source: palm/trunk/SOURCE/prandtl_fluxes.f90 @ 109

Last change on this file since 109 was 108, checked in by letzel, 17 years ago
  • Improved coupler: evaporation - salinity-flux coupling for humidity = .T.,

avoid MPI hangs when coupled runs terminate, add DOC/app/chapter_3.8;

  • Optional calculation of km and kh from initial TKE e_init;
  • Default initialization of km,kh = 0.00001 for ocean = .T.;
  • Allow data_output_pr= q, wq, w"q", w*q* for humidity = .T.;
  • Bugfix: Rayleigh damping for ocean fixed.
  • Property svn:keywords set to Id
File size: 14.2 KB
Line 
1 SUBROUTINE prandtl_fluxes
2
3!------------------------------------------------------------------------------!
4! Actual revisions:
5! -----------------
6! assume saturation at k=nzb_s_inner(j,i) for atmosphere coupled to ocean
7!
8! Former revisions:
9! -----------------
10! $Id: prandtl_fluxes.f90 108 2007-08-24 15:10:38Z letzel $
11!
12! 75 2007-03-22 09:54:05Z raasch
13! moisture renamed humidity
14!
15! RCS Log replace by Id keyword, revision history cleaned up
16!
17! Revision 1.19  2006/04/26 12:24:35  raasch
18! +OpenMP directives and optimization (array assignments replaced by DO loops)
19!
20! Revision 1.1  1998/01/23 10:06:06  raasch
21! Initial revision
22!
23!
24! Description:
25! ------------
26! Diagnostic computation of vertical fluxes in the Prandtl layer from the
27! values of the variables at grid point k=1
28!------------------------------------------------------------------------------!
29
30    USE arrays_3d
31    USE control_parameters
32    USE grid_variables
33    USE indices
34
35    IMPLICIT NONE
36
37    INTEGER ::  i, j, k
38    REAL    ::  a, b, e_q, rifm, uv_total, z_p
39
40!
41!-- Compute theta*
42    IF ( constant_heatflux )  THEN
43!
44!--    For a given heat flux in the Prandtl layer:
45!--    for u* use the value from the previous time step
46       !$OMP PARALLEL DO
47       DO  i = nxl-1, nxr+1
48          DO  j = nys-1, nyn+1
49             ts(j,i) = -shf(j,i) / ( us(j,i) + 1E-30 )
50!
51!--          ts must be limited, because otherwise overflow may occur in case of
52!--          us=0 when computing rif further below
53             IF ( ts(j,i) < -1.05E5 )  ts = -1.0E5
54             IF ( ts(j,i) >   1.0E5 )  ts =  1.0E5
55          ENDDO
56       ENDDO
57
58    ELSE
59!
60!--    For a given surface temperature:
61!--    (the Richardson number is still the one from the previous time step)
62       !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( a, b, k, z_p )
63       DO  i = nxl-1, nxr+1
64          DO  j = nys-1, nyn+1
65
66             k   = nzb_s_inner(j,i)
67             z_p = zu(k+1) - zw(k)
68
69             IF ( rif(j,i) >= 0.0 )  THEN
70!
71!--             Stable stratification
72                ts(j,i) = kappa * ( pt(k+1,j,i) - pt(k,j,i) ) / (          &
73                                  LOG( z_p / z0(j,i) ) +                   &
74                                  5.0 * rif(j,i) * ( z_p - z0(j,i) ) / z_p &
75                                                                )
76             ELSE
77!
78!--             Unstable stratification
79                a = SQRT( 1.0 - 16.0 * rif(j,i) )
80                b = SQRT( 1.0 - 16.0 * rif(j,i) / z_p * z0(j,i) )
81!
82!--             If a borderline case occurs, the formula for stable
83!--             stratification must be used anyway, or else a zero division
84!--             would occur in the argument of the logarithm
85                IF ( a == 1.0  .OR.  b == 1.0 )  THEN
86                   ts(j,i) = kappa * ( pt(k+1,j,i) - pt(k,j,i) ) / (          &
87                                     LOG( z_p / z0(j,i) ) +                   &
88                                     5.0 * rif(j,i) * ( z_p - z0(j,i) ) / z_p &
89                                                                   )
90                ELSE
91                   ts(j,i) = kappa * ( pt(k+1,j,i) - pt(k,j,i) ) / (          &
92                                 LOG( (1.0+b) / (1.0-b) * (1.0-a) / (1.0+a) ) &
93                                                                   )
94                ENDIF
95             ENDIF
96
97          ENDDO
98       ENDDO
99    ENDIF
100
101!
102!-- Compute z_p/L (corresponds to the Richardson-flux number)
103    IF ( .NOT. humidity )  THEN
104       !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( k, z_p )
105       DO  i = nxl-1, nxr+1
106          DO  j = nys-1, nyn+1
107             k   = nzb_s_inner(j,i)
108             z_p = zu(k+1) - zw(k)
109             rif(j,i) = z_p * kappa * g * ts(j,i) / &
110                        ( pt(k+1,j,i) * ( us(j,i)**2 + 1E-30 ) )
111!
112!--          Limit the value range of the Richardson numbers.
113!--          This is necessary for very small velocities (u,v --> 0), because
114!--          the absolute value of rif can then become very large, which in
115!--          consequence would result in very large shear stresses and very
116!--          small momentum fluxes (both are generally unrealistic).
117             IF ( rif(j,i) < rif_min )  rif(j,i) = rif_min
118             IF ( rif(j,i) > rif_max )  rif(j,i) = rif_max
119          ENDDO
120       ENDDO
121    ELSE
122       !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( k, z_p )
123       DO  i = nxl-1, nxr+1
124          DO  j = nys-1, nyn+1
125             k   = nzb_s_inner(j,i)
126             z_p = zu(k+1) - zw(k)
127             rif(j,i) = z_p * kappa * g *                            &
128                        ( ts(j,i) + 0.61 * pt(k+1,j,i) * qs(j,i) ) / &
129                        ( vpt(k+1,j,i) * ( us(j,i)**2 + 1E-30 ) )
130!
131!--          Limit the value range of the Richardson numbers.
132!--          This is necessary for very small velocities (u,v --> 0), because
133!--          the absolute value of rif can then become very large, which in
134!--          consequence would result in very large shear stresses and very
135!--          small momentum fluxes (both are generally unrealistic).
136             IF ( rif(j,i) < rif_min )  rif(j,i) = rif_min
137             IF ( rif(j,i) > rif_max )  rif(j,i) = rif_max
138          ENDDO
139       ENDDO       
140    ENDIF
141
142!
143!-- Compute u* at the scalars' grid points
144    !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( a, b, k, uv_total, z_p )
145    DO  i = nxl, nxr
146       DO  j = nys, nyn
147
148          k   = nzb_s_inner(j,i)
149          z_p = zu(k+1) - zw(k)
150
151!
152!--       Compute the absolute value of the horizontal velocity
153          uv_total = SQRT( ( 0.5 * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1) ) )**2 + &
154                           ( 0.5 * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i) ) )**2   &
155                         )
156
157          IF ( rif(j,i) >= 0.0 )  THEN
158!
159!--          Stable stratification
160             us(j,i) = kappa * uv_total / (                                &
161                                  LOG( z_p / z0(j,i) ) +                   &
162                                  5.0 * rif(j,i) * ( z_p - z0(j,i) ) / z_p &
163                                          )
164          ELSE
165!
166!--          Unstable stratification
167             a = 1.0 / SQRT( SQRT( 1.0 - 16.0 * rif(j,i) ) )
168             b = 1.0 / SQRT( SQRT( 1.0 - 16.0 * rif(j,i) / z_p * z0(j,i) ) )
169!
170!--          If a borderline case occurs, the formula for stable stratification
171!--          must be used anyway, or else a zero division would occur in the
172!--          argument of the logarithm.
173             IF ( a == 1.0  .OR.  b == 1.0 )  THEN
174                us(j,i) = kappa * uv_total / (                                &
175                                     LOG( z_p / z0(j,i) ) +                   &
176                                     5.0 * rif(j,i) * ( z_p - z0(j,i) ) / z_p &
177                                             )
178             ELSE
179                us(j,i) = kappa * uv_total / (                               &
180                              LOG( (1.0+b) / (1.0-b) * (1.0-a) / (1.0+a) ) + &
181                              2.0 * ( ATAN( b ) - ATAN( a ) )                &
182                                             )
183             ENDIF
184          ENDIF
185       ENDDO
186    ENDDO
187
188!
189!-- Compute u'w' for the total model domain.
190!-- First compute the corresponding component of u* and square it.
191    !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( a, b, k, rifm, z_p )
192    DO  i = nxl, nxr
193       DO  j = nys, nyn
194
195          k   = nzb_u_inner(j,i)
196          z_p = zu(k+1) - zw(k)
197
198!
199!--       Compute Richardson-flux number for this point
200          rifm = 0.5 * ( rif(j,i-1) + rif(j,i) )
201          IF ( rifm >= 0.0 )  THEN
202!
203!--          Stable stratification
204             usws(j,i) = kappa * u(k+1,j,i) / (                           &
205                                     LOG( z_p / z0(j,i) ) +               &
206                                     5.0 * rifm * ( z_p - z0(j,i) ) / z_p &
207                                              )
208          ELSE
209!
210!--          Unstable stratification
211             a = 1.0 / SQRT( SQRT( 1.0 - 16.0 * rifm ) )
212             b = 1.0 / SQRT( SQRT( 1.0 - 16.0 * rifm / z_p * z0(j,i) ) )
213!
214!--          If a borderline case occurs, the formula for stable stratification
215!--          must be used anyway, or else a zero division would occur in the
216!--          argument of the logarithm.
217             IF ( a == 1.0  .OR.  B == 1.0 )  THEN
218                usws(j,i) = kappa * u(k+1,j,i) / (                           &
219                                        LOG( z_p / z0(j,i) ) +               &
220                                        5.0 * rifm * ( z_p - z0(j,i) ) / z_p &
221                                                 )
222             ELSE
223                usws(j,i) = kappa * u(k+1,j,i) / (                           &
224                              LOG( (1.0+b) / (1.0-b) * (1.0-a) / (1.0+a) ) + &
225                              2.0 * ( ATAN( b ) - ATAN( a ) )                &
226                                                 )
227             ENDIF
228          ENDIF
229          usws(j,i) = -usws(j,i) * ABS( usws(j,i) )
230       ENDDO
231    ENDDO
232
233!
234!-- Compute v'w' for the total model domain.
235!-- First compute the corresponding component of u* and square it.
236    !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( a, b, k, rifm, z_p )
237    DO  i = nxl, nxr
238       DO  j = nys, nyn
239
240          k   = nzb_v_inner(j,i)
241          z_p = zu(k+1) - zw(k)
242
243!
244!--       Compute Richardson-flux number for this point
245          rifm = 0.5 * ( rif(j-1,i) + rif(j,i) )
246          IF ( rifm >= 0.0 )  THEN
247!
248!--          Stable stratification
249             vsws(j,i) = kappa * v(k+1,j,i) / (                           &
250                                     LOG( z_p / z0(j,i) ) +               &
251                                     5.0 * rifm * ( z_p - z0(j,i) ) / z_p &
252                                              )
253          ELSE
254!
255!--          Unstable stratification
256             a = 1.0 / SQRT( SQRT( 1.0 - 16.0 * rifm ) )
257             b = 1.0 / SQRT( SQRT( 1.0 - 16.0 * rifm / z_p * z0(j,i) ) )
258!
259!--          If a borderline case occurs, the formula for stable stratification
260!--          must be used anyway, or else a zero division would occur in the
261!--          argument of the logarithm.
262             IF ( a == 1.0  .OR.  b == 1.0 )  THEN
263                vsws(j,i) = kappa * v(k+1,j,i) / (                           &
264                                        LOG( z_p / z0(j,i) ) +               &
265                                        5.0 * rifm * ( z_p - z0(j,i) ) / z_p &
266                                                 )
267             ELSE
268                vsws(j,i) = kappa * v(k+1,j,i) / (                           &
269                              LOG( (1.0+b) / (1.0-b) * (1.0-a) / (1.0+a) ) + &
270                              2.0 * ( ATAN( b ) - ATAN( a ) )                &
271                                                 )
272             ENDIF
273          ENDIF
274          vsws(j,i) = -vsws(j,i) * ABS( vsws(j,i) )
275       ENDDO
276    ENDDO
277
278!
279!-- If required compute q*
280    IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
281       IF ( constant_waterflux )  THEN
282!
283!--       For a given water flux in the Prandtl layer:
284          !$OMP PARALLEL DO
285          DO  i = nxl-1, nxr+1
286             DO  j = nys-1, nyn+1
287                qs(j,i) = -qsws(j,i) / ( us(j,i) + 1E-30 )
288             ENDDO
289          ENDDO
290         
291       ELSE         
292          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( a, b, k, z_p )
293          DO  i = nxl-1, nxr+1
294             DO  j = nys-1, nyn+1
295
296                k   = nzb_s_inner(j,i)
297                z_p = zu(k+1) - zw(k)
298
299!
300!--             assume saturation for atmosphere coupled to ocean
301                IF ( coupling_mode == 'atmosphere_to_ocean' )  THEN
302                   e_q = 6.1 * &
303                        EXP( 0.07 * ( MIN(pt(0,j,i),pt(1,j,i)) - 273.15 ) )
304                   q(k,j,i) = 0.622 * e_q / ( surface_pressure - e_q )
305                ENDIF
306                IF ( rif(j,i) >= 0.0 )  THEN
307!
308!--                Stable stratification
309                   qs(j,i) = kappa * ( q(k+1,j,i) - q(k,j,i) ) / (         &
310                                  LOG( z_p / z0(j,i) ) +                   &
311                                  5.0 * rif(j,i) * ( z_p - z0(j,i) ) / z_p &
312                                                                 )
313                ELSE
314!
315!--                Unstable stratification
316                   a = SQRT( 1.0 - 16.0 * rif(j,i) )
317                   b = SQRT( 1.0 - 16.0 * rif(j,i) / z_p * z0(j,i) )
318!
319!--                If a borderline case occurs, the formula for stable
320!--                stratification must be used anyway, or else a zero division
321!--                would occur in the argument of the logarithm.
322                   IF ( a == 1.0  .OR.  b == 1.0 )  THEN
323                      qs(j,i) = kappa * ( q(k+1,j,i) - q(k,j,i) ) / (         &
324                                     LOG( z_p / z0(j,i) ) +                   &
325                                     5.0 * rif(j,i) * ( z_p - z0(j,i) ) / z_p &
326                                                                    )
327                   ELSE
328                      qs(j,i) = kappa * ( q(k+1,j,i) - q(k,j,i) ) / (          &
329                                  LOG( (1.0+b) / (1.0-b) * (1.0-a) / (1.0+a) ) &
330                                                                    )
331                   ENDIF
332                ENDIF
333
334             ENDDO
335          ENDDO
336       ENDIF
337    ENDIF
338
339!
340!-- Exchange the boundaries for u* and the momentum fluxes (fluxes only for
341!-- completeness's sake).
342    CALL exchange_horiz_2d( us )
343    CALL exchange_horiz_2d( usws )
344    CALL exchange_horiz_2d( vsws )
345    IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  CALL exchange_horiz_2d( qsws )
346
347!
348!-- Compute the vertical kinematic heat flux
349    IF ( .NOT. constant_heatflux )  THEN
350       !$OMP PARALLEL DO
351       DO  i = nxl-1, nxr+1
352          DO  j = nys-1, nyn+1
353             shf(j,i) = -ts(j,i) * us(j,i)
354          ENDDO
355       ENDDO
356    ENDIF
357
358!
359!-- Compute the vertical water/scalar flux
360    IF ( .NOT. constant_heatflux .AND. ( humidity .OR. passive_scalar ) ) THEN
361       !$OMP PARALLEL DO
362       DO  i = nxl-1, nxr+1
363          DO  j = nys-1, nyn+1
364             qsws(j,i) = -qs(j,i) * us(j,i)
365          ENDDO
366       ENDDO
367    ENDIF
368
369!
370!-- Bottom boundary condition for the TKE
371    IF ( ibc_e_b == 2 )  THEN
372       !$OMP PARALLEL DO
373       DO  i = nxl-1, nxr+1
374          DO  j = nys-1, nyn+1
375             e(nzb_s_inner(j,i)+1,j,i) = ( us(j,i) / 0.1 )**2
376!
377!--          As a test: cm = 0.4
378!            e(nzb_s_inner(j,i)+1,j,i) = ( us(j,i) / 0.4 )**2
379             e(nzb_s_inner(j,i),j,i)   = e(nzb_s_inner(j,i)+1,j,i)
380          ENDDO
381       ENDDO
382    ENDIF
383
384
385 END SUBROUTINE prandtl_fluxes
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.