source: palm/trunk/SOURCE/land_surface_model_mod.f90 @ 3832

Last change on this file since 3832 was 3832, checked in by raasch, 4 years ago

some routines instrumented with openmp directives, loop reordering for performance optimization

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 335.2 KB
Line 
1!> @file land_surface_model_mod.f90
2!------------------------------------------------------------------------------!
3! This file is part of the PALM model system.
4!
5! PALM is free software: you can redistribute it and/or modify it under the
6! terms of the GNU General Public License as published by the Free Software
7! Foundation, either version 3 of the License, or (at your option) any later
8! version.
9!
10! PALM is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY
11! WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR
12! A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License for more details.
13!
14! You should have received a copy of the GNU General Public License along with
15! PALM. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
16!
17! Copyright 1997-2019 Leibniz Universitaet Hannover
18!------------------------------------------------------------------------------!
19!
20! Current revisions:
21! -----------------
22!
23!
24! Former revisions:
25! -----------------
26! $Id: land_surface_model_mod.f90 3832 2019-03-28 13:16:58Z raasch $
27! instrumented with openmp directives
28!
29! 3786 2019-03-06 16:58:03Z raasch
30! further unused variables removed
31!
32! 3767 2019-02-27 08:18:02Z raasch
33! unused variable for file index removed from rrd-subroutines parameter list
34!
35! 3715 2019-02-04 17:34:55Z suehring
36! Revise check for saturation moisture
37!
38! 3710 2019-01-30 18:11:19Z suehring
39! Check if soil-, water-, pavement- and vegetation types are set within a valid
40! range.
41!
42! 3692 2019-01-23 14:45:49Z suehring
43! Revise check for soil moisture higher than its saturation value
44!
45! 3685 2019-01-21 01:02:11Z knoop
46! Some interface calls moved to module_interface + cleanup
47!
48! 3677 2019-01-17 09:07:06Z moh.hefny
49! Removed most_method
50!
51! 3655 2019-01-07 16:51:22Z knoop
52! nopointer option removed
53!
54! 3620 2018-12-11 12:29:43Z moh.hefny
55! update the 3d rad_lw_out array
56!
57! 3597 2018-12-04 08:40:18Z maronga
58! Added pt_2m / theta_2m. Removed unncessary _eb strings.
59!
60! 3486 2018-11-05 06:20:18Z maronga
61! Bugfix for liquid water treatment on pavements
62!
63! 3361 2018-10-16 20:39:37Z knoop
64! Bugfix in initialization of soil properties from dynamic input file
65!
66! 3347 2018-10-15 14:21:08Z suehring
67! Assign real value instead of integer
68!
69! 3341 2018-10-15 10:31:27Z suehring
70! Modularization of all bulk cloud physics code components
71!
72! 3271 2018-09-24 08:20:34Z suehring
73! Several bugfixes:
74! - Initialization of pt_surface array with soil temperature in the uppermost
75!   soil layer, else heat fluxes at the very first time step become quite large
76! - Default initialization of vertical surface elements in special case terrain
77!   height changes are larger than adjacent building heights.
78!
79! 3256 2018-09-17 12:20:07Z suehring
80! Enable initialization of z0q for vegetation, pavement and water surfaces via
81! namelist input.
82!
83! 3248 2018-09-14 09:42:06Z sward
84! Minor formating changes
85!
86! 3246 2018-09-13 15:14:50Z sward
87! Added error handling for input namelist via parin_fail_message
88!
89! 3241 2018-09-12 15:02:00Z raasch
90! unused variables removed
91!
92! 3233 2018-09-07 13:21:24Z schwenkel
93! Adapted for the use of cloud_droplets
94!
95! 3222 2018-08-30 13:35:35Z suehring
96! - Introduction of surface array for type and its names
97! - Bugfix in intialization of pavement surfaces
98!
99! 3215 2018-08-29 09:58:59Z suehring
100! Enable optional initialization of soil properties directly from dynamic
101! input file.
102!
103! 3209 2018-08-27 16:58:37Z suehring
104! Added maximum aerodynamic resistance of 300.
105!
106! 3161 2018-07-23 09:30:10Z maronga
107! Increased roughness of asphalt surfaces to account for turbulence production
108! by traffic and other obstacles
109!
110! 3152 2018-07-19 13:26:52Z suehring
111! Further adjustments for q_surface
112!
113! 3147 2018-07-18 22:38:11Z maronga
114! Adjustments for new surface structure
115!
116! 3146 2018-07-18 22:36:19Z maronga
117! Modified calculation of the surface resistance r_s
118!
119! 3142 2018-07-17 15:27:45Z suehring
120! Minor bugfix for last commit.
121!
122! 3138 2018-07-17 08:21:20Z maronga
123! Bugfix: limit roughness lengths in case of sea surface with constant_roughness
124! = .F.
125!
126! 3136 2018-07-16 14:48:21Z suehring
127! Limit also roughness length for heat and moisture where necessary;
128! Limit surface resistance to positive values
129!
130! 3133 2018-07-16 11:46:50Z maronga
131! Bugfix for last commit.
132!
133! Some adjustments for pavement parameters
134! Limit magnus formula to avoid negative q_s (leads to model crash)
135!
136! 3091 2018-06-28 16:20:35Z suehring
137! Add check for local roughness length not exceeding surface-layer height and
138! limit roughness length where necessary.
139!
140! 3051 2018-05-30 17:43:55Z suehring
141! Bugfix in surface-element loops for pavement surfaces
142!
143! 3045 2018-05-28 07:55:41Z Giersch
144! Error messages revised
145!
146! 3045 2018-05-28 07:55:41Z Giersch
147! Error messages revised and added
148!
149! 3026 2018-05-22 10:30:53Z schwenkel
150! Changed the name specific humidity to mixing ratio, since we are computing
151! mixing ratios.
152!
153! 3014 2018-05-09 08:42:38Z maronga
154! Bugfix: set some initial values
155! Bugfix: domain bounds of local_pf corrected
156!
157! 3004 2018-04-27 12:33:25Z Giersch
158! Further allocation checks implemented (averaged data will be assigned to fill
159! values if no allocation happened so far)
160!
161! 2968 2018-04-13 11:52:24Z suehring
162! Bugfix in initialization in case of elevated model surface
163!
164! 2963 2018-04-12 14:47:44Z suehring
165! - In initialization of surface types, consider the case that surface_fractions
166!   is not given in static input file.
167! - Introduce index for vegetation/wall, pavement/green-wall and water/window
168!   surfaces, for clearer access of surface fraction, albedo, emissivity, etc. .
169!
170! 2938 2018-03-27 15:52:42Z suehring
171! Initialization of soil moisture and temperature via Inifor-provided data also
172! in nested child domains, even if no dynamic input file is available for
173! child domain. 1D soil profiles are received from parent model. 
174!
175! 2936 2018-03-27 14:49:27Z suehring
176! renamed lsm_par to land_surface_parameters. Bugfix in message calls
177!
178! 2921 2018-03-22 15:05:23Z Giersch
179! The activation of spinup has been moved to parin
180!
181! 2894 2018-03-15 09:17:58Z Giersch
182! Calculations of the index range of the subdomain on file which overlaps with
183! the current subdomain are already done in read_restart_data_mod,
184! lsm_read/write_restart_data was renamed to lsm_r/wrd_local, USE kinds has
185! been removed in several routines, variable named found has been
186! introduced for checking if restart data was found, reading of restart strings
187! has been moved completely to read_restart_data_mod, lsm_rrd_local is already
188! inside the overlap loop programmed in read_restart_data_mod, the marker ***
189! end lsm *** is not necessary anymore, strings and their respective lengths
190! are written out and read now in case of restart runs to get rid of prescribed
191! character lengths, SAVE attribute added where necessary, deallocation and
192! allocation of some arrays have been changed to take care of different restart
193! files that can be opened (index i)
194!
195! 2881 2018-03-13 16:24:40Z suehring
196! Bugfix: wrong loop structure for soil moisture calculation
197!
198! 2805 2018-02-14 17:00:09Z suehring
199! Bugfix in initialization of roughness over water surfaces
200!
201! 2798 2018-02-09 17:16:39Z suehring
202! Minor bugfix for initialization of pt_surface
203!
204! 2797 2018-02-08 13:24:35Z suehring
205! Move output of ghf to general 2D output to output ghf also at urban-type
206! surfaces.
207! Move restart data of ghf_av to read/write_3d_binary, as this is not a
208! exclusively LSM variable anymore.   
209!
210! 2765 2018-01-22 11:34:58Z maronga
211! Major bugfix in calculation of f_shf for vertical surfaces
212!
213! 2735 2018-01-11 12:01:27Z suehring
214! output of r_a moved from land-surface to consider also urban-type surfaces
215!
216! 2729 2018-01-09 11:22:28Z maronga
217! Separated deep soil temperature from soil_temperature array
218!
219! 2724 2018-01-05 12:12:38Z maronga
220! Added security check for insufficient soil_temperature values
221!
222! 2723 2018-01-05 09:27:03Z maronga
223! Bugfix for spinups (end_time was increased twice in case of LSM + USM runs)
224!
225! 2718 2018-01-02 08:49:38Z maronga
226! Corrected "Former revisions" section
227!
228! 2707 2017-12-18 18:34:46Z suehring
229! Changes from last commit documented
230!
231! 2706 2017-12-18 18:33:49Z suehring
232! Bugfix, read surface temperature in case of restart runs.
233!
234! 2705 2017-12-18 11:26:23Z maronga
235! Bugfix in binary output (wrong sequence)
236!
237! 2696 2017-12-14 17:12:51Z kanani
238! Change in file header (GPL part)
239! Bugfix: missing USE statement for calc_mean_profile
240! do not write surface temperatures onto pt array as this might cause
241! problems with nesting (MS)
242! Revised calculation of pt1 and qv1 (now done in surface_layer_fluxes). Bugfix
243! in calculation of surface density (cannot be done via an surface non-air
244! temperature) (BM)
245! Bugfix: g_d was NaN for non-vegetaed surface types (BM)
246! Bugfix initialization of c_veg and lai
247! Revise data output to enable _FillValues
248! Bugfix in calcultion of r_a and rad_net_l (MS)
249! Bugfix: rad_net is not updated in case of radiation_interaction and must thu
250! be calculated again from the radiative fluxes
251! Temporary fix for cases where no soil model is used on some PEs (BM)
252! Revised input and initialization of soil and surface paramters
253! pavement_depth is variable for each surface element
254! radiation quantities belong to surface type now
255! surface fractions initialized
256! Rename lsm_last_actions into lsm_wrd_subdomain (MS)
257!
258! 2608 2017-11-13 14:04:26Z schwenkel
259! Calculation of magnus equation in external module (diagnostic_quantities_mod).
260! Adjust calculation of vapor pressure and saturation mixing ratio that it is
261! consistent with formulations in other parts of PALM.
262!
263! 2575 2017-10-24 09:57:58Z maronga
264! Pavement parameterization revised
265!
266! 2573 2017-10-20 15:57:49Z scharf
267! bugfixes in last_actions
268!
269! 2548 2017-10-16 13:18:20Z suehring
270! extended by cloud_droplets option
271!
272! 2532 2017-10-11 16:00:46Z scharf
273! bugfixes in data_output_3d
274!
275! 2516 2017-10-04 11:03:04Z suehring
276! Remove tabs
277!
278! 2514 2017-10-04 09:52:37Z suehring
279! upper bounds of cross section and 3d output changed from nx+1,ny+1 to nx,ny
280! no output of ghost layer data
281!
282! 2504 2017-09-27 10:36:13Z maronga
283! Support roots and water under pavement. Added several pavement types.
284!
285! 2476 2017-09-18 07:54:32Z maronga
286! Bugfix for last commit
287!
288! 2475 2017-09-18 07:42:36Z maronga
289! Bugfix: setting of vegetation_pars for bare soil corrected.
290!
291! 2354 2017-08-17 10:49:36Z schwenkel
292! minor bugfixes
293!
294! 2340 2017-08-07 17:11:13Z maronga
295! Revised root_distribution tabel and implemented a pseudo-generic root fraction
296! calculation
297!
298! 2333 2017-08-04 09:08:26Z maronga
299! minor bugfixes
300!
301! 2332 2017-08-03 21:15:22Z maronga
302! bugfix in pavement_pars
303!
304! 2328 2017-08-03 12:34:22Z maronga
305! Revised skin layer concept.
306! Bugfix for runs with pavement surface and humidity
307! Revised some standard values in vegetation_pars
308! Added emissivity and default albedo_type as variable to tables
309! Changed default surface type to vegetation
310! Revised input of soil layer configuration
311!
312! 2307 2017-07-07 11:32:10Z suehring
313! Bugfix, variable names corrected
314!
315! 2299 2017-06-29 10:14:38Z maronga
316! Removed pt_p from USE statement. Adjusted call to lsm_soil_model to allow
317! spinups without soil moisture prediction
318!
319! 2298 2017-06-29 09:28:18Z raasch
320! type of write_binary changed from CHARACTER to LOGICAL
321!
322! 2296 2017-06-28 07:53:56Z maronga
323! Bugfix in calculation of bare soil heat capacity.
324! Bugfix in calculation of shf
325! Added support for spinups
326!
327! 2282 2017-06-13 11:38:46Z schwenkel
328! Bugfix for check of saturation moisture
329!
330! 2273 2017-06-09 12:46:06Z sward
331! Error number changed
332!
333! 2270 2017-06-09 12:18:47Z maronga
334! Revised parameterization of heat conductivity between skin layer and soil.
335! Temperature and moisture are now defined at the center of the layers.
336! Renamed veg_type to vegetation_type and pave_type to pavement_type_name
337! Renamed and reduced the number of look-up tables (vegetation_pars, soil_pars)
338! Revised land surface model initialization
339! Removed output of shf_eb and qsws_eb and removed _eb throughout code
340! Removed Clapp & Hornberger parameterization
341!
342! 2249 2017-06-06 13:58:01Z sward
343!
344! 2248 2017-06-06 13:52:54Z sward $
345! Error no changed
346!
347! 2246 2017-06-06 13:09:34Z sward
348! Error no changed
349!
350! Changed soil configuration to 8 layers. The number of soil layers is now
351! freely adjustable via the NAMELIST.
352!
353! 2237 2017-05-31 10:34:53Z suehring
354! Bugfix in write restart data
355!
356! 2233 2017-05-30 18:08:54Z suehring
357!
358! 2232 2017-05-30 17:47:52Z suehring
359! Adjustments to new topography and surface concept
360!   - now, also vertical walls are possible
361!   - for vertical walls, parametrization of r_a (aerodynamic resisistance) is
362!     implemented.
363!
364! Add check for soil moisture, it must not exceed its saturation value.
365!
366! 2149 2017-02-09 16:57:03Z scharf
367! Land surface parameters II corrected for vegetation_type 18 and 19
368!
369! 2031 2016-10-21 15:11:58Z knoop
370! renamed variable rho to rho_ocean
371!
372! 2000 2016-08-20 18:09:15Z knoop
373! Forced header and separation lines into 80 columns
374!
375! 1978 2016-07-29 12:08:31Z maronga
376! Bugfix: initial values of pave_surface and water_surface were not set.
377!
378! 1976 2016-07-27 13:28:04Z maronga
379! Parts of the code have been reformatted. Use of radiation model output is
380! generalized and simplified. Added more output quantities due to modularization
381!
382! 1972 2016-07-26 07:52:02Z maronga
383! Further modularization: output of cross sections and 3D data is now done in this
384! module. Moreover, restart data is written and read directly within this module.
385!
386!
387! 1966 2016-07-18 11:54:18Z maronga
388! Bugfix: calculation of m_total in soil model was not set to zero at model start
389!
390! 1949 2016-06-17 07:19:16Z maronga
391! Bugfix: calculation of qsws_soil_eb with precipitation = .TRUE. gave
392! qsws_soil_eb = 0 due to a typo
393!
394! 1856 2016-04-13 12:56:17Z maronga
395! Bugfix: for water surfaces, the initial water surface temperature is set equal
396! to the intital skin temperature. Moreover, the minimum value of r_a is now
397! 1.0 to avoid too large fluxes at the first model time step
398!
399! 1849 2016-04-08 11:33:18Z hoffmann
400! prr moved to arrays_3d
401!
402! 1826 2016-04-07 12:01:39Z maronga
403! Cleanup after modularization
404!
405! 1817 2016-04-06 15:44:20Z maronga
406! Added interface for lsm_init_arrays. Added subroutines for check_parameters,
407! header, and parin. Renamed some subroutines.
408!
409! 1788 2016-03-10 11:01:04Z maronga
410! Bugfix: calculate lambda_surface based on temperature gradient between skin
411! layer and soil layer instead of Obukhov length
412! Changed: moved calculation of surface specific humidity to energy balance solver
413! New: water surfaces are available by using a fixed sea surface temperature.
414! The roughness lengths are calculated dynamically using the Charnock
415! parameterization. This involves the new roughness length for moisture z0q.
416! New: modified solution of the energy balance solver and soil model for
417! paved surfaces (i.e. asphalt concrete).
418! Syntax layout improved.
419! Changed: parameter dewfall removed.
420!
421! 1783 2016-03-06 18:36:17Z raasch
422! netcdf variables moved to netcdf module
423!
424! 1757 2016-02-22 15:49:32Z maronga
425! Bugfix: set tm_soil_m to zero after allocation. Added parameter
426! unscheduled_radiation_calls to control calls of the radiation model based on
427! the skin temperature change during one time step (preliminary version). Set
428! qsws_soil_eb to zero at model start (previously set to qsws_eb). Removed MAX
429! function as it cannot be vectorized.
430!
431! 1709 2015-11-04 14:47:01Z maronga
432! Renamed pt_1 and qv_1 to pt1 and qv1.
433! Bugfix: set initial values for t_surface_p in case of restart runs
434! Bugfix: zero resistance caused crash when using radiation_scheme = 'clear-sky'
435! Bugfix: calculation of rad_net when using radiation_scheme = 'clear-sky'
436! Added todo action
437!
438! 1697 2015-10-28 17:14:10Z raasch
439! bugfix: misplaced cpp-directive
440!
441! 1695 2015-10-27 10:03:11Z maronga
442! Bugfix: REAL constants provided with KIND-attribute in call of
443! Replaced rif with ol
444!
445! 1691 2015-10-26 16:17:44Z maronga
446! Added skip_time_do_lsm to allow for spin-ups without LSM. Various bugfixes:
447! Soil temperatures are now defined at the edges of the layers, calculation of
448! shb_eb corrected, prognostic equation for skin temperature corrected. Surface
449! fluxes are now directly transfered to atmosphere
450!
451! 1682 2015-10-07 23:56:08Z knoop
452! Code annotations made doxygen readable
453!
454! 1590 2015-05-08 13:56:27Z maronga
455! Bugfix: definition of character strings requires same length for all elements
456!
457! 1585 2015-04-30 07:05:52Z maronga
458! Modifications for RRTMG. Changed tables to PARAMETER type.
459!
460! 1571 2015-03-12 16:12:49Z maronga
461! Removed upper-case variable names. Corrected distribution of precipitation to
462! the liquid water reservoir and the bare soil fractions.
463!
464! 1555 2015-03-04 17:44:27Z maronga
465! Added output of r_a and r_s
466!
467! 1553 2015-03-03 17:33:54Z maronga
468! Improved better treatment of roughness lengths. Added default soil temperature
469! profile
470!
471! 1551 2015-03-03 14:18:16Z maronga
472! Flux calculation is now done in prandtl_fluxes. Added support for data output.
473! Vertical indices have been replaced. Restart runs are now possible. Some
474! variables have beem renamed. Bugfix in the prognostic equation for the surface
475! temperature. Introduced z0_eb and z0h_eb, which overwrite the setting of
476! roughness_length and z0_factor. Added Clapp & Hornberger parametrization for
477! the hydraulic conductivity. Bugfix for root fraction and extraction
478! calculation
479!
480! intrinsic function MAX and MIN
481!
482! 1500 2014-12-03 17:42:41Z maronga
483! Corrected calculation of aerodynamic resistance (r_a).
484! Precipitation is now added to liquid water reservoir using LE_liq.
485! Added support for dry runs.
486!
487! 1496 2014-12-02 17:25:50Z maronga
488! Initial revision
489!
490!
491! Description:
492! ------------
493!> Land surface model, consisting of a solver for the energy balance at the
494!> surface and a multi layer soil scheme. The scheme is similar to the TESSEL
495!> scheme implemented in the ECMWF IFS model, with modifications according to
496!> H-TESSEL. The implementation is based on the formulation implemented in the
497!> DALES and UCLA-LES models.
498!>
499!> @todo Extensive verification energy-balance solver for vertical surfaces,
500!>       e.g. parametrization of r_a
501!> @todo Revise single land-surface processes for vertical surfaces, e.g.
502!>       treatment of humidity, etc.
503!> @todo Consider partial absorption of the net shortwave radiation by the
504!>       skin layer.
505!> @todo Improve surface water parameterization
506!> @todo Invert indices (running from -3 to 0. Currently: nzb_soil=0,
507!>       nzt_soil=3)).
508!> @todo Implement surface runoff model (required when performing long-term LES
509!>       with considerable precipitation.
510!> @todo Revise calculation of f2 when wilting point is non-constant in the
511!>       soil
512!> @todo Allow for zero soil moisture (currently, it is set to wilting point)
513!> @note No time step criterion is required as long as the soil layers do not
514!>       become too thin.
515!> @todo Attention, pavement_subpars_1/2 are hardcoded to 8 levels, in case
516!>       more levels are used this may cause an potential bug
517!> @todo Routine calc_q_surface required?
518!> @todo Allow for precipitation water to enter pavements that are semi-pervious
519!------------------------------------------------------------------------------!
520 MODULE land_surface_model_mod
521 
522    USE arrays_3d,                                                             &
523        ONLY:  hyp, pt, prr, q, q_p, ql, vpt, u, v, w, hyrho, exner, d_exner
524
525    USE basic_constants_and_equations_mod,                                     &
526        ONLY:  c_p, g, lv_d_cp, l_v, kappa, magnus, rho_l, r_d, r_v, rd_d_rv
527
528    USE calc_mean_profile_mod,                                                 &
529        ONLY:  calc_mean_profile
530
531    USE control_parameters,                                                    &
532        ONLY:  cloud_droplets, coupling_start_time, dt_3d,      &
533               end_time, humidity, intermediate_timestep_count,                &
534               initializing_actions, intermediate_timestep_count_max,          &
535               land_surface, max_masks, pt_surface,             &
536               rho_surface, spinup, spinup_pt_mean, spinup_time,               &
537               surface_pressure, timestep_scheme, tsc,                         &
538               time_since_reference_point
539
540    USE indices,                                                               &
541        ONLY:  nbgp, nxl, nxlg, nxr, nxrg, nyn, nyng, nys, nysg, nzb
542
543    USE bulk_cloud_model_mod,                                                  &
544        ONLY: bulk_cloud_model, precipitation
545
546    USE netcdf_data_input_mod,                                                 &
547        ONLY :  building_type_f, init_3d, input_pids_static,                   &
548                netcdf_data_input_interpolate, netcdf_data_input_init_lsm,     &
549                pavement_pars_f, pavement_subsurface_pars_f, pavement_type_f,  &
550                root_area_density_lsm_f, soil_pars_f, soil_type_f,             &
551                surface_fraction_f, vegetation_pars_f, vegetation_type_f,      &
552                water_pars_f, water_type_f
553
554    USE kinds
555
556    USE pegrid
557
558    USE radiation_model_mod,                                                   &
559        ONLY:  albedo, albedo_type, emissivity, force_radiation_call,          &
560               radiation, radiation_scheme, unscheduled_radiation_calls
561       
562    USE statistics,                                                            &
563        ONLY:  hom, statistic_regions
564
565    USE surface_mod,                                                           &
566        ONLY :  ind_pav_green, ind_veg_wall, ind_wat_win,                      &
567                surf_lsm_h, surf_lsm_v, surf_type, surface_restore_elements
568
569    IMPLICIT NONE
570
571    TYPE surf_type_lsm
572       REAL(wp), DIMENSION(:),   ALLOCATABLE ::  var_1d !< 1D prognostic variable
573       REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  var_2d !< 2D prognostic variable
574    END TYPE surf_type_lsm
575
576!
577!-- LSM model constants
578
579    REAL(wp), PARAMETER  ::                    &
580              b_ch               = 6.04_wp,    & ! Clapp & Hornberger exponent
581              lambda_h_dry       = 0.19_wp,    & ! heat conductivity for dry soil (W/m/K) 
582              lambda_h_sm        = 3.44_wp,    & ! heat conductivity of the soil matrix (W/m/K)
583              lambda_h_water     = 0.57_wp,    & ! heat conductivity of water (W/m/K)
584              psi_sat            = -0.388_wp,  & ! soil matrix potential at saturation
585              rho_c_soil         = 2.19E6_wp,  & ! volumetric heat capacity of soil (J/m3/K)
586              rho_c_water        = 4.20E6_wp,  & ! volumetric heat capacity of water (J/m3/K)
587              m_max_depth        = 0.0002_wp     ! Maximum capacity of the water reservoir (m)
588
589
590    REAL(wp), DIMENSION(0:7), PARAMETER  :: dz_soil_default =                  & ! default soil layer configuration
591                                            (/ 0.01_wp, 0.02_wp, 0.04_wp,      &
592                                               0.06_wp, 0.14_wp, 0.26_wp,      &
593                                               0.54_wp, 1.86_wp/)
594
595    REAL(wp), DIMENSION(0:3), PARAMETER  :: dz_soil_ref =                      & ! reference four layer soil configuration used for estimating the root fractions
596                                            (/ 0.07_wp, 0.21_wp, 0.72_wp,      &
597                                               1.89_wp /)
598
599    REAL(wp), DIMENSION(0:3), PARAMETER  :: zs_ref =                           & ! reference four layer soil configuration used for estimating the root fractions
600                                            (/ 0.07_wp, 0.28_wp, 1.0_wp,       &
601                                               2.89_wp /)
602
603
604!
605!-- LSM variables
606    CHARACTER(10) :: surface_type = 'netcdf'      !< general classification. Allowed are:
607                                                  !< 'vegetation', 'pavement', ('building'),
608                                                  !< 'water', and 'netcdf'
609
610
611
612    INTEGER(iwp) :: nzb_soil = 0,             & !< bottom of the soil model (Earth's surface)
613                    nzt_soil = 7,             & !< top of the soil model
614                    nzt_pavement = 0,         & !< top of the pavement within the soil
615                    nzs = 8,                  & !< number of soil layers
616                    pavement_depth_level = 0, & !< default NAMELIST nzt_pavement
617                    pavement_type = 1,        & !< default NAMELIST pavement_type                 
618                    soil_type = 3,            & !< default NAMELIST soil_type
619                    vegetation_type = 2,      & !< default NAMELIST vegetation_type
620                    water_type = 1              !< default NAMELISt water_type
621                   
622   
623       
624    LOGICAL :: conserve_water_content = .TRUE.,  & !< open or closed bottom surface for the soil model
625               constant_roughness = .FALSE.,     & !< use fixed/dynamic roughness lengths for water surfaces
626               force_radiation_call_l = .FALSE., & !< flag to force calling of radiation routine
627               aero_resist_kray = .TRUE.           !< flag to control parametrization of aerodynamic resistance at vertical surface elements
628
629!   value 9999999.9_wp -> generic available or user-defined value must be set
630!   otherwise -> no generic variable and user setting is optional
631    REAL(wp) :: alpha_vangenuchten = 9999999.9_wp,      & !< NAMELIST alpha_vg
632                canopy_resistance_coefficient = 9999999.9_wp, & !< NAMELIST g_d
633                c_surface = 9999999.9_wp,               & !< Surface (skin) heat capacity (J/m2/K)
634                deep_soil_temperature =  9999999.9_wp,  & !< Deep soil temperature (bottom boundary condition)
635                drho_l_lv,                              & !< (rho_l * l_v)**-1
636                field_capacity = 9999999.9_wp,          & !< NAMELIST m_fc
637                f_shortwave_incoming = 9999999.9_wp,    & !< NAMELIST f_sw_in
638                hydraulic_conductivity = 9999999.9_wp,  & !< NAMELIST gamma_w_sat
639                ke = 0.0_wp,                            & !< Kersten number
640                lambda_h_sat = 0.0_wp,                  & !< heat conductivity for saturated soil (W/m/K)
641                lambda_surface_stable = 9999999.9_wp,   & !< NAMELIST lambda_surface_s (W/m2/K)
642                lambda_surface_unstable = 9999999.9_wp, & !< NAMELIST lambda_surface_u (W/m2/K)
643                leaf_area_index = 9999999.9_wp,         & !< NAMELIST lai
644                l_vangenuchten = 9999999.9_wp,          & !< NAMELIST l_vg
645                min_canopy_resistance = 9999999.9_wp,   & !< NAMELIST r_canopy_min
646                min_soil_resistance = 50.0_wp,          & !< NAMELIST r_soil_min
647                m_total = 0.0_wp,                       & !< weighted total water content of the soil (m3/m3)
648                n_vangenuchten = 9999999.9_wp,          & !< NAMELIST n_vg
649                pavement_heat_capacity = 9999999.9_wp,  & !< volumetric heat capacity of pavement (e.g. roads) (J/m3/K)
650                pavement_heat_conduct  = 9999999.9_wp,  & !< heat conductivity for pavements (e.g. roads) (W/m/K)
651                q_s = 0.0_wp,                           & !< saturation water vapor mixing ratio
652                residual_moisture = 9999999.9_wp,       & !< NAMELIST m_res
653                rho_cp,                                 & !< rho_surface * cp
654                rho_lv,                                 & !< rho_ocean * l_v
655                saturation_moisture = 9999999.9_wp,     & !< NAMELIST m_sat
656                skip_time_do_lsm = 0.0_wp,              & !< LSM is not called before this time
657                vegetation_coverage = 9999999.9_wp,     & !< NAMELIST c_veg
658                water_temperature = 9999999.9_wp,       & !< water temperature
659                wilting_point = 9999999.9_wp,           & !< NAMELIST m_wilt
660                z0_vegetation  = 9999999.9_wp,          & !< NAMELIST z0 (lsm_par)
661                z0h_vegetation = 9999999.9_wp,          & !< NAMELIST z0h (lsm_par)
662                z0q_vegetation = 9999999.9_wp,          & !< NAMELIST z0q (lsm_par)
663                z0_pavement    = 9999999.9_wp,          & !< NAMELIST z0 (lsm_par)
664                z0h_pavement   = 9999999.9_wp,          & !< NAMELIST z0h (lsm_par)
665                z0q_pavement   = 9999999.9_wp,          & !< NAMELIST z0q (lsm_par)
666                z0_water       = 9999999.9_wp,          & !< NAMELIST z0 (lsm_par)
667                z0h_water      = 9999999.9_wp,          & !< NAMELIST z0h (lsm_par)
668                z0q_water      = 9999999.9_wp             !< NAMELIST z0q (lsm_par) 
669               
670               
671    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE  :: ddz_soil_center, & !< 1/dz_soil_center
672                                            ddz_soil,        & !< 1/dz_soil
673                                            dz_soil_center,  & !< soil grid spacing (center-center)
674                                            zs,              & !< depth of the temperature/moisute levels
675                                            root_extr          !< root extraction
676
677
678                                           
679    REAL(wp), DIMENSION(0:20)  ::  root_fraction = 9999999.9_wp,     & !< (NAMELIST) distribution of root surface area to the individual soil layers
680                                   soil_moisture = 0.0_wp,           & !< NAMELIST soil moisture content (m3/m3)
681                                   soil_temperature = 9999999.9_wp,  & !< NAMELIST soil temperature (K) +1
682                                   dz_soil  = 9999999.9_wp,          & !< (NAMELIST) soil layer depths (spacing)
683                                   zs_layer = 9999999.9_wp         !< soil layer depths (edge)
684                                 
685    TYPE(surf_type_lsm), POINTER ::  t_soil_h,    & !< Soil temperature (K), horizontal surface elements
686                                     t_soil_h_p,  & !< Prog. soil temperature (K), horizontal surface elements
687                                     m_soil_h,    & !< Soil moisture (m3/m3), horizontal surface elements
688                                     m_soil_h_p     !< Prog. soil moisture (m3/m3), horizontal surface elements
689
690    TYPE(surf_type_lsm), TARGET  ::  t_soil_h_1,  & !<
691                                     t_soil_h_2,  & !<
692                                     m_soil_h_1,  & !<
693                                     m_soil_h_2     !<
694
695    TYPE(surf_type_lsm), DIMENSION(:), POINTER :: &
696                                     t_soil_v,    & !< Soil temperature (K), vertical surface elements
697                                     t_soil_v_p,  & !< Prog. soil temperature (K), vertical surface elements
698                                     m_soil_v,    & !< Soil moisture (m3/m3), vertical surface elements
699                                     m_soil_v_p     !< Prog. soil moisture (m3/m3), vertical surface elements   
700
701    TYPE(surf_type_lsm), DIMENSION(0:3), TARGET ::&
702                                     t_soil_v_1,  & !<
703                                     t_soil_v_2,  & !<
704                                     m_soil_v_1,  & !<
705                                     m_soil_v_2     !<
706
707    TYPE(surf_type_lsm), POINTER  ::  t_surface_h,    & !< surface temperature (K), horizontal surface elements
708                                      t_surface_h_p,  & !< progn. surface temperature (K), horizontal surface elements
709                                      m_liq_h,        & !< liquid water reservoir (m), horizontal surface elements
710                                      m_liq_h_p         !< progn. liquid water reservoir (m), horizontal surface elements
711
712    TYPE(surf_type_lsm), TARGET   ::  t_surface_h_1,  & !<
713                                      t_surface_h_2,  & !<
714                                      m_liq_h_1,      & !<
715                                      m_liq_h_2         !<
716
717    TYPE(surf_type_lsm), DIMENSION(:), POINTER  ::    &
718                                      t_surface_v,    & !< surface temperature (K), vertical surface elements
719                                      t_surface_v_p,  & !< progn. surface temperature (K), vertical surface elements
720                                      m_liq_v,        & !< liquid water reservoir (m), vertical surface elements
721                                      m_liq_v_p         !< progn. liquid water reservoir (m), vertical surface elements
722
723    TYPE(surf_type_lsm), DIMENSION(0:3), TARGET   ::  &
724                                      t_surface_v_1,  & !<
725                                      t_surface_v_2,  & !<
726                                      m_liq_v_1,      & !<
727                                      m_liq_v_2         !<
728
729    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE, TARGET :: m_liq_av
730
731    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE, TARGET ::  t_soil_av, & !< Average of t_soil
732                                                        m_soil_av    !< Average of m_soil
733
734    TYPE(surf_type_lsm), TARGET ::  tm_liq_h_m      !< liquid water reservoir tendency (m), horizontal surface elements
735    TYPE(surf_type_lsm), TARGET ::  tt_surface_h_m  !< surface temperature tendency (K), horizontal surface elements
736    TYPE(surf_type_lsm), TARGET ::  tt_soil_h_m     !< t_soil storage array, horizontal surface elements
737    TYPE(surf_type_lsm), TARGET ::  tm_soil_h_m     !< m_soil storage array, horizontal surface elements
738
739    TYPE(surf_type_lsm), DIMENSION(0:3), TARGET ::  tm_liq_v_m      !< liquid water reservoir tendency (m), vertical surface elements
740    TYPE(surf_type_lsm), DIMENSION(0:3), TARGET ::  tt_surface_v_m  !< surface temperature tendency (K), vertical surface elements
741    TYPE(surf_type_lsm), DIMENSION(0:3), TARGET ::  tt_soil_v_m     !< t_soil storage array, vertical surface elements
742    TYPE(surf_type_lsm), DIMENSION(0:3), TARGET ::  tm_soil_v_m     !< m_soil storage array, vertical surface elements
743
744!
745!-- Energy balance variables               
746    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE :: &
747              c_liq_av,         & !< average of c_liq
748              c_soil_av,        & !< average of c_soil
749              c_veg_av,         & !< average of c_veg
750              lai_av,           & !< average of lai       
751              qsws_liq_av,      & !< average of qsws_liq
752              qsws_soil_av,     & !< average of qsws_soil
753              qsws_veg_av,      & !< average of qsws_veg
754              r_s_av              !< average of r_s
755 
756!
757!-- Predefined Land surface classes (vegetation_type)
758    CHARACTER(26), DIMENSION(0:18), PARAMETER :: vegetation_type_name = (/ &
759                                   'user defined              ',           & !  0
760                                   'bare soil                 ',           & !  1                           
761                                   'crops, mixed farming      ',           & !  2
762                                   'short grass               ',           & !  3
763                                   'evergreen needleleaf trees',           & !  4
764                                   'deciduous needleleaf trees',           & !  5
765                                   'evergreen broadleaf trees ',           & !  6
766                                   'deciduous broadleaf trees ',           & !  7
767                                   'tall grass                ',           & !  8
768                                   'desert                    ',           & !  9
769                                   'tundra                    ',           & ! 10
770                                   'irrigated crops           ',           & ! 11
771                                   'semidesert                ',           & ! 12
772                                   'ice caps and glaciers     ',           & ! 13
773                                   'bogs and marshes          ',           & ! 14
774                                   'evergreen shrubs          ',           & ! 15
775                                   'deciduous shrubs          ',           & ! 16
776                                   'mixed forest/woodland     ',           & ! 17
777                                   'interrupted forest        '            & ! 18
778                                                                 /)
779
780!
781!-- Soil model classes (soil_type)
782    CHARACTER(12), DIMENSION(0:6), PARAMETER :: soil_type_name = (/ &
783                                   'user defined',                  & ! 0
784                                   'coarse      ',                  & ! 1
785                                   'medium      ',                  & ! 2
786                                   'medium-fine ',                  & ! 3
787                                   'fine        ',                  & ! 4
788                                   'very fine   ',                  & ! 5
789                                   'organic     '                   & ! 6
790                                                                 /)
791
792!
793!-- Pavement classes
794    CHARACTER(29), DIMENSION(0:15), PARAMETER :: pavement_type_name = (/ &
795                                   'user defined                 ', & ! 0
796                                   'asphalt/concrete mix         ', & ! 1
797                                   'asphalt (asphalt concrete)   ', & ! 2
798                                   'concrete (Portland concrete) ', & ! 3
799                                   'sett                         ', & ! 4
800                                   'paving stones                ', & ! 5
801                                   'cobblestone                  ', & ! 6
802                                   'metal                        ', & ! 7
803                                   'wood                         ', & ! 8
804                                   'gravel                       ', & ! 9
805                                   'fine gravel                  ', & ! 10
806                                   'pebblestone                  ', & ! 11
807                                   'woodchips                    ', & ! 12
808                                   'tartan (sports)              ', & ! 13
809                                   'artifical turf (sports)      ', & ! 14
810                                   'clay (sports)                '  & ! 15
811                                                                 /)                                                             
812                                                                 
813!
814!-- Water classes
815    CHARACTER(12), DIMENSION(0:5), PARAMETER :: water_type_name = (/ &
816                                   'user defined',                   & ! 0
817                                   'lake        ',                   & ! 1
818                                   'river       ',                   & ! 2
819                                   'ocean       ',                   & ! 3
820                                   'pond        ',                   & ! 4
821                                   'fountain    '                    & ! 5
822                                                                  /)                                                                                 
823                   
824!
825!-- Land surface parameters according to the respective classes (vegetation_type)
826    INTEGER(iwp) ::  ind_v_rc_min = 0    !< index for r_canopy_min in vegetation_pars
827    INTEGER(iwp) ::  ind_v_rc_lai = 1    !< index for LAI in vegetation_pars
828    INTEGER(iwp) ::  ind_v_c_veg   = 2   !< index for c_veg in vegetation_pars
829    INTEGER(iwp) ::  ind_v_gd  = 3       !< index for g_d in vegetation_pars
830    INTEGER(iwp) ::  ind_v_z0 = 4        !< index for z0 in vegetation_pars
831    INTEGER(iwp) ::  ind_v_z0qh = 5      !< index for z0h / z0q in vegetation_pars
832    INTEGER(iwp) ::  ind_v_lambda_s = 6  !< index for lambda_s_s in vegetation_pars
833    INTEGER(iwp) ::  ind_v_lambda_u = 7  !< index for lambda_s_u in vegetation_pars
834    INTEGER(iwp) ::  ind_v_f_sw_in = 8   !< index for f_sw_in in vegetation_pars
835    INTEGER(iwp) ::  ind_v_c_surf = 9    !< index for c_surface in vegetation_pars
836    INTEGER(iwp) ::  ind_v_at = 10       !< index for albedo_type in vegetation_pars
837    INTEGER(iwp) ::  ind_v_emis = 11     !< index for emissivity in vegetation_pars
838
839    INTEGER(iwp) ::  ind_w_temp     = 0    !< index for temperature in water_pars
840    INTEGER(iwp) ::  ind_w_z0       = 1    !< index for z0 in water_pars
841    INTEGER(iwp) ::  ind_w_z0h      = 2    !< index for z0h in water_pars
842    INTEGER(iwp) ::  ind_w_lambda_s = 3    !< index for lambda_s_s in water_pars
843    INTEGER(iwp) ::  ind_w_lambda_u = 4    !< index for lambda_s_u in water_pars
844    INTEGER(iwp) ::  ind_w_at       = 5    !< index for albedo type in water_pars
845    INTEGER(iwp) ::  ind_w_emis     = 6    !< index for emissivity in water_pars
846
847    INTEGER(iwp) ::  ind_p_z0       = 0    !< index for z0 in pavement_pars
848    INTEGER(iwp) ::  ind_p_z0h      = 1    !< index for z0h in pavement_pars
849    INTEGER(iwp) ::  ind_p_at       = 2    !< index for albedo type in pavement_pars
850    INTEGER(iwp) ::  ind_p_emis     = 3    !< index for emissivity in pavement_pars
851    INTEGER(iwp) ::  ind_p_lambda_h = 0    !< index for lambda_h in pavement_subsurface_pars
852    INTEGER(iwp) ::  ind_p_rho_c    = 1    !< index for rho_c in pavement_pars
853!
854!-- Land surface parameters
855!-- r_canopy_min,     lai,   c_veg,     g_d         z0,         z0h, lambda_s_s, lambda_s_u, f_sw_in,  c_surface, albedo_type, emissivity
856    REAL(wp), DIMENSION(0:11,1:18), PARAMETER :: vegetation_pars = RESHAPE( (/ &
857          0.0_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp,  0.005_wp,   0.5E-4_wp,     0.0_wp,    0.0_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, 17.0_wp, 0.94_wp, & !  1
858        180.0_wp, 3.00_wp, 1.00_wp, 0.00_wp,   0.10_wp,    0.001_wp,    10.0_wp,   10.0_wp, 0.05_wp, 0.00_wp,  2.0_wp, 0.95_wp, & !  2
859        110.0_wp, 2.00_wp, 1.00_wp, 0.00_wp,   0.03_wp,   0.3E-4_wp,    10.0_wp,   10.0_wp, 0.05_wp, 0.00_wp,  2.0_wp, 0.95_wp, & !  3
860        500.0_wp, 5.00_wp, 1.00_wp, 0.03_wp,   2.00_wp,     2.00_wp,    20.0_wp,   15.0_wp, 0.03_wp, 0.00_wp,  5.0_wp, 0.97_wp, & !  4
861        500.0_wp, 5.00_wp, 1.00_wp, 0.03_wp,   2.00_wp,     2.00_wp,    20.0_wp,   15.0_wp, 0.03_wp, 0.00_wp,  6.0_wp, 0.97_wp, & !  5
862        175.0_wp, 5.00_wp, 1.00_wp, 0.03_wp,   2.00_wp,     2.00_wp,    20.0_wp,   15.0_wp, 0.03_wp, 0.00_wp,  8.0_wp, 0.97_wp, & !  6
863        240.0_wp, 6.00_wp, 0.99_wp, 0.13_wp,   2.00_wp,     2.00_wp,    20.0_wp,   15.0_wp, 0.03_wp, 0.00_wp,  9.0_wp, 0.97_wp, & !  7
864        100.0_wp, 2.00_wp, 0.70_wp, 0.00_wp,   0.47_wp,  0.47E-2_wp,    10.0_wp,   10.0_wp, 0.05_wp, 0.00_wp,  8.0_wp, 0.97_wp, & !  8
865        250.0_wp, 0.05_wp, 0.00_wp, 0.00_wp,  0.013_wp, 0.013E-2_wp,    15.0_wp,   15.0_wp, 0.00_wp, 0.00_wp,  3.0_wp, 0.94_wp, & !  9
866         80.0_wp, 1.00_wp, 0.50_wp, 0.00_wp,  0.034_wp, 0.034E-2_wp,    10.0_wp,   10.0_wp, 0.05_wp, 0.00_wp, 11.0_wp, 0.97_wp, & ! 10
867        180.0_wp, 3.00_wp, 1.00_wp, 0.00_wp,    0.5_wp,  0.50E-2_wp,    10.0_wp,   10.0_wp, 0.05_wp, 0.00_wp, 13.0_wp, 0.97_wp, & ! 11
868        150.0_wp, 0.50_wp, 0.10_wp, 0.00_wp,   0.17_wp,  0.17E-2_wp,    10.0_wp,   10.0_wp, 0.05_wp, 0.00_wp,  2.0_wp, 0.97_wp, & ! 12
869          0.0_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, 1.3E-3_wp,   1.3E-4_wp,    58.0_wp,   58.0_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, 11.0_wp, 0.97_wp, & ! 13
870        240.0_wp, 4.00_wp, 0.60_wp, 0.00_wp,   0.83_wp,  0.83E-2_wp,    10.0_wp,   10.0_wp, 0.05_wp, 0.00_wp,  4.0_wp, 0.97_wp, & ! 14
871        225.0_wp, 3.00_wp, 0.50_wp, 0.00_wp,   0.10_wp,  0.10E-2_wp,    10.0_wp,   10.0_wp, 0.05_wp, 0.00_wp,  4.0_wp, 0.97_wp, & ! 15
872        225.0_wp, 1.50_wp, 0.50_wp, 0.00_wp,   0.25_wp,  0.25E-2_wp,    10.0_wp,   10.0_wp, 0.05_wp, 0.00_wp,  4.0_wp, 0.97_wp, & ! 16
873        250.0_wp, 5.00_wp, 1.00_wp, 0.03_wp,   2.00_wp,     2.00_wp,    20.0_wp,   15.0_wp, 0.03_wp, 0.00_wp,  7.0_wp, 0.97_wp, & ! 17
874        175.0_wp, 2.50_wp, 1.00_wp, 0.03_wp,   1.10_wp,     1.10_wp,    20.0_wp,   15.0_wp, 0.03_wp, 0.00_wp,  8.0_wp, 0.97_wp  & ! 18
875                                                               /), (/ 12, 18 /) )
876
877                                   
878!
879!-- Root distribution for default soil layer configuration (sum = 1)
880!--                                level 1 - level 4 according to zs_ref
881    REAL(wp), DIMENSION(0:3,1:18), PARAMETER :: root_distribution = RESHAPE( (/ &
882                                 1.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp,            & !  1
883                                 0.24_wp, 0.41_wp, 0.31_wp, 0.04_wp,            & !  2
884                                 0.35_wp, 0.38_wp, 0.23_wp, 0.04_wp,            & !  3
885                                 0.26_wp, 0.39_wp, 0.29_wp, 0.06_wp,            & !  4
886                                 0.26_wp, 0.38_wp, 0.29_wp, 0.07_wp,            & !  5
887                                 0.24_wp, 0.38_wp, 0.31_wp, 0.07_wp,            & !  6
888                                 0.25_wp, 0.34_wp, 0.27_wp, 0.14_wp,            & !  7
889                                 0.27_wp, 0.27_wp, 0.27_wp, 0.09_wp,            & !  8
890                                 1.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp,            & !  9
891                                 0.47_wp, 0.45_wp, 0.08_wp, 0.00_wp,            & ! 10
892                                 0.24_wp, 0.41_wp, 0.31_wp, 0.04_wp,            & ! 11
893                                 0.17_wp, 0.31_wp, 0.33_wp, 0.19_wp,            & ! 12
894                                 0.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp, 0.00_wp,            & ! 13
895                                 0.25_wp, 0.34_wp, 0.27_wp, 0.11_wp,            & ! 14
896                                 0.23_wp, 0.36_wp, 0.30_wp, 0.11_wp,            & ! 15
897                                 0.23_wp, 0.36_wp, 0.30_wp, 0.11_wp,            & ! 16
898                                 0.19_wp, 0.35_wp, 0.36_wp, 0.10_wp,            & ! 17
899                                 0.19_wp, 0.35_wp, 0.36_wp, 0.10_wp             & ! 18
900                                 /), (/ 4, 18 /) )
901
902!
903!-- Soil parameters according to the following porosity classes (soil_type)
904
905!
906!-- Soil parameters  alpha_vg,      l_vg,    n_vg, gamma_w_sat,    m_sat,     m_fc,   m_wilt,    m_res
907    REAL(wp), DIMENSION(0:7,1:6), PARAMETER :: soil_pars = RESHAPE( (/     &
908                      3.83_wp,  1.250_wp, 1.38_wp,  6.94E-6_wp, 0.403_wp, 0.244_wp, 0.059_wp, 0.025_wp,& ! 1
909                      3.14_wp, -2.342_wp, 1.28_wp,  1.16E-6_wp, 0.439_wp, 0.347_wp, 0.151_wp, 0.010_wp,& ! 2
910                      0.83_wp, -0.588_wp, 1.25_wp,  0.26E-6_wp, 0.430_wp, 0.383_wp, 0.133_wp, 0.010_wp,& ! 3
911                      3.67_wp, -1.977_wp, 1.10_wp,  2.87E-6_wp, 0.520_wp, 0.448_wp, 0.279_wp, 0.010_wp,& ! 4
912                      2.65_wp,  2.500_wp, 1.10_wp,  1.74E-6_wp, 0.614_wp, 0.541_wp, 0.335_wp, 0.010_wp,& ! 5
913                      1.30_wp,  0.400_wp, 1.20_wp,  0.93E-6_wp, 0.766_wp, 0.663_wp, 0.267_wp, 0.010_wp & ! 6
914                                                                     /), (/ 8, 6 /) )
915
916
917!
918!-- TO BE FILLED
919!-- Pavement parameters      z0,       z0h, albedo_type, emissivity 
920    REAL(wp), DIMENSION(0:3,1:15), PARAMETER :: pavement_pars = RESHAPE( (/ &
921                      5.0E-2_wp, 5.0E-4_wp,     18.0_wp,    0.97_wp,  & !  1
922                      5.0E-2_wp, 5.0E-4_wp,     19.0_wp,    0.94_wp,  & !  2
923                      1.0E-2_wp, 1.0E-4_wp,     20.0_wp,    0.98_wp,  & !  3                                 
924                      1.0E-2_wp, 1.0E-4_wp,     21.0_wp,    0.93_wp,  & !  4
925                      1.0E-2_wp, 1.0E-4_wp,     22.0_wp,    0.97_wp,  & !  5
926                      1.0E-2_wp, 1.0E-4_wp,     23.0_wp,    0.97_wp,  & !  6
927                      1.0E-2_wp, 1.0E-4_wp,     24.0_wp,    0.97_wp,  & !  7
928                      1.0E-2_wp, 1.0E-4_wp,     25.0_wp,    0.94_wp,  & !  8
929                      1.0E-2_wp, 1.0E-4_wp,     26.0_wp,    0.98_wp,  & !  9                                 
930                      1.0E-2_wp, 1.0E-4_wp,     27.0_wp,    0.93_wp,  & ! 10
931                      1.0E-2_wp, 1.0E-4_wp,     28.0_wp,    0.97_wp,  & ! 11
932                      1.0E-2_wp, 1.0E-4_wp,     29.0_wp,    0.97_wp,  & ! 12
933                      1.0E-2_wp, 1.0E-4_wp,     30.0_wp,    0.97_wp,  & ! 13
934                      1.0E-2_wp, 1.0E-4_wp,     31.0_wp,    0.94_wp,  & ! 14
935                      1.0E-2_wp, 1.0E-4_wp,     32.0_wp,    0.98_wp   & ! 15
936                      /), (/ 4, 15 /) )                             
937!
938!-- Pavement subsurface parameters part 1: thermal conductivity (W/m/K)
939!--   0.0-0.01, 0.01-0.03, 0.03-0.07, 0.07-0.15, 0.15-0.30, 0.30-0.50,    0.50-1.25,    1.25-3.00
940    REAL(wp), DIMENSION(0:7,1:15), PARAMETER :: pavement_subsurface_pars_1 = RESHAPE( (/ &
941       0.75_wp,   0.75_wp,   0.75_wp,   0.75_wp,   0.75_wp,   0.75_wp, 9999999.9_wp, 9999999.9_wp, & !  1
942       0.75_wp,   0.75_wp,   0.75_wp,   0.75_wp,   0.75_wp,   0.75_wp, 9999999.9_wp, 9999999.9_wp, & !  2
943       0.89_wp,   0.89_wp,   0.89_wp,   0.89_wp,   0.89_wp,   0.89_wp, 9999999.9_wp, 9999999.9_wp, & !  3
944       1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp, 9999999.9_wp, 9999999.9_wp, & !  4
945       1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp, 9999999.9_wp, 9999999.9_wp, & !  5
946       1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp, 9999999.9_wp, 9999999.9_wp, & !  6
947       1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp, 9999999.9_wp, 9999999.9_wp, & !  7
948       1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp, 9999999.9_wp, 9999999.9_wp, & !  8
949       0.70_wp,   0.70_wp,   0.70_wp,   0.70_wp,   0.70_wp,   0.70_wp, 9999999.9_wp, 9999999.9_wp, & !  9
950       1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp, 9999999.9_wp, 9999999.9_wp, & ! 10
951       1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp, 9999999.9_wp, 9999999.9_wp, & ! 11
952       1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp, 9999999.9_wp, 9999999.9_wp, & ! 12
953       1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp, 9999999.9_wp, 9999999.9_wp, & ! 13
954       1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp, 9999999.9_wp, 9999999.9_wp, & ! 14
955       1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp,   1.00_wp, 9999999.9_wp, 9999999.9_wp  & ! 15
956       /), (/ 8, 15 /) )
957
958!
959!-- Pavement subsurface parameters part 2: volumetric heat capacity (J/m3/K)
960!--     0.0-0.01, 0.01-0.03, 0.03-0.07, 0.07-0.15, 0.15-0.30, 0.30-0.50,    0.50-1.25,    1.25-3.00
961    REAL(wp), DIMENSION(0:7,1:15), PARAMETER :: pavement_subsurface_pars_2 = RESHAPE( (/ &
962       1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 9999999.9_wp, 9999999.9_wp, & !  1
963       1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 9999999.9_wp, 9999999.9_wp, & !  2
964       1.76E6_wp, 1.76E6_wp, 1.76E6_wp, 1.76E6_wp, 1.76E6_wp, 1.76E6_wp, 9999999.9_wp, 9999999.9_wp, & !  3
965       1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 9999999.9_wp, 9999999.9_wp, & !  4
966       1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 9999999.9_wp, 9999999.9_wp, & !  5
967       1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 9999999.9_wp, 9999999.9_wp, & !  6
968       1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 9999999.9_wp, 9999999.9_wp, & !  7
969       1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 9999999.9_wp, 9999999.9_wp, & !  8
970       1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 9999999.9_wp, 9999999.9_wp, & !  9
971       1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 9999999.9_wp, 9999999.9_wp, & ! 10
972       1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 9999999.9_wp, 9999999.9_wp, & ! 11
973       1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 9999999.9_wp, 9999999.9_wp, & ! 12
974       1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 9999999.9_wp, 9999999.9_wp, & ! 13
975       1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 9999999.9_wp, 9999999.9_wp, & ! 14
976       1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 1.94E6_wp, 9999999.9_wp, 9999999.9_wp  & ! 15
977                           /), (/ 8, 15 /) )
978 
979!
980!-- TO BE FILLED
981!-- Water parameters                    temperature,     z0,      z0h, albedo_type, emissivity,
982    REAL(wp), DIMENSION(0:6,1:5), PARAMETER :: water_pars = RESHAPE( (/ &
983       283.0_wp, 0.01_wp, 0.001_wp, 1.0E10_wp, 1.0E10_wp, 1.0_wp, 0.99_wp, & ! 1
984       283.0_wp, 0.01_wp, 0.001_wp, 1.0E10_wp, 1.0E10_wp, 1.0_wp, 0.99_wp, & ! 2
985       283.0_wp, 0.01_wp, 0.001_wp, 1.0E10_wp, 1.0E10_wp, 1.0_wp, 0.99_wp, & ! 3
986       283.0_wp, 0.01_wp, 0.001_wp, 1.0E10_wp, 1.0E10_wp, 1.0_wp, 0.99_wp, & ! 4
987       283.0_wp, 0.01_wp, 0.001_wp, 1.0E10_wp, 1.0E10_wp, 1.0_wp, 0.99_wp  & ! 5
988                                                                     /), (/ 7, 5 /) )                                                                   
989                                                                                                                                     
990    SAVE
991
992
993    PRIVATE
994
995   
996!
997!-- Public functions
998    PUBLIC lsm_boundary_condition, lsm_check_data_output,                      &
999           lsm_check_data_output_pr, lsm_calc_pt_near_surface,                 &
1000           lsm_check_parameters, lsm_define_netcdf_grid, lsm_3d_data_averaging,& 
1001           lsm_data_output_2d, lsm_data_output_3d, lsm_energy_balance,         &
1002           lsm_header, lsm_init, lsm_init_arrays, lsm_parin, lsm_soil_model,   &
1003           lsm_swap_timelevel, lsm_rrd_local, lsm_wrd_local
1004! !vegetat
1005!-- Public parameters, constants and initial values
1006    PUBLIC aero_resist_kray, skip_time_do_lsm
1007
1008!
1009!-- Public grid variables
1010    PUBLIC nzb_soil, nzs, nzt_soil, zs
1011
1012!
1013!-- Public prognostic variables
1014    PUBLIC m_soil_h, t_soil_h
1015
1016    INTERFACE lsm_boundary_condition
1017       MODULE PROCEDURE lsm_boundary_condition
1018    END INTERFACE lsm_boundary_condition
1019
1020    INTERFACE lsm_calc_pt_near_surface
1021       MODULE PROCEDURE lsm_calc_pt_near_surface
1022    END INTERFACE lsm_calc_pt_near_surface
1023   
1024    INTERFACE lsm_check_data_output
1025       MODULE PROCEDURE lsm_check_data_output
1026    END INTERFACE lsm_check_data_output
1027   
1028    INTERFACE lsm_check_data_output_pr
1029       MODULE PROCEDURE lsm_check_data_output_pr
1030    END INTERFACE lsm_check_data_output_pr
1031   
1032    INTERFACE lsm_check_parameters
1033       MODULE PROCEDURE lsm_check_parameters
1034    END INTERFACE lsm_check_parameters
1035   
1036    INTERFACE lsm_3d_data_averaging
1037       MODULE PROCEDURE lsm_3d_data_averaging
1038    END INTERFACE lsm_3d_data_averaging
1039
1040    INTERFACE lsm_data_output_2d
1041       MODULE PROCEDURE lsm_data_output_2d
1042    END INTERFACE lsm_data_output_2d
1043
1044    INTERFACE lsm_data_output_3d
1045       MODULE PROCEDURE lsm_data_output_3d
1046    END INTERFACE lsm_data_output_3d
1047
1048    INTERFACE lsm_define_netcdf_grid
1049       MODULE PROCEDURE lsm_define_netcdf_grid
1050    END INTERFACE lsm_define_netcdf_grid
1051
1052    INTERFACE lsm_energy_balance
1053       MODULE PROCEDURE lsm_energy_balance
1054    END INTERFACE lsm_energy_balance
1055
1056    INTERFACE lsm_header
1057       MODULE PROCEDURE lsm_header
1058    END INTERFACE lsm_header
1059   
1060    INTERFACE lsm_init
1061       MODULE PROCEDURE lsm_init
1062    END INTERFACE lsm_init
1063
1064    INTERFACE lsm_init_arrays
1065       MODULE PROCEDURE lsm_init_arrays
1066    END INTERFACE lsm_init_arrays
1067   
1068    INTERFACE lsm_parin
1069       MODULE PROCEDURE lsm_parin
1070    END INTERFACE lsm_parin
1071   
1072    INTERFACE lsm_soil_model
1073       MODULE PROCEDURE lsm_soil_model
1074    END INTERFACE lsm_soil_model
1075
1076    INTERFACE lsm_swap_timelevel
1077       MODULE PROCEDURE lsm_swap_timelevel
1078    END INTERFACE lsm_swap_timelevel
1079
1080    INTERFACE lsm_rrd_local
1081       MODULE PROCEDURE lsm_rrd_local
1082    END INTERFACE lsm_rrd_local
1083
1084    INTERFACE lsm_wrd_local
1085       MODULE PROCEDURE lsm_wrd_local
1086    END INTERFACE lsm_wrd_local
1087
1088 CONTAINS
1089
1090
1091!------------------------------------------------------------------------------!
1092! Description:
1093! ------------
1094!> Set internal Neumann boundary condition at outer soil grid points
1095!> for temperature and humidity.
1096!------------------------------------------------------------------------------!
1097 SUBROUTINE lsm_boundary_condition
1098 
1099    IMPLICIT NONE
1100
1101    INTEGER(iwp) :: i      !< grid index x-direction
1102    INTEGER(iwp) :: ioff   !< offset index x-direction indicating location of soil grid point
1103    INTEGER(iwp) :: j      !< grid index y-direction
1104    INTEGER(iwp) :: joff   !< offset index x-direction indicating location of soil grid point
1105    INTEGER(iwp) :: k      !< grid index z-direction
1106    INTEGER(iwp) :: koff   !< offset index x-direction indicating location of soil grid point
1107    INTEGER(iwp) :: l      !< running index surface-orientation
1108    INTEGER(iwp) :: m      !< running index surface elements
1109
1110    koff = surf_lsm_h%koff
1111    DO  m = 1, surf_lsm_h%ns
1112       i = surf_lsm_h%i(m)
1113       j = surf_lsm_h%j(m)
1114       k = surf_lsm_h%k(m)
1115       pt(k+koff,j,i) = pt(k,j,i)
1116    ENDDO
1117
1118    DO  l = 0, 3
1119       ioff = surf_lsm_v(l)%ioff
1120       joff = surf_lsm_v(l)%joff
1121       DO  m = 1, surf_lsm_v(l)%ns
1122          i = surf_lsm_v(l)%i(m)
1123          j = surf_lsm_v(l)%j(m)
1124          k = surf_lsm_v(l)%k(m)
1125          pt(k,j+joff,i+ioff) = pt(k,j,i)
1126       ENDDO
1127    ENDDO
1128!
1129!-- In case of humidity, set boundary conditions also for q and vpt.
1130    IF ( humidity )  THEN
1131       koff = surf_lsm_h%koff
1132       DO  m = 1, surf_lsm_h%ns
1133          i = surf_lsm_h%i(m)
1134          j = surf_lsm_h%j(m)
1135          k = surf_lsm_h%k(m)
1136          q(k+koff,j,i)   = q(k,j,i)
1137          vpt(k+koff,j,i) = vpt(k,j,i)
1138       ENDDO
1139
1140       DO  l = 0, 3
1141          ioff = surf_lsm_v(l)%ioff
1142          joff = surf_lsm_v(l)%joff
1143          DO  m = 1, surf_lsm_v(l)%ns
1144             i = surf_lsm_v(l)%i(m)
1145             j = surf_lsm_v(l)%j(m)
1146             k = surf_lsm_v(l)%k(m)
1147             q(k,j+joff,i+ioff)   = q(k,j,i)
1148             vpt(k,j+joff,i+ioff) = vpt(k,j,i)
1149          ENDDO
1150       ENDDO
1151    ENDIF
1152
1153 END SUBROUTINE lsm_boundary_condition
1154
1155!------------------------------------------------------------------------------!
1156! Description:
1157! ------------
1158!> Check data output for land surface model
1159!------------------------------------------------------------------------------!
1160 SUBROUTINE lsm_check_data_output( var, unit, i, ilen, k )
1161 
1162 
1163    USE control_parameters,                                                    &
1164        ONLY:  data_output, message_string
1165
1166    IMPLICIT NONE
1167
1168    CHARACTER (LEN=*) ::  unit  !<
1169    CHARACTER (LEN=*) ::  var   !<
1170
1171    INTEGER(iwp) :: i
1172    INTEGER(iwp) :: ilen   
1173    INTEGER(iwp) :: k
1174
1175    SELECT CASE ( TRIM( var ) )
1176
1177       CASE ( 'm_soil' )
1178          IF (  .NOT.  land_surface )  THEN
1179             message_string = 'output of "' // TRIM( var ) // '" requi' //     &
1180                      'res land_surface = .TRUE.'
1181             CALL message( 'lsm_check_data_output', 'PA0404', 1, 2, 0, 6, 0 )
1182          ENDIF
1183          unit = 'm3/m3'
1184           
1185       CASE ( 't_soil' )
1186          IF (  .NOT.  land_surface )  THEN
1187             message_string = 'output of "' // TRIM( var ) // '" requi' //     &
1188                      'res land_surface = .TRUE.'
1189             CALL message( 'lsm_check_data_output', 'PA0404', 1, 2, 0, 6, 0 )
1190          ENDIF
1191          unit = 'K'   
1192             
1193       CASE ( 'lai*', 'c_liq*', 'c_soil*', 'c_veg*', 'm_liq*',                 &
1194              'qsws_liq*', 'qsws_soil*', 'qsws_veg*', 'r_s*' )
1195          IF ( k == 0  .OR.  data_output(i)(ilen-2:ilen) /= '_xy' )  THEN
1196             message_string = 'illegal value for data_output: "' //            &
1197                              TRIM( var ) // '" & only 2d-horizontal ' //      &
1198                              'cross sections are allowed for this value'
1199             CALL message( 'lsm_check_data_output', 'PA0111', 1, 2, 0, 6, 0 )
1200          ENDIF
1201          IF ( TRIM( var ) == 'lai*'  .AND.  .NOT.  land_surface )  THEN
1202             message_string = 'output of "' // TRIM( var ) // '" requi' //     &
1203                              'res land_surface = .TRUE.'
1204             CALL message( 'lsm_check_data_output', 'PA0404', 1, 2, 0, 6, 0 )
1205          ENDIF
1206          IF ( TRIM( var ) == 'c_liq*'  .AND.  .NOT.  land_surface )  THEN
1207             message_string = 'output of "' // TRIM( var ) // '" requi' //     &
1208                              'res land_surface = .TRUE.'
1209             CALL message( 'lsm_check_data_output', 'PA0404', 1, 2, 0, 6, 0 )
1210          ENDIF
1211          IF ( TRIM( var ) == 'c_soil*'  .AND.  .NOT.  land_surface )  THEN
1212             message_string = 'output of "' // TRIM( var ) // '" requi' //     &
1213                              'res land_surface = .TRUE.'
1214             CALL message( 'lsm_check_data_output', 'PA0404', 1, 2, 0, 6, 0 )
1215          ENDIF
1216          IF ( TRIM( var ) == 'c_veg*'  .AND.  .NOT. land_surface )  THEN
1217             message_string = 'output of "' // TRIM( var ) // '" requi' //     &
1218                              'res land_surface = .TRUE.'
1219             CALL message( 'lsm_check_data_output', 'PA0404', 1, 2, 0, 6, 0 )
1220          ENDIF
1221          IF ( TRIM( var ) == 'm_liq*'  .AND.  .NOT.  land_surface )  THEN
1222             message_string = 'output of "' // TRIM( var ) // '" requi' //     &
1223                              'res land_surface = .TRUE.'
1224             CALL message( 'lsm_check_data_output', 'PA0404', 1, 2, 0, 6, 0 )
1225          ENDIF
1226          IF ( TRIM( var ) == 'qsws_liq*'  .AND.  .NOT. land_surface )         &
1227          THEN
1228             message_string = 'output of "' // TRIM( var ) // '" requi' //     &
1229                              'res land_surface = .TRUE.'
1230             CALL message( 'lsm_check_data_output', 'PA0404', 1, 2, 0, 6, 0 )
1231          ENDIF
1232          IF ( TRIM( var ) == 'qsws_soil*'  .AND.  .NOT.  land_surface )       &
1233          THEN
1234             message_string = 'output of "' // TRIM( var ) // '" requi' //     &
1235                              'res land_surface = .TRUE.'
1236             CALL message( 'lsm_check_data_output', 'PA0404', 1, 2, 0, 6, 0 )
1237          ENDIF
1238          IF ( TRIM( var ) == 'qsws_veg*'  .AND.  .NOT. land_surface )         &
1239          THEN
1240             message_string = 'output of "' // TRIM( var ) // '" requi' //     &
1241                              'res land_surface = .TRUE.'
1242             CALL message( 'lsm_check_data_output', 'PA0404', 1, 2, 0, 6, 0 )
1243          ENDIF
1244          IF ( TRIM( var ) == 'r_s*'  .AND.  .NOT.  land_surface )             &
1245          THEN
1246             message_string = 'output of "' // TRIM( var ) // '" requi' //     &
1247                              'res land_surface = .TRUE.'
1248             CALL message( 'lsm_check_data_output', 'PA0404', 1, 2, 0, 6, 0 )
1249          ENDIF
1250
1251          IF ( TRIM( var ) == 'lai*'   )      unit = 'none' 
1252          IF ( TRIM( var ) == 'c_liq*' )      unit = 'none'
1253          IF ( TRIM( var ) == 'c_soil*')      unit = 'none'
1254          IF ( TRIM( var ) == 'c_veg*' )      unit = 'none'
1255          IF ( TRIM( var ) == 'm_liq*'     )  unit = 'm'
1256          IF ( TRIM( var ) == 'qsws_liq*'  )  unit = 'W/m2'
1257          IF ( TRIM( var ) == 'qsws_soil*' )  unit = 'W/m2'
1258          IF ( TRIM( var ) == 'qsws_veg*'  )  unit = 'W/m2'
1259          IF ( TRIM( var ) == 'r_s*')         unit = 's/m' 
1260             
1261       CASE DEFAULT
1262          unit = 'illegal'
1263
1264    END SELECT
1265
1266
1267 END SUBROUTINE lsm_check_data_output
1268
1269
1270
1271!------------------------------------------------------------------------------!
1272! Description:
1273! ------------
1274!> Check data output of profiles for land surface model
1275!------------------------------------------------------------------------------!
1276 SUBROUTINE lsm_check_data_output_pr( variable, var_count, unit, dopr_unit )
1277 
1278    USE control_parameters,                                                    &
1279        ONLY:  data_output_pr, message_string
1280
1281    USE indices
1282
1283    USE profil_parameter
1284
1285    USE statistics
1286
1287    IMPLICIT NONE
1288   
1289    CHARACTER (LEN=*) ::  unit      !<
1290    CHARACTER (LEN=*) ::  variable  !<
1291    CHARACTER (LEN=*) ::  dopr_unit !< local value of dopr_unit
1292 
1293    INTEGER(iwp) ::  var_count     !<
1294
1295    SELECT CASE ( TRIM( variable ) )
1296       
1297       CASE ( 't_soil', '#t_soil' )
1298          IF (  .NOT.  land_surface )  THEN
1299             message_string = 'data_output_pr = ' //                           &
1300                              TRIM( data_output_pr(var_count) ) // ' is' //    &
1301                              'not implemented for land_surface = .FALSE.'
1302             CALL message( 'lsm_check_data_output_pr', 'PA0402', 1, 2, 0, 6, 0 )
1303          ELSE
1304             dopr_index(var_count) = 89
1305             dopr_unit     = 'K'
1306             hom(0:nzs-1,2,89,:)  = SPREAD( - zs(nzb_soil:nzt_soil), 2, statistic_regions+1 )
1307             IF ( data_output_pr(var_count)(1:1) == '#' )  THEN
1308                dopr_initial_index(var_count) = 90
1309                hom(0:nzs-1,2,90,:)   = SPREAD( - zs(nzb_soil:nzt_soil), 2, statistic_regions+1 )
1310                data_output_pr(var_count)     = data_output_pr(var_count)(2:)
1311             ENDIF
1312             unit = dopr_unit
1313          ENDIF
1314
1315       CASE ( 'm_soil', '#m_soil' )
1316          IF (  .NOT.  land_surface )  THEN
1317             message_string = 'data_output_pr = ' //                           &
1318                              TRIM( data_output_pr(var_count) ) // ' is' //    &
1319                              ' not implemented for land_surface = .FALSE.'
1320             CALL message( 'lsm_check_data_output_pr', 'PA0402', 1, 2, 0, 6, 0 )
1321          ELSE
1322             dopr_index(var_count) = 91
1323             dopr_unit     = 'm3/m3'
1324             hom(0:nzs-1,2,91,:)  = SPREAD( - zs(nzb_soil:nzt_soil), 2, statistic_regions+1 )
1325             IF ( data_output_pr(var_count)(1:1) == '#' )  THEN
1326                dopr_initial_index(var_count) = 92
1327                hom(0:nzs-1,2,92,:)   = SPREAD( - zs(nzb_soil:nzt_soil), 2, statistic_regions+1 )
1328                data_output_pr(var_count)     = data_output_pr(var_count)(2:)
1329             ENDIF
1330             unit = dopr_unit
1331          ENDIF
1332
1333
1334       CASE DEFAULT
1335          unit = 'illegal'
1336
1337    END SELECT
1338
1339
1340 END SUBROUTINE lsm_check_data_output_pr
1341 
1342 
1343!------------------------------------------------------------------------------!
1344! Description:
1345! ------------
1346!> Check parameters routine for land surface model
1347!------------------------------------------------------------------------------!
1348 SUBROUTINE lsm_check_parameters
1349
1350    USE control_parameters,                                                    &
1351        ONLY:  bc_pt_b, bc_q_b, constant_flux_layer, message_string
1352                     
1353   
1354    IMPLICIT NONE
1355
1356    INTEGER(iwp) ::  i        !< running index, x-dimension
1357    INTEGER(iwp) ::  j        !< running index, y-dimension
1358    INTEGER(iwp) ::  k        !< running index, z-dimension
1359
1360!
1361!-- Check for a valid setting of surface_type. The default value is 'netcdf'.
1362!-- In that case, the surface types are read from NetCDF file
1363    IF ( TRIM( surface_type ) /= 'vegetation'  .AND.                           &
1364         TRIM( surface_type ) /= 'pavement'    .AND.                           &
1365         TRIM( surface_type ) /= 'water'       .AND.                           &
1366         TRIM( surface_type ) /= 'netcdf' )  THEN 
1367       message_string = 'unknown surface type: surface_type = "' //            &
1368                        TRIM( surface_type ) // '"'
1369       CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0019', 1, 2, 0, 6, 0 )
1370    ENDIF
1371
1372!
1373!-- Dirichlet boundary conditions are required as the surface fluxes are
1374!-- calculated from the temperature/humidity gradients in the land surface
1375!-- model
1376    IF ( bc_pt_b == 'neumann'  .OR.  bc_q_b == 'neumann' )  THEN
1377       message_string = 'lsm requires setting of'//                            &
1378                        'bc_pt_b = "dirichlet" and '//                         &
1379                        'bc_q_b  = "dirichlet"'
1380       CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0399', 1, 2, 0, 6, 0 )
1381    ENDIF
1382
1383    IF (  .NOT.  constant_flux_layer )  THEN
1384       message_string = 'lsm requires '//                                      &
1385                        'constant_flux_layer = .T.'
1386       CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0400', 1, 2, 0, 6, 0 )
1387    ENDIF
1388   
1389    IF (  .NOT.  radiation )  THEN
1390       message_string = 'lsm requires '//                                      &
1391                        'the radiation model to be switched on'
1392       CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0400', 1, 2, 0, 6, 0 )
1393    ENDIF
1394!
1395!-- Check if soil types are set within a valid range.
1396    IF ( TRIM( surface_type ) == 'vegetation'  .OR.                            &
1397         TRIM( surface_type ) == 'pavement'    .OR.                            &
1398         TRIM( surface_type ) == 'netcdf' )  THEN
1399       IF ( soil_type < LBOUND( soil_pars, 2 )  .AND.                          &
1400            soil_type > UBOUND( soil_pars, 2 ) )  THEN
1401          WRITE( message_string, * ) 'soil_type = ', soil_type, ' is out ' //  &
1402                                     'of the valid range'
1403          CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0452', 2, 2, 0, 6, 0 )
1404       ENDIF
1405       IF ( soil_type_f%from_file )  THEN
1406          DO  i = nxl, nxr
1407             DO  j = nys, nyn
1408                IF ( soil_type_f%var_2d(j,i) /= soil_type_f%fill  .AND.        &
1409                     ( soil_type_f%var_2d(j,i) < LBOUND( soil_pars, 2 )  .OR.  &
1410                       soil_type_f%var_2d(j,i) > UBOUND( soil_pars, 2 ) ) )  THEN
1411                   WRITE( message_string, * ) 'soil_type = is out  of ' //     &
1412                                        'the valid range at (j,i) = ', j, i
1413                   CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0452', 2, 2, 0, 6, 0 )
1414                ENDIF
1415             ENDDO
1416          ENDDO
1417       ENDIF
1418    ENDIF
1419!
1420!-- Check if vegetation types are set within a valid range.   
1421    IF ( TRIM( surface_type ) == 'vegetation'  .OR.                            &
1422         TRIM( surface_type ) == 'netcdf' )  THEN
1423       IF ( vegetation_type < LBOUND( vegetation_pars, 2 )  .AND.              &
1424            vegetation_type > UBOUND( vegetation_pars, 2 ) )  THEN
1425          WRITE( message_string, * ) 'vegetation_type = ', vegetation_type,    &
1426                                     ' is out of the valid range'
1427          CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0526', 2, 2, 0, 6, 0 )
1428       ENDIF
1429       IF ( vegetation_type_f%from_file )  THEN
1430          DO  i = nxl, nxr
1431             DO  j = nys, nyn
1432                IF ( vegetation_type_f%var(j,i) /= vegetation_type_f%fill  .AND.&
1433              ( vegetation_type_f%var(j,i) < LBOUND( vegetation_pars, 2 )  .OR.&
1434                vegetation_type_f%var(j,i) > UBOUND( vegetation_pars, 2 ) ) )  &
1435                THEN
1436                   WRITE( message_string, * ) 'vegetation_type = is out of ' //&
1437                                        'the valid range at (j,i) = ', j, i
1438                   CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0526', 2, 2, 0, 6, 0 ) 
1439                ENDIF
1440             ENDDO
1441          ENDDO
1442       ENDIF
1443    ENDIF
1444!
1445!-- Check if pavement types are set within a valid range.   
1446    IF ( TRIM( surface_type ) == 'pavement'  .OR.                              &
1447         TRIM( surface_type ) == 'netcdf' )  THEN
1448       IF ( pavement_type < LBOUND( pavement_pars, 2 )  .AND.                  &
1449            pavement_type > UBOUND( pavement_pars, 2 ) )  THEN
1450          WRITE( message_string, * ) 'pavement_type = ', pavement_type,        &
1451                                     ' is out of the valid range'
1452          CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0527', 2, 2, 0, 6, 0 )
1453       ENDIF
1454       IF ( pavement_type_f%from_file )  THEN
1455          DO  i = nxl, nxr
1456             DO  j = nys, nyn
1457                IF ( pavement_type_f%var(j,i) /= pavement_type_f%fill  .AND.   &
1458              ( pavement_type_f%var(j,i) < LBOUND( pavement_pars, 2 )  .OR.    &
1459                pavement_type_f%var(j,i) > UBOUND( pavement_pars, 2 ) ) )  THEN
1460                   WRITE( message_string, * ) 'pavement_type = is out of ' //  &
1461                                        'the valid range at (j,i) = ', j, i
1462                   CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0527', 2, 2, 0, 6, 0 ) 
1463                ENDIF
1464             ENDDO
1465          ENDDO
1466       ENDIF
1467    ENDIF
1468!
1469!-- Check if water types are set within a valid range.   
1470    IF ( TRIM( surface_type ) == 'water'  .OR.                                 &
1471         TRIM( surface_type ) == 'netcdf' )  THEN
1472       IF ( water_type < LBOUND( water_pars, 2 )  .AND.                        &
1473            water_type > UBOUND( water_pars, 2 ) )  THEN
1474          WRITE( message_string, * ) 'water_type = ', water_type,              &
1475                                     ' is out of the valid range'
1476          CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0528', 2, 2, 0, 6, 0 )
1477       ENDIF
1478       IF ( water_type_f%from_file )  THEN
1479          DO  i = nxl, nxr
1480             DO  j = nys, nyn
1481                IF ( water_type_f%var(j,i) /= water_type_f%fill  .AND.         &
1482              ( water_type_f%var(j,i) < LBOUND( water_pars, 2 )  .OR.          &
1483                water_type_f%var(j,i) > UBOUND( water_pars, 2 ) ) )  THEN
1484                   WRITE( message_string, * ) 'water_type = is out  of ' //    &
1485                                        'the valid range at (j,i) = ', j, i
1486                   CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0528', 2, 2, 0, 6, 0 ) 
1487                ENDIF
1488             ENDDO
1489          ENDDO
1490       ENDIF
1491    ENDIF
1492!
1493!-- Check further settings for consistency.
1494    IF ( TRIM( surface_type ) == 'vegetation' )  THEN
1495   
1496       IF ( vegetation_type == 0 )  THEN
1497          IF ( min_canopy_resistance == 9999999.9_wp )  THEN
1498             message_string = 'vegetation_type = 0 (user defined)'//           &
1499                              'requires setting of min_canopy_resistance'//    &
1500                              '/= 9999999.9'
1501             CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0401', 1, 2, 0, 6, 0 )
1502          ENDIF
1503
1504          IF ( leaf_area_index == 9999999.9_wp )  THEN
1505             message_string = 'vegetation_type = 0 (user_defined)'//           &
1506                              'requires setting of leaf_area_index'//          &
1507                              '/= 9999999.9'
1508             CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0401', 1, 2, 0, 6, 0 )
1509          ENDIF
1510
1511          IF ( vegetation_coverage == 9999999.9_wp )  THEN
1512             message_string = 'vegetation_type = 0 (user_defined)'//           &
1513                              'requires setting of vegetation_coverage'//      &
1514                              '/= 9999999.9'
1515             CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0401', 1, 2, 0, 6, 0 )
1516          ENDIF
1517
1518          IF ( canopy_resistance_coefficient == 9999999.9_wp)  THEN
1519             message_string = 'vegetation_type = 0 (user_defined)'//           &
1520                              'requires setting of'//                          &
1521                              'canopy_resistance_coefficient /= 9999999.9'
1522             CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0401', 1, 2, 0, 6, 0 )
1523          ENDIF
1524
1525          IF ( lambda_surface_stable == 9999999.9_wp )  THEN
1526             message_string = 'vegetation_type = 0 (user_defined)'//           &
1527                              'requires setting of lambda_surface_stable'//    &
1528                              '/= 9999999.9'
1529             CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0401', 1, 2, 0, 6, 0 )
1530          ENDIF
1531
1532          IF ( lambda_surface_unstable == 9999999.9_wp )  THEN
1533             message_string = 'vegetation_type = 0 (user_defined)'//           &
1534                              'requires setting of lambda_surface_unstable'//  &
1535                              '/= 9999999.9'
1536             CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0401', 1, 2, 0, 6, 0 )
1537          ENDIF
1538
1539          IF ( f_shortwave_incoming == 9999999.9_wp )  THEN
1540             message_string = 'vegetation_type = 0 (user_defined)'//           &
1541                              'requires setting of f_shortwave_incoming'//     &
1542                              '/= 9999999.9'
1543             CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0401', 1, 2, 0, 6, 0 )
1544          ENDIF
1545
1546          IF ( z0_vegetation == 9999999.9_wp )  THEN
1547             message_string = 'vegetation_type = 0 (user_defined)'//           &
1548                              'requires setting of z0_vegetation'//            &
1549                              '/= 9999999.9'
1550             CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0401', 1, 2, 0, 6, 0 )
1551          ENDIF
1552
1553          IF ( z0h_vegetation == 9999999.9_wp )  THEN
1554             message_string = 'vegetation_type = 0 (user_defined)'//           &
1555                              'requires setting of z0h_vegetation'//           &
1556                              '/= 9999999.9'
1557             CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0401', 1, 2, 0, 6, 0 )
1558          ENDIF
1559       ENDIF
1560
1561       IF ( vegetation_type == 1 )  THEN
1562          IF ( vegetation_coverage /= 9999999.9_wp  .AND.  vegetation_coverage &
1563               /= 0.0_wp )  THEN
1564             message_string = 'vegetation_type = 1 (bare soil)'//              &
1565                              ' requires vegetation_coverage = 0'
1566             CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0294', 1, 2, 0, 6, 0 )
1567          ENDIF
1568       ENDIF
1569 
1570    ENDIF
1571   
1572    IF ( TRIM( surface_type ) == 'water' )  THEN
1573
1574       IF ( water_type == 0 )  THEN 
1575       
1576          IF ( z0_water == 9999999.9_wp )  THEN
1577             message_string = 'water_type = 0 (user_defined)'//                &
1578                              'requires setting of z0_water'//                 &
1579                              '/= 9999999.9'
1580             CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0415', 1, 2, 0, 6, 0 )
1581          ENDIF
1582
1583          IF ( z0h_water == 9999999.9_wp )  THEN
1584             message_string = 'water_type = 0 (user_defined)'//                &
1585                              'requires setting of z0h_water'//                &
1586                              '/= 9999999.9'
1587             CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0392', 1, 2, 0, 6, 0 )
1588          ENDIF
1589         
1590          IF ( water_temperature == 9999999.9_wp )  THEN
1591             message_string = 'water_type = 0 (user_defined)'//                &
1592                              'requires setting of water_temperature'//        &
1593                              '/= 9999999.9'
1594             CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0379', 1, 2, 0, 6, 0 )
1595          ENDIF       
1596         
1597       ENDIF
1598       
1599    ENDIF
1600   
1601    IF ( TRIM( surface_type ) == 'pavement' )  THEN
1602
1603       IF ( ANY( dz_soil /= 9999999.9_wp )  .AND.  pavement_type /= 0 )  THEN
1604          message_string = 'non-default setting of dz_soil '//                  &
1605                           'does not allow to use pavement_type /= 0)'
1606          CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0341', 1, 2, 0, 6, 0 )
1607       ENDIF
1608
1609       IF ( pavement_type == 0 )  THEN 
1610       
1611          IF ( z0_pavement == 9999999.9_wp )  THEN
1612             message_string = 'pavement_type = 0 (user_defined)'//             &
1613                              'requires setting of z0_pavement'//              &
1614                              '/= 9999999.9'
1615             CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0352', 1, 2, 0, 6, 0 )
1616          ENDIF
1617         
1618          IF ( z0h_pavement == 9999999.9_wp )  THEN
1619             message_string = 'pavement_type = 0 (user_defined)'//             &
1620                              'requires setting of z0h_pavement'//             &
1621                              '/= 9999999.9'
1622             CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0353', 1, 2, 0, 6, 0 )
1623          ENDIF
1624         
1625          IF ( pavement_heat_conduct == 9999999.9_wp )  THEN
1626             message_string = 'pavement_type = 0 (user_defined)'//             &
1627                              'requires setting of pavement_heat_conduct'//    &
1628                              '/= 9999999.9'
1629             CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0342', 1, 2, 0, 6, 0 )
1630          ENDIF
1631         
1632           IF ( pavement_heat_capacity == 9999999.9_wp )  THEN
1633             message_string = 'pavement_type = 0 (user_defined)'//             &
1634                              'requires setting of pavement_heat_capacity'//   &
1635                              '/= 9999999.9'
1636             CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0139', 1, 2, 0, 6, 0 )
1637          ENDIF
1638
1639          IF ( pavement_depth_level == 0 )  THEN
1640             message_string = 'pavement_type = 0 (user_defined)'//             &
1641                              'requires setting of pavement_depth_level'//     &
1642                              '/= 0'
1643             CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0474', 1, 2, 0, 6, 0 )
1644          ENDIF
1645
1646       ENDIF
1647   
1648    ENDIF
1649
1650    IF ( TRIM( surface_type ) == 'netcdf' )  THEN
1651!
1652!--    MS: Some problme here, after calling message everythings stucks at
1653!--        MPI_FINALIZE call.
1654       IF ( ANY( pavement_type_f%var /= pavement_type_f%fill )  .AND.           &
1655            ANY( dz_soil /= 9999999.9_wp ) )  THEN
1656          message_string = 'pavement-surfaces are not allowed in ' //           &
1657                           'combination with a non-default setting of dz_soil'
1658          CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0999', 2, 2, 0, 6, 0 )
1659       ENDIF
1660    ENDIF
1661   
1662!
1663!-- Temporary message as long as NetCDF input is not available
1664    IF ( TRIM( surface_type ) == 'netcdf'  .AND.  .NOT.  input_pids_static )   &
1665    THEN
1666       message_string = 'surface_type = netcdf requires static input file.'
1667       CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0465', 1, 2, 0, 6, 0 )
1668    ENDIF
1669
1670    IF ( soil_type == 0 )  THEN
1671
1672       IF ( alpha_vangenuchten == 9999999.9_wp )  THEN
1673          message_string = 'soil_type = 0 (user_defined)'//                    &
1674                           'requires setting of alpha_vangenuchten'//          &
1675                           '/= 9999999.9'
1676          CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0403', 1, 2, 0, 6, 0 )
1677       ENDIF
1678
1679       IF ( l_vangenuchten == 9999999.9_wp )  THEN
1680          message_string = 'soil_type = 0 (user_defined)'//                    &
1681                           'requires setting of l_vangenuchten'//              &
1682                           '/= 9999999.9'
1683          CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0403', 1, 2, 0, 6, 0 )
1684       ENDIF
1685
1686       IF ( n_vangenuchten == 9999999.9_wp )  THEN
1687          message_string = 'soil_type = 0 (user_defined)'//                    &
1688                           'requires setting of n_vangenuchten'//              &
1689                           '/= 9999999.9'
1690          CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0403', 1, 2, 0, 6, 0 )
1691       ENDIF
1692
1693       IF ( hydraulic_conductivity == 9999999.9_wp )  THEN
1694          message_string = 'soil_type = 0 (user_defined)'//                    &
1695                           'requires setting of hydraulic_conductivity'//      &
1696                           '/= 9999999.9'
1697          CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0403', 1, 2, 0, 6, 0 )
1698       ENDIF
1699
1700       IF ( saturation_moisture == 9999999.9_wp )  THEN
1701          message_string = 'soil_type = 0 (user_defined)'//                    &
1702                           'requires setting of saturation_moisture'//         &
1703                           '/= 9999999.9'
1704          CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0403', 1, 2, 0, 6, 0 )
1705       ENDIF
1706
1707       IF ( field_capacity == 9999999.9_wp )  THEN
1708          message_string = 'soil_type = 0 (user_defined)'//                    &
1709                           'requires setting of field_capacity'//              &
1710                           '/= 9999999.9'
1711          CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0403', 1, 2, 0, 6, 0 )
1712       ENDIF
1713
1714       IF ( wilting_point == 9999999.9_wp )  THEN
1715          message_string = 'soil_type = 0 (user_defined)'//                    &
1716                           'requires setting of wilting_point'//               &
1717                           '/= 9999999.9'
1718          CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0403', 1, 2, 0, 6, 0 )
1719       ENDIF
1720
1721       IF ( residual_moisture == 9999999.9_wp )  THEN
1722          message_string = 'soil_type = 0 (user_defined)'//                    &
1723                           'requires setting of residual_moisture'//           &
1724                           '/= 9999999.9'
1725          CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0403', 1, 2, 0, 6, 0 )
1726       ENDIF
1727
1728    ENDIF
1729
1730
1731!!! these checks are not needed for water surfaces??
1732
1733!
1734!-- Determine number of soil layers to be used and check whether an appropriate
1735!-- root fraction is prescribed
1736    nzb_soil = 0
1737    nzt_soil = -1
1738    IF ( ALL( dz_soil == 9999999.9_wp ) )  THEN
1739       nzt_soil = 7
1740       dz_soil(nzb_soil:nzt_soil) = dz_soil_default
1741    ELSE
1742       DO k = 0, 19
1743          IF ( dz_soil(k) /= 9999999.9_wp )  THEN
1744             nzt_soil = nzt_soil + 1
1745          ENDIF
1746       ENDDO   
1747    ENDIF
1748    nzs = nzt_soil + 1
1749
1750!
1751!-- Check whether valid soil temperatures are prescribed
1752    IF ( COUNT( soil_temperature /= 9999999.9_wp ) /= nzs )  THEN
1753       WRITE( message_string, * ) 'number of soil layers (', nzs, ') does not',&
1754                                  ' match to the number of layers specified',  &
1755                                  ' in soil_temperature (', COUNT(             &
1756                                   soil_temperature /= 9999999.9_wp ), ')'
1757          CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0471', 1, 2, 0, 6, 0 )
1758    ENDIF
1759
1760    IF ( deep_soil_temperature == 9999999.9_wp ) THEN
1761          message_string = 'deep_soil_temperature is not set but must be'//    &
1762                           '/= 9999999.9'
1763          CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0472', 1, 2, 0, 6, 0 )
1764    ENDIF
1765
1766!
1767!-- Check whether the sum of all root fractions equals one
1768    IF ( vegetation_type == 0 )  THEN
1769       IF ( SUM( root_fraction(nzb_soil:nzt_soil) ) /= 1.0_wp )  THEN
1770          message_string = 'vegetation_type = 0 (user_defined)'//              &
1771                           'requires setting of root_fraction'//               &
1772                           '/= 9999999.9 and SUM(root_fraction) = 1'
1773          CALL message( 'lsm_check_parameters', 'PA0401', 1, 2, 0, 6, 0 )
1774       ENDIF
1775    ENDIF     
1776!
1777!-- Calculate grid spacings. Temperature and moisture are defined at
1778!-- the center of the soil layers, whereas gradients/fluxes are
1779!-- defined at the edges (_layer)
1780!
1781!-- Allocate global 1D arrays
1782    ALLOCATE ( ddz_soil_center(nzb_soil:nzt_soil) )
1783    ALLOCATE ( ddz_soil(nzb_soil:nzt_soil+1) )
1784    ALLOCATE ( dz_soil_center(nzb_soil:nzt_soil) )
1785    ALLOCATE ( zs(nzb_soil:nzt_soil+1) )
1786
1787
1788    zs(nzb_soil) = 0.5_wp * dz_soil(nzb_soil)
1789    zs_layer(nzb_soil) = dz_soil(nzb_soil)
1790
1791    DO  k = nzb_soil+1, nzt_soil
1792       zs_layer(k) = zs_layer(k-1) + dz_soil(k)
1793       zs(k) = (zs_layer(k) +  zs_layer(k-1)) * 0.5_wp
1794    ENDDO
1795
1796    dz_soil(nzt_soil+1) = zs_layer(nzt_soil) + dz_soil(nzt_soil)
1797    zs(nzt_soil+1) = zs_layer(nzt_soil) + 0.5_wp * dz_soil(nzt_soil)
1798 
1799    DO  k = nzb_soil, nzt_soil-1
1800       dz_soil_center(k) = zs(k+1) - zs(k)
1801       IF ( dz_soil_center(k) <= 0.0_wp )  THEN
1802          message_string = 'invalid soil layer configuration found ' //        &
1803                           '(dz_soil_center(k) <= 0.0)'
1804          CALL message( 'lsm_rrd_local', 'PA0140', 1, 2, 0, 6, 0 )
1805       ENDIF 
1806    ENDDO
1807 
1808    dz_soil_center(nzt_soil) = zs_layer(k-1) + dz_soil(k) - zs(nzt_soil)
1809       
1810    ddz_soil_center = 1.0_wp / dz_soil_center
1811    ddz_soil(nzb_soil:nzt_soil) = 1.0_wp / dz_soil(nzb_soil:nzt_soil)
1812
1813
1814
1815 END SUBROUTINE lsm_check_parameters
1816 
1817!------------------------------------------------------------------------------!
1818! Description:
1819! ------------
1820!> Solver for the energy balance at the surface.
1821!------------------------------------------------------------------------------!
1822 SUBROUTINE lsm_energy_balance( horizontal, l )
1823
1824    USE pegrid
1825    USE radiation_model_mod,  ONLY:  rad_lw_out
1826
1827    IMPLICIT NONE
1828
1829    INTEGER(iwp) ::  i         !< running index
1830    INTEGER(iwp) ::  i_off     !< offset to determine index of surface element, seen from atmospheric grid point, for x
1831    INTEGER(iwp) ::  j         !< running index
1832    INTEGER(iwp) ::  j_off     !< offset to determine index of surface element, seen from atmospheric grid point, for y
1833    INTEGER(iwp) ::  k         !< running index
1834    INTEGER(iwp) ::  k_off     !< offset to determine index of surface element, seen from atmospheric grid point, for z
1835    INTEGER(iwp) ::  ks        !< running index
1836    INTEGER(iwp) ::  l         !< surface-facing index
1837    INTEGER(iwp) ::  m         !< running index concerning wall elements
1838
1839    LOGICAL      ::  horizontal !< Flag indicating horizontal or vertical surfaces
1840
1841    REAL(wp) :: c_surface_tmp,& !< temporary variable for storing the volumetric heat capacity of the surface
1842                f1,          & !< resistance correction term 1
1843                f2,          & !< resistance correction term 2
1844                f3,          & !< resistance correction term 3
1845                m_min,       & !< minimum soil moisture
1846                e,           & !< water vapour pressure
1847                e_s,         & !< water vapour saturation pressure
1848                e_s_dt,      & !< derivate of e_s with respect to T
1849                tend,        & !< tendency
1850                dq_s_dt,     & !< derivate of q_s with respect to T
1851                coef_1,      & !< coef. for prognostic equation
1852                coef_2,      & !< coef. for prognostic equation
1853                f_qsws,      & !< factor for qsws
1854                f_qsws_veg,  & !< factor for qsws_veg
1855                f_qsws_soil, & !< factor for qsws_soil
1856                f_qsws_liq,  & !< factor for qsws_liq
1857                f_shf,       & !< factor for shf
1858                lambda_soil, & !< Thermal conductivity of the uppermost soil layer (W/m2/K)
1859                lambda_surface, & !< Current value of lambda_surface (W/m2/K)
1860                m_liq_max      !< maxmimum value of the liq. water reservoir
1861
1862    TYPE(surf_type_lsm), POINTER ::  surf_t_surface
1863    TYPE(surf_type_lsm), POINTER ::  surf_t_surface_p
1864    TYPE(surf_type_lsm), POINTER ::  surf_tt_surface_m
1865    TYPE(surf_type_lsm), POINTER ::  surf_m_liq
1866    TYPE(surf_type_lsm), POINTER ::  surf_m_liq_p
1867    TYPE(surf_type_lsm), POINTER ::  surf_tm_liq_m
1868
1869    TYPE(surf_type_lsm), POINTER ::  surf_m_soil
1870    TYPE(surf_type_lsm), POINTER ::  surf_t_soil
1871
1872    TYPE(surf_type), POINTER  ::  surf  !< surface-date type variable
1873
1874    IF ( horizontal )  THEN
1875       surf              => surf_lsm_h
1876
1877       surf_t_surface    => t_surface_h
1878       surf_t_surface_p  => t_surface_h_p
1879       surf_tt_surface_m => tt_surface_h_m
1880       surf_m_liq        => m_liq_h
1881       surf_m_liq_p      => m_liq_h_p
1882       surf_tm_liq_m     => tm_liq_h_m
1883       surf_m_soil       => m_soil_h
1884       surf_t_soil       => t_soil_h
1885    ELSE
1886       surf              => surf_lsm_v(l)
1887
1888       surf_t_surface    => t_surface_v(l)
1889       surf_t_surface_p  => t_surface_v_p(l)
1890       surf_tt_surface_m => tt_surface_v_m(l)
1891       surf_m_liq        => m_liq_v(l)
1892       surf_m_liq_p      => m_liq_v_p(l)
1893       surf_tm_liq_m     => tm_liq_v_m(l)
1894       surf_m_soil       => m_soil_v(l)
1895       surf_t_soil       => t_soil_v(l)
1896    ENDIF
1897
1898!
1899!-- Index offset of surface element point with respect to adjoining
1900!-- atmospheric grid point
1901    k_off = surf%koff
1902    j_off = surf%joff
1903    i_off = surf%ioff
1904
1905    !$OMP PARALLEL PRIVATE (m, i, j, k, lambda_h_sat, ke, lambda_soil, lambda_surface,             &
1906    !$OMP&                  c_surface_tmp, f1,m_total, f2, e_s, e, f3, m_min, m_liq_max, q_s,      &
1907    !$OMP&                  f_qsws_veg, f_qsws_soil, f_qsws_liq, f_shf, f_qsws, e_s_dt, dq_s_dt,   &
1908    !$OMP&                  coef_1, coef_2, tend)
1909    !$OMP DO SCHEDULE (STATIC)
1910    DO  m = 1, surf%ns
1911
1912       i   = surf%i(m)           
1913       j   = surf%j(m)
1914       k   = surf%k(m)
1915
1916!
1917!--    Define heat conductivity between surface and soil depending on surface
1918!--    type. For vegetation, a skin layer parameterization is used. The new
1919!--    parameterization uses a combination of two conductivities: a constant
1920!--    conductivity for the skin layer, and a conductivity according to the
1921!--    uppermost soil layer. For bare soil and pavements, no skin layer is
1922!--    applied. In these cases, the temperature is assumed to be constant
1923!--    between the surface and the first soil layer. The heat conductivity is
1924!--    then derived from the soil/pavement properties.
1925!--    For water surfaces, the conductivity is already set to 1E10.
1926!--    Moreover, the heat capacity is set. For bare soil the heat capacity is
1927!--    the capacity of the uppermost soil layer, for pavement it is that of
1928!--    the material involved.
1929
1930!
1931!--    for vegetation type surfaces, the thermal conductivity of the soil is
1932!--    needed
1933
1934       IF ( surf%vegetation_surface(m) )  THEN
1935
1936          lambda_h_sat = lambda_h_sm**(1.0_wp - surf%m_sat(nzb_soil,m)) *      &
1937                         lambda_h_water ** surf_m_soil%var_2d(nzb_soil,m)
1938                         
1939          ke = 1.0_wp + LOG10( MAX( 0.1_wp, surf_m_soil%var_2d(nzb_soil,m) /   &
1940                                                     surf%m_sat(nzb_soil,m) ) )                   
1941                         
1942          lambda_soil = (ke * (lambda_h_sat - lambda_h_dry) + lambda_h_dry )   &
1943                           * ddz_soil(nzb_soil) * 2.0_wp
1944
1945!
1946!--       When bare soil is set without a thermal conductivity (no skin layer),
1947!--       a heat capacity is that of the soil layer, otherwise it is a
1948!--       combination of the conductivities from the skin and the soil layer
1949          IF ( surf%lambda_surface_s(m) == 0.0_wp )  THEN
1950            surf%c_surface(m) = (rho_c_soil * (1.0_wp - surf%m_sat(nzb_soil,m))&
1951                              + rho_c_water * surf_m_soil%var_2d(nzb_soil,m) ) &
1952                              * dz_soil(nzb_soil) * 0.5_wp   
1953            lambda_surface = lambda_soil
1954
1955          ELSE IF ( surf_t_surface%var_1d(m) >= surf_t_soil%var_2d(nzb_soil,m))&
1956          THEN
1957             lambda_surface = surf%lambda_surface_s(m) * lambda_soil           &
1958                              / ( surf%lambda_surface_s(m) + lambda_soil )
1959          ELSE
1960
1961             lambda_surface = surf%lambda_surface_u(m) * lambda_soil           &
1962                              / ( surf%lambda_surface_u(m) + lambda_soil )
1963          ENDIF
1964       ELSE
1965          lambda_surface = surf%lambda_surface_s(m)
1966       ENDIF
1967
1968!
1969!--    Set heat capacity of the skin/surface. It is ususally zero when a skin
1970!--    layer is used, and non-zero otherwise.
1971       c_surface_tmp = surf%c_surface(m) 
1972
1973!
1974!--    First step: calculate aerodyamic resistance. As pt, us, ts
1975!--    are not available for the prognostic time step, data from the last
1976!--    time step is used here. Note that this formulation is the
1977!--    equivalent to the ECMWF formulation using drag coefficients
1978!        IF ( bulk_cloud_model )  THEN
1979!           pt1 = pt(k,j,i) + lv_d_cp * d_exner(k) * ql(k,j,i)
1980!           qv1 = q(k,j,i) - ql(k,j,i)
1981!        ELSEIF ( cloud_droplets ) THEN
1982!           pt1 = pt(k,j,i) + lv_d_cp * d_exner(k) * ql(k,j,i)
1983!           qv1 = q(k,j,i)
1984!        ELSE
1985!           pt1 = pt(k,j,i)
1986!           IF ( humidity )  THEN
1987!              qv1 = q(k,j,i)
1988!           ELSE
1989!              qv1 = 0.0_wp
1990!           ENDIF
1991!        ENDIF
1992!
1993!--     Calculation of r_a for vertical surfaces
1994!--
1995!--     heat transfer coefficient for forced convection along vertical walls
1996!--     follows formulation in TUF3d model (Krayenhoff & Voogt, 2006)
1997!--           
1998!--       H = httc (Tsfc - Tair)
1999!--       httc = rw * (11.8 + 4.2 * Ueff) - 4.0
2000!--           
2001!--             rw: wall patch roughness relative to 1.0 for concrete
2002!--             Ueff: effective wind speed
2003!--             - 4.0 is a reduction of Rowley et al (1930) formulation based on
2004!--             Cole and Sturrock (1977)
2005!--           
2006!--             Ucan: Canyon wind speed
2007!--             wstar: convective velocity
2008!--             Qs: surface heat flux
2009!--             zH: height of the convective layer
2010!--             wstar = (g/Tcan*Qs*zH)**(1./3.)
2011               
2012!--    Effective velocity components must always
2013!--    be defined at scalar grid point. The wall normal component is
2014!--    obtained by simple linear interpolation. ( An alternative would
2015!--    be an logarithmic interpolation. )
2016!--    A roughness lenght of 0.001 is assumed for concrete (the inverse,
2017!--    1000 is used in the nominator for scaling)
2018!--    To do: detailed investigation which approach gives more reliable results!
2019!--    Please note, in case of very small friction velocity, e.g. in little
2020!--    holes, the resistance can become negative. For this reason, limit r_a
2021!--    to positive values.
2022       IF ( horizontal  .OR.  .NOT. aero_resist_kray )  THEN
2023          surf%r_a(m) = ABS( ( surf%pt1(m) - surf%pt_surface(m) ) /            &
2024                             ( surf%ts(m) * surf%us(m) + 1.0E-20_wp ) )
2025       ELSE
2026          surf%r_a(m) = rho_cp / ( surf%z0(m) * 1000.0_wp                      &
2027                        * ( 11.8_wp + 4.2_wp *                                 &
2028                        SQRT( MAX( ( ( u(k,j,i) + u(k,j,i+1) ) * 0.5_wp )**2 + &
2029                                   ( ( v(k,j,i) + v(k,j+1,i) ) * 0.5_wp )**2 + &
2030                                   ( ( w(k,j,i) + w(k-1,j,i) ) * 0.5_wp )**2,  &
2031                              0.01_wp ) )                                      &
2032                           )  - 4.0_wp  ) 
2033       ENDIF
2034!
2035!--    Make sure that the resistance does not drop to zero for neutral
2036!--    stratification. Also, set a maximum resistance to avoid the breakdown of
2037!--    MOST for locations with zero wind speed
2038       IF ( surf%r_a(m) <   1.0_wp )  surf%r_a(m) =   1.0_wp
2039       IF ( surf%r_a(m) > 300.0_wp )  surf%r_a(m) = 300.0_wp       
2040!
2041!--    Second step: calculate canopy resistance r_canopy
2042!--    f1-f3 here are defined as 1/f1-f3 as in ECMWF documentation
2043 
2044!--    f1: correction for incoming shortwave radiation (stomata close at
2045!--    night)
2046       f1 = MIN( 1.0_wp, ( 0.004_wp * surf%rad_sw_in(m) + 0.05_wp ) /          &
2047                        (0.81_wp * (0.004_wp * surf%rad_sw_in(m)               &
2048                         + 1.0_wp)) )
2049
2050!
2051!--    f2: correction for soil moisture availability to plants (the
2052!--    integrated soil moisture must thus be considered here)
2053!--    f2 = 0 for very dry soils
2054       m_total = 0.0_wp
2055       DO  ks = nzb_soil, nzt_soil
2056           m_total = m_total + surf%root_fr(ks,m)                              &
2057                     * MAX( surf_m_soil%var_2d(ks,m), surf%m_wilt(ks,m) )
2058       ENDDO 
2059
2060!
2061!--    The calculation of f2 is based on only one wilting point value for all
2062!--    soil layers. The value at k=nzb_soil is used here as a proxy but might
2063!--    need refinement in the future.
2064       IF ( m_total > surf%m_wilt(nzb_soil,m)  .AND.                           &
2065            m_total < surf%m_fc(nzb_soil,m) )  THEN
2066          f2 = ( m_total - surf%m_wilt(nzb_soil,m) ) /                         &
2067               ( surf%m_fc(nzb_soil,m) - surf%m_wilt(nzb_soil,m) )
2068       ELSEIF ( m_total >= surf%m_fc(nzb_soil,m) )  THEN
2069          f2 = 1.0_wp
2070       ELSE
2071          f2 = 1.0E-20_wp
2072       ENDIF
2073
2074!
2075!--    Calculate water vapour pressure at saturation and convert to hPa
2076!--    The magnus formula is limited to temperatures up to 333.15 K to
2077!--    avoid negative values of q_s
2078       e_s = 0.01_wp * magnus( MIN(surf_t_surface%var_1d(m), 333.15_wp) )
2079
2080!
2081!--    f3: correction for vapour pressure deficit
2082       IF ( surf%g_d(m) /= 0.0_wp )  THEN
2083!
2084!--       Calculate vapour pressure
2085          e  = surf%qv1(m) * surface_pressure / ( surf%qv1(m) + rd_d_rv )
2086          f3 = EXP ( - surf%g_d(m) * (e_s - e) )
2087       ELSE
2088          f3 = 1.0_wp
2089       ENDIF
2090!
2091!--    Calculate canopy resistance. In case that c_veg is 0 (bare soils),
2092!--    this calculation is obsolete, as r_canopy is not used below.
2093!--    To do: check for very dry soil -> r_canopy goes to infinity
2094       surf%r_canopy(m) = surf%r_canopy_min(m) /                               &
2095                              ( surf%lai(m) * f1 * f2 * f3 + 1.0E-20_wp )
2096!
2097!--    Third step: calculate bare soil resistance r_soil.
2098       m_min = surf%c_veg(m) * surf%m_wilt(nzb_soil,m) +                       &
2099                         ( 1.0_wp - surf%c_veg(m) ) * surf%m_res(nzb_soil,m)
2100
2101
2102       f2 = ( surf_m_soil%var_2d(nzb_soil,m) - m_min ) /                       &
2103            ( surf%m_fc(nzb_soil,m) - m_min )
2104       f2 = MAX( f2, 1.0E-20_wp )
2105       f2 = MIN( f2, 1.0_wp     )
2106
2107       surf%r_soil(m) = surf%r_soil_min(m) / f2
2108       
2109!
2110!--    Calculate the maximum possible liquid water amount on plants and
2111!--    bare surface. For vegetated surfaces, a maximum depth of 0.2 mm is
2112!--    assumed, while paved surfaces might hold up 1 mm of water. The
2113!--    liquid water fraction for paved surfaces is calculated after
2114!--    Noilhan & Planton (1989), while the ECMWF formulation is used for
2115!--    vegetated surfaces and bare soils.
2116       IF ( surf%pavement_surface(m) )  THEN
2117          m_liq_max = m_max_depth * 5.0_wp
2118          surf%c_liq(m) = MIN( 1.0_wp, ( surf_m_liq%var_1d(m) / m_liq_max)**0.67 )
2119       ELSE
2120          m_liq_max = m_max_depth * ( surf%c_veg(m) * surf%lai(m)              &
2121                      + ( 1.0_wp - surf%c_veg(m) ) )
2122          surf%c_liq(m) = MIN( 1.0_wp, surf_m_liq%var_1d(m) / m_liq_max )
2123       ENDIF
2124!
2125!--    Calculate saturation water vapor mixing ratio
2126       q_s = rd_d_rv * e_s / ( surface_pressure - e_s )
2127!
2128!--    In case of dewfall, set evapotranspiration to zero
2129!--    All super-saturated water is then removed from the air
2130       IF ( humidity  .AND.  q_s <= surf%qv1(m) )  THEN
2131          surf%r_canopy(m) = 0.0_wp
2132          surf%r_soil(m)   = 0.0_wp
2133       ENDIF
2134
2135!
2136!--    Calculate coefficients for the total evapotranspiration
2137!--    In case of water surface, set vegetation and soil fluxes to zero.
2138!--    For pavements, only evaporation of liquid water is possible.
2139       IF ( surf%water_surface(m) )  THEN
2140          f_qsws_veg  = 0.0_wp
2141          f_qsws_soil = 0.0_wp
2142          f_qsws_liq  = rho_lv / surf%r_a(m)
2143       ELSEIF ( surf%pavement_surface(m) )  THEN
2144          f_qsws_veg  = 0.0_wp
2145          f_qsws_soil = 0.0_wp
2146          f_qsws_liq  = rho_lv * surf%c_liq(m) / surf%r_a(m)
2147       ELSE
2148          f_qsws_veg  = rho_lv * surf%c_veg(m) *                               &
2149                            ( 1.0_wp        - surf%c_liq(m)    ) /             &
2150                            ( surf%r_a(m) + surf%r_canopy(m) )
2151          f_qsws_soil = rho_lv * (1.0_wp    - surf%c_veg(m)    ) /             &
2152                            ( surf%r_a(m) + surf%r_soil(m)   )
2153          f_qsws_liq  = rho_lv * surf%c_veg(m) * surf%c_liq(m)   /             &
2154                              surf%r_a(m)
2155       ENDIF
2156
2157       f_shf  = rho_cp / surf%r_a(m)
2158       f_qsws = f_qsws_veg + f_qsws_soil + f_qsws_liq
2159!
2160!--    Calculate derivative of q_s for Taylor series expansion
2161       e_s_dt = e_s * ( 17.62_wp / ( surf_t_surface%var_1d(m) - 29.65_wp) -   &
2162                        17.62_wp*( surf_t_surface%var_1d(m) - 273.15_wp)      &
2163                       / ( surf_t_surface%var_1d(m) - 29.65_wp)**2 )
2164
2165       dq_s_dt = rd_d_rv * e_s_dt / ( surface_pressure - e_s_dt )
2166!
2167!--    Calculate net radiation radiation without longwave outgoing flux because
2168!--    it has a dependency on surface temperature and thus enters the prognostic
2169!--    equations directly
2170       surf%rad_net_l(m) = surf%rad_sw_in(m) - surf%rad_sw_out(m)              &
2171                           + surf%rad_lw_in(m)
2172!
2173!--    Calculate new skin temperature
2174       IF ( humidity )  THEN
2175!
2176!--       Numerator of the prognostic equation
2177          coef_1 = surf%rad_net_l(m) + surf%rad_lw_out_change_0(m)             &
2178                   * surf_t_surface%var_1d(m) - surf%rad_lw_out(m)             &
2179                   + f_shf * surf%pt1(m) + f_qsws * ( surf%qv1(m) - q_s        &
2180                   + dq_s_dt * surf_t_surface%var_1d(m) ) + lambda_surface     &
2181                   * surf_t_soil%var_2d(nzb_soil,m)
2182
2183!
2184!--       Denominator of the prognostic equation
2185          coef_2 = surf%rad_lw_out_change_0(m) + f_qsws * dq_s_dt              &
2186                   + lambda_surface + f_shf / exner(nzb)
2187       ELSE
2188!
2189!--       Numerator of the prognostic equation
2190          coef_1 = surf%rad_net_l(m) + surf%rad_lw_out_change_0(m)             &
2191                   * surf_t_surface%var_1d(m) - surf%rad_lw_out(m)             &
2192                   + f_shf * surf%pt1(m)  + lambda_surface                     &
2193                   * surf_t_soil%var_2d(nzb_soil,m)
2194!
2195!--       Denominator of the prognostic equation
2196          coef_2 = surf%rad_lw_out_change_0(m) + lambda_surface + f_shf / exner(nzb)
2197
2198       ENDIF
2199
2200       tend = 0.0_wp
2201
2202!
2203!--    Implicit solution when the surface layer has no heat capacity,
2204!--    otherwise use RK3 scheme.
2205       surf_t_surface_p%var_1d(m) = ( coef_1 * dt_3d * tsc(2) + c_surface_tmp *&
2206                          surf_t_surface%var_1d(m) ) / ( c_surface_tmp + coef_2&
2207                                             * dt_3d * tsc(2) ) 
2208
2209!
2210!--    Add RK3 term
2211       IF ( c_surface_tmp /= 0.0_wp )  THEN
2212
2213          surf_t_surface_p%var_1d(m) = surf_t_surface_p%var_1d(m) + dt_3d *    &
2214                                       tsc(3) * surf_tt_surface_m%var_1d(m)
2215
2216!
2217!--       Calculate true tendency
2218          tend = ( surf_t_surface_p%var_1d(m) - surf_t_surface%var_1d(m) -     &
2219                   dt_3d * tsc(3) * surf_tt_surface_m%var_1d(m)) / (dt_3d  * tsc(2))
2220!
2221!--       Calculate t_surface tendencies for the next Runge-Kutta step
2222          IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
2223             IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  THEN
2224                surf_tt_surface_m%var_1d(m) = tend
2225             ELSEIF ( intermediate_timestep_count <                            &
2226                      intermediate_timestep_count_max )  THEN
2227                surf_tt_surface_m%var_1d(m) = -9.5625_wp * tend +              &
2228                                               5.3125_wp * surf_tt_surface_m%var_1d(m)
2229             ENDIF
2230          ENDIF
2231       ENDIF
2232
2233!
2234!--    In case of fast changes in the skin temperature, it is possible to
2235!--    update the radiative fluxes independently from the prescribed
2236!--    radiation call frequency. This effectively prevents oscillations,
2237!--    especially when setting skip_time_do_radiation /= 0. The threshold
2238!--    value of 0.2 used here is just a first guess. This method should be
2239!--    revised in the future as tests have shown that the threshold is
2240!--    often reached, when no oscillations would occur (causes immense
2241!--    computing time for the radiation code).
2242       IF ( ABS( surf_t_surface_p%var_1d(m) - surf_t_surface%var_1d(m) )       &
2243            > 0.2_wp  .AND. &
2244            unscheduled_radiation_calls )  THEN
2245          force_radiation_call_l = .TRUE.
2246       ENDIF
2247
2248
2249!        pt(k+k_off,j+j_off,i+i_off) = surf_t_surface_p%var_1d(m) / exner(nzb)  !is actually no air temperature
2250       surf%pt_surface(m)          = surf_t_surface_p%var_1d(m) / exner(nzb)
2251
2252!
2253!--    Calculate fluxes
2254       surf%rad_net_l(m) = surf%rad_net_l(m) +                                 &
2255                            surf%rad_lw_out_change_0(m)                        &
2256                          * surf_t_surface%var_1d(m) - surf%rad_lw_out(m)      &
2257                          - surf%rad_lw_out_change_0(m) * surf_t_surface_p%var_1d(m)
2258
2259       surf%rad_net(m) = surf%rad_net_l(m)
2260       surf%rad_lw_out(m) = surf%rad_lw_out(m) + surf%rad_lw_out_change_0(m) * &
2261                     ( surf_t_surface_p%var_1d(m) - surf_t_surface%var_1d(m) )
2262
2263       surf%ghf(m) = lambda_surface * ( surf_t_surface_p%var_1d(m)             &
2264                                             - surf_t_soil%var_2d(nzb_soil,m) )
2265
2266       surf%shf(m) = - f_shf * ( surf%pt1(m) - surf%pt_surface(m) ) / c_p
2267
2268!
2269! update the 3d field of rad_lw_out array to have consistent output
2270       IF ( horizontal ) THEN
2271          IF ( radiation_scheme == 'rrtmg' ) THEN
2272             rad_lw_out(k+k_off,j+j_off,i+i_off) = surf%rad_lw_out(m)
2273          ELSE
2274             rad_lw_out(0,j+j_off,i+i_off) = surf%rad_lw_out(m)
2275          ENDIF
2276       ENDIF
2277
2278       IF ( humidity )  THEN
2279          surf%qsws(m)  = - f_qsws * ( surf%qv1(m) - q_s + dq_s_dt             &
2280                          * surf_t_surface%var_1d(m) - dq_s_dt *               &
2281                            surf_t_surface_p%var_1d(m) )
2282
2283          surf%qsws_veg(m)  = - f_qsws_veg  * ( surf%qv1(m) - q_s              &
2284                              + dq_s_dt * surf_t_surface%var_1d(m) - dq_s_dt   &
2285                              * surf_t_surface_p%var_1d(m) )
2286
2287          surf%qsws_soil(m) = - f_qsws_soil * ( surf%qv1(m) - q_s              &
2288                              + dq_s_dt * surf_t_surface%var_1d(m) - dq_s_dt   &
2289                              * surf_t_surface_p%var_1d(m) )
2290
2291          surf%qsws_liq(m)  = - f_qsws_liq  * ( surf%qv1(m) - q_s              &
2292                              + dq_s_dt * surf_t_surface%var_1d(m) - dq_s_dt   &
2293                              * surf_t_surface_p%var_1d(m) )
2294       ENDIF
2295
2296!
2297!--    Calculate the true surface resistance. ABS is used here to avoid negative
2298!--    values that can occur for very small fluxes due to the artifical addition
2299!--    of 1.0E-20.
2300       IF ( .NOT.  humidity )  THEN
2301          surf%r_s(m) = 1.0E10_wp
2302       ELSE
2303          surf%r_s(m) = ABS(rho_lv / (f_qsws + 1.0E-20_wp) - surf%r_a(m))
2304       ENDIF
2305!
2306!--    Calculate change in liquid water reservoir due to dew fall or
2307!--    evaporation of liquid water
2308       IF ( humidity )  THEN
2309!
2310!--       If precipitation is activated, add rain water to qsws_liq
2311!--       and qsws_soil according the the vegetation coverage.
2312!--       precipitation_rate is given in mm.
2313          IF ( precipitation )  THEN
2314
2315!
2316!--          Add precipitation to liquid water reservoir, if possible.
2317!--          Otherwise, add the water to soil. In case of
2318!--          pavements, the exceeding water amount is explicitly removed
2319!--          (as fictive runoff by drainage systems)
2320             IF ( surf%pavement_surface(m) )  THEN
2321                IF ( surf_m_liq%var_1d(m) < m_liq_max )  THEN
2322                   surf%qsws_liq(m) = surf%qsws_liq(m)                         &
2323                                 + prr(k+k_off,j+j_off,i+i_off)                &
2324                                 * hyrho(k+k_off)                              &
2325                                 * 0.001_wp * rho_l * l_v
2326                ENDIF         
2327             ELSE
2328                IF ( surf_m_liq%var_1d(m) < m_liq_max )  THEN
2329                   surf%qsws_liq(m) = surf%qsws_liq(m)                         &
2330                                 + surf%c_veg(m) * prr(k+k_off,j+j_off,i+i_off)&
2331                                 * hyrho(k+k_off)                              &
2332                                 * 0.001_wp * rho_l * l_v
2333                   surf%qsws_soil(m) = surf%qsws_soil(m) + ( 1.0_wp -          &
2334                                 surf%c_veg(m) ) * prr(k+k_off,j+j_off,i+i_off)&
2335                                 * hyrho(k+k_off)                              &
2336                                 * 0.001_wp * rho_l * l_v                                 
2337                ELSE
2338
2339!--                Add precipitation to bare soil according to the bare soil
2340!--                coverage.
2341                   surf%qsws_soil(m) = surf%qsws_soil(m)                       &
2342                                 + surf%c_veg(m) * prr(k+k_off,j+j_off,i+i_off)&
2343                                 * hyrho(k+k_off)                              &
2344                                 * 0.001_wp * rho_l * l_v
2345
2346                ENDIF
2347             ENDIF
2348
2349          ENDIF
2350
2351!
2352!--       If the air is saturated, check the reservoir water level
2353          IF ( surf%qsws(m) < 0.0_wp )  THEN
2354!
2355!--          Check if reservoir is full (avoid values > m_liq_max)
2356!--          In that case, qsws_liq goes to qsws_soil for pervious surfaces. In
2357!--          this case qsws_veg is zero anyway (because c_liq = 1),       
2358!--          so that tend is zero and no further check is needed
2359             IF ( surf_m_liq%var_1d(m) == m_liq_max )  THEN
2360                IF ( .NOT. surf%pavement_surface(m))  THEN
2361                   surf%qsws_soil(m) = surf%qsws_soil(m) + surf%qsws_liq(m)
2362                ENDIF
2363                surf%qsws_liq(m)  = 0.0_wp
2364             ENDIF
2365
2366!
2367!--          In case qsws_veg becomes negative (unphysical behavior),
2368!--          let the water enter the liquid water reservoir as dew on the
2369!--          plant
2370             IF ( surf%qsws_veg(m) < 0.0_wp )  THEN
2371                surf%qsws_liq(m) = surf%qsws_liq(m) + surf%qsws_veg(m)
2372                surf%qsws_veg(m) = 0.0_wp
2373             ENDIF
2374          ENDIF                   
2375 
2376          surf%qsws(m) = surf%qsws(m) / l_v
2377 
2378          tend = - surf%qsws_liq(m) * drho_l_lv
2379          surf_m_liq_p%var_1d(m) = surf_m_liq%var_1d(m) + dt_3d *              &
2380                                        ( tsc(2) * tend +                      &
2381                                          tsc(3) * surf_tm_liq_m%var_1d(m) )
2382!
2383!--       Check if reservoir is overfull -> reduce to maximum
2384!--       (conservation of water is violated here)
2385          surf_m_liq_p%var_1d(m) = MIN( surf_m_liq_p%var_1d(m),m_liq_max )
2386
2387!
2388!--       Check if reservoir is empty (avoid values < 0.0)
2389!--       (conservation of water is violated here)
2390          surf_m_liq_p%var_1d(m) = MAX( surf_m_liq_p%var_1d(m), 0.0_wp )
2391!
2392!--       Calculate m_liq tendencies for the next Runge-Kutta step
2393          IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
2394             IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  THEN
2395                surf_tm_liq_m%var_1d(m) = tend
2396             ELSEIF ( intermediate_timestep_count <                            &
2397                      intermediate_timestep_count_max )  THEN
2398                surf_tm_liq_m%var_1d(m) = -9.5625_wp * tend +                  &
2399                                           5.3125_wp * surf_tm_liq_m%var_1d(m)
2400             ENDIF
2401          ENDIF
2402
2403       ENDIF
2404
2405    ENDDO
2406    !$OMP END PARALLEL
2407
2408!
2409!-- Make a logical OR for all processes. Force radiation call if at
2410!-- least one processor reached the threshold change in skin temperature
2411    IF ( unscheduled_radiation_calls  .AND.  intermediate_timestep_count       &
2412         == intermediate_timestep_count_max-1 )  THEN
2413#if defined( __parallel )
2414       IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
2415       CALL MPI_ALLREDUCE( force_radiation_call_l, force_radiation_call,       &
2416                           1, MPI_LOGICAL, MPI_LOR, comm2d, ierr )
2417#else
2418       force_radiation_call = force_radiation_call_l
2419#endif
2420       force_radiation_call_l = .FALSE.
2421    ENDIF
2422
2423!
2424!-- Calculate surface water vapor mixing ratio
2425    IF ( humidity )  THEN
2426       CALL calc_q_surface
2427    ENDIF
2428
2429!
2430!-- Calculate new roughness lengths (for water surfaces only)
2431    IF ( horizontal  .AND.  .NOT. constant_roughness )  CALL calc_z0_water_surface
2432   
2433   
2434    CONTAINS
2435!------------------------------------------------------------------------------!
2436! Description:
2437! ------------
2438!> Calculation of mixing ratio of the skin layer (surface). It is assumend
2439!> that the skin is always saturated.
2440!------------------------------------------------------------------------------!
2441    SUBROUTINE calc_q_surface
2442
2443       IMPLICIT NONE
2444
2445       REAL(wp) ::  e_s           !< saturation water vapor pressure
2446       REAL(wp) ::  q_s           !< saturation mixing ratio
2447       REAL(wp) ::  resistance    !< aerodynamic and soil resistance term
2448
2449
2450       !$OMP PARALLEL PRIVATE (m, i, j, k, e_s, q_s, resistance)
2451       !$OMP DO SCHEDULE (STATIC)
2452       DO  m = 1, surf%ns
2453
2454          i   = surf%i(m)           
2455          j   = surf%j(m)
2456          k   = surf%k(m)
2457!
2458!--       Calculate water vapour pressure at saturation and convert to hPa
2459          e_s = 0.01_wp * magnus( MIN(surf_t_surface_p%var_1d(m), 333.15_wp) )                   
2460
2461!
2462!--       Calculate mixing ratio at saturation
2463          q_s = rd_d_rv * e_s / ( surface_pressure - e_s )
2464
2465          resistance = surf%r_a(m) / ( surf%r_a(m) + surf%r_s(m) + 1E-5_wp )
2466
2467!
2468!--       Calculate mixing ratio at surface
2469          IF ( bulk_cloud_model )  THEN
2470             q(k+k_off,j+j_off,i+i_off) = resistance * q_s +                   &
2471                                        ( 1.0_wp - resistance ) *              &
2472                                        ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) )
2473          ELSE
2474             q(k+k_off,j+j_off,i+i_off) = resistance * q_s +                   &
2475                                        ( 1.0_wp - resistance ) *              &
2476                                          q(k,j,i)
2477          ENDIF
2478         
2479          surf%q_surface(m) = q(k+k_off,j+j_off,i+i_off)
2480!
2481!--       Update virtual potential temperature
2482          surf%vpt_surface(m) = surf%pt_surface(m) *                           &
2483                                  ( 1.0_wp + 0.61_wp * surf%q_surface(m) )
2484
2485       
2486                     
2487       ENDDO
2488       !$OMP END PARALLEL
2489 
2490    END SUBROUTINE calc_q_surface
2491       
2492 END SUBROUTINE lsm_energy_balance
2493   
2494   
2495
2496!------------------------------------------------------------------------------!
2497! Description:
2498! ------------
2499!> Header output for land surface model
2500!------------------------------------------------------------------------------!
2501    SUBROUTINE lsm_header ( io )
2502
2503
2504       IMPLICIT NONE
2505
2506       CHARACTER (LEN=86) ::  t_soil_chr          !< String for soil temperature profile
2507       CHARACTER (LEN=86) ::  roots_chr           !< String for root profile
2508       CHARACTER (LEN=86) ::  vertical_index_chr  !< String for the vertical index
2509       CHARACTER (LEN=86) ::  m_soil_chr          !< String for soil moisture
2510       CHARACTER (LEN=86) ::  soil_depth_chr      !< String for soil depth
2511       CHARACTER (LEN=10) ::  coor_chr            !< Temporary string
2512   
2513       INTEGER(iwp) ::  i                         !< Loop index over soil layers
2514 
2515       INTEGER(iwp), INTENT(IN) ::  io            !< Unit of the output file
2516 
2517       t_soil_chr = ''
2518       m_soil_chr    = ''
2519       soil_depth_chr  = '' 
2520       roots_chr        = '' 
2521       vertical_index_chr   = ''
2522
2523       i = 1
2524       DO i = nzb_soil, nzt_soil
2525          WRITE (coor_chr,'(F10.2,7X)') soil_temperature(i)
2526          t_soil_chr = TRIM( t_soil_chr ) // ' ' // TRIM( coor_chr )
2527
2528          WRITE (coor_chr,'(F10.2,7X)') soil_moisture(i)
2529          m_soil_chr = TRIM( m_soil_chr ) // ' ' // TRIM( coor_chr )
2530
2531          WRITE (coor_chr,'(F10.2,7X)')  - zs(i)
2532          soil_depth_chr = TRIM( soil_depth_chr ) // ' '  // TRIM( coor_chr )
2533
2534          WRITE (coor_chr,'(F10.2,7X)')  root_fraction(i)
2535          roots_chr = TRIM( roots_chr ) // ' '  // TRIM( coor_chr )
2536
2537          WRITE (coor_chr,'(I10,7X)')  i
2538          vertical_index_chr = TRIM( vertical_index_chr ) // ' '  //           &
2539                               TRIM( coor_chr )
2540       ENDDO
2541
2542!
2543!--    Write land surface model header
2544       WRITE( io,  1 )
2545       IF ( conserve_water_content )  THEN
2546          WRITE( io, 2 )
2547       ELSE
2548          WRITE( io, 3 )
2549       ENDIF
2550
2551       IF ( vegetation_type_f%from_file )  THEN
2552          WRITE( io, 5 )
2553       ELSE
2554          WRITE( io, 4 ) TRIM( vegetation_type_name(vegetation_type) ),        &
2555                         TRIM (soil_type_name(soil_type) )
2556       ENDIF
2557       WRITE( io, 6 ) TRIM( soil_depth_chr ), TRIM( t_soil_chr ),              &
2558                        TRIM( m_soil_chr ), TRIM( roots_chr ),                 &
2559                        TRIM( vertical_index_chr )
2560
25611   FORMAT (//' Land surface model information:'/                              &
2562              ' ------------------------------'/)
25632   FORMAT ('    --> Soil bottom is closed (water content is conserved',       &
2564            ', default)')
25653   FORMAT ('    --> Soil bottom is open (water content is not conserved)')         
25664   FORMAT ('    --> Land surface type  : ',A,/                                &
2567            '    --> Soil porosity type : ',A)
25685   FORMAT ('    --> Land surface type  : read from file' /                    &
2569            '    --> Soil porosity type : read from file' )
25706   FORMAT (/'    Initial soil temperature and moisture profile:'//            &
2571            '       Height:        ',A,'  m'/                                  &
2572            '       Temperature:   ',A,'  K'/                                  &
2573            '       Moisture:      ',A,'  m**3/m**3'/                          &
2574            '       Root fraction: ',A,'  '/                                   &
2575            '       Grid point:    ',A)
2576
2577
2578    END SUBROUTINE lsm_header
2579
2580
2581!------------------------------------------------------------------------------!
2582! Description:
2583! ------------
2584!> Initialization of the land surface model
2585!------------------------------------------------------------------------------!
2586    SUBROUTINE lsm_init
2587
2588       USE control_parameters,                                                 &
2589           ONLY:  message_string
2590
2591       USE indices,                                                            &
2592           ONLY:  nx, ny, topo_min_level
2593
2594       USE pmc_interface,                                                      &
2595           ONLY:  nested_run
2596   
2597       IMPLICIT NONE
2598
2599       LOGICAL      ::  init_soil_from_parent   !< flag controlling initialization of soil in child domains
2600
2601       INTEGER(iwp) ::  i                       !< running index
2602       INTEGER(iwp) ::  j                       !< running index
2603       INTEGER(iwp) ::  k                       !< running index
2604       INTEGER(iwp) ::  kn                      !< running index
2605       INTEGER(iwp) ::  ko                      !< running index
2606       INTEGER(iwp) ::  kroot                   !< running index
2607       INTEGER(iwp) ::  kzs                     !< running index
2608       INTEGER(iwp) ::  l                       !< running index surface facing
2609       INTEGER(iwp) ::  m                       !< running index
2610       INTEGER(iwp) ::  st                      !< soil-type index
2611       INTEGER(iwp) ::  n_soil_layers_total     !< temperature variable, stores the total number of soil layers + 4
2612
2613       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  bound, bound_root_fr  !< temporary arrays for storing index bounds
2614       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  pr_soil_init !< temporary array used for averaging soil profiles
2615
2616       CALL location_message( 'initializing land surface model', .FALSE. )
2617!
2618!--    If no cloud physics is used, rho_surface has not been calculated before
2619       IF (  .NOT.  bulk_cloud_model  .AND.  .NOT.  cloud_droplets )  THEN
2620          CALL calc_mean_profile( pt, 4 )
2621          rho_surface = hyp(nzb) / ( r_d * hom(topo_min_level+1,1,4,0) * exner(nzb) )
2622       ENDIF
2623
2624!
2625!--    Calculate frequently used parameters
2626       rho_cp    = c_p * rho_surface
2627       rho_lv    = rho_surface * l_v
2628       drho_l_lv = 1.0_wp / (rho_l * l_v)
2629
2630!
2631!--    Set initial values for prognostic quantities
2632!--    Horizontal surfaces
2633       tt_surface_h_m%var_1d = 0.0_wp
2634       tt_soil_h_m%var_2d    = 0.0_wp
2635       tm_soil_h_m%var_2d    = 0.0_wp
2636       tm_liq_h_m%var_1d     = 0.0_wp
2637       surf_lsm_h%c_liq      = 0.0_wp
2638
2639       surf_lsm_h%ghf = 0.0_wp
2640
2641       surf_lsm_h%qsws_liq  = 0.0_wp
2642       surf_lsm_h%qsws_soil = 0.0_wp
2643       surf_lsm_h%qsws_veg  = 0.0_wp
2644
2645       surf_lsm_h%r_a        = 50.0_wp
2646       surf_lsm_h%r_s        = 50.0_wp
2647       surf_lsm_h%r_canopy   = 0.0_wp
2648       surf_lsm_h%r_soil     = 0.0_wp
2649!
2650!--    Do the same for vertical surfaces
2651       DO  l = 0, 3
2652          tt_surface_v_m(l)%var_1d = 0.0_wp
2653          tt_soil_v_m(l)%var_2d    = 0.0_wp
2654          tm_soil_v_m(l)%var_2d    = 0.0_wp
2655          tm_liq_v_m(l)%var_1d     = 0.0_wp
2656          surf_lsm_v(l)%c_liq      = 0.0_wp
2657
2658          surf_lsm_v(l)%ghf = 0.0_wp
2659
2660          surf_lsm_v(l)%qsws_liq  = 0.0_wp
2661          surf_lsm_v(l)%qsws_soil = 0.0_wp
2662          surf_lsm_v(l)%qsws_veg  = 0.0_wp
2663
2664          surf_lsm_v(l)%r_a        = 50.0_wp
2665          surf_lsm_v(l)%r_s        = 50.0_wp
2666          surf_lsm_v(l)%r_canopy   = 0.0_wp
2667          surf_lsm_v(l)%r_soil     = 0.0_wp
2668       ENDDO
2669
2670!
2671!--    Set initial values for prognostic soil quantities
2672       IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' )  THEN
2673          t_soil_h%var_2d = 0.0_wp
2674          m_soil_h%var_2d = 0.0_wp
2675          m_liq_h%var_1d  = 0.0_wp
2676
2677          DO  l = 0, 3
2678             t_soil_v(l)%var_2d = 0.0_wp
2679             m_soil_v(l)%var_2d = 0.0_wp
2680             m_liq_v(l)%var_1d  = 0.0_wp
2681          ENDDO
2682       ENDIF
2683!
2684!--    Allocate 3D soil model arrays
2685!--    First, for horizontal surfaces
2686       ALLOCATE ( surf_lsm_h%alpha_vg(nzb_soil:nzt_soil,1:surf_lsm_h%ns)    )
2687       ALLOCATE ( surf_lsm_h%gamma_w_sat(nzb_soil:nzt_soil,1:surf_lsm_h%ns) )
2688       ALLOCATE ( surf_lsm_h%lambda_h(nzb_soil:nzt_soil,1:surf_lsm_h%ns)    )
2689       ALLOCATE ( surf_lsm_h%lambda_h_def(nzb_soil:nzt_soil,1:surf_lsm_h%ns))
2690       ALLOCATE ( surf_lsm_h%l_vg(nzb_soil:nzt_soil,1:surf_lsm_h%ns)        )
2691       ALLOCATE ( surf_lsm_h%m_fc(nzb_soil:nzt_soil,1:surf_lsm_h%ns)        )
2692       ALLOCATE ( surf_lsm_h%m_res(nzb_soil:nzt_soil,1:surf_lsm_h%ns)       )
2693       ALLOCATE ( surf_lsm_h%m_sat(nzb_soil:nzt_soil,1:surf_lsm_h%ns)       )
2694       ALLOCATE ( surf_lsm_h%m_wilt(nzb_soil:nzt_soil,1:surf_lsm_h%ns)      )
2695       ALLOCATE ( surf_lsm_h%n_vg(nzb_soil:nzt_soil,1:surf_lsm_h%ns)        )
2696       ALLOCATE ( surf_lsm_h%rho_c_total(nzb_soil:nzt_soil,1:surf_lsm_h%ns) )
2697       ALLOCATE ( surf_lsm_h%rho_c_total_def(nzb_soil:nzt_soil,1:surf_lsm_h%ns) )
2698       ALLOCATE ( surf_lsm_h%root_fr(nzb_soil:nzt_soil,1:surf_lsm_h%ns)     )
2699   
2700       surf_lsm_h%lambda_h     = 0.0_wp
2701!
2702!--    If required, allocate humidity-related variables for the soil model
2703       IF ( humidity )  THEN
2704          ALLOCATE ( surf_lsm_h%lambda_w(nzb_soil:nzt_soil,1:surf_lsm_h%ns) )
2705          ALLOCATE ( surf_lsm_h%gamma_w(nzb_soil:nzt_soil,1:surf_lsm_h%ns)  ) 
2706
2707          surf_lsm_h%lambda_w = 0.0_wp 
2708       ENDIF
2709!
2710!--    For vertical surfaces
2711       DO  l = 0, 3
2712          ALLOCATE ( surf_lsm_v(l)%alpha_vg(nzb_soil:nzt_soil,1:surf_lsm_v(l)%ns)    )
2713          ALLOCATE ( surf_lsm_v(l)%gamma_w_sat(nzb_soil:nzt_soil,1:surf_lsm_v(l)%ns) )
2714          ALLOCATE ( surf_lsm_v(l)%lambda_h(nzb_soil:nzt_soil,1:surf_lsm_v(l)%ns)    )
2715          ALLOCATE ( surf_lsm_v(l)%lambda_h_def(nzb_soil:nzt_soil,1:surf_lsm_v(l)%ns))
2716          ALLOCATE ( surf_lsm_v(l)%l_vg(nzb_soil:nzt_soil,1:surf_lsm_v(l)%ns)        )
2717          ALLOCATE ( surf_lsm_v(l)%m_fc(nzb_soil:nzt_soil,1:surf_lsm_v(l)%ns)        )
2718          ALLOCATE ( surf_lsm_v(l)%m_res(nzb_soil:nzt_soil,1:surf_lsm_v(l)%ns)       )
2719          ALLOCATE ( surf_lsm_v(l)%m_sat(nzb_soil:nzt_soil,1:surf_lsm_v(l)%ns)       )
2720          ALLOCATE ( surf_lsm_v(l)%m_wilt(nzb_soil:nzt_soil,1:surf_lsm_v(l)%ns)      )
2721          ALLOCATE ( surf_lsm_v(l)%n_vg(nzb_soil:nzt_soil,1:surf_lsm_v(l)%ns)        )
2722          ALLOCATE ( surf_lsm_v(l)%rho_c_total(nzb_soil:nzt_soil,1:surf_lsm_v(l)%ns) ) 
2723          ALLOCATE ( surf_lsm_v(l)%rho_c_total_def(nzb_soil:nzt_soil,1:surf_lsm_v(l)%ns) ) 
2724          ALLOCATE ( surf_lsm_v(l)%root_fr(nzb_soil:nzt_soil,1:surf_lsm_v(l)%ns)     )
2725
2726          surf_lsm_v(l)%lambda_h     = 0.0_wp 
2727         
2728!
2729!--       If required, allocate humidity-related variables for the soil model
2730          IF ( humidity )  THEN
2731             ALLOCATE ( surf_lsm_v(l)%lambda_w(nzb_soil:nzt_soil,1:surf_lsm_v(l)%ns) )
2732             ALLOCATE ( surf_lsm_v(l)%gamma_w(nzb_soil:nzt_soil,1:surf_lsm_v(l)%ns)  ) 
2733
2734             surf_lsm_v(l)%lambda_w = 0.0_wp 
2735          ENDIF     
2736       ENDDO
2737!
2738!--    Allocate albedo type and emissivity for vegetation, water and pavement
2739!--    fraction.
2740!--    Set default values at each surface element.
2741       ALLOCATE ( surf_lsm_h%albedo_type(0:2,1:surf_lsm_h%ns) )
2742       ALLOCATE ( surf_lsm_h%emissivity(0:2,1:surf_lsm_h%ns) )
2743       surf_lsm_h%albedo_type = 0     
2744       surf_lsm_h%emissivity  = emissivity
2745       DO  l = 0, 3
2746          ALLOCATE ( surf_lsm_v(l)%albedo_type(0:2,1:surf_lsm_v(l)%ns) )
2747          ALLOCATE ( surf_lsm_v(l)%emissivity(0:2,1:surf_lsm_v(l)%ns)  )
2748          surf_lsm_v(l)%albedo_type = 0
2749          surf_lsm_v(l)%emissivity  = emissivity
2750       ENDDO
2751!
2752!--    Allocate arrays for relative surface fraction.
2753!--    0 - vegetation fraction, 2 - water fraction, 1 - pavement fraction
2754       ALLOCATE( surf_lsm_h%frac(0:2,1:surf_lsm_h%ns) )
2755       surf_lsm_h%frac = 0.0_wp
2756       DO  l = 0, 3
2757          ALLOCATE( surf_lsm_v(l)%frac(0:2,1:surf_lsm_v(l)%ns) )
2758          surf_lsm_v(l)%frac = 0.0_wp
2759       ENDDO
2760!
2761!--    For vertical walls only - allocate special flag indicating if any building is on
2762!--    top of any natural surfaces. Used for initialization only.
2763       DO  l = 0, 3
2764          ALLOCATE( surf_lsm_v(l)%building_covered(1:surf_lsm_v(l)%ns) )
2765       ENDDO
2766!
2767!--    Allocate arrays for the respective types and their names on the surface
2768!--    elements. This will be required to treat deposition of chemical species.
2769       ALLOCATE( surf_lsm_h%pavement_type(1:surf_lsm_h%ns)   )
2770       ALLOCATE( surf_lsm_h%vegetation_type(1:surf_lsm_h%ns) )
2771       ALLOCATE( surf_lsm_h%water_type(1:surf_lsm_h%ns)      )
2772       
2773       surf_lsm_h%pavement_type   = 0
2774       surf_lsm_h%vegetation_type = 0
2775       surf_lsm_h%water_type      = 0
2776       
2777       ALLOCATE( surf_lsm_h%pavement_type_name(1:surf_lsm_h%ns)   )
2778       ALLOCATE( surf_lsm_h%vegetation_type_name(1:surf_lsm_h%ns) )
2779       ALLOCATE( surf_lsm_h%water_type_name(1:surf_lsm_h%ns)      )
2780       
2781       surf_lsm_h%pavement_type_name   = 'none'
2782       surf_lsm_h%vegetation_type_name = 'none'
2783       surf_lsm_h%water_type_name      = 'none'
2784       
2785       DO  l = 0, 3
2786          ALLOCATE( surf_lsm_v(l)%pavement_type(1:surf_lsm_v(l)%ns)   )
2787          ALLOCATE( surf_lsm_v(l)%vegetation_type(1:surf_lsm_v(l)%ns) )
2788          ALLOCATE( surf_lsm_v(l)%water_type(1:surf_lsm_v(l)%ns)      )
2789         
2790          surf_lsm_v(l)%pavement_type   = 0
2791          surf_lsm_v(l)%vegetation_type = 0
2792          surf_lsm_v(l)%water_type      = 0
2793       
2794          ALLOCATE( surf_lsm_v(l)%pavement_type_name(1:surf_lsm_v(l)%ns)   )
2795          ALLOCATE( surf_lsm_v(l)%vegetation_type_name(1:surf_lsm_v(l)%ns) )
2796          ALLOCATE( surf_lsm_v(l)%water_type_name(1:surf_lsm_v(l)%ns)      )
2797       
2798          surf_lsm_v(l)%pavement_type_name   = 'none'
2799          surf_lsm_v(l)%vegetation_type_name = 'none'
2800          surf_lsm_v(l)%water_type_name      = 'none'       
2801       ENDDO
2802       
2803!
2804!--    Set flag parameter for the prescribed surface type depending on user
2805!--    input. Set surface fraction to 1 for the respective type.
2806       SELECT CASE ( TRIM( surface_type ) )
2807         
2808          CASE ( 'vegetation' )
2809         
2810             surf_lsm_h%vegetation_surface = .TRUE.
2811             surf_lsm_h%frac(ind_veg_wall,:) = 1.0_wp
2812             DO  l = 0, 3
2813                surf_lsm_v(l)%vegetation_surface = .TRUE.
2814                surf_lsm_v(l)%frac(ind_veg_wall,:) = 1.0_wp
2815             ENDDO
2816   
2817          CASE ( 'water' )
2818             
2819             surf_lsm_h%water_surface = .TRUE.
2820             surf_lsm_h%frac(ind_wat_win,:) = 1.0_wp
2821!
2822!--          Note, vertical water surface does not really make sense.
2823             DO  l = 0, 3 
2824                surf_lsm_v(l)%water_surface   = .TRUE.
2825                surf_lsm_v(l)%frac(ind_wat_win,:) = 1.0_wp
2826             ENDDO
2827
2828          CASE ( 'pavement' )
2829             
2830             surf_lsm_h%pavement_surface = .TRUE.
2831                surf_lsm_h%frac(ind_pav_green,:) = 1.0_wp
2832             DO  l = 0, 3
2833                surf_lsm_v(l)%pavement_surface   = .TRUE.
2834                surf_lsm_v(l)%frac(ind_pav_green,:) = 1.0_wp
2835             ENDDO
2836
2837          CASE ( 'netcdf' )
2838
2839             DO  m = 1, surf_lsm_h%ns
2840                i = surf_lsm_h%i(m)
2841                j = surf_lsm_h%j(m)
2842                IF ( vegetation_type_f%var(j,i) /= vegetation_type_f%fill )    &
2843                   surf_lsm_h%vegetation_surface(m) = .TRUE.
2844                IF ( pavement_type_f%var(j,i)   /= pavement_type_f%fill )      &
2845                   surf_lsm_h%pavement_surface(m) = .TRUE.
2846                IF ( water_type_f%var(j,i)      /= water_type_f%fill )         &
2847                   surf_lsm_h%water_surface(m) = .TRUE.
2848             ENDDO
2849!
2850!--          For vertical surfaces some special checks and treatment are
2851!--          required for correct initialization.
2852             DO  l = 0, 3
2853                DO  m = 1, surf_lsm_v(l)%ns
2854!
2855!--                Only for vertical surfaces. Check if at the grid point where
2856!--                the wall is defined (i+ioff, j+joff) is any building.
2857!--                This case, no natural surfaces properties will be defined at
2858!--                at this grid point, leading to problems in the initialization.
2859!--                To overcome this, define a special flag which
2860!--                indicates that a building is defined at the wall grid point 
2861!--                and take the surface properties from the adjoining grid
2862!--                point, i.e. without offset values.
2863!--                Further, there can occur a special case where elevation
2864!--                changes are larger than building heights. This case, (j,i)
2865!--                and (j+joff,i+ioff) grid points may be both covered by
2866!--                buildings, but vertical, but vertically natural walls may
2867!--                be located between the buildings. This case, it is not
2868!--                guaranteed that information about natural surface types is
2869!--                given, neither at (j,i) nor at (j+joff,i+ioff), again leading
2870!--                to non-initialized surface properties.
2871                   surf_lsm_v(l)%building_covered(m) = .FALSE.
2872!
2873!--                Wall grid point is building-covered. This case, set
2874!--                flag indicating that surface properties are initialized
2875!--                from neighboring reference grid point, which is not
2876!--                building_covered.
2877                   IF ( building_type_f%from_file )  THEN
2878                      i = surf_lsm_v(l)%i(m)
2879                      j = surf_lsm_v(l)%j(m)
2880                      IF ( building_type_f%var(j+surf_lsm_v(l)%joff,           &
2881                                               i+surf_lsm_v(l)%ioff) /=        &
2882                           building_type_f%fill )                              &
2883                         surf_lsm_v(l)%building_covered(m) = .TRUE.
2884!
2885!--                   Wall grid point as well as neighboring reference grid
2886!--                   point are both building-covered. This case, surface
2887!--                   properties are not necessarily defined (not covered by
2888!--                   checks for static input file) at this surface. Hence,
2889!--                   initialize surface properties by simply setting
2890!--                   vegetation_type_f to bare-soil bulk parametrization.
2891!--                   soil_type_f as well as surface_fractions_f will be set
2892!--                   also.                     
2893                      IF ( building_type_f%var(j+surf_lsm_v(l)%joff,           &
2894                                               i+surf_lsm_v(l)%ioff) /=        &
2895                           building_type_f%fill  .AND.                         &
2896                           building_type_f%var(j,i) /= building_type_f%fill )  &
2897                      THEN
2898                         vegetation_type_f%var(j,i)                 = 1 ! bare soil
2899                         soil_type_f%var_2d(j,i)                    = 1 
2900                         surface_fraction_f%frac(ind_veg_wall,j,i)  = 1.0_wp
2901                         surface_fraction_f%frac(ind_pav_green,j,i) = 0.0_wp
2902                         surface_fraction_f%frac(ind_wat_win,j,i)   = 0.0_wp
2903                      ENDIF
2904                     
2905                   ENDIF
2906!
2907!--                Normally proceed with setting surface types.
2908                   i = surf_lsm_v(l)%i(m) + MERGE( 0, surf_lsm_v(l)%ioff,      &
2909                                            surf_lsm_v(l)%building_covered(m) )
2910                   j = surf_lsm_v(l)%j(m) + MERGE( 0, surf_lsm_v(l)%joff,      &
2911                                            surf_lsm_v(l)%building_covered(m) )
2912                   IF ( vegetation_type_f%var(j,i) /= vegetation_type_f%fill ) &
2913                      surf_lsm_v(l)%vegetation_surface(m) = .TRUE.
2914                   IF ( pavement_type_f%var(j,i)   /= pavement_type_f%fill )   &
2915                      surf_lsm_v(l)%pavement_surface(m) = .TRUE.
2916                   IF ( water_type_f%var(j,i)      /= water_type_f%fill )      &
2917                      surf_lsm_v(l)%water_surface(m) = .TRUE.
2918!
2919!--                Check if surface element has the flag %building_covered_all,
2920!--                this case, set vegetation_type appropriate
2921                ENDDO
2922             ENDDO
2923
2924       END SELECT
2925!
2926!--    In case of netcdf input file, further initialize surface fractions.
2927!--    At the moment only 1 surface is given at a location, so that the fraction
2928!--    is either 0 or 1. This will be revised later. If surface fraction
2929!--    is not given in static input file, relative fractions will be derived
2930!--    from given surface type. In this case, only 1 type is given at a certain
2931!--    location (already checked). 
2932       IF ( input_pids_static  .AND.  surface_fraction_f%from_file )  THEN
2933          DO  m = 1, surf_lsm_h%ns
2934             i = surf_lsm_h%i(m)
2935             j = surf_lsm_h%j(m)
2936!
2937!--          0 - vegetation fraction, 1 - pavement fraction, 2 - water fraction             
2938             surf_lsm_h%frac(ind_veg_wall,m)  =                                &
2939                                    surface_fraction_f%frac(ind_veg_wall,j,i)         
2940             surf_lsm_h%frac(ind_pav_green,m) =                                &
2941                                    surface_fraction_f%frac(ind_pav_green,j,i)       
2942             surf_lsm_h%frac(ind_wat_win,m)   =                                &
2943                                    surface_fraction_f%frac(ind_wat_win,j,i)
2944
2945          ENDDO
2946          DO  l = 0, 3
2947             DO  m = 1, surf_lsm_v(l)%ns
2948                i = surf_lsm_v(l)%i(m) + MERGE( 0, surf_lsm_v(l)%ioff,         &
2949                                                surf_lsm_v(l)%building_covered(m) ) 
2950                j = surf_lsm_v(l)%j(m) + MERGE( 0, surf_lsm_v(l)%joff,         &
2951                                                surf_lsm_v(l)%building_covered(m) ) 
2952!
2953!--             0 - vegetation fraction, 1 - pavement fraction, 2 - water fraction       
2954                surf_lsm_v(l)%frac(ind_veg_wall,m)  =                          &
2955                                    surface_fraction_f%frac(ind_veg_wall,j,i)         
2956                surf_lsm_v(l)%frac(ind_pav_green,m) =                          &
2957                                    surface_fraction_f%frac(ind_pav_green,j,i)       
2958                surf_lsm_v(l)%frac(ind_wat_win,m)   =                          &
2959                                    surface_fraction_f%frac(ind_wat_win,j,i)
2960
2961             ENDDO
2962          ENDDO
2963       ELSEIF ( input_pids_static  .AND.  .NOT. surface_fraction_f%from_file ) &
2964       THEN
2965          DO  m = 1, surf_lsm_h%ns
2966             i = surf_lsm_h%i(m)
2967             j = surf_lsm_h%j(m)
2968
2969             IF ( vegetation_type_f%var(j,i) /= vegetation_type_f%fill )       &       
2970                surf_lsm_h%frac(ind_veg_wall,m)  = 1.0_wp
2971             IF ( pavement_type_f%var(j,i)   /= pavement_type_f%fill   )       &       
2972                surf_lsm_h%frac(ind_pav_green,m) = 1.0_wp 
2973             IF ( water_type_f%var(j,i)      /= water_type_f%fill      )       &       
2974                surf_lsm_h%frac(ind_wat_win,m)   = 1.0_wp       
2975          ENDDO
2976          DO  l = 0, 3
2977             DO  m = 1, surf_lsm_v(l)%ns
2978                i = surf_lsm_v(l)%i(m) + MERGE( 0, surf_lsm_v(l)%ioff,         &
2979                                                surf_lsm_v(l)%building_covered(m) ) 
2980                j = surf_lsm_v(l)%j(m) + MERGE( 0, surf_lsm_v(l)%joff,         &
2981                                                surf_lsm_v(l)%building_covered(m) ) 
2982     
2983                IF ( vegetation_type_f%var(j,i) /= vegetation_type_f%fill )    &       
2984                   surf_lsm_v(l)%frac(ind_veg_wall,m)  = 1.0_wp
2985                IF ( pavement_type_f%var(j,i)   /= pavement_type_f%fill   )    &       
2986                   surf_lsm_v(l)%frac(ind_pav_green,m) = 1.0_wp 
2987                IF ( water_type_f%var(j,i)      /= water_type_f%fill      )    &       
2988                   surf_lsm_v(l)%frac(ind_wat_win,m)   = 1.0_wp     
2989             ENDDO
2990          ENDDO
2991       ENDIF
2992!
2993!--    Level 1, initialization of soil parameters.
2994!--    It is possible to overwrite each parameter by setting the respecticy
2995!--    NAMELIST variable to a value /= 9999999.9.
2996       IF ( soil_type /= 0 )  THEN 
2997 
2998          IF ( alpha_vangenuchten == 9999999.9_wp )  THEN
2999             alpha_vangenuchten = soil_pars(0,soil_type)
3000          ENDIF
3001
3002          IF ( l_vangenuchten == 9999999.9_wp )  THEN
3003             l_vangenuchten = soil_pars(1,soil_type)
3004          ENDIF
3005
3006          IF ( n_vangenuchten == 9999999.9_wp )  THEN
3007             n_vangenuchten = soil_pars(2,soil_type)           
3008          ENDIF
3009
3010          IF ( hydraulic_conductivity == 9999999.9_wp )  THEN
3011             hydraulic_conductivity = soil_pars(3,soil_type)           
3012          ENDIF
3013
3014          IF ( saturation_moisture == 9999999.9_wp )  THEN
3015             saturation_moisture = soil_pars(4,soil_type)           
3016          ENDIF
3017
3018          IF ( field_capacity == 9999999.9_wp )  THEN
3019             field_capacity = soil_pars(5,soil_type)           
3020          ENDIF
3021
3022          IF ( wilting_point == 9999999.9_wp )  THEN
3023             wilting_point = soil_pars(6,soil_type)           
3024          ENDIF
3025
3026          IF ( residual_moisture == 9999999.9_wp )  THEN
3027             residual_moisture = soil_pars(7,soil_type)       
3028          ENDIF
3029
3030       ENDIF
3031!
3032!--    Map values to the respective 2D/3D arrays
3033!--    Horizontal surfaces
3034       surf_lsm_h%alpha_vg      = alpha_vangenuchten
3035       surf_lsm_h%l_vg          = l_vangenuchten
3036       surf_lsm_h%n_vg          = n_vangenuchten 
3037       surf_lsm_h%gamma_w_sat   = hydraulic_conductivity
3038       surf_lsm_h%m_sat         = saturation_moisture
3039       surf_lsm_h%m_fc          = field_capacity
3040       surf_lsm_h%m_wilt        = wilting_point
3041       surf_lsm_h%m_res         = residual_moisture
3042       surf_lsm_h%r_soil_min    = min_soil_resistance
3043!
3044!--    Vertical surfaces
3045       DO  l = 0, 3
3046          surf_lsm_v(l)%alpha_vg      = alpha_vangenuchten
3047          surf_lsm_v(l)%l_vg          = l_vangenuchten
3048          surf_lsm_v(l)%n_vg          = n_vangenuchten 
3049          surf_lsm_v(l)%gamma_w_sat   = hydraulic_conductivity
3050          surf_lsm_v(l)%m_sat         = saturation_moisture
3051          surf_lsm_v(l)%m_fc          = field_capacity
3052          surf_lsm_v(l)%m_wilt        = wilting_point
3053          surf_lsm_v(l)%m_res         = residual_moisture
3054          surf_lsm_v(l)%r_soil_min    = min_soil_resistance
3055       ENDDO
3056!
3057!--    Level 2, initialization of soil parameters via soil_type read from file.
3058!--    Soil parameters are initialized for each (y,x)-grid point
3059!--    individually using default paramter settings according to the given
3060!--    soil type.
3061       IF ( soil_type_f%from_file )  THEN
3062!
3063!--       Level of detail = 1, i.e. a homogeneous soil distribution along the
3064!--       vertical dimension is assumed.
3065          IF ( soil_type_f%lod == 1 )  THEN
3066!
3067!--          Horizontal surfaces
3068             DO  m = 1, surf_lsm_h%ns
3069                i = surf_lsm_h%i(m)
3070                j = surf_lsm_h%j(m)
3071             
3072                st = soil_type_f%var_2d(j,i)
3073                IF ( st /= soil_type_f%fill )  THEN
3074                   surf_lsm_h%alpha_vg(:,m)    = soil_pars(0,st)
3075                   surf_lsm_h%l_vg(:,m)        = soil_pars(1,st)
3076                   surf_lsm_h%n_vg(:,m)        = soil_pars(2,st)
3077                   surf_lsm_h%gamma_w_sat(:,m) = soil_pars(3,st)
3078                   surf_lsm_h%m_sat(:,m)       = soil_pars(4,st)
3079                   surf_lsm_h%m_fc(:,m)        = soil_pars(5,st)
3080                   surf_lsm_h%m_wilt(:,m)      = soil_pars(6,st)
3081                   surf_lsm_h%m_res(:,m)       = soil_pars(7,st)
3082                ENDIF
3083             ENDDO
3084!
3085!--          Vertical surfaces ( assumes the soil type given at respective (x,y)
3086             DO  l = 0, 3
3087                DO  m = 1, surf_lsm_v(l)%ns
3088                   i = surf_lsm_v(l)%i(m) + MERGE( 0, surf_lsm_v(l)%ioff,      &
3089                                                   surf_lsm_v(l)%building_covered(m) ) 
3090                   j = surf_lsm_v(l)%j(m) + MERGE( 0, surf_lsm_v(l)%joff,      &
3091                                                   surf_lsm_v(l)%building_covered(m) ) 
3092
3093                   st = soil_type_f%var_2d(j,i)
3094                   IF ( st /= soil_type_f%fill )  THEN
3095                      surf_lsm_v(l)%alpha_vg(:,m)    = soil_pars(0,st)
3096                      surf_lsm_v(l)%l_vg(:,m)        = soil_pars(1,st)
3097                      surf_lsm_v(l)%n_vg(:,m)        = soil_pars(2,st)
3098                      surf_lsm_v(l)%gamma_w_sat(:,m) = soil_pars(3,st)
3099                      surf_lsm_v(l)%m_sat(:,m)       = soil_pars(4,st)
3100                      surf_lsm_v(l)%m_fc(:,m)        = soil_pars(5,st)
3101                      surf_lsm_v(l)%m_wilt(:,m)      = soil_pars(6,st)
3102                      surf_lsm_v(l)%m_res(:,m)       = soil_pars(7,st)
3103                   ENDIF
3104                ENDDO
3105             ENDDO
3106!
3107!--       Level of detail = 2, i.e. soil type and thus the soil parameters
3108!--       can be heterogeneous along the vertical dimension.
3109          ELSE
3110!
3111!--          Horizontal surfaces
3112             DO  m = 1, surf_lsm_h%ns
3113                i = surf_lsm_h%i(m)
3114                j = surf_lsm_h%j(m)
3115             
3116                DO  k = nzb_soil, nzt_soil
3117                   st = soil_type_f%var_3d(k,j,i)
3118                   IF ( st /= soil_type_f%fill )  THEN
3119                      surf_lsm_h%alpha_vg(k,m)    = soil_pars(0,st)
3120                      surf_lsm_h%l_vg(k,m)        = soil_pars(1,st)
3121                      surf_lsm_h%n_vg(k,m)        = soil_pars(2,st)
3122                      surf_lsm_h%gamma_w_sat(k,m) = soil_pars(3,st)
3123                      surf_lsm_h%m_sat(k,m)       = soil_pars(4,st)
3124                      surf_lsm_h%m_fc(k,m)        = soil_pars(5,st)
3125                      surf_lsm_h%m_wilt(k,m)      = soil_pars(6,st)
3126                      surf_lsm_h%m_res(k,m)       = soil_pars(7,st)
3127                   ENDIF
3128                ENDDO
3129             ENDDO
3130!
3131!--          Vertical surfaces ( assumes the soil type given at respective (x,y)
3132             DO  l = 0, 3
3133                DO  m = 1, surf_lsm_v(l)%ns
3134                   i = surf_lsm_v(l)%i(m) + MERGE( 0, surf_lsm_v(l)%ioff,      &
3135                                                   surf_lsm_v(l)%building_covered(m) ) 
3136                   j = surf_lsm_v(l)%j(m) + MERGE( 0, surf_lsm_v(l)%joff,      &
3137                                                   surf_lsm_v(l)%building_covered(m) ) 
3138
3139                   DO  k = nzb_soil, nzt_soil
3140                      st = soil_type_f%var_3d(k,j,i)
3141                      IF ( st /= soil_type_f%fill )  THEN
3142                         surf_lsm_v(l)%alpha_vg(k,m)    = soil_pars(0,st)
3143                         surf_lsm_v(l)%l_vg(k,m)        = soil_pars(1,st)
3144                         surf_lsm_v(l)%n_vg(k,m)        = soil_pars(2,st)
3145                         surf_lsm_v(l)%gamma_w_sat(k,m) = soil_pars(3,st)
3146                         surf_lsm_v(l)%m_sat(k,m)       = soil_pars(4,st)
3147                         surf_lsm_v(l)%m_fc(k,m)        = soil_pars(5,st)
3148                         surf_lsm_v(l)%m_wilt(k,m)      = soil_pars(6,st)
3149                         surf_lsm_v(l)%m_res(k,m)       = soil_pars(7,st)
3150                      ENDIF
3151                   ENDDO
3152                ENDDO
3153             ENDDO
3154          ENDIF
3155       ENDIF
3156!
3157!--    Level 3, initialization of single soil parameters at single z,x,y
3158!--    position via soil_pars read from file.
3159       IF ( soil_pars_f%from_file )  THEN
3160!
3161!--       Level of detail = 1, i.e. a homogeneous vertical distribution of soil
3162!--       parameters is assumed.
3163!--       Horizontal surfaces
3164          IF ( soil_pars_f%lod == 1 )  THEN
3165!
3166!--          Horizontal surfaces
3167             DO  m = 1, surf_lsm_h%ns
3168                i = surf_lsm_h%i(m)
3169                j = surf_lsm_h%j(m)
3170
3171                IF ( soil_pars_f%pars_xy(0,j,i) /= soil_pars_f%fill )              &
3172                   surf_lsm_h%alpha_vg(:,m)    = soil_pars_f%pars_xy(0,j,i)
3173                IF ( soil_pars_f%pars_xy(1,j,i) /= soil_pars_f%fill )              &
3174                   surf_lsm_h%l_vg(:,m)        = soil_pars_f%pars_xy(1,j,i)
3175                IF ( soil_pars_f%pars_xy(2,j,i) /= soil_pars_f%fill )              &
3176                   surf_lsm_h%n_vg(:,m)        = soil_pars_f%pars_xy(2,j,i)
3177                IF ( soil_pars_f%pars_xy(3,j,i) /= soil_pars_f%fill )              &
3178                   surf_lsm_h%gamma_w_sat(:,m) = soil_pars_f%pars_xy(3,j,i)
3179                IF ( soil_pars_f%pars_xy(4,j,i) /= soil_pars_f%fill )              &
3180                   surf_lsm_h%m_sat(:,m)       = soil_pars_f%pars_xy(4,j,i)
3181                IF ( soil_pars_f%pars_xy(5,j,i) /= soil_pars_f%fill )              &
3182                   surf_lsm_h%m_fc(:,m)        = soil_pars_f%pars_xy(5,j,i)
3183                IF ( soil_pars_f%pars_xy(6,j,i) /= soil_pars_f%fill )              &
3184                   surf_lsm_h%m_wilt(:,m)      = soil_pars_f%pars_xy(6,j,i)
3185                IF ( soil_pars_f%pars_xy(7,j,i) /= soil_pars_f%fill )              &
3186                   surf_lsm_h%m_res(:,m)       = soil_pars_f%pars_xy(7,j,i)
3187
3188             ENDDO
3189!
3190!--          Vertical surfaces
3191             DO  l = 0, 3
3192                DO  m = 1, surf_lsm_v(l)%ns
3193                   i = surf_lsm_v(l)%i(m) + MERGE( 0, surf_lsm_v(l)%ioff,      &
3194                                                   surf_lsm_v(l)%building_covered(m) ) 
3195                   j = surf_lsm_v(l)%j(m) + MERGE( 0, surf_lsm_v(l)%joff,      &
3196                                                   surf_lsm_v(l)%building_covered(m) ) 
3197
3198                   IF ( soil_pars_f%pars_xy(0,j,i) /= soil_pars_f%fill )           &
3199                      surf_lsm_v(l)%alpha_vg(:,m)    = soil_pars_f%pars_xy(0,j,i)
3200                   IF ( soil_pars_f%pars_xy(1,j,i) /= soil_pars_f%fill )           &
3201                      surf_lsm_v(l)%l_vg(:,m)        = soil_pars_f%pars_xy(1,j,i)
3202                   IF ( soil_pars_f%pars_xy(2,j,i) /= soil_pars_f%fill )           &
3203                      surf_lsm_v(l)%n_vg(:,m)        = soil_pars_f%pars_xy(2,j,i)
3204                   IF ( soil_pars_f%pars_xy(3,j,i) /= soil_pars_f%fill )           &
3205                      surf_lsm_v(l)%gamma_w_sat(:,m) = soil_pars_f%pars_xy(3,j,i)
3206                   IF ( soil_pars_f%pars_xy(4,j,i) /= soil_pars_f%fill )           &
3207                      surf_lsm_v(l)%m_sat(:,m)       = soil_pars_f%pars_xy(4,j,i)
3208                   IF ( soil_pars_f%pars_xy(5,j,i) /= soil_pars_f%fill )           &
3209                      surf_lsm_v(l)%m_fc(:,m)        = soil_pars_f%pars_xy(5,j,i)
3210                   IF ( soil_pars_f%pars_xy(6,j,i) /= soil_pars_f%fill )           &
3211                      surf_lsm_v(l)%m_wilt(:,m)      = soil_pars_f%pars_xy(6,j,i)
3212                   IF ( soil_pars_f%pars_xy(7,j,i) /= soil_pars_f%fill )           &
3213                      surf_lsm_v(l)%m_res(:,m)       = soil_pars_f%pars_xy(7,j,i)
3214
3215                ENDDO
3216             ENDDO
3217!
3218!--       Level of detail = 2, i.e. soil parameters can be set at each soil
3219!--       layer individually.
3220          ELSE
3221!
3222!--          Horizontal surfaces
3223             DO  m = 1, surf_lsm_h%ns
3224                i = surf_lsm_h%i(m)
3225                j = surf_lsm_h%j(m)
3226
3227                DO  k = nzb_soil, nzt_soil
3228                   IF ( soil_pars_f%pars_xyz(0,k,j,i) /= soil_pars_f%fill )        &
3229                      surf_lsm_h%alpha_vg(k,m)    = soil_pars_f%pars_xyz(0,k,j,i)
3230                   IF ( soil_pars_f%pars_xyz(1,k,j,i) /= soil_pars_f%fill )        &
3231                      surf_lsm_h%l_vg(k,m)        = soil_pars_f%pars_xyz(1,k,j,i)
3232                   IF ( soil_pars_f%pars_xyz(2,k,j,i) /= soil_pars_f%fill )        &
3233                      surf_lsm_h%n_vg(k,m)        = soil_pars_f%pars_xyz(2,k,j,i)
3234                   IF ( soil_pars_f%pars_xyz(3,k,j,i) /= soil_pars_f%fill )        &
3235                      surf_lsm_h%gamma_w_sat(k,m) = soil_pars_f%pars_xyz(3,k,j,i)
3236                   IF ( soil_pars_f%pars_xyz(4,k,j,i) /= soil_pars_f%fill )        &
3237                      surf_lsm_h%m_sat(k,m)       = soil_pars_f%pars_xyz(4,k,j,i)
3238                   IF ( soil_pars_f%pars_xyz(5,k,j,i) /= soil_pars_f%fill )        &
3239                      surf_lsm_h%m_fc(k,m)        = soil_pars_f%pars_xyz(5,k,j,i)
3240                   IF ( soil_pars_f%pars_xyz(6,k,j,i) /= soil_pars_f%fill )        &
3241                      surf_lsm_h%m_wilt(k,m)      = soil_pars_f%pars_xyz(6,k,j,i)
3242                   IF ( soil_pars_f%pars_xyz(7,k,j,i) /= soil_pars_f%fill )        &
3243                      surf_lsm_h%m_res(k,m)       = soil_pars_f%pars_xyz(7,k,j,i)
3244                ENDDO
3245
3246             ENDDO
3247!
3248!--          Vertical surfaces
3249             DO  l = 0, 3
3250                DO  m = 1, surf_lsm_v(l)%ns
3251                   i = surf_lsm_v(l)%i(m) + MERGE( 0, surf_lsm_v(l)%ioff,      &
3252                                                   surf_lsm_v(l)%building_covered(m) ) 
3253                   j = surf_lsm_v(l)%j(m) + MERGE( 0, surf_lsm_v(l)%joff,      &
3254                                                   surf_lsm_v(l)%building_covered(m) ) 
3255
3256                   DO  k = nzb_soil, nzt_soil
3257                      IF ( soil_pars_f%pars_xyz(0,k,j,i) /= soil_pars_f%fill )        &
3258                         surf_lsm_v(l)%alpha_vg(k,m)    = soil_pars_f%pars_xyz(0,k,j,i)
3259                      IF ( soil_pars_f%pars_xyz(1,k,j,i) /= soil_pars_f%fill )        &
3260                         surf_lsm_v(l)%l_vg(k,m)        = soil_pars_f%pars_xyz(1,k,j,i)
3261                      IF ( soil_pars_f%pars_xyz(2,k,j,i) /= soil_pars_f%fill )        &
3262                         surf_lsm_v(l)%n_vg(k,m)        = soil_pars_f%pars_xyz(2,k,j,i)
3263                      IF ( soil_pars_f%pars_xyz(3,k,j,i) /= soil_pars_f%fill )        &
3264                         surf_lsm_v(l)%gamma_w_sat(k,m) = soil_pars_f%pars_xyz(3,k,j,i)
3265                      IF ( soil_pars_f%pars_xyz(4,k,j,i) /= soil_pars_f%fill )        &
3266                         surf_lsm_v(l)%m_sat(k,m)       = soil_pars_f%pars_xyz(4,k,j,i)
3267                      IF ( soil_pars_f%pars_xyz(5,k,j,i) /= soil_pars_f%fill )        &
3268                         surf_lsm_v(l)%m_fc(k,m)        = soil_pars_f%pars_xyz(5,k,j,i)
3269                      IF ( soil_pars_f%pars_xyz(6,k,j,i) /= soil_pars_f%fill )        &
3270                         surf_lsm_v(l)%m_wilt(k,m)      = soil_pars_f%pars_xyz(6,k,j,i)
3271                      IF ( soil_pars_f%pars_xyz(7,k,j,i) /= soil_pars_f%fill )        &
3272                         surf_lsm_v(l)%m_res(k,m)       = soil_pars_f%pars_xyz(7,k,j,i)
3273                   ENDDO
3274
3275                ENDDO
3276             ENDDO
3277
3278          ENDIF
3279       ENDIF
3280
3281!
3282!--    Level 1, initialization of vegetation parameters. A horizontally
3283!--    homogeneous distribution is assumed here.
3284       IF ( vegetation_type /= 0 )  THEN
3285
3286          IF ( min_canopy_resistance == 9999999.9_wp )  THEN
3287             min_canopy_resistance = vegetation_pars(ind_v_rc_min,vegetation_type)
3288          ENDIF
3289
3290          IF ( leaf_area_index == 9999999.9_wp )  THEN
3291             leaf_area_index = vegetation_pars(ind_v_rc_lai,vegetation_type)         
3292          ENDIF
3293
3294          IF ( vegetation_coverage == 9999999.9_wp )  THEN
3295             vegetation_coverage = vegetation_pars(ind_v_c_veg,vegetation_type)     
3296          ENDIF
3297
3298          IF ( canopy_resistance_coefficient == 9999999.9_wp )  THEN
3299              canopy_resistance_coefficient= vegetation_pars(ind_v_gd,vegetation_type)     
3300          ENDIF
3301
3302          IF ( z0_vegetation == 9999999.9_wp )  THEN
3303             z0_vegetation  = vegetation_pars(ind_v_z0,vegetation_type) 
3304          ENDIF
3305
3306          IF ( z0h_vegetation == 9999999.9_wp )  THEN
3307             z0h_vegetation = vegetation_pars(ind_v_z0qh,vegetation_type)
3308          ENDIF
3309         
3310          IF ( z0q_vegetation == 9999999.9_wp )  THEN
3311             z0q_vegetation = vegetation_pars(ind_v_z0qh,vegetation_type)
3312          ENDIF
3313         
3314          IF ( lambda_surface_stable == 9999999.9_wp )  THEN
3315             lambda_surface_stable = vegetation_pars(ind_v_lambda_s,vegetation_type) 
3316          ENDIF
3317
3318          IF ( lambda_surface_unstable == 9999999.9_wp )  THEN
3319             lambda_surface_unstable = vegetation_pars(ind_v_lambda_u,vegetation_type)           
3320          ENDIF
3321
3322          IF ( f_shortwave_incoming == 9999999.9_wp )  THEN
3323             f_shortwave_incoming = vegetation_pars(ind_v_f_sw_in,vegetation_type)       
3324          ENDIF
3325
3326          IF ( c_surface == 9999999.9_wp )  THEN
3327             c_surface = vegetation_pars(ind_v_c_surf,vegetation_type)       
3328          ENDIF
3329
3330          IF ( albedo_type == 9999999  .AND.  albedo == 9999999.9_wp )  THEN
3331             albedo_type = INT(vegetation_pars(ind_v_at,vegetation_type))       
3332          ENDIF
3333   
3334          IF ( emissivity == 9999999.9_wp )  THEN
3335             emissivity = vegetation_pars(ind_v_emis,vegetation_type)     
3336          ENDIF
3337
3338       ENDIF
3339!
3340!--    Map values onto horizontal elemements
3341       DO  m = 1, surf_lsm_h%ns
3342          IF ( surf_lsm_h%vegetation_surface(m) )  THEN
3343             surf_lsm_h%r_canopy_min(m)     = min_canopy_resistance
3344             surf_lsm_h%lai(m)              = leaf_area_index
3345             surf_lsm_h%c_veg(m)            = vegetation_coverage
3346             surf_lsm_h%g_d(m)              = canopy_resistance_coefficient
3347             surf_lsm_h%z0(m)               = z0_vegetation
3348             surf_lsm_h%z0h(m)              = z0h_vegetation
3349             surf_lsm_h%z0q(m)              = z0q_vegetation
3350             surf_lsm_h%lambda_surface_s(m) = lambda_surface_stable
3351             surf_lsm_h%lambda_surface_u(m) = lambda_surface_unstable
3352             surf_lsm_h%f_sw_in(m)          = f_shortwave_incoming
3353             surf_lsm_h%c_surface(m)        = c_surface
3354             surf_lsm_h%albedo_type(ind_veg_wall,m) = albedo_type
3355             surf_lsm_h%emissivity(ind_veg_wall,m)  = emissivity
3356             
3357             surf_lsm_h%vegetation_type(m)      = vegetation_type
3358             surf_lsm_h%vegetation_type_name(m) = vegetation_type_name(vegetation_type)
3359          ELSE
3360             surf_lsm_h%lai(m)   = 0.0_wp
3361             surf_lsm_h%c_veg(m) = 0.0_wp
3362             surf_lsm_h%g_d(m)   = 0.0_wp
3363          ENDIF
3364 
3365       ENDDO
3366!
3367!--    Map values onto vertical elements, even though this does not make
3368!--    much sense.
3369       DO  l = 0, 3
3370          DO  m = 1, surf_lsm_v(l)%ns
3371             IF ( surf_lsm_v(l)%vegetation_surface(m) )  THEN
3372                surf_lsm_v(l)%r_canopy_min(m)     = min_canopy_resistance
3373                surf_lsm_v(l)%lai(m)              = leaf_area_index
3374                surf_lsm_v(l)%c_veg(m)            = vegetation_coverage
3375                surf_lsm_v(l)%g_d(m)              = canopy_resistance_coefficient
3376                surf_lsm_v(l)%z0(m)               = z0_vegetation
3377                surf_lsm_v(l)%z0h(m)              = z0h_vegetation
3378                surf_lsm_v(l)%z0q(m)              = z0q_vegetation
3379                surf_lsm_v(l)%lambda_surface_s(m) = lambda_surface_stable
3380                surf_lsm_v(l)%lambda_surface_u(m) = lambda_surface_unstable
3381                surf_lsm_v(l)%f_sw_in(m)          = f_shortwave_incoming
3382                surf_lsm_v(l)%c_surface(m)        = c_surface
3383                surf_lsm_v(l)%albedo_type(ind_veg_wall,m) = albedo_type
3384                surf_lsm_v(l)%emissivity(ind_veg_wall,m)  = emissivity
3385               
3386                surf_lsm_v(l)%vegetation_type(m)      = vegetation_type
3387                surf_lsm_v(l)%vegetation_type_name(m) = vegetation_type_name(vegetation_type)
3388             ELSE
3389                surf_lsm_v(l)%lai(m)   = 0.0_wp
3390                surf_lsm_v(l)%c_veg(m) = 0.0_wp
3391                surf_lsm_v(l)%g_d(m)   = 0.0_wp
3392             ENDIF
3393          ENDDO
3394       ENDDO
3395
3396!
3397!--    Level 2, initialization of vegation parameters via vegetation_type read
3398!--    from file. Vegetation parameters are initialized for each (y,x)-grid point
3399!--    individually using default paramter settings according to the given
3400!--    vegetation type.
3401       IF ( vegetation_type_f%from_file )  THEN
3402!
3403!--       Horizontal surfaces
3404          DO  m = 1, surf_lsm_h%ns
3405             i = surf_lsm_h%i(m)
3406             j = surf_lsm_h%j(m)
3407             
3408             st = vegetation_type_f%var(j,i)
3409             IF ( st /= vegetation_type_f%fill  .AND.  st /= 0 )  THEN
3410                surf_lsm_h%r_canopy_min(m)     = vegetation_pars(ind_v_rc_min,st)
3411                surf_lsm_h%lai(m)              = vegetation_pars(ind_v_rc_lai,st)
3412                surf_lsm_h%c_veg(m)            = vegetation_pars(ind_v_c_veg,st)
3413                surf_lsm_h%g_d(m)              = vegetation_pars(ind_v_gd,st)
3414                surf_lsm_h%z0(m)               = vegetation_pars(ind_v_z0,st)
3415                surf_lsm_h%z0h(m)              = vegetation_pars(ind_v_z0qh,st)
3416                surf_lsm_h%z0q(m)              = vegetation_pars(ind_v_z0qh,st)
3417                surf_lsm_h%lambda_surface_s(m) = vegetation_pars(ind_v_lambda_s,st)
3418                surf_lsm_h%lambda_surface_u(m) = vegetation_pars(ind_v_lambda_u,st)
3419                surf_lsm_h%f_sw_in(m)          = vegetation_pars(ind_v_f_sw_in,st)
3420                surf_lsm_h%c_surface(m)        = vegetation_pars(ind_v_c_surf,st)
3421                surf_lsm_h%albedo_type(ind_veg_wall,m) = INT( vegetation_pars(ind_v_at,st) )
3422                surf_lsm_h%emissivity(ind_veg_wall,m)  = vegetation_pars(ind_v_emis,st)
3423               
3424                surf_lsm_h%vegetation_type(m)      = st
3425                surf_lsm_h%vegetation_type_name(m) = vegetation_type_name(st)
3426             ENDIF
3427          ENDDO
3428!
3429!--       Vertical surfaces
3430          DO  l = 0, 3
3431             DO  m = 1, surf_lsm_v(l)%ns
3432                i = surf_lsm_v(l)%i(m) + MERGE( 0, surf_lsm_v(l)%ioff,         &
3433                                                surf_lsm_v(l)%building_covered(m) ) 
3434                j = surf_lsm_v(l)%j(m) + MERGE( 0, surf_lsm_v(l)%joff,      &
3435                                                surf_lsm_v(l)%building_covered(m) ) 
3436             
3437                st = vegetation_type_f%var(j,i)
3438                IF ( st /= vegetation_type_f%fill  .AND.  st /= 0 )  THEN
3439                   surf_lsm_v(l)%r_canopy_min(m)     = vegetation_pars(ind_v_rc_min,st)
3440                   surf_lsm_v(l)%lai(m)              = vegetation_pars(ind_v_rc_lai,st)
3441                   surf_lsm_v(l)%c_veg(m)            = vegetation_pars(ind_v_c_veg,st)
3442                   surf_lsm_v(l)%g_d(m)              = vegetation_pars(ind_v_gd,st)
3443                   surf_lsm_v(l)%z0(m)               = vegetation_pars(ind_v_z0,st)
3444                   surf_lsm_v(l)%z0h(m)              = vegetation_pars(ind_v_z0qh,st)
3445                   surf_lsm_v(l)%z0q(m)              = vegetation_pars(ind_v_z0qh,st)
3446                   surf_lsm_v(l)%lambda_surface_s(m) = vegetation_pars(ind_v_lambda_s,st)
3447                   surf_lsm_v(l)%lambda_surface_u(m) = vegetation_pars(ind_v_lambda_u,st)
3448                   surf_lsm_v(l)%f_sw_in(m)          = vegetation_pars(ind_v_f_sw_in,st)
3449                   surf_lsm_v(l)%c_surface(m)        = vegetation_pars(ind_v_c_surf,st)
3450                   surf_lsm_v(l)%albedo_type(ind_veg_wall,m) = INT( vegetation_pars(ind_v_at,st) )
3451                   surf_lsm_v(l)%emissivity(ind_veg_wall,m)  = vegetation_pars(ind_v_emis,st)
3452                   
3453                   surf_lsm_v(l)%vegetation_type(m)      = st
3454                   surf_lsm_v(l)%vegetation_type_name(m) = vegetation_type_name(st)
3455                ENDIF
3456             ENDDO
3457          ENDDO
3458       ENDIF
3459!
3460!--    Level 3, initialization of vegation parameters at single (x,y)
3461!--    position via vegetation_pars read from file.
3462       IF ( vegetation_pars_f%from_file )  THEN
3463!
3464!--       Horizontal surfaces
3465          DO  m = 1, surf_lsm_h%ns
3466
3467             i = surf_lsm_h%i(m)
3468             j = surf_lsm_h%j(m)
3469!
3470!--          If surface element is not a vegetation surface and any value in
3471!--          vegetation_pars is given, neglect this information and give an
3472!--          informative message that this value will not be used.   
3473             IF ( .NOT. surf_lsm_h%vegetation_surface(m)  .AND.                &
3474                   ANY( vegetation_pars_f%pars_xy(:,j,i) /=                    &
3475                   vegetation_pars_f%fill ) )  THEN
3476                WRITE( message_string, * )                                     &
3477                                 'surface element at grid point (j,i) = (',    &
3478                                 j, i, ') is not a vegation surface, ',        &
3479                                 'so that information given in ',              &
3480                                 'vegetation_pars at this point is neglected.' 
3481                CALL message( 'land_surface_model_mod', 'PA0999', 0, 0, 0, 6, 0 )
3482             ELSE
3483
3484                IF ( vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_rc_min,j,i) /=            &
3485                     vegetation_pars_f%fill )                                  &
3486                   surf_lsm_h%r_canopy_min(m)  =                               &
3487                                   vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_rc_min,j,i)
3488                IF ( vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_rc_lai,j,i) /=            &
3489                     vegetation_pars_f%fill )                                  &
3490                   surf_lsm_h%lai(m)           =                               &
3491                                   vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_rc_lai,j,i)
3492                IF ( vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_c_veg,j,i) /=             &
3493                     vegetation_pars_f%fill )                                  &
3494                   surf_lsm_h%c_veg(m)         =                               &
3495                                   vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_c_veg,j,i)
3496                IF ( vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_gd,j,i) /=                &
3497                     vegetation_pars_f%fill )                                  &
3498                   surf_lsm_h%g_d(m)           =                               &
3499                                   vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_gd,j,i)
3500                IF ( vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_z0,j,i) /=                &
3501                     vegetation_pars_f%fill )                                  &
3502                   surf_lsm_h%z0(m)            =                               &
3503                                   vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_z0,j,i)
3504                IF ( vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_z0qh,j,i) /=              &
3505                     vegetation_pars_f%fill )  THEN
3506                   surf_lsm_h%z0h(m)           =                               &
3507                                   vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_z0qh,j,i)
3508                   surf_lsm_h%z0q(m)           =                               &
3509                                   vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_z0qh,j,i)
3510                ENDIF
3511                IF ( vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_lambda_s,j,i) /=          &
3512                     vegetation_pars_f%fill )                                  &
3513                   surf_lsm_h%lambda_surface_s(m) =                            &
3514                                   vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_lambda_s,j,i)
3515                IF ( vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_lambda_u,j,i) /=          &
3516                     vegetation_pars_f%fill )                                  &
3517                   surf_lsm_h%lambda_surface_u(m) =                            &
3518                                   vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_lambda_u,j,i)
3519                IF ( vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_f_sw_in,j,i) /=           &
3520                     vegetation_pars_f%fill )                                  &
3521                   surf_lsm_h%f_sw_in(m)          =                            &
3522                                   vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_f_sw_in,j,i)
3523                IF ( vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_c_surf,j,i) /=            &
3524                     vegetation_pars_f%fill )                                  &
3525                   surf_lsm_h%c_surface(m)        =                            &
3526                                   vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_c_surf,j,i)
3527                IF ( vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_at,j,i) /=                &
3528                     vegetation_pars_f%fill )                                  &
3529                   surf_lsm_h%albedo_type(ind_veg_wall,m) =                    &
3530                                   INT( vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_at,j,i) )
3531                IF ( vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_emis,j,i) /=              &
3532                     vegetation_pars_f%fill )                                  &
3533                   surf_lsm_h%emissivity(ind_veg_wall,m)  =                    &
3534                                   vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_emis,j,i)
3535             ENDIF
3536          ENDDO
3537!
3538!--       Vertical surfaces
3539          DO  l = 0, 3
3540             DO  m = 1, surf_lsm_v(l)%ns
3541                i = surf_lsm_v(l)%i(m) + MERGE( 0, surf_lsm_v(l)%ioff,         &
3542                                                surf_lsm_v(l)%building_covered(m) ) 
3543                j = surf_lsm_v(l)%j(m) + MERGE( 0, surf_lsm_v(l)%joff,         &
3544                                                surf_lsm_v(l)%building_covered(m) ) 
3545!
3546!--             If surface element is not a vegetation surface and any value in
3547!--             vegetation_pars is given, neglect this information and give an
3548!--             informative message that this value will not be used.   
3549                IF ( .NOT. surf_lsm_v(l)%vegetation_surface(m)  .AND.          &
3550                      ANY( vegetation_pars_f%pars_xy(:,j,i) /=                 &
3551                      vegetation_pars_f%fill ) )  THEN
3552                   WRITE( message_string, * )                                  &
3553                                 'surface element at grid point (j,i) = (',    &
3554                                 j, i, ') is not a vegation surface, ',        &
3555                                 'so that information given in ',              &
3556                                 'vegetation_pars at this point is neglected.' 
3557                   CALL message( 'land_surface_model_mod', 'PA0999', 0, 0, 0, 6, 0 )
3558                ELSE
3559
3560                   IF ( vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_rc_min,j,i) /=         &
3561                        vegetation_pars_f%fill )                               &
3562                      surf_lsm_v(l)%r_canopy_min(m)  =                         &
3563                                   vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_rc_min,j,i)
3564                   IF ( vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_rc_lai,j,i) /=         &
3565                        vegetation_pars_f%fill )                               &
3566                      surf_lsm_v(l)%lai(m)           =                         &
3567                                   vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_rc_lai,j,i)
3568                   IF ( vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_c_veg,j,i) /=          &
3569                        vegetation_pars_f%fill )                               &
3570                      surf_lsm_v(l)%c_veg(m)         =                         &
3571                                   vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_c_veg,j,i)
3572                   IF ( vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_gd,j,i) /=             &
3573                        vegetation_pars_f%fill )                               &
3574                     surf_lsm_v(l)%g_d(m)            =                         &
3575                                   vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_gd,j,i)
3576                   IF ( vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_z0,j,i) /=             &
3577                        vegetation_pars_f%fill )                               &
3578                      surf_lsm_v(l)%z0(m)            =                         &
3579                                   vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_z0,j,i)
3580                   IF ( vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_z0qh,j,i) /=           &
3581                        vegetation_pars_f%fill )  THEN
3582                      surf_lsm_v(l)%z0h(m)           =                         &
3583                                   vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_z0qh,j,i)
3584                      surf_lsm_v(l)%z0q(m)           =                         &
3585                                   vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_z0qh,j,i)
3586                   ENDIF
3587                   IF ( vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_lambda_s,j,i) /=       &
3588                        vegetation_pars_f%fill )                               &
3589                      surf_lsm_v(l)%lambda_surface_s(m)  =                     &
3590                                   vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_lambda_s,j,i)
3591                   IF ( vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_lambda_u,j,i) /=       &
3592                        vegetation_pars_f%fill )                               &
3593                      surf_lsm_v(l)%lambda_surface_u(m)  =                     &
3594                                   vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_lambda_u,j,i)
3595                   IF ( vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_f_sw_in,j,i) /=        &
3596                        vegetation_pars_f%fill )                               &
3597                      surf_lsm_v(l)%f_sw_in(m)           =                     &
3598                                   vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_f_sw_in,j,i)
3599                   IF ( vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_c_surf,j,i) /=         &
3600                        vegetation_pars_f%fill )                               &
3601                      surf_lsm_v(l)%c_surface(m)         =                     &
3602                                   vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_c_surf,j,i)
3603                   IF ( vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_at,j,i) /=             &
3604                        vegetation_pars_f%fill )                               &
3605                      surf_lsm_v(l)%albedo_type(ind_veg_wall,m) =              &
3606                                   INT( vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_at,j,i) )
3607                   IF ( vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_emis,j,i) /=           &
3608                        vegetation_pars_f%fill )                               &
3609                      surf_lsm_v(l)%emissivity(ind_veg_wall,m)  =              &
3610                                   vegetation_pars_f%pars_xy(ind_v_emis,j,i)
3611                ENDIF
3612
3613             ENDDO
3614          ENDDO
3615       ENDIF 
3616
3617!
3618!--    Level 1, initialization of water parameters. A horizontally
3619!--    homogeneous distribution is assumed here.
3620       IF ( water_type /= 0 )  THEN
3621
3622          IF ( water_temperature == 9999999.9_wp )  THEN
3623             water_temperature = water_pars(ind_w_temp,water_type)       
3624          ENDIF
3625
3626          IF ( z0_water == 9999999.9_wp )  THEN
3627             z0_water = water_pars(ind_w_z0,water_type)       
3628          ENDIF       
3629
3630          IF ( z0h_water == 9999999.9_wp )  THEN
3631             z0h_water = water_pars(ind_w_z0h,water_type)       
3632          ENDIF 
3633         
3634          IF ( z0q_water == 9999999.9_wp )  THEN
3635             z0q_water = water_pars(ind_w_z0h,water_type)       
3636          ENDIF
3637
3638          IF ( albedo_type == 9999999  .AND.  albedo == 9999999.9_wp )  THEN
3639             albedo_type = INT(water_pars(ind_w_at,water_type))       
3640          ENDIF
3641   
3642          IF ( emissivity == 9999999.9_wp )  THEN
3643             emissivity = water_pars(ind_w_emis,water_type)       
3644          ENDIF
3645
3646       ENDIF 
3647!
3648!--    Map values onto horizontal elemements
3649       DO  m = 1, surf_lsm_h%ns
3650          IF ( surf_lsm_h%water_surface(m) )  THEN
3651             IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' )        &
3652                t_soil_h%var_2d(:,m)        = water_temperature
3653             surf_lsm_h%z0(m)               = z0_water
3654             surf_lsm_h%z0h(m)              = z0h_water
3655             surf_lsm_h%z0q(m)              = z0q_water
3656             surf_lsm_h%lambda_surface_s(m) = 1.0E10_wp
3657             surf_lsm_h%lambda_surface_u(m) = 1.0E10_wp               
3658             surf_lsm_h%c_surface(m)        = 0.0_wp
3659             surf_lsm_h%albedo_type(ind_wat_win,m) = albedo_type
3660             surf_lsm_h%emissivity(ind_wat_win,m)  = emissivity
3661             
3662             surf_lsm_h%water_type(m)      = water_type
3663             surf_lsm_h%water_type_name(m) = water_type_name(water_type)
3664          ENDIF
3665       ENDDO
3666!
3667!--    Map values onto vertical elements, even though this does not make
3668!--    much sense.
3669       DO  l = 0, 3
3670          DO  m = 1, surf_lsm_v(l)%ns
3671             IF ( surf_lsm_v(l)%water_surface(m) )  THEN
3672                IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' )     &
3673                   t_soil_v(l)%var_2d(:,m)           = water_temperature
3674                surf_lsm_v(l)%z0(m)               = z0_water
3675                surf_lsm_v(l)%z0h(m)              = z0h_water
3676                surf_lsm_v(l)%z0q(m)              = z0q_water
3677                surf_lsm_v(l)%lambda_surface_s(m) = 1.0E10_wp
3678                surf_lsm_v(l)%lambda_surface_u(m) = 1.0E10_wp               
3679                surf_lsm_v(l)%c_surface(m)        = 0.0_wp
3680                surf_lsm_v(l)%albedo_type(ind_wat_win,m) = albedo_type
3681                surf_lsm_v(l)%emissivity(ind_wat_win,m)  = emissivity
3682               
3683                surf_lsm_v(l)%water_type(m)      = water_type
3684                surf_lsm_v(l)%water_type_name(m) = water_type_name(water_type)
3685             ENDIF
3686          ENDDO
3687       ENDDO
3688!
3689!
3690!--    Level 2, initialization of water parameters via water_type read
3691!--    from file. Water surfaces are initialized for each (y,x)-grid point
3692!--    individually using default paramter settings according to the given
3693!--    water type.
3694!--    Note, parameter 3/4 of water_pars are albedo and emissivity,
3695!--    whereas paramter 3/4 of water_pars_f are heat conductivities!
3696       IF ( water_type_f%from_file )  THEN
3697!
3698!--       Horizontal surfaces
3699          DO  m = 1, surf_lsm_h%ns
3700             i = surf_lsm_h%i(m)
3701             j = surf_lsm_h%j(m)
3702             
3703             st = water_type_f%var(j,i)
3704             IF ( st /= water_type_f%fill  .AND.  st /= 0 )  THEN
3705                IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' )     &
3706                   t_soil_h%var_2d(:,m) = water_pars(ind_w_temp,st)
3707                surf_lsm_h%z0(m)     = water_pars(ind_w_z0,st)
3708                surf_lsm_h%z0h(m)    = water_pars(ind_w_z0h,st)
3709                surf_lsm_h%z0q(m)    = water_pars(ind_w_z0h,st)
3710                surf_lsm_h%lambda_surface_s(m) = water_pars(ind_w_lambda_s,st)
3711                surf_lsm_h%lambda_surface_u(m) = water_pars(ind_w_lambda_u,st)             
3712                surf_lsm_h%c_surface(m)        = 0.0_wp
3713                surf_lsm_h%albedo_type(ind_wat_win,m) = INT( water_pars(ind_w_at,st) )
3714                surf_lsm_h%emissivity(ind_wat_win,m)  = water_pars(ind_w_emis,st)
3715               
3716                surf_lsm_h%water_type(m)      = st
3717                surf_lsm_h%water_type_name(m) = water_type_name(st)
3718             ENDIF
3719          ENDDO
3720!
3721!--       Vertical surfaces
3722          DO  l = 0, 3
3723             DO  m = 1, surf_lsm_v(l)%ns
3724                i = surf_lsm_v(l)%i(m) + MERGE( 0, surf_lsm_v(l)%ioff,         &
3725                                                surf_lsm_v(l)%building_covered(m) ) 
3726                j = surf_lsm_v(l)%j(m) + MERGE( 0, surf_lsm_v(l)%joff,         &
3727                                                surf_lsm_v(l)%building_covered(m) ) 
3728             
3729                st = water_type_f%var(j,i)
3730                IF ( st /= water_type_f%fill  .AND.  st /= 0 )  THEN
3731                   IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' )  &
3732                      t_soil_v(l)%var_2d(:,m) = water_pars(ind_w_temp,st)
3733                   surf_lsm_v(l)%z0(m)     = water_pars(ind_w_z0,st)
3734                   surf_lsm_v(l)%z0h(m)    = water_pars(ind_w_z0h,st)
3735                   surf_lsm_v(l)%z0q(m)    = water_pars(ind_w_z0h,st)
3736                   surf_lsm_v(l)%lambda_surface_s(m) =                         &
3737                                                   water_pars(ind_w_lambda_s,st)
3738                   surf_lsm_v(l)%lambda_surface_u(m) =                         &
3739                                                   water_pars(ind_w_lambda_u,st)           
3740                   surf_lsm_v(l)%c_surface(m)     = 0.0_wp
3741                   surf_lsm_v(l)%albedo_type(ind_wat_win,m) =                  &
3742                                                  INT( water_pars(ind_w_at,st) )
3743                   surf_lsm_v(l)%emissivity(ind_wat_win,m)  =                  &
3744                                                  water_pars(ind_w_emis,st)
3745                                                 
3746                   surf_lsm_v(l)%water_type(m)      = st
3747                   surf_lsm_v(l)%water_type_name(m) = water_type_name(st)
3748                ENDIF
3749             ENDDO
3750          ENDDO
3751       ENDIF     
3752
3753!
3754!--    Level 3, initialization of water parameters at single (x,y)
3755!--    position via water_pars read from file.
3756       IF ( water_pars_f%from_file )  THEN
3757!
3758!--       Horizontal surfaces
3759          DO  m = 1, surf_lsm_h%ns
3760             i = surf_lsm_h%i(m)
3761             j = surf_lsm_h%j(m)
3762!
3763!--          If surface element is not a water surface and any value in
3764!--          water_pars is given, neglect this information and give an
3765!--          informative message that this value will not be used.   
3766             IF ( .NOT. surf_lsm_h%water_surface(m)  .AND.                     &
3767                   ANY( water_pars_f%pars_xy(:,j,i) /= water_pars_f%fill ) )  THEN
3768                WRITE( message_string, * )                                     &
3769                              'surface element at grid point (j,i) = (',       &
3770                              j, i, ') is not a water surface, ',              &
3771                              'so that information given in ',                 &
3772                              'water_pars at this point is neglected.' 
3773                CALL message( 'land_surface_model_mod', 'PA0999', 0, 0, 0, 6, 0 )
3774             ELSE
3775                IF ( water_pars_f%pars_xy(ind_w_temp,j,i) /=                   &
3776                     water_pars_f%fill  .AND.                                  &
3777                     TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' )     &
3778                      t_soil_h%var_2d(:,m) = water_pars_f%pars_xy(ind_w_temp,j,i)
3779
3780                IF ( water_pars_f%pars_xy(ind_w_z0,j,i) /= water_pars_f%fill ) &
3781                   surf_lsm_h%z0(m)     = water_pars_f%pars_xy(ind_w_z0,j,i)
3782
3783                IF ( water_pars_f%pars_xy(ind_w_z0h,j,i) /= water_pars_f%fill )&
3784                THEN
3785                   surf_lsm_h%z0h(m)    = water_pars_f%pars_xy(ind_w_z0h,j,i)
3786                   surf_lsm_h%z0q(m)    = water_pars_f%pars_xy(ind_w_z0h,j,i)
3787                ENDIF
3788                IF ( water_pars_f%pars_xy(ind_w_lambda_s,j,i) /=               &
3789                     water_pars_f%fill )                                       &
3790                   surf_lsm_h%lambda_surface_s(m) =                            &
3791                                        water_pars_f%pars_xy(ind_w_lambda_s,j,i)
3792
3793                IF ( water_pars_f%pars_xy(ind_w_lambda_u,j,i) /=               &
3794                      water_pars_f%fill )                                      &
3795                   surf_lsm_h%lambda_surface_u(m) =                            &
3796                                        water_pars_f%pars_xy(ind_w_lambda_u,j,i)     
3797       
3798                IF ( water_pars_f%pars_xy(ind_w_at,j,i) /=                     &
3799                     water_pars_f%fill )                                       &
3800                   surf_lsm_h%albedo_type(ind_wat_win,m) =                     &
3801                                       INT( water_pars_f%pars_xy(ind_w_at,j,i) )
3802
3803                IF ( water_pars_f%pars_xy(ind_w_emis,j,i) /=                   &
3804                     water_pars_f%fill )                                       &
3805                   surf_lsm_h%emissivity(ind_wat_win,m) =                      &
3806                                          water_pars_f%pars_xy(ind_w_emis,j,i) 
3807             ENDIF
3808          ENDDO
3809!
3810!--       Vertical surfaces
3811          DO  l = 0, 3
3812             DO  m = 1, surf_lsm_v(l)%ns
3813                i = surf_lsm_v(l)%i(m) + MERGE( 0, surf_lsm_v(l)%ioff,         &
3814                                                surf_lsm_v(l)%building_covered(m) ) 
3815                j = surf_lsm_v(l)%j(m) + MERGE( 0, surf_lsm_v(l)%joff,         &
3816                                                surf_lsm_v(l)%building_covered(m) ) 
3817!
3818!--             If surface element is not a water surface and any value in
3819!--             water_pars is given, neglect this information and give an
3820!--             informative message that this value will not be used.   
3821                IF ( .NOT. surf_lsm_v(l)%water_surface(m)  .AND.               &
3822                      ANY( water_pars_f%pars_xy(:,j,i) /=                      &
3823                      water_pars_f%fill ) )  THEN
3824                   WRITE( message_string, * )                                  &
3825                              'surface element at grid point (j,i) = (',       &
3826                              j, i, ') is not a water surface, ',              &
3827                              'so that information given in ',                 &
3828                              'water_pars at this point is neglected.' 
3829                   CALL message( 'land_surface_model_mod', 'PA0999',           &
3830                                  0, 0, 0, 6, 0 )
3831                ELSE
3832
3833                   IF ( water_pars_f%pars_xy(ind_w_temp,j,i) /=                &
3834                     water_pars_f%fill  .AND.                                  &
3835                     TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' )     &
3836                      t_soil_v(l)%var_2d(:,m) = water_pars_f%pars_xy(ind_w_temp,j,i)
3837
3838                   IF ( water_pars_f%pars_xy(ind_w_z0,j,i) /=                  &
3839                        water_pars_f%fill )                                    &
3840                      surf_lsm_v(l)%z0(m)   = water_pars_f%pars_xy(ind_w_z0,j,i)
3841
3842                   IF ( water_pars_f%pars_xy(ind_w_z0h,j,i) /=                 &
3843                       water_pars_f%fill )  THEN
3844                      surf_lsm_v(l)%z0h(m)  = water_pars_f%pars_xy(ind_w_z0h,j,i)
3845                      surf_lsm_v(l)%z0q(m)  = water_pars_f%pars_xy(ind_w_z0h,j,i)
3846                   ENDIF
3847
3848                   IF ( water_pars_f%pars_xy(ind_w_lambda_s,j,i) /=            &
3849                        water_pars_f%fill )                                    &
3850                      surf_lsm_v(l)%lambda_surface_s(m) =                      &
3851                                      water_pars_f%pars_xy(ind_w_lambda_s,j,i)
3852
3853                   IF ( water_pars_f%pars_xy(ind_w_lambda_u,j,i) /=            &
3854                        water_pars_f%fill )                                    &
3855                      surf_lsm_v(l)%lambda_surface_u(m) =                      &
3856                                      water_pars_f%pars_xy(ind_w_lambda_u,j,i)   
3