source: palm/trunk/SOURCE/land_surface_model.f90 @ 1497

Last change on this file since 1497 was 1497, checked in by maronga, 8 years ago

last commit documented

  • 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!
23!
24! Former revisions:
25! -----------------
26! $Id: land_surface_model.f90 1497 2014-12-02 17:28:07Z maronga $
27!
28! 1496 2014-12-02 17:25:50Z maronga
29! Initial revision
30!
31!
32! Description:
33! ------------
34! Land surface model, consisting of a solver for the energy balance at the
35! surface and a four layer soil scheme. The scheme is similar to the TESSEL
36! scheme implemented in the ECMWF IFS model, with modifications according to
37! H-TESSEL. The implementation is based on the formulation implemented in the
38! DALES model.
39!------------------------------------------------------------------------------!
40     USE arrays_3d,                                                            &
41         ONLY:  pt, pt_p, q, q_p, qsws, rif, shf, ts, us, z0, z0h
42
43     USE cloud_parameters,                                                     &
44         ONLY: cp, l_d_r, l_v, rho_l, r_d, r_v
45
46     USE control_parameters,                                                   &
47         ONLY: dt_3d, humidity, intermediate_timestep_count,                   &
48               intermediate_timestep_count_max, pt_surface, rho_surface,       &
49               surface_pressure, timestep_scheme, tsc
50
51     USE indices,                                                              &
52         ONLY: nxlg, nxrg, nyng, nysg, nzb_s_inner 
53
54     USE kinds
55
56     USE radiation_model_mod,                                                  &
57         ONLY: Rn, SW_in, sigma_SB
58
59
60    IMPLICIT NONE
61
62!
63!-- LSM model constants
64    INTEGER(iwp), PARAMETER :: soil_layers = 4 !: number of soil layers (fixed for now)
65
66    REAL(wp), PARAMETER ::                     &
67              b_CH               = 6.04_wp,    & ! Clapp & Hornberger exponent
68              lambda_h_dry       = 0.19_wp,    & ! heat conductivity for dry soil
69              lambda_h_sm        = 3.44_wp,    & ! heat conductivity of the soil matrix
70              lambda_h_water     = 0.57_wp,    & ! heat conductivity of water
71              psi_sat            = -0.388_wp,  & ! soil matrix potential at saturation
72              rhoC_soil          = 2.19E6_wp,  & ! volumetric heat capacity of soil
73              rhoC_water         = 4.20E6_wp,  & ! volumetric heat capacity of water
74              m_max_depth        = 0.0002_wp     ! Maximum capacity of the water reservoir (m)
75
76
77!
78!-- LSM variables
79    INTEGER(iwp) :: veg_type  = 2, & !: vegetation type, 0: user-defined, 1-19: generic (see list)
80                    soil_type = 3    !: soil type, 0: user-defined, 1-6: generic (see list)
81
82    LOGICAL :: conserve_water_content = .TRUE., & !: open or closed bottom surface for the soil model
83               land_surface = .FALSE.             !: flag parameter indicating wheather the lsm is used
84
85!   value 9999999.9_wp -> generic available or user-defined value must be set
86!   otherwise -> no generic variable and user setting is optional
87    REAL(wp) :: alpha_VanGenuchten = 0.0_wp,            & !: NAMELIST alpha_VG
88                canopy_resistance_coefficient = 0.0_wp, & !: NAMELIST gD
89                C_skin   = 20000.0_wp,                  & !: Skin heat capacity
90                drho_l_lv,                              & !: (rho_l * l_v)**-1
91                exn,                                    & !: value of the Exner function
92                e_s = 0.0_wp,                           & !: saturation water vapour pressure
93                field_capacity = 0.0_wp,                & !: NAMELIST m_fc
94                f_shortwave_incoming = 9999999.9_wp,    & !: NAMELIST f_SW_in
95                hydraulic_conductivity = 0.0_wp,        & !: NAMELIST gamma_w_sat
96                Ke = 0.0_wp,                            & !: Kersten number
97                lambda_skin_stable = 9999999.9_wp,      & !: NAMELIST lambda_skin_s
98                lambda_skin_unstable = 9999999.9_wp,    & !: NAMELIST lambda_skin_u
99                leaf_area_index = 9999999.9_wp,         & !: NAMELIST LAI
100                l_VanGenuchten = 0.0_WP,                & !: NAMELIST l_VG
101                min_canopy_resistance = 110.0_wp,       & !: NAMELIST r_s_min
102                m_total = 0.0_wp,                       & !: weighed total water content of the soil (m3/m3)
103                n_VanGenuchten = 0.0_WP,                & !: NAMELIST n_VG
104                q_s = 0.0_wp,                           & !: saturation specific humidity
105                residual_moisture = 0.0_wp,             & !: NAMELIST m_res
106                rho_cp,                                 & !: rho_surface * cp
107                rho_lv,                                 & !: rho * l_v
108                rd_d_rv,                                & !: r_d / r_v
109                saturation_moisture = 0.0_wp,           & !: NAMELIST m_sat
110                vegetation_coverage = 9999999.9_wp,     & !: NAMELIST c_veg
111                wilting_point = 0.0_wp                    !: NAMELIST m_wilt
112
113    REAL(wp), DIMENSION(0:soil_layers-1) :: &
114              ddz_soil,                     & !: 1/dz_soil
115              ddz_soil_stag,                & !: 1/dz_soil_stag
116              dz_soil,                      & !: soil grid spacing (center-center)
117              dz_soil_stag,                 & !: soil grid spacing (edge-edge)
118              root_extr = 0.0_wp,           & !: root extraction
119              root_fraction = (/0.35_wp, 0.38_wp, 0.23_wp, 0.04_wp/), & !: distribution of root surface area to the individual soil layers
120              soil_level = (/0.07_wp, 0.28_wp, 1.00_wp,  2.89_wp/),   & !: soil layer depths (m)
121              soil_moisture    = 0.0_wp       !: soil moisture content (m3/m3)
122
123    REAL(wp), DIMENSION(0:soil_layers) ::   &
124              soil_temperature = 9999999.9_wp !: soil temperature (K)
125
126#if defined( __nopointer )
127    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE, TARGET :: T_0,    & !: skin temperature (K)
128                                                     T_0_p,  & !: progn. skin temperature (K)
129                                                     m_liq,  & !: liquid water reservoir (m)
130                                                     m_liq_p   !: progn. liquid water reservoir (m)
131#else
132    REAL(wp), DIMENSION(:,:), POINTER :: T_0,   &
133                                         T_0_p, & 
134                                         m_liq, & 
135                                         m_liq_p
136
137    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE, TARGET :: T_0_1, T_0_2,    &
138                                                     m_liq_1, m_liq_2
139#endif
140
141!
142!-- Temporal tendencies for time stepping           
143    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE :: tT_0_m,  & !: skin temperature tendency (K)
144                                             tm_liq_m   !: liquid water reservoir tendency (m)
145
146!
147!-- Energy balance variables               
148    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::                                   &
149              alpha_VG,      & !: coef. of Van Genuchten
150              c_liq,         & !: liquid water coverage (of vegetated area)
151              c_veg,         & !: vegetation coverage   
152              f_SW_in,       & !: ?
153              G,             & !: surface soil heat flux
154              H,             & !: surface flux of sensible heat
155              gamma_w_sat,   & !: hydraulic conductivity at saturation
156              gD,            & !: coefficient for dependence of r_canopy on water vapour pressure deficit
157              LAI,           & !: leaf area index
158              LE,            & !: surface flux of latent heat (total)
159              LE_veg,        & !: surface flux of latent heat (vegetation portion)
160              LE_soil,       & !: surface flux of latent heat (soil portion)
161              LE_liq,        & !: surface flux of latent heat (liquid water portion)
162              lambda_h_sat,  & !: heat conductivity for dry soil
163              lambda_skin_s, & !: coupling between skin and soil (depends on vegetation type)
164              lambda_skin_u, & !: coupling between skin and soil (depends on vegetation type)
165              l_VG,          & !: coef. of Van Genuchten
166              m_fc,          & !: soil moisture at field capacity (m3/m3)
167              m_res,         & !: residual soil moisture
168              m_sat,         & !: saturation soil moisture (m3/m3)
169              m_wilt,        & !: soil moisture at permanent wilting point (m3/m3)
170              n_VG,          & !: coef. Van Genuchten 
171              r_a,           & !: aerodynamic resistance
172              r_canopy,      & !: canopy resistance
173              r_soil,        & !: soil resitance
174              r_soil_min,    & !: minimum soil resistance
175              r_s,           & !: total surface resistance (combination of r_soil and r_canopy)         
176              r_s_min          !: minimum canopy resistance
177
178    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::                                 &
179              lambda_h, &   !: heat conductivity of soil (?)                           
180              lambda_w, &   !: hydraulic diffusivity of soil (?)
181              gamma_w,  &   !: hydraulic conductivity of soil (?)
182              rhoC_total    !: volumetric heat capacity of the actual soil matrix (?)
183
184#if defined( __nopointer )
185    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE, TARGET ::                         &
186              T_soil,    & !: Soil temperature (K)
187              T_soil_p,  & !: Prog. soil temperature (K)
188              m_soil,    & !: Soil moisture (m3/m3)
189              m_soil_p     !: Prog. soil moisture (m3/m3)
190#else
191    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), POINTER ::                                     &
192              T_soil, T_soil_p, &
193              m_soil, m_soil_p   
194
195    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE, TARGET ::                         &
196              T_soil_1, T_soil_2, &
197              m_soil_1, m_soil_2
198
199
200#endif
201
202
203    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::                                 &
204              tT_soil_m, & !: T_soil storage array
205              tm_soil_m, & !: m_soil storage array
206              root_fr      !: root fraction (sum=1)
207
208!
209!--  Land surface parameters according to the following classes (veg_type)
210!--  (0 user defined)
211!--  1 crops, mixed farming
212!--  2 short grass
213!--  3 evergreen needleleaf trees
214!--  4 deciduous needleleaf trees
215!--  5 evergreen broadleaf trees
216!--  6 deciduous broadleaf trees
217!--  7 tall grass
218!--  8 desert
219!--  9 tundra
220!-- 10 irrigated crops
221!-- 11 semidesert
222!-- 12 ice caps and glaciers
223!-- 13 bogs and marshes
224!-- 14 inland water
225!-- 15 ocean
226!-- 16 evergreen shrubs
227!-- 17 deciduous shrubs
228!-- 18 mixed forest/woodland
229!-- 19 interrupted forest
230
231!
232!-- Land surface parameters I     r_s_min,     LAI,   c_veg,      gD
233    REAL(wp), DIMENSION(0:3,1:19) :: veg_pars = RESHAPE( (/           &
234                                 180.0_wp, 3.00_wp, 0.90_wp, 0.00_wp, & !  1
235                                 110.0_wp, 2.00_wp, 0.85_wp, 0.00_wp, & !  2
236                                 500.0_wp, 5.00_wp, 0.90_wp, 0.03_wp, & !  3
237                                 500.0_wp, 5.00_wp, 0.90_wp, 0.03_wp, & !  4
238                                 175.0_wp, 5.00_wp, 0.90_wp, 0.03_wp, & !  5
239                                 240.0_wp, 6.00_wp, 0.99_wp, 0.13_wp, & !  6
240                                 100.0_wp, 2.00_wp, 0.70_wp, 0.00_wp, & !  7
241                                 250.0_wp, 0.50_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, & !  8
242                                  80.0_wp, 1.00_wp, 0.50_wp, 0.00_wp, & !  9
243                                 180.0_wp, 3.00_wp, 0.90_wp, 0.00_wp, & ! 10
244                                 150.0_wp, 0.50_wp, 0.10_wp, 0.00_wp, & ! 11
245                                   0.0_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, & ! 12
246                                 240.0_wp, 4.00_wp, 0.60_wp, 0.00_wp, & ! 13
247                                   0.0_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, & ! 14
248                                   0.0_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, & ! 15
249                                 225.0_wp, 3.00_wp, 0.50_wp, 0.00_wp, & ! 16
250                                 225.0_wp, 1.50_wp, 0.50_wp, 0.00_wp, & ! 17
251                                 250.0_wp, 5.00_wp, 0.90_wp, 0.03_wp, & ! 18
252                                 175.0_wp, 2.50_wp, 0.90_wp, 0.03_wp  & ! 19
253                                 /), (/ 4, 19 /) )
254
255!
256!-- Land surface parameters II          z0,         z0h
257    REAL(wp), DIMENSION(0:1,1:19) :: roughness_par = RESHAPE( (/ & 
258                                   0.25_wp,  0.25E-2_wp,         & !  1
259                                   0.20_wp,  0.20E-2_wp,         & !  2
260                                   2.00_wp,     2.00_wp,         & !  3
261                                   2.00_wp,     2.00_wp,         & !  4
262                                   2.00_wp,     2.00_wp,         & !  5
263                                   2.00_wp,     2.00_wp,         & !  6
264                                   0.47_wp,  0.47E-2_wp,         & !  7
265                                  0.013_wp, 0.013E-2_wp,         & !  8
266                                  0.034_wp, 0.034E-2_wp,         & !  9
267                                    0.5_wp,  0.50E-2_wp,         & ! 10
268                                   0.17_wp,  0.17E-2_wp,         & ! 11
269                                 1.3E-3_wp,   1.3E-4_wp,         & ! 12
270                                   0.83_wp,  0.83E-2_wp,         & ! 13
271                                   0.00_wp,  0.00E-2_wp,         & ! 14
272                                   0.00_wp,  0.00E-2_wp,         & ! 15
273                                   0.10_wp,  0.10E-2_wp,         & ! 16
274                                   0.25_wp,  0.25E-2_wp,         & ! 17
275                                   2.00_wp,  2.00E-2_wp,         & ! 18
276                                   1.10_wp,  1.10E-2_wp          & ! 19
277                                 /), (/ 2, 19 /) )
278
279!
280!-- Land surface parameters III lambda_skin_s, lambda_skin_u, f_SW_in
281    REAL(wp), DIMENSION(0:2,1:19) :: skin_pars = RESHAPE( (/           &
282                                      10.0_wp,       10.0_wp, 0.05_wp, & !  1
283                                      10.0_wp,       10.0_wp, 0.05_wp, & !  2
284                                      20.0_wp,       15.0_wp, 0.03_wp, & !  3
285                                      20.0_wp,       15.0_wp, 0.03_wp, & !  4
286                                      20.0_wp,       15.0_wp, 0.03_wp, & !  5
287                                      20.0_wp,       15.0_wp, 0.03_wp, & !  6
288                                      10.0_wp,       10.0_wp, 0.05_wp, & !  7
289                                      15.0_wp,       15.0_wp, 0.00_wp, & !  8
290                                      10.0_wp,       10.0_wp, 0.05_wp, & !  9
291                                      10.0_wp,       10.0_wp, 0.05_wp, & ! 10
292                                      10.0_wp,       10.0_wp, 0.05_wp, & ! 11
293                                      58.0_wp,       58.0_wp, 0.00_wp, & ! 12
294                                      10.0_wp,       10.0_wp, 0.05_wp, & ! 13
295                                    1.0E20_wp,     1.0E20_wp, 0.00_wp, & ! 14
296                                    1.0E20_wp,     1.0E20_wp, 0.00_wp, & ! 15
297                                      10.0_wp,       10.0_wp, 0.05_wp, & ! 16
298                                      10.0_wp,       10.0_wp, 0.05_wp, & ! 17
299                                      20.0_wp,       15.0_wp, 0.03_wp, & ! 18
300                                      20.0_wp,       15.0_wp, 0.03_wp  & ! 19
301                                      /), (/ 3, 19 /) )
302
303!
304!-- Root distribution (sum = 1)  level 1, level 2, level 3, level 4,
305    REAL(wp), DIMENSION(0:3,1:19) :: root_distribution = RESHAPE( (/ &
306                                 0.24_wp, 0.41_wp, 0.31_wp, 0.04_wp, & !  1
307                                 0.35_wp, 0.38_wp, 0.23_wp, 0.04_wp, & !  2
308                                 0.26_wp, 0.39_wp, 0.29_wp, 0.06_wp, & !  3
309                                 0.26_wp, 0.38_wp, 0.29_wp, 0.07_wp, & !  4
310                                 0.24_wp, 0.38_wp, 0.31_wp, 0.07_wp, & !  5
311                                 0.25_wp, 0.34_wp, 0.27_wp, 0.14_wp, & !  6
312                                 0.27_wp, 0.27_wp, 0.27_wp, 0.09_wp, & !  7
313                                 1.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, & !  8
314                                 0.47_wp, 0.45_wp, 0.08_wp, 0.00_wp, & !  9
315                                 0.24_wp, 0.41_wp, 0.31_wp, 0.04_wp, & ! 10
316                                 0.17_wp, 0.31_wp, 0.33_wp, 0.19_wp, & ! 11
317                                 0.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, & ! 12
318                                 0.25_wp, 0.34_wp, 0.27_wp, 0.11_wp, & ! 13
319                                 0.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, & ! 14
320                                 0.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, & ! 15
321                                 0.23_wp, 0.36_wp, 0.30_wp, 0.11_wp, & ! 16
322                                 0.23_wp, 0.36_wp, 0.30_wp, 0.11_wp, & ! 17
323                                 0.19_wp, 0.35_wp, 0.36_wp, 0.10_wp, & ! 18
324                                 0.19_wp, 0.35_wp, 0.36_wp, 0.10_wp  & ! 19
325                                 /), (/ 4, 19 /) )
326
327!
328!-- Soil parameters according to the following porosity classes (soil_type)
329!-- (0 user defined)
330!-- 1 coarse
331!-- 2 medium
332!-- 3 medium-fine
333!-- 4 fine
334!-- 5 very fine
335!-- 6 organic
336!
337!-- Soil parameters I           alpha_VG,      l_VG,    n_VG, gamma_w_sat
338    REAL(wp), DIMENSION(0:3,1:6) :: soil_pars = RESHAPE( (/                &
339                                 3.83_wp,  1.250_wp, 1.38_wp,  6.94E-6_wp, & ! 1
340                                 3.14_wp, -2.342_wp, 1.28_wp,  1.16E-6_wp, & ! 2
341                                 0.83_wp, -0.588_wp, 1.25_wp,  0.26E-6_wp, & ! 3
342                                 3.67_wp, -1.977_wp, 1.10_wp,  2.87E-6_wp, & ! 4
343                                 2.65_wp,  2.500_wp, 1.10_wp,  1.74E-6_wp, & ! 5
344                                 1.30_wp,  0.400_wp, 1.20_wp,  0.93E-6_wp  & ! 6
345                                 /), (/ 4, 6 /) )
346
347!
348!-- Soil parameters II              m_sat,     m_fc,   m_wilt,    m_res 
349    REAL(wp), DIMENSION(0:3,1:6) :: m_soil_pars = RESHAPE( (/            &
350                                 0.403_wp, 0.244_wp, 0.059_wp, 0.025_wp, & ! 1
351                                 0.439_wp, 0.347_wp, 0.151_wp, 0.010_wp, & ! 2
352                                 0.430_wp, 0.383_wp, 0.133_wp, 0.010_wp, & ! 3
353                                 0.520_wp, 0.448_wp, 0.279_wp, 0.010_wp, & ! 4
354                                 0.614_wp, 0.541_wp, 0.335_wp, 0.010_wp, & ! 5
355                                 0.766_wp, 0.663_wp, 0.267_wp, 0.010_wp  & ! 6
356                                 /), (/ 4, 6 /) )
357
358
359    SAVE
360
361
362    PRIVATE
363
364
365    PUBLIC alpha_VanGenuchten, C_skin, canopy_resistance_coefficient,          &
366           conserve_water_content,      field_capacity, f_shortwave_incoming,  &
367           hydraulic_conductivity, init_lsm, lambda_skin_stable,               &
368           lambda_skin_unstable, land_surface, leaf_area_index,                &
369           lsm_energy_balance, lsm_soil_model, l_VanGenuchten,                 &
370           min_canopy_resistance, n_VanGenuchten, residual_moisture,           &
371           root_fraction, saturation_moisture, soil_level, soil_moisture,      &
372           soil_temperature, soil_type, vegetation_coverage, veg_type,         &
373           wilting_point
374
375#if defined( __nopointer )
376    PUBLIC m_liq, m_liq_p, m_soil, m_soil_p, T_0, T_0_p, T_soil, T_soil_p
377#else
378    PUBLIC m_liq, m_liq_1, m_liq_2, m_liq_p, m_soil, m_soil_1, m_soil_2,       &
379           m_soil_p, T_0, T_0_1, T_0_2, T_0_p, T_soil, T_soil_1, T_soil_2,     &
380           T_soil_p
381#endif
382
383
384    INTERFACE init_lsm
385       MODULE PROCEDURE init_lsm
386    END INTERFACE init_lsm
387
388    INTERFACE lsm_energy_balance
389       MODULE PROCEDURE lsm_energy_balance
390    END INTERFACE lsm_energy_balance
391
392    INTERFACE lsm_soil_model
393       MODULE PROCEDURE lsm_soil_model
394    END INTERFACE lsm_soil_model
395
396
397 CONTAINS
398
399
400!------------------------------------------------------------------------------!
401! Description:
402! ------------
403!-- Initialization of the land surface model
404!------------------------------------------------------------------------------!
405    SUBROUTINE init_lsm
406   
407
408       IMPLICIT NONE
409
410       INTEGER(iwp) ::  i !: running index
411       INTEGER(iwp) ::  j !: running index
412       INTEGER(iwp) ::  k !: running index
413
414
415!
416!--    Calculate frequently used parameters
417       rho_cp    = cp * rho_surface
418       rd_d_rv   = r_d / r_v
419       rho_lv    = rho_surface * l_v
420       drho_l_lv = 1.0 / (rho_l * l_v)
421
422!
423!--    Allocate skin and soil temperature / humidity
424#if defined( __nopointer )
425       ALLOCATE ( T_0(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
426       ALLOCATE ( T_0_p(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
427#else
428       ALLOCATE ( T_0_1(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
429       ALLOCATE ( T_0_2(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
430#endif
431
432       ALLOCATE ( tT_0_m(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
433
434#if defined( __nopointer )
435       ALLOCATE ( T_soil(0:soil_layers,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
436       ALLOCATE ( T_soil_p(0:soil_layers,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
437#else
438       ALLOCATE ( T_soil_1(0:soil_layers,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
439       ALLOCATE ( T_soil_2(0:soil_layers,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
440#endif
441
442       ALLOCATE ( tT_soil_m(0:soil_layers-1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
443
444#if defined( __nopointer )
445       ALLOCATE ( m_liq(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
446       ALLOCATE ( m_liq_p(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
447#else
448       ALLOCATE ( m_liq_1(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
449       ALLOCATE ( m_liq_2(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
450#endif
451
452       ALLOCATE ( tm_liq_m(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
453
454#if defined( __nopointer )
455       ALLOCATE ( m_soil(0:soil_layers-1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
456       ALLOCATE ( m_soil_p(0:soil_layers-1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
457#else
458       ALLOCATE ( m_soil_1(0:soil_layers-1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
459       ALLOCATE ( m_soil_2(0:soil_layers-1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
460#endif
461
462       ALLOCATE ( tm_soil_m(0:soil_layers-1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
463
464
465#if ! defined( __nopointer )
466!
467!--    Initial assignment of the pointers
468       T_soil => T_soil_1; T_soil_p => T_soil_2
469       T_0 => T_0_1; T_0_p => T_0_2
470       m_soil => m_soil_1; m_soil_p => m_soil_2
471       m_liq => m_liq_1; m_liq_p => m_liq_2
472#endif
473
474       T_0    = 0.0_wp
475       T_0_p  = 0.0_wp
476       tT_0_m = 0.0_wp
477
478       T_soil    = 0.0_wp
479       T_soil_p  = 0.0_wp
480       tT_soil_m = 0.0_wp
481
482       m_liq    = 0.0_wp
483       m_liq_p  = 0.0_wp
484       tm_liq_m = 0.0_wp
485
486       m_soil    = 0.0_wp
487       m_soil_p  = 0.0_wp
488       tm_soil_m = 0.0_wp
489
490!
491!--    Allocate 2D vegetation model arrays
492       ALLOCATE ( alpha_VG(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
493       ALLOCATE ( c_liq(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
494       ALLOCATE ( c_veg(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
495       ALLOCATE ( f_SW_in(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
496       ALLOCATE ( G(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
497       ALLOCATE ( H(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
498       ALLOCATE ( gamma_w_sat(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
499       ALLOCATE ( gD(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
500       ALLOCATE ( LAI(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
501       ALLOCATE ( LE(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
502       ALLOCATE ( LE_veg(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
503       ALLOCATE ( LE_soil(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
504       ALLOCATE ( LE_liq(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
505       ALLOCATE ( l_VG(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
506       ALLOCATE ( lambda_h_sat(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
507       ALLOCATE ( lambda_skin_u(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
508       ALLOCATE ( lambda_skin_s(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
509       ALLOCATE ( m_fc(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
510       ALLOCATE ( m_res(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
511       ALLOCATE ( m_sat(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
512       ALLOCATE ( m_wilt(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
513       ALLOCATE ( n_VG(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
514       ALLOCATE ( r_a(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
515       ALLOCATE ( r_canopy(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
516       ALLOCATE ( r_soil(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
517       ALLOCATE ( r_soil_min(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
518       ALLOCATE ( r_s(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
519       ALLOCATE ( r_s_min(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
520
521!
522!--    Set initial and default values
523       c_liq   = 0.0_wp
524       c_veg   = 0.0_wp
525       f_SW_in = 0.05_wp
526       gD      = 0.0_wp
527       LAI     = 0.0_wp
528       lambda_skin_u = 10.0_wp
529       lambda_skin_s = 10.0_wp
530
531
532       G       = 0.0_wp
533       H       = rho_cp * shf
534       LE      = rho_l * l_v * qsws
535       LE_veg  = 0.0_wp
536       LE_soil = LE
537       LE_liq  = 0.0_wp
538
539       r_a        = 50.0_wp
540       r_canopy   = 0.0_wp
541       r_soil     = 0.0_wp
542       r_soil_min = 50.0_wp
543       r_s        = 110.0_wp
544       r_s_min    = min_canopy_resistance
545
546!
547!--    Allocate 3D soil model arrays
548       ALLOCATE ( root_fr(0:soil_layers-1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
549       ALLOCATE ( lambda_h(0:soil_layers-1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
550       ALLOCATE ( rhoC_total(0:soil_layers-1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
551
552       lambda_h = 0.0_wp
553!
554!--    If required, allocate humidity-related variables for the soil model
555       IF ( humidity )  THEN
556          ALLOCATE ( lambda_w(0:soil_layers-1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
557          ALLOCATE ( gamma_w(0:soil_layers-1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )   
558
559          lambda_w = 0.0_wp 
560       ENDIF
561
562!
563!--    Calculate grid spacings. Temperature and moisture are defined at
564!--    the center of the soil layers, whereas gradients/fluxes are defined
565!--    at the edges (_stag)
566       dz_soil_stag(0) = soil_level(0)
567
568       DO k = 1, soil_layers-1
569          dz_soil_stag(k) = soil_level(k) - soil_level(k-1)
570       ENDDO
571
572       DO k = 0, soil_layers-2
573          dz_soil(k) = 0.5 * (dz_soil_stag(k+1) + dz_soil_stag(k))
574       ENDDO
575       dz_soil(soil_layers-1) = dz_soil_stag(soil_layers-1)
576
577       ddz_soil      = 1.0 / dz_soil
578       ddz_soil_stag = 1.0 / dz_soil_stag
579!
580!--    Initialize soil
581       IF ( soil_type .NE. 0 )  THEN   
582          alpha_VG    = soil_pars(0,soil_type)
583          l_VG        = soil_pars(1,soil_type)
584          n_VG        = soil_pars(2,soil_type)   
585          gamma_w_sat = soil_pars(3,soil_type) 
586          m_sat       = m_soil_pars(0,soil_type)
587          m_fc        = m_soil_pars(1,soil_type)   
588          m_wilt      = m_soil_pars(2,soil_type) 
589          m_res       = m_soil_pars(3,soil_type)
590       ELSE
591          alpha_VG    = alpha_VanGenuchten
592          l_VG        = l_VanGenuchten
593          n_VG        = n_VanGenuchten 
594          gamma_w_sat = hydraulic_conductivity
595          m_sat       = saturation_moisture
596          m_fc        = field_capacity
597          m_wilt      = wilting_point
598          m_res       = residual_moisture
599       ENDIF   
600
601!
602!--    Map user settings of T and q for each soil layer
603!--    (make sure that the soil moisture does not drop below the permanent
604!--    wilting point) -> problems with devision by zero)
605       DO k = 0, soil_layers-1
606          T_soil(k,:,:)  = soil_temperature(k)
607          m_soil(k,:,:)  = MAX(soil_moisture(k),m_wilt(:,:))
608       ENDDO
609       T_soil(soil_layers,:,:) = soil_temperature(soil_layers)
610
611
612       exn = ( surface_pressure / 1000.0_wp )**0.286_wp
613       T_0  = pt_surface * exn
614
615       T_soil_p = T_soil
616       m_soil_p = m_soil
617
618!
619!--    Calculate saturation soil heat conductivity
620       lambda_h_sat(:,:) = lambda_h_sm ** (1.0_wp - m_sat(:,:)) *              &
621                           lambda_h_water ** m_sat(:,:)
622
623!
624!--    Initialize vegetation
625       IF ( veg_type .NE. 0 )  THEN
626
627          r_s_min              = veg_pars(0,veg_type)
628          LAI                  = veg_pars(1,veg_type)
629          c_veg                = veg_pars(2,veg_type)
630          gD                   = veg_pars(3,veg_type)
631          lambda_skin_s        = skin_pars(0,veg_type)
632          lambda_skin_u        = skin_pars(1,veg_type)
633          f_SW_in              = skin_pars(2,veg_type)
634          z0                   = roughness_par(0,veg_type)
635          z0h                  = roughness_par(1,veg_type)
636
637
638          DO k = 0, soil_layers-1
639             root_fr(k,:,:) = root_distribution(k,veg_type)
640          ENDDO
641
642       ELSE
643
644          DO k = 0, soil_layers-1
645             root_fr(k,:,:) = root_fraction(k)
646          ENDDO
647
648       ENDIF
649
650!
651!--    Possibly do user-defined actions (e.g. define heterogeneous land surface)
652       CALL user_init_land_surface
653
654!
655!--    Set artifical values for ts and us so that r_a has its initial value for
656!--    the first time step
657       DO  i = nxlg, nxrg
658          DO  j = nysg, nyng
659             k = nzb_s_inner(j,i)
660             us(j,i) = 0.1_wp
661             ts(j,i) = (pt(k+1,j,i) - pt(k,j,i)) / r_a(j,i)
662             shf(j,i) = - us(j,i) * ts(j,i)
663          ENDDO
664       ENDDO
665
666!
667!--    Calculate humidity at the surface
668       IF ( humidity )  THEN
669          CALL calc_q0
670       ENDIF
671
672       RETURN
673
674    END SUBROUTINE init_lsm
675
676
677
678!------------------------------------------------------------------------------!
679! Description:
680! ------------
681!
682!------------------------------------------------------------------------------!
683    SUBROUTINE lsm_energy_balance
684
685
686       IMPLICIT NONE
687
688       INTEGER(iwp) ::  i         !: running index
689       INTEGER(iwp) ::  j         !: running index
690       INTEGER(iwp) ::  k, ks     !: running index
691
692       REAL(wp) :: f1,          & !: resistance correction term 1
693                   f2,          & !: resistance correction term 2
694                   f3,          & !: resistance correction term 3
695                   m_min,       & !: minimum soil moisture
696                   T_1,         & !: actual temperature at first grid point
697                   e,           & !: water vapour pressure
698                   e_s,         & !: water vapour saturation pressure
699                   e_s_dT,      & !: derivate of e_s with respect to T
700                   tend,        & !: tendency
701                   dq_s_dT,     & !: derivate of q_s with respect to T
702                   coef_1,      & !: coef. for prognostic equation
703                   coef_2,      & !: coef. for prognostic equation
704                   f_LE,        & !: factor for LE
705                   f_LE_veg,    & !: factor for LE_veg
706                   f_LE_soil,   & !: factor for LE_soil
707                   f_LE_liq,    & !: factor for LE_liq
708                   f_H,         & !: factor for H
709                   lambda_skin, & !: Current value of lambda_skin
710                   m_liq_max      !: maxmimum value of the liquid water reservoir
711
712!
713!--    Calculate the exner function for the current time step
714       exn = ( surface_pressure / 1000.0_wp )**0.286_wp
715
716
717       DO i = nxlg, nxrg
718          DO j = nysg, nyng
719
720
721!
722!--          Set lambda_skin according to stratification
723             IF ( rif(j,i) >= 0.0_wp )  THEN
724                lambda_skin = lambda_skin_s(j,i)
725             ELSE
726                lambda_skin = lambda_skin_u(j,i)
727             ENDIF
728!
729!--          First step: calculate aerodyamic resistance. As pt(0), us, ts
730!--          are not available for the current time step, data from the last
731!--          time step is used here.
732             k = nzb_s_inner(j,i)
733
734!            r_a(j,i) = (pt(k+1,j,i) - pt(k,j,i)) / (ts(j,i) * us(j,i) + 1.0E-20)
735             r_a(j,i) = (pt(k+1,j,i) - pt(k,j,i)) / - (shf(j,i) + 1.0E-20)
736
737!
738!--          Second step: calculate canopy resistance r_canopy
739!--          f1-f3 here are defined as 1/f1-f3 as in ECMWF documentation
740 
741!--          f1: correction for incoming shortwave radiation
742             f1 = MIN(1.0_wp, ( 0.004_wp * SW_in(j,i) + 0.05_wp ) /     &
743                              (0.81_wp * (0.004_wp * SW_in(j,i) + 1.0_wp) ) )
744
745!
746!--          f2: correction for soil moisture f2=0 for very dry soil
747             m_total = 0.0_wp
748             DO ks = 0, soil_layers-1
749                 m_total = m_total + root_fr(ks,j,i) * m_soil(ks,j,i)
750             ENDDO 
751
752             IF (  m_total .GT. m_wilt(j,i) .AND. m_total .LE. m_fc(j,i) )  THEN
753                f2 = ( m_total - m_wilt(j,i) ) / (m_fc(j,i) - m_wilt(j,i) )
754             ELSE
755                f2 = 1.0E-20_wp
756             ENDIF
757
758!
759!--          Calculate water vapour pressure at saturation
760!--          (T_0 should be replaced by liquid water temp?!)
761             e_s = 0.01 * 610.78_wp * EXP( 17.269_wp * ( T_0(j,i) - 273.16_wp )&
762                                           / ( T_0(j,i) - 35.86_wp ) )
763
764!
765!--          f3: correction for vapour pressure deficit
766             IF ( gD(j,i) .NE. 0.0_wp )  THEN
767!
768!--             Calculate vapour pressure
769                e  = q_p(k+1,j,i) * surface_pressure / 0.622
770                f3 = EXP ( -gD(j,i) * (e_s - e) )
771             ELSE
772                f3 = 1.0_wp
773             ENDIF
774
775!
776!--          To do: check for very dry soil -> r_canopy goes to infinity
777             r_canopy(j,i)  = r_s_min(j,i) / (LAI(j,i) * f1 * f2 * f3 + 1.0E-20)
778
779!
780!--          Third step: calculate bare soil resistance r_soil
781             m_min = c_veg(j,i) * m_wilt(j,i) + (1.0_wp - c_veg(j,i)) *        &
782                     m_res(j,i)
783
784             f2 = ( m_soil(0,j,i) - m_min ) / ( m_fc(j,i) - m_min )
785             f2 = MAX(f2,1.0E-20)
786
787             r_soil(j,i) = r_soil_min(j,i) / f2
788
789!
790!--          Calculate fraction of liquid water reservoir
791             m_liq_max = m_max_depth * LAI(j,i)
792             c_liq(j,i) = MIN(1.0, m_liq(j,i)/m_liq_max)
793
794             q_s = 0.622_wp * e_s / surface_pressure
795             IF ( q_s .LE. q_p(k+1,j,i))  THEN
796!               PRINT*, "dew fall at (before)", time_since_reference_point
797                r_canopy(j,i) = 0.0_wp
798                r_soil(j,i) = 0.0_wp
799             ENDIF 
800
801
802!
803!--          Calculate coefficients for the total evapotranspiration
804             f_LE_veg  = rho_lv * c_veg(j,i) * (1.0 - c_liq(j,i)) / (r_a(j,i)  &
805                                                + r_canopy(j,i))
806             f_LE_soil = rho_lv * (1.0 - c_veg(j,i)) / (r_a(j,i) + r_soil(j,i))
807             f_LE_liq  = rho_lv * c_veg(j,i) * c_liq(j,i) / r_a(j,i)
808
809
810!            Plant cannot transpirate below wilting point. here, r_canopy
811!            should go to infinity
812!              IF ( m_soil(k,j,i) .LT. m_wilt(j,i) )  THEN
813!                 f_LE_veg(j,i) = 0.0
814!              ENDIF
815
816             f_H  = rho_cp / r_a(j,i)
817             f_LE = f_LE_veg + f_LE_soil + f_LE_liq
818       
819!
820!--          Calculate derivative of q_s for Taylor series expansion
821             e_s_dT = e_s * ( 17.269_wp / (T_0(j,i) - 35.86_wp) -              &
822                              17.269_wp*(T_0(j,i) - 273.16_wp) / (T_0(j,i)     &
823                              - 35.86_wp)**2 )
824
825             dq_s_dT = 0.622_wp * e_s_dT / surface_pressure
826
827             T_1 = pt_p(k+1,j,i) * exn
828
829!
830!--          Add LW up so that it can be removed in prognostic equation
831             Rn(j,i) = Rn(j,i) + sigma_SB * T_0(j,i) ** 4
832
833!
834!--          Numerator of the prognostic equation
835             coef_1 = Rn(j,i) + 3.0_wp * sigma_SB * T_0(j,i) ** 4 + f_H / exn  &
836                      * T_1 + f_LE * ( q_p(k+1,j,i) - q_s + dq_s_dT * T_0(j,i) &
837                                     ) + lambda_skin * T_soil(0,j,i)
838
839!
840!--          Denominator of the prognostic equation
841             coef_2 = 4.0_wp * sigma_SB * T_0(j,i) ** 3 + f_LE * dq_s_dT +     &
842                      lambda_skin + f_H / exn
843
844             tend = 0.0_wp
845
846!
847!--          Implicit solution when the skin layer has no heat capacity,
848!--          otherwise use RK3 scheme.
849             T_0_p(j,i) = ( coef_1 * dt_3d * tsc(2) + C_skin * T_0(j,i) ) /    &
850                          ( C_skin + coef_2 * dt_3d * tsc(2) ) 
851
852!
853!--          Add RK3 term
854             T_0_p(j,i) = T_0_p(j,i) + dt_3d * tsc(3) * tT_soil_m(0,j,i)
855
856!
857!--          Calculate true tendency
858             tend = (T_0_p(j,i) - T_0(j,i) - tsc(3) * tT_0_m(j,i)) / (dt_3d    &
859                      * tsc(2))
860
861!
862!--          Calculate T_0 tendencies for the next Runge-Kutta step
863             IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
864                IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  THEN
865                   tT_0_m(j,i) = tend
866                ELSEIF ( intermediate_timestep_count <                         &
867                         intermediate_timestep_count_max )  THEN
868                   tT_0_m(j,i) = -9.5625_wp * tend + 5.3125_wp * tT_0_m(j,i)
869                ENDIF
870             ENDIF
871
872             pt_p(k,j,i) = T_0_p(j,i) / exn
873!
874!--          Calculate fluxes
875             Rn(j,i)        = Rn(j,i) + 3.0_wp * sigma_SB * T_0(j,i)**4        &
876                              - 4.0_wp * sigma_SB * T_0(j,i)**3 * T_0_p(j,i)
877             G(j,i)         = lambda_skin * (T_0_p(j,i) - T_soil(0,j,i))
878             H(j,i)         = - f_H  * ( pt_p(k+1,j,i) - pt_p(k,j,i) )
879             LE(j,i)        = - f_LE      * ( 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
882             LE_veg(j,i)    = - f_LE_veg  * ( q_p(k+1,j,i) - q_s + dq_s_dT *   &
883                                T_0(j,i) - dq_s_dT * T_0_p(j,i) )
884             LE_soil(j,i)   = - f_LE_soil * ( q_p(k+1,j,i) - q_s + dq_s_dT *   &
885                                T_0(j,i) - dq_s_dT * T_0_p(j,i) )
886             LE_liq(j,i)    = - f_LE_liq  * ( q_p(k+1,j,i) - q_s + dq_s_dT *   &
887                                T_0(j,i) - dq_s_dT * T_0_p(j,i) )
888
889
890!              IF ( i == 1 .AND. j == 1 )  THEN
891!                 PRINT*, "Rn", Rn(j,i)
892!                  PRINT*, "H", H(j,i)
893!                 PRINT*, "LE", LE(j,i)
894!                 PRINT*, "LE_liq", LE_liq(j,i)
895!                 PRINT*, "LE_veg", LE_veg(j,i)
896!                 PRINT*, "LE_soil", LE_soil(j,i)
897!                 PRINT*, "G", G(j,i)
898!              ENDIF
899
900
901             IF ( LE(j,i) .EQ. 0.0 )  THEN
902!               PRINT*, "+++ Evapotranspiration -> 0"
903                r_s(j,i) = 1.0E10
904             ELSE
905                r_s(j,i) = - rho_lv * ( q_p(k+1,j,i) - q_s + dq_s_dT * T_0(j,i)&
906                           - dq_s_dT * T_0_p(j,i) ) / LE(j,i) - r_a(j,i)
907             ENDIF
908
909!
910!--          Calculate change in liquid water reservoir due to dew fall or
911!--          evaporation of liquid water (to do: add interception from rainfall)
912             IF ( q_s .LE. q_p(k+1,j,i))  THEN
913!
914!--             Check if reservoir is full (avoid values > m_liq_max)
915!--             In that case, LE_liq goes to LE_soil. In this case
916!--             LE_veg is zero anyway (because c_liq = 1), so that tend is
917!--             zero and no further check is needed
918                IF ( m_liq(j,i) .EQ. m_liq_max )  THEN
919                   LE_soil(j,i) = LE_soil(j,i) + LE_liq(j,i)
920                   LE_liq(j,i) = 0.0_wp
921                ENDIF
922
923!
924!--             In case LE_veg becomes negative (unphysical behavior), let
925!--             the water enter the liquid water reservoir as dew on the
926!--             plant
927                IF ( LE_veg(j,i) .LT. 0.0_wp )  THEN
928                   LE_liq(j,i) = LE_liq(j,i) + LE_veg(j,i)
929                   LE_veg(j,i) = 0.0_wp
930                ENDIF
931             ENDIF                   
932 
933             tend = - LE_liq(j,i) * drho_l_lv
934 
935
936             m_liq_p(j,i) = m_liq(j,i) + dt_3d * ( tsc(2) * tend               &
937                                                   + tsc(3) * tm_liq_m(j,i) )
938
939!
940!--          Check if reservoir is overfull -> reduce to maximum
941!--          (conservation of water is violated here)
942             m_liq_p(j,i) = MIN(m_liq_p(j,i),m_liq_max)
943
944!
945!--          Check if reservoir is empty (avoid values < 0.0)
946!--          (conservation of water is violated here)
947             m_liq_p(j,i) = MAX(m_liq_p(j,i),0.0_wp)
948
949
950!
951!--          Calculate m_liq tendencies for the next Runge-Kutta step
952             IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
953                IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  THEN
954                   tm_liq_m(j,i) = tend
955                ELSEIF ( intermediate_timestep_count <                         &
956                         intermediate_timestep_count_max )  THEN
957                   tm_liq_m(j,i) = -9.5625_wp * tend + 5.3125_wp * tm_liq_m(j,i)
958                ENDIF
959             ENDIF
960
961!
962!--          Calculate fluxes in the atmosphere
963             shf(j,i) = H(j,i) / rho_cp
964             qsws(j,i) = LE(j,i) / rho_lv
965
966             ENDDO
967          ENDDO
968
969
970
971    END SUBROUTINE lsm_energy_balance
972
973
974!------------------------------------------------------------------------------!
975! Description:
976! ------------
977!
978!------------------------------------------------------------------------------!
979    SUBROUTINE lsm_soil_model
980
981
982       IMPLICIT NONE
983
984       INTEGER(iwp) ::  i   !: running index
985       INTEGER(iwp) ::  j   !: running index
986       INTEGER(iwp) ::  k   !: running index
987
988       REAL(wp)     :: h_VG !: Van Genuchten coef. h
989
990       REAL(wp), DIMENSION(0:soil_layers-1) :: gamma_temp,  & !: temp. gamma
991                                               lambda_temp, & !: temp. lambda
992                                               tend           !: tendency
993
994       DO i = nxlg, nxrg   
995          DO j = nysg, nyng
996             DO k = 0, soil_layers-1
997!
998!--             Calculate volumetric heat capacity of the soil, taking into
999!--             account water content
1000                rhoC_total(k,j,i) = (rhoC_soil * (1.0 - m_sat(j,i))            &
1001                                     + rhoC_water * m_soil(k,j,i))
1002
1003!
1004!--             Calculate soil heat conductivity at the center of the soil
1005!--             layers
1006                Ke = 1.0 + LOG10(MAX(0.1,m_soil(k,j,i) / m_sat(j,i)))
1007                lambda_temp(k) = Ke * (lambda_h_sat(j,i) + lambda_h_dry) +     &
1008                                 lambda_h_dry
1009
1010             ENDDO
1011
1012!
1013!--          Calculate soil heat conductivity (lambda_h) at the _stag level
1014!--          using linear interpolation
1015             DO k = 0, soil_layers-2
1016                 
1017                lambda_h(k,j,i) = lambda_temp(k) +                             &
1018                                  ( lambda_temp(k+1) - lambda_temp(k) )        &
1019                                  * 0.5 * dz_soil_stag(k) * ddz_soil(k+1)
1020
1021             ENDDO
1022             lambda_h(soil_layers-1,j,i) = lambda_temp(soil_layers-1)
1023
1024!
1025!--          Prognostic equation for soil temperature T_soil
1026             tend(:) = 0.0_wp
1027             tend(0) = (1.0/rhoC_total(0,j,i)) *                               &
1028                       ( lambda_h(0,j,i) * ( T_soil(1,j,i) - T_soil(0,j,i) )   &
1029                         * ddz_soil(0) + G(j,i) ) * ddz_soil_stag(0)
1030
1031             DO  k = 1, soil_layers-1
1032                tend(k) = (1.0/rhoC_total(k,j,i))                              &
1033                          * (   lambda_h(k,j,i)                                &
1034                              * ( T_soil(k+1,j,i) - T_soil(k,j,i) )            &
1035                              * ddz_soil(k)                                    &
1036                              - lambda_h(k-1,j,i)                              &
1037                              * ( T_soil(k,j,i) - T_soil(k-1,j,i) )            &
1038                              * ddz_soil(k-1)                                  &
1039                            ) * ddz_soil_stag(k)
1040             ENDDO
1041
1042             T_soil_p(0:soil_layers-1,j,i) = T_soil(0:soil_layers-1,j,i)       &
1043                                             + dt_3d * ( tsc(2)                &
1044                                             * tend(:) + tsc(3)                &
1045                                             * tT_soil_m(:,j,i) )   
1046
1047!
1048!--          Calculate T_soil tendencies for the next Runge-Kutta step
1049             IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
1050                IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  THEN
1051                   DO  k = 0, soil_layers-1
1052                      tT_soil_m(k,j,i) = tend(k)
1053                   ENDDO
1054                ELSEIF ( intermediate_timestep_count <                         &
1055                         intermediate_timestep_count_max )  THEN
1056                   DO  k = 0, soil_layers-1
1057                      tT_soil_m(k,j,i) = -9.5625_wp * tend(k) + 5.3125_wp      &
1058                                         * tT_soil_m(k,j,i)
1059                   ENDDO
1060                ENDIF
1061             ENDIF
1062
1063
1064             DO k = 0, soil_layers-1
1065!
1066!--             Calculate soil diffusivity at the center of the soil layers
1067                lambda_temp(k) = (- b_CH * gamma_w_sat(j,i) * psi_sat          &
1068                                  / m_sat(j,i) ) * ( MAX(m_soil(k,j,i),        &
1069                                  m_wilt(j,i)) / m_sat(j,i) )**(b_CH + 2.0_wp)
1070
1071!
1072!--             Calculate the hydraulic conductivity after Van Genuchten (1980)
1073                h_VG = ( ( (m_res(j,i) - m_sat(j,i)) / ( m_res(j,i) -          &
1074                           MAX(m_soil(k,j,i),m_wilt(j,i)) ) )**(n_VG(j,i)      &
1075                           / (n_VG(j,i)-1.0_wp)) - 1.0_wp                      &
1076                       )**(1.0_wp/n_VG(j,i)) / alpha_VG(j,i)
1077
1078                gamma_temp(k) = gamma_w_sat(j,i) * ( ( (1.0_wp +               &
1079                                (alpha_VG(j,i)*h_VG)**n_VG(j,i))**(1.0_wp      &
1080                                -1.0_wp/n_VG(j,i)) - (alpha_VG(j,i)*h_VG       &
1081                                )**(n_VG(j,i)-1.0_wp))**2 )                    &
1082                                / ( (1.0_wp + (alpha_VG(j,i)*h_VG)**n_VG(j,i)  &
1083                                )**((1.0_wp - 1.0_wp/n_VG(j,i))*(l_VG(j,i)     &
1084                                + 2.0)) )
1085
1086             ENDDO
1087
1088
1089             IF ( humidity )  THEN
1090!
1091!--             Calculate soil diffusivity (lambda_w) at the _stag level
1092!--             using linear interpolation
1093                DO k = 0, soil_layers-2
1094                     
1095                   lambda_w(k,j,i) = lambda_temp(k) +                          &
1096                                     ( lambda_temp(k+1) - lambda_temp(k) )     &
1097                                     * 0.5 * dz_soil_stag(k) * ddz_soil(k+1)
1098                   gamma_w(k,j,i)  = gamma_temp(k) +                           &
1099                                     ( gamma_temp(k+1) - gamma_temp(k) )       &
1100                                     * 0.5 * dz_soil_stag(k) * ddz_soil(k+1)                 
1101
1102                ENDDO
1103
1104!
1105!
1106!--             In case of a closed bottom (= water content is conserved), set
1107!--             hydraulic conductivity to zero to that no water will be lost
1108!--             in the bottom layer.
1109                IF ( conserve_water_content )  THEN
1110                   gamma_w(soil_layers-1,j,i) = 0.0_wp
1111                ELSE
1112                   gamma_w(soil_layers-1,j,i) = lambda_temp(soil_layers-1)
1113                ENDIF     
1114
1115!--             The root extraction (= root_extr * LE_veg / (rho_l * l_v))
1116!--             ensures the mass conservation for water. The transpiration of
1117!--             plants equals the cumulative withdrawals by the roots in the
1118!--             soil. The scheme takes into account the availability of water
1119!--             in the soil layers as well as the root fraction in the
1120!--             respective layer
1121
1122!
1123!--             Calculate the root extraction (ECMWF 7.69, with some
1124!--             modifications)
1125                m_total = 0.0_wp
1126                DO k = 0, soil_layers-1
1127                    m_total = m_total + root_fr(k,j,i) * m_soil(k,j,i) *       &
1128                              dz_soil_stag(k) 
1129
1130                ENDDO 
1131
1132!
1133!--             For conservation of mass, the sum of root_extr must be 1
1134                DO k = 0, soil_layers-1 
1135                   root_extr(k) = root_fr(k,j,i) * m_soil(k,j,i)               &
1136                                  * dz_soil_stag(k) / m_total
1137                ENDDO
1138
1139
1140!
1141!--             Prognostic equation for soil water content m_soil
1142                tend(:) = 0.0_wp
1143                tend(0) = ( lambda_w(0,j,i) * ( m_soil(1,j,i) - m_soil(0,j,i) )&
1144                            * ddz_soil(0) - gamma_w(0,j,i) - ( root_extr(0)    &
1145                            * LE_veg(j,i) + LE_soil(j,i) ) * drho_l_lv         &
1146                          ) * ddz_soil_stag(0)
1147
1148                DO  k = 1, soil_layers-2
1149                   tend(k) = ( lambda_w(k,j,i) * ( m_soil(k+1,j,i)             &
1150                               - m_soil(k,j,i) ) * ddz_soil(k) - gamma_w(k,j,i)&
1151                               - lambda_w(k-1,j,i) * (m_soil(k,j,i) -          &
1152                               m_soil(k-1,j,i)) * ddz_soil(k-1)                &
1153                               + gamma_w(k-1,j,i) - (root_extr(k) * LE_veg(j,i)&
1154                               * drho_l_lv)                                    &
1155                             ) * ddz_soil_stag(k)
1156
1157                ENDDO
1158                tend(soil_layers-1) = ( - gamma_w(soil_layers-1,j,i)           &
1159                                        - lambda_w(soil_layers-2,j,i)          &
1160                                        * (m_soil(soil_layers-1,j,i)           &
1161                                        - m_soil(soil_layers-2,j,i))           &
1162                                        * ddz_soil(soil_layers-2)              &
1163                                        + gamma_w(soil_layers-2,j,i) - (       &
1164                                          root_extr(soil_layers-1)             &
1165                                        * LE_veg(j,i) * drho_l_lv      )       &
1166                                      ) * ddz_soil_stag(soil_layers-1)             
1167
1168                m_soil_p(0:soil_layers-1,j,i) = m_soil(0:soil_layers-1,j,i)    &
1169                                                + dt_3d * ( tsc(2) * tend(:)   &
1170                                                + tsc(3) * tm_soil_m(:,j,i) )   
1171
1172!
1173!--             Account for dry soils (find a better solution here!)
1174                m_soil_p(:,j,i) = MAX(m_soil_p(:,j,i),0.0_wp)
1175
1176!
1177!--             Calculate m_soil tendencies for the next Runge-Kutta step
1178                IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
1179                   IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  THEN
1180                      DO  k = 0, soil_layers-1
1181                         tm_soil_m(k,j,i) = tend(k)
1182                      ENDDO
1183                   ELSEIF ( intermediate_timestep_count <                      &
1184                            intermediate_timestep_count_max )  THEN
1185                      DO  k = 0, soil_layers-1
1186                         tm_soil_m(k,j,i) = -9.5625_wp * tend(k) + 5.3125_wp   &
1187                                     * tm_soil_m(k,j,i)
1188                      ENDDO
1189                   ENDIF
1190                ENDIF
1191
1192             ENDIF
1193
1194          ENDDO
1195       ENDDO
1196
1197!
1198!--    Calculate surface specific humidity
1199       IF ( humidity )  THEN
1200          CALL calc_q0
1201       ENDIF
1202
1203
1204    END SUBROUTINE lsm_soil_model
1205
1206
1207!------------------------------------------------------------------------------!
1208! Description:
1209! ------------
1210!
1211!------------------------------------------------------------------------------!
1212    SUBROUTINE calc_q0
1213
1214       IMPLICIT NONE
1215
1216       INTEGER :: i              !: running index
1217       INTEGER :: j              !: running index
1218       INTEGER :: k              !: running index
1219       REAL(wp) :: resistance    !: aerodynamic and soil resistance term
1220
1221       DO i = nxlg, nxrg   
1222          DO j = nysg, nyng
1223
1224             k = nzb_s_inner(j,i)
1225!
1226!--          Temporary solution as long as T_0 is prescribed
1227
1228             pt_p(k,j,i) = T_0(j,i) / exn
1229!
1230!--          Calculate water vapour pressure at saturation
1231             e_s = 0.01_wp * 610.78_wp * EXP( 17.269_wp * ( T_0(j,i) -         &
1232                                              273.16_wp ) /  ( T_0(j,i) -      &
1233                                              35.86_wp ) )
1234
1235!
1236!--          Calculate specific humidity at saturation
1237             q_s = 0.622_wp * e_s / surface_pressure
1238
1239
1240             resistance = r_a(j,i) / (r_a(j,i) + r_s(j,i))
1241
1242!
1243!--          Calculate specific humidity at surface
1244             q_p(k,j,i) = resistance * q_s + (1.0_wp - resistance)             &
1245                          * q_p(k+1,j,i)
1246
1247          ENDDO
1248       ENDDO
1249
1250    END SUBROUTINE calc_q0
1251
1252
1253 END MODULE land_surface_model_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.