source: palm/trunk/SOURCE/production_e.f90 @ 1791

Last change on this file since 1791 was 1692, checked in by maronga, 9 years ago

last commit documented

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 89.3 KB
RevLine 
[1682]1!> @file production_e.f90
[1036]2!--------------------------------------------------------------------------------!
3! This file is part of PALM.
4!
5! PALM is free software: you can redistribute it and/or modify it under the terms
6! of the GNU General Public License as published by the Free Software Foundation,
7! either version 3 of the License, or (at your option) any later version.
8!
9! PALM is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY
10! WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR
11! A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License for more details.
12!
13! You should have received a copy of the GNU General Public License along with
14! PALM. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
15!
[1691]16! Copyright 1997-2015 Leibniz Universitaet Hannover
[1036]17!--------------------------------------------------------------------------------!
18!
[484]19! Current revisions:
[1]20! -----------------
[1343]21!
[1692]22!
[1321]23! Former revisions:
24! -----------------
25! $Id: production_e.f90 1692 2015-10-26 16:29:17Z raasch $
26!
[1692]27! 1691 2015-10-26 16:17:44Z maronga
28! Renamed prandtl_layer to constant_flux_layer.
29!
[1683]30! 1682 2015-10-07 23:56:08Z knoop
31! Code annotations made doxygen readable
32!
[1375]33! 1374 2014-04-25 12:55:07Z raasch
34! nzb_s_outer removed from acc-present-list
35!
[1354]36! 1353 2014-04-08 15:21:23Z heinze
37! REAL constants provided with KIND-attribute
38!
[1343]39! 1342 2014-03-26 17:04:47Z kanani
40! REAL constants defined as wp-kind
41!
[1321]42! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
[1320]43! ONLY-attribute added to USE-statements,
44! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
45! kinds are defined in new module kinds,
46! old module precision_kind is removed,
47! revision history before 2012 removed,
48! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
49! all variable declaration statements
[110]50!
[1258]51! 1257 2013-11-08 15:18:40Z raasch
52! openacc loop and loop vector clauses removed, declare create moved after
53! the FORTRAN declaration statement
54!
[1182]55! 1179 2013-06-14 05:57:58Z raasch
56! use_reference renamed use_single_reference_value
57!
[1132]58! 1128 2013-04-12 06:19:32Z raasch
59! loop index bounds in accelerator version replaced by i_left, i_right, j_south,
60! j_north
61!
[1037]62! 1036 2012-10-22 13:43:42Z raasch
63! code put under GPL (PALM 3.9)
64!
[1017]65! 1015 2012-09-27 09:23:24Z raasch
66! accelerator version (*_acc) added
67!
[1008]68! 1007 2012-09-19 14:30:36Z franke
69! Bugfix: calculation of buoyancy production has to consider the liquid water
70! mixing ratio in case of cloud droplets
71!
[941]72! 940 2012-07-09 14:31:00Z raasch
73! TKE production by buoyancy can be switched off in case of runs with pure
74! neutral stratification
75!
[1]76! Revision 1.1  1997/09/19 07:45:35  raasch
77! Initial revision
78!
79!
80! Description:
81! ------------
[1682]82!> Production terms (shear + buoyancy) of the TKE.
[1691]83!> @warning The case with constant_flux_layer = F and use_surface_fluxes = T is
[1682]84!>          not considered well!
[1]85!------------------------------------------------------------------------------!
[1682]86 MODULE production_e_mod
87 
[1]88
[1320]89    USE wall_fluxes_mod,                                                       &
90        ONLY:  wall_fluxes_e, wall_fluxes_e_acc
[56]91
[1320]92    USE kinds
93
[1]94    PRIVATE
[1015]95    PUBLIC production_e, production_e_acc, production_e_init
[56]96
[1682]97    LOGICAL, SAVE ::  first_call = .TRUE.  !<
[1]98
[1682]99    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE, SAVE ::  u_0  !<
100    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE, SAVE ::  v_0  !<
[1]101
102    INTERFACE production_e
103       MODULE PROCEDURE production_e
104       MODULE PROCEDURE production_e_ij
105    END INTERFACE production_e
106   
[1015]107    INTERFACE production_e_acc
108       MODULE PROCEDURE production_e_acc
109    END INTERFACE production_e_acc
110
[1]111    INTERFACE production_e_init
112       MODULE PROCEDURE production_e_init
113    END INTERFACE production_e_init
114 
115 CONTAINS
116
117
118!------------------------------------------------------------------------------!
[1682]119! Description:
120! ------------
121!> Call for all grid points
[1]122!------------------------------------------------------------------------------!
123    SUBROUTINE production_e
124
[1320]125       USE arrays_3d,                                                          &
126           ONLY:  ddzw, dd2zu, kh, km, pt, q, ql, qsws, qswst, rho, shf,       &
127                  tend, tswst, u, v, vpt, w
[1]128
[1320]129       USE cloud_parameters,                                                   &
130           ONLY:  l_d_cp, l_d_r, pt_d_t, t_d_pt
131
132       USE control_parameters,                                                 &
[1691]133           ONLY:  cloud_droplets, cloud_physics, constant_flux_layer, g,       &
134                  humidity, kappa, neutral, ocean, pt_reference,               &
135                  rho_reference, use_single_reference_value,                   &
136                  use_surface_fluxes, use_top_fluxes
[1320]137
138       USE grid_variables,                                                     &
139           ONLY:  ddx, dx, ddy, dy, wall_e_x, wall_e_y
140
141       USE indices,                                                            &
142           ONLY:  nxl, nxr, nys, nyn, nzb, nzb_diff_s_inner,                   &
143                   nzb_diff_s_outer, nzb_s_inner, nzt, nzt_diff
144
[1]145       IMPLICIT NONE
146
[1682]147       INTEGER(iwp) ::  i           !<
148       INTEGER(iwp) ::  j           !<
149       INTEGER(iwp) ::  k           !<
[1]150
[1682]151       REAL(wp)     ::  def         !<
152       REAL(wp)     ::  dudx        !<
153       REAL(wp)     ::  dudy        !<
154       REAL(wp)     ::  dudz        !<
155       REAL(wp)     ::  dvdx        !<
156       REAL(wp)     ::  dvdy        !<
157       REAL(wp)     ::  dvdz        !<
158       REAL(wp)     ::  dwdx        !<
159       REAL(wp)     ::  dwdy        !<
160       REAL(wp)     ::  dwdz        !<
161       REAL(wp)     ::  k1          !<
162       REAL(wp)     ::  k2          !<
163       REAL(wp)     ::  km_neutral  !<
164       REAL(wp)     ::  theta       !<
165       REAL(wp)     ::  temp        !<
[1]166
[1320]167!       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nys:nyn,nxl:nxr) ::  usvs, vsus, wsus, wsvs
[1682]168       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  usvs  !<
169       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  vsus  !<
170       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  wsus  !<
171       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  wsvs  !<
[1]172
[56]173!
174!--    First calculate horizontal momentum flux u'v', w'v', v'u', w'u' at
175!--    vertical walls, if neccessary
176!--    So far, results are slightly different from the ij-Version.
177!--    Therefore, ij-Version is called further below within the ij-loops.
178!       IF ( topography /= 'flat' )  THEN
[1320]179!          CALL wall_fluxes_e( usvs, 1.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, wall_e_y )
180!          CALL wall_fluxes_e( wsvs, 0.0_wp, 0.0_wp, 1.0_wp, 0.0_wp, wall_e_y )
181!          CALL wall_fluxes_e( vsus, 0.0_wp, 1.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, wall_e_x )
182!          CALL wall_fluxes_e( wsus, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 1.0_wp, wall_e_x )
[56]183!       ENDIF
[53]184
[940]185
[1]186       DO  i = nxl, nxr
187
[940]188!
189!--       Calculate TKE production by shear
[1]190          DO  j = nys, nyn
[19]191             DO  k = nzb_diff_s_outer(j,i), nzt
[1]192
[1342]193                dudx  =           ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i)     ) * ddx
194                dudy  = 0.25_wp * ( u(k,j+1,i) + u(k,j+1,i+1) - &
195                                    u(k,j-1,i) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy
196                dudz  = 0.5_wp  * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1) - &
197                                    u(k-1,j,i) - u(k-1,j,i+1) ) * dd2zu(k)
[1]198
[1342]199                dvdx  = 0.25_wp * ( v(k,j,i+1) + v(k,j+1,i+1) - &
200                                    v(k,j,i-1) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx
201                dvdy  =           ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i)     ) * ddy
202                dvdz  = 0.5_wp  * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i) - &
203                                    v(k-1,j,i) - v(k-1,j+1,i) ) * dd2zu(k)
[1]204
[1342]205                dwdx  = 0.25_wp * ( w(k,j,i+1) + w(k-1,j,i+1) - &
206                                    w(k,j,i-1) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx
207                dwdy  = 0.25_wp * ( w(k,j+1,i) + w(k-1,j+1,i) - &
208                                    w(k,j-1,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy
209                dwdz  =           ( w(k,j,i)   - w(k-1,j,i)   ) * ddzw(k)
[1]210
[1342]211                def = 2.0_wp * ( dudx**2 + dvdy**2 + dwdz**2 ) +           &
[1]212                      dudy**2 + dvdx**2 + dwdx**2 + dwdy**2 + dudz**2 + &
[1342]213                      dvdz**2 + 2.0_wp * ( dvdx*dudy + dwdx*dudz + dwdy*dvdz )
[1]214
[1342]215                IF ( def < 0.0_wp )  def = 0.0_wp
[1]216
217                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def
[1007]218
[1]219             ENDDO
220          ENDDO
221
[1691]222          IF ( constant_flux_layer )  THEN
[1]223
224!
[55]225!--          Position beneath wall
226!--          (2) - Will allways be executed.
227!--          'bottom and wall: use u_0,v_0 and wall functions'
[1]228             DO  j = nys, nyn
229
[1342]230                IF ( ( wall_e_x(j,i) /= 0.0_wp ) .OR. ( wall_e_y(j,i) /= 0.0_wp ) ) &
[1]231                THEN
232
233                   k = nzb_diff_s_inner(j,i) - 1
234                   dudx = ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i) ) * ddx
[1342]235                   dudz = 0.5_wp * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1) - &
236                                     u_0(j,i)   - u_0(j,i+1)   ) * dd2zu(k)
[53]237                   dvdy = ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i) ) * ddy
[1342]238                   dvdz = 0.5_wp * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i) - &
239                                     v_0(j,i)   - v_0(j+1,i)   ) * dd2zu(k)
[53]240                   dwdz = ( w(k,j,i) - w(k-1,j,i) ) * ddzw(k)
241
[1342]242                   IF ( wall_e_y(j,i) /= 0.0_wp )  THEN
[1007]243!
[208]244!--                   Inconsistency removed: as the thermal stratification is
245!--                   not taken into account for the evaluation of the wall
246!--                   fluxes at vertical walls, the eddy viscosity km must not
247!--                   be used for the evaluation of the velocity gradients dudy
248!--                   and dwdy
249!--                   Note: The validity of the new method has not yet been
250!--                         shown, as so far no suitable data for a validation
251!--                         has been available
[53]252                      CALL wall_fluxes_e( i, j, k, nzb_diff_s_outer(j,i)-2, &
[1320]253                                          usvs, 1.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp )
[53]254                      CALL wall_fluxes_e( i, j, k, nzb_diff_s_outer(j,i)-2, &
[1320]255                                          wsvs, 0.0_wp, 0.0_wp, 1.0_wp, 0.0_wp )
[1342]256                      km_neutral = kappa * ( usvs(k)**2 + wsvs(k)**2 )**0.25_wp * &
257                                   0.5_wp * dy 
258                      IF ( km_neutral > 0.0_wp )  THEN
[364]259                         dudy = - wall_e_y(j,i) * usvs(k) / km_neutral
260                         dwdy = - wall_e_y(j,i) * wsvs(k) / km_neutral
261                      ELSE
[1342]262                         dudy = 0.0_wp
263                         dwdy = 0.0_wp
[364]264                      ENDIF
[1]265                   ELSE
[1342]266                      dudy = 0.25_wp * ( u(k,j+1,i) + u(k,j+1,i+1) - &
267                                         u(k,j-1,i) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy
268                      dwdy = 0.25_wp * ( w(k,j+1,i) + w(k-1,j+1,i) - &
269                                         w(k,j-1,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy
[1]270                   ENDIF
271
[1342]272                   IF ( wall_e_x(j,i) /= 0.0_wp )  THEN
[1007]273!
[208]274!--                   Inconsistency removed: as the thermal stratification is
275!--                   not taken into account for the evaluation of the wall
276!--                   fluxes at vertical walls, the eddy viscosity km must not
277!--                   be used for the evaluation of the velocity gradients dvdx
278!--                   and dwdx
279!--                   Note: The validity of the new method has not yet been
280!--                         shown, as so far no suitable data for a validation
281!--                         has been available
[53]282                      CALL wall_fluxes_e( i, j, k, nzb_diff_s_outer(j,i)-2, &
[1320]283                                          vsus, 0.0_wp, 1.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp )
[53]284                      CALL wall_fluxes_e( i, j, k, nzb_diff_s_outer(j,i)-2, &
[1320]285                                          wsus, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 1.0_wp )
[1342]286                      km_neutral = kappa * ( vsus(k)**2 + wsus(k)**2 )**0.25_wp * &
287                                   0.5_wp * dx
288                      IF ( km_neutral > 0.0_wp )  THEN
[364]289                         dvdx = - wall_e_x(j,i) * vsus(k) / km_neutral
290                         dwdx = - wall_e_x(j,i) * wsus(k) / km_neutral
291                      ELSE
[1342]292                         dvdx = 0.0_wp
293                         dwdx = 0.0_wp
[364]294                      ENDIF
[1]295                   ELSE
[1342]296                      dvdx = 0.25_wp * ( v(k,j,i+1) + v(k,j+1,i+1) - &
297                                         v(k,j,i-1) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx
298                      dwdx = 0.25_wp * ( w(k,j,i+1) + w(k-1,j,i+1) - &
299                                         w(k,j,i-1) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx
[1]300                   ENDIF
301
[1342]302                   def = 2.0_wp * ( dudx**2 + dvdy**2 + dwdz**2 ) +           &
[1]303                         dudy**2 + dvdx**2 + dwdx**2 + dwdy**2 + dudz**2 + &
[1342]304                         dvdz**2 + 2.0_wp * ( dvdx*dudy + dwdx*dudz + dwdy*dvdz )
[1]305
[1342]306                   IF ( def < 0.0_wp )  def = 0.0_wp
[1]307
308                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def
309
310
311!
[55]312!--                (3) - will be executed only, if there is at least one level
313!--                between (2) and (4), i.e. the topography must have a
314!--                minimum height of 2 dz. Wall fluxes for this case have
315!--                already been calculated for (2).
316!--                'wall only: use wall functions'
[1]317
318                   DO  k = nzb_diff_s_inner(j,i), nzb_diff_s_outer(j,i)-2
319
320                      dudx = ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i) ) * ddx
[1342]321                      dudz = 0.5_wp * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1) - &
322                                        u(k-1,j,i) - u(k-1,j,i+1) ) * dd2zu(k)
323                      dvdy =          ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i)     ) * ddy
324                      dvdz = 0.5_wp * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i) - &
325                                        v(k-1,j,i) - v(k-1,j+1,i) ) * dd2zu(k)
[53]326                      dwdz = ( w(k,j,i) - w(k-1,j,i) ) * ddzw(k)
327
[1342]328                      IF ( wall_e_y(j,i) /= 0.0_wp )  THEN
[1007]329!
[208]330!--                      Inconsistency removed: as the thermal stratification
331!--                      is not taken into account for the evaluation of the
332!--                      wall fluxes at vertical walls, the eddy viscosity km
333!--                      must not be used for the evaluation of the velocity
334!--                      gradients dudy and dwdy
335!--                      Note: The validity of the new method has not yet
336!--                            been shown, as so far no suitable data for a
337!--                            validation has been available
338                         km_neutral = kappa * ( usvs(k)**2 + & 
[1342]339                                                wsvs(k)**2 )**0.25_wp * 0.5_wp * dy
340                         IF ( km_neutral > 0.0_wp )  THEN
[364]341                            dudy = - wall_e_y(j,i) * usvs(k) / km_neutral
342                            dwdy = - wall_e_y(j,i) * wsvs(k) / km_neutral
343                         ELSE
[1342]344                            dudy = 0.0_wp
345                            dwdy = 0.0_wp
[364]346                         ENDIF
[1]347                      ELSE
[1342]348                         dudy = 0.25_wp * ( u(k,j+1,i) + u(k,j+1,i+1) - &
349                                            u(k,j-1,i) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy
350                         dwdy = 0.25_wp * ( w(k,j+1,i) + w(k-1,j+1,i) - &
351                                            w(k,j-1,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy
[1]352                      ENDIF
353
[1342]354                      IF ( wall_e_x(j,i) /= 0.0_wp )  THEN
[1007]355!
[208]356!--                      Inconsistency removed: as the thermal stratification
357!--                      is not taken into account for the evaluation of the
358!--                      wall fluxes at vertical walls, the eddy viscosity km
359!--                      must not be used for the evaluation of the velocity
360!--                      gradients dvdx and dwdx
361!--                      Note: The validity of the new method has not yet
362!--                            been shown, as so far no suitable data for a
363!--                            validation has been available
364                         km_neutral = kappa * ( vsus(k)**2 + & 
[1342]365                                                wsus(k)**2 )**0.25_wp * 0.5_wp * dx
366                         IF ( km_neutral > 0.0_wp )  THEN
[364]367                            dvdx = - wall_e_x(j,i) * vsus(k) / km_neutral
368                            dwdx = - wall_e_x(j,i) * wsus(k) / km_neutral
369                         ELSE
[1342]370                            dvdx = 0.0_wp
371                            dwdx = 0.0_wp
[364]372                         ENDIF
[1]373                      ELSE
[1342]374                         dvdx = 0.25_wp * ( v(k,j,i+1) + v(k,j+1,i+1) - &
375                                            v(k,j,i-1) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx
376                         dwdx = 0.25_wp * ( w(k,j,i+1) + w(k-1,j,i+1) - &
377                                            w(k,j,i-1) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx
[1]378                      ENDIF
379
[1342]380                      def = 2.0_wp * ( dudx**2 + dvdy**2 + dwdz**2 ) +           &
[1]381                           dudy**2 + dvdx**2 + dwdx**2 + dwdy**2 + dudz**2 +  &
[1342]382                           dvdz**2 + 2.0_wp * ( dvdx*dudy + dwdx*dudz + dwdy*dvdz )
[1]383
[1342]384                      IF ( def < 0.0_wp )  def = 0.0_wp
[1]385
386                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def
387
388                   ENDDO
389
390                ENDIF
391
392             ENDDO
393
394!
[55]395!--          (4) - will allways be executed.
396!--          'special case: free atmosphere' (as for case (0))
[1]397             DO  j = nys, nyn
398
[1342]399                IF ( ( wall_e_x(j,i) /= 0.0_wp ) .OR. ( wall_e_y(j,i) /= 0.0_wp ) ) &
[1]400                THEN
401
402                   k = nzb_diff_s_outer(j,i)-1
403
[1342]404                   dudx  =           ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i)     ) * ddx
405                   dudy  = 0.25_wp * ( u(k,j+1,i) + u(k,j+1,i+1) - &
406                                       u(k,j-1,i) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy
407                   dudz  = 0.5_wp  * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1) - &
408                                       u(k-1,j,i) - u(k-1,j,i+1) ) * dd2zu(k)
[1]409
[1342]410                   dvdx  = 0.25_wp * ( v(k,j,i+1) + v(k,j+1,i+1) - &
411                                       v(k,j,i-1) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx
412                   dvdy  =           ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i)     ) * ddy
413                   dvdz  = 0.5_wp  * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i) - &
414                                       v(k-1,j,i) - v(k-1,j+1,i) ) * dd2zu(k)
[1]415
[1342]416                   dwdx  = 0.25_wp * ( w(k,j,i+1) + w(k-1,j,i+1) - &
417                                       w(k,j,i-1) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx
418                   dwdy  = 0.25_wp * ( w(k,j+1,i) + w(k-1,j+1,i) - &
419                                       w(k,j-1,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy
420                   dwdz  =           ( w(k,j,i)   - w(k-1,j,i)   ) * ddzw(k)
[1]421
[1342]422                   def = 2.0_wp * ( dudx**2 + dvdy**2 + dwdz**2 ) +           &
[1]423                         dudy**2 + dvdx**2 + dwdx**2 + dwdy**2 + dudz**2 + &
[1342]424                         dvdz**2 + 2.0_wp * ( dvdx*dudy + dwdx*dudz + dwdy*dvdz )
[1]425
[1342]426                   IF ( def < 0.0_wp )  def = 0.0_wp
[1]427
428                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def
429
430                ENDIF
431
432             ENDDO
433
434!
[55]435!--          Position without adjacent wall
436!--          (1) - will allways be executed.
437!--          'bottom only: use u_0,v_0'
[1]438             DO  j = nys, nyn
439
[1342]440                IF ( ( wall_e_x(j,i) == 0.0_wp ) .AND. ( wall_e_y(j,i) == 0.0_wp ) ) &
[1]441                THEN
442
443                   k = nzb_diff_s_inner(j,i)-1
444
[1342]445                   dudx  =           ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i)     ) * ddx
446                   dudy  = 0.25_wp * ( u(k,j+1,i) + u(k,j+1,i+1) - &
447                                       u(k,j-1,i) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy
448                   dudz  = 0.5_wp  * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1) - &
449                                       u_0(j,i)   - u_0(j,i+1)   ) * dd2zu(k)
[1]450
[1342]451                   dvdx  = 0.25_wp * ( v(k,j,i+1) + v(k,j+1,i+1) - &
452                                       v(k,j,i-1) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx
453                   dvdy  =           ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i)     ) * ddy
454                   dvdz  = 0.5_wp  * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i) - &
455                                       v_0(j,i)   - v_0(j+1,i)   ) * dd2zu(k)
[1]456
[1342]457                   dwdx  = 0.25_wp * ( w(k,j,i+1) + w(k-1,j,i+1) - &
458                                       w(k,j,i-1) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx
459                   dwdy  = 0.25_wp * ( w(k,j+1,i) + w(k-1,j+1,i) - &
460                                       w(k,j-1,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy
461                   dwdz  =           ( w(k,j,i)   - w(k-1,j,i)   ) * ddzw(k)
[1]462
[1342]463                   def = 2.0_wp * ( dudx**2 + dvdy**2 + dwdz**2 ) +           &
[1]464                         dudy**2 + dvdx**2 + dwdx**2 + dwdy**2 + dudz**2 + &
[1342]465                         dvdz**2 + 2.0_wp * ( dvdx*dudy + dwdx*dudz + dwdy*dvdz )
[1]466
[1342]467                   IF ( def < 0.0_wp )  def = 0.0_wp
[1]468
469                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def
[1007]470
[1]471                ENDIF
472
473             ENDDO
474
[37]475          ELSEIF ( use_surface_fluxes )  THEN
476
477             DO  j = nys, nyn
478
479                k = nzb_diff_s_outer(j,i)-1
480
[1342]481                dudx  =           ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i)     ) * ddx
482                dudy  = 0.25_wp * ( u(k,j+1,i) + u(k,j+1,i+1) - &
483                                    u(k,j-1,i) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy
484                dudz  = 0.5_wp  * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1) - &
485                                   u(k-1,j,i) - u(k-1,j,i+1) ) * dd2zu(k)
[37]486
[1342]487                dvdx  = 0.25_wp * ( v(k,j,i+1) + v(k,j+1,i+1) - &
488                                    v(k,j,i-1) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx
489                dvdy  =           ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i)     ) * ddy
490                dvdz  = 0.5_wp  * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i) - &
491                                    v(k-1,j,i) - v(k-1,j+1,i) ) * dd2zu(k)
[37]492
[1342]493                dwdx  = 0.25_wp * ( w(k,j,i+1) + w(k-1,j,i+1) - &
494                                    w(k,j,i-1) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx
495                dwdy  = 0.25_wp * ( w(k,j+1,i) + w(k-1,j+1,i) - &
496                                    w(k,j-1,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy
497                dwdz  =           ( w(k,j,i)   - w(k-1,j,i)   ) * ddzw(k)
[37]498
[1342]499                def = 2.0_wp * ( dudx**2 + dvdy**2 + dwdz**2 ) +           &
[37]500                      dudy**2 + dvdx**2 + dwdx**2 + dwdy**2 + dudz**2 + &
[1342]501                      dvdz**2 + 2.0_wp * ( dvdx*dudy + dwdx*dudz + dwdy*dvdz )
[37]502
[1342]503                IF ( def < 0.0_wp )  def = 0.0_wp
[37]504
505                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def
506
507             ENDDO
508
[1]509          ENDIF
510
511!
[940]512!--       If required, calculate TKE production by buoyancy
513          IF ( .NOT. neutral )  THEN
[1]514
[940]515             IF ( .NOT. humidity )  THEN
[1]516
[1179]517                IF ( use_single_reference_value )  THEN
[940]518
519                   IF ( ocean )  THEN
[97]520!
[940]521!--                   So far in the ocean no special treatment of density flux
522!--                   in the bottom and top surface layer
523                      DO  j = nys, nyn
524                         DO  k = nzb_s_inner(j,i)+1, nzt
525                            tend(k,j,i) = tend(k,j,i) +                     &
526                                          kh(k,j,i) * g / rho_reference *   &
527                                          ( rho(k+1,j,i) - rho(k-1,j,i) ) * &
528                                          dd2zu(k)
529                         ENDDO
[97]530                      ENDDO
531
[940]532                   ELSE
[97]533
[940]534                      DO  j = nys, nyn
535                         DO  k = nzb_diff_s_inner(j,i), nzt_diff
536                            tend(k,j,i) = tend(k,j,i) -                   &
537                                          kh(k,j,i) * g / pt_reference *  &
538                                          ( pt(k+1,j,i) - pt(k-1,j,i) ) * &
539                                          dd2zu(k)
540                         ENDDO
[97]541
[940]542                         IF ( use_surface_fluxes )  THEN
543                            k = nzb_diff_s_inner(j,i)-1
544                            tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + g / pt_reference * &
545                                                        shf(j,i)
546                         ENDIF
[97]547
[940]548                         IF ( use_top_fluxes )  THEN
549                            k = nzt
550                            tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + g / pt_reference * &
551                                                        tswst(j,i)
552                         ENDIF
553                      ENDDO
[57]554
[940]555                   ENDIF
[57]556
[940]557                ELSE
[1]558
[940]559                   IF ( ocean )  THEN
[97]560!
[940]561!--                   So far in the ocean no special treatment of density flux
562!--                   in the bottom and top surface layer
563                      DO  j = nys, nyn
564                         DO  k = nzb_s_inner(j,i)+1, nzt
565                            tend(k,j,i) = tend(k,j,i) +                     &
566                                          kh(k,j,i) * g / rho(k,j,i) *      &
567                                          ( rho(k+1,j,i) - rho(k-1,j,i) ) * &
568                                          dd2zu(k)
569                         ENDDO
[97]570                      ENDDO
571
[940]572                   ELSE
[97]573
[940]574                      DO  j = nys, nyn
575                         DO  k = nzb_diff_s_inner(j,i), nzt_diff
576                            tend(k,j,i) = tend(k,j,i) -                   &
577                                          kh(k,j,i) * g / pt(k,j,i) *     &
578                                          ( pt(k+1,j,i) - pt(k-1,j,i) ) * &
579                                          dd2zu(k)
580                         ENDDO
581
582                         IF ( use_surface_fluxes )  THEN
583                            k = nzb_diff_s_inner(j,i)-1
584                            tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + g / pt(k,j,i) * &
585                                                        shf(j,i)
586                         ENDIF
587
588                         IF ( use_top_fluxes )  THEN
589                            k = nzt
590                            tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + g / pt(k,j,i) * &
591                                                        tswst(j,i)
592                         ENDIF
[97]593                      ENDDO
594
[940]595                   ENDIF
[97]596
597                ENDIF
[1]598
[940]599             ELSE
[57]600
[940]601                DO  j = nys, nyn
[1]602
[940]603                   DO  k = nzb_diff_s_inner(j,i), nzt_diff
[1]604
[1007]605                      IF ( .NOT. cloud_physics .AND. .NOT. cloud_droplets ) THEN
[1342]606                         k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
607                         k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[1007]608                         tend(k,j,i) = tend(k,j,i) - kh(k,j,i) *               &
609                                         g / vpt(k,j,i) *                      &
610                                         ( k1 * ( pt(k+1,j,i)-pt(k-1,j,i) ) +  &
611                                           k2 * ( q(k+1,j,i) - q(k-1,j,i) )    &
612                                         ) * dd2zu(k)
613                      ELSE IF ( cloud_physics )  THEN
[1342]614                         IF ( ql(k,j,i) == 0.0_wp )  THEN
615                            k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
616                            k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[940]617                         ELSE
618                            theta = pt(k,j,i) + pt_d_t(k) * l_d_cp * ql(k,j,i)
619                            temp  = theta * t_d_pt(k)
[1342]620                            k1 = ( 1.0_wp - q(k,j,i) + 1.61_wp *               &
621                                          ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) *          &
622                                 ( 1.0_wp + 0.622_wp * l_d_r / temp ) ) /        &
623                                 ( 1.0_wp + 0.622_wp * l_d_r * l_d_cp *          &
[940]624                                 ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) / ( temp * temp ) )
[1342]625                            k2 = theta * ( l_d_cp / temp * k1 - 1.0_wp )
[940]626                         ENDIF
[1007]627                         tend(k,j,i) = tend(k,j,i) - kh(k,j,i) *               &
628                                         g / vpt(k,j,i) *                      &
[940]629                                         ( k1 * ( pt(k+1,j,i)-pt(k-1,j,i) ) +  &
630                                           k2 * ( q(k+1,j,i) - q(k-1,j,i) )    &
631                                         ) * dd2zu(k)
[1007]632                      ELSE IF ( cloud_droplets )  THEN
[1342]633                         k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i) - ql(k,j,i)
634                         k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[1007]635                         tend(k,j,i) = tend(k,j,i) -                          & 
636                                       kh(k,j,i) * g / vpt(k,j,i) *           &
637                                       ( k1 * ( pt(k+1,j,i)- pt(k-1,j,i) ) +  &
638                                         k2 * ( q(k+1,j,i) -  q(k-1,j,i) ) -  &
639                                         pt(k,j,i) * ( ql(k+1,j,i) -          &
640                                         ql(k-1,j,i) ) ) * dd2zu(k)
641                      ENDIF
642
[940]643                   ENDDO
644
[1]645                ENDDO
646
[940]647                IF ( use_surface_fluxes )  THEN
[1]648
[940]649                   DO  j = nys, nyn
[1]650
[940]651                      k = nzb_diff_s_inner(j,i)-1
[1]652
[1007]653                      IF ( .NOT. cloud_physics .AND. .NOT. cloud_droplets ) THEN
[1342]654                         k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
655                         k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[1007]656                      ELSE IF ( cloud_physics )  THEN
[1342]657                         IF ( ql(k,j,i) == 0.0_wp )  THEN
658                            k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
659                            k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[940]660                         ELSE
661                            theta = pt(k,j,i) + pt_d_t(k) * l_d_cp * ql(k,j,i)
662                            temp  = theta * t_d_pt(k)
[1342]663                            k1 = ( 1.0_wp - q(k,j,i) + 1.61_wp *               &
[1353]664                                          ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) *           &
665                                 ( 1.0_wp + 0.622_wp * l_d_r / temp ) ) /      &
666                                 ( 1.0_wp + 0.622_wp * l_d_r * l_d_cp *        &
[940]667                                 ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) / ( temp * temp ) )
[1342]668                            k2 = theta * ( l_d_cp / temp * k1 - 1.0_wp )
[940]669                         ENDIF
[1007]670                      ELSE IF ( cloud_droplets )  THEN
[1342]671                         k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i) - ql(k,j,i)
672                         k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[1]673                      ENDIF
674
[940]675                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + g / vpt(k,j,i) * &
676                                            ( k1* shf(j,i) + k2 * qsws(j,i) )
677                   ENDDO
[1]678
[940]679                ENDIF
[1]680
[940]681                IF ( use_top_fluxes )  THEN
[19]682
[940]683                   DO  j = nys, nyn
[19]684
[940]685                      k = nzt
[19]686
[1007]687                      IF ( .NOT. cloud_physics .AND. .NOT. cloud_droplets ) THEN
[1342]688                         k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
689                         k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[1007]690                      ELSE IF ( cloud_physics )  THEN
[1342]691                         IF ( ql(k,j,i) == 0.0_wp )  THEN
692                            k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
693                            k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[940]694                         ELSE
695                            theta = pt(k,j,i) + pt_d_t(k) * l_d_cp * ql(k,j,i)
696                            temp  = theta * t_d_pt(k)
[1353]697                            k1 = ( 1.0_wp - q(k,j,i) + 1.61_wp *               &
698                                          ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) *           &
699                                 ( 1.0_wp + 0.622_wp * l_d_r / temp ) ) /      &
700                                 ( 1.0_wp + 0.622_wp * l_d_r * l_d_cp *        &
[940]701                                 ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) / ( temp * temp ) )
[1342]702                            k2 = theta * ( l_d_cp / temp * k1 - 1.0_wp )
[940]703                         ENDIF
[1007]704                      ELSE IF ( cloud_droplets )  THEN
[1342]705                         k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i) - ql(k,j,i)
706                         k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[19]707                      ENDIF
708
[940]709                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + g / vpt(k,j,i) * &
710                                            ( k1* tswst(j,i) + k2 * qswst(j,i) )
711                   ENDDO
[19]712
[940]713                ENDIF
714
[19]715             ENDIF
716
[1]717          ENDIF
718
719       ENDDO
720
721    END SUBROUTINE production_e
722
723
724!------------------------------------------------------------------------------!
[1682]725! Description:
726! ------------
727!> Call for all grid points - accelerator version
[1015]728!------------------------------------------------------------------------------!
729    SUBROUTINE production_e_acc
730
[1320]731       USE arrays_3d,                                                          &
732           ONLY:  ddzw, dd2zu, kh, km, pt, q, ql, qsws, qswst, rho, shf,       &
733                  tend, tswst, u, v, vpt, w
[1015]734
[1320]735       USE cloud_parameters,                                                   &
736           ONLY:  l_d_cp, l_d_r, pt_d_t, t_d_pt
737
738       USE control_parameters,                                                 &
[1691]739           ONLY:  cloud_droplets, cloud_physics, constant_flux_layer, g,       &
740                  humidity, kappa, neutral, ocean, pt_reference,               &
741                  rho_reference, topography, use_single_reference_value,       &
742                  use_surface_fluxes, use_top_fluxes
[1320]743
744       USE grid_variables,                                                     &
745           ONLY:  ddx, dx, ddy, dy, wall_e_x, wall_e_y
746
747       USE indices,                                                            &
748           ONLY:  i_left, i_right, j_north, j_south, nxl, nxr, nys, nyn, nzb,  &
749                  nzb_diff_s_inner, nzb_diff_s_outer, nzb_s_inner, nzt,        &
750                  nzt_diff
751
[1015]752       IMPLICIT NONE
753
[1682]754       INTEGER(iwp) ::  i           !<
755       INTEGER(iwp) ::  j           !<
756       INTEGER(iwp) ::  k           !<
[1015]757
[1682]758       REAL(wp)     ::  def         !<
759       REAL(wp)     ::  dudx        !<
760       REAL(wp)     ::  dudy        !<
761       REAL(wp)     ::  dudz        !<
762       REAL(wp)     ::  dvdx        !<
763       REAL(wp)     ::  dvdy        !<
764       REAL(wp)     ::  dvdz        !<
765       REAL(wp)     ::  dwdx        !<
766       REAL(wp)     ::  dwdy        !<
767       REAL(wp)     ::  dwdz        !<
768       REAL(wp)     ::  k1          !<
769       REAL(wp)     ::  k2          !<
770       REAL(wp)     ::  km_neutral  !<
771       REAL(wp)     ::  theta       !<
772       REAL(wp)     ::  temp        !<
[1015]773
[1682]774       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nys:nyn,nxl:nxr) ::  usvs  !<
775       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nys:nyn,nxl:nxr) ::  vsus  !<
776       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nys:nyn,nxl:nxr) ::  wsus  !<
777       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nys:nyn,nxl:nxr) ::  wsvs  !<
[1015]778       !$acc declare create ( usvs, vsus, wsus, wsvs )
779
780!
781!--    First calculate horizontal momentum flux u'v', w'v', v'u', w'u' at
782!--    vertical walls, if neccessary
783!--    CAUTION: results are slightly different from the ij-version!!
784!--    ij-version should be called further below within the ij-loops!!
785       IF ( topography /= 'flat' )  THEN
[1320]786          CALL wall_fluxes_e_acc( usvs, 1.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, wall_e_y )
787          CALL wall_fluxes_e_acc( wsvs, 0.0_wp, 0.0_wp, 1.0_wp, 0.0_wp, wall_e_y )
788          CALL wall_fluxes_e_acc( vsus, 0.0_wp, 1.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, wall_e_x )
789          CALL wall_fluxes_e_acc( wsus, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 1.0_wp, wall_e_x )
[1015]790       ENDIF
791
792
793!
794!--    Calculate TKE production by shear
795       !$acc kernels present( ddzw, dd2zu, kh, km, nzb_diff_s_inner, nzb_diff_s_outer ) &
[1374]796       !$acc         present( nzb_s_inner, pt, q, ql, qsws, qswst, rho )                &
[1015]797       !$acc         present( shf, tend, tswst, u, v, vpt, w, wall_e_x, wall_e_y )      &
798       !$acc         copyin( u_0, v_0 )
[1128]799       DO  i = i_left, i_right
800          DO  j = j_south, j_north
[1015]801             DO  k = 1, nzt
802
803                IF ( k >= nzb_diff_s_outer(j,i) )  THEN
804
[1342]805                   dudx  =           ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i)     ) * ddx
806                   dudy  = 0.25_wp * ( u(k,j+1,i) + u(k,j+1,i+1) - &
807                                       u(k,j-1,i) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy
808                   dudz  = 0.5_wp  * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1) - &
809                                       u(k-1,j,i) - u(k-1,j,i+1) ) * dd2zu(k)
[1015]810
[1342]811                   dvdx  = 0.25_wp * ( v(k,j,i+1) + v(k,j+1,i+1) - &
812                                       v(k,j,i-1) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx
813                   dvdy  =           ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i)     ) * ddy
814                   dvdz  = 0.5_wp  * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i) - &
815                                       v(k-1,j,i) - v(k-1,j+1,i) ) * dd2zu(k)
[1015]816
[1342]817                   dwdx  = 0.25_wp * ( w(k,j,i+1) + w(k-1,j,i+1) - &
818                                       w(k,j,i-1) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx
819                   dwdy  = 0.25_wp * ( w(k,j+1,i) + w(k-1,j+1,i) - &
820                                       w(k,j-1,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy
821                   dwdz  =           ( w(k,j,i)   - w(k-1,j,i)   ) * ddzw(k)
[1015]822
[1342]823                   def = 2.0_wp * ( dudx**2 + dvdy**2 + dwdz**2 ) +           &
[1015]824                         dudy**2 + dvdx**2 + dwdx**2 + dwdy**2 + dudz**2 + &
[1342]825                         dvdz**2 + 2.0_wp * ( dvdx*dudy + dwdx*dudz + dwdy*dvdz )
[1015]826
[1342]827                   IF ( def < 0.0_wp )  def = 0.0_wp
[1015]828
829                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def
830
831                ENDIF
832
833             ENDDO
834          ENDDO
835       ENDDO
836
[1691]837       IF ( constant_flux_layer )  THEN
[1015]838
839!
840!--       Position beneath wall
841!--       (2) - Will allways be executed.
842!--       'bottom and wall: use u_0,v_0 and wall functions'
[1128]843          DO  i = i_left, i_right
844             DO  j = j_south, j_north
[1015]845                DO  k = 1, nzt
846
[1342]847                   IF ( ( wall_e_x(j,i) /= 0.0_wp ).OR.( wall_e_y(j,i) /= 0.0_wp ) ) &
[1015]848                   THEN
849
850                      IF ( k == nzb_diff_s_inner(j,i) - 1 )  THEN
851                         dudx = ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i) ) * ddx
[1342]852                         dudz = 0.5_wp * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1) - &
853                                           u_0(j,i)   - u_0(j,i+1)   ) * dd2zu(k)
[1015]854                         dvdy = ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i) ) * ddy
[1342]855                         dvdz = 0.5_wp * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i) - &
856                                           v_0(j,i)   - v_0(j+1,i)   ) * dd2zu(k)
[1015]857                         dwdz = ( w(k,j,i) - w(k-1,j,i) ) * ddzw(k)
858
[1342]859                         IF ( wall_e_y(j,i) /= 0.0_wp )  THEN
[1015]860!
861!--                         Inconsistency removed: as the thermal stratification is
862!--                         not taken into account for the evaluation of the wall
863!--                         fluxes at vertical walls, the eddy viscosity km must not
864!--                         be used for the evaluation of the velocity gradients dudy
865!--                         and dwdy
866!--                         Note: The validity of the new method has not yet been
867!--                               shown, as so far no suitable data for a validation
868!--                               has been available
869!                            CALL wall_fluxes_e( i, j, k, nzb_diff_s_outer(j,i)-2, &
[1320]870!                                                usvs, 1.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp )
[1015]871!                            CALL wall_fluxes_e( i, j, k, nzb_diff_s_outer(j,i)-2, &
[1320]872!                                                wsvs, 0.0_wp, 0.0_wp, 1.0_wp, 0.0_wp )
[1015]873                            km_neutral = kappa *                                    &
[1342]874                                        ( usvs(k,j,i)**2 + wsvs(k,j,i)**2 )**0.25_wp * &
875                                         0.5_wp * dy
876                            IF ( km_neutral > 0.0_wp )  THEN
[1015]877                               dudy = - wall_e_y(j,i) * usvs(k,j,i) / km_neutral
878                               dwdy = - wall_e_y(j,i) * wsvs(k,j,i) / km_neutral
879                            ELSE
[1342]880                               dudy = 0.0_wp
881                               dwdy = 0.0_wp
[1015]882                            ENDIF
883                         ELSE
[1342]884                            dudy = 0.25_wp * ( u(k,j+1,i) + u(k,j+1,i+1) - &
885                                               u(k,j-1,i) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy
886                            dwdy = 0.25_wp * ( w(k,j+1,i) + w(k-1,j+1,i) - &
887                                               w(k,j-1,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy
[1015]888                         ENDIF
889
[1342]890                         IF ( wall_e_x(j,i) /= 0.0_wp )  THEN
[1015]891!
892!--                         Inconsistency removed: as the thermal stratification is
893!--                         not taken into account for the evaluation of the wall
894!--                         fluxes at vertical walls, the eddy viscosity km must not
895!--                         be used for the evaluation of the velocity gradients dvdx
896!--                         and dwdx
897!--                         Note: The validity of the new method has not yet been
898!--                               shown, as so far no suitable data for a validation
899!--                               has been available
900!                            CALL wall_fluxes_e( i, j, k, nzb_diff_s_outer(j,i)-2, &
[1320]901!                                                vsus, 0.0_wp, 1.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp )
[1015]902!                            CALL wall_fluxes_e( i, j, k, nzb_diff_s_outer(j,i)-2, &
[1320]903!                                                wsus, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 1.0_wp )
[1015]904                            km_neutral = kappa *                                     &
[1342]905                                         ( vsus(k,j,i)**2 + wsus(k,j,i)**2 )**0.25_wp * &
906                                         0.5_wp * dx
907                            IF ( km_neutral > 0.0_wp )  THEN
[1015]908                               dvdx = - wall_e_x(j,i) * vsus(k,j,i) / km_neutral
909                               dwdx = - wall_e_x(j,i) * wsus(k,j,i) / km_neutral
910                            ELSE
[1342]911                               dvdx = 0.0_wp
912                               dwdx = 0.0_wp
[1015]913                            ENDIF
914                         ELSE
[1342]915                            dvdx = 0.25_wp * ( v(k,j,i+1) + v(k,j+1,i+1) - &
916                                               v(k,j,i-1) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx
917                            dwdx = 0.25_wp * ( w(k,j,i+1) + w(k-1,j,i+1) - &
918                                               w(k,j,i-1) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx
[1015]919                         ENDIF
920
[1342]921                         def = 2.0_wp * ( dudx**2 + dvdy**2 + dwdz**2 ) +           &
[1015]922                               dudy**2 + dvdx**2 + dwdx**2 + dwdy**2 + dudz**2 + &
[1342]923                               dvdz**2 + 2.0_wp * ( dvdx*dudy + dwdx*dudz + dwdy*dvdz )
[1015]924
[1342]925                         IF ( def < 0.0_wp )  def = 0.0_wp
[1015]926
927                         tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def
928
929                      ENDIF
930!
931!--                   (3) - will be executed only, if there is at least one level
932!--                   between (2) and (4), i.e. the topography must have a
933!--                   minimum height of 2 dz. Wall fluxes for this case have
934!--                   already been calculated for (2).
935!--                   'wall only: use wall functions'
936
937                      IF ( k >= nzb_diff_s_inner(j,i)  .AND.  &
938                           k <= nzb_diff_s_outer(j,i)-2 )  THEN
939
940                         dudx = ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i) ) * ddx
[1342]941                         dudz = 0.5_wp * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1) - &
942                                           u(k-1,j,i) - u(k-1,j,i+1) ) * dd2zu(k)
943                         dvdy =          ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i)     ) * ddy
944                         dvdz = 0.5_wp * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i) - &
945                                           v(k-1,j,i) - v(k-1,j+1,i) ) * dd2zu(k)
[1015]946                         dwdz = ( w(k,j,i) - w(k-1,j,i) ) * ddzw(k)
947
[1342]948                         IF ( wall_e_y(j,i) /= 0.0_wp )  THEN
[1015]949!
950!--                         Inconsistency removed: as the thermal stratification
951!--                         is not taken into account for the evaluation of the
952!--                         wall fluxes at vertical walls, the eddy viscosity km
953!--                         must not be used for the evaluation of the velocity
954!--                         gradients dudy and dwdy
955!--                         Note: The validity of the new method has not yet
956!--                               been shown, as so far no suitable data for a
957!--                               validation has been available
958                            km_neutral = kappa * ( usvs(k,j,i)**2 + &
[1342]959                                                   wsvs(k,j,i)**2 )**0.25_wp * 0.5_wp * dy
960                            IF ( km_neutral > 0.0_wp )  THEN
[1015]961                               dudy = - wall_e_y(j,i) * usvs(k,j,i) / km_neutral
962                               dwdy = - wall_e_y(j,i) * wsvs(k,j,i) / km_neutral
963                            ELSE
[1342]964                               dudy = 0.0_wp
965                               dwdy = 0.0_wp
[1015]966                            ENDIF
967                         ELSE
[1342]968                            dudy = 0.25_wp * ( u(k,j+1,i) + u(k,j+1,i+1) - &
969                                               u(k,j-1,i) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy
970                            dwdy = 0.25_wp * ( w(k,j+1,i) + w(k-1,j+1,i) - &
971                                               w(k,j-1,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy
[1015]972                         ENDIF
973
[1342]974                         IF ( wall_e_x(j,i) /= 0.0_wp )  THEN
[1015]975!
976!--                         Inconsistency removed: as the thermal stratification
977!--                         is not taken into account for the evaluation of the
978!--                         wall fluxes at vertical walls, the eddy viscosity km
979!--                         must not be used for the evaluation of the velocity
980!--                         gradients dvdx and dwdx
981!--                         Note: The validity of the new method has not yet
982!--                               been shown, as so far no suitable data for a
983!--                               validation has been available
984                            km_neutral = kappa * ( vsus(k,j,i)**2 + &
[1342]985                                                   wsus(k,j,i)**2 )**0.25_wp * 0.5_wp * dx
986                            IF ( km_neutral > 0.0_wp )  THEN
[1015]987                               dvdx = - wall_e_x(j,i) * vsus(k,j,i) / km_neutral
988                               dwdx = - wall_e_x(j,i) * wsus(k,j,i) / km_neutral
989                            ELSE
[1342]990                               dvdx = 0.0_wp
991                               dwdx = 0.0_wp
[1015]992                            ENDIF
993                         ELSE
[1342]994                            dvdx = 0.25_wp * ( v(k,j,i+1) + v(k,j+1,i+1) - &
995                                               v(k,j,i-1) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx
996                            dwdx = 0.25_wp * ( w(k,j,i+1) + w(k-1,j,i+1) - &
997                                               w(k,j,i-1) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx
[1015]998                         ENDIF
999
[1342]1000                         def = 2.0_wp * ( dudx**2 + dvdy**2 + dwdz**2 ) +           &
[1015]1001                              dudy**2 + dvdx**2 + dwdx**2 + dwdy**2 + dudz**2 +  &
[1342]1002                              dvdz**2 + 2.0_wp * ( dvdx*dudy + dwdx*dudz + dwdy*dvdz )
[1015]1003
[1342]1004                         IF ( def < 0.0_wp )  def = 0.0_wp
[1015]1005
1006                         tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def
1007
1008                      ENDIF
1009
1010!
1011!--                   (4) - will allways be executed.
1012!--                   'special case: free atmosphere' (as for case (0))
1013                      IF ( k == nzb_diff_s_outer(j,i)-1 )  THEN
1014
[1342]1015                         dudx  =           ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i)     ) * ddx
1016                         dudy  = 0.25_wp * ( u(k,j+1,i) + u(k,j+1,i+1) - &
1017                                             u(k,j-1,i) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy
1018                         dudz  = 0.5_wp  * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1) - &
1019                                             u(k-1,j,i) - u(k-1,j,i+1) ) * dd2zu(k)
[1015]1020
[1342]1021                         dvdx  = 0.25_wp * ( v(k,j,i+1) + v(k,j+1,i+1) - &
1022                                             v(k,j,i-1) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx
1023                         dvdy  =           ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i)     ) * ddy
1024                         dvdz  = 0.5_wp  * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i) - &
1025                                             v(k-1,j,i) - v(k-1,j+1,i) ) * dd2zu(k)
[1015]1026
[1342]1027                         dwdx  = 0.25_wp * ( w(k,j,i+1) + w(k-1,j,i+1) - &
1028                                             w(k,j,i-1) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx
1029                         dwdy  = 0.25_wp * ( w(k,j+1,i) + w(k-1,j+1,i) - &
1030                                             w(k,j-1,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy
1031                         dwdz  =           ( w(k,j,i)   - w(k-1,j,i)   ) * ddzw(k)
[1015]1032
[1342]1033                         def = 2.0_wp * ( dudx**2 + dvdy**2 + dwdz**2 ) +           &
[1015]1034                               dudy**2 + dvdx**2 + dwdx**2 + dwdy**2 + dudz**2 + &
[1342]1035                               dvdz**2 + 2.0_wp * ( dvdx*dudy + dwdx*dudz + dwdy*dvdz )
[1015]1036
[1342]1037                         IF ( def < 0.0_wp )  def = 0.0_wp
[1015]1038
1039                         tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def
1040
1041                      ENDIF
1042
1043                   ENDIF
1044
1045                ENDDO
1046             ENDDO
1047          ENDDO
1048
1049!
1050!--       Position without adjacent wall
1051!--       (1) - will allways be executed.
1052!--       'bottom only: use u_0,v_0'
[1128]1053          DO  i = i_left, i_right
1054             DO  j = j_south, j_north
[1015]1055                DO  k = 1, nzt
1056
[1342]1057                   IF ( ( wall_e_x(j,i) == 0.0_wp ) .AND. ( wall_e_y(j,i) == 0.0_wp ) ) &
[1015]1058                   THEN
1059
1060                      IF ( k == nzb_diff_s_inner(j,i)-1 )  THEN
1061
[1342]1062                         dudx  =           ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i)     ) * ddx
1063                         dudy  = 0.25_wp * ( u(k,j+1,i) + u(k,j+1,i+1) - &
1064                                             u(k,j-1,i) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy
1065                         dudz  = 0.5_wp  * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1) - &
1066                                             u_0(j,i)   - u_0(j,i+1)   ) * dd2zu(k)
[1015]1067
[1342]1068                         dvdx  = 0.25_wp * ( v(k,j,i+1) + v(k,j+1,i+1) - &
1069                                             v(k,j,i-1) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx
1070                         dvdy  =           ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i)     ) * ddy
1071                         dvdz  = 0.5_wp  * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i) - &
1072                                             v_0(j,i)   - v_0(j+1,i)   ) * dd2zu(k)
[1015]1073
[1342]1074                         dwdx  = 0.25_wp * ( w(k,j,i+1) + w(k-1,j,i+1) - &
1075                                             w(k,j,i-1) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx
1076                         dwdy  = 0.25_wp * ( w(k,j+1,i) + w(k-1,j+1,i) - &
1077                                             w(k,j-1,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy
1078                         dwdz  =           ( w(k,j,i)   - w(k-1,j,i)   ) * ddzw(k)
[1015]1079
[1342]1080                         def = 2.0_wp * ( dudx**2 + dvdy**2 + dwdz**2 ) +           &
[1015]1081                               dudy**2 + dvdx**2 + dwdx**2 + dwdy**2 + dudz**2 + &
[1342]1082                               dvdz**2 + 2.0_wp * ( dvdx*dudy + dwdx*dudz + dwdy*dvdz )
[1015]1083
[1342]1084                         IF ( def < 0.0_wp )  def = 0.0_wp
[1015]1085
1086                         tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def
1087
1088                      ENDIF
1089
1090                   ENDIF
1091
1092                ENDDO
1093             ENDDO
1094          ENDDO
1095
1096       ELSEIF ( use_surface_fluxes )  THEN
1097
[1128]1098          DO  i = i_left, i_right
1099             DO  j = j_south, j_north
[1257]1100                 DO  k = 1, nzt
[1015]1101
1102                   IF ( k == nzb_diff_s_outer(j,i)-1 )  THEN
1103
[1342]1104                      dudx  =           ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i)     ) * ddx
1105                      dudy  = 0.25_wp * ( u(k,j+1,i) + u(k,j+1,i+1) - &
1106                                          u(k,j-1,i) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy
1107                      dudz  = 0.5_wp  * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1) - &
1108                                          u(k-1,j,i) - u(k-1,j,i+1) ) * dd2zu(k)
[1015]1109
[1342]1110                      dvdx  = 0.25_wp * ( v(k,j,i+1) + v(k,j+1,i+1) - &
1111                                          v(k,j,i-1) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx
1112                      dvdy  =           ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i)     ) * ddy
1113                      dvdz  = 0.5_wp  * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i) - &
1114                                          v(k-1,j,i) - v(k-1,j+1,i) ) * dd2zu(k)
[1015]1115
[1342]1116                      dwdx  = 0.25_wp * ( w(k,j,i+1) + w(k-1,j,i+1) - &
1117                                          w(k,j,i-1) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx
1118                      dwdy  = 0.25_wp * ( w(k,j+1,i) + w(k-1,j+1,i) - &
1119                                          w(k,j-1,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy
1120                      dwdz  =           ( w(k,j,i)   - w(k-1,j,i)   ) * ddzw(k)
[1015]1121
[1342]1122                      def = 2.0_wp * ( dudx**2 + dvdy**2 + dwdz**2 ) +           &
[1015]1123                            dudy**2 + dvdx**2 + dwdx**2 + dwdy**2 + dudz**2 + &
[1342]1124                            dvdz**2 + 2.0_wp * ( dvdx*dudy + dwdx*dudz + dwdy*dvdz )
[1015]1125
[1342]1126                      IF ( def < 0.0_wp )  def = 0.0_wp
[1015]1127
1128                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def
1129
1130                   ENDIF
1131
1132                ENDDO
1133             ENDDO
1134          ENDDO
1135
1136       ENDIF
1137
1138!
1139!--    If required, calculate TKE production by buoyancy
1140       IF ( .NOT. neutral )  THEN
1141
1142          IF ( .NOT. humidity )  THEN
1143
[1179]1144             IF ( use_single_reference_value )  THEN
[1015]1145
1146                IF ( ocean )  THEN
1147!
1148!--                So far in the ocean no special treatment of density flux
1149!--                in the bottom and top surface layer
[1128]1150                   DO  i = i_left, i_right
1151                      DO  j = j_south, j_north
[1015]1152                         DO  k = 1, nzt
1153                            IF ( k > nzb_s_inner(j,i) )  THEN
1154                               tend(k,j,i) = tend(k,j,i) +                     &
1155                                             kh(k,j,i) * g / rho_reference *   &
1156                                             ( rho(k+1,j,i) - rho(k-1,j,i) ) * &
1157                                             dd2zu(k)
1158                            ENDIF
1159                         ENDDO
1160                      ENDDO
1161                   ENDDO
1162
1163                ELSE
1164
[1128]1165                   DO  i = i_left, i_right
1166                      DO  j = j_south, j_north
[1015]1167                         DO  k = 1, nzt_diff
1168                            IF ( k >= nzb_diff_s_inner(j,i) )  THEN
1169                               tend(k,j,i) = tend(k,j,i) -                   &
1170                                             kh(k,j,i) * g / pt_reference *  &
1171                                             ( pt(k+1,j,i) - pt(k-1,j,i) ) * &
1172                                             dd2zu(k)
1173                            ENDIF
1174
1175                            IF ( k == nzb_diff_s_inner(j,i)-1  .AND.  &
1176                                 use_surface_fluxes )  THEN
1177                               tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + g / pt_reference * &
1178                                                           shf(j,i)
1179                            ENDIF
1180
1181                            IF ( k == nzt  .AND.  use_top_fluxes )  THEN
1182                               tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + g / pt_reference * &
1183                                                           tswst(j,i)
1184                            ENDIF
1185                         ENDDO
1186                      ENDDO
1187                   ENDDO
1188
1189                ENDIF
1190
1191             ELSE
1192
1193                IF ( ocean )  THEN
1194!
1195!--                So far in the ocean no special treatment of density flux
1196!--                in the bottom and top surface layer
[1128]1197                   DO  i = i_left, i_right
1198                      DO  j = j_south, j_north
[1015]1199                         DO  k = 1, nzt
1200                            IF ( k > nzb_s_inner(j,i) )  THEN
1201                               tend(k,j,i) = tend(k,j,i) +                     &
1202                                             kh(k,j,i) * g / rho(k,j,i) *      &
1203                                             ( rho(k+1,j,i) - rho(k-1,j,i) ) * &
1204                                             dd2zu(k)
1205                            ENDIF
1206                         ENDDO
1207                      ENDDO
1208                   ENDDO
1209
1210                ELSE
1211
[1128]1212                   DO  i = i_left, i_right
1213                      DO  j = j_south, j_north
[1015]1214                         DO  k = 1, nzt_diff
1215                            IF( k >= nzb_diff_s_inner(j,i) )  THEN
1216                               tend(k,j,i) = tend(k,j,i) -                   &
1217                                             kh(k,j,i) * g / pt(k,j,i) *     &
1218                                             ( pt(k+1,j,i) - pt(k-1,j,i) ) * &
1219                                             dd2zu(k)
1220                            ENDIF
1221
1222                            IF (  k == nzb_diff_s_inner(j,i)-1  .AND.  &
1223                                  use_surface_fluxes )  THEN
1224                               tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + g / pt(k,j,i) * &
1225                                                           shf(j,i)
1226                            ENDIF
1227
1228                            IF ( k == nzt  .AND.  use_top_fluxes )  THEN
1229                               tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + g / pt(k,j,i) * &
1230                                                           tswst(j,i)
1231                            ENDIF
1232                         ENDDO
1233                      ENDDO
1234                   ENDDO
1235
1236                ENDIF
1237
1238             ENDIF
1239
1240          ELSE
1241!
1242!++          This part gives the PGI compiler problems in the previous loop
1243!++          even without any acc statements????
1244!             STOP '+++ production_e problems with acc-directives'
1245!             !acc loop
1246!             DO  i = nxl, nxr
1247!                DO  j = nys, nyn
[1257]1248!                   !acc loop vector
[1015]1249!                   DO  k = 1, nzt_diff
1250!
1251!                      IF ( k >= nzb_diff_s_inner(j,i) )  THEN
1252!
1253!                         IF ( .NOT. cloud_physics .AND. .NOT. cloud_droplets ) THEN
[1342]1254!                            k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
1255!                            k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[1015]1256!                            tend(k,j,i) = tend(k,j,i) - kh(k,j,i) *               &
1257!                                            g / vpt(k,j,i) *                      &
1258!                                            ( k1 * ( pt(k+1,j,i)-pt(k-1,j,i) ) +  &
1259!                                              k2 * ( q(k+1,j,i) - q(k-1,j,i) )    &
1260!                                            ) * dd2zu(k)
1261!                         ELSE IF ( cloud_physics )  THEN
[1342]1262!                            IF ( ql(k,j,i) == 0.0_wp )  THEN
1263!                               k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
1264!                               k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[1015]1265!                            ELSE
1266!                               theta = pt(k,j,i) + pt_d_t(k) * l_d_cp * ql(k,j,i)
1267!                               temp  = theta * t_d_pt(k)
[1342]1268!                               k1 = ( 1.0_wp - q(k,j,i) + 1.61_wp *                 &
1269!                                             ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) *          &
1270!                                    ( 1.0_wp + 0.622_wp * l_d_r / temp ) ) /        &
1271!                                    ( 1.0_wp + 0.622_wp * l_d_r * l_d_cp *          &
[1015]1272!                                    ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) / ( temp * temp ) )
[1342]1273!                               k2 = theta * ( l_d_cp / temp * k1 - 1.0_wp )
[1015]1274!                            ENDIF
1275!                            tend(k,j,i) = tend(k,j,i) - kh(k,j,i) *               &
1276!                                            g / vpt(k,j,i) *                      &
1277!                                            ( k1 * ( pt(k+1,j,i)-pt(k-1,j,i) ) +  &
1278!                                              k2 * ( q(k+1,j,i) - q(k-1,j,i) )    &
1279!                                            ) * dd2zu(k)
1280!                         ELSE IF ( cloud_droplets )  THEN
[1342]1281!                            k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i) - ql(k,j,i)
1282!                            k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[1015]1283!                            tend(k,j,i) = tend(k,j,i) -                          &
1284!                                          kh(k,j,i) * g / vpt(k,j,i) *           &
1285!                                          ( k1 * ( pt(k+1,j,i)- pt(k-1,j,i) ) +  &
1286!                                            k2 * ( q(k+1,j,i) -  q(k-1,j,i) ) -  &
1287!                                            pt(k,j,i) * ( ql(k+1,j,i) -          &
1288!                                            ql(k-1,j,i) ) ) * dd2zu(k)
1289!                         ENDIF
1290!
1291!                      ENDIF
1292!
1293!                   ENDDO
1294!                ENDDO
1295!             ENDDO
1296!
1297
1298!!++          Next two loops are probably very inefficiently parallellized
1299!!++          and will require better optimization
1300!             IF ( use_surface_fluxes )  THEN
1301!
1302!                !acc loop
1303!                DO  i = nxl, nxr
1304!                   DO  j = nys, nyn
[1257]1305!                      !acc loop vector
[1015]1306!                      DO  k = 1, nzt_diff
1307!
1308!                         IF ( k == nzb_diff_s_inner(j,i)-1 )  THEN
1309!
1310!                            IF ( .NOT. cloud_physics .AND. .NOT. cloud_droplets ) THEN
[1342]1311!                               k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
1312!                               k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[1015]1313!                            ELSE IF ( cloud_physics )  THEN
[1342]1314!                               IF ( ql(k,j,i) == 0.0_wp )  THEN
1315!                                  k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
1316!                                  k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[1015]1317!                               ELSE
1318!                                  theta = pt(k,j,i) + pt_d_t(k) * l_d_cp * ql(k,j,i)
1319!                                  temp  = theta * t_d_pt(k)
[1342]1320!                                  k1 = ( 1.0_wp - q(k,j,i) + 1.61_wp *        &
1321!                                                ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) *    &
1322!                                       ( 1.0_wp + 0.622_wp * l_d_r / temp ) ) /&
1323!                                       ( 1.0_wp + 0.622_wp * l_d_r * l_d_cp * &
[1015]1324!                                       ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) / ( temp * temp ) )
[1342]1325!                                  k2 = theta * ( l_d_cp / temp * k1 - 1.0_wp )
[1015]1326!                               ENDIF
1327!                            ELSE IF ( cloud_droplets )  THEN
[1342]1328!                               k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i) - ql(k,j,i)
1329!                               k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[1015]1330!                            ENDIF
1331!
1332!                            tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + g / vpt(k,j,i) * &
1333!                                                  ( k1* shf(j,i) + k2 * qsws(j,i) )
1334!                         ENDIF
1335!
1336!                      ENDDO
1337!                   ENDDO
1338!                ENDDO
1339!
1340!             ENDIF
1341!
1342!             IF ( use_top_fluxes )  THEN
1343!
1344!                !acc loop
1345!                DO  i = nxl, nxr
1346!                   DO  j = nys, nyn
[1257]1347!                      !acc loop vector
[1015]1348!                      DO  k = 1, nzt
1349!                         IF ( k == nzt )  THEN
1350!
1351!                            IF ( .NOT. cloud_physics .AND. .NOT. cloud_droplets ) THEN
[1342]1352!                               k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
1353!                               k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[1015]1354!                            ELSE IF ( cloud_physics )  THEN
[1342]1355!                               IF ( ql(k,j,i) == 0.0_wp )  THEN
1356!                                  k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
1357!                                  k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[1015]1358!                               ELSE
1359!                                  theta = pt(k,j,i) + pt_d_t(k) * l_d_cp * ql(k,j,i)
1360!                                  temp  = theta * t_d_pt(k)
[1342]1361!                                  k1 = ( 1.0_wp - q(k,j,i) + 1.61_wp *        &
1362!                                                ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) *    &
1363!                                       ( 1.0_wp + 0.622_wp * l_d_r / temp ) ) /&
1364!                                       ( 1.0_wp + 0.622_wp * l_d_r * l_d_cp * &
[1015]1365!                                       ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) / ( temp * temp ) )
[1342]1366!                                  k2 = theta * ( l_d_cp / temp * k1 - 1.0_wp )
[1015]1367!                               ENDIF
1368!                            ELSE IF ( cloud_droplets )  THEN
[1342]1369!                               k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i) - ql(k,j,i)
1370!                               k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[1015]1371!                            ENDIF
1372!
1373!                            tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + g / vpt(k,j,i) * &
1374!                                                  ( k1* tswst(j,i) + k2 * qswst(j,i) )
1375!
1376!                         ENDIF
1377!
1378!                      ENDDO
1379!                   ENDDO
1380!                ENDDO
1381!
1382!             ENDIF
1383
1384          ENDIF
1385
1386       ENDIF
1387       !$acc end kernels
1388
1389    END SUBROUTINE production_e_acc
1390
1391
1392!------------------------------------------------------------------------------!
[1682]1393! Description:
1394! ------------
1395!> Call for grid point i,j
[1]1396!------------------------------------------------------------------------------!
1397    SUBROUTINE production_e_ij( i, j )
1398
[1320]1399       USE arrays_3d,                                                          &
1400           ONLY:  ddzw, dd2zu, kh, km, pt, q, ql, qsws, qswst, rho, shf,       &
1401                  tend, tswst, u, v, vpt, w
[449]1402
[1320]1403       USE cloud_parameters,                                                   &
1404           ONLY:  l_d_cp, l_d_r, pt_d_t, t_d_pt
1405
1406       USE control_parameters,                                                 &
[1691]1407           ONLY:  cloud_droplets, cloud_physics, constant_flux_layer, g,       &
1408                  humidity, kappa, neutral, ocean, pt_reference,               &
1409                  rho_reference, use_single_reference_value,                   &
1410                  use_surface_fluxes, use_top_fluxes
[1320]1411
1412       USE grid_variables,                                                     &
1413           ONLY:  ddx, dx, ddy, dy, wall_e_x, wall_e_y
1414
1415       USE indices,                                                            &
1416           ONLY:  nxl, nxr, nys, nyn, nzb, nzb_diff_s_inner,                   &
1417                  nzb_diff_s_outer, nzb_s_inner, nzt, nzt_diff
1418
[1]1419       IMPLICIT NONE
1420
[1682]1421       INTEGER(iwp) ::  i           !<
1422       INTEGER(iwp) ::  j           !<
1423       INTEGER(iwp) ::  k           !<
[1]1424
[1682]1425       REAL(wp)     ::  def         !<
1426       REAL(wp)     ::  dudx        !<
1427       REAL(wp)     ::  dudy        !<
1428       REAL(wp)     ::  dudz        !<
1429       REAL(wp)     ::  dvdx        !<
1430       REAL(wp)     ::  dvdy        !<
1431       REAL(wp)     ::  dvdz        !<
1432       REAL(wp)     ::  dwdx        !<
1433       REAL(wp)     ::  dwdy        !<
1434       REAL(wp)     ::  dwdz        !<
1435       REAL(wp)     ::  k1          !<
1436       REAL(wp)     ::  k2          !<
1437       REAL(wp)     ::  km_neutral  !<
1438       REAL(wp)     ::  theta       !<
1439       REAL(wp)     ::  temp        !<
[1]1440
[1682]1441       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  usvs  !<
1442       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  vsus  !<
1443       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  wsus  !<
1444       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  wsvs  !<
[53]1445
[1]1446!
1447!--    Calculate TKE production by shear
[19]1448       DO  k = nzb_diff_s_outer(j,i), nzt
[1]1449
[1342]1450          dudx  =           ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i)     ) * ddx
1451          dudy  = 0.25_wp * ( u(k,j+1,i) + u(k,j+1,i+1) - &
1452                              u(k,j-1,i) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy
1453          dudz  = 0.5_wp  * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1) - &
1454                              u(k-1,j,i) - u(k-1,j,i+1) ) * dd2zu(k)
[1]1455
[1342]1456          dvdx  = 0.25_wp * ( v(k,j,i+1) + v(k,j+1,i+1) - &
1457                              v(k,j,i-1) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx
1458          dvdy  =           ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i)     ) * ddy
1459          dvdz  = 0.5_wp  * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i) - &
1460                              v(k-1,j,i) - v(k-1,j+1,i) ) * dd2zu(k)
[1]1461
[1342]1462          dwdx  = 0.25_wp * ( w(k,j,i+1) + w(k-1,j,i+1) - &
1463                              w(k,j,i-1) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx
1464          dwdy  = 0.25_wp * ( w(k,j+1,i) + w(k-1,j+1,i) - &
1465                              w(k,j-1,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy
1466          dwdz  =           ( w(k,j,i)   - w(k-1,j,i)   ) * ddzw(k)
[1]1467
[1342]1468          def = 2.0_wp * ( dudx**2 + dvdy**2 + dwdz**2 )                       &
1469                + dudy**2 + dvdx**2 + dwdx**2 + dwdy**2 + dudz**2 + dvdz**2    &
1470                + 2.0_wp * ( dvdx*dudy + dwdx*dudz + dwdy*dvdz )
[1]1471
[1342]1472          IF ( def < 0.0_wp )  def = 0.0_wp
[1]1473
1474          tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def
[1007]1475
[1]1476       ENDDO
1477
[1691]1478       IF ( constant_flux_layer )  THEN
[1]1479
[1342]1480          IF ( ( wall_e_x(j,i) /= 0.0_wp ) .OR. ( wall_e_y(j,i) /= 0.0_wp ) )  THEN
[55]1481
[1]1482!
[55]1483!--          Position beneath wall
1484!--          (2) - Will allways be executed.
1485!--          'bottom and wall: use u_0,v_0 and wall functions'
[1]1486             k = nzb_diff_s_inner(j,i)-1
1487
1488             dudx = ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i) ) * ddx
[1342]1489             dudz = 0.5_wp * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1) - &
1490                               u_0(j,i)   - u_0(j,i+1)   ) * dd2zu(k)
1491             dvdy =          ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i)     ) * ddy
1492             dvdz = 0.5_wp * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i) - &
1493                               v_0(j,i)   - v_0(j+1,i)   ) * dd2zu(k)
[53]1494             dwdz = ( w(k,j,i) - w(k-1,j,i) ) * ddzw(k)
1495
[1342]1496             IF ( wall_e_y(j,i) /= 0.0_wp )  THEN
[1007]1497!
[208]1498!--             Inconsistency removed: as the thermal stratification
1499!--             is not taken into account for the evaluation of the
1500!--             wall fluxes at vertical walls, the eddy viscosity km
1501!--             must not be used for the evaluation of the velocity
1502!--             gradients dudy and dwdy
1503!--             Note: The validity of the new method has not yet
1504!--                   been shown, as so far no suitable data for a
1505!--                   validation has been available
[53]1506                CALL wall_fluxes_e( i, j, k, nzb_diff_s_outer(j,i)-2, &
[1320]1507                                    usvs, 1.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp )
[53]1508                CALL wall_fluxes_e( i, j, k, nzb_diff_s_outer(j,i)-2, &
[1320]1509                                    wsvs, 0.0_wp, 0.0_wp, 1.0_wp, 0.0_wp )
[1342]1510                km_neutral = kappa * ( usvs(k)**2 + wsvs(k)**2 )**0.25_wp * &
1511                             0.5_wp * dy
1512                IF ( km_neutral > 0.0_wp )  THEN
[364]1513                   dudy = - wall_e_y(j,i) * usvs(k) / km_neutral
1514                   dwdy = - wall_e_y(j,i) * wsvs(k) / km_neutral
1515                ELSE
[1342]1516                   dudy = 0.0_wp
1517                   dwdy = 0.0_wp
[364]1518                ENDIF
[1]1519             ELSE
[1342]1520                dudy = 0.25_wp * ( u(k,j+1,i) + u(k,j+1,i+1) - &
1521                                   u(k,j-1,i) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy
1522                dwdy = 0.25_wp * ( w(k,j+1,i) + w(k-1,j+1,i) - &
1523                                   w(k,j-1,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy
[1]1524             ENDIF
1525
[1342]1526             IF ( wall_e_x(j,i) /= 0.0_wp )  THEN
[1007]1527!
[208]1528!--             Inconsistency removed: as the thermal stratification
1529!--             is not taken into account for the evaluation of the
1530!--             wall fluxes at vertical walls, the eddy viscosity km
1531!--             must not be used for the evaluation of the velocity
1532!--             gradients dvdx and dwdx
1533!--             Note: The validity of the new method has not yet
1534!--                   been shown, as so far no suitable data for a
1535!--                   validation has been available
[53]1536                CALL wall_fluxes_e( i, j, k, nzb_diff_s_outer(j,i)-2, &
[1320]1537                                    vsus, 0.0_wp, 1.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp )
[53]1538                CALL wall_fluxes_e( i, j, k, nzb_diff_s_outer(j,i)-2, &
[1320]1539                                    wsus, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 1.0_wp )
[1342]1540                km_neutral = kappa * ( vsus(k)**2 + wsus(k)**2 )**0.25_wp * & 
1541                             0.5_wp * dx
1542                IF ( km_neutral > 0.0_wp )  THEN
[364]1543                   dvdx = - wall_e_x(j,i) * vsus(k) / km_neutral
1544                   dwdx = - wall_e_x(j,i) * wsus(k) / km_neutral
1545                ELSE
[1342]1546                   dvdx = 0.0_wp
1547                   dwdx = 0.0_wp
[364]1548                ENDIF
[1]1549             ELSE
[1342]1550                dvdx = 0.25_wp * ( v(k,j,i+1) + v(k,j+1,i+1) - &
1551                                   v(k,j,i-1) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx
1552                dwdx = 0.25_wp * ( w(k,j,i+1) + w(k-1,j,i+1) - &
1553                                   w(k,j,i-1) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx
[1]1554             ENDIF
1555
[1342]1556             def = 2.0_wp * ( dudx**2 + dvdy**2 + dwdz**2 ) +           &
[1]1557                   dudy**2 + dvdx**2 + dwdx**2 + dwdy**2 + dudz**2 + &
[1342]1558                   dvdz**2 + 2.0_wp * ( dvdx*dudy + dwdx*dudz + dwdy*dvdz )
[1]1559
[1342]1560             IF ( def < 0.0_wp )  def = 0.0_wp
[1]1561
1562             tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def
1563
1564!
[55]1565!--          (3) - will be executed only, if there is at least one level
1566!--          between (2) and (4), i.e. the topography must have a
1567!--          minimum height of 2 dz. Wall fluxes for this case have
1568!--          already been calculated for (2).
1569!--          'wall only: use wall functions'
[1]1570             DO  k = nzb_diff_s_inner(j,i), nzb_diff_s_outer(j,i)-2
1571
1572                dudx = ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i) ) * ddx
[1342]1573                dudz = 0.5_wp * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1) - &
1574                                  u(k-1,j,i) - u(k-1,j,i+1) ) * dd2zu(k)
1575                dvdy =          ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i)     ) * ddy
1576                dvdz = 0.5_wp * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i) - &
1577                                  v(k-1,j,i) - v(k-1,j+1,i) ) * dd2zu(k)
[53]1578                dwdz = ( w(k,j,i) - w(k-1,j,i) ) * ddzw(k)
1579
[1342]1580                IF ( wall_e_y(j,i) /= 0.0_wp )  THEN
[1007]1581!
[208]1582!--                Inconsistency removed: as the thermal stratification
1583!--                is not taken into account for the evaluation of the
1584!--                wall fluxes at vertical walls, the eddy viscosity km
1585!--                must not be used for the evaluation of the velocity
1586!--                gradients dudy and dwdy
1587!--                Note: The validity of the new method has not yet
1588!--                      been shown, as so far no suitable data for a
1589!--                      validation has been available
1590                   km_neutral = kappa * ( usvs(k)**2 + & 
[1342]1591                                          wsvs(k)**2 )**0.25_wp * 0.5_wp * dy
1592                   IF ( km_neutral > 0.0_wp )  THEN
[364]1593                      dudy = - wall_e_y(j,i) * usvs(k) / km_neutral
1594                      dwdy = - wall_e_y(j,i) * wsvs(k) / km_neutral
1595                   ELSE
[1342]1596                      dudy = 0.0_wp
1597                      dwdy = 0.0_wp
[364]1598                   ENDIF
[1]1599                ELSE
[1342]1600                   dudy = 0.25_wp * ( u(k,j+1,i) + u(k,j+1,i+1) - &
1601                                      u(k,j-1,i) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy
1602                   dwdy = 0.25_wp * ( w(k,j+1,i) + w(k-1,j+1,i) - &
1603                                      w(k,j-1,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy
[1]1604                ENDIF
1605
[1342]1606                IF ( wall_e_x(j,i) /= 0.0_wp )  THEN
[1007]1607!
[208]1608!--                Inconsistency removed: as the thermal stratification
1609!--                is not taken into account for the evaluation of the
1610!--                wall fluxes at vertical walls, the eddy viscosity km
1611!--                must not be used for the evaluation of the velocity
1612!--                gradients dvdx and dwdx
1613!--                Note: The validity of the new method has not yet
1614!--                      been shown, as so far no suitable data for a
1615!--                      validation has been available
1616                   km_neutral = kappa * ( vsus(k)**2 + & 
[1342]1617                                          wsus(k)**2 )**0.25_wp * 0.5_wp * dx
1618                   IF ( km_neutral > 0.0_wp )  THEN
[364]1619                      dvdx = - wall_e_x(j,i) * vsus(k) / km_neutral
1620                      dwdx = - wall_e_x(j,i) * wsus(k) / km_neutral
1621                   ELSE
[1342]1622                      dvdx = 0.0_wp
1623                      dwdx = 0.0_wp
[364]1624                   ENDIF
[1]1625                ELSE
[1342]1626                   dvdx = 0.25_wp * ( v(k,j,i+1) + v(k,j+1,i+1) - &
1627                                      v(k,j,i-1) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx
1628                   dwdx = 0.25_wp * ( w(k,j,i+1) + w(k-1,j,i+1) - &
1629                                      w(k,j,i-1) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx
[1]1630                ENDIF
1631
[1342]1632                def = 2.0_wp * ( dudx**2 + dvdy**2 + dwdz**2 ) +           &
[1]1633                      dudy**2 + dvdx**2 + dwdx**2 + dwdy**2 + dudz**2 + &
[1342]1634                      dvdz**2 + 2.0_wp * ( dvdx*dudy + dwdx*dudz + dwdy*dvdz )
[1]1635
[1342]1636                IF ( def < 0.0_wp )  def = 0.0_wp
[1]1637
1638                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def
1639
1640             ENDDO
1641
1642!
[55]1643!--          (4) - will allways be executed.
1644!--          'special case: free atmosphere' (as for case (0))
[1]1645             k = nzb_diff_s_outer(j,i)-1
1646
[1342]1647             dudx  =           ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i)     ) * ddx
1648             dudy  = 0.25_wp * ( u(k,j+1,i) + u(k,j+1,i+1) - &
1649                                 u(k,j-1,i) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy
1650             dudz  = 0.5_wp  * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1) - &
1651                                 u(k-1,j,i) - u(k-1,j,i+1) ) * dd2zu(k)
[1]1652
[1342]1653             dvdx  = 0.25_wp * ( v(k,j,i+1) + v(k,j+1,i+1) - &
1654                                 v(k,j,i-1) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx
1655             dvdy  =           ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i)     ) * ddy
1656             dvdz  = 0.5_wp  * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i) - &
1657                                 v(k-1,j,i) - v(k-1,j+1,i) ) * dd2zu(k)
[1]1658
[1342]1659             dwdx  = 0.25_wp * ( w(k,j,i+1) + w(k-1,j,i+1) - &
1660                                 w(k,j,i-1) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx
1661             dwdy  = 0.25_wp * ( w(k,j+1,i) + w(k-1,j+1,i) - &
1662                                 w(k,j-1,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy
1663             dwdz  =           ( w(k,j,i)   - w(k-1,j,i)   ) * ddzw(k)
[1]1664
[1353]1665             def = 2.0_wp * ( dudx**2 + dvdy**2 + dwdz**2 ) +        &
[1]1666                   dudy**2 + dvdx**2 + dwdx**2 + dwdy**2 + dudz**2 + &
[1353]1667                   dvdz**2 + 2.0_wp * ( dvdx*dudy + dwdx*dudz + dwdy*dvdz )
[1]1668
[1342]1669             IF ( def < 0.0_wp )  def = 0.0_wp
[1]1670
1671             tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def
1672
1673          ELSE
1674
1675!
[55]1676!--          Position without adjacent wall
1677!--          (1) - will allways be executed.
1678!--          'bottom only: use u_0,v_0'
[1]1679             k = nzb_diff_s_inner(j,i)-1
1680
[1342]1681             dudx  =           ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i)     ) * ddx
1682             dudy  = 0.25_wp * ( u(k,j+1,i) + u(k,j+1,i+1) - &
1683                                 u(k,j-1,i) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy
1684             dudz  = 0.5_wp  * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1) - &
1685                                 u_0(j,i)   - u_0(j,i+1)   ) * dd2zu(k)
[1]1686
[1342]1687             dvdx  = 0.25_wp * ( v(k,j,i+1) + v(k,j+1,i+1) - &
1688                                 v(k,j,i-1) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx
1689             dvdy  =           ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i)     ) * ddy
1690             dvdz  = 0.5_wp  * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i) - &
1691                                 v_0(j,i)   - v_0(j+1,i)   ) * dd2zu(k)
[1]1692
[1342]1693             dwdx  = 0.25_wp * ( w(k,j,i+1) + w(k-1,j,i+1) - &
1694                                 w(k,j,i-1) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx
1695             dwdy  = 0.25_wp * ( w(k,j+1,i) + w(k-1,j+1,i) - &
1696                                 w(k,j-1,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy
1697             dwdz  =           ( w(k,j,i)   - w(k-1,j,i)   ) * ddzw(k)
[1]1698
[1342]1699             def = 2.0_wp * ( dudx**2 + dvdy**2 + dwdz**2 )                       &
[1]1700                   + dudy**2 + dvdx**2 + dwdx**2 + dwdy**2 + dudz**2 + dvdz**2 &
[1342]1701                   + 2.0_wp * ( dvdx*dudy + dwdx*dudz + dwdy*dvdz )
[1]1702
[1342]1703             IF ( def < 0.0_wp )  def = 0.0_wp
[1]1704
1705             tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def
1706
1707          ENDIF
1708
[37]1709       ELSEIF ( use_surface_fluxes )  THEN
1710
1711          k = nzb_diff_s_outer(j,i)-1
1712
[1342]1713          dudx  =           ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i)     ) * ddx
1714          dudy  = 0.25_wp * ( u(k,j+1,i) + u(k,j+1,i+1) - &
1715                              u(k,j-1,i) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy
1716          dudz  = 0.5_wp  * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1) - &
1717                              u(k-1,j,i) - u(k-1,j,i+1) ) * dd2zu(k)
[37]1718
[1342]1719          dvdx  = 0.25_wp * ( v(k,j,i+1) + v(k,j+1,i+1) - &
1720                              v(k,j,i-1) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx
1721          dvdy  =           ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i)     ) * ddy
1722          dvdz  = 0.5_wp  * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i) - &
1723                              v(k-1,j,i) - v(k-1,j+1,i) ) * dd2zu(k)
[37]1724
[1342]1725          dwdx  = 0.25_wp * ( w(k,j,i+1) + w(k-1,j,i+1) - &
1726                              w(k,j,i-1) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx
1727          dwdy  = 0.25_wp * ( w(k,j+1,i) + w(k-1,j+1,i) - &
1728                              w(k,j-1,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy
1729          dwdz  =           ( w(k,j,i)   - w(k-1,j,i)   ) * ddzw(k)
[37]1730
[1342]1731          def = 2.0_wp * ( dudx**2 + dvdy**2 + dwdz**2 ) +           &
[37]1732                dudy**2 + dvdx**2 + dwdx**2 + dwdy**2 + dudz**2 + &
[1342]1733                dvdz**2 + 2.0_wp * ( dvdx*dudy + dwdx*dudz + dwdy*dvdz )
[37]1734
[1342]1735          IF ( def < 0.0_wp )  def = 0.0_wp
[37]1736
1737          tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def
1738
[1]1739       ENDIF
1740
1741!
[940]1742!--    If required, calculate TKE production by buoyancy
1743       IF ( .NOT. neutral )  THEN
[1]1744
[940]1745          IF ( .NOT. humidity )  THEN
[19]1746
[1179]1747             IF ( use_single_reference_value )  THEN
[940]1748
1749                IF ( ocean )  THEN
[97]1750!
[940]1751!--                So far in the ocean no special treatment of density flux in
1752!--                the bottom and top surface layer
1753                   DO  k = nzb_s_inner(j,i)+1, nzt
1754                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) +                   &
1755                                    kh(k,j,i) * g / rho_reference * &
1756                                    ( rho(k+1,j,i) - rho(k-1,j,i) ) * dd2zu(k)
1757                   ENDDO
[97]1758
[940]1759                ELSE
[97]1760
[940]1761                   DO  k = nzb_diff_s_inner(j,i), nzt_diff
1762                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) -                  &
1763                                    kh(k,j,i) * g / pt_reference * &
1764                                    ( pt(k+1,j,i) - pt(k-1,j,i) ) * dd2zu(k)
1765                   ENDDO
[1]1766
[940]1767                   IF ( use_surface_fluxes )  THEN
1768                      k = nzb_diff_s_inner(j,i)-1
1769                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + g / pt_reference * shf(j,i)
1770                   ENDIF
[19]1771
[940]1772                   IF ( use_top_fluxes )  THEN
1773                      k = nzt
1774                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + g / pt_reference * tswst(j,i)
1775                   ENDIF
1776
[97]1777                ENDIF
1778
[940]1779             ELSE
[57]1780
[940]1781                IF ( ocean )  THEN
[97]1782!
[940]1783!--                So far in the ocean no special treatment of density flux in
1784!--                the bottom and top surface layer
1785                   DO  k = nzb_s_inner(j,i)+1, nzt
1786                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) +                &
1787                                    kh(k,j,i) * g / rho(k,j,i) * &
1788                                    ( rho(k+1,j,i) - rho(k-1,j,i) ) * dd2zu(k)
1789                   ENDDO
[97]1790
[940]1791                ELSE
[97]1792
[940]1793                   DO  k = nzb_diff_s_inner(j,i), nzt_diff
1794                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) -               &
1795                                    kh(k,j,i) * g / pt(k,j,i) * &
1796                                    ( pt(k+1,j,i) - pt(k-1,j,i) ) * dd2zu(k)
1797                   ENDDO
[57]1798
[940]1799                   IF ( use_surface_fluxes )  THEN
1800                      k = nzb_diff_s_inner(j,i)-1
1801                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + g / pt(k,j,i) * shf(j,i)
1802                   ENDIF
[57]1803
[940]1804                   IF ( use_top_fluxes )  THEN
1805                      k = nzt
1806                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + g / pt(k,j,i) * tswst(j,i)
1807                   ENDIF
1808
[97]1809                ENDIF
1810
[57]1811             ENDIF
1812
[940]1813          ELSE
[57]1814
[940]1815             DO  k = nzb_diff_s_inner(j,i), nzt_diff
[1]1816
[1007]1817                IF ( .NOT. cloud_physics .AND. .NOT. cloud_droplets )  THEN
[1342]1818                   k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
1819                   k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[1007]1820                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i) - kh(k,j,i) * g / vpt(k,j,i) *   &
1821                                         ( k1 * ( pt(k+1,j,i)-pt(k-1,j,i) ) + &
1822                                           k2 * ( q(k+1,j,i) - q(k-1,j,i) )   &
1823                                         ) * dd2zu(k)
1824                ELSE IF ( cloud_physics )  THEN
[1342]1825                   IF ( ql(k,j,i) == 0.0_wp )  THEN
1826                      k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
1827                      k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[940]1828                   ELSE
1829                      theta = pt(k,j,i) + pt_d_t(k) * l_d_cp * ql(k,j,i)
1830                      temp  = theta * t_d_pt(k)
[1342]1831                      k1 = ( 1.0_wp - q(k,j,i) + 1.61_wp *                 &
1832                                    ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) *          &
1833                           ( 1.0_wp + 0.622_wp * l_d_r / temp ) ) /        &
1834                           ( 1.0_wp + 0.622_wp * l_d_r * l_d_cp *          &
[940]1835                           ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) / ( temp * temp ) )
[1342]1836                      k2 = theta * ( l_d_cp / temp * k1 - 1.0_wp )
[940]1837                   ENDIF
[1007]1838                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i) - kh(k,j,i) * g / vpt(k,j,i) *   &
[940]1839                                         ( k1 * ( pt(k+1,j,i)-pt(k-1,j,i) ) + &
1840                                           k2 * ( q(k+1,j,i) - q(k-1,j,i) )   &
1841                                         ) * dd2zu(k)
[1007]1842                ELSE IF ( cloud_droplets )  THEN
[1342]1843                   k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i) - ql(k,j,i)
1844                   k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[1007]1845                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i) - kh(k,j,i) * g / vpt(k,j,i) *  &
1846                                     ( k1 * ( pt(k+1,j,i)-pt(k-1,j,i) ) +    &
1847                                       k2 * ( q(k+1,j,i) - q(k-1,j,i) ) -    &
1848                                       pt(k,j,i) * ( ql(k+1,j,i) -           &
1849                                                     ql(k-1,j,i) ) ) * dd2zu(k)
1850                ENDIF
[940]1851             ENDDO
[19]1852
[940]1853             IF ( use_surface_fluxes )  THEN
1854                k = nzb_diff_s_inner(j,i)-1
[1]1855
[1007]1856                IF ( .NOT. cloud_physics .AND. .NOT. cloud_droplets )  THEN
[1342]1857                   k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
1858                   k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[1007]1859                ELSE IF ( cloud_physics )  THEN
[1342]1860                   IF ( ql(k,j,i) == 0.0_wp )  THEN
1861                      k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
1862                      k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[940]1863                   ELSE
1864                      theta = pt(k,j,i) + pt_d_t(k) * l_d_cp * ql(k,j,i)
1865                      temp  = theta * t_d_pt(k)
[1342]1866                      k1 = ( 1.0_wp - q(k,j,i) + 1.61_wp *                 &
1867                                    ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) *          &
1868                           ( 1.0_wp + 0.622_wp * l_d_r / temp ) ) /        &
1869                           ( 1.0_wp + 0.622_wp * l_d_r * l_d_cp *          &
[940]1870                           ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) / ( temp * temp ) )
[1342]1871                      k2 = theta * ( l_d_cp / temp * k1 - 1.0_wp )
[940]1872                   ENDIF
[1007]1873                ELSE IF ( cloud_droplets )  THEN
[1342]1874                   k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i) - ql(k,j,i)
1875                   k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[1]1876                ENDIF
[940]1877
1878                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + g / vpt(k,j,i) * &
1879                                            ( k1* shf(j,i) + k2 * qsws(j,i) )
[1]1880             ENDIF
1881
[940]1882             IF ( use_top_fluxes )  THEN
1883                k = nzt
[1]1884
[1007]1885                IF ( .NOT. cloud_physics .AND. .NOT. cloud_droplets )  THEN
[1342]1886                   k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
1887                   k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[1007]1888                ELSE IF ( cloud_physics )  THEN
[1342]1889                   IF ( ql(k,j,i) == 0.0_wp )  THEN
1890                      k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
1891                      k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[940]1892                   ELSE
1893                      theta = pt(k,j,i) + pt_d_t(k) * l_d_cp * ql(k,j,i)
1894                      temp  = theta * t_d_pt(k)
[1342]1895                      k1 = ( 1.0_wp - q(k,j,i) + 1.61_wp *                 &
1896                                    ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) *          &
1897                           ( 1.0_wp + 0.622_wp * l_d_r / temp ) ) /        &
1898                           ( 1.0_wp + 0.622_wp * l_d_r * l_d_cp *          &
[940]1899                           ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) / ( temp * temp ) )
[1342]1900                      k2 = theta * ( l_d_cp / temp * k1 - 1.0_wp )
[940]1901                   ENDIF
[1007]1902                ELSE IF ( cloud_droplets )  THEN
[1342]1903                   k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i) - ql(k,j,i)
1904                   k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[19]1905                ENDIF
[940]1906
1907                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + g / vpt(k,j,i) * &
1908                                            ( k1* tswst(j,i) + k2 * qswst(j,i) )
[19]1909             ENDIF
1910
1911          ENDIF
1912
[1]1913       ENDIF
1914
1915    END SUBROUTINE production_e_ij
1916
1917
[1682]1918!------------------------------------------------------------------------------!
1919! Description:
1920! ------------
1921!> @todo Missing subroutine description.
1922!------------------------------------------------------------------------------!
[1]1923    SUBROUTINE production_e_init
1924
[1320]1925       USE arrays_3d,                                                          &
1926           ONLY:  kh, km, u, us, usws, v, vsws, zu
[1]1927
[1320]1928       USE control_parameters,                                                 &
[1691]1929           ONLY:  constant_flux_layer, kappa
[1320]1930
1931       USE indices,                                                            &
1932           ONLY:  nxl, nxlg, nxr, nxrg, nys, nysg, nyn, nyng, nzb_u_inner,     &
1933                  nzb_v_inner
1934
[1]1935       IMPLICIT NONE
1936
[1682]1937       INTEGER(iwp) ::  i   !<
1938       INTEGER(iwp) ::  j   !<
1939       INTEGER(iwp) ::  ku  !<
1940       INTEGER(iwp) ::  kv  !<
[1]1941
[1691]1942       IF ( constant_flux_layer )  THEN
[1]1943
1944          IF ( first_call )  THEN
[759]1945             ALLOCATE( u_0(nysg:nyng,nxlg:nxrg), v_0(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
[1342]1946             u_0 = 0.0_wp   ! just to avoid access of uninitialized memory
1947             v_0 = 0.0_wp   ! within exchange_horiz_2d
[1]1948             first_call = .FALSE.
1949          ENDIF
1950
1951!
1952!--       Calculate a virtual velocity at the surface in a way that the
1953!--       vertical velocity gradient at k = 1 (u(k+1)-u_0) matches the
1954!--       Prandtl law (-w'u'/km). This gradient is used in the TKE shear
1955!--       production term at k=1 (see production_e_ij).
1956!--       The velocity gradient has to be limited in case of too small km
1957!--       (otherwise the timestep may be significantly reduced by large
1958!--       surface winds).
[106]1959!--       Upper bounds are nxr+1 and nyn+1 because otherwise these values are
1960!--       not available in case of non-cyclic boundary conditions.
[1]1961!--       WARNING: the exact analytical solution would require the determination
1962!--                of the eddy diffusivity by km = u* * kappa * zp / phi_m.
1963          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( ku, kv )
[106]1964          DO  i = nxl, nxr+1
1965             DO  j = nys, nyn+1
[1]1966
1967                ku = nzb_u_inner(j,i)+1
1968                kv = nzb_v_inner(j,i)+1
1969
1970                u_0(j,i) = u(ku+1,j,i) + usws(j,i) * ( zu(ku+1) - zu(ku-1) ) / &
[1342]1971                                 ( 0.5_wp * ( km(ku,j,i) + km(ku,j,i-1) ) +    &
1972                                   1.0E-20_wp )
[1]1973!                                  ( us(j,i) * kappa * zu(1) )
1974                v_0(j,i) = v(kv+1,j,i) + vsws(j,i) * ( zu(kv+1) - zu(kv-1) ) / &
[1342]1975                                 ( 0.5_wp * ( km(kv,j,i) + km(kv,j-1,i) ) +    &
1976                                   1.0E-20_wp )
[1]1977!                                  ( us(j,i) * kappa * zu(1) )
1978
1979                IF ( ABS( u(ku+1,j,i) - u_0(j,i) )  > &
1980                     ABS( u(ku+1,j,i) - u(ku-1,j,i) ) )  u_0(j,i) = u(ku-1,j,i)
1981                IF ( ABS( v(kv+1,j,i) - v_0(j,i) )  > &
1982                     ABS( v(kv+1,j,i) - v(kv-1,j,i) ) )  v_0(j,i) = v(kv-1,j,i)
1983
1984             ENDDO
1985          ENDDO
1986
1987          CALL exchange_horiz_2d( u_0 )
1988          CALL exchange_horiz_2d( v_0 )
1989
1990       ENDIF
1991
1992    END SUBROUTINE production_e_init
1993
1994 END MODULE production_e_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.