source: palm/trunk/SOURCE/turbulence_closure_mod.f90 @ 3634

Last change on this file since 3634 was 3634, checked in by knoop, 3 years ago

OpenACC port for SPEC

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 195.2 KB
RevLine 
[2353]1!> @file turbulence_closure_mod.f90
[2761]2!------------------------------------------------------------------------------!
3! This file is part of the PALM model system.
[2353]4!
[2761]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
[2353]8! version.
9!
[2761]10! PALM is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY
[2353]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!
[2761]17! Copyright 2017-2018 Leibniz Universitaet Hannover
[2353]18!--------------------------------------------------------------------------------!
19!
20! Current revisions:
21! -----------------
[2918]22!
[3183]23!
[2918]24! Former revisions:
25! -----------------
26! $Id: turbulence_closure_mod.f90 3634 2018-12-18 12:31:28Z knoop $
[3634]27! OpenACC port for SPEC
28!
29! 3550 2018-11-21 16:01:01Z gronemeier
[3550]30! - calculate diss production same in vector and cache optimization
31! - move boundary condition for e and diss to boundary_conds
32!
33! 3545 2018-11-21 11:19:41Z gronemeier
[3545]34! - Set rans_mode according to value of turbulence_closure
35! - removed debug output
36!
37! 3430 2018-10-25 13:36:23Z maronga
[3430]38! Added support for buildings in the dynamic SGS model
39!
40! 3398 2018-10-22 19:30:24Z knoop
[3398]41! Refactored production_e and production_e_ij (removed code redundancy)
42!
43! 3386 2018-10-19 16:28:22Z gronemeier
[3386]44! Renamed tcm_prognostic to tcm_prognostic_equations
45!
46! 3385 2018-10-19 14:52:29Z knoop
[3359]47! Restructured loops and ifs in production_e to ease vectorization on GPUs
48!
49! 3300 2018-10-02 14:16:54Z gronemeier
[3299]50! - removed global array wall_flags_0_global, hence reduced accuracy of l_wall
51!   calculation
52! - removed maxloc call as this produced different results for different
53!   compiler options
54!
55! 3294 2018-10-01 02:37:10Z raasch
[3294]56! changes concerning modularization of ocean option
57!
58! 3274 2018-09-24 15:42:55Z knoop
[3274]59! Modularization of all bulk cloud physics code components
60!
61! 3245 2018-09-13 14:08:16Z knoop
[3241]62! unused variables removed, shortest_distance has wp now
63!
64! 3183 2018-07-27 14:25:55Z suehring
[3183]65! Rename variables and remove unused variable from USE statement
66!
67! 3182 2018-07-27 13:36:03Z suehring
[3145]68! Use MOST for km only in RANS mode
69!
70! 3130 2018-07-16 11:08:55Z gronemeier
[3130]71! - move boundary condition of km and kh to tcm_diffusivities
72! - calculate km at boundaries according to MOST
73! - move phi_m to surface_layer_fluxes_mod
74!
75! 3129 2018-07-16 07:45:13Z gronemeier
[3129]76! - move limitation of diss to boundary_conds
77! - move boundary conditions for e and diss to boundary_conds
78! - consider non-default surfaces in tcm_diffusivities
79! - use z_mo within surface layer instead of calculating it
80! - resort output after case select -> reduced code duplication
81! - when using rans_tke_e and 1d-model, do not use e1d, km1d and diss1d
82!
83! 3121 2018-07-11 18:46:49Z gronemeier
[3121]84! - created the function phi_m
85! - implemented km = u* * kappa * zp / phi_m in production_e_init for all
86!   surfaces
87!
88! 3120 2018-07-11 18:30:57Z gronemeier
[3120]89! - changed tcm_diffusivities to tcm_diffusivities_default
90! - created subroutine tcm_diffusivities that calls tcm_diffusivities_default
91!   and tcm_diffusivities_dynamic
92!
93! 3086 2018-06-25 09:08:04Z gronemeier
[3086]94! bugfix: set rans_const_sigma(1) = 1.3
95!
96! 3083 2018-06-19 14:03:12Z gronemeier
[3083]97! - set limits of diss at the end of prognostic equations
98! - call production_e to calculate production term of diss
99! - limit change of diss to -90% to +100%
100! - remove factor 0.5 from diffusion_diss_ij
101! - rename c_m into c_0, and c_h into c_4
102! - add rans_const_c and rans_const_sigma as namelist parameters
103! - add calculation of mixing length for profile output in case of rans_tke_e
104! - changed format of annotations to comply with doxygen standards
105! - calculate and save dissipation rate during rans_tke_l mode
106! - set bc at vertical walls for e, diss, km, kh
107! - bugfix: set l_wall = 0.0 within buildings
108! - set l_wall at bottom and top boundary (rans-mode)
109! - bugfix in production term for dissipation rate
110! - bugfix in diffusion of dissipation rate
111! - disable check for 1D model if rans_tke_e is used
112! - bugfixes for initialization (rans-mode):
113!    - correction of dissipation-rate formula
114!    - calculate km based on l_wall
115!    - initialize diss if 1D model is not used
116!
117! 3045 2018-05-28 07:55:41Z Giersch
[3045]118! Error message revised
119!
120! 3014 2018-05-09 08:42:38Z maronga
[3014]121! Bugfix: nzb_do and nzt_do were not used for 3d data output
122!
123! 3004 2018-04-27 12:33:25Z Giersch
[3004]124! Further allocation checks implemented
125!
126! 2938 2018-03-27 15:52:42Z suehring
[2938]127! Further todo's
128!
[3083]129! 2936 2018-03-27 14:49:27Z gronemeier
[2913]130! - defined l_grid only within this module
131! - Moved l_wall definition from modules.f90
[2916]132! - Get level of highest topography, used to limit upward distance calculation
133! - Consider cyclic boundary conditions for mixing length calculation
134! - Moved copy of wall_flags into subarray to subroutine
135! - Implemented l_wall calculation in case of RANS simulation
136! - Moved init of l_black to tcm_init_mixing_length
[2902]137! - Moved init_mixing_length from init_grid.f90 and
[2916]138!   renamed it to tcm_init_mixing_length
[2353]139!
[2918]140! 2764 2018-01-22 09:25:36Z gronemeier
[2842]141! Bugfix: remove duplicate SAVE statements
142!
143! 2746 2018-01-15 12:06:04Z suehring
[2761]144! Move flag plant canopy to modules
[2353]145!
[2761]146! 2718 2018-01-02 08:49:38Z maronga
147! Corrected "Former revisions" section
148!
149! 2701 2017-12-15 15:40:50Z suehring
150! Changes from last commit documented
151!
152! 2698 2017-12-14 18:46:24Z suehring
153! Bugfix in get_topography_top_index
[2353]154!
[2761]155! 2696 2017-12-14 17:12:51Z kanani
156! Initial revision
157!
158!
159!
160!
[2353]161! Authors:
162! --------
163! @author Tobias Gronemeier
[3120]164! @author Hauke Wurps
[2353]165!
166! Description:
167! ------------
168!> This module contains the available turbulence closures for PALM.
169!>
170!>
171!> @todo test initialization for all possibilities
[2680]172!>       add OpenMP directives whereever possible
[2938]173!> @todo Check for random disturbances
[2353]174!> @note <Enter notes on the module>
175!------------------------------------------------------------------------------!
176 MODULE turbulence_closure_mod
177 
178
179#if defined( __nopointer )
180    USE arrays_3d,                                                             &
[2913]181        ONLY:  diss, diss_p, dzu, e, e_p, kh, km,                              &
[2680]182               mean_inflow_profiles, prho, pt, tdiss_m, te_m, tend, u, v, vpt, w
[2353]183#else
184    USE arrays_3d,                                                             &
[2680]185        ONLY:  diss, diss_1, diss_2, diss_3, diss_p, dzu, e, e_1, e_2, e_3,    &
[2913]186               e_p, kh, km, mean_inflow_profiles, prho, pt, tdiss_m,           &
[2680]187               te_m, tend, u, v, vpt, w
[2353]188#endif
189
[3274]190    USE basic_constants_and_equations_mod,                                     &
[3361]191        ONLY:  g, kappa, lv_d_cp, lv_d_rd, rd_d_rv
[3274]192
[2353]193    USE control_parameters,                                                    &
[3182]194        ONLY:  constant_diffusion, dt_3d, e_init, humidity,                    &
[2680]195               initializing_actions, intermediate_timestep_count,              &
[3274]196               intermediate_timestep_count_max, km_constant,                   &
[3294]197               les_dynamic, les_mw, ocean_mode, plant_canopy, prandtl_number,  &
198               pt_reference, rans_mode, rans_tke_e, rans_tke_l,                &
[3120]199               simulated_time,timestep_scheme, turbulence_closure,             &
200               turbulent_inflow, use_upstream_for_tke, vpt_reference,          &
[3430]201               ws_scheme_sca, current_timestep_number
[2353]202
203    USE advec_ws,                                                              &
204        ONLY:  advec_s_ws
205
206    USE advec_s_bc_mod,                                                        &
207        ONLY:  advec_s_bc
208
209    USE advec_s_pw_mod,                                                        &
210        ONLY:  advec_s_pw
211
212    USE advec_s_up_mod,                                                        &
213        ONLY:  advec_s_up
214
215    USE cpulog,                                                                &
216        ONLY:  cpu_log, log_point, log_point_s
217
218    USE indices,                                                               &
[3120]219        ONLY:  nbgp, nxl, nxlg, nxr, nxrg, nyn, nyng, nys, nysg, nzb, nzt,     &
[2680]220               wall_flags_0
[2353]221
222    USE kinds
223
[3294]224    USE ocean_mod,                                                             &
225        ONLY:  prho_reference
226
[2353]227    USE pegrid
228
229    USE plant_canopy_model_mod,                                                &
[2761]230        ONLY:  pcm_tendency
[2353]231
232    USE statistics,                                                            &
233        ONLY:  hom, hom_sum, statistic_regions
234
235    USE user_actions_mod,                                                      &
236        ONLY:  user_actions
237
238
239    IMPLICIT NONE
240
241
[3083]242    REAL(wp) ::  c_0                !< constant used for diffusion coefficient and dissipation (dependent on mode RANS/LES)
243    REAL(wp) ::  c_1                !< model constant for RANS mode
244    REAL(wp) ::  c_2                !< model constant for RANS mode
[3398]245    REAL(wp) ::  c_3                !< model constant for RANS mode
[3083]246    REAL(wp) ::  c_4                !< model constant for RANS mode
247    REAL(wp) ::  l_max              !< maximum length scale for Blackadar mixing length
248    REAL(wp) ::  dsig_e = 1.0_wp    !< factor to calculate Ke from Km (1/sigma_e)
249    REAL(wp) ::  dsig_diss = 1.0_wp !< factor to calculate K_diss from Km (1/sigma_diss)
[2353]250
[3083]251    REAL(wp), DIMENSION(0:4) :: rans_const_c = &       !< model constants for RANS mode (namelist param)
[3398]252       (/ 0.55_wp, 1.44_wp, 1.92_wp, 1.44_wp, 0.0_wp /) !> default values fit for standard-tke-e closure
[3083]253
254    REAL(wp), DIMENSION(2) :: rans_const_sigma = &     !< model constants for RANS mode, sigma values (sigma_e, sigma_diss) (namelist param)
[3086]255       (/ 1.0_wp, 1.30_wp /)
[3083]256
[2913]257    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  l_black    !< mixing length according to Blackadar
[3182]258
[2913]259    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  l_grid     !< geometric mean of grid sizes dx, dy, dz
[2353]260
[2913]261    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  l_wall !< near-wall mixing length
262
[2353]263
[3083]264    PUBLIC c_0, rans_const_c, rans_const_sigma
[2358]265
[2353]266!
[2680]267!-- PALM interfaces:
268!-- Input parameter checks to be done in check_parameters
269    INTERFACE tcm_check_parameters
270       MODULE PROCEDURE tcm_check_parameters
271    END INTERFACE tcm_check_parameters
[2353]272
273!
274!-- Data output checks for 2D/3D data to be done in check_parameters
275    INTERFACE tcm_check_data_output
276       MODULE PROCEDURE tcm_check_data_output
277    END INTERFACE tcm_check_data_output
[2680]278
[2353]279!
[2680]280!-- Definition of data output quantities
281    INTERFACE tcm_define_netcdf_grid
282       MODULE PROCEDURE tcm_define_netcdf_grid
283    END INTERFACE tcm_define_netcdf_grid
[2353]284
285!
286!-- Averaging of 3D data for output
287    INTERFACE tcm_3d_data_averaging
288       MODULE PROCEDURE tcm_3d_data_averaging
289    END INTERFACE tcm_3d_data_averaging
290
291!
292!-- Data output of 2D quantities
293    INTERFACE tcm_data_output_2d
294       MODULE PROCEDURE tcm_data_output_2d
295    END INTERFACE tcm_data_output_2d
296
297!
298!-- Data output of 3D data
299    INTERFACE tcm_data_output_3d
300       MODULE PROCEDURE tcm_data_output_3d
301    END INTERFACE tcm_data_output_3d
302
303!
304!-- Initialization actions 
305    INTERFACE tcm_init
306       MODULE PROCEDURE tcm_init
307    END INTERFACE tcm_init
[2680]308
[2353]309!
310!-- Initialization of arrays
311    INTERFACE tcm_init_arrays
312       MODULE PROCEDURE tcm_init_arrays
313    END INTERFACE tcm_init_arrays
314
315!
[2680]316!-- Initialization of TKE production term
317    INTERFACE production_e_init
318       MODULE PROCEDURE production_e_init
319    END INTERFACE production_e_init
[2353]320
321!
[2680]322!-- Prognostic equations for TKE and TKE dissipation rate
[3386]323    INTERFACE tcm_prognostic_equations
324       MODULE PROCEDURE tcm_prognostic_equations
325       MODULE PROCEDURE tcm_prognostic_equations_ij
326    END INTERFACE tcm_prognostic_equations
[2353]327
[2680]328!
329!-- Production term for TKE
[2353]330    INTERFACE production_e
331       MODULE PROCEDURE production_e
332       MODULE PROCEDURE production_e_ij
333    END INTERFACE production_e
334
[2680]335!
336!-- Diffusion term for TKE
[2353]337    INTERFACE diffusion_e
338       MODULE PROCEDURE diffusion_e
339       MODULE PROCEDURE diffusion_e_ij
340    END INTERFACE diffusion_e
341
[2680]342!
343!-- Diffusion term for TKE dissipation rate
[2353]344    INTERFACE diffusion_diss
345       MODULE PROCEDURE diffusion_diss
346       MODULE PROCEDURE diffusion_diss_ij
347    END INTERFACE diffusion_diss
348
[2680]349!
350!-- Mixing length for LES case
351    INTERFACE mixing_length_les
352       MODULE PROCEDURE mixing_length_les
353    END INTERFACE mixing_length_les
[2353]354
355!
[2680]356!-- Mixing length for RANS case
357    INTERFACE mixing_length_rans
358       MODULE PROCEDURE mixing_length_rans
359    END INTERFACE mixing_length_rans
[2353]360
[2680]361!
[3120]362!-- Call tcm_diffusivities_default and tcm_diffusivities_dynamic
[2680]363    INTERFACE tcm_diffusivities
364       MODULE PROCEDURE tcm_diffusivities
365    END INTERFACE tcm_diffusivities
[2353]366
367!
[3120]368!-- Calculate diffusivities
369    INTERFACE tcm_diffusivities_default
370       MODULE PROCEDURE tcm_diffusivities_default
371    END INTERFACE tcm_diffusivities_default
372
373!
374!-- Calculate diffusivities according to dynamic sgs model
375    INTERFACE tcm_diffusivities_dynamic
376       MODULE PROCEDURE tcm_diffusivities_dynamic
377    END INTERFACE tcm_diffusivities_dynamic
378
379!
380!-- Box-filter method for dynamic sgs model
381    INTERFACE tcm_box_filter_2d
382       MODULE PROCEDURE tcm_box_filter_2d_single
383       MODULE PROCEDURE tcm_box_filter_2d_array
384    END INTERFACE tcm_box_filter_2d
385
386!
[2680]387!-- Swapping of time levels (required for prognostic variables)
388    INTERFACE tcm_swap_timelevel
389       MODULE PROCEDURE tcm_swap_timelevel
390    END INTERFACE tcm_swap_timelevel
[2353]391
[2680]392    SAVE
[2353]393
[2680]394    PRIVATE
[2353]395!
[2680]396!-- Add INTERFACES that must be available to other modules (alphabetical order)
397    PUBLIC production_e_init, tcm_3d_data_averaging, tcm_check_data_output,    &
398           tcm_check_parameters, tcm_data_output_2d, tcm_data_output_3d,       &
399           tcm_define_netcdf_grid, tcm_diffusivities, tcm_init,                &
[3386]400           tcm_init_arrays, tcm_prognostic_equations, tcm_swap_timelevel
[2353]401
402
[2680]403 CONTAINS
[2353]404
405!------------------------------------------------------------------------------!
406! Description:
407! ------------
[2680]408!> Check parameters routine for turbulence closure module.
[2353]409!------------------------------------------------------------------------------!
410 SUBROUTINE tcm_check_parameters
411
412    USE control_parameters,                                                    &
[3241]413        ONLY:  message_string, turbulent_inflow, turbulent_outflow
[2353]414
415    IMPLICIT NONE
416
417!
418!-- Define which turbulence closure is going to be used
[3545]419    SELECT CASE ( TRIM( turbulence_closure ) )
[2353]420
[3545]421       CASE ( 'dynamic' )
422          les_dynamic = .TRUE.
423
424       CASE ( 'Moeng_Wyngaard' )
425          les_mw = .TRUE.
426
427       CASE ( 'TKE-l' )
428          rans_tke_l = .TRUE.
429          rans_mode = .TRUE.
430
431       CASE ( 'TKE-e' )
432          rans_tke_e = .TRUE.
433          rans_mode = .TRUE.
434
435       CASE DEFAULT
436          message_string = 'Unknown turbulence closure: ' //                &
437                           TRIM( turbulence_closure )
438          CALL message( 'tcm_check_parameters', 'PA0500', 1, 2, 0, 6, 0 )
439
440    END SELECT
[3083]441!
[3545]442!-- Set variables for RANS mode or LES mode
443    IF ( rans_mode )  THEN
444!
[3083]445!--    Assign values to constants for RANS mode
446       dsig_e    = 1.0_wp / rans_const_sigma(1)
447       dsig_diss = 1.0_wp / rans_const_sigma(2)
[2353]448
[3083]449       c_0 = rans_const_c(0)
450       c_1 = rans_const_c(1)
451       c_2 = rans_const_c(2)
[3398]452       c_3 = rans_const_c(3)   !> @todo clarify how to switch between different models
[3083]453       c_4 = rans_const_c(4)
454
455       IF ( turbulent_inflow .OR. turbulent_outflow )  THEN
456          message_string = 'turbulent inflow/outflow is not yet '//            &
457                           'implemented for RANS mode'
458          CALL message( 'tcm_check_parameters', 'PA0501', 1, 2, 0, 6, 0 )
459       ENDIF
460
[2353]461       message_string = 'RANS mode is still in development! ' //               &
462                        '&Not all features of PALM are yet compatible '//      &
463                        'with RANS mode. &Use at own risk!'
[3083]464       CALL message( 'tcm_check_parameters', 'PA0502', 0, 1, 0, 6, 0 )
[2353]465
466    ELSE
[3545]467!
468!--    LES mode
469       c_0 = 0.1_wp    !according to Lilly (1967) and Deardorff (1980)
[2353]470
[3083]471       dsig_e = 1.0_wp !assure to use K_m to calculate TKE instead
472                       !of K_e which is used in RANS mode
473
[2353]474    ENDIF
475
476 END SUBROUTINE tcm_check_parameters
477
478!------------------------------------------------------------------------------!
[2680]479! Description:
480! ------------
481!> Check data output.
482!------------------------------------------------------------------------------!
[3241]483 SUBROUTINE tcm_check_data_output( var, unit )
[2680]484 
485    IMPLICIT NONE
486
[3083]487    CHARACTER (LEN=*) ::  unit     !< unit of output variable
488    CHARACTER (LEN=*) ::  var      !< name of output variable
[2680]489
490
491    SELECT CASE ( TRIM( var ) )
492
493       CASE ( 'diss' )
494          unit = 'm2/s3'
495
496       CASE ( 'kh', 'km' )
497          unit = 'm2/s'
498
499       CASE DEFAULT
500          unit = 'illegal'
501
502    END SELECT
503
504 END SUBROUTINE tcm_check_data_output
505
506
507!------------------------------------------------------------------------------!
508! Description:
509! ------------
510!> Define appropriate grid for netcdf variables.
511!> It is called out from subroutine netcdf.
512!------------------------------------------------------------------------------!
513 SUBROUTINE tcm_define_netcdf_grid( var, found, grid_x, grid_y, grid_z )
514   
515    IMPLICIT NONE
516
[3083]517    CHARACTER (LEN=*), INTENT(OUT) ::  grid_x   !< x grid of output variable
518    CHARACTER (LEN=*), INTENT(OUT) ::  grid_y   !< y grid of output variable
519    CHARACTER (LEN=*), INTENT(OUT) ::  grid_z   !< z grid of output variable
520    CHARACTER (LEN=*), INTENT(IN)  ::  var      !< name of output variable
521
522    LOGICAL, INTENT(OUT) ::  found   !< flag if output variable is found
523
[2680]524    found  = .TRUE.
525
[2353]526!
[2680]527!-- Check for the grid
528    SELECT CASE ( TRIM( var ) )
529
530       CASE ( 'diss', 'diss_xy', 'diss_xz', 'diss_yz' )
531          grid_x = 'x'
532          grid_y = 'y'
533          grid_z = 'zu'
534
535       CASE ( 'kh', 'kh_xy', 'kh_xz', 'kh_yz' )
536          grid_x = 'x'
537          grid_y = 'y'
538          grid_z = 'zu'
539
540       CASE ( 'km', 'km_xy', 'km_xz', 'km_yz' )
541          grid_x = 'x'
542          grid_y = 'y'
543          grid_z = 'zu'
544
545       CASE DEFAULT
546          found  = .FALSE.
547          grid_x = 'none'
548          grid_y = 'none'
549          grid_z = 'none'
550
551    END SELECT
552
553 END SUBROUTINE tcm_define_netcdf_grid
554
555
556!------------------------------------------------------------------------------!
[2353]557! Description:
558! ------------
[2680]559!> Average 3D data.
[2353]560!------------------------------------------------------------------------------!
561 SUBROUTINE tcm_3d_data_averaging( mode, variable )
562 
563
564    USE averaging,                                                             &
[2680]565        ONLY:  diss_av, kh_av, km_av
[2353]566
[2680]567    USE control_parameters,                                                    &
568        ONLY:  average_count_3d
[2353]569
570    IMPLICIT NONE
571
[3083]572    CHARACTER (LEN=*) ::  mode       !< flag defining mode 'allocate', 'sum' or 'average'
573    CHARACTER (LEN=*) ::  variable   !< name of variable
[2353]574
[3083]575    INTEGER(iwp) ::  i   !< loop index
576    INTEGER(iwp) ::  j   !< loop index
577    INTEGER(iwp) ::  k   !< loop index
[2353]578
579    IF ( mode == 'allocate' )  THEN
580
581       SELECT CASE ( TRIM( variable ) )
582
583          CASE ( 'diss' )
584             IF ( .NOT. ALLOCATED( diss_av ) )  THEN
[2680]585                ALLOCATE( diss_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
[2353]586             ENDIF
587             diss_av = 0.0_wp
588
[2680]589          CASE ( 'kh' )
590             IF ( .NOT. ALLOCATED( kh_av ) )  THEN
591                ALLOCATE( kh_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
592             ENDIF
593             kh_av = 0.0_wp
594
595          CASE ( 'km' )
596             IF ( .NOT. ALLOCATED( km_av ) )  THEN
597                ALLOCATE( km_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
598             ENDIF
599             km_av = 0.0_wp
600
[2353]601          CASE DEFAULT
602             CONTINUE
603
604       END SELECT
605
606    ELSEIF ( mode == 'sum' )  THEN
607
608       SELECT CASE ( TRIM( variable ) )
609
610          CASE ( 'diss' )
[3004]611             IF ( ALLOCATED( diss_av ) ) THEN             
612                DO  i = nxlg, nxrg
613                   DO  j = nysg, nyng
614                      DO  k = nzb, nzt+1
615                         diss_av(k,j,i) = diss_av(k,j,i) + diss(k,j,i)
616                      ENDDO
[2353]617                   ENDDO
618                ENDDO
[3004]619             ENDIF
[2353]620
[2680]621          CASE ( 'kh' )
[3004]622             IF ( ALLOCATED( kh_av ) ) THEN
623                DO  i = nxlg, nxrg
624                   DO  j = nysg, nyng
625                      DO  k = nzb, nzt+1
626                         kh_av(k,j,i) = kh_av(k,j,i) + kh(k,j,i)
627                      ENDDO
[2680]628                   ENDDO
629                ENDDO
[3004]630             ENDIF
[2680]631
632          CASE ( 'km' )
[3004]633             IF ( ALLOCATED( km_av ) ) THEN
634                DO  i = nxlg, nxrg
635                   DO  j = nysg, nyng
636                      DO  k = nzb, nzt+1
637                         km_av(k,j,i) = km_av(k,j,i) + km(k,j,i)
638                      ENDDO
[2680]639                   ENDDO
640                ENDDO
[3004]641             ENDIF
[2680]642
[2353]643          CASE DEFAULT
644             CONTINUE
645
646       END SELECT
647
648    ELSEIF ( mode == 'average' )  THEN
649
650       SELECT CASE ( TRIM( variable ) )
651
652          CASE ( 'diss' )
[3004]653             IF ( ALLOCATED( diss_av ) ) THEN
654                DO  i = nxlg, nxrg
655                   DO  j = nysg, nyng
656                      DO  k = nzb, nzt+1
657                         diss_av(k,j,i) = diss_av(k,j,i)                       & 
658                                        / REAL( average_count_3d, KIND=wp )
659                      ENDDO
[2353]660                   ENDDO
661                ENDDO
[3004]662             ENDIF
[2353]663
[2680]664          CASE ( 'kh' )
[3004]665             IF ( ALLOCATED( kh_av ) ) THEN
666                DO  i = nxlg, nxrg
667                   DO  j = nysg, nyng
668                      DO  k = nzb, nzt+1
669                         kh_av(k,j,i) = kh_av(k,j,i)                           & 
670                                        / REAL( average_count_3d, KIND=wp )
671                      ENDDO
[2680]672                   ENDDO
673                ENDDO
[3004]674             ENDIF
[2680]675
676          CASE ( 'km' )
[3004]677             IF ( ALLOCATED( km_av ) ) THEN
678                DO  i = nxlg, nxrg
679                   DO  j = nysg, nyng
680                      DO  k = nzb, nzt+1
681                         km_av(k,j,i) = km_av(k,j,i)                           & 
682                                        / REAL( average_count_3d, KIND=wp )
683                      ENDDO
[2680]684                   ENDDO
685                ENDDO
[3004]686             ENDIF
[2680]687
[2353]688       END SELECT
689
690    ENDIF
691
692 END SUBROUTINE tcm_3d_data_averaging
693
694
695!------------------------------------------------------------------------------!
696! Description:
697! ------------
[2680]698!> Define 2D output variables.
[2353]699!------------------------------------------------------------------------------!
[2680]700 SUBROUTINE tcm_data_output_2d( av, variable, found, grid, mode, local_pf,     &
[3241]701                                nzb_do, nzt_do )
[2353]702 
[2680]703    USE averaging,                                                             &
704        ONLY:  diss_av, kh_av, km_av
[2353]705
706    IMPLICIT NONE
707
[3083]708    CHARACTER (LEN=*) ::  grid       !< name of vertical grid
709    CHARACTER (LEN=*) ::  mode       !< either 'xy', 'xz' or 'yz'
710    CHARACTER (LEN=*) ::  variable   !< name of variable
[2353]711
[3129]712    INTEGER(iwp) ::  av        !< flag for (non-)average output
713    INTEGER(iwp) ::  flag_nr   !< number of masking flag
714    INTEGER(iwp) ::  i         !< loop index
715    INTEGER(iwp) ::  j         !< loop index
716    INTEGER(iwp) ::  k         !< loop index
717    INTEGER(iwp) ::  nzb_do    !< vertical output index (bottom)
718    INTEGER(iwp) ::  nzt_do    !< vertical output index (top)
[2353]719
[3545]720    LOGICAL ::  found     !< flag if output variable is found
[3129]721    LOGICAL ::  resorted  !< flag if output is already resorted
[2353]722
[3545]723    REAL(wp) ::  fill_value = -9999.0_wp  !< value for the _FillValue attribute
[3004]724
[3014]725    REAL(wp), DIMENSION(nxl:nxr,nys:nyn,nzb_do:nzt_do) ::  local_pf !< local
[2353]726       !< array to which output data is resorted to
727
[3129]728    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), POINTER ::  to_be_resorted  !< points to selected output variable
729   
[2353]730    found = .TRUE.
[3129]731    resorted = .FALSE.
732!
733!-- Set masking flag for topography for not resorted arrays
734    flag_nr = 0
[2353]735
736    SELECT CASE ( TRIM( variable ) )
737
[2680]738       CASE ( 'diss_xy', 'diss_xz', 'diss_yz' )
739          IF ( av == 0 )  THEN
[3129]740             to_be_resorted => diss
[2680]741          ELSE
[3004]742             IF ( .NOT. ALLOCATED( diss_av ) ) THEN
743                ALLOCATE( diss_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
744                diss_av = REAL( fill_value, KIND = wp )
745             ENDIF
[3129]746             to_be_resorted => diss_av
[2680]747          ENDIF
748          IF ( mode == 'xy' ) grid = 'zu'
749
750       CASE ( 'kh_xy', 'kh_xz', 'kh_yz' )
751          IF ( av == 0 )  THEN
[3129]752             to_be_resorted => kh
[2680]753          ELSE
[3129]754             IF ( .NOT. ALLOCATED( kh_av ) ) THEN
755                ALLOCATE( kh_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
756                kh_av = REAL( fill_value, KIND = wp )
[3004]757             ENDIF
[3129]758             to_be_resorted => kh_av
[2680]759          ENDIF
760          IF ( mode == 'xy' ) grid = 'zu'
761
762       CASE ( 'km_xy', 'km_xz', 'km_yz' )
763          IF ( av == 0 )  THEN
[3129]764             to_be_resorted => km
[2680]765          ELSE
[3129]766             IF ( .NOT. ALLOCATED( km_av ) ) THEN
767                ALLOCATE( km_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
768                km_av = REAL( fill_value, KIND = wp )
[3004]769             ENDIF
[3129]770             to_be_resorted => km_av
[2680]771          ENDIF
772          IF ( mode == 'xy' ) grid = 'zu'
773
[2353]774       CASE DEFAULT
775          found = .FALSE.
776          grid  = 'none'
777
778    END SELECT
[3129]779
780    IF ( found .AND. .NOT. resorted )  THEN
781       DO  i = nxl, nxr
782          DO  j = nys, nyn
783             DO  k = nzb_do, nzt_do
784                local_pf(i,j,k) = MERGE( to_be_resorted(k,j,i),                &
785                                         REAL( fill_value, KIND = wp ),        &
786                                         BTEST( wall_flags_0(k,j,i), flag_nr ) ) 
787             ENDDO
788          ENDDO
789       ENDDO
790    ENDIF
[2353]791 
792 END SUBROUTINE tcm_data_output_2d
793
794 
795!------------------------------------------------------------------------------!
796! Description:
797! ------------
[2680]798!> Define 3D output variables.
[2353]799!------------------------------------------------------------------------------!
[3014]800 SUBROUTINE tcm_data_output_3d( av, variable, found, local_pf, nzb_do, nzt_do )
[2353]801 
802
803    USE averaging,                                                             &
[2680]804        ONLY:  diss_av, kh_av, km_av
[2353]805
806    IMPLICIT NONE
807
[3083]808    CHARACTER (LEN=*) ::  variable   !< name of variable
[2353]809
[3129]810    INTEGER(iwp) ::  av        !< flag for (non-)average output
811    INTEGER(iwp) ::  flag_nr   !< number of masking flag
812    INTEGER(iwp) ::  i         !< loop index
813    INTEGER(iwp) ::  j         !< loop index
814    INTEGER(iwp) ::  k         !< loop index
815    INTEGER(iwp) ::  nzb_do    !< lower limit of the data output (usually 0)
816    INTEGER(iwp) ::  nzt_do    !< vertical upper limit of the data output (usually nz_do3d)
[2353]817
[3129]818    LOGICAL ::  found     !< flag if output variable is found
819    LOGICAL ::  resorted  !< flag if output is already resorted
[2353]820
[3545]821    REAL(wp) ::  fill_value = -9999.0_wp  !< value for the _FillValue attribute
[3004]822
[3014]823    REAL(sp), DIMENSION(nxl:nxr,nys:nyn,nzb_do:nzt_do) ::  local_pf   !< local
[2353]824       !< array to which output data is resorted to
825
[3129]826    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), POINTER ::  to_be_resorted  !< points to selected output variable
[2353]827
828    found = .TRUE.
[3129]829    resorted = .FALSE.
830!
831!-- Set masking flag for topography for not resorted arrays
832    flag_nr = 0
[2353]833
834    SELECT CASE ( TRIM( variable ) )
835
836       CASE ( 'diss' )
837          IF ( av == 0 )  THEN
[3129]838             to_be_resorted => diss
[2353]839          ELSE
[3004]840             IF ( .NOT. ALLOCATED( diss_av ) ) THEN
841                ALLOCATE( diss_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
842                diss_av = REAL( fill_value, KIND = wp )
843             ENDIF
[3129]844             to_be_resorted => diss_av
[2353]845          ENDIF
846
[2680]847       CASE ( 'kh' )
848          IF ( av == 0 )  THEN
[3129]849             to_be_resorted => kh
[2680]850          ELSE
[3004]851             IF ( .NOT. ALLOCATED( kh_av ) ) THEN
852                ALLOCATE( kh_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
853                kh_av = REAL( fill_value, KIND = wp )
854             ENDIF
[3129]855             to_be_resorted => kh_av
[2680]856          ENDIF
[2358]857
[2680]858       CASE ( 'km' )
859          IF ( av == 0 )  THEN
[3129]860             to_be_resorted => km
[2680]861          ELSE
[3004]862             IF ( .NOT. ALLOCATED( km_av ) ) THEN
863                ALLOCATE( km_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
864                km_av = REAL( fill_value, KIND = wp )
865             ENDIF
[3129]866             to_be_resorted => km_av
[2680]867          ENDIF
[3083]868         
[2353]869       CASE DEFAULT
[2680]870          found = .FALSE.
[2353]871
872    END SELECT
873
[3129]874
875    IF ( found .AND. .NOT. resorted )  THEN
876       DO  i = nxl, nxr
877          DO  j = nys, nyn
878             DO  k = nzb_do, nzt_do
879                local_pf(i,j,k) = MERGE(                                 &
880                                   to_be_resorted(k,j,i),                &
881                                   REAL( fill_value, KIND = wp ),        &
882                                   BTEST( wall_flags_0(k,j,i), flag_nr ) )
883             ENDDO
884          ENDDO
885       ENDDO
886       resorted = .TRUE.
887    ENDIF
888
[2680]889 END SUBROUTINE tcm_data_output_3d
[2353]890
891
892!------------------------------------------------------------------------------!
893! Description:
894! ------------
[2761]895!> Allocate arrays and assign pointers.
896!------------------------------------------------------------------------------!
897 SUBROUTINE tcm_init_arrays
898
[3274]899    USE bulk_cloud_model_mod,                                                  &
[2761]900        ONLY:  collision_turbulence
901
902    USE particle_attributes,                                                   &
903        ONLY:  use_sgs_for_particles, wang_kernel
904
[2938]905    USE pmc_interface,                                                         &
906        ONLY:  nested_run
907
[2761]908    IMPLICIT NONE
909
910    ALLOCATE( kh(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
911    ALLOCATE( km(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
912
913#if defined( __nopointer )
914    ALLOCATE( e(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)    )
915    ALLOCATE( e_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)  )
916    ALLOCATE( te_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
917
918#else
919    ALLOCATE( e_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
920    ALLOCATE( e_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
921    ALLOCATE( e_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
922#endif
[2938]923!
924!-- Allocate arrays required for dissipation.
925!-- Please note, if it is a nested run, arrays need to be allocated even if
926!-- they do not necessarily need to be transferred, which is attributed to
927!-- the design of the model coupler which allocates memory for each variable.
[3083]928    IF ( rans_mode  .OR.  use_sgs_for_particles  .OR.  wang_kernel  .OR.       &
[2938]929         collision_turbulence  .OR.  nested_run )  THEN
[2761]930#if defined( __nopointer )
931       ALLOCATE( diss(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
932       IF ( rans_tke_e )  THEN
933          ALLOCATE( diss_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)  )
934          ALLOCATE( tdiss_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
935       ENDIF
936#else
937       ALLOCATE( diss_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
[2938]938       IF ( rans_tke_e  .OR.  nested_run )  THEN
[2761]939          ALLOCATE( diss_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
940          ALLOCATE( diss_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
941       ENDIF
942#endif
943    ENDIF
944
945#if ! defined( __nopointer )
946!
947!-- Initial assignment of pointers
948    e  => e_1;   e_p  => e_2;   te_m  => e_3
949
[3083]950    IF ( rans_mode  .OR.  use_sgs_for_particles  .OR.     &
[2938]951         wang_kernel  .OR.  collision_turbulence  .OR.  nested_run )  THEN
[2761]952       diss => diss_1
[2938]953       IF ( rans_tke_e  .OR.  nested_run )  THEN
[2761]954       diss_p => diss_2; tdiss_m => diss_3
955       ENDIF
956    ENDIF
957#endif
958
959 END SUBROUTINE tcm_init_arrays
960
961
962!------------------------------------------------------------------------------!
963! Description:
964! ------------
[2680]965!> Initialization of turbulence closure module.
[2353]966!------------------------------------------------------------------------------!
967 SUBROUTINE tcm_init
968
969    USE control_parameters,                                                    &
[3241]970        ONLY:  bc_dirichlet_l, complex_terrain, topography
[2353]971
972    USE model_1d_mod,                                                          &
[3241]973        ONLY:  e1d, kh1d, km1d
[2353]974
[2761]975    USE surface_mod,                                                           &
976        ONLY:  get_topography_top_index_ji
977
[2353]978    IMPLICIT NONE
979
[2761]980    INTEGER(iwp) :: i            !< loop index
981    INTEGER(iwp) :: j            !< loop index
982    INTEGER(iwp) :: k            !< loop index
[3083]983    INTEGER(iwp) :: nz_s_shift   !< lower shift index for scalars
984    INTEGER(iwp) :: nz_s_shift_l !< local lower shift index in case of turbulent inflow
[2353]985
986!
[2913]987!-- Initialize mixing length
988    CALL tcm_init_mixing_length
989
990!
[2353]991!-- Actions for initial runs
992    IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data'  .AND.            &
993         TRIM( initializing_actions ) /= 'cyclic_fill' )  THEN
994
995       IF ( INDEX( initializing_actions, 'set_1d-model_profiles' ) /= 0 )  THEN
[3129]996
997          IF ( .NOT. rans_tke_e ) THEN
[2353]998!
[3129]999!--          Transfer initial profiles to the arrays of the 3D model
1000             DO  i = nxlg, nxrg
1001                DO  j = nysg, nyng
1002                   e(:,j,i)  = e1d
1003                   kh(:,j,i) = kh1d
1004                   km(:,j,i) = km1d
1005                ENDDO
[2353]1006             ENDDO
1007
[3129]1008             IF ( constant_diffusion )  THEN
1009                e = 0.0_wp
1010             ENDIF
[2353]1011
[3129]1012          ELSE
1013!
1014!--          In case of TKE-e closure in RANS mode, do not use e, diss, and km
1015!--          profiles from 1D model. Instead, initialize with constant profiles
1016             IF ( constant_diffusion )  THEN
1017                km = km_constant
1018                kh = km / prandtl_number
1019                e  = 0.0_wp
1020             ELSEIF ( e_init > 0.0_wp )  THEN
[2519]1021                DO  i = nxlg, nxrg
1022                   DO  j = nysg, nyng
1023                      DO  k = nzb+1, nzt
[3129]1024                         km(k,j,i) = c_0 * l_wall(k,j,i) * SQRT( e_init )
[2519]1025                      ENDDO
1026                   ENDDO
1027                ENDDO
[3129]1028                km(nzb,:,:)   = km(nzb+1,:,:)
1029                km(nzt+1,:,:) = km(nzt,:,:)
1030                kh = km / prandtl_number
1031                e  = e_init
1032             ELSE
[3294]1033                IF ( .NOT. ocean_mode )  THEN
[3129]1034                   kh   = 0.01_wp   ! there must exist an initial diffusion, because
1035                   km   = 0.01_wp   ! otherwise no TKE would be produced by the
[3545]1036                                    ! production terms, as long as not yet
1037                                    ! e = (u*/cm)**2 at k=nzb+1
[3129]1038                ELSE
1039                   kh   = 0.00001_wp
1040                   km   = 0.00001_wp
1041                ENDIF
1042                e    = 0.0_wp
[2519]1043             ENDIF
[3129]1044
1045             DO  i = nxlg, nxrg
1046                DO  j = nysg, nyng
1047                   DO  k = nzb+1, nzt
1048                      diss(k,j,i) = c_0**4 * e(k,j,i)**2 / km(k,j,i)
1049                   ENDDO
1050                ENDDO
1051             ENDDO
1052             diss(nzb,:,:) = diss(nzb+1,:,:)
1053             diss(nzt+1,:,:) = diss(nzt,:,:)
1054
[2353]1055          ENDIF
1056
[2761]1057       ELSEIF ( INDEX(initializing_actions, 'set_constant_profiles') /= 0 .OR. &
1058                INDEX( initializing_actions, 'inifor' ) /= 0 )  THEN
[2353]1059
1060          IF ( constant_diffusion )  THEN
[3083]1061             km = km_constant
1062             kh = km / prandtl_number
1063             e  = 0.0_wp
[2353]1064          ELSEIF ( e_init > 0.0_wp )  THEN
[3083]1065             DO  i = nxlg, nxrg
1066                DO  j = nysg, nyng
1067                   DO  k = nzb+1, nzt
1068                      km(k,j,i) = c_0 * l_wall(k,j,i) * SQRT( e_init )
1069                   ENDDO
1070                ENDDO
[2353]1071             ENDDO
1072             km(nzb,:,:)   = km(nzb+1,:,:)
1073             km(nzt+1,:,:) = km(nzt,:,:)
[3083]1074             kh = km / prandtl_number
1075             e  = e_init
[2353]1076          ELSE
[3294]1077             IF ( .NOT. ocean_mode )  THEN
[2353]1078                kh   = 0.01_wp   ! there must exist an initial diffusion, because
1079                km   = 0.01_wp   ! otherwise no TKE would be produced by the
[2680]1080                                 ! production terms, as long as not yet
1081                                 ! e = (u*/cm)**2 at k=nzb+1
[2353]1082             ELSE
1083                kh   = 0.00001_wp
1084                km   = 0.00001_wp
1085             ENDIF
1086             e    = 0.0_wp
1087          ENDIF
1088
[3083]1089          IF ( rans_tke_e )  THEN
1090             DO  i = nxlg, nxrg
1091                DO  j = nysg, nyng
1092                   DO  k = nzb+1, nzt
1093                      diss(k,j,i) = c_0**4 * e(k,j,i)**2 / km(k,j,i)
1094                   ENDDO
1095                ENDDO
1096             ENDDO
1097             diss(nzb,:,:) = diss(nzb+1,:,:)
1098             diss(nzt+1,:,:) = diss(nzt,:,:)
1099          ENDIF
1100
[2353]1101       ENDIF
1102!
1103!--    Store initial profiles for output purposes etc.
1104       hom(:,1,23,:) = SPREAD( km(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1105       hom(:,1,24,:) = SPREAD( kh(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1106!
1107!--    Initialize old and new time levels.
1108       te_m = 0.0_wp
1109       e_p = e
[2519]1110       IF ( rans_tke_e )  THEN
1111          tdiss_m = 0.0_wp
1112          diss_p = diss
1113       ENDIF
[2353]1114
1115    ELSEIF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data'  .OR.         &
1116             TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )                   &
1117    THEN
1118
1119!
[2761]1120!--    In case of complex terrain and cyclic fill method as initialization,
1121!--    shift initial data in the vertical direction for each point in the
1122!--    x-y-plane depending on local surface height
1123       IF ( complex_terrain  .AND.                                             &
1124            TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  THEN
1125          DO  i = nxlg, nxrg
1126             DO  j = nysg, nyng
1127                nz_s_shift = get_topography_top_index_ji( j, i, 's' )
1128
1129                e(nz_s_shift:nzt+1,j,i)  =  e(0:nzt+1-nz_s_shift,j,i)
1130                km(nz_s_shift:nzt+1,j,i) = km(0:nzt+1-nz_s_shift,j,i)
1131                kh(nz_s_shift:nzt+1,j,i) = kh(0:nzt+1-nz_s_shift,j,i)
1132             ENDDO
1133          ENDDO
[3083]1134          IF ( rans_tke_e )  THEN
1135             DO  i = nxlg, nxrg
1136                DO  j = nysg, nyng
1137                   nz_s_shift = get_topography_top_index_ji( j, i, 's' )
1138
1139                   diss(nz_s_shift:nzt+1,j,i) = diss(0:nzt+1-nz_s_shift,j,i)
1140                ENDDO
1141             ENDDO
1142          ENDIF
[2761]1143       ENDIF
1144
1145!
[2353]1146!--    Initialization of the turbulence recycling method
1147       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill'  .AND.               &
1148            turbulent_inflow )  THEN
[2680]1149          mean_inflow_profiles(:,5) = hom_sum(:,8,0)   ! e
[2353]1150!
[2761]1151!--       In case of complex terrain, determine vertical displacement at inflow
1152!--       boundary and adjust mean inflow profiles
1153          IF ( complex_terrain )  THEN
[3083]1154             IF ( nxlg <= 0 .AND. nxrg >= 0 .AND.  &
1155                  nysg <= 0 .AND. nyng >= 0        )  THEN
[2761]1156                nz_s_shift_l = get_topography_top_index_ji( 0, 0, 's' )
1157             ELSE
1158                nz_s_shift_l = 0
1159             ENDIF
1160#if defined( __parallel )
1161             CALL MPI_ALLREDUCE(nz_s_shift_l, nz_s_shift, 1, MPI_INTEGER,      &
1162                                MPI_MAX, comm2d, ierr)
1163#else
1164             nz_s_shift = nz_s_shift_l
1165#endif
[3083]1166             mean_inflow_profiles(nz_s_shift:nzt+1,5) =  &
1167                hom_sum(0:nzt+1-nz_s_shift,8,0)  ! e
[2761]1168          ENDIF
1169!
[2353]1170!--       Use these mean profiles at the inflow (provided that Dirichlet
1171!--       conditions are used)
[3182]1172          IF ( bc_dirichlet_l )  THEN
[2353]1173             DO  j = nysg, nyng
1174                DO  k = nzb, nzt+1
1175                   e(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,5)
1176                ENDDO
1177             ENDDO
1178          ENDIF
1179       ENDIF
1180!
1181!--    Inside buildings set TKE back to zero
1182       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' .AND.                &
1183            topography /= 'flat' )  THEN
1184!
[2761]1185!--       Inside buildings set TKE back to zero.
[3083]1186!--       Other scalars (km, kh,...) are ignored at present,
[2353]1187!--       maybe revise later.
1188          DO  i = nxlg, nxrg
1189             DO  j = nysg, nyng
1190                DO  k = nzb, nzt
1191                   e(k,j,i)     = MERGE( e(k,j,i), 0.0_wp,                     &
1192                                         BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
1193                ENDDO
1194             ENDDO
1195          ENDDO
1196
[3083]1197          IF ( rans_tke_e )  THEN
1198             DO  i = nxlg, nxrg
1199                DO  j = nysg, nyng
1200                   DO  k = nzb, nzt
1201                      diss(k,j,i)    = MERGE( diss(k,j,i), 0.0_wp,             &
1202                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
1203                   ENDDO
1204                ENDDO
1205             ENDDO
1206          ENDIF
[2353]1207       ENDIF
1208!
1209!--    Initialize new time levels (only done in order to set boundary values
1210!--    including ghost points)
1211       e_p = e
1212!
1213!--    Allthough tendency arrays are set in prognostic_equations, they have
[3083]1214!--    to be predefined here because there they are used (but multiplied with 0)
1215!--    before they are set.
[2353]1216       te_m = 0.0_wp
1217
[3083]1218       IF ( rans_tke_e )  THEN
1219          diss_p = diss
1220          tdiss_m = 0.0_wp
1221       ENDIF
1222
[2353]1223    ENDIF
1224
1225 END SUBROUTINE tcm_init
1226
1227
[2901]1228! Description:
1229! -----------------------------------------------------------------------------!
1230!> Pre-computation of grid-dependent and near-wall mixing length.
[3299]1231!> @todo consider walls in horizontal direction at a distance further than a
1232!>       single grid point (RANS mode)
[2353]1233!------------------------------------------------------------------------------!
[2901]1234 SUBROUTINE tcm_init_mixing_length
1235
1236    USE arrays_3d,                                                             &
[2913]1237        ONLY:  dzw, ug, vg, zu, zw
[2901]1238
1239    USE control_parameters,                                                    &
[3129]1240        ONLY:  bc_lr_cyc, bc_ns_cyc, f, message_string, wall_adjustment_factor
[2901]1241
1242    USE grid_variables,                                                        &
1243        ONLY:  dx, dy
1244
1245    USE indices,                                                               &
[2905]1246        ONLY:  nbgp, nx, nxl, nxlg, nxr, nxrg, ny, nyn, nyng, nys, nysg, nzb,  &
1247               nzt, wall_flags_0
1248
[2901]1249    USE kinds
1250
[2916]1251
[2901]1252    IMPLICIT NONE
1253
[2910]1254    INTEGER(iwp) :: dist_dx        !< found distance devided by dx
1255    INTEGER(iwp) :: i              !< index variable along x
1256    INTEGER(iwp) :: ii             !< index variable along x
1257    INTEGER(iwp) :: j              !< index variable along y
1258    INTEGER(iwp) :: k              !< index variable along z
1259    INTEGER(iwp) :: k_max_topo = 0 !< index of maximum topography height
1260    INTEGER(iwp) :: kk             !< index variable along z
1261    INTEGER(iwp) :: rad_i          !< search radius in grid points along x
1262    INTEGER(iwp) :: rad_i_l        !< possible search radius to the left
1263    INTEGER(iwp) :: rad_i_r        !< possible search radius to the right
1264    INTEGER(iwp) :: rad_j          !< search radius in grid points along y
1265    INTEGER(iwp) :: rad_j_n        !< possible search radius to north
1266    INTEGER(iwp) :: rad_j_s        !< possible search radius to south
1267    INTEGER(iwp) :: rad_k          !< search radius in grid points along z
1268    INTEGER(iwp) :: rad_k_b        !< search radius in grid points along negative z
1269    INTEGER(iwp) :: rad_k_t        !< search radius in grid points along positive z
[2901]1270
[2915]1271    INTEGER(KIND=1), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE :: vic_yz !< contains a quarter of a single yz-slice of vicinity
1272
[2905]1273    INTEGER(KIND=1), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE :: vicinity !< contains topography information of the vicinity of (i/j/k)
1274
[2907]1275    INTEGER(iwp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE :: wall_flags_dummy    !< dummy array required for MPI_ALLREDUCE command
1276
[2905]1277    REAL(wp) :: radius           !< search radius in meter
1278
[2901]1279    ALLOCATE( l_grid(1:nzt) )
1280    ALLOCATE( l_wall(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
1281!
[2905]1282!-- Initialize the mixing length in case of an LES-simulation
1283    IF ( .NOT. rans_mode )  THEN
[2901]1284!
[2905]1285!--    Compute the grid-dependent mixing length.
1286       DO  k = 1, nzt
1287          l_grid(k)  = ( dx * dy * dzw(k) )**0.33333333333333_wp
1288       ENDDO
1289!
1290!--    Initialize near-wall mixing length l_wall only in the vertical direction
1291!--    for the moment, multiplication with wall_adjustment_factor further below
1292       l_wall(nzb,:,:)   = l_grid(1)
1293       DO  k = nzb+1, nzt
1294          l_wall(k,:,:)  = l_grid(k)
1295       ENDDO
1296       l_wall(nzt+1,:,:) = l_grid(nzt)
[2901]1297
[2905]1298       DO  k = 1, nzt
[3083]1299          IF ( l_grid(k) > 1.5_wp * dx * wall_adjustment_factor .OR.            &
[2905]1300               l_grid(k) > 1.5_wp * dy * wall_adjustment_factor )  THEN
[3083]1301             WRITE( message_string, * ) 'grid anisotropy exceeds ',             &
1302                                        'threshold given by only local',        &
1303                                        ' &horizontal reduction of near_wall ', &
1304                                        'mixing length l_wall',                 &
1305                                        ' &starting from height level k = ', k, &
[3045]1306                                        '.'
[2905]1307             CALL message( 'init_grid', 'PA0202', 0, 1, 0, 6, 0 )
1308             EXIT
1309          ENDIF
1310       ENDDO
[2901]1311!
[2905]1312!--    In case of topography: limit near-wall mixing length l_wall further:
1313!--    Go through all points of the subdomain one by one and look for the closest
1314!--    surface.
1315!--    Is this correct in the ocean case?
1316       DO  i = nxl, nxr
1317          DO  j = nys, nyn
1318             DO  k = nzb+1, nzt
[2901]1319!
[2905]1320!--             Check if current gridpoint belongs to the atmosphere
1321                IF ( BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )  THEN
[2901]1322!
[2905]1323!--                Check for neighbouring grid-points.
1324!--                Vertical distance, down
1325                   IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_0(k-1,j,i), 0 ) )              &
1326                      l_wall(k,j,i) = MIN( l_grid(k), zu(k) - zw(k-1) )
[2901]1327!
[2905]1328!--                Vertical distance, up
1329                   IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_0(k+1,j,i), 0 ) )              &
1330                      l_wall(k,j,i) = MIN( l_grid(k), zw(k) - zu(k) )
[2901]1331!
[2905]1332!--                y-distance
1333                   IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_0(k,j-1,i), 0 )  .OR.          &
1334                        .NOT. BTEST( wall_flags_0(k,j+1,i), 0 ) )              &
1335                      l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i), l_grid(k), 0.5_wp * dy )
[2901]1336!
[2905]1337!--                x-distance
1338                   IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_0(k,j,i-1), 0 )  .OR.          &
1339                        .NOT. BTEST( wall_flags_0(k,j,i+1), 0 ) )              &
1340                      l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i), l_grid(k), 0.5_wp * dx )
[2901]1341!
[2905]1342!--                 yz-distance (vertical edges, down)
1343                    IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_0(k-1,j-1,i), 0 )  .OR.       &
1344                         .NOT. BTEST( wall_flags_0(k-1,j+1,i), 0 )  )          &
1345                      l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i), l_grid(k),           &
1346                                           SQRT( 0.25_wp * dy**2 +             &
1347                                          ( zu(k) - zw(k-1) )**2 ) )
[2901]1348!
[2905]1349!--                  yz-distance (vertical edges, up)
1350                    IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_0(k+1,j-1,i), 0 )  .OR.       &
1351                         .NOT. BTEST( wall_flags_0(k+1,j+1,i), 0 )  )          &
1352                      l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i), l_grid(k),           &
1353                                           SQRT( 0.25_wp * dy**2 +             &
1354                                          ( zw(k) - zu(k) )**2 ) )
[2901]1355!   
[2905]1356!--                 xz-distance (vertical edges, down)
1357                    IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_0(k-1,j,i-1), 0 )  .OR.       &
1358                         .NOT. BTEST( wall_flags_0(k-1,j,i+1), 0 )  )          &
1359                      l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i), l_grid(k),           &
1360                                           SQRT( 0.25_wp * dx**2 +             &
1361                                          ( zu(k) - zw(k-1) )**2 ) )
[2901]1362!
[2905]1363!--                 xz-distance (vertical edges, up)
1364                    IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_0(k+1,j,i-1), 0 )  .OR.       &
1365                         .NOT. BTEST( wall_flags_0(k+1,j,i+1), 0 )  )          &
1366                     l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i), l_grid(k),            &
1367                                           SQRT( 0.25_wp * dx**2 +             &
1368                                          ( zw(k) - zu(k) )**2 ) )
[2901]1369!
[2905]1370!--                xy-distance (horizontal edges)
1371                   IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_0(k,j-1,i-1), 0 )  .OR.        &
1372                        .NOT. BTEST( wall_flags_0(k,j+1,i-1), 0 )  .OR.        &
1373                        .NOT. BTEST( wall_flags_0(k,j-1,i+1), 0 )  .OR.        &
1374                        .NOT. BTEST( wall_flags_0(k,j+1,i+1), 0 ) )            &
1375                      l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i), l_grid(k),           &
1376                                           SQRT( 0.25_wp * ( dx**2 + dy**2 ) ) )
[2901]1377!
[2905]1378!--                xyz distance (vertical and horizontal edges, down)
1379                   IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_0(k-1,j-1,i-1), 0 )  .OR.      &
1380                        .NOT. BTEST( wall_flags_0(k-1,j+1,i-1), 0 )  .OR.      &
1381                        .NOT. BTEST( wall_flags_0(k-1,j-1,i+1), 0 )  .OR.      &
1382                        .NOT. BTEST( wall_flags_0(k-1,j+1,i+1), 0 ) )          &
1383                      l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i), l_grid(k),           &
1384                                           SQRT( 0.25_wp * ( dx**2 + dy**2 )   &
1385                                                 +  ( zu(k) - zw(k-1) )**2  ) )
[2901]1386!
[2905]1387!--                xyz distance (vertical and horizontal edges, up)
1388                   IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_0(k+1,j-1,i-1), 0 )  .OR.      &
1389                        .NOT. BTEST( wall_flags_0(k+1,j+1,i-1), 0 )  .OR.      &
1390                        .NOT. BTEST( wall_flags_0(k+1,j-1,i+1), 0 )  .OR.      &
1391                        .NOT. BTEST( wall_flags_0(k+1,j+1,i+1), 0 ) )          &
1392                      l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i), l_grid(k),           &
1393                                           SQRT( 0.25_wp * ( dx**2 + dy**2 )   &
1394                                                 +  ( zw(k) - zu(k) )**2  ) )
1395                     
1396                ENDIF
1397             ENDDO
[2901]1398          ENDDO
1399       ENDDO
[2905]1400
1401    ELSE
[2901]1402!
[2905]1403!-- Initialize the mixing length in case of a RANS simulation
[3083]1404       ALLOCATE( l_black(nzb:nzt+1) )
[2901]1405
[2902]1406!
[2905]1407!--    Calculate mixing length according to Blackadar (1962)
[2902]1408       IF ( f /= 0.0_wp )  THEN
[3083]1409          l_max = 2.7E-4_wp * SQRT( ug(nzt+1)**2 + vg(nzt+1)**2 ) /            &
1410                  ABS( f ) + 1.0E-10_wp
[2902]1411       ELSE
1412          l_max = 30.0_wp
1413       ENDIF
1414
1415       DO  k = nzb, nzt
1416          l_black(k) = kappa * zu(k) / ( 1.0_wp + kappa * zu(k) / l_max )
1417       ENDDO
1418
1419       l_black(nzt+1) = l_black(nzt)
1420
[2905]1421!
[3299]1422!--    Get height level of highest topography within local subdomain
1423       DO  i = nxlg, nxrg
1424          DO  j = nysg, nyng
[2910]1425             DO  k = nzb+1, nzt-1
[3299]1426                IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) .AND.  &
[2910]1427                     k > k_max_topo )  &
1428                   k_max_topo = k
1429             ENDDO
1430          ENDDO
1431       ENDDO
[3083]1432
1433       l_wall(nzb,:,:) = l_black(nzb)
1434       l_wall(nzt+1,:,:) = l_black(nzt+1)
[2910]1435!
[2905]1436!--    Limit mixing length to either nearest wall or Blackadar mixing length.
1437!--    For that, analyze each grid point (i/j/k) ("analysed grid point") and
1438!--    search within its vicinity for the shortest distance to a wall by cal-
1439!--    culating the distance between the analysed grid point and the "viewed
1440!--    grid point" if it contains a wall (belongs to topography).
1441       DO  k = nzb+1, nzt
[2902]1442
[2905]1443          radius = l_black(k)  ! radius within walls are searched
1444!
1445!--       Set l_wall to its default maximum value (l_back)
1446          l_wall(k,:,:) = radius
1447
1448!
1449!--       Compute search radius as number of grid points in all directions
1450          rad_i = CEILING( radius / dx )
1451          rad_j = CEILING( radius / dy )
1452
1453          DO  kk = 0, nzt-k
1454             rad_k_t = kk
1455!
1456!--          Limit upward search radius to height of maximum topography
[2910]1457             IF ( zu(k+kk)-zu(k) >= radius .OR. k+kk >= k_max_topo )  EXIT
[2905]1458          ENDDO
1459
1460          DO  kk = 0, k
1461             rad_k_b = kk
1462             IF ( zu(k)-zu(k-kk) >= radius )  EXIT
1463          ENDDO
1464
1465!
1466!--       Get maximum vertical radius; necessary for defining arrays
1467          rad_k = MAX( rad_k_b, rad_k_t )
1468!
1469!--       When analysed grid point lies above maximum topography, set search
1470!--       radius to 0 if the distance between the analysed grid point and max
1471!--       topography height is larger than the maximum search radius
[2910]1472          IF ( zu(k-rad_k_b) > zu(k_max_topo) )  rad_k_b = 0
[2905]1473!
1474!--       Search within vicinity only if the vertical search radius is >0
1475          IF ( rad_k_b /= 0 .OR. rad_k_t /= 0 )  THEN
1476
[3083]1477             !> @note shape of vicinity is larger in z direction
1478             !>   Shape of vicinity is two grid points larger than actual search
1479             !>   radius in vertical direction. The first and last grid point is
1480             !>   always set to 1 to asure correct detection of topography. See
1481             !>   function "shortest_distance" for details.
1482             !>   2018-03-16, gronemeier
[2905]1483             ALLOCATE( vicinity(-rad_k-1:rad_k+1,-rad_j:rad_j,-rad_i:rad_i) )
[2915]1484             ALLOCATE( vic_yz(0:rad_k+1,0:rad_j) )
[2905]1485
1486             vicinity = 1
1487
1488             DO  i = nxl, nxr
1489                DO  j = nys, nyn
1490!
1491!--                Start search only if (i/j/k) belongs to atmosphere
1492                   IF ( BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 )  )  THEN
1493!
1494!--                   Reset topography within vicinity
1495                      vicinity(-rad_k:rad_k,:,:) = 0
1496!
[2909]1497!--                   Copy area surrounding analysed grid point into vicinity.
1498!--                   First, limit size of data copied to vicinity by the domain
1499!--                   border
[3299]1500                      !> @note limit copied area to 1 grid point in hor. dir.
1501                      !>   Ignore walls in horizontal direction which are
1502                      !>   further away than a single grid point. This allows to
1503                      !>   only search within local subdomain without the need
1504                      !>   of global topography information.
1505                      !>   The error made by this assumption are acceptable at
1506                      !>   the moment.
1507                      !>   2018-10-01, gronemeier
1508                      rad_i_l = MIN( 1, rad_i, i )
1509                      rad_i_r = MIN( 1, rad_i, nx-i )
[2907]1510
[3299]1511                      rad_j_s = MIN( 1, rad_j, j )
1512                      rad_j_n = MIN( 1, rad_j, ny-j )
[2909]1513
1514                      CALL copy_into_vicinity( k, j, i,           &
1515                                               -rad_k_b, rad_k_t, &
1516                                               -rad_j_s, rad_j_n, &
1517                                               -rad_i_l, rad_i_r  )
[3299]1518                      !> @note in case of cyclic boundaries, those parts of the
1519                      !>   topography which lies beyond the domain borders but
1520                      !>   still within the search radius still needs to be
1521                      !>   copied into 'vicinity'. As the effective search
1522                      !>   radius is limited to 1 at the moment, no further
1523                      !>   copying is needed. Old implementation (prior to
1524                      !>   2018-10-01) had this covered but used a global array.
1525                      !>   2018-10-01, gronemeier
[2907]1526
[2905]1527!
1528!--                   Search for walls only if there is any within vicinity
1529                      IF ( MAXVAL( vicinity(-rad_k:rad_k,:,:) ) /= 0 )  THEN
1530!
1531!--                      Search within first half (positive x)
1532                         dist_dx = rad_i
1533                         DO  ii = 0, dist_dx
1534!
1535!--                         Search along vertical direction only if below
1536!--                         maximum topography
1537                            IF ( rad_k_t > 0 ) THEN
1538!
1539!--                            Search for walls within octant (+++)
[2915]1540                               vic_yz = vicinity(0:rad_k+1,0:rad_j,ii)
[2905]1541                               l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i),             &
[2915]1542                                       shortest_distance( vic_yz, .TRUE., ii ) )
[2905]1543!
1544!--                            Search for walls within octant (+-+)
1545!--                            Switch order of array so that the analysed grid
1546!--                            point is always located at (0/0) (required by
1547!--                            shortest_distance").
[2915]1548                               vic_yz = vicinity(0:rad_k+1,0:-rad_j:-1,ii)
[2905]1549                               l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i),             &
[2915]1550                                       shortest_distance( vic_yz, .TRUE., ii ) )
[2905]1551
1552                            ENDIF
1553!
1554!--                         Search for walls within octant (+--)
[2915]1555                            vic_yz = vicinity(0:-rad_k-1:-1,0:-rad_j:-1,ii)
[2905]1556                            l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i),                &
[2915]1557                                      shortest_distance( vic_yz, .FALSE., ii ) )
[2905]1558!
1559!--                         Search for walls within octant (++-)
[2915]1560                            vic_yz = vicinity(0:-rad_k-1:-1,0:rad_j,ii)
[2905]1561                            l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i),                &
[2915]1562                                      shortest_distance( vic_yz, .FALSE., ii ) )
[2905]1563!
1564!--                         Reduce search along x by already found distance
1565                            dist_dx = CEILING( l_wall(k,j,i) / dx )
1566
1567                         ENDDO
1568!
1569!-                       Search within second half (negative x)
1570                         DO  ii = 0, -dist_dx, -1
1571!
1572!--                         Search along vertical direction only if below
1573!--                         maximum topography
1574                            IF ( rad_k_t > 0 ) THEN
1575!
1576!--                            Search for walls within octant (-++)
[2915]1577                               vic_yz = vicinity(0:rad_k+1,0:rad_j,ii)
[2905]1578                               l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i),             &
[2915]1579                                      shortest_distance( vic_yz, .TRUE., -ii ) )
[2905]1580!
1581!--                            Search for walls within octant (--+)
1582!--                            Switch order of array so that the analysed grid
1583!--                            point is always located at (0/0) (required by
1584!--                            shortest_distance").
[2915]1585                               vic_yz = vicinity(0:rad_k+1,0:-rad_j:-1,ii)
[2905]1586                               l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i),             &
[2915]1587                                      shortest_distance( vic_yz, .TRUE., -ii ) )
[2905]1588
1589                            ENDIF
1590!
1591!--                         Search for walls within octant (---)
[2915]1592                            vic_yz = vicinity(0:-rad_k-1:-1,0:-rad_j:-1,ii)
[2905]1593                            l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i),                &
[2915]1594                                     shortest_distance( vic_yz, .FALSE., -ii ) )
[2905]1595!
1596!--                         Search for walls within octant (-+-)
[2915]1597                            vic_yz = vicinity(0:-rad_k-1:-1,0:rad_j,ii)
[2905]1598                            l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i),                &
[2915]1599                                     shortest_distance( vic_yz, .FALSE., -ii ) )
[2905]1600!
1601!--                         Reduce search along x by already found distance
1602                            dist_dx = CEILING( l_wall(k,j,i) / dx )
1603
1604                         ENDDO
1605
1606                      ENDIF  !Check for any walls within vicinity
1607
1608                   ELSE  !Check if (i,j,k) belongs to atmosphere
1609
[3083]1610                      l_wall(k,j,i) = l_black(k)
[2905]1611
1612                   ENDIF
1613
1614                ENDDO  !j loop
1615             ENDDO  !i loop
1616
[2911]1617             DEALLOCATE( vicinity )
[2915]1618             DEALLOCATE( vic_yz )
[2905]1619
1620          ENDIF  !check vertical size of vicinity
1621
1622       ENDDO  !k loop
1623
[3634]1624       !$ACC ENTER DATA COPYIN(l_black(nzb:nzt+1))
1625
[2905]1626    ENDIF  !LES or RANS mode
1627
1628!
1629!-- Set lateral boundary conditions for l_wall
1630    CALL exchange_horiz( l_wall, nbgp )
1631
[3634]1632    !$ACC ENTER DATA COPYIN(l_grid(nzb:nzt+1)) &
1633    !$ACC COPYIN(l_wall(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg))
1634
[2905]1635    CONTAINS
1636!------------------------------------------------------------------------------!
1637! Description:
1638! ------------
1639!> Calculate the shortest distance between position (i/j/k)=(0/0/0) and
1640!> (pos_i/jj/kk), where (jj/kk) is the position of the maximum of 'array'
1641!> closest to the origin (0/0) of 'array'.
1642!------------------------------------------------------------------------------!
[3241]1643    REAL(wp) FUNCTION shortest_distance( array, orientation, pos_i )
[2905]1644
1645       IMPLICIT NONE
1646
1647       LOGICAL, INTENT(IN) :: orientation    !< flag if array represents an array oriented upwards (true) or downwards (false)
1648
1649       INTEGER(iwp), INTENT(IN) :: pos_i     !< x position of the yz-plane 'array'
1650
[3299]1651       INTEGER(iwp) :: a                     !< loop index
1652       INTEGER(iwp) :: b                     !< loop index
[2905]1653       INTEGER(iwp) :: jj                    !< loop index
1654
[3299]1655       INTEGER(KIND=1) :: maximum            !< maximum of array along z dimension
1656
[2907]1657       INTEGER(iwp), DIMENSION(0:rad_j) :: loc_k !< location of closest wall along vertical dimension
[2905]1658
1659       INTEGER(KIND=1), DIMENSION(0:rad_k+1,0:rad_j), INTENT(IN) :: array !< array containing a yz-plane at position pos_i
1660
1661!
1662!--    Get coordinate of first maximum along vertical dimension
[3299]1663!--    at each y position of array (similar to function maxloc but more stable).
1664       DO  a = 0, rad_j
1665          loc_k(a) = rad_k+1
1666          maximum = MAXVAL( array(:,a) )
1667          DO  b = 0, rad_k+1
[3300]1668             IF ( array(b,a) == maximum )  THEN
[3299]1669                loc_k(a) = b
1670                EXIT
1671             ENDIF
1672          ENDDO
1673       ENDDO
[2905]1674!
1675!--    Set distance to the default maximum value (=search radius)
1676       shortest_distance = radius
1677!
1678!--    Calculate distance between position (0/0/0) and
1679!--    position (pos_i/jj/loc(jj)) and only save the shortest distance.
1680       IF ( orientation ) THEN  !if array is oriented upwards
1681          DO  jj = 0, rad_j
[3083]1682             shortest_distance =                                               &
1683                MIN( shortest_distance,                                        &
1684                     SQRT( MAX(REAL(pos_i, KIND=wp)*dx-0.5_wp*dx, 0.0_wp)**2   &
1685                         + MAX(REAL(jj, KIND=wp)*dy-0.5_wp*dy, 0.0_wp)**2      &
1686                         + MAX(zw(loc_k(jj)+k-1)-zu(k), 0.0_wp)**2             &
1687                         )                                                     &
1688                   )
[2905]1689          ENDDO
1690       ELSE  !if array is oriented downwards
[3083]1691          !> @note MAX within zw required to circumvent error at domain border
1692          !>   At the domain border, if non-cyclic boundary is present, the
1693          !>   index for zw could be -1, which will be errorneous (zw(-1) does
1694          !>   not exist). The MAX function limits the index to be at least 0.
[2905]1695          DO  jj = 0, rad_j
[3083]1696             shortest_distance =                                               &
1697                MIN( shortest_distance,                                        &
1698                     SQRT( MAX(REAL(pos_i, KIND=wp)*dx-0.5_wp*dx, 0.0_wp)**2   &
1699                         + MAX(REAL(jj, KIND=wp)*dy-0.5_wp*dy, 0.0_wp)**2      &
1700                         + MAX(zu(k)-zw(MAX(k-loc_k(jj),0_iwp)), 0.0_wp)**2    &
1701                         )                                                     &
1702                   )
[2905]1703          ENDDO
1704       ENDIF
[3083]1705       
[2905]1706    END FUNCTION
1707
[2908]1708!------------------------------------------------------------------------------!
1709! Description:
1710! ------------
[2909]1711!> Copy a subarray of size (kb:kt,js:jn,il:ir) centered around grid point
1712!> (kp,jp,ip) containing the first bit of wall_flags_0 into the array
1713!> 'vicinity'. Only copy first bit as this indicates the presence of topography.
[2908]1714!------------------------------------------------------------------------------!
1715    SUBROUTINE copy_into_vicinity( kp, jp, ip, kb, kt, js, jn, il, ir )
1716
1717       IMPLICIT NONE
1718
1719       INTEGER(iwp), INTENT(IN) :: il !< left loop boundary
1720       INTEGER(iwp), INTENT(IN) :: ip !< center position in x-direction
1721       INTEGER(iwp), INTENT(IN) :: ir !< right loop boundary
1722       INTEGER(iwp), INTENT(IN) :: jn !< northern loop boundary
1723       INTEGER(iwp), INTENT(IN) :: jp !< center position in y-direction
1724       INTEGER(iwp), INTENT(IN) :: js !< southern loop boundary
1725       INTEGER(iwp), INTENT(IN) :: kb !< bottom loop boundary
1726       INTEGER(iwp), INTENT(IN) :: kp !< center position in z-direction
1727       INTEGER(iwp), INTENT(IN) :: kt !< top loop boundary
1728
1729       INTEGER(iwp) :: i   !< loop index
1730       INTEGER(iwp) :: j   !< loop index
1731       INTEGER(iwp) :: k   !< loop index
1732
[2909]1733       DO  i = il, ir
1734          DO  j = js, jn
1735             DO  k = kb, kt
[2908]1736                vicinity(k,j,i) = MERGE( 0, 1,               &
[3299]1737                       BTEST( wall_flags_0(kp+k,jp+j,ip+i), 0 ) )
[2908]1738             ENDDO
1739          ENDDO
1740       ENDDO
1741
1742    END SUBROUTINE copy_into_vicinity
1743
[2901]1744 END SUBROUTINE tcm_init_mixing_length
1745
1746
1747!------------------------------------------------------------------------------!
[2353]1748! Description:
1749! ------------
[2680]1750!> Initialize virtual velocities used later in production_e.
[2353]1751!------------------------------------------------------------------------------!
[2680]1752 SUBROUTINE production_e_init
[2353]1753
[2680]1754    USE arrays_3d,                                                             &
1755        ONLY:  drho_air_zw, zu
[2353]1756
1757    USE control_parameters,                                                    &
[2680]1758        ONLY:  constant_flux_layer
[2353]1759
[3145]1760    USE surface_layer_fluxes_mod,                                              &
1761        ONLY:  phi_m
1762
[2353]1763    USE surface_mod,                                                           &
[3129]1764        ONLY :  surf_def_h, surf_lsm_h, surf_usm_h
[2353]1765
1766    IMPLICIT NONE
1767
[3120]1768    INTEGER(iwp) ::  i      !< grid index x-direction
1769    INTEGER(iwp) ::  j      !< grid index y-direction
1770    INTEGER(iwp) ::  k      !< grid index z-direction
1771    INTEGER(iwp) ::  m      !< running index surface elements
[3145]1772   
1773    REAL(wp) ::  km_sfc     !< diffusion coefficient, used to compute virtual velocities
[2353]1774
[2680]1775    IF ( constant_flux_layer )  THEN
[2353]1776!
[2680]1777!--    Calculate a virtual velocity at the surface in a way that the
1778!--    vertical velocity gradient at k = 1 (u(k+1)-u_0) matches the
1779!--    Prandtl law (-w'u'/km). This gradient is used in the TKE shear
1780!--    production term at k=1 (see production_e_ij).
1781!--    The velocity gradient has to be limited in case of too small km
1782!--    (otherwise the timestep may be significantly reduced by large
1783!--    surface winds).
1784!--    not available in case of non-cyclic boundary conditions.
1785!--    Default surfaces, upward-facing
1786       !$OMP PARALLEL DO PRIVATE(i,j,k,m)
[3634]1787       !$ACC PARALLEL LOOP PRIVATE(i, j, k, m, km_sfc) &
1788       !$ACC PRESENT(surf_def_h(0), u, v, drho_air_zw, zu)
[2680]1789       DO  m = 1, surf_def_h(0)%ns
[2353]1790
[2680]1791          i = surf_def_h(0)%i(m)           
1792          j = surf_def_h(0)%j(m)
1793          k = surf_def_h(0)%k(m)
[2353]1794!
[3130]1795!--       Note, calculation of u_0 and v_0 is not fully accurate, as u/v
[2680]1796!--       and km are not on the same grid. Actually, a further
1797!--       interpolation of km onto the u/v-grid is necessary. However, the
[3120]1798!--       effect of this error is negligible.
[3145]1799          km_sfc = kappa * surf_def_h(0)%us(m) * surf_def_h(0)%z_mo(m) /       &
1800                   phi_m( surf_def_h(0)%z_mo(m) / surf_def_h(0)%ol(m) )
1801
[2680]1802          surf_def_h(0)%u_0(m) = u(k+1,j,i) + surf_def_h(0)%usws(m) *          &
[3120]1803                                     drho_air_zw(k-1)               *          &
1804                                     ( zu(k+1) - zu(k-1)    )       /          &
[3145]1805                                     ( km_sfc  + 1.0E-20_wp )
[2680]1806          surf_def_h(0)%v_0(m) = v(k+1,j,i) + surf_def_h(0)%vsws(m) *          &
[3120]1807                                     drho_air_zw(k-1)               *          &
1808                                     ( zu(k+1) - zu(k-1)    )       /          &
[3145]1809                                     ( km_sfc  + 1.0E-20_wp )   
[2353]1810
[2680]1811          IF ( ABS( u(k+1,j,i) - surf_def_h(0)%u_0(m) )  >                     &
1812               ABS( u(k+1,j,i) - u(k-1,j,i)           )                        &
1813             )  surf_def_h(0)%u_0(m) = u(k-1,j,i)
[2353]1814
[2680]1815          IF ( ABS( v(k+1,j,i) - surf_def_h(0)%v_0(m) )  >                     &
1816               ABS( v(k+1,j,i) - v(k-1,j,i)           )                        &
1817             )  surf_def_h(0)%v_0(m) = v(k-1,j,i)
1818
1819       ENDDO
[2353]1820!
[2680]1821!--    Default surfaces, downward-facing surfaces
1822       !$OMP PARALLEL DO PRIVATE(i,j,k,m)
[3634]1823       !$ACC PARALLEL LOOP PRIVATE(i, j, k, m, km_sfc) &
1824       !$ACC PRESENT(surf_def_h(1), u, v, drho_air_zw, zu, km)
[2680]1825       DO  m = 1, surf_def_h(1)%ns
[2353]1826
[2680]1827          i = surf_def_h(1)%i(m)           
1828          j = surf_def_h(1)%j(m)
1829          k = surf_def_h(1)%k(m)
[3130]1830!
1831!--       Note, calculation of u_0 and v_0 is not fully accurate, as u/v
1832!--       and km are not on the same grid. Actually, a further
1833!--       interpolation of km onto the u/v-grid is necessary. However, the
1834!--       effect of this error is negligible.
[2680]1835          surf_def_h(1)%u_0(m) = u(k-1,j,i) - surf_def_h(1)%usws(m) *          &
1836                                     drho_air_zw(k-1) *                        &
1837                                     ( zu(k+1)    - zu(k-1)    )  /            &
1838                                     ( km(k,j,i)  + 1.0E-20_wp ) 
1839          surf_def_h(1)%v_0(m) = v(k-1,j,i) - surf_def_h(1)%vsws(m) *          &
1840                                     drho_air_zw(k-1) *                        &
1841                                     ( zu(k+1)    - zu(k-1)    )  /            &
1842                                     ( km(k,j,i)  + 1.0E-20_wp ) 
[2353]1843
[2680]1844          IF ( ABS( surf_def_h(1)%u_0(m) - u(k-1,j,i) )  >                     &
1845               ABS( u(k+1,j,i)           - u(k-1,j,i) )                        &
1846             )  surf_def_h(1)%u_0(m) = u(k+1,j,i)
[2353]1847
[2680]1848          IF ( ABS( surf_def_h(1)%v_0(m) - v(k-1,j,i) )  >                     &
1849               ABS( v(k+1,j,i)           - v(k-1,j,i) )                        &
1850             )  surf_def_h(1)%v_0(m) = v(k+1,j,i)
[2353]1851
[2680]1852       ENDDO
[2353]1853!
[2680]1854!--    Natural surfaces, upward-facing
1855       !$OMP PARALLEL DO PRIVATE(i,j,k,m)
[3634]1856       !$ACC PARALLEL LOOP PRIVATE(i, j, k, m, km_sfc) &
1857       !$ACC PRESENT(surf_lsm_h, u, v, drho_air_zw, zu)
[2680]1858       DO  m = 1, surf_lsm_h%ns
[2353]1859
[3130]1860          i = surf_lsm_h%i(m)
[2680]1861          j = surf_lsm_h%j(m)
1862          k = surf_lsm_h%k(m)
1863!
[3130]1864!--       Note, calculation of u_0 and v_0 is not fully accurate, as u/v
[2680]1865!--       and km are not on the same grid. Actually, a further
1866!--       interpolation of km onto the u/v-grid is necessary. However, the
[3130]1867!--       effect of this error is negligible.
[3145]1868          km_sfc = kappa * surf_lsm_h%us(m) * surf_lsm_h%z_mo(m) /             &
1869                   phi_m( surf_lsm_h%z_mo(m) / surf_lsm_h%ol(m) )
1870
[3120]1871          surf_lsm_h%u_0(m) = u(k+1,j,i) + surf_lsm_h%usws(m)    *             &
1872                                        drho_air_zw(k-1)         *             &
[3145]1873                                        ( zu(k+1) - zu(k-1)    ) /             &
1874                                        ( km_sfc  + 1.0E-20_wp ) 
[3120]1875          surf_lsm_h%v_0(m) = v(k+1,j,i) + surf_lsm_h%vsws(m)    *             &
1876                                        drho_air_zw(k-1)         *             &
1877                                        ( zu(k+1) - zu(k-1)    ) /             &
[3145]1878                                        ( km_sfc  + 1.0E-20_wp )
[2353]1879
[2680]1880          IF ( ABS( u(k+1,j,i) - surf_lsm_h%u_0(m) )  >                        &
1881               ABS( u(k+1,j,i) - u(k-1,j,i)   )                                &
1882             )  surf_lsm_h%u_0(m) = u(k-1,j,i)
1883
1884          IF ( ABS( v(k+1,j,i) - surf_lsm_h%v_0(m) )  >                        &
1885               ABS( v(k+1,j,i) - v(k-1,j,i)   )                                &
1886             )  surf_lsm_h%v_0(m) = v(k-1,j,i)
1887
1888       ENDDO
[2353]1889!
[2680]1890!--    Urban surfaces, upward-facing
1891       !$OMP PARALLEL DO PRIVATE(i,j,k,m)
[3634]1892       !$ACC PARALLEL LOOP PRIVATE(i, j, k, m, km_sfc) &
1893       !$ACC PRESENT(surf_usm_h, u, v, drho_air_zw, zu)
[2680]1894       DO  m = 1, surf_usm_h%ns
[2353]1895
[3130]1896          i = surf_usm_h%i(m)
[2680]1897          j = surf_usm_h%j(m)
1898          k = surf_usm_h%k(m)
[2353]1899!
[3130]1900!--       Note, calculation of u_0 and v_0 is not fully accurate, as u/v
[2680]1901!--       and km are not on the same grid. Actually, a further
1902!--       interpolation of km onto the u/v-grid is necessary. However, the
[3130]1903!--       effect of this error is negligible.
[3145]1904          km_sfc = kappa * surf_usm_h%us(m) * surf_usm_h%z_mo(m) /             &
1905                   phi_m( surf_usm_h%z_mo(m) / surf_usm_h%ol(m) )
1906
[3120]1907          surf_usm_h%u_0(m) = u(k+1,j,i) + surf_usm_h%usws(m)    *             &
1908                                        drho_air_zw(k-1)         *             &
1909                                        ( zu(k+1) - zu(k-1)    ) /             &
[3145]1910                                        ( km_sfc  + 1.0E-20_wp )
[3120]1911          surf_usm_h%v_0(m) = v(k+1,j,i) + surf_usm_h%vsws(m)    *             &
1912                                        drho_air_zw(k-1)         *             &
1913                                        ( zu(k+1) - zu(k-1)    ) /             &
[3145]1914                                        ( km_sfc  + 1.0E-20_wp )
[2353]1915
[2680]1916          IF ( ABS( u(k+1,j,i) - surf_usm_h%u_0(m) )  >                        &
1917               ABS( u(k+1,j,i) - u(k-1,j,i)   )                                &
1918             )  surf_usm_h%u_0(m) = u(k-1,j,i)
[2353]1919
[2680]1920          IF ( ABS( v(k+1,j,i) - surf_usm_h%v_0(m) )  >                        &
1921               ABS( v(k+1,j,i) - v(k-1,j,i)   )                                &
1922             )  surf_usm_h%v_0(m) = v(k-1,j,i)
[2353]1923
[2519]1924       ENDDO
[2353]1925
1926    ENDIF
1927
[2680]1928 END SUBROUTINE production_e_init
[2353]1929
1930
1931!------------------------------------------------------------------------------!
1932! Description:
1933! ------------
[2680]1934!> Prognostic equation for subgrid-scale TKE and TKE dissipation rate.
[2353]1935!> Vector-optimized version
1936!------------------------------------------------------------------------------!
[3386]1937 SUBROUTINE tcm_prognostic_equations
[2353]1938
[2680]1939    USE arrays_3d,                                                             &
1940        ONLY:  ddzu
1941
[2353]1942    USE control_parameters,                                                    &
[2680]1943        ONLY:  f, scalar_advec, tsc
[2353]1944
[2680]1945    USE surface_mod,                                                           &
[3241]1946        ONLY :  surf_def_h
[2353]1947
1948    IMPLICIT NONE
1949
[2680]1950    INTEGER(iwp) ::  i       !< loop index
1951    INTEGER(iwp) ::  j       !< loop index
1952    INTEGER(iwp) ::  k       !< loop index
1953    INTEGER(iwp) ::  m       !< loop index
1954    INTEGER(iwp) ::  surf_e  !< end index of surface elements at given i-j position
1955    INTEGER(iwp) ::  surf_s  !< start index of surface elements at given i-j position
[2353]1956
[2680]1957    REAL(wp)     ::  sbt     !< wheighting factor for sub-time step
[2353]1958
1959!
1960!-- If required, compute prognostic equation for turbulent kinetic
1961!-- energy (TKE)
1962    IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
1963
1964       CALL cpu_log( log_point(16), 'tke-equation', 'start' )
1965
1966       sbt = tsc(2)
1967       IF ( .NOT. use_upstream_for_tke )  THEN
1968          IF ( scalar_advec == 'bc-scheme' )  THEN
1969
1970             IF ( timestep_scheme(1:5) /= 'runge' )  THEN
1971!
1972!--             Bott-Chlond scheme always uses Euler time step. Thus:
1973                sbt = 1.0_wp
1974             ENDIF
1975             tend = 0.0_wp
1976             CALL advec_s_bc( e, 'e' )
1977
1978          ENDIF
1979       ENDIF
1980
1981!
1982!--    TKE-tendency terms with no communication
1983       IF ( scalar_advec /= 'bc-scheme'  .OR.  use_upstream_for_tke )  THEN
1984          IF ( use_upstream_for_tke )  THEN
1985             tend = 0.0_wp
1986             CALL advec_s_up( e )
1987          ELSE
[3634]1988             !$ACC KERNELS PRESENT(tend)
[2353]1989             tend = 0.0_wp
[3634]1990             !$ACC END KERNELS
[2353]1991             IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
1992                IF ( ws_scheme_sca )  THEN
1993                   CALL advec_s_ws( e, 'e' )
1994                ELSE
1995                   CALL advec_s_pw( e )
1996                ENDIF
1997             ELSE
1998                CALL advec_s_up( e )
1999             ENDIF
2000          ENDIF
2001       ENDIF
2002
[3398]2003       CALL production_e( .FALSE. )
[2680]2004
[2353]2005       IF ( .NOT. humidity )  THEN
[3294]2006          IF ( ocean_mode )  THEN
[2353]2007             CALL diffusion_e( prho, prho_reference )
2008          ELSE
2009             CALL diffusion_e( pt, pt_reference )
2010          ENDIF
2011       ELSE
2012          CALL diffusion_e( vpt, pt_reference )
2013       ENDIF
2014
2015!
2016!--    Additional sink term for flows through plant canopies
2017       IF ( plant_canopy )  CALL pcm_tendency( 6 )
2018
2019       CALL user_actions( 'e-tendency' )
2020
2021!
2022!--    Prognostic equation for TKE.
2023!--    Eliminate negative TKE values, which can occur due to numerical
2024!--    reasons in the course of the integration. In such cases the old TKE
2025!--    value is reduced by 90%.
[3634]2026       !$ACC PARALLEL LOOP COLLAPSE(3) PRIVATE(i, j, k) &
2027       !$ACC PRESENT(e, tend, te_m, wall_flags_0) &
2028       !$ACC PRESENT(tsc(3:3)) &
2029       !$ACC PRESENT(e_p)
[2353]2030       DO  i = nxl, nxr
2031          DO  j = nys, nyn
2032             DO  k = nzb+1, nzt
2033                e_p(k,j,i) = e(k,j,i) + ( dt_3d * ( sbt * tend(k,j,i) +        &
2034                                                 tsc(3) * te_m(k,j,i) )        &
2035                                        )                                      &
2036                                   * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                    &
2037                                             BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 )   &
2038                                          )
2039                IF ( e_p(k,j,i) < 0.0_wp )  e_p(k,j,i) = 0.1_wp * e(k,j,i)
2040             ENDDO
2041          ENDDO
2042       ENDDO
2043
2044!
2045!--    Calculate tendencies for the next Runge-Kutta step
2046       IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
2047          IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  THEN
[3634]2048             !$ACC PARALLEL LOOP COLLAPSE(3) PRIVATE(i, j, k) &
2049             !$ACC PRESENT(tend, te_m)
[2353]2050             DO  i = nxl, nxr
2051                DO  j = nys, nyn
2052                   DO  k = nzb+1, nzt
2053                      te_m(k,j,i) = tend(k,j,i)
2054                   ENDDO
2055                ENDDO
2056             ENDDO
2057          ELSEIF ( intermediate_timestep_count < &
2058                   intermediate_timestep_count_max )  THEN
[3634]2059             !$ACC PARALLEL LOOP COLLAPSE(3) PRIVATE(i, j, k) &
2060             !$ACC PRESENT(tend, te_m)
[2353]2061             DO  i = nxl, nxr
2062                DO  j = nys, nyn
2063                   DO  k = nzb+1, nzt
2064                      te_m(k,j,i) =   -9.5625_wp * tend(k,j,i)                 &
2065                                     + 5.3125_wp * te_m(k,j,i)
2066                   ENDDO
2067                ENDDO
2068             ENDDO
2069          ENDIF
2070       ENDIF
2071
2072       CALL cpu_log( log_point(16), 'tke-equation', 'stop' )
2073
[2680]2074    ENDIF   ! TKE equation
[2353]2075
2076!
[2519]2077!-- If required, compute prognostic equation for TKE dissipation rate
[2353]2078    IF ( rans_tke_e )  THEN
2079
2080       CALL cpu_log( log_point(33), 'diss-equation', 'start' )
2081
2082       sbt = tsc(2)
2083       IF ( .NOT. use_upstream_for_tke )  THEN
2084          IF ( scalar_advec == 'bc-scheme' )  THEN
2085
2086             IF ( timestep_scheme(1:5) /= 'runge' )  THEN
2087!
2088!--             Bott-Chlond scheme always uses Euler time step. Thus:
2089                sbt = 1.0_wp
2090             ENDIF
2091             tend = 0.0_wp
2092             CALL advec_s_bc( diss, 'diss' )
2093
2094          ENDIF
2095       ENDIF
2096
2097!
2098!--    dissipation-tendency terms with no communication
2099       IF ( scalar_advec /= 'bc-scheme'  .OR.  use_upstream_for_tke )  THEN
2100          IF ( use_upstream_for_tke )  THEN
2101             tend = 0.0_wp
2102             CALL advec_s_up( diss )
2103          ELSE
2104             tend = 0.0_wp
2105             IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
2106                IF ( ws_scheme_sca )  THEN
2107                   CALL advec_s_ws( diss, 'diss' )
2108                ELSE
2109                   CALL advec_s_pw( diss )
2110                ENDIF
2111             ELSE
2112                CALL advec_s_up( diss )
2113             ENDIF
2114          ENDIF
2115       ENDIF
[2680]2116!
2117!--    Production of TKE dissipation rate
[3550]2118       CALL production_e( .TRUE. )
2119!
2120!--    Diffusion term of TKE dissipation rate
[2353]2121       CALL diffusion_diss
2122!
2123!--    Additional sink term for flows through plant canopies
[3550]2124!        IF ( plant_canopy )  CALL pcm_tendency( ? )         !> @todo not yet implemented
[2353]2125
[3550]2126!        CALL user_actions( 'diss-tendency' )                !> @todo not yet implemented
[2353]2127
2128!
2129!--    Prognostic equation for TKE dissipation.
2130!--    Eliminate negative dissipation values, which can occur due to numerical
2131!--    reasons in the course of the integration. In such cases the old
2132!--    dissipation value is reduced by 90%.
2133       DO  i = nxl, nxr
2134          DO  j = nys, nyn
2135             DO  k = nzb+1, nzt
2136                diss_p(k,j,i) = diss(k,j,i) + ( dt_3d * ( sbt * tend(k,j,i) +  &
2137                                                 tsc(3) * tdiss_m(k,j,i) )     &
2138                                        )                                      &
2139                                   * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                    &
2140                                             BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 )   &
2141                                          )
2142                IF ( diss_p(k,j,i) < 0.0_wp )                                  &
2143                   diss_p(k,j,i) = 0.1_wp * diss(k,j,i)
2144             ENDDO
2145          ENDDO
2146       ENDDO
2147
2148!
2149!--    Calculate tendencies for the next Runge-Kutta step
2150       IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
2151          IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  THEN
2152             DO  i = nxl, nxr
2153                DO  j = nys, nyn
2154                   DO  k = nzb+1, nzt
2155                      tdiss_m(k,j,i) = tend(k,j,i)
2156                   ENDDO
2157                ENDDO
2158             ENDDO
2159          ELSEIF ( intermediate_timestep_count < &
2160                   intermediate_timestep_count_max )  THEN
2161             DO  i = nxl, nxr
2162                DO  j = nys, nyn
2163                   DO  k = nzb+1, nzt
2164                      tdiss_m(k,j,i) =   -9.5625_wp * tend(k,j,i)              &
2165                                        + 5.3125_wp * tdiss_m(k,j,i)
2166                   ENDDO
2167                ENDDO
2168             ENDDO
2169          ENDIF
2170       ENDIF
2171
2172       CALL cpu_log( log_point(33), 'diss-equation', 'stop' )
2173
2174    ENDIF
2175
[3386]2176 END SUBROUTINE tcm_prognostic_equations
[2353]2177
2178
2179!------------------------------------------------------------------------------!
2180! Description:
2181! ------------
[2680]2182!> Prognostic equation for subgrid-scale TKE and TKE dissipation rate.
[2353]2183!> Cache-optimized version
2184!------------------------------------------------------------------------------!
[3386]2185 SUBROUTINE tcm_prognostic_equations_ij( i, j, i_omp, tn )
[2353]2186
2187    USE arrays_3d,                                                             &
[3241]2188        ONLY:  diss_l_diss, diss_l_e, diss_s_diss, diss_s_e, flux_l_diss,      &
2189               flux_l_e, flux_s_diss, flux_s_e
[2353]2190
[2680]2191    USE control_parameters,                                                    &
[3241]2192        ONLY:  tsc
[2353]2193
2194    IMPLICIT NONE
2195
[2358]2196    INTEGER(iwp) ::  i       !< loop index x direction
[3083]2197    INTEGER(iwp) ::  i_omp   !< first loop index of i-loop in prognostic_equations
[2358]2198    INTEGER(iwp) ::  j       !< loop index y direction
2199    INTEGER(iwp) ::  k       !< loop index z direction
[3083]2200    INTEGER(iwp) ::  tn      !< task number of openmp task
[2353]2201
2202!
[2680]2203!-- If required, compute prognostic equation for turbulent kinetic
2204!-- energy (TKE)
2205    IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
[2353]2206
2207!
[2680]2208!--    Tendency-terms for TKE
2209       tend(:,j,i) = 0.0_wp
2210       IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge'  &
2211           .AND.  .NOT. use_upstream_for_tke )  THEN
2212           IF ( ws_scheme_sca )  THEN
2213               CALL advec_s_ws( i, j, e, 'e', flux_s_e, diss_s_e, &
2214                                flux_l_e, diss_l_e , i_omp, tn )
2215           ELSE
2216               CALL advec_s_pw( i, j, e )
2217           ENDIF
2218       ELSE
2219          CALL advec_s_up( i, j, e )
2220       ENDIF
[2358]2221
[3083]2222       CALL production_e( i, j, .FALSE. )
[2373]2223
[2680]2224       IF ( .NOT. humidity )  THEN
[3294]2225          IF ( ocean_mode )  THEN
[2680]2226             CALL diffusion_e( i, j, prho, prho_reference )
2227          ELSE
2228             CALL diffusion_e( i, j, pt, pt_reference )
2229          ENDIF
2230       ELSE
2231          CALL diffusion_e( i, j, vpt, pt_reference )
2232       ENDIF
[2353]2233
2234!
[2680]2235!--    Additional sink term for flows through plant canopies
2236       IF ( plant_canopy )  CALL pcm_tendency( i, j, 6 )
[2353]2237
[2680]2238       CALL user_actions( i, j, 'e-tendency' )
[2353]2239
2240!
[2680]2241!--    Prognostic equation for TKE.
2242!--    Eliminate negative TKE values, which can occur due to numerical
2243!--    reasons in the course of the integration. In such cases the old
2244!--    TKE value is reduced by 90%.
2245       DO  k = nzb+1, nzt
2246          e_p(k,j,i) = e(k,j,i) + ( dt_3d * ( tsc(2) * tend(k,j,i) +           &
2247                                              tsc(3) * te_m(k,j,i) )           &
2248                                  )                                            &
2249                                 * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                      &
2250                                          BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 )      &
2251                                        )
2252          IF ( e_p(k,j,i) <= 0.0_wp )  e_p(k,j,i) = 0.1_wp * e(k,j,i)
2253       ENDDO
[2353]2254
2255!
[2680]2256!--    Calculate tendencies for the next Runge-Kutta step
2257       IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
2258          IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  THEN
2259             DO  k = nzb+1, nzt
2260                te_m(k,j,i) = tend(k,j,i)
2261             ENDDO
2262          ELSEIF ( intermediate_timestep_count < &
2263                   intermediate_timestep_count_max )  THEN
2264             DO  k = nzb+1, nzt
2265                te_m(k,j,i) =   -9.5625_wp * tend(k,j,i) +                     &
2266                                 5.3125_wp * te_m(k,j,i)
2267             ENDDO
2268          ENDIF
2269       ENDIF
[2353]2270
[2680]2271    ENDIF   ! TKE equation
[2353]2272
2273!
[2680]2274!-- If required, compute prognostic equation for TKE dissipation rate
2275    IF ( rans_tke_e )  THEN
[2353]2276!
[2680]2277!--    Tendency-terms for dissipation
2278       tend(:,j,i) = 0.0_wp
2279       IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge'  &
2280           .AND.  .NOT. use_upstream_for_tke )  THEN
2281           IF ( ws_scheme_sca )  THEN
2282               CALL advec_s_ws( i, j, diss, 'diss', flux_s_diss, diss_s_diss,  &
2283                                flux_l_diss, diss_l_diss, i_omp, tn )
2284           ELSE
2285               CALL advec_s_pw( i, j, diss )
2286           ENDIF
2287       ELSE
2288          CALL advec_s_up( i, j, diss )
2289       ENDIF
[2358]2290!
[2680]2291!--    Production of TKE dissipation rate
[3083]2292       CALL production_e( i, j, .TRUE. )
2293!
2294!--    Diffusion term of TKE dissipation rate
[2680]2295       CALL diffusion_diss( i, j )
[2353]2296!
[2680]2297!--    Additional sink term for flows through plant canopies
[3550]2298!        IF ( plant_canopy )  CALL pcm_tendency( i, j, ? )     !> @todo not yet implemented
[2353]2299
[3550]2300!        CALL user_actions( i, j, 'diss-tendency' )            !> @todo not yet implemented
[2353]2301
2302!
[2680]2303!--    Prognostic equation for TKE dissipation
2304!--    Eliminate negative dissipation values, which can occur due to
2305!--    numerical reasons in the course of the integration. In such cases
2306!--    the old dissipation value is reduced by 90%.
2307       DO  k = nzb+1, nzt
2308          diss_p(k,j,i) = diss(k,j,i) + ( dt_3d * ( tsc(2) * tend(k,j,i) +     &
2309                                                    tsc(3) * tdiss_m(k,j,i) )  &
[2353]2310                                        )                                      &
[2680]2311                                        * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,               &
[2353]2312                                                BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 )&
[2680]2313                                               )
2314       ENDDO
[2353]2315
2316!
[2680]2317!--    Calculate tendencies for the next Runge-Kutta step
2318       IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
2319          IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  THEN
2320             DO  k = nzb+1, nzt
2321                tdiss_m(k,j,i) = tend(k,j,i)
2322             ENDDO
2323          ELSEIF ( intermediate_timestep_count < &
2324                   intermediate_timestep_count_max )  THEN
2325             DO  k = nzb+1, nzt
2326                tdiss_m(k,j,i) =   -9.5625_wp * tend(k,j,i) +                  &
2327                                    5.3125_wp * tdiss_m(k,j,i)
2328             ENDDO
2329          ENDIF
2330       ENDIF
[2353]2331
[2680]2332    ENDIF   ! dissipation equation
[2353]2333
[3386]2334 END SUBROUTINE tcm_prognostic_equations_ij
[2353]2335
2336
2337!------------------------------------------------------------------------------!
2338! Description:
2339! ------------
[2680]2340!> Production terms (shear + buoyancy) of the TKE.
2341!> Vector-optimized version
2342!> @warning The case with constant_flux_layer = F and use_surface_fluxes = T is
2343!>          not considered well!
[2353]2344!------------------------------------------------------------------------------!
[3398]2345 SUBROUTINE production_e( diss_production )
[2353]2346
[2680]2347    USE arrays_3d,                                                             &
[3274]2348        ONLY:  ddzw, dd2zu, drho_air_zw, q, ql, d_exner, exner
[2353]2349
[2680]2350    USE control_parameters,                                                    &
[3274]2351        ONLY:  cloud_droplets, constant_flux_layer, neutral,                   &
[2680]2352               rho_reference, use_single_reference_value, use_surface_fluxes,  &
2353               use_top_fluxes
[2353]2354
[2680]2355    USE grid_variables,                                                        &
2356        ONLY:  ddx, dx, ddy, dy
[2353]2357
[3274]2358    USE bulk_cloud_model_mod,                                                  &
2359        ONLY:  bulk_cloud_model
2360
[2680]2361    USE surface_mod,                                                           &
2362        ONLY :  surf_def_h, surf_def_v, surf_lsm_h, surf_lsm_v, surf_usm_h,    &
2363                surf_usm_v
[2353]2364
[2680]2365    IMPLICIT NONE
[2353]2366
[3398]2367    LOGICAL :: diss_production
2368
[2680]2369    INTEGER(iwp) ::  i       !< running index x-direction
2370    INTEGER(iwp) ::  j       !< running index y-direction
2371    INTEGER(iwp) ::  k       !< running index z-direction
2372    INTEGER(iwp) ::  l       !< running index for different surface type orientation
2373    INTEGER(iwp) ::  m       !< running index surface elements
2374    INTEGER(iwp) ::  surf_e  !< end index of surface elements at given i-j position
2375    INTEGER(iwp) ::  surf_s  !< start index of surface elements at given i-j position
[3359]2376    INTEGER(iwp) ::  flag_nr !< number of masking flag
[2353]2377
[3545]2378    REAL(wp)     ::  def         !< ( du_i/dx_j + du_j/dx_i ) * du_i/dx_j
[2680]2379    REAL(wp)     ::  flag        !< flag to mask topography
[3545]2380    REAL(wp)     ::  k1          !< temporary factor
2381    REAL(wp)     ::  k2          !< temporary factor
[2680]2382    REAL(wp)     ::  km_neutral  !< diffusion coefficient assuming neutral conditions - used to compute shear production at surfaces
[3545]2383    REAL(wp)     ::  theta       !< virtual potential temperature
2384    REAL(wp)     ::  temp        !< theta * Exner-function
[2680]2385    REAL(wp)     ::  sign_dir    !< sign of wall-tke flux, depending on wall orientation
2386    REAL(wp)     ::  usvs        !< momentum flux u"v"
2387    REAL(wp)     ::  vsus        !< momentum flux v"u"
2388    REAL(wp)     ::  wsus        !< momentum flux w"u"
2389    REAL(wp)     ::  wsvs        !< momentum flux w"v"
[2353]2390
[3359]2391    REAL(wp), DIMENSION(nzb+1:nzt) ::  dudx  !< Gradient of u-component in x-direction
2392    REAL(wp), DIMENSION(nzb+1:nzt) ::  dudy  !< Gradient of u-component in y-direction
2393    REAL(wp), DIMENSION(nzb+1:nzt) ::  dudz  !< Gradient of u-component in z-direction
2394    REAL(wp), DIMENSION(nzb+1:nzt) ::  dvdx  !< Gradient of v-component in x-direction
2395    REAL(wp), DIMENSION(nzb+1:nzt) ::  dvdy  !< Gradient of v-component in y-direction
2396    REAL(wp), DIMENSION(nzb+1:nzt) ::  dvdz  !< Gradient of v-component in z-direction
2397    REAL(wp), DIMENSION(nzb+1:nzt) ::  dwdx  !< Gradient of w-component in x-direction
2398    REAL(wp), DIMENSION(nzb+1:nzt) ::  dwdy  !< Gradient of w-component in y-direction
2399    REAL(wp), DIMENSION(nzb+1:nzt) ::  dwdz  !< Gradient of w-component in z-direction
[3398]2400    REAL(wp), DIMENSION(nzb+1:nzt) ::  tmp_flux  !< temporary flux-array in z-direction
[2353]2401
2402
2403
2404!
[3359]2405!-- Calculate TKE production by shear. Calculate gradients at all grid
2406!-- points first, gradients at surface-bounded grid points will be
2407!-- overwritten further below.
[3634]2408    !$ACC PARALLEL LOOP COLLAPSE(2) PRIVATE(i, j, l) &
2409    !$ACC PRIVATE(surf_s, surf_e) &
2410    !$ACC PRIVATE(dudx(:), dudy(:), dudz(:), dvdx(:), dvdy(:), dvdz(:), dwdx(:), dwdy(:), dwdz(:)) &
2411    !$ACC PRESENT(e, u, v, w, diss, dd2zu, ddzw, km, wall_flags_0) &
2412    !$ACC PRESENT(tend) &
2413    !$ACC PRESENT(surf_def_h(0:1), surf_def_v(0:3)) &
2414    !$ACC PRESENT(surf_lsm_h, surf_lsm_v(0:3)) &
2415    !$ACC PRESENT(surf_usm_h, surf_usm_v(0:3))
[3359]2416    DO  i = nxl, nxr
2417       DO  j = nys, nyn
[3634]2418          !$ACC LOOP PRIVATE(k)
[3359]2419          DO  k = nzb+1, nzt
[2353]2420
[3359]2421             dudx(k) =           ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i)     ) * ddx
2422             dudy(k) = 0.25_wp * ( u(k,j+1,i) + u(k,j+1,i+1) -                 &
2423                                   u(k,j-1,i) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy
2424             dudz(k) = 0.5_wp  * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1) -                 &
2425                                   u(k-1,j,i) - u(k-1,j,i+1) ) * dd2zu(k)
[2353]2426
[3359]2427             dvdx(k) = 0.25_wp * ( v(k,j,i+1) + v(k,j+1,i+1) -                 &
2428                                   v(k,j,i-1) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx
2429             dvdy(k) =           ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i)     ) * ddy
2430             dvdz(k) = 0.5_wp  * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i) -                 &
2431                                     v(k-1,j,i) - v(k-1,j+1,i) ) * dd2zu(k)
[2353]2432
[3359]2433             dwdx(k) = 0.25_wp * ( w(k,j,i+1) + w(k-1,j,i+1) -                 &
2434                                   w(k,j,i-1) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx
2435             dwdy(k) = 0.25_wp * ( w(k,j+1,i) + w(k-1,j+1,i) -                 &
2436                                   w(k,j-1,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy
2437             dwdz(k) =           ( w(k,j,i)   - w(k-1,j,i)   ) * ddzw(k)
2438
[2680]2439          ENDDO
[2353]2440
[3359]2441
2442          flag_nr = 29
2443
2444
2445          IF ( constant_flux_layer )  THEN
[2353]2446!
[3359]2447
2448             flag_nr = 0
2449
2450!--          Position beneath wall
2451!--          (2) - Will allways be executed.
2452!--          'bottom and wall: use u_0,v_0 and wall functions'
[2353]2453!
[2680]2454!--          Compute gradients at north- and south-facing surfaces.
[3359]2455!--          First, for default surfaces, then for urban surfaces.
[2680]2456!--          Note, so far no natural vertical surfaces implemented
2457             DO  l = 0, 1
2458                surf_s = surf_def_v(l)%start_index(j,i)
2459                surf_e = surf_def_v(l)%end_index(j,i)
[3634]2460                !$ACC LOOP PRIVATE(m, k, usvs, wsvs, km_neutral, sign_dir)
[2680]2461                DO  m = surf_s, surf_e
2462                   k           = surf_def_v(l)%k(m)
2463                   usvs        = surf_def_v(l)%mom_flux_tke(0,m)
2464                   wsvs        = surf_def_v(l)%mom_flux_tke(1,m)
[3359]2465
[2680]2466                   km_neutral = kappa * ( usvs**2 + wsvs**2 )**0.25_wp         &
2467                                   * 0.5_wp * dy
[2353]2468!
[2680]2469!--                -1.0 for right-facing wall, 1.0 for left-facing wall
2470                   sign_dir = MERGE( 1.0_wp, -1.0_wp,                          &
[3359]2471                                     BTEST( wall_flags_0(k,j-1,i), flag_nr ) )
2472                   dudy(k) = sign_dir * usvs / ( km_neutral + 1E-10_wp )
2473                   dwdy(k) = sign_dir * wsvs / ( km_neutral + 1E-10_wp )
[2680]2474                ENDDO
[2353]2475!
[2680]2476!--             Natural surfaces
2477                surf_s = surf_lsm_v(l)%start_index(j,i)
2478                surf_e = surf_lsm_v(l)%end_index(j,i)
[3634]2479                !$ACC LOOP PRIVATE(m, k, usvs, wsvs, km_neutral, sign_dir)
[2680]2480                DO  m = surf_s, surf_e
2481                   k           = surf_lsm_v(l)%k(m)
2482                   usvs        = surf_lsm_v(l)%mom_flux_tke(0,m)
2483                   wsvs        = surf_lsm_v(l)%mom_flux_tke(1,m)
[3359]2484
[2680]2485                   km_neutral = kappa * ( usvs**2 + wsvs**2 )**0.25_wp         &
2486                                   * 0.5_wp * dy
[2353]2487!
[2680]2488!--                -1.0 for right-facing wall, 1.0 for left-facing wall
2489                   sign_dir = MERGE( 1.0_wp, -1.0_wp,                          &
[3359]2490                                     BTEST( wall_flags_0(k,j-1,i), flag_nr ) )
2491                   dudy(k) = sign_dir * usvs / ( km_neutral + 1E-10_wp )
2492                   dwdy(k) = sign_dir * wsvs / ( km_neutral + 1E-10_wp )
2493                ENDDO
[2353]2494!
[2680]2495!--             Urban surfaces
2496                surf_s = surf_usm_v(l)%start_index(j,i)
2497                surf_e = surf_usm_v(l)%end_index(j,i)
[3634]2498                !$ACC LOOP PRIVATE(m, k, usvs, wsvs, km_neutral, sign_dir)
[2680]2499                DO  m = surf_s, surf_e
2500                   k           = surf_usm_v(l)%k(m)
2501                   usvs        = surf_usm_v(l)%mom_flux_tke(0,m)
2502                   wsvs        = surf_usm_v(l)%mom_flux_tke(1,m)
[3359]2503
[2680]2504                   km_neutral = kappa * ( usvs**2 + wsvs**2 )**0.25_wp         &
2505                                   * 0.5_wp * dy
[2353]2506!
[2680]2507!--                -1.0 for right-facing wall, 1.0 for left-facing wall
2508                   sign_dir = MERGE( 1.0_wp, -1.0_wp,                          &
[3359]2509                                     BTEST( wall_flags_0(k,j-1,i), flag_nr ) )
2510                   dudy(k) = sign_dir * usvs / ( km_neutral + 1E-10_wp )
2511                   dwdy(k) = sign_dir * wsvs / ( km_neutral + 1E-10_wp )
2512                ENDDO
[2680]2513             ENDDO
[2353]2514!
[2680]2515!--          Compute gradients at east- and west-facing walls
2516             DO  l = 2, 3
2517                surf_s = surf_def_v(l)%start_index(j,i)
2518                surf_e = surf_def_v(l)%end_index(j,i)
[3634]2519                !$ACC LOOP PRIVATE(m, k, vsus, wsus, km_neutral, sign_dir)
[2680]2520                DO  m = surf_s, surf_e
2521                   k     = surf_def_v(l)%k(m)
2522                   vsus  = surf_def_v(l)%mom_flux_tke(0,m)
2523                   wsus  = surf_def_v(l)%mom_flux_tke(1,m)
[2353]2524
[2680]2525                   km_neutral = kappa * ( vsus**2 + wsus**2 )**0.25_wp         &
2526                                      * 0.5_wp * dx
[2353]2527!
[2680]2528!--                -1.0 for right-facing wall, 1.0 for left-facing wall
2529                   sign_dir = MERGE( 1.0_wp, -1.0_wp,                          &
[3359]2530                                     BTEST( wall_flags_0(k,j,i-1), flag_nr ) )
2531                   dvdx(k) = sign_dir * vsus / ( km_neutral + 1E-10_wp )
2532                   dwdx(k) = sign_dir * wsus / ( km_neutral + 1E-10_wp )
2533                ENDDO
[2353]2534!
[3359]2535!--             Natural surfaces
[2680]2536                surf_s = surf_lsm_v(l)%start_index(j,i)
2537                surf_e = surf_lsm_v(l)%end_index(j,i)
[3634]2538                !$ACC LOOP PRIVATE(m, k, vsus, wsus, km_neutral, sign_dir)
[2680]2539                DO  m = surf_s, surf_e
2540                   k     = surf_lsm_v(l)%k(m)
2541                   vsus  = surf_lsm_v(l)%mom_flux_tke(0,m)
2542                   wsus  = surf_lsm_v(l)%mom_flux_tke(1,m)
[2353]2543
[2680]2544                   km_neutral = kappa * ( vsus**2 + wsus**2 )**0.25_wp         &
2545                                      * 0.5_wp * dx
[2353]2546!
[2680]2547!--                -1.0 for right-facing wall, 1.0 for left-facing wall
2548                   sign_dir = MERGE( 1.0_wp, -1.0_wp,                          &
[3359]2549                                     BTEST( wall_flags_0(k,j,i-1), flag_nr ) )
2550                   dvdx(k) = sign_dir * vsus / ( km_neutral + 1E-10_wp )
2551                   dwdx(k) = sign_dir * wsus / ( km_neutral + 1E-10_wp )
2552                ENDDO
[2353]2553!
[3359]2554!--             Urban surfaces
[2680]2555                surf_s = surf_usm_v(l)%start_index(j,i)
2556                surf_e = surf_usm_v(l)%end_index(j,i)
[3634]2557                !$ACC LOOP PRIVATE(m, k, vsus, wsus, km_neutral, sign_dir)
[2680]2558                DO  m = surf_s, surf_e
2559                   k     = surf_usm_v(l)%k(m)
2560                   vsus  = surf_usm_v(l)%mom_flux_tke(0,m)
2561                   wsus  = surf_usm_v(l)%mom_flux_tke(1,m)
[2353]2562
[2680]2563                   km_neutral = kappa * ( vsus**2 + wsus**2 )**0.25_wp         &
2564                                      * 0.5_wp * dx
[2353]2565!
[2680]2566!--                -1.0 for right-facing wall, 1.0 for left-facing wall
2567                   sign_dir = MERGE( 1.0_wp, -1.0_wp,                          &
[3359]2568                                     BTEST( wall_flags_0(k,j,i-1), flag_nr ) )
2569                   dvdx(k) = sign_dir * vsus / ( km_neutral + 1E-10_wp )
2570                   dwdx(k) = sign_dir * wsus / ( km_neutral + 1E-10_wp )
2571                ENDDO
[2680]2572             ENDDO
[2353]2573!
[2680]2574!--          Compute gradients at upward-facing surfaces
2575             surf_s = surf_def_h(0)%start_index(j,i)
2576             surf_e = surf_def_h(0)%end_index(j,i)
[3634]2577             !$ACC LOOP PRIVATE(m, k)
[2680]2578             DO  m = surf_s, surf_e
2579                k = surf_def_h(0)%k(m)
[2353]2580!
[3359]2581!--             Please note, actually, an interpolation of u_0 and v_0
2582!--             onto the grid center would be required. However, this
[2680]2583!--             would require several data transfers between 2D-grid and
[3359]2584!--             wall type. The effect of this missing interpolation is
[2680]2585!--             negligible. (See also production_e_init).
[3359]2586                dudz(k) = ( u(k+1,j,i) - surf_def_h(0)%u_0(m) ) * dd2zu(k)
2587                dvdz(k) = ( v(k+1,j,i) - surf_def_h(0)%v_0(m) ) * dd2zu(k)
2588
[2680]2589             ENDDO
[2353]2590!
[2680]2591!--          Natural surfaces
2592             surf_s = surf_lsm_h%start_index(j,i)
2593             surf_e = surf_lsm_h%end_index(j,i)
[3634]2594             !$ACC LOOP PRIVATE(m, k)
[2680]2595             DO  m = surf_s, surf_e
2596                k = surf_lsm_h%k(m)
[2519]2597
[3359]2598                dudz(k) = ( u(k+1,j,i) - surf_lsm_h%u_0(m) ) * dd2zu(k)
2599                dvdz(k) = ( v(k+1,j,i) - surf_lsm_h%v_0(m) ) * dd2zu(k)
2600
[2680]2601             ENDDO
[2353]2602!
[2680]2603!--          Urban surfaces
2604             surf_s = surf_usm_h%start_index(j,i)
2605             surf_e = surf_usm_h%end_index(j,i)
[3634]2606             !$ACC LOOP PRIVATE(m, k)
[2680]2607             DO  m = surf_s, surf_e
2608                k = surf_usm_h%k(m)
[2519]2609
[3359]2610                dudz(k) = ( u(k+1,j,i) - surf_usm_h%u_0(m) ) * dd2zu(k)
2611                dvdz(k) = ( v(k+1,j,i) - surf_usm_h%v_0(m) ) * dd2zu(k)
2612
[2680]2613             ENDDO
[2353]2614!
[3359]2615!--          Compute gradients at downward-facing walls, only for
[2680]2616!--          non-natural default surfaces
2617             surf_s = surf_def_h(1)%start_index(j,i)
2618             surf_e = surf_def_h(1)%end_index(j,i)
[3634]2619             !$ACC LOOP PRIVATE(m, k)
[2680]2620             DO  m = surf_s, surf_e
2621                k = surf_def_h(1)%k(m)
[2519]2622
[3359]2623                dudz(k) = ( surf_def_h(1)%u_0(m) - u(k-1,j,i) ) * dd2zu(k)
2624                dvdz(k) = ( surf_def_h(1)%v_0(m) - v(k-1,j,i) ) * dd2zu(k)
[2353]2625
2626             ENDDO
2627
2628
[3359]2629          ENDIF
[2353]2630
2631
[3634]2632          !$ACC LOOP PRIVATE(k, def, flag)
[3359]2633          DO  k = nzb+1, nzt
[2353]2634
[3359]2635             def = 2.0_wp * ( dudx(k)**2 + dvdy(k)**2 + dwdz(k)**2 ) +         &
2636                              dudy(k)**2 + dvdx(k)**2 + dwdx(k)**2 +           &
2637                              dwdy(k)**2 + dudz(k)**2 + dvdz(k)**2 +           &
2638                   2.0_wp * ( dvdx(k)*dudy(k) + dwdx(k)*dudz(k) +              &
2639                              dwdy(k)*dvdz(k) )
[2353]2640
[3359]2641             IF ( def < 0.0_wp )  def = 0.0_wp
[2353]2642
[3359]2643             flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST(wall_flags_0(k,j,i),flag_nr) )
[2353]2644
[3398]2645             IF ( .NOT. diss_production )  THEN
[2353]2646
[3550]2647!--             Compute tendency for TKE-production from shear
[3398]2648                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def * flag
2649
2650             ELSE
2651
[3550]2652!--             RANS mode: Compute tendency for dissipation-rate-production from shear
[3398]2653                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def * flag *           &
2654                              diss(k,j,i)/( e(k,j,i) + 1.0E-20_wp ) * c_1
2655
2656             ENDIF
2657
[3359]2658          ENDDO
[2353]2659
2660
[3359]2661       ENDDO
2662    ENDDO
[2353]2663
2664!
[3359]2665!-- If required, calculate TKE production by buoyancy
2666    IF ( .NOT. neutral )  THEN
[2353]2667
[3359]2668       IF ( .NOT. humidity )  THEN
[2353]2669
[3359]2670          IF ( ocean_mode )  THEN
[2353]2671!
[3359]2672!--          So far in the ocean no special treatment of density flux
2673!--          in the bottom and top surface layer
2674             DO  i = nxl, nxr
[2680]2675                DO  j = nys, nyn
[3398]2676
[2680]2677                   DO  k = nzb+1, nzt
[3398]2678                      tmp_flux(k) = kh(k,j,i) * ( prho(k+1,j,i) - prho(k-1,j,i) ) * dd2zu(k)
[2680]2679                   ENDDO
[2353]2680!
[2680]2681!--                Treatment of near-surface grid points, at up- and down-
2682!--                ward facing surfaces
2683                   IF ( use_surface_fluxes )  THEN
2684                      DO  l = 0, 1
2685                         surf_s = surf_def_h(l)%start_index(j,i)
2686                         surf_e = surf_def_h(l)%end_index(j,i)
[2519]2687                         DO  m = surf_s, surf_e
[2680]2688                            k = surf_def_h(l)%k(m)
[3398]2689                            tmp_flux(k) = drho_air_zw(k-1) * surf_def_h(l)%shf(m)
[2519]2690                         ENDDO
[2680]2691                      ENDDO
2692                   ENDIF
[2519]2693
[2680]2694                   IF ( use_top_fluxes )  THEN
2695                      surf_s = surf_def_h(2)%start_index(j,i)
2696                      surf_e = surf_def_h(2)%end_index(j,i)
2697                      DO  m = surf_s, surf_e
2698                         k = surf_def_h(2)%k(m)
[3398]2699                         tmp_flux(k) = drho_air_zw(k) * surf_def_h(2)%shf(m)
[2353]2700                      ENDDO
[2680]2701                   ENDIF
[2353]2702
[3398]2703                   IF ( .NOT. diss_production )  THEN
2704
[3550]2705!--                   Compute tendency for TKE-production from shear
[3398]2706                      DO  k = nzb+1, nzt
2707                         flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST(wall_flags_0(k,j,i),0) )
2708                         tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + flag * tmp_flux(k) * ( g / &
2709                                       MERGE( rho_reference, prho(k,j,i),       &
2710                                              use_single_reference_value ) )
2711                      ENDDO
2712
2713                   ELSE
2714
[3550]2715!--                   RANS mode: Compute tendency for dissipation-rate-production from shear
[3398]2716                      DO  k = nzb+1, nzt
2717                         flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST(wall_flags_0(k,j,i),0) )
2718                         tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + flag * tmp_flux(k) * ( g / &
2719                                       MERGE( rho_reference, prho(k,j,i),       &
2720                                              use_single_reference_value ) ) *  &
2721                                       diss(k,j,i)/( e(k,j,i) + 1.0E-20_wp ) *  &
2722                                       c_3
2723                      ENDDO
2724
2725                   ENDIF
2726
[2680]2727                ENDDO
[3359]2728             ENDDO
[2353]2729
[3359]2730          ELSE ! or IF ( .NOT. ocean_mode )  THEN
[2353]2731
[3634]2732             !$ACC PARALLEL LOOP COLLAPSE(2) PRIVATE(i, j) &
2733             !$ACC PRIVATE(surf_s, surf_e) &
2734             !$ACC PRIVATE(tmp_flux(nzb+1:nzt)) &
2735             !$ACC PRESENT(e, diss, kh, pt, dd2zu, drho_air_zw, wall_flags_0) &
2736             !$ACC PRESENT(tend) &
2737             !$ACC PRESENT(surf_def_h(0:2)) &
2738             !$ACC PRESENT(surf_lsm_h) &
2739             !$ACC PRESENT(surf_usm_h)
[3359]2740             DO  i = nxl, nxr
[2353]2741                DO  j = nys, nyn
[3359]2742
[3634]2743                   !$ACC LOOP PRIVATE(k)
[2353]2744                   DO  k = nzb+1, nzt
[3398]2745                      tmp_flux(k) = -1.0_wp * kh(k,j,i) * ( pt(k+1,j,i) - pt(k-1,j,i) ) * dd2zu(k)
[2353]2746                   ENDDO
2747
[2680]2748                   IF ( use_surface_fluxes )  THEN
[2353]2749!
[2680]2750!--                   Default surfaces, up- and downward-facing
[2353]2751                      DO  l = 0, 1
2752                         surf_s = surf_def_h(l)%start_index(j,i)
2753                         surf_e = surf_def_h(l)%end_index(j,i)
[3634]2754                         !$ACC LOOP PRIVATE(m, k)
[2353]2755                         DO  m = surf_s, surf_e
2756                            k = surf_def_h(l)%k(m)
[3398]2757                            tmp_flux(k) = drho_air_zw(k-1) * surf_def_h(l)%shf(m)
[3359]2758                         ENDDO
[2353]2759                      ENDDO
2760!
[2680]2761!--                   Natural surfaces
[2353]2762                      surf_s = surf_lsm_h%start_index(j,i)
2763                      surf_e = surf_lsm_h%end_index(j,i)
[3634]2764                      !$ACC LOOP PRIVATE(m, k)
[2353]2765                      DO  m = surf_s, surf_e
2766                         k = surf_lsm_h%k(m)
[3398]2767                         tmp_flux(k) = drho_air_zw(k-1) * surf_lsm_h%shf(m)
[2353]2768                      ENDDO
2769!
[2680]2770!--                   Urban surfaces
[2353]2771                      surf_s = surf_usm_h%start_index(j,i)
2772                      surf_e = surf_usm_h%end_index(j,i)
[3634]2773                      !$ACC LOOP PRIVATE(m, k)
[2353]2774                      DO  m = surf_s, surf_e
[2680]2775                         k = surf_usm_h%k(m)
[3398]2776                         tmp_flux(k) = drho_air_zw(k-1) * surf_usm_h%shf(m)
[3359]2777                      ENDDO
[2680]2778                   ENDIF
[2353]2779
[2680]2780                   IF ( use_top_fluxes )  THEN
2781                      surf_s = surf_def_h(2)%start_index(j,i)
2782                      surf_e = surf_def_h(2)%end_index(j,i)
[3634]2783                      !$ACC LOOP PRIVATE(m, k)
[2680]2784                      DO  m = surf_s, surf_e
2785                         k = surf_def_h(2)%k(m)
[3398]2786                         tmp_flux(k) = drho_air_zw(k) * surf_def_h(2)%shf(m)
[2353]2787                      ENDDO
[2680]2788                   ENDIF
[3359]2789
[3398]2790                   IF ( .NOT. diss_production )  THEN
2791
[3550]2792!--                   Compute tendency for TKE-production from shear
[3634]2793                     !$ACC LOOP PRIVATE(k, flag)
[3398]2794                      DO  k = nzb+1, nzt
2795                         flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST(wall_flags_0(k,j,i),0) )
2796                         tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + flag * tmp_flux(k) * ( g / &
2797                                       MERGE( pt_reference, pt(k,j,i),          &
2798                                              use_single_reference_value ) )
2799                      ENDDO
2800
2801                   ELSE
2802
[3550]2803!--                   RANS mode: Compute tendency for dissipation-rate-production from shear
[3398]2804                      DO  k = nzb+1, nzt
2805                         flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST(wall_flags_0(k,j,i),0) )
2806                         tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + flag * tmp_flux(k) * ( g / &
2807                                       MERGE( pt_reference, pt(k,j,i),          &
2808                                              use_single_reference_value ) ) *  &
2809                                       diss(k,j,i)/( e(k,j,i) + 1.0E-20_wp ) *  &
2810                                       c_3
2811                      ENDDO
2812
2813                   ENDIF
2814
[2680]2815                ENDDO
[3359]2816             ENDDO
[2353]2817
[3359]2818          ENDIF ! from IF ( .NOT. ocean_mode )
[2353]2819
[3359]2820       ELSE ! or IF ( humidity )  THEN
[2353]2821
[3359]2822          DO  i = nxl, nxr
[2680]2823             DO  j = nys, nyn
[2353]2824
[2680]2825                DO  k = nzb+1, nzt
[3398]2826
[3274]2827                   IF ( .NOT. bulk_cloud_model .AND. .NOT. cloud_droplets ) THEN
[2680]2828                      k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
2829                      k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[3398]2830                      tmp_flux(k) = -1.0_wp * kh(k,j,i) *                      &
2831                                      ( k1 * ( pt(k+1,j,i) - pt(k-1,j,i) ) +   &
2832                                        k2 * ( q(k+1,j,i)  - q(k-1,j,i) )      &
2833                                      ) * dd2zu(k)
[3274]2834                   ELSE IF ( bulk_cloud_model )  THEN
[2680]2835                      IF ( ql(k,j,i) == 0.0_wp )  THEN
2836                         k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
2837                         k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
2838                      ELSE
[3274]2839                         theta = pt(k,j,i) + d_exner(k) * lv_d_cp * ql(k,j,i)
2840                         temp  = theta * exner(k)
[2680]2841                         k1 = ( 1.0_wp - q(k,j,i) + 1.61_wp *                  &
2842                                       ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) *              &
[3361]2843                              ( 1.0_wp + rd_d_rv * lv_d_rd / temp ) ) /        &
2844                              ( 1.0_wp + rd_d_rv * lv_d_rd * lv_d_cp *         &
[2680]2845                              ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) / ( temp * temp ) )
[3274]2846                         k2 = theta * ( lv_d_cp / temp * k1 - 1.0_wp )
[2680]2847                      ENDIF
[3398]2848                      tmp_flux(k) = -1.0_wp * kh(k,j,i) *                      &
2849                                      ( k1 * ( pt(k+1,j,i) - pt(k-1,j,i) ) +   &
2850                                        k2 * ( q(k+1,j,i)  - q(k-1,j,i) )      &
2851                                      ) * dd2zu(k)
[2680]2852                   ELSE IF ( cloud_droplets )  THEN
2853                      k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i) - ql(k,j,i)
2854                      k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[3398]2855                      tmp_flux(k) = -1.0_wp * kh(k,j,i) * &
2856                                      ( k1 * ( pt(k+1,j,i) - pt(k-1,j,i) ) +   &
2857                                        k2 * ( q(k+1,j,i)  - q(k-1,j,i) ) -    &
2858                                        pt(k,j,i) * ( ql(k+1,j,i) -            &
2859                                        ql(k-1,j,i) ) ) * dd2zu(k)
[2680]2860                   ENDIF
[2353]2861
[2680]2862                ENDDO
2863
[3359]2864                IF ( use_surface_fluxes )  THEN
[2680]2865!
2866!--                Treat horizontal default surfaces
2867                   DO  l = 0, 1
2868                      surf_s = surf_def_h(l)%start_index(j,i)
2869                      surf_e = surf_def_h(l)%end_index(j,i)
[2353]2870                      DO  m = surf_s, surf_e
[2680]2871                         k = surf_def_h(l)%k(m)
[2353]2872
[3274]2873                         IF ( .NOT. bulk_cloud_model .AND. .NOT. cloud_droplets ) THEN
[2353]2874                            k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
2875                            k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[3274]2876                         ELSE IF ( bulk_cloud_model )  THEN
[2353]2877                            IF ( ql(k,j,i) == 0.0_wp )  THEN
2878                               k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
2879                               k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
2880                            ELSE
[3274]2881                               theta = pt(k,j,i) + d_exner(k) * lv_d_cp * ql(k,j,i)
2882                               temp  = theta * exner(k)
[2353]2883                               k1 = ( 1.0_wp - q(k,j,i) + 1.61_wp *            &
2884                                          ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) *           &
[3361]2885                                 ( 1.0_wp + rd_d_rv * lv_d_rd / temp ) ) /     &
2886                                 ( 1.0_wp + rd_d_rv * lv_d_rd * lv_d_cp *      &
[2353]2887                                 ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) / ( temp * temp ) )
[3274]2888                               k2 = theta * ( lv_d_cp / temp * k1 - 1.0_wp )
[2353]2889                            ENDIF
2890                         ELSE IF ( cloud_droplets )  THEN
2891                            k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i) - ql(k,j,i)
2892                            k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
2893                         ENDIF
2894
[3398]2895                         tmp_flux(k) = ( k1 * surf_def_h(l)%shf(m) +           &
2896                                         k2 * surf_def_h(l)%qsws(m)            &
2897                                       ) * drho_air_zw(k-1)
[2353]2898                      ENDDO
[2680]2899                   ENDDO
2900!
2901!--                Treat horizontal natural surfaces
2902                   surf_s = surf_lsm_h%start_index(j,i)
2903                   surf_e = surf_lsm_h%end_index(j,i)
2904                   DO  m = surf_s, surf_e
2905                      k = surf_lsm_h%k(m)
[2353]2906
[3274]2907                      IF ( .NOT. bulk_cloud_model .AND. .NOT. cloud_droplets ) THEN
[2680]2908                         k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
2909                         k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[3274]2910                      ELSE IF ( bulk_cloud_model )  THEN
[2680]2911                         IF ( ql(k,j,i) == 0.0_wp )  THEN
2912                            k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
2913                            k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
2914                         ELSE
[3274]2915                            theta = pt(k,j,i) + d_exner(k) * lv_d_cp * ql(k,j,i)
2916                            temp  = theta * exner(k)
[2680]2917                            k1 = ( 1.0_wp - q(k,j,i) + 1.61_wp *               &
2918                                          ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) *           &
[3361]2919                                 ( 1.0_wp + rd_d_rv * lv_d_rd / temp ) ) /     &
2920                                 ( 1.0_wp + rd_d_rv * lv_d_rd * lv_d_cp *      &
[2680]2921                                 ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) / ( temp * temp ) )
[3274]2922                            k2 = theta * ( lv_d_cp / temp * k1 - 1.0_wp )
[2680]2923                         ENDIF
2924                      ELSE IF ( cloud_droplets )  THEN
2925                         k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i) - ql(k,j,i)
2926                         k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
2927                      ENDIF
2928
[3398]2929                      tmp_flux(k) = ( k1 * surf_lsm_h%shf(m) +                 &
2930                                      k2 * surf_lsm_h%qsws(m)                  &
2931                                    ) * drho_air_zw(k-1)
[2353]2932                   ENDDO
[2680]2933!
2934!--                Treat horizontal urban surfaces
2935                   surf_s = surf_usm_h%start_index(j,i)
2936                   surf_e = surf_usm_h%end_index(j,i)
2937                   DO  m = surf_s, surf_e
[3385]2938                      k = surf_usm_h%k(m)
[2353]2939
[3274]2940                      IF ( .NOT. bulk_cloud_model .AND. .NOT. cloud_droplets ) THEN
[2680]2941                         k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
2942                         k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[3274]2943                      ELSE IF ( bulk_cloud_model )  THEN
[2680]2944                         IF ( ql(k,j,i) == 0.0_wp )  THEN
2945                            k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
2946                            k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
2947                         ELSE
[3274]2948                            theta = pt(k,j,i) + d_exner(k) * lv_d_cp * ql(k,j,i)
2949                            temp  = theta * exner(k)
[2680]2950                            k1 = ( 1.0_wp - q(k,j,i) + 1.61_wp *               &
2951                                          ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) *           &
[3361]2952                                 ( 1.0_wp + rd_d_rv * lv_d_rd / temp ) ) /     &
2953                                 ( 1.0_wp + rd_d_rv * lv_d_rd * lv_d_cp *      &
[2680]2954                                 ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) / ( temp * temp ) )
[3274]2955                            k2 = theta * ( lv_d_cp / temp * k1 - 1.0_wp )
[2680]2956                         ENDIF
2957                      ELSE IF ( cloud_droplets )  THEN
2958                         k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i) - ql(k,j,i)
2959                         k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
2960                      ENDIF
[2353]2961
[3398]2962                      tmp_flux(k) = ( k1 * surf_usm_h%shf(m) +                 &
2963                                      k2 * surf_usm_h%qsws(m)                  &
2964                                    ) * drho_air_zw(k-1)
[2680]2965                   ENDDO
2966
[3359]2967                ENDIF ! from IF ( use_surface_fluxes )  THEN
[2680]2968
[3359]2969                IF ( use_top_fluxes )  THEN
[2353]2970
[2680]2971                   surf_s = surf_def_h(2)%start_index(j,i)
2972                   surf_e = surf_def_h(2)%end_index(j,i)
2973                   DO  m = surf_s, surf_e
2974                      k = surf_def_h(2)%k(m)
2975
[3274]2976                      IF ( .NOT. bulk_cloud_model .AND. .NOT. cloud_droplets ) THEN
[2680]2977                         k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
2978                         k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[3274]2979                      ELSE IF ( bulk_cloud_model )  THEN
[2680]2980                         IF ( ql(k,j,i) == 0.0_wp )  THEN
2981                            k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
2982                            k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
2983                         ELSE
[3274]2984                            theta = pt(k,j,i) + d_exner(k) * lv_d_cp * ql(k,j,i)
2985                            temp  = theta * exner(k)
[2680]2986                            k1 = ( 1.0_wp - q(k,j,i) + 1.61_wp *               &
2987                                       ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) *              &
[3361]2988                              ( 1.0_wp + rd_d_rv * lv_d_rd / temp ) ) /        &
2989                              ( 1.0_wp + rd_d_rv * lv_d_rd * lv_d_cp *         &
[2680]2990                              ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) / ( temp * temp ) )
[3274]2991                            k2 = theta * ( lv_d_cp / temp * k1 - 1.0_wp )
[2680]2992                         ENDIF
2993                      ELSE IF ( cloud_droplets )  THEN
2994                         k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i) - ql(k,j,i)
2995                         k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
2996                      ENDIF
2997
[3398]2998                      tmp_flux(k) = ( k1 * surf_def_h(2)%shf(m) +              &
299