source: palm/trunk/SOURCE/nudging.f90 @ 1354

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  • Property svn:keywords set to Id
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Line 
1 MODULE nudge_mod
2
3!--------------------------------------------------------------------------------!
4! This file is part of PALM.
5!
6! PALM is free software: you can redistribute it and/or modify it under the terms
7! of the GNU General Public License as published by the Free Software Foundation,
8! either version 3 of the License, or (at your option) any later version.
9!
10! PALM is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY
11! WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR
12! A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License for more details.
13!
14! You should have received a copy of the GNU General Public License along with
15! PALM. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
16!
17! Copyright 1997-2014 Leibniz Universitaet Hannover
18!--------------------------------------------------------------------------------!
19!
20! Current revisions:
21! ------------------
22!
23!
24! Former revisions:
25! -----------------
26! $Id: nudging.f90 1354 2014-04-08 15:22:57Z heinze $
27!
28! 1353 2014-04-08 15:21:23Z heinze
29! REAL constants provided with KIND-attribute
30!
31! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
32! ONLY-attribute added to USE-statements,
33! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
34! kinds are defined in new module kinds,
35! old module precision_kind is removed,
36! revision history before 2012 removed,
37! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
38! all variable declaration statements
39!
40! 1318 2014-03-17 13:35:16Z raasch
41! module interfaces removed
42!
43! 1268 2013-12-12 09:47:53Z heinze
44! bugfix: argument of calc_mean_profile corrected
45!
46! 1251 2013-11-07 08:14:30Z heinze
47! bugfix: calculate dtm and dtp also in vector version
48!
49! 1249 2013-11-06 10:45:47Z heinze
50! remove call of user module
51! reformatting
52!
53! 1241 2013-10-30 11:36:58Z heinze
54! Initial revision
55!
56! Description:
57! ------------
58! Nudges u, v, pt and q to given profiles on a relaxation timescale tnudge.
59! Profiles are read in from NUDGIN_DATA. Code is based on Neggers et al. (2012)
60! and also part of DALES and UCLA-LES.
61!--------------------------------------------------------------------------------!
62
63    PRIVATE
64    PUBLIC init_nudge, nudge 
65    SAVE
66
67    INTERFACE nudge
68       MODULE PROCEDURE nudge
69       MODULE PROCEDURE nudge_ij
70    END INTERFACE nudge
71
72 CONTAINS
73
74    SUBROUTINE init_nudge
75
76       USE arrays_3d,                                                          &
77           ONLY:  ptnudge, qnudge, timenudge, tnudge, unudge, vnudge, wnudge,  &
78                  zu
79
80       USE control_parameters,                                                 &
81           ONLY:  dt_3d, lptnudge, lqnudge, lunudge, lvnudge, lwnudge,         &
82                   message_string, ntnudge
83
84       USE indices,                                                            &
85           ONLY:  nzb, nzt
86
87       USE kinds
88
89       IMPLICIT NONE
90
91
92       INTEGER(iwp) ::  finput = 90  !:
93       INTEGER(iwp) ::  ierrn        !:
94       INTEGER(iwp) ::  k            !:
95       INTEGER(iwp) ::  t            !:
96
97       CHARACTER(1) ::  hash     !:
98
99       REAL(wp) ::  highheight   !:
100       REAL(wp) ::  highqnudge   !:
101       REAL(wp) ::  highptnudge  !:
102       REAL(wp) ::  highunudge   !:
103       REAL(wp) ::  highvnudge   !:
104       REAL(wp) ::  highwnudge   !:
105       REAL(wp) ::  hightnudge   !:
106
107       REAL(wp) ::  lowheight    !:
108       REAL(wp) ::  lowqnudge    !:
109       REAL(wp) ::  lowptnudge   !:
110       REAL(wp) ::  lowunudge    !:
111       REAL(wp) ::  lowvnudge    !:
112       REAL(wp) ::  lowwnudge    !:
113       REAL(wp) ::  lowtnudge    !:
114
115       REAL(wp) ::  fac          !:
116
117       ALLOCATE( ptnudge(nzb:nzt+1,1:ntnudge), qnudge(nzb:nzt+1,1:ntnudge), &
118                 tnudge(nzb:nzt+1,1:ntnudge), unudge(nzb:nzt+1,1:ntnudge),  &
119                 vnudge(nzb:nzt+1,1:ntnudge), wnudge(nzb:nzt+1,1:ntnudge)  )
120
121       ALLOCATE( timenudge(0:ntnudge) )
122
123
124       ptnudge = 0.0_wp; qnudge = 0.0_wp; tnudge = 0.0_wp; unudge = 0.0_wp
125       vnudge = 0.0_wp; wnudge = 0.0_wp; timenudge = 0.0_wp
126
127       t = 0
128       OPEN ( finput, FILE='NUDGING_DATA', STATUS='OLD', &
129              FORM='FORMATTED', IOSTAT=ierrn )
130
131       IF ( ierrn /= 0 )  THEN
132          message_string = 'file NUDGING_DATA does not exist'
133          CALL message( 'nudging', 'PA0365', 1, 2, 0, 6, 0 )
134       ENDIF
135
136       ierrn = 0
137
138 rloop:DO
139          t = t + 1
140          hash = "#"
141          ierrn = 1 ! not zero
142!
143!--       Search for the next line consisting of "# time",
144!--       from there onwards the profiles will be read
145          DO WHILE ( .NOT. ( hash == "#" .AND. ierrn == 0 ) ) 
146         
147            READ ( finput, *, IOSTAT=ierrn ) hash, timenudge(t)
148            IF ( ierrn < 0 )  EXIT rloop
149
150          ENDDO
151
152          ierrn = 0
153          READ ( finput, *, IOSTAT=ierrn ) lowheight, lowtnudge, lowunudge,   &
154                                           lowvnudge, lowwnudge , lowptnudge, &
155                                           lowqnudge
156
157          IF ( ierrn /= 0 )  THEN
158             message_string = 'errors in file NUDGING_DATA'
159             CALL message( 'nudging', 'PA0366', 1, 2, 0, 6, 0 )
160          ENDIF
161
162          ierrn = 0
163          READ ( finput, *, IOSTAT=ierrn ) highheight, hightnudge, highunudge,   &
164                                           highvnudge, highwnudge , highptnudge, &
165                                           highqnudge
166
167          IF ( ierrn /= 0 )  THEN
168             message_string = 'errors in file NUDGING_DATA'
169             CALL message( 'nudging', 'PA0366', 1, 2, 0, 6, 0 )
170          ENDIF
171
172          DO  k = nzb, nzt+1
173             IF ( highheight < zu(k) )  THEN
174                lowheight  = highheight
175                lowtnudge  = hightnudge
176                lowunudge  = highunudge
177                lowvnudge  = highvnudge
178                lowwnudge  = highwnudge
179                lowptnudge = highptnudge
180                lowqnudge  = highqnudge
181 
182                ierrn = 0
183                READ ( finput, *, IOSTAT=ierrn )  highheight , hightnudge , &
184                                                  highunudge , highvnudge , &
185                                                  highwnudge , highptnudge, &
186                                                  highqnudge
187                IF (ierrn /= 0 )  THEN
188                   message_string = 'errors in file NUDGING_DATA'
189                   CALL message( 'nudging', 'PA0366', 1, 2, 0, 6, 0 )
190                ENDIF
191             ENDIF
192
193!
194!--          Interpolation of prescribed profiles in space
195
196             fac = ( highheight - zu(k) ) / ( highheight - lowheight )
197
198             tnudge(k,t)  = fac * lowtnudge  + ( 1.0_wp - fac ) * hightnudge
199             unudge(k,t)  = fac * lowunudge  + ( 1.0_wp - fac ) * highunudge
200             vnudge(k,t)  = fac * lowvnudge  + ( 1.0_wp - fac ) * highvnudge
201             wnudge(k,t)  = fac * lowwnudge  + ( 1.0_wp - fac ) * highwnudge
202             ptnudge(k,t) = fac * lowptnudge + ( 1.0_wp - fac ) * highptnudge
203             qnudge(k,t)  = fac * lowqnudge  + ( 1.0_wp - fac ) * highqnudge
204          ENDDO
205
206       ENDDO rloop
207
208       CLOSE ( finput )
209
210!
211!--    Prevent nudging if nudging profiles exhibt too small values
212!--    not used so far
213       lptnudge  = ANY( ABS( ptnudge ) > 1.0e-8_wp )
214       lqnudge   = ANY( ABS( qnudge )  > 1.0e-8_wp )
215       lunudge   = ANY( ABS( unudge )  > 1.0e-8_wp )
216       lvnudge   = ANY( ABS( vnudge )  > 1.0e-8_wp )
217       lwnudge   = ANY( ABS( wnudge )  > 1.0e-8_wp )
218
219    END SUBROUTINE init_nudge
220
221!------------------------------------------------------------------------------!
222! Call for all grid points
223!------------------------------------------------------------------------------!
224    SUBROUTINE nudge ( time, prog_var )
225
226       USE arrays_3d,                                                          &
227           ONLY:  pt, ptnudge, q, qnudge, tend, timenudge, tnudge, u, unudge,  &
228                  v, vnudge
229
230       USE buoyancy_mod,                                                       &
231           ONLY:  calc_mean_profile
232
233       USE control_parameters,                                                 &
234           ONLY:  dt_3d, message_string
235
236       USE indices,                                                            &
237           ONLY:  nxl, nxr, nys, nyn, nzb, nzb_u_inner, nzt
238
239       USE kinds,                                                              &
240           ONLY:  iwp, wp
241
242       USE statistics,                                                         &
243           ONLY:  hom
244
245       IMPLICIT NONE
246
247       CHARACTER (LEN=*) ::  prog_var  !:
248
249       REAL(wp) ::  currtnudge  !:
250       REAL(wp) ::  dtm         !:
251       REAL(wp) ::  dtp         !:
252       REAL(wp) ::  time        !:
253
254       INTEGER(iwp) ::  i  !:
255       INTEGER(iwp) ::  j  !:
256       INTEGER(iwp) ::  k  !:
257       INTEGER(iwp) ::  t  !:
258
259
260       t = 1
261       DO WHILE ( time > timenudge(t) )
262         t = t+1
263       ENDDO
264       IF ( time /= timenudge(1) ) THEN
265         t = t-1
266       ENDIF
267
268       dtm = ( time - timenudge(t) ) / ( timenudge(t+1) - timenudge(t) )
269       dtp = ( timenudge(t+1) - time ) / ( timenudge(t+1) - timenudge(t) )
270
271       SELECT CASE ( prog_var )
272
273          CASE ( 'u' )
274
275             CALL calc_mean_profile( u, 1, 'nudging' )
276
277             DO  i = nxl, nxr
278                DO  j = nys, nyn
279                   DO  k = nzb_u_inner(j,i)+1, nzt
280
281                      currtnudge = MAX( dt_3d, tnudge(k,t) * dtp +  &
282                                               tnudge(k,t+1) * dtm )
283
284
285                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) - ( hom(k,1,1,0) - &
286                                    ( unudge(k,t) * dtp + &
287                                       unudge(k,t+1) * dtm ) ) / currtnudge
288                   ENDDO
289                ENDDO
290            ENDDO
291
292          CASE ( 'v' )
293
294             CALL calc_mean_profile( v, 2, 'nudging' )
295
296             DO  i = nxl, nxr
297                DO  j = nys, nyn
298                   DO  k = nzb_u_inner(j,i)+1, nzt
299
300                      currtnudge = MAX( dt_3d, tnudge(k,t) * dtp +  &
301                                               tnudge(k,t+1) * dtm )
302
303
304                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) - ( hom(k,1,2,0) - &
305                                    ( vnudge(k,t) * dtp + &
306                                       vnudge(k,t+1) * dtm ) ) / currtnudge
307                   ENDDO
308                ENDDO
309            ENDDO
310
311          CASE ( 'pt' )
312
313             CALL calc_mean_profile( pt, 4, 'nudging' )
314
315             DO  i = nxl, nxr
316                DO  j = nys, nyn
317                   DO  k = nzb_u_inner(j,i)+1, nzt
318
319                      currtnudge = MAX( dt_3d, tnudge(k,t) * dtp +  &
320                                               tnudge(k,t+1) * dtm )
321
322
323                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) - ( hom(k,1,4,0) - &
324                                    ( ptnudge(k,t) * dtp + &
325                                       ptnudge(k,t+1) * dtm ) ) / currtnudge
326                   ENDDO
327                ENDDO
328            ENDDO
329
330          CASE ( 'q' )
331
332             CALL calc_mean_profile( q, 41, 'nudging' )
333
334             DO  i = nxl, nxr
335                DO  j = nys, nyn
336                   DO  k = nzb_u_inner(j,i)+1, nzt
337
338                      currtnudge = MAX( dt_3d, tnudge(k,t) * dtp +  &
339                                               tnudge(k,t+1) * dtm )
340
341
342                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) - ( hom(k,1,41,0) - &
343                                    ( qnudge(k,t) * dtp + &
344                                       qnudge(k,t+1) * dtm ) ) / currtnudge
345                   ENDDO
346                ENDDO
347            ENDDO
348
349          CASE DEFAULT
350             message_string = 'unknown prognostic variable "' // prog_var // '"'
351             CALL message( 'nudge', 'PA0367', 1, 2, 0, 6, 0 )
352
353       END SELECT
354
355    END SUBROUTINE nudge
356
357
358!------------------------------------------------------------------------------!
359! Call for grid point i,j
360!------------------------------------------------------------------------------!
361
362    SUBROUTINE nudge_ij( i, j, time, prog_var )
363
364       USE arrays_3d,                                                          &
365           ONLY:  pt, ptnudge, q, qnudge, tend, timenudge, tnudge, u, unudge,  &
366                  v, vnudge
367
368       USE buoyancy_mod,                                                       &
369           ONLY:  calc_mean_profile
370
371       USE control_parameters,                                                 &
372           ONLY:  dt_3d, message_string
373
374       USE indices,                                                            &
375           ONLY:  nxl, nxr, nys, nyn, nzb, nzb_u_inner, nzt
376
377       USE kinds,                                                              &
378           ONLY:  iwp, wp
379
380       USE statistics,                                                         &
381           ONLY:  hom
382
383       IMPLICIT NONE
384
385
386       CHARACTER (LEN=*) ::  prog_var  !:
387
388       REAL(wp) ::  currtnudge  !:
389       REAL(wp) ::  dtm         !:
390       REAL(wp) ::  dtp         !:
391       REAL(wp) ::  time        !:
392
393       INTEGER(iwp) ::  i  !:
394       INTEGER(iwp) ::  j  !:
395       INTEGER(iwp) ::  k  !:
396       INTEGER(iwp) ::  t  !:
397
398
399       t = 1
400       DO WHILE ( time > timenudge(t) )
401         t = t+1
402       ENDDO
403       IF ( time /= timenudge(1) )  THEN
404         t = t-1
405       ENDIF
406
407       dtm = ( time - timenudge(t) ) / ( timenudge(t+1) - timenudge(t) )
408       dtp = ( timenudge(t+1) - time ) / ( timenudge(t+1) - timenudge(t) )
409
410       SELECT CASE ( prog_var )
411
412          CASE ( 'u' )
413
414             CALL calc_mean_profile( u, 1, 'nudging' )
415
416             DO  k = nzb_u_inner(j,i)+1, nzt
417
418                currtnudge = MAX( dt_3d, tnudge(k,t) * dtp + tnudge(k,t+1) * dtm )
419
420                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) - ( hom(k,1,1,0) - &
421                               ( unudge(k,t) * dtp + &
422                                 unudge(k,t+1) * dtm ) ) / currtnudge
423             ENDDO
424
425          CASE ( 'v' )
426
427             CALL calc_mean_profile( v, 2, 'nudging' )
428
429             DO  k = nzb_u_inner(j,i)+1, nzt
430
431                currtnudge = MAX( dt_3d, tnudge(k,t) * dtp + tnudge(k,t+1) * dtm )
432
433                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) - ( hom(k,1,2,0) - &
434                               ( vnudge(k,t) * dtp + &
435                                 vnudge(k,t+1) * dtm ) ) / currtnudge
436             ENDDO
437
438
439          CASE ( 'pt' )
440
441             CALL calc_mean_profile( pt, 4, 'nudging' )
442
443             DO  k = nzb_u_inner(j,i)+1, nzt
444
445                currtnudge = MAX( dt_3d, tnudge(k,t) * dtp + tnudge(k,t+1) * dtm )
446
447                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) - ( hom(k,1,4,0) - &
448                               ( ptnudge(k,t) * dtp + &
449                                 ptnudge(k,t+1) * dtm ) ) / currtnudge
450             ENDDO
451
452
453          CASE ( 'q' )
454
455             CALL calc_mean_profile( q, 41, 'nudging' )
456
457             DO  k = nzb_u_inner(j,i)+1, nzt
458
459                currtnudge = MAX( dt_3d, tnudge(k,t) * dtp + tnudge(k,t+1) * dtm )
460
461                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) - ( hom(k,1,41,0) - &
462                               ( qnudge(k,t) * dtp + &
463                                 qnudge(k,t+1) * dtm ) ) / currtnudge
464             ENDDO
465
466          CASE DEFAULT
467             message_string = 'unknown prognostic variable "' // prog_var // '"'
468             CALL message( 'nudge', 'PA0367', 1, 2, 0, 6, 0 )
469
470       END SELECT
471
472
473    END SUBROUTINE nudge_ij
474
475 END MODULE nudge_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.