source: palm/trunk/SOURCE/surface_layer_fluxes_mod.f90 @ 4652

Last change on this file since 4652 was 4594, checked in by suehring, 4 years ago

Bugfix, add acc directives for scalar-roughness length; Include k index in OMP PRIVATE statements

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 81.4 KB
RevLine 
[1850]1!> @file surface_layer_fluxes_mod.f90
[4562]2!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
[2696]3! This file is part of the PALM model system.
[1691]4!
[4562]5! PALM is free software: you can redistribute it and/or modify it under the terms of the GNU General
6! Public License as published by the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
7! (at your option) any later version.
[1691]8!
[4562]9! PALM is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the
10! implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the GNU General
11! Public License for more details.
[1691]12!
[4562]13! You should have received a copy of the GNU General Public License along with PALM. If not, see
14! <http://www.gnu.org/licenses/>.
[1691]15!
[4360]16! Copyright 1997-2020 Leibniz Universitaet Hannover
[4562]17!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
[1691]18!
[2696]19!
[1691]20! Current revisions:
[4562]21! -----------------
[4593]22!
23!
[1692]24! Former revisions:
25! -----------------
26! $Id: surface_layer_fluxes_mod.f90 4594 2020-07-09 15:01:00Z raasch $
[4594]27! Include k index in OMP PRIVATE statements
28!
29! 4593 2020-07-09 12:48:18Z suehring
[4593]30! - Pre-calculate ln(z/z0) at each timestep in order to reduce the number of log-calculations
31! - Bugfix - add missing density to fluxes of passive-scalars, chemistry and cloud-phyiscal
32!   quantities at upward-facing surfaces
33! - Move if-statement out of inner loop
34! - Remove unnecessary index referencing
35!
36! 4562 2020-06-12 08:38:47Z raasch
[4562]37! File re-formatted to follow the PALM coding standard
38!
39! 4519 2020-05-05 17:33:30Z suehring
[4519]40! Add missing computation of passive scalar scaling parameter
[4562]41!
[4519]42! 4370 2020-01-10 14:00:44Z raasch
[4562]43! Bugfix: openacc porting for vector version of OL calculation added
44!
[4370]45! 4366 2020-01-09 08:12:43Z raasch
[4562]46! Vector version for calculation of Obukhov length via Newton iteration added
47!
[4366]48! 4360 2020-01-07 11:25:50Z suehring
[4562]49! Calculation of diagnostic-only 2-m potential temperature moved to diagnostic_output_quantities.
50!
[4331]51! 4298 2019-11-21 15:59:16Z suehring
[4562]52! Calculation of 2-m temperature adjusted to the case the 2-m level is above the first grid point.
53!
[4298]54! 4258 2019-10-07 13:29:08Z suehring
[4258]55! Initialization of Obukhov lenght also at vertical surfaces (if allocated).
[4562]56!
[4258]57! 4237 2019-09-25 11:33:42Z knoop
[4237]58! Added missing OpenMP directives
[4562]59!
[4237]60! 4186 2019-08-23 16:06:14Z suehring
[4562]61! - To enable limitation of Obukhov length, move it before exit-cycle construct.
62!   Further, change the limit to 10E-5 in order to get rid-off unrealistic peaks in the heat fluxes
63!   during nighttime
[4186]64! - Unused variable removed
[4562]65!
[4186]66! 4182 2019-08-22 15:20:23Z scharf
[4182]67! Corrected "Former revisions" section
[4562]68!
[4182]69! 3987 2019-05-22 09:52:13Z kanani
[3987]70! Introduce alternative switch for debug output during timestepping
[4562]71!
[3987]72! 3885 2019-04-11 11:29:34Z kanani
[4562]73! Changes related to global restructuring of location messages and introduction of additional debug
74! messages
75!
[3885]76! 3881 2019-04-10 09:31:22Z suehring
[3881]77! Assure that Obukhov length does not become zero
[4562]78!
[3881]79! 3834 2019-03-28 15:40:15Z forkel
[4562]80! Added USE chem_gasphase_mod
81!
[3833]82! 3787 2019-03-07 08:43:54Z raasch
[4562]83! Unused variables removed
84!
[3787]85! 3745 2019-02-15 18:57:56Z suehring
[4562]86! Bugfix, missing calculation of 10cm temperature at vertical building walls, required for indoor
87! model
88!
[3745]89! 3744 2019-02-15 18:38:58Z suehring
[3685]90! Some interface calls moved to module_interface + cleanup
[4562]91!
[3685]92! 3668 2019-01-14 12:49:24Z maronga
[3668]93! Removed methods "circular" and "lookup"
[4562]94!
[3668]95! 3655 2019-01-07 16:51:22Z knoop
[3634]96! OpenACC port for SPEC
[1692]97!
[4182]98! Revision 1.1  1998/01/23 10:06:06  raasch
99! Initial revision
100!
101!
[1691]102! Description:
103! ------------
[4562]104!> Diagnostic computation of vertical fluxes in the constant flux layer from the values of the
105!> variables at grid point k=1 based on Newton iteration.
[1691]106!>
[4562]107!> @todo (Re)move large_scale_forcing actions
108!> @todo Check/optimize OpenMP directives
109!> @todo Simplify if conditions (which flux need to be computed in which case)
110!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
[1691]111 MODULE surface_layer_fluxes_mod
112
[4562]113    USE arrays_3d,                                                                                 &
114        ONLY:  d_exner,                                                                            &
115               drho_air_zw,                                                                        &
116               e,                                                                                  &
117               kh,                                                                                 &
118               nc,                                                                                 &
119               nr,                                                                                 &
120               pt,                                                                                 &
121               q,                                                                                  &
122               ql,                                                                                 &
123               qc,                                                                                 &
124               qr,                                                                                 &
125               s,                                                                                  &
126               u,                                                                                  &
127               v,                                                                                  &
128               vpt,                                                                                &
129               w,                                                                                  &
130               zu,                                                                                 &
131               zw,                                                                                 &
132               rho_air_zw
[1691]133
[3274]134
[4562]135    USE basic_constants_and_equations_mod,                                                         &
136        ONLY:  g,                                                                                  &
137               kappa,                                                                              &
138               lv_d_cp,                                                                            &
139               pi,                                                                                 &
140               rd_d_rv
141
142    USE chem_gasphase_mod,                                                                         &
[3833]143        ONLY:  nvar
144
[4562]145    USE chem_modules,                                                                              &
[3834]146        ONLY:  constant_csflux
[2696]147
[1691]148    USE cpulog
149
[4562]150    USE control_parameters,                                                                        &
151        ONLY:  air_chemistry,                                                                      &
152               cloud_droplets,                                                                     &
153               constant_heatflux,                                                                  &
154               constant_scalarflux,                                                                &
155               constant_waterflux,                                                                 &
156               coupling_mode,                                                                      &
157               debug_output_timestep,                                                              &
158               humidity,                                                                           &
159               ibc_e_b,                                                                            &
160               ibc_pt_b,                                                                           &
161               indoor_model,                                                                       &
162               land_surface,                                                                       &
163               large_scale_forcing,                                                                &
164               loop_optimization,                                                                  &
165               lsf_surf,                                                                           &
166               message_string,                                                                     &
167               neutral,                                                                            &
168               passive_scalar,                                                                     &
169               pt_surface,                                                                         &
170               q_surface,                                                                          &
171               run_coupled,                                                                        &
172               surface_pressure,                                                                   &
173               simulated_time,                                                                     &
174               time_since_reference_point,                                                         &
175               urban_surface,                                                                      &
176               use_free_convection_scaling,                                                        &
177               zeta_max,                                                                           &
178               zeta_min
[1691]179
[4562]180    USE grid_variables,                                                                            &
181        ONLY:  dx,                                                                                 &
182               dy
[2232]183
[4562]184    USE indices,                                                                                   &
[4298]185        ONLY:  nzt
[1691]186
187    USE kinds
188
[4562]189    USE bulk_cloud_model_mod,                                                                      &
190        ONLY: bulk_cloud_model,                                                                    &
191              microphysics_morrison,                                                               &
192              microphysics_seifert
[3274]193
[1691]194    USE pegrid
195
[4562]196    USE land_surface_model_mod,                                                                    &
197        ONLY:  aero_resist_kray,                                                                   &
198               skip_time_do_lsm
[2011]199
[4562]200    USE surface_mod,                                                                               &
201        ONLY :  surf_def_h,                                                                        &
202                surf_def_v,                                                                        &
203                surf_lsm_h,                                                                        &
204                surf_lsm_v,                                                                        &
205                surf_type,                                                                         &
206                surf_usm_h,                                                                        &
207                surf_usm_v
[1691]208
[4562]209
[1691]210    IMPLICIT NONE
211
[4562]212    INTEGER(iwp) ::  i  !< loop index x direction
213    INTEGER(iwp) ::  j  !< loop index y direction
214    INTEGER(iwp) ::  k  !< loop index z direction
215    INTEGER(iwp) ::  l  !< loop index for surf type
[1691]216
[4562]217    LOGICAL ::  coupled_run         !< Flag for coupled atmosphere-ocean runs
218    LOGICAL ::  downward = .FALSE.  !< Flag indicating downward-facing horizontal surface
219    LOGICAL ::  mom_uv   = .FALSE.  !< Flag indicating calculation of usvs and vsus at vertical surfaces
220    LOGICAL ::  mom_w    = .FALSE.  !< Flag indicating calculation of wsus and wsvs at vertical surfaces
221    LOGICAL ::  mom_tke  = .FALSE.  !< Flag indicating calculation of momentum fluxes at vertical surfaces used for TKE production
222    LOGICAL ::  surf_vertical       !< Flag indicating vertical surfaces
[1691]223
[4562]224    REAL(wp) :: e_s                !< Saturation water vapor pressure
225    REAL(wp) :: ol_max = 1.0E6_wp  !< Maximum Obukhov length
226    REAL(wp) :: z_mo               !< Height of the constant flux layer where MOST is assumed
[1691]227
[4562]228    TYPE(surf_type), POINTER ::  surf  !< surf-type array, used to generalize subroutines
[1691]229
[2232]230
[1691]231    SAVE
232
233    PRIVATE
234
[4562]235    PUBLIC init_surface_layer_fluxes,                                                              &
236           phi_m,                                                                                  &
237           psi_h,                                                                                  &
238           psi_m,                                                                                  &
[4331]239           surface_layer_fluxes
[1691]240
241    INTERFACE init_surface_layer_fluxes
242       MODULE PROCEDURE init_surface_layer_fluxes
243    END INTERFACE init_surface_layer_fluxes
244
[3130]245    INTERFACE phi_m
246       MODULE PROCEDURE phi_m
247    END INTERFACE phi_m
248
[4331]249    INTERFACE psi_h
250       MODULE PROCEDURE psi_h
251    END INTERFACE psi_h
252
253    INTERFACE psi_m
254       MODULE PROCEDURE psi_m
255    END INTERFACE psi_m
256
[1691]257    INTERFACE surface_layer_fluxes
258       MODULE PROCEDURE surface_layer_fluxes
259    END INTERFACE surface_layer_fluxes
260
261
262 CONTAINS
263
264
[4562]265!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
[1691]266! Description:
267! ------------
[4562]268!> Main routine to compute the surface fluxes.
269!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
270 SUBROUTINE surface_layer_fluxes
[1691]271
[4562]272    IMPLICIT NONE
[1691]273
[3885]274
[4562]275    IF ( debug_output_timestep )  CALL debug_message( 'surface_layer_fluxes', 'start' )
[3885]276
[4562]277    surf_vertical = .FALSE. !< flag indicating vertically orientated surface elements
278    downward      = .FALSE. !< flag indicating downward-facing surface elements
[1691]279!
[4593]280!-- First, precalculate ln(z/z0) for all surfaces. This is done each timestep, in order to account
281!-- for time-dependent roughness or user-modifications.
282    DO  l = 0, 1
283       IF ( surf_def_h(l)%ns >= 1 )  THEN
284          surf => surf_def_h(l)
285          CALL calc_ln
286       ENDIF
287    ENDDO
288    IF ( surf_lsm_h%ns >= 1 )  THEN
289       surf => surf_lsm_h
290       CALL calc_ln
291    ENDIF
292    IF ( surf_usm_h%ns >= 1 )  THEN
293       surf => surf_usm_h
294       CALL calc_ln
295    ENDIF
296
297    DO  l = 0, 3
298       IF ( surf_def_v(l)%ns >= 1 )  THEN
299          surf => surf_def_v(l)
300          CALL calc_ln
301       ENDIF
302       IF ( surf_lsm_v(l)%ns >= 1 )  THEN
303          surf => surf_lsm_v(l)
304          CALL calc_ln
305       ENDIF
306       IF ( surf_usm_v(l)%ns >= 1 )  THEN
307          surf => surf_usm_v(l)
308          CALL calc_ln
309       ENDIF
310    ENDDO
311!
[4562]312!-- Derive potential temperature and specific humidity at first grid level from the fields pt and q
313!-- First call for horizontal default-type surfaces (l=0 - upward facing, l=1 - downward facing)
314    DO  l = 0, 1
315       IF ( surf_def_h(l)%ns >= 1  )  THEN
316          surf => surf_def_h(l)
317          CALL calc_pt_q
318          IF ( .NOT. neutral )  THEN
319             CALL calc_pt_surface
320             IF ( humidity )  THEN
321                CALL calc_q_surface
322                CALL calc_vpt_surface
[3146]323             ENDIF
[2696]324          ENDIF
[4562]325       ENDIF
326    ENDDO
[2232]327!
[4562]328!-- Call for natural-type horizontal surfaces
329    IF ( surf_lsm_h%ns >= 1  )  THEN
330       surf => surf_lsm_h
331       CALL calc_pt_q
332    ENDIF
333
334!
335!-- Call for urban-type horizontal surfaces
336    IF ( surf_usm_h%ns >= 1  )  THEN
337       surf => surf_usm_h
338       CALL calc_pt_q
339    ENDIF
340
341!
342!-- Call for natural-type vertical surfaces
343    DO  l = 0, 3
344       IF ( surf_lsm_v(l)%ns >= 1  )  THEN
345          surf => surf_lsm_v(l)
[2696]346          CALL calc_pt_q
347       ENDIF
348
[4562]349!--    Call for urban-type vertical surfaces
350       IF ( surf_usm_v(l)%ns >= 1  )  THEN
351          surf => surf_usm_v(l)
[2696]352          CALL calc_pt_q
353       ENDIF
[4562]354    ENDDO
[2696]355
356!
[4593]357!-- First, calculate the new Obukhov length from precalculated values of log(z/z0) and wind speeds.
358!-- As a second step, then calculate new friction velocity, followed by the new scaling
[4562]359!-- parameters (th*, q*, etc.), and the new surface fluxes, if required. Note, each routine is called
360!-- for different surface types. First call for default-type horizontal surfaces, for natural- and
361!-- urban-type surfaces. Note, here only upward-facing horizontal surfaces are treated.
[4593]362!-- Note, calculation of log(z/z0) is redone each timestep, in order to account for time-dependent
363!-- values.
364!-- Start with default-type upward-facing horizontal surfaces
[4562]365    IF ( surf_def_h(0)%ns >= 1 )  THEN
366       surf => surf_def_h(0)
367       CALL calc_uvw_abs
368       IF ( .NOT. neutral )  CALL calc_ol
369       CALL calc_us
370       CALL calc_scaling_parameters
371       CALL calc_surface_fluxes
372    ENDIF
373!
374!-- Natural-type horizontal surfaces
375    IF ( surf_lsm_h%ns >= 1 )  THEN
376       surf => surf_lsm_h
377       CALL calc_uvw_abs
378       IF ( .NOT. neutral )  CALL calc_ol
379       CALL calc_us
380       CALL calc_scaling_parameters
381       CALL calc_surface_fluxes
382    ENDIF
383!
384!-- Urban-type horizontal surfaces
385    IF ( surf_usm_h%ns >= 1 )  THEN
386       surf => surf_usm_h
387       CALL calc_uvw_abs
388       IF ( .NOT. neutral )  CALL calc_ol
389       CALL calc_us
390       CALL calc_scaling_parameters
391       CALL calc_surface_fluxes
392!
393!--    Calculate 10cm temperature, required in indoor model
394       IF ( indoor_model )  CALL calc_pt_near_surface ( '10cm' )
395    ENDIF
[3668]396
[2232]397!
[4562]398!-- Treat downward-facing horizontal surfaces. Note, so far, these are always default type.
399!-- Stratification is not considered in this case, hence, no further distinction between different
400!-- most_method is required.
401    IF ( surf_def_h(1)%ns >= 1 )  THEN
402       downward = .TRUE.
403       surf => surf_def_h(1)
404       CALL calc_uvw_abs
405       CALL calc_us
406       CALL calc_surface_fluxes
407       downward = .FALSE.
408    ENDIF
[1691]409!
[4562]410!-- Calculate surfaces fluxes at vertical surfaces for momentum and subgrid-scale TKE. No stability
411!-- is considered. Therefore, scaling parameters and Obukhov length do not need to be calculated and
412!-- no distinction in 'circular', 'Newton' or 'lookup' is necessary so far. Note, this will change
413!-- if stability is once considered.
414    surf_vertical = .TRUE.
[2232]415!
[4562]416!-- Calculate horizontal momentum fluxes at north- and south-facing surfaces(usvs).
417!-- For default-type surfaces
418    mom_uv = .TRUE.
419    DO  l = 0, 1
420       IF ( surf_def_v(l)%ns >= 1 )  THEN
421          surf => surf_def_v(l)
[3744]422!
[4562]423!--       Compute surface-parallel velocity
424          CALL calc_uvw_abs_v_ugrid
[2232]425!
[4562]426!--       Compute respective friction velocity on staggered grid
[1691]427          CALL calc_us
[4562]428!
429!--       Compute respective surface fluxes for momentum and TKE
[1691]430          CALL calc_surface_fluxes
431       ENDIF
[4562]432    ENDDO
[2232]433!
[4562]434!-- For natural-type surfaces. Please note, even though stability is not considered for the
435!-- calculation of momentum fluxes at vertical surfaces, scaling parameters and Obukhov length are
436!-- calculated nevertheless in this case. This is due to the requirement of ts in parameterization
437!-- of heat flux in land-surface model in case that aero_resist_kray is not true.
438    IF ( .NOT. aero_resist_kray )  THEN
439       DO  l = 0, 1
440          IF ( surf_lsm_v(l)%ns >= 1 )  THEN
441             surf => surf_lsm_v(l)
[2232]442!
[4562]443!--          Compute surface-parallel velocity
444             CALL calc_uvw_abs_v_ugrid
445!
446!--          Compute Obukhov length
447             IF ( .NOT. neutral )  CALL calc_ol
448!
449!--          Compute respective friction velocity on staggered grid
450             CALL calc_us
451!
452!--          Compute scaling parameters
453             CALL calc_scaling_parameters
454!
455!--          Compute respective surface fluxes for momentum and TKE
456             CALL calc_surface_fluxes
457          ENDIF
458       ENDDO
459!
460!-- No ts is required, so scaling parameters and Obukhov length do not need to be computed.
461    ELSE
[2232]462       DO  l = 0, 1
[4562]463          IF ( surf_lsm_v(l)%ns >= 1 )  THEN
464             surf => surf_lsm_v(l)
[2232]465!
466!--          Compute surface-parallel velocity
467             CALL calc_uvw_abs_v_ugrid
468!
469!--          Compute respective friction velocity on staggered grid
470             CALL calc_us
471!
472!--          Compute respective surface fluxes for momentum and TKE
473             CALL calc_surface_fluxes
474          ENDIF
475       ENDDO
[4562]476    ENDIF
[2232]477!
[4562]478!-- For urban-type surfaces
479    DO  l = 0, 1
480       IF ( surf_usm_v(l)%ns >= 1 )  THEN
481          surf => surf_usm_v(l)
[2232]482!
[4562]483!--       Compute surface-parallel velocity
484          CALL calc_uvw_abs_v_ugrid
[2232]485!
[4562]486!--       Compute respective friction velocity on staggered grid
487          CALL calc_us
[2232]488!
[4562]489!--       Compute respective surface fluxes for momentum and TKE
490          CALL calc_surface_fluxes
[2232]491!
[4562]492!--       Calculate 10cm temperature, required in indoor model
493          IF ( indoor_model )  CALL calc_pt_near_surface ( '10cm' )
494       ENDIF
495    ENDDO
[2232]496!
[4562]497!-- Calculate horizontal momentum fluxes at east- and west-facing surfaces (vsus).
498!-- For default-type surfaces
499    DO  l = 2, 3
500       IF ( surf_def_v(l)%ns >= 1  )  THEN
501          surf => surf_def_v(l)
[2232]502!
[4562]503!--       Compute surface-parallel velocity
504          CALL calc_uvw_abs_v_vgrid
[2232]505!
[4562]506!--       Compute respective friction velocity on staggered grid
507          CALL calc_us
[2232]508!
[4562]509!--       Compute respective surface fluxes for momentum and TKE
510          CALL calc_surface_fluxes
[2232]511       ENDIF
[4562]512    ENDDO
[2232]513!
[4562]514!-- For natural-type surfaces. Please note, even though stability is not considered for the
515!-- calculation of momentum fluxes at vertical surfaces, scaling parameters and Obukov length are
516!-- calculated nevertheless in this case. This is due to the requirement of ts in parameterization
517!-- of heat flux in land-surface model in case that aero_resist_kray is not true.
518    IF ( .NOT. aero_resist_kray )  THEN
519       DO  l = 2, 3
520          IF ( surf_lsm_v(l)%ns >= 1 )  THEN
521             surf => surf_lsm_v(l)
[2232]522!
523!--          Compute surface-parallel velocity
[4562]524             CALL calc_uvw_abs_v_vgrid
[2232]525!
[4562]526!--          Compute Obukhov length
527             IF ( .NOT. neutral )  CALL calc_ol
528!
[2232]529!--          Compute respective friction velocity on staggered grid
530             CALL calc_us
531!
[4562]532!--          Compute scaling parameters
533             CALL calc_scaling_parameters
534!
[2232]535!--          Compute respective surface fluxes for momentum and TKE
536             CALL calc_surface_fluxes
537          ENDIF
538       ENDDO
[4562]539    ELSE
[2232]540       DO  l = 2, 3
[4562]541          IF ( surf_lsm_v(l)%ns >= 1 )  THEN
542             surf => surf_lsm_v(l)
[2232]543!
544!--          Compute surface-parallel velocity
545             CALL calc_uvw_abs_v_vgrid
546!
547!--          Compute respective friction velocity on staggered grid
548             CALL calc_us
549!
550!--          Compute respective surface fluxes for momentum and TKE
551             CALL calc_surface_fluxes
552          ENDIF
553       ENDDO
[4562]554    ENDIF
[2232]555!
[4562]556!-- For urban-type surfaces
557    DO  l = 2, 3
558       IF ( surf_usm_v(l)%ns >= 1 )  THEN
559          surf => surf_usm_v(l)
[2232]560!
[4562]561!--       Compute surface-parallel velocity
562          CALL calc_uvw_abs_v_vgrid
[2232]563!
[4562]564!--       Compute respective friction velocity on staggered grid
565          CALL calc_us
[2232]566!
[4562]567!--       Compute respective surface fluxes for momentum and TKE
568          CALL calc_surface_fluxes
[2232]569!
[4562]570!--       Calculate 10cm temperature, required in indoor model
571          IF ( indoor_model )  CALL calc_pt_near_surface ( '10cm' )
572       ENDIF
573    ENDDO
574    mom_uv = .FALSE.
[2232]575!
[4562]576!-- Calculate horizontal momentum fluxes of w (wsus and wsvs) at vertial surfaces.
577    mom_w = .TRUE.
[2232]578!
[4562]579!-- Default-type surfaces
580    DO  l = 0, 3
581       IF ( surf_def_v(l)%ns >= 1 )  THEN
582          surf => surf_def_v(l)
583          CALL calc_uvw_abs_v_wgrid
584          CALL calc_us
585          CALL calc_surface_fluxes
586       ENDIF
587    ENDDO
[2232]588!
[4562]589!-- Natural-type surfaces
590    DO  l = 0, 3
591       IF ( surf_lsm_v(l)%ns >= 1 )  THEN
592          surf => surf_lsm_v(l)
593          CALL calc_uvw_abs_v_wgrid
594          CALL calc_us
595          CALL calc_surface_fluxes
[2232]596       ENDIF
[4562]597    ENDDO
[2232]598!
[4562]599!-- Urban-type surfaces
600    DO  l = 0, 3
601       IF ( surf_usm_v(l)%ns >= 1 )  THEN
602          surf => surf_usm_v(l)
603          CALL calc_uvw_abs_v_wgrid
604          CALL calc_us
605          CALL calc_surface_fluxes
606       ENDIF
607    ENDDO
608    mom_w = .FALSE.
[2232]609!
[4562]610!-- Calculate momentum fluxes usvs, vsus, wsus and wsvs at vertical surfaces for TKE production.
611!-- Note, here, momentum fluxes are defined at grid center and are not staggered as before.
612    mom_tke = .TRUE.
[2232]613!
[4562]614!-- Default-type surfaces
615    DO  l = 0, 3
616       IF ( surf_def_v(l)%ns >= 1 )  THEN
617          surf => surf_def_v(l)
618          CALL calc_uvw_abs_v_sgrid
619          CALL calc_us
620          CALL calc_surface_fluxes
621       ENDIF
622    ENDDO
[2232]623!
[4562]624!-- Natural-type surfaces
625    DO  l = 0, 3
626       IF ( surf_lsm_v(l)%ns >= 1 )  THEN
627          surf => surf_lsm_v(l)
628          CALL calc_uvw_abs_v_sgrid
629          CALL calc_us
630          CALL calc_surface_fluxes
631       ENDIF
632    ENDDO
[3744]633!
[4562]634!-- Urban-type surfaces
635    DO  l = 0, 3
636       IF ( surf_usm_v(l)%ns >= 1 )  THEN
637          surf => surf_usm_v(l)
638          CALL calc_uvw_abs_v_sgrid
639          CALL calc_us
640          CALL calc_surface_fluxes
641       ENDIF
642    ENDDO
643    mom_tke = .FALSE.
[1691]644
[4562]645    IF ( debug_output_timestep )  CALL debug_message( 'surface_layer_fluxes', 'end' )
[3885]646
[4562]647 END SUBROUTINE surface_layer_fluxes
[1691]648
649
[4562]650!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
[1691]651! Description:
652! ------------
[4258]653!> Initializing actions for the surface layer routine.
[4562]654!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
655 SUBROUTINE init_surface_layer_fluxes
[1691]656
[4562]657    IMPLICIT NONE
[1691]658
[4562]659    INTEGER(iwp) ::  l  !< running index for vertical surface orientation
[1691]660
[4562]661    CALL location_message( 'initializing surface layer', 'start' )
[1709]662
663!
[4562]664!-- In case of runs with neutral statification, set Obukhov length to a large value
665    IF ( neutral )  THEN
666       IF ( surf_def_h(0)%ns >= 1 )  surf_def_h(0)%ol = 1.0E10_wp
667       IF ( surf_lsm_h%ns    >= 1 )  surf_lsm_h%ol    = 1.0E10_wp
668       IF ( surf_usm_h%ns    >= 1 )  surf_usm_h%ol    = 1.0E10_wp
[1709]669
[4562]670       DO  l = 0, 3
671          IF ( surf_def_v(l)%ns >= 1  .AND.                                                        &
672               ALLOCATED( surf_def_v(l)%ol ) )  surf_def_v(l)%ol = 1.0E10_wp
673          IF ( surf_lsm_v(l)%ns >= 1  .AND.                                                        &
674               ALLOCATED( surf_lsm_v(l)%ol ) )  surf_lsm_v(l)%ol = 1.0E10_wp
675          IF ( surf_usm_v(l)%ns >= 1  .AND.                                                        &
676               ALLOCATED( surf_usm_v(l)%ol ) )  surf_usm_v(l)%ol = 1.0E10_wp
677       ENDDO
[3685]678
[4562]679    ENDIF
[1691]680
[4562]681    CALL location_message( 'initializing surface layer', 'finished' )
[1691]682
[4562]683 END SUBROUTINE init_surface_layer_fluxes
684
685
686!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
[1691]687! Description:
688! ------------
[4593]689!> Compute ln(z/z0).
690!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
691 SUBROUTINE calc_ln
692
693    INTEGER(iwp) ::  m     !< running index surface elements
694
695!
696!-- Note, ln(z/z0h) and ln(z/z0q) is also calculated even if neural simulations are applied.
697!-- This is because the scalar coefficients are also used for other scalars such as passive scalars,
698!-- chemistry and aerosols.
699    !$OMP PARALLEL  DO PRIVATE( z_mo )
700    !$ACC PARALLEL LOOP PRIVATE(z_mo) &
701    !$ACC PRESENT(surf)
702    DO  m = 1, surf%ns
703       z_mo = surf%z_mo(m)
704       surf%ln_z_z0(m)  = LOG( z_mo / surf%z0(m) )
705       surf%ln_z_z0h(m) = LOG( z_mo / surf%z0h(m) )
706       surf%ln_z_z0q(m) = LOG( z_mo / surf%z0q(m) )
707    ENDDO
708
709 END SUBROUTINE calc_ln
710 
711!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
712! Description:
713! ------------
[4562]714!> Compute the absolute value of the horizontal velocity (relative to the surface) for horizontal
715!> surface elements. This is required by all methods.
716!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
717 SUBROUTINE calc_uvw_abs
[1691]718
[4562]719    IMPLICIT NONE
[1691]720
[4562]721    INTEGER(iwp) ::  i     !< running index x direction
722    INTEGER(iwp) ::  ibit  !< flag to mask computation of relative velocity in case of downward-facing surfaces
723    INTEGER(iwp) ::  j     !< running index y direction
724    INTEGER(iwp) ::  k     !< running index z direction
725    INTEGER(iwp) ::  m     !< running index surface elements
726
727    REAL(wp) ::  w_lfc  !< local free convection velocity scale
[2232]728!
[4562]729!-- ibit is 1 for upward-facing surfaces, zero for downward-facing surfaces.
730    ibit = MERGE( 1, 0, .NOT. downward )
[1691]731
[4593]732    IF ( use_free_convection_scaling )  THEN
733       !$OMP PARALLEL DO PRIVATE(i, j, k, w_lfc)
734       !$ACC PARALLEL LOOP PRIVATE(i, j, k, w_lfc) &
735       !$ACC PRESENT(surf, u, v)
736       DO  m = 1, surf%ns
737          i   = surf%i(m)
738          j   = surf%j(m)
739          k   = surf%k(m)
[1691]740
741!
[4593]742!--       Calculate free convection velocity scale w_lfc is use_free_convection_scaling = .T.. This
743!--       will maintain a horizontal velocity even for very weak wind convective conditions. SIGN is
744!--       used to set w_lfc to zero under stable conditions.
[4562]745          w_lfc = ABS(g / surf%pt1(m) * surf%z_mo(m) * surf%shf(m))
746          w_lfc = ( 0.5_wp * ( w_lfc + SIGN(w_lfc,surf%shf(m)) ) )**(0.33333_wp)
[3157]747!
[4593]748!--       Compute the absolute value of the horizontal velocity. (relative to the surface in case the
749!--       lower surface is the ocean). Please note, in new surface modelling concept the index values
750!--       changed, i.e. the reference grid point is not the surface-grid point itself but the first
751!--       grid point outside of the topography. Note, in case of coupled ocean-atmosphere simulations
752!--       relative velocity with respect to the ocean surface is used, hence, (k-1,j,i) values are used
753!--       to calculate the absolute velocity. However, this does not apply for downward-facing walls.
754!--       To mask this, use ibit, which checks for upward/downward-facing surfaces.
755          surf%uvw_abs(m) = SQRT( ( 0.5_wp * ( u(k,j,i) + u(k,j,i+1) - ( u(k-1,j,i) + u(k-1,j,i+1)  &
756                                                                       ) * ibit )                   &
757                                  )**2                                                              &
758                                + ( 0.5_wp * ( v(k,j,i) + v(k,j+1,i) - ( v(k-1,j,i) + v(k-1,j+1,i)  &
759                                                                       ) * ibit )                   &
[4562]760                                  )**2  + w_lfc**2 )
[4593]761       ENDDO
762    ELSE
763       !$OMP PARALLEL DO PRIVATE(i, j, k)
764       !$ACC PARALLEL LOOP PRIVATE(i, j, k) &
765       !$ACC PRESENT(surf, u, v)
766       DO  m = 1, surf%ns
767          i   = surf%i(m)
768          j   = surf%j(m)
769          k   = surf%k(m)
770!
771!--       Compute the absolute value of the horizontal velocity. (relative to the surface in case the
772!--       lower surface is the ocean). Please note, in new surface modelling concept the index values
773!--       changed, i.e. the reference grid point is not the surface-grid point itself but the first
774!--       grid point outside of the topography. Note, in case of coupled ocean-atmosphere simulations
775!--       relative velocity with respect to the ocean surface is used, hence, (k-1,j,i) values are used
776!--       to calculate the absolute velocity. However, this does not apply for downward-facing walls.
777!--       To mask this, use ibit, which checks for upward/downward-facing surfaces.
778          surf%uvw_abs(m) = SQRT( ( 0.5_wp * ( u(k,j,i) + u(k,j,i+1) - ( u(k-1,j,i) + u(k-1,j,i+1)  &
779                                                                       ) * ibit )                   &
780                                  )**2                                                              &
781                                + ( 0.5_wp * ( v(k,j,i) + v(k,j+1,i) - ( v(k-1,j,i) + v(k-1,j+1,i)  &
782                                                                       ) * ibit )                   &
783                                  )**2 )
784       ENDDO
785    ENDIF
[2232]786
[4562]787 END SUBROUTINE calc_uvw_abs
[3148]788
[1691]789
[4562]790!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
[2232]791! Description:
792! ------------
[4562]793!> Compute the absolute value of the horizontal velocity (relative to the surface) for horizontal
794!> surface elements. This is required by all methods.
795!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
796 SUBROUTINE calc_uvw_abs_v_ugrid
[2232]797
[4562]798    IMPLICIT NONE
[2232]799
[4562]800    INTEGER(iwp) ::  i    !< running index x direction
801    INTEGER(iwp) ::  j    !< running index y direction
802    INTEGER(iwp) ::  k    !< running index z direction
803    INTEGER(iwp) ::  m    !< running index surface elements
[2232]804
[4562]805    REAL(wp) ::  u_i  !< u-component on xu-grid
806    REAL(wp) ::  w_i  !< w-component on xu-grid
[2232]807
808
[4562]809    DO  m = 1, surf%ns
810       i   = surf%i(m)
811       j   = surf%j(m)
812       k   = surf%k(m)
[1691]813!
[4562]814!--    Compute the absolute value of the surface parallel velocity on u-grid.
815       u_i  = u(k,j,i)
816       w_i  = 0.25_wp * ( w(k-1,j,i-1) + w(k-1,j,i) + w(k,j,i-1) + w(k,j,i) )
[1691]817
[4562]818       surf%uvw_abs(m) = SQRT( u_i**2 + w_i**2 )
819    ENDDO
[1709]820
[4562]821 END SUBROUTINE calc_uvw_abs_v_ugrid
[1709]822
[4562]823!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
[1709]824! Description:
825! ------------
[4562]826!> Compute the absolute value of the horizontal velocity (relative to the surface) for horizontal
827!> surface elements. This is required by all methods.
828!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
829 SUBROUTINE calc_uvw_abs_v_vgrid
[2232]830
[4562]831    IMPLICIT NONE
[2232]832
[4562]833    INTEGER(iwp) ::  i  !< running index x direction
834    INTEGER(iwp) ::  j  !< running index y direction
835    INTEGER(iwp) ::  k  !< running index z direction
836    INTEGER(iwp) ::  m  !< running index surface elements
[2232]837
[4562]838    REAL(wp) ::  v_i  !< v-component on yv-grid
839    REAL(wp) ::  w_i  !< w-component on yv-grid
[2232]840
841
[4562]842    DO  m = 1, surf%ns
843       i = surf%i(m)
844       j = surf%j(m)
845       k = surf%k(m)
[2232]846
[4562]847       v_i = u(k,j,i)
848       w_i = 0.25_wp * ( w(k-1,j-1,i) + w(k-1,j,i) + w(k,j-1,i) + w(k,j,i) )
[2232]849
[4562]850       surf%uvw_abs(m) = SQRT( v_i**2 + w_i**2 )
851    ENDDO
[2232]852
[4562]853 END SUBROUTINE calc_uvw_abs_v_vgrid
[2232]854
[4562]855!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
[2232]856! Description:
857! ------------
[4562]858!> Compute the absolute value of the horizontal velocity (relative to the surface) for horizontal
859!> surface elements. This is required by all methods.
860!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
861 SUBROUTINE calc_uvw_abs_v_wgrid
[2232]862
[4562]863    IMPLICIT NONE
[2232]864
[4562]865    INTEGER(iwp) ::  i   !< running index x direction
866    INTEGER(iwp) ::  j   !< running index y direction
867    INTEGER(iwp) ::  k   !< running index z direction
868    INTEGER(iwp) ::  m   !< running index surface elements
[2232]869
[4562]870    REAL(wp) ::  u_i  !< u-component on x-zw-grid
871    REAL(wp) ::  v_i  !< v-component on y-zw-grid
872    REAL(wp) ::  w_i  !< w-component on zw-grid
[2232]873!
[4562]874!-- North- (l=0) and south-facing (l=1) surfaces
875    IF ( l == 0  .OR.  l == 1 )  THEN
876       DO  m = 1, surf%ns
877          i   = surf%i(m)
878          j   = surf%j(m)
879          k   = surf%k(m)
[2232]880
[4562]881          u_i  = 0.25_wp * ( u(k+1,j,i+1) + u(k+1,j,i) + u(k,j,i+1) + u(k,j,i) )
882          v_i  = 0.0_wp
883          w_i  = w(k,j,i)
[2232]884
[4562]885          surf%uvw_abs(m) = SQRT( u_i**2 + v_i**2 + w_i**2 )
886       ENDDO
[2232]887!
[4562]888!-- East- (l=2) and west-facing (l=3) surfaces
889    ELSE
890       DO  m = 1, surf%ns
891          i   = surf%i(m)
892          j   = surf%j(m)
893          k   = surf%k(m)
[2232]894
[4562]895          u_i  = 0.0_wp
896          v_i  = 0.25_wp * ( v(k+1,j+1,i) + v(k+1,j,i) + v(k,j+1,i) + v(k,j,i) )
897          w_i  = w(k,j,i)
[2232]898
[4562]899          surf%uvw_abs(m) = SQRT( u_i**2 + v_i**2 + w_i**2 )
900       ENDDO
901    ENDIF
[2232]902
[4562]903 END SUBROUTINE calc_uvw_abs_v_wgrid
[2232]904
[4562]905!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
[2232]906! Description:
907! ------------
[4562]908!> Compute the absolute value of the horizontal velocity (relative to the surface) for horizontal
909!> surface elements. This is required by all methods.
910!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
911 SUBROUTINE calc_uvw_abs_v_sgrid
[2232]912
[4562]913    IMPLICIT NONE
[2232]914
[4562]915    INTEGER(iwp) ::  i  !< running index x direction
916    INTEGER(iwp) ::  j  !< running index y direction
917    INTEGER(iwp) ::  k  !< running index z direction
918    INTEGER(iwp) ::  m  !< running index surface elements
[2232]919
[4562]920    REAL(wp) ::  u_i  !< u-component on scalar grid
921    REAL(wp) ::  v_i  !< v-component on scalar grid
922    REAL(wp) ::  w_i  !< w-component on scalar grid
[2232]923
924!
[4562]925!-- North- (l=0) and south-facing (l=1) walls
926    IF ( l == 0  .OR.  l == 1 )  THEN
927       DO  m = 1, surf%ns
928          i   = surf%i(m)
929          j   = surf%j(m)
930          k   = surf%k(m)
[2232]931
[4562]932          u_i = 0.5_wp * ( u(k,j,i) + u(k,j,i+1) )
933          v_i = 0.0_wp
934          w_i = 0.5_wp * ( w(k,j,i) + w(k-1,j,i) )
[2232]935
[4562]936          surf%uvw_abs(m) = SQRT( u_i**2 + v_i**2 + w_i**2 )
937       ENDDO
[2232]938!
[4562]939!-- East- (l=2) and west-facing (l=3) walls
940    ELSE
941       DO  m = 1, surf%ns
942          i   = surf%i(m)
943          j   = surf%j(m)
944          k   = surf%k(m)
[2232]945
[4562]946          u_i = 0.0_wp
947          v_i = 0.5_wp * ( v(k,j,i) + v(k,j+1,i) )
948          w_i = 0.5_wp * ( w(k,j,i) + w(k-1,j,i) )
[2232]949
[4562]950          surf%uvw_abs(m) = SQRT( u_i**2 + v_i**2 + w_i**2 )
951       ENDDO
952    ENDIF
[2232]953
[4562]954 END SUBROUTINE calc_uvw_abs_v_sgrid
[2232]955
956
[4562]957!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
[2232]958! Description:
959! ------------
[1709]960!> Calculate the Obukhov length (L) and Richardson flux number (z/L)
[4562]961!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
962 SUBROUTINE calc_ol
[1709]963
[4562]964    IMPLICIT NONE
[1709]965
[4562]966    INTEGER(iwp) ::  iter  !< Newton iteration step
967    INTEGER(iwp) ::  m     !< loop variable over all horizontal wall elements
[1709]968
[4562]969    LOGICAL, DIMENSION(surf%ns) ::  convergence_reached  !< convergence switch for vectorization
970    !$ACC DECLARE CREATE( convergence_reached )
[4366]971
[4562]972    REAL(wp) ::  f       !< Function for Newton iteration: f = Ri - [...]/[...]^2 = 0
973    REAL(wp) ::  f_d_ol  !< Derivative of f
974    REAL(wp) ::  ol_l    !< Lower bound of L for Newton iteration
975    REAL(wp) ::  ol_m    !< Previous value of L for Newton iteration
976    REAL(wp) ::  ol_old  !< Previous time step value of L
977    REAL(wp) ::  ol_u    !< Upper bound of L for Newton iteration
[1709]978
[4562]979    REAL(wp), DIMENSION(surf%ns) ::  ol_old_vec  !< temporary array required for vectorization
980    REAL(wp), DIMENSION(surf%ns) ::  z_mo_vec    !< temporary array required for vectorization
981    !$ACC DECLARE CREATE( ol_old_vec, z_mo_vec )
[4366]982
[2232]983!
[4562]984!-- Evaluate bulk Richardson number (calculation depends on definition based on setting of boundary
985!-- conditions)
986    IF ( ibc_pt_b /= 1 )  THEN
987       IF ( humidity )  THEN
988          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( z_mo )
989          DO  m = 1, surf%ns
990             z_mo = surf%z_mo(m)
991             surf%rib(m) = g * z_mo * ( surf%vpt1(m) - surf%vpt_surface(m) ) /                     &
992                           ( surf%uvw_abs(m)**2 * surf%vpt1(m) + 1.0E-20_wp )
993          ENDDO
[3668]994       ELSE
[4562]995          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( z_mo )
996          DO  m = 1, surf%ns
997             z_mo = surf%z_mo(m)
998             surf%rib(m) = g * z_mo * ( surf%pt1(m) - surf%pt_surface(m) ) /                       &
999                           ( surf%uvw_abs(m)**2 * surf%pt1(m) + 1.0E-20_wp )
1000          ENDDO
1001       ENDIF
1002    ELSE
1003       IF ( humidity )  THEN
1004          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( k, z_mo )
1005          DO  m = 1, surf%ns
1006             k = surf%k(m)
1007             z_mo = surf%z_mo(m)
1008             surf%rib(m) = - g * z_mo * ( ( 1.0_wp + 0.61_wp * surf%qv1(m) ) *                     &
1009                           surf%shf(m) + 0.61_wp * surf%pt1(m) * surf%qsws(m) ) *                  &
1010                           drho_air_zw(k-1) / ( surf%uvw_abs(m)**3 * surf%vpt1(m) * kappa**2       &
[1709]1011                           + 1.0E-20_wp )
[4562]1012          ENDDO
1013       ELSE
1014          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( k, z_mo )
1015          !$ACC PARALLEL LOOP PRIVATE(k, z_mo) &
1016          !$ACC PRESENT(surf, drho_air_zw)
1017          DO  m = 1, surf%ns
1018             k = surf%k(m)
1019             z_mo = surf%z_mo(m)
1020             surf%rib(m) = - g * z_mo * surf%shf(m) * drho_air_zw(k-1) /                           &
1021                           ( surf%uvw_abs(m)**3 * surf%pt1(m) * kappa**2 + 1.0E-20_wp )
1022          ENDDO
[1691]1023       ENDIF
[4562]1024    ENDIF
[1691]1025
[4562]1026    IF ( loop_optimization == 'cache' )  THEN
[1691]1027!
[4562]1028!--    Calculate the Obukhov length using Newton iteration
1029       !$OMP PARALLEL DO PRIVATE(i, j, z_mo) &
1030       !$OMP PRIVATE(ol_old, ol_m, ol_l, ol_u, f, f_d_ol)
1031       !$ACC PARALLEL LOOP PRIVATE(i, j, z_mo) &
1032       !$ACC PRIVATE(ol_old, ol_m, ol_l, ol_u, f, f_d_ol) &
1033       !$ACC PRESENT(surf)
1034       DO  m = 1, surf%ns
1035          i   = surf%i(m)
1036          j   = surf%j(m)
[1691]1037
[4562]1038          z_mo = surf%z_mo(m)
[1691]1039
1040!
[4562]1041!--       Store current value in case the Newton iteration fails
1042          ol_old = surf%ol(m)
[1691]1043
1044!
[4562]1045!--       Ensure that the bulk Richardson number and the Obukhov length have the same sign
1046          IF ( surf%rib(m) * surf%ol(m) < 0.0_wp  .OR.  ABS( surf%ol(m) ) == ol_max )  THEN
1047             IF ( surf%rib(m) > 1.0_wp ) surf%ol(m) =  0.01_wp
1048             IF ( surf%rib(m) < 0.0_wp ) surf%ol(m) = -0.01_wp
1049          ENDIF
[1691]1050!
[4562]1051!--       Iteration to find Obukhov length
1052          iter = 0
1053          DO
1054             iter = iter + 1
[4366]1055!
[4562]1056!--          In case of divergence, use the value of the previous time step
1057             IF ( iter > 1000 )  THEN
1058                surf%ol(m) = ol_old
1059                EXIT
1060             ENDIF
[4366]1061
[4562]1062             ol_m = surf%ol(m)
1063             ol_l = ol_m - 0.001_wp * ol_m
1064             ol_u = ol_m + 0.001_wp * ol_m
[4366]1065
1066
[4562]1067             IF ( ibc_pt_b /= 1 )  THEN
[4366]1068!
[4562]1069!--             Calculate f = Ri - [...]/[...]^2 = 0
[4593]1070                f = surf%rib(m) - ( z_mo / ol_m ) * ( surf%ln_z_z0h(m)                             &
[4562]1071                                                      - psi_h( z_mo / ol_m )                       &
1072                                                      + psi_h( surf%z0h(m) / ol_m ) ) /            &
[4593]1073                    ( surf%ln_z_z0(m) - psi_m( z_mo / ol_m )                                       &
1074                                      + psi_m( surf%z0(m) /  ol_m ) )**2
[4366]1075
1076!
[4562]1077!--             Calculate df/dL
[4593]1078                f_d_ol = ( - ( z_mo / ol_u ) * ( surf%ln_z_z0h(m)                                  &
[4562]1079                                                 - psi_h( z_mo / ol_u )                            &
1080                                                 + psi_h( surf%z0h(m) / ol_u ) ) /                 &
[4593]1081                           ( surf%ln_z_z0(m) - psi_m( z_mo / ol_u )                                &
1082                                             + psi_m( surf%z0(m) / ol_u ) )**2                     &
1083                           + ( z_mo / ol_l ) * ( surf%ln_z_z0h(m) - psi_h( z_mo / ol_l )           &
1084                                                                  + psi_h( surf%z0h(m) / ol_l ) ) /&
1085                           ( surf%ln_z_z0(m) - psi_m( z_mo / ol_l )                                &
1086                                             + psi_m( surf%z0(m) / ol_l ) )**2 ) / ( ol_u - ol_l )
[4562]1087             ELSE
[4366]1088!
[4562]1089!--             Calculate f = Ri - 1 /[...]^3 = 0
1090                f = surf%rib(m) - ( z_mo / ol_m ) /                                                &
[4593]1091                    ( surf%ln_z_z0(m) - psi_m( z_mo / ol_m ) + psi_m( surf%z0(m) / ol_m ) )**3
[4366]1092
1093!
[4562]1094!--             Calculate df/dL
[4593]1095                f_d_ol = ( - ( z_mo / ol_u ) / ( surf%ln_z_z0(m)                                   &
[4562]1096                                                 - psi_m( z_mo / ol_u )                            &
1097                                                 + psi_m( surf%z0(m) / ol_u )                      &
1098                                               )**3                                                &
[4593]1099                           + ( z_mo / ol_l ) / ( surf%ln_z_z0(m)                                   &
[4562]1100                                                 - psi_m( z_mo / ol_l )                            &
1101                                                 + psi_m( surf%z0(m) / ol_l )                      &
1102                                               )**3                                                &
1103                          ) / ( ol_u - ol_l )
1104             ENDIF
[4366]1105!
[4562]1106!--          Calculate new L
1107             surf%ol(m) = ol_m - f / f_d_ol
[4366]1108
1109!
[4562]1110!--          Ensure that the bulk Richardson number and the Obukhov length have the same sign and
1111!--          ensure convergence.
1112             IF ( surf%ol(m) * ol_m < 0.0_wp )  surf%ol(m) = ol_m * 0.5_wp
[4366]1113!
[4562]1114!--          If unrealistic value occurs, set L to the maximum value that is allowed
1115             IF ( ABS( surf%ol(m) ) > ol_max )  THEN
1116                surf%ol(m) = ol_max
1117                EXIT
1118             ENDIF
[4366]1119!
[4562]1120!--          Assure that Obukhov length does not become zero. If the limit is reached, exit the loop.
1121             IF ( ABS( surf%ol(m) ) < 1E-5_wp )  THEN
1122                surf%ol(m) = SIGN( 1E-5_wp, surf%ol(m) )
1123                EXIT
1124             ENDIF
[4366]1125!
[4562]1126!--          Check for convergence
1127             IF ( ABS( ( surf%ol(m) - ol_m ) /  surf%ol(m) ) < 1.0E-4_wp )  EXIT
[4366]1128          ENDDO
[4562]1129       ENDDO
[4366]1130
1131!
[4562]1132!-- Vector Version
1133    ELSE
[4366]1134!
[4562]1135!--    Calculate the Obukhov length using Newton iteration
1136!--    First set arrays required for vectorization
1137       !$ACC PARALLEL LOOP &
1138       !$ACC PRESENT(surf)
1139       DO  m = 1, surf%ns
1140          z_mo_vec(m) = surf%z_mo(m)
[4366]1141!
[4562]1142!--       Store current value in case the Newton iteration fails
1143          ol_old_vec(m) = surf%ol(m)
[4366]1144!
[4562]1145!--       Ensure that the bulk Richardson number and the Obukhov length have the same sign
1146          IF ( surf%rib(m) * surf%ol(m) < 0.0_wp  .OR.  ABS( surf%ol(m) ) == ol_max )  THEN
1147             IF ( surf%rib(m) > 1.0_wp ) surf%ol(m) =  0.01_wp
1148             IF ( surf%rib(m) < 0.0_wp ) surf%ol(m) = -0.01_wp
1149          ENDIF
[4370]1150!
[4562]1151!--       Initialize convergence flag
1152          convergence_reached(m) = .FALSE.
1153       ENDDO
[4366]1154
1155!
[4562]1156!--    Iteration to find Obukhov length
1157       iter = 0
1158       DO
1159          iter = iter + 1
[1691]1160!
[4562]1161!--       In case of divergence, use the value(s) of the previous time step
1162          IF ( iter > 1000 )  THEN
1163             !$ACC PARALLEL LOOP &
[4370]1164             !$ACC PRESENT(surf)
[4366]1165             DO  m = 1, surf%ns
[4562]1166                IF ( .NOT. convergence_reached(m) )  surf%ol(m) = ol_old_vec(m)
1167             ENDDO
1168             EXIT
1169          ENDIF
[1691]1170
[4562]1171          !$ACC PARALLEL LOOP PRIVATE(ol_m, ol_l, ol_u, f, f_d_ol) &
1172          !$ACC PRESENT(surf)
1173          DO  m = 1, surf%ns
1174             IF ( convergence_reached(m) )  CYCLE
[4366]1175
[4562]1176             ol_m = surf%ol(m)
1177             ol_l = ol_m - 0.001_wp * ol_m
1178             ol_u = ol_m + 0.001_wp * ol_m
[4366]1179
1180
[4562]1181             IF ( ibc_pt_b /= 1 )  THEN
[1691]1182!
[4562]1183!--             Calculate f = Ri - [...]/[...]^2 = 0
[4593]1184                f = surf%rib(m) - ( z_mo_vec(m) / ol_m ) * ( surf%ln_z_z0(m)                       &
[4562]1185                                                           - psi_h( z_mo_vec(m) / ol_m )           &
1186                                                           + psi_h( surf%z0h(m) / ol_m )           &
1187                                                           ) /                                     &
[4593]1188                                                           ( surf%ln_z_z0(m)                       &
[4562]1189                                                          - psi_m( z_mo_vec(m) / ol_m )            &
1190                                                          + psi_m( surf%z0(m) /  ol_m )            &
1191                                                           )**2
[1691]1192
1193!
[4562]1194!--             Calculate df/dL
[4593]1195                f_d_ol = ( - ( z_mo_vec(m) / ol_u ) * ( surf%ln_z_z0h(m)                           &
[4562]1196                                                        - psi_h( z_mo_vec(m) / ol_u )              &
1197                                                        + psi_h( surf%z0h(m) / ol_u )              &
1198                                                      ) /                                          &
[4593]1199                                                      ( surf%ln_z_z0(m)                            &
[4562]1200                                                        - psi_m( z_mo_vec(m) / ol_u )              &
1201                                                        + psi_m( surf%z0(m) / ol_u )               &
1202                                                      )**2                                         &
[4593]1203                           + ( z_mo_vec(m) / ol_l ) * ( surf%ln_z_z0h(m)                           &
[4562]1204                                                        - psi_h( z_mo_vec(m) / ol_l )              &
1205                                                        + psi_h( surf%z0h(m) / ol_l )              &
1206                                                      ) /                                          &
[4593]1207                                                      ( surf%ln_z_z0(m)                            &
[4562]1208                                                        - psi_m( z_mo_vec(m) / ol_l )              &
1209                                                        + psi_m( surf%z0(m) / ol_l )               &
1210                                                      )**2                                         &
1211                         ) / ( ol_u - ol_l )
1212             ELSE
[1691]1213!
[4562]1214!--             Calculate f = Ri - 1 /[...]^3 = 0
[4593]1215                f = surf%rib(m) - ( z_mo_vec(m) / ol_m ) / ( surf%ln_z_z0(m)                       &
[4562]1216                                                             - psi_m( z_mo_vec(m) / ol_m )         &
1217                                                             + psi_m( surf%z0(m) / ol_m )          &
1218                                                           )**3
[1691]1219
1220!
[4562]1221!--             Calculate df/dL
[4593]1222                f_d_ol = ( - ( z_mo_vec(m) / ol_u ) / ( surf%ln_z_z0(m)                            &
[4562]1223                                                        - psi_m( z_mo_vec(m) / ol_u )              &
1224                                                        + psi_m( surf%z0(m) / ol_u )               &
1225                                                      )**3                                         &
[4593]1226                           + ( z_mo_vec(m) / ol_l ) / ( surf%ln_z_z0(m)                            &
[4562]1227                                                        - psi_m( z_mo_vec(m) / ol_l )              &
1228                                                        + psi_m( surf%z0(m) / ol_l )               &
1229                                                      )**3                                         &
1230                         ) / ( ol_u - ol_l )
1231             ENDIF
[1691]1232!
[4562]1233!--          Calculate new L
1234             surf%ol(m) = ol_m - f / f_d_ol
[1691]1235
1236!
[4562]1237!--          Ensure that the bulk Richardson number and the Obukhov length have the same sign and
1238!--          ensure convergence.
1239             IF ( surf%ol(m) * ol_m < 0.0_wp )  surf%ol(m) = ol_m * 0.5_wp
[4366]1240
[1691]1241!
[4562]1242!--          Check for convergence
1243!--          This check does not modify surf%ol, therefore this is done first
1244             IF ( ABS( ( surf%ol(m) - ol_m ) /  surf%ol(m) ) < 1.0E-4_wp )  THEN
1245                convergence_reached(m) = .TRUE.
1246             ENDIF
[1691]1247!
[4562]1248!--          If unrealistic value occurs, set L to the maximum allowed value
1249             IF ( ABS( surf%ol(m) ) > ol_max )  THEN
1250                surf%ol(m) = ol_max
1251                convergence_reached(m) = .TRUE.
1252             ENDIF
1253          ENDDO
[4186]1254!
[4562]1255!--       Assure that Obukhov length does not become zero
1256          !$ACC PARALLEL LOOP &
1257          !$ACC PRESENT(surf)
1258          DO  m = 1, surf%ns
1259             IF ( convergence_reached(m) )  CYCLE
1260             IF ( ABS( surf%ol(m) ) < 1E-5_wp )  THEN
1261                surf%ol(m) = SIGN( 10E-6_wp, surf%ol(m) )
1262                convergence_reached(m) = .TRUE.
1263             ENDIF
1264          ENDDO
[1691]1265
[4562]1266          IF ( ALL( convergence_reached ) )  EXIT
[1691]1267
[4562]1268       ENDDO  ! End of iteration loop
[4366]1269
[4562]1270    ENDIF  ! End of vector branch
[4366]1271
[4562]1272 END SUBROUTINE calc_ol
[1691]1273
1274
[4562]1275!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1276! Description:
1277! ------------
1278!> Calculate friction velocity u*.
1279!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1280 SUBROUTINE calc_us
[1691]1281
[4562]1282    IMPLICIT NONE
[1691]1283
[4562]1284    INTEGER(iwp) ::  m  !< loop variable over all horizontal surf elements
[1691]1285
1286!
[4562]1287!-- Compute u* at horizontal surfaces at the scalars' grid points
1288    IF ( .NOT. surf_vertical )  THEN
[2232]1289!
[4562]1290!--    Compute u* at upward-facing surfaces
1291       IF ( .NOT. downward )  THEN
1292          !$OMP PARALLEL  DO PRIVATE( z_mo )
1293          !$ACC PARALLEL LOOP PRIVATE(z_mo) &
1294          !$ACC PRESENT(surf)
1295          DO  m = 1, surf%ns
1296             z_mo = surf%z_mo(m)
[2232]1297!
[4562]1298!--          Compute u* at the scalars' grid points
[4593]1299             surf%us(m) = kappa * surf%uvw_abs(m) / ( surf%ln_z_z0(m)                              &
[4562]1300                                                      - psi_m( z_mo / surf%ol(m) )                 &
1301                                                      + psi_m( surf%z0(m) / surf%ol(m) ) )
1302          ENDDO
[2232]1303!
[4562]1304!--    Compute u* at downward-facing surfaces. This case, do not consider any stability.
[2232]1305       ELSE
[4594]1306          !$OMP PARALLEL DO
[4593]1307          !$ACC PARALLEL LOOP &
[3634]1308          !$ACC PRESENT(surf)
[2232]1309          DO  m = 1, surf%ns
[4562]1310!
1311!--          Compute u* at the scalars' grid points
[4593]1312             surf%us(m) = kappa * surf%uvw_abs(m) / surf%ln_z_z0(m)
[1691]1313          ENDDO
[2232]1314       ENDIF
[4562]1315!
1316!-- Compute u* at vertical surfaces at the u/v/v grid, respectively.
1317!-- No stability is considered in this case.
1318    ELSE
[4593]1319       !$OMP PARALLEL DO
1320       !$ACC PARALLEL LOOP &
[4562]1321       !$ACC PRESENT(surf)
1322       DO  m = 1, surf%ns
[4593]1323          surf%us(m) = kappa * surf%uvw_abs(m) / surf%ln_z_z0(m)
[4562]1324       ENDDO
1325    ENDIF
[1691]1326
[4562]1327 END SUBROUTINE calc_us
[1691]1328
[4562]1329!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1330! Description:
1331! ------------
1332!> Calculate potential temperature, specific humidity, and virtual potential temperature at first
1333!> grid level.
1334!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1335 SUBROUTINE calc_pt_q
[1691]1336
[4562]1337    IMPLICIT NONE
[1691]1338
[4562]1339    INTEGER(iwp) ::  m  !< loop variable over all horizontal surf elements
[2232]1340
[4562]1341    !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k )
1342    !$ACC PARALLEL LOOP PRIVATE(i, j, k) &
1343    !$ACC PRESENT(surf, pt)
1344    DO  m = 1, surf%ns
1345       i = surf%i(m)
1346       j = surf%j(m)
1347       k = surf%k(m)
[2232]1348
[3634]1349#ifndef _OPENACC
[4562]1350       IF ( bulk_cloud_model ) THEN
1351          surf%pt1(m) = pt(k,j,i) + lv_d_cp * d_exner(k) * ql(k,j,i)
1352          surf%qv1(m) = q(k,j,i) - ql(k,j,i)
1353       ELSEIF( cloud_droplets ) THEN
1354          surf%pt1(m) = pt(k,j,i) + lv_d_cp * d_exner(k) * ql(k,j,i)
1355          surf%qv1(m) = q(k,j,i)
1356       ELSE
[3634]1357#endif
[4562]1358          surf%pt1(m) = pt(k,j,i)
[3634]1359#ifndef _OPENACC
[4562]1360          IF ( humidity )  THEN
1361             surf%qv1(m) = q(k,j,i)
1362          ELSE
[3634]1363#endif
[4562]1364             surf%qv1(m) = 0.0_wp
[3634]1365#ifndef _OPENACC
[4562]1366          ENDIF
1367       ENDIF
[2232]1368
[4562]1369       IF ( humidity )  THEN
1370          surf%vpt1(m) = pt(k,j,i) * ( 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i) )
1371       ENDIF
[3634]1372#endif
[4562]1373    ENDDO
[1691]1374
[4562]1375 END SUBROUTINE calc_pt_q
[1691]1376
[2696]1377
[4562]1378!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1379! Description:
1380! ------------
1381!> Set potential temperature at surface grid level( only for upward-facing surfs ).
1382!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1383 SUBROUTINE calc_pt_surface
[2696]1384
[4562]1385    IMPLICIT NONE
[2696]1386
[4562]1387    INTEGER(iwp) ::  k_off  !< index offset between surface and atmosphere grid point (-1 for upward-, +1 for downward-facing walls)
1388    INTEGER(iwp) ::  m      !< loop variable over all horizontal surf elements
[2696]1389
[4562]1390    k_off = surf%koff
1391    !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k )
1392    !$ACC PARALLEL LOOP PRIVATE(i, j, k) &
1393    !$ACC PRESENT(surf, pt)
1394    DO  m = 1, surf%ns
1395       i = surf%i(m)
1396       j = surf%j(m)
1397       k = surf%k(m)
1398       surf%pt_surface(m) = pt(k+k_off,j,i)
1399    ENDDO
[2696]1400
[4562]1401 END SUBROUTINE calc_pt_surface
[2696]1402
1403!
[3152]1404!-- Set mixing ratio at surface grid level. ( Only for upward-facing surfs. )
[4562]1405 SUBROUTINE calc_q_surface
[3152]1406
[4562]1407    IMPLICIT NONE
[3152]1408
[4562]1409    INTEGER(iwp) ::  k_off  !< index offset between surface and atmosphere grid point (-1 for upward-, +1 for downward-facing walls)
1410    INTEGER(iwp) ::  m      !< loop variable over all horizontal surf elements
[3152]1411
[4562]1412    k_off = surf%koff
1413    !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k )
1414    DO  m = 1, surf%ns
1415       i = surf%i(m)
1416       j = surf%j(m)
1417       k = surf%k(m)
1418       surf%q_surface(m) = q(k+k_off,j,i)
1419    ENDDO
[3152]1420
[4562]1421 END SUBROUTINE calc_q_surface
[3152]1422
[4562]1423!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1424! Description:
1425! ------------
1426!> Set virtual potential temperature at surface grid level ( only for upward-facing surfs ).
1427!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1428 SUBROUTINE calc_vpt_surface
[3152]1429
[4562]1430    IMPLICIT NONE
[3146]1431
[4562]1432    INTEGER(iwp) ::  k_off  !< index offset between surface and atmosphere grid point (-1 for upward-, +1 for downward-facing walls)
1433    INTEGER(iwp) ::  m      !< loop variable over all horizontal surf elements
[3146]1434
[4562]1435    k_off = surf%koff
1436    !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k )
1437    DO  m = 1, surf%ns
1438       i = surf%i(m)
1439       j = surf%j(m)
1440       k = surf%k(m)
1441       surf%vpt_surface(m) = vpt(k+k_off,j,i)
[3146]1442
[4562]1443    ENDDO
[3146]1444
[4562]1445 END SUBROUTINE calc_vpt_surface
[3146]1446
[4562]1447!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1448! Description:
1449! ------------
1450!> Calculate the other MOST scaling parameters theta*, q*, (qc*, qr*, nc*, nr*)
1451!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1452 SUBROUTINE calc_scaling_parameters
[3146]1453
[4562]1454    IMPLICIT NONE
[1691]1455
1456
[4562]1457    INTEGER(iwp)  ::  lsp  !< running index for chemical species
1458    INTEGER(iwp)  ::  m    !< loop variable over all horizontal surf elements
1459!
1460!-- Compute theta* at horizontal surfaces
1461    IF ( constant_heatflux  .AND.  .NOT. surf_vertical )  THEN
1462!
1463!--    For a given heat flux in the surface layer:
[2232]1464
[4562]1465       !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k )
1466       !$ACC PARALLEL LOOP PRIVATE(i, j, k) &
1467       !$ACC PRESENT(surf, drho_air_zw)
1468       DO  m = 1, surf%ns
1469          i = surf%i(m)
1470          j = surf%j(m)
1471          k = surf%k(m)
1472          surf%ts(m) = -surf%shf(m) * drho_air_zw(k-1) / ( surf%us(m) + 1E-30_wp )
[1691]1473!
[4562]1474!--       ts must be limited, because otherwise overflow may occur in case of us=0 when computing
1475!--       ol further below
1476          IF ( surf%ts(m) < -1.05E5_wp )  surf%ts(m) = -1.0E5_wp
1477          IF ( surf%ts(m) >  1.0E5_wp  )  surf%ts(m) =  1.0E5_wp
1478       ENDDO
[2232]1479
[4562]1480    ELSEIF ( .NOT. surf_vertical ) THEN
1481!
1482!--    For a given surface temperature:
1483       IF ( large_scale_forcing  .AND.  lsf_surf )  THEN
1484
[2232]1485          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k )
[4562]1486          DO  m = 1, surf%ns
1487             i   = surf%i(m)
[2232]1488             j   = surf%j(m)
1489             k   = surf%k(m)
[4562]1490             pt(k-1,j,i) = pt_surface
1491          ENDDO
1492       ENDIF
[2232]1493
[4562]1494       !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( z_mo )
1495       DO  m = 1, surf%ns
1496          z_mo = surf%z_mo(m)
1497          surf%ts(m) = kappa * ( surf%pt1(m) - surf%pt_surface(m) )                                &
[4593]1498                       / ( surf%ln_z_z0h(m) - psi_h( z_mo / surf%ol(m) )                           &
1499                                            + psi_h( surf%z0h(m) / surf%ol(m) ) )
[4562]1500       ENDDO
[2232]1501
[4562]1502    ENDIF
[1691]1503!
[4562]1504!-- Compute theta* at vertical surfaces. This is only required in case of land-surface model, in
1505!-- order to compute aerodynamical resistance.
1506    IF ( surf_vertical )  THEN
1507       !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j )
1508       DO  m = 1, surf%ns
1509          i          =  surf%i(m)
1510          j          =  surf%j(m)
1511          surf%ts(m) = -surf%shf(m) / ( surf%us(m) + 1E-30_wp )
1512!
1513!--       ts must be limited, because otherwise overflow may occur in case of us=0 when computing ol
1514!--       further below
1515          IF ( surf%ts(m) < -1.05E5_wp )  surf%ts(m) = -1.0E5_wp
1516          IF ( surf%ts(m) >  1.0E5_wp  )  surf%ts(m) =  1.0E5_wp
1517       ENDDO
1518    ENDIF
[2232]1519
[4562]1520!
1521!-- If required compute q* at horizontal surfaces
1522    IF ( humidity )  THEN
1523       IF ( constant_waterflux  .AND.  .NOT. surf_vertical )  THEN
1524!
1525!--       For a given water flux in the surface layer
1526          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k )
1527          DO  m = 1, surf%ns
1528             i = surf%i(m)
1529             j = surf%j(m)
1530             k = surf%k(m)
1531             surf%qs(m) = -surf%qsws(m) * drho_air_zw(k-1) / ( surf%us(m) + 1E-30_wp )
[1691]1532          ENDDO
1533
[4562]1534       ELSEIF ( .NOT. surf_vertical )  THEN
1535          coupled_run = ( coupling_mode == 'atmosphere_to_ocean'  .AND.  run_coupled )
1536
[1788]1537          IF ( large_scale_forcing  .AND.  lsf_surf )  THEN
[4562]1538             !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k )
1539             DO  m = 1, surf%ns
1540                i = surf%i(m)
1541                j = surf%j(m)
1542                k = surf%k(m)
1543                q(k-1,j,i) = q_surface
[2232]1544
[4562]1545             ENDDO
1546          ENDIF
1547
1548!
1549!--       Assume saturation for atmosphere coupled to ocean (but not in case of precursor runs)
1550          IF ( coupled_run )  THEN
1551             !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k, e_s )
1552             DO  m = 1, surf%ns
1553                i   = surf%i(m)
[2232]1554                j   = surf%j(m)
1555                k   = surf%k(m)
[4562]1556                e_s = 6.1_wp * EXP( 0.07_wp * ( MIN( pt(k-1,j,i), pt(k,j,i) ) - 273.15_wp ) )
1557                q(k-1,j,i) = rd_d_rv * e_s / ( surface_pressure - e_s )
1558             ENDDO
1559          ENDIF
[2232]1560
[4562]1561          IF ( bulk_cloud_model  .OR.  cloud_droplets )  THEN
1562            !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k, z_mo )
1563             DO  m = 1, surf%ns
1564                i = surf%i(m)
1565                j = surf%j(m)
1566                k = surf%k(m)
1567                z_mo = surf%z_mo(m)
1568                surf%qs(m) = kappa * ( surf%qv1(m) - surf%q_surface(m) )                           &
[4593]1569                             / ( surf%ln_z_z0q(m) - psi_h( z_mo / surf%ol(m) )                     &
1570                                                  + psi_h( surf%z0q(m) / surf%ol(m) ) )
[1691]1571             ENDDO
[4562]1572          ELSE
1573             !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k, z_mo )
1574             DO  m = 1, surf%ns
1575                i = surf%i(m)
1576                j = surf%j(m)
1577                k = surf%k(m)
1578                z_mo = surf%z_mo(m)
1579                surf%qs(m) = kappa * ( q(k,j,i) - q(k-1,j,i) )                                     &
[4593]1580                             / ( surf%ln_z_z0q(m) - psi_h( z_mo / surf%ol(m) )                     &
1581                                                  + psi_h( surf%z0q(m) / surf%ol(m) ) )
[4562]1582             ENDDO
[1691]1583          ENDIF
[2232]1584       ENDIF
[4562]1585!
1586!--    Compute q* at vertical surfaces
[2232]1587       IF ( surf_vertical )  THEN
[2281]1588          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j )
[4562]1589          DO  m = 1, surf%ns
[2232]1590
[4562]1591             i =  surf%i(m)
1592             j =  surf%j(m)
1593             surf%qs(m) = -surf%qsws(m) / ( surf%us(m) + 1E-30_wp )
[2232]1594
[1691]1595          ENDDO
1596       ENDIF
[4562]1597    ENDIF
[1691]1598
1599!
[4562]1600!-- If required compute s*
1601    IF ( passive_scalar )  THEN
[1691]1602!
[4562]1603!--    At horizontal surfaces
1604       IF ( constant_scalarflux  .AND.  .NOT. surf_vertical )  THEN
[1691]1605!
[4562]1606!--       For a given scalar flux in the surface layer
1607          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j )
1608          DO  m = 1, surf%ns
1609             i = surf%i(m)
1610             j = surf%j(m)
1611             surf%ss(m) = -surf%ssws(m) / ( surf%us(m) + 1E-30_wp )
1612          ENDDO
1613       ELSEIF ( .NOT. surf_vertical )  THEN
[1691]1614
[4562]1615          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k, z_mo )
1616          DO  m = 1, surf%ns
1617             i = surf%i(m)
1618             j = surf%j(m)
1619             k = surf%k(m)
1620             z_mo = surf%z_mo(m)
[1691]1621
[4562]1622             surf%ss(m) = kappa * ( s(k,j,i) - s(k-1,j,i) )                                        &
[4593]1623                          / ( surf%ln_z_z0h(m) - psi_h( z_mo / surf%ol(m) )                        &
1624                                               + psi_h( surf%z0h(m) / surf%ol(m) ) )
[4562]1625          ENDDO
[1691]1626       ENDIF
[1960]1627!
[4562]1628!--    At vertical surfaces
1629       IF ( surf_vertical )  THEN
1630          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j )
1631          DO  m = 1, surf%ns
1632             i =  surf%i(m)
1633             j =  surf%j(m)
1634             surf%ss(m) = -surf%ssws(m) / ( surf%us(m) + 1E-30_wp )
1635          ENDDO
1636       ENDIF
1637    ENDIF
1638
[1960]1639!
[4562]1640!-- If required compute cs* (chemical species)
1641    IF ( air_chemistry  )  THEN
[2232]1642!
[4562]1643!--    At horizontal surfaces
1644       DO  lsp = 1, nvar
1645          IF ( constant_csflux(lsp)  .AND.  .NOT.  surf_vertical )  THEN
1646!--          For a given chemical species' flux in the surface layer
[2281]1647             !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j )
[4562]1648             DO  m = 1, surf%ns
1649                i = surf%i(m)
1650                j = surf%j(m)
1651                surf%css(lsp,m) = -surf%cssws(lsp,m) / ( surf%us(m) + 1E-30_wp )
[1960]1652             ENDDO
1653          ENDIF
[4562]1654       ENDDO
[2232]1655!
[4562]1656!--    At vertical surfaces
1657       IF ( surf_vertical )  THEN
1658          DO  lsp = 1, nvar
[2281]1659             !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j )
[4562]1660             DO  m = 1, surf%ns
1661                i = surf%i(m)
1662                j = surf%j(m)
1663                surf%css(lsp,m) = -surf%cssws(lsp,m) / ( surf%us(m) + 1E-30_wp )
[2232]1664             ENDDO
[2696]1665          ENDDO
1666       ENDIF
[4562]1667    ENDIF
[2696]1668
1669!
[4562]1670!-- If required compute qc* and nc*
1671    IF ( bulk_cloud_model  .AND.  microphysics_morrison  .AND.  .NOT.  surf_vertical )  THEN
1672       !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k, z_mo )
1673       DO  m = 1, surf%ns
1674          i = surf%i(m)
1675          j = surf%j(m)
1676          k = surf%k(m)
[1691]1677
[4562]1678          z_mo = surf%z_mo(m)
[2292]1679
[4562]1680          surf%qcs(m) = kappa * ( qc(k,j,i) - qc(k-1,j,i) )                                        &
[4593]1681                        / ( surf%ln_z_z0q(m) - psi_h( z_mo / surf%ol(m) )                          &
1682                                             + psi_h( surf%z0q(m) / surf%ol(m) ) )
[2292]1683
[4562]1684          surf%ncs(m) = kappa * ( nc(k,j,i) - nc(k-1,j,i) )                                        &
[4593]1685                        / ( surf%ln_z_z0q(m) - psi_h( z_mo / surf%ol(m) )                          &
1686                                             + psi_h( surf%z0q(m) / surf%ol(m) ) )
[4562]1687       ENDDO
[2292]1688
[4562]1689    ENDIF
[2292]1690
[1691]1691!
[4562]1692!-- If required compute qr* and nr*
1693    IF ( bulk_cloud_model  .AND.  microphysics_seifert  .AND.  .NOT. surf_vertical )  THEN
1694       !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k, z_mo )
1695       DO  m = 1, surf%ns
1696          i = surf%i(m)
1697          j = surf%j(m)
1698          k = surf%k(m)
[1691]1699
[4562]1700          z_mo = surf%z_mo(m)
[1691]1701
[4562]1702          surf%qrs(m) = kappa * ( qr(k,j,i) - qr(k-1,j,i) )                                        &
[4593]1703                        / ( surf%ln_z_z0q(m) - psi_h( z_mo / surf%ol(m) )                          &
1704                                             + psi_h( surf%z0q(m) / surf%ol(m) ) )
[1691]1705
[4562]1706          surf%nrs(m) = kappa * ( nr(k,j,i) - nr(k-1,j,i) )                                        &
[4593]1707                        / ( surf%ln_z_z0q(m) - psi_h( z_mo / surf%ol(m) )                          &
1708                                             + psi_h( surf%z0q(m) / surf%ol(m) ) )
[4562]1709       ENDDO
[1691]1710
[4562]1711    ENDIF
[1691]1712
[4562]1713 END SUBROUTINE calc_scaling_parameters
[1691]1714
1715
1716
[4562]1717!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1718! Description:
1719! ------------
1720!> Calculate surface fluxes usws, vsws, shf, qsws, (qcsws, qrsws, ncsws, nrsws)
1721!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1722 SUBROUTINE calc_surface_fluxes
[1691]1723
[4562]1724    IMPLICIT NONE
[1691]1725
[4562]1726    INTEGER(iwp)  ::  lsp  !< running index for chemical species
1727    INTEGER(iwp)  ::  m    !< loop variable over all horizontal surf elements
[1691]1728
[4562]1729    REAL(wp) ::  dum     !< dummy to precalculate logarithm
1730    REAL(wp) ::  flag_u  !< flag indicating u-grid, used for calculation of horizontal momentum fluxes at vertical surfaces
1731    REAL(wp) ::  flag_v  !< flag indicating v-grid, used for calculation of horizontal momentum fluxes at vertical surfaces
[1691]1732
[4562]1733    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  u_i     !< u-component interpolated onto scalar grid point, required for momentum fluxes
1734                                                    !< at vertical surfaces
1735    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  v_i     !< v-component interpolated onto scalar grid point, required for momentum fluxes
1736                                                    !< at vertical surfaces
1737    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  w_i     !< w-component interpolated onto scalar grid point, required for momentum fluxes
1738                                                    !< at vertical surfaces
[1691]1739
1740!
[4562]1741!-- Calcuate surface fluxes at horizontal walls
1742    IF ( .NOT. surf_vertical )  THEN
[2232]1743!
[4562]1744!--    Compute u'w' for the total model domain at upward-facing surfaces. First compute the
1745!--    corresponding component of u* and square it.
1746       IF ( .NOT. downward )  THEN
1747          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k, z_mo )
1748          !$ACC PARALLEL LOOP PRIVATE(i, j, k, z_mo) &
1749          !$ACC PRESENT(surf, u, rho_air_zw)
1750          DO  m = 1, surf%ns
1751             i = surf%i(m)
1752             j = surf%j(m)
1753             k = surf%k(m)
[1691]1754
[4562]1755             z_mo = surf%z_mo(m)
[1691]1756
[4562]1757             surf%usws(m) = kappa * ( u(k,j,i) - u(k-1,j,i) )                                      &
[4593]1758                            / ( surf%ln_z_z0(m) - psi_m( z_mo / surf%ol(m) )                       &
1759                                                + psi_m( surf%z0(m) / surf%ol(m) ) )
[2232]1760!
[4562]1761!--          Please note, the computation of usws is not fully accurate. Actually a further
1762!--          interpolation of us onto the u-grid, where usws is defined, is required. However, this
1763!--          is not done as this would require several data transfers between 2D-grid and the
1764!--          surf-type. The impact of the missing interpolation is negligible as several tests have
1765!--          shown. Same also for ol.
1766             surf%usws(m) = -surf%usws(m) * surf%us(m) * rho_air_zw(k-1)
1767          ENDDO
[1691]1768!
[4562]1769!--    At downward-facing surfaces
1770       ELSE
[4593]1771          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k )
[4562]1772          DO  m = 1, surf%ns
1773             i = surf%i(m)
1774             j = surf%j(m)
1775             k = surf%k(m)
[1691]1776
[4593]1777             surf%usws(m) = kappa * u(k,j,i) / surf%ln_z_z0(m)
[4562]1778             surf%usws(m) = surf%usws(m) * surf%us(m) * rho_air_zw(k)
1779          ENDDO
1780       ENDIF
[1691]1781
[2232]1782!
[4562]1783!--    Compute v'w' for the total model domain. First compute the corresponding component of u* and
1784!--    square it.
1785!--    Upward-facing surfaces
1786       IF ( .NOT. downward )  THEN
1787          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k, z_mo )
1788          !$ACC PARALLEL LOOP PRIVATE(i, j, k, z_mo) &
1789          !$ACC PRESENT(surf, v, rho_air_zw)
1790          DO  m = 1, surf%ns
1791             i = surf%i(m)
1792             j = surf%j(m)
1793             k = surf%k(m)
[1691]1794
[4562]1795             z_mo = surf%z_mo(m)
[1691]1796
[4562]1797             surf%vsws(m) = kappa * ( v(k,j,i) - v(k-1,j,i) )                                      &
[4593]1798                            / ( surf%ln_z_z0(m) - psi_m( z_mo / surf%ol(m) )                       &
1799                                                + psi_m( surf%z0(m) / surf%ol(m) ) )
[1691]1800!
[4562]1801!--          Please note, the computation of vsws is not fully accurate. Actually a further
1802!--          interpolation of us onto the v-grid, where vsws is defined, is required. However, this
1803!--          is not done as this would require several data transfers between 2D-grid and the
1804!--          surf-type. The impact of the missing interpolation is negligible as several tests have
1805!--          shown. Same also for ol.
1806             surf%vsws(m) = -surf%vsws(m) * surf%us(m) * rho_air_zw(k-1)
1807          ENDDO
[2232]1808!
[4562]1809!--    Downward-facing surfaces
1810       ELSE
[4593]1811          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k )
[4562]1812          DO  m = 1, surf%ns
1813             i = surf%i(m)
1814             j = surf%j(m)
1815             k = surf%k(m)
[1691]1816
[4593]1817             surf%vsws(m) = kappa * v(k,j,i) / surf%ln_z_z0(m)
[4562]1818             surf%vsws(m) = surf%vsws(m) * surf%us(m) * rho_air_zw(k)
1819          ENDDO
1820       ENDIF
[1691]1821!
[4593]1822!--    Compute the vertical kinematic heat flux. Note, only upward-facing surfaces are considered,
1823!--    at downward-facing surfaces the flux is not parametrized with a scaling parameter.
[4562]1824       IF (  .NOT.  constant_heatflux  .AND.  ( ( time_since_reference_point <=  skip_time_do_lsm  &
1825             .AND.  simulated_time > 0.0_wp )  .OR.  .NOT.  land_surface )  .AND.                  &
1826             .NOT.  urban_surface  .AND.  .NOT. downward )  THEN
[4593]1827          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( k )
[4562]1828          DO  m = 1, surf%ns
1829             k = surf%k(m)
1830             surf%shf(m) = -surf%ts(m) * surf%us(m) * rho_air_zw(k-1)
1831          ENDDO
1832       ENDIF
[2232]1833!
[4562]1834!--    Compute the vertical water flux
1835       IF (  .NOT.  constant_waterflux  .AND.  humidity  .AND.              &
1836            ( ( time_since_reference_point <= skip_time_do_lsm  .AND.  simulated_time > 0.0_wp )   &
1837            .OR.  .NOT.  land_surface  )  .AND.  .NOT.  urban_surface  .AND.  .NOT.  downward )    &
1838            THEN
[4593]1839          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( k )
[4562]1840          DO  m = 1, surf%ns
[4594]1841             k = surf%k(m)
[4562]1842             surf%qsws(m) = -surf%qs(m) * surf%us(m) * rho_air_zw(k-1)
1843          ENDDO
1844       ENDIF
1845!
1846!--    Compute the vertical scalar flux
1847       IF (  .NOT.  constant_scalarflux  .AND.  passive_scalar  .AND.  .NOT.  downward )  THEN
[4594]1848          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( k )
[4562]1849          DO  m = 1, surf%ns
[4594]1850             k = surf%k(m)
[4593]1851             surf%ssws(m) = -surf%ss(m) * surf%us(m) * rho_air_zw(k-1)
[4562]1852          ENDDO
1853       ENDIF
1854!
1855!--    Compute the vertical chemical species' flux
1856       DO  lsp = 1, nvar
1857          IF (  .NOT.  constant_csflux(lsp)  .AND.  air_chemistry  .AND.  .NOT.  downward )  THEN
[4594]1858             !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( k )
[4562]1859             DO  m = 1, surf%ns
[4594]1860                k = surf%k(m)
[4593]1861                surf%cssws(lsp,m) = -surf%css(lsp,m) * surf%us(m) * rho_air_zw(k-1)
[2232]1862             ENDDO
1863          ENDIF
[4562]1864       ENDDO
1865
[2232]1866!
[4562]1867!--    Compute (turbulent) fluxes of cloud water content and cloud drop conc.
1868       IF ( bulk_cloud_model  .AND.  microphysics_morrison  .AND.  .NOT. downward)  THEN
[4594]1869          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( k )
[4562]1870          DO  m = 1, surf%ns
[4594]1871             k = surf%k(m)
[4593]1872             surf%qcsws(m) = -surf%qcs(m) * surf%us(m) * rho_air_zw(k-1)
1873             surf%ncsws(m) = -surf%ncs(m) * surf%us(m) * rho_air_zw(k-1)
[4562]1874          ENDDO
1875       ENDIF
1876!
1877!--    Compute (turbulent) fluxes of rain water content and rain drop conc.
1878       IF ( bulk_cloud_model  .AND.  microphysics_seifert  .AND.  .NOT. downward)  THEN
[4594]1879          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( k )
[4562]1880          DO  m = 1, surf%ns
[4594]1881             k = surf%k(m)
[4593]1882             surf%qrsws(m) = -surf%qrs(m) * surf%us(m) * rho_air_zw(k-1)
1883             surf%nrsws(m) = -surf%nrs(m) * surf%us(m) * rho_air_zw(k-1)
[2696]1884          ENDDO
[4562]1885       ENDIF
[2696]1886
1887!
[4562]1888!--    Bottom boundary condition for the TKE.
1889       IF ( ibc_e_b == 2 )  THEN
1890          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k )
1891          DO  m = 1, surf%ns
1892             i = surf%i(m)
1893             j = surf%j(m)
1894             k = surf%k(m)
[2292]1895
[4562]1896             e(k,j,i) = ( surf%us(m) / 0.1_wp )**2
1897!
1898!--          As a test: cm = 0.4
1899!            e(k,j,i) = ( us(j,i) / 0.4_wp )**2
1900             e(k-1,j,i) = e(k,j,i)
[2292]1901
[4562]1902          ENDDO
1903       ENDIF
[2292]1904!
[4562]1905!-- Calcuate surface fluxes at vertical surfaces. No stability is considered.
[4593]1906!-- Further, no density needs to be considered here.
[4562]1907    ELSE
1908!
1909!--    Compute usvs l={0,1} and vsus l={2,3}
1910       IF ( mom_uv )  THEN
1911!
1912!--       Generalize computation by introducing flags. At north- and south-facing surfaces
1913!--       u-component is used, at east- and west-facing surfaces v-component is used.
1914          flag_u = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, l == 0  .OR.  l == 1 )
1915          flag_v = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, l == 2  .OR.  l == 3 )
[4593]1916          !$OMP PARALLEL  DO PRIVATE( i, j, k )
[4562]1917          DO  m = 1, surf%ns
1918             i = surf%i(m)
1919             j = surf%j(m)
1920             k = surf%k(m)
[2232]1921
[4562]1922             surf%mom_flux_uv(m) = kappa * ( flag_u * u(k,j,i) + flag_v * v(k,j,i) )  /            &
[4593]1923                                   surf%ln_z_z0(m)
[1691]1924
[4562]1925            surf%mom_flux_uv(m) = - surf%mom_flux_uv(m) * surf%us(m)
1926          ENDDO
1927       ENDIF
[1960]1928!
[4562]1929!--    Compute wsus l={0,1} and wsvs l={2,3}
1930       IF ( mom_w )  THEN
[4593]1931          !$OMP PARALLEL  DO PRIVATE( i, j, k )
[4562]1932          DO  m = 1, surf%ns
1933             i = surf%i(m)
1934             j = surf%j(m)
1935             k = surf%k(m)
[2232]1936
[4593]1937             surf%mom_flux_w(m) = kappa * w(k,j,i) / surf%ln_z_z0(m)
[2232]1938
[4562]1939             surf%mom_flux_w(m) = - surf%mom_flux_w(m) * surf%us(m)
1940          ENDDO
1941       ENDIF
[2232]1942!
[4562]1943!--    Compute momentum fluxes used for subgrid-scale TKE production at vertical surfaces. In
1944!--    constrast to the calculated momentum fluxes at vertical surfaces before, which are defined on
1945!--    the u/v/w-grid, respectively), the TKE fluxes are defined at the scalar grid.
1946!--
1947       IF ( mom_tke )  THEN
[2232]1948!
[4562]1949!--       Precalculate velocity components at scalar grid point.
1950          ALLOCATE( u_i(1:surf%ns) )
1951          ALLOCATE( v_i(1:surf%ns) )
1952          ALLOCATE( w_i(1:surf%ns) )
1953
1954          IF ( l == 0  .OR.  l == 1 )  THEN
1955             !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k )
1956             DO  m = 1, surf%ns
1957                i = surf%i(m)
[2232]1958                j = surf%j(m)
1959                k = surf%k(m)
[1691]1960
[4562]1961                u_i(m) = 0.5_wp * ( u(k,j,i) + u(k,j,i+1) )
1962                v_i(m) = 0.0_wp
1963                w_i(m) = 0.5_wp * ( w(k,j,i) + w(k-1,j,i) )
[2232]1964             ENDDO
[4562]1965          ELSE
1966             !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k )
1967             DO  m = 1, surf%ns
1968                i = surf%i(m)
[2232]1969                j = surf%j(m)
1970                k = surf%k(m)
1971
[4562]1972                u_i(m) = 0.0_wp
1973                v_i(m) = 0.5_wp * ( v(k,j,i) + v(k,j+1,i) )
1974                w_i(m) = 0.5_wp * ( w(k,j,i) + w(k-1,j,i) )
[1691]1975             ENDDO
[2232]1976          ENDIF
[1691]1977
[4593]1978          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, dum )
[4562]1979          DO  m = 1, surf%ns
1980             i = surf%i(m)
1981             j = surf%j(m)
[2232]1982
[4593]1983             dum = kappa / surf%ln_z_z0(m)
[1691]1984!
[4562]1985!--          usvs (l=0,1) and vsus (l=2,3)
1986             surf%mom_flux_tke(0,m) = dum * ( u_i(m) + v_i(m) )
[1691]1987!
[4562]1988!--          wsvs (l=0,1) and wsus (l=2,3)
1989             surf%mom_flux_tke(1,m) = dum * w_i(m)
[2232]1990
[4562]1991             surf%mom_flux_tke(0:1,m) = - surf%mom_flux_tke(0:1,m) * surf%us(m)
1992          ENDDO
[2232]1993!
[4562]1994!--       Deallocate temporary arrays
1995          DEALLOCATE( u_i )
1996          DEALLOCATE( v_i )
1997          DEALLOCATE( w_i )
[1691]1998       ENDIF
[4562]1999    ENDIF
[1691]2000
[4562]2001 END SUBROUTINE calc_surface_fluxes
[1691]2002
[4562]2003
2004!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
[3597]2005! Description:
2006! ------------
[4562]2007!> Calculates temperature near surface (10 cm) for indoor model or 2 m temperature for output.
2008!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
2009 SUBROUTINE calc_pt_near_surface ( z_char )
[1691]2010
[4562]2011    IMPLICIT NONE
[3597]2012
[4562]2013    CHARACTER(LEN = *), INTENT(IN) ::  z_char  !< string identifier to identify z level
[3597]2014
[4562]2015    INTEGER(iwp) ::  m  !< running index for surface elements
[3597]2016
[4562]2017    SELECT CASE ( z_char)
[3597]2018
[4562]2019       CASE ( '10cm' )
[4331]2020
[4562]2021          DO  m = 1, surf%ns
2022             surf%pt_10cm(m) = surf%pt_surface(m) + surf%ts(m) / kappa                             &
2023                               * ( LOG( 0.1_wp /  surf%z0h(m) ) - psi_h( 0.1_wp / surf%ol(m) )     &
2024                                   + psi_h( surf%z0h(m) / surf%ol(m) ) )
2025          ENDDO
[3597]2026
[4562]2027    END SELECT
[1691]2028
[4562]2029 END SUBROUTINE calc_pt_near_surface
[1691]2030
2031
[4562]2032!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
2033! Description:
2034! ------------
2035!> Integrated stability function for momentum.
2036!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
2037 FUNCTION psi_m( zeta )
2038    !$ACC ROUTINE SEQ
[1691]2039
[4562]2040    USE kinds
[1691]2041
[4562]2042    IMPLICIT NONE
[1691]2043
[4562]2044    REAL(wp) ::  psi_m  !< Integrated similarity function result
2045    REAL(wp) ::  zeta   !< Stability parameter z/L
2046    REAL(wp) ::  x      !< dummy variable
[1691]2047
[4562]2048    REAL(wp), PARAMETER ::  a = 1.0_wp            !< constant
2049    REAL(wp), PARAMETER ::  b = 0.66666666666_wp  !< constant
2050    REAL(wp), PARAMETER ::  c = 5.0_wp            !< constant
2051    REAL(wp), PARAMETER ::  d = 0.35_wp           !< constant
2052    REAL(wp), PARAMETER ::  c_d_d = c / d         !< constant
2053    REAL(wp), PARAMETER ::  bc_d_d = b * c / d    !< constant
[1691]2054
2055
[4562]2056    IF ( zeta < 0.0_wp )  THEN
2057       x = SQRT( SQRT( 1.0_wp  - 16.0_wp * zeta ) )
2058       psi_m = pi * 0.5_wp - 2.0_wp * ATAN( x ) + LOG( ( 1.0_wp + x )**2                           &
2059               * ( 1.0_wp + x**2 ) * 0.125_wp )
2060    ELSE
[1691]2061
[4562]2062       psi_m = - b * ( zeta - c_d_d ) * EXP( -d * zeta ) - a * zeta - bc_d_d
[1691]2063!
[4562]2064!--    Old version for stable conditions (only valid for z/L < 0.5) psi_m = - 5.0_wp * zeta
[1691]2065
[4562]2066    ENDIF
[1691]2067
[4562]2068 END FUNCTION psi_m
[1691]2069
2070
[4562]2071!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
2072! Description:
2073!------------
2074!> Integrated stability function for heat and moisture.
2075!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
2076 FUNCTION psi_h( zeta )
2077    !$ACC ROUTINE SEQ
[1691]2078
[4562]2079    USE kinds
2080
2081    IMPLICIT NONE
2082
2083    REAL(wp) ::  psi_h  !< Integrated similarity function result
2084    REAL(wp) ::  zeta   !< Stability parameter z/L
2085    REAL(wp) ::  x      !< dummy variable
2086
2087    REAL(wp), PARAMETER ::  a = 1.0_wp            !< constant
2088    REAL(wp), PARAMETER ::  b = 0.66666666666_wp  !< constant
2089    REAL(wp), PARAMETER ::  c = 5.0_wp            !< constant
2090    REAL(wp), PARAMETER ::  d = 0.35_wp           !< constant
2091    REAL(wp), PARAMETER ::  c_d_d = c / d         !< constant
2092    REAL(wp), PARAMETER ::  bc_d_d = b * c / d    !< constant
2093
2094
2095    IF ( zeta < 0.0_wp )  THEN
2096       x = SQRT( 1.0_wp  - 16.0_wp * zeta )
2097       psi_h = 2.0_wp * LOG( (1.0_wp + x ) / 2.0_wp )
2098    ELSE
2099       psi_h = - b * ( zeta - c_d_d ) * EXP( -d * zeta ) - (1.0_wp                                 &
2100               + 0.66666666666_wp * a * zeta )**1.5_wp - bc_d_d + 1.0_wp
[1691]2101!
[4562]2102!--    Old version for stable conditions (only valid for z/L < 0.5)
2103!--    psi_h = - 5.0_wp * zeta
2104    ENDIF
[1691]2105
[4562]2106 END FUNCTION psi_h
[1691]2107
[3130]2108
[4562]2109!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
[3130]2110! Description:
2111! ------------
2112!> Calculates stability function for momentum
2113!>
2114!> @author Hauke Wurps
[4562]2115!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
2116 FUNCTION phi_m( zeta )
2117    !$ACC ROUTINE SEQ
[3130]2118
[4562]2119    IMPLICIT NONE
2120
2121    REAL(wp) ::  phi_m  !< Value of the function
2122    REAL(wp) ::  zeta   !< Stability parameter z/L
2123
2124    REAL(wp), PARAMETER ::  a = 16.0_wp  !< constant
2125    REAL(wp), PARAMETER ::  c = 5.0_wp   !< constant
2126
2127    IF ( zeta < 0.0_wp )  THEN
2128       phi_m = 1.0_wp / SQRT( SQRT( 1.0_wp - a * zeta ) )
2129    ELSE
2130       phi_m = 1.0_wp + c * zeta
2131    ENDIF
2132
2133 END FUNCTION phi_m
2134
[1697]2135 END MODULE surface_layer_fluxes_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.