source: palm/trunk/SOURCE/model_1d_mod.f90 @ 3655

Last change on this file since 3655 was 3655, checked in by knoop, 3 years ago

Bugfix: made "unit" and "found" intend INOUT in module interface subroutines + automatic copyright update

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 44.9 KB
Line 
1!> @file model_1d_mod.f90
2!------------------------------------------------------------------------------!
3! This file is part of the PALM model system.
4!
5! PALM is free software: you can redistribute it and/or modify it under the
6! terms of the GNU General Public License as published by the Free Software
7! Foundation, either version 3 of the License, or (at your option) any later
8! version.
9!
10! PALM is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY
11! WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR
12! A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License for more details.
13!
14! You should have received a copy of the GNU General Public License along with
15! PALM. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
16!
17! Copyright 1997-2019 Leibniz Universitaet Hannover
18!------------------------------------------------------------------------------!
19!
20! Current revisions:
21! -----------------
22!
23!
24! Former revisions:
25! -----------------
26! $Id: model_1d_mod.f90 3655 2019-01-07 16:51:22Z knoop $
27! Modularization of all bulk cloud physics code components
28!
29! 3135 2018-07-16 14:43:04Z gronemeier
30! Bugfix: add +1 to c_3 according to Sogachev et al. (2012)
31!
32! 3126 2018-07-13 15:13:54Z gronemeier
33! Bugfix: define c_0 = 0.03^0.25 = 0.416179145
34!
35! 3083 2018-06-19 14:03:12Z gronemeier
36! Bugfixes:
37!   - preset te_diss and te_e to avoid runtime errors
38!   - implementation of buoyancy term to dissipation
39!     according to Sogachev et al. (2012)
40!   - where diss_p < 0 set diss_p = 0.1 diss
41!   - calculate progn eq(diss) starting from nzb+1
42! Changes:
43!   - add sig_e to TKE equation
44!   - adjust prognostic equation of diss
45!   - set model constants according to Koblitz (2013)
46!   - renamed c_m to c_0
47!   - rename l_black into l1d_init
48!   - calculate l_grid within init_1d_model and save it as l1d_init
49!   - calculate l1d according to DE85 if dissipation is a prognostic value
50!   - made annotations doxygen-readable
51!
52! 3049 2018-05-29 13:52:36Z Giersch
53! Error messages revised
54!
55! 3045 2018-05-28 07:55:41Z Giersch
56! Error message revised
57!
58! 2965 2018-04-13 07:37:25Z scharf
59! adjusted format string for 1D run control output
60!
61! 2918 2018-03-21 15:52:14Z gronemeier
62! - rename l_black into l1d_init
63! - calculate l_grid within init_1d_model and save it as l1d_init
64!
65! 2718 2018-01-02 08:49:38Z maronga
66! Corrected "Former revisions" section
67!
68! 2696 2017-12-14 17:12:51Z kanani
69! Change in file header (GPL part)
70! implement TKE-e closure
71! modification of dissipation production according to Detering and Etling
72! reduced factor for timestep criterion to 0.125 and first dt to 1s (TG)
73!
74! 2339 2017-08-07 13:55:26Z gronemeier
75! corrected timestamp in header
76!
77! 2338 2017-08-07 12:15:38Z gronemeier
78! renamed init_1d_model to model_1d_mod and and formatted it as a module;
79! reformatted output of profiles
80!
81! 2337 2017-08-07 08:59:53Z gronemeier
82! revised calculation of mixing length
83! removed rounding of time step
84! corrected calculation of virtual potential temperature
85!
86! 2334 2017-08-04 11:57:04Z gronemeier
87! set c_m = 0.4 according to Detering and Etling (1985)
88!
89! 2299 2017-06-29 10:14:38Z maronga
90! Removed german text
91!
92! 2101 2017-01-05 16:42:31Z suehring
93!
94! 2059 2016-11-10 14:20:40Z maronga
95! Corrected min/max values of Rif.
96!
97! 2000 2016-08-20 18:09:15Z knoop
98! Forced header and separation lines into 80 columns
99!
100! 1960 2016-07-12 16:34:24Z suehring
101! Remove passive_scalar from IF-statements, as 1D-scalar profile is effectively
102! not used.
103! Formatting adjustment
104!
105! 1808 2016-04-05 19:44:00Z raasch
106! routine local_flush replaced by FORTRAN statement
107!
108! 1709 2015-11-04 14:47:01Z maronga
109! Set initial time step to 10 s to avoid instability of the 1d model for small
110! grid spacings
111!
112! 1697 2015-10-28 17:14:10Z raasch
113! small E- and F-FORMAT changes to avoid informative compiler messages about
114! insufficient field width
115!
116! 1691 2015-10-26 16:17:44Z maronga
117! Renamed prandtl_layer to constant_flux_layer. rif is replaced by ol and zeta.
118!
119! 1682 2015-10-07 23:56:08Z knoop
120! Code annotations made doxygen readable
121!
122! 1353 2014-04-08 15:21:23Z heinze
123! REAL constants provided with KIND-attribute
124!
125! 1346 2014-03-27 13:18:20Z heinze
126! Bugfix: REAL constants provided with KIND-attribute especially in call of
127! intrinsic function like MAX, MIN, SIGN
128!
129! 1322 2014-03-20 16:38:49Z raasch
130! REAL functions provided with KIND-attribute
131!
132! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
133! ONLY-attribute added to USE-statements,
134! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
135! kinds are defined in new module kinds,
136! revision history before 2012 removed,
137! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
138! all variable declaration statements
139!
140! 1036 2012-10-22 13:43:42Z raasch
141! code put under GPL (PALM 3.9)
142!
143! 1015 2012-09-27 09:23:24Z raasch
144! adjustment of mixing length to the Prandtl mixing length at first grid point
145! above ground removed
146!
147! 1001 2012-09-13 14:08:46Z raasch
148! all actions concerning leapfrog scheme removed
149!
150! 996 2012-09-07 10:41:47Z raasch
151! little reformatting
152!
153! 978 2012-08-09 08:28:32Z fricke
154! roughness length for scalar quantities z0h1d added
155!
156! Revision 1.1  1998/03/09 16:22:10  raasch
157! Initial revision
158!
159!
160! Description:
161! ------------
162!> 1D-model to initialize the 3D-arrays.
163!> The temperature profile is set as steady and a corresponding steady solution
164!> of the wind profile is being computed.
165!> All subroutines required can be found within this file.
166!>
167!> @todo harmonize code with new surface_layer_fluxes module
168!> @bug 1D model crashes when using small grid spacings in the order of 1 m
169!> @fixme option "as_in_3d_model" seems to be an inappropriate option because
170!>        the 1D model uses different turbulence closure approaches at least if
171!>        the 3D model is set to LES-mode.
172!------------------------------------------------------------------------------!
173 MODULE model_1d_mod
174
175    USE arrays_3d,                                                             &
176        ONLY:  dd2zu, ddzu, ddzw, dzu, dzw, pt_init, q_init, ug, u_init,       &
177               vg, v_init, zu
178
179    USE basic_constants_and_equations_mod,                                     &
180        ONLY:  g, kappa, pi
181   
182    USE control_parameters,                                                    &
183        ONLY:  constant_diffusion, constant_flux_layer, dissipation_1d, f,     &
184               humidity, ibc_e_b, intermediate_timestep_count,                 &
185               intermediate_timestep_count_max, km_constant,                   &
186               message_string, mixing_length_1d, prandtl_number,               &
187               roughness_length, run_description_header, simulated_time_chr,   &
188               timestep_scheme, tsc, z0h_factor
189
190    USE indices,                                                               &
191        ONLY:  nzb, nzb_diff, nzt
192   
193    USE kinds
194
195    USE pegrid,                                                                &
196        ONLY:  myid
197       
198
199    IMPLICIT NONE
200
201    INTEGER(iwp) ::  current_timestep_number_1d = 0  !< current timestep number (1d-model)
202    INTEGER(iwp) ::  damp_level_ind_1d               !< lower grid index of damping layer (1d-model)
203
204    LOGICAL ::  run_control_header_1d = .FALSE.  !< flag for output of run control header (1d-model)
205    LOGICAL ::  stop_dt_1d = .FALSE.             !< termination flag, used in case of too small timestep (1d-model)
206
207    REAL(wp) ::  alpha_buoyancy                !< model constant according to Koblitz (2013)
208    REAL(wp) ::  c_0 = 0.416179145_wp          !< = 0.03^0.25; model constant according to Koblitz (2013)
209    REAL(wp) ::  c_1 = 1.52_wp                 !< model constant according to Koblitz (2013)
210    REAL(wp) ::  c_2 = 1.83_wp                 !< model constant according to Koblitz (2013)
211    REAL(wp) ::  c_3                           !< model constant
212    REAL(wp) ::  c_mu                          !< model constant
213    REAL(wp) ::  damp_level_1d = -1.0_wp       !< namelist parameter
214    REAL(wp) ::  dt_1d = 60.0_wp               !< dynamic timestep (1d-model)
215    REAL(wp) ::  dt_max_1d = 300.0_wp          !< timestep limit (1d-model)
216    REAL(wp) ::  dt_pr_1d = 9999999.9_wp       !< namelist parameter
217    REAL(wp) ::  dt_run_control_1d = 60.0_wp   !< namelist parameter
218    REAL(wp) ::  end_time_1d = 864000.0_wp     !< namelist parameter
219    REAL(wp) ::  lambda                        !< maximum mixing length
220    REAL(wp) ::  qs1d                          !< characteristic humidity scale (1d-model)
221    REAL(wp) ::  simulated_time_1d = 0.0_wp    !< updated simulated time (1d-model)
222    REAL(wp) ::  sig_diss = 2.95_wp            !< model constant according to Koblitz (2013)
223    REAL(wp) ::  sig_e = 2.95_wp               !< model constant according to Koblitz (2013)
224    REAL(wp) ::  time_pr_1d = 0.0_wp           !< updated simulated time for profile output (1d-model)
225    REAL(wp) ::  time_run_control_1d = 0.0_wp  !< updated simulated time for run-control output (1d-model)
226    REAL(wp) ::  ts1d                          !< characteristic temperature scale (1d-model)
227    REAL(wp) ::  us1d                          !< friction velocity (1d-model)
228    REAL(wp) ::  usws1d                        !< u-component of the momentum flux (1d-model)
229    REAL(wp) ::  vsws1d                        !< v-component of the momentum flux (1d-model)
230    REAL(wp) ::  z01d                          !< roughness length for momentum (1d-model)
231    REAL(wp) ::  z0h1d                         !< roughness length for scalars (1d-model)
232
233    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  diss1d   !< tke dissipation rate (1d-model)
234    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  diss1d_p !< prognostic value of tke dissipation rate (1d-model)
235    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  e1d      !< tke (1d-model)
236    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  e1d_p    !< prognostic value of tke (1d-model)
237    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  kh1d     !< turbulent diffusion coefficient for heat (1d-model)
238    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  km1d     !< turbulent diffusion coefficient for momentum (1d-model)
239    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  l1d      !< mixing length for turbulent diffusion coefficients (1d-model)
240    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  l1d_init !< initial mixing length (1d-model)
241    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  l1d_diss !< mixing length for dissipation (1d-model)
242    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  rif1d    !< Richardson flux number (1d-model)
243    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  te_diss  !< tendency of diss (1d-model)
244    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  te_dissm !< weighted tendency of diss for previous sub-timestep (1d-model)
245    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  te_e     !< tendency of e (1d-model)
246    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  te_em    !< weighted tendency of e for previous sub-timestep (1d-model)
247    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  te_u     !< tendency of u (1d-model)
248    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  te_um    !< weighted tendency of u for previous sub-timestep (1d-model)
249    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  te_v     !< tendency of v (1d-model)
250    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  te_vm    !< weighted tendency of v for previous sub-timestep (1d-model)
251    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  u1d      !< u-velocity component (1d-model)
252    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  u1d_p    !< prognostic value of u-velocity component (1d-model)
253    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  v1d      !< v-velocity component (1d-model)
254    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  v1d_p    !< prognostic value of v-velocity component (1d-model)
255
256!
257!-- Initialize 1D model
258    INTERFACE init_1d_model
259       MODULE PROCEDURE init_1d_model
260    END INTERFACE init_1d_model
261
262!
263!-- Print profiles
264    INTERFACE print_1d_model
265       MODULE PROCEDURE print_1d_model
266    END INTERFACE print_1d_model
267
268!
269!-- Print run control information
270    INTERFACE run_control_1d
271       MODULE PROCEDURE run_control_1d
272    END INTERFACE run_control_1d
273
274!
275!-- Main procedure
276    INTERFACE time_integration_1d
277       MODULE PROCEDURE time_integration_1d
278    END INTERFACE time_integration_1d
279
280!
281!-- Calculate time step
282    INTERFACE timestep_1d
283       MODULE PROCEDURE timestep_1d
284    END INTERFACE timestep_1d
285
286    SAVE
287
288    PRIVATE
289!
290!-- Public interfaces
291    PUBLIC  init_1d_model
292
293!
294!-- Public variables
295    PUBLIC  damp_level_1d, damp_level_ind_1d, diss1d, dt_pr_1d,                &
296            dt_run_control_1d, e1d, end_time_1d, kh1d, km1d, l1d, rif1d, u1d,  &
297            us1d, usws1d, v1d, vsws1d
298
299
300    CONTAINS
301
302 SUBROUTINE init_1d_model
303 
304    USE grid_variables,                                                        &
305        ONLY:  dx, dy
306
307    IMPLICIT NONE
308
309    CHARACTER (LEN=9) ::  time_to_string  !< function to transform time from real to character string
310
311    INTEGER(iwp) ::  k  !< loop index
312
313!
314!-- Allocate required 1D-arrays
315    ALLOCATE( diss1d(nzb:nzt+1), diss1d_p(nzb:nzt+1),                          &
316              e1d(nzb:nzt+1), e1d_p(nzb:nzt+1), kh1d(nzb:nzt+1),               &
317              km1d(nzb:nzt+1), l1d(nzb:nzt+1), l1d_init(nzb:nzt+1),            &
318              l1d_diss(nzb:nzt+1), rif1d(nzb:nzt+1), te_diss(nzb:nzt+1),       &
319              te_dissm(nzb:nzt+1), te_e(nzb:nzt+1),                            &
320              te_em(nzb:nzt+1), te_u(nzb:nzt+1), te_um(nzb:nzt+1),             &
321              te_v(nzb:nzt+1), te_vm(nzb:nzt+1), u1d(nzb:nzt+1),               &
322              u1d_p(nzb:nzt+1),  v1d(nzb:nzt+1), v1d_p(nzb:nzt+1) )
323
324!
325!-- Initialize arrays
326    IF ( constant_diffusion )  THEN
327       km1d = km_constant
328       kh1d = km_constant / prandtl_number
329    ELSE
330       diss1d = 0.0_wp; diss1d_p = 0.0_wp
331       e1d = 0.0_wp; e1d_p = 0.0_wp
332       kh1d = 0.0_wp; km1d = 0.0_wp
333       rif1d = 0.0_wp
334!
335!--    Compute the mixing length
336       l1d_init(nzb) = 0.0_wp
337
338       IF ( TRIM( mixing_length_1d ) == 'blackadar' )  THEN
339!
340!--       Blackadar mixing length
341          IF ( f /= 0.0_wp )  THEN
342             lambda = 2.7E-4_wp * SQRT( ug(nzt+1)**2 + vg(nzt+1)**2 ) /        &
343                               ABS( f ) + 1E-10_wp
344          ELSE
345             lambda = 30.0_wp
346          ENDIF
347
348          DO  k = nzb+1, nzt+1
349             l1d_init(k) = kappa * zu(k) / ( 1.0_wp + kappa * zu(k) / lambda )
350          ENDDO
351
352       ELSEIF ( TRIM( mixing_length_1d ) == 'as_in_3d_model' )  THEN
353!
354!--       Use the same mixing length as in 3D model (LES-mode)
355          !> @todo rename (delete?) this option
356          !>  As the mixing length is different between RANS and LES mode, it
357          !>  must be distinguished here between these modes. For RANS mode,
358          !>  the mixing length is calculated accoding to Blackadar, which is
359          !>  the other option at this point.
360          !>  Maybe delete this option entirely (not appropriate in LES case)
361          !>  2018-03-20, gronemeier
362          DO  k = nzb+1, nzt
363             l1d_init(k)  = ( dx * dy * dzw(k) )**0.33333333333333_wp
364          ENDDO
365          l1d_init(nzt+1) = l1d_init(nzt)
366
367       ENDIF
368    ENDIF
369    l1d      = l1d_init
370    l1d_diss = l1d_init
371    u1d      = u_init
372    u1d_p    = u_init
373    v1d      = v_init
374    v1d_p    = v_init
375
376!
377!-- Set initial horizontal velocities at the lowest grid levels to a very small
378!-- value in order to avoid too small time steps caused by the diffusion limit
379!-- in the initial phase of a run (at k=1, dz/2 occurs in the limiting formula!)
380    u1d(0:1)   = 0.1_wp
381    u1d_p(0:1) = 0.1_wp
382    v1d(0:1)   = 0.1_wp
383    v1d_p(0:1) = 0.1_wp
384
385!
386!-- For u*, theta* and the momentum fluxes plausible values are set
387    IF ( constant_flux_layer )  THEN
388       us1d = 0.1_wp   ! without initial friction the flow would not change
389    ELSE
390       diss1d(nzb+1) = 0.001_wp
391       e1d(nzb+1)  = 1.0_wp
392       km1d(nzb+1) = 1.0_wp
393       us1d = 0.0_wp
394    ENDIF
395    ts1d = 0.0_wp
396    usws1d = 0.0_wp
397    vsws1d = 0.0_wp
398    z01d  = roughness_length
399    z0h1d = z0h_factor * z01d
400    IF ( humidity )  qs1d = 0.0_wp
401
402!
403!-- Tendencies must be preset in order to avoid runtime errors
404    te_diss  = 0.0_wp
405    te_dissm = 0.0_wp
406    te_e  = 0.0_wp
407    te_em = 0.0_wp
408    te_um = 0.0_wp
409    te_vm = 0.0_wp
410
411!
412!-- Set model constant
413    IF ( dissipation_1d == 'as_in_3d_model' )  c_0 = 0.1_wp
414    c_mu = c_0**4
415
416!
417!-- Set start time in hh:mm:ss - format
418    simulated_time_chr = time_to_string( simulated_time_1d )
419
420!
421!-- Integrate the 1D-model equations using the Runge-Kutta scheme
422    CALL time_integration_1d
423
424
425 END SUBROUTINE init_1d_model
426
427
428
429!------------------------------------------------------------------------------!
430! Description:
431! ------------
432!> Runge-Kutta time differencing scheme for the 1D-model.
433!------------------------------------------------------------------------------!
434 
435 SUBROUTINE time_integration_1d
436
437    IMPLICIT NONE
438
439    CHARACTER (LEN=9) ::  time_to_string  !< function to transform time from real to character string
440
441    INTEGER(iwp) ::  k  !< loop index
442
443    REAL(wp) ::  a            !< auxiliary variable
444    REAL(wp) ::  b            !< auxiliary variable
445    REAL(wp) ::  dpt_dz       !< vertical temperature gradient
446    REAL(wp) ::  flux         !< vertical temperature gradient
447    REAL(wp) ::  kmzm         !< Km(z-dz/2)
448    REAL(wp) ::  kmzp         !< Km(z+dz/2)
449    REAL(wp) ::  l_stable     !< mixing length for stable case
450    REAL(wp) ::  pt_0         !< reference temperature
451    REAL(wp) ::  uv_total     !< horizontal wind speed
452
453!
454!-- Determine the time step at the start of a 1D-simulation and
455!-- determine and printout quantities used for run control
456    dt_1d = 0.01_wp
457    CALL run_control_1d
458
459!
460!-- Start of time loop
461    DO  WHILE ( simulated_time_1d < end_time_1d  .AND.  .NOT. stop_dt_1d )
462
463!
464!--    Depending on the timestep scheme, carry out one or more intermediate
465!--    timesteps
466
467       intermediate_timestep_count = 0
468       DO  WHILE ( intermediate_timestep_count < &
469                   intermediate_timestep_count_max )
470
471          intermediate_timestep_count = intermediate_timestep_count + 1
472
473          CALL timestep_scheme_steering
474
475!
476!--       Compute all tendency terms. If a constant-flux layer is simulated,
477!--       k starts at nzb+2.
478          DO  k = nzb_diff, nzt
479
480             kmzm = 0.5_wp * ( km1d(k-1) + km1d(k) )
481             kmzp = 0.5_wp * ( km1d(k) + km1d(k+1) )
482!
483!--          u-component
484             te_u(k) =  f * ( v1d(k) - vg(k) ) + ( &
485                              kmzp * ( u1d(k+1) - u1d(k) ) * ddzu(k+1) &
486                            - kmzm * ( u1d(k) - u1d(k-1) ) * ddzu(k)   &
487                                                 ) * ddzw(k)
488!
489!--          v-component
490             te_v(k) = -f * ( u1d(k) - ug(k) ) + (                     &
491                              kmzp * ( v1d(k+1) - v1d(k) ) * ddzu(k+1) &
492                            - kmzm * ( v1d(k) - v1d(k-1) ) * ddzu(k)   &
493                                                 ) * ddzw(k)
494          ENDDO
495          IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
496             DO  k = nzb_diff, nzt
497!
498!--             TKE and dissipation rate
499                kmzm = 0.5_wp * ( km1d(k-1) + km1d(k) )
500                kmzp = 0.5_wp * ( km1d(k) + km1d(k+1) )
501                IF ( .NOT. humidity )  THEN
502                   pt_0 = pt_init(k)
503                   flux =  ( pt_init(k+1)-pt_init(k-1) ) * dd2zu(k)
504                ELSE
505                   pt_0 = pt_init(k) * ( 1.0_wp + 0.61_wp * q_init(k) )
506                   flux = ( ( pt_init(k+1) - pt_init(k-1) ) +                  &
507                            0.61_wp * ( pt_init(k+1) * q_init(k+1) -           &
508                                        pt_init(k-1) * q_init(k-1)   )         &
509                          ) * dd2zu(k)
510                ENDIF
511
512!
513!--             Calculate dissipation rate if no prognostic equation is used for
514!--             dissipation rate
515                IF ( dissipation_1d == 'detering' )  THEN
516                   diss1d(k) = c_0**3 * e1d(k) * SQRT( e1d(k) ) / l1d_diss(k)
517                ELSEIF ( dissipation_1d == 'as_in_3d_model' )  THEN
518                   diss1d(k) = ( 0.19_wp + 0.74_wp * l1d_diss(k) / l1d_init(k) &
519                               ) * e1d(k) * SQRT( e1d(k) ) / l1d_diss(k)
520                ENDIF
521!
522!--             TKE
523                te_e(k) = km1d(k) * ( ( ( u1d(k+1) - u1d(k-1) ) * dd2zu(k) )**2&
524                                    + ( ( v1d(k+1) - v1d(k-1) ) * dd2zu(k) )**2&
525                                    )                                          &
526                                    - g / pt_0 * kh1d(k) * flux                &
527                                    +            (                             &
528                                     kmzp * ( e1d(k+1) - e1d(k) ) * ddzu(k+1)  &
529                                   - kmzm * ( e1d(k) - e1d(k-1) ) * ddzu(k)    &
530                                                 ) * ddzw(k) / sig_e           &
531                                   - diss1d(k)
532
533                IF ( dissipation_1d == 'prognostic' )  THEN
534!
535!--                dissipation rate
536                   IF ( rif1d(k) >= 0.0_wp )  THEN
537                      alpha_buoyancy = 1.0_wp - l1d(k) / lambda
538                   ELSE
539                      alpha_buoyancy = 1.0_wp - ( 1.0_wp + ( c_2 - 1.0_wp )    &
540                                                         / ( c_2 - c_1    ) )  &
541                                              * l1d(k) / lambda
542                   ENDIF
543                   c_3 = ( c_1 - c_2 ) * alpha_buoyancy + 1.0_wp
544                   te_diss(k) = ( km1d(k) *                                    &
545                                  ( ( ( u1d(k+1) - u1d(k-1) ) * dd2zu(k) )**2  &
546                                  + ( ( v1d(k+1) - v1d(k-1) ) * dd2zu(k) )**2  &
547                                  ) * ( c_1 + (c_2 - c_1) * l1d(k) / lambda )  &
548                                  - g / pt_0 * kh1d(k) * flux * c_3            &
549                                  - c_2 * diss1d(k)                            &
550                                ) * diss1d(k) / ( e1d(k) + 1.0E-20_wp )        &
551                                + (   kmzp * ( diss1d(k+1) - diss1d(k) )       &
552                                           * ddzu(k+1)                         &
553                                    - kmzm * ( diss1d(k) - diss1d(k-1) )       &
554                                           * ddzu(k)                           &
555                                  ) * ddzw(k) / sig_diss
556
557                ENDIF
558
559             ENDDO
560          ENDIF
561
562!
563!--       Tendency terms at the top of the constant-flux layer.
564!--       Finite differences of the momentum fluxes are computed using half the
565!--       normal grid length (2.0*ddzw(k)) for the sake of enhanced accuracy
566          IF ( constant_flux_layer )  THEN
567
568             k = nzb+1
569             kmzm = 0.5_wp * ( km1d(k-1) + km1d(k) )
570             kmzp = 0.5_wp * ( km1d(k) + km1d(k+1) )
571             IF ( .NOT. humidity )  THEN
572                pt_0 = pt_init(k)
573                flux =  ( pt_init(k+1)-pt_init(k-1) ) * dd2zu(k)
574             ELSE
575                pt_0 = pt_init(k) * ( 1.0_wp + 0.61_wp * q_init(k) )
576                flux = ( ( pt_init(k+1) - pt_init(k-1) ) +                     &
577                         0.61_wp * ( pt_init(k+1) * q_init(k+1) -              &
578                                     pt_init(k-1) * q_init(k-1)   )            &
579                       ) * dd2zu(k)
580             ENDIF
581
582!
583!--          Calculate dissipation rate if no prognostic equation is used for
584!--          dissipation rate
585             IF ( dissipation_1d == 'detering' )  THEN
586                diss1d(k) = c_0**3 * e1d(k) * SQRT( e1d(k) ) / l1d_diss(k)
587             ELSEIF ( dissipation_1d == 'as_in_3d_model' )  THEN
588                diss1d(k) = ( 0.19_wp + 0.74_wp * l1d_diss(k) / l1d_init(k) )  &
589                            * e1d(k) * SQRT( e1d(k) ) / l1d_diss(k)
590             ENDIF
591
592!
593!--          u-component
594             te_u(k) = f * ( v1d(k) - vg(k) ) + (                              &
595                       kmzp * ( u1d(k+1) - u1d(k) ) * ddzu(k+1) + usws1d       &
596                                                ) * 2.0_wp * ddzw(k)
597!
598!--          v-component
599             te_v(k) = -f * ( u1d(k) - ug(k) ) + (                             &
600                       kmzp * ( v1d(k+1) - v1d(k) ) * ddzu(k+1) + vsws1d       &
601                                                 ) * 2.0_wp * ddzw(k)
602!
603!--          TKE
604             IF ( .NOT. dissipation_1d == 'prognostic' )  THEN
605                !> @query why integrate over 2dz
606                !>   Why is it allowed to integrate over two delta-z for e
607                !>   while for u and v it is not?
608                !>   2018-04-23, gronemeier
609                te_e(k) = km1d(k) * ( ( ( u1d(k+1) - u1d(k-1) ) * dd2zu(k) )**2&
610                                    + ( ( v1d(k+1) - v1d(k-1) ) * dd2zu(k) )**2&
611                                    )                                          &
612                                    - g / pt_0 * kh1d(k) * flux                &
613                                    +           (                              &
614                                     kmzp * ( e1d(k+1) - e1d(k) ) * ddzu(k+1)  &
615                                   - kmzm * ( e1d(k) - e1d(k-1) ) * ddzu(k)    &
616                                                 ) * ddzw(k) / sig_e           &
617                                   - diss1d(k)
618             ENDIF
619
620          ENDIF
621
622!
623!--       Prognostic equations for all 1D variables
624          DO  k = nzb+1, nzt
625
626             u1d_p(k) = u1d(k) + dt_1d * ( tsc(2) * te_u(k) + &
627                                           tsc(3) * te_um(k) )
628             v1d_p(k) = v1d(k) + dt_1d * ( tsc(2) * te_v(k) + &
629                                           tsc(3) * te_vm(k) )
630
631          ENDDO
632          IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
633
634             DO  k = nzb+1, nzt
635                e1d_p(k) = e1d(k) + dt_1d * ( tsc(2) * te_e(k) + &
636                                              tsc(3) * te_em(k) )
637             ENDDO
638
639!
640!--          Eliminate negative TKE values, which can result from the
641!--          integration due to numerical inaccuracies. In such cases the TKE
642!--          value is reduced to 10 percent of its old value.
643             WHERE ( e1d_p < 0.0_wp )  e1d_p = 0.1_wp * e1d
644
645             IF ( dissipation_1d == 'prognostic' )  THEN
646                DO  k = nzb+1, nzt
647                   diss1d_p(k) = diss1d(k) + dt_1d * ( tsc(2) * te_diss(k) + &
648                                                       tsc(3) * te_dissm(k) )
649                ENDDO
650                WHERE ( diss1d_p < 0.0_wp )  diss1d_p = 0.1_wp * diss1d
651             ENDIF
652          ENDIF
653
654!
655!--       Calculate tendencies for the next Runge-Kutta step
656          IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' ) THEN
657             IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  THEN
658
659                DO  k = nzb+1, nzt
660                   te_um(k) = te_u(k)
661                   te_vm(k) = te_v(k)
662                ENDDO
663
664                IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
665                   DO k = nzb+1, nzt
666                      te_em(k) = te_e(k)
667                   ENDDO
668                   IF ( dissipation_1d == 'prognostic' )  THEN
669                      DO k = nzb+1, nzt
670                         te_dissm(k) = te_diss(k)
671                      ENDDO
672                   ENDIF
673                ENDIF
674
675             ELSEIF ( intermediate_timestep_count < &
676                         intermediate_timestep_count_max )  THEN
677
678                DO  k = nzb+1, nzt
679                   te_um(k) = -9.5625_wp * te_u(k) + 5.3125_wp * te_um(k)
680                   te_vm(k) = -9.5625_wp * te_v(k) + 5.3125_wp * te_vm(k)
681                ENDDO
682
683                IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
684                   DO k = nzb+1, nzt
685                      te_em(k) = -9.5625_wp * te_e(k) + 5.3125_wp * te_em(k)
686                   ENDDO
687                   IF ( dissipation_1d == 'prognostic' )  THEN
688                      DO k = nzb+1, nzt
689                         te_dissm(k) = -9.5625_wp * te_diss(k)  &
690                                     +  5.3125_wp * te_dissm(k)
691                      ENDDO
692                   ENDIF
693                ENDIF
694
695             ENDIF
696          ENDIF
697
698!
699!--       Boundary conditions for the prognostic variables.
700!--       At the top boundary (nzt+1) u, v, e, and diss keep their initial
701!--       values (ug(nzt+1), vg(nzt+1), 0, 0).
702!--       At the bottom boundary, Dirichlet condition is used for u and v (0)
703!--       and Neumann condition for e and diss (e(nzb)=e(nzb+1)).
704          u1d_p(nzb) = 0.0_wp
705          v1d_p(nzb) = 0.0_wp
706
707!
708!--       Swap the time levels in preparation for the next time step.
709          u1d  = u1d_p
710          v1d  = v1d_p
711          IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
712             e1d  = e1d_p
713             IF ( dissipation_1d == 'prognostic' )  THEN
714                diss1d = diss1d_p
715             ENDIF
716          ENDIF
717
718!
719!--       Compute diffusion quantities
720          IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
721
722!
723!--          First compute the vertical fluxes in the constant-flux layer
724             IF ( constant_flux_layer )  THEN
725!
726!--             Compute theta* using Rif numbers of the previous time step
727                IF ( rif1d(nzb+1) >= 0.0_wp )  THEN
728!
729!--                Stable stratification
730                   ts1d = kappa * ( pt_init(nzb+1) - pt_init(nzb) ) /          &
731                          ( LOG( zu(nzb+1) / z0h1d ) + 5.0_wp * rif1d(nzb+1) * &
732                                          ( zu(nzb+1) - z0h1d ) / zu(nzb+1)    &
733                          )
734                ELSE
735!
736!--                Unstable stratification
737                   a = SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rif1d(nzb+1) )
738                   b = SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rif1d(nzb+1) /                 &
739                       zu(nzb+1) * z0h1d )
740
741                   ts1d = kappa * ( pt_init(nzb+1) - pt_init(nzb) ) /          &
742                          LOG( (a-1.0_wp) / (a+1.0_wp) *                       &
743                               (b+1.0_wp) / (b-1.0_wp) )
744                ENDIF
745
746             ENDIF    ! constant_flux_layer
747             !> @todo combine if clauses
748             !>   The previous and following if clauses can be combined into a
749             !>   single clause
750             !>   2018-04-23, gronemeier
751!
752!--          Compute the Richardson-flux numbers,
753!--          first at the top of the constant-flux layer using u* of the
754!--          previous time step (+1E-30, if u* = 0), then in the remaining area.
755!--          There the rif-numbers of the previous time step are used.
756
757             IF ( constant_flux_layer )  THEN
758                IF ( .NOT. humidity )  THEN
759                   pt_0 = pt_init(nzb+1)
760                   flux = ts1d
761                ELSE
762                   pt_0 = pt_init(nzb+1) * ( 1.0_wp + 0.61_wp * q_init(nzb+1) )
763                   flux = ts1d + 0.61_wp * pt_init(k) * qs1d
764                ENDIF
765                rif1d(nzb+1) = zu(nzb+1) * kappa * g * flux / &
766                               ( pt_0 * ( us1d**2 + 1E-30_wp ) )
767             ENDIF
768
769             DO  k = nzb_diff, nzt
770                IF ( .NOT. humidity )  THEN
771                   pt_0 = pt_init(k)
772                   flux = ( pt_init(k+1) - pt_init(k-1) ) * dd2zu(k)
773                ELSE
774                   pt_0 = pt_init(k) * ( 1.0_wp + 0.61_wp * q_init(k) )
775                   flux = ( ( pt_init(k+1) - pt_init(k-1) )                    &
776                            + 0.61_wp                                          &
777                            * (   pt_init(k+1) * q_init(k+1)                   &
778                                - pt_init(k-1) * q_init(k-1) )                 &
779                          ) * dd2zu(k)
780                ENDIF
781                IF ( rif1d(k) >= 0.0_wp )  THEN
782                   rif1d(k) = g / pt_0 * flux /                                &
783                              (  ( ( u1d(k+1) - u1d(k-1) ) * dd2zu(k) )**2     &
784                               + ( ( v1d(k+1) - v1d(k-1) ) * dd2zu(k) )**2     &
785                               + 1E-30_wp                                      &
786                              )
787                ELSE
788                   rif1d(k) = g / pt_0 * flux /                                &
789                              (  ( ( u1d(k+1) - u1d(k-1) ) * dd2zu(k) )**2     &
790                               + ( ( v1d(k+1) - v1d(k-1) ) * dd2zu(k) )**2     &
791                               + 1E-30_wp                                      &
792                              ) * ( 1.0_wp - 16.0_wp * rif1d(k) )**0.25_wp
793                ENDIF
794             ENDDO
795!
796!--          Richardson-numbers must remain restricted to a realistic value
797!--          range. It is exceeded excessively for very small velocities
798!--          (u,v --> 0).
799             WHERE ( rif1d < -5.0_wp )  rif1d = -5.0_wp
800             WHERE ( rif1d > 1.0_wp )  rif1d = 1.0_wp
801
802!
803!--          Compute u* from the absolute velocity value
804             IF ( constant_flux_layer )  THEN
805                uv_total = SQRT( u1d(nzb+1)**2 + v1d(nzb+1)**2 )
806
807                IF ( rif1d(nzb+1) >= 0.0_wp )  THEN
808!
809!--                Stable stratification
810                   us1d = kappa * uv_total / (                                 &
811                             LOG( zu(nzb+1) / z01d ) + 5.0_wp * rif1d(nzb+1) * &
812                                              ( zu(nzb+1) - z01d ) / zu(nzb+1) &
813                                             )
814                ELSE
815!
816!--                Unstable stratification
817                   a = 1.0_wp / SQRT( SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rif1d(nzb+1) ) )
818                   b = 1.0_wp / SQRT( SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rif1d(nzb+1) /  &
819                                                     zu(nzb+1) * z01d ) )
820                   us1d = kappa * uv_total / (                                 &
821                              LOG( (1.0_wp+b) / (1.0_wp-b) * (1.0_wp-a) /      &
822                                   (1.0_wp+a) ) +                              &
823                              2.0_wp * ( ATAN( b ) - ATAN( a ) )               &
824                                             )
825                ENDIF
826
827!
828!--             Compute the momentum fluxes for the diffusion terms
829                usws1d  = - u1d(nzb+1) / uv_total * us1d**2
830                vsws1d  = - v1d(nzb+1) / uv_total * us1d**2
831
832!
833!--             Boundary condition for the turbulent kinetic energy and
834!--             dissipation rate at the top of the constant-flux layer.
835!--             Additional Neumann condition de/dz = 0 at nzb is set to ensure
836!--             compatibility with the 3D model.
837                IF ( ibc_e_b == 2 )  THEN
838                   e1d(nzb+1) = ( us1d / c_0 )**2
839                ENDIF
840                IF ( dissipation_1d == 'prognostic' )  THEN
841                   e1d(nzb+1) = ( us1d / c_0 )**2
842                   diss1d(nzb+1) = us1d**3 / ( kappa * zu(nzb+1) )
843                   diss1d(nzb) = diss1d(nzb+1)
844                ENDIF
845                e1d(nzb) = e1d(nzb+1)
846
847                IF ( humidity ) THEN
848!
849!--                Compute q*
850                   IF ( rif1d(nzb+1) >= 0.0_wp )  THEN
851!
852!--                   Stable stratification
853                      qs1d = kappa * ( q_init(nzb+1) - q_init(nzb) ) /         &
854                          ( LOG( zu(nzb+1) / z0h1d ) + 5.0_wp * rif1d(nzb+1) * &
855                                          ( zu(nzb+1) - z0h1d ) / zu(nzb+1)    &
856                          )
857                   ELSE
858!
859!--                   Unstable stratification
860                      a = SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rif1d(nzb+1) )
861                      b = SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rif1d(nzb+1) /              &
862                                         zu(nzb+1) * z0h1d )
863                      qs1d = kappa * ( q_init(nzb+1) - q_init(nzb) ) /         &
864                             LOG( (a-1.0_wp) / (a+1.0_wp) *                    &
865                                  (b+1.0_wp) / (b-1.0_wp) )
866                   ENDIF
867                ELSE
868                   qs1d = 0.0_wp
869                ENDIF
870
871             ENDIF   !  constant_flux_layer
872
873!
874!--          Compute the diabatic mixing length. The unstable stratification
875!--          must not be considered for l1d (km1d) as it is already considered
876!--          in the dissipation of TKE via l1d_diss. Otherwise, km1d would be
877!--          too large.
878             IF ( dissipation_1d /= 'prognostic' )  THEN
879                IF ( mixing_length_1d == 'blackadar' )  THEN
880                   DO  k = nzb+1, nzt
881                      IF ( rif1d(k) >= 0.0_wp )  THEN
882                         l1d(k) = l1d_init(k) / ( 1.0_wp + 5.0_wp * rif1d(k) )
883                         l1d_diss(k) = l1d(k)
884                      ELSE
885                         l1d(k) = l1d_init(k)
886                         l1d_diss(k) = l1d_init(k) *                           &
887                                       SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rif1d(k) )
888                      ENDIF
889                   ENDDO
890                ELSEIF ( mixing_length_1d == 'as_in_3d_model' )  THEN
891                   DO  k = nzb+1, nzt
892                      dpt_dz = ( pt_init(k+1) - pt_init(k-1) ) * dd2zu(k)
893                      IF ( dpt_dz > 0.0_wp )  THEN
894                         l_stable = 0.76_wp * SQRT( e1d(k) )                   &
895                                  / SQRT( g / pt_init(k) * dpt_dz ) + 1E-5_wp
896                      ELSE
897                         l_stable = l1d_init(k)
898                      ENDIF
899                      l1d(k) = MIN( l1d_init(k), l_stable )
900                      l1d_diss(k) = l1d(k)
901                   ENDDO
902                ENDIF
903             ELSE
904                DO  k = nzb+1, nzt
905                   l1d(k) = c_0**3 * e1d(k) * SQRT( e1d(k) )                   &
906                          / ( diss1d(k) + 1.0E-30_wp )
907                ENDDO
908             ENDIF
909
910!
911!--          Compute the diffusion coefficients for momentum via the
912!--          corresponding Prandtl-layer relationship and according to
913!--          Prandtl-Kolmogorov, respectively
914             IF ( constant_flux_layer )  THEN
915                IF ( rif1d(nzb+1) >= 0.0_wp )  THEN
916                   km1d(nzb+1) = us1d * kappa * zu(nzb+1) /                    &
917                                 ( 1.0_wp + 5.0_wp * rif1d(nzb+1) )
918                ELSE
919                   km1d(nzb+1) = us1d * kappa * zu(nzb+1) *                    &
920                                 ( 1.0_wp - 16.0_wp * rif1d(nzb+1) )**0.25_wp
921                ENDIF
922             ENDIF
923
924             IF ( dissipation_1d == 'prognostic' )  THEN
925                DO  k = nzb_diff, nzt
926                   km1d(k) = c_mu * e1d(k)**2 / ( diss1d(k) + 1.0E-30_wp )
927                ENDDO
928             ELSE
929                DO  k = nzb_diff, nzt
930                   km1d(k) = c_0 * SQRT( e1d(k) ) * l1d(k)
931                ENDDO
932             ENDIF
933
934!
935!--          Add damping layer
936             DO  k = damp_level_ind_1d+1, nzt+1
937                km1d(k) = 1.1_wp * km1d(k-1)
938                km1d(k) = MIN( km1d(k), 10.0_wp )
939             ENDDO
940
941!
942!--          Compute the diffusion coefficient for heat via the relationship
943!--          kh = phim / phih * km
944             DO  k = nzb+1, nzt
945                IF ( rif1d(k) >= 0.0_wp )  THEN
946                   kh1d(k) = km1d(k)
947                ELSE
948                   kh1d(k) = km1d(k) * ( 1.0_wp - 16.0_wp * rif1d(k) )**0.25_wp
949                ENDIF
950             ENDDO
951
952          ENDIF   ! .NOT. constant_diffusion
953
954       ENDDO   ! intermediate step loop
955
956!
957!--    Increment simulated time and output times
958       current_timestep_number_1d = current_timestep_number_1d + 1
959       simulated_time_1d          = simulated_time_1d + dt_1d
960       simulated_time_chr         = time_to_string( simulated_time_1d )
961       time_pr_1d                 = time_pr_1d          + dt_1d
962       time_run_control_1d        = time_run_control_1d + dt_1d
963
964!
965!--    Determine and print out quantities for run control
966       IF ( time_run_control_1d >= dt_run_control_1d )  THEN
967          CALL run_control_1d
968          time_run_control_1d = time_run_control_1d - dt_run_control_1d
969       ENDIF
970
971!
972!--    Profile output on file
973       IF ( time_pr_1d >= dt_pr_1d )  THEN
974          CALL print_1d_model
975          time_pr_1d = time_pr_1d - dt_pr_1d
976       ENDIF
977
978!
979!--    Determine size of next time step
980       CALL timestep_1d
981
982    ENDDO   ! time loop
983
984
985 END SUBROUTINE time_integration_1d
986
987
988!------------------------------------------------------------------------------!
989! Description:
990! ------------
991!> Compute and print out quantities for run control of the 1D model.
992!------------------------------------------------------------------------------!
993 
994 SUBROUTINE run_control_1d
995
996
997    IMPLICIT NONE
998
999    INTEGER(iwp) ::  k     !< loop index
1000   
1001    REAL(wp) ::  alpha     !< angle of wind vector at top of constant-flux layer
1002    REAL(wp) ::  energy    !< kinetic energy
1003    REAL(wp) ::  umax      !< maximum of u
1004    REAL(wp) ::  uv_total  !< horizontal wind speed
1005    REAL(wp) ::  vmax      !< maximum of v
1006
1007!
1008!-- Output
1009    IF ( myid == 0 )  THEN
1010!
1011!--    If necessary, write header
1012       IF ( .NOT. run_control_header_1d )  THEN
1013          CALL check_open( 15 )
1014          WRITE ( 15, 100 )
1015          run_control_header_1d = .TRUE.
1016       ENDIF
1017
1018!
1019!--    Compute control quantities
1020!--    grid level nzp is excluded due to mirror boundary condition
1021       umax = 0.0_wp; vmax = 0.0_wp; energy = 0.0_wp
1022       DO  k = nzb+1, nzt+1
1023          umax = MAX( ABS( umax ), ABS( u1d(k) ) )
1024          vmax = MAX( ABS( vmax ), ABS( v1d(k) ) )
1025          energy = energy + 0.5_wp * ( u1d(k)**2 + v1d(k)**2 )
1026       ENDDO
1027       energy = energy / REAL( nzt - nzb + 1, KIND=wp )
1028
1029       uv_total = SQRT( u1d(nzb+1)**2 + v1d(nzb+1)**2 )
1030       IF ( ABS( v1d(nzb+1) ) < 1.0E-5_wp )  THEN
1031          alpha = ACOS( SIGN( 1.0_wp , u1d(nzb+1) ) )
1032       ELSE
1033          alpha = ACOS( u1d(nzb+1) / uv_total )
1034          IF ( v1d(nzb+1) <= 0.0_wp )  alpha = 2.0_wp * pi - alpha
1035       ENDIF
1036       alpha = alpha / ( 2.0_wp * pi ) * 360.0_wp
1037
1038       WRITE ( 15, 101 )  current_timestep_number_1d, simulated_time_chr, &
1039                          dt_1d, umax, vmax, us1d, alpha, energy
1040!
1041!--    Write buffer contents to disc immediately
1042       FLUSH( 15 )
1043
1044    ENDIF
1045
1046!
1047!-- formats
1048100 FORMAT (///'1D run control output:'/ &
1049              &'------------------------------'// &
1050           &'ITER.   HH:MM:SS    DT      UMAX   VMAX    U*   ALPHA   ENERG.'/ &
1051           &'-------------------------------------------------------------')
1052101 FORMAT (I7,1X,A9,1X,F6.2,2X,F6.2,1X,F6.2,1X,F6.3,2X,F5.1,2X,F7.2)
1053
1054
1055 END SUBROUTINE run_control_1d
1056
1057
1058
1059!------------------------------------------------------------------------------!
1060! Description:
1061! ------------
1062!> Compute the time step w.r.t. the diffusion criterion
1063!------------------------------------------------------------------------------!
1064 
1065 SUBROUTINE timestep_1d
1066
1067    IMPLICIT NONE
1068
1069    INTEGER(iwp) ::  k    !< loop index
1070
1071    REAL(wp) ::  dt_diff  !< time step accorind to diffusion criterion
1072    REAL(wp) ::  dt_old   !< previous time step
1073    REAL(wp) ::  fac      !< factor of criterion
1074    REAL(wp) ::  value    !< auxiliary variable
1075
1076!
1077!-- Save previous time step
1078    dt_old = dt_1d
1079
1080!
1081!-- Compute the currently feasible time step according to the diffusion
1082!-- criterion. At nzb+1 the half grid length is used.
1083    fac = 0.125
1084    dt_diff = dt_max_1d
1085    DO  k = nzb+2, nzt
1086       value   = fac * dzu(k) * dzu(k) / ( km1d(k) + 1E-20_wp )
1087       dt_diff = MIN( value, dt_diff )
1088    ENDDO
1089    value   = fac * zu(nzb+1) * zu(nzb+1) / ( km1d(nzb+1) + 1E-20_wp )
1090    dt_1d = MIN( value, dt_diff )
1091
1092!
1093!-- Limit the new time step to a maximum of 10 times the previous time step
1094    dt_1d = MIN( dt_old * 10.0_wp, dt_1d )
1095
1096!
1097!-- Set flag when the time step becomes too small
1098    IF ( dt_1d < ( 1.0E-15_wp * dt_max_1d ) )  THEN
1099       stop_dt_1d = .TRUE.
1100
1101       WRITE( message_string, * ) 'timestep has exceeded the lower limit&',    &
1102                                  'dt_1d = ',dt_1d,' s   simulation stopped!'
1103       CALL message( 'timestep_1d', 'PA0192', 1, 2, 0, 6, 0 )
1104       
1105    ENDIF
1106
1107 END SUBROUTINE timestep_1d
1108
1109
1110
1111!------------------------------------------------------------------------------!
1112! Description:
1113! ------------
1114!> List output of profiles from the 1D-model
1115!------------------------------------------------------------------------------!
1116 
1117 SUBROUTINE print_1d_model
1118
1119    IMPLICIT NONE
1120
1121    INTEGER(iwp) ::  k  !< loop parameter
1122
1123    LOGICAL, SAVE :: write_first = .TRUE. !< flag for writing header
1124
1125
1126    IF ( myid == 0 )  THEN
1127!
1128!--    Open list output file for profiles from the 1D-model
1129       CALL check_open( 17 )
1130
1131!
1132!--    Write Header
1133       IF ( write_first )  THEN
1134          WRITE ( 17, 100 )  TRIM( run_description_header )
1135          write_first = .FALSE.
1136       ENDIF
1137
1138!
1139!--    Write the values
1140       WRITE ( 17, 104 )  TRIM( simulated_time_chr )
1141       WRITE ( 17, 101 )
1142       WRITE ( 17, 102 )
1143       WRITE ( 17, 101 )
1144       DO  k = nzt+1, nzb, -1
1145          WRITE ( 17, 103)  k, zu(k), u1d(k), v1d(k), pt_init(k), e1d(k), &
1146                            rif1d(k), km1d(k), kh1d(k), l1d(k), diss1d(k)
1147       ENDDO
1148       WRITE ( 17, 101 )
1149       WRITE ( 17, 102 )
1150       WRITE ( 17, 101 )
1151
1152!
1153!--    Write buffer contents to disc immediately
1154       FLUSH( 17 )
1155
1156    ENDIF
1157
1158!
1159!-- Formats
1160100 FORMAT ('# ',A/'#',10('-')/'# 1d-model profiles')
1161104 FORMAT (//'# Time: ',A)
1162101 FORMAT ('#',111('-'))
1163102 FORMAT ('#  k     zu      u          v          pt         e          ',   &
1164            'rif        Km         Kh         l          diss   ')
1165103 FORMAT (1X,I4,1X,F7.1,9(1X,E10.3))
1166
1167
1168 END SUBROUTINE print_1d_model
1169
1170
1171 END MODULE
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.