source: palm/trunk/SOURCE/time_integration_spinup.f90 @ 4180

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[2296]1!> @file time_integration_spinup.f90
2!------------------------------------------------------------------------------!
[2696]3! This file is part of the PALM model system.
[2296]4!
5! PALM is free software: you can redistribute it and/or modify it under the
6! terms of the GNU General Public License as published by the Free Software
7! Foundation, either version 3 of the License, or (at your option) any later
8! version.
9!
10! PALM is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY
11! WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR
12! A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License for more details.
13!
14! You should have received a copy of the GNU General Public License along with
15! PALM. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
16!
[3655]17! Copyright 1997-2019 Leibniz Universitaet Hannover
[2296]18!------------------------------------------------------------------------------!
19!
20! Current revisions:
21! ------------------
22!
23!
24! Former revisions:
25! -----------------
26! $Id: time_integration_spinup.f90 4180 2019-08-21 14:37:54Z scharf $
[4064]27! Moved call to radiation module out of intermediate time loop
28!
29! 4023 2019-06-12 13:20:01Z maronga
[4023]30! Time stamps are now negative in run control output
31!
32! 3885 2019-04-11 11:29:34Z kanani
[3885]33! Changes related to global restructuring of location messages and introduction
34! of additional debug messages
35!
36! 3766 2019-02-26 16:23:41Z raasch
[3766]37! unused variable removed
38!
39! 3719 2019-02-06 13:10:18Z kanani
[3719]40! Removed log_point(19,54,74,50,75), since they count together with same log
41! points in time_integration, impossible to separate the contributions.
42! Instead, the entire spinup gets an individual log_point in palm.f90
43!
44! 3655 2019-01-07 16:51:22Z knoop
[3597]45! Removed call to calculation of near air (10 cm) potential temperature (now in
46! surface layer fluxes)
47!
[2296]48!
49! Description:
50! ------------
51!> Integration in time of the non-atmospheric model components such as land
52!> surface model and urban surface model
53!------------------------------------------------------------------------------!
54 SUBROUTINE time_integration_spinup
55 
56    USE arrays_3d,                                                             &
[2818]57        ONLY:  pt, pt_p, u, u_init, v, v_init
[2296]58
59    USE control_parameters,                                                    &
[2881]60        ONLY:  averaging_interval_pr, calc_soil_moisture_during_spinup,        &
[3241]61               constant_diffusion, constant_flux_layer, coupling_start_time,   &
62               data_output_during_spinup, dopr_n, do_sum,                      &
[2728]63               dt_averaging_input_pr, dt_dopr, dt_dots, dt_do2d_xy, dt_do3d,   &
[3241]64               dt_spinup, dt_3d, humidity, intermediate_timestep_count,        &
[2297]65               intermediate_timestep_count_max, land_surface,                  &
[3241]66               simulated_time, simulated_time_chr, skip_time_dopr,             &
67               skip_time_do2d_xy, skip_time_do3d, spinup_pt_amplitude,         &
68               spinup_pt_mean, spinup_time, timestep_count, time_dopr,         &
69               time_dopr_av, time_dots, time_do2d_xy, time_do3d,               &
70               time_run_control, time_since_reference_point, urban_surface
[2296]71
72    USE cpulog,                                                                &
[3766]73        ONLY:  cpu_log, log_point_s
[2296]74
[2544]75    USE date_and_time_mod,                                                     &
76        ONLY: day_of_year_init, time_utc_init
77
[2296]78    USE indices,                                                               &
79        ONLY:  nbgp, nzb, nzt, nysg, nyng, nxlg, nxrg
80
81
82    USE land_surface_model_mod,                                                &
[2299]83        ONLY:  lsm_energy_balance, lsm_soil_model, lsm_swap_timelevel
[2934]84    USE pegrid
[2296]85
[2934]86    USE pmc_interface,                                                         &
87        ONLY:  nested_run
88
[2296]89    USE kinds
90
91    USE radiation_model_mod,                                                   &
[3241]92        ONLY:  force_radiation_call, radiation, radiation_control,             &
93               radiation_interaction, radiation_interactions, time_radiation
[2296]94
95    USE statistics,                                                            &
96        ONLY:  flow_statistics_called
97
98    USE surface_layer_fluxes_mod,                                              &
99        ONLY:  surface_layer_fluxes
100
[2297]101    USE surface_mod,                                                           &
[3241]102        ONLY :  surf_lsm_h, surf_lsm_v, surf_usm_h,    &
[2296]103                surf_usm_v
104
105    USE urban_surface_mod,                                                     &
106        ONLY:  usm_material_heat_model, usm_material_model,                    &
[2696]107               usm_surface_energy_balance, usm_swap_timelevel,                 &
[3597]108               usm_green_heat_model
[2296]109
110
111
112
113    IMPLICIT NONE
114
[4023]115    CHARACTER (LEN=9) ::  time_to_string                  !<
[2296]116 
[4023]117 
118    CHARACTER (LEN=1) ::  sign_chr                        !< String containing '-' or ' '
119    CHARACTER (LEN=9) ::  time_since_reference_point_chr  !< time since reference point, i.e., negative during spinup
120 
[2299]121    INTEGER(iwp) ::  i !< running index
122    INTEGER(iwp) ::  j !< running index
123    INTEGER(iwp) ::  k !< running index
124    INTEGER(iwp) ::  l !< running index
125    INTEGER(iwp) ::  m !< running index
126
127    INTEGER(iwp) :: current_timestep_number_spinup = 0  !< number if timestep during spinup
[2296]128 
[2299]129    LOGICAL :: run_control_header_spinup = .FALSE.  !< flag parameter for steering whether the header information must be output
130
[2296]131    REAL(wp) ::  pt_spinup   !< temporary storage of temperature
[2723]132    REAL(wp) ::  dt_save     !< temporary storage for time step
[2296]133                 
[2728]134    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  pt_save  !< temporary storage of temperature
135    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  u_save   !< temporary storage of u wind component
136    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  v_save   !< temporary storage of v wind component
[2296]137
[2728]138
139!
140!-- Save 3D arrays because they are to be changed for spinup purpose
[2296]141    ALLOCATE( pt_save(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
[2728]142    ALLOCATE( u_save(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
143    ALLOCATE( v_save(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
[2296]144
[2299]145    CALL exchange_horiz( pt, nbgp )   
[2728]146    CALL exchange_horiz( u,  nbgp ) 
147    CALL exchange_horiz( v,  nbgp ) 
148 
[2299]149    pt_save = pt
[2728]150    u_save  = u
151    v_save  = v
[2296]152
[2728]153!
154!-- Set the same wall-adjacent velocity to all grid points. The sign of the
155!-- original velocity field must be preserved because the surface schemes crash
156!-- otherwise. The precise reason is still unknown. A minimum velocity of 0.1
157!-- m/s is used to maintain turbulent transfer at the surface.
[2782]158    IF ( land_surface )  THEN
159       DO  m = 1, surf_lsm_h%ns
160          i   = surf_lsm_h%i(m)           
161          j   = surf_lsm_h%j(m)
162          k   = surf_lsm_h%k(m)
[2983]163          u(k,j,i) = SIGN(1.0_wp,u_init(k)) * MAX( ABS( u_init(k) ),0.1_wp)
164          v(k,j,i) = SIGN(1.0_wp,v_init(k)) * MAX( ABS( v_init(k) ),0.1_wp)
[2782]165       ENDDO
[2728]166
[2782]167       DO  l = 0, 3
168          DO  m = 1, surf_lsm_v(l)%ns
169             i   = surf_lsm_v(l)%i(m)           
170             j   = surf_lsm_v(l)%j(m)
171             k   = surf_lsm_v(l)%k(m)
[2983]172             u(k,j,i) = SIGN(1.0_wp,u_init(k)) * MAX( ABS( u_init(k) ),0.1_wp)
173             v(k,j,i) = SIGN(1.0_wp,v_init(k)) * MAX( ABS( v_init(k) ),0.1_wp)
[2782]174          ENDDO
175       ENDDO
176    ENDIF
177
178    IF ( urban_surface )  THEN
179       DO  m = 1, surf_usm_h%ns
180          i   = surf_usm_h%i(m)           
181          j   = surf_usm_h%j(m)
182          k   = surf_usm_h%k(m)
[2983]183          u(k,j,i) = SIGN(1.0_wp,u_init(k)) * MAX( ABS( u_init(k) ),0.1_wp)
184          v(k,j,i) = SIGN(1.0_wp,v_init(k)) * MAX( ABS( v_init(k) ),0.1_wp)
[2782]185       ENDDO
186
187       DO  l = 0, 3
188          DO  m = 1, surf_usm_v(l)%ns
189             i   = surf_usm_v(l)%i(m)           
190             j   = surf_usm_v(l)%j(m)
191             k   = surf_usm_v(l)%k(m)
[2983]192             u(k,j,i) = SIGN(1.0_wp,u_init(k)) * MAX( ABS( u_init(k) ),0.1_wp)
193             v(k,j,i) = SIGN(1.0_wp,v_init(k)) * MAX( ABS( v_init(k) ),0.1_wp)
[2782]194          ENDDO
195       ENDDO
196    ENDIF
197
[2818]198    CALL exchange_horiz( u,  nbgp )
199    CALL exchange_horiz( v,  nbgp )
200
[2723]201    dt_save = dt_3d
202    dt_3d   = dt_spinup
203
[3885]204    CALL location_message( 'wall/soil spinup time-stepping', 'start' )
[2296]205!
206!-- Start of the time loop
207    DO  WHILE ( simulated_time < spinup_time )
208
209       CALL cpu_log( log_point_s(15), 'timesteps spinup', 'start' )
210   
211!
212!--    Start of intermediate step loop
213       intermediate_timestep_count = 0
214       DO  WHILE ( intermediate_timestep_count < &
215                   intermediate_timestep_count_max )
216
217          intermediate_timestep_count = intermediate_timestep_count + 1
218
219!
220!--       Set the steering factors for the prognostic equations which depend
221!--       on the timestep scheme
222          CALL timestep_scheme_steering
223
224
[2299]225!
226!--       Estimate a near-surface air temperature based on the position of the
227!--       sun and user input about mean temperature and amplitude. The time is
228!--       shifted by one hour to simulate a lag between air temperature and
229!--       incoming radiation
230          pt_spinup = spinup_pt_mean + spinup_pt_amplitude                     &
231             * solar_angle (time_utc_init + time_since_reference_point - 3600.0)
[2296]232
[2299]233!
234!--       Map air temperature to all grid points in the vicinity of a surface
235!--       element
[2296]236          IF ( land_surface )  THEN
237             DO  m = 1, surf_lsm_h%ns
238                i   = surf_lsm_h%i(m)           
239                j   = surf_lsm_h%j(m)
240                k   = surf_lsm_h%k(m)
[2299]241                pt(k,j,i) = pt_spinup
[2296]242             ENDDO
243
244             DO  l = 0, 3
245                DO  m = 1, surf_lsm_v(l)%ns
246                   i   = surf_lsm_v(l)%i(m)           
247                   j   = surf_lsm_v(l)%j(m)
248                   k   = surf_lsm_v(l)%k(m)
[2299]249                   pt(k,j,i) = pt_spinup
[2296]250                ENDDO
251             ENDDO
252          ENDIF
253
254          IF ( urban_surface )  THEN
255             DO  m = 1, surf_usm_h%ns
256                i   = surf_usm_h%i(m)           
257                j   = surf_usm_h%j(m)
258                k   = surf_usm_h%k(m)
[2299]259                pt(k,j,i) = pt_spinup
[3337]260                !!!!!!!!!!!!!!!!HACK!!!!!!!!!!!!!
261                surf_usm_h%pt1 = pt_spinup
262                !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
[2296]263             ENDDO
264
265             DO  l = 0, 3
266                DO  m = 1, surf_usm_v(l)%ns
267                   i   = surf_usm_v(l)%i(m)           
268                   j   = surf_usm_v(l)%j(m)
269                   k   = surf_usm_v(l)%k(m)
[2299]270                   pt(k,j,i) = pt_spinup
[3337]271                   !!!!!!!!!!!!!!!!HACK!!!!!!!!!!!!!
272                   surf_usm_v(l)%pt1 = pt_spinup
273                   !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
[2296]274                ENDDO
275             ENDDO
276          ENDIF
277
[2818]278          CALL exchange_horiz( pt,  nbgp )   
279
280
[2296]281!
282!--       Swap the time levels in preparation for the next time step.
283          timestep_count = timestep_count + 1
284     
285          IF ( land_surface )  THEN
286              CALL lsm_swap_timelevel ( 0 )
287          ENDIF
288
289          IF ( urban_surface )  THEN
290             CALL usm_swap_timelevel ( 0 )
291          ENDIF
292
293          IF ( land_surface )  THEN
294             CALL lsm_swap_timelevel ( MOD( timestep_count, 2) )
295          ENDIF
296
297          IF ( urban_surface )  THEN
298             CALL usm_swap_timelevel ( MOD( timestep_count, 2) )
299          ENDIF
300         
301!
302!--       If required, compute virtual potential temperature
303          IF ( humidity )  THEN
304             CALL compute_vpt 
305          ENDIF 
306
307!
308!--       Compute the diffusion quantities
309          IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
310
311!
312!--          First the vertical (and horizontal) fluxes in the surface
313!--          (constant flux) layer are computed
314             IF ( constant_flux_layer )  THEN
315                CALL surface_layer_fluxes
316             ENDIF
317
318!
319!--          If required, solve the energy balance for the surface and run soil
[2299]320!--          model. Call for horizontal as well as vertical surfaces.
321!--          The prognostic equation for soil moisure is switched off
322             IF ( land_surface )  THEN
[2296]323
324!
325!--             Call for horizontal upward-facing surfaces
326                CALL lsm_energy_balance( .TRUE., -1 )
[2881]327                CALL lsm_soil_model( .TRUE., -1, calc_soil_moisture_during_spinup )
[2296]328!
329!--             Call for northward-facing surfaces
330                CALL lsm_energy_balance( .FALSE., 0 )
[2881]331                CALL lsm_soil_model( .FALSE., 0, calc_soil_moisture_during_spinup )
[2296]332!
333!--             Call for southward-facing surfaces
334                CALL lsm_energy_balance( .FALSE., 1 )
[2881]335                CALL lsm_soil_model( .FALSE., 1, calc_soil_moisture_during_spinup )
[2296]336!
337!--             Call for eastward-facing surfaces
338                CALL lsm_energy_balance( .FALSE., 2 )
[2881]339                CALL lsm_soil_model( .FALSE., 2, calc_soil_moisture_during_spinup )
[2296]340!
341!--             Call for westward-facing surfaces
342                CALL lsm_energy_balance( .FALSE., 3 )
[2881]343                CALL lsm_soil_model( .FALSE., 3, calc_soil_moisture_during_spinup )
[3719]344
[2296]345             ENDIF
346
347!
348!--          If required, solve the energy balance for urban surfaces and run
349!--          the material heat model
350             IF (urban_surface) THEN
[3719]351
[3418]352                CALL usm_surface_energy_balance( .TRUE. )
[2296]353                IF ( usm_material_model )  THEN
[2696]354                   CALL usm_green_heat_model
[3418]355                   CALL usm_material_heat_model( .TRUE. )
[2296]356                ENDIF
[3719]357
[2296]358             ENDIF
359
360          ENDIF
361
[4064]362       ENDDO   ! Intermediate step loop
363
[2296]364!
[4064]365!--    If required, calculate radiative fluxes and heating rates
366       IF ( radiation )  THEN
[2296]367
[4064]368            time_radiation = time_radiation + dt_3d
[2296]369
[4064]370          IF ( time_radiation >= dt_3d .OR. force_radiation_call )  THEN
[2296]371
[4064]372             IF ( .NOT. force_radiation_call )  THEN
373                time_radiation = time_radiation - dt_3d
374             ENDIF
[2296]375
[4064]376             CALL radiation_control
[2296]377
[4064]378             IF ( radiation_interactions )  THEN
379                CALL radiation_interaction
[2296]380             ENDIF
381          ENDIF
[4064]382       ENDIF
[2296]383
384!
385!--    Increase simulation time and output times
[2299]386       current_timestep_number_spinup = current_timestep_number_spinup + 1
[2723]387       simulated_time             = simulated_time   + dt_3d
[2296]388       simulated_time_chr         = time_to_string( simulated_time )
389       time_since_reference_point = simulated_time - coupling_start_time
[4023]390       time_since_reference_point_chr = time_to_string( ABS(time_since_reference_point) )
391       
392       IF ( time_since_reference_point < 0.0_wp )  THEN
393          sign_chr = '-'
394       ELSE
395          sign_chr = ' '
396       ENDIF
397     
398       
[2296]399       IF ( data_output_during_spinup )  THEN
[2723]400          IF ( simulated_time >= skip_time_do2d_xy )  THEN
401             time_do2d_xy       = time_do2d_xy     + dt_3d
402          ENDIF
403          IF ( simulated_time >= skip_time_do3d    )  THEN
404             time_do3d          = time_do3d        + dt_3d
405          ENDIF
406          time_dots          = time_dots        + dt_3d
[2296]407          IF ( simulated_time >= skip_time_dopr )  THEN
[2723]408             time_dopr       = time_dopr        + dt_3d
[2296]409          ENDIF
[2723]410          time_run_control   = time_run_control + dt_3d
[2296]411
412!
413!--       Carry out statistical analysis and output at the requested output times.
414!--       The MOD function is used for calculating the output time counters (like
415!--       time_dopr) in order to regard a possible decrease of the output time
416!--       interval in case of restart runs
417
418!
419!--       Set a flag indicating that so far no statistics have been created
420!--       for this time step
421          flow_statistics_called = .FALSE.
422
423!
424!--       If required, call flow_statistics for averaging in time
425          IF ( averaging_interval_pr /= 0.0_wp  .AND.                          &
426             ( dt_dopr - time_dopr ) <= averaging_interval_pr  .AND.           &
427             simulated_time >= skip_time_dopr )  THEN
[2723]428             time_dopr_av = time_dopr_av + dt_3d
[2296]429             IF ( time_dopr_av >= dt_averaging_input_pr )  THEN
430                do_sum = .TRUE.
431                time_dopr_av = MOD( time_dopr_av,                              &
[2723]432                               MAX( dt_averaging_input_pr, dt_3d ) )
[2296]433             ENDIF
434          ENDIF
435          IF ( do_sum )  CALL flow_statistics
436
437!
438!--       Output of profiles
439          IF ( time_dopr >= dt_dopr )  THEN
440             IF ( dopr_n /= 0 )  CALL data_output_profiles
[2723]441             time_dopr = MOD( time_dopr, MAX( dt_dopr, dt_3d ) )
[2296]442             time_dopr_av = 0.0_wp    ! due to averaging (see above)
443          ENDIF
444
445!
446!--       Output of time series
447          IF ( time_dots >= dt_dots )  THEN
448             CALL data_output_tseries
[2723]449             time_dots = MOD( time_dots, MAX( dt_dots, dt_3d ) )
[2296]450          ENDIF
451
[2723]452!
453!--       2d-data output (cross-sections)
454          IF ( time_do2d_xy >= dt_do2d_xy )  THEN
455             CALL data_output_2d( 'xy', 0 )
456             time_do2d_xy = MOD( time_do2d_xy, MAX( dt_do2d_xy, dt_3d ) )
457          ENDIF
458
459!
460!--       3d-data output (volume data)
461          IF ( time_do3d >= dt_do3d )  THEN
462             CALL data_output_3d( 0 )
463             time_do3d = MOD( time_do3d, MAX( dt_do3d, dt_3d ) )
464          ENDIF
465
466
[2296]467       ENDIF
468
469!
470!--    Computation and output of run control parameters.
471!--    This is also done whenever perturbations have been imposed
[2299]472!        IF ( time_run_control >= dt_run_control  .OR.                           &
473!             timestep_scheme(1:5) /= 'runge'  .OR.  disturbance_created )       &
474!        THEN
475!           CALL run_control
476!           IF ( time_run_control >= dt_run_control )  THEN
477!              time_run_control = MOD( time_run_control,                         &
[2723]478!                                      MAX( dt_run_control, dt_3d ) )
[2299]479!           ENDIF
480!        ENDIF
[2296]481
482       CALL cpu_log( log_point_s(15), 'timesteps spinup', 'stop' )
483
[2299]484
485!
486!--    Run control output
[2296]487       IF ( myid == 0 )  THEN
[2299]488!
489!--       If necessary, write header
490          IF ( .NOT. run_control_header_spinup )  THEN
491             CALL check_open( 15 )
492             WRITE ( 15, 100 )
493             run_control_header_spinup = .TRUE.
494          ENDIF
495!
496!--       Write some general information about the spinup in run control file
[4023]497          WRITE ( 15, 101 )  current_timestep_number_spinup, sign_chr, time_since_reference_point_chr, dt_3d, pt_spinup
[2299]498!
499!--       Write buffer contents to disc immediately
500          FLUSH( 15 )
[2296]501       ENDIF
502
[2299]503
504
[2296]505    ENDDO   ! time loop
506
507!
[2728]508!-- Write back saved arrays to the 3D arrays
509    pt   = pt_save
510    pt_p = pt_save
511    u    = u_save
512    v    = v_save
[2296]513
[2723]514!
515!-- Reset time step
516    dt_3d = dt_save
517
[2296]518    DEALLOCATE(pt_save)
[2728]519    DEALLOCATE(u_save)
520    DEALLOCATE(v_save)
[2296]521
[2934]522#if defined( __parallel )
523    IF ( nested_run )  CALL MPI_BARRIER( MPI_COMM_WORLD, ierr )
524#endif
525
[3885]526    CALL location_message( 'wall/soil spinup time-stepping', 'finished' )
[2296]527
[2299]528
529!
530!-- Formats
531100 FORMAT (///'Spinup control output:'/  &
[4023]532            '---------------------------------'// &
533            'ITER.   HH:MM:SS    DT   PT(z_MO)'/   &
534            '---------------------------------')
535101 FORMAT (I5,2X,A1,A9,1X,F6.2,3X,F6.2,2X,F6.2)
[2299]536
537 CONTAINS
538
539!
540!-- Returns the cosine of the solar zenith angle at a given time. This routine
541!-- is similar to that for calculation zenith (see radiation_model_mod.f90)
542    FUNCTION solar_angle( local_time ) 
543
[3274]544       USE basic_constants_and_equations_mod,                                  &
[2544]545       ONLY:  pi
546     
[2299]547       USE kinds
548
549       USE radiation_model_mod,                                                &
[2544]550           ONLY:  decl_1, decl_2, decl_3, lat, lon
[2299]551
552       IMPLICIT NONE
553
554
555       REAL(wp) ::  solar_angle     !< cosine of the solar zenith angle
556
557       REAL(wp) ::  day             !< day of the year
558       REAL(wp) ::  declination     !< solar declination angle
559       REAL(wp) ::  hour_angle      !< solar hour angle
560       REAL(wp) ::  time_utc        !< current time in UTC
561       REAL(wp), INTENT(IN) :: local_time
562!
563!--    Calculate current day and time based on the initial values and simulation
564!--    time
565
[2544]566       day = day_of_year_init + INT(FLOOR( local_time / 86400.0_wp ), KIND=iwp)
[2299]567       time_utc = MOD(local_time, 86400.0_wp)
568
569
570!
571!--    Calculate solar declination and hour angle   
572       declination = ASIN( decl_1 * SIN(decl_2 * REAL(day, KIND=wp) - decl_3) )
573       hour_angle  = 2.0_wp * pi * (time_utc / 86400.0_wp) + lon - pi
574
575!
576!--    Calculate cosine of solar zenith angle
577       solar_angle = SIN(lat) * SIN(declination) + COS(lat) * COS(declination) &
578                     * COS(hour_angle)
579
580
581    END FUNCTION solar_angle
582
583
[2296]584 END SUBROUTINE time_integration_spinup
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.