source: palm/trunk/SOURCE/land_surface_model.f90 @ 1500

Last change on this file since 1500 was 1500, checked in by maronga, 10 years ago

bugfixes and adjustments in land surface model

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 53.6 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! Corrected calculation of aerodynamic resistance (r_a).
23! Precipitation is now added to liquid water reservoir using LE_liq.
24! Added support for dry runs.
25!
26! Former revisions:
27! -----------------
28! $Id: land_surface_model.f90 1500 2014-12-03 17:42:41Z maronga $
29!
30! 1496 2014-12-02 17:25:50Z maronga
31! Initial revision
32!
33!
34! Description:
35! ------------
36! Land surface model, consisting of a solver for the energy balance at the
37! surface and a four layer soil scheme. The scheme is similar to the TESSEL
38! scheme implemented in the ECMWF IFS model, with modifications according to
39! H-TESSEL. The implementation is based on the formulation implemented in the
40! DALES model.
41!
42! To do list:
43! -----------
44! - Add support for binary I/O support
45! - Add support for lsm data output
46! - Check for time step criterion
47! - Check use with RK-2 and Euler time-stepping
48! - Adaption for use with cloud physics (liquid water potential temperature)
49! - Check reaction of plants at wilting point and at atmospheric saturation
50! - Consider partial absorption of the net shortwave radiation by the skin layer
51! - Allow for water surfaces, check performance for bare soils
52!------------------------------------------------------------------------------!
53     USE arrays_3d,                                                            &
54         ONLY:  pt, pt_p, q, q_p, qsws, rif, shf, ts, us, z0, z0h
55
56     USE cloud_parameters,                                                     &
57         ONLY: cp, l_d_r, l_v, precipitation_rate, rho_l, r_d, r_v
58
59     USE control_parameters,                                                   &
60         ONLY: dt_3d, humidity, intermediate_timestep_count,                   &
61               intermediate_timestep_count_max, precipitation, pt_surface,     &
62               rho_surface, surface_pressure, timestep_scheme, tsc
63
64     USE indices,                                                              &
65         ONLY: nxlg, nxrg, nyng, nysg, nzb_s_inner 
66
67     USE kinds
68
69     USE radiation_model_mod,                                                  &
70         ONLY: Rn, SW_in, sigma_SB
71
72
73    IMPLICIT NONE
74
75!
76!-- LSM model constants
77    INTEGER(iwp), PARAMETER :: soil_layers = 4 !: number of soil layers (fixed for now)
78
79    REAL(wp), PARAMETER ::                     &
80              b_CH               = 6.04_wp,    & ! Clapp & Hornberger exponent
81              lambda_h_dry       = 0.19_wp,    & ! heat conductivity for dry soil
82              lambda_h_sm        = 3.44_wp,    & ! heat conductivity of the soil matrix
83              lambda_h_water     = 0.57_wp,    & ! heat conductivity of water
84              psi_sat            = -0.388_wp,  & ! soil matrix potential at saturation
85              rhoC_soil          = 2.19E6_wp,  & ! volumetric heat capacity of soil
86              rhoC_water         = 4.20E6_wp,  & ! volumetric heat capacity of water
87              m_max_depth        = 0.0002_wp     ! Maximum capacity of the water reservoir (m)
88
89
90!
91!-- LSM variables
92    INTEGER(iwp) :: veg_type  = 2, & !: vegetation type, 0: user-defined, 1-19: generic (see list)
93                    soil_type = 3    !: soil type, 0: user-defined, 1-6: generic (see list)
94
95    LOGICAL :: conserve_water_content = .TRUE., & !: open or closed bottom surface for the soil model
96               land_surface = .FALSE.             !: flag parameter indicating wheather the lsm is used
97
98!   value 9999999.9_wp -> generic available or user-defined value must be set
99!   otherwise -> no generic variable and user setting is optional
100    REAL(wp) :: alpha_VanGenuchten = 0.0_wp,            & !: NAMELIST alpha_VG
101                canopy_resistance_coefficient = 0.0_wp, & !: NAMELIST gD
102                C_skin   = 20000.0_wp,                  & !: Skin heat capacity
103                drho_l_lv,                              & !: (rho_l * l_v)**-1
104                exn,                                    & !: value of the Exner function
105                e_s = 0.0_wp,                           & !: saturation water vapour pressure
106                field_capacity = 0.0_wp,                & !: NAMELIST m_fc
107                f_shortwave_incoming = 9999999.9_wp,    & !: NAMELIST f_SW_in
108                hydraulic_conductivity = 0.0_wp,        & !: NAMELIST gamma_w_sat
109                Ke = 0.0_wp,                            & !: Kersten number
110                lambda_skin_stable = 9999999.9_wp,      & !: NAMELIST lambda_skin_s
111                lambda_skin_unstable = 9999999.9_wp,    & !: NAMELIST lambda_skin_u
112                leaf_area_index = 9999999.9_wp,         & !: NAMELIST LAI
113                l_VanGenuchten = 0.0_WP,                & !: NAMELIST l_VG
114                min_canopy_resistance = 110.0_wp,       & !: NAMELIST r_s_min
115                m_total = 0.0_wp,                       & !: weighed total water content of the soil (m3/m3)
116                n_VanGenuchten = 0.0_WP,                & !: NAMELIST n_VG
117                q_s = 0.0_wp,                           & !: saturation specific humidity
118                residual_moisture = 0.0_wp,             & !: NAMELIST m_res
119                rho_cp,                                 & !: rho_surface * cp
120                rho_lv,                                 & !: rho * l_v
121                rd_d_rv,                                & !: r_d / r_v
122                saturation_moisture = 0.0_wp,           & !: NAMELIST m_sat
123                vegetation_coverage = 9999999.9_wp,     & !: NAMELIST c_veg
124                wilting_point = 0.0_wp                    !: NAMELIST m_wilt
125
126    REAL(wp), DIMENSION(0:soil_layers-1) :: &
127              ddz_soil,                     & !: 1/dz_soil
128              ddz_soil_stag,                & !: 1/dz_soil_stag
129              dz_soil,                      & !: soil grid spacing (center-center)
130              dz_soil_stag,                 & !: soil grid spacing (edge-edge)
131              root_extr = 0.0_wp,           & !: root extraction
132              root_fraction = (/0.35_wp, 0.38_wp, 0.23_wp, 0.04_wp/), & !: distribution of root surface area to the individual soil layers
133              soil_level = (/0.07_wp, 0.28_wp, 1.00_wp,  2.89_wp/),   & !: soil layer depths (m)
134              soil_moisture = 0.0_wp          !: soil moisture content (m3/m3)
135
136    REAL(wp), DIMENSION(0:soil_layers) ::   &
137              soil_temperature = 9999999.9_wp !: soil temperature (K)
138
139#if defined( __nopointer )
140    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE, TARGET :: T_0,    & !: skin temperature (K)
141                                                     T_0_p,  & !: progn. skin temperature (K)
142                                                     m_liq,  & !: liquid water reservoir (m)
143                                                     m_liq_p   !: progn. liquid water reservoir (m)
144#else
145    REAL(wp), DIMENSION(:,:), POINTER :: T_0,   &
146                                         T_0_p, & 
147                                         m_liq, & 
148                                         m_liq_p
149
150    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE, TARGET :: T_0_1, T_0_2,    &
151                                                     m_liq_1, m_liq_2
152#endif
153
154!
155!-- Temporal tendencies for time stepping           
156    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE :: tT_0_m,  & !: skin temperature tendency (K)
157                                             tm_liq_m   !: liquid water reservoir tendency (m)
158
159!
160!-- Energy balance variables               
161    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::                                   &
162              alpha_VG,      & !: coef. of Van Genuchten
163              c_liq,         & !: liquid water coverage (of vegetated area)
164              c_veg,         & !: vegetation coverage   
165              f_SW_in,       & !: ?
166              G,             & !: surface soil heat flux
167              H,             & !: surface flux of sensible heat
168              gamma_w_sat,   & !: hydraulic conductivity at saturation
169              gD,            & !: coefficient for dependence of r_canopy on water vapour pressure deficit
170              LAI,           & !: leaf area index
171              LE,            & !: surface flux of latent heat (total)
172              LE_veg,        & !: surface flux of latent heat (vegetation portion)
173              LE_soil,       & !: surface flux of latent heat (soil portion)
174              LE_liq,        & !: surface flux of latent heat (liquid water portion)
175              lambda_h_sat,  & !: heat conductivity for dry soil
176              lambda_skin_s, & !: coupling between skin and soil (depends on vegetation type)
177              lambda_skin_u, & !: coupling between skin and soil (depends on vegetation type)
178              l_VG,          & !: coef. of Van Genuchten
179              m_fc,          & !: soil moisture at field capacity (m3/m3)
180              m_res,         & !: residual soil moisture
181              m_sat,         & !: saturation soil moisture (m3/m3)
182              m_wilt,        & !: soil moisture at permanent wilting point (m3/m3)
183              n_VG,          & !: coef. Van Genuchten 
184              r_a,           & !: aerodynamic resistance
185              r_canopy,      & !: canopy resistance
186              r_soil,        & !: soil resitance
187              r_soil_min,    & !: minimum soil resistance
188              r_s,           & !: total surface resistance (combination of r_soil and r_canopy)         
189              r_s_min          !: minimum canopy resistance
190
191    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::                                 &
192              lambda_h, &   !: heat conductivity of soil (?)                           
193              lambda_w, &   !: hydraulic diffusivity of soil (?)
194              gamma_w,  &   !: hydraulic conductivity of soil (?)
195              rhoC_total    !: volumetric heat capacity of the actual soil matrix (?)
196
197#if defined( __nopointer )
198    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE, TARGET ::                         &
199              T_soil,    & !: Soil temperature (K)
200              T_soil_p,  & !: Prog. soil temperature (K)
201              m_soil,    & !: Soil moisture (m3/m3)
202              m_soil_p     !: Prog. soil moisture (m3/m3)
203#else
204    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), POINTER ::                                     &
205              T_soil, T_soil_p, &
206              m_soil, m_soil_p   
207
208    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE, TARGET ::                         &
209              T_soil_1, T_soil_2, &
210              m_soil_1, m_soil_2
211
212
213#endif
214
215
216    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::                                 &
217              tT_soil_m, & !: T_soil storage array
218              tm_soil_m, & !: m_soil storage array
219              root_fr      !: root fraction (sum=1)
220
221!
222!--  Land surface parameters according to the following classes (veg_type)
223!--  (0 user defined)
224!--  1 crops, mixed farming
225!--  2 short grass
226!--  3 evergreen needleleaf trees
227!--  4 deciduous needleleaf trees
228!--  5 evergreen broadleaf trees
229!--  6 deciduous broadleaf trees
230!--  7 tall grass
231!--  8 desert
232!--  9 tundra
233!-- 10 irrigated crops
234!-- 11 semidesert
235!-- 12 ice caps and glaciers
236!-- 13 bogs and marshes
237!-- 14 inland water
238!-- 15 ocean
239!-- 16 evergreen shrubs
240!-- 17 deciduous shrubs
241!-- 18 mixed forest/woodland
242!-- 19 interrupted forest
243
244!
245!-- Land surface parameters I     r_s_min,     LAI,   c_veg,      gD
246    REAL(wp), DIMENSION(0:3,1:19) :: veg_pars = RESHAPE( (/           &
247                                 180.0_wp, 3.00_wp, 0.90_wp, 0.00_wp, & !  1
248                                 110.0_wp, 2.00_wp, 0.85_wp, 0.00_wp, & !  2
249                                 500.0_wp, 5.00_wp, 0.90_wp, 0.03_wp, & !  3
250                                 500.0_wp, 5.00_wp, 0.90_wp, 0.03_wp, & !  4
251                                 175.0_wp, 5.00_wp, 0.90_wp, 0.03_wp, & !  5
252                                 240.0_wp, 6.00_wp, 0.99_wp, 0.13_wp, & !  6
253                                 100.0_wp, 2.00_wp, 0.70_wp, 0.00_wp, & !  7
254                                 250.0_wp, 0.50_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, & !  8
255                                  80.0_wp, 1.00_wp, 0.50_wp, 0.00_wp, & !  9
256                                 180.0_wp, 3.00_wp, 0.90_wp, 0.00_wp, & ! 10
257                                 150.0_wp, 0.50_wp, 0.10_wp, 0.00_wp, & ! 11
258                                   0.0_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, & ! 12
259                                 240.0_wp, 4.00_wp, 0.60_wp, 0.00_wp, & ! 13
260                                   0.0_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, & ! 14
261                                   0.0_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, & ! 15
262                                 225.0_wp, 3.00_wp, 0.50_wp, 0.00_wp, & ! 16
263                                 225.0_wp, 1.50_wp, 0.50_wp, 0.00_wp, & ! 17
264                                 250.0_wp, 5.00_wp, 0.90_wp, 0.03_wp, & ! 18
265                                 175.0_wp, 2.50_wp, 0.90_wp, 0.03_wp  & ! 19
266                                 /), (/ 4, 19 /) )
267
268!
269!-- Land surface parameters II          z0,         z0h
270    REAL(wp), DIMENSION(0:1,1:19) :: roughness_par = RESHAPE( (/ & 
271                                   0.25_wp,  0.25E-2_wp,         & !  1
272                                   0.20_wp,  0.20E-2_wp,         & !  2
273                                   2.00_wp,     2.00_wp,         & !  3
274                                   2.00_wp,     2.00_wp,         & !  4
275                                   2.00_wp,     2.00_wp,         & !  5
276                                   2.00_wp,     2.00_wp,         & !  6
277                                   0.47_wp,  0.47E-2_wp,         & !  7
278                                  0.013_wp, 0.013E-2_wp,         & !  8
279                                  0.034_wp, 0.034E-2_wp,         & !  9
280                                    0.5_wp,  0.50E-2_wp,         & ! 10
281                                   0.17_wp,  0.17E-2_wp,         & ! 11
282                                 1.3E-3_wp,   1.3E-4_wp,         & ! 12
283                                   0.83_wp,  0.83E-2_wp,         & ! 13
284                                   0.00_wp,  0.00E-2_wp,         & ! 14
285                                   0.00_wp,  0.00E-2_wp,         & ! 15
286                                   0.10_wp,  0.10E-2_wp,         & ! 16
287                                   0.25_wp,  0.25E-2_wp,         & ! 17
288                                   2.00_wp,  2.00E-2_wp,         & ! 18
289                                   1.10_wp,  1.10E-2_wp          & ! 19
290                                 /), (/ 2, 19 /) )
291
292!
293!-- Land surface parameters III lambda_skin_s, lambda_skin_u, f_SW_in
294    REAL(wp), DIMENSION(0:2,1:19) :: skin_pars = RESHAPE( (/           &
295                                      10.0_wp,       10.0_wp, 0.05_wp, & !  1
296                                      10.0_wp,       10.0_wp, 0.05_wp, & !  2
297                                      20.0_wp,       15.0_wp, 0.03_wp, & !  3
298                                      20.0_wp,       15.0_wp, 0.03_wp, & !  4
299                                      20.0_wp,       15.0_wp, 0.03_wp, & !  5
300                                      20.0_wp,       15.0_wp, 0.03_wp, & !  6
301                                      10.0_wp,       10.0_wp, 0.05_wp, & !  7
302                                      15.0_wp,       15.0_wp, 0.00_wp, & !  8
303                                      10.0_wp,       10.0_wp, 0.05_wp, & !  9
304                                      10.0_wp,       10.0_wp, 0.05_wp, & ! 10
305                                      10.0_wp,       10.0_wp, 0.05_wp, & ! 11
306                                      58.0_wp,       58.0_wp, 0.00_wp, & ! 12
307                                      10.0_wp,       10.0_wp, 0.05_wp, & ! 13
308                                    1.0E20_wp,     1.0E20_wp, 0.00_wp, & ! 14
309                                    1.0E20_wp,     1.0E20_wp, 0.00_wp, & ! 15
310                                      10.0_wp,       10.0_wp, 0.05_wp, & ! 16
311                                      10.0_wp,       10.0_wp, 0.05_wp, & ! 17
312                                      20.0_wp,       15.0_wp, 0.03_wp, & ! 18
313                                      20.0_wp,       15.0_wp, 0.03_wp  & ! 19
314                                      /), (/ 3, 19 /) )
315
316!
317!-- Root distribution (sum = 1)  level 1, level 2, level 3, level 4,
318    REAL(wp), DIMENSION(0:3,1:19) :: root_distribution = RESHAPE( (/ &
319                                 0.24_wp, 0.41_wp, 0.31_wp, 0.04_wp, & !  1
320                                 0.35_wp, 0.38_wp, 0.23_wp, 0.04_wp, & !  2
321                                 0.26_wp, 0.39_wp, 0.29_wp, 0.06_wp, & !  3
322                                 0.26_wp, 0.38_wp, 0.29_wp, 0.07_wp, & !  4
323                                 0.24_wp, 0.38_wp, 0.31_wp, 0.07_wp, & !  5
324                                 0.25_wp, 0.34_wp, 0.27_wp, 0.14_wp, & !  6
325                                 0.27_wp, 0.27_wp, 0.27_wp, 0.09_wp, & !  7
326                                 1.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, & !  8
327                                 0.47_wp, 0.45_wp, 0.08_wp, 0.00_wp, & !  9
328                                 0.24_wp, 0.41_wp, 0.31_wp, 0.04_wp, & ! 10
329                                 0.17_wp, 0.31_wp, 0.33_wp, 0.19_wp, & ! 11
330                                 0.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, & ! 12
331                                 0.25_wp, 0.34_wp, 0.27_wp, 0.11_wp, & ! 13
332                                 0.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, & ! 14
333                                 0.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, & ! 15
334                                 0.23_wp, 0.36_wp, 0.30_wp, 0.11_wp, & ! 16
335                                 0.23_wp, 0.36_wp, 0.30_wp, 0.11_wp, & ! 17
336                                 0.19_wp, 0.35_wp, 0.36_wp, 0.10_wp, & ! 18
337                                 0.19_wp, 0.35_wp, 0.36_wp, 0.10_wp  & ! 19
338                                 /), (/ 4, 19 /) )
339
340!
341!-- Soil parameters according to the following porosity classes (soil_type)
342!-- (0 user defined)
343!-- 1 coarse
344!-- 2 medium
345!-- 3 medium-fine
346!-- 4 fine
347!-- 5 very fine
348!-- 6 organic
349!
350!-- Soil parameters I           alpha_VG,      l_VG,    n_VG, gamma_w_sat
351    REAL(wp), DIMENSION(0:3,1:6) :: soil_pars = RESHAPE( (/                &
352                                 3.83_wp,  1.250_wp, 1.38_wp,  6.94E-6_wp, & ! 1
353                                 3.14_wp, -2.342_wp, 1.28_wp,  1.16E-6_wp, & ! 2
354                                 0.83_wp, -0.588_wp, 1.25_wp,  0.26E-6_wp, & ! 3
355                                 3.67_wp, -1.977_wp, 1.10_wp,  2.87E-6_wp, & ! 4
356                                 2.65_wp,  2.500_wp, 1.10_wp,  1.74E-6_wp, & ! 5
357                                 1.30_wp,  0.400_wp, 1.20_wp,  0.93E-6_wp  & ! 6
358                                 /), (/ 4, 6 /) )
359
360!
361!-- Soil parameters II              m_sat,     m_fc,   m_wilt,    m_res 
362    REAL(wp), DIMENSION(0:3,1:6) :: m_soil_pars = RESHAPE( (/            &
363                                 0.403_wp, 0.244_wp, 0.059_wp, 0.025_wp, & ! 1
364                                 0.439_wp, 0.347_wp, 0.151_wp, 0.010_wp, & ! 2
365                                 0.430_wp, 0.383_wp, 0.133_wp, 0.010_wp, & ! 3
366                                 0.520_wp, 0.448_wp, 0.279_wp, 0.010_wp, & ! 4
367                                 0.614_wp, 0.541_wp, 0.335_wp, 0.010_wp, & ! 5
368                                 0.766_wp, 0.663_wp, 0.267_wp, 0.010_wp  & ! 6
369                                 /), (/ 4, 6 /) )
370
371
372    SAVE
373
374
375    PRIVATE
376
377
378    PUBLIC alpha_VanGenuchten, C_skin, canopy_resistance_coefficient,          &
379           conserve_water_content,      field_capacity, f_shortwave_incoming,  &
380           hydraulic_conductivity, init_lsm, lambda_skin_stable,               &
381           lambda_skin_unstable, land_surface, leaf_area_index,                &
382           lsm_energy_balance, lsm_soil_model, l_VanGenuchten,                 &
383           min_canopy_resistance, n_VanGenuchten, residual_moisture,           &
384           root_fraction, saturation_moisture, soil_level, soil_moisture,      &
385           soil_temperature, soil_type, vegetation_coverage, veg_type,         &
386           wilting_point
387
388#if defined( __nopointer )
389    PUBLIC m_liq, m_liq_p, m_soil, m_soil_p, T_0, T_0_p, T_soil, T_soil_p
390#else
391    PUBLIC m_liq, m_liq_1, m_liq_2, m_liq_p, m_soil, m_soil_1, m_soil_2,       &
392           m_soil_p, T_0, T_0_1, T_0_2, T_0_p, T_soil, T_soil_1, T_soil_2,     &
393           T_soil_p
394#endif
395
396
397    INTERFACE init_lsm
398       MODULE PROCEDURE init_lsm
399    END INTERFACE init_lsm
400
401    INTERFACE lsm_energy_balance
402       MODULE PROCEDURE lsm_energy_balance
403    END INTERFACE lsm_energy_balance
404
405    INTERFACE lsm_soil_model
406       MODULE PROCEDURE lsm_soil_model
407    END INTERFACE lsm_soil_model
408
409
410 CONTAINS
411
412
413!------------------------------------------------------------------------------!
414! Description:
415! ------------
416!-- Initialization of the land surface model
417!------------------------------------------------------------------------------!
418    SUBROUTINE init_lsm
419   
420
421       IMPLICIT NONE
422
423       INTEGER(iwp) ::  i !: running index
424       INTEGER(iwp) ::  j !: running index
425       INTEGER(iwp) ::  k !: running index
426
427
428!
429!--    Calculate frequently used parameters
430       rho_cp    = cp * rho_surface
431       rd_d_rv   = r_d / r_v
432       rho_lv    = rho_surface * l_v
433       drho_l_lv = 1.0 / (rho_l * l_v)
434
435!
436!--    Allocate skin and soil temperature / humidity
437#if defined( __nopointer )
438       ALLOCATE ( T_0(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
439       ALLOCATE ( T_0_p(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
440#else
441       ALLOCATE ( T_0_1(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
442       ALLOCATE ( T_0_2(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
443#endif
444
445       ALLOCATE ( tT_0_m(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
446
447#if defined( __nopointer )
448       ALLOCATE ( T_soil(0:soil_layers,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
449       ALLOCATE ( T_soil_p(0:soil_layers,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
450#else
451       ALLOCATE ( T_soil_1(0:soil_layers,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
452       ALLOCATE ( T_soil_2(0:soil_layers,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
453#endif
454
455       ALLOCATE ( tT_soil_m(0:soil_layers-1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
456
457#if defined( __nopointer )
458       ALLOCATE ( m_liq(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
459       ALLOCATE ( m_liq_p(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
460#else
461       ALLOCATE ( m_liq_1(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
462       ALLOCATE ( m_liq_2(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
463#endif
464
465       ALLOCATE ( tm_liq_m(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
466
467#if defined( __nopointer )
468       ALLOCATE ( m_soil(0:soil_layers-1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
469       ALLOCATE ( m_soil_p(0:soil_layers-1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
470#else
471       ALLOCATE ( m_soil_1(0:soil_layers-1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
472       ALLOCATE ( m_soil_2(0:soil_layers-1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
473#endif
474
475       ALLOCATE ( tm_soil_m(0:soil_layers-1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
476
477
478#if ! defined( __nopointer )
479!
480!--    Initial assignment of the pointers
481       T_soil => T_soil_1; T_soil_p => T_soil_2
482       T_0 => T_0_1; T_0_p => T_0_2
483       m_soil => m_soil_1; m_soil_p => m_soil_2
484       m_liq => m_liq_1; m_liq_p => m_liq_2
485#endif
486
487       T_0    = 0.0_wp
488       T_0_p  = 0.0_wp
489       tT_0_m = 0.0_wp
490
491       T_soil    = 0.0_wp
492       T_soil_p  = 0.0_wp
493       tT_soil_m = 0.0_wp
494
495       m_liq    = 0.0_wp
496       m_liq_p  = 0.0_wp
497       tm_liq_m = 0.0_wp
498
499       m_soil    = 0.0_wp
500       m_soil_p  = 0.0_wp
501       tm_soil_m = 0.0_wp
502
503!
504!--    Allocate 2D vegetation model arrays
505       ALLOCATE ( alpha_VG(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
506       ALLOCATE ( c_liq(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
507       ALLOCATE ( c_veg(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
508       ALLOCATE ( f_SW_in(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
509       ALLOCATE ( G(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
510       ALLOCATE ( H(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
511       ALLOCATE ( gamma_w_sat(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
512       ALLOCATE ( gD(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
513       ALLOCATE ( LAI(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
514       ALLOCATE ( LE(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
515       ALLOCATE ( LE_veg(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
516       ALLOCATE ( LE_soil(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
517       ALLOCATE ( LE_liq(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
518       ALLOCATE ( l_VG(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
519       ALLOCATE ( lambda_h_sat(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
520       ALLOCATE ( lambda_skin_u(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
521       ALLOCATE ( lambda_skin_s(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
522       ALLOCATE ( m_fc(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
523       ALLOCATE ( m_res(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
524       ALLOCATE ( m_sat(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
525       ALLOCATE ( m_wilt(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
526       ALLOCATE ( n_VG(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
527       ALLOCATE ( r_a(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
528       ALLOCATE ( r_canopy(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
529       ALLOCATE ( r_soil(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
530       ALLOCATE ( r_soil_min(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
531       ALLOCATE ( r_s(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
532       ALLOCATE ( r_s_min(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
533
534!
535!--    Set initial and default values
536       c_liq   = 0.0_wp
537       c_veg   = 0.0_wp
538       f_SW_in = 0.05_wp
539       gD      = 0.0_wp
540       LAI     = 0.0_wp
541       lambda_skin_u = 10.0_wp
542       lambda_skin_s = 10.0_wp
543
544
545       G       = 0.0_wp
546       H       = rho_cp * shf
547
548       IF ( humidity )  THEN
549          LE = rho_l * l_v * qsws
550       ELSE
551          LE = 0.0_wp
552       ENDIF
553
554       LE_veg  = 0.0_wp
555       LE_soil = LE
556       LE_liq  = 0.0_wp
557
558       r_a        = 50.0_wp
559       r_canopy   = 0.0_wp
560       r_soil     = 0.0_wp
561       r_soil_min = 50.0_wp
562       r_s        = 110.0_wp
563       r_s_min    = min_canopy_resistance
564
565!
566!--    Allocate 3D soil model arrays
567       ALLOCATE ( root_fr(0:soil_layers-1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
568       ALLOCATE ( lambda_h(0:soil_layers-1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
569       ALLOCATE ( rhoC_total(0:soil_layers-1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
570
571       lambda_h = 0.0_wp
572!
573!--    If required, allocate humidity-related variables for the soil model
574       IF ( humidity )  THEN
575          ALLOCATE ( lambda_w(0:soil_layers-1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
576          ALLOCATE ( gamma_w(0:soil_layers-1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )   
577
578          lambda_w = 0.0_wp 
579       ENDIF
580
581!
582!--    Calculate grid spacings. Temperature and moisture are defined at
583!--    the center of the soil layers, whereas gradients/fluxes are defined
584!--    at the edges (_stag)
585       dz_soil_stag(0) = soil_level(0)
586
587       DO k = 1, soil_layers-1
588          dz_soil_stag(k) = soil_level(k) - soil_level(k-1)
589       ENDDO
590
591       DO k = 0, soil_layers-2
592          dz_soil(k) = 0.5 * (dz_soil_stag(k+1) + dz_soil_stag(k))
593       ENDDO
594       dz_soil(soil_layers-1) = dz_soil_stag(soil_layers-1)
595
596       ddz_soil      = 1.0 / dz_soil
597       ddz_soil_stag = 1.0 / dz_soil_stag
598!
599!--    Initialize soil
600       IF ( soil_type .NE. 0 )  THEN   
601          alpha_VG    = soil_pars(0,soil_type)
602          l_VG        = soil_pars(1,soil_type)
603          n_VG        = soil_pars(2,soil_type)   
604          gamma_w_sat = soil_pars(3,soil_type) 
605          m_sat       = m_soil_pars(0,soil_type)
606          m_fc        = m_soil_pars(1,soil_type)   
607          m_wilt      = m_soil_pars(2,soil_type) 
608          m_res       = m_soil_pars(3,soil_type)
609       ELSE
610          alpha_VG    = alpha_VanGenuchten
611          l_VG        = l_VanGenuchten
612          n_VG        = n_VanGenuchten 
613          gamma_w_sat = hydraulic_conductivity
614          m_sat       = saturation_moisture
615          m_fc        = field_capacity
616          m_wilt      = wilting_point
617          m_res       = residual_moisture
618       ENDIF   
619
620!
621!--    Map user settings of T and q for each soil layer
622!--    (make sure that the soil moisture does not drop below the permanent
623!--    wilting point) -> problems with devision by zero)
624       DO k = 0, soil_layers-1
625          T_soil(k,:,:)  = soil_temperature(k)
626          m_soil(k,:,:)  = MAX(soil_moisture(k),m_wilt(:,:))
627       ENDDO
628       T_soil(soil_layers,:,:) = soil_temperature(soil_layers)
629
630
631       exn = ( surface_pressure / 1000.0_wp )**0.286_wp
632       T_0  = pt_surface * exn
633
634       T_soil_p = T_soil
635       m_soil_p = m_soil
636
637!
638!--    Calculate saturation soil heat conductivity
639       lambda_h_sat(:,:) = lambda_h_sm ** (1.0_wp - m_sat(:,:)) *              &
640                           lambda_h_water ** m_sat(:,:)
641
642!
643!--    Initialize vegetation
644       IF ( veg_type .NE. 0 )  THEN
645
646          r_s_min              = veg_pars(0,veg_type)
647          LAI                  = veg_pars(1,veg_type)
648          c_veg                = veg_pars(2,veg_type)
649          gD                   = veg_pars(3,veg_type)
650          lambda_skin_s        = skin_pars(0,veg_type)
651          lambda_skin_u        = skin_pars(1,veg_type)
652          f_SW_in              = skin_pars(2,veg_type)
653          z0                   = roughness_par(0,veg_type)
654          z0h                  = roughness_par(1,veg_type)
655
656
657          DO k = 0, soil_layers-1
658             root_fr(k,:,:) = root_distribution(k,veg_type)
659          ENDDO
660
661       ELSE
662
663          DO k = 0, soil_layers-1
664             root_fr(k,:,:) = root_fraction(k)
665          ENDDO
666
667       ENDIF
668
669!
670!--    Possibly do user-defined actions (e.g. define heterogeneous land surface)
671       CALL user_init_land_surface
672
673!
674!--    Set artifical values for ts and us so that r_a has its initial value for
675!--    the first time step
676       DO  i = nxlg, nxrg
677          DO  j = nysg, nyng
678             k = nzb_s_inner(j,i)
679!
680!--          Assure that r_a cannot be zero at model start
681             IF ( pt(k+1,j,i) == pt(k,j,i) )  pt(k+1,j,i) = pt(k+1,j,i) + 1.0E-10_wp
682
683             us(j,i) = 0.1_wp
684             ts(j,i) = (pt(k+1,j,i) - pt(k,j,i)) / r_a(j,i)
685             shf(j,i) = - us(j,i) * ts(j,i)
686          ENDDO
687       ENDDO
688
689!
690!--    Calculate humidity at the surface
691       IF ( humidity )  THEN
692          CALL calc_q0
693       ENDIF
694
695       RETURN
696
697    END SUBROUTINE init_lsm
698
699
700
701!------------------------------------------------------------------------------!
702! Description:
703! ------------
704!
705!------------------------------------------------------------------------------!
706    SUBROUTINE lsm_energy_balance
707
708
709       IMPLICIT NONE
710
711       INTEGER(iwp) ::  i         !: running index
712       INTEGER(iwp) ::  j         !: running index
713       INTEGER(iwp) ::  k, ks     !: running index
714
715       REAL(wp) :: f1,          & !: resistance correction term 1
716                   f2,          & !: resistance correction term 2
717                   f3,          & !: resistance correction term 3
718                   m_min,       & !: minimum soil moisture
719                   T_1,         & !: actual temperature at first grid point
720                   e,           & !: water vapour pressure
721                   e_s,         & !: water vapour saturation pressure
722                   e_s_dT,      & !: derivate of e_s with respect to T
723                   tend,        & !: tendency
724                   dq_s_dT,     & !: derivate of q_s with respect to T
725                   coef_1,      & !: coef. for prognostic equation
726                   coef_2,      & !: coef. for prognostic equation
727                   f_LE,        & !: factor for LE
728                   f_LE_veg,    & !: factor for LE_veg
729                   f_LE_soil,   & !: factor for LE_soil
730                   f_LE_liq,    & !: factor for LE_liq
731                   f_H,         & !: factor for H
732                   lambda_skin, & !: Current value of lambda_skin
733                   m_liq_max      !: maxmimum value of the liquid water reservoir
734
735!
736!--    Calculate the exner function for the current time step
737       exn = ( surface_pressure / 1000.0_wp )**0.286_wp
738
739
740       DO i = nxlg, nxrg
741          DO j = nysg, nyng
742             k = nzb_s_inner(j,i)
743
744!
745!--          Set lambda_skin according to stratification
746             IF ( rif(j,i) >= 0.0_wp )  THEN
747                lambda_skin = lambda_skin_s(j,i)
748             ELSE
749                lambda_skin = lambda_skin_u(j,i)
750             ENDIF
751
752!
753!--          First step: calculate aerodyamic resistance. As pt, us, ts
754!--          are not available for the prognostic time step, data from the last
755!--          time step is used here. Note that this formulation is the
756!--          equivalent to the ECMWF formulation using drag coefficients
757             r_a(j,i) = (pt(k+1,j,i) - pt(k,j,i)) / (ts(j,i) * us(j,i) + 1.0E-20)
758
759!
760!--          Second step: calculate canopy resistance r_canopy
761!--          f1-f3 here are defined as 1/f1-f3 as in ECMWF documentation
762 
763!--          f1: correction for incoming shortwave radiation
764             f1 = MIN(1.0_wp, ( 0.004_wp * SW_in(j,i) + 0.05_wp ) /     &
765                              (0.81_wp * (0.004_wp * SW_in(j,i) + 1.0_wp) ) )
766
767!
768!--          f2: correction for soil moisture f2=0 for very dry soil
769             m_total = 0.0_wp
770             DO ks = 0, soil_layers-1
771                 m_total = m_total + root_fr(ks,j,i) * m_soil(ks,j,i)
772             ENDDO 
773
774             IF (  m_total .GT. m_wilt(j,i) .AND. m_total .LE. m_fc(j,i) )  THEN
775                f2 = ( m_total - m_wilt(j,i) ) / (m_fc(j,i) - m_wilt(j,i) )
776             ELSE
777                f2 = 1.0E-20_wp
778             ENDIF
779
780!
781!--          Calculate water vapour pressure at saturation
782!--          (T_0 should be replaced by liquid water temp?!)
783             e_s = 0.01 * 610.78_wp * EXP( 17.269_wp * ( T_0(j,i) - 273.16_wp )&
784                                           / ( T_0(j,i) - 35.86_wp ) )
785
786!
787!--          f3: correction for vapour pressure deficit
788             IF ( gD(j,i) .NE. 0.0_wp )  THEN
789!
790!--             Calculate vapour pressure
791                e  = q_p(k+1,j,i) * surface_pressure / 0.622
792                f3 = EXP ( -gD(j,i) * (e_s - e) )
793             ELSE
794                f3 = 1.0_wp
795             ENDIF
796
797!
798!--          To do: check for very dry soil -> r_canopy goes to infinity
799             r_canopy(j,i)  = r_s_min(j,i) / (LAI(j,i) * f1 * f2 * f3 + 1.0E-20)
800
801!
802!--          Third step: calculate bare soil resistance r_soil
803             m_min = c_veg(j,i) * m_wilt(j,i) + (1.0_wp - c_veg(j,i)) *        &
804                     m_res(j,i)
805
806             f2 = ( m_soil(0,j,i) - m_min ) / ( m_fc(j,i) - m_min )
807             f2 = MAX(f2,1.0E-20)
808
809             r_soil(j,i) = r_soil_min(j,i) / f2
810
811!
812!--          Calculate fraction of liquid water reservoir
813             m_liq_max = m_max_depth * LAI(j,i)
814             c_liq(j,i) = MIN(1.0, m_liq(j,i)/m_liq_max)
815
816             q_s = 0.622_wp * e_s / surface_pressure
817
818!
819!--          In case of dew fall, set resistances to zero.
820!--          To do: what does that physically reasoning behind this?
821             IF ( humidity )  THEN
822                IF ( q_s .LE. q_p(k+1,j,i) )  THEN
823                   r_canopy(j,i) = 0.0_wp
824                   r_soil(j,i) = 0.0_wp
825                ENDIF
826             ENDIF 
827
828
829!
830!--          Calculate coefficients for the total evapotranspiration
831             f_LE_veg  = rho_lv * c_veg(j,i) * (1.0 - c_liq(j,i)) / (r_a(j,i)  &
832                                                + r_canopy(j,i))
833             f_LE_soil = rho_lv * (1.0 - c_veg(j,i)) / (r_a(j,i) + r_soil(j,i))
834             f_LE_liq  = rho_lv * c_veg(j,i) * c_liq(j,i) / r_a(j,i)
835
836
837!
838!--          If soil moisture is below wilting point, plants do no longer
839!--          transpirate.
840             IF ( m_soil(k,j,i) .LT. m_wilt(j,i) )  THEN
841                f_LE_veg = 0.0
842             ENDIF
843
844             f_H  = rho_cp / r_a(j,i)
845             f_LE = f_LE_veg + f_LE_soil + f_LE_liq
846       
847!
848!--          Calculate derivative of q_s for Taylor series expansion
849             e_s_dT = e_s * ( 17.269_wp / (T_0(j,i) - 35.86_wp) -              &
850                              17.269_wp*(T_0(j,i) - 273.16_wp) / (T_0(j,i)     &
851                              - 35.86_wp)**2 )
852
853             dq_s_dT = 0.622_wp * e_s_dT / surface_pressure
854
855             T_1 = pt_p(k+1,j,i) * exn
856
857!
858!--          Add LW up so that it can be removed in prognostic equation
859             Rn(j,i) = Rn(j,i) + sigma_SB * T_0(j,i) ** 4
860
861             IF ( humidity )  THEN
862
863!
864!--             Numerator of the prognostic equation
865                coef_1 = Rn(j,i) + 3.0_wp * sigma_SB * T_0(j,i) ** 4 + f_H     &
866                         / exn * T_1 + f_LE * ( q_p(k+1,j,i) - q_s + dq_s_dT   &
867                         * T_0(j,i) ) + lambda_skin * T_soil(0,j,i)
868
869!
870!--             Denominator of the prognostic equation
871                coef_2 = 4.0_wp * sigma_SB * T_0(j,i) ** 3 + f_LE * dq_s_dT    &
872                         + lambda_skin + f_H / exn
873
874             ELSE
875
876!
877!--             Numerator of the prognostic equation
878                coef_1 = Rn(j,i) + 3.0_wp * sigma_SB * T_0(j,i) ** 4 + f_H /   &
879                         exn * T_1 + lambda_skin * T_soil(0,j,i)
880
881!
882!--             Denominator of the prognostic equation
883                coef_2 = 4.0_wp * sigma_SB * T_0(j,i) ** 3                     &
884                         + lambda_skin + f_H / exn
885
886             ENDIF
887
888             tend = 0.0_wp
889
890!
891!--          Implicit solution when the skin layer has no heat capacity,
892!--          otherwise use RK3 scheme.
893             T_0_p(j,i) = ( coef_1 * dt_3d * tsc(2) + C_skin * T_0(j,i) ) /    &
894                          ( C_skin + coef_2 * dt_3d * tsc(2) ) 
895
896!
897!--          Add RK3 term
898             T_0_p(j,i) = T_0_p(j,i) + dt_3d * tsc(3) * tT_soil_m(0,j,i)
899
900!
901!--          Calculate true tendency
902             tend = (T_0_p(j,i) - T_0(j,i) - tsc(3) * tT_0_m(j,i)) / (dt_3d    &
903                      * tsc(2))
904
905!
906!--          Calculate T_0 tendencies for the next Runge-Kutta step
907             IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
908                IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  THEN
909                   tT_0_m(j,i) = tend
910                ELSEIF ( intermediate_timestep_count <                         &
911                         intermediate_timestep_count_max )  THEN
912                   tT_0_m(j,i) = -9.5625_wp * tend + 5.3125_wp * tT_0_m(j,i)
913                ENDIF
914             ENDIF
915
916             pt_p(k,j,i) = T_0_p(j,i) / exn
917!
918!--          Calculate fluxes
919             Rn(j,i)        = Rn(j,i) + 3.0_wp * sigma_SB * T_0(j,i)**4        &
920                              - 4.0_wp * sigma_SB * T_0(j,i)**3 * T_0_p(j,i)
921             G(j,i)         = lambda_skin * (T_0_p(j,i) - T_soil(0,j,i))
922             H(j,i)         = - f_H  * ( pt_p(k+1,j,i) - pt_p(k,j,i) )
923
924             IF ( humidity )  THEN
925                LE(j,i)        = - f_LE      * ( q_p(k+1,j,i) - q_s + dq_s_dT  &
926                                   * T_0(j,i) - dq_s_dT * T_0_p(j,i) )
927
928                LE_veg(j,i)    = - f_LE_veg  * ( q_p(k+1,j,i) - q_s + dq_s_dT  &
929                                   * T_0(j,i) - dq_s_dT * T_0_p(j,i) )
930                LE_soil(j,i)   = - f_LE_soil * ( q_p(k+1,j,i) - q_s + dq_s_dT  &
931                                   * T_0(j,i) - dq_s_dT * T_0_p(j,i) )
932                LE_liq(j,i)    = - f_LE_liq  * ( q_p(k+1,j,i) - q_s + dq_s_dT  &
933                                   * T_0(j,i) - dq_s_dT * T_0_p(j,i) )
934             ENDIF
935
936!              IF ( i == 1 .AND. j == 1 )  THEN
937!                 PRINT*, "Rn", Rn(j,i)
938!                  PRINT*, "H", H(j,i)
939!                 PRINT*, "LE", LE(j,i)
940!                 PRINT*, "LE_liq", LE_liq(j,i)
941!                 PRINT*, "LE_veg", LE_veg(j,i)
942!                 PRINT*, "LE_soil", LE_soil(j,i)
943!                 PRINT*, "G", G(j,i)
944!              ENDIF
945
946!
947!--          Calculate the true surface resistance
948             IF ( LE(j,i) .EQ. 0.0 )  THEN
949                r_s(j,i) = 1.0E10
950             ELSE
951                r_s(j,i) = - rho_lv * ( q_p(k+1,j,i) - q_s + dq_s_dT * T_0(j,i)&
952                           - dq_s_dT * T_0_p(j,i) ) / LE(j,i) - r_a(j,i)
953             ENDIF
954
955!
956!--          Calculate fluxes in the atmosphere
957             shf(j,i) = H(j,i) / rho_cp
958
959!
960!--          Calculate change in liquid water reservoir due to dew fall or
961!--          evaporation of liquid water
962             IF ( humidity )  THEN
963!
964!--             If precipitation is activated, add rain water to LE_liq.
965!--             precipitation_rate is given in mm.
966                IF ( precipitation )  THEN
967                   LE_liq(j,i) = LE_liq(j,i) + precipitation_rate(j,i)         &
968                                               * 0.001_wp * rho_l * l_v
969                ENDIF
970!
971!--             If the air is saturated, check the reservoir water level
972                IF ( q_s .LE. q_p(k+1,j,i))  THEN
973!
974!--                Check if reservoir is full (avoid values > m_liq_max)
975!--                In that case, LE_liq goes to LE_soil. In this case
976!--                LE_veg is zero anyway (because c_liq = 1), so that tend is
977!--                zero and no further check is needed
978                   IF ( m_liq(j,i) .EQ. m_liq_max )  THEN
979                      LE_soil(j,i) = LE_soil(j,i) + LE_liq(j,i)
980                      LE_liq(j,i) = 0.0_wp
981                   ENDIF
982
983!
984!--                In case LE_veg becomes negative (unphysical behavior), let
985!--                the water enter the liquid water reservoir as dew on the
986!--                plant
987                   IF ( LE_veg(j,i) .LT. 0.0_wp )  THEN
988                      LE_liq(j,i) = LE_liq(j,i) + LE_veg(j,i)
989                      LE_veg(j,i) = 0.0_wp
990                   ENDIF
991                ENDIF                   
992 
993                tend = - LE_liq(j,i) * drho_l_lv
994
995                m_liq_p(j,i) = m_liq(j,i) + dt_3d * ( tsc(2) * tend            &
996                                                   + tsc(3) * tm_liq_m(j,i) )
997
998!
999!--             Check if reservoir is overfull -> reduce to maximum
1000!--             (conservation of water is violated here)
1001                m_liq_p(j,i) = MIN(m_liq_p(j,i),m_liq_max)
1002
1003!
1004!--             Check if reservoir is empty (avoid values < 0.0)
1005!--             (conservation of water is violated here)
1006                m_liq_p(j,i) = MAX(m_liq_p(j,i),0.0_wp)
1007
1008
1009!
1010!--             Calculate m_liq tendencies for the next Runge-Kutta step
1011                IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
1012                   IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  THEN
1013                      tm_liq_m(j,i) = tend
1014                   ELSEIF ( intermediate_timestep_count <                      &
1015                            intermediate_timestep_count_max )  THEN
1016                      tm_liq_m(j,i) = -9.5625_wp * tend + 5.3125_wp            &
1017                                      * tm_liq_m(j,i)
1018                   ENDIF
1019                ENDIF
1020
1021!
1022!--             Calculate moisture flux in the atmosphere
1023                qsws(j,i) = LE(j,i) / rho_lv
1024
1025             ENDIF
1026
1027          ENDDO
1028       ENDDO
1029
1030
1031
1032    END SUBROUTINE lsm_energy_balance
1033
1034
1035!------------------------------------------------------------------------------!
1036! Description:
1037! ------------
1038!
1039!------------------------------------------------------------------------------!
1040    SUBROUTINE lsm_soil_model
1041
1042
1043       IMPLICIT NONE
1044
1045       INTEGER(iwp) ::  i   !: running index
1046       INTEGER(iwp) ::  j   !: running index
1047       INTEGER(iwp) ::  k   !: running index
1048
1049       REAL(wp)     :: h_VG !: Van Genuchten coef. h
1050
1051       REAL(wp), DIMENSION(0:soil_layers-1) :: gamma_temp,  & !: temp. gamma
1052                                               lambda_temp, & !: temp. lambda
1053                                               tend           !: tendency
1054
1055       DO i = nxlg, nxrg   
1056          DO j = nysg, nyng
1057             DO k = 0, soil_layers-1
1058!
1059!--             Calculate volumetric heat capacity of the soil, taking into
1060!--             account water content
1061                rhoC_total(k,j,i) = (rhoC_soil * (1.0 - m_sat(j,i))            &
1062                                     + rhoC_water * m_soil(k,j,i))
1063
1064!
1065!--             Calculate soil heat conductivity at the center of the soil
1066!--             layers
1067                Ke = 1.0 + LOG10(MAX(0.1,m_soil(k,j,i) / m_sat(j,i)))
1068                lambda_temp(k) = Ke * (lambda_h_sat(j,i) + lambda_h_dry) +     &
1069                                 lambda_h_dry
1070
1071             ENDDO
1072
1073!
1074!--          Calculate soil heat conductivity (lambda_h) at the _stag level
1075!--          using linear interpolation
1076             DO k = 0, soil_layers-2
1077                 
1078                lambda_h(k,j,i) = lambda_temp(k) +                             &
1079                                  ( lambda_temp(k+1) - lambda_temp(k) )        &
1080                                  * 0.5 * dz_soil_stag(k) * ddz_soil(k+1)
1081
1082             ENDDO
1083             lambda_h(soil_layers-1,j,i) = lambda_temp(soil_layers-1)
1084
1085!
1086!--          Prognostic equation for soil temperature T_soil
1087             tend(:) = 0.0_wp
1088             tend(0) = (1.0/rhoC_total(0,j,i)) *                               &
1089                       ( lambda_h(0,j,i) * ( T_soil(1,j,i) - T_soil(0,j,i) )   &
1090                         * ddz_soil(0) + G(j,i) ) * ddz_soil_stag(0)
1091
1092             DO  k = 1, soil_layers-1
1093                tend(k) = (1.0/rhoC_total(k,j,i))                              &
1094                          * (   lambda_h(k,j,i)                                &
1095                              * ( T_soil(k+1,j,i) - T_soil(k,j,i) )            &
1096                              * ddz_soil(k)                                    &
1097                              - lambda_h(k-1,j,i)                              &
1098                              * ( T_soil(k,j,i) - T_soil(k-1,j,i) )            &
1099                              * ddz_soil(k-1)                                  &
1100                            ) * ddz_soil_stag(k)
1101             ENDDO
1102
1103             T_soil_p(0:soil_layers-1,j,i) = T_soil(0:soil_layers-1,j,i)       &
1104                                             + dt_3d * ( tsc(2)                &
1105                                             * tend(:) + tsc(3)                &
1106                                             * tT_soil_m(:,j,i) )   
1107
1108!
1109!--          Calculate T_soil tendencies for the next Runge-Kutta step
1110             IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
1111                IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  THEN
1112                   DO  k = 0, soil_layers-1
1113                      tT_soil_m(k,j,i) = tend(k)
1114                   ENDDO
1115                ELSEIF ( intermediate_timestep_count <                         &
1116                         intermediate_timestep_count_max )  THEN
1117                   DO  k = 0, soil_layers-1
1118                      tT_soil_m(k,j,i) = -9.5625_wp * tend(k) + 5.3125_wp      &
1119                                         * tT_soil_m(k,j,i)
1120                   ENDDO
1121                ENDIF
1122             ENDIF
1123
1124
1125             DO k = 0, soil_layers-1
1126!
1127!--             Calculate soil diffusivity at the center of the soil layers
1128                lambda_temp(k) = (- b_CH * gamma_w_sat(j,i) * psi_sat          &
1129                                  / m_sat(j,i) ) * ( MAX(m_soil(k,j,i),        &
1130                                  m_wilt(j,i)) / m_sat(j,i) )**(b_CH + 2.0_wp)
1131
1132!
1133!--             Calculate the hydraulic conductivity after Van Genuchten (1980)
1134                h_VG = ( ( (m_res(j,i) - m_sat(j,i)) / ( m_res(j,i) -          &
1135                           MAX(m_soil(k,j,i),m_wilt(j,i)) ) )**(n_VG(j,i)      &
1136                           / (n_VG(j,i)-1.0_wp)) - 1.0_wp                      &
1137                       )**(1.0_wp/n_VG(j,i)) / alpha_VG(j,i)
1138
1139                gamma_temp(k) = gamma_w_sat(j,i) * ( ( (1.0_wp +               &
1140                                (alpha_VG(j,i)*h_VG)**n_VG(j,i))**(1.0_wp      &
1141                                -1.0_wp/n_VG(j,i)) - (alpha_VG(j,i)*h_VG       &
1142                                )**(n_VG(j,i)-1.0_wp))**2 )                    &
1143                                / ( (1.0_wp + (alpha_VG(j,i)*h_VG)**n_VG(j,i)  &
1144                                )**((1.0_wp - 1.0_wp/n_VG(j,i))*(l_VG(j,i)     &
1145                                + 2.0)) )
1146
1147             ENDDO
1148
1149
1150             IF ( humidity )  THEN
1151!
1152!--             Calculate soil diffusivity (lambda_w) at the _stag level
1153!--             using linear interpolation
1154                DO k = 0, soil_layers-2
1155                     
1156                   lambda_w(k,j,i) = lambda_temp(k) +                          &
1157                                     ( lambda_temp(k+1) - lambda_temp(k) )     &
1158                                     * 0.5 * dz_soil_stag(k) * ddz_soil(k+1)
1159                   gamma_w(k,j,i)  = gamma_temp(k) +                           &
1160                                     ( gamma_temp(k+1) - gamma_temp(k) )       &
1161                                     * 0.5 * dz_soil_stag(k) * ddz_soil(k+1)                 
1162
1163                ENDDO
1164
1165!
1166!
1167!--             In case of a closed bottom (= water content is conserved), set
1168!--             hydraulic conductivity to zero to that no water will be lost
1169!--             in the bottom layer.
1170                IF ( conserve_water_content )  THEN
1171                   gamma_w(soil_layers-1,j,i) = 0.0_wp
1172                ELSE
1173                   gamma_w(soil_layers-1,j,i) = lambda_temp(soil_layers-1)
1174                ENDIF     
1175
1176!--             The root extraction (= root_extr * LE_veg / (rho_l * l_v))
1177!--             ensures the mass conservation for water. The transpiration of
1178!--             plants equals the cumulative withdrawals by the roots in the
1179!--             soil. The scheme takes into account the availability of water
1180!--             in the soil layers as well as the root fraction in the
1181!--             respective layer
1182
1183!
1184!--             Calculate the root extraction (ECMWF 7.69, with some
1185!--             modifications)
1186                m_total = 0.0_wp
1187                DO k = 0, soil_layers-1
1188                    m_total = m_total + root_fr(k,j,i) * m_soil(k,j,i) *       &
1189                              dz_soil_stag(k) 
1190
1191                ENDDO 
1192
1193!
1194!--             For conservation of mass, the sum of root_extr must be 1
1195                DO k = 0, soil_layers-1 
1196                   root_extr(k) = root_fr(k,j,i) * m_soil(k,j,i)               &
1197                                  * dz_soil_stag(k) / m_total
1198                ENDDO
1199
1200
1201!
1202!--             Prognostic equation for soil water content m_soil
1203                tend(:) = 0.0_wp
1204                tend(0) = ( lambda_w(0,j,i) * ( m_soil(1,j,i) - m_soil(0,j,i) )&
1205                            * ddz_soil(0) - gamma_w(0,j,i) - ( root_extr(0)    &
1206                            * LE_veg(j,i) + LE_soil(j,i) ) * drho_l_lv         &
1207                          ) * ddz_soil_stag(0)
1208
1209                DO  k = 1, soil_layers-2
1210                   tend(k) = ( lambda_w(k,j,i) * ( m_soil(k+1,j,i)             &
1211                               - m_soil(k,j,i) ) * ddz_soil(k) - gamma_w(k,j,i)&
1212                               - lambda_w(k-1,j,i) * (m_soil(k,j,i) -          &
1213                               m_soil(k-1,j,i)) * ddz_soil(k-1)                &
1214                               + gamma_w(k-1,j,i) - (root_extr(k) * LE_veg(j,i)&
1215                               * drho_l_lv)                                    &
1216                             ) * ddz_soil_stag(k)
1217
1218                ENDDO
1219                tend(soil_layers-1) = ( - gamma_w(soil_layers-1,j,i)           &
1220                                        - lambda_w(soil_layers-2,j,i)          &
1221                                        * (m_soil(soil_layers-1,j,i)           &
1222                                        - m_soil(soil_layers-2,j,i))           &
1223                                        * ddz_soil(soil_layers-2)              &
1224                                        + gamma_w(soil_layers-2,j,i) - (       &
1225                                          root_extr(soil_layers-1)             &
1226                                        * LE_veg(j,i) * drho_l_lv      )       &
1227                                      ) * ddz_soil_stag(soil_layers-1)             
1228
1229                m_soil_p(0:soil_layers-1,j,i) = m_soil(0:soil_layers-1,j,i)    &
1230                                                + dt_3d * ( tsc(2) * tend(:)   &
1231                                                + tsc(3) * tm_soil_m(:,j,i) )   
1232
1233!
1234!--             Account for dry soils (find a better solution here!)
1235                m_soil_p(:,j,i) = MAX(m_soil_p(:,j,i),0.0_wp)
1236
1237!
1238!--             Calculate m_soil tendencies for the next Runge-Kutta step
1239                IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
1240                   IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  THEN
1241                      DO  k = 0, soil_layers-1
1242                         tm_soil_m(k,j,i) = tend(k)
1243                      ENDDO
1244                   ELSEIF ( intermediate_timestep_count <                      &
1245                            intermediate_timestep_count_max )  THEN
1246                      DO  k = 0, soil_layers-1
1247                         tm_soil_m(k,j,i) = -9.5625_wp * tend(k) + 5.3125_wp   &
1248                                     * tm_soil_m(k,j,i)
1249                      ENDDO
1250                   ENDIF
1251                ENDIF
1252
1253             ENDIF
1254
1255          ENDDO
1256       ENDDO
1257
1258!
1259!--    Calculate surface specific humidity
1260       IF ( humidity )  THEN
1261          CALL calc_q0
1262       ENDIF
1263
1264
1265    END SUBROUTINE lsm_soil_model
1266
1267
1268!------------------------------------------------------------------------------!
1269! Description:
1270! ------------
1271!
1272!------------------------------------------------------------------------------!
1273    SUBROUTINE calc_q0
1274
1275       IMPLICIT NONE
1276
1277       INTEGER :: i              !: running index
1278       INTEGER :: j              !: running index
1279       INTEGER :: k              !: running index
1280       REAL(wp) :: resistance    !: aerodynamic and soil resistance term
1281
1282       DO i = nxlg, nxrg   
1283          DO j = nysg, nyng
1284             k = nzb_s_inner(j,i)
1285!
1286!--          Temporary solution as long as T_0 is prescribed
1287
1288             pt_p(k,j,i) = T_0(j,i) / exn
1289!
1290!--          Calculate water vapour pressure at saturation
1291             e_s = 0.01_wp * 610.78_wp * EXP( 17.269_wp * ( T_0(j,i) -         &
1292                                              273.16_wp ) /  ( T_0(j,i) -      &
1293                                              35.86_wp ) )
1294
1295!
1296!--          Calculate specific humidity at saturation
1297             q_s = 0.622_wp * e_s / surface_pressure
1298
1299
1300             resistance = r_a(j,i) / (r_a(j,i) + r_s(j,i))
1301
1302!
1303!--          Calculate specific humidity at surface
1304             q_p(k,j,i) = resistance * q_s + (1.0_wp - resistance)             &
1305                          * q_p(k+1,j,i)
1306
1307          ENDDO
1308       ENDDO
1309
1310    END SUBROUTINE calc_q0
1311
1312
1313 END MODULE land_surface_model_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.