source: palm/trunk/SOURCE/surface_layer_fluxes_mod.f90 @ 4680

Last change on this file since 4680 was 4671, checked in by pavelkrc, 4 years ago

Radiative transfer model RTM version 4.1

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 82.2 KB
Line 
1!> @file surface_layer_fluxes_mod.f90
2!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
3! This file is part of the PALM model system.
4!
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.
8!
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.
12!
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/>.
15!
16! Copyright 1997-2020 Leibniz Universitaet Hannover
17!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
18!
19!
20! Current revisions:
21! -----------------
22!
23!
24! Former revisions:
25! -----------------
26! $Id: surface_layer_fluxes_mod.f90 4671 2020-09-09 20:27:58Z gronemeier $
27! Implementation of downward facing USM and LSM surfaces
28!
29! 4594 2020-07-09 15:01:00Z suehring
30! Include k index in OMP PRIVATE statements
31!
32! 4593 2020-07-09 12:48:18Z suehring
33! - Pre-calculate ln(z/z0) at each timestep in order to reduce the number of log-calculations
34! - Bugfix - add missing density to fluxes of passive-scalars, chemistry and cloud-phyiscal
35!   quantities at upward-facing surfaces
36! - Move if-statement out of inner loop
37! - Remove unnecessary index referencing
38!
39! 4562 2020-06-12 08:38:47Z raasch
40! File re-formatted to follow the PALM coding standard
41!
42! 4519 2020-05-05 17:33:30Z suehring
43! Add missing computation of passive scalar scaling parameter
44!
45! 4370 2020-01-10 14:00:44Z raasch
46! Bugfix: openacc porting for vector version of OL calculation added
47!
48! 4366 2020-01-09 08:12:43Z raasch
49! Vector version for calculation of Obukhov length via Newton iteration added
50!
51! 4360 2020-01-07 11:25:50Z suehring
52! Calculation of diagnostic-only 2-m potential temperature moved to diagnostic_output_quantities.
53!
54! 4298 2019-11-21 15:59:16Z suehring
55! Calculation of 2-m temperature adjusted to the case the 2-m level is above the first grid point.
56!
57! 4258 2019-10-07 13:29:08Z suehring
58! Initialization of Obukhov lenght also at vertical surfaces (if allocated).
59!
60! 4237 2019-09-25 11:33:42Z knoop
61! Added missing OpenMP directives
62!
63! 4186 2019-08-23 16:06:14Z suehring
64! - To enable limitation of Obukhov length, move it before exit-cycle construct.
65!   Further, change the limit to 10E-5 in order to get rid-off unrealistic peaks in the heat fluxes
66!   during nighttime
67! - Unused variable removed
68!
69! 4182 2019-08-22 15:20:23Z scharf
70! Corrected "Former revisions" section
71!
72! 3987 2019-05-22 09:52:13Z kanani
73! Introduce alternative switch for debug output during timestepping
74!
75! 3885 2019-04-11 11:29:34Z kanani
76! Changes related to global restructuring of location messages and introduction of additional debug
77! messages
78!
79! 3881 2019-04-10 09:31:22Z suehring
80! Assure that Obukhov length does not become zero
81!
82! 3834 2019-03-28 15:40:15Z forkel
83! Added USE chem_gasphase_mod
84!
85! 3787 2019-03-07 08:43:54Z raasch
86! Unused variables removed
87!
88! 3745 2019-02-15 18:57:56Z suehring
89! Bugfix, missing calculation of 10cm temperature at vertical building walls, required for indoor
90! model
91!
92! 3744 2019-02-15 18:38:58Z suehring
93! Some interface calls moved to module_interface + cleanup
94!
95! 3668 2019-01-14 12:49:24Z maronga
96! Removed methods "circular" and "lookup"
97!
98! 3655 2019-01-07 16:51:22Z knoop
99! OpenACC port for SPEC
100!
101! Revision 1.1  1998/01/23 10:06:06  raasch
102! Initial revision
103!
104!
105! Description:
106! ------------
107!> Diagnostic computation of vertical fluxes in the constant flux layer from the values of the
108!> variables at grid point k=1 based on Newton iteration.
109!>
110!> @todo (Re)move large_scale_forcing actions
111!> @todo Check/optimize OpenMP directives
112!> @todo Simplify if conditions (which flux need to be computed in which case)
113!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
114 MODULE surface_layer_fluxes_mod
115
116    USE arrays_3d,                                                                                 &
117        ONLY:  d_exner,                                                                            &
118               drho_air_zw,                                                                        &
119               e,                                                                                  &
120               kh,                                                                                 &
121               nc,                                                                                 &
122               nr,                                                                                 &
123               pt,                                                                                 &
124               q,                                                                                  &
125               ql,                                                                                 &
126               qc,                                                                                 &
127               qr,                                                                                 &
128               s,                                                                                  &
129               u,                                                                                  &
130               v,                                                                                  &
131               vpt,                                                                                &
132               w,                                                                                  &
133               zu,                                                                                 &
134               zw,                                                                                 &
135               rho_air_zw
136
137
138    USE basic_constants_and_equations_mod,                                                         &
139        ONLY:  g,                                                                                  &
140               kappa,                                                                              &
141               lv_d_cp,                                                                            &
142               pi,                                                                                 &
143               rd_d_rv
144
145    USE chem_gasphase_mod,                                                                         &
146        ONLY:  nvar
147
148    USE chem_modules,                                                                              &
149        ONLY:  constant_csflux
150
151    USE cpulog
152
153    USE control_parameters,                                                                        &
154        ONLY:  air_chemistry,                                                                      &
155               cloud_droplets,                                                                     &
156               constant_heatflux,                                                                  &
157               constant_scalarflux,                                                                &
158               constant_waterflux,                                                                 &
159               coupling_mode,                                                                      &
160               debug_output_timestep,                                                              &
161               humidity,                                                                           &
162               ibc_e_b,                                                                            &
163               ibc_pt_b,                                                                           &
164               indoor_model,                                                                       &
165               land_surface,                                                                       &
166               large_scale_forcing,                                                                &
167               loop_optimization,                                                                  &
168               lsf_surf,                                                                           &
169               message_string,                                                                     &
170               neutral,                                                                            &
171               passive_scalar,                                                                     &
172               pt_surface,                                                                         &
173               q_surface,                                                                          &
174               run_coupled,                                                                        &
175               surface_pressure,                                                                   &
176               simulated_time,                                                                     &
177               time_since_reference_point,                                                         &
178               urban_surface,                                                                      &
179               use_free_convection_scaling,                                                        &
180               zeta_max,                                                                           &
181               zeta_min
182
183    USE grid_variables,                                                                            &
184        ONLY:  dx,                                                                                 &
185               dy
186
187    USE indices,                                                                                   &
188        ONLY:  nzt
189
190    USE kinds
191
192    USE bulk_cloud_model_mod,                                                                      &
193        ONLY: bulk_cloud_model,                                                                    &
194              microphysics_morrison,                                                               &
195              microphysics_seifert
196
197    USE pegrid
198
199    USE land_surface_model_mod,                                                                    &
200        ONLY:  aero_resist_kray,                                                                   &
201               skip_time_do_lsm
202
203    USE surface_mod,                                                                               &
204        ONLY :  surf_def_h,                                                                        &
205                surf_def_v,                                                                        &
206                surf_lsm_h,                                                                        &
207                surf_lsm_v,                                                                        &
208                surf_type,                                                                         &
209                surf_usm_h,                                                                        &
210                surf_usm_v
211
212
213    IMPLICIT NONE
214
215    INTEGER(iwp) ::  i  !< loop index x direction
216    INTEGER(iwp) ::  j  !< loop index y direction
217    INTEGER(iwp) ::  k  !< loop index z direction
218    INTEGER(iwp) ::  l  !< loop index for surf type
219
220    LOGICAL ::  coupled_run         !< Flag for coupled atmosphere-ocean runs
221    LOGICAL ::  downward = .FALSE.  !< Flag indicating downward-facing horizontal surface
222    LOGICAL ::  mom_uv   = .FALSE.  !< Flag indicating calculation of usvs and vsus at vertical surfaces
223    LOGICAL ::  mom_w    = .FALSE.  !< Flag indicating calculation of wsus and wsvs at vertical surfaces
224    LOGICAL ::  mom_tke  = .FALSE.  !< Flag indicating calculation of momentum fluxes at vertical surfaces used for TKE production
225    LOGICAL ::  surf_vertical       !< Flag indicating vertical surfaces
226
227    REAL(wp) :: e_s                !< Saturation water vapor pressure
228    REAL(wp) :: ol_max = 1.0E6_wp  !< Maximum Obukhov length
229    REAL(wp) :: z_mo               !< Height of the constant flux layer where MOST is assumed
230
231    TYPE(surf_type), POINTER ::  surf  !< surf-type array, used to generalize subroutines
232
233
234    SAVE
235
236    PRIVATE
237
238    PUBLIC init_surface_layer_fluxes,                                                              &
239           phi_m,                                                                                  &
240           psi_h,                                                                                  &
241           psi_m,                                                                                  &
242           surface_layer_fluxes
243
244    INTERFACE init_surface_layer_fluxes
245       MODULE PROCEDURE init_surface_layer_fluxes
246    END INTERFACE init_surface_layer_fluxes
247
248    INTERFACE phi_m
249       MODULE PROCEDURE phi_m
250    END INTERFACE phi_m
251
252    INTERFACE psi_h
253       MODULE PROCEDURE psi_h
254    END INTERFACE psi_h
255
256    INTERFACE psi_m
257       MODULE PROCEDURE psi_m
258    END INTERFACE psi_m
259
260    INTERFACE surface_layer_fluxes
261       MODULE PROCEDURE surface_layer_fluxes
262    END INTERFACE surface_layer_fluxes
263
264
265 CONTAINS
266
267
268!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
269! Description:
270! ------------
271!> Main routine to compute the surface fluxes.
272!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
273 SUBROUTINE surface_layer_fluxes
274
275    IMPLICIT NONE
276
277
278    IF ( debug_output_timestep )  CALL debug_message( 'surface_layer_fluxes', 'start' )
279
280    surf_vertical = .FALSE. !< flag indicating vertically orientated surface elements
281    downward      = .FALSE. !< flag indicating downward-facing surface elements
282!
283!-- First, precalculate ln(z/z0) for all surfaces. This is done each timestep, in order to account
284!-- for time-dependent roughness or user-modifications.
285    DO  l = 0, 1
286       IF ( surf_def_h(l)%ns >= 1 )  THEN
287          surf => surf_def_h(l)
288          CALL calc_ln
289       ENDIF
290       IF ( surf_lsm_h(l)%ns >= 1 )  THEN
291          surf => surf_lsm_h(l)
292          CALL calc_ln
293       ENDIF
294       IF ( surf_usm_h(l)%ns >= 1 )  THEN
295          surf => surf_usm_h(l)
296          CALL calc_ln
297       ENDIF
298    ENDDO
299
300    DO  l = 0, 3
301       IF ( surf_def_v(l)%ns >= 1 )  THEN
302          surf => surf_def_v(l)
303          CALL calc_ln
304       ENDIF
305       IF ( surf_lsm_v(l)%ns >= 1 )  THEN
306          surf => surf_lsm_v(l)
307          CALL calc_ln
308       ENDIF
309       IF ( surf_usm_v(l)%ns >= 1 )  THEN
310          surf => surf_usm_v(l)
311          CALL calc_ln
312       ENDIF
313    ENDDO
314!
315!-- Derive potential temperature and specific humidity at first grid level from the fields pt and q
316    DO  l = 0, 1
317!--    First call for horizontal default-type surfaces (l=0 - upward facing, l=1 - downward facing)
318       IF ( surf_def_h(l)%ns >= 1  )  THEN
319          surf => surf_def_h(l)
320          CALL calc_pt_q
321          IF ( .NOT. neutral )  THEN
322             CALL calc_pt_surface
323             IF ( humidity )  THEN
324                CALL calc_q_surface
325                CALL calc_vpt_surface
326             ENDIF
327          ENDIF
328       ENDIF
329!
330!--    Call for natural-type horizontal surfaces
331       IF ( surf_lsm_h(l)%ns >= 1  )  THEN
332          surf => surf_lsm_h(l)
333          CALL calc_pt_q
334       ENDIF
335!
336!--    Call for urban-type horizontal surfaces
337       IF ( surf_usm_h(l)%ns >= 1  )  THEN
338          surf => surf_usm_h(l)
339          CALL calc_pt_q
340       ENDIF
341    ENDDO
342!
343!-- Call for natural-type vertical surfaces
344    DO  l = 0, 3
345       IF ( surf_lsm_v(l)%ns >= 1  )  THEN
346          surf => surf_lsm_v(l)
347          CALL calc_pt_q
348       ENDIF
349
350!--    Call for urban-type vertical surfaces
351       IF ( surf_usm_v(l)%ns >= 1  )  THEN
352          surf => surf_usm_v(l)
353          CALL calc_pt_q
354       ENDIF
355    ENDDO
356
357!
358!-- First, calculate the new Obukhov length from precalculated values of log(z/z0) and wind speeds.
359!-- As a second step, then calculate new friction velocity, followed by the new scaling
360!-- parameters (th*, q*, etc.), and the new surface fluxes, if required. Note, each routine is called
361!-- for different surface types. First call for default-type horizontal surfaces, for natural- and
362!-- urban-type surfaces. Note, here only upward-facing horizontal surfaces are treated.
363!-- Note, calculation of log(z/z0) is redone each timestep, in order to account for time-dependent
364!-- values.
365!-- Start with default-type upward-facing horizontal surfaces
366    IF ( surf_def_h(0)%ns >= 1 )  THEN
367       surf => surf_def_h(0)
368       CALL calc_uvw_abs
369       IF ( .NOT. neutral )  CALL calc_ol
370       CALL calc_us
371       CALL calc_scaling_parameters
372       CALL calc_surface_fluxes
373    ENDIF
374!
375!-- Natural-type horizontal surfaces
376    IF ( surf_lsm_h(0)%ns >= 1 )  THEN
377       surf => surf_lsm_h(0)
378       CALL calc_uvw_abs
379       IF ( .NOT. neutral )  CALL calc_ol
380       CALL calc_us
381       CALL calc_scaling_parameters
382       CALL calc_surface_fluxes
383    ENDIF
384!
385!-- Urban-type horizontal surfaces
386    IF ( surf_usm_h(0)%ns >= 1 )  THEN
387       surf => surf_usm_h(0)
388       CALL calc_uvw_abs
389       IF ( .NOT. neutral )  CALL calc_ol
390       CALL calc_us
391       CALL calc_scaling_parameters
392       CALL calc_surface_fluxes
393!
394!--    Calculate 10cm temperature, required in indoor model
395       IF ( indoor_model )  CALL calc_pt_near_surface ( '10cm' )
396    ENDIF
397
398!
399!-- Treat downward-facing horizontal surfaces.
400!-- Stratification is not considered in this case, hence, no further distinction between different
401!-- most_method is required.
402    downward = .TRUE.
403!-- Default type.
404    IF ( surf_def_h(1)%ns >= 1 )  THEN
405       surf => surf_def_h(1)
406       CALL calc_uvw_abs
407       CALL calc_us
408       CALL calc_surface_fluxes
409    ENDIF
410!-- Natural surface type.
411    IF ( surf_lsm_h(1)%ns >= 1 )  THEN
412       surf => surf_lsm_h(1)
413       CALL calc_uvw_abs
414       CALL calc_us
415       CALL calc_surface_fluxes
416    ENDIF
417!-- Urban surface type.
418    IF ( surf_usm_h(1)%ns >= 1 )  THEN
419       surf => surf_usm_h(1)
420       CALL calc_uvw_abs
421       CALL calc_us
422       CALL calc_surface_fluxes
423    ENDIF
424    downward = .FALSE.
425!
426!-- Calculate surfaces fluxes at vertical surfaces for momentum and subgrid-scale TKE. No stability
427!-- is considered. Therefore, scaling parameters and Obukhov length do not need to be calculated and
428!-- no distinction in 'circular', 'Newton' or 'lookup' is necessary so far. Note, this will change
429!-- if stability is once considered.
430    surf_vertical = .TRUE.
431!
432!-- Calculate horizontal momentum fluxes at north- and south-facing surfaces(usvs).
433!-- For default-type surfaces
434    mom_uv = .TRUE.
435    DO  l = 0, 1
436       IF ( surf_def_v(l)%ns >= 1 )  THEN
437          surf => surf_def_v(l)
438!
439!--       Compute surface-parallel velocity
440          CALL calc_uvw_abs_v_ugrid
441!
442!--       Compute respective friction velocity on staggered grid
443          CALL calc_us
444!
445!--       Compute respective surface fluxes for momentum and TKE
446          CALL calc_surface_fluxes
447       ENDIF
448    ENDDO
449!
450!-- For natural-type surfaces. Please note, even though stability is not considered for the
451!-- calculation of momentum fluxes at vertical surfaces, scaling parameters and Obukhov length are
452!-- calculated nevertheless in this case. This is due to the requirement of ts in parameterization
453!-- of heat flux in land-surface model in case that aero_resist_kray is not true.
454    IF ( .NOT. aero_resist_kray )  THEN
455       DO  l = 0, 1
456          IF ( surf_lsm_v(l)%ns >= 1 )  THEN
457             surf => surf_lsm_v(l)
458!
459!--          Compute surface-parallel velocity
460             CALL calc_uvw_abs_v_ugrid
461!
462!--          Compute Obukhov length
463             IF ( .NOT. neutral )  CALL calc_ol
464!
465!--          Compute respective friction velocity on staggered grid
466             CALL calc_us
467!
468!--          Compute scaling parameters
469             CALL calc_scaling_parameters
470!
471!--          Compute respective surface fluxes for momentum and TKE
472             CALL calc_surface_fluxes
473          ENDIF
474       ENDDO
475!
476!-- No ts is required, so scaling parameters and Obukhov length do not need to be computed.
477    ELSE
478       DO  l = 0, 1
479          IF ( surf_lsm_v(l)%ns >= 1 )  THEN
480             surf => surf_lsm_v(l)
481!
482!--          Compute surface-parallel velocity
483             CALL calc_uvw_abs_v_ugrid
484!
485!--          Compute respective friction velocity on staggered grid
486             CALL calc_us
487!
488!--          Compute respective surface fluxes for momentum and TKE
489             CALL calc_surface_fluxes
490          ENDIF
491       ENDDO
492    ENDIF
493!
494!-- For urban-type surfaces
495    DO  l = 0, 1
496       IF ( surf_usm_v(l)%ns >= 1 )  THEN
497          surf => surf_usm_v(l)
498!
499!--       Compute surface-parallel velocity
500          CALL calc_uvw_abs_v_ugrid
501!
502!--       Compute respective friction velocity on staggered grid
503          CALL calc_us
504!
505!--       Compute respective surface fluxes for momentum and TKE
506          CALL calc_surface_fluxes
507!
508!--       Calculate 10cm temperature, required in indoor model
509          IF ( indoor_model )  CALL calc_pt_near_surface ( '10cm' )
510       ENDIF
511    ENDDO
512!
513!-- Calculate horizontal momentum fluxes at east- and west-facing surfaces (vsus).
514!-- For default-type surfaces
515    DO  l = 2, 3
516       IF ( surf_def_v(l)%ns >= 1  )  THEN
517          surf => surf_def_v(l)
518!
519!--       Compute surface-parallel velocity
520          CALL calc_uvw_abs_v_vgrid
521!
522!--       Compute respective friction velocity on staggered grid
523          CALL calc_us
524!
525!--       Compute respective surface fluxes for momentum and TKE
526          CALL calc_surface_fluxes
527       ENDIF
528    ENDDO
529!
530!-- For natural-type surfaces. Please note, even though stability is not considered for the
531!-- calculation of momentum fluxes at vertical surfaces, scaling parameters and Obukov length are
532!-- calculated nevertheless in this case. This is due to the requirement of ts in parameterization
533!-- of heat flux in land-surface model in case that aero_resist_kray is not true.
534    IF ( .NOT. aero_resist_kray )  THEN
535       DO  l = 2, 3
536          IF ( surf_lsm_v(l)%ns >= 1 )  THEN
537             surf => surf_lsm_v(l)
538!
539!--          Compute surface-parallel velocity
540             CALL calc_uvw_abs_v_vgrid
541!
542!--          Compute Obukhov length
543             IF ( .NOT. neutral )  CALL calc_ol
544!
545!--          Compute respective friction velocity on staggered grid
546             CALL calc_us
547!
548!--          Compute scaling parameters
549             CALL calc_scaling_parameters
550!
551!--          Compute respective surface fluxes for momentum and TKE
552             CALL calc_surface_fluxes
553          ENDIF
554       ENDDO
555    ELSE
556       DO  l = 2, 3
557          IF ( surf_lsm_v(l)%ns >= 1 )  THEN
558             surf => surf_lsm_v(l)
559!
560!--          Compute surface-parallel velocity
561             CALL calc_uvw_abs_v_vgrid
562!
563!--          Compute respective friction velocity on staggered grid
564             CALL calc_us
565!
566!--          Compute respective surface fluxes for momentum and TKE
567             CALL calc_surface_fluxes
568          ENDIF
569       ENDDO
570    ENDIF
571!
572!-- For urban-type surfaces
573    DO  l = 2, 3
574       IF ( surf_usm_v(l)%ns >= 1 )  THEN
575          surf => surf_usm_v(l)
576!
577!--       Compute surface-parallel velocity
578          CALL calc_uvw_abs_v_vgrid
579!
580!--       Compute respective friction velocity on staggered grid
581          CALL calc_us
582!
583!--       Compute respective surface fluxes for momentum and TKE
584          CALL calc_surface_fluxes
585!
586!--       Calculate 10cm temperature, required in indoor model
587          IF ( indoor_model )  CALL calc_pt_near_surface ( '10cm' )
588       ENDIF
589    ENDDO
590    mom_uv = .FALSE.
591!
592!-- Calculate horizontal momentum fluxes of w (wsus and wsvs) at vertial surfaces.
593    mom_w = .TRUE.
594!
595!-- Default-type surfaces
596    DO  l = 0, 3
597       IF ( surf_def_v(l)%ns >= 1 )  THEN
598          surf => surf_def_v(l)
599          CALL calc_uvw_abs_v_wgrid
600          CALL calc_us
601          CALL calc_surface_fluxes
602       ENDIF
603    ENDDO
604!
605!-- Natural-type surfaces
606    DO  l = 0, 3
607       IF ( surf_lsm_v(l)%ns >= 1 )  THEN
608          surf => surf_lsm_v(l)
609          CALL calc_uvw_abs_v_wgrid
610          CALL calc_us
611          CALL calc_surface_fluxes
612       ENDIF
613    ENDDO
614!
615!-- Urban-type surfaces
616    DO  l = 0, 3
617       IF ( surf_usm_v(l)%ns >= 1 )  THEN
618          surf => surf_usm_v(l)
619          CALL calc_uvw_abs_v_wgrid
620          CALL calc_us
621          CALL calc_surface_fluxes
622       ENDIF
623    ENDDO
624    mom_w = .FALSE.
625!
626!-- Calculate momentum fluxes usvs, vsus, wsus and wsvs at vertical surfaces for TKE production.
627!-- Note, here, momentum fluxes are defined at grid center and are not staggered as before.
628    mom_tke = .TRUE.
629!
630!-- Default-type surfaces
631    DO  l = 0, 3
632       IF ( surf_def_v(l)%ns >= 1 )  THEN
633          surf => surf_def_v(l)
634          CALL calc_uvw_abs_v_sgrid
635          CALL calc_us
636          CALL calc_surface_fluxes
637       ENDIF
638    ENDDO
639!
640!-- Natural-type surfaces
641    DO  l = 0, 3
642       IF ( surf_lsm_v(l)%ns >= 1 )  THEN
643          surf => surf_lsm_v(l)
644          CALL calc_uvw_abs_v_sgrid
645          CALL calc_us
646          CALL calc_surface_fluxes
647       ENDIF
648    ENDDO
649!
650!-- Urban-type surfaces
651    DO  l = 0, 3
652       IF ( surf_usm_v(l)%ns >= 1 )  THEN
653          surf => surf_usm_v(l)
654          CALL calc_uvw_abs_v_sgrid
655          CALL calc_us
656          CALL calc_surface_fluxes
657       ENDIF
658    ENDDO
659    mom_tke = .FALSE.
660
661    IF ( debug_output_timestep )  CALL debug_message( 'surface_layer_fluxes', 'end' )
662
663 END SUBROUTINE surface_layer_fluxes
664
665
666!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
667! Description:
668! ------------
669!> Initializing actions for the surface layer routine.
670!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
671 SUBROUTINE init_surface_layer_fluxes
672
673    IMPLICIT NONE
674
675    INTEGER(iwp) ::  l  !< running index for vertical surface orientation
676
677    CALL location_message( 'initializing surface layer', 'start' )
678
679!
680!-- In case of runs with neutral statification, set Obukhov length to a large value
681    IF ( neutral )  THEN
682       DO  l = 0, 1
683          IF ( surf_def_h(l)%ns >= 1  .AND.                                                        &
684               ALLOCATED( surf_def_h(l)%ol ) )  surf_def_h(l)%ol = 1.0E10_wp
685          IF ( surf_lsm_h(l)%ns    >= 1  .AND.                                                     &
686               ALLOCATED( surf_lsm_h(l)%ol ) )  surf_lsm_h(l)%ol = 1.0E10_wp
687          IF ( surf_usm_h(l)%ns    >= 1  .AND.                                                     &
688               ALLOCATED( surf_usm_h(l)%ol ) )  surf_usm_h(l)%ol = 1.0E10_wp
689       ENDDO
690       DO  l = 0, 3
691          IF ( surf_def_v(l)%ns >= 1  .AND.                                                        &
692               ALLOCATED( surf_def_v(l)%ol ) )  surf_def_v(l)%ol = 1.0E10_wp
693          IF ( surf_lsm_v(l)%ns >= 1  .AND.                                                        &
694               ALLOCATED( surf_lsm_v(l)%ol ) )  surf_lsm_v(l)%ol = 1.0E10_wp
695          IF ( surf_usm_v(l)%ns >= 1  .AND.                                                        &
696               ALLOCATED( surf_usm_v(l)%ol ) )  surf_usm_v(l)%ol = 1.0E10_wp
697       ENDDO
698
699    ENDIF
700
701    CALL location_message( 'initializing surface layer', 'finished' )
702
703 END SUBROUTINE init_surface_layer_fluxes
704
705
706!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
707! Description:
708! ------------
709!> Compute ln(z/z0).
710!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
711 SUBROUTINE calc_ln
712
713    INTEGER(iwp) ::  m     !< running index surface elements
714
715!
716!-- Note, ln(z/z0h) and ln(z/z0q) is also calculated even if neural simulations are applied.
717!-- This is because the scalar coefficients are also used for other scalars such as passive scalars,
718!-- chemistry and aerosols.
719    !$OMP PARALLEL  DO PRIVATE( z_mo )
720    !$ACC PARALLEL LOOP PRIVATE(z_mo) &
721    !$ACC PRESENT(surf)
722    DO  m = 1, surf%ns
723       z_mo = surf%z_mo(m)
724       surf%ln_z_z0(m)  = LOG( z_mo / surf%z0(m) )
725       surf%ln_z_z0h(m) = LOG( z_mo / surf%z0h(m) )
726       surf%ln_z_z0q(m) = LOG( z_mo / surf%z0q(m) )
727    ENDDO
728
729 END SUBROUTINE calc_ln
730 
731!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
732! Description:
733! ------------
734!> Compute the absolute value of the horizontal velocity (relative to the surface) for horizontal
735!> surface elements. This is required by all methods.
736!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
737 SUBROUTINE calc_uvw_abs
738
739    IMPLICIT NONE
740
741    INTEGER(iwp) ::  i     !< running index x direction
742    INTEGER(iwp) ::  ibit  !< flag to mask computation of relative velocity in case of downward-facing surfaces
743    INTEGER(iwp) ::  j     !< running index y direction
744    INTEGER(iwp) ::  k     !< running index z direction
745    INTEGER(iwp) ::  m     !< running index surface elements
746
747    REAL(wp) ::  w_lfc  !< local free convection velocity scale
748!
749!-- ibit is 1 for upward-facing surfaces, zero for downward-facing surfaces.
750    ibit = MERGE( 1, 0, .NOT. downward )
751
752    IF ( use_free_convection_scaling )  THEN
753       !$OMP PARALLEL DO PRIVATE(i, j, k, w_lfc)
754       !$ACC PARALLEL LOOP PRIVATE(i, j, k, w_lfc) &
755       !$ACC PRESENT(surf, u, v)
756       DO  m = 1, surf%ns
757          i   = surf%i(m)
758          j   = surf%j(m)
759          k   = surf%k(m)
760
761!
762!--       Calculate free convection velocity scale w_lfc is use_free_convection_scaling = .T.. This
763!--       will maintain a horizontal velocity even for very weak wind convective conditions. SIGN is
764!--       used to set w_lfc to zero under stable conditions.
765          w_lfc = ABS(g / surf%pt1(m) * surf%z_mo(m) * surf%shf(m))
766          w_lfc = ( 0.5_wp * ( w_lfc + SIGN(w_lfc,surf%shf(m)) ) )**(0.33333_wp)
767!
768!--       Compute the absolute value of the horizontal velocity. (relative to the surface in case the
769!--       lower surface is the ocean). Please note, in new surface modelling concept the index values
770!--       changed, i.e. the reference grid point is not the surface-grid point itself but the first
771!--       grid point outside of the topography. Note, in case of coupled ocean-atmosphere simulations
772!--       relative velocity with respect to the ocean surface is used, hence, (k-1,j,i) values are used
773!--       to calculate the absolute velocity. However, this does not apply for downward-facing walls.
774!--       To mask this, use ibit, which checks for upward/downward-facing surfaces.
775          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)  &
776                                                                       ) * ibit )                   &
777                                  )**2                                                              &
778                                + ( 0.5_wp * ( v(k,j,i) + v(k,j+1,i) - ( v(k-1,j,i) + v(k-1,j+1,i)  &
779                                                                       ) * ibit )                   &
780                                  )**2  + w_lfc**2 )
781       ENDDO
782    ELSE
783       !$OMP PARALLEL DO PRIVATE(i, j, k)
784       !$ACC PARALLEL LOOP PRIVATE(i, j, k) &
785       !$ACC PRESENT(surf, u, v)
786       DO  m = 1, surf%ns
787          i   = surf%i(m)
788          j   = surf%j(m)
789          k   = surf%k(m)
790!
791!--       Compute the absolute value of the horizontal velocity. (relative to the surface in case the
792!--       lower surface is the ocean). Please note, in new surface modelling concept the index values
793!--       changed, i.e. the reference grid point is not the surface-grid point itself but the first
794!--       grid point outside of the topography. Note, in case of coupled ocean-atmosphere simulations
795!--       relative velocity with respect to the ocean surface is used, hence, (k-1,j,i) values are used
796!--       to calculate the absolute velocity. However, this does not apply for downward-facing walls.
797!--       To mask this, use ibit, which checks for upward/downward-facing surfaces.
798          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)  &
799                                                                       ) * ibit )                   &
800                                  )**2                                                              &
801                                + ( 0.5_wp * ( v(k,j,i) + v(k,j+1,i) - ( v(k-1,j,i) + v(k-1,j+1,i)  &
802                                                                       ) * ibit )                   &
803                                  )**2 )
804       ENDDO
805    ENDIF
806
807 END SUBROUTINE calc_uvw_abs
808
809
810!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
811! Description:
812! ------------
813!> Compute the absolute value of the horizontal velocity (relative to the surface) for horizontal
814!> surface elements. This is required by all methods.
815!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
816 SUBROUTINE calc_uvw_abs_v_ugrid
817
818    IMPLICIT NONE
819
820    INTEGER(iwp) ::  i    !< running index x direction
821    INTEGER(iwp) ::  j    !< running index y direction
822    INTEGER(iwp) ::  k    !< running index z direction
823    INTEGER(iwp) ::  m    !< running index surface elements
824
825    REAL(wp) ::  u_i  !< u-component on xu-grid
826    REAL(wp) ::  w_i  !< w-component on xu-grid
827
828
829    DO  m = 1, surf%ns
830       i   = surf%i(m)
831       j   = surf%j(m)
832       k   = surf%k(m)
833!
834!--    Compute the absolute value of the surface parallel velocity on u-grid.
835       u_i  = u(k,j,i)
836       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) )
837
838       surf%uvw_abs(m) = SQRT( u_i**2 + w_i**2 )
839    ENDDO
840
841 END SUBROUTINE calc_uvw_abs_v_ugrid
842
843!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
844! Description:
845! ------------
846!> Compute the absolute value of the horizontal velocity (relative to the surface) for horizontal
847!> surface elements. This is required by all methods.
848!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
849 SUBROUTINE calc_uvw_abs_v_vgrid
850
851    IMPLICIT NONE
852
853    INTEGER(iwp) ::  i  !< running index x direction
854    INTEGER(iwp) ::  j  !< running index y direction
855    INTEGER(iwp) ::  k  !< running index z direction
856    INTEGER(iwp) ::  m  !< running index surface elements
857
858    REAL(wp) ::  v_i  !< v-component on yv-grid
859    REAL(wp) ::  w_i  !< w-component on yv-grid
860
861
862    DO  m = 1, surf%ns
863       i = surf%i(m)
864       j = surf%j(m)
865       k = surf%k(m)
866
867       v_i = u(k,j,i)
868       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) )
869
870       surf%uvw_abs(m) = SQRT( v_i**2 + w_i**2 )
871    ENDDO
872
873 END SUBROUTINE calc_uvw_abs_v_vgrid
874
875!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
876! Description:
877! ------------
878!> Compute the absolute value of the horizontal velocity (relative to the surface) for horizontal
879!> surface elements. This is required by all methods.
880!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
881 SUBROUTINE calc_uvw_abs_v_wgrid
882
883    IMPLICIT NONE
884
885    INTEGER(iwp) ::  i   !< running index x direction
886    INTEGER(iwp) ::  j   !< running index y direction
887    INTEGER(iwp) ::  k   !< running index z direction
888    INTEGER(iwp) ::  m   !< running index surface elements
889
890    REAL(wp) ::  u_i  !< u-component on x-zw-grid
891    REAL(wp) ::  v_i  !< v-component on y-zw-grid
892    REAL(wp) ::  w_i  !< w-component on zw-grid
893!
894!-- North- (l=0) and south-facing (l=1) surfaces
895    IF ( l == 0  .OR.  l == 1 )  THEN
896       DO  m = 1, surf%ns
897          i   = surf%i(m)
898          j   = surf%j(m)
899          k   = surf%k(m)
900
901          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) )
902          v_i  = 0.0_wp
903          w_i  = w(k,j,i)
904
905          surf%uvw_abs(m) = SQRT( u_i**2 + v_i**2 + w_i**2 )
906       ENDDO
907!
908!-- East- (l=2) and west-facing (l=3) surfaces
909    ELSE
910       DO  m = 1, surf%ns
911          i   = surf%i(m)
912          j   = surf%j(m)
913          k   = surf%k(m)
914
915          u_i  = 0.0_wp
916          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) )
917          w_i  = w(k,j,i)
918
919          surf%uvw_abs(m) = SQRT( u_i**2 + v_i**2 + w_i**2 )
920       ENDDO
921    ENDIF
922
923 END SUBROUTINE calc_uvw_abs_v_wgrid
924
925!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
926! Description:
927! ------------
928!> Compute the absolute value of the horizontal velocity (relative to the surface) for horizontal
929!> surface elements. This is required by all methods.
930!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
931 SUBROUTINE calc_uvw_abs_v_sgrid
932
933    IMPLICIT NONE
934
935    INTEGER(iwp) ::  i  !< running index x direction
936    INTEGER(iwp) ::  j  !< running index y direction
937    INTEGER(iwp) ::  k  !< running index z direction
938    INTEGER(iwp) ::  m  !< running index surface elements
939
940    REAL(wp) ::  u_i  !< u-component on scalar grid
941    REAL(wp) ::  v_i  !< v-component on scalar grid
942    REAL(wp) ::  w_i  !< w-component on scalar grid
943
944!
945!-- North- (l=0) and south-facing (l=1) walls
946    IF ( l == 0  .OR.  l == 1 )  THEN
947       DO  m = 1, surf%ns
948          i   = surf%i(m)
949          j   = surf%j(m)
950          k   = surf%k(m)
951
952          u_i = 0.5_wp * ( u(k,j,i) + u(k,j,i+1) )
953          v_i = 0.0_wp
954          w_i = 0.5_wp * ( w(k,j,i) + w(k-1,j,i) )
955
956          surf%uvw_abs(m) = SQRT( u_i**2 + v_i**2 + w_i**2 )
957       ENDDO
958!
959!-- East- (l=2) and west-facing (l=3) walls
960    ELSE
961       DO  m = 1, surf%ns
962          i   = surf%i(m)
963          j   = surf%j(m)
964          k   = surf%k(m)
965
966          u_i = 0.0_wp
967          v_i = 0.5_wp * ( v(k,j,i) + v(k,j+1,i) )
968          w_i = 0.5_wp * ( w(k,j,i) + w(k-1,j,i) )
969
970          surf%uvw_abs(m) = SQRT( u_i**2 + v_i**2 + w_i**2 )
971       ENDDO
972    ENDIF
973
974 END SUBROUTINE calc_uvw_abs_v_sgrid
975
976
977!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
978! Description:
979! ------------
980!> Calculate the Obukhov length (L) and Richardson flux number (z/L)
981!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
982 SUBROUTINE calc_ol
983
984    IMPLICIT NONE
985
986    INTEGER(iwp) ::  iter  !< Newton iteration step
987    INTEGER(iwp) ::  m     !< loop variable over all horizontal wall elements
988
989    LOGICAL, DIMENSION(surf%ns) ::  convergence_reached  !< convergence switch for vectorization
990    !$ACC DECLARE CREATE( convergence_reached )
991
992    REAL(wp) ::  f       !< Function for Newton iteration: f = Ri - [...]/[...]^2 = 0
993    REAL(wp) ::  f_d_ol  !< Derivative of f
994    REAL(wp) ::  ol_l    !< Lower bound of L for Newton iteration
995    REAL(wp) ::  ol_m    !< Previous value of L for Newton iteration
996    REAL(wp) ::  ol_old  !< Previous time step value of L
997    REAL(wp) ::  ol_u    !< Upper bound of L for Newton iteration
998
999    REAL(wp), DIMENSION(surf%ns) ::  ol_old_vec  !< temporary array required for vectorization
1000    REAL(wp), DIMENSION(surf%ns) ::  z_mo_vec    !< temporary array required for vectorization
1001    !$ACC DECLARE CREATE( ol_old_vec, z_mo_vec )
1002
1003!
1004!-- Evaluate bulk Richardson number (calculation depends on definition based on setting of boundary
1005!-- conditions)
1006    IF ( ibc_pt_b /= 1 )  THEN
1007       IF ( humidity )  THEN
1008          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( z_mo )
1009          DO  m = 1, surf%ns
1010             z_mo = surf%z_mo(m)
1011             surf%rib(m) = g * z_mo * ( surf%vpt1(m) - surf%vpt_surface(m) ) /                     &
1012                           ( surf%uvw_abs(m)**2 * surf%vpt1(m) + 1.0E-20_wp )
1013          ENDDO
1014       ELSE
1015          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( z_mo )
1016          DO  m = 1, surf%ns
1017             z_mo = surf%z_mo(m)
1018             surf%rib(m) = g * z_mo * ( surf%pt1(m) - surf%pt_surface(m) ) /                       &
1019                           ( surf%uvw_abs(m)**2 * surf%pt1(m) + 1.0E-20_wp )
1020          ENDDO
1021       ENDIF
1022    ELSE
1023       IF ( humidity )  THEN
1024          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( k, z_mo )
1025          DO  m = 1, surf%ns
1026             k = surf%k(m)
1027             z_mo = surf%z_mo(m)
1028             surf%rib(m) = - g * z_mo * ( ( 1.0_wp + 0.61_wp * surf%qv1(m) ) *                     &
1029                           surf%shf(m) + 0.61_wp * surf%pt1(m) * surf%qsws(m) ) *                  &
1030                           drho_air_zw(k-1) / ( surf%uvw_abs(m)**3 * surf%vpt1(m) * kappa**2       &
1031                           + 1.0E-20_wp )
1032          ENDDO
1033       ELSE
1034          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( k, z_mo )
1035          !$ACC PARALLEL LOOP PRIVATE(k, z_mo) &
1036          !$ACC PRESENT(surf, drho_air_zw)
1037          DO  m = 1, surf%ns
1038             k = surf%k(m)
1039             z_mo = surf%z_mo(m)
1040             surf%rib(m) = - g * z_mo * surf%shf(m) * drho_air_zw(k-1) /                           &
1041                           ( surf%uvw_abs(m)**3 * surf%pt1(m) * kappa**2 + 1.0E-20_wp )
1042          ENDDO
1043       ENDIF
1044    ENDIF
1045
1046    IF ( loop_optimization == 'cache' )  THEN
1047!
1048!--    Calculate the Obukhov length using Newton iteration
1049       !$OMP PARALLEL DO PRIVATE(i, j, z_mo) &
1050       !$OMP PRIVATE(ol_old, ol_m, ol_l, ol_u, f, f_d_ol)
1051       !$ACC PARALLEL LOOP PRIVATE(i, j, z_mo) &
1052       !$ACC PRIVATE(ol_old, ol_m, ol_l, ol_u, f, f_d_ol) &
1053       !$ACC PRESENT(surf)
1054       DO  m = 1, surf%ns
1055          i   = surf%i(m)
1056          j   = surf%j(m)
1057
1058          z_mo = surf%z_mo(m)
1059
1060!
1061!--       Store current value in case the Newton iteration fails
1062          ol_old = surf%ol(m)
1063
1064!
1065!--       Ensure that the bulk Richardson number and the Obukhov length have the same sign
1066          IF ( surf%rib(m) * surf%ol(m) < 0.0_wp  .OR.  ABS( surf%ol(m) ) == ol_max )  THEN
1067             IF ( surf%rib(m) > 1.0_wp ) surf%ol(m) =  0.01_wp
1068             IF ( surf%rib(m) < 0.0_wp ) surf%ol(m) = -0.01_wp
1069          ENDIF
1070!
1071!--       Iteration to find Obukhov length
1072          iter = 0
1073          DO
1074             iter = iter + 1
1075!
1076!--          In case of divergence, use the value of the previous time step
1077             IF ( iter > 1000 )  THEN
1078                surf%ol(m) = ol_old
1079                EXIT
1080             ENDIF
1081
1082             ol_m = surf%ol(m)
1083             ol_l = ol_m - 0.001_wp * ol_m
1084             ol_u = ol_m + 0.001_wp * ol_m
1085
1086
1087             IF ( ibc_pt_b /= 1 )  THEN
1088!
1089!--             Calculate f = Ri - [...]/[...]^2 = 0
1090                f = surf%rib(m) - ( z_mo / ol_m ) * ( surf%ln_z_z0h(m)                             &
1091                                                      - psi_h( z_mo / ol_m )                       &
1092                                                      + psi_h( surf%z0h(m) / ol_m ) ) /            &
1093                    ( surf%ln_z_z0(m) - psi_m( z_mo / ol_m )                                       &
1094                                      + psi_m( surf%z0(m) /  ol_m ) )**2
1095
1096!
1097!--             Calculate df/dL
1098                f_d_ol = ( - ( z_mo / ol_u ) * ( surf%ln_z_z0h(m)                                  &
1099                                                 - psi_h( z_mo / ol_u )                            &
1100                                                 + psi_h( surf%z0h(m) / ol_u ) ) /                 &
1101                           ( surf%ln_z_z0(m) - psi_m( z_mo / ol_u )                                &
1102                                             + psi_m( surf%z0(m) / ol_u ) )**2                     &
1103                           + ( z_mo / ol_l ) * ( surf%ln_z_z0h(m) - psi_h( z_mo / ol_l )           &
1104                                                                  + psi_h( surf%z0h(m) / ol_l ) ) /&
1105                           ( surf%ln_z_z0(m) - psi_m( z_mo / ol_l )                                &
1106                                             + psi_m( surf%z0(m) / ol_l ) )**2 ) / ( ol_u - ol_l )
1107             ELSE
1108!
1109!--             Calculate f = Ri - 1 /[...]^3 = 0
1110                f = surf%rib(m) - ( z_mo / ol_m ) /                                                &
1111                    ( surf%ln_z_z0(m) - psi_m( z_mo / ol_m ) + psi_m( surf%z0(m) / ol_m ) )**3
1112
1113!
1114!--             Calculate df/dL
1115                f_d_ol = ( - ( z_mo / ol_u ) / ( surf%ln_z_z0(m)                                   &
1116                                                 - psi_m( z_mo / ol_u )                            &
1117                                                 + psi_m( surf%z0(m) / ol_u )                      &
1118                                               )**3                                                &
1119                           + ( z_mo / ol_l ) / ( surf%ln_z_z0(m)                                   &
1120                                                 - psi_m( z_mo / ol_l )                            &
1121                                                 + psi_m( surf%z0(m) / ol_l )                      &
1122                                               )**3                                                &
1123                          ) / ( ol_u - ol_l )
1124             ENDIF
1125!
1126!--          Calculate new L
1127             surf%ol(m) = ol_m - f / f_d_ol
1128
1129!
1130!--          Ensure that the bulk Richardson number and the Obukhov length have the same sign and
1131!--          ensure convergence.
1132             IF ( surf%ol(m) * ol_m < 0.0_wp )  surf%ol(m) = ol_m * 0.5_wp
1133!
1134!--          If unrealistic value occurs, set L to the maximum value that is allowed
1135             IF ( ABS( surf%ol(m) ) > ol_max )  THEN
1136                surf%ol(m) = ol_max
1137                EXIT
1138             ENDIF
1139!
1140!--          Assure that Obukhov length does not become zero. If the limit is reached, exit the loop.
1141             IF ( ABS( surf%ol(m) ) < 1E-5_wp )  THEN
1142                surf%ol(m) = SIGN( 1E-5_wp, surf%ol(m) )
1143                EXIT
1144             ENDIF
1145!
1146!--          Check for convergence
1147             IF ( ABS( ( surf%ol(m) - ol_m ) /  surf%ol(m) ) < 1.0E-4_wp )  EXIT
1148          ENDDO
1149       ENDDO
1150
1151!
1152!-- Vector Version
1153    ELSE
1154!
1155!--    Calculate the Obukhov length using Newton iteration
1156!--    First set arrays required for vectorization
1157       !$ACC PARALLEL LOOP &
1158       !$ACC PRESENT(surf)
1159       DO  m = 1, surf%ns
1160          z_mo_vec(m) = surf%z_mo(m)
1161!
1162!--       Store current value in case the Newton iteration fails
1163          ol_old_vec(m) = surf%ol(m)
1164!
1165!--       Ensure that the bulk Richardson number and the Obukhov length have the same sign
1166          IF ( surf%rib(m) * surf%ol(m) < 0.0_wp  .OR.  ABS( surf%ol(m) ) == ol_max )  THEN
1167             IF ( surf%rib(m) > 1.0_wp ) surf%ol(m) =  0.01_wp
1168             IF ( surf%rib(m) < 0.0_wp ) surf%ol(m) = -0.01_wp
1169          ENDIF
1170!
1171!--       Initialize convergence flag
1172          convergence_reached(m) = .FALSE.
1173       ENDDO
1174
1175!
1176!--    Iteration to find Obukhov length
1177       iter = 0
1178       DO
1179          iter = iter + 1
1180!
1181!--       In case of divergence, use the value(s) of the previous time step
1182          IF ( iter > 1000 )  THEN
1183             !$ACC PARALLEL LOOP &
1184             !$ACC PRESENT(surf)
1185             DO  m = 1, surf%ns
1186                IF ( .NOT. convergence_reached(m) )  surf%ol(m) = ol_old_vec(m)
1187             ENDDO
1188             EXIT
1189          ENDIF
1190
1191          !$ACC PARALLEL LOOP PRIVATE(ol_m, ol_l, ol_u, f, f_d_ol) &
1192          !$ACC PRESENT(surf)
1193          DO  m = 1, surf%ns
1194             IF ( convergence_reached(m) )  CYCLE
1195
1196             ol_m = surf%ol(m)
1197             ol_l = ol_m - 0.001_wp * ol_m
1198             ol_u = ol_m + 0.001_wp * ol_m
1199
1200
1201             IF ( ibc_pt_b /= 1 )  THEN
1202!
1203!--             Calculate f = Ri - [...]/[...]^2 = 0
1204                f = surf%rib(m) - ( z_mo_vec(m) / ol_m ) * ( surf%ln_z_z0(m)                       &
1205                                                           - psi_h( z_mo_vec(m) / ol_m )           &
1206                                                           + psi_h( surf%z0h(m) / ol_m )           &
1207                                                           ) /                                     &
1208                                                           ( surf%ln_z_z0(m)                       &
1209                                                          - psi_m( z_mo_vec(m) / ol_m )            &
1210                                                          + psi_m( surf%z0(m) /  ol_m )            &
1211                                                           )**2
1212
1213!
1214!--             Calculate df/dL
1215                f_d_ol = ( - ( z_mo_vec(m) / ol_u ) * ( surf%ln_z_z0h(m)                           &
1216                                                        - psi_h( z_mo_vec(m) / ol_u )              &
1217                                                        + psi_h( surf%z0h(m) / ol_u )              &
1218                                                      ) /                                          &
1219                                                      ( surf%ln_z_z0(m)                            &
1220                                                        - psi_m( z_mo_vec(m) / ol_u )              &
1221                                                        + psi_m( surf%z0(m) / ol_u )               &
1222                                                      )**2                                         &
1223                           + ( z_mo_vec(m) / ol_l ) * ( surf%ln_z_z0h(m)                           &
1224                                                        - psi_h( z_mo_vec(m) / ol_l )              &
1225                                                        + psi_h( surf%z0h(m) / ol_l )              &
1226                                                      ) /                                          &
1227                                                      ( surf%ln_z_z0(m)                            &
1228                                                        - psi_m( z_mo_vec(m) / ol_l )              &
1229                                                        + psi_m( surf%z0(m) / ol_l )               &
1230                                                      )**2                                         &
1231                         ) / ( ol_u - ol_l )
1232             ELSE
1233!
1234!--             Calculate f = Ri - 1 /[...]^3 = 0
1235                f = surf%rib(m) - ( z_mo_vec(m) / ol_m ) / ( surf%ln_z_z0(m)                       &
1236                                                             - psi_m( z_mo_vec(m) / ol_m )         &
1237                                                             + psi_m( surf%z0(m) / ol_m )          &
1238                                                           )**3
1239
1240!
1241!--             Calculate df/dL
1242                f_d_ol = ( - ( z_mo_vec(m) / ol_u ) / ( surf%ln_z_z0(m)                            &
1243                                                        - psi_m( z_mo_vec(m) / ol_u )              &
1244                                                        + psi_m( surf%z0(m) / ol_u )               &
1245                                                      )**3                                         &
1246                           + ( z_mo_vec(m) / ol_l ) / ( surf%ln_z_z0(m)                            &
1247                                                        - psi_m( z_mo_vec(m) / ol_l )              &
1248                                                        + psi_m( surf%z0(m) / ol_l )               &
1249                                                      )**3                                         &
1250                         ) / ( ol_u - ol_l )
1251             ENDIF
1252!
1253!--          Calculate new L
1254             surf%ol(m) = ol_m - f / f_d_ol
1255
1256!
1257!--          Ensure that the bulk Richardson number and the Obukhov length have the same sign and
1258!--          ensure convergence.
1259             IF ( surf%ol(m) * ol_m < 0.0_wp )  surf%ol(m) = ol_m * 0.5_wp
1260
1261!
1262!--          Check for convergence
1263!--          This check does not modify surf%ol, therefore this is done first
1264             IF ( ABS( ( surf%ol(m) - ol_m ) /  surf%ol(m) ) < 1.0E-4_wp )  THEN
1265                convergence_reached(m) = .TRUE.
1266             ENDIF
1267!
1268!--          If unrealistic value occurs, set L to the maximum allowed value
1269             IF ( ABS( surf%ol(m) ) > ol_max )  THEN
1270                surf%ol(m) = ol_max
1271                convergence_reached(m) = .TRUE.
1272             ENDIF
1273          ENDDO
1274!
1275!--       Assure that Obukhov length does not become zero
1276          !$ACC PARALLEL LOOP &
1277          !$ACC PRESENT(surf)
1278          DO  m = 1, surf%ns
1279             IF ( convergence_reached(m) )  CYCLE
1280             IF ( ABS( surf%ol(m) ) < 1E-5_wp )  THEN
1281                surf%ol(m) = SIGN( 10E-6_wp, surf%ol(m) )
1282                convergence_reached(m) = .TRUE.
1283             ENDIF
1284          ENDDO
1285
1286          IF ( ALL( convergence_reached ) )  EXIT
1287
1288       ENDDO  ! End of iteration loop
1289
1290    ENDIF  ! End of vector branch
1291
1292 END SUBROUTINE calc_ol
1293
1294
1295!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1296! Description:
1297! ------------
1298!> Calculate friction velocity u*.
1299!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1300 SUBROUTINE calc_us
1301
1302    IMPLICIT NONE
1303
1304    INTEGER(iwp) ::  m  !< loop variable over all horizontal surf elements
1305
1306!
1307!-- Compute u* at horizontal surfaces at the scalars' grid points
1308    IF ( .NOT. surf_vertical )  THEN
1309!
1310!--    Compute u* at upward-facing surfaces
1311       IF ( .NOT. downward )  THEN
1312          !$OMP PARALLEL  DO PRIVATE( z_mo )
1313          !$ACC PARALLEL LOOP PRIVATE(z_mo) &
1314          !$ACC PRESENT(surf)
1315          DO  m = 1, surf%ns
1316             z_mo = surf%z_mo(m)
1317!
1318!--          Compute u* at the scalars' grid points
1319             surf%us(m) = kappa * surf%uvw_abs(m) / ( surf%ln_z_z0(m)                              &
1320                                                      - psi_m( z_mo / surf%ol(m) )                 &
1321                                                      + psi_m( surf%z0(m) / surf%ol(m) ) )
1322          ENDDO
1323!
1324!--    Compute u* at downward-facing surfaces. This case, do not consider any stability.
1325       ELSE
1326          !$OMP PARALLEL DO
1327          !$ACC PARALLEL LOOP &
1328          !$ACC PRESENT(surf)
1329          DO  m = 1, surf%ns
1330!
1331!--          Compute u* at the scalars' grid points
1332             surf%us(m) = kappa * surf%uvw_abs(m) / surf%ln_z_z0(m)
1333          ENDDO
1334       ENDIF
1335!
1336!-- Compute u* at vertical surfaces at the u/v/v grid, respectively.
1337!-- No stability is considered in this case.
1338    ELSE
1339       !$OMP PARALLEL DO
1340       !$ACC PARALLEL LOOP &
1341       !$ACC PRESENT(surf)
1342       DO  m = 1, surf%ns
1343          surf%us(m) = kappa * surf%uvw_abs(m) / surf%ln_z_z0(m)
1344       ENDDO
1345    ENDIF
1346
1347 END SUBROUTINE calc_us
1348
1349!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1350! Description:
1351! ------------
1352!> Calculate potential temperature, specific humidity, and virtual potential temperature at first
1353!> grid level.
1354!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1355 SUBROUTINE calc_pt_q
1356
1357    IMPLICIT NONE
1358
1359    INTEGER(iwp) ::  m  !< loop variable over all horizontal surf elements
1360
1361    !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k )
1362    !$ACC PARALLEL LOOP PRIVATE(i, j, k) &
1363    !$ACC PRESENT(surf, pt)
1364    DO  m = 1, surf%ns
1365       i = surf%i(m)
1366       j = surf%j(m)
1367       k = surf%k(m)
1368
1369#ifndef _OPENACC
1370       IF ( bulk_cloud_model ) THEN
1371          surf%pt1(m) = pt(k,j,i) + lv_d_cp * d_exner(k) * ql(k,j,i)
1372          surf%qv1(m) = q(k,j,i) - ql(k,j,i)
1373       ELSEIF( cloud_droplets ) THEN
1374          surf%pt1(m) = pt(k,j,i) + lv_d_cp * d_exner(k) * ql(k,j,i)
1375          surf%qv1(m) = q(k,j,i)
1376       ELSE
1377#endif
1378          surf%pt1(m) = pt(k,j,i)
1379#ifndef _OPENACC
1380          IF ( humidity )  THEN
1381             surf%qv1(m) = q(k,j,i)
1382          ELSE
1383#endif
1384             surf%qv1(m) = 0.0_wp
1385#ifndef _OPENACC
1386          ENDIF
1387       ENDIF
1388
1389       IF ( humidity )  THEN
1390          surf%vpt1(m) = pt(k,j,i) * ( 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i) )
1391       ENDIF
1392#endif
1393    ENDDO
1394
1395 END SUBROUTINE calc_pt_q
1396
1397
1398!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1399! Description:
1400! ------------
1401!> Set potential temperature at surface grid level( only for upward-facing surfs ).
1402!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1403 SUBROUTINE calc_pt_surface
1404
1405    IMPLICIT NONE
1406
1407    INTEGER(iwp) ::  k_off  !< index offset between surface and atmosphere grid point (-1 for upward-, +1 for downward-facing walls)
1408    INTEGER(iwp) ::  m      !< loop variable over all horizontal surf elements
1409
1410    k_off = surf%koff
1411    !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k )
1412    !$ACC PARALLEL LOOP PRIVATE(i, j, k) &
1413    !$ACC PRESENT(surf, pt)
1414    DO  m = 1, surf%ns
1415       i = surf%i(m)
1416       j = surf%j(m)
1417       k = surf%k(m)
1418       surf%pt_surface(m) = pt(k+k_off,j,i)
1419    ENDDO
1420
1421 END SUBROUTINE calc_pt_surface
1422
1423!
1424!-- Set mixing ratio at surface grid level. ( Only for upward-facing surfs. )
1425 SUBROUTINE calc_q_surface
1426
1427    IMPLICIT NONE
1428
1429    INTEGER(iwp) ::  k_off  !< index offset between surface and atmosphere grid point (-1 for upward-, +1 for downward-facing walls)
1430    INTEGER(iwp) ::  m      !< loop variable over all horizontal surf elements
1431
1432    k_off = surf%koff
1433    !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k )
1434    DO  m = 1, surf%ns
1435       i = surf%i(m)
1436       j = surf%j(m)
1437       k = surf%k(m)
1438       surf%q_surface(m) = q(k+k_off,j,i)
1439    ENDDO
1440
1441 END SUBROUTINE calc_q_surface
1442
1443!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1444! Description:
1445! ------------
1446!> Set virtual potential temperature at surface grid level ( only for upward-facing surfs ).
1447!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1448 SUBROUTINE calc_vpt_surface
1449
1450    IMPLICIT NONE
1451
1452    INTEGER(iwp) ::  k_off  !< index offset between surface and atmosphere grid point (-1 for upward-, +1 for downward-facing walls)
1453    INTEGER(iwp) ::  m      !< loop variable over all horizontal surf elements
1454
1455    k_off = surf%koff
1456    !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k )
1457    DO  m = 1, surf%ns
1458       i = surf%i(m)
1459       j = surf%j(m)
1460       k = surf%k(m)
1461       surf%vpt_surface(m) = vpt(k+k_off,j,i)
1462
1463    ENDDO
1464
1465 END SUBROUTINE calc_vpt_surface
1466
1467!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1468! Description:
1469! ------------
1470!> Calculate the other MOST scaling parameters theta*, q*, (qc*, qr*, nc*, nr*)
1471!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1472 SUBROUTINE calc_scaling_parameters
1473
1474    IMPLICIT NONE
1475
1476
1477    INTEGER(iwp)  ::  lsp  !< running index for chemical species
1478    INTEGER(iwp)  ::  m    !< loop variable over all horizontal surf elements
1479!
1480!-- Compute theta* at horizontal surfaces
1481    IF ( constant_heatflux  .AND.  .NOT. surf_vertical )  THEN
1482!
1483!--    For a given heat flux in the surface layer:
1484
1485       !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k )
1486       !$ACC PARALLEL LOOP PRIVATE(i, j, k) &
1487       !$ACC PRESENT(surf, drho_air_zw)
1488       DO  m = 1, surf%ns
1489          i = surf%i(m)
1490          j = surf%j(m)
1491          k = surf%k(m)
1492          surf%ts(m) = -surf%shf(m) * drho_air_zw(k-1) / ( surf%us(m) + 1E-30_wp )
1493!
1494!--       ts must be limited, because otherwise overflow may occur in case of us=0 when computing
1495!--       ol further below
1496          IF ( surf%ts(m) < -1.05E5_wp )  surf%ts(m) = -1.0E5_wp
1497          IF ( surf%ts(m) >  1.0E5_wp  )  surf%ts(m) =  1.0E5_wp
1498       ENDDO
1499
1500    ELSEIF ( .NOT. surf_vertical ) THEN
1501!
1502!--    For a given surface temperature:
1503       IF ( large_scale_forcing  .AND.  lsf_surf )  THEN
1504
1505          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k )
1506          DO  m = 1, surf%ns
1507             i   = surf%i(m)
1508             j   = surf%j(m)
1509             k   = surf%k(m)
1510             pt(k-1,j,i) = pt_surface
1511          ENDDO
1512       ENDIF
1513
1514       !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( z_mo )
1515       DO  m = 1, surf%ns
1516          z_mo = surf%z_mo(m)
1517          surf%ts(m) = kappa * ( surf%pt1(m) - surf%pt_surface(m) )                                &
1518                       / ( surf%ln_z_z0h(m) - psi_h( z_mo / surf%ol(m) )                           &
1519                                            + psi_h( surf%z0h(m) / surf%ol(m) ) )
1520       ENDDO
1521
1522    ENDIF
1523!
1524!-- Compute theta* at vertical surfaces. This is only required in case of land-surface model, in
1525!-- order to compute aerodynamical resistance.
1526    IF ( surf_vertical )  THEN
1527       !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j )
1528       DO  m = 1, surf%ns
1529          i          =  surf%i(m)
1530          j          =  surf%j(m)
1531          surf%ts(m) = -surf%shf(m) / ( surf%us(m) + 1E-30_wp )
1532!
1533!--       ts must be limited, because otherwise overflow may occur in case of us=0 when computing ol
1534!--       further below
1535          IF ( surf%ts(m) < -1.05E5_wp )  surf%ts(m) = -1.0E5_wp
1536          IF ( surf%ts(m) >  1.0E5_wp  )  surf%ts(m) =  1.0E5_wp
1537       ENDDO
1538    ENDIF
1539
1540!
1541!-- If required compute q* at horizontal surfaces
1542    IF ( humidity )  THEN
1543       IF ( constant_waterflux  .AND.  .NOT. surf_vertical )  THEN
1544!
1545!--       For a given water flux in the surface layer
1546          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k )
1547          DO  m = 1, surf%ns
1548             i = surf%i(m)
1549             j = surf%j(m)
1550             k = surf%k(m)
1551             surf%qs(m) = -surf%qsws(m) * drho_air_zw(k-1) / ( surf%us(m) + 1E-30_wp )
1552          ENDDO
1553
1554       ELSEIF ( .NOT. surf_vertical )  THEN
1555          coupled_run = ( coupling_mode == 'atmosphere_to_ocean'  .AND.  run_coupled )
1556
1557          IF ( large_scale_forcing  .AND.  lsf_surf )  THEN
1558             !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k )
1559             DO  m = 1, surf%ns
1560                i = surf%i(m)
1561                j = surf%j(m)
1562                k = surf%k(m)
1563                q(k-1,j,i) = q_surface
1564
1565             ENDDO
1566          ENDIF
1567
1568!
1569!--       Assume saturation for atmosphere coupled to ocean (but not in case of precursor runs)
1570          IF ( coupled_run )  THEN
1571             !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k, e_s )
1572             DO  m = 1, surf%ns
1573                i   = surf%i(m)
1574                j   = surf%j(m)
1575                k   = surf%k(m)
1576                e_s = 6.1_wp * EXP( 0.07_wp * ( MIN( pt(k-1,j,i), pt(k,j,i) ) - 273.15_wp ) )
1577                q(k-1,j,i) = rd_d_rv * e_s / ( surface_pressure - e_s )
1578             ENDDO
1579          ENDIF
1580
1581          IF ( bulk_cloud_model  .OR.  cloud_droplets )  THEN
1582            !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k, z_mo )
1583             DO  m = 1, surf%ns
1584                i = surf%i(m)
1585                j = surf%j(m)
1586                k = surf%k(m)
1587                z_mo = surf%z_mo(m)
1588                surf%qs(m) = kappa * ( surf%qv1(m) - surf%q_surface(m) )                           &
1589                             / ( surf%ln_z_z0q(m) - psi_h( z_mo / surf%ol(m) )                     &
1590                                                  + psi_h( surf%z0q(m) / surf%ol(m) ) )
1591             ENDDO
1592          ELSE
1593             !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k, z_mo )
1594             DO  m = 1, surf%ns
1595                i = surf%i(m)
1596                j = surf%j(m)
1597                k = surf%k(m)
1598                z_mo = surf%z_mo(m)
1599                surf%qs(m) = kappa * ( q(k,j,i) - q(k-1,j,i) )                                     &
1600                             / ( surf%ln_z_z0q(m) - psi_h( z_mo / surf%ol(m) )                     &
1601                                                  + psi_h( surf%z0q(m) / surf%ol(m) ) )
1602             ENDDO
1603          ENDIF
1604       ENDIF
1605!
1606!--    Compute q* at vertical surfaces
1607       IF ( surf_vertical )  THEN
1608          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j )
1609          DO  m = 1, surf%ns
1610
1611             i =  surf%i(m)
1612             j =  surf%j(m)
1613             surf%qs(m) = -surf%qsws(m) / ( surf%us(m) + 1E-30_wp )
1614
1615          ENDDO
1616       ENDIF
1617    ENDIF
1618
1619!
1620!-- If required compute s*
1621    IF ( passive_scalar )  THEN
1622!
1623!--    At horizontal surfaces
1624       IF ( constant_scalarflux  .AND.  .NOT. surf_vertical )  THEN
1625!
1626!--       For a given scalar flux in the surface layer
1627          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j )
1628          DO  m = 1, surf%ns
1629             i = surf%i(m)
1630             j = surf%j(m)
1631             surf%ss(m) = -surf%ssws(m) / ( surf%us(m) + 1E-30_wp )
1632          ENDDO
1633       ELSEIF ( .NOT. surf_vertical )  THEN
1634
1635          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k, z_mo )
1636          DO  m = 1, surf%ns
1637             i = surf%i(m)
1638             j = surf%j(m)
1639             k = surf%k(m)
1640             z_mo = surf%z_mo(m)
1641
1642             surf%ss(m) = kappa * ( s(k,j,i) - s(k-1,j,i) )                                        &
1643                          / ( surf%ln_z_z0h(m) - psi_h( z_mo / surf%ol(m) )                        &
1644                                               + psi_h( surf%z0h(m) / surf%ol(m) ) )
1645          ENDDO
1646       ENDIF
1647!
1648!--    At vertical surfaces
1649       IF ( surf_vertical )  THEN
1650          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j )
1651          DO  m = 1, surf%ns
1652             i =  surf%i(m)
1653             j =  surf%j(m)
1654             surf%ss(m) = -surf%ssws(m) / ( surf%us(m) + 1E-30_wp )
1655          ENDDO
1656       ENDIF
1657    ENDIF
1658
1659!
1660!-- If required compute cs* (chemical species)
1661    IF ( air_chemistry  )  THEN
1662!
1663!--    At horizontal surfaces
1664       DO  lsp = 1, nvar
1665          IF ( constant_csflux(lsp)  .AND.  .NOT.  surf_vertical )  THEN
1666!--          For a given chemical species' flux in the surface layer
1667             !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j )
1668             DO  m = 1, surf%ns
1669                i = surf%i(m)
1670                j = surf%j(m)
1671                surf%css(lsp,m) = -surf%cssws(lsp,m) / ( surf%us(m) + 1E-30_wp )
1672             ENDDO
1673          ENDIF
1674       ENDDO
1675!
1676!--    At vertical surfaces
1677       IF ( surf_vertical )  THEN
1678          DO  lsp = 1, nvar
1679             !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j )
1680             DO  m = 1, surf%ns
1681                i = surf%i(m)
1682                j = surf%j(m)
1683                surf%css(lsp,m) = -surf%cssws(lsp,m) / ( surf%us(m) + 1E-30_wp )
1684             ENDDO
1685          ENDDO
1686       ENDIF
1687    ENDIF
1688
1689!
1690!-- If required compute qc* and nc*
1691    IF ( bulk_cloud_model  .AND.  microphysics_morrison  .AND.  .NOT.  surf_vertical )  THEN
1692       !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k, z_mo )
1693       DO  m = 1, surf%ns
1694          i = surf%i(m)
1695          j = surf%j(m)
1696          k = surf%k(m)
1697
1698          z_mo = surf%z_mo(m)
1699
1700          surf%qcs(m) = kappa * ( qc(k,j,i) - qc(k-1,j,i) )                                        &
1701                        / ( surf%ln_z_z0q(m) - psi_h( z_mo / surf%ol(m) )                          &
1702                                             + psi_h( surf%z0q(m) / surf%ol(m) ) )
1703
1704          surf%ncs(m) = kappa * ( nc(k,j,i) - nc(k-1,j,i) )                                        &
1705                        / ( surf%ln_z_z0q(m) - psi_h( z_mo / surf%ol(m) )                          &
1706                                             + psi_h( surf%z0q(m) / surf%ol(m) ) )
1707       ENDDO
1708
1709    ENDIF
1710
1711!
1712!-- If required compute qr* and nr*
1713    IF ( bulk_cloud_model  .AND.  microphysics_seifert  .AND.  .NOT. surf_vertical )  THEN
1714       !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k, z_mo )
1715       DO  m = 1, surf%ns
1716          i = surf%i(m)
1717          j = surf%j(m)
1718          k = surf%k(m)
1719
1720          z_mo = surf%z_mo(m)
1721
1722          surf%qrs(m) = kappa * ( qr(k,j,i) - qr(k-1,j,i) )                                        &
1723                        / ( surf%ln_z_z0q(m) - psi_h( z_mo / surf%ol(m) )                          &
1724                                             + psi_h( surf%z0q(m) / surf%ol(m) ) )
1725
1726          surf%nrs(m) = kappa * ( nr(k,j,i) - nr(k-1,j,i) )                                        &
1727                        / ( surf%ln_z_z0q(m) - psi_h( z_mo / surf%ol(m) )                          &
1728                                             + psi_h( surf%z0q(m) / surf%ol(m) ) )
1729       ENDDO
1730
1731    ENDIF
1732
1733 END SUBROUTINE calc_scaling_parameters
1734
1735
1736
1737!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1738! Description:
1739! ------------
1740!> Calculate surface fluxes usws, vsws, shf, qsws, (qcsws, qrsws, ncsws, nrsws)
1741!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1742 SUBROUTINE calc_surface_fluxes
1743
1744    IMPLICIT NONE
1745
1746    INTEGER(iwp)  ::  lsp  !< running index for chemical species
1747    INTEGER(iwp)  ::  m    !< loop variable over all horizontal surf elements
1748
1749    REAL(wp) ::  dum     !< dummy to precalculate logarithm
1750    REAL(wp) ::  flag_u  !< flag indicating u-grid, used for calculation of horizontal momentum fluxes at vertical surfaces
1751    REAL(wp) ::  flag_v  !< flag indicating v-grid, used for calculation of horizontal momentum fluxes at vertical surfaces
1752
1753    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  u_i     !< u-component interpolated onto scalar grid point, required for momentum fluxes
1754                                                    !< at vertical surfaces
1755    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  v_i     !< v-component interpolated onto scalar grid point, required for momentum fluxes
1756                                                    !< at vertical surfaces
1757    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  w_i     !< w-component interpolated onto scalar grid point, required for momentum fluxes
1758                                                    !< at vertical surfaces
1759
1760!
1761!-- Calcuate surface fluxes at horizontal walls
1762    IF ( .NOT. surf_vertical )  THEN
1763!
1764!--    Compute u'w' for the total model domain at upward-facing surfaces. First compute the
1765!--    corresponding component of u* and square it.
1766       IF ( .NOT. downward )  THEN
1767          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k, z_mo )
1768          !$ACC PARALLEL LOOP PRIVATE(i, j, k, z_mo) &
1769          !$ACC PRESENT(surf, u, rho_air_zw)
1770          DO  m = 1, surf%ns
1771             i = surf%i(m)
1772             j = surf%j(m)
1773             k = surf%k(m)
1774
1775             z_mo = surf%z_mo(m)
1776
1777             surf%usws(m) = kappa * ( u(k,j,i) - u(k-1,j,i) )                                      &
1778                            / ( surf%ln_z_z0(m) - psi_m( z_mo / surf%ol(m) )                       &
1779                                                + psi_m( surf%z0(m) / surf%ol(m) ) )
1780!
1781!--          Please note, the computation of usws is not fully accurate. Actually a further
1782!--          interpolation of us onto the u-grid, where usws is defined, is required. However, this
1783!--          is not done as this would require several data transfers between 2D-grid and the
1784!--          surf-type. The impact of the missing interpolation is negligible as several tests have
1785!--          shown. Same also for ol.
1786             surf%usws(m) = -surf%usws(m) * surf%us(m) * rho_air_zw(k-1)
1787          ENDDO
1788!
1789!--    At downward-facing surfaces
1790       ELSE
1791          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k )
1792          DO  m = 1, surf%ns
1793             i = surf%i(m)
1794             j = surf%j(m)
1795             k = surf%k(m)
1796
1797             surf%usws(m) = kappa * u(k,j,i) / surf%ln_z_z0(m)
1798             surf%usws(m) = surf%usws(m) * surf%us(m) * rho_air_zw(k)
1799          ENDDO
1800       ENDIF
1801
1802!
1803!--    Compute v'w' for the total model domain. First compute the corresponding component of u* and
1804!--    square it.
1805!--    Upward-facing surfaces
1806       IF ( .NOT. downward )  THEN
1807          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k, z_mo )
1808          !$ACC PARALLEL LOOP PRIVATE(i, j, k, z_mo) &
1809          !$ACC PRESENT(surf, v, rho_air_zw)
1810          DO  m = 1, surf%ns
1811             i = surf%i(m)
1812             j = surf%j(m)
1813             k = surf%k(m)
1814
1815             z_mo = surf%z_mo(m)
1816
1817             surf%vsws(m) = kappa * ( v(k,j,i) - v(k-1,j,i) )                                      &
1818                            / ( surf%ln_z_z0(m) - psi_m( z_mo / surf%ol(m) )                       &
1819                                                + psi_m( surf%z0(m) / surf%ol(m) ) )
1820!
1821!--          Please note, the computation of vsws is not fully accurate. Actually a further
1822!--          interpolation of us onto the v-grid, where vsws is defined, is required. However, this
1823!--          is not done as this would require several data transfers between 2D-grid and the
1824!--          surf-type. The impact of the missing interpolation is negligible as several tests have
1825!--          shown. Same also for ol.
1826             surf%vsws(m) = -surf%vsws(m) * surf%us(m) * rho_air_zw(k-1)
1827          ENDDO
1828!
1829!--    Downward-facing surfaces
1830       ELSE
1831          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k )
1832          DO  m = 1, surf%ns
1833             i = surf%i(m)
1834             j = surf%j(m)
1835             k = surf%k(m)
1836
1837             surf%vsws(m) = kappa * v(k,j,i) / surf%ln_z_z0(m)
1838             surf%vsws(m) = surf%vsws(m) * surf%us(m) * rho_air_zw(k)
1839          ENDDO
1840       ENDIF
1841!
1842!--    Compute the vertical kinematic heat flux. Note, only upward-facing surfaces are considered,
1843!--    at downward-facing surfaces the flux is not parametrized with a scaling parameter.
1844       IF (  .NOT.  constant_heatflux  .AND.  ( ( time_since_reference_point <=  skip_time_do_lsm  &
1845             .AND.  simulated_time > 0.0_wp )  .OR.  .NOT.  land_surface )  .AND.                  &
1846             .NOT.  urban_surface  .AND.  .NOT. downward )  THEN
1847          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( k )
1848          DO  m = 1, surf%ns
1849             k = surf%k(m)
1850             surf%shf(m) = -surf%ts(m) * surf%us(m) * rho_air_zw(k-1)
1851          ENDDO
1852       ENDIF
1853!
1854!--    Compute the vertical water flux
1855       IF (  .NOT.  constant_waterflux  .AND.  humidity  .AND.              &
1856            ( ( time_since_reference_point <= skip_time_do_lsm  .AND.  simulated_time > 0.0_wp )   &
1857            .OR.  .NOT.  land_surface  )  .AND.  .NOT.  urban_surface  .AND.  .NOT.  downward )    &
1858            THEN
1859          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( k )
1860          DO  m = 1, surf%ns
1861             k = surf%k(m)
1862             surf%qsws(m) = -surf%qs(m) * surf%us(m) * rho_air_zw(k-1)
1863          ENDDO
1864       ENDIF
1865!
1866!--    Compute the vertical scalar flux
1867       IF (  .NOT.  constant_scalarflux  .AND.  passive_scalar  .AND.  .NOT.  downward )  THEN
1868          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( k )
1869          DO  m = 1, surf%ns
1870             k = surf%k(m)
1871             surf%ssws(m) = -surf%ss(m) * surf%us(m) * rho_air_zw(k-1)
1872          ENDDO
1873       ENDIF
1874!
1875!--    Compute the vertical chemical species' flux
1876       DO  lsp = 1, nvar
1877          IF (  .NOT.  constant_csflux(lsp)  .AND.  air_chemistry  .AND.  .NOT.  downward )  THEN
1878             !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( k )
1879             DO  m = 1, surf%ns
1880                k = surf%k(m)
1881                surf%cssws(lsp,m) = -surf%css(lsp,m) * surf%us(m) * rho_air_zw(k-1)
1882             ENDDO
1883          ENDIF
1884       ENDDO
1885
1886!
1887!--    Compute (turbulent) fluxes of cloud water content and cloud drop conc.
1888       IF ( bulk_cloud_model  .AND.  microphysics_morrison  .AND.  .NOT. downward)  THEN
1889          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( k )
1890          DO  m = 1, surf%ns
1891             k = surf%k(m)
1892             surf%qcsws(m) = -surf%qcs(m) * surf%us(m) * rho_air_zw(k-1)
1893             surf%ncsws(m) = -surf%ncs(m) * surf%us(m) * rho_air_zw(k-1)
1894          ENDDO
1895       ENDIF
1896!
1897!--    Compute (turbulent) fluxes of rain water content and rain drop conc.
1898       IF ( bulk_cloud_model  .AND.  microphysics_seifert  .AND.  .NOT. downward)  THEN
1899          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( k )
1900          DO  m = 1, surf%ns
1901             k = surf%k(m)
1902             surf%qrsws(m) = -surf%qrs(m) * surf%us(m) * rho_air_zw(k-1)
1903             surf%nrsws(m) = -surf%nrs(m) * surf%us(m) * rho_air_zw(k-1)
1904          ENDDO
1905       ENDIF
1906
1907!
1908!--    Bottom boundary condition for the TKE.
1909       IF ( ibc_e_b == 2 )  THEN
1910          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k )
1911          DO  m = 1, surf%ns
1912             i = surf%i(m)
1913             j = surf%j(m)
1914             k = surf%k(m)
1915
1916             e(k,j,i) = ( surf%us(m) / 0.1_wp )**2
1917!
1918!--          As a test: cm = 0.4
1919!            e(k,j,i) = ( us(j,i) / 0.4_wp )**2
1920             e(k-1,j,i) = e(k,j,i)
1921
1922          ENDDO
1923       ENDIF
1924!
1925!-- Calcuate surface fluxes at vertical surfaces. No stability is considered.
1926!-- Further, no density needs to be considered here.
1927    ELSE
1928!
1929!--    Compute usvs l={0,1} and vsus l={2,3}
1930       IF ( mom_uv )  THEN
1931!
1932!--       Generalize computation by introducing flags. At north- and south-facing surfaces
1933!--       u-component is used, at east- and west-facing surfaces v-component is used.
1934          flag_u = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, l == 0  .OR.  l == 1 )
1935          flag_v = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, l == 2  .OR.  l == 3 )
1936          !$OMP PARALLEL  DO PRIVATE( i, j, k )
1937          DO  m = 1, surf%ns
1938             i = surf%i(m)
1939             j = surf%j(m)
1940             k = surf%k(m)
1941
1942             surf%mom_flux_uv(m) = kappa * ( flag_u * u(k,j,i) + flag_v * v(k,j,i) )  /            &
1943                                   surf%ln_z_z0(m)
1944
1945            surf%mom_flux_uv(m) = - surf%mom_flux_uv(m) * surf%us(m)
1946          ENDDO
1947       ENDIF
1948!
1949!--    Compute wsus l={0,1} and wsvs l={2,3}
1950       IF ( mom_w )  THEN
1951          !$OMP PARALLEL  DO PRIVATE( i, j, k )
1952          DO  m = 1, surf%ns
1953             i = surf%i(m)
1954             j = surf%j(m)
1955             k = surf%k(m)
1956
1957             surf%mom_flux_w(m) = kappa * w(k,j,i) / surf%ln_z_z0(m)
1958
1959             surf%mom_flux_w(m) = - surf%mom_flux_w(m) * surf%us(m)
1960          ENDDO
1961       ENDIF
1962!
1963!--    Compute momentum fluxes used for subgrid-scale TKE production at vertical surfaces. In
1964!--    constrast to the calculated momentum fluxes at vertical surfaces before, which are defined on
1965!--    the u/v/w-grid, respectively), the TKE fluxes are defined at the scalar grid.
1966!--
1967       IF ( mom_tke )  THEN
1968!
1969!--       Precalculate velocity components at scalar grid point.
1970          ALLOCATE( u_i(1:surf%ns) )
1971          ALLOCATE( v_i(1:surf%ns) )
1972          ALLOCATE( w_i(1:surf%ns) )
1973
1974          IF ( l == 0  .OR.  l == 1 )  THEN
1975             !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k )
1976             DO  m = 1, surf%ns
1977                i = surf%i(m)
1978                j = surf%j(m)
1979                k = surf%k(m)
1980
1981                u_i(m) = 0.5_wp * ( u(k,j,i) + u(k,j,i+1) )
1982                v_i(m) = 0.0_wp
1983                w_i(m) = 0.5_wp * ( w(k,j,i) + w(k-1,j,i) )
1984             ENDDO
1985          ELSE
1986             !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, k )
1987             DO  m = 1, surf%ns
1988                i = surf%i(m)
1989                j = surf%j(m)
1990                k = surf%k(m)
1991
1992                u_i(m) = 0.0_wp
1993                v_i(m) = 0.5_wp * ( v(k,j,i) + v(k,j+1,i) )
1994                w_i(m) = 0.5_wp * ( w(k,j,i) + w(k-1,j,i) )
1995             ENDDO
1996          ENDIF
1997
1998          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE( i, j, dum )
1999          DO  m = 1, surf%ns
2000             i = surf%i(m)
2001             j = surf%j(m)
2002
2003             dum = kappa / surf%ln_z_z0(m)
2004!
2005!--          usvs (l=0,1) and vsus (l=2,3)
2006             surf%mom_flux_tke(0,m) = dum * ( u_i(m) + v_i(m) )
2007!
2008!--          wsvs (l=0,1) and wsus (l=2,3)
2009             surf%mom_flux_tke(1,m) = dum * w_i(m)
2010
2011             surf%mom_flux_tke(0:1,m) = - surf%mom_flux_tke(0:1,m) * surf%us(m)
2012          ENDDO
2013!
2014!--       Deallocate temporary arrays
2015          DEALLOCATE( u_i )
2016          DEALLOCATE( v_i )
2017          DEALLOCATE( w_i )
2018       ENDIF
2019    ENDIF
2020
2021 END SUBROUTINE calc_surface_fluxes
2022
2023
2024!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
2025! Description:
2026! ------------
2027!> Calculates temperature near surface (10 cm) for indoor model or 2 m temperature for output.
2028!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
2029 SUBROUTINE calc_pt_near_surface ( z_char )
2030
2031    IMPLICIT NONE
2032
2033    CHARACTER(LEN = *), INTENT(IN) ::  z_char  !< string identifier to identify z level
2034
2035    INTEGER(iwp) ::  m  !< running index for surface elements
2036
2037    SELECT CASE ( z_char)
2038
2039       CASE ( '10cm' )
2040
2041          DO  m = 1, surf%ns
2042             surf%pt_10cm(m) = surf%pt_surface(m) + surf%ts(m) / kappa                             &
2043                               * ( LOG( 0.1_wp /  surf%z0h(m) ) - psi_h( 0.1_wp / surf%ol(m) )     &
2044                                   + psi_h( surf%z0h(m) / surf%ol(m) ) )
2045          ENDDO
2046
2047    END SELECT
2048
2049 END SUBROUTINE calc_pt_near_surface
2050
2051
2052!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
2053! Description:
2054! ------------
2055!> Integrated stability function for momentum.
2056!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
2057 FUNCTION psi_m( zeta )
2058    !$ACC ROUTINE SEQ
2059
2060    USE kinds
2061
2062    IMPLICIT NONE
2063
2064    REAL(wp) ::  psi_m  !< Integrated similarity function result
2065    REAL(wp) ::  zeta   !< Stability parameter z/L
2066    REAL(wp) ::  x      !< dummy variable
2067
2068    REAL(wp), PARAMETER ::  a = 1.0_wp            !< constant
2069    REAL(wp), PARAMETER ::  b = 0.66666666666_wp  !< constant
2070    REAL(wp), PARAMETER ::  c = 5.0_wp            !< constant
2071    REAL(wp), PARAMETER ::  d = 0.35_wp           !< constant
2072    REAL(wp), PARAMETER ::  c_d_d = c / d         !< constant
2073    REAL(wp), PARAMETER ::  bc_d_d = b * c / d    !< constant
2074
2075
2076    IF ( zeta < 0.0_wp )  THEN
2077       x = SQRT( SQRT( 1.0_wp  - 16.0_wp * zeta ) )
2078       psi_m = pi * 0.5_wp - 2.0_wp * ATAN( x ) + LOG( ( 1.0_wp + x )**2                           &
2079               * ( 1.0_wp + x**2 ) * 0.125_wp )
2080    ELSE
2081
2082       psi_m = - b * ( zeta - c_d_d ) * EXP( -d * zeta ) - a * zeta - bc_d_d
2083!
2084!--    Old version for stable conditions (only valid for z/L < 0.5) psi_m = - 5.0_wp * zeta
2085
2086    ENDIF
2087
2088 END FUNCTION psi_m
2089
2090
2091!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
2092! Description:
2093!------------
2094!> Integrated stability function for heat and moisture.
2095!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
2096 FUNCTION psi_h( zeta )
2097    !$ACC ROUTINE SEQ
2098
2099    USE kinds
2100
2101    IMPLICIT NONE
2102
2103    REAL(wp) ::  psi_h  !< Integrated similarity function result
2104    REAL(wp) ::  zeta   !< Stability parameter z/L
2105    REAL(wp) ::  x      !< dummy variable
2106
2107    REAL(wp), PARAMETER ::  a = 1.0_wp            !< constant
2108    REAL(wp), PARAMETER ::  b = 0.66666666666_wp  !< constant
2109    REAL(wp), PARAMETER ::  c = 5.0_wp            !< constant
2110    REAL(wp), PARAMETER ::  d = 0.35_wp           !< constant
2111    REAL(wp), PARAMETER ::  c_d_d = c / d         !< constant
2112    REAL(wp), PARAMETER ::  bc_d_d = b * c / d    !< constant
2113
2114
2115    IF ( zeta < 0.0_wp )  THEN
2116       x = SQRT( 1.0_wp  - 16.0_wp * zeta )
2117       psi_h = 2.0_wp * LOG( (1.0_wp + x ) / 2.0_wp )
2118    ELSE
2119       psi_h = - b * ( zeta - c_d_d ) * EXP( -d * zeta ) - (1.0_wp                                 &
2120               + 0.66666666666_wp * a * zeta )**1.5_wp - bc_d_d + 1.0_wp
2121!
2122!--    Old version for stable conditions (only valid for z/L < 0.5)
2123!--    psi_h = - 5.0_wp * zeta
2124    ENDIF
2125
2126 END FUNCTION psi_h
2127
2128
2129!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
2130! Description:
2131! ------------
2132!> Calculates stability function for momentum
2133!>
2134!> @author Hauke Wurps
2135!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
2136 FUNCTION phi_m( zeta )
2137    !$ACC ROUTINE SEQ
2138
2139    IMPLICIT NONE
2140
2141    REAL(wp) ::  phi_m  !< Value of the function
2142    REAL(wp) ::  zeta   !< Stability parameter z/L
2143
2144    REAL(wp), PARAMETER ::  a = 16.0_wp  !< constant
2145    REAL(wp), PARAMETER ::  c = 5.0_wp   !< constant
2146
2147    IF ( zeta < 0.0_wp )  THEN
2148       phi_m = 1.0_wp / SQRT( SQRT( 1.0_wp - a * zeta ) )
2149    ELSE
2150       phi_m = 1.0_wp + c * zeta
2151    ENDIF
2152
2153 END FUNCTION phi_m
2154
2155 END MODULE surface_layer_fluxes_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.