1309
1310!
1311!--       Use constructed initial profiles (velocity constant with height,
1312!--       temperature profile with constant gradient)
1313          DO  i = nxlg, nxrg
1314             DO  j = nysg, nyng
1315                pt(:,j,i) = pt_init
1316                u(:,j,i)  = u_init
1317                v(:,j,i)  = v_init
1318             ENDDO
1319          ENDDO
1320!
1321!--       Mask topography
1322          u = MERGE( u, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 1 ) )
1323          v = MERGE( v, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 2 ) )
1324!
1325!--       Set initial horizontal velocities at the lowest computational grid
1326!--       levels to zero in order to avoid too small time steps caused by the
1327!--       diffusion limit in the initial phase of a run (at k=1, dz/2 occurs
1328!--       in the limiting formula!).
1329!--       Please note, in case land- or urban-surface model is used and a
1330!--       spinup is applied, masking the lowest computational level is not
1331!--       possible as MOST as well as energy-balance parametrizations will not
1332!--       work with zero wind velocity.
1333          IF ( ibc_uv_b /= 1  .AND.  .NOT.  spinup )  THEN
1334             DO  i = nxlg, nxrg
1335                DO  j = nysg, nyng
1336                   DO  k = nzb, nzt
1337                      u(k,j,i) = MERGE( u(k,j,i), 0.0_wp,                      &
1338                                        BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 20 ) )
1339                      v(k,j,i) = MERGE( v(k,j,i), 0.0_wp,                      &
1340                                        BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 21 ) )
1341                   ENDDO
1342                ENDDO
1343             ENDDO
1344          ENDIF
1345
1346          IF ( humidity )  THEN
1347             DO  i = nxlg, nxrg
1348                DO  j = nysg, nyng
1349                   q(:,j,i) = q_init
1350                ENDDO
1351             ENDDO
1352          ENDIF
1353         
1354          IF ( passive_scalar )  THEN
1355             DO  i = nxlg, nxrg
1356                DO  j = nysg, nyng
1357                   s(:,j,i) = s_init
1358                ENDDO
1359             ENDDO
1360          ENDIF
1361
1362!
1363!--       Compute initial temperature field and other constants used in case
1364!--       of a sloping surface
1365          IF ( sloping_surface )  CALL init_slope
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, 'by_user') /= 0 )                  &
1374       THEN
1375
1376          CALL location_message( 'initializing by user', .FALSE. )
1377!
1378!--       Pre-initialize surface variables, i.e. setting start- and end-indices
1379!--       at each (j,i)-location. Please note, this does not supersede
1380!--       user-defined initialization of surface quantities.
1381          CALL init_surfaces
1382!
1383!--       Initialization will completely be done by the user
1384          CALL user_init_3d_model
1385
1386          CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
1387
1388       ENDIF
1389
1390       CALL location_message( 'initializing statistics, boundary conditions, etc.', &
1391                              .FALSE. )
1392
1393!
1394!--    Bottom boundary
1395       IF ( ibc_uv_b == 0 .OR. ibc_uv_b == 2  )  THEN
1396          u(nzb,:,:) = 0.0_wp
1397          v(nzb,:,:) = 0.0_wp
1398       ENDIF
1399
1400!
1401!--    Apply channel flow boundary condition
1402       IF ( TRIM( bc_uv_t ) == 'dirichlet_0' )  THEN
1403          u(nzt+1,:,:) = 0.0_wp
1404          v(nzt+1,:,:) = 0.0_wp
1405       ENDIF
1406
1407!
1408!--    Calculate virtual potential temperature
1409       IF ( humidity )  vpt = pt * ( 1.0_wp + 0.61_wp * q )
1410
1411!
1412!--    Store initial profiles for output purposes etc.. Please note, in case of
1413!--    initialization of u, v, w, pt, and q via output data derived from larger
1414!--    scale models, data will not be horizontally homogeneous. Actually, a mean
1415!--    profile should be calculated before.   
1416       hom(:,1,5,:) = SPREAD( u(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1417       hom(:,1,6,:) = SPREAD( v(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1418       IF ( ibc_uv_b == 0 .OR. ibc_uv_b == 2)  THEN
1419          hom(nzb,1,5,:) = 0.0_wp
1420          hom(nzb,1,6,:) = 0.0_wp
1421       ENDIF
1422       hom(:,1,7,:)  = SPREAD( pt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1423
1424       IF ( humidity )  THEN
1425!
1426!--       Store initial profile of total water content, virtual potential
1427!--       temperature
1428          hom(:,1,26,:) = SPREAD(   q(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1429          hom(:,1,29,:) = SPREAD( vpt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1430!
1431!--       Store initial profile of mixing ratio and potential
1432!--       temperature
1433          IF ( bulk_cloud_model  .OR.  cloud_droplets ) THEN
1434             hom(:,1,27,:) = SPREAD(  q(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1435             hom(:,1,28,:) = SPREAD( pt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1436          ENDIF
1437       ENDIF
1438
1439!
1440!--    Store initial scalar profile
1441       IF ( passive_scalar )  THEN
1442          hom(:,1,121,:) = SPREAD(  s(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1443       ENDIF
1444
1445!
1446!--    Initialize the random number generators (from numerical recipes)
1447       CALL random_function_ini
1448       
1449       IF ( random_generator == 'random-parallel' )  THEN
1450          CALL init_parallel_random_generator( nx, nys, nyn, nxl, nxr )
1451       ENDIF
1452!
1453!--    Set the reference state to be used in the buoyancy terms (for ocean runs
1454!--    the reference state will be set (overwritten) in init_ocean)
1455       IF ( use_single_reference_value )  THEN
1456          IF (  .NOT.  humidity )  THEN
1457             ref_state(:) = pt_reference
1458          ELSE
1459             ref_state(:) = vpt_reference
1460          ENDIF
1461       ELSE
1462          IF (  .NOT.  humidity )  THEN
1463             ref_state(:) = pt_init(:)
1464          ELSE
1465             ref_state(:) = vpt(:,nys,nxl)
1466          ENDIF
1467       ENDIF
1468
1469!
1470!--    For the moment, vertical velocity is zero
1471       w = 0.0_wp
1472
1473!
1474!--    Initialize array sums (must be defined in first call of pres)
1475       sums = 0.0_wp
1476
1477!
1478!--    In case of iterative solvers, p must get an initial value
1479       IF ( psolver(1:9) == 'multigrid'  .OR.  psolver == 'sor' )  p = 0.0_wp
1480!
1481!--    Impose vortex with vertical axis on the initial velocity profile
1482       IF ( INDEX( initializing_actions, 'initialize_vortex' ) /= 0 )  THEN
1483          CALL init_rankine
1484       ENDIF
1485
1486!
1487!--    Impose temperature anomaly (advection test only) or warm air bubble
1488!--    close to surface
1489       IF ( INDEX( initializing_actions, 'initialize_ptanom' ) /= 0  .OR.  &
1490            INDEX( initializing_actions, 'initialize_bubble' ) /= 0  )  THEN
1491          CALL init_pt_anomaly
1492       ENDIF
1493       
1494!
1495!--    If required, change the surface temperature at the start of the 3D run
1496       IF ( pt_surface_initial_change /= 0.0_wp )  THEN
1497          pt(nzb,:,:) = pt(nzb,:,:) + pt_surface_initial_change
1498       ENDIF
1499
1500!
1501!--    If required, change the surface humidity/scalar at the start of the 3D
1502!--    run
1503       IF ( humidity  .AND.  q_surface_initial_change /= 0.0_wp )              &
1504          q(nzb,:,:) = q(nzb,:,:) + q_surface_initial_change
1505         
1506       IF ( passive_scalar .AND.  s_surface_initial_change /= 0.0_wp )         &
1507          s(nzb,:,:) = s(nzb,:,:) + s_surface_initial_change
1508       
1509
1510!
1511!--    Initialize old and new time levels.
1512       tpt_m = 0.0_wp; tu_m = 0.0_wp; tv_m = 0.0_wp; tw_m = 0.0_wp
1513       pt_p = pt; u_p = u; v_p = v; w_p = w
1514
1515       IF ( humidity  )  THEN
1516          tq_m = 0.0_wp
1517          q_p = q
1518       ENDIF
1519       
1520       IF ( passive_scalar )  THEN
1521          ts_m = 0.0_wp
1522          s_p  = s
1523       ENDIF       
1524
1525       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
1526
1527    ELSEIF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data'  .OR.         &
1528             TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )                   &
1529    THEN
1530
1531       CALL location_message( 'initializing in case of restart / cyclic_fill', &
1532                              .FALSE. )
1533!
1534!--    Initialize surface elements and its attributes, e.g. heat- and
1535!--    momentumfluxes, roughness, scaling parameters. As number of surface
1536!--    elements might be different between runs, e.g. in case of cyclic fill,
1537!--    and not all surface elements are read, surface elements need to be
1538!--    initialized before.     
1539       CALL init_surfaces
1540!
1541!--    When reading data for cyclic fill of 3D prerun data files, read
1542!--    some of the global variables from the restart file which are required
1543!--    for initializing the inflow
1544       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  THEN
1545
1546          DO  i = 0, io_blocks-1
1547             IF ( i == io_group )  THEN
1548                CALL rrd_read_parts_of_global
1549             ENDIF
1550#if defined( __parallel )
1551             CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1552#endif
1553          ENDDO
1554
1555       ENDIF
1556
1557!
1558!--    Read processor specific binary data from restart file
1559       DO  i = 0, io_blocks-1
1560          IF ( i == io_group )  THEN
1561             CALL rrd_local
1562          ENDIF
1563#if defined( __parallel )
1564          CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1565#endif
1566       ENDDO
1567
1568!
1569!--    In case of complex terrain and cyclic fill method as initialization,
1570!--    shift initial data in the vertical direction for each point in the
1571!--    x-y-plane depending on local surface height
1572       IF ( complex_terrain  .AND.                                             &
1573            TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  THEN
1574          DO  i = nxlg, nxrg
1575             DO  j = nysg, nyng
1576                nz_u_shift = get_topography_top_index_ji( j, i, 'u' )
1577                nz_v_shift = get_topography_top_index_ji( j, i, 'v' )
1578                nz_w_shift = get_topography_top_index_ji( j, i, 'w' )
1579                nz_s_shift = get_topography_top_index_ji( j, i, 's' )
1580
1581                u(nz_u_shift:nzt+1,j,i)  = u(0:nzt+1-nz_u_shift,j,i)               
1582
1583                v(nz_v_shift:nzt+1,j,i)  = v(0:nzt+1-nz_v_shift,j,i)
1584
1585                w(nz_w_shift:nzt+1,j,i)  = w(0:nzt+1-nz_w_shift,j,i)
1586
1587                p(nz_s_shift:nzt+1,j,i)  =  p(0:nzt+1-nz_s_shift,j,i)
1588                pt(nz_s_shift:nzt+1,j,i) = pt(0:nzt+1-nz_s_shift,j,i)
1589             ENDDO
1590          ENDDO
1591       ENDIF
1592
1593!
1594!--    Initialization of the turbulence recycling method
1595       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill'  .AND.               &
1596            turbulent_inflow )  THEN
1597!
1598!--       First store the profiles to be used at the inflow.
1599!--       These profiles are the (temporally) and horizontally averaged vertical
1600!--       profiles from the prerun. Alternatively, prescribed profiles
1601!--       for u,v-components can be used.
1602          ALLOCATE( mean_inflow_profiles(nzb:nzt+1,1:num_mean_inflow_profiles) )
1603
1604          IF ( use_prescribed_profile_data )  THEN
1605             mean_inflow_profiles(:,1) = u_init            ! u
1606             mean_inflow_profiles(:,2) = v_init            ! v
1607          ELSE
1608             mean_inflow_profiles(:,1) = hom_sum(:,1,0)    ! u
1609             mean_inflow_profiles(:,2) = hom_sum(:,2,0)    ! v
1610          ENDIF
1611          mean_inflow_profiles(:,4) = hom_sum(:,4,0)       ! pt
1612          IF ( humidity )                                                      &
1613             mean_inflow_profiles(:,6) = hom_sum(:,41,0)   ! q
1614          IF ( passive_scalar )                                                &
1615             mean_inflow_profiles(:,7) = hom_sum(:,115,0)   ! s
1616!
1617!--       In case of complex terrain, determine vertical displacement at inflow
1618!--       boundary and adjust mean inflow profiles
1619          IF ( complex_terrain )  THEN
1620             IF ( nxlg <= 0 .AND. nxrg >= 0 .AND. nysg <= 0 .AND. nyng >= 0 )  THEN
1621                nz_u_shift_l = get_topography_top_index_ji( 0, 0, 'u' )
1622                nz_v_shift_l = get_topography_top_index_ji( 0, 0, 'v' )
1623                nz_w_shift_l = get_topography_top_index_ji( 0, 0, 'w' )
1624                nz_s_shift_l = get_topography_top_index_ji( 0, 0, 's' )
1625             ELSE
1626                nz_u_shift_l = 0
1627                nz_v_shift_l = 0
1628                nz_w_shift_l = 0
1629                nz_s_shift_l = 0
1630             ENDIF
1631
1632#if defined( __parallel )
1633             CALL MPI_ALLREDUCE(nz_u_shift_l, nz_u_shift, 1, MPI_INTEGER,      &
1634                                MPI_MAX, comm2d, ierr)
1635             CALL MPI_ALLREDUCE(nz_v_shift_l, nz_v_shift, 1, MPI_INTEGER,      &
1636                                MPI_MAX, comm2d, ierr)
1637             CALL MPI_ALLREDUCE(nz_w_shift_l, nz_w_shift, 1, MPI_INTEGER,      & 
1638                                MPI_MAX, comm2d, ierr)
1639             CALL MPI_ALLREDUCE(nz_s_shift_l, nz_s_shift, 1, MPI_INTEGER,      &
1640                                MPI_MAX, comm2d, ierr)
1641#else
1642             nz_u_shift = nz_u_shift_l
1643             nz_v_shift = nz_v_shift_l
1644             nz_w_shift = nz_w_shift_l
1645             nz_s_shift = nz_s_shift_l
1646#endif
1647
1648             mean_inflow_profiles(:,1) = 0.0_wp
1649             mean_inflow_profiles(nz_u_shift:nzt+1,1) = hom_sum(0:nzt+1-nz_u_shift,1,0)  ! u
1650
1651             mean_inflow_profiles(:,2) = 0.0_wp
1652             mean_inflow_profiles(nz_v_shift:nzt+1,2) = hom_sum(0:nzt+1-nz_v_shift,2,0)  ! v
1653
1654             mean_inflow_profiles(nz_s_shift:nzt+1,4) = hom_sum(0:nzt+1-nz_s_shift,4,0)  ! pt
1655
1656          ENDIF
1657
1658!
1659!--       If necessary, adjust the horizontal flow field to the prescribed
1660!--       profiles
1661          IF ( use_prescribed_profile_data )  THEN
1662             DO  i = nxlg, nxrg
1663                DO  j = nysg, nyng
1664                   DO  k = nzb, nzt+1
1665                      u(k,j,i) = u(k,j,i) - hom_sum(k,1,0) + u_init(k)
1666                      v(k,j,i) = v(k,j,i) - hom_sum(k,2,0) + v_init(k)
1667                   ENDDO
1668                ENDDO
1669             ENDDO
1670          ENDIF
1671
1672!
1673!--       Use these mean profiles at the inflow (provided that Dirichlet
1674!--       conditions are used)
1675          IF ( bc_dirichlet_l )  THEN
1676             DO  j = nysg, nyng
1677                DO  k = nzb, nzt+1
1678                   u(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,1)
1679                   v(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,2)
1680                   w(k,j,nxlg:-1)  = 0.0_wp
1681                   pt(k,j,nxlg:-1) = mean_inflow_profiles(k,4)
1682                   IF ( humidity )                                             &
1683                      q(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,6)
1684                   IF ( passive_scalar )                                       &
1685                      s(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,7)                     
1686                ENDDO
1687             ENDDO
1688          ENDIF
1689
1690!
1691!--       Calculate the damping factors to be used at the inflow. For a
1692!--       turbulent inflow the turbulent fluctuations have to be limited
1693!--       vertically because otherwise the turbulent inflow layer will grow
1694!--       in time.
1695          IF ( inflow_damping_height == 9999999.9_wp )  THEN
1696!
1697!--          Default: use the inversion height calculated by the prerun; if
1698!--          this is zero, inflow_damping_height must be explicitly
1699!--          specified.
1700             IF ( hom_sum(nzb+6,pr_palm,0) /= 0.0_wp )  THEN
1701                inflow_damping_height = hom_sum(nzb+6,pr_palm,0)
1702             ELSE
1703                WRITE( message_string, * ) 'inflow_damping_height must be ',   &
1704                     'explicitly specified because&the inversion height ',     &
1705                     'calculated by the prerun is zero.'
1706                CALL message( 'init_3d_model', 'PA0318', 1, 2, 0, 6, 0 )
1707             ENDIF
1708
1709          ENDIF
1710
1711          IF ( inflow_damping_width == 9999999.9_wp )  THEN
1712!
1713!--          Default for the transition range: one tenth of the undamped
1714!--          layer
1715             inflow_damping_width = 0.1_wp * inflow_damping_height
1716
1717          ENDIF
1718
1719          ALLOCATE( inflow_damping_factor(nzb:nzt+1) )
1720
1721          DO  k = nzb, nzt+1
1722
1723             IF ( zu(k) <= inflow_damping_height )  THEN
1724                inflow_damping_factor(k) = 1.0_wp
1725             ELSEIF ( zu(k) <= ( inflow_damping_height + inflow_damping_width ) )  THEN
1726                inflow_damping_factor(k) = 1.0_wp -                            &
1727                                           ( zu(k) - inflow_damping_height ) / &
1728                                           inflow_damping_width
1729             ELSE
1730                inflow_damping_factor(k) = 0.0_wp
1731             ENDIF
1732
1733          ENDDO
1734
1735       ENDIF
1736
1737!
1738!--    Inside buildings set velocities back to zero
1739       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' .AND.                &
1740            topography /= 'flat' )  THEN
1741!
1742!--       Inside buildings set velocities back to zero.
1743!--       Other scalars (pt, q, s, p, sa, ...) are ignored at present,
1744!--       maybe revise later.
1745          DO  i = nxlg, nxrg
1746             DO  j = nysg, nyng
1747                DO  k = nzb, nzt
1748                   u(k,j,i)     = MERGE( u(k,j,i), 0.0_wp,                     &
1749                                         BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 1 ) )
1750                   v(k,j,i)     = MERGE( v(k,j,i), 0.0_wp,                     &
1751                                         BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 2 ) )
1752                   w(k,j,i)     = MERGE( w(k,j,i), 0.0_wp,                     &
1753                                         BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 3 ) )
1754                ENDDO
1755             ENDDO
1756          ENDDO
1757
1758       ENDIF
1759
1760!
1761!--    Calculate initial temperature field and other constants used in case
1762!--    of a sloping surface
1763       IF ( sloping_surface )  CALL init_slope
1764
1765!
1766!--    Initialize new time levels (only done in order to set boundary values
1767!--    including ghost points)
1768       pt_p = pt; u_p = u; v_p = v; w_p = w
1769       IF ( humidity )  THEN
1770          q_p = q
1771       ENDIF
1772       IF ( passive_scalar )  s_p  = s
1773!
1774!--    Allthough tendency arrays are set in prognostic_equations, they have
1775!--    have to be predefined here because they are used (but multiplied with 0)
1776!--    there before they are set.
1777       tpt_m = 0.0_wp; tu_m = 0.0_wp; tv_m = 0.0_wp; tw_m = 0.0_wp
1778       IF ( humidity )  THEN
1779          tq_m = 0.0_wp
1780       ENDIF
1781       IF ( passive_scalar )  ts_m  = 0.0_wp
1782!
1783!--    Initialize synthetic turbulence generator in case of restart.
1784       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data'  .AND.         &
1785            use_syn_turb_gen )  CALL stg_init
1786
1787       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
1788
1789    ELSE
1790!
1791!--    Actually this part of the programm should not be reached
1792       message_string = 'unknown initializing problem'
1793       CALL message( 'init_3d_model', 'PA0193', 1, 2, 0, 6, 0 )
1794    ENDIF
1795
1796!
1797!-- Initialize TKE, Kh and Km
1798    CALL tcm_init
1799
1800
1801    IF (  TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' )  THEN
1802!
1803!--    Initialize old timelevels needed for radiation boundary conditions
1804       IF ( bc_radiation_l )  THEN
1805          u_m_l(:,:,:) = u(:,:,1:2)
1806          v_m_l(:,:,:) = v(:,:,0:1)
1807          w_m_l(:,:,:) = w(:,:,0:1)
1808       ENDIF
1809       IF ( bc_radiation_r )  THEN
1810          u_m_r(:,:,:) = u(:,:,nx-1:nx)
1811          v_m_r(:,:,:) = v(:,:,nx-1:nx)
1812          w_m_r(:,:,:) = w(:,:,nx-1:nx)
1813       ENDIF
1814       IF ( bc_radiation_s )  THEN
1815          u_m_s(:,:,:) = u(:,0:1,:)
1816          v_m_s(:,:,:) = v(:,1:2,:)
1817          w_m_s(:,:,:) = w(:,0:1,:)
1818       ENDIF
1819       IF ( bc_radiation_n )  THEN
1820          u_m_n(:,:,:) = u(:,ny-1:ny,:)
1821          v_m_n(:,:,:) = v(:,ny-1:ny,:)
1822          w_m_n(:,:,:) = w(:,ny-1:ny,:)
1823       ENDIF
1824       
1825    ENDIF
1826
1827!
1828!-- Calculate the initial volume flow at the right and north boundary
1829    IF ( conserve_volume_flow )  THEN
1830
1831       IF ( use_prescribed_profile_data )  THEN
1832
1833          volume_flow_initial_l = 0.0_wp
1834          volume_flow_area_l    = 0.0_wp
1835
1836          IF ( nxr == nx )  THEN
1837             DO  j = nys, nyn
1838                DO  k = nzb+1, nzt
1839                   volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) +       &
1840                                              u_init(k) * dzw(k)               &
1841                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1842                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nxr), 1 )&
1843                                            )
1844
1845                   volume_flow_area_l(1)    = volume_flow_area_l(1) + dzw(k)   &
1846                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1847                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nxr), 1 )&
1848                                            )
1849                ENDDO
1850             ENDDO
1851          ENDIF
1852         
1853          IF ( nyn == ny )  THEN
1854             DO  i = nxl, nxr
1855                DO  k = nzb+1, nzt
1856                   volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) +       &
1857                                              v_init(k) * dzw(k)               &       
1858                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1859                                              BTEST( wall_flags_0(k,nyn,i), 2 )&
1860                                            )
1861                   volume_flow_area_l(2)    = volume_flow_area_l(2) + dzw(k)   &       
1862                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1863                                              BTEST( wall_flags_0(k,nyn,i), 2 )&
1864                                            )
1865                ENDDO
1866             ENDDO
1867          ENDIF
1868
1869#if defined( __parallel )
1870          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_initial_l(1), volume_flow_initial(1),&
1871                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1872          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_area_l(1), volume_flow_area(1),      &
1873                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1874
1875#else
1876          volume_flow_initial = volume_flow_initial_l
1877          volume_flow_area    = volume_flow_area_l
1878#endif 
1879
1880       ELSEIF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  THEN
1881
1882          volume_flow_initial_l = 0.0_wp
1883          volume_flow_area_l    = 0.0_wp
1884
1885          IF ( nxr == nx )  THEN
1886             DO  j = nys, nyn
1887                DO  k = nzb+1, nzt
1888                   volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) +       &
1889                                              hom_sum(k,1,0) * dzw(k)          &
1890                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1891                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nx), 1 ) &
1892                                            )
1893                   volume_flow_area_l(1)    = volume_flow_area_l(1) + dzw(k)   &
1894                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1895                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nx), 1 ) &
1896                                            )
1897                ENDDO
1898             ENDDO
1899          ENDIF
1900         
1901          IF ( nyn == ny )  THEN
1902             DO  i = nxl, nxr
1903                DO  k = nzb+1, nzt
1904                   volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) +       &
1905                                              hom_sum(k,2,0) * dzw(k)          &       
1906                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1907                                              BTEST( wall_flags_0(k,ny,i), 2 ) &
1908                                            )
1909                   volume_flow_area_l(2)    = volume_flow_area_l(2) + dzw(k)   &       
1910                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1911                                              BTEST( wall_flags_0(k,ny,i), 2 ) &
1912                                            )
1913                ENDDO
1914             ENDDO
1915          ENDIF
1916
1917#if defined( __parallel )
1918          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_initial_l(1), volume_flow_initial(1),&
1919                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1920          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_area_l(1), volume_flow_area(1),      &
1921                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1922
1923#else
1924          volume_flow_initial = volume_flow_initial_l
1925          volume_flow_area    = volume_flow_area_l
1926#endif 
1927
1928       ELSEIF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' )  THEN
1929
1930          volume_flow_initial_l = 0.0_wp
1931          volume_flow_area_l    = 0.0_wp
1932
1933          IF ( nxr == nx )  THEN
1934             DO  j = nys, nyn
1935                DO  k = nzb+1, nzt
1936                   volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) +       &
1937                                              u(k,j,nx) * dzw(k)               &
1938                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1939                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nx), 1 ) &
1940                                            )
1941                   volume_flow_area_l(1)    = volume_flow_area_l(1) + dzw(k)   &
1942                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1943                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nx), 1 ) &
1944                                            )
1945                ENDDO
1946             ENDDO
1947          ENDIF
1948         
1949          IF ( nyn == ny )  THEN
1950             DO  i = nxl, nxr
1951                DO  k = nzb+1, nzt
1952                   volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) +       &
1953                                              v(k,ny,i) * dzw(k)               &       
1954                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1955                                              BTEST( wall_flags_0(k,ny,i), 2 ) &
1956                                            )
1957                   volume_flow_area_l(2)    = volume_flow_area_l(2) + dzw(k)   &       
1958                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1959                                              BTEST( wall_flags_0(k,ny,i), 2 ) &
1960                                            )
1961                ENDDO
1962             ENDDO
1963          ENDIF
1964
1965#if defined( __parallel )
1966          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_initial_l(1), volume_flow_initial(1),&
1967                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1968          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_area_l(1), volume_flow_area(1),      &
1969                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1970
1971#else
1972          volume_flow_initial = volume_flow_initial_l
1973          volume_flow_area    = volume_flow_area_l
1974#endif 
1975
1976       ENDIF
1977
1978!
1979!--    In case of 'bulk_velocity' mode, volume_flow_initial is calculated
1980!--    from u|v_bulk instead
1981       IF ( TRIM( conserve_volume_flow_mode ) == 'bulk_velocity' )  THEN
1982          volume_flow_initial(1) = u_bulk * volume_flow_area(1)
1983          volume_flow_initial(2) = v_bulk * volume_flow_area(2)
1984       ENDIF
1985
1986    ENDIF
1987!
1988!-- Finally, if random_heatflux is set, disturb shf at horizontal
1989!-- surfaces. Actually, this should be done in surface_mod, where all other
1990!-- initializations of surface quantities are done. However, this
1991!-- would create a ring dependency, hence, it is done here. Maybe delete
1992!-- disturb_heatflux and tranfer the respective code directly into the
1993!-- initialization in surface_mod.         
1994    IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data'  .AND.            &
1995         TRIM( initializing_actions ) /= 'cyclic_fill' )  THEN
1996 
1997       IF ( use_surface_fluxes  .AND.  constant_heatflux  .AND.                &
1998            random_heatflux )  THEN
1999          IF ( surf_def_h(0)%ns >= 1 )  CALL disturb_heatflux( surf_def_h(0) )
2000          IF ( surf_lsm_h%ns    >= 1 )  CALL disturb_heatflux( surf_lsm_h    )
2001          IF ( surf_usm_h%ns    >= 1 )  CALL disturb_heatflux( surf_usm_h    )
2002       ENDIF
2003    ENDIF
2004
2005!
2006!-- Before initializing further modules, compute total sum of active mask
2007!-- grid points and the mean surface level height for each statistic region.
2008!-- ngp_2dh: number of grid points of a horizontal cross section through the
2009!--          total domain
2010!-- ngp_3d:  number of grid points of the total domain
2011    ngp_2dh_outer_l   = 0
2012    ngp_2dh_outer     = 0
2013    ngp_2dh_s_inner_l = 0
2014    ngp_2dh_s_inner   = 0
2015    ngp_2dh_l         = 0
2016    ngp_2dh           = 0
2017    ngp_3d_inner_l    = 0.0_wp
2018    ngp_3d_inner      = 0
2019    ngp_3d            = 0
2020    ngp_sums          = ( nz + 2 ) * ( pr_palm + max_pr_user )
2021
2022    mean_surface_level_height   = 0.0_wp
2023    mean_surface_level_height_l = 0.0_wp
2024!
2025!-- Pre-set masks for regional statistics. Default is the total model domain.
2026!-- Ghost points are excluded because counting values at the ghost boundaries
2027!-- would bias the statistics
2028    rmask = 1.0_wp
2029    rmask(:,nxlg:nxl-1,:) = 0.0_wp;  rmask(:,nxr+1:nxrg,:) = 0.0_wp
2030    rmask(nysg:nys-1,:,:) = 0.0_wp;  rmask(nyn+1:nyng,:,:) = 0.0_wp
2031
2032!
2033!-- Temporary solution to add LSM and radiation time series to the default
2034!-- output
2035    IF ( land_surface  .OR.  radiation )  THEN
2036       IF ( TRIM( radiation_scheme ) == 'rrtmg' )  THEN
2037          dots_num = dots_num + 15
2038       ELSE
2039          dots_num = dots_num + 11
2040       ENDIF
2041    ENDIF
2042!
2043!-- User-defined initializing actions
2044    CALL user_init
2045!
2046!-- To do: New concept for these non-topography grid points!
2047    DO  sr = 0, statistic_regions
2048       DO  i = nxl, nxr
2049          DO  j = nys, nyn
2050             IF ( rmask(j,i,sr) == 1.0_wp )  THEN
2051!
2052!--             All xy-grid points
2053                ngp_2dh_l(sr) = ngp_2dh_l(sr) + 1
2054!
2055!--             Determine mean surface-level height. In case of downward-
2056!--             facing walls are present, more than one surface level exist.
2057!--             In this case, use the lowest surface-level height.
2058                IF ( surf_def_h(0)%start_index(j,i) <=                         &
2059                     surf_def_h(0)%end_index(j,i) )  THEN
2060                   m = surf_def_h(0)%start_index(j,i)
2061                   k = surf_def_h(0)%k(m)
2062                   mean_surface_level_height_l(sr) =                           &
2063                                       mean_surface_level_height_l(sr) + zw(k-1)
2064                ENDIF
2065                IF ( surf_lsm_h%start_index(j,i) <=                            &
2066                     surf_lsm_h%end_index(j,i) )  THEN
2067                   m = surf_lsm_h%start_index(j,i)
2068                   k = surf_lsm_h%k(m)
2069                   mean_surface_level_height_l(sr) =                           &
2070                                       mean_surface_level_height_l(sr) + zw(k-1)
2071                ENDIF
2072                IF ( surf_usm_h%start_index(j,i) <=                            &
2073                     surf_usm_h%end_index(j,i) )  THEN
2074                   m = surf_usm_h%start_index(j,i)
2075                   k = surf_usm_h%k(m)
2076                   mean_surface_level_height_l(sr) =                           &
2077                                       mean_surface_level_height_l(sr) + zw(k-1)
2078                ENDIF
2079
2080                k_surf = k - 1
2081
2082                DO  k = nzb, nzt+1
2083!
2084!--                xy-grid points above topography
2085                   ngp_2dh_outer_l(k,sr) = ngp_2dh_outer_l(k,sr)     +         &
2086                                  MERGE( 1, 0, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 24 ) )
2087
2088                   ngp_2dh_s_inner_l(k,sr) = ngp_2dh_s_inner_l(k,sr) +         &
2089                                  MERGE( 1, 0, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 22 ) )
2090
2091                ENDDO
2092!
2093!--             All grid points of the total domain above topography
2094                ngp_3d_inner_l(sr) = ngp_3d_inner_l(sr) + ( nz - k_surf + 2 )
2095
2096
2097
2098             ENDIF
2099          ENDDO
2100       ENDDO
2101    ENDDO
2102!
2103!-- Initialize arrays encompassing number of grid-points in inner and outer
2104!-- domains, statistic regions, etc. Mainly used for horizontal averaging
2105!-- of turbulence statistics. Please note, user_init must be called before
2106!-- doing this.   
2107    sr = statistic_regions + 1
2108#if defined( __parallel )
2109    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2110    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_l(0), ngp_2dh(0), sr, MPI_INTEGER, MPI_SUM,    &
2111                        comm2d, ierr )
2112    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2113    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_outer_l(0,0), ngp_2dh_outer(0,0), (nz+2)*sr,   &
2114                        MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2115    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2116    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_s_inner_l(0,0), ngp_2dh_s_inner(0,0),          &
2117                        (nz+2)*sr, MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2118    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2119    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_3d_inner_l(0), ngp_3d_inner_tmp(0), sr, MPI_REAL,  &
2120                        MPI_SUM, comm2d, ierr )
2121    ngp_3d_inner = INT( ngp_3d_inner_tmp, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) )
2122    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2123    CALL MPI_ALLREDUCE( mean_surface_level_height_l(0),                        &
2124                        mean_surface_level_height(0), sr, MPI_REAL,            &
2125                        MPI_SUM, comm2d, ierr )
2126    mean_surface_level_height = mean_surface_level_height / REAL( ngp_2dh )
2127#else
2128    ngp_2dh         = ngp_2dh_l
2129    ngp_2dh_outer   = ngp_2dh_outer_l
2130    ngp_2dh_s_inner = ngp_2dh_s_inner_l
2131    ngp_3d_inner    = INT( ngp_3d_inner_l, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) )
2132    mean_surface_level_height = mean_surface_level_height_l / REAL( ngp_2dh_l )
2133#endif
2134
2135    ngp_3d = INT ( ngp_2dh, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) ) * &
2136             INT ( (nz + 2 ), KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) )
2137
2138!
2139!-- Set a lower limit of 1 in order to avoid zero divisions in flow_statistics,
2140!-- buoyancy, etc. A zero value will occur for cases where all grid points of
2141!-- the respective subdomain lie below the surface topography
2142    ngp_2dh_outer   = MAX( 1, ngp_2dh_outer(:,:)   ) 
2143    ngp_3d_inner    = MAX( INT(1, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 )),             &
2144                           ngp_3d_inner(:) )
2145    ngp_2dh_s_inner = MAX( 1, ngp_2dh_s_inner(:,:) ) 
2146
2147    DEALLOCATE( mean_surface_level_height_l, ngp_2dh_l, ngp_2dh_outer_l,       &
2148                ngp_3d_inner_l, ngp_3d_inner_tmp )
2149
2150!
2151!-- Initialize nudging if required
2152    IF ( nudging )  CALL nudge_init
2153!
2154!-- Initialize 1D/3D offline-nesting with COSMO model and read data from
2155!-- external file.
2156    IF ( large_scale_forcing  .OR.  nesting_offline )  CALL lsf_init
2157!
2158!-- Initialize surface forcing corresponding to large-scale forcing. Therein,
2159!-- initialize heat-fluxes, etc. via datatype. Revise it later!
2160    IF ( large_scale_forcing .AND. lsf_surf )  THEN
2161       IF ( use_surface_fluxes  .AND.  constant_heatflux )  THEN
2162          CALL ls_forcing_surf ( simulated_time )
2163       ENDIF
2164    ENDIF
2165!
2166!-- Initialize quantities for special advections schemes
2167    CALL init_advec
2168
2169!
2170!-- Impose random perturbation on the horizontal velocity field and then
2171!-- remove the divergences from the velocity field at the initial stage
2172    IF ( create_disturbances  .AND.  disturbance_energy_limit /= 0.0_wp  .AND. &
2173         TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data'  .AND.            &
2174         TRIM( initializing_actions ) /= 'cyclic_fill' )  THEN
2175
2176       CALL location_message( 'creating initial disturbances', .FALSE. )
2177       CALL disturb_field( 'u', tend, u )
2178       CALL disturb_field( 'v', tend, v )
2179       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2180
2181       CALL location_message( 'calling pressure solver', .FALSE. )
2182       n_sor = nsor_ini
2183       CALL pres
2184       n_sor = nsor
2185       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2186
2187    ENDIF
2188
2189!
2190!-- If required, initialize quantities needed for the plant canopy model
2191    IF ( plant_canopy )  THEN
2192       CALL location_message( 'initializing plant canopy model', .FALSE. )   
2193       CALL pcm_init
2194       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2195    ENDIF
2196
2197!
2198!-- If required, initialize dvrp-software
2199    IF ( dt_dvrp /= 9999999.9_wp )  CALL init_dvrp
2200
2201!
2202!-- Initialize quantities needed for the ocean model
2203    IF ( ocean_mode )  CALL ocean_init
2204
2205!
2206!-- Initialize quantities for handling cloud physics.
2207!-- This routine must be called before lpm_init, becaus otherwise,
2208!-- array d_exner, needed in data_output_dvrp (called by lpm_init) is not defined.
2209    IF ( .NOT. ocean_mode )  THEN
2210
2211       ALLOCATE( hyp(nzb:nzt+1) )
2212       ALLOCATE( d_exner(nzb:nzt+1) )
2213       ALLOCATE( exner(nzb:nzt+1) )
2214       ALLOCATE( hyrho(nzb:nzt+1) )
2215!
2216!--    Check temperature in case of too large domain height
2217       DO  k = nzb, nzt+1
2218          IF ( ( pt_surface * exner_function(surface_pressure * 100.0_wp) - g/c_p * zu(k) ) < 0.0_wp )  THEN
2219             WRITE( message_string, * )  'absolute temperature < 0.0 at zu(', k, &
2220                                         ') = ', zu(k)
2221             CALL message( 'init_bulk_cloud_model', 'PA0142', 1, 2, 0, 6, 0 )
2222          ENDIF
2223       ENDDO
2224
2225!
2226!--    Calculate vertical profile of the hydrostatic pressure (hyp)
2227       hyp    = barometric_formula(zu, pt_surface * exner_function(surface_pressure * 100.0_wp), surface_pressure * 100.0_wp)
2228       d_exner = exner_function_invers(hyp)
2229       exner = 1.0_wp / exner_function_invers(hyp)
2230       hyrho  = ideal_gas_law_rho_pt(hyp, pt_init)
2231!
2232!--    Compute reference density
2233       rho_surface = ideal_gas_law_rho(surface_pressure * 100.0_wp, pt_surface * exner_function(surface_pressure * 100.0_wp))
2234
2235    ENDIF
2236!
2237!-- If required, initialize quantities needed for the microphysics module
2238    IF ( bulk_cloud_model )  THEN
2239       CALL bcm_init
2240    ENDIF
2241
2242!
2243!-- If required, initialize particles
2244    IF ( particle_advection )  CALL lpm_init
2245
2246!
2247!-- If required, initialize particles
2248    IF ( agents_active )  CALL mas_init
2249
2250!
2251!-- If required, initialize quantities needed for the LSM
2252    IF ( land_surface )  THEN
2253       CALL location_message( 'initializing land surface model', .FALSE. )
2254       CALL lsm_init
2255       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2256    ENDIF
2257
2258!
2259!-- If required, allocate USM and LSM surfaces
2260    IF ( urban_surface )  THEN
2261       CALL location_message( 'initializing and allocating urban surfaces', .FALSE. )
2262       CALL usm_allocate_surface
2263       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2264    ENDIF
2265!
2266!-- If required, initialize urban surface model
2267    IF ( urban_surface )  THEN
2268       CALL location_message( 'initializing urban surface model', .FALSE. )
2269       CALL usm_init_urban_surface
2270       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2271    ENDIF
2272
2273!
2274!-- Initialize surface layer (done after LSM as roughness length are required
2275!-- for initialization
2276    IF ( constant_flux_layer )  THEN
2277       CALL location_message( 'initializing surface layer', .FALSE. )
2278       CALL init_surface_layer_fluxes
2279       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2280    ENDIF
2281
2282!
2283!-- If required, set chemical emissions
2284!-- Initialize values of cssws according to chemistry emission values
2285    IF ( air_chemistry  .AND.  do_emis )  THEN
2286       CALL chem_emissions_init( chem_emis_att, chem_emis, nspec_out )
2287    ENDIF
2288!
2289!-- Initialize radiation processes
2290    IF ( radiation )  THEN
2291!
2292!--    Activate radiation_interactions according to the existence of vertical surfaces and/or trees.
2293!--    The namelist parameter radiation_interactions_on can override this behavior.
2294!--    (This check cannot be performed in check_parameters, because vertical_surfaces_exist is first set in
2295!--    init_surface_arrays.)
2296       IF ( radiation_interactions_on )  THEN
2297          IF ( vertical_surfaces_exist  .OR.  plant_canopy )  THEN
2298             radiation_interactions    = .TRUE.
2299             average_radiation         = .TRUE.
2300          ELSE
2301             radiation_interactions_on = .FALSE.   !< reset namelist parameter: no interactions
2302                                                   !< calculations necessary in case of flat surface
2303          ENDIF
2304       ELSEIF ( vertical_surfaces_exist  .OR.  plant_canopy )  THEN
2305          message_string = 'radiation_interactions_on is set to .FALSE. although '     // &
2306                           'vertical surfaces and/or trees exist. The model will run ' // &
2307                           'without RTM (no shadows, no radiation reflections)'
2308          CALL message( 'init_3d_model', 'PA0348', 0, 1, 0, 6, 0 )
2309       ENDIF
2310!
2311!--    If required, initialize radiation interactions between surfaces
2312!--    via sky-view factors. This must be done before radiation is initialized.
2313       IF ( radiation_interactions )  CALL radiation_interaction_init
2314
2315!
2316!--    Initialize radiation model
2317       CALL location_message( 'initializing radiation model', .FALSE. )
2318       CALL radiation_init
2319       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2320
2321!
2322!--    Find all discretized apparent solar positions for radiation interaction.
2323!--    This must be done after radiation_init.
2324       IF ( radiation_interactions )  CALL radiation_presimulate_solar_pos
2325
2326!
2327!--    If required, read or calculate and write out the SVF
2328       IF ( radiation_interactions .AND. read_svf)  THEN
2329!
2330!--       Read sky-view factors and further required data from file
2331          CALL location_message( '    Start reading SVF from file', .FALSE. )
2332          CALL radiation_read_svf()
2333          CALL location_message( '    Reading SVF from file has finished', .TRUE. )
2334
2335       ELSEIF ( radiation_interactions .AND. .NOT. read_svf)  THEN
2336!
2337!--       calculate SFV and CSF
2338          CALL location_message( '    Start calculation of SVF', .FALSE. )
2339          CALL radiation_calc_svf()
2340          CALL location_message( '    Calculation of SVF has finished', .TRUE. )
2341       ENDIF
2342
2343       IF ( radiation_interactions .AND. write_svf)  THEN
2344!
2345!--       Write svf, csf svfsurf and csfsurf data to file
2346          CALL location_message( '    Start writing SVF in file', .FALSE. )
2347          CALL radiation_write_svf()
2348          CALL location_message( '    Writing SVF in file has finished', .TRUE. )
2349       ENDIF
2350
2351!
2352!--    Adjust radiative fluxes. In case of urban and land surfaces, also
2353!--    call an initial interaction.
2354       IF ( radiation_interactions )  THEN
2355          CALL radiation_interaction
2356       ENDIF
2357    ENDIF
2358 
2359!
2360!-- If required, initialize quantities needed for the wind turbine model
2361    IF ( wind_turbine )  THEN
2362       CALL location_message( 'initializing wind turbine model', .FALSE. )
2363       CALL wtm_init
2364       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2365    ENDIF
2366
2367!
2368!-- If required, initialize quantities needed for the gust module
2369    IF ( gust_module_enabled )  THEN
2370       CALL gust_init( dots_label, dots_unit, dots_num, dots_max )
2371    ENDIF
2372
2373!
2374!-- Initialize the ws-scheme.   
2375    IF ( ws_scheme_sca .OR. ws_scheme_mom )  CALL ws_init       
2376
2377!
2378!-- Setting weighting factors for calculation of perturbation pressure
2379!-- and turbulent quantities from the RK substeps
2380    IF ( TRIM(timestep_scheme) == 'runge-kutta-3' )  THEN      ! for RK3-method
2381
2382       weight_substep(1) = 1._wp/6._wp
2383       weight_substep(2) = 3._wp/10._wp
2384       weight_substep(3) = 8._wp/15._wp
2385
2386       weight_pres(1)    = 1._wp/3._wp
2387       weight_pres(2)    = 5._wp/12._wp
2388       weight_pres(3)    = 1._wp/4._wp
2389
2390    ELSEIF ( TRIM(timestep_scheme) == 'runge-kutta-2' )  THEN  ! for RK2-method
2391
2392       weight_substep(1) = 1._wp/2._wp
2393       weight_substep(2) = 1._wp/2._wp
2394         
2395       weight_pres(1)    = 1._wp/2._wp
2396       weight_pres(2)    = 1._wp/2._wp       
2397
2398    ELSE                                     ! for Euler-method
2399
2400       weight_substep(1) = 1.0_wp     
2401       weight_pres(1)    = 1.0_wp                   
2402
2403    ENDIF
2404
2405!
2406!-- Initialize Rayleigh damping factors
2407    rdf    = 0.0_wp
2408    rdf_sc = 0.0_wp
2409    IF ( rayleigh_damping_factor /= 0.0_wp )  THEN
2410
2411       IF (  .NOT.  ocean_mode )  THEN
2412          DO  k = nzb+1, nzt
2413             IF ( zu(k) >= rayleigh_damping_height )  THEN
2414                rdf(k) = rayleigh_damping_factor *                             &
2415                      ( SIN( pi * 0.5_wp * ( zu(k) - rayleigh_damping_height ) &
2416                             / ( zu(nzt) - rayleigh_damping_height ) )         &
2417                      )**2
2418             ENDIF
2419          ENDDO
2420       ELSE
2421!
2422!--       In ocean mode, rayleigh damping is applied in the lower part of the
2423!--       model domain
2424          DO  k = nzt, nzb+1, -1
2425             IF ( zu(k) <= rayleigh_damping_height )  THEN
2426                rdf(k) = rayleigh_damping_factor *                             &
2427                      ( SIN( pi * 0.5_wp * ( rayleigh_damping_height - zu(k) ) &
2428                             / ( rayleigh_damping_height - zu(nzb+1) ) )       &
2429                      )**2
2430             ENDIF
2431          ENDDO
2432       ENDIF
2433
2434    ENDIF
2435    IF ( scalar_rayleigh_damping )  rdf_sc = rdf
2436
2437!
2438!-- Initialize the starting level and the vertical smoothing factor used for
2439!-- the external pressure gradient
2440    dp_smooth_factor = 1.0_wp
2441    IF ( dp_external )  THEN
2442!
2443!--    Set the starting level dp_level_ind_b only if it has not been set before
2444!--    (e.g. in init_grid).
2445       IF ( dp_level_ind_b == 0 )  THEN
2446          ind_array = MINLOC( ABS( dp_level_b - zu ) )
2447          dp_level_ind_b = ind_array(1) - 1 + nzb
2448                                        ! MINLOC uses lower array bound 1
2449       ENDIF
2450       IF ( dp_smooth )  THEN
2451          dp_smooth_factor(:dp_level_ind_b) = 0.0_wp
2452          DO  k = dp_level_ind_b+1, nzt
2453             dp_smooth_factor(k) = 0.5_wp * ( 1.0_wp + SIN( pi *               &
2454                        ( REAL( k - dp_level_ind_b, KIND=wp ) /                &
2455                          REAL( nzt - dp_level_ind_b, KIND=wp ) - 0.5_wp ) ) )
2456          ENDDO
2457       ENDIF
2458    ENDIF
2459
2460!
2461!-- Initialize damping zone for the potential temperature in case of
2462!-- non-cyclic lateral boundaries. The damping zone has the maximum value
2463!-- at the inflow boundary and decreases to zero at pt_damping_width.
2464    ptdf_x = 0.0_wp
2465    ptdf_y = 0.0_wp
2466    IF ( bc_lr_dirrad )  THEN
2467       DO  i = nxl, nxr
2468          IF ( ( i * dx ) < pt_damping_width )  THEN
2469             ptdf_x(i) = pt_damping_factor * ( SIN( pi * 0.5_wp *              &
2470                            REAL( pt_damping_width - i * dx, KIND=wp ) / (     &
2471                            REAL( pt_damping_width, KIND=wp ) ) ) )**2 
2472          ENDIF
2473       ENDDO
2474    ELSEIF ( bc_lr_raddir )  THEN
2475       DO  i = nxl, nxr
2476          IF ( ( i * dx ) > ( nx * dx - pt_damping_width ) )  THEN
2477             ptdf_x(i) = pt_damping_factor *                                   &
2478                         SIN( pi * 0.5_wp *                                    &
2479                                 ( ( i - nx ) * dx + pt_damping_width ) /      &
2480                                 REAL( pt_damping_width, KIND=wp ) )**2
2481          ENDIF
2482       ENDDO
2483    ELSEIF ( bc_ns_dirrad )  THEN
2484       DO  j = nys, nyn
2485          IF ( ( j * dy ) > ( ny * dy - pt_damping_width ) )  THEN
2486             ptdf_y(j) = pt_damping_factor *                                   &
2487                         SIN( pi * 0.5_wp *                                    &
2488                                 ( ( j - ny ) * dy + pt_damping_width ) /      &
2489                                 REAL( pt_damping_width, KIND=wp ) )**2
2490          ENDIF
2491       ENDDO
2492    ELSEIF ( bc_ns_raddir )  THEN
2493       DO  j = nys, nyn
2494          IF ( ( j * dy ) < pt_damping_width )  THEN
2495             ptdf_y(j) = pt_damping_factor *                                   &
2496                         SIN( pi * 0.5_wp *                                    &
2497                                ( pt_damping_width - j * dy ) /                &
2498                                REAL( pt_damping_width, KIND=wp ) )**2
2499          ENDIF
2500       ENDDO
2501    ENDIF
2502!
2503!-- Check if maximum number of allowed timeseries is exceeded
2504    IF ( dots_num > dots_max )  THEN
2505       WRITE( message_string, * ) 'number of time series quantities exceeds',  &
2506                                  ' its maximum of dots_max = ', dots_max,     &
2507                                  '&Please increase dots_max in modules.f90.'
2508       CALL message( 'init_3d_model', 'PA0194', 1, 2, 0, 6, 0 )   
2509    ENDIF
2510
2511!
2512!-- Input binary data file is not needed anymore. This line must be placed
2513!-- after call of user_init!
2514    CALL close_file( 13 )
2515!
2516!-- In case of nesting, put an barrier to assure that all parent and child
2517!-- domains finished initialization.
2518#if defined( __parallel )
2519    IF ( nested_run )  CALL MPI_BARRIER( MPI_COMM_WORLD, ierr )
2520#endif
2521
2522
2523    CALL location_message( 'leaving init_3d_model', .TRUE. )
2524
2525 END SUBROUTINE init_3d_model
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.