source: palm/trunk/SOURCE/init_grid.f90 @ 4625

Last change on this file since 4625 was 4601, checked in by suehring, 4 years ago

Chemistry: Bugfix in variable name separation in profile-output initialization; Bugfix in counting the number of chemistry profiles; Surface-data output: Minor simplification in name creation for IO variables in restart files; init_grid: minor formatting adjustments

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 118.1 KB
Line 
1!> @file init_grid.f90
2!------------------------------------------------------------------------------!
3! This file is part of the PALM model system.
4!
5! PALM is free software: you can redistribute it and/or modify it under the
6! terms of the GNU General Public License as published by the Free Software
7! Foundation, either version 3 of the License, or (at your option) any later
8! version.
9!
10! PALM is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY
11! WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR
12! A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License for more details.
13!
14! You should have received a copy of the GNU General Public License along with
15! PALM. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
16!
17! Copyright 1997-2020 Leibniz Universitaet Hannover
18!------------------------------------------------------------------------------!
19!
20! Current revisions:
21! -----------------
22!
23!
24! Former revisions:
25! -----------------
26! $Id: init_grid.f90 4601 2020-07-14 12:06:09Z oliver.maas $
27! Minor formatting adjustments
28!
29! 4564 2020-06-12 14:03:36Z raasch
30! Vertical nesting method of Huq et al. (2019) removed
31!
32! 4543 2020-05-20 14:12:22Z gronemeier
33! Remove non-required check for canyon height
34!
35! 4507 2020-04-22 18:21:45Z gronemeier
36! update origin_z with shifting height of orography (oro_min)
37!
38! 4457 2020-03-11 14:20:43Z raasch
39! use statement for exchange horiz added,
40! bugfix for call of exchange horiz 2d
41!
42! 4444 2020-03-05 15:59:50Z raasch
43! bugfix: cpp-directives for serial mode added
44!
45! 4414 2020-02-19 20:16:04Z suehring
46! - Remove deprecated topography arrays nzb_s_inner, nzb_u_inner, etc.
47! - Move initialization of boundary conditions and multigrid into an extra
48!   module interface.
49!
50! 4386 2020-01-27 15:07:30Z Giersch
51! Allocation statements, comments, naming of variables revised and _wp added to
52! real type values
53!
54! 4360 2020-01-07 11:25:50Z suehring
55! Revise error messages for generic tunnel setup.
56!
57! 4346 2019-12-18 11:55:56Z motisi
58! Introduction of wall_flags_total_0, which currently sets bits based on static
59! topography information used in wall_flags_static_0
60!
61! 4340 2019-12-16 08:17:03Z Giersch
62! Topography closed channel flow with symmetric boundaries implemented
63!
64! 4329 2019-12-10 15:46:36Z motisi
65! Renamed wall_flags_0 to wall_flags_static_0
66!
67! 4328 2019-12-09 18:53:04Z suehring
68! Minor change in nzb_max computation. Commentation added.
69!
70! 4314 2019-11-29 10:29:20Z suehring
71! Set additional topography flag 4 to mark topography grid points emerged
72! from the filtering process.
73!
74! 4294 2019-11-13 18:34:16Z suehring
75! Bugfix, always set bit 5 and 6 of wall_flags, indicating terrain- and
76! building surfaces in all  cases, in order to enable terrain-following output
77! also when no land- or urban-surface model is applied.
78!
79! 4265 2019-10-15 16:16:24Z suehring
80! Bugfix for last commit, exchange oro_max variable only when it is allocated
81! (not necessarily the case when topography is input from ASCII file).
82!
83! 4245 2019-09-30 08:40:37Z pavelkrc
84! Store oro_max (building z-offset) in 2D for building surfaces
85!
86! 4189 2019-08-26 16:19:38Z suehring
87! - Add check for proper setting of namelist parameter topography
88! - Set flag to indicate land surfaces in case no topography is provided
89!
90! 4182 2019-08-22 15:20:23Z scharf
91! Corrected "Former revisions" section
92!
93! 4168 2019-08-16 13:50:17Z suehring
94! Pre-calculate topography top index and store it on an array (replaces former
95! functions get_topography_top_index)
96!
97! 4159 2019-08-15 13:31:35Z suehring
98! Revision of topography processing. This was not consistent between 2D and 3D
99! buildings.
100!
101! 4144 2019-08-06 09:11:47Z raasch
102! relational operators .EQ., .NE., etc. replaced by ==, /=, etc.
103!
104! 4115 2019-07-24 12:50:49Z suehring
105! Bugfix in setting near-surface flag 24, inidicating wall-bounded grid points
106!
107! 4110 2019-07-22 17:05:21Z suehring
108! - Separate initialization of advection flags for momentum and scalars.
109! - Change subroutine interface for ws_init_flags_scalar to pass boundary flags
110!
111! 4109 2019-07-22 17:00:34Z suehring
112! Fix bad commit
113!
114! 3926 2019-04-23 12:56:42Z suehring
115! Minor bugfix in building mapping when all building IDs in the model domain
116! are missing
117!
118! 3857 2019-04-03 13:00:16Z knoop
119! In projection of non-building 3D objects onto numerical grid remove
120! dependency on building_type
121!
122! 3763 2019-02-25 17:33:49Z suehring
123! Replace work-around for ghost point exchange of 1-byte arrays with specific
124! routine as already done in other routines
125!
126! 3761 2019-02-25 15:31:42Z raasch
127! unused variables removed
128!
129! 3661 2019-01-08 18:22:50Z suehring
130! Remove setting of nzb_max to nzt at non-cyclic boundary PEs, instead,
131! order degradation of advection scheme is handeled directly in advec_ws
132!
133! 3655 2019-01-07 16:51:22Z knoop
134! Comment added
135!
136! Revision 1.1  1997/08/11 06:17:45  raasch
137! Initial revision (Testversion)
138!
139!
140! Description:
141! -----------------------------------------------------------------------------!
142!> Creating grid depending constants
143!> @todo: Rearrange topo flag list
144!> @todo: reference 3D buildings on top of orography is not tested and may need
145!>        further improvement for steep slopes
146!> @todo: Use more advanced setting of building type at filled holes
147!------------------------------------------------------------------------------!
148 SUBROUTINE init_grid
149
150    USE arrays_3d,                                                             &
151        ONLY:  dd2zu, ddzu, ddzu_pres, ddzw, dzu, dzw, x, xu, y, yv, zu, zw
152
153    USE control_parameters,                                                    &
154        ONLY:  constant_flux_layer, dz, dz_max, dz_stretch_factor,             &
155               dz_stretch_factor_array, dz_stretch_level, dz_stretch_level_end,&
156               dz_stretch_level_end_index, dz_stretch_level_start_index,       &
157               dz_stretch_level_start, ibc_uv_b, message_string,               &
158               number_stretch_level_end,                                       &
159               number_stretch_level_start,                                     &
160               ocean_mode,                                                     &
161               psolver,                                                        &
162               symmetry_flag,                                                  &
163               topography,                                                     &
164               use_surface_fluxes
165
166    USE grid_variables,                                                        &
167        ONLY:  ddx, ddx2, ddy, ddy2, dx, dx2, dy, dy2, zu_s_inner, zw_w_inner
168
169    USE indices,                                                               &
170        ONLY:  nbgp,                                                           &
171               nx,                                                             &
172               nxl,                                                            &
173               nxlg,                                                           &
174               nxr,                                                            &
175               nxrg,                                                           &
176               ny,                                                             &
177               nyn,                                                            &
178               nyng,                                                           &
179               nys,                                                            &
180               nysg,                                                           &
181               nz,                                                             &
182               nzb,                                                            &
183               nzb_diff,                                                       &
184               nzb_max,                                                        &
185               nzt,                                                            &
186               topo_top_ind,                                                   &
187               topo_min_level
188
189    USE kinds
190
191    USE pegrid
192
193    IMPLICIT NONE
194
195    INTEGER(iwp) ::  i             !< index variable along x
196    INTEGER(iwp) ::  j             !< index variable along y
197    INTEGER(iwp) ::  k             !< index variable along z
198    INTEGER(iwp) ::  k_top         !< topography top index on local PE
199    INTEGER(iwp) ::  n             !< loop variable for stretching
200    INTEGER(iwp) ::  number_dz     !< number of user-specified dz values       
201    INTEGER(iwp) ::  nzb_local_max !< vertical grid index of maximum topography height
202    INTEGER(iwp) ::  nzb_local_min !< vertical grid index of minimum topography height
203
204    INTEGER(iwp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  topo !< input array for 3D topography and dummy array for setting "outer"-flags
205
206    REAL(wp) ::  dz_level_end  !< distance between calculated height level for u/v-grid and user-specified end level for stretching
207    REAL(wp) ::  dz_stretched  !< stretched vertical grid spacing
208   
209    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  min_dz_stretch_level_end !< Array that contains all minimum heights where the stretching can end
210
211
212!
213!-- Calculation of horizontal array bounds including ghost layers
214    nxlg = nxl - nbgp
215    nxrg = nxr + nbgp
216    nysg = nys - nbgp
217    nyng = nyn + nbgp
218
219!
220!-- Allocate grid arrays
221    ALLOCATE( x(0:nx) )
222    ALLOCATE( xu(0:nx) )
223   
224    DO i = 0, nx
225       xu(i) = i * dx
226       x(i)  = i * dx + 0.5_wp * dx
227    ENDDO
228
229    ALLOCATE( y(0:ny) )
230    ALLOCATE( yv(0:ny) )
231   
232    DO j = 0, ny
233       yv(j) = j * dy
234       y(j)  = j * dy + 0.5_wp * dy
235    ENDDO
236
237    ALLOCATE( ddzu(1:nzt+1) )
238    ALLOCATE( ddzw(1:nzt+1) )
239    ALLOCATE( dd2zu(1:nzt) )
240    ALLOCATE( dzu(1:nzt+1) )
241    ALLOCATE( dzw(1:nzt+1) )
242    ALLOCATE( zu(nzb:nzt+1) )
243    ALLOCATE( zw(nzb:nzt+1) )
244
245!
246!-- For constructing an appropriate grid, the vertical grid spacing dz has to
247!-- be specified with a non-negative value in the parameter file
248    IF ( dz(1) == -1.0_wp )  THEN
249       message_string = 'missing dz'
250       CALL message( 'init_grid', 'PA0200', 1, 2, 0, 6, 0 ) 
251    ELSEIF ( dz(1) <= 0.0_wp )  THEN
252       WRITE( message_string, * ) 'dz=',dz(1),' <= 0.0'
253       CALL message( 'init_grid', 'PA0201', 1, 2, 0, 6, 0 )
254    ENDIF
255
256!
257!-- Initialize dz_stretch_level_start with the value of dz_stretch_level
258!-- if it was set by the user
259    IF ( dz_stretch_level /= -9999999.9_wp ) THEN
260       dz_stretch_level_start(1) = dz_stretch_level
261    ENDIF
262       
263!
264!-- Determine number of dz values and stretching levels specified by the
265!-- user to allow right controlling of the stretching mechanism and to
266!-- perform error checks. The additional requirement that dz /= dz_max
267!-- for counting number of user-specified dz values is necessary. Otherwise
268!-- restarts would abort if the old stretching mechanism with dz_stretch_level
269!-- is used (Attention: The user is not allowed to specify a dz value equal
270!-- to the default of dz_max = 999.0).
271    number_dz = COUNT( dz /= -1.0_wp .AND. dz /= dz_max)
272    number_stretch_level_start = COUNT( dz_stretch_level_start /=              &
273                                       -9999999.9_wp )
274    number_stretch_level_end = COUNT( dz_stretch_level_end /=                  &
275                                      9999999.9_wp )
276
277!
278!-- The number of specified end levels +1 has to be the same as the number
279!-- of specified dz values
280    IF ( number_dz /= number_stretch_level_end + 1 ) THEN
281       WRITE( message_string, * ) 'The number of values for dz = ',            &
282                                   number_dz, 'has to be the same as& ',       &
283                                   'the number of values for ',                &
284                                   'dz_stretch_level_end + 1 = ',              &
285                                   number_stretch_level_end+1
286       CALL message( 'init_grid', 'PA0156', 1, 2, 0, 6, 0 )
287    ENDIF
288   
289!
290!-- The number of specified start levels has to be the same or one less than
291!-- the number of specified dz values
292    IF ( number_dz /= number_stretch_level_start + 1 .AND.                     &
293         number_dz /= number_stretch_level_start ) THEN
294       WRITE( message_string, * ) 'The number of values for dz = ',            &
295                                   number_dz, 'has to be the same as or one ', &
296                                   'more than& the number of values for ',     &
297                                   'dz_stretch_level_start = ',                &
298                                   number_stretch_level_start
299       CALL message( 'init_grid', 'PA0211', 1, 2, 0, 6, 0 )
300    ENDIF
301   
302!-- The number of specified start levels has to be the same or one more than
303!-- the number of specified end levels
304    IF ( number_stretch_level_start /= number_stretch_level_end + 1 .AND.      &
305         number_stretch_level_start /= number_stretch_level_end ) THEN
306       WRITE( message_string, * ) 'The number of values for ',                 &
307                                  'dz_stretch_level_start = ',                 &
308                                   dz_stretch_level_start, 'has to be the ',   &
309                                   'same or one more than& the number of ',    &
310                                   'values for dz_stretch_level_end = ',       &
311                                   number_stretch_level_end
312       CALL message( 'init_grid', 'PA0216', 1, 2, 0, 6, 0 )
313    ENDIF
314
315!
316!-- Initialize dz for the free atmosphere with the value of dz_max
317    IF ( dz(number_stretch_level_start+1) == -1.0_wp .AND.                     &
318         number_stretch_level_start /= 0 ) THEN
319       dz(number_stretch_level_start+1) = dz_max
320    ENDIF
321       
322!
323!-- Initialize the stretching factor if (infinitely) stretching in the free
324!-- atmosphere is desired (dz_stretch_level_end was not specified for the
325!-- free atmosphere)
326    IF ( number_stretch_level_start == number_stretch_level_end + 1 ) THEN
327       dz_stretch_factor_array(number_stretch_level_start) =                   &
328       dz_stretch_factor
329    ENDIF
330   
331!
332!-- Allocation of arrays for stretching
333    ALLOCATE( min_dz_stretch_level_end(number_stretch_level_start) )
334
335!
336!-- Define the vertical grid levels. Start with atmosphere branch
337    IF ( .NOT. ocean_mode )  THEN
338   
339!
340!--    The stretching region has to be large enough to allow for a smooth
341!--    transition between two different grid spacings. The number 4 is an
342!--    empirical value
343       DO n = 1, number_stretch_level_start
344          min_dz_stretch_level_end(n) = dz_stretch_level_start(n) +            &
345                                        4 * MAX( dz(n),dz(n+1) )
346       ENDDO
347
348       IF ( ANY( min_dz_stretch_level_end(1:number_stretch_level_start) >      &
349                 dz_stretch_level_end(1:number_stretch_level_start) ) ) THEN
350          message_string= 'Each dz_stretch_level_end has to be larger ' //     &
351                          'than its corresponding value for &' //              &
352                          'dz_stretch_level_start + 4*MAX(dz(n),dz(n+1)) '//   &
353                          'to allow for smooth grid stretching'
354          CALL message( 'init_grid', 'PA0224', 1, 2, 0, 6, 0 )
355       ENDIF
356       
357!
358!--    Stretching must not be applied within the surface layer
359!--    (first two grid points). For the default case dz_stretch_level_start
360!--    is negative. Therefore the absolut value is checked here.
361       IF ( ANY( ABS( dz_stretch_level_start ) <= dz(1) * 1.5_wp ) ) THEN
362          WRITE( message_string, * ) 'Each dz_stretch_level_start has to be ',&
363                                     'larger than ', dz(1) * 1.5
364          CALL message( 'init_grid', 'PA0226', 1, 2, 0, 6, 0 )
365       ENDIF
366
367!
368!--    The stretching has to start and end on a grid level. Therefore
369!--    user-specified values are mapped to the next lowest level. The 
370!--    calculation of the first level is realized differently just because of
371!--    historical reasons (the advanced/new stretching mechanism was realized 
372!--    in a way that results don't change if the old parameters
373!--    dz_stretch_level, dz_stretch_factor and dz_max are used)
374       IF ( number_stretch_level_start /= 0 ) THEN
375          dz_stretch_level_start(1) = INT( (dz_stretch_level_start(1) -        &
376                                            dz(1)/2.0) / dz(1) )               &
377                                      * dz(1) + dz(1)/2.0
378       ENDIF
379       
380       IF ( number_stretch_level_start > 1 ) THEN
381          DO n = 2, number_stretch_level_start
382             dz_stretch_level_start(n) = INT( dz_stretch_level_start(n) /      &
383                                              dz(n) ) * dz(n)
384          ENDDO
385       ENDIF
386       
387       IF ( number_stretch_level_end /= 0 ) THEN
388          DO n = 1, number_stretch_level_end
389             dz_stretch_level_end(n) = INT( dz_stretch_level_end(n) /          &
390                                            dz(n+1) ) * dz(n+1)
391          ENDDO
392       ENDIF
393
394!
395!--    Determine stretching factor if necessary
396       IF ( number_stretch_level_end >= 1 ) THEN
397          CALL calculate_stretching_factor( number_stretch_level_end )
398       ENDIF
399
400!
401!--    Grid for atmosphere with surface at z=0 (k=0, w-grid).
402!--    First compute the u- and v-levels. In case of dirichlet bc for u and v
403!--    the first u/v- and w-level (k=0) are defined at same height (z=0).
404!--    The second u-level (k=1) corresponds to the top of the
405!--    surface layer. In case of symmetric boundaries (closed channel flow),
406!--    the first grid point is always at z=0.
407       IF ( ibc_uv_b == 0 .OR. ibc_uv_b == 2 .OR.                              & 
408            topography == 'closed_channel' ) THEN
409          zu(0) = 0.0_wp
410       ELSE
411          zu(0) = - dz(1) * 0.5_wp
412       ENDIF
413         
414       zu(1) =   dz(1) * 0.5_wp
415       
416!
417!--    Determine u and v height levels considering the possibility of grid
418!--    stretching in several heights.
419       n = 1
420       dz_stretch_level_start_index = nzt+1
421       dz_stretch_level_end_index = nzt+1
422       dz_stretched = dz(1)
423
424!--    The default value of dz_stretch_level_start is negative, thus the first
425!--    condition is true even if no stretching shall be applied. Hence, the
426!--    second condition is also necessary.
427       DO  k = 2, nzt+1-symmetry_flag
428          IF ( dz_stretch_level_start(n) <= zu(k-1) .AND.                      &
429               dz_stretch_level_start(n) /= -9999999.9_wp ) THEN
430             dz_stretched = dz_stretched * dz_stretch_factor_array(n)
431             
432             IF ( dz(n) > dz(n+1) ) THEN
433                dz_stretched = MAX( dz_stretched, dz(n+1) ) !Restrict dz_stretched to the user-specified (higher) dz
434             ELSE
435                dz_stretched = MIN( dz_stretched, dz(n+1) ) !Restrict dz_stretched to the user-specified (lower) dz
436             ENDIF
437             
438             IF ( dz_stretch_level_start_index(n) == nzt+1 )                         &
439             dz_stretch_level_start_index(n) = k-1
440             
441          ENDIF
442         
443          zu(k) = zu(k-1) + dz_stretched
444         
445!
446!--       Make sure that the stretching ends exactly at dz_stretch_level_end
447          dz_level_end = ABS( zu(k) - dz_stretch_level_end(n) ) 
448         
449          IF ( dz_level_end  < dz(n+1)/3.0 ) THEN
450             zu(k) = dz_stretch_level_end(n)
451             dz_stretched = dz(n+1)
452             dz_stretch_level_end_index(n) = k
453             n = n + 1             
454          ENDIF
455       ENDDO
456       
457!
458!--    If a closed channel flow is simulated, make sure that grid structure is 
459!--    the same for both bottom and top boundary. (Hint: Using a different dz
460!--    at the bottom and at the top makes no sense due to symmetric boundaries
461!--    where dz should be equal. Therefore, different dz at the bottom and top 
462!--    causes an abort (see check_parameters).)
463       IF ( topography == 'closed_channel' ) THEN
464          zu(nzt+1) = zu(nzt) + dz(1) * 0.5_wp
465       ENDIF
466
467!
468!--    Compute the w-levels. They are always staggered half-way between the
469!--    corresponding u-levels. In case of dirichlet bc for u and v at the
470!--    ground the first u- and w-level (k=0) are defined at same height (z=0).
471!--    Per default, the top w-level is extrapolated linearly. In case of
472!--    a closed channel flow, zu(nzt+1) and zw(nzt) must be set explicitely.
473!--    (Hint: Using a different dz at the bottom and at the top makes no sense
474!--    due to symmetric boundaries where dz should be equal. Therefore,
475!--    different dz at the bottom and top causes an abort (see
476!--    check_parameters).)
477       zw(0) = 0.0_wp
478       DO  k = 1, nzt-symmetry_flag
479          zw(k) = ( zu(k) + zu(k+1) ) * 0.5_wp
480       ENDDO
481       IF ( topography == 'closed_channel' ) THEN
482          zw(nzt)   = zw(nzt-1) + dz(1)
483          zw(nzt+1) = zw(nzt) + dz(1)
484       ELSE
485          zw(nzt+1) = zw(nzt) + 2.0_wp * ( zu(nzt+1) - zw(nzt) )
486       ENDIF
487
488    ELSE !ocean branch
489
490!
491!--    The stretching region has to be large enough to allow for a smooth
492!--    transition between two different grid spacings. The number 4 is an
493!--    empirical value
494       DO n = 1, number_stretch_level_start
495          min_dz_stretch_level_end(n) = dz_stretch_level_start(n) -            &
496                                        4 * MAX( dz(n),dz(n+1) )
497       ENDDO
498       
499       IF ( ANY( min_dz_stretch_level_end (1:number_stretch_level_start) <     &
500                 dz_stretch_level_end(1:number_stretch_level_start) ) ) THEN
501             message_string= 'Each dz_stretch_level_end has to be less ' //   &
502                             'than its corresponding value for &' //           &
503                             'dz_stretch_level_start - 4*MAX(dz(n),dz(n+1)) '//&
504                             'to allow for smooth grid stretching'
505             CALL message( 'init_grid', 'PA0224', 1, 2, 0, 6, 0 )
506       ENDIF
507       
508!
509!--    Stretching must not be applied close to the surface (last two grid
510!--    points). For the default case dz_stretch_level_start is negative.
511       IF ( ANY( dz_stretch_level_start >= - dz(1) * 1.5_wp ) ) THEN
512          WRITE( message_string, * ) 'Each dz_stretch_level_start has to be ',&
513                                     'less than ', -dz(1) * 1.5
514             CALL message( 'init_grid', 'PA0226', 1, 2, 0, 6, 0 )
515       ENDIF
516
517!
518!--    The stretching has to start and end on a grid level. Therefore
519!--    user-specified values are mapped to the next highest level. The 
520!--    calculation of the first level is realized differently just because of
521!--    historical reasons (the advanced/new stretching mechanism was realized 
522!--    in a way that results don't change if the old parameters
523!--    dz_stretch_level, dz_stretch_factor and dz_max are used)
524       IF ( number_stretch_level_start /= 0 ) THEN
525          dz_stretch_level_start(1) = INT( (dz_stretch_level_start(1) +        &
526                                            dz(1)/2.0) / dz(1) )               &
527                                      * dz(1) - dz(1)/2.0
528       ENDIF
529       
530       IF ( number_stretch_level_start > 1 ) THEN
531          DO n = 2, number_stretch_level_start
532             dz_stretch_level_start(n) = INT( dz_stretch_level_start(n) /      &
533                                              dz(n) ) * dz(n)
534          ENDDO
535       ENDIF
536       
537       IF ( number_stretch_level_end /= 0 ) THEN
538          DO n = 1, number_stretch_level_end
539             dz_stretch_level_end(n) = INT( dz_stretch_level_end(n) /          &
540                                            dz(n+1) ) * dz(n+1)
541          ENDDO
542       ENDIF
543       
544!
545!--    Determine stretching factor if necessary
546       IF ( number_stretch_level_end >= 1 ) THEN
547          CALL calculate_stretching_factor( number_stretch_level_end )
548       ENDIF
549
550!
551!--    Grid for ocean with free water surface is at k=nzt (w-grid).
552!--    In case of neumann bc at the ground the first first u-level (k=0) lies
553!--    below the first w-level (k=0). In case of dirichlet bc the first u- and
554!--    w-level are defined at same height, but staggered from the second level.
555!--    The second u-level (k=1) corresponds to the top of the surface layer.
556!--    z values are negative starting from z=0 (surface)
557       zu(nzt+1) =   dz(1) * 0.5_wp
558       zu(nzt)   = - dz(1) * 0.5_wp
559
560!
561!--    Determine u and v height levels considering the possibility of grid
562!--    stretching in several heights.
563       n = 1
564       dz_stretch_level_start_index = 0
565       dz_stretch_level_end_index = 0
566       dz_stretched = dz(1)
567
568       DO  k = nzt-1, 0, -1
569         
570          IF ( dz_stretch_level_start(n) >= zu(k+1) ) THEN
571             dz_stretched = dz_stretched * dz_stretch_factor_array(n)
572
573             IF ( dz(n) > dz(n+1) ) THEN
574                dz_stretched = MAX( dz_stretched, dz(n+1) ) !Restrict dz_stretched to the user-specified (higher) dz
575             ELSE
576                dz_stretched = MIN( dz_stretched, dz(n+1) ) !Restrict dz_stretched to the user-specified (lower) dz
577             ENDIF
578             
579             IF ( dz_stretch_level_start_index(n) == 0 )                             &
580             dz_stretch_level_start_index(n) = k+1
581             
582          ENDIF
583         
584          zu(k) = zu(k+1) - dz_stretched
585         
586!
587!--       Make sure that the stretching ends exactly at dz_stretch_level_end
588          dz_level_end = ABS( zu(k) - dz_stretch_level_end(n) ) 
589         
590          IF ( dz_level_end  < dz(n+1)/3.0 ) THEN
591             zu(k) = dz_stretch_level_end(n)
592             dz_stretched = dz(n+1)
593             dz_stretch_level_end_index(n) = k
594             n = n + 1             
595          ENDIF
596       ENDDO
597       
598!
599!--    Compute the w-levels. They are always staggered half-way between the
600!--    corresponding u-levels, except in case of dirichlet bc for u and v
601!--    at the ground. In this case the first u- and w-level are defined at
602!--    same height. The top w-level (nzt+1) is not used but set for
603!--    consistency, since w and all scalar variables are defined up tp nzt+1.
604       zw(nzt+1) = dz(1)
605       zw(nzt)   = 0.0_wp
606       DO  k = 0, nzt
607          zw(k) = ( zu(k) + zu(k+1) ) * 0.5_wp
608       ENDDO
609
610!
611!--    In case of dirichlet bc for u and v the first u- and w-level are defined
612!--    at same height.
613       IF ( ibc_uv_b == 0 ) THEN
614          zu(0) = zw(0)
615       ENDIF
616
617    ENDIF !End of defining the vertical grid levels
618
619!
620!-- Compute grid lengths.
621    DO  k = 1, nzt+1
622       dzu(k)  = zu(k) - zu(k-1)
623       ddzu(k) = 1.0_wp / dzu(k)
624       dzw(k)  = zw(k) - zw(k-1)
625       ddzw(k) = 1.0_wp / dzw(k)
626    ENDDO
627
628    DO  k = 1, nzt
629       dd2zu(k) = 1.0_wp / ( dzu(k) + dzu(k+1) )
630    ENDDO
631   
632!   
633!-- The FFT- SOR-pressure solvers assume grid spacings of a staggered grid
634!-- everywhere. For the actual grid, the grid spacing at the lowest level
635!-- is only dz/2, but should be dz. Therefore, an additional array
636!-- containing with appropriate grid information is created for these
637!-- solvers.
638    IF ( psolver(1:9) /= 'multigrid' )  THEN
639       ALLOCATE( ddzu_pres(1:nzt+1) )
640       ddzu_pres = ddzu
641       ddzu_pres(1) = ddzu_pres(2)  ! change for lowest level
642    ENDIF
643
644!
645!-- Compute the reciprocal values of the horizontal grid lengths.
646    ddx = 1.0_wp / dx
647    ddy = 1.0_wp / dy
648    dx2 = dx * dx
649    dy2 = dy * dy
650    ddx2 = 1.0_wp / dx2
651    ddy2 = 1.0_wp / dy2
652
653!
654!-- Allocate 3D array to set topography
655    ALLOCATE( topo(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
656    topo = 0
657!
658!-- Initialize topography by generic topography or read topography from file. 
659    CALL init_topo( topo )
660!
661!-- Set flags to mask topography on the grid.
662    CALL set_topo_flags( topo )
663
664!
665!-- Determine the maximum level of topography. It is used for
666!-- steering the degradation of order of the applied advection scheme,
667!-- as well in the lpm.
668    k_top = 0
669    DO  i = nxl, nxr
670       DO  j = nys, nyn
671          DO  k = nzb, nzt + 1
672             k_top = MAX( k_top, MERGE( k, 0, .NOT. BTEST( topo(k,j,i), 0 ) ) )
673          ENDDO
674       ENDDO
675    ENDDO
676#if defined( __parallel )
677    CALL MPI_ALLREDUCE( k_top, nzb_max, 1, MPI_INTEGER,                        &
678                        MPI_MAX, comm2d, ierr )
679#else
680    nzb_max = k_top
681#endif
682!
683!-- Increment nzb_max by 1 in order to allow for proper diverengence correction.
684!-- Further, in case topography extents up to the model top, limit to nzt.
685    nzb_max = MIN( nzb_max+1, nzt ) 
686!
687!-- Determine minimum index of topography. Usually, this will be nzb. In case
688!-- there is elevated topography, however, the lowest topography will be higher.
689!-- This index is e.g. used to calculate mean first-grid point atmosphere
690!-- temperature, surface pressure and density, etc. .
691    topo_min_level   = 0
692#if defined( __parallel )
693    CALL MPI_ALLREDUCE( MINVAL( topo_top_ind(nys:nyn,nxl:nxr,0) ),             &
694                        topo_min_level, 1, MPI_INTEGER, MPI_MIN, comm2d, ierr )
695#else
696    topo_min_level = MINVAL( topo_top_ind(nys:nyn,nxl:nxr,0) )
697#endif
698
699!
700!-- Check topography for consistency with model domain. Therefore, use
701!-- maximum and minium topography-top indices. Note, minimum topography top
702!-- index is already calculated. 
703    IF ( TRIM( topography ) /= 'flat' )  THEN
704#if defined( __parallel )
705       CALL MPI_ALLREDUCE( MAXVAL( topo_top_ind(nys:nyn,nxl:nxr,0) ),          &
706                           nzb_local_max, 1, MPI_INTEGER, MPI_MAX, comm2d, ierr )               
707#else
708       nzb_local_max = MAXVAL( topo_top_ind(nys:nyn,nxl:nxr,0) )
709#endif
710       nzb_local_min = topo_min_level
711!
712!--    Consistency checks
713       IF ( nzb_local_min < 0  .OR.  nzb_local_max  > nz + 1 )  THEN
714          WRITE( message_string, * ) 'nzb_local values are outside the',       &
715                                ' model domain',                               &
716                                '&MINVAL( nzb_local ) = ', nzb_local_min,      &
717                                '&MAXVAL( nzb_local ) = ', nzb_local_max
718          CALL message( 'init_grid', 'PA0210', 1, 2, 0, 6, 0 )
719       ENDIF
720    ENDIF
721!
722!-- Define vertical gridpoint from (or to) which on the usual finite difference
723!-- form (which does not use surface fluxes) is applied
724    IF ( constant_flux_layer  .OR.  use_surface_fluxes )  THEN
725       nzb_diff = nzb + 2
726    ELSE
727       nzb_diff = nzb + 1
728    ENDIF
729
730    IF ( TRIM( topography ) /= 'flat' )  THEN
731!
732!--    Allocate and set the arrays containing the topography height (for output
733!--    reasons only).
734       IF ( nxr == nx  .AND.  nyn /= ny )  THEN
735          ALLOCATE( zu_s_inner(nxl:nxr+1,nys:nyn),                             &
736                    zw_w_inner(nxl:nxr+1,nys:nyn) )
737       ELSEIF ( nxr /= nx  .AND.  nyn == ny )  THEN
738          ALLOCATE( zu_s_inner(nxl:nxr,nys:nyn+1),                             &
739                    zw_w_inner(nxl:nxr,nys:nyn+1) )
740       ELSEIF ( nxr == nx  .AND.  nyn == ny )  THEN
741          ALLOCATE( zu_s_inner(nxl:nxr+1,nys:nyn+1),                           &
742                    zw_w_inner(nxl:nxr+1,nys:nyn+1) )
743       ELSE
744          ALLOCATE( zu_s_inner(nxl:nxr,nys:nyn),                               &
745                    zw_w_inner(nxl:nxr,nys:nyn) )
746       ENDIF
747
748       zu_s_inner   = 0.0_wp
749       zw_w_inner   = 0.0_wp
750!
751!--    Determine local topography height on scalar and w-grid. Note, setting
752!--    lateral boundary values is not necessary, realized via wall_flags_static_0
753!--    array. Further, please note that loop bounds are different from
754!--    nxl to nxr and nys to nyn on south and right model boundary, hence,
755!--    use intrinsic lbound and ubound functions to infer array bounds.
756       DO  i = LBOUND(zu_s_inner, 1), UBOUND(zu_s_inner, 1)
757          DO  j = LBOUND(zu_s_inner, 2), UBOUND(zu_s_inner, 2)
758!
759!--          Topography height on scalar grid. Therefore, determine index of
760!--          upward-facing surface element on scalar grid.
761             zu_s_inner(i,j) = zu(topo_top_ind(j,i,0))
762!
763!--          Topography height on w grid. Therefore, determine index of
764!--          upward-facing surface element on w grid.
765             zw_w_inner(i,j) = zw(topo_top_ind(j,i,3))
766          ENDDO
767       ENDDO
768    ENDIF
769
770 END SUBROUTINE init_grid
771
772
773! Description:
774! -----------------------------------------------------------------------------!
775!> Calculation of the stretching factor through an iterative method. Ideas were
776!> taken from the paper "Regional stretched grid generation and its application
777!> to the NCAR RegCM (1999)". Normally, no analytic solution exists because the
778!> system of equations has two variables (r,l) but four requirements
779!> (l=integer, r=[0,88;1,2], Eq(6), Eq(5) starting from index j=1) which
780!> results into an overdetermined system.
781!------------------------------------------------------------------------------!
782 SUBROUTINE calculate_stretching_factor( number_end )
783 
784    USE control_parameters,                                                    &
785        ONLY:  dz, dz_stretch_factor_array,                 &
786               dz_stretch_level_end, dz_stretch_level_start, message_string
787 
788    USE kinds
789   
790    IMPLICIT NONE
791   
792    INTEGER(iwp) ::  iterations  !< number of iterations until stretch_factor_lower/upper_limit is reached 
793    INTEGER(iwp) ::  l_rounded   !< after l_rounded grid levels dz(n) is strechted to dz(n+1) with stretch_factor_2
794    INTEGER(iwp) ::  n           !< loop variable for stretching
795   
796    INTEGER(iwp), INTENT(IN) ::  number_end !< number of user-specified end levels for stretching
797       
798    REAL(wp) ::  delta_l               !< absolute difference between l and l_rounded
799    REAL(wp) ::  delta_stretch_factor  !< absolute difference between stretch_factor_1 and stretch_factor_2
800    REAL(wp) ::  delta_total_new       !< sum of delta_l and delta_stretch_factor for the next iteration (should be as small as possible)
801    REAL(wp) ::  delta_total_old       !< sum of delta_l and delta_stretch_factor for the last iteration
802    REAL(wp) ::  distance              !< distance between dz_stretch_level_start and dz_stretch_level_end (stretching region)
803    REAL(wp) ::  l                     !< value that fulfil Eq. (5) in the paper mentioned above together with stretch_factor_1 exactly
804    REAL(wp) ::  numerator             !< numerator of the quotient
805    REAL(wp) ::  stretch_factor_1      !< stretching factor that fulfil Eq. (5) togehter with l exactly
806    REAL(wp) ::  stretch_factor_2      !< stretching factor that fulfil Eq. (6) togehter with l_rounded exactly
807   
808    REAL(wp) ::  dz_stretch_factor_array_2(9) = 1.08_wp  !< Array that contains all stretch_factor_2 that belongs to stretch_factor_1
809   
810    REAL(wp), PARAMETER ::  stretch_factor_interval = 1.0E-06_wp  !< interval for sampling possible stretching factors
811    REAL(wp), PARAMETER ::  stretch_factor_lower_limit = 0.88_wp  !< lowest possible stretching factor
812    REAL(wp), PARAMETER ::  stretch_factor_upper_limit = 1.12_wp  !< highest possible stretching factor
813 
814 
815    l = 0
816    DO  n = 1, number_end
817   
818       iterations = 1
819       stretch_factor_1 = 1.0_wp 
820       stretch_factor_2 = 1.0_wp
821       delta_total_old = 1.0_wp
822       
823!
824!--    First branch for stretching from rough to fine
825       IF ( dz(n) > dz(n+1) ) THEN
826          DO WHILE ( stretch_factor_1 >= stretch_factor_lower_limit ) 
827             
828             stretch_factor_1 = 1.0_wp - iterations * stretch_factor_interval
829             distance = ABS( dz_stretch_level_end(n) -                         &
830                        dz_stretch_level_start(n) )   
831             numerator = distance*stretch_factor_1/dz(n) +                     &
832                         stretch_factor_1 - distance/dz(n)
833             
834             IF ( numerator > 0.0_wp ) THEN
835                l = LOG( numerator ) / LOG( stretch_factor_1 ) - 1.0_wp
836                l_rounded = NINT( l )
837                delta_l = ABS( l_rounded - l ) / l
838             ENDIF
839             
840             stretch_factor_2 = EXP( LOG( dz(n+1)/dz(n) ) / (l_rounded) )
841             
842             delta_stretch_factor = ABS( stretch_factor_1 -                    &
843                                         stretch_factor_2 ) /                  &
844                                    stretch_factor_2
845             
846             delta_total_new = delta_l + delta_stretch_factor
847
848!
849!--          stretch_factor_1 is taken to guarantee that the stretching
850!--          procedure ends as close as possible to dz_stretch_level_end.
851!--          stretch_factor_2 would guarantee that the stretched dz(n) is
852!--          equal to dz(n+1) after l_rounded grid levels.
853             IF (delta_total_new < delta_total_old) THEN
854                dz_stretch_factor_array(n) = stretch_factor_1
855                dz_stretch_factor_array_2(n) = stretch_factor_2
856                delta_total_old = delta_total_new
857             ENDIF
858             
859             iterations = iterations + 1
860           
861          ENDDO
862
863!
864!--    Second branch for stretching from fine to rough
865       ELSEIF ( dz(n) < dz(n+1) ) THEN
866          DO WHILE ( stretch_factor_1 <= stretch_factor_upper_limit )
867                     
868             stretch_factor_1 = 1.0_wp + iterations * stretch_factor_interval
869             distance = ABS( dz_stretch_level_end(n) -                         &
870                        dz_stretch_level_start(n) ) 
871             numerator = distance*stretch_factor_1/dz(n) +                     &
872                         stretch_factor_1 - distance/dz(n)
873             
874             l = LOG( numerator ) / LOG( stretch_factor_1 ) - 1.0_wp
875             l_rounded = NINT( l )
876             delta_l = ABS( l_rounded - l ) / l
877             
878             stretch_factor_2 = EXP( LOG( dz(n+1)/dz(n) ) / (l_rounded) )
879
880             delta_stretch_factor = ABS( stretch_factor_1 -                    &
881                                        stretch_factor_2 ) /                   &
882                                        stretch_factor_2
883             
884             delta_total_new = delta_l + delta_stretch_factor
885             
886!
887!--          stretch_factor_1 is taken to guarantee that the stretching
888!--          procedure ends as close as possible to dz_stretch_level_end.
889!--          stretch_factor_2 would guarantee that the stretched dz(n) is
890!--          equal to dz(n+1) after l_rounded grid levels.
891             IF (delta_total_new < delta_total_old) THEN
892                dz_stretch_factor_array(n) = stretch_factor_1
893                dz_stretch_factor_array_2(n) = stretch_factor_2
894                delta_total_old = delta_total_new
895             ENDIF
896             
897             iterations = iterations + 1
898          ENDDO
899         
900       ELSE
901          message_string= 'Two adjacent values of dz must be different'
902          CALL message( 'init_grid', 'PA0228', 1, 2, 0, 6, 0 )
903         
904       ENDIF
905
906!
907!--    Check if also the second stretching factor fits into the allowed
908!--    interval. If not, print a warning for the user.
909       IF ( dz_stretch_factor_array_2(n) < stretch_factor_lower_limit .OR.     & 
910            dz_stretch_factor_array_2(n) > stretch_factor_upper_limit ) THEN
911          WRITE( message_string, * ) 'stretch_factor_2 = ',                    &
912                                     dz_stretch_factor_array_2(n), ' which is',&
913                                     ' responsible for exactly reaching& dz =',&
914                                      dz(n+1), 'after a specific amount of',   & 
915                                     ' grid levels& exceeds the upper',        &
916                                     ' limit =', stretch_factor_upper_limit,   &
917                                     ' &or lower limit = ',                    &
918                                     stretch_factor_lower_limit
919          CALL message( 'init_grid', 'PA0499', 0, 1, 0, 6, 0 )
920           
921       ENDIF
922    ENDDO
923       
924 END SUBROUTINE calculate_stretching_factor
925 
926 
927! Description:
928! -----------------------------------------------------------------------------!
929!> Set temporary topography flags and reference buildings on top of underlying
930!> orography.
931!------------------------------------------------------------------------------!
932 SUBROUTINE process_topography( topo_3d )
933
934    USE arrays_3d,                                                             &
935        ONLY:  zu, zw
936
937    USE control_parameters,                                                    &
938        ONLY:  bc_lr_cyc, bc_ns_cyc, ocean_mode
939
940    USE exchange_horiz_mod,                                                    &
941        ONLY:  exchange_horiz_int, exchange_horiz_2d
942
943    USE indices,                                                               &
944        ONLY:  nbgp, nx, nxl, nxlg, nxr, nxrg, ny, nyn, nyng, nys, nysg, nzb,  &
945               nzt
946
947    USE netcdf_data_input_mod,                                                 &
948        ONLY:  buildings_f, building_id_f, building_type_f,                    &
949               init_model,                                                     &
950               input_pids_static,                                              &
951               terrain_height_f
952
953    USE kinds
954
955    USE pegrid
956
957    IMPLICIT NONE
958
959    INTEGER(iwp) ::  i                !< running index along x-direction
960    INTEGER(iwp) ::  j                !< running index along y-direction
961    INTEGER(iwp) ::  k                !< running index along z-direction with respect to numeric grid
962    INTEGER(iwp) ::  k2               !< running index along z-direction with respect to netcdf grid
963    INTEGER(iwp) ::  nr               !< index variable indication maximum terrain height for respective building ID
964    INTEGER(iwp) ::  num_build        !< counter for number of buildings
965    INTEGER(iwp) ::  topo_top_index   !< orography top index, used to map 3D buildings onto terrain
966
967#if defined( __parallel )
968    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  displace_dum        !< displacements of start addresses, used for MPI_ALLGATHERV
969#endif
970    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  build_ids           !< building IDs on entire model domain
971    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  build_ids_final     !< building IDs on entire model domain, multiple occurences are sorted out
972    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  build_ids_final_tmp !< temporary array used for resizing
973    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  build_ids_l         !< building IDs on local subdomain
974    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  build_ids_l_tmp     !< temporary array used to resize array of building IDs
975
976    INTEGER(iwp), DIMENSION(0:numprocs-1) ::  num_buildings     !< number of buildings with different ID on entire model domain
977    INTEGER(iwp), DIMENSION(0:numprocs-1) ::  num_buildings_l   !< number of buildings with different ID on local subdomain
978
979    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::  topo_3d !< input array for 3D topography and dummy array for setting "outer"-flags
980
981    REAL(wp)                            ::  ocean_offset        !< offset to consider inverse vertical coordinate at topography definition
982    REAL(wp)                            ::  oro_min = 0.0_wp    !< minimum terrain height in entire model domain, used to reference terrain to zero
983    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  oro_max             !< maximum terrain height occupied by an building with certain id
984    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  oro_max_l           !< maximum terrain height occupied by an building with certain id, on local subdomain
985
986!
987!-- Reference lowest terrain height to zero. This ensures that first,
988!-- non-required gird levels (those which lie entirely below the minimum
989!-- orography) are avoided, and second, that also negative orography can be used
990!-- within the input file.
991!-- Please note, in case of a nested run, the global minimum from all parent and
992!-- childs need to be remove to avoid steep edges at the child-domain boundaries.
993    IF ( input_pids_static )  THEN
994   
995#if defined( __parallel ) 
996       CALL MPI_ALLREDUCE( MINVAL( terrain_height_f%var ), oro_min, 1,         &
997                           MPI_REAL, MPI_MIN, MPI_COMM_WORLD, ierr )
998#else
999       oro_min = MINVAL( terrain_height_f%var )
1000#endif
1001       terrain_height_f%var = terrain_height_f%var - oro_min
1002!
1003!--    Update reference height used within output files
1004       init_model%origin_z = init_model%origin_z + oro_min
1005
1006    ENDIF   
1007   
1008!
1009!-- In the following, buildings and orography are further preprocessed
1010!-- before they are mapped on the LES grid.
1011!-- Buildings are mapped on top of the orography by maintaining the roof
1012!-- shape of the building. This can be achieved by referencing building on
1013!-- top of the maximum terrain height within the area occupied by the
1014!-- respective building. As buildings and terrain height are defined PE-wise,
1015!-- parallelization of this referencing is required (a building can be
1016!-- distributed between different PEs). 
1017!-- In a first step, determine the number of buildings with different
1018!-- building id on each PE. In a next step, all building ids are gathered
1019!-- into one array which is present to all PEs. For each building ID,
1020!-- the maximum terrain height occupied by the respective building is
1021!-- computed and distributed to each PE. 
1022!-- Finally, for each building id and its respective reference orography,
1023!-- builidings are mapped on top.   
1024!--
1025!-- First, pre-set topography flags, bit 1 indicates orography, bit 2
1026!-- buildings
1027!-- classify the respective surfaces.
1028    topo_3d          = IBSET( topo_3d, 0 )
1029    topo_3d(nzb,:,:) = IBCLR( topo_3d(nzb,:,:), 0 )
1030!
1031!-- In order to map topography on PALM grid also in case of ocean simulations,
1032!-- pre-calculate an offset value.
1033    ocean_offset = MERGE( zw(0), 0.0_wp, ocean_mode )
1034!
1035!-- Reference buildings on top of orography. This is not necessary
1036!-- if topography is read from ASCII file as no distinction between buildings
1037!-- and terrain height can be made. Moreover, this is also not necessary if
1038!-- urban-surface and land-surface model are used at the same time.
1039    IF ( input_pids_static )  THEN
1040
1041       IF ( buildings_f%from_file )  THEN
1042          num_buildings_l = 0
1043          num_buildings   = 0
1044!
1045!--       Allocate at least one element for building ids and give it an inital
1046!--       negative value that will be overwritten later. This, however, is
1047!--       necessary in case there all IDs in the model domain are fill values.
1048          ALLOCATE( build_ids_l(1) )
1049          build_ids_l = -1 
1050          DO  i = nxl, nxr
1051             DO  j = nys, nyn
1052                IF ( building_id_f%var(j,i) /= building_id_f%fill )  THEN
1053                   IF ( num_buildings_l(myid) > 0 )  THEN
1054                      IF ( ANY( building_id_f%var(j,i) ==  build_ids_l ) )   &
1055                      THEN
1056                         CYCLE
1057                      ELSE
1058                         num_buildings_l(myid) = num_buildings_l(myid) + 1
1059!
1060!--                   Resize array with different local building ids
1061                      ALLOCATE( build_ids_l_tmp(1:SIZE(build_ids_l)) )
1062                      build_ids_l_tmp = build_ids_l
1063                      DEALLOCATE( build_ids_l )
1064                      ALLOCATE( build_ids_l(1:num_buildings_l(myid)) )
1065                      build_ids_l(1:num_buildings_l(myid)-1) =                 &
1066                                  build_ids_l_tmp(1:num_buildings_l(myid)-1)
1067                      build_ids_l(num_buildings_l(myid)) = building_id_f%var(j,i)
1068                      DEALLOCATE( build_ids_l_tmp )
1069                   ENDIF
1070!
1071!--                First occuring building id on PE
1072                   ELSE
1073                      num_buildings_l(myid) = num_buildings_l(myid) + 1
1074                      build_ids_l(1) = building_id_f%var(j,i)
1075                   ENDIF
1076                ENDIF
1077             ENDDO
1078          ENDDO
1079!
1080!--       Determine number of different building ids for the entire domain
1081#if defined( __parallel ) 
1082          CALL MPI_ALLREDUCE( num_buildings_l, num_buildings, numprocs,              &
1083                              MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d, ierr ) 
1084#else
1085          num_buildings = num_buildings_l
1086#endif
1087!
1088!--       Gather all buildings ids on each PEs.
1089!--       First, allocate array encompassing all building ids in model domain. 
1090          ALLOCATE( build_ids(1:SUM(num_buildings)) )
1091#if defined( __parallel ) 
1092!
1093!--       Allocate array for displacements.
1094!--       As each PE may has a different number of buildings, so that
1095!--       the block sizes send by each PE may not be equal. Hence,
1096!--       information about the respective displacement is required, indicating
1097!--       the respective adress where each MPI-task writes into the receive
1098!--       buffer array 
1099          ALLOCATE( displace_dum(0:numprocs-1) )
1100          displace_dum(0) = 0
1101          DO i = 1, numprocs-1
1102             displace_dum(i) = displace_dum(i-1) + num_buildings(i-1)
1103          ENDDO
1104
1105          CALL MPI_ALLGATHERV( build_ids_l(1:num_buildings_l(myid)),                 &
1106                               num_buildings(myid),                                  &
1107                               MPI_INTEGER,                                          &
1108                               build_ids,                                            &
1109                               num_buildings,                                        &
1110                               displace_dum,                                         & 
1111                               MPI_INTEGER,                                          &
1112                               comm2d, ierr )   
1113
1114          DEALLOCATE( displace_dum )
1115
1116#else
1117          build_ids = build_ids_l
1118#endif
1119
1120!
1121!--       Note, in parallel mode building ids can occure mutliple times, as
1122!--       each PE has send its own ids. Therefore, sort out building ids which
1123!--       appear more than one time.
1124          num_build = 0
1125          DO  nr = 1, SIZE(build_ids)
1126
1127             IF ( ALLOCATED(build_ids_final) )  THEN
1128                IF ( ANY( build_ids(nr) == build_ids_final ) )  THEN
1129                   CYCLE
1130                ELSE
1131                   num_build = num_build + 1
1132!
1133!--                Resize
1134                   ALLOCATE( build_ids_final_tmp(1:num_build) )
1135                   build_ids_final_tmp(1:num_build-1) = build_ids_final(1:num_build-1)
1136                   DEALLOCATE( build_ids_final )
1137                   ALLOCATE( build_ids_final(1:num_build) )
1138                   build_ids_final(1:num_build-1) = build_ids_final_tmp(1:num_build-1)
1139                   build_ids_final(num_build) = build_ids(nr)
1140                   DEALLOCATE( build_ids_final_tmp )
1141                ENDIF             
1142             ELSE
1143                num_build = num_build + 1
1144                ALLOCATE( build_ids_final(1:num_build) )
1145                build_ids_final(num_build) = build_ids(nr)
1146             ENDIF
1147          ENDDO
1148
1149!
1150!--       Determine maximumum terrain height occupied by the respective
1151!--       building and temporalily store on oro_max
1152          ALLOCATE( oro_max_l(1:SIZE(build_ids_final)) )
1153          ALLOCATE( oro_max(1:SIZE(build_ids_final))   )
1154          oro_max_l = 0.0_wp
1155
1156          DO  nr = 1, SIZE(build_ids_final)
1157             oro_max_l(nr) = MAXVAL(                                           &
1158                              MERGE( terrain_height_f%var(nys:nyn,nxl:nxr),    &
1159                                     0.0_wp,                                   &
1160                                     building_id_f%var(nys:nyn,nxl:nxr) ==     &
1161                                     build_ids_final(nr) ) )
1162          ENDDO
1163   
1164#if defined( __parallel )   
1165          IF ( SIZE(build_ids_final) >= 1 ) THEN
1166             CALL MPI_ALLREDUCE( oro_max_l, oro_max, SIZE( oro_max ), MPI_REAL,&
1167                                 MPI_MAX, comm2d, ierr ) 
1168          ENDIF
1169#else
1170          oro_max = oro_max_l
1171#endif
1172!
1173!--       Finally, determine discrete grid height of maximum orography occupied
1174!--       by a building. Use all-or-nothing approach, i.e. if terrain
1175!--       exceeds the scalar level the grid box is fully terrain and the
1176!--       maximum terrain is set to the zw level.
1177!--       terrain or
1178          oro_max_l = 0.0
1179          DO  nr = 1, SIZE(build_ids_final)
1180             DO  k = nzb, nzt
1181                IF ( zu(k) - ocean_offset <= oro_max(nr) )                     &
1182                   oro_max_l(nr) = zw(k) - ocean_offset
1183             ENDDO
1184             oro_max(nr) = oro_max_l(nr)
1185          ENDDO
1186       ENDIF
1187!
1188!--    Allocate array for storing terrain height under buildings
1189       IF ( buildings_f%from_file )  THEN
1190          ALLOCATE( buildings_f%oro_max(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
1191          buildings_f%oro_max = buildings_f%fill1
1192       END IF
1193!
1194!--    Map orography as well as buildings onto grid.
1195       DO  i = nxl, nxr
1196          DO  j = nys, nyn
1197             topo_top_index = 0
1198!
1199!--          Obtain index in global building_id array
1200             IF ( buildings_f%from_file )  THEN
1201                IF ( building_id_f%var(j,i) /= building_id_f%fill )  THEN
1202!
1203!--                Determine index where maximum terrain height occupied by
1204!--                the respective building height is stored.
1205                   nr = MINLOC( ABS( build_ids_final -                         &
1206                                     building_id_f%var(j,i) ), DIM = 1 )
1207!
1208!--                Save grid-indexed oro_max
1209                   buildings_f%oro_max(j,i) = oro_max(nr)
1210                ENDIF
1211             ENDIF
1212             DO  k = nzb, nzt
1213!
1214!--             In a first step, if grid point is below or equal the given
1215!--             terrain height, grid point is flagged to be of type natural.
1216!--             Please note, in case there is also a building which is lower
1217!--             than the vertical grid spacing, initialization of surface
1218!--             attributes will not be correct as given surface information
1219!--             will not be in accordance to the classified grid points.
1220!--             Hence, in this case, also a building flag.
1221                IF ( zu(k) - ocean_offset <= terrain_height_f%var(j,i) )  THEN
1222                   topo_3d(k,j,i) = IBCLR( topo_3d(k,j,i), 0 )
1223                   topo_3d(k,j,i) = IBSET( topo_3d(k,j,i), 1 )
1224                   topo_top_index = k ! topo_top_index + 1
1225                ENDIF
1226!
1227!--             Set building grid points. Here, only consider 2D buildings.
1228!--             3D buildings require separate treatment.
1229                IF ( buildings_f%from_file  .AND.  buildings_f%lod == 1 )  THEN
1230!
1231!--                Fill-up the terrain to the level of maximum orography
1232!--                within the building-covered area.
1233                   IF ( building_id_f%var(j,i) /= building_id_f%fill )  THEN
1234!
1235!--                   Note, oro_max is always on zw level                   
1236                      IF ( zu(k) - ocean_offset < oro_max(nr) )  THEN
1237                         topo_3d(k,j,i) = IBCLR( topo_3d(k,j,i), 0 )
1238                         topo_3d(k,j,i) = IBSET( topo_3d(k,j,i), 1 )
1239                      ELSEIF ( zu(k) - ocean_offset <=                         &
1240                               oro_max(nr) + buildings_f%var_2d(j,i) )  THEN
1241                         topo_3d(k,j,i) = IBCLR( topo_3d(k,j,i), 0 )
1242                         topo_3d(k,j,i) = IBSET( topo_3d(k,j,i), 2 )
1243                      ENDIF
1244                   ENDIF
1245                ENDIF
1246             ENDDO
1247!
1248!--          Special treatment for non grid-resolved buildings. This case,
1249!--          the uppermost terrain grid point is flagged as building as well
1250!--          well, even though no building exists at all. However, the
1251!--          surface element will be identified as urban-surface and the
1252!--          input data provided by the drivers is consistent to the surface
1253!--          classification. Else, all non grid-resolved buildings would vanish
1254!--          and identified as terrain grid points, which, however, won't be
1255!--          consistent with the input data.
1256             IF ( buildings_f%from_file  .AND.  buildings_f%lod == 1 )  THEN
1257                IF ( building_id_f%var(j,i) /= building_id_f%fill )  THEN
1258                   DO  k = nzb, nzt
1259                      IF( zw(k) - ocean_offset == oro_max(nr) )  THEN
1260                         IF ( buildings_f%var_2d(j,i) <= zu(k+1) - zw(k) )  THEN
1261                            topo_3d(k,j,i) = IBSET( topo_3d(k,j,i), 2 )
1262                         ENDIF
1263                      ENDIF
1264                   ENDDO
1265                ENDIF
1266             ENDIF
1267!
1268!--          Map 3D buildings onto terrain height. 
1269!--          In case of any slopes, map building on top of maximum terrain
1270!--          height covered by the building. In other words, extend
1271!--          building down to the respective local terrain-surface height.
1272             IF ( buildings_f%from_file  .AND.  buildings_f%lod == 2 )  THEN
1273                IF ( building_id_f%var(j,i) /= building_id_f%fill )  THEN
1274!
1275!--                Extend building down to the terrain surface, i.e. fill-up
1276!--                surface irregularities below a building. Note, oro_max
1277!--                is already a discrete height according to the all-or-nothing
1278!--                approach, i.e. grid box is either topography or atmosphere,
1279!--                terrain top is defined at upper bound of the grid box.
1280!--                Hence, check for zw in this case.
1281!--                Note, do this only for buildings which are surface mounted,
1282!--                i.e. building types 1-6. Below bridges, which are represented
1283!--                exclusively by building type 7, terrain shape should be
1284!--                maintained.
1285                   IF ( building_type_f%from_file )  THEN
1286                      IF ( building_type_f%var(j,i) /= 7 )  THEN
1287                         DO k = topo_top_index + 1, nzt + 1     
1288                            IF ( zu(k) - ocean_offset <= oro_max(nr) )  THEN
1289                               topo_3d(k,j,i) = IBCLR( topo_3d(k,j,i), 0 )
1290                               topo_3d(k,j,i) = IBSET( topo_3d(k,j,i), 1 )
1291                            ENDIF
1292                         ENDDO       
1293!                     
1294!--                      After surface irregularities are smoothen, determine
1295!--                      lower start index where building starts.
1296                         DO  k = nzb, nzt
1297                            IF ( zu(k) - ocean_offset <= oro_max(nr) )         &
1298                               topo_top_index = k
1299                         ENDDO
1300                      ENDIF
1301                   ENDIF
1302!
1303!--                Finally, map building on top.
1304                   k2 = 0
1305                   DO k = topo_top_index, nzt + 1
1306                      IF ( k2 <= buildings_f%nz-1 )  THEN
1307                         IF ( buildings_f%var_3d(k2,j,i) == 1 )  THEN
1308                            topo_3d(k,j,i) = IBCLR( topo_3d(k,j,i), 0 )
1309                            topo_3d(k,j,i) = IBSET( topo_3d(k,j,i), 2 )
1310                         ENDIF
1311                      ENDIF
1312                      k2 = k2 + 1
1313                   ENDDO
1314                ENDIF
1315             ENDIF
1316          ENDDO
1317       ENDDO
1318!
1319!--    Horizontal exchange the oro_max array, which is required to for
1320!--    initialization of building-surface properties.
1321       IF ( ALLOCATED( buildings_f%oro_max ) )  THEN
1322          CALL exchange_horiz_2d( buildings_f%oro_max(:,:) )
1323       ENDIF
1324!
1325!--    Deallocate temporary arrays required for processing and reading data
1326       IF ( ALLOCATED( oro_max         ) )  DEALLOCATE( oro_max         )
1327       IF ( ALLOCATED( oro_max_l       ) )  DEALLOCATE( oro_max_l       )
1328       IF ( ALLOCATED( build_ids_final ) )  DEALLOCATE( build_ids_final )
1329!
1330!-- Topography input via ASCII format.
1331    ELSE
1332       ocean_offset     = MERGE( zw(0), 0.0_wp, ocean_mode )
1333!
1334!--    Initialize topography bit 0 (indicates obstacle) everywhere to zero
1335!--    and clear all grid points at nzb, where alway a surface is defined.
1336!--    Further, set also bit 1 (indicates terrain) at nzb, which is further
1337!--    used for masked data output and further processing. Note, in the
1338!--    ASCII case no distinction is made between buildings and terrain,
1339!--    so that setting of bit 1 and 2 at the same time has no effect.
1340       topo_3d          = IBSET( topo_3d, 0 )
1341       topo_3d(nzb,:,:) = IBCLR( topo_3d(nzb,:,:), 0 )
1342       topo_3d(nzb,:,:) = IBSET( topo_3d(nzb,:,:), 1 )
1343       DO  i = nxl, nxr
1344          DO  j = nys, nyn
1345             DO  k = nzb, nzt
1346!
1347!--             Flag topography for all grid points which are below
1348!--             the local topography height.
1349!--             Note, each topography is flagged as building.
1350                IF ( zu(k) - ocean_offset <= buildings_f%var_2d(j,i) )  THEN
1351                   topo_3d(k,j,i) = IBCLR( topo_3d(k,j,i), 0 )
1352                   topo_3d(k,j,i) = IBSET( topo_3d(k,j,i), 2 ) !indicates building
1353                ENDIF
1354             ENDDO
1355          ENDDO
1356       ENDDO
1357    ENDIF
1358
1359    CALL exchange_horiz_int( topo_3d, nys, nyn, nxl, nxr, nzt, nbgp )
1360
1361    IF ( .NOT. bc_ns_cyc )  THEN
1362       IF ( nys == 0  )  topo_3d(:,-1,:)   = topo_3d(:,0,:)
1363       IF ( nyn == ny )  topo_3d(:,ny+1,:) = topo_3d(:,ny,:)
1364    ENDIF
1365
1366    IF ( .NOT. bc_lr_cyc )  THEN
1367       IF ( nxl == 0  )  topo_3d(:,:,-1)   = topo_3d(:,:,0)
1368       IF ( nxr == nx )  topo_3d(:,:,nx+1) = topo_3d(:,:,nx)         
1369    ENDIF
1370
1371 END SUBROUTINE process_topography
1372
1373
1374! Description:
1375! -----------------------------------------------------------------------------!
1376!> Filter topography, i.e. fill holes resolved by only one grid point. 
1377!> Such holes are suspected to lead to velocity blow-ups as continuity
1378!> equation on discrete grid cannot be fulfilled in such case.
1379!------------------------------------------------------------------------------!
1380 SUBROUTINE filter_topography( topo_3d )
1381
1382    USE control_parameters,                                                    &
1383        ONLY:  bc_lr_cyc, bc_ns_cyc, message_string
1384
1385    USE exchange_horiz_mod,                                                    &
1386        ONLY:  exchange_horiz_int, exchange_horiz_2d_byte, exchange_horiz_2d_int
1387
1388    USE indices,                                                               &
1389        ONLY:  nbgp, nx, nxl, nxlg, nxr, nxrg, ny, nyn, nyng, nys, nysg, nzb, nzt
1390
1391    USE netcdf_data_input_mod,                                                 &
1392        ONLY:  building_id_f, building_type_f 
1393
1394    USE  pegrid
1395
1396    IMPLICIT NONE
1397
1398    LOGICAL      ::  filled = .FALSE. !< flag indicating if holes were filled
1399
1400    INTEGER(iwp) ::  i          !< running index along x-direction
1401    INTEGER(iwp) ::  j          !< running index along y-direction
1402    INTEGER(iwp) ::  k          !< running index along z-direction
1403    INTEGER(iwp) ::  num_hole   !< number of holes (in topography) resolved by only one grid point
1404    INTEGER(iwp) ::  num_hole_l !< number of holes (in topography) resolved by only one grid point on local PE     
1405    INTEGER(iwp) ::  num_wall   !< number of surrounding vertical walls for a single grid point
1406
1407    INTEGER(iwp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE            ::  topo_tmp          !< temporary 3D-topography used to fill holes
1408    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::  topo_3d           !< 3D-topography array merging buildings and orography
1409!
1410!-- Before checking for holes, set lateral boundary conditions for
1411!-- topography. After hole-filling, boundary conditions must be set again.
1412!-- Several iterations are performed, in order to fill holes which might
1413!-- emerge by the filling-algorithm itself.
1414    ALLOCATE( topo_tmp(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
1415    topo_tmp = 0
1416
1417    num_hole = 99999
1418    DO WHILE ( num_hole > 0 )       
1419
1420       num_hole = 0   
1421       CALL exchange_horiz_int( topo_3d, nys, nyn, nxl, nxr, nzt, nbgp )
1422!
1423!--    Exchange also building ID and type. Note, building_type is an one-byte
1424!--    variable.
1425       IF ( building_id_f%from_file )                                          &
1426          CALL exchange_horiz_2d_int( building_id_f%var, nys, nyn, nxl, nxr, nbgp )
1427       IF ( building_type_f%from_file )                                        &
1428          CALL exchange_horiz_2d_byte( building_type_f%var, nys, nyn, nxl, nxr, nbgp )
1429
1430       topo_tmp = topo_3d
1431!
1432!--    In case of non-cyclic lateral boundaries, assume lateral boundary to be
1433!--    a solid wall. Thus, intermediate spaces of one grid point between
1434!--    boundary and some topographic structure will be filled.           
1435       IF ( .NOT. bc_ns_cyc )  THEN
1436          IF ( nys == 0  )  topo_tmp(:,-1,:)   = IBCLR( topo_tmp(:,0,:),  0 )
1437          IF ( nyn == ny )  topo_tmp(:,ny+1,:) = IBCLR( topo_tmp(:,ny,:), 0 )
1438       ENDIF
1439
1440       IF ( .NOT. bc_lr_cyc )  THEN
1441          IF ( nxl == 0  )  topo_tmp(:,:,-1)   = IBCLR( topo_tmp(:,:,0),  0 )
1442          IF ( nxr == nx )  topo_tmp(:,:,nx+1) = IBCLR( topo_tmp(:,:,nx), 0 )         
1443       ENDIF
1444
1445       num_hole_l = 0
1446       DO i = nxl, nxr
1447          DO j = nys, nyn
1448             DO  k = nzb+1, nzt
1449                IF ( BTEST( topo_tmp(k,j,i), 0 ) )  THEN
1450                   num_wall = 0
1451                   IF ( .NOT. BTEST( topo_tmp(k,j-1,i), 0 ) )                  &
1452                      num_wall = num_wall + 1
1453                   IF ( .NOT. BTEST( topo_tmp(k,j+1,i), 0 ) )                  &
1454                      num_wall = num_wall + 1
1455                   IF ( .NOT. BTEST( topo_tmp(k,j,i-1), 0 ) )                  &
1456                      num_wall = num_wall + 1
1457                   IF ( .NOT. BTEST( topo_tmp(k,j,i+1), 0 ) )                  &
1458                      num_wall = num_wall + 1
1459                   IF ( .NOT. BTEST( topo_tmp(k-1,j,i), 0 ) )                  &
1460                      num_wall = num_wall + 1   
1461                   IF ( .NOT. BTEST( topo_tmp(k+1,j,i), 0 ) )                  &
1462                      num_wall = num_wall + 1
1463
1464                   IF ( num_wall >= 4 )  THEN
1465                      num_hole_l     = num_hole_l + 1
1466!
1467!--                   Clear flag 0 and set special flag ( bit 4) to indicate
1468!--                   that new topography point is a result of filtering process.
1469                      topo_3d(k,j,i) = IBCLR( topo_3d(k,j,i), 0 )
1470                      topo_3d(k,j,i) = IBSET( topo_3d(k,j,i), 4 )
1471!
1472!--                   If filled grid point is occupied by a building, classify
1473!--                   it as building grid point.
1474                      IF ( building_type_f%from_file )  THEN
1475                         IF ( building_type_f%var(j,i)   /=                    & 
1476                              building_type_f%fill            .OR.             &       
1477                              building_type_f%var(j+1,i) /=                    & 
1478                              building_type_f%fill            .OR.             &               
1479                              building_type_f%var(j-1,i) /=                    &               
1480                              building_type_f%fill            .OR.             &               
1481                              building_type_f%var(j,i+1) /=                    &               
1482                              building_type_f%fill            .OR.             &               
1483                              building_type_f%var(j,i-1) /=                    &               
1484                              building_type_f%fill )  THEN
1485!
1486!--                         Set flag indicating building surfaces
1487                            topo_3d(k,j,i) = IBSET( topo_3d(k,j,i), 2 )
1488!
1489!--                         Set building_type and ID at this position if not
1490!--                         already set. This is required for proper
1491!--                         initialization of urban-surface energy balance
1492!--                         solver.
1493                            IF ( building_type_f%var(j,i) ==                   &
1494                                 building_type_f%fill )  THEN
1495
1496                               IF ( building_type_f%var(j+1,i) /=              &
1497                                    building_type_f%fill )  THEN
1498                                  building_type_f%var(j,i) =                   &
1499                                                    building_type_f%var(j+1,i)
1500                                  building_id_f%var(j,i) =                     &
1501                                                    building_id_f%var(j+1,i)
1502                               ELSEIF ( building_type_f%var(j-1,i) /=          &
1503                                        building_type_f%fill )  THEN
1504                                  building_type_f%var(j,i) =                   &
1505                                                    building_type_f%var(j-1,i)
1506                                  building_id_f%var(j,i) =                     &
1507                                                    building_id_f%var(j-1,i)
1508                               ELSEIF ( building_type_f%var(j,i+1) /=          &
1509                                        building_type_f%fill )  THEN
1510                                  building_type_f%var(j,i) =                   &
1511                                                    building_type_f%var(j,i+1)
1512                                  building_id_f%var(j,i) =                     &
1513                                                    building_id_f%var(j,i+1)
1514                               ELSEIF ( building_type_f%var(j,i-1) /=          &
1515                                        building_type_f%fill )  THEN
1516                                  building_type_f%var(j,i) =                   &
1517                                                    building_type_f%var(j,i-1)
1518                                  building_id_f%var(j,i) =                     &
1519                                                    building_id_f%var(j,i-1)
1520                               ENDIF
1521                            ENDIF
1522                         ENDIF
1523                      ENDIF
1524!
1525!--                   If filled grid point is already classified as building
1526!--                   everything is fine, else classify this grid point as
1527!--                   natural type grid point. This case, values for the
1528!--                   surface type are already set.
1529                      IF ( .NOT. BTEST( topo_3d(k,j,i), 2 ) )  THEN
1530                         topo_3d(k,j,i) = IBSET( topo_3d(k,j,i), 1 )
1531                      ENDIF
1532                   ENDIF
1533                ENDIF
1534             ENDDO
1535          ENDDO
1536       ENDDO
1537!
1538!--    Count the total number of holes, required for informative message.
1539#if defined( __parallel )
1540       CALL MPI_ALLREDUCE( num_hole_l, num_hole, 1, MPI_INTEGER, MPI_SUM,      &
1541                           comm2d, ierr )
1542#else
1543       num_hole = num_hole_l
1544#endif   
1545       IF ( num_hole > 0  .AND.  .NOT. filled )  filled = .TRUE.
1546
1547    ENDDO
1548!
1549!-- Create an informative message if any holes were filled.
1550    IF ( filled )  THEN
1551       WRITE( message_string, * ) 'Topography was filtered, i.e. holes ' //    &
1552                                  'resolved by only one grid point '     //    &
1553                                  'were filled during initialization.'
1554       CALL message( 'init_grid', 'PA0430', 0, 0, 0, 6, 0 )
1555    ENDIF
1556
1557    DEALLOCATE( topo_tmp )
1558!
1559!-- Finally, exchange topo_3d array again and if necessary set Neumann boundary
1560!-- condition in case of non-cyclic lateral boundaries.
1561    CALL exchange_horiz_int( topo_3d, nys, nyn, nxl, nxr, nzt, nbgp )
1562
1563    IF ( .NOT. bc_ns_cyc )  THEN
1564       IF ( nys == 0  )  topo_3d(:,-1,:)   = topo_3d(:,0,:)
1565       IF ( nyn == ny )  topo_3d(:,ny+1,:) = topo_3d(:,ny,:)
1566    ENDIF
1567
1568    IF ( .NOT. bc_lr_cyc )  THEN
1569       IF ( nxl == 0  )  topo_3d(:,:,-1)   = topo_3d(:,:,0)
1570       IF ( nxr == nx )  topo_3d(:,:,nx+1) = topo_3d(:,:,nx)         
1571    ENDIF
1572!
1573!-- Exchange building ID and type. Note, building_type is an one-byte variable.
1574    IF ( building_id_f%from_file )                                             &
1575       CALL exchange_horiz_2d_int( building_id_f%var, nys, nyn, nxl, nxr, nbgp )
1576    IF ( building_type_f%from_file )                                           &
1577       CALL exchange_horiz_2d_byte( building_type_f%var, nys, nyn, nxl, nxr, nbgp )
1578
1579 END SUBROUTINE filter_topography
1580
1581
1582! Description:
1583! -----------------------------------------------------------------------------!
1584!> Reads topography information from file or sets generic topography. Moreover,
1585!> all topography-relevant topography arrays are initialized, and grid flags
1586!> are set. 
1587!------------------------------------------------------------------------------!
1588 SUBROUTINE init_topo( topo )
1589
1590    USE arrays_3d,                                                             &
1591        ONLY:  zw
1592       
1593    USE control_parameters,                                                    &
1594        ONLY:  bc_lr_cyc, bc_ns_cyc, building_height, building_length_x,       &
1595               building_length_y, building_wall_left, building_wall_south,     &
1596               canyon_height, canyon_wall_left, canyon_wall_south,             &
1597               canyon_width_x, canyon_width_y, dp_level_ind_b, dz,             &
1598               message_string, topography, topography_grid_convention,         &
1599               tunnel_height, tunnel_length, tunnel_width_x, tunnel_width_y,   &
1600               tunnel_wall_depth
1601         
1602    USE exchange_horiz_mod,                                                    &
1603        ONLY:  exchange_horiz_int
1604
1605    USE grid_variables,                                                        &
1606        ONLY:  dx, dy
1607       
1608    USE indices,                                                               &
1609        ONLY:  nbgp, nx, nxl, nxlg, nxr, nxrg, ny, nyn, nyng, nys, nysg, nz,   &
1610               nzb, nzt
1611   
1612    USE kinds
1613   
1614    USE netcdf_data_input_mod,                                                 &
1615        ONLY:  buildings_f, terrain_height_f 
1616
1617    USE pegrid
1618
1619    IMPLICIT NONE
1620
1621    INTEGER(iwp) ::  bh                !< temporary vertical index of building height
1622    INTEGER(iwp) ::  ngp_bx            !< grid point number of building size along x
1623    INTEGER(iwp) ::  ngp_by            !< grid point number of building size along y
1624    INTEGER(iwp) ::  index_left_bwall  !< index for left building wall
1625    INTEGER(iwp) ::  index_right_bwall !< index for right building wall
1626    INTEGER(iwp) ::  index_north_bwall !< index for north building wall
1627    INTEGER(iwp) ::  index_south_bwall !< index for south building wall
1628    INTEGER(iwp) ::  ch                !< temporary vertical index for canyon height
1629    INTEGER(iwp) ::  ngp_cx            !< grid point number of canyon size along x
1630    INTEGER(iwp) ::  ngp_cy            !< grid point number of canyon size along y
1631    INTEGER(iwp) ::  index_left_cwall  !< index for left canyon wall
1632    INTEGER(iwp) ::  index_right_cwall !< index for right canyon wall
1633    INTEGER(iwp) ::  index_north_cwall !< index for north canyon wall
1634    INTEGER(iwp) ::  index_south_cwall !< index for south canyon wall
1635    INTEGER(iwp) ::  i                 !< index variable along x
1636    INTEGER(iwp) ::  j                 !< index variable along y
1637    INTEGER(iwp) ::  k                 !< index variable along z
1638    INTEGER(iwp) ::  hv_in             !< heavyside function to model inner tunnel surface
1639    INTEGER(iwp) ::  hv_out            !< heavyside function to model outer tunnel surface
1640    INTEGER(iwp) ::  txe_out           !< end position of outer tunnel wall in x
1641    INTEGER(iwp) ::  txs_out           !< start position of outer tunnel wall in x
1642    INTEGER(iwp) ::  tye_out           !< end position of outer tunnel wall in y
1643    INTEGER(iwp) ::  tys_out           !< start position of outer tunnel wall in y
1644    INTEGER(iwp) ::  txe_in            !< end position of inner tunnel wall in x
1645    INTEGER(iwp) ::  txs_in            !< start position of inner tunnel wall in x
1646    INTEGER(iwp) ::  tye_in            !< end position of inner tunnel wall in y
1647    INTEGER(iwp) ::  tys_in            !< start position of inner tunnel wall in y
1648    INTEGER(iwp) ::  td                !< tunnel wall depth
1649    INTEGER(iwp) ::  th                !< height of outer tunnel wall
1650
1651    INTEGER(iwp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  nzb_local         !< index for topography top at cell-center
1652    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::  topo !< input array for 3D topography and dummy array for setting "outer"-flags
1653!
1654!-- Check for correct setting of the namelist parameter topography. If
1655!-- topography information is read from file but topography = 'flat',
1656!-- initialization does not work properly.
1657    IF ( ( buildings_f%from_file  .OR.  terrain_height_f%from_file )  .AND.    &
1658           TRIM( topography ) /= 'read_from_file' )  THEN
1659       message_string =  'If topography information is provided (via ' //      &
1660                         'Netcdf or ASCII input) topography = '        //      &
1661                         '"read_from_file" is required.'
1662       CALL message( 'init_grid', 'PA0437', 1, 2, 0, 6, 0 )     
1663    ENDIF
1664!
1665!-- Set outer and inner index arrays for non-flat topography.
1666!-- Here consistency checks concerning domain size and periodicity are
1667!-- necessary.
1668!-- Within this SELECT CASE structure only nzb_local is initialized
1669!-- individually depending on the chosen topography type, all other index
1670!-- arrays are initialized further below.
1671    SELECT CASE ( TRIM( topography ) )
1672
1673       CASE ( 'flat' )
1674!   
1675!--       Initialilize 3D topography array, used later for initializing flags
1676          topo(nzb+1:nzt+1,:,:) = IBSET( topo(nzb+1:nzt+1,:,:), 0 )
1677         
1678       CASE ( 'closed_channel' )
1679!   
1680!--       Initialilize 3D topography array, used later for initializing flags
1681          topo(nzb+1:nzt,:,:) = IBSET( topo(nzb+1:nzt,:,:), 0 ) 
1682
1683       CASE ( 'single_building' )
1684!
1685!--       Single rectangular building, by default centered in the middle of the
1686!--       total domain
1687          ngp_bx = NINT( building_length_x / dx )
1688          ngp_by = NINT( building_length_y / dy )
1689          bh  = MINLOC( ABS( zw - building_height ), 1 ) - 1
1690          IF ( ABS( zw(bh)   - building_height ) == &
1691               ABS( zw(bh+1) - building_height )    )  bh = bh + 1
1692          IF ( building_wall_left == 9999999.9_wp )  THEN
1693             building_wall_left = ( nx + 1 - ngp_bx ) / 2 * dx
1694          ENDIF
1695          index_left_bwall = NINT( building_wall_left / dx )
1696          index_right_bwall = index_left_bwall + ngp_bx
1697
1698          IF ( building_wall_south == 9999999.9_wp )  THEN
1699              building_wall_south = ( ny + 1 - ngp_by ) / 2 * dy
1700          ENDIF
1701          index_south_bwall = NINT( building_wall_south / dy )
1702          index_north_bwall = index_south_bwall + ngp_by
1703
1704!
1705!--       Building size has to meet some requirements
1706          IF ( ( index_left_bwall < 1 ) .OR. ( index_right_bwall > nx-1 ) .OR. &
1707               ( index_right_bwall < index_left_bwall+3 ) .OR.                 &
1708               ( index_south_bwall < 1 ) .OR. ( index_north_bwall > ny-1 ) .OR.&
1709               ( index_north_bwall < index_south_bwall+3 ) )  THEN
1710             WRITE( message_string, * ) 'inconsistent building parameters:',   &
1711                                      '&index_left_bwall=', index_left_bwall,  &
1712                                      'index_right_bwall=', index_right_bwall, &
1713                                      'index_south_bwall=', index_south_bwall, &
1714                                      'index_north_bwall=', index_north_bwall, &
1715                                      'nx=', nx, 'ny=', ny
1716             CALL message( 'init_grid', 'PA0203', 1, 2, 0, 6, 0 )
1717          ENDIF
1718
1719          ALLOCATE( nzb_local(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
1720          nzb_local = 0
1721!
1722!--       Define the building.
1723          IF ( index_left_bwall <= nxr  .AND.  index_right_bwall >= nxl  .AND. &
1724               index_south_bwall <= nyn  .AND.  index_north_bwall >= nys )     & 
1725             nzb_local(MAX(nys,index_south_bwall):MIN(nyn,index_north_bwall),  &
1726                       MAX(nxl,index_left_bwall):MIN(nxr,index_right_bwall)) = bh
1727!
1728!--       Set bit array on basis of nzb_local
1729          DO  i = nxl, nxr
1730             DO  j = nys, nyn
1731                topo(nzb_local(j,i)+1:nzt+1,j,i) =                             &
1732                                 IBSET( topo(nzb_local(j,i)+1:nzt+1,j,i), 0 ) 
1733             ENDDO
1734          ENDDO
1735       
1736          DEALLOCATE( nzb_local )
1737
1738          CALL exchange_horiz_int( topo, nys, nyn, nxl, nxr, nzt, nbgp )
1739!
1740!--       Set boundary conditions also for flags. Can be interpreted as Neumann
1741!--       boundary conditions for topography.
1742          IF ( .NOT. bc_ns_cyc )  THEN
1743             IF ( nys == 0  )  THEN
1744                DO  i = 1, nbgp     
1745                   topo(:,nys-i,:)   = topo(:,nys,:)
1746                ENDDO
1747             ENDIF
1748             IF ( nyn == ny )  THEN
1749                DO  i = 1, nbgp 
1750                   topo(:,nyn+i,:) = topo(:,nyn,:)
1751                ENDDO
1752             ENDIF
1753          ENDIF
1754          IF ( .NOT. bc_lr_cyc )  THEN
1755             IF ( nxl == 0  )  THEN
1756                DO  i = 1, nbgp   
1757                   topo(:,:,nxl-i)   = topo(:,:,nxl)
1758                ENDDO
1759             ENDIF
1760             IF ( nxr == nx )  THEN
1761                DO  i = 1, nbgp   
1762                   topo(:,:,nxr+i) = topo(:,:,nxr)     
1763                ENDDO
1764             ENDIF     
1765          ENDIF
1766
1767       CASE ( 'single_street_canyon' )
1768!
1769!--       Single quasi-2D street canyon of infinite length in x or y direction.
1770!--       The canyon is centered in the other direction by default.
1771          IF ( canyon_width_x /= 9999999.9_wp )  THEN
1772!
1773!--          Street canyon in y direction
1774             ngp_cx = NINT( canyon_width_x / dx )
1775             IF ( canyon_wall_left == 9999999.9_wp )  THEN
1776                canyon_wall_left = ( nx + 1 - ngp_cx ) / 2 * dx
1777             ENDIF
1778             index_left_cwall= NINT( canyon_wall_left / dx )
1779             index_right_cwall= index_left_cwall+ ngp_cx
1780          ELSEIF ( canyon_width_y /= 9999999.9_wp )  THEN
1781!
1782!--          Street canyon in x direction
1783             ngp_cy = NINT( canyon_width_y / dy )
1784             IF ( canyon_wall_south == 9999999.9_wp )  THEN
1785                canyon_wall_south = ( ny + 1 - ngp_cy ) / 2 * dy
1786             ENDIF
1787             index_south_cwall = NINT( canyon_wall_south / dy )
1788             index_north_cwall = index_south_cwall + ngp_cy
1789     
1790          ELSE
1791             
1792             message_string = 'no street canyon width given'
1793             CALL message( 'init_grid', 'PA0204', 1, 2, 0, 6, 0 )
1794 
1795          ENDIF
1796
1797          ch  = MINLOC( ABS( zw - canyon_height ), 1 ) - 1
1798          IF ( ABS( zw(ch)   - canyon_height ) == &
1799               ABS( zw(ch+1) - canyon_height )    )  ch = ch + 1
1800          dp_level_ind_b = ch
1801!
1802!--       Street canyon size has to meet some requirements
1803          IF ( canyon_width_x /= 9999999.9_wp )  THEN
1804             IF ( ( index_left_cwall< 1 ) .OR. ( index_right_cwall> nx-1 ) .OR.&
1805                  ( ngp_cx < 3 ) )  THEN
1806                WRITE( message_string, * ) 'inconsistent canyon parameters:',  &
1807                                           '&index_left_cwall=', index_left_cwall, &
1808                                           ' index_right_cwall=', index_right_cwall, &
1809                                           ' ngp_cx=', ngp_cx,                 &
1810                                           ' ch=', ch, ' nx=', nx, ' ny=', ny
1811                CALL message( 'init_grid', 'PA0205', 1, 2, 0, 6, 0 ) 
1812             ENDIF
1813          ELSEIF ( canyon_width_y /= 9999999.9_wp )  THEN
1814             IF ( ( index_south_cwall < 1 ) .OR.                               &
1815                  ( index_north_cwall > ny-1 ) .OR. ( ngp_cy < 3 ) )  THEN
1816                WRITE( message_string, * ) 'inconsistent canyon parameters:',  &
1817                                           '&index_south_cwall=', index_south_cwall, & 
1818                                           ' index_north_cwall=', index_north_cwall, &
1819                                           ' ngp_cy=', ngp_cy,                 &
1820                                           ' ch=', ch, ' nx=', nx, ' ny=', ny
1821                CALL message( 'init_grid', 'PA0206', 1, 2, 0, 6, 0 ) 
1822             ENDIF
1823          ENDIF
1824          IF ( canyon_width_x /= 9999999.9_wp .AND.                            &                 
1825               canyon_width_y /= 9999999.9_wp )  THEN
1826             message_string = 'inconsistent canyon parameters:' //             &   
1827                              '&street canyon can only be oriented' //         &
1828                              ' either in x- or in y-direction'
1829             CALL message( 'init_grid', 'PA0207', 1, 2, 0, 6, 0 )
1830          ENDIF
1831
1832          ALLOCATE( nzb_local(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
1833          nzb_local = ch
1834          IF ( canyon_width_x /= 9999999.9_wp )  THEN
1835             IF ( index_left_cwall<= nxr  .AND.  index_right_cwall>= nxl )     &
1836                nzb_local(:,MAX(nxl,index_left_cwall+1):MIN(nxr,index_right_cwall-1)) = 0
1837          ELSEIF ( canyon_width_y /= 9999999.9_wp )  THEN
1838             IF ( index_south_cwall <= nyn  .AND.  index_north_cwall >= nys )  &         
1839                nzb_local(MAX(nys,index_south_cwall+1):MIN(nyn,index_north_cwall-1),:) = 0
1840          ENDIF
1841!
1842!--       Set bit array on basis of nzb_local
1843          DO  i = nxl, nxr
1844             DO  j = nys, nyn
1845                topo(nzb_local(j,i)+1:nzt+1,j,i) =                             &
1846                                 IBSET( topo(nzb_local(j,i)+1:nzt+1,j,i), 0 ) 
1847             ENDDO
1848          ENDDO
1849          DEALLOCATE( nzb_local )
1850
1851          CALL exchange_horiz_int( topo, nys, nyn, nxl, nxr, nzt, nbgp )
1852!
1853!--       Set boundary conditions also for flags. Can be interpreted as Neumann
1854!--       boundary conditions for topography.
1855          IF ( .NOT. bc_ns_cyc )  THEN
1856             IF ( nys == 0  )  THEN
1857                DO  i = 1, nbgp     
1858                   topo(:,nys-i,:)   = topo(:,nys,:)
1859                ENDDO
1860             ENDIF
1861             IF ( nyn == ny )  THEN
1862                DO  i = 1, nbgp 
1863                   topo(:,nyn+i,:) = topo(:,nyn,:)
1864                ENDDO
1865             ENDIF
1866          ENDIF
1867          IF ( .NOT. bc_lr_cyc )  THEN
1868             IF ( nxl == 0  )  THEN
1869                DO  i = 1, nbgp   
1870                   topo(:,:,nxl-i)   = topo(:,:,nxl)
1871                ENDDO
1872             ENDIF
1873             IF ( nxr == nx )  THEN
1874                DO  i = 1, nbgp   
1875                   topo(:,:,nxr+i) = topo(:,:,nxr)     
1876                ENDDO
1877             ENDIF     
1878          ENDIF
1879
1880       CASE ( 'tunnel' )
1881
1882!
1883!--       Tunnel height
1884          IF ( tunnel_height == 9999999.9_wp )  THEN
1885             th = zw( INT( 0.2 * nz) )
1886          ELSE
1887             th = tunnel_height
1888          ENDIF
1889!
1890!--       Tunnel-wall depth
1891          IF ( tunnel_wall_depth == 9999999.9_wp )  THEN 
1892             td = MAX ( dx, dy, dz(1) )
1893          ELSE
1894             td = tunnel_wall_depth
1895          ENDIF
1896!
1897!--       Check for tunnel width
1898          IF ( tunnel_width_x == 9999999.9_wp  .AND.                           &
1899               tunnel_width_y == 9999999.9_wp  )  THEN
1900             message_string = 'No tunnel width is given. '
1901             CALL message( 'init_grid', 'PA0280', 1, 2, 0, 6, 0 )
1902          ENDIF
1903          IF ( tunnel_width_x /= 9999999.9_wp  .AND.                           &
1904               tunnel_width_y /= 9999999.9_wp  )  THEN
1905             message_string = 'Inconsistent tunnel parameters:' //             &   
1906                              'tunnel can only be oriented' //                 &
1907                              'either in x- or in y-direction.'
1908             CALL message( 'init_grid', 'PA0281', 1, 2, 0, 6, 0 )
1909          ENDIF
1910!
1911!--       Check for too small tunnel width in x- and y-direction
1912          IF ( tunnel_width_x /= 9999999.9_wp  .AND.                           &   
1913               tunnel_width_x - 2.0_wp * td <= 2.0_wp * dx )  THEN
1914             message_string = 'tunnel_width_x too small'
1915             CALL message( 'init_grid', 'PA0175', 1, 2, 0, 6, 0 )
1916          ENDIF
1917          IF ( tunnel_width_y /= 9999999.9_wp  .AND.                           &
1918               tunnel_width_y - 2.0_wp * td <= 2.0_wp * dy )  THEN
1919             message_string = 'tunnel_width_y too small'
1920             CALL message( 'init_grid', 'PA0455', 1, 2, 0, 6, 0 )
1921          ENDIF
1922!
1923!--       Check for too large tunnel width.
1924!--       Tunnel axis along y.
1925          IF ( tunnel_width_x /= 9999999.9_wp )  THEN
1926             IF ( tunnel_width_x > ( nx + 1 ) * dx )  THEN
1927                message_string = 'tunnel_width_x too large'
1928                CALL message( 'init_grid', 'PA0282', 1, 2, 0, 6, 0 )
1929             ENDIF
1930
1931             txs_out = INT( ( nx + 1 ) * 0.5_wp * dx - tunnel_width_x * 0.5_wp )
1932             txe_out = INT( ( nx + 1 ) * 0.5_wp * dx + tunnel_width_x * 0.5_wp )
1933             txs_in  = INT( ( nx + 1 ) * 0.5_wp * dx -                         &
1934                                      ( tunnel_width_x * 0.5_wp - td ) )
1935             txe_in  = INT( ( nx + 1 ) * 0.5_wp * dx +                         &
1936                                   ( tunnel_width_x * 0.5_wp - td ) )
1937
1938             tys_out = INT( ( ny + 1 ) * 0.5_wp * dy - tunnel_length * 0.5_wp )
1939             tye_out = INT( ( ny + 1 ) * 0.5_wp * dy + tunnel_length * 0.5_wp )
1940             tys_in  = tys_out
1941             tye_in  = tye_out
1942          ENDIF
1943!
1944!--       Tunnel axis along x.
1945          IF ( tunnel_width_y /= 9999999.9_wp )  THEN
1946             IF ( tunnel_width_y > ( ny + 1 ) * dy )  THEN
1947                message_string = 'tunnel_width_y too large'
1948                CALL message( 'init_grid', 'PA0456', 1, 2, 0, 6, 0 )
1949             ENDIF
1950
1951             txs_out = INT( ( nx + 1 ) * 0.5_wp * dx - tunnel_length * 0.5_wp )
1952             txe_out = INT( ( nx + 1 ) * 0.5_wp * dx + tunnel_length * 0.5_wp )
1953             txs_in  = txs_out
1954             txe_in  = txe_out
1955
1956             tys_out = INT( ( ny + 1 ) * 0.5_wp * dy - tunnel_width_y * 0.5_wp )
1957             tye_out = INT( ( ny + 1 ) * 0.5_wp * dy + tunnel_width_y * 0.5_wp )
1958             tys_in  = INT( ( ny + 1 ) * 0.5_wp * dy -                         &
1959                                        ( tunnel_width_y * 0.5_wp - td ) )
1960             tye_in  = INT( ( ny + 1 ) * 0.5_wp * dy +                         &
1961                                     ( tunnel_width_y * 0.5_wp - td ) )
1962          ENDIF
1963
1964          topo = 0
1965          DO  i = nxl, nxr
1966             DO  j = nys, nyn
1967!
1968!--             Use heaviside function to model outer tunnel surface
1969                hv_out = th * 0.5_wp *                                         &
1970                              ( ( SIGN( 1.0_wp, i * dx - txs_out ) + 1.0_wp )  &
1971                              - ( SIGN( 1.0_wp, i * dx - txe_out ) + 1.0_wp ) )
1972
1973                hv_out = hv_out * 0.5_wp *                                     &
1974                            ( ( SIGN( 1.0_wp, j * dy - tys_out ) + 1.0_wp )    &
1975                            - ( SIGN( 1.0_wp, j * dy - tye_out ) + 1.0_wp ) )
1976!   
1977!--             Use heaviside function to model inner tunnel surface
1978                hv_in  = ( th - td ) * 0.5_wp *                                &
1979                                ( ( SIGN( 1.0_wp, i * dx - txs_in ) + 1.0_wp ) &
1980                                - ( SIGN( 1.0_wp, i * dx - txe_in ) + 1.0_wp ) )
1981
1982                hv_in = hv_in * 0.5_wp *                                       &
1983                                ( ( SIGN( 1.0_wp, j * dy - tys_in ) + 1.0_wp ) &
1984                                - ( SIGN( 1.0_wp, j * dy - tye_in ) + 1.0_wp ) )
1985!
1986!--             Set flags at x-y-positions without any tunnel surface
1987                IF ( hv_out - hv_in == 0.0_wp )  THEN
1988                   topo(nzb+1:nzt+1,j,i) = IBSET( topo(nzb+1:nzt+1,j,i), 0 )
1989!
1990!--             Set flags at x-y-positions with tunnel surfaces
1991                ELSE
1992                   DO  k = nzb + 1, nzt + 1
1993!
1994!--                   Inner tunnel
1995                      IF ( hv_out - hv_in == th )  THEN
1996                         IF ( zw(k) <= hv_out )  THEN
1997                            topo(k,j,i) = IBCLR( topo(k,j,i), 0 )
1998                         ELSE
1999                            topo(k,j,i) = IBSET( topo(k,j,i), 0 )
2000                         ENDIF
2001                      ENDIF
2002!
2003!--                   Lateral tunnel walls
2004                      IF ( hv_out - hv_in == td )  THEN
2005                         IF ( zw(k) <= hv_in )  THEN
2006                            topo(k,j,i) = IBSET( topo(k,j,i), 0 )
2007                         ELSEIF ( zw(k) > hv_in  .AND.  zw(k) <= hv_out )  THEN
2008                            topo(k,j,i) = IBCLR( topo(k,j,i), 0 )
2009                         ELSEIF ( zw(k) > hv_out )  THEN
2010                            topo(k,j,i) = IBSET( topo(k,j,i), 0 )
2011                         ENDIF
2012                      ENDIF
2013                   ENDDO
2014                ENDIF
2015             ENDDO
2016          ENDDO
2017
2018          CALL exchange_horiz_int( topo, nys, nyn, nxl, nxr, nzt, nbgp )
2019!
2020!--       Set boundary conditions also for flags. Can be interpreted as Neumann
2021!--       boundary conditions for topography.
2022          IF ( .NOT. bc_ns_cyc )  THEN
2023             IF ( nys == 0  )  THEN
2024                DO  i = 1, nbgp     
2025                   topo(:,nys-i,:)   = topo(:,nys,:)
2026                ENDDO
2027             ENDIF
2028             IF ( nyn == ny )  THEN
2029                DO  i = 1, nbgp 
2030                   topo(:,nyn+i,:) = topo(:,nyn,:)
2031                ENDDO
2032             ENDIF
2033          ENDIF
2034          IF ( .NOT. bc_lr_cyc )  THEN
2035             IF ( nxl == 0  )  THEN
2036                DO  i = 1, nbgp   
2037                   topo(:,:,nxl-i)   = topo(:,:,nxl)
2038                ENDDO
2039             ENDIF
2040             IF ( nxr == nx )  THEN
2041                DO  i = 1, nbgp   
2042                   topo(:,:,nxr+i) = topo(:,:,nxr)     
2043                ENDDO
2044             ENDIF     
2045          ENDIF
2046
2047       CASE ( 'read_from_file' )
2048!
2049!--       Note, topography information have been already read. 
2050!--       If required, further process topography, i.e. reference buildings on
2051!--       top of orography and set temporary 3D topography array, which is
2052!--       used later to set grid flags. Calling of this rouinte is also
2053!--       required in case of ASCII input, even though no distinction between
2054!--       terrain- and building height is made in this case. 
2055          CALL process_topography( topo )
2056!
2057!--       Filter holes resolved by only one grid-point
2058          CALL filter_topography( topo )
2059!
2060!--       Exchange ghost-points, as well as add cyclic or Neumann boundary
2061!--       conditions.
2062          CALL exchange_horiz_int( topo, nys, nyn, nxl, nxr, nzt, nbgp )
2063!
2064!--       Set lateral boundary conditions for topography on all ghost layers
2065          IF ( .NOT. bc_ns_cyc )  THEN
2066             IF ( nys == 0  )  THEN
2067                DO  i = 1, nbgp         
2068                   topo(:,nys-i,:) = topo(:,nys,:)
2069                ENDDO
2070             ENDIF
2071             IF ( nyn == ny )  THEN
2072                DO  i = 1, nbgp         
2073                   topo(:,nyn+i,:) = topo(:,nyn,:)
2074                ENDDO
2075             ENDIF
2076          ENDIF
2077
2078          IF ( .NOT. bc_lr_cyc )  THEN
2079             IF ( nxl == 0  )  THEN
2080                DO  i = 1, nbgp 
2081                   topo(:,:,nxl-i) = topo(:,:,nxl)
2082                ENDDO
2083             ENDIF
2084             IF ( nxr == nx )  THEN
2085                DO  i = 1, nbgp 
2086                   topo(:,:,nxr+i) = topo(:,:,nxr)
2087                ENDDO
2088             ENDIF
2089          ENDIF
2090
2091
2092       CASE DEFAULT
2093!   
2094!--       The DEFAULT case is reached either if the parameter topography
2095!--       contains a wrong character string or if the user has defined a special
2096!--       case in the user interface. There, the subroutine user_init_grid
2097!--       checks which of these two conditions applies.
2098          CALL user_init_grid( topo )
2099          CALL filter_topography( topo )
2100
2101    END SELECT
2102!
2103!-- Consistency checks and index array initialization are only required for
2104!-- non-flat topography.
2105    IF ( TRIM( topography ) /= 'flat' )  THEN
2106!
2107!--    In case of non-flat topography, check whether the convention how to
2108!--    define the topography grid has been set correctly, or whether the default
2109!--    is applicable. If this is not possible, abort.
2110       IF ( TRIM( topography_grid_convention ) == ' ' )  THEN
2111          IF ( TRIM( topography ) /= 'closed_channel' .AND.                    &
2112               TRIM( topography ) /= 'single_building' .AND.                   &
2113               TRIM( topography ) /= 'single_street_canyon' .AND.              &
2114               TRIM( topography ) /= 'tunnel'  .AND.                           &
2115               TRIM( topography ) /= 'read_from_file')  THEN
2116!--          The default value is not applicable here, because it is only valid
2117!--          for the four standard cases 'single_building',
2118!--          'single_street_canyon', 'tunnel' and 'read_from_file'
2119!--          defined in init_grid.
2120             WRITE( message_string, * )                                        &
2121               'The value for "topography_grid_convention" ',                  &
2122               'is not set. Its default value is & only valid for ',           &
2123               '"topography" = ''single_building'', ''tunnel'' ',              &
2124               '''single_street_canyon'', ''closed_channel'' & or ',           &
2125               '''read_from_file''.',                                          &
2126               '& Choose ''cell_edge'' or ''cell_center''.'
2127             CALL message( 'init_grid', 'PA0239', 1, 2, 0, 6, 0 )
2128          ELSE
2129!--          The default value is applicable here.
2130!--          Set convention according to topography.
2131             IF ( TRIM( topography ) == 'single_building' .OR.                 &
2132                  TRIM( topography ) == 'single_street_canyon' )  THEN
2133                topography_grid_convention = 'cell_edge'
2134             ELSEIF ( TRIM( topography ) == 'read_from_file'  .OR.             &
2135                      TRIM( topography ) == 'tunnel')  THEN
2136                topography_grid_convention = 'cell_center'
2137             ENDIF
2138          ENDIF
2139       ELSEIF ( TRIM( topography_grid_convention ) /= 'cell_edge' .AND.        &
2140                TRIM( topography_grid_convention ) /= 'cell_center' )  THEN
2141          WRITE( message_string, * )                                           &
2142            'The value for "topography_grid_convention" is ',                  &
2143            'not recognized.& Choose ''cell_edge'' or ''cell_center''.'
2144          CALL message( 'init_grid', 'PA0240', 1, 2, 0, 6, 0 )
2145       ENDIF
2146
2147
2148       IF ( topography_grid_convention == 'cell_edge' )  THEN
2149!
2150!--       The array nzb_local as defined using the 'cell_edge' convention
2151!--       describes the actual total size of topography which is defined at the
2152!--       cell edges where u=0 on the topography walls in x-direction and v=0
2153!--       on the topography walls in y-direction. However, PALM uses individual
2154!--       arrays nzb_u|v|w|s_inner|outer that are based on nzb_s_inner.
2155!--       Therefore, the extent of topography in nzb_local is now reduced by
2156!--       1dx at the E topography walls and by 1dy at the N topography walls
2157!--       to form the basis for nzb_s_inner.
2158!--       Note, the reverse memory access (i-j instead of j-i) is absolutely
2159!--       required at this point.
2160          DO  j = nys+1, nyn+1
2161             DO  i = nxl-1, nxr
2162                DO  k = nzb, nzt+1
2163                   IF ( BTEST( topo(k,j,i), 0 )  .OR.                          &
2164                        BTEST( topo(k,j,i+1), 0 ) )                            &
2165                       topo(k,j,i) = IBSET( topo(k,j,i), 0 )
2166                ENDDO
2167             ENDDO
2168          ENDDO     
2169          CALL exchange_horiz_int( topo, nys, nyn, nxl, nxr, nzt, nbgp )
2170
2171          DO  i = nxl, nxr+1
2172             DO  j = nys-1, nyn
2173                DO  k = nzb, nzt+1
2174                   IF ( BTEST( topo(k,j,i), 0 )  .OR.                          &
2175                        BTEST( topo(k,j+1,i), 0 ) )                            &
2176                      topo(k,j,i) = IBSET( topo(k,j,i), 0 )
2177                ENDDO
2178             ENDDO
2179          ENDDO 
2180          CALL exchange_horiz_int( topo, nys, nyn, nxl, nxr, nzt, nbgp )
2181   
2182       ENDIF
2183    ENDIF
2184
2185
2186 END SUBROUTINE init_topo
2187
2188 SUBROUTINE set_topo_flags(topo)
2189
2190    USE control_parameters,                                                    &
2191        ONLY:  bc_lr_cyc, bc_ns_cyc, constant_flux_layer,                      &
2192               scalar_advec, topography, use_surface_fluxes, use_top_fluxes
2193
2194    USE exchange_horiz_mod,                                                    &
2195        ONLY:  exchange_horiz_int
2196
2197    USE indices,                                                               &
2198        ONLY:  nbgp, nx, nxl, nxlg, nxr, nxrg, ny, nyn, nyng, nys, nysg, nzb,  &
2199               nzt, topo_top_ind, wall_flags_static_0, wall_flags_total_0
2200
2201    USE kinds
2202
2203    IMPLICIT NONE
2204
2205    INTEGER(iwp) ::  i             !< index variable along x
2206    INTEGER(iwp) ::  ibit          !< integer bit position of topgraphy masking array
2207    INTEGER(iwp) ::  j             !< index variable along y
2208    INTEGER(iwp) ::  k             !< index variable along z
2209
2210    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::  topo !< input array for 3D topography and dummy array for setting "outer"-flags
2211
2212    ALLOCATE( wall_flags_static_0(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
2213    wall_flags_static_0 = 0
2214!
2215!-- Set-up topography flags. First, set flags only for s, u, v and w-grid.
2216!-- Further special flags will be set in following loops.
2217    DO  i = nxl, nxr
2218       DO  j = nys, nyn
2219          DO  k = nzb, nzt+1
2220!
2221!--          scalar grid
2222             IF ( BTEST( topo(k,j,i), 0 ) )                                    &
2223                wall_flags_static_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_static_0(k,j,i), 0 )
2224!
2225!--          u grid
2226             IF ( BTEST( topo(k,j,i),   0 )  .AND.                             &
2227                  BTEST( topo(k,j,i-1), 0 ) )                                  &
2228                wall_flags_static_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_static_0(k,j,i), 1 )
2229!
2230!--          v grid
2231             IF ( BTEST( topo(k,j,i),   0 )  .AND.                             &
2232                  BTEST( topo(k,j-1,i), 0 ) )                                  &
2233                 wall_flags_static_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_static_0(k,j,i), 2 )
2234
2235          ENDDO
2236
2237          DO k = nzb, nzt
2238!
2239!--          w grid
2240             IF ( BTEST( topo(k,j,i),   0 )  .AND.                             &
2241                  BTEST( topo(k+1,j,i), 0 ) )                                  &
2242                wall_flags_static_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_static_0(k,j,i), 3 )
2243          ENDDO
2244         
2245          IF ( topography /= 'closed_channel' ) THEN
2246             wall_flags_static_0(nzt+1,j,i) = IBSET( wall_flags_static_0(nzt+1,j,i), 3 )
2247          ENDIF
2248
2249       ENDDO
2250    ENDDO
2251
2252    CALL exchange_horiz_int( wall_flags_static_0, nys, nyn, nxl, nxr, nzt, nbgp )
2253
2254!
2255!-- Set outer array for scalars to mask near-surface grid points. Note, on
2256!-- basis of flag 24 futher flags will be derived which are used to control
2257!-- production of subgrid TKE production near walls.
2258   
2259    ALLOCATE( wall_flags_total_0(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
2260    wall_flags_total_0 = 0
2261                                   
2262    DO i = nxl, nxr
2263       DO j = nys, nyn
2264          DO k = nzb, nzt+1
2265             wall_flags_total_0(k,j,i) = IOR( wall_flags_total_0(k,j,i), wall_flags_static_0(k,j,i) )
2266          ENDDO
2267       ENDDO
2268    ENDDO
2269   
2270    CALL exchange_horiz_int( wall_flags_total_0, nys, nyn, nxl, nxr, nzt, nbgp )
2271   
2272    DO i = nxl, nxr
2273       DO j = nys, nyn
2274          DO k = nzb, nzt+1
2275             IF ( BTEST( wall_flags_total_0(k,j-1,i), 0 )    .AND.                   &
2276                  BTEST( wall_flags_total_0(k,j+1,i), 0 )    .AND.                   &
2277                  BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i-1), 0 )    .AND.                   &
2278                  BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i+1), 0 )    .AND.                   &
2279                  BTEST( wall_flags_total_0(k,j-1,i-1), 0 )  .AND.                   &
2280                  BTEST( wall_flags_total_0(k,j+1,i-1), 0 )  .AND.                   &
2281                  BTEST( wall_flags_total_0(k,j-1,i+1), 0 )  .AND.                   &
2282                  BTEST( wall_flags_total_0(k,j+1,i+1), 0 ) )                        &
2283                wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 24 )
2284          ENDDO
2285       ENDDO
2286    ENDDO
2287!
2288!-- Set further special flags
2289    DO i = nxl, nxr
2290       DO j = nys, nyn
2291          DO k = nzb, nzt+1
2292!
2293!--          scalar grid, former nzb_diff_s_inner.
2294!--          Note, use this flag also to mask topography in diffusion_u and
2295!--          diffusion_v along the vertical direction. In case of
2296!--          use_surface_fluxes, fluxes are calculated via MOST, else, simple
2297!--          gradient approach is applied. Please note, in case of u- and v-
2298!--          diffuison, a small error is made at edges (on the east side for u,
2299!--          at the north side for v), since topography on scalar grid point
2300!--          is used instead of topography on u/v-grid. As number of topography grid
2301!--          points on uv-grid is different than s-grid, different number of
2302!--          surface elements would be required. In order to avoid this,
2303!--          treat edges (u(k,j,i+1)) simply by a gradient approach, i.e. these
2304!--          points are not masked within diffusion_u. Tests had shown that the
2305!--          effect on the flow is negligible.
2306             IF ( constant_flux_layer  .OR.  use_surface_fluxes )  THEN
2307                IF ( BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 0 ) )                         &
2308                   wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 8 )
2309             ELSE
2310                wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 8 )
2311             ENDIF
2312
2313          ENDDO
2314!
2315!--       Special flag to control vertical diffusion at model top - former
2316!--       nzt_diff
2317          wall_flags_total_0(:,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(:,j,i), 9 )
2318          IF ( use_top_fluxes )                                                &
2319             wall_flags_total_0(nzt+1,j,i) = IBCLR( wall_flags_total_0(nzt+1,j,i), 9 )
2320
2321
2322          DO k = nzb+1, nzt
2323!
2324!--          Special flag on u grid, former nzb_u_inner + 1, required   
2325!--          for disturb_field and initialization. Do not disturb directly at
2326!--          topography, as well as initialize u with zero one grid point outside
2327!--          of topography.
2328             IF ( BTEST( wall_flags_total_0(k-1,j,i), 1 )  .AND.                     &
2329                  BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i),   1 )  .AND.                     &
2330                  BTEST( wall_flags_total_0(k+1,j,i), 1 ) )                          &
2331                wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 20 )
2332!
2333!--          Special flag on v grid, former nzb_v_inner + 1, required   
2334!--          for disturb_field and initialization. Do not disturb directly at
2335!--          topography, as well as initialize v with zero one grid point outside
2336!--          of topography.
2337             IF ( BTEST( wall_flags_total_0(k-1,j,i), 2 )  .AND.                     &
2338                  BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i),   2 )  .AND.                     &
2339                  BTEST( wall_flags_total_0(k+1,j,i), 2 ) )                          &
2340                wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 21 )
2341!
2342!--          Special flag on scalar grid, former nzb_s_inner+1. Used for
2343!--          lpm_sgs_tke
2344             IF ( BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i),   0 )  .AND.                     &
2345                  BTEST( wall_flags_total_0(k-1,j,i), 0 )  .AND.                     &
2346                  BTEST( wall_flags_total_0(k+1,j,i), 0 ) )                          &
2347                wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 25 )
2348!
2349!--          Special flag on scalar grid, nzb_diff_s_outer - 1, required in
2350!--          in production_e
2351             IF ( constant_flux_layer  .OR.  use_surface_fluxes )  THEN
2352                IF ( BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i),   24 )  .AND.                 &
2353                     BTEST( wall_flags_total_0(k-1,j,i), 24 )  .AND.                 &
2354                     BTEST( wall_flags_total_0(k+1,j,i), 0 ) )                       &
2355                   wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 29 )
2356             ELSE
2357                IF ( BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 0 ) )                         &
2358                   wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 29 )
2359             ENDIF
2360!
2361!--          Special flag on scalar grid, nzb_diff_s_outer - 1, required in
2362!--          in production_e
2363             IF ( constant_flux_layer  .OR.  use_surface_fluxes )  THEN
2364                IF ( BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i),   0 )  .AND.                  &
2365                     BTEST( wall_flags_total_0(k-1,j,i), 0 )  .AND.                  &
2366                     BTEST( wall_flags_total_0(k+1,j,i), 0 ) )                       &
2367                   wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 30 )
2368             ELSE
2369                IF ( BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 0 ) )                         &
2370                   wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 30 )
2371             ENDIF
2372          ENDDO
2373!
2374!--       Flags indicating downward facing walls
2375          DO k = nzb+1, nzt+1
2376!
2377!--          Scalar grid
2378             IF ( BTEST( wall_flags_total_0(k-1,j,i), 0 )  .AND.                     &
2379            .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 0   ) )                          & 
2380                 wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 13 ) 
2381!
2382!--          Downward facing wall on u grid
2383             IF ( BTEST( wall_flags_total_0(k-1,j,i), 1 )  .AND.                     &
2384            .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 1   ) )                          & 
2385                wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 15 )
2386!
2387!--          Downward facing wall on v grid
2388             IF ( BTEST( wall_flags_total_0(k-1,j,i), 2 )  .AND.                     &
2389            .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 2   ) )                          & 
2390                wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 17 )
2391!
2392!--          Downward facing wall on w grid
2393             IF ( BTEST( wall_flags_total_0(k-1,j,i), 3 )  .AND.                     &
2394            .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 3 ) )                            & 
2395                wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 19 )
2396          ENDDO
2397!
2398!--       Flags indicating upward facing walls
2399          DO k = nzb, nzt
2400!
2401!--          Upward facing wall on scalar grid
2402             IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i),   0 )  .AND.               &
2403                        BTEST( wall_flags_total_0(k+1,j,i), 0 ) )                    & 
2404                wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 12 )
2405!
2406!--          Upward facing wall on u grid
2407             IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i),   1 )  .AND.               &
2408                        BTEST( wall_flags_total_0(k+1,j,i), 1 ) )                    & 
2409                wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 14 )
2410
2411!   
2412!--          Upward facing wall on v grid
2413             IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i),   2 )  .AND.               &
2414                        BTEST( wall_flags_total_0(k+1,j,i), 2 ) )                    & 
2415                wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 16 )
2416   
2417!
2418!--          Upward facing wall on w grid
2419             IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i),   3 )  .AND.               &
2420                        BTEST( wall_flags_total_0(k+1,j,i), 3 ) )                    & 
2421                wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 18 )
2422!
2423!--          Special flag on scalar grid, former nzb_s_inner
2424             IF ( BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 0 )  .OR.                        &
2425                  BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 12 ) .OR.                        &
2426                  BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 13 ) )                           &
2427                   wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 22 )
2428!
2429!--          Special flag on scalar grid, nzb_diff_s_inner - 1, required for
2430!--          flow_statistics
2431             IF ( constant_flux_layer  .OR.  use_surface_fluxes )  THEN
2432                IF ( BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i),   0 )  .AND.                  &
2433                     BTEST( wall_flags_total_0(k+1,j,i), 0 ) )                       &
2434                  wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 23 )
2435             ELSE
2436                IF ( BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 22 ) )                        &
2437                   wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 23 )
2438             ENDIF
2439   
2440
2441          ENDDO
2442          wall_flags_total_0(nzt+1,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(nzt+1,j,i), 22 )
2443          wall_flags_total_0(nzt+1,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(nzt+1,j,i), 23 )
2444!
2445!--       Set flags indicating that topography is close by in horizontal
2446!--       direction, i.e. flags that infold the topography. These will be used
2447!--       to set advection flags for passive scalars, where due to large
2448!--       gradients near buildings stationary numerical oscillations can produce
2449!--       unrealistically high concentrations. This is only necessary if
2450!--       WS-scheme is applied for scalar advection. Note, these flags will be
2451!--       only used for passive scalars such as chemical species or aerosols.
2452          IF ( scalar_advec == 'ws-scheme' )  THEN
2453             DO k = nzb, nzt
2454                IF ( BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 0 )  .AND. (                  &
2455                     ANY( .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(k,j-3:j+3,i-1), 0 ) )  .OR.&
2456                     ANY( .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(k,j-3:j+3,i-2), 0 ) )  .OR.&
2457                     ANY( .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(k,j-3:j+3,i-3), 0 ) )  .OR.&
2458                     ANY( .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(k,j-3:j+3,i+1), 0 ) )  .OR.&
2459                     ANY( .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(k,j-3:j+3,i+2), 0 ) )  .OR.&
2460                     ANY( .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(k,j-3:j+3,i+3), 0 ) )  .OR.&
2461                     ANY( .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(k,j-1,i-3:i+3), 0 ) )  .OR.&
2462                     ANY( .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(k,j-2,i-3:i+3), 0 ) )  .OR.&
2463                     ANY( .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(k,j-3,i-3:i+3), 0 ) )  .OR.&
2464                     ANY( .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(k,j+1,i-3:i+3), 0 ) )  .OR.&
2465                     ANY( .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(k,j+2,i-3:i+3), 0 ) )  .OR.&
2466                     ANY( .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(k,j+3,i-3:i+3), 0 ) )      &
2467                                                            ) )                      &
2468                   wall_flags_total_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_total_0(k,j,i), 31 )
2469                     
2470             ENDDO
2471          ENDIF
2472       ENDDO
2473    ENDDO
2474!
2475!-- Finally, set identification flags indicating natural terrain or buildings.
2476!-- Natural terrain grid points. Information on the type of the surface is
2477!-- stored in bit 1 of 3D Integer array topo. However, this bit is only set
2478!-- when topography is read from file. In order to run the land-surface model
2479!-- also without topography information, set bit 1 explicitely in this case.
2480!--
2481!-- Natural terrain grid points
2482!-- If no topography is initialized, the land-surface is at k = nzb.
2483    IF ( TRIM( topography ) /= 'read_from_file' )  THEN
2484       wall_flags_static_0(nzb,:,:) = IBSET( wall_flags_static_0(nzb,:,:), 5 )
2485    ELSE
2486       DO i = nxl, nxr
2487          DO j = nys, nyn
2488             DO k = nzb, nzt+1
2489!         
2490!--             Natural terrain grid point
2491                IF ( BTEST( topo(k,j,i), 1 ) )                                 &
2492                   wall_flags_static_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_static_0(k,j,i), 5 )
2493             ENDDO
2494          ENDDO
2495       ENDDO
2496    ENDIF
2497!
2498!-- Building grid points.
2499    DO i = nxl, nxr
2500       DO j = nys, nyn
2501          DO k = nzb, nzt+1
2502             IF ( BTEST( topo(k,j,i), 2 ) )                                    &
2503                wall_flags_static_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_static_0(k,j,i), 6 )
2504          ENDDO
2505       ENDDO
2506    ENDDO
2507!
2508!-- Set flag 4, indicating new topography grid points due to filtering.
2509    DO i = nxl, nxr
2510       DO j = nys, nyn
2511          DO k = nzb, nzt+1
2512             IF ( BTEST( topo(k,j,i), 4 ) )                                    &
2513                wall_flags_static_0(k,j,i) = IBSET( wall_flags_static_0(k,j,i), 4 )
2514          ENDDO
2515       ENDDO
2516    ENDDO
2517   
2518    CALL exchange_horiz_int( wall_flags_static_0, nys, nyn, nxl, nxr, nzt, nbgp )
2519   
2520    DO i = nxl, nxr
2521       DO j = nys, nyn
2522          DO k = nzb, nzt+1
2523             wall_flags_total_0(k,j,i) = IOR( wall_flags_total_0(k,j,i), wall_flags_static_0(k,j,i) )
2524          ENDDO
2525       ENDDO
2526    ENDDO
2527!
2528!-- Exchange ghost points for wall flags
2529    CALL exchange_horiz_int( wall_flags_total_0, nys, nyn, nxl, nxr, nzt, nbgp )
2530!
2531!-- Set boundary conditions also for flags. Can be interpreted as Neumann
2532!-- boundary conditions for topography.
2533    IF ( .NOT. bc_ns_cyc )  THEN
2534       IF ( nys == 0  )  THEN
2535          DO  i = 1, nbgp     
2536             wall_flags_total_0(:,nys-i,:)   = wall_flags_total_0(:,nys,:)
2537          ENDDO
2538       ENDIF
2539       IF ( nyn == ny )  THEN
2540          DO  i = 1, nbgp 
2541             wall_flags_total_0(:,nyn+i,:) = wall_flags_total_0(:,nyn,:)
2542          ENDDO
2543       ENDIF
2544    ENDIF
2545    IF ( .NOT. bc_lr_cyc )  THEN
2546       IF ( nxl == 0  )  THEN
2547          DO  i = 1, nbgp   
2548             wall_flags_total_0(:,:,nxl-i)   = wall_flags_total_0(:,:,nxl)
2549          ENDDO
2550       ENDIF
2551       IF ( nxr == nx )  THEN
2552          DO  i = 1, nbgp   
2553             wall_flags_total_0(:,:,nxr+i) = wall_flags_total_0(:,:,nxr)     
2554          ENDDO
2555       ENDIF     
2556    ENDIF
2557!
2558!-- Pre-calculate topography top indices (former get_topography_top_index
2559!-- function)
2560    ALLOCATE( topo_top_ind(nysg:nyng,nxlg:nxrg,0:4) )
2561!
2562!-- Uppermost topography index on scalar grid
2563    ibit = 12
2564    topo_top_ind(:,:,0) = MAXLOC(                                              &
2565                                  MERGE( 1, 0,                                 &
2566                                    BTEST( wall_flags_total_0(:,:,:), ibit )   &
2567                                       ), DIM = 1                              &
2568                                ) - 1 
2569!
2570!-- Uppermost topography index on u grid
2571    ibit = 14
2572    topo_top_ind(:,:,1) = MAXLOC(                                              &
2573                                  MERGE( 1, 0,                                 &
2574                                    BTEST( wall_flags_total_0(:,:,:), ibit )   &
2575                                       ), DIM = 1                              &
2576                                ) - 1 
2577!
2578!-- Uppermost topography index on v grid
2579    ibit = 16
2580    topo_top_ind(:,:,2) = MAXLOC(                                              &
2581                                  MERGE( 1, 0,                                 &
2582                                    BTEST( wall_flags_total_0(:,:,:), ibit )   &
2583                                       ), DIM = 1                              &
2584                                ) - 1 
2585!
2586!-- Uppermost topography index on w grid
2587    ibit = 18
2588    topo_top_ind(:,:,3) = MAXLOC(                                              &
2589                                  MERGE( 1, 0,                                 &
2590                                    BTEST( wall_flags_total_0(:,:,:), ibit )   &
2591                                       ), DIM = 1                              &
2592                                ) - 1 
2593!
2594!-- Uppermost topography index on scalar outer grid
2595    ibit = 24
2596    topo_top_ind(:,:,4) = MAXLOC(                                              &
2597                                  MERGE( 1, 0,                                 &
2598                                    BTEST( wall_flags_total_0(:,:,:), ibit )   &
2599                                       ), DIM = 1                              &
2600                                ) - 1
2601
2602 END SUBROUTINE set_topo_flags
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.