source: palm/trunk/SOURCE/init_3d_model.f90 @ 4088

Last change on this file since 4088 was 4088, checked in by Giersch, 2 years ago

Pressure and density profile calculations revised using basic functions, comments improved, function for ideal gas law revised

  • 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: 93.0 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 4088 2019-07-11 13:57:56Z Giersch $
27! Pressure and density profile calculations revised using basic functions
28!
29! 4048 2019-06-21 21:00:21Z knoop
30! Further modularization of particle code components
31!
32! 4017 2019-06-06 12:16:46Z schwenkel
33! Convert most location messages to debug messages to reduce output in
34! job logfile to a minimum
35!
36!
37! unused variable removed
38!
39! 3937 2019-04-29 15:09:07Z suehring
40! Move initialization of synthetic turbulence generator behind initialization
41! of offline nesting. Remove call for stg_adjust, as this is now already done
42! in stg_init.
43!
44! 3900 2019-04-16 15:17:43Z suehring
45! Fix problem with LOD = 2 initialization
46!
47! 3885 2019-04-11 11:29:34Z kanani
48! Changes related to global restructuring of location messages and introduction
49! of additional debug messages
50!
51! 3849 2019-04-01 16:35:16Z knoop
52! Move initialization of rmask before initializing user_init_arrays
53!
54! 3711 2019-01-31 13:44:26Z knoop
55! Introduced module_interface_init_checks for post-init checks in modules
56!
57! 3700 2019-01-26 17:03:42Z knoop
58! Some interface calls moved to module_interface + cleanup
59!
60! 3648 2019-01-02 16:35:46Z suehring
61! Rename subroutines for surface-data output
62!
63! 3636 2018-12-19 13:48:34Z raasch
64! nopointer option removed
65!
66! 3609 2018-12-07 13:37:59Z suehring
67! Furhter correction in initialization of surfaces in cyclic-fill case
68!
69! 3608 2018-12-07 12:59:57Z suehring
70! Bugfix in initialization of surfaces in cyclic-fill case
71!
72! 3589 2018-11-30 15:09:51Z suehring
73! Move the control parameter "salsa" from salsa_mod to control_parameters
74! (M. Kurppa)
75!
76! 3582 2018-11-29 19:16:36Z suehring
77! Bugfix in initialization of turbulence generator
78!
79! 3569 2018-11-27 17:03:40Z kanani
80! dom_dwd_user, Schrempf:
81! Remove uv exposure model code, this is now part of biometeorology_mod,
82! remove bio_init_arrays.
83!
84! 3547 2018-11-21 13:21:24Z suehring
85! variables documented
86!
87! 3525 2018-11-14 16:06:14Z kanani
88! Changes related to clean-up of biometeorology (dom_dwd_user)
89!
90! 3524 2018-11-14 13:36:44Z raasch
91! preprocessor directive added to avoid the compiler to complain about unused
92! variable
93!
94! 3473 2018-10-30 20:50:15Z suehring
95! Add virtual measurement module
96!
97! 3472 2018-10-30 20:43:50Z suehring
98! Add indoor model (kanani, srissman, tlang)
99!
100! 3467 2018-10-30 19:05:21Z suehring
101! Implementation of a new aerosol module salsa.
102!
103! 3458 2018-10-30 14:51:23Z kanani
104! from chemistry branch r3443, basit:
105! bug fixed in sums and sums_l for chemistry profile output
106!
107! 3448 2018-10-29 18:14:31Z kanani
108! Add biometeorology
109!
110! 3421 2018-10-24 18:39:32Z gronemeier
111! Initialize surface data output
112!
113! 3415 2018-10-24 11:57:50Z suehring
114! Set bottom boundary condition for geostrophic wind components in inifor
115! initialization
116!
117! 3347 2018-10-15 14:21:08Z suehring
118! - Separate offline nesting from large_scale_nudging_mod
119! - Improve the synthetic turbulence generator
120!
121! 3298 2018-10-02 12:21:11Z kanani
122! Minor formatting (kanani)
123! Added CALL to the chem_emissions module (Russo)
124!
125! 3294 2018-10-01 02:37:10Z raasch
126! allocate and set stokes drift velocity profiles
127!
128! 3298 2018-10-02 12:21:11Z kanani
129! Minor formatting (kanani)
130! Added CALL to the chem_emissions module (Russo)
131!
132! 3294 2018-10-01 02:37:10Z raasch
133! changes concerning modularization of ocean option
134!
135! 3289 2018-09-28 10:23:58Z suehring
136! Introduce module parameter for number of inflow profiles
137!
138! 3288 2018-09-28 10:23:08Z suehring
139! Modularization of all bulk cloud physics code components
140!
141! 3241 2018-09-12 15:02:00Z raasch
142! unused variables removed
143!
144! 3234 2018-09-07 13:46:58Z schwenkel
145! The increase of dots_num in case of radiation or land surface model must
146! be done before user_init is called
147!
148! 3183 2018-07-27 14:25:55Z suehring
149! Revise Inifor initialization
150!
151! 3182 2018-07-27 13:36:03Z suehring
152! Added multi agent system
153!
154! 3129 2018-07-16 07:45:13Z gronemeier
155! Move initialization call for nudging and 1D/3D offline nesting.
156! Revise initialization with inifor data.
157!
158! 3045 2018-05-28 07:55:41Z Giersch
159! Error messages revised
160!
161! 3045 2018-05-28 07:55:41Z Giersch
162! Error messages revised
163!
164! 3042 2018-05-25 10:44:37Z schwenkel
165! Changed the name specific humidity to mixing ratio
166!
167! 3040 2018-05-25 10:22:08Z schwenkel
168! Add option to initialize warm air bubble close to surface
169!
170! 3014 2018-05-09 08:42:38Z maronga
171! Bugfix: initialization of ts_value missing
172!
173! 3011 2018-05-07 14:38:42Z schwenkel
174! removed redundant if statement
175!
176! 3004 2018-04-27 12:33:25Z Giersch
177! precipitation_rate removed
178!
179! 2995 2018-04-19 12:13:16Z Giersch
180! CALL radiation_control is not necessary during initialization because
181! calculation of radiative fluxes at model start is done in radiation_init
182! in any case
183!
184! 2977 2018-04-17 10:27:57Z kanani
185! Implement changes from branch radiation (r2948-2971) with minor modifications
186! (moh.hefny):
187! - set radiation_interactions according to the existence of urban/land vertical
188!   surfaces and trees to activiate RTM
189! - set average_radiation to TRUE if RTM is activiated
190!
191! 2938 2018-03-27 15:52:42Z suehring
192! - Revise Inifor initialization for geostrophic wind components
193! - Initialize synthetic turbulence generator in case of Inifor initialization 
194!
195! 2936 2018-03-27 14:49:27Z suehring
196! Synchronize parent and child models after initialization.
197! Remove obsolete masking of topography grid points for Runge-Kutta weighted
198! tendency arrays.
199!
200! 2920 2018-03-22 11:22:01Z kanani
201! Add call for precalculating apparent solar positions (moh.hefny)
202!
203! 2906 2018-03-19 08:56:40Z Giersch
204! The variables read/write_svf_on_init have been removed. Instead ENVIRONMENT
205! variables read/write_svf have been introduced. Location_message has been
206! added.
207!
208! 2894 2018-03-15 09:17:58Z Giersch
209! Renamed routines with respect to reading restart data, file 13 is closed in
210! rrd_read_parts_of_global now
211!
212! 2867 2018-03-09 09:40:23Z suehring
213! Further bugfix concerning call of user_init.
214!
215! 2864 2018-03-08 11:57:45Z suehring
216! Bugfix, move call of user_init in front of initialization of grid-point
217! arrays
218!
219! 2817 2018-02-19 16:32:21Z knoop
220! Preliminary gust module interface implemented
221!
222! 2776 2018-01-31 10:44:42Z Giersch
223! Variable use_synthetic_turbulence_generator has been abbreviated
224!
225! 2766 2018-01-22 17:17:47Z kanani
226! Removed preprocessor directive __chem
227!
228! 2758 2018-01-17 12:55:21Z suehring
229! In case of spinup of land- and urban-surface model, do not mask wind velocity
230! at first computational grid level
231!
232! 2746 2018-01-15 12:06:04Z suehring
233! Move flag plant canopy to modules
234!
235! 2718 2018-01-02 08:49:38Z maronga
236! Corrected "Former revisions" section
237!
238! 2705 2017-12-18 11:26:23Z maronga
239! Bugfix for reading initial profiles from ls/nuding file
240!
241! 2701 2017-12-15 15:40:50Z suehring
242! Changes from last commit documented
243!
244! 2700 2017-12-15 14:12:35Z suehring
245! Bugfix, missing initialization of surface attributes in case of
246! inifor-initialization branch
247!
248! 2698 2017-12-14 18:46:24Z suehring
249! Bugfix in get_topography_top_index
250!
251! 2696 2017-12-14 17:12:51Z kanani
252! Change in file header (GPL part)
253! Implementation of uv exposure model (FK)
254! Moved initialisation of diss, e, kh, km to turbulence_closure_mod (TG)
255! Added chemical emissions (FK)
256! Initialize masking arrays and number-of-grid-points arrays before initialize
257! LSM, USM and radiation module
258! Initialization with inifor (MS)
259!
260! 2618 2017-11-16 15:37:30Z suehring
261! Reorder calls of init_surfaces.
262!
263! 2564 2017-10-19 15:56:56Z Giersch
264! Variable wind_turbine was added to control_parameters.
265!
266! 2550 2017-10-16 17:12:01Z boeske
267! Modifications to cyclic fill method and turbulence recycling method in case of
268! complex terrain simulations
269!
270! 2513 2017-10-04 09:24:39Z kanani
271! Bugfix in storing initial scalar profile (wrong index)
272!
273! 2350 2017-08-15 11:48:26Z kanani
274! Bugfix in nopointer version
275!
276! 2339 2017-08-07 13:55:26Z gronemeier
277! corrected timestamp in header
278!
279! 2338 2017-08-07 12:15:38Z gronemeier
280! Modularize 1D model
281!
282! 2329 2017-08-03 14:24:56Z knoop
283! Removed temporary bugfix (r2327) as bug is properly resolved by this revision
284!
285! 2327 2017-08-02 07:40:57Z maronga
286! Temporary bugfix
287!
288! 2320 2017-07-21 12:47:43Z suehring
289! Modularize large-scale forcing and nudging
290!
291! 2292 2017-06-20 09:51:42Z schwenkel
292! Implementation of new microphysic scheme: cloud_scheme = 'morrison'
293! includes two more prognostic equations for cloud drop concentration (nc) 
294! and cloud water content (qc).
295!
296! 2277 2017-06-12 10:47:51Z kanani
297! Removed unused variable sums_up_fraction_l
298!
299! 2270 2017-06-09 12:18:47Z maronga
300! dots_num must be increased when LSM and/or radiation is used
301!
302! 2259 2017-06-08 09:09:11Z gronemeier
303! Implemented synthetic turbulence generator
304!
305! 2252 2017-06-07 09:35:37Z knoop
306! rho_air now depending on surface_pressure even in Boussinesq mode
307!
308! 2233 2017-05-30 18:08:54Z suehring
309!
310! 2232 2017-05-30 17:47:52Z suehring
311! Adjustments to new topography and surface concept:
312!   - Modify passed parameters for disturb_field
313!   - Topography representation via flags
314!   - Remove unused arrays.
315!   - Move initialization of surface-related quantities to surface_mod
316!
317! 2172 2017-03-08 15:55:25Z knoop
318! Bugfix: moved parallel random generator initialization into its module
319!
320! 2118 2017-01-17 16:38:49Z raasch
321! OpenACC directives removed
322!
323! 2037 2016-10-26 11:15:40Z knoop
324! Anelastic approximation implemented
325!
326! 2031 2016-10-21 15:11:58Z knoop
327! renamed variable rho to rho_ocean
328!
329! 2011 2016-09-19 17:29:57Z kanani
330! Flag urban_surface is now defined in module control_parameters.
331!
332! 2007 2016-08-24 15:47:17Z kanani
333! Added support for urban surface model,
334! adjusted location_message in case of plant_canopy
335!
336! 2000 2016-08-20 18:09:15Z knoop
337! Forced header and separation lines into 80 columns
338!
339! 1992 2016-08-12 15:14:59Z suehring
340! Initializaton of scalarflux at model top
341! Bugfixes in initialization of surface and top salinity flux, top scalar and
342! humidity fluxes
343!
344! 1960 2016-07-12 16:34:24Z suehring
345! Separate humidity and passive scalar
346! Increase dimension for mean_inflow_profiles
347! Remove inadvertent write-statement
348! Bugfix, large-scale forcing is still not implemented for passive scalars
349!
350! 1957 2016-07-07 10:43:48Z suehring
351! flight module added
352!
353! 1920 2016-05-30 10:50:15Z suehring
354! Initialize us with very small number to avoid segmentation fault during
355! calculation of Obukhov length
356!
357! 1918 2016-05-27 14:35:57Z raasch
358! intermediate_timestep_count is set 0 instead 1 for first call of pres,
359! bugfix: initialization of local sum arrays are moved to the beginning of the
360!         routine because otherwise results from pres are overwritten
361!
362! 1914 2016-05-26 14:44:07Z witha
363! Added initialization of the wind turbine model
364!
365! 1878 2016-04-19 12:30:36Z hellstea
366! The zeroth element of weight_pres removed as unnecessary
367!
368! 1849 2016-04-08 11:33:18Z hoffmann
369! Adapted for modularization of microphysics.
370! precipitation_amount, precipitation_rate, prr moved to arrays_3d.
371! Initialization of nc_1d, nr_1d, pt_1d, qc_1d, qr_1d, q_1d moved to
372! bcm_init.
373!
374! 1845 2016-04-08 08:29:13Z raasch
375! nzb_2d replaced by nzb_u|v_inner
376!
377! 1833 2016-04-07 14:23:03Z raasch
378! initialization of spectra quantities moved to spectra_mod
379!
380! 1831 2016-04-07 13:15:51Z hoffmann
381! turbulence renamed collision_turbulence
382!
383! 1826 2016-04-07 12:01:39Z maronga
384! Renamed radiation calls.
385! Renamed canopy model calls.
386!
387! 1822 2016-04-07 07:49:42Z hoffmann
388! icloud_scheme replaced by microphysics_*
389!
390! 1817 2016-04-06 15:44:20Z maronga
391! Renamed lsm calls.
392!
393! 1815 2016-04-06 13:49:59Z raasch
394! zero-settings for velocities inside topography re-activated (was deactivated
395! in r1762)
396!
397! 1788 2016-03-10 11:01:04Z maronga
398! Added z0q.
399! Syntax layout improved.
400!
401! 1783 2016-03-06 18:36:17Z raasch
402! netcdf module name changed + related changes
403!
404! 1764 2016-02-28 12:45:19Z raasch
405! bugfix: increase size of volume_flow_area_l and volume_flow_initial_l by 1
406!
407! 1762 2016-02-25 12:31:13Z hellstea
408! Introduction of nested domain feature
409!
410! 1738 2015-12-18 13:56:05Z raasch
411! calculate mean surface level height for each statistic region
412!
413! 1734 2015-12-02 12:17:12Z raasch
414! no initial disturbances in case that the disturbance energy limit has been
415! set zero
416!
417! 1707 2015-11-02 15:24:52Z maronga
418! Bugfix: transfer of Richardson number from 1D model to Obukhov length caused
419! devision by zero in neutral stratification
420!
421! 1691 2015-10-26 16:17:44Z maronga
422! Call to init_surface_layer added. rif is replaced by ol and zeta.
423!
424! 1682 2015-10-07 23:56:08Z knoop
425! Code annotations made doxygen readable
426!
427! 1615 2015-07-08 18:49:19Z suehring
428! Enable turbulent inflow for passive_scalar and humidity
429!
430! 1585 2015-04-30 07:05:52Z maronga
431! Initialization of radiation code is now done after LSM initializtion
432!
433! 1575 2015-03-27 09:56:27Z raasch
434! adjustments for psolver-queries
435!
436! 1551 2015-03-03 14:18:16Z maronga
437! Allocation of land surface arrays is now done in the subroutine lsm_init_arrays,
438! which is part of land_surface_model.
439!
440! 1507 2014-12-10 12:14:18Z suehring
441! Bugfix: set horizontal velocity components to zero inside topography
442!
443! 1496 2014-12-02 17:25:50Z maronga
444! Added initialization of the land surface and radiation schemes
445!
446! 1484 2014-10-21 10:53:05Z kanani
447! Changes due to new module structure of the plant canopy model:
448! canopy-related initialization (e.g. lad and canopy_heat_flux) moved to new
449! subroutine init_plant_canopy within the module plant_canopy_model_mod,
450! call of subroutine init_plant_canopy added.
451!
452! 1431 2014-07-15 14:47:17Z suehring
453! var_d added, in order to normalize spectra.
454!
455! 1429 2014-07-15 12:53:45Z knoop
456! Ensemble run capability added to parallel random number generator
457!
458! 1411 2014-05-16 18:01:51Z suehring
459! Initial horizontal velocity profiles were not set to zero at the first vertical
460! grid level in case of non-cyclic lateral boundary conditions.
461!
462! 1406 2014-05-16 13:47:01Z raasch
463! bugfix: setting of initial velocities at k=1 to zero not in case of a
464! no-slip boundary condition for uv
465!
466! 1402 2014-05-09 14:25:13Z raasch
467! location messages modified
468!
469! 1400 2014-05-09 14:03:54Z knoop
470! Parallel random number generator added
471!
472! 1384 2014-05-02 14:31:06Z raasch
473! location messages added
474!
475! 1361 2014-04-16 15:17:48Z hoffmann
476! tend_* removed
477! Bugfix: w_subs is not allocated anymore if it is already allocated
478!
479! 1359 2014-04-11 17:15:14Z hoffmann
480! module lpm_init_mod added to use statements, because lpm_init has become a
481! module
482!
483! 1353 2014-04-08 15:21:23Z heinze
484! REAL constants provided with KIND-attribute
485!
486! 1340 2014-03-25 19:45:13Z kanani
487! REAL constants defined as wp-kind
488!
489! 1322 2014-03-20 16:38:49Z raasch
490! REAL constants defined as wp-kind
491! module interfaces removed
492!
493! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
494! ONLY-attribute added to USE-statements,
495! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
496! kinds are defined in new module kinds,
497! revision history before 2012 removed,
498! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
499! all variable declaration statements
500!
501! 1316 2014-03-17 07:44:59Z heinze
502! Bugfix: allocation of w_subs
503!
504! 1299 2014-03-06 13:15:21Z heinze
505! Allocate w_subs due to extension of large scale subsidence in combination
506! with large scale forcing data (LSF_DATA)
507!
508! 1241 2013-10-30 11:36:58Z heinze
509! Overwrite initial profiles in case of nudging
510! Inititialize shf and qsws in case of large_scale_forcing
511!
512! 1221 2013-09-10 08:59:13Z raasch
513! +rflags_s_inner in copyin statement, use copyin for most arrays instead of
514! copy
515!
516! 1212 2013-08-15 08:46:27Z raasch
517! array tri is allocated and included in data copy statement
518!
519! 1195 2013-07-01 12:27:57Z heinze
520! Bugfix: move allocation of ref_state to parin.f90 and read_var_list.f90
521!
522! 1179 2013-06-14 05:57:58Z raasch
523! allocate and set ref_state to be used in buoyancy terms
524!
525! 1171 2013-05-30 11:27:45Z raasch
526! diss array is allocated with full size if accelerator boards are used
527!
528! 1159 2013-05-21 11:58:22Z fricke
529! -bc_lr_dirneu, bc_lr_neudir, bc_ns_dirneu, bc_ns_neudir
530!
531! 1153 2013-05-10 14:33:08Z raasch
532! diss array is allocated with dummy elements even if it is not needed
533! (required by PGI 13.4 / CUDA 5.0)
534!
535! 1115 2013-03-26 18:16:16Z hoffmann
536! unused variables removed
537!
538! 1113 2013-03-10 02:48:14Z raasch
539! openACC directive modified
540!
541! 1111 2013-03-08 23:54:10Z raasch
542! openACC directives added for pres
543! array diss allocated only if required
544!
545! 1092 2013-02-02 11:24:22Z raasch
546! unused variables removed
547!
548! 1065 2012-11-22 17:42:36Z hoffmann
549! allocation of diss (dissipation rate) in case of turbulence = .TRUE. added
550!
551! 1053 2012-11-13 17:11:03Z hoffmann
552! allocation and initialisation of necessary data arrays for the two-moment
553! cloud physics scheme the two new prognostic equations (nr, qr):
554! +dr, lambda_r, mu_r, sed_*, xr, *s, *sws, *swst, *, *_p, t*_m, *_1, *_2, *_3,
555! +tend_*, prr
556!
557! 1036 2012-10-22 13:43:42Z raasch
558! code put under GPL (PALM 3.9)
559!
560! 1032 2012-10-21 13:03:21Z letzel
561! save memory by not allocating pt_2 in case of neutral = .T.
562!
563! 1025 2012-10-07 16:04:41Z letzel
564! bugfix: swap indices of mask for ghost boundaries
565!
566! 1015 2012-09-27 09:23:24Z raasch
567! mask is set to zero for ghost boundaries
568!
569! 1010 2012-09-20 07:59:54Z raasch
570! cpp switch __nopointer added for pointer free version
571!
572! 1003 2012-09-14 14:35:53Z raasch
573! nxra,nyna, nzta replaced ny nxr, nyn, nzt
574!
575! 1001 2012-09-13 14:08:46Z raasch
576! all actions concerning leapfrog scheme removed
577!
578! 996 2012-09-07 10:41:47Z raasch
579! little reformatting
580!
581! 978 2012-08-09 08:28:32Z fricke
582! outflow damping layer removed
583! roughness length for scalar quantites z0h added
584! damping zone for the potential temperatur in case of non-cyclic lateral
585! boundaries added
586! initialization of ptdf_x, ptdf_y
587! initialization of c_u_m, c_u_m_l, c_v_m, c_v_m_l, c_w_m, c_w_m_l
588!
589! 849 2012-03-15 10:35:09Z raasch
590! init_particles renamed lpm_init
591!
592! 825 2012-02-19 03:03:44Z raasch
593! wang_collision_kernel renamed wang_kernel
594!
595! Revision 1.1  1998/03/09 16:22:22  raasch
596! Initial revision
597!
598!
599! Description:
600! ------------
601!> Allocation of arrays and initialization of the 3D model via
602!> a) pre-run the 1D model
603!> or
604!> b) pre-set constant linear profiles
605!> or
606!> c) read values of a previous run
607!------------------------------------------------------------------------------!
608 SUBROUTINE init_3d_model
609
610
611    USE advec_ws
612
613    USE arrays_3d
614
615    USE basic_constants_and_equations_mod,                                     &
616        ONLY:  c_p, g, l_v, pi, r_d, exner_function, exner_function_invers,    &
617               ideal_gas_law_rho, ideal_gas_law_rho_pt, barometric_formula
618
619    USE bulk_cloud_model_mod,                                                  &
620        ONLY:  bulk_cloud_model
621
622    USE chem_modules,                                                          &
623        ONLY:  max_pr_cs ! ToDo: this dependency needs to be removed cause it is ugly #new_dom
624
625    USE control_parameters
626
627    USE grid_variables,                                                        &
628        ONLY:  dx, dy, ddx2_mg, ddy2_mg
629
630    USE indices
631
632    USE kinds
633 
634    USE lsf_nudging_mod,                                                       &
635        ONLY:  ls_forcing_surf
636
637    USE model_1d_mod,                                                          &
638        ONLY:  init_1d_model, l1d, u1d, v1d
639
640    USE module_interface,                                                      &
641        ONLY:  module_interface_init_arrays,                                   &
642               module_interface_init,                                          &
643               module_interface_init_checks
644
645    USE multi_agent_system_mod,                                                &
646        ONLY:  agents_active, mas_init
647
648    USE netcdf_interface,                                                      &
649        ONLY:  dots_max
650
651    USE netcdf_data_input_mod,                                                 &
652        ONLY:  init_3d,                              &
653               netcdf_data_input_init_3d, netcdf_data_input_interpolate
654
655    USE nesting_offl_mod,                                                      &
656        ONLY:  nesting_offl_init
657
658    USE pegrid
659
660#if defined( __parallel )
661    USE pmc_interface,                                                         &
662        ONLY:  nested_run
663#endif
664
665    USE random_function_mod
666
667    USE random_generator_parallel,                                             &
668        ONLY:  init_parallel_random_generator
669
670    USE read_restart_data_mod,                                                 &
671        ONLY:  rrd_read_parts_of_global, rrd_local
672
673    USE statistics,                                                            &
674        ONLY:  hom, hom_sum, mean_surface_level_height, pr_palm, rmask,        &
675               statistic_regions, sums, sums_divnew_l, sums_divold_l, sums_l,  &
676               sums_l_l, sums_wsts_bc_l, ts_value,                             &
677               weight_pres, weight_substep
678
679    USE synthetic_turbulence_generator_mod,                                    &
680        ONLY:  stg_init, use_syn_turb_gen
681
682    USE surface_layer_fluxes_mod,                                              &
683        ONLY:  init_surface_layer_fluxes
684
685    USE surface_mod,                                                           &
686        ONLY :  init_surface_arrays, init_surfaces, surf_def_h, surf_lsm_h,    &
687                surf_usm_h, get_topography_top_index_ji
688
689#if defined( _OPENACC )
690    USE surface_mod,                                                           &
691        ONLY :  bc_h
692#endif
693
694    USE surface_data_output_mod,                                               &
695        ONLY:  surface_data_output_init
696
697    USE transpose_indices
698
699    IMPLICIT NONE
700
701    INTEGER(iwp) ::  i             !< grid index in x direction
702    INTEGER(iwp) ::  ind_array(1)  !< dummy used to determine start index for external pressure forcing
703    INTEGER(iwp) ::  j             !< grid index in y direction
704    INTEGER(iwp) ::  k             !< grid index in z direction
705    INTEGER(iwp) ::  k_surf        !< surface level index
706    INTEGER(iwp) ::  m             !< index of surface element in surface data type
707    INTEGER(iwp) ::  sr            !< index of statistic region
708
709    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE   ::  ngp_2dh_l  !< toal number of horizontal grid points in statistical region on subdomain
710
711    INTEGER(iwp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  ngp_2dh_outer_l    !< number of horizontal non-wall bounded grid points on subdomain
712    INTEGER(iwp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  ngp_2dh_s_inner_l  !< number of horizontal non-topography grid points on subdomain
713
714    REAL(wp)     ::  t_surface !< air temperature at the surface
715
716    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  init_l        !< dummy array used for averaging 3D data to obtain inital profiles
717    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  p_hydrostatic !< hydrostatic pressure
718
719    INTEGER(iwp) ::  l       !< loop variable
720    INTEGER(iwp) ::  nzt_l   !< index of top PE boundary for multigrid level
721    REAL(wp) ::  dx_l !< grid spacing along x on different multigrid level
722    REAL(wp) ::  dy_l !< grid spacing along y on different multigrid level
723
724    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  volume_flow_area_l     !< area of lateral and top model domain surface on local subdomain
725    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  volume_flow_initial_l  !< initial volume flow into model domain
726
727    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  mean_surface_level_height_l !< mean surface level height on subdomain
728    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  ngp_3d_inner_l    !< total number of non-topography grid points on subdomain
729    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  ngp_3d_inner_tmp  !< total number of non-topography grid points
730
731    INTEGER(iwp) ::  nz_u_shift   !< topography-top index on u-grid, used to vertically shift initial profiles
732    INTEGER(iwp) ::  nz_v_shift   !< topography-top index on v-grid, used to vertically shift initial profiles
733    INTEGER(iwp) ::  nz_w_shift   !< topography-top index on w-grid, used to vertically shift initial profiles
734    INTEGER(iwp) ::  nz_s_shift   !< topography-top index on scalar-grid, used to vertically shift initial profiles
735    INTEGER(iwp) ::  nz_u_shift_l !< topography-top index on u-grid, used to vertically shift initial profiles
736    INTEGER(iwp) ::  nz_v_shift_l !< topography-top index on v-grid, used to vertically shift initial profiles
737    INTEGER(iwp) ::  nz_w_shift_l !< topography-top index on w-grid, used to vertically shift initial profiles
738    INTEGER(iwp) ::  nz_s_shift_l !< topography-top index on scalar-grid, used to vertically shift initial profiles
739
740
741    CALL location_message( 'model initialization', 'start' )
742
743    IF ( debug_output )  CALL debug_message( 'allocating arrays', 'start' )
744!
745!-- Allocate arrays
746    ALLOCATE( mean_surface_level_height(0:statistic_regions),                  &
747              mean_surface_level_height_l(0:statistic_regions),                &
748              ngp_2dh(0:statistic_regions), ngp_2dh_l(0:statistic_regions),    &
749              ngp_3d(0:statistic_regions),                                     &
750              ngp_3d_inner(0:statistic_regions),                               &
751              ngp_3d_inner_l(0:statistic_regions),                             &
752              ngp_3d_inner_tmp(0:statistic_regions),                           &
753              sums_divnew_l(0:statistic_regions),                              &
754              sums_divold_l(0:statistic_regions) )
755    ALLOCATE( dp_smooth_factor(nzb:nzt), rdf(nzb+1:nzt), rdf_sc(nzb+1:nzt) )
756    ALLOCATE( ngp_2dh_outer(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                    &
757              ngp_2dh_outer_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                  &
758              ngp_2dh_s_inner(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                  &
759              ngp_2dh_s_inner_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                &
760              rmask(nysg:nyng,nxlg:nxrg,0:statistic_regions),                  &
761              sums(nzb:nzt+1,pr_palm+max_pr_user+max_pr_cs),                   &
762              sums_l(nzb:nzt+1,pr_palm+max_pr_user+max_pr_cs,0:threads_per_task-1),      &
763              sums_l_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions,0:threads_per_task-1),    &
764              sums_wsts_bc_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions) )
765    ALLOCATE( ts_value(dots_max,0:statistic_regions) )
766    ALLOCATE( ptdf_x(nxlg:nxrg), ptdf_y(nysg:nyng) )
767
768    ALLOCATE( d(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr),                                    &
769              p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                                &
770              tend(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
771
772    ALLOCATE( pt_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
773              pt_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
774              u_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
775              u_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
776              u_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
777              v_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
778              v_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
779              v_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
780              w_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
781              w_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
782              w_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
783    IF (  .NOT.  neutral )  THEN
784       ALLOCATE( pt_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
785    ENDIF
786!
787!-- Pre-set masks for regional statistics. Default is the total model domain.
788!-- Ghost points are excluded because counting values at the ghost boundaries
789!-- would bias the statistics
790    rmask = 1.0_wp
791    rmask(:,nxlg:nxl-1,:) = 0.0_wp;  rmask(:,nxr+1:nxrg,:) = 0.0_wp
792    rmask(nysg:nys-1,:,:) = 0.0_wp;  rmask(nyn+1:nyng,:,:) = 0.0_wp
793!
794!-- Following array is required for perturbation pressure within the iterative
795!-- pressure solvers. For the multistep schemes (Runge-Kutta), array p holds
796!-- the weighted average of the substeps and cannot be used in the Poisson
797!-- solver.
798    IF ( psolver == 'sor' )  THEN
799       ALLOCATE( p_loc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
800    ELSEIF ( psolver(1:9) == 'multigrid' )  THEN
801!
802!--    For performance reasons, multigrid is using one ghost layer only
803       ALLOCATE( p_loc(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
804    ENDIF
805
806!
807!-- Array for storing constant coeffficients of the tridiagonal solver
808    IF ( psolver == 'poisfft' )  THEN
809       ALLOCATE( tri(nxl_z:nxr_z,nys_z:nyn_z,0:nz-1,2) )
810       ALLOCATE( tric(nxl_z:nxr_z,nys_z:nyn_z,0:nz-1) )
811    ENDIF
812
813    IF ( humidity )  THEN
814!
815!--    3D-humidity
816       ALLOCATE( q_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
817                 q_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
818                 q_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
819                 vpt_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ) 
820    ENDIF   
821   
822    IF ( passive_scalar )  THEN
823
824!
825!--    3D scalar arrays
826       ALLOCATE( s_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
827                 s_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
828                 s_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
829
830    ENDIF
831
832!
833!-- Allocate and set 1d-profiles for Stokes drift velocity. It may be set to
834!-- non-zero values later in ocean_init
835    ALLOCATE( u_stokes_zu(nzb:nzt+1), u_stokes_zw(nzb:nzt+1),                  &
836              v_stokes_zu(nzb:nzt+1), v_stokes_zw(nzb:nzt+1) )
837    u_stokes_zu(:) = 0.0_wp
838    u_stokes_zw(:) = 0.0_wp
839    v_stokes_zu(:) = 0.0_wp
840    v_stokes_zw(:) = 0.0_wp
841
842!
843!-- Allocation of anelastic and Boussinesq approximation specific arrays
844    ALLOCATE( p_hydrostatic(nzb:nzt+1) )
845    ALLOCATE( rho_air(nzb:nzt+1) )
846    ALLOCATE( rho_air_zw(nzb:nzt+1) )
847    ALLOCATE( drho_air(nzb:nzt+1) )
848    ALLOCATE( drho_air_zw(nzb:nzt+1) )
849!
850!-- Density profile calculation for anelastic and Boussinesq approximation
851!-- In case of a Boussinesq approximation, a constant density is calculated
852!-- mainly for output purposes. This density do not need to be considered
853!-- in the model's system of equations.
854!    t_surface = pt_surface * ( surface_pressure / 1000.0_wp )**( r_d / c_p )
855    IF ( TRIM( approximation ) == 'anelastic' )  THEN
856       DO  k = nzb, nzt+1
857          p_hydrostatic(k) = barometric_formula(zu(k), pt_surface *            & 
858                             exner_function(surface_pressure * 100.0_wp),      &
859                             surface_pressure * 100.0_wp)
860         
861          rho_air(k) = ideal_gas_law_rho_pt(p_hydrostatic(k), pt_init(k))
862       ENDDO
863       
864       DO  k = nzb, nzt
865          rho_air_zw(k) = 0.5_wp * ( rho_air(k) + rho_air(k+1) )
866       ENDDO
867       
868       rho_air_zw(nzt+1)  = rho_air_zw(nzt)                                    &
869                            + 2.0_wp * ( rho_air(nzt+1) - rho_air_zw(nzt)  )
870                           
871    ELSE
872       DO  k = nzb, nzt+1
873          p_hydrostatic(k) = barometric_formula(zu(nzb), pt_surface *          & 
874                             exner_function(surface_pressure * 100.0_wp),      &
875                             surface_pressure * 100.0_wp)
876
877          rho_air(k) = ideal_gas_law_rho_pt(p_hydrostatic(k), pt_init(nzb))
878       ENDDO
879       
880       DO  k = nzb, nzt
881          rho_air_zw(k) = 0.5_wp * ( rho_air(k) + rho_air(k+1) )
882       ENDDO
883       
884       rho_air_zw(nzt+1)  = rho_air_zw(nzt)                                    &
885                            + 2.0_wp * ( rho_air(nzt+1) - rho_air_zw(nzt)  )
886                           
887    ENDIF
888!
889!-- compute the inverse density array in order to avoid expencive divisions
890    drho_air    = 1.0_wp / rho_air
891    drho_air_zw = 1.0_wp / rho_air_zw
892
893!
894!-- Allocation of flux conversion arrays
895    ALLOCATE( heatflux_input_conversion(nzb:nzt+1) )
896    ALLOCATE( waterflux_input_conversion(nzb:nzt+1) )
897    ALLOCATE( momentumflux_input_conversion(nzb:nzt+1) )
898    ALLOCATE( heatflux_output_conversion(nzb:nzt+1) )
899    ALLOCATE( waterflux_output_conversion(nzb:nzt+1) )
900    ALLOCATE( momentumflux_output_conversion(nzb:nzt+1) )
901
902!
903!-- calculate flux conversion factors according to approximation and in-/output mode
904    DO  k = nzb, nzt+1
905
906        IF ( TRIM( flux_input_mode ) == 'kinematic' )  THEN
907            heatflux_input_conversion(k)      = rho_air_zw(k)
908            waterflux_input_conversion(k)     = rho_air_zw(k)
909            momentumflux_input_conversion(k)  = rho_air_zw(k)
910        ELSEIF ( TRIM( flux_input_mode ) == 'dynamic' ) THEN
911            heatflux_input_conversion(k)      = 1.0_wp / c_p
912            waterflux_input_conversion(k)     = 1.0_wp / l_v
913            momentumflux_input_conversion(k)  = 1.0_wp
914        ENDIF
915
916        IF ( TRIM( flux_output_mode ) == 'kinematic' )  THEN
917            heatflux_output_conversion(k)     = drho_air_zw(k)
918            waterflux_output_conversion(k)    = drho_air_zw(k)
919            momentumflux_output_conversion(k) = drho_air_zw(k)
920        ELSEIF ( TRIM( flux_output_mode ) == 'dynamic' ) THEN
921            heatflux_output_conversion(k)     = c_p
922            waterflux_output_conversion(k)    = l_v
923            momentumflux_output_conversion(k) = 1.0_wp
924        ENDIF
925
926        IF ( .NOT. humidity ) THEN
927            waterflux_input_conversion(k)  = 1.0_wp
928            waterflux_output_conversion(k) = 1.0_wp
929        ENDIF
930
931    ENDDO
932
933!
934!-- In case of multigrid method, compute grid lengths and grid factors for the
935!-- grid levels with respective density on each grid
936    IF ( psolver(1:9) == 'multigrid' )  THEN
937
938       ALLOCATE( ddx2_mg(maximum_grid_level) )
939       ALLOCATE( ddy2_mg(maximum_grid_level) )
940       ALLOCATE( dzu_mg(nzb+1:nzt+1,maximum_grid_level) )
941       ALLOCATE( dzw_mg(nzb+1:nzt+1,maximum_grid_level) )
942       ALLOCATE( f1_mg(nzb+1:nzt,maximum_grid_level) )
943       ALLOCATE( f2_mg(nzb+1:nzt,maximum_grid_level) )
944       ALLOCATE( f3_mg(nzb+1:nzt,maximum_grid_level) )
945       ALLOCATE( rho_air_mg(nzb:nzt+1,maximum_grid_level) )
946       ALLOCATE( rho_air_zw_mg(nzb:nzt+1,maximum_grid_level) )
947
948       dzu_mg(:,maximum_grid_level) = dzu
949       rho_air_mg(:,maximum_grid_level) = rho_air
950!       
951!--    Next line to ensure an equally spaced grid.
952       dzu_mg(1,maximum_grid_level) = dzu(2)
953       rho_air_mg(nzb,maximum_grid_level) = rho_air(nzb) +                     &
954                                             (rho_air(nzb) - rho_air(nzb+1))
955
956       dzw_mg(:,maximum_grid_level) = dzw
957       rho_air_zw_mg(:,maximum_grid_level) = rho_air_zw
958       nzt_l = nzt
959       DO  l = maximum_grid_level-1, 1, -1
960           dzu_mg(nzb+1,l) = 2.0_wp * dzu_mg(nzb+1,l+1)
961           dzw_mg(nzb+1,l) = 2.0_wp * dzw_mg(nzb+1,l+1)
962           rho_air_mg(nzb,l)    = rho_air_mg(nzb,l+1) + (rho_air_mg(nzb,l+1) - rho_air_mg(nzb+1,l+1))
963           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))
964           rho_air_mg(nzb+1,l)    = rho_air_mg(nzb+1,l+1)
965           rho_air_zw_mg(nzb+1,l) = rho_air_zw_mg(nzb+1,l+1)
966           nzt_l = nzt_l / 2
967           DO  k = 2, nzt_l+1
968              dzu_mg(k,l) = dzu_mg(2*k-2,l+1) + dzu_mg(2*k-1,l+1)
969              dzw_mg(k,l) = dzw_mg(2*k-2,l+1) + dzw_mg(2*k-1,l+1)
970              rho_air_mg(k,l)    = rho_air_mg(2*k-1,l+1)
971              rho_air_zw_mg(k,l) = rho_air_zw_mg(2*k-1,l+1)
972           ENDDO
973       ENDDO
974
975       nzt_l = nzt
976       dx_l  = dx
977       dy_l  = dy
978       DO  l = maximum_grid_level, 1, -1
979          ddx2_mg(l) = 1.0_wp / dx_l**2
980          ddy2_mg(l) = 1.0_wp / dy_l**2
981          DO  k = nzb+1, nzt_l
982             f2_mg(k,l) = rho_air_zw_mg(k,l) / ( dzu_mg(k+1,l) * dzw_mg(k,l) )
983             f3_mg(k,l) = rho_air_zw_mg(k-1,l) / ( dzu_mg(k,l)   * dzw_mg(k,l) )
984             f1_mg(k,l) = 2.0_wp * ( ddx2_mg(l) + ddy2_mg(l) ) &
985                          * rho_air_mg(k,l) + f2_mg(k,l) + f3_mg(k,l)
986          ENDDO
987          nzt_l = nzt_l / 2
988          dx_l  = dx_l * 2.0_wp
989          dy_l  = dy_l * 2.0_wp
990       ENDDO
991
992    ENDIF
993
994!
995!-- 1D-array for large scale subsidence velocity
996    IF ( .NOT. ALLOCATED( w_subs ) )  THEN
997       ALLOCATE ( w_subs(nzb:nzt+1) )
998       w_subs = 0.0_wp
999    ENDIF
1000
1001!
1002!-- Arrays to store velocity data from t-dt and the phase speeds which
1003!-- are needed for radiation boundary conditions
1004    IF ( bc_radiation_l )  THEN
1005       ALLOCATE( u_m_l(nzb:nzt+1,nysg:nyng,1:2),                               &
1006                 v_m_l(nzb:nzt+1,nysg:nyng,0:1),                               &
1007                 w_m_l(nzb:nzt+1,nysg:nyng,0:1) )
1008    ENDIF
1009    IF ( bc_radiation_r )  THEN
1010       ALLOCATE( u_m_r(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nx-1:nx),                           &
1011                 v_m_r(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nx-1:nx),                           &
1012                 w_m_r(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nx-1:nx) )
1013    ENDIF
1014    IF ( bc_radiation_l  .OR.  bc_radiation_r )  THEN
1015       ALLOCATE( c_u(nzb:nzt+1,nysg:nyng), c_v(nzb:nzt+1,nysg:nyng),           &
1016                 c_w(nzb:nzt+1,nysg:nyng) )
1017    ENDIF
1018    IF ( bc_radiation_s )  THEN
1019       ALLOCATE( u_m_s(nzb:nzt+1,0:1,nxlg:nxrg),                               &
1020                 v_m_s(nzb:nzt+1,1:2,nxlg:nxrg),                               &
1021                 w_m_s(nzb:nzt+1,0:1,nxlg:nxrg) )
1022    ENDIF
1023    IF ( bc_radiation_n )  THEN
1024       ALLOCATE( u_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny,nxlg:nxrg),                           &
1025                 v_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny,nxlg:nxrg),                           &
1026                 w_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny,nxlg:nxrg) )
1027    ENDIF
1028    IF ( bc_radiation_s  .OR.  bc_radiation_n )  THEN
1029       ALLOCATE( c_u(nzb:nzt+1,nxlg:nxrg), c_v(nzb:nzt+1,nxlg:nxrg),           &
1030                 c_w(nzb:nzt+1,nxlg:nxrg) )
1031    ENDIF
1032    IF ( bc_radiation_l  .OR.  bc_radiation_r  .OR.  bc_radiation_s  .OR.      &
1033         bc_radiation_n )  THEN
1034       ALLOCATE( c_u_m_l(nzb:nzt+1), c_v_m_l(nzb:nzt+1), c_w_m_l(nzb:nzt+1) )                   
1035       ALLOCATE( c_u_m(nzb:nzt+1), c_v_m(nzb:nzt+1), c_w_m(nzb:nzt+1) )
1036    ENDIF
1037
1038!
1039!-- Initial assignment of the pointers
1040    IF ( .NOT. neutral )  THEN
1041       pt => pt_1;  pt_p => pt_2;  tpt_m => pt_3
1042    ELSE
1043       pt => pt_1;  pt_p => pt_1;  tpt_m => pt_3
1044    ENDIF
1045    u  => u_1;   u_p  => u_2;   tu_m  => u_3
1046    v  => v_1;   v_p  => v_2;   tv_m  => v_3
1047    w  => w_1;   w_p  => w_2;   tw_m  => w_3
1048
1049    IF ( humidity )  THEN
1050       q => q_1;  q_p => q_2;  tq_m => q_3
1051       vpt  => vpt_1
1052    ENDIF
1053   
1054    IF ( passive_scalar )  THEN
1055       s => s_1;  s_p => s_2;  ts_m => s_3
1056    ENDIF   
1057
1058!
1059!-- Initialize surface arrays
1060    CALL init_surface_arrays
1061!
1062!-- Allocate arrays for other modules
1063    CALL module_interface_init_arrays
1064
1065
1066!
1067!-- Allocate arrays containing the RK coefficient for calculation of
1068!-- perturbation pressure and turbulent fluxes. At this point values are
1069!-- set for pressure calculation during initialization (where no timestep
1070!-- is done). Further below the values needed within the timestep scheme
1071!-- will be set.
1072    ALLOCATE( weight_substep(1:intermediate_timestep_count_max),               &
1073              weight_pres(1:intermediate_timestep_count_max) )
1074    weight_substep = 1.0_wp
1075    weight_pres    = 1.0_wp
1076    intermediate_timestep_count = 0  ! needed when simulated_time = 0.0
1077       
1078    IF ( debug_output )  CALL debug_message( 'allocating arrays', 'end' )
1079
1080!
1081!-- Initialize time series
1082    ts_value = 0.0_wp
1083
1084!
1085!-- Initialize local summation arrays for routine flow_statistics.
1086!-- This is necessary because they may not yet have been initialized when they
1087!-- are called from flow_statistics (or - depending on the chosen model run -
1088!-- are never initialized)
1089    sums_divnew_l      = 0.0_wp
1090    sums_divold_l      = 0.0_wp
1091    sums_l_l           = 0.0_wp
1092    sums_wsts_bc_l     = 0.0_wp
1093   
1094!
1095!-- Initialize model variables
1096    IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data'  .AND.            &
1097         TRIM( initializing_actions ) /= 'cyclic_fill' )  THEN
1098!
1099!--    Initialization with provided input data derived from larger-scale model
1100       IF ( INDEX( initializing_actions, 'inifor' ) /= 0 )  THEN
1101          IF ( debug_output )  CALL debug_message( 'initializing with INIFOR', 'start' )
1102!
1103!--       Read initial 1D profiles or 3D data from NetCDF file, depending
1104!--       on the provided level-of-detail.
1105!--       At the moment, only u, v, w, pt and q are provided.
1106          CALL netcdf_data_input_init_3d
1107!
1108!--       Please note, Inifor provides data from nzb+1 to nzt.
1109!--       Bottom and top boundary conditions for Inifor profiles are already
1110!--       set (just after reading), so that this is not necessary here.
1111!--       Depending on the provided level-of-detail, initial Inifor data is
1112!--       either stored on data type (lod=1), or directly on 3D arrays (lod=2).
1113!--       In order to obtain also initial profiles in case of lod=2 (which
1114!--       is required for e.g. damping), average over 3D data.
1115          IF( init_3d%lod_u == 1 )  THEN
1116             u_init = init_3d%u_init
1117          ELSEIF( init_3d%lod_u == 2 )  THEN
1118             ALLOCATE( init_l(nzb:nzt+1) ) 
1119             DO  k = nzb, nzt+1
1120                init_l(k) = SUM( u(k,nys:nyn,nxl:nxr) )
1121             ENDDO
1122             init_l = init_l / REAL( ( nx + 1 ) * ( ny + 1 ), KIND = wp )
1123
1124#if defined( __parallel )
1125             CALL MPI_ALLREDUCE( init_l, u_init, nzt+1-nzb+1,                  &
1126                                 MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1127#else
1128             u_init = init_l
1129#endif
1130             DEALLOCATE( init_l )
1131
1132          ENDIF
1133           
1134          IF( init_3d%lod_v == 1 )  THEN 
1135             v_init = init_3d%v_init
1136          ELSEIF( init_3d%lod_v == 2 )  THEN
1137             ALLOCATE( init_l(nzb:nzt+1) ) 
1138             DO  k = nzb, nzt+1
1139                init_l(k) = SUM( v(k,nys:nyn,nxl:nxr) )
1140             ENDDO
1141             init_l = init_l / REAL( ( nx + 1 ) * ( ny + 1 ), KIND = wp )
1142
1143#if defined( __parallel )
1144             CALL MPI_ALLREDUCE( init_l, v_init, nzt+1-nzb+1,                  &
1145                                 MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1146#else
1147             v_init = init_l
1148#endif
1149             DEALLOCATE( init_l )
1150          ENDIF
1151          IF( .NOT. neutral )  THEN
1152             IF( init_3d%lod_pt == 1 )  THEN
1153                pt_init = init_3d%pt_init
1154             ELSEIF( init_3d%lod_pt == 2 )  THEN
1155                ALLOCATE( init_l(nzb:nzt+1) ) 
1156                DO  k = nzb, nzt+1
1157                   init_l(k) = SUM( pt(k,nys:nyn,nxl:nxr) )
1158                ENDDO
1159                init_l = init_l / REAL( ( nx + 1 ) * ( ny + 1 ), KIND = wp )
1160
1161#if defined( __parallel )
1162                CALL MPI_ALLREDUCE( init_l, pt_init, nzt+1-nzb+1,               &
1163                                    MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1164#else
1165                pt_init = init_l
1166#endif
1167                DEALLOCATE( init_l )
1168             ENDIF
1169          ENDIF
1170
1171
1172          IF( humidity )  THEN
1173             IF( init_3d%lod_q == 1 )  THEN
1174                q_init = init_3d%q_init
1175             ELSEIF( init_3d%lod_q == 2 )  THEN
1176                ALLOCATE( init_l(nzb:nzt+1) ) 
1177                DO  k = nzb, nzt+1
1178                   init_l(k) = SUM( q(k,nys:nyn,nxl:nxr) )
1179                ENDDO
1180                init_l = init_l / REAL( ( nx + 1 ) * ( ny + 1 ), KIND = wp )
1181
1182#if defined( __parallel )
1183                CALL MPI_ALLREDUCE( init_l, q_init, nzt+1-nzb+1,               &
1184                                    MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1185#else
1186                q_init = init_l
1187#endif
1188                DEALLOCATE( init_l )
1189             ENDIF
1190          ENDIF
1191
1192!
1193!--       Write initial profiles onto 3D arrays. Note, only in case of lod = 1,
1194!--       for lod = 2 data is already on 3D arrays.   
1195          DO  i = nxlg, nxrg
1196             DO  j = nysg, nyng
1197                IF( init_3d%lod_u == 1 )  u(:,j,i) = u_init(:)
1198                IF( init_3d%lod_v == 1 )  v(:,j,i) = v_init(:)
1199                IF( .NOT. neutral  .AND.  init_3d%lod_pt == 1 )                &
1200                   pt(:,j,i) = pt_init(:)
1201                IF( humidity  .AND.  init_3d%lod_q == 1 )  q(:,j,i) = q_init(:)
1202             ENDDO
1203          ENDDO
1204!
1205!--       Exchange ghost points and set boundary conditions in case of
1206!--       level-of-detail = 2
1207          IF( init_3d%lod_u == 2 )  CALL exchange_horiz( u, nbgp )
1208          IF( init_3d%lod_v == 2 )  CALL exchange_horiz( v, nbgp )
1209          IF( init_3d%lod_w == 2 )  CALL exchange_horiz( w, nbgp )
1210          IF( .NOT. neutral  .AND.  init_3d%lod_pt == 2 )                      &
1211             CALL exchange_horiz( pt, nbgp )
1212          IF( humidity  .AND.  init_3d%lod_q == 2 )                            &
1213             CALL exchange_horiz( q, nbgp )
1214         
1215          IF ( bc_dirichlet_l )  THEN
1216             DO  j = nysg, nyng
1217                DO  k = nzb, nzt+1
1218                   IF( init_3d%lod_u == 2 )  u(k,j,nxlg:nxl)   = u(k,j,nxlu)
1219                   IF( init_3d%lod_v == 2 )  v(k,j,nxlg:nxl-1) = v(k,j,nxl)
1220                   IF( init_3d%lod_w == 2 )  w(k,j,nxlg:nxl-1) = w(k,j,nxl)
1221                   IF( .NOT. neutral  .AND.  init_3d%lod_pt == 2 )                      &
1222                      pt(k,j,nxlg:nxl-1) = pt(k,j,nxl)
1223                   IF( humidity  .AND.  init_3d%lod_q == 2 )                            &
1224                      q(k,j,nxlg:nxl-1)  = q(k,j,nxl) 
1225                ENDDO
1226             ENDDO
1227          ENDIF
1228          IF ( bc_dirichlet_r )  THEN
1229             DO  j = nysg, nyng
1230                DO  k = nzb, nzt+1
1231                   IF( init_3d%lod_u == 2 )  u(k,j,nxr+1:nxrg) = u(k,j,nxr)
1232                   IF( init_3d%lod_v == 2 )  v(k,j,nxr+1:nxrg) = v(k,j,nxr)
1233                   IF( init_3d%lod_w == 2 )  w(k,j,nxr+1:nxrg) = w(k,j,nxr)
1234                   IF( .NOT. neutral  .AND.  init_3d%lod_pt == 2 )                      &
1235                      pt(k,j,nxr+1:nxrg) = pt(k,j,nxr)
1236                   IF( humidity  .AND.  init_3d%lod_q == 2 )                            &
1237                      q(k,j,nxr+1:nxrg)  = q(k,j,nxr) 
1238                ENDDO
1239             ENDDO
1240          ENDIF
1241          IF ( bc_dirichlet_s )  THEN
1242             DO  i = nxlg, nxrg
1243                DO  k = nzb, nzt+1
1244                   IF( init_3d%lod_u == 2 )  u(k,nysg:nys-1,i) = u(k,nys,i)
1245                   IF( init_3d%lod_v == 2 )  v(k,nysg:nys,i)   = v(k,nysv,i)
1246                   IF( init_3d%lod_w == 2 )  w(k,nysg:nys-1,i) = w(k,nys,i)
1247                   IF( .NOT. neutral  .AND.  init_3d%lod_pt == 2 )                      &
1248                      pt(k,nysg:nys-1,i) = pt(k,nys,i)
1249                   IF( humidity  .AND.  init_3d%lod_q == 2 )                            &
1250                      q(k,nysg:nys-1,i)  = q(k,nys,i)
1251                ENDDO
1252             ENDDO
1253          ENDIF
1254          IF ( bc_dirichlet_n )  THEN
1255             DO  i = nxlg, nxrg
1256                DO  k = nzb, nzt+1
1257                   IF( init_3d%lod_u == 2 )  u(k,nyn+1:nyng,i) = u(k,nyn,i)
1258                   IF( init_3d%lod_v == 2 )  v(k,nyn+1:nyng,i) = v(k,nyn,i)
1259                   IF( init_3d%lod_w == 2 )  w(k,nyn+1:nyng,i) = w(k,nyn,i)
1260                   IF( .NOT. neutral  .AND.  init_3d%lod_pt == 2 )                      &
1261                      pt(k,nyn+1:nyng,i) = pt(k,nyn,i)
1262                   IF( humidity  .AND.  init_3d%lod_q == 2 )                            &
1263                      q(k,nyn+1:nyng,i)  = q(k,nyn,i)
1264                ENDDO
1265             ENDDO
1266          ENDIF
1267!
1268!--       Set geostrophic wind components. 
1269          IF ( init_3d%from_file_ug )  THEN
1270             ug(:) = init_3d%ug_init(:)
1271          ENDIF
1272          IF ( init_3d%from_file_vg )  THEN
1273             vg(:) = init_3d%vg_init(:)
1274          ENDIF
1275!
1276!--       Set bottom and top boundary condition for geostrophic wind
1277          ug(nzt+1) = ug(nzt)
1278          vg(nzt+1) = vg(nzt)
1279          ug(nzb)   = ug(nzb+1)
1280          vg(nzb)   = vg(nzb+1)
1281!
1282!--       Set inital w to 0
1283          w = 0.0_wp
1284
1285          IF ( passive_scalar )  THEN
1286             DO  i = nxlg, nxrg
1287                DO  j = nysg, nyng
1288                   s(:,j,i) = s_init
1289                ENDDO
1290             ENDDO
1291          ENDIF
1292
1293!
1294!--       Set velocity components at non-atmospheric / oceanic grid points to
1295!--       zero.
1296          u = MERGE( u, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 1 ) )
1297          v = MERGE( v, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 2 ) )
1298          w = MERGE( w, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 3 ) )
1299!
1300!--       Initialize surface variables, e.g. friction velocity, momentum
1301!--       fluxes, etc.
1302          CALL init_surfaces
1303
1304          IF ( debug_output )  CALL debug_message( 'initializing with INIFOR', 'end' )
1305!
1306!--    Initialization via computed 1D-model profiles
1307       ELSEIF ( INDEX( initializing_actions, 'set_1d-model_profiles' ) /= 0 )  THEN
1308
1309          IF ( debug_output )  CALL debug_message( 'initializing with 1D model profiles', 'start' )
1310!
1311!--       Use solutions of the 1D model as initial profiles,
1312!--       start 1D model
1313          CALL init_1d_model
1314!
1315!--       Transfer initial profiles to the arrays of the 3D model
1316          DO  i = nxlg, nxrg
1317             DO  j = nysg, nyng
1318                pt(:,j,i) = pt_init
1319                u(:,j,i)  = u1d
1320                v(:,j,i)  = v1d
1321             ENDDO
1322          ENDDO
1323
1324          IF ( humidity )  THEN
1325             DO  i = nxlg, nxrg
1326                DO  j = nysg, nyng
1327                   q(:,j,i) = q_init
1328                ENDDO
1329             ENDDO
1330          ENDIF
1331
1332          IF ( passive_scalar )  THEN
1333             DO  i = nxlg, nxrg
1334                DO  j = nysg, nyng
1335                   s(:,j,i) = s_init
1336                ENDDO
1337             ENDDO   
1338          ENDIF
1339!
1340!--          Store initial profiles for output purposes etc.
1341          IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
1342             hom(:,1,25,:) = SPREAD( l1d, 2, statistic_regions+1 )
1343          ENDIF
1344!
1345!--       Set velocities back to zero
1346          u = MERGE( u, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 1 ) )
1347          v = MERGE( v, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 2 ) )         
1348!
1349!--       WARNING: The extra boundary conditions set after running the
1350!--       -------  1D model impose an error on the divergence one layer
1351!--                below the topography; need to correct later
1352!--       ATTENTION: Provisional correction for Piacsek & Williams
1353!--       ---------  advection scheme: keep u and v zero one layer below
1354!--                  the topography.
1355          IF ( ibc_uv_b == 1 )  THEN
1356!
1357!--          Neumann condition
1358             DO  i = nxl-1, nxr+1
1359                DO  j = nys-1, nyn+1
1360                   u(nzb,j,i) = u(nzb+1,j,i)
1361                   v(nzb,j,i) = v(nzb+1,j,i)
1362                ENDDO
1363             ENDDO
1364
1365          ENDIF
1366!
1367!--       Initialize surface variables, e.g. friction velocity, momentum
1368!--       fluxes, etc.
1369          CALL init_surfaces
1370
1371          IF ( debug_output )  CALL debug_message( 'initializing with 1D model profiles', 'end' )
1372
1373       ELSEIF ( INDEX(initializing_actions, 'set_constant_profiles') /= 0 )    &
1374       THEN
1375
1376          IF ( debug_output )  CALL debug_message( 'initializing with constant profiles', 'start' )
1377
1378!
1379!--       Use constructed initial profiles (velocity constant with height,
1380!--       temperature profile with constant gradient)
1381          DO  i = nxlg, nxrg
1382             DO  j = nysg, nyng
1383                pt(:,j,i) = pt_init
1384                u(:,j,i)  = u_init
1385                v(:,j,i)  = v_init
1386             ENDDO
1387          ENDDO
1388!
1389!--       Mask topography
1390          u = MERGE( u, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 1 ) )
1391          v = MERGE( v, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0, 2 ) )
1392!
1393!--       Set initial horizontal velocities at the lowest computational grid
1394!--       levels to zero in order to avoid too small time steps caused by the
1395!--       diffusion limit in the initial phase of a run (at k=1, dz/2 occurs
1396!--       in the limiting formula!).
1397!--       Please note, in case land- or urban-surface model is used and a
1398!--       spinup is applied, masking the lowest computational level is not
1399!--       possible as MOST as well as energy-balance parametrizations will not
1400!--       work with zero wind velocity.
1401          IF ( ibc_uv_b /= 1  .AND.  .NOT.  spinup )  THEN
1402             DO  i = nxlg, nxrg
1403                DO  j = nysg, nyng
1404                   DO  k = nzb, nzt
1405                      u(k,j,i) = MERGE( u(k,j,i), 0.0_wp,                      &
1406                                        BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 20 ) )
1407                      v(k,j,i) = MERGE( v(k,j,i), 0.0_wp,                      &
1408                                        BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 21 ) )
1409                   ENDDO
1410                ENDDO
1411             ENDDO
1412          ENDIF
1413
1414          IF ( humidity )  THEN
1415             DO  i = nxlg, nxrg
1416                DO  j = nysg, nyng
1417                   q(:,j,i) = q_init
1418                ENDDO
1419             ENDDO
1420          ENDIF
1421         
1422          IF ( passive_scalar )  THEN
1423             DO  i = nxlg, nxrg
1424                DO  j = nysg, nyng
1425                   s(:,j,i) = s_init
1426                ENDDO
1427             ENDDO
1428          ENDIF
1429
1430!
1431!--       Compute initial temperature field and other constants used in case
1432!--       of a sloping surface
1433          IF ( sloping_surface )  CALL init_slope
1434!
1435!--       Initialize surface variables, e.g. friction velocity, momentum
1436!--       fluxes, etc.
1437          CALL init_surfaces
1438         
1439          IF ( debug_output )  CALL debug_message( 'initializing with constant profiles', 'end' )
1440
1441       ELSEIF ( INDEX(initializing_actions, 'by_user') /= 0 )                  &
1442       THEN
1443
1444          IF ( debug_output )  CALL debug_message( 'initializing by user', 'start' )
1445!
1446!--       Pre-initialize surface variables, i.e. setting start- and end-indices
1447!--       at each (j,i)-location. Please note, this does not supersede
1448!--       user-defined initialization of surface quantities.
1449          CALL init_surfaces
1450!
1451!--       Initialization will completely be done by the user
1452          CALL user_init_3d_model
1453
1454          IF ( debug_output )  CALL debug_message( 'initializing by user', 'end' )
1455
1456       ENDIF
1457
1458       IF ( debug_output )  CALL debug_message( 'initializing statistics, boundary conditions, etc.', 'start' )
1459
1460!
1461!--    Bottom boundary
1462       IF ( ibc_uv_b == 0 .OR. ibc_uv_b == 2  )  THEN
1463          u(nzb,:,:) = 0.0_wp
1464          v(nzb,:,:) = 0.0_wp
1465       ENDIF
1466
1467!
1468!--    Apply channel flow boundary condition
1469       IF ( TRIM( bc_uv_t ) == 'dirichlet_0' )  THEN
1470          u(nzt+1,:,:) = 0.0_wp
1471          v(nzt+1,:,:) = 0.0_wp
1472       ENDIF
1473
1474!
1475!--    Calculate virtual potential temperature
1476       IF ( humidity )  vpt = pt * ( 1.0_wp + 0.61_wp * q )
1477
1478!
1479!--    Store initial profiles for output purposes etc.. Please note, in case of
1480!--    initialization of u, v, w, pt, and q via output data derived from larger
1481!--    scale models, data will not be horizontally homogeneous. Actually, a mean
1482!--    profile should be calculated before.   
1483       hom(:,1,5,:) = SPREAD( u(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1484       hom(:,1,6,:) = SPREAD( v(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1485       IF ( ibc_uv_b == 0 .OR. ibc_uv_b == 2)  THEN
1486          hom(nzb,1,5,:) = 0.0_wp
1487          hom(nzb,1,6,:) = 0.0_wp
1488       ENDIF
1489       hom(:,1,7,:)  = SPREAD( pt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1490
1491       IF ( humidity )  THEN
1492!
1493!--       Store initial profile of total water content, virtual potential
1494!--       temperature
1495          hom(:,1,26,:) = SPREAD(   q(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1496          hom(:,1,29,:) = SPREAD( vpt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1497!
1498!--       Store initial profile of mixing ratio and potential
1499!--       temperature
1500          IF ( bulk_cloud_model  .OR.  cloud_droplets ) THEN
1501             hom(:,1,27,:) = SPREAD(  q(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1502             hom(:,1,28,:) = SPREAD( pt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1503          ENDIF
1504       ENDIF
1505
1506!
1507!--    Store initial scalar profile
1508       IF ( passive_scalar )  THEN
1509          hom(:,1,121,:) = SPREAD(  s(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1510       ENDIF
1511
1512!
1513!--    Initialize the random number generators (from numerical recipes)
1514       CALL random_function_ini
1515       
1516       IF ( random_generator == 'random-parallel' )  THEN
1517          CALL init_parallel_random_generator( nx, nys, nyn, nxl, nxr )
1518       ENDIF
1519!
1520!--    Set the reference state to be used in the buoyancy terms (for ocean runs
1521!--    the reference state will be set (overwritten) in init_ocean)
1522       IF ( use_single_reference_value )  THEN
1523          IF (  .NOT.  humidity )  THEN
1524             ref_state(:) = pt_reference
1525          ELSE
1526             ref_state(:) = vpt_reference
1527          ENDIF
1528       ELSE
1529          IF (  .NOT.  humidity )  THEN
1530             ref_state(:) = pt_init(:)
1531          ELSE
1532             ref_state(:) = vpt(:,nys,nxl)
1533          ENDIF
1534       ENDIF
1535
1536!
1537!--    For the moment, vertical velocity is zero
1538       w = 0.0_wp
1539
1540!
1541!--    Initialize array sums (must be defined in first call of pres)
1542       sums = 0.0_wp
1543
1544!
1545!--    In case of iterative solvers, p must get an initial value
1546       IF ( psolver(1:9) == 'multigrid'  .OR.  psolver == 'sor' )  p = 0.0_wp
1547!
1548!--    Impose vortex with vertical axis on the initial velocity profile
1549       IF ( INDEX( initializing_actions, 'initialize_vortex' ) /= 0 )  THEN
1550          CALL init_rankine
1551       ENDIF
1552
1553!
1554!--    Impose temperature anomaly (advection test only) or warm air bubble
1555!--    close to surface
1556       IF ( INDEX( initializing_actions, 'initialize_ptanom' ) /= 0  .OR.  &
1557            INDEX( initializing_actions, 'initialize_bubble' ) /= 0  )  THEN
1558          CALL init_pt_anomaly
1559       ENDIF
1560       
1561!
1562!--    If required, change the surface temperature at the start of the 3D run
1563       IF ( pt_surface_initial_change /= 0.0_wp )  THEN
1564          pt(nzb,:,:) = pt(nzb,:,:) + pt_surface_initial_change
1565       ENDIF
1566
1567!
1568!--    If required, change the surface humidity/scalar at the start of the 3D
1569!--    run
1570       IF ( humidity  .AND.  q_surface_initial_change /= 0.0_wp )              &
1571          q(nzb,:,:) = q(nzb,:,:) + q_surface_initial_change
1572         
1573       IF ( passive_scalar .AND.  s_surface_initial_change /= 0.0_wp )         &
1574          s(nzb,:,:) = s(nzb,:,:) + s_surface_initial_change
1575       
1576
1577!
1578!--    Initialize old and new time levels.
1579       tpt_m = 0.0_wp; tu_m = 0.0_wp; tv_m = 0.0_wp; tw_m = 0.0_wp
1580       pt_p = pt; u_p = u; v_p = v; w_p = w
1581
1582       IF ( humidity  )  THEN
1583          tq_m = 0.0_wp
1584          q_p = q
1585       ENDIF
1586       
1587       IF ( passive_scalar )  THEN
1588          ts_m = 0.0_wp
1589          s_p  = s
1590       ENDIF       
1591
1592       IF ( debug_output )  CALL debug_message( 'initializing statistics, boundary conditions, etc.', 'end' )
1593
1594    ELSEIF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data'  .OR.         &
1595             TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )                   &
1596    THEN
1597
1598       IF ( debug_output )  CALL debug_message( 'initializing in case of restart / cyclic_fill', 'start' )
1599!
1600!--    Initialize surface elements and its attributes, e.g. heat- and
1601!--    momentumfluxes, roughness, scaling parameters. As number of surface
1602!--    elements might be different between runs, e.g. in case of cyclic fill,
1603!--    and not all surface elements are read, surface elements need to be
1604!--    initialized before.
1605!--    Please note, in case of cyclic fill, surfaces should be initialized
1606!--    after restart data is read, else, individual settings of surface
1607!--    parameters will be overwritten from data of precursor run, hence,
1608!--    init_surfaces is called a second time after reading the restart data.
1609       CALL init_surfaces                       
1610!
1611!--    When reading data for cyclic fill of 3D prerun data files, read
1612!--    some of the global variables from the restart file which are required
1613!--    for initializing the inflow
1614       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  THEN
1615
1616          DO  i = 0, io_blocks-1
1617             IF ( i == io_group )  THEN
1618                CALL rrd_read_parts_of_global
1619             ENDIF
1620#if defined( __parallel )
1621             CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1622#endif
1623          ENDDO
1624
1625       ENDIF
1626
1627!
1628!--    Read processor specific binary data from restart file
1629       DO  i = 0, io_blocks-1
1630          IF ( i == io_group )  THEN
1631             CALL rrd_local
1632          ENDIF
1633#if defined( __parallel )
1634          CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1635#endif
1636       ENDDO
1637!
1638!--    In case of cyclic fill, call init_surfaces a second time, so that
1639!--    surface properties such as heat fluxes are initialized as prescribed.
1640       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )                    &
1641          CALL init_surfaces
1642
1643!
1644!--    In case of complex terrain and cyclic fill method as initialization,
1645!--    shift initial data in the vertical direction for each point in the
1646!--    x-y-plane depending on local surface height
1647       IF ( complex_terrain  .AND.                                             &
1648            TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  THEN
1649          DO  i = nxlg, nxrg
1650             DO  j = nysg, nyng
1651                nz_u_shift = get_topography_top_index_ji( j, i, 'u' )
1652                nz_v_shift = get_topography_top_index_ji( j, i, 'v' )
1653                nz_w_shift = get_topography_top_index_ji( j, i, 'w' )
1654                nz_s_shift = get_topography_top_index_ji( j, i, 's' )
1655
1656                u(nz_u_shift:nzt+1,j,i)  = u(0:nzt+1-nz_u_shift,j,i)               
1657
1658                v(nz_v_shift:nzt+1,j,i)  = v(0:nzt+1-nz_v_shift,j,i)
1659
1660                w(nz_w_shift:nzt+1,j,i)  = w(0:nzt+1-nz_w_shift,j,i)
1661
1662                p(nz_s_shift:nzt+1,j,i)  =  p(0:nzt+1-nz_s_shift,j,i)
1663                pt(nz_s_shift:nzt+1,j,i) = pt(0:nzt+1-nz_s_shift,j,i)
1664             ENDDO
1665          ENDDO
1666       ENDIF
1667
1668!
1669!--    Initialization of the turbulence recycling method
1670       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill'  .AND.               &
1671            turbulent_inflow )  THEN
1672!
1673!--       First store the profiles to be used at the inflow.
1674!--       These profiles are the (temporally) and horizontally averaged vertical
1675!--       profiles from the prerun. Alternatively, prescribed profiles
1676!--       for u,v-components can be used.
1677          ALLOCATE( mean_inflow_profiles(nzb:nzt+1,1:num_mean_inflow_profiles) )
1678
1679          IF ( use_prescribed_profile_data )  THEN
1680             mean_inflow_profiles(:,1) = u_init            ! u
1681             mean_inflow_profiles(:,2) = v_init            ! v
1682          ELSE
1683             mean_inflow_profiles(:,1) = hom_sum(:,1,0)    ! u
1684             mean_inflow_profiles(:,2) = hom_sum(:,2,0)    ! v
1685          ENDIF
1686          mean_inflow_profiles(:,4) = hom_sum(:,4,0)       ! pt
1687          IF ( humidity )                                                      &
1688             mean_inflow_profiles(:,6) = hom_sum(:,41,0)   ! q
1689          IF ( passive_scalar )                                                &
1690             mean_inflow_profiles(:,7) = hom_sum(:,115,0)   ! s
1691!
1692!--       In case of complex terrain, determine vertical displacement at inflow
1693!--       boundary and adjust mean inflow profiles
1694          IF ( complex_terrain )  THEN
1695             IF ( nxlg <= 0 .AND. nxrg >= 0 .AND. nysg <= 0 .AND. nyng >= 0 )  THEN
1696                nz_u_shift_l = get_topography_top_index_ji( 0, 0, 'u' )
1697                nz_v_shift_l = get_topography_top_index_ji( 0, 0, 'v' )
1698                nz_w_shift_l = get_topography_top_index_ji( 0, 0, 'w' )
1699                nz_s_shift_l = get_topography_top_index_ji( 0, 0, 's' )
1700             ELSE
1701                nz_u_shift_l = 0
1702                nz_v_shift_l = 0
1703                nz_w_shift_l = 0
1704                nz_s_shift_l = 0
1705             ENDIF
1706
1707#if defined( __parallel )
1708             CALL MPI_ALLREDUCE(nz_u_shift_l, nz_u_shift, 1, MPI_INTEGER,      &
1709                                MPI_MAX, comm2d, ierr)
1710             CALL MPI_ALLREDUCE(nz_v_shift_l, nz_v_shift, 1, MPI_INTEGER,      &
1711                                MPI_MAX, comm2d, ierr)
1712             CALL MPI_ALLREDUCE(nz_w_shift_l, nz_w_shift, 1, MPI_INTEGER,      & 
1713                                MPI_MAX, comm2d, ierr)
1714             CALL MPI_ALLREDUCE(nz_s_shift_l, nz_s_shift, 1, MPI_INTEGER,      &
1715                                MPI_MAX, comm2d, ierr)
1716#else
1717             nz_u_shift = nz_u_shift_l
1718             nz_v_shift = nz_v_shift_l
1719             nz_w_shift = nz_w_shift_l
1720             nz_s_shift = nz_s_shift_l
1721#endif
1722
1723             mean_inflow_profiles(:,1) = 0.0_wp
1724             mean_inflow_profiles(nz_u_shift:nzt+1,1) = hom_sum(0:nzt+1-nz_u_shift,1,0)  ! u
1725
1726             mean_inflow_profiles(:,2) = 0.0_wp
1727             mean_inflow_profiles(nz_v_shift:nzt+1,2) = hom_sum(0:nzt+1-nz_v_shift,2,0)  ! v
1728
1729             mean_inflow_profiles(nz_s_shift:nzt+1,4) = hom_sum(0:nzt+1-nz_s_shift,4,0)  ! pt
1730
1731          ENDIF
1732
1733!
1734!--       If necessary, adjust the horizontal flow field to the prescribed
1735!--       profiles
1736          IF ( use_prescribed_profile_data )  THEN
1737             DO  i = nxlg, nxrg
1738                DO  j = nysg, nyng
1739                   DO  k = nzb, nzt+1
1740                      u(k,j,i) = u(k,j,i) - hom_sum(k,1,0) + u_init(k)
1741                      v(k,j,i) = v(k,j,i) - hom_sum(k,2,0) + v_init(k)
1742                   ENDDO
1743                ENDDO
1744             ENDDO
1745          ENDIF
1746
1747!
1748!--       Use these mean profiles at the inflow (provided that Dirichlet
1749!--       conditions are used)
1750          IF ( bc_dirichlet_l )  THEN
1751             DO  j = nysg, nyng
1752                DO  k = nzb, nzt+1
1753                   u(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,1)
1754                   v(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,2)
1755                   w(k,j,nxlg:-1)  = 0.0_wp
1756                   pt(k,j,nxlg:-1) = mean_inflow_profiles(k,4)
1757                   IF ( humidity )                                             &
1758                      q(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,6)
1759                   IF ( passive_scalar )                                       &
1760                      s(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,7)                     
1761                ENDDO
1762             ENDDO
1763          ENDIF
1764
1765!
1766!--       Calculate the damping factors to be used at the inflow. For a
1767!--       turbulent inflow the turbulent fluctuations have to be limited
1768!--       vertically because otherwise the turbulent inflow layer will grow
1769!--       in time.
1770          IF ( inflow_damping_height == 9999999.9_wp )  THEN
1771!
1772!--          Default: use the inversion height calculated by the prerun; if
1773!--          this is zero, inflow_damping_height must be explicitly
1774!--          specified.
1775             IF ( hom_sum(nzb+6,pr_palm,0) /= 0.0_wp )  THEN
1776                inflow_damping_height = hom_sum(nzb+6,pr_palm,0)
1777             ELSE
1778                WRITE( message_string, * ) 'inflow_damping_height must be ',   &
1779                     'explicitly specified because&the inversion height ',     &
1780                     'calculated by the prerun is zero.'
1781                CALL message( 'init_3d_model', 'PA0318', 1, 2, 0, 6, 0 )
1782             ENDIF
1783
1784          ENDIF
1785
1786          IF ( inflow_damping_width == 9999999.9_wp )  THEN
1787!
1788!--          Default for the transition range: one tenth of the undamped
1789!--          layer
1790             inflow_damping_width = 0.1_wp * inflow_damping_height
1791
1792          ENDIF
1793
1794          ALLOCATE( inflow_damping_factor(nzb:nzt+1) )
1795
1796          DO  k = nzb, nzt+1
1797
1798             IF ( zu(k) <= inflow_damping_height )  THEN
1799                inflow_damping_factor(k) = 1.0_wp
1800             ELSEIF ( zu(k) <= ( inflow_damping_height + inflow_damping_width ) )  THEN
1801                inflow_damping_factor(k) = 1.0_wp -                            &
1802                                           ( zu(k) - inflow_damping_height ) / &
1803                                           inflow_damping_width
1804             ELSE
1805                inflow_damping_factor(k) = 0.0_wp
1806             ENDIF
1807
1808          ENDDO
1809
1810       ENDIF
1811
1812!
1813!--    Inside buildings set velocities back to zero
1814       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' .AND.                &
1815            topography /= 'flat' )  THEN
1816!
1817!--       Inside buildings set velocities back to zero.
1818!--       Other scalars (pt, q, s, p, sa, ...) are ignored at present,
1819!--       maybe revise later.
1820          DO  i = nxlg, nxrg
1821             DO  j = nysg, nyng
1822                DO  k = nzb, nzt
1823                   u(k,j,i)     = MERGE( u(k,j,i), 0.0_wp,                     &
1824                                         BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 1 ) )
1825                   v(k,j,i)     = MERGE( v(k,j,i), 0.0_wp,                     &
1826                                         BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 2 ) )
1827                   w(k,j,i)     = MERGE( w(k,j,i), 0.0_wp,                     &
1828                                         BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 3 ) )
1829                ENDDO
1830             ENDDO
1831          ENDDO
1832
1833       ENDIF
1834
1835!
1836!--    Calculate initial temperature field and other constants used in case
1837!--    of a sloping surface
1838       IF ( sloping_surface )  CALL init_slope
1839
1840!
1841!--    Initialize new time levels (only done in order to set boundary values
1842!--    including ghost points)
1843       pt_p = pt; u_p = u; v_p = v; w_p = w
1844       IF ( humidity )  THEN
1845          q_p = q
1846       ENDIF
1847       IF ( passive_scalar )  s_p  = s
1848!
1849!--    Allthough tendency arrays are set in prognostic_equations, they have
1850!--    have to be predefined here because they are used (but multiplied with 0)
1851!--    there before they are set.
1852       tpt_m = 0.0_wp; tu_m = 0.0_wp; tv_m = 0.0_wp; tw_m = 0.0_wp
1853       IF ( humidity )  THEN
1854          tq_m = 0.0_wp
1855       ENDIF
1856       IF ( passive_scalar )  ts_m  = 0.0_wp
1857
1858       IF ( debug_output )  CALL debug_message( 'initializing in case of restart / cyclic_fill', 'end' )
1859
1860    ELSE
1861!
1862!--    Actually this part of the programm should not be reached
1863       message_string = 'unknown initializing problem'
1864       CALL message( 'init_3d_model', 'PA0193', 1, 2, 0, 6, 0 )
1865    ENDIF
1866
1867
1868    IF (  TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' )  THEN
1869!
1870!--    Initialize old timelevels needed for radiation boundary conditions
1871       IF ( bc_radiation_l )  THEN
1872          u_m_l(:,:,:) = u(:,:,1:2)
1873          v_m_l(:,:,:) = v(:,:,0:1)
1874          w_m_l(:,:,:) = w(:,:,0:1)
1875       ENDIF
1876       IF ( bc_radiation_r )  THEN
1877          u_m_r(:,:,:) = u(:,:,nx-1:nx)
1878          v_m_r(:,:,:) = v(:,:,nx-1:nx)
1879          w_m_r(:,:,:) = w(:,:,nx-1:nx)
1880       ENDIF
1881       IF ( bc_radiation_s )  THEN
1882          u_m_s(:,:,:) = u(:,0:1,:)
1883          v_m_s(:,:,:) = v(:,1:2,:)
1884          w_m_s(:,:,:) = w(:,0:1,:)
1885       ENDIF
1886       IF ( bc_radiation_n )  THEN
1887          u_m_n(:,:,:) = u(:,ny-1:ny,:)
1888          v_m_n(:,:,:) = v(:,ny-1:ny,:)
1889          w_m_n(:,:,:) = w(:,ny-1:ny,:)
1890       ENDIF
1891       
1892    ENDIF
1893
1894!
1895!-- Calculate the initial volume flow at the right and north boundary
1896    IF ( conserve_volume_flow )  THEN
1897
1898       IF ( use_prescribed_profile_data )  THEN
1899
1900          volume_flow_initial_l = 0.0_wp
1901          volume_flow_area_l    = 0.0_wp
1902
1903          IF ( nxr == nx )  THEN
1904             DO  j = nys, nyn
1905                DO  k = nzb+1, nzt
1906                   volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) +       &
1907                                              u_init(k) * dzw(k)               &
1908                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1909                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nxr), 1 )&
1910                                            )
1911
1912                   volume_flow_area_l(1)    = volume_flow_area_l(1) + dzw(k)   &
1913                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1914                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nxr), 1 )&
1915                                            )
1916                ENDDO
1917             ENDDO
1918          ENDIF
1919         
1920          IF ( nyn == ny )  THEN
1921             DO  i = nxl, nxr
1922                DO  k = nzb+1, nzt
1923                   volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) +       &
1924                                              v_init(k) * dzw(k)               &       
1925                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1926                                              BTEST( wall_flags_0(k,nyn,i), 2 )&
1927                                            )
1928                   volume_flow_area_l(2)    = volume_flow_area_l(2) + dzw(k)   &       
1929                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1930                                              BTEST( wall_flags_0(k,nyn,i), 2 )&
1931                                            )
1932                ENDDO
1933             ENDDO
1934          ENDIF
1935
1936#if defined( __parallel )
1937          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_initial_l(1), volume_flow_initial(1),&
1938                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1939          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_area_l(1), volume_flow_area(1),      &
1940                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1941
1942#else
1943          volume_flow_initial = volume_flow_initial_l
1944          volume_flow_area    = volume_flow_area_l
1945#endif 
1946
1947       ELSEIF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  THEN
1948
1949          volume_flow_initial_l = 0.0_wp
1950          volume_flow_area_l    = 0.0_wp
1951
1952          IF ( nxr == nx )  THEN
1953             DO  j = nys, nyn
1954                DO  k = nzb+1, nzt
1955                   volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) +       &
1956                                              hom_sum(k,1,0) * dzw(k)          &
1957                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1958                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nx), 1 ) &
1959                                            )
1960                   volume_flow_area_l(1)    = volume_flow_area_l(1) + dzw(k)   &
1961                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1962                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nx), 1 ) &
1963                                            )
1964                ENDDO
1965             ENDDO
1966          ENDIF
1967         
1968          IF ( nyn == ny )  THEN
1969             DO  i = nxl, nxr
1970                DO  k = nzb+1, nzt
1971                   volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) +       &
1972                                              hom_sum(k,2,0) * dzw(k)          &       
1973                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1974                                              BTEST( wall_flags_0(k,ny,i), 2 ) &
1975                                            )
1976                   volume_flow_area_l(2)    = volume_flow_area_l(2) + dzw(k)   &       
1977                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
1978                                              BTEST( wall_flags_0(k,ny,i), 2 ) &
1979                                            )
1980                ENDDO
1981             ENDDO
1982          ENDIF
1983
1984#if defined( __parallel )
1985          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_initial_l(1), volume_flow_initial(1),&
1986                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1987          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_area_l(1), volume_flow_area(1),      &
1988                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1989
1990#else
1991          volume_flow_initial = volume_flow_initial_l
1992          volume_flow_area    = volume_flow_area_l
1993#endif 
1994
1995       ELSEIF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' )  THEN
1996
1997          volume_flow_initial_l = 0.0_wp
1998          volume_flow_area_l    = 0.0_wp
1999
2000          IF ( nxr == nx )  THEN
2001             DO  j = nys, nyn
2002                DO  k = nzb+1, nzt
2003                   volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) +       &
2004                                              u(k,j,nx) * dzw(k)               &
2005                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
2006                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nx), 1 ) &
2007                                            )
2008                   volume_flow_area_l(1)    = volume_flow_area_l(1) + dzw(k)   &
2009                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
2010                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,nx), 1 ) &
2011                                            )
2012                ENDDO
2013             ENDDO
2014          ENDIF
2015         
2016          IF ( nyn == ny )  THEN
2017             DO  i = nxl, nxr
2018                DO  k = nzb+1, nzt
2019                   volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) +       &
2020                                              v(k,ny,i) * dzw(k)               &       
2021                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
2022                                              BTEST( wall_flags_0(k,ny,i), 2 ) &
2023                                            )
2024                   volume_flow_area_l(2)    = volume_flow_area_l(2) + dzw(k)   &       
2025                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
2026                                              BTEST( wall_flags_0(k,ny,i), 2 ) &
2027                                            )
2028                ENDDO
2029             ENDDO
2030          ENDIF
2031
2032#if defined( __parallel )
2033          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_initial_l(1), volume_flow_initial(1),&
2034                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2035          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_area_l(1), volume_flow_area(1),      &
2036                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2037
2038#else
2039          volume_flow_initial = volume_flow_initial_l
2040          volume_flow_area    = volume_flow_area_l
2041#endif 
2042
2043       ENDIF
2044
2045!
2046!--    In case of 'bulk_velocity' mode, volume_flow_initial is calculated
2047!--    from u|v_bulk instead
2048       IF ( TRIM( conserve_volume_flow_mode ) == 'bulk_velocity' )  THEN
2049          volume_flow_initial(1) = u_bulk * volume_flow_area(1)
2050          volume_flow_initial(2) = v_bulk * volume_flow_area(2)
2051       ENDIF
2052
2053    ENDIF
2054!
2055!-- Finally, if random_heatflux is set, disturb shf at horizontal
2056!-- surfaces. Actually, this should be done in surface_mod, where all other
2057!-- initializations of surface quantities are done. However, this
2058!-- would create a ring dependency, hence, it is done here. Maybe delete
2059!-- disturb_heatflux and tranfer the respective code directly into the
2060!-- initialization in surface_mod.         
2061    IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data'  .AND.            &
2062         TRIM( initializing_actions ) /= 'cyclic_fill' )  THEN
2063 
2064       IF ( use_surface_fluxes  .AND.  constant_heatflux  .AND.                &
2065            random_heatflux )  THEN
2066          IF ( surf_def_h(0)%ns >= 1 )  CALL disturb_heatflux( surf_def_h(0) )
2067          IF ( surf_lsm_h%ns    >= 1 )  CALL disturb_heatflux( surf_lsm_h    )
2068          IF ( surf_usm_h%ns    >= 1 )  CALL disturb_heatflux( surf_usm_h    )
2069       ENDIF
2070    ENDIF
2071
2072!
2073!-- Compute total sum of grid points and the mean surface level height for each
2074!-- statistic region. These are mainly used for horizontal averaging of
2075!-- turbulence statistics.
2076!-- ngp_2dh: number of grid points of a horizontal cross section through the
2077!--          respective statistic region
2078!-- ngp_3d:  number of grid points of the respective statistic region
2079    ngp_2dh_outer_l   = 0
2080    ngp_2dh_outer     = 0
2081    ngp_2dh_s_inner_l = 0
2082    ngp_2dh_s_inner   = 0
2083    ngp_2dh_l         = 0
2084    ngp_2dh           = 0
2085    ngp_3d_inner_l    = 0.0_wp
2086    ngp_3d_inner      = 0
2087    ngp_3d            = 0
2088    ngp_sums          = ( nz + 2 ) * ( pr_palm + max_pr_user )
2089
2090    mean_surface_level_height   = 0.0_wp
2091    mean_surface_level_height_l = 0.0_wp
2092!
2093!-- To do: New concept for these non-topography grid points!
2094    DO  sr = 0, statistic_regions
2095       DO  i = nxl, nxr
2096          DO  j = nys, nyn
2097             IF ( rmask(j,i,sr) == 1.0_wp )  THEN
2098!
2099!--             All xy-grid points
2100                ngp_2dh_l(sr) = ngp_2dh_l(sr) + 1
2101!
2102!--             Determine mean surface-level height. In case of downward-
2103!--             facing walls are present, more than one surface level exist.
2104!--             In this case, use the lowest surface-level height.
2105                IF ( surf_def_h(0)%start_index(j,i) <=                         &
2106                     surf_def_h(0)%end_index(j,i) )  THEN
2107                   m = surf_def_h(0)%start_index(j,i)
2108                   k = surf_def_h(0)%k(m)
2109                   mean_surface_level_height_l(sr) =                           &
2110                                       mean_surface_level_height_l(sr) + zw(k-1)
2111                ENDIF
2112                IF ( surf_lsm_h%start_index(j,i) <=                            &
2113                     surf_lsm_h%end_index(j,i) )  THEN
2114                   m = surf_lsm_h%start_index(j,i)
2115                   k = surf_lsm_h%k(m)
2116                   mean_surface_level_height_l(sr) =                           &
2117                                       mean_surface_level_height_l(sr) + zw(k-1)
2118                ENDIF
2119                IF ( surf_usm_h%start_index(j,i) <=                            &
2120                     surf_usm_h%end_index(j,i) )  THEN
2121                   m = surf_usm_h%start_index(j,i)
2122                   k = surf_usm_h%k(m)
2123                   mean_surface_level_height_l(sr) =                           &
2124                                       mean_surface_level_height_l(sr) + zw(k-1)
2125                ENDIF
2126
2127                k_surf = k - 1
2128
2129                DO  k = nzb, nzt+1
2130!
2131!--                xy-grid points above topography
2132                   ngp_2dh_outer_l(k,sr) = ngp_2dh_outer_l(k,sr)     +         &
2133                                  MERGE( 1, 0, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 24 ) )
2134
2135                   ngp_2dh_s_inner_l(k,sr) = ngp_2dh_s_inner_l(k,sr) +         &
2136                                  MERGE( 1, 0, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 22 ) )
2137
2138                ENDDO
2139!
2140!--             All grid points of the total domain above topography
2141                ngp_3d_inner_l(sr) = ngp_3d_inner_l(sr) + ( nz - k_surf + 2 )
2142
2143
2144
2145             ENDIF
2146          ENDDO
2147       ENDDO
2148    ENDDO
2149
2150    sr = statistic_regions + 1
2151#if defined( __parallel )
2152    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2153    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_l(0), ngp_2dh(0), sr, MPI_INTEGER, MPI_SUM,    &
2154                        comm2d, ierr )
2155    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2156    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_outer_l(0,0), ngp_2dh_outer(0,0), (nz+2)*sr,   &
2157                        MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2158    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2159    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_s_inner_l(0,0), ngp_2dh_s_inner(0,0),          &
2160                        (nz+2)*sr, MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2161    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2162    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_3d_inner_l(0), ngp_3d_inner_tmp(0), sr, MPI_REAL,  &
2163                        MPI_SUM, comm2d, ierr )
2164    ngp_3d_inner = INT( ngp_3d_inner_tmp, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) )
2165    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2166    CALL MPI_ALLREDUCE( mean_surface_level_height_l(0),                        &
2167                        mean_surface_level_height(0), sr, MPI_REAL,            &
2168                        MPI_SUM, comm2d, ierr )
2169    mean_surface_level_height = mean_surface_level_height / REAL( ngp_2dh )
2170#else
2171    ngp_2dh         = ngp_2dh_l
2172    ngp_2dh_outer   = ngp_2dh_outer_l
2173    ngp_2dh_s_inner = ngp_2dh_s_inner_l
2174    ngp_3d_inner    = INT( ngp_3d_inner_l, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) )
2175    mean_surface_level_height = mean_surface_level_height_l / REAL( ngp_2dh_l )
2176#endif
2177
2178    ngp_3d = INT ( ngp_2dh, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) ) * &
2179             INT ( (nz + 2 ), KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) )
2180
2181!
2182!-- Set a lower limit of 1 in order to avoid zero divisions in flow_statistics,
2183!-- buoyancy, etc. A zero value will occur for cases where all grid points of
2184!-- the respective subdomain lie below the surface topography
2185    ngp_2dh_outer   = MAX( 1, ngp_2dh_outer(:,:)   ) 
2186    ngp_3d_inner    = MAX( INT(1, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 )),             &
2187                           ngp_3d_inner(:) )
2188    ngp_2dh_s_inner = MAX( 1, ngp_2dh_s_inner(:,:) ) 
2189
2190    DEALLOCATE( mean_surface_level_height_l, ngp_2dh_l, ngp_2dh_outer_l,       &
2191                ngp_3d_inner_l, ngp_3d_inner_tmp )
2192!
2193!-- Initialize surface forcing corresponding to large-scale forcing. Therein,
2194!-- initialize heat-fluxes, etc. via datatype. Revise it later!
2195    IF ( large_scale_forcing .AND. lsf_surf )  THEN
2196       IF ( use_surface_fluxes  .AND.  constant_heatflux )  THEN
2197          CALL ls_forcing_surf ( simulated_time )
2198       ENDIF
2199    ENDIF
2200!
2201!-- Initializae 3D offline nesting in COSMO model and read data from
2202!-- external NetCDF file.
2203    IF ( nesting_offline )  CALL nesting_offl_init
2204!
2205!-- Initialize quantities for special advections schemes
2206    CALL init_advec
2207
2208!
2209!-- Impose random perturbation on the horizontal velocity field and then
2210!-- remove the divergences from the velocity field at the initial stage
2211    IF ( create_disturbances  .AND.  disturbance_energy_limit /= 0.0_wp  .AND. &
2212         TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data'  .AND.            &
2213         TRIM( initializing_actions ) /= 'cyclic_fill' )  THEN
2214
2215       IF ( debug_output )  CALL debug_message( 'creating disturbances + applying pressure solver', 'start' )
2216!
2217!--    Needed for both disturb_field and pres
2218!$ACC DATA &
2219!$ACC CREATE(tend(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)) &
2220!$ACC COPY(u(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)) &
2221!$ACC COPY(v(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg))
2222
2223       CALL disturb_field( 'u', tend, u )
2224       CALL disturb_field( 'v', tend, v )
2225
2226!$ACC DATA &
2227!$ACC CREATE(d(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr)) &
2228!$ACC COPY(w(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)) &
2229!$ACC COPY(p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)) &
2230!$ACC COPYIN(rho_air(nzb:nzt+1), rho_air_zw(nzb:nzt+1)) &
2231!$ACC COPYIN(ddzu(1:nzt+1), ddzw(1:nzt+1)) &
2232!$ACC COPYIN(wall_flags_0(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)) &
2233!$ACC COPYIN(bc_h(0:1)) &
2234!$ACC COPYIN(bc_h(0)%i(1:bc_h(0)%ns)) &
2235!$ACC COPYIN(bc_h(0)%j(1:bc_h(0)%ns)) &
2236!$ACC COPYIN(bc_h(0)%k(1:bc_h(0)%ns)) &
2237!$ACC COPYIN(bc_h(1)%i(1:bc_h(1)%ns)) &
2238!$ACC COPYIN(bc_h(1)%j(1:bc_h(1)%ns)) &
2239!$ACC COPYIN(bc_h(1)%k(1:bc_h(1)%ns))
2240
2241       n_sor = nsor_ini
2242       CALL pres
2243       n_sor = nsor
2244
2245!$ACC END DATA
2246!$ACC END DATA
2247
2248       IF ( debug_output )  CALL debug_message( 'creating disturbances + applying pressure solver', 'end' )
2249
2250    ENDIF
2251
2252    IF ( .NOT. ocean_mode )  THEN
2253
2254       ALLOCATE( hyp(nzb:nzt+1) )
2255       ALLOCATE( d_exner(nzb:nzt+1) )
2256       ALLOCATE( exner(nzb:nzt+1) )
2257       ALLOCATE( hyrho(nzb:nzt+1) )
2258!
2259!--    Check temperature in case of too large domain height
2260       DO  k = nzb, nzt+1
2261          IF ( ( pt_surface * exner_function(surface_pressure * 100.0_wp) - g/c_p * zu(k) ) < 0.0_wp )  THEN
2262             WRITE( message_string, * )  'absolute temperature < 0.0 at zu(', k, &
2263                                         ') = ', zu(k)
2264             CALL message( 'init_3d_model', 'PA0142', 1, 2, 0, 6, 0 )
2265          ENDIF
2266       ENDDO
2267
2268!
2269!--    Calculate vertical profile of the hydrostatic pressure (hyp)
2270       hyp    = barometric_formula(zu, pt_surface * exner_function(surface_pressure * 100.0_wp), surface_pressure * 100.0_wp)
2271       d_exner = exner_function_invers(hyp)
2272       exner = 1.0_wp / exner_function_invers(hyp)
2273       hyrho  = ideal_gas_law_rho_pt(hyp, pt_init)
2274!
2275!--    Compute reference density
2276       rho_surface = ideal_gas_law_rho(surface_pressure * 100.0_wp, pt_surface * exner_function(surface_pressure * 100.0_wp))
2277
2278    ENDIF
2279
2280!
2281!-- If required, initialize particles
2282    IF ( agents_active )  CALL mas_init
2283!
2284!-- Initialization of synthetic turbulence generator
2285    IF ( use_syn_turb_gen )  CALL stg_init
2286!
2287!-- Initializing actions for all other modules
2288    CALL module_interface_init
2289!
2290!-- Initialize surface layer (done after LSM as roughness length are required
2291!-- for initialization
2292    IF ( constant_flux_layer )  CALL init_surface_layer_fluxes
2293!
2294!-- Initialize surface data output
2295    IF ( surface_output )  CALL surface_data_output_init
2296!
2297!-- Initialize the ws-scheme.   
2298    IF ( ws_scheme_sca .OR. ws_scheme_mom )  CALL ws_init
2299!
2300!-- Perform post-initializing checks for all other modules
2301    CALL module_interface_init_checks
2302
2303!
2304!-- Setting weighting factors for calculation of perturbation pressure
2305!-- and turbulent quantities from the RK substeps
2306    IF ( TRIM(timestep_scheme) == 'runge-kutta-3' )  THEN      ! for RK3-method
2307
2308       weight_substep(1) = 1._wp/6._wp
2309       weight_substep(2) = 3._wp/10._wp
2310       weight_substep(3) = 8._wp/15._wp
2311
2312       weight_pres(1)    = 1._wp/3._wp
2313       weight_pres(2)    = 5._wp/12._wp
2314       weight_pres(3)    = 1._wp/4._wp
2315
2316    ELSEIF ( TRIM(timestep_scheme) == 'runge-kutta-2' )  THEN  ! for RK2-method
2317
2318       weight_substep(1) = 1._wp/2._wp
2319       weight_substep(2) = 1._wp/2._wp
2320         
2321       weight_pres(1)    = 1._wp/2._wp
2322       weight_pres(2)    = 1._wp/2._wp       
2323
2324    ELSE                                     ! for Euler-method
2325
2326       weight_substep(1) = 1.0_wp     
2327       weight_pres(1)    = 1.0_wp                   
2328
2329    ENDIF
2330
2331!
2332!-- Initialize Rayleigh damping factors
2333    rdf    = 0.0_wp
2334    rdf_sc = 0.0_wp
2335    IF ( rayleigh_damping_factor /= 0.0_wp )  THEN
2336
2337       IF (  .NOT.  ocean_mode )  THEN
2338          DO  k = nzb+1, nzt
2339             IF ( zu(k) >= rayleigh_damping_height )  THEN
2340                rdf(k) = rayleigh_damping_factor *                             &
2341                      ( SIN( pi * 0.5_wp * ( zu(k) - rayleigh_damping_height ) &
2342                             / ( zu(nzt) - rayleigh_damping_height ) )         &
2343                      )**2
2344             ENDIF
2345          ENDDO
2346       ELSE
2347!
2348!--       In ocean mode, rayleigh damping is applied in the lower part of the
2349!--       model domain
2350          DO  k = nzt, nzb+1, -1
2351             IF ( zu(k) <= rayleigh_damping_height )  THEN
2352                rdf(k) = rayleigh_damping_factor *                             &
2353                      ( SIN( pi * 0.5_wp * ( rayleigh_damping_height - zu(k) ) &
2354                             / ( rayleigh_damping_height - zu(nzb+1) ) )       &
2355                      )**2
2356             ENDIF
2357          ENDDO
2358       ENDIF
2359
2360    ENDIF
2361    IF ( scalar_rayleigh_damping )  rdf_sc = rdf
2362
2363!
2364!-- Initialize the starting level and the vertical smoothing factor used for
2365!-- the external pressure gradient
2366    dp_smooth_factor = 1.0_wp
2367    IF ( dp_external )  THEN
2368!
2369!--    Set the starting level dp_level_ind_b only if it has not been set before
2370!--    (e.g. in init_grid).
2371       IF ( dp_level_ind_b == 0 )  THEN
2372          ind_array = MINLOC( ABS( dp_level_b - zu ) )
2373          dp_level_ind_b = ind_array(1) - 1 + nzb
2374                                        ! MINLOC uses lower array bound 1
2375       ENDIF
2376       IF ( dp_smooth )  THEN
2377          dp_smooth_factor(:dp_level_ind_b) = 0.0_wp
2378          DO  k = dp_level_ind_b+1, nzt
2379             dp_smooth_factor(k) = 0.5_wp * ( 1.0_wp + SIN( pi *               &
2380                        ( REAL( k - dp_level_ind_b, KIND=wp ) /                &
2381                          REAL( nzt - dp_level_ind_b, KIND=wp ) - 0.5_wp ) ) )
2382          ENDDO
2383       ENDIF
2384    ENDIF
2385
2386!
2387!-- Initialize damping zone for the potential temperature in case of
2388!-- non-cyclic lateral boundaries. The damping zone has the maximum value
2389!-- at the inflow boundary and decreases to zero at pt_damping_width.
2390    ptdf_x = 0.0_wp
2391    ptdf_y = 0.0_wp
2392    IF ( bc_lr_dirrad )  THEN
2393       DO  i = nxl, nxr
2394          IF ( ( i * dx ) < pt_damping_width )  THEN
2395             ptdf_x(i) = pt_damping_factor * ( SIN( pi * 0.5_wp *              &
2396                            REAL( pt_damping_width - i * dx, KIND=wp ) / (     &
2397                            REAL( pt_damping_width, KIND=wp ) ) ) )**2 
2398          ENDIF
2399       ENDDO
2400    ELSEIF ( bc_lr_raddir )  THEN
2401       DO  i = nxl, nxr
2402          IF ( ( i * dx ) > ( nx * dx - pt_damping_width ) )  THEN
2403             ptdf_x(i) = pt_damping_factor *                                   &
2404                         SIN( pi * 0.5_wp *                                    &
2405                                 ( ( i - nx ) * dx + pt_damping_width ) /      &
2406                                 REAL( pt_damping_width, KIND=wp ) )**2
2407          ENDIF
2408       ENDDO
2409    ELSEIF ( bc_ns_dirrad )  THEN
2410       DO  j = nys, nyn
2411          IF ( ( j * dy ) > ( ny * dy - pt_damping_width ) )  THEN
2412             ptdf_y(j) = pt_damping_factor *                                   &
2413                         SIN( pi * 0.5_wp *                                    &
2414                                 ( ( j - ny ) * dy + pt_damping_width ) /      &
2415                                 REAL( pt_damping_width, KIND=wp ) )**2
2416          ENDIF
2417       ENDDO
2418    ELSEIF ( bc_ns_raddir )  THEN
2419       DO  j = nys, nyn
2420          IF ( ( j * dy ) < pt_damping_width )  THEN
2421             ptdf_y(j) = pt_damping_factor *                                   &
2422                         SIN( pi * 0.5_wp *                                    &
2423                                ( pt_damping_width - j * dy ) /                &
2424                                REAL( pt_damping_width, KIND=wp ) )**2
2425          ENDIF
2426       ENDDO
2427    ENDIF
2428
2429!
2430!-- Input binary data file is not needed anymore. This line must be placed
2431!-- after call of user_init!
2432    CALL close_file( 13 )
2433!
2434!-- In case of nesting, put an barrier to assure that all parent and child
2435!-- domains finished initialization.
2436#if defined( __parallel )
2437    IF ( nested_run )  CALL MPI_BARRIER( MPI_COMM_WORLD, ierr )
2438#endif
2439
2440
2441    CALL location_message( 'model initialization', 'finished' )
2442
2443 END SUBROUTINE init_3d_model
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.