source: palm/trunk/SOURCE/init_3d_model.f90 @ 486

Last change on this file since 486 was 486, checked in by raasch, 12 years ago

last commit documented

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 56.1 KB
Line 
1#if defined( __ibmy_special )
2@PROCESS NOOPTimize
3#endif
4 SUBROUTINE init_3d_model
5
6!------------------------------------------------------------------------------!
7! Current revisions:
8! -----------------
9!
10!
11! Former revisions:
12! -----------------
13! $Id: init_3d_model.f90 486 2010-02-05 11:03:41Z raasch $
14!
15! 485 2010-02-05 10:57:51Z raasch
16! calculation of ngp_3d + ngp_3d_inner changed because they have now 64 bit
17!
18! 407 2009-12-01 15:01:15Z maronga
19! var_ts is replaced by dots_max
20! Enabled passive scalar/humidity wall fluxes for non-flat topography
21!
22! 388 2009-09-23 09:40:33Z raasch
23! Initialization of prho added.
24! bugfix: correction of initial volume flow for non-flat topography
25! bugfix: zero initialization of arrays within buildings for 'cyclic_fill'
26! bugfix: avoid that ngp_2dh_s_inner becomes zero
27! initializing_actions='read_data_for_recycling' renamed to 'cyclic_fill', now
28! independent of turbulent_inflow
29! Output of messages replaced by message handling routine.
30! Set the starting level and the vertical smoothing factor used for
31! the external pressure gradient
32! +conserve_volume_flow_mode: 'default', 'initial_profiles', 'inflow_profile'
33! and 'bulk_velocity'
34! If the inversion height calculated by the prerun is zero,
35! inflow_damping_height must be explicitly specified.
36!
37! 181 2008-07-30 07:07:47Z raasch
38! bugfix: zero assignments to tendency arrays in case of restarts,
39! further extensions and modifications in the initialisation of the plant
40! canopy model,
41! allocation of hom_sum moved to parin, initialization of spectrum_x|y directly
42! after allocating theses arrays,
43! read data for recycling added as new initialization option,
44! dummy allocation for diss
45!
46! 138 2007-11-28 10:03:58Z letzel
47! New counter ngp_2dh_s_inner.
48! Allow new case bc_uv_t = 'dirichlet_0' for channel flow.
49! Corrected calculation of initial volume flow for 'set_1d-model_profiles' and
50! 'set_constant_profiles' in case of buildings in the reference cross-sections.
51!
52! 108 2007-08-24 15:10:38Z letzel
53! Flux initialization in case of coupled runs, +momentum fluxes at top boundary,
54! +arrays for phase speed c_u, c_v, c_w, indices for u|v|w_m_l|r changed
55! +qswst_remote in case of atmosphere model with humidity coupled to ocean
56! Rayleigh damping for ocean, optionally calculate km and kh from initial
57! TKE e_init
58!
59! 97 2007-06-21 08:23:15Z raasch
60! Initialization of salinity, call of init_ocean
61!
62! 87 2007-05-22 15:46:47Z raasch
63! var_hom and var_sum renamed pr_palm
64!
65! 75 2007-03-22 09:54:05Z raasch
66! Arrays for radiation boundary conditions are allocated (u_m_l, u_m_r, etc.),
67! bugfix for cases with the outflow damping layer extending over more than one
68! subdomain, moisture renamed humidity,
69! new initializing action "by_user" calls user_init_3d_model,
70! precipitation_amount/rate, ts_value are allocated, +module netcdf_control,
71! initial velocities at nzb+1 are regarded for volume
72! flow control in case they have been set zero before (to avoid small timesteps)
73! -uvmean_outflow, uxrp, vynp eliminated
74!
75! 19 2007-02-23 04:53:48Z raasch
76! +handling of top fluxes
77!
78! RCS Log replace by Id keyword, revision history cleaned up
79!
80! Revision 1.49  2006/08/22 15:59:07  raasch
81! No optimization of this file on the ibmy (Yonsei Univ.)
82!
83! Revision 1.1  1998/03/09 16:22:22  raasch
84! Initial revision
85!
86!
87! Description:
88! ------------
89! Allocation of arrays and initialization of the 3D model via
90! a) pre-run the 1D model
91! or
92! b) pre-set constant linear profiles
93! or
94! c) read values of a previous run
95!------------------------------------------------------------------------------!
96
97    USE arrays_3d
98    USE averaging
99    USE cloud_parameters
100    USE constants
101    USE control_parameters
102    USE cpulog
103    USE indices
104    USE interfaces
105    USE model_1d
106    USE netcdf_control
107    USE particle_attributes
108    USE pegrid
109    USE profil_parameter
110    USE random_function_mod
111    USE statistics
112
113    IMPLICIT NONE
114
115    INTEGER ::  i, ind_array(1), j, k, sr
116
117    INTEGER, DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  ngp_2dh_l
118
119    INTEGER, DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  ngp_2dh_outer_l,  &
120         ngp_2dh_s_inner_l
121
122    REAL ::  a, b
123
124    REAL, DIMENSION(1:2) ::  volume_flow_area_l, volume_flow_initial_l
125
126    REAL, DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  ngp_3d_inner_l, ngp_3d_inner_tmp
127
128
129!
130!-- Allocate arrays
131    ALLOCATE( ngp_2dh(0:statistic_regions), ngp_2dh_l(0:statistic_regions), &
132              ngp_3d(0:statistic_regions),                                  &
133              ngp_3d_inner(0:statistic_regions),                            &
134              ngp_3d_inner_l(0:statistic_regions),                          &
135              ngp_3d_inner_tmp(0:statistic_regions),                        &
136              sums_divnew_l(0:statistic_regions),                           &
137              sums_divold_l(0:statistic_regions) )
138    ALLOCATE( dp_smooth_factor(nzb:nzt), rdf(nzb+1:nzt) )
139    ALLOCATE( ngp_2dh_outer(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                 &
140              ngp_2dh_outer_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),               &
141              ngp_2dh_s_inner(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),               &
142              ngp_2dh_s_inner_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),             &
143              rmask(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1,0:statistic_regions),           &
144              sums(nzb:nzt+1,pr_palm+max_pr_user),                          &
145              sums_l(nzb:nzt+1,pr_palm+max_pr_user,0:threads_per_task-1),   &
146              sums_l_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions,0:threads_per_task-1), &
147              sums_up_fraction_l(10,3,0:statistic_regions),                 &
148              sums_wsts_bc_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                &
149              ts_value(dots_max,0:statistic_regions) )
150    ALLOCATE( km_damp_x(nxl-1:nxr+1), km_damp_y(nys-1:nyn+1) )
151
152    ALLOCATE( rif_1(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), shf_1(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
153              ts(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), tswst_1(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),  &
154              us(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), usws_1(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),   &
155              uswst_1(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),                               &
156              vsws_1(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),                                &
157              vswst_1(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), z0(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
158
159    IF ( timestep_scheme(1:5) /= 'runge' )  THEN
160!
161!--    Leapfrog scheme needs two timelevels of diffusion quantities
162       ALLOCATE( rif_2(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),   &
163                 shf_2(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),   &
164                 tswst_2(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
165                 usws_2(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),  &
166                 uswst_2(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
167                 vswst_2(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
168                 vsws_2(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
169    ENDIF
170
171    ALLOCATE( d(nzb+1:nzta,nys:nyna,nxl:nxra),         &
172              e_1(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),  &
173              e_2(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),  &
174              e_3(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),  &
175              kh_1(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
176              km_1(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
177              p(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),    &
178              pt_1(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
179              pt_2(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
180              pt_3(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
181              tend(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
182              u_1(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),  &
183              u_2(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),  &
184              u_3(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),  &
185              v_1(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
186              v_2(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
187              v_3(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
188              w_1(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),  &
189              w_2(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),  &
190              w_3(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
191
192    IF ( timestep_scheme(1:5) /= 'runge' )  THEN
193       ALLOCATE( kh_2(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
194                 km_2(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
195    ENDIF
196
197    IF ( humidity  .OR.  passive_scalar ) THEN
198!
199!--    2D-humidity/scalar arrays
200       ALLOCATE ( qs(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),     &
201                  qsws_1(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
202                  qswst_1(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
203
204       IF ( timestep_scheme(1:5) /= 'runge' )  THEN
205          ALLOCATE( qsws_2(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
206                    qswst_2(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
207       ENDIF
208!
209!--    3D-humidity/scalar arrays
210       ALLOCATE( q_1(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
211                 q_2(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
212                 q_3(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
213
214!
215!--    3D-arrays needed for humidity only
216       IF ( humidity )  THEN
217          ALLOCATE( vpt_1(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
218
219          IF ( timestep_scheme(1:5) /= 'runge' )  THEN
220             ALLOCATE( vpt_2(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
221          ENDIF
222
223          IF ( cloud_physics ) THEN
224!
225!--          Liquid water content
226             ALLOCATE ( ql_1(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
227!
228!--          Precipitation amount and rate (only needed if output is switched)
229             ALLOCATE( precipitation_amount(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
230                       precipitation_rate(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
231          ENDIF
232
233          IF ( cloud_droplets )  THEN
234!
235!--          Liquid water content, change in liquid water content,
236!--          real volume of particles (with weighting), volume of particles
237             ALLOCATE ( ql_1(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
238                        ql_2(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
239                        ql_v(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
240                        ql_vp(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
241          ENDIF
242
243       ENDIF
244
245    ENDIF
246
247    IF ( ocean )  THEN
248       ALLOCATE( saswsb_1(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
249                 saswst_1(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
250       ALLOCATE( prho_1(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
251                 rho_1(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),  &
252                 sa_1(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),   &
253                 sa_2(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),   &
254                 sa_3(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
255       prho => prho_1
256       rho  => rho_1  ! routines calc_mean_profile and diffusion_e require
257                      ! density to be apointer
258       IF ( humidity_remote )  THEN
259          ALLOCATE( qswst_remote(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
260          qswst_remote = 0.0
261       ENDIF
262    ENDIF
263
264!
265!-- 3D-array for storing the dissipation, needed for calculating the sgs
266!-- particle velocities
267    IF ( use_sgs_for_particles )  THEN
268       ALLOCATE ( diss(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
269    ELSE
270       ALLOCATE ( diss(2,2,2) )  ! required because diss is used as a
271                                 ! formal parameter
272    ENDIF
273
274    IF ( dt_dosp /= 9999999.9 )  THEN
275       ALLOCATE( spectrum_x( 1:nx/2, 1:10, 1:10 ), &
276                 spectrum_y( 1:ny/2, 1:10, 1:10 ) )
277       spectrum_x = 0.0
278       spectrum_y = 0.0
279    ENDIF
280
281!
282!-- 3D-arrays for the leaf area density and the canopy drag coefficient
283    IF ( plant_canopy ) THEN
284       ALLOCATE ( lad_s(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),  &
285                  lad_u(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),  &
286                  lad_v(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),  &
287                  lad_w(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),  &
288                  cdc(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
289
290       IF ( passive_scalar ) THEN
291          ALLOCATE ( sls(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),   &
292                     sec(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) ) 
293       ENDIF
294
295       IF ( cthf /= 0.0 ) THEN
296          ALLOCATE ( lai(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),   &
297                     canopy_heat_flux(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
298       ENDIF
299
300    ENDIF
301
302!
303!-- 4D-array for storing the Rif-values at vertical walls
304    IF ( topography /= 'flat' )  THEN
305       ALLOCATE( rif_wall(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1,1:4) )
306       rif_wall = 0.0
307    ENDIF
308
309!
310!-- Velocities at nzb+1 needed for volume flow control
311    IF ( conserve_volume_flow )  THEN
312       ALLOCATE( u_nzb_p1_for_vfc(nys:nyn), v_nzb_p1_for_vfc(nxl:nxr) )
313       u_nzb_p1_for_vfc = 0.0
314       v_nzb_p1_for_vfc = 0.0
315    ENDIF
316
317!
318!-- Arrays to store velocity data from t-dt and the phase speeds which
319!-- are needed for radiation boundary conditions
320    IF ( outflow_l )  THEN
321       ALLOCATE( u_m_l(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,1:2), &
322                 v_m_l(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,0:1), &
323                 w_m_l(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,0:1) )
324    ENDIF
325    IF ( outflow_r )  THEN
326       ALLOCATE( u_m_r(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nx-1:nx), &
327                 v_m_r(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nx-1:nx), &
328                 w_m_r(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nx-1:nx) )
329    ENDIF
330    IF ( outflow_l  .OR.  outflow_r )  THEN
331       ALLOCATE( c_u(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1), c_v(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1), &
332                 c_w(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1) )
333    ENDIF
334    IF ( outflow_s )  THEN
335       ALLOCATE( u_m_s(nzb:nzt+1,0:1,nxl-1:nxr+1), &
336                 v_m_s(nzb:nzt+1,1:2,nxl-1:nxr+1), &
337                 w_m_s(nzb:nzt+1,0:1,nxl-1:nxr+1) )
338    ENDIF
339    IF ( outflow_n )  THEN
340       ALLOCATE( u_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny,nxl-1:nxr+1), &
341                 v_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny,nxl-1:nxr+1), &
342                 w_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny,nxl-1:nxr+1) )
343    ENDIF
344    IF ( outflow_s  .OR.  outflow_n )  THEN
345       ALLOCATE( c_u(nzb:nzt+1,nxl-1:nxr+1), c_v(nzb:nzt+1,nxl-1:nxr+1), &
346                 c_w(nzb:nzt+1,nxl-1:nxr+1) )
347    ENDIF
348
349!
350!-- Initial assignment of the pointers
351    IF ( timestep_scheme(1:5) /= 'runge' )  THEN
352
353       rif_m   => rif_1;    rif   => rif_2
354       shf_m   => shf_1;    shf   => shf_2
355       tswst_m => tswst_1;  tswst => tswst_2
356       usws_m  => usws_1;   usws  => usws_2
357       uswst_m => uswst_1;  uswst => uswst_2
358       vsws_m  => vsws_1;   vsws  => vsws_2
359       vswst_m => vswst_1;  vswst => vswst_2
360       e_m  => e_1;   e  => e_2;   e_p  => e_3;   te_m  => e_3
361       kh_m => kh_1;  kh => kh_2
362       km_m => km_1;  km => km_2
363       pt_m => pt_1;  pt => pt_2;  pt_p => pt_3;  tpt_m => pt_3
364       u_m  => u_1;   u  => u_2;   u_p  => u_3;   tu_m  => u_3
365       v_m  => v_1;   v  => v_2;   v_p  => v_3;   tv_m  => v_3
366       w_m  => w_1;   w  => w_2;   w_p  => w_3;   tw_m  => w_3
367
368       IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
369          qsws_m  => qsws_1;   qsws  => qsws_2
370          qswst_m => qswst_1;  qswst => qswst_2
371          q_m    => q_1;     q    => q_2;     q_p => q_3;     tq_m => q_3
372          IF ( humidity )        vpt_m  => vpt_1;   vpt  => vpt_2
373          IF ( cloud_physics )   ql   => ql_1
374          IF ( cloud_droplets )  THEN
375             ql   => ql_1
376             ql_c => ql_2
377          ENDIF
378       ENDIF
379
380    ELSE
381
382       rif   => rif_1
383       shf   => shf_1
384       tswst => tswst_1
385       usws  => usws_1
386       uswst => uswst_1
387       vsws  => vsws_1
388       vswst => vswst_1
389       e     => e_1;   e_p  => e_2;   te_m  => e_3;   e_m  => e_3
390       kh    => kh_1
391       km    => km_1
392       pt    => pt_1;  pt_p => pt_2;  tpt_m => pt_3;  pt_m => pt_3
393       u     => u_1;   u_p  => u_2;   tu_m  => u_3;   u_m  => u_3
394       v     => v_1;   v_p  => v_2;   tv_m  => v_3;   v_m  => v_3
395       w     => w_1;   w_p  => w_2;   tw_m  => w_3;   w_m  => w_3
396
397       IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
398          qsws   => qsws_1
399          qswst  => qswst_1
400          q      => q_1;     q_p  => q_2;     tq_m  => q_3;    q_m => q_3
401          IF ( humidity )        vpt  => vpt_1
402          IF ( cloud_physics )   ql   => ql_1
403          IF ( cloud_droplets )  THEN
404             ql   => ql_1
405             ql_c => ql_2
406          ENDIF
407       ENDIF
408
409       IF ( ocean )  THEN
410          saswsb => saswsb_1
411          saswst => saswst_1
412          sa     => sa_1;    sa_p => sa_2;    tsa_m => sa_3
413       ENDIF
414
415    ENDIF
416
417!
418!-- Initialize model variables
419    IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data'  .AND.  &
420         TRIM( initializing_actions ) /= 'cyclic_fill' )  THEN
421!
422!--    First model run of a possible job queue.
423!--    Initial profiles of the variables must be computes.
424       IF ( INDEX( initializing_actions, 'set_1d-model_profiles' ) /= 0 )  THEN
425!
426!--       Use solutions of the 1D model as initial profiles,
427!--       start 1D model
428          CALL init_1d_model
429!
430!--       Transfer initial profiles to the arrays of the 3D model
431          DO  i = nxl-1, nxr+1
432             DO  j = nys-1, nyn+1
433                e(:,j,i)  = e1d
434                kh(:,j,i) = kh1d
435                km(:,j,i) = km1d
436                pt(:,j,i) = pt_init
437                u(:,j,i)  = u1d
438                v(:,j,i)  = v1d
439             ENDDO
440          ENDDO
441
442          IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
443             DO  i = nxl-1, nxr+1
444                DO  j = nys-1, nyn+1
445                   q(:,j,i) = q_init
446                ENDDO
447             ENDDO
448          ENDIF
449
450          IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
451             DO  i = nxl-1, nxr+1
452                DO  j = nys-1, nyn+1
453                   e(:,j,i)  = e1d
454                ENDDO
455             ENDDO
456!
457!--          Store initial profiles for output purposes etc.
458             hom(:,1,25,:) = SPREAD( l1d, 2, statistic_regions+1 )
459
460             IF ( prandtl_layer )  THEN
461                rif  = rif1d(nzb+1)
462                ts   = 0.0  ! could actually be computed more accurately in the
463                            ! 1D model. Update when opportunity arises.
464                us   = us1d
465                usws = usws1d
466                vsws = vsws1d
467             ELSE
468                ts   = 0.0  ! must be set, because used in
469                rif  = 0.0  ! flowste
470                us   = 0.0
471                usws = 0.0
472                vsws = 0.0
473             ENDIF
474
475          ELSE
476             e    = 0.0  ! must be set, because used in
477             rif  = 0.0  ! flowste
478             ts   = 0.0
479             us   = 0.0
480             usws = 0.0
481             vsws = 0.0
482          ENDIF
483          uswst = top_momentumflux_u
484          vswst = top_momentumflux_v
485
486!
487!--       In every case qs = 0.0 (see also pt)
488!--       This could actually be computed more accurately in the 1D model.
489!--       Update when opportunity arises!
490          IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  qs = 0.0
491
492!
493!--       inside buildings set velocities back to zero
494          IF ( topography /= 'flat' )  THEN
495             DO  i = nxl-1, nxr+1
496                DO  j = nys-1, nyn+1
497                   u(nzb:nzb_u_inner(j,i),j,i) = 0.0
498                   v(nzb:nzb_v_inner(j,i),j,i) = 0.0
499                ENDDO
500             ENDDO
501             IF ( conserve_volume_flow )  THEN
502                IF ( nxr == nx )  THEN
503                   DO  j = nys, nyn
504                      DO  k = nzb + 1, nzb_u_inner(j,nx)
505                         u_nzb_p1_for_vfc(j) = u_nzb_p1_for_vfc(j) + &
506                                               u1d(k) * dzu(k)
507                      ENDDO
508                   ENDDO
509                ENDIF
510                IF ( nyn == ny )  THEN
511                   DO  i = nxl, nxr
512                      DO  k = nzb + 1, nzb_v_inner(ny,i)
513                         v_nzb_p1_for_vfc(i) = v_nzb_p1_for_vfc(i) + &
514                                               v1d(k) * dzu(k)
515                      ENDDO
516                   ENDDO
517                ENDIF
518             ENDIF
519!
520!--          WARNING: The extra boundary conditions set after running the
521!--          -------  1D model impose an error on the divergence one layer
522!--                   below the topography; need to correct later
523!--          ATTENTION: Provisional correction for Piacsek & Williams
524!--          ---------  advection scheme: keep u and v zero one layer below
525!--                     the topography.
526             IF ( ibc_uv_b == 0 )  THEN
527!
528!--             Satisfying the Dirichlet condition with an extra layer below
529!--             the surface where the u and v component change their sign.
530                DO  i = nxl-1, nxr+1
531                   DO  j = nys-1, nyn+1
532                      IF ( nzb_u_inner(j,i) == 0 ) u(0,j,i) = -u(1,j,i)
533                      IF ( nzb_v_inner(j,i) == 0 ) v(0,j,i) = -v(1,j,i)
534                   ENDDO
535                ENDDO
536
537             ELSE
538!
539!--             Neumann condition
540                DO  i = nxl-1, nxr+1
541                   DO  j = nys-1, nyn+1
542                      IF ( nzb_u_inner(j,i) == 0 ) u(0,j,i) = u(1,j,i)
543                      IF ( nzb_v_inner(j,i) == 0 ) v(0,j,i) = v(1,j,i)
544                   ENDDO
545                ENDDO
546
547             ENDIF
548
549          ENDIF
550
551       ELSEIF ( INDEX(initializing_actions, 'set_constant_profiles') /= 0 ) &
552       THEN
553!
554!--       Use constructed initial profiles (velocity constant with height,
555!--       temperature profile with constant gradient)
556          DO  i = nxl-1, nxr+1
557             DO  j = nys-1, nyn+1
558                pt(:,j,i) = pt_init
559                u(:,j,i)  = u_init
560                v(:,j,i)  = v_init
561             ENDDO
562          ENDDO
563
564!
565!--       Set initial horizontal velocities at the lowest computational grid
566!--       levels to zero in order to avoid too small time steps caused by the
567!--       diffusion limit in the initial phase of a run (at k=1, dz/2 occurs
568!--       in the limiting formula!). The original values are stored to be later
569!--       used for volume flow control.
570          DO  i = nxl-1, nxr+1
571             DO  j = nys-1, nyn+1
572                u(nzb:nzb_u_inner(j,i)+1,j,i) = 0.0
573                v(nzb:nzb_v_inner(j,i)+1,j,i) = 0.0
574             ENDDO
575          ENDDO
576          IF ( conserve_volume_flow )  THEN
577             IF ( nxr == nx )  THEN
578                DO  j = nys, nyn
579                   DO  k = nzb + 1, nzb_u_inner(j,nx) + 1
580                      u_nzb_p1_for_vfc(j) = u_nzb_p1_for_vfc(j) + &
581                                            u_init(k) * dzu(k)
582                   ENDDO
583                ENDDO
584             ENDIF
585             IF ( nyn == ny )  THEN
586                DO  i = nxl, nxr
587                   DO  k = nzb + 1, nzb_v_inner(ny,i) + 1
588                      v_nzb_p1_for_vfc(i) = v_nzb_p1_for_vfc(i) + &
589                                            v_init(k) * dzu(k)
590                   ENDDO
591                ENDDO
592             ENDIF
593          ENDIF
594
595          IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
596             DO  i = nxl-1, nxr+1
597                DO  j = nys-1, nyn+1
598                   q(:,j,i) = q_init
599                ENDDO
600             ENDDO
601          ENDIF
602
603          IF ( ocean )  THEN
604             DO  i = nxl-1, nxr+1
605                DO  j = nys-1, nyn+1
606                   sa(:,j,i) = sa_init
607                ENDDO
608             ENDDO
609          ENDIF
610         
611          IF ( constant_diffusion )  THEN
612             km   = km_constant
613             kh   = km / prandtl_number
614             e    = 0.0
615          ELSEIF ( e_init > 0.0 )  THEN
616             DO  k = nzb+1, nzt
617                km(k,:,:) = 0.1 * l_grid(k) * SQRT( e_init )
618             ENDDO
619             km(nzb,:,:)   = km(nzb+1,:,:)
620             km(nzt+1,:,:) = km(nzt,:,:)
621             kh   = km / prandtl_number
622             e    = e_init
623          ELSE
624             IF ( .NOT. ocean )  THEN
625                kh   = 0.01   ! there must exist an initial diffusion, because
626                km   = 0.01   ! otherwise no TKE would be produced by the
627                              ! production terms, as long as not yet
628                              ! e = (u*/cm)**2 at k=nzb+1
629             ELSE
630                kh   = 0.00001
631                km   = 0.00001
632             ENDIF
633             e    = 0.0
634          ENDIF
635          rif   = 0.0
636          ts    = 0.0
637          us    = 0.0
638          usws  = 0.0
639          uswst = top_momentumflux_u
640          vsws  = 0.0
641          vswst = top_momentumflux_v
642          IF ( humidity  .OR.  passive_scalar ) qs = 0.0
643
644!
645!--       Compute initial temperature field and other constants used in case
646!--       of a sloping surface
647          IF ( sloping_surface )  CALL init_slope
648
649       ELSEIF ( INDEX(initializing_actions, 'by_user') /= 0 ) &
650       THEN
651!
652!--       Initialization will completely be done by the user
653          CALL user_init_3d_model
654
655       ENDIF
656
657!
658!--    Apply channel flow boundary condition
659       IF ( TRIM( bc_uv_t ) == 'dirichlet_0' )  THEN
660
661          u(nzt+1,:,:) = 0.0
662          v(nzt+1,:,:) = 0.0
663
664!--       For the Dirichlet condition to be correctly applied at the top, set
665!--       ug and vg to zero there
666          ug(nzt+1)    = 0.0
667          vg(nzt+1)    = 0.0
668
669       ENDIF
670
671!
672!--    Calculate virtual potential temperature
673       IF ( humidity ) vpt = pt * ( 1.0 + 0.61 * q )
674
675!
676!--    Store initial profiles for output purposes etc.
677       hom(:,1,5,:) = SPREAD( u(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
678       hom(:,1,6,:) = SPREAD( v(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
679       IF ( ibc_uv_b == 0 )  THEN
680          hom(nzb,1,5,:) = -hom(nzb+1,1,5,:)  ! due to satisfying the Dirichlet
681          hom(nzb,1,6,:) = -hom(nzb+1,1,6,:)  ! condition with an extra layer
682              ! below the surface where the u and v component change their sign
683       ENDIF
684       hom(:,1,7,:)  = SPREAD( pt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
685       hom(:,1,23,:) = SPREAD( km(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
686       hom(:,1,24,:) = SPREAD( kh(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
687
688       IF ( ocean )  THEN
689!
690!--       Store initial salinity profile
691          hom(:,1,26,:)  = SPREAD( sa(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
692       ENDIF
693
694       IF ( humidity )  THEN
695!
696!--       Store initial profile of total water content, virtual potential
697!--       temperature
698          hom(:,1,26,:) = SPREAD(   q(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
699          hom(:,1,29,:) = SPREAD( vpt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
700          IF ( cloud_physics  .OR.  cloud_droplets ) THEN
701!
702!--          Store initial profile of specific humidity and potential
703!--          temperature
704             hom(:,1,27,:) = SPREAD(  q(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
705             hom(:,1,28,:) = SPREAD( pt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
706          ENDIF
707       ENDIF
708
709       IF ( passive_scalar )  THEN
710!
711!--       Store initial scalar profile
712          hom(:,1,26,:) = SPREAD(  q(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
713       ENDIF
714
715!
716!--    Initialize fluxes at bottom surface
717       IF ( use_surface_fluxes )  THEN
718
719          IF ( constant_heatflux )  THEN
720!
721!--          Heat flux is prescribed
722             IF ( random_heatflux )  THEN
723                CALL disturb_heatflux
724             ELSE
725                shf = surface_heatflux
726!
727!--             Over topography surface_heatflux is replaced by wall_heatflux(0)
728                IF ( TRIM( topography ) /= 'flat' )  THEN
729                   DO  i = nxl-1, nxr+1
730                      DO  j = nys-1, nyn+1
731                         IF ( nzb_s_inner(j,i) /= 0 )  THEN
732                            shf(j,i) = wall_heatflux(0)
733                         ENDIF
734                      ENDDO
735                   ENDDO
736                ENDIF
737             ENDIF
738             IF ( ASSOCIATED( shf_m ) )  shf_m = shf
739          ENDIF
740
741!
742!--       Determine the near-surface water flux
743          IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
744             IF ( constant_waterflux )  THEN
745                qsws   = surface_waterflux
746!
747!--             Over topography surface_waterflux is replaced by
748!--             wall_humidityflux(0)
749                IF ( TRIM( topography ) /= 'flat' )  THEN
750                   wall_qflux = wall_humidityflux
751                   DO  i = nxl-1, nxr+1
752                      DO  j = nys-1, nyn+1
753                         IF ( nzb_s_inner(j,i) /= 0 )  THEN
754                            qsws(j,i) = wall_qflux(0)
755                         ENDIF
756                      ENDDO
757                   ENDDO
758                ENDIF
759                IF ( ASSOCIATED( qsws_m ) )  qsws_m = qsws
760             ENDIF
761          ENDIF
762
763       ENDIF
764
765!
766!--    Initialize fluxes at top surface
767!--    Currently, only the heatflux and salinity flux can be prescribed.
768!--    The latent flux is zero in this case!
769       IF ( use_top_fluxes )  THEN
770
771          IF ( constant_top_heatflux )  THEN
772!
773!--          Heat flux is prescribed
774             tswst = top_heatflux
775             IF ( ASSOCIATED( tswst_m ) )  tswst_m = tswst
776
777             IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
778                qswst = 0.0
779                IF ( ASSOCIATED( qswst_m ) )  qswst_m = qswst
780             ENDIF
781
782             IF ( ocean )  THEN
783                saswsb = bottom_salinityflux
784                saswst = top_salinityflux
785             ENDIF
786          ENDIF
787
788!
789!--       Initialization in case of a coupled model run
790          IF ( coupling_mode == 'ocean_to_atmosphere' )  THEN
791             tswst = 0.0
792             IF ( ASSOCIATED( tswst_m ) )  tswst_m = tswst
793          ENDIF
794
795       ENDIF
796
797!
798!--    Initialize Prandtl layer quantities
799       IF ( prandtl_layer )  THEN
800
801          z0 = roughness_length
802
803          IF ( .NOT. constant_heatflux )  THEN 
804!
805!--          Surface temperature is prescribed. Here the heat flux cannot be
806!--          simply estimated, because therefore rif, u* and theta* would have
807!--          to be computed by iteration. This is why the heat flux is assumed
808!--          to be zero before the first time step. It approaches its correct
809!--          value in the course of the first few time steps.
810             shf   = 0.0
811             IF ( ASSOCIATED( shf_m ) )  shf_m = 0.0
812          ENDIF
813
814          IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
815             IF ( .NOT. constant_waterflux )  THEN
816                qsws   = 0.0
817                IF ( ASSOCIATED( qsws_m ) )   qsws_m = 0.0
818             ENDIF
819          ENDIF
820
821       ENDIF
822
823!
824!--    Calculate the initial volume flow at the right and north boundary
825       IF ( conserve_volume_flow )  THEN
826
827          volume_flow_initial_l = 0.0
828          volume_flow_area_l    = 0.0
829 
830          IF ( nxr == nx )  THEN
831             DO  j = nys, nyn
832                DO  k = nzb_2d(j,nx) + 1, nzt
833                   volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) + &
834                                              u(k,j,nx) * dzu(k)
835                   volume_flow_area_l(1)    = volume_flow_area_l(1) + dzu(k)
836                ENDDO
837!
838!--             Correction if velocity at nzb+1 has been set zero further above
839                volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) + &
840                                           u_nzb_p1_for_vfc(j)
841             ENDDO
842          ENDIF
843
844          IF ( nyn == ny )  THEN
845             DO  i = nxl, nxr
846                DO  k = nzb_2d(ny,i) + 1, nzt 
847                   volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) + &
848                                              v(k,ny,i) * dzu(k)
849                   volume_flow_area_l(2)    = volume_flow_area_l(2) + dzu(k)
850                ENDDO
851!
852!--             Correction if velocity at nzb+1 has been set zero further above
853                volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) + &
854                                           v_nzb_p1_for_vfc(i)
855             ENDDO
856          ENDIF
857
858#if defined( __parallel )
859          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_initial_l(1), volume_flow_initial(1),&
860                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
861          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_area_l(1), volume_flow_area(1),      &
862                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
863#else
864          volume_flow_initial = volume_flow_initial_l
865          volume_flow_area    = volume_flow_area_l
866#endif
867!
868!--       In case of 'bulk_velocity' mode, volume_flow_initial is overridden
869!--       and calculated from u|v_bulk instead.
870          IF ( TRIM( conserve_volume_flow_mode ) == 'bulk_velocity' )  THEN
871             volume_flow_initial(1) = u_bulk * volume_flow_area(1)
872             volume_flow_initial(2) = v_bulk * volume_flow_area(2)
873          ENDIF
874
875       ENDIF
876
877!
878!--    For the moment, perturbation pressure and vertical velocity are zero
879       p = 0.0; w = 0.0
880
881!
882!--    Initialize array sums (must be defined in first call of pres)
883       sums = 0.0
884
885!
886!--    Treating cloud physics, liquid water content and precipitation amount
887!--    are zero at beginning of the simulation
888       IF ( cloud_physics )  THEN
889          ql = 0.0
890          IF ( precipitation )  precipitation_amount = 0.0
891       ENDIF
892
893!
894!--    Impose vortex with vertical axis on the initial velocity profile
895       IF ( INDEX( initializing_actions, 'initialize_vortex' ) /= 0 )  THEN
896          CALL init_rankine
897       ENDIF
898
899!
900!--    Impose temperature anomaly (advection test only)
901       IF ( INDEX( initializing_actions, 'initialize_ptanom' ) /= 0 )  THEN
902          CALL init_pt_anomaly
903       ENDIF
904
905!
906!--    If required, change the surface temperature at the start of the 3D run
907       IF ( pt_surface_initial_change /= 0.0 )  THEN
908          pt(nzb,:,:) = pt(nzb,:,:) + pt_surface_initial_change
909       ENDIF
910
911!
912!--    If required, change the surface humidity/scalar at the start of the 3D
913!--    run
914       IF ( ( humidity .OR. passive_scalar ) .AND. &
915            q_surface_initial_change /= 0.0 )  THEN
916          q(nzb,:,:) = q(nzb,:,:) + q_surface_initial_change
917       ENDIF
918
919!
920!--    Initialize the random number generator (from numerical recipes)
921       CALL random_function_ini
922
923!
924!--    Impose random perturbation on the horizontal velocity field and then
925!--    remove the divergences from the velocity field
926       IF ( create_disturbances )  THEN
927          CALL disturb_field( nzb_u_inner, tend, u )
928          CALL disturb_field( nzb_v_inner, tend, v )
929          n_sor = nsor_ini
930          CALL pres
931          n_sor = nsor
932       ENDIF
933
934!
935!--    Once again set the perturbation pressure explicitly to zero in order to
936!--    assure that it does not generate any divergences in the first time step.
937!--    At t=0 the velocity field is free of divergence (as constructed above).
938!--    Divergences being created during a time step are not yet known and thus
939!--    cannot be corrected during the time step yet.
940       p = 0.0
941
942!
943!--    Initialize old and new time levels.
944       IF ( timestep_scheme(1:5) /= 'runge' )  THEN
945          e_m = e; pt_m = pt; u_m = u; v_m = v; w_m = w; kh_m = kh; km_m = km
946       ELSE
947          te_m = 0.0; tpt_m = 0.0; tu_m = 0.0; tv_m = 0.0; tw_m = 0.0
948       ENDIF
949       e_p = e; pt_p = pt; u_p = u; v_p = v; w_p = w
950
951       IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
952          IF ( ASSOCIATED( q_m ) )  q_m = q
953          IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  tq_m = 0.0
954          q_p = q
955          IF ( humidity  .AND.  ASSOCIATED( vpt_m ) )  vpt_m = vpt
956       ENDIF
957
958       IF ( ocean )  THEN
959          tsa_m = 0.0
960          sa_p  = sa
961       ENDIF
962
963
964    ELSEIF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data'  .OR.    &
965             TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  &
966    THEN
967!
968!--    When reading data for cyclic fill of 3D prerun data, first read
969!--    some of the global variables from restart file
970       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  THEN
971
972          WRITE (9,*) 'before read_parts_of_var_list'
973          CALL local_flush( 9 )
974          CALL read_parts_of_var_list
975          WRITE (9,*) 'after read_parts_of_var_list'
976          CALL local_flush( 9 )
977          CALL close_file( 13 )
978
979!
980!--       Initialization of the turbulence recycling method
981          IF ( turbulent_inflow )  THEN
982!
983!--          Store temporally and horizontally averaged vertical profiles to be
984!--          used as mean inflow profiles
985             ALLOCATE( mean_inflow_profiles(nzb:nzt+1,5) )
986
987             mean_inflow_profiles(:,1) = hom_sum(:,1,0)    ! u
988             mean_inflow_profiles(:,2) = hom_sum(:,2,0)    ! v
989             mean_inflow_profiles(:,4) = hom_sum(:,4,0)    ! pt
990             mean_inflow_profiles(:,5) = hom_sum(:,8,0)    ! e
991
992!
993!--          Use these mean profiles for the inflow (provided that Dirichlet
994!--          conditions are used)
995             IF ( inflow_l )  THEN
996                DO  j = nys-1, nyn+1
997                   DO  k = nzb, nzt+1
998                      u(k,j,-1)  = mean_inflow_profiles(k,1)
999                      v(k,j,-1)  = mean_inflow_profiles(k,2)
1000                      w(k,j,-1)  = 0.0
1001                      pt(k,j,-1) = mean_inflow_profiles(k,4)
1002                      e(k,j,-1)  = mean_inflow_profiles(k,5)
1003                   ENDDO
1004                ENDDO
1005             ENDIF
1006
1007!
1008!--          Calculate the damping factors to be used at the inflow. For a
1009!--          turbulent inflow the turbulent fluctuations have to be limited
1010!--          vertically because otherwise the turbulent inflow layer will grow
1011!--          in time.
1012             IF ( inflow_damping_height == 9999999.9 )  THEN
1013!
1014!--             Default: use the inversion height calculated by the prerun; if
1015!--             this is zero, inflow_damping_height must be explicitly
1016!--             specified.
1017                IF ( hom_sum(nzb+6,pr_palm,0) /= 0.0 )  THEN
1018                   inflow_damping_height = hom_sum(nzb+6,pr_palm,0)
1019                ELSE
1020                   WRITE( message_string, * ) 'inflow_damping_height must be ',&
1021                        'explicitly specified because&the inversion height ', &
1022                        'calculated by the prerun is zero.'
1023                   CALL message( 'init_3d_model', 'PA0318', 1, 2, 0, 6, 0 )
1024                ENDIF
1025
1026             ENDIF
1027
1028             IF ( inflow_damping_width == 9999999.9 )  THEN
1029!
1030!--             Default for the transition range: one tenth of the undamped
1031!--             layer
1032                inflow_damping_width = 0.1 * inflow_damping_height
1033
1034             ENDIF
1035
1036             ALLOCATE( inflow_damping_factor(nzb:nzt+1) )
1037
1038             DO  k = nzb, nzt+1
1039
1040                IF ( zu(k) <= inflow_damping_height )  THEN
1041                   inflow_damping_factor(k) = 1.0
1042                ELSEIF ( zu(k) <= inflow_damping_height +  &
1043                                  inflow_damping_width )  THEN
1044                   inflow_damping_factor(k) = 1.0 -                            &
1045                                           ( zu(k) - inflow_damping_height ) / &
1046                                           inflow_damping_width
1047                ELSE
1048                   inflow_damping_factor(k) = 0.0
1049                ENDIF
1050
1051             ENDDO
1052          ENDIF
1053
1054       ENDIF
1055
1056!
1057!--    Read binary data from restart file
1058          WRITE (9,*) 'before read_3d_binary'
1059          CALL local_flush( 9 )
1060       CALL read_3d_binary
1061          WRITE (9,*) 'after read_3d_binary'
1062          CALL local_flush( 9 )
1063
1064!
1065!--    Inside buildings set velocities and TKE back to zero
1066       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' .AND.  &
1067            topography /= 'flat' )  THEN
1068!
1069!--       Correction of initial volume flow
1070          IF ( conserve_volume_flow )  THEN
1071             IF ( nxr == nx )  THEN
1072                DO  j = nys, nyn
1073                   DO  k = nzb + 1, nzb_u_inner(j,nx)
1074                      u_nzb_p1_for_vfc(j) = u_nzb_p1_for_vfc(j) + &
1075                                            u(k,j,nx) * dzu(k)
1076                   ENDDO
1077                ENDDO
1078             ENDIF
1079             IF ( nyn == ny )  THEN
1080                DO  i = nxl, nxr
1081                   DO  k = nzb + 1, nzb_v_inner(ny,i)
1082                      v_nzb_p1_for_vfc(i) = v_nzb_p1_for_vfc(i) + &
1083                                            v(k,ny,i) * dzu(k)
1084                   ENDDO
1085                ENDDO
1086             ENDIF
1087          ENDIF
1088
1089!
1090!--       Inside buildings set velocities and TKE back to zero.
1091!--       Other scalars (pt, q, s, km, kh, p, sa, ...) are ignored at present,
1092!--       maybe revise later.
1093          IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
1094             DO  i = nxl-1, nxr+1
1095                DO  j = nys-1, nyn+1
1096                   u  (nzb:nzb_u_inner(j,i),j,i) = 0.0
1097                   v  (nzb:nzb_v_inner(j,i),j,i) = 0.0
1098                   w  (nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i) = 0.0
1099                   e  (nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i) = 0.0
1100                   u_m(nzb:nzb_u_inner(j,i),j,i) = 0.0
1101                   v_m(nzb:nzb_v_inner(j,i),j,i) = 0.0
1102                   w_m(nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i) = 0.0
1103                   e_m(nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i) = 0.0
1104                   tu_m(nzb:nzb_u_inner(j,i),j,i) = 0.0
1105                   tv_m(nzb:nzb_v_inner(j,i),j,i) = 0.0
1106                   tw_m(nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i) = 0.0
1107                   te_m(nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i) = 0.0
1108                   tpt_m(nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i) = 0.0
1109                ENDDO
1110             ENDDO
1111          ELSE
1112             DO  i = nxl-1, nxr+1
1113                DO  j = nys-1, nyn+1
1114                   u  (nzb:nzb_u_inner(j,i),j,i) = 0.0
1115                   v  (nzb:nzb_v_inner(j,i),j,i) = 0.0
1116                   w  (nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i) = 0.0
1117                   e  (nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i) = 0.0
1118                   u_m(nzb:nzb_u_inner(j,i),j,i) = 0.0
1119                   v_m(nzb:nzb_v_inner(j,i),j,i) = 0.0
1120                   w_m(nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i) = 0.0
1121                   e_m(nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i) = 0.0
1122                   u_p(nzb:nzb_u_inner(j,i),j,i) = 0.0
1123                   v_p(nzb:nzb_v_inner(j,i),j,i) = 0.0
1124                   w_p(nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i) = 0.0
1125                   e_p(nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i) = 0.0
1126                ENDDO
1127             ENDDO
1128          ENDIF
1129
1130       ENDIF
1131
1132!
1133!--    Calculate the initial volume flow at the right and north boundary
1134       IF ( conserve_volume_flow  .AND.  &
1135            TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  THEN
1136
1137          volume_flow_initial_l = 0.0
1138          volume_flow_area_l    = 0.0
1139 
1140          IF ( nxr == nx )  THEN
1141             DO  j = nys, nyn
1142                DO  k = nzb_2d(j,nx) + 1, nzt
1143                   volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) + &
1144                                              u(k,j,nx) * dzu(k)
1145                   volume_flow_area_l(1)    = volume_flow_area_l(1) + dzu(k)
1146                ENDDO
1147!
1148!--             Correction if velocity inside buildings has been set to zero
1149!--             further above
1150                volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) + &
1151                                           u_nzb_p1_for_vfc(j)
1152             ENDDO
1153          ENDIF
1154
1155          IF ( nyn == ny )  THEN
1156             DO  i = nxl, nxr
1157                DO  k = nzb_2d(ny,i) + 1, nzt 
1158                   volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) + &
1159                                              v(k,ny,i) * dzu(k)
1160                   volume_flow_area_l(2)    = volume_flow_area_l(2) + dzu(k)
1161                ENDDO
1162!
1163!--             Correction if velocity inside buildings has been set to zero
1164!--             further above
1165                volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) + &
1166                                           v_nzb_p1_for_vfc(i)
1167             ENDDO
1168          ENDIF
1169
1170#if defined( __parallel )
1171          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_initial_l(1), volume_flow_initial(1),&
1172                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1173          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_area_l(1), volume_flow_area(1),      &
1174                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1175#else
1176          volume_flow_initial = volume_flow_initial_l
1177          volume_flow_area    = volume_flow_area_l
1178#endif 
1179       ENDIF
1180
1181
1182!
1183!--    Calculate initial temperature field and other constants used in case
1184!--    of a sloping surface
1185       IF ( sloping_surface )  CALL init_slope
1186
1187!
1188!--    Initialize new time levels (only done in order to set boundary values
1189!--    including ghost points)
1190       e_p = e; pt_p = pt; u_p = u; v_p = v; w_p = w
1191       IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  q_p = q
1192       IF ( ocean )  sa_p = sa
1193
1194!
1195!--    Allthough tendency arrays are set in prognostic_equations, they have
1196!--    have to be predefined here because they are used (but multiplied with 0)
1197!--    there before they are set.
1198       IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
1199          te_m = 0.0; tpt_m = 0.0; tu_m = 0.0; tv_m = 0.0; tw_m = 0.0
1200          IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  tq_m = 0.0
1201          IF ( ocean )  tsa_m = 0.0
1202       ENDIF
1203
1204    ELSE
1205!
1206!--    Actually this part of the programm should not be reached
1207       message_string = 'unknown initializing problem'
1208       CALL message( 'init_3d_model', 'PA0193', 1, 2, 0, 6, 0 )
1209    ENDIF
1210
1211
1212    IF (  TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' )  THEN
1213!
1214!--    Initialize old timelevels needed for radiation boundary conditions
1215       IF ( outflow_l )  THEN
1216          u_m_l(:,:,:) = u(:,:,1:2)
1217          v_m_l(:,:,:) = v(:,:,0:1)
1218          w_m_l(:,:,:) = w(:,:,0:1)
1219       ENDIF
1220       IF ( outflow_r )  THEN
1221          u_m_r(:,:,:) = u(:,:,nx-1:nx)
1222          v_m_r(:,:,:) = v(:,:,nx-1:nx)
1223          w_m_r(:,:,:) = w(:,:,nx-1:nx)
1224       ENDIF
1225       IF ( outflow_s )  THEN
1226          u_m_s(:,:,:) = u(:,0:1,:)
1227          v_m_s(:,:,:) = v(:,1:2,:)
1228          w_m_s(:,:,:) = w(:,0:1,:)
1229       ENDIF
1230       IF ( outflow_n )  THEN
1231          u_m_n(:,:,:) = u(:,ny-1:ny,:)
1232          v_m_n(:,:,:) = v(:,ny-1:ny,:)
1233          w_m_n(:,:,:) = w(:,ny-1:ny,:)
1234       ENDIF
1235
1236    ENDIF
1237
1238!
1239!-- Initialization of the leaf area density
1240    IF ( plant_canopy ) THEN
1241 
1242       SELECT CASE ( TRIM( canopy_mode ) )
1243
1244          CASE( 'block' )
1245
1246             DO  i = nxl-1, nxr+1
1247                DO  j = nys-1, nyn+1
1248                   lad_s(:,j,i) = lad(:)
1249                   cdc(:,j,i)   = drag_coefficient
1250                   IF ( passive_scalar ) THEN
1251                      sls(:,j,i) = leaf_surface_concentration
1252                      sec(:,j,i) = scalar_exchange_coefficient
1253                   ENDIF
1254                ENDDO
1255             ENDDO
1256
1257          CASE DEFAULT
1258
1259!
1260!--          The DEFAULT case is reached either if the parameter
1261!--          canopy mode contains a wrong character string or if the
1262!--          user has coded a special case in the user interface.
1263!--          There, the subroutine user_init_plant_canopy checks
1264!--          which of these two conditions applies.
1265             CALL user_init_plant_canopy
1266 
1267          END SELECT
1268
1269       CALL exchange_horiz( lad_s )
1270       CALL exchange_horiz( cdc )
1271
1272       IF ( passive_scalar ) THEN
1273          CALL exchange_horiz( sls )
1274          CALL exchange_horiz( sec )
1275       ENDIF
1276
1277!
1278!--    Sharp boundaries of the plant canopy in horizontal directions
1279!--    In vertical direction the interpolation is retained, as the leaf
1280!--    area density is initialised by prescribing a vertical profile
1281!--    consisting of piecewise linear segments. The upper boundary
1282!--    of the plant canopy is now defined by lad_w(pch_index,:,:) = 0.0.
1283
1284       DO  i = nxl, nxr
1285          DO  j = nys, nyn
1286             DO  k = nzb, nzt+1 
1287                IF ( lad_s(k,j,i) > 0.0 ) THEN
1288                   lad_u(k,j,i)   = lad_s(k,j,i) 
1289                   lad_u(k,j,i+1) = lad_s(k,j,i)
1290                   lad_v(k,j,i)   = lad_s(k,j,i)
1291                   lad_v(k,j+1,i) = lad_s(k,j,i)
1292                ENDIF
1293             ENDDO
1294             DO  k = nzb, nzt
1295                lad_w(k,j,i) = 0.5 * ( lad_s(k+1,j,i) + lad_s(k,j,i) )
1296             ENDDO
1297          ENDDO
1298       ENDDO
1299
1300       lad_w(pch_index,:,:) = 0.0
1301       lad_w(nzt+1,:,:)     = lad_w(nzt,:,:)
1302
1303       CALL exchange_horiz( lad_u )
1304       CALL exchange_horiz( lad_v )
1305       CALL exchange_horiz( lad_w )
1306
1307!
1308!--    Initialisation of the canopy heat source distribution
1309       IF ( cthf /= 0.0 ) THEN
1310!
1311!--       Piecewise evaluation of the leaf area index by
1312!--       integration of the leaf area density
1313          lai(:,:,:) = 0.0
1314          DO  i = nxl-1, nxr+1
1315             DO  j = nys-1, nyn+1
1316                DO  k = pch_index-1, 0, -1
1317                   lai(k,j,i) = lai(k+1,j,i) +                   &
1318                                ( 0.5 * ( lad_w(k+1,j,i) +       &
1319                                          lad_s(k+1,j,i) ) *     &
1320                                  ( zw(k+1) - zu(k+1) ) )  +     &
1321                                ( 0.5 * ( lad_w(k,j,i)   +       &
1322                                          lad_s(k+1,j,i) ) *     &
1323                                  ( zu(k+1) - zw(k) ) )
1324                ENDDO
1325             ENDDO
1326          ENDDO
1327
1328!
1329!--       Evaluation of the upward kinematic vertical heat flux within the
1330!--       canopy
1331          DO  i = nxl-1, nxr+1
1332             DO  j = nys-1, nyn+1
1333                DO  k = 0, pch_index
1334                   canopy_heat_flux(k,j,i) = cthf *                    &
1335                                             exp( -0.6 * lai(k,j,i) )
1336                ENDDO
1337             ENDDO
1338          ENDDO
1339
1340!
1341!--       The near surface heat flux is derived from the heat flux
1342!--       distribution within the canopy
1343          shf(:,:) = canopy_heat_flux(0,:,:)
1344
1345          IF ( ASSOCIATED( shf_m ) ) shf_m = shf
1346
1347       ENDIF
1348
1349    ENDIF
1350
1351!
1352!-- If required, initialize dvrp-software
1353    IF ( dt_dvrp /= 9999999.9 )  CALL init_dvrp
1354
1355    IF ( ocean )  THEN
1356!
1357!--    Initialize quantities needed for the ocean model
1358       CALL init_ocean
1359
1360    ELSE
1361!
1362!--    Initialize quantities for handling cloud physics
1363!--    This routine must be called before init_particles, because
1364!--    otherwise, array pt_d_t, needed in data_output_dvrp (called by
1365!--    init_particles) is not defined.
1366       CALL init_cloud_physics
1367    ENDIF
1368
1369!
1370!-- If required, initialize particles
1371    IF ( particle_advection )  CALL init_particles
1372
1373!
1374!-- Initialize quantities for special advections schemes
1375    CALL init_advec
1376
1377!
1378!-- Initialize Rayleigh damping factors
1379    rdf = 0.0
1380    IF ( rayleigh_damping_factor /= 0.0 )  THEN
1381       IF ( .NOT. ocean )  THEN
1382          DO  k = nzb+1, nzt
1383             IF ( zu(k) >= rayleigh_damping_height )  THEN
1384                rdf(k) = rayleigh_damping_factor * &
1385                      ( SIN( pi * 0.5 * ( zu(k) - rayleigh_damping_height )    &
1386                                      / ( zu(nzt) - rayleigh_damping_height ) )&
1387                      )**2
1388             ENDIF
1389          ENDDO
1390       ELSE
1391          DO  k = nzt, nzb+1, -1
1392             IF ( zu(k) <= rayleigh_damping_height )  THEN
1393                rdf(k) = rayleigh_damping_factor * &
1394                      ( SIN( pi * 0.5 * ( rayleigh_damping_height - zu(k) )    &
1395                                      / ( rayleigh_damping_height - zu(nzb+1)))&
1396                      )**2
1397             ENDIF
1398          ENDDO
1399       ENDIF
1400    ENDIF
1401
1402!
1403!-- Initialize the starting level and the vertical smoothing factor used for
1404!-- the external pressure gradient
1405    dp_smooth_factor = 1.0
1406    IF ( dp_external )  THEN
1407!
1408!--    Set the starting level dp_level_ind_b only if it has not been set before
1409!--    (e.g. in init_grid).
1410       IF ( dp_level_ind_b == 0 )  THEN
1411          ind_array = MINLOC( ABS( dp_level_b - zu ) )
1412          dp_level_ind_b = ind_array(1) - 1 + nzb
1413                                        ! MINLOC uses lower array bound 1
1414       ENDIF
1415       IF ( dp_smooth )  THEN
1416          dp_smooth_factor(:dp_level_ind_b) = 0.0
1417          DO  k = dp_level_ind_b+1, nzt
1418             dp_smooth_factor(k) = 0.5 * ( 1.0 + SIN( pi * &
1419                  ( REAL( k - dp_level_ind_b ) /  &
1420                    REAL( nzt - dp_level_ind_b ) - 0.5 ) ) )
1421          ENDDO
1422       ENDIF
1423    ENDIF
1424
1425!
1426!-- Initialize diffusivities used within the outflow damping layer in case of
1427!-- non-cyclic lateral boundaries. A linear increase is assumed over the first
1428!-- half of the width of the damping layer
1429    IF ( bc_lr == 'dirichlet/radiation' )  THEN
1430
1431       DO  i = nxl-1, nxr+1
1432          IF ( i >= nx - outflow_damping_width )  THEN
1433             km_damp_x(i) = km_damp_max * MIN( 1.0,                    &
1434                            ( i - ( nx - outflow_damping_width ) ) /   &
1435                            REAL( outflow_damping_width/2 )            &
1436                                             )
1437          ELSE
1438             km_damp_x(i) = 0.0
1439          ENDIF
1440       ENDDO
1441
1442    ELSEIF ( bc_lr == 'radiation/dirichlet' )  THEN
1443
1444       DO  i = nxl-1, nxr+1
1445          IF ( i <= outflow_damping_width )  THEN
1446             km_damp_x(i) = km_damp_max * MIN( 1.0,                    &
1447                            ( outflow_damping_width - i ) /            &
1448                            REAL( outflow_damping_width/2 )            &
1449                                             )
1450          ELSE
1451             km_damp_x(i) = 0.0
1452          ENDIF
1453       ENDDO
1454
1455    ENDIF
1456
1457    IF ( bc_ns == 'dirichlet/radiation' )  THEN
1458
1459       DO  j = nys-1, nyn+1
1460          IF ( j >= ny - outflow_damping_width )  THEN
1461             km_damp_y(j) = km_damp_max * MIN( 1.0,                    &
1462                            ( j - ( ny - outflow_damping_width ) ) /   &
1463                            REAL( outflow_damping_width/2 )            &
1464                                             )
1465          ELSE
1466             km_damp_y(j) = 0.0
1467          ENDIF
1468       ENDDO
1469
1470    ELSEIF ( bc_ns == 'radiation/dirichlet' )  THEN
1471
1472       DO  j = nys-1, nyn+1
1473          IF ( j <= outflow_damping_width )  THEN
1474             km_damp_y(j) = km_damp_max * MIN( 1.0,                    &
1475                            ( outflow_damping_width - j ) /            &
1476                            REAL( outflow_damping_width/2 )            &
1477                                             )
1478          ELSE
1479             km_damp_y(j) = 0.0
1480          ENDIF
1481       ENDDO
1482
1483    ENDIF
1484
1485!
1486!-- Initialize local summation arrays for UP flow_statistics. This is necessary
1487!-- because they may not yet have been initialized when they are called from
1488!-- flow_statistics (or - depending on the chosen model run - are never
1489!-- initialized)
1490    sums_divnew_l      = 0.0
1491    sums_divold_l      = 0.0
1492    sums_l_l           = 0.0
1493    sums_up_fraction_l = 0.0
1494    sums_wsts_bc_l     = 0.0
1495
1496!
1497!-- Pre-set masks for regional statistics. Default is the total model domain.
1498    rmask = 1.0
1499
1500!
1501!-- User-defined initializing actions. Check afterwards, if maximum number
1502!-- of allowed timeseries is not exceeded
1503    CALL user_init
1504
1505    IF ( dots_num > dots_max )  THEN
1506       WRITE( message_string, * ) 'number of time series quantities exceeds', &
1507                                  ' its maximum of dots_max = ', dots_max,    &
1508                                  ' &Please increase dots_max in modules.f90.'
1509       CALL message( 'init_3d_model', 'PA0194', 1, 2, 0, 6, 0 )   
1510    ENDIF
1511
1512!
1513!-- Input binary data file is not needed anymore. This line must be placed
1514!-- after call of user_init!
1515    CALL close_file( 13 )
1516
1517!
1518!-- Compute total sum of active mask grid points
1519!-- ngp_2dh: number of grid points of a horizontal cross section through the
1520!--          total domain
1521!-- ngp_3d:  number of grid points of the total domain
1522    ngp_2dh_outer_l   = 0
1523    ngp_2dh_outer     = 0
1524    ngp_2dh_s_inner_l = 0
1525    ngp_2dh_s_inner   = 0
1526    ngp_2dh_l         = 0
1527    ngp_2dh           = 0
1528    ngp_3d_inner_l    = 0.0
1529    ngp_3d_inner      = 0
1530    ngp_3d            = 0
1531    ngp_sums          = ( nz + 2 ) * ( pr_palm + max_pr_user )
1532
1533    DO  sr = 0, statistic_regions
1534       DO  i = nxl, nxr
1535          DO  j = nys, nyn
1536             IF ( rmask(j,i,sr) == 1.0 )  THEN
1537!
1538!--             All xy-grid points
1539                ngp_2dh_l(sr) = ngp_2dh_l(sr) + 1
1540!
1541!--             xy-grid points above topography
1542                DO  k = nzb_s_outer(j,i), nz + 1
1543                   ngp_2dh_outer_l(k,sr) = ngp_2dh_outer_l(k,sr) + 1
1544                ENDDO
1545                DO  k = nzb_s_inner(j,i), nz + 1
1546                   ngp_2dh_s_inner_l(k,sr) = ngp_2dh_s_inner_l(k,sr) + 1
1547                ENDDO
1548!
1549!--             All grid points of the total domain above topography
1550                ngp_3d_inner_l(sr) = ngp_3d_inner_l(sr) + &
1551                                     ( nz - nzb_s_inner(j,i) + 2 )
1552             ENDIF
1553          ENDDO
1554       ENDDO
1555    ENDDO
1556
1557    sr = statistic_regions + 1
1558#if defined( __parallel )
1559    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_l(0), ngp_2dh(0), sr, MPI_INTEGER, MPI_SUM,   &
1560                        comm2d, ierr )
1561    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_outer_l(0,0), ngp_2dh_outer(0,0), (nz+2)*sr,  &
1562                        MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1563    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_s_inner_l(0,0), ngp_2dh_s_inner(0,0),         &
1564                        (nz+2)*sr, MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1565    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_3d_inner_l(0), ngp_3d_inner_tmp(0), sr, MPI_REAL, &
1566                        MPI_SUM, comm2d, ierr )
1567    ngp_3d_inner = INT( ngp_3d_inner_tmp, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) )
1568#else
1569    ngp_2dh         = ngp_2dh_l
1570    ngp_2dh_outer   = ngp_2dh_outer_l
1571    ngp_2dh_s_inner = ngp_2dh_s_inner_l
1572    ngp_3d_inner    = INT( ngp_3d_inner_l, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) )
1573#endif
1574
1575    ngp_3d = INT( ngp_2dh * ( nz + 2 ), KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) )
1576
1577!
1578!-- Set a lower limit of 1 in order to avoid zero divisions in flow_statistics,
1579!-- buoyancy, etc. A zero value will occur for cases where all grid points of
1580!-- the respective subdomain lie below the surface topography
1581    ngp_2dh_outer   = MAX( 1, ngp_2dh_outer(:,:)   ) 
1582    ngp_3d_inner    = MAX( 1, ngp_3d_inner(:)      )
1583    ngp_2dh_s_inner = MAX( 1, ngp_2dh_s_inner(:,:) ) 
1584
1585    DEALLOCATE( ngp_2dh_l, ngp_2dh_outer_l, ngp_3d_inner_l, ngp_3d_inner_tmp )
1586
1587
1588 END SUBROUTINE init_3d_model
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.