source: palm/trunk/SOURCE/init_3d_model.f90 @ 3900

Last change on this file since 3900 was 3900, checked in by suehring, 2 years ago

Bugfixes in initialization and STG

  • 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: 94.7 KB
Line 
1!> @file init_3d_model.f90
2!------------------------------------------------------------------------------!
3! This file is part of the PALM model system.
4!
5! PALM is free software: you can redistribute it and/or modify it under the
6! terms of the GNU General Public License as published by the Free Software
7! Foundation, either version 3 of the License, or (at your option) any later
8! version.
9!
10! PALM is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY
11! WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR
12! A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License for more details.
13!
14! You should have received a copy of the GNU General Public License along with
15! PALM. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
16!
17! Copyright 1997-2019 Leibniz Universitaet Hannover
18!------------------------------------------------------------------------------!
19!
20! Current revisions:
21! ------------------
22!
23!
24! Former revisions:
25! -----------------
26! $Id: init_3d_model.f90 3900 2019-04-16 15:17:43Z suehring $
27! Fix problem with LOD = 2 initialization
28!
29! 3885 2019-04-11 11:29:34Z kanani
30! Changes related to global restructuring of location messages and introduction
31! of additional debug messages
32!
33! 3849 2019-04-01 16:35:16Z knoop
34! Move initialization of rmask before initializing user_init_arrays
35!
36! 3711 2019-01-31 13:44:26Z knoop
37! Introduced module_interface_init_checks for post-init checks in modules
38!
39! 3700 2019-01-26 17:03:42Z knoop
40! Some interface calls moved to module_interface + cleanup
41!
42! 3648 2019-01-02 16:35:46Z suehring
43! Rename subroutines for surface-data output
44!
45! 3636 2018-12-19 13:48:34Z raasch
46! nopointer option removed
47!
48! 3609 2018-12-07 13:37:59Z suehring
49! Furhter correction in initialization of surfaces in cyclic-fill case
50!
51! 3608 2018-12-07 12:59:57Z suehring
52! Bugfix in initialization of surfaces in cyclic-fill case
53!
54! 3589 2018-11-30 15:09:51Z suehring
55! Move the control parameter "salsa" from salsa_mod to control_parameters
56! (M. Kurppa)
57!
58! 3582 2018-11-29 19:16:36Z suehring
59! Bugfix in initialization of turbulence generator
60!
61! 3569 2018-11-27 17:03:40Z kanani
62! dom_dwd_user, Schrempf:
63! Remove uv exposure model code, this is now part of biometeorology_mod,
64! remove bio_init_arrays.
65!
66! 3547 2018-11-21 13:21:24Z suehring
67! variables documented
68!
69! 3525 2018-11-14 16:06:14Z kanani
70! Changes related to clean-up of biometeorology (dom_dwd_user)
71!
72! 3524 2018-11-14 13:36:44Z raasch
73! preprocessor directive added to avoid the compiler to complain about unused
74! variable
75!
76! 3473 2018-10-30 20:50:15Z suehring
77! Add virtual measurement module
78!
79! 3472 2018-10-30 20:43:50Z suehring
80! Add indoor model (kanani, srissman, tlang)
81!
82! 3467 2018-10-30 19:05:21Z suehring
83! Implementation of a new aerosol module salsa.
84!
85! 3458 2018-10-30 14:51:23Z kanani
86! from chemistry branch r3443, basit:
87! bug fixed in sums and sums_l for chemistry profile output
88!
89! 3448 2018-10-29 18:14:31Z kanani
90! Add biometeorology
91!
92! 3421 2018-10-24 18:39:32Z gronemeier
93! Initialize surface data output
94!
95! 3415 2018-10-24 11:57:50Z suehring
96! Set bottom boundary condition for geostrophic wind components in inifor
97! initialization
98!
99! 3347 2018-10-15 14:21:08Z suehring
100! - Separate offline nesting from large_scale_nudging_mod
101! - Improve the synthetic turbulence generator
102!
103! 3298 2018-10-02 12:21:11Z kanani
104! Minor formatting (kanani)
105! Added CALL to the chem_emissions module (Russo)
106!
107! 3294 2018-10-01 02:37:10Z raasch
108! allocate and set stokes drift velocity profiles
109!
110! 3298 2018-10-02 12:21:11Z kanani
111! Minor formatting (kanani)
112! Added CALL to the chem_emissions module (Russo)
113!
114! 3294 2018-10-01 02:37:10Z raasch
115! changes concerning modularization of ocean option
116!
117! 3289 2018-09-28 10:23:58Z suehring
118! Introduce module parameter for number of inflow profiles
119!
120! 3288 2018-09-28 10:23:08Z suehring
121! Modularization of all bulk cloud physics code components
122!
123! 3241 2018-09-12 15:02:00Z raasch
124! unused variables removed
125!
126! 3234 2018-09-07 13:46:58Z schwenkel
127! The increase of dots_num in case of radiation or land surface model must
128! be done before user_init is called
129!
130! 3183 2018-07-27 14:25:55Z suehring
131! Revise Inifor initialization
132!
133! 3182 2018-07-27 13:36:03Z suehring
134! Added multi agent system
135!
136! 3129 2018-07-16 07:45:13Z gronemeier
137! Move initialization call for nudging and 1D/3D offline nesting.
138! Revise initialization with inifor data.
139!
140! 3045 2018-05-28 07:55:41Z Giersch
141! Error messages revised
142!
143! 3045 2018-05-28 07:55:41Z Giersch
144! Error messages revised
145!
146! 3042 2018-05-25 10:44:37Z schwenkel
147! Changed the name specific humidity to mixing ratio
148!
149! 3040 2018-05-25 10:22:08Z schwenkel
150! Add option to initialize warm air bubble close to surface
151!
152! 3014 2018-05-09 08:42:38Z maronga
153! Bugfix: initialization of ts_value missing
154!
155! 3011 2018-05-07 14:38:42Z schwenkel
156! removed redundant if statement
157!
158! 3004 2018-04-27 12:33:25Z Giersch
159! precipitation_rate removed
160!
161! 2995 2018-04-19 12:13:16Z Giersch
162! CALL radiation_control is not necessary during initialization because
163! calculation of radiative fluxes at model start is done in radiation_init
164! in any case
165!
166! 2977 2018-04-17 10:27:57Z kanani
167! Implement changes from branch radiation (r2948-2971) with minor modifications
168! (moh.hefny):
169! - set radiation_interactions according to the existence of urban/land vertical
170!   surfaces and trees to activiate RTM
171! - set average_radiation to TRUE if RTM is activiated
172!
173! 2938 2018-03-27 15:52:42Z suehring
174! - Revise Inifor initialization for geostrophic wind components
175! - Initialize synthetic turbulence generator in case of Inifor initialization 
176!
177! 2936 2018-03-27 14:49:27Z suehring
178! Synchronize parent and child models after initialization.
179! Remove obsolete masking of topography grid points for Runge-Kutta weighted
180! tendency arrays.
181!
182! 2920 2018-03-22 11:22:01Z kanani
183! Add call for precalculating apparent solar positions (moh.hefny)
184!
185! 2906 2018-03-19 08:56:40Z Giersch
186! The variables read/write_svf_on_init have been removed. Instead ENVIRONMENT
187! variables read/write_svf have been introduced. Location_message has been
188! added.
189!
190! 2894 2018-03-15 09:17:58Z Giersch
191! Renamed routines with respect to reading restart data, file 13 is closed in
192! rrd_read_parts_of_global now
193!
194! 2867 2018-03-09 09:40:23Z suehring
195! Further bugfix concerning call of user_init.
196!
197! 2864 2018-03-08 11:57:45Z suehring
198! Bugfix, move call of user_init in front of initialization of grid-point
199! arrays
200!
201! 2817 2018-02-19 16:32:21Z knoop
202! Preliminary gust module interface implemented
203!
204! 2776 2018-01-31 10:44:42Z Giersch
205! Variable use_synthetic_turbulence_generator has been abbreviated
206!
207! 2766 2018-01-22 17:17:47Z kanani
208! Removed preprocessor directive __chem
209!
210! 2758 2018-01-17 12:55:21Z suehring
211! In case of spinup of land- and urban-surface model, do not mask wind velocity
212! at first computational grid level
213!
214! 2746 2018-01-15 12:06:04Z suehring
215! Move flag plant canopy to modules
216!
217! 2718 2018-01-02 08:49:38Z maronga
218! Corrected "Former revisions" section
219!
220! 2705 2017-12-18 11:26:23Z maronga
221! Bugfix for reading initial profiles from ls/nuding file
222!
223! 2701 2017-12-15 15:40:50Z suehring
224! Changes from last commit documented
225!
226! 2700 2017-12-15 14:12:35Z suehring
227! Bugfix, missing initialization of surface attributes in case of
228! inifor-initialization branch
229!
230! 2698 2017-12-14 18:46:24Z suehring
231! Bugfix in get_topography_top_index
232!
233! 2696 2017-12-14 17:12:51Z kanani
234! Change in file header (GPL part)
235! Implementation of uv exposure model (FK)
236! Moved initialisation of diss, e, kh, km to turbulence_closure_mod (TG)
237! Added chemical emissions (FK)
238! Initialize masking arrays and number-of-grid-points arrays before initialize
239! LSM, USM and radiation module
240! Initialization with inifor (MS)
241!
242! 2618 2017-11-16 15:37:30Z suehring
243! Reorder calls of init_surfaces.
244!
245! 2564 2017-10-19 15:56:56Z Giersch
246! Variable wind_turbine was added to control_parameters.
247!
248! 2550 2017-10-16 17:12:01Z boeske
249! Modifications to cyclic fill method and turbulence recycling method in case of
250! complex terrain simulations
251!
252! 2513 2017-10-04 09:24:39Z kanani
253! Bugfix in storing initial scalar profile (wrong index)
254!
255! 2350 2017-08-15 11:48:26Z kanani
256! Bugfix in nopointer version
257!
258! 2339 2017-08-07 13:55:26Z gronemeier
259! corrected timestamp in header
260!
261! 2338 2017-08-07 12:15:38Z gronemeier
262! Modularize 1D model
263!
264! 2329 2017-08-03 14:24:56Z knoop
265! Removed temporary bugfix (r2327) as bug is properly resolved by this revision
266!
267! 2327 2017-08-02 07:40:57Z maronga
268! Temporary bugfix
269!
270! 2320 2017-07-21 12:47:43Z suehring
271! Modularize large-scale forcing and nudging
272!
273! 2292 2017-06-20 09:51:42Z schwenkel
274! Implementation of new microphysic scheme: cloud_scheme = 'morrison'
275! includes two more prognostic equations for cloud drop concentration (nc) 
276! and cloud water content (qc).
277!
278! 2277 2017-06-12 10:47:51Z kanani
279! Removed unused variable sums_up_fraction_l
280!
281! 2270 2017-06-09 12:18:47Z maronga
282! dots_num must be increased when LSM and/or radiation is used
283!
284! 2259 2017-06-08 09:09:11Z gronemeier
285! Implemented synthetic turbulence generator
286!
287! 2252 2017-06-07 09:35:37Z knoop
288! rho_air now depending on surface_pressure even in Boussinesq mode
289!
290! 2233 2017-05-30 18:08:54Z suehring
291!
292! 2232 2017-05-30 17:47:52Z suehring
293! Adjustments to new topography and surface concept:
294!   - Modify passed parameters for disturb_field
295!   - Topography representation via flags
296!   - Remove unused arrays.
297!   - Move initialization of surface-related quantities to surface_mod
298!
299! 2172 2017-03-08 15:55:25Z knoop
300! Bugfix: moved parallel random generator initialization into its module
301!
302! 2118 2017-01-17 16:38:49Z raasch
303! OpenACC directives removed
304!
305! 2037 2016-10-26 11:15:40Z knoop
306! Anelastic approximation implemented
307!
308! 2031 2016-10-21 15:11:58Z knoop
309! renamed variable rho to rho_ocean
310!
311! 2011 2016-09-19 17:29:57Z kanani
312! Flag urban_surface is now defined in module control_parameters.
313!
314! 2007 2016-08-24 15:47:17Z kanani
315! Added support for urban surface model,
316! adjusted location_message in case of plant_canopy
317!
318! 2000 2016-08-20 18:09:15Z knoop
319! Forced header and separation lines into 80 columns
320!
321! 1992 2016-08-12 15:14:59Z suehring
322! Initializaton of scalarflux at model top
323! Bugfixes in initialization of surface and top salinity flux, top scalar and
324! humidity fluxes
325!
326! 1960 2016-07-12 16:34:24Z suehring
327! Separate humidity and passive scalar
328! Increase dimension for mean_inflow_profiles
329! Remove inadvertent write-statement
330! Bugfix, large-scale forcing is still not implemented for passive scalars
331!
332! 1957 2016-07-07 10:43:48Z suehring
333! flight module added
334!
335! 1920 2016-05-30 10:50:15Z suehring
336! Initialize us with very small number to avoid segmentation fault during
337! calculation of Obukhov length
338!
339! 1918 2016-05-27 14:35:57Z raasch
340! intermediate_timestep_count is set 0 instead 1 for first call of pres,
341! bugfix: initialization of local sum arrays are moved to the beginning of the
342!         routine because otherwise results from pres are overwritten
343!
344! 1914 2016-05-26 14:44:07Z witha
345! Added initialization of the wind turbine model
346!
347! 1878 2016-04-19 12:30:36Z hellstea
348! The zeroth element of weight_pres removed as unnecessary
349!
350! 1849 2016-04-08 11:33:18Z hoffmann
351! Adapted for modularization of microphysics.
352! precipitation_amount, precipitation_rate, prr moved to arrays_3d.
353! Initialization of nc_1d, nr_1d, pt_1d, qc_1d, qr_1d, q_1d moved to
354! bcm_init.
355!
356! 1845 2016-04-08 08:29:13Z raasch
357! nzb_2d replaced by nzb_u|v_inner
358!
359! 1833 2016-04-07 14:23:03Z raasch
360! initialization of spectra quantities moved to spectra_mod
361!
362! 1831 2016-04-07 13:15:51Z hoffmann
363! turbulence renamed collision_turbulence
364!
365! 1826 2016-04-07 12:01:39Z maronga
366! Renamed radiation calls.
367! Renamed canopy model calls.
368!
369! 1822 2016-04-07 07:49:42Z hoffmann
370! icloud_scheme replaced by microphysics_*
371!
372! 1817 2016-04-06 15:44:20Z maronga
373! Renamed lsm calls.
374!
375! 1815 2016-04-06 13:49:59Z raasch
376! zero-settings for velocities inside topography re-activated (was deactivated
377! in r1762)
378!
379! 1788 2016-03-10 11:01:04Z maronga
380! Added z0q.
381! Syntax layout improved.
382!
383! 1783 2016-03-06 18:36:17Z raasch
384! netcdf module name changed + related changes
385!
386! 1764 2016-02-28 12:45:19Z raasch
387! bugfix: increase size of volume_flow_area_l and volume_flow_initial_l by 1
388!
389! 1762 2016-02-25 12:31:13Z hellstea
390! Introduction of nested domain feature
391!
392! 1738 2015-12-18 13:56:05Z raasch
393! calculate mean surface level height for each statistic region
394!
395! 1734 2015-12-02 12:17:12Z raasch
396! no initial disturbances in case that the disturbance energy limit has been
397! set zero
398!
399! 1707 2015-11-02 15:24:52Z maronga
400! Bugfix: transfer of Richardson number from 1D model to Obukhov length caused
401! devision by zero in neutral stratification
402!
403! 1691 2015-10-26 16:17:44Z maronga
404! Call to init_surface_layer added. rif is replaced by ol and zeta.
405!
406! 1682 2015-10-07 23:56:08Z knoop
407! Code annotations made doxygen readable
408!
409! 1615 2015-07-08 18:49:19Z suehring
410! Enable turbulent inflow for passive_scalar and humidity
411!
412! 1585 2015-04-30 07:05:52Z maronga
413! Initialization of radiation code is now done after LSM initializtion
414!
415! 1575 2015-03-27 09:56:27Z raasch
416! adjustments for psolver-queries
417!
418! 1551 2015-03-03 14:18:16Z maronga
419! Allocation of land surface arrays is now done in the subroutine lsm_init_arrays,
420! which is part of land_surface_model.
421!
422! 1507 2014-12-10 12:14:18Z suehring
423! Bugfix: set horizontal velocity components to zero inside topography
424!
425! 1496 2014-12-02 17:25:50Z maronga
426! Added initialization of the land surface and radiation schemes
427!
428! 1484 2014-10-21 10:53:05Z kanani
429! Changes due to new module structure of the plant canopy model:
430! canopy-related initialization (e.g. lad and canopy_heat_flux) moved to new
431! subroutine init_plant_canopy within the module plant_canopy_model_mod,
432! call of subroutine init_plant_canopy added.
433!
434! 1431 2014-07-15 14:47:17Z suehring
435! var_d added, in order to normalize spectra.
436!
437! 1429 2014-07-15 12:53:45Z knoop
438! Ensemble run capability added to parallel random number generator
439!
440! 1411 2014-05-16 18:01:51Z suehring
441! Initial horizontal velocity profiles were not set to zero at the first vertical
442! grid level in case of non-cyclic lateral boundary conditions.
443!
444! 1406 2014-05-16 13:47:01Z raasch
445! bugfix: setting of initial velocities at k=1 to zero not in case of a
446! no-slip boundary condition for uv
447!
448! 1402 2014-05-09 14:25:13Z raasch
449! location messages modified
450!
451! 1400 2014-05-09 14:03:54Z knoop
452! Parallel random number generator added
453!
454! 1384 2014-05-02 14:31:06Z raasch
455! location messages added
456!
457! 1361 2014-04-16 15:17:48Z hoffmann
458! tend_* removed
459! Bugfix: w_subs is not allocated anymore if it is already allocated
460!
461! 1359 2014-04-11 17:15:14Z hoffmann
462! module lpm_init_mod added to use statements, because lpm_init has become a
463! module
464!
465! 1353 2014-04-08 15:21:23Z heinze
466! REAL constants provided with KIND-attribute
467!
468! 1340 2014-03-25 19:45:13Z kanani
469! REAL constants defined as wp-kind
470!
471! 1322 2014-03-20 16:38:49Z raasch
472! REAL constants defined as wp-kind
473! module interfaces removed
474!
475! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
476! ONLY-attribute added to USE-statements,
477! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
478! kinds are defined in new module kinds,
479! revision history before 2012 removed,
480! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
481! all variable declaration statements
482!
483! 1316 2014-03-17 07:44:59Z heinze
484! Bugfix: allocation of w_subs
485!
486! 1299 2014-03-06 13:15:21Z heinze
487! Allocate w_subs due to extension of large scale subsidence in combination
488! with large scale forcing data (LSF_DATA)
489!
490! 1241 2013-10-30 11:36:58Z heinze
491! Overwrite initial profiles in case of nudging
492! Inititialize shf and qsws in case of large_scale_forcing
493!
494! 1221 2013-09-10 08:59:13Z raasch
495! +rflags_s_inner in copyin statement, use copyin for most arrays instead of
496! copy
497!
498! 1212 2013-08-15 08:46:27Z raasch
499! array tri is allocated and included in data copy statement
500!
501! 1195 2013-07-01 12:27:57Z heinze
502! Bugfix: move allocation of ref_state to parin.f90 and read_var_list.f90
503!
504! 1179 2013-06-14 05:57:58Z raasch
505! allocate and set ref_state to be used in buoyancy terms
506!
507! 1171 2013-05-30 11:27:45Z raasch
508! diss array is allocated with full size if accelerator boards are used
509!
510! 1159 2013-05-21 11:58:22Z fricke
511! -bc_lr_dirneu, bc_lr_neudir, bc_ns_dirneu, bc_ns_neudir
512!
513! 1153 2013-05-10 14:33:08Z raasch
514! diss array is allocated with dummy elements even if it is not needed
515! (required by PGI 13.4 / CUDA 5.0)
516!
517! 1115 2013-03-26 18:16:16Z hoffmann
518! unused variables removed
519!
520! 1113 2013-03-10 02:48:14Z raasch
521! openACC directive modified
522!
523! 1111 2013-03-08 23:54:10Z raasch
524! openACC directives added for pres
525! array diss allocated only if required
526!
527! 1092 2013-02-02 11:24:22Z raasch
528! unused variables removed
529!
530! 1065 2012-11-22 17:42:36Z hoffmann
531! allocation of diss (dissipation rate) in case of turbulence = .TRUE. added
532!
533! 1053 2012-11-13 17:11:03Z hoffmann
534! allocation and initialisation of necessary data arrays for the two-moment
535! cloud physics scheme the two new prognostic equations (nr, qr):
536! +dr, lambda_r, mu_r, sed_*, xr, *s, *sws, *swst, *, *_p, t*_m, *_1, *_2, *_3,
537! +tend_*, prr
538!
539! 1036 2012-10-22 13:43:42Z raasch
540! code put under GPL (PALM 3.9)
541!
542! 1032 2012-10-21 13:03:21Z letzel
543! save memory by not allocating pt_2 in case of neutral = .T.
544!
545! 1025 2012-10-07 16:04:41Z letzel
546! bugfix: swap indices of mask for ghost boundaries
547!
548! 1015 2012-09-27 09:23:24Z raasch
549! mask is set to zero for ghost boundaries
550!
551! 1010 2012-09-20 07:59:54Z raasch
552! cpp switch __nopointer added for pointer free version
553!
554! 1003 2012-09-14 14:35:53Z raasch
555! nxra,nyna, nzta replaced ny nxr, nyn, nzt
556!
557! 1001 2012-09-13 14:08:46Z raasch
558! all actions concerning leapfrog scheme removed
559!
560! 996 2012-09-07 10:41:47Z raasch
561! little reformatting
562!
563! 978 2012-08-09 08:28:32Z fricke
564! outflow damping layer removed
565! roughness length for scalar quantites z0h added
566! damping zone for the potential temperatur in case of non-cyclic lateral
567! boundaries added
568! initialization of ptdf_x, ptdf_y
569! initialization of c_u_m, c_u_m_l, c_v_m, c_v_m_l, c_w_m, c_w_m_l
570!
571! 849 2012-03-15 10:35:09Z raasch
572! init_particles renamed lpm_init
573!
574! 825 2012-02-19 03:03:44Z raasch
575! wang_collision_kernel renamed wang_kernel
576!
577! Revision 1.1  1998/03/09 16:22:22  raasch
578! Initial revision
579!
580!
581! Description:
582! ------------
583!> Allocation of arrays and initialization of the 3D model via
584!> a) pre-run the 1D model
585!> or
586!> b) pre-set constant linear profiles
587!> or
588!> c) read values of a previous run
589!------------------------------------------------------------------------------!
590 SUBROUTINE init_3d_model
591
592
593    USE advec_ws
594
595    USE arrays_3d
596
597    USE basic_constants_and_equations_mod,                                     &
598        ONLY:  c_p, g, l_v, pi, r_d, exner_function, exner_function_invers,    &
599               ideal_gas_law_rho, ideal_gas_law_rho_pt, barometric_formula
600
601    USE bulk_cloud_model_mod,                                                  &
602        ONLY:  bulk_cloud_model
603
604    USE chem_modules,                                                          &
605        ONLY:  max_pr_cs ! ToDo: this dependency needs to be removed cause it is ugly #new_dom
606
607    USE control_parameters
608
609    USE grid_variables,                                                        &
610        ONLY:  dx, dy, ddx2_mg, ddy2_mg
611
612    USE indices
613
614    USE kinds
615
616    USE lpm_init_mod,                                                          &
617        ONLY:  lpm_init
618 
619    USE lsf_nudging_mod,                                                       &
620        ONLY:  ls_forcing_surf
621
622    USE model_1d_mod,                                                          &
623        ONLY:  init_1d_model, l1d, u1d, v1d
624
625    USE module_interface,                                                      &
626        ONLY:  module_interface_init_arrays,                                   &
627               module_interface_init,                                          &
628               module_interface_init_checks
629
630    USE multi_agent_system_mod,                                                &
631        ONLY:  agents_active, mas_init
632
633    USE netcdf_interface,                                                      &
634        ONLY:  dots_max
635
636    USE netcdf_data_input_mod,                                                 &
637        ONLY:  init_3d,                              &
638               netcdf_data_input_init_3d, netcdf_data_input_interpolate
639
640    USE nesting_offl_mod,                                                      &
641        ONLY:  nesting_offl_init
642
643    USE particle_attributes,                                                   &
644        ONLY:  particle_advection
645
646    USE pegrid
647
648#if defined( __parallel )
649    USE pmc_interface,                                                         &
650        ONLY:  nested_run
651#endif
652
653    USE random_function_mod
654
655    USE random_generator_parallel,                                             &
656        ONLY:  init_parallel_random_generator
657
658    USE read_restart_data_mod,                                                 &
659        ONLY:  rrd_read_parts_of_global, rrd_local
660
661    USE statistics,                                                            &
662        ONLY:  hom, hom_sum, mean_surface_level_height, pr_palm, rmask,        &
663               statistic_regions, sums, sums_divnew_l, sums_divold_l, sums_l,  &
664               sums_l_l, sums_wsts_bc_l, ts_value,                             &
665               weight_pres, weight_substep
666
667    USE synthetic_turbulence_generator_mod,                                    &
668        ONLY:  parametrize_inflow_turbulence, stg_adjust, stg_init,            &
669               use_syn_turb_gen
670
671    USE surface_layer_fluxes_mod,                                              &
672        ONLY:  init_surface_layer_fluxes
673
674    USE surface_mod,                                                           &
675        ONLY :  init_surface_arrays, init_surfaces, surf_def_h, surf_lsm_h,    &
676                surf_usm_h, get_topography_top_index_ji
677
678#if defined( _OPENACC )
679    USE surface_mod,                                                           &
680        ONLY :  bc_h
681#endif
682
683    USE surface_data_output_mod,                                               &
684        ONLY:  surface_data_output_init
685
686    USE transpose_indices
687
688    USE turbulence_closure_mod,                                                &
689        ONLY:  tcm_init_arrays, tcm_init
690
691    IMPLICIT NONE
692
693    INTEGER(iwp) ::  i             !< grid index in x direction
694    INTEGER(iwp) ::  ind_array(1)  !< dummy used to determine start index for external pressure forcing
695    INTEGER(iwp) ::  j             !< grid index in y direction
696    INTEGER(iwp) ::  k             !< grid index in z direction
697    INTEGER(iwp) ::  k_surf        !< surface level index
698    INTEGER(iwp) ::  m             !< index of surface element in surface data type
699    INTEGER(iwp) ::  sr            !< index of statistic region
700
701    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE   ::  ngp_2dh_l  !< toal number of horizontal grid points in statistical region on subdomain
702
703    INTEGER(iwp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  ngp_2dh_outer_l    !< number of horizontal non-wall bounded grid points on subdomain
704    INTEGER(iwp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  ngp_2dh_s_inner_l  !< number of horizontal non-topography grid points on subdomain
705
706    REAL(wp)     ::  t_surface !< air temperature at the surface
707
708    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  init_l        !< dummy array used for averaging 3D data to obtain inital profiles
709    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  p_hydrostatic !< hydrostatic pressure
710
711    INTEGER(iwp) ::  l       !< loop variable
712    INTEGER(iwp) ::  nzt_l   !< index of top PE boundary for multigrid level
713    REAL(wp) ::  dx_l !< grid spacing along x on different multigrid level
714    REAL(wp) ::  dy_l !< grid spacing along y on different multigrid level
715
716    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  volume_flow_area_l     !< area of lateral and top model domain surface on local subdomain
717    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  volume_flow_initial_l  !< initial volume flow into model domain
718
719    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  mean_surface_level_height_l !< mean surface level height on subdomain
720    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  ngp_3d_inner_l    !< total number of non-topography grid points on subdomain
721    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  ngp_3d_inner_tmp  !< total number of non-topography grid points
722
723    INTEGER(iwp) ::  nz_u_shift   !< topography-top index on u-grid, used to vertically shift initial profiles
724    INTEGER(iwp) ::  nz_v_shift   !< topography-top index on v-grid, used to vertically shift initial profiles
725    INTEGER(iwp) ::  nz_w_shift   !< topography-top index on w-grid, used to vertically shift initial profiles
726    INTEGER(iwp) ::  nz_s_shift   !< topography-top index on scalar-grid, used to vertically shift initial profiles
727    INTEGER(iwp) ::  nz_u_shift_l !< topography-top index on u-grid, used to vertically shift initial profiles
728    INTEGER(iwp) ::  nz_v_shift_l !< topography-top index on v-grid, used to vertically shift initial profiles
729    INTEGER(iwp) ::  nz_w_shift_l !< topography-top index on w-grid, used to vertically shift initial profiles
730    INTEGER(iwp) ::  nz_s_shift_l !< topography-top index on scalar-grid, used to vertically shift initial profiles
731
732    CALL location_message( 'init_3d_model', 'start' )
733    CALL location_message( 'allocating arrays', 'start' )
734!
735!-- Allocate arrays
736    ALLOCATE( mean_surface_level_height(0:statistic_regions),                  &
737              mean_surface_level_height_l(0:statistic_regions),                &
738              ngp_2dh(0:statistic_regions), ngp_2dh_l(0:statistic_regions),    &
739              ngp_3d(0:statistic_regions),                                     &
740              ngp_3d_inner(0:statistic_regions),                               &
741              ngp_3d_inner_l(0:statistic_regions),                             &
742              ngp_3d_inner_tmp(0:statistic_regions),                           &
743              sums_divnew_l(0:statistic_regions),                              &
744              sums_divold_l(0:statistic_regions) )
745    ALLOCATE( dp_smooth_factor(nzb:nzt), rdf(nzb+1:nzt), rdf_sc(nzb+1:nzt) )
746    ALLOCATE( ngp_2dh_outer(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                    &
747              ngp_2dh_outer_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                  &
748              ngp_2dh_s_inner(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                  &
749              ngp_2dh_s_inner_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                &
750              rmask(nysg:nyng,nxlg:nxrg,0:statistic_regions),                  &
751              sums(nzb:nzt+1,pr_palm+max_pr_user+max_pr_cs),                   &
752              sums_l(nzb:nzt+1,pr_palm+max_pr_user+max_pr_cs,0:threads_per_task-1),      &
753              sums_l_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions,0:threads_per_task-1),    &
754              sums_wsts_bc_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions) )
755    ALLOCATE( ts_value(dots_max,0:statistic_regions) )
756    ALLOCATE( ptdf_x(nxlg:nxrg), ptdf_y(nysg:nyng) )
757
758    ALLOCATE( d(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr),                                    &
759              p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                                &
760              tend(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
761
762    ALLOCATE( pt_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
763              pt_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
764              u_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
765              u_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
766              u_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
767              v_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
768              v_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
769              v_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
770              w_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
771              w_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
772              w_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
773    IF (  .NOT.  neutral )  THEN
774       ALLOCATE( pt_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
775    ENDIF
776!
777!-- Pre-set masks for regional statistics. Default is the total model domain.
778!-- Ghost points are excluded because counting values at the ghost boundaries
779!-- would bias the statistics
780    rmask = 1.0_wp
781    rmask(:,nxlg:nxl-1,:) = 0.0_wp;  rmask(:,nxr+1:nxrg,:) = 0.0_wp
782    rmask(nysg:nys-1,:,:) = 0.0_wp;  rmask(nyn+1:nyng,:,:) = 0.0_wp
783!
784!-- Following array is required for perturbation pressure within the iterative
785!-- pressure solvers. For the multistep schemes (Runge-Kutta), array p holds
786!-- the weighted average of the substeps and cannot be used in the Poisson
787!-- solver.
788    IF ( psolver == 'sor' )  THEN
789       ALLOCATE( p_loc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
790    ELSEIF ( psolver(1:9) == 'multigrid' )  THEN
791!
792!--    For performance reasons, multigrid is using one ghost layer only
793       ALLOCATE( p_loc(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
794    ENDIF
795
796!
797!-- Array for storing constant coeffficients of the tridiagonal solver
798    IF ( psolver == 'poisfft' )  THEN
799       ALLOCATE( tri(nxl_z:nxr_z,nys_z:nyn_z,0:nz-1,2) )
800       ALLOCATE( tric(nxl_z:nxr_z,nys_z:nyn_z,0:nz-1) )
801    ENDIF
802
803    IF ( humidity )  THEN
804!
805!--    3D-humidity
806       ALLOCATE( q_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
807                 q_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
808                 q_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
809                 vpt_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ) 
810
811       IF ( cloud_droplets )  THEN
812!
813!--       Liquid water content, change in liquid water content
814          ALLOCATE ( ql_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                      &
815                     ql_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
816!
817!--       Real volume of particles (with weighting), volume of particles
818          ALLOCATE ( ql_v(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                      &
819                     ql_vp(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
820       ENDIF
821
822    ENDIF   
823   
824    IF ( passive_scalar )  THEN
825
826!
827!--    3D scalar arrays
828       ALLOCATE( s_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
829                 s_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
830                 s_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
831
832    ENDIF
833
834!
835!-- Allocate and set 1d-profiles for Stokes drift velocity. It may be set to
836!-- non-zero values later in ocean_init
837    ALLOCATE( u_stokes_zu(nzb:nzt+1), u_stokes_zw(nzb:nzt+1),                  &
838              v_stokes_zu(nzb:nzt+1), v_stokes_zw(nzb:nzt+1) )
839    u_stokes_zu(:) = 0.0_wp
840    u_stokes_zw(:) = 0.0_wp
841    v_stokes_zu(:) = 0.0_wp
842    v_stokes_zw(:) = 0.0_wp
843
844!
845!-- Allocation of anelastic and Boussinesq approximation specific arrays
846    ALLOCATE( p_hydrostatic(nzb:nzt+1) )
847    ALLOCATE( rho_air(nzb:nzt+1) )
848    ALLOCATE( rho_air_zw(nzb:nzt+1) )
849    ALLOCATE( drho_air(nzb:nzt+1) )
850    ALLOCATE( drho_air_zw(nzb:nzt+1) )
851!
852!-- Density profile calculation for anelastic approximation
853    t_surface = pt_surface * ( surface_pressure / 1000.0_wp )**( r_d / c_p )
854    IF ( TRIM( approximation ) == 'anelastic' ) THEN
855       DO  k = nzb, nzt+1
856          p_hydrostatic(k)    = surface_pressure * 100.0_wp *                  &
857                                ( 1 - ( g * zu(k) ) / ( c_p * t_surface )      &
858                                )**( c_p / r_d )
859          rho_air(k)          = ( p_hydrostatic(k) *                           &
860                                  ( 100000.0_wp / p_hydrostatic(k)             &
861                                  )**( r_d / c_p )                             &
862                                ) / ( r_d * pt_init(k) )
863       ENDDO
864       DO  k = nzb, nzt
865          rho_air_zw(k) = 0.5_wp * ( rho_air(k) + rho_air(k+1) )
866       ENDDO
867       rho_air_zw(nzt+1)  = rho_air_zw(nzt)                                    &
868                            + 2.0_wp * ( rho_air(nzt+1) - rho_air_zw(nzt)  )
869    ELSE
870       DO  k = nzb, nzt+1
871          p_hydrostatic(k)    = surface_pressure * 100.0_wp *                  &
872                                ( 1 - ( g * zu(nzb) ) / ( c_p * t_surface )    &
873                                )**( c_p / r_d )
874          rho_air(k)          = ( p_hydrostatic(k) *                           &
875                                  ( 100000.0_wp / p_hydrostatic(k)             &
876                                  )**( r_d / c_p )                             &
877                                ) / ( r_d * pt_init(nzb) )
878       ENDDO
879       DO  k = nzb, nzt
880          rho_air_zw(k) = 0.5_wp * ( rho_air(k) + rho_air(k+1) )
881       ENDDO
882       rho_air_zw(nzt+1)  = rho_air_zw(nzt)                                    &
883                            + 2.0_wp * ( rho_air(nzt+1) - rho_air_zw(nzt)  )
884    ENDIF
885!
886!-- compute the inverse density array in order to avoid expencive divisions
887    drho_air    = 1.0_wp / rho_air
888    drho_air_zw = 1.0_wp / rho_air_zw
889
890!
891!-- Allocation of flux conversion arrays
892    ALLOCATE( heatflux_input_conversion(nzb:nzt+1) )
893    ALLOCATE( waterflux_input_conversion(nzb:nzt+1) )
894    ALLOCATE( momentumflux_input_conversion(nzb:nzt+1) )
895    ALLOCATE( heatflux_output_conversion(nzb:nzt+1) )
896    ALLOCATE( waterflux_output_conversion(nzb:nzt+1) )
897    ALLOCATE( momentumflux_output_conversion(nzb:nzt+1) )
898
899!
900!-- calculate flux conversion factors according to approximation and in-/output mode
901    DO  k = nzb, nzt+1
902
903        IF ( TRIM( flux_input_mode ) == 'kinematic' )  THEN
904            heatflux_input_conversion(k)      = rho_air_zw(k)
905            waterflux_input_conversion(k)     = rho_air_zw(k)
906            momentumflux_input_conversion(k)  = rho_air_zw(k)
907        ELSEIF ( TRIM( flux_input_mode ) == 'dynamic' ) THEN
908            heatflux_input_conversion(k)      = 1.0_wp / c_p
909            waterflux_input_conversion(k)     = 1.0_wp / l_v
910            momentumflux_input_conversion(k)  = 1.0_wp
911        ENDIF
912
913        IF ( TRIM( flux_output_mode ) == 'kinematic' )  THEN
914            heatflux_output_conversion(k)     = drho_air_zw(k)
915            waterflux_output_conversion(k)    = drho_air_zw(k)
916            momentumflux_output_conversion(k) = drho_air_zw(k)
917        ELSEIF ( TRIM( flux_output_mode ) == 'dynamic' ) THEN
918            heatflux_output_conversion(k)     = c_p
919            waterflux_output_conversion(k)    = l_v
920            momentumflux_output_conversion(k) = 1.0_wp
921        ENDIF
922
923        IF ( .NOT. humidity ) THEN
924            waterflux_input_conversion(k)  = 1.0_wp
925            waterflux_output_conversion(k) = 1.0_wp
926        ENDIF
927
928    ENDDO
929
930!
931!-- In case of multigrid method, compute grid lengths and grid factors for the
932!-- grid levels with respective density on each grid
933    IF ( psolver(1:9) == 'multigrid' )  THEN
934
935       ALLOCATE( ddx2_mg(maximum_grid_level) )
936       ALLOCATE( ddy2_mg(maximum_grid_level) )
937       ALLOCATE( dzu_mg(nzb+1:nzt+1,maximum_grid_level) )
938       ALLOCATE( dzw_mg(nzb+1:nzt+1,maximum_grid_level) )
939       ALLOCATE( f1_mg(nzb+1:nzt,maximum_grid_level) )
940       ALLOCATE( f2_mg(nzb+1:nzt,maximum_grid_level) )
941       ALLOCATE( f3_mg(nzb+1:nzt,maximum_grid_level) )
942       ALLOCATE( rho_air_mg(nzb:nzt+1,maximum_grid_level) )
943       ALLOCATE( rho_air_zw_mg(nzb:nzt+1,maximum_grid_level) )
944
945       dzu_mg(:,maximum_grid_level) = dzu
946       rho_air_mg(:,maximum_grid_level) = rho_air
947!       
948!--    Next line to ensure an equally spaced grid.
949       dzu_mg(1,maximum_grid_level) = dzu(2)
950       rho_air_mg(nzb,maximum_grid_level) = rho_air(nzb) +                     &
951                                             (rho_air(nzb) - rho_air(nzb+1))
952
953       dzw_mg(:,maximum_grid_level) = dzw
954       rho_air_zw_mg(:,maximum_grid_level) = rho_air_zw
955       nzt_l = nzt
956       DO  l = maximum_grid_level-1, 1, -1
957           dzu_mg(nzb+1,l) = 2.0_wp * dzu_mg(nzb+1,l+1)
958           dzw_mg(nzb+1,l) = 2.0_wp * dzw_mg(nzb+1,l+1)
959           rho_air_mg(nzb,l)    = rho_air_mg(nzb,l+1) + (rho_air_mg(nzb,l+1) - rho_air_mg(nzb+1,l+1))
960           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))
961           rho_air_mg(nzb+1,l)    = rho_air_mg(nzb+1,l+1)
962           rho_air_zw_mg(nzb+1,l) = rho_air_zw_mg(nzb+1,l+1)
963           nzt_l = nzt_l / 2
964           DO  k = 2, nzt_l+1
965              dzu_mg(k,l) = dzu_mg(2*k-2,l+1) + dzu_mg(2*k-1,l+1)
966              dzw_mg(k,l) = dzw_mg(2*k-2,l+1) + dzw_mg(2*k-1,l+1)
967              rho_air_mg(k,l)    = rho_air_mg(2*k-1,l+1)
968              rho_air_zw_mg(k,l) = rho_air_zw_mg(2*k-1,l+1)
969           ENDDO
970       ENDDO
971
972       nzt_l = nzt
973       dx_l  = dx
974       dy_l  = dy
975       DO  l = maximum_grid_level, 1, -1
976          ddx2_mg(l) = 1.0_wp / dx_l**2
977          ddy2_mg(l) = 1.0_wp / dy_l**2
978          DO  k = nzb+1, nzt_l
979             f2_mg(k,l) = rho_air_zw_mg(k,l) / ( dzu_mg(k+1,l) * dzw_mg(k,l) )
980             f3_mg(k,l) = rho_air_zw_mg(k-1,l) / ( dzu_mg(k,l)   * dzw_mg(k,l) )
981             f1_mg(k,l) = 2.0_wp * ( ddx2_mg(l) + ddy2_mg(l) ) &
982                          * rho_air_mg(k,l) + f2_mg(k,l) + f3_mg(k,l)
983          ENDDO
984          nzt_l = nzt_l / 2
985          dx_l  = dx_l * 2.0_wp
986          dy_l  = dy_l * 2.0_wp
987       ENDDO
988
989    ENDIF
990
991!
992!-- 1D-array for large scale subsidence velocity
993    IF ( .NOT. ALLOCATED( w_subs ) )  THEN
994       ALLOCATE ( w_subs(nzb:nzt+1) )
995       w_subs = 0.0_wp
996    ENDIF
997
998!
999!-- Arrays to store velocity data from t-dt and the phase speeds which
1000!-- are needed for radiation boundary conditions
1001    IF ( bc_radiation_l )  THEN
1002       ALLOCATE( u_m_l(nzb:nzt+1,nysg:nyng,1:2),                               &
1003                 v_m_l(nzb:nzt+1,nysg:nyng,0:1),                               &
1004                 w_m_l(nzb:nzt+1,nysg:nyng,0:1) )
1005    ENDIF
1006    IF ( bc_radiation_r )  THEN
1007       ALLOCATE( u_m_r(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nx-1:nx),                           &
1008                 v_m_r(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nx-1:nx),                           &
1009                 w_m_r(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nx-1:nx) )
1010    ENDIF
1011    IF ( bc_radiation_l  .OR.  bc_radiation_r )  THEN
1012       ALLOCATE( c_u(nzb:nzt+1,nysg:nyng), c_v(nzb:nzt+1,nysg:nyng),           &
1013                 c_w(nzb:nzt+1,nysg:nyng) )
1014    ENDIF
1015    IF ( bc_radiation_s )  THEN
1016       ALLOCATE( u_m_s(nzb:nzt+1,0:1,nxlg:nxrg),                               &
1017                 v_m_s(nzb:nzt+1,1:2,nxlg:nxrg),                               &
1018                 w_m_s(nzb:nzt+1,0:1,nxlg:nxrg) )
1019    ENDIF
1020    IF ( bc_radiation_n )  THEN
1021       ALLOCATE( u_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny,nxlg:nxrg),                           &
1022                 v_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny,nxlg:nxrg),                           &
1023                 w_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny,nxlg:nxrg) )
1024    ENDIF
1025    IF ( bc_radiation_s  .OR.  bc_radiation_n )  THEN
1026       ALLOCATE( c_u(nzb:nzt+1,nxlg:nxrg), c_v(nzb:nzt+1,nxlg:nxrg),           &
1027                 c_w(nzb:nzt+1,nxlg:nxrg) )
1028    ENDIF
1029    IF ( bc_radiation_l  .OR.  bc_radiation_r  .OR.  bc_radiation_s  .OR.      &
1030         bc_radiation_n )  THEN
1031       ALLOCATE( c_u_m_l(nzb:nzt+1), c_v_m_l(nzb:nzt+1), c_w_m_l(nzb:nzt+1) )                   
1032       ALLOCATE( c_u_m(nzb:nzt+1), c_v_m(nzb:nzt+1), c_w_m(nzb:nzt+1) )
1033    ENDIF
1034
1035!
1036!-- Initial assignment of the pointers
1037    IF ( .NOT. neutral )  THEN
1038       pt => pt_1;  pt_p => pt_2;  tpt_m => pt_3
1039    ELSE
1040       pt => pt_1;  pt_p => pt_1;  tpt_m => pt_3
1041    ENDIF
1042    u  => u_1;   u_p  => u_2;   tu_m  => u_3
1043    v  => v_1;   v_p  => v_2;   tv_m  => v_3
1044    w  => w_1;   w_p  => w_2;   tw_m  => w_3
1045
1046    IF ( humidity )  THEN
1047       q => q_1;  q_p => q_2;  tq_m => q_3
1048       vpt  => vpt_1
1049       IF ( cloud_droplets )  THEN
1050          ql   => ql_1
1051          ql_c => ql_2
1052       ENDIF
1053    ENDIF
1054   
1055    IF ( passive_scalar )  THEN
1056       s => s_1;  s_p => s_2;  ts_m => s_3
1057    ENDIF   
1058
1059!
1060!-- Initialize arrays for turbulence closure
1061    CALL tcm_init_arrays
1062!
1063!-- Initialize surface arrays
1064    CALL init_surface_arrays
1065!
1066!-- Allocate arrays for other modules
1067    CALL module_interface_init_arrays
1068
1069
1070!
1071!-- Allocate arrays containing the RK coefficient for calculation of
1072!-- perturbation pressure and turbulent fluxes. At this point values are
1073!-- set for pressure calculation during initialization (where no timestep
1074!-- is done). Further below the values needed within the timestep scheme
1075!-- will be set.
1076    ALLOCATE( weight_substep(1:intermediate_timestep_count_max),               &
1077              weight_pres(1:intermediate_timestep_count_max) )
1078    weight_substep = 1.0_wp
1079    weight_pres    = 1.0_wp
1080    intermediate_timestep_count = 0  ! needed when simulated_time = 0.0
1081       
1082    CALL location_message( 'allocating arrays', 'finished' )
1083
1084!
1085!-- Initialize time series
1086    ts_value = 0.0_wp
1087
1088!
1089!-- Initialize local summation arrays for routine flow_statistics.
1090!-- This is necessary because they may not yet have been initialized when they
1091!-- are called from flow_statistics (or - depending on the chosen model run -
1092!-- are never initialized)
1093    sums_divnew_l      = 0.0_wp
1094    sums_divold_l      = 0.0_wp
1095    sums_l_l           = 0.0_wp
1096    sums_wsts_bc_l     = 0.0_wp
1097   
1098!
1099!-- Initialize model variables
1100    IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data'  .AND.            &
1101         TRIM( initializing_actions ) /= 'cyclic_fill' )  THEN
1102!
1103!--    Initialization with provided input data derived from larger-scale model
1104       IF ( INDEX( initializing_actions, 'inifor' ) /= 0 )  THEN
1105          CALL location_message( 'initializing with INIFOR', 'start' )
1106!
1107!--       Read initial 1D profiles or 3D data from NetCDF file, depending
1108!--       on the provided level-of-detail.
1109!--       At the moment, only u, v, w, pt and q are provided.
1110          CALL netcdf_data_input_init_3d
1111!
1112!--       Please note, Inifor provides data from nzb+1 to nzt.
1113!--       Bottom and top boundary conditions for Inifor profiles are already
1114!--       set (just after reading), so that this is not necessary here.
1115!--       Depending on the provided level-of-detail, initial Inifor data is
1116!--       either stored on data type (lod=1), or directly on 3D arrays (lod=2).
1117!--       In order to obtain also initial profiles in case of lod=2 (which
1118!--       is required for e.g. damping), average over 3D data.
1119          IF( init_3d%lod_u == 1 )  THEN
1120             u_init = init_3d%u_init
1121          ELSEIF( init_3d%lod_u == 2 )  THEN
1122             ALLOCATE( init_l(nzb:nzt+1) ) 
1123             DO  k = nzb, nzt+1
1124                init_l(k) = SUM( u(k,nys:nyn,nxl:nxr) )
1125             ENDDO
1126             init_l = init_l / REAL( ( nx + 1 ) * ( ny + 1 ), KIND = wp )
1127
1128#if defined( __parallel )
1129             CALL MPI_ALLREDUCE( init_l, u_init, nzt+1-nzb+1,                  &
1130                                 MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1131#else
1132             u_init = init_l
1133#endif
1134             DEALLOCATE( init_l )
1135
1136          ENDIF
1137           
1138          IF( init_3d%lod_v == 1 )  THEN 
1139             v_init = init_3d%v_init
1140          ELSEIF( init_3d%lod_v == 2 )  THEN
1141             ALLOCATE( init_l(nzb:nzt+1) ) 
1142             DO  k = nzb, nzt+1
1143                init_l(k) = SUM( v(k,nys:nyn,nxl:nxr) )
1144             ENDDO
1145             init_l = init_l / REAL( ( nx + 1 ) * ( ny + 1 ), KIND = wp )
1146
1147#if defined( __parallel )
1148             CALL MPI_ALLREDUCE( init_l, v_init, nzt+1-nzb+1,                  &
1149                                 MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1150#else
1151             v_init = init_l
1152#endif
1153             DEALLOCATE( init_l )
1154          ENDIF
1155          IF( .NOT. neutral )  THEN
1156             IF( init_3d%lod_pt == 1 )  THEN
1157                pt_init = init_3d%pt_init
1158             ELSEIF( init_3d%lod_pt == 2 )  THEN
1159                ALLOCATE( init_l(nzb:nzt+1) ) 
1160                DO  k = nzb, nzt+1
1161                   init_l(k) = SUM( pt(k,nys:nyn,nxl:nxr) )
1162                ENDDO
1163                init_l = init_l / REAL( ( nx + 1 ) * ( ny + 1 ), KIND = wp )
1164
1165#if defined( __parallel )
1166                CALL MPI_ALLREDUCE( init_l, pt_init, nzt+1-nzb+1,               &
1167                                    MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1168#else
1169                pt_init = init_l
1170#endif
1171                DEALLOCATE( init_l )
1172             ENDIF
1173          ENDIF
1174
1175
1176          IF( humidity )  THEN
1177             IF( init_3d%lod_q == 1 )  THEN
1178                q_init = init_3d%q_init
1179             ELSEIF( init_3d%lod_q == 2 )  THEN
1180                ALLOCATE( init_l(nzb:nzt+1) ) 
1181                DO  k = nzb, nzt+1
1182                   init_l(k) = SUM( q(k,nys:nyn,nxl:nxr) )
1183                ENDDO
1184                init_l = init_l / REAL( ( nx + 1 ) * ( ny + 1 ), KIND = wp )
1185
1186#if defined( __parallel )
1187                CALL MPI_ALLREDUCE( init_l, q_init, nzt+1-nzb+1,               &
1188                                    MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1189#else
1190                q_init = init_l
1191#endif
1192                DEALLOCATE( init_l )
1193             ENDIF
1194          ENDIF
1195
1196!
1197!--       Write initial profiles onto 3D arrays. Note, only in case of lod = 1,
1198!--       for lod = 2 data is already on 3D arrays.   
1199          DO  i = nxlg, nxrg
1200             DO  j = nysg, nyng
1201                IF( init_3d%lod_u == 1 )  u(:,j,i) = u_init(:)
1202                IF( init_3d%lod_v == 1 )  v(:,j,i) = v_init(:)
1203                IF( .NOT. neutral  .AND.  init_3d%lod_pt == 1 )                &
1204                   pt(:,j,i) = pt_init(:)
1205                IF( humidity  .AND.  init_3d%lod_q == 1 )  q(:,j,i) = q_init(:)
1206             ENDDO
1207          ENDDO
1208!
1209!--       Exchange ghost points and set boundary conditions in case of
1210!--       level-of-detail = 2
1211          IF( init_3d%lod_u == 2 )  CALL exchange_horiz( u, nbgp )
1212          IF( init_3d%lod_v == 2 )  CALL exchange_horiz( v, nbgp )
1213          IF( init_3d%lod_w == 2 )  CALL exchange_horiz( w, nbgp )
1214          IF( .NOT. neutral  .AND.  init_3d%lod_pt == 2 )                      &
1215             CALL exchange_horiz( pt, nbgp )
1216          IF( humidity  .AND.  init_3d%lod_q == 2 )                            &
1217             CALL exchange_horiz( q, nbgp )
1218         
1219          IF ( bc_dirichlet_l )  THEN
1220             DO  j = nysg, nyng
1221                DO  k = nzb, nzt+1
1222                   IF( init_3d%lod_u == 2 )  u(k,j,nxlg:nxl)   = u(k,j,nxlu)
1223                   IF( init_3d%lod_v == 2 )  v(k,j,nxlg:nxl-1) = v(k,j,nxl)
1224                   IF( init_3d%lod_w == 2 )  w(k,j,nxlg:nxl-1) = w(k,j,nxl)
1225                   IF( .NOT. neutral  .AND.  init_3d%lod_pt == 2 )                      &
1226                      pt(k,j,nxlg:nxl-1) = pt(k,j,nxl)
1227                   IF( humidity  .AND.  init_3d%lod_q == 2 )                            &
1228                      q(k,j,nxlg:nxl-1)  = q(k,j,nxl) 
1229                ENDDO
1230             ENDDO
1231          ENDIF
1232          IF ( bc_dirichlet_r )  THEN
1233             DO  j = nysg, nyng
1234                DO  k = nzb, nzt+1
1235                   IF( init_3d%lod_u == 2 )  u(k,j,nxr+1:nxrg) = u(k,j,nxr)
1236                   IF( init_3d%lod_v == 2 )  v(k,j,nxr+1:nxrg) = v(k,j,nxr)
1237                   IF( init_3d%lod_w == 2 )  w(k,j,nxr+1:nxrg) = w(k,j,nxr)
1238                   IF( .NOT. neutral  .AND.  init_3d%lod_pt == 2 )                      &
1239                      pt(k,j,nxr+1:nxrg) = pt(k,j,nxr)
1240                   IF( humidity  .AND.  init_3d%lod_q == 2 )                            &
1241                      q(k,j,nxr+1:nxrg)  = q(k,j,nxr) 
1242                ENDDO
1243             ENDDO
1244          ENDIF
1245          IF ( bc_dirichlet_s )  THEN
1246             DO  i = nxlg, nxrg
1247                DO  k = nzb, nzt+1
1248                   IF( init_3d%lod_u == 2 )  u(k,nysg:nys-1,i) = u(k,nys,i)
1249                   IF( init_3d%lod_v == 2 )  v(k,nysg:nys,i)   = v(k,nysv,i)
1250                   IF( init_3d%lod_w == 2 )  w(k,nysg:nys-1,i) = w(k,nys,i)
1251                   IF( .NOT. neutral  .AND.  init_3d%lod_pt == 2 )                      &
1252                      pt(k,nysg:nys-1,i) = pt(k,nys,i)
1253                   IF( humidity  .AND.  init_3d%lod_q == 2 )                            &
1254                      q(k,nysg:nys-1,i)  = q(k,nys,i)
1255                ENDDO
1256             ENDDO
1257          ENDIF
1258          IF ( bc_dirichlet_n )  THEN
1259             DO  i = nxlg, nxrg
1260                DO  k = nzb, nzt+1
1261                   IF( init_3d%lod_u == 2 )  u(k,nyn+1:nyng,i) = u(k,nyn,i)
1262                   IF( init_3d%lod_v == 2 )  v(k,nyn+1:nyng,i) = v(k,nyn,i)
1263                   IF( init_3d%lod_w == 2 )  w(k,nyn+1:nyng,i) = w(k,nyn,i)
1264                   IF( .NOT. neutral  .AND.  init_3d%lod_pt == 2 )                      &
1265                      pt(k,nyn+1:nyng,i) = pt(k,nyn,i)
1266                   IF( humidity  .AND.  init_3d%lod_q == 2 )                            &
1267                      q(k,nyn+1:nyng,i)  = q(k,nyn,i)
1268                ENDDO
1269             ENDDO
1270          ENDIF
1271!
1272!--       Set geostrophic wind components. 
1273          IF ( init_3d%from_file_ug )  THEN
1274             ug(:) = init_3d%ug_init(:)
1275          ENDIF
1276          IF ( init_3d%from_file_vg )  THEN
1277             vg(:) = init_3d%vg_init(:)
1278          ENDIF
1279!
1280!--       Set bottom and top boundary condition for geostrophic wind
1281          ug(nzt+1) = ug(nzt)
1282          vg(nzt+1) = vg(nzt)
1283          ug(nzb)   = ug(nzb+1)
1284          vg(nzb)   = vg(nzb+1)
1285!
1286!--       Set inital w to 0
1287          w = 0.0_wp
1288
1289          IF ( passive_scalar )  THEN
1290             DO  i = nxlg, nxrg
1291                DO  j = nysg, nyng
1292                   s(:,j,i) = s_init
1293                ENDDO
1294             ENDDO
1295          ENDIF
1296
1297!
1298!--       Set velocity components at non-atmospheric / oceanic grid points to
1299!--       zero.
1300          u = MERGE( u, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 1 ) )
1301          v = MERGE( v, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 2 ) )
1302          w = MERGE( w, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 3 ) )
1303!
1304!--       Initialize surface variables, e.g. friction velocity, momentum
1305!--       fluxes, etc.
1306          CALL init_surfaces
1307!
1308!--       Initialize turbulence generator
1309          IF( use_syn_turb_gen )  CALL stg_init
1310
1311          CALL location_message( 'initializing with INIFOR', 'finished' )
1312!
1313!--    Initialization via computed 1D-model profiles
1314       ELSEIF ( INDEX( initializing_actions, 'set_1d-model_profiles' ) /= 0 )  THEN
1315
1316          CALL location_message( 'initializing with 1D model profiles', 'start' )
1317!
1318!--       Use solutions of the 1D model as initial profiles,
1319!--       start 1D model
1320          CALL init_1d_model
1321!
1322!--       Transfer initial profiles to the arrays of the 3D model
1323          DO  i = nxlg, nxrg
1324             DO  j = nysg, nyng
1325                pt(:,j,i) = pt_init
1326                u(:,j,i)  = u1d
1327                v(:,j,i)  = v1d
1328             ENDDO
1329          ENDDO
1330
1331          IF ( humidity )  THEN
1332             DO  i = nxlg, nxrg
1333                DO  j = nysg, nyng
1334                   q(:,j,i) = q_init
1335                ENDDO
1336             ENDDO
1337          ENDIF
1338
1339          IF ( passive_scalar )  THEN
1340             DO  i = nxlg, nxrg
1341                DO  j = nysg, nyng
1342                   s(:,j,i) = s_init
1343                ENDDO
1344             ENDDO   
1345          ENDIF
1346!
1347!--          Store initial profiles for output purposes etc.
1348          IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
1349             hom(:,1,25,:) = SPREAD( l1d, 2, statistic_regions+1 )
1350          ENDIF
1351!
1352!--       Set velocities back to zero
1353          u = MERGE( u, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 1 ) )
1354          v = MERGE( v, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 2 ) )         
1355!
1356!--       WARNING: The extra boundary conditions set after running the
1357!--       -------  1D model impose an error on the divergence one layer
1358!--                below the topography; need to correct later
1359!--       ATTENTION: Provisional correction for Piacsek & Williams
1360!--       ---------  advection scheme: keep u and v zero one layer below
1361!--                  the topography.
1362          IF ( ibc_uv_b == 1 )  THEN
1363!
1364!--          Neumann condition
1365             DO  i = nxl-1, nxr+1
1366                DO  j = nys-1, nyn+1
1367                   u(nzb,j,i) = u(nzb+1,j,i)
1368                   v(nzb,j,i) = v(nzb+1,j,i)
1369                ENDDO
1370             ENDDO
1371
1372          ENDIF
1373!
1374!--       Initialize surface variables, e.g. friction velocity, momentum
1375!--       fluxes, etc.
1376          CALL init_surfaces
1377!
1378!--       Initialize synthetic turbulence generator if required
1379          IF( use_syn_turb_gen )  CALL stg_init
1380
1381          CALL location_message( 'initializing with 1D model profiles', 'finished' )
1382
1383       ELSEIF ( INDEX(initializing_actions, 'set_constant_profiles') /= 0 )    &
1384       THEN
1385
1386          CALL location_message( 'initializing with constant profiles', 'start' )
1387
1388!
1389!--       Use constructed initial profiles (velocity constant with height,
1390!--       temperature profile with constant gradient)
1391          DO  i = nxlg, nxrg
1392             DO  j = nysg, nyng
1393                pt(:,j,i) = pt_init
1394                u(:,j,i)  = u_init
1395                v(:,j,i)  = v_init
1396             ENDDO
1397          ENDDO
1398!
1399!--       Mask topography
1400          u = MERGE( u, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 1 ) )
1401          v = MERGE( v, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 2 ) )
1402!
1403!--       Set initial horizontal velocities at the lowest computational grid
1404!--       levels to zero in order to avoid too small time steps caused by the
1405!--       diffusion limit in the initial phase of a run (at k=1, dz/2 occurs
1406!--       in the limiting formula!).
1407!--       Please note, in case land- or urban-surface model is used and a
1408!--       spinup is applied, masking the lowest computational level is not
1409!--       possible as MOST as well as energy-balance parametrizations will not
1410!--       work with zero wind velocity.
1411          IF ( ibc_uv_b /= 1  .AND.  .NOT.  spinup )  THEN
1412             DO  i = nxlg, nxrg
1413                DO  j = nysg, nyng
1414                   DO  k = nzb, nzt
1415                      u(k,j,i) = MERGE( u(k,j,i), 0.0_wp,                      &
1416                                        BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 20 ) )
1417                      v(k,j,i) = MERGE( v(k,j,i), 0.0_wp,                      &
1418                                        BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 21 ) )
1419                   ENDDO
1420                ENDDO
1421             ENDDO
1422          ENDIF
1423
1424          IF ( humidity )  THEN
1425             DO  i = nxlg, nxrg
1426                DO  j = nysg, nyng
1427                   q(:,j,i) = q_init
1428                ENDDO
1429             ENDDO
1430          ENDIF
1431         
1432          IF ( passive_scalar )  THEN
1433             DO  i = nxlg, nxrg
1434                DO  j = nysg, nyng
1435                   s(:,j,i) = s_init
1436                ENDDO
1437             ENDDO
1438          ENDIF
1439
1440!
1441!--       Compute initial temperature field and other constants used in case
1442!--       of a sloping surface
1443          IF ( sloping_surface )  CALL init_slope
1444!
1445!--       Initialize surface variables, e.g. friction velocity, momentum
1446!--       fluxes, etc.
1447          CALL init_surfaces
1448!
1449!--       Initialize synthetic turbulence generator if required
1450          IF( use_syn_turb_gen )  CALL stg_init
1451         
1452          CALL location_message( 'initializing with constant profiles', 'finished' )
1453
1454       ELSEIF ( INDEX(initializing_actions, 'by_user') /= 0 )                  &
1455       THEN
1456
1457          CALL location_message( 'initializing by user', 'start' )
1458!
1459!--       Pre-initialize surface variables, i.e. setting start- and end-indices
1460!--       at each (j,i)-location. Please note, this does not supersede
1461!--       user-defined initialization of surface quantities.
1462          CALL init_surfaces
1463!
1464!--       Initialization will completely be done by the user
1465          CALL user_init_3d_model
1466
1467          CALL location_message( 'initializing by user', 'finished' )
1468
1469       ENDIF
1470
1471       CALL location_message( 'initializing statistics, boundary conditions, etc.', 'start' )
1472
1473!
1474!--    Bottom boundary
1475       IF ( ibc_uv_b == 0 .OR. ibc_uv_b == 2  )  THEN
1476          u(nzb,:,:) = 0.0_wp
1477          v(nzb,:,:) = 0.0_wp
1478       ENDIF
1479
1480!
1481!--    Apply channel flow boundary condition
1482       IF ( TRIM( bc_uv_t ) == 'dirichlet_0' )  THEN
1483          u(nzt+1,:,:) = 0.0_wp
1484          v(nzt+1,:,:) = 0.0_wp
1485       ENDIF
1486
1487!
1488!--    Calculate virtual potential temperature
1489       IF ( humidity )  vpt = pt * ( 1.0_wp + 0.61_wp * q )
1490
1491!
1492!--    Store initial profiles for output purposes etc.. Please note, in case of
1493!--    initialization of u, v, w, pt, and q via output data derived from larger
1494!--    scale models, data will not be horizontally homogeneous. Actually, a mean
1495!--    profile should be calculated before.   
1496       hom(:,1,5,:) = SPREAD( u(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1497       hom(:,1,6,:) = SPREAD( v(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1498       IF ( ibc_uv_b == 0 .OR. ibc_uv_b == 2)  THEN
1499          hom(nzb,1,5,:) = 0.0_wp
1500          hom(nzb,1,6,:) = 0.0_wp
1501       ENDIF
1502       hom(:,1,7,:)  = SPREAD( pt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1503
1504       IF ( humidity )  THEN
1505!
1506!--       Store initial profile of total water content, virtual potential
1507!--       temperature
1508          hom(:,1,26,:) = SPREAD(   q(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1509          hom(:,1,29,:) = SPREAD( vpt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1510!
1511!--       Store initial profile of mixing ratio and potential
1512!--       temperature
1513          IF ( bulk_cloud_model  .OR.  cloud_droplets ) THEN
1514             hom(:,1,27,:) = SPREAD(  q(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1515             hom(:,1,28,:) = SPREAD( pt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1516          ENDIF
1517       ENDIF
1518
1519!
1520!--    Store initial scalar profile
1521       IF ( passive_scalar )  THEN
1522          hom(:,1,121,:) = SPREAD(  s(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1523       ENDIF
1524
1525!
1526!--    Initialize the random number generators (from numerical recipes)
1527       CALL random_function_ini
1528       
1529       IF ( random_generator == 'random-parallel' )  THEN
1530          CALL init_parallel_random_generator( nx, nys, nyn, nxl, nxr )
1531       ENDIF
1532!
1533!--    Set the reference state to be used in the buoyancy terms (for ocean runs
1534!--    the reference state will be set (overwritten) in init_ocean)
1535       IF ( use_single_reference_value )  THEN
1536          IF (  .NOT.  humidity )  THEN
1537             ref_state(:) = pt_reference
1538          ELSE
1539             ref_state(:) = vpt_reference
1540          ENDIF
1541       ELSE
1542          IF (  .NOT.  humidity )  THEN
1543             ref_state(:) = pt_init(:)
1544          ELSE
1545             ref_state(:) = vpt(:,nys,nxl)
1546          ENDIF
1547       ENDIF
1548
1549!
1550!--    For the moment, vertical velocity is zero
1551       w = 0.0_wp
1552
1553!
1554!--    Initialize array sums (must be defined in first call of pres)
1555       sums = 0.0_wp
1556
1557!
1558!--    In case of iterative solvers, p must get an initial value
1559       IF ( psolver(1:9) == 'multigrid'  .OR.  psolver == 'sor' )  p = 0.0_wp
1560!
1561!--    Impose vortex with vertical axis on the initial velocity profile
1562       IF ( INDEX( initializing_actions, 'initialize_vortex' ) /= 0 )  THEN
1563          CALL init_rankine
1564       ENDIF
1565
1566!
1567!--    Impose temperature anomaly (advection test only) or warm air bubble
1568!--    close to surface
1569       IF ( INDEX( initializing_actions, 'initialize_ptanom' ) /= 0  .OR.  &
1570            INDEX( initializing_actions, 'initialize_bubble' ) /= 0  )  THEN
1571          CALL init_pt_anomaly
1572       ENDIF
1573       
1574!
1575!--    If required, change the surface temperature at the start of the 3D run
1576       IF ( pt_surface_initial_change /= 0.0_wp )  THEN
1577          pt(nzb,:,:) = pt(nzb,:,:) + pt_surface_initial_change
1578       ENDIF
1579
1580!
1581!--    If required, change the surface humidity/scalar at the start of the 3D
1582!--    run
1583       IF ( humidity  .AND.  q_surface_initial_change /= 0.0_wp )              &
1584          q(nzb,:,:) = q(nzb,:,:) + q_surface_initial_change
1585         
1586       IF ( passive_scalar .AND.  s_surface_initial_change /= 0.0_wp )         &
1587          s(nzb,:,:) = s(nzb,:,:) + s_surface_initial_change
1588       
1589
1590!
1591!--    Initialize old and new time levels.
1592       tpt_m = 0.0_wp; tu_m = 0.0_wp; tv_m = 0.0_wp; tw_m = 0.0_wp
1593       pt_p = pt; u_p = u; v_p = v; w_p = w
1594
1595       IF ( humidity  )  THEN
1596          tq_m = 0.0_wp
1597          q_p = q
1598       ENDIF
1599       
1600       IF ( passive_scalar )  THEN
1601          ts_m = 0.0_wp
1602          s_p  = s
1603       ENDIF       
1604
1605       CALL location_message( 'initializing statistics, boundary conditions, etc.', 'finished' )
1606
1607    ELSEIF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data'  .OR.         &
1608             TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )                   &
1609    THEN
1610
1611       CALL location_message( 'initializing in case of restart / cyclic_fill', 'start' )
1612!
1613!--    Initialize surface elements and its attributes, e.g. heat- and
1614!--    momentumfluxes, roughness, scaling parameters. As number of surface
1615!--    elements might be different between runs, e.g. in case of cyclic fill,
1616!--    and not all surface elements are read, surface elements need to be
1617!--    initialized before.
1618!--    Please note, in case of cyclic fill, surfaces should be initialized
1619!--    after restart data is read, else, individual settings of surface
1620!--    parameters will be overwritten from data of precursor run, hence,
1621!--    init_surfaces is called a second time after reading the restart data.
1622       CALL init_surfaces                       
1623!
1624!--    When reading data for cyclic fill of 3D prerun data files, read
1625!--    some of the global variables from the restart file which are required
1626!--    for initializing the inflow
1627       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  THEN
1628
1629          DO  i = 0, io_blocks-1
1630             IF ( i == io_group )  THEN
1631                CALL rrd_read_parts_of_global
1632             ENDIF
1633#if defined( __parallel )
1634             CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1635#endif
1636          ENDDO
1637
1638       ENDIF
1639
1640!
1641!--    Read processor specific binary data from restart file
1642       DO  i = 0, io_blocks-1
1643          IF ( i == io_group )  THEN
1644             CALL rrd_local
1645          ENDIF
1646#if defined( __parallel )
1647          CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1648#endif
1649       ENDDO
1650!
1651!--    In case of cyclic fill, call init_surfaces a second time, so that
1652!--    surface properties such as heat fluxes are initialized as prescribed.
1653       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )                    &
1654          CALL init_surfaces
1655
1656!
1657!--    In case of complex terrain and cyclic fill method as initialization,
1658!--    shift initial data in the vertical direction for each point in the
1659!--    x-y-plane depending on local surface height
1660       IF ( complex_terrain  .AND.                                             &
1661            TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  THEN
1662          DO  i = nxlg, nxrg
1663             DO  j = nysg, nyng
1664                nz_u_shift = get_topography_top_index_ji( j, i, 'u' )
1665                nz_v_shift = get_topography_top_index_ji( j, i, 'v' )
1666                nz_w_shift = get_topography_top_index_ji( j, i, 'w' )
1667                nz_s_shift = get_topography_top_index_ji( j, i, 's' )
1668
1669                u(nz_u_shift:nzt+1,j,i)  = u(0:nzt+1-nz_u_shift,j,i)               
1670
1671                v(nz_v_shift:nzt+1,j,i)  = v(0:nzt+1-nz_v_shift,j,i)
1672
1673                w(nz_w_shift:nzt+1,j,i)  = w(0:nzt+1-nz_w_shift,j,i)
1674
1675                p(nz_s_shift:nzt+1,j,i)  =  p(0:nzt+1-nz_s_shift,j,i)
1676                pt(nz_s_shift:nzt+1,j,i) = pt(0:nzt+1-nz_s_shift,j,i)
1677             ENDDO
1678          ENDDO
1679       ENDIF
1680
1681!
1682!--    Initialization of the turbulence recycling method
1683       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill'  .AND.               &
1684            turbulent_inflow )  THEN
1685!
1686!--       First store the profiles to be used at the inflow.
1687!--       These profiles are the (temporally) and horizontally averaged vertical
1688!--       profiles from the prerun. Alternatively, prescribed profiles
1689!--       for u,v-components can be used.
1690          ALLOCATE( mean_inflow_profiles(nzb:nzt+1,1:num_mean_inflow_profiles) )
1691
1692          IF ( use_prescribed_profile_data )  THEN
1693             mean_inflow_profiles(:,1) = u_init            ! u
1694             mean_inflow_profiles(:,2) = v_init            ! v
1695          ELSE
1696             mean_inflow_profiles(:,1) = hom_sum(:,1,0)    ! u
1697             mean_inflow_profiles(:,2) = hom_sum(:,2,0)    ! v
1698          ENDIF
1699          mean_inflow_profiles(:,4) = hom_sum(:,4,0)       ! pt
1700          IF ( humidity )                                                      &
1701             mean_inflow_profiles(:,6) = hom_sum(:,41,0)   ! q
1702          IF ( passive_scalar )                                                &
1703             mean_inflow_profiles(:,7) = hom_sum(:,115,0)   ! s
1704!
1705!--       In case of complex terrain, determine vertical displacement at inflow
1706!--       boundary and adjust mean inflow profiles
1707          IF ( complex_terrain )  THEN
1708             IF ( nxlg <= 0 .AND. nxrg >= 0 .AND. nysg <= 0 .AND. nyng >= 0 )  THEN
1709                nz_u_shift_l = get_topography_top_index_ji( 0, 0, 'u' )
1710                nz_v_shift_l = get_topography_top_index_ji( 0, 0, 'v' )
1711                nz_w_shift_l = get_topography_top_index_ji( 0, 0, 'w' )
1712                nz_s_shift_l = get_topography_top_index_ji( 0, 0, 's' )
1713             ELSE
1714                nz_u_shift_l = 0
1715                nz_v_shift_l = 0
1716                nz_w_shift_l = 0
1717                nz_s_shift_l = 0
1718             ENDIF
1719
1720#if defined( __parallel )
1721             CALL MPI_ALLREDUCE(nz_u_shift_l, nz_u_shift, 1, MPI_INTEGER,      &
1722                                MPI_MAX, comm2d, ierr)
1723             CALL MPI_ALLREDUCE(nz_v_shift_l, nz_v_shift, 1, MPI_INTEGER,      &
1724                                MPI_MAX, comm2d, ierr)
1725             CALL MPI_ALLREDUCE(nz_w_shift_l, nz_w_shift, 1, MPI_INTEGER,      & 
1726                                MPI_MAX, comm2d, ierr)
1727             CALL MPI_ALLREDUCE(nz_s_shift_l, nz_s_shift, 1, MPI_INTEGER,      &
1728                                MPI_MAX, comm2d, ierr)
1729#else
1730             nz_u_shift = nz_u_shift_l
1731             nz_v_shift = nz_v_shift_l
1732             nz_w_shift = nz_w_shift_l
1733             nz_s_shift = nz_s_shift_l
1734#endif
1735
1736             mean_inflow_profiles(:,1) = 0.0_wp
1737             mean_inflow_profiles(nz_u_shift:nzt+1,1) = hom_sum(0:nzt+1-nz_u_shift,1,0)  ! u
1738
1739             mean_inflow_profiles(:,2) = 0.0_wp
1740             mean_inflow_profiles(nz_v_shift:nzt+1,2) = hom_sum(0:nzt+1-nz_v_shift,2,0)  ! v
1741
1742             mean_inflow_profiles(nz_s_shift:nzt+1,4) = hom_sum(0:nzt+1-nz_s_shift,4,0)  ! pt
1743
1744          ENDIF
1745
1746!
1747!--       If necessary, adjust the horizontal flow field to the prescribed
1748!--       profiles
1749          IF ( use_prescribed_profile_data )  THEN
1750             DO  i = nxlg, nxrg
1751                DO  j = nysg, nyng
1752                   DO  k = nzb, nzt+1
1753                      u(k,j,i) = u(k,j,i) - hom_sum(k,1,0) + u_init(k)
1754                      v(k,j,i) = v(k,j,i) - hom_sum(k,2,0) + v_init(k)
1755                   ENDDO
1756                ENDDO
1757             ENDDO
1758          ENDIF
1759
1760!
1761!--       Use these mean profiles at the inflow (provided that Dirichlet
1762!--       conditions are used)
1763          IF ( bc_dirichlet_l )  THEN
1764             DO  j = nysg, nyng
1765                DO  k = nzb, nzt+1
1766                   u(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,1)
1767                   v(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,2)
1768                   w(k,j,nxlg:-1)  = 0.0_wp
1769                   pt(k,j,nxlg:-1) = mean_inflow_profiles(k,4)
1770                   IF ( humidity )                                             &
1771                      q(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,6)
1772                   IF ( passive_scalar )                                       &
1773                      s(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,7)                     
1774                ENDDO
1775             ENDDO
1776          ENDIF
1777
1778!
1779!--       Calculate the damping factors to be used at the inflow. For a
1780!--       turbulent inflow the turbulent fluctuations have to be limited
1781!--       vertically because otherwise the turbulent inflow layer will grow
1782!--       in time.
1783          IF ( inflow_damping_height == 9999999.9_wp )  THEN
1784!
1785!--          Default: use the inversion height calculated by the prerun; if
1786!--          this is zero, inflow_damping_height must be explicitly
1787!--          specified.
1788             IF ( hom_sum(nzb+6,pr_palm,0) /= 0.0_wp )  THEN
1789                inflow_damping_height = hom_sum(nzb+6,pr_palm,0)
1790             ELSE
1791                WRITE( message_string, * ) 'inflow_damping_height must be ',   &
1792                     'explicitly specified because&the inversion height ',     &
1793                     'calculated by the prerun is zero.'
1794                CALL message( 'init_3d_model', 'PA0318', 1, 2, 0, 6, 0 )
1795             ENDIF
1796
1797          ENDIF
1798
1799          IF ( inflow_damping_width == 9999999.9_wp )  THEN
1800!
1801!--          Default for the transition range: one tenth of the undamped
1802!--          layer
1803             inflow_damping_width = 0.1_wp * inflow_damping_height
1804
1805          ENDIF
1806
1807          ALLOCATE( inflow_damping_factor(nzb:nzt+1) )
1808
1809          DO  k = nzb, nzt+1
1810
1811             IF ( zu(k) <= inflow_damping_height )  THEN
1812                inflow_damping_factor(k) = 1.0_wp
1813             ELSEIF ( zu(k) <= ( inflow_damping_height + inflow_damping_width ) )  THEN
1814                inflow_damping_factor(k) = 1.0_wp -                            &
1815                                           ( zu(k) - inflow_damping_height ) / &
1816                                           inflow_damping_width
1817             ELSE
1818                inflow_damping_factor(k) = 0.0_wp
1819             ENDIF
1820
1821          ENDDO
1822
1823       ENDIF
1824
1825!
1826!--    Inside buildings set velocities back to zero
1827       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' .AND.                &
1828            topography /= 'flat' )  THEN
1829!
1830!--       Inside buildings set velocities back to zero.
1831!--       Other scalars (pt, q, s, p, sa, ...) are ignored at present,
1832!--       maybe revise later.
1833          DO  i = nxlg, nxrg
1834             DO  j = nysg, nyng
1835                DO  k = nzb, nzt
1836                   u(k,j,i)     = MERGE( u(k,j,i), 0.0_wp,                     &
1837                                         BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 1 ) )
1838                   v(k,j,i)     = MERGE( v(k,j,i), 0.0_wp,                     &
1839                                         BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 2 ) )
1840                   w(k,j,i)     = MERGE( w(k,j,i), 0.0_wp,                     &
1841                                         BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 3 ) )
1842                ENDDO
1843             ENDDO
1844          ENDDO
1845
1846       ENDIF
1847
1848!
1849!--    Calculate initial temperature field and other constants used in case
1850!--    of a sloping surface
1851       IF ( sloping_surface )  CALL init_slope
1852
1853!
1854!--    Initialize new time levels (only done in order to set boundary values
1855!--    including ghost points)
1856       pt_p = pt; u_p = u; v_p = v; w_p = w
1857       IF ( humidity )  THEN
1858          q_p = q
1859       ENDIF
1860       IF ( passive_scalar )  s_p  = s
1861!
1862!--    Allthough tendency arrays are set in prognostic_equations, they have
1863!--    have to be predefined here because they are used (but multiplied with 0)
1864!--    there before they are set.
1865       tpt_m = 0.0_wp; tu_m = 0.0_wp; tv_m = 0.0_wp; tw_m = 0.0_wp
1866       IF ( humidity )  THEN
1867          tq_m = 0.0_wp
1868       ENDIF
1869       IF ( passive_scalar )  ts_m  = 0.0_wp
1870!
1871!--    Initialize synthetic turbulence generator in case of restart.
1872       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data'  .AND.         &
1873            use_syn_turb_gen )  CALL stg_init
1874
1875       CALL location_message( 'initializing in case of restart / cyclic_fill', 'finished' )
1876
1877    ELSE
1878!
1879!--    Actually this part of the programm should not be reached
1880       message_string = 'unknown initializing problem'
1881       CALL message( 'init_3d_model', 'PA0193', 1, 2, 0, 6, 0 )
1882    ENDIF
1883
1884!
1885!-- Initialize TKE, Kh and Km
1886    CALL tcm_init
1887
1888
1889    IF (  TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' )  THEN
1890!
1891!--    Initialize old timelevels needed for radiation boundary conditions
1892       IF ( bc_radiation_l )  THEN
1893          u_m_l(:,:,:) = u(:,:,1:2)
1894          v_m_l(:,:,:) = v(:,:,0:1)
1895          w_m_l(:,:,:) = w(:,:,0:1)
1896       ENDIF
1897       IF ( bc_radiation_r )  THEN
1898          u_m_r(:,:,:) = u(:,:,nx-1:nx)
1899          v_m_r(:,:,:) = v(:,:,nx-1:nx)
1900          w_m_r(:,:,:) = w(:,:,nx-1:nx)
1901       ENDIF
1902       IF ( bc_radiation_s )  THEN
1903          u_m_s(:,:,:) = u(:,0:1,:)
1904          v_m_s(:,:,:) = v(:,1:2,:)
1905          w_m_s(:,:,:) = w(:,0:1,:)
1906       ENDIF
1907       IF ( bc_radiation_n )  THEN
1908          u_m_n(:,:,:) = u(:,ny-1:ny,:)
1909          v_m_n(:,:,:) = v(:,ny-1:ny,:)
1910          w_m_n(:,:,:) = w(:,ny-1:ny,:)
1911       ENDIF
1912       
1913    ENDIF
1914
1915!
1916!-- Calculate the initial volume flow at the right and north boundary
1917    IF ( conserve_volume_flow )  THEN
1918
1919       IF ( use_prescribed_profile_data )  THEN
1920
1921          volume_flow_initial_l = 0.0_wp
1922          volume_flow_area_l    = 0.0_wp
1923
1924          IF ( nxr == nx )  THEN
1925             DO  j = nys, nyn
1926                DO  k = nzb+1, nzt
1927                   volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) +       &
1928                                              u_init(k) * dzw(k)               &
1929                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1930                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nxr), 1 )&
1931                                            )
1932
1933                   volume_flow_area_l(1)    = volume_flow_area_l(1) + dzw(k)   &
1934                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1935                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nxr), 1 )&
1936                                            )
1937                ENDDO
1938             ENDDO
1939          ENDIF
1940         
1941          IF ( nyn == ny )  THEN
1942             DO  i = nxl, nxr
1943                DO  k = nzb+1, nzt
1944                   volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) +       &
1945                                              v_init(k) * dzw(k)               &       
1946                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1947                                              BTEST( wall_flags_0(k,nyn,i), 2 )&
1948                                            )
1949                   volume_flow_area_l(2)    = volume_flow_area_l(2) + dzw(k)   &       
1950                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1951                                              BTEST( wall_flags_0(k,nyn,i), 2 )&
1952                                            )
1953                ENDDO
1954             ENDDO
1955          ENDIF
1956
1957#if defined( __parallel )
1958          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_initial_l(1), volume_flow_initial(1),&
1959                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1960          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_area_l(1), volume_flow_area(1),      &
1961                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1962
1963#else
1964          volume_flow_initial = volume_flow_initial_l
1965          volume_flow_area    = volume_flow_area_l
1966#endif 
1967
1968       ELSEIF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  THEN
1969
1970          volume_flow_initial_l = 0.0_wp
1971          volume_flow_area_l    = 0.0_wp
1972
1973          IF ( nxr == nx )  THEN
1974             DO  j = nys, nyn
1975                DO  k = nzb+1, nzt
1976                   volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) +       &
1977                                              hom_sum(k,1,0) * dzw(k)          &
1978                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1979                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nx), 1 ) &
1980                                            )
1981                   volume_flow_area_l(1)    = volume_flow_area_l(1) + dzw(k)   &
1982                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1983                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nx), 1 ) &
1984                                            )
1985                ENDDO
1986             ENDDO
1987          ENDIF
1988         
1989          IF ( nyn == ny )  THEN
1990             DO  i = nxl, nxr
1991                DO  k = nzb+1, nzt
1992                   volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) +       &
1993                                              hom_sum(k,2,0) * dzw(k)          &       
1994                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1995                                              BTEST( wall_flags_0(k,ny,i), 2 ) &
1996                                            )
1997                   volume_flow_area_l(2)    = volume_flow_area_l(2) + dzw(k)   &       
1998                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1999                                              BTEST( wall_flags_0(k,ny,i), 2 ) &
2000                                            )
2001                ENDDO
2002             ENDDO
2003          ENDIF
2004
2005#if defined( __parallel )
2006          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_initial_l(1), volume_flow_initial(1),&
2007                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2008          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_area_l(1), volume_flow_area(1),      &
2009                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2010
2011#else
2012          volume_flow_initial = volume_flow_initial_l
2013          volume_flow_area    = volume_flow_area_l
2014#endif 
2015
2016       ELSEIF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' )  THEN
2017
2018          volume_flow_initial_l = 0.0_wp
2019          volume_flow_area_l    = 0.0_wp
2020
2021          IF ( nxr == nx )  THEN
2022             DO  j = nys, nyn
2023                DO  k = nzb+1, nzt
2024                   volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) +       &
2025                                              u(k,j,nx) * dzw(k)               &
2026                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
2027                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nx), 1 ) &
2028                                            )
2029                   volume_flow_area_l(1)    = volume_flow_area_l(1) + dzw(k)   &
2030                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
2031                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nx), 1 ) &
2032                                            )
2033                ENDDO
2034             ENDDO
2035          ENDIF
2036         
2037          IF ( nyn == ny )  THEN
2038             DO  i = nxl, nxr
2039                DO  k = nzb+1, nzt
2040                   volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) +       &
2041                                              v(k,ny,i) * dzw(k)               &       
2042                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
2043                                              BTEST( wall_flags_0(k,ny,i), 2 ) &
2044                                            )
2045                   volume_flow_area_l(2)    = volume_flow_area_l(2) + dzw(k)   &       
2046                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
2047                                              BTEST( wall_flags_0(k,ny,i), 2 ) &
2048                                            )
2049                ENDDO
2050             ENDDO
2051          ENDIF
2052
2053#if defined( __parallel )
2054          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_initial_l(1), volume_flow_initial(1),&
2055                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2056          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_area_l(1), volume_flow_area(1),      &
2057                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2058
2059#else
2060          volume_flow_initial = volume_flow_initial_l
2061          volume_flow_area    = volume_flow_area_l
2062#endif 
2063
2064       ENDIF
2065
2066!
2067!--    In case of 'bulk_velocity' mode, volume_flow_initial is calculated
2068!--    from u|v_bulk instead
2069       IF ( TRIM( conserve_volume_flow_mode ) == 'bulk_velocity' )  THEN
2070          volume_flow_initial(1) = u_bulk * volume_flow_area(1)
2071          volume_flow_initial(2) = v_bulk * volume_flow_area(2)
2072       ENDIF
2073
2074    ENDIF
2075!
2076!-- Finally, if random_heatflux is set, disturb shf at horizontal
2077!-- surfaces. Actually, this should be done in surface_mod, where all other
2078!-- initializations of surface quantities are done. However, this
2079!-- would create a ring dependency, hence, it is done here. Maybe delete
2080!-- disturb_heatflux and tranfer the respective code directly into the
2081!-- initialization in surface_mod.         
2082    IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data'  .AND.            &
2083         TRIM( initializing_actions ) /= 'cyclic_fill' )  THEN
2084 
2085       IF ( use_surface_fluxes  .AND.  constant_heatflux  .AND.                &
2086            random_heatflux )  THEN
2087          IF ( surf_def_h(0)%ns >= 1 )  CALL disturb_heatflux( surf_def_h(0) )
2088          IF ( surf_lsm_h%ns    >= 1 )  CALL disturb_heatflux( surf_lsm_h    )
2089          IF ( surf_usm_h%ns    >= 1 )  CALL disturb_heatflux( surf_usm_h    )
2090       ENDIF
2091    ENDIF
2092
2093!
2094!-- Compute total sum of grid points and the mean surface level height for each
2095!-- statistic region. These are mainly used for horizontal averaging of
2096!-- turbulence statistics.
2097!-- ngp_2dh: number of grid points of a horizontal cross section through the
2098!--          respective statistic region
2099!-- ngp_3d:  number of grid points of the respective statistic region
2100    ngp_2dh_outer_l   = 0
2101    ngp_2dh_outer     = 0
2102    ngp_2dh_s_inner_l = 0
2103    ngp_2dh_s_inner   = 0
2104    ngp_2dh_l         = 0
2105    ngp_2dh           = 0
2106    ngp_3d_inner_l    = 0.0_wp
2107    ngp_3d_inner      = 0
2108    ngp_3d            = 0
2109    ngp_sums          = ( nz + 2 ) * ( pr_palm + max_pr_user )
2110
2111    mean_surface_level_height   = 0.0_wp
2112    mean_surface_level_height_l = 0.0_wp
2113!
2114!-- To do: New concept for these non-topography grid points!
2115    DO  sr = 0, statistic_regions
2116       DO  i = nxl, nxr
2117          DO  j = nys, nyn
2118             IF ( rmask(j,i,sr) == 1.0_wp )  THEN
2119!
2120!--             All xy-grid points
2121                ngp_2dh_l(sr) = ngp_2dh_l(sr) + 1
2122!
2123!--             Determine mean surface-level height. In case of downward-
2124!--             facing walls are present, more than one surface level exist.
2125!--             In this case, use the lowest surface-level height.
2126                IF ( surf_def_h(0)%start_index(j,i) <=                         &
2127                     surf_def_h(0)%end_index(j,i) )  THEN
2128                   m = surf_def_h(0)%start_index(j,i)
2129                   k = surf_def_h(0)%k(m)
2130                   mean_surface_level_height_l(sr) =                           &
2131                                       mean_surface_level_height_l(sr) + zw(k-1)
2132                ENDIF
2133                IF ( surf_lsm_h%start_index(j,i) <=                            &
2134                     surf_lsm_h%end_index(j,i) )  THEN
2135                   m = surf_lsm_h%start_index(j,i)
2136                   k = surf_lsm_h%k(m)
2137                   mean_surface_level_height_l(sr) =                           &
2138                                       mean_surface_level_height_l(sr) + zw(k-1)
2139                ENDIF
2140                IF ( surf_usm_h%start_index(j,i) <=                            &
2141                     surf_usm_h%end_index(j,i) )  THEN
2142                   m = surf_usm_h%start_index(j,i)
2143                   k = surf_usm_h%k(m)
2144                   mean_surface_level_height_l(sr) =                           &
2145                                       mean_surface_level_height_l(sr) + zw(k-1)
2146                ENDIF
2147
2148                k_surf = k - 1
2149
2150                DO  k = nzb, nzt+1
2151!
2152!--                xy-grid points above topography
2153                   ngp_2dh_outer_l(k,sr) = ngp_2dh_outer_l(k,sr)     +         &
2154                                  MERGE( 1, 0, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 24 ) )
2155
2156                   ngp_2dh_s_inner_l(k,sr) = ngp_2dh_s_inner_l(k,sr) +         &
2157                                  MERGE( 1, 0, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 22 ) )
2158
2159                ENDDO
2160!
2161!--             All grid points of the total domain above topography
2162                ngp_3d_inner_l(sr) = ngp_3d_inner_l(sr) + ( nz - k_surf + 2 )
2163
2164
2165
2166             ENDIF
2167          ENDDO
2168       ENDDO
2169    ENDDO
2170
2171    sr = statistic_regions + 1
2172#if defined( __parallel )
2173    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2174    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_l(0), ngp_2dh(0), sr, MPI_INTEGER, MPI_SUM,    &
2175                        comm2d, ierr )
2176    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2177    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_outer_l(0,0), ngp_2dh_outer(0,0), (nz+2)*sr,   &
2178                        MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2179    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2180    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_s_inner_l(0,0), ngp_2dh_s_inner(0,0),          &
2181                        (nz+2)*sr, MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2182    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2183    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_3d_inner_l(0), ngp_3d_inner_tmp(0), sr, MPI_REAL,  &
2184                        MPI_SUM, comm2d, ierr )
2185    ngp_3d_inner = INT( ngp_3d_inner_tmp, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) )
2186    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2187    CALL MPI_ALLREDUCE( mean_surface_level_height_l(0),                        &
2188                        mean_surface_level_height(0), sr, MPI_REAL,            &
2189                        MPI_SUM, comm2d, ierr )
2190    mean_surface_level_height = mean_surface_level_height / REAL( ngp_2dh )
2191#else
2192    ngp_2dh         = ngp_2dh_l
2193    ngp_2dh_outer   = ngp_2dh_outer_l
2194    ngp_2dh_s_inner = ngp_2dh_s_inner_l
2195    ngp_3d_inner    = INT( ngp_3d_inner_l, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) )
2196    mean_surface_level_height = mean_surface_level_height_l / REAL( ngp_2dh_l )
2197#endif
2198
2199    ngp_3d = INT ( ngp_2dh, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) ) * &
2200             INT ( (nz + 2 ), KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) )
2201
2202!
2203!-- Set a lower limit of 1 in order to avoid zero divisions in flow_statistics,
2204!-- buoyancy, etc. A zero value will occur for cases where all grid points of
2205!-- the respective subdomain lie below the surface topography
2206    ngp_2dh_outer   = MAX( 1, ngp_2dh_outer(:,:)   ) 
2207    ngp_3d_inner    = MAX( INT(1, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 )),             &
2208                           ngp_3d_inner(:) )
2209    ngp_2dh_s_inner = MAX( 1, ngp_2dh_s_inner(:,:) ) 
2210
2211    DEALLOCATE( mean_surface_level_height_l, ngp_2dh_l, ngp_2dh_outer_l,       &
2212                ngp_3d_inner_l, ngp_3d_inner_tmp )
2213!
2214!-- Initialize surface forcing corresponding to large-scale forcing. Therein,
2215!-- initialize heat-fluxes, etc. via datatype. Revise it later!
2216    IF ( large_scale_forcing .AND. lsf_surf )  THEN
2217       IF ( use_surface_fluxes  .AND.  constant_heatflux )  THEN
2218          CALL ls_forcing_surf ( simulated_time )
2219       ENDIF
2220    ENDIF
2221!
2222!-- Initializae 3D offline nesting in COSMO model and read data from
2223!-- external NetCDF file.
2224    IF ( nesting_offline )  CALL nesting_offl_init
2225!
2226!-- Initialize quantities for special advections schemes
2227    CALL init_advec
2228
2229!
2230!-- Impose random perturbation on the horizontal velocity field and then
2231!-- remove the divergences from the velocity field at the initial stage
2232    IF ( create_disturbances  .AND.  disturbance_energy_limit /= 0.0_wp  .AND. &
2233         TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data'  .AND.            &
2234         TRIM( initializing_actions ) /= 'cyclic_fill' )  THEN
2235
2236!
2237!--    Needed for both disturb_field and pres
2238!$ACC DATA &
2239!$ACC CREATE(tend(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)) &
2240!$ACC COPY(u(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)) &
2241!$ACC COPY(v(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg))
2242
2243       CALL location_message( 'creating initial disturbances', 'start' )
2244       CALL disturb_field( 'u', tend, u )
2245       CALL disturb_field( 'v', tend, v )
2246       CALL location_message( 'creating initial disturbances', 'finished' )
2247
2248!$ACC DATA &
2249!$ACC CREATE(d(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr)) &
2250!$ACC COPY(w(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)) &
2251!$ACC COPY(p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)) &
2252!$ACC COPYIN(rho_air(nzb:nzt+1), rho_air_zw(nzb:nzt+1)) &
2253!$ACC COPYIN(ddzu(1:nzt+1), ddzw(1:nzt+1)) &
2254!$ACC COPYIN(wall_flags_0(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)) &
2255!$ACC COPYIN(bc_h(0:1)) &
2256!$ACC COPYIN(bc_h(0)%i(1:bc_h(0)%ns)) &
2257!$ACC COPYIN(bc_h(0)%j(1:bc_h(0)%ns)) &
2258!$ACC COPYIN(bc_h(0)%k(1:bc_h(0)%ns)) &
2259!$ACC COPYIN(bc_h(1)%i(1:bc_h(1)%ns)) &
2260!$ACC COPYIN(bc_h(1)%j(1:bc_h(1)%ns)) &
2261!$ACC COPYIN(bc_h(1)%k(1:bc_h(1)%ns))
2262
2263       CALL location_message( 'applying pressure solver', 'start' )
2264       n_sor = nsor_ini
2265       CALL pres
2266       n_sor = nsor
2267       CALL location_message( 'applying pressure solver', 'finished' )
2268
2269!$ACC END DATA
2270!$ACC END DATA
2271
2272    ENDIF
2273
2274!
2275!-- If required, initialize dvrp-software
2276    IF ( dt_dvrp /= 9999999.9_wp )  CALL init_dvrp
2277
2278!
2279!-- Initialize quantities for handling cloud physics.
2280!-- This routine must be called before lpm_init, becaus otherwise,
2281!-- array d_exner, needed in data_output_dvrp (called by lpm_init) is not defined.
2282    IF ( .NOT. ocean_mode )  THEN
2283
2284       ALLOCATE( hyp(nzb:nzt+1) )
2285       ALLOCATE( d_exner(nzb:nzt+1) )
2286       ALLOCATE( exner(nzb:nzt+1) )
2287       ALLOCATE( hyrho(nzb:nzt+1) )
2288!
2289!--    Check temperature in case of too large domain height
2290       DO  k = nzb, nzt+1
2291          IF ( ( pt_surface * exner_function(surface_pressure * 100.0_wp) - g/c_p * zu(k) ) < 0.0_wp )  THEN
2292             WRITE( message_string, * )  'absolute temperature < 0.0 at zu(', k, &
2293                                         ') = ', zu(k)
2294             CALL message( 'init_3d_model', 'PA0142', 1, 2, 0, 6, 0 )
2295          ENDIF
2296       ENDDO
2297
2298!
2299!--    Calculate vertical profile of the hydrostatic pressure (hyp)
2300       hyp    = barometric_formula(zu, pt_surface * exner_function(surface_pressure * 100.0_wp), surface_pressure * 100.0_wp)
2301       d_exner = exner_function_invers(hyp)
2302       exner = 1.0_wp / exner_function_invers(hyp)
2303       hyrho  = ideal_gas_law_rho_pt(hyp, pt_init)
2304!
2305!--    Compute reference density
2306       rho_surface = ideal_gas_law_rho(surface_pressure * 100.0_wp, pt_surface * exner_function(surface_pressure * 100.0_wp))
2307
2308    ENDIF
2309
2310!
2311!-- If required, initialize particles
2312    IF ( particle_advection )  CALL lpm_init
2313!
2314!-- If required, initialize particles
2315    IF ( agents_active )  CALL mas_init
2316!
2317!-- In case the synthetic turbulence generator does not have any information
2318!-- about the inflow turbulence, these information will be parametrized
2319!-- depending on the initial atmospheric conditions and surface properties.
2320!-- Please note, within pre-determined time intervals these turbulence
2321!-- information can be updated if desired.
2322    IF ( use_syn_turb_gen  .AND.  parametrize_inflow_turbulence )  THEN
2323       CALL stg_adjust
2324    ENDIF
2325!
2326!-- Initializing actions for all other modules
2327    CALL module_interface_init
2328!
2329!-- Initialize surface layer (done after LSM as roughness length are required
2330!-- for initialization
2331    IF ( constant_flux_layer )  CALL init_surface_layer_fluxes
2332!
2333!-- Initialize surface data output
2334    IF ( surface_output )  CALL surface_data_output_init
2335!
2336!-- Initialize the ws-scheme.   
2337    IF ( ws_scheme_sca .OR. ws_scheme_mom )  CALL ws_init
2338!
2339!-- Perform post-initializing checks for all other modules
2340    CALL module_interface_init_checks
2341
2342!
2343!-- Setting weighting factors for calculation of perturbation pressure
2344!-- and turbulent quantities from the RK substeps
2345    IF ( TRIM(timestep_scheme) == 'runge-kutta-3' )  THEN      ! for RK3-method
2346
2347       weight_substep(1) = 1._wp/6._wp
2348       weight_substep(2) = 3._wp/10._wp
2349       weight_substep(3) = 8._wp/15._wp
2350
2351       weight_pres(1)    = 1._wp/3._wp
2352       weight_pres(2)    = 5._wp/12._wp
2353       weight_pres(3)    = 1._wp/4._wp
2354
2355    ELSEIF ( TRIM(timestep_scheme) == 'runge-kutta-2' )  THEN  ! for RK2-method
2356
2357       weight_substep(1) = 1._wp/2._wp
2358       weight_substep(2) = 1._wp/2._wp
2359         
2360       weight_pres(1)    = 1._wp/2._wp
2361       weight_pres(2)    = 1._wp/2._wp       
2362
2363    ELSE                                     ! for Euler-method
2364
2365       weight_substep(1) = 1.0_wp     
2366       weight_pres(1)    = 1.0_wp                   
2367
2368    ENDIF
2369
2370!
2371!-- Initialize Rayleigh damping factors
2372    rdf    = 0.0_wp
2373    rdf_sc = 0.0_wp
2374    IF ( rayleigh_damping_factor /= 0.0_wp )  THEN
2375
2376       IF (  .NOT.  ocean_mode )  THEN
2377          DO  k = nzb+1, nzt
2378             IF ( zu(k) >= rayleigh_damping_height )  THEN
2379                rdf(k) = rayleigh_damping_factor *                             &
2380                      ( SIN( pi * 0.5_wp * ( zu(k) - rayleigh_damping_height ) &
2381                             / ( zu(nzt) - rayleigh_damping_height ) )         &
2382                      )**2
2383             ENDIF
2384          ENDDO
2385       ELSE
2386!
2387!--       In ocean mode, rayleigh damping is applied in the lower part of the
2388!--       model domain
2389          DO  k = nzt, nzb+1, -1
2390             IF ( zu(k) <= rayleigh_damping_height )  THEN
2391                rdf(k) = rayleigh_damping_factor *                             &
2392                      ( SIN( pi * 0.5_wp * ( rayleigh_damping_height - zu(k) ) &
2393                             / ( rayleigh_damping_height - zu(nzb+1) ) )       &
2394                      )**2
2395             ENDIF
2396          ENDDO
2397       ENDIF
2398
2399    ENDIF
2400    IF ( scalar_rayleigh_damping )  rdf_sc = rdf
2401
2402!
2403!-- Initialize the starting level and the vertical smoothing factor used for
2404!-- the external pressure gradient
2405    dp_smooth_factor = 1.0_wp
2406    IF ( dp_external )  THEN
2407!
2408!--    Set the starting level dp_level_ind_b only if it has not been set before
2409!--    (e.g. in init_grid).
2410       IF ( dp_level_ind_b == 0 )  THEN
2411          ind_array = MINLOC( ABS( dp_level_b - zu ) )
2412          dp_level_ind_b = ind_array(1) - 1 + nzb
2413                                        ! MINLOC uses lower array bound 1
2414       ENDIF
2415       IF ( dp_smooth )  THEN
2416          dp_smooth_factor(:dp_level_ind_b) = 0.0_wp
2417          DO  k = dp_level_ind_b+1, nzt
2418             dp_smooth_factor(k) = 0.5_wp * ( 1.0_wp + SIN( pi *               &
2419                        ( REAL( k - dp_level_ind_b, KIND=wp ) /                &
2420                          REAL( nzt - dp_level_ind_b, KIND=wp ) - 0.5_wp ) ) )
2421          ENDDO
2422       ENDIF
2423    ENDIF
2424
2425!
2426!-- Initialize damping zone for the potential temperature in case of
2427!-- non-cyclic lateral boundaries. The damping zone has the maximum value
2428!-- at the inflow boundary and decreases to zero at pt_damping_width.
2429    ptdf_x = 0.0_wp
2430    ptdf_y = 0.0_wp
2431    IF ( bc_lr_dirrad )  THEN
2432       DO  i = nxl, nxr
2433          IF ( ( i * dx ) < pt_damping_width )  THEN
2434             ptdf_x(i) = pt_damping_factor * ( SIN( pi * 0.5_wp *              &
2435                            REAL( pt_damping_width - i * dx, KIND=wp ) / (     &
2436                            REAL( pt_damping_width, KIND=wp ) ) ) )**2 
2437          ENDIF
2438       ENDDO
2439    ELSEIF ( bc_lr_raddir )  THEN
2440       DO  i = nxl, nxr
2441          IF ( ( i * dx ) > ( nx * dx - pt_damping_width ) )  THEN
2442             ptdf_x(i) = pt_damping_factor *                                   &
2443                         SIN( pi * 0.5_wp *                                    &
2444                                 ( ( i - nx ) * dx + pt_damping_width ) /      &
2445                                 REAL( pt_damping_width, KIND=wp ) )**2
2446          ENDIF
2447       ENDDO
2448    ELSEIF ( bc_ns_dirrad )  THEN
2449       DO  j = nys, nyn
2450          IF ( ( j * dy ) > ( ny * dy - pt_damping_width ) )  THEN
2451             ptdf_y(j) = pt_damping_factor *                                   &
2452                         SIN( pi * 0.5_wp *                                    &
2453                                 ( ( j - ny ) * dy + pt_damping_width ) /      &
2454                                 REAL( pt_damping_width, KIND=wp ) )**2
2455          ENDIF
2456       ENDDO
2457    ELSEIF ( bc_ns_raddir )  THEN
2458       DO  j = nys, nyn
2459          IF ( ( j * dy ) < pt_damping_width )  THEN
2460             ptdf_y(j) = pt_damping_factor *                                   &
2461                         SIN( pi * 0.5_wp *                                    &
2462                                ( pt_damping_width - j * dy ) /                &
2463                                REAL( pt_damping_width, KIND=wp ) )**2
2464          ENDIF
2465       ENDDO
2466    ENDIF
2467
2468!
2469!-- Input binary data file is not needed anymore. This line must be placed
2470!-- after call of user_init!
2471    CALL close_file( 13 )
2472!
2473!-- In case of nesting, put an barrier to assure that all parent and child
2474!-- domains finished initialization.
2475#if defined( __parallel )
2476    IF ( nested_run )  CALL MPI_BARRIER( MPI_COMM_WORLD, ierr )
2477#endif
2478
2479
2480    CALL location_message( 'init_3d_model', 'finished' )
2481
2482 END SUBROUTINE init_3d_model
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.