source: palm/trunk/SOURCE/plant_canopy_model_mod.f90 @ 2787

Last change on this file since 2787 was 2770, checked in by kanani, 7 years ago

Correction of parameter check

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 71.5 KB
Line 
1!> @file plant_canopy_model_mod.f90
2!------------------------------------------------------------------------------!
3! This file is part of the PALM model system.
4!
5! PALM is free software: you can redistribute it and/or modify it under the
6! terms of the GNU General Public License as published by the Free Software
7! Foundation, either version 3 of the License, or (at your option) any later
8! version.
9!
10! PALM is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY
11! WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR
12! A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License for more details.
13!
14! You should have received a copy of the GNU General Public License along with
15! PALM. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
16!
17! Copyright 1997-2018 Leibniz Universitaet Hannover
18!------------------------------------------------------------------------------!
19!
20! Current revisions:
21! -----------------
22!
23!
24! Former revisions:
25! -----------------
26! $Id: plant_canopy_model_mod.f90 2770 2018-01-25 15:10:09Z suehring $
27! Correction of parameter check
28!
29! 2768 2018-01-24 15:38:29Z kanani
30! Added check for output quantity pcm_heatrate, some formatting
31!
32! 2766 2018-01-22 17:17:47Z kanani
33! Increased LEN of canopy mode to 30
34!
35! 2746 2018-01-15 12:06:04Z suehring
36! Move flag plant canopy to modules
37!
38! 2718 2018-01-02 08:49:38Z maronga
39! Corrected "Former revisions" section
40!
41! 2701 2017-12-15 15:40:50Z suehring
42! Changes from last commit documented
43!
44! 2698 2017-12-14 18:46:24Z suehring
45! Bugfix in get_topography_top_index
46!
47! 2696 2017-12-14 17:12:51Z kanani
48! Change in file header (GPL part)
49! Bugfix for vertical loop index pch_index in case of Netcdf input
50! Introduce 2D index array incorporate canopy top index
51! Check if canopy on top of topography do not exceed vertical dimension
52! Add check for canopy_mode in case of Netcdf input.
53! Enable _FillValue output for 3d quantities
54! Bugfix in reading of PIDS leaf area density (MS)
55!
56! 2669 2017-12-06 16:03:27Z raasch
57! coupling_char removed
58!
59! 2512 2017-10-04 08:26:59Z raasch
60! upper bounds of 3d output changed from nx+1,ny+1 to nx,ny
61! no output of ghost layer data
62!
63! 2318 2017-07-20 17:27:44Z suehring
64! Get topography top index via Function call
65!
66! 2317 2017-07-20 17:27:19Z suehring
67! Changed error messages
68!
69! 2233 2017-05-30 18:08:54Z suehring
70!
71! 2232 2017-05-30 17:47:52Z suehring
72! Adjustments to new topography concept
73!
74! 2213 2017-04-24 15:10:35Z kanani
75! Bugfix: exchange of ghost points in array pc_heating_rate needed for output
76! of pcm_heatrate, onetime ghost point exchange of lad_s after initialization.
77! Formatting and clean-up of subroutine pcm_read_plant_canopy_3d,
78! minor re-organization of canopy-heating initialization.
79!
80! 2209 2017-04-19 09:34:46Z kanani
81! Added 3d output of leaf area density (pcm_lad) and canopy
82! heat rate (pcm_heatrate)
83!
84! 2024 2016-10-12 16:42:37Z kanani
85! Added missing lad_s initialization
86!
87! 2011 2016-09-19 17:29:57Z kanani
88! Renamed canopy_heat_flux to pc_heating_rate, since the original meaning/
89! calculation of the quantity has changed, related to the urban surface model
90! and similar future applications.
91!
92! 2007 2016-08-24 15:47:17Z kanani
93! Added SUBROUTINE pcm_read_plant_canopy_3d for reading 3d plant canopy data
94! from file (new case canopy_mode=read_from_file_3d) in the course of
95! introduction of urban surface model,
96! introduced variable ext_coef,
97! resorted SUBROUTINEs to alphabetical order
98!
99! 2000 2016-08-20 18:09:15Z knoop
100! Forced header and separation lines into 80 columns
101!
102! 1960 2016-07-12 16:34:24Z suehring
103! Separate humidity and passive scalar
104!
105! 1953 2016-06-21 09:28:42Z suehring
106! Bugfix, lad_s and lad must be public
107!
108! 1826 2016-04-07 12:01:39Z maronga
109! Further modularization
110!
111! 1721 2015-11-16 12:56:48Z raasch
112! bugfixes: shf is reduced in areas covered with canopy only,
113!           canopy is set on top of topography
114!
115! 1682 2015-10-07 23:56:08Z knoop
116! Code annotations made doxygen readable
117!
118! 1484 2014-10-21 10:53:05Z kanani
119! Changes due to new module structure of the plant canopy model:
120!   module plant_canopy_model_mod now contains a subroutine for the
121!   initialization of the canopy model (pcm_init),
122!   limitation of the canopy drag (previously accounted for by calculation of
123!   a limiting canopy timestep for the determination of the maximum LES timestep
124!   in subroutine timestep) is now realized by the calculation of pre-tendencies
125!   and preliminary velocities in subroutine pcm_tendency,
126!   some redundant MPI communication removed in subroutine pcm_init
127!   (was previously in init_3d_model),
128!   unnecessary 3d-arrays lad_u, lad_v, lad_w removed - lad information on the
129!   respective grid is now provided only by lad_s (e.g. in the calculation of
130!   the tendency terms or of cum_lai_hf),
131!   drag_coefficient, lai, leaf_surface_concentration,
132!   scalar_exchange_coefficient, sec and sls renamed to canopy_drag_coeff,
133!   cum_lai_hf, leaf_surface_conc, leaf_scalar_exch_coeff, lsec and lsc,
134!   respectively,
135!   unnecessary 3d-arrays cdc, lsc and lsec now defined as single-value constants,
136!   USE-statements and ONLY-lists modified accordingly
137!
138! 1340 2014-03-25 19:45:13Z kanani
139! REAL constants defined as wp-kind
140!
141! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
142! ONLY-attribute added to USE-statements,
143! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
144! kinds are defined in new module kinds,
145! old module precision_kind is removed,
146! revision history before 2012 removed,
147! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
148! all variable declaration statements
149!
150! 1036 2012-10-22 13:43:42Z raasch
151! code put under GPL (PALM 3.9)
152!
153! 138 2007-11-28 10:03:58Z letzel
154! Initial revision
155!
156! Description:
157! ------------
158!> 1) Initialization of the canopy model, e.g. construction of leaf area density
159!> profile (subroutine pcm_init).
160!> 2) Calculation of sinks and sources of momentum, heat and scalar concentration
161!> due to canopy elements (subroutine pcm_tendency).
162!------------------------------------------------------------------------------!
163 MODULE plant_canopy_model_mod
164 
165    USE arrays_3d,                                                             &
166        ONLY:  dzu, dzw, e, q, s, tend, u, v, w, zu, zw 
167
168    USE indices,                                                               &
169        ONLY:  nbgp, nxl, nxlg, nxlu, nxr, nxrg, nyn, nyng, nys, nysg, nysv,   &
170               nz, nzb, nzt
171
172    USE kinds
173
174    USE surface_mod,                                                           &
175        ONLY:  get_topography_top_index_ji
176
177
178    IMPLICIT NONE
179
180
181    CHARACTER (LEN=30)   ::  canopy_mode = 'block' !< canopy coverage
182
183    INTEGER(iwp) ::  pch_index = 0                               !< plant canopy height/top index
184    INTEGER(iwp) ::  lad_vertical_gradient_level_ind(10) = -9999 !< lad-profile levels (index)
185
186    INTEGER(iwp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  pch_index_ji   !< local plant canopy top
187
188    LOGICAL ::  calc_beta_lad_profile = .FALSE. !< switch for calc. of lad from beta func.
189    LOGICAL ::  usm_lad_rma = .TRUE.            !< use MPI RMA to access LAD for raytracing (instead of global array)
190
191    REAL(wp) ::  alpha_lad = 9999999.9_wp         !< coefficient for lad calculation
192    REAL(wp) ::  beta_lad = 9999999.9_wp          !< coefficient for lad calculation
193    REAL(wp) ::  canopy_drag_coeff = 0.0_wp       !< canopy drag coefficient (parameter)
194    REAL(wp) ::  cdc = 0.0_wp                     !< canopy drag coeff. (abbreviation used in equations)
195    REAL(wp) ::  cthf = 0.0_wp                    !< canopy top heat flux
196    REAL(wp) ::  dt_plant_canopy = 0.0_wp         !< timestep account. for canopy drag
197    REAL(wp) ::  ext_coef = 0.6_wp                !< extinction coefficient
198    REAL(wp) ::  lad_surface = 0.0_wp             !< lad surface value
199    REAL(wp) ::  lai_beta = 0.0_wp                !< leaf area index (lai) for lad calc.
200    REAL(wp) ::  leaf_scalar_exch_coeff = 0.0_wp  !< canopy scalar exchange coeff.
201    REAL(wp) ::  leaf_surface_conc = 0.0_wp       !< leaf surface concentration
202    REAL(wp) ::  lsc = 0.0_wp                     !< leaf surface concentration
203    REAL(wp) ::  lsec = 0.0_wp                    !< leaf scalar exchange coeff.
204    REAL(wp) ::  prototype_lad                    !< prototype leaf area density for computing effective optical depth
205
206    REAL(wp) ::  lad_vertical_gradient(10) = 0.0_wp              !< lad gradient
207    REAL(wp) ::  lad_vertical_gradient_level(10) = -9999999.9_wp !< lad-prof. levels (in m)
208
209    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  lad            !< leaf area density
210    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  pre_lad        !< preliminary lad
211   
212    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  cum_lai_hf       !< cumulative lai for heatflux calc.
213    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  lad_s            !< lad on scalar-grid
214    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  pc_heating_rate  !< plant canopy heating rate
215
216    SAVE
217
218
219    PRIVATE
220 
221!
222!-- Public functions
223    PUBLIC pcm_check_data_output, pcm_check_parameters, pcm_data_output_3d,    &
224           pcm_define_netcdf_grid, pcm_header, pcm_init, pcm_parin, pcm_tendency
225
226!
227!-- Public variables and constants
228    PUBLIC pc_heating_rate, canopy_mode, cthf, dt_plant_canopy, lad, lad_s,   &
229           pch_index, prototype_lad, usm_lad_rma
230           
231
232    INTERFACE pcm_check_data_output
233       MODULE PROCEDURE pcm_check_data_output
234    END INTERFACE pcm_check_data_output
235   
236    INTERFACE pcm_check_parameters
237       MODULE PROCEDURE pcm_check_parameters
238    END INTERFACE pcm_check_parameters
239
240    INTERFACE pcm_data_output_3d
241       MODULE PROCEDURE pcm_data_output_3d
242    END INTERFACE pcm_data_output_3d
243
244    INTERFACE pcm_define_netcdf_grid
245       MODULE PROCEDURE pcm_define_netcdf_grid
246    END INTERFACE pcm_define_netcdf_grid
247   
248     INTERFACE pcm_header
249       MODULE PROCEDURE pcm_header
250    END INTERFACE pcm_header       
251   
252    INTERFACE pcm_init
253       MODULE PROCEDURE pcm_init
254    END INTERFACE pcm_init
255
256    INTERFACE pcm_parin
257       MODULE PROCEDURE pcm_parin
258    END INTERFACE pcm_parin
259
260    INTERFACE pcm_read_plant_canopy_3d
261       MODULE PROCEDURE pcm_read_plant_canopy_3d
262    END INTERFACE pcm_read_plant_canopy_3d
263   
264    INTERFACE pcm_tendency
265       MODULE PROCEDURE pcm_tendency
266       MODULE PROCEDURE pcm_tendency_ij
267    END INTERFACE pcm_tendency
268
269
270 CONTAINS
271
272
273!------------------------------------------------------------------------------!
274! Description:
275! ------------
276!> Check data output for plant canopy model
277!------------------------------------------------------------------------------!
278 SUBROUTINE pcm_check_data_output( var, unit )
279 
280 
281    USE control_parameters,                                                 &
282        ONLY:  data_output, message_string, urban_surface
283
284    IMPLICIT NONE
285
286    CHARACTER (LEN=*) ::  unit  !<
287    CHARACTER (LEN=*) ::  var   !<
288
289
290    SELECT CASE ( TRIM( var ) )
291
292       CASE ( 'pcm_heatrate' )
293          IF ( cthf == 0.0_wp  .AND. .NOT.  urban_surface )  THEN
294             message_string = 'output of "' // TRIM( var ) // '" requi' //  &
295                              'res setting of parameter cthf /= 0.0'
296             CALL message( 'pcm_check_data_output', 'PA1000', 1, 2, 0, 6, 0 )
297          ENDIF
298          unit = 'K s-1'
299   
300       CASE ( 'pcm_lad' )
301          unit = 'm2 m-3'
302
303
304       CASE DEFAULT
305          unit = 'illegal'
306
307    END SELECT
308
309
310 END SUBROUTINE pcm_check_data_output
311 
312 
313!------------------------------------------------------------------------------!
314! Description:
315! ------------
316!> Check parameters routine for plant canopy model
317!------------------------------------------------------------------------------!
318    SUBROUTINE pcm_check_parameters
319
320       USE control_parameters,                                                 &
321           ONLY: cloud_physics, coupling_char, message_string,                 &
322                 microphysics_seifert
323
324       USE netcdf_data_input_mod,                                              &
325           ONLY:  input_file_static, input_pids_static
326                 
327   
328       IMPLICIT NONE
329
330   
331       IF ( canopy_drag_coeff == 0.0_wp )  THEN
332          message_string = 'plant_canopy = .TRUE. requires a non-zero drag '// &
333                           'coefficient & given value is canopy_drag_coeff = 0.0'
334          CALL message( 'pcm_check_parameters', 'PA0041', 1, 2, 0, 6, 0 )
335       ENDIF
336   
337       IF ( ( alpha_lad /= 9999999.9_wp  .AND.  beta_lad == 9999999.9_wp )  .OR.&
338              beta_lad /= 9999999.9_wp   .AND.  alpha_lad == 9999999.9_wp )  THEN
339          message_string = 'using the beta function for the construction ' //  &
340                           'of the leaf area density profile requires '    //  &
341                           'both alpha_lad and beta_lad to be /= 9999999.9'
342          CALL message( 'pcm_check_parameters', 'PA0118', 1, 2, 0, 6, 0 )
343       ENDIF
344   
345       IF ( calc_beta_lad_profile  .AND.  lai_beta == 0.0_wp )  THEN
346          message_string = 'using the beta function for the construction ' //  &
347                           'of the leaf area density profile requires '    //  &
348                           'a non-zero lai_beta, but given value is '      //  &
349                           'lai_beta = 0.0'
350          CALL message( 'pcm_check_parameters', 'PA0119', 1, 2, 0, 6, 0 )
351       ENDIF
352
353       IF ( calc_beta_lad_profile  .AND.  lad_surface /= 0.0_wp )  THEN
354          message_string = 'simultaneous setting of alpha_lad /= 9999999.9 '// &
355                           'combined with beta_lad /= 9999999.9 '           // &
356                           'and lad_surface /= 0.0 is not possible, '       // &
357                           'use either vertical gradients or the beta '     // &
358                           'function for the construction of the leaf area '// &
359                           'density profile'
360          CALL message( 'pcm_check_parameters', 'PA0120', 1, 2, 0, 6, 0 )
361       ENDIF
362
363       IF ( cloud_physics  .AND.  microphysics_seifert )  THEN
364          message_string = 'plant_canopy = .TRUE. requires cloud_scheme /=' // &
365                          ' seifert_beheng'
366          CALL message( 'pcm_check_parameters', 'PA0360', 1, 2, 0, 6, 0 )
367       ENDIF
368!
369!--    If dynamic input file is used, canopy need to be read from file
370       IF ( input_pids_static  .AND.                                           &
371            TRIM( canopy_mode ) /= 'read_from_file_3d' )  THEN
372          message_string = 'Usage of dynamic input file ' //                   &
373                           TRIM( input_file_static ) //                        &
374                           TRIM( coupling_char ) // ' requires ' //            &
375                           'canopy_mode = read_from_file_3d'
376          CALL message( 'pcm_check_parameters', 'PA0999', 1, 2, 0, 6, 0 )
377       ENDIF
378
379 
380    END SUBROUTINE pcm_check_parameters 
381 
382
383!------------------------------------------------------------------------------!
384!
385! Description:
386! ------------
387!> Subroutine defining 3D output variables
388!------------------------------------------------------------------------------!
389 SUBROUTINE pcm_data_output_3d( av, variable, found, local_pf, fill_value )
390 
391    USE control_parameters,                                                    &
392        ONLY :  nz_do3d
393 
394    USE indices
395
396    USE kinds
397
398
399    IMPLICIT NONE
400
401    CHARACTER (LEN=*) ::  variable !<
402
403    INTEGER(iwp) ::  av     !<
404    INTEGER(iwp) ::  i      !<
405    INTEGER(iwp) ::  j      !<
406    INTEGER(iwp) ::  k      !<
407    INTEGER(iwp) ::  k_topo !< topography top index
408
409    LOGICAL      ::  found !<
410
411    REAL(wp)     ::  fill_value
412    REAL(sp), DIMENSION(nxl:nxr,nys:nyn,nzb:nz_do3d) ::  local_pf !<
413
414
415    found = .TRUE.
416
417    local_pf = REAL( fill_value, KIND = 4 )
418
419    SELECT CASE ( TRIM( variable ) )
420
421      CASE ( 'pcm_heatrate' )
422         IF ( av == 0 )  THEN
423            DO  i = nxl, nxr
424               DO  j = nys, nyn
425                  IF ( pch_index_ji(j,i) /= 0 )  THEN
426                     k_topo = get_topography_top_index_ji( j, i, 's' )
427                     DO  k = k_topo, k_topo + pch_index_ji(j,i)
428                        local_pf(i,j,k) = pc_heating_rate(k-k_topo,j,i)
429                     ENDDO
430                  ENDIF
431               ENDDO
432            ENDDO
433         ENDIF
434   
435   
436      CASE ( 'pcm_lad' )
437         IF ( av == 0 )  THEN
438            DO  i = nxl, nxr
439               DO  j = nys, nyn
440                  IF ( pch_index_ji(j,i) /= 0 )  THEN
441                     k_topo = get_topography_top_index_ji( j, i, 's' )
442                     DO  k = k_topo, k_topo + pch_index_ji(j,i)
443                        local_pf(i,j,k) = lad_s(k-k_topo,j,i)
444                     ENDDO
445                  ENDIF
446               ENDDO
447            ENDDO
448         ENDIF
449                 
450         
451       CASE DEFAULT
452          found = .FALSE.
453
454    END SELECT
455
456
457 END SUBROUTINE pcm_data_output_3d 
458         
459!------------------------------------------------------------------------------!
460!
461! Description:
462! ------------
463!> Subroutine defining appropriate grid for netcdf variables.
464!> It is called from subroutine netcdf.
465!------------------------------------------------------------------------------!
466 SUBROUTINE pcm_define_netcdf_grid( var, found, grid_x, grid_y, grid_z )
467   
468     IMPLICIT NONE
469
470     CHARACTER (LEN=*), INTENT(IN)  ::  var         !<
471     LOGICAL, INTENT(OUT)           ::  found       !<
472     CHARACTER (LEN=*), INTENT(OUT) ::  grid_x      !<
473     CHARACTER (LEN=*), INTENT(OUT) ::  grid_y      !<
474     CHARACTER (LEN=*), INTENT(OUT) ::  grid_z      !<
475
476     found  = .TRUE.
477
478!
479!--  Check for the grid
480     SELECT CASE ( TRIM( var ) )
481
482        CASE ( 'pcm_heatrate', 'pcm_lad' )
483           grid_x = 'x'
484           grid_y = 'y'
485           grid_z = 'zu'
486
487        CASE DEFAULT
488           found  = .FALSE.
489           grid_x = 'none'
490           grid_y = 'none'
491           grid_z = 'none'
492     END SELECT
493
494 END SUBROUTINE pcm_define_netcdf_grid
495 
496 
497!------------------------------------------------------------------------------!
498! Description:
499! ------------
500!> Header output for plant canopy model
501!------------------------------------------------------------------------------!
502    SUBROUTINE pcm_header ( io )
503
504       USE control_parameters,                                                 &
505           ONLY: dz, passive_scalar
506
507
508       IMPLICIT NONE
509 
510       CHARACTER (LEN=10) ::  coor_chr            !<
511
512       CHARACTER (LEN=86) ::  coordinates         !<
513       CHARACTER (LEN=86) ::  gradients           !<
514       CHARACTER (LEN=86) ::  leaf_area_density   !<
515       CHARACTER (LEN=86) ::  slices              !<
516 
517       INTEGER(iwp) :: i                !<
518       INTEGER(iwp),  INTENT(IN) ::  io !< Unit of the output file
519       INTEGER(iwp) :: k                !<       
520   
521       REAL(wp) ::  canopy_height       !< canopy height (in m)
522       
523       canopy_height = pch_index * dz
524
525       WRITE ( io, 1 )  canopy_mode, canopy_height, pch_index,                 &
526                          canopy_drag_coeff
527       IF ( passive_scalar )  THEN
528          WRITE ( io, 2 )  leaf_scalar_exch_coeff,                             &
529                             leaf_surface_conc
530       ENDIF
531
532!
533!--    Heat flux at the top of vegetation
534       WRITE ( io, 3 )  cthf
535
536!
537!--    Leaf area density profile, calculated either from given vertical
538!--    gradients or from beta probability density function.
539       IF (  .NOT.  calc_beta_lad_profile )  THEN
540
541!--       Building output strings, starting with surface value
542          WRITE ( leaf_area_density, '(F7.4)' )  lad_surface
543          gradients = '------'
544          slices = '     0'
545          coordinates = '   0.0'
546          i = 1
547          DO  WHILE ( i < 11  .AND.  lad_vertical_gradient_level_ind(i)        &
548                      /= -9999 )
549
550             WRITE (coor_chr,'(F7.2)')  lad(lad_vertical_gradient_level_ind(i))
551             leaf_area_density = TRIM( leaf_area_density ) // ' ' //           &
552                                 TRIM( coor_chr )
553 
554             WRITE (coor_chr,'(F7.2)')  lad_vertical_gradient(i)
555             gradients = TRIM( gradients ) // ' ' // TRIM( coor_chr )
556
557             WRITE (coor_chr,'(I7)')  lad_vertical_gradient_level_ind(i)
558             slices = TRIM( slices ) // ' ' // TRIM( coor_chr )
559
560             WRITE (coor_chr,'(F7.1)')  lad_vertical_gradient_level(i)
561             coordinates = TRIM( coordinates ) // ' '  // TRIM( coor_chr )
562
563             i = i + 1
564          ENDDO
565
566          WRITE ( io, 4 )  TRIM( coordinates ), TRIM( leaf_area_density ),     &
567                             TRIM( gradients ), TRIM( slices )
568
569       ELSE
570       
571          WRITE ( leaf_area_density, '(F7.4)' )  lad_surface
572          coordinates = '   0.0'
573         
574          DO  k = 1, pch_index
575
576             WRITE (coor_chr,'(F7.2)')  lad(k)
577             leaf_area_density = TRIM( leaf_area_density ) // ' ' //           &
578                                 TRIM( coor_chr )
579 
580             WRITE (coor_chr,'(F7.1)')  zu(k)
581             coordinates = TRIM( coordinates ) // ' '  // TRIM( coor_chr )
582
583          ENDDO       
584
585          WRITE ( io, 5 ) TRIM( coordinates ), TRIM( leaf_area_density ),      &
586                          alpha_lad, beta_lad, lai_beta
587
588       ENDIF 
589
5901 FORMAT (//' Vegetation canopy (drag) model:'/                                &
591              ' ------------------------------'//                              &
592              ' Canopy mode: ', A /                                            &
593              ' Canopy height: ',F6.2,'m (',I4,' grid points)' /               &
594              ' Leaf drag coefficient: ',F6.2 /)
5952 FORMAT (/ ' Scalar exchange coefficient: ',F6.2 /                            &
596              ' Scalar concentration at leaf surfaces in kg/m**3: ',F6.2 /)
5973 FORMAT (' Predefined constant heatflux at the top of the vegetation: ',F6.2, &
598          ' K m/s')
5994 FORMAT (/ ' Characteristic levels of the leaf area density:'//               &
600              ' Height:              ',A,'  m'/                                &
601              ' Leaf area density:   ',A,'  m**2/m**3'/                        &
602              ' Gradient:            ',A,'  m**2/m**4'/                        &
603              ' Gridpoint:           ',A)
6045 FORMAT (//' Characteristic levels of the leaf area density and coefficients:'&
605          //  ' Height:              ',A,'  m'/                                &
606              ' Leaf area density:   ',A,'  m**2/m**3'/                        &
607              ' Coefficient alpha: ',F6.2 /                                    &
608              ' Coefficient beta: ',F6.2 /                                     &
609              ' Leaf area index: ',F6.2,'  m**2/m**2' /)   
610       
611    END SUBROUTINE pcm_header
612 
613 
614!------------------------------------------------------------------------------!
615! Description:
616! ------------
617!> Initialization of the plant canopy model
618!------------------------------------------------------------------------------!
619    SUBROUTINE pcm_init
620   
621
622       USE control_parameters,                                                 &
623           ONLY: dz, humidity, io_blocks, io_group, message_string, ocean,     &
624                 passive_scalar, urban_surface
625
626       USE netcdf_data_input_mod,                                              &
627           ONLY:  leaf_area_density_f
628
629       USE surface_mod,                                                        &
630           ONLY: surf_def_h, surf_lsm_h, surf_usm_h
631
632       IMPLICIT NONE
633
634       CHARACTER(10) :: pct
635       
636       INTEGER(iwp) ::  i   !< running index
637       INTEGER(iwp) ::  ii  !< index       
638       INTEGER(iwp) ::  j   !< running index
639       INTEGER(iwp) ::  k   !< running index
640       INTEGER(iwp) ::  m   !< running index
641
642       REAL(wp) ::  int_bpdf        !< vertical integral for lad-profile construction
643       REAL(wp) ::  dzh             !< vertical grid spacing in units of canopy height
644       REAL(wp) ::  gradient        !< gradient for lad-profile construction
645       REAL(wp) ::  canopy_height   !< canopy height for lad-profile construction
646       REAL(wp) ::  pcv(nzb:nzt+1)  !<
647       
648!
649!--    Allocate one-dimensional arrays for the computation of the
650!--    leaf area density (lad) profile
651       ALLOCATE( lad(0:nz+1), pre_lad(0:nz+1) )
652       lad = 0.0_wp
653       pre_lad = 0.0_wp
654
655!
656!--    Set flag that indicates that the lad-profile shall be calculated by using
657!--    a beta probability density function
658       IF ( alpha_lad /= 9999999.9_wp  .AND.  beta_lad /= 9999999.9_wp )  THEN
659          calc_beta_lad_profile = .TRUE.
660       ENDIF
661       
662       
663!
664!--    Compute the profile of leaf area density used in the plant
665!--    canopy model. The profile can either be constructed from
666!--    prescribed vertical gradients of the leaf area density or by
667!--    using a beta probability density function (see e.g. Markkanen et al.,
668!--    2003: Boundary-Layer Meteorology, 106, 437-459)
669       IF (  .NOT.  calc_beta_lad_profile )  THEN   
670
671!
672!--       Use vertical gradients for lad-profile construction   
673          i = 1
674          gradient = 0.0_wp
675
676          IF (  .NOT.  ocean )  THEN
677
678             lad(0) = lad_surface
679             lad_vertical_gradient_level_ind(1) = 0
680 
681             DO k = 1, pch_index
682                IF ( i < 11 )  THEN
683                   IF ( lad_vertical_gradient_level(i) < zu(k)  .AND.          &
684                        lad_vertical_gradient_level(i) >= 0.0_wp )  THEN
685                      gradient = lad_vertical_gradient(i)
686                      lad_vertical_gradient_level_ind(i) = k - 1
687                      i = i + 1
688                   ENDIF
689                ENDIF
690                IF ( gradient /= 0.0_wp )  THEN
691                   IF ( k /= 1 )  THEN
692                      lad(k) = lad(k-1) + dzu(k) * gradient
693                   ELSE
694                      lad(k) = lad_surface + dzu(k) * gradient
695                   ENDIF
696                ELSE
697                   lad(k) = lad(k-1)
698                ENDIF
699             ENDDO
700
701          ENDIF
702
703!
704!--       In case of no given leaf area density gradients, choose a vanishing
705!--       gradient. This information is used for the HEADER and the RUN_CONTROL
706!--       file.
707          IF ( lad_vertical_gradient_level(1) == -9999999.9_wp )  THEN
708             lad_vertical_gradient_level(1) = 0.0_wp
709          ENDIF
710
711       ELSE
712
713!
714!--       Use beta function for lad-profile construction
715          int_bpdf = 0.0_wp
716          canopy_height = pch_index * dz
717
718          DO k = 0, pch_index
719             int_bpdf = int_bpdf +                                             &
720                      ( ( ( zw(k) / canopy_height )**( alpha_lad-1.0_wp ) ) *  &
721                      ( ( 1.0_wp - ( zw(k) / canopy_height ) )**(              &
722                          beta_lad-1.0_wp ) )                                  &
723                      * ( ( zw(k+1)-zw(k) ) / canopy_height ) )
724          ENDDO
725
726!
727!--       Preliminary lad profile (defined on w-grid)
728          DO k = 0, pch_index
729             pre_lad(k) =  lai_beta *                                          &
730                        ( ( ( zw(k) / canopy_height )**( alpha_lad-1.0_wp ) )  &
731                        * ( ( 1.0_wp - ( zw(k) / canopy_height ) )**(          &
732                              beta_lad-1.0_wp ) ) / int_bpdf                   &
733                        ) / canopy_height
734          ENDDO
735
736!
737!--       Final lad profile (defined on scalar-grid level, since most prognostic
738!--       quantities are defined there, hence, less interpolation is required
739!--       when calculating the canopy tendencies)
740          lad(0) = pre_lad(0)
741          DO k = 1, pch_index
742             lad(k) = 0.5 * ( pre_lad(k-1) + pre_lad(k) )
743          ENDDO         
744
745       ENDIF
746
747!
748!--    Allocate 3D-array for the leaf area density (lad_s).
749       ALLOCATE( lad_s(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
750
751!
752!--    Initialize canopy parameters cdc (canopy drag coefficient),
753!--    lsec (leaf scalar exchange coefficient), lsc (leaf surface concentration)
754!--    with the prescribed values
755       cdc = canopy_drag_coeff
756       lsec = leaf_scalar_exch_coeff
757       lsc = leaf_surface_conc
758
759!
760!--    Initialization of the canopy coverage in the model domain:
761!--    Setting the parameter canopy_mode = 'block' initializes a canopy, which
762!--    fully covers the domain surface
763       SELECT CASE ( TRIM( canopy_mode ) )
764
765          CASE( 'block' )
766
767             DO  i = nxlg, nxrg
768                DO  j = nysg, nyng
769                   lad_s(:,j,i) = lad(:)
770                ENDDO
771             ENDDO
772
773          CASE ( 'read_from_file_3d' )
774!
775!--          Initialize LAD with data from file. If LAD is given in NetCDF file,
776!--          use these values, else take LAD profiles from ASCII file.
777!--          Please note, in NetCDF file LAD is only given up to the maximum
778!--          canopy top, indicated by leaf_area_density_f%nz. 
779             lad_s = 0.0_wp
780             IF ( leaf_area_density_f%from_file )  THEN
781!
782!--             Set also pch_index, used to be the upper bound of the vertical
783!--             loops. Therefore, use the global top of the canopy layer.
784                pch_index = leaf_area_density_f%nz - 1
785
786                DO  i = nxl, nxr
787                   DO  j = nys, nyn
788                      DO  k = 0, leaf_area_density_f%nz - 1
789                      IF ( leaf_area_density_f%var(k,j,i) /=                   &
790                           leaf_area_density_f%fill )                          &
791                         lad_s(k,j,i) = leaf_area_density_f%var(k,j,i)
792                      ENDDO
793                   ENDDO
794                ENDDO
795                CALL exchange_horiz( lad_s, nbgp )
796!
797!            ASCII file
798!--          Initialize canopy parameters cdc (canopy drag coefficient),
799!--          lsec (leaf scalar exchange coefficient), lsc (leaf surface concentration)
800!--          from file which contains complete 3D data (separate vertical profiles for
801!--          each location).
802             ELSE
803                CALL pcm_read_plant_canopy_3d
804             ENDIF
805
806          CASE DEFAULT
807!
808!--          The DEFAULT case is reached either if the parameter
809!--          canopy mode contains a wrong character string or if the
810!--          user has coded a special case in the user interface.
811!--          There, the subroutine user_init_plant_canopy checks
812!--          which of these two conditions applies.
813             CALL user_init_plant_canopy
814 
815       END SELECT
816!
817!--    Initialize 2D index array indicating canopy top index.
818       ALLOCATE( pch_index_ji(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
819       pch_index_ji = 0
820
821       DO  i = nxl, nxr
822          DO  j = nys, nyn
823             DO  k = 0, pch_index
824                IF ( lad_s(k,j,i) /= 0 )  pch_index_ji(j,i) = k
825             ENDDO
826!
827!--          Check whether topography and local vegetation on top exceed
828!--          height of the model domain.
829             k = get_topography_top_index_ji( j, i, 's' )
830             IF ( k + pch_index_ji(j,i) >= nzt + 1 )  THEN
831                message_string =  'Local vegetation height on top of ' //      &
832                                  'topography exceeds height of model domain.'
833                CALL message( 'pcm_init', 'PA0999', 2, 2, 0, 6, 0 )
834             ENDIF
835
836          ENDDO
837       ENDDO
838
839       CALL exchange_horiz_2d_int( pch_index_ji, nys, nyn, nxl, nxr, nbgp )
840
841!
842!--    Initialization of the canopy heat source distribution due to heating
843!--    of the canopy layers by incoming solar radiation, in case that a non-zero
844!--    value is set for the canopy top heat flux (cthf), which equals the
845!--    available net radiation at canopy top.
846!--    The heat source distribution is calculated by a decaying exponential
847!--    function of the downward cumulative leaf area index (cum_lai_hf),
848!--    assuming that the foliage inside the plant canopy is heated by solar
849!--    radiation penetrating the canopy layers according to the distribution
850!--    of net radiation as suggested by Brown & Covey (1966; Agric. Meteorol. 3,
851!--    73–96). This approach has been applied e.g. by Shaw & Schumann (1992;
852!--    Bound.-Layer Meteorol. 61, 47–64).
853!--    When using the urban surface model (USM), canopy heating (pc_heating_rate)
854!--    by radiation is calculated in the USM.
855       IF ( cthf /= 0.0_wp  .AND. .NOT.  urban_surface )  THEN
856
857          ALLOCATE( cum_lai_hf(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg),                 &
858                    pc_heating_rate(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
859!
860!--       Piecewise calculation of the cumulative leaf area index by vertical
861!--       integration of the leaf area density
862          cum_lai_hf(:,:,:) = 0.0_wp
863          DO  i = nxlg, nxrg
864             DO  j = nysg, nyng
865                DO  k = pch_index_ji(j,i)-1, 0, -1
866                   IF ( k == pch_index_ji(j,i)-1 )  THEN
867                      cum_lai_hf(k,j,i) = cum_lai_hf(k+1,j,i) +                &
868                         ( 0.5_wp * lad_s(k+1,j,i) *                           &
869                           ( zw(k+1) - zu(k+1) ) )  +                          &
870                         ( 0.5_wp * ( 0.5_wp * ( lad_s(k+1,j,i) +              &
871                                                 lad_s(k,j,i) ) +              &
872                                      lad_s(k+1,j,i) ) *                       &
873                           ( zu(k+1) - zw(k) ) ) 
874                   ELSE
875                      cum_lai_hf(k,j,i) = cum_lai_hf(k+1,j,i) +                &
876                         ( 0.5_wp * ( 0.5_wp * ( lad_s(k+2,j,i) +              &
877                                                 lad_s(k+1,j,i) ) +            &
878                                      lad_s(k+1,j,i) ) *                       &
879                           ( zw(k+1) - zu(k+1) ) )  +                          &
880                         ( 0.5_wp * ( 0.5_wp * ( lad_s(k+1,j,i) +              &
881                                                 lad_s(k,j,i) ) +              &
882                                      lad_s(k+1,j,i) ) *                       &
883                           ( zu(k+1) - zw(k) ) )
884                   ENDIF
885                ENDDO
886             ENDDO
887          ENDDO
888
889!           
890!--       In areas with canopy the surface value of the canopy heat
891!--       flux distribution overrides the surface heat flux (shf)
892!--       Start with default surface type
893          DO  m = 1, surf_def_h(0)%ns
894             k = surf_def_h(0)%k(m)
895             IF ( cum_lai_hf(0,j,i) /= 0.0_wp )                                &
896                surf_def_h(0)%shf(m) = cthf * exp( -ext_coef * cum_lai_hf(0,j,i) )
897          ENDDO
898!
899!--       Natural surfaces
900          DO  m = 1, surf_lsm_h%ns
901             k = surf_lsm_h%k(m)
902             IF ( cum_lai_hf(0,j,i) /= 0.0_wp )                                &
903                surf_lsm_h%shf(m) = cthf * exp( -ext_coef * cum_lai_hf(0,j,i) )
904          ENDDO
905!
906!--       Urban surfaces
907          DO  m = 1, surf_usm_h%ns
908             k = surf_usm_h%k(m)
909             IF ( cum_lai_hf(0,j,i) /= 0.0_wp )                                &
910                surf_usm_h%shf(m) = cthf * exp( -ext_coef * cum_lai_hf(0,j,i) )
911          ENDDO
912!
913!
914!--       Calculation of the heating rate (K/s) within the different layers of
915!--       the plant canopy. Calculation is only necessary in areas covered with
916!--       canopy.
917!--       Within the different canopy layers the plant-canopy heating
918!--       rate (pc_heating_rate) is calculated as the vertical
919!--       divergence of the canopy heat fluxes at the top and bottom
920!--       of the respective layer
921          DO  i = nxlg, nxrg
922             DO  j = nysg, nyng
923                DO  k = 1, pch_index_ji(j,i)
924                   IF ( cum_lai_hf(0,j,i) /= 0.0_wp )  THEN
925                      pc_heating_rate(k,j,i) = cthf *                             &
926                                ( exp(-ext_coef*cum_lai_hf(k,j,i)) -              &
927                                  exp(-ext_coef*cum_lai_hf(k-1,j,i) ) ) / dzw(k)
928                   ENDIF
929                ENDDO
930             ENDDO
931          ENDDO
932
933       ENDIF
934
935
936
937    END SUBROUTINE pcm_init
938
939
940!------------------------------------------------------------------------------!
941! Description:
942! ------------
943!> Parin for &canopy_par for plant canopy model
944!------------------------------------------------------------------------------!
945    SUBROUTINE pcm_parin
946
947       USE control_parameters,                                                 &
948           ONLY:  plant_canopy
949
950       IMPLICIT NONE
951
952       CHARACTER (LEN=80) ::  line  !< dummy string that contains the current line of the parameter file
953       
954       NAMELIST /canopy_par/      alpha_lad, beta_lad, canopy_drag_coeff,      &
955                                  canopy_mode, cthf,                           &
956                                  lad_surface,                                 & 
957                                  lad_vertical_gradient,                       &
958                                  lad_vertical_gradient_level,                 &
959                                  lai_beta,                                    &
960                                  leaf_scalar_exch_coeff,                      &
961                                  leaf_surface_conc, pch_index
962       
963       line = ' '
964       
965!
966!--    Try to find radiation model package
967       REWIND ( 11 )
968       line = ' '
969       DO   WHILE ( INDEX( line, '&canopy_par' ) == 0 )
970          READ ( 11, '(A)', END=10 )  line
971       ENDDO
972       BACKSPACE ( 11 )
973
974!
975!--    Read user-defined namelist
976       READ ( 11, canopy_par )
977
978!
979!--    Set flag that indicates that the radiation model is switched on
980       plant_canopy = .TRUE.
981
982 10    CONTINUE
983       
984
985    END SUBROUTINE pcm_parin
986
987
988
989!------------------------------------------------------------------------------!
990! Description:
991! ------------
992!
993!> Loads 3D plant canopy data from file. File format is as follows:
994!>
995!> num_levels
996!> dtype,x,y,value(nzb),value(nzb+1), ... ,value(nzb+num_levels-1)
997!> dtype,x,y,value(nzb),value(nzb+1), ... ,value(nzb+num_levels-1)
998!> dtype,x,y,value(nzb),value(nzb+1), ... ,value(nzb+num_levels-1)
999!> ...
1000!>
1001!> i.e. first line determines number of levels and further lines represent plant
1002!> canopy data, one line per column and variable. In each data line,
1003!> dtype represents variable to be set:
1004!>
1005!> dtype=1: leaf area density (lad_s)
1006!> dtype=2....n: some additional plant canopy input data quantity
1007!>
1008!> Zeros are added automatically above num_levels until top of domain.  Any
1009!> non-specified (x,y) columns have zero values as default.
1010!------------------------------------------------------------------------------!
1011    SUBROUTINE pcm_read_plant_canopy_3d
1012   
1013       USE control_parameters,                                                 &
1014           ONLY:  message_string, passive_scalar
1015
1016       USE indices,                                                            &
1017           ONLY:  nbgp
1018           
1019       IMPLICIT NONE
1020
1021       INTEGER(iwp)                        ::  dtype     !< type of input data (1=lad)
1022       INTEGER(iwp)                        ::  i, j      !< running index
1023       INTEGER(iwp)                        ::  nzp       !< number of vertical layers of plant canopy
1024       INTEGER(iwp)                        ::  nzpltop   !<
1025       INTEGER(iwp)                        ::  nzpl      !<
1026       
1027       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  col   !< vertical column of input data
1028
1029!
1030!--    Initialize lad_s array
1031       lad_s = 0.0_wp
1032       
1033!
1034!--    Open and read plant canopy input data
1035       OPEN(152, file='PLANT_CANOPY_DATA_3D', access='SEQUENTIAL', &
1036                 action='READ', status='OLD', form='FORMATTED', err=515)
1037       READ(152, *, err=516, end=517) nzp   !< read first line = number of vertical layers
1038       
1039       ALLOCATE(col(0:nzp-1))
1040
1041       DO
1042          READ(152, *, err=516, end=517) dtype, i, j, col(:)
1043          IF ( i < nxlg .or. i > nxrg .or. j < nysg .or. j > nyng ) CYCLE
1044
1045             SELECT CASE (dtype)
1046                CASE( 1 )   !< leaf area density
1047!
1048!--                 This is just the pure canopy layer assumed to be grounded to
1049!--                 a flat domain surface. At locations where plant canopy sits
1050!--                 on top of any kind of topography, the vertical plant column
1051!--                 must be "lifted", which is done in SUBROUTINE pcm_tendency.
1052                    lad_s(0:nzp-1, j, i) = col(0:nzp-1)
1053                   
1054                CASE DEFAULT
1055                   WRITE(message_string, '(a,i2,a)')   &
1056                      'Unknown record type in file PLANT_CANOPY_DATA_3D: "', dtype, '"'
1057                   CALL message( 'pcm_read_plant_canopy_3d', 'PA0530', 1, 2, 0, 6, 0 )
1058             END SELECT
1059       ENDDO
1060
1061515    message_string = 'error opening file PLANT_CANOPY_DATA_3D'
1062       CALL message( 'pcm_read_plant_canopy_3d', 'PA0531', 1, 2, 0, 6, 0 )
1063
1064516    message_string = 'error reading file PLANT_CANOPY_DATA_3D'
1065       CALL message( 'pcm_read_plant_canopy_3d', 'PA0532', 1, 2, 0, 6, 0 )
1066
1067517    CLOSE(152)
1068       DEALLOCATE(col)
1069       
1070       CALL exchange_horiz( lad_s, nbgp )
1071       
1072    END SUBROUTINE pcm_read_plant_canopy_3d
1073   
1074   
1075
1076!------------------------------------------------------------------------------!
1077! Description:
1078! ------------
1079!> Calculation of the tendency terms, accounting for the effect of the plant
1080!> canopy on momentum and scalar quantities.
1081!>
1082!> The canopy is located where the leaf area density lad_s(k,j,i) > 0.0
1083!> (defined on scalar grid), as initialized in subroutine pcm_init.
1084!> The lad on the w-grid is vertically interpolated from the surrounding
1085!> lad_s. The upper boundary of the canopy is defined on the w-grid at
1086!> k = pch_index. Here, the lad is zero.
1087!>
1088!> The canopy drag must be limited (previously accounted for by calculation of
1089!> a limiting canopy timestep for the determination of the maximum LES timestep
1090!> in subroutine timestep), since it is physically impossible that the canopy
1091!> drag alone can locally change the sign of a velocity component. This
1092!> limitation is realized by calculating preliminary tendencies and velocities.
1093!> It is subsequently checked if the preliminary new velocity has a different
1094!> sign than the current velocity. If so, the tendency is limited in a way that
1095!> the velocity can at maximum be reduced to zero by the canopy drag.
1096!>
1097!>
1098!> Call for all grid points
1099!------------------------------------------------------------------------------!
1100    SUBROUTINE pcm_tendency( component )
1101
1102
1103       USE control_parameters,                                                 &
1104           ONLY:  dt_3d, message_string
1105
1106       USE kinds
1107
1108       IMPLICIT NONE
1109
1110       INTEGER(iwp) ::  component !< prognostic variable (u,v,w,pt,q,e)
1111       INTEGER(iwp) ::  i         !< running index
1112       INTEGER(iwp) ::  j         !< running index
1113       INTEGER(iwp) ::  k         !< running index
1114       INTEGER(iwp) ::  k_wall    !< vertical index of topography top
1115       INTEGER(iwp) ::  kk        !< running index for flat lad arrays
1116
1117       REAL(wp) ::  ddt_3d    !< inverse of the LES timestep (dt_3d)
1118       REAL(wp) ::  lad_local !< local lad value
1119       REAL(wp) ::  pre_tend  !< preliminary tendency
1120       REAL(wp) ::  pre_u     !< preliminary u-value
1121       REAL(wp) ::  pre_v     !< preliminary v-value
1122       REAL(wp) ::  pre_w     !< preliminary w-value
1123
1124
1125       ddt_3d = 1.0_wp / dt_3d
1126 
1127!
1128!--    Compute drag for the three velocity components and the SGS-TKE:
1129       SELECT CASE ( component )
1130
1131!
1132!--       u-component
1133          CASE ( 1 )
1134             DO  i = nxlu, nxr
1135                DO  j = nys, nyn
1136!
1137!--                Determine topography-top index on u-grid
1138                   k_wall = get_topography_top_index_ji( j, i, 'u' )
1139                   DO  k = k_wall+1, k_wall + pch_index_ji(j,i)
1140
1141                      kk = k - k_wall   !- lad arrays are defined flat
1142!
1143!--                   In order to create sharp boundaries of the plant canopy,
1144!--                   the lad on the u-grid at index (k,j,i) is equal to
1145!--                   lad_s(k,j,i), rather than being interpolated from the
1146!--                   surrounding lad_s, because this would yield smaller lad
1147!--                   at the canopy boundaries than inside of the canopy.
1148!--                   For the same reason, the lad at the rightmost(i+1)canopy
1149!--                   boundary on the u-grid equals lad_s(k,j,i).
1150                      lad_local = lad_s(kk,j,i)
1151                      IF ( lad_local == 0.0_wp .AND. lad_s(kk,j,i-1) > 0.0_wp )&
1152                      THEN
1153                         lad_local = lad_s(kk,j,i-1)
1154                      ENDIF
1155
1156                      pre_tend = 0.0_wp
1157                      pre_u = 0.0_wp
1158!
1159!--                   Calculate preliminary value (pre_tend) of the tendency
1160                      pre_tend = - cdc *                                       &
1161                                   lad_local *                                 &
1162                                   SQRT( u(k,j,i)**2 +                         &
1163                                         ( 0.25_wp * ( v(k,j,i-1) +            &
1164                                                       v(k,j,i)   +            &
1165                                                       v(k,j+1,i) +            &
1166                                                       v(k,j+1,i-1) )          &
1167                                         )**2 +                                &
1168                                         ( 0.25_wp * ( w(k-1,j,i-1) +          &
1169                                                       w(k-1,j,i)   +          &
1170                                                       w(k,j,i-1)   +          &
1171                                                       w(k,j,i) )              &
1172                                         )**2                                  &
1173                                       ) *                                     &
1174                                   u(k,j,i)
1175
1176!
1177!--                   Calculate preliminary new velocity, based on pre_tend
1178                      pre_u = u(k,j,i) + dt_3d * pre_tend
1179!
1180!--                   Compare sign of old velocity and new preliminary velocity,
1181!--                   and in case the signs are different, limit the tendency
1182                      IF ( SIGN(pre_u,u(k,j,i)) /= pre_u )  THEN
1183                         pre_tend = - u(k,j,i) * ddt_3d
1184                      ELSE
1185                         pre_tend = pre_tend
1186                      ENDIF
1187!
1188!--                   Calculate final tendency
1189                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + pre_tend
1190
1191                   ENDDO
1192                ENDDO
1193             ENDDO
1194
1195!
1196!--       v-component
1197          CASE ( 2 )
1198             DO  i = nxl, nxr
1199                DO  j = nysv, nyn
1200!
1201!--                Determine topography-top index on v-grid
1202                   k_wall = get_topography_top_index_ji( j, i, 'v' )
1203
1204                   DO  k = k_wall+1, k_wall + pch_index_ji(j,i)
1205
1206                      kk = k - k_wall   !- lad arrays are defined flat
1207!
1208!--                   In order to create sharp boundaries of the plant canopy,
1209!--                   the lad on the v-grid at index (k,j,i) is equal to
1210!--                   lad_s(k,j,i), rather than being interpolated from the
1211!--                   surrounding lad_s, because this would yield smaller lad
1212!--                   at the canopy boundaries than inside of the canopy.
1213!--                   For the same reason, the lad at the northmost(j+1) canopy
1214!--                   boundary on the v-grid equals lad_s(k,j,i).
1215                      lad_local = lad_s(kk,j,i)
1216                      IF ( lad_local == 0.0_wp .AND. lad_s(kk,j-1,i) > 0.0_wp )&
1217                      THEN
1218                         lad_local = lad_s(kk,j-1,i)
1219                      ENDIF
1220
1221                      pre_tend = 0.0_wp
1222                      pre_v = 0.0_wp
1223!
1224!--                   Calculate preliminary value (pre_tend) of the tendency
1225                      pre_tend = - cdc *                                       &
1226                                   lad_local *                                 &
1227                                   SQRT( ( 0.25_wp * ( u(k,j-1,i)   +          &
1228                                                       u(k,j-1,i+1) +          &
1229                                                       u(k,j,i)     +          &
1230                                                       u(k,j,i+1) )            &
1231                                         )**2 +                                &
1232                                         v(k,j,i)**2 +                         &
1233                                         ( 0.25_wp * ( w(k-1,j-1,i) +          &
1234                                                       w(k-1,j,i)   +          &
1235                                                       w(k,j-1,i)   +          &
1236                                                       w(k,j,i) )              &
1237                                         )**2                                  &
1238                                       ) *                                     &
1239                                   v(k,j,i)
1240
1241!
1242!--                   Calculate preliminary new velocity, based on pre_tend
1243                      pre_v = v(k,j,i) + dt_3d * pre_tend
1244!
1245!--                   Compare sign of old velocity and new preliminary velocity,
1246!--                   and in case the signs are different, limit the tendency
1247                      IF ( SIGN(pre_v,v(k,j,i)) /= pre_v )  THEN
1248                         pre_tend = - v(k,j,i) * ddt_3d
1249                      ELSE
1250                         pre_tend = pre_tend
1251                      ENDIF
1252!
1253!--                   Calculate final tendency
1254                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + pre_tend
1255
1256                   ENDDO
1257                ENDDO
1258             ENDDO
1259
1260!
1261!--       w-component
1262          CASE ( 3 )
1263             DO  i = nxl, nxr
1264                DO  j = nys, nyn
1265!
1266!--                Determine topography-top index on w-grid
1267                   k_wall = get_topography_top_index_ji( j, i, 'w' )
1268
1269                   DO  k = k_wall+1, k_wall + pch_index_ji(j,i) - 1
1270
1271                      kk = k - k_wall   !- lad arrays are defined flat
1272
1273                      pre_tend = 0.0_wp
1274                      pre_w = 0.0_wp
1275!
1276!--                   Calculate preliminary value (pre_tend) of the tendency
1277                      pre_tend = - cdc *                                       &
1278                                   (0.5_wp *                                   &
1279                                      ( lad_s(kk+1,j,i) + lad_s(kk,j,i) )) *   &
1280                                   SQRT( ( 0.25_wp * ( u(k,j,i)   +            &
1281                                                       u(k,j,i+1) +            &
1282                                                       u(k+1,j,i) +            &
1283                                                       u(k+1,j,i+1) )          &
1284                                         )**2 +                                &
1285                                         ( 0.25_wp * ( v(k,j,i)   +            &
1286                                                       v(k,j+1,i) +            &
1287                                                       v(k+1,j,i) +            &
1288                                                       v(k+1,j+1,i) )          &
1289                                         )**2 +                                &
1290                                         w(k,j,i)**2                           &
1291                                       ) *                                     &
1292                                   w(k,j,i)
1293!
1294!--                   Calculate preliminary new velocity, based on pre_tend
1295                      pre_w = w(k,j,i) + dt_3d * pre_tend
1296!
1297!--                   Compare sign of old velocity and new preliminary velocity,
1298!--                   and in case the signs are different, limit the tendency
1299                      IF ( SIGN(pre_w,w(k,j,i)) /= pre_w )  THEN
1300                         pre_tend = - w(k,j,i) * ddt_3d
1301                      ELSE
1302                         pre_tend = pre_tend
1303                      ENDIF
1304!
1305!--                   Calculate final tendency
1306                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + pre_tend
1307
1308                   ENDDO
1309                ENDDO
1310             ENDDO
1311
1312!
1313!--       potential temperature
1314          CASE ( 4 )
1315             DO  i = nxl, nxr
1316                DO  j = nys, nyn
1317!
1318!--                Determine topography-top index on scalar-grid
1319                   k_wall = get_topography_top_index_ji( j, i, 's' )
1320
1321                   DO  k = k_wall+1, k_wall + pch_index_ji(j,i)
1322
1323                      kk = k - k_wall   !- lad arrays are defined flat
1324                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + pc_heating_rate(kk,j,i)
1325                   ENDDO
1326                ENDDO
1327             ENDDO
1328
1329!
1330!--       humidity
1331          CASE ( 5 )
1332             DO  i = nxl, nxr
1333                DO  j = nys, nyn
1334!
1335!--                Determine topography-top index on scalar-grid
1336                   k_wall = get_topography_top_index_ji( j, i, 's' )
1337
1338                   DO  k = k_wall+1, k_wall + pch_index_ji(j,i)
1339
1340                      kk = k - k_wall   !- lad arrays are defined flat
1341                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) -                              &
1342                                       lsec *                                  &
1343                                       lad_s(kk,j,i) *                         &
1344                                       SQRT( ( 0.5_wp * ( u(k,j,i) +           &
1345                                                          u(k,j,i+1) )         &
1346                                             )**2 +                            &
1347                                             ( 0.5_wp * ( v(k,j,i) +           &
1348                                                          v(k,j+1,i) )         &
1349                                             )**2 +                            &
1350                                             ( 0.5_wp * ( w(k-1,j,i) +         & 
1351                                                          w(k,j,i) )           &
1352                                             )**2                              &
1353                                           ) *                                 &
1354                                       ( q(k,j,i) - lsc )
1355                   ENDDO
1356                ENDDO
1357             ENDDO
1358
1359!
1360!--       sgs-tke
1361          CASE ( 6 )
1362             DO  i = nxl, nxr
1363                DO  j = nys, nyn
1364!
1365!--                Determine topography-top index on scalar-grid
1366                   k_wall = get_topography_top_index_ji( j, i, 's' )
1367
1368                   DO  k = k_wall+1, k_wall + pch_index_ji(j,i)
1369
1370                      kk = k - k_wall   !- lad arrays are defined flat
1371                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) -                              &
1372                                       2.0_wp * cdc *                          &
1373                                       lad_s(kk,j,i) *                         &
1374                                       SQRT( ( 0.5_wp * ( u(k,j,i) +           &
1375                                                          u(k,j,i+1) )         &
1376                                             )**2 +                            &
1377                                             ( 0.5_wp * ( v(k,j,i) +           &
1378                                                          v(k,j+1,i) )         &
1379                                             )**2 +                            &
1380                                             ( 0.5_wp * ( w(k,j,i) +           &
1381                                                          w(k+1,j,i) )         &
1382                                             )**2                              &
1383                                           ) *                                 &
1384                                       e(k,j,i)
1385                   ENDDO
1386                ENDDO
1387             ENDDO 
1388!
1389!--       scalar concentration
1390          CASE ( 7 )
1391             DO  i = nxl, nxr
1392                DO  j = nys, nyn
1393!
1394!--                Determine topography-top index on scalar-grid
1395                   k_wall = get_topography_top_index_ji( j, i, 's' )
1396
1397                   DO  k = k_wall+1, k_wall + pch_index_ji(j,i)
1398
1399                      kk = k - k_wall   !- lad arrays are defined flat
1400                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) -                              &
1401                                       lsec *                                  &
1402                                       lad_s(kk,j,i) *                         &
1403                                       SQRT( ( 0.5_wp * ( u(k,j,i) +           &
1404                                                          u(k,j,i+1) )         &
1405                                             )**2 +                            &
1406                                             ( 0.5_wp * ( v(k,j,i) +           &
1407                                                          v(k,j+1,i) )         &
1408                                             )**2 +                            &
1409                                             ( 0.5_wp * ( w(k-1,j,i) +         & 
1410                                                          w(k,j,i) )           &
1411                                             )**2                              &
1412                                           ) *                                 &
1413                                       ( s(k,j,i) - lsc )
1414                   ENDDO
1415                ENDDO
1416             ENDDO   
1417
1418
1419
1420          CASE DEFAULT
1421
1422             WRITE( message_string, * ) 'wrong component: ', component
1423             CALL message( 'pcm_tendency', 'PA0279', 1, 2, 0, 6, 0 ) 
1424
1425       END SELECT
1426
1427    END SUBROUTINE pcm_tendency
1428
1429
1430!------------------------------------------------------------------------------!
1431! Description:
1432! ------------
1433!> Calculation of the tendency terms, accounting for the effect of the plant
1434!> canopy on momentum and scalar quantities.
1435!>
1436!> The canopy is located where the leaf area density lad_s(k,j,i) > 0.0
1437!> (defined on scalar grid), as initialized in subroutine pcm_init.
1438!> The lad on the w-grid is vertically interpolated from the surrounding
1439!> lad_s. The upper boundary of the canopy is defined on the w-grid at
1440!> k = pch_index. Here, the lad is zero.
1441!>
1442!> The canopy drag must be limited (previously accounted for by calculation of
1443!> a limiting canopy timestep for the determination of the maximum LES timestep
1444!> in subroutine timestep), since it is physically impossible that the canopy
1445!> drag alone can locally change the sign of a velocity component. This
1446!> limitation is realized by calculating preliminary tendencies and velocities.
1447!> It is subsequently checked if the preliminary new velocity has a different
1448!> sign than the current velocity. If so, the tendency is limited in a way that
1449!> the velocity can at maximum be reduced to zero by the canopy drag.
1450!>
1451!>
1452!> Call for grid point i,j
1453!------------------------------------------------------------------------------!
1454    SUBROUTINE pcm_tendency_ij( i, j, component )
1455
1456
1457       USE control_parameters,                                                 &
1458           ONLY:  dt_3d, message_string
1459
1460       USE kinds
1461
1462       IMPLICIT NONE
1463
1464       INTEGER(iwp) ::  component !< prognostic variable (u,v,w,pt,q,e)
1465       INTEGER(iwp) ::  i         !< running index
1466       INTEGER(iwp) ::  j         !< running index
1467       INTEGER(iwp) ::  k         !< running index
1468       INTEGER(iwp) ::  k_wall    !< vertical index of topography top
1469       INTEGER(iwp) ::  kk        !< running index for flat lad arrays
1470
1471       REAL(wp) ::  ddt_3d    !< inverse of the LES timestep (dt_3d)
1472       REAL(wp) ::  lad_local !< local lad value
1473       REAL(wp) ::  pre_tend  !< preliminary tendency
1474       REAL(wp) ::  pre_u     !< preliminary u-value
1475       REAL(wp) ::  pre_v     !< preliminary v-value
1476       REAL(wp) ::  pre_w     !< preliminary w-value
1477
1478
1479       ddt_3d = 1.0_wp / dt_3d
1480!
1481!--    Compute drag for the three velocity components and the SGS-TKE
1482       SELECT CASE ( component )
1483
1484!
1485!--       u-component
1486          CASE ( 1 )
1487!
1488!--          Determine topography-top index on u-grid
1489             k_wall = get_topography_top_index_ji( j, i, 'u' )
1490             DO  k = k_wall + 1, k_wall + pch_index_ji(j,i)
1491
1492                kk = k - k_wall  !- lad arrays are defined flat
1493
1494!
1495!--             In order to create sharp boundaries of the plant canopy,
1496!--             the lad on the u-grid at index (k,j,i) is equal to lad_s(k,j,i),
1497!--             rather than being interpolated from the surrounding lad_s,
1498!--             because this would yield smaller lad at the canopy boundaries
1499!--             than inside of the canopy.
1500!--             For the same reason, the lad at the rightmost(i+1)canopy
1501!--             boundary on the u-grid equals lad_s(k,j,i).
1502                lad_local = lad_s(kk,j,i)
1503                IF ( lad_local == 0.0_wp .AND. lad_s(kk,j,i-1) > 0.0_wp )  THEN
1504                   lad_local = lad_s(kk,j,i-1)
1505                ENDIF
1506
1507                pre_tend = 0.0_wp
1508                pre_u = 0.0_wp
1509!
1510!--             Calculate preliminary value (pre_tend) of the tendency
1511                pre_tend = - cdc *                                             &
1512                             lad_local *                                       &   
1513                             SQRT( u(k,j,i)**2 +                               &
1514                                   ( 0.25_wp * ( v(k,j,i-1)  +                 &
1515                                                 v(k,j,i)    +                 &
1516                                                 v(k,j+1,i)  +                 &
1517                                                 v(k,j+1,i-1) )                &
1518                                   )**2 +                                      &
1519                                   ( 0.25_wp * ( w(k-1,j,i-1) +                &
1520                                                 w(k-1,j,i)   +                &
1521                                                 w(k,j,i-1)   +                &
1522                                                 w(k,j,i) )                    &
1523                                   )**2                                        &
1524                                 ) *                                           &
1525                             u(k,j,i)
1526
1527!
1528!--             Calculate preliminary new velocity, based on pre_tend
1529                pre_u = u(k,j,i) + dt_3d * pre_tend
1530!
1531!--             Compare sign of old velocity and new preliminary velocity,
1532!--             and in case the signs are different, limit the tendency
1533                IF ( SIGN(pre_u,u(k,j,i)) /= pre_u )  THEN
1534                   pre_tend = - u(k,j,i) * ddt_3d
1535                ELSE
1536                   pre_tend = pre_tend
1537                ENDIF
1538!
1539!--             Calculate final tendency
1540                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + pre_tend
1541             ENDDO
1542
1543
1544!
1545!--       v-component
1546          CASE ( 2 )
1547!
1548!--          Determine topography-top index on v-grid
1549             k_wall = get_topography_top_index_ji( j, i, 'v' )
1550
1551             DO  k = k_wall + 1, k_wall + pch_index_ji(j,i)
1552
1553                kk = k - k_wall  !- lad arrays are defined flat
1554!
1555!--             In order to create sharp boundaries of the plant canopy,
1556!--             the lad on the v-grid at index (k,j,i) is equal to lad_s(k,j,i),
1557!--             rather than being interpolated from the surrounding lad_s,
1558!--             because this would yield smaller lad at the canopy boundaries
1559!--             than inside of the canopy.
1560!--             For the same reason, the lad at the northmost(j+1)canopy
1561!--             boundary on the v-grid equals lad_s(k,j,i).
1562                lad_local = lad_s(kk,j,i)
1563                IF ( lad_local == 0.0_wp .AND. lad_s(kk,j-1,i) > 0.0_wp )  THEN
1564                   lad_local = lad_s(kk,j-1,i)
1565                ENDIF
1566
1567                pre_tend = 0.0_wp
1568                pre_v = 0.0_wp
1569!
1570!--             Calculate preliminary value (pre_tend) of the tendency
1571                pre_tend = - cdc *                                             &
1572                             lad_local *                                       &
1573                             SQRT( ( 0.25_wp * ( u(k,j-1,i)   +                &
1574                                                 u(k,j-1,i+1) +                &
1575                                                 u(k,j,i)     +                &
1576                                                 u(k,j,i+1) )                  &
1577                                   )**2 +                                      &
1578                                   v(k,j,i)**2 +                               &
1579                                   ( 0.25_wp * ( w(k-1,j-1,i) +                &
1580                                                 w(k-1,j,i)   +                &
1581                                                 w(k,j-1,i)   +                &
1582                                                 w(k,j,i) )                    &
1583                                   )**2                                        &
1584                                 ) *                                           &
1585                             v(k,j,i)
1586
1587!
1588!--             Calculate preliminary new velocity, based on pre_tend
1589                pre_v = v(k,j,i) + dt_3d * pre_tend
1590!
1591!--             Compare sign of old velocity and new preliminary velocity,
1592!--             and in case the signs are different, limit the tendency
1593                IF ( SIGN(pre_v,v(k,j,i)) /= pre_v )  THEN
1594                   pre_tend = - v(k,j,i) * ddt_3d
1595                ELSE
1596                   pre_tend = pre_tend
1597                ENDIF
1598!
1599!--             Calculate final tendency
1600                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + pre_tend
1601             ENDDO
1602
1603
1604!
1605!--       w-component
1606          CASE ( 3 )
1607!
1608!--          Determine topography-top index on w-grid
1609             k_wall = get_topography_top_index_ji( j, i, 'w' )
1610
1611             DO  k = k_wall + 1, k_wall + pch_index_ji(j,i) - 1
1612
1613                kk = k - k_wall  !- lad arrays are defined flat
1614
1615                pre_tend = 0.0_wp
1616                pre_w = 0.0_wp
1617!
1618!--             Calculate preliminary value (pre_tend) of the tendency
1619                pre_tend = - cdc *                                             &
1620                             (0.5_wp *                                         &
1621                                ( lad_s(kk+1,j,i) + lad_s(kk,j,i) )) *         &
1622                             SQRT( ( 0.25_wp * ( u(k,j,i)    +                 & 
1623                                                 u(k,j,i+1)  +                 &
1624                                                 u(k+1,j,i)  +                 &
1625                                                 u(k+1,j,i+1) )                &
1626                                   )**2 +                                      &
1627                                   ( 0.25_wp * ( v(k,j,i)    +                 &
1628                                                 v(k,j+1,i)  +                 &
1629                                                 v(k+1,j,i)  +                 &
1630                                                 v(k+1,j+1,i) )                &
1631                                   )**2 +                                      &
1632                                   w(k,j,i)**2                                 &
1633                                 ) *                                           &
1634                             w(k,j,i)
1635!
1636!--             Calculate preliminary new velocity, based on pre_tend
1637                pre_w = w(k,j,i) + dt_3d * pre_tend
1638!
1639!--             Compare sign of old velocity and new preliminary velocity,
1640!--             and in case the signs are different, limit the tendency
1641                IF ( SIGN(pre_w,w(k,j,i)) /= pre_w )  THEN
1642                   pre_tend = - w(k,j,i) * ddt_3d
1643                ELSE
1644                   pre_tend = pre_tend
1645                ENDIF
1646!
1647!--             Calculate final tendency
1648                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + pre_tend
1649             ENDDO
1650
1651!
1652!--       potential temperature
1653          CASE ( 4 )
1654!
1655!--          Determine topography-top index on scalar grid
1656             k_wall = get_topography_top_index_ji( j, i, 's' )
1657
1658             DO  k = k_wall + 1, k_wall + pch_index_ji(j,i)
1659                kk = k - k_wall  !- lad arrays are defined flat
1660                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + pc_heating_rate(kk,j,i)
1661             ENDDO
1662
1663
1664!
1665!--       humidity
1666          CASE ( 5 )
1667!
1668!--          Determine topography-top index on scalar grid
1669             k_wall = get_topography_top_index_ji( j, i, 's' )
1670
1671             DO  k = k_wall + 1, k_wall + pch_index_ji(j,i)
1672
1673                kk = k - k_wall
1674                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) -                                    &
1675                                 lsec *                                        &
1676                                 lad_s(kk,j,i) *                               &
1677                                 SQRT( ( 0.5_wp * ( u(k,j,i) +                 &
1678                                                    u(k,j,i+1) )               &
1679                                       )**2  +                                 &
1680                                       ( 0.5_wp * ( v(k,j,i) +                 &
1681                                                    v(k,j+1,i) )               &
1682                                       )**2 +                                  &
1683                                       ( 0.5_wp * ( w(k-1,j,i) +               &
1684                                                    w(k,j,i) )                 &
1685                                       )**2                                    &
1686                                     ) *                                       &
1687                                 ( q(k,j,i) - lsc )
1688             ENDDO   
1689
1690!
1691!--       sgs-tke
1692          CASE ( 6 )
1693!
1694!--          Determine topography-top index on scalar grid
1695             k_wall = get_topography_top_index_ji( j, i, 's' )
1696
1697             DO  k = k_wall + 1, k_wall + pch_index_ji(j,i)
1698
1699                kk = k - k_wall
1700                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) -                                    &
1701                                 2.0_wp * cdc *                                &
1702                                 lad_s(kk,j,i) *                               &
1703                                 SQRT( ( 0.5_wp * ( u(k,j,i) +                 &
1704                                                    u(k,j,i+1) )               &
1705                                       )**2 +                                  & 
1706                                       ( 0.5_wp * ( v(k,j,i) +                 &
1707                                                    v(k,j+1,i) )               &
1708                                       )**2 +                                  &
1709                                       ( 0.5_wp * ( w(k,j,i) +                 &
1710                                                    w(k+1,j,i) )               &
1711                                       )**2                                    &
1712                                     ) *                                       &
1713                                 e(k,j,i)
1714             ENDDO
1715             
1716!
1717!--       scalar concentration
1718          CASE ( 7 )
1719!
1720!--          Determine topography-top index on scalar grid
1721             k_wall = get_topography_top_index_ji( j, i, 's' )
1722
1723             DO  k = k_wall + 1, k_wall + pch_index_ji(j,i)
1724
1725                kk = k - k_wall
1726                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) -                                    &
1727                                 lsec *                                        &
1728                                 lad_s(kk,j,i) *                               &
1729                                 SQRT( ( 0.5_wp * ( u(k,j,i) +                 &
1730                                                    u(k,j,i+1) )               &
1731                                       )**2  +                                 &
1732                                       ( 0.5_wp * ( v(k,j,i) +                 &
1733                                                    v(k,j+1,i) )               &
1734                                       )**2 +                                  &
1735                                       ( 0.5_wp * ( w(k-1,j,i) +               &
1736                                                    w(k,j,i) )                 &
1737                                       )**2                                    &
1738                                     ) *                                       &
1739                                 ( s(k,j,i) - lsc )
1740             ENDDO               
1741
1742       CASE DEFAULT
1743
1744          WRITE( message_string, * ) 'wrong component: ', component
1745          CALL message( 'pcm_tendency', 'PA0279', 1, 2, 0, 6, 0 ) 
1746
1747       END SELECT
1748
1749    END SUBROUTINE pcm_tendency_ij
1750
1751
1752
1753 END MODULE plant_canopy_model_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.