source: palm/trunk/SOURCE/land_surface_model.f90 @ 1496

Last change on this file since 1496 was 1496, checked in by maronga, 9 years ago

added beta version of a land surface model and a simple radiation model for clear sky conditions

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 51.4 KB
Line 
1 MODULE land_surface_model_mod
2
3!--------------------------------------------------------------------------------!
4! This file is part of PALM.
5!
6! PALM is free software: you can redistribute it and/or modify it under the terms
7! of the GNU General Public License as published by the Free Software Foundation,
8! either version 3 of the License, or (at your option) any later 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 1997-2014 Leibniz Universitaet Hannover
18!--------------------------------------------------------------------------------!
19!
20! Current revisions:
21! -----------------
22! Initial revision
23!
24! Former revisions:
25! -----------------
26! $Id: land_surface_model.f90 1496 2014-12-02 17:25:50Z maronga $
27!
28!
29! Description:
30! ------------
31! Land surface model, consisting of a solver for the energy balance at the
32! surface and a four layer soil scheme. The scheme is similar to the TESSEL
33! scheme implemented in the ECMWF IFS model, with modifications according to
34! H-TESSEL. The implementation is based on the formulation implemented in the
35! DALES model.
36!------------------------------------------------------------------------------!
37     USE arrays_3d,                                                            &
38         ONLY:  pt, pt_p, q, q_p, qsws, rif, shf, ts, us, z0, z0h
39
40     USE cloud_parameters,                                                     &
41         ONLY: cp, l_d_r, l_v, rho_l, r_d, r_v
42
43     USE control_parameters,                                                   &
44         ONLY: dt_3d, humidity, intermediate_timestep_count,                   &
45               intermediate_timestep_count_max, pt_surface, rho_surface,       &
46               surface_pressure, timestep_scheme, tsc
47
48     USE indices,                                                              &
49         ONLY: nxlg, nxrg, nyng, nysg, nzb_s_inner 
50
51     USE kinds
52
53     USE radiation_model_mod,                                                  &
54         ONLY: Rn, SW_in, sigma_SB
55
56
57    IMPLICIT NONE
58
59!
60!-- LSM model constants
61    INTEGER(iwp), PARAMETER :: soil_layers = 4 !: number of soil layers (fixed for now)
62
63    REAL(wp), PARAMETER ::                     &
64              b_CH               = 6.04_wp,    & ! Clapp & Hornberger exponent
65              lambda_h_dry       = 0.19_wp,    & ! heat conductivity for dry soil
66              lambda_h_sm        = 3.44_wp,    & ! heat conductivity of the soil matrix
67              lambda_h_water     = 0.57_wp,    & ! heat conductivity of water
68              psi_sat            = -0.388_wp,  & ! soil matrix potential at saturation
69              rhoC_soil          = 2.19E6_wp,  & ! volumetric heat capacity of soil
70              rhoC_water         = 4.20E6_wp,  & ! volumetric heat capacity of water
71              m_max_depth        = 0.0002_wp     ! Maximum capacity of the water reservoir (m)
72
73
74!
75!-- LSM variables
76    INTEGER(iwp) :: veg_type  = 2, & !: vegetation type, 0: user-defined, 1-19: generic (see list)
77                    soil_type = 3    !: soil type, 0: user-defined, 1-6: generic (see list)
78
79    LOGICAL :: conserve_water_content = .TRUE., & !: open or closed bottom surface for the soil model
80               land_surface = .FALSE.             !: flag parameter indicating wheather the lsm is used
81
82!   value 9999999.9_wp -> generic available or user-defined value must be set
83!   otherwise -> no generic variable and user setting is optional
84    REAL(wp) :: alpha_VanGenuchten = 0.0_wp,            & !: NAMELIST alpha_VG
85                canopy_resistance_coefficient = 0.0_wp, & !: NAMELIST gD
86                C_skin   = 20000.0_wp,                  & !: Skin heat capacity
87                drho_l_lv,                              & !: (rho_l * l_v)**-1
88                exn,                                    & !: value of the Exner function
89                e_s = 0.0_wp,                           & !: saturation water vapour pressure
90                field_capacity = 0.0_wp,                & !: NAMELIST m_fc
91                f_shortwave_incoming = 9999999.9_wp,    & !: NAMELIST f_SW_in
92                hydraulic_conductivity = 0.0_wp,        & !: NAMELIST gamma_w_sat
93                Ke = 0.0_wp,                            & !: Kersten number
94                lambda_skin_stable = 9999999.9_wp,      & !: NAMELIST lambda_skin_s
95                lambda_skin_unstable = 9999999.9_wp,    & !: NAMELIST lambda_skin_u
96                leaf_area_index = 9999999.9_wp,         & !: NAMELIST LAI
97                l_VanGenuchten = 0.0_WP,                & !: NAMELIST l_VG
98                min_canopy_resistance = 110.0_wp,       & !: NAMELIST r_s_min
99                m_total = 0.0_wp,                       & !: weighed total water content of the soil (m3/m3)
100                n_VanGenuchten = 0.0_WP,                & !: NAMELIST n_VG
101                q_s = 0.0_wp,                           & !: saturation specific humidity
102                residual_moisture = 0.0_wp,             & !: NAMELIST m_res
103                rho_cp,                                 & !: rho_surface * cp
104                rho_lv,                                 & !: rho * l_v
105                rd_d_rv,                                & !: r_d / r_v
106                saturation_moisture = 0.0_wp,           & !: NAMELIST m_sat
107                vegetation_coverage = 9999999.9_wp,     & !: NAMELIST c_veg
108                wilting_point = 0.0_wp                    !: NAMELIST m_wilt
109
110    REAL(wp), DIMENSION(0:soil_layers-1) :: &
111              ddz_soil,                     & !: 1/dz_soil
112              ddz_soil_stag,                & !: 1/dz_soil_stag
113              dz_soil,                      & !: soil grid spacing (center-center)
114              dz_soil_stag,                 & !: soil grid spacing (edge-edge)
115              root_extr = 0.0_wp,           & !: root extraction
116              root_fraction = (/0.35_wp, 0.38_wp, 0.23_wp, 0.04_wp/), & !: distribution of root surface area to the individual soil layers
117              soil_level = (/0.07_wp, 0.28_wp, 1.00_wp,  2.89_wp/),   & !: soil layer depths (m)
118              soil_moisture    = 0.0_wp       !: soil moisture content (m3/m3)
119
120    REAL(wp), DIMENSION(0:soil_layers) ::   &
121              soil_temperature = 9999999.9_wp !: soil temperature (K)
122
123#if defined( __nopointer )
124    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE, TARGET :: T_0,    & !: skin temperature (K)
125                                                     T_0_p,  & !: progn. skin temperature (K)
126                                                     m_liq,  & !: liquid water reservoir (m)
127                                                     m_liq_p   !: progn. liquid water reservoir (m)
128#else
129    REAL(wp), DIMENSION(:,:), POINTER :: T_0,   &
130                                         T_0_p, & 
131                                         m_liq, & 
132                                         m_liq_p
133
134    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE, TARGET :: T_0_1, T_0_2,    &
135                                                     m_liq_1, m_liq_2
136#endif
137
138!
139!-- Temporal tendencies for time stepping           
140    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE :: tT_0_m,  & !: skin temperature tendency (K)
141                                             tm_liq_m   !: liquid water reservoir tendency (m)
142
143!
144!-- Energy balance variables               
145    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::                                   &
146              alpha_VG,      & !: coef. of Van Genuchten
147              c_liq,         & !: liquid water coverage (of vegetated area)
148              c_veg,         & !: vegetation coverage   
149              f_SW_in,       & !: ?
150              G,             & !: surface soil heat flux
151              H,             & !: surface flux of sensible heat
152              gamma_w_sat,   & !: hydraulic conductivity at saturation
153              gD,            & !: coefficient for dependence of r_canopy on water vapour pressure deficit
154              LAI,           & !: leaf area index
155              LE,            & !: surface flux of latent heat (total)
156              LE_veg,        & !: surface flux of latent heat (vegetation portion)
157              LE_soil,       & !: surface flux of latent heat (soil portion)
158              LE_liq,        & !: surface flux of latent heat (liquid water portion)
159              lambda_h_sat,  & !: heat conductivity for dry soil
160              lambda_skin_s, & !: coupling between skin and soil (depends on vegetation type)
161              lambda_skin_u, & !: coupling between skin and soil (depends on vegetation type)
162              l_VG,          & !: coef. of Van Genuchten
163              m_fc,          & !: soil moisture at field capacity (m3/m3)
164              m_res,         & !: residual soil moisture
165              m_sat,         & !: saturation soil moisture (m3/m3)
166              m_wilt,        & !: soil moisture at permanent wilting point (m3/m3)
167              n_VG,          & !: coef. Van Genuchten 
168              r_a,           & !: aerodynamic resistance
169              r_canopy,      & !: canopy resistance
170              r_soil,        & !: soil resitance
171              r_soil_min,    & !: minimum soil resistance
172              r_s,           & !: total surface resistance (combination of r_soil and r_canopy)         
173              r_s_min          !: minimum canopy resistance
174
175    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::                                 &
176              lambda_h, &   !: heat conductivity of soil (?)                           
177              lambda_w, &   !: hydraulic diffusivity of soil (?)
178              gamma_w,  &   !: hydraulic conductivity of soil (?)
179              rhoC_total    !: volumetric heat capacity of the actual soil matrix (?)
180
181#if defined( __nopointer )
182    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE, TARGET ::                         &
183              T_soil,    & !: Soil temperature (K)
184              T_soil_p,  & !: Prog. soil temperature (K)
185              m_soil,    & !: Soil moisture (m3/m3)
186              m_soil_p     !: Prog. soil moisture (m3/m3)
187#else
188    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), POINTER ::                                     &
189              T_soil, T_soil_p, &
190              m_soil, m_soil_p   
191
192    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE, TARGET ::                         &
193              T_soil_1, T_soil_2, &
194              m_soil_1, m_soil_2
195
196
197#endif
198
199
200    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::                                 &
201              tT_soil_m, & !: T_soil storage array
202              tm_soil_m, & !: m_soil storage array
203              root_fr      !: root fraction (sum=1)
204
205!
206!--  Land surface parameters according to the following classes (veg_type)
207!--  (0 user defined)
208!--  1 crops, mixed farming
209!--  2 short grass
210!--  3 evergreen needleleaf trees
211!--  4 deciduous needleleaf trees
212!--  5 evergreen broadleaf trees
213!--  6 deciduous broadleaf trees
214!--  7 tall grass
215!--  8 desert
216!--  9 tundra
217!-- 10 irrigated crops
218!-- 11 semidesert
219!-- 12 ice caps and glaciers
220!-- 13 bogs and marshes
221!-- 14 inland water
222!-- 15 ocean
223!-- 16 evergreen shrubs
224!-- 17 deciduous shrubs
225!-- 18 mixed forest/woodland
226!-- 19 interrupted forest
227
228!
229!-- Land surface parameters I     r_s_min,     LAI,   c_veg,      gD
230    REAL(wp), DIMENSION(0:3,1:19) :: veg_pars = RESHAPE( (/           &
231                                 180.0_wp, 3.00_wp, 0.90_wp, 0.00_wp, & !  1
232                                 110.0_wp, 2.00_wp, 0.85_wp, 0.00_wp, & !  2
233                                 500.0_wp, 5.00_wp, 0.90_wp, 0.03_wp, & !  3
234                                 500.0_wp, 5.00_wp, 0.90_wp, 0.03_wp, & !  4
235                                 175.0_wp, 5.00_wp, 0.90_wp, 0.03_wp, & !  5
236                                 240.0_wp, 6.00_wp, 0.99_wp, 0.13_wp, & !  6
237                                 100.0_wp, 2.00_wp, 0.70_wp, 0.00_wp, & !  7
238                                 250.0_wp, 0.50_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, & !  8
239                                  80.0_wp, 1.00_wp, 0.50_wp, 0.00_wp, & !  9
240                                 180.0_wp, 3.00_wp, 0.90_wp, 0.00_wp, & ! 10
241                                 150.0_wp, 0.50_wp, 0.10_wp, 0.00_wp, & ! 11
242                                   0.0_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, & ! 12
243                                 240.0_wp, 4.00_wp, 0.60_wp, 0.00_wp, & ! 13
244                                   0.0_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, & ! 14
245                                   0.0_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, & ! 15
246                                 225.0_wp, 3.00_wp, 0.50_wp, 0.00_wp, & ! 16
247                                 225.0_wp, 1.50_wp, 0.50_wp, 0.00_wp, & ! 17
248                                 250.0_wp, 5.00_wp, 0.90_wp, 0.03_wp, & ! 18
249                                 175.0_wp, 2.50_wp, 0.90_wp, 0.03_wp  & ! 19
250                                 /), (/ 4, 19 /) )
251
252!
253!-- Land surface parameters II          z0,         z0h
254    REAL(wp), DIMENSION(0:1,1:19) :: roughness_par = RESHAPE( (/ & 
255                                   0.25_wp,  0.25E-2_wp,         & !  1
256                                   0.20_wp,  0.20E-2_wp,         & !  2
257                                   2.00_wp,     2.00_wp,         & !  3
258                                   2.00_wp,     2.00_wp,         & !  4
259                                   2.00_wp,     2.00_wp,         & !  5
260                                   2.00_wp,     2.00_wp,         & !  6
261                                   0.47_wp,  0.47E-2_wp,         & !  7
262                                  0.013_wp, 0.013E-2_wp,         & !  8
263                                  0.034_wp, 0.034E-2_wp,         & !  9
264                                    0.5_wp,  0.50E-2_wp,         & ! 10
265                                   0.17_wp,  0.17E-2_wp,         & ! 11
266                                 1.3E-3_wp,   1.3E-4_wp,         & ! 12
267                                   0.83_wp,  0.83E-2_wp,         & ! 13
268                                   0.00_wp,  0.00E-2_wp,         & ! 14
269                                   0.00_wp,  0.00E-2_wp,         & ! 15
270                                   0.10_wp,  0.10E-2_wp,         & ! 16
271                                   0.25_wp,  0.25E-2_wp,         & ! 17
272                                   2.00_wp,  2.00E-2_wp,         & ! 18
273                                   1.10_wp,  1.10E-2_wp          & ! 19
274                                 /), (/ 2, 19 /) )
275
276!
277!-- Land surface parameters III lambda_skin_s, lambda_skin_u, f_SW_in
278    REAL(wp), DIMENSION(0:2,1:19) :: skin_pars = RESHAPE( (/           &
279                                      10.0_wp,       10.0_wp, 0.05_wp, & !  1
280                                      10.0_wp,       10.0_wp, 0.05_wp, & !  2
281                                      20.0_wp,       15.0_wp, 0.03_wp, & !  3
282                                      20.0_wp,       15.0_wp, 0.03_wp, & !  4
283                                      20.0_wp,       15.0_wp, 0.03_wp, & !  5
284                                      20.0_wp,       15.0_wp, 0.03_wp, & !  6
285                                      10.0_wp,       10.0_wp, 0.05_wp, & !  7
286                                      15.0_wp,       15.0_wp, 0.00_wp, & !  8
287                                      10.0_wp,       10.0_wp, 0.05_wp, & !  9
288                                      10.0_wp,       10.0_wp, 0.05_wp, & ! 10
289                                      10.0_wp,       10.0_wp, 0.05_wp, & ! 11
290                                      58.0_wp,       58.0_wp, 0.00_wp, & ! 12
291                                      10.0_wp,       10.0_wp, 0.05_wp, & ! 13
292                                    1.0E20_wp,     1.0E20_wp, 0.00_wp, & ! 14
293                                    1.0E20_wp,     1.0E20_wp, 0.00_wp, & ! 15
294                                      10.0_wp,       10.0_wp, 0.05_wp, & ! 16
295                                      10.0_wp,       10.0_wp, 0.05_wp, & ! 17
296                                      20.0_wp,       15.0_wp, 0.03_wp, & ! 18
297                                      20.0_wp,       15.0_wp, 0.03_wp  & ! 19
298                                      /), (/ 3, 19 /) )
299
300!
301!-- Root distribution (sum = 1)  level 1, level 2, level 3, level 4,
302    REAL(wp), DIMENSION(0:3,1:19) :: root_distribution = RESHAPE( (/ &
303                                 0.24_wp, 0.41_wp, 0.31_wp, 0.04_wp, & !  1
304                                 0.35_wp, 0.38_wp, 0.23_wp, 0.04_wp, & !  2
305                                 0.26_wp, 0.39_wp, 0.29_wp, 0.06_wp, & !  3
306                                 0.26_wp, 0.38_wp, 0.29_wp, 0.07_wp, & !  4
307                                 0.24_wp, 0.38_wp, 0.31_wp, 0.07_wp, & !  5
308                                 0.25_wp, 0.34_wp, 0.27_wp, 0.14_wp, & !  6
309                                 0.27_wp, 0.27_wp, 0.27_wp, 0.09_wp, & !  7
310                                 1.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, & !  8
311                                 0.47_wp, 0.45_wp, 0.08_wp, 0.00_wp, & !  9
312                                 0.24_wp, 0.41_wp, 0.31_wp, 0.04_wp, & ! 10
313                                 0.17_wp, 0.31_wp, 0.33_wp, 0.19_wp, & ! 11
314                                 0.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, & ! 12
315                                 0.25_wp, 0.34_wp, 0.27_wp, 0.11_wp, & ! 13
316                                 0.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, & ! 14
317                                 0.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, & ! 15
318                                 0.23_wp, 0.36_wp, 0.30_wp, 0.11_wp, & ! 16
319                                 0.23_wp, 0.36_wp, 0.30_wp, 0.11_wp, & ! 17
320                                 0.19_wp, 0.35_wp, 0.36_wp, 0.10_wp, & ! 18
321                                 0.19_wp, 0.35_wp, 0.36_wp, 0.10_wp  & ! 19
322                                 /), (/ 4, 19 /) )
323
324!
325!-- Soil parameters according to the following porosity classes (soil_type)
326!-- (0 user defined)
327!-- 1 coarse
328!-- 2 medium
329!-- 3 medium-fine
330!-- 4 fine
331!-- 5 very fine
332!-- 6 organic
333!
334!-- Soil parameters I           alpha_VG,      l_VG,    n_VG, gamma_w_sat
335    REAL(wp), DIMENSION(0:3,1:6) :: soil_pars = RESHAPE( (/                &
336                                 3.83_wp,  1.250_wp, 1.38_wp,  6.94E-6_wp, & ! 1
337                                 3.14_wp, -2.342_wp, 1.28_wp,  1.16E-6_wp, & ! 2
338                                 0.83_wp, -0.588_wp, 1.25_wp,  0.26E-6_wp, & ! 3
339                                 3.67_wp, -1.977_wp, 1.10_wp,  2.87E-6_wp, & ! 4
340                                 2.65_wp,  2.500_wp, 1.10_wp,  1.74E-6_wp, & ! 5
341                                 1.30_wp,  0.400_wp, 1.20_wp,  0.93E-6_wp  & ! 6
342                                 /), (/ 4, 6 /) )
343
344!
345!-- Soil parameters II              m_sat,     m_fc,   m_wilt,    m_res 
346    REAL(wp), DIMENSION(0:3,1:6) :: m_soil_pars = RESHAPE( (/            &
347                                 0.403_wp, 0.244_wp, 0.059_wp, 0.025_wp, & ! 1
348                                 0.439_wp, 0.347_wp, 0.151_wp, 0.010_wp, & ! 2
349                                 0.430_wp, 0.383_wp, 0.133_wp, 0.010_wp, & ! 3
350                                 0.520_wp, 0.448_wp, 0.279_wp, 0.010_wp, & ! 4
351                                 0.614_wp, 0.541_wp, 0.335_wp, 0.010_wp, & ! 5
352                                 0.766_wp, 0.663_wp, 0.267_wp, 0.010_wp  & ! 6
353                                 /), (/ 4, 6 /) )
354
355
356    SAVE
357
358
359    PRIVATE
360
361
362    PUBLIC alpha_VanGenuchten, C_skin, canopy_resistance_coefficient,          &
363           conserve_water_content,      field_capacity, f_shortwave_incoming,  &
364           hydraulic_conductivity, init_lsm, lambda_skin_stable,               &
365           lambda_skin_unstable, land_surface, leaf_area_index,                &
366           lsm_energy_balance, lsm_soil_model, l_VanGenuchten,                 &
367           min_canopy_resistance, n_VanGenuchten, residual_moisture,           &
368           root_fraction, saturation_moisture, soil_level, soil_moisture,      &
369           soil_temperature, soil_type, vegetation_coverage, veg_type,         &
370           wilting_point
371
372#if defined( __nopointer )
373    PUBLIC m_liq, m_liq_p, m_soil, m_soil_p, T_0, T_0_p, T_soil, T_soil_p
374#else
375    PUBLIC m_liq, m_liq_1, m_liq_2, m_liq_p, m_soil, m_soil_1, m_soil_2,       &
376           m_soil_p, T_0, T_0_1, T_0_2, T_0_p, T_soil, T_soil_1, T_soil_2,     &
377           T_soil_p
378#endif
379
380
381    INTERFACE init_lsm
382       MODULE PROCEDURE init_lsm
383    END INTERFACE init_lsm
384
385    INTERFACE lsm_energy_balance
386       MODULE PROCEDURE lsm_energy_balance
387    END INTERFACE lsm_energy_balance
388
389    INTERFACE lsm_soil_model
390       MODULE PROCEDURE lsm_soil_model
391    END INTERFACE lsm_soil_model
392
393
394 CONTAINS
395
396
397!------------------------------------------------------------------------------!
398! Description:
399! ------------
400!-- Initialization of the land surface model
401!------------------------------------------------------------------------------!
402    SUBROUTINE init_lsm
403   
404
405       IMPLICIT NONE
406
407       INTEGER(iwp) ::  i !: running index
408       INTEGER(iwp) ::  j !: running index
409       INTEGER(iwp) ::  k !: running index
410
411
412!
413!--    Calculate frequently used parameters
414       rho_cp    = cp * rho_surface
415       rd_d_rv   = r_d / r_v
416       rho_lv    = rho_surface * l_v
417       drho_l_lv = 1.0 / (rho_l * l_v)
418
419!
420!--    Allocate skin and soil temperature / humidity
421#if defined( __nopointer )
422       ALLOCATE ( T_0(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
423       ALLOCATE ( T_0_p(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
424#else
425       ALLOCATE ( T_0_1(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
426       ALLOCATE ( T_0_2(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
427#endif
428
429       ALLOCATE ( tT_0_m(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
430
431#if defined( __nopointer )
432       ALLOCATE ( T_soil(0:soil_layers,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
433       ALLOCATE ( T_soil_p(0:soil_layers,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
434#else
435       ALLOCATE ( T_soil_1(0:soil_layers,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
436       ALLOCATE ( T_soil_2(0:soil_layers,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
437#endif
438
439       ALLOCATE ( tT_soil_m(0:soil_layers-1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
440
441#if defined( __nopointer )
442       ALLOCATE ( m_liq(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
443       ALLOCATE ( m_liq_p(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
444#else
445       ALLOCATE ( m_liq_1(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
446       ALLOCATE ( m_liq_2(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
447#endif
448
449       ALLOCATE ( tm_liq_m(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
450
451#if defined( __nopointer )
452       ALLOCATE ( m_soil(0:soil_layers-1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
453       ALLOCATE ( m_soil_p(0:soil_layers-1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
454#else
455       ALLOCATE ( m_soil_1(0:soil_layers-1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
456       ALLOCATE ( m_soil_2(0:soil_layers-1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
457#endif
458
459       ALLOCATE ( tm_soil_m(0:soil_layers-1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
460
461
462#if ! defined( __nopointer )
463!
464!--    Initial assignment of the pointers
465       T_soil => T_soil_1; T_soil_p => T_soil_2
466       T_0 => T_0_1; T_0_p => T_0_2
467       m_soil => m_soil_1; m_soil_p => m_soil_2
468       m_liq => m_liq_1; m_liq_p => m_liq_2
469#endif
470
471       T_0    = 0.0_wp
472       T_0_p  = 0.0_wp
473       tT_0_m = 0.0_wp
474
475       T_soil    = 0.0_wp
476       T_soil_p  = 0.0_wp
477       tT_soil_m = 0.0_wp
478
479       m_liq    = 0.0_wp
480       m_liq_p  = 0.0_wp
481       tm_liq_m = 0.0_wp
482
483       m_soil    = 0.0_wp
484       m_soil_p  = 0.0_wp
485       tm_soil_m = 0.0_wp
486
487!
488!--    Allocate 2D vegetation model arrays
489       ALLOCATE ( alpha_VG(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
490       ALLOCATE ( c_liq(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
491       ALLOCATE ( c_veg(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
492       ALLOCATE ( f_SW_in(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
493       ALLOCATE ( G(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
494       ALLOCATE ( H(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
495       ALLOCATE ( gamma_w_sat(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
496       ALLOCATE ( gD(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
497       ALLOCATE ( LAI(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
498       ALLOCATE ( LE(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
499       ALLOCATE ( LE_veg(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
500       ALLOCATE ( LE_soil(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
501       ALLOCATE ( LE_liq(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
502       ALLOCATE ( l_VG(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
503       ALLOCATE ( lambda_h_sat(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
504       ALLOCATE ( lambda_skin_u(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
505       ALLOCATE ( lambda_skin_s(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
506       ALLOCATE ( m_fc(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
507       ALLOCATE ( m_res(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
508       ALLOCATE ( m_sat(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
509       ALLOCATE ( m_wilt(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
510       ALLOCATE ( n_VG(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
511       ALLOCATE ( r_a(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
512       ALLOCATE ( r_canopy(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
513       ALLOCATE ( r_soil(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
514       ALLOCATE ( r_soil_min(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
515       ALLOCATE ( r_s(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
516       ALLOCATE ( r_s_min(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
517
518!
519!--    Set initial and default values
520       c_liq   = 0.0_wp
521       c_veg   = 0.0_wp
522       f_SW_in = 0.05_wp
523       gD      = 0.0_wp
524       LAI     = 0.0_wp
525       lambda_skin_u = 10.0_wp
526       lambda_skin_s = 10.0_wp
527
528
529       G       = 0.0_wp
530       H       = rho_cp * shf
531       LE      = rho_l * l_v * qsws
532       LE_veg  = 0.0_wp
533       LE_soil = LE
534       LE_liq  = 0.0_wp
535
536       r_a        = 50.0_wp
537       r_canopy   = 0.0_wp
538       r_soil     = 0.0_wp
539       r_soil_min = 50.0_wp
540       r_s        = 110.0_wp
541       r_s_min    = min_canopy_resistance
542
543!
544!--    Allocate 3D soil model arrays
545       ALLOCATE ( root_fr(0:soil_layers-1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
546       ALLOCATE ( lambda_h(0:soil_layers-1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
547       ALLOCATE ( rhoC_total(0:soil_layers-1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
548
549       lambda_h = 0.0_wp
550!
551!--    If required, allocate humidity-related variables for the soil model
552       IF ( humidity )  THEN
553          ALLOCATE ( lambda_w(0:soil_layers-1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
554          ALLOCATE ( gamma_w(0:soil_layers-1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )   
555
556          lambda_w = 0.0_wp 
557       ENDIF
558
559!
560!--    Calculate grid spacings. Temperature and moisture are defined at
561!--    the center of the soil layers, whereas gradients/fluxes are defined
562!--    at the edges (_stag)
563       dz_soil_stag(0) = soil_level(0)
564
565       DO k = 1, soil_layers-1
566          dz_soil_stag(k) = soil_level(k) - soil_level(k-1)
567       ENDDO
568
569       DO k = 0, soil_layers-2
570          dz_soil(k) = 0.5 * (dz_soil_stag(k+1) + dz_soil_stag(k))
571       ENDDO
572       dz_soil(soil_layers-1) = dz_soil_stag(soil_layers-1)
573
574       ddz_soil      = 1.0 / dz_soil
575       ddz_soil_stag = 1.0 / dz_soil_stag
576!
577!--    Initialize soil
578       IF ( soil_type .NE. 0 )  THEN   
579          alpha_VG    = soil_pars(0,soil_type)
580          l_VG        = soil_pars(1,soil_type)
581          n_VG        = soil_pars(2,soil_type)   
582          gamma_w_sat = soil_pars(3,soil_type) 
583          m_sat       = m_soil_pars(0,soil_type)
584          m_fc        = m_soil_pars(1,soil_type)   
585          m_wilt      = m_soil_pars(2,soil_type) 
586          m_res       = m_soil_pars(3,soil_type)
587       ELSE
588          alpha_VG    = alpha_VanGenuchten
589          l_VG        = l_VanGenuchten
590          n_VG        = n_VanGenuchten 
591          gamma_w_sat = hydraulic_conductivity
592          m_sat       = saturation_moisture
593          m_fc        = field_capacity
594          m_wilt      = wilting_point
595          m_res       = residual_moisture
596       ENDIF   
597
598!
599!--    Map user settings of T and q for each soil layer
600!--    (make sure that the soil moisture does not drop below the permanent
601!--    wilting point) -> problems with devision by zero)
602       DO k = 0, soil_layers-1
603          T_soil(k,:,:)  = soil_temperature(k)
604          m_soil(k,:,:)  = MAX(soil_moisture(k),m_wilt(:,:))
605       ENDDO
606       T_soil(soil_layers,:,:) = soil_temperature(soil_layers)
607
608
609       exn = ( surface_pressure / 1000.0_wp )**0.286_wp
610       T_0  = pt_surface * exn
611
612       T_soil_p = T_soil
613       m_soil_p = m_soil
614
615!
616!--    Calculate saturation soil heat conductivity
617       lambda_h_sat(:,:) = lambda_h_sm ** (1.0_wp - m_sat(:,:)) *              &
618                           lambda_h_water ** m_sat(:,:)
619
620!
621!--    Initialize vegetation
622       IF ( veg_type .NE. 0 )  THEN
623
624          r_s_min              = veg_pars(0,veg_type)
625          LAI                  = veg_pars(1,veg_type)
626          c_veg                = veg_pars(2,veg_type)
627          gD                   = veg_pars(3,veg_type)
628          lambda_skin_s        = skin_pars(0,veg_type)
629          lambda_skin_u        = skin_pars(1,veg_type)
630          f_SW_in              = skin_pars(2,veg_type)
631          z0                   = roughness_par(0,veg_type)
632          z0h                  = roughness_par(1,veg_type)
633
634
635          DO k = 0, soil_layers-1
636             root_fr(k,:,:) = root_distribution(k,veg_type)
637          ENDDO
638
639       ELSE
640
641          DO k = 0, soil_layers-1
642             root_fr(k,:,:) = root_fraction(k)
643          ENDDO
644
645       ENDIF
646
647!
648!--    Possibly do user-defined actions (e.g. define heterogeneous land surface)
649       CALL user_init_land_surface
650
651!
652!--    Set artifical values for ts and us so that r_a has its initial value for
653!--    the first time step
654       DO  i = nxlg, nxrg
655          DO  j = nysg, nyng
656             k = nzb_s_inner(j,i)
657             us(j,i) = 0.1_wp
658             ts(j,i) = (pt(k+1,j,i) - pt(k,j,i)) / r_a(j,i)
659             shf(j,i) = - us(j,i) * ts(j,i)
660          ENDDO
661       ENDDO
662
663!
664!--    Calculate humidity at the surface
665       IF ( humidity )  THEN
666          CALL calc_q0
667       ENDIF
668
669       RETURN
670
671    END SUBROUTINE init_lsm
672
673
674
675!------------------------------------------------------------------------------!
676! Description:
677! ------------
678!
679!------------------------------------------------------------------------------!
680    SUBROUTINE lsm_energy_balance
681
682
683       IMPLICIT NONE
684
685       INTEGER(iwp) ::  i         !: running index
686       INTEGER(iwp) ::  j         !: running index
687       INTEGER(iwp) ::  k, ks     !: running index
688
689       REAL(wp) :: f1,          & !: resistance correction term 1
690                   f2,          & !: resistance correction term 2
691                   f3,          & !: resistance correction term 3
692                   m_min,       & !: minimum soil moisture
693                   T_1,         & !: actual temperature at first grid point
694                   e,           & !: water vapour pressure
695                   e_s,         & !: water vapour saturation pressure
696                   e_s_dT,      & !: derivate of e_s with respect to T
697                   tend,        & !: tendency
698                   dq_s_dT,     & !: derivate of q_s with respect to T
699                   coef_1,      & !: coef. for prognostic equation
700                   coef_2,      & !: coef. for prognostic equation
701                   f_LE,        & !: factor for LE
702                   f_LE_veg,    & !: factor for LE_veg
703                   f_LE_soil,   & !: factor for LE_soil
704                   f_LE_liq,    & !: factor for LE_liq
705                   f_H,         & !: factor for H
706                   lambda_skin, & !: Current value of lambda_skin
707                   m_liq_max      !: maxmimum value of the liquid water reservoir
708
709!
710!--    Calculate the exner function for the current time step
711       exn = ( surface_pressure / 1000.0_wp )**0.286_wp
712
713
714       DO i = nxlg, nxrg
715          DO j = nysg, nyng
716
717
718!
719!--          Set lambda_skin according to stratification
720             IF ( rif(j,i) >= 0.0_wp )  THEN
721                lambda_skin = lambda_skin_s(j,i)
722             ELSE
723                lambda_skin = lambda_skin_u(j,i)
724             ENDIF
725!
726!--          First step: calculate aerodyamic resistance. As pt(0), us, ts
727!--          are not available for the current time step, data from the last
728!--          time step is used here.
729             k = nzb_s_inner(j,i)
730
731!            r_a(j,i) = (pt(k+1,j,i) - pt(k,j,i)) / (ts(j,i) * us(j,i) + 1.0E-20)
732             r_a(j,i) = (pt(k+1,j,i) - pt(k,j,i)) / - (shf(j,i) + 1.0E-20)
733
734!
735!--          Second step: calculate canopy resistance r_canopy
736!--          f1-f3 here are defined as 1/f1-f3 as in ECMWF documentation
737 
738!--          f1: correction for incoming shortwave radiation
739             f1 = MIN(1.0_wp, ( 0.004_wp * SW_in(j,i) + 0.05_wp ) /     &
740                              (0.81_wp * (0.004_wp * SW_in(j,i) + 1.0_wp) ) )
741
742!
743!--          f2: correction for soil moisture f2=0 for very dry soil
744             m_total = 0.0_wp
745             DO ks = 0, soil_layers-1
746                 m_total = m_total + root_fr(ks,j,i) * m_soil(ks,j,i)
747             ENDDO 
748
749             IF (  m_total .GT. m_wilt(j,i) .AND. m_total .LE. m_fc(j,i) )  THEN
750                f2 = ( m_total - m_wilt(j,i) ) / (m_fc(j,i) - m_wilt(j,i) )
751             ELSE
752                f2 = 1.0E-20_wp
753             ENDIF
754
755!
756!--          Calculate water vapour pressure at saturation
757!--          (T_0 should be replaced by liquid water temp?!)
758             e_s = 0.01 * 610.78_wp * EXP( 17.269_wp * ( T_0(j,i) - 273.16_wp )&
759                                           / ( T_0(j,i) - 35.86_wp ) )
760
761!
762!--          f3: correction for vapour pressure deficit
763             IF ( gD(j,i) .NE. 0.0_wp )  THEN
764!
765!--             Calculate vapour pressure
766                e  = q_p(k+1,j,i) * surface_pressure / 0.622
767                f3 = EXP ( -gD(j,i) * (e_s - e) )
768             ELSE
769                f3 = 1.0_wp
770             ENDIF
771
772!
773!--          To do: check for very dry soil -> r_canopy goes to infinity
774             r_canopy(j,i)  = r_s_min(j,i) / (LAI(j,i) * f1 * f2 * f3 + 1.0E-20)
775
776!
777!--          Third step: calculate bare soil resistance r_soil
778             m_min = c_veg(j,i) * m_wilt(j,i) + (1.0_wp - c_veg(j,i)) *        &
779                     m_res(j,i)
780
781             f2 = ( m_soil(0,j,i) - m_min ) / ( m_fc(j,i) - m_min )
782             f2 = MAX(f2,1.0E-20)
783
784             r_soil(j,i) = r_soil_min(j,i) / f2
785
786!
787!--          Calculate fraction of liquid water reservoir
788             m_liq_max = m_max_depth * LAI(j,i)
789             c_liq(j,i) = MIN(1.0, m_liq(j,i)/m_liq_max)
790
791             q_s = 0.622_wp * e_s / surface_pressure
792             IF ( q_s .LE. q_p(k+1,j,i))  THEN
793!               PRINT*, "dew fall at (before)", time_since_reference_point
794                r_canopy(j,i) = 0.0_wp
795                r_soil(j,i) = 0.0_wp
796             ENDIF 
797
798
799!
800!--          Calculate coefficients for the total evapotranspiration
801             f_LE_veg  = rho_lv * c_veg(j,i) * (1.0 - c_liq(j,i)) / (r_a(j,i)  &
802                                                + r_canopy(j,i))
803             f_LE_soil = rho_lv * (1.0 - c_veg(j,i)) / (r_a(j,i) + r_soil(j,i))
804             f_LE_liq  = rho_lv * c_veg(j,i) * c_liq(j,i) / r_a(j,i)
805
806
807!            Plant cannot transpirate below wilting point. here, r_canopy
808!            should go to infinity
809!              IF ( m_soil(k,j,i) .LT. m_wilt(j,i) )  THEN
810!                 f_LE_veg(j,i) = 0.0
811!              ENDIF
812
813             f_H  = rho_cp / r_a(j,i)
814             f_LE = f_LE_veg + f_LE_soil + f_LE_liq
815       
816!
817!--          Calculate derivative of q_s for Taylor series expansion
818             e_s_dT = e_s * ( 17.269_wp / (T_0(j,i) - 35.86_wp) -              &
819                              17.269_wp*(T_0(j,i) - 273.16_wp) / (T_0(j,i)     &
820                              - 35.86_wp)**2 )
821
822             dq_s_dT = 0.622_wp * e_s_dT / surface_pressure
823
824             T_1 = pt_p(k+1,j,i) * exn
825
826!
827!--          Add LW up so that it can be removed in prognostic equation
828             Rn(j,i) = Rn(j,i) + sigma_SB * T_0(j,i) ** 4
829
830!
831!--          Numerator of the prognostic equation
832             coef_1 = Rn(j,i) + 3.0_wp * sigma_SB * T_0(j,i) ** 4 + f_H / exn  &
833                      * T_1 + f_LE * ( q_p(k+1,j,i) - q_s + dq_s_dT * T_0(j,i) &
834                                     ) + lambda_skin * T_soil(0,j,i)
835
836!
837!--          Denominator of the prognostic equation
838             coef_2 = 4.0_wp * sigma_SB * T_0(j,i) ** 3 + f_LE * dq_s_dT +     &
839                      lambda_skin + f_H / exn
840
841             tend = 0.0_wp
842
843!
844!--          Implicit solution when the skin layer has no heat capacity,
845!--          otherwise use RK3 scheme.
846             T_0_p(j,i) = ( coef_1 * dt_3d * tsc(2) + C_skin * T_0(j,i) ) /    &
847                          ( C_skin + coef_2 * dt_3d * tsc(2) ) 
848
849!
850!--          Add RK3 term
851             T_0_p(j,i) = T_0_p(j,i) + dt_3d * tsc(3) * tT_soil_m(0,j,i)
852
853!
854!--          Calculate true tendency
855             tend = (T_0_p(j,i) - T_0(j,i) - tsc(3) * tT_0_m(j,i)) / (dt_3d    &
856                      * tsc(2))
857
858!
859!--          Calculate T_0 tendencies for the next Runge-Kutta step
860             IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
861                IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  THEN
862                   tT_0_m(j,i) = tend
863                ELSEIF ( intermediate_timestep_count <                         &
864                         intermediate_timestep_count_max )  THEN
865                   tT_0_m(j,i) = -9.5625_wp * tend + 5.3125_wp * tT_0_m(j,i)
866                ENDIF
867             ENDIF
868
869             pt_p(k,j,i) = T_0_p(j,i) / exn
870!
871!--          Calculate fluxes
872             Rn(j,i)        = Rn(j,i) + 3.0_wp * sigma_SB * T_0(j,i)**4        &
873                              - 4.0_wp * sigma_SB * T_0(j,i)**3 * T_0_p(j,i)
874             G(j,i)         = lambda_skin * (T_0_p(j,i) - T_soil(0,j,i))
875             H(j,i)         = - f_H  * ( pt_p(k+1,j,i) - pt_p(k,j,i) )
876             LE(j,i)        = - f_LE      * ( q_p(k+1,j,i) - q_s + dq_s_dT *   &
877                                T_0(j,i) - dq_s_dT * T_0_p(j,i) )
878
879             LE_veg(j,i)    = - f_LE_veg  * ( q_p(k+1,j,i) - q_s + dq_s_dT *   &
880                                T_0(j,i) - dq_s_dT * T_0_p(j,i) )
881             LE_soil(j,i)   = - f_LE_soil * ( q_p(k+1,j,i) - q_s + dq_s_dT *   &
882                                T_0(j,i) - dq_s_dT * T_0_p(j,i) )
883             LE_liq(j,i)    = - f_LE_liq  * ( q_p(k+1,j,i) - q_s + dq_s_dT *   &
884                                T_0(j,i) - dq_s_dT * T_0_p(j,i) )
885
886
887!              IF ( i == 1 .AND. j == 1 )  THEN
888!                 PRINT*, "Rn", Rn(j,i)
889!                  PRINT*, "H", H(j,i)
890!                 PRINT*, "LE", LE(j,i)
891!                 PRINT*, "LE_liq", LE_liq(j,i)
892!                 PRINT*, "LE_veg", LE_veg(j,i)
893!                 PRINT*, "LE_soil", LE_soil(j,i)
894!                 PRINT*, "G", G(j,i)
895!              ENDIF
896
897
898             IF ( LE(j,i) .EQ. 0.0 )  THEN
899!               PRINT*, "+++ Evapotranspiration -> 0"
900                r_s(j,i) = 1.0E10
901             ELSE
902                r_s(j,i) = - rho_lv * ( q_p(k+1,j,i) - q_s + dq_s_dT * T_0(j,i)&
903                           - dq_s_dT * T_0_p(j,i) ) / LE(j,i) - r_a(j,i)
904             ENDIF
905
906!
907!--          Calculate change in liquid water reservoir due to dew fall or
908!--          evaporation of liquid water (to do: add interception from rainfall)
909             IF ( q_s .LE. q_p(k+1,j,i))  THEN
910!
911!--             Check if reservoir is full (avoid values > m_liq_max)
912!--             In that case, LE_liq goes to LE_soil. In this case
913!--             LE_veg is zero anyway (because c_liq = 1), so that tend is
914!--             zero and no further check is needed
915                IF ( m_liq(j,i) .EQ. m_liq_max )  THEN
916                   LE_soil(j,i) = LE_soil(j,i) + LE_liq(j,i)
917                   LE_liq(j,i) = 0.0_wp
918                ENDIF
919
920!
921!--             In case LE_veg becomes negative (unphysical behavior), let
922!--             the water enter the liquid water reservoir as dew on the
923!--             plant
924                IF ( LE_veg(j,i) .LT. 0.0_wp )  THEN
925                   LE_liq(j,i) = LE_liq(j,i) + LE_veg(j,i)
926                   LE_veg(j,i) = 0.0_wp
927                ENDIF
928             ENDIF                   
929 
930             tend = - LE_liq(j,i) * drho_l_lv
931 
932
933             m_liq_p(j,i) = m_liq(j,i) + dt_3d * ( tsc(2) * tend               &
934                                                   + tsc(3) * tm_liq_m(j,i) )
935
936!
937!--          Check if reservoir is overfull -> reduce to maximum
938!--          (conservation of water is violated here)
939             m_liq_p(j,i) = MIN(m_liq_p(j,i),m_liq_max)
940
941!
942!--          Check if reservoir is empty (avoid values < 0.0)
943!--          (conservation of water is violated here)
944             m_liq_p(j,i) = MAX(m_liq_p(j,i),0.0_wp)
945
946
947!
948!--          Calculate m_liq tendencies for the next Runge-Kutta step
949             IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
950                IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  THEN
951                   tm_liq_m(j,i) = tend
952                ELSEIF ( intermediate_timestep_count <                         &
953                         intermediate_timestep_count_max )  THEN
954                   tm_liq_m(j,i) = -9.5625_wp * tend + 5.3125_wp * tm_liq_m(j,i)
955                ENDIF
956             ENDIF
957
958!
959!--          Calculate fluxes in the atmosphere
960             shf(j,i) = H(j,i) / rho_cp
961             qsws(j,i) = LE(j,i) / rho_lv
962
963             ENDDO
964          ENDDO
965
966
967
968    END SUBROUTINE lsm_energy_balance
969
970
971!------------------------------------------------------------------------------!
972! Description:
973! ------------
974!
975!------------------------------------------------------------------------------!
976    SUBROUTINE lsm_soil_model
977
978
979       IMPLICIT NONE
980
981       INTEGER(iwp) ::  i   !: running index
982       INTEGER(iwp) ::  j   !: running index
983       INTEGER(iwp) ::  k   !: running index
984
985       REAL(wp)     :: h_VG !: Van Genuchten coef. h
986
987       REAL(wp), DIMENSION(0:soil_layers-1) :: gamma_temp,  & !: temp. gamma
988                                               lambda_temp, & !: temp. lambda
989                                               tend           !: tendency
990
991       DO i = nxlg, nxrg   
992          DO j = nysg, nyng
993             DO k = 0, soil_layers-1
994!
995!--             Calculate volumetric heat capacity of the soil, taking into
996!--             account water content
997                rhoC_total(k,j,i) = (rhoC_soil * (1.0 - m_sat(j,i))            &
998                                     + rhoC_water * m_soil(k,j,i))
999
1000!
1001!--             Calculate soil heat conductivity at the center of the soil
1002!--             layers
1003                Ke = 1.0 + LOG10(MAX(0.1,m_soil(k,j,i) / m_sat(j,i)))
1004                lambda_temp(k) = Ke * (lambda_h_sat(j,i) + lambda_h_dry) +     &
1005                                 lambda_h_dry
1006
1007             ENDDO
1008
1009!
1010!--          Calculate soil heat conductivity (lambda_h) at the _stag level
1011!--          using linear interpolation
1012             DO k = 0, soil_layers-2
1013                 
1014                lambda_h(k,j,i) = lambda_temp(k) +                             &
1015                                  ( lambda_temp(k+1) - lambda_temp(k) )        &
1016                                  * 0.5 * dz_soil_stag(k) * ddz_soil(k+1)
1017
1018             ENDDO
1019             lambda_h(soil_layers-1,j,i) = lambda_temp(soil_layers-1)
1020
1021!
1022!--          Prognostic equation for soil temperature T_soil
1023             tend(:) = 0.0_wp
1024             tend(0) = (1.0/rhoC_total(0,j,i)) *                               &
1025                       ( lambda_h(0,j,i) * ( T_soil(1,j,i) - T_soil(0,j,i) )   &
1026                         * ddz_soil(0) + G(j,i) ) * ddz_soil_stag(0)
1027
1028             DO  k = 1, soil_layers-1
1029                tend(k) = (1.0/rhoC_total(k,j,i))                              &
1030                          * (   lambda_h(k,j,i)                                &
1031                              * ( T_soil(k+1,j,i) - T_soil(k,j,i) )            &
1032                              * ddz_soil(k)                                    &
1033                              - lambda_h(k-1,j,i)                              &
1034                              * ( T_soil(k,j,i) - T_soil(k-1,j,i) )            &
1035                              * ddz_soil(k-1)                                  &
1036                            ) * ddz_soil_stag(k)
1037             ENDDO
1038
1039             T_soil_p(0:soil_layers-1,j,i) = T_soil(0:soil_layers-1,j,i)       &
1040                                             + dt_3d * ( tsc(2)                &
1041                                             * tend(:) + tsc(3)                &
1042                                             * tT_soil_m(:,j,i) )   
1043
1044!
1045!--          Calculate T_soil tendencies for the next Runge-Kutta step
1046             IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
1047                IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  THEN
1048                   DO  k = 0, soil_layers-1
1049                      tT_soil_m(k,j,i) = tend(k)
1050                   ENDDO
1051                ELSEIF ( intermediate_timestep_count <                         &
1052                         intermediate_timestep_count_max )  THEN
1053                   DO  k = 0, soil_layers-1
1054                      tT_soil_m(k,j,i) = -9.5625_wp * tend(k) + 5.3125_wp      &
1055                                         * tT_soil_m(k,j,i)
1056                   ENDDO
1057                ENDIF
1058             ENDIF
1059
1060
1061             DO k = 0, soil_layers-1
1062!
1063!--             Calculate soil diffusivity at the center of the soil layers
1064                lambda_temp(k) = (- b_CH * gamma_w_sat(j,i) * psi_sat          &
1065                                  / m_sat(j,i) ) * ( MAX(m_soil(k,j,i),        &
1066                                  m_wilt(j,i)) / m_sat(j,i) )**(b_CH + 2.0_wp)
1067
1068!
1069!--             Calculate the hydraulic conductivity after Van Genuchten (1980)
1070                h_VG = ( ( (m_res(j,i) - m_sat(j,i)) / ( m_res(j,i) -          &
1071                           MAX(m_soil(k,j,i),m_wilt(j,i)) ) )**(n_VG(j,i)      &
1072                           / (n_VG(j,i)-1.0_wp)) - 1.0_wp                      &
1073                       )**(1.0_wp/n_VG(j,i)) / alpha_VG(j,i)
1074
1075                gamma_temp(k) = gamma_w_sat(j,i) * ( ( (1.0_wp +               &
1076                                (alpha_VG(j,i)*h_VG)**n_VG(j,i))**(1.0_wp      &
1077                                -1.0_wp/n_VG(j,i)) - (alpha_VG(j,i)*h_VG       &
1078                                )**(n_VG(j,i)-1.0_wp))**2 )                    &
1079                                / ( (1.0_wp + (alpha_VG(j,i)*h_VG)**n_VG(j,i)  &
1080                                )**((1.0_wp - 1.0_wp/n_VG(j,i))*(l_VG(j,i)     &
1081                                + 2.0)) )
1082
1083             ENDDO
1084
1085
1086             IF ( humidity )  THEN
1087!
1088!--             Calculate soil diffusivity (lambda_w) at the _stag level
1089!--             using linear interpolation
1090                DO k = 0, soil_layers-2
1091                     
1092                   lambda_w(k,j,i) = lambda_temp(k) +                          &
1093                                     ( lambda_temp(k+1) - lambda_temp(k) )     &
1094                                     * 0.5 * dz_soil_stag(k) * ddz_soil(k+1)
1095                   gamma_w(k,j,i)  = gamma_temp(k) +                           &
1096                                     ( gamma_temp(k+1) - gamma_temp(k) )       &
1097                                     * 0.5 * dz_soil_stag(k) * ddz_soil(k+1)                 
1098
1099                ENDDO
1100
1101!
1102!
1103!--             In case of a closed bottom (= water content is conserved), set
1104!--             hydraulic conductivity to zero to that no water will be lost
1105!--             in the bottom layer.
1106                IF ( conserve_water_content )  THEN
1107                   gamma_w(soil_layers-1,j,i) = 0.0_wp
1108                ELSE
1109                   gamma_w(soil_layers-1,j,i) = lambda_temp(soil_layers-1)
1110                ENDIF     
1111
1112!--             The root extraction (= root_extr * LE_veg / (rho_l * l_v))
1113!--             ensures the mass conservation for water. The transpiration of
1114!--             plants equals the cumulative withdrawals by the roots in the
1115!--             soil. The scheme takes into account the availability of water
1116!--             in the soil layers as well as the root fraction in the
1117!--             respective layer
1118
1119!
1120!--             Calculate the root extraction (ECMWF 7.69, with some
1121!--             modifications)
1122                m_total = 0.0_wp
1123                DO k = 0, soil_layers-1
1124                    m_total = m_total + root_fr(k,j,i) * m_soil(k,j,i) *       &
1125                              dz_soil_stag(k) 
1126
1127                ENDDO 
1128
1129!
1130!--             For conservation of mass, the sum of root_extr must be 1
1131                DO k = 0, soil_layers-1 
1132                   root_extr(k) = root_fr(k,j,i) * m_soil(k,j,i)               &
1133                                  * dz_soil_stag(k) / m_total
1134                ENDDO
1135
1136
1137!
1138!--             Prognostic equation for soil water content m_soil
1139                tend(:) = 0.0_wp
1140                tend(0) = ( lambda_w(0,j,i) * ( m_soil(1,j,i) - m_soil(0,j,i) )&
1141                            * ddz_soil(0) - gamma_w(0,j,i) - ( root_extr(0)    &
1142                            * LE_veg(j,i) + LE_soil(j,i) ) * drho_l_lv         &
1143                          ) * ddz_soil_stag(0)
1144
1145                DO  k = 1, soil_layers-2
1146                   tend(k) = ( lambda_w(k,j,i) * ( m_soil(k+1,j,i)             &
1147                               - m_soil(k,j,i) ) * ddz_soil(k) - gamma_w(k,j,i)&
1148                               - lambda_w(k-1,j,i) * (m_soil(k,j,i) -          &
1149                               m_soil(k-1,j,i)) * ddz_soil(k-1)                &
1150                               + gamma_w(k-1,j,i) - (root_extr(k) * LE_veg(j,i)&
1151                               * drho_l_lv)                                    &
1152                             ) * ddz_soil_stag(k)
1153
1154                ENDDO
1155                tend(soil_layers-1) = ( - gamma_w(soil_layers-1,j,i)           &
1156                                        - lambda_w(soil_layers-2,j,i)          &
1157                                        * (m_soil(soil_layers-1,j,i)           &
1158                                        - m_soil(soil_layers-2,j,i))           &
1159                                        * ddz_soil(soil_layers-2)              &
1160                                        + gamma_w(soil_layers-2,j,i) - (       &
1161                                          root_extr(soil_layers-1)             &
1162                                        * LE_veg(j,i) * drho_l_lv      )       &
1163                                      ) * ddz_soil_stag(soil_layers-1)             
1164
1165                m_soil_p(0:soil_layers-1,j,i) = m_soil(0:soil_layers-1,j,i)    &
1166                                                + dt_3d * ( tsc(2) * tend(:)   &
1167                                                + tsc(3) * tm_soil_m(:,j,i) )   
1168
1169!
1170!--             Account for dry soils (find a better solution here!)
1171                m_soil_p(:,j,i) = MAX(m_soil_p(:,j,i),0.0_wp)
1172
1173!
1174!--             Calculate m_soil tendencies for the next Runge-Kutta step
1175                IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
1176                   IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  THEN
1177                      DO  k = 0, soil_layers-1
1178                         tm_soil_m(k,j,i) = tend(k)
1179                      ENDDO
1180                   ELSEIF ( intermediate_timestep_count <                      &
1181                            intermediate_timestep_count_max )  THEN
1182                      DO  k = 0, soil_layers-1
1183                         tm_soil_m(k,j,i) = -9.5625_wp * tend(k) + 5.3125_wp   &
1184                                     * tm_soil_m(k,j,i)
1185                      ENDDO
1186                   ENDIF
1187                ENDIF
1188
1189             ENDIF
1190
1191          ENDDO
1192       ENDDO
1193
1194!
1195!--    Calculate surface specific humidity
1196       IF ( humidity )  THEN
1197          CALL calc_q0
1198       ENDIF
1199
1200
1201    END SUBROUTINE lsm_soil_model
1202
1203
1204!------------------------------------------------------------------------------!
1205! Description:
1206! ------------
1207!
1208!------------------------------------------------------------------------------!
1209    SUBROUTINE calc_q0
1210
1211       IMPLICIT NONE
1212
1213       INTEGER :: i              !: running index
1214       INTEGER :: j              !: running index
1215       INTEGER :: k              !: running index
1216       REAL(wp) :: resistance    !: aerodynamic and soil resistance term
1217
1218       DO i = nxlg, nxrg   
1219          DO j = nysg, nyng
1220
1221             k = nzb_s_inner(j,i)
1222!
1223!--          Temporary solution as long as T_0 is prescribed
1224
1225             pt_p(k,j,i) = T_0(j,i) / exn
1226!
1227!--          Calculate water vapour pressure at saturation
1228             e_s = 0.01_wp * 610.78_wp * EXP( 17.269_wp * ( T_0(j,i) -         &
1229                                              273.16_wp ) /  ( T_0(j,i) -      &
1230                                              35.86_wp ) )
1231
1232!
1233!--          Calculate specific humidity at saturation
1234             q_s = 0.622_wp * e_s / surface_pressure
1235
1236
1237             resistance = r_a(j,i) / (r_a(j,i) + r_s(j,i))
1238
1239!
1240!--          Calculate specific humidity at surface
1241             q_p(k,j,i) = resistance * q_s + (1.0_wp - resistance)             &
1242                          * q_p(k+1,j,i)
1243
1244          ENDDO
1245       ENDDO
1246
1247    END SUBROUTINE calc_q0
1248
1249
1250 END MODULE land_surface_model_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.