source: palm/trunk/SOURCE/init_3d_model.f90 @ 3580

Last change on this file since 3580 was 3579, checked in by suehring, 5 years ago

Bugfix in initialization of synthetic turbulence generator and calculation of turbulence scaling parameters in case of topography; checks for synthetic turbulence generator and offline nesting added

  • 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: 100.1 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 3579 2018-11-29 15:32:39Z schwenkel $
27! Bugfix in initialization of turbulence generator
28!
29! 3569 2018-11-27 17:03:40Z kanani
30! dom_dwd_user, Schrempf:
31! Remove uv exposure model code, this is now part of biometeorology_mod,
32! remove bio_init_arrays.
33!
34! 3547 2018-11-21 13:21:24Z suehring
35! variables documented
36!
37! 3525 2018-11-14 16:06:14Z kanani
38! Changes related to clean-up of biometeorology (dom_dwd_user)
39!
40! 3524 2018-11-14 13:36:44Z raasch
41! preprocessor directive added to avoid the compiler to complain about unused
42! variable
43!
44! 3473 2018-10-30 20:50:15Z suehring
45! Add virtual measurement module
46!
47! 3472 2018-10-30 20:43:50Z suehring
48! Add indoor model (kanani, srissman, tlang)
49!
50! 3467 2018-10-30 19:05:21Z suehring
51! Implementation of a new aerosol module salsa.
52!
53! 3458 2018-10-30 14:51:23Z kanani
54! from chemistry branch r3443, basit:
55! bug fixed in sums and sums_l for chemistry profile output
56!
57! 3448 2018-10-29 18:14:31Z kanani
58! Add biometeorology
59!
60! 3421 2018-10-24 18:39:32Z gronemeier
61! Initialize surface data output
62!
63! 3415 2018-10-24 11:57:50Z suehring
64! Set bottom boundary condition for geostrophic wind components in inifor
65! initialization
66!
67! 3347 2018-10-15 14:21:08Z suehring
68! - Separate offline nesting from large_scale_nudging_mod
69! - Improve the synthetic turbulence generator
70!
71! 3298 2018-10-02 12:21:11Z kanani
72! Minor formatting (kanani)
73! Added CALL to the chem_emissions module (Russo)
74!
75! 3294 2018-10-01 02:37:10Z raasch
76! allocate and set stokes drift velocity profiles
77!
78! 3298 2018-10-02 12:21:11Z kanani
79! Minor formatting (kanani)
80! Added CALL to the chem_emissions module (Russo)
81!
82! 3294 2018-10-01 02:37:10Z raasch
83! changes concerning modularization of ocean option
84!
85! 3289 2018-09-28 10:23:58Z suehring
86! Introduce module parameter for number of inflow profiles
87!
88! 3288 2018-09-28 10:23:08Z suehring
89! Modularization of all bulk cloud physics code components
90!
91! 3241 2018-09-12 15:02:00Z raasch
92! unused variables removed
93!
94! 3234 2018-09-07 13:46:58Z schwenkel
95! The increase of dots_num in case of radiation or land surface model must
96! be done before user_init is called
97!
98! 3183 2018-07-27 14:25:55Z suehring
99! Revise Inifor initialization
100!
101! 3182 2018-07-27 13:36:03Z suehring
102! Added multi agent system
103!
104! 3129 2018-07-16 07:45:13Z gronemeier
105! Move initialization call for nudging and 1D/3D offline nesting.
106! Revise initialization with inifor data.
107!
108! 3045 2018-05-28 07:55:41Z Giersch
109! Error messages revised
110!
111! 3045 2018-05-28 07:55:41Z Giersch
112! Error messages revised
113!
114! 3042 2018-05-25 10:44:37Z schwenkel
115! Changed the name specific humidity to mixing ratio
116!
117! 3040 2018-05-25 10:22:08Z schwenkel
118! Add option to initialize warm air bubble close to surface
119!
120! 3014 2018-05-09 08:42:38Z maronga
121! Bugfix: initialization of ts_value missing
122!
123! 3011 2018-05-07 14:38:42Z schwenkel
124! removed redundant if statement
125!
126! 3004 2018-04-27 12:33:25Z Giersch
127! precipitation_rate removed
128!
129! 2995 2018-04-19 12:13:16Z Giersch
130! CALL radiation_control is not necessary during initialization because
131! calculation of radiative fluxes at model start is done in radiation_init
132! in any case
133!
134! 2977 2018-04-17 10:27:57Z kanani
135! Implement changes from branch radiation (r2948-2971) with minor modifications
136! (moh.hefny):
137! - set radiation_interactions according to the existence of urban/land vertical
138!   surfaces and trees to activiate RTM
139! - set average_radiation to TRUE if RTM is activiated
140!
141! 2938 2018-03-27 15:52:42Z suehring
142! - Revise Inifor initialization for geostrophic wind components
143! - Initialize synthetic turbulence generator in case of Inifor initialization 
144!
145! 2936 2018-03-27 14:49:27Z suehring
146! Synchronize parent and child models after initialization.
147! Remove obsolete masking of topography grid points for Runge-Kutta weighted
148! tendency arrays.
149!
150! 2920 2018-03-22 11:22:01Z kanani
151! Add call for precalculating apparent solar positions (moh.hefny)
152!
153! 2906 2018-03-19 08:56:40Z Giersch
154! The variables read/write_svf_on_init have been removed. Instead ENVIRONMENT
155! variables read/write_svf have been introduced. Location_message has been
156! added.
157!
158! 2894 2018-03-15 09:17:58Z Giersch
159! Renamed routines with respect to reading restart data, file 13 is closed in
160! rrd_read_parts_of_global now
161!
162! 2867 2018-03-09 09:40:23Z suehring
163! Further bugfix concerning call of user_init.
164!
165! 2864 2018-03-08 11:57:45Z suehring
166! Bugfix, move call of user_init in front of initialization of grid-point
167! arrays
168!
169! 2817 2018-02-19 16:32:21Z knoop
170! Preliminary gust module interface implemented
171!
172! 2776 2018-01-31 10:44:42Z Giersch
173! Variable use_synthetic_turbulence_generator has been abbreviated
174!
175! 2766 2018-01-22 17:17:47Z kanani
176! Removed preprocessor directive __chem
177!
178! 2758 2018-01-17 12:55:21Z suehring
179! In case of spinup of land- and urban-surface model, do not mask wind velocity
180! at first computational grid level
181!
182! 2746 2018-01-15 12:06:04Z suehring
183! Move flag plant canopy to modules
184!
185! 2718 2018-01-02 08:49:38Z maronga
186! Corrected "Former revisions" section
187!
188! 2705 2017-12-18 11:26:23Z maronga
189! Bugfix for reading initial profiles from ls/nuding file
190!
191! 2701 2017-12-15 15:40:50Z suehring
192! Changes from last commit documented
193!
194! 2700 2017-12-15 14:12:35Z suehring
195! Bugfix, missing initialization of surface attributes in case of
196! inifor-initialization branch
197!
198! 2698 2017-12-14 18:46:24Z suehring
199! Bugfix in get_topography_top_index
200!
201! 2696 2017-12-14 17:12:51Z kanani
202! Change in file header (GPL part)
203! Implementation of uv exposure model (FK)
204! Moved initialisation of diss, e, kh, km to turbulence_closure_mod (TG)
205! Added chemical emissions (FK)
206! Initialize masking arrays and number-of-grid-points arrays before initialize
207! LSM, USM and radiation module
208! Initialization with inifor (MS)
209!
210! 2618 2017-11-16 15:37:30Z suehring
211! Reorder calls of init_surfaces.
212!
213! 2564 2017-10-19 15:56:56Z Giersch
214! Variable wind_turbine was added to control_parameters.
215!
216! 2550 2017-10-16 17:12:01Z boeske
217! Modifications to cyclic fill method and turbulence recycling method in case of
218! complex terrain simulations
219!
220! 2513 2017-10-04 09:24:39Z kanani
221! Bugfix in storing initial scalar profile (wrong index)
222!
223! 2350 2017-08-15 11:48:26Z kanani
224! Bugfix in nopointer version
225!
226! 2339 2017-08-07 13:55:26Z gronemeier
227! corrected timestamp in header
228!
229! 2338 2017-08-07 12:15:38Z gronemeier
230! Modularize 1D model
231!
232! 2329 2017-08-03 14:24:56Z knoop
233! Removed temporary bugfix (r2327) as bug is properly resolved by this revision
234!
235! 2327 2017-08-02 07:40:57Z maronga
236! Temporary bugfix
237!
238! 2320 2017-07-21 12:47:43Z suehring
239! Modularize large-scale forcing and nudging
240!
241! 2292 2017-06-20 09:51:42Z schwenkel
242! Implementation of new microphysic scheme: cloud_scheme = 'morrison'
243! includes two more prognostic equations for cloud drop concentration (nc) 
244! and cloud water content (qc).
245!
246! 2277 2017-06-12 10:47:51Z kanani
247! Removed unused variable sums_up_fraction_l
248!
249! 2270 2017-06-09 12:18:47Z maronga
250! dots_num must be increased when LSM and/or radiation is used
251!
252! 2259 2017-06-08 09:09:11Z gronemeier
253! Implemented synthetic turbulence generator
254!
255! 2252 2017-06-07 09:35:37Z knoop
256! rho_air now depending on surface_pressure even in Boussinesq mode
257!
258! 2233 2017-05-30 18:08:54Z suehring
259!
260! 2232 2017-05-30 17:47:52Z suehring
261! Adjustments to new topography and surface concept:
262!   - Modify passed parameters for disturb_field
263!   - Topography representation via flags
264!   - Remove unused arrays.
265!   - Move initialization of surface-related quantities to surface_mod
266!
267! 2172 2017-03-08 15:55:25Z knoop
268! Bugfix: moved parallel random generator initialization into its module
269!
270! 2118 2017-01-17 16:38:49Z raasch
271! OpenACC directives removed
272!
273! 2037 2016-10-26 11:15:40Z knoop
274! Anelastic approximation implemented
275!
276! 2031 2016-10-21 15:11:58Z knoop
277! renamed variable rho to rho_ocean
278!
279! 2011 2016-09-19 17:29:57Z kanani
280! Flag urban_surface is now defined in module control_parameters.
281!
282! 2007 2016-08-24 15:47:17Z kanani
283! Added support for urban surface model,
284! adjusted location_message in case of plant_canopy
285!
286! 2000 2016-08-20 18:09:15Z knoop
287! Forced header and separation lines into 80 columns
288!
289! 1992 2016-08-12 15:14:59Z suehring
290! Initializaton of scalarflux at model top
291! Bugfixes in initialization of surface and top salinity flux, top scalar and
292! humidity fluxes
293!
294! 1960 2016-07-12 16:34:24Z suehring
295! Separate humidity and passive scalar
296! Increase dimension for mean_inflow_profiles
297! Remove inadvertent write-statement
298! Bugfix, large-scale forcing is still not implemented for passive scalars
299!
300! 1957 2016-07-07 10:43:48Z suehring
301! flight module added
302!
303! 1920 2016-05-30 10:50:15Z suehring
304! Initialize us with very small number to avoid segmentation fault during
305! calculation of Obukhov length
306!
307! 1918 2016-05-27 14:35:57Z raasch
308! intermediate_timestep_count is set 0 instead 1 for first call of pres,
309! bugfix: initialization of local sum arrays are moved to the beginning of the
310!         routine because otherwise results from pres are overwritten
311!
312! 1914 2016-05-26 14:44:07Z witha
313! Added initialization of the wind turbine model
314!
315! 1878 2016-04-19 12:30:36Z hellstea
316! The zeroth element of weight_pres removed as unnecessary
317!
318! 1849 2016-04-08 11:33:18Z hoffmann
319! Adapted for modularization of microphysics.
320! precipitation_amount, precipitation_rate, prr moved to arrays_3d.
321! Initialization of nc_1d, nr_1d, pt_1d, qc_1d, qr_1d, q_1d moved to
322! bcm_init.
323!
324! 1845 2016-04-08 08:29:13Z raasch
325! nzb_2d replaced by nzb_u|v_inner
326!
327! 1833 2016-04-07 14:23:03Z raasch
328! initialization of spectra quantities moved to spectra_mod
329!
330! 1831 2016-04-07 13:15:51Z hoffmann
331! turbulence renamed collision_turbulence
332!
333! 1826 2016-04-07 12:01:39Z maronga
334! Renamed radiation calls.
335! Renamed canopy model calls.
336!
337! 1822 2016-04-07 07:49:42Z hoffmann
338! icloud_scheme replaced by microphysics_*
339!
340! 1817 2016-04-06 15:44:20Z maronga
341! Renamed lsm calls.
342!
343! 1815 2016-04-06 13:49:59Z raasch
344! zero-settings for velocities inside topography re-activated (was deactivated
345! in r1762)
346!
347! 1788 2016-03-10 11:01:04Z maronga
348! Added z0q.
349! Syntax layout improved.
350!
351! 1783 2016-03-06 18:36:17Z raasch
352! netcdf module name changed + related changes
353!
354! 1764 2016-02-28 12:45:19Z raasch
355! bugfix: increase size of volume_flow_area_l and volume_flow_initial_l by 1
356!
357! 1762 2016-02-25 12:31:13Z hellstea
358! Introduction of nested domain feature
359!
360! 1738 2015-12-18 13:56:05Z raasch
361! calculate mean surface level height for each statistic region
362!
363! 1734 2015-12-02 12:17:12Z raasch
364! no initial disturbances in case that the disturbance energy limit has been
365! set zero
366!
367! 1707 2015-11-02 15:24:52Z maronga
368! Bugfix: transfer of Richardson number from 1D model to Obukhov length caused
369! devision by zero in neutral stratification
370!
371! 1691 2015-10-26 16:17:44Z maronga
372! Call to init_surface_layer added. rif is replaced by ol and zeta.
373!
374! 1682 2015-10-07 23:56:08Z knoop
375! Code annotations made doxygen readable
376!
377! 1615 2015-07-08 18:49:19Z suehring
378! Enable turbulent inflow for passive_scalar and humidity
379!
380! 1585 2015-04-30 07:05:52Z maronga
381! Initialization of radiation code is now done after LSM initializtion
382!
383! 1575 2015-03-27 09:56:27Z raasch
384! adjustments for psolver-queries
385!
386! 1551 2015-03-03 14:18:16Z maronga
387! Allocation of land surface arrays is now done in the subroutine lsm_init_arrays,
388! which is part of land_surface_model.
389!
390! 1507 2014-12-10 12:14:18Z suehring
391! Bugfix: set horizontal velocity components to zero inside topography
392!
393! 1496 2014-12-02 17:25:50Z maronga
394! Added initialization of the land surface and radiation schemes
395!
396! 1484 2014-10-21 10:53:05Z kanani
397! Changes due to new module structure of the plant canopy model:
398! canopy-related initialization (e.g. lad and canopy_heat_flux) moved to new
399! subroutine init_plant_canopy within the module plant_canopy_model_mod,
400! call of subroutine init_plant_canopy added.
401!
402! 1431 2014-07-15 14:47:17Z suehring
403! var_d added, in order to normalize spectra.
404!
405! 1429 2014-07-15 12:53:45Z knoop
406! Ensemble run capability added to parallel random number generator
407!
408! 1411 2014-05-16 18:01:51Z suehring
409! Initial horizontal velocity profiles were not set to zero at the first vertical
410! grid level in case of non-cyclic lateral boundary conditions.
411!
412! 1406 2014-05-16 13:47:01Z raasch
413! bugfix: setting of initial velocities at k=1 to zero not in case of a
414! no-slip boundary condition for uv
415!
416! 1402 2014-05-09 14:25:13Z raasch
417! location messages modified
418!
419! 1400 2014-05-09 14:03:54Z knoop
420! Parallel random number generator added
421!
422! 1384 2014-05-02 14:31:06Z raasch
423! location messages added
424!
425! 1361 2014-04-16 15:17:48Z hoffmann
426! tend_* removed
427! Bugfix: w_subs is not allocated anymore if it is already allocated
428!
429! 1359 2014-04-11 17:15:14Z hoffmann
430! module lpm_init_mod added to use statements, because lpm_init has become a
431! module
432!
433! 1353 2014-04-08 15:21:23Z heinze
434! REAL constants provided with KIND-attribute
435!
436! 1340 2014-03-25 19:45:13Z kanani
437! REAL constants defined as wp-kind
438!
439! 1322 2014-03-20 16:38:49Z raasch
440! REAL constants defined as wp-kind
441! module interfaces removed
442!
443! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
444! ONLY-attribute added to USE-statements,
445! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
446! kinds are defined in new module kinds,
447! revision history before 2012 removed,
448! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
449! all variable declaration statements
450!
451! 1316 2014-03-17 07:44:59Z heinze
452! Bugfix: allocation of w_subs
453!
454! 1299 2014-03-06 13:15:21Z heinze
455! Allocate w_subs due to extension of large scale subsidence in combination
456! with large scale forcing data (LSF_DATA)
457!
458! 1241 2013-10-30 11:36:58Z heinze
459! Overwrite initial profiles in case of nudging
460! Inititialize shf and qsws in case of large_scale_forcing
461!
462! 1221 2013-09-10 08:59:13Z raasch
463! +rflags_s_inner in copyin statement, use copyin for most arrays instead of
464! copy
465!
466! 1212 2013-08-15 08:46:27Z raasch
467! array tri is allocated and included in data copy statement
468!
469! 1195 2013-07-01 12:27:57Z heinze
470! Bugfix: move allocation of ref_state to parin.f90 and read_var_list.f90
471!
472! 1179 2013-06-14 05:57:58Z raasch
473! allocate and set ref_state to be used in buoyancy terms
474!
475! 1171 2013-05-30 11:27:45Z raasch
476! diss array is allocated with full size if accelerator boards are used
477!
478! 1159 2013-05-21 11:58:22Z fricke
479! -bc_lr_dirneu, bc_lr_neudir, bc_ns_dirneu, bc_ns_neudir
480!
481! 1153 2013-05-10 14:33:08Z raasch
482! diss array is allocated with dummy elements even if it is not needed
483! (required by PGI 13.4 / CUDA 5.0)
484!
485! 1115 2013-03-26 18:16:16Z hoffmann
486! unused variables removed
487!
488! 1113 2013-03-10 02:48:14Z raasch
489! openACC directive modified
490!
491! 1111 2013-03-08 23:54:10Z raasch
492! openACC directives added for pres
493! array diss allocated only if required
494!
495! 1092 2013-02-02 11:24:22Z raasch
496! unused variables removed
497!
498! 1065 2012-11-22 17:42:36Z hoffmann
499! allocation of diss (dissipation rate) in case of turbulence = .TRUE. added
500!
501! 1053 2012-11-13 17:11:03Z hoffmann
502! allocation and initialisation of necessary data arrays for the two-moment
503! cloud physics scheme the two new prognostic equations (nr, qr):
504! +dr, lambda_r, mu_r, sed_*, xr, *s, *sws, *swst, *, *_p, t*_m, *_1, *_2, *_3,
505! +tend_*, prr
506!
507! 1036 2012-10-22 13:43:42Z raasch
508! code put under GPL (PALM 3.9)
509!
510! 1032 2012-10-21 13:03:21Z letzel
511! save memory by not allocating pt_2 in case of neutral = .T.
512!
513! 1025 2012-10-07 16:04:41Z letzel
514! bugfix: swap indices of mask for ghost boundaries
515!
516! 1015 2012-09-27 09:23:24Z raasch
517! mask is set to zero for ghost boundaries
518!
519! 1010 2012-09-20 07:59:54Z raasch
520! cpp switch __nopointer added for pointer free version
521!
522! 1003 2012-09-14 14:35:53Z raasch
523! nxra,nyna, nzta replaced ny nxr, nyn, nzt
524!
525! 1001 2012-09-13 14:08:46Z raasch
526! all actions concerning leapfrog scheme removed
527!
528! 996 2012-09-07 10:41:47Z raasch
529! little reformatting
530!
531! 978 2012-08-09 08:28:32Z fricke
532! outflow damping layer removed
533! roughness length for scalar quantites z0h added
534! damping zone for the potential temperatur in case of non-cyclic lateral
535! boundaries added
536! initialization of ptdf_x, ptdf_y
537! initialization of c_u_m, c_u_m_l, c_v_m, c_v_m_l, c_w_m, c_w_m_l
538!
539! 849 2012-03-15 10:35:09Z raasch
540! init_particles renamed lpm_init
541!
542! 825 2012-02-19 03:03:44Z raasch
543! wang_collision_kernel renamed wang_kernel
544!
545! Revision 1.1  1998/03/09 16:22:22  raasch
546! Initial revision
547!
548!
549! Description:
550! ------------
551!> Allocation of arrays and initialization of the 3D model via
552!> a) pre-run the 1D model
553!> or
554!> b) pre-set constant linear profiles
555!> or
556!> c) read values of a previous run
557!------------------------------------------------------------------------------!
558 SUBROUTINE init_3d_model
559
560
561    USE advec_ws
562
563    USE arrays_3d
564
565    USE basic_constants_and_equations_mod,                                     &
566        ONLY:  c_p, g, l_v, pi, r_d, exner_function, exner_function_invers,    &
567               ideal_gas_law_rho, ideal_gas_law_rho_pt, barometric_formula
568
569    USE biometeorology_mod,                                                    &
570        ONLY:  bio_init
571
572    USE bulk_cloud_model_mod,                                                  &
573        ONLY:  bulk_cloud_model, bcm_init, bcm_init_arrays
574
575    USE chem_emissions_mod,                                                    &
576        ONLY:  chem_emissions_init
577
578    USE chem_modules,                                                          &
579        ONLY:  do_emis, max_pr_cs, nspec_out
580
581    USE control_parameters
582
583    USE flight_mod,                                                            &
584        ONLY:  flight_init
585
586    USE grid_variables,                                                        &
587        ONLY:  dx, dy, ddx2_mg, ddy2_mg
588
589    USE gust_mod,                                                              &
590        ONLY:  gust_init, gust_init_arrays, gust_module_enabled
591
592    USE indices
593
594    USE indoor_model_mod,                                                      &
595        ONLY:  im_init
596
597    USE kinds
598
599    USE land_surface_model_mod,                                                &
600        ONLY:  lsm_init, lsm_init_arrays
601
602    USE lpm_init_mod,                                                          &
603        ONLY:  lpm_init
604 
605    USE lsf_nudging_mod,                                                       &
606        ONLY:  lsf_init, ls_forcing_surf, nudge_init
607
608    USE model_1d_mod,                                                          &
609        ONLY:  init_1d_model, l1d, u1d, v1d
610
611    USE multi_agent_system_mod,                                                &
612        ONLY:  agents_active, mas_init
613
614    USE netcdf_interface,                                                      &
615        ONLY:  dots_max, dots_num, dots_unit, dots_label
616
617    USE netcdf_data_input_mod,                                                 &
618        ONLY:  chem_emis, chem_emis_att, init_3d,                              &
619               netcdf_data_input_init_3d, netcdf_data_input_interpolate
620
621    USE nesting_offl_mod,                                                      &
622        ONLY:  nesting_offl_init
623
624    USE ocean_mod,                                                             &
625        ONLY:  ocean_init, ocean_init_arrays
626
627    USE particle_attributes,                                                   &
628        ONLY:  particle_advection
629
630    USE pegrid
631
632    USE plant_canopy_model_mod,                                                &
633        ONLY:  pcm_init
634
635#if defined( __parallel )
636    USE pmc_interface,                                                         &
637        ONLY:  nested_run
638#endif
639
640    USE radiation_model_mod,                                                   &
641        ONLY:  average_radiation,                                              &
642               radiation_init, radiation, radiation_scheme,                    &
643               radiation_calc_svf, radiation_write_svf,                        &
644               radiation_interaction, radiation_interactions,                  &
645               radiation_interaction_init, radiation_read_svf,                 &
646               radiation_presimulate_solar_pos, radiation_interactions_on
647   
648    USE random_function_mod 
649   
650    USE random_generator_parallel,                                             &
651        ONLY:  init_parallel_random_generator
652       
653    USE read_restart_data_mod,                                                 &
654        ONLY:  rrd_read_parts_of_global, rrd_local   
655             
656    USE salsa_mod,                                                             &
657        ONLY:  salsa, salsa_init, salsa_init_arrays     
658   
659    USE statistics,                                                            &
660        ONLY:  hom, hom_sum, mean_surface_level_height, pr_palm, rmask,        &
661               statistic_regions, sums, sums_divnew_l, sums_divold_l, sums_l,  &
662               sums_l_l, sums_wsts_bc_l, ts_value,                             &
663               weight_pres, weight_substep
664
665    USE synthetic_turbulence_generator_mod,                                    &
666        ONLY:  parametrize_inflow_turbulence, stg_adjust, stg_init,            &
667               use_syn_turb_gen
668               
669    USE surface_layer_fluxes_mod,                                              &
670        ONLY:  init_surface_layer_fluxes
671
672    USE surface_mod,                                                           &
673        ONLY :  init_surface_arrays, init_surfaces, surf_def_h, surf_lsm_h,    &
674                surf_usm_h, get_topography_top_index_ji, vertical_surfaces_exist
675   
676    USE surface_output_mod,                                                    &
677        ONLY:  surface_output_init
678   
679    USE transpose_indices
680
681    USE turbulence_closure_mod,                                                &
682        ONLY:  tcm_init_arrays, tcm_init
683
684    USE urban_surface_mod,                                                     &
685        ONLY:  usm_init_urban_surface, usm_allocate_surface
686
687    USE virtual_measurement_mod,                                               &
688        ONLY:  vm_init
689
690    USE wind_turbine_model_mod,                                                &
691        ONLY:  wtm_init, wtm_init_arrays
692
693    IMPLICIT NONE
694
695    INTEGER(iwp) ::  i             !< grid index in x direction
696    INTEGER(iwp) ::  ind_array(1)  !< dummy used to determine start index for external pressure forcing
697    INTEGER(iwp) ::  j             !< grid index in y direction
698    INTEGER(iwp) ::  k             !< grid index in z direction
699    INTEGER(iwp) ::  k_surf        !< surface level index
700    INTEGER(iwp) ::  m             !< index of surface element in surface data type
701    INTEGER(iwp) ::  sr            !< index of statistic region
702
703    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE   ::  ngp_2dh_l  !< toal number of horizontal grid points in statistical region on subdomain
704
705    INTEGER(iwp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  ngp_2dh_outer_l    !< number of horizontal non-wall bounded grid points on subdomain
706    INTEGER(iwp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  ngp_2dh_s_inner_l  !< number of horizontal non-topography grid points on subdomain
707
708    REAL(wp)     ::  t_surface !< air temperature at the surface
709
710    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  init_l        !< dummy array used for averaging 3D data to obtain inital profiles
711    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  p_hydrostatic !< hydrostatic pressure
712
713    INTEGER(iwp) ::  l       !< loop variable
714    INTEGER(iwp) ::  nzt_l   !< index of top PE boundary for multigrid level
715    REAL(wp) ::  dx_l !< grid spacing along x on different multigrid level
716    REAL(wp) ::  dy_l !< grid spacing along y on different multigrid level
717
718    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  volume_flow_area_l     !< area of lateral and top model domain surface on local subdomain
719    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  volume_flow_initial_l  !< initial volume flow into model domain
720
721    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  mean_surface_level_height_l !< mean surface level height on subdomain
722    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  ngp_3d_inner_l    !< total number of non-topography grid points on subdomain
723    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  ngp_3d_inner_tmp  !< total number of non-topography grid points
724
725    INTEGER(iwp) ::  nz_u_shift   !< topography-top index on u-grid, used to vertically shift initial profiles
726    INTEGER(iwp) ::  nz_v_shift   !< topography-top index on v-grid, used to vertically shift initial profiles
727    INTEGER(iwp) ::  nz_w_shift   !< topography-top index on w-grid, used to vertically shift initial profiles
728    INTEGER(iwp) ::  nz_s_shift   !< topography-top index on scalar-grid, used to vertically shift initial profiles
729    INTEGER(iwp) ::  nz_u_shift_l !< topography-top index on u-grid, used to vertically shift initial profiles
730    INTEGER(iwp) ::  nz_v_shift_l !< topography-top index on v-grid, used to vertically shift initial profiles
731    INTEGER(iwp) ::  nz_w_shift_l !< topography-top index on w-grid, used to vertically shift initial profiles
732    INTEGER(iwp) ::  nz_s_shift_l !< topography-top index on scalar-grid, used to vertically shift initial profiles
733
734    CALL location_message( 'allocating arrays', .FALSE. )
735!
736!-- Allocate arrays
737    ALLOCATE( mean_surface_level_height(0:statistic_regions),                  &
738              mean_surface_level_height_l(0:statistic_regions),                &
739              ngp_2dh(0:statistic_regions), ngp_2dh_l(0:statistic_regions),    &
740              ngp_3d(0:statistic_regions),                                     &
741              ngp_3d_inner(0:statistic_regions),                               &
742              ngp_3d_inner_l(0:statistic_regions),                             &
743              ngp_3d_inner_tmp(0:statistic_regions),                           &
744              sums_divnew_l(0:statistic_regions),                              &
745              sums_divold_l(0:statistic_regions) )
746    ALLOCATE( dp_smooth_factor(nzb:nzt), rdf(nzb+1:nzt), rdf_sc(nzb+1:nzt) )
747    ALLOCATE( ngp_2dh_outer(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                    &
748              ngp_2dh_outer_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                  &
749              ngp_2dh_s_inner(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                  &
750              ngp_2dh_s_inner_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                &
751              rmask(nysg:nyng,nxlg:nxrg,0:statistic_regions),                  &
752              sums(nzb:nzt+1,pr_palm+max_pr_user+max_pr_cs),                   &
753              sums_l(nzb:nzt+1,pr_palm+max_pr_user+max_pr_cs,0:threads_per_task-1),      &
754              sums_l_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions,0:threads_per_task-1),    &
755              sums_wsts_bc_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                   &
756              ts_value(dots_max,0:statistic_regions) )
757    ALLOCATE( ptdf_x(nxlg:nxrg), ptdf_y(nysg:nyng) )
758
759    ALLOCATE( d(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr),                                    &
760              p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                                &
761              tend(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
762
763#if defined( __nopointer )
764    ALLOCATE( pt(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                               &
765              pt_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
766              u(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                                &
767              u_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
768              v(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                                &
769              v_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
770              w(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                                &
771              w_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
772              tpt_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                            &
773              tu_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
774              tv_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
775              tw_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
776#else
777    ALLOCATE( pt_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
778              pt_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
779              u_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
780              u_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
781              u_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
782              v_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
783              v_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
784              v_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
785              w_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
786              w_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
787              w_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
788    IF (  .NOT.  neutral )  THEN
789       ALLOCATE( pt_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
790    ENDIF
791#endif
792
793!
794!-- Following array is required for perturbation pressure within the iterative
795!-- pressure solvers. For the multistep schemes (Runge-Kutta), array p holds
796!-- the weighted average of the substeps and cannot be used in the Poisson
797!-- solver.
798    IF ( psolver == 'sor' )  THEN
799       ALLOCATE( p_loc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
800    ELSEIF ( psolver(1:9) == 'multigrid' )  THEN
801!
802!--    For performance reasons, multigrid is using one ghost layer only
803       ALLOCATE( p_loc(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
804    ENDIF
805
806!
807!-- Array for storing constant coeffficients of the tridiagonal solver
808    IF ( psolver == 'poisfft' )  THEN
809       ALLOCATE( tri(nxl_z:nxr_z,nys_z:nyn_z,0:nz-1,2) )
810       ALLOCATE( tric(nxl_z:nxr_z,nys_z:nyn_z,0:nz-1) )
811    ENDIF
812
813    IF ( humidity )  THEN
814!
815!--    3D-humidity
816#if defined( __nopointer )
817       ALLOCATE( q(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
818                 q_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
819                 tq_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                          &
820                 vpt(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
821#else
822       ALLOCATE( q_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
823                 q_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
824                 q_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
825                 vpt_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ) 
826#endif
827
828       IF ( cloud_droplets )  THEN
829!
830!--       Liquid water content, change in liquid water content
831#if defined( __nopointer )
832          ALLOCATE ( ql(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                        &
833                     ql_c(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
834#else
835          ALLOCATE ( ql_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                      &
836                     ql_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
837#endif
838!
839!--       Real volume of particles (with weighting), volume of particles
840          ALLOCATE ( ql_v(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                      &
841                     ql_vp(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
842       ENDIF
843
844    ENDIF   
845   
846    IF ( passive_scalar )  THEN
847
848!
849!--    3D scalar arrays
850#if defined( __nopointer )
851       ALLOCATE( s(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
852                 s_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
853                 ts_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
854#else
855       ALLOCATE( s_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
856                 s_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
857                 s_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
858#endif
859    ENDIF
860
861!
862!-- Allocate and set 1d-profiles for Stokes drift velocity. It may be set to
863!-- non-zero values later in ocean_init
864    ALLOCATE( u_stokes_zu(nzb:nzt+1), u_stokes_zw(nzb:nzt+1),                  &
865              v_stokes_zu(nzb:nzt+1), v_stokes_zw(nzb:nzt+1) )
866    u_stokes_zu(:) = 0.0_wp
867    u_stokes_zw(:) = 0.0_wp
868    v_stokes_zu(:) = 0.0_wp
869    v_stokes_zw(:) = 0.0_wp
870
871!
872!-- Allocation of anelastic and Boussinesq approximation specific arrays
873    ALLOCATE( p_hydrostatic(nzb:nzt+1) )
874    ALLOCATE( rho_air(nzb:nzt+1) )
875    ALLOCATE( rho_air_zw(nzb:nzt+1) )
876    ALLOCATE( drho_air(nzb:nzt+1) )
877    ALLOCATE( drho_air_zw(nzb:nzt+1) )
878!
879!-- Density profile calculation for anelastic approximation
880    t_surface = pt_surface * ( surface_pressure / 1000.0_wp )**( r_d / c_p )
881    IF ( TRIM( approximation ) == 'anelastic' ) THEN
882       DO  k = nzb, nzt+1
883          p_hydrostatic(k)    = surface_pressure * 100.0_wp *                  &
884                                ( 1 - ( g * zu(k) ) / ( c_p * t_surface )      &
885                                )**( c_p / r_d )
886          rho_air(k)          = ( p_hydrostatic(k) *                           &
887                                  ( 100000.0_wp / p_hydrostatic(k)             &
888                                  )**( r_d / c_p )                             &
889                                ) / ( r_d * pt_init(k) )
890       ENDDO
891       DO  k = nzb, nzt
892          rho_air_zw(k) = 0.5_wp * ( rho_air(k) + rho_air(k+1) )
893       ENDDO
894       rho_air_zw(nzt+1)  = rho_air_zw(nzt)                                    &
895                            + 2.0_wp * ( rho_air(nzt+1) - rho_air_zw(nzt)  )
896    ELSE
897       DO  k = nzb, nzt+1
898          p_hydrostatic(k)    = surface_pressure * 100.0_wp *                  &
899                                ( 1 - ( g * zu(nzb) ) / ( c_p * t_surface )    &
900                                )**( c_p / r_d )
901          rho_air(k)          = ( p_hydrostatic(k) *                           &
902                                  ( 100000.0_wp / p_hydrostatic(k)             &
903                                  )**( r_d / c_p )                             &
904                                ) / ( r_d * pt_init(nzb) )
905       ENDDO
906       DO  k = nzb, nzt
907          rho_air_zw(k) = 0.5_wp * ( rho_air(k) + rho_air(k+1) )
908       ENDDO
909       rho_air_zw(nzt+1)  = rho_air_zw(nzt)                                    &
910                            + 2.0_wp * ( rho_air(nzt+1) - rho_air_zw(nzt)  )
911    ENDIF
912!
913!-- compute the inverse density array in order to avoid expencive divisions
914    drho_air    = 1.0_wp / rho_air
915    drho_air_zw = 1.0_wp / rho_air_zw
916
917!
918!-- Allocation of flux conversion arrays
919    ALLOCATE( heatflux_input_conversion(nzb:nzt+1) )
920    ALLOCATE( waterflux_input_conversion(nzb:nzt+1) )
921    ALLOCATE( momentumflux_input_conversion(nzb:nzt+1) )
922    ALLOCATE( heatflux_output_conversion(nzb:nzt+1) )
923    ALLOCATE( waterflux_output_conversion(nzb:nzt+1) )
924    ALLOCATE( momentumflux_output_conversion(nzb:nzt+1) )
925
926!
927!-- calculate flux conversion factors according to approximation and in-/output mode
928    DO  k = nzb, nzt+1
929
930        IF ( TRIM( flux_input_mode ) == 'kinematic' )  THEN
931            heatflux_input_conversion(k)      = rho_air_zw(k)
932            waterflux_input_conversion(k)     = rho_air_zw(k)
933            momentumflux_input_conversion(k)  = rho_air_zw(k)
934        ELSEIF ( TRIM( flux_input_mode ) == 'dynamic' ) THEN
935            heatflux_input_conversion(k)      = 1.0_wp / c_p
936            waterflux_input_conversion(k)     = 1.0_wp / l_v
937            momentumflux_input_conversion(k)  = 1.0_wp
938        ENDIF
939
940        IF ( TRIM( flux_output_mode ) == 'kinematic' )  THEN
941            heatflux_output_conversion(k)     = drho_air_zw(k)
942            waterflux_output_conversion(k)    = drho_air_zw(k)
943            momentumflux_output_conversion(k) = drho_air_zw(k)
944        ELSEIF ( TRIM( flux_output_mode ) == 'dynamic' ) THEN
945            heatflux_output_conversion(k)     = c_p
946            waterflux_output_conversion(k)    = l_v
947            momentumflux_output_conversion(k) = 1.0_wp
948        ENDIF
949
950        IF ( .NOT. humidity ) THEN
951            waterflux_input_conversion(k)  = 1.0_wp
952            waterflux_output_conversion(k) = 1.0_wp
953        ENDIF
954
955    ENDDO
956
957!
958!-- In case of multigrid method, compute grid lengths and grid factors for the
959!-- grid levels with respective density on each grid
960    IF ( psolver(1:9) == 'multigrid' )  THEN
961
962       ALLOCATE( ddx2_mg(maximum_grid_level) )
963       ALLOCATE( ddy2_mg(maximum_grid_level) )
964       ALLOCATE( dzu_mg(nzb+1:nzt+1,maximum_grid_level) )
965       ALLOCATE( dzw_mg(nzb+1:nzt+1,maximum_grid_level) )
966       ALLOCATE( f1_mg(nzb+1:nzt,maximum_grid_level) )
967       ALLOCATE( f2_mg(nzb+1:nzt,maximum_grid_level) )
968       ALLOCATE( f3_mg(nzb+1:nzt,maximum_grid_level) )
969       ALLOCATE( rho_air_mg(nzb:nzt+1,maximum_grid_level) )
970       ALLOCATE( rho_air_zw_mg(nzb:nzt+1,maximum_grid_level) )
971
972       dzu_mg(:,maximum_grid_level) = dzu
973       rho_air_mg(:,maximum_grid_level) = rho_air
974!       
975!--    Next line to ensure an equally spaced grid.
976       dzu_mg(1,maximum_grid_level) = dzu(2)
977       rho_air_mg(nzb,maximum_grid_level) = rho_air(nzb) +                     &
978                                             (rho_air(nzb) - rho_air(nzb+1))
979
980       dzw_mg(:,maximum_grid_level) = dzw
981       rho_air_zw_mg(:,maximum_grid_level) = rho_air_zw
982       nzt_l = nzt
983       DO  l = maximum_grid_level-1, 1, -1
984           dzu_mg(nzb+1,l) = 2.0_wp * dzu_mg(nzb+1,l+1)
985           dzw_mg(nzb+1,l) = 2.0_wp * dzw_mg(nzb+1,l+1)
986           rho_air_mg(nzb,l)    = rho_air_mg(nzb,l+1) + (rho_air_mg(nzb,l+1) - rho_air_mg(nzb+1,l+1))
987           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))
988           rho_air_mg(nzb+1,l)    = rho_air_mg(nzb+1,l+1)
989           rho_air_zw_mg(nzb+1,l) = rho_air_zw_mg(nzb+1,l+1)
990           nzt_l = nzt_l / 2
991           DO  k = 2, nzt_l+1
992              dzu_mg(k,l) = dzu_mg(2*k-2,l+1) + dzu_mg(2*k-1,l+1)
993              dzw_mg(k,l) = dzw_mg(2*k-2,l+1) + dzw_mg(2*k-1,l+1)
994              rho_air_mg(k,l)    = rho_air_mg(2*k-1,l+1)
995              rho_air_zw_mg(k,l) = rho_air_zw_mg(2*k-1,l+1)
996           ENDDO
997       ENDDO
998
999       nzt_l = nzt
1000       dx_l  = dx
1001       dy_l  = dy
1002       DO  l = maximum_grid_level, 1, -1
1003          ddx2_mg(l) = 1.0_wp / dx_l**2
1004          ddy2_mg(l) = 1.0_wp / dy_l**2
1005          DO  k = nzb+1, nzt_l
1006             f2_mg(k,l) = rho_air_zw_mg(k,l) / ( dzu_mg(k+1,l) * dzw_mg(k,l) )
1007             f3_mg(k,l) = rho_air_zw_mg(k-1,l) / ( dzu_mg(k,l)   * dzw_mg(k,l) )
1008             f1_mg(k,l) = 2.0_wp * ( ddx2_mg(l) + ddy2_mg(l) ) &
1009                          * rho_air_mg(k,l) + f2_mg(k,l) + f3_mg(k,l)
1010          ENDDO
1011          nzt_l = nzt_l / 2
1012          dx_l  = dx_l * 2.0_wp
1013          dy_l  = dy_l * 2.0_wp
1014       ENDDO
1015
1016    ENDIF
1017
1018!
1019!-- 1D-array for large scale subsidence velocity
1020    IF ( .NOT. ALLOCATED( w_subs ) )  THEN
1021       ALLOCATE ( w_subs(nzb:nzt+1) )
1022       w_subs = 0.0_wp
1023    ENDIF
1024
1025!
1026!-- Arrays to store velocity data from t-dt and the phase speeds which
1027!-- are needed for radiation boundary conditions
1028    IF ( bc_radiation_l )  THEN
1029       ALLOCATE( u_m_l(nzb:nzt+1,nysg:nyng,1:2),                               &
1030                 v_m_l(nzb:nzt+1,nysg:nyng,0:1),                               &
1031                 w_m_l(nzb:nzt+1,nysg:nyng,0:1) )
1032    ENDIF
1033    IF ( bc_radiation_r )  THEN
1034       ALLOCATE( u_m_r(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nx-1:nx),                           &
1035                 v_m_r(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nx-1:nx),                           &
1036                 w_m_r(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nx-1:nx) )
1037    ENDIF
1038    IF ( bc_radiation_l  .OR.  bc_radiation_r )  THEN
1039       ALLOCATE( c_u(nzb:nzt+1,nysg:nyng), c_v(nzb:nzt+1,nysg:nyng),           &
1040                 c_w(nzb:nzt+1,nysg:nyng) )
1041    ENDIF
1042    IF ( bc_radiation_s )  THEN
1043       ALLOCATE( u_m_s(nzb:nzt+1,0:1,nxlg:nxrg),                               &
1044                 v_m_s(nzb:nzt+1,1:2,nxlg:nxrg),                               &
1045                 w_m_s(nzb:nzt+1,0:1,nxlg:nxrg) )
1046    ENDIF
1047    IF ( bc_radiation_n )  THEN
1048       ALLOCATE( u_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny,nxlg:nxrg),                           &
1049                 v_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny,nxlg:nxrg),                           &
1050                 w_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny,nxlg:nxrg) )
1051    ENDIF
1052    IF ( bc_radiation_s  .OR.  bc_radiation_n )  THEN
1053       ALLOCATE( c_u(nzb:nzt+1,nxlg:nxrg), c_v(nzb:nzt+1,nxlg:nxrg),           &
1054                 c_w(nzb:nzt+1,nxlg:nxrg) )
1055    ENDIF
1056    IF ( bc_radiation_l  .OR.  bc_radiation_r  .OR.  bc_radiation_s  .OR.      &
1057         bc_radiation_n )  THEN
1058       ALLOCATE( c_u_m_l(nzb:nzt+1), c_v_m_l(nzb:nzt+1), c_w_m_l(nzb:nzt+1) )                   
1059       ALLOCATE( c_u_m(nzb:nzt+1), c_v_m(nzb:nzt+1), c_w_m(nzb:nzt+1) )
1060    ENDIF
1061
1062
1063#if ! defined( __nopointer )
1064!
1065!-- Initial assignment of the pointers
1066    IF ( .NOT. neutral )  THEN
1067       pt => pt_1;  pt_p => pt_2;  tpt_m => pt_3
1068    ELSE
1069       pt => pt_1;  pt_p => pt_1;  tpt_m => pt_3
1070    ENDIF
1071    u  => u_1;   u_p  => u_2;   tu_m  => u_3
1072    v  => v_1;   v_p  => v_2;   tv_m  => v_3
1073    w  => w_1;   w_p  => w_2;   tw_m  => w_3
1074
1075    IF ( humidity )  THEN
1076       q => q_1;  q_p => q_2;  tq_m => q_3
1077       vpt  => vpt_1
1078       IF ( cloud_droplets )  THEN
1079          ql   => ql_1
1080          ql_c => ql_2
1081       ENDIF
1082    ENDIF
1083   
1084    IF ( passive_scalar )  THEN
1085       s => s_1;  s_p => s_2;  ts_m => s_3
1086    ENDIF   
1087#endif
1088
1089!
1090!-- Initialize arrays for turbulence closure
1091    CALL tcm_init_arrays
1092!
1093!-- Initialize surface arrays
1094    CALL init_surface_arrays
1095!
1096!-- Allocate arrays for other modules
1097    IF ( bulk_cloud_model    )  CALL bcm_init_arrays
1098    IF ( gust_module_enabled )  CALL gust_init_arrays
1099    IF ( land_surface        )  CALL lsm_init_arrays
1100    IF ( ocean_mode          )  CALL ocean_init_arrays
1101    IF ( salsa               )  CALL salsa_init_arrays
1102    IF ( wind_turbine        )  CALL wtm_init_arrays
1103
1104!
1105!-- Initialize virtual flight measurements
1106    IF ( virtual_flight )  THEN
1107       CALL flight_init
1108    ENDIF
1109
1110
1111!
1112!-- Allocate arrays containing the RK coefficient for calculation of
1113!-- perturbation pressure and turbulent fluxes. At this point values are
1114!-- set for pressure calculation during initialization (where no timestep
1115!-- is done). Further below the values needed within the timestep scheme
1116!-- will be set.
1117    ALLOCATE( weight_substep(1:intermediate_timestep_count_max),               &
1118              weight_pres(1:intermediate_timestep_count_max) )
1119    weight_substep = 1.0_wp
1120    weight_pres    = 1.0_wp
1121    intermediate_timestep_count = 0  ! needed when simulated_time = 0.0
1122       
1123    CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
1124
1125!
1126!-- Initialize time series
1127    ts_value = 0.0_wp
1128
1129!
1130!-- Initialize local summation arrays for routine flow_statistics.
1131!-- This is necessary because they may not yet have been initialized when they
1132!-- are called from flow_statistics (or - depending on the chosen model run -
1133!-- are never initialized)
1134    sums_divnew_l      = 0.0_wp
1135    sums_divold_l      = 0.0_wp
1136    sums_l_l           = 0.0_wp
1137    sums_wsts_bc_l     = 0.0_wp
1138   
1139!
1140!-- Initialize model variables
1141    IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data'  .AND.            &
1142         TRIM( initializing_actions ) /= 'cyclic_fill' )  THEN
1143!
1144!--    Initialization with provided input data derived from larger-scale model
1145       IF ( INDEX( initializing_actions, 'inifor' ) /= 0 )  THEN
1146          CALL location_message( 'initializing with INIFOR', .FALSE. )
1147!
1148!--       Read initial 1D profiles or 3D data from NetCDF file, depending
1149!--       on the provided level-of-detail.
1150!--       At the moment, only u, v, w, pt and q are provided.
1151          CALL netcdf_data_input_init_3d
1152!
1153!--       Please note, Inifor provides data from nzb+1 to nzt.
1154!--       Bottom and top boundary conditions for Inifor profiles are already
1155!--       set (just after reading), so that this is not necessary here.
1156!--       Depending on the provided level-of-detail, initial Inifor data is
1157!--       either stored on data type (lod=1), or directly on 3D arrays (lod=2).
1158!--       In order to obtain also initial profiles in case of lod=2 (which
1159!--       is required for e.g. damping), average over 3D data.
1160          IF( init_3d%lod_u == 1 )  THEN
1161             u_init = init_3d%u_init
1162          ELSEIF( init_3d%lod_u == 2 )  THEN
1163             ALLOCATE( init_l(nzb:nzt+1) ) 
1164             DO  k = nzb, nzt+1
1165                init_l(k) = SUM( u(k,nys:nyn,nxl:nxr) )
1166             ENDDO
1167             init_l = init_l / REAL( ( nx + 1 ) * ( ny + 1 ), KIND = wp )
1168
1169#if defined( __parallel )
1170             CALL MPI_ALLREDUCE( init_l, u_init, nzt+1-nzb+1,                  &
1171                                 MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1172#else
1173             u_init = init_l
1174#endif
1175             DEALLOCATE( init_l )
1176
1177          ENDIF
1178           
1179          IF( init_3d%lod_v == 1 )  THEN 
1180             v_init = init_3d%v_init
1181          ELSEIF( init_3d%lod_v == 2 )  THEN
1182             ALLOCATE( init_l(nzb:nzt+1) ) 
1183             DO  k = nzb, nzt+1
1184                init_l(k) = SUM( v(k,nys:nyn,nxl:nxr) )
1185             ENDDO
1186             init_l = init_l / REAL( ( nx + 1 ) * ( ny + 1 ), KIND = wp )
1187
1188#if defined( __parallel )
1189             CALL MPI_ALLREDUCE( init_l, v_init, nzt+1-nzb+1,                  &
1190                                 MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1191#else
1192             v_init = init_l
1193#endif
1194             DEALLOCATE( init_l )
1195          ENDIF
1196          IF( .NOT. neutral )  THEN
1197             IF( init_3d%lod_pt == 1 )  THEN
1198                pt_init = init_3d%pt_init
1199             ELSEIF( init_3d%lod_pt == 2 )  THEN
1200                ALLOCATE( init_l(nzb:nzt+1) ) 
1201                DO  k = nzb, nzt+1
1202                   init_l(k) = SUM( pt(k,nys:nyn,nxl:nxr) )
1203                ENDDO
1204                init_l = init_l / REAL( ( nx + 1 ) * ( ny + 1 ), KIND = wp )
1205
1206#if defined( __parallel )
1207                CALL MPI_ALLREDUCE( init_l, pt_init, nzt+1-nzb+1,               &
1208                                    MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1209#else
1210                pt_init = init_l
1211#endif
1212                DEALLOCATE( init_l )
1213             ENDIF
1214          ENDIF
1215
1216
1217          IF( humidity )  THEN
1218             IF( init_3d%lod_q == 1 )  THEN
1219                q_init = init_3d%q_init
1220             ELSEIF( init_3d%lod_q == 2 )  THEN
1221                ALLOCATE( init_l(nzb:nzt+1) ) 
1222                DO  k = nzb, nzt+1
1223                   init_l(k) = SUM( q(k,nys:nyn,nxl:nxr) )
1224                ENDDO
1225                init_l = init_l / REAL( ( nx + 1 ) * ( ny + 1 ), KIND = wp )
1226
1227#if defined( __parallel )
1228                CALL MPI_ALLREDUCE( init_l, q_init, nzt+1-nzb+1,               &
1229                                    MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1230#else
1231                q_init = init_l
1232#endif
1233                DEALLOCATE( init_l )
1234             ENDIF
1235          ENDIF
1236
1237!
1238!--       Write initial profiles onto 3D arrays. Note, only in case of lod = 1,
1239!--       for lod = 2 data is already on 3D arrays.   
1240          DO  i = nxlg, nxrg
1241             DO  j = nysg, nyng
1242                IF( init_3d%lod_u == 1 )  u(:,j,i) = u_init(:)
1243                IF( init_3d%lod_v == 1 )  v(:,j,i) = v_init(:)
1244                IF( .NOT. neutral  .AND.  init_3d%lod_pt == 1 )                &
1245                   pt(:,j,i) = pt_init(:)
1246                IF( humidity  .AND.  init_3d%lod_q == 1 )  q(:,j,i) = q_init(:)
1247             ENDDO
1248          ENDDO
1249!
1250!--       Exchange ghost points in case of level-of-detail = 2
1251          IF( init_3d%lod_u == 2 )   CALL exchange_horiz( u, nbgp )
1252          IF( init_3d%lod_v == 2 )   CALL exchange_horiz( v, nbgp )
1253          IF( init_3d%lod_w == 2 )   CALL exchange_horiz( w, nbgp )
1254          IF( .NOT. neutral  .AND.  init_3d%lod_pt == 2 )                      &
1255             CALL exchange_horiz( pt, nbgp )
1256          IF( humidity  .AND.  init_3d%lod_q == 2 )                            &
1257             CALL exchange_horiz( q, nbgp )
1258!
1259!--       Set geostrophic wind components. 
1260          IF ( init_3d%from_file_ug )  THEN
1261             ug(:) = init_3d%ug_init(:)
1262          ENDIF
1263          IF ( init_3d%from_file_vg )  THEN
1264             vg(:) = init_3d%vg_init(:)
1265          ENDIF
1266!
1267!--       Set bottom and top boundary condition for geostrophic wind
1268          ug(nzt+1) = ug(nzt)
1269          vg(nzt+1) = vg(nzt)
1270          ug(nzb)   = ug(nzb+1)
1271          vg(nzb)   = vg(nzb+1)
1272!
1273!--       Set inital w to 0
1274          w = 0.0_wp
1275
1276          IF ( passive_scalar )  THEN
1277             DO  i = nxlg, nxrg
1278                DO  j = nysg, nyng
1279                   s(:,j,i) = s_init
1280                ENDDO
1281             ENDDO
1282          ENDIF
1283
1284!
1285!--       Set velocity components at non-atmospheric / oceanic grid points to
1286!--       zero.
1287          u = MERGE( u, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 1 ) )
1288          v = MERGE( v, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 2 ) )
1289          w = MERGE( w, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 3 ) )
1290!
1291!--       Initialize surface variables, e.g. friction velocity, momentum
1292!--       fluxes, etc.
1293          CALL init_surfaces
1294!
1295!--       Initialize turbulence generator
1296          IF( use_syn_turb_gen )  CALL stg_init
1297
1298          CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
1299!
1300!--    Initialization via computed 1D-model profiles
1301       ELSEIF ( INDEX( initializing_actions, 'set_1d-model_profiles' ) /= 0 )  THEN
1302
1303          CALL location_message( 'initializing with 1D model profiles', .FALSE. )
1304!
1305!--       Use solutions of the 1D model as initial profiles,
1306!--       start 1D model
1307          CALL init_1d_model
1308!
1309!--       Transfer initial profiles to the arrays of the 3D model
1310          DO  i = nxlg, nxrg
1311             DO  j = nysg, nyng
1312                pt(:,j,i) = pt_init
1313                u(:,j,i)  = u1d
1314                v(:,j,i)  = v1d
1315             ENDDO
1316          ENDDO
1317
1318          IF ( humidity )  THEN
1319             DO  i = nxlg, nxrg
1320                DO  j = nysg, nyng
1321                   q(:,j,i) = q_init
1322                ENDDO
1323             ENDDO
1324          ENDIF
1325
1326          IF ( passive_scalar )  THEN
1327             DO  i = nxlg, nxrg
1328                DO  j = nysg, nyng
1329                   s(:,j,i) = s_init
1330                ENDDO
1331             ENDDO   
1332          ENDIF
1333!
1334!--          Store initial profiles for output purposes etc.
1335          IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
1336             hom(:,1,25,:) = SPREAD( l1d, 2, statistic_regions+1 )
1337          ENDIF
1338!
1339!--       Set velocities back to zero
1340          u = MERGE( u, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 1 ) )
1341          v = MERGE( v, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 2 ) )         
1342!
1343!--       WARNING: The extra boundary conditions set after running the
1344!--       -------  1D model impose an error on the divergence one layer
1345!--                below the topography; need to correct later
1346!--       ATTENTION: Provisional correction for Piacsek & Williams
1347!--       ---------  advection scheme: keep u and v zero one layer below
1348!--                  the topography.
1349          IF ( ibc_uv_b == 1 )  THEN
1350!
1351!--          Neumann condition
1352             DO  i = nxl-1, nxr+1
1353                DO  j = nys-1, nyn+1
1354                   u(nzb,j,i) = u(nzb+1,j,i)
1355                   v(nzb,j,i) = v(nzb+1,j,i)
1356                ENDDO
1357             ENDDO
1358
1359          ENDIF
1360!
1361!--       Initialize surface variables, e.g. friction velocity, momentum
1362!--       fluxes, etc.
1363          CALL init_surfaces
1364!
1365!--       Initialize synthetic turbulence generator if required
1366          IF( use_syn_turb_gen )  CALL stg_init
1367
1368          CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
1369
1370       ELSEIF ( INDEX(initializing_actions, 'set_constant_profiles') /= 0 )    &
1371       THEN
1372
1373          CALL location_message( 'initializing with constant profiles', .FALSE. )
1374
1375!
1376!--       Use constructed initial profiles (velocity constant with height,
1377!--       temperature profile with constant gradient)
1378          DO  i = nxlg, nxrg
1379             DO  j = nysg, nyng
1380                pt(:,j,i) = pt_init
1381                u(:,j,i)  = u_init
1382                v(:,j,i)  = v_init
1383             ENDDO
1384          ENDDO
1385!
1386!--       Mask topography
1387          u = MERGE( u, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 1 ) )
1388          v = MERGE( v, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 2 ) )
1389!
1390!--       Set initial horizontal velocities at the lowest computational grid
1391!--       levels to zero in order to avoid too small time steps caused by the
1392!--       diffusion limit in the initial phase of a run (at k=1, dz/2 occurs
1393!--       in the limiting formula!).
1394!--       Please note, in case land- or urban-surface model is used and a
1395!--       spinup is applied, masking the lowest computational level is not
1396!--       possible as MOST as well as energy-balance parametrizations will not
1397!--       work with zero wind velocity.
1398          IF ( ibc_uv_b /= 1  .AND.  .NOT.  spinup )  THEN
1399             DO  i = nxlg, nxrg
1400                DO  j = nysg, nyng
1401                   DO  k = nzb, nzt
1402                      u(k,j,i) = MERGE( u(k,j,i), 0.0_wp,                      &
1403                                        BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 20 ) )
1404                      v(k,j,i) = MERGE( v(k,j,i), 0.0_wp,                      &
1405                                        BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 21 ) )
1406                   ENDDO
1407                ENDDO
1408             ENDDO
1409          ENDIF
1410
1411          IF ( humidity )  THEN
1412             DO  i = nxlg, nxrg
1413                DO  j = nysg, nyng
1414                   q(:,j,i) = q_init
1415                ENDDO
1416             ENDDO
1417          ENDIF
1418         
1419          IF ( passive_scalar )  THEN
1420             DO  i = nxlg, nxrg
1421                DO  j = nysg, nyng
1422                   s(:,j,i) = s_init
1423                ENDDO
1424             ENDDO
1425          ENDIF
1426
1427!
1428!--       Compute initial temperature field and other constants used in case
1429!--       of a sloping surface
1430          IF ( sloping_surface )  CALL init_slope
1431!
1432!--       Initialize surface variables, e.g. friction velocity, momentum
1433!--       fluxes, etc.
1434          CALL init_surfaces
1435!
1436!--       Initialize synthetic turbulence generator if required
1437          IF( use_syn_turb_gen )  CALL stg_init
1438         
1439          CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
1440
1441       ELSEIF ( INDEX(initializing_actions, 'by_user') /= 0 )                  &
1442       THEN
1443
1444          CALL location_message( 'initializing by user', .FALSE. )
1445!
1446!--       Pre-initialize surface variables, i.e. setting start- and end-indices
1447!--       at each (j,i)-location. Please note, this does not supersede
1448!--       user-defined initialization of surface quantities.
1449          CALL init_surfaces
1450!
1451!--       Initialization will completely be done by the user
1452          CALL user_init_3d_model
1453
1454          CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
1455
1456       ENDIF
1457
1458       CALL location_message( 'initializing statistics, boundary conditions, etc.', &
1459                              .FALSE. )
1460
1461!
1462!--    Bottom boundary
1463       IF ( ibc_uv_b == 0 .OR. ibc_uv_b == 2  )  THEN
1464          u(nzb,:,:) = 0.0_wp
1465          v(nzb,:,:) = 0.0_wp
1466       ENDIF
1467
1468!
1469!--    Apply channel flow boundary condition
1470       IF ( TRIM( bc_uv_t ) == 'dirichlet_0' )  THEN
1471          u(nzt+1,:,:) = 0.0_wp
1472          v(nzt+1,:,:) = 0.0_wp
1473       ENDIF
1474
1475!
1476!--    Calculate virtual potential temperature
1477       IF ( humidity )  vpt = pt * ( 1.0_wp + 0.61_wp * q )
1478
1479!
1480!--    Store initial profiles for output purposes etc.. Please note, in case of
1481!--    initialization of u, v, w, pt, and q via output data derived from larger
1482!--    scale models, data will not be horizontally homogeneous. Actually, a mean
1483!--    profile should be calculated before.   
1484       hom(:,1,5,:) = SPREAD( u(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1485       hom(:,1,6,:) = SPREAD( v(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1486       IF ( ibc_uv_b == 0 .OR. ibc_uv_b == 2)  THEN
1487          hom(nzb,1,5,:) = 0.0_wp
1488          hom(nzb,1,6,:) = 0.0_wp
1489       ENDIF
1490       hom(:,1,7,:)  = SPREAD( pt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1491
1492       IF ( humidity )  THEN
1493!
1494!--       Store initial profile of total water content, virtual potential
1495!--       temperature
1496          hom(:,1,26,:) = SPREAD(   q(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1497          hom(:,1,29,:) = SPREAD( vpt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1498!
1499!--       Store initial profile of mixing ratio and potential
1500!--       temperature
1501          IF ( bulk_cloud_model  .OR.  cloud_droplets ) THEN
1502             hom(:,1,27,:) = SPREAD(  q(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1503             hom(:,1,28,:) = SPREAD( pt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1504          ENDIF
1505       ENDIF
1506
1507!
1508!--    Store initial scalar profile
1509       IF ( passive_scalar )  THEN
1510          hom(:,1,121,:) = SPREAD(  s(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1511       ENDIF
1512
1513!
1514!--    Initialize the random number generators (from numerical recipes)
1515       CALL random_function_ini
1516       
1517       IF ( random_generator == 'random-parallel' )  THEN
1518          CALL init_parallel_random_generator( nx, nys, nyn, nxl, nxr )
1519       ENDIF
1520!
1521!--    Set the reference state to be used in the buoyancy terms (for ocean runs
1522!--    the reference state will be set (overwritten) in init_ocean)
1523       IF ( use_single_reference_value )  THEN
1524          IF (  .NOT.  humidity )  THEN
1525             ref_state(:) = pt_reference
1526          ELSE
1527             ref_state(:) = vpt_reference
1528          ENDIF
1529       ELSE
1530          IF (  .NOT.  humidity )  THEN
1531             ref_state(:) = pt_init(:)
1532          ELSE
1533             ref_state(:) = vpt(:,nys,nxl)
1534          ENDIF
1535       ENDIF
1536
1537!
1538!--    For the moment, vertical velocity is zero
1539       w = 0.0_wp
1540
1541!
1542!--    Initialize array sums (must be defined in first call of pres)
1543       sums = 0.0_wp
1544
1545!
1546!--    In case of iterative solvers, p must get an initial value
1547       IF ( psolver(1:9) == 'multigrid'  .OR.  psolver == 'sor' )  p = 0.0_wp
1548!
1549!--    Impose vortex with vertical axis on the initial velocity profile
1550       IF ( INDEX( initializing_actions, 'initialize_vortex' ) /= 0 )  THEN
1551          CALL init_rankine
1552       ENDIF
1553
1554!
1555!--    Impose temperature anomaly (advection test only) or warm air bubble
1556!--    close to surface
1557       IF ( INDEX( initializing_actions, 'initialize_ptanom' ) /= 0  .OR.  &
1558            INDEX( initializing_actions, 'initialize_bubble' ) /= 0  )  THEN
1559          CALL init_pt_anomaly
1560       ENDIF
1561       
1562!
1563!--    If required, change the surface temperature at the start of the 3D run
1564       IF ( pt_surface_initial_change /= 0.0_wp )  THEN
1565          pt(nzb,:,:) = pt(nzb,:,:) + pt_surface_initial_change
1566       ENDIF
1567
1568!
1569!--    If required, change the surface humidity/scalar at the start of the 3D
1570!--    run
1571       IF ( humidity  .AND.  q_surface_initial_change /= 0.0_wp )              &
1572          q(nzb,:,:) = q(nzb,:,:) + q_surface_initial_change
1573         
1574       IF ( passive_scalar .AND.  s_surface_initial_change /= 0.0_wp )         &
1575          s(nzb,:,:) = s(nzb,:,:) + s_surface_initial_change
1576       
1577
1578!
1579!--    Initialize old and new time levels.
1580       tpt_m = 0.0_wp; tu_m = 0.0_wp; tv_m = 0.0_wp; tw_m = 0.0_wp
1581       pt_p = pt; u_p = u; v_p = v; w_p = w
1582
1583       IF ( humidity  )  THEN
1584          tq_m = 0.0_wp
1585          q_p = q
1586       ENDIF
1587       
1588       IF ( passive_scalar )  THEN
1589          ts_m = 0.0_wp
1590          s_p  = s
1591       ENDIF       
1592
1593       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
1594
1595    ELSEIF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data'  .OR.         &
1596             TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )                   &
1597    THEN
1598
1599       CALL location_message( 'initializing in case of restart / cyclic_fill', &
1600                              .FALSE. )
1601!
1602!--    Initialize surface elements and its attributes, e.g. heat- and
1603!--    momentumfluxes, roughness, scaling parameters. As number of surface
1604!--    elements might be different between runs, e.g. in case of cyclic fill,
1605!--    and not all surface elements are read, surface elements need to be
1606!--    initialized before.     
1607       CALL init_surfaces
1608!
1609!--    When reading data for cyclic fill of 3D prerun data files, read
1610!--    some of the global variables from the restart file which are required
1611!--    for initializing the inflow
1612       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  THEN
1613
1614          DO  i = 0, io_blocks-1
1615             IF ( i == io_group )  THEN
1616                CALL rrd_read_parts_of_global
1617             ENDIF
1618#if defined( __parallel )
1619             CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1620#endif
1621          ENDDO
1622
1623       ENDIF
1624
1625!
1626!--    Read processor specific binary data from restart file
1627       DO  i = 0, io_blocks-1
1628          IF ( i == io_group )  THEN
1629             CALL rrd_local
1630          ENDIF
1631#if defined( __parallel )
1632          CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1633#endif
1634       ENDDO
1635
1636!
1637!--    In case of complex terrain and cyclic fill method as initialization,
1638!--    shift initial data in the vertical direction for each point in the
1639!--    x-y-plane depending on local surface height
1640       IF ( complex_terrain  .AND.                                             &
1641            TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  THEN
1642          DO  i = nxlg, nxrg
1643             DO  j = nysg, nyng
1644                nz_u_shift = get_topography_top_index_ji( j, i, 'u' )
1645                nz_v_shift = get_topography_top_index_ji( j, i, 'v' )
1646                nz_w_shift = get_topography_top_index_ji( j, i, 'w' )
1647                nz_s_shift = get_topography_top_index_ji( j, i, 's' )
1648
1649                u(nz_u_shift:nzt+1,j,i)  = u(0:nzt+1-nz_u_shift,j,i)               
1650
1651                v(nz_v_shift:nzt+1,j,i)  = v(0:nzt+1-nz_v_shift,j,i)
1652
1653                w(nz_w_shift:nzt+1,j,i)  = w(0:nzt+1-nz_w_shift,j,i)
1654
1655                p(nz_s_shift:nzt+1,j,i)  =  p(0:nzt+1-nz_s_shift,j,i)
1656                pt(nz_s_shift:nzt+1,j,i) = pt(0:nzt+1-nz_s_shift,j,i)
1657             ENDDO
1658          ENDDO
1659       ENDIF
1660
1661!
1662!--    Initialization of the turbulence recycling method
1663       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill'  .AND.               &
1664            turbulent_inflow )  THEN
1665!
1666!--       First store the profiles to be used at the inflow.
1667!--       These profiles are the (temporally) and horizontally averaged vertical
1668!--       profiles from the prerun. Alternatively, prescribed profiles
1669!--       for u,v-components can be used.
1670          ALLOCATE( mean_inflow_profiles(nzb:nzt+1,1:num_mean_inflow_profiles) )
1671
1672          IF ( use_prescribed_profile_data )  THEN
1673             mean_inflow_profiles(:,1) = u_init            ! u
1674             mean_inflow_profiles(:,2) = v_init            ! v
1675          ELSE
1676             mean_inflow_profiles(:,1) = hom_sum(:,1,0)    ! u
1677             mean_inflow_profiles(:,2) = hom_sum(:,2,0)    ! v
1678          ENDIF
1679          mean_inflow_profiles(:,4) = hom_sum(:,4,0)       ! pt
1680          IF ( humidity )                                                      &
1681             mean_inflow_profiles(:,6) = hom_sum(:,41,0)   ! q
1682          IF ( passive_scalar )                                                &
1683             mean_inflow_profiles(:,7) = hom_sum(:,115,0)   ! s
1684!
1685!--       In case of complex terrain, determine vertical displacement at inflow
1686!--       boundary and adjust mean inflow profiles
1687          IF ( complex_terrain )  THEN
1688             IF ( nxlg <= 0 .AND. nxrg >= 0 .AND. nysg <= 0 .AND. nyng >= 0 )  THEN
1689                nz_u_shift_l = get_topography_top_index_ji( 0, 0, 'u' )
1690                nz_v_shift_l = get_topography_top_index_ji( 0, 0, 'v' )
1691                nz_w_shift_l = get_topography_top_index_ji( 0, 0, 'w' )
1692                nz_s_shift_l = get_topography_top_index_ji( 0, 0, 's' )
1693             ELSE
1694                nz_u_shift_l = 0
1695                nz_v_shift_l = 0
1696                nz_w_shift_l = 0
1697                nz_s_shift_l = 0
1698             ENDIF
1699
1700#if defined( __parallel )
1701             CALL MPI_ALLREDUCE(nz_u_shift_l, nz_u_shift, 1, MPI_INTEGER,      &
1702                                MPI_MAX, comm2d, ierr)
1703             CALL MPI_ALLREDUCE(nz_v_shift_l, nz_v_shift, 1, MPI_INTEGER,      &
1704                                MPI_MAX, comm2d, ierr)
1705             CALL MPI_ALLREDUCE(nz_w_shift_l, nz_w_shift, 1, MPI_INTEGER,      & 
1706                                MPI_MAX, comm2d, ierr)
1707             CALL MPI_ALLREDUCE(nz_s_shift_l, nz_s_shift, 1, MPI_INTEGER,      &
1708                                MPI_MAX, comm2d, ierr)
1709#else
1710             nz_u_shift = nz_u_shift_l
1711             nz_v_shift = nz_v_shift_l
1712             nz_w_shift = nz_w_shift_l
1713             nz_s_shift = nz_s_shift_l
1714#endif
1715
1716             mean_inflow_profiles(:,1) = 0.0_wp
1717             mean_inflow_profiles(nz_u_shift:nzt+1,1) = hom_sum(0:nzt+1-nz_u_shift,1,0)  ! u
1718
1719             mean_inflow_profiles(:,2) = 0.0_wp
1720             mean_inflow_profiles(nz_v_shift:nzt+1,2) = hom_sum(0:nzt+1-nz_v_shift,2,0)  ! v
1721
1722             mean_inflow_profiles(nz_s_shift:nzt+1,4) = hom_sum(0:nzt+1-nz_s_shift,4,0)  ! pt
1723
1724          ENDIF
1725
1726!
1727!--       If necessary, adjust the horizontal flow field to the prescribed
1728!--       profiles
1729          IF ( use_prescribed_profile_data )  THEN
1730             DO  i = nxlg, nxrg
1731                DO  j = nysg, nyng
1732                   DO  k = nzb, nzt+1
1733                      u(k,j,i) = u(k,j,i) - hom_sum(k,1,0) + u_init(k)
1734                      v(k,j,i) = v(k,j,i) - hom_sum(k,2,0) + v_init(k)
1735                   ENDDO
1736                ENDDO
1737             ENDDO
1738          ENDIF
1739
1740!
1741!--       Use these mean profiles at the inflow (provided that Dirichlet
1742!--       conditions are used)
1743          IF ( bc_dirichlet_l )  THEN
1744             DO  j = nysg, nyng
1745                DO  k = nzb, nzt+1
1746                   u(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,1)
1747                   v(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,2)
1748                   w(k,j,nxlg:-1)  = 0.0_wp
1749                   pt(k,j,nxlg:-1) = mean_inflow_profiles(k,4)
1750                   IF ( humidity )                                             &
1751                      q(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,6)
1752                   IF ( passive_scalar )                                       &
1753                      s(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,7)                     
1754                ENDDO
1755             ENDDO
1756          ENDIF
1757
1758!
1759!--       Calculate the damping factors to be used at the inflow. For a
1760!--       turbulent inflow the turbulent fluctuations have to be limited
1761!--       vertically because otherwise the turbulent inflow layer will grow
1762!--       in time.
1763          IF ( inflow_damping_height == 9999999.9_wp )  THEN
1764!
1765!--          Default: use the inversion height calculated by the prerun; if
1766!--          this is zero, inflow_damping_height must be explicitly
1767!--          specified.
1768             IF ( hom_sum(nzb+6,pr_palm,0) /= 0.0_wp )  THEN
1769                inflow_damping_height = hom_sum(nzb+6,pr_palm,0)
1770             ELSE
1771                WRITE( message_string, * ) 'inflow_damping_height must be ',   &
1772                     'explicitly specified because&the inversion height ',     &
1773                     'calculated by the prerun is zero.'
1774                CALL message( 'init_3d_model', 'PA0318', 1, 2, 0, 6, 0 )
1775             ENDIF
1776
1777          ENDIF
1778
1779          IF ( inflow_damping_width == 9999999.9_wp )  THEN
1780!
1781!--          Default for the transition range: one tenth of the undamped
1782!--          layer
1783             inflow_damping_width = 0.1_wp * inflow_damping_height
1784
1785          ENDIF
1786
1787          ALLOCATE( inflow_damping_factor(nzb:nzt+1) )
1788
1789          DO  k = nzb, nzt+1
1790
1791             IF ( zu(k) <= inflow_damping_height )  THEN
1792                inflow_damping_factor(k) = 1.0_wp
1793             ELSEIF ( zu(k) <= ( inflow_damping_height + inflow_damping_width ) )  THEN
1794                inflow_damping_factor(k) = 1.0_wp -                            &
1795                                           ( zu(k) - inflow_damping_height ) / &
1796                                           inflow_damping_width
1797             ELSE
1798                inflow_damping_factor(k) = 0.0_wp
1799             ENDIF
1800
1801          ENDDO
1802
1803       ENDIF
1804
1805!
1806!--    Inside buildings set velocities back to zero
1807       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' .AND.                &
1808            topography /= 'flat' )  THEN
1809!
1810!--       Inside buildings set velocities back to zero.
1811!--       Other scalars (pt, q, s, p, sa, ...) are ignored at present,
1812!--       maybe revise later.
1813          DO  i = nxlg, nxrg
1814             DO  j = nysg, nyng
1815                DO  k = nzb, nzt
1816                   u(k,j,i)     = MERGE( u(k,j,i), 0.0_wp,                     &
1817                                         BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 1 ) )
1818                   v(k,j,i)     = MERGE( v(k,j,i), 0.0_wp,                     &
1819                                         BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 2 ) )
1820                   w(k,j,i)     = MERGE( w(k,j,i), 0.0_wp,                     &
1821                                         BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 3 ) )
1822                ENDDO
1823             ENDDO
1824          ENDDO
1825
1826       ENDIF
1827
1828!
1829!--    Calculate initial temperature field and other constants used in case
1830!--    of a sloping surface
1831       IF ( sloping_surface )  CALL init_slope
1832
1833!
1834!--    Initialize new time levels (only done in order to set boundary values
1835!--    including ghost points)
1836       pt_p = pt; u_p = u; v_p = v; w_p = w
1837       IF ( humidity )  THEN
1838          q_p = q
1839       ENDIF
1840       IF ( passive_scalar )  s_p  = s
1841!
1842!--    Allthough tendency arrays are set in prognostic_equations, they have
1843!--    have to be predefined here because they are used (but multiplied with 0)
1844!--    there before they are set.
1845       tpt_m = 0.0_wp; tu_m = 0.0_wp; tv_m = 0.0_wp; tw_m = 0.0_wp
1846       IF ( humidity )  THEN
1847          tq_m = 0.0_wp
1848       ENDIF
1849       IF ( passive_scalar )  ts_m  = 0.0_wp
1850!
1851!--    Initialize synthetic turbulence generator in case of restart.
1852       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data'  .AND.         &
1853            use_syn_turb_gen )  CALL stg_init
1854
1855       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
1856
1857    ELSE
1858!
1859!--    Actually this part of the programm should not be reached
1860       message_string = 'unknown initializing problem'
1861       CALL message( 'init_3d_model', 'PA0193', 1, 2, 0, 6, 0 )
1862    ENDIF
1863
1864!
1865!-- Initialize TKE, Kh and Km
1866    CALL tcm_init
1867
1868
1869    IF (  TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' )  THEN
1870!
1871!--    Initialize old timelevels needed for radiation boundary conditions
1872       IF ( bc_radiation_l )  THEN
1873          u_m_l(:,:,:) = u(:,:,1:2)
1874          v_m_l(:,:,:) = v(:,:,0:1)
1875          w_m_l(:,:,:) = w(:,:,0:1)
1876       ENDIF
1877       IF ( bc_radiation_r )  THEN
1878          u_m_r(:,:,:) = u(:,:,nx-1:nx)
1879          v_m_r(:,:,:) = v(:,:,nx-1:nx)
1880          w_m_r(:,:,:) = w(:,:,nx-1:nx)
1881       ENDIF
1882       IF ( bc_radiation_s )  THEN
1883          u_m_s(:,:,:) = u(:,0:1,:)
1884          v_m_s(:,:,:) = v(:,1:2,:)
1885          w_m_s(:,:,:) = w(:,0:1,:)
1886       ENDIF
1887       IF ( bc_radiation_n )  THEN
1888          u_m_n(:,:,:) = u(:,ny-1:ny,:)
1889          v_m_n(:,:,:) = v(:,ny-1:ny,:)
1890          w_m_n(:,:,:) = w(:,ny-1:ny,:)
1891       ENDIF
1892       
1893    ENDIF
1894
1895!
1896!-- Calculate the initial volume flow at the right and north boundary
1897    IF ( conserve_volume_flow )  THEN
1898
1899       IF ( use_prescribed_profile_data )  THEN
1900
1901          volume_flow_initial_l = 0.0_wp
1902          volume_flow_area_l    = 0.0_wp
1903
1904          IF ( nxr == nx )  THEN
1905             DO  j = nys, nyn
1906                DO  k = nzb+1, nzt
1907                   volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) +       &
1908                                              u_init(k) * dzw(k)               &
1909                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1910                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nxr), 1 )&
1911                                            )
1912
1913                   volume_flow_area_l(1)    = volume_flow_area_l(1) + dzw(k)   &
1914                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1915                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nxr), 1 )&
1916                                            )
1917                ENDDO
1918             ENDDO
1919          ENDIF
1920         
1921          IF ( nyn == ny )  THEN
1922             DO  i = nxl, nxr
1923                DO  k = nzb+1, nzt
1924                   volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) +       &
1925                                              v_init(k) * dzw(k)               &       
1926                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1927                                              BTEST( wall_flags_0(k,nyn,i), 2 )&
1928                                            )
1929                   volume_flow_area_l(2)    = volume_flow_area_l(2) + dzw(k)   &       
1930                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1931                                              BTEST( wall_flags_0(k,nyn,i), 2 )&
1932                                            )
1933                ENDDO
1934             ENDDO
1935          ENDIF
1936
1937#if defined( __parallel )
1938          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_initial_l(1), volume_flow_initial(1),&
1939                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1940          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_area_l(1), volume_flow_area(1),      &
1941                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1942
1943#else
1944          volume_flow_initial = volume_flow_initial_l
1945          volume_flow_area    = volume_flow_area_l
1946#endif 
1947
1948       ELSEIF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  THEN
1949
1950          volume_flow_initial_l = 0.0_wp
1951          volume_flow_area_l    = 0.0_wp
1952
1953          IF ( nxr == nx )  THEN
1954             DO  j = nys, nyn
1955                DO  k = nzb+1, nzt
1956                   volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) +       &
1957                                              hom_sum(k,1,0) * dzw(k)          &
1958                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1959                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nx), 1 ) &
1960                                            )
1961                   volume_flow_area_l(1)    = volume_flow_area_l(1) + dzw(k)   &
1962                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1963                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nx), 1 ) &
1964                                            )
1965                ENDDO
1966             ENDDO
1967          ENDIF
1968         
1969          IF ( nyn == ny )  THEN
1970             DO  i = nxl, nxr
1971                DO  k = nzb+1, nzt
1972                   volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) +       &
1973                                              hom_sum(k,2,0) * dzw(k)          &       
1974                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1975                                              BTEST( wall_flags_0(k,ny,i), 2 ) &
1976                                            )
1977                   volume_flow_area_l(2)    = volume_flow_area_l(2) + dzw(k)   &       
1978                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1979                                              BTEST( wall_flags_0(k,ny,i), 2 ) &
1980                                            )
1981                ENDDO
1982             ENDDO
1983          ENDIF
1984
1985#if defined( __parallel )
1986          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_initial_l(1), volume_flow_initial(1),&
1987                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1988          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_area_l(1), volume_flow_area(1),      &
1989                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1990
1991#else
1992          volume_flow_initial = volume_flow_initial_l
1993          volume_flow_area    = volume_flow_area_l
1994#endif 
1995
1996       ELSEIF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' )  THEN
1997
1998          volume_flow_initial_l = 0.0_wp
1999          volume_flow_area_l    = 0.0_wp
2000
2001          IF ( nxr == nx )  THEN
2002             DO  j = nys, nyn
2003                DO  k = nzb+1, nzt
2004                   volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) +       &
2005                                              u(k,j,nx) * dzw(k)               &
2006                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
2007                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nx), 1 ) &
2008                                            )
2009                   volume_flow_area_l(1)    = volume_flow_area_l(1) + dzw(k)   &
2010                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
2011                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nx), 1 ) &
2012                                            )
2013                ENDDO
2014             ENDDO
2015          ENDIF
2016         
2017          IF ( nyn == ny )  THEN
2018             DO  i = nxl, nxr
2019                DO  k = nzb+1, nzt
2020                   volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) +       &
2021                                              v(k,ny,i) * dzw(k)               &       
2022                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
2023                                              BTEST( wall_flags_0(k,ny,i), 2 ) &
2024                                            )
2025                   volume_flow_area_l(2)    = volume_flow_area_l(2) + dzw(k)   &       
2026                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
2027                                              BTEST( wall_flags_0(k,ny,i), 2 ) &
2028                                            )
2029                ENDDO
2030             ENDDO
2031          ENDIF
2032
2033#if defined( __parallel )
2034          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_initial_l(1), volume_flow_initial(1),&
2035                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2036          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_area_l(1), volume_flow_area(1),      &
2037                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2038
2039#else
2040          volume_flow_initial = volume_flow_initial_l
2041          volume_flow_area    = volume_flow_area_l
2042#endif 
2043
2044       ENDIF
2045
2046!
2047!--    In case of 'bulk_velocity' mode, volume_flow_initial is calculated
2048!--    from u|v_bulk instead
2049       IF ( TRIM( conserve_volume_flow_mode ) == 'bulk_velocity' )  THEN
2050          volume_flow_initial(1) = u_bulk * volume_flow_area(1)
2051          volume_flow_initial(2) = v_bulk * volume_flow_area(2)
2052       ENDIF
2053
2054    ENDIF
2055!
2056!-- Finally, if random_heatflux is set, disturb shf at horizontal
2057!-- surfaces. Actually, this should be done in surface_mod, where all other
2058!-- initializations of surface quantities are done. However, this
2059!-- would create a ring dependency, hence, it is done here. Maybe delete
2060!-- disturb_heatflux and tranfer the respective code directly into the
2061!-- initialization in surface_mod.         
2062    IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data'  .AND.            &
2063         TRIM( initializing_actions ) /= 'cyclic_fill' )  THEN
2064 
2065       IF ( use_surface_fluxes  .AND.  constant_heatflux  .AND.                &
2066            random_heatflux )  THEN
2067          IF ( surf_def_h(0)%ns >= 1 )  CALL disturb_heatflux( surf_def_h(0) )
2068          IF ( surf_lsm_h%ns    >= 1 )  CALL disturb_heatflux( surf_lsm_h    )
2069          IF ( surf_usm_h%ns    >= 1 )  CALL disturb_heatflux( surf_usm_h    )
2070       ENDIF
2071    ENDIF
2072
2073!
2074!-- Before initializing further modules, compute total sum of active mask
2075!-- grid points and the mean surface level height for each statistic region.
2076!-- ngp_2dh: number of grid points of a horizontal cross section through the
2077!--          total domain
2078!-- ngp_3d:  number of grid points of the total domain
2079    ngp_2dh_outer_l   = 0
2080    ngp_2dh_outer     = 0
2081    ngp_2dh_s_inner_l = 0
2082    ngp_2dh_s_inner   = 0
2083    ngp_2dh_l         = 0
2084    ngp_2dh           = 0
2085    ngp_3d_inner_l    = 0.0_wp
2086    ngp_3d_inner      = 0
2087    ngp_3d            = 0
2088    ngp_sums          = ( nz + 2 ) * ( pr_palm + max_pr_user )
2089
2090    mean_surface_level_height   = 0.0_wp
2091    mean_surface_level_height_l = 0.0_wp
2092!
2093!-- Pre-set masks for regional statistics. Default is the total model domain.
2094!-- Ghost points are excluded because counting values at the ghost boundaries
2095!-- would bias the statistics
2096    rmask = 1.0_wp
2097    rmask(:,nxlg:nxl-1,:) = 0.0_wp;  rmask(:,nxr+1:nxrg,:) = 0.0_wp
2098    rmask(nysg:nys-1,:,:) = 0.0_wp;  rmask(nyn+1:nyng,:,:) = 0.0_wp
2099
2100!
2101!-- Temporary solution to add LSM and radiation time series to the default
2102!-- output
2103    IF ( land_surface  .OR.  radiation )  THEN
2104       IF ( TRIM( radiation_scheme ) == 'rrtmg' )  THEN
2105          dots_num = dots_num + 15
2106       ELSE
2107          dots_num = dots_num + 11
2108       ENDIF
2109    ENDIF
2110!
2111!-- User-defined initializing actions
2112    CALL user_init
2113!
2114!-- To do: New concept for these non-topography grid points!
2115    DO  sr = 0, statistic_regions
2116       DO  i = nxl, nxr
2117          DO  j = nys, nyn
2118             IF ( rmask(j,i,sr) == 1.0_wp )  THEN
2119!
2120!--             All xy-grid points
2121                ngp_2dh_l(sr) = ngp_2dh_l(sr) + 1
2122!
2123!--             Determine mean surface-level height. In case of downward-
2124!--             facing walls are present, more than one surface level exist.
2125!--             In this case, use the lowest surface-level height.
2126                IF ( surf_def_h(0)%start_index(j,i) <=                         &
2127                     surf_def_h(0)%end_index(j,i) )  THEN
2128                   m = surf_def_h(0)%start_index(j,i)
2129                   k = surf_def_h(0)%k(m)
2130                   mean_surface_level_height_l(sr) =                           &
2131                                       mean_surface_level_height_l(sr) + zw(k-1)
2132                ENDIF
2133                IF ( surf_lsm_h%start_index(j,i) <=                            &
2134                     surf_lsm_h%end_index(j,i) )  THEN
2135                   m = surf_lsm_h%start_index(j,i)
2136                   k = surf_lsm_h%k(m)
2137                   mean_surface_level_height_l(sr) =                           &
2138                                       mean_surface_level_height_l(sr) + zw(k-1)
2139                ENDIF
2140                IF ( surf_usm_h%start_index(j,i) <=                            &
2141                     surf_usm_h%end_index(j,i) )  THEN
2142                   m = surf_usm_h%start_index(j,i)
2143                   k = surf_usm_h%k(m)
2144                   mean_surface_level_height_l(sr) =                           &
2145                                       mean_surface_level_height_l(sr) + zw(k-1)
2146                ENDIF
2147
2148                k_surf = k - 1
2149
2150                DO  k = nzb, nzt+1
2151!
2152!--                xy-grid points above topography
2153                   ngp_2dh_outer_l(k,sr) = ngp_2dh_outer_l(k,sr)     +         &
2154                                  MERGE( 1, 0, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 24 ) )
2155
2156                   ngp_2dh_s_inner_l(k,sr) = ngp_2dh_s_inner_l(k,sr) +         &
2157                                  MERGE( 1, 0, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 22 ) )
2158
2159                ENDDO
2160!
2161!--             All grid points of the total domain above topography
2162                ngp_3d_inner_l(sr) = ngp_3d_inner_l(sr) + ( nz - k_surf + 2 )
2163
2164
2165
2166             ENDIF
2167          ENDDO
2168       ENDDO
2169    ENDDO
2170!
2171!-- Initialize arrays encompassing number of grid-points in inner and outer
2172!-- domains, statistic regions, etc. Mainly used for horizontal averaging
2173!-- of turbulence statistics. Please note, user_init must be called before
2174!-- doing this.   
2175    sr = statistic_regions + 1
2176#if defined( __parallel )
2177    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2178    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_l(0), ngp_2dh(0), sr, MPI_INTEGER, MPI_SUM,    &
2179                        comm2d, ierr )
2180    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2181    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_outer_l(0,0), ngp_2dh_outer(0,0), (nz+2)*sr,   &
2182                        MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2183    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2184    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_s_inner_l(0,0), ngp_2dh_s_inner(0,0),          &
2185                        (nz+2)*sr, MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2186    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2187    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_3d_inner_l(0), ngp_3d_inner_tmp(0), sr, MPI_REAL,  &
2188                        MPI_SUM, comm2d, ierr )
2189    ngp_3d_inner = INT( ngp_3d_inner_tmp, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) )
2190    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2191    CALL MPI_ALLREDUCE( mean_surface_level_height_l(0),                        &
2192                        mean_surface_level_height(0), sr, MPI_REAL,            &
2193                        MPI_SUM, comm2d, ierr )
2194    mean_surface_level_height = mean_surface_level_height / REAL( ngp_2dh )
2195#else
2196    ngp_2dh         = ngp_2dh_l
2197    ngp_2dh_outer   = ngp_2dh_outer_l
2198    ngp_2dh_s_inner = ngp_2dh_s_inner_l
2199    ngp_3d_inner    = INT( ngp_3d_inner_l, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) )
2200    mean_surface_level_height = mean_surface_level_height_l / REAL( ngp_2dh_l )
2201#endif
2202
2203    ngp_3d = INT ( ngp_2dh, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) ) * &
2204             INT ( (nz + 2 ), KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) )
2205
2206!
2207!-- Set a lower limit of 1 in order to avoid zero divisions in flow_statistics,
2208!-- buoyancy, etc. A zero value will occur for cases where all grid points of
2209!-- the respective subdomain lie below the surface topography
2210    ngp_2dh_outer   = MAX( 1, ngp_2dh_outer(:,:)   ) 
2211    ngp_3d_inner    = MAX( INT(1, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 )),             &
2212                           ngp_3d_inner(:) )
2213    ngp_2dh_s_inner = MAX( 1, ngp_2dh_s_inner(:,:) ) 
2214
2215    DEALLOCATE( mean_surface_level_height_l, ngp_2dh_l, ngp_2dh_outer_l,       &
2216                ngp_3d_inner_l, ngp_3d_inner_tmp )
2217
2218!
2219!-- Initialize nudging if required
2220    IF ( nudging )  CALL nudge_init
2221!
2222!-- Initialize 1D large-scale forcing and nudging and read data from external
2223!-- ASCII file
2224    IF ( large_scale_forcing )  CALL lsf_init
2225!
2226!-- Initialize surface forcing corresponding to large-scale forcing. Therein,
2227!-- initialize heat-fluxes, etc. via datatype. Revise it later!
2228    IF ( large_scale_forcing .AND. lsf_surf )  THEN
2229       IF ( use_surface_fluxes  .AND.  constant_heatflux )  THEN
2230          CALL ls_forcing_surf ( simulated_time )
2231       ENDIF
2232    ENDIF
2233!
2234!-- Initializae 3D offline nesting in COSMO model and read data from
2235!-- external NetCDF file.
2236    IF ( nesting_offline )  CALL nesting_offl_init
2237!
2238!-- Initialize quantities for special advections schemes
2239    CALL init_advec
2240
2241!
2242!-- Impose random perturbation on the horizontal velocity field and then
2243!-- remove the divergences from the velocity field at the initial stage
2244    IF ( create_disturbances  .AND.  disturbance_energy_limit /= 0.0_wp  .AND. &
2245         TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data'  .AND.            &
2246         TRIM( initializing_actions ) /= 'cyclic_fill' )  THEN
2247
2248       CALL location_message( 'creating initial disturbances', .FALSE. )
2249       CALL disturb_field( 'u', tend, u )
2250       CALL disturb_field( 'v', tend, v )
2251       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2252
2253       CALL location_message( 'calling pressure solver', .FALSE. )
2254       n_sor = nsor_ini
2255       CALL pres
2256       n_sor = nsor
2257       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2258
2259    ENDIF
2260
2261!
2262!-- If required, initialize quantities needed for the plant canopy model
2263    IF ( plant_canopy )  THEN
2264       CALL location_message( 'initializing plant canopy model', .FALSE. )   
2265       CALL pcm_init
2266       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2267    ENDIF
2268
2269!
2270!-- If required, initialize dvrp-software
2271    IF ( dt_dvrp /= 9999999.9_wp )  CALL init_dvrp
2272
2273!
2274!-- Initialize quantities needed for the ocean model
2275    IF ( ocean_mode )  CALL ocean_init
2276
2277!
2278!-- Initialize quantities for handling cloud physics.
2279!-- This routine must be called before lpm_init, becaus otherwise,
2280!-- array d_exner, needed in data_output_dvrp (called by lpm_init) is not defined.
2281    IF ( .NOT. ocean_mode )  THEN
2282
2283       ALLOCATE( hyp(nzb:nzt+1) )
2284       ALLOCATE( d_exner(nzb:nzt+1) )
2285       ALLOCATE( exner(nzb:nzt+1) )
2286       ALLOCATE( hyrho(nzb:nzt+1) )
2287!
2288!--    Check temperature in case of too large domain height
2289       DO  k = nzb, nzt+1
2290          IF ( ( pt_surface * exner_function(surface_pressure * 100.0_wp) - g/c_p * zu(k) ) < 0.0_wp )  THEN
2291             WRITE( message_string, * )  'absolute temperature < 0.0 at zu(', k, &
2292                                         ') = ', zu(k)
2293             CALL message( 'init_bulk_cloud_model', 'PA0142', 1, 2, 0, 6, 0 )
2294          ENDIF
2295       ENDDO
2296
2297!
2298!--    Calculate vertical profile of the hydrostatic pressure (hyp)
2299       hyp    = barometric_formula(zu, pt_surface * exner_function(surface_pressure * 100.0_wp), surface_pressure * 100.0_wp)
2300       d_exner = exner_function_invers(hyp)
2301       exner = 1.0_wp / exner_function_invers(hyp)
2302       hyrho  = ideal_gas_law_rho_pt(hyp, pt_init)
2303!
2304!--    Compute reference density
2305       rho_surface = ideal_gas_law_rho(surface_pressure * 100.0_wp, pt_surface * exner_function(surface_pressure * 100.0_wp))
2306
2307    ENDIF
2308!
2309!-- If required, initialize quantities needed for the microphysics module
2310    IF ( bulk_cloud_model )  THEN
2311       CALL bcm_init
2312    ENDIF
2313
2314!
2315!-- If required, initialize particles
2316    IF ( particle_advection )  CALL lpm_init
2317
2318!
2319!-- If required, initialize particles
2320    IF ( agents_active )  CALL mas_init
2321
2322!
2323!-- If required, initialize quantities needed for the LSM
2324    IF ( land_surface )  THEN
2325       CALL location_message( 'initializing land surface model', .FALSE. )
2326       CALL lsm_init
2327       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2328    ENDIF
2329
2330!
2331!-- If required, allocate USM and LSM surfaces
2332    IF ( urban_surface )  THEN
2333       CALL location_message( 'initializing and allocating urban surfaces', .FALSE. )
2334       CALL usm_allocate_surface
2335       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2336    ENDIF
2337!
2338!-- If required, initialize urban surface model
2339    IF ( urban_surface )  THEN
2340       CALL location_message( 'initializing urban surface model', .FALSE. )
2341       CALL usm_init_urban_surface
2342       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2343    ENDIF
2344
2345!
2346!-- Initialize surface layer (done after LSM as roughness length are required
2347!-- for initialization
2348    IF ( constant_flux_layer )  THEN
2349       CALL location_message( 'initializing surface layer', .FALSE. )
2350       CALL init_surface_layer_fluxes
2351       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2352    ENDIF
2353!
2354!-- In case the synthetic turbulence generator does not have any information
2355!-- about the inflow turbulence, these information will be parametrized
2356!-- depending on the initial atmospheric conditions and surface properties.
2357!-- Please note, within pre-determined time intervals these turbulence
2358!-- information can be updated if desired.
2359    IF ( use_syn_turb_gen  .AND.  parametrize_inflow_turbulence )              &
2360       CALL stg_adjust
2361!
2362!-- If required, set chemical emissions
2363!-- Initialize values of cssws according to chemistry emission values
2364    IF ( air_chemistry  .AND.  do_emis )  THEN
2365       CALL chem_emissions_init( chem_emis_att, chem_emis, nspec_out )
2366    ENDIF
2367!
2368!-- Initialize radiation processes
2369    IF ( radiation )  THEN
2370!
2371!--    Activate radiation_interactions according to the existence of vertical surfaces and/or trees.
2372!--    The namelist parameter radiation_interactions_on can override this behavior.
2373!--    (This check cannot be performed in check_parameters, because vertical_surfaces_exist is first set in
2374!--    init_surface_arrays.)
2375       IF ( radiation_interactions_on )  THEN
2376          IF ( vertical_surfaces_exist  .OR.  plant_canopy )  THEN
2377             radiation_interactions    = .TRUE.
2378             average_radiation         = .TRUE.
2379          ELSE
2380             radiation_interactions_on = .FALSE.   !< reset namelist parameter: no interactions
2381                                                   !< calculations necessary in case of flat surface
2382          ENDIF
2383       ELSEIF ( vertical_surfaces_exist  .OR.  plant_canopy )  THEN
2384          message_string = 'radiation_interactions_on is set to .FALSE. although '     // &
2385                           'vertical surfaces and/or trees exist. The model will run ' // &
2386                           'without RTM (no shadows, no radiation reflections)'
2387          CALL message( 'init_3d_model', 'PA0348', 0, 1, 0, 6, 0 )
2388       ENDIF
2389!
2390!--    If required, initialize radiation interactions between surfaces
2391!--    via sky-view factors. This must be done before radiation is initialized.
2392       IF ( radiation_interactions )  CALL radiation_interaction_init
2393
2394!
2395!--    Initialize radiation model
2396       CALL location_message( 'initializing radiation model', .FALSE. )
2397       CALL radiation_init
2398       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2399
2400!
2401!--    Find all discretized apparent solar positions for radiation interaction.
2402!--    This must be done after radiation_init.
2403       IF ( radiation_interactions )  CALL radiation_presimulate_solar_pos
2404
2405!
2406!--    If required, read or calculate and write out the SVF
2407       IF ( radiation_interactions .AND. read_svf)  THEN
2408!
2409!--       Read sky-view factors and further required data from file
2410          CALL location_message( '    Start reading SVF from file', .FALSE. )
2411          CALL radiation_read_svf()
2412          CALL location_message( '    Reading SVF from file has finished', .TRUE. )
2413
2414       ELSEIF ( radiation_interactions .AND. .NOT. read_svf)  THEN
2415!
2416!--       calculate SFV and CSF
2417          CALL location_message( '    Start calculation of SVF', .FALSE. )
2418          CALL radiation_calc_svf()
2419          CALL location_message( '    Calculation of SVF has finished', .TRUE. )
2420       ENDIF
2421
2422       IF ( radiation_interactions .AND. write_svf)  THEN
2423!
2424!--       Write svf, csf svfsurf and csfsurf data to file
2425          CALL location_message( '    Start writing SVF in file', .FALSE. )
2426          CALL radiation_write_svf()
2427          CALL location_message( '    Writing SVF in file has finished', .TRUE. )
2428       ENDIF
2429
2430!
2431!--    Adjust radiative fluxes. In case of urban and land surfaces, also
2432!--    call an initial interaction.
2433       IF ( radiation_interactions )  THEN
2434          CALL radiation_interaction
2435       ENDIF
2436    ENDIF
2437 
2438!
2439!-- If required, initialize quantities needed for the wind turbine model
2440    IF ( wind_turbine )  THEN
2441       CALL location_message( 'initializing wind turbine model', .FALSE. )
2442       CALL wtm_init
2443       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2444    ENDIF
2445
2446!
2447!-- If required, initialize quantities needed in SALSA
2448    IF ( salsa )  THEN
2449       CALL location_message( 'initializing SALSA model', .TRUE. )
2450       CALL salsa_init 
2451       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2452    ENDIF
2453
2454!
2455!-- If required, initialize quantities needed for the gust module
2456    IF ( gust_module_enabled )  THEN
2457       CALL gust_init( dots_label, dots_unit, dots_num, dots_max )
2458    ENDIF
2459!
2460!-- Initialize surface data output
2461    IF ( surface_data_output )  THEN
2462       CALL surface_output_init
2463    ENDIF
2464!
2465!-- If virtual measurements should be taken, initialize all relevant
2466!-- arrays and quantities.
2467    IF ( virtual_measurement )  CALL vm_init
2468
2469!
2470!-- If required initialize biometeorology module
2471    IF ( biometeorology )  THEN
2472        CALL location_message( 'initializing biometeorology module', .FALSE. )
2473        CALL bio_init
2474        CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2475    ENDIF
2476
2477!
2478!-- If required, initialize indoor model
2479    IF ( indoor_model )  THEN
2480       CALL location_message( 'initializing indoor model', .FALSE. )
2481       CALL im_init
2482       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
2483    ENDIF
2484
2485!
2486!-- Initialize the ws-scheme.   
2487    IF ( ws_scheme_sca .OR. ws_scheme_mom )  CALL ws_init
2488
2489!
2490!-- Setting weighting factors for calculation of perturbation pressure
2491!-- and turbulent quantities from the RK substeps
2492    IF ( TRIM(timestep_scheme) == 'runge-kutta-3' )  THEN      ! for RK3-method
2493
2494       weight_substep(1) = 1._wp/6._wp
2495       weight_substep(2) = 3._wp/10._wp
2496       weight_substep(3) = 8._wp/15._wp
2497
2498       weight_pres(1)    = 1._wp/3._wp
2499       weight_pres(2)    = 5._wp/12._wp
2500       weight_pres(3)    = 1._wp/4._wp
2501
2502    ELSEIF ( TRIM(timestep_scheme) == 'runge-kutta-2' )  THEN  ! for RK2-method
2503
2504       weight_substep(1) = 1._wp/2._wp
2505       weight_substep(2) = 1._wp/2._wp
2506         
2507       weight_pres(1)    = 1._wp/2._wp
2508       weight_pres(2)    = 1._wp/2._wp       
2509
2510    ELSE                                     ! for Euler-method
2511
2512       weight_substep(1) = 1.0_wp     
2513       weight_pres(1)    = 1.0_wp                   
2514
2515    ENDIF
2516
2517!
2518!-- Initialize Rayleigh damping factors
2519    rdf    = 0.0_wp
2520    rdf_sc = 0.0_wp
2521    IF ( rayleigh_damping_factor /= 0.0_wp )  THEN
2522
2523       IF (  .NOT.  ocean_mode )  THEN
2524          DO  k = nzb+1, nzt
2525             IF ( zu(k) >= rayleigh_damping_height )  THEN
2526                rdf(k) = rayleigh_damping_factor *                             &
2527                      ( SIN( pi * 0.5_wp * ( zu(k) - rayleigh_damping_height ) &
2528                             / ( zu(nzt) - rayleigh_damping_height ) )         &
2529                      )**2
2530             ENDIF
2531          ENDDO
2532       ELSE
2533!
2534!--       In ocean mode, rayleigh damping is applied in the lower part of the
2535!--       model domain
2536          DO  k = nzt, nzb+1, -1
2537             IF ( zu(k) <= rayleigh_damping_height )  THEN
2538                rdf(k) = rayleigh_damping_factor *                             &
2539                      ( SIN( pi * 0.5_wp * ( rayleigh_damping_height - zu(k) ) &
2540                             / ( rayleigh_damping_height - zu(nzb+1) ) )       &
2541                      )**2
2542             ENDIF
2543          ENDDO
2544       ENDIF
2545
2546    ENDIF
2547    IF ( scalar_rayleigh_damping )  rdf_sc = rdf
2548
2549!
2550!-- Initialize the starting level and the vertical smoothing factor used for
2551!-- the external pressure gradient
2552    dp_smooth_factor = 1.0_wp
2553    IF ( dp_external )  THEN
2554!
2555!--    Set the starting level dp_level_ind_b only if it has not been set before
2556!--    (e.g. in init_grid).
2557       IF ( dp_level_ind_b == 0 )  THEN
2558          ind_array = MINLOC( ABS( dp_level_b - zu ) )
2559          dp_level_ind_b = ind_array(1) - 1 + nzb 
2560                                        ! MINLOC uses lower array bound 1
2561       ENDIF
2562       IF ( dp_smooth )  THEN
2563          dp_smooth_factor(:dp_level_ind_b) = 0.0_wp
2564          DO  k = dp_level_ind_b+1, nzt
2565             dp_smooth_factor(k) = 0.5_wp * ( 1.0_wp + SIN( pi *               &
2566                        ( REAL( k - dp_level_ind_b, KIND=wp ) /                &
2567                          REAL( nzt - dp_level_ind_b, KIND=wp ) - 0.5_wp ) ) )
2568          ENDDO
2569       ENDIF
2570    ENDIF
2571
2572!
2573!-- Initialize damping zone for the potential temperature in case of
2574!-- non-cyclic lateral boundaries. The damping zone has the maximum value
2575!-- at the inflow boundary and decreases to zero at pt_damping_width.
2576    ptdf_x = 0.0_wp
2577    ptdf_y = 0.0_wp
2578    IF ( bc_lr_dirrad )  THEN
2579       DO  i = nxl, nxr
2580          IF ( ( i * dx ) < pt_damping_width )  THEN
2581             ptdf_x(i) = pt_damping_factor * ( SIN( pi * 0.5_wp *              &
2582                            REAL( pt_damping_width - i * dx, KIND=wp ) / (     &
2583                            REAL( pt_damping_width, KIND=wp ) ) ) )**2 
2584          ENDIF
2585       ENDDO
2586    ELSEIF ( bc_lr_raddir )  THEN
2587       DO  i = nxl, nxr
2588          IF ( ( i * dx ) > ( nx * dx - pt_damping_width ) )  THEN
2589             ptdf_x(i) = pt_damping_factor *                                   &
2590                         SIN( pi * 0.5_wp *                                    &
2591                                 ( ( i - nx ) * dx + pt_damping_width ) /      &
2592                                 REAL( pt_damping_width, KIND=wp ) )**2
2593          ENDIF
2594       ENDDO 
2595    ELSEIF ( bc_ns_dirrad )  THEN
2596       DO  j = nys, nyn
2597          IF ( ( j * dy ) > ( ny * dy - pt_damping_width ) )  THEN
2598             ptdf_y(j) = pt_damping_factor *                                   &
2599                         SIN( pi * 0.5_wp *                                    &
2600                                 ( ( j - ny ) * dy + pt_damping_width ) /      &
2601                                 REAL( pt_damping_width, KIND=wp ) )**2
2602          ENDIF
2603       ENDDO 
2604    ELSEIF ( bc_ns_raddir )  THEN
2605       DO  j = nys, nyn
2606          IF ( ( j * dy ) < pt_damping_width )  THEN
2607             ptdf_y(j) = pt_damping_factor *                                   &
2608                         SIN( pi * 0.5_wp *                                    &
2609                                ( pt_damping_width - j * dy ) /                &
2610                                REAL( pt_damping_width, KIND=wp ) )**2
2611          ENDIF
2612       ENDDO
2613    ENDIF
2614!
2615!-- Check if maximum number of allowed timeseries is exceeded
2616    IF ( dots_num > dots_max )  THEN
2617       WRITE( message_string, * ) 'number of time series quantities exceeds',  &
2618                                  ' its maximum of dots_max = ', dots_max,     &
2619                                  '&Please increase dots_max in modules.f90.'
2620       CALL message( 'init_3d_model', 'PA0194', 1, 2, 0, 6, 0 )   
2621    ENDIF
2622
2623!
2624!-- Input binary data file is not needed anymore. This line must be placed
2625!-- after call of user_init!
2626    CALL close_file( 13 )
2627!
2628!-- In case of nesting, put an barrier to assure that all parent and child
2629!-- domains finished initialization.
2630#if defined( __parallel )
2631    IF ( nested_run )  CALL MPI_BARRIER( MPI_COMM_WORLD, ierr )
2632#endif
2633
2634
2635    CALL location_message( 'leaving init_3d_model', .TRUE. )
2636
2637 END SUBROUTINE init_3d_model
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.