source: palm/trunk/SOURCE/plant_canopy_model_mod.f90 @ 4526

Last change on this file since 4526 was 4525, checked in by raasch, 5 years ago

salsa: added reading/writing of global restart data + reading/writing restart data with MPI-IO, bugfix for MPI-IO in plant_canopy_model_mod, tutorial user-interface dispersion_eularian_and_lpm_extended updated

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 117.7 KB
RevLine 
[1826]1!> @file plant_canopy_model_mod.f90
[2000]2!------------------------------------------------------------------------------!
[2696]3! This file is part of the PALM model system.
[1036]4!
[2000]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.
[1036]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!
[4360]17! Copyright 1997-2020 Leibniz Universitaet Hannover
[4392]18! Copyright 2017-2020 Institute of Computer Science of the
[3885]19!                     Czech Academy of Sciences, Prague
[2000]20!------------------------------------------------------------------------------!
[1036]21!
[257]22! Current revisions:
[2977]23! ------------------
[2214]24!
[4226]25!
[2214]26! Former revisions:
27! -----------------
[4495]28! $Id: plant_canopy_model_mod.f90 4525 2020-05-10 17:05:07Z oliver.maas $
[4525]29! bugfix for reading/writing pcm_...rate_av with MPI-IO
30!
31! 4517 2020-05-03 14:29:30Z raasch
[4517]32! added restart with MPI-IO for reading local arrays
33!
34! 4515 2020-04-30 16:37:18Z suehring
[4515]35! Rename error number again since this was recently given in -r 4511
36!
37! 4514 2020-04-30 16:29:59Z suehring
[4514]38! - Bugfix in output of pcm_heatrate_av in a restart run. In order to fix this,
39!   pch_index is now output for a restart run. Therefore, define global restart
40!   routines.
41! - Error message number renamed and check for PA0505 revised in order to also
42!   consider natural surfaces with plant-canopy.
43!
44! 4495 2020-04-13 20:11:20Z raasch
[4495]45! restart data handling with MPI-IO added
[4448]46!
[4495]47! 4457 2020-03-11 14:20:43Z raasch
48!
[4457]49! use statement for exchange horiz added
[4448]50! (salim) removed the error message PA0672 to consider PC 3d data via ascii file
51!
52! 4392 2020-01-31 16:14:57Z pavelkrc (resler)
53! Make pcm_heatrate_av, pcm_latentrate_av public to allow calculation
[4392]54! of averaged Bowen ratio in the user procedure
55!
56! 4381 2020-01-20 13:51:46Z suehring
[4381]57! Give error message 313 only once
58!
59! 4363 2020-01-07 18:11:28Z suehring
[4363]60! Fix for last commit
61!
62! 4362 2020-01-07 17:15:02Z suehring
[4362]63! Input of plant canopy variables from static driver moved to plant-canopy
64! model
65!
66! 4361 2020-01-07 12:22:38Z suehring
[4361]67! - Remove unused arrays in pmc_rrd_local
68! - Remove one exchange of ghost points
69!
70! 4360 2020-01-07 11:25:50Z suehring
[4360]71! - Bugfix, read restart data for time-averaged pcm output quantities
72! - Output of plant-canopy quantities will fill values
73!
74! 4356 2019-12-20 17:09:33Z suehring
[4356]75! Correct single message call, local check must be given by the respective
76! mpi rank.
77!
78! 4346 2019-12-18 11:55:56Z motisi
[4346]79! Introduction of wall_flags_total_0, which currently sets bits based on static
80! topography information used in wall_flags_static_0
81!
82! 4342 2019-12-16 13:49:14Z Giersch
[4342]83! Use statements moved to module level, ocean dependency removed, redundant
84! variables removed
85!
86! 4341 2019-12-16 10:43:49Z motisi
[4341]87! - Unification of variable names: pc_-variables now pcm_-variables
88!   (pc_latent_rate, pc_heating_rate, pc_transpiration_rate)
89! - Removal of pcm_bowenratio output
90! - Renamed canopy-mode 'block' to 'homogeneous'
91! - Renamed value 'read_from_file_3d' to 'read_from_file'
92! - Removal of confusing comment lines
93! - Replacement of k_wall by topo_top_ind
94! - Removal of Else-Statement in tendency-calculation
95!
96! 4335 2019-12-12 16:39:05Z suehring
[4335]97! Fix for LAD at building edges also implemented in vector branch.
98!
99! 4331 2019-12-10 18:25:02Z suehring
[4331]100! Typo corrected
101!
102! 4329 2019-12-10 15:46:36Z motisi
[4329]103! Renamed wall_flags_0 to wall_flags_static_0
104!
105! 4314 2019-11-29 10:29:20Z suehring
[4314]106! - Bugfix, plant canopy was still considered at building edges on for the u-
107!   and v-component.
108! - Relax restriction of LAD on building tops. LAD is only omitted at
109!   locations where building grid points emerged artificially by the
110!   topography filtering.
111!
112! 4309 2019-11-26 18:49:59Z suehring
[4309]113! Typo
114!
115! 4302 2019-11-22 13:15:56Z suehring
[4302]116! Omit tall canopy mapped on top of buildings
117!
118! 4279 2019-10-29 08:48:17Z scharf
[4279]119! unused variables removed
120!
121! 4258 2019-10-07 13:29:08Z scharf
[4278]122! changed check for static driver and fixed bugs in initialization and header
123!
124! 4258 2019-10-07 13:29:08Z suehring
[4258]125! Check if any LAD is prescribed when plant-canopy model is applied.
126!
127! 4226 2019-09-10 17:03:24Z suehring
[4226]128! Bugfix, missing initialization of heating rate
129!
130! 4221 2019-09-09 08:50:35Z suehring
[4220]131! Further bugfix in 3d data output for plant canopy
132!
133! 4216 2019-09-04 09:09:03Z suehring
[4216]134! Bugfixes in 3d data output
135!
136! 4205 2019-08-30 13:25:00Z suehring
[4205]137! Missing working precision + bugfix in calculation of wind speed
138!
139! 4188 2019-08-26 14:15:47Z suehring
[4188]140! Minor adjustment in error number
141!
142! 4187 2019-08-26 12:43:15Z suehring
[4187]143! Give specific error numbers instead of PA0999
144!
145! 4182 2019-08-22 15:20:23Z scharf
[4182]146! Corrected "Former revisions" section
147!
148! 4168 2019-08-16 13:50:17Z suehring
[4168]149! Replace function get_topography_top_index by topo_top_ind
150!
151! 4127 2019-07-30 14:47:10Z suehring
[4127]152! Output of 3D plant canopy variables changed. It is now relative to the local
153! terrain rather than located at the acutal vertical level in the model. This
154! way, the vertical dimension of the output can be significantly reduced.
155! (merge from branch resler)
156!
157! 3885 2019-04-11 11:29:34Z kanani
[3885]158! Changes related to global restructuring of location messages and introduction
159! of additional debug messages
160!
161! 3864 2019-04-05 09:01:56Z monakurppa
[3761]162! unsed variables removed
163!
164! 3745 2019-02-15 18:57:56Z suehring
[3745]165! Bugfix in transpiration, floating invalid when temperature
166! becomes > 40 degrees
167!
168! 3744 2019-02-15 18:38:58Z suehring
[3685]169! Some interface calls moved to module_interface + cleanup
170!
171! 3655 2019-01-07 16:51:22Z knoop
[3614]172! unused variables removed
[3498]173!
[4182]174! 138 2007-11-28 10:03:58Z letzel
175! Initial revision
176!
[138]177! Description:
178! ------------
[1682]179!> 1) Initialization of the canopy model, e.g. construction of leaf area density
[1826]180!> profile (subroutine pcm_init).
[1682]181!> 2) Calculation of sinks and sources of momentum, heat and scalar concentration
[1826]182!> due to canopy elements (subroutine pcm_tendency).
[3744]183!
184! @todo - precalculate constant terms in pcm_calc_transpiration_rate
[4216]185! @todo - unify variable names (pcm_, pc_, ...)
[4514]186! @todo - get rid-off dependency on radiation model
[138]187!------------------------------------------------------------------------------!
[1682]188 MODULE plant_canopy_model_mod
[4360]189
[1484]190    USE arrays_3d,                                                             &
[3449]191        ONLY:  dzu, dzw, e, exner, hyp, pt, q, s, tend, u, v, w, zu, zw
[138]192
[3449]193    USE basic_constants_and_equations_mod,                                     &
194        ONLY:  c_p, degc_to_k, l_v, lv_d_cp, r_d, rd_d_rv
[4360]195
[4342]196    USE bulk_cloud_model_mod,                                                  &
197        ONLY: bulk_cloud_model, microphysics_seifert
[3449]198
[3885]199    USE control_parameters,                                                    &
[4360]200        ONLY: average_count_3d,                                                &
201              coupling_char,                                                   &
202              debug_output,                                                    &
203              dt_3d,                                                           &
204              dz,                                                              &
205              humidity,                                                        &
[4514]206              land_surface,                                                    &
[4360]207              length,                                                          &
208              message_string,                                                  &
209              ocean_mode,                                                      &
210              passive_scalar,                                                  &
211              plant_canopy,                                                    &
[4495]212              restart_data_format_output,                                      &
[4360]213              restart_string,                                                  &
214              urban_surface
215
[4342]216    USE grid_variables,                                                        &
217        ONLY:  dx, dy
[3449]218
[1484]219    USE indices,                                                               &
220        ONLY:  nbgp, nxl, nxlg, nxlu, nxr, nxrg, nyn, nyng, nys, nysg, nysv,   &
[4346]221               nz, nzb, nzt, topo_top_ind, wall_flags_total_0
[1484]222
223    USE kinds
[4360]224
[4342]225    USE netcdf_data_input_mod,                                                 &
[4362]226        ONLY:  input_pids_static,                                              &
227               char_fill,                                                      &
228               check_existence,                                                &
229               close_input_file,                                               &
230               get_attribute,                                                  &
231               get_dimension_length,                                           &
232               get_variable,                                                   &
233               inquire_num_variables,                                          &
234               inquire_variable_names,                                         &
235               input_file_static,                                              &
236               num_var_pids,                                                   &
237               open_read_file,                                                 &
238               pids_id,                                                        &
239               real_3d,                                                        &
240               vars_pids
[1484]241
[3449]242    USE pegrid
[4360]243
[4495]244    USE restart_data_mpi_io_mod,                                                                   &
[4517]245        ONLY:  rd_mpi_io_check_array,                                                              &
246               rrd_mpi_io,                                                                         &
[4514]247               wrd_mpi_io
[4495]248
[4342]249    USE surface_mod,                                                           &
250        ONLY: surf_def_h, surf_lsm_h, surf_usm_h
[3449]251
[1484]252
253    IMPLICIT NONE
254
[4341]255    CHARACTER (LEN=30)   ::  canopy_mode = 'homogeneous'           !< canopy coverage
[3449]256    LOGICAL              ::  plant_canopy_transpiration = .FALSE.  !< flag to switch calculation of transpiration and corresponding latent heat
257                                                                   !< for resolved plant canopy inside radiation model
258                                                                   !< (calls subroutine pcm_calc_transpiration_rate from module plant_canopy_mod)
[1484]259
[3449]260    INTEGER(iwp) ::  pch_index = 0                                 !< plant canopy height/top index
261    INTEGER(iwp) ::  lad_vertical_gradient_level_ind(10) = -9999   !< lad-profile levels (index)
[1484]262
[3449]263    INTEGER(iwp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  pch_index_ji     !< local plant canopy top
[2696]264
[3449]265    LOGICAL ::  calc_beta_lad_profile = .FALSE.   !< switch for calc. of lad from beta func.
[1484]266
[2696]267    REAL(wp) ::  alpha_lad = 9999999.9_wp         !< coefficient for lad calculation
268    REAL(wp) ::  beta_lad = 9999999.9_wp          !< coefficient for lad calculation
269    REAL(wp) ::  canopy_drag_coeff = 0.0_wp       !< canopy drag coefficient (parameter)
270    REAL(wp) ::  cthf = 0.0_wp                    !< canopy top heat flux
271    REAL(wp) ::  dt_plant_canopy = 0.0_wp         !< timestep account. for canopy drag
272    REAL(wp) ::  ext_coef = 0.6_wp                !< extinction coefficient
273    REAL(wp) ::  lad_surface = 0.0_wp             !< lad surface value
274    REAL(wp) ::  lai_beta = 0.0_wp                !< leaf area index (lai) for lad calc.
275    REAL(wp) ::  leaf_scalar_exch_coeff = 0.0_wp  !< canopy scalar exchange coeff.
276    REAL(wp) ::  leaf_surface_conc = 0.0_wp       !< leaf surface concentration
[1484]277
[2696]278    REAL(wp) ::  lad_vertical_gradient(10) = 0.0_wp              !< lad gradient
279    REAL(wp) ::  lad_vertical_gradient_level(10) = -9999999.9_wp !< lad-prof. levels (in m)
[1484]280
[2977]281    REAL(wp) ::  lad_type_coef(0:10) = 1.0_wp   !< multiplicative coeficients for particular types
282                                                !< of plant canopy (e.g. deciduous tree during winter)
283
[1682]284    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  lad            !< leaf area density
285    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  pre_lad        !< preliminary lad
[1484]286   
[4127]287    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  cum_lai_hf               !< cumulative lai for heatflux calc.
288    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  lad_s                    !< lad on scalar-grid
[4341]289    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  pcm_heating_rate         !< plant canopy heating rate
290    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  pcm_transpiration_rate   !< plant canopy transpiration rate
291    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  pcm_latent_rate          !< plant canopy latent heating rate
[1484]292
[4127]293    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  pcm_heatrate_av          !< array for averaging plant canopy sensible heating rate
294    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  pcm_latentrate_av        !< array for averaging plant canopy latent heating rate
295    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  pcm_transpirationrate_av !< array for averaging plant canopy transpiration rate
296
[4362]297    TYPE(real_3d) ::  basal_area_density_f    !< input variable for basal area density - resolved vegetation
298    TYPE(real_3d) ::  leaf_area_density_f     !< input variable for leaf area density - resolved vegetation
299    TYPE(real_3d) ::  root_area_density_lad_f !< input variable for root area density - resolved vegetation
300
[1484]301    SAVE
302
[138]303    PRIVATE
[4342]304   
[1826]305!
306!-- Public functions
[4360]307    PUBLIC pcm_calc_transpiration_rate,                                       &
308           pcm_check_data_output,                                             &
309           pcm_check_parameters,                                              &
310           pcm_3d_data_averaging,                                             &
311           pcm_data_output_3d,                                                &
312           pcm_define_netcdf_grid,                                            &
313           pcm_header,                                                        &
314           pcm_init,                                                          &
315           pcm_parin,                                                         &
[4514]316           pcm_rrd_global,                                                    &
[4360]317           pcm_rrd_local,                                                     &
318           pcm_tendency,                                                      &
[4514]319           pcm_wrd_global,                                                    &
[4360]320           pcm_wrd_local
[138]321
[1826]322!
323!-- Public variables and constants
[4342]324    PUBLIC canopy_drag_coeff, pcm_heating_rate, pcm_transpiration_rate,       &
325           pcm_latent_rate, canopy_mode, cthf, dt_plant_canopy, lad, lad_s,   &
[4392]326           pch_index, plant_canopy_transpiration,                             &
327           pcm_heatrate_av, pcm_latentrate_av
[1484]328
[3449]329    INTERFACE pcm_calc_transpiration_rate
330       MODULE PROCEDURE pcm_calc_transpiration_rate
331    END INTERFACE pcm_calc_transpiration_rate
332
[2209]333    INTERFACE pcm_check_data_output
334       MODULE PROCEDURE pcm_check_data_output
335    END INTERFACE pcm_check_data_output
336   
[1826]337    INTERFACE pcm_check_parameters
338       MODULE PROCEDURE pcm_check_parameters
[2209]339    END INTERFACE pcm_check_parameters
340
[4127]341    INTERFACE pcm_3d_data_averaging
342       MODULE PROCEDURE pcm_3d_data_averaging
343    END INTERFACE pcm_3d_data_averaging
344
[2209]345    INTERFACE pcm_data_output_3d
346       MODULE PROCEDURE pcm_data_output_3d
347    END INTERFACE pcm_data_output_3d
348
349    INTERFACE pcm_define_netcdf_grid
350       MODULE PROCEDURE pcm_define_netcdf_grid
351    END INTERFACE pcm_define_netcdf_grid
[1826]352   
353     INTERFACE pcm_header
354       MODULE PROCEDURE pcm_header
355    END INTERFACE pcm_header       
356   
357    INTERFACE pcm_init
358       MODULE PROCEDURE pcm_init
359    END INTERFACE pcm_init
[138]360
[1826]361    INTERFACE pcm_parin
362       MODULE PROCEDURE pcm_parin
[2007]363    END INTERFACE pcm_parin
364
365    INTERFACE pcm_read_plant_canopy_3d
366       MODULE PROCEDURE pcm_read_plant_canopy_3d
367    END INTERFACE pcm_read_plant_canopy_3d
[4360]368
369    INTERFACE pcm_rrd_local
[4517]370       MODULE PROCEDURE pcm_rrd_local_ftn
371       MODULE PROCEDURE pcm_rrd_local_mpi
[4360]372    END INTERFACE pcm_rrd_local
373
[4514]374    INTERFACE pcm_rrd_global
375       MODULE PROCEDURE pcm_rrd_global_ftn
376       MODULE PROCEDURE pcm_rrd_global_mpi
377    END INTERFACE pcm_rrd_global
378
[1826]379    INTERFACE pcm_tendency
380       MODULE PROCEDURE pcm_tendency
381       MODULE PROCEDURE pcm_tendency_ij
382    END INTERFACE pcm_tendency
[1484]383
[4360]384    INTERFACE pcm_wrd_local
385       MODULE PROCEDURE pcm_wrd_local
386    END INTERFACE pcm_wrd_local
[1484]387
[4514]388    INTERFACE pcm_wrd_global
389       MODULE PROCEDURE pcm_wrd_global
390    END INTERFACE pcm_wrd_global
[4360]391
[4514]392
[138]393 CONTAINS
[4342]394 
395 
[2209]396!------------------------------------------------------------------------------!
397! Description:
398! ------------
[3449]399!> Calculation of the plant canopy transpiration rate based on the Jarvis-Stewart
400!> with parametrizations described in Daudet et al. (1999; Agricult. and Forest
401!> Meteorol. 97) and Ngao, Adam and Saudreau (2017;  Agricult. and Forest Meteorol
402!> 237-238). Model functions f1-f4 were adapted from Stewart (1998; Agric.
403!> and Forest. Meteorol. 43) instead, because they are valid for broader intervals
404!> of values. Funcion f4 used in form present in van Wijk et al. (1998;
405!> Tree Physiology 20).
406!>
407!> This subroutine is called from subroutine radiation_interaction
408!> after the calculation of radiation in plant canopy boxes.
409!> (arrays pcbinsw and pcbinlw).
410!>
411!------------------------------------------------------------------------------!
412 SUBROUTINE pcm_calc_transpiration_rate(i, j, k, kk, pcbsw, pcblw, pcbtr, pcblh)
413
[4342]414!
[3449]415!--  input parameters
[4205]416     INTEGER(iwp), INTENT(IN) ::  i, j, k, kk        !< indices of the pc gridbox
417     REAL(wp), INTENT(IN)     ::  pcbsw              !< sw radiation in gridbox (W)
418     REAL(wp), INTENT(IN)     ::  pcblw              !< lw radiation in gridbox (W)
419     REAL(wp), INTENT(OUT)    ::  pcbtr              !< transpiration rate dq/dt (kg/kg/s)
420     REAL(wp), INTENT(OUT)    ::  pcblh              !< latent heat from transpiration dT/dt (K/s)
[3449]421
422!--  variables and parameters for calculation of transpiration rate
[4205]423     REAL(wp)             ::  sat_press, sat_press_d, temp, v_lad
424     REAL(wp)             ::  d_fact, g_b, g_s, wind_speed, evapor_rate
425     REAL(wp)             ::  f1, f2, f3, f4, vpd, rswc, e_eq, e_imp, rad
426     REAL(wp), PARAMETER  ::  gama_psychr = 66.0_wp !< psychrometric constant (Pa/K)
427     REAL(wp), PARAMETER  ::  g_s_max = 0.01        !< maximum stomatal conductivity (m/s)
428     REAL(wp), PARAMETER  ::  m_soil = 0.4_wp       !< soil water content (needs to adjust or take from LSM)
429     REAL(wp), PARAMETER  ::  m_wilt = 0.01_wp      !< wilting point soil water content (needs to adjust or take from LSM)
430     REAL(wp), PARAMETER  ::  m_sat = 0.51_wp       !< saturation soil water content (needs to adjust or take from LSM)
431     REAL(wp), PARAMETER  ::  t2_min = 0.0_wp       !< minimal temperature for calculation of f2
432     REAL(wp), PARAMETER  ::  t2_max = 40.0_wp      !< maximal temperature for calculation of f2
[3449]433
434
435!--  Temperature (deg C)
436     temp = pt(k,j,i) * exner(k) - degc_to_k
437!--  Coefficient for conversion of radiation to grid to radiation to unit leaves surface
[4205]438     v_lad = 1.0_wp / ( MAX( lad_s(kk,j,i), 1.0E-10_wp ) * dx * dy * dz(1) )
[3449]439!--  Magnus formula for the saturation pressure (see Ngao, Adam and Saudreau (2017) eq. 1)
440!--  There are updated formulas available, kept consistent with the rest of the parametrization
441     sat_press = 610.8_wp * exp(17.27_wp * temp/(temp + 237.3_wp))
442!--  Saturation pressure derivative (derivative of the above)
443     sat_press_d = sat_press * 17.27_wp * 237.3_wp / (temp + 237.3_wp)**2
444!--  Wind speed
[3744]445     wind_speed = SQRT( ( 0.5_wp * ( u(k,j,i) + u(k,j,i+1) ) )**2 +            &
[4205]446                        ( 0.5_wp * ( v(k,j,i) + v(k,j+1,i) ) )**2 +            &
447                        ( 0.5_wp * ( w(k,j,i) + w(k-1,j,i) ) )**2 )
[3449]448!--  Aerodynamic conductivity (Daudet et al. (1999) eq. 14
449     g_b = 0.01_wp * wind_speed + 0.0071_wp
450!--  Radiation flux per leaf surface unit
451     rad = pcbsw * v_lad
452!--  First function for calculation of stomatal conductivity (radiation dependency)
453!--  Stewart (1988; Agric. and Forest. Meteorol. 43) eq. 17
[4205]454     f1 = rad * (1000.0_wp+42.1_wp) / 1000.0_wp / (rad+42.1_wp)
[3449]455!--  Second function for calculation of stomatal conductivity (temperature dependency)
456!--  Stewart (1988; Agric. and Forest. Meteorol. 43) eq. 21
[3744]457     f2 = MAX(t2_min, (temp-t2_min) * MAX(0.0_wp,t2_max-temp)**((t2_max-16.9_wp)/(16.9_wp-t2_min)) / &
[3449]458              ((16.9_wp-t2_min) * (t2_max-16.9_wp)**((t2_max-16.9_wp)/(16.9_wp-t2_min))) )
459!--  Water pressure deficit
460!--  Ngao, Adam and Saudreau (2017) eq. 6 but with water vapour partial pressure
461     vpd = max( sat_press - q(k,j,i) * hyp(k) / rd_d_rv, 0._wp )
462!--  Third function for calculation of stomatal conductivity (water pressure deficit dependency)
463!--  Ngao, Adam and Saudreau (2017) Table 1, limited from below according to Stewart (1988)
464!--  The coefficients of the linear dependence should better correspond to broad-leaved trees
465!--  than the coefficients from Stewart (1988) which correspond to conifer trees.
466     vpd = MIN(MAX(vpd,770.0_wp),3820.0_wp)
[4205]467     f3 = -2E-4_wp * vpd + 1.154_wp
[3449]468!--  Fourth function for calculation of stomatal conductivity (soil moisture dependency)
469!--  Residual soil water content
470!--  van Wijk et al. (1998; Tree Physiology 20) eq. 7
471!--  TODO - over LSM surface might be calculated from LSM parameters
472     rswc = ( m_sat - m_soil ) / ( m_sat - m_wilt )
473!--  van Wijk et al. (1998; Tree Physiology 20) eq. 5-6 (it is a reformulation of eq. 22-23 of Stewart(1988))
[4205]474     f4 = MAX(0.0_wp, MIN(1.0_wp - 0.041_wp * EXP(3.2_wp * rswc), 1.0_wp - 0.041_wp))
[3449]475!--  Stomatal conductivity
476!--  Stewart (1988; Agric. and Forest. Meteorol. 43) eq. 12
477!--  (notation according to Ngao, Adam and Saudreau (2017) and others)
[4205]478     g_s = g_s_max * f1 * f2 * f3 * f4 + 1.0E-10_wp
[3449]479!--  Decoupling factor
480!--  Daudet et al. (1999) eq. 6
[4205]481     d_fact = (sat_press_d / gama_psychr + 2.0_wp ) /                        &
482              (sat_press_d / gama_psychr + 2.0_wp + 2.0_wp * g_b / g_s )
[3449]483!--  Equilibrium evaporation rate
484!--  Daudet et al. (1999) eq. 4
485     e_eq = (pcbsw + pcblw) * v_lad * sat_press_d /                         &
486                 gama_psychr /( sat_press_d / gama_psychr + 2.0_wp ) / l_v
487!--  Imposed evaporation rate
488!--  Daudet et al. (1999) eq. 5
489     e_imp = r_d * pt(k,j,i) * exner(k) / hyp(k) * c_p * g_s * vpd / gama_psychr / l_v
490!--  Evaporation rate
491!--  Daudet et al. (1999) eq. 3
492!--  (evaporation rate is limited to non-negative values)
493     evapor_rate = MAX(d_fact * e_eq + ( 1.0_wp - d_fact ) * e_imp, 0.0_wp)
494!--  Conversion of evaporation rate to q tendency in gridbox
495!--  dq/dt = E * LAD * V_g / (rho_air * V_g)
496     pcbtr = evapor_rate * r_d * pt(k,j,i) * exner(k) * lad_s(kk,j,i) / hyp(k)  !-- = dq/dt
497!--  latent heat from evaporation
498     pcblh = pcbtr * lv_d_cp  !-- = - dT/dt
499
500 END SUBROUTINE pcm_calc_transpiration_rate
501
502
503!------------------------------------------------------------------------------!
504! Description:
505! ------------
[2209]506!> Check data output for plant canopy model
507!------------------------------------------------------------------------------!
508 SUBROUTINE pcm_check_data_output( var, unit )
[4279]509
[2209]510    CHARACTER (LEN=*) ::  unit  !<
511    CHARACTER (LEN=*) ::  var   !<
512
513
514    SELECT CASE ( TRIM( var ) )
515
516       CASE ( 'pcm_heatrate' )
[4514]517!
518!--       Output of heatrate can be only done if it is explicitely set by cthf,
519!--       or parametrized by absorption of radiation. The latter, however, is
520!--       only available if radiation_interactions are on. Note, these are
521!--       enabled if land-surface or urban-surface is switched-on. Using
522!--       radiation_interactions_on directly is not possible since it belongs
523!--       to the radition_model, which in turn depends on the plant-canopy model,
524!--       creating circular dependencies.
525          IF ( cthf == 0.0_wp  .AND. (  .NOT.  urban_surface  .AND.             &
526                                        .NOT.  land_surface ) )  THEN
527             message_string = 'output of "' // TRIM( var ) // '" requi' //      &
[2768]528                              'res setting of parameter cthf /= 0.0'
[4515]529             CALL message( 'pcm_check_data_output', 'PA0718', 1, 2, 0, 6, 0 )
[2768]530          ENDIF
[2209]531          unit = 'K s-1'
532   
[3014]533       CASE ( 'pcm_transpirationrate' )
534          unit = 'kg kg-1 s-1'
535
[3449]536       CASE ( 'pcm_latentrate' )
537          unit = 'K s-1'
538
[2209]539       CASE ( 'pcm_lad' )
540          unit = 'm2 m-3'
541
542
543       CASE DEFAULT
544          unit = 'illegal'
545
546    END SELECT
547
548
549 END SUBROUTINE pcm_check_data_output
550 
551 
[1826]552!------------------------------------------------------------------------------!
553! Description:
554! ------------
555!> Check parameters routine for plant canopy model
556!------------------------------------------------------------------------------!
557    SUBROUTINE pcm_check_parameters
[4342]558           
559       IF ( ocean_mode )  THEN
560          message_string = 'plant_canopy = .TRUE. is not allowed in the '//    &
561                           'ocean'
562          CALL message( 'pcm_check_parameters', 'PA0696', 1, 2, 0, 6, 0 )
563       ENDIF
564           
[1826]565       IF ( canopy_drag_coeff == 0.0_wp )  THEN
566          message_string = 'plant_canopy = .TRUE. requires a non-zero drag '// &
[3046]567                           'coefficient & given value is canopy_drag_coeff = 0.0'
[2768]568          CALL message( 'pcm_check_parameters', 'PA0041', 1, 2, 0, 6, 0 )
[1826]569       ENDIF
[4279]570
[3045]571       IF ( ( alpha_lad /= 9999999.9_wp  .AND.  beta_lad == 9999999.9_wp ) .OR.&
[1826]572              beta_lad /= 9999999.9_wp   .AND.  alpha_lad == 9999999.9_wp )  THEN
573          message_string = 'using the beta function for the construction ' //  &
574                           'of the leaf area density profile requires '    //  &
575                           'both alpha_lad and beta_lad to be /= 9999999.9'
[2768]576          CALL message( 'pcm_check_parameters', 'PA0118', 1, 2, 0, 6, 0 )
[1826]577       ENDIF
[4279]578
[1826]579       IF ( calc_beta_lad_profile  .AND.  lai_beta == 0.0_wp )  THEN
580          message_string = 'using the beta function for the construction ' //  &
581                           'of the leaf area density profile requires '    //  &
582                           'a non-zero lai_beta, but given value is '      //  &
583                           'lai_beta = 0.0'
[2768]584          CALL message( 'pcm_check_parameters', 'PA0119', 1, 2, 0, 6, 0 )
[1826]585       ENDIF
586
587       IF ( calc_beta_lad_profile  .AND.  lad_surface /= 0.0_wp )  THEN
[2274]588          message_string = 'simultaneous setting of alpha_lad /= 9999999.9 '// &
589                           'combined with beta_lad /= 9999999.9 '           // &
[1826]590                           'and lad_surface /= 0.0 is not possible, '       // &
591                           'use either vertical gradients or the beta '     // &
592                           'function for the construction of the leaf area '// &
593                           'density profile'
[2768]594          CALL message( 'pcm_check_parameters', 'PA0120', 1, 2, 0, 6, 0 )
[1826]595       ENDIF
596
[3274]597       IF ( bulk_cloud_model  .AND.  microphysics_seifert )  THEN
[1826]598          message_string = 'plant_canopy = .TRUE. requires cloud_scheme /=' // &
599                          ' seifert_beheng'
[2768]600          CALL message( 'pcm_check_parameters', 'PA0360', 1, 2, 0, 6, 0 )
[1826]601       ENDIF
602
603    END SUBROUTINE pcm_check_parameters 
604 
605
[138]606!------------------------------------------------------------------------------!
[2209]607!
[1484]608! Description:
609! ------------
[4127]610!> Subroutine for averaging 3D data
[2209]611!------------------------------------------------------------------------------!
[4216]612 SUBROUTINE pcm_3d_data_averaging( mode, variable )
[4127]613
614    CHARACTER (LEN=*) ::  mode    !<
615    CHARACTER (LEN=*) :: variable !<
616
617    INTEGER(iwp) ::  i            !<
618    INTEGER(iwp) ::  j            !<
619    INTEGER(iwp) ::  k            !<
620
621
622    IF ( mode == 'allocate' )  THEN
623
624       SELECT CASE ( TRIM( variable ) )
625
626          CASE ( 'pcm_heatrate' )
627             IF ( .NOT. ALLOCATED( pcm_heatrate_av ) )  THEN
628                ALLOCATE( pcm_heatrate_av(0:pch_index,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
629             ENDIF
630             pcm_heatrate_av = 0.0_wp
631
632
633          CASE ( 'pcm_latentrate' )
634             IF ( .NOT. ALLOCATED( pcm_latentrate_av ) )  THEN
635                ALLOCATE( pcm_latentrate_av(0:pch_index,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
636             ENDIF
637             pcm_latentrate_av = 0.0_wp
638
639
640          CASE ( 'pcm_transpirationrate' )
641             IF ( .NOT. ALLOCATED( pcm_transpirationrate_av ) )  THEN
642                ALLOCATE( pcm_transpirationrate_av(0:pch_index,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
643             ENDIF
644             pcm_transpirationrate_av = 0.0_wp
645
646          CASE DEFAULT
647             CONTINUE
648
649       END SELECT
650
651    ELSEIF ( mode == 'sum' )  THEN
652
653       SELECT CASE ( TRIM( variable ) )
654
655          CASE ( 'pcm_heatrate' )
656             IF ( ALLOCATED( pcm_heatrate_av ) ) THEN
657                DO  i = nxl, nxr
658                   DO  j = nys, nyn
659                      IF ( pch_index_ji(j,i) /= 0 )  THEN
660                         DO  k = 0, pch_index_ji(j,i)
[4341]661                            pcm_heatrate_av(k,j,i) = pcm_heatrate_av(k,j,i) + pcm_heating_rate(k,j,i)
[4127]662                         ENDDO
663                      ENDIF
664                   ENDDO
665                ENDDO
666             ENDIF
667
668
669          CASE ( 'pcm_latentrate' )
670             IF ( ALLOCATED( pcm_latentrate_av ) ) THEN
671                DO  i = nxl, nxr
672                   DO  j = nys, nyn
673                      IF ( pch_index_ji(j,i) /= 0 )  THEN
674                         DO  k = 0, pch_index_ji(j,i)
[4341]675                            pcm_latentrate_av(k,j,i) = pcm_latentrate_av(k,j,i) + pcm_latent_rate(k,j,i)
[4127]676                         ENDDO
677                      ENDIF
678                   ENDDO
679                ENDDO
680             ENDIF
681
682
683          CASE ( 'pcm_transpirationrate' )
684             IF ( ALLOCATED( pcm_transpirationrate_av ) ) THEN
685                DO  i = nxl, nxr
686                   DO  j = nys, nyn
687                      IF ( pch_index_ji(j,i) /= 0 )  THEN
688                         DO  k = 0, pch_index_ji(j,i)
[4341]689                            pcm_transpirationrate_av(k,j,i) = pcm_transpirationrate_av(k,j,i) + pcm_transpiration_rate(k,j,i)
[4127]690                         ENDDO
691                      ENDIF
692                   ENDDO
693                ENDDO
694             ENDIF
695
696          CASE DEFAULT
697             CONTINUE
698
699       END SELECT
700
701    ELSEIF ( mode == 'average' )  THEN
702
703       SELECT CASE ( TRIM( variable ) )
704
705          CASE ( 'pcm_heatrate' )
706             IF ( ALLOCATED( pcm_heatrate_av ) ) THEN
707                DO  i = nxlg, nxrg
708                   DO  j = nysg, nyng
709                      IF ( pch_index_ji(j,i) /= 0 )  THEN
710                         DO  k = 0, pch_index_ji(j,i)
711                            pcm_heatrate_av(k,j,i) = pcm_heatrate_av(k,j,i)                 &
712                                                     / REAL( average_count_3d, KIND=wp )
713                         ENDDO
714                      ENDIF
715                   ENDDO
716                ENDDO
717             ENDIF
718
719
720          CASE ( 'pcm_latentrate' )
721             IF ( ALLOCATED( pcm_latentrate_av ) ) THEN
722                DO  i = nxlg, nxrg
723                   DO  j = nysg, nyng
724                      IF ( pch_index_ji(j,i) /= 0 )  THEN
725                         DO  k = 0, pch_index_ji(j,i)
726                            pcm_latentrate_av(k,j,i) = pcm_latentrate_av(k,j,i)              &
727                                                       / REAL( average_count_3d, KIND=wp )
728                         ENDDO
729                      ENDIF
730                   ENDDO
731                ENDDO
732             ENDIF
733
734
735          CASE ( 'pcm_transpirationrate' )
736             IF ( ALLOCATED( pcm_transpirationrate_av ) ) THEN
737                DO  i = nxlg, nxrg
738                   DO  j = nysg, nyng
739                      IF ( pch_index_ji(j,i) /= 0 )  THEN
740                         DO  k = 0, pch_index_ji(j,i)
741                            pcm_transpirationrate_av(k,j,i) = pcm_transpirationrate_av(k,j,i)  &
742                                                              / REAL( average_count_3d, KIND=wp )
743                         ENDDO
744                      ENDIF
745                   ENDDO
746                ENDDO
747             ENDIF
748
749       END SELECT
750
751    ENDIF
752
[4216]753 END SUBROUTINE pcm_3d_data_averaging
[4127]754
755!------------------------------------------------------------------------------!
756!
757! Description:
758! ------------
759!> Subroutine defining 3D output variables.
760!> Note, 3D plant-canopy output has it's own vertical output dimension, meaning
761!> that 3D output is relative to the model surface now rather than at the actual
762!> grid point where the plant canopy is located.
763!------------------------------------------------------------------------------!
[3014]764 SUBROUTINE pcm_data_output_3d( av, variable, found, local_pf, fill_value,     &
765                                nzb_do, nzt_do )
[2209]766
[4216]767    CHARACTER (LEN=*) ::  variable !< treated variable
[2209]768
[4216]769    INTEGER(iwp) ::  av     !< flag indicating instantaneous or averaged data output
770    INTEGER(iwp) ::  i      !< grid index x-direction
771    INTEGER(iwp) ::  j      !< grid index y-direction
772    INTEGER(iwp) ::  k      !< grid index z-direction
[3014]773    INTEGER(iwp) ::  nzb_do !< lower limit of the data output (usually 0)
774    INTEGER(iwp) ::  nzt_do !< vertical upper limit of the data output (usually nz_do3d)
[2209]775
[4216]776    LOGICAL      ::  found  !< flag indicating if variable is found
[2209]777
[4216]778    REAL(wp)     ::  fill_value !< fill value
779    REAL(sp), DIMENSION(nxl:nxr,nys:nyn,nzb_do:nzt_do) ::  local_pf !< data output array
[2209]780
781
782    found = .TRUE.
783
[2696]784    local_pf = REAL( fill_value, KIND = 4 )
[2209]785
786    SELECT CASE ( TRIM( variable ) )
[4216]787!
788!--    Note, to save memory arrays for heating are allocated from 0:pch_index.
789!--    Thus, output must be relative to these array indices. Further, check
790!--    whether the output is within the vertical output range,
[4220]791!--    i.e. nzb_do:nzt_do, which is necessary as local_pf is only allocated
792!--    for this index space. Note, plant-canopy output has a separate
793!--    vertical output coordinate zlad, so that output is mapped down to the
794!--    surface.
[4127]795       CASE ( 'pcm_heatrate' )
796          IF ( av == 0 )  THEN
797             DO  i = nxl, nxr
798                DO  j = nys, nyn
[4360]799                   DO  k = MAX( 1, nzb_do ), MIN( pch_index_ji(j,i), nzt_do )
[4341]800                      local_pf(i,j,k) = pcm_heating_rate(k,j,i)
[4216]801                   ENDDO
[4127]802                ENDDO
803             ENDDO
804          ELSE
805             DO  i = nxl, nxr
806                DO  j = nys, nyn
[4360]807                   DO  k = MAX( 1, nzb_do ), MIN( pch_index_ji(j,i), nzt_do )
[4220]808                      local_pf(i,j,k) = pcm_heatrate_av(k,j,i)
[4127]809                   ENDDO
810                ENDDO
811             ENDDO
812          ENDIF
[3449]813
814       CASE ( 'pcm_latentrate' )
[4127]815          IF ( av == 0 )  THEN
816             DO  i = nxl, nxr
817                DO  j = nys, nyn
[4360]818                   DO  k = MAX( 1, nzb_do ), MIN( pch_index_ji(j,i), nzt_do )
[4341]819                      local_pf(i,j,k) = pcm_latent_rate(k,j,i)
[4216]820                   ENDDO
[4127]821                ENDDO
822             ENDDO
823          ELSE
824             DO  i = nxl, nxr
825                DO  j = nys, nyn
[4360]826                   DO  k = MAX( 1, nzb_do ), MIN( pch_index_ji(j,i), nzt_do )
[4220]827                      local_pf(i,j,k) = pcm_latentrate_av(k,j,i)
[4127]828                   ENDDO
829                ENDDO
830             ENDDO
831          ENDIF
[3449]832
[4127]833       CASE ( 'pcm_transpirationrate' )
834          IF ( av == 0 )  THEN
835             DO  i = nxl, nxr
836                DO  j = nys, nyn
[4360]837                   DO  k = MAX( 1, nzb_do ), MIN( pch_index_ji(j,i), nzt_do )
[4341]838                      local_pf(i,j,k) = pcm_transpiration_rate(k,j,i)
[4216]839                   ENDDO
[4127]840                ENDDO
841             ENDDO
842          ELSE
843             DO  i = nxl, nxr
844                DO  j = nys, nyn
[4360]845                   DO  k = MAX( 1, nzb_do ), MIN( pch_index_ji(j,i), nzt_do )
[4220]846                      local_pf(i,j,k) = pcm_transpirationrate_av(k,j,i)
[4127]847                   ENDDO
848                ENDDO
849             ENDDO
850          ENDIF
851
852       CASE ( 'pcm_lad' )
853          IF ( av == 0 )  THEN
854             DO  i = nxl, nxr
855                DO  j = nys, nyn
[4360]856                   DO  k = MAX( 1, nzb_do ), MIN( pch_index_ji(j,i), nzt_do )
[4220]857                      local_pf(i,j,k) = lad_s(k,j,i)
[4216]858                   ENDDO
[4127]859                ENDDO
860             ENDDO
861          ENDIF
862
[2209]863       CASE DEFAULT
864          found = .FALSE.
865
866    END SELECT
867
868 END SUBROUTINE pcm_data_output_3d 
869         
870!------------------------------------------------------------------------------!
871!
872! Description:
873! ------------
874!> Subroutine defining appropriate grid for netcdf variables.
875!> It is called from subroutine netcdf.
876!------------------------------------------------------------------------------!
877 SUBROUTINE pcm_define_netcdf_grid( var, found, grid_x, grid_y, grid_z )
878
879     CHARACTER (LEN=*), INTENT(IN)  ::  var         !<
880     LOGICAL, INTENT(OUT)           ::  found       !<
881     CHARACTER (LEN=*), INTENT(OUT) ::  grid_x      !<
882     CHARACTER (LEN=*), INTENT(OUT) ::  grid_y      !<
883     CHARACTER (LEN=*), INTENT(OUT) ::  grid_z      !<
884
885     found  = .TRUE.
886
887!
[4342]888!--  Check for the grid. zpc is zu(nzb:nzb+pch_index)
[2209]889     SELECT CASE ( TRIM( var ) )
890
[4341]891        CASE ( 'pcm_heatrate', 'pcm_lad', 'pcm_transpirationrate', 'pcm_latentrate')
[2209]892           grid_x = 'x'
893           grid_y = 'y'
[4127]894           grid_z = 'zpc'
[2209]895
896        CASE DEFAULT
897           found  = .FALSE.
898           grid_x = 'none'
899           grid_y = 'none'
900           grid_z = 'none'
901     END SELECT
902
903 END SUBROUTINE pcm_define_netcdf_grid
904 
905 
906!------------------------------------------------------------------------------!
907! Description:
908! ------------
[1826]909!> Header output for plant canopy model
910!------------------------------------------------------------------------------!
[4362]911 SUBROUTINE pcm_header ( io )
[1826]912 
[4362]913    CHARACTER (LEN=10) ::  coor_chr            !<
[1826]914
[4362]915    CHARACTER (LEN=86) ::  coordinates         !<
916    CHARACTER (LEN=86) ::  gradients           !<
917    CHARACTER (LEN=86) ::  leaf_area_density   !<
918    CHARACTER (LEN=86) ::  slices              !<
[1826]919 
[4362]920    INTEGER(iwp) :: i                !<
921    INTEGER(iwp),  INTENT(IN) ::  io !< Unit of the output file
922    INTEGER(iwp) :: k                !<       
923 
924    REAL(wp) ::  canopy_height       !< canopy height (in m)
925   
926    canopy_height = zw(pch_index)
[1826]927
[4362]928    WRITE ( io, 1 )  canopy_mode, canopy_height, pch_index,                    &
929                       canopy_drag_coeff                                       
930    IF ( passive_scalar )  THEN                                               
931       WRITE ( io, 2 )  leaf_scalar_exch_coeff,                                &
932                          leaf_surface_conc
933    ENDIF
[1826]934
935!
[4362]936!   Heat flux at the top of vegetation
937    WRITE ( io, 3 )  cthf
[1826]938
939!
[4362]940!   Leaf area density profile, calculated either from given vertical
941!   gradients or from beta probability density function.
942    IF (  .NOT.  calc_beta_lad_profile )  THEN
[1826]943
[4362]944!      Building output strings, starting with surface value
945       WRITE ( leaf_area_density, '(F7.4)' )  lad_surface
946       gradients = '------'
947       slices = '     0'
948       coordinates = '   0.0'
949       DO i = 1, UBOUND(lad_vertical_gradient_level_ind, DIM=1)
950          IF  ( lad_vertical_gradient_level_ind(i) /= -9999 ) THEN
[1826]951
[4362]952             WRITE (coor_chr,'(F7.2)') lad(lad_vertical_gradient_level_ind(i))
953             leaf_area_density = TRIM( leaf_area_density ) // ' ' // TRIM( coor_chr )
[1826]954
[4362]955             WRITE (coor_chr,'(F7.2)') lad_vertical_gradient(i)
956             gradients = TRIM( gradients ) // ' ' // TRIM( coor_chr )
[1826]957
[4362]958             WRITE (coor_chr,'(I7)') lad_vertical_gradient_level_ind(i)
959             slices = TRIM( slices ) // ' ' // TRIM( coor_chr )
[1826]960
[4362]961             WRITE (coor_chr,'(F7.1)') lad_vertical_gradient_level(i)
962             coordinates = TRIM( coordinates ) // ' '  // TRIM( coor_chr )
963          ELSE
964             EXIT
965          ENDIF
966       ENDDO
[1826]967
[4362]968       WRITE ( io, 4 )  TRIM( coordinates ), TRIM( leaf_area_density ),        &
969                          TRIM( gradients ), TRIM( slices )
[1826]970
[4362]971    ELSE
972   
973       WRITE ( leaf_area_density, '(F7.4)' )  lad_surface
974       coordinates = '   0.0'
[1826]975       
[4362]976       DO  k = 1, pch_index
[1826]977
[4362]978          WRITE (coor_chr,'(F7.2)')  lad(k)
979          leaf_area_density = TRIM( leaf_area_density ) // ' ' //              &
980                              TRIM( coor_chr )                                 
981                                                                               
982          WRITE (coor_chr,'(F7.1)')  zu(k)                                     
983          coordinates = TRIM( coordinates ) // ' '  // TRIM( coor_chr )       
984                                                                               
985       ENDDO                                                                   
986                                                                               
987       WRITE ( io, 5 ) TRIM( coordinates ), TRIM( leaf_area_density ),         &
988                       alpha_lad, beta_lad, lai_beta
[1826]989
[4362]990    ENDIF 
[1826]991
[4362]9921   FORMAT (//' Vegetation canopy (drag) model:'/                              &
[1826]993              ' ------------------------------'//                              &
994              ' Canopy mode: ', A /                                            &
995              ' Canopy height: ',F6.2,'m (',I4,' grid points)' /               &
996              ' Leaf drag coefficient: ',F6.2 /)
[4362]9972   FORMAT (/ ' Scalar exchange coefficient: ',F6.2 /                          &
[1826]998              ' Scalar concentration at leaf surfaces in kg/m**3: ',F6.2 /)
[4362]9993   FORMAT (' Predefined constant heatflux at the top of the vegetation: ',    &
1000             F6.2, ' K m/s')
10014   FORMAT (/ ' Characteristic levels of the leaf area density:'//             &
[1826]1002              ' Height:              ',A,'  m'/                                &
1003              ' Leaf area density:   ',A,'  m**2/m**3'/                        &
1004              ' Gradient:            ',A,'  m**2/m**4'/                        &
1005              ' Gridpoint:           ',A)
[4362]10065   FORMAT (//' Characteristic levels of the leaf area density and coefficients:'&
[1826]1007          //  ' Height:              ',A,'  m'/                                &
1008              ' Leaf area density:   ',A,'  m**2/m**3'/                        &
1009              ' Coefficient alpha: ',F6.2 /                                    &
1010              ' Coefficient beta: ',F6.2 /                                     &
1011              ' Leaf area index: ',F6.2,'  m**2/m**2' /)   
1012       
1013    END SUBROUTINE pcm_header
1014 
1015 
1016!------------------------------------------------------------------------------!
1017! Description:
1018! ------------
[1682]1019!> Initialization of the plant canopy model
[138]1020!------------------------------------------------------------------------------!
[1826]1021    SUBROUTINE pcm_init
[1484]1022
[4457]1023       USE exchange_horiz_mod,                                                    &
1024           ONLY:  exchange_horiz
1025
[2007]1026       INTEGER(iwp) ::  i   !< running index
1027       INTEGER(iwp) ::  j   !< running index
1028       INTEGER(iwp) ::  k   !< running index
[2232]1029       INTEGER(iwp) ::  m   !< running index
[1484]1030
[4381]1031       LOGICAL      ::  lad_on_top = .FALSE.  !< dummy flag to indicate that LAD is defined on a building roof
1032
[4258]1033       REAL(wp) ::  canopy_height   !< canopy height for lad-profile construction
[2007]1034       REAL(wp) ::  gradient        !< gradient for lad-profile construction
[4258]1035       REAL(wp) ::  int_bpdf        !< vertical integral for lad-profile construction     
1036       REAL(wp) ::  lad_max         !< maximum LAD value in the model domain, used to perform a check
[3241]1037
[3885]1038       IF ( debug_output )  CALL debug_message( 'pcm_init', 'start' )
[1484]1039!
1040!--    Allocate one-dimensional arrays for the computation of the
1041!--    leaf area density (lad) profile
1042       ALLOCATE( lad(0:nz+1), pre_lad(0:nz+1) )
1043       lad = 0.0_wp
1044       pre_lad = 0.0_wp
1045
1046!
[1826]1047!--    Set flag that indicates that the lad-profile shall be calculated by using
1048!--    a beta probability density function
1049       IF ( alpha_lad /= 9999999.9_wp  .AND.  beta_lad /= 9999999.9_wp )  THEN
1050          calc_beta_lad_profile = .TRUE.
1051       ENDIF
1052       
1053       
1054!
[1484]1055!--    Compute the profile of leaf area density used in the plant
1056!--    canopy model. The profile can either be constructed from
1057!--    prescribed vertical gradients of the leaf area density or by
1058!--    using a beta probability density function (see e.g. Markkanen et al.,
1059!--    2003: Boundary-Layer Meteorology, 106, 437-459)
1060       IF (  .NOT.  calc_beta_lad_profile )  THEN   
1061
1062!
1063!--       Use vertical gradients for lad-profile construction   
1064          i = 1
1065          gradient = 0.0_wp
1066
[4342]1067          lad(0) = lad_surface
1068          lad_vertical_gradient_level_ind(1) = 0
[1484]1069
[4342]1070          DO k = 1, pch_index
1071             IF ( i < 11 )  THEN
1072                IF ( lad_vertical_gradient_level(i) < zu(k)  .AND.          &
1073                     lad_vertical_gradient_level(i) >= 0.0_wp )  THEN
1074                   gradient = lad_vertical_gradient(i)
1075                   lad_vertical_gradient_level_ind(i) = k - 1
1076                   i = i + 1
[1484]1077                ENDIF
[4342]1078             ENDIF
1079             IF ( gradient /= 0.0_wp )  THEN
1080                IF ( k /= 1 )  THEN
1081                   lad(k) = lad(k-1) + dzu(k) * gradient
[1484]1082                ELSE
[4342]1083                   lad(k) = lad_surface + dzu(k) * gradient
[1484]1084                ENDIF
[4342]1085             ELSE
1086                lad(k) = lad(k-1)
1087             ENDIF
1088          ENDDO
[1484]1089
1090!
1091!--       In case of no given leaf area density gradients, choose a vanishing
1092!--       gradient. This information is used for the HEADER and the RUN_CONTROL
1093!--       file.
1094          IF ( lad_vertical_gradient_level(1) == -9999999.9_wp )  THEN
1095             lad_vertical_gradient_level(1) = 0.0_wp
1096          ENDIF
1097
1098       ELSE
1099
1100!
1101!--       Use beta function for lad-profile construction
1102          int_bpdf = 0.0_wp
[3065]1103          canopy_height = zw(pch_index)
[1484]1104
[2232]1105          DO k = 0, pch_index
[1484]1106             int_bpdf = int_bpdf +                                             &
[1826]1107                      ( ( ( zw(k) / canopy_height )**( alpha_lad-1.0_wp ) ) *  &
1108                      ( ( 1.0_wp - ( zw(k) / canopy_height ) )**(              &
1109                          beta_lad-1.0_wp ) )                                  &
1110                      * ( ( zw(k+1)-zw(k) ) / canopy_height ) )
[1484]1111          ENDDO
1112
1113!
1114!--       Preliminary lad profile (defined on w-grid)
[2232]1115          DO k = 0, pch_index
[1826]1116             pre_lad(k) =  lai_beta *                                          &
1117                        ( ( ( zw(k) / canopy_height )**( alpha_lad-1.0_wp ) )  &
1118                        * ( ( 1.0_wp - ( zw(k) / canopy_height ) )**(          &
1119                              beta_lad-1.0_wp ) ) / int_bpdf                   &
1120                        ) / canopy_height
[1484]1121          ENDDO
1122
1123!
1124!--       Final lad profile (defined on scalar-grid level, since most prognostic
1125!--       quantities are defined there, hence, less interpolation is required
1126!--       when calculating the canopy tendencies)
1127          lad(0) = pre_lad(0)
[2232]1128          DO k = 1, pch_index
[1484]1129             lad(k) = 0.5 * ( pre_lad(k-1) + pre_lad(k) )
[4302]1130          ENDDO
[1484]1131
1132       ENDIF
1133
1134!
[2213]1135!--    Allocate 3D-array for the leaf area density (lad_s).
[1484]1136       ALLOCATE( lad_s(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
1137
1138!
1139!--    Initialization of the canopy coverage in the model domain:
[4341]1140!--    Setting the parameter canopy_mode = 'homogeneous' initializes a canopy, which
[1484]1141!--    fully covers the domain surface
1142       SELECT CASE ( TRIM( canopy_mode ) )
1143
[4341]1144          CASE( 'homogeneous' )
[1484]1145
1146             DO  i = nxlg, nxrg
1147                DO  j = nysg, nyng
1148                   lad_s(:,j,i) = lad(:)
1149                ENDDO
1150             ENDDO
1151
[4341]1152          CASE ( 'read_from_file' )
[2007]1153!
[4362]1154!--          Read plant canopy
1155             IF ( input_pids_static )  THEN
1156!
1157!--             Open the static input file
1158#if defined( __netcdf )
1159                CALL open_read_file( TRIM( input_file_static ) //              &
1160                                     TRIM( coupling_char ),                    &
1161                                     pids_id )
1162
1163                CALL inquire_num_variables( pids_id, num_var_pids )
1164!
1165!--             Allocate memory to store variable names and read them
1166                ALLOCATE( vars_pids(1:num_var_pids) )
1167                CALL inquire_variable_names( pids_id, vars_pids )
1168!
1169!--             Read leaf area density - resolved vegetation
1170                IF ( check_existence( vars_pids, 'lad' ) )  THEN
1171                   leaf_area_density_f%from_file = .TRUE.
1172                   CALL get_attribute( pids_id, char_fill,                     &
1173                                       leaf_area_density_f%fill,               &
1174                                       .FALSE., 'lad' )
1175!
1176!--                Inquire number of vertical vegetation layer
1177                   CALL get_dimension_length( pids_id,                         &
1178                                              leaf_area_density_f%nz,          &
1179                                              'zlad' )
1180!
1181!--                Allocate variable for leaf-area density
1182                   ALLOCATE( leaf_area_density_f%var                           &
1183                                                (0:leaf_area_density_f%nz-1,   &
1184                                                 nys:nyn,nxl:nxr) )
1185
1186                   CALL get_variable( pids_id, 'lad', leaf_area_density_f%var, &
1187                                      nxl, nxr, nys, nyn,                      &
1188                                      0, leaf_area_density_f%nz-1 )
1189
1190                ELSE
1191                   leaf_area_density_f%from_file = .FALSE.
1192                ENDIF
1193!
1194!--             Read basal area density - resolved vegetation
1195                IF ( check_existence( vars_pids, 'bad' ) )  THEN
1196                   basal_area_density_f%from_file = .TRUE.
1197                   CALL get_attribute( pids_id, char_fill,                     &
1198                                       basal_area_density_f%fill,              &
1199                                       .FALSE., 'bad' )
1200!
1201!--                Inquire number of vertical vegetation layer
1202                   CALL get_dimension_length( pids_id,                         &
1203                                              basal_area_density_f%nz,         & 
1204                                              'zlad' )
1205!
1206!--                Allocate variable
1207                   ALLOCATE( basal_area_density_f%var                          &
1208                                              (0:basal_area_density_f%nz-1,    &
1209                                               nys:nyn,nxl:nxr) )
1210
1211                   CALL get_variable( pids_id, 'bad', basal_area_density_f%var,&
1212                                      nxl, nxr, nys, nyn,                      &
1213                                      0,  basal_area_density_f%nz-1 )
1214                ELSE
1215                   basal_area_density_f%from_file = .FALSE.
1216                ENDIF
1217!
1218!--             Read root area density - resolved vegetation
1219                IF ( check_existence( vars_pids, 'root_area_dens_r' ) )  THEN
1220                   root_area_density_lad_f%from_file = .TRUE.
1221                   CALL get_attribute( pids_id, char_fill,                     &
1222                                       root_area_density_lad_f%fill,           &
1223                                       .FALSE., 'root_area_dens_r' )
1224!
1225!--                Inquire number of vertical soil layers
1226                   CALL get_dimension_length( pids_id,                         &
1227                                              root_area_density_lad_f%nz,      &
1228                                              'zsoil' )
1229!
1230!--                Allocate variable
1231                   ALLOCATE( root_area_density_lad_f%var                       &
1232                                               (0:root_area_density_lad_f%nz-1,&
1233                                                nys:nyn,nxl:nxr) )
1234
1235                   CALL get_variable( pids_id, 'root_area_dens_r',             &
1236                                      root_area_density_lad_f%var,             &
1237                                      nxl, nxr, nys, nyn,                      &
1238                                      0,  root_area_density_lad_f%nz-1 )
1239                ELSE
1240                   root_area_density_lad_f%from_file = .FALSE.
1241                ENDIF
1242
1243                DEALLOCATE( vars_pids )
1244!
[4363]1245!--             Finally, close the input file and deallocate temporary array
1246                CALL close_input_file( pids_id )
[4362]1247#endif
[4363]1248             ENDIF
1249
[4362]1250!
[2696]1251!--          Initialize LAD with data from file. If LAD is given in NetCDF file,
1252!--          use these values, else take LAD profiles from ASCII file.
1253!--          Please note, in NetCDF file LAD is only given up to the maximum
1254!--          canopy top, indicated by leaf_area_density_f%nz. 
1255             lad_s = 0.0_wp
1256             IF ( leaf_area_density_f%from_file )  THEN
1257!
1258!--             Set also pch_index, used to be the upper bound of the vertical
1259!--             loops. Therefore, use the global top of the canopy layer.
1260                pch_index = leaf_area_density_f%nz - 1
1261
1262                DO  i = nxl, nxr
1263                   DO  j = nys, nyn
1264                      DO  k = 0, leaf_area_density_f%nz - 1
[3864]1265                         IF ( leaf_area_density_f%var(k,j,i) /=                &
1266                              leaf_area_density_f%fill )                       &
[2696]1267                         lad_s(k,j,i) = leaf_area_density_f%var(k,j,i)
1268                      ENDDO
[4302]1269!
1270!--                   Check if resolved vegetation is mapped onto buildings.
[4314]1271!--                   In general, this is allowed and also meaningful, e.g.
1272!--                   when trees carry across roofs. However, due to the
1273!--                   topography filtering, new building grid points can emerge
1274!--                   at location where also plant canopy is defined. As a
1275!--                   result, plant canopy is mapped on top of roofs, with
1276!--                   siginficant impact on the downstream flow field and the
1277!--                   nearby surface radiation. In order to avoid that
1278!--                   plant canopy is mistakenly mapped onto building roofs,
1279!--                   check for building grid points (bit 6) that emerge from
1280!--                   the filtering (bit 4) and set LAD to zero at these
1281!--                   artificially  created building grid points. This case,
1282!--                   an informative message is given.
[4302]1283                      IF ( ANY( lad_s(:,j,i) /= 0.0_wp )  .AND.                &
[4346]1284                           ANY( BTEST( wall_flags_total_0(:,j,i), 6 ) ) .AND.  &
1285                           ANY( BTEST( wall_flags_total_0(:,j,i), 4 ) ) )  THEN
[4302]1286                         lad_s(:,j,i) = 0.0_wp
[4381]1287                         lad_on_top   = .TRUE.
1288                      ENDIF
1289                   ENDDO
1290                ENDDO
1291#if defined( __parallel )
1292               CALL MPI_ALLREDUCE( MPI_IN_PLACE, lad_on_top, 1, MPI_LOGICAL,  &
1293                                   MPI_LOR, comm2d, ierr)
1294#endif
1295                IF ( lad_on_top )  THEN
1296                   WRITE( message_string, * )                                  &
[4314]1297                                        'Resolved plant-canopy is ' //         &
1298                                        'defined on top of an artificially '// &
[4381]1299                                        'created building grid point(s) ' //   &
[4331]1300                                        '(emerged from the filtering) - ' //   &
[4381]1301                                        'LAD profile is omitted at this / ' // &
1302                                        'these grid point(s).'
1303                   CALL message( 'pcm_init', 'PA0313', 0, 0, 0, 6, 0 )
1304                ENDIF
[2696]1305                CALL exchange_horiz( lad_s, nbgp )
1306!
1307!            ASCII file
[4342]1308!--          Initialize canopy parameters canopy_drag_coeff,
1309!--          leaf_scalar_exch_coeff, leaf_surface_conc
[2007]1310!--          from file which contains complete 3D data (separate vertical profiles for
1311!--          each location).
[2696]1312             ELSE
1313                CALL pcm_read_plant_canopy_3d
1314             ENDIF
[2007]1315
[1484]1316          CASE DEFAULT
1317!
[2007]1318!--          The DEFAULT case is reached either if the parameter
1319!--          canopy mode contains a wrong character string or if the
1320!--          user has coded a special case in the user interface.
1321!--          There, the subroutine user_init_plant_canopy checks
1322!--          which of these two conditions applies.
1323             CALL user_init_plant_canopy
[1484]1324 
1325       END SELECT
[2696]1326!
[4258]1327!--    Check that at least one grid point has an LAD /= 0, else this may
1328!--    cause errors in the radiation model.
1329       lad_max = MAXVAL( lad_s )
1330#if defined( __parallel )
1331       CALL MPI_ALLREDUCE( MPI_IN_PLACE, lad_max, 1, MPI_REAL, MPI_MAX,        &
1332                           comm2d, ierr)
1333#endif
1334       IF ( lad_max <= 0.0_wp )  THEN
1335          message_string = 'Plant-canopy model is switched-on but no ' //      &
1336                           'plant canopy is present in the model domain.'
1337          CALL message( 'pcm_init', 'PA0685', 1, 2, 0, 6, 0 )
1338       ENDIF
1339   
1340!
[2696]1341!--    Initialize 2D index array indicating canopy top index.
1342       ALLOCATE( pch_index_ji(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
1343       pch_index_ji = 0
[4187]1344       
[4361]1345       DO  i = nxlg, nxrg
1346          DO  j = nysg, nyng
[2696]1347             DO  k = 0, pch_index
1348                IF ( lad_s(k,j,i) /= 0 )  pch_index_ji(j,i) = k
1349             ENDDO
[1484]1350!
[2696]1351!--          Check whether topography and local vegetation on top exceed
1352!--          height of the model domain.
[4356]1353             IF ( topo_top_ind(j,i,0) + pch_index_ji(j,i) >= nzt + 1 )  THEN
[2696]1354                message_string =  'Local vegetation height on top of ' //      &
1355                                  'topography exceeds height of model domain.'
[4356]1356                CALL message( 'pcm_init', 'PA0674', 2, 2, myid, 6, 0 )
[2696]1357             ENDIF
1358
1359          ENDDO
1360       ENDDO
[3497]1361!
[3449]1362!--    Calculate global pch_index value (index of top of plant canopy from ground)
[3497]1363       pch_index = MAXVAL( pch_index_ji )
1364!
[3449]1365!--    Exchange pch_index from all processors
1366#if defined( __parallel )
[3497]1367       CALL MPI_ALLREDUCE( MPI_IN_PLACE, pch_index, 1, MPI_INTEGER,            &
1368                           MPI_MAX, comm2d, ierr)
[3449]1369#endif
[4360]1370!
[4341]1371!--    Allocation of arrays pcm_heating_rate, pcm_transpiration_rate and pcm_latent_rate
1372       ALLOCATE( pcm_heating_rate(0:pch_index,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
1373       pcm_heating_rate = 0.0_wp
[4221]1374       
[3449]1375       IF ( humidity )  THEN
[4341]1376          ALLOCATE( pcm_transpiration_rate(0:pch_index,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
1377          pcm_transpiration_rate = 0.0_wp
1378          ALLOCATE( pcm_latent_rate(0:pch_index,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
1379          pcm_latent_rate = 0.0_wp
[3449]1380       ENDIF
[2696]1381!
[2011]1382!--    Initialization of the canopy heat source distribution due to heating
1383!--    of the canopy layers by incoming solar radiation, in case that a non-zero
1384!--    value is set for the canopy top heat flux (cthf), which equals the
1385!--    available net radiation at canopy top.
1386!--    The heat source distribution is calculated by a decaying exponential
1387!--    function of the downward cumulative leaf area index (cum_lai_hf),
1388!--    assuming that the foliage inside the plant canopy is heated by solar
1389!--    radiation penetrating the canopy layers according to the distribution
1390!--    of net radiation as suggested by Brown & Covey (1966; Agric. Meteorol. 3,
1391!--    73–96). This approach has been applied e.g. by Shaw & Schumann (1992;
[2213]1392!--    Bound.-Layer Meteorol. 61, 47–64).
[4341]1393!--    When using the radiation_interactions, canopy heating (pcm_heating_rate)
1394!--    and plant canopy transpiration (pcm_transpiration_rate, pcm_latent_rate)
[3449]1395!--    are calculated in the RTM after the calculation of radiation.
1396       IF ( cthf /= 0.0_wp )  THEN
[2213]1397
[3449]1398          ALLOCATE( cum_lai_hf(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
[1484]1399!
[2011]1400!--       Piecewise calculation of the cumulative leaf area index by vertical
[1484]1401!--       integration of the leaf area density
1402          cum_lai_hf(:,:,:) = 0.0_wp
1403          DO  i = nxlg, nxrg
1404             DO  j = nysg, nyng
[2696]1405                DO  k = pch_index_ji(j,i)-1, 0, -1
1406                   IF ( k == pch_index_ji(j,i)-1 )  THEN
[1484]1407                      cum_lai_hf(k,j,i) = cum_lai_hf(k+1,j,i) +                &
1408                         ( 0.5_wp * lad_s(k+1,j,i) *                           &
1409                           ( zw(k+1) - zu(k+1) ) )  +                          &
1410                         ( 0.5_wp * ( 0.5_wp * ( lad_s(k+1,j,i) +              &
1411                                                 lad_s(k,j,i) ) +              &
1412                                      lad_s(k+1,j,i) ) *                       &
1413                           ( zu(k+1) - zw(k) ) ) 
1414                   ELSE
1415                      cum_lai_hf(k,j,i) = cum_lai_hf(k+1,j,i) +                &
1416                         ( 0.5_wp * ( 0.5_wp * ( lad_s(k+2,j,i) +              &
1417                                                 lad_s(k+1,j,i) ) +            &
1418                                      lad_s(k+1,j,i) ) *                       &
1419                           ( zw(k+1) - zu(k+1) ) )  +                          &
1420                         ( 0.5_wp * ( 0.5_wp * ( lad_s(k+1,j,i) +              &
1421                                                 lad_s(k,j,i) ) +              &
1422                                      lad_s(k+1,j,i) ) *                       &
1423                           ( zu(k+1) - zw(k) ) )
1424                   ENDIF
1425                ENDDO
1426             ENDDO
1427          ENDDO
1428
[4278]1429!
[2232]1430!--       In areas with canopy the surface value of the canopy heat
1431!--       flux distribution overrides the surface heat flux (shf)
1432!--       Start with default surface type
1433          DO  m = 1, surf_def_h(0)%ns
[4278]1434             i = surf_def_h(0)%i(m)
1435             j = surf_def_h(0)%j(m)
[2232]1436             IF ( cum_lai_hf(0,j,i) /= 0.0_wp )                                &
1437                surf_def_h(0)%shf(m) = cthf * exp( -ext_coef * cum_lai_hf(0,j,i) )
1438          ENDDO
[1484]1439!
[2232]1440!--       Natural surfaces
1441          DO  m = 1, surf_lsm_h%ns
[4278]1442             i = surf_lsm_h%i(m)
1443             j = surf_lsm_h%j(m)
[2232]1444             IF ( cum_lai_hf(0,j,i) /= 0.0_wp )                                &
1445                surf_lsm_h%shf(m) = cthf * exp( -ext_coef * cum_lai_hf(0,j,i) )
1446          ENDDO
1447!
1448!--       Urban surfaces
1449          DO  m = 1, surf_usm_h%ns
[4278]1450             i = surf_usm_h%i(m)
1451             j = surf_usm_h%j(m)
[2232]1452             IF ( cum_lai_hf(0,j,i) /= 0.0_wp )                                &
1453                surf_usm_h%shf(m) = cthf * exp( -ext_coef * cum_lai_hf(0,j,i) )
1454          ENDDO
1455!
1456!
[2011]1457!--       Calculation of the heating rate (K/s) within the different layers of
[2232]1458!--       the plant canopy. Calculation is only necessary in areas covered with
1459!--       canopy.
1460!--       Within the different canopy layers the plant-canopy heating
[4341]1461!--       rate (pcm_heating_rate) is calculated as the vertical
[2232]1462!--       divergence of the canopy heat fluxes at the top and bottom
1463!--       of the respective layer
[1484]1464          DO  i = nxlg, nxrg
1465             DO  j = nysg, nyng
[2696]1466                DO  k = 1, pch_index_ji(j,i)
[2232]1467                   IF ( cum_lai_hf(0,j,i) /= 0.0_wp )  THEN
[4341]1468                      pcm_heating_rate(k,j,i) = cthf *                          &
[3022]1469                                ( exp(-ext_coef*cum_lai_hf(k,j,i)) -           &
[2232]1470                                  exp(-ext_coef*cum_lai_hf(k-1,j,i) ) ) / dzw(k)
1471                   ENDIF
1472                ENDDO
[1721]1473             ENDDO
1474          ENDDO
[1484]1475
1476       ENDIF
1477
[3885]1478       IF ( debug_output )  CALL debug_message( 'pcm_init', 'end' )
[1484]1479
[1826]1480    END SUBROUTINE pcm_init
[1484]1481
1482
[2007]1483!------------------------------------------------------------------------------!
1484! Description:
1485! ------------
[2932]1486!> Parin for &plant_canopy_parameters for plant canopy model
[2007]1487!------------------------------------------------------------------------------!
1488    SUBROUTINE pcm_parin
[1484]1489
[2007]1490       CHARACTER (LEN=80) ::  line  !< dummy string that contains the current line of the parameter file
1491       
[2932]1492       NAMELIST /plant_canopy_parameters/                                      &
1493                                  alpha_lad, beta_lad, canopy_drag_coeff,      &
1494                                  canopy_mode, cthf,                           &
[2977]1495                                  lad_surface, lad_type_coef,                  & 
[2932]1496                                  lad_vertical_gradient,                       &
1497                                  lad_vertical_gradient_level,                 &
1498                                  lai_beta,                                    &
1499                                  leaf_scalar_exch_coeff,                      &
[3449]1500                                  leaf_surface_conc, pch_index,                &
1501                                  plant_canopy_transpiration
[2932]1502
[2007]1503       NAMELIST /canopy_par/      alpha_lad, beta_lad, canopy_drag_coeff,      &
1504                                  canopy_mode, cthf,                           &
[2977]1505                                  lad_surface, lad_type_coef,                  & 
[2007]1506                                  lad_vertical_gradient,                       &
1507                                  lad_vertical_gradient_level,                 &
1508                                  lai_beta,                                    &
1509                                  leaf_scalar_exch_coeff,                      &
[3449]1510                                  leaf_surface_conc, pch_index,                &
1511                                  plant_canopy_transpiration
[3246]1512
[2007]1513       line = ' '
[3246]1514
[2007]1515!
[4258]1516!--    Try to find plant-canopy model package
[2007]1517       REWIND ( 11 )
1518       line = ' '
[3248]1519       DO WHILE ( INDEX( line, '&plant_canopy_parameters' ) == 0 )
[3246]1520          READ ( 11, '(A)', END=12 )  line
[2007]1521       ENDDO
1522       BACKSPACE ( 11 )
1523
1524!
1525!--    Read user-defined namelist
[3246]1526       READ ( 11, plant_canopy_parameters, ERR = 10 )
[2932]1527
1528!
[4258]1529!--    Set flag that indicates that the plant-canopy model is switched on
[2932]1530       plant_canopy = .TRUE.
[3246]1531
1532       GOTO 14
1533
1534 10    BACKSPACE( 11 )
[3248]1535       READ( 11 , '(A)') line
1536       CALL parin_fail_message( 'plant_canopy_parameters', line )
[2932]1537!
1538!--    Try to find old namelist
[3246]1539 12    REWIND ( 11 )
[2932]1540       line = ' '
[3248]1541       DO WHILE ( INDEX( line, '&canopy_par' ) == 0 )
[3246]1542          READ ( 11, '(A)', END=14 )  line
[2932]1543       ENDDO
1544       BACKSPACE ( 11 )
1545
1546!
1547!--    Read user-defined namelist
[3246]1548       READ ( 11, canopy_par, ERR = 13, END = 14 )
[2007]1549
[2932]1550       message_string = 'namelist canopy_par is deprecated and will be ' // &
[3046]1551                     'removed in near future. Please use namelist ' //      &
[2932]1552                     'plant_canopy_parameters instead'
1553       CALL message( 'pcm_parin', 'PA0487', 0, 1, 0, 6, 0 )
[3246]1554
[2007]1555!
[4258]1556!--    Set flag that indicates that the plant-canopy model is switched on
[2007]1557       plant_canopy = .TRUE.
1558
[3246]1559       GOTO 14
[2007]1560
[3246]1561 13    BACKSPACE( 11 )
[3248]1562       READ( 11 , '(A)') line
1563       CALL parin_fail_message( 'canopy_par', line )
[3246]1564
1565 14    CONTINUE
1566
[2007]1567    END SUBROUTINE pcm_parin
1568
1569
[1484]1570!------------------------------------------------------------------------------!
1571! Description:
1572! ------------
[2007]1573!
1574!> Loads 3D plant canopy data from file. File format is as follows:
1575!>
1576!> num_levels
[2977]1577!> dtype,x,y,pctype,value(nzb),value(nzb+1), ... ,value(nzb+num_levels-1)
1578!> dtype,x,y,pctype,value(nzb),value(nzb+1), ... ,value(nzb+num_levels-1)
1579!> dtype,x,y,pctype,value(nzb),value(nzb+1), ... ,value(nzb+num_levels-1)
[2007]1580!> ...
1581!>
1582!> i.e. first line determines number of levels and further lines represent plant
1583!> canopy data, one line per column and variable. In each data line,
1584!> dtype represents variable to be set:
1585!>
1586!> dtype=1: leaf area density (lad_s)
[2213]1587!> dtype=2....n: some additional plant canopy input data quantity
[2007]1588!>
1589!> Zeros are added automatically above num_levels until top of domain.  Any
1590!> non-specified (x,y) columns have zero values as default.
1591!------------------------------------------------------------------------------!
1592    SUBROUTINE pcm_read_plant_canopy_3d
1593
[4457]1594       USE exchange_horiz_mod,                                                    &
1595           ONLY:  exchange_horiz
1596
[2213]1597       INTEGER(iwp)                        ::  dtype     !< type of input data (1=lad)
[2977]1598       INTEGER(iwp)                        ::  pctype    !< type of plant canopy (deciduous,non-deciduous,...)
[2213]1599       INTEGER(iwp)                        ::  i, j      !< running index
1600       INTEGER(iwp)                        ::  nzp       !< number of vertical layers of plant canopy
[3337]1601       INTEGER(iwp)                        ::  nzpltop   !<
1602       INTEGER(iwp)                        ::  nzpl      !<
1603       INTEGER(iwp)                        ::  kk        !<
[2213]1604       
1605       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  col   !< vertical column of input data
[2007]1606
[2213]1607!
1608!--    Initialize lad_s array
1609       lad_s = 0.0_wp
1610       
1611!
1612!--    Open and read plant canopy input data
[2977]1613       OPEN(152, FILE='PLANT_CANOPY_DATA_3D' // TRIM( coupling_char ),         &
1614                 ACCESS='SEQUENTIAL', ACTION='READ', STATUS='OLD',             &
1615                 FORM='FORMATTED', ERR=515)
1616       READ(152, *, ERR=516, END=517)  nzp   !< read first line = number of vertical layers
[3337]1617       nzpltop = MIN(nzt+1, nzb+nzp-1)
1618       nzpl = nzpltop - nzb + 1    !< no. of layers to assign
[2977]1619       ALLOCATE( col(0:nzp-1) )
[2007]1620
[2213]1621       DO
[2977]1622          READ(152, *, ERR=516, END=517) dtype, i, j, pctype, col(:)
1623          IF ( i < nxlg  .OR.  i > nxrg  .OR.  j < nysg  .OR.  j > nyng )  CYCLE
1624         
1625          SELECT CASE (dtype)
1626             CASE( 1 )   !< leaf area density
[2213]1627!
[2977]1628!--             This is just the pure canopy layer assumed to be grounded to
1629!--             a flat domain surface. At locations where plant canopy sits
1630!--             on top of any kind of topography, the vertical plant column
1631!--             must be "lifted", which is done in SUBROUTINE pcm_tendency.           
1632                IF ( pctype < 0  .OR.  pctype > 10 )  THEN   !< incorrect plant canopy type
1633                   WRITE( message_string, * ) 'Incorrect type of plant canopy. '   //  &
1634                                              'Allowed values 0 <= pctype <= 10, ' //  &
1635                                              'but pctype is ', pctype
1636                   CALL message( 'pcm_read_plant_canopy_3d', 'PA0349', 1, 2, 0, 6, 0 )
1637                ENDIF
[4168]1638                kk = topo_top_ind(j,i,0)
[3337]1639                lad_s(nzb:nzpltop-kk, j, i) = col(kk:nzpl-1)*lad_type_coef(pctype)
[2977]1640             CASE DEFAULT
1641                WRITE(message_string, '(a,i2,a)')   &
1642                     'Unknown record type in file PLANT_CANOPY_DATA_3D: "', dtype, '"'
1643                CALL message( 'pcm_read_plant_canopy_3d', 'PA0530', 1, 2, 0, 6, 0 )
1644          END SELECT
[2213]1645       ENDDO
[2007]1646
[2213]1647515    message_string = 'error opening file PLANT_CANOPY_DATA_3D'
1648       CALL message( 'pcm_read_plant_canopy_3d', 'PA0531', 1, 2, 0, 6, 0 )
[2007]1649
[2213]1650516    message_string = 'error reading file PLANT_CANOPY_DATA_3D'
1651       CALL message( 'pcm_read_plant_canopy_3d', 'PA0532', 1, 2, 0, 6, 0 )
1652
1653517    CLOSE(152)
[2977]1654       DEALLOCATE( col )
[2213]1655       
1656       CALL exchange_horiz( lad_s, nbgp )
[2007]1657       
1658    END SUBROUTINE pcm_read_plant_canopy_3d
[4360]1659
[2007]1660!------------------------------------------------------------------------------!
1661! Description:
1662! ------------
[4514]1663!> Read module-specific global restart data (Fortran binary format).
1664!------------------------------------------------------------------------------!
1665    SUBROUTINE pcm_rrd_global_ftn( found )
1666
1667       LOGICAL, INTENT(OUT)  ::  found
1668
1669       found = .TRUE.
1670
1671       SELECT CASE ( restart_string(1:length) )
1672
1673          CASE ( 'pch_index' )
1674             READ ( 13 )  pch_index
1675
1676          CASE DEFAULT
1677
1678             found = .FALSE.
1679
1680       END SELECT
1681
1682    END SUBROUTINE pcm_rrd_global_ftn
1683
1684!------------------------------------------------------------------------------!
1685! Description:
1686! ------------
1687!> Read module-specific global restart data (MPI-IO).
1688!------------------------------------------------------------------------------!
1689    SUBROUTINE pcm_rrd_global_mpi
1690
1691       CALL rrd_mpi_io( 'pch_index', pch_index )
1692
1693    END SUBROUTINE pcm_rrd_global_mpi
1694
[4517]1695
[4514]1696!------------------------------------------------------------------------------!
1697! Description:
1698! ------------
[4517]1699!> Read module-specific local restart data arrays (Fortran binary format).
[4360]1700!------------------------------------------------------------------------------!
[4517]1701    SUBROUTINE pcm_rrd_local_ftn( k, nxlf, nxlc, nxl_on_file, nxrf, nxrc,          &
1702                                  nxr_on_file, nynf, nync, nyn_on_file, nysf,      &
1703                                  nysc, nys_on_file, found )
[4360]1704
1705       INTEGER(iwp) ::  k               !<
1706       INTEGER(iwp) ::  nxlc            !<
1707       INTEGER(iwp) ::  nxlf            !<
1708       INTEGER(iwp) ::  nxl_on_file     !<
1709       INTEGER(iwp) ::  nxrc            !<
1710       INTEGER(iwp) ::  nxrf            !<
1711       INTEGER(iwp) ::  nxr_on_file     !<
1712       INTEGER(iwp) ::  nync            !<
1713       INTEGER(iwp) ::  nynf            !<
1714       INTEGER(iwp) ::  nyn_on_file     !<
1715       INTEGER(iwp) ::  nysc            !<
1716       INTEGER(iwp) ::  nysf            !<
1717       INTEGER(iwp) ::  nys_on_file     !<
1718
1719       LOGICAL, INTENT(OUT)  :: found
1720
1721       REAL(wp), DIMENSION(0:pch_index,                                        &
1722                           nys_on_file-nbgp:nyn_on_file+nbgp,                  &
1723                           nxl_on_file-nbgp:nxr_on_file+nbgp) :: tmp_3d2  !< temporary 3D array for entire vertical
1724                                                                          !< extension of canopy layer
1725       found = .TRUE.
1726
1727       SELECT CASE ( restart_string(1:length) )
1728
1729          CASE ( 'pcm_heatrate_av' )
1730             IF ( .NOT. ALLOCATED( pcm_heatrate_av ) )  THEN
1731                ALLOCATE( pcm_heatrate_av(0:pch_index,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
1732                pcm_heatrate_av = 0.0_wp
1733             ENDIF 
1734             IF ( k == 1 )  READ ( 13 )  tmp_3d2
1735             pcm_heatrate_av(0:pch_index,nysc-nbgp:nync+nbgp,nxlc-nbgp:nxrc+nbgp) = &
1736                        tmp_3d2(0:pch_index,nysf-nbgp:nynf+nbgp,nxlf-nbgp:nxrf+nbgp)
1737
1738          CASE ( 'pcm_latentrate_av' )
1739             IF ( .NOT. ALLOCATED( pcm_latentrate_av ) )  THEN
1740                ALLOCATE( pcm_latentrate_av(0:pch_index,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
1741                pcm_latentrate_av = 0.0_wp
1742             ENDIF 
1743             IF ( k == 1 )  READ ( 13 )  tmp_3d2
1744             pcm_latentrate_av(0:pch_index,nysc-nbgp:nync+nbgp,nxlc-nbgp:nxrc+nbgp) = &
1745                        tmp_3d2(0:pch_index,nysf-nbgp:nynf+nbgp,nxlf-nbgp:nxrf+nbgp)
1746
1747          CASE ( 'pcm_transpirationrate_av' )
1748             IF ( .NOT. ALLOCATED( pcm_transpirationrate_av ) )  THEN
1749                ALLOCATE( pcm_transpirationrate_av(0:pch_index,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
1750                pcm_transpirationrate_av = 0.0_wp
1751             ENDIF 
1752             IF ( k == 1 )  READ ( 13 )  tmp_3d2
1753             pcm_transpirationrate_av(0:pch_index,nysc-nbgp:nync+nbgp,nxlc-nbgp:nxrc+nbgp) = &
1754                        tmp_3d2(0:pch_index,nysf-nbgp:nynf+nbgp,nxlf-nbgp:nxrf+nbgp)
1755
1756          CASE DEFAULT
1757
1758             found = .FALSE.
1759
1760       END SELECT
1761
[4517]1762    END SUBROUTINE pcm_rrd_local_ftn
[4360]1763
[4517]1764
[4360]1765!------------------------------------------------------------------------------!
1766! Description:
1767! ------------
[4517]1768!> Read module-specific local restart data arrays (MPI-IO).
1769!------------------------------------------------------------------------------!
1770    SUBROUTINE pcm_rrd_local_mpi
1771
1772       IMPLICIT NONE
1773
1774       LOGICAL ::  array_found  !<
1775
[4525]1776       REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  tmp_3d  !< temporary array to store pcm data with
1777                                                           !< non-standard vertical index bounds
[4517]1778
[4525]1779!
1780!--    Plant canopy arrays have non standard reduced vertical index bounds. They are stored with
1781!--    full vertical bounds (bzb:nzt+1) in the restart file and must be re-stored after reading.
[4517]1782       CALL rd_mpi_io_check_array( 'pcm_heatrate_av' , found = array_found )
1783       IF ( array_found )  THEN
[4525]1784          IF ( .NOT. ALLOCATED( pcm_heatrate_av ) )  THEN
1785             ALLOCATE( pcm_heatrate_av(nzb:pch_index,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
1786          ENDIF
1787          ALLOCATE( tmp_3d(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
1788          CALL rrd_mpi_io( 'pcm_heatrate_av', tmp_3d )
1789          pcm_heatrate_av = tmp_3d(nzb:pch_index,:,:)
1790          DEALLOCATE( tmp_3d )
[4517]1791       ENDIF
1792
1793       CALL rd_mpi_io_check_array( 'pcm_latentrate_av' , found = array_found )
1794       IF ( array_found )  THEN
[4525]1795          IF ( .NOT. ALLOCATED( pcm_latentrate_av ) )  THEN
1796             ALLOCATE( pcm_latentrate_av(nzb:pch_index,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
1797          ENDIF
1798          ALLOCATE( tmp_3d(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
1799          CALL rrd_mpi_io( 'pcm_latentrate_av', tmp_3d )
1800          pcm_latentrate_av = tmp_3d(nzb:pch_index,:,:)
1801          DEALLOCATE( tmp_3d )
[4517]1802       ENDIF
1803
1804       CALL rd_mpi_io_check_array( 'pcm_transpirationrate_av' , found = array_found )
1805       IF ( array_found )  THEN
[4525]1806          IF ( .NOT. ALLOCATED( pcm_transpirationrate_av ) )  THEN
1807             ALLOCATE( pcm_transpirationrate_av(nzb:pch_index,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
1808          ENDIF
1809          ALLOCATE( tmp_3d(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
1810          CALL rrd_mpi_io( 'pcm_transpirationrate_av', tmp_3d )
1811          pcm_transpirationrate_av = tmp_3d(nzb:pch_index,:,:)
1812          DEALLOCATE( tmp_3d )
[4517]1813       ENDIF
1814
1815    END SUBROUTINE pcm_rrd_local_mpi
1816
1817
1818!------------------------------------------------------------------------------!
1819! Description:
1820! ------------
[1682]1821!> Calculation of the tendency terms, accounting for the effect of the plant
1822!> canopy on momentum and scalar quantities.
1823!>
1824!> The canopy is located where the leaf area density lad_s(k,j,i) > 0.0
[1826]1825!> (defined on scalar grid), as initialized in subroutine pcm_init.
[1682]1826!> The lad on the w-grid is vertically interpolated from the surrounding
1827!> lad_s. The upper boundary of the canopy is defined on the w-grid at
1828!> k = pch_index. Here, the lad is zero.
1829!>
1830!> The canopy drag must be limited (previously accounted for by calculation of
1831!> a limiting canopy timestep for the determination of the maximum LES timestep
1832!> in subroutine timestep), since it is physically impossible that the canopy
1833!> drag alone can locally change the sign of a velocity component. This
1834!> limitation is realized by calculating preliminary tendencies and velocities.
1835!> It is subsequently checked if the preliminary new velocity has a different
1836!> sign than the current velocity. If so, the tendency is limited in a way that
1837!> the velocity can at maximum be reduced to zero by the canopy drag.
1838!>
1839!>
1840!> Call for all grid points
[1484]1841!------------------------------------------------------------------------------!
[1826]1842    SUBROUTINE pcm_tendency( component )
[138]1843
[1682]1844       INTEGER(iwp) ::  component !< prognostic variable (u,v,w,pt,q,e)
1845       INTEGER(iwp) ::  i         !< running index
1846       INTEGER(iwp) ::  j         !< running index
1847       INTEGER(iwp) ::  k         !< running index
[1721]1848       INTEGER(iwp) ::  kk        !< running index for flat lad arrays
[1484]1849
[4335]1850       LOGICAL ::  building_edge_e !< control flag indicating an eastward-facing building edge
1851       LOGICAL ::  building_edge_n !< control flag indicating a north-facing building edge
1852       LOGICAL ::  building_edge_s !< control flag indicating a south-facing building edge
1853       LOGICAL ::  building_edge_w !< control flag indicating a westward-facing building edge
1854
[1682]1855       REAL(wp) ::  ddt_3d    !< inverse of the LES timestep (dt_3d)
1856       REAL(wp) ::  lad_local !< local lad value
1857       REAL(wp) ::  pre_tend  !< preliminary tendency
1858       REAL(wp) ::  pre_u     !< preliminary u-value
1859       REAL(wp) ::  pre_v     !< preliminary v-value
1860       REAL(wp) ::  pre_w     !< preliminary w-value
[1484]1861
1862
1863       ddt_3d = 1.0_wp / dt_3d
[138]1864 
1865!
[1484]1866!--    Compute drag for the three velocity components and the SGS-TKE:
[138]1867       SELECT CASE ( component )
1868
1869!
1870!--       u-component
1871          CASE ( 1 )
1872             DO  i = nxlu, nxr
1873                DO  j = nys, nyn
[2232]1874!
[4335]1875!--                Set control flags indicating east- and westward-orientated
1876!--                building edges. Note, building_egde_w is set from the perspective
1877!--                of the potential rooftop grid point, while building_edge_e is
1878!--                is set from the perspective of the non-building grid point.
[4346]1879                   building_edge_w = ANY( BTEST( wall_flags_total_0(:,j,i),   6 ) )&
1880                        .AND.  .NOT. ANY( BTEST( wall_flags_total_0(:,j,i-1), 6 ) )
1881                   building_edge_e = ANY( BTEST( wall_flags_total_0(:,j,i-1), 6 ) )&
1882                        .AND.  .NOT. ANY( BTEST( wall_flags_total_0(:,j,i),   6 ) )
[4335]1883!
[2232]1884!--                Determine topography-top index on u-grid
[4341]1885                   DO  k = topo_top_ind(j,i,1)+1, topo_top_ind(j,i,1) + pch_index_ji(j,i)
[1484]1886
[4341]1887                      kk = k - topo_top_ind(j,i,1)   !- lad arrays are defined flat
[1484]1888!
1889!--                   In order to create sharp boundaries of the plant canopy,
[4335]1890!--                   the lad on the u-grid at index (k,j,i) is equal to lad_s(k,j,i),
1891!--                   rather than being interpolated from the surrounding lad_s,
1892!--                   because this would yield smaller lad at the canopy boundaries
1893!--                   than inside of the canopy.
[1484]1894!--                   For the same reason, the lad at the rightmost(i+1)canopy
[4335]1895!--                   boundary on the u-grid equals lad_s(k,j,i), which is considered
1896!--                   in the next if-statement. Note, at left-sided building edges
1897!--                   this is not applied, here the LAD is equals the LAD at grid
1898!--                   point (k,j,i), in order to avoid that LAD is mistakenly mapped
1899!--                   on top of a roof where (usually) is no LAD is defined.
[1721]1900                      lad_local = lad_s(kk,j,i)
[4335]1901                      IF ( lad_local == 0.0_wp .AND. lad_s(kk,j,i-1) > 0.0_wp  &
1902                           .AND.  .NOT. building_edge_w )  lad_local = lad_s(kk,j,i-1)
1903!
1904!--                   In order to avoid that LAD is mistakenly considered at right-
1905!--                   sided building edges (here the topography-top index for the
1906!--                   u-component at index j,i is still on the building while the
1907!--                   topography top for the scalar isn't), LAD is taken from grid
1908!--                   point (j,i-1).
1909                      IF ( lad_local > 0.0_wp .AND. lad_s(kk,j,i-1) == 0.0_wp  &
1910                           .AND.  building_edge_e )  lad_local = lad_s(kk,j,i-1)
[1484]1911
1912                      pre_tend = 0.0_wp
1913                      pre_u = 0.0_wp
1914!
1915!--                   Calculate preliminary value (pre_tend) of the tendency
[4342]1916                      pre_tend = - canopy_drag_coeff *                         &
[1484]1917                                   lad_local *                                 &
1918                                   SQRT( u(k,j,i)**2 +                         &
1919                                         ( 0.25_wp * ( v(k,j,i-1) +            &
1920                                                       v(k,j,i)   +            &
1921                                                       v(k,j+1,i) +            &
1922                                                       v(k,j+1,i-1) )          &
1923                                         )**2 +                                &
1924                                         ( 0.25_wp * ( w(k-1,j,i-1) +          &
1925                                                       w(k-1,j,i)   +          &
1926                                                       w(k,j,i-1)   +          &
1927                                                       w(k,j,i) )              &
1928                                         )**2                                  &
1929                                       ) *                                     &
1930                                   u(k,j,i)
1931
1932!
1933!--                   Calculate preliminary new velocity, based on pre_tend
1934                      pre_u = u(k,j,i) + dt_3d * pre_tend
1935!
1936!--                   Compare sign of old velocity and new preliminary velocity,
1937!--                   and in case the signs are different, limit the tendency
1938                      IF ( SIGN(pre_u,u(k,j,i)) /= pre_u )  THEN
1939                         pre_tend = - u(k,j,i) * ddt_3d
1940                      ENDIF
1941!
1942!--                   Calculate final tendency
1943                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + pre_tend
1944
[138]1945                   ENDDO
1946                ENDDO
1947             ENDDO
1948
1949!
1950!--       v-component
1951          CASE ( 2 )
1952             DO  i = nxl, nxr
1953                DO  j = nysv, nyn
[2232]1954!
[4335]1955!--                Set control flags indicating north- and southward-orientated
1956!--                building edges. Note, building_egde_s is set from the perspective
1957!--                of the potential rooftop grid point, while building_edge_n is
1958!--                is set from the perspective of the non-building grid point.
[4346]1959                   building_edge_s = ANY( BTEST( wall_flags_total_0(:,j,i),   6 ) )&
1960                        .AND.  .NOT. ANY( BTEST( wall_flags_total_0(:,j-1,i), 6 ) )
1961                   building_edge_n = ANY( BTEST( wall_flags_total_0(:,j-1,i), 6 ) )&
1962                        .AND.  .NOT. ANY( BTEST( wall_flags_total_0(:,j,i),   6 ) )
[4335]1963!
[2232]1964!--                Determine topography-top index on v-grid
[4341]1965                   DO  k = topo_top_ind(j,i,2)+1, topo_top_ind(j,i,2) + pch_index_ji(j,i)
[2317]1966
[4341]1967                      kk = k - topo_top_ind(j,i,2)   !- lad arrays are defined flat
[1484]1968!
1969!--                   In order to create sharp boundaries of the plant canopy,
[4335]1970!--                   the lad on the v-grid at index (k,j,i) is equal to lad_s(k,j,i),
1971!--                   rather than being interpolated from the surrounding lad_s,
1972!--                   because this would yield smaller lad at the canopy boundaries
1973!--                   than inside of the canopy.
1974!--                   For the same reason, the lad at the northmost(j+1)canopy
1975!--                   boundary on the v-grid equals lad_s(k,j,i), which is considered
1976!--                   in the next if-statement. Note, at left-sided building edges
1977!--                   this is not applied, here the LAD is equals the LAD at grid
1978!--                   point (k,j,i), in order to avoid that LAD is mistakenly mapped
1979!--                   on top of a roof where (usually) is no LAD is defined.
[1721]1980                      lad_local = lad_s(kk,j,i)
[4335]1981                      IF ( lad_local == 0.0_wp .AND. lad_s(kk,j-1,i) > 0.0_wp &
1982                       .AND.  .NOT. building_edge_s )  lad_local = lad_s(kk,j-1,i)
1983!
1984!--                   In order to avoid that LAD is mistakenly considered at right-
1985!--                   sided building edges (here the topography-top index for the
1986!--                   u-component at index j,i is still on the building while the
1987!--                   topography top for the scalar isn't), LAD is taken from grid
1988!--                   point (j,i-1).
1989                      IF ( lad_local > 0.0_wp .AND. lad_s(kk,j-1,i) == 0.0_wp  &
1990                       .AND.  building_edge_n )  lad_local = lad_s(kk,j-1,i)
[1484]1991
1992                      pre_tend = 0.0_wp
1993                      pre_v = 0.0_wp
1994!
1995!--                   Calculate preliminary value (pre_tend) of the tendency
[4342]1996                      pre_tend = - canopy_drag_coeff *                         &
[1484]1997                                   lad_local *                                 &
1998                                   SQRT( ( 0.25_wp * ( u(k,j-1,i)   +          &
1999                                                       u(k,j-1,i+1) +          &
2000                                                       u(k,j,i)     +          &
2001                                                       u(k,j,i+1) )            &
2002                                         )**2 +                                &
2003                                         v(k,j,i)**2 +                         &
2004                                         ( 0.25_wp * ( w(k-1,j-1,i) +          &
2005                                                       w(k-1,j,i)   +          &
2006                                                       w(k,j-1,i)   +          &
2007                                                       w(k,j,i) )              &
2008                                         )**2                                  &
2009                                       ) *                                     &
2010                                   v(k,j,i)
2011
2012!
2013!--                   Calculate preliminary new velocity, based on pre_tend
2014                      pre_v = v(k,j,i) + dt_3d * pre_tend
2015!
2016!--                   Compare sign of old velocity and new preliminary velocity,
2017!--                   and in case the signs are different, limit the tendency
2018                      IF ( SIGN(pre_v,v(k,j,i)) /= pre_v )  THEN
2019                         pre_tend = - v(k,j,i) * ddt_3d
2020                      ELSE
2021                         pre_tend = pre_tend
2022                      ENDIF
2023!
2024!--                   Calculate final tendency
2025                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + pre_tend
2026
[138]2027                   ENDDO
2028                ENDDO
2029             ENDDO
2030
2031!
2032!--       w-component
2033          CASE ( 3 )
2034             DO  i = nxl, nxr
2035                DO  j = nys, nyn
[2232]2036!
2037!--                Determine topography-top index on w-grid
[4341]2038                   DO  k = topo_top_ind(j,i,3)+1, topo_top_ind(j,i,3) + pch_index_ji(j,i) - 1
[2317]2039
[4341]2040                      kk = k - topo_top_ind(j,i,3)   !- lad arrays are defined flat
[1484]2041
2042                      pre_tend = 0.0_wp
2043                      pre_w = 0.0_wp
2044!
2045!--                   Calculate preliminary value (pre_tend) of the tendency
[4342]2046                      pre_tend = - canopy_drag_coeff *                         &
[1484]2047                                   (0.5_wp *                                   &
[1721]2048                                      ( lad_s(kk+1,j,i) + lad_s(kk,j,i) )) *   &
[1484]2049                                   SQRT( ( 0.25_wp * ( u(k,j,i)   +            &
2050                                                       u(k,j,i+1) +            &
2051                                                       u(k+1,j,i) +            &
2052                                                       u(k+1,j,i+1) )          &
2053                                         )**2 +                                &
2054                                         ( 0.25_wp * ( v(k,j,i)   +            &
2055                                                       v(k,j+1,i) +            &
2056                                                       v(k+1,j,i) +            &
2057                                                       v(k+1,j+1,i) )          &
2058                                         )**2 +                                &
2059                                         w(k,j,i)**2                           &
2060                                       ) *                                     &
2061                                   w(k,j,i)
2062!
2063!--                   Calculate preliminary new velocity, based on pre_tend
2064                      pre_w = w(k,j,i) + dt_3d * pre_tend
2065!
2066!--                   Compare sign of old velocity and new preliminary velocity,
2067!--                   and in case the signs are different, limit the tendency
2068                      IF ( SIGN(pre_w,w(k,j,i)) /= pre_w )  THEN
2069                         pre_tend = - w(k,j,i) * ddt_3d
2070                      ELSE
2071                         pre_tend = pre_tend
2072                      ENDIF
2073!
2074!--                   Calculate final tendency
2075                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + pre_tend
2076
[138]2077                   ENDDO
2078                ENDDO
2079             ENDDO
2080
2081!
[153]2082!--       potential temperature
[138]2083          CASE ( 4 )
[3449]2084             IF ( humidity ) THEN
2085                DO  i = nxl, nxr
2086                   DO  j = nys, nyn
2087!--                   Determine topography-top index on scalar-grid
[4341]2088                      DO  k = topo_top_ind(j,i,0)+1, topo_top_ind(j,i,0) + pch_index_ji(j,i)
2089                         kk = k - topo_top_ind(j,i,0)   !- lad arrays are defined flat
2090                         tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + pcm_heating_rate(kk,j,i) - pcm_latent_rate(kk,j,i)
[3449]2091                      ENDDO
[153]2092                   ENDDO
2093                ENDDO
[3449]2094             ELSE
2095                DO  i = nxl, nxr
2096                   DO  j = nys, nyn
2097!--                   Determine topography-top index on scalar-grid
[4341]2098                      DO  k = topo_top_ind(j,i,0)+1, topo_top_ind(j,i,0) + pch_index_ji(j,i)
2099                         kk = k - topo_top_ind(j,i,0)   !- lad arrays are defined flat
2100                         tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + pcm_heating_rate(kk,j,i)
[3449]2101                      ENDDO
2102                   ENDDO
2103                ENDDO
2104             ENDIF
[153]2105
2106!
[1960]2107!--       humidity
[153]2108          CASE ( 5 )
2109             DO  i = nxl, nxr
2110                DO  j = nys, nyn
[2232]2111!
2112!--                Determine topography-top index on scalar-grid
[4341]2113                   DO  k = topo_top_ind(j,i,0)+1, topo_top_ind(j,i,0) + pch_index_ji(j,i)
[2317]2114
[4341]2115                      kk = k - topo_top_ind(j,i,0)   !- lad arrays are defined flat
[2232]2116
[3449]2117                      IF ( .NOT. plant_canopy_transpiration ) THEN
[4341]2118                         ! pcm_transpiration_rate is calculated in radiation model
[3449]2119                         ! in case of plant_canopy_transpiration = .T.
2120                         ! to include also the dependecy to the radiation
2121                         ! in the plant canopy box
[4342]2122                         pcm_transpiration_rate(kk,j,i) =  - leaf_scalar_exch_coeff &
2123                                          * lad_s(kk,j,i) *                         &
2124                                          SQRT( ( 0.5_wp * ( u(k,j,i) +             &
2125                                                             u(k,j,i+1) )           &
2126                                                )**2 +                              &
2127                                                ( 0.5_wp * ( v(k,j,i) +             &
2128                                                             v(k,j+1,i) )           &
2129                                                )**2 +                              &
2130                                                ( 0.5_wp * ( w(k-1,j,i) +           &
2131                                                             w(k,j,i) )             &
2132                                                )**2                                &
2133                                              ) *                                   &
2134                                          ( q(k,j,i) - leaf_surface_conc )
[3449]2135                      ENDIF
2136
[4341]2137                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + pcm_transpiration_rate(kk,j,i)
[153]2138                   ENDDO
2139                ENDDO
2140             ENDDO
2141
2142!
2143!--       sgs-tke
2144          CASE ( 6 )
2145             DO  i = nxl, nxr
2146                DO  j = nys, nyn
[2232]2147!
2148!--                Determine topography-top index on scalar-grid
[4341]2149                   DO  k = topo_top_ind(j,i,0)+1, topo_top_ind(j,i,0) + pch_index_ji(j,i)
[2317]2150
[4341]2151                      kk = k - topo_top_ind(j,i,0)   !- lad arrays are defined flat
[1484]2152                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) -                              &
[4342]2153                                       2.0_wp * canopy_drag_coeff *            &
[1721]2154                                       lad_s(kk,j,i) *                         &
[1484]2155                                       SQRT( ( 0.5_wp * ( u(k,j,i) +           &
2156                                                          u(k,j,i+1) )         &
2157                                             )**2 +                            &
2158                                             ( 0.5_wp * ( v(k,j,i) +           &
2159                                                          v(k,j+1,i) )         &
2160                                             )**2 +                            &
2161                                             ( 0.5_wp * ( w(k,j,i) +           &
2162                                                          w(k+1,j,i) )         &
2163                                             )**2                              &
2164                                           ) *                                 &
2165                                       e(k,j,i)
[138]2166                   ENDDO
2167                ENDDO
2168             ENDDO 
[1960]2169!
2170!--       scalar concentration
2171          CASE ( 7 )
2172             DO  i = nxl, nxr
2173                DO  j = nys, nyn
[2232]2174!
2175!--                Determine topography-top index on scalar-grid
[4341]2176                   DO  k = topo_top_ind(j,i,0)+1, topo_top_ind(j,i,0) + pch_index_ji(j,i)
[2317]2177
[4341]2178                      kk = k - topo_top_ind(j,i,0)   !- lad arrays are defined flat
[1960]2179                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) -                              &
[4342]2180                                       leaf_scalar_exch_coeff *                &
[1960]2181                                       lad_s(kk,j,i) *                         &
2182                                       SQRT( ( 0.5_wp * ( u(k,j,i) +           &
2183                                                          u(k,j,i+1) )         &
2184                                             )**2 +                            &
2185                                             ( 0.5_wp * ( v(k,j,i) +           &
2186                                                          v(k,j+1,i) )         &
2187                                             )**2 +                            &
2188                                             ( 0.5_wp * ( w(k-1,j,i) +         & 
2189                                                          w(k,j,i) )           &
2190                                             )**2                              &
2191                                           ) *                                 &
[4342]2192                                       ( s(k,j,i) - leaf_surface_conc )
[1960]2193                   ENDDO
2194                ENDDO
2195             ENDDO   
[1484]2196
2197
[1960]2198
[138]2199          CASE DEFAULT
2200
[257]2201             WRITE( message_string, * ) 'wrong component: ', component
[1826]2202             CALL message( 'pcm_tendency', 'PA0279', 1, 2, 0, 6, 0 ) 
[138]2203
2204       END SELECT
2205
[1826]2206    END SUBROUTINE pcm_tendency
[138]2207
2208
2209!------------------------------------------------------------------------------!
[1484]2210! Description:
2211! ------------
[1682]2212!> Calculation of the tendency terms, accounting for the effect of the plant
2213!> canopy on momentum and scalar quantities.
2214!>
2215!> The canopy is located where the leaf area density lad_s(k,j,i) > 0.0
[1826]2216!> (defined on scalar grid), as initialized in subroutine pcm_init.
[1682]2217!> The lad on the w-grid is vertically interpolated from the surrounding
2218!> lad_s. The upper boundary of the canopy is defined on the w-grid at
2219!> k = pch_index. Here, the lad is zero.
2220!>
2221!> The canopy drag must be limited (previously accounted for by calculation of
2222!> a limiting canopy timestep for the determination of the maximum LES timestep
2223!> in subroutine timestep), since it is physically impossible that the canopy
2224!> drag alone can locally change the sign of a velocity component. This
2225!> limitation is realized by calculating preliminary tendencies and velocities.
2226!> It is subsequently checked if the preliminary new velocity has a different
2227!> sign than the current velocity. If so, the tendency is limited in a way that
2228!> the velocity can at maximum be reduced to zero by the canopy drag.
2229!>
2230!>
2231!> Call for grid point i,j
[138]2232!------------------------------------------------------------------------------!
[1826]2233    SUBROUTINE pcm_tendency_ij( i, j, component )
[138]2234
[1682]2235       INTEGER(iwp) ::  component !< prognostic variable (u,v,w,pt,q,e)
2236       INTEGER(iwp) ::  i         !< running index
2237       INTEGER(iwp) ::  j         !< running index
2238       INTEGER(iwp) ::  k         !< running index
[1721]2239       INTEGER(iwp) ::  kk        !< running index for flat lad arrays
[138]2240
[4314]2241       LOGICAL ::  building_edge_e !< control flag indicating an eastward-facing building edge
2242       LOGICAL ::  building_edge_n !< control flag indicating a north-facing building edge
2243       LOGICAL ::  building_edge_s !< control flag indicating a south-facing building edge
2244       LOGICAL ::  building_edge_w !< control flag indicating a westward-facing building edge
2245
[1682]2246       REAL(wp) ::  ddt_3d    !< inverse of the LES timestep (dt_3d)
2247       REAL(wp) ::  lad_local !< local lad value
2248       REAL(wp) ::  pre_tend  !< preliminary tendency
2249       REAL(wp) ::  pre_u     !< preliminary u-value
2250       REAL(wp) ::  pre_v     !< preliminary v-value
2251       REAL(wp) ::  pre_w     !< preliminary w-value
[1484]2252
2253
2254       ddt_3d = 1.0_wp / dt_3d
[138]2255!
[1484]2256!--    Compute drag for the three velocity components and the SGS-TKE
[142]2257       SELECT CASE ( component )
[138]2258
2259!
[142]2260!--       u-component
[1484]2261          CASE ( 1 )
[2232]2262!
[4314]2263!--          Set control flags indicating east- and westward-orientated
2264!--          building edges. Note, building_egde_w is set from the perspective
2265!--          of the potential rooftop grid point, while building_edge_e is
2266!--          is set from the perspective of the non-building grid point.
[4346]2267             building_edge_w = ANY( BTEST( wall_flags_total_0(:,j,i),   6 ) )  .AND. &
2268                         .NOT. ANY( BTEST( wall_flags_total_0(:,j,i-1), 6 ) )
2269             building_edge_e = ANY( BTEST( wall_flags_total_0(:,j,i-1), 6 ) )  .AND. &
2270                         .NOT. ANY( BTEST( wall_flags_total_0(:,j,i),   6 ) )
[4314]2271!
[2232]2272!--          Determine topography-top index on u-grid
[4341]2273             DO  k = topo_top_ind(j,i,1) + 1, topo_top_ind(j,i,1) + pch_index_ji(j,i)
[2317]2274
[4341]2275                kk = k - topo_top_ind(j,i,1)  !- lad arrays are defined flat
[138]2276
2277!
[1484]2278!--             In order to create sharp boundaries of the plant canopy,
2279!--             the lad on the u-grid at index (k,j,i) is equal to lad_s(k,j,i),
2280!--             rather than being interpolated from the surrounding lad_s,
2281!--             because this would yield smaller lad at the canopy boundaries
2282!--             than inside of the canopy.
2283!--             For the same reason, the lad at the rightmost(i+1)canopy
[4314]2284!--             boundary on the u-grid equals lad_s(k,j,i), which is considered
2285!--             in the next if-statement. Note, at left-sided building edges
2286!--             this is not applied, here the LAD is equals the LAD at grid
2287!--             point (k,j,i), in order to avoid that LAD is mistakenly mapped
2288!--             on top of a roof where (usually) is no LAD is defined.
[1721]2289                lad_local = lad_s(kk,j,i)
[4314]2290                IF ( lad_local == 0.0_wp .AND. lad_s(kk,j,i-1) > 0.0_wp  .AND. &
2291                     .NOT. building_edge_w )  lad_local = lad_s(kk,j,i-1)
2292!
2293!--             In order to avoid that LAD is mistakenly considered at right-
2294!--             sided building edges (here the topography-top index for the
2295!--             u-component at index j,i is still on the building while the
2296!--             topography top for the scalar isn't), LAD is taken from grid
2297!--             point (j,i-1).
2298                IF ( lad_local > 0.0_wp .AND. lad_s(kk,j,i-1) == 0.0_wp  .AND. &
2299                     building_edge_e )  lad_local = lad_s(kk,j,i-1)
[1484]2300
2301                pre_tend = 0.0_wp
2302                pre_u = 0.0_wp
2303!
2304!--             Calculate preliminary value (pre_tend) of the tendency
[4342]2305                pre_tend = - canopy_drag_coeff *                               &
[1484]2306                             lad_local *                                       &   
2307                             SQRT( u(k,j,i)**2 +                               &
2308                                   ( 0.25_wp * ( v(k,j,i-1)  +                 &
2309                                                 v(k,j,i)    +                 &
2310                                                 v(k,j+1,i)  +                 &
2311                                                 v(k,j+1,i-1) )                &
2312                                   )**2 +                                      &
2313                                   ( 0.25_wp * ( w(k-1,j,i-1) +                &
2314                                                 w(k-1,j,i)   +                &
2315                                                 w(k,j,i-1)   +                &
2316                                                 w(k,j,i) )                    &
2317                                   )**2                                        &
2318                                 ) *                                           &
2319                             u(k,j,i)
2320
2321!
2322!--             Calculate preliminary new velocity, based on pre_tend
2323                pre_u = u(k,j,i) + dt_3d * pre_tend
2324!
2325!--             Compare sign of old velocity and new preliminary velocity,
2326!--             and in case the signs are different, limit the tendency
2327                IF ( SIGN(pre_u,u(k,j,i)) /= pre_u )  THEN
2328                   pre_tend = - u(k,j,i) * ddt_3d
2329                ELSE
2330                   pre_tend = pre_tend
2331                ENDIF
2332!
2333!--             Calculate final tendency
2334                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + pre_tend
2335             ENDDO
2336
2337
2338!
[142]2339!--       v-component
[1484]2340          CASE ( 2 )
[2232]2341!
[4314]2342!--          Set control flags indicating north- and southward-orientated
2343!--          building edges. Note, building_egde_s is set from the perspective
2344!--          of the potential rooftop grid point, while building_edge_n is
2345!--          is set from the perspective of the non-building grid point.
[4346]2346             building_edge_s = ANY( BTEST( wall_flags_total_0(:,j,i),   6 ) )  .AND. &
2347                         .NOT. ANY( BTEST( wall_flags_total_0(:,j-1,i), 6 ) )
2348             building_edge_n = ANY( BTEST( wall_flags_total_0(:,j-1,i), 6 ) )  .AND. &
2349                         .NOT. ANY( BTEST( wall_flags_total_0(:,j,i),   6 ) )
[4314]2350!
[2232]2351!--          Determine topography-top index on v-grid
[4341]2352             DO  k = topo_top_ind(j,i,2) + 1, topo_top_ind(j,i,2) + pch_index_ji(j,i)
[138]2353
[4341]2354                kk = k - topo_top_ind(j,i,2)  !- lad arrays are defined flat
[138]2355!
[1484]2356!--             In order to create sharp boundaries of the plant canopy,
2357!--             the lad on the v-grid at index (k,j,i) is equal to lad_s(k,j,i),
2358!--             rather than being interpolated from the surrounding lad_s,
2359!--             because this would yield smaller lad at the canopy boundaries
2360!--             than inside of the canopy.
2361!--             For the same reason, the lad at the northmost(j+1)canopy
[4314]2362!--             boundary on the v-grid equals lad_s(k,j,i), which is considered
2363!--             in the next if-statement. Note, at left-sided building edges
2364!--             this is not applied, here the LAD is equals the LAD at grid
2365!--             point (k,j,i), in order to avoid that LAD is mistakenly mapped
2366!--             on top of a roof where (usually) is no LAD is defined.
[1721]2367                lad_local = lad_s(kk,j,i)
[4314]2368                IF ( lad_local == 0.0_wp .AND. lad_s(kk,j-1,i) > 0.0_wp  .AND. &
2369                     .NOT. building_edge_s )  lad_local = lad_s(kk,j-1,i)
2370!
2371!--             In order to avoid that LAD is mistakenly considered at right-
2372!--             sided building edges (here the topography-top index for the
2373!--             u-component at index j,i is still on the building while the
2374!--             topography top for the scalar isn't), LAD is taken from grid
2375!--             point (j,i-1).
2376                IF ( lad_local > 0.0_wp .AND. lad_s(kk,j-1,i) == 0.0_wp  .AND. &
2377                     building_edge_n )  lad_local = lad_s(kk,j-1,i)
[1484]2378
2379                pre_tend = 0.0_wp
2380                pre_v = 0.0_wp
2381!
2382!--             Calculate preliminary value (pre_tend) of the tendency
[4342]2383                pre_tend = - canopy_drag_coeff *                               &
[1484]2384                             lad_local *                                       &
2385                             SQRT( ( 0.25_wp * ( u(k,j-1,i)   +                &
2386                                                 u(k,j-1,i+1) +                &
2387                                                 u(k,j,i)     +                &
2388                                                 u(k,j,i+1) )                  &
2389                                   )**2 +                                      &
2390                                   v(k,j,i)**2 +                               &
2391                                   ( 0.25_wp * ( w(k-1,j-1,i) +                &
2392                                                 w(k-1,j,i)   +                &
2393                                                 w(k,j-1,i)   +                &
2394                                                 w(k,j,i) )                    &
2395                                   )**2                                        &
2396                                 ) *                                           &
2397                             v(k,j,i)
2398
2399!
2400!--             Calculate preliminary new velocity, based on pre_tend
2401                pre_v = v(k,j,i) + dt_3d * pre_tend
2402!
2403!--             Compare sign of old velocity and new preliminary velocity,
2404!--             and in case the signs are different, limit the tendency
2405                IF ( SIGN(pre_v,v(k,j,i)) /= pre_v )  THEN
2406                   pre_tend = - v(k,j,i) * ddt_3d
2407                ELSE
2408                   pre_tend = pre_tend
2409                ENDIF
2410!
2411!--             Calculate final tendency
2412                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + pre_tend
2413             ENDDO
2414
2415
2416!
[142]2417!--       w-component
[1484]2418          CASE ( 3 )
[2232]2419!
2420!--          Determine topography-top index on w-grid
[4341]2421             DO  k = topo_top_ind(j,i,3) + 1, topo_top_ind(j,i,3) + pch_index_ji(j,i) - 1
[2317]2422
[4341]2423                kk = k - topo_top_ind(j,i,3)  !- lad arrays are defined flat
[138]2424
[1484]2425                pre_tend = 0.0_wp
2426                pre_w = 0.0_wp
[138]2427!
[1484]2428!--             Calculate preliminary value (pre_tend) of the tendency
[4342]2429                pre_tend = - canopy_drag_coeff *                               &
[1484]2430                             (0.5_wp *                                         &
[1721]2431                                ( lad_s(kk+1,j,i) + lad_s(kk,j,i) )) *         &
[1484]2432                             SQRT( ( 0.25_wp * ( u(k,j,i)    +                 & 
2433                                                 u(k,j,i+1)  +                 &
2434                                                 u(k+1,j,i)  +                 &
2435                                                 u(k+1,j,i+1) )                &
2436                                   )**2 +                                      &
2437                                   ( 0.25_wp * ( v(k,j,i)    +                 &
2438                                                 v(k,j+1,i)  +                 &
2439                                                 v(k+1,j,i)  +                 &
2440                                                 v(k+1,j+1,i) )                &
2441                                   )**2 +                                      &
2442                                   w(k,j,i)**2                                 &
2443                                 ) *                                           &
2444                             w(k,j,i)
2445!
2446!--             Calculate preliminary new velocity, based on pre_tend
2447                pre_w = w(k,j,i) + dt_3d * pre_tend
2448!
2449!--             Compare sign of old velocity and new preliminary velocity,
2450!--             and in case the signs are different, limit the tendency
2451                IF ( SIGN(pre_w,w(k,j,i)) /= pre_w )  THEN
2452                   pre_tend = - w(k,j,i) * ddt_3d
2453                ELSE
2454                   pre_tend = pre_tend
2455                ENDIF
2456!
2457!--             Calculate final tendency
2458                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + pre_tend
2459             ENDDO
2460
2461!
[153]2462!--       potential temperature
2463          CASE ( 4 )
[2232]2464!
2465!--          Determine topography-top index on scalar grid
[3449]2466             IF ( humidity ) THEN
[4341]2467                DO  k = topo_top_ind(j,i,0) + 1, topo_top_ind(j,i,0) + pch_index_ji(j,i)
2468                   kk = k - topo_top_ind(j,i,0)  !- lad arrays are defined flat
2469                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + pcm_heating_rate(kk,j,i) -       &
2470                                 pcm_latent_rate(kk,j,i)
[3449]2471                ENDDO
2472             ELSE
[4341]2473                DO  k = topo_top_ind(j,i,0) + 1, topo_top_ind(j,i,0) + pch_index_ji(j,i)
2474                   kk = k - topo_top_ind(j,i,0)  !- lad arrays are defined flat
2475                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + pcm_heating_rate(kk,j,i)
[3449]2476                ENDDO
2477             ENDIF
[153]2478
2479!
[1960]2480!--       humidity
[153]2481          CASE ( 5 )
[2232]2482!
2483!--          Determine topography-top index on scalar grid
[4341]2484             DO  k = topo_top_ind(j,i,0) + 1, topo_top_ind(j,i,0) + pch_index_ji(j,i)
2485                kk = k - topo_top_ind(j,i,0)  !- lad arrays are defined flat
[3449]2486                IF ( .NOT. plant_canopy_transpiration ) THEN
[4341]2487                   ! pcm_transpiration_rate is calculated in radiation model
[3449]2488                   ! in case of plant_canopy_transpiration = .T.
2489                   ! to include also the dependecy to the radiation
2490                   ! in the plant canopy box
[4342]2491                   pcm_transpiration_rate(kk,j,i) = - leaf_scalar_exch_coeff   &
[3582]2492                                    * lad_s(kk,j,i) *                          &
2493                                    SQRT( ( 0.5_wp * ( u(k,j,i) +              &
2494                                                       u(k,j,i+1) )            &
2495                                          )**2  +                              &
2496                                          ( 0.5_wp * ( v(k,j,i) +              &
2497                                                       v(k,j+1,i) )            &
2498                                          )**2 +                               &
2499                                          ( 0.5_wp * ( w(k-1,j,i) +            &
2500                                                       w(k,j,i) )              &
2501                                          )**2                                 &
2502                                        ) *                                    &
[4342]2503                                    ( q(k,j,i) - leaf_surface_conc )
[3449]2504                ENDIF
[2232]2505
[4341]2506                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + pcm_transpiration_rate(kk,j,i)
[3014]2507
[153]2508             ENDDO   
2509
2510!
[142]2511!--       sgs-tke
[1484]2512          CASE ( 6 )
[2232]2513!
2514!--          Determine topography-top index on scalar grid
[4341]2515             DO  k = topo_top_ind(j,i,0) + 1, topo_top_ind(j,i,0) + pch_index_ji(j,i)
[2317]2516
[4341]2517                kk = k - topo_top_ind(j,i,0)
[1484]2518                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) -                                    &
[4342]2519                                 2.0_wp * canopy_drag_coeff *                  &
[1721]2520                                 lad_s(kk,j,i) *                               &
[1484]2521                                 SQRT( ( 0.5_wp * ( u(k,j,i) +                 &
2522                                                    u(k,j,i+1) )               &
2523                                       )**2 +                                  & 
2524                                       ( 0.5_wp * ( v(k,j,i) +                 &
2525                                                    v(k,j+1,i) )               &
2526                                       )**2 +                                  &
2527                                       ( 0.5_wp * ( w(k,j,i) +                 &
2528                                                    w(k+1,j,i) )               &
2529                                       )**2                                    &
2530                                     ) *                                       &
2531                                 e(k,j,i)
2532             ENDDO
[1960]2533             
2534!
2535!--       scalar concentration
2536          CASE ( 7 )
[2232]2537!
2538!--          Determine topography-top index on scalar grid
[4341]2539             DO  k = topo_top_ind(j,i,0) + 1, topo_top_ind(j,i,0) + pch_index_ji(j,i)
[2317]2540
[4341]2541                kk = k - topo_top_ind(j,i,0)
[1960]2542                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) -                                    &
[4342]2543                                 leaf_scalar_exch_coeff *                      &
[1960]2544                                 lad_s(kk,j,i) *                               &
2545                                 SQRT( ( 0.5_wp * ( u(k,j,i) +                 &
2546                                                    u(k,j,i+1) )               &
2547                                       )**2  +                                 &
2548                                       ( 0.5_wp * ( v(k,j,i) +                 &
2549                                                    v(k,j+1,i) )               &
2550                                       )**2 +                                  &
2551                                       ( 0.5_wp * ( w(k-1,j,i) +               &
2552                                                    w(k,j,i) )                 &
2553                                       )**2                                    &
2554                                     ) *                                       &
[4342]2555                                 ( s(k,j,i) - leaf_surface_conc )
[1960]2556             ENDDO               
[138]2557
[142]2558       CASE DEFAULT
[138]2559
[257]2560          WRITE( message_string, * ) 'wrong component: ', component
[1826]2561          CALL message( 'pcm_tendency', 'PA0279', 1, 2, 0, 6, 0 ) 
[138]2562
[142]2563       END SELECT
[138]2564
[1826]2565    END SUBROUTINE pcm_tendency_ij
[138]2566
[4360]2567!------------------------------------------------------------------------------!
2568! Description:
2569! ------------
[4514]2570!> Subroutine writes global restart data
2571!------------------------------------------------------------------------------!
2572    SUBROUTINE pcm_wrd_global
2573
2574       IF ( TRIM( restart_data_format_output ) == 'fortran_binary' )  THEN
2575
2576          CALL wrd_write_string( 'pch_index' )
2577          WRITE ( 14 )  pch_index
2578
2579       ELSEIF ( TRIM( restart_data_format_output ) == 'mpi' )  THEN
2580
2581          CALL wrd_mpi_io( 'pch_index', pch_index )
2582
2583       ENDIF
2584
2585    END SUBROUTINE pcm_wrd_global
2586
2587!------------------------------------------------------------------------------!
2588! Description:
2589! ------------
[4360]2590!> Subroutine writes local (subdomain) restart data
2591!------------------------------------------------------------------------------!
2592    SUBROUTINE pcm_wrd_local
[2007]2593
[4525]2594       REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  tmp_3d  !< temporary array to store pcm data with
2595                                                           !< non-standard vertical index bounds
2596
[4495]2597       IF ( TRIM( restart_data_format_output ) == 'fortran_binary' )  THEN
[4360]2598
[4495]2599          IF ( ALLOCATED( pcm_heatrate_av ) )  THEN
2600             CALL wrd_write_string( 'pcm_heatrate_av' )
2601             WRITE ( 14 )  pcm_heatrate_av
2602          ENDIF
[4360]2603
[4495]2604          IF ( ALLOCATED( pcm_latentrate_av ) )  THEN
2605             CALL wrd_write_string( 'pcm_latentrate_av' )
2606             WRITE ( 14 )  pcm_latentrate_av
2607          ENDIF
2608
2609          IF ( ALLOCATED( pcm_transpirationrate_av ) )  THEN
2610             CALL wrd_write_string( 'pcm_transpirationrate_av' )
2611             WRITE ( 14 )  pcm_transpirationrate_av
2612          ENDIF
2613
2614       ELSEIF ( TRIM( restart_data_format_output ) == 'mpi' )  THEN
2615
[4525]2616!
2617!--       Plant canopy arrays have non standard reduced vertical index bounds. They are stored with
2618!--       full vertical bounds (bzb:nzt+1) in the restart file and must be re-stored before writing.
2619          IF ( ALLOCATED( pcm_heatrate_av ) )  THEN
2620             ALLOCATE( tmp_3d(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
2621             tmp_3d(nzb:pch_index,:,:)     = pcm_heatrate_av
2622             tmp_3d(pch_index+1:nzt+1,:,:) = 0.0_wp
2623             CALL wrd_mpi_io( 'pcm_heatrate_av', tmp_3d )
2624             DEALLOCATE( tmp_3d )
2625          ENDIF
[4495]2626          IF ( ALLOCATED( pcm_latentrate_av ) )  THEN
[4525]2627             ALLOCATE( tmp_3d(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
2628             tmp_3d(nzb:pch_index,:,:)     = pcm_latentrate_av
2629             tmp_3d(pch_index+1:nzt+1,:,:) = 0.0_wp
2630             CALL wrd_mpi_io( 'pcm_latentrate_av', tmp_3d )
2631             DEALLOCATE( tmp_3d )
[4495]2632          ENDIF
2633          IF ( ALLOCATED( pcm_transpirationrate_av ) )  THEN
[4525]2634             ALLOCATE( tmp_3d(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
2635             tmp_3d(nzb:pch_index,:,:)     = pcm_transpirationrate_av
2636             tmp_3d(pch_index+1:nzt+1,:,:) = 0.0_wp
2637             CALL wrd_mpi_io( 'pcm_transpirationrate_av', tmp_3d )
2638             DEALLOCATE( tmp_3d )
[4495]2639          ENDIF
2640
[4360]2641       ENDIF
2642
2643    END SUBROUTINE pcm_wrd_local
2644
2645
[138]2646 END MODULE plant_canopy_model_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.