source: palm/trunk/SOURCE/init_3d_model.f90 @ 3885

Last change on this file since 3885 was 3885, checked in by kanani, 2 years ago

restructure/add location/debug messages

  • 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/resler/SOURCE/init_3d_model.f902023-3605
    /palm/branches/salsa/SOURCE/init_3d_model.f902503-3581
File size: 91.9 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 1997-2019 Leibniz Universitaet Hannover
18!------------------------------------------------------------------------------!
19!
20! Current revisions:
21! ------------------
22!
23!
24! Former revisions:
25! -----------------
26! $Id: init_3d_model.f90 3885 2019-04-11 11:29:34Z kanani $
27! Changes related to global restructuring of location messages and introduction
28! of additional debug messages
29!
30! 3849 2019-04-01 16:35:16Z knoop
31! Move initialization of rmask before initializing user_init_arrays
32!
33! 3711 2019-01-31 13:44:26Z knoop
34! Introduced module_interface_init_checks for post-init checks in modules
35!
36! 3700 2019-01-26 17:03:42Z knoop
37! Some interface calls moved to module_interface + cleanup
38!
39! 3648 2019-01-02 16:35:46Z suehring
40! Rename subroutines for surface-data output
41!
42! 3636 2018-12-19 13:48:34Z raasch
43! nopointer option removed
44!
45! 3609 2018-12-07 13:37:59Z suehring
46! Furhter correction in initialization of surfaces in cyclic-fill case
47!
48! 3608 2018-12-07 12:59:57Z suehring
49! Bugfix in initialization of surfaces in cyclic-fill case
50!
51! 3589 2018-11-30 15:09:51Z suehring
52! Move the control parameter "salsa" from salsa_mod to control_parameters
53! (M. Kurppa)
54!
55! 3582 2018-11-29 19:16:36Z suehring
56! Bugfix in initialization of turbulence generator
57!
58! 3569 2018-11-27 17:03:40Z kanani
59! dom_dwd_user, Schrempf:
60! Remove uv exposure model code, this is now part of biometeorology_mod,
61! remove bio_init_arrays.
62!
63! 3547 2018-11-21 13:21:24Z suehring
64! variables documented
65!
66! 3525 2018-11-14 16:06:14Z kanani
67! Changes related to clean-up of biometeorology (dom_dwd_user)
68!
69! 3524 2018-11-14 13:36:44Z raasch
70! preprocessor directive added to avoid the compiler to complain about unused
71! variable
72!
73! 3473 2018-10-30 20:50:15Z suehring
74! Add virtual measurement module
75!
76! 3472 2018-10-30 20:43:50Z suehring
77! Add indoor model (kanani, srissman, tlang)
78!
79! 3467 2018-10-30 19:05:21Z suehring
80! Implementation of a new aerosol module salsa.
81!
82! 3458 2018-10-30 14:51:23Z kanani
83! from chemistry branch r3443, basit:
84! bug fixed in sums and sums_l for chemistry profile output
85!
86! 3448 2018-10-29 18:14:31Z kanani
87! Add biometeorology
88!
89! 3421 2018-10-24 18:39:32Z gronemeier
90! Initialize surface data output
91!
92! 3415 2018-10-24 11:57:50Z suehring
93! Set bottom boundary condition for geostrophic wind components in inifor
94! initialization
95!
96! 3347 2018-10-15 14:21:08Z suehring
97! - Separate offline nesting from large_scale_nudging_mod
98! - Improve the synthetic turbulence generator
99!
100! 3298 2018-10-02 12:21:11Z kanani
101! Minor formatting (kanani)
102! Added CALL to the chem_emissions module (Russo)
103!
104! 3294 2018-10-01 02:37:10Z raasch
105! allocate and set stokes drift velocity profiles
106!
107! 3298 2018-10-02 12:21:11Z kanani
108! Minor formatting (kanani)
109! Added CALL to the chem_emissions module (Russo)
110!
111! 3294 2018-10-01 02:37:10Z raasch
112! changes concerning modularization of ocean option
113!
114! 3289 2018-09-28 10:23:58Z suehring
115! Introduce module parameter for number of inflow profiles
116!
117! 3288 2018-09-28 10:23:08Z suehring
118! Modularization of all bulk cloud physics code components
119!
120! 3241 2018-09-12 15:02:00Z raasch
121! unused variables removed
122!
123! 3234 2018-09-07 13:46:58Z schwenkel
124! The increase of dots_num in case of radiation or land surface model must
125! be done before user_init is called
126!
127! 3183 2018-07-27 14:25:55Z suehring
128! Revise Inifor initialization
129!
130! 3182 2018-07-27 13:36:03Z suehring
131! Added multi agent system
132!
133! 3129 2018-07-16 07:45:13Z gronemeier
134! Move initialization call for nudging and 1D/3D offline nesting.
135! Revise initialization with inifor data.
136!
137! 3045 2018-05-28 07:55:41Z Giersch
138! Error messages revised
139!
140! 3045 2018-05-28 07:55:41Z Giersch
141! Error messages revised
142!
143! 3042 2018-05-25 10:44:37Z schwenkel
144! Changed the name specific humidity to mixing ratio
145!
146! 3040 2018-05-25 10:22:08Z schwenkel
147! Add option to initialize warm air bubble close to surface
148!
149! 3014 2018-05-09 08:42:38Z maronga
150! Bugfix: initialization of ts_value missing
151!
152! 3011 2018-05-07 14:38:42Z schwenkel
153! removed redundant if statement
154!
155! 3004 2018-04-27 12:33:25Z Giersch
156! precipitation_rate removed
157!
158! 2995 2018-04-19 12:13:16Z Giersch
159! CALL radiation_control is not necessary during initialization because
160! calculation of radiative fluxes at model start is done in radiation_init
161! in any case
162!
163! 2977 2018-04-17 10:27:57Z kanani
164! Implement changes from branch radiation (r2948-2971) with minor modifications
165! (moh.hefny):
166! - set radiation_interactions according to the existence of urban/land vertical
167!   surfaces and trees to activiate RTM
168! - set average_radiation to TRUE if RTM is activiated
169!
170! 2938 2018-03-27 15:52:42Z suehring
171! - Revise Inifor initialization for geostrophic wind components
172! - Initialize synthetic turbulence generator in case of Inifor initialization 
173!
174! 2936 2018-03-27 14:49:27Z suehring
175! Synchronize parent and child models after initialization.
176! Remove obsolete masking of topography grid points for Runge-Kutta weighted
177! tendency arrays.
178!
179! 2920 2018-03-22 11:22:01Z kanani
180! Add call for precalculating apparent solar positions (moh.hefny)
181!
182! 2906 2018-03-19 08:56:40Z Giersch
183! The variables read/write_svf_on_init have been removed. Instead ENVIRONMENT
184! variables read/write_svf have been introduced. Location_message has been
185! added.
186!
187! 2894 2018-03-15 09:17:58Z Giersch
188! Renamed routines with respect to reading restart data, file 13 is closed in
189! rrd_read_parts_of_global now
190!
191! 2867 2018-03-09 09:40:23Z suehring
192! Further bugfix concerning call of user_init.
193!
194! 2864 2018-03-08 11:57:45Z suehring
195! Bugfix, move call of user_init in front of initialization of grid-point
196! arrays
197!
198! 2817 2018-02-19 16:32:21Z knoop
199! Preliminary gust module interface implemented
200!
201! 2776 2018-01-31 10:44:42Z Giersch
202! Variable use_synthetic_turbulence_generator has been abbreviated
203!
204! 2766 2018-01-22 17:17:47Z kanani
205! Removed preprocessor directive __chem
206!
207! 2758 2018-01-17 12:55:21Z suehring
208! In case of spinup of land- and urban-surface model, do not mask wind velocity
209! at first computational grid level
210!
211! 2746 2018-01-15 12:06:04Z suehring
212! Move flag plant canopy to modules
213!
214! 2718 2018-01-02 08:49:38Z maronga
215! Corrected "Former revisions" section
216!
217! 2705 2017-12-18 11:26:23Z maronga
218! Bugfix for reading initial profiles from ls/nuding file
219!
220! 2701 2017-12-15 15:40:50Z suehring
221! Changes from last commit documented
222!
223! 2700 2017-12-15 14:12:35Z suehring
224! Bugfix, missing initialization of surface attributes in case of
225! inifor-initialization branch
226!
227! 2698 2017-12-14 18:46:24Z suehring
228! Bugfix in get_topography_top_index
229!
230! 2696 2017-12-14 17:12:51Z kanani
231! Change in file header (GPL part)
232! Implementation of uv exposure model (FK)
233! Moved initialisation of diss, e, kh, km to turbulence_closure_mod (TG)
234! Added chemical emissions (FK)
235! Initialize masking arrays and number-of-grid-points arrays before initialize
236! LSM, USM and radiation module
237! Initialization with inifor (MS)
238!
239! 2618 2017-11-16 15:37:30Z suehring
240! Reorder calls of init_surfaces.
241!
242! 2564 2017-10-19 15:56:56Z Giersch
243! Variable wind_turbine was added to control_parameters.
244!
245! 2550 2017-10-16 17:12:01Z boeske
246! Modifications to cyclic fill method and turbulence recycling method in case of
247! complex terrain simulations
248!
249! 2513 2017-10-04 09:24:39Z kanani
250! Bugfix in storing initial scalar profile (wrong index)
251!
252! 2350 2017-08-15 11:48:26Z kanani
253! Bugfix in nopointer version
254!
255! 2339 2017-08-07 13:55:26Z gronemeier
256! corrected timestamp in header
257!
258! 2338 2017-08-07 12:15:38Z gronemeier
259! Modularize 1D model
260!
261! 2329 2017-08-03 14:24:56Z knoop
262! Removed temporary bugfix (r2327) as bug is properly resolved by this revision
263!
264! 2327 2017-08-02 07:40:57Z maronga
265! Temporary bugfix
266!
267! 2320 2017-07-21 12:47:43Z suehring
268! Modularize large-scale forcing and nudging
269!
270! 2292 2017-06-20 09:51:42Z schwenkel
271! Implementation of new microphysic scheme: cloud_scheme = 'morrison'
272! includes two more prognostic equations for cloud drop concentration (nc) 
273! and cloud water content (qc).
274!
275! 2277 2017-06-12 10:47:51Z kanani
276! Removed unused variable sums_up_fraction_l
277!
278! 2270 2017-06-09 12:18:47Z maronga
279! dots_num must be increased when LSM and/or radiation is used
280!
281! 2259 2017-06-08 09:09:11Z gronemeier
282! Implemented synthetic turbulence generator
283!
284! 2252 2017-06-07 09:35:37Z knoop
285! rho_air now depending on surface_pressure even in Boussinesq mode
286!
287! 2233 2017-05-30 18:08:54Z suehring
288!
289! 2232 2017-05-30 17:47:52Z suehring
290! Adjustments to new topography and surface concept:
291!   - Modify passed parameters for disturb_field
292!   - Topography representation via flags
293!   - Remove unused arrays.
294!   - Move initialization of surface-related quantities to surface_mod
295!
296! 2172 2017-03-08 15:55:25Z knoop
297! Bugfix: moved parallel random generator initialization into its module
298!
299! 2118 2017-01-17 16:38:49Z raasch
300! OpenACC directives removed
301!
302! 2037 2016-10-26 11:15:40Z knoop
303! Anelastic approximation implemented
304!
305! 2031 2016-10-21 15:11:58Z knoop
306! renamed variable rho to rho_ocean
307!
308! 2011 2016-09-19 17:29:57Z kanani
309! Flag urban_surface is now defined in module control_parameters.
310!
311! 2007 2016-08-24 15:47:17Z kanani
312! Added support for urban surface model,
313! adjusted location_message in case of plant_canopy
314!
315! 2000 2016-08-20 18:09:15Z knoop
316! Forced header and separation lines into 80 columns
317!
318! 1992 2016-08-12 15:14:59Z suehring
319! Initializaton of scalarflux at model top
320! Bugfixes in initialization of surface and top salinity flux, top scalar and
321! humidity fluxes
322!
323! 1960 2016-07-12 16:34:24Z suehring
324! Separate humidity and passive scalar
325! Increase dimension for mean_inflow_profiles
326! Remove inadvertent write-statement
327! Bugfix, large-scale forcing is still not implemented for passive scalars
328!
329! 1957 2016-07-07 10:43:48Z suehring
330! flight module added
331!
332! 1920 2016-05-30 10:50:15Z suehring
333! Initialize us with very small number to avoid segmentation fault during
334! calculation of Obukhov length
335!
336! 1918 2016-05-27 14:35:57Z raasch
337! intermediate_timestep_count is set 0 instead 1 for first call of pres,
338! bugfix: initialization of local sum arrays are moved to the beginning of the
339!         routine because otherwise results from pres are overwritten
340!
341! 1914 2016-05-26 14:44:07Z witha
342! Added initialization of the wind turbine model
343!
344! 1878 2016-04-19 12:30:36Z hellstea
345! The zeroth element of weight_pres removed as unnecessary
346!
347! 1849 2016-04-08 11:33:18Z hoffmann
348! Adapted for modularization of microphysics.
349! precipitation_amount, precipitation_rate, prr moved to arrays_3d.
350! Initialization of nc_1d, nr_1d, pt_1d, qc_1d, qr_1d, q_1d moved to
351! bcm_init.
352!
353! 1845 2016-04-08 08:29:13Z raasch
354! nzb_2d replaced by nzb_u|v_inner
355!
356! 1833 2016-04-07 14:23:03Z raasch
357! initialization of spectra quantities moved to spectra_mod
358!
359! 1831 2016-04-07 13:15:51Z hoffmann
360! turbulence renamed collision_turbulence
361!
362! 1826 2016-04-07 12:01:39Z maronga
363! Renamed radiation calls.
364! Renamed canopy model calls.
365!
366! 1822 2016-04-07 07:49:42Z hoffmann
367! icloud_scheme replaced by microphysics_*
368!
369! 1817 2016-04-06 15:44:20Z maronga
370! Renamed lsm calls.
371!
372! 1815 2016-04-06 13:49:59Z raasch
373! zero-settings for velocities inside topography re-activated (was deactivated
374! in r1762)
375!
376! 1788 2016-03-10 11:01:04Z maronga
377! Added z0q.
378! Syntax layout improved.
379!
380! 1783 2016-03-06 18:36:17Z raasch
381! netcdf module name changed + related changes
382!
383! 1764 2016-02-28 12:45:19Z raasch
384! bugfix: increase size of volume_flow_area_l and volume_flow_initial_l by 1
385!
386! 1762 2016-02-25 12:31:13Z hellstea
387! Introduction of nested domain feature
388!
389! 1738 2015-12-18 13:56:05Z raasch
390! calculate mean surface level height for each statistic region
391!
392! 1734 2015-12-02 12:17:12Z raasch
393! no initial disturbances in case that the disturbance energy limit has been
394! set zero
395!
396! 1707 2015-11-02 15:24:52Z maronga
397! Bugfix: transfer of Richardson number from 1D model to Obukhov length caused
398! devision by zero in neutral stratification
399!
400! 1691 2015-10-26 16:17:44Z maronga
401! Call to init_surface_layer added. rif is replaced by ol and zeta.
402!
403! 1682 2015-10-07 23:56:08Z knoop
404! Code annotations made doxygen readable
405!
406! 1615 2015-07-08 18:49:19Z suehring
407! Enable turbulent inflow for passive_scalar and humidity
408!
409! 1585 2015-04-30 07:05:52Z maronga
410! Initialization of radiation code is now done after LSM initializtion
411!
412! 1575 2015-03-27 09:56:27Z raasch
413! adjustments for psolver-queries
414!
415! 1551 2015-03-03 14:18:16Z maronga
416! Allocation of land surface arrays is now done in the subroutine lsm_init_arrays,
417! which is part of land_surface_model.
418!
419! 1507 2014-12-10 12:14:18Z suehring
420! Bugfix: set horizontal velocity components to zero inside topography
421!
422! 1496 2014-12-02 17:25:50Z maronga
423! Added initialization of the land surface and radiation schemes
424!
425! 1484 2014-10-21 10:53:05Z kanani
426! Changes due to new module structure of the plant canopy model:
427! canopy-related initialization (e.g. lad and canopy_heat_flux) moved to new
428! subroutine init_plant_canopy within the module plant_canopy_model_mod,
429! call of subroutine init_plant_canopy added.
430!
431! 1431 2014-07-15 14:47:17Z suehring
432! var_d added, in order to normalize spectra.
433!
434! 1429 2014-07-15 12:53:45Z knoop
435! Ensemble run capability added to parallel random number generator
436!
437! 1411 2014-05-16 18:01:51Z suehring
438! Initial horizontal velocity profiles were not set to zero at the first vertical
439! grid level in case of non-cyclic lateral boundary conditions.
440!
441! 1406 2014-05-16 13:47:01Z raasch
442! bugfix: setting of initial velocities at k=1 to zero not in case of a
443! no-slip boundary condition for uv
444!
445! 1402 2014-05-09 14:25:13Z raasch
446! location messages modified
447!
448! 1400 2014-05-09 14:03:54Z knoop
449! Parallel random number generator added
450!
451! 1384 2014-05-02 14:31:06Z raasch
452! location messages added
453!
454! 1361 2014-04-16 15:17:48Z hoffmann
455! tend_* removed
456! Bugfix: w_subs is not allocated anymore if it is already allocated
457!
458! 1359 2014-04-11 17:15:14Z hoffmann
459! module lpm_init_mod added to use statements, because lpm_init has become a
460! module
461!
462! 1353 2014-04-08 15:21:23Z heinze
463! REAL constants provided with KIND-attribute
464!
465! 1340 2014-03-25 19:45:13Z kanani
466! REAL constants defined as wp-kind
467!
468! 1322 2014-03-20 16:38:49Z raasch
469! REAL constants defined as wp-kind
470! module interfaces removed
471!
472! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
473! ONLY-attribute added to USE-statements,
474! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
475! kinds are defined in new module kinds,
476! revision history before 2012 removed,
477! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
478! all variable declaration statements
479!
480! 1316 2014-03-17 07:44:59Z heinze
481! Bugfix: allocation of w_subs
482!
483! 1299 2014-03-06 13:15:21Z heinze
484! Allocate w_subs due to extension of large scale subsidence in combination
485! with large scale forcing data (LSF_DATA)
486!
487! 1241 2013-10-30 11:36:58Z heinze
488! Overwrite initial profiles in case of nudging
489! Inititialize shf and qsws in case of large_scale_forcing
490!
491! 1221 2013-09-10 08:59:13Z raasch
492! +rflags_s_inner in copyin statement, use copyin for most arrays instead of
493! copy
494!
495! 1212 2013-08-15 08:46:27Z raasch
496! array tri is allocated and included in data copy statement
497!
498! 1195 2013-07-01 12:27:57Z heinze
499! Bugfix: move allocation of ref_state to parin.f90 and read_var_list.f90
500!
501! 1179 2013-06-14 05:57:58Z raasch
502! allocate and set ref_state to be used in buoyancy terms
503!
504! 1171 2013-05-30 11:27:45Z raasch
505! diss array is allocated with full size if accelerator boards are used
506!
507! 1159 2013-05-21 11:58:22Z fricke
508! -bc_lr_dirneu, bc_lr_neudir, bc_ns_dirneu, bc_ns_neudir
509!
510! 1153 2013-05-10 14:33:08Z raasch
511! diss array is allocated with dummy elements even if it is not needed
512! (required by PGI 13.4 / CUDA 5.0)
513!
514! 1115 2013-03-26 18:16:16Z hoffmann
515! unused variables removed
516!
517! 1113 2013-03-10 02:48:14Z raasch
518! openACC directive modified
519!
520! 1111 2013-03-08 23:54:10Z raasch
521! openACC directives added for pres
522! array diss allocated only if required
523!
524! 1092 2013-02-02 11:24:22Z raasch
525! unused variables removed
526!
527! 1065 2012-11-22 17:42:36Z hoffmann
528! allocation of diss (dissipation rate) in case of turbulence = .TRUE. added
529!
530! 1053 2012-11-13 17:11:03Z hoffmann
531! allocation and initialisation of necessary data arrays for the two-moment
532! cloud physics scheme the two new prognostic equations (nr, qr):
533! +dr, lambda_r, mu_r, sed_*, xr, *s, *sws, *swst, *, *_p, t*_m, *_1, *_2, *_3,
534! +tend_*, prr
535!
536! 1036 2012-10-22 13:43:42Z raasch
537! code put under GPL (PALM 3.9)
538!
539! 1032 2012-10-21 13:03:21Z letzel
540! save memory by not allocating pt_2 in case of neutral = .T.
541!
542! 1025 2012-10-07 16:04:41Z letzel
543! bugfix: swap indices of mask for ghost boundaries
544!
545! 1015 2012-09-27 09:23:24Z raasch
546! mask is set to zero for ghost boundaries
547!
548! 1010 2012-09-20 07:59:54Z raasch
549! cpp switch __nopointer added for pointer free version
550!
551! 1003 2012-09-14 14:35:53Z raasch
552! nxra,nyna, nzta replaced ny nxr, nyn, nzt
553!
554! 1001 2012-09-13 14:08:46Z raasch
555! all actions concerning leapfrog scheme removed
556!
557! 996 2012-09-07 10:41:47Z raasch
558! little reformatting
559!
560! 978 2012-08-09 08:28:32Z fricke
561! outflow damping layer removed
562! roughness length for scalar quantites z0h added
563! damping zone for the potential temperatur in case of non-cyclic lateral
564! boundaries added
565! initialization of ptdf_x, ptdf_y
566! initialization of c_u_m, c_u_m_l, c_v_m, c_v_m_l, c_w_m, c_w_m_l
567!
568! 849 2012-03-15 10:35:09Z raasch
569! init_particles renamed lpm_init
570!
571! 825 2012-02-19 03:03:44Z raasch
572! wang_collision_kernel renamed wang_kernel
573!
574! Revision 1.1  1998/03/09 16:22:22  raasch
575! Initial revision
576!
577!
578! Description:
579! ------------
580!> Allocation of arrays and initialization of the 3D model via
581!> a) pre-run the 1D model
582!> or
583!> b) pre-set constant linear profiles
584!> or
585!> c) read values of a previous run
586!------------------------------------------------------------------------------!
587 SUBROUTINE init_3d_model
588
589
590    USE advec_ws
591
592    USE arrays_3d
593
594    USE basic_constants_and_equations_mod,                                     &
595        ONLY:  c_p, g, l_v, pi, r_d, exner_function, exner_function_invers,    &
596               ideal_gas_law_rho, ideal_gas_law_rho_pt, barometric_formula
597
598    USE bulk_cloud_model_mod,                                                  &
599        ONLY:  bulk_cloud_model
600
601    USE chem_modules,                                                          &
602        ONLY:  max_pr_cs ! ToDo: this dependency needs to be removed cause it is ugly #new_dom
603
604    USE control_parameters
605
606    USE grid_variables,                                                        &
607        ONLY:  dx, dy, ddx2_mg, ddy2_mg
608
609    USE indices
610
611    USE kinds
612
613    USE lpm_init_mod,                                                          &
614        ONLY:  lpm_init
615 
616    USE lsf_nudging_mod,                                                       &
617        ONLY:  ls_forcing_surf
618
619    USE model_1d_mod,                                                          &
620        ONLY:  init_1d_model, l1d, u1d, v1d
621
622    USE module_interface,                                                      &
623        ONLY:  module_interface_init_arrays,                                   &
624               module_interface_init,                                          &
625               module_interface_init_checks
626
627    USE multi_agent_system_mod,                                                &
628        ONLY:  agents_active, mas_init
629
630    USE netcdf_interface,                                                      &
631        ONLY:  dots_max
632
633    USE netcdf_data_input_mod,                                                 &
634        ONLY:  init_3d,                              &
635               netcdf_data_input_init_3d, netcdf_data_input_interpolate
636
637    USE nesting_offl_mod,                                                      &
638        ONLY:  nesting_offl_init
639
640    USE particle_attributes,                                                   &
641        ONLY:  particle_advection
642
643    USE pegrid
644
645#if defined( __parallel )
646    USE pmc_interface,                                                         &
647        ONLY:  nested_run
648#endif
649
650    USE random_function_mod
651
652    USE random_generator_parallel,                                             &
653        ONLY:  init_parallel_random_generator
654
655    USE read_restart_data_mod,                                                 &
656        ONLY:  rrd_read_parts_of_global, rrd_local
657
658    USE statistics,                                                            &
659        ONLY:  hom, hom_sum, mean_surface_level_height, pr_palm, rmask,        &
660               statistic_regions, sums, sums_divnew_l, sums_divold_l, sums_l,  &
661               sums_l_l, sums_wsts_bc_l, ts_value,                             &
662               weight_pres, weight_substep
663
664    USE synthetic_turbulence_generator_mod,                                    &
665        ONLY:  parametrize_inflow_turbulence, stg_adjust, stg_init,            &
666               use_syn_turb_gen
667
668    USE surface_layer_fluxes_mod,                                              &
669        ONLY:  init_surface_layer_fluxes
670
671    USE surface_mod,                                                           &
672        ONLY :  init_surface_arrays, init_surfaces, surf_def_h, surf_lsm_h,    &
673                surf_usm_h, get_topography_top_index_ji
674
675#if defined( _OPENACC )
676    USE surface_mod,                                                           &
677        ONLY :  bc_h
678#endif
679
680    USE surface_data_output_mod,                                               &
681        ONLY:  surface_data_output_init
682
683    USE transpose_indices
684
685    USE turbulence_closure_mod,                                                &
686        ONLY:  tcm_init_arrays, tcm_init
687
688    IMPLICIT NONE
689
690    INTEGER(iwp) ::  i             !< grid index in x direction
691    INTEGER(iwp) ::  ind_array(1)  !< dummy used to determine start index for external pressure forcing
692    INTEGER(iwp) ::  j             !< grid index in y direction
693    INTEGER(iwp) ::  k             !< grid index in z direction
694    INTEGER(iwp) ::  k_surf        !< surface level index
695    INTEGER(iwp) ::  m             !< index of surface element in surface data type
696    INTEGER(iwp) ::  sr            !< index of statistic region
697
698    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE   ::  ngp_2dh_l  !< toal number of horizontal grid points in statistical region on subdomain
699
700    INTEGER(iwp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  ngp_2dh_outer_l    !< number of horizontal non-wall bounded grid points on subdomain
701    INTEGER(iwp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  ngp_2dh_s_inner_l  !< number of horizontal non-topography grid points on subdomain
702
703    REAL(wp)     ::  t_surface !< air temperature at the surface
704
705    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  init_l        !< dummy array used for averaging 3D data to obtain inital profiles
706    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  p_hydrostatic !< hydrostatic pressure
707
708    INTEGER(iwp) ::  l       !< loop variable
709    INTEGER(iwp) ::  nzt_l   !< index of top PE boundary for multigrid level
710    REAL(wp) ::  dx_l !< grid spacing along x on different multigrid level
711    REAL(wp) ::  dy_l !< grid spacing along y on different multigrid level
712
713    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  volume_flow_area_l     !< area of lateral and top model domain surface on local subdomain
714    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  volume_flow_initial_l  !< initial volume flow into model domain
715
716    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  mean_surface_level_height_l !< mean surface level height on subdomain
717    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  ngp_3d_inner_l    !< total number of non-topography grid points on subdomain
718    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  ngp_3d_inner_tmp  !< total number of non-topography grid points
719
720    INTEGER(iwp) ::  nz_u_shift   !< topography-top index on u-grid, used to vertically shift initial profiles
721    INTEGER(iwp) ::  nz_v_shift   !< topography-top index on v-grid, used to vertically shift initial profiles
722    INTEGER(iwp) ::  nz_w_shift   !< topography-top index on w-grid, used to vertically shift initial profiles
723    INTEGER(iwp) ::  nz_s_shift   !< topography-top index on scalar-grid, used to vertically shift initial profiles
724    INTEGER(iwp) ::  nz_u_shift_l !< topography-top index on u-grid, used to vertically shift initial profiles
725    INTEGER(iwp) ::  nz_v_shift_l !< topography-top index on v-grid, used to vertically shift initial profiles
726    INTEGER(iwp) ::  nz_w_shift_l !< topography-top index on w-grid, used to vertically shift initial profiles
727    INTEGER(iwp) ::  nz_s_shift_l !< topography-top index on scalar-grid, used to vertically shift initial profiles
728
729    CALL location_message( 'init_3d_model', 'start' )
730    CALL location_message( 'allocating arrays', 'start' )
731!
732!-- Allocate arrays
733    ALLOCATE( mean_surface_level_height(0:statistic_regions),                  &
734              mean_surface_level_height_l(0:statistic_regions),                &
735              ngp_2dh(0:statistic_regions), ngp_2dh_l(0:statistic_regions),    &
736              ngp_3d(0:statistic_regions),                                     &
737              ngp_3d_inner(0:statistic_regions),                               &
738              ngp_3d_inner_l(0:statistic_regions),                             &
739              ngp_3d_inner_tmp(0:statistic_regions),                           &
740              sums_divnew_l(0:statistic_regions),                              &
741              sums_divold_l(0:statistic_regions) )
742    ALLOCATE( dp_smooth_factor(nzb:nzt), rdf(nzb+1:nzt), rdf_sc(nzb+1:nzt) )
743    ALLOCATE( ngp_2dh_outer(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                    &
744              ngp_2dh_outer_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                  &
745              ngp_2dh_s_inner(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                  &
746              ngp_2dh_s_inner_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                &
747              rmask(nysg:nyng,nxlg:nxrg,0:statistic_regions),                  &
748              sums(nzb:nzt+1,pr_palm+max_pr_user+max_pr_cs),                   &
749              sums_l(nzb:nzt+1,pr_palm+max_pr_user+max_pr_cs,0:threads_per_task-1),      &
750              sums_l_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions,0:threads_per_task-1),    &
751              sums_wsts_bc_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions) )
752    ALLOCATE( ts_value(dots_max,0:statistic_regions) )
753    ALLOCATE( ptdf_x(nxlg:nxrg), ptdf_y(nysg:nyng) )
754
755    ALLOCATE( d(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr),                                    &
756              p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                                &
757              tend(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
758
759    ALLOCATE( pt_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
760              pt_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
761              u_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
762              u_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
763              u_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
764              v_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
765              v_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
766              v_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
767              w_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
768              w_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
769              w_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
770    IF (  .NOT.  neutral )  THEN
771       ALLOCATE( pt_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
772    ENDIF
773!
774!-- Pre-set masks for regional statistics. Default is the total model domain.
775!-- Ghost points are excluded because counting values at the ghost boundaries
776!-- would bias the statistics
777    rmask = 1.0_wp
778    rmask(:,nxlg:nxl-1,:) = 0.0_wp;  rmask(:,nxr+1:nxrg,:) = 0.0_wp
779    rmask(nysg:nys-1,:,:) = 0.0_wp;  rmask(nyn+1:nyng,:,:) = 0.0_wp
780!
781!-- Following array is required for perturbation pressure within the iterative
782!-- pressure solvers. For the multistep schemes (Runge-Kutta), array p holds
783!-- the weighted average of the substeps and cannot be used in the Poisson
784!-- solver.
785    IF ( psolver == 'sor' )  THEN
786       ALLOCATE( p_loc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
787    ELSEIF ( psolver(1:9) == 'multigrid' )  THEN
788!
789!--    For performance reasons, multigrid is using one ghost layer only
790       ALLOCATE( p_loc(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
791    ENDIF
792
793!
794!-- Array for storing constant coeffficients of the tridiagonal solver
795    IF ( psolver == 'poisfft' )  THEN
796       ALLOCATE( tri(nxl_z:nxr_z,nys_z:nyn_z,0:nz-1,2) )
797       ALLOCATE( tric(nxl_z:nxr_z,nys_z:nyn_z,0:nz-1) )
798    ENDIF
799
800    IF ( humidity )  THEN
801!
802!--    3D-humidity
803       ALLOCATE( q_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
804                 q_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
805                 q_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
806                 vpt_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ) 
807
808       IF ( cloud_droplets )  THEN
809!
810!--       Liquid water content, change in liquid water content
811          ALLOCATE ( ql_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                      &
812                     ql_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
813!
814!--       Real volume of particles (with weighting), volume of particles
815          ALLOCATE ( ql_v(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                      &
816                     ql_vp(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
817       ENDIF
818
819    ENDIF   
820   
821    IF ( passive_scalar )  THEN
822
823!
824!--    3D scalar arrays
825       ALLOCATE( s_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
826                 s_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
827                 s_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
828
829    ENDIF
830
831!
832!-- Allocate and set 1d-profiles for Stokes drift velocity. It may be set to
833!-- non-zero values later in ocean_init
834    ALLOCATE( u_stokes_zu(nzb:nzt+1), u_stokes_zw(nzb:nzt+1),                  &
835              v_stokes_zu(nzb:nzt+1), v_stokes_zw(nzb:nzt+1) )
836    u_stokes_zu(:) = 0.0_wp
837    u_stokes_zw(:) = 0.0_wp
838    v_stokes_zu(:) = 0.0_wp
839    v_stokes_zw(:) = 0.0_wp
840
841!
842!-- Allocation of anelastic and Boussinesq approximation specific arrays
843    ALLOCATE( p_hydrostatic(nzb:nzt+1) )
844    ALLOCATE( rho_air(nzb:nzt+1) )
845    ALLOCATE( rho_air_zw(nzb:nzt+1) )
846    ALLOCATE( drho_air(nzb:nzt+1) )
847    ALLOCATE( drho_air_zw(nzb:nzt+1) )
848!
849!-- Density profile calculation for anelastic approximation
850    t_surface = pt_surface * ( surface_pressure / 1000.0_wp )**( r_d / c_p )
851    IF ( TRIM( approximation ) == 'anelastic' ) THEN
852       DO  k = nzb, nzt+1
853          p_hydrostatic(k)    = surface_pressure * 100.0_wp *                  &
854                                ( 1 - ( g * zu(k) ) / ( c_p * t_surface )      &
855                                )**( c_p / r_d )
856          rho_air(k)          = ( p_hydrostatic(k) *                           &
857                                  ( 100000.0_wp / p_hydrostatic(k)             &
858                                  )**( r_d / c_p )                             &
859                                ) / ( r_d * pt_init(k) )
860       ENDDO
861       DO  k = nzb, nzt
862          rho_air_zw(k) = 0.5_wp * ( rho_air(k) + rho_air(k+1) )
863       ENDDO
864       rho_air_zw(nzt+1)  = rho_air_zw(nzt)                                    &
865                            + 2.0_wp * ( rho_air(nzt+1) - rho_air_zw(nzt)  )
866    ELSE
867       DO  k = nzb, nzt+1
868          p_hydrostatic(k)    = surface_pressure * 100.0_wp *                  &
869                                ( 1 - ( g * zu(nzb) ) / ( c_p * t_surface )    &
870                                )**( c_p / r_d )
871          rho_air(k)          = ( p_hydrostatic(k) *                           &
872                                  ( 100000.0_wp / p_hydrostatic(k)             &
873                                  )**( r_d / c_p )                             &
874                                ) / ( r_d * pt_init(nzb) )
875       ENDDO
876       DO  k = nzb, nzt
877          rho_air_zw(k) = 0.5_wp * ( rho_air(k) + rho_air(k+1) )
878       ENDDO
879       rho_air_zw(nzt+1)  = rho_air_zw(nzt)                                    &
880                            + 2.0_wp * ( rho_air(nzt+1) - rho_air_zw(nzt)  )
881    ENDIF
882!
883!-- compute the inverse density array in order to avoid expencive divisions
884    drho_air    = 1.0_wp / rho_air
885    drho_air_zw = 1.0_wp / rho_air_zw
886
887!
888!-- Allocation of flux conversion arrays
889    ALLOCATE( heatflux_input_conversion(nzb:nzt+1) )
890    ALLOCATE( waterflux_input_conversion(nzb:nzt+1) )
891    ALLOCATE( momentumflux_input_conversion(nzb:nzt+1) )
892    ALLOCATE( heatflux_output_conversion(nzb:nzt+1) )
893    ALLOCATE( waterflux_output_conversion(nzb:nzt+1) )
894    ALLOCATE( momentumflux_output_conversion(nzb:nzt+1) )
895
896!
897!-- calculate flux conversion factors according to approximation and in-/output mode
898    DO  k = nzb, nzt+1
899
900        IF ( TRIM( flux_input_mode ) == 'kinematic' )  THEN
901            heatflux_input_conversion(k)      = rho_air_zw(k)
902            waterflux_input_conversion(k)     = rho_air_zw(k)
903            momentumflux_input_conversion(k)  = rho_air_zw(k)
904        ELSEIF ( TRIM( flux_input_mode ) == 'dynamic' ) THEN
905            heatflux_input_conversion(k)      = 1.0_wp / c_p
906            waterflux_input_conversion(k)     = 1.0_wp / l_v
907            momentumflux_input_conversion(k)  = 1.0_wp
908        ENDIF
909
910        IF ( TRIM( flux_output_mode ) == 'kinematic' )  THEN
911            heatflux_output_conversion(k)     = drho_air_zw(k)
912            waterflux_output_conversion(k)    = drho_air_zw(k)
913            momentumflux_output_conversion(k) = drho_air_zw(k)
914        ELSEIF ( TRIM( flux_output_mode ) == 'dynamic' ) THEN
915            heatflux_output_conversion(k)     = c_p
916            waterflux_output_conversion(k)    = l_v
917            momentumflux_output_conversion(k) = 1.0_wp
918        ENDIF
919
920        IF ( .NOT. humidity ) THEN
921            waterflux_input_conversion(k)  = 1.0_wp
922            waterflux_output_conversion(k) = 1.0_wp
923        ENDIF
924
925    ENDDO
926
927!
928!-- In case of multigrid method, compute grid lengths and grid factors for the
929!-- grid levels with respective density on each grid
930    IF ( psolver(1:9) == 'multigrid' )  THEN
931
932       ALLOCATE( ddx2_mg(maximum_grid_level) )
933       ALLOCATE( ddy2_mg(maximum_grid_level) )
934       ALLOCATE( dzu_mg(nzb+1:nzt+1,maximum_grid_level) )
935       ALLOCATE( dzw_mg(nzb+1:nzt+1,maximum_grid_level) )
936       ALLOCATE( f1_mg(nzb+1:nzt,maximum_grid_level) )
937       ALLOCATE( f2_mg(nzb+1:nzt,maximum_grid_level) )
938       ALLOCATE( f3_mg(nzb+1:nzt,maximum_grid_level) )
939       ALLOCATE( rho_air_mg(nzb:nzt+1,maximum_grid_level) )
940       ALLOCATE( rho_air_zw_mg(nzb:nzt+1,maximum_grid_level) )
941
942       dzu_mg(:,maximum_grid_level) = dzu
943       rho_air_mg(:,maximum_grid_level) = rho_air
944!       
945!--    Next line to ensure an equally spaced grid.
946       dzu_mg(1,maximum_grid_level) = dzu(2)
947       rho_air_mg(nzb,maximum_grid_level) = rho_air(nzb) +                     &
948                                             (rho_air(nzb) - rho_air(nzb+1))
949
950       dzw_mg(:,maximum_grid_level) = dzw
951       rho_air_zw_mg(:,maximum_grid_level) = rho_air_zw
952       nzt_l = nzt
953       DO  l = maximum_grid_level-1, 1, -1
954           dzu_mg(nzb+1,l) = 2.0_wp * dzu_mg(nzb+1,l+1)
955           dzw_mg(nzb+1,l) = 2.0_wp * dzw_mg(nzb+1,l+1)
956           rho_air_mg(nzb,l)    = rho_air_mg(nzb,l+1) + (rho_air_mg(nzb,l+1) - rho_air_mg(nzb+1,l+1))
957           rho_air_zw_mg(nzb,l) = rho_air_zw_mg(nzb,l+1) + (rho_air_zw_mg(nzb,l+1) - rho_air_zw_mg(nzb+1,l+1))
958           rho_air_mg(nzb+1,l)    = rho_air_mg(nzb+1,l+1)
959           rho_air_zw_mg(nzb+1,l) = rho_air_zw_mg(nzb+1,l+1)
960           nzt_l = nzt_l / 2
961           DO  k = 2, nzt_l+1
962              dzu_mg(k,l) = dzu_mg(2*k-2,l+1) + dzu_mg(2*k-1,l+1)
963              dzw_mg(k,l) = dzw_mg(2*k-2,l+1) + dzw_mg(2*k-1,l+1)
964              rho_air_mg(k,l)    = rho_air_mg(2*k-1,l+1)
965              rho_air_zw_mg(k,l) = rho_air_zw_mg(2*k-1,l+1)
966           ENDDO
967       ENDDO
968
969       nzt_l = nzt
970       dx_l  = dx
971       dy_l  = dy
972       DO  l = maximum_grid_level, 1, -1
973          ddx2_mg(l) = 1.0_wp / dx_l**2
974          ddy2_mg(l) = 1.0_wp / dy_l**2
975          DO  k = nzb+1, nzt_l
976             f2_mg(k,l) = rho_air_zw_mg(k,l) / ( dzu_mg(k+1,l) * dzw_mg(k,l) )
977             f3_mg(k,l) = rho_air_zw_mg(k-1,l) / ( dzu_mg(k,l)   * dzw_mg(k,l) )
978             f1_mg(k,l) = 2.0_wp * ( ddx2_mg(l) + ddy2_mg(l) ) &
979                          * rho_air_mg(k,l) + f2_mg(k,l) + f3_mg(k,l)
980          ENDDO
981          nzt_l = nzt_l / 2
982          dx_l  = dx_l * 2.0_wp
983          dy_l  = dy_l * 2.0_wp
984       ENDDO
985
986    ENDIF
987
988!
989!-- 1D-array for large scale subsidence velocity
990    IF ( .NOT. ALLOCATED( w_subs ) )  THEN
991       ALLOCATE ( w_subs(nzb:nzt+1) )
992       w_subs = 0.0_wp
993    ENDIF
994
995!
996!-- Arrays to store velocity data from t-dt and the phase speeds which
997!-- are needed for radiation boundary conditions
998    IF ( bc_radiation_l )  THEN
999       ALLOCATE( u_m_l(nzb:nzt+1,nysg:nyng,1:2),                               &
1000                 v_m_l(nzb:nzt+1,nysg:nyng,0:1),                               &
1001                 w_m_l(nzb:nzt+1,nysg:nyng,0:1) )
1002    ENDIF
1003    IF ( bc_radiation_r )  THEN
1004       ALLOCATE( u_m_r(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nx-1:nx),                           &
1005                 v_m_r(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nx-1:nx),                           &
1006                 w_m_r(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nx-1:nx) )
1007    ENDIF
1008    IF ( bc_radiation_l  .OR.  bc_radiation_r )  THEN
1009       ALLOCATE( c_u(nzb:nzt+1,nysg:nyng), c_v(nzb:nzt+1,nysg:nyng),           &
1010                 c_w(nzb:nzt+1,nysg:nyng) )
1011    ENDIF
1012    IF ( bc_radiation_s )  THEN
1013       ALLOCATE( u_m_s(nzb:nzt+1,0:1,nxlg:nxrg),                               &
1014                 v_m_s(nzb:nzt+1,1:2,nxlg:nxrg),                               &
1015                 w_m_s(nzb:nzt+1,0:1,nxlg:nxrg) )
1016    ENDIF
1017    IF ( bc_radiation_n )  THEN
1018       ALLOCATE( u_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny,nxlg:nxrg),                           &
1019                 v_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny,nxlg:nxrg),                           &
1020                 w_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny,nxlg:nxrg) )
1021    ENDIF
1022    IF ( bc_radiation_s  .OR.  bc_radiation_n )  THEN
1023       ALLOCATE( c_u(nzb:nzt+1,nxlg:nxrg), c_v(nzb:nzt+1,nxlg:nxrg),           &
1024                 c_w(nzb:nzt+1,nxlg:nxrg) )
1025    ENDIF
1026    IF ( bc_radiation_l  .OR.  bc_radiation_r  .OR.  bc_radiation_s  .OR.      &
1027         bc_radiation_n )  THEN
1028       ALLOCATE( c_u_m_l(nzb:nzt+1), c_v_m_l(nzb:nzt+1), c_w_m_l(nzb:nzt+1) )                   
1029       ALLOCATE( c_u_m(nzb:nzt+1), c_v_m(nzb:nzt+1), c_w_m(nzb:nzt+1) )
1030    ENDIF
1031
1032!
1033!-- Initial assignment of the pointers
1034    IF ( .NOT. neutral )  THEN
1035       pt => pt_1;  pt_p => pt_2;  tpt_m => pt_3
1036    ELSE
1037       pt => pt_1;  pt_p => pt_1;  tpt_m => pt_3
1038    ENDIF
1039    u  => u_1;   u_p  => u_2;   tu_m  => u_3
1040    v  => v_1;   v_p  => v_2;   tv_m  => v_3
1041    w  => w_1;   w_p  => w_2;   tw_m  => w_3
1042
1043    IF ( humidity )  THEN
1044       q => q_1;  q_p => q_2;  tq_m => q_3
1045       vpt  => vpt_1
1046       IF ( cloud_droplets )  THEN
1047          ql   => ql_1
1048          ql_c => ql_2
1049       ENDIF
1050    ENDIF
1051   
1052    IF ( passive_scalar )  THEN
1053       s => s_1;  s_p => s_2;  ts_m => s_3
1054    ENDIF   
1055
1056!
1057!-- Initialize arrays for turbulence closure
1058    CALL tcm_init_arrays
1059!
1060!-- Initialize surface arrays
1061    CALL init_surface_arrays
1062!
1063!-- Allocate arrays for other modules
1064    CALL module_interface_init_arrays
1065
1066
1067!
1068!-- Allocate arrays containing the RK coefficient for calculation of
1069!-- perturbation pressure and turbulent fluxes. At this point values are
1070!-- set for pressure calculation during initialization (where no timestep
1071!-- is done). Further below the values needed within the timestep scheme
1072!-- will be set.
1073    ALLOCATE( weight_substep(1:intermediate_timestep_count_max),               &
1074              weight_pres(1:intermediate_timestep_count_max) )
1075    weight_substep = 1.0_wp
1076    weight_pres    = 1.0_wp
1077    intermediate_timestep_count = 0  ! needed when simulated_time = 0.0
1078       
1079    CALL location_message( 'allocating arrays', 'finished' )
1080
1081!
1082!-- Initialize time series
1083    ts_value = 0.0_wp
1084
1085!
1086!-- Initialize local summation arrays for routine flow_statistics.
1087!-- This is necessary because they may not yet have been initialized when they
1088!-- are called from flow_statistics (or - depending on the chosen model run -
1089!-- are never initialized)
1090    sums_divnew_l      = 0.0_wp
1091    sums_divold_l      = 0.0_wp
1092    sums_l_l           = 0.0_wp
1093    sums_wsts_bc_l     = 0.0_wp
1094   
1095!
1096!-- Initialize model variables
1097    IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data'  .AND.            &
1098         TRIM( initializing_actions ) /= 'cyclic_fill' )  THEN
1099!
1100!--    Initialization with provided input data derived from larger-scale model
1101       IF ( INDEX( initializing_actions, 'inifor' ) /= 0 )  THEN
1102          CALL location_message( 'initializing with INIFOR', 'start' )
1103!
1104!--       Read initial 1D profiles or 3D data from NetCDF file, depending
1105!--       on the provided level-of-detail.
1106!--       At the moment, only u, v, w, pt and q are provided.
1107          CALL netcdf_data_input_init_3d
1108!
1109!--       Please note, Inifor provides data from nzb+1 to nzt.
1110!--       Bottom and top boundary conditions for Inifor profiles are already
1111!--       set (just after reading), so that this is not necessary here.
1112!--       Depending on the provided level-of-detail, initial Inifor data is
1113!--       either stored on data type (lod=1), or directly on 3D arrays (lod=2).
1114!--       In order to obtain also initial profiles in case of lod=2 (which
1115!--       is required for e.g. damping), average over 3D data.
1116          IF( init_3d%lod_u == 1 )  THEN
1117             u_init = init_3d%u_init
1118          ELSEIF( init_3d%lod_u == 2 )  THEN
1119             ALLOCATE( init_l(nzb:nzt+1) ) 
1120             DO  k = nzb, nzt+1
1121                init_l(k) = SUM( u(k,nys:nyn,nxl:nxr) )
1122             ENDDO
1123             init_l = init_l / REAL( ( nx + 1 ) * ( ny + 1 ), KIND = wp )
1124
1125#if defined( __parallel )
1126             CALL MPI_ALLREDUCE( init_l, u_init, nzt+1-nzb+1,                  &
1127                                 MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1128#else
1129             u_init = init_l
1130#endif
1131             DEALLOCATE( init_l )
1132
1133          ENDIF
1134           
1135          IF( init_3d%lod_v == 1 )  THEN 
1136             v_init = init_3d%v_init
1137          ELSEIF( init_3d%lod_v == 2 )  THEN
1138             ALLOCATE( init_l(nzb:nzt+1) ) 
1139             DO  k = nzb, nzt+1
1140                init_l(k) = SUM( v(k,nys:nyn,nxl:nxr) )
1141             ENDDO
1142             init_l = init_l / REAL( ( nx + 1 ) * ( ny + 1 ), KIND = wp )
1143
1144#if defined( __parallel )
1145             CALL MPI_ALLREDUCE( init_l, v_init, nzt+1-nzb+1,                  &
1146                                 MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1147#else
1148             v_init = init_l
1149#endif
1150             DEALLOCATE( init_l )
1151          ENDIF
1152          IF( .NOT. neutral )  THEN
1153             IF( init_3d%lod_pt == 1 )  THEN
1154                pt_init = init_3d%pt_init
1155             ELSEIF( init_3d%lod_pt == 2 )  THEN
1156                ALLOCATE( init_l(nzb:nzt+1) ) 
1157                DO  k = nzb, nzt+1
1158                   init_l(k) = SUM( pt(k,nys:nyn,nxl:nxr) )
1159                ENDDO
1160                init_l = init_l / REAL( ( nx + 1 ) * ( ny + 1 ), KIND = wp )
1161
1162#if defined( __parallel )
1163                CALL MPI_ALLREDUCE( init_l, pt_init, nzt+1-nzb+1,               &
1164                                    MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1165#else
1166                pt_init = init_l
1167#endif
1168                DEALLOCATE( init_l )
1169             ENDIF
1170          ENDIF
1171
1172
1173          IF( humidity )  THEN
1174             IF( init_3d%lod_q == 1 )  THEN
1175                q_init = init_3d%q_init
1176             ELSEIF( init_3d%lod_q == 2 )  THEN
1177                ALLOCATE( init_l(nzb:nzt+1) ) 
1178                DO  k = nzb, nzt+1
1179                   init_l(k) = SUM( q(k,nys:nyn,nxl:nxr) )
1180                ENDDO
1181                init_l = init_l / REAL( ( nx + 1 ) * ( ny + 1 ), KIND = wp )
1182
1183#if defined( __parallel )
1184                CALL MPI_ALLREDUCE( init_l, q_init, nzt+1-nzb+1,               &
1185                                    MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1186#else
1187                q_init = init_l
1188#endif
1189                DEALLOCATE( init_l )
1190             ENDIF
1191          ENDIF
1192
1193!
1194!--       Write initial profiles onto 3D arrays. Note, only in case of lod = 1,
1195!--       for lod = 2 data is already on 3D arrays.   
1196          DO  i = nxlg, nxrg
1197             DO  j = nysg, nyng
1198                IF( init_3d%lod_u == 1 )  u(:,j,i) = u_init(:)
1199                IF( init_3d%lod_v == 1 )  v(:,j,i) = v_init(:)
1200                IF( .NOT. neutral  .AND.  init_3d%lod_pt == 1 )                &
1201                   pt(:,j,i) = pt_init(:)
1202                IF( humidity  .AND.  init_3d%lod_q == 1 )  q(:,j,i) = q_init(:)
1203             ENDDO
1204          ENDDO
1205!
1206!--       Exchange ghost points in case of level-of-detail = 2
1207          IF( init_3d%lod_u == 2 )   CALL exchange_horiz( u, nbgp )
1208          IF( init_3d%lod_v == 2 )   CALL exchange_horiz( v, nbgp )
1209          IF( init_3d%lod_w == 2 )   CALL exchange_horiz( w, nbgp )
1210          IF( .NOT. neutral  .AND.  init_3d%lod_pt == 2 )                      &
1211             CALL exchange_horiz( pt, nbgp )
1212          IF( humidity  .AND.  init_3d%lod_q == 2 )                            &
1213             CALL exchange_horiz( q, nbgp )
1214!
1215!--       Set geostrophic wind components. 
1216          IF ( init_3d%from_file_ug )  THEN
1217             ug(:) = init_3d%ug_init(:)
1218          ENDIF
1219          IF ( init_3d%from_file_vg )  THEN
1220             vg(:) = init_3d%vg_init(:)
1221          ENDIF
1222!
1223!--       Set bottom and top boundary condition for geostrophic wind
1224          ug(nzt+1) = ug(nzt)
1225          vg(nzt+1) = vg(nzt)
1226          ug(nzb)   = ug(nzb+1)
1227          vg(nzb)   = vg(nzb+1)
1228!
1229!--       Set inital w to 0
1230          w = 0.0_wp
1231
1232          IF ( passive_scalar )  THEN
1233             DO  i = nxlg, nxrg
1234                DO  j = nysg, nyng
1235                   s(:,j,i) = s_init
1236                ENDDO
1237             ENDDO
1238          ENDIF
1239
1240!
1241!--       Set velocity components at non-atmospheric / oceanic grid points to
1242!--       zero.
1243          u = MERGE( u, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 1 ) )
1244          v = MERGE( v, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 2 ) )
1245          w = MERGE( w, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 3 ) )
1246!
1247!--       Initialize surface variables, e.g. friction velocity, momentum
1248!--       fluxes, etc.
1249          CALL init_surfaces
1250!
1251!--       Initialize turbulence generator
1252          IF( use_syn_turb_gen )  CALL stg_init
1253
1254          CALL location_message( 'initializing with INIFOR', 'finished' )
1255!
1256!--    Initialization via computed 1D-model profiles
1257       ELSEIF ( INDEX( initializing_actions, 'set_1d-model_profiles' ) /= 0 )  THEN
1258
1259          CALL location_message( 'initializing with 1D model profiles', 'start' )
1260!
1261!--       Use solutions of the 1D model as initial profiles,
1262!--       start 1D model
1263          CALL init_1d_model
1264!
1265!--       Transfer initial profiles to the arrays of the 3D model
1266          DO  i = nxlg, nxrg
1267             DO  j = nysg, nyng
1268                pt(:,j,i) = pt_init
1269                u(:,j,i)  = u1d
1270                v(:,j,i)  = v1d
1271             ENDDO
1272          ENDDO
1273
1274          IF ( humidity )  THEN
1275             DO  i = nxlg, nxrg
1276                DO  j = nysg, nyng
1277                   q(:,j,i) = q_init
1278                ENDDO
1279             ENDDO
1280          ENDIF
1281
1282          IF ( passive_scalar )  THEN
1283             DO  i = nxlg, nxrg
1284                DO  j = nysg, nyng
1285                   s(:,j,i) = s_init
1286                ENDDO
1287             ENDDO   
1288          ENDIF
1289!
1290!--          Store initial profiles for output purposes etc.
1291          IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
1292             hom(:,1,25,:) = SPREAD( l1d, 2, statistic_regions+1 )
1293          ENDIF
1294!
1295!--       Set velocities back to zero
1296          u = MERGE( u, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 1 ) )
1297          v = MERGE( v, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 2 ) )         
1298!
1299!--       WARNING: The extra boundary conditions set after running the
1300!--       -------  1D model impose an error on the divergence one layer
1301!--                below the topography; need to correct later
1302!--       ATTENTION: Provisional correction for Piacsek & Williams
1303!--       ---------  advection scheme: keep u and v zero one layer below
1304!--                  the topography.
1305          IF ( ibc_uv_b == 1 )  THEN
1306!
1307!--          Neumann condition
1308             DO  i = nxl-1, nxr+1
1309                DO  j = nys-1, nyn+1
1310                   u(nzb,j,i) = u(nzb+1,j,i)
1311                   v(nzb,j,i) = v(nzb+1,j,i)
1312                ENDDO
1313             ENDDO
1314
1315          ENDIF
1316!
1317!--       Initialize surface variables, e.g. friction velocity, momentum
1318!--       fluxes, etc.
1319          CALL init_surfaces
1320!
1321!--       Initialize synthetic turbulence generator if required
1322          IF( use_syn_turb_gen )  CALL stg_init
1323
1324          CALL location_message( 'initializing with 1D model profiles', 'finished' )
1325
1326       ELSEIF ( INDEX(initializing_actions, 'set_constant_profiles') /= 0 )    &
1327       THEN
1328
1329          CALL location_message( 'initializing with constant profiles', 'start' )
1330
1331!
1332!--       Use constructed initial profiles (velocity constant with height,
1333!--       temperature profile with constant gradient)
1334          DO  i = nxlg, nxrg
1335             DO  j = nysg, nyng
1336                pt(:,j,i) = pt_init
1337                u(:,j,i)  = u_init
1338                v(:,j,i)  = v_init
1339             ENDDO
1340          ENDDO
1341!
1342!--       Mask topography
1343          u = MERGE( u, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 1 ) )
1344          v = MERGE( v, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 2 ) )
1345!
1346!--       Set initial horizontal velocities at the lowest computational grid
1347!--       levels to zero in order to avoid too small time steps caused by the
1348!--       diffusion limit in the initial phase of a run (at k=1, dz/2 occurs
1349!--       in the limiting formula!).
1350!--       Please note, in case land- or urban-surface model is used and a
1351!--       spinup is applied, masking the lowest computational level is not
1352!--       possible as MOST as well as energy-balance parametrizations will not
1353!--       work with zero wind velocity.
1354          IF ( ibc_uv_b /= 1  .AND.  .NOT.  spinup )  THEN
1355             DO  i = nxlg, nxrg
1356                DO  j = nysg, nyng
1357                   DO  k = nzb, nzt
1358                      u(k,j,i) = MERGE( u(k,j,i), 0.0_wp,                      &
1359                                        BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 20 ) )
1360                      v(k,j,i) = MERGE( v(k,j,i), 0.0_wp,                      &
1361                                        BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 21 ) )
1362                   ENDDO
1363                ENDDO
1364             ENDDO
1365          ENDIF
1366
1367          IF ( humidity )  THEN
1368             DO  i = nxlg, nxrg
1369                DO  j = nysg, nyng
1370                   q(:,j,i) = q_init
1371                ENDDO
1372             ENDDO
1373          ENDIF
1374         
1375          IF ( passive_scalar )  THEN
1376             DO  i = nxlg, nxrg
1377                DO  j = nysg, nyng
1378                   s(:,j,i) = s_init
1379                ENDDO
1380             ENDDO
1381          ENDIF
1382
1383!
1384!--       Compute initial temperature field and other constants used in case
1385!--       of a sloping surface
1386          IF ( sloping_surface )  CALL init_slope
1387!
1388!--       Initialize surface variables, e.g. friction velocity, momentum
1389!--       fluxes, etc.
1390          CALL init_surfaces
1391!
1392!--       Initialize synthetic turbulence generator if required
1393          IF( use_syn_turb_gen )  CALL stg_init
1394         
1395          CALL location_message( 'initializing with constant profiles', 'finished' )
1396
1397       ELSEIF ( INDEX(initializing_actions, 'by_user') /= 0 )                  &
1398       THEN
1399
1400          CALL location_message( 'initializing by user', 'start' )
1401!
1402!--       Pre-initialize surface variables, i.e. setting start- and end-indices
1403!--       at each (j,i)-location. Please note, this does not supersede
1404!--       user-defined initialization of surface quantities.
1405          CALL init_surfaces
1406!
1407!--       Initialization will completely be done by the user
1408          CALL user_init_3d_model
1409
1410          CALL location_message( 'initializing by user', 'finished' )
1411
1412       ENDIF
1413
1414       CALL location_message( 'initializing statistics, boundary conditions, etc.', 'start' )
1415
1416!
1417!--    Bottom boundary
1418       IF ( ibc_uv_b == 0 .OR. ibc_uv_b == 2  )  THEN
1419          u(nzb,:,:) = 0.0_wp
1420          v(nzb,:,:) = 0.0_wp
1421       ENDIF
1422
1423!
1424!--    Apply channel flow boundary condition
1425       IF ( TRIM( bc_uv_t ) == 'dirichlet_0' )  THEN
1426          u(nzt+1,:,:) = 0.0_wp
1427          v(nzt+1,:,:) = 0.0_wp
1428       ENDIF
1429
1430!
1431!--    Calculate virtual potential temperature
1432       IF ( humidity )  vpt = pt * ( 1.0_wp + 0.61_wp * q )
1433
1434!
1435!--    Store initial profiles for output purposes etc.. Please note, in case of
1436!--    initialization of u, v, w, pt, and q via output data derived from larger
1437!--    scale models, data will not be horizontally homogeneous. Actually, a mean
1438!--    profile should be calculated before.   
1439       hom(:,1,5,:) = SPREAD( u(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1440       hom(:,1,6,:) = SPREAD( v(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1441       IF ( ibc_uv_b == 0 .OR. ibc_uv_b == 2)  THEN
1442          hom(nzb,1,5,:) = 0.0_wp
1443          hom(nzb,1,6,:) = 0.0_wp
1444       ENDIF
1445       hom(:,1,7,:)  = SPREAD( pt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1446
1447       IF ( humidity )  THEN
1448!
1449!--       Store initial profile of total water content, virtual potential
1450!--       temperature
1451          hom(:,1,26,:) = SPREAD(   q(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1452          hom(:,1,29,:) = SPREAD( vpt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1453!
1454!--       Store initial profile of mixing ratio and potential
1455!--       temperature
1456          IF ( bulk_cloud_model  .OR.  cloud_droplets ) THEN
1457             hom(:,1,27,:) = SPREAD(  q(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1458             hom(:,1,28,:) = SPREAD( pt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1459          ENDIF
1460       ENDIF
1461
1462!
1463!--    Store initial scalar profile
1464       IF ( passive_scalar )  THEN
1465          hom(:,1,121,:) = SPREAD(  s(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1466       ENDIF
1467
1468!
1469!--    Initialize the random number generators (from numerical recipes)
1470       CALL random_function_ini
1471       
1472       IF ( random_generator == 'random-parallel' )  THEN
1473          CALL init_parallel_random_generator( nx, nys, nyn, nxl, nxr )
1474       ENDIF
1475!
1476!--    Set the reference state to be used in the buoyancy terms (for ocean runs
1477!--    the reference state will be set (overwritten) in init_ocean)
1478       IF ( use_single_reference_value )  THEN
1479          IF (  .NOT.  humidity )  THEN
1480             ref_state(:) = pt_reference
1481          ELSE
1482             ref_state(:) = vpt_reference
1483          ENDIF
1484       ELSE
1485          IF (  .NOT.  humidity )  THEN
1486             ref_state(:) = pt_init(:)
1487          ELSE
1488             ref_state(:) = vpt(:,nys,nxl)
1489          ENDIF
1490       ENDIF
1491
1492!
1493!--    For the moment, vertical velocity is zero
1494       w = 0.0_wp
1495
1496!
1497!--    Initialize array sums (must be defined in first call of pres)
1498       sums = 0.0_wp
1499
1500!
1501!--    In case of iterative solvers, p must get an initial value
1502       IF ( psolver(1:9) == 'multigrid'  .OR.  psolver == 'sor' )  p = 0.0_wp
1503!
1504!--    Impose vortex with vertical axis on the initial velocity profile
1505       IF ( INDEX( initializing_actions, 'initialize_vortex' ) /= 0 )  THEN
1506          CALL init_rankine
1507       ENDIF
1508
1509!
1510!--    Impose temperature anomaly (advection test only) or warm air bubble
1511!--    close to surface
1512       IF ( INDEX( initializing_actions, 'initialize_ptanom' ) /= 0  .OR.  &
1513            INDEX( initializing_actions, 'initialize_bubble' ) /= 0  )  THEN
1514          CALL init_pt_anomaly
1515       ENDIF
1516       
1517!
1518!--    If required, change the surface temperature at the start of the 3D run
1519       IF ( pt_surface_initial_change /= 0.0_wp )  THEN
1520          pt(nzb,:,:) = pt(nzb,:,:) + pt_surface_initial_change
1521       ENDIF
1522
1523!
1524!--    If required, change the surface humidity/scalar at the start of the 3D
1525!--    run
1526       IF ( humidity  .AND.  q_surface_initial_change /= 0.0_wp )              &
1527          q(nzb,:,:) = q(nzb,:,:) + q_surface_initial_change
1528         
1529       IF ( passive_scalar .AND.  s_surface_initial_change /= 0.0_wp )         &
1530          s(nzb,:,:) = s(nzb,:,:) + s_surface_initial_change
1531       
1532
1533!
1534!--    Initialize old and new time levels.
1535       tpt_m = 0.0_wp; tu_m = 0.0_wp; tv_m = 0.0_wp; tw_m = 0.0_wp
1536       pt_p = pt; u_p = u; v_p = v; w_p = w
1537
1538       IF ( humidity  )  THEN
1539          tq_m = 0.0_wp
1540          q_p = q
1541       ENDIF
1542       
1543       IF ( passive_scalar )  THEN
1544          ts_m = 0.0_wp
1545          s_p  = s
1546       ENDIF       
1547
1548       CALL location_message( 'initializing statistics, boundary conditions, etc.', 'finished' )
1549
1550    ELSEIF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data'  .OR.         &
1551             TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )                   &
1552    THEN
1553
1554       CALL location_message( 'initializing in case of restart / cyclic_fill', 'start' )
1555!
1556!--    Initialize surface elements and its attributes, e.g. heat- and
1557!--    momentumfluxes, roughness, scaling parameters. As number of surface
1558!--    elements might be different between runs, e.g. in case of cyclic fill,
1559!--    and not all surface elements are read, surface elements need to be
1560!--    initialized before.
1561!--    Please note, in case of cyclic fill, surfaces should be initialized
1562!--    after restart data is read, else, individual settings of surface
1563!--    parameters will be overwritten from data of precursor run, hence,
1564!--    init_surfaces is called a second time after reading the restart data.
1565       CALL init_surfaces                       
1566!
1567!--    When reading data for cyclic fill of 3D prerun data files, read
1568!--    some of the global variables from the restart file which are required
1569!--    for initializing the inflow
1570       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  THEN
1571
1572          DO  i = 0, io_blocks-1
1573             IF ( i == io_group )  THEN
1574                CALL rrd_read_parts_of_global
1575             ENDIF
1576#if defined( __parallel )
1577             CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1578#endif
1579          ENDDO
1580
1581       ENDIF
1582
1583!
1584!--    Read processor specific binary data from restart file
1585       DO  i = 0, io_blocks-1
1586          IF ( i == io_group )  THEN
1587             CALL rrd_local
1588          ENDIF
1589#if defined( __parallel )
1590          CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1591#endif
1592       ENDDO
1593!
1594!--    In case of cyclic fill, call init_surfaces a second time, so that
1595!--    surface properties such as heat fluxes are initialized as prescribed.
1596       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )                    &
1597          CALL init_surfaces
1598
1599!
1600!--    In case of complex terrain and cyclic fill method as initialization,
1601!--    shift initial data in the vertical direction for each point in the
1602!--    x-y-plane depending on local surface height
1603       IF ( complex_terrain  .AND.                                             &
1604            TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  THEN
1605          DO  i = nxlg, nxrg
1606             DO  j = nysg, nyng
1607                nz_u_shift = get_topography_top_index_ji( j, i, 'u' )
1608                nz_v_shift = get_topography_top_index_ji( j, i, 'v' )
1609                nz_w_shift = get_topography_top_index_ji( j, i, 'w' )
1610                nz_s_shift = get_topography_top_index_ji( j, i, 's' )
1611
1612                u(nz_u_shift:nzt+1,j,i)  = u(0:nzt+1-nz_u_shift,j,i)               
1613
1614                v(nz_v_shift:nzt+1,j,i)  = v(0:nzt+1-nz_v_shift,j,i)
1615
1616                w(nz_w_shift:nzt+1,j,i)  = w(0:nzt+1-nz_w_shift,j,i)
1617
1618                p(nz_s_shift:nzt+1,j,i)  =  p(0:nzt+1-nz_s_shift,j,i)
1619                pt(nz_s_shift:nzt+1,j,i) = pt(0:nzt+1-nz_s_shift,j,i)
1620             ENDDO
1621          ENDDO
1622       ENDIF
1623
1624!
1625!--    Initialization of the turbulence recycling method
1626       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill'  .AND.               &
1627            turbulent_inflow )  THEN
1628!
1629!--       First store the profiles to be used at the inflow.
1630!--       These profiles are the (temporally) and horizontally averaged vertical
1631!--       profiles from the prerun. Alternatively, prescribed profiles
1632!--       for u,v-components can be used.
1633          ALLOCATE( mean_inflow_profiles(nzb:nzt+1,1:num_mean_inflow_profiles) )
1634
1635          IF ( use_prescribed_profile_data )  THEN
1636             mean_inflow_profiles(:,1) = u_init            ! u
1637             mean_inflow_profiles(:,2) = v_init            ! v
1638          ELSE
1639             mean_inflow_profiles(:,1) = hom_sum(:,1,0)    ! u
1640             mean_inflow_profiles(:,2) = hom_sum(:,2,0)    ! v
1641          ENDIF
1642          mean_inflow_profiles(:,4) = hom_sum(:,4,0)       ! pt
1643          IF ( humidity )                                                      &
1644             mean_inflow_profiles(:,6) = hom_sum(:,41,0)   ! q
1645          IF ( passive_scalar )                                                &
1646             mean_inflow_profiles(:,7) = hom_sum(:,115,0)   ! s
1647!
1648!--       In case of complex terrain, determine vertical displacement at inflow
1649!--       boundary and adjust mean inflow profiles
1650          IF ( complex_terrain )  THEN
1651             IF ( nxlg <= 0 .AND. nxrg >= 0 .AND. nysg <= 0 .AND. nyng >= 0 )  THEN
1652                nz_u_shift_l = get_topography_top_index_ji( 0, 0, 'u' )
1653                nz_v_shift_l = get_topography_top_index_ji( 0, 0, 'v' )
1654                nz_w_shift_l = get_topography_top_index_ji( 0, 0, 'w' )
1655                nz_s_shift_l = get_topography_top_index_ji( 0, 0, 's' )
1656             ELSE
1657                nz_u_shift_l = 0
1658                nz_v_shift_l = 0
1659                nz_w_shift_l = 0
1660                nz_s_shift_l = 0
1661             ENDIF
1662
1663#if defined( __parallel )
1664             CALL MPI_ALLREDUCE(nz_u_shift_l, nz_u_shift, 1, MPI_INTEGER,      &
1665                                MPI_MAX, comm2d, ierr)
1666             CALL MPI_ALLREDUCE(nz_v_shift_l, nz_v_shift, 1, MPI_INTEGER,      &
1667                                MPI_MAX, comm2d, ierr)
1668             CALL MPI_ALLREDUCE(nz_w_shift_l, nz_w_shift, 1, MPI_INTEGER,      & 
1669                                MPI_MAX, comm2d, ierr)
1670             CALL MPI_ALLREDUCE(nz_s_shift_l, nz_s_shift, 1, MPI_INTEGER,      &
1671                                MPI_MAX, comm2d, ierr)
1672#else
1673             nz_u_shift = nz_u_shift_l
1674             nz_v_shift = nz_v_shift_l
1675             nz_w_shift = nz_w_shift_l
1676             nz_s_shift = nz_s_shift_l
1677#endif
1678
1679             mean_inflow_profiles(:,1) = 0.0_wp
1680             mean_inflow_profiles(nz_u_shift:nzt+1,1) = hom_sum(0:nzt+1-nz_u_shift,1,0)  ! u
1681
1682             mean_inflow_profiles(:,2) = 0.0_wp
1683             mean_inflow_profiles(nz_v_shift:nzt+1,2) = hom_sum(0:nzt+1-nz_v_shift,2,0)  ! v
1684
1685             mean_inflow_profiles(nz_s_shift:nzt+1,4) = hom_sum(0:nzt+1-nz_s_shift,4,0)  ! pt
1686
1687          ENDIF
1688
1689!
1690!--       If necessary, adjust the horizontal flow field to the prescribed
1691!--       profiles
1692          IF ( use_prescribed_profile_data )  THEN
1693             DO  i = nxlg, nxrg
1694                DO  j = nysg, nyng
1695                   DO  k = nzb, nzt+1
1696                      u(k,j,i) = u(k,j,i) - hom_sum(k,1,0) + u_init(k)
1697                      v(k,j,i) = v(k,j,i) - hom_sum(k,2,0) + v_init(k)
1698                   ENDDO
1699                ENDDO
1700             ENDDO
1701          ENDIF
1702
1703!
1704!--       Use these mean profiles at the inflow (provided that Dirichlet
1705!--       conditions are used)
1706          IF ( bc_dirichlet_l )  THEN
1707             DO  j = nysg, nyng
1708                DO  k = nzb, nzt+1
1709                   u(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,1)
1710                   v(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,2)
1711                   w(k,j,nxlg:-1)  = 0.0_wp
1712                   pt(k,j,nxlg:-1) = mean_inflow_profiles(k,4)
1713                   IF ( humidity )                                             &
1714                      q(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,6)
1715                   IF ( passive_scalar )                                       &
1716                      s(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,7)                     
1717                ENDDO
1718             ENDDO
1719          ENDIF
1720
1721!
1722!--       Calculate the damping factors to be used at the inflow. For a
1723!--       turbulent inflow the turbulent fluctuations have to be limited
1724!--       vertically because otherwise the turbulent inflow layer will grow
1725!--       in time.
1726          IF ( inflow_damping_height == 9999999.9_wp )  THEN
1727!
1728!--          Default: use the inversion height calculated by the prerun; if
1729!--          this is zero, inflow_damping_height must be explicitly
1730!--          specified.
1731             IF ( hom_sum(nzb+6,pr_palm,0) /= 0.0_wp )  THEN
1732                inflow_damping_height = hom_sum(nzb+6,pr_palm,0)
1733             ELSE
1734                WRITE( message_string, * ) 'inflow_damping_height must be ',   &
1735                     'explicitly specified because&the inversion height ',     &
1736                     'calculated by the prerun is zero.'
1737                CALL message( 'init_3d_model', 'PA0318', 1, 2, 0, 6, 0 )
1738             ENDIF
1739
1740          ENDIF
1741
1742          IF ( inflow_damping_width == 9999999.9_wp )  THEN
1743!
1744!--          Default for the transition range: one tenth of the undamped
1745!--          layer
1746             inflow_damping_width = 0.1_wp * inflow_damping_height
1747
1748          ENDIF
1749
1750          ALLOCATE( inflow_damping_factor(nzb:nzt+1) )
1751
1752          DO  k = nzb, nzt+1
1753
1754             IF ( zu(k) <= inflow_damping_height )  THEN
1755                inflow_damping_factor(k) = 1.0_wp
1756             ELSEIF ( zu(k) <= ( inflow_damping_height + inflow_damping_width ) )  THEN
1757                inflow_damping_factor(k) = 1.0_wp -                            &
1758                                           ( zu(k) - inflow_damping_height ) / &
1759                                           inflow_damping_width
1760             ELSE
1761                inflow_damping_factor(k) = 0.0_wp
1762             ENDIF
1763
1764          ENDDO
1765
1766       ENDIF
1767
1768!
1769!--    Inside buildings set velocities back to zero
1770       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' .AND.                &
1771            topography /= 'flat' )  THEN
1772!
1773!--       Inside buildings set velocities back to zero.
1774!--       Other scalars (pt, q, s, p, sa, ...) are ignored at present,
1775!--       maybe revise later.
1776          DO  i = nxlg, nxrg
1777             DO  j = nysg, nyng
1778                DO  k = nzb, nzt
1779                   u(k,j,i)     = MERGE( u(k,j,i), 0.0_wp,                     &
1780                                         BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 1 ) )
1781                   v(k,j,i)     = MERGE( v(k,j,i), 0.0_wp,                     &
1782                                         BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 2 ) )
1783                   w(k,j,i)     = MERGE( w(k,j,i), 0.0_wp,                     &
1784                                         BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 3 ) )
1785                ENDDO
1786             ENDDO
1787          ENDDO
1788
1789       ENDIF
1790
1791!
1792!--    Calculate initial temperature field and other constants used in case
1793!--    of a sloping surface
1794       IF ( sloping_surface )  CALL init_slope
1795
1796!
1797!--    Initialize new time levels (only done in order to set boundary values
1798!--    including ghost points)
1799       pt_p = pt; u_p = u; v_p = v; w_p = w
1800       IF ( humidity )  THEN
1801          q_p = q
1802       ENDIF
1803       IF ( passive_scalar )  s_p  = s
1804!
1805!--    Allthough tendency arrays are set in prognostic_equations, they have
1806!--    have to be predefined here because they are used (but multiplied with 0)
1807!--    there before they are set.
1808       tpt_m = 0.0_wp; tu_m = 0.0_wp; tv_m = 0.0_wp; tw_m = 0.0_wp
1809       IF ( humidity )  THEN
1810          tq_m = 0.0_wp
1811       ENDIF
1812       IF ( passive_scalar )  ts_m  = 0.0_wp
1813!
1814!--    Initialize synthetic turbulence generator in case of restart.
1815       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data'  .AND.         &
1816            use_syn_turb_gen )  CALL stg_init
1817
1818       CALL location_message( 'initializing in case of restart / cyclic_fill', 'finished' )
1819
1820    ELSE
1821!
1822!--    Actually this part of the programm should not be reached
1823       message_string = 'unknown initializing problem'
1824       CALL message( 'init_3d_model', 'PA0193', 1, 2, 0, 6, 0 )
1825    ENDIF
1826
1827!
1828!-- Initialize TKE, Kh and Km
1829    CALL tcm_init
1830
1831
1832    IF (  TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' )  THEN
1833!
1834!--    Initialize old timelevels needed for radiation boundary conditions
1835       IF ( bc_radiation_l )  THEN
1836          u_m_l(:,:,:) = u(:,:,1:2)
1837          v_m_l(:,:,:) = v(:,:,0:1)
1838          w_m_l(:,:,:) = w(:,:,0:1)
1839       ENDIF
1840       IF ( bc_radiation_r )  THEN
1841          u_m_r(:,:,:) = u(:,:,nx-1:nx)
1842          v_m_r(:,:,:) = v(:,:,nx-1:nx)
1843          w_m_r(:,:,:) = w(:,:,nx-1:nx)
1844       ENDIF
1845       IF ( bc_radiation_s )  THEN
1846          u_m_s(:,:,:) = u(:,0:1,:)
1847          v_m_s(:,:,:) = v(:,1:2,:)
1848          w_m_s(:,:,:) = w(:,0:1,:)
1849       ENDIF
1850       IF ( bc_radiation_n )  THEN
1851          u_m_n(:,:,:) = u(:,ny-1:ny,:)
1852          v_m_n(:,:,:) = v(:,ny-1:ny,:)
1853          w_m_n(:,:,:) = w(:,ny-1:ny,:)
1854       ENDIF
1855       
1856    ENDIF
1857
1858!
1859!-- Calculate the initial volume flow at the right and north boundary
1860    IF ( conserve_volume_flow )  THEN
1861
1862       IF ( use_prescribed_profile_data )  THEN
1863
1864          volume_flow_initial_l = 0.0_wp
1865          volume_flow_area_l    = 0.0_wp
1866
1867          IF ( nxr == nx )  THEN
1868             DO  j = nys, nyn
1869                DO  k = nzb+1, nzt
1870                   volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) +       &
1871                                              u_init(k) * dzw(k)               &
1872                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1873                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nxr), 1 )&
1874                                            )
1875
1876                   volume_flow_area_l(1)    = volume_flow_area_l(1) + dzw(k)   &
1877                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1878                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nxr), 1 )&
1879                                            )
1880                ENDDO
1881             ENDDO
1882          ENDIF
1883         
1884          IF ( nyn == ny )  THEN
1885             DO  i = nxl, nxr
1886                DO  k = nzb+1, nzt
1887                   volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) +       &
1888                                              v_init(k) * dzw(k)               &       
1889                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1890                                              BTEST( wall_flags_0(k,nyn,i), 2 )&
1891                                            )
1892                   volume_flow_area_l(2)    = volume_flow_area_l(2) + dzw(k)   &       
1893                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1894                                              BTEST( wall_flags_0(k,nyn,i), 2 )&
1895                                            )
1896                ENDDO
1897             ENDDO
1898          ENDIF
1899
1900#if defined( __parallel )
1901          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_initial_l(1), volume_flow_initial(1),&
1902                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1903          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_area_l(1), volume_flow_area(1),      &
1904                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1905
1906#else
1907          volume_flow_initial = volume_flow_initial_l
1908          volume_flow_area    = volume_flow_area_l
1909#endif 
1910
1911       ELSEIF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  THEN
1912
1913          volume_flow_initial_l = 0.0_wp
1914          volume_flow_area_l    = 0.0_wp
1915
1916          IF ( nxr == nx )  THEN
1917             DO  j = nys, nyn
1918                DO  k = nzb+1, nzt
1919                   volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) +       &
1920                                              hom_sum(k,1,0) * dzw(k)          &
1921                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1922                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nx), 1 ) &
1923                                            )
1924                   volume_flow_area_l(1)    = volume_flow_area_l(1) + dzw(k)   &
1925                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1926                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nx), 1 ) &
1927                                            )
1928                ENDDO
1929             ENDDO
1930          ENDIF
1931         
1932          IF ( nyn == ny )  THEN
1933             DO  i = nxl, nxr
1934                DO  k = nzb+1, nzt
1935                   volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) +       &
1936                                              hom_sum(k,2,0) * dzw(k)          &       
1937                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1938                                              BTEST( wall_flags_0(k,ny,i), 2 ) &
1939                                            )
1940                   volume_flow_area_l(2)    = volume_flow_area_l(2) + dzw(k)   &       
1941                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1942                                              BTEST( wall_flags_0(k,ny,i), 2 ) &
1943                                            )
1944                ENDDO
1945             ENDDO
1946          ENDIF
1947
1948#if defined( __parallel )
1949          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_initial_l(1), volume_flow_initial(1),&
1950                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1951          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_area_l(1), volume_flow_area(1),      &
1952                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1953
1954#else
1955          volume_flow_initial = volume_flow_initial_l
1956          volume_flow_area    = volume_flow_area_l
1957#endif 
1958
1959       ELSEIF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' )  THEN
1960
1961          volume_flow_initial_l = 0.0_wp
1962          volume_flow_area_l    = 0.0_wp
1963
1964          IF ( nxr == nx )  THEN
1965             DO  j = nys, nyn
1966                DO  k = nzb+1, nzt
1967                   volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) +       &
1968                                              u(k,j,nx) * dzw(k)               &
1969                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1970                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nx), 1 ) &
1971                                            )
1972                   volume_flow_area_l(1)    = volume_flow_area_l(1) + dzw(k)   &
1973                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1974                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nx), 1 ) &
1975                                            )
1976                ENDDO
1977             ENDDO
1978          ENDIF
1979         
1980          IF ( nyn == ny )  THEN
1981             DO  i = nxl, nxr
1982                DO  k = nzb+1, nzt
1983                   volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) +       &
1984                                              v(k,ny,i) * dzw(k)               &       
1985                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1986                                              BTEST( wall_flags_0(k,ny,i), 2 ) &
1987                                            )
1988                   volume_flow_area_l(2)    = volume_flow_area_l(2) + dzw(k)   &       
1989                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1990                                              BTEST( wall_flags_0(k,ny,i), 2 ) &
1991                                            )
1992                ENDDO
1993             ENDDO
1994          ENDIF
1995
1996#if defined( __parallel )
1997          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_initial_l(1), volume_flow_initial(1),&
1998                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1999          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_area_l(1), volume_flow_area(1),      &
2000                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2001
2002#else
2003          volume_flow_initial = volume_flow_initial_l
2004          volume_flow_area    = volume_flow_area_l
2005#endif 
2006
2007       ENDIF
2008
2009!
2010!--    In case of 'bulk_velocity' mode, volume_flow_initial is calculated
2011!--    from u|v_bulk instead
2012       IF ( TRIM( conserve_volume_flow_mode ) == 'bulk_velocity' )  THEN
2013          volume_flow_initial(1) = u_bulk * volume_flow_area(1)
2014          volume_flow_initial(2) = v_bulk * volume_flow_area(2)
2015       ENDIF
2016
2017    ENDIF
2018!
2019!-- Finally, if random_heatflux is set, disturb shf at horizontal
2020!-- surfaces. Actually, this should be done in surface_mod, where all other
2021!-- initializations of surface quantities are done. However, this
2022!-- would create a ring dependency, hence, it is done here. Maybe delete
2023!-- disturb_heatflux and tranfer the respective code directly into the
2024!-- initialization in surface_mod.         
2025    IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data'  .AND.            &
2026         TRIM( initializing_actions ) /= 'cyclic_fill' )  THEN
2027 
2028       IF ( use_surface_fluxes  .AND.  constant_heatflux  .AND.                &
2029            random_heatflux )  THEN
2030          IF ( surf_def_h(0)%ns >= 1 )  CALL disturb_heatflux( surf_def_h(0) )
2031          IF ( surf_lsm_h%ns    >= 1 )  CALL disturb_heatflux( surf_lsm_h    )
2032          IF ( surf_usm_h%ns    >= 1 )  CALL disturb_heatflux( surf_usm_h    )
2033       ENDIF
2034    ENDIF
2035
2036!
2037!-- Compute total sum of grid points and the mean surface level height for each
2038!-- statistic region. These are mainly used for horizontal averaging of
2039!-- turbulence statistics.
2040!-- ngp_2dh: number of grid points of a horizontal cross section through the
2041!--          respective statistic region
2042!-- ngp_3d:  number of grid points of the respective statistic region
2043    ngp_2dh_outer_l   = 0
2044    ngp_2dh_outer     = 0
2045    ngp_2dh_s_inner_l = 0
2046    ngp_2dh_s_inner   = 0
2047    ngp_2dh_l         = 0
2048    ngp_2dh           = 0
2049    ngp_3d_inner_l    = 0.0_wp
2050    ngp_3d_inner      = 0
2051    ngp_3d            = 0
2052    ngp_sums          = ( nz + 2 ) * ( pr_palm + max_pr_user )
2053
2054    mean_surface_level_height   = 0.0_wp
2055    mean_surface_level_height_l = 0.0_wp
2056!
2057!-- To do: New concept for these non-topography grid points!
2058    DO  sr = 0, statistic_regions
2059       DO  i = nxl, nxr
2060          DO  j = nys, nyn
2061             IF ( rmask(j,i,sr) == 1.0_wp )  THEN
2062!
2063!--             All xy-grid points
2064                ngp_2dh_l(sr) = ngp_2dh_l(sr) + 1
2065!
2066!--             Determine mean surface-level height. In case of downward-
2067!--             facing walls are present, more than one surface level exist.
2068!--             In this case, use the lowest surface-level height.
2069                IF ( surf_def_h(0)%start_index(j,i) <=                         &
2070                     surf_def_h(0)%end_index(j,i) )  THEN
2071                   m = surf_def_h(0)%start_index(j,i)
2072                   k = surf_def_h(0)%k(m)
2073                   mean_surface_level_height_l(sr) =                           &
2074                                       mean_surface_level_height_l(sr) + zw(k-1)
2075                ENDIF
2076                IF ( surf_lsm_h%start_index(j,i) <=                            &
2077                     surf_lsm_h%end_index(j,i) )  THEN
2078                   m = surf_lsm_h%start_index(j,i)
2079                   k = surf_lsm_h%k(m)
2080                   mean_surface_level_height_l(sr) =                           &
2081                                       mean_surface_level_height_l(sr) + zw(k-1)
2082                ENDIF
2083                IF ( surf_usm_h%start_index(j,i) <=                            &
2084                     surf_usm_h%end_index(j,i) )  THEN
2085                   m = surf_usm_h%start_index(j,i)
2086                   k = surf_usm_h%k(m)
2087                   mean_surface_level_height_l(sr) =                           &
2088                                       mean_surface_level_height_l(sr) + zw(k-1)
2089                ENDIF
2090
2091                k_surf = k - 1
2092
2093                DO  k = nzb, nzt+1
2094!
2095!--                xy-grid points above topography
2096                   ngp_2dh_outer_l(k,sr) = ngp_2dh_outer_l(k,sr)     +         &
2097                                  MERGE( 1, 0, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 24 ) )
2098
2099                   ngp_2dh_s_inner_l(k,sr) = ngp_2dh_s_inner_l(k,sr) +         &
2100                                  MERGE( 1, 0, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 22 ) )
2101
2102                ENDDO
2103!
2104!--             All grid points of the total domain above topography
2105                ngp_3d_inner_l(sr) = ngp_3d_inner_l(sr) + ( nz - k_surf + 2 )
2106
2107
2108
2109             ENDIF
2110          ENDDO
2111       ENDDO
2112    ENDDO
2113
2114    sr = statistic_regions + 1
2115#if defined( __parallel )
2116    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2117    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_l(0), ngp_2dh(0), sr, MPI_INTEGER, MPI_SUM,    &
2118                        comm2d, ierr )
2119    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2120    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_outer_l(0,0), ngp_2dh_outer(0,0), (nz+2)*sr,   &
2121                        MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2122    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2123    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_s_inner_l(0,0), ngp_2dh_s_inner(0,0),          &
2124                        (nz+2)*sr, MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2125    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2126    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_3d_inner_l(0), ngp_3d_inner_tmp(0), sr, MPI_REAL,  &
2127                        MPI_SUM, comm2d, ierr )
2128    ngp_3d_inner = INT( ngp_3d_inner_tmp, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) )
2129    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2130    CALL MPI_ALLREDUCE( mean_surface_level_height_l(0),                        &
2131                        mean_surface_level_height(0), sr, MPI_REAL,            &
2132                        MPI_SUM, comm2d, ierr )
2133    mean_surface_level_height = mean_surface_level_height / REAL( ngp_2dh )
2134#else
2135    ngp_2dh         = ngp_2dh_l
2136    ngp_2dh_outer   = ngp_2dh_outer_l
2137    ngp_2dh_s_inner = ngp_2dh_s_inner_l
2138    ngp_3d_inner    = INT( ngp_3d_inner_l, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) )
2139    mean_surface_level_height = mean_surface_level_height_l / REAL( ngp_2dh_l )
2140#endif
2141
2142    ngp_3d = INT ( ngp_2dh, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) ) * &
2143             INT ( (nz + 2 ), KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) )
2144
2145!
2146!-- Set a lower limit of 1 in order to avoid zero divisions in flow_statistics,
2147!-- buoyancy, etc. A zero value will occur for cases where all grid points of
2148!-- the respective subdomain lie below the surface topography
2149    ngp_2dh_outer   = MAX( 1, ngp_2dh_outer(:,:)   ) 
2150    ngp_3d_inner    = MAX( INT(1, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 )),             &
2151                           ngp_3d_inner(:) )
2152    ngp_2dh_s_inner = MAX( 1, ngp_2dh_s_inner(:,:) ) 
2153
2154    DEALLOCATE( mean_surface_level_height_l, ngp_2dh_l, ngp_2dh_outer_l,       &
2155                ngp_3d_inner_l, ngp_3d_inner_tmp )
2156!
2157!-- Initialize surface forcing corresponding to large-scale forcing. Therein,
2158!-- initialize heat-fluxes, etc. via datatype. Revise it later!
2159    IF ( large_scale_forcing .AND. lsf_surf )  THEN
2160       IF ( use_surface_fluxes  .AND.  constant_heatflux )  THEN
2161          CALL ls_forcing_surf ( simulated_time )
2162       ENDIF
2163    ENDIF
2164!
2165!-- Initializae 3D offline nesting in COSMO model and read data from
2166!-- external NetCDF file.
2167    IF ( nesting_offline )  CALL nesting_offl_init
2168!
2169!-- Initialize quantities for special advections schemes
2170    CALL init_advec
2171
2172!
2173!-- Impose random perturbation on the horizontal velocity field and then
2174!-- remove the divergences from the velocity field at the initial stage
2175    IF ( create_disturbances  .AND.  disturbance_energy_limit /= 0.0_wp  .AND. &
2176         TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data'  .AND.            &
2177         TRIM( initializing_actions ) /= 'cyclic_fill' )  THEN
2178
2179!
2180!--    Needed for both disturb_field and pres
2181!$ACC DATA &
2182!$ACC CREATE(tend(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)) &
2183!$ACC COPY(u(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)) &
2184!$ACC COPY(v(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg))
2185
2186       CALL location_message( 'creating initial disturbances', 'start' )
2187       CALL disturb_field( 'u', tend, u )
2188       CALL disturb_field( 'v', tend, v )
2189       CALL location_message( 'creating initial disturbances', 'finished' )
2190
2191!$ACC DATA &
2192!$ACC CREATE(d(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr)) &
2193!$ACC COPY(w(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)) &
2194!$ACC COPY(p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)) &
2195!$ACC COPYIN(rho_air(nzb:nzt+1), rho_air_zw(nzb:nzt+1)) &
2196!$ACC COPYIN(ddzu(1:nzt+1), ddzw(1:nzt+1)) &
2197!$ACC COPYIN(wall_flags_0(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)) &
2198!$ACC COPYIN(bc_h(0:1)) &
2199!$ACC COPYIN(bc_h(0)%i(1:bc_h(0)%ns)) &
2200!$ACC COPYIN(bc_h(0)%j(1:bc_h(0)%ns)) &
2201!$ACC COPYIN(bc_h(0)%k(1:bc_h(0)%ns)) &
2202!$ACC COPYIN(bc_h(1)%i(1:bc_h(1)%ns)) &
2203!$ACC COPYIN(bc_h(1)%j(1:bc_h(1)%ns)) &
2204!$ACC COPYIN(bc_h(1)%k(1:bc_h(1)%ns))
2205
2206       CALL location_message( 'applying pressure solver', 'start' )
2207       n_sor = nsor_ini
2208       CALL pres
2209       n_sor = nsor
2210       CALL location_message( 'applying pressure solver', 'finished' )
2211
2212!$ACC END DATA
2213!$ACC END DATA
2214
2215    ENDIF
2216
2217!
2218!-- If required, initialize dvrp-software
2219    IF ( dt_dvrp /= 9999999.9_wp )  CALL init_dvrp
2220
2221!
2222!-- Initialize quantities for handling cloud physics.
2223!-- This routine must be called before lpm_init, becaus otherwise,
2224!-- array d_exner, needed in data_output_dvrp (called by lpm_init) is not defined.
2225    IF ( .NOT. ocean_mode )  THEN
2226
2227       ALLOCATE( hyp(nzb:nzt+1) )
2228       ALLOCATE( d_exner(nzb:nzt+1) )
2229       ALLOCATE( exner(nzb:nzt+1) )
2230       ALLOCATE( hyrho(nzb:nzt+1) )
2231!
2232!--    Check temperature in case of too large domain height
2233       DO  k = nzb, nzt+1
2234          IF ( ( pt_surface * exner_function(surface_pressure * 100.0_wp) - g/c_p * zu(k) ) < 0.0_wp )  THEN
2235             WRITE( message_string, * )  'absolute temperature < 0.0 at zu(', k, &
2236                                         ') = ', zu(k)
2237             CALL message( 'init_3d_model', 'PA0142', 1, 2, 0, 6, 0 )
2238          ENDIF
2239       ENDDO
2240
2241!
2242!--    Calculate vertical profile of the hydrostatic pressure (hyp)
2243       hyp    = barometric_formula(zu, pt_surface * exner_function(surface_pressure * 100.0_wp), surface_pressure * 100.0_wp)
2244       d_exner = exner_function_invers(hyp)
2245       exner = 1.0_wp / exner_function_invers(hyp)
2246       hyrho  = ideal_gas_law_rho_pt(hyp, pt_init)
2247!
2248!--    Compute reference density
2249       rho_surface = ideal_gas_law_rho(surface_pressure * 100.0_wp, pt_surface * exner_function(surface_pressure * 100.0_wp))
2250
2251    ENDIF
2252
2253!
2254!-- If required, initialize particles
2255    IF ( particle_advection )  CALL lpm_init
2256!
2257!-- If required, initialize particles
2258    IF ( agents_active )  CALL mas_init
2259!
2260!-- In case the synthetic turbulence generator does not have any information
2261!-- about the inflow turbulence, these information will be parametrized
2262!-- depending on the initial atmospheric conditions and surface properties.
2263!-- Please note, within pre-determined time intervals these turbulence
2264!-- information can be updated if desired.
2265    IF ( use_syn_turb_gen  .AND.  parametrize_inflow_turbulence )  THEN
2266       CALL stg_adjust
2267    ENDIF
2268!
2269!-- Initializing actions for all other modules
2270    CALL module_interface_init
2271!
2272!-- Initialize surface layer (done after LSM as roughness length are required
2273!-- for initialization
2274    IF ( constant_flux_layer )  CALL init_surface_layer_fluxes
2275!
2276!-- Initialize surface data output
2277    IF ( surface_output )  CALL surface_data_output_init
2278!
2279!-- Initialize the ws-scheme.   
2280    IF ( ws_scheme_sca .OR. ws_scheme_mom )  CALL ws_init
2281!
2282!-- Perform post-initializing checks for all other modules
2283    CALL module_interface_init_checks
2284
2285!
2286!-- Setting weighting factors for calculation of perturbation pressure
2287!-- and turbulent quantities from the RK substeps
2288    IF ( TRIM(timestep_scheme) == 'runge-kutta-3' )  THEN      ! for RK3-method
2289
2290       weight_substep(1) = 1._wp/6._wp
2291       weight_substep(2) = 3._wp/10._wp
2292       weight_substep(3) = 8._wp/15._wp
2293
2294       weight_pres(1)    = 1._wp/3._wp
2295       weight_pres(2)    = 5._wp/12._wp
2296       weight_pres(3)    = 1._wp/4._wp
2297
2298    ELSEIF ( TRIM(timestep_scheme) == 'runge-kutta-2' )  THEN  ! for RK2-method
2299
2300       weight_substep(1) = 1._wp/2._wp
2301       weight_substep(2) = 1._wp/2._wp
2302         
2303       weight_pres(1)    = 1._wp/2._wp
2304       weight_pres(2)    = 1._wp/2._wp       
2305
2306    ELSE                                     ! for Euler-method
2307
2308       weight_substep(1) = 1.0_wp     
2309       weight_pres(1)    = 1.0_wp                   
2310
2311    ENDIF
2312
2313!
2314!-- Initialize Rayleigh damping factors
2315    rdf    = 0.0_wp
2316    rdf_sc = 0.0_wp
2317    IF ( rayleigh_damping_factor /= 0.0_wp )  THEN
2318
2319       IF (  .NOT.  ocean_mode )  THEN
2320          DO  k = nzb+1, nzt
2321             IF ( zu(k) >= rayleigh_damping_height )  THEN
2322                rdf(k) = rayleigh_damping_factor *                             &
2323                      ( SIN( pi * 0.5_wp * ( zu(k) - rayleigh_damping_height ) &
2324                             / ( zu(nzt) - rayleigh_damping_height ) )         &
2325                      )**2
2326             ENDIF
2327          ENDDO
2328       ELSE
2329!
2330!--       In ocean mode, rayleigh damping is applied in the lower part of the
2331!--       model domain
2332          DO  k = nzt, nzb+1, -1
2333             IF ( zu(k) <= rayleigh_damping_height )  THEN
2334                rdf(k) = rayleigh_damping_factor *                             &
2335                      ( SIN( pi * 0.5_wp * ( rayleigh_damping_height - zu(k) ) &
2336                             / ( rayleigh_damping_height - zu(nzb+1) ) )       &
2337                      )**2
2338             ENDIF
2339          ENDDO
2340       ENDIF
2341
2342    ENDIF
2343    IF ( scalar_rayleigh_damping )  rdf_sc = rdf
2344
2345!
2346!-- Initialize the starting level and the vertical smoothing factor used for
2347!-- the external pressure gradient
2348    dp_smooth_factor = 1.0_wp
2349    IF ( dp_external )  THEN
2350!
2351!--    Set the starting level dp_level_ind_b only if it has not been set before
2352!--    (e.g. in init_grid).
2353       IF ( dp_level_ind_b == 0 )  THEN
2354          ind_array = MINLOC( ABS( dp_level_b - zu ) )
2355          dp_level_ind_b = ind_array(1) - 1 + nzb
2356                                        ! MINLOC uses lower array bound 1
2357       ENDIF
2358       IF ( dp_smooth )  THEN
2359          dp_smooth_factor(:dp_level_ind_b) = 0.0_wp
2360          DO  k = dp_level_ind_b+1, nzt
2361             dp_smooth_factor(k) = 0.5_wp * ( 1.0_wp + SIN( pi *               &
2362                        ( REAL( k - dp_level_ind_b, KIND=wp ) /                &
2363                          REAL( nzt - dp_level_ind_b, KIND=wp ) - 0.5_wp ) ) )
2364          ENDDO
2365       ENDIF
2366    ENDIF
2367
2368!
2369!-- Initialize damping zone for the potential temperature in case of
2370!-- non-cyclic lateral boundaries. The damping zone has the maximum value
2371!-- at the inflow boundary and decreases to zero at pt_damping_width.
2372    ptdf_x = 0.0_wp
2373    ptdf_y = 0.0_wp
2374    IF ( bc_lr_dirrad )  THEN
2375       DO  i = nxl, nxr
2376          IF ( ( i * dx ) < pt_damping_width )  THEN
2377             ptdf_x(i) = pt_damping_factor * ( SIN( pi * 0.5_wp *              &
2378                            REAL( pt_damping_width - i * dx, KIND=wp ) / (     &
2379                            REAL( pt_damping_width, KIND=wp ) ) ) )**2 
2380          ENDIF
2381       ENDDO
2382    ELSEIF ( bc_lr_raddir )  THEN
2383       DO  i = nxl, nxr
2384          IF ( ( i * dx ) > ( nx * dx - pt_damping_width ) )  THEN
2385             ptdf_x(i) = pt_damping_factor *                                   &
2386                         SIN( pi * 0.5_wp *                                    &
2387                                 ( ( i - nx ) * dx + pt_damping_width ) /      &
2388                                 REAL( pt_damping_width, KIND=wp ) )**2
2389          ENDIF
2390       ENDDO
2391    ELSEIF ( bc_ns_dirrad )  THEN
2392       DO  j = nys, nyn
2393          IF ( ( j * dy ) > ( ny * dy - pt_damping_width ) )  THEN
2394             ptdf_y(j) = pt_damping_factor *                                   &
2395                         SIN( pi * 0.5_wp *                                    &
2396                                 ( ( j - ny ) * dy + pt_damping_width ) /      &
2397                                 REAL( pt_damping_width, KIND=wp ) )**2
2398          ENDIF
2399       ENDDO
2400    ELSEIF ( bc_ns_raddir )  THEN
2401       DO  j = nys, nyn
2402          IF ( ( j * dy ) < pt_damping_width )  THEN
2403             ptdf_y(j) = pt_damping_factor *                                   &
2404                         SIN( pi * 0.5_wp *                                    &
2405                                ( pt_damping_width - j * dy ) /                &
2406                                REAL( pt_damping_width, KIND=wp ) )**2
2407          ENDIF
2408       ENDDO
2409    ENDIF
2410
2411!
2412!-- Input binary data file is not needed anymore. This line must be placed
2413!-- after call of user_init!
2414    CALL close_file( 13 )
2415!
2416!-- In case of nesting, put an barrier to assure that all parent and child
2417!-- domains finished initialization.
2418#if defined( __parallel )
2419    IF ( nested_run )  CALL MPI_BARRIER( MPI_COMM_WORLD, ierr )
2420#endif
2421
2422
2423    CALL location_message( 'init_3d_model', 'finished' )
2424
2425 END SUBROUTINE init_3d_model
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.