source: palm/trunk/SOURCE/init_3d_model.f90 @ 631

Last change on this file since 631 was 631, checked in by maronga, 12 years ago

bugfix: type conversion (init_3d_model, error on ibm machines)

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 57.0 KB
Line 
1#if defined( __ibmy_special )
2@PROCESS NOOPTimize
3#endif
4 SUBROUTINE init_3d_model
5
6!------------------------------------------------------------------------------!
7! Current revisions:
8! -----------------
9! Bugfix: type conversion of '1' to 64bit for the MAX function (ngp_3d_inner)
10!
11! Former revisions:
12! -----------------
13! $Id: init_3d_model.f90 631 2010-12-13 15:06:48Z maronga $
14!
15! 622 2010-12-10 08:08:13Z raasch
16! optional barriers included in order to speed up collective operations
17!
18! 560 2010-09-09 10:06:09Z weinreis
19! bugfix: correction of calculating ngp_3d for 64 bit
20!
21! 485 2010-02-05 10:57:51Z raasch
22! calculation of ngp_3d + ngp_3d_inner changed because they have now 64 bit
23!
24! 407 2009-12-01 15:01:15Z maronga
25! var_ts is replaced by dots_max
26! Enabled passive scalar/humidity wall fluxes for non-flat topography
27!
28! 388 2009-09-23 09:40:33Z raasch
29! Initialization of prho added.
30! bugfix: correction of initial volume flow for non-flat topography
31! bugfix: zero initialization of arrays within buildings for 'cyclic_fill'
32! bugfix: avoid that ngp_2dh_s_inner becomes zero
33! initializing_actions='read_data_for_recycling' renamed to 'cyclic_fill', now
34! independent of turbulent_inflow
35! Output of messages replaced by message handling routine.
36! Set the starting level and the vertical smoothing factor used for
37! the external pressure gradient
38! +conserve_volume_flow_mode: 'default', 'initial_profiles', 'inflow_profile'
39! and 'bulk_velocity'
40! If the inversion height calculated by the prerun is zero,
41! inflow_damping_height must be explicitly specified.
42!
43! 181 2008-07-30 07:07:47Z raasch
44! bugfix: zero assignments to tendency arrays in case of restarts,
45! further extensions and modifications in the initialisation of the plant
46! canopy model,
47! allocation of hom_sum moved to parin, initialization of spectrum_x|y directly
48! after allocating theses arrays,
49! read data for recycling added as new initialization option,
50! dummy allocation for diss
51!
52! 138 2007-11-28 10:03:58Z letzel
53! New counter ngp_2dh_s_inner.
54! Allow new case bc_uv_t = 'dirichlet_0' for channel flow.
55! Corrected calculation of initial volume flow for 'set_1d-model_profiles' and
56! 'set_constant_profiles' in case of buildings in the reference cross-sections.
57!
58! 108 2007-08-24 15:10:38Z letzel
59! Flux initialization in case of coupled runs, +momentum fluxes at top boundary,
60! +arrays for phase speed c_u, c_v, c_w, indices for u|v|w_m_l|r changed
61! +qswst_remote in case of atmosphere model with humidity coupled to ocean
62! Rayleigh damping for ocean, optionally calculate km and kh from initial
63! TKE e_init
64!
65! 97 2007-06-21 08:23:15Z raasch
66! Initialization of salinity, call of init_ocean
67!
68! 87 2007-05-22 15:46:47Z raasch
69! var_hom and var_sum renamed pr_palm
70!
71! 75 2007-03-22 09:54:05Z raasch
72! Arrays for radiation boundary conditions are allocated (u_m_l, u_m_r, etc.),
73! bugfix for cases with the outflow damping layer extending over more than one
74! subdomain, moisture renamed humidity,
75! new initializing action "by_user" calls user_init_3d_model,
76! precipitation_amount/rate, ts_value are allocated, +module netcdf_control,
77! initial velocities at nzb+1 are regarded for volume
78! flow control in case they have been set zero before (to avoid small timesteps)
79! -uvmean_outflow, uxrp, vynp eliminated
80!
81! 19 2007-02-23 04:53:48Z raasch
82! +handling of top fluxes
83!
84! RCS Log replace by Id keyword, revision history cleaned up
85!
86! Revision 1.49  2006/08/22 15:59:07  raasch
87! No optimization of this file on the ibmy (Yonsei Univ.)
88!
89! Revision 1.1  1998/03/09 16:22:22  raasch
90! Initial revision
91!
92!
93! Description:
94! ------------
95! Allocation of arrays and initialization of the 3D model via
96! a) pre-run the 1D model
97! or
98! b) pre-set constant linear profiles
99! or
100! c) read values of a previous run
101!------------------------------------------------------------------------------!
102
103    USE arrays_3d
104    USE averaging
105    USE cloud_parameters
106    USE constants
107    USE control_parameters
108    USE cpulog
109    USE indices
110    USE interfaces
111    USE model_1d
112    USE netcdf_control
113    USE particle_attributes
114    USE pegrid
115    USE profil_parameter
116    USE random_function_mod
117    USE statistics
118
119    IMPLICIT NONE
120
121    INTEGER ::  i, ind_array(1), j, k, sr
122
123    INTEGER, DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  ngp_2dh_l
124
125    INTEGER, DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  ngp_2dh_outer_l,  &
126         ngp_2dh_s_inner_l
127
128    REAL ::  a, b
129
130    REAL, DIMENSION(1:2) ::  volume_flow_area_l, volume_flow_initial_l
131
132    REAL, DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  ngp_3d_inner_l, ngp_3d_inner_tmp
133
134
135!
136!-- Allocate arrays
137    ALLOCATE( ngp_2dh(0:statistic_regions), ngp_2dh_l(0:statistic_regions), &
138              ngp_3d(0:statistic_regions),                                  &
139              ngp_3d_inner(0:statistic_regions),                            &
140              ngp_3d_inner_l(0:statistic_regions),                          &
141              ngp_3d_inner_tmp(0:statistic_regions),                        &
142              sums_divnew_l(0:statistic_regions),                           &
143              sums_divold_l(0:statistic_regions) )
144    ALLOCATE( dp_smooth_factor(nzb:nzt), rdf(nzb+1:nzt) )
145    ALLOCATE( ngp_2dh_outer(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                 &
146              ngp_2dh_outer_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),               &
147              ngp_2dh_s_inner(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),               &
148              ngp_2dh_s_inner_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),             &
149              rmask(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1,0:statistic_regions),           &
150              sums(nzb:nzt+1,pr_palm+max_pr_user),                          &
151              sums_l(nzb:nzt+1,pr_palm+max_pr_user,0:threads_per_task-1),   &
152              sums_l_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions,0:threads_per_task-1), &
153              sums_up_fraction_l(10,3,0:statistic_regions),                 &
154              sums_wsts_bc_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                &
155              ts_value(dots_max,0:statistic_regions) )
156    ALLOCATE( km_damp_x(nxl-1:nxr+1), km_damp_y(nys-1:nyn+1) )
157
158    ALLOCATE( rif_1(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), shf_1(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
159              ts(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), tswst_1(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),  &
160              us(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), usws_1(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),   &
161              uswst_1(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),                               &
162              vsws_1(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),                                &
163              vswst_1(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), z0(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
164
165    IF ( timestep_scheme(1:5) /= 'runge' )  THEN
166!
167!--    Leapfrog scheme needs two timelevels of diffusion quantities
168       ALLOCATE( rif_2(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),   &
169                 shf_2(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),   &
170                 tswst_2(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
171                 usws_2(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),  &
172                 uswst_2(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
173                 vswst_2(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
174                 vsws_2(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
175    ENDIF
176
177    ALLOCATE( d(nzb+1:nzta,nys:nyna,nxl:nxra),         &
178              e_1(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),  &
179              e_2(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),  &
180              e_3(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),  &
181              kh_1(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
182              km_1(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
183              p(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),    &
184              pt_1(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
185              pt_2(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
186              pt_3(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
187              tend(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
188              u_1(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),  &
189              u_2(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),  &
190              u_3(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),  &
191              v_1(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
192              v_2(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
193              v_3(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
194              w_1(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),  &
195              w_2(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),  &
196              w_3(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
197
198    IF ( timestep_scheme(1:5) /= 'runge' )  THEN
199       ALLOCATE( kh_2(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
200                 km_2(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
201    ENDIF
202
203    IF ( humidity  .OR.  passive_scalar ) THEN
204!
205!--    2D-humidity/scalar arrays
206       ALLOCATE ( qs(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),     &
207                  qsws_1(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
208                  qswst_1(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
209
210       IF ( timestep_scheme(1:5) /= 'runge' )  THEN
211          ALLOCATE( qsws_2(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
212                    qswst_2(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
213       ENDIF
214!
215!--    3D-humidity/scalar arrays
216       ALLOCATE( q_1(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
217                 q_2(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
218                 q_3(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
219
220!
221!--    3D-arrays needed for humidity only
222       IF ( humidity )  THEN
223          ALLOCATE( vpt_1(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
224
225          IF ( timestep_scheme(1:5) /= 'runge' )  THEN
226             ALLOCATE( vpt_2(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
227          ENDIF
228
229          IF ( cloud_physics ) THEN
230!
231!--          Liquid water content
232             ALLOCATE ( ql_1(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
233!
234!--          Precipitation amount and rate (only needed if output is switched)
235             ALLOCATE( precipitation_amount(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
236                       precipitation_rate(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
237          ENDIF
238
239          IF ( cloud_droplets )  THEN
240!
241!--          Liquid water content, change in liquid water content,
242!--          real volume of particles (with weighting), volume of particles
243             ALLOCATE ( ql_1(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
244                        ql_2(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
245                        ql_v(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
246                        ql_vp(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
247          ENDIF
248
249       ENDIF
250
251    ENDIF
252
253    IF ( ocean )  THEN
254       ALLOCATE( saswsb_1(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
255                 saswst_1(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
256       ALLOCATE( prho_1(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
257                 rho_1(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),  &
258                 sa_1(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),   &
259                 sa_2(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),   &
260                 sa_3(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
261       prho => prho_1
262       rho  => rho_1  ! routines calc_mean_profile and diffusion_e require
263                      ! density to be apointer
264       IF ( humidity_remote )  THEN
265          ALLOCATE( qswst_remote(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
266          qswst_remote = 0.0
267       ENDIF
268    ENDIF
269
270!
271!-- 3D-array for storing the dissipation, needed for calculating the sgs
272!-- particle velocities
273    IF ( use_sgs_for_particles )  THEN
274       ALLOCATE ( diss(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
275    ELSE
276       ALLOCATE ( diss(2,2,2) )  ! required because diss is used as a
277                                 ! formal parameter
278    ENDIF
279
280    IF ( dt_dosp /= 9999999.9 )  THEN
281       ALLOCATE( spectrum_x( 1:nx/2, 1:10, 1:10 ), &
282                 spectrum_y( 1:ny/2, 1:10, 1:10 ) )
283       spectrum_x = 0.0
284       spectrum_y = 0.0
285    ENDIF
286
287!
288!-- 3D-arrays for the leaf area density and the canopy drag coefficient
289    IF ( plant_canopy ) THEN
290       ALLOCATE ( lad_s(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),  &
291                  lad_u(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),  &
292                  lad_v(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),  &
293                  lad_w(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),  &
294                  cdc(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
295
296       IF ( passive_scalar ) THEN
297          ALLOCATE ( sls(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),   &
298                     sec(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) ) 
299       ENDIF
300
301       IF ( cthf /= 0.0 ) THEN
302          ALLOCATE ( lai(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),   &
303                     canopy_heat_flux(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
304       ENDIF
305
306    ENDIF
307
308!
309!-- 4D-array for storing the Rif-values at vertical walls
310    IF ( topography /= 'flat' )  THEN
311       ALLOCATE( rif_wall(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1,1:4) )
312       rif_wall = 0.0
313    ENDIF
314
315!
316!-- Velocities at nzb+1 needed for volume flow control
317    IF ( conserve_volume_flow )  THEN
318       ALLOCATE( u_nzb_p1_for_vfc(nys:nyn), v_nzb_p1_for_vfc(nxl:nxr) )
319       u_nzb_p1_for_vfc = 0.0
320       v_nzb_p1_for_vfc = 0.0
321    ENDIF
322
323!
324!-- Arrays to store velocity data from t-dt and the phase speeds which
325!-- are needed for radiation boundary conditions
326    IF ( outflow_l )  THEN
327       ALLOCATE( u_m_l(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,1:2), &
328                 v_m_l(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,0:1), &
329                 w_m_l(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,0:1) )
330    ENDIF
331    IF ( outflow_r )  THEN
332       ALLOCATE( u_m_r(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nx-1:nx), &
333                 v_m_r(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nx-1:nx), &
334                 w_m_r(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nx-1:nx) )
335    ENDIF
336    IF ( outflow_l  .OR.  outflow_r )  THEN
337       ALLOCATE( c_u(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1), c_v(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1), &
338                 c_w(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1) )
339    ENDIF
340    IF ( outflow_s )  THEN
341       ALLOCATE( u_m_s(nzb:nzt+1,0:1,nxl-1:nxr+1), &
342                 v_m_s(nzb:nzt+1,1:2,nxl-1:nxr+1), &
343                 w_m_s(nzb:nzt+1,0:1,nxl-1:nxr+1) )
344    ENDIF
345    IF ( outflow_n )  THEN
346       ALLOCATE( u_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny,nxl-1:nxr+1), &
347                 v_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny,nxl-1:nxr+1), &
348                 w_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny,nxl-1:nxr+1) )
349    ENDIF
350    IF ( outflow_s  .OR.  outflow_n )  THEN
351       ALLOCATE( c_u(nzb:nzt+1,nxl-1:nxr+1), c_v(nzb:nzt+1,nxl-1:nxr+1), &
352                 c_w(nzb:nzt+1,nxl-1:nxr+1) )
353    ENDIF
354
355!
356!-- Initial assignment of the pointers
357    IF ( timestep_scheme(1:5) /= 'runge' )  THEN
358
359       rif_m   => rif_1;    rif   => rif_2
360       shf_m   => shf_1;    shf   => shf_2
361       tswst_m => tswst_1;  tswst => tswst_2
362       usws_m  => usws_1;   usws  => usws_2
363       uswst_m => uswst_1;  uswst => uswst_2
364       vsws_m  => vsws_1;   vsws  => vsws_2
365       vswst_m => vswst_1;  vswst => vswst_2
366       e_m  => e_1;   e  => e_2;   e_p  => e_3;   te_m  => e_3
367       kh_m => kh_1;  kh => kh_2
368       km_m => km_1;  km => km_2
369       pt_m => pt_1;  pt => pt_2;  pt_p => pt_3;  tpt_m => pt_3
370       u_m  => u_1;   u  => u_2;   u_p  => u_3;   tu_m  => u_3
371       v_m  => v_1;   v  => v_2;   v_p  => v_3;   tv_m  => v_3
372       w_m  => w_1;   w  => w_2;   w_p  => w_3;   tw_m  => w_3
373
374       IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
375          qsws_m  => qsws_1;   qsws  => qsws_2
376          qswst_m => qswst_1;  qswst => qswst_2
377          q_m    => q_1;     q    => q_2;     q_p => q_3;     tq_m => q_3
378          IF ( humidity )        vpt_m  => vpt_1;   vpt  => vpt_2
379          IF ( cloud_physics )   ql   => ql_1
380          IF ( cloud_droplets )  THEN
381             ql   => ql_1
382             ql_c => ql_2
383          ENDIF
384       ENDIF
385
386    ELSE
387
388       rif   => rif_1
389       shf   => shf_1
390       tswst => tswst_1
391       usws  => usws_1
392       uswst => uswst_1
393       vsws  => vsws_1
394       vswst => vswst_1
395       e     => e_1;   e_p  => e_2;   te_m  => e_3;   e_m  => e_3
396       kh    => kh_1
397       km    => km_1
398       pt    => pt_1;  pt_p => pt_2;  tpt_m => pt_3;  pt_m => pt_3
399       u     => u_1;   u_p  => u_2;   tu_m  => u_3;   u_m  => u_3
400       v     => v_1;   v_p  => v_2;   tv_m  => v_3;   v_m  => v_3
401       w     => w_1;   w_p  => w_2;   tw_m  => w_3;   w_m  => w_3
402
403       IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
404          qsws   => qsws_1
405          qswst  => qswst_1
406          q      => q_1;     q_p  => q_2;     tq_m  => q_3;    q_m => q_3
407          IF ( humidity )        vpt  => vpt_1
408          IF ( cloud_physics )   ql   => ql_1
409          IF ( cloud_droplets )  THEN
410             ql   => ql_1
411             ql_c => ql_2
412          ENDIF
413       ENDIF
414
415       IF ( ocean )  THEN
416          saswsb => saswsb_1
417          saswst => saswst_1
418          sa     => sa_1;    sa_p => sa_2;    tsa_m => sa_3
419       ENDIF
420
421    ENDIF
422
423!
424!-- Initialize model variables
425    IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data'  .AND.  &
426         TRIM( initializing_actions ) /= 'cyclic_fill' )  THEN
427!
428!--    First model run of a possible job queue.
429!--    Initial profiles of the variables must be computes.
430       IF ( INDEX( initializing_actions, 'set_1d-model_profiles' ) /= 0 )  THEN
431!
432!--       Use solutions of the 1D model as initial profiles,
433!--       start 1D model
434          CALL init_1d_model
435!
436!--       Transfer initial profiles to the arrays of the 3D model
437          DO  i = nxl-1, nxr+1
438             DO  j = nys-1, nyn+1
439                e(:,j,i)  = e1d
440                kh(:,j,i) = kh1d
441                km(:,j,i) = km1d
442                pt(:,j,i) = pt_init
443                u(:,j,i)  = u1d
444                v(:,j,i)  = v1d
445             ENDDO
446          ENDDO
447
448          IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
449             DO  i = nxl-1, nxr+1
450                DO  j = nys-1, nyn+1
451                   q(:,j,i) = q_init
452                ENDDO
453             ENDDO
454          ENDIF
455
456          IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
457             DO  i = nxl-1, nxr+1
458                DO  j = nys-1, nyn+1
459                   e(:,j,i)  = e1d
460                ENDDO
461             ENDDO
462!
463!--          Store initial profiles for output purposes etc.
464             hom(:,1,25,:) = SPREAD( l1d, 2, statistic_regions+1 )
465
466             IF ( prandtl_layer )  THEN
467                rif  = rif1d(nzb+1)
468                ts   = 0.0  ! could actually be computed more accurately in the
469                            ! 1D model. Update when opportunity arises.
470                us   = us1d
471                usws = usws1d
472                vsws = vsws1d
473             ELSE
474                ts   = 0.0  ! must be set, because used in
475                rif  = 0.0  ! flowste
476                us   = 0.0
477                usws = 0.0
478                vsws = 0.0
479             ENDIF
480
481          ELSE
482             e    = 0.0  ! must be set, because used in
483             rif  = 0.0  ! flowste
484             ts   = 0.0
485             us   = 0.0
486             usws = 0.0
487             vsws = 0.0
488          ENDIF
489          uswst = top_momentumflux_u
490          vswst = top_momentumflux_v
491
492!
493!--       In every case qs = 0.0 (see also pt)
494!--       This could actually be computed more accurately in the 1D model.
495!--       Update when opportunity arises!
496          IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  qs = 0.0
497
498!
499!--       inside buildings set velocities back to zero
500          IF ( topography /= 'flat' )  THEN
501             DO  i = nxl-1, nxr+1
502                DO  j = nys-1, nyn+1
503                   u(nzb:nzb_u_inner(j,i),j,i) = 0.0
504                   v(nzb:nzb_v_inner(j,i),j,i) = 0.0
505                ENDDO
506             ENDDO
507             IF ( conserve_volume_flow )  THEN
508                IF ( nxr == nx )  THEN
509                   DO  j = nys, nyn
510                      DO  k = nzb + 1, nzb_u_inner(j,nx)
511                         u_nzb_p1_for_vfc(j) = u_nzb_p1_for_vfc(j) + &
512                                               u1d(k) * dzu(k)
513                      ENDDO
514                   ENDDO
515                ENDIF
516                IF ( nyn == ny )  THEN
517                   DO  i = nxl, nxr
518                      DO  k = nzb + 1, nzb_v_inner(ny,i)
519                         v_nzb_p1_for_vfc(i) = v_nzb_p1_for_vfc(i) + &
520                                               v1d(k) * dzu(k)
521                      ENDDO
522                   ENDDO
523                ENDIF
524             ENDIF
525!
526!--          WARNING: The extra boundary conditions set after running the
527!--          -------  1D model impose an error on the divergence one layer
528!--                   below the topography; need to correct later
529!--          ATTENTION: Provisional correction for Piacsek & Williams
530!--          ---------  advection scheme: keep u and v zero one layer below
531!--                     the topography.
532             IF ( ibc_uv_b == 0 )  THEN
533!
534!--             Satisfying the Dirichlet condition with an extra layer below
535!--             the surface where the u and v component change their sign.
536                DO  i = nxl-1, nxr+1
537                   DO  j = nys-1, nyn+1
538                      IF ( nzb_u_inner(j,i) == 0 ) u(0,j,i) = -u(1,j,i)
539                      IF ( nzb_v_inner(j,i) == 0 ) v(0,j,i) = -v(1,j,i)
540                   ENDDO
541                ENDDO
542
543             ELSE
544!
545!--             Neumann condition
546                DO  i = nxl-1, nxr+1
547                   DO  j = nys-1, nyn+1
548                      IF ( nzb_u_inner(j,i) == 0 ) u(0,j,i) = u(1,j,i)
549                      IF ( nzb_v_inner(j,i) == 0 ) v(0,j,i) = v(1,j,i)
550                   ENDDO
551                ENDDO
552
553             ENDIF
554
555          ENDIF
556
557       ELSEIF ( INDEX(initializing_actions, 'set_constant_profiles') /= 0 ) &
558       THEN
559!
560!--       Use constructed initial profiles (velocity constant with height,
561!--       temperature profile with constant gradient)
562          DO  i = nxl-1, nxr+1
563             DO  j = nys-1, nyn+1
564                pt(:,j,i) = pt_init
565                u(:,j,i)  = u_init
566                v(:,j,i)  = v_init
567             ENDDO
568          ENDDO
569
570!
571!--       Set initial horizontal velocities at the lowest computational grid
572!--       levels to zero in order to avoid too small time steps caused by the
573!--       diffusion limit in the initial phase of a run (at k=1, dz/2 occurs
574!--       in the limiting formula!). The original values are stored to be later
575!--       used for volume flow control.
576          DO  i = nxl-1, nxr+1
577             DO  j = nys-1, nyn+1
578                u(nzb:nzb_u_inner(j,i)+1,j,i) = 0.0
579                v(nzb:nzb_v_inner(j,i)+1,j,i) = 0.0
580             ENDDO
581          ENDDO
582          IF ( conserve_volume_flow )  THEN
583             IF ( nxr == nx )  THEN
584                DO  j = nys, nyn
585                   DO  k = nzb + 1, nzb_u_inner(j,nx) + 1
586                      u_nzb_p1_for_vfc(j) = u_nzb_p1_for_vfc(j) + &
587                                            u_init(k) * dzu(k)
588                   ENDDO
589                ENDDO
590             ENDIF
591             IF ( nyn == ny )  THEN
592                DO  i = nxl, nxr
593                   DO  k = nzb + 1, nzb_v_inner(ny,i) + 1
594                      v_nzb_p1_for_vfc(i) = v_nzb_p1_for_vfc(i) + &
595                                            v_init(k) * dzu(k)
596                   ENDDO
597                ENDDO
598             ENDIF
599          ENDIF
600
601          IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
602             DO  i = nxl-1, nxr+1
603                DO  j = nys-1, nyn+1
604                   q(:,j,i) = q_init
605                ENDDO
606             ENDDO
607          ENDIF
608
609          IF ( ocean )  THEN
610             DO  i = nxl-1, nxr+1
611                DO  j = nys-1, nyn+1
612                   sa(:,j,i) = sa_init
613                ENDDO
614             ENDDO
615          ENDIF
616         
617          IF ( constant_diffusion )  THEN
618             km   = km_constant
619             kh   = km / prandtl_number
620             e    = 0.0
621          ELSEIF ( e_init > 0.0 )  THEN
622             DO  k = nzb+1, nzt
623                km(k,:,:) = 0.1 * l_grid(k) * SQRT( e_init )
624             ENDDO
625             km(nzb,:,:)   = km(nzb+1,:,:)
626             km(nzt+1,:,:) = km(nzt,:,:)
627             kh   = km / prandtl_number
628             e    = e_init
629          ELSE
630             IF ( .NOT. ocean )  THEN
631                kh   = 0.01   ! there must exist an initial diffusion, because
632                km   = 0.01   ! otherwise no TKE would be produced by the
633                              ! production terms, as long as not yet
634                              ! e = (u*/cm)**2 at k=nzb+1
635             ELSE
636                kh   = 0.00001
637                km   = 0.00001
638             ENDIF
639             e    = 0.0
640          ENDIF
641          rif   = 0.0
642          ts    = 0.0
643          us    = 0.0
644          usws  = 0.0
645          uswst = top_momentumflux_u
646          vsws  = 0.0
647          vswst = top_momentumflux_v
648          IF ( humidity  .OR.  passive_scalar ) qs = 0.0
649
650!
651!--       Compute initial temperature field and other constants used in case
652!--       of a sloping surface
653          IF ( sloping_surface )  CALL init_slope
654
655       ELSEIF ( INDEX(initializing_actions, 'by_user') /= 0 ) &
656       THEN
657!
658!--       Initialization will completely be done by the user
659          CALL user_init_3d_model
660
661       ENDIF
662
663!
664!--    Apply channel flow boundary condition
665       IF ( TRIM( bc_uv_t ) == 'dirichlet_0' )  THEN
666
667          u(nzt+1,:,:) = 0.0
668          v(nzt+1,:,:) = 0.0
669
670!--       For the Dirichlet condition to be correctly applied at the top, set
671!--       ug and vg to zero there
672          ug(nzt+1)    = 0.0
673          vg(nzt+1)    = 0.0
674
675       ENDIF
676
677!
678!--    Calculate virtual potential temperature
679       IF ( humidity ) vpt = pt * ( 1.0 + 0.61 * q )
680
681!
682!--    Store initial profiles for output purposes etc.
683       hom(:,1,5,:) = SPREAD( u(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
684       hom(:,1,6,:) = SPREAD( v(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
685       IF ( ibc_uv_b == 0 )  THEN
686          hom(nzb,1,5,:) = -hom(nzb+1,1,5,:)  ! due to satisfying the Dirichlet
687          hom(nzb,1,6,:) = -hom(nzb+1,1,6,:)  ! condition with an extra layer
688              ! below the surface where the u and v component change their sign
689       ENDIF
690       hom(:,1,7,:)  = SPREAD( pt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
691       hom(:,1,23,:) = SPREAD( km(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
692       hom(:,1,24,:) = SPREAD( kh(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
693
694       IF ( ocean )  THEN
695!
696!--       Store initial salinity profile
697          hom(:,1,26,:)  = SPREAD( sa(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
698       ENDIF
699
700       IF ( humidity )  THEN
701!
702!--       Store initial profile of total water content, virtual potential
703!--       temperature
704          hom(:,1,26,:) = SPREAD(   q(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
705          hom(:,1,29,:) = SPREAD( vpt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
706          IF ( cloud_physics  .OR.  cloud_droplets ) THEN
707!
708!--          Store initial profile of specific humidity and potential
709!--          temperature
710             hom(:,1,27,:) = SPREAD(  q(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
711             hom(:,1,28,:) = SPREAD( pt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
712          ENDIF
713       ENDIF
714
715       IF ( passive_scalar )  THEN
716!
717!--       Store initial scalar profile
718          hom(:,1,26,:) = SPREAD(  q(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
719       ENDIF
720
721!
722!--    Initialize fluxes at bottom surface
723       IF ( use_surface_fluxes )  THEN
724
725          IF ( constant_heatflux )  THEN
726!
727!--          Heat flux is prescribed
728             IF ( random_heatflux )  THEN
729                CALL disturb_heatflux
730             ELSE
731                shf = surface_heatflux
732!
733!--             Over topography surface_heatflux is replaced by wall_heatflux(0)
734                IF ( TRIM( topography ) /= 'flat' )  THEN
735                   DO  i = nxl-1, nxr+1
736                      DO  j = nys-1, nyn+1
737                         IF ( nzb_s_inner(j,i) /= 0 )  THEN
738                            shf(j,i) = wall_heatflux(0)
739                         ENDIF
740                      ENDDO
741                   ENDDO
742                ENDIF
743             ENDIF
744             IF ( ASSOCIATED( shf_m ) )  shf_m = shf
745          ENDIF
746
747!
748!--       Determine the near-surface water flux
749          IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
750             IF ( constant_waterflux )  THEN
751                qsws   = surface_waterflux
752!
753!--             Over topography surface_waterflux is replaced by
754!--             wall_humidityflux(0)
755                IF ( TRIM( topography ) /= 'flat' )  THEN
756                   wall_qflux = wall_humidityflux
757                   DO  i = nxl-1, nxr+1
758                      DO  j = nys-1, nyn+1
759                         IF ( nzb_s_inner(j,i) /= 0 )  THEN
760                            qsws(j,i) = wall_qflux(0)
761                         ENDIF
762                      ENDDO
763                   ENDDO
764                ENDIF
765                IF ( ASSOCIATED( qsws_m ) )  qsws_m = qsws
766             ENDIF
767          ENDIF
768
769       ENDIF
770
771!
772!--    Initialize fluxes at top surface
773!--    Currently, only the heatflux and salinity flux can be prescribed.
774!--    The latent flux is zero in this case!
775       IF ( use_top_fluxes )  THEN
776
777          IF ( constant_top_heatflux )  THEN
778!
779!--          Heat flux is prescribed
780             tswst = top_heatflux
781             IF ( ASSOCIATED( tswst_m ) )  tswst_m = tswst
782
783             IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
784                qswst = 0.0
785                IF ( ASSOCIATED( qswst_m ) )  qswst_m = qswst
786             ENDIF
787
788             IF ( ocean )  THEN
789                saswsb = bottom_salinityflux
790                saswst = top_salinityflux
791             ENDIF
792          ENDIF
793
794!
795!--       Initialization in case of a coupled model run
796          IF ( coupling_mode == 'ocean_to_atmosphere' )  THEN
797             tswst = 0.0
798             IF ( ASSOCIATED( tswst_m ) )  tswst_m = tswst
799          ENDIF
800
801       ENDIF
802
803!
804!--    Initialize Prandtl layer quantities
805       IF ( prandtl_layer )  THEN
806
807          z0 = roughness_length
808
809          IF ( .NOT. constant_heatflux )  THEN 
810!
811!--          Surface temperature is prescribed. Here the heat flux cannot be
812!--          simply estimated, because therefore rif, u* and theta* would have
813!--          to be computed by iteration. This is why the heat flux is assumed
814!--          to be zero before the first time step. It approaches its correct
815!--          value in the course of the first few time steps.
816             shf   = 0.0
817             IF ( ASSOCIATED( shf_m ) )  shf_m = 0.0
818          ENDIF
819
820          IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
821             IF ( .NOT. constant_waterflux )  THEN
822                qsws   = 0.0
823                IF ( ASSOCIATED( qsws_m ) )   qsws_m = 0.0
824             ENDIF
825          ENDIF
826
827       ENDIF
828
829!
830!--    Calculate the initial volume flow at the right and north boundary
831       IF ( conserve_volume_flow )  THEN
832
833          volume_flow_initial_l = 0.0
834          volume_flow_area_l    = 0.0
835 
836          IF ( nxr == nx )  THEN
837             DO  j = nys, nyn
838                DO  k = nzb_2d(j,nx) + 1, nzt
839                   volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) + &
840                                              u(k,j,nx) * dzu(k)
841                   volume_flow_area_l(1)    = volume_flow_area_l(1) + dzu(k)
842                ENDDO
843!
844!--             Correction if velocity at nzb+1 has been set zero further above
845                volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) + &
846                                           u_nzb_p1_for_vfc(j)
847             ENDDO
848          ENDIF
849
850          IF ( nyn == ny )  THEN
851             DO  i = nxl, nxr
852                DO  k = nzb_2d(ny,i) + 1, nzt 
853                   volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) + &
854                                              v(k,ny,i) * dzu(k)
855                   volume_flow_area_l(2)    = volume_flow_area_l(2) + dzu(k)
856                ENDDO
857!
858!--             Correction if velocity at nzb+1 has been set zero further above
859                volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) + &
860                                           v_nzb_p1_for_vfc(i)
861             ENDDO
862          ENDIF
863
864#if defined( __parallel )
865          IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
866          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_initial_l(1), volume_flow_initial(1),&
867                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
868          IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
869          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_area_l(1), volume_flow_area(1),      &
870                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
871#else
872          volume_flow_initial = volume_flow_initial_l
873          volume_flow_area    = volume_flow_area_l
874#endif
875!
876!--       In case of 'bulk_velocity' mode, volume_flow_initial is overridden
877!--       and calculated from u|v_bulk instead.
878          IF ( TRIM( conserve_volume_flow_mode ) == 'bulk_velocity' )  THEN
879             volume_flow_initial(1) = u_bulk * volume_flow_area(1)
880             volume_flow_initial(2) = v_bulk * volume_flow_area(2)
881          ENDIF
882
883       ENDIF
884
885!
886!--    For the moment, perturbation pressure and vertical velocity are zero
887       p = 0.0; w = 0.0
888
889!
890!--    Initialize array sums (must be defined in first call of pres)
891       sums = 0.0
892
893!
894!--    Treating cloud physics, liquid water content and precipitation amount
895!--    are zero at beginning of the simulation
896       IF ( cloud_physics )  THEN
897          ql = 0.0
898          IF ( precipitation )  precipitation_amount = 0.0
899       ENDIF
900
901!
902!--    Impose vortex with vertical axis on the initial velocity profile
903       IF ( INDEX( initializing_actions, 'initialize_vortex' ) /= 0 )  THEN
904          CALL init_rankine
905       ENDIF
906
907!
908!--    Impose temperature anomaly (advection test only)
909       IF ( INDEX( initializing_actions, 'initialize_ptanom' ) /= 0 )  THEN
910          CALL init_pt_anomaly
911       ENDIF
912
913!
914!--    If required, change the surface temperature at the start of the 3D run
915       IF ( pt_surface_initial_change /= 0.0 )  THEN
916          pt(nzb,:,:) = pt(nzb,:,:) + pt_surface_initial_change
917       ENDIF
918
919!
920!--    If required, change the surface humidity/scalar at the start of the 3D
921!--    run
922       IF ( ( humidity .OR. passive_scalar ) .AND. &
923            q_surface_initial_change /= 0.0 )  THEN
924          q(nzb,:,:) = q(nzb,:,:) + q_surface_initial_change
925       ENDIF
926
927!
928!--    Initialize the random number generator (from numerical recipes)
929       CALL random_function_ini
930
931!
932!--    Impose random perturbation on the horizontal velocity field and then
933!--    remove the divergences from the velocity field
934       IF ( create_disturbances )  THEN
935          CALL disturb_field( nzb_u_inner, tend, u )
936          CALL disturb_field( nzb_v_inner, tend, v )
937          n_sor = nsor_ini
938          CALL pres
939          n_sor = nsor
940       ENDIF
941
942!
943!--    Once again set the perturbation pressure explicitly to zero in order to
944!--    assure that it does not generate any divergences in the first time step.
945!--    At t=0 the velocity field is free of divergence (as constructed above).
946!--    Divergences being created during a time step are not yet known and thus
947!--    cannot be corrected during the time step yet.
948       p = 0.0
949
950!
951!--    Initialize old and new time levels.
952       IF ( timestep_scheme(1:5) /= 'runge' )  THEN
953          e_m = e; pt_m = pt; u_m = u; v_m = v; w_m = w; kh_m = kh; km_m = km
954       ELSE
955          te_m = 0.0; tpt_m = 0.0; tu_m = 0.0; tv_m = 0.0; tw_m = 0.0
956       ENDIF
957       e_p = e; pt_p = pt; u_p = u; v_p = v; w_p = w
958
959       IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
960          IF ( ASSOCIATED( q_m ) )  q_m = q
961          IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  tq_m = 0.0
962          q_p = q
963          IF ( humidity  .AND.  ASSOCIATED( vpt_m ) )  vpt_m = vpt
964       ENDIF
965
966       IF ( ocean )  THEN
967          tsa_m = 0.0
968          sa_p  = sa
969       ENDIF
970
971
972    ELSEIF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data'  .OR.    &
973             TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  &
974    THEN
975!
976!--    When reading data for cyclic fill of 3D prerun data, first read
977!--    some of the global variables from restart file
978       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  THEN
979
980          WRITE (9,*) 'before read_parts_of_var_list'
981          CALL local_flush( 9 )
982          CALL read_parts_of_var_list
983          WRITE (9,*) 'after read_parts_of_var_list'
984          CALL local_flush( 9 )
985          CALL close_file( 13 )
986
987!
988!--       Initialization of the turbulence recycling method
989          IF ( turbulent_inflow )  THEN
990!
991!--          Store temporally and horizontally averaged vertical profiles to be
992!--          used as mean inflow profiles
993             ALLOCATE( mean_inflow_profiles(nzb:nzt+1,5) )
994
995             mean_inflow_profiles(:,1) = hom_sum(:,1,0)    ! u
996             mean_inflow_profiles(:,2) = hom_sum(:,2,0)    ! v
997             mean_inflow_profiles(:,4) = hom_sum(:,4,0)    ! pt
998             mean_inflow_profiles(:,5) = hom_sum(:,8,0)    ! e
999
1000!
1001!--          Use these mean profiles for the inflow (provided that Dirichlet
1002!--          conditions are used)
1003             IF ( inflow_l )  THEN
1004                DO  j = nys-1, nyn+1
1005                   DO  k = nzb, nzt+1
1006                      u(k,j,-1)  = mean_inflow_profiles(k,1)
1007                      v(k,j,-1)  = mean_inflow_profiles(k,2)
1008                      w(k,j,-1)  = 0.0
1009                      pt(k,j,-1) = mean_inflow_profiles(k,4)
1010                      e(k,j,-1)  = mean_inflow_profiles(k,5)
1011                   ENDDO
1012                ENDDO
1013             ENDIF
1014
1015!
1016!--          Calculate the damping factors to be used at the inflow. For a
1017!--          turbulent inflow the turbulent fluctuations have to be limited
1018!--          vertically because otherwise the turbulent inflow layer will grow
1019!--          in time.
1020             IF ( inflow_damping_height == 9999999.9 )  THEN
1021!
1022!--             Default: use the inversion height calculated by the prerun; if
1023!--             this is zero, inflow_damping_height must be explicitly
1024!--             specified.
1025                IF ( hom_sum(nzb+6,pr_palm,0) /= 0.0 )  THEN
1026                   inflow_damping_height = hom_sum(nzb+6,pr_palm,0)
1027                ELSE
1028                   WRITE( message_string, * ) 'inflow_damping_height must be ',&
1029                        'explicitly specified because&the inversion height ', &
1030                        'calculated by the prerun is zero.'
1031                   CALL message( 'init_3d_model', 'PA0318', 1, 2, 0, 6, 0 )
1032                ENDIF
1033
1034             ENDIF
1035
1036             IF ( inflow_damping_width == 9999999.9 )  THEN
1037!
1038!--             Default for the transition range: one tenth of the undamped
1039!--             layer
1040                inflow_damping_width = 0.1 * inflow_damping_height
1041
1042             ENDIF
1043
1044             ALLOCATE( inflow_damping_factor(nzb:nzt+1) )
1045
1046             DO  k = nzb, nzt+1
1047
1048                IF ( zu(k) <= inflow_damping_height )  THEN
1049                   inflow_damping_factor(k) = 1.0
1050                ELSEIF ( zu(k) <= inflow_damping_height +  &
1051                                  inflow_damping_width )  THEN
1052                   inflow_damping_factor(k) = 1.0 -                            &
1053                                           ( zu(k) - inflow_damping_height ) / &
1054                                           inflow_damping_width
1055                ELSE
1056                   inflow_damping_factor(k) = 0.0
1057                ENDIF
1058
1059             ENDDO
1060          ENDIF
1061
1062       ENDIF
1063
1064!
1065!--    Read binary data from restart file
1066          WRITE (9,*) 'before read_3d_binary'
1067          CALL local_flush( 9 )
1068       CALL read_3d_binary
1069          WRITE (9,*) 'after read_3d_binary'
1070          CALL local_flush( 9 )
1071
1072!
1073!--    Inside buildings set velocities and TKE back to zero
1074       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' .AND.  &
1075            topography /= 'flat' )  THEN
1076!
1077!--       Correction of initial volume flow
1078          IF ( conserve_volume_flow )  THEN
1079             IF ( nxr == nx )  THEN
1080                DO  j = nys, nyn
1081                   DO  k = nzb + 1, nzb_u_inner(j,nx)
1082                      u_nzb_p1_for_vfc(j) = u_nzb_p1_for_vfc(j) + &
1083                                            u(k,j,nx) * dzu(k)
1084                   ENDDO
1085                ENDDO
1086             ENDIF
1087             IF ( nyn == ny )  THEN
1088                DO  i = nxl, nxr
1089                   DO  k = nzb + 1, nzb_v_inner(ny,i)
1090                      v_nzb_p1_for_vfc(i) = v_nzb_p1_for_vfc(i) + &
1091                                            v(k,ny,i) * dzu(k)
1092                   ENDDO
1093                ENDDO
1094             ENDIF
1095          ENDIF
1096
1097!
1098!--       Inside buildings set velocities and TKE back to zero.
1099!--       Other scalars (pt, q, s, km, kh, p, sa, ...) are ignored at present,
1100!--       maybe revise later.
1101          IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
1102             DO  i = nxl-1, nxr+1
1103                DO  j = nys-1, nyn+1
1104                   u  (nzb:nzb_u_inner(j,i),j,i) = 0.0
1105                   v  (nzb:nzb_v_inner(j,i),j,i) = 0.0
1106                   w  (nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i) = 0.0
1107                   e  (nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i) = 0.0
1108                   u_m(nzb:nzb_u_inner(j,i),j,i) = 0.0
1109                   v_m(nzb:nzb_v_inner(j,i),j,i) = 0.0
1110                   w_m(nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i) = 0.0
1111                   e_m(nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i) = 0.0
1112                   tu_m(nzb:nzb_u_inner(j,i),j,i) = 0.0
1113                   tv_m(nzb:nzb_v_inner(j,i),j,i) = 0.0
1114                   tw_m(nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i) = 0.0
1115                   te_m(nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i) = 0.0
1116                   tpt_m(nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i) = 0.0
1117                ENDDO
1118             ENDDO
1119          ELSE
1120             DO  i = nxl-1, nxr+1
1121                DO  j = nys-1, nyn+1
1122                   u  (nzb:nzb_u_inner(j,i),j,i) = 0.0
1123                   v  (nzb:nzb_v_inner(j,i),j,i) = 0.0
1124                   w  (nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i) = 0.0
1125                   e  (nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i) = 0.0
1126                   u_m(nzb:nzb_u_inner(j,i),j,i) = 0.0
1127                   v_m(nzb:nzb_v_inner(j,i),j,i) = 0.0
1128                   w_m(nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i) = 0.0
1129                   e_m(nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i) = 0.0
1130                   u_p(nzb:nzb_u_inner(j,i),j,i) = 0.0
1131                   v_p(nzb:nzb_v_inner(j,i),j,i) = 0.0
1132                   w_p(nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i) = 0.0
1133                   e_p(nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i) = 0.0
1134                ENDDO
1135             ENDDO
1136          ENDIF
1137
1138       ENDIF
1139
1140!
1141!--    Calculate the initial volume flow at the right and north boundary
1142       IF ( conserve_volume_flow  .AND.  &
1143            TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  THEN
1144
1145          volume_flow_initial_l = 0.0
1146          volume_flow_area_l    = 0.0
1147 
1148          IF ( nxr == nx )  THEN
1149             DO  j = nys, nyn
1150                DO  k = nzb_2d(j,nx) + 1, nzt
1151                   volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) + &
1152                                              u(k,j,nx) * dzu(k)
1153                   volume_flow_area_l(1)    = volume_flow_area_l(1) + dzu(k)
1154                ENDDO
1155!
1156!--             Correction if velocity inside buildings has been set to zero
1157!--             further above
1158                volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) + &
1159                                           u_nzb_p1_for_vfc(j)
1160             ENDDO
1161          ENDIF
1162
1163          IF ( nyn == ny )  THEN
1164             DO  i = nxl, nxr
1165                DO  k = nzb_2d(ny,i) + 1, nzt 
1166                   volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) + &
1167                                              v(k,ny,i) * dzu(k)
1168                   volume_flow_area_l(2)    = volume_flow_area_l(2) + dzu(k)
1169                ENDDO
1170!
1171!--             Correction if velocity inside buildings has been set to zero
1172!--             further above
1173                volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) + &
1174                                           v_nzb_p1_for_vfc(i)
1175             ENDDO
1176          ENDIF
1177
1178#if defined( __parallel )
1179          IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1180          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_initial_l(1), volume_flow_initial(1),&
1181                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1182          IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1183          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_area_l(1), volume_flow_area(1),      &
1184                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1185#else
1186          volume_flow_initial = volume_flow_initial_l
1187          volume_flow_area    = volume_flow_area_l
1188#endif 
1189       ENDIF
1190
1191
1192!
1193!--    Calculate initial temperature field and other constants used in case
1194!--    of a sloping surface
1195       IF ( sloping_surface )  CALL init_slope
1196
1197!
1198!--    Initialize new time levels (only done in order to set boundary values
1199!--    including ghost points)
1200       e_p = e; pt_p = pt; u_p = u; v_p = v; w_p = w
1201       IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  q_p = q
1202       IF ( ocean )  sa_p = sa
1203
1204!
1205!--    Allthough tendency arrays are set in prognostic_equations, they have
1206!--    have to be predefined here because they are used (but multiplied with 0)
1207!--    there before they are set.
1208       IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
1209          te_m = 0.0; tpt_m = 0.0; tu_m = 0.0; tv_m = 0.0; tw_m = 0.0
1210          IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  tq_m = 0.0
1211          IF ( ocean )  tsa_m = 0.0
1212       ENDIF
1213
1214    ELSE
1215!
1216!--    Actually this part of the programm should not be reached
1217       message_string = 'unknown initializing problem'
1218       CALL message( 'init_3d_model', 'PA0193', 1, 2, 0, 6, 0 )
1219    ENDIF
1220
1221
1222    IF (  TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' )  THEN
1223!
1224!--    Initialize old timelevels needed for radiation boundary conditions
1225       IF ( outflow_l )  THEN
1226          u_m_l(:,:,:) = u(:,:,1:2)
1227          v_m_l(:,:,:) = v(:,:,0:1)
1228          w_m_l(:,:,:) = w(:,:,0:1)
1229       ENDIF
1230       IF ( outflow_r )  THEN
1231          u_m_r(:,:,:) = u(:,:,nx-1:nx)
1232          v_m_r(:,:,:) = v(:,:,nx-1:nx)
1233          w_m_r(:,:,:) = w(:,:,nx-1:nx)
1234       ENDIF
1235       IF ( outflow_s )  THEN
1236          u_m_s(:,:,:) = u(:,0:1,:)
1237          v_m_s(:,:,:) = v(:,1:2,:)
1238          w_m_s(:,:,:) = w(:,0:1,:)
1239       ENDIF
1240       IF ( outflow_n )  THEN
1241          u_m_n(:,:,:) = u(:,ny-1:ny,:)
1242          v_m_n(:,:,:) = v(:,ny-1:ny,:)
1243          w_m_n(:,:,:) = w(:,ny-1:ny,:)
1244       ENDIF
1245
1246    ENDIF
1247
1248!
1249!-- Initialization of the leaf area density
1250    IF ( plant_canopy ) THEN
1251 
1252       SELECT CASE ( TRIM( canopy_mode ) )
1253
1254          CASE( 'block' )
1255
1256             DO  i = nxl-1, nxr+1
1257                DO  j = nys-1, nyn+1
1258                   lad_s(:,j,i) = lad(:)
1259                   cdc(:,j,i)   = drag_coefficient
1260                   IF ( passive_scalar ) THEN
1261                      sls(:,j,i) = leaf_surface_concentration
1262                      sec(:,j,i) = scalar_exchange_coefficient
1263                   ENDIF
1264                ENDDO
1265             ENDDO
1266
1267          CASE DEFAULT
1268
1269!
1270!--          The DEFAULT case is reached either if the parameter
1271!--          canopy mode contains a wrong character string or if the
1272!--          user has coded a special case in the user interface.
1273!--          There, the subroutine user_init_plant_canopy checks
1274!--          which of these two conditions applies.
1275             CALL user_init_plant_canopy
1276 
1277          END SELECT
1278
1279       CALL exchange_horiz( lad_s )
1280       CALL exchange_horiz( cdc )
1281
1282       IF ( passive_scalar ) THEN
1283          CALL exchange_horiz( sls )
1284          CALL exchange_horiz( sec )
1285       ENDIF
1286
1287!
1288!--    Sharp boundaries of the plant canopy in horizontal directions
1289!--    In vertical direction the interpolation is retained, as the leaf
1290!--    area density is initialised by prescribing a vertical profile
1291!--    consisting of piecewise linear segments. The upper boundary
1292!--    of the plant canopy is now defined by lad_w(pch_index,:,:) = 0.0.
1293
1294       DO  i = nxl, nxr
1295          DO  j = nys, nyn
1296             DO  k = nzb, nzt+1 
1297                IF ( lad_s(k,j,i) > 0.0 ) THEN
1298                   lad_u(k,j,i)   = lad_s(k,j,i) 
1299                   lad_u(k,j,i+1) = lad_s(k,j,i)
1300                   lad_v(k,j,i)   = lad_s(k,j,i)
1301                   lad_v(k,j+1,i) = lad_s(k,j,i)
1302                ENDIF
1303             ENDDO
1304             DO  k = nzb, nzt
1305                lad_w(k,j,i) = 0.5 * ( lad_s(k+1,j,i) + lad_s(k,j,i) )
1306             ENDDO
1307          ENDDO
1308       ENDDO
1309
1310       lad_w(pch_index,:,:) = 0.0
1311       lad_w(nzt+1,:,:)     = lad_w(nzt,:,:)
1312
1313       CALL exchange_horiz( lad_u )
1314       CALL exchange_horiz( lad_v )
1315       CALL exchange_horiz( lad_w )
1316
1317!
1318!--    Initialisation of the canopy heat source distribution
1319       IF ( cthf /= 0.0 ) THEN
1320!
1321!--       Piecewise evaluation of the leaf area index by
1322!--       integration of the leaf area density
1323          lai(:,:,:) = 0.0
1324          DO  i = nxl-1, nxr+1
1325             DO  j = nys-1, nyn+1
1326                DO  k = pch_index-1, 0, -1
1327                   lai(k,j,i) = lai(k+1,j,i) +                   &
1328                                ( 0.5 * ( lad_w(k+1,j,i) +       &
1329                                          lad_s(k+1,j,i) ) *     &
1330                                  ( zw(k+1) - zu(k+1) ) )  +     &
1331                                ( 0.5 * ( lad_w(k,j,i)   +       &
1332                                          lad_s(k+1,j,i) ) *     &
1333                                  ( zu(k+1) - zw(k) ) )
1334                ENDDO
1335             ENDDO
1336          ENDDO
1337
1338!
1339!--       Evaluation of the upward kinematic vertical heat flux within the
1340!--       canopy
1341          DO  i = nxl-1, nxr+1
1342             DO  j = nys-1, nyn+1
1343                DO  k = 0, pch_index
1344                   canopy_heat_flux(k,j,i) = cthf *                    &
1345                                             exp( -0.6 * lai(k,j,i) )
1346                ENDDO
1347             ENDDO
1348          ENDDO
1349
1350!
1351!--       The near surface heat flux is derived from the heat flux
1352!--       distribution within the canopy
1353          shf(:,:) = canopy_heat_flux(0,:,:)
1354
1355          IF ( ASSOCIATED( shf_m ) ) shf_m = shf
1356
1357       ENDIF
1358
1359    ENDIF
1360
1361!
1362!-- If required, initialize dvrp-software
1363    IF ( dt_dvrp /= 9999999.9 )  CALL init_dvrp
1364
1365    IF ( ocean )  THEN
1366!
1367!--    Initialize quantities needed for the ocean model
1368       CALL init_ocean
1369
1370    ELSE
1371!
1372!--    Initialize quantities for handling cloud physics
1373!--    This routine must be called before init_particles, because
1374!--    otherwise, array pt_d_t, needed in data_output_dvrp (called by
1375!--    init_particles) is not defined.
1376       CALL init_cloud_physics
1377    ENDIF
1378
1379!
1380!-- If required, initialize particles
1381    IF ( particle_advection )  CALL init_particles
1382
1383!
1384!-- Initialize quantities for special advections schemes
1385    CALL init_advec
1386
1387!
1388!-- Initialize Rayleigh damping factors
1389    rdf = 0.0
1390    IF ( rayleigh_damping_factor /= 0.0 )  THEN
1391       IF ( .NOT. ocean )  THEN
1392          DO  k = nzb+1, nzt
1393             IF ( zu(k) >= rayleigh_damping_height )  THEN
1394                rdf(k) = rayleigh_damping_factor * &
1395                      ( SIN( pi * 0.5 * ( zu(k) - rayleigh_damping_height )    &
1396                                      / ( zu(nzt) - rayleigh_damping_height ) )&
1397                      )**2
1398             ENDIF
1399          ENDDO
1400       ELSE
1401          DO  k = nzt, nzb+1, -1
1402             IF ( zu(k) <= rayleigh_damping_height )  THEN
1403                rdf(k) = rayleigh_damping_factor * &
1404                      ( SIN( pi * 0.5 * ( rayleigh_damping_height - zu(k) )    &
1405                                      / ( rayleigh_damping_height - zu(nzb+1)))&
1406                      )**2
1407             ENDIF
1408          ENDDO
1409       ENDIF
1410    ENDIF
1411
1412!
1413!-- Initialize the starting level and the vertical smoothing factor used for
1414!-- the external pressure gradient
1415    dp_smooth_factor = 1.0
1416    IF ( dp_external )  THEN
1417!
1418!--    Set the starting level dp_level_ind_b only if it has not been set before
1419!--    (e.g. in init_grid).
1420       IF ( dp_level_ind_b == 0 )  THEN
1421          ind_array = MINLOC( ABS( dp_level_b - zu ) )
1422          dp_level_ind_b = ind_array(1) - 1 + nzb 
1423                                        ! MINLOC uses lower array bound 1
1424       ENDIF
1425       IF ( dp_smooth )  THEN
1426          dp_smooth_factor(:dp_level_ind_b) = 0.0
1427          DO  k = dp_level_ind_b+1, nzt
1428             dp_smooth_factor(k) = 0.5 * ( 1.0 + SIN( pi * &
1429                  ( REAL( k - dp_level_ind_b ) /  &
1430                    REAL( nzt - dp_level_ind_b ) - 0.5 ) ) )
1431          ENDDO
1432       ENDIF
1433    ENDIF
1434
1435!
1436!-- Initialize diffusivities used within the outflow damping layer in case of
1437!-- non-cyclic lateral boundaries. A linear increase is assumed over the first
1438!-- half of the width of the damping layer
1439    IF ( bc_lr == 'dirichlet/radiation' )  THEN
1440
1441       DO  i = nxl-1, nxr+1
1442          IF ( i >= nx - outflow_damping_width )  THEN
1443             km_damp_x(i) = km_damp_max * MIN( 1.0,                    &
1444                            ( i - ( nx - outflow_damping_width ) ) /   &
1445                            REAL( outflow_damping_width/2 )            &
1446                                             )
1447          ELSE
1448             km_damp_x(i) = 0.0
1449          ENDIF
1450       ENDDO
1451
1452    ELSEIF ( bc_lr == 'radiation/dirichlet' )  THEN
1453
1454       DO  i = nxl-1, nxr+1
1455          IF ( i <= outflow_damping_width )  THEN
1456             km_damp_x(i) = km_damp_max * MIN( 1.0,                    &
1457                            ( outflow_damping_width - i ) /            &
1458                            REAL( outflow_damping_width/2 )            &
1459                                             )
1460          ELSE
1461             km_damp_x(i) = 0.0
1462          ENDIF
1463       ENDDO
1464
1465    ENDIF
1466
1467    IF ( bc_ns == 'dirichlet/radiation' )  THEN
1468
1469       DO  j = nys-1, nyn+1
1470          IF ( j >= ny - outflow_damping_width )  THEN
1471             km_damp_y(j) = km_damp_max * MIN( 1.0,                    &
1472                            ( j - ( ny - outflow_damping_width ) ) /   &
1473                            REAL( outflow_damping_width/2 )            &
1474                                             )
1475          ELSE
1476             km_damp_y(j) = 0.0
1477          ENDIF
1478       ENDDO
1479
1480    ELSEIF ( bc_ns == 'radiation/dirichlet' )  THEN
1481
1482       DO  j = nys-1, nyn+1
1483          IF ( j <= outflow_damping_width )  THEN
1484             km_damp_y(j) = km_damp_max * MIN( 1.0,                    &
1485                            ( outflow_damping_width - j ) /            &
1486                            REAL( outflow_damping_width/2 )            &
1487                                             )
1488          ELSE
1489             km_damp_y(j) = 0.0
1490          ENDIF
1491       ENDDO
1492
1493    ENDIF
1494
1495!
1496!-- Initialize local summation arrays for UP flow_statistics. This is necessary
1497!-- because they may not yet have been initialized when they are called from
1498!-- flow_statistics (or - depending on the chosen model run - are never
1499!-- initialized)
1500    sums_divnew_l      = 0.0
1501    sums_divold_l      = 0.0
1502    sums_l_l           = 0.0
1503    sums_up_fraction_l = 0.0
1504    sums_wsts_bc_l     = 0.0
1505
1506!
1507!-- Pre-set masks for regional statistics. Default is the total model domain.
1508    rmask = 1.0
1509
1510!
1511!-- User-defined initializing actions. Check afterwards, if maximum number
1512!-- of allowed timeseries is not exceeded
1513    CALL user_init
1514
1515    IF ( dots_num > dots_max )  THEN
1516       WRITE( message_string, * ) 'number of time series quantities exceeds', &
1517                                  ' its maximum of dots_max = ', dots_max,    &
1518                                  ' &Please increase dots_max in modules.f90.'
1519       CALL message( 'init_3d_model', 'PA0194', 1, 2, 0, 6, 0 )   
1520    ENDIF
1521
1522!
1523!-- Input binary data file is not needed anymore. This line must be placed
1524!-- after call of user_init!
1525    CALL close_file( 13 )
1526
1527!
1528!-- Compute total sum of active mask grid points
1529!-- ngp_2dh: number of grid points of a horizontal cross section through the
1530!--          total domain
1531!-- ngp_3d:  number of grid points of the total domain
1532    ngp_2dh_outer_l   = 0
1533    ngp_2dh_outer     = 0
1534    ngp_2dh_s_inner_l = 0
1535    ngp_2dh_s_inner   = 0
1536    ngp_2dh_l         = 0
1537    ngp_2dh           = 0
1538    ngp_3d_inner_l    = 0.0
1539    ngp_3d_inner      = 0
1540    ngp_3d            = 0
1541    ngp_sums          = ( nz + 2 ) * ( pr_palm + max_pr_user )
1542
1543    DO  sr = 0, statistic_regions
1544       DO  i = nxl, nxr
1545          DO  j = nys, nyn
1546             IF ( rmask(j,i,sr) == 1.0 )  THEN
1547!
1548!--             All xy-grid points
1549                ngp_2dh_l(sr) = ngp_2dh_l(sr) + 1
1550!
1551!--             xy-grid points above topography
1552                DO  k = nzb_s_outer(j,i), nz + 1
1553                   ngp_2dh_outer_l(k,sr) = ngp_2dh_outer_l(k,sr) + 1
1554                ENDDO
1555                DO  k = nzb_s_inner(j,i), nz + 1
1556                   ngp_2dh_s_inner_l(k,sr) = ngp_2dh_s_inner_l(k,sr) + 1
1557                ENDDO
1558!
1559!--             All grid points of the total domain above topography
1560                ngp_3d_inner_l(sr) = ngp_3d_inner_l(sr) + &
1561                                     ( nz - nzb_s_inner(j,i) + 2 )
1562             ENDIF
1563          ENDDO
1564       ENDDO
1565    ENDDO
1566
1567    sr = statistic_regions + 1
1568#if defined( __parallel )
1569    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1570    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_l(0), ngp_2dh(0), sr, MPI_INTEGER, MPI_SUM,   &
1571                        comm2d, ierr )
1572    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1573    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_outer_l(0,0), ngp_2dh_outer(0,0), (nz+2)*sr,  &
1574                        MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1575    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1576    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_s_inner_l(0,0), ngp_2dh_s_inner(0,0),         &
1577                        (nz+2)*sr, MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1578    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1579    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_3d_inner_l(0), ngp_3d_inner_tmp(0), sr, MPI_REAL, &
1580                        MPI_SUM, comm2d, ierr )
1581    ngp_3d_inner = INT( ngp_3d_inner_tmp, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) )
1582#else
1583    ngp_2dh         = ngp_2dh_l
1584    ngp_2dh_outer   = ngp_2dh_outer_l
1585    ngp_2dh_s_inner = ngp_2dh_s_inner_l
1586    ngp_3d_inner    = INT( ngp_3d_inner_l, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) )
1587#endif
1588
1589    ngp_3d = INT ( ngp_2dh, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) ) * &
1590             INT ( (nz + 2 ), KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) )
1591
1592!
1593!-- Set a lower limit of 1 in order to avoid zero divisions in flow_statistics,
1594!-- buoyancy, etc. A zero value will occur for cases where all grid points of
1595!-- the respective subdomain lie below the surface topography
1596    ngp_2dh_outer   = MAX( 1, ngp_2dh_outer(:,:)   )
1597    ngp_3d_inner    = MAX( INT(1, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 )),            &
1598                           ngp_3d_inner(:) )
1599    ngp_2dh_s_inner = MAX( 1, ngp_2dh_s_inner(:,:) )
1600
1601    DEALLOCATE( ngp_2dh_l, ngp_2dh_outer_l, ngp_3d_inner_l, ngp_3d_inner_tmp )
1602
1603
1604 END SUBROUTINE init_3d_model
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.