source: palm/trunk/SOURCE/surface_layer_fluxes.f90 @ 1710

Last change on this file since 1710 was 1710, checked in by maronga, 6 years ago

last commit documented

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 41.1 KB
Line 
1!> @file surface_layer_fluxes.f90
2!--------------------------------------------------------------------------------!
3! This file is part of PALM.
4!
5! PALM is free software: you can redistribute it and/or modify it under the terms
6! of the GNU General Public License as published by the Free Software Foundation,
7! either version 3 of the License, or (at your option) any later version.
8!
9! PALM is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY
10! WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR
11! A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License for more details.
12!
13! You should have received a copy of the GNU General Public License along with
14! PALM. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
15!
16! Copyright 1997-2015 Leibniz Universitaet Hannover
17!
18!--------------------------------------------------------------------------------!
19! Current revisions:
20! -----------------
21!
22!
23! Former revisions:
24! -----------------
25! $Id: surface_layer_fluxes.f90 1710 2015-11-04 14:48:36Z maronga $
26!
27! 1709 2015-11-04 14:47:01Z maronga
28! Bugfix: division by zero could occur when calculating rib at low wind speeds
29! Bugfix: calculation of uv_total for neutral = .T., initial value for ol for
30! neutral = .T.
31!
32! 1705 2015-11-02 14:28:56Z maronga
33! Typo removed
34!
35! 1697 2015-10-28 17:14:10Z raasch
36! FORTRAN and OpenMP errors removed
37!
38! 1696 2015-10-27 10:03:34Z maronga
39! Modularized and completely re-written version of prandtl_fluxes.f90. In the
40! course of the re-writing two additional methods have been implemented. See
41! updated description.
42!
43! 1551 2015-03-03 14:18:16Z maronga
44! Removed land surface model part. The surface fluxes are now always calculated
45! within prandtl_fluxes, based on the given surface temperature/humidity (which
46! is either provided by the land surface model, by large scale forcing data, or
47! directly prescribed by the user.
48!
49! 1496 2014-12-02 17:25:50Z maronga
50! Adapted for land surface model
51!
52! 1494 2014-11-21 17:14:03Z maronga
53! Bugfixes: qs is now calculated before calculation of Rif. calculation of
54! buoyancy flux in Rif corrected (added missing humidity term), allow use of
55! topography for coupled runs (not tested)
56!
57! 1361 2014-04-16 15:17:48Z hoffmann
58! Bugfix: calculation of turbulent fluxes of rain water content (qrsws) and rain
59! drop concentration (nrsws) added
60!
61! 1340 2014-03-25 19:45:13Z kanani
62! REAL constants defined as wp-kind
63!
64! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
65! ONLY-attribute added to USE-statements,
66! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
67! kinds are defined in new module kinds,
68! old module precision_kind is removed,
69! revision history before 2012 removed,
70! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
71! all variable declaration statements
72!
73! 1276 2014-01-15 13:40:41Z heinze
74! Use LSF_DATA also in case of Dirichlet bottom boundary condition for scalars
75!
76! 1257 2013-11-08 15:18:40Z raasch
77! openACC "kernels do" replaced by "kernels loop", "loop independent" added
78!
79! 1036 2012-10-22 13:43:42Z raasch
80! code put under GPL (PALM 3.9)
81!
82! 1015 2012-09-27 09:23:24Z raasch
83! OpenACC statements added
84!
85! 978 2012-08-09 08:28:32Z fricke
86! roughness length for scalar quantities z0h added
87!
88! Revision 1.1  1998/01/23 10:06:06  raasch
89! Initial revision
90!
91!
92! Description:
93! ------------
94!> Diagnostic computation of vertical fluxes in the constant flux layer from the
95!> values of the variables at grid point k=1. Three different methods are
96!> available:
97!> 1) the "old" version (most_method = 'circular') which is fast, but inaccurate
98!> 2) a Newton iteration method (most_method = 'newton'), which is accurate, but
99!>    slower
100!> 3) a method using a lookup table which is fast and accurate. Note, however,
101!>    that this method cannot be used in case of roughness heterogeneity
102!>
103!> @todo (re)move large_scale_forcing actions
104!> @todo check/optimize OpenMP and OpenACC directives
105!------------------------------------------------------------------------------!
106 MODULE surface_layer_fluxes_mod
107
108    USE arrays_3d,                                                             &
109        ONLY:  e, kh, nr, nrs, nrsws, ol, pt, q, ql, qr, qrs, qrsws, qs, qsws, &
110               shf, ts, u, us, usws, v, vpt, vsws, zu, zw, z0, z0h
111
112    USE cloud_parameters,                                                      &
113        ONLY:  l_d_cp, pt_d_t
114
115    USE constants,                                                             &
116        ONLY:  pi
117
118    USE cpulog
119
120    USE control_parameters,                                                    &
121        ONLY:  cloud_physics, constant_heatflux, constant_waterflux,           &
122               coupling_mode, g, humidity, ibc_e_b, ibc_pt_b, icloud_scheme,   &
123               initializing_actions, kappa, intermediate_timestep_count,       &
124               intermediate_timestep_count_max, large_scale_forcing, lsf_surf, &
125               message_string, most_method, neutral, passive_scalar,           &
126               precipitation, pt_surface, q_surface, run_coupled,              &
127               surface_pressure, simulated_time, terminate_run, zeta_max,      &
128               zeta_min
129
130    USE indices,                                                               &
131        ONLY:  nxl, nxlg, nxr, nxrg, nys, nysg, nyn, nyng, nzb_s_inner,        &
132               nzb_u_inner, nzb_v_inner
133
134    USE kinds
135
136    USE pegrid
137
138    USE land_surface_model_mod,                                                &
139        ONLY:  land_surface, skip_time_do_lsm
140
141    IMPLICIT NONE
142
143    INTEGER(iwp) ::  i            !< loop index x direction
144    INTEGER(iwp) ::  j            !< loop index y direction
145    INTEGER(iwp) ::  k            !< loop index z direction
146
147    INTEGER(iwp), PARAMETER     :: num_steps = 15000  !< number of steps in the lookup table
148
149    LOGICAL      ::  coupled_run  !< Flag for coupled atmosphere-ocean runs
150
151    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE :: pt1,      & !< Potential temperature at first grid level (required for cloud_physics = .T.)
152                                             qv1,      & !< Specific humidity at first grid level (required for cloud_physics = .T.)
153                                             uv_total    !< Total velocity at first grid level
154
155    REAL(wp), DIMENSION(0:num_steps-1) :: rib_tab,  & !< Lookup table bulk Richardson number
156                                          ol_tab      !< Lookup table values of L
157
158    REAL(wp)     ::  e_s,               & !< Saturation water vapor pressure
159                     l_bnd  = 7500,     & !< Lookup table index of the last time step
160                     ol_max = 1.0E6_wp, & !< Maximum Obukhov length
161                     rib_max,           & !< Maximum Richardson number in lookup table
162                     rib_min,           & !< Minimum Richardson number in lookup table
163                     z_mo                 !< Height of the constant flux layer where MOST is assumed
164
165
166    SAVE
167
168    PRIVATE
169
170    PUBLIC init_surface_layer_fluxes, surface_layer_fluxes
171
172    INTERFACE init_surface_layer_fluxes
173       MODULE PROCEDURE init_surface_layer_fluxes
174    END INTERFACE init_surface_layer_fluxes
175
176    INTERFACE surface_layer_fluxes
177       MODULE PROCEDURE surface_layer_fluxes
178    END INTERFACE surface_layer_fluxes
179
180
181 CONTAINS
182
183
184!------------------------------------------------------------------------------!
185! Description:
186! ------------
187!> Main routine to compute the surface fluxes
188!------------------------------------------------------------------------------!
189    SUBROUTINE surface_layer_fluxes
190
191       IMPLICIT NONE
192
193!
194!--    In case cloud physics is used, it is required to derive potential
195!--    temperature and specific humidity at first grid level from the fields pt
196!--    and q
197       IF ( cloud_physics )  THEN
198          CALL calc_pt_q
199       ENDIF
200
201!
202!--    First, calculate the new Obukhov length, then new friction velocity,
203!--    followed by the new scaling parameters (th*, q*, etc.), and the new
204!--    surface fluxes if required. The old routine ("circular") requires a
205!--    different order of calls as the scaling parameters from the previous time
206!--    steps are used to calculate the Obukhov length
207
208!
209!--    Depending on setting of most_method use the "old" routine
210       IF ( most_method == 'circular' )  THEN
211
212          CALL calc_scaling_parameters
213
214          CALL calc_uv_total
215
216          IF ( .NOT. neutral )  THEN
217             CALL calc_ol
218          ENDIF
219
220          CALL calc_us
221
222          CALL calc_surface_fluxes
223
224!
225!--    Use either Newton iteration or a lookup table for the bulk Richardson
226!--    number to calculate the Obukhov length
227       ELSEIF ( most_method == 'newton' .OR. most_method == 'lookup' )  THEN
228
229          CALL calc_uv_total
230
231          IF ( .NOT. neutral )  THEN
232             CALL calc_ol
233          ENDIF
234
235          CALL calc_us
236
237          CALL calc_scaling_parameters
238
239          CALL calc_surface_fluxes
240
241       ENDIF
242
243    END SUBROUTINE surface_layer_fluxes
244
245
246!------------------------------------------------------------------------------!
247! Description:
248! ------------
249!> Initializing actions for the surface layer routine. Basically, this involves
250!> the preparation of a lookup table for the the bulk Richardson number vs
251!> Obukhov length L when using the lookup table method.
252!------------------------------------------------------------------------------!
253    SUBROUTINE init_surface_layer_fluxes
254
255       IMPLICIT NONE
256
257       INTEGER(iwp) :: l,          & !< Index for loop to create lookup table
258                       num_steps_n   !< Number of non-stretched zeta steps
259
260       LOGICAL :: terminate_run_l = .FALSE.    !< Flag to terminate run (global)
261
262       REAL(wp), PARAMETER ::  zeta_stretch = -10.0_wp !< Start of stretching in the free convection limit
263                               
264       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: zeta_tmp
265
266
267       REAL(wp) :: zeta_step,            & !< Increment of zeta
268                   regr      = 1.01_wp,  & !< Stretching factor of zeta_step in the free convection limit
269                   regr_old  = 1.0E9_wp, & !< Stretching factor of last iteration step
270                   z0h_min   = 0.0_wp,   & !< Minimum value of z0h to create table
271                   z0_min    = 0.0_wp      !< Minimum value of z0 to create table
272!
273!--    When cloud physics is used, arrays for storing potential temperature and
274!--    specific humidity at first grid level are required
275       IF ( cloud_physics )  THEN
276          ALLOCATE ( pt1(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
277          ALLOCATE ( qv1(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
278       ENDIF
279
280!
281!--    Allocate field for storing the horizontal velocity
282       ALLOCATE ( uv_total(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
283
284
285!
286!--    In case of runs with neutral statification, set Obukhov length to a
287!--    large value
288       IF ( neutral ) ol = 1.0E10_wp
289
290       IF ( most_method == 'lookup' )  THEN
291
292!
293!--       Check for roughness heterogeneity. In that case terminate run and
294!--       inform user
295          IF ( MINVAL( z0h ) /= MAXVAL( z0h ) .OR.                             &
296               MINVAL( z0  ) /= MAXVAL( z0  ) )  THEN
297             terminate_run_l = .TRUE.
298          ENDIF
299
300#if defined( __parallel )
301!
302!--       Make a logical OR for all processes. Force termiation of model if result
303!--       is TRUE
304          IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
305          CALL MPI_ALLREDUCE( terminate_run_l, terminate_run, 1, MPI_LOGICAL,  &
306                              MPI_LOR, comm2d, ierr )
307#else
308          terminate_run = terminate_run_l
309#endif
310
311          IF ( terminate_run )  THEN
312             message_string = 'most_method = "lookup" cannot be used in ' //   &
313                              'combination with a prescribed roughness '  //   &
314                              'heterogeneity'
315             CALL message( 'surface_layer_fluxes', 'PA0417', 1, 2, 0, 6, 0 )
316          ENDIF
317
318          ALLOCATE(  zeta_tmp(0:num_steps-1) )
319
320!
321!--       Use the lowest possible value for z_mo
322          k    = MINVAL(nzb_s_inner)
323          z_mo = zu(k+1) - zw(k)
324
325!
326!--       Calculate z/L range from zeta_stretch to zeta_max using 90% of the
327!--       available steps (num_steps). The calculation is done with negative
328!--       values of zeta in order to simplify the stretching in the free
329!--       convection limit for the remaining 10% of steps.
330          zeta_tmp(0) = - zeta_max
331          num_steps_n = ( num_steps * 9 / 10 ) - 1
332          zeta_step   = (zeta_max - zeta_stretch) / REAL(num_steps_n)
333
334          DO l = 1, num_steps_n
335             zeta_tmp(l) = zeta_tmp(l-1) + zeta_step
336          ENDDO
337
338!
339!--       Calculate stretching factor for the free convection range
340          DO WHILE ( ABS( (regr-regr_old) / regr_old ) > 1.0E-10_wp )
341             regr_old = regr
342             regr = ( 1.0_wp - ( -zeta_min / zeta_step ) * ( 1.0_wp - regr )   &
343                    )**( 10.0_wp / REAL(num_steps) )
344          ENDDO
345
346!
347!--       Calculate z/L range from zeta_min to zeta_stretch
348          DO l = num_steps_n+1, num_steps-1
349             zeta_tmp(l) = zeta_tmp(l-1) + zeta_step
350             zeta_step = zeta_step * regr
351          ENDDO
352
353!
354!--       Invert array and switch sign, then calculate Obukhov length and bulk
355!--       Richardson number
356          z0h_min = MINVAL(z0h)
357          z0_min  = MINVAL(z0)
358         
359!
360!--       Calculate lookup table for the Richardson number versus Obukhov length
361!--       The Richardson number (rib) is defined depending on the choice of
362!--       boundary conditions for temperature
363          IF ( ibc_pt_b == 1 )  THEN
364             DO l = 0, num_steps-1
365                ol_tab(l)  = - z_mo / zeta_tmp(num_steps-1-l)
366                rib_tab(l) = z_mo / ol_tab(l)  / ( LOG( z_mo / z0_min )        &
367                                                - psi_m( z_mo / ol_tab(l) )    &
368                                                + psi_m( z0_min / ol_tab(l) )  &
369                                                  )**3
370             ENDDO 
371          ELSE
372             DO l = 0, num_steps-1
373                ol_tab(l)  = - z_mo / zeta_tmp(num_steps-1-l)
374                rib_tab(l) = z_mo / ol_tab(l)  * ( LOG( z_mo / z0h_min )       &
375                                              - psi_h( z_mo / ol_tab(l) )      &
376                                              + psi_h( z0h_min / ol_tab(l) )   &
377                                            )                                  &
378                                          / ( LOG( z_mo / z0_min )             &
379                                              - psi_m( z_mo / ol_tab(l) )      &
380                                              + psi_m( z0_min / ol_tab(l) )    &
381                                            )**2
382             ENDDO
383          ENDIF
384
385!
386!--       Determine minimum values of rib in the lookup table. Set upper limit
387!--       to critical Richardson number (0.25)
388          rib_min  = MINVAL(rib_tab)
389          rib_max  = 0.25 !MAXVAL(rib_tab)
390
391          DEALLOCATE( zeta_tmp )
392       ENDIF
393
394    END SUBROUTINE init_surface_layer_fluxes
395
396
397!------------------------------------------------------------------------------!
398! Description:
399! ------------
400!> Compute the absolute value of the horizontal velocity (relative to the
401!> surface). This is required by all methods
402!------------------------------------------------------------------------------!
403    SUBROUTINE calc_uv_total
404
405       IMPLICIT NONE
406
407
408       !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( k, z_mo )
409       !$acc kernels loop
410       DO  i = nxl, nxr
411          DO  j = nys, nyn
412
413             k   = nzb_s_inner(j,i)
414             uv_total(j,i) = SQRT( ( 0.5_wp * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1)      &
415                                         - u(k,j,i)   - u(k,j,i+1) ) )**2 +    &
416                              ( 0.5_wp * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i)           &
417                                         - v(k,j,i)   - v(k,j+1,i) ) )**2 )
418
419!
420!--          For too small values of the local wind, MOST does not work. A
421!--          threshold value is thus set if required
422!            uv_total(j,i) = MAX(0.01_wp,uv_total(j,i))
423
424          ENDDO
425       ENDDO
426
427!
428!--    Values of uv_total need to be exchanged at the ghost boundaries
429       !$acc update host( uv_total )
430       CALL exchange_horiz_2d( uv_total )
431       !$acc update device( uv_total )
432
433    END SUBROUTINE calc_uv_total
434
435
436!------------------------------------------------------------------------------!
437! Description:
438! ------------
439!> Calculate the Obukhov length (L) and Richardson flux number (z/L)
440!------------------------------------------------------------------------------!
441    SUBROUTINE calc_ol
442
443       IMPLICIT NONE
444
445       INTEGER(iwp) :: iter,  & !< Newton iteration step
446                       l        !< look index
447
448       REAL(wp), DIMENSION(nysg:nyng,nxlg:nxrg) :: rib !< Bulk Richardson number
449
450       REAL(wp)     :: f,      & !< Function for Newton iteration: f = Ri - [...]/[...]^2 = 0
451                       f_d_ol, & !< Derivative of f
452                       ol_l,   & !< Lower bound of L for Newton iteration
453                       ol_m,   & !< Previous value of L for Newton iteration
454                       ol_old, & !< Previous time step value of L
455                       ol_u      !< Upper bound of L for Newton iteration
456
457
458       IF ( TRIM( most_method ) /= 'circular' )  THEN
459     
460          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( k, z_mo )
461          !$acc kernels loop
462          DO  i = nxl, nxr
463             DO  j = nys, nyn
464
465                k   = nzb_s_inner(j,i)
466                z_mo = zu(k+1) - zw(k)
467
468!
469!--             Evaluate bulk Richardson number (calculation depends on
470!--             definition based on setting of boundary conditions
471                IF ( ibc_pt_b /= 1 )  THEN
472                   IF ( humidity )  THEN
473                      rib(j,i) = g * z_mo * ( vpt(k+1,j,i) - vpt(k,j,i) )      &
474                           / ( uv_total(j,i)**2 * vpt(k+1,j,i) + 1.0E-20_wp )
475                   ELSE
476                      rib(j,i) = g * z_mo * ( pt(k+1,j,i) - pt(k,j,i) )        &
477                           / ( uv_total(j,i)**2 * pt(k+1,j,i)  + 1.0E-20_wp )
478                   ENDIF     
479                ELSE
480!
481!--                When using Neumann boundary conditions, the buoyancy flux
482!--                is required but cannot be calculated at the surface, as pt
483!--                and q are not known at the surface. Hence the values at
484!--                first grid level are used to estimate the buoyancy flux
485                   IF ( humidity )  THEN
486                      rib(j,i) = - g * z_mo * ( ( 1.0_wp + 0.61_wp             &
487                                 * q(k+1,j,i) ) * shf(j,i) + 0.61_wp           &
488                                 * pt(k+1,j,i) * qsws(j,i) )   &
489                                 / ( uv_total(j,i)**3 * vpt(k+1,j,i) * kappa**2&
490                                 + 1.0E-20_wp)
491                   ELSE
492                      rib(j,i) = - g * z_mo * shf(j,i)                         &
493                           / ( uv_total(j,i)**3 * pt(k+1,j,i) * kappa**2       &
494                           + 1.0E-20_wp )
495                   ENDIF
496                ENDIF 
497     
498             ENDDO
499          ENDDO
500
501       ENDIF
502
503!
504!--    Calculate the Obukhov length either using a Newton iteration
505!--    method, via a lookup table, or using the old circular way
506       IF ( TRIM( most_method ) == 'newton' )  THEN
507
508          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( k, z_mo )
509          !$acc kernels loop
510          DO  i = nxl, nxr
511             DO  j = nys, nyn
512
513                k   = nzb_s_inner(j,i)
514                z_mo = zu(k+1) - zw(k)
515
516!
517!--             Store current value in case the Newton iteration fails
518                ol_old = ol(j,i)
519
520!
521!--             Ensure that the bulk Richardson number and the Obukhov
522!--             lengtH have the same sign
523                IF ( rib(j,i) * ol(j,i) < 0.0_wp .OR.                        &
524                     ABS( ol(j,i) ) == ol_max )  THEN
525                   IF ( rib(j,i) > 0.0_wp ) ol(j,i) =  0.01_wp
526                   IF ( rib(j,i) < 0.0_wp ) ol(j,i) = -0.01_wp
527                ENDIF
528!
529!--             Iteration to find Obukhov length
530                iter = 0
531                DO
532                   iter = iter + 1
533!
534!--                In case of divergence, use the value of the previous time step
535                   IF ( iter > 1000 )  THEN
536                      ol(j,i) = ol_old
537                      EXIT
538                   ENDIF
539
540                   ol_m = ol(j,i)
541                   ol_l = ol_m - 0.001_wp * ol_m
542                   ol_u = ol_m + 0.001_wp * ol_m
543
544
545                   IF ( ibc_pt_b /= 1 )  THEN
546!
547!--                   Calculate f = Ri - [...]/[...]^2 = 0
548                      f = rib(j,i) - ( z_mo / ol_m ) * ( LOG( z_mo / z0h(j,i) )&
549                                                    - psi_h( z_mo / ol_m )     &
550                                                    + psi_h( z0h(j,i) / ol_m ) &
551                                                   )                           &
552                                                 / ( LOG( z_mo / z0(j,i) )     &
553                                                    - psi_m( z_mo / ol_m )     &
554                                                    + psi_m( z0(j,i) / ol_m )  &
555                                                    )**2
556
557!
558!--                    Calculate df/dL
559                       f_d_ol = ( - ( z_mo / ol_u ) * ( LOG( z_mo / z0h(j,i) ) &
560                                                   - psi_h( z_mo / ol_u )      &
561                                                   + psi_h( z0h(j,i) / ol_u )  &
562                                                 )                             &
563                                               / ( LOG( z_mo / z0(j,i) )       &
564                                                   - psi_m( z_mo / ol_u )      &
565                                                   + psi_m( z0(j,i) / ol_u )   &
566                                                 )**2                          &
567                              + ( z_mo / ol_l ) * ( LOG( z_mo / z0h(j,i) )     &
568                                                   - psi_h( z_mo / ol_l )      &
569                                                   + psi_h( z0h(j,i) / ol_l )  &
570                                                 )                             &
571                                               / ( LOG( z_mo / z0(j,i) )       &
572                                                   - psi_m( z_mo / ol_l )      &
573                                                   + psi_m( z0(j,i) / ol_l )   &
574                                                 )**2                          &
575                                ) / ( ol_u - ol_l )
576                   ELSE
577!
578!--                   Calculate f = Ri - 1 /[...]^3 = 0
579                      f = rib(j,i) - ( z_mo / ol_m ) / ( LOG( z_mo / z0(j,i) )&
580                                                    - psi_m( z_mo / ol_m )    &
581                                                    + psi_m( z0(j,i) / ol_m ) &
582                                                       )**3
583
584!
585!--                   Calculate df/dL
586                      f_d_ol = ( - ( z_mo / ol_u ) / ( LOG( z_mo / z0(j,i) )  &
587                                                   - psi_m( z_mo / ol_u )     &
588                                                   + psi_m( z0(j,i) / ol_u )  &
589                                                 )**3                         &
590                              + ( z_mo / ol_l ) / ( LOG( z_mo / z0(j,i) )     &
591                                                   - psi_m( z_mo / ol_l )     &
592                                                   + psi_m( z0(j,i) / ol_l )  &
593                                                 )**3                         &
594                                     ) / ( ol_u - ol_l )
595                   ENDIF
596!
597!--                Calculate new L
598                   ol(j,i) = ol_m - f / f_d_ol
599
600!
601!--                Ensure that the bulk Richardson number and the Obukhov
602!--                length have the same sign and ensure convergence.
603                   IF ( ol(j,i) * ol_m < 0.0_wp )  ol(j,i) = ol_m * 0.5_wp
604
605!
606!--                If unrealistic value occurs, set L to the maximum
607!--                value that is allowed
608                   IF ( ABS( ol(j,i) ) > ol_max )  THEN
609                      ol(j,i) = ol_max
610                      EXIT
611                   ENDIF
612!
613!--                Check for convergence
614                   IF ( ABS( ( ol(j,i) - ol_m ) / ol(j,i) ) < 1.0E-4_wp )  THEN
615                      EXIT
616                   ELSE
617                      CYCLE
618                   ENDIF
619
620                ENDDO
621                       
622             ENDDO
623          ENDDO
624
625       ELSEIF ( TRIM( most_method ) == 'lookup' )  THEN
626
627          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( k, z_mo )
628          !$acc kernels loop
629          DO  i = nxl, nxr
630             DO  j = nys, nyn
631
632                k   = nzb_s_inner(j,i)
633
634!
635!--             If the bulk Richardson number is outside the range of the lookup
636!--             table, set it to the exceeding threshold value
637                IF ( rib(j,i) < rib_min )  rib(j,i) = rib_min
638                IF ( rib(j,i) > rib_max )  rib(j,i) = rib_max
639
640!
641!--             Find the correct index bounds for linear interpolation. As the
642!--             Richardson number will not differ very much from time step to
643!--             time step , use the index from the last step and search in the
644!--             correct direction
645                l = l_bnd
646                IF ( rib_tab(l) - rib(j,i) > 0.0_wp )  THEN
647                   DO WHILE ( rib_tab(l-1) - rib(j,i) > 0.0_wp .AND. l > 0 )
648                      l = l-1
649                   ENDDO
650                ELSE
651                   DO WHILE ( rib_tab(l) - rib(j,i) < 0.0_wp                &
652                              .AND. l < num_steps-1 )
653                      l = l+1
654                   ENDDO
655                ENDIF
656                l_bnd = l
657
658!
659!--             Linear interpolation to find the correct value of z/L
660                ol(j,i) = ( ol_tab(l-1) + ( ol_tab(l) - ol_tab(l-1) )       &
661                            / (  rib_tab(l) - rib_tab(l-1) )                &
662                            * ( rib(j,i) - rib_tab(l-1) ) )
663
664             ENDDO
665          ENDDO
666
667       ELSEIF ( TRIM( most_method ) == 'circular' )  THEN
668
669          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( k, z_mo )
670          !$acc kernels loop
671          DO  i = nxl, nxr
672             DO  j = nys, nyn
673
674                k   = nzb_s_inner(j,i)
675                z_mo = zu(k+1) - zw(k)
676
677                IF ( .NOT. humidity )  THEN
678                   ol(j,i) =  ( pt(k+1,j,i) *  us(j,i)**2 ) / ( kappa * g      &
679                              * ts(j,i) + 1E-30_wp )
680                ELSEIF ( cloud_physics )  THEN
681
682                   ol(j,i) =  ( vpt(k+1,j,i) * us(j,i)**2 ) / ( kappa * g      &
683                              * ( ts(j,i) + 0.61_wp * pt1(j,i) * qs(j,i)       &
684                              + 0.61_wp * qv1(j,i) * ts(j,i) - ts(j,i)         &
685                              * ql(k+1,j,i) ) + 1E-30_wp )
686                ELSE
687                   ol(j,i) =  ( vpt(k+1,j,i) *  us(j,i)**2 ) / ( kappa * g     &
688                              * ( ts(j,i) + 0.61_wp * pt(k+1,j,i) * qs(j,i)    &
689                                  + 0.61_wp * q(k+1,j,i) * ts(j,i) ) + 1E-30_wp )
690                ENDIF
691!
692!--             Limit the value range of the Obukhov length.
693!--             This is necessary for very small velocities (u,v --> 0), because
694!--             the absolute value of ol can then become very small, which in
695!--             consequence would result in very large shear stresses and very
696!--             small momentum fluxes (both are generally unrealistic).
697                IF ( ( z_mo / ol(j,i) ) < zeta_min )  ol(j,i) = z_mo / zeta_min
698                IF ( ( z_mo / ol(j,i) ) > zeta_max )  ol(j,i) = z_mo / zeta_max
699
700             ENDDO
701          ENDDO
702
703       ENDIF
704
705!
706!--    Values of ol at ghost point locations are needed for the evaluation
707!--    of usws and vsws.
708       !$acc update host( ol )
709       CALL exchange_horiz_2d( ol )
710       !$acc update device( ol )
711
712    END SUBROUTINE calc_ol
713
714!
715!-- Calculate friction velocity u*
716    SUBROUTINE calc_us
717
718       IMPLICIT NONE
719
720       !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( k, z_mo )
721       !$acc kernels loop
722       DO  i = nxlg, nxrg
723          DO  j = nysg, nyng
724
725             k   = nzb_s_inner(j,i)+1
726             z_mo = zu(k+1) - zw(k)
727
728!
729!--          Compute u* at the scalars' grid points
730             us(j,i) = kappa * uv_total(j,i) / ( LOG( z_mo / z0(j,i) )         &
731                                          - psi_m( z_mo / ol(j,i) )            &
732                                          + psi_m( z0(j,i) / ol(j,i) ) )
733          ENDDO
734       ENDDO
735
736    END SUBROUTINE calc_us
737
738!
739!-- Calculate potential temperature and specific humidity at first grid level
740    SUBROUTINE calc_pt_q
741
742       IMPLICIT NONE
743
744       DO  i = nxlg, nxrg
745          DO  j = nysg, nyng
746             k   = nzb_s_inner(j,i)+1
747             pt1(j,i) = pt(k,j,i) + l_d_cp * pt_d_t(k) * ql(k,j,i)
748             qv1(j,i) = q(k,j,i) - ql(k,j,i)
749          ENDDO
750       ENDDO
751
752    END SUBROUTINE calc_pt_q
753
754!
755!-- Calculate the other MOST scaling parameters theta*, q*, (qr*, nr*)
756    SUBROUTINE calc_scaling_parameters
757
758       IMPLICIT NONE
759
760!
761!--    Data information for accelerators
762       !$acc data present( e, nrsws, nzb_u_inner, nzb_v_inner, nzb_s_inner, pt )  &
763       !$acc      present( q, qs, qsws, qrsws, shf, ts, u, us, usws, v )     &
764       !$acc      present( vpt, vsws, zu, zw, z0, z0h )
765!
766!--    Compute theta*
767       IF ( constant_heatflux )  THEN
768
769!
770!--       For a given heat flux in the surface layer:
771          !$OMP PARALLEL DO
772          !$acc kernels loop
773          DO  i = nxlg, nxrg
774             DO  j = nysg, nyng
775                ts(j,i) = -shf(j,i) / ( us(j,i) + 1E-30_wp )
776!
777!--             ts must be limited, because otherwise overflow may occur in case
778!--             of us=0 when computing ol further below
779                IF ( ts(j,i) < -1.05E5_wp )  ts(j,i) = -1.0E5_wp
780                IF ( ts(j,i) >   1.0E5_wp )  ts(j,i) =  1.0E5_wp
781             ENDDO
782          ENDDO
783
784       ELSE
785!
786!--       For a given surface temperature:
787          IF ( large_scale_forcing .AND. lsf_surf )  THEN
788             !$OMP PARALLEL DO
789             !$acc kernels loop
790             DO  i = nxlg, nxrg
791                DO  j = nysg, nyng
792                   k = nzb_s_inner(j,i)
793                   pt(k,j,i) = pt_surface
794                ENDDO
795             ENDDO
796          ENDIF
797
798          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( k, z_mo )
799          !$acc kernels loop
800          DO  i = nxlg, nxrg
801             DO  j = nysg, nyng
802
803                k   = nzb_s_inner(j,i)
804                z_mo = zu(k+1) - zw(k)
805
806                IF ( cloud_physics )  THEN
807                   ts(j,i) = kappa * ( pt1(j,i) - pt(k,j,i) )                  &
808                                     / ( LOG( z_mo / z0h(j,i) )                &
809                                         - psi_h( z_mo / ol(j,i) )             &
810                                         + psi_h( z0h(j,i) / ol(j,i) ) )
811                ELSE
812                   ts(j,i) = kappa * ( pt(k+1,j,i) - pt(k,j,i) )               &
813                                     / ( LOG( z_mo / z0h(j,i) )                &
814                                         - psi_h( z_mo / ol(j,i) )             &
815                                         + psi_h( z0h(j,i) / ol(j,i) ) )
816                ENDIF
817
818             ENDDO
819          ENDDO
820       ENDIF
821
822!
823!--    If required compute q*
824       IF ( humidity  .OR.  passive_scalar )  THEN
825          IF ( constant_waterflux )  THEN
826!
827!--          For a given water flux in the Prandtl layer:
828             !$OMP PARALLEL DO
829             !$acc kernels loop
830             DO  i = nxlg, nxrg
831                DO  j = nysg, nyng
832                   qs(j,i) = -qsws(j,i) / ( us(j,i) + 1E-30_wp )
833                ENDDO
834             ENDDO
835
836          ELSE
837             coupled_run = ( coupling_mode == 'atmosphere_to_ocean' .AND.      &
838                             run_coupled )
839
840             IF ( large_scale_forcing .AND. lsf_surf )  THEN
841                !$OMP PARALLEL DO
842                !$acc kernels loop
843                DO  i = nxlg, nxrg
844                   DO  j = nysg, nyng
845                      k = nzb_s_inner(j,i)
846                      q(k,j,i) = q_surface
847                   ENDDO
848                ENDDO
849             ENDIF
850
851             !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( e_s, k, z_mo )
852             !$acc kernels loop independent
853             DO  i = nxlg, nxrg
854                !$acc loop independent
855                DO  j = nysg, nyng
856
857                   k   = nzb_s_inner(j,i)
858                   z_mo = zu(k+1) - zw(k)
859
860!
861!--                Assume saturation for atmosphere coupled to ocean (but not
862!--                in case of precursor runs)
863                   IF ( coupled_run )  THEN
864                      e_s = 6.1_wp * &
865                              EXP( 0.07_wp * ( MIN(pt(k,j,i),pt(k+1,j,i))      &
866                                               - 273.15_wp ) )
867                      q(k,j,i) = 0.622_wp * e_s / ( surface_pressure - e_s )
868                   ENDIF
869
870                   IF ( cloud_physics )  THEN
871                      qs(j,i) = kappa * ( qv1(j,i) - q(k,j,i) )                &
872                                        / ( LOG( z_mo / z0h(j,i) )             &
873                                            - psi_h( z_mo / ol(j,i) )          &
874                                            + psi_h( z0h(j,i) / ol(j,i) ) )
875
876                   ELSE
877                      qs(j,i) = kappa * ( q(k+1,j,i) - q(k,j,i) )              &
878                                        / ( LOG( z_mo / z0h(j,i) )             &
879                                            - psi_h( z_mo / ol(j,i) )          &
880                                            + psi_h( z0h(j,i) / ol(j,i) ) )
881                   ENDIF
882
883                ENDDO
884             ENDDO
885          ENDIF
886       ENDIF
887
888
889!
890!--    If required compute qr* and nr*
891       IF ( cloud_physics .AND. icloud_scheme == 0 .AND. precipitation )  THEN
892
893          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( k, z_mo )
894          !$acc kernels loop independent
895          DO  i = nxlg, nxrg
896             !$acc loop independent
897             DO  j = nysg, nyng
898
899                k   = nzb_s_inner(j,i)
900                z_mo = zu(k+1) - zw(k)
901
902                   qrs(j,i) = kappa * ( qr(k+1,j,i) - qr(k,j,i) )              &
903                                     / ( LOG( z_mo / z0h(j,i) )                &
904                                         - psi_h( z_mo / ol(j,i) )             &
905                                         + psi_h( z0h(j,i) / ol(j,i) ) )
906
907                   nrs(j,i) = kappa * ( nr(k+1,j,i) - nr(k,j,i) )              &
908                                     / ( LOG( z_mo / z0h(j,i) )                &
909                                         - psi_h( z_mo / ol(j,i) )             &
910                                         + psi_h( z0h(j,i) / ol(j,i) ) )
911             ENDDO
912          ENDDO
913
914       ENDIF
915
916    END SUBROUTINE calc_scaling_parameters
917
918
919
920!
921!-- Calculate surface fluxes usws, vsws, shf, qsws, (qrsws, nrsws)
922    SUBROUTINE calc_surface_fluxes
923
924       IMPLICIT NONE
925
926       REAL(wp) :: ol_mid !< Grid-interpolated L
927
928!
929!--    Compute u'w' for the total model domain.
930!--    First compute the corresponding component of u* and square it.
931       !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( k, ol_mid, z_mo )
932       !$acc kernels loop
933       DO  i = nxl, nxr
934          DO  j = nys, nyn
935
936             k   = nzb_u_inner(j,i)
937             z_mo = zu(k+1) - zw(k)
938!
939!--          Compute bulk Obukhov length for this point
940             ol_mid = 0.5_wp * ( ol(j,i-1) + ol(j,i) )
941
942             IF ( ol_mid == 0.0_wp )  THEN
943                ol_mid = MIN(ol(j,i-1), ol(j,i))
944             ENDIF
945
946             usws(j,i) = kappa * ( u(k+1,j,i) - u(k,j,i) )                     &
947                                 / ( LOG( z_mo / z0(j,i) )                     &
948                                     - psi_m( z_mo / ol_mid )                  &
949                                     + psi_m( z0(j,i) / ol_mid ) )
950
951             usws(j,i) = -usws(j,i) * 0.5_wp * ( us(j,i-1) + us(j,i) )
952          ENDDO
953       ENDDO
954
955!
956!--    Compute v'w' for the total model domain.
957!--    First compute the corresponding component of u* and square it.
958       !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( k, ol_mid, z_mo )
959       !$acc kernels loop
960       DO  i = nxl, nxr
961          DO  j = nys, nyn
962
963             k   = nzb_v_inner(j,i)
964             z_mo = zu(k+1) - zw(k)
965!
966!--          Compute bulk Obukhov length for this point
967             ol_mid = 0.5_wp * ( ol(j-1,i) + ol(j,i) )
968
969             IF ( ol_mid == 0.0_wp )  THEN
970                ol_mid = MIN(ol(j-1,i), ol(j-1,i))
971             ENDIF
972
973             vsws(j,i) = kappa * ( v(k+1,j,i) - v(k,j,i) )                     &
974                                 / ( LOG( z_mo / z0(j,i) )                     &
975                                     - psi_m( z_mo / ol_mid )                  &
976                                     + psi_m( z0(j,i) / ol_mid ) )
977
978             vsws(j,i) = -vsws(j,i) * 0.5_wp * ( us(j,i-1) + us(j,i) )
979
980          ENDDO
981       ENDDO
982
983!
984!--    Exchange the boundaries for the momentum fluxes (is this still required?)
985       !$acc update host( usws, vsws )
986       CALL exchange_horiz_2d( usws )
987       CALL exchange_horiz_2d( vsws )
988       !$acc update device( usws, vsws )
989
990!
991!--    Compute the vertical kinematic heat flux
992       IF ( .NOT. constant_heatflux .AND. ( simulated_time <=                &
993            skip_time_do_lsm .OR. .NOT. land_surface ) )  THEN
994          !$OMP PARALLEL DO
995          !$acc kernels loop independent
996          DO  i = nxlg, nxrg
997             !$acc loop independent
998             DO  j = nysg, nyng
999                shf(j,i) = -ts(j,i) * us(j,i)
1000             ENDDO
1001          ENDDO
1002
1003       ENDIF
1004
1005!
1006!-- Compute the vertical water/scalar flux
1007       IF ( .NOT. constant_waterflux .AND. ( humidity .OR. passive_scalar )    &
1008            .AND. ( simulated_time <= skip_time_do_lsm .OR. .NOT.            &
1009            land_surface ) )  THEN
1010          !$OMP PARALLEL DO
1011          !$acc kernels loop independent
1012          DO  i = nxlg, nxrg
1013             !$acc loop independent
1014             DO  j = nysg, nyng
1015                qsws(j,i) = -qs(j,i) * us(j,i)
1016             ENDDO
1017          ENDDO
1018
1019       ENDIF
1020
1021!
1022!--    Compute (turbulent) fluxes of rain water content and rain drop conc.
1023       IF ( cloud_physics  .AND.  icloud_scheme == 0  .AND.                    &
1024            precipitation )  THEN
1025          !$OMP PARALLEL DO
1026          !$acc kernels loop independent
1027          DO  i = nxlg, nxrg
1028             !$acc loop independent
1029             DO  j = nysg, nyng
1030                qrsws(j,i) = -qrs(j,i) * us(j,i)
1031                nrsws(j,i) = -nrs(j,i) * us(j,i)
1032             ENDDO
1033          ENDDO
1034       ENDIF
1035
1036!
1037!--    Bottom boundary condition for the TKE
1038       IF ( ibc_e_b == 2 )  THEN
1039          !$OMP PARALLEL DO
1040          !$acc kernels loop independent
1041          DO  i = nxlg, nxrg
1042             !$acc loop independent
1043             DO  j = nysg, nyng
1044                e(nzb_s_inner(j,i)+1,j,i) = ( us(j,i) / 0.1_wp )**2
1045!
1046!--             As a test: cm = 0.4
1047!               e(nzb_s_inner(j,i)+1,j,i) = ( us(j,i) / 0.4_wp )**2
1048                e(nzb_s_inner(j,i),j,i)   = e(nzb_s_inner(j,i)+1,j,i)
1049             ENDDO
1050          ENDDO
1051       ENDIF
1052       !$acc end data
1053
1054    END SUBROUTINE calc_surface_fluxes
1055
1056
1057!
1058!-- Integrated stability function for momentum
1059    FUNCTION psi_m( zeta ) 
1060       
1061       USE kinds
1062
1063       IMPLICIT NONE
1064
1065       REAL(wp)            :: psi_m !< Integrated similarity function result
1066       REAL(wp)            :: zeta  !< Stability parameter z/L
1067       REAL(wp)            :: x     !< dummy variable
1068
1069       REAL(wp), PARAMETER :: a = 1.0_wp            !< constant
1070       REAL(wp), PARAMETER :: b = 0.66666666666_wp  !< constant
1071       REAL(wp), PARAMETER :: c = 5.0_wp            !< constant
1072       REAL(wp), PARAMETER :: d = 0.35_wp           !< constant
1073       REAL(wp), PARAMETER :: c_d_d = c / d         !< constant
1074       REAL(wp), PARAMETER :: bc_d_d = b * c / d    !< constant
1075
1076
1077       IF ( zeta < 0.0_wp )  THEN
1078          x = SQRT( SQRT(1.0_wp  - 16.0_wp * zeta ) )
1079          psi_m = pi * 0.5_wp - 2.0_wp * ATAN( x ) + LOG( ( 1.0_wp + x )**2    &
1080                  * ( 1.0_wp + x**2 ) * 0.125_wp )
1081       ELSE
1082
1083          psi_m = - b * ( zeta - c_d_d ) * EXP( -d * zeta ) - a * zeta         &
1084                   - bc_d_d
1085!
1086!--       Old version for stable conditions (only valid for z/L < 0.5)
1087!--       psi_m = - 5.0_wp * zeta
1088
1089       ENDIF
1090
1091    END FUNCTION psi_m
1092
1093
1094!
1095!-- Integrated stability function for heat and moisture
1096    FUNCTION psi_h( zeta ) 
1097       
1098       USE kinds
1099
1100       IMPLICIT NONE
1101
1102       REAL(wp)            :: psi_h !< Integrated similarity function result
1103       REAL(wp)            :: zeta  !< Stability parameter z/L
1104       REAL(wp)            :: x     !< dummy variable
1105
1106       REAL(wp), PARAMETER :: a = 1.0_wp            !< constant
1107       REAL(wp), PARAMETER :: b = 0.66666666666_wp  !< constant
1108       REAL(wp), PARAMETER :: c = 5.0_wp            !< constant
1109       REAL(wp), PARAMETER :: d = 0.35_wp           !< constant
1110       REAL(wp), PARAMETER :: c_d_d = c / d         !< constant
1111       REAL(wp), PARAMETER :: bc_d_d = b * c / d    !< constant
1112
1113
1114       IF ( zeta < 0.0_wp )  THEN
1115          x = SQRT(1.0_wp  - 16.0_wp * zeta )
1116          psi_h = 2.0_wp * LOG( (1.0_wp + x ) / 2.0_wp )
1117       ELSE
1118          psi_h = - b * ( zeta - c_d_d ) * EXP( -d * zeta ) - (1.0_wp          &
1119                  + 0.66666666666_wp * a * zeta )**1.5_wp - bc_d_d             &
1120                  + 1.0_wp
1121!
1122!--       Old version for stable conditions (only valid for z/L < 0.5)
1123!--       psi_h = - 5.0_wp * zeta
1124       ENDIF
1125
1126    END FUNCTION psi_h
1127
1128 END MODULE surface_layer_fluxes_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.