source: palm/trunk/SOURCE/production_e.f90 @ 1344

Last change on this file since 1344 was 1343, checked in by kanani, 11 years ago

last commit documented

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 88.5 KB
Line 
1 MODULE production_e_mod
2
3!--------------------------------------------------------------------------------!
4! This file is part of PALM.
5!
6! PALM is free software: you can redistribute it and/or modify it under the terms
7! of the GNU General Public License as published by the Free Software Foundation,
8! either version 3 of the License, or (at your option) any later version.
9!
10! PALM is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY
11! WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR
12! A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License for more details.
13!
14! You should have received a copy of the GNU General Public License along with
15! PALM. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
16!
17! Copyright 1997-2014 Leibniz Universitaet Hannover
18!--------------------------------------------------------------------------------!
19!
20! Current revisions:
21! -----------------
22!
23!
24! Former revisions:
25! -----------------
26! $Id: production_e.f90 1343 2014-03-26 17:07:58Z kanani $
27!
28! 1342 2014-03-26 17:04:47Z kanani
29! REAL constants defined as wp-kind
30!
31! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
32! ONLY-attribute added to USE-statements,
33! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
34! kinds are defined in new module kinds,
35! old module precision_kind is removed,
36! revision history before 2012 removed,
37! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
38! all variable declaration statements
39!
40! 1257 2013-11-08 15:18:40Z raasch
41! openacc loop and loop vector clauses removed, declare create moved after
42! the FORTRAN declaration statement
43!
44! 1179 2013-06-14 05:57:58Z raasch
45! use_reference renamed use_single_reference_value
46!
47! 1128 2013-04-12 06:19:32Z raasch
48! loop index bounds in accelerator version replaced by i_left, i_right, j_south,
49! j_north
50!
51! 1036 2012-10-22 13:43:42Z raasch
52! code put under GPL (PALM 3.9)
53!
54! 1015 2012-09-27 09:23:24Z raasch
55! accelerator version (*_acc) added
56!
57! 1007 2012-09-19 14:30:36Z franke
58! Bugfix: calculation of buoyancy production has to consider the liquid water
59! mixing ratio in case of cloud droplets
60!
61! 940 2012-07-09 14:31:00Z raasch
62! TKE production by buoyancy can be switched off in case of runs with pure
63! neutral stratification
64!
65! Revision 1.1  1997/09/19 07:45:35  raasch
66! Initial revision
67!
68!
69! Description:
70! ------------
71! Production terms (shear + buoyancy) of the TKE
72! WARNING: the case with prandtl_layer = F and use_surface_fluxes = T is
73!          not considered well!
74!------------------------------------------------------------------------------!
75
76    USE wall_fluxes_mod,                                                       &
77        ONLY:  wall_fluxes_e, wall_fluxes_e_acc
78
79    USE kinds
80
81    PRIVATE
82    PUBLIC production_e, production_e_acc, production_e_init
83
84    LOGICAL, SAVE ::  first_call = .TRUE.  !:
85
86    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE, SAVE ::  u_0  !:
87    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE, SAVE ::  v_0  !:
88
89    INTERFACE production_e
90       MODULE PROCEDURE production_e
91       MODULE PROCEDURE production_e_ij
92    END INTERFACE production_e
93   
94    INTERFACE production_e_acc
95       MODULE PROCEDURE production_e_acc
96    END INTERFACE production_e_acc
97
98    INTERFACE production_e_init
99       MODULE PROCEDURE production_e_init
100    END INTERFACE production_e_init
101 
102 CONTAINS
103
104
105!------------------------------------------------------------------------------!
106! Call for all grid points
107!------------------------------------------------------------------------------!
108    SUBROUTINE production_e
109
110       USE arrays_3d,                                                          &
111           ONLY:  ddzw, dd2zu, kh, km, pt, q, ql, qsws, qswst, rho, shf,       &
112                  tend, tswst, u, v, vpt, w
113
114       USE cloud_parameters,                                                   &
115           ONLY:  l_d_cp, l_d_r, pt_d_t, t_d_pt
116
117       USE control_parameters,                                                 &
118           ONLY:  cloud_droplets, cloud_physics, g, humidity, kappa, neutral,  &
119                  ocean, prandtl_layer, pt_reference, rho_reference,           &
120                  use_single_reference_value, use_surface_fluxes,              &
121                  use_top_fluxes
122
123       USE grid_variables,                                                     &
124           ONLY:  ddx, dx, ddy, dy, wall_e_x, wall_e_y
125
126       USE indices,                                                            &
127           ONLY:  nxl, nxr, nys, nyn, nzb, nzb_diff_s_inner,                   &
128                   nzb_diff_s_outer, nzb_s_inner, nzt, nzt_diff
129
130       IMPLICIT NONE
131
132       INTEGER(iwp) ::  i           !:
133       INTEGER(iwp) ::  j           !:
134       INTEGER(iwp) ::  k           !:
135
136       REAL(wp)     ::  def         !:
137       REAL(wp)     ::  dudx        !:
138       REAL(wp)     ::  dudy        !:
139       REAL(wp)     ::  dudz        !:
140       REAL(wp)     ::  dvdx        !:
141       REAL(wp)     ::  dvdy        !:
142       REAL(wp)     ::  dvdz        !:
143       REAL(wp)     ::  dwdx        !:
144       REAL(wp)     ::  dwdy        !:
145       REAL(wp)     ::  dwdz        !:
146       REAL(wp)     ::  k1          !:
147       REAL(wp)     ::  k2          !:
148       REAL(wp)     ::  km_neutral  !:
149       REAL(wp)     ::  theta       !:
150       REAL(wp)     ::  temp        !:
151
152!       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nys:nyn,nxl:nxr) ::  usvs, vsus, wsus, wsvs
153       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  usvs  !:
154       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  vsus  !:
155       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  wsus  !:
156       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  wsvs  !:
157
158!
159!--    First calculate horizontal momentum flux u'v', w'v', v'u', w'u' at
160!--    vertical walls, if neccessary
161!--    So far, results are slightly different from the ij-Version.
162!--    Therefore, ij-Version is called further below within the ij-loops.
163!       IF ( topography /= 'flat' )  THEN
164!          CALL wall_fluxes_e( usvs, 1.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, wall_e_y )
165!          CALL wall_fluxes_e( wsvs, 0.0_wp, 0.0_wp, 1.0_wp, 0.0_wp, wall_e_y )
166!          CALL wall_fluxes_e( vsus, 0.0_wp, 1.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, wall_e_x )
167!          CALL wall_fluxes_e( wsus, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 1.0_wp, wall_e_x )
168!       ENDIF
169
170
171       DO  i = nxl, nxr
172
173!
174!--       Calculate TKE production by shear
175          DO  j = nys, nyn
176             DO  k = nzb_diff_s_outer(j,i), nzt
177
178                dudx  =           ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i)     ) * ddx
179                dudy  = 0.25_wp * ( u(k,j+1,i) + u(k,j+1,i+1) - &
180                                    u(k,j-1,i) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy
181                dudz  = 0.5_wp  * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1) - &
182                                    u(k-1,j,i) - u(k-1,j,i+1) ) * dd2zu(k)
183
184                dvdx  = 0.25_wp * ( v(k,j,i+1) + v(k,j+1,i+1) - &
185                                    v(k,j,i-1) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx
186                dvdy  =           ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i)     ) * ddy
187                dvdz  = 0.5_wp  * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i) - &
188                                    v(k-1,j,i) - v(k-1,j+1,i) ) * dd2zu(k)
189
190                dwdx  = 0.25_wp * ( w(k,j,i+1) + w(k-1,j,i+1) - &
191                                    w(k,j,i-1) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx
192                dwdy  = 0.25_wp * ( w(k,j+1,i) + w(k-1,j+1,i) - &
193                                    w(k,j-1,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy
194                dwdz  =           ( w(k,j,i)   - w(k-1,j,i)   ) * ddzw(k)
195
196                def = 2.0_wp * ( dudx**2 + dvdy**2 + dwdz**2 ) +           &
197                      dudy**2 + dvdx**2 + dwdx**2 + dwdy**2 + dudz**2 + &
198                      dvdz**2 + 2.0_wp * ( dvdx*dudy + dwdx*dudz + dwdy*dvdz )
199
200                IF ( def < 0.0_wp )  def = 0.0_wp
201
202                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def
203
204             ENDDO
205          ENDDO
206
207          IF ( prandtl_layer )  THEN
208
209!
210!--          Position beneath wall
211!--          (2) - Will allways be executed.
212!--          'bottom and wall: use u_0,v_0 and wall functions'
213             DO  j = nys, nyn
214
215                IF ( ( wall_e_x(j,i) /= 0.0_wp ) .OR. ( wall_e_y(j,i) /= 0.0_wp ) ) &
216                THEN
217
218                   k = nzb_diff_s_inner(j,i) - 1
219                   dudx = ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i) ) * ddx
220                   dudz = 0.5_wp * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1) - &
221                                     u_0(j,i)   - u_0(j,i+1)   ) * dd2zu(k)
222                   dvdy = ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i) ) * ddy
223                   dvdz = 0.5_wp * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i) - &
224                                     v_0(j,i)   - v_0(j+1,i)   ) * dd2zu(k)
225                   dwdz = ( w(k,j,i) - w(k-1,j,i) ) * ddzw(k)
226
227                   IF ( wall_e_y(j,i) /= 0.0_wp )  THEN
228!
229!--                   Inconsistency removed: as the thermal stratification is
230!--                   not taken into account for the evaluation of the wall
231!--                   fluxes at vertical walls, the eddy viscosity km must not
232!--                   be used for the evaluation of the velocity gradients dudy
233!--                   and dwdy
234!--                   Note: The validity of the new method has not yet been
235!--                         shown, as so far no suitable data for a validation
236!--                         has been available
237                      CALL wall_fluxes_e( i, j, k, nzb_diff_s_outer(j,i)-2, &
238                                          usvs, 1.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp )
239                      CALL wall_fluxes_e( i, j, k, nzb_diff_s_outer(j,i)-2, &
240                                          wsvs, 0.0_wp, 0.0_wp, 1.0_wp, 0.0_wp )
241                      km_neutral = kappa * ( usvs(k)**2 + wsvs(k)**2 )**0.25_wp * &
242                                   0.5_wp * dy 
243                      IF ( km_neutral > 0.0_wp )  THEN
244                         dudy = - wall_e_y(j,i) * usvs(k) / km_neutral
245                         dwdy = - wall_e_y(j,i) * wsvs(k) / km_neutral
246                      ELSE
247                         dudy = 0.0_wp
248                         dwdy = 0.0_wp
249                      ENDIF
250                   ELSE
251                      dudy = 0.25_wp * ( u(k,j+1,i) + u(k,j+1,i+1) - &
252                                         u(k,j-1,i) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy
253                      dwdy = 0.25_wp * ( w(k,j+1,i) + w(k-1,j+1,i) - &
254                                         w(k,j-1,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy
255                   ENDIF
256
257                   IF ( wall_e_x(j,i) /= 0.0_wp )  THEN
258!
259!--                   Inconsistency removed: as the thermal stratification is
260!--                   not taken into account for the evaluation of the wall
261!--                   fluxes at vertical walls, the eddy viscosity km must not
262!--                   be used for the evaluation of the velocity gradients dvdx
263!--                   and dwdx
264!--                   Note: The validity of the new method has not yet been
265!--                         shown, as so far no suitable data for a validation
266!--                         has been available
267                      CALL wall_fluxes_e( i, j, k, nzb_diff_s_outer(j,i)-2, &
268                                          vsus, 0.0_wp, 1.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp )
269                      CALL wall_fluxes_e( i, j, k, nzb_diff_s_outer(j,i)-2, &
270                                          wsus, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 1.0_wp )
271                      km_neutral = kappa * ( vsus(k)**2 + wsus(k)**2 )**0.25_wp * &
272                                   0.5_wp * dx
273                      IF ( km_neutral > 0.0_wp )  THEN
274                         dvdx = - wall_e_x(j,i) * vsus(k) / km_neutral
275                         dwdx = - wall_e_x(j,i) * wsus(k) / km_neutral
276                      ELSE
277                         dvdx = 0.0_wp
278                         dwdx = 0.0_wp
279                      ENDIF
280                   ELSE
281                      dvdx = 0.25_wp * ( v(k,j,i+1) + v(k,j+1,i+1) - &
282                                         v(k,j,i-1) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx
283                      dwdx = 0.25_wp * ( w(k,j,i+1) + w(k-1,j,i+1) - &
284                                         w(k,j,i-1) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx
285                   ENDIF
286
287                   def = 2.0_wp * ( dudx**2 + dvdy**2 + dwdz**2 ) +           &
288                         dudy**2 + dvdx**2 + dwdx**2 + dwdy**2 + dudz**2 + &
289                         dvdz**2 + 2.0_wp * ( dvdx*dudy + dwdx*dudz + dwdy*dvdz )
290
291                   IF ( def < 0.0_wp )  def = 0.0_wp
292
293                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def
294
295
296!
297!--                (3) - will be executed only, if there is at least one level
298!--                between (2) and (4), i.e. the topography must have a
299!--                minimum height of 2 dz. Wall fluxes for this case have
300!--                already been calculated for (2).
301!--                'wall only: use wall functions'
302
303                   DO  k = nzb_diff_s_inner(j,i), nzb_diff_s_outer(j,i)-2
304
305                      dudx = ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i) ) * ddx
306                      dudz = 0.5_wp * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1) - &
307                                        u(k-1,j,i) - u(k-1,j,i+1) ) * dd2zu(k)
308                      dvdy =          ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i)     ) * ddy
309                      dvdz = 0.5_wp * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i) - &
310                                        v(k-1,j,i) - v(k-1,j+1,i) ) * dd2zu(k)
311                      dwdz = ( w(k,j,i) - w(k-1,j,i) ) * ddzw(k)
312
313                      IF ( wall_e_y(j,i) /= 0.0_wp )  THEN
314!
315!--                      Inconsistency removed: as the thermal stratification
316!--                      is not taken into account for the evaluation of the
317!--                      wall fluxes at vertical walls, the eddy viscosity km
318!--                      must not be used for the evaluation of the velocity
319!--                      gradients dudy and dwdy
320!--                      Note: The validity of the new method has not yet
321!--                            been shown, as so far no suitable data for a
322!--                            validation has been available
323                         km_neutral = kappa * ( usvs(k)**2 + & 
324                                                wsvs(k)**2 )**0.25_wp * 0.5_wp * dy
325                         IF ( km_neutral > 0.0_wp )  THEN
326                            dudy = - wall_e_y(j,i) * usvs(k) / km_neutral
327                            dwdy = - wall_e_y(j,i) * wsvs(k) / km_neutral
328                         ELSE
329                            dudy = 0.0_wp
330                            dwdy = 0.0_wp
331                         ENDIF
332                      ELSE
333                         dudy = 0.25_wp * ( u(k,j+1,i) + u(k,j+1,i+1) - &
334                                            u(k,j-1,i) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy
335                         dwdy = 0.25_wp * ( w(k,j+1,i) + w(k-1,j+1,i) - &
336                                            w(k,j-1,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy
337                      ENDIF
338
339                      IF ( wall_e_x(j,i) /= 0.0_wp )  THEN
340!
341!--                      Inconsistency removed: as the thermal stratification
342!--                      is not taken into account for the evaluation of the
343!--                      wall fluxes at vertical walls, the eddy viscosity km
344!--                      must not be used for the evaluation of the velocity
345!--                      gradients dvdx and dwdx
346!--                      Note: The validity of the new method has not yet
347!--                            been shown, as so far no suitable data for a
348!--                            validation has been available
349                         km_neutral = kappa * ( vsus(k)**2 + & 
350                                                wsus(k)**2 )**0.25_wp * 0.5_wp * dx
351                         IF ( km_neutral > 0.0_wp )  THEN
352                            dvdx = - wall_e_x(j,i) * vsus(k) / km_neutral
353                            dwdx = - wall_e_x(j,i) * wsus(k) / km_neutral
354                         ELSE
355                            dvdx = 0.0_wp
356                            dwdx = 0.0_wp
357                         ENDIF
358                      ELSE
359                         dvdx = 0.25_wp * ( v(k,j,i+1) + v(k,j+1,i+1) - &
360                                            v(k,j,i-1) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx
361                         dwdx = 0.25_wp * ( w(k,j,i+1) + w(k-1,j,i+1) - &
362                                            w(k,j,i-1) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx
363                      ENDIF
364
365                      def = 2.0_wp * ( dudx**2 + dvdy**2 + dwdz**2 ) +           &
366                           dudy**2 + dvdx**2 + dwdx**2 + dwdy**2 + dudz**2 +  &
367                           dvdz**2 + 2.0_wp * ( dvdx*dudy + dwdx*dudz + dwdy*dvdz )
368
369                      IF ( def < 0.0_wp )  def = 0.0_wp
370
371                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def
372
373                   ENDDO
374
375                ENDIF
376
377             ENDDO
378
379!
380!--          (4) - will allways be executed.
381!--          'special case: free atmosphere' (as for case (0))
382             DO  j = nys, nyn
383
384                IF ( ( wall_e_x(j,i) /= 0.0_wp ) .OR. ( wall_e_y(j,i) /= 0.0_wp ) ) &
385                THEN
386
387                   k = nzb_diff_s_outer(j,i)-1
388
389                   dudx  =           ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i)     ) * ddx
390                   dudy  = 0.25_wp * ( u(k,j+1,i) + u(k,j+1,i+1) - &
391                                       u(k,j-1,i) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy
392                   dudz  = 0.5_wp  * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1) - &
393                                       u(k-1,j,i) - u(k-1,j,i+1) ) * dd2zu(k)
394
395                   dvdx  = 0.25_wp * ( v(k,j,i+1) + v(k,j+1,i+1) - &
396                                       v(k,j,i-1) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx
397                   dvdy  =           ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i)     ) * ddy
398                   dvdz  = 0.5_wp  * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i) - &
399                                       v(k-1,j,i) - v(k-1,j+1,i) ) * dd2zu(k)
400
401                   dwdx  = 0.25_wp * ( w(k,j,i+1) + w(k-1,j,i+1) - &
402                                       w(k,j,i-1) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx
403                   dwdy  = 0.25_wp * ( w(k,j+1,i) + w(k-1,j+1,i) - &
404                                       w(k,j-1,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy
405                   dwdz  =           ( w(k,j,i)   - w(k-1,j,i)   ) * ddzw(k)
406
407                   def = 2.0_wp * ( dudx**2 + dvdy**2 + dwdz**2 ) +           &
408                         dudy**2 + dvdx**2 + dwdx**2 + dwdy**2 + dudz**2 + &
409                         dvdz**2 + 2.0_wp * ( dvdx*dudy + dwdx*dudz + dwdy*dvdz )
410
411                   IF ( def < 0.0_wp )  def = 0.0_wp
412
413                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def
414
415                ENDIF
416
417             ENDDO
418
419!
420!--          Position without adjacent wall
421!--          (1) - will allways be executed.
422!--          'bottom only: use u_0,v_0'
423             DO  j = nys, nyn
424
425                IF ( ( wall_e_x(j,i) == 0.0_wp ) .AND. ( wall_e_y(j,i) == 0.0_wp ) ) &
426                THEN
427
428                   k = nzb_diff_s_inner(j,i)-1
429
430                   dudx  =           ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i)     ) * ddx
431                   dudy  = 0.25_wp * ( u(k,j+1,i) + u(k,j+1,i+1) - &
432                                       u(k,j-1,i) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy
433                   dudz  = 0.5_wp  * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1) - &
434                                       u_0(j,i)   - u_0(j,i+1)   ) * dd2zu(k)
435
436                   dvdx  = 0.25_wp * ( v(k,j,i+1) + v(k,j+1,i+1) - &
437                                       v(k,j,i-1) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx
438                   dvdy  =           ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i)     ) * ddy
439                   dvdz  = 0.5_wp  * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i) - &
440                                       v_0(j,i)   - v_0(j+1,i)   ) * dd2zu(k)
441
442                   dwdx  = 0.25_wp * ( w(k,j,i+1) + w(k-1,j,i+1) - &
443                                       w(k,j,i-1) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx
444                   dwdy  = 0.25_wp * ( w(k,j+1,i) + w(k-1,j+1,i) - &
445                                       w(k,j-1,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy
446                   dwdz  =           ( w(k,j,i)   - w(k-1,j,i)   ) * ddzw(k)
447
448                   def = 2.0_wp * ( dudx**2 + dvdy**2 + dwdz**2 ) +           &
449                         dudy**2 + dvdx**2 + dwdx**2 + dwdy**2 + dudz**2 + &
450                         dvdz**2 + 2.0_wp * ( dvdx*dudy + dwdx*dudz + dwdy*dvdz )
451
452                   IF ( def < 0.0_wp )  def = 0.0_wp
453
454                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def
455
456                ENDIF
457
458             ENDDO
459
460          ELSEIF ( use_surface_fluxes )  THEN
461
462             DO  j = nys, nyn
463
464                k = nzb_diff_s_outer(j,i)-1
465
466                dudx  =           ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i)     ) * ddx
467                dudy  = 0.25_wp * ( u(k,j+1,i) + u(k,j+1,i+1) - &
468                                    u(k,j-1,i) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy
469                dudz  = 0.5_wp  * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1) - &
470                                   u(k-1,j,i) - u(k-1,j,i+1) ) * dd2zu(k)
471
472                dvdx  = 0.25_wp * ( v(k,j,i+1) + v(k,j+1,i+1) - &
473                                    v(k,j,i-1) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx
474                dvdy  =           ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i)     ) * ddy
475                dvdz  = 0.5_wp  * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i) - &
476                                    v(k-1,j,i) - v(k-1,j+1,i) ) * dd2zu(k)
477
478                dwdx  = 0.25_wp * ( w(k,j,i+1) + w(k-1,j,i+1) - &
479                                    w(k,j,i-1) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx
480                dwdy  = 0.25_wp * ( w(k,j+1,i) + w(k-1,j+1,i) - &
481                                    w(k,j-1,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy
482                dwdz  =           ( w(k,j,i)   - w(k-1,j,i)   ) * ddzw(k)
483
484                def = 2.0_wp * ( dudx**2 + dvdy**2 + dwdz**2 ) +           &
485                      dudy**2 + dvdx**2 + dwdx**2 + dwdy**2 + dudz**2 + &
486                      dvdz**2 + 2.0_wp * ( dvdx*dudy + dwdx*dudz + dwdy*dvdz )
487
488                IF ( def < 0.0_wp )  def = 0.0_wp
489
490                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def
491
492             ENDDO
493
494          ENDIF
495
496!
497!--       If required, calculate TKE production by buoyancy
498          IF ( .NOT. neutral )  THEN
499
500             IF ( .NOT. humidity )  THEN
501
502                IF ( use_single_reference_value )  THEN
503
504                   IF ( ocean )  THEN
505!
506!--                   So far in the ocean no special treatment of density flux
507!--                   in the bottom and top surface layer
508                      DO  j = nys, nyn
509                         DO  k = nzb_s_inner(j,i)+1, nzt
510                            tend(k,j,i) = tend(k,j,i) +                     &
511                                          kh(k,j,i) * g / rho_reference *   &
512                                          ( rho(k+1,j,i) - rho(k-1,j,i) ) * &
513                                          dd2zu(k)
514                         ENDDO
515                      ENDDO
516
517                   ELSE
518
519                      DO  j = nys, nyn
520                         DO  k = nzb_diff_s_inner(j,i), nzt_diff
521                            tend(k,j,i) = tend(k,j,i) -                   &
522                                          kh(k,j,i) * g / pt_reference *  &
523                                          ( pt(k+1,j,i) - pt(k-1,j,i) ) * &
524                                          dd2zu(k)
525                         ENDDO
526
527                         IF ( use_surface_fluxes )  THEN
528                            k = nzb_diff_s_inner(j,i)-1
529                            tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + g / pt_reference * &
530                                                        shf(j,i)
531                         ENDIF
532
533                         IF ( use_top_fluxes )  THEN
534                            k = nzt
535                            tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + g / pt_reference * &
536                                                        tswst(j,i)
537                         ENDIF
538                      ENDDO
539
540                   ENDIF
541
542                ELSE
543
544                   IF ( ocean )  THEN
545!
546!--                   So far in the ocean no special treatment of density flux
547!--                   in the bottom and top surface layer
548                      DO  j = nys, nyn
549                         DO  k = nzb_s_inner(j,i)+1, nzt
550                            tend(k,j,i) = tend(k,j,i) +                     &
551                                          kh(k,j,i) * g / rho(k,j,i) *      &
552                                          ( rho(k+1,j,i) - rho(k-1,j,i) ) * &
553                                          dd2zu(k)
554                         ENDDO
555                      ENDDO
556
557                   ELSE
558
559                      DO  j = nys, nyn
560                         DO  k = nzb_diff_s_inner(j,i), nzt_diff
561                            tend(k,j,i) = tend(k,j,i) -                   &
562                                          kh(k,j,i) * g / pt(k,j,i) *     &
563                                          ( pt(k+1,j,i) - pt(k-1,j,i) ) * &
564                                          dd2zu(k)
565                         ENDDO
566
567                         IF ( use_surface_fluxes )  THEN
568                            k = nzb_diff_s_inner(j,i)-1
569                            tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + g / pt(k,j,i) * &
570                                                        shf(j,i)
571                         ENDIF
572
573                         IF ( use_top_fluxes )  THEN
574                            k = nzt
575                            tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + g / pt(k,j,i) * &
576                                                        tswst(j,i)
577                         ENDIF
578                      ENDDO
579
580                   ENDIF
581
582                ENDIF
583
584             ELSE
585
586                DO  j = nys, nyn
587
588                   DO  k = nzb_diff_s_inner(j,i), nzt_diff
589
590                      IF ( .NOT. cloud_physics .AND. .NOT. cloud_droplets ) THEN
591                         k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
592                         k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
593                         tend(k,j,i) = tend(k,j,i) - kh(k,j,i) *               &
594                                         g / vpt(k,j,i) *                      &
595                                         ( k1 * ( pt(k+1,j,i)-pt(k-1,j,i) ) +  &
596                                           k2 * ( q(k+1,j,i) - q(k-1,j,i) )    &
597                                         ) * dd2zu(k)
598                      ELSE IF ( cloud_physics )  THEN
599                         IF ( ql(k,j,i) == 0.0_wp )  THEN
600                            k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
601                            k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
602                         ELSE
603                            theta = pt(k,j,i) + pt_d_t(k) * l_d_cp * ql(k,j,i)
604                            temp  = theta * t_d_pt(k)
605                            k1 = ( 1.0_wp - q(k,j,i) + 1.61_wp *               &
606                                          ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) *          &
607                                 ( 1.0_wp + 0.622_wp * l_d_r / temp ) ) /        &
608                                 ( 1.0_wp + 0.622_wp * l_d_r * l_d_cp *          &
609                                 ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) / ( temp * temp ) )
610                            k2 = theta * ( l_d_cp / temp * k1 - 1.0_wp )
611                         ENDIF
612                         tend(k,j,i) = tend(k,j,i) - kh(k,j,i) *               &
613                                         g / vpt(k,j,i) *                      &
614                                         ( k1 * ( pt(k+1,j,i)-pt(k-1,j,i) ) +  &
615                                           k2 * ( q(k+1,j,i) - q(k-1,j,i) )    &
616                                         ) * dd2zu(k)
617                      ELSE IF ( cloud_droplets )  THEN
618                         k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i) - ql(k,j,i)
619                         k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
620                         tend(k,j,i) = tend(k,j,i) -                          & 
621                                       kh(k,j,i) * g / vpt(k,j,i) *           &
622                                       ( k1 * ( pt(k+1,j,i)- pt(k-1,j,i) ) +  &
623                                         k2 * ( q(k+1,j,i) -  q(k-1,j,i) ) -  &
624                                         pt(k,j,i) * ( ql(k+1,j,i) -          &
625                                         ql(k-1,j,i) ) ) * dd2zu(k)
626                      ENDIF
627
628                   ENDDO
629
630                ENDDO
631
632                IF ( use_surface_fluxes )  THEN
633
634                   DO  j = nys, nyn
635
636                      k = nzb_diff_s_inner(j,i)-1
637
638                      IF ( .NOT. cloud_physics .AND. .NOT. cloud_droplets ) THEN
639                         k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
640                         k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
641                      ELSE IF ( cloud_physics )  THEN
642                         IF ( ql(k,j,i) == 0.0_wp )  THEN
643                            k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
644                            k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
645                         ELSE
646                            theta = pt(k,j,i) + pt_d_t(k) * l_d_cp * ql(k,j,i)
647                            temp  = theta * t_d_pt(k)
648                            k1 = ( 1.0_wp - q(k,j,i) + 1.61_wp *               &
649                                          ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) *          &
650                                 ( 1.0_wp + 0.622_wp * l_d_r / temp ) ) /        &
651                                 ( 1.0_wp + 0.622_wp * l_d_r * l_d_cp *          &
652                                 ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) / ( temp * temp ) )
653                            k2 = theta * ( l_d_cp / temp * k1 - 1.0_wp )
654                         ENDIF
655                      ELSE IF ( cloud_droplets )  THEN
656                         k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i) - ql(k,j,i)
657                         k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
658                      ENDIF
659
660                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + g / vpt(k,j,i) * &
661                                            ( k1* shf(j,i) + k2 * qsws(j,i) )
662                   ENDDO
663
664                ENDIF
665
666                IF ( use_top_fluxes )  THEN
667
668                   DO  j = nys, nyn
669
670                      k = nzt
671
672                      IF ( .NOT. cloud_physics .AND. .NOT. cloud_droplets ) THEN
673                         k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
674                         k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
675                      ELSE IF ( cloud_physics )  THEN
676                         IF ( ql(k,j,i) == 0.0_wp )  THEN
677                            k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
678                            k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
679                         ELSE
680                            theta = pt(k,j,i) + pt_d_t(k) * l_d_cp * ql(k,j,i)
681                            temp  = theta * t_d_pt(k)
682                            k1 = ( 1.0_wp - q(k,j,i) + 1.61_wp *                 &
683                                          ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) *          &
684                                 ( 1.0_wp + 0.622_wp * l_d_r / temp ) ) /        &
685                                 ( 1.0_wp + 0.622_wp * l_d_r * l_d_cp *          &
686                                 ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) / ( temp * temp ) )
687                            k2 = theta * ( l_d_cp / temp * k1 - 1.0_wp )
688                         ENDIF
689                      ELSE IF ( cloud_droplets )  THEN
690                         k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i) - ql(k,j,i)
691                         k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
692                      ENDIF
693
694                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + g / vpt(k,j,i) * &
695                                            ( k1* tswst(j,i) + k2 * qswst(j,i) )
696                   ENDDO
697
698                ENDIF
699
700             ENDIF
701
702          ENDIF
703
704       ENDDO
705
706    END SUBROUTINE production_e
707
708
709!------------------------------------------------------------------------------!
710! Call for all grid points - accelerator version
711!------------------------------------------------------------------------------!
712    SUBROUTINE production_e_acc
713
714       USE arrays_3d,                                                          &
715           ONLY:  ddzw, dd2zu, kh, km, pt, q, ql, qsws, qswst, rho, shf,       &
716                  tend, tswst, u, v, vpt, w
717
718       USE cloud_parameters,                                                   &
719           ONLY:  l_d_cp, l_d_r, pt_d_t, t_d_pt
720
721       USE control_parameters,                                                 &
722           ONLY:  cloud_droplets, cloud_physics, g, humidity, kappa, neutral,  &
723                  ocean, prandtl_layer, pt_reference, rho_reference,           &
724                  topography, use_single_reference_value, use_surface_fluxes,  &
725                  use_top_fluxes
726
727       USE grid_variables,                                                     &
728           ONLY:  ddx, dx, ddy, dy, wall_e_x, wall_e_y
729
730       USE indices,                                                            &
731           ONLY:  i_left, i_right, j_north, j_south, nxl, nxr, nys, nyn, nzb,  &
732                  nzb_diff_s_inner, nzb_diff_s_outer, nzb_s_inner, nzt,        &
733                  nzt_diff
734
735       IMPLICIT NONE
736
737       INTEGER(iwp) ::  i           !:
738       INTEGER(iwp) ::  j           !:
739       INTEGER(iwp) ::  k           !:
740
741       REAL(wp)     ::  def         !:
742       REAL(wp)     ::  dudx        !:
743       REAL(wp)     ::  dudy        !:
744       REAL(wp)     ::  dudz        !:
745       REAL(wp)     ::  dvdx        !:
746       REAL(wp)     ::  dvdy        !:
747       REAL(wp)     ::  dvdz        !:
748       REAL(wp)     ::  dwdx        !:
749       REAL(wp)     ::  dwdy        !:
750       REAL(wp)     ::  dwdz        !:
751       REAL(wp)     ::  k1          !:
752       REAL(wp)     ::  k2          !:
753       REAL(wp)     ::  km_neutral  !:
754       REAL(wp)     ::  theta       !:
755       REAL(wp)     ::  temp        !:
756
757       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nys:nyn,nxl:nxr) ::  usvs  !:
758       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nys:nyn,nxl:nxr) ::  vsus  !:
759       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nys:nyn,nxl:nxr) ::  wsus  !:
760       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nys:nyn,nxl:nxr) ::  wsvs  !:
761       !$acc declare create ( usvs, vsus, wsus, wsvs )
762
763!
764!--    First calculate horizontal momentum flux u'v', w'v', v'u', w'u' at
765!--    vertical walls, if neccessary
766!--    CAUTION: results are slightly different from the ij-version!!
767!--    ij-version should be called further below within the ij-loops!!
768       IF ( topography /= 'flat' )  THEN
769          CALL wall_fluxes_e_acc( usvs, 1.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, wall_e_y )
770          CALL wall_fluxes_e_acc( wsvs, 0.0_wp, 0.0_wp, 1.0_wp, 0.0_wp, wall_e_y )
771          CALL wall_fluxes_e_acc( vsus, 0.0_wp, 1.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, wall_e_x )
772          CALL wall_fluxes_e_acc( wsus, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 1.0_wp, wall_e_x )
773       ENDIF
774
775
776!
777!--    Calculate TKE production by shear
778       !$acc kernels present( ddzw, dd2zu, kh, km, nzb_diff_s_inner, nzb_diff_s_outer ) &
779       !$acc         present( nzb_s_inner, nzb_s_outer, pt, q, ql, qsws, qswst, rho )   &
780       !$acc         present( shf, tend, tswst, u, v, vpt, w, wall_e_x, wall_e_y )      &
781       !$acc         copyin( u_0, v_0 )
782       DO  i = i_left, i_right
783          DO  j = j_south, j_north
784             DO  k = 1, nzt
785
786                IF ( k >= nzb_diff_s_outer(j,i) )  THEN
787
788                   dudx  =           ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i)     ) * ddx
789                   dudy  = 0.25_wp * ( u(k,j+1,i) + u(k,j+1,i+1) - &
790                                       u(k,j-1,i) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy
791                   dudz  = 0.5_wp  * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1) - &
792                                       u(k-1,j,i) - u(k-1,j,i+1) ) * dd2zu(k)
793
794                   dvdx  = 0.25_wp * ( v(k,j,i+1) + v(k,j+1,i+1) - &
795                                       v(k,j,i-1) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx
796                   dvdy  =           ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i)     ) * ddy
797                   dvdz  = 0.5_wp  * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i) - &
798                                       v(k-1,j,i) - v(k-1,j+1,i) ) * dd2zu(k)
799
800                   dwdx  = 0.25_wp * ( w(k,j,i+1) + w(k-1,j,i+1) - &
801                                       w(k,j,i-1) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx
802                   dwdy  = 0.25_wp * ( w(k,j+1,i) + w(k-1,j+1,i) - &
803                                       w(k,j-1,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy
804                   dwdz  =           ( w(k,j,i)   - w(k-1,j,i)   ) * ddzw(k)
805
806                   def = 2.0_wp * ( dudx**2 + dvdy**2 + dwdz**2 ) +           &
807                         dudy**2 + dvdx**2 + dwdx**2 + dwdy**2 + dudz**2 + &
808                         dvdz**2 + 2.0_wp * ( dvdx*dudy + dwdx*dudz + dwdy*dvdz )
809
810                   IF ( def < 0.0_wp )  def = 0.0_wp
811
812                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def
813
814                ENDIF
815
816             ENDDO
817          ENDDO
818       ENDDO
819
820       IF ( prandtl_layer )  THEN
821
822!
823!--       Position beneath wall
824!--       (2) - Will allways be executed.
825!--       'bottom and wall: use u_0,v_0 and wall functions'
826          DO  i = i_left, i_right
827             DO  j = j_south, j_north
828                DO  k = 1, nzt
829
830                   IF ( ( wall_e_x(j,i) /= 0.0_wp ).OR.( wall_e_y(j,i) /= 0.0_wp ) ) &
831                   THEN
832
833                      IF ( k == nzb_diff_s_inner(j,i) - 1 )  THEN
834                         dudx = ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i) ) * ddx
835                         dudz = 0.5_wp * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1) - &
836                                           u_0(j,i)   - u_0(j,i+1)   ) * dd2zu(k)
837                         dvdy = ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i) ) * ddy
838                         dvdz = 0.5_wp * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i) - &
839                                           v_0(j,i)   - v_0(j+1,i)   ) * dd2zu(k)
840                         dwdz = ( w(k,j,i) - w(k-1,j,i) ) * ddzw(k)
841
842                         IF ( wall_e_y(j,i) /= 0.0_wp )  THEN
843!
844!--                         Inconsistency removed: as the thermal stratification is
845!--                         not taken into account for the evaluation of the wall
846!--                         fluxes at vertical walls, the eddy viscosity km must not
847!--                         be used for the evaluation of the velocity gradients dudy
848!--                         and dwdy
849!--                         Note: The validity of the new method has not yet been
850!--                               shown, as so far no suitable data for a validation
851!--                               has been available
852!                            CALL wall_fluxes_e( i, j, k, nzb_diff_s_outer(j,i)-2, &
853!                                                usvs, 1.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp )
854!                            CALL wall_fluxes_e( i, j, k, nzb_diff_s_outer(j,i)-2, &
855!                                                wsvs, 0.0_wp, 0.0_wp, 1.0_wp, 0.0_wp )
856                            km_neutral = kappa *                                    &
857                                        ( usvs(k,j,i)**2 + wsvs(k,j,i)**2 )**0.25_wp * &
858                                         0.5_wp * dy
859                            IF ( km_neutral > 0.0_wp )  THEN
860                               dudy = - wall_e_y(j,i) * usvs(k,j,i) / km_neutral
861                               dwdy = - wall_e_y(j,i) * wsvs(k,j,i) / km_neutral
862                            ELSE
863                               dudy = 0.0_wp
864                               dwdy = 0.0_wp
865                            ENDIF
866                         ELSE
867                            dudy = 0.25_wp * ( u(k,j+1,i) + u(k,j+1,i+1) - &
868                                               u(k,j-1,i) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy
869                            dwdy = 0.25_wp * ( w(k,j+1,i) + w(k-1,j+1,i) - &
870                                               w(k,j-1,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy
871                         ENDIF
872
873                         IF ( wall_e_x(j,i) /= 0.0_wp )  THEN
874!
875!--                         Inconsistency removed: as the thermal stratification is
876!--                         not taken into account for the evaluation of the wall
877!--                         fluxes at vertical walls, the eddy viscosity km must not
878!--                         be used for the evaluation of the velocity gradients dvdx
879!--                         and dwdx
880!--                         Note: The validity of the new method has not yet been
881!--                               shown, as so far no suitable data for a validation
882!--                               has been available
883!                            CALL wall_fluxes_e( i, j, k, nzb_diff_s_outer(j,i)-2, &
884!                                                vsus, 0.0_wp, 1.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp )
885!                            CALL wall_fluxes_e( i, j, k, nzb_diff_s_outer(j,i)-2, &
886!                                                wsus, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 1.0_wp )
887                            km_neutral = kappa *                                     &
888                                         ( vsus(k,j,i)**2 + wsus(k,j,i)**2 )**0.25_wp * &
889                                         0.5_wp * dx
890                            IF ( km_neutral > 0.0_wp )  THEN
891                               dvdx = - wall_e_x(j,i) * vsus(k,j,i) / km_neutral
892                               dwdx = - wall_e_x(j,i) * wsus(k,j,i) / km_neutral
893                            ELSE
894                               dvdx = 0.0_wp
895                               dwdx = 0.0_wp
896                            ENDIF
897                         ELSE
898                            dvdx = 0.25_wp * ( v(k,j,i+1) + v(k,j+1,i+1) - &
899                                               v(k,j,i-1) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx
900                            dwdx = 0.25_wp * ( w(k,j,i+1) + w(k-1,j,i+1) - &
901                                               w(k,j,i-1) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx
902                         ENDIF
903
904                         def = 2.0_wp * ( dudx**2 + dvdy**2 + dwdz**2 ) +           &
905                               dudy**2 + dvdx**2 + dwdx**2 + dwdy**2 + dudz**2 + &
906                               dvdz**2 + 2.0_wp * ( dvdx*dudy + dwdx*dudz + dwdy*dvdz )
907
908                         IF ( def < 0.0_wp )  def = 0.0_wp
909
910                         tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def
911
912                      ENDIF
913!
914!--                   (3) - will be executed only, if there is at least one level
915!--                   between (2) and (4), i.e. the topography must have a
916!--                   minimum height of 2 dz. Wall fluxes for this case have
917!--                   already been calculated for (2).
918!--                   'wall only: use wall functions'
919
920                      IF ( k >= nzb_diff_s_inner(j,i)  .AND.  &
921                           k <= nzb_diff_s_outer(j,i)-2 )  THEN
922
923                         dudx = ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i) ) * ddx
924                         dudz = 0.5_wp * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1) - &
925                                           u(k-1,j,i) - u(k-1,j,i+1) ) * dd2zu(k)
926                         dvdy =          ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i)     ) * ddy
927                         dvdz = 0.5_wp * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i) - &
928                                           v(k-1,j,i) - v(k-1,j+1,i) ) * dd2zu(k)
929                         dwdz = ( w(k,j,i) - w(k-1,j,i) ) * ddzw(k)
930
931                         IF ( wall_e_y(j,i) /= 0.0_wp )  THEN
932!
933!--                         Inconsistency removed: as the thermal stratification
934!--                         is not taken into account for the evaluation of the
935!--                         wall fluxes at vertical walls, the eddy viscosity km
936!--                         must not be used for the evaluation of the velocity
937!--                         gradients dudy and dwdy
938!--                         Note: The validity of the new method has not yet
939!--                               been shown, as so far no suitable data for a
940!--                               validation has been available
941                            km_neutral = kappa * ( usvs(k,j,i)**2 + &
942                                                   wsvs(k,j,i)**2 )**0.25_wp * 0.5_wp * dy
943                            IF ( km_neutral > 0.0_wp )  THEN
944                               dudy = - wall_e_y(j,i) * usvs(k,j,i) / km_neutral
945                               dwdy = - wall_e_y(j,i) * wsvs(k,j,i) / km_neutral
946                            ELSE
947                               dudy = 0.0_wp
948                               dwdy = 0.0_wp
949                            ENDIF
950                         ELSE
951                            dudy = 0.25_wp * ( u(k,j+1,i) + u(k,j+1,i+1) - &
952                                               u(k,j-1,i) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy
953                            dwdy = 0.25_wp * ( w(k,j+1,i) + w(k-1,j+1,i) - &
954                                               w(k,j-1,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy
955                         ENDIF
956
957                         IF ( wall_e_x(j,i) /= 0.0_wp )  THEN
958!
959!--                         Inconsistency removed: as the thermal stratification
960!--                         is not taken into account for the evaluation of the
961!--                         wall fluxes at vertical walls, the eddy viscosity km
962!--                         must not be used for the evaluation of the velocity
963!--                         gradients dvdx and dwdx
964!--                         Note: The validity of the new method has not yet
965!--                               been shown, as so far no suitable data for a
966!--                               validation has been available
967                            km_neutral = kappa * ( vsus(k,j,i)**2 + &
968                                                   wsus(k,j,i)**2 )**0.25_wp * 0.5_wp * dx
969                            IF ( km_neutral > 0.0_wp )  THEN
970                               dvdx = - wall_e_x(j,i) * vsus(k,j,i) / km_neutral
971                               dwdx = - wall_e_x(j,i) * wsus(k,j,i) / km_neutral
972                            ELSE
973                               dvdx = 0.0_wp
974                               dwdx = 0.0_wp
975                            ENDIF
976                         ELSE
977                            dvdx = 0.25_wp * ( v(k,j,i+1) + v(k,j+1,i+1) - &
978                                               v(k,j,i-1) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx
979                            dwdx = 0.25_wp * ( w(k,j,i+1) + w(k-1,j,i+1) - &
980                                               w(k,j,i-1) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx
981                         ENDIF
982
983                         def = 2.0_wp * ( dudx**2 + dvdy**2 + dwdz**2 ) +           &
984                              dudy**2 + dvdx**2 + dwdx**2 + dwdy**2 + dudz**2 +  &
985                              dvdz**2 + 2.0_wp * ( dvdx*dudy + dwdx*dudz + dwdy*dvdz )
986
987                         IF ( def < 0.0_wp )  def = 0.0_wp
988
989                         tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def
990
991                      ENDIF
992
993!
994!--                   (4) - will allways be executed.
995!--                   'special case: free atmosphere' (as for case (0))
996                      IF ( k == nzb_diff_s_outer(j,i)-1 )  THEN
997
998                         dudx  =           ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i)     ) * ddx
999                         dudy  = 0.25_wp * ( u(k,j+1,i) + u(k,j+1,i+1) - &
1000                                             u(k,j-1,i) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy
1001                         dudz  = 0.5_wp  * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1) - &
1002                                             u(k-1,j,i) - u(k-1,j,i+1) ) * dd2zu(k)
1003
1004                         dvdx  = 0.25_wp * ( v(k,j,i+1) + v(k,j+1,i+1) - &
1005                                             v(k,j,i-1) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx
1006                         dvdy  =           ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i)     ) * ddy
1007                         dvdz  = 0.5_wp  * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i) - &
1008                                             v(k-1,j,i) - v(k-1,j+1,i) ) * dd2zu(k)
1009
1010                         dwdx  = 0.25_wp * ( w(k,j,i+1) + w(k-1,j,i+1) - &
1011                                             w(k,j,i-1) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx
1012                         dwdy  = 0.25_wp * ( w(k,j+1,i) + w(k-1,j+1,i) - &
1013                                             w(k,j-1,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy
1014                         dwdz  =           ( w(k,j,i)   - w(k-1,j,i)   ) * ddzw(k)
1015
1016                         def = 2.0_wp * ( dudx**2 + dvdy**2 + dwdz**2 ) +           &
1017                               dudy**2 + dvdx**2 + dwdx**2 + dwdy**2 + dudz**2 + &
1018                               dvdz**2 + 2.0_wp * ( dvdx*dudy + dwdx*dudz + dwdy*dvdz )
1019
1020                         IF ( def < 0.0_wp )  def = 0.0_wp
1021
1022                         tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def
1023
1024                      ENDIF
1025
1026                   ENDIF
1027
1028                ENDDO
1029             ENDDO
1030          ENDDO
1031
1032!
1033!--       Position without adjacent wall
1034!--       (1) - will allways be executed.
1035!--       'bottom only: use u_0,v_0'
1036          DO  i = i_left, i_right
1037             DO  j = j_south, j_north
1038                DO  k = 1, nzt
1039
1040                   IF ( ( wall_e_x(j,i) == 0.0_wp ) .AND. ( wall_e_y(j,i) == 0.0_wp ) ) &
1041                   THEN
1042
1043                      IF ( k == nzb_diff_s_inner(j,i)-1 )  THEN
1044
1045                         dudx  =           ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i)     ) * ddx
1046                         dudy  = 0.25_wp * ( u(k,j+1,i) + u(k,j+1,i+1) - &
1047                                             u(k,j-1,i) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy
1048                         dudz  = 0.5_wp  * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1) - &
1049                                             u_0(j,i)   - u_0(j,i+1)   ) * dd2zu(k)
1050
1051                         dvdx  = 0.25_wp * ( v(k,j,i+1) + v(k,j+1,i+1) - &
1052                                             v(k,j,i-1) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx
1053                         dvdy  =           ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i)     ) * ddy
1054                         dvdz  = 0.5_wp  * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i) - &
1055                                             v_0(j,i)   - v_0(j+1,i)   ) * dd2zu(k)
1056
1057                         dwdx  = 0.25_wp * ( w(k,j,i+1) + w(k-1,j,i+1) - &
1058                                             w(k,j,i-1) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx
1059                         dwdy  = 0.25_wp * ( w(k,j+1,i) + w(k-1,j+1,i) - &
1060                                             w(k,j-1,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy
1061                         dwdz  =           ( w(k,j,i)   - w(k-1,j,i)   ) * ddzw(k)
1062
1063                         def = 2.0_wp * ( dudx**2 + dvdy**2 + dwdz**2 ) +           &
1064                               dudy**2 + dvdx**2 + dwdx**2 + dwdy**2 + dudz**2 + &
1065                               dvdz**2 + 2.0_wp * ( dvdx*dudy + dwdx*dudz + dwdy*dvdz )
1066
1067                         IF ( def < 0.0_wp )  def = 0.0_wp
1068
1069                         tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def
1070
1071                      ENDIF
1072
1073                   ENDIF
1074
1075                ENDDO
1076             ENDDO
1077          ENDDO
1078
1079       ELSEIF ( use_surface_fluxes )  THEN
1080
1081          DO  i = i_left, i_right
1082             DO  j = j_south, j_north
1083                 DO  k = 1, nzt
1084
1085                   IF ( k == nzb_diff_s_outer(j,i)-1 )  THEN
1086
1087                      dudx  =           ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i)     ) * ddx
1088                      dudy  = 0.25_wp * ( u(k,j+1,i) + u(k,j+1,i+1) - &
1089                                          u(k,j-1,i) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy
1090                      dudz  = 0.5_wp  * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1) - &
1091                                          u(k-1,j,i) - u(k-1,j,i+1) ) * dd2zu(k)
1092
1093                      dvdx  = 0.25_wp * ( v(k,j,i+1) + v(k,j+1,i+1) - &
1094                                          v(k,j,i-1) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx
1095                      dvdy  =           ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i)     ) * ddy
1096                      dvdz  = 0.5_wp  * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i) - &
1097                                          v(k-1,j,i) - v(k-1,j+1,i) ) * dd2zu(k)
1098
1099                      dwdx  = 0.25_wp * ( w(k,j,i+1) + w(k-1,j,i+1) - &
1100                                          w(k,j,i-1) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx
1101                      dwdy  = 0.25_wp * ( w(k,j+1,i) + w(k-1,j+1,i) - &
1102                                          w(k,j-1,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy
1103                      dwdz  =           ( w(k,j,i)   - w(k-1,j,i)   ) * ddzw(k)
1104
1105                      def = 2.0_wp * ( dudx**2 + dvdy**2 + dwdz**2 ) +           &
1106                            dudy**2 + dvdx**2 + dwdx**2 + dwdy**2 + dudz**2 + &
1107                            dvdz**2 + 2.0_wp * ( dvdx*dudy + dwdx*dudz + dwdy*dvdz )
1108
1109                      IF ( def < 0.0_wp )  def = 0.0_wp
1110
1111                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def
1112
1113                   ENDIF
1114
1115                ENDDO
1116             ENDDO
1117          ENDDO
1118
1119       ENDIF
1120
1121!
1122!--    If required, calculate TKE production by buoyancy
1123       IF ( .NOT. neutral )  THEN
1124
1125          IF ( .NOT. humidity )  THEN
1126
1127             IF ( use_single_reference_value )  THEN
1128
1129                IF ( ocean )  THEN
1130!
1131!--                So far in the ocean no special treatment of density flux
1132!--                in the bottom and top surface layer
1133                   DO  i = i_left, i_right
1134                      DO  j = j_south, j_north
1135                         DO  k = 1, nzt
1136                            IF ( k > nzb_s_inner(j,i) )  THEN
1137                               tend(k,j,i) = tend(k,j,i) +                     &
1138                                             kh(k,j,i) * g / rho_reference *   &
1139                                             ( rho(k+1,j,i) - rho(k-1,j,i) ) * &
1140                                             dd2zu(k)
1141                            ENDIF
1142                         ENDDO
1143                      ENDDO
1144                   ENDDO
1145
1146                ELSE
1147
1148                   DO  i = i_left, i_right
1149                      DO  j = j_south, j_north
1150                         DO  k = 1, nzt_diff
1151                            IF ( k >= nzb_diff_s_inner(j,i) )  THEN
1152                               tend(k,j,i) = tend(k,j,i) -                   &
1153                                             kh(k,j,i) * g / pt_reference *  &
1154                                             ( pt(k+1,j,i) - pt(k-1,j,i) ) * &
1155                                             dd2zu(k)
1156                            ENDIF
1157
1158                            IF ( k == nzb_diff_s_inner(j,i)-1  .AND.  &
1159                                 use_surface_fluxes )  THEN
1160                               tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + g / pt_reference * &
1161                                                           shf(j,i)
1162                            ENDIF
1163
1164                            IF ( k == nzt  .AND.  use_top_fluxes )  THEN
1165                               tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + g / pt_reference * &
1166                                                           tswst(j,i)
1167                            ENDIF
1168                         ENDDO
1169                      ENDDO
1170                   ENDDO
1171
1172                ENDIF
1173
1174             ELSE
1175
1176                IF ( ocean )  THEN
1177!
1178!--                So far in the ocean no special treatment of density flux
1179!--                in the bottom and top surface layer
1180                   DO  i = i_left, i_right
1181                      DO  j = j_south, j_north
1182                         DO  k = 1, nzt
1183                            IF ( k > nzb_s_inner(j,i) )  THEN
1184                               tend(k,j,i) = tend(k,j,i) +                     &
1185                                             kh(k,j,i) * g / rho(k,j,i) *      &
1186                                             ( rho(k+1,j,i) - rho(k-1,j,i) ) * &
1187                                             dd2zu(k)
1188                            ENDIF
1189                         ENDDO
1190                      ENDDO
1191                   ENDDO
1192
1193                ELSE
1194
1195                   DO  i = i_left, i_right
1196                      DO  j = j_south, j_north
1197                         DO  k = 1, nzt_diff
1198                            IF( k >= nzb_diff_s_inner(j,i) )  THEN
1199                               tend(k,j,i) = tend(k,j,i) -                   &
1200                                             kh(k,j,i) * g / pt(k,j,i) *     &
1201                                             ( pt(k+1,j,i) - pt(k-1,j,i) ) * &
1202                                             dd2zu(k)
1203                            ENDIF
1204
1205                            IF (  k == nzb_diff_s_inner(j,i)-1  .AND.  &
1206                                  use_surface_fluxes )  THEN
1207                               tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + g / pt(k,j,i) * &
1208                                                           shf(j,i)
1209                            ENDIF
1210
1211                            IF ( k == nzt  .AND.  use_top_fluxes )  THEN
1212                               tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + g / pt(k,j,i) * &
1213                                                           tswst(j,i)
1214                            ENDIF
1215                         ENDDO
1216                      ENDDO
1217                   ENDDO
1218
1219                ENDIF
1220
1221             ENDIF
1222
1223          ELSE
1224!
1225!++          This part gives the PGI compiler problems in the previous loop
1226!++          even without any acc statements????
1227!             STOP '+++ production_e problems with acc-directives'
1228!             !acc loop
1229!             DO  i = nxl, nxr
1230!                DO  j = nys, nyn
1231!                   !acc loop vector
1232!                   DO  k = 1, nzt_diff
1233!
1234!                      IF ( k >= nzb_diff_s_inner(j,i) )  THEN
1235!
1236!                         IF ( .NOT. cloud_physics .AND. .NOT. cloud_droplets ) THEN
1237!                            k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
1238!                            k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
1239!                            tend(k,j,i) = tend(k,j,i) - kh(k,j,i) *               &
1240!                                            g / vpt(k,j,i) *                      &
1241!                                            ( k1 * ( pt(k+1,j,i)-pt(k-1,j,i) ) +  &
1242!                                              k2 * ( q(k+1,j,i) - q(k-1,j,i) )    &
1243!                                            ) * dd2zu(k)
1244!                         ELSE IF ( cloud_physics )  THEN
1245!                            IF ( ql(k,j,i) == 0.0_wp )  THEN
1246!                               k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
1247!                               k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
1248!                            ELSE
1249!                               theta = pt(k,j,i) + pt_d_t(k) * l_d_cp * ql(k,j,i)
1250!                               temp  = theta * t_d_pt(k)
1251!                               k1 = ( 1.0_wp - q(k,j,i) + 1.61_wp *                 &
1252!                                             ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) *          &
1253!                                    ( 1.0_wp + 0.622_wp * l_d_r / temp ) ) /        &
1254!                                    ( 1.0_wp + 0.622_wp * l_d_r * l_d_cp *          &
1255!                                    ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) / ( temp * temp ) )
1256!                               k2 = theta * ( l_d_cp / temp * k1 - 1.0_wp )
1257!                            ENDIF
1258!                            tend(k,j,i) = tend(k,j,i) - kh(k,j,i) *               &
1259!                                            g / vpt(k,j,i) *                      &
1260!                                            ( k1 * ( pt(k+1,j,i)-pt(k-1,j,i) ) +  &
1261!                                              k2 * ( q(k+1,j,i) - q(k-1,j,i) )    &
1262!                                            ) * dd2zu(k)
1263!                         ELSE IF ( cloud_droplets )  THEN
1264!                            k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i) - ql(k,j,i)
1265!                            k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
1266!                            tend(k,j,i) = tend(k,j,i) -                          &
1267!                                          kh(k,j,i) * g / vpt(k,j,i) *           &
1268!                                          ( k1 * ( pt(k+1,j,i)- pt(k-1,j,i) ) +  &
1269!                                            k2 * ( q(k+1,j,i) -  q(k-1,j,i) ) -  &
1270!                                            pt(k,j,i) * ( ql(k+1,j,i) -          &
1271!                                            ql(k-1,j,i) ) ) * dd2zu(k)
1272!                         ENDIF
1273!
1274!                      ENDIF
1275!
1276!                   ENDDO
1277!                ENDDO
1278!             ENDDO
1279!
1280
1281!!++          Next two loops are probably very inefficiently parallellized
1282!!++          and will require better optimization
1283!             IF ( use_surface_fluxes )  THEN
1284!
1285!                !acc loop
1286!                DO  i = nxl, nxr
1287!                   DO  j = nys, nyn
1288!                      !acc loop vector
1289!                      DO  k = 1, nzt_diff
1290!
1291!                         IF ( k == nzb_diff_s_inner(j,i)-1 )  THEN
1292!
1293!                            IF ( .NOT. cloud_physics .AND. .NOT. cloud_droplets ) THEN
1294!                               k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
1295!                               k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
1296!                            ELSE IF ( cloud_physics )  THEN
1297!                               IF ( ql(k,j,i) == 0.0_wp )  THEN
1298!                                  k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
1299!                                  k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
1300!                               ELSE
1301!                                  theta = pt(k,j,i) + pt_d_t(k) * l_d_cp * ql(k,j,i)
1302!                                  temp  = theta * t_d_pt(k)
1303!                                  k1 = ( 1.0_wp - q(k,j,i) + 1.61_wp *        &
1304!                                                ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) *    &
1305!                                       ( 1.0_wp + 0.622_wp * l_d_r / temp ) ) /&
1306!                                       ( 1.0_wp + 0.622_wp * l_d_r * l_d_cp * &
1307!                                       ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) / ( temp * temp ) )
1308!                                  k2 = theta * ( l_d_cp / temp * k1 - 1.0_wp )
1309!                               ENDIF
1310!                            ELSE IF ( cloud_droplets )  THEN
1311!                               k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i) - ql(k,j,i)
1312!                               k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
1313!                            ENDIF
1314!
1315!                            tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + g / vpt(k,j,i) * &
1316!                                                  ( k1* shf(j,i) + k2 * qsws(j,i) )
1317!                         ENDIF
1318!
1319!                      ENDDO
1320!                   ENDDO
1321!                ENDDO
1322!
1323!             ENDIF
1324!
1325!             IF ( use_top_fluxes )  THEN
1326!
1327!                !acc loop
1328!                DO  i = nxl, nxr
1329!                   DO  j = nys, nyn
1330!                      !acc loop vector
1331!                      DO  k = 1, nzt
1332!                         IF ( k == nzt )  THEN
1333!
1334!                            IF ( .NOT. cloud_physics .AND. .NOT. cloud_droplets ) THEN
1335!                               k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
1336!                               k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
1337!                            ELSE IF ( cloud_physics )  THEN
1338!                               IF ( ql(k,j,i) == 0.0_wp )  THEN
1339!                                  k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
1340!                                  k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
1341!                               ELSE
1342!                                  theta = pt(k,j,i) + pt_d_t(k) * l_d_cp * ql(k,j,i)
1343!                                  temp  = theta * t_d_pt(k)
1344!                                  k1 = ( 1.0_wp - q(k,j,i) + 1.61_wp *        &
1345!                                                ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) *    &
1346!                                       ( 1.0_wp + 0.622_wp * l_d_r / temp ) ) /&
1347!                                       ( 1.0_wp + 0.622_wp * l_d_r * l_d_cp * &
1348!                                       ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) / ( temp * temp ) )
1349!                                  k2 = theta * ( l_d_cp / temp * k1 - 1.0_wp )
1350!                               ENDIF
1351!                            ELSE IF ( cloud_droplets )  THEN
1352!                               k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i) - ql(k,j,i)
1353!                               k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
1354!                            ENDIF
1355!
1356!                            tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + g / vpt(k,j,i) * &
1357!                                                  ( k1* tswst(j,i) + k2 * qswst(j,i) )
1358!
1359!                         ENDIF
1360!
1361!                      ENDDO
1362!                   ENDDO
1363!                ENDDO
1364!
1365!             ENDIF
1366
1367          ENDIF
1368
1369       ENDIF
1370       !$acc end kernels
1371
1372    END SUBROUTINE production_e_acc
1373
1374
1375!------------------------------------------------------------------------------!
1376! Call for grid point i,j
1377!------------------------------------------------------------------------------!
1378    SUBROUTINE production_e_ij( i, j )
1379
1380       USE arrays_3d,                                                          &
1381           ONLY:  ddzw, dd2zu, kh, km, pt, q, ql, qsws, qswst, rho, shf,       &
1382                  tend, tswst, u, v, vpt, w
1383
1384       USE cloud_parameters,                                                   &
1385           ONLY:  l_d_cp, l_d_r, pt_d_t, t_d_pt
1386
1387       USE control_parameters,                                                 &
1388           ONLY:  cloud_droplets, cloud_physics, g, humidity, kappa, neutral,  &
1389                  ocean, prandtl_layer, pt_reference, rho_reference,           &
1390                  use_single_reference_value, use_surface_fluxes,              &
1391                  use_top_fluxes
1392
1393       USE grid_variables,                                                     &
1394           ONLY:  ddx, dx, ddy, dy, wall_e_x, wall_e_y
1395
1396       USE indices,                                                            &
1397           ONLY:  nxl, nxr, nys, nyn, nzb, nzb_diff_s_inner,                   &
1398                  nzb_diff_s_outer, nzb_s_inner, nzt, nzt_diff
1399
1400       IMPLICIT NONE
1401
1402       INTEGER(iwp) ::  i           !:
1403       INTEGER(iwp) ::  j           !:
1404       INTEGER(iwp) ::  k           !:
1405
1406       REAL(wp)     ::  def         !:
1407       REAL(wp)     ::  dudx        !:
1408       REAL(wp)     ::  dudy        !:
1409       REAL(wp)     ::  dudz        !:
1410       REAL(wp)     ::  dvdx        !:
1411       REAL(wp)     ::  dvdy        !:
1412       REAL(wp)     ::  dvdz        !:
1413       REAL(wp)     ::  dwdx        !:
1414       REAL(wp)     ::  dwdy        !:
1415       REAL(wp)     ::  dwdz        !:
1416       REAL(wp)     ::  k1          !:
1417       REAL(wp)     ::  k2          !:
1418       REAL(wp)     ::  km_neutral  !:
1419       REAL(wp)     ::  theta       !:
1420       REAL(wp)     ::  temp        !:
1421
1422       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  usvs  !:
1423       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  vsus  !:
1424       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  wsus  !:
1425       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  wsvs  !:
1426
1427!
1428!--    Calculate TKE production by shear
1429       DO  k = nzb_diff_s_outer(j,i), nzt
1430
1431          dudx  =           ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i)     ) * ddx
1432          dudy  = 0.25_wp * ( u(k,j+1,i) + u(k,j+1,i+1) - &
1433                              u(k,j-1,i) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy
1434          dudz  = 0.5_wp  * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1) - &
1435                              u(k-1,j,i) - u(k-1,j,i+1) ) * dd2zu(k)
1436
1437          dvdx  = 0.25_wp * ( v(k,j,i+1) + v(k,j+1,i+1) - &
1438                              v(k,j,i-1) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx
1439          dvdy  =           ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i)     ) * ddy
1440          dvdz  = 0.5_wp  * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i) - &
1441                              v(k-1,j,i) - v(k-1,j+1,i) ) * dd2zu(k)
1442
1443          dwdx  = 0.25_wp * ( w(k,j,i+1) + w(k-1,j,i+1) - &
1444                              w(k,j,i-1) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx
1445          dwdy  = 0.25_wp * ( w(k,j+1,i) + w(k-1,j+1,i) - &
1446                              w(k,j-1,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy
1447          dwdz  =           ( w(k,j,i)   - w(k-1,j,i)   ) * ddzw(k)
1448
1449          def = 2.0_wp * ( dudx**2 + dvdy**2 + dwdz**2 )                       &
1450                + dudy**2 + dvdx**2 + dwdx**2 + dwdy**2 + dudz**2 + dvdz**2    &
1451                + 2.0_wp * ( dvdx*dudy + dwdx*dudz + dwdy*dvdz )
1452
1453          IF ( def < 0.0_wp )  def = 0.0_wp
1454
1455          tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def
1456
1457       ENDDO
1458
1459       IF ( prandtl_layer )  THEN
1460
1461          IF ( ( wall_e_x(j,i) /= 0.0_wp ) .OR. ( wall_e_y(j,i) /= 0.0_wp ) )  THEN
1462
1463!
1464!--          Position beneath wall
1465!--          (2) - Will allways be executed.
1466!--          'bottom and wall: use u_0,v_0 and wall functions'
1467             k = nzb_diff_s_inner(j,i)-1
1468
1469             dudx = ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i) ) * ddx
1470             dudz = 0.5_wp * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1) - &
1471                               u_0(j,i)   - u_0(j,i+1)   ) * dd2zu(k)
1472             dvdy =          ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i)     ) * ddy
1473             dvdz = 0.5_wp * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i) - &
1474                               v_0(j,i)   - v_0(j+1,i)   ) * dd2zu(k)
1475             dwdz = ( w(k,j,i) - w(k-1,j,i) ) * ddzw(k)
1476
1477             IF ( wall_e_y(j,i) /= 0.0_wp )  THEN
1478!
1479!--             Inconsistency removed: as the thermal stratification
1480!--             is not taken into account for the evaluation of the
1481!--             wall fluxes at vertical walls, the eddy viscosity km
1482!--             must not be used for the evaluation of the velocity
1483!--             gradients dudy and dwdy
1484!--             Note: The validity of the new method has not yet
1485!--                   been shown, as so far no suitable data for a
1486!--                   validation has been available
1487                CALL wall_fluxes_e( i, j, k, nzb_diff_s_outer(j,i)-2, &
1488                                    usvs, 1.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp )
1489                CALL wall_fluxes_e( i, j, k, nzb_diff_s_outer(j,i)-2, &
1490                                    wsvs, 0.0_wp, 0.0_wp, 1.0_wp, 0.0_wp )
1491                km_neutral = kappa * ( usvs(k)**2 + wsvs(k)**2 )**0.25_wp * &
1492                             0.5_wp * dy
1493                IF ( km_neutral > 0.0_wp )  THEN
1494                   dudy = - wall_e_y(j,i) * usvs(k) / km_neutral
1495                   dwdy = - wall_e_y(j,i) * wsvs(k) / km_neutral
1496                ELSE
1497                   dudy = 0.0_wp
1498                   dwdy = 0.0_wp
1499                ENDIF
1500             ELSE
1501                dudy = 0.25_wp * ( u(k,j+1,i) + u(k,j+1,i+1) - &
1502                                   u(k,j-1,i) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy
1503                dwdy = 0.25_wp * ( w(k,j+1,i) + w(k-1,j+1,i) - &
1504                                   w(k,j-1,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy
1505             ENDIF
1506
1507             IF ( wall_e_x(j,i) /= 0.0_wp )  THEN
1508!
1509!--             Inconsistency removed: as the thermal stratification
1510!--             is not taken into account for the evaluation of the
1511!--             wall fluxes at vertical walls, the eddy viscosity km
1512!--             must not be used for the evaluation of the velocity
1513!--             gradients dvdx and dwdx
1514!--             Note: The validity of the new method has not yet
1515!--                   been shown, as so far no suitable data for a
1516!--                   validation has been available
1517                CALL wall_fluxes_e( i, j, k, nzb_diff_s_outer(j,i)-2, &
1518                                    vsus, 0.0_wp, 1.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp )
1519                CALL wall_fluxes_e( i, j, k, nzb_diff_s_outer(j,i)-2, &
1520                                    wsus, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 1.0_wp )
1521                km_neutral = kappa * ( vsus(k)**2 + wsus(k)**2 )**0.25_wp * & 
1522                             0.5_wp * dx
1523                IF ( km_neutral > 0.0_wp )  THEN
1524                   dvdx = - wall_e_x(j,i) * vsus(k) / km_neutral
1525                   dwdx = - wall_e_x(j,i) * wsus(k) / km_neutral
1526                ELSE
1527                   dvdx = 0.0_wp
1528                   dwdx = 0.0_wp
1529                ENDIF
1530             ELSE
1531                dvdx = 0.25_wp * ( v(k,j,i+1) + v(k,j+1,i+1) - &
1532                                   v(k,j,i-1) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx
1533                dwdx = 0.25_wp * ( w(k,j,i+1) + w(k-1,j,i+1) - &
1534                                   w(k,j,i-1) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx
1535             ENDIF
1536
1537             def = 2.0_wp * ( dudx**2 + dvdy**2 + dwdz**2 ) +           &
1538                   dudy**2 + dvdx**2 + dwdx**2 + dwdy**2 + dudz**2 + &
1539                   dvdz**2 + 2.0_wp * ( dvdx*dudy + dwdx*dudz + dwdy*dvdz )
1540
1541             IF ( def < 0.0_wp )  def = 0.0_wp
1542
1543             tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def
1544
1545!
1546!--          (3) - will be executed only, if there is at least one level
1547!--          between (2) and (4), i.e. the topography must have a
1548!--          minimum height of 2 dz. Wall fluxes for this case have
1549!--          already been calculated for (2).
1550!--          'wall only: use wall functions'
1551             DO  k = nzb_diff_s_inner(j,i), nzb_diff_s_outer(j,i)-2
1552
1553                dudx = ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i) ) * ddx
1554                dudz = 0.5_wp * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1) - &
1555                                  u(k-1,j,i) - u(k-1,j,i+1) ) * dd2zu(k)
1556                dvdy =          ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i)     ) * ddy
1557                dvdz = 0.5_wp * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i) - &
1558                                  v(k-1,j,i) - v(k-1,j+1,i) ) * dd2zu(k)
1559                dwdz = ( w(k,j,i) - w(k-1,j,i) ) * ddzw(k)
1560
1561                IF ( wall_e_y(j,i) /= 0.0_wp )  THEN
1562!
1563!--                Inconsistency removed: as the thermal stratification
1564!--                is not taken into account for the evaluation of the
1565!--                wall fluxes at vertical walls, the eddy viscosity km
1566!--                must not be used for the evaluation of the velocity
1567!--                gradients dudy and dwdy
1568!--                Note: The validity of the new method has not yet
1569!--                      been shown, as so far no suitable data for a
1570!--                      validation has been available
1571                   km_neutral = kappa * ( usvs(k)**2 + & 
1572                                          wsvs(k)**2 )**0.25_wp * 0.5_wp * dy
1573                   IF ( km_neutral > 0.0_wp )  THEN
1574                      dudy = - wall_e_y(j,i) * usvs(k) / km_neutral
1575                      dwdy = - wall_e_y(j,i) * wsvs(k) / km_neutral
1576                   ELSE
1577                      dudy = 0.0_wp
1578                      dwdy = 0.0_wp
1579                   ENDIF
1580                ELSE
1581                   dudy = 0.25_wp * ( u(k,j+1,i) + u(k,j+1,i+1) - &
1582                                      u(k,j-1,i) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy
1583                   dwdy = 0.25_wp * ( w(k,j+1,i) + w(k-1,j+1,i) - &
1584                                      w(k,j-1,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy
1585                ENDIF
1586
1587                IF ( wall_e_x(j,i) /= 0.0_wp )  THEN
1588!
1589!--                Inconsistency removed: as the thermal stratification
1590!--                is not taken into account for the evaluation of the
1591!--                wall fluxes at vertical walls, the eddy viscosity km
1592!--                must not be used for the evaluation of the velocity
1593!--                gradients dvdx and dwdx
1594!--                Note: The validity of the new method has not yet
1595!--                      been shown, as so far no suitable data for a
1596!--                      validation has been available
1597                   km_neutral = kappa * ( vsus(k)**2 + & 
1598                                          wsus(k)**2 )**0.25_wp * 0.5_wp * dx
1599                   IF ( km_neutral > 0.0_wp )  THEN
1600                      dvdx = - wall_e_x(j,i) * vsus(k) / km_neutral
1601                      dwdx = - wall_e_x(j,i) * wsus(k) / km_neutral
1602                   ELSE
1603                      dvdx = 0.0_wp
1604                      dwdx = 0.0_wp
1605                   ENDIF
1606                ELSE
1607                   dvdx = 0.25_wp * ( v(k,j,i+1) + v(k,j+1,i+1) - &
1608                                      v(k,j,i-1) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx
1609                   dwdx = 0.25_wp * ( w(k,j,i+1) + w(k-1,j,i+1) - &
1610                                      w(k,j,i-1) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx
1611                ENDIF
1612
1613                def = 2.0_wp * ( dudx**2 + dvdy**2 + dwdz**2 ) +           &
1614                      dudy**2 + dvdx**2 + dwdx**2 + dwdy**2 + dudz**2 + &
1615                      dvdz**2 + 2.0_wp * ( dvdx*dudy + dwdx*dudz + dwdy*dvdz )
1616
1617                IF ( def < 0.0_wp )  def = 0.0_wp
1618
1619                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def
1620
1621             ENDDO
1622
1623!
1624!--          (4) - will allways be executed.
1625!--          'special case: free atmosphere' (as for case (0))
1626             k = nzb_diff_s_outer(j,i)-1
1627
1628             dudx  =           ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i)     ) * ddx
1629             dudy  = 0.25_wp * ( u(k,j+1,i) + u(k,j+1,i+1) - &
1630                                 u(k,j-1,i) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy
1631             dudz  = 0.5_wp  * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1) - &
1632                                 u(k-1,j,i) - u(k-1,j,i+1) ) * dd2zu(k)
1633
1634             dvdx  = 0.25_wp * ( v(k,j,i+1) + v(k,j+1,i+1) - &
1635                                 v(k,j,i-1) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx
1636             dvdy  =           ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i)     ) * ddy
1637             dvdz  = 0.5_wp  * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i) - &
1638                                 v(k-1,j,i) - v(k-1,j+1,i) ) * dd2zu(k)
1639
1640             dwdx  = 0.25_wp * ( w(k,j,i+1) + w(k-1,j,i+1) - &
1641                                 w(k,j,i-1) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx
1642             dwdy  = 0.25_wp * ( w(k,j+1,i) + w(k-1,j+1,i) - &
1643                                 w(k,j-1,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy
1644             dwdz  =           ( w(k,j,i)   - w(k-1,j,i)   ) * ddzw(k)
1645
1646             def = 2.0 * ( dudx**2 + dvdy**2 + dwdz**2 ) +           &
1647                   dudy**2 + dvdx**2 + dwdx**2 + dwdy**2 + dudz**2 + &
1648                   dvdz**2 + 2.0 * ( dvdx*dudy + dwdx*dudz + dwdy*dvdz )
1649
1650             IF ( def < 0.0_wp )  def = 0.0_wp
1651
1652             tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def
1653
1654          ELSE
1655
1656!
1657!--          Position without adjacent wall
1658!--          (1) - will allways be executed.
1659!--          'bottom only: use u_0,v_0'
1660             k = nzb_diff_s_inner(j,i)-1
1661
1662             dudx  =           ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i)     ) * ddx
1663             dudy  = 0.25_wp * ( u(k,j+1,i) + u(k,j+1,i+1) - &
1664                                 u(k,j-1,i) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy
1665             dudz  = 0.5_wp  * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1) - &
1666                                 u_0(j,i)   - u_0(j,i+1)   ) * dd2zu(k)
1667
1668             dvdx  = 0.25_wp * ( v(k,j,i+1) + v(k,j+1,i+1) - &
1669                                 v(k,j,i-1) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx
1670             dvdy  =           ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i)     ) * ddy
1671             dvdz  = 0.5_wp  * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i) - &
1672                                 v_0(j,i)   - v_0(j+1,i)   ) * dd2zu(k)
1673
1674             dwdx  = 0.25_wp * ( w(k,j,i+1) + w(k-1,j,i+1) - &
1675                                 w(k,j,i-1) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx
1676             dwdy  = 0.25_wp * ( w(k,j+1,i) + w(k-1,j+1,i) - &
1677                                 w(k,j-1,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy
1678             dwdz  =           ( w(k,j,i)   - w(k-1,j,i)   ) * ddzw(k)
1679
1680             def = 2.0_wp * ( dudx**2 + dvdy**2 + dwdz**2 )                       &
1681                   + dudy**2 + dvdx**2 + dwdx**2 + dwdy**2 + dudz**2 + dvdz**2 &
1682                   + 2.0_wp * ( dvdx*dudy + dwdx*dudz + dwdy*dvdz )
1683
1684             IF ( def < 0.0_wp )  def = 0.0_wp
1685
1686             tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def
1687
1688          ENDIF
1689
1690       ELSEIF ( use_surface_fluxes )  THEN
1691
1692          k = nzb_diff_s_outer(j,i)-1
1693
1694          dudx  =           ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i)     ) * ddx
1695          dudy  = 0.25_wp * ( u(k,j+1,i) + u(k,j+1,i+1) - &
1696                              u(k,j-1,i) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy
1697          dudz  = 0.5_wp  * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1) - &
1698                              u(k-1,j,i) - u(k-1,j,i+1) ) * dd2zu(k)
1699
1700          dvdx  = 0.25_wp * ( v(k,j,i+1) + v(k,j+1,i+1) - &
1701                              v(k,j,i-1) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx
1702          dvdy  =           ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i)     ) * ddy
1703          dvdz  = 0.5_wp  * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i) - &
1704                              v(k-1,j,i) - v(k-1,j+1,i) ) * dd2zu(k)
1705
1706          dwdx  = 0.25_wp * ( w(k,j,i+1) + w(k-1,j,i+1) - &
1707                              w(k,j,i-1) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx
1708          dwdy  = 0.25_wp * ( w(k,j+1,i) + w(k-1,j+1,i) - &
1709                              w(k,j-1,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy
1710          dwdz  =           ( w(k,j,i)   - w(k-1,j,i)   ) * ddzw(k)
1711
1712          def = 2.0_wp * ( dudx**2 + dvdy**2 + dwdz**2 ) +           &
1713                dudy**2 + dvdx**2 + dwdx**2 + dwdy**2 + dudz**2 + &
1714                dvdz**2 + 2.0_wp * ( dvdx*dudy + dwdx*dudz + dwdy*dvdz )
1715
1716          IF ( def < 0.0_wp )  def = 0.0_wp
1717
1718          tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def
1719
1720       ENDIF
1721
1722!
1723!--    If required, calculate TKE production by buoyancy
1724       IF ( .NOT. neutral )  THEN
1725
1726          IF ( .NOT. humidity )  THEN
1727
1728             IF ( use_single_reference_value )  THEN
1729
1730                IF ( ocean )  THEN
1731!
1732!--                So far in the ocean no special treatment of density flux in
1733!--                the bottom and top surface layer
1734                   DO  k = nzb_s_inner(j,i)+1, nzt
1735                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) +                   &
1736                                    kh(k,j,i) * g / rho_reference * &
1737                                    ( rho(k+1,j,i) - rho(k-1,j,i) ) * dd2zu(k)
1738                   ENDDO
1739
1740                ELSE
1741
1742                   DO  k = nzb_diff_s_inner(j,i), nzt_diff
1743                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) -                  &
1744                                    kh(k,j,i) * g / pt_reference * &
1745                                    ( pt(k+1,j,i) - pt(k-1,j,i) ) * dd2zu(k)
1746                   ENDDO
1747
1748                   IF ( use_surface_fluxes )  THEN
1749                      k = nzb_diff_s_inner(j,i)-1
1750                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + g / pt_reference * shf(j,i)
1751                   ENDIF
1752
1753                   IF ( use_top_fluxes )  THEN
1754                      k = nzt
1755                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + g / pt_reference * tswst(j,i)
1756                   ENDIF
1757
1758                ENDIF
1759
1760             ELSE
1761
1762                IF ( ocean )  THEN
1763!
1764!--                So far in the ocean no special treatment of density flux in
1765!--                the bottom and top surface layer
1766                   DO  k = nzb_s_inner(j,i)+1, nzt
1767                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) +                &
1768                                    kh(k,j,i) * g / rho(k,j,i) * &
1769                                    ( rho(k+1,j,i) - rho(k-1,j,i) ) * dd2zu(k)
1770                   ENDDO
1771
1772                ELSE
1773
1774                   DO  k = nzb_diff_s_inner(j,i), nzt_diff
1775                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) -               &
1776                                    kh(k,j,i) * g / pt(k,j,i) * &
1777                                    ( pt(k+1,j,i) - pt(k-1,j,i) ) * dd2zu(k)
1778                   ENDDO
1779
1780                   IF ( use_surface_fluxes )  THEN
1781                      k = nzb_diff_s_inner(j,i)-1
1782                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + g / pt(k,j,i) * shf(j,i)
1783                   ENDIF
1784
1785                   IF ( use_top_fluxes )  THEN
1786                      k = nzt
1787                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + g / pt(k,j,i) * tswst(j,i)
1788                   ENDIF
1789
1790                ENDIF
1791
1792             ENDIF
1793
1794          ELSE
1795
1796             DO  k = nzb_diff_s_inner(j,i), nzt_diff
1797
1798                IF ( .NOT. cloud_physics .AND. .NOT. cloud_droplets )  THEN
1799                   k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
1800                   k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
1801                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i) - kh(k,j,i) * g / vpt(k,j,i) *   &
1802                                         ( k1 * ( pt(k+1,j,i)-pt(k-1,j,i) ) + &
1803                                           k2 * ( q(k+1,j,i) - q(k-1,j,i) )   &
1804                                         ) * dd2zu(k)
1805                ELSE IF ( cloud_physics )  THEN
1806                   IF ( ql(k,j,i) == 0.0_wp )  THEN
1807                      k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
1808                      k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
1809                   ELSE
1810                      theta = pt(k,j,i) + pt_d_t(k) * l_d_cp * ql(k,j,i)
1811                      temp  = theta * t_d_pt(k)
1812                      k1 = ( 1.0_wp - q(k,j,i) + 1.61_wp *                 &
1813                                    ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) *          &
1814                           ( 1.0_wp + 0.622_wp * l_d_r / temp ) ) /        &
1815                           ( 1.0_wp + 0.622_wp * l_d_r * l_d_cp *          &
1816                           ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) / ( temp * temp ) )
1817                      k2 = theta * ( l_d_cp / temp * k1 - 1.0_wp )
1818                   ENDIF
1819                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i) - kh(k,j,i) * g / vpt(k,j,i) *   &
1820                                         ( k1 * ( pt(k+1,j,i)-pt(k-1,j,i) ) + &
1821                                           k2 * ( q(k+1,j,i) - q(k-1,j,i) )   &
1822                                         ) * dd2zu(k)
1823                ELSE IF ( cloud_droplets )  THEN
1824                   k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i) - ql(k,j,i)
1825                   k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
1826                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i) - kh(k,j,i) * g / vpt(k,j,i) *  &
1827                                     ( k1 * ( pt(k+1,j,i)-pt(k-1,j,i) ) +    &
1828                                       k2 * ( q(k+1,j,i) - q(k-1,j,i) ) -    &
1829                                       pt(k,j,i) * ( ql(k+1,j,i) -           &
1830                                                     ql(k-1,j,i) ) ) * dd2zu(k)
1831                ENDIF
1832             ENDDO
1833
1834             IF ( use_surface_fluxes )  THEN
1835                k = nzb_diff_s_inner(j,i)-1
1836
1837                IF ( .NOT. cloud_physics .AND. .NOT. cloud_droplets )  THEN
1838                   k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
1839                   k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
1840                ELSE IF ( cloud_physics )  THEN
1841                   IF ( ql(k,j,i) == 0.0_wp )  THEN
1842                      k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
1843                      k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
1844                   ELSE
1845                      theta = pt(k,j,i) + pt_d_t(k) * l_d_cp * ql(k,j,i)
1846                      temp  = theta * t_d_pt(k)
1847                      k1 = ( 1.0_wp - q(k,j,i) + 1.61_wp *                 &
1848                                    ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) *          &
1849                           ( 1.0_wp + 0.622_wp * l_d_r / temp ) ) /        &
1850                           ( 1.0_wp + 0.622_wp * l_d_r * l_d_cp *          &
1851                           ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) / ( temp * temp ) )
1852                      k2 = theta * ( l_d_cp / temp * k1 - 1.0_wp )
1853                   ENDIF
1854                ELSE IF ( cloud_droplets )  THEN
1855                   k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i) - ql(k,j,i)
1856                   k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
1857                ENDIF
1858
1859                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + g / vpt(k,j,i) * &
1860                                            ( k1* shf(j,i) + k2 * qsws(j,i) )
1861             ENDIF
1862
1863             IF ( use_top_fluxes )  THEN
1864                k = nzt
1865
1866                IF ( .NOT. cloud_physics .AND. .NOT. cloud_droplets )  THEN
1867                   k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
1868                   k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
1869                ELSE IF ( cloud_physics )  THEN
1870                   IF ( ql(k,j,i) == 0.0_wp )  THEN
1871                      k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
1872                      k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
1873                   ELSE
1874                      theta = pt(k,j,i) + pt_d_t(k) * l_d_cp * ql(k,j,i)
1875                      temp  = theta * t_d_pt(k)
1876                      k1 = ( 1.0_wp - q(k,j,i) + 1.61_wp *                 &
1877                                    ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) *          &
1878                           ( 1.0_wp + 0.622_wp * l_d_r / temp ) ) /        &
1879                           ( 1.0_wp + 0.622_wp * l_d_r * l_d_cp *          &
1880                           ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) / ( temp * temp ) )
1881                      k2 = theta * ( l_d_cp / temp * k1 - 1.0_wp )
1882                   ENDIF
1883                ELSE IF ( cloud_droplets )  THEN
1884                   k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i) - ql(k,j,i)
1885                   k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
1886                ENDIF
1887
1888                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + g / vpt(k,j,i) * &
1889                                            ( k1* tswst(j,i) + k2 * qswst(j,i) )
1890             ENDIF
1891
1892          ENDIF
1893
1894       ENDIF
1895
1896    END SUBROUTINE production_e_ij
1897
1898
1899    SUBROUTINE production_e_init
1900
1901       USE arrays_3d,                                                          &
1902           ONLY:  kh, km, u, us, usws, v, vsws, zu
1903
1904       USE control_parameters,                                                 &
1905           ONLY:  kappa, prandtl_layer
1906
1907       USE indices,                                                            &
1908           ONLY:  nxl, nxlg, nxr, nxrg, nys, nysg, nyn, nyng, nzb_u_inner,     &
1909                  nzb_v_inner
1910
1911       IMPLICIT NONE
1912
1913       INTEGER(iwp) ::  i   !:
1914       INTEGER(iwp) ::  j   !:
1915       INTEGER(iwp) ::  ku  !:
1916       INTEGER(iwp) ::  kv  !:
1917
1918       IF ( prandtl_layer )  THEN
1919
1920          IF ( first_call )  THEN
1921             ALLOCATE( u_0(nysg:nyng,nxlg:nxrg), v_0(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
1922             u_0 = 0.0_wp   ! just to avoid access of uninitialized memory
1923             v_0 = 0.0_wp   ! within exchange_horiz_2d
1924             first_call = .FALSE.
1925          ENDIF
1926
1927!
1928!--       Calculate a virtual velocity at the surface in a way that the
1929!--       vertical velocity gradient at k = 1 (u(k+1)-u_0) matches the
1930!--       Prandtl law (-w'u'/km). This gradient is used in the TKE shear
1931!--       production term at k=1 (see production_e_ij).
1932!--       The velocity gradient has to be limited in case of too small km
1933!--       (otherwise the timestep may be significantly reduced by large
1934!--       surface winds).
1935!--       Upper bounds are nxr+1 and nyn+1 because otherwise these values are
1936!--       not available in case of non-cyclic boundary conditions.
1937!--       WARNING: the exact analytical solution would require the determination
1938!--                of the eddy diffusivity by km = u* * kappa * zp / phi_m.
1939          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( ku, kv )
1940          DO  i = nxl, nxr+1
1941             DO  j = nys, nyn+1
1942
1943                ku = nzb_u_inner(j,i)+1
1944                kv = nzb_v_inner(j,i)+1
1945
1946                u_0(j,i) = u(ku+1,j,i) + usws(j,i) * ( zu(ku+1) - zu(ku-1) ) / &
1947                                 ( 0.5_wp * ( km(ku,j,i) + km(ku,j,i-1) ) +    &
1948                                   1.0E-20_wp )
1949!                                  ( us(j,i) * kappa * zu(1) )
1950                v_0(j,i) = v(kv+1,j,i) + vsws(j,i) * ( zu(kv+1) - zu(kv-1) ) / &
1951                                 ( 0.5_wp * ( km(kv,j,i) + km(kv,j-1,i) ) +    &
1952                                   1.0E-20_wp )
1953!                                  ( us(j,i) * kappa * zu(1) )
1954
1955                IF ( ABS( u(ku+1,j,i) - u_0(j,i) )  > &
1956                     ABS( u(ku+1,j,i) - u(ku-1,j,i) ) )  u_0(j,i) = u(ku-1,j,i)
1957                IF ( ABS( v(kv+1,j,i) - v_0(j,i) )  > &
1958                     ABS( v(kv+1,j,i) - v(kv-1,j,i) ) )  v_0(j,i) = v(kv-1,j,i)
1959
1960             ENDDO
1961          ENDDO
1962
1963          CALL exchange_horiz_2d( u_0 )
1964          CALL exchange_horiz_2d( v_0 )
1965
1966       ENDIF
1967
1968    END SUBROUTINE production_e_init
1969
1970 END MODULE production_e_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.