source: palm/trunk/SOURCE/surface_coupler.f90 @ 709

Last change on this file since 709 was 709, checked in by raasch, 10 years ago

formatting adjustments

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 18.5 KB
Line 
1 SUBROUTINE surface_coupler
2
3!------------------------------------------------------------------------------!
4! Current revisions:
5! -----------------
6! formatting adjustments
7!
8! Former revisions:
9! ------------------
10! $Id: surface_coupler.f90 709 2011-03-30 09:31:40Z raasch $
11!
12! 667 2010-12-23 12:06:00Z suehring/gryschka
13! Additional case for nonequivalent processor and grid topopolgy in ocean and
14! atmosphere added (coupling_topology = 1).
15! Added exchange of u and v from Ocean to Atmosphere
16!
17! 291 2009-04-16 12:07:26Z raasch
18! Coupling with independent precursor runs.
19! Output of messages replaced by message handling routine.
20!
21! 206 2008-10-13 14:59:11Z raasch
22! Implementation of a MPI-1 Coupling: replaced myid with target_id,
23! deleted __mpi2 directives
24!
25! 109 2007-08-28 15:26:47Z letzel
26! Initial revision
27!
28! Description:
29! ------------
30! Data exchange at the interface between coupled models
31!------------------------------------------------------------------------------!
32
33    USE arrays_3d
34    USE control_parameters
35    USE cpulog
36    USE grid_variables
37    USE indices
38    USE interfaces
39    USE pegrid
40
41    IMPLICIT NONE
42
43    INTEGER ::  i, j, k
44
45    REAL    ::  time_since_reference_point_rem
46    REAL    ::  total_2d(-nbgp:ny+nbgp,-nbgp:nx+nbgp)
47
48#if defined( __parallel )
49
50    CALL cpu_log( log_point(39), 'surface_coupler', 'start' )
51
52
53
54!
55!-- In case of model termination initiated by the remote model
56!-- (terminate_coupled_remote > 0), initiate termination of the local model.
57!-- The rest of the coupler must then be skipped because it would cause an MPI
58!-- intercomminucation hang.
59!-- If necessary, the coupler will be called at the beginning of the next
60!-- restart run.
61
62    IF ( coupling_topology == 0 ) THEN
63       CALL MPI_SENDRECV( terminate_coupled,        1, MPI_INTEGER, target_id, &
64                          0,                                                   &
65                          terminate_coupled_remote, 1, MPI_INTEGER, target_id, &
66                          0, comm_inter, status, ierr )
67    ELSE
68       IF ( myid == 0) THEN
69          CALL MPI_SENDRECV( terminate_coupled,        1, MPI_INTEGER, &
70                             target_id, 0,                             &
71                             terminate_coupled_remote, 1, MPI_INTEGER, & 
72                             target_id, 0,                             &
73                             comm_inter, status, ierr )
74       ENDIF
75       CALL MPI_BCAST( terminate_coupled_remote, 1, MPI_INTEGER, 0, comm2d, &
76                       ierr )
77
78       ALLOCATE( total_2d_a(-nbgp:ny_a+nbgp,-nbgp:nx_a+nbgp),       &
79                 total_2d_o(-nbgp:ny_o+nbgp,-nbgp:nx_o+nbgp) )
80
81    ENDIF
82
83    IF ( terminate_coupled_remote > 0 )  THEN
84       WRITE( message_string, * ) 'remote model "',                         &
85                                  TRIM( coupling_mode_remote ),             &
86                                  '" terminated',                           &
87                                  '&with terminate_coupled_remote = ',      &
88                                  terminate_coupled_remote,                 &
89                                  '&local model  "', TRIM( coupling_mode ), &
90                                  '" has',                                  &
91                                  '&terminate_coupled = ',                  &
92                                   terminate_coupled
93       CALL message( 'surface_coupler', 'PA0310', 1, 2, 0, 6, 0 )
94       RETURN
95    ENDIF
96 
97
98!
99!-- Exchange the current simulated time between the models,
100!-- currently just for total_2ding
101    IF ( coupling_topology == 0 ) THEN
102   
103       CALL MPI_SEND( time_since_reference_point, 1, MPI_REAL, target_id, 11, &
104                      comm_inter, ierr )
105       CALL MPI_RECV( time_since_reference_point_rem, 1, MPI_REAL, target_id, &
106                      11, comm_inter, status, ierr )
107    ELSE
108
109       IF ( myid == 0 ) THEN
110
111          CALL MPI_SEND( time_since_reference_point, 1, MPI_REAL, target_id, &
112                         11, comm_inter, ierr )
113          CALL MPI_RECV( time_since_reference_point_rem, 1, MPI_REAL,        &
114                         target_id, 11, comm_inter, status, ierr )
115
116       ENDIF
117
118       CALL MPI_BCAST( time_since_reference_point_rem, 1, MPI_REAL, 0, comm2d, &
119                       ierr )
120
121    ENDIF
122
123!
124!-- Exchange the interface data
125    IF ( coupling_mode == 'atmosphere_to_ocean' )  THEN
126   
127!
128!--    Horizontal grid size and number of processors is equal in ocean and
129!--    atmosphere
130       IF ( coupling_topology == 0 )  THEN
131
132!
133!--       Send heat flux at bottom surface to the ocean
134          CALL MPI_SEND( shf(nysg,nxlg), ngp_xy, MPI_REAL, target_id, 12, &
135                         comm_inter, ierr )
136!
137!--       Send humidity flux at bottom surface to the ocean
138          IF ( humidity )  THEN
139             CALL MPI_SEND( qsws(nysg,nxlg), ngp_xy, MPI_REAL, target_id, 13, &
140                            comm_inter, ierr )
141          ENDIF
142!
143!--       Receive temperature at the bottom surface from the ocean
144          CALL MPI_RECV( pt(0,nysg,nxlg), 1, type_xy, target_id, 14, &
145                         comm_inter, status, ierr )
146!
147!--       Send the momentum flux (u) at bottom surface to the ocean
148          CALL MPI_SEND( usws(nysg,nxlg), ngp_xy, MPI_REAL, target_id, 15, &
149                         comm_inter, ierr )
150!
151!--       Send the momentum flux (v) at bottom surface to the ocean
152          CALL MPI_SEND( vsws(nysg,nxlg), ngp_xy, MPI_REAL, target_id, 16, &
153                         comm_inter, ierr )
154!
155!--       Receive u at the bottom surface from the ocean
156          CALL MPI_RECV( u(0,nysg,nxlg), 1, type_xy, target_id, 17, &
157                         comm_inter, status, ierr )
158!
159!--       Receive v at the bottom surface from the ocean
160          CALL MPI_RECV( v(0,nysg,nxlg), 1, type_xy, target_id, 18, &
161                         comm_inter, status, ierr )
162!
163!--    Horizontal grid size or number of processors differs between
164!--    ocean and atmosphere
165       ELSE
166     
167!
168!--       Send heat flux at bottom surface to the ocean
169          total_2d_a = 0.0
170          total_2d   = 0.0
171          total_2d(nys:nyn,nxl:nxr) = shf(nys:nyn,nxl:nxr)
172
173          CALL MPI_REDUCE( total_2d, total_2d_a, ngp_a, MPI_REAL, MPI_SUM, 0, &
174                           comm2d, ierr )
175          CALL interpolate_to_ocean( 12 )   
176!
177!--       Send humidity flux at bottom surface to the ocean
178          IF ( humidity )  THEN
179             total_2d_a = 0.0
180             total_2d   = 0.0
181             total_2d(nys:nyn,nxl:nxr) = qsws(nys:nyn,nxl:nxr)
182
183             CALL MPI_REDUCE( total_2d, total_2d_a, ngp_a, MPI_REAL, MPI_SUM, &
184                              0, comm2d, ierr )
185             CALL interpolate_to_ocean( 13 )
186          ENDIF
187!
188!--       Receive temperature at the bottom surface from the ocean
189          IF ( myid == 0 )  THEN
190             CALL MPI_RECV( total_2d_a(-nbgp,-nbgp), ngp_a, MPI_REAL, &
191                            target_id, 14, comm_inter, status, ierr )   
192          ENDIF
193          CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
194          CALL MPI_BCAST( total_2d_a(-nbgp,-nbgp), ngp_a, MPI_REAL, 0, comm2d, &
195                          ierr )
196          pt(0,nysg:nyng,nxlg:nxrg) = total_2d_a(nysg:nyng,nxlg:nxrg)
197!
198!--       Send momentum flux (u) at bottom surface to the ocean
199          total_2d_a = 0.0 
200          total_2d   = 0.0
201          total_2d(nys:nyn,nxl:nxr) = usws(nys:nyn,nxl:nxr)
202          CALL MPI_REDUCE( total_2d, total_2d_a, ngp_a, MPI_REAL, MPI_SUM, 0, &
203                           comm2d, ierr )
204          CALL interpolate_to_ocean( 15 )
205!
206!--       Send momentum flux (v) at bottom surface to the ocean
207          total_2d_a = 0.0
208          total_2d   = 0.0
209          total_2d(nys:nyn,nxl:nxr) = vsws(nys:nyn,nxl:nxr)
210          CALL MPI_REDUCE( total_2d, total_2d_a, ngp_a, MPI_REAL, MPI_SUM, 0, &
211                           comm2d, ierr )
212          CALL interpolate_to_ocean( 16 )
213!
214!--       Receive u at the bottom surface from the ocean
215          IF ( myid == 0 )  THEN
216             CALL MPI_RECV( total_2d_a(-nbgp,-nbgp), ngp_a, MPI_REAL, &
217                            target_id, 17, comm_inter, status, ierr )
218          ENDIF
219          CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
220          CALL MPI_BCAST( total_2d_a(-nbgp,-nbgp), ngp_a, MPI_REAL, 0, comm2d, &
221                          ierr )
222          u(0,nysg:nyng,nxlg:nxrg) = total_2d_a(nysg:nyng,nxlg:nxrg)
223!
224!--       Receive v at the bottom surface from the ocean
225          IF ( myid == 0 )  THEN
226             CALL MPI_RECV( total_2d_a(-nbgp,-nbgp), ngp_a, MPI_REAL, &
227                            target_id, 18, comm_inter, status, ierr )
228          ENDIF
229          CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
230          CALL MPI_BCAST( total_2d_a(-nbgp,-nbgp), ngp_a, MPI_REAL, 0, comm2d, &
231                          ierr )
232          v(0,nysg:nyng,nxlg:nxrg) = total_2d_a(nysg:nyng,nxlg:nxrg)
233
234       ENDIF
235
236    ELSEIF ( coupling_mode == 'ocean_to_atmosphere' )  THEN
237
238!
239!--    Horizontal grid size and number of processors is equal
240!--    in ocean and atmosphere
241       IF ( coupling_topology == 0 ) THEN
242!
243!--       Receive heat flux at the sea surface (top) from the atmosphere
244          CALL MPI_RECV( tswst(nysg,nxlg), ngp_xy, MPI_REAL, target_id, 12, &
245                         comm_inter, status, ierr )
246!
247!--       Receive humidity flux from the atmosphere (bottom)
248!--       and add it to the heat flux at the sea surface (top)...
249          IF ( humidity_remote )  THEN
250             CALL MPI_RECV( qswst_remote(nysg,nxlg), ngp_xy, MPI_REAL, &
251                            target_id, 13, comm_inter, status, ierr )
252          ENDIF
253!
254!--       Send sea surface temperature to the atmosphere model
255          CALL MPI_SEND( pt(nzt,nysg,nxlg), 1, type_xy, target_id, 14, &
256                         comm_inter, ierr )
257!
258!--       Receive momentum flux (u) at the sea surface (top) from the atmosphere
259          CALL MPI_RECV( uswst(nysg,nxlg), ngp_xy, MPI_REAL, target_id, 15, &
260                         comm_inter, status, ierr )
261!
262!--       Receive momentum flux (v) at the sea surface (top) from the atmosphere
263          CALL MPI_RECV( vswst(nysg,nxlg), ngp_xy, MPI_REAL, target_id, 16, &
264                         comm_inter, status, ierr )
265!
266!--       Send u to the atmosphere
267          CALL MPI_SEND( u(nzt,nysg,nxlg), 1, type_xy, target_id, 17, &
268                         comm_inter, ierr )
269!
270!--       Send v to the atmosphere
271          CALL MPI_SEND( v(nzt,nysg,nxlg), 1, type_xy, target_id, 18, &
272                         comm_inter, ierr )
273!
274!--    Horizontal gridsize or number of processors differs between
275!--    ocean and atmosphere
276       ELSE
277!
278!--       Receive heat flux at the sea surface (top) from the atmosphere
279          IF ( myid == 0 )  THEN
280             CALL MPI_RECV( total_2d_o(-nbgp,-nbgp), ngp_o, MPI_REAL, &
281                            target_id, 12, comm_inter, status, ierr )
282          ENDIF
283          CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
284          CALL MPI_BCAST( total_2d_o(-nbgp,-nbgp), ngp_o, MPI_REAL, 0, comm2d, &
285                          ierr )
286          tswst(nysg:nyng,nxlg:nxrg) = total_2d_o(nysg:nyng,nxlg:nxrg)
287!
288!--       Receive humidity flux at the sea surface (top) from the atmosphere
289          IF ( humidity_remote )  THEN
290             IF ( myid == 0 )  THEN
291                CALL MPI_RECV( total_2d_o(-nbgp,-nbgp), ngp_o, MPI_REAL, &
292                               target_id, 13, comm_inter, status, ierr )
293             ENDIF
294             CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
295             CALL MPI_BCAST( total_2d_o(-nbgp,-nbgp), ngp_o, MPI_REAL, 0, &
296                             comm2d, ierr)
297             qswst_remote(nysg:nyng,nxlg:nxrg) = total_2d_o(nysg:nyng,nxlg:nxrg)
298          ENDIF
299!
300!--       Send surface temperature to atmosphere
301          total_2d_o = 0.0
302          total_2d   = 0.0
303          total_2d(nys:nyn,nxl:nxr) = pt(nzt,nys:nyn,nxl:nxr)
304
305          CALL MPI_REDUCE( total_2d, total_2d_o, ngp_o, MPI_REAL, MPI_SUM, 0, &
306                           comm2d, ierr) 
307          CALL interpolate_to_atmos( 14 )
308!
309!--       Receive momentum flux (u) at the sea surface (top) from the atmosphere
310          IF ( myid == 0 )  THEN
311             CALL MPI_RECV( total_2d_o(-nbgp,-nbgp), ngp_o, MPI_REAL, &
312                            target_id, 15, comm_inter, status, ierr )
313          ENDIF
314          CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
315          CALL MPI_BCAST( total_2d_o(-nbgp,-nbgp), ngp_o, MPI_REAL, &
316                          0, comm2d, ierr )
317          uswst(nysg:nyng,nxlg:nxrg) = total_2d_o(nysg:nyng,nxlg:nxrg)
318!
319!--       Receive momentum flux (v) at the sea surface (top) from the atmosphere
320          IF ( myid == 0 )  THEN
321             CALL MPI_RECV( total_2d_o(-nbgp,-nbgp), ngp_o, MPI_REAL, &
322                            target_id, 16, comm_inter, status, ierr )
323          ENDIF
324          CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
325          CALL MPI_BCAST( total_2d_o(-nbgp,-nbgp), ngp_o, MPI_REAL, 0, comm2d, &
326                          ierr )
327          vswst(nysg:nyng,nxlg:nxrg) = total_2d_o(nysg:nyng,nxlg:nxrg)
328!
329!--       Send u to atmosphere
330          total_2d_o = 0.0 
331          total_2d   = 0.0
332          total_2d(nys:nyn,nxl:nxr) = u(nzt,nys:nyn,nxl:nxr)
333          CALL MPI_REDUCE( total_2d, total_2d_o, ngp_o, MPI_REAL, MPI_SUM, 0, &
334                           comm2d, ierr )
335          CALL interpolate_to_atmos( 17 )
336!
337!--       Send v to atmosphere
338          total_2d_o = 0.0
339          total_2d   = 0.0
340          total_2d(nys:nyn,nxl:nxr) = v(nzt,nys:nyn,nxl:nxr)
341          CALL MPI_REDUCE( total_2d, total_2d_o, ngp_o, MPI_REAL, MPI_SUM, 0, &
342                           comm2d, ierr )
343          CALL interpolate_to_atmos( 18 )
344       
345       ENDIF
346
347!
348!--    Conversions of fluxes received from atmosphere
349       IF ( humidity_remote )  THEN
350!
351!--       Here tswst is still the sum of atmospheric bottom heat fluxes,
352!--       * latent heat of vaporization in m2/s2, or 540 cal/g, or 40.65 kJ/mol
353!--       /(rho_atm(=1.0)*c_p)
354          tswst = tswst + qswst_remote * 2.2626108E6 / 1005.0
355!
356!--        ...and convert it to a salinity flux at the sea surface (top)
357!--       following Steinhorn (1991), JPO 21, pp. 1681-1683:
358!--       S'w' = -S * evaporation / ( rho_water * ( 1 - S ) )
359          saswst = -1.0 * sa(nzt,:,:) * qswst_remote /  &
360                    ( rho(nzt,:,:) * ( 1.0 - sa(nzt,:,:) ) )
361       ENDIF
362
363!
364!--    Adjust the kinematic heat flux with respect to ocean density
365!--    (constants are the specific heat capacities for air and water)
366!--    now tswst is the ocean top heat flux
367       tswst = tswst / rho(nzt,:,:) * 1005.0 / 4218.0
368
369!
370!--    Adjust the momentum fluxes with respect to ocean density
371       uswst = uswst / rho(nzt,:,:)
372       vswst = vswst / rho(nzt,:,:)
373
374    ENDIF
375
376    IF ( coupling_topology == 1 )  THEN
377       DEALLOCATE( total_2d_o, total_2d_a )
378    ENDIF
379
380    CALL cpu_log( log_point(39), 'surface_coupler', 'stop' )
381
382#endif
383
384  END SUBROUTINE surface_coupler
385
386
387
388  SUBROUTINE interpolate_to_atmos( tag )
389
390    USE arrays_3d
391    USE control_parameters
392    USE grid_variables
393    USE indices
394    USE pegrid
395
396    IMPLICIT NONE
397
398    INTEGER             ::  dnx, dnx2, dny, dny2, i, ii, j, jj
399    INTEGER, intent(in) ::  tag
400
401    CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
402
403    IF ( myid == 0 )  THEN
404!
405!--    Cyclic boundary conditions for the total 2D-grid
406       total_2d_o(-nbgp:-1,:) = total_2d_o(ny+1-nbgp:ny,:)
407       total_2d_o(:,-nbgp:-1) = total_2d_o(:,nx+1-nbgp:nx)
408
409       total_2d_o(ny+1:ny+nbgp,:) = total_2d_o(0:nbgp-1,:)
410       total_2d_o(:,nx+1:nx+nbgp) = total_2d_o(:,0:nbgp-1)
411
412!
413!--    Number of gridpoints of the fine grid within one mesh of the coarse grid
414       dnx = (nx_o+1) / (nx_a+1) 
415       dny = (ny_o+1) / (ny_a+1) 
416
417!
418!--    Distance for interpolation around coarse grid points within the fine
419!--    grid (note: 2*dnx2 must not be equal with dnx)
420       dnx2 = 2 * ( dnx / 2 )
421       dny2 = 2 * ( dny / 2 )
422
423       total_2d_a = 0.0
424!
425!--    Interpolation from ocean-grid-layer to atmosphere-grid-layer
426       DO  j = 0, ny_a
427          DO  i = 0, nx_a
428             DO  jj = 0, dny2
429                DO  ii = 0, dnx2
430                   total_2d_a(j,i) = total_2d_a(j,i) &
431                                     + total_2d_o(j*dny+jj,i*dnx+ii)
432                ENDDO
433             ENDDO
434             total_2d_a(j,i) = total_2d_a(j,i) / ( ( dnx2 + 1 ) * ( dny2 + 1 ) )
435          ENDDO
436       ENDDO
437!
438!--    Cyclic boundary conditions for atmosphere grid
439       total_2d_a(-nbgp:-1,:) = total_2d_a(ny_a+1-nbgp:ny_a,:)
440       total_2d_a(:,-nbgp:-1) = total_2d_a(:,nx_a+1-nbgp:nx_a)
441       
442       total_2d_a(ny_a+1:ny_a+nbgp,:) = total_2d_a(0:nbgp-1,:)
443       total_2d_a(:,nx_a+1:nx_a+nbgp) = total_2d_a(:,0:nbgp-1)
444!
445!--    Transfer of the atmosphere-grid-layer to the atmosphere
446       CALL MPI_SEND( total_2d_a(-nbgp,-nbgp), ngp_a, MPI_REAL, target_id, &
447                      tag, comm_inter, ierr )
448
449    ENDIF
450
451    CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
452
453  END SUBROUTINE interpolate_to_atmos
454
455
456  SUBROUTINE interpolate_to_ocean( tag )
457
458    USE arrays_3d
459    USE control_parameters
460    USE grid_variables
461    USE indices
462    USE pegrid
463
464    IMPLICIT NONE
465
466    INTEGER             ::  dnx, dny, i, ii, j, jj
467    INTEGER, intent(in) ::  tag
468    REAL                ::  fl, fr, myl, myr
469
470
471    CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
472
473    IF ( myid == 0 )  THEN   
474
475!
476!--    Number of gridpoints of the fine grid within one mesh of the coarse grid
477       dnx = ( nx_o + 1 ) / ( nx_a + 1 ) 
478       dny = ( ny_o + 1 ) / ( ny_a + 1 ) 
479
480!
481!--    Cyclic boundary conditions for atmosphere grid
482       total_2d_a(-nbgp:-1,:) = total_2d_a(ny+1-nbgp:ny,:)
483       total_2d_a(:,-nbgp:-1) = total_2d_a(:,nx+1-nbgp:nx)
484       
485       total_2d_a(ny+1:ny+nbgp,:) = total_2d_a(0:nbgp-1,:)
486       total_2d_a(:,nx+1:nx+nbgp) = total_2d_a(:,0:nbgp-1)
487!
488!--    Bilinear Interpolation from atmosphere grid-layer to ocean grid-layer
489       DO  j = 0, ny
490          DO  i = 0, nx
491             myl = ( total_2d_a(j+1,i)   - total_2d_a(j,i)   ) / dny
492             myr = ( total_2d_a(j+1,i+1) - total_2d_a(j,i+1) ) / dny
493             DO  jj = 0, dny-1
494                fl = myl*jj + total_2d_a(j,i) 
495                fr = myr*jj + total_2d_a(j,i+1) 
496                DO  ii = 0, dnx-1
497                   total_2d_o(j*dny+jj,i*dnx+ii) = ( fr - fl ) / dnx * ii + fl
498                ENDDO
499             ENDDO
500          ENDDO
501       ENDDO
502!
503!--    Cyclic boundary conditions for ocean grid
504       total_2d_o(-nbgp:-1,:) = total_2d_o(ny_o+1-nbgp:ny_o,:)
505       total_2d_o(:,-nbgp:-1) = total_2d_o(:,nx_o+1-nbgp:nx_o)
506
507       total_2d_o(ny_o+1:ny_o+nbgp,:) = total_2d_o(0:nbgp-1,:)
508       total_2d_o(:,nx_o+1:nx_o+nbgp) = total_2d_o(:,0:nbgp-1)
509
510       CALL MPI_SEND( total_2d_o(-nbgp,-nbgp), ngp_o, MPI_REAL, &
511                      target_id, tag, comm_inter, ierr )
512
513    ENDIF
514
515    CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr ) 
516
517  END SUBROUTINE interpolate_to_ocean
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.