source: palm/trunk/SOURCE/init_3d_model.f90 @ 3524

Last change on this file since 3524 was 3524, checked in by raasch, 4 years ago

unused variables removed, missing working precision added, missing preprocessor directives added, bugfix concerning allocation of t_surf_wall_v in nopointer case, declaration statements rearranged to avoid compile time errors, mpi_abort arguments replaced to avoid compile errors

  • 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/mosaik_M2/init_3d_model.f902360-3471
    /palm/branches/palm4u/SOURCE/init_3d_model.f902540-2692
    /palm/branches/rans/SOURCE/init_3d_model.f902078-3128
    /palm/branches/salsa/SOURCE/init_3d_model.f902503-3460
File size: 98.8 KB
Line 
1!> @file init_3d_model.f90
2!------------------------------------------------------------------------------!
3! This file is part of the PALM model system.
4!
5! PALM is free software: you can redistribute it and/or modify it under the
6! terms of the GNU General Public License as published by the Free Software
7! Foundation, either version 3 of the License, or (at your option) any later
8! version.
9!
10! PALM is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY
11! WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR
12! A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License for more details.
13!
14! You should have received a copy of the GNU General Public License along with
15! PALM. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
16!
17! Copyright 1997-2018 Leibniz Universitaet Hannover
18!------------------------------------------------------------------------------!
19!
20! Current revisions:
21! ------------------
22!
23!
24! Former revisions:
25! -----------------
26! $Id: init_3d_model.f90 3524 2018-11-14 13:36:44Z raasch $
27! preprocessor directive added to avoid the compiler to complain about unused
28! variable
29!
30! 3473 2018-10-30 20:50:15Z suehring
31! Add virtual measurement module
32!
33! 3472 2018-10-30 20:43:50Z suehring
34! Add indoor model (kanani, srissman, tlang)
35!
36! 3467 2018-10-30 19:05:21Z suehring
37! Implementation of a new aerosol module salsa.
38!
39! 3458 2018-10-30 14:51:23Z kanani
40! from chemistry branch r3443, basit:
41! bug fixed in sums and sums_l for chemistry profile output
42!
43! 3448 2018-10-29 18:14:31Z kanani
44! Add biometeorology
45!
46! 3421 2018-10-24 18:39:32Z gronemeier
47! Initialize surface data output
48!
49! 3415 2018-10-24 11:57:50Z suehring
50! Set bottom boundary condition for geostrophic wind components in inifor
51! initialization
52!
53! 3347 2018-10-15 14:21:08Z suehring
54! - Separate offline nesting from large_scale_nudging_mod
55! - Improve the synthetic turbulence generator
56!
57! 3298 2018-10-02 12:21:11Z kanani
58! Minor formatting (kanani)
59! Added CALL to the chem_emissions module (Russo)
60!
61! 3294 2018-10-01 02:37:10Z raasch
62! allocate and set stokes drift velocity profiles
63!
64! 3298 2018-10-02 12:21:11Z kanani
65! Minor formatting (kanani)
66! Added CALL to the chem_emissions module (Russo)
67!
68! 3294 2018-10-01 02:37:10Z raasch
69! changes concerning modularization of ocean option
70!
71! 3289 2018-09-28 10:23:58Z suehring
72! Introduce module parameter for number of inflow profiles
73!
74! 3288 2018-09-28 10:23:08Z suehring
75! Modularization of all bulk cloud physics code components
76!
77! 3241 2018-09-12 15:02:00Z raasch
78! unused variables removed
79!
80! 3234 2018-09-07 13:46:58Z schwenkel
81! The increase of dots_num in case of radiation or land surface model must
82! be done before user_init is called
83!
84! 3183 2018-07-27 14:25:55Z suehring
85! Revise Inifor initialization
86!
87! 3182 2018-07-27 13:36:03Z suehring
88! Added multi agent system
89!
90! 3129 2018-07-16 07:45:13Z gronemeier
91! Move initialization call for nudging and 1D/3D offline nesting.
92! Revise initialization with inifor data.
93!
94! 3045 2018-05-28 07:55:41Z Giersch
95! Error messages revised
96!
97! 3045 2018-05-28 07:55:41Z Giersch
98! Error messages revised
99!
100! 3042 2018-05-25 10:44:37Z schwenkel
101! Changed the name specific humidity to mixing ratio
102!
103! 3040 2018-05-25 10:22:08Z schwenkel
104! Add option to initialize warm air bubble close to surface
105!
106! 3014 2018-05-09 08:42:38Z maronga
107! Bugfix: initialization of ts_value missing
108!
109! 3011 2018-05-07 14:38:42Z schwenkel
110! removed redundant if statement
111!
112! 3004 2018-04-27 12:33:25Z Giersch
113! precipitation_rate removed
114!
115! 2995 2018-04-19 12:13:16Z Giersch
116! CALL radiation_control is not necessary during initialization because
117! calculation of radiative fluxes at model start is done in radiation_init
118! in any case
119!
120! 2977 2018-04-17 10:27:57Z kanani
121! Implement changes from branch radiation (r2948-2971) with minor modifications
122! (moh.hefny):
123! - set radiation_interactions according to the existence of urban/land vertical
124!   surfaces and trees to activiate RTM
125! - set average_radiation to TRUE if RTM is activiated
126!
127! 2938 2018-03-27 15:52:42Z suehring
128! - Revise Inifor initialization for geostrophic wind components
129! - Initialize synthetic turbulence generator in case of Inifor initialization 
130!
131! 2936 2018-03-27 14:49:27Z suehring
132! Synchronize parent and child models after initialization.
133! Remove obsolete masking of topography grid points for Runge-Kutta weighted
134! tendency arrays.
135!
136! 2920 2018-03-22 11:22:01Z kanani
137! Add call for precalculating apparent solar positions (moh.hefny)
138!
139! 2906 2018-03-19 08:56:40Z Giersch
140! The variables read/write_svf_on_init have been removed. Instead ENVIRONMENT
141! variables read/write_svf have been introduced. Location_message has been
142! added.
143!
144! 2894 2018-03-15 09:17:58Z Giersch
145! Renamed routines with respect to reading restart data, file 13 is closed in
146! rrd_read_parts_of_global now
147!
148! 2867 2018-03-09 09:40:23Z suehring
149! Further bugfix concerning call of user_init.
150!
151! 2864 2018-03-08 11:57:45Z suehring
152! Bugfix, move call of user_init in front of initialization of grid-point
153! arrays
154!
155! 2817 2018-02-19 16:32:21Z knoop
156! Preliminary gust module interface implemented
157!
158! 2776 2018-01-31 10:44:42Z Giersch
159! Variable use_synthetic_turbulence_generator has been abbreviated
160!
161! 2766 2018-01-22 17:17:47Z kanani
162! Removed preprocessor directive __chem
163!
164! 2758 2018-01-17 12:55:21Z suehring
165! In case of spinup of land- and urban-surface model, do not mask wind velocity
166! at first computational grid level
167!
168! 2746 2018-01-15 12:06:04Z suehring
169! Move flag plant canopy to modules
170!
171! 2718 2018-01-02 08:49:38Z maronga
172! Corrected "Former revisions" section
173!
174! 2705 2017-12-18 11:26:23Z maronga
175! Bugfix for reading initial profiles from ls/nuding file
176!
177! 2701 2017-12-15 15:40:50Z suehring
178! Changes from last commit documented
179!
180! 2700 2017-12-15 14:12:35Z suehring
181! Bugfix, missing initialization of surface attributes in case of
182! inifor-initialization branch
183!
184! 2698 2017-12-14 18:46:24Z suehring
185! Bugfix in get_topography_top_index
186!
187! 2696 2017-12-14 17:12:51Z kanani
188! Change in file header (GPL part)
189! Implementation of uv exposure model (FK)
190! Moved initialisation of diss, e, kh, km to turbulence_closure_mod (TG)
191! Added chemical emissions (FK)
192! Initialize masking arrays and number-of-grid-points arrays before initialize
193! LSM, USM and radiation module
194! Initialization with inifor (MS)
195!
196! 2618 2017-11-16 15:37:30Z suehring
197! Reorder calls of init_surfaces.
198!
199! 2564 2017-10-19 15:56:56Z Giersch
200! Variable wind_turbine was added to control_parameters.
201!
202! 2550 2017-10-16 17:12:01Z boeske
203! Modifications to cyclic fill method and turbulence recycling method in case of
204! complex terrain simulations
205!
206! 2513 2017-10-04 09:24:39Z kanani
207! Bugfix in storing initial scalar profile (wrong index)
208!
209! 2350 2017-08-15 11:48:26Z kanani
210! Bugfix in nopointer version
211!
212! 2339 2017-08-07 13:55:26Z gronemeier
213! corrected timestamp in header
214!
215! 2338 2017-08-07 12:15:38Z gronemeier
216! Modularize 1D model
217!
218! 2329 2017-08-03 14:24:56Z knoop
219! Removed temporary bugfix (r2327) as bug is properly resolved by this revision
220!
221! 2327 2017-08-02 07:40:57Z maronga
222! Temporary bugfix
223!
224! 2320 2017-07-21 12:47:43Z suehring
225! Modularize large-scale forcing and nudging
226!
227! 2292 2017-06-20 09:51:42Z schwenkel
228! Implementation of new microphysic scheme: cloud_scheme = 'morrison'
229! includes two more prognostic equations for cloud drop concentration (nc) 
230! and cloud water content (qc).
231!
232! 2277 2017-06-12 10:47:51Z kanani
233! Removed unused variable sums_up_fraction_l
234!
235! 2270 2017-06-09 12:18:47Z maronga
236! dots_num must be increased when LSM and/or radiation is used
237!
238! 2259 2017-06-08 09:09:11Z gronemeier
239! Implemented synthetic turbulence generator
240!
241! 2252 2017-06-07 09:35:37Z knoop
242! rho_air now depending on surface_pressure even in Boussinesq mode
243!
244! 2233 2017-05-30 18:08:54Z suehring
245!
246! 2232 2017-05-30 17:47:52Z suehring
247! Adjustments to new topography and surface concept:
248!   - Modify passed parameters for disturb_field
249!   - Topography representation via flags
250!   - Remove unused arrays.
251!   - Move initialization of surface-related quantities to surface_mod
252!
253! 2172 2017-03-08 15:55:25Z knoop
254! Bugfix: moved parallel random generator initialization into its module
255!
256! 2118 2017-01-17 16:38:49Z raasch
257! OpenACC directives removed
258!
259! 2037 2016-10-26 11:15:40Z knoop
260! Anelastic approximation implemented
261!
262! 2031 2016-10-21 15:11:58Z knoop
263! renamed variable rho to rho_ocean
264!
265! 2011 2016-09-19 17:29:57Z kanani
266! Flag urban_surface is now defined in module control_parameters.
267!
268! 2007 2016-08-24 15:47:17Z kanani
269! Added support for urban surface model,
270! adjusted location_message in case of plant_canopy
271!
272! 2000 2016-08-20 18:09:15Z knoop
273! Forced header and separation lines into 80 columns
274!
275! 1992 2016-08-12 15:14:59Z suehring
276! Initializaton of scalarflux at model top
277! Bugfixes in initialization of surface and top salinity flux, top scalar and
278! humidity fluxes
279!
280! 1960 2016-07-12 16:34:24Z suehring
281! Separate humidity and passive scalar
282! Increase dimension for mean_inflow_profiles
283! Remove inadvertent write-statement
284! Bugfix, large-scale forcing is still not implemented for passive scalars
285!
286! 1957 2016-07-07 10:43:48Z suehring
287! flight module added
288!
289! 1920 2016-05-30 10:50:15Z suehring
290! Initialize us with very small number to avoid segmentation fault during
291! calculation of Obukhov length
292!
293! 1918 2016-05-27 14:35:57Z raasch
294! intermediate_timestep_count is set 0 instead 1 for first call of pres,
295! bugfix: initialization of local sum arrays are moved to the beginning of the
296!         routine because otherwise results from pres are overwritten
297!
298! 1914 2016-05-26 14:44:07Z witha
299! Added initialization of the wind turbine model
300!
301! 1878 2016-04-19 12:30:36Z hellstea
302! The zeroth element of weight_pres removed as unnecessary
303!
304! 1849 2016-04-08 11:33:18Z hoffmann
305! Adapted for modularization of microphysics.
306! precipitation_amount, precipitation_rate, prr moved to arrays_3d.
307! Initialization of nc_1d, nr_1d, pt_1d, qc_1d, qr_1d, q_1d moved to
308! bcm_init.
309!
310! 1845 2016-04-08 08:29:13Z raasch
311! nzb_2d replaced by nzb_u|v_inner
312!
313! 1833 2016-04-07 14:23:03Z raasch
314! initialization of spectra quantities moved to spectra_mod
315!
316! 1831 2016-04-07 13:15:51Z hoffmann
317! turbulence renamed collision_turbulence
318!
319! 1826 2016-04-07 12:01:39Z maronga
320! Renamed radiation calls.
321! Renamed canopy model calls.
322!
323! 1822 2016-04-07 07:49:42Z hoffmann
324! icloud_scheme replaced by microphysics_*
325!
326! 1817 2016-04-06 15:44:20Z maronga
327! Renamed lsm calls.
328!
329! 1815 2016-04-06 13:49:59Z raasch
330! zero-settings for velocities inside topography re-activated (was deactivated
331! in r1762)
332!
333! 1788 2016-03-10 11:01:04Z maronga
334! Added z0q.
335! Syntax layout improved.
336!
337! 1783 2016-03-06 18:36:17Z raasch
338! netcdf module name changed + related changes
339!
340! 1764 2016-02-28 12:45:19Z raasch
341! bugfix: increase size of volume_flow_area_l and volume_flow_initial_l by 1
342!
343! 1762 2016-02-25 12:31:13Z hellstea
344! Introduction of nested domain feature
345!
346! 1738 2015-12-18 13:56:05Z raasch
347! calculate mean surface level height for each statistic region
348!
349! 1734 2015-12-02 12:17:12Z raasch
350! no initial disturbances in case that the disturbance energy limit has been
351! set zero
352!
353! 1707 2015-11-02 15:24:52Z maronga
354! Bugfix: transfer of Richardson number from 1D model to Obukhov length caused
355! devision by zero in neutral stratification
356!
357! 1691 2015-10-26 16:17:44Z maronga
358! Call to init_surface_layer added. rif is replaced by ol and zeta.
359!
360! 1682 2015-10-07 23:56:08Z knoop
361! Code annotations made doxygen readable
362!
363! 1615 2015-07-08 18:49:19Z suehring
364! Enable turbulent inflow for passive_scalar and humidity
365!
366! 1585 2015-04-30 07:05:52Z maronga
367! Initialization of radiation code is now done after LSM initializtion
368!
369! 1575 2015-03-27 09:56:27Z raasch
370! adjustments for psolver-queries
371!
372! 1551 2015-03-03 14:18:16Z maronga
373! Allocation of land surface arrays is now done in the subroutine lsm_init_arrays,
374! which is part of land_surface_model.
375!
376! 1507 2014-12-10 12:14:18Z suehring
377! Bugfix: set horizontal velocity components to zero inside topography
378!
379! 1496 2014-12-02 17:25:50Z maronga
380! Added initialization of the land surface and radiation schemes
381!
382! 1484 2014-10-21 10:53:05Z kanani
383! Changes due to new module structure of the plant canopy model:
384! canopy-related initialization (e.g. lad and canopy_heat_flux) moved to new
385! subroutine init_plant_canopy within the module plant_canopy_model_mod,
386! call of subroutine init_plant_canopy added.
387!
388! 1431 2014-07-15 14:47:17Z suehring
389! var_d added, in order to normalize spectra.
390!
391! 1429 2014-07-15 12:53:45Z knoop
392! Ensemble run capability added to parallel random number generator
393!
394! 1411 2014-05-16 18:01:51Z suehring
395! Initial horizontal velocity profiles were not set to zero at the first vertical
396! grid level in case of non-cyclic lateral boundary conditions.
397!
398! 1406 2014-05-16 13:47:01Z raasch
399! bugfix: setting of initial velocities at k=1 to zero not in case of a
400! no-slip boundary condition for uv
401!
402! 1402 2014-05-09 14:25:13Z raasch
403! location messages modified
404!
405! 1400 2014-05-09 14:03:54Z knoop
406! Parallel random number generator added
407!
408! 1384 2014-05-02 14:31:06Z raasch
409! location messages added
410!
411! 1361 2014-04-16 15:17:48Z hoffmann
412! tend_* removed
413! Bugfix: w_subs is not allocated anymore if it is already allocated
414!
415! 1359 2014-04-11 17:15:14Z hoffmann
416! module lpm_init_mod added to use statements, because lpm_init has become a
417! module
418!
419! 1353 2014-04-08 15:21:23Z heinze
420! REAL constants provided with KIND-attribute
421!
422! 1340 2014-03-25 19:45:13Z kanani
423! REAL constants defined as wp-kind
424!
425! 1322 2014-03-20 16:38:49Z raasch
426! REAL constants defined as wp-kind
427! module interfaces removed
428!
429! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
430! ONLY-attribute added to USE-statements,
431! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
432! kinds are defined in new module kinds,
433! revision history before 2012 removed,
434! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
435! all variable declaration statements
436!
437! 1316 2014-03-17 07:44:59Z heinze
438! Bugfix: allocation of w_subs
439!
440! 1299 2014-03-06 13:15:21Z heinze
441! Allocate w_subs due to extension of large scale subsidence in combination
442! with large scale forcing data (LSF_DATA)
443!
444! 1241 2013-10-30 11:36:58Z heinze
445! Overwrite initial profiles in case of nudging
446! Inititialize shf and qsws in case of large_scale_forcing
447!
448! 1221 2013-09-10 08:59:13Z raasch
449! +rflags_s_inner in copyin statement, use copyin for most arrays instead of
450! copy
451!
452! 1212 2013-08-15 08:46:27Z raasch
453! array tri is allocated and included in data copy statement
454!
455! 1195 2013-07-01 12:27:57Z heinze
456! Bugfix: move allocation of ref_state to parin.f90 and read_var_list.f90
457!
458! 1179 2013-06-14 05:57:58Z raasch
459! allocate and set ref_state to be used in buoyancy terms
460!
461! 1171 2013-05-30 11:27:45Z raasch
462! diss array is allocated with full size if accelerator boards are used
463!
464! 1159 2013-05-21 11:58:22Z fricke
465! -bc_lr_dirneu, bc_lr_neudir, bc_ns_dirneu, bc_ns_neudir
466!
467! 1153 2013-05-10 14:33:08Z raasch
468! diss array is allocated with dummy elements even if it is not needed
469! (required by PGI 13.4 / CUDA 5.0)
470!
471! 1115 2013-03-26 18:16:16Z hoffmann
472! unused variables removed
473!
474! 1113 2013-03-10 02:48:14Z raasch
475! openACC directive modified
476!
477! 1111 2013-03-08 23:54:10Z raasch
478! openACC directives added for pres
479! array diss allocated only if required
480!
481! 1092 2013-02-02 11:24:22Z raasch
482! unused variables removed
483!
484! 1065 2012-11-22 17:42:36Z hoffmann
485! allocation of diss (dissipation rate) in case of turbulence = .TRUE. added
486!
487! 1053 2012-11-13 17:11:03Z hoffmann
488! allocation and initialisation of necessary data arrays for the two-moment
489! cloud physics scheme the two new prognostic equations (nr, qr):
490! +dr, lambda_r, mu_r, sed_*, xr, *s, *sws, *swst, *, *_p, t*_m, *_1, *_2, *_3,
491! +tend_*, prr
492!
493! 1036 2012-10-22 13:43:42Z raasch
494! code put under GPL (PALM 3.9)
495!
496! 1032 2012-10-21 13:03:21Z letzel
497! save memory by not allocating pt_2 in case of neutral = .T.
498!
499! 1025 2012-10-07 16:04:41Z letzel
500! bugfix: swap indices of mask for ghost boundaries
501!
502! 1015 2012-09-27 09:23:24Z raasch
503! mask is set to zero for ghost boundaries
504!
505! 1010 2012-09-20 07:59:54Z raasch
506! cpp switch __nopointer added for pointer free version
507!
508! 1003 2012-09-14 14:35:53Z raasch
509! nxra,nyna, nzta replaced ny nxr, nyn, nzt
510!
511! 1001 2012-09-13 14:08:46Z raasch
512! all actions concerning leapfrog scheme removed
513!
514! 996 2012-09-07 10:41:47Z raasch
515! little reformatting
516!
517! 978 2012-08-09 08:28:32Z fricke
518! outflow damping layer removed
519! roughness length for scalar quantites z0h added
520! damping zone for the potential temperatur in case of non-cyclic lateral
521! boundaries added
522! initialization of ptdf_x, ptdf_y
523! initialization of c_u_m, c_u_m_l, c_v_m, c_v_m_l, c_w_m, c_w_m_l
524!
525! 849 2012-03-15 10:35:09Z raasch
526! init_particles renamed lpm_init
527!
528! 825 2012-02-19 03:03:44Z raasch
529! wang_collision_kernel renamed wang_kernel
530!
531! Revision 1.1  1998/03/09 16:22:22  raasch
532! Initial revision
533!
534!
535! Description:
536! ------------
537!> Allocation of arrays and initialization of the 3D model via
538!> a) pre-run the 1D model
539!> or
540!> b) pre-set constant linear profiles
541!> or
542!> c) read values of a previous run
543!------------------------------------------------------------------------------!
544 SUBROUTINE init_3d_model
545
546
547    USE advec_ws
548
549    USE arrays_3d
550
551    USE basic_constants_and_equations_mod,                                     &
552        ONLY:  c_p, g, l_v, pi, r_d, exner_function, exner_function_invers,    &
553               ideal_gas_law_rho, ideal_gas_law_rho_pt, barometric_formula
554
555    USE biometeorology_mod,                                                    &
556        ONLY:  biom_init, biom_init_arrays
557
558    USE bulk_cloud_model_mod,                                                  &
559        ONLY:  bulk_cloud_model, bcm_init, bcm_init_arrays
560
561    USE chem_emissions_mod,                                                    &
562        ONLY:  chem_emissions_init
563
564    USE chem_modules,                                                          &
565        ONLY:  do_emis, max_pr_cs, nspec_out
566
567    USE control_parameters
568
569    USE flight_mod,                                                            &
570        ONLY:  flight_init
571
572    USE grid_variables,                                                        &
573        ONLY:  dx, dy, ddx2_mg, ddy2_mg
574
575    USE gust_mod,                                                              &
576        ONLY:  gust_init, gust_init_arrays, gust_module_enabled
577
578    USE indices
579
580    USE indoor_model_mod,                                                      &
581        ONLY:  im_init
582
583    USE kinds
584
585    USE land_surface_model_mod,                                                &
586        ONLY:  lsm_init, lsm_init_arrays
587
588    USE lpm_init_mod,                                                          &
589        ONLY:  lpm_init
590 
591    USE lsf_nudging_mod,                                                       &
592        ONLY:  lsf_init, ls_forcing_surf, nudge_init
593
594    USE model_1d_mod,                                                          &
595        ONLY:  init_1d_model, l1d, u1d, v1d
596
597    USE multi_agent_system_mod,                                                &
598        ONLY:  agents_active, mas_init
599
600    USE netcdf_interface,                                                      &
601        ONLY:  dots_max, dots_num, dots_unit, dots_label
602
603    USE netcdf_data_input_mod,                                                 &
604        ONLY:  chem_emis, chem_emis_att, init_3d,                              &
605               netcdf_data_input_init_3d, netcdf_data_input_interpolate
606
607    USE nesting_offl_mod,                                                      &
608        ONLY:  nesting_offl_init
609
610    USE ocean_mod,                                                             &
611        ONLY:  ocean_init, ocean_init_arrays
612
613    USE particle_attributes,                                                   &
614        ONLY:  particle_advection
615
616    USE pegrid
617
618    USE plant_canopy_model_mod,                                                &
619        ONLY:  pcm_init
620
621#if defined( __parallel )
622    USE pmc_interface,                                                         &
623        ONLY:  nested_run
624#endif
625
626    USE radiation_model_mod,                                                   &
627        ONLY:  average_radiation,                                              &
628               radiation_init, radiation, radiation_scheme,                    &
629               radiation_calc_svf, radiation_write_svf,                        &
630               radiation_interaction, radiation_interactions,                  &
631               radiation_interaction_init, radiation_read_svf,                 &
632               radiation_presimulate_solar_pos, radiation_interactions_on
633   
634    USE random_function_mod 
635   
636    USE random_generator_parallel,                                             &
637        ONLY:  init_parallel_random_generator
638       
639    USE read_restart_data_mod,                                                 &
640        ONLY:  rrd_read_parts_of_global, rrd_local   
641             
642    USE salsa_mod,                                                             &
643        ONLY:  salsa, salsa_init, salsa_init_arrays     
644   
645    USE statistics,                                                            &
646        ONLY:  hom, hom_sum, mean_surface_level_height, pr_palm, rmask,        &
647               statistic_regions, sums, sums_divnew_l, sums_divold_l, sums_l,  &
648               sums_l_l, sums_wsts_bc_l, ts_value,                             &
649               weight_pres, weight_substep
650
651    USE synthetic_turbulence_generator_mod,                                    &
652        ONLY:  parametrize_inflow_turbulence, stg_adjust, stg_init,            &
653               use_syn_turb_gen
654               
655    USE surface_layer_fluxes_mod,                                              &
656        ONLY:  init_surface_layer_fluxes
657
658    USE surface_mod,                                                           &
659        ONLY :  init_surface_arrays, init_surfaces, surf_def_h, surf_lsm_h,    &
660                surf_usm_h, get_topography_top_index_ji, vertical_surfaces_exist
661   
662    USE surface_output_mod,                                                    &
663        ONLY:  surface_output_init
664   
665    USE transpose_indices
666
667    USE turbulence_closure_mod,                                                &
668        ONLY:  tcm_init_arrays, tcm_init
669
670    USE urban_surface_mod,                                                     &
671        ONLY:  usm_init_urban_surface, usm_allocate_surface
672
673    USE uv_exposure_model_mod,                                                 &
674        ONLY:  uvem_init, uvem_init_arrays
675       
676    USE virtual_measurement_mod,                                               &
677        ONLY:  vm_init
678
679    USE wind_turbine_model_mod,                                                &
680        ONLY:  wtm_init, wtm_init_arrays
681
682    IMPLICIT NONE
683
684    INTEGER(iwp) ::  i             !<
685    INTEGER(iwp) ::  ind_array(1)  !<
686    INTEGER(iwp) ::  j             !<
687    INTEGER(iwp) ::  k             !<
688    INTEGER(iwp) ::  k_surf        !< surface level index
689    INTEGER(iwp) ::  m             !< index of surface element in surface data type
690    INTEGER(iwp) ::  sr            !< index of statistic region
691
692    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE   ::  ngp_2dh_l  !<
693
694    INTEGER(iwp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  ngp_2dh_outer_l    !<
695    INTEGER(iwp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  ngp_2dh_s_inner_l  !<
696
697    REAL(wp)     ::  t_surface !< air temperature at the surface
698
699    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  init_l        !< dummy array used for averaging 3D data to obtain inital profiles
700    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  p_hydrostatic !< hydrostatic pressure
701
702    INTEGER(iwp) ::  l       !< loop variable
703    INTEGER(iwp) ::  nzt_l   !< index of top PE boundary for multigrid level
704    REAL(wp) ::  dx_l !< grid spacing along x on different multigrid level
705    REAL(wp) ::  dy_l !< grid spacing along y on different multigrid level
706
707    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  volume_flow_area_l     !<
708    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  volume_flow_initial_l  !<
709
710    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  mean_surface_level_height_l    !<
711    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  ngp_3d_inner_l    !<
712    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  ngp_3d_inner_tmp  !<
713
714    INTEGER(iwp) ::  nz_u_shift   !<
715    INTEGER(iwp) ::  nz_v_shift   !<
716    INTEGER(iwp) ::  nz_w_shift   !<
717    INTEGER(iwp) ::  nz_s_shift   !<
718    INTEGER(iwp) ::  nz_u_shift_l !<
719    INTEGER(iwp) ::  nz_v_shift_l !<
720    INTEGER(iwp) ::  nz_w_shift_l !<
721    INTEGER(iwp) ::  nz_s_shift_l !<
722
723    CALL location_message( 'allocating arrays', .FALSE. )
724!
725!-- Allocate arrays
726    ALLOCATE( mean_surface_level_height(0:statistic_regions),                  &
727              mean_surface_level_height_l(0:statistic_regions),                &
728              ngp_2dh(0:statistic_regions), ngp_2dh_l(0:statistic_regions),    &
729              ngp_3d(0:statistic_regions),                                     &
730              ngp_3d_inner(0:statistic_regions),                               &
731              ngp_3d_inner_l(0:statistic_regions),                             &
732              ngp_3d_inner_tmp(0:statistic_regions),                           &
733              sums_divnew_l(0:statistic_regions),                              &
734              sums_divold_l(0:statistic_regions) )
735    ALLOCATE( dp_smooth_factor(nzb:nzt), rdf(nzb+1:nzt), rdf_sc(nzb+1:nzt) )
736    ALLOCATE( ngp_2dh_outer(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                    &
737              ngp_2dh_outer_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                  &
738              ngp_2dh_s_inner(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                  &
739              ngp_2dh_s_inner_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                &
740              rmask(nysg:nyng,nxlg:nxrg,0:statistic_regions),                  &
741              sums(nzb:nzt+1,pr_palm+max_pr_user+max_pr_cs),                   &
742              sums_l(nzb:nzt+1,pr_palm+max_pr_user+max_pr_cs,0:threads_per_task-1),      &
743              sums_l_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions,0:threads_per_task-1),    &
744              sums_wsts_bc_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                   &
745              ts_value(dots_max,0:statistic_regions) )
746    ALLOCATE( ptdf_x(nxlg:nxrg), ptdf_y(nysg:nyng) )
747
748    ALLOCATE( d(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr),                                    &
749              p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                                &
750              tend(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
751
752#if defined( __nopointer )
753    ALLOCATE( pt(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                               &
754              pt_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
755              u(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                                &
756              u_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
757              v(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                                &
758              v_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
759              w(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                                &
760              w_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
761              tpt_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                            &
762              tu_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
763              tv_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
764              tw_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
765#else
766    ALLOCATE( pt_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
767              pt_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
768              u_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
769              u_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
770              u_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
771              v_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
772              v_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
773              v_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
774              w_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
775              w_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
776              w_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
777    IF (  .NOT.  neutral )  THEN
778       ALLOCATE( pt_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
779    ENDIF
780#endif
781
782!
783!-- Following array is required for perturbation pressure within the iterative
784!-- pressure solvers. For the multistep schemes (Runge-Kutta), array p holds
785!-- the weighted average of the substeps and cannot be used in the Poisson
786!-- solver.
787    IF ( psolver == 'sor' )  THEN
788       ALLOCATE( p_loc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
789    ELSEIF ( psolver(1:9) == 'multigrid' )  THEN
790!
791!--    For performance reasons, multigrid is using one ghost layer only
792       ALLOCATE( p_loc(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
793    ENDIF
794
795!
796!-- Array for storing constant coeffficients of the tridiagonal solver
797    IF ( psolver == 'poisfft' )  THEN
798       ALLOCATE( tri(nxl_z:nxr_z,nys_z:nyn_z,0:nz-1,2) )
799       ALLOCATE( tric(nxl_z:nxr_z,nys_z:nyn_z,0:nz-1) )
800    ENDIF
801
802    IF ( humidity )  THEN
803!
804!--    3D-humidity
805#if defined( __nopointer )
806       ALLOCATE( q(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
807                 q_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
808                 tq_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                          &
809                 vpt(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
810#else
811       ALLOCATE( q_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
812                 q_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
813                 q_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
814                 vpt_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ) 
815#endif
816
817       IF ( cloud_droplets )  THEN
818!
819!--       Liquid water content, change in liquid water content
820#if defined( __nopointer )
821          ALLOCATE ( ql(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                        &
822                     ql_c(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
823#else
824          ALLOCATE ( ql_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                      &
825                     ql_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
826#endif
827!
828!--       Real volume of particles (with weighting), volume of particles
829          ALLOCATE ( ql_v(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                      &
830                     ql_vp(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
831       ENDIF
832
833    ENDIF   
834   
835    IF ( passive_scalar )  THEN
836
837!
838!--    3D scalar arrays
839#if defined( __nopointer )
840       ALLOCATE( s(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
841                 s_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
842                 ts_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
843#else
844       ALLOCATE( s_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
845                 s_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
846                 s_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
847#endif
848    ENDIF
849
850!
851!-- Allocate and set 1d-profiles for Stokes drift velocity. It may be set to
852!-- non-zero values later in ocean_init
853    ALLOCATE( u_stokes_zu(nzb:nzt+1), u_stokes_zw(nzb:nzt+1),                  &
854              v_stokes_zu(nzb:nzt+1), v_stokes_zw(nzb:nzt+1) )
855    u_stokes_zu(:) = 0.0_wp
856    u_stokes_zw(:) = 0.0_wp
857    v_stokes_zu(:) = 0.0_wp
858    v_stokes_zw(:) = 0.0_wp
859
860!
861!-- Allocation of anelastic and Boussinesq approximation specific arrays
862    ALLOCATE( p_hydrostatic(nzb:nzt+1) )
863    ALLOCATE( rho_air(nzb:nzt+1) )
864    ALLOCATE( rho_air_zw(nzb:nzt+1) )
865    ALLOCATE( drho_air(nzb:nzt+1) )
866    ALLOCATE( drho_air_zw(nzb:nzt+1) )
867!
868!-- Density profile calculation for anelastic approximation
869    t_surface = pt_surface * ( surface_pressure / 1000.0_wp )**( r_d / c_p )
870    IF ( TRIM( approximation ) == 'anelastic' ) THEN
871       DO  k = nzb, nzt+1
872          p_hydrostatic(k)    = surface_pressure * 100.0_wp *                  &
873                                ( 1 - ( g * zu(k) ) / ( c_p * t_surface )      &
874                                )**( c_p / r_d )
875          rho_air(k)          = ( p_hydrostatic(k) *                           &
876                                  ( 100000.0_wp / p_hydrostatic(k)             &
877                                  )**( r_d / c_p )                             &
878                                ) / ( r_d * pt_init(k) )
879       ENDDO
880       DO  k = nzb, nzt
881          rho_air_zw(k) = 0.5_wp * ( rho_air(k) + rho_air(k+1) )
882       ENDDO
883       rho_air_zw(nzt+1)  = rho_air_zw(nzt)                                    &
884                            + 2.0_wp * ( rho_air(nzt+1) - rho_air_zw(nzt)  )
885    ELSE
886       DO  k = nzb, nzt+1
887          p_hydrostatic(k)    = surface_pressure * 100.0_wp *                  &
888                                ( 1 - ( g * zu(nzb) ) / ( c_p * t_surface )    &
889                                )**( c_p / r_d )
890          rho_air(k)          = ( p_hydrostatic(k) *                           &
891                                  ( 100000.0_wp / p_hydrostatic(k)             &
892                                  )**( r_d / c_p )                             &
893                                ) / ( r_d * pt_init(nzb) )
894       ENDDO
895       DO  k = nzb, nzt
896          rho_air_zw(k) = 0.5_wp * ( rho_air(k) + rho_air(k+1) )
897       ENDDO
898       rho_air_zw(nzt+1)  = rho_air_zw(nzt)                                    &
899                            + 2.0_wp * ( rho_air(nzt+1) - rho_air_zw(nzt)  )
900    ENDIF
901!
902!-- compute the inverse density array in order to avoid expencive divisions
903    drho_air    = 1.0_wp / rho_air
904    drho_air_zw = 1.0_wp / rho_air_zw
905
906!
907!-- Allocation of flux conversion arrays
908    ALLOCATE( heatflux_input_conversion(nzb:nzt+1) )
909    ALLOCATE( waterflux_input_conversion(nzb:nzt+1) )
910    ALLOCATE( momentumflux_input_conversion(nzb:nzt+1) )
911    ALLOCATE( heatflux_output_conversion(nzb:nzt+1) )
912    ALLOCATE( waterflux_output_conversion(nzb:nzt+1) )
913    ALLOCATE( momentumflux_output_conversion(nzb:nzt+1) )
914
915!
916!-- calculate flux conversion factors according to approximation and in-/output mode
917    DO  k = nzb, nzt+1
918
919        IF ( TRIM( flux_input_mode ) == 'kinematic' )  THEN
920            heatflux_input_conversion(k)      = rho_air_zw(k)
921            waterflux_input_conversion(k)     = rho_air_zw(k)
922            momentumflux_input_conversion(k)  = rho_air_zw(k)
923        ELSEIF ( TRIM( flux_input_mode ) == 'dynamic' ) THEN
924            heatflux_input_conversion(k)      = 1.0_wp / c_p
925            waterflux_input_conversion(k)     = 1.0_wp / l_v
926            momentumflux_input_conversion(k)  = 1.0_wp
927        ENDIF
928
929        IF ( TRIM( flux_output_mode ) == 'kinematic' )  THEN
930            heatflux_output_conversion(k)     = drho_air_zw(k)
931            waterflux_output_conversion(k)    = drho_air_zw(k)
932            momentumflux_output_conversion(k) = drho_air_zw(k)
933        ELSEIF ( TRIM( flux_output_mode ) == 'dynamic' ) THEN
934            heatflux_output_conversion(k)     = c_p
935            waterflux_output_conversion(k)    = l_v
936            momentumflux_output_conversion(k) = 1.0_wp
937        ENDIF
938
939        IF ( .NOT. humidity ) THEN
940            waterflux_input_conversion(k)  = 1.0_wp
941            waterflux_output_conversion(k) = 1.0_wp
942        ENDIF
943
944    ENDDO
945
946!
947!-- In case of multigrid method, compute grid lengths and grid factors for the
948!-- grid levels with respective density on each grid
949    IF ( psolver(1:9) == 'multigrid' )  THEN
950
951       ALLOCATE( ddx2_mg(maximum_grid_level) )
952       ALLOCATE( ddy2_mg(maximum_grid_level) )
953       ALLOCATE( dzu_mg(nzb+1:nzt+1,maximum_grid_level) )
954       ALLOCATE( dzw_mg(nzb+1:nzt+1,maximum_grid_level) )
955       ALLOCATE( f1_mg(nzb+1:nzt,maximum_grid_level) )
956       ALLOCATE( f2_mg(nzb+1:nzt,maximum_grid_level) )
957       ALLOCATE( f3_mg(nzb+1:nzt,maximum_grid_level) )
958       ALLOCATE( rho_air_mg(nzb:nzt+1,maximum_grid_level) )
959       ALLOCATE( rho_air_zw_mg(nzb:nzt+1,maximum_grid_level) )
960
961       dzu_mg(:,maximum_grid_level) = dzu
962       rho_air_mg(:,maximum_grid_level) = rho_air
963!       
964!--    Next line to ensure an equally spaced grid.
965       dzu_mg(1,maximum_grid_level) = dzu(2)
966       rho_air_mg(nzb,maximum_grid_level) = rho_air(nzb) +                     &
967                                             (rho_air(nzb) - rho_air(nzb+1))
968
969       dzw_mg(:,maximum_grid_level) = dzw
970       rho_air_zw_mg(:,maximum_grid_level) = rho_air_zw
971       nzt_l = nzt
972       DO  l = maximum_grid_level-1, 1, -1
973           dzu_mg(nzb+1,l) = 2.0_wp * dzu_mg(nzb+1,l+1)
974           dzw_mg(nzb+1,l) = 2.0_wp * dzw_mg(nzb+1,l+1)
975           rho_air_mg(nzb,l)    = rho_air_mg(nzb,l+1) + (rho_air_mg(nzb,l+1) - rho_air_mg(nzb+1,l+1))
976           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))
977           rho_air_mg(nzb+1,l)    = rho_air_mg(nzb+1,l+1)
978           rho_air_zw_mg(nzb+1,l) = rho_air_zw_mg(nzb+1,l+1)
979           nzt_l = nzt_l / 2
980           DO  k = 2, nzt_l+1
981              dzu_mg(k,l) = dzu_mg(2*k-2,l+1) + dzu_mg(2*k-1,l+1)
982              dzw_mg(k,l) = dzw_mg(2*k-2,l+1) + dzw_mg(2*k-1,l+1)
983              rho_air_mg(k,l)    = rho_air_mg(2*k-1,l+1)
984              rho_air_zw_mg(k,l) = rho_air_zw_mg(2*k-1,l+1)
985           ENDDO
986       ENDDO
987
988       nzt_l = nzt
989       dx_l  = dx
990       dy_l  = dy
991       DO  l = maximum_grid_level, 1, -1
992          ddx2_mg(l) = 1.0_wp / dx_l**2
993          ddy2_mg(l) = 1.0_wp / dy_l**2
994          DO  k = nzb+1, nzt_l
995             f2_mg(k,l) = rho_air_zw_mg(k,l) / ( dzu_mg(k+1,l) * dzw_mg(k,l) )
996             f3_mg(k,l) = rho_air_zw_mg(k-1,l) / ( dzu_mg(k,l)   * dzw_mg(k,l) )
997             f1_mg(k,l) = 2.0_wp * ( ddx2_mg(l) + ddy2_mg(l) ) &
998                          * rho_air_mg(k,l) + f2_mg(k,l) + f3_mg(k,l)
999          ENDDO
1000          nzt_l = nzt_l / 2
1001          dx_l  = dx_l * 2.0_wp
1002          dy_l  = dy_l * 2.0_wp
1003       ENDDO
1004
1005    ENDIF
1006
1007!
1008!-- 1D-array for large scale subsidence velocity
1009    IF ( .NOT. ALLOCATED( w_subs ) )  THEN
1010       ALLOCATE ( w_subs(nzb:nzt+1) )
1011       w_subs = 0.0_wp
1012    ENDIF
1013
1014!
1015!-- Arrays to store velocity data from t-dt and the phase speeds which
1016!-- are needed for radiation boundary conditions
1017    IF ( bc_radiation_l )  THEN
1018       ALLOCATE( u_m_l(nzb:nzt+1,nysg:nyng,1:2),                               &
1019                 v_m_l(nzb:nzt+1,nysg:nyng,0:1),                               &
1020                 w_m_l(nzb:nzt+1,nysg:nyng,0:1) )
1021    ENDIF
1022    IF ( bc_radiation_r )  THEN
1023       ALLOCATE( u_m_r(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nx-1:nx),                           &
1024                 v_m_r(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nx-1:nx),                           &
1025                 w_m_r(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nx-1:nx) )
1026    ENDIF
1027    IF ( bc_radiation_l  .OR.  bc_radiation_r )  THEN
1028       ALLOCATE( c_u(nzb:nzt+1,nysg:nyng), c_v(nzb:nzt+1,nysg:nyng),           &
1029                 c_w(nzb:nzt+1,nysg:nyng) )
1030    ENDIF
1031    IF ( bc_radiation_s )  THEN
1032       ALLOCATE( u_m_s(nzb:nzt+1,0:1,nxlg:nxrg),                               &
1033                 v_m_s(nzb:nzt+1,1:2,nxlg:nxrg),                               &
1034                 w_m_s(nzb:nzt+1,0:1,nxlg:nxrg) )
1035    ENDIF
1036    IF ( bc_radiation_n )  THEN
1037       ALLOCATE( u_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny,nxlg:nxrg),                           &
1038                 v_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny,nxlg:nxrg),                           &
1039                 w_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny,nxlg:nxrg) )
1040    ENDIF
1041    IF ( bc_radiation_s  .OR.  bc_radiation_n )  THEN
1042       ALLOCATE( c_u(nzb:nzt+1,nxlg:nxrg), c_v(nzb:nzt+1,nxlg:nxrg),           &
1043                 c_w(nzb:nzt+1,nxlg:nxrg) )
1044    ENDIF
1045    IF ( bc_radiation_l  .OR.  bc_radiation_r  .OR.  bc_radiation_s  .OR.      &
1046         bc_radiation_n )  THEN
1047       ALLOCATE( c_u_m_l(nzb:nzt+1), c_v_m_l(nzb:nzt+1), c_w_m_l(nzb:nzt+1) )                   
1048       ALLOCATE( c_u_m(nzb:nzt+1), c_v_m(nzb:nzt+1), c_w_m(nzb:nzt+1) )
1049    ENDIF
1050
1051
1052#if ! defined( __nopointer )
1053!
1054!-- Initial assignment of the pointers
1055    IF ( .NOT. neutral )  THEN
1056       pt => pt_1;  pt_p => pt_2;  tpt_m => pt_3
1057    ELSE
1058       pt => pt_1;  pt_p => pt_1;  tpt_m => pt_3
1059    ENDIF
1060    u  => u_1;   u_p  => u_2;   tu_m  => u_3
1061    v  => v_1;   v_p  => v_2;   tv_m  => v_3
1062    w  => w_1;   w_p  => w_2;   tw_m  => w_3
1063
1064    IF ( humidity )  THEN
1065       q => q_1;  q_p => q_2;  tq_m => q_3
1066       vpt  => vpt_1
1067       IF ( cloud_droplets )  THEN
1068          ql   => ql_1
1069          ql_c => ql_2
1070       ENDIF
1071    ENDIF
1072   
1073    IF ( passive_scalar )  THEN
1074       s => s_1;  s_p => s_2;  ts_m => s_3
1075    ENDIF   
1076#endif
1077
1078!
1079!-- Initialize arrays for turbulence closure
1080    CALL tcm_init_arrays
1081!
1082!-- Initialize surface arrays
1083    CALL init_surface_arrays
1084!
1085!-- Allocate arrays for other modules
1086    IF ( biometeorology      )  CALL biom_init_arrays
1087    IF ( bulk_cloud_model    )  CALL bcm_init_arrays
1088    IF ( gust_module_enabled )  CALL gust_init_arrays
1089    IF ( land_surface        )  CALL lsm_init_arrays
1090    IF ( ocean_mode          )  CALL ocean_init_arrays
1091    IF ( salsa               )  CALL salsa_init_arrays
1092    IF ( wind_turbine        )  CALL wtm_init_arrays
1093    IF ( uv_exposure         )  CALL uvem_init_arrays
1094
1095!
1096!-- Initialize virtual flight measurements
1097    IF ( virtual_flight )  THEN
1098       CALL flight_init
1099    ENDIF
1100
1101!
1102!-- Read uv exposure input data
1103    IF ( uv_exposure )  THEN
1104       CALL uvem_init
1105    ENDIF
1106
1107!
1108!-- Allocate arrays containing the RK coefficient for calculation of
1109!-- perturbation pressure and turbulent fluxes. At this point values are
1110!-- set for pressure calculation during initialization (where no timestep
1111!-- is done). Further below the values needed within the timestep scheme
1112!-- will be set.
1113    ALLOCATE( weight_substep(1:intermediate_timestep_count_max),               &
1114              weight_pres(1:intermediate_timestep_count_max) )
1115    weight_substep = 1.0_wp
1116    weight_pres    = 1.0_wp
1117    intermediate_timestep_count = 0  ! needed when simulated_time = 0.0
1118       
1119    CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
1120
1121!
1122!-- Initialize time series
1123    ts_value = 0.0_wp
1124
1125!
1126!-- Initialize local summation arrays for routine flow_statistics.
1127!-- This is necessary because they may not yet have been initialized when they
1128!-- are called from flow_statistics (or - depending on the chosen model run -
1129!-- are never initialized)
1130    sums_divnew_l      = 0.0_wp
1131    sums_divold_l      = 0.0_wp
1132    sums_l_l           = 0.0_wp
1133    sums_wsts_bc_l     = 0.0_wp
1134   
1135!
1136!-- Initialize model variables
1137    IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data'  .AND.            &
1138         TRIM( initializing_actions ) /= 'cyclic_fill' )  THEN
1139!
1140!--    Initialization with provided input data derived from larger-scale model
1141       IF ( INDEX( initializing_actions, 'inifor' ) /= 0 )  THEN
1142          CALL location_message( 'initializing with INIFOR', .FALSE. )
1143!
1144!--       Read initial 1D profiles or 3D data from NetCDF file, depending
1145!--       on the provided level-of-detail.
1146!--       At the moment, only u, v, w, pt and q are provided.
1147          CALL netcdf_data_input_init_3d
1148!
1149!--       Please note, Inifor provides data from nzb+1 to nzt.
1150!--       Bottom and top boundary conditions for Inifor profiles are already
1151!--       set (just after reading), so that this is not necessary here.
1152!--       Depending on the provided level-of-detail, initial Inifor data is
1153!--       either stored on data type (lod=1), or directly on 3D arrays (lod=2).
1154!--       In order to obtain also initial profiles in case of lod=2 (which
1155!--       is required for e.g. damping), average over 3D data.
1156          IF( init_3d%lod_u == 1 )  THEN
1157             u_init = init_3d%u_init
1158          ELSEIF( init_3d%lod_u == 2 )  THEN
1159             ALLOCATE( init_l(nzb:nzt+1) ) 
1160             DO  k = nzb, nzt+1
1161                init_l(k) = SUM( u(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, u_init, nzt+1-nzb+1,                  &
1167                                 MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1168#else
1169             u_init = init_l
1170#endif
1171             DEALLOCATE( init_l )
1172
1173          ENDIF
1174           
1175          IF( init_3d%lod_v == 1 )  THEN 
1176             v_init = init_3d%v_init
1177          ELSEIF( init_3d%lod_v == 2 )  THEN
1178             ALLOCATE( init_l(nzb:nzt+1) ) 
1179             DO  k = nzb, nzt+1
1180                init_l(k) = SUM( v(k,nys:nyn,nxl:nxr) )
1181             ENDDO
1182             init_l = init_l / REAL( ( nx + 1 ) * ( ny + 1 ), KIND = wp )
1183
1184#if defined( __parallel )
1185             CALL MPI_ALLREDUCE( init_l, v_init, nzt+1-nzb+1,                  &
1186                                 MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1187#else
1188             v_init = init_l
1189#endif
1190             DEALLOCATE( init_l )
1191          ENDIF
1192          IF( .NOT. neutral )  THEN
1193             IF( init_3d%lod_pt == 1 )  THEN
1194                pt_init = init_3d%pt_init
1195             ELSEIF( init_3d%lod_pt == 2 )  THEN
1196                ALLOCATE( init_l(nzb:nzt+1) ) 
1197                DO  k = nzb, nzt+1
1198                   init_l(k) = SUM( pt(k,nys:nyn,nxl:nxr) )
1199                ENDDO
1200                init_l = init_l / REAL( ( nx + 1 ) * ( ny + 1 ), KIND = wp )
1201
1202#if defined( __parallel )
1203                CALL MPI_ALLREDUCE( init_l, pt_init, nzt+1-nzb+1,               &
1204                                    MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1205#else
1206                pt_init = init_l
1207#endif
1208                DEALLOCATE( init_l )
1209             ENDIF
1210          ENDIF
1211
1212
1213          IF( humidity )  THEN
1214             IF( init_3d%lod_q == 1 )  THEN
1215                q_init = init_3d%q_init
1216             ELSEIF( init_3d%lod_q == 2 )  THEN
1217                ALLOCATE( init_l(nzb:nzt+1) ) 
1218                DO  k = nzb, nzt+1
1219                   init_l(k) = SUM( q(k,nys:nyn,nxl:nxr) )
1220                ENDDO
1221                init_l = init_l / REAL( ( nx + 1 ) * ( ny + 1 ), KIND = wp )
1222
1223#if defined( __parallel )
1224                CALL MPI_ALLREDUCE( init_l, q_init, nzt+1-nzb+1,               &
1225                                    MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1226#else
1227                q_init = init_l
1228#endif
1229                DEALLOCATE( init_l )
1230             ENDIF
1231          ENDIF
1232
1233!
1234!--       Write initial profiles onto 3D arrays. Note, only in case of lod = 1,
1235!--       for lod = 2 data is already on 3D arrays.   
1236          DO  i = nxlg, nxrg
1237             DO  j = nysg, nyng
1238                IF( init_3d%lod_u == 1 )  u(:,j,i) = u_init(:)
1239                IF( init_3d%lod_v == 1 )  v(:,j,i) = v_init(:)
1240                IF( .NOT. neutral  .AND.  init_3d%lod_pt == 1 )                &
1241                   pt(:,j,i) = pt_init(:)
1242                IF( humidity  .AND.  init_3d%lod_q == 1 )  q(:,j,i) = q_init(:)
1243             ENDDO
1244          ENDDO
1245!
1246!--       Exchange ghost points in case of level-of-detail = 2
1247          IF( init_3d%lod_u == 2 )   CALL exchange_horiz( u, nbgp )
1248          IF( init_3d%lod_v == 2 )   CALL exchange_horiz( v, nbgp )
1249          IF( init_3d%lod_w == 2 )   CALL exchange_horiz( w, nbgp )
1250          IF( .NOT. neutral  .AND.  init_3d%lod_pt == 2 )                      &
1251             CALL exchange_horiz( pt, nbgp )
1252          IF( humidity  .AND.  init_3d%lod_q == 2 )                            &
1253             CALL exchange_horiz( q, nbgp )
1254!
1255!--       Set geostrophic wind components. 
1256          IF ( init_3d%from_file_ug )  THEN
1257             ug(:) = init_3d%ug_init(:)
1258          ENDIF
1259          IF ( init_3d%from_file_vg )  THEN
1260             vg(:) = init_3d%vg_init(:)
1261          ENDIF
1262!
1263!--       Set bottom and top boundary condition for geostrophic wind
1264          ug(nzt+1) = ug(nzt)
1265          vg(nzt+1) = vg(nzt)
1266          ug(nzb)   = ug(nzb+1)
1267          vg(nzb)   = vg(nzb+1)
1268!
1269!--       Set inital w to 0
1270          w = 0.0_wp
1271
1272          IF ( passive_scalar )  THEN
1273             DO  i = nxlg, nxrg
1274                DO  j = nysg, nyng
1275                   s(:,j,i) = s_init
1276                ENDDO
1277             ENDDO
1278          ENDIF
1279
1280!
1281!--       Set velocity components at non-atmospheric / oceanic grid points to
1282!--       zero.
1283          u = MERGE( u, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 1 ) )
1284          v = MERGE( v, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 2 ) )
1285          w = MERGE( w, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 3 ) )
1286!
1287!--       Initialize surface variables, e.g. friction velocity, momentum
1288!--       fluxes, etc.
1289          CALL init_surfaces
1290!
1291!--       Initialize turbulence generator
1292          IF( use_syn_turb_gen )  CALL stg_init
1293
1294          CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
1295!
1296!--    Initialization via computed 1D-model profiles
1297       ELSEIF ( INDEX( initializing_actions, 'set_1d-model_profiles' ) /= 0 )  THEN
1298
1299          CALL location_message( 'initializing with 1D model profiles', .FALSE. )
1300!
1301!--       Use solutions of the 1D model as initial profiles,
1302!--       start 1D model
1303          CALL init_1d_model
1304!
1305!--       Transfer initial profiles to the arrays of the 3D model
1306          DO  i = nxlg, nxrg
1307             DO  j = nysg, nyng
1308                pt(:,j,i) = pt_init
1309                u(:,j,i)  = u1d
1310                v(:,j,i)  = v1d
1311             ENDDO
1312          ENDDO
1313
1314          IF ( humidity )  THEN
1315             DO  i = nxlg, nxrg
1316                DO  j = nysg, nyng
1317                   q(:,j,i) = q_init
1318                ENDDO
1319             ENDDO
1320          ENDIF
1321
1322          IF ( passive_scalar )  THEN
1323             DO  i = nxlg, nxrg
1324                DO  j = nysg, nyng
1325                   s(:,j,i) = s_init
1326                ENDDO
1327             ENDDO   
1328          ENDIF
1329!
1330!--          Store initial profiles for output purposes etc.
1331          IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
1332             hom(:,1,25,:) = SPREAD( l1d, 2, statistic_regions+1 )
1333          ENDIF
1334!
1335!--       Set velocities back to zero
1336          u = MERGE( u, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 1 ) )
1337          v = MERGE( v, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 2 ) )         
1338!
1339!--       WARNING: The extra boundary conditions set after running the
1340!--       -------  1D model impose an error on the divergence one layer
1341!--                below the topography; need to correct later
1342!--       ATTENTION: Provisional correction for Piacsek & Williams
1343!--       ---------  advection scheme: keep u and v zero one layer below
1344!--                  the topography.
1345          IF ( ibc_uv_b == 1 )  THEN
1346!
1347!--          Neumann condition
1348             DO  i = nxl-1, nxr+1
1349                DO  j = nys-1, nyn+1
1350                   u(nzb,j,i) = u(nzb+1,j,i)
1351                   v(nzb,j,i) = v(nzb+1,j,i)
1352                ENDDO
1353             ENDDO
1354
1355          ENDIF
1356!
1357!--       Initialize surface variables, e.g. friction velocity, momentum
1358!--       fluxes, etc.
1359          CALL init_surfaces
1360
1361          CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
1362
1363       ELSEIF ( INDEX(initializing_actions, 'set_constant_profiles') /= 0 )    &
1364       THEN
1365
1366          CALL location_message( 'initializing with constant profiles', .FALSE. )
1367!
1368!--       Overwrite initial profiles in case of synthetic turbulence generator
1369          IF( use_syn_turb_gen )  CALL stg_init
1370
1371!
1372!--       Use constructed initial profiles (velocity constant with height,
1373!--       temperature profile with constant gradient)
1374          DO  i = nxlg, nxrg
1375             DO  j = nysg, nyng
1376                pt(:,j,i) = pt_init
1377                u(:,j,i)  = u_init
1378                v(:,j,i)  = v_init
1379             ENDDO
1380          ENDDO
1381!
1382!--       Mask topography
1383          u = MERGE( u, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 1 ) )
1384          v = MERGE( v, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 2 ) )
1385!
1386!--       Set initial horizontal velocities at the lowest computational grid
1387!--       levels to zero in order to avoid too small time steps caused by the
1388!--       diffusion limit in the initial phase of a run (at k=1, dz/2 occurs
1389!--       in the limiting formula!).
1390!--       Please note, in case land- or urban-surface model is used and a
1391!--       spinup is applied, masking the lowest computational level is not
1392!--       possible as MOST as well as energy-balance parametrizations will not
1393!--       work with zero wind velocity.
1394          IF ( ibc_uv_b /= 1  .AND.  .NOT.  spinup )  THEN
1395             DO  i = nxlg, nxrg
1396                DO  j = nysg, nyng
1397                   DO  k = nzb, nzt
1398                      u(k,j,i) = MERGE( u(k,j,i), 0.0_wp,                      &
1399                                        BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 20 ) )
1400                      v(k,j,i) = MERGE( v(k,j,i), 0.0_wp,                      &
1401                                        BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 21 ) )
1402                   ENDDO
1403                ENDDO
1404             ENDDO
1405          ENDIF
1406
1407          IF ( humidity )  THEN
1408             DO  i = nxlg, nxrg
1409                DO  j = nysg, nyng
1410                   q(:,j,i) = q_init
1411                ENDDO
1412             ENDDO
1413          ENDIF
1414         
1415          IF ( passive_scalar )  THEN
1416             DO  i = nxlg, nxrg
1417                DO  j = nysg, nyng
1418                   s(:,j,i) = s_init
1419                ENDDO
1420             ENDDO
1421          ENDIF
1422
1423!
1424!--       Compute initial temperature field and other constants used in case
1425!--       of a sloping surface
1426          IF ( sloping_surface )  CALL init_slope
1427!
1428!--       Initialize surface variables, e.g. friction velocity, momentum
1429!--       fluxes, etc.
1430          CALL init_surfaces
1431
1432          CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
1433
1434       ELSEIF ( INDEX(initializing_actions, 'by_user') /= 0 )                  &
1435       THEN
1436
1437          CALL location_message( 'initializing by user', .FALSE. )
1438!
1439!--       Pre-initialize surface variables, i.e. setting start- and end-indices
1440!--       at each (j,i)-location. Please note, this does not supersede
1441!--       user-defined initialization of surface quantities.
1442          CALL init_surfaces
1443!
1444!--       Initialization will completely be done by the user
1445          CALL user_init_3d_model
1446
1447          CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
1448
1449       ENDIF
1450
1451       CALL location_message( 'initializing statistics, boundary conditions, etc.', &
1452                              .FALSE. )
1453
1454!
1455!--    Bottom boundary
1456       IF ( ibc_uv_b == 0 .OR. ibc_uv_b == 2  )  THEN
1457          u(nzb,:,:) = 0.0_wp
1458          v(nzb,:,:) = 0.0_wp
1459       ENDIF
1460
1461!
1462!--    Apply channel flow boundary condition
1463       IF ( TRIM( bc_uv_t ) == 'dirichlet_0' )  THEN
1464          u(nzt+1,:,:) = 0.0_wp
1465          v(nzt+1,:,:) = 0.0_wp
1466       ENDIF
1467
1468!
1469!--    Calculate virtual potential temperature
1470       IF ( humidity )  vpt = pt * ( 1.0_wp + 0.61_wp * q )
1471
1472!
1473!--    Store initial profiles for output purposes etc.. Please note, in case of
1474!--    initialization of u, v, w, pt, and q via output data derived from larger
1475!--    scale models, data will not be horizontally homogeneous. Actually, a mean
1476!--    profile should be calculated before.   
1477       hom(:,1,5,:) = SPREAD( u(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1478       hom(:,1,6,:) = SPREAD( v(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1479       IF ( ibc_uv_b == 0 .OR. ibc_uv_b == 2)  THEN
1480          hom(nzb,1,5,:) = 0.0_wp
1481          hom(nzb,1,6,:) = 0.0_wp
1482       ENDIF
1483       hom(:,1,7,:)  = SPREAD( pt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1484
1485       IF ( humidity )  THEN
1486!
1487!--       Store initial profile of total water content, virtual potential
1488!--       temperature
1489          hom(:,1,26,:) = SPREAD(   q(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1490          hom(:,1,29,:) = SPREAD( vpt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1491!
1492!--       Store initial profile of mixing ratio and potential
1493!--       temperature
1494          IF ( bulk_cloud_model  .OR.  cloud_droplets ) THEN
1495             hom(:,1,27,:) = SPREAD(  q(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1496             hom(:,1,28,:) = SPREAD( pt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1497          ENDIF
1498       ENDIF
1499
1500!
1501!--    Store initial scalar profile
1502       IF ( passive_scalar )  THEN
1503          hom(:,1,121,:) = SPREAD(  s(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1504       ENDIF
1505
1506!
1507!--    Initialize the random number generators (from numerical recipes)
1508       CALL random_function_ini
1509       
1510       IF ( random_generator == 'random-parallel' )  THEN
1511          CALL init_parallel_random_generator( nx, nys, nyn, nxl, nxr )
1512       ENDIF
1513!
1514!--    Set the reference state to be used in the buoyancy terms (for ocean runs
1515!--    the reference state will be set (overwritten) in init_ocean)
1516       IF ( use_single_reference_value )  THEN
1517          IF (  .NOT.  humidity )  THEN
1518             ref_state(:) = pt_reference
1519          ELSE
1520             ref_state(:) = vpt_reference
1521          ENDIF
1522       ELSE
1523          IF (  .NOT.  humidity )  THEN
1524             ref_state(:) = pt_init(:)
1525          ELSE
1526             ref_state(:) = vpt(:,nys,nxl)
1527          ENDIF
1528       ENDIF
1529
1530!
1531!--    For the moment, vertical velocity is zero
1532       w = 0.0_wp
1533
1534!
1535!--    Initialize array sums (must be defined in first call of pres)
1536       sums = 0.0_wp
1537
1538!
1539!--    In case of iterative solvers, p must get an initial value
1540       IF ( psolver(1:9) == 'multigrid'  .OR.  psolver == 'sor' )  p = 0.0_wp
1541!
1542!--    Impose vortex with vertical axis on the initial velocity profile
1543       IF ( INDEX( initializing_actions, 'initialize_vortex' ) /= 0 )  THEN
1544          CALL init_rankine
1545       ENDIF
1546
1547!
1548!--    Impose temperature anomaly (advection test only) or warm air bubble
1549!--    close to surface
1550       IF ( INDEX( initializing_actions, 'initialize_ptanom' ) /= 0  .OR.  &
1551            INDEX( initializing_actions, 'initialize_bubble' ) /= 0  )  THEN
1552          CALL init_pt_anomaly
1553       ENDIF
1554       
1555!
1556!--    If required, change the surface temperature at the start of the 3D run
1557       IF ( pt_surface_initial_change /= 0.0_wp )  THEN
1558          pt(nzb,:,:) = pt(nzb,:,:) + pt_surface_initial_change
1559       ENDIF
1560
1561!
1562!--    If required, change the surface humidity/scalar at the start of the 3D
1563!--    run
1564       IF ( humidity  .AND.  q_surface_initial_change /= 0.0_wp )              &
1565          q(nzb,:,:) = q(nzb,:,:) + q_surface_initial_change
1566         
1567       IF ( passive_scalar .AND.  s_surface_initial_change /= 0.0_wp )         &
1568          s(nzb,:,:) = s(nzb,:,:) + s_surface_initial_change
1569       
1570
1571!
1572!--    Initialize old and new time levels.
1573       tpt_m = 0.0_wp; tu_m = 0.0_wp; tv_m = 0.0_wp; tw_m = 0.0_wp
1574       pt_p = pt; u_p = u; v_p = v; w_p = w
1575
1576       IF ( humidity  )  THEN
1577          tq_m = 0.0_wp
1578          q_p = q
1579       ENDIF
1580       
1581       IF ( passive_scalar )  THEN
1582          ts_m = 0.0_wp
1583          s_p  = s
1584       ENDIF       
1585
1586       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
1587
1588    ELSEIF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data'  .OR.         &
1589             TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )                   &
1590    THEN
1591
1592       CALL location_message( 'initializing in case of restart / cyclic_fill', &
1593                              .FALSE. )
1594!
1595!--    Initialize surface elements and its attributes, e.g. heat- and
1596!--    momentumfluxes, roughness, scaling parameters. As number of surface
1597!--    elements might be different between runs, e.g. in case of cyclic fill,
1598!--    and not all surface elements are read, surface elements need to be
1599!--    initialized before.     
1600       CALL init_surfaces
1601!
1602!--    When reading data for cyclic fill of 3D prerun data files, read
1603!--    some of the global variables from the restart file which are required
1604!--    for initializing the inflow
1605       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  THEN
1606
1607          DO  i = 0, io_blocks-1
1608             IF ( i == io_group )  THEN
1609                CALL rrd_read_parts_of_global
1610             ENDIF
1611#if defined( __parallel )
1612             CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1613#endif
1614          ENDDO
1615
1616       ENDIF
1617
1618!
1619!--    Read processor specific binary data from restart file
1620       DO  i = 0, io_blocks-1
1621          IF ( i == io_group )  THEN
1622             CALL rrd_local
1623          ENDIF
1624#if defined( __parallel )
1625          CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1626#endif
1627       ENDDO
1628
1629!
1630!--    In case of complex terrain and cyclic fill method as initialization,
1631!--    shift initial data in the vertical direction for each point in the
1632!--    x-y-plane depending on local surface height
1633       IF ( complex_terrain  .AND.                                             &
1634            TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  THEN
1635          DO  i = nxlg, nxrg
1636             DO  j = nysg, nyng
1637                nz_u_shift = get_topography_top_index_ji( j, i, 'u' )
1638                nz_v_shift = get_topography_top_index_ji( j, i, 'v' )
1639                nz_w_shift = get_topography_top_index_ji( j, i, 'w' )
1640                nz_s_shift = get_topography_top_index_ji( j, i, 's' )
1641
1642                u(nz_u_shift:nzt+1,j,i)  = u(0:nzt+1-nz_u_shift,j,i)               
1643
1644                v(nz_v_shift:nzt+1,j,i)  = v(0:nzt+1-nz_v_shift,j,i)
1645
1646                w(nz_w_shift:nzt+1,j,i)  = w(0:nzt+1-nz_w_shift,j,i)
1647
1648                p(nz_s_shift:nzt+1,j,i)  =  p(0:nzt+1-nz_s_shift,j,i)
1649                pt(nz_s_shift:nzt+1,j,i) = pt(0:nzt+1-nz_s_shift,j,i)
1650             ENDDO
1651          ENDDO
1652       ENDIF
1653
1654!
1655!--    Initialization of the turbulence recycling method
1656       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill'  .AND.               &
1657            turbulent_inflow )  THEN
1658!
1659!--       First store the profiles to be used at the inflow.
1660!--       These profiles are the (temporally) and horizontally averaged vertical
1661!--       profiles from the prerun. Alternatively, prescribed profiles
1662!--       for u,v-components can be used.
1663          ALLOCATE( mean_inflow_profiles(nzb:nzt+1,1:num_mean_inflow_profiles) )
1664
1665          IF ( use_prescribed_profile_data )  THEN
1666             mean_inflow_profiles(:,1) = u_init            ! u
1667             mean_inflow_profiles(:,2) = v_init            ! v
1668          ELSE
1669             mean_inflow_profiles(:,1) = hom_sum(:,1,0)    ! u
1670             mean_inflow_profiles(:,2) = hom_sum(:,2,0)    ! v
1671          ENDIF
1672          mean_inflow_profiles(:,4) = hom_sum(:,4,0)       ! pt
1673          IF ( humidity )                                                      &
1674             mean_inflow_profiles(:,6) = hom_sum(:,41,0)   ! q
1675          IF ( passive_scalar )                                                &
1676             mean_inflow_profiles(:,7) = hom_sum(:,115,0)   ! s
1677!
1678!--       In case of complex terrain, determine vertical displacement at inflow
1679!--       boundary and adjust mean inflow profiles
1680          IF ( complex_terrain )  THEN
1681             IF ( nxlg <= 0 .AND. nxrg >= 0 .AND. nysg <= 0 .AND. nyng >= 0 )  THEN
1682                nz_u_shift_l = get_topography_top_index_ji( 0, 0, 'u' )
1683                nz_v_shift_l = get_topography_top_index_ji( 0, 0, 'v' )
1684                nz_w_shift_l = get_topography_top_index_ji( 0, 0, 'w' )
1685                nz_s_shift_l = get_topography_top_index_ji( 0, 0, 's' )
1686             ELSE
1687                nz_u_shift_l = 0
1688                nz_v_shift_l = 0
1689                nz_w_shift_l = 0
1690                nz_s_shift_l = 0
1691             ENDIF
1692
1693#if defined( __parallel )
1694             CALL MPI_ALLREDUCE(nz_u_shift_l, nz_u_shift, 1, MPI_INTEGER,      &
1695                                MPI_MAX, comm2d, ierr)
1696             CALL MPI_ALLREDUCE(nz_v_shift_l, nz_v_shift, 1, MPI_INTEGER,      &
1697                                MPI_MAX, comm2d, ierr)
1698             CALL MPI_ALLREDUCE(nz_w_shift_l, nz_w_shift, 1, MPI_INTEGER,      & 
1699                                MPI_MAX, comm2d, ierr)
1700             CALL MPI_ALLREDUCE(nz_s_shift_l, nz_s_shift, 1, MPI_INTEGER,      &
1701                                MPI_MAX, comm2d, ierr)
1702#else
1703             nz_u_shift = nz_u_shift_l
1704             nz_v_shift = nz_v_shift_l
1705             nz_w_shift = nz_w_shift_l
1706             nz_s_shift = nz_s_shift_l
1707#endif
1708
1709             mean_inflow_profiles(:,1) = 0.0_wp
1710             mean_inflow_profiles(nz_u_shift:nzt+1,1) = hom_sum(0:nzt+1-nz_u_shift,1,0)  ! u
1711
1712             mean_inflow_profiles(:,2) = 0.0_wp
1713             mean_inflow_profiles(nz_v_shift:nzt+1,2) = hom_sum(0:nzt+1-nz_v_shift,2,0)  ! v
1714
1715             mean_inflow_profiles(nz_s_shift:nzt+1,4) = hom_sum(0:nzt+1-nz_s_shift,4,0)  ! pt
1716
1717          ENDIF
1718
1719!
1720!--       If necessary, adjust the horizontal flow field to the prescribed
1721!--       profiles
1722          IF ( use_prescribed_profile_data )  THEN
1723             DO  i = nxlg, nxrg
1724                DO  j = nysg, nyng
1725                   DO  k = nzb, nzt+1
1726                      u(k,j,i) = u(k,j,i) - hom_sum(k,1,0) + u_init(k)
1727                      v(k,j,i) = v(k,j,i) - hom_sum(k,2,0) + v_init(k)
1728                   ENDDO
1729                ENDDO
1730             ENDDO
1731          ENDIF
1732
1733!
1734!--       Use these mean profiles at the inflow (provided that Dirichlet
1735!--       conditions are used)
1736          IF ( bc_dirichlet_l )  THEN
1737             DO  j = nysg, nyng
1738                DO  k = nzb, nzt+1
1739                   u(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,1)
1740                   v(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,2)
1741                   w(k,j,nxlg:-1)  = 0.0_wp
1742                   pt(k,j,nxlg:-1) = mean_inflow_profiles(k,4)
1743                   IF ( humidity )                                             &
1744                      q(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,6)
1745                   IF ( passive_scalar )                                       &
1746                      s(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,7)                     
1747                ENDDO
1748             ENDDO
1749          ENDIF
1750
1751!
1752!--       Calculate the damping factors to be used at the inflow. For a
1753!--       turbulent inflow the turbulent fluctuations have to be limited
1754!--       vertically because otherwise the turbulent inflow layer will grow
1755!--       in time.
1756          IF ( inflow_damping_height == 9999999.9_wp )  THEN
1757!
1758!--          Default: use the inversion height calculated by the prerun; if
1759!--          this is zero, inflow_damping_height must be explicitly
1760!--          specified.
1761             IF ( hom_sum(nzb+6,pr_palm,0) /= 0.0_wp )  THEN
1762                inflow_damping_height = hom_sum(nzb+6,pr_palm,0)
1763             ELSE
1764                WRITE( message_string, * ) 'inflow_damping_height must be ',   &
1765                     'explicitly specified because&the inversion height ',     &
1766                     'calculated by the prerun is zero.'
1767                CALL message( 'init_3d_model', 'PA0318', 1, 2, 0, 6, 0 )
1768             ENDIF
1769
1770          ENDIF
1771
1772          IF ( inflow_damping_width == 9999999.9_wp )  THEN
1773!
1774!--          Default for the transition range: one tenth of the undamped
1775!--          layer
1776             inflow_damping_width = 0.1_wp * inflow_damping_height
1777
1778          ENDIF
1779
1780          ALLOCATE( inflow_damping_factor(nzb:nzt+1) )
1781
1782          DO  k = nzb, nzt+1
1783
1784             IF ( zu(k) <= inflow_damping_height )  THEN
1785                inflow_damping_factor(k) = 1.0_wp
1786             ELSEIF ( zu(k) <= ( inflow_damping_height + inflow_damping_width ) )  THEN
1787                inflow_damping_factor(k) = 1.0_wp -                            &
1788                                           ( zu(k) - inflow_damping_height ) / &
1789                                           inflow_damping_width
1790             ELSE
1791                inflow_damping_factor(k) = 0.0_wp
1792             ENDIF
1793
1794          ENDDO
1795
1796       ENDIF
1797
1798!
1799!--    Inside buildings set velocities back to zero
1800       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' .AND.                &
1801            topography /= 'flat' )  THEN
1802!
1803!--       Inside buildings set velocities back to zero.
1804!--       Other scalars (pt, q, s, p, sa, ...) are ignored at present,
1805!--       maybe revise later.
1806          DO  i = nxlg, nxrg
1807             DO  j = nysg, nyng
1808                DO  k = nzb, nzt
1809                   u(k,j,i)     = MERGE( u(k,j,i), 0.0_wp,                     &
1810                                         BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 1 ) )
1811                   v(k,j,i)     = MERGE( v(k,j,i), 0.0_wp,                     &
1812                                         BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 2 ) )
1813                   w(k,j,i)     = MERGE( w(k,j,i), 0.0_wp,                     &
1814                                         BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 3 ) )
1815                ENDDO
1816             ENDDO
1817          ENDDO
1818
1819       ENDIF
1820
1821!
1822!--    Calculate initial temperature field and other constants used in case
1823!--    of a sloping surface
1824       IF ( sloping_surface )  CALL init_slope
1825
1826!
1827!--    Initialize new time levels (only done in order to set boundary values
1828!--    including ghost points)
1829       pt_p = pt; u_p = u; v_p = v; w_p = w
1830       IF ( humidity )  THEN
1831          q_p = q
1832       ENDIF
1833       IF ( passive_scalar )  s_p  = s
1834!
1835!--    Allthough tendency arrays are set in prognostic_equations, they have
1836!--    have to be predefined here because they are used (but multiplied with 0)
1837!--    there before they are set.
1838       tpt_m = 0.0_wp; tu_m = 0.0_wp; tv_m = 0.0_wp; tw_m = 0.0_wp
1839       IF ( humidity )  THEN
1840          tq_m = 0.0_wp
1841       ENDIF
1842       IF ( passive_scalar )  ts_m  = 0.0_wp
1843!
1844!--    Initialize synthetic turbulence generator in case of restart.
1845       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data'  .AND.         &
1846            use_syn_turb_gen )  CALL stg_init
1847
1848       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
1849
1850    ELSE
1851!
1852!--    Actually this part of the programm should not be reached
1853       message_string = 'unknown initializing problem'
1854       CALL message( 'init_3d_model', 'PA0193', 1, 2, 0, 6, 0 )
1855    ENDIF
1856
1857!
1858!-- Initialize TKE, Kh and Km
1859    CALL tcm_init
1860
1861
1862    IF (  TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' )  THEN
1863!
1864!--    Initialize old timelevels needed for radiation boundary conditions
1865       IF ( bc_radiation_l )  THEN
1866          u_m_l(:,:,:) = u(:,:,1:2)
1867          v_m_l(:,:,:) = v(:,:,0:1)
1868          w_m_l(:,:,:) = w(:,:,0:1)
1869       ENDIF
1870       IF ( bc_radiation_r )  THEN
1871          u_m_r(:,:,:) = u(:,:,nx-1:nx)
1872          v_m_r(:,:,:) = v(:,:,nx-1:nx)
1873          w_m_r(:,:,:) = w(:,:,nx-1:nx)
1874       ENDIF
1875       IF ( bc_radiation_s )  THEN
1876          u_m_s(:,:,:) = u(:,0:1,:)
1877          v_m_s(:,:,:) = v(:,1:2,:)
1878          w_m_s(:,:,:) = w(:,0:1,:)
1879       ENDIF
1880       IF ( bc_radiation_n )  THEN
1881          u_m_n(:,:,:) = u(:,ny-1:ny,:)
1882          v_m_n(:,:,:) = v(:,ny-1:ny,:)
1883          w_m_n(:,:,:) = w(:,ny-1:ny,:)
1884       ENDIF
1885       
1886    ENDIF
1887
1888!
1889!-- Calculate the initial volume flow at the right and north boundary
1890    IF ( conserve_volume_flow )  THEN
1891
1892       IF ( use_prescribed_profile_data )  THEN
1893
1894          volume_flow_initial_l = 0.0_wp
1895          volume_flow_area_l    = 0.0_wp
1896
1897          IF ( nxr == nx )  THEN
1898             DO  j = nys, nyn
1899                DO  k = nzb+1, nzt
1900                   volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) +       &
1901                                              u_init(k) * dzw(k)               &
1902                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1903                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nxr), 1 )&
1904                                            )
1905
1906                   volume_flow_area_l(1)    = volume_flow_area_l(1) + dzw(k)   &
1907                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1908                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nxr), 1 )&
1909                                            )
1910                ENDDO
1911             ENDDO
1912          ENDIF
1913         
1914          IF ( nyn == ny )  THEN
1915             DO  i = nxl, nxr
1916                DO  k = nzb+1, nzt
1917                   volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) +       &
1918                                              v_init(k) * dzw(k)               &       
1919                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1920                                              BTEST( wall_flags_0(k,nyn,i), 2 )&
1921                                            )
1922                   volume_flow_area_l(2)    = volume_flow_area_l(2) + dzw(k)   &       
1923                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1924                                              BTEST( wall_flags_0(k,nyn,i), 2 )&
1925                                            )
1926                ENDDO
1927             ENDDO
1928          ENDIF
1929
1930#if defined( __parallel )
1931          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_initial_l(1), volume_flow_initial(1),&
1932                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1933          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_area_l(1), volume_flow_area(1),      &
1934                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1935
1936#else
1937          volume_flow_initial = volume_flow_initial_l
1938          volume_flow_area    = volume_flow_area_l
1939#endif 
1940
1941       ELSEIF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  THEN
1942
1943          volume_flow_initial_l = 0.0_wp
1944          volume_flow_area_l    = 0.0_wp
1945
1946          IF ( nxr == nx )  THEN
1947             DO  j = nys, nyn
1948                DO  k = nzb+1, nzt
1949                   volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) +       &
1950                                              hom_sum(k,1,0) * dzw(k)          &
1951                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1952                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nx), 1 ) &
1953                                            )
1954                   volume_flow_area_l(1)    = volume_flow_area_l(1) + dzw(k)   &
1955                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1956                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nx), 1 ) &
1957                                            )
1958                ENDDO
1959             ENDDO
1960          ENDIF
1961         
1962          IF ( nyn == ny )  THEN
1963             DO  i = nxl, nxr
1964                DO  k = nzb+1, nzt
1965                   volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) +       &
1966                                              hom_sum(k,2,0) * dzw(k)          &       
1967                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1968                                              BTEST( wall_flags_0(k,ny,i), 2 ) &
1969                                            )
1970                   volume_flow_area_l(2)    = volume_flow_area_l(2) + dzw(k)   &       
1971                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1972                                              BTEST( wall_flags_0(k,ny,i), 2 ) &
1973                                            )
1974                ENDDO
1975             ENDDO
1976          ENDIF
1977
1978#if defined( __parallel )
1979          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_initial_l(1), volume_flow_initial(1),&
1980                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1981          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_area_l(1), volume_flow_area(1),      &
1982                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1983
1984#else
1985          volume_flow_initial = volume_flow_initial_l
1986          volume_flow_area    = volume_flow_area_l
1987#endif 
1988
1989       ELSEIF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' )  THEN
1990
1991          volume_flow_initial_l = 0.0_wp
1992          volume_flow_area_l    = 0.0_wp
1993
1994          IF ( nxr == nx )  THEN
1995             DO  j = nys, nyn
1996                DO  k = nzb+1, nzt
1997                   volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) +       &
1998                                              u(k,j,nx) * dzw(k)               &
1999                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
2000                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nx), 1 ) &
2001                                            )
2002                   volume_flow_area_l(1)    = volume_flow_area_l(1) + dzw(k)   &
2003                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
2004                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nx), 1 ) &
2005                                            )
2006                ENDDO
2007             ENDDO
2008          ENDIF
2009         
2010          IF ( nyn == ny )  THEN
2011             DO  i = nxl, nxr
2012                DO  k = nzb+1, nzt
2013                   volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) +       &
2014                                              v(k,ny,i) * dzw(k)               &       
2015                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
2016                                              BTEST( wall_flags_0(k,ny,i), 2 ) &
2017                                            )
2018                   volume_flow_area_l(2)    = volume_flow_area_l(2) + dzw(k)   &       
2019                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
2020                                              BTEST( wall_flags_0(k,ny,i), 2 ) &
2021                                            )
2022                ENDDO
2023             ENDDO
2024          ENDIF
2025
2026#if defined( __parallel )
2027          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_initial_l(1), volume_flow_initial(1),&
2028                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2029          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_area_l(1), volume_flow_area(1),      &
2030                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2031
2032#else
2033          volume_flow_initial = volume_flow_initial_l
2034          volume_flow_area    = volume_flow_area_l
2035#endif 
2036
2037       ENDIF
2038
2039!
2040!--    In case of 'bulk_velocity' mode, volume_flow_initial is calculated
2041!--    from u|v_bulk instead
2042       IF ( TRIM( conserve_volume_flow_mode ) == 'bulk_velocity' )  THEN
2043          volume_flow_initial(1) = u_bulk * volume_flow_area(1)
2044          volume_flow_initial(2) = v_bulk * volume_flow_area(2)
2045       ENDIF
2046
2047    ENDIF
2048!
2049!-- Finally, if random_heatflux is set, disturb shf at horizontal
2050!-- surfaces. Actually, this should be done in surface_mod, where all other
2051!-- initializations of surface quantities are done. However, this
2052!-- would create a ring dependency, hence, it is done here. Maybe delete
2053!-- disturb_heatflux and tranfer the respective code directly into the
2054!-- initialization in surface_mod.         
2055    IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data'  .AND.            &
2056         TRIM( initializing_actions ) /= 'cyclic_fill' )  THEN
2057 
2058       IF ( use_surface_fluxes  .AND.  constant_heatflux  .AND.                &
2059            random_heatflux )  THEN
2060          IF ( surf_def_h(0)%ns >= 1 )  CALL disturb_heatflux( surf_def_h(0) )
2061          IF ( surf_lsm_h%ns    >= 1 )  CALL disturb_heatflux( surf_lsm_h    )
2062          IF ( surf_usm_h%ns    >= 1 )  CALL disturb_heatflux( surf_usm_h    )
2063       ENDIF
2064    ENDIF
2065
2066!
2067!-- Before initializing further modules, compute total sum of active mask
2068!-- grid points and the mean surface level height for each statistic region.
2069!-- ngp_2dh: number of grid points of a horizontal cross section through the
2070!--          total domain
2071!-- ngp_3d:  number of grid points of the total domain
2072    ngp_2dh_outer_l   = 0
2073    ngp_2dh_outer     = 0
2074    ngp_2dh_s_inner_l = 0
2075    ngp_2dh_s_inner   = 0
2076    ngp_2dh_l         = 0
2077    ngp_2dh           = 0
2078    ngp_3d_inner_l    = 0.0_wp
2079    ngp_3d_inner      = 0
2080    ngp_3d            = 0
2081    ngp_sums          = ( nz + 2 ) * ( pr_palm + max_pr_user )
2082
2083    mean_surface_level_height   = 0.0_wp
2084    mean_surface_level_height_l = 0.0_wp
2085!
2086!-- Pre-set masks for regional statistics. Default is the total model domain.
2087!-- Ghost points are excluded because counting values at the ghost boundaries
2088!-- would bias the statistics
2089    rmask = 1.0_wp
2090    rmask(:,nxlg:nxl-1,:) = 0.0_wp;  rmask(:,nxr+1:nxrg,:) = 0.0_wp
2091    rmask(nysg:nys-1,:,:) = 0.0_wp;  rmask(nyn+1:nyng,:,:) = 0.0_wp
2092
2093!
2094!-- Temporary solution to add LSM and radiation time series to the default
2095!-- output
2096    IF ( land_surface  .OR.  radiation )  THEN
2097       IF ( TRIM( radiation_scheme ) == 'rrtmg' )  THEN
2098          dots_num = dots_num + 15
2099       ELSE
2100          dots_num = dots_num + 11
2101       ENDIF
2102    ENDIF
2103!
2104!-- User-defined initializing actions
2105    CALL user_init
2106!
2107!-- To do: New concept for these non-topography grid points!
2108    DO  sr = 0, statistic_regions
2109       DO  i = nxl, nxr
2110          DO  j = nys, nyn
2111             IF ( rmask(j,i,sr) == 1.0_wp )  THEN
2112!
2113!--             All xy-grid points
2114                ngp_2dh_l(sr) = ngp_2dh_l(sr) + 1
2115!
2116!--             Determine mean surface-level height. In case of downward-
2117!--             facing walls are present, more than one surface level exist.
2118!--             In this case, use the lowest surface-level height.
2119                IF ( surf_def_h(0)%start_index(j,i) <=                         &
2120                     surf_def_h(0)%end_index(j,i) )  THEN
2121                   m = surf_def_h(0)%start_index(j,i)
2122                   k = surf_def_h(0)%k(m)
2123                   mean_surface_level_height_l(sr) =                           &
2124                                       mean_surface_level_height_l(sr) + zw(k-1)
2125                ENDIF
2126                IF ( surf_lsm_h%start_index(j,i) <=                            &
2127                     surf_lsm_h%end_index(j,i) )  THEN
2128                   m = surf_lsm_h%start_index(j,i)
2129                   k = surf_lsm_h%k(m)
2130                   mean_surface_level_height_l(sr) =                           &
2131                                       mean_surface_level_height_l(sr) + zw(k-1)
2132                ENDIF
2133                IF ( surf_usm_h%start_index(j,i) <=                            &
2134                     surf_usm_h%end_index(j,i) )  THEN
2135                   m = surf_usm_h%start_index(j,i)
2136                   k = surf_usm_h%k(m)
2137                   mean_surface_level_height_l(sr) =                           &
2138                                       mean_surface_level_height_l(sr) + zw(k-1)
2139                ENDIF
2140
2141                k_surf = k - 1
2142
2143                DO  k = nzb, nzt+1
2144!
2145!--                xy-grid points above topography
2146                   ngp_2dh_outer_l(k,sr) = ngp_2dh_outer_l(k,sr)     +         &
2147                                  MERGE( 1, 0, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 24 ) )
2148
2149                   ngp_2dh_s_inner_l(k,sr) = ngp_2dh_s_inner_l(k,sr) +         &
2150                                  MERGE( 1, 0, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 22 ) )
2151
2152                ENDDO
2153!
2154!--             All grid points of the total domain above topography
2155                ngp_3d_inner_l(sr) = ngp_3d_inner_l(sr) + ( nz - k_surf + 2 )
2156
2157
2158
2159             ENDIF
2160          ENDDO
2161       ENDDO
2162    ENDDO
2163!
2164!-- Initialize arrays encompassing number of grid-points in inner and outer
2165!-- domains, statistic regions, etc. Mainly used for horizontal averaging
2166!-- of turbulence statistics. Please note, user_init must be called before
2167!-- doing this.   
2168    sr = statistic_regions + 1
2169#if defined( __parallel )
2170    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2171    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_l(0), ngp_2dh(0), sr, MPI_INTEGER, MPI_SUM,    &
2172                        comm2d, ierr )
2173    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2174    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_outer_l(0,0), ngp_2dh_outer(0,0), (nz+2)*sr,   &
2175                        MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2176    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2177    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_s_inner_l(0,0), ngp_2dh_s_inner(0,0),          &
2178                        (nz+2)*sr, MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2179    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2180    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_3d_inner_l(0), ngp_3d_inner_tmp(0), sr, MPI_REAL,  &
2181                        MPI_SUM, comm2d, ierr )
2182    ngp_3d_inner = INT( ngp_3d_inner_tmp, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) )
2183    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2184    CALL MPI_ALLREDUCE( mean_surface_level_height_l(0),                        &
2185                        mean_surface_level_height(0), sr, MPI_REAL,            &
2186                        MPI_SUM, comm2d, ierr )
2187    mean_surface_level_height = mean_surface_level_height / REAL( ngp_2dh )
2188#else
2189    ngp_2dh         = ngp_2dh_l
2190    ngp_2dh_outer   = ngp_2dh_outer_l
2191    ngp_2dh_s_inner = ngp_2dh_s_inner_l
2192    ngp_3d_inner    = INT( ngp_3d_inner_l, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) )
2193    mean_surface_level_height = mean_surface_level_height_l / REAL( ngp_2dh_l )
2194#endif
2195
2196    ngp_3d = INT ( ngp_2dh, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) ) * &
2197             INT ( (nz + 2 ), KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) )
2198
2199!
2200!-- Set a lower limit of 1 in order to avoid zero divisions in flow_statistics,
2201!-- buoyancy, etc. A zero value will occur for cases where all grid points of
2202!-- the respective subdomain lie below the surface topography
2203    ngp_2dh_outer   = MAX( 1, ngp_2dh_outer(:,:)   ) 
2204    ngp_3d_inner    = MAX( INT(1, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 )),             &
2205                           ngp_3d_inner(:) )
2206    ngp_2dh_s_inner = MAX( 1, ngp_2dh_s_inner(:,:) ) 
2207
2208    DEALLOCATE( mean_surface_level_height_l, ngp_2dh_l, ngp_2dh_outer_l,       &
2209                ngp_3d_inner_l, ngp_3d_inner_tmp )
2210
2211!
2212!-- Initialize nudging if required
2213    IF ( nudging )  CALL nudge_init
2214!
2215!-- Initialize 1D large-scale forcing and nudging and read data from external
2216!-- ASCII file
2217    IF ( large_scale_forcing )  CALL lsf_init
2218!
2219!-- Initialize surface forcing corresponding to large-scale forcing. Therein,
2220!-- initialize heat-fluxes, etc. via datatype. Revise it later!
2221    IF ( large_scale_forcing .AND. lsf_surf )  THEN
2222       IF ( use_surface_fluxes  .AND.  constant_heatflux )  THEN
2223          CALL ls_forcing_surf ( simulated_time )
2224       ENDIF
2225    ENDIF
2226!
2227!-- Initializae 3D offline nesting in COSMO model and read data from
2228!-- external NetCDF file.
2229    IF ( nesting_offline )  CALL nesting_offl_init
2230!
2231!-- Initialize quantities for special advections schemes
2232    CALL init_advec
2233
2234!
2235!-- Impose random perturbation on the horizontal velocity field and then
2236!-- remove the divergences from the velocity field at the initial stage
2237    IF ( create_disturbances  .AND.  disturbance_energy_limit /= 0.0_wp  .AND. &
2238         TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data'  .AND.            &
2239         TRIM( initializing_actions ) /= 'cyclic_fill' )  THEN
2240
2241       CALL location_message( 'creating initial disturbances', .FALSE. )
2242       CALL disturb_field( 'u', tend, u )
2243       CALL disturb_field( 'v', tend, v )
2244       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2245
2246       CALL location_message( 'calling pressure solver', .FALSE. )
2247       n_sor = nsor_ini
2248       CALL pres
2249       n_sor = nsor
2250       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2251
2252    ENDIF
2253
2254!
2255!-- If required, initialize quantities needed for the plant canopy model
2256    IF ( plant_canopy )  THEN
2257       CALL location_message( 'initializing plant canopy model', .FALSE. )   
2258       CALL pcm_init
2259       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2260    ENDIF
2261
2262!
2263!-- If required, initialize dvrp-software
2264    IF ( dt_dvrp /= 9999999.9_wp )  CALL init_dvrp
2265
2266!
2267!-- Initialize quantities needed for the ocean model
2268    IF ( ocean_mode )  CALL ocean_init
2269
2270!
2271!-- Initialize quantities for handling cloud physics.
2272!-- This routine must be called before lpm_init, becaus otherwise,
2273!-- array d_exner, needed in data_output_dvrp (called by lpm_init) is not defined.
2274    IF ( .NOT. ocean_mode )  THEN
2275
2276       ALLOCATE( hyp(nzb:nzt+1) )
2277       ALLOCATE( d_exner(nzb:nzt+1) )
2278       ALLOCATE( exner(nzb:nzt+1) )
2279       ALLOCATE( hyrho(nzb:nzt+1) )
2280!
2281!--    Check temperature in case of too large domain height
2282       DO  k = nzb, nzt+1
2283          IF ( ( pt_surface * exner_function(surface_pressure * 100.0_wp) - g/c_p * zu(k) ) < 0.0_wp )  THEN
2284             WRITE( message_string, * )  'absolute temperature < 0.0 at zu(', k, &
2285                                         ') = ', zu(k)
2286             CALL message( 'init_bulk_cloud_model', 'PA0142', 1, 2, 0, 6, 0 )
2287          ENDIF
2288       ENDDO
2289
2290!
2291!--    Calculate vertical profile of the hydrostatic pressure (hyp)
2292       hyp    = barometric_formula(zu, pt_surface * exner_function(surface_pressure * 100.0_wp), surface_pressure * 100.0_wp)
2293       d_exner = exner_function_invers(hyp)
2294       exner = 1.0_wp / exner_function_invers(hyp)
2295       hyrho  = ideal_gas_law_rho_pt(hyp, pt_init)
2296!
2297!--    Compute reference density
2298       rho_surface = ideal_gas_law_rho(surface_pressure * 100.0_wp, pt_surface * exner_function(surface_pressure * 100.0_wp))
2299
2300    ENDIF
2301!
2302!-- If required, initialize quantities needed for the microphysics module
2303    IF ( bulk_cloud_model )  THEN
2304       CALL bcm_init
2305    ENDIF
2306
2307!
2308!-- If required, initialize particles
2309    IF ( particle_advection )  CALL lpm_init
2310
2311!
2312!-- If required, initialize particles
2313    IF ( agents_active )  CALL mas_init
2314
2315!
2316!-- If required, initialize quantities needed for the LSM
2317    IF ( land_surface )  THEN
2318       CALL location_message( 'initializing land surface model', .FALSE. )
2319       CALL lsm_init
2320       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2321    ENDIF
2322
2323!
2324!-- If required, allocate USM and LSM surfaces
2325    IF ( urban_surface )  THEN
2326       CALL location_message( 'initializing and allocating urban surfaces', .FALSE. )
2327       CALL usm_allocate_surface
2328       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2329    ENDIF
2330!
2331!-- If required, initialize urban surface model
2332    IF ( urban_surface )  THEN
2333       CALL location_message( 'initializing urban surface model', .FALSE. )
2334       CALL usm_init_urban_surface
2335       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2336    ENDIF
2337
2338!
2339!-- Initialize surface layer (done after LSM as roughness length are required
2340!-- for initialization
2341    IF ( constant_flux_layer )  THEN
2342       CALL location_message( 'initializing surface layer', .FALSE. )
2343       CALL init_surface_layer_fluxes
2344       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2345    ENDIF
2346!
2347!-- In case the synthetic turbulence generator does not have any information
2348!-- about the inflow turbulence, these information will be parametrized
2349!-- depending on the initial atmospheric conditions and surface properties.
2350!-- Please note, within pre-determined time intervals these turbulence
2351!-- information can be updated if desired.
2352    IF ( use_syn_turb_gen  .AND.  parametrize_inflow_turbulence )              &
2353       CALL stg_adjust
2354!
2355!-- If required, set chemical emissions
2356!-- Initialize values of cssws according to chemistry emission values
2357    IF ( air_chemistry  .AND.  do_emis )  THEN
2358       CALL chem_emissions_init( chem_emis_att, chem_emis, nspec_out )
2359    ENDIF
2360!
2361!-- Initialize radiation processes
2362    IF ( radiation )  THEN
2363!
2364!--    Activate radiation_interactions according to the existence of vertical surfaces and/or trees.
2365!--    The namelist parameter radiation_interactions_on can override this behavior.
2366!--    (This check cannot be performed in check_parameters, because vertical_surfaces_exist is first set in
2367!--    init_surface_arrays.)
2368       IF ( radiation_interactions_on )  THEN
2369          IF ( vertical_surfaces_exist  .OR.  plant_canopy )  THEN
2370             radiation_interactions    = .TRUE.
2371             average_radiation         = .TRUE.
2372          ELSE
2373             radiation_interactions_on = .FALSE.   !< reset namelist parameter: no interactions
2374                                                   !< calculations necessary in case of flat surface
2375          ENDIF
2376       ELSEIF ( vertical_surfaces_exist  .OR.  plant_canopy )  THEN
2377          message_string = 'radiation_interactions_on is set to .FALSE. although '     // &
2378                           'vertical surfaces and/or trees exist. The model will run ' // &
2379                           'without RTM (no shadows, no radiation reflections)'
2380          CALL message( 'init_3d_model', 'PA0348', 0, 1, 0, 6, 0 )
2381       ENDIF
2382!
2383!--    If required, initialize radiation interactions between surfaces
2384!--    via sky-view factors. This must be done before radiation is initialized.
2385       IF ( radiation_interactions )  CALL radiation_interaction_init
2386
2387!
2388!--    Initialize radiation model
2389       CALL location_message( 'initializing radiation model', .FALSE. )
2390       CALL radiation_init
2391       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2392
2393!
2394!--    Find all discretized apparent solar positions for radiation interaction.
2395!--    This must be done after radiation_init.
2396       IF ( radiation_interactions )  CALL radiation_presimulate_solar_pos
2397
2398!
2399!--    If required, read or calculate and write out the SVF
2400       IF ( radiation_interactions .AND. read_svf)  THEN
2401!
2402!--       Read sky-view factors and further required data from file
2403          CALL location_message( '    Start reading SVF from file', .FALSE. )
2404          CALL radiation_read_svf()
2405          CALL location_message( '    Reading SVF from file has finished', .TRUE. )
2406
2407       ELSEIF ( radiation_interactions .AND. .NOT. read_svf)  THEN
2408!
2409!--       calculate SFV and CSF
2410          CALL location_message( '    Start calculation of SVF', .FALSE. )
2411          CALL radiation_calc_svf()
2412          CALL location_message( '    Calculation of SVF has finished', .TRUE. )
2413       ENDIF
2414
2415       IF ( radiation_interactions .AND. write_svf)  THEN
2416!
2417!--       Write svf, csf svfsurf and csfsurf data to file
2418          CALL location_message( '    Start writing SVF in file', .FALSE. )
2419          CALL radiation_write_svf()
2420          CALL location_message( '    Writing SVF in file has finished', .TRUE. )
2421       ENDIF
2422
2423!
2424!--    Adjust radiative fluxes. In case of urban and land surfaces, also
2425!--    call an initial interaction.
2426       IF ( radiation_interactions )  THEN
2427          CALL radiation_interaction
2428       ENDIF
2429    ENDIF
2430 
2431!
2432!-- If required, initialize quantities needed for the wind turbine model
2433    IF ( wind_turbine )  THEN
2434       CALL location_message( 'initializing wind turbine model', .FALSE. )
2435       CALL wtm_init
2436       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2437    ENDIF
2438
2439!
2440!-- If required, initialize quantities needed in SALSA
2441    IF ( salsa )  THEN
2442       CALL location_message( 'initializing SALSA model', .TRUE. )
2443       CALL salsa_init 
2444       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2445    ENDIF
2446
2447!
2448!-- If required, initialize quantities needed for the gust module
2449    IF ( gust_module_enabled )  THEN
2450       CALL gust_init( dots_label, dots_unit, dots_num, dots_max )
2451    ENDIF
2452!
2453!-- Initialize surface data output
2454    IF ( surface_data_output )  THEN
2455       CALL surface_output_init
2456    ENDIF
2457!
2458!-- If virtual measurements should be taken, initialize all relevant
2459!-- arrays and quantities.
2460    IF ( virtual_measurement )  CALL vm_init
2461
2462!
2463!-- If required initialize biometeorology module
2464    IF ( biometeorology )  THEN
2465        CALL location_message( 'initializing biometeorology module', .FALSE. )
2466        CALL biom_init
2467        CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2468    ENDIF
2469
2470!
2471!-- If required, initialize indoor model
2472    IF ( indoor_model )  THEN
2473       CALL location_message( 'initializing indoor model', .FALSE. )
2474       CALL im_init
2475       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2476    ENDIF
2477
2478!
2479!-- Initialize the ws-scheme.   
2480    IF ( ws_scheme_sca .OR. ws_scheme_mom )  CALL ws_init
2481
2482!
2483!-- Setting weighting factors for calculation of perturbation pressure
2484!-- and turbulent quantities from the RK substeps
2485    IF ( TRIM(timestep_scheme) == 'runge-kutta-3' )  THEN      ! for RK3-method
2486
2487       weight_substep(1) = 1._wp/6._wp
2488       weight_substep(2) = 3._wp/10._wp
2489       weight_substep(3) = 8._wp/15._wp
2490
2491       weight_pres(1)    = 1._wp/3._wp
2492       weight_pres(2)    = 5._wp/12._wp
2493       weight_pres(3)    = 1._wp/4._wp
2494
2495    ELSEIF ( TRIM(timestep_scheme) == 'runge-kutta-2' )  THEN  ! for RK2-method
2496
2497       weight_substep(1) = 1._wp/2._wp
2498       weight_substep(2) = 1._wp/2._wp
2499         
2500       weight_pres(1)    = 1._wp/2._wp
2501       weight_pres(2)    = 1._wp/2._wp       
2502
2503    ELSE                                     ! for Euler-method
2504
2505       weight_substep(1) = 1.0_wp     
2506       weight_pres(1)    = 1.0_wp                   
2507
2508    ENDIF
2509
2510!
2511!-- Initialize Rayleigh damping factors
2512    rdf    = 0.0_wp
2513    rdf_sc = 0.0_wp
2514    IF ( rayleigh_damping_factor /= 0.0_wp )  THEN
2515
2516       IF (  .NOT.  ocean_mode )  THEN
2517          DO  k = nzb+1, nzt
2518             IF ( zu(k) >= rayleigh_damping_height )  THEN
2519                rdf(k) = rayleigh_damping_factor *                             &
2520                      ( SIN( pi * 0.5_wp * ( zu(k) - rayleigh_damping_height ) &
2521                             / ( zu(nzt) - rayleigh_damping_height ) )         &
2522                      )**2
2523             ENDIF
2524          ENDDO
2525       ELSE
2526!
2527!--       In ocean mode, rayleigh damping is applied in the lower part of the
2528!--       model domain
2529          DO  k = nzt, nzb+1, -1
2530             IF ( zu(k) <= rayleigh_damping_height )  THEN
2531                rdf(k) = rayleigh_damping_factor *                             &
2532                      ( SIN( pi * 0.5_wp * ( rayleigh_damping_height - zu(k) ) &
2533                             / ( rayleigh_damping_height - zu(nzb+1) ) )       &
2534                      )**2
2535             ENDIF
2536          ENDDO
2537       ENDIF
2538
2539    ENDIF
2540    IF ( scalar_rayleigh_damping )  rdf_sc = rdf
2541
2542!
2543!-- Initialize the starting level and the vertical smoothing factor used for
2544!-- the external pressure gradient
2545    dp_smooth_factor = 1.0_wp
2546    IF ( dp_external )  THEN
2547!
2548!--    Set the starting level dp_level_ind_b only if it has not been set before
2549!--    (e.g. in init_grid).
2550       IF ( dp_level_ind_b == 0 )  THEN
2551          ind_array = MINLOC( ABS( dp_level_b - zu ) )
2552          dp_level_ind_b = ind_array(1) - 1 + nzb 
2553                                        ! MINLOC uses lower array bound 1
2554       ENDIF
2555       IF ( dp_smooth )  THEN
2556          dp_smooth_factor(:dp_level_ind_b) = 0.0_wp
2557          DO  k = dp_level_ind_b+1, nzt
2558             dp_smooth_factor(k) = 0.5_wp * ( 1.0_wp + SIN( pi *               &
2559                        ( REAL( k - dp_level_ind_b, KIND=wp ) /                &
2560                          REAL( nzt - dp_level_ind_b, KIND=wp ) - 0.5_wp ) ) )
2561          ENDDO
2562       ENDIF
2563    ENDIF
2564
2565!
2566!-- Initialize damping zone for the potential temperature in case of
2567!-- non-cyclic lateral boundaries. The damping zone has the maximum value
2568!-- at the inflow boundary and decreases to zero at pt_damping_width.
2569    ptdf_x = 0.0_wp
2570    ptdf_y = 0.0_wp
2571    IF ( bc_lr_dirrad )  THEN
2572       DO  i = nxl, nxr
2573          IF ( ( i * dx ) < pt_damping_width )  THEN
2574             ptdf_x(i) = pt_damping_factor * ( SIN( pi * 0.5_wp *              &
2575                            REAL( pt_damping_width - i * dx, KIND=wp ) / (     &
2576                            REAL( pt_damping_width, KIND=wp ) ) ) )**2 
2577          ENDIF
2578       ENDDO
2579    ELSEIF ( bc_lr_raddir )  THEN
2580       DO  i = nxl, nxr
2581          IF ( ( i * dx ) > ( nx * dx - pt_damping_width ) )  THEN
2582             ptdf_x(i) = pt_damping_factor *                                   &
2583                         SIN( pi * 0.5_wp *                                    &
2584                                 ( ( i - nx ) * dx + pt_damping_width ) /      &
2585                                 REAL( pt_damping_width, KIND=wp ) )**2
2586          ENDIF
2587       ENDDO 
2588    ELSEIF ( bc_ns_dirrad )  THEN
2589       DO  j = nys, nyn
2590          IF ( ( j * dy ) > ( ny * dy - pt_damping_width ) )  THEN
2591             ptdf_y(j) = pt_damping_factor *                                   &
2592                         SIN( pi * 0.5_wp *                                    &
2593                                 ( ( j - ny ) * dy + pt_damping_width ) /      &
2594                                 REAL( pt_damping_width, KIND=wp ) )**2
2595          ENDIF
2596       ENDDO 
2597    ELSEIF ( bc_ns_raddir )  THEN
2598       DO  j = nys, nyn
2599          IF ( ( j * dy ) < pt_damping_width )  THEN
2600             ptdf_y(j) = pt_damping_factor *                                   &
2601                         SIN( pi * 0.5_wp *                                    &
2602                                ( pt_damping_width - j * dy ) /                &
2603                                REAL( pt_damping_width, KIND=wp ) )**2
2604          ENDIF
2605       ENDDO
2606    ENDIF
2607!
2608!-- Check if maximum number of allowed timeseries is exceeded
2609    IF ( dots_num > dots_max )  THEN
2610       WRITE( message_string, * ) 'number of time series quantities exceeds',  &
2611                                  ' its maximum of dots_max = ', dots_max,     &
2612                                  '&Please increase dots_max in modules.f90.'
2613       CALL message( 'init_3d_model', 'PA0194', 1, 2, 0, 6, 0 )   
2614    ENDIF
2615
2616!
2617!-- Input binary data file is not needed anymore. This line must be placed
2618!-- after call of user_init!
2619    CALL close_file( 13 )
2620!
2621!-- In case of nesting, put an barrier to assure that all parent and child
2622!-- domains finished initialization.
2623#if defined( __parallel )
2624    IF ( nested_run )  CALL MPI_BARRIER( MPI_COMM_WORLD, ierr )
2625#endif
2626
2627
2628    CALL location_message( 'leaving init_3d_model', .TRUE. )
2629
2630 END SUBROUTINE init_3d_model
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.