source: palm/trunk/SOURCE/init_3d_model.f90 @ 759

Last change on this file since 759 was 759, checked in by raasch, 11 years ago

New:
---

The number of parallel I/O operations can be limited with new mrun-option -w.
(advec_particles, data_output_2d, data_output_3d, header, init_grid, init_pegrid, init_3d_model, modules, palm, parin, write_3d_binary)

Changed:


mrun option -T is obligatory

Errors:


Bugfix: No zero assignments to volume_flow_initial and volume_flow_area in
case of normal restart runs. (init_3d_model)

initialization of u_0, v_0. This is just to avoid access of uninitialized
memory in exchange_horiz_2d, which causes respective error messages
when the Intel thread checker (inspector) is used. (production_e)

Bugfix for ts limitation (prandtl_fluxes)

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 56.6 KB
Line 
1#if defined( __ibmy_special )
2@PROCESS NOOPTimize
3#endif
4 SUBROUTINE init_3d_model
5
6!------------------------------------------------------------------------------!
7! Current revisions:
8! ------------------
9! Splitting of parallel I/O in blocks of PEs
10! Bugfix: No zero assignments to volume_flow_initial and volume_flow_area in
11! case of normal restart runs.
12!
13! Former revisions:
14! -----------------
15! $Id: init_3d_model.f90 759 2011-09-15 13:58:31Z raasch $
16!
17! 713 2011-03-30 14:21:21Z suehring
18! weight_substep and weight_pres are given as fractions.
19!
20! 709 2011-03-30 09:31:40Z raasch
21! formatting adjustments
22!
23! 707 2011-03-29 11:39:40Z raasch
24! p_sub renamed p_loc and allocated depending on the chosen pressure solver,
25! initial assignments of zero to array p for iterative solvers only,
26! bc_lr/ns replaced by bc_lr/ns_dirrad/raddir
27!
28! 680 2011-02-04 23:16:06Z gryschka
29! bugfix: volume_flow_control
30!
31! 673 2011-01-18 16:19:48Z suehring
32! weight_substep (moved from advec_ws) and weight_pres added.
33! Allocate p_sub when using Multigrid or SOR solver.
34! Call of ws_init moved behind the if requests.
35!
36! 667 2010-12-23 12:06:00Z suehring/gryschka
37! nxl-1, nxr+1, nys-1, nyn+1 replaced by nxlg, nxrg, nysg, nyng in loops and
38! allocation of arrays. Calls of exchange_horiz are modified.
39! Call ws_init to initialize arrays needed for calculating statisticas and for
40! optimization when ws-scheme is used.
41! Initial volume flow is now calculated by using the variable hom_sum.
42! Therefore the correction of initial volume flow for non-flat topography
43! removed (removed u_nzb_p1_for_vfc and v_nzb_p1_for_vfc)
44! Changed surface boundary conditions for u and v in case of ibc_uv_b == 0 from
45! mirror to Dirichlet boundary conditions (u=v=0), so that k=nzb is
46! representative for the height z0.
47! Bugfix: type conversion of '1' to 64bit for the MAX function (ngp_3d_inner)
48!
49! 622 2010-12-10 08:08:13Z raasch
50! optional barriers included in order to speed up collective operations
51!
52! 560 2010-09-09 10:06:09Z weinreis
53! bugfix: correction of calculating ngp_3d for 64 bit
54!
55! 485 2010-02-05 10:57:51Z raasch
56! calculation of ngp_3d + ngp_3d_inner changed because they have now 64 bit
57!
58! 407 2009-12-01 15:01:15Z maronga
59! var_ts is replaced by dots_max
60! Enabled passive scalar/humidity wall fluxes for non-flat topography
61!
62! 388 2009-09-23 09:40:33Z raasch
63! Initialization of prho added.
64! bugfix: correction of initial volume flow for non-flat topography
65! bugfix: zero initialization of arrays within buildings for 'cyclic_fill'
66! bugfix: avoid that ngp_2dh_s_inner becomes zero
67! initializing_actions='read_data_for_recycling' renamed to 'cyclic_fill', now
68! independent of turbulent_inflow
69! Output of messages replaced by message handling routine.
70! Set the starting level and the vertical smoothing factor used for
71! the external pressure gradient
72! +conserve_volume_flow_mode: 'default', 'initial_profiles', 'inflow_profile'
73! and 'bulk_velocity'
74! If the inversion height calculated by the prerun is zero,
75! inflow_damping_height must be explicitly specified.
76!
77! 181 2008-07-30 07:07:47Z raasch
78! bugfix: zero assignments to tendency arrays in case of restarts,
79! further extensions and modifications in the initialisation of the plant
80! canopy model,
81! allocation of hom_sum moved to parin, initialization of spectrum_x|y directly
82! after allocating theses arrays,
83! read data for recycling added as new initialization option,
84! dummy allocation for diss
85!
86! 138 2007-11-28 10:03:58Z letzel
87! New counter ngp_2dh_s_inner.
88! Allow new case bc_uv_t = 'dirichlet_0' for channel flow.
89! Corrected calculation of initial volume flow for 'set_1d-model_profiles' and
90! 'set_constant_profiles' in case of buildings in the reference cross-sections.
91!
92! 108 2007-08-24 15:10:38Z letzel
93! Flux initialization in case of coupled runs, +momentum fluxes at top boundary,
94! +arrays for phase speed c_u, c_v, c_w, indices for u|v|w_m_l|r changed
95! +qswst_remote in case of atmosphere model with humidity coupled to ocean
96! Rayleigh damping for ocean, optionally calculate km and kh from initial
97! TKE e_init
98!
99! 97 2007-06-21 08:23:15Z raasch
100! Initialization of salinity, call of init_ocean
101!
102! 87 2007-05-22 15:46:47Z raasch
103! var_hom and var_sum renamed pr_palm
104!
105! 75 2007-03-22 09:54:05Z raasch
106! Arrays for radiation boundary conditions are allocated (u_m_l, u_m_r, etc.),
107! bugfix for cases with the outflow damping layer extending over more than one
108! subdomain, moisture renamed humidity,
109! new initializing action "by_user" calls user_init_3d_model,
110! precipitation_amount/rate, ts_value are allocated, +module netcdf_control,
111! initial velocities at nzb+1 are regarded for volume
112! flow control in case they have been set zero before (to avoid small timesteps)
113! -uvmean_outflow, uxrp, vynp eliminated
114!
115! 19 2007-02-23 04:53:48Z raasch
116! +handling of top fluxes
117!
118! RCS Log replace by Id keyword, revision history cleaned up
119!
120! Revision 1.49  2006/08/22 15:59:07  raasch
121! No optimization of this file on the ibmy (Yonsei Univ.)
122!
123! Revision 1.1  1998/03/09 16:22:22  raasch
124! Initial revision
125!
126!
127! Description:
128! ------------
129! Allocation of arrays and initialization of the 3D model via
130! a) pre-run the 1D model
131! or
132! b) pre-set constant linear profiles
133! or
134! c) read values of a previous run
135!------------------------------------------------------------------------------!
136
137    USE advec_ws
138    USE arrays_3d
139    USE averaging
140    USE cloud_parameters
141    USE constants
142    USE control_parameters
143    USE cpulog
144    USE indices
145    USE interfaces
146    USE model_1d
147    USE netcdf_control
148    USE particle_attributes
149    USE pegrid
150    USE profil_parameter
151    USE random_function_mod
152    USE statistics
153
154    IMPLICIT NONE
155
156    INTEGER ::  i, ind_array(1), j, k, sr
157
158    INTEGER, DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  ngp_2dh_l
159
160    INTEGER, DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  ngp_2dh_outer_l,  &
161         ngp_2dh_s_inner_l
162
163    REAL ::  a, b
164
165    REAL, DIMENSION(1:2) ::  volume_flow_area_l, volume_flow_initial_l
166
167    REAL, DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  ngp_3d_inner_l, ngp_3d_inner_tmp
168
169
170!
171!-- Allocate arrays
172    ALLOCATE( ngp_2dh(0:statistic_regions), ngp_2dh_l(0:statistic_regions), &
173              ngp_3d(0:statistic_regions),                                  &
174              ngp_3d_inner(0:statistic_regions),                            &
175              ngp_3d_inner_l(0:statistic_regions),                          &
176              ngp_3d_inner_tmp(0:statistic_regions),                        &
177              sums_divnew_l(0:statistic_regions),                           &
178              sums_divold_l(0:statistic_regions) )
179    ALLOCATE( dp_smooth_factor(nzb:nzt), rdf(nzb+1:nzt) )
180    ALLOCATE( ngp_2dh_outer(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                 &
181              ngp_2dh_outer_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),               &
182              ngp_2dh_s_inner(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),               &
183              ngp_2dh_s_inner_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),             &
184              rmask(nysg:nyng,nxlg:nxrg,0:statistic_regions),           &
185              sums(nzb:nzt+1,pr_palm+max_pr_user),                          &
186              sums_l(nzb:nzt+1,pr_palm+max_pr_user,0:threads_per_task-1),   &
187              sums_l_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions,0:threads_per_task-1), &
188              sums_up_fraction_l(10,3,0:statistic_regions),                 &
189              sums_wsts_bc_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                &
190              ts_value(dots_max,0:statistic_regions) )
191    ALLOCATE( km_damp_x(nxlg:nxrg), km_damp_y(nysg:nyng) )
192
193    ALLOCATE( rif_1(nysg:nyng,nxlg:nxrg), shf_1(nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
194              ts(nysg:nyng,nxlg:nxrg), tswst_1(nysg:nyng,nxlg:nxrg),  &
195              us(nysg:nyng,nxlg:nxrg), usws_1(nysg:nyng,nxlg:nxrg),   &
196              uswst_1(nysg:nyng,nxlg:nxrg),                               &
197              vsws_1(nysg:nyng,nxlg:nxrg),                                &
198              vswst_1(nysg:nyng,nxlg:nxrg), z0(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
199
200    IF ( timestep_scheme(1:5) /= 'runge' )  THEN
201!
202!--    Leapfrog scheme needs two timelevels of diffusion quantities
203       ALLOCATE( rif_2(nysg:nyng,nxlg:nxrg),   &
204                 shf_2(nysg:nyng,nxlg:nxrg),   &
205                 tswst_2(nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
206                 usws_2(nysg:nyng,nxlg:nxrg),  &
207                 uswst_2(nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
208                 vswst_2(nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
209                 vsws_2(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
210    ENDIF
211
212    ALLOCATE( d(nzb+1:nzta,nys:nyna,nxl:nxra),         &
213              e_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),  &
214              e_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),  &
215              e_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),  &
216              kh_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
217              km_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
218              p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),    &
219              pt_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
220              pt_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
221              pt_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
222              tend(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
223              u_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),  &
224              u_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),  &
225              u_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),  &
226              v_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
227              v_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
228              v_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
229              w_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),  &
230              w_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),  &
231              w_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
232!
233!-- Following array is required for perturbation pressure within the iterative
234!-- pressure solvers. For the multistep schemes (Runge-Kutta), array p holds
235!-- the weighted average of the substeps and cannot be used in the Poisson
236!-- solver.
237    IF ( psolver == 'sor' )  THEN
238       ALLOCATE( p_loc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
239    ELSEIF ( psolver == 'multigrid' )  THEN
240!
241!--    For performance reasons, multigrid is using one ghost layer only
242       ALLOCATE( p_loc(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
243    ENDIF
244
245    IF ( timestep_scheme(1:5) /= 'runge' )  THEN
246       ALLOCATE( kh_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
247                 km_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
248    ENDIF
249
250    IF ( humidity  .OR.  passive_scalar ) THEN
251!
252!--    2D-humidity/scalar arrays
253       ALLOCATE ( qs(nysg:nyng,nxlg:nxrg),     &
254                  qsws_1(nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
255                  qswst_1(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
256
257       IF ( timestep_scheme(1:5) /= 'runge' )  THEN
258          ALLOCATE( qsws_2(nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
259                    qswst_2(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
260       ENDIF
261!
262!--    3D-humidity/scalar arrays
263       ALLOCATE( q_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
264                 q_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
265                 q_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
266
267!
268!--    3D-arrays needed for humidity only
269       IF ( humidity )  THEN
270          ALLOCATE( vpt_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
271
272          IF ( timestep_scheme(1:5) /= 'runge' )  THEN
273             ALLOCATE( vpt_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
274          ENDIF
275
276          IF ( cloud_physics ) THEN
277!
278!--          Liquid water content
279             ALLOCATE ( ql_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
280!
281!--          Precipitation amount and rate (only needed if output is switched)
282             ALLOCATE( precipitation_amount(nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
283                       precipitation_rate(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
284          ENDIF
285
286          IF ( cloud_droplets )  THEN
287!
288!--          Liquid water content, change in liquid water content,
289!--          real volume of particles (with weighting), volume of particles
290             ALLOCATE ( ql_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
291                        ql_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
292                        ql_v(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
293                        ql_vp(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
294          ENDIF
295
296       ENDIF
297
298    ENDIF
299
300    IF ( ocean )  THEN
301       ALLOCATE( saswsb_1(nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
302                 saswst_1(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
303       ALLOCATE( prho_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
304                 rho_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),  &
305                 sa_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),   &
306                 sa_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),   &
307                 sa_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
308       prho => prho_1
309       rho  => rho_1  ! routines calc_mean_profile and diffusion_e require
310                      ! density to be apointer
311       IF ( humidity_remote )  THEN
312          ALLOCATE( qswst_remote(nysg:nyng,nxlg:nxrg))
313          qswst_remote = 0.0
314       ENDIF
315    ENDIF
316
317!
318!-- 3D-array for storing the dissipation, needed for calculating the sgs
319!-- particle velocities
320    IF ( use_sgs_for_particles )  THEN
321       ALLOCATE ( diss(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
322    ELSE
323       ALLOCATE ( diss(2,2,2) )  ! required because diss is used as a
324                                 ! formal parameter
325    ENDIF
326
327    IF ( dt_dosp /= 9999999.9 )  THEN
328       ALLOCATE( spectrum_x( 1:nx/2, 1:10, 1:10 ), &
329                 spectrum_y( 1:ny/2, 1:10, 1:10 ) )
330       spectrum_x = 0.0
331       spectrum_y = 0.0
332    ENDIF
333
334!
335!-- 3D-arrays for the leaf area density and the canopy drag coefficient
336    IF ( plant_canopy ) THEN
337       ALLOCATE ( lad_s(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),  &
338                  lad_u(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),  &
339                  lad_v(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),  &
340                  lad_w(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),  &
341                  cdc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
342
343       IF ( passive_scalar ) THEN
344          ALLOCATE ( sls(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),   &
345                     sec(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ) 
346       ENDIF
347
348       IF ( cthf /= 0.0 ) THEN
349          ALLOCATE ( lai(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),   &
350                     canopy_heat_flux(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
351       ENDIF
352
353    ENDIF
354
355!
356!-- 4D-array for storing the Rif-values at vertical walls
357    IF ( topography /= 'flat' )  THEN
358       ALLOCATE( rif_wall(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg,1:4) )
359       rif_wall = 0.0
360    ENDIF
361
362!
363!-- Arrays to store velocity data from t-dt and the phase speeds which
364!-- are needed for radiation boundary conditions
365    IF ( outflow_l )  THEN
366       ALLOCATE( u_m_l(nzb:nzt+1,nysg:nyng,1:2), &
367                 v_m_l(nzb:nzt+1,nysg:nyng,0:1), &
368                 w_m_l(nzb:nzt+1,nysg:nyng,0:1) )
369    ENDIF
370    IF ( outflow_r )  THEN
371       ALLOCATE( u_m_r(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nx-1:nx), &
372                 v_m_r(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nx-1:nx), &
373                 w_m_r(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nx-1:nx) )
374    ENDIF
375    IF ( outflow_l  .OR.  outflow_r )  THEN
376       ALLOCATE( c_u(nzb:nzt+1,nysg:nyng), c_v(nzb:nzt+1,nysg:nyng), &
377                 c_w(nzb:nzt+1,nysg:nyng) )
378    ENDIF
379    IF ( outflow_s )  THEN
380       ALLOCATE( u_m_s(nzb:nzt+1,0:1,nxlg:nxrg), &
381                 v_m_s(nzb:nzt+1,1:2,nxlg:nxrg), &
382                 w_m_s(nzb:nzt+1,0:1,nxlg:nxrg) )
383    ENDIF
384    IF ( outflow_n )  THEN
385       ALLOCATE( u_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny,nxlg:nxrg), &
386                 v_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny,nxlg:nxrg), &
387                 w_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny,nxlg:nxrg) )
388    ENDIF
389    IF ( outflow_s  .OR.  outflow_n )  THEN
390       ALLOCATE( c_u(nzb:nzt+1,nxlg:nxrg), c_v(nzb:nzt+1,nxlg:nxrg), &
391                 c_w(nzb:nzt+1,nxlg:nxrg) )
392    ENDIF
393
394!
395!-- Initial assignment of the pointers
396    IF ( timestep_scheme(1:5) /= 'runge' )  THEN
397
398       rif_m   => rif_1;    rif   => rif_2
399       shf_m   => shf_1;    shf   => shf_2
400       tswst_m => tswst_1;  tswst => tswst_2
401       usws_m  => usws_1;   usws  => usws_2
402       uswst_m => uswst_1;  uswst => uswst_2
403       vsws_m  => vsws_1;   vsws  => vsws_2
404       vswst_m => vswst_1;  vswst => vswst_2
405       e_m  => e_1;   e  => e_2;   e_p  => e_3;   te_m  => e_3
406       kh_m => kh_1;  kh => kh_2
407       km_m => km_1;  km => km_2
408       pt_m => pt_1;  pt => pt_2;  pt_p => pt_3;  tpt_m => pt_3
409       u_m  => u_1;   u  => u_2;   u_p  => u_3;   tu_m  => u_3
410       v_m  => v_1;   v  => v_2;   v_p  => v_3;   tv_m  => v_3
411       w_m  => w_1;   w  => w_2;   w_p  => w_3;   tw_m  => w_3
412
413       IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
414          qsws_m  => qsws_1;   qsws  => qsws_2
415          qswst_m => qswst_1;  qswst => qswst_2
416          q_m    => q_1;     q    => q_2;     q_p => q_3;     tq_m => q_3
417          IF ( humidity )        vpt_m  => vpt_1;   vpt  => vpt_2
418          IF ( cloud_physics )   ql   => ql_1
419          IF ( cloud_droplets )  THEN
420             ql   => ql_1
421             ql_c => ql_2
422          ENDIF
423       ENDIF
424
425    ELSE
426
427       rif   => rif_1
428       shf   => shf_1
429       tswst => tswst_1
430       usws  => usws_1
431       uswst => uswst_1
432       vsws  => vsws_1
433       vswst => vswst_1
434       e     => e_1;   e_p  => e_2;   te_m  => e_3;   e_m  => e_3
435       kh    => kh_1
436       km    => km_1
437       pt    => pt_1;  pt_p => pt_2;  tpt_m => pt_3;  pt_m => pt_3
438       u     => u_1;   u_p  => u_2;   tu_m  => u_3;   u_m  => u_3
439       v     => v_1;   v_p  => v_2;   tv_m  => v_3;   v_m  => v_3
440       w     => w_1;   w_p  => w_2;   tw_m  => w_3;   w_m  => w_3
441
442       IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
443          qsws   => qsws_1
444          qswst  => qswst_1
445          q      => q_1;     q_p  => q_2;     tq_m  => q_3;    q_m => q_3
446          IF ( humidity )        vpt  => vpt_1
447          IF ( cloud_physics )   ql   => ql_1
448          IF ( cloud_droplets )  THEN
449             ql   => ql_1
450             ql_c => ql_2
451          ENDIF
452       ENDIF
453
454       IF ( ocean )  THEN
455          saswsb => saswsb_1
456          saswst => saswst_1
457          sa     => sa_1;    sa_p => sa_2;    tsa_m => sa_3
458       ENDIF
459
460    ENDIF
461   
462!
463!-- Allocate arrays containing the RK coefficient for calculation of
464!-- perturbation pressure and turbulent fluxes. At this point values are
465!-- set for pressure calculation during initialization (where no timestep
466!-- is done). Further below the values needed within the timestep scheme
467!-- will be set.
468    ALLOCATE( weight_substep(1:intermediate_timestep_count_max), &
469              weight_pres(1:intermediate_timestep_count_max) )
470    weight_substep = 1.0
471    weight_pres    = 1.0
472    intermediate_timestep_count = 1  ! needed when simulated_time = 0.0
473       
474!
475!-- Initialize model variables
476    IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data'  .AND.  &
477         TRIM( initializing_actions ) /= 'cyclic_fill' )  THEN
478!
479!--    First model run of a possible job queue.
480!--    Initial profiles of the variables must be computes.
481       IF ( INDEX( initializing_actions, 'set_1d-model_profiles' ) /= 0 )  THEN
482!
483!--       Use solutions of the 1D model as initial profiles,
484!--       start 1D model
485          CALL init_1d_model
486!
487!--       Transfer initial profiles to the arrays of the 3D model
488          DO  i = nxlg, nxrg
489             DO  j = nysg, nyng
490                e(:,j,i)  = e1d
491                kh(:,j,i) = kh1d
492                km(:,j,i) = km1d
493                pt(:,j,i) = pt_init
494                u(:,j,i)  = u1d
495                v(:,j,i)  = v1d
496             ENDDO
497          ENDDO
498
499          IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
500             DO  i = nxlg, nxrg
501                DO  j = nysg, nyng
502                   q(:,j,i) = q_init
503                ENDDO
504             ENDDO
505          ENDIF
506
507          IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
508             DO  i = nxlg, nxrg
509                DO  j = nysg, nyng
510                   e(:,j,i)  = e1d
511                ENDDO
512             ENDDO
513!
514!--          Store initial profiles for output purposes etc.
515             hom(:,1,25,:) = SPREAD( l1d, 2, statistic_regions+1 )
516
517             IF ( prandtl_layer )  THEN
518                rif  = rif1d(nzb+1)
519                ts   = 0.0  ! could actually be computed more accurately in the
520                            ! 1D model. Update when opportunity arises.
521                us   = us1d
522                usws = usws1d
523                vsws = vsws1d
524             ELSE
525                ts   = 0.0  ! must be set, because used in
526                rif  = 0.0  ! flowste
527                us   = 0.0
528                usws = 0.0
529                vsws = 0.0
530             ENDIF
531
532          ELSE
533             e    = 0.0  ! must be set, because used in
534             rif  = 0.0  ! flowste
535             ts   = 0.0
536             us   = 0.0
537             usws = 0.0
538             vsws = 0.0
539          ENDIF
540          uswst = top_momentumflux_u
541          vswst = top_momentumflux_v
542
543!
544!--       In every case qs = 0.0 (see also pt)
545!--       This could actually be computed more accurately in the 1D model.
546!--       Update when opportunity arises!
547          IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  qs = 0.0
548
549!
550!--       inside buildings set velocities back to zero
551          IF ( topography /= 'flat' )  THEN
552             DO  i = nxl-1, nxr+1
553                DO  j = nys-1, nyn+1
554                   u(nzb:nzb_u_inner(j,i),j,i) = 0.0
555                   v(nzb:nzb_v_inner(j,i),j,i) = 0.0
556                ENDDO
557             ENDDO
558             
559!
560!--          WARNING: The extra boundary conditions set after running the
561!--          -------  1D model impose an error on the divergence one layer
562!--                   below the topography; need to correct later
563!--          ATTENTION: Provisional correction for Piacsek & Williams
564!--          ---------  advection scheme: keep u and v zero one layer below
565!--                     the topography.
566!
567!--           Following was removed, because mirror boundary condition are
568!--           replaced by dirichlet boundary conditions
569!
570!             IF ( ibc_uv_b == 0 )  THEN
571!!
572!!--             Satisfying the Dirichlet condition with an extra layer below
573!!--             the surface where the u and v component change their sign.
574!                DO  i = nxl-1, nxr+1
575!                   DO  j = nys-1, nyn+1
576!                      IF ( nzb_u_inner(j,i) == 0 ) u(0,j,i) = -u(1,j,i)
577!                      IF ( nzb_v_inner(j,i) == 0 ) v(0,j,i) = -v(1,j,i)
578!                   ENDDO
579!                ENDDO
580!
581!             ELSE
582             IF ( ibc_uv_b == 1 )  THEN
583!
584!--             Neumann condition
585                DO  i = nxl-1, nxr+1
586                   DO  j = nys-1, nyn+1
587                      IF ( nzb_u_inner(j,i) == 0 ) u(0,j,i) = u(1,j,i)
588                      IF ( nzb_v_inner(j,i) == 0 ) v(0,j,i) = v(1,j,i)
589                   ENDDO
590                ENDDO
591
592             ENDIF
593
594          ENDIF
595
596       ELSEIF ( INDEX(initializing_actions, 'set_constant_profiles') /= 0 ) &
597       THEN
598!
599!--       Use constructed initial profiles (velocity constant with height,
600!--       temperature profile with constant gradient)
601          DO  i = nxlg, nxrg
602             DO  j = nysg, nyng
603                pt(:,j,i) = pt_init
604                u(:,j,i)  = u_init
605                v(:,j,i)  = v_init
606             ENDDO
607          ENDDO
608
609!
610!--       Set initial horizontal velocities at the lowest computational grid
611!--       levels to zero in order to avoid too small time steps caused by the
612!--       diffusion limit in the initial phase of a run (at k=1, dz/2 occurs
613!--       in the limiting formula!). The original values are stored to be later
614!--       used for volume flow control.
615          DO  i = nxlg, nxrg
616             DO  j = nysg, nyng
617                u(nzb:nzb_u_inner(j,i)+1,j,i) = 0.0
618                v(nzb:nzb_v_inner(j,i)+1,j,i) = 0.0
619             ENDDO
620          ENDDO
621
622          IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
623             DO  i = nxlg, nxrg
624                DO  j = nysg, nyng
625                   q(:,j,i) = q_init
626                ENDDO
627             ENDDO
628          ENDIF
629
630          IF ( ocean )  THEN
631             DO  i = nxlg, nxrg
632                DO  j = nysg, nyng
633                   sa(:,j,i) = sa_init
634                ENDDO
635             ENDDO
636          ENDIF
637         
638          IF ( constant_diffusion )  THEN
639             km   = km_constant
640             kh   = km / prandtl_number
641             e    = 0.0
642          ELSEIF ( e_init > 0.0 )  THEN
643             DO  k = nzb+1, nzt
644                km(k,:,:) = 0.1 * l_grid(k) * SQRT( e_init )
645             ENDDO
646             km(nzb,:,:)   = km(nzb+1,:,:)
647             km(nzt+1,:,:) = km(nzt,:,:)
648             kh   = km / prandtl_number
649             e    = e_init
650          ELSE
651             IF ( .NOT. ocean )  THEN
652                kh   = 0.01   ! there must exist an initial diffusion, because
653                km   = 0.01   ! otherwise no TKE would be produced by the
654                              ! production terms, as long as not yet
655                              ! e = (u*/cm)**2 at k=nzb+1
656             ELSE
657                kh   = 0.00001
658                km   = 0.00001
659             ENDIF
660             e    = 0.0
661          ENDIF
662          rif   = 0.0
663          ts    = 0.0
664          us    = 0.0
665          usws  = 0.0
666          uswst = top_momentumflux_u
667          vsws  = 0.0
668          vswst = top_momentumflux_v
669          IF ( humidity  .OR.  passive_scalar ) qs = 0.0
670
671!
672!--       Compute initial temperature field and other constants used in case
673!--       of a sloping surface
674          IF ( sloping_surface )  CALL init_slope
675
676       ELSEIF ( INDEX(initializing_actions, 'by_user') /= 0 ) &
677       THEN
678!
679!--       Initialization will completely be done by the user
680          CALL user_init_3d_model
681
682       ENDIF
683!
684!--    Bottom boundary
685       IF ( ibc_uv_b == 0 .OR. ibc_uv_b == 2  )  THEN
686          u(nzb,:,:) = 0.0
687          v(nzb,:,:) = 0.0
688       ENDIF
689
690!
691!--    Apply channel flow boundary condition
692       IF ( TRIM( bc_uv_t ) == 'dirichlet_0' )  THEN
693
694          u(nzt+1,:,:) = 0.0
695          v(nzt+1,:,:) = 0.0
696
697!--       For the Dirichlet condition to be correctly applied at the top, set
698!--       ug and vg to zero there
699          ug(nzt+1)    = 0.0
700          vg(nzt+1)    = 0.0
701
702       ENDIF
703
704!
705!--    Calculate virtual potential temperature
706       IF ( humidity ) vpt = pt * ( 1.0 + 0.61 * q )
707
708!
709!--    Store initial profiles for output purposes etc.
710       hom(:,1,5,:) = SPREAD( u(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
711       hom(:,1,6,:) = SPREAD( v(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
712       IF ( ibc_uv_b == 0 .OR. ibc_uv_b == 2)  THEN
713          hom(nzb,1,5,:) = 0.0   
714          hom(nzb,1,6,:) = 0.0 
715       ENDIF
716       hom(:,1,7,:)  = SPREAD( pt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
717       hom(:,1,23,:) = SPREAD( km(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
718       hom(:,1,24,:) = SPREAD( kh(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
719
720       IF ( ocean )  THEN
721!
722!--       Store initial salinity profile
723          hom(:,1,26,:)  = SPREAD( sa(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
724       ENDIF
725
726       IF ( humidity )  THEN
727!
728!--       Store initial profile of total water content, virtual potential
729!--       temperature
730          hom(:,1,26,:) = SPREAD(   q(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
731          hom(:,1,29,:) = SPREAD( vpt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
732          IF ( cloud_physics  .OR.  cloud_droplets ) THEN
733!
734!--          Store initial profile of specific humidity and potential
735!--          temperature
736             hom(:,1,27,:) = SPREAD(  q(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
737             hom(:,1,28,:) = SPREAD( pt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
738          ENDIF
739       ENDIF
740
741       IF ( passive_scalar )  THEN
742!
743!--       Store initial scalar profile
744          hom(:,1,26,:) = SPREAD(  q(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
745       ENDIF
746
747!
748!--    Initialize fluxes at bottom surface
749       IF ( use_surface_fluxes )  THEN
750
751          IF ( constant_heatflux )  THEN
752!
753!--          Heat flux is prescribed
754             IF ( random_heatflux )  THEN
755                CALL disturb_heatflux
756             ELSE
757                shf = surface_heatflux
758!
759!--             Over topography surface_heatflux is replaced by wall_heatflux(0)
760                IF ( TRIM( topography ) /= 'flat' )  THEN
761                   DO  i = nxlg, nxrg
762                      DO  j = nysg, nyng
763                         IF ( nzb_s_inner(j,i) /= 0 )  THEN
764                            shf(j,i) = wall_heatflux(0)
765                         ENDIF
766                      ENDDO
767                   ENDDO
768                ENDIF
769             ENDIF
770             IF ( ASSOCIATED( shf_m ) )  shf_m = shf
771          ENDIF
772
773!
774!--       Determine the near-surface water flux
775          IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
776             IF ( constant_waterflux )  THEN
777                qsws   = surface_waterflux
778!
779!--             Over topography surface_waterflux is replaced by
780!--             wall_humidityflux(0)
781                IF ( TRIM( topography ) /= 'flat' )  THEN
782                   wall_qflux = wall_humidityflux
783                   DO  i = nxlg, nxrg
784                      DO  j = nysg, nyng
785                         IF ( nzb_s_inner(j,i) /= 0 )  THEN
786                            qsws(j,i) = wall_qflux(0)
787                         ENDIF
788                      ENDDO
789                   ENDDO
790                ENDIF
791                IF ( ASSOCIATED( qsws_m ) )  qsws_m = qsws
792             ENDIF
793          ENDIF
794
795       ENDIF
796
797!
798!--    Initialize fluxes at top surface
799!--    Currently, only the heatflux and salinity flux can be prescribed.
800!--    The latent flux is zero in this case!
801       IF ( use_top_fluxes )  THEN
802
803          IF ( constant_top_heatflux )  THEN
804!
805!--          Heat flux is prescribed
806             tswst = top_heatflux
807             IF ( ASSOCIATED( tswst_m ) )  tswst_m = tswst
808
809             IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
810                qswst = 0.0
811                IF ( ASSOCIATED( qswst_m ) )  qswst_m = qswst
812             ENDIF
813
814             IF ( ocean )  THEN
815                saswsb = bottom_salinityflux
816                saswst = top_salinityflux
817             ENDIF
818          ENDIF
819
820!
821!--       Initialization in case of a coupled model run
822          IF ( coupling_mode == 'ocean_to_atmosphere' )  THEN
823             tswst = 0.0
824             IF ( ASSOCIATED( tswst_m ) )  tswst_m = tswst
825          ENDIF
826
827       ENDIF
828
829!
830!--    Initialize Prandtl layer quantities
831       IF ( prandtl_layer )  THEN
832
833          z0 = roughness_length
834
835          IF ( .NOT. constant_heatflux )  THEN 
836!
837!--          Surface temperature is prescribed. Here the heat flux cannot be
838!--          simply estimated, because therefore rif, u* and theta* would have
839!--          to be computed by iteration. This is why the heat flux is assumed
840!--          to be zero before the first time step. It approaches its correct
841!--          value in the course of the first few time steps.
842             shf   = 0.0
843             IF ( ASSOCIATED( shf_m ) )  shf_m = 0.0
844          ENDIF
845
846          IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
847             IF ( .NOT. constant_waterflux )  THEN
848                qsws   = 0.0
849                IF ( ASSOCIATED( qsws_m ) )   qsws_m = 0.0
850             ENDIF
851          ENDIF
852
853       ENDIF
854
855
856!
857!--    For the moment, vertical velocity is zero
858       w = 0.0
859
860!
861!--    Initialize array sums (must be defined in first call of pres)
862       sums = 0.0
863
864!
865!--    In case of iterative solvers, p must get an initial value
866       IF ( psolver == 'multigrid'  .OR.  psolver == 'sor' )  p = 0.0
867
868!
869!--    Treating cloud physics, liquid water content and precipitation amount
870!--    are zero at beginning of the simulation
871       IF ( cloud_physics )  THEN
872          ql = 0.0
873          IF ( precipitation )  precipitation_amount = 0.0
874       ENDIF
875       
876!
877!--    Initialize quantities for special advections schemes
878       CALL init_advec
879
880!
881!--    Impose vortex with vertical axis on the initial velocity profile
882       IF ( INDEX( initializing_actions, 'initialize_vortex' ) /= 0 )  THEN
883          CALL init_rankine
884       ENDIF
885
886!
887!--    Impose temperature anomaly (advection test only)
888       IF ( INDEX( initializing_actions, 'initialize_ptanom' ) /= 0 )  THEN
889          CALL init_pt_anomaly
890       ENDIF
891
892!
893!--    If required, change the surface temperature at the start of the 3D run
894       IF ( pt_surface_initial_change /= 0.0 )  THEN
895          pt(nzb,:,:) = pt(nzb,:,:) + pt_surface_initial_change
896       ENDIF
897
898!
899!--    If required, change the surface humidity/scalar at the start of the 3D
900!--    run
901       IF ( ( humidity .OR. passive_scalar ) .AND. &
902            q_surface_initial_change /= 0.0 )  THEN
903          q(nzb,:,:) = q(nzb,:,:) + q_surface_initial_change
904       ENDIF
905
906!
907!--    Initialize the random number generator (from numerical recipes)
908       CALL random_function_ini
909
910!
911!--    Initialize old and new time levels.
912       IF ( timestep_scheme(1:5) /= 'runge' )  THEN
913          e_m = e; pt_m = pt; u_m = u; v_m = v; w_m = w; kh_m = kh; km_m = km
914       ELSE
915          te_m = 0.0; tpt_m = 0.0; tu_m = 0.0; tv_m = 0.0; tw_m = 0.0
916       ENDIF
917       e_p = e; pt_p = pt; u_p = u; v_p = v; w_p = w
918
919       IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
920          IF ( ASSOCIATED( q_m ) )  q_m = q
921          IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  tq_m = 0.0
922          q_p = q
923          IF ( humidity  .AND.  ASSOCIATED( vpt_m ) )  vpt_m = vpt
924       ENDIF
925
926       IF ( ocean )  THEN
927          tsa_m = 0.0
928          sa_p  = sa
929       ENDIF
930       
931
932    ELSEIF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data'  .OR.    &
933         TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  &
934    THEN
935!
936!--    When reading data for cyclic fill of 3D prerun data, first read
937!--    some of the global variables from restart file
938       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  THEN
939
940          DO  i = 0, io_blocks-1
941             IF ( i == io_group )  THEN
942                CALL read_parts_of_var_list
943                CALL close_file( 13 )
944             ENDIF
945#if defined( __parallel )
946             CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
947#endif
948          ENDDO
949
950!
951!--       Initialization of the turbulence recycling method
952          IF ( turbulent_inflow )  THEN
953!
954!--          Store temporally and horizontally averaged vertical profiles to be
955!--          used as mean inflow profiles
956             ALLOCATE( mean_inflow_profiles(nzb:nzt+1,5) )
957
958             mean_inflow_profiles(:,1) = hom_sum(:,1,0)    ! u
959             mean_inflow_profiles(:,2) = hom_sum(:,2,0)    ! v
960             mean_inflow_profiles(:,4) = hom_sum(:,4,0)    ! pt
961             mean_inflow_profiles(:,5) = hom_sum(:,8,0)    ! e
962
963!
964!--          Use these mean profiles for the inflow (provided that Dirichlet
965!--          conditions are used)
966             IF ( inflow_l )  THEN
967                DO  j = nysg, nyng
968                   DO  k = nzb, nzt+1
969                      u(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,1)
970                      v(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,2)
971                      w(k,j,nxlg:-1)  = 0.0
972                      pt(k,j,nxlg:-1) = mean_inflow_profiles(k,4)
973                      e(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,5)
974                   ENDDO
975                ENDDO
976             ENDIF
977
978!
979!--          Calculate the damping factors to be used at the inflow. For a
980!--          turbulent inflow the turbulent fluctuations have to be limited
981!--          vertically because otherwise the turbulent inflow layer will grow
982!--          in time.
983             IF ( inflow_damping_height == 9999999.9 )  THEN
984!
985!--             Default: use the inversion height calculated by the prerun; if
986!--             this is zero, inflow_damping_height must be explicitly
987!--             specified.
988                IF ( hom_sum(nzb+6,pr_palm,0) /= 0.0 )  THEN
989                   inflow_damping_height = hom_sum(nzb+6,pr_palm,0)
990                ELSE
991                   WRITE( message_string, * ) 'inflow_damping_height must be ',&
992                        'explicitly specified because&the inversion height ', &
993                        'calculated by the prerun is zero.'
994                   CALL message( 'init_3d_model', 'PA0318', 1, 2, 0, 6, 0 )
995                ENDIF
996
997             ENDIF
998
999             IF ( inflow_damping_width == 9999999.9 )  THEN
1000!
1001!--             Default for the transition range: one tenth of the undamped
1002!--             layer
1003                inflow_damping_width = 0.1 * inflow_damping_height
1004
1005             ENDIF
1006
1007             ALLOCATE( inflow_damping_factor(nzb:nzt+1) )
1008
1009             DO  k = nzb, nzt+1
1010
1011                IF ( zu(k) <= inflow_damping_height )  THEN
1012                   inflow_damping_factor(k) = 1.0
1013                ELSEIF ( zu(k) <= inflow_damping_height +  &
1014                                  inflow_damping_width )  THEN
1015                   inflow_damping_factor(k) = 1.0 -                            &
1016                                           ( zu(k) - inflow_damping_height ) / &
1017                                           inflow_damping_width
1018                ELSE
1019                   inflow_damping_factor(k) = 0.0
1020                ENDIF
1021
1022             ENDDO
1023          ENDIF
1024
1025       ENDIF
1026
1027!
1028!--    Read binary data from restart file
1029       DO  i = 0, io_blocks-1
1030          IF ( i == io_group )  THEN
1031             CALL read_3d_binary
1032          ENDIF
1033#if defined( __parallel )
1034          CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1035#endif
1036       ENDDO
1037
1038!
1039!--    Inside buildings set velocities and TKE back to zero
1040       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' .AND.  &
1041            topography /= 'flat' )  THEN
1042!
1043!--       Inside buildings set velocities and TKE back to zero.
1044!--       Other scalars (pt, q, s, km, kh, p, sa, ...) are ignored at present,
1045!--       maybe revise later.
1046          IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
1047             DO  i = nxlg, nxrg
1048                DO  j = nysg, nyng
1049                   u  (nzb:nzb_u_inner(j,i),j,i) = 0.0
1050                   v  (nzb:nzb_v_inner(j,i),j,i) = 0.0
1051                   w  (nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i) = 0.0
1052                   e  (nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i) = 0.0
1053                   u_m(nzb:nzb_u_inner(j,i),j,i) = 0.0
1054                   v_m(nzb:nzb_v_inner(j,i),j,i) = 0.0
1055                   w_m(nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i) = 0.0
1056                   e_m(nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i) = 0.0
1057                   tu_m(nzb:nzb_u_inner(j,i),j,i) = 0.0
1058                   tv_m(nzb:nzb_v_inner(j,i),j,i) = 0.0
1059                   tw_m(nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i) = 0.0
1060                   te_m(nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i) = 0.0
1061                   tpt_m(nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i) = 0.0
1062                ENDDO
1063             ENDDO
1064          ELSE
1065             DO  i = nxlg, nxrg
1066                DO  j = nysg, nyng
1067                   u  (nzb:nzb_u_inner(j,i),j,i) = 0.0
1068                   v  (nzb:nzb_v_inner(j,i),j,i) = 0.0
1069                   w  (nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i) = 0.0
1070                   e  (nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i) = 0.0
1071                   u_m(nzb:nzb_u_inner(j,i),j,i) = 0.0
1072                   v_m(nzb:nzb_v_inner(j,i),j,i) = 0.0
1073                   w_m(nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i) = 0.0
1074                   e_m(nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i) = 0.0
1075                   u_p(nzb:nzb_u_inner(j,i),j,i) = 0.0
1076                   v_p(nzb:nzb_v_inner(j,i),j,i) = 0.0
1077                   w_p(nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i) = 0.0
1078                   e_p(nzb:nzb_w_inner(j,i),j,i) = 0.0
1079                ENDDO
1080             ENDDO
1081          ENDIF
1082
1083       ENDIF
1084
1085!
1086!--    Calculate initial temperature field and other constants used in case
1087!--    of a sloping surface
1088       IF ( sloping_surface )  CALL init_slope
1089
1090!
1091!--    Initialize new time levels (only done in order to set boundary values
1092!--    including ghost points)
1093       e_p = e; pt_p = pt; u_p = u; v_p = v; w_p = w
1094       IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  q_p = q
1095       IF ( ocean )  sa_p = sa
1096
1097!
1098!--    Allthough tendency arrays are set in prognostic_equations, they have
1099!--    have to be predefined here because they are used (but multiplied with 0)
1100!--    there before they are set.
1101       IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
1102          te_m = 0.0; tpt_m = 0.0; tu_m = 0.0; tv_m = 0.0; tw_m = 0.0
1103          IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  tq_m = 0.0
1104          IF ( ocean )  tsa_m = 0.0
1105       ENDIF
1106
1107    ELSE
1108!
1109!--    Actually this part of the programm should not be reached
1110       message_string = 'unknown initializing problem'
1111       CALL message( 'init_3d_model', 'PA0193', 1, 2, 0, 6, 0 )
1112    ENDIF
1113
1114
1115    IF (  TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' )  THEN
1116!
1117!--    Initialize old timelevels needed for radiation boundary conditions
1118       IF ( outflow_l )  THEN
1119          u_m_l(:,:,:) = u(:,:,1:2)
1120          v_m_l(:,:,:) = v(:,:,0:1)
1121          w_m_l(:,:,:) = w(:,:,0:1)
1122       ENDIF
1123       IF ( outflow_r )  THEN
1124          u_m_r(:,:,:) = u(:,:,nx-1:nx)
1125          v_m_r(:,:,:) = v(:,:,nx-1:nx)
1126          w_m_r(:,:,:) = w(:,:,nx-1:nx)
1127       ENDIF
1128       IF ( outflow_s )  THEN
1129          u_m_s(:,:,:) = u(:,0:1,:)
1130          v_m_s(:,:,:) = v(:,1:2,:)
1131          w_m_s(:,:,:) = w(:,0:1,:)
1132       ENDIF
1133       IF ( outflow_n )  THEN
1134          u_m_n(:,:,:) = u(:,ny-1:ny,:)
1135          v_m_n(:,:,:) = v(:,ny-1:ny,:)
1136          w_m_n(:,:,:) = w(:,ny-1:ny,:)
1137       ENDIF
1138       
1139    ENDIF
1140
1141!
1142!-- Calculate the initial volume flow at the right and north boundary
1143    IF ( conserve_volume_flow )  THEN
1144
1145       IF  ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  THEN
1146
1147          volume_flow_initial_l = 0.0
1148          volume_flow_area_l    = 0.0
1149
1150          IF ( nxr == nx )  THEN
1151             DO  j = nys, nyn
1152                DO  k = nzb_2d(j,nx)+1, nzt
1153                   volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) + &
1154                                              hom_sum(k,1,0) * dzw(k)
1155                   volume_flow_area_l(1)    = volume_flow_area_l(1) + dzw(k)
1156                ENDDO
1157             ENDDO
1158          ENDIF
1159         
1160          IF ( nyn == ny )  THEN
1161             DO  i = nxl, nxr
1162                DO  k = nzb_2d(ny,i)+1, nzt 
1163                   volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) + &
1164                                              hom_sum(k,2,0) * dzw(k)
1165                   volume_flow_area_l(2)    = volume_flow_area_l(2) + dzw(k)
1166                ENDDO
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
1176#else
1177          volume_flow_initial = volume_flow_initial_l
1178          volume_flow_area    = volume_flow_area_l
1179#endif 
1180
1181       ELSEIF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' )  THEN
1182
1183          volume_flow_initial_l = 0.0
1184          volume_flow_area_l    = 0.0
1185
1186          IF ( nxr == nx )  THEN
1187             DO  j = nys, nyn
1188                DO  k = nzb_2d(j,nx)+1, nzt
1189                   volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) + &
1190                                              u(k,j,nx) * dzw(k)
1191                   volume_flow_area_l(1)    = volume_flow_area_l(1) + dzw(k)
1192                ENDDO
1193             ENDDO
1194          ENDIF
1195         
1196          IF ( nyn == ny )  THEN
1197             DO  i = nxl, nxr
1198                DO  k = nzb_2d(ny,i)+1, nzt 
1199                   volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) + &
1200                                              v(k,ny,i) * dzw(k)
1201                   volume_flow_area_l(2)    = volume_flow_area_l(2) + dzw(k)
1202                ENDDO
1203             ENDDO
1204          ENDIF
1205
1206#if defined( __parallel )
1207          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_initial_l(1), volume_flow_initial(1),&
1208                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1209          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_area_l(1), volume_flow_area(1),      &
1210                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1211
1212#else
1213          volume_flow_initial = volume_flow_initial_l
1214          volume_flow_area    = volume_flow_area_l
1215#endif 
1216
1217       ENDIF
1218
1219!
1220!--    In case of 'bulk_velocity' mode, volume_flow_initial is calculated
1221!--    from u|v_bulk instead
1222       IF ( TRIM( conserve_volume_flow_mode ) == 'bulk_velocity' )  THEN
1223          volume_flow_initial(1) = u_bulk * volume_flow_area(1)
1224          volume_flow_initial(2) = v_bulk * volume_flow_area(2)
1225       ENDIF
1226
1227    ENDIF
1228
1229
1230!
1231!-- Impose random perturbation on the horizontal velocity field and then
1232!-- remove the divergences from the velocity field at the initial stage
1233    IF ( create_disturbances .AND. &
1234         TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data'  .AND.  &
1235         TRIM( initializing_actions ) /= 'cyclic_fill' )  THEN
1236
1237       CALL disturb_field( nzb_u_inner, tend, u )
1238       CALL disturb_field( nzb_v_inner, tend, v )
1239       n_sor = nsor_ini
1240       CALL pres
1241       n_sor = nsor
1242    ENDIF
1243
1244!
1245!-- Initialization of the leaf area density
1246    IF ( plant_canopy )  THEN
1247 
1248       SELECT CASE ( TRIM( canopy_mode ) )
1249
1250          CASE( 'block' )
1251
1252             DO  i = nxlg, nxrg
1253                DO  j = nysg, nyng
1254                   lad_s(:,j,i) = lad(:)
1255                   cdc(:,j,i)   = drag_coefficient
1256                   IF ( passive_scalar )  THEN
1257                      sls(:,j,i) = leaf_surface_concentration
1258                      sec(:,j,i) = scalar_exchange_coefficient
1259                   ENDIF
1260                ENDDO
1261             ENDDO
1262
1263          CASE DEFAULT
1264
1265!
1266!--          The DEFAULT case is reached either if the parameter
1267!--          canopy mode contains a wrong character string or if the
1268!--          user has coded a special case in the user interface.
1269!--          There, the subroutine user_init_plant_canopy checks
1270!--          which of these two conditions applies.
1271             CALL user_init_plant_canopy
1272 
1273          END SELECT
1274
1275       CALL exchange_horiz( lad_s, nbgp )
1276       CALL exchange_horiz( cdc, nbgp )
1277
1278       IF ( passive_scalar )  THEN
1279          CALL exchange_horiz( sls, nbgp )
1280          CALL exchange_horiz( sec, nbgp )
1281       ENDIF
1282
1283!
1284!--    Sharp boundaries of the plant canopy in horizontal directions
1285!--    In vertical direction the interpolation is retained, as the leaf
1286!--    area density is initialised by prescribing a vertical profile
1287!--    consisting of piecewise linear segments. The upper boundary
1288!--    of the plant canopy is now defined by lad_w(pch_index,:,:) = 0.0.
1289
1290       DO  i = nxl, nxr
1291          DO  j = nys, nyn
1292             DO  k = nzb, nzt+1 
1293                IF ( lad_s(k,j,i) > 0.0 )  THEN
1294                   lad_u(k,j,i)   = lad_s(k,j,i) 
1295                   lad_u(k,j,i+1) = lad_s(k,j,i)
1296                   lad_v(k,j,i)   = lad_s(k,j,i)
1297                   lad_v(k,j+1,i) = lad_s(k,j,i)
1298                ENDIF
1299             ENDDO
1300             DO  k = nzb, nzt
1301                lad_w(k,j,i) = 0.5 * ( lad_s(k+1,j,i) + lad_s(k,j,i) )
1302             ENDDO
1303          ENDDO
1304       ENDDO
1305
1306       lad_w(pch_index,:,:) = 0.0
1307       lad_w(nzt+1,:,:)     = lad_w(nzt,:,:)
1308
1309       CALL exchange_horiz( lad_u, nbgp )
1310       CALL exchange_horiz( lad_v, nbgp )
1311       CALL exchange_horiz( lad_w, nbgp )
1312
1313!
1314!--    Initialisation of the canopy heat source distribution
1315       IF ( cthf /= 0.0 )  THEN
1316!
1317!--       Piecewise evaluation of the leaf area index by
1318!--       integration of the leaf area density
1319          lai(:,:,:) = 0.0
1320          DO  i = nxlg, nxrg
1321             DO  j = nysg, nyng
1322                DO  k = pch_index-1, 0, -1
1323                   lai(k,j,i) = lai(k+1,j,i) +                   &
1324                                ( 0.5 * ( lad_w(k+1,j,i) +       &
1325                                          lad_s(k+1,j,i) ) *     &
1326                                  ( zw(k+1) - zu(k+1) ) )  +     &
1327                                ( 0.5 * ( lad_w(k,j,i)   +       &
1328                                          lad_s(k+1,j,i) ) *     &
1329                                  ( zu(k+1) - zw(k) ) )
1330                ENDDO
1331             ENDDO
1332          ENDDO
1333
1334!
1335!--       Evaluation of the upward kinematic vertical heat flux within the
1336!--       canopy
1337          DO  i = nxlg, nxrg
1338             DO  j = nysg, nyng
1339                DO  k = 0, pch_index
1340                   canopy_heat_flux(k,j,i) = cthf *                    &
1341                                             exp( -0.6 * lai(k,j,i) )
1342                ENDDO
1343             ENDDO
1344          ENDDO
1345
1346!
1347!--       The near surface heat flux is derived from the heat flux
1348!--       distribution within the canopy
1349          shf(:,:) = canopy_heat_flux(0,:,:)
1350
1351          IF ( ASSOCIATED( shf_m ) )  shf_m = shf
1352
1353       ENDIF
1354
1355    ENDIF
1356
1357!
1358!-- If required, initialize dvrp-software
1359    IF ( dt_dvrp /= 9999999.9 )  CALL init_dvrp
1360
1361    IF ( ocean )  THEN
1362!
1363!--    Initialize quantities needed for the ocean model
1364       CALL init_ocean
1365
1366    ELSE
1367!
1368!--    Initialize quantities for handling cloud physics
1369!--    This routine must be called before init_particles, because
1370!--    otherwise, array pt_d_t, needed in data_output_dvrp (called by
1371!--    init_particles) is not defined.
1372       CALL init_cloud_physics
1373    ENDIF
1374
1375!
1376!-- If required, initialize particles
1377    IF ( particle_advection )  CALL init_particles
1378
1379!
1380!-- Initialize the ws-scheme.   
1381    IF ( ws_scheme_sca .OR. ws_scheme_mom )  CALL ws_init       
1382
1383!
1384!-- Setting weighting factors for calculation of perturbation pressure
1385!-- and turbulent quantities from the RK substeps               
1386    IF ( TRIM(timestep_scheme) == 'runge-kutta-3' )  THEN      ! for RK3-method
1387
1388       weight_substep(1) = 1./6.
1389       weight_substep(2) = 3./10.
1390       weight_substep(3) = 8./15.
1391
1392       weight_pres(1)    = 1./3.
1393       weight_pres(2)    = 5./12.
1394       weight_pres(3)    = 1./4.
1395
1396    ELSEIF ( TRIM(timestep_scheme) == 'runge-kutta-2' )  THEN  ! for RK2-method
1397
1398       weight_substep(1) = 1./2.
1399       weight_substep(2) = 1./2.
1400         
1401       weight_pres(1)    = 1./2.
1402       weight_pres(2)    = 1./2.       
1403
1404    ELSE                                     ! for Euler- and leapfrog-method
1405
1406       weight_substep(1) = 1.0     
1407       weight_pres(1)    = 1.0                   
1408
1409    ENDIF
1410
1411!
1412!-- Initialize Rayleigh damping factors
1413    rdf = 0.0
1414    IF ( rayleigh_damping_factor /= 0.0 )  THEN
1415       IF ( .NOT. ocean )  THEN
1416          DO  k = nzb+1, nzt
1417             IF ( zu(k) >= rayleigh_damping_height )  THEN
1418                rdf(k) = rayleigh_damping_factor * &
1419                      ( SIN( pi * 0.5 * ( zu(k) - rayleigh_damping_height )    &
1420                                      / ( zu(nzt) - rayleigh_damping_height ) )&
1421                      )**2
1422             ENDIF
1423          ENDDO
1424       ELSE
1425          DO  k = nzt, nzb+1, -1
1426             IF ( zu(k) <= rayleigh_damping_height )  THEN
1427                rdf(k) = rayleigh_damping_factor * &
1428                      ( SIN( pi * 0.5 * ( rayleigh_damping_height - zu(k) )    &
1429                                      / ( rayleigh_damping_height - zu(nzb+1)))&
1430                      )**2
1431             ENDIF
1432          ENDDO
1433       ENDIF
1434    ENDIF
1435
1436!
1437!-- Initialize the starting level and the vertical smoothing factor used for
1438!-- the external pressure gradient
1439    dp_smooth_factor = 1.0
1440    IF ( dp_external )  THEN
1441!
1442!--    Set the starting level dp_level_ind_b only if it has not been set before
1443!--    (e.g. in init_grid).
1444       IF ( dp_level_ind_b == 0 )  THEN
1445          ind_array = MINLOC( ABS( dp_level_b - zu ) )
1446          dp_level_ind_b = ind_array(1) - 1 + nzb 
1447                                        ! MINLOC uses lower array bound 1
1448       ENDIF
1449       IF ( dp_smooth )  THEN
1450          dp_smooth_factor(:dp_level_ind_b) = 0.0
1451          DO  k = dp_level_ind_b+1, nzt
1452             dp_smooth_factor(k) = 0.5 * ( 1.0 + SIN( pi * &
1453                  ( REAL( k - dp_level_ind_b ) /  &
1454                    REAL( nzt - dp_level_ind_b ) - 0.5 ) ) )
1455          ENDDO
1456       ENDIF
1457    ENDIF
1458
1459!
1460!-- Initialize diffusivities used within the outflow damping layer in case of
1461!-- non-cyclic lateral boundaries. A linear increase is assumed over the first
1462!-- half of the width of the damping layer
1463    IF ( bc_lr_dirrad )  THEN
1464
1465       DO  i = nxlg, nxrg
1466          IF ( i >= nx - outflow_damping_width )  THEN
1467             km_damp_x(i) = km_damp_max * MIN( 1.0,                    &
1468                            ( i - ( nx - outflow_damping_width ) ) /   &
1469                            REAL( outflow_damping_width/2 )            &
1470                                             )
1471          ELSE
1472             km_damp_x(i) = 0.0
1473          ENDIF
1474       ENDDO
1475
1476    ELSEIF ( bc_lr_raddir )  THEN
1477
1478       DO  i = nxlg, nxrg
1479          IF ( i <= outflow_damping_width )  THEN
1480             km_damp_x(i) = km_damp_max * MIN( 1.0,                    &
1481                            ( outflow_damping_width - i ) /            &
1482                            REAL( outflow_damping_width/2 )            &
1483                                             )
1484          ELSE
1485             km_damp_x(i) = 0.0
1486          ENDIF
1487       ENDDO
1488
1489    ENDIF
1490
1491    IF ( bc_ns_dirrad )  THEN
1492
1493       DO  j = nysg, nyng
1494          IF ( j >= ny - outflow_damping_width )  THEN
1495             km_damp_y(j) = km_damp_max * MIN( 1.0,                    &
1496                            ( j - ( ny - outflow_damping_width ) ) /   &
1497                            REAL( outflow_damping_width/2 )            &
1498                                             )
1499          ELSE
1500             km_damp_y(j) = 0.0
1501          ENDIF
1502       ENDDO
1503
1504    ELSEIF ( bc_ns_raddir )  THEN
1505
1506       DO  j = nysg, nyng
1507          IF ( j <= outflow_damping_width )  THEN
1508             km_damp_y(j) = km_damp_max * MIN( 1.0,                    &
1509                            ( outflow_damping_width - j ) /            &
1510                            REAL( outflow_damping_width/2 )            &
1511                                             )
1512          ELSE
1513             km_damp_y(j) = 0.0
1514          ENDIF
1515       ENDDO
1516
1517    ENDIF
1518
1519!
1520!-- Initialize local summation arrays for routine flow_statistics.
1521!-- This is necessary because they may not yet have been initialized when they
1522!-- are called from flow_statistics (or - depending on the chosen model run -
1523!-- are never initialized)
1524    sums_divnew_l      = 0.0
1525    sums_divold_l      = 0.0
1526    sums_l_l           = 0.0
1527    sums_up_fraction_l = 0.0
1528    sums_wsts_bc_l     = 0.0
1529
1530!
1531!-- Pre-set masks for regional statistics. Default is the total model domain.
1532    rmask = 1.0
1533
1534!
1535!-- User-defined initializing actions. Check afterwards, if maximum number
1536!-- of allowed timeseries is exceeded
1537    CALL user_init
1538
1539    IF ( dots_num > dots_max )  THEN
1540       WRITE( message_string, * ) 'number of time series quantities exceeds', &
1541                                  ' its maximum of dots_max = ', dots_max,    &
1542                                  ' &Please increase dots_max in modules.f90.'
1543       CALL message( 'init_3d_model', 'PA0194', 1, 2, 0, 6, 0 )   
1544    ENDIF
1545
1546!
1547!-- Input binary data file is not needed anymore. This line must be placed
1548!-- after call of user_init!
1549    CALL close_file( 13 )
1550
1551!
1552!-- Compute total sum of active mask grid points
1553!-- ngp_2dh: number of grid points of a horizontal cross section through the
1554!--          total domain
1555!-- ngp_3d:  number of grid points of the total domain
1556    ngp_2dh_outer_l   = 0
1557    ngp_2dh_outer     = 0
1558    ngp_2dh_s_inner_l = 0
1559    ngp_2dh_s_inner   = 0
1560    ngp_2dh_l         = 0
1561    ngp_2dh           = 0
1562    ngp_3d_inner_l    = 0.0
1563    ngp_3d_inner      = 0
1564    ngp_3d            = 0
1565    ngp_sums          = ( nz + 2 ) * ( pr_palm + max_pr_user )
1566
1567    DO  sr = 0, statistic_regions
1568       DO  i = nxl, nxr
1569          DO  j = nys, nyn
1570             IF ( rmask(j,i,sr) == 1.0 )  THEN
1571!
1572!--             All xy-grid points
1573                ngp_2dh_l(sr) = ngp_2dh_l(sr) + 1
1574!
1575!--             xy-grid points above topography
1576                DO  k = nzb_s_outer(j,i), nz + 1
1577                   ngp_2dh_outer_l(k,sr) = ngp_2dh_outer_l(k,sr) + 1
1578                ENDDO
1579                DO  k = nzb_s_inner(j,i), nz + 1
1580                   ngp_2dh_s_inner_l(k,sr) = ngp_2dh_s_inner_l(k,sr) + 1
1581                ENDDO
1582!
1583!--             All grid points of the total domain above topography
1584                ngp_3d_inner_l(sr) = ngp_3d_inner_l(sr) + &
1585                                     ( nz - nzb_s_inner(j,i) + 2 )
1586             ENDIF
1587          ENDDO
1588       ENDDO
1589    ENDDO
1590
1591    sr = statistic_regions + 1
1592#if defined( __parallel )
1593    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1594    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_l(0), ngp_2dh(0), sr, MPI_INTEGER, MPI_SUM,   &
1595                        comm2d, ierr )
1596    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1597    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_outer_l(0,0), ngp_2dh_outer(0,0), (nz+2)*sr,  &
1598                        MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1599    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1600    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_s_inner_l(0,0), ngp_2dh_s_inner(0,0),         &
1601                        (nz+2)*sr, MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1602    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1603    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_3d_inner_l(0), ngp_3d_inner_tmp(0), sr, MPI_REAL, &
1604                        MPI_SUM, comm2d, ierr )
1605    ngp_3d_inner = INT( ngp_3d_inner_tmp, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) )
1606#else
1607    ngp_2dh         = ngp_2dh_l
1608    ngp_2dh_outer   = ngp_2dh_outer_l
1609    ngp_2dh_s_inner = ngp_2dh_s_inner_l
1610    ngp_3d_inner    = INT( ngp_3d_inner_l, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) )
1611#endif
1612
1613    ngp_3d = INT ( ngp_2dh, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) ) * &
1614             INT ( (nz + 2 ), KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 ) )
1615
1616!
1617!-- Set a lower limit of 1 in order to avoid zero divisions in flow_statistics,
1618!-- buoyancy, etc. A zero value will occur for cases where all grid points of
1619!-- the respective subdomain lie below the surface topography
1620    ngp_2dh_outer   = MAX( 1, ngp_2dh_outer(:,:)   ) 
1621    ngp_3d_inner    = MAX( INT(1, KIND = SELECTED_INT_KIND( 18 )),            &
1622                           ngp_3d_inner(:) )
1623    ngp_2dh_s_inner = MAX( 1, ngp_2dh_s_inner(:,:) ) 
1624
1625    DEALLOCATE( ngp_2dh_l, ngp_2dh_outer_l, ngp_3d_inner_l, ngp_3d_inner_tmp )
1626
1627
1628 END SUBROUTINE init_3d_model
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.