source: palm/trunk/SOURCE/lpm_advec.f90 @ 1583

Last change on this file since 1583 was 1583, checked in by suehring, 10 years ago

Bugfix: particle advection within Prandtl-layer in case of Galilei transformation

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 61.2 KB
Line 
1 SUBROUTINE lpm_advec (ip,jp,kp)
2
3!--------------------------------------------------------------------------------!
4! This file is part of PALM.
5!
6! PALM is free software: you can redistribute it and/or modify it under the terms
7! of the GNU General Public License as published by the Free Software Foundation,
8! either version 3 of the License, or (at your option) any later version.
9!
10! PALM is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY
11! WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR
12! A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License for more details.
13!
14! You should have received a copy of the GNU General Public License along with
15! PALM. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
16!
17! Copyright 1997-2014 Leibniz Universitaet Hannover
18!--------------------------------------------------------------------------------!
19!
20! Current revisions:
21! ------------------
22! Bugfix: particle advection within Prandtl-layer in case of Galilei
23! transformation.
24!
25! Former revisions:
26! -----------------
27! $Id: lpm_advec.f90 1583 2015-04-15 12:16:27Z suehring $
28!
29! 1369 2014-04-24 05:57:38Z raasch
30! usage of module interfaces removed
31!
32! 1359 2014-04-11 17:15:14Z hoffmann
33! New particle structure integrated.
34! Kind definition added to all floating point numbers.
35!
36! 1322 2014-03-20 16:38:49Z raasch
37! REAL constants defined as wp_kind
38!
39! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
40! ONLY-attribute added to USE-statements,
41! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
42! kinds are defined in new module kinds,
43! revision history before 2012 removed,
44! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
45! all variable declaration statements
46!
47! 1314 2014-03-14 18:25:17Z suehring
48! Vertical logarithmic interpolation of horizontal particle speed for particles
49! between roughness height and first vertical grid level.
50!
51! 1036 2012-10-22 13:43:42Z raasch
52! code put under GPL (PALM 3.9)
53!
54! 849 2012-03-15 10:35:09Z raasch
55! initial revision (former part of advec_particles)
56!
57!
58! Description:
59! ------------
60! Calculation of new particle positions due to advection using a simple Euler
61! scheme. Particles may feel inertia effects. SGS transport can be included
62! using the stochastic model of Weil et al. (2004, JAS, 61, 2877-2887).
63!------------------------------------------------------------------------------!
64
65    USE arrays_3d,                                                             &
66        ONLY:  de_dx, de_dy, de_dz, diss, e, u, us, usws, v, vsws, w, z0, zu,  &
67               zw
68
69    USE cpulog
70
71    USE pegrid
72
73    USE control_parameters,                                                    &
74        ONLY:  atmos_ocean_sign, cloud_droplets, dt_3d, dt_3d_reached_l, dz,   &
75               g, kappa, molecular_viscosity, prandtl_layer, topography,       &
76               u_gtrans, v_gtrans, simulated_time
77
78    USE grid_variables,                                                        &
79        ONLY:  ddx, dx, ddy, dy
80       
81    USE indices,                                                               &
82        ONLY:  nzb, nzb_s_inner, nzt
83       
84    USE kinds
85   
86    USE particle_attributes,                                                   &
87        ONLY:  block_offset, c_0, density_ratio, dt_min_part, grid_particles,  &
88               iran_part, log_z_z0, number_of_particles, number_of_sublayers,  &
89               particles, particle_groups, offset_ocean_nzt,                   &
90               offset_ocean_nzt_m1, sgs_wfu_part, sgs_wfv_part, sgs_wfw_part,  &
91               use_sgs_for_particles, vertical_particle_advection, z0_av_global
92       
93    USE statistics,                                                            &
94        ONLY:  hom
95
96    IMPLICIT NONE
97
98    INTEGER(iwp) ::  agp                         !:
99    INTEGER(iwp) ::  gp_outside_of_building(1:8) !:
100    INTEGER(iwp) ::  i                           !:
101    INTEGER(iwp) ::  ip                          !:
102    INTEGER(iwp) ::  j                           !:
103    INTEGER(iwp) ::  jp                          !:
104    INTEGER(iwp) ::  k                           !:
105    INTEGER(iwp) ::  kp                          !:
106    INTEGER(iwp) ::  kw                          !:
107    INTEGER(iwp) ::  n                           !:
108    INTEGER(iwp) ::  nb                          !:
109    INTEGER(iwp) ::  num_gp                      !:
110
111    INTEGER(iwp), DIMENSION(0:7) ::  start_index !:
112    INTEGER(iwp), DIMENSION(0:7) ::  end_index   !:
113
114    REAL(wp) ::  aa                 !:
115    REAL(wp) ::  bb                 !:
116    REAL(wp) ::  cc                 !:
117    REAL(wp) ::  d_sum              !:
118    REAL(wp) ::  d_z_p_z0           !:
119    REAL(wp) ::  dd                 !:
120    REAL(wp) ::  de_dx_int_l        !:
121    REAL(wp) ::  de_dx_int_u        !:
122    REAL(wp) ::  de_dy_int_l        !:
123    REAL(wp) ::  de_dy_int_u        !:
124    REAL(wp) ::  de_dt              !:
125    REAL(wp) ::  de_dt_min          !:
126    REAL(wp) ::  de_dz_int_l        !:
127    REAL(wp) ::  de_dz_int_u        !:
128    REAL(wp) ::  diss_int_l         !:
129    REAL(wp) ::  diss_int_u         !:
130    REAL(wp) ::  dt_gap             !:
131    REAL(wp) ::  dt_particle_m      !:
132    REAL(wp) ::  e_int_l            !:
133    REAL(wp) ::  e_int_u            !:
134    REAL(wp) ::  e_mean_int         !:
135    REAL(wp) ::  exp_arg            !:
136    REAL(wp) ::  exp_term           !:
137    REAL(wp) ::  gg                 !:
138    REAL(wp) ::  height_int         !:
139    REAL(wp) ::  height_p           !:
140    REAL(wp) ::  lagr_timescale     !:
141    REAL(wp) ::  location(1:30,1:3) !:
142    REAL(wp) ::  random_gauss       !:
143    REAL(wp) ::  u_int_l            !:
144    REAL(wp) ::  u_int_u            !:
145    REAL(wp) ::  us_int             !:
146    REAL(wp) ::  v_int_l            !:
147    REAL(wp) ::  v_int_u            !:
148    REAL(wp) ::  vv_int             !:
149    REAL(wp) ::  w_int_l            !:
150    REAL(wp) ::  w_int_u            !:
151    REAL(wp) ::  x                  !:
152    REAL(wp) ::  y                  !:
153    REAL(wp) ::  z_p                !:   
154
155    REAL(wp), DIMENSION(1:30) ::  d_gp_pl !:
156    REAL(wp), DIMENSION(1:30) ::  de_dxi  !:
157    REAL(wp), DIMENSION(1:30) ::  de_dyi  !:
158    REAL(wp), DIMENSION(1:30) ::  de_dzi  !:
159    REAL(wp), DIMENSION(1:30) ::  dissi   !:
160    REAL(wp), DIMENSION(1:30) ::  ei      !:
161
162    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  dens_ratio   !:
163    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  de_dx_int    !:
164    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  de_dy_int    !:
165    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  de_dz_int    !:
166    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  diss_int     !:
167    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  dt_particle  !:
168    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  e_int        !:
169    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  fs_int       !:
170    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  log_z_z0_int !:
171    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  u_int        !:
172    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  v_int        !:
173    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  w_int        !:
174    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  xv           !:
175    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  yv           !:
176    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  zv           !:
177
178    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles, 3) ::  rg !:
179
180    CALL cpu_log( log_point_s(44), 'lpm_advec', 'continue' )
181
182!
183!-- Determine height of Prandtl layer and distance between Prandtl-layer
184!-- height and horizontal mean roughness height, which are required for
185!-- vertical logarithmic interpolation of horizontal particle speeds
186!-- (for particles below first vertical grid level).
187    z_p      = zu(nzb+1) - zw(nzb)
188    d_z_p_z0 = 1.0_wp / ( z_p - z0_av_global )
189
190    start_index = grid_particles(kp,jp,ip)%start_index
191    end_index   = grid_particles(kp,jp,ip)%end_index
192
193    xv = particles(1:number_of_particles)%x
194    yv = particles(1:number_of_particles)%y
195    zv = particles(1:number_of_particles)%z
196
197    DO  nb = 0, 7
198
199       i = ip
200       j = jp + block_offset(nb)%j_off
201       k = kp + block_offset(nb)%k_off
202
203!
204!--    Interpolate u velocity-component
205       DO  n = start_index(nb), end_index(nb)
206!
207!--       Interpolation of the u velocity component onto particle position. 
208!--       Particles are interpolation bi-linearly in the horizontal and a
209!--       linearly in the vertical. An exception is made for particles below
210!--       the first vertical grid level in case of a prandtl layer. In this
211!--       case the horizontal particle velocity components are determined using
212!--       Monin-Obukhov relations (if branch).
213!--       First, check if particle is located below first vertical grid level
214!--       (Prandtl-layer height)
215          IF ( prandtl_layer  .AND.  particles(n)%z < z_p )  THEN
216!
217!--          Resolved-scale horizontal particle velocity is zero below z0.
218             IF ( particles(n)%z < z0_av_global )  THEN
219                u_int(n) = 0.0_wp
220             ELSE
221!
222!--             Determine the sublayer. Further used as index.
223                height_p     = ( particles(n)%z - z0_av_global )            &
224                                     * REAL( number_of_sublayers, KIND=wp ) &
225                                     * d_z_p_z0 
226!
227!--             Calculate LOG(z/z0) for exact particle height. Therefore,   
228!--             interpolate linearly between precalculated logarithm.
229                log_z_z0_int(n) = log_z_z0(INT(height_p))                      &
230                                 + ( height_p - INT(height_p) )                &
231                                 * ( log_z_z0(INT(height_p)+1)                 &
232                                      - log_z_z0(INT(height_p))                &
233                                   ) 
234!
235!--             Neutral solution is applied for all situations, e.g. also for
236!--             unstable and stable situations. Even though this is not exact
237!--             this saves a lot of CPU time since several calls of intrinsic
238!--             FORTRAN procedures (LOG, ATAN) are avoided, This is justified
239!--             as sensitivity studies revealed no significant effect of
240!--             using the neutral solution also for un/stable situations.
241!--             Calculated left and bottom index on u grid.
242                us_int = 0.5_wp * ( us(j,i) + us(j,i-1) ) 
243
244                u_int  = -usws(j,i) / ( us_int * kappa + 1E-10_wp )           & 
245                         * log_z_z0_int(n) - u_gtrans
246
247             ENDIF
248!
249!--       Particle above the first grid level. Bi-linear interpolation in the
250!--       horizontal and linear interpolation in the vertical direction.
251          ELSE
252
253             x  = xv(n) + ( 0.5_wp - i ) * dx
254             y  = yv(n) - j * dy
255             aa = x**2          + y**2
256             bb = ( dx - x )**2 + y**2
257             cc = x**2          + ( dy - y )**2
258             dd = ( dx - x )**2 + ( dy - y )**2
259             gg = aa + bb + cc + dd
260
261             u_int_l = ( ( gg - aa ) * u(k,j,i)   + ( gg - bb ) * u(k,j,i+1)   &
262                         + ( gg - cc ) * u(k,j+1,i) + ( gg - dd ) *            &
263                         u(k,j+1,i+1) ) / ( 3.0_wp * gg ) - u_gtrans
264
265             IF ( k == nzt )  THEN
266                u_int(n) = u_int_l
267             ELSE
268                u_int_u = ( ( gg-aa ) * u(k+1,j,i) + ( gg-bb ) * u(k+1,j,i+1)  &
269                            + ( gg-cc ) * u(k+1,j+1,i) + ( gg-dd ) *           &
270                            u(k+1,j+1,i+1) ) / ( 3.0_wp * gg ) - u_gtrans
271                u_int(n) = u_int_l + ( zv(n) - zu(k) ) / dz *                  &
272                           ( u_int_u - u_int_l )
273             ENDIF
274          ENDIF
275
276       ENDDO
277
278       i = ip + block_offset(nb)%i_off
279       j = jp
280       k = kp + block_offset(nb)%k_off
281!
282!--    Same procedure for interpolation of the v velocity-component
283       DO  n = start_index(nb), end_index(nb)
284          IF ( prandtl_layer  .AND.  particles(n)%z < z_p )  THEN
285
286             IF ( particles(n)%z < z0_av_global )  THEN
287!
288!--             Resolved-scale horizontal particle velocity is zero below z0.
289                v_int(n) = 0.0_wp
290             ELSE       
291!
292!--             Neutral solution is applied for all situations, e.g. also for
293!--             unstable and stable situations. Even though this is not exact
294!--             this saves a lot of CPU time since several calls of intrinsic
295!--             FORTRAN procedures (LOG, ATAN) are avoided, This is justified
296!--             as sensitivity studies revealed no significant effect of
297!--             using the neutral solution also for un/stable situations.
298!--             Calculated left and bottom index on v grid.
299                us_int = 0.5_wp * ( us(j,i) + us(j-1,i) )   
300
301                v_int  = -vsws(j,i) / ( us_int * kappa + 1E-10_wp )             &
302                         * log_z_z0_int(n) - v_gtrans
303             ENDIF
304          ELSE
305             x  = xv(n) - i * dx
306             y  = yv(n) + ( 0.5_wp - j ) * dy
307             aa = x**2          + y**2
308             bb = ( dx - x )**2 + y**2
309             cc = x**2          + ( dy - y )**2
310             dd = ( dx - x )**2 + ( dy - y )**2
311             gg = aa + bb + cc + dd
312
313             v_int_l = ( ( gg - aa ) * v(k,j,i)   + ( gg - bb ) * v(k,j,i+1)   &
314                       + ( gg - cc ) * v(k,j+1,i) + ( gg - dd ) * v(k,j+1,i+1) &
315                       ) / ( 3.0_wp * gg ) - v_gtrans
316
317             IF ( k == nzt )  THEN
318                v_int(n) = v_int_l
319             ELSE
320                v_int_u = ( ( gg-aa ) * v(k+1,j,i)   + ( gg-bb ) * v(k+1,j,i+1)   &
321                          + ( gg-cc ) * v(k+1,j+1,i) + ( gg-dd ) * v(k+1,j+1,i+1) &
322                          ) / ( 3.0_wp * gg ) - v_gtrans
323                v_int(n) = v_int_l + ( zv(n) - zu(k) ) / dz * &
324                                  ( v_int_u - v_int_l )
325             ENDIF
326          ENDIF
327
328       ENDDO
329
330       i = ip + block_offset(nb)%i_off
331       j = jp + block_offset(nb)%j_off
332       k = kp-1
333!
334!--    Same procedure for interpolation of the w velocity-component
335       DO  n = start_index(nb), end_index(nb)
336
337          IF ( vertical_particle_advection(particles(n)%group) )  THEN
338
339             x  = xv(n) - i * dx
340             y  = yv(n) - j * dy
341             aa = x**2          + y**2
342             bb = ( dx - x )**2 + y**2
343             cc = x**2          + ( dy - y )**2
344             dd = ( dx - x )**2 + ( dy - y )**2
345             gg = aa + bb + cc + dd
346
347             w_int_l = ( ( gg - aa ) * w(k,j,i)   + ( gg - bb ) * w(k,j,i+1)   &
348                       + ( gg - cc ) * w(k,j+1,i) + ( gg - dd ) * w(k,j+1,i+1) &
349                       ) / ( 3.0_wp * gg )
350
351             IF ( k == nzt )  THEN
352                w_int(n) = w_int_l
353             ELSE
354                w_int_u = ( ( gg-aa ) * w(k+1,j,i)   + &
355                            ( gg-bb ) * w(k+1,j,i+1) + &
356                            ( gg-cc ) * w(k+1,j+1,i) + &
357                            ( gg-dd ) * w(k+1,j+1,i+1) &
358                          ) / ( 3.0_wp * gg )
359                w_int(n) = w_int_l + ( zv(n) - zw(k) ) / dz * &
360                           ( w_int_u - w_int_l )
361             ENDIF
362
363          ELSE
364
365             w_int(n) = 0.0_wp
366
367          ENDIF
368
369       ENDDO
370
371    ENDDO
372
373!-- Interpolate and calculate quantities needed for calculating the SGS
374!-- velocities
375    IF ( use_sgs_for_particles )  THEN
376
377       IF ( topography == 'flat' )  THEN
378
379          DO  nb = 0,7
380
381             i = ip + block_offset(nb)%i_off
382             j = jp + block_offset(nb)%j_off
383             k = kp + block_offset(nb)%k_off
384
385             DO  n = start_index(nb), end_index(nb)
386!
387!--             Interpolate TKE
388                x  = xv(n) - i * dx
389                y  = yv(n) - j * dy
390                aa = x**2          + y**2
391                bb = ( dx - x )**2 + y**2
392                cc = x**2          + ( dy - y )**2
393                dd = ( dx - x )**2 + ( dy - y )**2
394                gg = aa + bb + cc + dd
395
396                e_int_l = ( ( gg-aa ) * e(k,j,i)   + ( gg-bb ) * e(k,j,i+1)   &
397                          + ( gg-cc ) * e(k,j+1,i) + ( gg-dd ) * e(k,j+1,i+1) &
398                          ) / ( 3.0_wp * gg )
399
400                IF ( k+1 == nzt+1 )  THEN
401                   e_int(n) = e_int_l
402                ELSE
403                   e_int_u = ( ( gg - aa ) * e(k+1,j,i)   + &
404                               ( gg - bb ) * e(k+1,j,i+1) + &
405                               ( gg - cc ) * e(k+1,j+1,i) + &
406                               ( gg - dd ) * e(k+1,j+1,i+1) &
407                            ) / ( 3.0_wp * gg )
408                   e_int(n) = e_int_l + ( zv(n) - zu(k) ) / dz * &
409                                     ( e_int_u - e_int_l )
410                ENDIF
411!
412!--             Needed to avoid NaN particle velocities
413                IF ( e_int(n) == 0.0_wp )  THEN
414                   e_int(n) = 1.0E-20_wp
415                ENDIF
416!
417!--             Interpolate the TKE gradient along x (adopt incides i,j,k and
418!--             all position variables from above (TKE))
419                de_dx_int_l = ( ( gg - aa ) * de_dx(k,j,i)   + &
420                                ( gg - bb ) * de_dx(k,j,i+1) + &
421                                ( gg - cc ) * de_dx(k,j+1,i) + &
422                                ( gg - dd ) * de_dx(k,j+1,i+1) &
423                               ) / ( 3.0_wp * gg )
424
425                IF ( ( k+1 == nzt+1 )  .OR.  ( k == nzb ) )  THEN
426                   de_dx_int(n) = de_dx_int_l
427                ELSE
428                   de_dx_int_u = ( ( gg - aa ) * de_dx(k+1,j,i)   + &
429                                   ( gg - bb ) * de_dx(k+1,j,i+1) + &
430                                   ( gg - cc ) * de_dx(k+1,j+1,i) + &
431                                   ( gg - dd ) * de_dx(k+1,j+1,i+1) &
432                                  ) / ( 3.0_wp * gg )
433                   de_dx_int(n) = de_dx_int_l + ( zv(n) - zu(k) ) / dz * &
434                                              ( de_dx_int_u - de_dx_int_l )
435                ENDIF
436!
437!--             Interpolate the TKE gradient along y
438                de_dy_int_l = ( ( gg - aa ) * de_dy(k,j,i)   + &
439                                ( gg - bb ) * de_dy(k,j,i+1) + &
440                                ( gg - cc ) * de_dy(k,j+1,i) + &
441                                ( gg - dd ) * de_dy(k,j+1,i+1) &
442                               ) / ( 3.0_wp * gg )
443                IF ( ( k+1 == nzt+1 )  .OR.  ( k == nzb ) )  THEN
444                   de_dy_int(n) = de_dy_int_l
445                ELSE
446                   de_dy_int_u = ( ( gg - aa ) * de_dy(k+1,j,i)   + &
447                                  ( gg - bb ) * de_dy(k+1,j,i+1) + &
448                                  ( gg - cc ) * de_dy(k+1,j+1,i) + &
449                                  ( gg - dd ) * de_dy(k+1,j+1,i+1) &
450                                  ) / ( 3.0_wp * gg )
451                   de_dy_int(n) = de_dy_int_l + ( zv(n) - zu(k) ) / dz * &
452                                              ( de_dy_int_u - de_dy_int_l )
453                ENDIF
454
455!
456!--             Interpolate the TKE gradient along z
457                IF ( zv(n) < 0.5_wp * dz )  THEN
458                   de_dz_int(n) = 0.0_wp
459                ELSE
460                   de_dz_int_l = ( ( gg - aa ) * de_dz(k,j,i)   + &
461                                   ( gg - bb ) * de_dz(k,j,i+1) + &
462                                   ( gg - cc ) * de_dz(k,j+1,i) + &
463                                   ( gg - dd ) * de_dz(k,j+1,i+1) &
464                                  ) / ( 3.0_wp * gg )
465
466                   IF ( ( k+1 == nzt+1 )  .OR.  ( k == nzb ) )  THEN
467                      de_dz_int(n) = de_dz_int_l
468                   ELSE
469                      de_dz_int_u = ( ( gg - aa ) * de_dz(k+1,j,i)   + &
470                                      ( gg - bb ) * de_dz(k+1,j,i+1) + &
471                                      ( gg - cc ) * de_dz(k+1,j+1,i) + &
472                                      ( gg - dd ) * de_dz(k+1,j+1,i+1) &
473                                     ) / ( 3.0_wp * gg )
474                      de_dz_int(n) = de_dz_int_l + ( zv(n) - zu(k) ) / dz * &
475                                                 ( de_dz_int_u - de_dz_int_l )
476                   ENDIF
477                ENDIF
478
479!
480!--             Interpolate the dissipation of TKE
481                diss_int_l = ( ( gg - aa ) * diss(k,j,i)   + &
482                               ( gg - bb ) * diss(k,j,i+1) + &
483                               ( gg - cc ) * diss(k,j+1,i) + &
484                               ( gg - dd ) * diss(k,j+1,i+1) &
485                              ) / ( 3.0_wp * gg )
486
487                IF ( k == nzt )  THEN
488                   diss_int(n) = diss_int_l
489                ELSE
490                   diss_int_u = ( ( gg - aa ) * diss(k+1,j,i)   + &
491                                  ( gg - bb ) * diss(k+1,j,i+1) + &
492                                  ( gg - cc ) * diss(k+1,j+1,i) + &
493                                  ( gg - dd ) * diss(k+1,j+1,i+1) &
494                                 ) / ( 3.0_wp * gg )
495                   diss_int(n) = diss_int_l + ( zv(n) - zu(k) ) / dz * &
496                                           ( diss_int_u - diss_int_l )
497                ENDIF
498
499             ENDDO
500          ENDDO
501
502       ELSE ! non-flat topography, e.g., buildings
503
504          DO  n = 1, number_of_particles
505
506             i = particles(n)%x * ddx
507             j = particles(n)%y * ddy
508             k = ( zv(n) + 0.5_wp * dz * atmos_ocean_sign ) / dz  &
509                 + offset_ocean_nzt                      ! only exact if eq.dist
510!
511!--          In case that there are buildings it has to be determined
512!--          how many of the gridpoints defining the particle box are
513!--          situated within a building
514!--          gp_outside_of_building(1): i,j,k
515!--          gp_outside_of_building(2): i,j+1,k
516!--          gp_outside_of_building(3): i,j,k+1
517!--          gp_outside_of_building(4): i,j+1,k+1
518!--          gp_outside_of_building(5): i+1,j,k
519!--          gp_outside_of_building(6): i+1,j+1,k
520!--          gp_outside_of_building(7): i+1,j,k+1
521!--          gp_outside_of_building(8): i+1,j+1,k+1
522
523             gp_outside_of_building = 0
524             location = 0.0_wp
525             num_gp = 0
526
527             IF ( k > nzb_s_inner(j,i)  .OR.  nzb_s_inner(j,i) == 0 )  THEN
528                num_gp = num_gp + 1
529                gp_outside_of_building(1) = 1
530                location(num_gp,1) = i * dx
531                location(num_gp,2) = j * dy
532                location(num_gp,3) = k * dz - 0.5_wp * dz
533                ei(num_gp)     = e(k,j,i)
534                dissi(num_gp)  = diss(k,j,i)
535                de_dxi(num_gp) = de_dx(k,j,i)
536                de_dyi(num_gp) = de_dy(k,j,i)
537                de_dzi(num_gp) = de_dz(k,j,i)
538             ENDIF
539
540             IF ( k > nzb_s_inner(j+1,i)  .OR.  nzb_s_inner(j+1,i) == 0 ) &
541             THEN
542                num_gp = num_gp + 1
543                gp_outside_of_building(2) = 1
544                location(num_gp,1) = i * dx
545                location(num_gp,2) = (j+1) * dy
546                location(num_gp,3) = k * dz - 0.5_wp * dz
547                ei(num_gp)     = e(k,j+1,i)
548                dissi(num_gp)  = diss(k,j+1,i)
549                de_dxi(num_gp) = de_dx(k,j+1,i)
550                de_dyi(num_gp) = de_dy(k,j+1,i)
551                de_dzi(num_gp) = de_dz(k,j+1,i)
552             ENDIF
553
554             IF ( k+1 > nzb_s_inner(j,i)  .OR.  nzb_s_inner(j,i) == 0 )  THEN
555                num_gp = num_gp + 1
556                gp_outside_of_building(3) = 1
557                location(num_gp,1) = i * dx
558                location(num_gp,2) = j * dy
559                location(num_gp,3) = (k+1) * dz - 0.5_wp * dz
560                ei(num_gp)     = e(k+1,j,i)
561                dissi(num_gp)  = diss(k+1,j,i)
562                de_dxi(num_gp) = de_dx(k+1,j,i)
563                de_dyi(num_gp) = de_dy(k+1,j,i)
564                de_dzi(num_gp) = de_dz(k+1,j,i)
565             ENDIF
566
567             IF ( k+1 > nzb_s_inner(j+1,i)  .OR.  nzb_s_inner(j+1,i) == 0 ) &
568             THEN
569                num_gp = num_gp + 1
570                gp_outside_of_building(4) = 1
571                location(num_gp,1) = i * dx
572                location(num_gp,2) = (j+1) * dy
573                location(num_gp,3) = (k+1) * dz - 0.5_wp * dz
574                ei(num_gp)     = e(k+1,j+1,i)
575                dissi(num_gp)  = diss(k+1,j+1,i)
576                de_dxi(num_gp) = de_dx(k+1,j+1,i)
577                de_dyi(num_gp) = de_dy(k+1,j+1,i)
578                de_dzi(num_gp) = de_dz(k+1,j+1,i)
579             ENDIF
580
581             IF ( k > nzb_s_inner(j,i+1)  .OR.  nzb_s_inner(j,i+1) == 0 ) &
582             THEN
583                num_gp = num_gp + 1
584                gp_outside_of_building(5) = 1
585                location(num_gp,1) = (i+1) * dx
586                location(num_gp,2) = j * dy
587                location(num_gp,3) = k * dz - 0.5_wp * dz
588                ei(num_gp)     = e(k,j,i+1)
589                dissi(num_gp)  = diss(k,j,i+1)
590                de_dxi(num_gp) = de_dx(k,j,i+1)
591                de_dyi(num_gp) = de_dy(k,j,i+1)
592                de_dzi(num_gp) = de_dz(k,j,i+1)
593             ENDIF
594
595             IF ( k > nzb_s_inner(j+1,i+1)  .OR.  nzb_s_inner(j+1,i+1) == 0 ) &
596             THEN
597                num_gp = num_gp + 1
598                gp_outside_of_building(6) = 1
599                location(num_gp,1) = (i+1) * dx
600                location(num_gp,2) = (j+1) * dy
601                location(num_gp,3) = k * dz - 0.5_wp * dz
602                ei(num_gp)     = e(k,j+1,i+1)
603                dissi(num_gp)  = diss(k,j+1,i+1)
604                de_dxi(num_gp) = de_dx(k,j+1,i+1)
605                de_dyi(num_gp) = de_dy(k,j+1,i+1)
606                de_dzi(num_gp) = de_dz(k,j+1,i+1)
607             ENDIF
608
609             IF ( k+1 > nzb_s_inner(j,i+1)  .OR.  nzb_s_inner(j,i+1) == 0 ) &
610             THEN
611                num_gp = num_gp + 1
612                gp_outside_of_building(7) = 1
613                location(num_gp,1) = (i+1) * dx
614                location(num_gp,2) = j * dy
615                location(num_gp,3) = (k+1) * dz - 0.5_wp * dz
616                ei(num_gp)     = e(k+1,j,i+1)
617                dissi(num_gp)  = diss(k+1,j,i+1)
618                de_dxi(num_gp) = de_dx(k+1,j,i+1)
619                de_dyi(num_gp) = de_dy(k+1,j,i+1)
620                de_dzi(num_gp) = de_dz(k+1,j,i+1)
621             ENDIF
622
623             IF ( k+1 > nzb_s_inner(j+1,i+1)  .OR.  nzb_s_inner(j+1,i+1) == 0)&
624             THEN
625                num_gp = num_gp + 1
626                gp_outside_of_building(8) = 1
627                location(num_gp,1) = (i+1) * dx
628                location(num_gp,2) = (j+1) * dy
629                location(num_gp,3) = (k+1) * dz - 0.5_wp * dz
630                ei(num_gp)     = e(k+1,j+1,i+1)
631                dissi(num_gp)  = diss(k+1,j+1,i+1)
632                de_dxi(num_gp) = de_dx(k+1,j+1,i+1)
633                de_dyi(num_gp) = de_dy(k+1,j+1,i+1)
634                de_dzi(num_gp) = de_dz(k+1,j+1,i+1)
635             ENDIF
636
637!
638!--          If all gridpoints are situated outside of a building, then the
639!--          ordinary interpolation scheme can be used.
640             IF ( num_gp == 8 )  THEN
641
642                x  = particles(n)%x - i * dx
643                y  = particles(n)%y - j * dy
644                aa = x**2          + y**2
645                bb = ( dx - x )**2 + y**2
646                cc = x**2          + ( dy - y )**2
647                dd = ( dx - x )**2 + ( dy - y )**2
648                gg = aa + bb + cc + dd
649
650                e_int_l = ( ( gg - aa ) * e(k,j,i)   + ( gg - bb ) * e(k,j,i+1)   &
651                          + ( gg - cc ) * e(k,j+1,i) + ( gg - dd ) * e(k,j+1,i+1) &
652                          ) / ( 3.0_wp * gg )
653
654                IF ( k == nzt )  THEN
655                   e_int(n) = e_int_l
656                ELSE
657                   e_int_u = ( ( gg - aa ) * e(k+1,j,i)   + &
658                               ( gg - bb ) * e(k+1,j,i+1) + &
659                               ( gg - cc ) * e(k+1,j+1,i) + &
660                               ( gg - dd ) * e(k+1,j+1,i+1) &
661                             ) / ( 3.0_wp * gg )
662                   e_int(n) = e_int_l + ( zv(n) - zu(k) ) / dz * &
663                                     ( e_int_u - e_int_l )
664                ENDIF
665!
666!--             Needed to avoid NaN particle velocities
667                IF ( e_int(n) == 0.0_wp )  THEN
668                   e_int(n) = 1.0E-20_wp
669                ENDIF
670!
671!--             Interpolate the TKE gradient along x (adopt incides i,j,k
672!--             and all position variables from above (TKE))
673                de_dx_int_l = ( ( gg - aa ) * de_dx(k,j,i)   + &
674                                ( gg - bb ) * de_dx(k,j,i+1) + &
675                                ( gg - cc ) * de_dx(k,j+1,i) + &
676                                ( gg - dd ) * de_dx(k,j+1,i+1) &
677                              ) / ( 3.0_wp * gg )
678
679                IF ( ( k == nzt )  .OR.  ( k == nzb ) )  THEN
680                   de_dx_int(n) = de_dx_int_l
681                ELSE
682                   de_dx_int_u = ( ( gg - aa ) * de_dx(k+1,j,i)   + &
683                                   ( gg - bb ) * de_dx(k+1,j,i+1) + &
684                                   ( gg - cc ) * de_dx(k+1,j+1,i) + &
685                                   ( gg - dd ) * de_dx(k+1,j+1,i+1) &
686                                 ) / ( 3.0_wp * gg )
687                   de_dx_int(n) = de_dx_int_l + ( zv(n) - zu(k) ) / &
688                                           dz * ( de_dx_int_u - de_dx_int_l )
689                ENDIF
690
691!
692!--             Interpolate the TKE gradient along y
693                de_dy_int_l = ( ( gg - aa ) * de_dy(k,j,i)   + &
694                                ( gg - bb ) * de_dy(k,j,i+1) + &
695                                ( gg - cc ) * de_dy(k,j+1,i) + &
696                                ( gg - dd ) * de_dy(k,j+1,i+1) &
697                              ) / ( 3.0_wp * gg )
698                IF ( ( k+1 == nzt+1 )  .OR.  ( k == nzb ) )  THEN
699                   de_dy_int(n) = de_dy_int_l
700                ELSE
701                   de_dy_int_u = ( ( gg - aa ) * de_dy(k+1,j,i)   + &
702                                   ( gg - bb ) * de_dy(k+1,j,i+1) + &
703                                   ( gg - cc ) * de_dy(k+1,j+1,i) + &
704                                   ( gg - dd ) * de_dy(k+1,j+1,i+1) &
705                                 ) / ( 3.0_wp * gg )
706                   de_dy_int(n) = de_dy_int_l + ( zv(n) - zu(k) ) / &
707                                           dz * ( de_dy_int_u - de_dy_int_l )
708                ENDIF
709
710!
711!--             Interpolate the TKE gradient along z
712                IF ( zv(n) < 0.5_wp * dz )  THEN
713                   de_dz_int(n) = 0.0_wp
714                ELSE
715                   de_dz_int_l = ( ( gg - aa ) * de_dz(k,j,i)   + &
716                                   ( gg - bb ) * de_dz(k,j,i+1) + &
717                                   ( gg - cc ) * de_dz(k,j+1,i) + &
718                                   ( gg - dd ) * de_dz(k,j+1,i+1) &
719                                 ) / ( 3.0_wp * gg )
720
721                   IF ( ( k+1 == nzt+1 )  .OR.  ( k == nzb ) )  THEN
722                      de_dz_int(n) = de_dz_int_l
723                   ELSE
724                      de_dz_int_u = ( ( gg - aa ) * de_dz(k+1,j,i)   + &
725                                      ( gg - bb ) * de_dz(k+1,j,i+1) + &
726                                      ( gg - cc ) * de_dz(k+1,j+1,i) + &
727                                      ( gg - dd ) * de_dz(k+1,j+1,i+1) &
728                                    ) / ( 3.0_wp * gg )
729                      de_dz_int(n) = de_dz_int_l + ( zv(n) - zu(k) ) /&
730                                           dz * ( de_dz_int_u - de_dz_int_l )
731                   ENDIF
732                ENDIF
733
734!
735!--             Interpolate the dissipation of TKE
736                diss_int_l = ( ( gg - aa ) * diss(k,j,i)   + &
737                               ( gg - bb ) * diss(k,j,i+1) + &
738                               ( gg - cc ) * diss(k,j+1,i) + &
739                               ( gg - dd ) * diss(k,j+1,i+1) &
740                             ) / ( 3.0_wp * gg )
741
742                IF ( k == nzt )  THEN
743                   diss_int(n) = diss_int_l
744                ELSE
745                   diss_int_u = ( ( gg - aa ) * diss(k+1,j,i)   + &
746                                  ( gg - bb ) * diss(k+1,j,i+1) + &
747                                  ( gg - cc ) * diss(k+1,j+1,i) + &
748                                  ( gg - dd ) * diss(k+1,j+1,i+1) &
749                                ) / ( 3.0_wp * gg )
750                   diss_int(n) = diss_int_l + ( zv(n) - zu(k) ) / dz *&
751                                           ( diss_int_u - diss_int_l )
752                ENDIF
753
754             ELSE
755
756!
757!--             If wall between gridpoint 1 and gridpoint 5, then
758!--             Neumann boundary condition has to be applied
759                IF ( gp_outside_of_building(1) == 1  .AND. &
760                     gp_outside_of_building(5) == 0 )  THEN
761                   num_gp = num_gp + 1
762                   location(num_gp,1) = i * dx + 0.5_wp * dx
763                   location(num_gp,2) = j * dy
764                   location(num_gp,3) = k * dz - 0.5_wp * dz
765                   ei(num_gp)     = e(k,j,i)
766                   dissi(num_gp)  = diss(k,j,i)
767                   de_dxi(num_gp) = 0.0_wp
768                   de_dyi(num_gp) = de_dy(k,j,i)
769                   de_dzi(num_gp) = de_dz(k,j,i)
770                ENDIF
771
772                IF ( gp_outside_of_building(5) == 1  .AND. &
773                   gp_outside_of_building(1) == 0 )  THEN
774                   num_gp = num_gp + 1
775                   location(num_gp,1) = i * dx + 0.5_wp * dx
776                   location(num_gp,2) = j * dy
777                   location(num_gp,3) = k * dz - 0.5_wp * dz
778                   ei(num_gp)     = e(k,j,i+1)
779                   dissi(num_gp)  = diss(k,j,i+1)
780                   de_dxi(num_gp) = 0.0_wp
781                   de_dyi(num_gp) = de_dy(k,j,i+1)
782                   de_dzi(num_gp) = de_dz(k,j,i+1)
783                ENDIF
784
785!
786!--             If wall between gridpoint 5 and gridpoint 6, then
787!--             then Neumann boundary condition has to be applied
788                IF ( gp_outside_of_building(5) == 1  .AND. &
789                     gp_outside_of_building(6) == 0 )  THEN
790                   num_gp = num_gp + 1
791                   location(num_gp,1) = (i+1) * dx
792                   location(num_gp,2) = j * dy + 0.5_wp * dy
793                   location(num_gp,3) = k * dz - 0.5_wp * dz
794                   ei(num_gp)     = e(k,j,i+1)
795                   dissi(num_gp)  = diss(k,j,i+1)
796                   de_dxi(num_gp) = de_dx(k,j,i+1)
797                   de_dyi(num_gp) = 0.0_wp
798                   de_dzi(num_gp) = de_dz(k,j,i+1)
799                ENDIF
800
801                IF ( gp_outside_of_building(6) == 1  .AND. &
802                     gp_outside_of_building(5) == 0 )  THEN
803                   num_gp = num_gp + 1
804                   location(num_gp,1) = (i+1) * dx
805                   location(num_gp,2) = j * dy + 0.5_wp * dy
806                   location(num_gp,3) = k * dz - 0.5_wp * dz
807                   ei(num_gp)     = e(k,j+1,i+1)
808                   dissi(num_gp)  = diss(k,j+1,i+1)
809                   de_dxi(num_gp) = de_dx(k,j+1,i+1)
810                   de_dyi(num_gp) = 0.0_wp
811                   de_dzi(num_gp) = de_dz(k,j+1,i+1)
812                ENDIF
813
814!
815!--             If wall between gridpoint 2 and gridpoint 6, then
816!--             Neumann boundary condition has to be applied
817                IF ( gp_outside_of_building(2) == 1  .AND. &
818                     gp_outside_of_building(6) == 0 )  THEN
819                   num_gp = num_gp + 1
820                   location(num_gp,1) = i * dx + 0.5_wp * dx
821                   location(num_gp,2) = (j+1) * dy
822                   location(num_gp,3) = k * dz - 0.5_wp * dz
823                   ei(num_gp)     = e(k,j+1,i)
824                   dissi(num_gp)  = diss(k,j+1,i)
825                   de_dxi(num_gp) = 0.0_wp
826                   de_dyi(num_gp) = de_dy(k,j+1,i)
827                   de_dzi(num_gp) = de_dz(k,j+1,i)
828                ENDIF
829
830                IF ( gp_outside_of_building(6) == 1  .AND. &
831                     gp_outside_of_building(2) == 0 )  THEN
832                   num_gp = num_gp + 1
833                   location(num_gp,1) = i * dx + 0.5_wp * dx
834                   location(num_gp,2) = (j+1) * dy
835                   location(num_gp,3) = k * dz - 0.5_wp * dz
836                   ei(num_gp)     = e(k,j+1,i+1)
837                   dissi(num_gp)  = diss(k,j+1,i+1)
838                   de_dxi(num_gp) = 0.0_wp
839                   de_dyi(num_gp) = de_dy(k,j+1,i+1)
840                   de_dzi(num_gp) = de_dz(k,j+1,i+1)
841                ENDIF
842
843!
844!--             If wall between gridpoint 1 and gridpoint 2, then
845!--             Neumann boundary condition has to be applied
846                IF ( gp_outside_of_building(1) == 1  .AND. &
847                     gp_outside_of_building(2) == 0 )  THEN
848                   num_gp = num_gp + 1
849                   location(num_gp,1) = i * dx
850                   location(num_gp,2) = j * dy + 0.5_wp * dy
851                   location(num_gp,3) = k * dz - 0.5_wp * dz
852                   ei(num_gp)     = e(k,j,i)
853                   dissi(num_gp)  = diss(k,j,i)
854                   de_dxi(num_gp) = de_dx(k,j,i)
855                   de_dyi(num_gp) = 0.0_wp
856                   de_dzi(num_gp) = de_dz(k,j,i)
857                ENDIF
858
859                IF ( gp_outside_of_building(2) == 1  .AND. &
860                     gp_outside_of_building(1) == 0 )  THEN
861                   num_gp = num_gp + 1
862                   location(num_gp,1) = i * dx
863                   location(num_gp,2) = j * dy + 0.5_wp * dy
864                   location(num_gp,3) = k * dz - 0.5_wp * dz
865                   ei(num_gp)     = e(k,j+1,i)
866                   dissi(num_gp)  = diss(k,j+1,i)
867                   de_dxi(num_gp) = de_dx(k,j+1,i)
868                   de_dyi(num_gp) = 0.0_wp
869                   de_dzi(num_gp) = de_dz(k,j+1,i)
870                ENDIF
871
872!
873!--             If wall between gridpoint 3 and gridpoint 7, then
874!--             Neumann boundary condition has to be applied
875                IF ( gp_outside_of_building(3) == 1  .AND. &
876                     gp_outside_of_building(7) == 0 )  THEN
877                   num_gp = num_gp + 1
878                   location(num_gp,1) = i * dx + 0.5_wp * dx
879                   location(num_gp,2) = j * dy
880                   location(num_gp,3) = k * dz + 0.5_wp * dz
881                   ei(num_gp)     = e(k+1,j,i)
882                   dissi(num_gp)  = diss(k+1,j,i)
883                   de_dxi(num_gp) = 0.0_wp
884                   de_dyi(num_gp) = de_dy(k+1,j,i)
885                   de_dzi(num_gp) = de_dz(k+1,j,i) 
886                ENDIF
887
888                IF ( gp_outside_of_building(7) == 1  .AND. &
889                     gp_outside_of_building(3) == 0 )  THEN
890                   num_gp = num_gp + 1
891                   location(num_gp,1) = i * dx + 0.5_wp * dx
892                   location(num_gp,2) = j * dy
893                   location(num_gp,3) = k * dz + 0.5_wp * dz
894                   ei(num_gp)     = e(k+1,j,i+1)
895                   dissi(num_gp)  = diss(k+1,j,i+1)
896                   de_dxi(num_gp) = 0.0_wp
897                   de_dyi(num_gp) = de_dy(k+1,j,i+1)
898                   de_dzi(num_gp) = de_dz(k+1,j,i+1)
899                ENDIF
900
901!
902!--             If wall between gridpoint 7 and gridpoint 8, then
903!--             Neumann boundary condition has to be applied
904                IF ( gp_outside_of_building(7) == 1  .AND. &
905                     gp_outside_of_building(8) == 0 )  THEN
906                   num_gp = num_gp + 1
907                   location(num_gp,1) = (i+1) * dx
908                   location(num_gp,2) = j * dy + 0.5_wp * dy
909                   location(num_gp,3) = k * dz + 0.5_wp * dz
910                   ei(num_gp)     = e(k+1,j,i+1)
911                   dissi(num_gp)  = diss(k+1,j,i+1)
912                   de_dxi(num_gp) = de_dx(k+1,j,i+1)
913                   de_dyi(num_gp) = 0.0_wp
914                   de_dzi(num_gp) = de_dz(k+1,j,i+1)
915                ENDIF
916
917                IF ( gp_outside_of_building(8) == 1  .AND. &
918                     gp_outside_of_building(7) == 0 )  THEN
919                   num_gp = num_gp + 1
920                   location(num_gp,1) = (i+1) * dx
921                   location(num_gp,2) = j * dy + 0.5_wp * dy
922                   location(num_gp,3) = k * dz + 0.5_wp * dz
923                   ei(num_gp)     = e(k+1,j+1,i+1)
924                   dissi(num_gp)  = diss(k+1,j+1,i+1)
925                   de_dxi(num_gp) = de_dx(k+1,j+1,i+1)
926                   de_dyi(num_gp) = 0.0_wp
927                   de_dzi(num_gp) = de_dz(k+1,j+1,i+1)
928                ENDIF
929
930!
931!--             If wall between gridpoint 4 and gridpoint 8, then
932!--             Neumann boundary condition has to be applied
933                IF ( gp_outside_of_building(4) == 1  .AND. &
934                     gp_outside_of_building(8) == 0 )  THEN
935                   num_gp = num_gp + 1
936                   location(num_gp,1) = i * dx + 0.5_wp * dx
937                   location(num_gp,2) = (j+1) * dy
938                   location(num_gp,3) = k * dz + 0.5_wp * dz
939                   ei(num_gp)     = e(k+1,j+1,i)
940                   dissi(num_gp)  = diss(k+1,j+1,i)
941                   de_dxi(num_gp) = 0.0_wp
942                   de_dyi(num_gp) = de_dy(k+1,j+1,i)
943                   de_dzi(num_gp) = de_dz(k+1,j+1,i)
944                ENDIF
945
946                IF ( gp_outside_of_building(8) == 1  .AND. &
947                     gp_outside_of_building(4) == 0 )  THEN
948                   num_gp = num_gp + 1
949                   location(num_gp,1) = i * dx + 0.5_wp * dx
950                   location(num_gp,2) = (j+1) * dy
951                   location(num_gp,3) = k * dz + 0.5_wp * dz
952                   ei(num_gp)     = e(k+1,j+1,i+1)
953                   dissi(num_gp)  = diss(k+1,j+1,i+1)
954                   de_dxi(num_gp) = 0.0_wp
955                   de_dyi(num_gp) = de_dy(k+1,j+1,i+1)
956                   de_dzi(num_gp) = de_dz(k+1,j+1,i+1)
957                ENDIF
958
959!
960!--             If wall between gridpoint 3 and gridpoint 4, then
961!--             Neumann boundary condition has to be applied
962                IF ( gp_outside_of_building(3) == 1  .AND. &
963                     gp_outside_of_building(4) == 0 )  THEN
964                   num_gp = num_gp + 1
965                   location(num_gp,1) = i * dx
966                   location(num_gp,2) = j * dy + 0.5_wp * dy
967                   location(num_gp,3) = k * dz + 0.5_wp * dz
968                   ei(num_gp)     = e(k+1,j,i)
969                   dissi(num_gp)  = diss(k+1,j,i)
970                   de_dxi(num_gp) = de_dx(k+1,j,i)
971                   de_dyi(num_gp) = 0.0_wp
972                   de_dzi(num_gp) = de_dz(k+1,j,i)
973                ENDIF
974
975                IF ( gp_outside_of_building(4) == 1  .AND. &
976                     gp_outside_of_building(3) == 0 )  THEN
977                   num_gp = num_gp + 1
978                   location(num_gp,1) = i * dx
979                   location(num_gp,2) = j * dy + 0.5_wp * dy
980                   location(num_gp,3) = k * dz + 0.5_wp * dz
981                   ei(num_gp)     = e(k+1,j+1,i)
982                   dissi(num_gp)  = diss(k+1,j+1,i)
983                   de_dxi(num_gp) = de_dx(k+1,j+1,i)
984                   de_dyi(num_gp) = 0.0_wp
985                   de_dzi(num_gp) = de_dz(k+1,j+1,i)
986                ENDIF
987
988!
989!--             If wall between gridpoint 1 and gridpoint 3, then
990!--             Neumann boundary condition has to be applied
991!--             (only one case as only building beneath is possible)
992                IF ( gp_outside_of_building(1) == 0  .AND. &
993                     gp_outside_of_building(3) == 1 )  THEN
994                   num_gp = num_gp + 1
995                   location(num_gp,1) = i * dx
996                   location(num_gp,2) = j * dy
997                   location(num_gp,3) = k * dz
998                   ei(num_gp)     = e(k+1,j,i)
999                   dissi(num_gp)  = diss(k+1,j,i)
1000                   de_dxi(num_gp) = de_dx(k+1,j,i)
1001                   de_dyi(num_gp) = de_dy(k+1,j,i)
1002                   de_dzi(num_gp) = 0.0_wp
1003                ENDIF
1004
1005!
1006!--             If wall between gridpoint 5 and gridpoint 7, then
1007!--             Neumann boundary condition has to be applied
1008!--             (only one case as only building beneath is possible)
1009                IF ( gp_outside_of_building(5) == 0  .AND. &
1010                     gp_outside_of_building(7) == 1 )  THEN
1011                   num_gp = num_gp + 1
1012                   location(num_gp,1) = (i+1) * dx
1013                   location(num_gp,2) = j * dy
1014                   location(num_gp,3) = k * dz
1015                   ei(num_gp)     = e(k+1,j,i+1)
1016                   dissi(num_gp)  = diss(k+1,j,i+1)
1017                   de_dxi(num_gp) = de_dx(k+1,j,i+1)
1018                   de_dyi(num_gp) = de_dy(k+1,j,i+1)
1019                   de_dzi(num_gp) = 0.0_wp
1020                ENDIF
1021
1022!
1023!--             If wall between gridpoint 2 and gridpoint 4, then
1024!--             Neumann boundary condition has to be applied
1025!--             (only one case as only building beneath is possible)
1026                IF ( gp_outside_of_building(2) == 0  .AND. &
1027                     gp_outside_of_building(4) == 1 )  THEN
1028                   num_gp = num_gp + 1
1029                   location(num_gp,1) = i * dx
1030                   location(num_gp,2) = (j+1) * dy
1031                   location(num_gp,3) = k * dz
1032                   ei(num_gp)     = e(k+1,j+1,i)
1033                   dissi(num_gp)  = diss(k+1,j+1,i)
1034                   de_dxi(num_gp) = de_dx(k+1,j+1,i)
1035                   de_dyi(num_gp) = de_dy(k+1,j+1,i)
1036                   de_dzi(num_gp) = 0.0_wp
1037                ENDIF
1038
1039!
1040!--             If wall between gridpoint 6 and gridpoint 8, then
1041!--             Neumann boundary condition has to be applied
1042!--             (only one case as only building beneath is possible)
1043                IF ( gp_outside_of_building(6) == 0  .AND. &
1044                     gp_outside_of_building(8) == 1 )  THEN
1045                   num_gp = num_gp + 1
1046                   location(num_gp,1) = (i+1) * dx
1047                   location(num_gp,2) = (j+1) * dy
1048                   location(num_gp,3) = k * dz
1049                   ei(num_gp)     = e(k+1,j+1,i+1)
1050                   dissi(num_gp)  = diss(k+1,j+1,i+1)
1051                   de_dxi(num_gp) = de_dx(k+1,j+1,i+1)
1052                   de_dyi(num_gp) = de_dy(k+1,j+1,i+1)
1053                   de_dzi(num_gp) = 0.0_wp
1054                ENDIF
1055
1056!
1057!--             Carry out the interpolation
1058                IF ( num_gp == 1 )  THEN
1059!
1060!--                If only one of the gridpoints is situated outside of the
1061!--                building, it follows that the values at the particle
1062!--                location are the same as the gridpoint values
1063                   e_int(n)     = ei(num_gp)
1064                   diss_int(n)  = dissi(num_gp)
1065                   de_dx_int(n) = de_dxi(num_gp)
1066                   de_dy_int(n) = de_dyi(num_gp)
1067                   de_dz_int(n) = de_dzi(num_gp)
1068                ELSE IF ( num_gp > 1 )  THEN
1069
1070                   d_sum = 0.0_wp
1071!
1072!--                Evaluation of the distances between the gridpoints
1073!--                contributing to the interpolated values, and the particle
1074!--                location
1075                   DO  agp = 1, num_gp
1076                      d_gp_pl(agp) = ( particles(n)%x-location(agp,1) )**2  &
1077                                   + ( particles(n)%y-location(agp,2) )**2  &
1078                                   + ( zv(n)-location(agp,3) )**2
1079                      d_sum        = d_sum + d_gp_pl(agp)
1080                   ENDDO
1081
1082!
1083!--                Finally the interpolation can be carried out
1084                   e_int(n)     = 0.0_wp 
1085                   diss_int(n)  = 0.0_wp 
1086                   de_dx_int(n) = 0.0_wp 
1087                   de_dy_int(n) = 0.0_wp 
1088                   de_dz_int(n) = 0.0_wp 
1089                   DO  agp = 1, num_gp
1090                      e_int(n)     = e_int(n)     + ( d_sum - d_gp_pl(agp) ) * &
1091                                             ei(agp) / ( (num_gp-1) * d_sum )
1092                      diss_int(n)  = diss_int(n)  + ( d_sum - d_gp_pl(agp) ) * &
1093                                          dissi(agp) / ( (num_gp-1) * d_sum )
1094                      de_dx_int(n) = de_dx_int(n) + ( d_sum - d_gp_pl(agp) ) * &
1095                                         de_dxi(agp) / ( (num_gp-1) * d_sum )
1096                      de_dy_int(n) = de_dy_int(n) + ( d_sum - d_gp_pl(agp) ) * &
1097                                         de_dyi(agp) / ( (num_gp-1) * d_sum )
1098                      de_dz_int(n) = de_dz_int(n) + ( d_sum - d_gp_pl(agp) ) * &
1099                                         de_dzi(agp) / ( (num_gp-1) * d_sum )
1100                   ENDDO
1101
1102                ENDIF
1103
1104             ENDIF
1105          ENDDO
1106       ENDIF
1107
1108       DO nb = 0,7
1109          i = ip + block_offset(nb)%i_off
1110          j = jp + block_offset(nb)%j_off
1111          k = kp + block_offset(nb)%k_off
1112
1113          DO  n = start_index(nb), end_index(nb)
1114!
1115!--          Vertical interpolation of the horizontally averaged SGS TKE and
1116!--          resolved-scale velocity variances and use the interpolated values
1117!--          to calculate the coefficient fs, which is a measure of the ratio
1118!--          of the subgrid-scale turbulent kinetic energy to the total amount
1119!--          of turbulent kinetic energy.
1120             IF ( k == 0 )  THEN
1121                e_mean_int = hom(0,1,8,0)
1122             ELSE
1123                e_mean_int = hom(k,1,8,0) +                                    &
1124                                           ( hom(k+1,1,8,0) - hom(k,1,8,0) ) / &
1125                                           ( zu(k+1) - zu(k) ) *               &
1126                                           ( zv(n) - zu(k) )
1127             ENDIF
1128
1129 !           kw = particles(n)%z / dz
1130             kw = kp-1                                    ! ok for ocean??? ( + offset_ocean_nzt_m1 ???)
1131
1132             IF ( k == 0 )  THEN
1133                aa  = hom(k+1,1,30,0)  * ( zv(n) / &
1134                                         ( 0.5_wp * ( zu(k+1) - zu(k) ) ) )
1135                bb  = hom(k+1,1,31,0)  * ( zv(n) / &
1136                                         ( 0.5_wp * ( zu(k+1) - zu(k) ) ) )
1137                cc  = hom(kw+1,1,32,0) * ( zv(n) / &
1138                                         ( 1.0_wp * ( zw(kw+1) - zw(kw) ) ) )
1139             ELSE
1140                aa  = hom(k,1,30,0) + ( hom(k+1,1,30,0) - hom(k,1,30,0) ) *    &
1141                           ( ( zv(n) - zu(k) ) / ( zu(k+1) - zu(k) ) )
1142                bb  = hom(k,1,31,0) + ( hom(k+1,1,31,0) - hom(k,1,31,0) ) *    &
1143                           ( ( zv(n) - zu(k) ) / ( zu(k+1) - zu(k) ) )
1144                cc  = hom(kw,1,32,0) + ( hom(kw+1,1,32,0)-hom(kw,1,32,0) ) *   &
1145                           ( ( zv(n) - zw(kw) ) / ( zw(kw+1)-zw(kw) ) )
1146             ENDIF
1147
1148             vv_int = ( 1.0_wp / 3.0_wp ) * ( aa + bb + cc )
1149!
1150!--          Needed to avoid NaN particle velocities. The value of 1.0 is just
1151!--          an educated guess for the given case.
1152             IF ( vv_int + ( 2.0_wp / 3.0_wp ) * e_mean_int == 0.0_wp )  THEN
1153                fs_int(n) = 1.0_wp
1154             ELSE
1155                fs_int(n) = ( 2.0_wp / 3.0_wp ) * e_mean_int /                 &
1156                            ( vv_int + ( 2.0_wp / 3.0_wp ) * e_mean_int )
1157             ENDIF
1158
1159          ENDDO
1160       ENDDO
1161
1162       DO  n = 1, number_of_particles
1163
1164         rg(n,1) = random_gauss( iran_part, 5.0_wp )
1165         rg(n,2) = random_gauss( iran_part, 5.0_wp )
1166         rg(n,3) = random_gauss( iran_part, 5.0_wp )
1167
1168       ENDDO
1169
1170       DO  n = 1, number_of_particles
1171!
1172!--       Calculate the Lagrangian timescale according to Weil et al. (2004).
1173          lagr_timescale = ( 4.0_wp * e_int(n) ) / &
1174                           ( 3.0_wp * fs_int(n) * c_0 * diss_int(n) )
1175
1176!
1177!--       Calculate the next particle timestep. dt_gap is the time needed to
1178!--       complete the current LES timestep.
1179          dt_gap = dt_3d - particles(n)%dt_sum
1180          dt_particle(n) = MIN( dt_3d, 0.025_wp * lagr_timescale, dt_gap )
1181
1182!
1183!--       The particle timestep should not be too small in order to prevent
1184!--       the number of particle timesteps of getting too large
1185          IF ( dt_particle(n) < dt_min_part  .AND.  dt_min_part < dt_gap )  THEN
1186             dt_particle(n) = dt_min_part
1187          ENDIF
1188
1189!
1190!--       Calculate the SGS velocity components
1191          IF ( particles(n)%age == 0.0_wp )  THEN
1192!
1193!--          For new particles the SGS components are derived from the SGS
1194!--          TKE. Limit the Gaussian random number to the interval
1195!--          [-5.0*sigma, 5.0*sigma] in order to prevent the SGS velocities
1196!--          from becoming unrealistically large.
1197             particles(n)%rvar1 = SQRT( 2.0_wp * sgs_wfu_part * e_int(n) ) *   &
1198                                  ( rg(n,1) - 1.0_wp )
1199             particles(n)%rvar2 = SQRT( 2.0_wp * sgs_wfv_part * e_int(n) ) *   &
1200                                  ( rg(n,2) - 1.0_wp )
1201             particles(n)%rvar3 = SQRT( 2.0_wp * sgs_wfw_part * e_int(n) ) *   &
1202                                  ( rg(n,3) - 1.0_wp )
1203
1204          ELSE
1205!
1206!--          Restriction of the size of the new timestep: compared to the
1207!--          previous timestep the increase must not exceed 200%
1208
1209             dt_particle_m = particles(n)%age - particles(n)%age_m
1210             IF ( dt_particle(n) > 2.0_wp * dt_particle_m )  THEN
1211                dt_particle(n) = 2.0_wp * dt_particle_m
1212             ENDIF
1213
1214!
1215!--          For old particles the SGS components are correlated with the
1216!--          values from the previous timestep. Random numbers have also to
1217!--          be limited (see above).
1218!--          As negative values for the subgrid TKE are not allowed, the
1219!--          change of the subgrid TKE with time cannot be smaller than
1220!--          -e_int(n)/dt_particle. This value is used as a lower boundary
1221!--          value for the change of TKE
1222
1223             de_dt_min = - e_int(n) / dt_particle(n)
1224
1225             de_dt = ( e_int(n) - particles(n)%e_m ) / dt_particle_m
1226
1227             IF ( de_dt < de_dt_min )  THEN
1228                de_dt = de_dt_min
1229             ENDIF
1230
1231             particles(n)%rvar1 = particles(n)%rvar1 - fs_int(n) * c_0 *       &
1232                           diss_int(n) * particles(n)%rvar1 * dt_particle(n) / &
1233                           ( 4.0_wp * sgs_wfu_part * e_int(n) ) +              &
1234                           ( 2.0_wp * sgs_wfu_part * de_dt *                   &
1235                             particles(n)%rvar1 /                              &
1236                             ( 2.0_wp * sgs_wfu_part * e_int(n) ) +            &
1237                             de_dx_int(n)                                      &
1238                           ) * dt_particle(n) / 2.0_wp          +              &
1239                           SQRT( fs_int(n) * c_0 * diss_int(n) ) *             &
1240                           ( rg(n,1) - 1.0_wp ) *                              &
1241                           SQRT( dt_particle(n) )
1242
1243             particles(n)%rvar2 = particles(n)%rvar2 - fs_int(n) * c_0 *       &
1244                           diss_int(n) * particles(n)%rvar2 * dt_particle(n) / &
1245                           ( 4.0_wp * sgs_wfv_part * e_int(n) ) +              &
1246                           ( 2.0_wp * sgs_wfv_part * de_dt *                   &
1247                             particles(n)%rvar2 /                              &
1248                             ( 2.0_wp * sgs_wfv_part * e_int(n) ) +            &
1249                             de_dy_int(n)                                      &
1250                           ) * dt_particle(n) / 2.0_wp          +              &
1251                           SQRT( fs_int(n) * c_0 * diss_int(n) ) *             &
1252                           ( rg(n,2) - 1.0_wp ) *                              &
1253                           SQRT( dt_particle(n) )
1254
1255             particles(n)%rvar3 = particles(n)%rvar3 - fs_int(n) * c_0 *       &
1256                           diss_int(n) * particles(n)%rvar3 * dt_particle(n) / &
1257                           ( 4.0_wp * sgs_wfw_part * e_int(n) ) +              &
1258                           ( 2.0_wp * sgs_wfw_part * de_dt *                   &
1259                             particles(n)%rvar3 /                              &
1260                             ( 2.0_wp * sgs_wfw_part * e_int(n) ) +            &
1261                             de_dz_int(n)                                      &
1262                           ) * dt_particle(n) / 2.0_wp          +              &
1263                           SQRT( fs_int(n) * c_0 * diss_int(n) ) *             &
1264                           ( rg(n,3) - 1.0_wp ) *                              &
1265                           SQRT( dt_particle(n) )
1266
1267          ENDIF
1268          u_int(n) = u_int(n) + particles(n)%rvar1
1269          v_int(n) = v_int(n) + particles(n)%rvar2
1270          w_int(n) = w_int(n) + particles(n)%rvar3
1271
1272!
1273!--       Store the SGS TKE of the current timelevel which is needed for
1274!--       for calculating the SGS particle velocities at the next timestep
1275          particles(n)%e_m = e_int(n)
1276       ENDDO
1277
1278    ELSE
1279!
1280!--    If no SGS velocities are used, only the particle timestep has to
1281!--    be set
1282       dt_particle = dt_3d
1283
1284    ENDIF
1285!
1286!-- Store the old age of the particle ( needed to prevent that a
1287!-- particle crosses several PEs during one timestep, and for the
1288!-- evaluation of the subgrid particle velocity fluctuations )
1289    particles(1:number_of_particles)%age_m = particles(1:number_of_particles)%age
1290
1291    dens_ratio = particle_groups(particles(1:number_of_particles)%group)%density_ratio
1292
1293    IF ( ANY( dens_ratio == 0.0_wp ) )  THEN
1294       DO  n = 1, number_of_particles
1295
1296!
1297!--       Particle advection
1298          IF ( dens_ratio(n) == 0.0_wp )  THEN
1299!
1300!--          Pure passive transport (without particle inertia)
1301             particles(n)%x = xv(n) + u_int(n) * dt_particle(n)
1302             particles(n)%y = yv(n) + v_int(n) * dt_particle(n)
1303             particles(n)%z = zv(n) + w_int(n) * dt_particle(n)
1304
1305             particles(n)%speed_x = u_int(n)
1306             particles(n)%speed_y = v_int(n)
1307             particles(n)%speed_z = w_int(n)
1308
1309          ELSE
1310!
1311!--          Transport of particles with inertia
1312             particles(n)%x = particles(n)%x + particles(n)%speed_x * &
1313                                               dt_particle(n)
1314             particles(n)%y = particles(n)%y + particles(n)%speed_y * &
1315                                               dt_particle(n)
1316             particles(n)%z = particles(n)%z + particles(n)%speed_z * &
1317                                               dt_particle(n)
1318
1319!
1320!--          Update of the particle velocity
1321             IF ( cloud_droplets )  THEN
1322                exp_arg  = 4.5_wp * dens_ratio(n) * molecular_viscosity /      &
1323                           ( particles(n)%radius )**2 *                        &
1324                           ( 1.0_wp + 0.15_wp * ( 2.0_wp * particles(n)%radius &
1325                             * SQRT( ( u_int(n) - particles(n)%speed_x )**2 +  &
1326                                     ( v_int(n) - particles(n)%speed_y )**2 +  &
1327                                     ( w_int(n) - particles(n)%speed_z )**2 )  &
1328                                          / molecular_viscosity )**0.687_wp    &
1329                           )
1330
1331                exp_term = EXP( -exp_arg * dt_particle(n) )
1332             ELSEIF ( use_sgs_for_particles )  THEN
1333                exp_arg  = particle_groups(particles(n)%group)%exp_arg
1334                exp_term = EXP( -exp_arg * dt_particle(n) )
1335             ELSE
1336                exp_arg  = particle_groups(particles(n)%group)%exp_arg
1337                exp_term = particle_groups(particles(n)%group)%exp_term
1338             ENDIF
1339             particles(n)%speed_x = particles(n)%speed_x * exp_term +          &
1340                                    u_int(n) * ( 1.0_wp - exp_term )
1341             particles(n)%speed_y = particles(n)%speed_y * exp_term +          &
1342                                    v_int(n) * ( 1.0_wp - exp_term )
1343             particles(n)%speed_z = particles(n)%speed_z * exp_term +          &
1344                                    ( w_int(n) - ( 1.0_wp - dens_ratio(n) ) *  &
1345                                    g / exp_arg ) * ( 1.0_wp - exp_term )
1346          ENDIF
1347
1348       ENDDO
1349   
1350    ELSE
1351
1352       DO  n = 1, number_of_particles
1353
1354!--       Transport of particles with inertia
1355          particles(n)%x = xv(n) + particles(n)%speed_x * dt_particle(n)
1356          particles(n)%y = yv(n) + particles(n)%speed_y * dt_particle(n)
1357          particles(n)%z = zv(n) + particles(n)%speed_z * dt_particle(n)
1358!
1359!--       Update of the particle velocity
1360          IF ( cloud_droplets )  THEN
1361
1362             exp_arg  = 4.5_wp * dens_ratio(n) * molecular_viscosity /         &
1363                        ( particles(n)%radius )**2 *                           &
1364                        ( 1.0_wp + 0.15_wp * ( 2.0_wp * particles(n)%radius *  &
1365                          SQRT( ( u_int(n) - particles(n)%speed_x )**2 +       &
1366                                ( v_int(n) - particles(n)%speed_y )**2 +       &
1367                                ( w_int(n) - particles(n)%speed_z )**2 ) /     &
1368                                         molecular_viscosity )**0.687_wp       &
1369                        )
1370
1371             exp_term = EXP( -exp_arg * dt_particle(n) )
1372          ELSEIF ( use_sgs_for_particles )  THEN
1373             exp_arg  = particle_groups(particles(n)%group)%exp_arg
1374             exp_term = EXP( -exp_arg * dt_particle(n) )
1375          ELSE
1376             exp_arg  = particle_groups(particles(n)%group)%exp_arg
1377             exp_term = particle_groups(particles(n)%group)%exp_term
1378          ENDIF
1379          particles(n)%speed_x = particles(n)%speed_x * exp_term +             &
1380                                 u_int(n) * ( 1.0_wp - exp_term )
1381          particles(n)%speed_y = particles(n)%speed_y * exp_term +             &
1382                                 v_int(n) * ( 1.0_wp - exp_term )
1383          particles(n)%speed_z = particles(n)%speed_z * exp_term +             &
1384                                 ( w_int(n) - ( 1.0_wp - dens_ratio(n) ) * g / &
1385                                 exp_arg ) * ( 1.0_wp - exp_term )
1386       ENDDO
1387
1388    ENDIF
1389
1390    DO  n = 1, number_of_particles
1391!
1392!--    Increment the particle age and the total time that the particle
1393!--    has advanced within the particle timestep procedure
1394       particles(n)%age    = particles(n)%age    + dt_particle(n)
1395       particles(n)%dt_sum = particles(n)%dt_sum + dt_particle(n)
1396
1397!
1398!--    Check whether there is still a particle that has not yet completed
1399!--    the total LES timestep
1400       IF ( ( dt_3d - particles(n)%dt_sum ) > 1E-8_wp )  THEN
1401          dt_3d_reached_l = .FALSE.
1402       ENDIF
1403
1404    ENDDO
1405
1406    CALL cpu_log( log_point_s(44), 'lpm_advec', 'pause' )
1407
1408 END SUBROUTINE lpm_advec
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.