source: palm/trunk/SOURCE/ocean_mod.f90 @ 4779

Last change on this file since 4779 was 4768, checked in by suehring, 4 years ago

Enable 3D data output also with 64-bit precision

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 94.9 KB
Line 
1!> @file ocean_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 2017-2020 Leibniz Universitaet Hannover
18!--------------------------------------------------------------------------------!
19!
20! Current revisions:
21! -----------------
22!
23!
24! Former revisions:
25! -----------------
26! $Id: ocean_mod.f90 4768 2020-11-02 19:11:23Z suehring $
27! Enable 3D data output also with 64-bit precision
28!
29! 4731 2020-10-07 13:25:11Z schwenkel
30! Move exchange_horiz from time_integration to modules
31!
32! 4671 2020-09-09 20:27:58Z pavelkrc
33! Implementation of downward facing USM and LSM surfaces
34!
35! 4535 2020-05-15 12:07:23Z raasch
36! bugfix for restart data format query
37!
38! 4517 2020-05-03 14:29:30Z raasch
39! added restart with MPI-IO for reading local arrays
40!
41! 4495 2020-04-13 20:11:20Z raasch
42! restart data handling with MPI-IO added
43!
44! 4481 2020-03-31 18:55:54Z maronga
45! vector directives added to force vectorization on Intel19 compiler
46!
47! 4346 2019-12-18 11:55:56Z motisi
48! Introduction of wall_flags_total_0, which currently sets bits based on static
49! topography information used in wall_flags_static_0
50!
51! 4329 2019-12-10 15:46:36Z motisi
52! Renamed wall_flags_0 to wall_flags_static_0
53!
54! 4272 2019-10-23 15:18:57Z schwenkel
55! Further modularization of boundary conditions: moved boundary conditions to
56! respective modules
57!
58! 4196 2019-08-29 11:02:06Z gronemeier
59! Consider rotation of model domain for calculating the Stokes drift
60!
61! 4182 2019-08-22 15:20:23Z scharf
62! Corrected "Former revisions" section
63!
64! 4110 2019-07-22 17:05:21Z suehring
65! Pass integer flag array as well as boundary flags to WS scalar advection
66! routine
67!
68! 4109 2019-07-22 17:00:34Z suehring
69! implemented ocean_actions
70!
71! 3767 2019-02-27 08:18:02Z raasch
72! unused variable for file index and tmp_2d removed from rrd-subroutine parameter
73! list
74!
75! 3719 2019-02-06 13:10:18Z kanani
76! Changed log_point to log_point_s, otherwise this overlaps with
77! 'all progn.equations' cpu measurement.
78!
79! 3684 2019-01-20 20:20:58Z knoop
80! nopointer option removed
81! 3294 2018-10-01 02:37:10Z raasch
82! initial revision
83!
84!
85! Authors:
86! --------
87! @author Siegfried Raasch
88!
89! Description:
90! ------------
91!> This module contains relevant code for PALM's ocean mode, e.g. the
92!> prognostic equation for salinity, the equation of state for seawater,
93!> the Craik Leibovich force (Stokes force), and wave breaking effects
94!------------------------------------------------------------------------------!
95 MODULE ocean_mod
96 
97
98    USE arrays_3d,                                                             &
99        ONLY:  prho, prho_1, rho_ocean, rho_1, sa, sa_init, sa_1, sa_2, sa_3,  &
100               sa_p, tsa_m, flux_l_sa, flux_s_sa, diss_l_sa, diss_s_sa
101
102    USE control_parameters,                                                    &
103        ONLY:  atmos_ocean_sign, bottom_salinityflux,                          &
104               constant_top_salinityflux, restart_data_format_output, ocean_mode, top_salinityflux,&
105               wall_salinityflux, loop_optimization, ws_scheme_sca
106
107    USE kinds
108
109    USE pegrid,                                                                &
110        ONLY:  threads_per_task
111
112    USE statistics,                                                            &
113        ONLY:  sums_wssas_ws_l
114
115    USE indices,                                                               &
116        ONLY:  advc_flags_s, nxl, nxr, nyn, nys, nzb, nzt, wall_flags_total_0, nbgp
117
118    USE restart_data_mpi_io_mod,                                                                   &
119        ONLY:  rd_mpi_io_check_array, rrd_mpi_io, rrd_mpi_io_global_array, wrd_mpi_io,             &
120               wrd_mpi_io_global_array
121
122    USE surface_mod,                                                           &
123        ONLY:  bc_h, surf_def_v, surf_def_h, surf_lsm_h, surf_lsm_v,           &
124               surf_usm_h, surf_usm_v
125
126       USE exchange_horiz_mod,                                                                     &
127           ONLY:  exchange_horiz
128
129
130    IMPLICIT NONE
131
132    CHARACTER (LEN=20) ::  bc_sa_t = 'neumann'  !< namelist parameter
133
134    INTEGER(iwp) ::  ibc_sa_t   !< integer flag for bc_sa_t
135    INTEGER(iwp) ::  iran_ocean = -1234567  !< random number used for wave breaking effects
136
137    INTEGER(iwp) ::  sa_vertical_gradient_level_ind(10) = -9999  !< grid index values of sa_vertical_gradient_level(s)
138
139    LOGICAL ::  salinity = .TRUE.             !< switch for using salinity
140    LOGICAL ::  stokes_force = .FALSE.        !< switch to switch on the Stokes force
141    LOGICAL ::  wave_breaking = .FALSE.       !< switch to switch on wave breaking effects
142    LOGICAL ::  surface_cooling_switched_off = .FALSE.  !< variable to check if surface heat flux has been switched off
143
144    REAL(wp) ::  alpha_wave_breaking = 3.0_wp !< coefficient for wave breaking generated turbulence from Noh et al. (2004), JPO
145    REAL(wp) ::  prho_reference               !< reference state of potential density at ocean surface
146    REAL(wp) ::  sa_surface = 35.0_wp         !< surface salinity, namelist parameter
147    REAL(wp) ::  sa_vertical_gradient(10) = 0.0_wp               !< namelist parameter
148    REAL(wp) ::  sa_vertical_gradient_level(10) = -999999.9_wp   !< namelist parameter
149    REAL(wp) ::  stokes_waveheight = 0.0_wp  !< wave height assumed for Stokes drift velocity
150    REAL(wp) ::  stokes_wavelength = 0.0_wp  !< wavelength assumed for Stokes drift velocity
151    REAL(wp) ::  surface_cooling_spinup_time = 999999.9_wp  !< time after which surface heat flux is switched off
152    REAL(wp) ::  timescale_wave_breaking     !< time scale of random forcing
153    REAL(wp) ::  u_star_wave_breaking        !< to store the absolute value of friction velocity at the ocean surface
154
155    REAL(wp), DIMENSION(12), PARAMETER ::  nom =                               &
156                          (/ 9.9984085444849347D2,   7.3471625860981584D0,     &
157                            -5.3211231792841769D-2,  3.6492439109814549D-4,    &
158                             2.5880571023991390D0,  -6.7168282786692354D-3,    &
159                             1.9203202055760151D-3,  1.1798263740430364D-2,    &
160                             9.8920219266399117D-8,  4.6996642771754730D-6,    &
161                            -2.5862187075154352D-8, -3.2921414007960662D-12 /)
162                          !< constants used in equation of state for seawater
163
164    REAL(wp), DIMENSION(13), PARAMETER ::  den =                               &
165                          (/ 1.0D0,                  7.2815210113327091D-3,    &
166                            -4.4787265461983921D-5,  3.3851002965802430D-7,    &
167                             1.3651202389758572D-10, 1.7632126669040377D-3,    &
168                            -8.8066583251206474D-6, -1.8832689434804897D-10,   &
169                             5.7463776745432097D-6,  1.4716275472242334D-9,    &
170                             6.7103246285651894D-6, -2.4461698007024582D-17,   &
171                            -9.1534417604289062D-18 /)
172                          !< constants used in equation of state for seawater
173
174    SAVE
175
176    PUBLIC ::  bc_sa_t, ibc_sa_t, prho_reference, sa_surface,                  &
177               sa_vertical_gradient, sa_vertical_gradient_level,               &
178               sa_vertical_gradient_level_ind, stokes_force, wave_breaking
179
180
181    INTERFACE eqn_state_seawater
182       MODULE PROCEDURE eqn_state_seawater
183       MODULE PROCEDURE eqn_state_seawater_ij
184    END INTERFACE eqn_state_seawater
185
186    INTERFACE eqn_state_seawater_func
187       MODULE PROCEDURE eqn_state_seawater_func
188    END INTERFACE eqn_state_seawater_func
189
190    INTERFACE ocean_check_parameters
191       MODULE PROCEDURE ocean_check_parameters
192    END INTERFACE ocean_check_parameters
193
194    INTERFACE ocean_check_data_output
195       MODULE PROCEDURE ocean_check_data_output
196    END INTERFACE ocean_check_data_output
197
198    INTERFACE ocean_check_data_output_pr
199       MODULE PROCEDURE ocean_check_data_output_pr
200    END INTERFACE ocean_check_data_output_pr
201
202    INTERFACE ocean_define_netcdf_grid
203       MODULE PROCEDURE ocean_define_netcdf_grid
204    END INTERFACE ocean_define_netcdf_grid
205
206    INTERFACE ocean_data_output_2d
207       MODULE PROCEDURE ocean_data_output_2d
208    END INTERFACE ocean_data_output_2d
209
210    INTERFACE ocean_data_output_3d
211       MODULE PROCEDURE ocean_data_output_3d
212    END INTERFACE ocean_data_output_3d
213
214    INTERFACE ocean_exchange_horiz
215       MODULE PROCEDURE ocean_exchange_horiz
216    END INTERFACE ocean_exchange_horiz
217
218    INTERFACE ocean_header
219       MODULE PROCEDURE ocean_header
220    END INTERFACE ocean_header
221
222    INTERFACE ocean_init
223       MODULE PROCEDURE ocean_init
224    END INTERFACE ocean_init
225
226    INTERFACE ocean_init_arrays
227       MODULE PROCEDURE ocean_init_arrays
228    END INTERFACE ocean_init_arrays
229
230    INTERFACE ocean_parin
231       MODULE PROCEDURE ocean_parin
232    END INTERFACE ocean_parin
233
234    INTERFACE ocean_actions
235       MODULE PROCEDURE ocean_actions
236       MODULE PROCEDURE ocean_actions_ij
237    END INTERFACE ocean_actions
238
239    INTERFACE ocean_prognostic_equations
240       MODULE PROCEDURE ocean_prognostic_equations
241       MODULE PROCEDURE ocean_prognostic_equations_ij
242    END INTERFACE ocean_prognostic_equations
243
244    INTERFACE ocean_boundary_conditions
245       MODULE PROCEDURE ocean_boundary_conditions
246    END INTERFACE ocean_boundary_conditions
247
248    INTERFACE ocean_swap_timelevel
249       MODULE PROCEDURE ocean_swap_timelevel
250    END INTERFACE ocean_swap_timelevel
251
252    INTERFACE ocean_rrd_global
253       MODULE PROCEDURE ocean_rrd_global_ftn
254       MODULE PROCEDURE ocean_rrd_global_mpi
255    END INTERFACE ocean_rrd_global
256
257    INTERFACE ocean_rrd_local
258       MODULE PROCEDURE ocean_rrd_local_ftn
259       MODULE PROCEDURE ocean_rrd_local_mpi
260    END INTERFACE ocean_rrd_local
261
262    INTERFACE ocean_wrd_global
263       MODULE PROCEDURE ocean_wrd_global
264    END INTERFACE ocean_wrd_global
265
266    INTERFACE ocean_wrd_local
267       MODULE PROCEDURE ocean_wrd_local
268    END INTERFACE ocean_wrd_local
269
270    INTERFACE ocean_3d_data_averaging
271       MODULE PROCEDURE ocean_3d_data_averaging
272    END INTERFACE ocean_3d_data_averaging
273
274    INTERFACE stokes_drift_terms
275       MODULE PROCEDURE stokes_drift_terms
276       MODULE PROCEDURE stokes_drift_terms_ij
277    END INTERFACE stokes_drift_terms
278
279    INTERFACE wave_breaking_term
280       MODULE PROCEDURE wave_breaking_term
281       MODULE PROCEDURE wave_breaking_term_ij
282    END INTERFACE wave_breaking_term
283
284    PRIVATE
285!
286!-- Add INTERFACES that must be available to other modules (alphabetical order)
287    PUBLIC eqn_state_seawater, ocean_actions, ocean_check_data_output,         &
288           ocean_check_data_output_pr, ocean_check_parameters,                 &
289           ocean_data_output_2d, ocean_data_output_3d, ocean_exchange_horiz,   &
290           ocean_define_netcdf_grid, ocean_header, ocean_init,                 &
291           ocean_init_arrays, ocean_parin, ocean_prognostic_equations,         &
292           ocean_swap_timelevel, ocean_rrd_global, ocean_rrd_local,            &
293           ocean_wrd_global, ocean_wrd_local, ocean_3d_data_averaging,         &
294           ocean_boundary_conditions, stokes_drift_terms, wave_breaking_term
295
296
297 CONTAINS
298
299!------------------------------------------------------------------------------!
300! Description:
301! ------------
302!> Equation of state for seawater as a function of potential temperature,
303!> salinity, and pressure.
304!> For coefficients see Jackett et al., 2006: J. Atm. Ocean Tech.
305!> eqn_state_seawater calculates the potential density referred at hyp(0).
306!> eqn_state_seawater_func calculates density.
307!> TODO: so far, routine is not adjusted to use topography
308!------------------------------------------------------------------------------!
309 SUBROUTINE eqn_state_seawater
310
311    USE arrays_3d,                                                             &
312        ONLY:  hyp, prho, pt_p, rho_ocean, sa_p
313    USE indices,                                                               &
314        ONLY:  nxl, nxr, nyn, nys, nzb, nzt
315
316    IMPLICIT NONE
317
318    INTEGER(iwp) ::  i       !< running index x direction
319    INTEGER(iwp) ::  j       !< running index y direction
320    INTEGER(iwp) ::  k       !< running index z direction
321    INTEGER(iwp) ::  m       !< running index surface elements
322
323    REAL(wp) ::  pden   !< temporary scalar user for calculating density
324    REAL(wp) ::  pnom   !< temporary scalar user for calculating density
325    REAL(wp) ::  p1     !< temporary scalar user for calculating density
326    REAL(wp) ::  p2     !< temporary scalar user for calculating density
327    REAL(wp) ::  p3     !< temporary scalar user for calculating density
328    REAL(wp) ::  pt1    !< temporary scalar user for calculating density
329    REAL(wp) ::  pt2    !< temporary scalar user for calculating density
330    REAL(wp) ::  pt3    !< temporary scalar user for calculating density
331    REAL(wp) ::  pt4    !< temporary scalar user for calculating density
332    REAL(wp) ::  sa1    !< temporary scalar user for calculating density
333    REAL(wp) ::  sa15   !< temporary scalar user for calculating density
334    REAL(wp) ::  sa2    !< temporary scalar user for calculating density
335
336
337    DO  i = nxl, nxr
338       DO  j = nys, nyn
339          DO  k = nzb+1, nzt
340!
341!--          Pressure is needed in dbar
342             p1 = hyp(k) * 1E-4_wp
343             p2 = p1 * p1
344             p3 = p2 * p1
345
346!
347!--          Temperature needed in degree Celsius
348             pt1 = pt_p(k,j,i) - 273.15_wp
349             pt2 = pt1 * pt1
350             pt3 = pt1 * pt2
351             pt4 = pt2 * pt2
352
353             sa1  = sa_p(k,j,i)
354             sa15 = sa1 * SQRT( sa1 )
355             sa2  = sa1 * sa1
356
357             pnom = nom(1)           + nom(2)*pt1     + nom(3)*pt2     +       &
358                    nom(4)*pt3       + nom(5)*sa1     + nom(6)*sa1*pt1 +       &
359                    nom(7)*sa2
360
361             pden = den(1)           + den(2)*pt1     + den(3)*pt2     +       &
362                    den(4)*pt3       + den(5)*pt4     + den(6)*sa1     +       &
363                    den(7)*sa1*pt1   + den(8)*sa1*pt3 + den(9)*sa15    +       &
364                    den(10)*sa15*pt2
365!
366!--          Potential density (without pressure terms)
367             prho(k,j,i) = pnom / pden
368
369             pnom = pnom +             nom(8)*p1      + nom(9)*p1*pt2  +       &
370                    nom(10)*p1*sa1   + nom(11)*p2     + nom(12)*p2*pt2
371
372             pden = pden +             den(11)*p1     + den(12)*p2*pt3 +       &
373                    den(13)*p3*pt1
374
375!
376!--          In-situ density
377             rho_ocean(k,j,i) = pnom / pden
378
379          ENDDO
380
381!
382!--       Neumann conditions are assumed at top boundary and currently also at
383!--       bottom boundary (see comment lines below)
384          prho(nzt+1,j,i)      = prho(nzt,j,i)
385          rho_ocean(nzt+1,j,i) = rho_ocean(nzt,j,i)
386
387       ENDDO
388    ENDDO
389!
390!-- Neumann conditions at up/downward-facing surfaces
391    !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k )
392    DO  m = 1, bc_h(0)%ns
393       i = bc_h(0)%i(m)
394       j = bc_h(0)%j(m)
395       k = bc_h(0)%k(m)
396       prho(k-1,j,i)      = prho(k,j,i)
397       rho_ocean(k-1,j,i) = rho_ocean(k,j,i)
398    ENDDO
399!
400!-- Downward facing surfaces
401    !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k )
402    DO  m = 1, bc_h(1)%ns
403       i = bc_h(1)%i(m)
404       j = bc_h(1)%j(m)
405       k = bc_h(1)%k(m)
406       prho(k+1,j,i)      = prho(k,j,i)
407       rho_ocean(k+1,j,i) = rho_ocean(k,j,i)
408    ENDDO
409
410 END SUBROUTINE eqn_state_seawater
411
412
413!------------------------------------------------------------------------------!
414! Description:
415! ------------
416!> Same as above, but for grid point i,j
417!------------------------------------------------------------------------------!
418 SUBROUTINE eqn_state_seawater_ij( i, j )
419
420    USE arrays_3d,                                                             &
421        ONLY:  hyp, prho, pt_p, rho_ocean, sa_p
422
423    USE indices,                                                               &
424        ONLY:  nzb, nzt
425
426    IMPLICIT NONE
427
428    INTEGER(iwp) ::  i       !< running index x direction
429    INTEGER(iwp) ::  j       !< running index y direction
430    INTEGER(iwp) ::  k       !< running index z direction
431    INTEGER(iwp) ::  m       !< running index surface elements
432    INTEGER(iwp) ::  surf_e  !< end index of surface elements at (j,i)-gridpoint
433    INTEGER(iwp) ::  surf_s  !< start index of surface elements at (j,i)-gridpoint
434
435    REAL(wp) ::  pden   !< temporary scalar user for calculating density
436    REAL(wp) ::  pnom   !< temporary scalar user for calculating density
437    REAL(wp) ::  p1     !< temporary scalar user for calculating density
438    REAL(wp) ::  p2     !< temporary scalar user for calculating density
439    REAL(wp) ::  p3     !< temporary scalar user for calculating density
440    REAL(wp) ::  pt1    !< temporary scalar user for calculating density
441    REAL(wp) ::  pt2    !< temporary scalar user for calculating density
442    REAL(wp) ::  pt3    !< temporary scalar user for calculating density
443    REAL(wp) ::  pt4    !< temporary scalar user for calculating density
444    REAL(wp) ::  sa1    !< temporary scalar user for calculating density
445    REAL(wp) ::  sa15   !< temporary scalar user for calculating density
446    REAL(wp) ::  sa2    !< temporary scalar user for calculating density
447
448    DO  k = nzb+1, nzt
449!
450!--    Pressure is needed in dbar
451       p1 = hyp(k) * 1E-4_wp
452       p2 = p1 * p1
453       p3 = p2 * p1
454!
455!--    Temperature needed in degree Celsius
456       pt1 = pt_p(k,j,i) - 273.15_wp
457       pt2 = pt1 * pt1
458       pt3 = pt1 * pt2
459       pt4 = pt2 * pt2
460
461       sa1  = sa_p(k,j,i)
462       sa15 = sa1 * SQRT( sa1 )
463       sa2  = sa1 * sa1
464
465       pnom = nom(1)           + nom(2)*pt1     + nom(3)*pt2     +             &
466              nom(4)*pt3       + nom(5)*sa1     + nom(6)*sa1*pt1 + nom(7)*sa2
467
468       pden = den(1)           + den(2)*pt1     + den(3)*pt2     +             &
469              den(4)*pt3       + den(5)*pt4     + den(6)*sa1     +             &
470              den(7)*sa1*pt1   + den(8)*sa1*pt3 + den(9)*sa15    +             &
471              den(10)*sa15*pt2
472!
473!--    Potential density (without pressure terms)
474       prho(k,j,i) = pnom / pden
475
476       pnom = pnom +             nom(8)*p1      + nom(9)*p1*pt2  +             &
477              nom(10)*p1*sa1   + nom(11)*p2     + nom(12)*p2*pt2
478       pden = pden +             den(11)*p1     + den(12)*p2*pt3 +             &
479              den(13)*p3*pt1
480
481!
482!--    In-situ density
483       rho_ocean(k,j,i) = pnom / pden
484
485    ENDDO
486!
487!-- Neumann conditions at up/downward-facing walls
488    surf_s = bc_h(0)%start_index(j,i)
489    surf_e = bc_h(0)%end_index(j,i)
490    DO  m = surf_s, surf_e
491       k = bc_h(0)%k(m)
492       prho(k-1,j,i)      = prho(k,j,i)
493       rho_ocean(k-1,j,i) = rho_ocean(k,j,i)
494    ENDDO
495!
496!-- Downward facing surfaces
497    surf_s = bc_h(1)%start_index(j,i)
498    surf_e = bc_h(1)%end_index(j,i)
499    DO  m = surf_s, surf_e
500       k = bc_h(1)%k(m)
501       prho(k+1,j,i)      = prho(k,j,i)
502       rho_ocean(k+1,j,i) = rho_ocean(k,j,i)
503    ENDDO
504!
505!-- Neumann condition are assumed at top boundary
506    prho(nzt+1,j,i)      = prho(nzt,j,i)
507    rho_ocean(nzt+1,j,i) = rho_ocean(nzt,j,i)
508
509 END SUBROUTINE eqn_state_seawater_ij
510
511
512!------------------------------------------------------------------------------!
513! Description:
514! ------------
515!> Equation of state for seawater as a function
516!------------------------------------------------------------------------------!
517 REAL(wp) FUNCTION eqn_state_seawater_func( p, pt, sa )
518
519    IMPLICIT NONE
520
521    REAL(wp) ::  p      !< temporary scalar user for calculating density
522    REAL(wp) ::  p1     !< temporary scalar user for calculating density
523    REAL(wp) ::  p2     !< temporary scalar user for calculating density
524    REAL(wp) ::  p3     !< temporary scalar user for calculating density
525    REAL(wp) ::  pt     !< temporary scalar user for calculating density
526    REAL(wp) ::  pt1    !< temporary scalar user for calculating density
527    REAL(wp) ::  pt2    !< temporary scalar user for calculating density
528    REAL(wp) ::  pt3    !< temporary scalar user for calculating density
529    REAL(wp) ::  pt4    !< temporary scalar user for calculating density
530    REAL(wp) ::  sa     !< temporary scalar user for calculating density
531    REAL(wp) ::  sa15   !< temporary scalar user for calculating density
532    REAL(wp) ::  sa2    !< temporary scalar user for calculating density
533
534!
535!-- Pressure is needed in dbar
536    p1 = p  * 1.0E-4_wp
537    p2 = p1 * p1
538    p3 = p2 * p1
539
540!
541!-- Temperature needed in degree Celsius
542    pt1 = pt - 273.15_wp
543    pt2 = pt1 * pt1
544    pt3 = pt1 * pt2
545    pt4 = pt2 * pt2
546
547    sa15 = sa * SQRT( sa )
548    sa2  = sa * sa
549
550
551    eqn_state_seawater_func =                                                  &
552         ( nom(1)        + nom(2)*pt1       + nom(3)*pt2    + nom(4)*pt3     + &
553           nom(5)*sa     + nom(6)*sa*pt1    + nom(7)*sa2    + nom(8)*p1      + &
554           nom(9)*p1*pt2 + nom(10)*p1*sa    + nom(11)*p2    + nom(12)*p2*pt2   &
555         ) /                                                                   &
556         ( den(1)        + den(2)*pt1       + den(3)*pt2    + den(4)*pt3     + &
557           den(5)*pt4    + den(6)*sa        + den(7)*sa*pt1 + den(8)*sa*pt3  + &
558           den(9)*sa15   + den(10)*sa15*pt2 + den(11)*p1    + den(12)*p2*pt3 + &
559           den(13)*p3*pt1                                                      &
560         )
561
562
563 END FUNCTION eqn_state_seawater_func
564
565
566!------------------------------------------------------------------------------!
567! Description:
568! ------------
569!> Reads the ocean parameters namelist
570!------------------------------------------------------------------------------!
571 SUBROUTINE ocean_parin
572
573    IMPLICIT NONE
574
575    CHARACTER (LEN=80) ::  line  !< dummy string that contains the current line of the parameter file
576
577
578    NAMELIST /ocean_parameters/  bc_sa_t, bottom_salinityflux, salinity,       &
579             sa_surface, sa_vertical_gradient, sa_vertical_gradient_level,     &
580             stokes_waveheight, stokes_wavelength, surface_cooling_spinup_time,&
581             top_salinityflux, wall_salinityflux, wave_breaking
582
583!
584!-- Try to find the namelist
585    REWIND ( 11 )
586    line = ' '
587    DO WHILE ( INDEX( line, '&ocean_parameters' ) == 0 )
588       READ ( 11, '(A)', END=12 )  line
589    ENDDO
590    BACKSPACE ( 11 )
591
592!
593!-- Read namelist
594    READ ( 11, ocean_parameters, ERR = 10 )
595!
596!-- Set switch that enables PALM's ocean mode
597    ocean_mode = .TRUE.
598
599    GOTO 12
600
601 10 BACKSPACE( 11 )
602    READ( 11 , '(A)') line
603    CALL parin_fail_message( 'ocean_parameters', line )
604
605 12 CONTINUE
606
607 END SUBROUTINE ocean_parin
608
609!------------------------------------------------------------------------------!
610! Description:
611! ------------
612!> Check parameters routine for the ocean mode
613!------------------------------------------------------------------------------!
614 SUBROUTINE ocean_check_parameters
615
616    USE control_parameters,                                                    &
617        ONLY:  coupling_char, coupling_mode, initializing_actions,             &
618               message_string, use_top_fluxes
619
620    USE pmc_interface,                                                         &
621        ONLY:  nested_run
622
623    IMPLICIT NONE
624
625
626!
627!-- Check for invalid combinations
628    IF ( nested_run )  THEN
629       message_string = 'ocean mode not allowed for nesting'
630       CALL message( 'ocean_check_parameters', 'PA0510', 1, 2, 0, 6, 0 )
631    ENDIF
632
633    IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  THEN
634       message_string = 'ocean mode does not allow cyclic-fill initialization'
635       CALL message( 'ocean_check_parameters', 'PA0511', 1, 2, 0, 6, 0 )
636    ENDIF
637
638!
639!-- Check ocean setting
640    IF ( TRIM( coupling_mode ) == 'uncoupled'  .AND.                           &
641         TRIM( coupling_char ) == '_O' .AND.                                   &
642         .NOT. ocean_mode )  THEN
643
644!
645!--    Check whether an (uncoupled) atmospheric run has been declared as an
646!--    ocean run (this setting is done via palmrun-option -y)
647       message_string = 'ocean mode does not allow coupling_char = "' //       &
648                        TRIM( coupling_char ) // '" set by palmrun-option "-y"'
649       CALL message( 'ocean_check_parameters', 'PA0317', 1, 2, 0, 6, 0 )
650
651    ENDIF
652
653!
654!-- Ocean version must use flux boundary conditions at the top
655    IF ( .NOT. use_top_fluxes )  THEN
656       message_string = 'use_top_fluxes must be .TRUE. in ocean mode'
657       CALL message( 'ocean_check_parameters', 'PA0042', 1, 2, 0, 6, 0 )
658    ENDIF
659
660!
661!-- Boundary conditions for salinity
662    IF ( bc_sa_t == 'dirichlet' )  THEN
663       ibc_sa_t = 0
664    ELSEIF ( bc_sa_t == 'neumann' )  THEN
665       ibc_sa_t = 1
666    ELSE
667       message_string = 'unknown boundary condition: bc_sa_t = "' //           &
668                        TRIM( bc_sa_t ) // '"'
669       CALL message( 'ocean_check_parameters', 'PA0068', 1, 2, 0, 6, 0 )
670    ENDIF
671
672    IF ( top_salinityflux == 9999999.9_wp )  constant_top_salinityflux = .FALSE.
673
674    IF ( .NOT. salinity )  THEN
675       IF ( ( bottom_salinityflux /= 0.0_wp  .AND.                             &
676              bottom_salinityflux /= 9999999.9_wp )  .OR.                      &
677            ( top_salinityflux /= 0.0_wp     .AND.                             &
678              top_salinityflux /= 9999999.9_wp ) )                             &
679       THEN
680          message_string = 'salinityflux must not be set for ocean run ' //    &
681                           'without salinity'
682          CALL message( 'ocean_check_parameters', 'PA0509', 1, 2, 0, 6, 0 )
683       ENDIF
684    ENDIF
685
686    IF ( ibc_sa_t == 1  .AND.  top_salinityflux == 9999999.9_wp )  THEN
687       message_string = 'boundary condition: bc_sa_t = "' //                   &
688                        TRIM( bc_sa_t ) // '" requires to set top_salinityflux'
689       CALL message( 'ocean_check_parameters', 'PA0069', 1, 2, 0, 6, 0 )
690    ENDIF
691
692!
693!-- A fixed salinity at the top implies Dirichlet boundary condition for
694!-- salinity. In this case specification of a constant salinity flux is
695!-- forbidden.
696    IF ( ibc_sa_t == 0  .AND.  constant_top_salinityflux  .AND.                &
697         top_salinityflux /= 0.0_wp )  THEN
698       message_string = 'boundary condition: bc_sa_t = "' //                   &
699                        TRIM( bc_sa_t ) // '" is not allowed with ' //         &
700                        'top_salinityflux /= 0.0'
701       CALL message( 'ocean_check_parameters', 'PA0070', 1, 2, 0, 6, 0 )
702    ENDIF
703
704!
705!-- Check if Stokes force is to be used
706    IF ( stokes_waveheight /= 0.0_wp  .AND.  stokes_wavelength /= 0.0_wp )  THEN
707       stokes_force = .TRUE.
708    ELSE
709       IF ( ( stokes_waveheight <= 0.0_wp .AND. stokes_wavelength > 0.0_wp ) &
710            .OR.                                                               &
711            ( stokes_waveheight > 0.0_wp .AND. stokes_wavelength <= 0.0_wp ) &
712            .OR.                                                               &
713            ( stokes_waveheight < 0.0_wp .AND. stokes_wavelength < 0.0_wp  ) ) &
714       THEN
715          message_string = 'wrong settings for stokes_wavelength and/or ' //   &
716                           'stokes_waveheight'
717          CALL message( 'ocean_check_parameters', 'PA0460', 1, 2, 0, 6, 0 )
718       ENDIF
719    ENDIF
720
721 END SUBROUTINE ocean_check_parameters
722
723
724!------------------------------------------------------------------------------!
725! Description:
726! ------------
727!> Check data output.
728!------------------------------------------------------------------------------!
729 SUBROUTINE ocean_check_data_output( var, unit )
730 
731    IMPLICIT NONE
732
733    CHARACTER (LEN=*) ::  unit     !< unit of output variable
734    CHARACTER (LEN=*) ::  var      !< name of output variable
735
736
737    SELECT CASE ( TRIM( var ) )
738
739       CASE ( 'rho_sea_water' )
740          unit = 'kg/m3'
741
742       CASE ( 'sa' )
743          unit = 'psu'
744
745       CASE DEFAULT
746          unit = 'illegal'
747
748    END SELECT
749
750 END SUBROUTINE ocean_check_data_output
751
752
753!------------------------------------------------------------------------------!
754! Description:
755! ------------
756!> Check data output of profiles
757!------------------------------------------------------------------------------!
758 SUBROUTINE ocean_check_data_output_pr( variable, var_count, unit, dopr_unit )
759
760    USE arrays_3d,                                                             &
761        ONLY:  zu, zw
762
763    USE control_parameters,                                                    &
764        ONLY:  data_output_pr
765
766    USE indices
767
768    USE profil_parameter
769
770    USE statistics
771
772    IMPLICIT NONE
773
774    CHARACTER (LEN=*) ::  unit      !<
775    CHARACTER (LEN=*) ::  variable  !<
776    CHARACTER (LEN=*) ::  dopr_unit !< local value of dopr_unit
777
778    INTEGER(iwp) ::  var_count     !<
779
780    SELECT CASE ( TRIM( variable ) )
781
782       CASE ( 'prho' )
783          dopr_index(var_count) = 71
784          dopr_unit             = 'kg/m3'
785          hom(:,2,71,:) = SPREAD( zu, 2, statistic_regions+1 )
786          unit = dopr_unit
787
788       CASE ( 'rho_sea_water' )
789          dopr_index(var_count) = 64
790          dopr_unit             = 'kg/m3'
791          hom(:,2,64,:) = SPREAD( zu, 2, statistic_regions+1 )
792          IF ( data_output_pr(var_count)(1:1) == '#' )  THEN
793             dopr_initial_index(var_count) = 77
794             hom(:,2,77,:)             = SPREAD( zu, 2, statistic_regions+1 )
795             hom(nzb,2,77,:)           = 0.0_wp    ! because zu(nzb) is negative
796             data_output_pr(var_count) = data_output_pr(var_count)(2:)
797          ENDIF
798          unit = dopr_unit
799
800       CASE ( 'sa', '#sa' )
801          dopr_index(var_count) = 23
802          dopr_unit             = 'psu'
803          hom(:,2,23,:) = SPREAD( zu, 2, statistic_regions+1 )
804          IF ( data_output_pr(var_count)(1:1) == '#' )  THEN
805             dopr_initial_index(var_count) = 26
806             hom(:,2,26,:)             = SPREAD( zu, 2, statistic_regions+1 )
807             hom(nzb,2,26,:)           = 0.0_wp    ! because zu(nzb) is negative
808             data_output_pr(var_count) = data_output_pr(var_count)(2:)
809          ENDIF
810          unit = dopr_unit
811
812       CASE ( 'w"sa"' )
813          dopr_index(var_count) = 65
814          dopr_unit             = 'psu m/s'
815          hom(:,2,65,:) = SPREAD( zw, 2, statistic_regions+1 )
816          unit = dopr_unit
817
818       CASE ( 'w*sa*' )
819          dopr_index(var_count) = 66
820          dopr_unit             = 'psu m/s'
821          hom(:,2,66,:) = SPREAD( zw, 2, statistic_regions+1 )
822          unit = dopr_unit
823
824       CASE ( 'wsa' )
825          dopr_index(var_count) = 67
826          dopr_unit             = 'psu m/s'
827          hom(:,2,67,:) = SPREAD( zw, 2, statistic_regions+1 )
828          unit = dopr_unit
829
830       CASE DEFAULT
831          unit = 'illegal'
832
833    END SELECT
834
835
836 END SUBROUTINE ocean_check_data_output_pr
837
838
839!------------------------------------------------------------------------------!
840! Description:
841! ------------
842!> Define appropriate grid for netcdf variables.
843!> It is called out from subroutine netcdf.
844!------------------------------------------------------------------------------!
845 SUBROUTINE ocean_define_netcdf_grid( var, found, grid_x, grid_y, grid_z )
846   
847    IMPLICIT NONE
848
849    CHARACTER (LEN=*), INTENT(OUT) ::  grid_x   !< x grid of output variable
850    CHARACTER (LEN=*), INTENT(OUT) ::  grid_y   !< y grid of output variable
851    CHARACTER (LEN=*), INTENT(OUT) ::  grid_z   !< z grid of output variable
852    CHARACTER (LEN=*), INTENT(IN)  ::  var      !< name of output variable
853
854    LOGICAL, INTENT(OUT) ::  found   !< flag if output variable is found
855
856    found  = .TRUE.
857
858!
859!-- Check for the grid
860    SELECT CASE ( TRIM( var ) )
861
862       CASE ( 'rho_sea_water', 'rho_sea_water_xy', 'rho_sea_water_xz', &
863              'rho_sea_water_yz', 'sa', 'sa_xy', 'sa_xz', 'sa_yz' )
864          grid_x = 'x'
865          grid_y = 'y'
866          grid_z = 'zu'
867
868       CASE DEFAULT
869          found  = .FALSE.
870          grid_x = 'none'
871          grid_y = 'none'
872          grid_z = 'none'
873
874    END SELECT
875
876 END SUBROUTINE ocean_define_netcdf_grid
877
878
879!------------------------------------------------------------------------------!
880! Description:
881! ------------
882!> Average 3D data.
883!------------------------------------------------------------------------------!
884 SUBROUTINE ocean_3d_data_averaging( mode, variable )
885 
886
887    USE arrays_3d,                                                             &
888        ONLY:  rho_ocean, sa
889
890    USE averaging,                                                             &
891        ONLY:  rho_ocean_av, sa_av
892
893    USE control_parameters,                                                    &
894        ONLY:  average_count_3d
895
896    USE indices,                                                               &
897        ONLY:  nxlg, nxrg, nyng, nysg, nzb, nzt
898
899    IMPLICIT NONE
900
901    CHARACTER (LEN=*) ::  mode       !< flag defining mode 'allocate', 'sum' or 'average'
902    CHARACTER (LEN=*) ::  variable   !< name of variable
903
904    INTEGER(iwp) ::  i   !< loop index
905    INTEGER(iwp) ::  j   !< loop index
906    INTEGER(iwp) ::  k   !< loop index
907
908    IF ( mode == 'allocate' )  THEN
909
910       SELECT CASE ( TRIM( variable ) )
911
912          CASE ( 'rho_sea_water' )
913             IF ( .NOT. ALLOCATED( rho_ocean_av ) )  THEN
914                ALLOCATE( rho_ocean_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
915             ENDIF
916             rho_ocean_av = 0.0_wp
917
918          CASE ( 'sa' )
919             IF ( .NOT. ALLOCATED( sa_av ) )  THEN
920                ALLOCATE( sa_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
921             ENDIF
922             sa_av = 0.0_wp
923
924          CASE DEFAULT
925             CONTINUE
926
927       END SELECT
928
929    ELSEIF ( mode == 'sum' )  THEN
930
931       SELECT CASE ( TRIM( variable ) )
932
933          CASE ( 'rho_sea_water' )
934             IF ( ALLOCATED( rho_ocean_av ) )  THEN
935                DO  i = nxlg, nxrg
936                   DO  j = nysg, nyng
937                      DO  k = nzb, nzt+1
938                         rho_ocean_av(k,j,i) = rho_ocean_av(k,j,i) +           &
939                                               rho_ocean(k,j,i)
940                      ENDDO
941                   ENDDO
942                ENDDO
943             ENDIF
944
945          CASE ( 'sa' )
946             IF ( ALLOCATED( sa_av ) )  THEN
947                DO  i = nxlg, nxrg
948                   DO  j = nysg, nyng
949                      DO  k = nzb, nzt+1
950                         sa_av(k,j,i) = sa_av(k,j,i) + sa(k,j,i)
951                      ENDDO
952                   ENDDO
953                ENDDO
954             ENDIF
955
956          CASE DEFAULT
957             CONTINUE
958
959       END SELECT
960
961    ELSEIF ( mode == 'average' )  THEN
962
963       SELECT CASE ( TRIM( variable ) )
964
965          CASE ( 'rho_sea_water' )
966             IF ( ALLOCATED( rho_ocean_av ) ) THEN
967                DO  i = nxlg, nxrg
968                   DO  j = nysg, nyng
969                      DO  k = nzb, nzt+1
970                         rho_ocean_av(k,j,i) = rho_ocean_av(k,j,i) /           &
971                                               REAL( average_count_3d, KIND=wp )
972                      ENDDO
973                   ENDDO
974                ENDDO
975             ENDIF
976
977          CASE ( 'sa' )
978             IF ( ALLOCATED( sa_av ) ) THEN
979                DO  i = nxlg, nxrg
980                   DO  j = nysg, nyng
981                      DO  k = nzb, nzt+1
982                         sa_av(k,j,i) = sa_av(k,j,i) /                         &
983                                        REAL( average_count_3d, KIND=wp )
984                      ENDDO
985                   ENDDO
986                ENDDO
987             ENDIF
988
989       END SELECT
990
991    ENDIF
992
993 END SUBROUTINE ocean_3d_data_averaging
994
995
996!------------------------------------------------------------------------------!
997! Description:
998! ------------
999!> Define 2D output variables.
1000!------------------------------------------------------------------------------!
1001 SUBROUTINE ocean_data_output_2d( av, variable, found, grid, mode, local_pf,   &
1002                                  nzb_do, nzt_do )
1003 
1004    USE arrays_3d,                                                             &
1005        ONLY:  rho_ocean, sa
1006
1007    USE averaging,                                                             &
1008        ONLY:  rho_ocean_av, sa_av
1009
1010    USE indices,                                                               &
1011        ONLY: nxl, nxlg, nxr, nxrg, nyn, nyng, nys, nysg, nzb, nzt,            &
1012              wall_flags_total_0
1013
1014    IMPLICIT NONE
1015
1016    CHARACTER (LEN=*) ::  grid       !< name of vertical grid
1017    CHARACTER (LEN=*) ::  mode       !< either 'xy', 'xz' or 'yz'
1018    CHARACTER (LEN=*) ::  variable   !< name of variable
1019
1020    INTEGER(iwp) ::  av        !< flag for (non-)average output
1021    INTEGER(iwp) ::  flag_nr   !< number of masking flag
1022    INTEGER(iwp) ::  i         !< loop index
1023    INTEGER(iwp) ::  j         !< loop index
1024    INTEGER(iwp) ::  k         !< loop index
1025    INTEGER(iwp) ::  nzb_do    !< vertical output index (bottom)
1026    INTEGER(iwp) ::  nzt_do    !< vertical output index (top)
1027
1028    LOGICAL ::  found   !< flag if output variable is found
1029    LOGICAL ::  resorted  !< flag if output is already resorted
1030
1031    REAL(wp) ::  fill_value = -999.0_wp  !< value for the _FillValue attribute
1032
1033    REAL(wp), DIMENSION(nxl:nxr,nys:nyn,nzb_do:nzt_do) ::  local_pf !< local
1034       !< array to which output data is resorted to
1035
1036    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), POINTER ::  to_be_resorted  !< points to selected output variable
1037   
1038    found = .TRUE.
1039    resorted = .FALSE.
1040!
1041!-- Set masking flag for topography for not resorted arrays
1042    flag_nr = 0
1043
1044    SELECT CASE ( TRIM( variable ) )
1045
1046       CASE ( 'rho_sea_water_xy', 'rho_sea_water_xz', 'rho_sea_water_yz' )
1047          IF ( av == 0 )  THEN
1048             to_be_resorted => rho_ocean
1049          ELSE
1050             IF ( .NOT. ALLOCATED( rho_ocean_av ) ) THEN
1051                ALLOCATE( rho_ocean_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
1052                rho_ocean_av = REAL( fill_value, KIND = wp )
1053             ENDIF
1054             to_be_resorted => rho_ocean_av
1055          ENDIF
1056
1057       CASE ( 'sa_xy', 'sa_xz', 'sa_yz' )
1058          IF ( av == 0 )  THEN
1059             to_be_resorted => sa
1060          ELSE
1061             IF ( .NOT. ALLOCATED( sa_av ) ) THEN
1062                ALLOCATE( sa_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
1063                sa_av = REAL( fill_value, KIND = wp )
1064             ENDIF
1065             to_be_resorted => sa_av
1066          ENDIF
1067          IF ( mode == 'xy' ) grid = 'zu'
1068
1069       CASE DEFAULT
1070          found = .FALSE.
1071          grid  = 'none'
1072
1073    END SELECT
1074
1075    IF ( found .AND. .NOT. resorted )  THEN
1076       DO  i = nxl, nxr
1077          DO  j = nys, nyn
1078             DO  k = nzb_do, nzt_do
1079                local_pf(i,j,k) = MERGE( to_be_resorted(k,j,i),                &
1080                                   REAL( fill_value, KIND = wp ),              &
1081                                   BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), flag_nr ) )
1082             ENDDO
1083          ENDDO
1084       ENDDO
1085       resorted = .TRUE.
1086    ENDIF
1087 
1088 END SUBROUTINE ocean_data_output_2d
1089
1090 
1091!------------------------------------------------------------------------------!
1092! Description:
1093! ------------
1094!> Define 3D output variables.
1095!------------------------------------------------------------------------------!
1096 SUBROUTINE ocean_data_output_3d( av, variable, found, local_pf, nzb_do, nzt_do )
1097 
1098
1099    USE arrays_3d,                                                             &
1100        ONLY:  rho_ocean, sa
1101
1102    USE averaging,                                                             &
1103        ONLY:  rho_ocean_av, sa_av
1104
1105    USE indices,                                                               &
1106        ONLY:  nxl, nxlg, nxr, nxrg, nyn, nyng, nys, nysg, nzb, nzt,           &
1107               wall_flags_total_0
1108
1109    IMPLICIT NONE
1110
1111    CHARACTER (LEN=*) ::  variable   !< name of variable
1112
1113    INTEGER(iwp) ::  av        !< flag for (non-)average output
1114    INTEGER(iwp) ::  flag_nr   !< number of masking flag
1115    INTEGER(iwp) ::  i         !< loop index
1116    INTEGER(iwp) ::  j         !< loop index
1117    INTEGER(iwp) ::  k         !< loop index
1118    INTEGER(iwp) ::  nzb_do    !< lower limit of the data output (usually 0)
1119    INTEGER(iwp) ::  nzt_do    !< vertical upper limit of the data output (usually nz_do3d)
1120
1121    LOGICAL ::  found     !< flag if output variable is found
1122    LOGICAL ::  resorted  !< flag if output is already resorted
1123
1124    REAL(wp) ::  fill_value = -999.0_wp  !< value for the _FillValue attribute
1125
1126    REAL(wp), DIMENSION(nxl:nxr,nys:nyn,nzb_do:nzt_do) ::  local_pf   !< local
1127                                  !< array to which output data is resorted to
1128
1129    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), POINTER ::  to_be_resorted  !< points to selected output variable
1130
1131    found = .TRUE.
1132    resorted = .FALSE.
1133!
1134!-- Set masking flag for topography for not resorted arrays
1135    flag_nr = 0
1136
1137    SELECT CASE ( TRIM( variable ) )
1138
1139       CASE ( 'rho_sea_water' )
1140          IF ( av == 0 )  THEN
1141             to_be_resorted => rho_ocean
1142          ELSE
1143             IF ( .NOT. ALLOCATED( rho_ocean_av ) ) THEN
1144                ALLOCATE( rho_ocean_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
1145                rho_ocean_av = REAL( fill_value, KIND = wp )
1146             ENDIF
1147             to_be_resorted => rho_ocean_av
1148          ENDIF
1149
1150       CASE ( 'sa' )
1151          IF ( av == 0 )  THEN
1152             to_be_resorted => sa
1153          ELSE
1154             IF ( .NOT. ALLOCATED( sa_av ) ) THEN
1155                ALLOCATE( sa_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
1156                sa_av = REAL( fill_value, KIND = wp )
1157             ENDIF
1158             to_be_resorted => sa_av
1159          ENDIF
1160
1161       CASE DEFAULT
1162          found = .FALSE.
1163
1164    END SELECT
1165
1166
1167    IF ( found  .AND.  .NOT. resorted )  THEN
1168       DO  i = nxl, nxr
1169          DO  j = nys, nyn
1170             DO  k = nzb_do, nzt_do
1171                local_pf(i,j,k) = MERGE( to_be_resorted(k,j,i),                &
1172                                   REAL( fill_value, KIND = wp ),              &
1173                                   BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), flag_nr ) )
1174             ENDDO
1175          ENDDO
1176       ENDDO
1177       resorted = .TRUE.
1178    ENDIF
1179
1180 END SUBROUTINE ocean_data_output_3d
1181
1182
1183!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1184! Description:
1185! ------------
1186!> Exchange ghostpoints
1187!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1188    SUBROUTINE ocean_exchange_horiz( location )
1189
1190       CHARACTER (LEN=*), INTENT(IN) ::  location !< call location string
1191
1192       SELECT CASE ( location )
1193
1194          CASE ( 'before_prognostic_equation' )
1195
1196          CASE ( 'after_prognostic_equation' )
1197
1198             CALL exchange_horiz( sa_p, nbgp )
1199             CALL exchange_horiz( rho_ocean, nbgp )
1200             CALL exchange_horiz( prho, nbgp )
1201
1202       END SELECT
1203
1204    END SUBROUTINE ocean_exchange_horiz
1205
1206
1207
1208!------------------------------------------------------------------------------!
1209! Description:
1210! ------------
1211!> Header output for ocean parameters
1212!------------------------------------------------------------------------------!
1213 SUBROUTINE ocean_header( io )
1214
1215
1216    IMPLICIT NONE
1217
1218    INTEGER(iwp), INTENT(IN) ::  io   !< Unit of the output file
1219
1220!
1221!-- Write ocean header
1222    WRITE( io, 1 )
1223    IF ( stokes_force  )  WRITE( io, 2 )  stokes_waveheight, stokes_wavelength
1224    IF ( wave_breaking )  THEN
1225       WRITE( io, 3 )  alpha_wave_breaking, timescale_wave_breaking
1226    ENDIF
1227    IF ( .NOT. salinity )  WRITE( io, 4 )
1228    IF ( surface_cooling_spinup_time /= 999999.9_wp )  THEN
1229       WRITE( io, 5 )  surface_cooling_spinup_time
1230    ENDIF
1231
12321   FORMAT (//' Ocean settings:'/                                              &
1233              ' ------------------------------------------'/)
12342   FORMAT ('    --> Craik-Leibovich vortex force and Stokes drift switched',  &
1235                     ' on'/                                                    &
1236            '        waveheight: ',F4.1,' m   wavelength: ',F6.1,' m')
12373   FORMAT ('    --> wave breaking generated turbulence switched on'/          &
1238            '        alpha:    ',F4.1/                                         &
1239            '        timescale:',F5.1,' s')
12404   FORMAT ('    --> prognostic salinity equation is switched off' )
12415   FORMAT ('    --> surface heat flux is switched off after ',F8.1,' s')
1242
1243 END SUBROUTINE ocean_header
1244
1245
1246!------------------------------------------------------------------------------!
1247! Description:
1248! ------------
1249!> Allocate arrays and assign pointers.
1250!------------------------------------------------------------------------------!
1251 SUBROUTINE ocean_init_arrays
1252
1253    USE indices,                                                               &
1254        ONLY:  nxlg, nxrg, nyn, nyng, nys, nysg, nzb, nzt
1255
1256    IMPLICIT NONE
1257
1258    ALLOCATE( prho_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                           &
1259              rho_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                            &
1260              sa_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                             &
1261              sa_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
1262
1263    IF (  salinity )  THEN
1264       ALLOCATE( sa_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
1265    ENDIF
1266
1267    IF ( ws_scheme_sca )  THEN
1268       ALLOCATE( sums_wssas_ws_l(nzb:nzt+1,0:threads_per_task-1) )
1269       sums_wssas_ws_l = 0.0_wp
1270    ENDIF
1271
1272    IF ( loop_optimization /= 'vector' )  THEN
1273
1274       IF ( ws_scheme_sca )  THEN
1275          ALLOCATE( flux_s_sa(nzb+1:nzt,0:threads_per_task-1) )
1276          ALLOCATE( diss_s_sa(nzb+1:nzt,0:threads_per_task-1) )
1277          ALLOCATE( flux_l_sa(nzb+1:nzt,nys:nyn,0:threads_per_task-1) )
1278          ALLOCATE( diss_l_sa(nzb+1:nzt,nys:nyn,0:threads_per_task-1) )
1279       ENDIF
1280
1281    ENDIF
1282
1283    prho => prho_1
1284    rho_ocean  => rho_1  ! routines calc_mean_profile and diffusion_e require
1285                         ! density to be a pointer
1286
1287!
1288!-- Initial assignment of pointers
1289    IF ( salinity )  THEN
1290       sa => sa_1;  sa_p => sa_2;  tsa_m => sa_3
1291    ELSE
1292       sa => sa_1;  sa_p => sa_1;  tsa_m => sa_3
1293    ENDIF
1294
1295 END SUBROUTINE ocean_init_arrays
1296
1297
1298!------------------------------------------------------------------------------!
1299! Description:
1300! ------------
1301!> Initialization of quantities needed for the ocean mode
1302!------------------------------------------------------------------------------!
1303 SUBROUTINE ocean_init
1304
1305
1306    USE arrays_3d,                                                             &
1307        ONLY:  dzu, dzw, hyp, pt_init, ref_state, u_stokes_zu, u_stokes_zw,    &
1308               v_stokes_zu, v_stokes_zw, zu, zw
1309
1310    USE basic_constants_and_equations_mod,                                     &
1311        ONLY:  g
1312
1313    USE basic_constants_and_equations_mod,                                     &
1314        ONLY:  pi
1315
1316    USE control_parameters,                                                    &
1317        ONLY:  initializing_actions, molecular_viscosity, rho_surface,         &
1318               rho_reference, surface_pressure, top_momentumflux_u,            &
1319               top_momentumflux_v, use_single_reference_value
1320
1321    USE indices,                                                               &
1322        ONLY:  nxl, nxlg, nxrg, nyng, nys, nysg, nzb, nzt
1323
1324    USE kinds
1325
1326    USE pegrid,                                                                &
1327        ONLY:  myid
1328
1329    USE statistics,                                                            &
1330        ONLY:  hom, statistic_regions
1331
1332    IMPLICIT NONE
1333
1334    INTEGER(iwp) ::  i  !< loop index
1335    INTEGER(iwp) ::  j  !< loop index
1336    INTEGER(iwp) ::  k  !< loop index
1337    INTEGER(iwp) ::  n  !< loop index
1338
1339    REAL(wp) ::  alpha !< angle of surface stress
1340    REAL(wp) ::  dum   !< dummy argument
1341    REAL(wp) ::  pt_l  !< local scalar for pt used in equation of state function
1342    REAL(wp) ::  sa_l  !< local scalar for sa used in equation of state function
1343    REAL(wp) ::  velocity_amplitude  !< local scalar for amplitude of Stokes drift velocity
1344    REAL(wp) ::  x     !< temporary variable to store surface stress along x
1345    REAL(wp) ::  y     !< temporary variable to store surface stress along y
1346
1347    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  rho_ocean_init  !< local array for initial density
1348
1349    ALLOCATE( hyp(nzb:nzt+1) )
1350
1351
1352!
1353!-- In case of no restart run, calculate the inital salinity profilevcusing the
1354!-- given salinity gradients
1355    IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' )  THEN
1356
1357       sa_init = sa_surface
1358!
1359!--    Last arguments gives back the gradient at top level to be used as
1360!--    possible Neumann boundary condition. This is not realized for the ocean
1361!--    mode, therefore a dummy argument is used.
1362       IF ( salinity )  THEN
1363          CALL init_vertical_profiles( sa_vertical_gradient_level_ind,          &
1364                                       sa_vertical_gradient_level,              &
1365                                       sa_vertical_gradient, sa_init,           &
1366                                       sa_surface, dum )
1367       ENDIF
1368    ENDIF
1369
1370!
1371!-- Initialize required 3d-arrays
1372    IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data'  .AND.            &
1373         TRIM( initializing_actions ) /= 'cyclic_fill' )  THEN
1374!
1375!--    Initialization via computed 1D-model profiles
1376       IF ( INDEX( initializing_actions, 'set_constant_profiles' ) /= 0 )  THEN
1377
1378          DO  i = nxlg, nxrg
1379             DO  j = nysg, nyng
1380                sa(:,j,i) = sa_init
1381             ENDDO
1382          ENDDO
1383
1384       ENDIF
1385!
1386!--    Store initial profiles for output purposes etc.
1387!--    Store initial salinity profile
1388       hom(:,1,26,:)  = SPREAD( sa(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1389!
1390!--    Initialize old and new time levels.
1391       tsa_m = 0.0_wp
1392       sa_p  = sa
1393
1394    ELSEIF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data' )  THEN
1395
1396!
1397!--    Initialize new time levels (only done in order to set boundary values
1398!--    including ghost points)
1399       sa_p = sa
1400!
1401!--    Allthough tendency arrays are set in prognostic_equations, they have
1402!--    have to be predefined here because they are used (but multiplied with 0)
1403!--    there before they are set.
1404       tsa_m = 0.0_wp
1405
1406    ENDIF
1407
1408!
1409!-- Set water density near the ocean surface
1410    rho_surface = 1027.62_wp
1411
1412!
1413!-- Set kinematic viscosity to sea water at 20C.
1414!-- This changes the default value that is given for air!
1415    molecular_viscosity = 1.05E-6_wp
1416
1417!
1418!-- Change sign of buoyancy/stability terms because density gradient is used
1419!-- instead of the potential temperature gradient to calculate the buoyancy
1420    atmos_ocean_sign = -1.0_wp
1421
1422!
1423!-- Calculate initial vertical profile of hydrostatic pressure (in Pa)
1424!-- and the reference density (used later in buoyancy term)
1425!-- First step: Calculate pressure using reference density
1426    hyp(nzt+1) = surface_pressure * 100.0_wp
1427    hyp(nzt)   = hyp(nzt+1) + rho_surface * g * 0.5_wp * dzu(nzt+1)
1428    rho_ocean_init(nzt)   = rho_surface
1429    rho_ocean_init(nzt+1) = rho_surface  ! only required for output
1430
1431    DO  k = nzt-1, 1, -1
1432       hyp(k) = hyp(k+1) + rho_surface * g * dzu(k)
1433    ENDDO
1434    hyp(0) = hyp(1) + rho_surface * g * dzu(1)
1435
1436!
1437!-- Second step: Iteratively calculate in situ density (based on presssure)
1438!-- and pressure (based on in situ density)
1439    DO  n = 1, 5
1440
1441       rho_reference = rho_surface * 0.5_wp * dzu(nzt+1)
1442
1443       DO  k = nzt, 0, -1
1444
1445          sa_l = 0.5_wp * ( sa_init(k) + sa_init(k+1) )
1446          pt_l = 0.5_wp * ( pt_init(k) + pt_init(k+1) )
1447
1448          rho_ocean_init(k) = eqn_state_seawater_func( hyp(k), pt_l, sa_l )
1449
1450          rho_reference = rho_reference + rho_ocean_init(k) * dzu(k+1)
1451
1452       ENDDO
1453
1454       rho_reference = rho_reference / ( zw(nzt) - zu(nzb) )
1455
1456       hyp(nzt) = hyp(nzt+1) + rho_surface * g * 0.5_wp * dzu(nzt+1)
1457       DO  k = nzt-1, 0, -1
1458          hyp(k) = hyp(k+1) + g * 0.5_wp * ( rho_ocean_init(k)                 &
1459                                           + rho_ocean_init(k+1) ) * dzu(k+1)
1460       ENDDO
1461
1462    ENDDO
1463
1464!
1465!-- Calculate the reference potential density
1466    prho_reference = 0.0_wp
1467    DO  k = 0, nzt
1468
1469       sa_l = 0.5_wp * ( sa_init(k) + sa_init(k+1) )
1470       pt_l = 0.5_wp * ( pt_init(k) + pt_init(k+1) )
1471
1472       prho_reference = prho_reference + dzu(k+1) * &
1473                        eqn_state_seawater_func( 0.0_wp, pt_l, sa_l )
1474
1475    ENDDO
1476
1477    prho_reference = prho_reference / ( zu(nzt) - zu(nzb) )
1478
1479!
1480!-- Calculate the 3d array of initial in situ and potential density,
1481!-- based on the initial temperature and salinity profile
1482    CALL eqn_state_seawater
1483
1484!
1485!-- Store initial density profile
1486    hom(:,1,77,:)  = SPREAD( rho_ocean_init(:), 2, statistic_regions+1 )
1487
1488!
1489!-- Set the reference state to be used in the buoyancy terms
1490    IF ( use_single_reference_value )  THEN
1491       ref_state(:) = rho_reference
1492    ELSE
1493       ref_state(:) = rho_ocean_init(:)
1494    ENDIF
1495
1496!
1497!-- Calculate the Stokes drift velocity profile
1498    IF ( stokes_force )  THEN
1499
1500!
1501!--    First, calculate angle of surface stress
1502       x = -top_momentumflux_u
1503       y = -top_momentumflux_v
1504       IF ( x == 0.0_wp )  THEN
1505          IF ( y > 0.0_wp )  THEN
1506             alpha = pi / 2.0_wp
1507          ELSEIF ( y < 0.0_wp )  THEN
1508             alpha = 3.0_wp * pi / 2.0_wp
1509          ENDIF
1510       ELSE
1511          IF ( x < 0.0_wp )  THEN
1512             alpha = ATAN( y / x ) + pi
1513          ELSE
1514             IF ( y < 0.0_wp )  THEN
1515                alpha = ATAN( y / x ) + 2.0_wp * pi
1516             ELSE
1517                alpha = ATAN( y / x )
1518             ENDIF
1519          ENDIF
1520       ENDIF
1521
1522       velocity_amplitude = ( pi * stokes_waveheight / stokes_wavelength )**2 *&
1523                            SQRT( g * stokes_wavelength / ( 2.0_wp * pi ) )
1524
1525       DO  k = nzb, nzt
1526          u_stokes_zu(k) = velocity_amplitude * COS( alpha ) *                 &
1527                           EXP( 4.0_wp * pi * zu(k) / stokes_wavelength )
1528          u_stokes_zw(k) = velocity_amplitude * COS( alpha ) *                 &
1529                           EXP( 4.0_wp * pi * zw(k) / stokes_wavelength )
1530          v_stokes_zu(k) = velocity_amplitude * SIN( alpha ) *                 &
1531                           EXP( 4.0_wp * pi * zu(k) / stokes_wavelength )
1532          v_stokes_zw(k) = velocity_amplitude * SIN( alpha ) *                 &
1533                           EXP( 4.0_wp * pi * zw(k) / stokes_wavelength )
1534       ENDDO
1535       u_stokes_zu(nzt+1) = u_stokes_zw(nzt) ! because zu(nzt+1) changes the sign
1536       u_stokes_zw(nzt+1) = u_stokes_zw(nzt) ! because zw(nzt+1) changes the sign
1537       v_stokes_zu(nzt+1) = v_stokes_zw(nzt) ! because zu(nzt+1) changes the sign
1538       v_stokes_zw(nzt+1) = v_stokes_zw(nzt) ! because zw(nzt+1) changes the sign
1539
1540    ENDIF
1541
1542!
1543!-- Wave breaking effects
1544    IF ( wave_breaking )  THEN
1545!
1546!--    Calculate friction velocity at ocean surface
1547       u_star_wave_breaking = SQRT( SQRT( top_momentumflux_u**2 +              &
1548                                          top_momentumflux_v**2 ) )
1549!
1550!--    Set the time scale of random forcing. The vertical grid spacing at the
1551!--    ocean surface is assumed as the length scale of turbulence.
1552!--    Formula follows Noh et al. (2004), JPO
1553       timescale_wave_breaking = 0.1_wp * dzw(nzt) / alpha_wave_breaking /     &
1554                                 u_star_wave_breaking
1555!
1556!--    Set random number seeds differently on the processor cores in order to
1557!--    create different random number sequences
1558       iran_ocean = iran_ocean + myid
1559    ENDIF
1560
1561 END SUBROUTINE ocean_init
1562
1563
1564!------------------------------------------------------------------------------!
1565! Description:
1566! ------------
1567!> Call for all grid points
1568!------------------------------------------------------------------------------!
1569 SUBROUTINE ocean_actions( location )
1570
1571
1572    CHARACTER (LEN=*), INTENT(IN) ::  location !< call location string
1573
1574    SELECT CASE ( location )
1575
1576       CASE ( 'before_timestep' )
1577
1578          IF ( ws_scheme_sca )  THEN
1579             sums_wssas_ws_l = 0.0_wp
1580          ENDIF
1581
1582       CASE DEFAULT
1583          CONTINUE
1584
1585    END SELECT
1586
1587 END SUBROUTINE ocean_actions
1588
1589
1590!------------------------------------------------------------------------------!
1591! Description:
1592! ------------
1593!> Call for grid points i,j
1594!------------------------------------------------------------------------------!
1595 SUBROUTINE ocean_actions_ij( i, j, location )
1596
1597
1598    INTEGER(iwp),      INTENT(IN) ::  i         !< grid index in x-direction
1599    INTEGER(iwp),      INTENT(IN) ::  j         !< grid index in y-direction
1600    CHARACTER (LEN=*), INTENT(IN) ::  location  !< call location string
1601    INTEGER(iwp)  ::  dummy  !< call location string
1602
1603    IF ( ocean_mode )   dummy = i + j
1604
1605    SELECT CASE ( location )
1606
1607       CASE ( 'before_timestep' )
1608
1609          IF ( ws_scheme_sca )  THEN
1610             sums_wssas_ws_l = 0.0_wp
1611          ENDIF
1612
1613       CASE DEFAULT
1614          CONTINUE
1615
1616    END SELECT
1617
1618 END SUBROUTINE ocean_actions_ij
1619
1620
1621!------------------------------------------------------------------------------!
1622! Description:
1623! ------------
1624!> Prognostic equation for salinity.
1625!> Vector-optimized version
1626!------------------------------------------------------------------------------!
1627 SUBROUTINE ocean_prognostic_equations
1628
1629    USE advec_s_bc_mod,                                                        &
1630        ONLY:  advec_s_bc
1631
1632    USE advec_s_pw_mod,                                                        &
1633        ONLY:  advec_s_pw
1634
1635    USE advec_s_up_mod,                                                        &
1636        ONLY:  advec_s_up
1637
1638    USE advec_ws,                                                              &
1639        ONLY:  advec_s_ws
1640
1641    USE arrays_3d,                                                             &
1642        ONLY:  rdf_sc, tend, tsa_m
1643
1644    USE control_parameters,                                                    &
1645        ONLY:  bc_dirichlet_l,                                                 &
1646               bc_dirichlet_n,                                                 &
1647               bc_dirichlet_r,                                                 &
1648               bc_dirichlet_s,                                                 &
1649               bc_radiation_l,                                                 &
1650               bc_radiation_n,                                                 &
1651               bc_radiation_r,                                                 &
1652               bc_radiation_s,                                                 &
1653               dt_3d, intermediate_timestep_count,                             &
1654               intermediate_timestep_count_max, scalar_advec, simulated_time,  &
1655               timestep_scheme, tsc, ws_scheme_sca
1656
1657    USE cpulog,                                                                &
1658        ONLY:  cpu_log, log_point_s
1659
1660    USE diffusion_s_mod,                                                       &
1661        ONLY:  diffusion_s
1662
1663    IMPLICIT NONE
1664
1665    INTEGER(iwp) ::  i       !< loop index
1666    INTEGER(iwp) ::  j       !< loop index
1667    INTEGER(iwp) ::  k       !< loop index
1668
1669    REAL(wp)     ::  sbt     !< weighting factor for sub-time step
1670
1671!
1672!-- Switch of the surface heat flux, if requested
1673    IF ( surface_cooling_spinup_time /= 999999.9_wp )  THEN
1674       IF ( .NOT. surface_cooling_switched_off  .AND.                          &
1675            simulated_time >= surface_cooling_spinup_time )  THEN
1676
1677          surf_def_h(2)%shf = 0.0_wp
1678          surface_cooling_switched_off = .TRUE.
1679
1680       ENDIF
1681    ENDIF
1682
1683!
1684!-- Compute prognostic equations for the ocean mode
1685!-- First, start with salinity
1686    IF ( salinity )  THEN
1687
1688       CALL cpu_log( log_point_s(20), 'sa-equation', 'start' )
1689
1690!
1691!--    sa-tendency terms with communication
1692       sbt = tsc(2)
1693       IF ( scalar_advec == 'bc-scheme' )  THEN
1694
1695          IF ( timestep_scheme(1:5) /= 'runge' )  THEN
1696!
1697!--          Bott-Chlond scheme always uses Euler time step. Thus:
1698             sbt = 1.0_wp
1699          ENDIF
1700          tend = 0.0_wp
1701          CALL advec_s_bc( sa, 'sa' )
1702
1703       ENDIF
1704
1705!
1706!--    sa-tendency terms with no communication
1707       IF ( scalar_advec /= 'bc-scheme' )  THEN
1708          tend = 0.0_wp
1709          IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
1710             IF ( ws_scheme_sca )  THEN
1711                CALL advec_s_ws( advc_flags_s, sa, 'sa',                       &
1712                                 bc_dirichlet_l  .OR.  bc_radiation_l,         &
1713                                 bc_dirichlet_n  .OR.  bc_radiation_n,         &
1714                                 bc_dirichlet_r  .OR.  bc_radiation_r,         &
1715                                 bc_dirichlet_s  .OR.  bc_radiation_s )
1716             ELSE
1717                CALL advec_s_pw( sa )
1718             ENDIF
1719          ELSE
1720             CALL advec_s_up( sa )
1721          ENDIF
1722       ENDIF
1723
1724       CALL diffusion_s( sa,                                                   &
1725                         surf_def_h(0)%sasws, surf_def_h(1)%sasws,             &
1726                         surf_def_h(2)%sasws,                                  &
1727                         surf_lsm_h(0)%sasws, surf_lsm_h(1)%sasws,             &
1728                         surf_usm_h(0)%sasws, surf_usm_h(1)%sasws,             &
1729                         surf_def_v(0)%sasws, surf_def_v(1)%sasws,             &
1730                         surf_def_v(2)%sasws, surf_def_v(3)%sasws,             &
1731                         surf_lsm_v(0)%sasws, surf_lsm_v(1)%sasws,             &
1732                         surf_lsm_v(2)%sasws, surf_lsm_v(3)%sasws,             &
1733                         surf_usm_v(0)%sasws, surf_usm_v(1)%sasws,             &
1734                         surf_usm_v(2)%sasws, surf_usm_v(3)%sasws )
1735
1736!       CALL user_actions( 'sa-tendency' ) ToDo: find general solution for dependency between modules
1737
1738!
1739!--    Prognostic equation for salinity
1740       DO  i = nxl, nxr
1741          DO  j = nys, nyn
1742             !following directive is required to vectorize on Intel19
1743             !DIR$ IVDEP
1744             DO  k = nzb+1, nzt
1745                sa_p(k,j,i) = sa(k,j,i) + ( dt_3d * ( sbt * tend(k,j,i) +            &
1746                                                      tsc(3) * tsa_m(k,j,i) )        &
1747                                                  - tsc(5) * rdf_sc(k) *             &
1748                                                    ( sa(k,j,i) - sa_init(k) )       &
1749                                          )                                          &
1750                                            * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                 &
1751                                               BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 0 ) &
1752                                                   )
1753                IF ( sa_p(k,j,i) < 0.0_wp )  sa_p(k,j,i) = 0.1_wp * sa(k,j,i)
1754             ENDDO
1755          ENDDO
1756       ENDDO
1757
1758!
1759!--    Calculate tendencies for the next Runge-Kutta step
1760       IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
1761          IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  THEN
1762             DO  i = nxl, nxr
1763                DO  j = nys, nyn
1764                   DO  k = nzb+1, nzt
1765                      tsa_m(k,j,i) = tend(k,j,i)
1766                   ENDDO
1767                ENDDO
1768             ENDDO
1769          ELSEIF ( intermediate_timestep_count < intermediate_timestep_count_max ) &
1770          THEN
1771             DO  i = nxl, nxr
1772                DO  j = nys, nyn
1773                   DO  k = nzb+1, nzt
1774                      tsa_m(k,j,i) =   -9.5625_wp * tend(k,j,i) +              &
1775                                        5.3125_wp * tsa_m(k,j,i)
1776                   ENDDO
1777                ENDDO
1778             ENDDO
1779          ENDIF
1780       ENDIF
1781
1782       CALL cpu_log( log_point_s(20), 'sa-equation', 'stop' )
1783
1784    ENDIF
1785
1786!
1787!-- Calculate density by the equation of state for seawater
1788    CALL cpu_log( log_point_s(21), 'eqns-seawater', 'start' )
1789    CALL eqn_state_seawater
1790    CALL cpu_log( log_point_s(21), 'eqns-seawater', 'stop' )
1791
1792 END SUBROUTINE ocean_prognostic_equations
1793
1794
1795!------------------------------------------------------------------------------!
1796! Description:
1797! ------------
1798!> Prognostic equations for ocean mode (so far, salinity only)
1799!> Cache-optimized version
1800!------------------------------------------------------------------------------!
1801 SUBROUTINE ocean_prognostic_equations_ij( i, j, i_omp_start, tn )
1802
1803    USE advec_s_pw_mod,                                                        &
1804        ONLY:  advec_s_pw
1805
1806    USE advec_s_up_mod,                                                        &
1807        ONLY:  advec_s_up
1808
1809    USE advec_ws,                                                              &
1810        ONLY:  advec_s_ws
1811
1812    USE arrays_3d,                                                             &
1813        ONLY:  diss_l_sa, diss_s_sa, flux_l_sa, flux_s_sa, rdf_sc, tend, tsa_m
1814
1815    USE control_parameters,                                                    &
1816        ONLY:  bc_dirichlet_l,                                                 &
1817               bc_dirichlet_n,                                                 &
1818               bc_dirichlet_r,                                                 &
1819               bc_dirichlet_s,                                                 &
1820               bc_radiation_l,                                                 &
1821               bc_radiation_n,                                                 &
1822               bc_radiation_r,                                                 &
1823               bc_radiation_s,                                                 &
1824               dt_3d, intermediate_timestep_count,                             &
1825               intermediate_timestep_count_max, simulated_time,                &
1826               timestep_scheme, tsc, ws_scheme_sca
1827
1828    USE diffusion_s_mod,                                                       &
1829        ONLY:  diffusion_s
1830
1831    IMPLICIT NONE
1832
1833    INTEGER(iwp) ::  i             !< loop index x direction
1834    INTEGER(iwp) ::  i_omp_start   !< first loop index of i-loop in calling    &
1835                                   !< routine prognostic_equations
1836    INTEGER(iwp) ::  j             !< loop index y direction
1837    INTEGER(iwp) ::  k             !< loop index z direction
1838    INTEGER(iwp) ::  tn            !< task number of openmp task
1839
1840
1841!
1842!-- Switch of the surface heat flux, if requested
1843    IF ( surface_cooling_spinup_time /= 999999.9_wp )  THEN
1844       IF ( .NOT. surface_cooling_switched_off  .AND.                          &
1845            simulated_time >= surface_cooling_spinup_time )  THEN
1846
1847          surf_def_h(2)%shf = 0.0_wp
1848          surface_cooling_switched_off = .TRUE.
1849
1850       ENDIF
1851    ENDIF
1852
1853!
1854!-- Compute prognostic equations for the ocean mode
1855!-- First, start with tendency-terms for salinity
1856    IF ( salinity )  THEN
1857
1858       tend(:,j,i) = 0.0_wp
1859       IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' ) &
1860       THEN
1861          IF ( ws_scheme_sca )  THEN
1862             CALL advec_s_ws( advc_flags_s,                                    &
1863                              i, j, sa, 'sa', flux_s_sa,  diss_s_sa, flux_l_sa,&
1864                              diss_l_sa, i_omp_start, tn,                      &
1865                              bc_dirichlet_l  .OR.  bc_radiation_l,            &
1866                              bc_dirichlet_n  .OR.  bc_radiation_n,            &
1867                              bc_dirichlet_r  .OR.  bc_radiation_r,            &
1868                              bc_dirichlet_s  .OR.  bc_radiation_s )
1869          ELSE
1870             CALL advec_s_pw( i, j, sa )
1871          ENDIF
1872       ELSE
1873          CALL advec_s_up( i, j, sa )
1874       ENDIF
1875       CALL diffusion_s( i, j, sa,                                             &
1876                         surf_def_h(0)%sasws, surf_def_h(1)%sasws,             &
1877                         surf_def_h(2)%sasws,                                  &
1878                         surf_lsm_h(0)%sasws, surf_lsm_h(1)%sasws,             &
1879                         surf_usm_h(0)%sasws, surf_usm_h(1)%sasws,             &
1880                         surf_def_v(0)%sasws, surf_def_v(1)%sasws,             &
1881                         surf_def_v(2)%sasws, surf_def_v(3)%sasws,             &
1882                         surf_lsm_v(0)%sasws, surf_lsm_v(1)%sasws,             &
1883                         surf_lsm_v(2)%sasws, surf_lsm_v(3)%sasws,             &
1884                         surf_usm_v(0)%sasws, surf_usm_v(1)%sasws,             &
1885                         surf_usm_v(2)%sasws, surf_usm_v(3)%sasws )
1886
1887!       CALL user_actions( i, j, 'sa-tendency' ) ToDo: find general solution for dependency between modules
1888
1889!
1890!--    Prognostic equation for salinity
1891       DO  k = nzb+1, nzt
1892
1893          sa_p(k,j,i) = sa(k,j,i) + ( dt_3d *                                  &
1894                                              ( tsc(2) * tend(k,j,i) +         &
1895                                                tsc(3) * tsa_m(k,j,i) )        &
1896                                    - tsc(5) * rdf_sc(k)                       &
1897                                             * ( sa(k,j,i) - sa_init(k) )      &
1898                                    ) * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                 &
1899                                         BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 0 ) )
1900
1901          IF ( sa_p(k,j,i) < 0.0_wp )  sa_p(k,j,i) = 0.1_wp * sa(k,j,i)
1902
1903       ENDDO
1904
1905!
1906!--    Calculate tendencies for the next Runge-Kutta step
1907       IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
1908          IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  THEN
1909             DO  k = nzb+1, nzt
1910                tsa_m(k,j,i) = tend(k,j,i)
1911             ENDDO
1912          ELSEIF ( intermediate_timestep_count < intermediate_timestep_count_max ) &
1913          THEN
1914             DO  k = nzb+1, nzt
1915                tsa_m(k,j,i) =   -9.5625_wp * tend(k,j,i) +                    &
1916                                  5.3125_wp * tsa_m(k,j,i)
1917             ENDDO
1918          ENDIF
1919       ENDIF
1920
1921    ENDIF
1922
1923!
1924!-- Calculate density by the equation of state for seawater
1925    CALL eqn_state_seawater( i, j )
1926
1927 END SUBROUTINE ocean_prognostic_equations_ij
1928
1929!------------------------------------------------------------------------------!
1930! Description:
1931! ------------
1932!> Boundary conditions for ocean model
1933!------------------------------------------------------------------------------!
1934 SUBROUTINE ocean_boundary_conditions
1935
1936    IMPLICIT NONE
1937
1938    INTEGER(iwp) ::  i                            !< grid index x direction.
1939    INTEGER(iwp) ::  j                            !< grid index y direction.
1940    INTEGER(iwp) ::  k                            !< grid index z direction.
1941    INTEGER(iwp) ::  l                            !< running index boundary type, for up- and downward-facing walls.
1942    INTEGER(iwp) ::  m                            !< running index surface elements.
1943
1944!
1945!--    Boundary conditions for salinity
1946!--    Bottom boundary: Neumann condition because salinity flux is always
1947!--    given.
1948       DO  l = 0, 1
1949          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k )
1950          DO  m = 1, bc_h(l)%ns
1951             i = bc_h(l)%i(m)
1952             j = bc_h(l)%j(m)
1953             k = bc_h(l)%k(m)
1954             sa_p(k+bc_h(l)%koff,j,i) = sa_p(k,j,i)
1955          ENDDO
1956       ENDDO
1957!
1958!--    Top boundary: Dirichlet or Neumann
1959       IF ( ibc_sa_t == 0 )  THEN
1960           sa_p(nzt+1,:,:) = sa(nzt+1,:,:)
1961       ELSEIF ( ibc_sa_t == 1 )  THEN
1962           sa_p(nzt+1,:,:) = sa_p(nzt,:,:)
1963       ENDIF
1964
1965 END SUBROUTINE ocean_boundary_conditions
1966
1967!------------------------------------------------------------------------------!
1968! Description:
1969! ------------
1970!> Swapping of timelevels.
1971!------------------------------------------------------------------------------!
1972 SUBROUTINE ocean_swap_timelevel( mod_count )
1973
1974    IMPLICIT NONE
1975
1976    INTEGER, INTENT(IN) ::  mod_count  !< flag defining where pointers point to
1977
1978
1979    SELECT CASE ( mod_count )
1980
1981       CASE ( 0 )
1982          IF ( salinity )  THEN
1983             sa => sa_1;    sa_p => sa_2
1984          ENDIF
1985
1986       CASE ( 1 )
1987          IF ( salinity )  THEN
1988             sa => sa_2;    sa_p => sa_1
1989          ENDIF
1990
1991    END SELECT
1992
1993 END SUBROUTINE ocean_swap_timelevel
1994
1995
1996!------------------------------------------------------------------------------!
1997! Description:
1998! ------------
1999!> Read module-specific global restart data (Fortran binary format).
2000!------------------------------------------------------------------------------!
2001 SUBROUTINE ocean_rrd_global_ftn( found )
2002
2003
2004    USE control_parameters,                                                    &
2005        ONLY: length, restart_string
2006
2007
2008    IMPLICIT NONE
2009
2010    LOGICAL, INTENT(OUT)  ::  found
2011
2012
2013    found = .TRUE.
2014
2015    SELECT CASE ( restart_string(1:length) )
2016
2017       CASE ( 'bc_sa_t' )
2018          READ ( 13 )  bc_sa_t
2019
2020       CASE ( 'bottom_salinityflux' )
2021          READ ( 13 )  bottom_salinityflux
2022
2023       CASE ( 'salinity' )
2024          READ ( 13 )  salinity
2025
2026       CASE ( 'sa_init' )
2027          READ ( 13 )  sa_init
2028
2029       CASE ( 'sa_surface' )
2030          READ ( 13 )  sa_surface
2031
2032       CASE ( 'sa_vertical_gradient' )
2033          READ ( 13 )  sa_vertical_gradient
2034
2035       CASE ( 'sa_vertical_gradient_level' )
2036          READ ( 13 )  sa_vertical_gradient_level
2037
2038       CASE ( 'stokes_waveheight' )
2039          READ ( 13 )  stokes_waveheight
2040
2041       CASE ( 'stokes_wavelength' )
2042          READ ( 13 )  stokes_wavelength
2043
2044       CASE ( 'surface_cooling_spinup_time' )
2045          READ ( 13 )  surface_cooling_spinup_time
2046
2047       CASE ( 'top_salinityflux' )
2048          READ ( 13 )  top_salinityflux
2049
2050       CASE ( 'wall_salinityflux' )
2051          READ ( 13 )  wall_salinityflux
2052
2053       CASE ( 'wave_breaking' )
2054          READ ( 13 )  wave_breaking
2055
2056       CASE DEFAULT
2057
2058          found = .FALSE.
2059
2060    END SELECT
2061
2062 END SUBROUTINE ocean_rrd_global_ftn
2063
2064
2065!------------------------------------------------------------------------------!
2066! Description:
2067! ------------
2068!> Read module-specific global restart data (MPI-IO).
2069!------------------------------------------------------------------------------!
2070 SUBROUTINE ocean_rrd_global_mpi
2071
2072    CALL rrd_mpi_io( 'bc_sa_t', bc_sa_t )
2073    CALL rrd_mpi_io( 'bottom_salinityflux', bottom_salinityflux )
2074    CALL rrd_mpi_io( 'salinity', salinity )
2075    CALL rrd_mpi_io_global_array( 'sa_init', sa_init )
2076    CALL rrd_mpi_io( 'sa_surface', sa_surface )
2077    CALL rrd_mpi_io_global_array( 'sa_vertical_gradient', sa_vertical_gradient )
2078    CALL rrd_mpi_io_global_array( 'sa_vertical_gradient_level', sa_vertical_gradient_level )
2079    CALL rrd_mpi_io_global_array( 'sa_vertical_gradient_level_ind', sa_vertical_gradient_level_ind )
2080    CALL rrd_mpi_io( 'stokes_waveheight', stokes_waveheight )
2081    CALL rrd_mpi_io( 'stokes_wavelength', stokes_wavelength )
2082    CALL rrd_mpi_io( 'surface_cooling_spinup_time', surface_cooling_spinup_time )
2083    CALL rrd_mpi_io( 'top_salinityflux', top_salinityflux )
2084    CALL rrd_mpi_io_global_array( 'wall_salinityflux', wall_salinityflux )
2085    CALL rrd_mpi_io( 'wave_breaking', wave_breaking )
2086
2087 END SUBROUTINE ocean_rrd_global_mpi
2088
2089
2090!------------------------------------------------------------------------------!
2091! Description:
2092! ------------
2093!> Read module-specific local restart data arrays (Fortran binary format).
2094!------------------------------------------------------------------------------!
2095 SUBROUTINE ocean_rrd_local_ftn( k, nxlf, nxlc, nxl_on_file, nxrf, nxrc,           &
2096                                 nxr_on_file, nynf, nync, nyn_on_file, nysf,       &
2097                                 nysc, nys_on_file, tmp_3d, found )
2098
2099    USE averaging,                                                             &
2100        ONLY:  rho_ocean_av, sa_av
2101
2102    USE control_parameters,                                                    &
2103        ONLY:  length, restart_string
2104
2105    USE indices,                                                               &
2106        ONLY:  nbgp, nxlg, nxrg, nyng, nysg, nzb, nzt
2107
2108    USE pegrid
2109
2110
2111    IMPLICIT NONE
2112
2113    INTEGER(iwp) ::  k               !<
2114    INTEGER(iwp) ::  nxlc            !<
2115    INTEGER(iwp) ::  nxlf            !<
2116    INTEGER(iwp) ::  nxl_on_file     !<
2117    INTEGER(iwp) ::  nxrc            !<
2118    INTEGER(iwp) ::  nxrf            !<
2119    INTEGER(iwp) ::  nxr_on_file     !<
2120    INTEGER(iwp) ::  nync            !<
2121    INTEGER(iwp) ::  nynf            !<
2122    INTEGER(iwp) ::  nyn_on_file     !<
2123    INTEGER(iwp) ::  nysc            !<
2124    INTEGER(iwp) ::  nysf            !<
2125    INTEGER(iwp) ::  nys_on_file     !<
2126
2127    LOGICAL, INTENT(OUT)  ::  found
2128
2129    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nys_on_file-nbgp:nyn_on_file+nbgp,nxl_on_file-nbgp:nxr_on_file+nbgp) :: tmp_3d   !<
2130
2131
2132    found = .TRUE.
2133
2134    SELECT CASE ( restart_string(1:length) )
2135
2136       CASE ( 'rho_ocean_av' )
2137          IF ( .NOT. ALLOCATED( rho_ocean_av ) )  THEN
2138             ALLOCATE( rho_ocean_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
2139          ENDIF
2140          IF ( k == 1 )  READ ( 13 )  tmp_3d
2141          rho_ocean_av(:,nysc-nbgp:nync+nbgp,nxlc-nbgp:nxrc+nbgp) =            &
2142                              tmp_3d(:,nysf-nbgp:nynf+nbgp,nxlf-nbgp:nxrf+nbgp)
2143
2144       CASE ( 'sa' )
2145          IF ( k == 1 )  READ ( 13 )  tmp_3d
2146          sa(:,nysc-nbgp:nync+nbgp,nxlc-nbgp:nxrc+nbgp) =                      &
2147                              tmp_3d(:,nysf-nbgp:nynf+nbgp,nxlf-nbgp:nxrf+nbgp)
2148
2149       CASE ( 'sa_av' )
2150          IF ( .NOT. ALLOCATED( sa_av ) )  THEN
2151              ALLOCATE( sa_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
2152          ENDIF
2153          IF ( k == 1 )  READ ( 13 )  tmp_3d
2154          sa_av(:,nysc-nbgp:nync+nbgp,nxlc-nbgp:nxrc+nbgp) =                   &
2155                              tmp_3d(:,nysf-nbgp:nynf+nbgp,nxlf-nbgp:nxrf+nbgp)
2156
2157       CASE DEFAULT
2158          found = .FALSE.
2159
2160    END SELECT
2161
2162 END SUBROUTINE ocean_rrd_local_ftn
2163
2164
2165!------------------------------------------------------------------------------!
2166! Description:
2167! ------------
2168!> Read module-specific local restart data arrays (MPI-IO).
2169!------------------------------------------------------------------------------!
2170 SUBROUTINE ocean_rrd_local_mpi
2171
2172    USE averaging,                                                             &
2173        ONLY:  rho_ocean_av, sa_av
2174
2175    USE indices,                                                               &
2176        ONLY:  nxlg, nxrg, nyng, nysg, nzb, nzt
2177
2178    IMPLICIT NONE
2179
2180    LOGICAL ::  array_found  !<
2181
2182
2183    CALL rd_mpi_io_check_array( 'rho_ocean_av' , found = array_found )
2184    IF ( array_found )  THEN
2185       IF ( .NOT. ALLOCATED( rho_ocean_av ) )  ALLOCATE( rho_ocean_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
2186       CALL rrd_mpi_io( 'rho_ocean_av', rho_ocean_av )
2187    ENDIF
2188
2189    CALL rrd_mpi_io( 'sa', sa )
2190
2191    CALL rd_mpi_io_check_array( 'sa_av' , found = array_found )
2192    IF ( array_found )  THEN
2193       IF ( .NOT. ALLOCATED( sa_av ) )  ALLOCATE( sa_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
2194       CALL rrd_mpi_io( 'sa_av', sa_av )
2195    ENDIF
2196
2197 END SUBROUTINE ocean_rrd_local_mpi
2198
2199
2200!------------------------------------------------------------------------------!
2201! Description:
2202! ------------
2203!> This routine writes the respective restart data for the ocean module.
2204!------------------------------------------------------------------------------!
2205 SUBROUTINE ocean_wrd_global
2206
2207    IMPLICIT NONE
2208
2209
2210    IF ( TRIM( restart_data_format_output ) == 'fortran_binary' )  THEN
2211
2212       CALL wrd_write_string( 'bc_sa_t' )
2213       WRITE ( 14 )  bc_sa_t
2214
2215       CALL wrd_write_string( 'bottom_salinityflux' )
2216       WRITE ( 14 )  bottom_salinityflux
2217
2218       CALL wrd_write_string( 'salinity' )
2219       WRITE ( 14 )  salinity
2220
2221       CALL wrd_write_string( 'sa_init' )
2222       WRITE ( 14 )  sa_init
2223
2224       CALL wrd_write_string( 'sa_surface' )
2225       WRITE ( 14 )  sa_surface
2226
2227       CALL wrd_write_string( 'sa_vertical_gradient' )
2228       WRITE ( 14 )  sa_vertical_gradient
2229
2230       CALL wrd_write_string( 'sa_vertical_gradient_level' )
2231       WRITE ( 14 )  sa_vertical_gradient_level
2232
2233       CALL wrd_write_string( 'stokes_waveheight' )
2234       WRITE ( 14 )  stokes_waveheight
2235
2236       CALL wrd_write_string( 'stokes_wavelength' )
2237       WRITE ( 14 )  stokes_wavelength
2238
2239       CALL wrd_write_string( 'surface_cooling_spinup_time' )
2240       WRITE ( 14 )  surface_cooling_spinup_time
2241
2242       CALL wrd_write_string( 'top_salinityflux' )
2243       WRITE ( 14 )  top_salinityflux
2244
2245       CALL wrd_write_string( 'wall_salinityflux' )
2246       WRITE ( 14 )  wall_salinityflux
2247
2248       CALL wrd_write_string( 'wave_breaking' )
2249       WRITE ( 14 )  wave_breaking
2250
2251    ELSEIF ( restart_data_format_output(1:3) == 'mpi' )  THEN
2252
2253       CALL wrd_mpi_io( 'bc_sa_t', bc_sa_t )
2254       CALL wrd_mpi_io( 'bottom_salinityflux', bottom_salinityflux )
2255       CALL wrd_mpi_io( 'salinity', salinity )
2256       CALL wrd_mpi_io_global_array( 'sa_init', sa_init )
2257       CALL wrd_mpi_io( 'sa_surface', sa_surface )
2258       CALL wrd_mpi_io_global_array( 'sa_vertical_gradient', sa_vertical_gradient )
2259       CALL wrd_mpi_io_global_array( 'sa_vertical_gradient_level', sa_vertical_gradient_level )
2260       CALL wrd_mpi_io_global_array( 'sa_vertical_gradient_level_ind', sa_vertical_gradient_level_ind )
2261       CALL wrd_mpi_io( 'stokes_waveheight', stokes_waveheight )
2262       CALL wrd_mpi_io( 'stokes_wavelength', stokes_wavelength )
2263       CALL wrd_mpi_io( 'surface_cooling_spinup_time', surface_cooling_spinup_time )
2264       CALL wrd_mpi_io( 'top_salinityflux', top_salinityflux )
2265       CALL wrd_mpi_io_global_array( 'wall_salinityflux', wall_salinityflux )
2266       CALL wrd_mpi_io( 'wave_breaking', wave_breaking )
2267
2268    ENDIF
2269
2270 END SUBROUTINE ocean_wrd_global
2271
2272
2273!------------------------------------------------------------------------------!
2274! Description:
2275! ------------
2276!> This routine writes the respective restart data for the ocean module.
2277!------------------------------------------------------------------------------!
2278 SUBROUTINE ocean_wrd_local
2279
2280    USE averaging,                                                             &
2281        ONLY:  rho_ocean_av, sa_av
2282
2283    IMPLICIT NONE
2284
2285
2286    IF ( TRIM( restart_data_format_output ) == 'fortran_binary' )  THEN
2287
2288       IF ( ALLOCATED( rho_ocean_av ) )  THEN
2289          CALL wrd_write_string( 'rho_ocean_av' )
2290          WRITE ( 14 )  rho_ocean_av
2291       ENDIF
2292
2293       CALL wrd_write_string( 'sa' )
2294       WRITE ( 14 )  sa
2295
2296       IF ( ALLOCATED( sa_av ) )  THEN
2297          CALL wrd_write_string( 'sa_av' )
2298          WRITE ( 14 )  sa_av
2299       ENDIF
2300
2301    ELSEIF ( restart_data_format_output(1:3) == 'mpi' )  THEN
2302
2303       IF ( ALLOCATED( rho_ocean_av ) )  CALL wrd_mpi_io( 'rho_ocean_av', rho_ocean_av )
2304       CALL wrd_mpi_io( 'sa', sa )
2305       IF ( ALLOCATED( sa_av ) )  CALL wrd_mpi_io( 'sa_av', sa_av )
2306
2307    ENDIF
2308
2309 END SUBROUTINE ocean_wrd_local
2310
2311
2312!------------------------------------------------------------------------------!
2313! Description:
2314! ------------
2315!> This routine calculates the Craik Leibovich vortex force and the additional
2316!> effect of the Stokes drift on the Coriolis force
2317!> Call for all gridpoints.
2318!------------------------------------------------------------------------------!
2319 SUBROUTINE stokes_drift_terms( component )
2320
2321    USE arrays_3d,                                                             &
2322        ONLY:  ddzu, u, u_stokes_zu, u_stokes_zw, v, v_stokes_zu,              &
2323               v_stokes_zw, w, tend
2324
2325    USE basic_constants_and_equations_mod,                                     &
2326        ONLY:  pi
2327
2328    USE control_parameters,                                                    &
2329        ONLY:  f, fs, message_string, rotation_angle
2330
2331    USE grid_variables,                                                        &
2332        ONLY:  ddx, ddy
2333
2334    USE indices,                                                               &
2335        ONLY:  nxl, nxr, nys, nysv, nyn, nzb, nzt
2336
2337    IMPLICIT NONE
2338
2339    INTEGER(iwp) ::  component      !< component of momentum equation
2340    INTEGER(iwp) ::  i              !< loop index along x
2341    INTEGER(iwp) ::  j              !< loop index along y
2342    INTEGER(iwp) ::  k              !< loop index along z
2343
2344    REAL(wp)     ::  cos_rot_angle  !< cosine of model rotation angle
2345    REAL(wp)     ::  sin_rot_angle  !< sine of model rotation angle
2346
2347!
2348!-- Compute Stokes terms for the respective velocity components
2349    SELECT CASE ( component )
2350
2351!
2352!--    u-component
2353       CASE ( 1 )
2354          DO  i = nxl, nxr
2355             DO  j = nysv, nyn
2356                DO  k = nzb+1, nzt
2357                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + v_stokes_zu(k) * (              &
2358                                   0.5 * ( v(k,j+1,i) - v(k,j+1,i-1)           &
2359                                         + v(k,j,i)   - v(k,j,i-1)   ) * ddx   &
2360                                 - 0.5 * ( u(k,j+1,i) - u(k,j-1,i) )   * ddy   &
2361                                                                )              &
2362                                 + f * v_stokes_zu(k)
2363                ENDDO
2364             ENDDO
2365          ENDDO
2366
2367!
2368!--    v-component
2369       CASE ( 2 )
2370          DO  i = nxl, nxr
2371             DO  j = nysv, nyn
2372                DO  k = nzb+1, nzt
2373                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i) - u_stokes_zu(k) * (              &
2374                                   0.5 * ( v(k,j,i+1) - v(k,j,i-1) )   * ddx   &
2375                                 - 0.5 * ( u(k,j,i) - u(k,j-1,i)               &
2376                                         + u(k,j,i+1) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy   &
2377                                                                )              &
2378                                 - f * u_stokes_zu(k)
2379                ENDDO
2380             ENDDO
2381          ENDDO
2382
2383!
2384!--    w-component
2385       CASE ( 3 )
2386
2387!
2388!--       Precalculate cosine and sine of rotation angle
2389          cos_rot_angle = COS( rotation_angle * pi / 180.0_wp )
2390          sin_rot_angle = SIN( rotation_angle * pi / 180.0_wp )
2391
2392          DO  i = nxl, nxr
2393             DO  j = nys, nyn
2394                DO  k = nzb+1, nzt
2395                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + u_stokes_zw(k) * (              &
2396                                             0.5 * ( u(k+1,j,i) - u(k,j,i)     &
2397                                                   + u(k+1,j,i+1) - u(k,j,i+1) &
2398                                                   ) * ddzu(k+1)               &
2399                                           - 0.5 * ( w(k,j,i+1) - w(k,j,i-1)   &
2400                                                   ) * ddx      )              &
2401                                             - v_stokes_zw(k) * (              &
2402                                             0.5 * ( w(k,j+1,i) - w(k,j-1,i)   &
2403                                                   ) * ddy                     &
2404                                           - 0.5 * ( v(k+1,j,i) - v(k,j,i)     &
2405                                                   + v(k+1,j+1,i) - v(k,j+1,i) &
2406                                                   ) * ddzu(k)  )              &
2407                                           + fs * (                            &
2408                                               sin_rot_angle * v_stokes_zw(k)  &
2409                                             + cos_rot_angle * u_stokes_zw(k)  &
2410                                                  )
2411                ENDDO
2412             ENDDO
2413          ENDDO
2414
2415       CASE DEFAULT
2416          WRITE( message_string, * ) 'wrong component of Stokes force: ',      &
2417                                     component
2418          CALL message( 'stokes_drift_terms', 'PA0091', 1, 2, 0, 6, 0 )
2419
2420    END SELECT
2421
2422 END SUBROUTINE stokes_drift_terms
2423
2424
2425!------------------------------------------------------------------------------!
2426! Description:
2427! ------------
2428!> This routine calculates the Craik Leibovich vortex force and the additional
2429!> effect of the Stokes drift on the Coriolis force
2430!> Call for gridpoints i,j.
2431!------------------------------------------------------------------------------!
2432
2433 SUBROUTINE stokes_drift_terms_ij( i, j, component )
2434
2435    USE arrays_3d,                                                             &
2436        ONLY:  ddzu, u, u_stokes_zu, u_stokes_zw, v, v_stokes_zu,              &
2437               v_stokes_zw, w, tend
2438
2439    USE basic_constants_and_equations_mod,                                     &
2440        ONLY:  pi
2441
2442    USE control_parameters,                                                    &
2443        ONLY:  f, fs, message_string, rotation_angle
2444
2445    USE grid_variables,                                                        &
2446        ONLY:  ddx, ddy
2447
2448    USE indices,                                                               &
2449        ONLY:  nzb, nzt
2450
2451    IMPLICIT NONE
2452
2453    INTEGER(iwp) ::  component      !< component of momentum equation
2454    INTEGER(iwp) ::  i              !< loop index along x
2455    INTEGER(iwp) ::  j              !< loop index along y
2456    INTEGER(iwp) ::  k              !< loop incex along z
2457
2458    REAL(wp)     ::  cos_rot_angle  !< cosine of model rotation angle
2459    REAL(wp)     ::  sin_rot_angle  !< sine of model rotation angle
2460
2461!
2462!-- Compute Stokes terms for the respective velocity components
2463    SELECT CASE ( component )
2464
2465!
2466!--    u-component
2467       CASE ( 1 )
2468          DO  k = nzb+1, nzt
2469             tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + v_stokes_zu(k) * (                    &
2470                                     0.5 * ( v(k,j+1,i) - v(k,j+1,i-1)         &
2471                                           + v(k,j,i)   - v(k,j,i-1)   ) * ddx &
2472                                   - 0.5 * ( u(k,j+1,i) - u(k,j-1,i) )   * ddy &
2473                                                          )                    &
2474                                       + f * v_stokes_zu(k)
2475          ENDDO
2476!
2477!--    v-component
2478       CASE ( 2 )
2479          DO  k = nzb+1, nzt
2480             tend(k,j,i) = tend(k,j,i) - u_stokes_zu(k) * (                    &
2481                                     0.5 * ( v(k,j,i+1) - v(k,j,i-1) )   * ddx &
2482                                   - 0.5 * ( u(k,j,i) - u(k,j-1,i)             &
2483                                           + u(k,j,i+1) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy &
2484                                                          )                    &
2485                                       - f * u_stokes_zu(k)
2486          ENDDO
2487
2488!
2489!--    w-component
2490       CASE ( 3 )
2491
2492!
2493!--       Precalculate cosine and sine of rotation angle
2494          cos_rot_angle = COS( rotation_angle * pi / 180.0_wp )
2495          sin_rot_angle = SIN( rotation_angle * pi / 180.0_wp )
2496
2497          DO  k = nzb+1, nzt
2498             tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + u_stokes_zw(k) * (              &
2499                                     0.5 * ( u(k+1,j,i) - u(k,j,i)     &
2500                                                   + u(k+1,j,i+1) - u(k,j,i+1) &
2501                                                   ) * ddzu(k+1)               &
2502                                           - 0.5 * ( w(k,j,i+1) - w(k,j,i-1)   &
2503                                                   ) * ddx )                   &
2504                                       - v_stokes_zw(k) * (                    &
2505                                             0.5 * ( w(k,j+1,i) - w(k,j-1,i)   &
2506                                                   ) * ddy                     &
2507                                           - 0.5 * ( v(k+1,j,i) - v(k,j,i)     &
2508                                                   + v(k+1,j+1,i) - v(k,j+1,i) &
2509                                                   ) * ddzu(k)  )              &
2510                                       + fs * ( sin_rot_angle * v_stokes_zw(k) &
2511                                              + cos_rot_angle * u_stokes_zw(k) &
2512                                              )
2513          ENDDO
2514
2515       CASE DEFAULT
2516          WRITE( message_string, * ) ' wrong component: ', component
2517          CALL message( 'stokes_drift_terms', 'PA0091', 1, 2, 0, 6, 0 )
2518
2519    END SELECT
2520
2521 END SUBROUTINE stokes_drift_terms_ij
2522
2523
2524!------------------------------------------------------------------------------!
2525! Description:
2526! ------------
2527!> This routine calculates turbulence generated by wave breaking near the ocean
2528!> surface, following a parameterization given in Noh et al. (2004), JPO
2529!> Call for all gridpoints.
2530!> TODO: so far, this routine only works if the model time step has about the
2531!>       same value as the time scale of wave breaking!
2532!------------------------------------------------------------------------------!
2533 SUBROUTINE wave_breaking_term( component )
2534
2535    USE arrays_3d,                                                             &
2536        ONLY:  u_p, v_p
2537
2538    USE control_parameters,                                                    &
2539        ONLY:  dt_3d, message_string
2540
2541    USE indices,                                                               &
2542        ONLY:  nxl, nxlu, nxr, nys, nysv, nyn, nzt
2543
2544    IMPLICIT NONE
2545
2546    INTEGER(iwp) ::  component  !< component of momentum equation
2547    INTEGER(iwp) ::  i          !< loop index along x
2548    INTEGER(iwp) ::  j          !< loop index along y
2549
2550    REAL(wp) ::  random_gauss  !< function that creates a random number with a
2551                               !< Gaussian distribution
2552
2553
2554!
2555!-- Compute wave breaking terms for the respective velocity components.
2556!-- Velocities are directly manipulated, since this is not a real force
2557    SELECT CASE ( component )
2558
2559!
2560!--    u-component
2561       CASE ( 1 )
2562          DO  i = nxlu, nxr
2563             DO  j = nys, nyn
2564                u_p(nzt,j,i) = u_p(nzt,j,i) +                                  &
2565                               ( random_gauss( iran_ocean, 1.0_wp ) - 1.0_wp ) &
2566                               * alpha_wave_breaking * u_star_wave_breaking    &
2567                               / timescale_wave_breaking * dt_3d
2568             ENDDO
2569          ENDDO
2570!
2571!--    v-component
2572       CASE ( 2 )
2573          DO  i = nxl, nxr
2574             DO  j = nysv, nyn
2575                v_p(nzt,j,i) = v_p(nzt,j,i) +                                  &
2576                               ( random_gauss( iran_ocean, 1.0_wp ) - 1.0_wp ) &
2577                               * alpha_wave_breaking * u_star_wave_breaking    &
2578                               / timescale_wave_breaking * dt_3d
2579             ENDDO
2580          ENDDO
2581
2582       CASE DEFAULT
2583          WRITE( message_string, * ) 'wrong component of wave breaking: ',     &
2584                                     component
2585          CALL message( 'stokes_drift_terms', 'PA0466', 1, 2, 0, 6, 0 )
2586
2587    END SELECT
2588
2589 END SUBROUTINE wave_breaking_term
2590
2591
2592!------------------------------------------------------------------------------!
2593! Description:
2594! ------------
2595!> This routine calculates turbulence generated by wave breaking near the ocean
2596!> surface, following a parameterization given in Noh et al. (2004), JPO
2597!> Call for gridpoint i,j.
2598!> TODO: so far, this routine only works if the model time step has about the
2599!>       same value as the time scale of wave breaking!
2600!------------------------------------------------------------------------------!
2601 SUBROUTINE wave_breaking_term_ij( i, j, component )
2602
2603    USE arrays_3d,                                                             &
2604        ONLY:  u_p, v_p
2605
2606    USE control_parameters,                                                    &
2607        ONLY:  dt_3d, message_string
2608
2609    USE indices,                                                               &
2610        ONLY:  nzt
2611
2612    IMPLICIT NONE
2613
2614    INTEGER(iwp) ::  component  !< component of momentum equation
2615    INTEGER(iwp) ::  i          !< loop index along x
2616    INTEGER(iwp) ::  j          !< loop index along y
2617
2618    REAL(wp) ::  random_gauss  !< function that creates a random number with a
2619                               !< Gaussian distribution
2620
2621!
2622!-- Compute wave breaking terms for the respective velocity components
2623    SELECT CASE ( component )
2624
2625!
2626!--    u-/v-component
2627       CASE ( 1 )
2628          u_p(nzt,j,i) = u_p(nzt,j,i) +                                        &
2629                         ( random_gauss( iran_ocean, 1.0_wp ) - 1.0_wp )       &
2630                         * alpha_wave_breaking * u_star_wave_breaking          &
2631                         / timescale_wave_breaking * dt_3d
2632
2633       CASE ( 2 )
2634          v_p(nzt,j,i) = v_p(nzt,j,i) +                                        &
2635                         ( random_gauss( iran_ocean, 1.0_wp ) - 1.0_wp )       &
2636                         * alpha_wave_breaking * u_star_wave_breaking          &
2637                         / timescale_wave_breaking * dt_3d
2638
2639       CASE DEFAULT
2640          WRITE( message_string, * ) 'wrong component of wave breaking: ',     &
2641                                     component
2642          CALL message( 'stokes_drift_terms', 'PA0466', 1, 2, 0, 6, 0 )
2643
2644    END SELECT
2645
2646 END SUBROUTINE wave_breaking_term_ij
2647
2648
2649 END MODULE ocean_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.