source: palm/trunk/SOURCE/init_3d_model.f90 @ 4346

Last change on this file since 4346 was 4346, checked in by motisi, 23 months ago

Introduction of wall_flags_total_0, which currently sets bits based on static topography information used in wall_flags_static_0

  • 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.f902023-4285
    /palm/branches/salsa/SOURCE/init_3d_model.f902503-3581
File size: 81.6 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 4346 2019-12-18 11:55:56Z motisi $
27! Introduction of wall_flags_total_0, which currently sets bits based on static
28! topography information used in wall_flags_static_0
29!
30! 4329 2019-12-10 15:46:36Z motisi
31! Renamed wall_flags_0 to wall_flags_static_0
32!
33! 4286 2019-10-30 16:01:14Z resler
34! implement new palm_date_time_mod
35!
36! 4223 2019-09-10 09:20:47Z gronemeier
37! Deallocate temporary string array since it may be re-used to read different
38! input data in other modules
39!
40! 4186 2019-08-23 16:06:14Z suehring
41! Design change, use variables defined in netcdf_data_input_mod to read netcd
42! variables rather than define local ones.
43!
44! 4185 2019-08-23 13:49:38Z oliver.maas
45! For initializing_actions = ' cyclic_fill':
46! Overwrite u_init, v_init, pt_init, q_init and s_init with the
47! (temporally) and horizontally averaged vertical profiles from the end
48! of the prerun, because these profiles shall be used as the basic state
49! for the rayleigh damping and the pt_damping.
50!
51! 4182 2019-08-22 15:20:23Z scharf
52! Corrected "Former revisions" section
53!
54! 4168 2019-08-16 13:50:17Z suehring
55! Replace function get_topography_top_index by topo_top_ind
56!
57! 4151 2019-08-09 08:24:30Z suehring
58! Add netcdf directive around input calls (fix for last commit)
59!
60! 4150 2019-08-08 20:00:47Z suehring
61! Input of additional surface variables independent on land- or urban-surface
62! model
63!
64! 4131 2019-08-02 11:06:18Z monakurppa
65! Allocate sums and sums_l to allow profile output for salsa variables.
66!
67! 4130 2019-08-01 13:04:13Z suehring
68! Effectively reduce 3D initialization to 1D initial profiles. This is because
69! 3D initialization produces structures in the w-component that are correlated
70! with the processor grid for some unknown reason 
71!
72! 4090 2019-07-11 15:06:47Z Giersch
73! Unused variables removed
74!
75! 4088 2019-07-11 13:57:56Z Giersch
76! Pressure and density profile calculations revised using basic functions
77!
78! 4048 2019-06-21 21:00:21Z knoop
79! Further modularization of particle code components
80!
81! 4017 2019-06-06 12:16:46Z schwenkel
82! Convert most location messages to debug messages to reduce output in
83! job logfile to a minimum
84!
85!
86! unused variable removed
87!
88! 3937 2019-04-29 15:09:07Z suehring
89! Move initialization of synthetic turbulence generator behind initialization
90! of offline nesting. Remove call for stg_adjust, as this is now already done
91! in stg_init.
92!
93! 3900 2019-04-16 15:17:43Z suehring
94! Fix problem with LOD = 2 initialization
95!
96! 3885 2019-04-11 11:29:34Z kanani
97! Changes related to global restructuring of location messages and introduction
98! of additional debug messages
99!
100! 3849 2019-04-01 16:35:16Z knoop
101! Move initialization of rmask before initializing user_init_arrays
102!
103! 3711 2019-01-31 13:44:26Z knoop
104! Introduced module_interface_init_checks for post-init checks in modules
105!
106! 3700 2019-01-26 17:03:42Z knoop
107! Some interface calls moved to module_interface + cleanup
108!
109! 3648 2019-01-02 16:35:46Z suehring
110! Rename subroutines for surface-data output
111!
112! Revision 1.1  1998/03/09 16:22:22  raasch
113! Initial revision
114!
115!
116! Description:
117! ------------
118!> Allocation of arrays and initialization of the 3D model via
119!> a) pre-run the 1D model
120!> or
121!> b) pre-set constant linear profiles
122!> or
123!> c) read values of a previous run
124!------------------------------------------------------------------------------!
125 SUBROUTINE init_3d_model
126
127
128    USE advec_ws
129
130    USE arrays_3d
131
132    USE basic_constants_and_equations_mod,                                     &
133        ONLY:  c_p, g, l_v, pi, exner_function, exner_function_invers,         &
134               ideal_gas_law_rho, ideal_gas_law_rho_pt, barometric_formula
135
136    USE bulk_cloud_model_mod,                                                  &
137        ONLY:  bulk_cloud_model
138
139    USE chem_modules,                                                          &
140        ONLY:  max_pr_cs ! ToDo: this dependency needs to be removed cause it is ugly #new_dom
141
142    USE control_parameters
143
144    USE grid_variables,                                                        &
145        ONLY:  dx, dy, ddx2_mg, ddy2_mg
146
147    USE indices
148
149    USE kinds
150 
151    USE lsf_nudging_mod,                                                       &
152        ONLY:  ls_forcing_surf
153
154    USE model_1d_mod,                                                          &
155        ONLY:  init_1d_model, l1d, u1d, v1d
156
157    USE module_interface,                                                      &
158        ONLY:  module_interface_init_arrays,                                   &
159               module_interface_init,                                          &
160               module_interface_init_checks
161
162    USE multi_agent_system_mod,                                                &
163        ONLY:  agents_active, mas_init
164
165    USE netcdf_interface,                                                      &
166        ONLY:  dots_max
167
168    USE netcdf_data_input_mod,                                                 &
169        ONLY:  char_fill,                                                      &
170               check_existence,                                                &
171               close_input_file,                                               &
172               get_attribute,                                                  &
173               get_variable,                                                   &
174               init_3d,                                                        &
175               input_pids_static,                                              &
176               inquire_num_variables,                                          &
177               inquire_variable_names,                                         &
178               input_file_static,                                              &
179               netcdf_data_input_init_3d,                                      &
180               num_var_pids,                                                   &
181               open_read_file,                                                 &
182               pids_id,                                                        &
183               real_2d,                                                        &
184               vars_pids
185               
186    USE nesting_offl_mod,                                                      &
187        ONLY:  nesting_offl_init
188
189    USE palm_date_time_mod,                                                    &
190        ONLY:  set_reference_date_time
191
192    USE pegrid
193
194#if defined( __parallel )
195    USE pmc_interface,                                                         &
196        ONLY:  nested_run
197#endif
198
199    USE random_function_mod
200
201    USE random_generator_parallel,                                             &
202        ONLY:  init_parallel_random_generator
203
204    USE read_restart_data_mod,                                                 &
205        ONLY:  rrd_read_parts_of_global, rrd_local
206
207    USE statistics,                                                            &
208        ONLY:  hom, hom_sum, mean_surface_level_height, pr_palm, rmask,        &
209               statistic_regions, sums, sums_divnew_l, sums_divold_l, sums_l,  &
210               sums_l_l, sums_wsts_bc_l, ts_value,                             &
211               weight_pres, weight_substep
212
213    USE synthetic_turbulence_generator_mod,                                    &
214        ONLY:  stg_init, use_syn_turb_gen
215
216    USE surface_layer_fluxes_mod,                                              &
217        ONLY:  init_surface_layer_fluxes
218
219    USE surface_mod,                                                           &
220        ONLY :  init_single_surface_properties,                                &
221                init_surface_arrays,                                           &
222                init_surfaces,                                                 &
223                surf_def_h,                                                    &
224                surf_def_v,                                                    &
225                surf_lsm_h,                                                    &
226                surf_usm_h
227
228#if defined( _OPENACC )
229    USE surface_mod,                                                           &
230        ONLY :  bc_h
231#endif
232
233    USE surface_data_output_mod,                                               &
234        ONLY:  surface_data_output_init
235
236    USE transpose_indices
237
238    IMPLICIT NONE
239   
240    INTEGER(iwp) ::  i                    !< grid index in x direction
241    INTEGER(iwp) ::  ind_array(1)         !< dummy used to determine start index for external pressure forcing
242    INTEGER(iwp) ::  j                    !< grid index in y direction
243    INTEGER(iwp) ::  k                    !< grid index in z direction
244    INTEGER(iwp) ::  k_surf               !< surface level index
245    INTEGER(iwp) ::  l                    !< running index over surface orientation   
246    INTEGER(iwp) ::  m                    !< index of surface element in surface data type   
247    INTEGER(iwp) ::  nz_u_shift           !< topography-top index on u-grid, used to vertically shift initial profiles
248    INTEGER(iwp) ::  nz_v_shift           !< topography-top index on v-grid, used to vertically shift initial profiles
249    INTEGER(iwp) ::  nz_w_shift           !< topography-top index on w-grid, used to vertically shift initial profiles
250    INTEGER(iwp) ::  nz_s_shift           !< topography-top index on scalar-grid, used to vertically shift initial profiles
251    INTEGER(iwp) ::  nz_u_shift_l         !< topography-top index on u-grid, used to vertically shift initial profiles
252    INTEGER(iwp) ::  nz_v_shift_l         !< topography-top index on v-grid, used to vertically shift initial profiles
253    INTEGER(iwp) ::  nz_w_shift_l         !< topography-top index on w-grid, used to vertically shift initial profiles
254    INTEGER(iwp) ::  nz_s_shift_l         !< topography-top index on scalar-grid, used to vertically shift initial profiles
255    INTEGER(iwp) ::  nzt_l                !< index of top PE boundary for multigrid level
256    INTEGER(iwp) ::  sr                   !< index of statistic region
257
258    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE   ::  ngp_2dh_l  !< toal number of horizontal grid points in statistical region on subdomain
259
260    INTEGER(iwp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  ngp_2dh_outer_l    !< number of horizontal non-wall bounded grid points on subdomain
261    INTEGER(iwp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  ngp_2dh_s_inner_l  !< number of horizontal non-topography grid points on subdomain
262
263
264   
265    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  init_l        !< dummy array used for averaging 3D data to obtain inital profiles
266    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  p_hydrostatic !< hydrostatic pressure
267
268    REAL(wp) ::  dx_l !< grid spacing along x on different multigrid level
269    REAL(wp) ::  dy_l !< grid spacing along y on different multigrid level
270
271    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  volume_flow_area_l     !< area of lateral and top model domain surface on local subdomain
272    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  volume_flow_initial_l  !< initial volume flow into model domain
273
274    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  mean_surface_level_height_l !< mean surface level height on subdomain
275    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  ngp_3d_inner_l    !< total number of non-topography grid points on subdomain
276    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  ngp_3d_inner_tmp  !< total number of non-topography grid points
277
278    TYPE(real_2d) ::  tmp_2d !< temporary variable to input additional surface-data from static file
279   
280    CALL location_message( 'model initialization', 'start' )
281!
282!-- Set reference date-time
283    CALL set_reference_date_time( date_time_str=origin_date_time )
284
285    IF ( debug_output )  CALL debug_message( 'allocating arrays', 'start' )
286!
287!-- Allocate arrays
288    ALLOCATE( mean_surface_level_height(0:statistic_regions),                  &
289              mean_surface_level_height_l(0:statistic_regions),                &
290              ngp_2dh(0:statistic_regions), ngp_2dh_l(0:statistic_regions),    &
291              ngp_3d(0:statistic_regions),                                     &
292              ngp_3d_inner(0:statistic_regions),                               &
293              ngp_3d_inner_l(0:statistic_regions),                             &
294              ngp_3d_inner_tmp(0:statistic_regions),                           &
295              sums_divnew_l(0:statistic_regions),                              &
296              sums_divold_l(0:statistic_regions) )
297    ALLOCATE( dp_smooth_factor(nzb:nzt), rdf(nzb+1:nzt), rdf_sc(nzb+1:nzt) )
298    ALLOCATE( ngp_2dh_outer(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                    &
299              ngp_2dh_outer_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                  &
300              ngp_2dh_s_inner(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                  &
301              ngp_2dh_s_inner_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                &
302              rmask(nysg:nyng,nxlg:nxrg,0:statistic_regions),                  &
303              sums(nzb:nzt+1,pr_palm+max_pr_user+max_pr_cs+max_pr_salsa),      &
304              sums_l(nzb:nzt+1,pr_palm+max_pr_user+max_pr_cs+max_pr_salsa,0:threads_per_task-1),   &
305              sums_l_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions,0:threads_per_task-1),    &
306              sums_wsts_bc_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions) )
307    ALLOCATE( ts_value(dots_max,0:statistic_regions) )
308    ALLOCATE( ptdf_x(nxlg:nxrg), ptdf_y(nysg:nyng) )
309
310    ALLOCATE( d(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr),                                    &
311              p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                                &
312              tend(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
313
314    ALLOCATE( pt_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
315              pt_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
316              u_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
317              u_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
318              u_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
319              v_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
320              v_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
321              v_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
322              w_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
323              w_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                              &
324              w_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
325    IF (  .NOT.  neutral )  THEN
326       ALLOCATE( pt_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
327    ENDIF
328!
329!-- Pre-set masks for regional statistics. Default is the total model domain.
330!-- Ghost points are excluded because counting values at the ghost boundaries
331!-- would bias the statistics
332    rmask = 1.0_wp
333    rmask(:,nxlg:nxl-1,:) = 0.0_wp;  rmask(:,nxr+1:nxrg,:) = 0.0_wp
334    rmask(nysg:nys-1,:,:) = 0.0_wp;  rmask(nyn+1:nyng,:,:) = 0.0_wp
335!
336!-- Following array is required for perturbation pressure within the iterative
337!-- pressure solvers. For the multistep schemes (Runge-Kutta), array p holds
338!-- the weighted average of the substeps and cannot be used in the Poisson
339!-- solver.
340    IF ( psolver == 'sor' )  THEN
341       ALLOCATE( p_loc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
342    ELSEIF ( psolver(1:9) == 'multigrid' )  THEN
343!
344!--    For performance reasons, multigrid is using one ghost layer only
345       ALLOCATE( p_loc(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
346    ENDIF
347
348!
349!-- Array for storing constant coeffficients of the tridiagonal solver
350    IF ( psolver == 'poisfft' )  THEN
351       ALLOCATE( tri(nxl_z:nxr_z,nys_z:nyn_z,0:nz-1,2) )
352       ALLOCATE( tric(nxl_z:nxr_z,nys_z:nyn_z,0:nz-1) )
353    ENDIF
354
355    IF ( humidity )  THEN
356!
357!--    3D-humidity
358       ALLOCATE( q_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
359                 q_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
360                 q_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
361                 vpt_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ) 
362    ENDIF   
363   
364    IF ( passive_scalar )  THEN
365
366!
367!--    3D scalar arrays
368       ALLOCATE( s_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
369                 s_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
370                 s_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
371
372    ENDIF
373
374!
375!-- Allocate and set 1d-profiles for Stokes drift velocity. It may be set to
376!-- non-zero values later in ocean_init
377    ALLOCATE( u_stokes_zu(nzb:nzt+1), u_stokes_zw(nzb:nzt+1),                  &
378              v_stokes_zu(nzb:nzt+1), v_stokes_zw(nzb:nzt+1) )
379    u_stokes_zu(:) = 0.0_wp
380    u_stokes_zw(:) = 0.0_wp
381    v_stokes_zu(:) = 0.0_wp
382    v_stokes_zw(:) = 0.0_wp
383
384!
385!-- Allocation of anelastic and Boussinesq approximation specific arrays
386    ALLOCATE( p_hydrostatic(nzb:nzt+1) )
387    ALLOCATE( rho_air(nzb:nzt+1) )
388    ALLOCATE( rho_air_zw(nzb:nzt+1) )
389    ALLOCATE( drho_air(nzb:nzt+1) )
390    ALLOCATE( drho_air_zw(nzb:nzt+1) )
391!
392!-- Density profile calculation for anelastic and Boussinesq approximation
393!-- In case of a Boussinesq approximation, a constant density is calculated
394!-- mainly for output purposes. This density do not need to be considered
395!-- in the model's system of equations.
396    IF ( TRIM( approximation ) == 'anelastic' )  THEN
397       DO  k = nzb, nzt+1
398          p_hydrostatic(k) = barometric_formula(zu(k), pt_surface *            & 
399                             exner_function(surface_pressure * 100.0_wp),      &
400                             surface_pressure * 100.0_wp)
401         
402          rho_air(k) = ideal_gas_law_rho_pt(p_hydrostatic(k), pt_init(k))
403       ENDDO
404       
405       DO  k = nzb, nzt
406          rho_air_zw(k) = 0.5_wp * ( rho_air(k) + rho_air(k+1) )
407       ENDDO
408       
409       rho_air_zw(nzt+1)  = rho_air_zw(nzt)                                    &
410                            + 2.0_wp * ( rho_air(nzt+1) - rho_air_zw(nzt)  )
411                           
412    ELSE
413       DO  k = nzb, nzt+1
414          p_hydrostatic(k) = barometric_formula(zu(nzb), pt_surface *          & 
415                             exner_function(surface_pressure * 100.0_wp),      &
416                             surface_pressure * 100.0_wp)
417
418          rho_air(k) = ideal_gas_law_rho_pt(p_hydrostatic(k), pt_init(nzb))
419       ENDDO
420       
421       DO  k = nzb, nzt
422          rho_air_zw(k) = 0.5_wp * ( rho_air(k) + rho_air(k+1) )
423       ENDDO
424       
425       rho_air_zw(nzt+1)  = rho_air_zw(nzt)                                    &
426                            + 2.0_wp * ( rho_air(nzt+1) - rho_air_zw(nzt)  )
427                           
428    ENDIF
429!
430!-- compute the inverse density array in order to avoid expencive divisions
431    drho_air    = 1.0_wp / rho_air
432    drho_air_zw = 1.0_wp / rho_air_zw
433
434!
435!-- Allocation of flux conversion arrays
436    ALLOCATE( heatflux_input_conversion(nzb:nzt+1) )
437    ALLOCATE( waterflux_input_conversion(nzb:nzt+1) )
438    ALLOCATE( momentumflux_input_conversion(nzb:nzt+1) )
439    ALLOCATE( heatflux_output_conversion(nzb:nzt+1) )
440    ALLOCATE( waterflux_output_conversion(nzb:nzt+1) )
441    ALLOCATE( momentumflux_output_conversion(nzb:nzt+1) )
442
443!
444!-- calculate flux conversion factors according to approximation and in-/output mode
445    DO  k = nzb, nzt+1
446
447        IF ( TRIM( flux_input_mode ) == 'kinematic' )  THEN
448            heatflux_input_conversion(k)      = rho_air_zw(k)
449            waterflux_input_conversion(k)     = rho_air_zw(k)
450            momentumflux_input_conversion(k)  = rho_air_zw(k)
451        ELSEIF ( TRIM( flux_input_mode ) == 'dynamic' ) THEN
452            heatflux_input_conversion(k)      = 1.0_wp / c_p
453            waterflux_input_conversion(k)     = 1.0_wp / l_v
454            momentumflux_input_conversion(k)  = 1.0_wp
455        ENDIF
456
457        IF ( TRIM( flux_output_mode ) == 'kinematic' )  THEN
458            heatflux_output_conversion(k)     = drho_air_zw(k)
459            waterflux_output_conversion(k)    = drho_air_zw(k)
460            momentumflux_output_conversion(k) = drho_air_zw(k)
461        ELSEIF ( TRIM( flux_output_mode ) == 'dynamic' ) THEN
462            heatflux_output_conversion(k)     = c_p
463            waterflux_output_conversion(k)    = l_v
464            momentumflux_output_conversion(k) = 1.0_wp
465        ENDIF
466
467        IF ( .NOT. humidity ) THEN
468            waterflux_input_conversion(k)  = 1.0_wp
469            waterflux_output_conversion(k) = 1.0_wp
470        ENDIF
471
472    ENDDO
473
474!
475!-- In case of multigrid method, compute grid lengths and grid factors for the
476!-- grid levels with respective density on each grid
477    IF ( psolver(1:9) == 'multigrid' )  THEN
478
479       ALLOCATE( ddx2_mg(maximum_grid_level) )
480       ALLOCATE( ddy2_mg(maximum_grid_level) )
481       ALLOCATE( dzu_mg(nzb+1:nzt+1,maximum_grid_level) )
482       ALLOCATE( dzw_mg(nzb+1:nzt+1,maximum_grid_level) )
483       ALLOCATE( f1_mg(nzb+1:nzt,maximum_grid_level) )
484       ALLOCATE( f2_mg(nzb+1:nzt,maximum_grid_level) )
485       ALLOCATE( f3_mg(nzb+1:nzt,maximum_grid_level) )
486       ALLOCATE( rho_air_mg(nzb:nzt+1,maximum_grid_level) )
487       ALLOCATE( rho_air_zw_mg(nzb:nzt+1,maximum_grid_level) )
488
489       dzu_mg(:,maximum_grid_level) = dzu
490       rho_air_mg(:,maximum_grid_level) = rho_air
491!       
492!--    Next line to ensure an equally spaced grid.
493       dzu_mg(1,maximum_grid_level) = dzu(2)
494       rho_air_mg(nzb,maximum_grid_level) = rho_air(nzb) +                     &
495                                             (rho_air(nzb) - rho_air(nzb+1))
496
497       dzw_mg(:,maximum_grid_level) = dzw
498       rho_air_zw_mg(:,maximum_grid_level) = rho_air_zw
499       nzt_l = nzt
500       DO  l = maximum_grid_level-1, 1, -1
501           dzu_mg(nzb+1,l) = 2.0_wp * dzu_mg(nzb+1,l+1)
502           dzw_mg(nzb+1,l) = 2.0_wp * dzw_mg(nzb+1,l+1)
503           rho_air_mg(nzb,l)    = rho_air_mg(nzb,l+1) + (rho_air_mg(nzb,l+1) - rho_air_mg(nzb+1,l+1))
504           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))
505           rho_air_mg(nzb+1,l)    = rho_air_mg(nzb+1,l+1)
506           rho_air_zw_mg(nzb+1,l) = rho_air_zw_mg(nzb+1,l+1)
507           nzt_l = nzt_l / 2
508           DO  k = 2, nzt_l+1
509              dzu_mg(k,l) = dzu_mg(2*k-2,l+1) + dzu_mg(2*k-1,l+1)
510              dzw_mg(k,l) = dzw_mg(2*k-2,l+1) + dzw_mg(2*k-1,l+1)
511              rho_air_mg(k,l)    = rho_air_mg(2*k-1,l+1)
512              rho_air_zw_mg(k,l) = rho_air_zw_mg(2*k-1,l+1)
513           ENDDO
514       ENDDO
515
516       nzt_l = nzt
517       dx_l  = dx
518       dy_l  = dy
519       DO  l = maximum_grid_level, 1, -1
520          ddx2_mg(l) = 1.0_wp / dx_l**2
521          ddy2_mg(l) = 1.0_wp / dy_l**2
522          DO  k = nzb+1, nzt_l
523             f2_mg(k,l) = rho_air_zw_mg(k,l) / ( dzu_mg(k+1,l) * dzw_mg(k,l) )
524             f3_mg(k,l) = rho_air_zw_mg(k-1,l) / ( dzu_mg(k,l)   * dzw_mg(k,l) )
525             f1_mg(k,l) = 2.0_wp * ( ddx2_mg(l) + ddy2_mg(l) ) &
526                          * rho_air_mg(k,l) + f2_mg(k,l) + f3_mg(k,l)
527          ENDDO
528          nzt_l = nzt_l / 2
529          dx_l  = dx_l * 2.0_wp
530          dy_l  = dy_l * 2.0_wp
531       ENDDO
532
533    ENDIF
534
535!
536!-- 1D-array for large scale subsidence velocity
537    IF ( .NOT. ALLOCATED( w_subs ) )  THEN
538       ALLOCATE ( w_subs(nzb:nzt+1) )
539       w_subs = 0.0_wp
540    ENDIF
541
542!
543!-- Arrays to store velocity data from t-dt and the phase speeds which
544!-- are needed for radiation boundary conditions
545    IF ( bc_radiation_l )  THEN
546       ALLOCATE( u_m_l(nzb:nzt+1,nysg:nyng,1:2),                               &
547                 v_m_l(nzb:nzt+1,nysg:nyng,0:1),                               &
548                 w_m_l(nzb:nzt+1,nysg:nyng,0:1) )
549    ENDIF
550    IF ( bc_radiation_r )  THEN
551       ALLOCATE( u_m_r(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nx-1:nx),                           &
552                 v_m_r(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nx-1:nx),                           &
553                 w_m_r(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nx-1:nx) )
554    ENDIF
555    IF ( bc_radiation_l  .OR.  bc_radiation_r )  THEN
556       ALLOCATE( c_u(nzb:nzt+1,nysg:nyng), c_v(nzb:nzt+1,nysg:nyng),           &
557                 c_w(nzb:nzt+1,nysg:nyng) )
558    ENDIF
559    IF ( bc_radiation_s )  THEN
560       ALLOCATE( u_m_s(nzb:nzt+1,0:1,nxlg:nxrg),                               &
561                 v_m_s(nzb:nzt+1,1:2,nxlg:nxrg),                               &
562                 w_m_s(nzb:nzt+1,0:1,nxlg:nxrg) )
563    ENDIF
564    IF ( bc_radiation_n )  THEN
565       ALLOCATE( u_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny,nxlg:nxrg),                           &
566                 v_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny,nxlg:nxrg),                           &
567                 w_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny,nxlg:nxrg) )
568    ENDIF
569    IF ( bc_radiation_s  .OR.  bc_radiation_n )  THEN
570       ALLOCATE( c_u(nzb:nzt+1,nxlg:nxrg), c_v(nzb:nzt+1,nxlg:nxrg),           &
571                 c_w(nzb:nzt+1,nxlg:nxrg) )
572    ENDIF
573    IF ( bc_radiation_l  .OR.  bc_radiation_r  .OR.  bc_radiation_s  .OR.      &
574         bc_radiation_n )  THEN
575       ALLOCATE( c_u_m_l(nzb:nzt+1), c_v_m_l(nzb:nzt+1), c_w_m_l(nzb:nzt+1) )                   
576       ALLOCATE( c_u_m(nzb:nzt+1), c_v_m(nzb:nzt+1), c_w_m(nzb:nzt+1) )
577    ENDIF
578
579!
580!-- Initial assignment of the pointers
581    IF ( .NOT. neutral )  THEN
582       pt => pt_1;  pt_p => pt_2;  tpt_m => pt_3
583    ELSE
584       pt => pt_1;  pt_p => pt_1;  tpt_m => pt_3
585    ENDIF
586    u  => u_1;   u_p  => u_2;   tu_m  => u_3
587    v  => v_1;   v_p  => v_2;   tv_m  => v_3
588    w  => w_1;   w_p  => w_2;   tw_m  => w_3
589
590    IF ( humidity )  THEN
591       q => q_1;  q_p => q_2;  tq_m => q_3
592       vpt  => vpt_1
593    ENDIF
594   
595    IF ( passive_scalar )  THEN
596       s => s_1;  s_p => s_2;  ts_m => s_3
597    ENDIF   
598
599!
600!-- Initialize surface arrays
601    CALL init_surface_arrays
602!
603!-- Allocate arrays for other modules
604    CALL module_interface_init_arrays
605
606
607!
608!-- Allocate arrays containing the RK coefficient for calculation of
609!-- perturbation pressure and turbulent fluxes. At this point values are
610!-- set for pressure calculation during initialization (where no timestep
611!-- is done). Further below the values needed within the timestep scheme
612!-- will be set.
613    ALLOCATE( weight_substep(1:intermediate_timestep_count_max),               &
614              weight_pres(1:intermediate_timestep_count_max) )
615    weight_substep = 1.0_wp
616    weight_pres    = 1.0_wp
617    intermediate_timestep_count = 0  ! needed when simulated_time = 0.0
618       
619    IF ( debug_output )  CALL debug_message( 'allocating arrays', 'end' )
620
621!
622!-- Initialize time series
623    ts_value = 0.0_wp
624
625!
626!-- Initialize local summation arrays for routine flow_statistics.
627!-- This is necessary because they may not yet have been initialized when they
628!-- are called from flow_statistics (or - depending on the chosen model run -
629!-- are never initialized)
630    sums_divnew_l      = 0.0_wp
631    sums_divold_l      = 0.0_wp
632    sums_l_l           = 0.0_wp
633    sums_wsts_bc_l     = 0.0_wp
634   
635!
636!-- Initialize model variables
637    IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data'  .AND.            &
638         TRIM( initializing_actions ) /= 'cyclic_fill' )  THEN
639!
640!--    Initialization with provided input data derived from larger-scale model
641       IF ( INDEX( initializing_actions, 'inifor' ) /= 0 )  THEN
642          IF ( debug_output )  CALL debug_message( 'initializing with INIFOR', 'start' )
643!
644!--       Read initial 1D profiles or 3D data from NetCDF file, depending
645!--       on the provided level-of-detail.
646!--       At the moment, only u, v, w, pt and q are provided.
647          CALL netcdf_data_input_init_3d
648!
649!--       Please note, Inifor provides data from nzb+1 to nzt.
650!--       Bottom and top boundary conditions for Inifor profiles are already
651!--       set (just after reading), so that this is not necessary here.
652!--       Depending on the provided level-of-detail, initial Inifor data is
653!--       either stored on data type (lod=1), or directly on 3D arrays (lod=2).
654!--       In order to obtain also initial profiles in case of lod=2 (which
655!--       is required for e.g. damping), average over 3D data.
656          IF( init_3d%lod_u == 1 )  THEN
657             u_init = init_3d%u_init
658          ELSEIF( init_3d%lod_u == 2 )  THEN
659             ALLOCATE( init_l(nzb:nzt+1) ) 
660             DO  k = nzb, nzt+1
661                init_l(k) = SUM( u(k,nys:nyn,nxl:nxr) )
662             ENDDO
663             init_l = init_l / REAL( ( nx + 1 ) * ( ny + 1 ), KIND = wp )
664
665#if defined( __parallel )
666             CALL MPI_ALLREDUCE( init_l, u_init, nzt+1-nzb+1,                  &
667                                 MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
668#else
669             u_init = init_l
670#endif
671             DEALLOCATE( init_l )
672
673          ENDIF
674           
675          IF( init_3d%lod_v == 1 )  THEN 
676             v_init = init_3d%v_init
677          ELSEIF( init_3d%lod_v == 2 )  THEN
678             ALLOCATE( init_l(nzb:nzt+1) ) 
679             DO  k = nzb, nzt+1
680                init_l(k) = SUM( v(k,nys:nyn,nxl:nxr) )
681             ENDDO
682             init_l = init_l / REAL( ( nx + 1 ) * ( ny + 1 ), KIND = wp )
683
684#if defined( __parallel )
685             CALL MPI_ALLREDUCE( init_l, v_init, nzt+1-nzb+1,                  &
686                                 MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
687#else
688             v_init = init_l
689#endif
690             DEALLOCATE( init_l )
691          ENDIF
692          IF( .NOT. neutral )  THEN
693             IF( init_3d%lod_pt == 1 )  THEN
694                pt_init = init_3d%pt_init
695             ELSEIF( init_3d%lod_pt == 2 )  THEN
696                ALLOCATE( init_l(nzb:nzt+1) ) 
697                DO  k = nzb, nzt+1
698                   init_l(k) = SUM( pt(k,nys:nyn,nxl:nxr) )
699                ENDDO
700                init_l = init_l / REAL( ( nx + 1 ) * ( ny + 1 ), KIND = wp )
701
702#if defined( __parallel )
703                CALL MPI_ALLREDUCE( init_l, pt_init, nzt+1-nzb+1,               &
704                                    MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
705#else
706                pt_init = init_l
707#endif
708                DEALLOCATE( init_l )
709             ENDIF
710          ENDIF
711
712
713          IF( humidity )  THEN
714             IF( init_3d%lod_q == 1 )  THEN
715                q_init = init_3d%q_init
716             ELSEIF( init_3d%lod_q == 2 )  THEN
717                ALLOCATE( init_l(nzb:nzt+1) ) 
718                DO  k = nzb, nzt+1
719                   init_l(k) = SUM( q(k,nys:nyn,nxl:nxr) )
720                ENDDO
721                init_l = init_l / REAL( ( nx + 1 ) * ( ny + 1 ), KIND = wp )
722
723#if defined( __parallel )
724                CALL MPI_ALLREDUCE( init_l, q_init, nzt+1-nzb+1,               &
725                                    MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
726#else
727                q_init = init_l
728#endif
729                DEALLOCATE( init_l )
730             ENDIF
731          ENDIF
732
733!
734!--       Write initial profiles onto 3D arrays.
735!--       Work-around, 3D initialization of u,v,w creates artificial
736!--       structures wich correlate with the processor grid. The reason
737!--       for this is still unknown. To work-around this, 3D initialization
738!--       will be effectively reduce to a 1D initialization where no such
739!--       artificial structures appear.
740          DO  i = nxlg, nxrg
741             DO  j = nysg, nyng
742                IF( init_3d%lod_u == 1  .OR.  init_3d%lod_u == 2 )             &
743                   u(:,j,i) = u_init(:)
744                IF( init_3d%lod_v == 1  .OR.  init_3d%lod_u == 2 )             &
745                   v(:,j,i) = v_init(:)
746                IF( .NOT. neutral  .AND.                                       &
747                    ( init_3d%lod_pt == 1  .OR.  init_3d%lod_pt == 2 ) )       &
748                   pt(:,j,i) = pt_init(:)
749                IF( humidity  .AND.                                            &
750                    ( init_3d%lod_q == 1  .OR.  init_3d%lod_q == 2 ) )         &
751                   q(:,j,i) = q_init(:)
752             ENDDO
753          ENDDO
754!
755!--       Set geostrophic wind components. 
756          IF ( init_3d%from_file_ug )  THEN
757             ug(:) = init_3d%ug_init(:)
758          ENDIF
759          IF ( init_3d%from_file_vg )  THEN
760             vg(:) = init_3d%vg_init(:)
761          ENDIF
762!
763!--       Set bottom and top boundary condition for geostrophic wind
764          ug(nzt+1) = ug(nzt)
765          vg(nzt+1) = vg(nzt)
766          ug(nzb)   = ug(nzb+1)
767          vg(nzb)   = vg(nzb+1)
768!
769!--       Set inital w to 0
770          w = 0.0_wp
771
772          IF ( passive_scalar )  THEN
773             DO  i = nxlg, nxrg
774                DO  j = nysg, nyng
775                   s(:,j,i) = s_init
776                ENDDO
777             ENDDO
778          ENDIF
779
780!
781!--       Set velocity components at non-atmospheric / oceanic grid points to
782!--       zero.
783          u = MERGE( u, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_total_0, 1 ) )
784          v = MERGE( v, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_total_0, 2 ) )
785          w = MERGE( w, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_total_0, 3 ) )
786!
787!--       Initialize surface variables, e.g. friction velocity, momentum
788!--       fluxes, etc.
789          CALL init_surfaces
790
791          IF ( debug_output )  CALL debug_message( 'initializing with INIFOR', 'end' )
792!
793!--    Initialization via computed 1D-model profiles
794       ELSEIF ( INDEX( initializing_actions, 'set_1d-model_profiles' ) /= 0 )  THEN
795
796          IF ( debug_output )  CALL debug_message( 'initializing with 1D model profiles', 'start' )
797!
798!--       Use solutions of the 1D model as initial profiles,
799!--       start 1D model
800          CALL init_1d_model
801!
802!--       Transfer initial profiles to the arrays of the 3D model
803          DO  i = nxlg, nxrg
804             DO  j = nysg, nyng
805                pt(:,j,i) = pt_init
806                u(:,j,i)  = u1d
807                v(:,j,i)  = v1d
808             ENDDO
809          ENDDO
810
811          IF ( humidity )  THEN
812             DO  i = nxlg, nxrg
813                DO  j = nysg, nyng
814                   q(:,j,i) = q_init
815                ENDDO
816             ENDDO
817          ENDIF
818
819          IF ( passive_scalar )  THEN
820             DO  i = nxlg, nxrg
821                DO  j = nysg, nyng
822                   s(:,j,i) = s_init
823                ENDDO
824             ENDDO   
825          ENDIF
826!
827!--          Store initial profiles for output purposes etc.
828          IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
829             hom(:,1,25,:) = SPREAD( l1d, 2, statistic_regions+1 )
830          ENDIF
831!
832!--       Set velocities back to zero
833          u = MERGE( u, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_total_0, 1 ) )
834          v = MERGE( v, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_total_0, 2 ) )         
835!
836!--       WARNING: The extra boundary conditions set after running the
837!--       -------  1D model impose an error on the divergence one layer
838!--                below the topography; need to correct later
839!--       ATTENTION: Provisional correction for Piacsek & Williams
840!--       ---------  advection scheme: keep u and v zero one layer below
841!--                  the topography.
842          IF ( ibc_uv_b == 1 )  THEN
843!
844!--          Neumann condition
845             DO  i = nxl-1, nxr+1
846                DO  j = nys-1, nyn+1
847                   u(nzb,j,i) = u(nzb+1,j,i)
848                   v(nzb,j,i) = v(nzb+1,j,i)
849                ENDDO
850             ENDDO
851
852          ENDIF
853!
854!--       Initialize surface variables, e.g. friction velocity, momentum
855!--       fluxes, etc.
856          CALL init_surfaces
857
858          IF ( debug_output )  CALL debug_message( 'initializing with 1D model profiles', 'end' )
859
860       ELSEIF ( INDEX(initializing_actions, 'set_constant_profiles') /= 0 )    &
861       THEN
862
863          IF ( debug_output )  CALL debug_message( 'initializing with constant profiles', 'start' )
864
865!
866!--       Use constructed initial profiles (velocity constant with height,
867!--       temperature profile with constant gradient)
868          DO  i = nxlg, nxrg
869             DO  j = nysg, nyng
870                pt(:,j,i) = pt_init
871                u(:,j,i)  = u_init
872                v(:,j,i)  = v_init
873             ENDDO
874          ENDDO
875!
876!--       Mask topography
877          u = MERGE( u, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_total_0, 1 ) )
878          v = MERGE( v, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_total_0, 2 ) )
879!
880!--       Set initial horizontal velocities at the lowest computational grid
881!--       levels to zero in order to avoid too small time steps caused by the
882!--       diffusion limit in the initial phase of a run (at k=1, dz/2 occurs
883!--       in the limiting formula!).
884!--       Please note, in case land- or urban-surface model is used and a
885!--       spinup is applied, masking the lowest computational level is not
886!--       possible as MOST as well as energy-balance parametrizations will not
887!--       work with zero wind velocity.
888          IF ( ibc_uv_b /= 1  .AND.  .NOT.  spinup )  THEN
889             DO  i = nxlg, nxrg
890                DO  j = nysg, nyng
891                   DO  k = nzb, nzt
892                      u(k,j,i) = MERGE( u(k,j,i), 0.0_wp,                      &
893                                     BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 20 ) )
894                      v(k,j,i) = MERGE( v(k,j,i), 0.0_wp,                      &
895                                     BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 21 ) )
896                   ENDDO
897                ENDDO
898             ENDDO
899          ENDIF
900
901          IF ( humidity )  THEN
902             DO  i = nxlg, nxrg
903                DO  j = nysg, nyng
904                   q(:,j,i) = q_init
905                ENDDO
906             ENDDO
907          ENDIF
908         
909          IF ( passive_scalar )  THEN
910             DO  i = nxlg, nxrg
911                DO  j = nysg, nyng
912                   s(:,j,i) = s_init
913                ENDDO
914             ENDDO
915          ENDIF
916
917!
918!--       Compute initial temperature field and other constants used in case
919!--       of a sloping surface
920          IF ( sloping_surface )  CALL init_slope
921!
922!--       Initialize surface variables, e.g. friction velocity, momentum
923!--       fluxes, etc.
924          CALL init_surfaces
925         
926          IF ( debug_output )  CALL debug_message( 'initializing with constant profiles', 'end' )
927
928       ELSEIF ( INDEX(initializing_actions, 'by_user') /= 0 )                  &
929       THEN
930
931          IF ( debug_output )  CALL debug_message( 'initializing by user', 'start' )
932!
933!--       Pre-initialize surface variables, i.e. setting start- and end-indices
934!--       at each (j,i)-location. Please note, this does not supersede
935!--       user-defined initialization of surface quantities.
936          CALL init_surfaces
937!
938!--       Initialization will completely be done by the user
939          CALL user_init_3d_model
940
941          IF ( debug_output )  CALL debug_message( 'initializing by user', 'end' )
942
943       ENDIF
944
945       IF ( debug_output )  CALL debug_message( 'initializing statistics, boundary conditions, etc.', 'start' )
946
947!
948!--    Bottom boundary
949       IF ( ibc_uv_b == 0 .OR. ibc_uv_b == 2  )  THEN
950          u(nzb,:,:) = 0.0_wp
951          v(nzb,:,:) = 0.0_wp
952       ENDIF
953
954!
955!--    Apply channel flow boundary condition
956       IF ( TRIM( bc_uv_t ) == 'dirichlet_0' )  THEN
957          u(nzt+1,:,:) = 0.0_wp
958          v(nzt+1,:,:) = 0.0_wp
959       ENDIF
960
961!
962!--    Calculate virtual potential temperature
963       IF ( humidity )  vpt = pt * ( 1.0_wp + 0.61_wp * q )
964
965!
966!--    Store initial profiles for output purposes etc.. Please note, in case of
967!--    initialization of u, v, w, pt, and q via output data derived from larger
968!--    scale models, data will not be horizontally homogeneous. Actually, a mean
969!--    profile should be calculated before.   
970       hom(:,1,5,:) = SPREAD( u(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
971       hom(:,1,6,:) = SPREAD( v(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
972       IF ( ibc_uv_b == 0 .OR. ibc_uv_b == 2)  THEN
973          hom(nzb,1,5,:) = 0.0_wp
974          hom(nzb,1,6,:) = 0.0_wp
975       ENDIF
976       hom(:,1,7,:)  = SPREAD( pt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
977
978       IF ( humidity )  THEN
979!
980!--       Store initial profile of total water content, virtual potential
981!--       temperature
982          hom(:,1,26,:) = SPREAD(   q(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
983          hom(:,1,29,:) = SPREAD( vpt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
984!
985!--       Store initial profile of mixing ratio and potential
986!--       temperature
987          IF ( bulk_cloud_model  .OR.  cloud_droplets ) THEN
988             hom(:,1,27,:) = SPREAD(  q(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
989             hom(:,1,28,:) = SPREAD( pt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
990          ENDIF
991       ENDIF
992
993!
994!--    Store initial scalar profile
995       IF ( passive_scalar )  THEN
996          hom(:,1,121,:) = SPREAD(  s(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
997       ENDIF
998
999!
1000!--    Initialize the random number generators (from numerical recipes)
1001       CALL random_function_ini
1002       
1003       IF ( random_generator == 'random-parallel' )  THEN
1004          CALL init_parallel_random_generator( nx, nys, nyn, nxl, nxr )
1005       ENDIF
1006!
1007!--    Set the reference state to be used in the buoyancy terms (for ocean runs
1008!--    the reference state will be set (overwritten) in init_ocean)
1009       IF ( use_single_reference_value )  THEN
1010          IF (  .NOT.  humidity )  THEN
1011             ref_state(:) = pt_reference
1012          ELSE
1013             ref_state(:) = vpt_reference
1014          ENDIF
1015       ELSE
1016          IF (  .NOT.  humidity )  THEN
1017             ref_state(:) = pt_init(:)
1018          ELSE
1019             ref_state(:) = vpt(:,nys,nxl)
1020          ENDIF
1021       ENDIF
1022
1023!
1024!--    For the moment, vertical velocity is zero
1025       w = 0.0_wp
1026
1027!
1028!--    Initialize array sums (must be defined in first call of pres)
1029       sums = 0.0_wp
1030
1031!
1032!--    In case of iterative solvers, p must get an initial value
1033       IF ( psolver(1:9) == 'multigrid'  .OR.  psolver == 'sor' )  p = 0.0_wp
1034!
1035!--    Impose vortex with vertical axis on the initial velocity profile
1036       IF ( INDEX( initializing_actions, 'initialize_vortex' ) /= 0 )  THEN
1037          CALL init_rankine
1038       ENDIF
1039
1040!
1041!--    Impose temperature anomaly (advection test only) or warm air bubble
1042!--    close to surface
1043       IF ( INDEX( initializing_actions, 'initialize_ptanom' ) /= 0  .OR.  &
1044            INDEX( initializing_actions, 'initialize_bubble' ) /= 0  )  THEN
1045          CALL init_pt_anomaly
1046       ENDIF
1047       
1048!
1049!--    If required, change the surface temperature at the start of the 3D run
1050       IF ( pt_surface_initial_change /= 0.0_wp )  THEN
1051          pt(nzb,:,:) = pt(nzb,:,:) + pt_surface_initial_change
1052       ENDIF
1053
1054!
1055!--    If required, change the surface humidity/scalar at the start of the 3D
1056!--    run
1057       IF ( humidity  .AND.  q_surface_initial_change /= 0.0_wp )              &
1058          q(nzb,:,:) = q(nzb,:,:) + q_surface_initial_change
1059         
1060       IF ( passive_scalar .AND.  s_surface_initial_change /= 0.0_wp )         &
1061          s(nzb,:,:) = s(nzb,:,:) + s_surface_initial_change
1062       
1063
1064!
1065!--    Initialize old and new time levels.
1066       tpt_m = 0.0_wp; tu_m = 0.0_wp; tv_m = 0.0_wp; tw_m = 0.0_wp
1067       pt_p = pt; u_p = u; v_p = v; w_p = w
1068
1069       IF ( humidity  )  THEN
1070          tq_m = 0.0_wp
1071          q_p = q
1072       ENDIF
1073       
1074       IF ( passive_scalar )  THEN
1075          ts_m = 0.0_wp
1076          s_p  = s
1077       ENDIF       
1078
1079       IF ( debug_output )  CALL debug_message( 'initializing statistics, boundary conditions, etc.', 'end' )
1080
1081    ELSEIF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data'  .OR.         &
1082             TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )                   &
1083    THEN
1084
1085       IF ( debug_output )  CALL debug_message( 'initializing in case of restart / cyclic_fill', 'start' )
1086!
1087!--    Initialize surface elements and its attributes, e.g. heat- and
1088!--    momentumfluxes, roughness, scaling parameters. As number of surface
1089!--    elements might be different between runs, e.g. in case of cyclic fill,
1090!--    and not all surface elements are read, surface elements need to be
1091!--    initialized before.
1092!--    Please note, in case of cyclic fill, surfaces should be initialized
1093!--    after restart data is read, else, individual settings of surface
1094!--    parameters will be overwritten from data of precursor run, hence,
1095!--    init_surfaces is called a second time after reading the restart data.
1096       CALL init_surfaces                       
1097!
1098!--    When reading data for cyclic fill of 3D prerun data files, read
1099!--    some of the global variables from the restart file which are required
1100!--    for initializing the inflow
1101       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  THEN
1102
1103          DO  i = 0, io_blocks-1
1104             IF ( i == io_group )  THEN
1105                CALL rrd_read_parts_of_global
1106             ENDIF
1107#if defined( __parallel )
1108             CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1109#endif
1110          ENDDO
1111
1112       ENDIF
1113
1114!
1115!--    Read processor specific binary data from restart file
1116       DO  i = 0, io_blocks-1
1117          IF ( i == io_group )  THEN
1118             CALL rrd_local
1119          ENDIF
1120#if defined( __parallel )
1121          CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1122#endif
1123       ENDDO
1124!
1125!--    In case of cyclic fill, call init_surfaces a second time, so that
1126!--    surface properties such as heat fluxes are initialized as prescribed.
1127       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )                    &
1128          CALL init_surfaces
1129
1130!
1131!--    In case of complex terrain and cyclic fill method as initialization,
1132!--    shift initial data in the vertical direction for each point in the
1133!--    x-y-plane depending on local surface height
1134       IF ( complex_terrain  .AND.                                             &
1135            TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  THEN
1136          DO  i = nxlg, nxrg
1137             DO  j = nysg, nyng
1138                nz_u_shift = topo_top_ind(j,i,1)
1139                nz_v_shift = topo_top_ind(j,i,2)
1140                nz_w_shift = topo_top_ind(j,i,3)
1141                nz_s_shift = topo_top_ind(j,i,0)
1142
1143                u(nz_u_shift:nzt+1,j,i)  = u(0:nzt+1-nz_u_shift,j,i)               
1144
1145                v(nz_v_shift:nzt+1,j,i)  = v(0:nzt+1-nz_v_shift,j,i)
1146
1147                w(nz_w_shift:nzt+1,j,i)  = w(0:nzt+1-nz_w_shift,j,i)
1148
1149                p(nz_s_shift:nzt+1,j,i)  =  p(0:nzt+1-nz_s_shift,j,i)
1150                pt(nz_s_shift:nzt+1,j,i) = pt(0:nzt+1-nz_s_shift,j,i)
1151             ENDDO
1152          ENDDO
1153       ENDIF
1154!
1155!--    Initialization of the turbulence recycling method
1156       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill'  .AND.               &
1157            turbulent_inflow )  THEN
1158!
1159!--       First store the profiles to be used at the inflow.
1160!--       These profiles are the (temporally) and horizontally averaged vertical
1161!--       profiles from the prerun. Alternatively, prescribed profiles
1162!--       for u,v-components can be used.
1163!--       Overwrite u_init, v_init, pt_init, q_init and s_init with the
1164!--       (temporally) and horizontally averaged vertical profiles from the end
1165!--       of the prerun, because these profiles shall be used as the basic state
1166!--       for the rayleigh damping and the pt_damping.
1167          ALLOCATE( mean_inflow_profiles(nzb:nzt+1,1:num_mean_inflow_profiles) )
1168
1169          IF ( use_prescribed_profile_data )  THEN
1170             mean_inflow_profiles(:,1) = u_init            ! u
1171             mean_inflow_profiles(:,2) = v_init            ! v
1172          ELSE
1173             mean_inflow_profiles(:,1) = hom_sum(:,1,0)    ! u
1174             u_init(:)                 = hom_sum(:,1,0)
1175             mean_inflow_profiles(:,2) = hom_sum(:,2,0)    ! v
1176             v_init(:)                 = hom_sum(:,2,0)
1177          ENDIF
1178          mean_inflow_profiles(:,4) = hom_sum(:,4,0)       ! pt
1179          pt_init(:)                = hom_sum(:,4,0)
1180          IF ( humidity )                                                      &
1181             mean_inflow_profiles(:,6) = hom_sum(:,41,0)   ! q
1182             q_init(:)                 = hom_sum(:,41,0)   
1183          IF ( passive_scalar )                                                &
1184             mean_inflow_profiles(:,7) = hom_sum(:,115,0)   ! s
1185             s_init(:)                 = hom_sum(:,115,0)
1186!
1187!--       In case of complex terrain, determine vertical displacement at inflow
1188!--       boundary and adjust mean inflow profiles
1189          IF ( complex_terrain )  THEN
1190             IF ( nxlg <= 0 .AND. nxrg >= 0 .AND. nysg <= 0 .AND. nyng >= 0 )  THEN
1191                nz_u_shift_l = topo_top_ind(j,i,1)
1192                nz_v_shift_l = topo_top_ind(j,i,2)
1193                nz_w_shift_l = topo_top_ind(j,i,3)
1194                nz_s_shift_l = topo_top_ind(j,i,0)
1195             ELSE
1196                nz_u_shift_l = 0
1197                nz_v_shift_l = 0
1198                nz_w_shift_l = 0
1199                nz_s_shift_l = 0
1200             ENDIF
1201
1202#if defined( __parallel )
1203             CALL MPI_ALLREDUCE(nz_u_shift_l, nz_u_shift, 1, MPI_INTEGER,      &
1204                                MPI_MAX, comm2d, ierr)
1205             CALL MPI_ALLREDUCE(nz_v_shift_l, nz_v_shift, 1, MPI_INTEGER,      &
1206                                MPI_MAX, comm2d, ierr)
1207             CALL MPI_ALLREDUCE(nz_w_shift_l, nz_w_shift, 1, MPI_INTEGER,      & 
1208                                MPI_MAX, comm2d, ierr)
1209             CALL MPI_ALLREDUCE(nz_s_shift_l, nz_s_shift, 1, MPI_INTEGER,      &
1210                                MPI_MAX, comm2d, ierr)
1211#else
1212             nz_u_shift = nz_u_shift_l
1213             nz_v_shift = nz_v_shift_l
1214             nz_w_shift = nz_w_shift_l
1215             nz_s_shift = nz_s_shift_l
1216#endif
1217
1218             mean_inflow_profiles(:,1) = 0.0_wp
1219             mean_inflow_profiles(nz_u_shift:nzt+1,1) = hom_sum(0:nzt+1-nz_u_shift,1,0)  ! u
1220
1221             mean_inflow_profiles(:,2) = 0.0_wp
1222             mean_inflow_profiles(nz_v_shift:nzt+1,2) = hom_sum(0:nzt+1-nz_v_shift,2,0)  ! v
1223
1224             mean_inflow_profiles(nz_s_shift:nzt+1,4) = hom_sum(0:nzt+1-nz_s_shift,4,0)  ! pt
1225
1226          ENDIF
1227
1228!
1229!--       If necessary, adjust the horizontal flow field to the prescribed
1230!--       profiles
1231          IF ( use_prescribed_profile_data )  THEN
1232             DO  i = nxlg, nxrg
1233                DO  j = nysg, nyng
1234                   DO  k = nzb, nzt+1
1235                      u(k,j,i) = u(k,j,i) - hom_sum(k,1,0) + u_init(k)
1236                      v(k,j,i) = v(k,j,i) - hom_sum(k,2,0) + v_init(k)
1237                   ENDDO
1238                ENDDO
1239             ENDDO
1240          ENDIF
1241
1242!
1243!--       Use these mean profiles at the inflow (provided that Dirichlet
1244!--       conditions are used)
1245          IF ( bc_dirichlet_l )  THEN
1246             DO  j = nysg, nyng
1247                DO  k = nzb, nzt+1
1248                   u(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,1)
1249                   v(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,2)
1250                   w(k,j,nxlg:-1)  = 0.0_wp
1251                   pt(k,j,nxlg:-1) = mean_inflow_profiles(k,4)
1252                   IF ( humidity )                                             &
1253                      q(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,6)
1254                   IF ( passive_scalar )                                       &
1255                      s(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,7)                     
1256                ENDDO
1257             ENDDO
1258          ENDIF
1259
1260!
1261!--       Calculate the damping factors to be used at the inflow. For a
1262!--       turbulent inflow the turbulent fluctuations have to be limited
1263!--       vertically because otherwise the turbulent inflow layer will grow
1264!--       in time.
1265          IF ( inflow_damping_height == 9999999.9_wp )  THEN
1266!
1267!--          Default: use the inversion height calculated by the prerun; if
1268!--          this is zero, inflow_damping_height must be explicitly
1269!--          specified.
1270             IF ( hom_sum(nzb+6,pr_palm,0) /= 0.0_wp )  THEN
1271                inflow_damping_height = hom_sum(nzb+6,pr_palm,0)
1272             ELSE
1273                WRITE( message_string, * ) 'inflow_damping_height must be ',   &
1274                     'explicitly specified because&the inversion height ',     &
1275                     'calculated by the prerun is zero.'
1276                CALL message( 'init_3d_model', 'PA0318', 1, 2, 0, 6, 0 )
1277             ENDIF
1278
1279          ENDIF
1280
1281          IF ( inflow_damping_width == 9999999.9_wp )  THEN
1282!
1283!--          Default for the transition range: one tenth of the undamped
1284!--          layer
1285             inflow_damping_width = 0.1_wp * inflow_damping_height
1286
1287          ENDIF
1288
1289          ALLOCATE( inflow_damping_factor(nzb:nzt+1) )
1290
1291          DO  k = nzb, nzt+1
1292
1293             IF ( zu(k) <= inflow_damping_height )  THEN
1294                inflow_damping_factor(k) = 1.0_wp
1295             ELSEIF ( zu(k) <= ( inflow_damping_height + inflow_damping_width ) )  THEN
1296                inflow_damping_factor(k) = 1.0_wp -                            &
1297                                           ( zu(k) - inflow_damping_height ) / &
1298                                           inflow_damping_width
1299             ELSE
1300                inflow_damping_factor(k) = 0.0_wp
1301             ENDIF
1302
1303          ENDDO
1304
1305       ENDIF
1306
1307!
1308!--    Inside buildings set velocities back to zero
1309       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' .AND.                &
1310            topography /= 'flat' )  THEN
1311!
1312!--       Inside buildings set velocities back to zero.
1313!--       Other scalars (pt, q, s, p, sa, ...) are ignored at present,
1314!--       maybe revise later.
1315          DO  i = nxlg, nxrg
1316             DO  j = nysg, nyng
1317                DO  k = nzb, nzt
1318                   u(k,j,i)     = MERGE( u(k,j,i), 0.0_wp,                     &
1319                                      BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 1 ) )
1320                   v(k,j,i)     = MERGE( v(k,j,i), 0.0_wp,                     &
1321                                      BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 2 ) )
1322                   w(k,j,i)     = MERGE( w(k,j,i), 0.0_wp,                     &
1323                                      BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 3 ) )
1324                ENDDO
1325             ENDDO
1326          ENDDO
1327
1328       ENDIF
1329
1330!
1331!--    Calculate initial temperature field and other constants used in case
1332!--    of a sloping surface
1333       IF ( sloping_surface )  CALL init_slope
1334
1335!
1336!--    Initialize new time levels (only done in order to set boundary values
1337!--    including ghost points)
1338       pt_p = pt; u_p = u; v_p = v; w_p = w
1339       IF ( humidity )  THEN
1340          q_p = q
1341       ENDIF
1342       IF ( passive_scalar )  s_p  = s
1343!
1344!--    Allthough tendency arrays are set in prognostic_equations, they have
1345!--    have to be predefined here because they are used (but multiplied with 0)
1346!--    there before they are set.
1347       tpt_m = 0.0_wp; tu_m = 0.0_wp; tv_m = 0.0_wp; tw_m = 0.0_wp
1348       IF ( humidity )  THEN
1349          tq_m = 0.0_wp
1350       ENDIF
1351       IF ( passive_scalar )  ts_m  = 0.0_wp
1352
1353       IF ( debug_output )  CALL debug_message( 'initializing in case of restart / cyclic_fill', 'end' )
1354
1355    ELSE
1356!
1357!--    Actually this part of the programm should not be reached
1358       message_string = 'unknown initializing problem'
1359       CALL message( 'init_3d_model', 'PA0193', 1, 2, 0, 6, 0 )
1360    ENDIF
1361
1362
1363    IF (  TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' )  THEN
1364!
1365!--    Initialize old timelevels needed for radiation boundary conditions
1366       IF ( bc_radiation_l )  THEN
1367          u_m_l(:,:,:) = u(:,:,1:2)
1368          v_m_l(:,:,:) = v(:,:,0:1)
1369          w_m_l(:,:,:) = w(:,:,0:1)
1370       ENDIF
1371       IF ( bc_radiation_r )  THEN
1372          u_m_r(:,:,:) = u(:,:,nx-1:nx)
1373          v_m_r(:,:,:) = v(:,:,nx-1:nx)
1374          w_m_r(:,:,:) = w(:,:,nx-1:nx)
1375       ENDIF
1376       IF ( bc_radiation_s )  THEN
1377          u_m_s(:,:,:) = u(:,0:1,:)
1378          v_m_s(:,:,:) = v(:,1:2,:)
1379          w_m_s(:,:,:) = w(:,0:1,:)
1380       ENDIF
1381       IF ( bc_radiation_n )  THEN
1382          u_m_n(:,:,:) = u(:,ny-1:ny,:)
1383          v_m_n(:,:,:) = v(:,ny-1:ny,:)
1384          w_m_n(:,:,:) = w(:,ny-1:ny,:)
1385       ENDIF
1386       
1387    ENDIF
1388
1389!
1390!-- Calculate the initial volume flow at the right and north boundary
1391    IF ( conserve_volume_flow )  THEN
1392
1393       IF ( use_prescribed_profile_data )  THEN
1394
1395          volume_flow_initial_l = 0.0_wp
1396          volume_flow_area_l    = 0.0_wp
1397
1398          IF ( nxr == nx )  THEN
1399             DO  j = nys, nyn
1400                DO  k = nzb+1, nzt
1401                   volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) +         &
1402                                              u_init(k) * dzw(k)                 &
1403                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                    &
1404                                          BTEST( wall_flags_total_0(k,j,nxr), 1 )&
1405                                            )
1406
1407                   volume_flow_area_l(1)    = volume_flow_area_l(1) + dzw(k)     &
1408                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                    &
1409                                          BTEST( wall_flags_total_0(k,j,nxr), 1 )&
1410                                            )
1411                ENDDO
1412             ENDDO
1413          ENDIF
1414         
1415          IF ( nyn == ny )  THEN
1416             DO  i = nxl, nxr
1417                DO  k = nzb+1, nzt
1418                   volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) +         &
1419                                              v_init(k) * dzw(k)                 &       
1420                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                    &
1421                                          BTEST( wall_flags_total_0(k,nyn,i), 2 )&
1422                                            )
1423                   volume_flow_area_l(2)    = volume_flow_area_l(2) + dzw(k)     &       
1424                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                    &
1425                                          BTEST( wall_flags_total_0(k,nyn,i), 2 )&
1426                                            )
1427                ENDDO
1428             ENDDO
1429          ENDIF
1430
1431#if defined( __parallel )
1432          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_initial_l(1), volume_flow_initial(1),&
1433                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1434          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_area_l(1), volume_flow_area(1),      &
1435                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1436
1437#else
1438          volume_flow_initial = volume_flow_initial_l
1439          volume_flow_area    = volume_flow_area_l
1440#endif 
1441
1442       ELSEIF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  THEN
1443
1444          volume_flow_initial_l = 0.0_wp
1445          volume_flow_area_l    = 0.0_wp
1446
1447          IF ( nxr == nx )  THEN
1448             DO  j = nys, nyn
1449                DO  k = nzb+1, nzt
1450                   volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) +         &
1451                                              hom_sum(k,1,0) * dzw(k)            &
1452                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                    &
1453                                          BTEST( wall_flags_total_0(k,j,nx), 1 ) &
1454                                            )
1455                   volume_flow_area_l(1)    = volume_flow_area_l(1) + dzw(k)     &
1456                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                    &
1457                                          BTEST( wall_flags_total_0(k,j,nx), 1 ) &
1458                                            )
1459                ENDDO
1460             ENDDO
1461          ENDIF
1462         
1463          IF ( nyn == ny )  THEN
1464             DO  i = nxl, nxr
1465                DO  k = nzb+1, nzt
1466                   volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) +         &
1467                                              hom_sum(k,2,0) * dzw(k)            &       
1468                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                    &
1469                                          BTEST( wall_flags_total_0(k,ny,i), 2 ) &
1470                                            )
1471                   volume_flow_area_l(2)    = volume_flow_area_l(2) + dzw(k)     &       
1472                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                    &
1473                                          BTEST( wall_flags_total_0(k,ny,i), 2 ) &
1474                                            )
1475                ENDDO
1476             ENDDO
1477          ENDIF
1478
1479#if defined( __parallel )
1480          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_initial_l(1), volume_flow_initial(1),&
1481                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1482          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_area_l(1), volume_flow_area(1),      &
1483                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1484
1485#else
1486          volume_flow_initial = volume_flow_initial_l
1487          volume_flow_area    = volume_flow_area_l
1488#endif 
1489
1490       ELSEIF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' )  THEN
1491
1492          volume_flow_initial_l = 0.0_wp
1493          volume_flow_area_l    = 0.0_wp
1494
1495          IF ( nxr == nx )  THEN
1496             DO  j = nys, nyn
1497                DO  k = nzb+1, nzt
1498                   volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) +         &
1499                                              u(k,j,nx) * dzw(k)                 &
1500                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                    &
1501                                          BTEST( wall_flags_total_0(k,j,nx), 1 ) &
1502                                            )
1503                   volume_flow_area_l(1)    = volume_flow_area_l(1) + dzw(k)     &
1504                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                    &
1505                                          BTEST( wall_flags_total_0(k,j,nx), 1 ) &
1506                                            )
1507                ENDDO
1508             ENDDO
1509          ENDIF
1510         
1511          IF ( nyn == ny )  THEN
1512             DO  i = nxl, nxr
1513                DO  k = nzb+1, nzt
1514                   volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) +         &
1515                                              v(k,ny,i) * dzw(k)                 &       
1516                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                    &
1517                                          BTEST( wall_flags_total_0(k,ny,i), 2 ) &
1518                                            )
1519                   volume_flow_area_l(2)    = volume_flow_area_l(2) + dzw(k)     &       
1520                                     * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                    &
1521                                          BTEST( wall_flags_total_0(k,ny,i), 2 ) &
1522                                            )
1523                ENDDO
1524             ENDDO
1525          ENDIF
1526
1527#if defined( __parallel )
1528          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_initial_l(1), volume_flow_initial(1),&
1529                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1530          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_area_l(1), volume_flow_area(1),      &
1531                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1532
1533#else
1534          volume_flow_initial = volume_flow_initial_l
1535          volume_flow_area    = volume_flow_area_l
1536#endif 
1537
1538       ENDIF
1539
1540!
1541!--    In case of 'bulk_velocity' mode, volume_flow_initial is calculated
1542!--    from u|v_bulk instead
1543       IF ( TRIM( conserve_volume_flow_mode ) == 'bulk_velocity' )  THEN
1544          volume_flow_initial(1) = u_bulk * volume_flow_area(1)
1545          volume_flow_initial(2) = v_bulk * volume_flow_area(2)
1546       ENDIF
1547
1548    ENDIF
1549!
1550!-- In the following, surface properties can be further initialized with
1551!-- input from static driver file.
1552!-- At the moment this affects only default surfaces. For example,
1553!-- roughness length or sensible / latent heat fluxes can be initialized
1554!-- heterogeneously for default surfaces. Therefore, a generic routine
1555!-- from netcdf_data_input_mod is called to read a 2D array.
1556    IF ( input_pids_static )  THEN
1557!
1558!--    Allocate memory for possible static input
1559       ALLOCATE( tmp_2d%var(nys:nyn,nxl:nxr) )
1560       tmp_2d%var = 0.0_wp
1561!
1562!--    Open the static input file
1563#if defined( __netcdf )
1564       CALL open_read_file( TRIM( input_file_static ) //                    &
1565                            TRIM( coupling_char ),                          &
1566                            pids_id )
1567                           
1568       CALL inquire_num_variables( pids_id, num_var_pids )
1569!
1570!--    Allocate memory to store variable names and read them
1571       ALLOCATE( vars_pids(1:num_var_pids) )
1572       CALL inquire_variable_names( pids_id, vars_pids )
1573!
1574!--    Input roughness length.
1575       IF ( check_existence( vars_pids, 'z0' ) )  THEN
1576!
1577!--       Read _FillValue attribute
1578          CALL get_attribute( pids_id, char_fill, tmp_2d%fill,          &
1579                              .FALSE., 'z0' )                                 
1580!                                                                             
1581!--       Read variable                                                       
1582          CALL get_variable( pids_id, 'z0', tmp_2d%var,                 &
1583                             nxl, nxr, nys, nyn )                             
1584!                                                                             
1585!--       Initialize roughness length. Note, z0 will be only initialized at   
1586!--       default-type surfaces. At natural or urban z0 is implicitly         
1587!--       initialized bythe respective parameter lists.                       
1588!--       Initialize horizontal surface elements.                             
1589          CALL init_single_surface_properties( surf_def_h(0)%z0,               &
1590                                               tmp_2d%var,                     &
1591                                               surf_def_h(0)%ns,               &
1592                                               tmp_2d%fill,                    &
1593                                               surf_def_h(0)%i,                &
1594                                               surf_def_h(0)%j )               
1595!                                                                             
1596!--       Initialize roughness also at vertical surface elements.             
1597!--       Note, the actual 2D input arrays are only defined on the             
1598!--       subdomain. Therefore, pass the index arrays with their respective   
1599!--       offset values.                                                       
1600          DO  l = 0, 3                                                         
1601             CALL init_single_surface_properties(                              &
1602                                         surf_def_v(l)%z0,                     &
1603                                         tmp_2d%var,                           &
1604                                         surf_def_v(l)%ns,                     &
1605                                         tmp_2d%fill,                          &
1606                                         surf_def_v(l)%i + surf_def_v(l)%ioff, &
1607                                         surf_def_v(l)%j + surf_def_v(l)%joff )
1608          ENDDO
1609         
1610       ENDIF
1611!
1612!--    Additional variables, e.g. shf, qsws, etc, can be initialized the
1613!--    same way.
1614                           
1615!
1616!--    Finally, close the input file and deallocate temporary arrays
1617       DEALLOCATE( vars_pids )
1618       
1619       CALL close_input_file( pids_id )
1620#endif
1621       DEALLOCATE( tmp_2d%var )
1622    ENDIF
1623!
1624!-- Finally, if random_heatflux is set, disturb shf at horizontal
1625!-- surfaces. Actually, this should be done in surface_mod, where all other
1626!-- initializations of surface quantities are done. However, this
1627!-- would create a ring dependency, hence, it is done here. Maybe delete
1628!-- disturb_heatflux and tranfer the respective code directly into the
1629!-- initialization in surface_mod.         
1630    IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data'  .AND.            &
1631         TRIM( initializing_actions ) /= 'cyclic_fill' )  THEN
1632 
1633       IF ( use_surface_fluxes  .AND.  constant_heatflux  .AND.                &
1634            random_heatflux )  THEN
1635          IF ( surf_def_h(0)%ns >= 1 )  CALL disturb_heatflux( surf_def_h(0) )
1636          IF ( surf_lsm_h%ns    >= 1 )  CALL disturb_heatflux( surf_lsm_h    )
1637          IF ( surf_usm_h%ns    >= 1 )  CALL disturb_heatflux( surf_usm_h    )
1638       ENDIF
1639    ENDIF
1640
1641!
1642!-- Compute total sum of grid points and the mean surface level height for each
1643!-- statistic region. These are mainly used for horizontal averaging of
1644!-- turbulence statistics.
1645!-- ngp_2dh: number of grid points of a horizontal cross section through the
1646!--          respective statistic region
1647!-- ngp_3d:  number of grid points of the respective statistic region
1648    ngp_2dh_outer_l   = 0
1649    ngp_2dh_outer     = 0
1650    ngp_2dh_s_inner_l = 0
1651    ngp_2dh_s_inner   = 0
1652    ngp_2dh_l         = 0
1653    ngp_2dh           = 0
1654    ngp_3d_inner_l    = 0.0_wp
1655    ngp_3d_inner      = 0
1656    ngp_3d            = 0
1657    ngp_sums          = ( nz + 2 ) * ( pr_palm + max_pr_user )
1658
1659    mean_surface_level_height   = 0.0_wp
1660    mean_surface_level_height_l = 0.0_wp
1661!
1662!-- To do: New concept for these non-topography grid points!
1663    DO  sr = 0, statistic_regions
1664       DO  i = nxl, nxr
1665          DO  j = nys, nyn
1666             IF ( rmask(j,i,sr) == 1.0_wp )  THEN
1667!
1668!--             All xy-grid points
1669                ngp_2dh_l(sr) = ngp_2dh_l(sr) + 1
1670!
1671!--             Determine mean surface-level height. In case of downward-
1672!--             facing walls are present, more than one surface level exist.
1673!--             In this case, use the lowest surface-level height.
1674                IF ( surf_def_h(0)%start_index(j,i) <=                         &
1675                     surf_def_h(0)%end_index(j,i) )  THEN
1676                   m = surf_def_h(0)%start_index(j,i)
1677                   k = surf_def_h(0)%k(m)
1678                   mean_surface_level_height_l(sr) =                           &
1679                                       mean_surface_level_height_l(sr) + zw(k-1)
1680                ENDIF
1681                IF ( surf_lsm_h%start_index(j,i) <=                            &
1682                     surf_lsm_h%end_index(j,i) )  THEN
1683                   m = surf_lsm_h%start_index(j,i)
1684                   k = surf_lsm_h%k(m)
1685                   mean_surface_level_height_l(sr) =                           &
1686                                       mean_surface_level_height_l(sr) + zw(k-1)
1687                ENDIF
1688                IF ( surf_usm_h%start_index(j,i) <=                            &
1689                     surf_usm_h%end_index(j,i) )  THEN
1690                   m = surf_usm_h%start_index(j,i)
1691                   k = surf_usm_h%k(m)
1692                   mean_surface_level_height_l(sr) =                           &
1693                                       mean_surface_level_height_l(sr) + zw(k-1)
1694                ENDIF
1695
1696                k_surf = k - 1
1697
1698                DO  k = nzb, nzt+1
1699!
1700!--                xy-grid points above topography
1701                   ngp_2dh_outer_l(k,sr) = ngp_2dh_outer_l(k,sr)     +         &
1702                             MERGE( 1, 0, BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 24 ) )
1703
1704                   ngp_2dh_s_inner_l(k,sr) = ngp_2dh_s_inner_l(k,sr) +         &
1705                             MERGE( 1, 0, BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 22 ) )
1706
1707                ENDDO
1708!
1709!--             All grid points of the total domain above topography
1710                ngp_3d_inner_l(sr) = ngp_3d_inner_l(sr) + ( nz - k_surf + 2 )
1711
1712
1713
1714             ENDIF
1715          ENDDO
1716       ENDDO
1717    ENDDO
1718
1719    sr = statistic_regions + 1
1720#if defined( __parallel )
1721    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1722    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_l(0), ngp_2dh(0), sr, MPI_INTEGER, MPI_SUM,    &
1723                        comm2d, ierr )
1724    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1725    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_outer_l(0,0), ngp_2dh_outer(0,0), (nz+2)*sr,   &
1726                        MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1727    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1728    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_s_inner_l(0,0), ngp_2dh_s_inner(0,0),          &
1729                        (nz+2)*sr, MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1730    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1731    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_3d_inner_l(0), ngp_3d_inner_tmp(0), sr, MPI_REAL,  &
1732                        MPI_SUM, comm2d, ierr )
1733    ngp_3d_inner = INT( ngp_3d_inner_tmp, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) )
1734    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1735    CALL MPI_ALLREDUCE( mean_surface_level_height_l(0),                        &
1736                        mean_surface_level_height(0), sr, MPI_REAL,            &
1737                        MPI_SUM, comm2d, ierr )
1738    mean_surface_level_height = mean_surface_level_height / REAL( ngp_2dh )
1739#else
1740    ngp_2dh         = ngp_2dh_l
1741    ngp_2dh_outer   = ngp_2dh_outer_l
1742    ngp_2dh_s_inner = ngp_2dh_s_inner_l
1743    ngp_3d_inner    = INT( ngp_3d_inner_l, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) )
1744    mean_surface_level_height = mean_surface_level_height_l / REAL( ngp_2dh_l )
1745#endif
1746
1747    ngp_3d = INT ( ngp_2dh, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) ) * &
1748             INT ( (nz + 2 ), KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) )
1749
1750!
1751!-- Set a lower limit of 1 in order to avoid zero divisions in flow_statistics,
1752!-- buoyancy, etc. A zero value will occur for cases where all grid points of
1753!-- the respective subdomain lie below the surface topography
1754    ngp_2dh_outer   = MAX( 1, ngp_2dh_outer(:,:)   ) 
1755    ngp_3d_inner    = MAX( INT(1, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 )),             &
1756                           ngp_3d_inner(:) )
1757    ngp_2dh_s_inner = MAX( 1, ngp_2dh_s_inner(:,:) ) 
1758
1759    DEALLOCATE( mean_surface_level_height_l, ngp_2dh_l, ngp_2dh_outer_l,       &
1760                ngp_3d_inner_l, ngp_3d_inner_tmp )
1761!
1762!-- Initialize surface forcing corresponding to large-scale forcing. Therein,
1763!-- initialize heat-fluxes, etc. via datatype. Revise it later!
1764    IF ( large_scale_forcing .AND. lsf_surf )  THEN
1765       IF ( use_surface_fluxes  .AND.  constant_heatflux )  THEN
1766          CALL ls_forcing_surf ( simulated_time )
1767       ENDIF
1768    ENDIF
1769!
1770!-- Initializae 3D offline nesting in COSMO model and read data from
1771!-- external NetCDF file.
1772    IF ( nesting_offline )  CALL nesting_offl_init
1773!
1774!-- Initialize quantities for special advections schemes
1775    CALL init_advec
1776
1777!
1778!-- Impose random perturbation on the horizontal velocity field and then
1779!-- remove the divergences from the velocity field at the initial stage
1780    IF ( create_disturbances  .AND.  disturbance_energy_limit /= 0.0_wp  .AND. &
1781         TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data'  .AND.            &
1782         TRIM( initializing_actions ) /= 'cyclic_fill' )  THEN
1783
1784       IF ( debug_output )  CALL debug_message( 'creating disturbances + applying pressure solver', 'start' )
1785!
1786!--    Needed for both disturb_field and pres
1787!$ACC DATA &
1788!$ACC CREATE(tend(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)) &
1789!$ACC COPY(u(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)) &
1790!$ACC COPY(v(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg))
1791
1792       CALL disturb_field( 'u', tend, u )
1793       CALL disturb_field( 'v', tend, v )
1794
1795!$ACC DATA &
1796!$ACC CREATE(d(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr)) &
1797!$ACC COPY(w(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)) &
1798!$ACC COPY(p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)) &
1799!$ACC COPYIN(rho_air(nzb:nzt+1), rho_air_zw(nzb:nzt+1)) &
1800!$ACC COPYIN(ddzu(1:nzt+1), ddzw(1:nzt+1)) &
1801!$ACC COPYIN(wall_flags_total_0(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)) &
1802!$ACC COPYIN(bc_h(0:1)) &
1803!$ACC COPYIN(bc_h(0)%i(1:bc_h(0)%ns)) &
1804!$ACC COPYIN(bc_h(0)%j(1:bc_h(0)%ns)) &
1805!$ACC COPYIN(bc_h(0)%k(1:bc_h(0)%ns)) &
1806!$ACC COPYIN(bc_h(1)%i(1:bc_h(1)%ns)) &
1807!$ACC COPYIN(bc_h(1)%j(1:bc_h(1)%ns)) &
1808!$ACC COPYIN(bc_h(1)%k(1:bc_h(1)%ns))
1809
1810       n_sor = nsor_ini
1811       CALL pres
1812       n_sor = nsor
1813
1814!$ACC END DATA
1815!$ACC END DATA
1816
1817       IF ( debug_output )  CALL debug_message( 'creating disturbances + applying pressure solver', 'end' )
1818
1819    ENDIF
1820
1821    IF ( .NOT. ocean_mode )  THEN
1822
1823       ALLOCATE( hyp(nzb:nzt+1) )
1824       ALLOCATE( d_exner(nzb:nzt+1) )
1825       ALLOCATE( exner(nzb:nzt+1) )
1826       ALLOCATE( hyrho(nzb:nzt+1) )
1827!
1828!--    Check temperature in case of too large domain height
1829       DO  k = nzb, nzt+1
1830          IF ( ( pt_surface * exner_function(surface_pressure * 100.0_wp) - g/c_p * zu(k) ) < 0.0_wp )  THEN
1831             WRITE( message_string, * )  'absolute temperature < 0.0 at zu(', k, &
1832                                         ') = ', zu(k)
1833             CALL message( 'init_3d_model', 'PA0142', 1, 2, 0, 6, 0 )
1834          ENDIF
1835       ENDDO
1836
1837!
1838!--    Calculate vertical profile of the hydrostatic pressure (hyp)
1839       hyp    = barometric_formula(zu, pt_surface * exner_function(surface_pressure * 100.0_wp), surface_pressure * 100.0_wp)
1840       d_exner = exner_function_invers(hyp)
1841       exner = 1.0_wp / exner_function_invers(hyp)
1842       hyrho  = ideal_gas_law_rho_pt(hyp, pt_init)
1843!
1844!--    Compute reference density
1845       rho_surface = ideal_gas_law_rho(surface_pressure * 100.0_wp, pt_surface * exner_function(surface_pressure * 100.0_wp))
1846
1847    ENDIF
1848
1849!
1850!-- If required, initialize particles
1851    IF ( agents_active )  CALL mas_init
1852!
1853!-- Initialization of synthetic turbulence generator
1854    IF ( use_syn_turb_gen )  CALL stg_init
1855!
1856!-- Initializing actions for all other modules
1857    CALL module_interface_init
1858!
1859!-- Initialize surface layer (done after LSM as roughness length are required
1860!-- for initialization
1861    IF ( constant_flux_layer )  CALL init_surface_layer_fluxes
1862!
1863!-- Initialize surface data output
1864    IF ( surface_output )  CALL surface_data_output_init
1865!
1866!-- Initialize the ws-scheme.   
1867    IF ( ws_scheme_sca .OR. ws_scheme_mom )  CALL ws_init
1868!
1869!-- Perform post-initializing checks for all other modules
1870    CALL module_interface_init_checks
1871
1872!
1873!-- Setting weighting factors for calculation of perturbation pressure
1874!-- and turbulent quantities from the RK substeps
1875    IF ( TRIM(timestep_scheme) == 'runge-kutta-3' )  THEN      ! for RK3-method
1876
1877       weight_substep(1) = 1._wp/6._wp
1878       weight_substep(2) = 3._wp/10._wp
1879       weight_substep(3) = 8._wp/15._wp
1880
1881       weight_pres(1)    = 1._wp/3._wp
1882       weight_pres(2)    = 5._wp/12._wp
1883       weight_pres(3)    = 1._wp/4._wp
1884
1885    ELSEIF ( TRIM(timestep_scheme) == 'runge-kutta-2' )  THEN  ! for RK2-method
1886
1887       weight_substep(1) = 1._wp/2._wp
1888       weight_substep(2) = 1._wp/2._wp
1889         
1890       weight_pres(1)    = 1._wp/2._wp
1891       weight_pres(2)    = 1._wp/2._wp       
1892
1893    ELSE                                     ! for Euler-method
1894
1895       weight_substep(1) = 1.0_wp     
1896       weight_pres(1)    = 1.0_wp                   
1897
1898    ENDIF
1899
1900!
1901!-- Initialize Rayleigh damping factors
1902    rdf    = 0.0_wp
1903    rdf_sc = 0.0_wp
1904    IF ( rayleigh_damping_factor /= 0.0_wp )  THEN
1905
1906       IF (  .NOT.  ocean_mode )  THEN
1907          DO  k = nzb+1, nzt
1908             IF ( zu(k) >= rayleigh_damping_height )  THEN
1909                rdf(k) = rayleigh_damping_factor *                             &
1910                      ( SIN( pi * 0.5_wp * ( zu(k) - rayleigh_damping_height ) &
1911                             / ( zu(nzt) - rayleigh_damping_height ) )         &
1912                      )**2
1913             ENDIF
1914          ENDDO
1915       ELSE
1916!
1917!--       In ocean mode, rayleigh damping is applied in the lower part of the
1918!--       model domain
1919          DO  k = nzt, nzb+1, -1
1920             IF ( zu(k) <= rayleigh_damping_height )  THEN
1921                rdf(k) = rayleigh_damping_factor *                             &
1922                      ( SIN( pi * 0.5_wp * ( rayleigh_damping_height - zu(k) ) &
1923                             / ( rayleigh_damping_height - zu(nzb+1) ) )       &
1924                      )**2
1925             ENDIF
1926          ENDDO
1927       ENDIF
1928
1929    ENDIF
1930    IF ( scalar_rayleigh_damping )  rdf_sc = rdf
1931
1932!
1933!-- Initialize the starting level and the vertical smoothing factor used for
1934!-- the external pressure gradient
1935    dp_smooth_factor = 1.0_wp
1936    IF ( dp_external )  THEN
1937!
1938!--    Set the starting level dp_level_ind_b only if it has not been set before
1939!--    (e.g. in init_grid).
1940       IF ( dp_level_ind_b == 0 )  THEN
1941          ind_array = MINLOC( ABS( dp_level_b - zu ) )
1942          dp_level_ind_b = ind_array(1) - 1 + nzb
1943                                        ! MINLOC uses lower array bound 1
1944       ENDIF
1945       IF ( dp_smooth )  THEN
1946          dp_smooth_factor(:dp_level_ind_b) = 0.0_wp
1947          DO  k = dp_level_ind_b+1, nzt
1948             dp_smooth_factor(k) = 0.5_wp * ( 1.0_wp + SIN( pi *               &
1949                        ( REAL( k - dp_level_ind_b, KIND=wp ) /                &
1950                          REAL( nzt - dp_level_ind_b, KIND=wp ) - 0.5_wp ) ) )
1951          ENDDO
1952       ENDIF
1953    ENDIF
1954
1955!
1956!-- Initialize damping zone for the potential temperature in case of
1957!-- non-cyclic lateral boundaries. The damping zone has the maximum value
1958!-- at the inflow boundary and decreases to zero at pt_damping_width.
1959    ptdf_x = 0.0_wp
1960    ptdf_y = 0.0_wp
1961    IF ( bc_lr_dirrad )  THEN
1962       DO  i = nxl, nxr
1963          IF ( ( i * dx ) < pt_damping_width )  THEN
1964             ptdf_x(i) = pt_damping_factor * ( SIN( pi * 0.5_wp *              &
1965                            REAL( pt_damping_width - i * dx, KIND=wp ) / (     &
1966                            REAL( pt_damping_width, KIND=wp ) ) ) )**2 
1967          ENDIF
1968       ENDDO
1969    ELSEIF ( bc_lr_raddir )  THEN
1970       DO  i = nxl, nxr
1971          IF ( ( i * dx ) > ( nx * dx - pt_damping_width ) )  THEN
1972             ptdf_x(i) = pt_damping_factor *                                   &
1973                         SIN( pi * 0.5_wp *                                    &
1974                                 ( ( i - nx ) * dx + pt_damping_width ) /      &
1975                                 REAL( pt_damping_width, KIND=wp ) )**2
1976          ENDIF
1977       ENDDO
1978    ELSEIF ( bc_ns_dirrad )  THEN
1979       DO  j = nys, nyn
1980          IF ( ( j * dy ) > ( ny * dy - pt_damping_width ) )  THEN
1981             ptdf_y(j) = pt_damping_factor *                                   &
1982                         SIN( pi * 0.5_wp *                                    &
1983                                 ( ( j - ny ) * dy + pt_damping_width ) /      &
1984                                 REAL( pt_damping_width, KIND=wp ) )**2
1985          ENDIF
1986       ENDDO
1987    ELSEIF ( bc_ns_raddir )  THEN
1988       DO  j = nys, nyn
1989          IF ( ( j * dy ) < pt_damping_width )  THEN
1990             ptdf_y(j) = pt_damping_factor *                                   &
1991                         SIN( pi * 0.5_wp *                                    &
1992                                ( pt_damping_width - j * dy ) /                &
1993                                REAL( pt_damping_width, KIND=wp ) )**2
1994          ENDIF
1995       ENDDO
1996    ENDIF
1997
1998!
1999!-- Input binary data file is not needed anymore. This line must be placed
2000!-- after call of user_init!
2001    CALL close_file( 13 )
2002!
2003!-- In case of nesting, put an barrier to assure that all parent and child
2004!-- domains finished initialization.
2005#if defined( __parallel )
2006    IF ( nested_run )  CALL MPI_BARRIER( MPI_COMM_WORLD, ierr )
2007#endif
2008
2009
2010    CALL location_message( 'model initialization', 'finished' )
2011
2012 END SUBROUTINE init_3d_model
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.