source: palm/trunk/SOURCE/init_grid.f90 @ 4878

Last change on this file since 4878 was 4868, checked in by raasch, 4 years ago

Height of level k=0 for the u,v-grid is always set 0.0

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 115.8 KB
RevLine 
[1682]1!> @file init_grid.f90
[4648]2!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
[2696]3! This file is part of the PALM model system.
[1036]4!
[4648]5! PALM is free software: you can redistribute it and/or modify it under the terms of the GNU General
6! Public License as published by the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
7! (at your option) any later version.
[1036]8!
[4648]9! PALM is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the
10! implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the GNU General
11! Public License for more details.
[1036]12!
[4648]13! You should have received a copy of the GNU General Public License along with PALM. If not, see
14! <http://www.gnu.org/licenses/>.
[1036]15!
[4828]16! Copyright 1997-2021 Leibniz Universitaet Hannover
[4648]17!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
[1036]18!
[254]19! Current revisions:
[1]20! -----------------
[4601]21!
22!
[2233]23! Former revisions:
24! -----------------
25! $Id: init_grid.f90 4868 2021-02-08 10:07:43Z suehring $
[4868]26! Height of level k=0 for the u,v-grid is always set 0.0,
27! small changes to follow coding standard
28!
29! 4828 2021-01-05 11:21:41Z Giersch
[4722]30! Bugfix in building mapping when static driver is available but no actual building is present
31! within the model domain
32!
33! 4691 2020-09-22 14:38:38Z suehring
[4691]34! Reference model topography to the lowest grid point also in ASCII input case
35!
36! 4653 2020-08-27 08:54:43Z pavelkrc
[4648]37! file re-formatted to follow the PALM coding standard
38!
39! 4630 2020-07-30 14:54:34Z suehring
[4630]40! In case of ASCII topography input flag grid points as terrain and building.
41!
42! 4601 2020-07-14 12:06:09Z suehring
[4601]43! Minor formatting adjustments
[4648]44!
[4601]45! 4564 2020-06-12 14:03:36Z raasch
[4564]46! Vertical nesting method of Huq et al. (2019) removed
[4648]47!
[4564]48! 4543 2020-05-20 14:12:22Z gronemeier
[4543]49! Remove non-required check for canyon height
[4648]50!
[4543]51! 4507 2020-04-22 18:21:45Z gronemeier
[4507]52! update origin_z with shifting height of orography (oro_min)
[4648]53!
[4507]54! 4457 2020-03-11 14:20:43Z raasch
[4457]55! use statement for exchange horiz added,
56! bugfix for call of exchange horiz 2d
[4648]57!
[4457]58! 4444 2020-03-05 15:59:50Z raasch
[4444]59! bugfix: cpp-directives for serial mode added
[4648]60!
[4444]61! 4414 2020-02-19 20:16:04Z suehring
[4414]62! - Remove deprecated topography arrays nzb_s_inner, nzb_u_inner, etc.
[4648]63! - Move initialization of boundary conditions and multigrid into an extra module interface.
64!
[4414]65! 4386 2020-01-27 15:07:30Z Giersch
[4648]66! Allocation statements, comments, naming of variables revised and _wp added to real type values
67!
[4386]68! 4360 2020-01-07 11:25:50Z suehring
[4356]69! Revise error messages for generic tunnel setup.
[4648]70!
[4356]71! 4346 2019-12-18 11:55:56Z motisi
[4648]72! Introduction of wall_flags_total_0, which currently sets bits based on static topography
73! information used in wall_flags_static_0
74!
[4346]75! 4340 2019-12-16 08:17:03Z Giersch
[4340]76! Topography closed channel flow with symmetric boundaries implemented
[4648]77!
[4340]78! 4329 2019-12-10 15:46:36Z motisi
[4329]79! Renamed wall_flags_0 to wall_flags_static_0
[4648]80!
[4329]81! 4328 2019-12-09 18:53:04Z suehring
[4328]82! Minor change in nzb_max computation. Commentation added.
[4648]83!
[4328]84! 4314 2019-11-29 10:29:20Z suehring
[4648]85! Set additional topography flag 4 to mark topography grid points emerged from the filtering process.
86!
[4314]87! 4294 2019-11-13 18:34:16Z suehring
[4648]88! Bugfix, always set bit 5 and 6 of wall_flags, indicating terrain- and building surfaces in all
89! cases, in order to enable terrain-following output also when no land- or urban-surface model is
90! applied.
91!
[4294]92! 4265 2019-10-15 16:16:24Z suehring
[4648]93! Bugfix for last commit, exchange oro_max variable only when it is allocated (not necessarily the
94! case when topography is input from ASCII file).
95!
[4265]96! 4245 2019-09-30 08:40:37Z pavelkrc
[4245]97! Store oro_max (building z-offset) in 2D for building surfaces
[4648]98!
[4245]99! 4189 2019-08-26 16:19:38Z suehring
[4189]100! - Add check for proper setting of namelist parameter topography
101! - Set flag to indicate land surfaces in case no topography is provided
[4648]102!
[4189]103! 4182 2019-08-22 15:20:23Z scharf
[4182]104! Corrected "Former revisions" section
[4648]105!
[4182]106! 4168 2019-08-16 13:50:17Z suehring
[4648]107! Pre-calculate topography top index and store it on an array (replaces former functions
108! get_topography_top_index)
109!
[4168]110! 4159 2019-08-15 13:31:35Z suehring
[4648]111! Revision of topography processing. This was not consistent between 2D and 3D buildings.
112!
[4159]113! 4144 2019-08-06 09:11:47Z raasch
[4144]114! relational operators .EQ., .NE., etc. replaced by ==, /=, etc.
[4648]115!
[4144]116! 4115 2019-07-24 12:50:49Z suehring
[4648]117! Bugfix in setting near-surface flag 24, inidicating wall-bounded grid points
118!
[4115]119! 4110 2019-07-22 17:05:21Z suehring
[4110]120! - Separate initialization of advection flags for momentum and scalars.
121! - Change subroutine interface for ws_init_flags_scalar to pass boundary flags
[4648]122!
[4110]123! 4109 2019-07-22 17:00:34Z suehring
[3927]124! Fix bad commit
[4648]125!
[3927]126! 3926 2019-04-23 12:56:42Z suehring
[4648]127! Minor bugfix in building mapping when all building IDs in the model domain are missing
128!
[3925]129! 3857 2019-04-03 13:00:16Z knoop
[4648]130! In projection of non-building 3D objects onto numerical grid remove dependency on building_type
131!
[3855]132! 3763 2019-02-25 17:33:49Z suehring
[4648]133! Replace work-around for ghost point exchange of 1-byte arrays with specific routine as already
134! done in other routines
135!
[3763]136! 3761 2019-02-25 15:31:42Z raasch
[3761]137! unused variables removed
[4648]138!
[3761]139! 3661 2019-01-08 18:22:50Z suehring
[4648]140! Remove setting of nzb_max to nzt at non-cyclic boundary PEs, instead, order degradation of
141! advection scheme is handeled directly in advec_ws
142!
[3661]143! 3655 2019-01-07 16:51:22Z knoop
[3538]144! Comment added
[2716]145!
[4182]146! Revision 1.1  1997/08/11 06:17:45  raasch
147! Initial revision (Testversion)
148!
149!
[1]150! Description:
[4648]151! -------------------------------------------------------------------------------------------------!
[1682]152!> Creating grid depending constants
[2696]153!> @todo: Rearrange topo flag list
[4648]154!> @todo: reference 3D buildings on top of orography is not tested and may need further improvement
155!>        for steep slopes
156!> @todo: Use more advanced setting of building type at filled holes
157!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
[1682]158 SUBROUTINE init_grid
[1]159
[4648]160    USE arrays_3d,                                                                                 &
[3857]161        ONLY:  dd2zu, ddzu, ddzu_pres, ddzw, dzu, dzw, x, xu, y, yv, zu, zw
[4414]162
[4648]163    USE control_parameters,                                                                        &
164        ONLY:  constant_flux_layer, dz, dz_max, dz_stretch_factor,                                 &
165               dz_stretch_factor_array, dz_stretch_level, dz_stretch_level_end,                    &
166               dz_stretch_level_end_index, dz_stretch_level_start_index,                           &
[4868]167               dz_stretch_level_start, message_string,                                             &
[4648]168               number_stretch_level_end,                                                           &
169               number_stretch_level_start,                                                         &
170               ocean_mode,                                                                         &
171               psolver,                                                                            &
172               symmetry_flag,                                                                      &
173               topography,                                                                         &
[4414]174               use_surface_fluxes
175
[4648]176    USE grid_variables,                                                                            &
[2232]177        ONLY:  ddx, ddx2, ddy, ddy2, dx, dx2, dy, dy2, zu_s_inner, zw_w_inner
[4414]178
[4648]179    USE indices,                                                                                   &
180        ONLY:  nbgp,                                                                               &
181               nx,                                                                                 &
182               nxl,                                                                                &
183               nxlg,                                                                               &
184               nxr,                                                                                &
185               nxrg,                                                                               &
186               ny,                                                                                 &
187               nyn,                                                                                &
188               nyng,                                                                               &
189               nys,                                                                                &
190               nysg,                                                                               &
191               nz,                                                                                 &
192               nzb,                                                                                &
193               nzb_diff,                                                                           &
194               nzb_max,                                                                            &
195               nzt,                                                                                &
196               topo_top_ind,                                                                       &
[4414]197               topo_min_level
198
[1320]199    USE kinds
[2696]200
[1]201    USE pegrid
202
203    IMPLICIT NONE
204
[4648]205    INTEGER(iwp) ::  i             !< index variable along x
[3182]206    INTEGER(iwp) ::  j             !< index variable along y
207    INTEGER(iwp) ::  k             !< index variable along z
208    INTEGER(iwp) ::  k_top         !< topography top index on local PE
209    INTEGER(iwp) ::  n             !< loop variable for stretching
[4648]210    INTEGER(iwp) ::  number_dz     !< number of user-specified dz values
[3182]211    INTEGER(iwp) ::  nzb_local_max !< vertical grid index of maximum topography height
212    INTEGER(iwp) ::  nzb_local_min !< vertical grid index of minimum topography height
[1]213
[2696]214    INTEGER(iwp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  topo !< input array for 3D topography and dummy array for setting "outer"-flags
[2232]215
[3065]216    REAL(wp) ::  dz_level_end  !< distance between calculated height level for u/v-grid and user-specified end level for stretching
[1886]217    REAL(wp) ::  dz_stretched  !< stretched vertical grid spacing
[861]218
[4648]219    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  min_dz_stretch_level_end !< Array that contains all minimum heights where the stretching
220                                                                     !< can end
[1]221
[4648]222
[1]223!
[709]224!-- Calculation of horizontal array bounds including ghost layers
[667]225    nxlg = nxl - nbgp
226    nxrg = nxr + nbgp
227    nysg = nys - nbgp
228    nyng = nyn + nbgp
[709]229
[667]230!
[1]231!-- Allocate grid arrays
[4386]232    ALLOCATE( x(0:nx) )
233    ALLOCATE( xu(0:nx) )
[4648]234
[3857]235    DO i = 0, nx
236       xu(i) = i * dx
237       x(i)  = i * dx + 0.5_wp * dx
238    ENDDO
239
[4386]240    ALLOCATE( y(0:ny) )
241    ALLOCATE( yv(0:ny) )
[4648]242
[3857]243    DO j = 0, ny
244       yv(j) = j * dy
245       y(j)  = j * dy + 0.5_wp * dy
246    ENDDO
247
[4386]248    ALLOCATE( ddzu(1:nzt+1) )
249    ALLOCATE( ddzw(1:nzt+1) )
250    ALLOCATE( dd2zu(1:nzt) )
251    ALLOCATE( dzu(1:nzt+1) )
252    ALLOCATE( dzw(1:nzt+1) )
253    ALLOCATE( zu(nzb:nzt+1) )
254    ALLOCATE( zw(nzb:nzt+1) )
[1]255
256!
[4648]257!-- For constructing an appropriate grid, the vertical grid spacing dz has to be specified with a
258!-- non-negative value in the parameter file.
[3065]259    IF ( dz(1) == -1.0_wp )  THEN
[254]260       message_string = 'missing dz'
[4648]261       CALL message( 'init_grid', 'PA0200', 1, 2, 0, 6, 0 )
[3065]262    ELSEIF ( dz(1) <= 0.0_wp )  THEN
263       WRITE( message_string, * ) 'dz=',dz(1),' <= 0.0'
[254]264       CALL message( 'init_grid', 'PA0201', 1, 2, 0, 6, 0 )
[1]265    ENDIF
[94]266
[1]267!
[4648]268!-- Initialize dz_stretch_level_start with the value of dz_stretch_level if it was set by the user.
[3065]269    IF ( dz_stretch_level /= -9999999.9_wp ) THEN
270       dz_stretch_level_start(1) = dz_stretch_level
271    ENDIF
[4648]272
[3065]273!
[4648]274!-- Determine number of dz values and stretching levels specified by the user to allow right
275!-- controlling of the stretching mechanism and to perform error checks. The additional requirement
276!-- that dz /= dz_max for counting number of user-specified dz values is necessary. Otherwise
277!-- restarts would abort if the old stretching mechanism with dz_stretch_level is used (Attention:
278!-- The user is not allowed to specify a dz value equal to the default of dz_max = 999.0).
279    number_dz = COUNT( dz /= -1.0_wp  .AND.  dz /= dz_max)
280    number_stretch_level_start = COUNT( dz_stretch_level_start /= -9999999.9_wp )
281    number_stretch_level_end = COUNT( dz_stretch_level_end /= 9999999.9_wp )
[3065]282
283!
[4648]284!-- The number of specified end levels +1 has to be the same as the number
[3065]285!-- of specified dz values
286    IF ( number_dz /= number_stretch_level_end + 1 ) THEN
[4648]287       WRITE( message_string, * )  'The number of values for dz = ', number_dz,                    &
288                                   'has to be the same as& ', 'the number of values for ',         &
289                                   'dz_stretch_level_end + 1 = ', number_stretch_level_end+1
[4601]290       CALL message( 'init_grid', 'PA0156', 1, 2, 0, 6, 0 )
[3065]291    ENDIF
[4648]292
[3065]293!
[4648]294!-- The number of specified start levels has to be the same or one less than the number of specified
295!-- dz values
296    IF ( number_dz /= number_stretch_level_start + 1  .AND.                                        &
297         number_dz /= number_stretch_level_start )  THEN
298       WRITE( message_string, * )  'The number of values for dz = ', number_dz,                    &
299                                   'has to be the same as or one ',                                &
300                                   'more than& the number of values for ',                         &
301                                   'dz_stretch_level_start = ', number_stretch_level_start
[4601]302       CALL message( 'init_grid', 'PA0211', 1, 2, 0, 6, 0 )
[3065]303    ENDIF
[4648]304
305!-- The number of specified start levels has to be the same or one more than the number of specified
306!-- end levels
307    IF ( number_stretch_level_start /= number_stretch_level_end + 1  .AND.                         &
[3065]308         number_stretch_level_start /= number_stretch_level_end ) THEN
[4648]309       WRITE( message_string, * )  'The number of values for ',                                    &
310                                   'dz_stretch_level_start = ', dz_stretch_level_start,            &
311                                   'has to be the ', 'same or one more than& the number of ',      &
312                                   'values for dz_stretch_level_end = ', number_stretch_level_end
[4601]313       CALL message( 'init_grid', 'PA0216', 1, 2, 0, 6, 0 )
[3065]314    ENDIF
315
316!
317!-- Initialize dz for the free atmosphere with the value of dz_max
[4648]318    IF ( dz(number_stretch_level_start+1) == -1.0_wp  .AND.  number_stretch_level_start /= 0 ) THEN
[3065]319       dz(number_stretch_level_start+1) = dz_max
320    ENDIF
[4648]321
[3065]322!
[4648]323!-- Initialize the stretching factor if (infinitely) stretching in the free atmosphere is desired
324!-- (dz_stretch_level_end was not specified for the free atmosphere)
325    IF ( number_stretch_level_start == number_stretch_level_end + 1 )  THEN
326       dz_stretch_factor_array(number_stretch_level_start) = dz_stretch_factor
[3065]327    ENDIF
[4648]328
[3065]329!
330!-- Allocation of arrays for stretching
331    ALLOCATE( min_dz_stretch_level_end(number_stretch_level_start) )
[3066]332
[3065]333!
[4386]334!-- Define the vertical grid levels. Start with atmosphere branch
[3294]335    IF ( .NOT. ocean_mode )  THEN
[4648]336
[94]337!
[4648]338!--    The stretching region has to be large enough to allow for a smooth transition between two
339!--    different grid spacings. The number 4 is an empirical value.
[3065]340       DO n = 1, number_stretch_level_start
[4648]341          min_dz_stretch_level_end(n) = dz_stretch_level_start(n) + 4 * MAX( dz(n),dz(n+1) )
[3065]342       ENDDO
343
[4648]344       IF ( ANY( min_dz_stretch_level_end(1:number_stretch_level_start) >                          &
345                 dz_stretch_level_end(1:number_stretch_level_start) ) )  THEN
346          message_string= 'Each dz_stretch_level_end has to be larger ' //                         &
347                          'than its corresponding value for &' //                                  &
348                          'dz_stretch_level_start + 4*MAX(dz(n),dz(n+1)) '//                       &
[4601]349                          'to allow for smooth grid stretching'
350          CALL message( 'init_grid', 'PA0224', 1, 2, 0, 6, 0 )
[3065]351       ENDIF
[4648]352
[3065]353!
[4648]354!--    Stretching must not be applied within the surface layer (first two grid points). For the
355!--    default case dz_stretch_level_start is negative. Therefore the absolut value is checked here.
[4386]356       IF ( ANY( ABS( dz_stretch_level_start ) <= dz(1) * 1.5_wp ) ) THEN
[4648]357          WRITE( message_string, * )  'Each dz_stretch_level_start has to be ',                    &
358                                      'larger than ', dz(1) * 1.5
[4601]359          CALL message( 'init_grid', 'PA0226', 1, 2, 0, 6, 0 )
[3065]360       ENDIF
361
362!
[4648]363!--    The stretching has to start and end on a grid level. Therefore user-specified values are
364!--    mapped to the next lowest level. The calculation of the first level is realized differently
365!--    just because of historical reasons (the advanced/new stretching mechanism was realized in a
366!--    way that results don't change if the old parameters dz_stretch_level, dz_stretch_factor and
367!--    dz_max are used).
368       IF ( number_stretch_level_start /= 0 )  THEN
369          dz_stretch_level_start(1) = INT( (dz_stretch_level_start(1) - dz(1)/2.0) / dz(1) )       &
[3065]370                                      * dz(1) + dz(1)/2.0
371       ENDIF
[4648]372
[3065]373       IF ( number_stretch_level_start > 1 ) THEN
374          DO n = 2, number_stretch_level_start
[4648]375             dz_stretch_level_start(n) = INT( dz_stretch_level_start(n) / dz(n) ) * dz(n)
[3065]376          ENDDO
377       ENDIF
[4648]378
[3065]379       IF ( number_stretch_level_end /= 0 ) THEN
380          DO n = 1, number_stretch_level_end
[4648]381             dz_stretch_level_end(n) = INT( dz_stretch_level_end(n) / dz(n+1) ) * dz(n+1)
[3065]382          ENDDO
383       ENDIF
[4386]384
[3065]385!
386!--    Determine stretching factor if necessary
[4648]387       IF ( number_stretch_level_end >= 1 ) THEN
[3065]388          CALL calculate_stretching_factor( number_stretch_level_end )
389       ENDIF
390
391!
[4868]392!--    Grid for atmosphere with surface at z=0. This corresponds to k=0 on the w-grid AND
393!--    the u-grid.
394!--    First compute the u- and v-levels.
395!--    The second u-level (k=1) corresponds to the top of the surface layer.
396       zu(0) = 0.0_wp
397       zu(1) = dz(1) * 0.5_wp
[4648]398
[3065]399!
[4648]400!--    Determine u and v height levels considering the possibility of grid stretching in several
401!--    heights.
[3065]402       n = 1
403       dz_stretch_level_start_index = nzt+1
404       dz_stretch_level_end_index = nzt+1
405       dz_stretched = dz(1)
[1]406
[4648]407!--    The default value of dz_stretch_level_start is negative, thus the first condition is true
408!--    even if no stretching shall be applied. Hence, the second condition is also necessary.
[4340]409       DO  k = 2, nzt+1-symmetry_flag
[4648]410          IF ( dz_stretch_level_start(n) <= zu(k-1)  .AND.                                         &
411               dz_stretch_level_start(n) /= -9999999.9_wp )  THEN
[3065]412             dz_stretched = dz_stretched * dz_stretch_factor_array(n)
[4648]413
414             IF ( dz(n) > dz(n+1) )  THEN
[3065]415                dz_stretched = MAX( dz_stretched, dz(n+1) ) !Restrict dz_stretched to the user-specified (higher) dz
416             ELSE
417                dz_stretched = MIN( dz_stretched, dz(n+1) ) !Restrict dz_stretched to the user-specified (lower) dz
418             ENDIF
[4648]419
420             IF ( dz_stretch_level_start_index(n) == nzt+1 )  dz_stretch_level_start_index(n) = k-1
421
[94]422          ENDIF
[4648]423
[94]424          zu(k) = zu(k-1) + dz_stretched
[4648]425
[3065]426!
[4648]427!--       Make sure that the stretching ends exactly at dz_stretch_level_end
428          dz_level_end = ABS( zu(k) - dz_stretch_level_end(n) )
429
[4868]430          IF ( dz_level_end  <  dz(n+1) / 3.0 )  THEN
[3065]431             zu(k) = dz_stretch_level_end(n)
432             dz_stretched = dz(n+1)
433             dz_stretch_level_end_index(n) = k
[4648]434             n = n + 1
[3065]435          ENDIF
[94]436       ENDDO
[4648]437
[4340]438!
[4648]439!--    If a closed channel flow is simulated, make sure that grid structure is the same for both
440!--    bottom and top boundary. (Hint: Using a different dz at the bottom and at the top makes no
441!--    sense due to symmetric boundaries where dz should be equal. Therefore, different dz at the
442!--    bottom and top causes an abort (see check_parameters).)
443       IF ( topography == 'closed_channel' )  THEN
[4340]444          zu(nzt+1) = zu(nzt) + dz(1) * 0.5_wp
445       ENDIF
[1]446
447!
[4648]448!--    Compute the w-levels. They are always staggered half-way between the corresponding u-levels.
449!--    In case of dirichlet bc for u and v at the ground the first u- and w-level (k=0) are defined
450!--    at same height (z=0).
451!--    Per default, the top w-level is extrapolated linearly. In case of a closed channel flow,
452!--    zu(nzt+1) and zw(nzt) must be set explicitely.
453!--    (Hint: Using a different dz at the bottom and at the top makes no sense due to symmetric
454!--    boundaries where dz should be equal. Therefore, different dz at the bottom and top causes an
455!--    abort (see check_parameters).)
[1353]456       zw(0) = 0.0_wp
[4340]457       DO  k = 1, nzt-symmetry_flag
[1353]458          zw(k) = ( zu(k) + zu(k+1) ) * 0.5_wp
[94]459       ENDDO
[4648]460       IF ( topography == 'closed_channel' )  THEN
[4340]461          zw(nzt)   = zw(nzt-1) + dz(1)
462          zw(nzt+1) = zw(nzt) + dz(1)
463       ELSE
464          zw(nzt+1) = zw(nzt) + 2.0_wp * ( zu(nzt+1) - zw(nzt) )
465       ENDIF
[1]466
[4386]467    ELSE !ocean branch
[3065]468
[1]469!
[4648]470!--    The stretching region has to be large enough to allow for a smooth transition between two
471!--    different grid spacings. The number 4 is an empirical value
[3065]472       DO n = 1, number_stretch_level_start
[4648]473          min_dz_stretch_level_end(n) = dz_stretch_level_start(n) - 4 * MAX( dz(n),dz(n+1) )
[3065]474       ENDDO
[4648]475
476       IF ( ANY( min_dz_stretch_level_end (1:number_stretch_level_start) <                         &
477                 dz_stretch_level_end(1:number_stretch_level_start) ) )  THEN
478             message_string= 'Each dz_stretch_level_end has to be less ' //                        &
479                             'than its corresponding value for &' //                               &
480                             'dz_stretch_level_start - 4*MAX(dz(n),dz(n+1)) '//                    &
[3065]481                             'to allow for smooth grid stretching'
482             CALL message( 'init_grid', 'PA0224', 1, 2, 0, 6, 0 )
483       ENDIF
[4648]484
[3065]485!
[4648]486!--    Stretching must not be applied close to the surface (last two grid points). For the default
487!--    case dz_stretch_level_start is negative.
488       IF ( ANY( dz_stretch_level_start >= - dz(1) * 1.5_wp ) )  THEN
489          WRITE( message_string, * )  'Each dz_stretch_level_start has to be ',                    &
490                                      'less than ', -dz(1) * 1.5
[3065]491             CALL message( 'init_grid', 'PA0226', 1, 2, 0, 6, 0 )
492       ENDIF
493
494!
[4648]495!--    The stretching has to start and end on a grid level. Therefore user-specified values are
496!--    mapped to the next highest level. The calculation of the first level is realized differently
497!--    just because of historical reasons (the advanced/new stretching mechanism was realized in a
498!--    way that results don't change if the old parameters dz_stretch_level, dz_stretch_factor and
499!--    dz_max are used)
500       IF ( number_stretch_level_start /= 0 )  THEN
501          dz_stretch_level_start(1) = INT( (dz_stretch_level_start(1) + dz(1)/2.0) / dz(1) )       &
[3065]502                                      * dz(1) - dz(1)/2.0
503       ENDIF
[4648]504
505       IF ( number_stretch_level_start > 1 )  THEN
[3065]506          DO n = 2, number_stretch_level_start
[4648]507             dz_stretch_level_start(n) = INT( dz_stretch_level_start(n) / dz(n) ) * dz(n)
[3065]508          ENDDO
509       ENDIF
[4648]510
511       IF ( number_stretch_level_end /= 0 )  THEN
[3065]512          DO n = 1, number_stretch_level_end
[4648]513             dz_stretch_level_end(n) = INT( dz_stretch_level_end(n) / dz(n+1) ) * dz(n+1)
[3065]514          ENDDO
515       ENDIF
[4648]516
[3065]517!
518!--    Determine stretching factor if necessary
[4648]519       IF ( number_stretch_level_end >= 1 ) THEN
[3065]520          CALL calculate_stretching_factor( number_stretch_level_end )
521       ENDIF
522
523!
[843]524!--    Grid for ocean with free water surface is at k=nzt (w-grid).
[4648]525!--    In case of neumann bc at the ground the first first u-level (k=0) lies below the first
526!--    w-level (k=0). In case of dirichlet bc the first u- and w-level are defined at same height,
527!--    but staggered from the second level.
[4386]528!--    The second u-level (k=1) corresponds to the top of the surface layer.
[3065]529!--    z values are negative starting from z=0 (surface)
530       zu(nzt+1) =   dz(1) * 0.5_wp
531       zu(nzt)   = - dz(1) * 0.5_wp
[94]532
[3065]533!
[4648]534!--    Determine u and v height levels considering the possibility of grid stretching in several
535!--    heights.
[3065]536       n = 1
537       dz_stretch_level_start_index = 0
538       dz_stretch_level_end_index = 0
539       dz_stretched = dz(1)
540
[94]541       DO  k = nzt-1, 0, -1
[4648]542
543          IF ( dz_stretch_level_start(n) >= zu(k+1) )  THEN
[3065]544             dz_stretched = dz_stretched * dz_stretch_factor_array(n)
545
[4648]546             IF ( dz(n) > dz(n+1) )  THEN
[3065]547                dz_stretched = MAX( dz_stretched, dz(n+1) ) !Restrict dz_stretched to the user-specified (higher) dz
548             ELSE
549                dz_stretched = MIN( dz_stretched, dz(n+1) ) !Restrict dz_stretched to the user-specified (lower) dz
550             ENDIF
[4648]551
552             IF ( dz_stretch_level_start_index(n) == 0 )  dz_stretch_level_start_index(n) = k+1
553
[3065]554          ENDIF
[4648]555
[3065]556          zu(k) = zu(k+1) - dz_stretched
[4648]557
[1418]558!
[4648]559!--       Make sure that the stretching ends exactly at dz_stretch_level_end
560          dz_level_end = ABS( zu(k) - dz_stretch_level_end(n) )
561
562          IF ( dz_level_end  < dz(n+1)/3.0 )  THEN
[3065]563             zu(k) = dz_stretch_level_end(n)
564             dz_stretched = dz(n+1)
565             dz_stretch_level_end_index(n) = k
[4648]566             n = n + 1
[94]567          ENDIF
568       ENDDO
[4648]569
[94]570!
[4648]571!--    Compute the w-levels. They are always staggered half-way between the corresponding u-levels,
[4868]572!--    except for u and v at the ground. In this case the first u- and
[4648]573!--    w-level are defined at same height. The top w-level (nzt+1) is not used but set for
[4868]574!--    consistency, since w and all scalar variables are defined up to nzt+1.
[3065]575       zw(nzt+1) = dz(1)
[1353]576       zw(nzt)   = 0.0_wp
[94]577       DO  k = 0, nzt
[1353]578          zw(k) = ( zu(k) + zu(k+1) ) * 0.5_wp
[94]579       ENDDO
580
[843]581!
[4868]582!--    Like for the atmosphere, the first u-grid and w-grid-level are defined at same height.
583       zu(0) = zw(0)
[843]584
[4386]585    ENDIF !End of defining the vertical grid levels
[94]586
587!
[1]588!-- Compute grid lengths.
589    DO  k = 1, nzt+1
590       dzu(k)  = zu(k) - zu(k-1)
[1353]591       ddzu(k) = 1.0_wp / dzu(k)
[1]592       dzw(k)  = zw(k) - zw(k-1)
[1353]593       ddzw(k) = 1.0_wp / dzw(k)
[1]594    ENDDO
595
596    DO  k = 1, nzt
[1353]597       dd2zu(k) = 1.0_wp / ( dzu(k) + dzu(k+1) )
[1]598    ENDDO
[4648]599
600!
601!-- The FFT- SOR-pressure solvers assume grid spacings of a staggered grid everywhere. For the
602!-- actual grid, the grid spacing at the lowest level is only dz/2, but should be dz. Therefore, an
603!-- additional array containing with appropriate grid information is created for these solvers.
[1575]604    IF ( psolver(1:9) /= 'multigrid' )  THEN
[667]605       ALLOCATE( ddzu_pres(1:nzt+1) )
606       ddzu_pres = ddzu
[864]607       ddzu_pres(1) = ddzu_pres(2)  ! change for lowest level
[1]608    ENDIF
609
610!
611!-- Compute the reciprocal values of the horizontal grid lengths.
[1353]612    ddx = 1.0_wp / dx
613    ddy = 1.0_wp / dy
[1]614    dx2 = dx * dx
615    dy2 = dy * dy
[1353]616    ddx2 = 1.0_wp / dx2
617    ddy2 = 1.0_wp / dy2
[1]618
619!
[2696]620!-- Allocate 3D array to set topography
621    ALLOCATE( topo(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
622    topo = 0
623!
[4648]624!-- Initialize topography by generic topography or read topography from file.
[2696]625    CALL init_topo( topo )
626!
[4648]627!-- Set flags to mask topography on the grid.
[4414]628    CALL set_topo_flags( topo )
[2696]629
630!
[4648]631!-- Determine the maximum level of topography. It is used for steering the degradation of order of
632!-- the applied advection scheme, as well in the lpm.
[2696]633    k_top = 0
634    DO  i = nxl, nxr
635       DO  j = nys, nyn
636          DO  k = nzb, nzt + 1
[4109]637             k_top = MAX( k_top, MERGE( k, 0, .NOT. BTEST( topo(k,j,i), 0 ) ) )
[2696]638          ENDDO
639       ENDDO
[1]640    ENDDO
[2696]641#if defined( __parallel )
[4648]642    CALL MPI_ALLREDUCE( k_top, nzb_max, 1, MPI_INTEGER, MPI_MAX, comm2d, ierr )
[2696]643#else
[4328]644    nzb_max = k_top
[2696]645#endif
[1]646!
[4328]647!-- Increment nzb_max by 1 in order to allow for proper diverengence correction.
648!-- Further, in case topography extents up to the model top, limit to nzt.
[4648]649    nzb_max = MIN( nzb_max+1, nzt )
[4328]650!
[4648]651!-- Determine minimum index of topography. Usually, this will be nzb. In case there is elevated
652!-- topography, however, the lowest topography will be higher.
653!-- This index is e.g. used to calculate mean first-grid point atmosphere temperature, surface
654!-- pressure and density, etc. .
[2968]655    topo_min_level   = 0
656#if defined( __parallel )
[4648]657    CALL MPI_ALLREDUCE( MINVAL( topo_top_ind(nys:nyn,nxl:nxr,0) ), topo_min_level, 1, MPI_INTEGER, &
658                        MPI_MIN, comm2d, ierr )
[2968]659#else
[4168]660    topo_min_level = MINVAL( topo_top_ind(nys:nyn,nxl:nxr,0) )
[2968]661#endif
[3182]662
[2696]663!
[4648]664!-- Check topography for consistency with model domain. Therefore, use maximum and minium
665!-- topography-top indices. Note, minimum topography top index is already calculated.
[2696]666    IF ( TRIM( topography ) /= 'flat' )  THEN
667#if defined( __parallel )
[4648]668       CALL MPI_ALLREDUCE( MAXVAL( topo_top_ind(nys:nyn,nxl:nxr,0) ), nzb_local_max, 1,            &
669                           MPI_INTEGER, MPI_MAX, comm2d, ierr )
[2696]670#else
[4168]671       nzb_local_max = MAXVAL( topo_top_ind(nys:nyn,nxl:nxr,0) )
[2696]672#endif
[2968]673       nzb_local_min = topo_min_level
[2696]674!
675!--    Consistency checks
676       IF ( nzb_local_min < 0  .OR.  nzb_local_max  > nz + 1 )  THEN
[4648]677          WRITE( message_string, * ) 'nzb_local values are outside the model domain',              &
678                                     '&MINVAL( nzb_local ) = ', nzb_local_min,                     &
679                                     '&MAXVAL( nzb_local ) = ', nzb_local_max
[2696]680          CALL message( 'init_grid', 'PA0210', 1, 2, 0, 6, 0 )
681       ENDIF
682    ENDIF
[1]683!
[4648]684!-- Define vertical gridpoint from (or to) which on the usual finite difference form (which does not
685!-- use surface fluxes) is applied.
[1691]686    IF ( constant_flux_layer  .OR.  use_surface_fluxes )  THEN
[1]687       nzb_diff = nzb + 2
688    ELSE
689       nzb_diff = nzb + 1
690    ENDIF
691
[4414]692    IF ( TRIM( topography ) /= 'flat' )  THEN
[2696]693!
[4648]694!--    Allocate and set the arrays containing the topography height (for output reasons only).
[4414]695       IF ( nxr == nx  .AND.  nyn /= ny )  THEN
[4648]696          ALLOCATE( zu_s_inner(nxl:nxr+1,nys:nyn), zw_w_inner(nxl:nxr+1,nys:nyn) )
[4414]697       ELSEIF ( nxr /= nx  .AND.  nyn == ny )  THEN
[4648]698          ALLOCATE( zu_s_inner(nxl:nxr,nys:nyn+1), zw_w_inner(nxl:nxr,nys:nyn+1) )
[4414]699       ELSEIF ( nxr == nx  .AND.  nyn == ny )  THEN
[4648]700          ALLOCATE( zu_s_inner(nxl:nxr+1,nys:nyn+1), zw_w_inner(nxl:nxr+1,nys:nyn+1) )
[4414]701       ELSE
[4648]702          ALLOCATE( zu_s_inner(nxl:nxr,nys:nyn), zw_w_inner(nxl:nxr,nys:nyn) )
[2696]703       ENDIF
[1]704
[4414]705       zu_s_inner   = 0.0_wp
706       zw_w_inner   = 0.0_wp
[1]707!
[4648]708!--    Determine local topography height on scalar and w-grid. Note, setting lateral boundary values
709!--    is not necessary, realized via wall_flags_static_0 array. Further, please note that loop
710!--    bounds are different from nxl to nxr and nys to nyn on south and right model boundary, hence,
[4414]711!--    use intrinsic lbound and ubound functions to infer array bounds.
712       DO  i = LBOUND(zu_s_inner, 1), UBOUND(zu_s_inner, 1)
713          DO  j = LBOUND(zu_s_inner, 2), UBOUND(zu_s_inner, 2)
[2696]714!
[4648]715!--          Topography height on scalar grid. Therefore, determine index of upward-facing surface
716!--          element on scalar grid.
[4414]717             zu_s_inner(i,j) = zu(topo_top_ind(j,i,0))
[2696]718!
[4648]719!--          Topography height on w grid. Therefore, determine index of upward-facing surface
720!--          element on w grid.
[4414]721             zw_w_inner(i,j) = zw(topo_top_ind(j,i,3))
722          ENDDO
[2696]723       ENDDO
724    ENDIF
[4444]725
[2696]726 END SUBROUTINE init_grid
727
[3065]728
[2696]729! Description:
[4648]730! -------------------------------------------------------------------------------------------------!
731!> Calculation of the stretching factor through an iterative method. Ideas were taken from the paper
732!> "Regional stretched grid generation and its application to the NCAR RegCM (1999)". Normally, no
733!> analytic solution exists because the system of equations has two variables (r,l) but four
734!> requirements  (l=integer, r=[0,88;1,2], Eq(6), Eq(5) starting from index j=1) which results into
735!> an overdetermined system.
736!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
[3065]737 SUBROUTINE calculate_stretching_factor( number_end )
[4648]738
739    USE control_parameters,                                                                        &
740        ONLY:  dz, dz_stretch_factor_array, dz_stretch_level_end, dz_stretch_level_start,          &
741               message_string
742
[3065]743    USE kinds
[4648]744
[3065]745    IMPLICIT NONE
[4648]746
747    REAL(wp), PARAMETER ::  stretch_factor_interval = 1.0E-06_wp  !< interval for sampling possible stretching factors
748    REAL(wp), PARAMETER ::  stretch_factor_lower_limit = 0.88_wp  !< lowest possible stretching factor
749    REAL(wp), PARAMETER ::  stretch_factor_upper_limit = 1.12_wp  !< highest possible stretching factor
750
751    INTEGER(iwp) ::  iterations  !< number of iterations until stretch_factor_lower/upper_limit is reached
752    INTEGER(iwp) ::  l_rounded   !< after l_rounded grid levels dz(n) is strechted to dz(n+1) with stretch_factor_2
[3065]753    INTEGER(iwp) ::  n           !< loop variable for stretching
[4648]754
[3065]755    INTEGER(iwp), INTENT(IN) ::  number_end !< number of user-specified end levels for stretching
[4648]756
[3065]757    REAL(wp) ::  delta_l               !< absolute difference between l and l_rounded
758    REAL(wp) ::  delta_stretch_factor  !< absolute difference between stretch_factor_1 and stretch_factor_2
[4648]759    REAL(wp) ::  delta_total_new       !< sum of delta_l and delta_stretch_factor for the next iteration (should be as small as
760                                       !< possible)
761    REAL(wp) ::  delta_total_old       !< sum of delta_l and delta_stretch_factor for the last iteration
[3065]762    REAL(wp) ::  distance              !< distance between dz_stretch_level_start and dz_stretch_level_end (stretching region)
[4648]763    REAL(wp) ::  l                     !< value that fulfil Eq. (5) in the paper mentioned above together with stretch_factor_1
764                                       !< exactly
[3065]765    REAL(wp) ::  numerator             !< numerator of the quotient
766    REAL(wp) ::  stretch_factor_1      !< stretching factor that fulfil Eq. (5) togehter with l exactly
767    REAL(wp) ::  stretch_factor_2      !< stretching factor that fulfil Eq. (6) togehter with l_rounded exactly
[4648]768
769    REAL(wp) ::  dz_stretch_factor_array_2(9) = 1.08_wp  !< Array that contains all stretch_factor_2 that belongs to
770                                                         !< stretch_factor_1
771
772
[3068]773    l = 0
774    DO  n = 1, number_end
[4648]775
[3068]776       iterations = 1
[4648]777       stretch_factor_1 = 1.0_wp
[4386]778       stretch_factor_2 = 1.0_wp
779       delta_total_old = 1.0_wp
[4648]780
[4386]781!
782!--    First branch for stretching from rough to fine
[4648]783       IF ( dz(n) > dz(n+1) )  THEN
784          DO WHILE ( stretch_factor_1 >= stretch_factor_lower_limit )
785
[4386]786             stretch_factor_1 = 1.0_wp - iterations * stretch_factor_interval
[4648]787             distance = ABS( dz_stretch_level_end(n) - dz_stretch_level_start(n) )
788             numerator = distance * stretch_factor_1 / dz(n) + stretch_factor_1 - distance / dz(n)
789
790             IF ( numerator > 0.0_wp )  THEN
[4386]791                l = LOG( numerator ) / LOG( stretch_factor_1 ) - 1.0_wp
[3068]792                l_rounded = NINT( l )
793                delta_l = ABS( l_rounded - l ) / l
794             ENDIF
[4648]795
[3068]796             stretch_factor_2 = EXP( LOG( dz(n+1)/dz(n) ) / (l_rounded) )
[4648]797
798             delta_stretch_factor = ABS( stretch_factor_1 - stretch_factor_2 ) / stretch_factor_2
799
[3068]800             delta_total_new = delta_l + delta_stretch_factor
[3065]801
802!
[4648]803!--          stretch_factor_1 is taken to guarantee that the stretching procedure ends as close as
804!--          possible to dz_stretch_level_end.
805!--          stretch_factor_2 would guarantee that the stretched dz(n) is equal to dz(n+1) after
806!--          l_rounded grid levels.
807             IF (delta_total_new < delta_total_old)  THEN
[3068]808                dz_stretch_factor_array(n) = stretch_factor_1
809                dz_stretch_factor_array_2(n) = stretch_factor_2
810                delta_total_old = delta_total_new
811             ENDIF
[4648]812
[3068]813             iterations = iterations + 1
[4648]814
[3068]815          ENDDO
[4386]816
817!
818!--    Second branch for stretching from fine to rough
[4648]819       ELSEIF ( dz(n) < dz(n+1) )  THEN
[4868]820
[3068]821          DO WHILE ( stretch_factor_1 <= stretch_factor_upper_limit )
[4648]822
[4386]823             stretch_factor_1 = 1.0_wp + iterations * stretch_factor_interval
[4648]824             distance = ABS( dz_stretch_level_end(n) - dz_stretch_level_start(n) )
825             numerator = distance * stretch_factor_1 / dz(n) + stretch_factor_1 - distance / dz(n)
826
[4386]827             l = LOG( numerator ) / LOG( stretch_factor_1 ) - 1.0_wp
[3068]828             l_rounded = NINT( l )
829             delta_l = ABS( l_rounded - l ) / l
[4648]830
[3068]831             stretch_factor_2 = EXP( LOG( dz(n+1)/dz(n) ) / (l_rounded) )
[3065]832
[4648]833             delta_stretch_factor = ABS( stretch_factor_1 - stretch_factor_2 ) / stretch_factor_2
834
[3068]835             delta_total_new = delta_l + delta_stretch_factor
[4648]836
[3065]837!
[4648]838!--          stretch_factor_1 is taken to guarantee that the stretching procedure ends as close as
839!--          possible to dz_stretch_level_end.
840!--          stretch_factor_2 would guarantee that the stretched dz(n) is equal to dz(n+1) after
841!--          l_rounded grid levels.
842             IF (delta_total_new < delta_total_old)  THEN
[3068]843                dz_stretch_factor_array(n) = stretch_factor_1
844                dz_stretch_factor_array_2(n) = stretch_factor_2
845                delta_total_old = delta_total_new
846             ENDIF
[4648]847
[3068]848             iterations = iterations + 1
849          ENDDO
[4648]850
[3068]851       ELSE
[4868]852
[3068]853          message_string= 'Two adjacent values of dz must be different'
854          CALL message( 'init_grid', 'PA0228', 1, 2, 0, 6, 0 )
[4648]855
[3068]856       ENDIF
857
858!
[4648]859!--    Check if also the second stretching factor fits into the allowed interval. If not, print a
860!--    warning for the user.
861       IF ( dz_stretch_factor_array_2(n) < stretch_factor_lower_limit  .OR.                        &
862            dz_stretch_factor_array_2(n) > stretch_factor_upper_limit )  THEN
863          WRITE( message_string, * ) 'stretch_factor_2 = ', dz_stretch_factor_array_2(n),          &
864                                     ' which is', ' responsible for exactly reaching& dz =',       &
865                                      dz(n+1), 'after a specific amount of',                       &
866                                     ' grid levels& exceeds the upper',                            &
867                                     ' limit =', stretch_factor_upper_limit,                       &
868                                     ' &or lower limit = ', stretch_factor_lower_limit
[3068]869          CALL message( 'init_grid', 'PA0499', 0, 1, 0, 6, 0 )
[4648]870
[3068]871       ENDIF
[4868]872
[3068]873    ENDDO
[4648]874
[3065]875 END SUBROUTINE calculate_stretching_factor
[4648]876
877
[3065]878! Description:
[4648]879! -------------------------------------------------------------------------------------------------!
880!> Set temporary topography flags and reference buildings on top of underlying orography.
881!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
[2696]882 SUBROUTINE process_topography( topo_3d )
883
[4648]884    USE arrays_3d,                                                                                 &
[2747]885        ONLY:  zu, zw
[2696]886
[4648]887    USE control_parameters,                                                                        &
[4507]888        ONLY:  bc_lr_cyc, bc_ns_cyc, ocean_mode
[2696]889
[4648]890    USE exchange_horiz_mod,                                                                        &
891        ONLY:  exchange_horiz_2d, exchange_horiz_int
[4457]892
[4648]893    USE indices,                                                                                   &
894        ONLY:  nbgp, nx, nxl, nxlg, nxr, nxrg, ny, nyn, nyng, nys, nysg, nzb, nzt
[2696]895
[4648]896    USE netcdf_data_input_mod,                                                                     &
897        ONLY:  buildings_f, building_id_f, building_type_f,                                        &
898               init_model,                                                                         &
899               input_pids_static,                                                                  &
[2696]900               terrain_height_f
901
902    USE kinds
903
904    USE pegrid
905
906    IMPLICIT NONE
907
[4722]908    INTEGER(iwp) ::  dim_builds       !< total number of buildings within the model domain
[2867]909    INTEGER(iwp) ::  i                !< running index along x-direction
910    INTEGER(iwp) ::  j                !< running index along y-direction
911    INTEGER(iwp) ::  k                !< running index along z-direction with respect to numeric grid
912    INTEGER(iwp) ::  k2               !< running index along z-direction with respect to netcdf grid
913    INTEGER(iwp) ::  nr               !< index variable indication maximum terrain height for respective building ID
914    INTEGER(iwp) ::  num_build        !< counter for number of buildings
915    INTEGER(iwp) ::  topo_top_index   !< orography top index, used to map 3D buildings onto terrain
[2696]916
[4444]917#if defined( __parallel )
[2696]918    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  displace_dum        !< displacements of start addresses, used for MPI_ALLGATHERV
[4444]919#endif
[2696]920    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  build_ids           !< building IDs on entire model domain
[4648]921    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  build_ids_final     !< building IDs on entire model domain, multiple occurences are
922                                                                    !< sorted out
[2696]923    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  build_ids_final_tmp !< temporary array used for resizing
924    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  build_ids_l         !< building IDs on local subdomain
925    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  build_ids_l_tmp     !< temporary array used to resize array of building IDs
926
927    INTEGER(iwp), DIMENSION(0:numprocs-1) ::  num_buildings     !< number of buildings with different ID on entire model domain
928    INTEGER(iwp), DIMENSION(0:numprocs-1) ::  num_buildings_l   !< number of buildings with different ID on local subdomain
929
[4648]930    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::  topo_3d !< input array for 3D topography and dummy array for setting
931                                                                       !< "outer"-flags
[2696]932
[4648]933    REAL(wp)                            ::  ocean_offset        !< offset to consider inverse vertical coordinate at topography
934                                                                !< definition
935    REAL(wp)                            ::  oro_min = 0.0_wp    !< minimum terrain height in entire model domain, used to reference
936                                                                !< terrain to zero
[2696]937    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  oro_max             !< maximum terrain height occupied by an building with certain id
[4648]938    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  oro_max_l           !< maximum terrain height occupied by an building with certain id,
939                                                                !< on local subdomain
[2696]940
941!
[4648]942!-- Reference lowest terrain height to zero. This ensures that first, non-required gird levels
943!-- (those which lie entirely below the minimum orography) are avoided, and second, that also
944!-- negative orography can be used within the input file.
945!-- Please note, in case of a nested run, the global minimum from all parent and childs needs to be
946!-- removed to avoid steep edges at the child-domain boundaries.
[3103]947    IF ( input_pids_static )  THEN
[4648]948
949#if defined( __parallel )
950       CALL MPI_ALLREDUCE( MINVAL( terrain_height_f%var ), oro_min, 1, MPI_REAL, MPI_MIN,          &
951                           MPI_COMM_WORLD, ierr )
[3200]952#else
953       oro_min = MINVAL( terrain_height_f%var )
954#endif
[3103]955       terrain_height_f%var = terrain_height_f%var - oro_min
[4507]956!
957!--    Update reference height used within output files
958       init_model%origin_z = init_model%origin_z + oro_min
[4691]959!
960!-- ASCII topography branch. In this case, in contrast to the static driver input, topography is
961!-- assumed to be building; thus the minimum building height is substracted from the building array.
962    ELSE
963#if defined( __parallel )
964       CALL MPI_ALLREDUCE( MINVAL( buildings_f%var_2d ), oro_min, 1, MPI_REAL, MPI_MIN,            &
965                           MPI_COMM_WORLD, ierr )
966#else
967       oro_min = MINVAL( buildings_f%var_2d )
968#endif
969       buildings_f%var_2d = buildings_f%var_2d - oro_min
970!
971!--    Update reference height used within output files
972       init_model%origin_z = init_model%origin_z + oro_min
[4648]973    ENDIF
974
[3103]975!
[4648]976!-- In the following, buildings and orography are further preprocessed before they are mapped on the
977!-- LES grid.
978!-- Buildings are mapped on top of the orography by maintaining the roof shape of the building. This
979!-- can be achieved by referencing building on top of the maximum terrain height within the area
980!-- occupied by the respective building. As buildings and terrain height are defined PE-wise,
981!-- parallelization of this referencing is required (a building can be distributed between different
982!-- PEs).
983!-- In a first step, determine the number of buildings with different building id on each PE. In a
984!-- next step, all building ids are gathered into one array which is present to all PEs. For each
985!-- building ID, the maximum terrain height occupied by the respective building is computed and
986!-- distributed to each PE.
987!-- Finally, for each building id and its respective reference orography, builidings are mapped on
988!-- top.
989!--
990!-- First, pre-set topography flags, bit 1 indicates orography, bit 2 buildings classify the
991!-- respective surfaces.
[2696]992    topo_3d          = IBSET( topo_3d, 0 )
993    topo_3d(nzb,:,:) = IBCLR( topo_3d(nzb,:,:), 0 )
994!
[4648]995!-- In order to map topography on PALM grid also in case of ocean simulations, pre-calculate an
996!-- offset value.
[3294]997    ocean_offset = MERGE( zw(0), 0.0_wp, ocean_mode )
[3051]998!
[4648]999!-- Reference buildings on top of orography. This is not necessary if topography is read from ASCII
1000!-- file as no distinction between buildings and terrain height can be made. Moreover, this is also
1001!-- not necessary if urban-surface and land-surface model are used at the same time.
[2897]1002    IF ( input_pids_static )  THEN
1003
[4648]1004       IF ( buildings_f%from_file )  THEN
[2897]1005          num_buildings_l = 0
1006          num_buildings   = 0
[2696]1007!
[4648]1008!--       Allocate at least one element for building ids and give it an inital negative value that
1009!--       will be overwritten later. This, however, is necessary in case there all IDs in the model
1010!--       domain are fill values.
[2897]1011          ALLOCATE( build_ids_l(1) )
[4648]1012          build_ids_l = -1
[2897]1013          DO  i = nxl, nxr
1014             DO  j = nys, nyn
1015                IF ( building_id_f%var(j,i) /= building_id_f%fill )  THEN
1016                   IF ( num_buildings_l(myid) > 0 )  THEN
[4648]1017                      IF ( ANY( building_id_f%var(j,i) ==  build_ids_l ) )  THEN
[2897]1018                         CYCLE
1019                      ELSE
1020                         num_buildings_l(myid) = num_buildings_l(myid) + 1
[2696]1021!
1022!--                   Resize array with different local building ids
1023                      ALLOCATE( build_ids_l_tmp(1:SIZE(build_ids_l)) )
1024                      build_ids_l_tmp = build_ids_l
1025                      DEALLOCATE( build_ids_l )
1026                      ALLOCATE( build_ids_l(1:num_buildings_l(myid)) )
[4648]1027                      build_ids_l(1:num_buildings_l(myid)-1) =                                     &
1028                                                          build_ids_l_tmp(1:num_buildings_l(myid)-1)
[2696]1029                      build_ids_l(num_buildings_l(myid)) = building_id_f%var(j,i)
1030                      DEALLOCATE( build_ids_l_tmp )
1031                   ENDIF
1032!
[4648]1033!--                First occuring building id on PE
1034                   ELSE
[2897]1035                      num_buildings_l(myid) = num_buildings_l(myid) + 1
1036                      build_ids_l(1) = building_id_f%var(j,i)
1037                   ENDIF
[2696]1038                ENDIF
[2897]1039             ENDDO
[2696]1040          ENDDO
1041!
[4648]1042!--       Determine number of different building ids for the entire domain
1043#if defined( __parallel )
1044          CALL MPI_ALLREDUCE( num_buildings_l, num_buildings, numprocs, MPI_INTEGER, MPI_SUM,      &
1045                              comm2d, ierr )
[2696]1046#else
[2897]1047          num_buildings = num_buildings_l
[2696]1048#endif
1049!
[4648]1050!--       Gather all buildings ids on each PEs.
1051!--       First, allocate array encompassing all building ids in model domain.
[2897]1052          ALLOCATE( build_ids(1:SUM(num_buildings)) )
[4648]1053#if defined( __parallel )
[2696]1054!
[4648]1055!--       Allocate array for displacements.
1056!--       As each PE may has a different number of buildings, so that the block sizes send by each
1057!--       PE may not be equal. Hence,  information about the respective displacement is required,
1058!--       indicating the respective adress where each MPI-task writes into the receive buffer array.
[2897]1059          ALLOCATE( displace_dum(0:numprocs-1) )
1060          displace_dum(0) = 0
1061          DO i = 1, numprocs-1
1062             displace_dum(i) = displace_dum(i-1) + num_buildings(i-1)
1063          ENDDO
[2696]1064
[4648]1065          CALL MPI_ALLGATHERV( build_ids_l(1:num_buildings_l(myid)), num_buildings(myid),          &
1066                               MPI_INTEGER, build_ids, num_buildings, displace_dum, MPI_INTEGER,   &
1067                               comm2d, ierr )
[2696]1068
[2897]1069          DEALLOCATE( displace_dum )
[2696]1070
1071#else
[2897]1072          build_ids = build_ids_l
[2696]1073#endif
1074
1075!
[4648]1076!--       Note, in parallel mode building ids can occure mutliple times, as each PE has send its own
1077!--       ids. Therefore, sort out building ids which appear more than one time.
[2897]1078          num_build = 0
1079          DO  nr = 1, SIZE(build_ids)
[2696]1080
[2897]1081             IF ( ALLOCATED(build_ids_final) )  THEN
[4144]1082                IF ( ANY( build_ids(nr) == build_ids_final ) )  THEN
[2897]1083                   CYCLE
1084                ELSE
1085                   num_build = num_build + 1
1086!
1087!--                Resize
1088                   ALLOCATE( build_ids_final_tmp(1:num_build) )
1089                   build_ids_final_tmp(1:num_build-1) = build_ids_final(1:num_build-1)
1090                   DEALLOCATE( build_ids_final )
1091                   ALLOCATE( build_ids_final(1:num_build) )
1092                   build_ids_final(1:num_build-1) = build_ids_final_tmp(1:num_build-1)
1093                   build_ids_final(num_build) = build_ids(nr)
1094                   DEALLOCATE( build_ids_final_tmp )
[4648]1095                ENDIF
[2696]1096             ELSE
1097                num_build = num_build + 1
1098                ALLOCATE( build_ids_final(1:num_build) )
1099                build_ids_final(num_build) = build_ids(nr)
[2897]1100             ENDIF
1101          ENDDO
[2696]1102
1103!
[4648]1104!--       Determine maximumum terrain height occupied by the respective building and temporalily
[4722]1105!--       store on oro_max. Before, check whether any buildings are defined within the domain.
1106          IF ( ALLOCATED( build_ids_final ) )  THEN
1107             dim_builds = SIZE(build_ids_final)
1108          ELSE
1109             dim_builds = 0
1110          ENDIF
1111
1112          ALLOCATE( oro_max_l(1:dim_builds) )
1113          ALLOCATE( oro_max(1:dim_builds)   )
[2897]1114          oro_max_l = 0.0_wp
[2696]1115
[4722]1116          DO  nr = 1, dim_builds
[4648]1117             oro_max_l(nr) = MAXVAL( MERGE( terrain_height_f%var(nys:nyn,nxl:nxr),                 &
1118                                              0.0_wp,                                              &
1119                                              building_id_f%var(nys:nyn,nxl:nxr) ==                &
1120                                              build_ids_final(nr) ) )
[2897]1121          ENDDO
[4648]1122
1123#if defined( __parallel )
[4722]1124          IF ( dim_builds >= 1 )  THEN
[4648]1125             CALL MPI_ALLREDUCE( oro_max_l, oro_max, SIZE( oro_max ), MPI_REAL, MPI_MAX, comm2d,   &
1126                                 ierr )
[2897]1127          ENDIF
[2696]1128#else
[2897]1129          oro_max = oro_max_l
[2696]1130#endif
[3051]1131!
[4648]1132!--       Finally, determine discrete grid height of maximum orography occupied by a building. Use
1133!--       all-or-nothing approach, i.e. if terrain exceeds the scalar level the grid box is fully
1134!--       terrain and the maximum terrain is set to the zw level.
1135!--       terrain or
[3051]1136          oro_max_l = 0.0
[4722]1137          DO  nr = 1, dim_builds
[3051]1138             DO  k = nzb, nzt
[4648]1139                IF ( zu(k) - ocean_offset <= oro_max(nr) )  oro_max_l(nr) = zw(k) - ocean_offset
[3051]1140             ENDDO
[3142]1141             oro_max(nr) = oro_max_l(nr)
[3051]1142          ENDDO
[2897]1143       ENDIF
[2696]1144!
[4245]1145!--    Allocate array for storing terrain height under buildings
1146       IF ( buildings_f%from_file )  THEN
1147          ALLOCATE( buildings_f%oro_max(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
1148          buildings_f%oro_max = buildings_f%fill1
1149       END IF
1150!
[4648]1151!--    Map orography as well as buildings onto grid.
[2696]1152       DO  i = nxl, nxr
1153          DO  j = nys, nyn
[2867]1154             topo_top_index = 0
[3142]1155!
1156!--          Obtain index in global building_id array
1157             IF ( buildings_f%from_file )  THEN
1158                IF ( building_id_f%var(j,i) /= building_id_f%fill )  THEN
1159!
[4648]1160!--                Determine index where maximum terrain height occupied by the respective building
1161!--                height is stored.
1162                   nr = MINLOC( ABS( build_ids_final - building_id_f%var(j,i) ), DIM=1 )
[4245]1163!
1164!--                Save grid-indexed oro_max
1165                   buildings_f%oro_max(j,i) = oro_max(nr)
[3142]1166                ENDIF
1167             ENDIF
[2696]1168             DO  k = nzb, nzt
1169!
[4648]1170!--             In a first step, if grid point is below or equal the given terrain height, grid
1171!--             point is flagged to be of type natural.
1172!--             Please note, in case there is also a building which is lower than the vertical grid
1173!--             spacing, initialization of surface attributes will not be correct as given surface
1174!--             information will not be in accordance to the classified grid points.
[4159]1175!--             Hence, in this case, also a building flag.
[2747]1176                IF ( zu(k) - ocean_offset <= terrain_height_f%var(j,i) )  THEN
[4189]1177                   topo_3d(k,j,i) = IBCLR( topo_3d(k,j,i), 0 )
1178                   topo_3d(k,j,i) = IBSET( topo_3d(k,j,i), 1 )
1179                   topo_top_index = k ! topo_top_index + 1
[2696]1180                ENDIF
1181!
[4648]1182!--             Set building grid points. Here, only consider 2D buildings.
1183!--             3D buildings require separate treatment.
[2897]1184                IF ( buildings_f%from_file  .AND.  buildings_f%lod == 1 )  THEN
[4159]1185!
[4648]1186!--                Fill-up the terrain to the level of maximum orography within the building-covered
1187!--                area.
[4159]1188                   IF ( building_id_f%var(j,i) /= building_id_f%fill )  THEN
1189!
[4648]1190!--                   Note, oro_max is always on zw level
[4159]1191                      IF ( zu(k) - ocean_offset < oro_max(nr) )  THEN
[2696]1192                         topo_3d(k,j,i) = IBCLR( topo_3d(k,j,i), 0 )
[4159]1193                         topo_3d(k,j,i) = IBSET( topo_3d(k,j,i), 1 )
[4648]1194                      ELSEIF ( zu(k) - ocean_offset <= oro_max(nr) + buildings_f%var_2d(j,i) )  THEN
[4159]1195                         topo_3d(k,j,i) = IBCLR( topo_3d(k,j,i), 0 )
[2696]1196                         topo_3d(k,j,i) = IBSET( topo_3d(k,j,i), 2 )
1197                      ENDIF
1198                   ENDIF
1199                ENDIF
1200             ENDDO
1201!
[4648]1202!--          Special treatment for non grid-resolved buildings. This case, the uppermost terrain
1203!--          grid point is flagged as building as well, even though no building exists at all.
1204!--          However, the surface element will be identified as urban-surface and the input data
1205!--          provided by the drivers is consistent to the surface classification. Else, all non
1206!--          grid-resolved buildings would vanish and identified as terrain grid points, which,
1207!--          however, won't be consistent with the input data.
[4159]1208             IF ( buildings_f%from_file  .AND.  buildings_f%lod == 1 )  THEN
1209                IF ( building_id_f%var(j,i) /= building_id_f%fill )  THEN
1210                   DO  k = nzb, nzt
1211                      IF( zw(k) - ocean_offset == oro_max(nr) )  THEN
1212                         IF ( buildings_f%var_2d(j,i) <= zu(k+1) - zw(k) )  THEN
1213                            topo_3d(k,j,i) = IBSET( topo_3d(k,j,i), 2 )
1214                         ENDIF
1215                      ENDIF
1216                   ENDDO
1217                ENDIF
1218             ENDIF
1219!
[4648]1220!--          Map 3D buildings onto terrain height.
1221!--          In case of any slopes, map building on top of maximum terrain height covered by the
1222!--          building. In other words, extend building down to the respective local terrain-surface
1223!--          height.
[2897]1224             IF ( buildings_f%from_file  .AND.  buildings_f%lod == 2 )  THEN
[2696]1225                IF ( building_id_f%var(j,i) /= building_id_f%fill )  THEN
1226!
[4648]1227!--                Extend building down to the terrain surface, i.e. fill-up surface irregularities
1228!--                below a building. Note, oro_max is already a discrete height according to the
1229!--                all-or-nothing approach, i.e. grid box is either topography or atmosphere,
[3051]1230!--                terrain top is defined at upper bound of the grid box.
[4648]1231!--                Hence, check for zw in this case.
1232!--                Note, do this only for buildings which are surface mounted, i.e. building types
1233!--                1-6. Below bridges, which are represented exclusively by building type 7, terrain
1234!--                shape should be maintained.
[3855]1235                   IF ( building_type_f%from_file )  THEN
1236                      IF ( building_type_f%var(j,i) /= 7 )  THEN
[4648]1237                         DO k = topo_top_index + 1, nzt + 1
[4159]1238                            IF ( zu(k) - ocean_offset <= oro_max(nr) )  THEN
[3855]1239                               topo_3d(k,j,i) = IBCLR( topo_3d(k,j,i), 0 )
[4159]1240                               topo_3d(k,j,i) = IBSET( topo_3d(k,j,i), 1 )
[3855]1241                            ENDIF
[4648]1242                         ENDDO
1243!
1244!--                      After surface irregularities are smoothen, determine lower start index
1245!--                      where building starts.
[3855]1246                         DO  k = nzb, nzt
[4648]1247                            IF ( zu(k) - ocean_offset <= oro_max(nr) )  topo_top_index = k
[3855]1248                         ENDDO
1249                      ENDIF
[3115]1250                   ENDIF
[3051]1251!
1252!--                Finally, map building on top.
[2867]1253                   k2 = 0
1254                   DO k = topo_top_index, nzt + 1
[2796]1255                      IF ( k2 <= buildings_f%nz-1 )  THEN
[2696]1256                         IF ( buildings_f%var_3d(k2,j,i) == 1 )  THEN
1257                            topo_3d(k,j,i) = IBCLR( topo_3d(k,j,i), 0 )
1258                            topo_3d(k,j,i) = IBSET( topo_3d(k,j,i), 2 )
1259                         ENDIF
1260                      ENDIF
1261                      k2 = k2 + 1
1262                   ENDDO
1263                ENDIF
1264             ENDIF
1265          ENDDO
1266       ENDDO
1267!
[4648]1268!--    Horizontal exchange the oro_max array, which is required to for initialization of
1269!--    building-surface properties.
[4265]1270       IF ( ALLOCATED( buildings_f%oro_max ) )  THEN
[4457]1271          CALL exchange_horiz_2d( buildings_f%oro_max(:,:) )
[4265]1272       ENDIF
[4245]1273!
[2696]1274!--    Deallocate temporary arrays required for processing and reading data
1275       IF ( ALLOCATED( oro_max         ) )  DEALLOCATE( oro_max         )
1276       IF ( ALLOCATED( oro_max_l       ) )  DEALLOCATE( oro_max_l       )
1277       IF ( ALLOCATED( build_ids_final ) )  DEALLOCATE( build_ids_final )
1278!
[4648]1279!-- Topography input via ASCII format.
[2696]1280    ELSE
[4868]1281
1282       ocean_offset = MERGE( zw(0), 0.0_wp, ocean_mode )
[4159]1283!
[4648]1284!--    Initialize topography bit 0 (indicates obstacle) everywhere to zero and clear all grid points
1285!--    at nzb, where alway a surface is defined.
1286!--    Further, set also bit 1 (indicates terrain) at nzb, which is further used for masked data
1287!--    output and further processing. Note, in the ASCII case no distinction is made between
1288!--    buildings and terrain,  so that setting of bit 1 and 2 at the same time has no effect.
[2696]1289       topo_3d          = IBSET( topo_3d, 0 )
1290       topo_3d(nzb,:,:) = IBCLR( topo_3d(nzb,:,:), 0 )
[4159]1291       topo_3d(nzb,:,:) = IBSET( topo_3d(nzb,:,:), 1 )
[2696]1292       DO  i = nxl, nxr
1293          DO  j = nys, nyn
1294             DO  k = nzb, nzt
[3538]1295!
[4648]1296!--             Flag topography for all grid points which are below the local topography height.
1297!--             Note, each topography is flagged as building (bit 2) as well as terrain (bit 1) in
1298!--             order to employ urban-surface as well as land-surface model.
[2747]1299                IF ( zu(k) - ocean_offset <= buildings_f%var_2d(j,i) )  THEN
[4189]1300                   topo_3d(k,j,i) = IBCLR( topo_3d(k,j,i), 0 )
[4630]1301                   topo_3d(k,j,i) = IBCLR( topo_3d(k,j,i), 1 )
1302                   topo_3d(k,j,i) = IBSET( topo_3d(k,j,i), 2 )
[2696]1303                ENDIF
1304             ENDDO
1305          ENDDO
1306       ENDDO
[4868]1307
[2696]1308    ENDIF
1309
1310    CALL exchange_horiz_int( topo_3d, nys, nyn, nxl, nxr, nzt, nbgp )
1311
1312    IF ( .NOT. bc_ns_cyc )  THEN
1313       IF ( nys == 0  )  topo_3d(:,-1,:)   = topo_3d(:,0,:)
1314       IF ( nyn == ny )  topo_3d(:,ny+1,:) = topo_3d(:,ny,:)
1315    ENDIF
1316
1317    IF ( .NOT. bc_lr_cyc )  THEN
1318       IF ( nxl == 0  )  topo_3d(:,:,-1)   = topo_3d(:,:,0)
[4648]1319       IF ( nxr == nx )  topo_3d(:,:,nx+1) = topo_3d(:,:,nx)
[2696]1320    ENDIF
1321
1322 END SUBROUTINE process_topography
1323
1324
1325! Description:
[4648]1326! -------------------------------------------------------------------------------------------------!
1327!> Filter topography, i.e. fill holes resolved by only one grid point.
1328!> Such holes are suspected to lead to velocity blow-ups as continuity equation on discrete grid
1329!> cannot be fulfilled in such case.
1330!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
[2696]1331 SUBROUTINE filter_topography( topo_3d )
1332
[4648]1333    USE control_parameters,                                                                        &
[2696]1334        ONLY:  bc_lr_cyc, bc_ns_cyc, message_string
1335
[4648]1336    USE exchange_horiz_mod,                                                                        &
[4457]1337        ONLY:  exchange_horiz_int, exchange_horiz_2d_byte, exchange_horiz_2d_int
1338
[4648]1339    USE indices,                                                                                   &
[2696]1340        ONLY:  nbgp, nx, nxl, nxlg, nxr, nxrg, ny, nyn, nyng, nys, nysg, nzb, nzt
1341
[4648]1342    USE netcdf_data_input_mod,                                                                     &
1343        ONLY:  building_id_f, building_type_f
[2696]1344
1345    USE  pegrid
1346
1347    IMPLICIT NONE
1348
1349    INTEGER(iwp) ::  i          !< running index along x-direction
1350    INTEGER(iwp) ::  j          !< running index along y-direction
1351    INTEGER(iwp) ::  k          !< running index along z-direction
[4648]1352    INTEGER(iwp) ::  num_hole   !< number of holes (in topography) resolved by only one grid point
1353    INTEGER(iwp) ::  num_hole_l !< number of holes (in topography) resolved by only one grid point on local PE
[2696]1354    INTEGER(iwp) ::  num_wall   !< number of surrounding vertical walls for a single grid point
1355
[4868]1356    INTEGER(iwp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE            ::  topo_tmp  !< temporary 3D-topography used to fill holes
1357    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::  topo_3d   !< 3D-topography array merging buildings and
1358                                                                         !< orography
[4648]1359
1360    LOGICAL      ::  filled = .FALSE. !< flag indicating if holes were filled
1361
[2696]1362!
[4648]1363!-- Before checking for holes, set lateral boundary conditions for
[2696]1364!-- topography. After hole-filling, boundary conditions must be set again.
[4648]1365!-- Several iterations are performed, in order to fill holes which might
[2696]1366!-- emerge by the filling-algorithm itself.
1367    ALLOCATE( topo_tmp(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
1368    topo_tmp = 0
1369
1370    num_hole = 99999
[4648]1371    DO WHILE ( num_hole > 0 )
[2696]1372
[4648]1373       num_hole = 0
[2696]1374       CALL exchange_horiz_int( topo_3d, nys, nyn, nxl, nxr, nzt, nbgp )
[2955]1375!
[4648]1376!--    Exchange also building ID and type. Note, building_type is an one-byte variable.
1377       IF ( building_id_f%from_file )                                                              &
[2955]1378          CALL exchange_horiz_2d_int( building_id_f%var, nys, nyn, nxl, nxr, nbgp )
[4648]1379       IF ( building_type_f%from_file )                                                            &
[3763]1380          CALL exchange_horiz_2d_byte( building_type_f%var, nys, nyn, nxl, nxr, nbgp )
[2696]1381
1382       topo_tmp = topo_3d
1383!
[4648]1384!--    In case of non-cyclic lateral boundaries, assume lateral boundary to be a solid wall. Thus,
1385!--    intermediate spaces of one grid point between boundary and some topographic structure will be
1386!--    filled.
[2696]1387       IF ( .NOT. bc_ns_cyc )  THEN
1388          IF ( nys == 0  )  topo_tmp(:,-1,:)   = IBCLR( topo_tmp(:,0,:),  0 )
1389          IF ( nyn == ny )  topo_tmp(:,ny+1,:) = IBCLR( topo_tmp(:,ny,:), 0 )
1390       ENDIF
1391
1392       IF ( .NOT. bc_lr_cyc )  THEN
1393          IF ( nxl == 0  )  topo_tmp(:,:,-1)   = IBCLR( topo_tmp(:,:,0),  0 )
[4648]1394          IF ( nxr == nx )  topo_tmp(:,:,nx+1) = IBCLR( topo_tmp(:,:,nx), 0 )
[2696]1395       ENDIF
1396
1397       num_hole_l = 0
1398       DO i = nxl, nxr
1399          DO j = nys, nyn
1400             DO  k = nzb+1, nzt
1401                IF ( BTEST( topo_tmp(k,j,i), 0 ) )  THEN
1402                   num_wall = 0
[4648]1403                   IF ( .NOT. BTEST( topo_tmp(k,j-1,i), 0 ) )  num_wall = num_wall + 1
1404                   IF ( .NOT. BTEST( topo_tmp(k,j+1,i), 0 ) )  num_wall = num_wall + 1
1405                   IF ( .NOT. BTEST( topo_tmp(k,j,i-1), 0 ) )  num_wall = num_wall + 1
1406                   IF ( .NOT. BTEST( topo_tmp(k,j,i+1), 0 ) )  num_wall = num_wall + 1
1407                   IF ( .NOT. BTEST( topo_tmp(k-1,j,i), 0 ) )  num_wall = num_wall + 1
1408                   IF ( .NOT. BTEST( topo_tmp(k+1,j,i), 0 ) )  num_wall = num_wall + 1
[2696]1409
1410                   IF ( num_wall >= 4 )  THEN
1411                      num_hole_l     = num_hole_l + 1
1412!
[4648]1413!--                   Clear flag 0 and set special flag ( bit 4) to indicate that new topography
1414!--                   point is a result of filtering process.
[2696]1415                      topo_3d(k,j,i) = IBCLR( topo_3d(k,j,i), 0 )
[4314]1416                      topo_3d(k,j,i) = IBSET( topo_3d(k,j,i), 4 )
[2696]1417!
[4648]1418!--                   If filled grid point is occupied by a building, classify it as building grid
1419!--                   point.
[2696]1420                      IF ( building_type_f%from_file )  THEN
[4648]1421                         IF ( building_type_f%var(j,i)   /=  building_type_f%fill  .OR.            &
1422                              building_type_f%var(j+1,i) /=  building_type_f%fill  .OR.            &
1423                              building_type_f%var(j-1,i) /=  building_type_f%fill  .OR.            &
1424                              building_type_f%var(j,i+1) /=  building_type_f%fill  .OR.            &
1425                              building_type_f%var(j,i-1) /=  building_type_f%fill )  THEN
[2696]1426!
1427!--                         Set flag indicating building surfaces
1428                            topo_3d(k,j,i) = IBSET( topo_3d(k,j,i), 2 )
1429!
[4648]1430!--                         Set building_type and ID at this position if not already set. This is
1431!--                         required for proper initialization of urban-surface energy balance
[2696]1432!--                         solver.
[4648]1433                            IF ( building_type_f%var(j,i) == building_type_f%fill )  THEN
[2696]1434
[4648]1435                               IF ( building_type_f%var(j+1,i) /= building_type_f%fill )  THEN
1436                                  building_type_f%var(j,i) = building_type_f%var(j+1,i)
1437                                  building_id_f%var(j,i)   = building_id_f%var(j+1,i)
1438                               ELSEIF ( building_type_f%var(j-1,i) /= building_type_f%fill )  THEN
1439                                  building_type_f%var(j,i) = building_type_f%var(j-1,i)
1440                                  building_id_f%var(j,i)   = building_id_f%var(j-1,i)
1441                               ELSEIF ( building_type_f%var(j,i+1) /= building_type_f%fill )  THEN
1442                                  building_type_f%var(j,i) = building_type_f%var(j,i+1)
1443                                  building_id_f%var(j,i)   = building_id_f%var(j,i+1)
1444                               ELSEIF ( building_type_f%var(j,i-1) /= building_type_f%fill )  THEN
1445                                  building_type_f%var(j,i) = building_type_f%var(j,i-1)
1446                                  building_id_f%var(j,i)   = building_id_f%var(j,i-1)
[2696]1447                               ENDIF
1448                            ENDIF
1449                         ENDIF
1450                      ENDIF
1451!
[4648]1452!--                   If filled grid point is already classified as building everything is fine,
1453!--                   else classify this grid point as natural type grid point. This case, values
1454!--                   for the surface type are already set.
[2696]1455                      IF ( .NOT. BTEST( topo_3d(k,j,i), 2 ) )  THEN
1456                         topo_3d(k,j,i) = IBSET( topo_3d(k,j,i), 1 )
1457                      ENDIF
1458                   ENDIF
1459                ENDIF
1460             ENDDO
1461          ENDDO
1462       ENDDO
1463!
1464!--    Count the total number of holes, required for informative message.
1465#if defined( __parallel )
[4648]1466       CALL MPI_ALLREDUCE( num_hole_l, num_hole, 1, MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d, ierr )
[2696]1467#else
1468       num_hole = num_hole_l
[4648]1469#endif
[2893]1470       IF ( num_hole > 0  .AND.  .NOT. filled )  filled = .TRUE.
[2696]1471
[2893]1472    ENDDO
[2696]1473!
[2893]1474!-- Create an informative message if any holes were filled.
1475    IF ( filled )  THEN
[4648]1476       WRITE( message_string, * ) 'Topography was filtered, i.e. holes ' //                        &
1477                                  'resolved by only one grid point '     //                        &
[2893]1478                                  'were filled during initialization.'
1479       CALL message( 'init_grid', 'PA0430', 0, 0, 0, 6, 0 )
1480    ENDIF
[2696]1481
1482    DEALLOCATE( topo_tmp )
1483!
[4648]1484!-- Finally, exchange topo_3d array again and if necessary set Neumann boundary condition in case of
1485!-- non-cyclic lateral boundaries.
[2696]1486    CALL exchange_horiz_int( topo_3d, nys, nyn, nxl, nxr, nzt, nbgp )
1487
1488    IF ( .NOT. bc_ns_cyc )  THEN
1489       IF ( nys == 0  )  topo_3d(:,-1,:)   = topo_3d(:,0,:)
1490       IF ( nyn == ny )  topo_3d(:,ny+1,:) = topo_3d(:,ny,:)
1491    ENDIF
1492
1493    IF ( .NOT. bc_lr_cyc )  THEN
1494       IF ( nxl == 0  )  topo_3d(:,:,-1)   = topo_3d(:,:,0)
[4648]1495       IF ( nxr == nx )  topo_3d(:,:,nx+1) = topo_3d(:,:,nx)
[2696]1496    ENDIF
[2955]1497!
1498!-- Exchange building ID and type. Note, building_type is an one-byte variable.
[4648]1499    IF ( building_id_f%from_file )                                                                 &
[2955]1500       CALL exchange_horiz_2d_int( building_id_f%var, nys, nyn, nxl, nxr, nbgp )
[4648]1501    IF ( building_type_f%from_file )                                                               &
[3763]1502       CALL exchange_horiz_2d_byte( building_type_f%var, nys, nyn, nxl, nxr, nbgp )
[2696]1503
1504 END SUBROUTINE filter_topography
1505
1506
1507! Description:
[4648]1508! -------------------------------------------------------------------------------------------------!
1509!> Reads topography information from file or sets generic topography. Moreover, all
1510!> topography-relevant topography arrays are initialized, and grid flags are set.
1511!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
[2696]1512 SUBROUTINE init_topo( topo )
1513
[4648]1514    USE arrays_3d,                                                                                 &
[2696]1515        ONLY:  zw
[4648]1516
1517    USE control_parameters,                                                                        &
1518        ONLY:  bc_lr_cyc, bc_ns_cyc, building_height, building_length_x, building_length_y,        &
1519               building_wall_left, building_wall_south, canyon_height, canyon_wall_left,           &
1520               canyon_wall_south, canyon_width_x, canyon_width_y, dp_level_ind_b, dz,              &
1521               message_string, topography, topography_grid_convention, tunnel_height,              &
1522               tunnel_length, tunnel_width_x, tunnel_width_y, tunnel_wall_depth
1523
1524    USE exchange_horiz_mod,                                                                        &
[4457]1525        ONLY:  exchange_horiz_int
1526
[4648]1527    USE grid_variables,                                                                            &
[2696]1528        ONLY:  dx, dy
[4648]1529
1530    USE indices,                                                                                   &
1531        ONLY:  nbgp, nx, nxl, nxlg, nxr, nxrg, ny, nyn, nyng, nys, nysg, nz, nzb, nzt
1532
[2696]1533    USE kinds
1534
[4648]1535    USE netcdf_data_input_mod,                                                                     &
1536        ONLY:  buildings_f, terrain_height_f
1537
[2696]1538    USE pegrid
1539
1540    IMPLICIT NONE
1541
[4386]1542    INTEGER(iwp) ::  bh                !< temporary vertical index of building height
[4648]1543    INTEGER(iwp) ::  ch                !< temporary vertical index for canyon height
1544    INTEGER(iwp) ::  hv_in             !< heavyside function to model inner tunnel surface
1545    INTEGER(iwp) ::  i                 !< index variable along x
[4386]1546    INTEGER(iwp) ::  index_left_bwall  !< index for left building wall
[4648]1547    INTEGER(iwp) ::  index_north_bwall !< index for north building wall
[4386]1548    INTEGER(iwp) ::  index_right_bwall !< index for right building wall
1549    INTEGER(iwp) ::  index_south_bwall !< index for south building wall
1550    INTEGER(iwp) ::  index_left_cwall  !< index for left canyon wall
[4648]1551    INTEGER(iwp) ::  index_north_cwall !< index for north canyon wall
[4386]1552    INTEGER(iwp) ::  index_right_cwall !< index for right canyon wall
1553    INTEGER(iwp) ::  index_south_cwall !< index for south canyon wall
1554    INTEGER(iwp) ::  j                 !< index variable along y
1555    INTEGER(iwp) ::  k                 !< index variable along z
[4648]1556    INTEGER(iwp) ::  ngp_bx            !< grid point number of building size along x
1557    INTEGER(iwp) ::  ngp_by            !< grid point number of building size along y
1558    INTEGER(iwp) ::  ngp_cx            !< grid point number of canyon size along x
1559    INTEGER(iwp) ::  ngp_cy            !< grid point number of canyon size along y
1560    INTEGER(iwp) ::  hv_out            !< heavyside function to model outer tunnel surface
1561    INTEGER(iwp) ::  td                !< tunnel wall depth
1562    INTEGER(iwp) ::  th                !< height of outer tunnel wall
1563    INTEGER(iwp) ::  txe_in            !< end position of inner tunnel wall in x
[4386]1564    INTEGER(iwp) ::  txe_out           !< end position of outer tunnel wall in x
[4648]1565    INTEGER(iwp) ::  txs_in            !< start position of inner tunnel wall in x
[4386]1566    INTEGER(iwp) ::  txs_out           !< start position of outer tunnel wall in x
[4648]1567    INTEGER(iwp) ::  tye_in            !< end position of inner tunnel wall in y
[4386]1568    INTEGER(iwp) ::  tye_out           !< end position of outer tunnel wall in y
[4648]1569    INTEGER(iwp) ::  tys_in            !< start position of inner tunnel wall in y
[4386]1570    INTEGER(iwp) ::  tys_out           !< start position of outer tunnel wall in y
[2696]1571
1572    INTEGER(iwp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  nzb_local         !< index for topography top at cell-center
[4648]1573    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::  topo !< input array for 3D topography and dummy array for setting
1574                                                                    !< "outer"-flags
[2696]1575!
[4648]1576!-- Check for correct setting of the namelist parameter topography. If topography information is
1577!-- read from file but topography = 'flat', initialization does not work properly.
1578    IF ( ( buildings_f%from_file  .OR.  terrain_height_f%from_file )  .AND.                        &
[4189]1579           TRIM( topography ) /= 'read_from_file' )  THEN
[4648]1580       message_string =  'If topography information is provided (via ' //                          &
1581                         'Netcdf or ASCII input) topography = '        //                          &
[4189]1582                         '"read_from_file" is required.'
[4648]1583       CALL message( 'init_grid', 'PA0437', 1, 2, 0, 6, 0 )
[4189]1584    ENDIF
1585!
[1]1586!-- Set outer and inner index arrays for non-flat topography.
[4648]1587!-- Here consistency checks concerning domain size and periodicity are necessary.
1588!-- Within this SELECT CASE structure only nzb_local is initialized individually depending on the
1589!-- chosen topography type, all other index arrays are initialized further below.
[1]1590    SELECT CASE ( TRIM( topography ) )
1591
1592       CASE ( 'flat' )
[4648]1593!
[2232]1594!--       Initialilize 3D topography array, used later for initializing flags
[4340]1595          topo(nzb+1:nzt+1,:,:) = IBSET( topo(nzb+1:nzt+1,:,:), 0 )
[4648]1596
[4340]1597       CASE ( 'closed_channel' )
[4648]1598!
[4340]1599!--       Initialilize 3D topography array, used later for initializing flags
[4648]1600          topo(nzb+1:nzt,:,:) = IBSET( topo(nzb+1:nzt,:,:), 0 )
[1]1601
1602       CASE ( 'single_building' )
1603!
1604!--       Single rectangular building, by default centered in the middle of the
1605!--       total domain
[4386]1606          ngp_bx = NINT( building_length_x / dx )
1607          ngp_by = NINT( building_length_y / dy )
[2232]1608          bh  = MINLOC( ABS( zw - building_height ), 1 ) - 1
[4648]1609          IF ( ABS( zw(bh) - building_height ) ==  ABS( zw(bh+1) - building_height ) )  bh = bh + 1
[1322]1610          IF ( building_wall_left == 9999999.9_wp )  THEN
[4386]1611             building_wall_left = ( nx + 1 - ngp_bx ) / 2 * dx
[1]1612          ENDIF
[4386]1613          index_left_bwall = NINT( building_wall_left / dx )
1614          index_right_bwall = index_left_bwall + ngp_bx
[1]1615
[1322]1616          IF ( building_wall_south == 9999999.9_wp )  THEN
[4386]1617              building_wall_south = ( ny + 1 - ngp_by ) / 2 * dy
[1]1618          ENDIF
[4386]1619          index_south_bwall = NINT( building_wall_south / dy )
1620          index_north_bwall = index_south_bwall + ngp_by
[1]1621
1622!
1623!--       Building size has to meet some requirements
[4648]1624          IF ( ( index_left_bwall  < 1 )  .OR.  ( index_right_bwall > nx-1 )  .OR.                 &
1625               ( index_right_bwall < index_left_bwall+3 )  .OR.                                    &
1626               ( index_south_bwall < 1 )  .OR.  ( index_north_bwall > ny-1 )  .OR.                 &
[4386]1627               ( index_north_bwall < index_south_bwall+3 ) )  THEN
[4648]1628             WRITE( message_string, * ) 'inconsistent building parameters:',                       &
1629                                      '&index_left_bwall=', index_left_bwall,                      &
1630                                      'index_right_bwall=', index_right_bwall,                     &
1631                                      'index_south_bwall=', index_south_bwall,                     &
1632                                      'index_north_bwall=', index_north_bwall,                     &
[4386]1633                                      'nx=', nx, 'ny=', ny
[254]1634             CALL message( 'init_grid', 'PA0203', 1, 2, 0, 6, 0 )
[1]1635          ENDIF
1636
[2696]1637          ALLOCATE( nzb_local(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
[2892]1638          nzb_local = 0
[1]1639!
[4648]1640!--       Define the building.
1641          IF ( index_left_bwall <= nxr  .AND.  index_right_bwall >= nxl  .AND.                     &
1642               index_south_bwall <= nyn  .AND.  index_north_bwall >= nys )                         &
1643             nzb_local(MAX(nys,index_south_bwall):MIN(nyn,index_north_bwall),                      &
[4386]1644                       MAX(nxl,index_left_bwall):MIN(nxr,index_right_bwall)) = bh
[2232]1645!
[2696]1646!--       Set bit array on basis of nzb_local
1647          DO  i = nxl, nxr
1648             DO  j = nys, nyn
[4648]1649                topo(nzb_local(j,i)+1:nzt+1,j,i) = IBSET( topo(nzb_local(j,i)+1:nzt+1,j,i), 0 )
[2232]1650             ENDDO
1651          ENDDO
[4648]1652
[2696]1653          DEALLOCATE( nzb_local )
[2232]1654
[2696]1655          CALL exchange_horiz_int( topo, nys, nyn, nxl, nxr, nzt, nbgp )
[2823]1656!
[4648]1657!--       Set boundary conditions also for flags. Can be interpreted as Neumannb oundary conditions
1658!--       for topography.
[2823]1659          IF ( .NOT. bc_ns_cyc )  THEN
1660             IF ( nys == 0  )  THEN
[4648]1661                DO  i = 1, nbgp
[2823]1662                   topo(:,nys-i,:)   = topo(:,nys,:)
1663                ENDDO
1664             ENDIF
1665             IF ( nyn == ny )  THEN
[4648]1666                DO  i = 1, nbgp
[2823]1667                   topo(:,nyn+i,:) = topo(:,nyn,:)
1668                ENDDO
1669             ENDIF
1670          ENDIF
1671          IF ( .NOT. bc_lr_cyc )  THEN
1672             IF ( nxl == 0  )  THEN
[4648]1673                DO  i = 1, nbgp
[2823]1674                   topo(:,:,nxl-i)   = topo(:,:,nxl)
1675                ENDDO
1676             ENDIF
[4648]1677             IF ( nxr == nx )  THEN
1678                DO  i = 1, nbgp
1679                   topo(:,:,nxr+i) = topo(:,:,nxr)
[2823]1680                ENDDO
[4648]1681             ENDIF
[2823]1682          ENDIF
[2232]1683
[240]1684       CASE ( 'single_street_canyon' )
1685!
1686!--       Single quasi-2D street canyon of infinite length in x or y direction.
1687!--       The canyon is centered in the other direction by default.
[1322]1688          IF ( canyon_width_x /= 9999999.9_wp )  THEN
[240]1689!
1690!--          Street canyon in y direction
[4386]1691             ngp_cx = NINT( canyon_width_x / dx )
[1322]1692             IF ( canyon_wall_left == 9999999.9_wp )  THEN
[4386]1693                canyon_wall_left = ( nx + 1 - ngp_cx ) / 2 * dx
[240]1694             ENDIF
[4386]1695             index_left_cwall= NINT( canyon_wall_left / dx )
1696             index_right_cwall= index_left_cwall+ ngp_cx
[1322]1697          ELSEIF ( canyon_width_y /= 9999999.9_wp )  THEN
[240]1698!
1699!--          Street canyon in x direction
[4386]1700             ngp_cy = NINT( canyon_width_y / dy )
[1322]1701             IF ( canyon_wall_south == 9999999.9_wp )  THEN
[4386]1702                canyon_wall_south = ( ny + 1 - ngp_cy ) / 2 * dy
[240]1703             ENDIF
[4386]1704             index_south_cwall = NINT( canyon_wall_south / dy )
1705             index_north_cwall = index_south_cwall + ngp_cy
[4648]1706
[240]1707          ELSE
[4648]1708
[254]1709             message_string = 'no street canyon width given'
1710             CALL message( 'init_grid', 'PA0204', 1, 2, 0, 6, 0 )
[4648]1711
[240]1712          ENDIF
1713
[2232]1714          ch  = MINLOC( ABS( zw - canyon_height ), 1 ) - 1
[4648]1715          IF ( ABS( zw(ch) - canyon_height ) == ABS( zw(ch+1) - canyon_height ) )  ch = ch + 1
[240]1716          dp_level_ind_b = ch
1717!
1718!--       Street canyon size has to meet some requirements
[1322]1719          IF ( canyon_width_x /= 9999999.9_wp )  THEN
[4648]1720             IF ( ( index_left_cwall< 1 )  .OR.  ( index_right_cwall> nx-1 )  .OR.                 &
[4543]1721                  ( ngp_cx < 3 ) )  THEN
[4648]1722                WRITE( message_string, * ) 'inconsistent canyon parameters:',                      &
1723                                           '&index_left_cwall=', index_left_cwall,                 &
1724                                           ' index_right_cwall=', index_right_cwall,               &
1725                                           ' ngp_cx=', ngp_cx, ' ch=', ch, ' nx=', nx, ' ny=', ny
1726                CALL message( 'init_grid', 'PA0205', 1, 2, 0, 6, 0 )
[240]1727             ENDIF
[1322]1728          ELSEIF ( canyon_width_y /= 9999999.9_wp )  THEN
[4648]1729             IF ( ( index_south_cwall < 1 )  .OR.                                                  &
1730                  ( index_north_cwall > ny-1 )  .OR.  ( ngp_cy < 3 ) )  THEN
1731                WRITE( message_string, * ) 'inconsistent canyon parameters:',                      &
1732                                           '&index_south_cwall=', index_south_cwall,               &
1733                                           ' index_north_cwall=', index_north_cwall,               &
1734                                           ' ngp_cy=', ngp_cy, ' ch=', ch, ' nx=', nx, ' ny=', ny
1735                CALL message( 'init_grid', 'PA0206', 1, 2, 0, 6, 0 )
[240]1736             ENDIF
1737          ENDIF
[4648]1738          IF ( canyon_width_x /= 9999999.9_wp  .AND.  canyon_width_y /= 9999999.9_wp )  THEN
1739             message_string = 'inconsistent canyon parameters:' //                                 &
1740                              '&street canyon can only be oriented' //                             &
[3045]1741                              ' either in x- or in y-direction'
[254]1742             CALL message( 'init_grid', 'PA0207', 1, 2, 0, 6, 0 )
[240]1743          ENDIF
1744
[2696]1745          ALLOCATE( nzb_local(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
[240]1746          nzb_local = ch
[1322]1747          IF ( canyon_width_x /= 9999999.9_wp )  THEN
[4648]1748             IF ( index_left_cwall<= nxr  .AND.  index_right_cwall>= nxl )                         &
[4386]1749                nzb_local(:,MAX(nxl,index_left_cwall+1):MIN(nxr,index_right_cwall-1)) = 0
[1322]1750          ELSEIF ( canyon_width_y /= 9999999.9_wp )  THEN
[4648]1751             IF ( index_south_cwall <= nyn  .AND.  index_north_cwall >= nys )                      &
[4386]1752                nzb_local(MAX(nys,index_south_cwall+1):MIN(nyn,index_north_cwall-1),:) = 0
[240]1753          ENDIF
[2232]1754!
[2696]1755!--       Set bit array on basis of nzb_local
1756          DO  i = nxl, nxr
1757             DO  j = nys, nyn
[4648]1758                topo(nzb_local(j,i)+1:nzt+1,j,i) = IBSET( topo(nzb_local(j,i)+1:nzt+1,j,i), 0 )
[2232]1759             ENDDO
1760          ENDDO
[2696]1761          DEALLOCATE( nzb_local )
[1994]1762
[2696]1763          CALL exchange_horiz_int( topo, nys, nyn, nxl, nxr, nzt, nbgp )
[2823]1764!
[4648]1765!--       Set boundary conditions also for flags. Can be interpreted as Neumann boundary conditions
1766!--       for topography.
[2823]1767          IF ( .NOT. bc_ns_cyc )  THEN
1768             IF ( nys == 0  )  THEN
[4648]1769                DO  i = 1, nbgp
1770                   topo(:,nys-i,:) = topo(:,nys,:)
[2823]1771                ENDDO
1772             ENDIF
1773             IF ( nyn == ny )  THEN
[4648]1774                DO  i = 1, nbgp
[2823]1775                   topo(:,nyn+i,:) = topo(:,nyn,:)
1776                ENDDO
1777             ENDIF
1778          ENDIF
1779          IF ( .NOT. bc_lr_cyc )  THEN
1780             IF ( nxl == 0  )  THEN
[4648]1781                DO  i = 1, nbgp
1782                   topo(:,:,nxl-i) = topo(:,:,nxl)
[2823]1783                ENDDO
1784             ENDIF
[4648]1785             IF ( nxr == nx )  THEN
1786                DO  i = 1, nbgp
1787                   topo(:,:,nxr+i) = topo(:,:,nxr)
[2823]1788                ENDDO
[4648]1789             ENDIF
[2823]1790          ENDIF
[2232]1791
1792       CASE ( 'tunnel' )
1793!
1794!--       Tunnel height
1795          IF ( tunnel_height == 9999999.9_wp )  THEN
1796             th = zw( INT( 0.2 * nz) )
1797          ELSE
1798             th = tunnel_height
1799          ENDIF
1800!
1801!--       Tunnel-wall depth
[4648]1802          IF ( tunnel_wall_depth == 9999999.9_wp )  THEN
[3065]1803             td = MAX ( dx, dy, dz(1) )
[2232]1804          ELSE
1805             td = tunnel_wall_depth
1806          ENDIF
1807!
1808!--       Check for tunnel width
[4648]1809          IF ( tunnel_width_x == 9999999.9_wp  .AND.  tunnel_width_y == 9999999.9_wp  )  THEN
[2232]1810             message_string = 'No tunnel width is given. '
[2274]1811             CALL message( 'init_grid', 'PA0280', 1, 2, 0, 6, 0 )
[2232]1812          ENDIF
[4648]1813          IF ( tunnel_width_x /= 9999999.9_wp  .AND.  tunnel_width_y /= 9999999.9_wp  )  THEN
1814             message_string = 'Inconsistent tunnel parameters:' //                                 &
1815                              'tunnel can only be oriented' //                                     &
[2232]1816                              'either in x- or in y-direction.'
[2274]1817             CALL message( 'init_grid', 'PA0281', 1, 2, 0, 6, 0 )
[2232]1818          ENDIF
1819!
[4356]1820!--       Check for too small tunnel width in x- and y-direction
[4648]1821          IF ( tunnel_width_x /= 9999999.9_wp  .AND.                                               &
[4356]1822               tunnel_width_x - 2.0_wp * td <= 2.0_wp * dx )  THEN
1823             message_string = 'tunnel_width_x too small'
1824             CALL message( 'init_grid', 'PA0175', 1, 2, 0, 6, 0 )
1825          ENDIF
[4648]1826          IF ( tunnel_width_y /= 9999999.9_wp  .AND.                                               &
[4356]1827               tunnel_width_y - 2.0_wp * td <= 2.0_wp * dy )  THEN
1828             message_string = 'tunnel_width_y too small'
1829             CALL message( 'init_grid', 'PA0455', 1, 2, 0, 6, 0 )
1830          ENDIF
1831!
[4648]1832!--       Check for too large tunnel width.
[4356]1833!--       Tunnel axis along y.
[2232]1834          IF ( tunnel_width_x /= 9999999.9_wp )  THEN
1835             IF ( tunnel_width_x > ( nx + 1 ) * dx )  THEN
[4356]1836                message_string = 'tunnel_width_x too large'
[2274]1837                CALL message( 'init_grid', 'PA0282', 1, 2, 0, 6, 0 )
[2232]1838             ENDIF
1839
1840             txs_out = INT( ( nx + 1 ) * 0.5_wp * dx - tunnel_width_x * 0.5_wp )
1841             txe_out = INT( ( nx + 1 ) * 0.5_wp * dx + tunnel_width_x * 0.5_wp )
[4648]1842             txs_in  = INT( ( nx + 1 ) * 0.5_wp * dx - ( tunnel_width_x * 0.5_wp - td ) )
1843             txe_in  = INT( ( nx + 1 ) * 0.5_wp * dx + ( tunnel_width_x * 0.5_wp - td ) )
[2232]1844
1845             tys_out = INT( ( ny + 1 ) * 0.5_wp * dy - tunnel_length * 0.5_wp )
1846             tye_out = INT( ( ny + 1 ) * 0.5_wp * dy + tunnel_length * 0.5_wp )
1847             tys_in  = tys_out
1848             tye_in  = tye_out
1849          ENDIF
1850!
[4356]1851!--       Tunnel axis along x.
[2232]1852          IF ( tunnel_width_y /= 9999999.9_wp )  THEN
1853             IF ( tunnel_width_y > ( ny + 1 ) * dy )  THEN
[4356]1854                message_string = 'tunnel_width_y too large'
[2274]1855                CALL message( 'init_grid', 'PA0456', 1, 2, 0, 6, 0 )
[2232]1856             ENDIF
1857
1858             txs_out = INT( ( nx + 1 ) * 0.5_wp * dx - tunnel_length * 0.5_wp )
1859             txe_out = INT( ( nx + 1 ) * 0.5_wp * dx + tunnel_length * 0.5_wp )
1860             txs_in  = txs_out
1861             txe_in  = txe_out
1862
1863             tys_out = INT( ( ny + 1 ) * 0.5_wp * dy - tunnel_width_y * 0.5_wp )
1864             tye_out = INT( ( ny + 1 ) * 0.5_wp * dy + tunnel_width_y * 0.5_wp )
[4648]1865             tys_in  = INT( ( ny + 1 ) * 0.5_wp * dy - ( tunnel_width_y * 0.5_wp - td ) )
1866             tye_in  = INT( ( ny + 1 ) * 0.5_wp * dy + ( tunnel_width_y * 0.5_wp - td ) )
[2232]1867          ENDIF
1868
[2696]1869          topo = 0
[2232]1870          DO  i = nxl, nxr
1871             DO  j = nys, nyn
1872!
1873!--             Use heaviside function to model outer tunnel surface
[4648]1874                hv_out = th * 0.5_wp * ( ( SIGN( 1.0_wp, i * dx - txs_out ) + 1.0_wp )             &
1875                                       - ( SIGN( 1.0_wp, i * dx - txe_out ) + 1.0_wp ) )
[2232]1876
[4648]1877                hv_out = hv_out * 0.5_wp * ( ( SIGN( 1.0_wp, j * dy - tys_out ) + 1.0_wp )         &
1878                                           - ( SIGN( 1.0_wp, j * dy - tye_out ) + 1.0_wp ) )
1879!
[2232]1880!--             Use heaviside function to model inner tunnel surface
[4648]1881                hv_in  = ( th - td ) * 0.5_wp * ( ( SIGN( 1.0_wp, i * dx - txs_in ) + 1.0_wp )     &
1882                                                - ( SIGN( 1.0_wp, i * dx - txe_in ) + 1.0_wp ) )
[2232]1883
[4648]1884                hv_in = hv_in * 0.5_wp * ( ( SIGN( 1.0_wp, j * dy - tys_in ) + 1.0_wp )            &
1885                                         - ( SIGN( 1.0_wp, j * dy - tye_in ) + 1.0_wp ) )
[2232]1886!
1887!--             Set flags at x-y-positions without any tunnel surface
1888                IF ( hv_out - hv_in == 0.0_wp )  THEN
[2696]1889                   topo(nzb+1:nzt+1,j,i) = IBSET( topo(nzb+1:nzt+1,j,i), 0 )
[2232]1890!
1891!--             Set flags at x-y-positions with tunnel surfaces
1892                ELSE
1893                   DO  k = nzb + 1, nzt + 1
1894!
1895!--                   Inner tunnel
1896                      IF ( hv_out - hv_in == th )  THEN
1897                         IF ( zw(k) <= hv_out )  THEN
[2696]1898                            topo(k,j,i) = IBCLR( topo(k,j,i), 0 )
[2232]1899                         ELSE
[2696]1900                            topo(k,j,i) = IBSET( topo(k,j,i), 0 )
[2232]1901                         ENDIF
1902                      ENDIF
1903!
1904!--                   Lateral tunnel walls
1905                      IF ( hv_out - hv_in == td )  THEN
[4648]1906                         IF ( zw(k) <= hv_in )  THEN
[2696]1907                            topo(k,j,i) = IBSET( topo(k,j,i), 0 )
[4648]1908                         ELSEIF ( zw(k) > hv_in  .AND.  zw(k) <= hv_out )  THEN
[2696]1909                            topo(k,j,i) = IBCLR( topo(k,j,i), 0 )
[4648]1910                         ELSEIF ( zw(k) > hv_out )  THEN
[2696]1911                            topo(k,j,i) = IBSET( topo(k,j,i), 0 )
[2232]1912                         ENDIF
1913                      ENDIF
1914                   ENDDO
1915                ENDIF
1916             ENDDO
1917          ENDDO
1918
[2696]1919          CALL exchange_horiz_int( topo, nys, nyn, nxl, nxr, nzt, nbgp )
[2823]1920!
[4648]1921!--       Set boundary conditions also for flags. Can be interpreted as Neumann boundary conditions
1922!--       for topography.
[2823]1923          IF ( .NOT. bc_ns_cyc )  THEN
1924             IF ( nys == 0  )  THEN
[4648]1925                DO  i = 1, nbgp
1926                   topo(:,nys-i,:) = topo(:,nys,:)
[2823]1927                ENDDO
1928             ENDIF
1929             IF ( nyn == ny )  THEN
[4648]1930                DO  i = 1, nbgp
[2823]1931                   topo(:,nyn+i,:) = topo(:,nyn,:)
1932                ENDDO
1933             ENDIF
1934          ENDIF
1935          IF ( .NOT. bc_lr_cyc )  THEN
1936             IF ( nxl == 0  )  THEN
[4648]1937                DO  i = 1, nbgp
1938                   topo(:,:,nxl-i) = topo(:,:,nxl)
[2823]1939                ENDDO
1940             ENDIF
[4648]1941             IF ( nxr == nx )  THEN
1942                DO  i = 1, nbgp
1943                   topo(:,:,nxr+i) = topo(:,:,nxr)
[2823]1944                ENDDO
[4648]1945             ENDIF
[2823]1946          ENDIF
[2232]1947
[1]1948       CASE ( 'read_from_file' )
1949!
[4648]1950!--       Note, topography information have been already read.
1951!--       If required, further process topography, i.e. reference buildings on top of orography and
1952!--       set temporary 3D topography array, which is used later to set grid flags. Calling of this
1953!--       rouinte is also required in case of ASCII input, even though no distinction between
1954!--       terrain- and building height is made in this case.
[2696]1955          CALL process_topography( topo )
[1968]1956!
[2696]1957!--       Filter holes resolved by only one grid-point
1958          CALL filter_topography( topo )
[1968]1959!
[4648]1960!--       Exchange ghost-points, as well as add cyclic or Neumann boundary conditions.
[2696]1961          CALL exchange_horiz_int( topo, nys, nyn, nxl, nxr, nzt, nbgp )
[2232]1962!
[4314]1963!--       Set lateral boundary conditions for topography on all ghost layers
[1968]1964          IF ( .NOT. bc_ns_cyc )  THEN
[2550]1965             IF ( nys == 0  )  THEN
[4648]1966                DO  i = 1, nbgp
[2696]1967                   topo(:,nys-i,:) = topo(:,nys,:)
1968                ENDDO
[2550]1969             ENDIF
[2696]1970             IF ( nyn == ny )  THEN
[4648]1971                DO  i = 1, nbgp
[2696]1972                   topo(:,nyn+i,:) = topo(:,nyn,:)
1973                ENDDO
1974             ENDIF
[1942]1975          ENDIF
[1910]1976
[1968]1977          IF ( .NOT. bc_lr_cyc )  THEN
[2550]1978             IF ( nxl == 0  )  THEN
[4648]1979                DO  i = 1, nbgp
[2696]1980                   topo(:,:,nxl-i) = topo(:,:,nxl)
[2232]1981                ENDDO
[2696]1982             ENDIF
1983             IF ( nxr == nx )  THEN
[4648]1984                DO  i = 1, nbgp
[2696]1985                   topo(:,:,nxr+i) = topo(:,:,nxr)
1986                ENDDO
1987             ENDIF
[2232]1988          ENDIF
1989
[667]1990
[1]1991       CASE DEFAULT
[4648]1992!
1993!--       The DEFAULT case is reached either if the parameter topography contains a wrong character
1994!--       string or if the user has defined a special case in the user interface. There, the
1995!--       subroutine user_init_grid checks which of these two conditions applies.
[2696]1996          CALL user_init_grid( topo )
1997          CALL filter_topography( topo )
[1]1998
1999    END SELECT
2000!
[4648]2001!-- Consistency checks and index array initialization are only required for non-flat topography.
[1]2002    IF ( TRIM( topography ) /= 'flat' )  THEN
2003!
[4648]2004!--    In case of non-flat topography, check whether the convention how to define the topography
2005!--    grid has been set correctly, or whether the default is applicable. If this is not possible,
2006!--    abort.
[2232]2007       IF ( TRIM( topography_grid_convention ) == ' ' )  THEN
[4648]2008          IF ( TRIM( topography ) /= 'closed_channel'        .AND.                                 &
2009               TRIM( topography ) /= 'single_building'       .AND.                                 &
2010               TRIM( topography ) /= 'single_street_canyon'  .AND.                                 &
2011               TRIM( topography ) /= 'tunnel'                .AND.                                 &
[2232]2012               TRIM( topography ) /= 'read_from_file')  THEN
[4648]2013!--          The default value is not applicable here, because it is only valid for the four
2014!--          standard cases 'single_building', 'single_street_canyon', 'tunnel' and 'read_from_file'
[2232]2015!--          defined in init_grid.
[4648]2016             WRITE( message_string, * ) 'The value for "topography_grid_convention" ',             &
2017                                        'is not set. Its default value is & only valid for ',      &
2018                                        '"topography" = ''single_building'', ''tunnel'' ',         &
2019                                        '''single_street_canyon'', ''closed_channel'' & or ',      &
2020                                        '''read_from_file''.',                                     &
2021                                        '& Choose ''cell_edge'' or ''cell_center''.'
[2232]2022             CALL message( 'init_grid', 'PA0239', 1, 2, 0, 6, 0 )
2023          ELSE
2024!--          The default value is applicable here.
2025!--          Set convention according to topography.
[4648]2026             IF ( TRIM( topography ) == 'single_building'  .OR.                                    &
[2232]2027                  TRIM( topography ) == 'single_street_canyon' )  THEN
2028                topography_grid_convention = 'cell_edge'
[4648]2029             ELSEIF ( TRIM( topography ) == 'read_from_file'  .OR.                                 &
[2232]2030                      TRIM( topography ) == 'tunnel')  THEN
2031                topography_grid_convention = 'cell_center'
2032             ENDIF
2033          ENDIF
[4648]2034       ELSEIF ( TRIM( topography_grid_convention ) /= 'cell_edge'  .AND.                           &
[2232]2035                TRIM( topography_grid_convention ) /= 'cell_center' )  THEN
[4648]2036          WRITE( message_string, * )  'The value for "topography_grid_convention" is ',            &
2037                                      'not recognized.& Choose ''cell_edge'' or ''cell_center''.'
[2232]2038          CALL message( 'init_grid', 'PA0240', 1, 2, 0, 6, 0 )
2039       ENDIF
[1]2040
[2169]2041
[217]2042       IF ( topography_grid_convention == 'cell_edge' )  THEN
[4648]2043!
2044!--       The array nzb_local as defined using the 'cell_edge' convention
2045!--       describes the actual total size of topography which is defined at the
2046!--       cell edges where u=0 on the topography walls in x-direction and v=0
[217]2047!--       on the topography walls in y-direction. However, PALM uses individual
2048!--       arrays nzb_u|v|w|s_inner|outer that are based on nzb_s_inner.
[4648]2049!--       Therefore, the extent of topography in nzb_local is now reduced by
2050!--       1dx at the E topography walls and by 1dy at the N topography walls
2051!--       to form the basis for nzb_s_inner.
[1968]2052!--       Note, the reverse memory access (i-j instead of j-i) is absolutely
2053!--       required at this point.
2054          DO  j = nys+1, nyn+1
2055             DO  i = nxl-1, nxr
[2232]2056                DO  k = nzb, nzt+1
[4648]2057                   IF ( BTEST( topo(k,j,i), 0 )  .OR.  BTEST( topo(k,j,i+1), 0 ) )                 &
[2696]2058                       topo(k,j,i) = IBSET( topo(k,j,i), 0 )
[2232]2059                ENDDO
2060             ENDDO
[4648]2061          ENDDO
[2696]2062          CALL exchange_horiz_int( topo, nys, nyn, nxl, nxr, nzt, nbgp )
[2232]2063
2064          DO  i = nxl, nxr+1
2065             DO  j = nys-1, nyn
2066                DO  k = nzb, nzt+1
[4648]2067                   IF ( BTEST( topo(k,j,i), 0 )  .OR.  BTEST( topo(k,j+1,i), 0 ) )                 &
[2696]2068                      topo(k,j,i) = IBSET( topo(k,j,i), 0 )
[2232]2069                ENDDO
2070             ENDDO
[4648]2071          ENDDO
[2696]2072          CALL exchange_horiz_int( topo, nys, nyn, nxl, nxr, nzt, nbgp )
[4648]2073
[217]2074       ENDIF
[2696]2075    ENDIF
[2232]2076
[2696]2077 END SUBROUTINE init_topo
[1]2078
[4868]2079
[2696]2080 SUBROUTINE set_topo_flags(topo)
[1]2081
[4648]2082    USE control_parameters,                                                                        &
2083        ONLY:  bc_lr_cyc, bc_ns_cyc, constant_flux_layer, scalar_advec, topography,                &
2084               use_surface_fluxes, use_top_fluxes
[1]2085
[4648]2086    USE exchange_horiz_mod,                                                                        &
[4457]2087        ONLY:  exchange_horiz_int
2088
[4648]2089    USE indices,                                                                                   &
2090        ONLY:  nbgp, nx, nxl, nxlg, nxr, nxrg, ny, nyn, nyng, nys, nysg, nzb, nzt, topo_top_ind,   &
2091               wall_flags_static_0, wall_flags_total_0
[1]2092
[2696]2093    USE kinds
[1]2094
[2696]2095    IMPLICIT NONE
[1804]2096
[2696]2097    INTEGER(iwp) ::  i             !< index variable along x
[4168]2098    INTEGER(iwp) ::  ibit          !< integer bit position of topgraphy masking array
[2696]2099    INTEGER(iwp) ::  j             !< index variable along y
2100    INTEGER(iwp) ::  k             !< index variable along z
[1]2101
[4648]2102    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::  topo !< input array for 3D topography and dummy array for setting
2103                                                                    !< "outer"-flags
[2232]2104
[4329]2105    ALLOCATE( wall_flags_static_0(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
2106    wall_flags_static_0 = 0
[2232]2107!
[2696]2108!-- Set-up topography flags. First, set flags only for s, u, v and w-grid.
[4648]2109!-- Further special flags will be set in following loops.
[2232]2110    DO  i = nxl, nxr
2111       DO  j = nys, nyn
2112          DO  k = nzb, nzt+1
2113!
2114!--          scalar grid
[4648]2115             IF ( BTEST( topo(k,j,i), 0 ) )                                                        &
[4329]2116                wall_flags_static_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_static_0(k,j,i), 0 )
[2232]2117!
[2696]2118!--          u grid
[4648]2119             IF ( BTEST( topo(k,j,i), 0 )  .AND.  BTEST( topo(k,j,i-1), 0 ) )                      &
[4329]2120                wall_flags_static_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_static_0(k,j,i), 1 )
[2696]2121!
[2232]2122!--          v grid
[4648]2123             IF ( BTEST( topo(k,j,i), 0 )  .AND.  BTEST( topo(k,j-1,i), 0 ) )                      &
[4329]2124                 wall_flags_static_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_static_0(k,j,i), 2 )
[2696]2125
[2232]2126          ENDDO
[1]2127
[4868]2128          DO  k = nzb, nzt
[1]2129!
[2232]2130!--          w grid
[4648]2131             IF ( BTEST( topo(k,j,i), 0 )  .AND.  BTEST( topo(k+1,j,i), 0 ) )                      &
[4329]2132                wall_flags_static_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_static_0(k,j,i), 3 )
[2232]2133          ENDDO
[4648]2134
2135          IF ( topography /= 'closed_channel' )  THEN
[4340]2136             wall_flags_static_0(nzt+1,j,i) = IBSET( wall_flags_static_0(nzt+1,j,i), 3 )
2137          ENDIF
[2232]2138
2139       ENDDO
2140    ENDDO
[2696]2141
[4329]2142    CALL exchange_horiz_int( wall_flags_static_0, nys, nyn, nxl, nxr, nzt, nbgp )
[4346]2143
[1]2144!
[4648]2145!-- Set outer array for scalars to mask near-surface grid points. Note, on basis of flag 24 futher
2146!-- flags will be derived which are used to control production of subgrid TKE production near walls.
[4346]2147    ALLOCATE( wall_flags_total_0(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
2148    wall_flags_total_0 = 0
[4648]2149
[4868]2150    DO  i = nxl, nxr
2151       DO  j = nys, nyn
2152          DO  k = nzb, nzt+1
[4346]2153             wall_flags_total_0(k,j,i) = IOR( wall_flags_total_0(k,j,i), wall_flags_static_0(k,j,i) )
[2232]2154          ENDDO
2155       ENDDO
2156    ENDDO
[4648]2157
[4346]2158    CALL exchange_horiz_int( wall_flags_total_0, nys, nyn, nxl, nxr, nzt, nbgp )
[4648]2159
[4868]2160    DO  i = nxl, nxr
2161       DO  j = nys, nyn
2162          DO  k = nzb, nzt+1
[4648]2163             IF ( BTEST( wall_flags_total_0(k,j-1,i), 0 )    .AND.                                 &
2164                  BTEST( wall_flags_total_0(k,j+1,i), 0 )    .AND.                                 &
2165                  BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i-1), 0 )    .AND.                                 &
2166                  BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i+1), 0 )    .AND.                                 &
2167                  BTEST( wall_flags_total_0(k,j-1,i-1), 0 )  .AND.                                 &
2168                  BTEST( wall_flags_total_0(k,j+1,i-1), 0 )  .AND.                                 &
2169                  BTEST( wall_flags_total_0(k,j-1,i+1), 0 )  .AND.                                 &
2170                  BTEST( wall_flags_total_0(k,j+1,i+1), 0 ) )                                      &
[4346]2171                wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 24 )
2172          ENDDO
2173       ENDDO
2174    ENDDO
[1]2175!
[2232]2176!-- Set further special flags
[4868]2177    DO  i = nxl, nxr
2178       DO  j = nys, nyn
2179          DO  k = nzb, nzt+1
[1]2180!
[2232]2181!--          scalar grid, former nzb_diff_s_inner.
[4648]2182!--          Note, use this flag also to mask topography in diffusion_u and diffusion_v along the
2183!--          vertical direction. In case of use_surface_fluxes, fluxes are calculated via MOST,
2184!--          else, simple gradient approach is applied. Please note, in case of u- and v-diffuison,
2185!--          a small error is made at edges (on the east side for u, at the north side for v), since
2186!--          topography on scalar grid point is used instead of topography on u/v-grid. As number of
2187!--          topography grid points on uv-grid is different than s-grid, different number of surface
2188!--          elements would be required. In order to avoid this, treat edges (u(k,j,i+1)) simply by
2189!--          a gradient approach, i.e. these points are not masked within diffusion_u. Tests had
2190!--          shown that the effect on the flow is negligible.
[2232]2191             IF ( constant_flux_layer  .OR.  use_surface_fluxes )  THEN
[4648]2192                IF ( BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 0 ) )                                       &
[4346]2193                   wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 8 )
[2232]2194             ELSE
[4346]2195                wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 8 )
[2232]2196             ENDIF
[1]2197
[2232]2198          ENDDO
2199!
[4648]2200!--       Special flag to control vertical diffusion at model top - former nzt_diff
[4346]2201          wall_flags_total_0(:,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(:,j,i), 9 )
[2232]2202          IF ( use_top_fluxes )                                                &
[4346]2203             wall_flags_total_0(nzt+1,j,i) = IBCLR( wall_flags_total_0(nzt+1,j,i), 9 )
[1]2204
[2696]2205
[4868]2206          DO  k = nzb+1, nzt
[2232]2207!
[4648]2208!--          Special flag on u grid, former nzb_u_inner + 1, required for disturb_field and
2209!--          initialization. Do not disturb directly at topography, as well as initialize u with
2210!--          zero one grid point outside of topography.
2211             IF ( BTEST( wall_flags_total_0(k-1,j,i), 1 )  .AND.                                   &
2212                  BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i),   1 )  .AND.                                   &
2213                  BTEST( wall_flags_total_0(k+1,j,i), 1 ) )                                        &
[4346]2214                wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 20 )
[2232]2215!
[4648]2216!--          Special flag on v grid, former nzb_v_inner + 1, required for disturb_field and
2217!--          initialization. Do not disturb directly at topography, as well as initialize v with
2218!--          zero one grid point outside of topography.
2219             IF ( BTEST( wall_flags_total_0(k-1,j,i), 2 )  .AND.                                   &
2220                  BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i),   2 )  .AND.                                   &
2221                  BTEST( wall_flags_total_0(k+1,j,i), 2 ) )                                        &
[4346]2222                wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 21 )
[2232]2223!
[4648]2224!--          Special flag on scalar grid, former nzb_s_inner+1. Used for lpm_sgs_tke
2225             IF ( BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i),   0 )  .AND.                                   &
2226                  BTEST( wall_flags_total_0(k-1,j,i), 0 )  .AND.                                   &
2227                  BTEST( wall_flags_total_0(k+1,j,i), 0 ) )                                        &
[4346]2228                wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 25 )
[2232]2229!
[4648]2230!--          Special flag on scalar grid, nzb_diff_s_outer - 1, required in in production_e
[2232]2231             IF ( constant_flux_layer  .OR.  use_surface_fluxes )  THEN
[4648]2232                IF ( BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i),   24 )  .AND.                               &
2233                     BTEST( wall_flags_total_0(k-1,j,i), 24 )  .AND.                               &
2234                     BTEST( wall_flags_total_0(k+1,j,i), 0 ) )                                     &
[4346]2235                   wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 29 )
[2232]2236             ELSE
[4648]2237                IF ( BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 0 ) )                                       &
[4346]2238                   wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 29 )
[1]2239             ENDIF
[2232]2240!
[4648]2241!--          Special flag on scalar grid, nzb_diff_s_outer - 1, required in
[2232]2242!--          in production_e
2243             IF ( constant_flux_layer  .OR.  use_surface_fluxes )  THEN
[4648]2244                IF ( BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i),   0 )  .AND.                                &
2245                     BTEST( wall_flags_total_0(k-1,j,i), 0 )  .AND.                                &
2246                     BTEST( wall_flags_total_0(k+1,j,i), 0 ) )                                     &
[4346]2247                   wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 30 )
[2232]2248             ELSE
[4648]2249                IF ( BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 0 ) )                                       &
[4346]2250                   wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 30 )
[2232]2251             ENDIF
2252          ENDDO
2253!
2254!--       Flags indicating downward facing walls
[4868]2255          DO  k = nzb+1, nzt+1
[2232]2256!
2257!--          Scalar grid
[4648]2258             IF (       BTEST( wall_flags_total_0(k-1,j,i), 0 )  .AND.                             &
2259                  .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 0   ) )                                  &
2260                 wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 13 )
[2232]2261!
2262!--          Downward facing wall on u grid
[4648]2263             IF (       BTEST( wall_flags_total_0(k-1,j,i), 1 )  .AND.                             &
2264                  .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 1   ) )                                  &
[4346]2265                wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 15 )
[2232]2266!
2267!--          Downward facing wall on v grid
[4648]2268             IF (       BTEST( wall_flags_total_0(k-1,j,i), 2 )  .AND.                             &
2269                  .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 2   ) )                                  &
[4346]2270                wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 17 )
[2232]2271!
2272!--          Downward facing wall on w grid
[4648]2273             IF (       BTEST( wall_flags_total_0(k-1,j,i), 3 )  .AND.                             &
2274                  .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 3 ) )                                    &
[4346]2275                wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 19 )
[2232]2276          ENDDO
2277!
2278!--       Flags indicating upward facing walls
[4868]2279          DO  k = nzb, nzt
[2232]2280!
2281!--          Upward facing wall on scalar grid
[4648]2282             IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i),   0 )  .AND.                             &
2283                        BTEST( wall_flags_total_0(k+1,j,i), 0 ) )                                  &
[4346]2284                wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 12 )
[2232]2285!
2286!--          Upward facing wall on u grid
[4648]2287             IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i),   1 )  .AND.                             &
2288                        BTEST( wall_flags_total_0(k+1,j,i), 1 ) )                                  &
[4346]2289                wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 14 )
[1]2290
[4648]2291!
[2232]2292!--          Upward facing wall on v grid
[4648]2293             IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i),   2 )  .AND.                             &
2294                        BTEST( wall_flags_total_0(k+1,j,i), 2 ) )                                  &
[4346]2295                wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 16 )
[4648]2296
[2232]2297!
2298!--          Upward facing wall on w grid
[4648]2299             IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i),   3 )  .AND.                             &
2300                        BTEST( wall_flags_total_0(k+1,j,i), 3 ) )                                  &
[4346]2301                wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 18 )
[2232]2302!
2303!--          Special flag on scalar grid, former nzb_s_inner
[4648]2304             IF ( BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 0 )  .OR.                                      &
2305                  BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 12 ) .OR.                                      &
2306                  BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 13 ) )                                         &
[4346]2307                   wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 22 )
[2232]2308!
[4648]2309!--          Special flag on scalar grid, nzb_diff_s_inner - 1, required for
[2232]2310!--          flow_statistics
2311             IF ( constant_flux_layer  .OR.  use_surface_fluxes )  THEN
[4648]2312                IF ( BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i),   0 )  .AND.                                &
2313                     BTEST( wall_flags_total_0(k+1,j,i), 0 ) )                                     &
[4346]2314                  wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 23 )
[2232]2315             ELSE
[4648]2316                IF ( BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 22 ) )                                      &
[4346]2317                   wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 23 )
[1]2318             ENDIF
2319
[4648]2320
[2232]2321          ENDDO
[4346]2322          wall_flags_total_0(nzt+1,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(nzt+1,j,i), 22 )
2323          wall_flags_total_0(nzt+1,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(nzt+1,j,i), 23 )
[4109]2324!
[4648]2325!--       Set flags indicating that topography is close by in horizontal direction, i.e. flags that
2326!--       infold the topography. These will be used to set advection flags for passive scalars,
2327!--       where due to large gradients near buildings stationary numerical oscillations can produce
2328!--       unrealistically high concentrations. This is only necessary if WS-scheme is applied for
2329!--       scalar advection. Note, these flags will be only used for passive scalars such as chemical
2330!--       species or aerosols.
[4109]2331          IF ( scalar_advec == 'ws-scheme' )  THEN
[4868]2332             DO  k = nzb, nzt
[4648]2333                IF ( BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 0 )  .AND. (                                &
2334                     ANY( .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(k,j-3:j+3,i-1), 0 ) )  .OR.              &
2335                     ANY( .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(k,j-3:j+3,i-2), 0 ) )  .OR.              &
2336                     ANY( .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(k,j-3:j+3,i-3), 0 ) )  .OR.              &
2337                     ANY( .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(k,j-3:j+3,i+1), 0 ) )  .OR.              &
2338                     ANY( .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(k,j-3:j+3,i+2), 0 ) )  .OR.              &
2339                     ANY( .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(k,j-3:j+3,i+3), 0 ) )  .OR.              &
2340                     ANY( .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(k,j-1,i-3:i+3), 0 ) )  .OR.              &
2341                     ANY( .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(k,j-2,i-3:i+3), 0 ) )  .OR.              &
2342                     ANY( .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(k,j-3,i-3:i+3), 0 ) )  .OR.              &
2343                     ANY( .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(k,j+1,i-3:i+3), 0 ) )  .OR.              &
2344                     ANY( .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(k,j+2,i-3:i+3), 0 ) )  .OR.              &
2345                     ANY( .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(k,j+3,i-3:i+3), 0 ) )                    &
2346                                                                  )                                &
2347                   )                                                                               &
[4346]2348                   wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 31 )
[4109]2349             ENDDO
2350          ENDIF
[2232]2351       ENDDO
2352    ENDDO
2353!
[2696]2354!-- Finally, set identification flags indicating natural terrain or buildings.
[4648]2355!-- Natural terrain grid points. Information on the type of the surface is stored in bit 1 of
2356!-- 3D Integer array topo. However, this bit is only set when topography is read from file. In order
2357!-- to run the land-surface model also without topography information, set bit 1 explicitely in this
2358!-- case.
2359!--
[4294]2360!-- Natural terrain grid points
2361!-- If no topography is initialized, the land-surface is at k = nzb.
2362    IF ( TRIM( topography ) /= 'read_from_file' )  THEN
[4329]2363       wall_flags_static_0(nzb,:,:) = IBSET( wall_flags_static_0(nzb,:,:), 5 )
[4294]2364    ELSE
[4868]2365       DO  i = nxl, nxr
2366          DO  j = nys, nyn
2367             DO  k = nzb, nzt+1
[4648]2368!
[4294]2369!--             Natural terrain grid point
[4648]2370                IF ( BTEST( topo(k,j,i), 1 ) )                                                     &
[4329]2371                   wall_flags_static_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_static_0(k,j,i), 5 )
[2696]2372             ENDDO
2373          ENDDO
[4294]2374       ENDDO
[2696]2375    ENDIF
2376!
2377!-- Building grid points.
[4868]2378    DO  i = nxl, nxr
2379       DO  j = nys, nyn
2380          DO  k = nzb, nzt+1
[4648]2381             IF ( BTEST( topo(k,j,i), 2 ) )                                                        &
[4329]2382                wall_flags_static_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_static_0(k,j,i), 6 )
[2696]2383          ENDDO
2384       ENDDO
[4294]2385    ENDDO
[2696]2386!
[4314]2387!-- Set flag 4, indicating new topography grid points due to filtering.
[4868]2388    DO  i = nxl, nxr
2389       DO  j = nys, nyn
2390          DO  k = nzb, nzt+1
[4648]2391             IF ( BTEST( topo(k,j,i), 4 ) )                                                        &
[4329]2392                wall_flags_static_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_static_0(k,j,i), 4 )
[4314]2393          ENDDO
2394       ENDDO
2395    ENDDO
[4648]2396
[4346]2397    CALL exchange_horiz_int( wall_flags_static_0, nys, nyn, nxl, nxr, nzt, nbgp )
[4648]2398
[4868]2399    DO  i = nxl, nxr
2400       DO  j = nys, nyn
2401          DO  k = nzb, nzt+1
[4346]2402             wall_flags_total_0(k,j,i) = IOR( wall_flags_total_0(k,j,i), wall_flags_static_0(k,j,i) )
2403          ENDDO
2404       ENDDO
2405    ENDDO
[4314]2406!
[2232]2407!-- Exchange ghost points for wall flags
[4346]2408    CALL exchange_horiz_int( wall_flags_total_0, nys, nyn, nxl, nxr, nzt, nbgp )
[2232]2409!
[4648]2410!-- Set boundary conditions also for flags. Can be interpreted as Neumann boundary conditions for
2411!-- topography.
[2232]2412    IF ( .NOT. bc_ns_cyc )  THEN
[2696]2413       IF ( nys == 0  )  THEN
[4648]2414          DO  i = 1, nbgp
[4346]2415             wall_flags_total_0(:,nys-i,:)   = wall_flags_total_0(:,nys,:)
[2696]2416          ENDDO
2417       ENDIF
2418       IF ( nyn == ny )  THEN
[4648]2419          DO  i = 1, nbgp
[4346]2420             wall_flags_total_0(:,nyn+i,:) = wall_flags_total_0(:,nyn,:)
[2696]2421          ENDDO
2422       ENDIF
[2232]2423    ENDIF
2424    IF ( .NOT. bc_lr_cyc )  THEN
[2696]2425       IF ( nxl == 0  )  THEN
[4648]2426          DO  i = 1, nbgp
[4346]2427             wall_flags_total_0(:,:,nxl-i)   = wall_flags_total_0(:,:,nxl)
[2696]2428          ENDDO
[2232]2429       ENDIF
[4648]2430       IF ( nxr == nx )  THEN
2431          DO  i = 1, nbgp
2432             wall_flags_total_0(:,:,nxr+i) = wall_flags_total_0(:,:,nxr)
[2232]2433          ENDDO
[4648]2434       ENDIF
[2232]2435    ENDIF
[4168]2436!
[4648]2437!-- Pre-calculate topography top indices (former get_topography_top_index
[4168]2438!-- function)
[4653]2439    ALLOCATE( topo_top_ind(nysg:nyng,nxlg:nxrg,0:5) )
[4168]2440!
2441!-- Uppermost topography index on scalar grid
2442    ibit = 12
[4648]2443    topo_top_ind(:,:,0) = MAXLOC( MERGE( 1, 0, BTEST( wall_flags_total_0(:,:,:), ibit ) ), DIM=1 ) &
2444                          - 1
[4168]2445!
[4648]2446!-- Uppermost topography index on u grid
[4168]2447    ibit = 14
[4648]2448    topo_top_ind(:,:,1) = MAXLOC( MERGE( 1, 0, BTEST( wall_flags_total_0(:,:,:), ibit ) ), DIM=1 ) &
2449                          - 1
[4168]2450!
[4648]2451!-- Uppermost topography index on v grid
[4168]2452    ibit = 16
[4648]2453    topo_top_ind(:,:,2) = MAXLOC( MERGE( 1, 0, BTEST( wall_flags_total_0(:,:,:), ibit ) ), DIM=1 ) &
2454                          - 1
[4168]2455!
2456!-- Uppermost topography index on w grid
2457    ibit = 18
[4648]2458    topo_top_ind(:,:,3) = MAXLOC( MERGE( 1, 0, BTEST( wall_flags_total_0(:,:,:), ibit ) ), DIM=1 ) &
2459                          - 1
[4168]2460!
2461!-- Uppermost topography index on scalar outer grid
2462    ibit = 24
[4648]2463    topo_top_ind(:,:,4) = MAXLOC( MERGE( 1, 0, BTEST( wall_flags_total_0(:,:,:), ibit ) ), DIM=1 ) &
2464                          - 1
[4653]2465!
2466!-- Uppermost topography index including full-3D geometry
2467    ibit = 12
2468    DO  k = nzb, nzt+1
2469       WHERE( BTEST( wall_flags_total_0(k,:,:), ibit ) )  topo_top_ind(:,:,5) = k
2470    ENDDO
[4414]2471
[2696]2472 END SUBROUTINE set_topo_flags
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.