source: palm/trunk/SOURCE/timestep.f90 @ 4556

Last change on this file since 4556 was 4540, checked in by raasch, 4 years ago

files re-formatted to follow the PALM coding standard

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 19.0 KB
RevLine 
[1682]1!> @file timestep.f90
[4540]2!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
[2696]3! This file is part of the PALM model system.
[1036]4!
[4540]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.
[1036]8!
[4540]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.
[1036]12!
[4540]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/>.
[1036]15!
[4360]16! Copyright 1997-2020 Leibniz Universitaet Hannover
[4540]17!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
[1036]18!
[4540]19!
[258]20! Current revisions:
[4540]21! -----------------
[1485]22!
[3049]23!
[1485]24! Former revisions:
25! -----------------
26! $Id: timestep.f90 4540 2020-05-18 15:23:29Z raasch $
[4540]27! File re-formatted to follow the PALM coding standard
28!
29!
30! 4444 2020-03-05 15:59:50Z raasch
31! Bugfix: cpp-directives for serial mode added
32!
[4444]33! 4360 2020-01-07 11:25:50Z suehring
[4237]34! Added missing OpenMP directives
[4540]35!
[4237]36! 4233 2019-09-20 09:55:54Z knoop
[4233]37! OpenACC data update host removed
[4540]38!
[4233]39! 4182 2019-08-22 15:20:23Z scharf
[4182]40! Corrected "Former revisions" section
[4540]41!
[4182]42! 4101 2019-07-17 15:14:26Z gronemeier
[4540]43! - Consider 2*Km within diffusion criterion as Km is considered twice within the diffusion of e,
44! - in RANS mode, instead of considering each wind component individually use the wind speed of 3d
45!   wind vector in CFL criterion
46! - Do not limit the increase of dt based on its previous value in RANS mode
[4101]47!
48! 3658 2019-01-07 20:28:54Z knoop
[3634]49! OpenACC port for SPEC
[2716]50!
[4182]51! Revision 1.1  1997/08/11 06:26:19  raasch
52! Initial revision
53!
54!
[1]55! Description:
56! ------------
[1682]57!> Compute the time step under consideration of the FCL and diffusion criterion.
[4540]58!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
[1682]59 SUBROUTINE timestep
[1]60
[1320]61
[4540]62    USE arrays_3d,                                                                                 &
63        ONLY:  dzu,                                                                                &
64               dzw,                                                                                &
65               kh,                                                                                 &
66               km,                                                                                 &
67               u,                                                                                  &
68               u_stokes_zu,                                                                        &
69               v,                                                                                  &
70               v_stokes_zu,                                                                        &
71               w
[1320]72
[4540]73    USE control_parameters,                                                                        &
74        ONLY:  cfl_factor,                                                                         &
75               dt_3d,                                                                              &
76               dt_fixed,                                                                           &
77               dt_max,                                                                             &
78               galilei_transformation,                                                             &
79               message_string,                                                                     &
80               rans_mode,                                                                          &
81               stop_dt,                                                                            &
82               timestep_reason,                                                                    &
83               u_gtrans,                                                                           &
84               use_ug_for_galilei_tr,                                                              &
85               v_gtrans
86
[4444]87#if defined( __parallel )
[4540]88    USE control_parameters,                                                                        &
89        ONLY:  coupling_mode,                                                                      &
90               terminate_coupled,                                                                  &
91               terminate_coupled_remote
[4444]92#endif
93
[4540]94    USE cpulog,                                                                                    &
95        ONLY:  cpu_log,                                                                            &
96               log_point
[1320]97
[4540]98    USE grid_variables,                                                                            &
99        ONLY:  dx,                                                                                 &
100               dx2,                                                                                &
101               dy,                                                                                 &
102               dy2
[1320]103
[4540]104    USE indices,                                                                                   &
105        ONLY:  nxl,                                                                                &
106               nxlg,                                                                               &
107               nxr,                                                                                &
108               nxrg,                                                                               &
109               nyn,                                                                                &
110               nyng,                                                                               &
111               nys,                                                                                &
112               nysg,                                                                               &
113               nzb,                                                                                &
114               nzt
[1320]115
[1]116    USE interfaces
[1320]117
118    USE kinds
119
[4540]120    USE bulk_cloud_model_mod,                                                                      &
[1849]121        ONLY:  dt_precipitation
122
[1]123    USE pegrid
124
[4540]125    USE pmc_interface,                                                                             &
[2130]126        ONLY:  nested_run
127
[4540]128    USE statistics,                                                                                &
129        ONLY:  flow_statistics_called,                                                             &
130               hom,                                                                                &
131               u_max,                                                                              &
132               u_max_ijk,                                                                          &
133               v_max,                                                                              &
134               v_max_ijk,                                                                          &
135               w_max,                                                                              &
136               w_max_ijk
[1320]137
[4444]138#if defined( __parallel )
[4540]139    USE vertical_nesting_mod,                                                                      &
140        ONLY:  vnested,                                                                            &
141               vnest_timestep_sync
[4444]142#endif
[2365]143
[1]144    IMPLICIT NONE
145
[4540]146    INTEGER(iwp) ::  i  !<
147    INTEGER(iwp) ::  j  !<
148    INTEGER(iwp) ::  k  !<
[3083]149    INTEGER(iwp) ::  km_max_ijk(3) = -1  !< index values (i,j,k) of location where km_max occurs
150    INTEGER(iwp) ::  kh_max_ijk(3) = -1  !< index values (i,j,k) of location where kh_max occurs
[1]151
[4540]152    LOGICAL ::  stop_dt_local  !< local switch for controlling the time stepping
[2130]153
[4540]154    REAL(wp) ::  div         !<
155    REAL(wp) ::  dt_diff     !<
156    REAL(wp) ::  dt_diff_l   !<
157    REAL(wp) ::  dt_u        !<
158    REAL(wp) ::  dt_u_l      !<
159    REAL(wp) ::  dt_v        !<
160    REAL(wp) ::  dt_v_l      !<
161    REAL(wp) ::  dt_w        !<
162    REAL(wp) ::  dt_w_l      !<
163    REAL(wp) ::  km_max      !< maximum of Km in entire domain
164    REAL(wp) ::  kh_max      !< maximum of Kh in entire domain
165    REAL(wp) ::  u_gtrans_l  !<
166    REAL(wp) ::  v_gtrans_l  !<
167
168    REAL(wp), DIMENSION(2)         ::  uv_gtrans_l  !<
[4444]169#if defined( __parallel )
[4540]170    REAL(wp), DIMENSION(2)         ::  uv_gtrans    !<
171    REAL(wp), DIMENSION(3)         ::  reduce       !<
172    REAL(wp), DIMENSION(3)         ::  reduce_l     !<
[4444]173#endif
[4540]174    REAL(wp), DIMENSION(nzb+1:nzt) ::  dxyz2_min    !<
[3634]175    !$ACC DECLARE CREATE(dxyz2_min)
[1]176
177
178    CALL cpu_log( log_point(12), 'calculate_timestep', 'start' )
[3658]179
[3083]180!
[4540]181!-- In case of Galilei-transform not using the geostrophic wind as translation velocity, compute the
182!-- volume-averaged horizontal velocity components, which will then be subtracted from the
183!-- horizontal wind for the time step and horizontal advection routines.
[1]184    IF ( galilei_transformation  .AND. .NOT.  use_ug_for_galilei_tr )  THEN
185       IF ( flow_statistics_called )  THEN
186!
[4540]187!--       Horizontal averages already existent, just need to average them vertically.
[1342]188          u_gtrans = 0.0_wp
189          v_gtrans = 0.0_wp
[1]190          DO  k = nzb+1, nzt
191             u_gtrans = u_gtrans + hom(k,1,1,0)
192             v_gtrans = v_gtrans + hom(k,1,2,0)
193          ENDDO
[4540]194          u_gtrans = u_gtrans / REAL( nzt - nzb, KIND = wp )
195          v_gtrans = v_gtrans / REAL( nzt - nzb, KIND = wp )
[1]196       ELSE
197!
198!--       Averaging over the entire model domain.
[1342]199          u_gtrans_l = 0.0_wp
200          v_gtrans_l = 0.0_wp
[1]201          DO  i = nxl, nxr
202             DO  j = nys, nyn
203                DO  k = nzb+1, nzt
[1257]204                   u_gtrans_l = u_gtrans_l + u(k,j,i)
205                   v_gtrans_l = v_gtrans_l + v(k,j,i)
[1]206                ENDDO
207             ENDDO
208          ENDDO
[4540]209          uv_gtrans_l(1) = u_gtrans_l / REAL( (nxr-nxl+1) * (nyn-nys+1) * (nzt-nzb), KIND = wp )
210          uv_gtrans_l(2) = v_gtrans_l / REAL( (nxr-nxl+1) * (nyn-nys+1) * (nzt-nzb), KIND = wp )
[1]211#if defined( __parallel )
[622]212          IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
[4540]213          CALL MPI_ALLREDUCE( uv_gtrans_l, uv_gtrans, 2, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
214          u_gtrans = uv_gtrans(1) / REAL( numprocs, KIND = wp )
215          v_gtrans = uv_gtrans(2) / REAL( numprocs, KIND = wp )
[1]216#else
217          u_gtrans = uv_gtrans_l(1)
218          v_gtrans = uv_gtrans_l(2)
219#endif
220       ENDIF
221    ENDIF
222
[866]223!
[4540]224!-- Determine the maxima of the velocity components, including their grid index positions.
225    CALL global_min_max( nzb, nzt+1, nysg, nyng, nxlg, nxrg, u, 'abs', 0.0_wp, u_max, u_max_ijk )
226    CALL global_min_max( nzb, nzt+1, nysg, nyng, nxlg, nxrg, v, 'abs', 0.0_wp, v_max, v_max_ijk )
227    CALL global_min_max( nzb, nzt+1, nysg, nyng, nxlg, nxrg, w, 'abs', 0.0_wp, w_max, w_max_ijk )
[866]228
[1257]229    IF ( .NOT. dt_fixed )  THEN
[866]230!
[1257]231!--    Variable time step:
[4101]232!--    Calculate the maximum time step according to the CFL-criterion
[1342]233       dt_u_l = 999999.9_wp
234       dt_v_l = 999999.9_wp
235       dt_w_l = 999999.9_wp
[4101]236
237       IF ( .NOT. rans_mode )  THEN
238!
239!--       Consider each velocity component individually
240
241          !$ACC PARALLEL LOOP COLLAPSE(3) PRIVATE(i,j,k) &
242          !$ACC COPY(dt_u_l, dt_v_l, dt_w_l, u_stokes_zu, v_stokes_zu) &
243          !$ACC REDUCTION(MIN: dt_u_l, dt_v_l, dt_w_l) &
244          !$ACC PRESENT(u, v, w, dzu)
[4237]245          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE(i,j,k) &
246          !$OMP REDUCTION(MIN: dt_u_l, dt_v_l, dt_w_l)
[4101]247          DO  i = nxl, nxr
248             DO  j = nys, nyn
249                DO  k = nzb+1, nzt
[4540]250                   dt_u_l = MIN( dt_u_l, ( dx / ( ABS( u(k,j,i) - u_gtrans + u_stokes_zu(k) )      &
251                                                  + 1.0E-10_wp ) ) )
252                   dt_v_l = MIN( dt_v_l, ( dy / ( ABS( v(k,j,i) - v_gtrans + v_stokes_zu(k) )      &
253                                                  + 1.0E-10_wp ) ) )
254                   dt_w_l = MIN( dt_w_l, ( dzu(k) / ( ABS( w(k,j,i) ) + 1.0E-10_wp ) ) )
[4101]255                ENDDO
[1257]256             ENDDO
257          ENDDO
[1]258
[4101]259       ELSE
260!
261!--       Consider the wind speed at the scalar-grid point
[4540]262!--       !> @note Considering the wind speed instead of each individual wind component is only a
263!--       !>       workaround so far. This has to be changed in the future.
[4101]264
265          !$ACC PARALLEL LOOP COLLAPSE(3) PRIVATE(i,j,k) &
266          !$ACC COPY(dt_u_l, u_stokes_zu, v_stokes_zu) &
267          !$ACC REDUCTION(MIN: dt_u_l) &
268          !$ACC PRESENT(u, v, w, dzu)
[4237]269          !$OMP PARALLEL DO PRIVATE(i,j,k) &
270          !$OMP REDUCTION(MIN: dt_u_l)
[4101]271          DO  i = nxl, nxr
272             DO  j = nys, nyn
273                DO  k = nzb+1, nzt
[4540]274                   dt_u_l = MIN( dt_u_l, ( MIN( dx, dy, dzu(k) ) / ( SQRT(                         &
275                            ( 0.5 * ( u(k,j,i) + u(k,j,i+1) ) - u_gtrans + u_stokes_zu(k) )**2     &
276                          + ( 0.5 * ( v(k,j,i) + v(k,j+1,i) ) - v_gtrans + v_stokes_zu(k) )**2     &
277                          + ( 0.5 * ( w(k,j,i) + w(k-1,j,i) ) )**2 ) + 1.0E-10_wp ) ) )
[4101]278                ENDDO
279             ENDDO
280          ENDDO
[4540]281
[4101]282          dt_v_l = dt_u_l
283          dt_w_l = dt_u_l
284
285       ENDIF
286
[1257]287#if defined( __parallel )
288       reduce_l(1) = dt_u_l
289       reduce_l(2) = dt_v_l
290       reduce_l(3) = dt_w_l
291       IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
292       CALL MPI_ALLREDUCE( reduce_l, reduce, 3, MPI_REAL, MPI_MIN, comm2d, ierr )
293       dt_u = reduce(1)
294       dt_v = reduce(2)
295       dt_w = reduce(3)
296#else
297       dt_u = dt_u_l
298       dt_v = dt_v_l
299       dt_w = dt_w_l
300#endif
301
[1]302!
303!--    Compute time step according to the diffusion criterion.
[4540]304!--    First calculate minimum grid spacing which only depends on index k. When using the dynamic
305!--    subgrid model, negative km are possible.
[1342]306       dt_diff_l = 999999.0_wp
[1]307
[3634]308       !$ACC PARALLEL LOOP PRESENT(dxyz2_min, dzw)
[1]309       DO  k = nzb+1, nzt
[4540]310           dxyz2_min(k) = MIN( dx2, dy2, dzw(k) * dzw(k) ) * 0.125_wp
[1]311       ENDDO
312
[3241]313       !$OMP PARALLEL private(i,j,k) reduction(MIN: dt_diff_l)
[2118]314       !$OMP DO
[3634]315       !$ACC PARALLEL LOOP COLLAPSE(3) PRIVATE(i,j,k) &
316       !$ACC COPY(dt_diff_l) REDUCTION(MIN: dt_diff_l) &
317       !$ACC PRESENT(dxyz2_min, kh, km)
[1]318       DO  i = nxl, nxr
319          DO  j = nys, nyn
320             DO  k = nzb+1, nzt
[4540]321                dt_diff_l = MIN( dt_diff_l, dxyz2_min(k) / ( MAX( kh(k,j,i), 2.0_wp *              &
322                            ABS( km(k,j,i) ) ) + 1E-20_wp ) )
[1]323             ENDDO
324          ENDDO
325       ENDDO
[2118]326       !$OMP END PARALLEL
[1]327#if defined( __parallel )
[622]328       IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
[4540]329       CALL MPI_ALLREDUCE( dt_diff_l, dt_diff, 1, MPI_REAL, MPI_MIN, comm2d, ierr )
[1]330#else
331       dt_diff = dt_diff_l
332#endif
333
334!
[4540]335!--    The time step is the minimum of the 3-4 components and the diffusion time step minus a
336!--    reduction (cfl_factor) to be on the safe side.
[3084]337!--    The time step must not exceed the maximum allowed value.
[2130]338       dt_3d = cfl_factor * MIN( dt_diff, dt_u, dt_v, dt_w, dt_precipitation )
[3084]339       dt_3d = MIN( dt_3d, dt_max )
[1]340
341!
342!--    Remember the restricting time step criterion for later output.
[1484]343       IF ( MIN( dt_u, dt_v, dt_w ) < dt_diff )  THEN
[1]344          timestep_reason = 'A'
345       ELSE
346          timestep_reason = 'D'
347       ENDIF
348
349!
350!--    Set flag if the time step becomes too small.
[1342]351       IF ( dt_3d < ( 0.00001_wp * dt_max ) )  THEN
[1]352          stop_dt = .TRUE.
[108]353
[3083]354!
[4540]355!--       Determine the maxima of the diffusion coefficients, including their grid index positions.
356          CALL global_min_max( nzb, nzt+1, nysg, nyng, nxlg, nxrg, km, 'abs', 0.0_wp, km_max,      &
357                               km_max_ijk )
358          CALL global_min_max( nzb, nzt+1, nysg, nyng, nxlg, nxrg, kh, 'abs', 0.0_wp, kh_max,      &
359                               kh_max_ijk )
[3083]360
[4540]361          WRITE( message_string, * ) 'Time step has reached minimum limit.',                       &
362               '&dt              = ', dt_3d, ' s  Simulation is terminated.',                      &
363               '&dt_u            = ', dt_u, ' s',                                                  &
364               '&dt_v            = ', dt_v, ' s',                                                  &
365               '&dt_w            = ', dt_w, ' s',                                                  &
366               '&dt_diff         = ', dt_diff, ' s',                                               &
367               '&u_max           = ', u_max, ' m/s    k=', u_max_ijk(1),                           &
368               '  j=', u_max_ijk(2), '  i=', u_max_ijk(3),                                         &
369               '&v_max           = ', v_max, ' m/s    k=', v_max_ijk(1),                           &
370               '  j=', v_max_ijk(2), '  i=', v_max_ijk(3),                                         &
371               '&w_max           = ', w_max, ' m/s    k=', w_max_ijk(1),                           &
372               '  j=', w_max_ijk(2), '  i=', w_max_ijk(3),                                         &
373               '&km_max          = ', km_max, ' m2/s2  k=', km_max_ijk(1),                         &
374               '  j=', km_max_ijk(2), '  i=', km_max_ijk(3),                                       &
375               '&kh_max          = ', kh_max, ' m2/s2  k=', kh_max_ijk(1),                         &
[3083]376                '  j=', kh_max_ijk(2), '  i=', kh_max_ijk(3)
[258]377          CALL message( 'timestep', 'PA0312', 0, 1, 0, 6, 0 )
[108]378!
[4540]379!--       In case of coupled runs inform the remote model of the termination and its reason,
380!--       provided the remote model has not already been informed of another termination reason
381!--       (terminate_coupled > 0).
[222]382#if defined( __parallel )
[108]383          IF ( coupling_mode /= 'uncoupled' .AND. terminate_coupled == 0 )  THEN
384             terminate_coupled = 2
[2130]385             IF ( myid == 0 )  THEN
[4540]386                CALL MPI_SENDRECV( terminate_coupled, 1, MPI_INTEGER, target_id, 0,                &
387                                   terminate_coupled_remote, 1, MPI_INTEGER, target_id,  0,        &
388                                   comm_inter, status, ierr )
[667]389             ENDIF
[4540]390             CALL MPI_BCAST( terminate_coupled_remote, 1, MPI_INTEGER, 0, comm2d, ierr)
[108]391          ENDIF
[222]392#endif
[1]393       ENDIF
394
395!
[4540]396!--    In case of nested runs all parent/child processes have to terminate if one process has set
397!--    the stop flag, i.e. they need to set the stop flag too.
[2130]398       IF ( nested_run )  THEN
399          stop_dt_local = stop_dt
[2258]400#if defined( __parallel )
[4540]401          CALL MPI_ALLREDUCE( stop_dt_local, stop_dt, 1, MPI_LOGICAL, MPI_LOR, MPI_COMM_WORLD, ierr )
[2258]402#endif
[2130]403       ENDIF
404
405!
[1001]406!--    Ensure a smooth value (two significant digits) of the timestep.
[1342]407       div = 1000.0_wp
[1001]408       DO  WHILE ( dt_3d < div )
[1342]409          div = div / 10.0_wp
[1001]410       ENDDO
[1342]411       dt_3d = NINT( dt_3d * 100.0_wp / div ) * div / 100.0_wp
[1]412
[1001]413    ENDIF
[1]414
[4444]415#if defined( __parallel )
[2365]416!
[4540]417!-- Vertical nesting: coarse and fine grid timestep has to be identical
[2365]418    IF ( vnested )  CALL vnest_timestep_sync
[4444]419#endif
[2365]420
[1]421    CALL cpu_log( log_point(12), 'calculate_timestep', 'stop' )
422
423 END SUBROUTINE timestep
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.