source: palm/trunk/SOURCE/lpm_advec.f90 @ 1369

Last change on this file since 1369 was 1369, checked in by raasch, 11 years ago

routine description added, usage of module interfaces removed

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 61.1 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! usage of module interfaces removed
23!
24! Former revisions:
25! -----------------
26! $Id: lpm_advec.f90 1369 2014-04-24 05:57:38Z raasch $
27!
28! 1359 2014-04-11 17:15:14Z hoffmann
29! New particle structure integrated.
30! Kind definition added to all floating point numbers.
31!
32! 1322 2014-03-20 16:38:49Z raasch
33! REAL constants defined as wp_kind
34!
35! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
36! ONLY-attribute added to USE-statements,
37! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
38! kinds are defined in new module kinds,
39! revision history before 2012 removed,
40! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
41! all variable declaration statements
42!
43! 1314 2014-03-14 18:25:17Z suehring
44! Vertical logarithmic interpolation of horizontal particle speed for particles
45! between roughness height and first vertical grid level.
46!
47! 1036 2012-10-22 13:43:42Z raasch
48! code put under GPL (PALM 3.9)
49!
50! 849 2012-03-15 10:35:09Z raasch
51! initial revision (former part of advec_particles)
52!
53!
54! Description:
55! ------------
56! Calculation of new particle positions due to advection using a simple Euler
57! scheme. Particles may feel inertia effects. SGS transport can be included
58! using the stochastic model of Weil et al. (2004, JAS, 61, 2877-2887).
59!------------------------------------------------------------------------------!
60
61    USE arrays_3d,                                                             &
62        ONLY:  de_dx, de_dy, de_dz, diss, e, u, us, usws, v, vsws, w, z0, zu,  &
63               zw
64
65    USE cpulog
66
67    USE pegrid
68
69    USE control_parameters,                                                    &
70        ONLY:  atmos_ocean_sign, cloud_droplets, dt_3d, dt_3d_reached_l, dz,   &
71               g, kappa, molecular_viscosity, prandtl_layer, topography,       &
72               u_gtrans, v_gtrans, simulated_time
73
74    USE grid_variables,                                                        &
75        ONLY:  ddx, dx, ddy, dy
76       
77    USE indices,                                                               &
78        ONLY:  nzb, nzb_s_inner, nzt
79       
80    USE kinds
81   
82    USE particle_attributes,                                                   &
83        ONLY:  block_offset, c_0, density_ratio, dt_min_part, grid_particles,  &
84               iran_part, log_z_z0, number_of_particles, number_of_sublayers,  &
85               particles, particle_groups, offset_ocean_nzt,                   &
86               offset_ocean_nzt_m1, sgs_wfu_part, sgs_wfv_part, sgs_wfw_part,  &
87               use_sgs_for_particles, vertical_particle_advection, z0_av_global
88       
89    USE statistics,                                                            &
90        ONLY:  hom
91
92    IMPLICIT NONE
93
94    INTEGER(iwp) ::  agp                         !:
95    INTEGER(iwp) ::  gp_outside_of_building(1:8) !:
96    INTEGER(iwp) ::  i                           !:
97    INTEGER(iwp) ::  ip                          !:
98    INTEGER(iwp) ::  j                           !:
99    INTEGER(iwp) ::  jp                          !:
100    INTEGER(iwp) ::  k                           !:
101    INTEGER(iwp) ::  kp                          !:
102    INTEGER(iwp) ::  kw                          !:
103    INTEGER(iwp) ::  n                           !:
104    INTEGER(iwp) ::  nb                          !:
105    INTEGER(iwp) ::  num_gp                      !:
106
107    INTEGER(iwp), DIMENSION(0:7) ::  start_index !:
108    INTEGER(iwp), DIMENSION(0:7) ::  end_index   !:
109
110    REAL(wp) ::  aa                 !:
111    REAL(wp) ::  bb                 !:
112    REAL(wp) ::  cc                 !:
113    REAL(wp) ::  d_sum              !:
114    REAL(wp) ::  d_z_p_z0           !:
115    REAL(wp) ::  dd                 !:
116    REAL(wp) ::  de_dx_int_l        !:
117    REAL(wp) ::  de_dx_int_u        !:
118    REAL(wp) ::  de_dy_int_l        !:
119    REAL(wp) ::  de_dy_int_u        !:
120    REAL(wp) ::  de_dt              !:
121    REAL(wp) ::  de_dt_min          !:
122    REAL(wp) ::  de_dz_int_l        !:
123    REAL(wp) ::  de_dz_int_u        !:
124    REAL(wp) ::  diss_int_l         !:
125    REAL(wp) ::  diss_int_u         !:
126    REAL(wp) ::  dt_gap             !:
127    REAL(wp) ::  dt_particle_m      !:
128    REAL(wp) ::  e_int_l            !:
129    REAL(wp) ::  e_int_u            !:
130    REAL(wp) ::  e_mean_int         !:
131    REAL(wp) ::  exp_arg            !:
132    REAL(wp) ::  exp_term           !:
133    REAL(wp) ::  gg                 !:
134    REAL(wp) ::  height_int         !:
135    REAL(wp) ::  height_p           !:
136    REAL(wp) ::  lagr_timescale     !:
137    REAL(wp) ::  location(1:30,1:3) !:
138    REAL(wp) ::  random_gauss       !:
139    REAL(wp) ::  u_int_l            !:
140    REAL(wp) ::  u_int_u            !:
141    REAL(wp) ::  us_int             !:
142    REAL(wp) ::  v_int_l            !:
143    REAL(wp) ::  v_int_u            !:
144    REAL(wp) ::  vv_int             !:
145    REAL(wp) ::  w_int_l            !:
146    REAL(wp) ::  w_int_u            !:
147    REAL(wp) ::  x                  !:
148    REAL(wp) ::  y                  !:
149    REAL(wp) ::  z_p                !:   
150
151    REAL(wp), DIMENSION(1:30) ::  d_gp_pl !:
152    REAL(wp), DIMENSION(1:30) ::  de_dxi  !:
153    REAL(wp), DIMENSION(1:30) ::  de_dyi  !:
154    REAL(wp), DIMENSION(1:30) ::  de_dzi  !:
155    REAL(wp), DIMENSION(1:30) ::  dissi   !:
156    REAL(wp), DIMENSION(1:30) ::  ei      !:
157
158    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  dens_ratio   !:
159    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  de_dx_int    !:
160    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  de_dy_int    !:
161    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  de_dz_int    !:
162    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  diss_int     !:
163    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  dt_particle  !:
164    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  e_int        !:
165    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  fs_int       !:
166    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  log_z_z0_int !:
167    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  u_int        !:
168    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  v_int        !:
169    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  w_int        !:
170    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  xv           !:
171    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  yv           !:
172    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  zv           !:
173
174    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles, 3) ::  rg !:
175
176    CALL cpu_log( log_point_s(44), 'lpm_advec', 'continue' )
177
178!
179!-- Determine height of Prandtl layer and distance between Prandtl-layer
180!-- height and horizontal mean roughness height, which are required for
181!-- vertical logarithmic interpolation of horizontal particle speeds
182!-- (for particles below first vertical grid level).
183    z_p      = zu(nzb+1) - zw(nzb)
184    d_z_p_z0 = 1.0_wp / ( z_p - z0_av_global )
185
186    start_index = grid_particles(kp,jp,ip)%start_index
187    end_index   = grid_particles(kp,jp,ip)%end_index
188
189    xv = particles(1:number_of_particles)%x
190    yv = particles(1:number_of_particles)%y
191    zv = particles(1:number_of_particles)%z
192
193    DO  nb = 0, 7
194
195       i = ip
196       j = jp + block_offset(nb)%j_off
197       k = kp + block_offset(nb)%k_off
198
199!
200!--    Interpolate u velocity-component
201       DO  n = start_index(nb), end_index(nb)
202!
203!--       Interpolation of the u velocity component onto particle position. 
204!--       Particles are interpolation bi-linearly in the horizontal and a
205!--       linearly in the vertical. An exception is made for particles below
206!--       the first vertical grid level in case of a prandtl layer. In this
207!--       case the horizontal particle velocity components are determined using
208!--       Monin-Obukhov relations (if branch).
209!--       First, check if particle is located below first vertical grid level
210!--       (Prandtl-layer height)
211          IF ( prandtl_layer  .AND.  particles(n)%z < z_p )  THEN
212!
213!--          Resolved-scale horizontal particle velocity is zero below z0.
214             IF ( particles(n)%z < z0_av_global )  THEN
215                u_int(n) = 0.0_wp
216             ELSE
217!
218!--             Determine the sublayer. Further used as index.
219                height_p     = ( particles(n)%z - z0_av_global )            &
220                                     * REAL( number_of_sublayers, KIND=wp ) &
221                                     * d_z_p_z0 
222!
223!--             Calculate LOG(z/z0) for exact particle height. Therefore,   
224!--             interpolate linearly between precalculated logarithm.
225                log_z_z0_int(n) = log_z_z0(INT(height_p))                      &
226                                 + ( height_p - INT(height_p) )                &
227                                 * ( log_z_z0(INT(height_p)+1)                 &
228                                      - log_z_z0(INT(height_p))                &
229                                   ) 
230!
231!--             Neutral solution is applied for all situations, e.g. also for
232!--             unstable and stable situations. Even though this is not exact
233!--             this saves a lot of CPU time since several calls of intrinsic
234!--             FORTRAN procedures (LOG, ATAN) are avoided, This is justified
235!--             as sensitivity studies revealed no significant effect of
236!--             using the neutral solution also for un/stable situations.
237!--             Calculated left and bottom index on u grid.
238                us_int = 0.5_wp * ( us(j,i) + us(j,i-1) ) 
239
240                u_int  = -usws(j,i) / ( us_int * kappa + 1E-10_wp )           & 
241                         * log_z_z0_int(n)
242
243             ENDIF
244!
245!--       Particle above the first grid level. Bi-linear interpolation in the
246!--       horizontal and linear interpolation in the vertical direction.
247          ELSE
248
249             x  = xv(n) + ( 0.5_wp - i ) * dx
250             y  = yv(n) - j * dy
251             aa = x**2          + y**2
252             bb = ( dx - x )**2 + y**2
253             cc = x**2          + ( dy - y )**2
254             dd = ( dx - x )**2 + ( dy - y )**2
255             gg = aa + bb + cc + dd
256
257             u_int_l = ( ( gg - aa ) * u(k,j,i)   + ( gg - bb ) * u(k,j,i+1)   &
258                         + ( gg - cc ) * u(k,j+1,i) + ( gg - dd ) *            &
259                         u(k,j+1,i+1) ) / ( 3.0_wp * gg ) - u_gtrans
260
261             IF ( k == nzt )  THEN
262                u_int(n) = u_int_l
263             ELSE
264                u_int_u = ( ( gg-aa ) * u(k+1,j,i) + ( gg-bb ) * u(k+1,j,i+1)  &
265                            + ( gg-cc ) * u(k+1,j+1,i) + ( gg-dd ) *           &
266                            u(k+1,j+1,i+1) ) / ( 3.0_wp * gg ) - u_gtrans
267                u_int(n) = u_int_l + ( zv(n) - zu(k) ) / dz *                  &
268                           ( u_int_u - u_int_l )
269             ENDIF
270          ENDIF
271
272       ENDDO
273
274       i = ip + block_offset(nb)%i_off
275       j = jp
276       k = kp + block_offset(nb)%k_off
277!
278!--    Same procedure for interpolation of the v velocity-component
279       DO  n = start_index(nb), end_index(nb)
280          IF ( prandtl_layer  .AND.  particles(n)%z < z_p )  THEN
281
282             IF ( particles(n)%z < z0_av_global )  THEN
283!
284!--             Resolved-scale horizontal particle velocity is zero below z0.
285                v_int(n) = 0.0_wp
286             ELSE       
287!
288!--             Neutral solution is applied for all situations, e.g. also for
289!--             unstable and stable situations. Even though this is not exact
290!--             this saves a lot of CPU time since several calls of intrinsic
291!--             FORTRAN procedures (LOG, ATAN) are avoided, This is justified
292!--             as sensitivity studies revealed no significant effect of
293!--             using the neutral solution also for un/stable situations.
294!--             Calculated left and bottom index on v grid.
295                us_int = 0.5_wp * ( us(j,i) + us(j-1,i) )   
296
297                v_int  = -vsws(j,i) / ( us_int * kappa + 1E-10_wp )             &
298                         * log_z_z0_int(n) 
299             ENDIF
300          ELSE
301             x  = xv(n) - i * dx
302             y  = yv(n) + ( 0.5_wp - j ) * dy
303             aa = x**2          + y**2
304             bb = ( dx - x )**2 + y**2
305             cc = x**2          + ( dy - y )**2
306             dd = ( dx - x )**2 + ( dy - y )**2
307             gg = aa + bb + cc + dd
308
309             v_int_l = ( ( gg - aa ) * v(k,j,i)   + ( gg - bb ) * v(k,j,i+1)   &
310                       + ( gg - cc ) * v(k,j+1,i) + ( gg - dd ) * v(k,j+1,i+1) &
311                       ) / ( 3.0_wp * gg ) - v_gtrans
312
313             IF ( k == nzt )  THEN
314                v_int(n) = v_int_l
315             ELSE
316                v_int_u = ( ( gg-aa ) * v(k+1,j,i)   + ( gg-bb ) * v(k+1,j,i+1)   &
317                          + ( gg-cc ) * v(k+1,j+1,i) + ( gg-dd ) * v(k+1,j+1,i+1) &
318                          ) / ( 3.0_wp * gg ) - v_gtrans
319                v_int(n) = v_int_l + ( zv(n) - zu(k) ) / dz * &
320                                  ( v_int_u - v_int_l )
321             ENDIF
322          ENDIF
323
324       ENDDO
325
326       i = ip + block_offset(nb)%i_off
327       j = jp + block_offset(nb)%j_off
328       k = kp-1
329!
330!--    Same procedure for interpolation of the w velocity-component
331       DO  n = start_index(nb), end_index(nb)
332
333          IF ( vertical_particle_advection(particles(n)%group) )  THEN
334
335             x  = xv(n) - i * dx
336             y  = yv(n) - j * dy
337             aa = x**2          + y**2
338             bb = ( dx - x )**2 + y**2
339             cc = x**2          + ( dy - y )**2
340             dd = ( dx - x )**2 + ( dy - y )**2
341             gg = aa + bb + cc + dd
342
343             w_int_l = ( ( gg - aa ) * w(k,j,i)   + ( gg - bb ) * w(k,j,i+1)   &
344                       + ( gg - cc ) * w(k,j+1,i) + ( gg - dd ) * w(k,j+1,i+1) &
345                       ) / ( 3.0_wp * gg )
346
347             IF ( k == nzt )  THEN
348                w_int(n) = w_int_l
349             ELSE
350                w_int_u = ( ( gg-aa ) * w(k+1,j,i)   + &
351                            ( gg-bb ) * w(k+1,j,i+1) + &
352                            ( gg-cc ) * w(k+1,j+1,i) + &
353                            ( gg-dd ) * w(k+1,j+1,i+1) &
354                          ) / ( 3.0_wp * gg )
355                w_int(n) = w_int_l + ( zv(n) - zw(k) ) / dz * &
356                           ( w_int_u - w_int_l )
357             ENDIF
358
359          ELSE
360
361             w_int(n) = 0.0_wp
362
363          ENDIF
364
365       ENDDO
366
367    ENDDO
368
369!-- Interpolate and calculate quantities needed for calculating the SGS
370!-- velocities
371    IF ( use_sgs_for_particles )  THEN
372
373       IF ( topography == 'flat' )  THEN
374
375          DO  nb = 0,7
376
377             i = ip + block_offset(nb)%i_off
378             j = jp + block_offset(nb)%j_off
379             k = kp + block_offset(nb)%k_off
380
381             DO  n = start_index(nb), end_index(nb)
382!
383!--             Interpolate TKE
384                x  = xv(n) - i * dx
385                y  = yv(n) - j * dy
386                aa = x**2          + y**2
387                bb = ( dx - x )**2 + y**2
388                cc = x**2          + ( dy - y )**2
389                dd = ( dx - x )**2 + ( dy - y )**2
390                gg = aa + bb + cc + dd
391
392                e_int_l = ( ( gg-aa ) * e(k,j,i)   + ( gg-bb ) * e(k,j,i+1)   &
393                          + ( gg-cc ) * e(k,j+1,i) + ( gg-dd ) * e(k,j+1,i+1) &
394                          ) / ( 3.0_wp * gg )
395
396                IF ( k+1 == nzt+1 )  THEN
397                   e_int(n) = e_int_l
398                ELSE
399                   e_int_u = ( ( gg - aa ) * e(k+1,j,i)   + &
400                               ( gg - bb ) * e(k+1,j,i+1) + &
401                               ( gg - cc ) * e(k+1,j+1,i) + &
402                               ( gg - dd ) * e(k+1,j+1,i+1) &
403                            ) / ( 3.0_wp * gg )
404                   e_int(n) = e_int_l + ( zv(n) - zu(k) ) / dz * &
405                                     ( e_int_u - e_int_l )
406                ENDIF
407!
408!--             Needed to avoid NaN particle velocities
409                IF ( e_int(n) == 0.0_wp )  THEN
410                   e_int(n) = 1.0E-20_wp
411                ENDIF
412!
413!--             Interpolate the TKE gradient along x (adopt incides i,j,k and
414!--             all position variables from above (TKE))
415                de_dx_int_l = ( ( gg - aa ) * de_dx(k,j,i)   + &
416                                ( gg - bb ) * de_dx(k,j,i+1) + &
417                                ( gg - cc ) * de_dx(k,j+1,i) + &
418                                ( gg - dd ) * de_dx(k,j+1,i+1) &
419                               ) / ( 3.0_wp * gg )
420
421                IF ( ( k+1 == nzt+1 )  .OR.  ( k == nzb ) )  THEN
422                   de_dx_int(n) = de_dx_int_l
423                ELSE
424                   de_dx_int_u = ( ( gg - aa ) * de_dx(k+1,j,i)   + &
425                                   ( gg - bb ) * de_dx(k+1,j,i+1) + &
426                                   ( gg - cc ) * de_dx(k+1,j+1,i) + &
427                                   ( gg - dd ) * de_dx(k+1,j+1,i+1) &
428                                  ) / ( 3.0_wp * gg )
429                   de_dx_int(n) = de_dx_int_l + ( zv(n) - zu(k) ) / dz * &
430                                              ( de_dx_int_u - de_dx_int_l )
431                ENDIF
432!
433!--             Interpolate the TKE gradient along y
434                de_dy_int_l = ( ( gg - aa ) * de_dy(k,j,i)   + &
435                                ( gg - bb ) * de_dy(k,j,i+1) + &
436                                ( gg - cc ) * de_dy(k,j+1,i) + &
437                                ( gg - dd ) * de_dy(k,j+1,i+1) &
438                               ) / ( 3.0_wp * gg )
439                IF ( ( k+1 == nzt+1 )  .OR.  ( k == nzb ) )  THEN
440                   de_dy_int(n) = de_dy_int_l
441                ELSE
442                   de_dy_int_u = ( ( gg - aa ) * de_dy(k+1,j,i)   + &
443                                  ( gg - bb ) * de_dy(k+1,j,i+1) + &
444                                  ( gg - cc ) * de_dy(k+1,j+1,i) + &
445                                  ( gg - dd ) * de_dy(k+1,j+1,i+1) &
446                                  ) / ( 3.0_wp * gg )
447                   de_dy_int(n) = de_dy_int_l + ( zv(n) - zu(k) ) / dz * &
448                                              ( de_dy_int_u - de_dy_int_l )
449                ENDIF
450
451!
452!--             Interpolate the TKE gradient along z
453                IF ( zv(n) < 0.5_wp * dz )  THEN
454                   de_dz_int(n) = 0.0_wp
455                ELSE
456                   de_dz_int_l = ( ( gg - aa ) * de_dz(k,j,i)   + &
457                                   ( gg - bb ) * de_dz(k,j,i+1) + &
458                                   ( gg - cc ) * de_dz(k,j+1,i) + &
459                                   ( gg - dd ) * de_dz(k,j+1,i+1) &
460                                  ) / ( 3.0_wp * gg )
461
462                   IF ( ( k+1 == nzt+1 )  .OR.  ( k == nzb ) )  THEN
463                      de_dz_int(n) = de_dz_int_l
464                   ELSE
465                      de_dz_int_u = ( ( gg - aa ) * de_dz(k+1,j,i)   + &
466                                      ( gg - bb ) * de_dz(k+1,j,i+1) + &
467                                      ( gg - cc ) * de_dz(k+1,j+1,i) + &
468                                      ( gg - dd ) * de_dz(k+1,j+1,i+1) &
469                                     ) / ( 3.0_wp * gg )
470                      de_dz_int(n) = de_dz_int_l + ( zv(n) - zu(k) ) / dz * &
471                                                 ( de_dz_int_u - de_dz_int_l )
472                   ENDIF
473                ENDIF
474
475!
476!--             Interpolate the dissipation of TKE
477                diss_int_l = ( ( gg - aa ) * diss(k,j,i)   + &
478                               ( gg - bb ) * diss(k,j,i+1) + &
479                               ( gg - cc ) * diss(k,j+1,i) + &
480                               ( gg - dd ) * diss(k,j+1,i+1) &
481                              ) / ( 3.0_wp * gg )
482
483                IF ( k == nzt )  THEN
484                   diss_int(n) = diss_int_l
485                ELSE
486                   diss_int_u = ( ( gg - aa ) * diss(k+1,j,i)   + &
487                                  ( gg - bb ) * diss(k+1,j,i+1) + &
488                                  ( gg - cc ) * diss(k+1,j+1,i) + &
489                                  ( gg - dd ) * diss(k+1,j+1,i+1) &
490                                 ) / ( 3.0_wp * gg )
491                   diss_int(n) = diss_int_l + ( zv(n) - zu(k) ) / dz * &
492                                           ( diss_int_u - diss_int_l )
493                ENDIF
494
495             ENDDO
496          ENDDO
497
498       ELSE ! non-flat topography, e.g., buildings
499
500          DO  n = 1, number_of_particles
501
502             i = particles(n)%x * ddx
503             j = particles(n)%y * ddy
504             k = ( zv(n) + 0.5_wp * dz * atmos_ocean_sign ) / dz  &
505                 + offset_ocean_nzt                      ! only exact if eq.dist
506!
507!--          In case that there are buildings it has to be determined
508!--          how many of the gridpoints defining the particle box are
509!--          situated within a building
510!--          gp_outside_of_building(1): i,j,k
511!--          gp_outside_of_building(2): i,j+1,k
512!--          gp_outside_of_building(3): i,j,k+1
513!--          gp_outside_of_building(4): i,j+1,k+1
514!--          gp_outside_of_building(5): i+1,j,k
515!--          gp_outside_of_building(6): i+1,j+1,k
516!--          gp_outside_of_building(7): i+1,j,k+1
517!--          gp_outside_of_building(8): i+1,j+1,k+1
518
519             gp_outside_of_building = 0
520             location = 0.0_wp
521             num_gp = 0
522
523             IF ( k > nzb_s_inner(j,i)  .OR.  nzb_s_inner(j,i) == 0 )  THEN
524                num_gp = num_gp + 1
525                gp_outside_of_building(1) = 1
526                location(num_gp,1) = i * dx
527                location(num_gp,2) = j * dy
528                location(num_gp,3) = k * dz - 0.5_wp * dz
529                ei(num_gp)     = e(k,j,i)
530                dissi(num_gp)  = diss(k,j,i)
531                de_dxi(num_gp) = de_dx(k,j,i)
532                de_dyi(num_gp) = de_dy(k,j,i)
533                de_dzi(num_gp) = de_dz(k,j,i)
534             ENDIF
535
536             IF ( k > nzb_s_inner(j+1,i)  .OR.  nzb_s_inner(j+1,i) == 0 ) &
537             THEN
538                num_gp = num_gp + 1
539                gp_outside_of_building(2) = 1
540                location(num_gp,1) = i * dx
541                location(num_gp,2) = (j+1) * dy
542                location(num_gp,3) = k * dz - 0.5_wp * dz
543                ei(num_gp)     = e(k,j+1,i)
544                dissi(num_gp)  = diss(k,j+1,i)
545                de_dxi(num_gp) = de_dx(k,j+1,i)
546                de_dyi(num_gp) = de_dy(k,j+1,i)
547                de_dzi(num_gp) = de_dz(k,j+1,i)
548             ENDIF
549
550             IF ( k+1 > nzb_s_inner(j,i)  .OR.  nzb_s_inner(j,i) == 0 )  THEN
551                num_gp = num_gp + 1
552                gp_outside_of_building(3) = 1
553                location(num_gp,1) = i * dx
554                location(num_gp,2) = j * dy
555                location(num_gp,3) = (k+1) * dz - 0.5_wp * dz
556                ei(num_gp)     = e(k+1,j,i)
557                dissi(num_gp)  = diss(k+1,j,i)
558                de_dxi(num_gp) = de_dx(k+1,j,i)
559                de_dyi(num_gp) = de_dy(k+1,j,i)
560                de_dzi(num_gp) = de_dz(k+1,j,i)
561             ENDIF
562
563             IF ( k+1 > nzb_s_inner(j+1,i)  .OR.  nzb_s_inner(j+1,i) == 0 ) &
564             THEN
565                num_gp = num_gp + 1
566                gp_outside_of_building(4) = 1
567                location(num_gp,1) = i * dx
568                location(num_gp,2) = (j+1) * dy
569                location(num_gp,3) = (k+1) * dz - 0.5_wp * dz
570                ei(num_gp)     = e(k+1,j+1,i)
571                dissi(num_gp)  = diss(k+1,j+1,i)
572                de_dxi(num_gp) = de_dx(k+1,j+1,i)
573                de_dyi(num_gp) = de_dy(k+1,j+1,i)
574                de_dzi(num_gp) = de_dz(k+1,j+1,i)
575             ENDIF
576
577             IF ( k > nzb_s_inner(j,i+1)  .OR.  nzb_s_inner(j,i+1) == 0 ) &
578             THEN
579                num_gp = num_gp + 1
580                gp_outside_of_building(5) = 1
581                location(num_gp,1) = (i+1) * dx
582                location(num_gp,2) = j * dy
583                location(num_gp,3) = k * dz - 0.5_wp * dz
584                ei(num_gp)     = e(k,j,i+1)
585                dissi(num_gp)  = diss(k,j,i+1)
586                de_dxi(num_gp) = de_dx(k,j,i+1)
587                de_dyi(num_gp) = de_dy(k,j,i+1)
588                de_dzi(num_gp) = de_dz(k,j,i+1)
589             ENDIF
590
591             IF ( k > nzb_s_inner(j+1,i+1)  .OR.  nzb_s_inner(j+1,i+1) == 0 ) &
592             THEN
593                num_gp = num_gp + 1
594                gp_outside_of_building(6) = 1
595                location(num_gp,1) = (i+1) * dx
596                location(num_gp,2) = (j+1) * dy
597                location(num_gp,3) = k * dz - 0.5_wp * dz
598                ei(num_gp)     = e(k,j+1,i+1)
599                dissi(num_gp)  = diss(k,j+1,i+1)
600                de_dxi(num_gp) = de_dx(k,j+1,i+1)
601                de_dyi(num_gp) = de_dy(k,j+1,i+1)
602                de_dzi(num_gp) = de_dz(k,j+1,i+1)
603             ENDIF
604
605             IF ( k+1 > nzb_s_inner(j,i+1)  .OR.  nzb_s_inner(j,i+1) == 0 ) &
606             THEN
607                num_gp = num_gp + 1
608                gp_outside_of_building(7) = 1
609                location(num_gp,1) = (i+1) * dx
610                location(num_gp,2) = j * dy
611                location(num_gp,3) = (k+1) * dz - 0.5_wp * dz
612                ei(num_gp)     = e(k+1,j,i+1)
613                dissi(num_gp)  = diss(k+1,j,i+1)
614                de_dxi(num_gp) = de_dx(k+1,j,i+1)
615                de_dyi(num_gp) = de_dy(k+1,j,i+1)
616                de_dzi(num_gp) = de_dz(k+1,j,i+1)
617             ENDIF
618
619             IF ( k+1 > nzb_s_inner(j+1,i+1)  .OR.  nzb_s_inner(j+1,i+1) == 0)&
620             THEN
621                num_gp = num_gp + 1
622                gp_outside_of_building(8) = 1
623                location(num_gp,1) = (i+1) * dx
624                location(num_gp,2) = (j+1) * dy
625                location(num_gp,3) = (k+1) * dz - 0.5_wp * dz
626                ei(num_gp)     = e(k+1,j+1,i+1)
627                dissi(num_gp)  = diss(k+1,j+1,i+1)
628                de_dxi(num_gp) = de_dx(k+1,j+1,i+1)
629                de_dyi(num_gp) = de_dy(k+1,j+1,i+1)
630                de_dzi(num_gp) = de_dz(k+1,j+1,i+1)
631             ENDIF
632
633!
634!--          If all gridpoints are situated outside of a building, then the
635!--          ordinary interpolation scheme can be used.
636             IF ( num_gp == 8 )  THEN
637
638                x  = particles(n)%x - i * dx
639                y  = particles(n)%y - j * dy
640                aa = x**2          + y**2
641                bb = ( dx - x )**2 + y**2
642                cc = x**2          + ( dy - y )**2
643                dd = ( dx - x )**2 + ( dy - y )**2
644                gg = aa + bb + cc + dd
645
646                e_int_l = ( ( gg - aa ) * e(k,j,i)   + ( gg - bb ) * e(k,j,i+1)   &
647                          + ( gg - cc ) * e(k,j+1,i) + ( gg - dd ) * e(k,j+1,i+1) &
648                          ) / ( 3.0_wp * gg )
649
650                IF ( k == nzt )  THEN
651                   e_int(n) = e_int_l
652                ELSE
653                   e_int_u = ( ( gg - aa ) * e(k+1,j,i)   + &
654                               ( gg - bb ) * e(k+1,j,i+1) + &
655                               ( gg - cc ) * e(k+1,j+1,i) + &
656                               ( gg - dd ) * e(k+1,j+1,i+1) &
657                             ) / ( 3.0_wp * gg )
658                   e_int(n) = e_int_l + ( zv(n) - zu(k) ) / dz * &
659                                     ( e_int_u - e_int_l )
660                ENDIF
661!
662!--             Needed to avoid NaN particle velocities
663                IF ( e_int(n) == 0.0_wp )  THEN
664                   e_int(n) = 1.0E-20_wp
665                ENDIF
666!
667!--             Interpolate the TKE gradient along x (adopt incides i,j,k
668!--             and all position variables from above (TKE))
669                de_dx_int_l = ( ( gg - aa ) * de_dx(k,j,i)   + &
670                                ( gg - bb ) * de_dx(k,j,i+1) + &
671                                ( gg - cc ) * de_dx(k,j+1,i) + &
672                                ( gg - dd ) * de_dx(k,j+1,i+1) &
673                              ) / ( 3.0_wp * gg )
674
675                IF ( ( k == nzt )  .OR.  ( k == nzb ) )  THEN
676                   de_dx_int(n) = de_dx_int_l
677                ELSE
678                   de_dx_int_u = ( ( gg - aa ) * de_dx(k+1,j,i)   + &
679                                   ( gg - bb ) * de_dx(k+1,j,i+1) + &
680                                   ( gg - cc ) * de_dx(k+1,j+1,i) + &
681                                   ( gg - dd ) * de_dx(k+1,j+1,i+1) &
682                                 ) / ( 3.0_wp * gg )
683                   de_dx_int(n) = de_dx_int_l + ( zv(n) - zu(k) ) / &
684                                           dz * ( de_dx_int_u - de_dx_int_l )
685                ENDIF
686
687!
688!--             Interpolate the TKE gradient along y
689                de_dy_int_l = ( ( gg - aa ) * de_dy(k,j,i)   + &
690                                ( gg - bb ) * de_dy(k,j,i+1) + &
691                                ( gg - cc ) * de_dy(k,j+1,i) + &
692                                ( gg - dd ) * de_dy(k,j+1,i+1) &
693                              ) / ( 3.0_wp * gg )
694                IF ( ( k+1 == nzt+1 )  .OR.  ( k == nzb ) )  THEN
695                   de_dy_int(n) = de_dy_int_l
696                ELSE
697                   de_dy_int_u = ( ( gg - aa ) * de_dy(k+1,j,i)   + &
698                                   ( gg - bb ) * de_dy(k+1,j,i+1) + &
699                                   ( gg - cc ) * de_dy(k+1,j+1,i) + &
700                                   ( gg - dd ) * de_dy(k+1,j+1,i+1) &
701                                 ) / ( 3.0_wp * gg )
702                   de_dy_int(n) = de_dy_int_l + ( zv(n) - zu(k) ) / &
703                                           dz * ( de_dy_int_u - de_dy_int_l )
704                ENDIF
705
706!
707!--             Interpolate the TKE gradient along z
708                IF ( zv(n) < 0.5_wp * dz )  THEN
709                   de_dz_int(n) = 0.0_wp
710                ELSE
711                   de_dz_int_l = ( ( gg - aa ) * de_dz(k,j,i)   + &
712                                   ( gg - bb ) * de_dz(k,j,i+1) + &
713                                   ( gg - cc ) * de_dz(k,j+1,i) + &
714                                   ( gg - dd ) * de_dz(k,j+1,i+1) &
715                                 ) / ( 3.0_wp * gg )
716
717                   IF ( ( k+1 == nzt+1 )  .OR.  ( k == nzb ) )  THEN
718                      de_dz_int(n) = de_dz_int_l
719                   ELSE
720                      de_dz_int_u = ( ( gg - aa ) * de_dz(k+1,j,i)   + &
721                                      ( gg - bb ) * de_dz(k+1,j,i+1) + &
722                                      ( gg - cc ) * de_dz(k+1,j+1,i) + &
723                                      ( gg - dd ) * de_dz(k+1,j+1,i+1) &
724                                    ) / ( 3.0_wp * gg )
725                      de_dz_int(n) = de_dz_int_l + ( zv(n) - zu(k) ) /&
726                                           dz * ( de_dz_int_u - de_dz_int_l )
727                   ENDIF
728                ENDIF
729
730!
731!--             Interpolate the dissipation of TKE
732                diss_int_l = ( ( gg - aa ) * diss(k,j,i)   + &
733                               ( gg - bb ) * diss(k,j,i+1) + &
734                               ( gg - cc ) * diss(k,j+1,i) + &
735                               ( gg - dd ) * diss(k,j+1,i+1) &
736                             ) / ( 3.0_wp * gg )
737
738                IF ( k == nzt )  THEN
739                   diss_int(n) = diss_int_l
740                ELSE
741                   diss_int_u = ( ( gg - aa ) * diss(k+1,j,i)   + &
742                                  ( gg - bb ) * diss(k+1,j,i+1) + &
743                                  ( gg - cc ) * diss(k+1,j+1,i) + &
744                                  ( gg - dd ) * diss(k+1,j+1,i+1) &
745                                ) / ( 3.0_wp * gg )
746                   diss_int(n) = diss_int_l + ( zv(n) - zu(k) ) / dz *&
747                                           ( diss_int_u - diss_int_l )
748                ENDIF
749
750             ELSE
751
752!
753!--             If wall between gridpoint 1 and gridpoint 5, then
754!--             Neumann boundary condition has to be applied
755                IF ( gp_outside_of_building(1) == 1  .AND. &
756                     gp_outside_of_building(5) == 0 )  THEN
757                   num_gp = num_gp + 1
758                   location(num_gp,1) = i * dx + 0.5_wp * dx
759                   location(num_gp,2) = j * dy
760                   location(num_gp,3) = k * dz - 0.5_wp * dz
761                   ei(num_gp)     = e(k,j,i)
762                   dissi(num_gp)  = diss(k,j,i)
763                   de_dxi(num_gp) = 0.0_wp
764                   de_dyi(num_gp) = de_dy(k,j,i)
765                   de_dzi(num_gp) = de_dz(k,j,i)
766                ENDIF
767
768                IF ( gp_outside_of_building(5) == 1  .AND. &
769                   gp_outside_of_building(1) == 0 )  THEN
770                   num_gp = num_gp + 1
771                   location(num_gp,1) = i * dx + 0.5_wp * dx
772                   location(num_gp,2) = j * dy
773                   location(num_gp,3) = k * dz - 0.5_wp * dz
774                   ei(num_gp)     = e(k,j,i+1)
775                   dissi(num_gp)  = diss(k,j,i+1)
776                   de_dxi(num_gp) = 0.0_wp
777                   de_dyi(num_gp) = de_dy(k,j,i+1)
778                   de_dzi(num_gp) = de_dz(k,j,i+1)
779                ENDIF
780
781!
782!--             If wall between gridpoint 5 and gridpoint 6, then
783!--             then Neumann boundary condition has to be applied
784                IF ( gp_outside_of_building(5) == 1  .AND. &
785                     gp_outside_of_building(6) == 0 )  THEN
786                   num_gp = num_gp + 1
787                   location(num_gp,1) = (i+1) * dx
788                   location(num_gp,2) = j * dy + 0.5_wp * dy
789                   location(num_gp,3) = k * dz - 0.5_wp * dz
790                   ei(num_gp)     = e(k,j,i+1)
791                   dissi(num_gp)  = diss(k,j,i+1)
792                   de_dxi(num_gp) = de_dx(k,j,i+1)
793                   de_dyi(num_gp) = 0.0_wp
794                   de_dzi(num_gp) = de_dz(k,j,i+1)
795                ENDIF
796
797                IF ( gp_outside_of_building(6) == 1  .AND. &
798                     gp_outside_of_building(5) == 0 )  THEN
799                   num_gp = num_gp + 1
800                   location(num_gp,1) = (i+1) * dx
801                   location(num_gp,2) = j * dy + 0.5_wp * dy
802                   location(num_gp,3) = k * dz - 0.5_wp * dz
803                   ei(num_gp)     = e(k,j+1,i+1)
804                   dissi(num_gp)  = diss(k,j+1,i+1)
805                   de_dxi(num_gp) = de_dx(k,j+1,i+1)
806                   de_dyi(num_gp) = 0.0_wp
807                   de_dzi(num_gp) = de_dz(k,j+1,i+1)
808                ENDIF
809
810!
811!--             If wall between gridpoint 2 and gridpoint 6, then
812!--             Neumann boundary condition has to be applied
813                IF ( gp_outside_of_building(2) == 1  .AND. &
814                     gp_outside_of_building(6) == 0 )  THEN
815                   num_gp = num_gp + 1
816                   location(num_gp,1) = i * dx + 0.5_wp * dx
817                   location(num_gp,2) = (j+1) * dy
818                   location(num_gp,3) = k * dz - 0.5_wp * dz
819                   ei(num_gp)     = e(k,j+1,i)
820                   dissi(num_gp)  = diss(k,j+1,i)
821                   de_dxi(num_gp) = 0.0_wp
822                   de_dyi(num_gp) = de_dy(k,j+1,i)
823                   de_dzi(num_gp) = de_dz(k,j+1,i)
824                ENDIF
825
826                IF ( gp_outside_of_building(6) == 1  .AND. &
827                     gp_outside_of_building(2) == 0 )  THEN
828                   num_gp = num_gp + 1
829                   location(num_gp,1) = i * dx + 0.5_wp * dx
830                   location(num_gp,2) = (j+1) * dy
831                   location(num_gp,3) = k * dz - 0.5_wp * dz
832                   ei(num_gp)     = e(k,j+1,i+1)
833                   dissi(num_gp)  = diss(k,j+1,i+1)
834                   de_dxi(num_gp) = 0.0_wp
835                   de_dyi(num_gp) = de_dy(k,j+1,i+1)
836                   de_dzi(num_gp) = de_dz(k,j+1,i+1)
837                ENDIF
838
839!
840!--             If wall between gridpoint 1 and gridpoint 2, then
841!--             Neumann boundary condition has to be applied
842                IF ( gp_outside_of_building(1) == 1  .AND. &
843                     gp_outside_of_building(2) == 0 )  THEN
844                   num_gp = num_gp + 1
845                   location(num_gp,1) = i * dx
846                   location(num_gp,2) = j * dy + 0.5_wp * dy
847                   location(num_gp,3) = k * dz - 0.5_wp * dz
848                   ei(num_gp)     = e(k,j,i)
849                   dissi(num_gp)  = diss(k,j,i)
850                   de_dxi(num_gp) = de_dx(k,j,i)
851                   de_dyi(num_gp) = 0.0_wp
852                   de_dzi(num_gp) = de_dz(k,j,i)
853                ENDIF
854
855                IF ( gp_outside_of_building(2) == 1  .AND. &
856                     gp_outside_of_building(1) == 0 )  THEN
857                   num_gp = num_gp + 1
858                   location(num_gp,1) = i * dx
859                   location(num_gp,2) = j * dy + 0.5_wp * dy
860                   location(num_gp,3) = k * dz - 0.5_wp * dz
861                   ei(num_gp)     = e(k,j+1,i)
862                   dissi(num_gp)  = diss(k,j+1,i)
863                   de_dxi(num_gp) = de_dx(k,j+1,i)
864                   de_dyi(num_gp) = 0.0_wp
865                   de_dzi(num_gp) = de_dz(k,j+1,i)
866                ENDIF
867
868!
869!--             If wall between gridpoint 3 and gridpoint 7, then
870!--             Neumann boundary condition has to be applied
871                IF ( gp_outside_of_building(3) == 1  .AND. &
872                     gp_outside_of_building(7) == 0 )  THEN
873                   num_gp = num_gp + 1
874                   location(num_gp,1) = i * dx + 0.5_wp * dx
875                   location(num_gp,2) = j * dy
876                   location(num_gp,3) = k * dz + 0.5_wp * dz
877                   ei(num_gp)     = e(k+1,j,i)
878                   dissi(num_gp)  = diss(k+1,j,i)
879                   de_dxi(num_gp) = 0.0_wp
880                   de_dyi(num_gp) = de_dy(k+1,j,i)
881                   de_dzi(num_gp) = de_dz(k+1,j,i) 
882                ENDIF
883
884                IF ( gp_outside_of_building(7) == 1  .AND. &
885                     gp_outside_of_building(3) == 0 )  THEN
886                   num_gp = num_gp + 1
887                   location(num_gp,1) = i * dx + 0.5_wp * dx
888                   location(num_gp,2) = j * dy
889                   location(num_gp,3) = k * dz + 0.5_wp * dz
890                   ei(num_gp)     = e(k+1,j,i+1)
891                   dissi(num_gp)  = diss(k+1,j,i+1)
892                   de_dxi(num_gp) = 0.0_wp
893                   de_dyi(num_gp) = de_dy(k+1,j,i+1)
894                   de_dzi(num_gp) = de_dz(k+1,j,i+1)
895                ENDIF
896
897!
898!--             If wall between gridpoint 7 and gridpoint 8, then
899!--             Neumann boundary condition has to be applied
900                IF ( gp_outside_of_building(7) == 1  .AND. &
901                     gp_outside_of_building(8) == 0 )  THEN
902                   num_gp = num_gp + 1
903                   location(num_gp,1) = (i+1) * dx
904                   location(num_gp,2) = j * dy + 0.5_wp * dy
905                   location(num_gp,3) = k * dz + 0.5_wp * dz
906                   ei(num_gp)     = e(k+1,j,i+1)
907                   dissi(num_gp)  = diss(k+1,j,i+1)
908                   de_dxi(num_gp) = de_dx(k+1,j,i+1)
909                   de_dyi(num_gp) = 0.0_wp
910                   de_dzi(num_gp) = de_dz(k+1,j,i+1)
911                ENDIF
912
913                IF ( gp_outside_of_building(8) == 1  .AND. &
914                     gp_outside_of_building(7) == 0 )  THEN
915                   num_gp = num_gp + 1
916                   location(num_gp,1) = (i+1) * dx
917                   location(num_gp,2) = j * dy + 0.5_wp * dy
918                   location(num_gp,3) = k * dz + 0.5_wp * dz
919                   ei(num_gp)     = e(k+1,j+1,i+1)
920                   dissi(num_gp)  = diss(k+1,j+1,i+1)
921                   de_dxi(num_gp) = de_dx(k+1,j+1,i+1)
922                   de_dyi(num_gp) = 0.0_wp
923                   de_dzi(num_gp) = de_dz(k+1,j+1,i+1)
924                ENDIF
925
926!
927!--             If wall between gridpoint 4 and gridpoint 8, then
928!--             Neumann boundary condition has to be applied
929                IF ( gp_outside_of_building(4) == 1  .AND. &
930                     gp_outside_of_building(8) == 0 )  THEN
931                   num_gp = num_gp + 1
932                   location(num_gp,1) = i * dx + 0.5_wp * dx
933                   location(num_gp,2) = (j+1) * dy
934                   location(num_gp,3) = k * dz + 0.5_wp * dz
935                   ei(num_gp)     = e(k+1,j+1,i)
936                   dissi(num_gp)  = diss(k+1,j+1,i)
937                   de_dxi(num_gp) = 0.0_wp
938                   de_dyi(num_gp) = de_dy(k+1,j+1,i)
939                   de_dzi(num_gp) = de_dz(k+1,j+1,i)
940                ENDIF
941
942                IF ( gp_outside_of_building(8) == 1  .AND. &
943                     gp_outside_of_building(4) == 0 )  THEN
944                   num_gp = num_gp + 1
945                   location(num_gp,1) = i * dx + 0.5_wp * dx
946                   location(num_gp,2) = (j+1) * dy
947                   location(num_gp,3) = k * dz + 0.5_wp * dz
948                   ei(num_gp)     = e(k+1,j+1,i+1)
949                   dissi(num_gp)  = diss(k+1,j+1,i+1)
950                   de_dxi(num_gp) = 0.0_wp
951                   de_dyi(num_gp) = de_dy(k+1,j+1,i+1)
952                   de_dzi(num_gp) = de_dz(k+1,j+1,i+1)
953                ENDIF
954
955!
956!--             If wall between gridpoint 3 and gridpoint 4, then
957!--             Neumann boundary condition has to be applied
958                IF ( gp_outside_of_building(3) == 1  .AND. &
959                     gp_outside_of_building(4) == 0 )  THEN
960                   num_gp = num_gp + 1
961                   location(num_gp,1) = i * dx
962                   location(num_gp,2) = j * dy + 0.5_wp * dy
963                   location(num_gp,3) = k * dz + 0.5_wp * dz
964                   ei(num_gp)     = e(k+1,j,i)
965                   dissi(num_gp)  = diss(k+1,j,i)
966                   de_dxi(num_gp) = de_dx(k+1,j,i)
967                   de_dyi(num_gp) = 0.0_wp
968                   de_dzi(num_gp) = de_dz(k+1,j,i)
969                ENDIF
970
971                IF ( gp_outside_of_building(4) == 1  .AND. &
972                     gp_outside_of_building(3) == 0 )  THEN
973                   num_gp = num_gp + 1
974                   location(num_gp,1) = i * dx
975                   location(num_gp,2) = j * dy + 0.5_wp * dy
976                   location(num_gp,3) = k * dz + 0.5_wp * dz
977                   ei(num_gp)     = e(k+1,j+1,i)
978                   dissi(num_gp)  = diss(k+1,j+1,i)
979                   de_dxi(num_gp) = de_dx(k+1,j+1,i)
980                   de_dyi(num_gp) = 0.0_wp
981                   de_dzi(num_gp) = de_dz(k+1,j+1,i)
982                ENDIF
983
984!
985!--             If wall between gridpoint 1 and gridpoint 3, then
986!--             Neumann boundary condition has to be applied
987!--             (only one case as only building beneath is possible)
988                IF ( gp_outside_of_building(1) == 0  .AND. &
989                     gp_outside_of_building(3) == 1 )  THEN
990                   num_gp = num_gp + 1
991                   location(num_gp,1) = i * dx
992                   location(num_gp,2) = j * dy
993                   location(num_gp,3) = k * dz
994                   ei(num_gp)     = e(k+1,j,i)
995                   dissi(num_gp)  = diss(k+1,j,i)
996                   de_dxi(num_gp) = de_dx(k+1,j,i)
997                   de_dyi(num_gp) = de_dy(k+1,j,i)
998                   de_dzi(num_gp) = 0.0_wp
999                ENDIF
1000
1001!
1002!--             If wall between gridpoint 5 and gridpoint 7, then
1003!--             Neumann boundary condition has to be applied
1004!--             (only one case as only building beneath is possible)
1005                IF ( gp_outside_of_building(5) == 0  .AND. &
1006                     gp_outside_of_building(7) == 1 )  THEN
1007                   num_gp = num_gp + 1
1008                   location(num_gp,1) = (i+1) * dx
1009                   location(num_gp,2) = j * dy
1010                   location(num_gp,3) = k * dz
1011                   ei(num_gp)     = e(k+1,j,i+1)
1012                   dissi(num_gp)  = diss(k+1,j,i+1)
1013                   de_dxi(num_gp) = de_dx(k+1,j,i+1)
1014                   de_dyi(num_gp) = de_dy(k+1,j,i+1)
1015                   de_dzi(num_gp) = 0.0_wp
1016                ENDIF
1017
1018!
1019!--             If wall between gridpoint 2 and gridpoint 4, then
1020!--             Neumann boundary condition has to be applied
1021!--             (only one case as only building beneath is possible)
1022                IF ( gp_outside_of_building(2) == 0  .AND. &
1023                     gp_outside_of_building(4) == 1 )  THEN
1024                   num_gp = num_gp + 1
1025                   location(num_gp,1) = i * dx
1026                   location(num_gp,2) = (j+1) * dy
1027                   location(num_gp,3) = k * dz
1028                   ei(num_gp)     = e(k+1,j+1,i)
1029                   dissi(num_gp)  = diss(k+1,j+1,i)
1030                   de_dxi(num_gp) = de_dx(k+1,j+1,i)
1031                   de_dyi(num_gp) = de_dy(k+1,j+1,i)
1032                   de_dzi(num_gp) = 0.0_wp
1033                ENDIF
1034
1035!
1036!--             If wall between gridpoint 6 and gridpoint 8, then
1037!--             Neumann boundary condition has to be applied
1038!--             (only one case as only building beneath is possible)
1039                IF ( gp_outside_of_building(6) == 0  .AND. &
1040                     gp_outside_of_building(8) == 1 )  THEN
1041                   num_gp = num_gp + 1
1042                   location(num_gp,1) = (i+1) * dx
1043                   location(num_gp,2) = (j+1) * dy
1044                   location(num_gp,3) = k * dz
1045                   ei(num_gp)     = e(k+1,j+1,i+1)
1046                   dissi(num_gp)  = diss(k+1,j+1,i+1)
1047                   de_dxi(num_gp) = de_dx(k+1,j+1,i+1)
1048                   de_dyi(num_gp) = de_dy(k+1,j+1,i+1)
1049                   de_dzi(num_gp) = 0.0_wp
1050                ENDIF
1051
1052!
1053!--             Carry out the interpolation
1054                IF ( num_gp == 1 )  THEN
1055!
1056!--                If only one of the gridpoints is situated outside of the
1057!--                building, it follows that the values at the particle
1058!--                location are the same as the gridpoint values
1059                   e_int(n)     = ei(num_gp)
1060                   diss_int(n)  = dissi(num_gp)
1061                   de_dx_int(n) = de_dxi(num_gp)
1062                   de_dy_int(n) = de_dyi(num_gp)
1063                   de_dz_int(n) = de_dzi(num_gp)
1064                ELSE IF ( num_gp > 1 )  THEN
1065
1066                   d_sum = 0.0_wp
1067!
1068!--                Evaluation of the distances between the gridpoints
1069!--                contributing to the interpolated values, and the particle
1070!--                location
1071                   DO  agp = 1, num_gp
1072                      d_gp_pl(agp) = ( particles(n)%x-location(agp,1) )**2  &
1073                                   + ( particles(n)%y-location(agp,2) )**2  &
1074                                   + ( zv(n)-location(agp,3) )**2
1075                      d_sum        = d_sum + d_gp_pl(agp)
1076                   ENDDO
1077
1078!
1079!--                Finally the interpolation can be carried out
1080                   e_int(n)     = 0.0_wp 
1081                   diss_int(n)  = 0.0_wp 
1082                   de_dx_int(n) = 0.0_wp 
1083                   de_dy_int(n) = 0.0_wp 
1084                   de_dz_int(n) = 0.0_wp 
1085                   DO  agp = 1, num_gp
1086                      e_int(n)     = e_int(n)     + ( d_sum - d_gp_pl(agp) ) * &
1087                                             ei(agp) / ( (num_gp-1) * d_sum )
1088                      diss_int(n)  = diss_int(n)  + ( d_sum - d_gp_pl(agp) ) * &
1089                                          dissi(agp) / ( (num_gp-1) * d_sum )
1090                      de_dx_int(n) = de_dx_int(n) + ( d_sum - d_gp_pl(agp) ) * &
1091                                         de_dxi(agp) / ( (num_gp-1) * d_sum )
1092                      de_dy_int(n) = de_dy_int(n) + ( d_sum - d_gp_pl(agp) ) * &
1093                                         de_dyi(agp) / ( (num_gp-1) * d_sum )
1094                      de_dz_int(n) = de_dz_int(n) + ( d_sum - d_gp_pl(agp) ) * &
1095                                         de_dzi(agp) / ( (num_gp-1) * d_sum )
1096                   ENDDO
1097
1098                ENDIF
1099
1100             ENDIF
1101          ENDDO
1102       ENDIF
1103
1104       DO nb = 0,7
1105          i = ip + block_offset(nb)%i_off
1106          j = jp + block_offset(nb)%j_off
1107          k = kp + block_offset(nb)%k_off
1108
1109          DO  n = start_index(nb), end_index(nb)
1110!
1111!--          Vertical interpolation of the horizontally averaged SGS TKE and
1112!--          resolved-scale velocity variances and use the interpolated values
1113!--          to calculate the coefficient fs, which is a measure of the ratio
1114!--          of the subgrid-scale turbulent kinetic energy to the total amount
1115!--          of turbulent kinetic energy.
1116             IF ( k == 0 )  THEN
1117                e_mean_int = hom(0,1,8,0)
1118             ELSE
1119                e_mean_int = hom(k,1,8,0) +                                    &
1120                                           ( hom(k+1,1,8,0) - hom(k,1,8,0) ) / &
1121                                           ( zu(k+1) - zu(k) ) *               &
1122                                           ( zv(n) - zu(k) )
1123             ENDIF
1124
1125 !           kw = particles(n)%z / dz
1126             kw = kp-1                                    ! ok for ocean??? ( + offset_ocean_nzt_m1 ???)
1127
1128             IF ( k == 0 )  THEN
1129                aa  = hom(k+1,1,30,0)  * ( zv(n) / &
1130                                         ( 0.5_wp * ( zu(k+1) - zu(k) ) ) )
1131                bb  = hom(k+1,1,31,0)  * ( zv(n) / &
1132                                         ( 0.5_wp * ( zu(k+1) - zu(k) ) ) )
1133                cc  = hom(kw+1,1,32,0) * ( zv(n) / &
1134                                         ( 1.0_wp * ( zw(kw+1) - zw(kw) ) ) )
1135             ELSE
1136                aa  = hom(k,1,30,0) + ( hom(k+1,1,30,0) - hom(k,1,30,0) ) *    &
1137                           ( ( zv(n) - zu(k) ) / ( zu(k+1) - zu(k) ) )
1138                bb  = hom(k,1,31,0) + ( hom(k+1,1,31,0) - hom(k,1,31,0) ) *    &
1139                           ( ( zv(n) - zu(k) ) / ( zu(k+1) - zu(k) ) )
1140                cc  = hom(kw,1,32,0) + ( hom(kw+1,1,32,0)-hom(kw,1,32,0) ) *   &
1141                           ( ( zv(n) - zw(kw) ) / ( zw(kw+1)-zw(kw) ) )
1142             ENDIF
1143
1144             vv_int = ( 1.0_wp / 3.0_wp ) * ( aa + bb + cc )
1145!
1146!--          Needed to avoid NaN particle velocities. The value of 1.0 is just
1147!--          an educated guess for the given case.
1148             IF ( vv_int + ( 2.0_wp / 3.0_wp ) * e_mean_int == 0.0_wp )  THEN
1149                fs_int(n) = 1.0_wp
1150             ELSE
1151                fs_int(n) = ( 2.0_wp / 3.0_wp ) * e_mean_int /                 &
1152                            ( vv_int + ( 2.0_wp / 3.0_wp ) * e_mean_int )
1153             ENDIF
1154
1155          ENDDO
1156       ENDDO
1157
1158       DO  n = 1, number_of_particles
1159
1160         rg(n,1) = random_gauss( iran_part, 5.0_wp )
1161         rg(n,2) = random_gauss( iran_part, 5.0_wp )
1162         rg(n,3) = random_gauss( iran_part, 5.0_wp )
1163
1164       ENDDO
1165
1166       DO  n = 1, number_of_particles
1167!
1168!--       Calculate the Lagrangian timescale according to Weil et al. (2004).
1169          lagr_timescale = ( 4.0_wp * e_int(n) ) / &
1170                           ( 3.0_wp * fs_int(n) * c_0 * diss_int(n) )
1171
1172!
1173!--       Calculate the next particle timestep. dt_gap is the time needed to
1174!--       complete the current LES timestep.
1175          dt_gap = dt_3d - particles(n)%dt_sum
1176          dt_particle(n) = MIN( dt_3d, 0.025_wp * lagr_timescale, dt_gap )
1177
1178!
1179!--       The particle timestep should not be too small in order to prevent
1180!--       the number of particle timesteps of getting too large
1181          IF ( dt_particle(n) < dt_min_part  .AND.  dt_min_part < dt_gap )  THEN
1182             dt_particle(n) = dt_min_part
1183          ENDIF
1184
1185!
1186!--       Calculate the SGS velocity components
1187          IF ( particles(n)%age == 0.0_wp )  THEN
1188!
1189!--          For new particles the SGS components are derived from the SGS
1190!--          TKE. Limit the Gaussian random number to the interval
1191!--          [-5.0*sigma, 5.0*sigma] in order to prevent the SGS velocities
1192!--          from becoming unrealistically large.
1193             particles(n)%rvar1 = SQRT( 2.0_wp * sgs_wfu_part * e_int(n) ) *   &
1194                                  ( rg(n,1) - 1.0_wp )
1195             particles(n)%rvar2 = SQRT( 2.0_wp * sgs_wfv_part * e_int(n) ) *   &
1196                                  ( rg(n,2) - 1.0_wp )
1197             particles(n)%rvar3 = SQRT( 2.0_wp * sgs_wfw_part * e_int(n) ) *   &
1198                                  ( rg(n,3) - 1.0_wp )
1199
1200          ELSE
1201!
1202!--          Restriction of the size of the new timestep: compared to the
1203!--          previous timestep the increase must not exceed 200%
1204
1205             dt_particle_m = particles(n)%age - particles(n)%age_m
1206             IF ( dt_particle(n) > 2.0_wp * dt_particle_m )  THEN
1207                dt_particle(n) = 2.0_wp * dt_particle_m
1208             ENDIF
1209
1210!
1211!--          For old particles the SGS components are correlated with the
1212!--          values from the previous timestep. Random numbers have also to
1213!--          be limited (see above).
1214!--          As negative values for the subgrid TKE are not allowed, the
1215!--          change of the subgrid TKE with time cannot be smaller than
1216!--          -e_int(n)/dt_particle. This value is used as a lower boundary
1217!--          value for the change of TKE
1218
1219             de_dt_min = - e_int(n) / dt_particle(n)
1220
1221             de_dt = ( e_int(n) - particles(n)%e_m ) / dt_particle_m
1222
1223             IF ( de_dt < de_dt_min )  THEN
1224                de_dt = de_dt_min
1225             ENDIF
1226
1227             particles(n)%rvar1 = particles(n)%rvar1 - fs_int(n) * c_0 *       &
1228                           diss_int(n) * particles(n)%rvar1 * dt_particle(n) / &
1229                           ( 4.0_wp * sgs_wfu_part * e_int(n) ) +              &
1230                           ( 2.0_wp * sgs_wfu_part * de_dt *                   &
1231                             particles(n)%rvar1 /                              &
1232                             ( 2.0_wp * sgs_wfu_part * e_int(n) ) +            &
1233                             de_dx_int(n)                                      &
1234                           ) * dt_particle(n) / 2.0_wp          +              &
1235                           SQRT( fs_int(n) * c_0 * diss_int(n) ) *             &
1236                           ( rg(n,1) - 1.0_wp ) *                              &
1237                           SQRT( dt_particle(n) )
1238
1239             particles(n)%rvar2 = particles(n)%rvar2 - fs_int(n) * c_0 *       &
1240                           diss_int(n) * particles(n)%rvar2 * dt_particle(n) / &
1241                           ( 4.0_wp * sgs_wfv_part * e_int(n) ) +              &
1242                           ( 2.0_wp * sgs_wfv_part * de_dt *                   &
1243                             particles(n)%rvar2 /                              &
1244                             ( 2.0_wp * sgs_wfv_part * e_int(n) ) +            &
1245                             de_dy_int(n)                                      &
1246                           ) * dt_particle(n) / 2.0_wp          +              &
1247                           SQRT( fs_int(n) * c_0 * diss_int(n) ) *             &
1248                           ( rg(n,2) - 1.0_wp ) *                              &
1249                           SQRT( dt_particle(n) )
1250
1251             particles(n)%rvar3 = particles(n)%rvar3 - fs_int(n) * c_0 *       &
1252                           diss_int(n) * particles(n)%rvar3 * dt_particle(n) / &
1253                           ( 4.0_wp * sgs_wfw_part * e_int(n) ) +              &
1254                           ( 2.0_wp * sgs_wfw_part * de_dt *                   &
1255                             particles(n)%rvar3 /                              &
1256                             ( 2.0_wp * sgs_wfw_part * e_int(n) ) +            &
1257                             de_dz_int(n)                                      &
1258                           ) * dt_particle(n) / 2.0_wp          +              &
1259                           SQRT( fs_int(n) * c_0 * diss_int(n) ) *             &
1260                           ( rg(n,3) - 1.0_wp ) *                              &
1261                           SQRT( dt_particle(n) )
1262
1263          ENDIF
1264          u_int(n) = u_int(n) + particles(n)%rvar1
1265          v_int(n) = v_int(n) + particles(n)%rvar2
1266          w_int(n) = w_int(n) + particles(n)%rvar3
1267
1268!
1269!--       Store the SGS TKE of the current timelevel which is needed for
1270!--       for calculating the SGS particle velocities at the next timestep
1271          particles(n)%e_m = e_int(n)
1272       ENDDO
1273
1274    ELSE
1275!
1276!--    If no SGS velocities are used, only the particle timestep has to
1277!--    be set
1278       dt_particle = dt_3d
1279
1280    ENDIF
1281!
1282!-- Store the old age of the particle ( needed to prevent that a
1283!-- particle crosses several PEs during one timestep, and for the
1284!-- evaluation of the subgrid particle velocity fluctuations )
1285    particles(1:number_of_particles)%age_m = particles(1:number_of_particles)%age
1286
1287    dens_ratio = particle_groups(particles(1:number_of_particles)%group)%density_ratio
1288
1289    IF ( ANY( dens_ratio == 0.0_wp ) )  THEN
1290       DO  n = 1, number_of_particles
1291
1292!
1293!--       Particle advection
1294          IF ( dens_ratio(n) == 0.0_wp )  THEN
1295!
1296!--          Pure passive transport (without particle inertia)
1297             particles(n)%x = xv(n) + u_int(n) * dt_particle(n)
1298             particles(n)%y = yv(n) + v_int(n) * dt_particle(n)
1299             particles(n)%z = zv(n) + w_int(n) * dt_particle(n)
1300
1301             particles(n)%speed_x = u_int(n)
1302             particles(n)%speed_y = v_int(n)
1303             particles(n)%speed_z = w_int(n)
1304
1305          ELSE
1306!
1307!--          Transport of particles with inertia
1308             particles(n)%x = particles(n)%x + particles(n)%speed_x * &
1309                                               dt_particle(n)
1310             particles(n)%y = particles(n)%y + particles(n)%speed_y * &
1311                                               dt_particle(n)
1312             particles(n)%z = particles(n)%z + particles(n)%speed_z * &
1313                                               dt_particle(n)
1314
1315!
1316!--          Update of the particle velocity
1317             IF ( cloud_droplets )  THEN
1318                exp_arg  = 4.5_wp * dens_ratio(n) * molecular_viscosity /      &
1319                           ( particles(n)%radius )**2 *                        &
1320                           ( 1.0_wp + 0.15_wp * ( 2.0_wp * particles(n)%radius &
1321                             * SQRT( ( u_int(n) - particles(n)%speed_x )**2 +  &
1322                                     ( v_int(n) - particles(n)%speed_y )**2 +  &
1323                                     ( w_int(n) - particles(n)%speed_z )**2 )  &
1324                                          / molecular_viscosity )**0.687_wp    &
1325                           )
1326
1327                exp_term = EXP( -exp_arg * dt_particle(n) )
1328             ELSEIF ( use_sgs_for_particles )  THEN
1329                exp_arg  = particle_groups(particles(n)%group)%exp_arg
1330                exp_term = EXP( -exp_arg * dt_particle(n) )
1331             ELSE
1332                exp_arg  = particle_groups(particles(n)%group)%exp_arg
1333                exp_term = particle_groups(particles(n)%group)%exp_term
1334             ENDIF
1335             particles(n)%speed_x = particles(n)%speed_x * exp_term +          &
1336                                    u_int(n) * ( 1.0_wp - exp_term )
1337             particles(n)%speed_y = particles(n)%speed_y * exp_term +          &
1338                                    v_int(n) * ( 1.0_wp - exp_term )
1339             particles(n)%speed_z = particles(n)%speed_z * exp_term +          &
1340                                    ( w_int(n) - ( 1.0_wp - dens_ratio(n) ) *  &
1341                                    g / exp_arg ) * ( 1.0_wp - exp_term )
1342          ENDIF
1343
1344       ENDDO
1345   
1346    ELSE
1347
1348       DO  n = 1, number_of_particles
1349
1350!--       Transport of particles with inertia
1351          particles(n)%x = xv(n) + particles(n)%speed_x * dt_particle(n)
1352          particles(n)%y = yv(n) + particles(n)%speed_y * dt_particle(n)
1353          particles(n)%z = zv(n) + particles(n)%speed_z * dt_particle(n)
1354!
1355!--       Update of the particle velocity
1356          IF ( cloud_droplets )  THEN
1357
1358             exp_arg  = 4.5_wp * dens_ratio(n) * molecular_viscosity /         &
1359                        ( particles(n)%radius )**2 *                           &
1360                        ( 1.0_wp + 0.15_wp * ( 2.0_wp * particles(n)%radius *  &
1361                          SQRT( ( u_int(n) - particles(n)%speed_x )**2 +       &
1362                                ( v_int(n) - particles(n)%speed_y )**2 +       &
1363                                ( w_int(n) - particles(n)%speed_z )**2 ) /     &
1364                                         molecular_viscosity )**0.687_wp       &
1365                        )
1366
1367             exp_term = EXP( -exp_arg * dt_particle(n) )
1368          ELSEIF ( use_sgs_for_particles )  THEN
1369             exp_arg  = particle_groups(particles(n)%group)%exp_arg
1370             exp_term = EXP( -exp_arg * dt_particle(n) )
1371          ELSE
1372             exp_arg  = particle_groups(particles(n)%group)%exp_arg
1373             exp_term = particle_groups(particles(n)%group)%exp_term
1374          ENDIF
1375          particles(n)%speed_x = particles(n)%speed_x * exp_term +             &
1376                                 u_int(n) * ( 1.0_wp - exp_term )
1377          particles(n)%speed_y = particles(n)%speed_y * exp_term +             &
1378                                 v_int(n) * ( 1.0_wp - exp_term )
1379          particles(n)%speed_z = particles(n)%speed_z * exp_term +             &
1380                                 ( w_int(n) - ( 1.0_wp - dens_ratio(n) ) * g / &
1381                                 exp_arg ) * ( 1.0_wp - exp_term )
1382       ENDDO
1383
1384    ENDIF
1385
1386    DO  n = 1, number_of_particles
1387!
1388!--    Increment the particle age and the total time that the particle
1389!--    has advanced within the particle timestep procedure
1390       particles(n)%age    = particles(n)%age    + dt_particle(n)
1391       particles(n)%dt_sum = particles(n)%dt_sum + dt_particle(n)
1392
1393!
1394!--    Check whether there is still a particle that has not yet completed
1395!--    the total LES timestep
1396       IF ( ( dt_3d - particles(n)%dt_sum ) > 1E-8_wp )  THEN
1397          dt_3d_reached_l = .FALSE.
1398       ENDIF
1399
1400    ENDDO
1401
1402    CALL cpu_log( log_point_s(44), 'lpm_advec', 'pause' )
1403
1404 END SUBROUTINE lpm_advec
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.