source: palm/trunk/SOURCE/time_integration_spinup.f90 @ 2774

Last change on this file since 2774 was 2758, checked in by suehring, 7 years ago

Bugfix, no initial masking of wind velocity at first prognostic grid level in case of land- or urban-surface spin-up.

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 19.6 KB
Line 
1!> @file time_integration_spinup.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
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!
17! Copyright 1997-2018 Leibniz Universitaet Hannover
18!------------------------------------------------------------------------------!
19!
20! Current revisions:
21! ------------------
22!
23!
24! Former revisions:
25! -----------------
26! $Id: time_integration_spinup.f90 2758 2018-01-17 12:55:21Z knoop $
27! Comment out homogeneous setting of wind velocity as this will lead to zero
28! friction velocity and cause problems in MOST relationships.
29!
30! 2728 2018-01-09 07:03:53Z maronga
31! Set velocity componenets to homogeneous values during spinup
32!
33! 2724 2018-01-05 12:12:38Z maronga
34! Use dt_spinup for all active components during spinup
35!
36! 2723 2018-01-05 09:27:03Z maronga
37! Bugfix: array rad_sw_in no longer exists and is thus removed from RUN_CONTROL
38! output.
39! Added output of XY and 3D data during spinup.
40! Bugfix: time step in LSM and USM was set to dt_3d instead of dt_spinup
41!
42! 2718 2018-01-02 08:49:38Z maronga
43! Corrected "Former revisions" section
44!
45! 2696 2017-12-14 17:12:51Z kanani
46! Change in file header (GPL part)
47! Added radiation interactions (moved from USM) (MS)
48!
49! 2544 2017-10-13 18:09:32Z maronga
50! Date and time quantities are now read from date_and_time_mod
51!
52! 2299 2017-06-29 10:14:38Z maronga
53! Call of soil model adjusted to avoid prognostic equation for soil moisture
54! during spinup.
55! Better representation of diurnal cycle of near-surface temperature.
56! Excluded prognostic equation for soil moisture during spinup.
57! Added output of run control data for spinup.
58!
59! 2297 2017-06-28 14:35:57Z scharf
60! bugfixes
61!
62! 2296 2017-06-28 07:53:56Z maronga
63! Initial revision
64!
65!
66! Description:
67! ------------
68!> Integration in time of the non-atmospheric model components such as land
69!> surface model and urban surface model
70!------------------------------------------------------------------------------!
71 SUBROUTINE time_integration_spinup
72 
73    USE arrays_3d,                                                             &
74        ONLY:  pt, pt_p, u, v
75
76    USE control_parameters,                                                    &
77        ONLY:  averaging_interval_pr, constant_diffusion, constant_flux_layer, &
78               coupling_start_time, current_timestep_number,                   &
79               data_output_during_spinup, disturbance_created, dopr_n, do_sum, &
80               dt_averaging_input_pr, dt_dopr, dt_dots, dt_do2d_xy, dt_do3d,   &
81               dt_run_control, dt_spinup, dt_3d, humidity,                     &
82               intermediate_timestep_count,                                    &
83               intermediate_timestep_count_max, land_surface,                  &
84               simulated_time, simulated_time_chr,                             &
85               skip_time_dopr, skip_time_do2d_xy, skip_time_do3d, spinup,      &
86               spinup_pt_amplitude, spinup_pt_mean, spinup_time,               &
87               timestep_count, timestep_scheme, time_dopr, time_dopr_av,       &
88               time_dots, time_do2d_xy, time_do3d, time_run_control,           &
89               time_since_reference_point, ug_surface, vg_surface, urban_surface
90
91    USE constants,                                                             &
92        ONLY:  pi
93
94    USE cpulog,                                                                &
95        ONLY:  cpu_log, log_point, log_point_s
96
97    USE date_and_time_mod,                                                     &
98        ONLY: day_of_year_init, time_utc_init
99
100    USE indices,                                                               &
101        ONLY:  nbgp, nzb, nzt, nysg, nyng, nxlg, nxrg
102
103
104    USE land_surface_model_mod,                                                &
105        ONLY:  lsm_energy_balance, lsm_soil_model, lsm_swap_timelevel
106
107    USE pegrid,                                                                &
108        ONLY:  myid
109
110    USE kinds
111
112    USE radiation_model_mod,                                                   &
113        ONLY:  force_radiation_call, radiation,                                &
114               radiation_control, rad_sw_in, time_radiation,                   &
115               radiation_interaction, radiation_interactions
116
117    USE statistics,                                                            &
118        ONLY:  flow_statistics_called
119
120    USE surface_layer_fluxes_mod,                                              &
121        ONLY:  surface_layer_fluxes
122
123    USE surface_mod,                                                           &
124        ONLY :  surf_def_h, surf_def_v, surf_lsm_h, surf_lsm_v, surf_usm_h,    &
125                surf_usm_v
126
127    USE urban_surface_mod,                                                     &
128        ONLY:  usm_material_heat_model, usm_material_model,                    &
129               usm_surface_energy_balance, usm_swap_timelevel,                 &
130               usm_green_heat_model, usm_temperature_near_surface
131
132
133
134
135    IMPLICIT NONE
136
137    CHARACTER (LEN=9) ::  time_to_string          !<
138 
139    INTEGER(iwp) ::  i !< running index
140    INTEGER(iwp) ::  j !< running index
141    INTEGER(iwp) ::  k !< running index
142    INTEGER(iwp) ::  l !< running index
143    INTEGER(iwp) ::  m !< running index
144
145    INTEGER(iwp) :: current_timestep_number_spinup = 0  !< number if timestep during spinup
146 
147    LOGICAL :: run_control_header_spinup = .FALSE.  !< flag parameter for steering whether the header information must be output
148
149    REAL(wp) ::  pt_spinup   !< temporary storage of temperature
150    REAL(wp) ::  dt_save     !< temporary storage for time step
151                 
152    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  pt_save  !< temporary storage of temperature
153    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  u_save   !< temporary storage of u wind component
154    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  v_save   !< temporary storage of v wind component
155
156
157!
158!-- Save 3D arrays because they are to be changed for spinup purpose
159    ALLOCATE( pt_save(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
160    ALLOCATE( u_save(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
161    ALLOCATE( v_save(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
162
163    CALL exchange_horiz( pt, nbgp )   
164    CALL exchange_horiz( u,  nbgp ) 
165    CALL exchange_horiz( v,  nbgp ) 
166 
167    pt_save = pt
168    u_save  = u
169    v_save  = v
170
171!
172!-- Set the same wall-adjacent velocity to all grid points. The sign of the
173!-- original velocity field must be preserved because the surface schemes crash
174!-- otherwise. The precise reason is still unknown. A minimum velocity of 0.1
175!-- m/s is used to maintain turbulent transfer at the surface.
176!     u = SIGN(1.0_wp,u) * MAX(ug_surface,0.1_wp)
177!     v = SIGN(1.0_wp,v) * MAX(vg_surface,0.1_wp)
178
179    dt_save = dt_3d
180    dt_3d   = dt_spinup
181
182    CALL location_message( 'starting spinup-sequence', .TRUE. )
183!
184!-- Start of the time loop
185    DO  WHILE ( simulated_time < spinup_time )
186
187       CALL cpu_log( log_point_s(15), 'timesteps spinup', 'start' )
188   
189!
190!--    Start of intermediate step loop
191       intermediate_timestep_count = 0
192       DO  WHILE ( intermediate_timestep_count < &
193                   intermediate_timestep_count_max )
194
195          intermediate_timestep_count = intermediate_timestep_count + 1
196
197!
198!--       Set the steering factors for the prognostic equations which depend
199!--       on the timestep scheme
200          CALL timestep_scheme_steering
201
202
203!
204!--       Estimate a near-surface air temperature based on the position of the
205!--       sun and user input about mean temperature and amplitude. The time is
206!--       shifted by one hour to simulate a lag between air temperature and
207!--       incoming radiation
208          pt_spinup = spinup_pt_mean + spinup_pt_amplitude                     &
209             * solar_angle (time_utc_init + time_since_reference_point - 3600.0)
210
211!
212!--       Map air temperature to all grid points in the vicinity of a surface
213!--       element
214          IF ( land_surface )  THEN
215             DO  m = 1, surf_lsm_h%ns
216                i   = surf_lsm_h%i(m)           
217                j   = surf_lsm_h%j(m)
218                k   = surf_lsm_h%k(m)
219                pt(k,j,i) = pt_spinup
220             ENDDO
221
222             DO  l = 0, 3
223                DO  m = 1, surf_lsm_v(l)%ns
224                   i   = surf_lsm_v(l)%i(m)           
225                   j   = surf_lsm_v(l)%j(m)
226                   k   = surf_lsm_v(l)%k(m)
227                   pt(k,j,i) = pt_spinup
228                ENDDO
229             ENDDO
230          ENDIF
231
232          IF ( urban_surface )  THEN
233             DO  m = 1, surf_usm_h%ns
234                i   = surf_usm_h%i(m)           
235                j   = surf_usm_h%j(m)
236                k   = surf_usm_h%k(m)
237                pt(k,j,i) = pt_spinup
238             ENDDO
239
240             DO  l = 0, 3
241                DO  m = 1, surf_usm_v(l)%ns
242                   i   = surf_usm_v(l)%i(m)           
243                   j   = surf_usm_v(l)%j(m)
244                   k   = surf_usm_v(l)%k(m)
245                   pt(k,j,i) = pt_spinup
246                ENDDO
247             ENDDO
248          ENDIF
249
250!
251!--       Swap the time levels in preparation for the next time step.
252          timestep_count = timestep_count + 1
253     
254          IF ( land_surface )  THEN
255              CALL lsm_swap_timelevel ( 0 )
256          ENDIF
257
258          IF ( urban_surface )  THEN
259             CALL usm_swap_timelevel ( 0 )
260          ENDIF
261
262          IF ( land_surface )  THEN
263             CALL lsm_swap_timelevel ( MOD( timestep_count, 2) )
264          ENDIF
265
266          IF ( urban_surface )  THEN
267             CALL usm_swap_timelevel ( MOD( timestep_count, 2) )
268          ENDIF
269         
270!
271!--       If required, compute virtual potential temperature
272          IF ( humidity )  THEN
273             CALL compute_vpt 
274          ENDIF 
275
276!
277!--       Compute the diffusion quantities
278          IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
279
280!
281!--          First the vertical (and horizontal) fluxes in the surface
282!--          (constant flux) layer are computed
283             IF ( constant_flux_layer )  THEN
284                CALL cpu_log( log_point(19), 'surface_layer_fluxes', 'start' )
285                CALL surface_layer_fluxes
286                CALL cpu_log( log_point(19), 'surface_layer_fluxes', 'stop' )
287             ENDIF
288
289!
290!--          If required, solve the energy balance for the surface and run soil
291!--          model. Call for horizontal as well as vertical surfaces.
292!--          The prognostic equation for soil moisure is switched off
293             IF ( land_surface )  THEN
294
295                CALL cpu_log( log_point(54), 'land_surface', 'start' )
296!
297!--             Call for horizontal upward-facing surfaces
298                CALL lsm_energy_balance( .TRUE., -1 )
299                CALL lsm_soil_model( .TRUE., -1, .FALSE. )
300!
301!--             Call for northward-facing surfaces
302                CALL lsm_energy_balance( .FALSE., 0 )
303                CALL lsm_soil_model( .FALSE., 0, .FALSE. )
304!
305!--             Call for southward-facing surfaces
306                CALL lsm_energy_balance( .FALSE., 1 )
307                CALL lsm_soil_model( .FALSE., 1, .FALSE. )
308!
309!--             Call for eastward-facing surfaces
310                CALL lsm_energy_balance( .FALSE., 2 )
311                CALL lsm_soil_model( .FALSE., 2, .FALSE. )
312!
313!--             Call for westward-facing surfaces
314                CALL lsm_energy_balance( .FALSE., 3 )
315                CALL lsm_soil_model( .FALSE., 3, .FALSE. )
316
317                CALL cpu_log( log_point(54), 'land_surface', 'stop' )
318             ENDIF
319
320!
321!--          If required, solve the energy balance for urban surfaces and run
322!--          the material heat model
323             IF (urban_surface) THEN
324                CALL cpu_log( log_point(74), 'urban_surface', 'start' )
325                CALL usm_surface_energy_balance
326                IF ( usm_material_model )  THEN
327                   CALL usm_green_heat_model
328                   CALL usm_material_heat_model
329                ENDIF
330                IF ( urban_surface ) THEN
331                   CALL usm_temperature_near_surface
332                ENDIF
333                CALL cpu_log( log_point(74), 'urban_surface', 'stop' )
334             ENDIF
335
336          ENDIF
337
338!
339!--       If required, calculate radiative fluxes and heating rates
340          IF ( radiation .AND. intermediate_timestep_count                     &
341               == intermediate_timestep_count_max )  THEN
342
343               time_radiation = time_radiation + dt_3d
344
345             IF ( time_radiation >= dt_3d .OR. force_radiation_call )          &
346             THEN
347
348                CALL cpu_log( log_point(50), 'radiation', 'start' )
349
350                IF ( .NOT. force_radiation_call )  THEN
351                   time_radiation = time_radiation - dt_3d
352                ENDIF
353
354                CALL radiation_control
355
356                CALL cpu_log( log_point(50), 'radiation', 'stop' )
357
358                IF ( radiation_interactions )  THEN
359                   CALL cpu_log( log_point(75), 'radiation_interaction', 'start' )
360                   CALL radiation_interaction
361                   CALL cpu_log( log_point(75), 'radiation_interaction', 'stop' )
362                ENDIF
363             ENDIF
364          ENDIF
365
366       ENDDO   ! Intermediate step loop
367
368!
369!--    Increase simulation time and output times
370       current_timestep_number_spinup = current_timestep_number_spinup + 1
371       simulated_time             = simulated_time   + dt_3d
372       simulated_time_chr         = time_to_string( simulated_time )
373       time_since_reference_point = simulated_time - coupling_start_time
374
375       IF ( data_output_during_spinup )  THEN
376          IF ( simulated_time >= skip_time_do2d_xy )  THEN
377             time_do2d_xy       = time_do2d_xy     + dt_3d
378          ENDIF
379          IF ( simulated_time >= skip_time_do3d    )  THEN
380             time_do3d          = time_do3d        + dt_3d
381          ENDIF
382          time_dots          = time_dots        + dt_3d
383          IF ( simulated_time >= skip_time_dopr )  THEN
384             time_dopr       = time_dopr        + dt_3d
385          ENDIF
386          time_run_control   = time_run_control + dt_3d
387
388!
389!--       Carry out statistical analysis and output at the requested output times.
390!--       The MOD function is used for calculating the output time counters (like
391!--       time_dopr) in order to regard a possible decrease of the output time
392!--       interval in case of restart runs
393
394!
395!--       Set a flag indicating that so far no statistics have been created
396!--       for this time step
397          flow_statistics_called = .FALSE.
398
399!
400!--       If required, call flow_statistics for averaging in time
401          IF ( averaging_interval_pr /= 0.0_wp  .AND.                          &
402             ( dt_dopr - time_dopr ) <= averaging_interval_pr  .AND.           &
403             simulated_time >= skip_time_dopr )  THEN
404             time_dopr_av = time_dopr_av + dt_3d
405             IF ( time_dopr_av >= dt_averaging_input_pr )  THEN
406                do_sum = .TRUE.
407                time_dopr_av = MOD( time_dopr_av,                              &
408                               MAX( dt_averaging_input_pr, dt_3d ) )
409             ENDIF
410          ENDIF
411          IF ( do_sum )  CALL flow_statistics
412
413!
414!--       Output of profiles
415          IF ( time_dopr >= dt_dopr )  THEN
416             IF ( dopr_n /= 0 )  CALL data_output_profiles
417             time_dopr = MOD( time_dopr, MAX( dt_dopr, dt_3d ) )
418             time_dopr_av = 0.0_wp    ! due to averaging (see above)
419          ENDIF
420
421!
422!--       Output of time series
423          IF ( time_dots >= dt_dots )  THEN
424             CALL data_output_tseries
425             time_dots = MOD( time_dots, MAX( dt_dots, dt_3d ) )
426          ENDIF
427
428!
429!--       2d-data output (cross-sections)
430          IF ( time_do2d_xy >= dt_do2d_xy )  THEN
431             CALL data_output_2d( 'xy', 0 )
432             time_do2d_xy = MOD( time_do2d_xy, MAX( dt_do2d_xy, dt_3d ) )
433          ENDIF
434
435!
436!--       3d-data output (volume data)
437          IF ( time_do3d >= dt_do3d )  THEN
438             CALL data_output_3d( 0 )
439             time_do3d = MOD( time_do3d, MAX( dt_do3d, dt_3d ) )
440          ENDIF
441
442
443       ENDIF
444
445!
446!--    Computation and output of run control parameters.
447!--    This is also done whenever perturbations have been imposed
448!        IF ( time_run_control >= dt_run_control  .OR.                           &
449!             timestep_scheme(1:5) /= 'runge'  .OR.  disturbance_created )       &
450!        THEN
451!           CALL run_control
452!           IF ( time_run_control >= dt_run_control )  THEN
453!              time_run_control = MOD( time_run_control,                         &
454!                                      MAX( dt_run_control, dt_3d ) )
455!           ENDIF
456!        ENDIF
457
458       CALL cpu_log( log_point_s(15), 'timesteps spinup', 'stop' )
459
460
461!
462!--    Run control output
463       IF ( myid == 0 )  THEN
464!
465!--       If necessary, write header
466          IF ( .NOT. run_control_header_spinup )  THEN
467             CALL check_open( 15 )
468             WRITE ( 15, 100 )
469             run_control_header_spinup = .TRUE.
470          ENDIF
471!
472!--       Write some general information about the spinup in run control file
473          WRITE ( 15, 101 )  current_timestep_number_spinup, simulated_time_chr, dt_3d, pt_spinup
474!
475!--       Write buffer contents to disc immediately
476          FLUSH( 15 )
477       ENDIF
478
479
480
481    ENDDO   ! time loop
482
483!
484!-- Write back saved arrays to the 3D arrays
485    pt   = pt_save
486    pt_p = pt_save
487    u    = u_save
488    v    = v_save
489
490!
491!-- Reset time step
492    dt_3d = dt_save
493
494    DEALLOCATE(pt_save)
495    DEALLOCATE(u_save)
496    DEALLOCATE(v_save)
497
498    CALL location_message( 'finished spinup-sequence', .TRUE. )
499
500
501!
502!-- Formats
503100 FORMAT (///'Spinup control output:'/  &
504            '--------------------------------'// &
505            'ITER.  HH:MM:SS    DT   PT(z_MO)'/   &
506            '--------------------------------')
507101 FORMAT (I5,2X,A9,1X,F6.2,3X,F6.2,2X,F6.2)
508
509 CONTAINS
510
511!
512!-- Returns the cosine of the solar zenith angle at a given time. This routine
513!-- is similar to that for calculation zenith (see radiation_model_mod.f90)
514    FUNCTION solar_angle( local_time ) 
515
516       USE constants,                                                          &
517       ONLY:  pi
518     
519       USE kinds
520
521       USE radiation_model_mod,                                                &
522           ONLY:  decl_1, decl_2, decl_3, lat, lon
523
524       IMPLICIT NONE
525
526
527       REAL(wp) ::  solar_angle     !< cosine of the solar zenith angle
528
529       REAL(wp) ::  day             !< day of the year
530       REAL(wp) ::  declination     !< solar declination angle
531       REAL(wp) ::  hour_angle      !< solar hour angle
532       REAL(wp) ::  time_utc        !< current time in UTC
533       REAL(wp), INTENT(IN) :: local_time
534!
535!--    Calculate current day and time based on the initial values and simulation
536!--    time
537
538       day = day_of_year_init + INT(FLOOR( local_time / 86400.0_wp ), KIND=iwp)
539       time_utc = MOD(local_time, 86400.0_wp)
540
541
542!
543!--    Calculate solar declination and hour angle   
544       declination = ASIN( decl_1 * SIN(decl_2 * REAL(day, KIND=wp) - decl_3) )
545       hour_angle  = 2.0_wp * pi * (time_utc / 86400.0_wp) + lon - pi
546
547!
548!--    Calculate cosine of solar zenith angle
549       solar_angle = SIN(lat) * SIN(declination) + COS(lat) * COS(declination) &
550                     * COS(hour_angle)
551
552
553    END FUNCTION solar_angle
554
555
556 END SUBROUTINE time_integration_spinup
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.