source: palm/trunk/SOURCE/init_3d_model.f90 @ 87

Last change on this file since 87 was 87, checked in by raasch, 17 years ago

Preliminary update for user defined profiles

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 33.5 KB
Line 
1#if defined( __ibmy_special )
2@PROCESS NOOPTimize
3#endif
4 SUBROUTINE init_3d_model
5
6!------------------------------------------------------------------------------!
7! Actual revisions:
8! -----------------
9! var_hom and var_sum renamed pr_palm
10!
11! Former revisions:
12! -----------------
13! $Id: init_3d_model.f90 87 2007-05-22 15:46:47Z raasch $
14!
15! 75 2007-03-22 09:54:05Z raasch
16! Arrays for radiation boundary conditions are allocated (u_m_l, u_m_r, etc.),
17! bugfix for cases with the outflow damping layer extending over more than one
18! subdomain, moisture renamed humidity,
19! new initializing action "by_user" calls user_init_3d_model,
20! precipitation_amount/rate, ts_value are allocated, +module netcdf_control,
21! initial velocities at nzb+1 are regarded for volume
22! flow control in case they have been set zero before (to avoid small timesteps)
23! -uvmean_outflow, uxrp, vynp eliminated
24!
25! 19 2007-02-23 04:53:48Z raasch
26! +handling of top fluxes
27!
28! RCS Log replace by Id keyword, revision history cleaned up
29!
30! Revision 1.49  2006/08/22 15:59:07  raasch
31! No optimization of this file on the ibmy (Yonsei Univ.)
32!
33! Revision 1.1  1998/03/09 16:22:22  raasch
34! Initial revision
35!
36!
37! Description:
38! ------------
39! Allocation of arrays and initialization of the 3D model via
40! a) pre-run the 1D model
41! or
42! b) pre-set constant linear profiles
43! or
44! c) read values of a previous run
45!------------------------------------------------------------------------------!
46
47    USE arrays_3d
48    USE averaging
49    USE cloud_parameters
50    USE constants
51    USE control_parameters
52    USE cpulog
53    USE indices
54    USE interfaces
55    USE model_1d
56    USE netcdf_control
57    USE particle_attributes
58    USE pegrid
59    USE profil_parameter
60    USE random_function_mod
61    USE statistics
62
63    IMPLICIT NONE
64
65    INTEGER ::  i, j, k, sr
66
67    INTEGER, DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  ngp_2dh_l, ngp_3d_inner_l
68
69    INTEGER, DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  ngp_2dh_outer_l
70
71    REAL, DIMENSION(1:2) ::  volume_flow_area_l, volume_flow_initial_l
72
73
74!
75!-- Allocate arrays
76    ALLOCATE( ngp_2dh(0:statistic_regions), ngp_2dh_l(0:statistic_regions), &
77              ngp_3d(0:statistic_regions),                                  &
78              ngp_3d_inner(0:statistic_regions),                            &
79              ngp_3d_inner_l(0:statistic_regions),                          &
80              sums_divnew_l(0:statistic_regions),                           &
81              sums_divold_l(0:statistic_regions) )
82    ALLOCATE( rdf(nzb+1:nzt) )
83    ALLOCATE( hom_sum(nzb:nzt+1,pr_palm+max_pr_user,0:statistic_regions),   &
84              ngp_2dh_outer(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                 &
85              ngp_2dh_outer_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),               &
86              rmask(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1,0:statistic_regions),           &
87              sums(nzb:nzt+1,pr_palm+max_pr_user),                          &
88              sums_l(nzb:nzt+1,pr_palm+max_pr_user,0:threads_per_task-1),   &
89              sums_l_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions,0:threads_per_task-1), &
90              sums_up_fraction_l(10,3,0:statistic_regions),                 &
91              sums_wsts_bc_l(nzb:nzt+1,0:statistic_regions),                &
92              ts_value(var_ts,0:statistic_regions) )
93    ALLOCATE( km_damp_x(nxl-1:nxr+1), km_damp_y(nys-1:nyn+1) )
94
95    ALLOCATE( rif_1(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), shf_1(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
96              ts(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), tswst_1(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),  &
97              us(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), usws_1(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),   &
98              vsws_1(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), z0(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
99
100    IF ( timestep_scheme(1:5) /= 'runge' )  THEN
101!
102!--    Leapfrog scheme needs two timelevels of diffusion quantities
103       ALLOCATE( rif_2(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),   &
104                 shf_2(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),   &
105                 tswst_2(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
106                 usws_2(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),  &
107                 vsws_2(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
108    ENDIF
109
110    ALLOCATE( d(nzb+1:nzta,nys:nyna,nxl:nxra),         &
111              e_1(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),  &
112              e_2(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),  &
113              e_3(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),  &
114              kh_1(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
115              km_1(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
116              p(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),    &
117              pt_1(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
118              pt_2(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
119              pt_3(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
120              tend(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
121              u_1(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),  &
122              u_2(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),  &
123              u_3(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),  &
124              v_1(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
125              v_2(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
126              v_3(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
127              w_1(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),  &
128              w_2(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),  &
129              w_3(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
130
131    IF ( timestep_scheme(1:5) /= 'runge' )  THEN
132       ALLOCATE( kh_2(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
133                 km_2(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
134    ENDIF
135
136    IF ( humidity  .OR.  passive_scalar ) THEN
137!
138!--    2D-humidity/scalar arrays
139       ALLOCATE ( qs(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1),     &
140                  qsws_1(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
141                  qswst_1(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
142
143       IF ( timestep_scheme(1:5) /= 'runge' )  THEN
144          ALLOCATE( qsws_2(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
145                    qswst_2(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
146       ENDIF
147!
148!--    3D-humidity/scalar arrays
149       ALLOCATE( q_1(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
150                 q_2(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
151                 q_3(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
152
153!
154!--    3D-arrays needed for humidity only
155       IF ( humidity )  THEN
156          ALLOCATE( vpt_1(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
157
158          IF ( timestep_scheme(1:5) /= 'runge' )  THEN
159             ALLOCATE( vpt_2(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
160          ENDIF
161
162          IF ( cloud_physics ) THEN
163!
164!--          Liquid water content
165             ALLOCATE ( ql_1(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
166!
167!--          Precipitation amount and rate (only needed if output is switched)
168             ALLOCATE( precipitation_amount(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
169                       precipitation_rate(nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
170          ENDIF
171
172          IF ( cloud_droplets )  THEN
173!
174!--          Liquid water content, change in liquid water content,
175!--          real volume of particles (with weighting), volume of particles
176             ALLOCATE ( ql_1(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
177                        ql_2(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
178                        ql_v(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1), &
179                        ql_vp(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
180          ENDIF
181
182       ENDIF
183
184    ENDIF
185
186!
187!-- 3D-array for storing the dissipation, needed for calculating the sgs
188!-- particle velocities
189    IF ( use_sgs_for_particles )  THEN
190       ALLOCATE ( diss(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
191    ENDIF
192
193    IF ( dt_dosp /= 9999999.9 )  THEN
194       ALLOCATE( spectrum_x( 1:nx/2, 1:10, 1:10 ), &
195                 spectrum_y( 1:ny/2, 1:10, 1:10 ) )
196    ENDIF
197
198!
199!-- 4D-array for storing the Rif-values at vertical walls
200    IF ( topography /= 'flat' )  THEN
201       ALLOCATE( rif_wall(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1,1:4) )
202       rif_wall = 0.0
203    ENDIF
204
205!
206!-- Velocities at nzb+1 needed for volume flow control
207    IF ( conserve_volume_flow )  THEN
208       ALLOCATE( u_nzb_p1_for_vfc(nys:nyn), v_nzb_p1_for_vfc(nxl:nxr) )
209       u_nzb_p1_for_vfc = 0.0
210       v_nzb_p1_for_vfc = 0.0
211    ENDIF
212
213!
214!-- Arrays to store velocity data from t-dt needed for radiation boundary
215!-- conditions
216    IF ( outflow_l )  THEN
217       ALLOCATE( u_m_l(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,-1:1), &
218                 v_m_l(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,-1:1), &
219                 w_m_l(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,-1:1) )
220    ENDIF
221    IF ( outflow_r )  THEN
222       ALLOCATE( u_m_r(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nx-1:nx+1), &
223                 v_m_r(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nx-1:nx+1), &
224                 w_m_r(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nx-1:nx+1) )
225    ENDIF
226    IF ( outflow_s )  THEN
227       ALLOCATE( u_m_s(nzb:nzt+1,-1:1,nxl-1:nxr+1), &
228                 v_m_s(nzb:nzt+1,-1:1,nxl-1:nxr+1), &
229                 w_m_s(nzb:nzt+1,-1:1,nxl-1:nxr+1) )
230    ENDIF
231    IF ( outflow_n )  THEN
232       ALLOCATE( u_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny+1,nxl-1:nxr+1), &
233                 v_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny+1,nxl-1:nxr+1), &
234                 w_m_n(nzb:nzt+1,ny-1:ny+1,nxl-1:nxr+1) )
235    ENDIF
236
237!
238!-- Initial assignment of the pointers
239    IF ( timestep_scheme(1:5) /= 'runge' )  THEN
240
241       rif_m   => rif_1;    rif   => rif_2
242       shf_m   => shf_1;    shf   => shf_2
243       tswst_m => tswst_1;  tswst => tswst_2
244       usws_m  => usws_1;   usws  => usws_2
245       vsws_m  => vsws_1;   vsws  => vsws_2
246       e_m  => e_1;   e  => e_2;   e_p  => e_3;   te_m  => e_3
247       kh_m => kh_1;  kh => kh_2
248       km_m => km_1;  km => km_2
249       pt_m => pt_1;  pt => pt_2;  pt_p => pt_3;  tpt_m => pt_3
250       u_m  => u_1;   u  => u_2;   u_p  => u_3;   tu_m  => u_3
251       v_m  => v_1;   v  => v_2;   v_p  => v_3;   tv_m  => v_3
252       w_m  => w_1;   w  => w_2;   w_p  => w_3;   tw_m  => w_3
253
254       IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
255          qsws_m  => qsws_1;   qsws  => qsws_2
256          qswst_m => qswst_1;  qswst => qswst_2
257          q_m    => q_1;     q    => q_2;     q_p => q_3;     tq_m => q_3
258          IF ( humidity )        vpt_m  => vpt_1;   vpt  => vpt_2
259          IF ( cloud_physics )   ql   => ql_1
260          IF ( cloud_droplets )  THEN
261             ql   => ql_1
262             ql_c => ql_2
263          ENDIF
264       ENDIF
265
266    ELSE
267
268       rif   => rif_1
269       shf   => shf_1
270       tswst => tswst_1
271       usws  => usws_1
272       vsws  => vsws_1
273       e     => e_1;   e_p  => e_2;   te_m  => e_3;   e_m  => e_3
274       kh    => kh_1
275       km    => km_1
276       pt    => pt_1;  pt_p => pt_2;  tpt_m => pt_3;  pt_m => pt_3
277       u     => u_1;   u_p  => u_2;   tu_m  => u_3;   u_m  => u_3
278       v     => v_1;   v_p  => v_2;   tv_m  => v_3;   v_m  => v_3
279       w     => w_1;   w_p  => w_2;   tw_m  => w_3;   w_m  => w_3
280
281       IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
282          qsws   => qsws_1
283          qswst  => qswst_1
284          q      => q_1;     q_p  => q_2;     tq_m => q_3;    q_m => q_3
285          IF ( humidity )        vpt  => vpt_1
286          IF ( cloud_physics )   ql   => ql_1
287          IF ( cloud_droplets )  THEN
288             ql   => ql_1
289             ql_c => ql_2
290          ENDIF
291       ENDIF
292
293    ENDIF
294
295!
296!-- Initialize model variables
297    IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' )  THEN
298!
299!--    First model run of a possible job queue.
300!--    Initial profiles of the variables must be computes.
301       IF ( INDEX( initializing_actions, 'set_1d-model_profiles' ) /= 0 )  THEN
302!
303!--       Use solutions of the 1D model as initial profiles,
304!--       start 1D model
305          CALL init_1d_model
306!
307!--       Transfer initial profiles to the arrays of the 3D model
308          DO  i = nxl-1, nxr+1
309             DO  j = nys-1, nyn+1
310                e(:,j,i)  = e1d
311                kh(:,j,i) = kh1d
312                km(:,j,i) = km1d
313                pt(:,j,i) = pt_init
314                u(:,j,i)  = u1d
315                v(:,j,i)  = v1d
316             ENDDO
317          ENDDO
318
319          IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
320             DO  i = nxl-1, nxr+1
321                DO  j = nys-1, nyn+1
322                   q(:,j,i) = q_init
323                ENDDO
324             ENDDO
325          ENDIF
326
327          IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
328             DO  i = nxl-1, nxr+1
329                DO  j = nys-1, nyn+1
330                   e(:,j,i)  = e1d
331                ENDDO
332             ENDDO
333!
334!--          Store initial profiles for output purposes etc.
335             hom(:,1,25,:) = SPREAD( l1d, 2, statistic_regions+1 )
336
337             IF ( prandtl_layer )  THEN
338                rif  = rif1d(nzb+1)
339                ts   = 0.0  ! could actually be computed more accurately in the
340                            ! 1D model. Update when opportunity arises.
341                us   = us1d
342                usws = usws1d
343                vsws = vsws1d
344             ELSE
345                ts   = 0.0  ! must be set, because used in
346                rif  = 0.0  ! flowste
347                us   = 0.0
348                usws = 0.0
349                vsws = 0.0
350             ENDIF
351
352          ELSE
353             e    = 0.0  ! must be set, because used in
354             rif  = 0.0  ! flowste
355             ts   = 0.0
356             us   = 0.0
357             usws = 0.0
358             vsws = 0.0
359          ENDIF
360
361!
362!--       In every case qs = 0.0 (see also pt)
363!--       This could actually be computed more accurately in the 1D model.
364!--       Update when opportunity arises!
365          IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  qs = 0.0
366
367!
368!--       inside buildings set velocities back to zero
369          IF ( topography /= 'flat' )  THEN
370             DO  i = nxl-1, nxr+1
371                DO  j = nys-1, nyn+1
372                   u(nzb:nzb_u_inner(j,i),j,i) = 0.0
373                   v(nzb:nzb_v_inner(j,i),j,i) = 0.0
374                ENDDO
375             ENDDO
376!
377!--          WARNING: The extra boundary conditions set after running the
378!--          -------  1D model impose an error on the divergence one layer
379!--                   below the topography; need to correct later
380!--          ATTENTION: Provisional correction for Piacsek & Williams
381!--          ---------  advection scheme: keep u and v zero one layer below
382!--                     the topography.
383             IF ( ibc_uv_b == 0 )  THEN
384!
385!--             Satisfying the Dirichlet condition with an extra layer below
386!--             the surface where the u and v component change their sign.
387                DO  i = nxl-1, nxr+1
388                   DO  j = nys-1, nyn+1
389                      IF ( nzb_u_inner(j,i) == 0 ) u(0,j,i) = -u(1,j,i)
390                      IF ( nzb_v_inner(j,i) == 0 ) v(0,j,i) = -v(1,j,i)
391                   ENDDO
392                ENDDO
393
394             ELSE
395!
396!--             Neumann condition
397                DO  i = nxl-1, nxr+1
398                   DO  j = nys-1, nyn+1
399                      IF ( nzb_u_inner(j,i) == 0 ) u(0,j,i) = u(1,j,i)
400                      IF ( nzb_v_inner(j,i) == 0 ) v(0,j,i) = v(1,j,i)
401                   ENDDO
402                ENDDO
403
404             ENDIF
405
406          ENDIF
407
408       ELSEIF ( INDEX(initializing_actions, 'set_constant_profiles') /= 0 ) &
409       THEN
410!
411!--       Use constructed initial profiles (velocity constant with height,
412!--       temperature profile with constant gradient)
413          DO  i = nxl-1, nxr+1
414             DO  j = nys-1, nyn+1
415                pt(:,j,i) = pt_init
416                u(:,j,i)  = u_init
417                v(:,j,i)  = v_init
418             ENDDO
419          ENDDO
420
421!
422!--       Set initial horizontal velocities at the lowest computational grid levels
423!--       to zero in order to avoid too small time steps caused by the diffusion
424!--       limit in the initial phase of a run (at k=1, dz/2 occurs in the
425!--       limiting formula!). The original values are stored to be later used for
426!--       volume flow control.
427          DO  i = nxl-1, nxr+1
428             DO  j = nys-1, nyn+1
429                u(nzb:nzb_u_inner(j,i)+1,j,i) = 0.0
430                v(nzb:nzb_v_inner(j,i)+1,j,i) = 0.0
431             ENDDO
432          ENDDO
433          IF ( conserve_volume_flow )  THEN
434             IF ( nxr == nx )  THEN
435                DO  j = nys, nyn
436                   k = nzb_u_inner(j,nx) + 1
437                   u_nzb_p1_for_vfc(j) = u_init(k) * dzu(k)
438                ENDDO
439             ENDIF
440             IF ( nyn == ny )  THEN
441                DO  i = nxl, nxr
442                   k = nzb_v_inner(ny,i) + 1
443                   v_nzb_p1_for_vfc(i) = v_init(k) * dzu(k)
444                ENDDO
445             ENDIF
446          ENDIF
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         
457          IF ( constant_diffusion )  THEN
458             km   = km_constant
459             kh   = km / prandtl_number
460          ELSE
461             kh   = 0.01   ! there must exist an initial diffusion, because
462             km   = 0.01   ! otherwise no TKE would be produced by the
463                           ! production terms, as long as not yet
464                           ! e = (u*/cm)**2 at k=nzb+1
465          ENDIF
466          e    = 0.0
467          rif  = 0.0
468          ts   = 0.0
469          us   = 0.0
470          usws = 0.0
471          vsws = 0.0
472          IF ( humidity  .OR.  passive_scalar ) qs = 0.0
473
474!
475!--       Compute initial temperature field and other constants used in case
476!--       of a sloping surface
477          IF ( sloping_surface )  CALL init_slope
478
479       ELSEIF ( INDEX(initializing_actions, 'by_user') /= 0 ) &
480       THEN
481!
482!--       Initialization will completely be done by the user
483          CALL user_init_3d_model
484
485       ENDIF
486
487!
488!--    Calculate virtual potential temperature
489       IF ( humidity ) vpt = pt * ( 1.0 + 0.61 * q )
490
491!
492!--    Store initial profiles for output purposes etc.
493       hom(:,1,5,:) = SPREAD( u(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
494       hom(:,1,6,:) = SPREAD( v(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
495       IF ( ibc_uv_b == 0 )  THEN
496          hom(nzb,1,5,:) = -hom(nzb+1,1,5,:)  ! due to satisfying the Dirichlet
497          hom(nzb,1,6,:) = -hom(nzb+1,1,6,:)  ! condition with an extra layer
498              ! below the surface where the u and v component change their sign
499       ENDIF
500       hom(:,1,7,:)  = SPREAD( pt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
501       hom(:,1,23,:) = SPREAD( km(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
502       hom(:,1,24,:) = SPREAD( kh(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
503
504
505       IF ( humidity )  THEN
506!
507!--       Store initial profile of total water content, virtual potential
508!--       temperature
509          hom(:,1,26,:) = SPREAD(   q(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
510          hom(:,1,29,:) = SPREAD( vpt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
511          IF ( cloud_physics  .OR.  cloud_droplets ) THEN
512!
513!--          Store initial profile of specific humidity and potential
514!--          temperature
515             hom(:,1,27,:) = SPREAD(  q(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
516             hom(:,1,28,:) = SPREAD( pt(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
517          ENDIF
518       ENDIF
519
520       IF ( passive_scalar )  THEN
521!
522!--       Store initial scalar profile
523          hom(:,1,26,:) = SPREAD(  q(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
524       ENDIF
525
526!
527!--    Initialize fluxes at bottom surface
528       IF ( use_surface_fluxes )  THEN
529
530          IF ( constant_heatflux )  THEN
531!
532!--          Heat flux is prescribed
533             IF ( random_heatflux )  THEN
534                CALL disturb_heatflux
535             ELSE
536                shf = surface_heatflux
537!
538!--             Over topography surface_heatflux is replaced by wall_heatflux(0)
539                IF ( TRIM( topography ) /= 'flat' )  THEN
540                   DO  i = nxl-1, nxr+1
541                      DO  j = nys-1, nyn+1
542                         IF ( nzb_s_inner(j,i) /= 0 )  THEN
543                            shf(j,i) = wall_heatflux(0)
544                         ENDIF
545                      ENDDO
546                   ENDDO
547                ENDIF
548             ENDIF
549             IF ( ASSOCIATED( shf_m ) )  shf_m = shf
550          ENDIF
551
552!
553!--       Determine the near-surface water flux
554          IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
555             IF ( constant_waterflux )  THEN
556                qsws   = surface_waterflux
557                IF ( ASSOCIATED( qsws_m ) )  qsws_m = qsws
558             ENDIF
559          ENDIF
560
561       ENDIF
562
563!
564!--    Initialize fluxes at top surface
565!--    Currently, only the heatflux can be prescribed. The latent flux is
566!--    zero in this case!
567       IF ( use_top_fluxes )  THEN
568
569          IF ( constant_top_heatflux )  THEN
570!
571!--          Heat flux is prescribed
572             tswst = top_heatflux
573             IF ( ASSOCIATED( tswst_m ) )  tswst_m = tswst
574
575             IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
576                qswst = 0.0
577                IF ( ASSOCIATED( qswst_m ) )  qswst_m = qswst
578             ENDIF
579         ENDIF
580
581       ENDIF
582
583!
584!--    Initialize Prandtl layer quantities
585       IF ( prandtl_layer )  THEN
586
587          z0 = roughness_length
588
589          IF ( .NOT. constant_heatflux )  THEN 
590!
591!--          Surface temperature is prescribed. Here the heat flux cannot be
592!--          simply estimated, because therefore rif, u* and theta* would have
593!--          to be computed by iteration. This is why the heat flux is assumed
594!--          to be zero before the first time step. It approaches its correct
595!--          value in the course of the first few time steps.
596             shf   = 0.0
597             IF ( ASSOCIATED( shf_m ) )  shf_m = 0.0
598          ENDIF
599
600          IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
601             IF ( .NOT. constant_waterflux )  THEN
602                qsws   = 0.0
603                IF ( ASSOCIATED( qsws_m ) )   qsws_m = 0.0
604             ENDIF
605          ENDIF
606
607       ENDIF
608
609!
610!--    Calculate the initial volume flow at the right and north boundary
611       IF ( conserve_volume_flow )  THEN
612
613          volume_flow_initial_l = 0.0
614          volume_flow_area_l    = 0.0
615 
616          IF ( nxr == nx )  THEN
617             DO  j = nys, nyn
618                DO  k = nzb_2d(j,nx) + 1, nzt
619                   volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) + &
620                                              u(k,j,nx) * dzu(k)
621                   volume_flow_area_l(1)    = volume_flow_area_l(1) + dzu(k)
622                ENDDO
623!
624!--             Correction if velocity at nzb+1 has been set zero further above
625                volume_flow_initial_l(1) = volume_flow_initial_l(1) + &
626                                           u_nzb_p1_for_vfc(j)
627             ENDDO
628          ENDIF
629
630          IF ( nyn == ny )  THEN
631             DO  i = nxl, nxr
632                DO  k = nzb_2d(ny,i) + 1, nzt 
633                   volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) + &
634                                              v(k,ny,i) * dzu(k)
635                   volume_flow_area_l(2)    = volume_flow_area_l(2) + dzu(k)
636                ENDDO
637!
638!--             Correction if velocity at nzb+1 has been set zero further above
639                volume_flow_initial_l(2) = volume_flow_initial_l(2) + &
640                                           v_nzb_p1_for_vfc(i)
641             ENDDO
642          ENDIF
643
644#if defined( __parallel )
645          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_initial_l(1), volume_flow_initial(1),&
646                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
647          CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_area_l(1), volume_flow_area(1),      &
648                              2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
649#else
650          volume_flow_initial = volume_flow_initial_l
651          volume_flow_area    = volume_flow_area_l
652#endif 
653       ENDIF
654
655!
656!--    For the moment, perturbation pressure and vertical velocity are zero
657       p = 0.0; w = 0.0
658
659!
660!--    Initialize array sums (must be defined in first call of pres)
661       sums = 0.0
662
663!
664!--    Treating cloud physics, liquid water content and precipitation amount
665!--    are zero at beginning of the simulation
666       IF ( cloud_physics )  THEN
667          ql = 0.0
668          IF ( precipitation )  precipitation_amount = 0.0
669       ENDIF
670
671!
672!--    Initialize spectra
673       IF ( dt_dosp /= 9999999.9 )  THEN
674          spectrum_x = 0.0
675          spectrum_y = 0.0
676       ENDIF
677
678!
679!--    Impose vortex with vertical axis on the initial velocity profile
680       IF ( INDEX( initializing_actions, 'initialize_vortex' ) /= 0 )  THEN
681          CALL init_rankine
682       ENDIF
683
684!
685!--    Impose temperature anomaly (advection test only)
686       IF ( INDEX( initializing_actions, 'initialize_ptanom' ) /= 0 )  THEN
687          CALL init_pt_anomaly
688       ENDIF
689
690!
691!--    If required, change the surface temperature at the start of the 3D run
692       IF ( pt_surface_initial_change /= 0.0 )  THEN
693          pt(nzb,:,:) = pt(nzb,:,:) + pt_surface_initial_change
694       ENDIF
695
696!
697!--    If required, change the surface humidity/scalar at the start of the 3D
698!--    run
699       IF ( ( humidity .OR. passive_scalar ) .AND. &
700            q_surface_initial_change /= 0.0 )  THEN
701          q(nzb,:,:) = q(nzb,:,:) + q_surface_initial_change
702       ENDIF
703
704!
705!--    Initialize the random number generator (from numerical recipes)
706       CALL random_function_ini
707
708!
709!--    Impose random perturbation on the horizontal velocity field and then
710!--    remove the divergences from the velocity field
711       IF ( create_disturbances )  THEN
712          CALL disturb_field( nzb_u_inner, tend, u )
713          CALL disturb_field( nzb_v_inner, tend, v )
714          n_sor = nsor_ini
715          CALL pres
716          n_sor = nsor
717       ENDIF
718
719!
720!--    Once again set the perturbation pressure explicitly to zero in order to
721!--    assure that it does not generate any divergences in the first time step.
722!--    At t=0 the velocity field is free of divergence (as constructed above).
723!--    Divergences being created during a time step are not yet known and thus
724!--    cannot be corrected during the time step yet.
725       p = 0.0
726
727!
728!--    Initialize old and new time levels.
729       IF ( timestep_scheme(1:5) /= 'runge' )  THEN
730          e_m = e; pt_m = pt; u_m = u; v_m = v; w_m = w; kh_m = kh; km_m = km
731       ELSE
732          te_m = 0.0; tpt_m = 0.0; tu_m = 0.0; tv_m = 0.0; tw_m = 0.0
733       ENDIF
734       e_p = e; pt_p = pt; u_p = u; v_p = v; w_p = w
735
736       IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
737          IF ( ASSOCIATED( q_m ) )  q_m = q
738          IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  tq_m = 0.0
739          q_p = q
740          IF ( humidity  .AND.  ASSOCIATED( vpt_m ) )  vpt_m = vpt
741       ENDIF
742
743!
744!--    Initialize old timelevels needed for radiation boundary conditions
745       IF ( outflow_l )  THEN
746          u_m_l(:,:,:) = u(:,:,-1:1)
747          v_m_l(:,:,:) = v(:,:,-1:1)
748          w_m_l(:,:,:) = w(:,:,-1:1)
749       ENDIF
750       IF ( outflow_r )  THEN
751          u_m_r(:,:,:) = u(:,:,nx-1:nx+1)
752          v_m_r(:,:,:) = v(:,:,nx-1:nx+1)
753          w_m_r(:,:,:) = w(:,:,nx-1:nx+1)
754       ENDIF
755       IF ( outflow_s )  THEN
756          u_m_s(:,:,:) = u(:,-1:1,:)
757          v_m_s(:,:,:) = v(:,-1:1,:)
758          w_m_s(:,:,:) = w(:,-1:1,:)
759       ENDIF
760       IF ( outflow_n )  THEN
761          u_m_n(:,:,:) = u(:,ny-1:ny+1,:)
762          v_m_n(:,:,:) = v(:,ny-1:ny+1,:)
763          w_m_n(:,:,:) = w(:,ny-1:ny+1,:)
764       ENDIF
765
766    ELSEIF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data' ) &
767    THEN
768!
769!--    Read binary data from restart file
770       CALL read_3d_binary
771
772!
773!--    Calculate initial temperature field and other constants used in case
774!--    of a sloping surface
775       IF ( sloping_surface )  CALL init_slope
776
777!
778!--    Initialize new time levels (only done in order to set boundary values
779!--    including ghost points)
780       e_p = e; pt_p = pt; u_p = u; v_p = v; w_p = w
781       IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  q_p = q
782
783    ELSE
784!
785!--    Actually this part of the programm should not be reached
786       IF ( myid == 0 )  PRINT*,'+++ init_3d_model: unknown initializing ', &
787                                                    'problem'
788       CALL local_stop
789    ENDIF
790
791!
792!-- If required, initialize dvrp-software
793    IF ( dt_dvrp /= 9999999.9 )  CALL init_dvrp
794
795!
796!-- If required, initialize quantities for handling cloud physics
797!-- This routine must be called before init_particles, because
798!-- otherwise, array pt_d_t, needed in data_output_dvrp (called by
799!-- init_particles) is not defined.
800    CALL init_cloud_physics
801
802!
803!-- If required, initialize particles
804    IF ( particle_advection )  CALL init_particles
805
806!
807!-- Initialize quantities for special advections schemes
808    CALL init_advec
809
810!
811!-- Initialize Rayleigh damping factors
812    rdf = 0.0
813    IF ( rayleigh_damping_factor /= 0.0 )  THEN
814       DO  k = nzb+1, nzt
815          IF ( zu(k) >= rayleigh_damping_height )  THEN
816             rdf(k) = rayleigh_damping_factor * &
817                      ( SIN( pi * 0.5 * ( zu(k) - rayleigh_damping_height )    &
818                                      / ( zu(nzt) - rayleigh_damping_height ) )&
819                      )**2
820          ENDIF
821       ENDDO
822    ENDIF
823
824!
825!-- Initialize diffusivities used within the outflow damping layer in case of
826!-- non-cyclic lateral boundaries. A linear increase is assumed over the first
827!-- half of the width of the damping layer
828    IF ( bc_lr == 'dirichlet/radiation' )  THEN
829
830       DO  i = nxl-1, nxr+1
831          IF ( i >= nx - outflow_damping_width )  THEN
832             km_damp_x(i) = km_damp_max * MIN( 1.0,                    &
833                            ( i - ( nx - outflow_damping_width ) ) /   &
834                            REAL( outflow_damping_width/2 )            &
835                                             )
836          ELSE
837             km_damp_x(i) = 0.0
838          ENDIF
839       ENDDO
840
841    ELSEIF ( bc_lr == 'radiation/dirichlet' )  THEN
842
843       DO  i = nxl-1, nxr+1
844          IF ( i <= outflow_damping_width )  THEN
845             km_damp_x(i) = km_damp_max * MIN( 1.0,                    &
846                            ( outflow_damping_width - i ) /            &
847                            REAL( outflow_damping_width/2 )            &
848                                             )
849          ELSE
850             km_damp_x(i) = 0.0
851          ENDIF
852       ENDDO
853
854    ENDIF
855
856    IF ( bc_ns == 'dirichlet/radiation' )  THEN
857
858       DO  j = nys-1, nyn+1
859          IF ( j >= ny - outflow_damping_width )  THEN
860             km_damp_y(j) = km_damp_max * MIN( 1.0,                    &
861                            ( j - ( ny - outflow_damping_width ) ) /   &
862                            REAL( outflow_damping_width/2 )            &
863                                             )
864          ELSE
865             km_damp_y(j) = 0.0
866          ENDIF
867       ENDDO
868
869    ELSEIF ( bc_ns == 'radiation/dirichlet' )  THEN
870
871       DO  j = nys-1, nyn+1
872          IF ( j <= outflow_damping_width )  THEN
873             km_damp_y(j) = km_damp_max * MIN( 1.0,                    &
874                            ( outflow_damping_width - j ) /            &
875                            REAL( outflow_damping_width/2 )            &
876                                             )
877          ELSE
878             km_damp_y(j) = 0.0
879          ENDIF
880       ENDDO
881
882    ENDIF
883
884!
885!-- Initialize local summation arrays for UP flow_statistics. This is necessary
886!-- because they may not yet have been initialized when they are called from
887!-- flow_statistics (or - depending on the chosen model run - are never
888!-- initialized)
889    sums_divnew_l      = 0.0
890    sums_divold_l      = 0.0
891    sums_l_l           = 0.0
892    sums_up_fraction_l = 0.0
893    sums_wsts_bc_l     = 0.0
894
895!
896!-- Pre-set masks for regional statistics. Default is the total model domain.
897    rmask = 1.0
898
899!
900!-- User-defined initializing actions. Check afterwards, if maximum number
901!-- of allowed timeseries is not exceeded
902    CALL user_init
903
904    IF ( dots_num > dots_max )  THEN
905       IF ( myid == 0 )  THEN
906          PRINT*, '+++ user_init: number of time series quantities exceeds', &
907                  ' its maximum of dots_max = ', dots_max
908          PRINT*, '    Please increase dots_max in modules.f90.'
909       ENDIF
910       CALL local_stop
911    ENDIF
912
913!
914!-- Input binary data file is not needed anymore. This line must be placed
915!-- after call of user_init!
916    CALL close_file( 13 )
917
918!
919!-- Compute total sum of active mask grid points
920!-- ngp_2dh: number of grid points of a horizontal cross section through the
921!--          total domain
922!-- ngp_3d:  number of grid points of the total domain
923!-- Note: The lower vertical index nzb_s_outer imposes a small error on the 2D
924!-- ----  averages of staggered variables such as u and v due to the topography
925!--       arrangement on the staggered grid. Maybe revise later.
926    ngp_2dh_outer_l = 0
927    ngp_2dh_outer   = 0
928    ngp_2dh_l       = 0
929    ngp_2dh         = 0
930    ngp_3d_inner_l  = 0
931    ngp_3d_inner    = 0
932    ngp_3d          = 0
933    ngp_sums        = ( nz + 2 ) * ( pr_palm + max_pr_user )
934
935    DO  sr = 0, statistic_regions
936       DO  i = nxl, nxr
937          DO  j = nys, nyn
938             IF ( rmask(j,i,sr) == 1.0 )  THEN
939!
940!--             All xy-grid points
941                ngp_2dh_l(sr) = ngp_2dh_l(sr) + 1
942!
943!--             xy-grid points above topography
944                DO  k = nzb_s_outer(j,i), nz + 1
945                   ngp_2dh_outer_l(k,sr) = ngp_2dh_outer_l(k,sr) + 1
946                ENDDO
947!
948!--             All grid points of the total domain above topography
949                ngp_3d_inner_l(sr) = ngp_3d_inner_l(sr) + &
950                                     ( nz - nzb_s_inner(j,i) + 2 )
951             ENDIF
952          ENDDO
953       ENDDO
954    ENDDO
955
956    sr = statistic_regions + 1
957#if defined( __parallel )
958    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_l(0), ngp_2dh(0), sr, MPI_INTEGER, MPI_SUM,  &
959                        comm2d, ierr )
960    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_2dh_outer_l(0,0), ngp_2dh_outer(0,0), (nz+2)*sr, &
961                        MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d, ierr )
962    CALL MPI_ALLREDUCE( ngp_3d_inner_l(0), ngp_3d_inner(0), sr, MPI_INTEGER, &
963                        MPI_SUM, comm2d, ierr )
964#else
965    ngp_2dh       = ngp_2dh_l
966    ngp_2dh_outer = ngp_2dh_outer_l
967    ngp_3d_inner  = ngp_3d_inner_l
968#endif
969
970    ngp_3d = ngp_2dh * ( nz + 2 )
971
972!
973!-- Set a lower limit of 1 in order to avoid zero divisions in flow_statistics,
974!-- buoyancy, etc. A zero value will occur for cases where all grid points of
975!-- the respective subdomain lie below the surface topography
976    ngp_2dh_outer = MAX( 1, ngp_2dh_outer(:,:) ) 
977    ngp_3d_inner  = MAX( 1, ngp_3d_inner(:)    )
978
979    DEALLOCATE( ngp_2dh_l, ngp_2dh_outer_l, ngp_3d_inner_l )
980
981
982 END SUBROUTINE init_3d_model
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.