source: palm/trunk/SOURCE/turbulence_closure_mod.f90 @ 3636

Last change on this file since 3636 was 3636, checked in by raasch, 3 years ago

nopointer option removed

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 193.1 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 3636 2018-12-19 13:48:34Z raasch $
[3636]27! nopointer option removed
28!
29! 3634 2018-12-18 12:31:28Z knoop
[3634]30! OpenACC port for SPEC
31!
32! 3550 2018-11-21 16:01:01Z gronemeier
[3550]33! - calculate diss production same in vector and cache optimization
34! - move boundary condition for e and diss to boundary_conds
35!
36! 3545 2018-11-21 11:19:41Z gronemeier
[3545]37! - Set rans_mode according to value of turbulence_closure
38! - removed debug output
39!
40! 3430 2018-10-25 13:36:23Z maronga
[3430]41! Added support for buildings in the dynamic SGS model
42!
43! 3398 2018-10-22 19:30:24Z knoop
[3398]44! Refactored production_e and production_e_ij (removed code redundancy)
45!
46! 3386 2018-10-19 16:28:22Z gronemeier
[3386]47! Renamed tcm_prognostic to tcm_prognostic_equations
48!
49! 3385 2018-10-19 14:52:29Z knoop
[3359]50! Restructured loops and ifs in production_e to ease vectorization on GPUs
51!
52! 3300 2018-10-02 14:16:54Z gronemeier
[3299]53! - removed global array wall_flags_0_global, hence reduced accuracy of l_wall
54!   calculation
55! - removed maxloc call as this produced different results for different
56!   compiler options
57!
58! 3294 2018-10-01 02:37:10Z raasch
[3294]59! changes concerning modularization of ocean option
60!
61! 3274 2018-09-24 15:42:55Z knoop
[3274]62! Modularization of all bulk cloud physics code components
63!
64! 3245 2018-09-13 14:08:16Z knoop
[3241]65! unused variables removed, shortest_distance has wp now
66!
67! 3183 2018-07-27 14:25:55Z suehring
[3183]68! Rename variables and remove unused variable from USE statement
69!
70! 3182 2018-07-27 13:36:03Z suehring
[3145]71! Use MOST for km only in RANS mode
72!
73! 3130 2018-07-16 11:08:55Z gronemeier
[3130]74! - move boundary condition of km and kh to tcm_diffusivities
75! - calculate km at boundaries according to MOST
76! - move phi_m to surface_layer_fluxes_mod
77!
78! 3129 2018-07-16 07:45:13Z gronemeier
[3129]79! - move limitation of diss to boundary_conds
80! - move boundary conditions for e and diss to boundary_conds
81! - consider non-default surfaces in tcm_diffusivities
82! - use z_mo within surface layer instead of calculating it
83! - resort output after case select -> reduced code duplication
84! - when using rans_tke_e and 1d-model, do not use e1d, km1d and diss1d
85!
86! 3121 2018-07-11 18:46:49Z gronemeier
[3121]87! - created the function phi_m
88! - implemented km = u* * kappa * zp / phi_m in production_e_init for all
89!   surfaces
90!
91! 3120 2018-07-11 18:30:57Z gronemeier
[3120]92! - changed tcm_diffusivities to tcm_diffusivities_default
93! - created subroutine tcm_diffusivities that calls tcm_diffusivities_default
94!   and tcm_diffusivities_dynamic
95!
96! 3086 2018-06-25 09:08:04Z gronemeier
[3086]97! bugfix: set rans_const_sigma(1) = 1.3
98!
99! 3083 2018-06-19 14:03:12Z gronemeier
[3083]100! - set limits of diss at the end of prognostic equations
101! - call production_e to calculate production term of diss
102! - limit change of diss to -90% to +100%
103! - remove factor 0.5 from diffusion_diss_ij
104! - rename c_m into c_0, and c_h into c_4
105! - add rans_const_c and rans_const_sigma as namelist parameters
106! - add calculation of mixing length for profile output in case of rans_tke_e
107! - changed format of annotations to comply with doxygen standards
108! - calculate and save dissipation rate during rans_tke_l mode
109! - set bc at vertical walls for e, diss, km, kh
110! - bugfix: set l_wall = 0.0 within buildings
111! - set l_wall at bottom and top boundary (rans-mode)
112! - bugfix in production term for dissipation rate
113! - bugfix in diffusion of dissipation rate
114! - disable check for 1D model if rans_tke_e is used
115! - bugfixes for initialization (rans-mode):
116!    - correction of dissipation-rate formula
117!    - calculate km based on l_wall
118!    - initialize diss if 1D model is not used
119!
120! 3045 2018-05-28 07:55:41Z Giersch
[3045]121! Error message revised
122!
123! 3014 2018-05-09 08:42:38Z maronga
[3014]124! Bugfix: nzb_do and nzt_do were not used for 3d data output
125!
126! 3004 2018-04-27 12:33:25Z Giersch
[3004]127! Further allocation checks implemented
128!
129! 2938 2018-03-27 15:52:42Z suehring
[2938]130! Further todo's
131!
[3083]132! 2936 2018-03-27 14:49:27Z gronemeier
[2913]133! - defined l_grid only within this module
134! - Moved l_wall definition from modules.f90
[2916]135! - Get level of highest topography, used to limit upward distance calculation
136! - Consider cyclic boundary conditions for mixing length calculation
137! - Moved copy of wall_flags into subarray to subroutine
138! - Implemented l_wall calculation in case of RANS simulation
139! - Moved init of l_black to tcm_init_mixing_length
[2902]140! - Moved init_mixing_length from init_grid.f90 and
[2916]141!   renamed it to tcm_init_mixing_length
[2353]142!
[2918]143! 2764 2018-01-22 09:25:36Z gronemeier
[2842]144! Bugfix: remove duplicate SAVE statements
145!
146! 2746 2018-01-15 12:06:04Z suehring
[2761]147! Move flag plant canopy to modules
[2353]148!
[2761]149! 2718 2018-01-02 08:49:38Z maronga
150! Corrected "Former revisions" section
151!
152! 2701 2017-12-15 15:40:50Z suehring
153! Changes from last commit documented
154!
155! 2698 2017-12-14 18:46:24Z suehring
156! Bugfix in get_topography_top_index
[2353]157!
[2761]158! 2696 2017-12-14 17:12:51Z kanani
159! Initial revision
160!
161!
162!
163!
[2353]164! Authors:
165! --------
166! @author Tobias Gronemeier
[3120]167! @author Hauke Wurps
[2353]168!
169! Description:
170! ------------
171!> This module contains the available turbulence closures for PALM.
172!>
173!>
174!> @todo test initialization for all possibilities
[2680]175!>       add OpenMP directives whereever possible
[2938]176!> @todo Check for random disturbances
[2353]177!> @note <Enter notes on the module>
178!------------------------------------------------------------------------------!
179 MODULE turbulence_closure_mod
180 
181
182    USE arrays_3d,                                                             &
[2680]183        ONLY:  diss, diss_1, diss_2, diss_3, diss_p, dzu, e, e_1, e_2, e_3,    &
[2913]184               e_p, kh, km, mean_inflow_profiles, prho, pt, tdiss_m,           &
[2680]185               te_m, tend, u, v, vpt, w
[2353]186
[3274]187    USE basic_constants_and_equations_mod,                                     &
[3361]188        ONLY:  g, kappa, lv_d_cp, lv_d_rd, rd_d_rv
[3274]189
[2353]190    USE control_parameters,                                                    &
[3182]191        ONLY:  constant_diffusion, dt_3d, e_init, humidity,                    &
[2680]192               initializing_actions, intermediate_timestep_count,              &
[3274]193               intermediate_timestep_count_max, km_constant,                   &
[3294]194               les_dynamic, les_mw, ocean_mode, plant_canopy, prandtl_number,  &
195               pt_reference, rans_mode, rans_tke_e, rans_tke_l,                &
[3120]196               simulated_time,timestep_scheme, turbulence_closure,             &
197               turbulent_inflow, use_upstream_for_tke, vpt_reference,          &
[3430]198               ws_scheme_sca, current_timestep_number
[2353]199
200    USE advec_ws,                                                              &
201        ONLY:  advec_s_ws
202
203    USE advec_s_bc_mod,                                                        &
204        ONLY:  advec_s_bc
205
206    USE advec_s_pw_mod,                                                        &
207        ONLY:  advec_s_pw
208
209    USE advec_s_up_mod,                                                        &
210        ONLY:  advec_s_up
211
212    USE cpulog,                                                                &
213        ONLY:  cpu_log, log_point, log_point_s
214
215    USE indices,                                                               &
[3120]216        ONLY:  nbgp, nxl, nxlg, nxr, nxrg, nyn, nyng, nys, nysg, nzb, nzt,     &
[2680]217               wall_flags_0
[2353]218
219    USE kinds
220
[3294]221    USE ocean_mod,                                                             &
222        ONLY:  prho_reference
223
[2353]224    USE pegrid
225
226    USE plant_canopy_model_mod,                                                &
[2761]227        ONLY:  pcm_tendency
[2353]228
229    USE statistics,                                                            &
230        ONLY:  hom, hom_sum, statistic_regions
231
232    USE user_actions_mod,                                                      &
233        ONLY:  user_actions
234
235
236    IMPLICIT NONE
237
238
[3083]239    REAL(wp) ::  c_0                !< constant used for diffusion coefficient and dissipation (dependent on mode RANS/LES)
240    REAL(wp) ::  c_1                !< model constant for RANS mode
241    REAL(wp) ::  c_2                !< model constant for RANS mode
[3398]242    REAL(wp) ::  c_3                !< model constant for RANS mode
[3083]243    REAL(wp) ::  c_4                !< model constant for RANS mode
244    REAL(wp) ::  l_max              !< maximum length scale for Blackadar mixing length
245    REAL(wp) ::  dsig_e = 1.0_wp    !< factor to calculate Ke from Km (1/sigma_e)
246    REAL(wp) ::  dsig_diss = 1.0_wp !< factor to calculate K_diss from Km (1/sigma_diss)
[2353]247
[3083]248    REAL(wp), DIMENSION(0:4) :: rans_const_c = &       !< model constants for RANS mode (namelist param)
[3398]249       (/ 0.55_wp, 1.44_wp, 1.92_wp, 1.44_wp, 0.0_wp /) !> default values fit for standard-tke-e closure
[3083]250
251    REAL(wp), DIMENSION(2) :: rans_const_sigma = &     !< model constants for RANS mode, sigma values (sigma_e, sigma_diss) (namelist param)
[3086]252       (/ 1.0_wp, 1.30_wp /)
[3083]253
[2913]254    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  l_black    !< mixing length according to Blackadar
[3182]255
[2913]256    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  l_grid     !< geometric mean of grid sizes dx, dy, dz
[2353]257
[2913]258    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  l_wall !< near-wall mixing length
259
[2353]260
[3083]261    PUBLIC c_0, rans_const_c, rans_const_sigma
[2358]262
[2353]263!
[2680]264!-- PALM interfaces:
265!-- Input parameter checks to be done in check_parameters
266    INTERFACE tcm_check_parameters
267       MODULE PROCEDURE tcm_check_parameters
268    END INTERFACE tcm_check_parameters
[2353]269
270!
271!-- Data output checks for 2D/3D data to be done in check_parameters
272    INTERFACE tcm_check_data_output
273       MODULE PROCEDURE tcm_check_data_output
274    END INTERFACE tcm_check_data_output
[2680]275
[2353]276!
[2680]277!-- Definition of data output quantities
278    INTERFACE tcm_define_netcdf_grid
279       MODULE PROCEDURE tcm_define_netcdf_grid
280    END INTERFACE tcm_define_netcdf_grid
[2353]281
282!
283!-- Averaging of 3D data for output
284    INTERFACE tcm_3d_data_averaging
285       MODULE PROCEDURE tcm_3d_data_averaging
286    END INTERFACE tcm_3d_data_averaging
287
288!
289!-- Data output of 2D quantities
290    INTERFACE tcm_data_output_2d
291       MODULE PROCEDURE tcm_data_output_2d
292    END INTERFACE tcm_data_output_2d
293
294!
295!-- Data output of 3D data
296    INTERFACE tcm_data_output_3d
297       MODULE PROCEDURE tcm_data_output_3d
298    END INTERFACE tcm_data_output_3d
299
300!
301!-- Initialization actions 
302    INTERFACE tcm_init
303       MODULE PROCEDURE tcm_init
304    END INTERFACE tcm_init
[2680]305
[2353]306!
307!-- Initialization of arrays
308    INTERFACE tcm_init_arrays
309       MODULE PROCEDURE tcm_init_arrays
310    END INTERFACE tcm_init_arrays
311
312!
[2680]313!-- Initialization of TKE production term
314    INTERFACE production_e_init
315       MODULE PROCEDURE production_e_init
316    END INTERFACE production_e_init
[2353]317
318!
[2680]319!-- Prognostic equations for TKE and TKE dissipation rate
[3386]320    INTERFACE tcm_prognostic_equations
321       MODULE PROCEDURE tcm_prognostic_equations
322       MODULE PROCEDURE tcm_prognostic_equations_ij
323    END INTERFACE tcm_prognostic_equations
[2353]324
[2680]325!
326!-- Production term for TKE
[2353]327    INTERFACE production_e
328       MODULE PROCEDURE production_e
329       MODULE PROCEDURE production_e_ij
330    END INTERFACE production_e
331
[2680]332!
333!-- Diffusion term for TKE
[2353]334    INTERFACE diffusion_e
335       MODULE PROCEDURE diffusion_e
336       MODULE PROCEDURE diffusion_e_ij
337    END INTERFACE diffusion_e
338
[2680]339!
340!-- Diffusion term for TKE dissipation rate
[2353]341    INTERFACE diffusion_diss
342       MODULE PROCEDURE diffusion_diss
343       MODULE PROCEDURE diffusion_diss_ij
344    END INTERFACE diffusion_diss
345
[2680]346!
347!-- Mixing length for LES case
348    INTERFACE mixing_length_les
349       MODULE PROCEDURE mixing_length_les
350    END INTERFACE mixing_length_les
[2353]351
352!
[2680]353!-- Mixing length for RANS case
354    INTERFACE mixing_length_rans
355       MODULE PROCEDURE mixing_length_rans
356    END INTERFACE mixing_length_rans
[2353]357
[2680]358!
[3120]359!-- Call tcm_diffusivities_default and tcm_diffusivities_dynamic
[2680]360    INTERFACE tcm_diffusivities
361       MODULE PROCEDURE tcm_diffusivities
362    END INTERFACE tcm_diffusivities
[2353]363
364!
[3120]365!-- Calculate diffusivities
366    INTERFACE tcm_diffusivities_default
367       MODULE PROCEDURE tcm_diffusivities_default
368    END INTERFACE tcm_diffusivities_default
369
370!
371!-- Calculate diffusivities according to dynamic sgs model
372    INTERFACE tcm_diffusivities_dynamic
373       MODULE PROCEDURE tcm_diffusivities_dynamic
374    END INTERFACE tcm_diffusivities_dynamic
375
376!
377!-- Box-filter method for dynamic sgs model
378    INTERFACE tcm_box_filter_2d
379       MODULE PROCEDURE tcm_box_filter_2d_single
380       MODULE PROCEDURE tcm_box_filter_2d_array
381    END INTERFACE tcm_box_filter_2d
382
383!
[2680]384!-- Swapping of time levels (required for prognostic variables)
385    INTERFACE tcm_swap_timelevel
386       MODULE PROCEDURE tcm_swap_timelevel
387    END INTERFACE tcm_swap_timelevel
[2353]388
[2680]389    SAVE
[2353]390
[2680]391    PRIVATE
[2353]392!
[2680]393!-- Add INTERFACES that must be available to other modules (alphabetical order)
394    PUBLIC production_e_init, tcm_3d_data_averaging, tcm_check_data_output,    &
395           tcm_check_parameters, tcm_data_output_2d, tcm_data_output_3d,       &
396           tcm_define_netcdf_grid, tcm_diffusivities, tcm_init,                &
[3386]397           tcm_init_arrays, tcm_prognostic_equations, tcm_swap_timelevel
[2353]398
399
[2680]400 CONTAINS
[2353]401
402!------------------------------------------------------------------------------!
403! Description:
404! ------------
[2680]405!> Check parameters routine for turbulence closure module.
[2353]406!------------------------------------------------------------------------------!
407 SUBROUTINE tcm_check_parameters
408
409    USE control_parameters,                                                    &
[3241]410        ONLY:  message_string, turbulent_inflow, turbulent_outflow
[2353]411
412    IMPLICIT NONE
413
414!
415!-- Define which turbulence closure is going to be used
[3545]416    SELECT CASE ( TRIM( turbulence_closure ) )
[2353]417
[3545]418       CASE ( 'dynamic' )
419          les_dynamic = .TRUE.
420
421       CASE ( 'Moeng_Wyngaard' )
422          les_mw = .TRUE.
423
424       CASE ( 'TKE-l' )
425          rans_tke_l = .TRUE.
426          rans_mode = .TRUE.
427
428       CASE ( 'TKE-e' )
429          rans_tke_e = .TRUE.
430          rans_mode = .TRUE.
431
432       CASE DEFAULT
433          message_string = 'Unknown turbulence closure: ' //                &
434                           TRIM( turbulence_closure )
435          CALL message( 'tcm_check_parameters', 'PA0500', 1, 2, 0, 6, 0 )
436
437    END SELECT
[3083]438!
[3545]439!-- Set variables for RANS mode or LES mode
440    IF ( rans_mode )  THEN
441!
[3083]442!--    Assign values to constants for RANS mode
443       dsig_e    = 1.0_wp / rans_const_sigma(1)
444       dsig_diss = 1.0_wp / rans_const_sigma(2)
[2353]445
[3083]446       c_0 = rans_const_c(0)
447       c_1 = rans_const_c(1)
448       c_2 = rans_const_c(2)
[3398]449       c_3 = rans_const_c(3)   !> @todo clarify how to switch between different models
[3083]450       c_4 = rans_const_c(4)
451
452       IF ( turbulent_inflow .OR. turbulent_outflow )  THEN
453          message_string = 'turbulent inflow/outflow is not yet '//            &
454                           'implemented for RANS mode'
455          CALL message( 'tcm_check_parameters', 'PA0501', 1, 2, 0, 6, 0 )
456       ENDIF
457
[2353]458       message_string = 'RANS mode is still in development! ' //               &
459                        '&Not all features of PALM are yet compatible '//      &
460                        'with RANS mode. &Use at own risk!'
[3083]461       CALL message( 'tcm_check_parameters', 'PA0502', 0, 1, 0, 6, 0 )
[2353]462
463    ELSE
[3545]464!
465!--    LES mode
466       c_0 = 0.1_wp    !according to Lilly (1967) and Deardorff (1980)
[2353]467
[3083]468       dsig_e = 1.0_wp !assure to use K_m to calculate TKE instead
469                       !of K_e which is used in RANS mode
470
[2353]471    ENDIF
472
473 END SUBROUTINE tcm_check_parameters
474
475!------------------------------------------------------------------------------!
[2680]476! Description:
477! ------------
478!> Check data output.
479!------------------------------------------------------------------------------!
[3241]480 SUBROUTINE tcm_check_data_output( var, unit )
[2680]481 
482    IMPLICIT NONE
483
[3083]484    CHARACTER (LEN=*) ::  unit     !< unit of output variable
485    CHARACTER (LEN=*) ::  var      !< name of output variable
[2680]486
487
488    SELECT CASE ( TRIM( var ) )
489
490       CASE ( 'diss' )
491          unit = 'm2/s3'
492
493       CASE ( 'kh', 'km' )
494          unit = 'm2/s'
495
496       CASE DEFAULT
497          unit = 'illegal'
498
499    END SELECT
500
501 END SUBROUTINE tcm_check_data_output
502
503
504!------------------------------------------------------------------------------!
505! Description:
506! ------------
507!> Define appropriate grid for netcdf variables.
508!> It is called out from subroutine netcdf.
509!------------------------------------------------------------------------------!
510 SUBROUTINE tcm_define_netcdf_grid( var, found, grid_x, grid_y, grid_z )
511   
512    IMPLICIT NONE
513
[3083]514    CHARACTER (LEN=*), INTENT(OUT) ::  grid_x   !< x grid of output variable
515    CHARACTER (LEN=*), INTENT(OUT) ::  grid_y   !< y grid of output variable
516    CHARACTER (LEN=*), INTENT(OUT) ::  grid_z   !< z grid of output variable
517    CHARACTER (LEN=*), INTENT(IN)  ::  var      !< name of output variable
518
519    LOGICAL, INTENT(OUT) ::  found   !< flag if output variable is found
520
[2680]521    found  = .TRUE.
522
[2353]523!
[2680]524!-- Check for the grid
525    SELECT CASE ( TRIM( var ) )
526
527       CASE ( 'diss', 'diss_xy', 'diss_xz', 'diss_yz' )
528          grid_x = 'x'
529          grid_y = 'y'
530          grid_z = 'zu'
531
532       CASE ( 'kh', 'kh_xy', 'kh_xz', 'kh_yz' )
533          grid_x = 'x'
534          grid_y = 'y'
535          grid_z = 'zu'
536
537       CASE ( 'km', 'km_xy', 'km_xz', 'km_yz' )
538          grid_x = 'x'
539          grid_y = 'y'
540          grid_z = 'zu'
541
542       CASE DEFAULT
543          found  = .FALSE.
544          grid_x = 'none'
545          grid_y = 'none'
546          grid_z = 'none'
547
548    END SELECT
549
550 END SUBROUTINE tcm_define_netcdf_grid
551
552
553!------------------------------------------------------------------------------!
[2353]554! Description:
555! ------------
[2680]556!> Average 3D data.
[2353]557!------------------------------------------------------------------------------!
558 SUBROUTINE tcm_3d_data_averaging( mode, variable )
559 
560
561    USE averaging,                                                             &
[2680]562        ONLY:  diss_av, kh_av, km_av
[2353]563
[2680]564    USE control_parameters,                                                    &
565        ONLY:  average_count_3d
[2353]566
567    IMPLICIT NONE
568
[3083]569    CHARACTER (LEN=*) ::  mode       !< flag defining mode 'allocate', 'sum' or 'average'
570    CHARACTER (LEN=*) ::  variable   !< name of variable
[2353]571
[3083]572    INTEGER(iwp) ::  i   !< loop index
573    INTEGER(iwp) ::  j   !< loop index
574    INTEGER(iwp) ::  k   !< loop index
[2353]575
576    IF ( mode == 'allocate' )  THEN
577
578       SELECT CASE ( TRIM( variable ) )
579
580          CASE ( 'diss' )
581             IF ( .NOT. ALLOCATED( diss_av ) )  THEN
[2680]582                ALLOCATE( diss_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
[2353]583             ENDIF
584             diss_av = 0.0_wp
585
[2680]586          CASE ( 'kh' )
587             IF ( .NOT. ALLOCATED( kh_av ) )  THEN
588                ALLOCATE( kh_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
589             ENDIF
590             kh_av = 0.0_wp
591
592          CASE ( 'km' )
593             IF ( .NOT. ALLOCATED( km_av ) )  THEN
594                ALLOCATE( km_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
595             ENDIF
596             km_av = 0.0_wp
597
[2353]598          CASE DEFAULT
599             CONTINUE
600
601       END SELECT
602
603    ELSEIF ( mode == 'sum' )  THEN
604
605       SELECT CASE ( TRIM( variable ) )
606
607          CASE ( 'diss' )
[3004]608             IF ( ALLOCATED( diss_av ) ) THEN             
609                DO  i = nxlg, nxrg
610                   DO  j = nysg, nyng
611                      DO  k = nzb, nzt+1
612                         diss_av(k,j,i) = diss_av(k,j,i) + diss(k,j,i)
613                      ENDDO
[2353]614                   ENDDO
615                ENDDO
[3004]616             ENDIF
[2353]617
[2680]618          CASE ( 'kh' )
[3004]619             IF ( ALLOCATED( kh_av ) ) THEN
620                DO  i = nxlg, nxrg
621                   DO  j = nysg, nyng
622                      DO  k = nzb, nzt+1
623                         kh_av(k,j,i) = kh_av(k,j,i) + kh(k,j,i)
624                      ENDDO
[2680]625                   ENDDO
626                ENDDO
[3004]627             ENDIF
[2680]628
629          CASE ( 'km' )
[3004]630             IF ( ALLOCATED( km_av ) ) THEN
631                DO  i = nxlg, nxrg
632                   DO  j = nysg, nyng
633                      DO  k = nzb, nzt+1
634                         km_av(k,j,i) = km_av(k,j,i) + km(k,j,i)
635                      ENDDO
[2680]636                   ENDDO
637                ENDDO
[3004]638             ENDIF
[2680]639
[2353]640          CASE DEFAULT
641             CONTINUE
642
643       END SELECT
644
645    ELSEIF ( mode == 'average' )  THEN
646
647       SELECT CASE ( TRIM( variable ) )
648
649          CASE ( 'diss' )
[3004]650             IF ( ALLOCATED( diss_av ) ) THEN
651                DO  i = nxlg, nxrg
652                   DO  j = nysg, nyng
653                      DO  k = nzb, nzt+1
654                         diss_av(k,j,i) = diss_av(k,j,i)                       & 
655                                        / REAL( average_count_3d, KIND=wp )
656                      ENDDO
[2353]657                   ENDDO
658                ENDDO
[3004]659             ENDIF
[2353]660
[2680]661          CASE ( 'kh' )
[3004]662             IF ( ALLOCATED( kh_av ) ) THEN
663                DO  i = nxlg, nxrg
664                   DO  j = nysg, nyng
665                      DO  k = nzb, nzt+1
666                         kh_av(k,j,i) = kh_av(k,j,i)                           & 
667                                        / REAL( average_count_3d, KIND=wp )
668                      ENDDO
[2680]669                   ENDDO
670                ENDDO
[3004]671             ENDIF
[2680]672
673          CASE ( 'km' )
[3004]674             IF ( ALLOCATED( km_av ) ) THEN
675                DO  i = nxlg, nxrg
676                   DO  j = nysg, nyng
677                      DO  k = nzb, nzt+1
678                         km_av(k,j,i) = km_av(k,j,i)                           & 
679                                        / REAL( average_count_3d, KIND=wp )
680                      ENDDO
[2680]681                   ENDDO
682                ENDDO
[3004]683             ENDIF
[2680]684
[2353]685       END SELECT
686
687    ENDIF
688
689 END SUBROUTINE tcm_3d_data_averaging
690
691
692!------------------------------------------------------------------------------!
693! Description:
694! ------------
[2680]695!> Define 2D output variables.
[2353]696!------------------------------------------------------------------------------!
[2680]697 SUBROUTINE tcm_data_output_2d( av, variable, found, grid, mode, local_pf,     &
[3241]698                                nzb_do, nzt_do )
[2353]699 
[2680]700    USE averaging,                                                             &
701        ONLY:  diss_av, kh_av, km_av
[2353]702
703    IMPLICIT NONE
704
[3083]705    CHARACTER (LEN=*) ::  grid       !< name of vertical grid
706    CHARACTER (LEN=*) ::  mode       !< either 'xy', 'xz' or 'yz'
707    CHARACTER (LEN=*) ::  variable   !< name of variable
[2353]708
[3129]709    INTEGER(iwp) ::  av        !< flag for (non-)average output
710    INTEGER(iwp) ::  flag_nr   !< number of masking flag
711    INTEGER(iwp) ::  i         !< loop index
712    INTEGER(iwp) ::  j         !< loop index
713    INTEGER(iwp) ::  k         !< loop index
714    INTEGER(iwp) ::  nzb_do    !< vertical output index (bottom)
715    INTEGER(iwp) ::  nzt_do    !< vertical output index (top)
[2353]716
[3545]717    LOGICAL ::  found     !< flag if output variable is found
[3129]718    LOGICAL ::  resorted  !< flag if output is already resorted
[2353]719
[3545]720    REAL(wp) ::  fill_value = -9999.0_wp  !< value for the _FillValue attribute
[3004]721
[3014]722    REAL(wp), DIMENSION(nxl:nxr,nys:nyn,nzb_do:nzt_do) ::  local_pf !< local
[2353]723       !< array to which output data is resorted to
724
[3129]725    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), POINTER ::  to_be_resorted  !< points to selected output variable
726   
[2353]727    found = .TRUE.
[3129]728    resorted = .FALSE.
729!
730!-- Set masking flag for topography for not resorted arrays
731    flag_nr = 0
[2353]732
733    SELECT CASE ( TRIM( variable ) )
734
[2680]735       CASE ( 'diss_xy', 'diss_xz', 'diss_yz' )
736          IF ( av == 0 )  THEN
[3129]737             to_be_resorted => diss
[2680]738          ELSE
[3004]739             IF ( .NOT. ALLOCATED( diss_av ) ) THEN
740                ALLOCATE( diss_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
741                diss_av = REAL( fill_value, KIND = wp )
742             ENDIF
[3129]743             to_be_resorted => diss_av
[2680]744          ENDIF
745          IF ( mode == 'xy' ) grid = 'zu'
746
747       CASE ( 'kh_xy', 'kh_xz', 'kh_yz' )
748          IF ( av == 0 )  THEN
[3129]749             to_be_resorted => kh
[2680]750          ELSE
[3129]751             IF ( .NOT. ALLOCATED( kh_av ) ) THEN
752                ALLOCATE( kh_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
753                kh_av = REAL( fill_value, KIND = wp )
[3004]754             ENDIF
[3129]755             to_be_resorted => kh_av
[2680]756          ENDIF
757          IF ( mode == 'xy' ) grid = 'zu'
758
759       CASE ( 'km_xy', 'km_xz', 'km_yz' )
760          IF ( av == 0 )  THEN
[3129]761             to_be_resorted => km
[2680]762          ELSE
[3129]763             IF ( .NOT. ALLOCATED( km_av ) ) THEN
764                ALLOCATE( km_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
765                km_av = REAL( fill_value, KIND = wp )
[3004]766             ENDIF
[3129]767             to_be_resorted => km_av
[2680]768          ENDIF
769          IF ( mode == 'xy' ) grid = 'zu'
770
[2353]771       CASE DEFAULT
772          found = .FALSE.
773          grid  = 'none'
774
775    END SELECT
[3129]776
777    IF ( found .AND. .NOT. resorted )  THEN
778       DO  i = nxl, nxr
779          DO  j = nys, nyn
780             DO  k = nzb_do, nzt_do
781                local_pf(i,j,k) = MERGE( to_be_resorted(k,j,i),                &
782                                         REAL( fill_value, KIND = wp ),        &
783                                         BTEST( wall_flags_0(k,j,i), flag_nr ) ) 
784             ENDDO
785          ENDDO
786       ENDDO
787    ENDIF
[2353]788 
789 END SUBROUTINE tcm_data_output_2d
790
791 
792!------------------------------------------------------------------------------!
793! Description:
794! ------------
[2680]795!> Define 3D output variables.
[2353]796!------------------------------------------------------------------------------!
[3014]797 SUBROUTINE tcm_data_output_3d( av, variable, found, local_pf, nzb_do, nzt_do )
[2353]798 
799
800    USE averaging,                                                             &
[2680]801        ONLY:  diss_av, kh_av, km_av
[2353]802
803    IMPLICIT NONE
804
[3083]805    CHARACTER (LEN=*) ::  variable   !< name of variable
[2353]806
[3129]807    INTEGER(iwp) ::  av        !< flag for (non-)average output
808    INTEGER(iwp) ::  flag_nr   !< number of masking flag
809    INTEGER(iwp) ::  i         !< loop index
810    INTEGER(iwp) ::  j         !< loop index
811    INTEGER(iwp) ::  k         !< loop index
812    INTEGER(iwp) ::  nzb_do    !< lower limit of the data output (usually 0)
813    INTEGER(iwp) ::  nzt_do    !< vertical upper limit of the data output (usually nz_do3d)
[2353]814
[3129]815    LOGICAL ::  found     !< flag if output variable is found
816    LOGICAL ::  resorted  !< flag if output is already resorted
[2353]817
[3545]818    REAL(wp) ::  fill_value = -9999.0_wp  !< value for the _FillValue attribute
[3004]819
[3014]820    REAL(sp), DIMENSION(nxl:nxr,nys:nyn,nzb_do:nzt_do) ::  local_pf   !< local
[2353]821       !< array to which output data is resorted to
822
[3129]823    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), POINTER ::  to_be_resorted  !< points to selected output variable
[2353]824
825    found = .TRUE.
[3129]826    resorted = .FALSE.
827!
828!-- Set masking flag for topography for not resorted arrays
829    flag_nr = 0
[2353]830
831    SELECT CASE ( TRIM( variable ) )
832
833       CASE ( 'diss' )
834          IF ( av == 0 )  THEN
[3129]835             to_be_resorted => diss
[2353]836          ELSE
[3004]837             IF ( .NOT. ALLOCATED( diss_av ) ) THEN
838                ALLOCATE( diss_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
839                diss_av = REAL( fill_value, KIND = wp )
840             ENDIF
[3129]841             to_be_resorted => diss_av
[2353]842          ENDIF
843
[2680]844       CASE ( 'kh' )
845          IF ( av == 0 )  THEN
[3129]846             to_be_resorted => kh
[2680]847          ELSE
[3004]848             IF ( .NOT. ALLOCATED( kh_av ) ) THEN
849                ALLOCATE( kh_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
850                kh_av = REAL( fill_value, KIND = wp )
851             ENDIF
[3129]852             to_be_resorted => kh_av
[2680]853          ENDIF
[2358]854
[2680]855       CASE ( 'km' )
856          IF ( av == 0 )  THEN
[3129]857             to_be_resorted => km
[2680]858          ELSE
[3004]859             IF ( .NOT. ALLOCATED( km_av ) ) THEN
860                ALLOCATE( km_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
861                km_av = REAL( fill_value, KIND = wp )
862             ENDIF
[3129]863             to_be_resorted => km_av
[2680]864          ENDIF
[3083]865         
[2353]866       CASE DEFAULT
[2680]867          found = .FALSE.
[2353]868
869    END SELECT
870
[3129]871
872    IF ( found .AND. .NOT. resorted )  THEN
873       DO  i = nxl, nxr
874          DO  j = nys, nyn
875             DO  k = nzb_do, nzt_do
876                local_pf(i,j,k) = MERGE(                                 &
877                                   to_be_resorted(k,j,i),                &
878                                   REAL( fill_value, KIND = wp ),        &
879                                   BTEST( wall_flags_0(k,j,i), flag_nr ) )
880             ENDDO
881          ENDDO
882       ENDDO
883       resorted = .TRUE.
884    ENDIF
885
[2680]886 END SUBROUTINE tcm_data_output_3d
[2353]887
888
889!------------------------------------------------------------------------------!
890! Description:
891! ------------
[2761]892!> Allocate arrays and assign pointers.
893!------------------------------------------------------------------------------!
894 SUBROUTINE tcm_init_arrays
895
[3274]896    USE bulk_cloud_model_mod,                                                  &
[2761]897        ONLY:  collision_turbulence
898
899    USE particle_attributes,                                                   &
900        ONLY:  use_sgs_for_particles, wang_kernel
901
[2938]902    USE pmc_interface,                                                         &
903        ONLY:  nested_run
904
[2761]905    IMPLICIT NONE
906
907    ALLOCATE( kh(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
908    ALLOCATE( km(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
909
910    ALLOCATE( e_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
911    ALLOCATE( e_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
912    ALLOCATE( e_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
[3636]913
[2938]914!
915!-- Allocate arrays required for dissipation.
916!-- Please note, if it is a nested run, arrays need to be allocated even if
917!-- they do not necessarily need to be transferred, which is attributed to
918!-- the design of the model coupler which allocates memory for each variable.
[3083]919    IF ( rans_mode  .OR.  use_sgs_for_particles  .OR.  wang_kernel  .OR.       &
[2938]920         collision_turbulence  .OR.  nested_run )  THEN
[3636]921
[2761]922       ALLOCATE( diss_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
[2938]923       IF ( rans_tke_e  .OR.  nested_run )  THEN
[2761]924          ALLOCATE( diss_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
925          ALLOCATE( diss_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
926       ENDIF
[3636]927
[2761]928    ENDIF
929
930!
931!-- Initial assignment of pointers
932    e  => e_1;   e_p  => e_2;   te_m  => e_3
933
[3083]934    IF ( rans_mode  .OR.  use_sgs_for_particles  .OR.     &
[2938]935         wang_kernel  .OR.  collision_turbulence  .OR.  nested_run )  THEN
[2761]936       diss => diss_1
[2938]937       IF ( rans_tke_e  .OR.  nested_run )  THEN
[2761]938       diss_p => diss_2; tdiss_m => diss_3
939       ENDIF
940    ENDIF
941
942 END SUBROUTINE tcm_init_arrays
943
944
945!------------------------------------------------------------------------------!
946! Description:
947! ------------
[2680]948!> Initialization of turbulence closure module.
[2353]949!------------------------------------------------------------------------------!
950 SUBROUTINE tcm_init
951
952    USE control_parameters,                                                    &
[3241]953        ONLY:  bc_dirichlet_l, complex_terrain, topography
[2353]954
955    USE model_1d_mod,                                                          &
[3241]956        ONLY:  e1d, kh1d, km1d
[2353]957
[2761]958    USE surface_mod,                                                           &
959        ONLY:  get_topography_top_index_ji
960
[2353]961    IMPLICIT NONE
962
[2761]963    INTEGER(iwp) :: i            !< loop index
964    INTEGER(iwp) :: j            !< loop index
965    INTEGER(iwp) :: k            !< loop index
[3083]966    INTEGER(iwp) :: nz_s_shift   !< lower shift index for scalars
967    INTEGER(iwp) :: nz_s_shift_l !< local lower shift index in case of turbulent inflow
[2353]968
969!
[2913]970!-- Initialize mixing length
971    CALL tcm_init_mixing_length
972
973!
[2353]974!-- Actions for initial runs
975    IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data'  .AND.            &
976         TRIM( initializing_actions ) /= 'cyclic_fill' )  THEN
977
978       IF ( INDEX( initializing_actions, 'set_1d-model_profiles' ) /= 0 )  THEN
[3129]979
980          IF ( .NOT. rans_tke_e ) THEN
[2353]981!
[3129]982!--          Transfer initial profiles to the arrays of the 3D model
983             DO  i = nxlg, nxrg
984                DO  j = nysg, nyng
985                   e(:,j,i)  = e1d
986                   kh(:,j,i) = kh1d
987                   km(:,j,i) = km1d
988                ENDDO
[2353]989             ENDDO
990
[3129]991             IF ( constant_diffusion )  THEN
992                e = 0.0_wp
993             ENDIF
[2353]994
[3129]995          ELSE
996!
997!--          In case of TKE-e closure in RANS mode, do not use e, diss, and km
998!--          profiles from 1D model. Instead, initialize with constant profiles
999             IF ( constant_diffusion )  THEN
1000                km = km_constant
1001                kh = km / prandtl_number
1002                e  = 0.0_wp
1003             ELSEIF ( e_init > 0.0_wp )  THEN
[2519]1004                DO  i = nxlg, nxrg
1005                   DO  j = nysg, nyng
1006                      DO  k = nzb+1, nzt
[3129]1007                         km(k,j,i) = c_0 * l_wall(k,j,i) * SQRT( e_init )
[2519]1008                      ENDDO
1009                   ENDDO
1010                ENDDO
[3129]1011                km(nzb,:,:)   = km(nzb+1,:,:)
1012                km(nzt+1,:,:) = km(nzt,:,:)
1013                kh = km / prandtl_number
1014                e  = e_init
1015             ELSE
[3294]1016                IF ( .NOT. ocean_mode )  THEN
[3129]1017                   kh   = 0.01_wp   ! there must exist an initial diffusion, because
1018                   km   = 0.01_wp   ! otherwise no TKE would be produced by the
[3545]1019                                    ! production terms, as long as not yet
1020                                    ! e = (u*/cm)**2 at k=nzb+1
[3129]1021                ELSE
1022                   kh   = 0.00001_wp
1023                   km   = 0.00001_wp
1024                ENDIF
1025                e    = 0.0_wp
[2519]1026             ENDIF
[3129]1027
1028             DO  i = nxlg, nxrg
1029                DO  j = nysg, nyng
1030                   DO  k = nzb+1, nzt
1031                      diss(k,j,i) = c_0**4 * e(k,j,i)**2 / km(k,j,i)
1032                   ENDDO
1033                ENDDO
1034             ENDDO
1035             diss(nzb,:,:) = diss(nzb+1,:,:)
1036             diss(nzt+1,:,:) = diss(nzt,:,:)
1037
[2353]1038          ENDIF
1039
[2761]1040       ELSEIF ( INDEX(initializing_actions, 'set_constant_profiles') /= 0 .OR. &
1041                INDEX( initializing_actions, 'inifor' ) /= 0 )  THEN
[2353]1042
1043          IF ( constant_diffusion )  THEN
[3083]1044             km = km_constant
1045             kh = km / prandtl_number
1046             e  = 0.0_wp
[2353]1047          ELSEIF ( e_init > 0.0_wp )  THEN
[3083]1048             DO  i = nxlg, nxrg
1049                DO  j = nysg, nyng
1050                   DO  k = nzb+1, nzt
1051                      km(k,j,i) = c_0 * l_wall(k,j,i) * SQRT( e_init )
1052                   ENDDO
1053                ENDDO
[2353]1054             ENDDO
1055             km(nzb,:,:)   = km(nzb+1,:,:)
1056             km(nzt+1,:,:) = km(nzt,:,:)
[3083]1057             kh = km / prandtl_number
1058             e  = e_init
[2353]1059          ELSE
[3294]1060             IF ( .NOT. ocean_mode )  THEN
[2353]1061                kh   = 0.01_wp   ! there must exist an initial diffusion, because
1062                km   = 0.01_wp   ! otherwise no TKE would be produced by the
[2680]1063                                 ! production terms, as long as not yet
1064                                 ! e = (u*/cm)**2 at k=nzb+1
[2353]1065             ELSE
1066                kh   = 0.00001_wp
1067                km   = 0.00001_wp
1068             ENDIF
1069             e    = 0.0_wp
1070          ENDIF
1071
[3083]1072          IF ( rans_tke_e )  THEN
1073             DO  i = nxlg, nxrg
1074                DO  j = nysg, nyng
1075                   DO  k = nzb+1, nzt
1076                      diss(k,j,i) = c_0**4 * e(k,j,i)**2 / km(k,j,i)
1077                   ENDDO
1078                ENDDO
1079             ENDDO
1080             diss(nzb,:,:) = diss(nzb+1,:,:)
1081             diss(nzt+1,:,:) = diss(nzt,:,:)
1082          ENDIF
1083
[2353]1084       ENDIF
1085!
1086!--    Store initial profiles for output purposes etc.
1087       hom(:,1,23,:) = SPREAD( km(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1088       hom(:,1,24,:) = SPREAD( kh(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1089!
1090!--    Initialize old and new time levels.
1091       te_m = 0.0_wp
1092       e_p = e
[2519]1093       IF ( rans_tke_e )  THEN
1094          tdiss_m = 0.0_wp
1095          diss_p = diss
1096       ENDIF
[2353]1097
1098    ELSEIF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data'  .OR.         &
1099             TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )                   &
1100    THEN
1101
1102!
[2761]1103!--    In case of complex terrain and cyclic fill method as initialization,
1104!--    shift initial data in the vertical direction for each point in the
1105!--    x-y-plane depending on local surface height
1106       IF ( complex_terrain  .AND.                                             &
1107            TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  THEN
1108          DO  i = nxlg, nxrg
1109             DO  j = nysg, nyng
1110                nz_s_shift = get_topography_top_index_ji( j, i, 's' )
1111
1112                e(nz_s_shift:nzt+1,j,i)  =  e(0:nzt+1-nz_s_shift,j,i)
1113                km(nz_s_shift:nzt+1,j,i) = km(0:nzt+1-nz_s_shift,j,i)
1114                kh(nz_s_shift:nzt+1,j,i) = kh(0:nzt+1-nz_s_shift,j,i)
1115             ENDDO
1116          ENDDO
[3083]1117          IF ( rans_tke_e )  THEN
1118             DO  i = nxlg, nxrg
1119                DO  j = nysg, nyng
1120                   nz_s_shift = get_topography_top_index_ji( j, i, 's' )
1121
1122                   diss(nz_s_shift:nzt+1,j,i) = diss(0:nzt+1-nz_s_shift,j,i)
1123                ENDDO
1124             ENDDO
1125          ENDIF
[2761]1126       ENDIF
1127
1128!
[2353]1129!--    Initialization of the turbulence recycling method
1130       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill'  .AND.               &
1131            turbulent_inflow )  THEN
[2680]1132          mean_inflow_profiles(:,5) = hom_sum(:,8,0)   ! e
[2353]1133!
[2761]1134!--       In case of complex terrain, determine vertical displacement at inflow
1135!--       boundary and adjust mean inflow profiles
1136          IF ( complex_terrain )  THEN
[3083]1137             IF ( nxlg <= 0 .AND. nxrg >= 0 .AND.  &
1138                  nysg <= 0 .AND. nyng >= 0        )  THEN
[2761]1139                nz_s_shift_l = get_topography_top_index_ji( 0, 0, 's' )
1140             ELSE
1141                nz_s_shift_l = 0
1142             ENDIF
1143#if defined( __parallel )
1144             CALL MPI_ALLREDUCE(nz_s_shift_l, nz_s_shift, 1, MPI_INTEGER,      &
1145                                MPI_MAX, comm2d, ierr)
1146#else
1147             nz_s_shift = nz_s_shift_l
1148#endif
[3083]1149             mean_inflow_profiles(nz_s_shift:nzt+1,5) =  &
1150                hom_sum(0:nzt+1-nz_s_shift,8,0)  ! e
[2761]1151          ENDIF
1152!
[2353]1153!--       Use these mean profiles at the inflow (provided that Dirichlet
1154!--       conditions are used)
[3182]1155          IF ( bc_dirichlet_l )  THEN
[2353]1156             DO  j = nysg, nyng
1157                DO  k = nzb, nzt+1
1158                   e(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,5)
1159                ENDDO
1160             ENDDO
1161          ENDIF
1162       ENDIF
1163!
1164!--    Inside buildings set TKE back to zero
1165       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' .AND.                &
1166            topography /= 'flat' )  THEN
1167!
[2761]1168!--       Inside buildings set TKE back to zero.
[3083]1169!--       Other scalars (km, kh,...) are ignored at present,
[2353]1170!--       maybe revise later.
1171          DO  i = nxlg, nxrg
1172             DO  j = nysg, nyng
1173                DO  k = nzb, nzt
1174                   e(k,j,i)     = MERGE( e(k,j,i), 0.0_wp,                     &
1175                                         BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
1176                ENDDO
1177             ENDDO
1178          ENDDO
1179
[3083]1180          IF ( rans_tke_e )  THEN
1181             DO  i = nxlg, nxrg
1182                DO  j = nysg, nyng
1183                   DO  k = nzb, nzt
1184                      diss(k,j,i)    = MERGE( diss(k,j,i), 0.0_wp,             &
1185                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
1186                   ENDDO
1187                ENDDO
1188             ENDDO
1189          ENDIF
[2353]1190       ENDIF
1191!
1192!--    Initialize new time levels (only done in order to set boundary values
1193!--    including ghost points)
1194       e_p = e
1195!
1196!--    Allthough tendency arrays are set in prognostic_equations, they have
[3083]1197!--    to be predefined here because there they are used (but multiplied with 0)
1198!--    before they are set.
[2353]1199       te_m = 0.0_wp
1200
[3083]1201       IF ( rans_tke_e )  THEN
1202          diss_p = diss
1203          tdiss_m = 0.0_wp
1204       ENDIF
1205
[2353]1206    ENDIF
1207
1208 END SUBROUTINE tcm_init
1209
1210
[2901]1211! Description:
1212! -----------------------------------------------------------------------------!
1213!> Pre-computation of grid-dependent and near-wall mixing length.
[3299]1214!> @todo consider walls in horizontal direction at a distance further than a
1215!>       single grid point (RANS mode)
[2353]1216!------------------------------------------------------------------------------!
[2901]1217 SUBROUTINE tcm_init_mixing_length
1218
1219    USE arrays_3d,                                                             &
[2913]1220        ONLY:  dzw, ug, vg, zu, zw
[2901]1221
1222    USE control_parameters,                                                    &
[3129]1223        ONLY:  bc_lr_cyc, bc_ns_cyc, f, message_string, wall_adjustment_factor
[2901]1224
1225    USE grid_variables,                                                        &
1226        ONLY:  dx, dy
1227
1228    USE indices,                                                               &
[2905]1229        ONLY:  nbgp, nx, nxl, nxlg, nxr, nxrg, ny, nyn, nyng, nys, nysg, nzb,  &
1230               nzt, wall_flags_0
1231
[2901]1232    USE kinds
1233
[2916]1234
[2901]1235    IMPLICIT NONE
1236
[2910]1237    INTEGER(iwp) :: dist_dx        !< found distance devided by dx
1238    INTEGER(iwp) :: i              !< index variable along x
1239    INTEGER(iwp) :: ii             !< index variable along x
1240    INTEGER(iwp) :: j              !< index variable along y
1241    INTEGER(iwp) :: k              !< index variable along z
1242    INTEGER(iwp) :: k_max_topo = 0 !< index of maximum topography height
1243    INTEGER(iwp) :: kk             !< index variable along z
1244    INTEGER(iwp) :: rad_i          !< search radius in grid points along x
1245    INTEGER(iwp) :: rad_i_l        !< possible search radius to the left
1246    INTEGER(iwp) :: rad_i_r        !< possible search radius to the right
1247    INTEGER(iwp) :: rad_j          !< search radius in grid points along y
1248    INTEGER(iwp) :: rad_j_n        !< possible search radius to north
1249    INTEGER(iwp) :: rad_j_s        !< possible search radius to south
1250    INTEGER(iwp) :: rad_k          !< search radius in grid points along z
1251    INTEGER(iwp) :: rad_k_b        !< search radius in grid points along negative z
1252    INTEGER(iwp) :: rad_k_t        !< search radius in grid points along positive z
[2901]1253
[2915]1254    INTEGER(KIND=1), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE :: vic_yz !< contains a quarter of a single yz-slice of vicinity
1255
[2905]1256    INTEGER(KIND=1), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE :: vicinity !< contains topography information of the vicinity of (i/j/k)
1257
[2907]1258    INTEGER(iwp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE :: wall_flags_dummy    !< dummy array required for MPI_ALLREDUCE command
1259
[2905]1260    REAL(wp) :: radius           !< search radius in meter
1261
[2901]1262    ALLOCATE( l_grid(1:nzt) )
1263    ALLOCATE( l_wall(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
1264!
[2905]1265!-- Initialize the mixing length in case of an LES-simulation
1266    IF ( .NOT. rans_mode )  THEN
[2901]1267!
[2905]1268!--    Compute the grid-dependent mixing length.
1269       DO  k = 1, nzt
1270          l_grid(k)  = ( dx * dy * dzw(k) )**0.33333333333333_wp
1271       ENDDO
1272!
1273!--    Initialize near-wall mixing length l_wall only in the vertical direction
1274!--    for the moment, multiplication with wall_adjustment_factor further below
1275       l_wall(nzb,:,:)   = l_grid(1)
1276       DO  k = nzb+1, nzt
1277          l_wall(k,:,:)  = l_grid(k)
1278       ENDDO
1279       l_wall(nzt+1,:,:) = l_grid(nzt)
[2901]1280
[2905]1281       DO  k = 1, nzt
[3083]1282          IF ( l_grid(k) > 1.5_wp * dx * wall_adjustment_factor .OR.            &
[2905]1283               l_grid(k) > 1.5_wp * dy * wall_adjustment_factor )  THEN
[3083]1284             WRITE( message_string, * ) 'grid anisotropy exceeds ',             &
1285                                        'threshold given by only local',        &
1286                                        ' &horizontal reduction of near_wall ', &
1287                                        'mixing length l_wall',                 &
1288                                        ' &starting from height level k = ', k, &
[3045]1289                                        '.'
[2905]1290             CALL message( 'init_grid', 'PA0202', 0, 1, 0, 6, 0 )
1291             EXIT
1292          ENDIF
1293       ENDDO
[2901]1294!
[2905]1295!--    In case of topography: limit near-wall mixing length l_wall further:
1296!--    Go through all points of the subdomain one by one and look for the closest
1297!--    surface.
1298!--    Is this correct in the ocean case?
1299       DO  i = nxl, nxr
1300          DO  j = nys, nyn
1301             DO  k = nzb+1, nzt
[2901]1302!
[2905]1303!--             Check if current gridpoint belongs to the atmosphere
1304                IF ( BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )  THEN
[2901]1305!
[2905]1306!--                Check for neighbouring grid-points.
1307!--                Vertical distance, down
1308                   IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_0(k-1,j,i), 0 ) )              &
1309                      l_wall(k,j,i) = MIN( l_grid(k), zu(k) - zw(k-1) )
[2901]1310!
[2905]1311!--                Vertical distance, up
1312                   IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_0(k+1,j,i), 0 ) )              &
1313                      l_wall(k,j,i) = MIN( l_grid(k), zw(k) - zu(k) )
[2901]1314!
[2905]1315!--                y-distance
1316                   IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_0(k,j-1,i), 0 )  .OR.          &
1317                        .NOT. BTEST( wall_flags_0(k,j+1,i), 0 ) )              &
1318                      l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i), l_grid(k), 0.5_wp * dy )
[2901]1319!
[2905]1320!--                x-distance
1321                   IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_0(k,j,i-1), 0 )  .OR.          &
1322                        .NOT. BTEST( wall_flags_0(k,j,i+1), 0 ) )              &
1323                      l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i), l_grid(k), 0.5_wp * dx )
[2901]1324!
[2905]1325!--                 yz-distance (vertical edges, down)
1326                    IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_0(k-1,j-1,i), 0 )  .OR.       &
1327                         .NOT. BTEST( wall_flags_0(k-1,j+1,i), 0 )  )          &
1328                      l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i), l_grid(k),           &
1329                                           SQRT( 0.25_wp * dy**2 +             &
1330                                          ( zu(k) - zw(k-1) )**2 ) )
[2901]1331!
[2905]1332!--                  yz-distance (vertical edges, up)
1333                    IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_0(k+1,j-1,i), 0 )  .OR.       &
1334                         .NOT. BTEST( wall_flags_0(k+1,j+1,i), 0 )  )          &
1335                      l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i), l_grid(k),           &
1336                                           SQRT( 0.25_wp * dy**2 +             &
1337                                          ( zw(k) - zu(k) )**2 ) )
[2901]1338!   
[2905]1339!--                 xz-distance (vertical edges, down)
1340                    IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_0(k-1,j,i-1), 0 )  .OR.       &
1341                         .NOT. BTEST( wall_flags_0(k-1,j,i+1), 0 )  )          &
1342                      l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i), l_grid(k),           &
1343                                           SQRT( 0.25_wp * dx**2 +             &
1344                                          ( zu(k) - zw(k-1) )**2 ) )
[2901]1345!
[2905]1346!--                 xz-distance (vertical edges, up)
1347                    IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_0(k+1,j,i-1), 0 )  .OR.       &
1348                         .NOT. BTEST( wall_flags_0(k+1,j,i+1), 0 )  )          &
1349                     l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i), l_grid(k),            &
1350                                           SQRT( 0.25_wp * dx**2 +             &
1351                                          ( zw(k) - zu(k) )**2 ) )
[2901]1352!
[2905]1353!--                xy-distance (horizontal edges)
1354                   IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_0(k,j-1,i-1), 0 )  .OR.        &
1355                        .NOT. BTEST( wall_flags_0(k,j+1,i-1), 0 )  .OR.        &
1356                        .NOT. BTEST( wall_flags_0(k,j-1,i+1), 0 )  .OR.        &
1357                        .NOT. BTEST( wall_flags_0(k,j+1,i+1), 0 ) )            &
1358                      l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i), l_grid(k),           &
1359                                           SQRT( 0.25_wp * ( dx**2 + dy**2 ) ) )
[2901]1360!
[2905]1361!--                xyz distance (vertical and horizontal edges, down)
1362                   IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_0(k-1,j-1,i-1), 0 )  .OR.      &
1363                        .NOT. BTEST( wall_flags_0(k-1,j+1,i-1), 0 )  .OR.      &
1364                        .NOT. BTEST( wall_flags_0(k-1,j-1,i+1), 0 )  .OR.      &
1365                        .NOT. BTEST( wall_flags_0(k-1,j+1,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 + dy**2 )   &
1368                                                 +  ( zu(k) - zw(k-1) )**2  ) )
[2901]1369!
[2905]1370!--                xyz distance (vertical and horizontal edges, up)
1371                   IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_0(k+1,j-1,i-1), 0 )  .OR.      &
1372                        .NOT. BTEST( wall_flags_0(k+1,j+1,i-1), 0 )  .OR.      &
1373                        .NOT. BTEST( wall_flags_0(k+1,j-1,i+1), 0 )  .OR.      &
1374                        .NOT. BTEST( wall_flags_0(k+1,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 )   &
1377                                                 +  ( zw(k) - zu(k) )**2  ) )
1378                     
1379                ENDIF
1380             ENDDO
[2901]1381          ENDDO
1382       ENDDO
[2905]1383
1384    ELSE
[2901]1385!
[2905]1386!-- Initialize the mixing length in case of a RANS simulation
[3083]1387       ALLOCATE( l_black(nzb:nzt+1) )
[2901]1388
[2902]1389!
[2905]1390!--    Calculate mixing length according to Blackadar (1962)
[2902]1391       IF ( f /= 0.0_wp )  THEN
[3083]1392          l_max = 2.7E-4_wp * SQRT( ug(nzt+1)**2 + vg(nzt+1)**2 ) /            &
1393                  ABS( f ) + 1.0E-10_wp
[2902]1394       ELSE
1395          l_max = 30.0_wp
1396       ENDIF
1397
1398       DO  k = nzb, nzt
1399          l_black(k) = kappa * zu(k) / ( 1.0_wp + kappa * zu(k) / l_max )
1400       ENDDO
1401
1402       l_black(nzt+1) = l_black(nzt)
1403
[2905]1404!
[3299]1405!--    Get height level of highest topography within local subdomain
1406       DO  i = nxlg, nxrg
1407          DO  j = nysg, nyng
[2910]1408             DO  k = nzb+1, nzt-1
[3299]1409                IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) .AND.  &
[2910]1410                     k > k_max_topo )  &
1411                   k_max_topo = k
1412             ENDDO
1413          ENDDO
1414       ENDDO
[3083]1415
1416       l_wall(nzb,:,:) = l_black(nzb)
1417       l_wall(nzt+1,:,:) = l_black(nzt+1)
[2910]1418!
[2905]1419!--    Limit mixing length to either nearest wall or Blackadar mixing length.
1420!--    For that, analyze each grid point (i/j/k) ("analysed grid point") and
1421!--    search within its vicinity for the shortest distance to a wall by cal-
1422!--    culating the distance between the analysed grid point and the "viewed
1423!--    grid point" if it contains a wall (belongs to topography).
1424       DO  k = nzb+1, nzt
[2902]1425
[2905]1426          radius = l_black(k)  ! radius within walls are searched
1427!
1428!--       Set l_wall to its default maximum value (l_back)
1429          l_wall(k,:,:) = radius
1430
1431!
1432!--       Compute search radius as number of grid points in all directions
1433          rad_i = CEILING( radius / dx )
1434          rad_j = CEILING( radius / dy )
1435
1436          DO  kk = 0, nzt-k
1437             rad_k_t = kk
1438!
1439!--          Limit upward search radius to height of maximum topography
[2910]1440             IF ( zu(k+kk)-zu(k) >= radius .OR. k+kk >= k_max_topo )  EXIT
[2905]1441          ENDDO
1442
1443          DO  kk = 0, k
1444             rad_k_b = kk
1445             IF ( zu(k)-zu(k-kk) >= radius )  EXIT
1446          ENDDO
1447
1448!
1449!--       Get maximum vertical radius; necessary for defining arrays
1450          rad_k = MAX( rad_k_b, rad_k_t )
1451!
1452!--       When analysed grid point lies above maximum topography, set search
1453!--       radius to 0 if the distance between the analysed grid point and max
1454!--       topography height is larger than the maximum search radius
[2910]1455          IF ( zu(k-rad_k_b) > zu(k_max_topo) )  rad_k_b = 0
[2905]1456!
1457!--       Search within vicinity only if the vertical search radius is >0
1458          IF ( rad_k_b /= 0 .OR. rad_k_t /= 0 )  THEN
1459
[3083]1460             !> @note shape of vicinity is larger in z direction
1461             !>   Shape of vicinity is two grid points larger than actual search
1462             !>   radius in vertical direction. The first and last grid point is
1463             !>   always set to 1 to asure correct detection of topography. See
1464             !>   function "shortest_distance" for details.
1465             !>   2018-03-16, gronemeier
[2905]1466             ALLOCATE( vicinity(-rad_k-1:rad_k+1,-rad_j:rad_j,-rad_i:rad_i) )
[2915]1467             ALLOCATE( vic_yz(0:rad_k+1,0:rad_j) )
[2905]1468
1469             vicinity = 1
1470
1471             DO  i = nxl, nxr
1472                DO  j = nys, nyn
1473!
1474!--                Start search only if (i/j/k) belongs to atmosphere
1475                   IF ( BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 )  )  THEN
1476!
1477!--                   Reset topography within vicinity
1478                      vicinity(-rad_k:rad_k,:,:) = 0
1479!
[2909]1480!--                   Copy area surrounding analysed grid point into vicinity.
1481!--                   First, limit size of data copied to vicinity by the domain
1482!--                   border
[3299]1483                      !> @note limit copied area to 1 grid point in hor. dir.
1484                      !>   Ignore walls in horizontal direction which are
1485                      !>   further away than a single grid point. This allows to
1486                      !>   only search within local subdomain without the need
1487                      !>   of global topography information.
1488                      !>   The error made by this assumption are acceptable at
1489                      !>   the moment.
1490                      !>   2018-10-01, gronemeier
1491                      rad_i_l = MIN( 1, rad_i, i )
1492                      rad_i_r = MIN( 1, rad_i, nx-i )
[2907]1493
[3299]1494                      rad_j_s = MIN( 1, rad_j, j )
1495                      rad_j_n = MIN( 1, rad_j, ny-j )
[2909]1496
1497                      CALL copy_into_vicinity( k, j, i,           &
1498                                               -rad_k_b, rad_k_t, &
1499                                               -rad_j_s, rad_j_n, &
1500                                               -rad_i_l, rad_i_r  )
[3299]1501                      !> @note in case of cyclic boundaries, those parts of the
1502                      !>   topography which lies beyond the domain borders but
1503                      !>   still within the search radius still needs to be
1504                      !>   copied into 'vicinity'. As the effective search
1505                      !>   radius is limited to 1 at the moment, no further
1506                      !>   copying is needed. Old implementation (prior to
1507                      !>   2018-10-01) had this covered but used a global array.
1508                      !>   2018-10-01, gronemeier
[2907]1509
[2905]1510!
1511!--                   Search for walls only if there is any within vicinity
1512                      IF ( MAXVAL( vicinity(-rad_k:rad_k,:,:) ) /= 0 )  THEN
1513!
1514!--                      Search within first half (positive x)
1515                         dist_dx = rad_i
1516                         DO  ii = 0, dist_dx
1517!
1518!--                         Search along vertical direction only if below
1519!--                         maximum topography
1520                            IF ( rad_k_t > 0 ) THEN
1521!
1522!--                            Search for walls within octant (+++)
[2915]1523                               vic_yz = vicinity(0:rad_k+1,0:rad_j,ii)
[2905]1524                               l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i),             &
[2915]1525                                       shortest_distance( vic_yz, .TRUE., ii ) )
[2905]1526!
1527!--                            Search for walls within octant (+-+)
1528!--                            Switch order of array so that the analysed grid
1529!--                            point is always located at (0/0) (required by
1530!--                            shortest_distance").
[2915]1531                               vic_yz = vicinity(0:rad_k+1,0:-rad_j:-1,ii)
[2905]1532                               l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i),             &
[2915]1533                                       shortest_distance( vic_yz, .TRUE., ii ) )
[2905]1534
1535                            ENDIF
1536!
1537!--                         Search for walls within octant (+--)
[2915]1538                            vic_yz = vicinity(0:-rad_k-1:-1,0:-rad_j:-1,ii)
[2905]1539                            l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i),                &
[2915]1540                                      shortest_distance( vic_yz, .FALSE., ii ) )
[2905]1541!
1542!--                         Search for walls within octant (++-)
[2915]1543                            vic_yz = vicinity(0:-rad_k-1:-1,0:rad_j,ii)
[2905]1544                            l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i),                &
[2915]1545                                      shortest_distance( vic_yz, .FALSE., ii ) )
[2905]1546!
1547!--                         Reduce search along x by already found distance
1548                            dist_dx = CEILING( l_wall(k,j,i) / dx )
1549
1550                         ENDDO
1551!
1552!-                       Search within second half (negative x)
1553                         DO  ii = 0, -dist_dx, -1
1554!
1555!--                         Search along vertical direction only if below
1556!--                         maximum topography
1557                            IF ( rad_k_t > 0 ) THEN
1558!
1559!--                            Search for walls within octant (-++)
[2915]1560                               vic_yz = vicinity(0:rad_k+1,0:rad_j,ii)
[2905]1561                               l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i),             &
[2915]1562                                      shortest_distance( vic_yz, .TRUE., -ii ) )
[2905]1563!
1564!--                            Search for walls within octant (--+)
1565!--                            Switch order of array so that the analysed grid
1566!--                            point is always located at (0/0) (required by
1567!--                            shortest_distance").
[2915]1568                               vic_yz = vicinity(0:rad_k+1,0:-rad_j:-1,ii)
[2905]1569                               l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i),             &
[2915]1570                                      shortest_distance( vic_yz, .TRUE., -ii ) )
[2905]1571
1572                            ENDIF
1573!
1574!--                         Search for walls within octant (---)
[2915]1575                            vic_yz = vicinity(0:-rad_k-1:-1,0:-rad_j:-1,ii)
[2905]1576                            l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i),                &
[2915]1577                                     shortest_distance( vic_yz, .FALSE., -ii ) )
[2905]1578!
1579!--                         Search for walls within octant (-+-)
[2915]1580                            vic_yz = vicinity(0:-rad_k-1:-1,0:rad_j,ii)
[2905]1581                            l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i),                &
[2915]1582                                     shortest_distance( vic_yz, .FALSE., -ii ) )
[2905]1583!
1584!--                         Reduce search along x by already found distance
1585                            dist_dx = CEILING( l_wall(k,j,i) / dx )
1586
1587                         ENDDO
1588
1589                      ENDIF  !Check for any walls within vicinity
1590
1591                   ELSE  !Check if (i,j,k) belongs to atmosphere
1592
[3083]1593                      l_wall(k,j,i) = l_black(k)
[2905]1594
1595                   ENDIF
1596
1597                ENDDO  !j loop
1598             ENDDO  !i loop
1599
[2911]1600             DEALLOCATE( vicinity )
[2915]1601             DEALLOCATE( vic_yz )
[2905]1602
1603          ENDIF  !check vertical size of vicinity
1604
1605       ENDDO  !k loop
1606
[3634]1607       !$ACC ENTER DATA COPYIN(l_black(nzb:nzt+1))
1608
[2905]1609    ENDIF  !LES or RANS mode
1610
1611!
1612!-- Set lateral boundary conditions for l_wall
1613    CALL exchange_horiz( l_wall, nbgp )
1614
[3634]1615    !$ACC ENTER DATA COPYIN(l_grid(nzb:nzt+1)) &
1616    !$ACC COPYIN(l_wall(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg))
1617
[2905]1618    CONTAINS
1619!------------------------------------------------------------------------------!
1620! Description:
1621! ------------
1622!> Calculate the shortest distance between position (i/j/k)=(0/0/0) and
1623!> (pos_i/jj/kk), where (jj/kk) is the position of the maximum of 'array'
1624!> closest to the origin (0/0) of 'array'.
1625!------------------------------------------------------------------------------!
[3241]1626    REAL(wp) FUNCTION shortest_distance( array, orientation, pos_i )
[2905]1627
1628       IMPLICIT NONE
1629
1630       LOGICAL, INTENT(IN) :: orientation    !< flag if array represents an array oriented upwards (true) or downwards (false)
1631
1632       INTEGER(iwp), INTENT(IN) :: pos_i     !< x position of the yz-plane 'array'
1633
[3299]1634       INTEGER(iwp) :: a                     !< loop index
1635       INTEGER(iwp) :: b                     !< loop index
[2905]1636       INTEGER(iwp) :: jj                    !< loop index
1637
[3299]1638       INTEGER(KIND=1) :: maximum            !< maximum of array along z dimension
1639
[2907]1640       INTEGER(iwp), DIMENSION(0:rad_j) :: loc_k !< location of closest wall along vertical dimension
[2905]1641
1642       INTEGER(KIND=1), DIMENSION(0:rad_k+1,0:rad_j), INTENT(IN) :: array !< array containing a yz-plane at position pos_i
1643
1644!
1645!--    Get coordinate of first maximum along vertical dimension
[3299]1646!--    at each y position of array (similar to function maxloc but more stable).
1647       DO  a = 0, rad_j
1648          loc_k(a) = rad_k+1
1649          maximum = MAXVAL( array(:,a) )
1650          DO  b = 0, rad_k+1
[3300]1651             IF ( array(b,a) == maximum )  THEN
[3299]1652                loc_k(a) = b
1653                EXIT
1654             ENDIF
1655          ENDDO
1656       ENDDO
[2905]1657!
1658!--    Set distance to the default maximum value (=search radius)
1659       shortest_distance = radius
1660!
1661!--    Calculate distance between position (0/0/0) and
1662!--    position (pos_i/jj/loc(jj)) and only save the shortest distance.
1663       IF ( orientation ) THEN  !if array is oriented upwards
1664          DO  jj = 0, rad_j
[3083]1665             shortest_distance =                                               &
1666                MIN( shortest_distance,                                        &
1667                     SQRT( MAX(REAL(pos_i, KIND=wp)*dx-0.5_wp*dx, 0.0_wp)**2   &
1668                         + MAX(REAL(jj, KIND=wp)*dy-0.5_wp*dy, 0.0_wp)**2      &
1669                         + MAX(zw(loc_k(jj)+k-1)-zu(k), 0.0_wp)**2             &
1670                         )                                                     &
1671                   )
[2905]1672          ENDDO
1673       ELSE  !if array is oriented downwards
[3083]1674          !> @note MAX within zw required to circumvent error at domain border
1675          !>   At the domain border, if non-cyclic boundary is present, the
1676          !>   index for zw could be -1, which will be errorneous (zw(-1) does
1677          !>   not exist). The MAX function limits the index to be at least 0.
[2905]1678          DO  jj = 0, rad_j
[3083]1679             shortest_distance =                                               &
1680                MIN( shortest_distance,                                        &
1681                     SQRT( MAX(REAL(pos_i, KIND=wp)*dx-0.5_wp*dx, 0.0_wp)**2   &
1682                         + MAX(REAL(jj, KIND=wp)*dy-0.5_wp*dy, 0.0_wp)**2      &
1683                         + MAX(zu(k)-zw(MAX(k-loc_k(jj),0_iwp)), 0.0_wp)**2    &
1684                         )                                                     &
1685                   )
[2905]1686          ENDDO
1687       ENDIF
[3083]1688       
[2905]1689    END FUNCTION
1690
[2908]1691!------------------------------------------------------------------------------!
1692! Description:
1693! ------------
[2909]1694!> Copy a subarray of size (kb:kt,js:jn,il:ir) centered around grid point
1695!> (kp,jp,ip) containing the first bit of wall_flags_0 into the array
1696!> 'vicinity'. Only copy first bit as this indicates the presence of topography.
[2908]1697!------------------------------------------------------------------------------!
1698    SUBROUTINE copy_into_vicinity( kp, jp, ip, kb, kt, js, jn, il, ir )
1699
1700       IMPLICIT NONE
1701
1702       INTEGER(iwp), INTENT(IN) :: il !< left loop boundary
1703       INTEGER(iwp), INTENT(IN) :: ip !< center position in x-direction
1704       INTEGER(iwp), INTENT(IN) :: ir !< right loop boundary
1705       INTEGER(iwp), INTENT(IN) :: jn !< northern loop boundary
1706       INTEGER(iwp), INTENT(IN) :: jp !< center position in y-direction
1707       INTEGER(iwp), INTENT(IN) :: js !< southern loop boundary
1708       INTEGER(iwp), INTENT(IN) :: kb !< bottom loop boundary
1709       INTEGER(iwp), INTENT(IN) :: kp !< center position in z-direction
1710       INTEGER(iwp), INTENT(IN) :: kt !< top loop boundary
1711
1712       INTEGER(iwp) :: i   !< loop index
1713       INTEGER(iwp) :: j   !< loop index
1714       INTEGER(iwp) :: k   !< loop index
1715
[2909]1716       DO  i = il, ir
1717          DO  j = js, jn
1718             DO  k = kb, kt
[2908]1719                vicinity(k,j,i) = MERGE( 0, 1,               &
[3299]1720                       BTEST( wall_flags_0(kp+k,jp+j,ip+i), 0 ) )
[2908]1721             ENDDO
1722          ENDDO
1723       ENDDO
1724
1725    END SUBROUTINE copy_into_vicinity
1726
[2901]1727 END SUBROUTINE tcm_init_mixing_length
1728
1729
1730!------------------------------------------------------------------------------!
[2353]1731! Description:
1732! ------------
[2680]1733!> Initialize virtual velocities used later in production_e.
[2353]1734!------------------------------------------------------------------------------!
[2680]1735 SUBROUTINE production_e_init
[2353]1736
[2680]1737    USE arrays_3d,                                                             &
1738        ONLY:  drho_air_zw, zu
[2353]1739
1740    USE control_parameters,                                                    &
[2680]1741        ONLY:  constant_flux_layer
[2353]1742
[3145]1743    USE surface_layer_fluxes_mod,                                              &
1744        ONLY:  phi_m
1745
[2353]1746    USE surface_mod,                                                           &
[3129]1747        ONLY :  surf_def_h, surf_lsm_h, surf_usm_h
[2353]1748
1749    IMPLICIT NONE
1750
[3120]1751    INTEGER(iwp) ::  i      !< grid index x-direction
1752    INTEGER(iwp) ::  j      !< grid index y-direction
1753    INTEGER(iwp) ::  k      !< grid index z-direction
1754    INTEGER(iwp) ::  m      !< running index surface elements
[3145]1755   
1756    REAL(wp) ::  km_sfc     !< diffusion coefficient, used to compute virtual velocities
[2353]1757
[2680]1758    IF ( constant_flux_layer )  THEN
[2353]1759!
[2680]1760!--    Calculate a virtual velocity at the surface in a way that the
1761!--    vertical velocity gradient at k = 1 (u(k+1)-u_0) matches the
1762!--    Prandtl law (-w'u'/km). This gradient is used in the TKE shear
1763!--    production term at k=1 (see production_e_ij).
1764!--    The velocity gradient has to be limited in case of too small km
1765!--    (otherwise the timestep may be significantly reduced by large
1766!--    surface winds).
1767!--    not available in case of non-cyclic boundary conditions.
1768!--    Default surfaces, upward-facing
1769       !$OMP PARALLEL DO PRIVATE(i,j,k,m)
[3634]1770       !$ACC PARALLEL LOOP PRIVATE(i, j, k, m, km_sfc) &
1771       !$ACC PRESENT(surf_def_h(0), u, v, drho_air_zw, zu)
[2680]1772       DO  m = 1, surf_def_h(0)%ns
[2353]1773
[2680]1774          i = surf_def_h(0)%i(m)           
1775          j = surf_def_h(0)%j(m)
1776          k = surf_def_h(0)%k(m)
[2353]1777!
[3130]1778!--       Note, calculation of u_0 and v_0 is not fully accurate, as u/v
[2680]1779!--       and km are not on the same grid. Actually, a further
1780!--       interpolation of km onto the u/v-grid is necessary. However, the
[3120]1781!--       effect of this error is negligible.
[3145]1782          km_sfc = kappa * surf_def_h(0)%us(m) * surf_def_h(0)%z_mo(m) /       &
1783                   phi_m( surf_def_h(0)%z_mo(m) / surf_def_h(0)%ol(m) )
1784
[2680]1785          surf_def_h(0)%u_0(m) = u(k+1,j,i) + surf_def_h(0)%usws(m) *          &
[3120]1786                                     drho_air_zw(k-1)               *          &
1787                                     ( zu(k+1) - zu(k-1)    )       /          &
[3145]1788                                     ( km_sfc  + 1.0E-20_wp )
[2680]1789          surf_def_h(0)%v_0(m) = v(k+1,j,i) + surf_def_h(0)%vsws(m) *          &
[3120]1790                                     drho_air_zw(k-1)               *          &
1791                                     ( zu(k+1) - zu(k-1)    )       /          &
[3145]1792                                     ( km_sfc  + 1.0E-20_wp )   
[2353]1793
[2680]1794          IF ( ABS( u(k+1,j,i) - surf_def_h(0)%u_0(m) )  >                     &
1795               ABS( u(k+1,j,i) - u(k-1,j,i)           )                        &
1796             )  surf_def_h(0)%u_0(m) = u(k-1,j,i)
[2353]1797
[2680]1798          IF ( ABS( v(k+1,j,i) - surf_def_h(0)%v_0(m) )  >                     &
1799               ABS( v(k+1,j,i) - v(k-1,j,i)           )                        &
1800             )  surf_def_h(0)%v_0(m) = v(k-1,j,i)
1801
1802       ENDDO
[2353]1803!
[2680]1804!--    Default surfaces, downward-facing surfaces
1805       !$OMP PARALLEL DO PRIVATE(i,j,k,m)
[3634]1806       !$ACC PARALLEL LOOP PRIVATE(i, j, k, m, km_sfc) &
1807       !$ACC PRESENT(surf_def_h(1), u, v, drho_air_zw, zu, km)
[2680]1808       DO  m = 1, surf_def_h(1)%ns
[2353]1809
[2680]1810          i = surf_def_h(1)%i(m)           
1811          j = surf_def_h(1)%j(m)
1812          k = surf_def_h(1)%k(m)
[3130]1813!
1814!--       Note, calculation of u_0 and v_0 is not fully accurate, as u/v
1815!--       and km are not on the same grid. Actually, a further
1816!--       interpolation of km onto the u/v-grid is necessary. However, the
1817!--       effect of this error is negligible.
[2680]1818          surf_def_h(1)%u_0(m) = u(k-1,j,i) - surf_def_h(1)%usws(m) *          &
1819                                     drho_air_zw(k-1) *                        &
1820                                     ( zu(k+1)    - zu(k-1)    )  /            &
1821                                     ( km(k,j,i)  + 1.0E-20_wp ) 
1822          surf_def_h(1)%v_0(m) = v(k-1,j,i) - surf_def_h(1)%vsws(m) *          &
1823                                     drho_air_zw(k-1) *                        &
1824                                     ( zu(k+1)    - zu(k-1)    )  /            &
1825                                     ( km(k,j,i)  + 1.0E-20_wp ) 
[2353]1826
[2680]1827          IF ( ABS( surf_def_h(1)%u_0(m) - u(k-1,j,i) )  >                     &
1828               ABS( u(k+1,j,i)           - u(k-1,j,i) )                        &
1829             )  surf_def_h(1)%u_0(m) = u(k+1,j,i)
[2353]1830
[2680]1831          IF ( ABS( surf_def_h(1)%v_0(m) - v(k-1,j,i) )  >                     &
1832               ABS( v(k+1,j,i)           - v(k-1,j,i) )                        &
1833             )  surf_def_h(1)%v_0(m) = v(k+1,j,i)
[2353]1834
[2680]1835       ENDDO
[2353]1836!
[2680]1837!--    Natural surfaces, upward-facing
1838       !$OMP PARALLEL DO PRIVATE(i,j,k,m)
[3634]1839       !$ACC PARALLEL LOOP PRIVATE(i, j, k, m, km_sfc) &
1840       !$ACC PRESENT(surf_lsm_h, u, v, drho_air_zw, zu)
[2680]1841       DO  m = 1, surf_lsm_h%ns
[2353]1842
[3130]1843          i = surf_lsm_h%i(m)
[2680]1844          j = surf_lsm_h%j(m)
1845          k = surf_lsm_h%k(m)
1846!
[3130]1847!--       Note, calculation of u_0 and v_0 is not fully accurate, as u/v
[2680]1848!--       and km are not on the same grid. Actually, a further
1849!--       interpolation of km onto the u/v-grid is necessary. However, the
[3130]1850!--       effect of this error is negligible.
[3145]1851          km_sfc = kappa * surf_lsm_h%us(m) * surf_lsm_h%z_mo(m) /             &
1852                   phi_m( surf_lsm_h%z_mo(m) / surf_lsm_h%ol(m) )
1853
[3120]1854          surf_lsm_h%u_0(m) = u(k+1,j,i) + surf_lsm_h%usws(m)    *             &
1855                                        drho_air_zw(k-1)         *             &
[3145]1856                                        ( zu(k+1) - zu(k-1)    ) /             &
1857                                        ( km_sfc  + 1.0E-20_wp ) 
[3120]1858          surf_lsm_h%v_0(m) = v(k+1,j,i) + surf_lsm_h%vsws(m)    *             &
1859                                        drho_air_zw(k-1)         *             &
1860                                        ( zu(k+1) - zu(k-1)    ) /             &
[3145]1861                                        ( km_sfc  + 1.0E-20_wp )
[2353]1862
[2680]1863          IF ( ABS( u(k+1,j,i) - surf_lsm_h%u_0(m) )  >                        &
1864               ABS( u(k+1,j,i) - u(k-1,j,i)   )                                &
1865             )  surf_lsm_h%u_0(m) = u(k-1,j,i)
1866
1867          IF ( ABS( v(k+1,j,i) - surf_lsm_h%v_0(m) )  >                        &
1868               ABS( v(k+1,j,i) - v(k-1,j,i)   )                                &
1869             )  surf_lsm_h%v_0(m) = v(k-1,j,i)
1870
1871       ENDDO
[2353]1872!
[2680]1873!--    Urban surfaces, upward-facing
1874       !$OMP PARALLEL DO PRIVATE(i,j,k,m)
[3634]1875       !$ACC PARALLEL LOOP PRIVATE(i, j, k, m, km_sfc) &
1876       !$ACC PRESENT(surf_usm_h, u, v, drho_air_zw, zu)
[2680]1877       DO  m = 1, surf_usm_h%ns
[2353]1878
[3130]1879          i = surf_usm_h%i(m)
[2680]1880          j = surf_usm_h%j(m)
1881          k = surf_usm_h%k(m)
[2353]1882!
[3130]1883!--       Note, calculation of u_0 and v_0 is not fully accurate, as u/v
[2680]1884!--       and km are not on the same grid. Actually, a further
1885!--       interpolation of km onto the u/v-grid is necessary. However, the
[3130]1886!--       effect of this error is negligible.
[3145]1887          km_sfc = kappa * surf_usm_h%us(m) * surf_usm_h%z_mo(m) /             &
1888                   phi_m( surf_usm_h%z_mo(m) / surf_usm_h%ol(m) )
1889
[3120]1890          surf_usm_h%u_0(m) = u(k+1,j,i) + surf_usm_h%usws(m)    *             &
1891                                        drho_air_zw(k-1)         *             &
1892                                        ( zu(k+1) - zu(k-1)    ) /             &
[3145]1893                                        ( km_sfc  + 1.0E-20_wp )
[3120]1894          surf_usm_h%v_0(m) = v(k+1,j,i) + surf_usm_h%vsws(m)    *             &
1895                                        drho_air_zw(k-1)         *             &
1896                                        ( zu(k+1) - zu(k-1)    ) /             &
[3145]1897                                        ( km_sfc  + 1.0E-20_wp )
[2353]1898
[2680]1899          IF ( ABS( u(k+1,j,i) - surf_usm_h%u_0(m) )  >                        &
1900               ABS( u(k+1,j,i) - u(k-1,j,i)   )                                &
1901             )  surf_usm_h%u_0(m) = u(k-1,j,i)
[2353]1902
[2680]1903          IF ( ABS( v(k+1,j,i) - surf_usm_h%v_0(m) )  >                        &
1904               ABS( v(k+1,j,i) - v(k-1,j,i)   )                                &
1905             )  surf_usm_h%v_0(m) = v(k-1,j,i)
[2353]1906
[2519]1907       ENDDO
[2353]1908
1909    ENDIF
1910
[2680]1911 END SUBROUTINE production_e_init
[2353]1912
1913
1914!------------------------------------------------------------------------------!
1915! Description:
1916! ------------
[2680]1917!> Prognostic equation for subgrid-scale TKE and TKE dissipation rate.
[2353]1918!> Vector-optimized version
1919!------------------------------------------------------------------------------!
[3386]1920 SUBROUTINE tcm_prognostic_equations
[2353]1921
[2680]1922    USE arrays_3d,                                                             &
1923        ONLY:  ddzu
1924
[2353]1925    USE control_parameters,                                                    &
[2680]1926        ONLY:  f, scalar_advec, tsc
[2353]1927
[2680]1928    USE surface_mod,                                                           &
[3241]1929        ONLY :  surf_def_h
[2353]1930
1931    IMPLICIT NONE
1932
[2680]1933    INTEGER(iwp) ::  i       !< loop index
1934    INTEGER(iwp) ::  j       !< loop index
1935    INTEGER(iwp) ::  k       !< loop index
1936    INTEGER(iwp) ::  m       !< loop index
1937    INTEGER(iwp) ::  surf_e  !< end index of surface elements at given i-j position
1938    INTEGER(iwp) ::  surf_s  !< start index of surface elements at given i-j position
[2353]1939
[2680]1940    REAL(wp)     ::  sbt     !< wheighting factor for sub-time step
[2353]1941
1942!
1943!-- If required, compute prognostic equation for turbulent kinetic
1944!-- energy (TKE)
1945    IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
1946
1947       CALL cpu_log( log_point(16), 'tke-equation', 'start' )
1948
1949       sbt = tsc(2)
1950       IF ( .NOT. use_upstream_for_tke )  THEN
1951          IF ( scalar_advec == 'bc-scheme' )  THEN
1952
1953             IF ( timestep_scheme(1:5) /= 'runge' )  THEN
1954!
1955!--             Bott-Chlond scheme always uses Euler time step. Thus:
1956                sbt = 1.0_wp
1957             ENDIF
1958             tend = 0.0_wp
1959             CALL advec_s_bc( e, 'e' )
1960
1961          ENDIF
1962       ENDIF
1963
1964!
1965!--    TKE-tendency terms with no communication
1966       IF ( scalar_advec /= 'bc-scheme'  .OR.  use_upstream_for_tke )  THEN
1967          IF ( use_upstream_for_tke )  THEN
1968             tend = 0.0_wp
1969             CALL advec_s_up( e )
1970          ELSE
[3634]1971             !$ACC KERNELS PRESENT(tend)
[2353]1972             tend = 0.0_wp
[3634]1973             !$ACC END KERNELS
[2353]1974             IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
1975                IF ( ws_scheme_sca )  THEN
1976                   CALL advec_s_ws( e, 'e' )
1977                ELSE
1978                   CALL advec_s_pw( e )
1979                ENDIF
1980             ELSE
1981                CALL advec_s_up( e )
1982             ENDIF
1983          ENDIF
1984       ENDIF
1985
[3398]1986       CALL production_e( .FALSE. )
[2680]1987
[2353]1988       IF ( .NOT. humidity )  THEN
[3294]1989          IF ( ocean_mode )  THEN
[2353]1990             CALL diffusion_e( prho, prho_reference )
1991          ELSE
1992             CALL diffusion_e( pt, pt_reference )
1993          ENDIF
1994       ELSE
1995          CALL diffusion_e( vpt, pt_reference )
1996       ENDIF
1997
1998!
1999!--    Additional sink term for flows through plant canopies
2000       IF ( plant_canopy )  CALL pcm_tendency( 6 )
2001
2002       CALL user_actions( 'e-tendency' )
2003
2004!
2005!--    Prognostic equation for TKE.
2006!--    Eliminate negative TKE values, which can occur due to numerical
2007!--    reasons in the course of the integration. In such cases the old TKE
2008!--    value is reduced by 90%.
[3634]2009       !$ACC PARALLEL LOOP COLLAPSE(3) PRIVATE(i, j, k) &
2010       !$ACC PRESENT(e, tend, te_m, wall_flags_0) &
2011       !$ACC PRESENT(tsc(3:3)) &
2012       !$ACC PRESENT(e_p)
[2353]2013       DO  i = nxl, nxr
2014          DO  j = nys, nyn
2015             DO  k = nzb+1, nzt
2016                e_p(k,j,i) = e(k,j,i) + ( dt_3d * ( sbt * tend(k,j,i) +        &
2017                                                 tsc(3) * te_m(k,j,i) )        &
2018                                        )                                      &
2019                                   * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                    &
2020                                             BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 )   &
2021                                          )
2022                IF ( e_p(k,j,i) < 0.0_wp )  e_p(k,j,i) = 0.1_wp * e(k,j,i)
2023             ENDDO
2024          ENDDO
2025       ENDDO
2026
2027!
2028!--    Calculate tendencies for the next Runge-Kutta step
2029       IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
2030          IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  THEN
[3634]2031             !$ACC PARALLEL LOOP COLLAPSE(3) PRIVATE(i, j, k) &
2032             !$ACC PRESENT(tend, te_m)
[2353]2033             DO  i = nxl, nxr
2034                DO  j = nys, nyn
2035                   DO  k = nzb+1, nzt
2036                      te_m(k,j,i) = tend(k,j,i)
2037                   ENDDO
2038                ENDDO
2039             ENDDO
2040          ELSEIF ( intermediate_timestep_count < &
2041                   intermediate_timestep_count_max )  THEN
[3634]2042             !$ACC PARALLEL LOOP COLLAPSE(3) PRIVATE(i, j, k) &
2043             !$ACC PRESENT(tend, te_m)
[2353]2044             DO  i = nxl, nxr
2045                DO  j = nys, nyn
2046                   DO  k = nzb+1, nzt
2047                      te_m(k,j,i) =   -9.5625_wp * tend(k,j,i)                 &
2048                                     + 5.3125_wp * te_m(k,j,i)
2049                   ENDDO
2050                ENDDO
2051             ENDDO
2052          ENDIF
2053       ENDIF
2054
2055       CALL cpu_log( log_point(16), 'tke-equation', 'stop' )
2056
[2680]2057    ENDIF   ! TKE equation
[2353]2058
2059!
[2519]2060!-- If required, compute prognostic equation for TKE dissipation rate
[2353]2061    IF ( rans_tke_e )  THEN
2062
2063       CALL cpu_log( log_point(33), 'diss-equation', 'start' )
2064
2065       sbt = tsc(2)
2066       IF ( .NOT. use_upstream_for_tke )  THEN
2067          IF ( scalar_advec == 'bc-scheme' )  THEN
2068
2069             IF ( timestep_scheme(1:5) /= 'runge' )  THEN
2070!
2071!--             Bott-Chlond scheme always uses Euler time step. Thus:
2072                sbt = 1.0_wp
2073             ENDIF
2074             tend = 0.0_wp
2075             CALL advec_s_bc( diss, 'diss' )
2076
2077          ENDIF
2078       ENDIF
2079
2080!
2081!--    dissipation-tendency terms with no communication
2082       IF ( scalar_advec /= 'bc-scheme'  .OR.  use_upstream_for_tke )  THEN
2083          IF ( use_upstream_for_tke )  THEN
2084             tend = 0.0_wp
2085             CALL advec_s_up( diss )
2086          ELSE
2087             tend = 0.0_wp
2088             IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
2089                IF ( ws_scheme_sca )  THEN
2090                   CALL advec_s_ws( diss, 'diss' )
2091                ELSE
2092                   CALL advec_s_pw( diss )
2093                ENDIF
2094             ELSE
2095                CALL advec_s_up( diss )
2096             ENDIF
2097          ENDIF
2098       ENDIF
[2680]2099!
2100!--    Production of TKE dissipation rate
[3550]2101       CALL production_e( .TRUE. )
2102!
2103!--    Diffusion term of TKE dissipation rate
[2353]2104       CALL diffusion_diss
2105!
2106!--    Additional sink term for flows through plant canopies
[3550]2107!        IF ( plant_canopy )  CALL pcm_tendency( ? )         !> @todo not yet implemented
[2353]2108
[3550]2109!        CALL user_actions( 'diss-tendency' )                !> @todo not yet implemented
[2353]2110
2111!
2112!--    Prognostic equation for TKE dissipation.
2113!--    Eliminate negative dissipation values, which can occur due to numerical
2114!--    reasons in the course of the integration. In such cases the old
2115!--    dissipation value is reduced by 90%.
2116       DO  i = nxl, nxr
2117          DO  j = nys, nyn
2118             DO  k = nzb+1, nzt
2119                diss_p(k,j,i) = diss(k,j,i) + ( dt_3d * ( sbt * tend(k,j,i) +  &
2120                                                 tsc(3) * tdiss_m(k,j,i) )     &
2121                                        )                                      &
2122                                   * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                    &
2123                                             BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 )   &
2124                                          )
2125                IF ( diss_p(k,j,i) < 0.0_wp )                                  &
2126                   diss_p(k,j,i) = 0.1_wp * diss(k,j,i)
2127             ENDDO
2128          ENDDO
2129       ENDDO
2130
2131!
2132!--    Calculate tendencies for the next Runge-Kutta step
2133       IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
2134          IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  THEN
2135             DO  i = nxl, nxr
2136                DO  j = nys, nyn
2137                   DO  k = nzb+1, nzt
2138                      tdiss_m(k,j,i) = tend(k,j,i)
2139                   ENDDO
2140                ENDDO
2141             ENDDO
2142          ELSEIF ( intermediate_timestep_count < &
2143                   intermediate_timestep_count_max )  THEN
2144             DO  i = nxl, nxr
2145                DO  j = nys, nyn
2146                   DO  k = nzb+1, nzt
2147                      tdiss_m(k,j,i) =   -9.5625_wp * tend(k,j,i)              &
2148                                        + 5.3125_wp * tdiss_m(k,j,i)
2149                   ENDDO
2150                ENDDO
2151             ENDDO
2152          ENDIF
2153       ENDIF
2154
2155       CALL cpu_log( log_point(33), 'diss-equation', 'stop' )
2156
2157    ENDIF
2158
[3386]2159 END SUBROUTINE tcm_prognostic_equations
[2353]2160
2161
2162!------------------------------------------------------------------------------!
2163! Description:
2164! ------------
[2680]2165!> Prognostic equation for subgrid-scale TKE and TKE dissipation rate.
[2353]2166!> Cache-optimized version
2167!------------------------------------------------------------------------------!
[3386]2168 SUBROUTINE tcm_prognostic_equations_ij( i, j, i_omp, tn )
[2353]2169
2170    USE arrays_3d,                                                             &
[3241]2171        ONLY:  diss_l_diss, diss_l_e, diss_s_diss, diss_s_e, flux_l_diss,      &
2172               flux_l_e, flux_s_diss, flux_s_e
[2353]2173
[2680]2174    USE control_parameters,                                                    &
[3241]2175        ONLY:  tsc
[2353]2176
2177    IMPLICIT NONE
2178
[2358]2179    INTEGER(iwp) ::  i       !< loop index x direction
[3083]2180    INTEGER(iwp) ::  i_omp   !< first loop index of i-loop in prognostic_equations
[2358]2181    INTEGER(iwp) ::  j       !< loop index y direction
2182    INTEGER(iwp) ::  k       !< loop index z direction
[3083]2183    INTEGER(iwp) ::  tn      !< task number of openmp task
[2353]2184
2185!
[2680]2186!-- If required, compute prognostic equation for turbulent kinetic
2187!-- energy (TKE)
2188    IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
[2353]2189
2190!
[2680]2191!--    Tendency-terms for TKE
2192       tend(:,j,i) = 0.0_wp
2193       IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge'  &
2194           .AND.  .NOT. use_upstream_for_tke )  THEN
2195           IF ( ws_scheme_sca )  THEN
2196               CALL advec_s_ws( i, j, e, 'e', flux_s_e, diss_s_e, &
2197                                flux_l_e, diss_l_e , i_omp, tn )
2198           ELSE
2199               CALL advec_s_pw( i, j, e )
2200           ENDIF
2201       ELSE
2202          CALL advec_s_up( i, j, e )
2203       ENDIF
[2358]2204
[3083]2205       CALL production_e( i, j, .FALSE. )
[2373]2206
[2680]2207       IF ( .NOT. humidity )  THEN
[3294]2208          IF ( ocean_mode )  THEN
[2680]2209             CALL diffusion_e( i, j, prho, prho_reference )
2210          ELSE
2211             CALL diffusion_e( i, j, pt, pt_reference )
2212          ENDIF
2213       ELSE
2214          CALL diffusion_e( i, j, vpt, pt_reference )
2215       ENDIF
[2353]2216
2217!
[2680]2218!--    Additional sink term for flows through plant canopies
2219       IF ( plant_canopy )  CALL pcm_tendency( i, j, 6 )
[2353]2220
[2680]2221       CALL user_actions( i, j, 'e-tendency' )
[2353]2222
2223!
[2680]2224!--    Prognostic equation for TKE.
2225!--    Eliminate negative TKE values, which can occur due to numerical
2226!--    reasons in the course of the integration. In such cases the old
2227!--    TKE value is reduced by 90%.
2228       DO  k = nzb+1, nzt
2229          e_p(k,j,i) = e(k,j,i) + ( dt_3d * ( tsc(2) * tend(k,j,i) +           &
2230                                              tsc(3) * te_m(k,j,i) )           &
2231                                  )                                            &
2232                                 * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                      &
2233                                          BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 )      &
2234                                        )
2235          IF ( e_p(k,j,i) <= 0.0_wp )  e_p(k,j,i) = 0.1_wp * e(k,j,i)
2236       ENDDO
[2353]2237
2238!
[2680]2239!--    Calculate tendencies for the next Runge-Kutta step
2240       IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
2241          IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  THEN
2242             DO  k = nzb+1, nzt
2243                te_m(k,j,i) = tend(k,j,i)
2244             ENDDO
2245          ELSEIF ( intermediate_timestep_count < &
2246                   intermediate_timestep_count_max )  THEN
2247             DO  k = nzb+1, nzt
2248                te_m(k,j,i) =   -9.5625_wp * tend(k,j,i) +                     &
2249                                 5.3125_wp * te_m(k,j,i)
2250             ENDDO
2251          ENDIF
2252       ENDIF
[2353]2253
[2680]2254    ENDIF   ! TKE equation
[2353]2255
2256!
[2680]2257!-- If required, compute prognostic equation for TKE dissipation rate
2258    IF ( rans_tke_e )  THEN
[2353]2259!
[2680]2260!--    Tendency-terms for dissipation
2261       tend(:,j,i) = 0.0_wp
2262       IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge'  &
2263           .AND.  .NOT. use_upstream_for_tke )  THEN
2264           IF ( ws_scheme_sca )  THEN
2265               CALL advec_s_ws( i, j, diss, 'diss', flux_s_diss, diss_s_diss,  &
2266                                flux_l_diss, diss_l_diss, i_omp, tn )
2267           ELSE
2268               CALL advec_s_pw( i, j, diss )
2269           ENDIF
2270       ELSE
2271          CALL advec_s_up( i, j, diss )
2272       ENDIF
[2358]2273!
[2680]2274!--    Production of TKE dissipation rate
[3083]2275       CALL production_e( i, j, .TRUE. )
2276!
2277!--    Diffusion term of TKE dissipation rate
[2680]2278       CALL diffusion_diss( i, j )
[2353]2279!
[2680]2280!--    Additional sink term for flows through plant canopies
[3550]2281!        IF ( plant_canopy )  CALL pcm_tendency( i, j, ? )     !> @todo not yet implemented
[2353]2282
[3550]2283!        CALL user_actions( i, j, 'diss-tendency' )            !> @todo not yet implemented
[2353]2284
2285!
[2680]2286!--    Prognostic equation for TKE dissipation
2287!--    Eliminate negative dissipation values, which can occur due to
2288!--    numerical reasons in the course of the integration. In such cases
2289!--    the old dissipation value is reduced by 90%.
2290       DO  k = nzb+1, nzt
2291          diss_p(k,j,i) = diss(k,j,i) + ( dt_3d * ( tsc(2) * tend(k,j,i) +     &
2292                                                    tsc(3) * tdiss_m(k,j,i) )  &
[2353]2293                                        )                                      &
[2680]2294                                        * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,               &
[2353]2295                                                BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 )&
[2680]2296                                               )
2297       ENDDO
[2353]2298
2299!
[2680]2300!--    Calculate tendencies for the next Runge-Kutta step
2301       IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
2302          IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  THEN
2303             DO  k = nzb+1, nzt
2304                tdiss_m(k,j,i) = tend(k,j,i)
2305             ENDDO
2306          ELSEIF ( intermediate_timestep_count < &
2307                   intermediate_timestep_count_max )  THEN
2308             DO  k = nzb+1, nzt
2309                tdiss_m(k,j,i) =   -9.5625_wp * tend(k,j,i) +                  &
2310                                    5.3125_wp * tdiss_m(k,j,i)
2311             ENDDO
2312          ENDIF
2313       ENDIF
[2353]2314
[2680]2315    ENDIF   ! dissipation equation
[2353]2316
[3386]2317 END SUBROUTINE tcm_prognostic_equations_ij
[2353]2318
2319
2320!------------------------------------------------------------------------------!
2321! Description:
2322! ------------
[2680]2323!> Production terms (shear + buoyancy) of the TKE.
2324!> Vector-optimized version
2325!> @warning The case with constant_flux_layer = F and use_surface_fluxes = T is
2326!>          not considered well!
[2353]2327!------------------------------------------------------------------------------!
[3398]2328 SUBROUTINE production_e( diss_production )
[2353]2329
[2680]2330    USE arrays_3d,                                                             &
[3274]2331        ONLY:  ddzw, dd2zu, drho_air_zw, q, ql, d_exner, exner
[2353]2332
[2680]2333    USE control_parameters,                                                    &
[3274]2334        ONLY:  cloud_droplets, constant_flux_layer, neutral,                   &
[2680]2335               rho_reference, use_single_reference_value, use_surface_fluxes,  &
2336               use_top_fluxes
[2353]2337
[2680]2338    USE grid_variables,                                                        &
2339        ONLY:  ddx, dx, ddy, dy
[2353]2340
[3274]2341    USE bulk_cloud_model_mod,                                                  &
2342        ONLY:  bulk_cloud_model
2343
[2680]2344    USE surface_mod,                                                           &
2345        ONLY :  surf_def_h, surf_def_v, surf_lsm_h, surf_lsm_v, surf_usm_h,    &
2346                surf_usm_v
[2353]2347
[2680]2348    IMPLICIT NONE
[2353]2349
[3398]2350    LOGICAL :: diss_production
2351
[2680]2352    INTEGER(iwp) ::  i       !< running index x-direction
2353    INTEGER(iwp) ::  j       !< running index y-direction
2354    INTEGER(iwp) ::  k       !< running index z-direction
2355    INTEGER(iwp) ::  l       !< running index for different surface type orientation
2356    INTEGER(iwp) ::  m       !< running index surface elements
2357    INTEGER(iwp) ::  surf_e  !< end index of surface elements at given i-j position
2358    INTEGER(iwp) ::  surf_s  !< start index of surface elements at given i-j position
[3359]2359    INTEGER(iwp) ::  flag_nr !< number of masking flag
[2353]2360
[3545]2361    REAL(wp)     ::  def         !< ( du_i/dx_j + du_j/dx_i ) * du_i/dx_j
[2680]2362    REAL(wp)     ::  flag        !< flag to mask topography
[3545]2363    REAL(wp)     ::  k1          !< temporary factor
2364    REAL(wp)     ::  k2          !< temporary factor
[2680]2365    REAL(wp)     ::  km_neutral  !< diffusion coefficient assuming neutral conditions - used to compute shear production at surfaces
[3545]2366    REAL(wp)     ::  theta       !< virtual potential temperature
2367    REAL(wp)     ::  temp        !< theta * Exner-function
[2680]2368    REAL(wp)     ::  sign_dir    !< sign of wall-tke flux, depending on wall orientation
2369    REAL(wp)     ::  usvs        !< momentum flux u"v"
2370    REAL(wp)     ::  vsus        !< momentum flux v"u"
2371    REAL(wp)     ::  wsus        !< momentum flux w"u"
2372    REAL(wp)     ::  wsvs        !< momentum flux w"v"
[2353]2373
[3359]2374    REAL(wp), DIMENSION(nzb+1:nzt) ::  dudx  !< Gradient of u-component in x-direction
2375    REAL(wp), DIMENSION(nzb+1:nzt) ::  dudy  !< Gradient of u-component in y-direction
2376    REAL(wp), DIMENSION(nzb+1:nzt) ::  dudz  !< Gradient of u-component in z-direction
2377    REAL(wp), DIMENSION(nzb+1:nzt) ::  dvdx  !< Gradient of v-component in x-direction
2378    REAL(wp), DIMENSION(nzb+1:nzt) ::  dvdy  !< Gradient of v-component in y-direction
2379    REAL(wp), DIMENSION(nzb+1:nzt) ::  dvdz  !< Gradient of v-component in z-direction
2380    REAL(wp), DIMENSION(nzb+1:nzt) ::  dwdx  !< Gradient of w-component in x-direction
2381    REAL(wp), DIMENSION(nzb+1:nzt) ::  dwdy  !< Gradient of w-component in y-direction
2382    REAL(wp), DIMENSION(nzb+1:nzt) ::  dwdz  !< Gradient of w-component in z-direction
[3398]2383    REAL(wp), DIMENSION(nzb+1:nzt) ::  tmp_flux  !< temporary flux-array in z-direction
[2353]2384
2385
2386
2387!
[3359]2388!-- Calculate TKE production by shear. Calculate gradients at all grid
2389!-- points first, gradients at surface-bounded grid points will be
2390!-- overwritten further below.
[3634]2391    !$ACC PARALLEL LOOP COLLAPSE(2) PRIVATE(i, j, l) &
2392    !$ACC PRIVATE(surf_s, surf_e) &
2393    !$ACC PRIVATE(dudx(:), dudy(:), dudz(:), dvdx(:), dvdy(:), dvdz(:), dwdx(:), dwdy(:), dwdz(:)) &
2394    !$ACC PRESENT(e, u, v, w, diss, dd2zu, ddzw, km, wall_flags_0) &
2395    !$ACC PRESENT(tend) &
2396    !$ACC PRESENT(surf_def_h(0:1), surf_def_v(0:3)) &
2397    !$ACC PRESENT(surf_lsm_h, surf_lsm_v(0:3)) &
2398    !$ACC PRESENT(surf_usm_h, surf_usm_v(0:3))
[3359]2399    DO  i = nxl, nxr
2400       DO  j = nys, nyn
[3634]2401          !$ACC LOOP PRIVATE(k)
[3359]2402          DO  k = nzb+1, nzt
[2353]2403
[3359]2404             dudx(k) =           ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i)     ) * ddx
2405             dudy(k) = 0.25_wp * ( u(k,j+1,i) + u(k,j+1,i+1) -                 &
2406                                   u(k,j-1,i) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy
2407             dudz(k) = 0.5_wp  * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1) -                 &
2408                                   u(k-1,j,i) - u(k-1,j,i+1) ) * dd2zu(k)
[2353]2409
[3359]2410             dvdx(k) = 0.25_wp * ( v(k,j,i+1) + v(k,j+1,i+1) -                 &
2411                                   v(k,j,i-1) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx
2412             dvdy(k) =           ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i)     ) * ddy
2413             dvdz(k) = 0.5_wp  * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i) -                 &
2414                                     v(k-1,j,i) - v(k-1,j+1,i) ) * dd2zu(k)
[2353]2415
[3359]2416             dwdx(k) = 0.25_wp * ( w(k,j,i+1) + w(k-1,j,i+1) -                 &
2417                                   w(k,j,i-1) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx
2418             dwdy(k) = 0.25_wp * ( w(k,j+1,i) + w(k-1,j+1,i) -                 &
2419                                   w(k,j-1,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy
2420             dwdz(k) =           ( w(k,j,i)   - w(k-1,j,i)   ) * ddzw(k)
2421
[2680]2422          ENDDO
[2353]2423
[3359]2424
2425          flag_nr = 29
2426
2427
2428          IF ( constant_flux_layer )  THEN
[2353]2429!
[3359]2430
2431             flag_nr = 0
2432
2433!--          Position beneath wall
2434!--          (2) - Will allways be executed.
2435!--          'bottom and wall: use u_0,v_0 and wall functions'
[2353]2436!
[2680]2437!--          Compute gradients at north- and south-facing surfaces.
[3359]2438!--          First, for default surfaces, then for urban surfaces.
[2680]2439!--          Note, so far no natural vertical surfaces implemented
2440             DO  l = 0, 1
2441                surf_s = surf_def_v(l)%start_index(j,i)
2442                surf_e = surf_def_v(l)%end_index(j,i)
[3634]2443                !$ACC LOOP PRIVATE(m, k, usvs, wsvs, km_neutral, sign_dir)
[2680]2444                DO  m = surf_s, surf_e
2445                   k           = surf_def_v(l)%k(m)
2446                   usvs        = surf_def_v(l)%mom_flux_tke(0,m)
2447                   wsvs        = surf_def_v(l)%mom_flux_tke(1,m)
[3359]2448
[2680]2449                   km_neutral = kappa * ( usvs**2 + wsvs**2 )**0.25_wp         &
2450                                   * 0.5_wp * dy
[2353]2451!
[2680]2452!--                -1.0 for right-facing wall, 1.0 for left-facing wall
2453                   sign_dir = MERGE( 1.0_wp, -1.0_wp,                          &
[3359]2454                                     BTEST( wall_flags_0(k,j-1,i), flag_nr ) )
2455                   dudy(k) = sign_dir * usvs / ( km_neutral + 1E-10_wp )
2456                   dwdy(k) = sign_dir * wsvs / ( km_neutral + 1E-10_wp )
[2680]2457                ENDDO
[2353]2458!
[2680]2459!--             Natural surfaces
2460                surf_s = surf_lsm_v(l)%start_index(j,i)
2461                surf_e = surf_lsm_v(l)%end_index(j,i)
[3634]2462                !$ACC LOOP PRIVATE(m, k, usvs, wsvs, km_neutral, sign_dir)
[2680]2463                DO  m = surf_s, surf_e
2464                   k           = surf_lsm_v(l)%k(m)
2465                   usvs        = surf_lsm_v(l)%mom_flux_tke(0,m)
2466                   wsvs        = surf_lsm_v(l)%mom_flux_tke(1,m)
[3359]2467
[2680]2468                   km_neutral = kappa * ( usvs**2 + wsvs**2 )**0.25_wp         &
2469                                   * 0.5_wp * dy
[2353]2470!
[2680]2471!--                -1.0 for right-facing wall, 1.0 for left-facing wall
2472                   sign_dir = MERGE( 1.0_wp, -1.0_wp,                          &
[3359]2473                                     BTEST( wall_flags_0(k,j-1,i), flag_nr ) )
2474                   dudy(k) = sign_dir * usvs / ( km_neutral + 1E-10_wp )
2475                   dwdy(k) = sign_dir * wsvs / ( km_neutral + 1E-10_wp )
2476                ENDDO
[2353]2477!
[2680]2478!--             Urban surfaces
2479                surf_s = surf_usm_v(l)%start_index(j,i)
2480                surf_e = surf_usm_v(l)%end_index(j,i)
[3634]2481                !$ACC LOOP PRIVATE(m, k, usvs, wsvs, km_neutral, sign_dir)
[2680]2482                DO  m = surf_s, surf_e
2483                   k           = surf_usm_v(l)%k(m)
2484                   usvs        = surf_usm_v(l)%mom_flux_tke(0,m)
2485                   wsvs        = surf_usm_v(l)%mom_flux_tke(1,m)
[3359]2486
[2680]2487                   km_neutral = kappa * ( usvs**2 + wsvs**2 )**0.25_wp         &
2488                                   * 0.5_wp * dy
[2353]2489!
[2680]2490!--                -1.0 for right-facing wall, 1.0 for left-facing wall
2491                   sign_dir = MERGE( 1.0_wp, -1.0_wp,                          &
[3359]2492                                     BTEST( wall_flags_0(k,j-1,i), flag_nr ) )
2493                   dudy(k) = sign_dir * usvs / ( km_neutral + 1E-10_wp )
2494                   dwdy(k) = sign_dir * wsvs / ( km_neutral + 1E-10_wp )
2495                ENDDO
[2680]2496             ENDDO
[2353]2497!
[2680]2498!--          Compute gradients at east- and west-facing walls
2499             DO  l = 2, 3
2500                surf_s = surf_def_v(l)%start_index(j,i)
2501                surf_e = surf_def_v(l)%end_index(j,i)
[3634]2502                !$ACC LOOP PRIVATE(m, k, vsus, wsus, km_neutral, sign_dir)
[2680]2503                DO  m = surf_s, surf_e
2504                   k     = surf_def_v(l)%k(m)
2505                   vsus  = surf_def_v(l)%mom_flux_tke(0,m)
2506                   wsus  = surf_def_v(l)%mom_flux_tke(1,m)
[2353]2507
[2680]2508                   km_neutral = kappa * ( vsus**2 + wsus**2 )**0.25_wp         &
2509                                      * 0.5_wp * dx
[2353]2510!
[2680]2511!--                -1.0 for right-facing wall, 1.0 for left-facing wall
2512                   sign_dir = MERGE( 1.0_wp, -1.0_wp,                          &
[3359]2513                                     BTEST( wall_flags_0(k,j,i-1), flag_nr ) )
2514                   dvdx(k) = sign_dir * vsus / ( km_neutral + 1E-10_wp )
2515                   dwdx(k) = sign_dir * wsus / ( km_neutral + 1E-10_wp )
2516                ENDDO
[2353]2517!
[3359]2518!--             Natural surfaces
[2680]2519                surf_s = surf_lsm_v(l)%start_index(j,i)
2520                surf_e = surf_lsm_v(l)%end_index(j,i)
[3634]2521                !$ACC LOOP PRIVATE(m, k, vsus, wsus, km_neutral, sign_dir)
[2680]2522                DO  m = surf_s, surf_e
2523                   k     = surf_lsm_v(l)%k(m)
2524                   vsus  = surf_lsm_v(l)%mom_flux_tke(0,m)
2525                   wsus  = surf_lsm_v(l)%mom_flux_tke(1,m)
[2353]2526
[2680]2527                   km_neutral = kappa * ( vsus**2 + wsus**2 )**0.25_wp         &
2528                                      * 0.5_wp * dx
[2353]2529!
[2680]2530!--                -1.0 for right-facing wall, 1.0 for left-facing wall
2531                   sign_dir = MERGE( 1.0_wp, -1.0_wp,                          &
[3359]2532                                     BTEST( wall_flags_0(k,j,i-1), flag_nr ) )
2533                   dvdx(k) = sign_dir * vsus / ( km_neutral + 1E-10_wp )
2534                   dwdx(k) = sign_dir * wsus / ( km_neutral + 1E-10_wp )
2535                ENDDO
[2353]2536!
[3359]2537!--             Urban surfaces
[2680]2538                surf_s = surf_usm_v(l)%start_index(j,i)
2539                surf_e = surf_usm_v(l)%end_index(j,i)
[3634]2540                !$ACC LOOP PRIVATE(m, k, vsus, wsus, km_neutral, sign_dir)
[2680]2541                DO  m = surf_s, surf_e
2542                   k     = surf_usm_v(l)%k(m)
2543                   vsus  = surf_usm_v(l)%mom_flux_tke(0,m)
2544                   wsus  = surf_usm_v(l)%mom_flux_tke(1,m)
[2353]2545
[2680]2546                   km_neutral = kappa * ( vsus**2 + wsus**2 )**0.25_wp         &
2547                                      * 0.5_wp * dx
[2353]2548!
[2680]2549!--                -1.0 for right-facing wall, 1.0 for left-facing wall
2550                   sign_dir = MERGE( 1.0_wp, -1.0_wp,                          &
[3359]2551                                     BTEST( wall_flags_0(k,j,i-1), flag_nr ) )
2552                   dvdx(k) = sign_dir * vsus / ( km_neutral + 1E-10_wp )
2553                   dwdx(k) = sign_dir * wsus / ( km_neutral + 1E-10_wp )
2554                ENDDO
[2680]2555             ENDDO
[2353]2556!
[2680]2557!--          Compute gradients at upward-facing surfaces
2558             surf_s = surf_def_h(0)%start_index(j,i)
2559             surf_e = surf_def_h(0)%end_index(j,i)
[3634]2560             !$ACC LOOP PRIVATE(m, k)
[2680]2561             DO  m = surf_s, surf_e
2562                k = surf_def_h(0)%k(m)
[2353]2563!
[3359]2564!--             Please note, actually, an interpolation of u_0 and v_0
2565!--             onto the grid center would be required. However, this
[2680]2566!--             would require several data transfers between 2D-grid and
[3359]2567!--             wall type. The effect of this missing interpolation is
[2680]2568!--             negligible. (See also production_e_init).
[3359]2569                dudz(k) = ( u(k+1,j,i) - surf_def_h(0)%u_0(m) ) * dd2zu(k)
2570                dvdz(k) = ( v(k+1,j,i) - surf_def_h(0)%v_0(m) ) * dd2zu(k)
2571
[2680]2572             ENDDO
[2353]2573!
[2680]2574!--          Natural surfaces
2575             surf_s = surf_lsm_h%start_index(j,i)
2576             surf_e = surf_lsm_h%end_index(j,i)
[3634]2577             !$ACC LOOP PRIVATE(m, k)
[2680]2578             DO  m = surf_s, surf_e
2579                k = surf_lsm_h%k(m)
[2519]2580
[3359]2581                dudz(k) = ( u(k+1,j,i) - surf_lsm_h%u_0(m) ) * dd2zu(k)
2582                dvdz(k) = ( v(k+1,j,i) - surf_lsm_h%v_0(m) ) * dd2zu(k)
2583
[2680]2584             ENDDO
[2353]2585!
[2680]2586!--          Urban surfaces
2587             surf_s = surf_usm_h%start_index(j,i)
2588             surf_e = surf_usm_h%end_index(j,i)
[3634]2589             !$ACC LOOP PRIVATE(m, k)
[2680]2590             DO  m = surf_s, surf_e
2591                k = surf_usm_h%k(m)
[2519]2592
[3359]2593                dudz(k) = ( u(k+1,j,i) - surf_usm_h%u_0(m) ) * dd2zu(k)
2594                dvdz(k) = ( v(k+1,j,i) - surf_usm_h%v_0(m) ) * dd2zu(k)
2595
[2680]2596             ENDDO
[2353]2597!
[3359]2598!--          Compute gradients at downward-facing walls, only for
[2680]2599!--          non-natural default surfaces
2600             surf_s = surf_def_h(1)%start_index(j,i)
2601             surf_e = surf_def_h(1)%end_index(j,i)
[3634]2602             !$ACC LOOP PRIVATE(m, k)
[2680]2603             DO  m = surf_s, surf_e
2604                k = surf_def_h(1)%k(m)
[2519]2605
[3359]2606                dudz(k) = ( surf_def_h(1)%u_0(m) - u(k-1,j,i) ) * dd2zu(k)
2607                dvdz(k) = ( surf_def_h(1)%v_0(m) - v(k-1,j,i) ) * dd2zu(k)
[2353]2608
2609             ENDDO
2610
2611
[3359]2612          ENDIF
[2353]2613
2614
[3634]2615          !$ACC LOOP PRIVATE(k, def, flag)
[3359]2616          DO  k = nzb+1, nzt
[2353]2617
[3359]2618             def = 2.0_wp * ( dudx(k)**2 + dvdy(k)**2 + dwdz(k)**2 ) +         &
2619                              dudy(k)**2 + dvdx(k)**2 + dwdx(k)**2 +           &
2620                              dwdy(k)**2 + dudz(k)**2 + dvdz(k)**2 +           &
2621                   2.0_wp * ( dvdx(k)*dudy(k) + dwdx(k)*dudz(k) +              &
2622                              dwdy(k)*dvdz(k) )
[2353]2623
[3359]2624             IF ( def < 0.0_wp )  def = 0.0_wp
[2353]2625
[3359]2626             flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST(wall_flags_0(k,j,i),flag_nr) )
[2353]2627
[3398]2628             IF ( .NOT. diss_production )  THEN
[2353]2629
[3550]2630!--             Compute tendency for TKE-production from shear
[3398]2631                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def * flag
2632
2633             ELSE
2634
[3550]2635!--             RANS mode: Compute tendency for dissipation-rate-production from shear
[3398]2636                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def * flag *           &
2637                              diss(k,j,i)/( e(k,j,i) + 1.0E-20_wp ) * c_1
2638
2639             ENDIF
2640
[3359]2641          ENDDO
[2353]2642
2643
[3359]2644       ENDDO
2645    ENDDO
[2353]2646
2647!
[3359]2648!-- If required, calculate TKE production by buoyancy
2649    IF ( .NOT. neutral )  THEN
[2353]2650
[3359]2651       IF ( .NOT. humidity )  THEN
[2353]2652
[3359]2653          IF ( ocean_mode )  THEN
[2353]2654!
[3359]2655!--          So far in the ocean no special treatment of density flux
2656!--          in the bottom and top surface layer
2657             DO  i = nxl, nxr
[2680]2658                DO  j = nys, nyn
[3398]2659
[2680]2660                   DO  k = nzb+1, nzt
[3398]2661                      tmp_flux(k) = kh(k,j,i) * ( prho(k+1,j,i) - prho(k-1,j,i) ) * dd2zu(k)
[2680]2662                   ENDDO
[2353]2663!
[2680]2664!--                Treatment of near-surface grid points, at up- and down-
2665!--                ward facing surfaces
2666                   IF ( use_surface_fluxes )  THEN
2667                      DO  l = 0, 1
2668                         surf_s = surf_def_h(l)%start_index(j,i)
2669                         surf_e = surf_def_h(l)%end_index(j,i)
[2519]2670                         DO  m = surf_s, surf_e
[2680]2671                            k = surf_def_h(l)%k(m)
[3398]2672                            tmp_flux(k) = drho_air_zw(k-1) * surf_def_h(l)%shf(m)
[2519]2673                         ENDDO
[2680]2674                      ENDDO
2675                   ENDIF
[2519]2676
[2680]2677                   IF ( use_top_fluxes )  THEN
2678                      surf_s = surf_def_h(2)%start_index(j,i)
2679                      surf_e = surf_def_h(2)%end_index(j,i)
2680                      DO  m = surf_s, surf_e
2681                         k = surf_def_h(2)%k(m)
[3398]2682                         tmp_flux(k) = drho_air_zw(k) * surf_def_h(2)%shf(m)
[2353]2683                      ENDDO
[2680]2684                   ENDIF
[2353]2685
[3398]2686                   IF ( .NOT. diss_production )  THEN
2687
[3550]2688!--                   Compute tendency for TKE-production from shear
[3398]2689                      DO  k = nzb+1, nzt
2690                         flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST(wall_flags_0(k,j,i),0) )
2691                         tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + flag * tmp_flux(k) * ( g / &
2692                                       MERGE( rho_reference, prho(k,j,i),       &
2693                                              use_single_reference_value ) )
2694                      ENDDO
2695
2696                   ELSE
2697
[3550]2698!--                   RANS mode: Compute tendency for dissipation-rate-production from shear
[3398]2699                      DO  k = nzb+1, nzt
2700                         flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST(wall_flags_0(k,j,i),0) )
2701                         tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + flag * tmp_flux(k) * ( g / &
2702                                       MERGE( rho_reference, prho(k,j,i),       &
2703                                              use_single_reference_value ) ) *  &
2704                                       diss(k,j,i)/( e(k,j,i) + 1.0E-20_wp ) *  &
2705                                       c_3
2706                      ENDDO
2707
2708                   ENDIF
2709
[2680]2710                ENDDO
[3359]2711             ENDDO
[2353]2712
[3359]2713          ELSE ! or IF ( .NOT. ocean_mode )  THEN
[2353]2714
[3634]2715             !$ACC PARALLEL LOOP COLLAPSE(2) PRIVATE(i, j) &
2716             !$ACC PRIVATE(surf_s, surf_e) &
2717             !$ACC PRIVATE(tmp_flux(nzb+1:nzt)) &
2718             !$ACC PRESENT(e, diss, kh, pt, dd2zu, drho_air_zw, wall_flags_0) &
2719             !$ACC PRESENT(tend) &
2720             !$ACC PRESENT(surf_def_h(0:2)) &
2721             !$ACC PRESENT(surf_lsm_h) &
2722             !$ACC PRESENT(surf_usm_h)
[3359]2723             DO  i = nxl, nxr
[2353]2724                DO  j = nys, nyn
[3359]2725
[3634]2726                   !$ACC LOOP PRIVATE(k)
[2353]2727                   DO  k = nzb+1, nzt
[3398]2728                      tmp_flux(k) = -1.0_wp * kh(k,j,i) * ( pt(k+1,j,i) - pt(k-1,j,i) ) * dd2zu(k)
[2353]2729                   ENDDO
2730
[2680]2731                   IF ( use_surface_fluxes )  THEN
[2353]2732!
[2680]2733!--                   Default surfaces, up- and downward-facing
[2353]2734                      DO  l = 0, 1
2735                         surf_s = surf_def_h(l)%start_index(j,i)
2736                         surf_e = surf_def_h(l)%end_index(j,i)
[3634]2737                         !$ACC LOOP PRIVATE(m, k)
[2353]2738                         DO  m = surf_s, surf_e
2739                            k = surf_def_h(l)%k(m)
[3398]2740                            tmp_flux(k) = drho_air_zw(k-1) * surf_def_h(l)%shf(m)
[3359]2741                         ENDDO
[2353]2742                      ENDDO
2743!
[2680]2744!--                   Natural surfaces
[2353]2745                      surf_s = surf_lsm_h%start_index(j,i)
2746                      surf_e = surf_lsm_h%end_index(j,i)
[3634]2747                      !$ACC LOOP PRIVATE(m, k)
[2353]2748                      DO  m = surf_s, surf_e
2749                         k = surf_lsm_h%k(m)
[3398]2750                         tmp_flux(k) = drho_air_zw(k-1) * surf_lsm_h%shf(m)
[2353]2751                      ENDDO
2752!
[2680]2753!--                   Urban surfaces
[2353]2754                      surf_s = surf_usm_h%start_index(j,i)
2755                      surf_e = surf_usm_h%end_index(j,i)
[3634]2756                      !$ACC LOOP PRIVATE(m, k)
[2353]2757                      DO  m = surf_s, surf_e
[2680]2758                         k = surf_usm_h%k(m)
[3398]2759                         tmp_flux(k) = drho_air_zw(k-1) * surf_usm_h%shf(m)
[3359]2760                      ENDDO
[2680]2761                   ENDIF
[2353]2762
[2680]2763                   IF ( use_top_fluxes )  THEN
2764                      surf_s = surf_def_h(2)%start_index(j,i)
2765                      surf_e = surf_def_h(2)%end_index(j,i)
[3634]2766                      !$ACC LOOP PRIVATE(m, k)
[2680]2767                      DO  m = surf_s, surf_e
2768                         k = surf_def_h(2)%k(m)
[3398]2769                         tmp_flux(k) = drho_air_zw(k) * surf_def_h(2)%shf(m)
[2353]2770                      ENDDO
[2680]2771                   ENDIF
[3359]2772
[3398]2773                   IF ( .NOT. diss_production )  THEN
2774
[3550]2775!--                   Compute tendency for TKE-production from shear
[3634]2776                     !$ACC LOOP PRIVATE(k, flag)
[3398]2777                      DO  k = nzb+1, nzt
2778                         flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST(wall_flags_0(k,j,i),0) )
2779                         tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + flag * tmp_flux(k) * ( g / &
2780                                       MERGE( pt_reference, pt(k,j,i),          &
2781                                              use_single_reference_value ) )
2782                      ENDDO
2783
2784                   ELSE
2785
[3550]2786!--                   RANS mode: Compute tendency for dissipation-rate-production from shear
[3398]2787                      DO  k = nzb+1, nzt
2788                         flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST(wall_flags_0(k,j,i),0) )
2789                         tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + flag * tmp_flux(k) * ( g / &
2790                                       MERGE( pt_reference, pt(k,j,i),          &
2791                                              use_single_reference_value ) ) *  &
2792                                       diss(k,j,i)/( e(k,j,i) + 1.0E-20_wp ) *  &
2793                                       c_3
2794                      ENDDO
2795
2796                   ENDIF
2797
[2680]2798                ENDDO
[3359]2799             ENDDO
[2353]2800
[3359]2801          ENDIF ! from IF ( .NOT. ocean_mode )
[2353]2802
[3359]2803       ELSE ! or IF ( humidity )  THEN
[2353]2804
[3359]2805          DO  i = nxl, nxr
[2680]2806             DO  j = nys, nyn
[2353]2807
[2680]2808                DO  k = nzb+1, nzt
[3398]2809
[3274]2810                   IF ( .NOT. bulk_cloud_model .AND. .NOT. cloud_droplets ) THEN
[2680]2811                      k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
2812                      k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[3398]2813                      tmp_flux(k) = -1.0_wp * kh(k,j,i) *                      &
2814                                      ( k1 * ( pt(k+1,j,i) - pt(k-1,j,i) ) +   &
2815                                        k2 * ( q(k+1,j,i)  - q(k-1,j,i) )      &
2816                                      ) * dd2zu(k)
[3274]2817                   ELSE IF ( bulk_cloud_model )  THEN
[2680]2818                      IF ( ql(k,j,i) == 0.0_wp )  THEN
2819                         k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
2820                         k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
2821                      ELSE
[3274]2822                         theta = pt(k,j,i) + d_exner(k) * lv_d_cp * ql(k,j,i)
2823                         temp  = theta * exner(k)
[2680]2824                         k1 = ( 1.0_wp - q(k,j,i) + 1.61_wp *                  &
2825                                       ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) *              &
[3361]2826                              ( 1.0_wp + rd_d_rv * lv_d_rd / temp ) ) /        &
2827                              ( 1.0_wp + rd_d_rv * lv_d_rd * lv_d_cp *         &
[2680]2828                              ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) / ( temp * temp ) )
[3274]2829                         k2 = theta * ( lv_d_cp / temp * k1 - 1.0_wp )
[2680]2830                      ENDIF
[3398]2831                      tmp_flux(k) = -1.0_wp * kh(k,j,i) *                      &
2832                                      ( k1 * ( pt(k+1,j,i) - pt(k-1,j,i) ) +   &
2833                                        k2 * ( q(k+1,j,i)  - q(k-1,j,i) )      &
2834                                      ) * dd2zu(k)
[2680]2835                   ELSE IF ( cloud_droplets )  THEN
2836                      k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i) - ql(k,j,i)
2837                      k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[3398]2838                      tmp_flux(k) = -1.0_wp * kh(k,j,i) * &
2839                                      ( k1 * ( pt(k+1,j,i) - pt(k-1,j,i) ) +   &
2840                                        k2 * ( q(k+1,j,i)  - q(k-1,j,i) ) -    &
2841                                        pt(k,j,i) * ( ql(k+1,j,i) -            &
2842                                        ql(k-1,j,i) ) ) * dd2zu(k)
[2680]2843                   ENDIF
[2353]2844
[2680]2845                ENDDO
2846
[3359]2847                IF ( use_surface_fluxes )  THEN
[2680]2848!
2849!--                Treat horizontal default surfaces
2850                   DO  l = 0, 1
2851                      surf_s = surf_def_h(l)%start_index(j,i)
2852                      surf_e = surf_def_h(l)%end_index(j,i)
[2353]2853                      DO  m = surf_s, surf_e
[2680]2854                         k = surf_def_h(l)%k(m)
[2353]2855
[3274]2856                         IF ( .NOT. bulk_cloud_model .AND. .NOT. cloud_droplets ) THEN
[2353]2857                            k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
2858                            k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[3274]2859                         ELSE IF ( bulk_cloud_model )  THEN
[2353]2860                            IF ( ql(k,j,i) == 0.0_wp )  THEN
2861                               k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
2862                               k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
2863                            ELSE
[3274]2864                               theta = pt(k,j,i) + d_exner(k) * lv_d_cp * ql(k,j,i)
2865                               temp  = theta * exner(k)
[2353]2866                               k1 = ( 1.0_wp - q(k,j,i) + 1.61_wp *            &
2867                                          ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) *           &
[3361]2868                                 ( 1.0_wp + rd_d_rv * lv_d_rd / temp ) ) /     &
2869                                 ( 1.0_wp + rd_d_rv * lv_d_rd * lv_d_cp *      &
[2353]2870                                 ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) / ( temp * temp ) )
[3274]2871                               k2 = theta * ( lv_d_cp / temp * k1 - 1.0_wp )
[2353]2872                            ENDIF
2873                         ELSE IF ( cloud_droplets )  THEN
2874                            k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i) - ql(k,j,i)
2875                            k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
2876                         ENDIF
2877
[3398]2878                         tmp_flux(k) = ( k1 * surf_def_h(l)%shf(m) +           &
2879                                         k2 * surf_def_h(l)%qsws(m)            &
2880                                       ) * drho_air_zw(k-1)
[2353]2881                      ENDDO
[2680]2882                   ENDDO
2883!
2884!--                Treat horizontal natural surfaces
2885                   surf_s = surf_lsm_h%start_index(j,i)
2886                   surf_e = surf_lsm_h%end_index(j,i)
2887                   DO  m = surf_s, surf_e
2888                      k = surf_lsm_h%k(m)
[2353]2889
[3274]2890                      IF ( .NOT. bulk_cloud_model .AND. .NOT. cloud_droplets ) THEN
[2680]2891                         k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
2892                         k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[3274]2893                      ELSE IF ( bulk_cloud_model )  THEN
[2680]2894                         IF ( ql(k,j,i) == 0.0_wp )  THEN
2895                            k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
2896                            k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
2897                         ELSE
[3274]2898                            theta = pt(k,j,i) + d_exner(k) * lv_d_cp * ql(k,j,i)
2899                            temp  = theta * exner(k)
[2680]2900                            k1 = ( 1.0_wp - q(k,j,i) + 1.61_wp *               &
2901                                          ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) *           &
[3361]2902                                 ( 1.0_wp + rd_d_rv * lv_d_rd / temp ) ) /     &
2903                                 ( 1.0_wp + rd_d_rv * lv_d_rd * lv_d_cp *      &
[2680]2904                                 ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) / ( temp * temp ) )
[3274]2905                            k2 = theta * ( lv_d_cp / temp * k1 - 1.0_wp )
[2680]2906                         ENDIF
2907                      ELSE IF ( cloud_droplets )  THEN
2908                         k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i) - ql(k,j,i)
2909                         k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
2910                      ENDIF
2911
[3398]2912                      tmp_flux(k) = ( k1 * surf_lsm_h%shf(m) +                 &
2913                                      k2 * surf_lsm_h%qsws(m)                  &
2914                                    ) * drho_air_zw(k-1)
[2353]2915                   ENDDO
[2680]2916!
2917!--                Treat horizontal urban surfaces
2918                   surf_s = surf_usm_h%start_index(j,i)
2919                   surf_e = surf_usm_h%end_index(j,i)
2920                   DO  m = surf_s, surf_e
[3385]2921                      k = surf_usm_h%k(m)
[2353]2922
[3274]2923                      IF ( .NOT. bulk_cloud_model .AND. .NOT. cloud_droplets ) THEN
[2680]2924                         k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
2925                         k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[3274]2926                      ELSE IF ( bulk_cloud_model )  THEN
[2680]2927                         IF ( ql(k,j,i) == 0.0_wp )  THEN
2928                            k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
2929                            k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
2930                         ELSE
[3274]2931                            theta = pt(k,j,i) + d_exner(k) * lv_d_cp * ql(k,j,i)
2932                            temp  = theta * exner(k)
[2680]2933                            k1 = ( 1.0_wp - q(k,j,i) + 1.61_wp *               &
2934                                          ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) *           &
[3361]2935                                 ( 1.0_wp + rd_d_rv * lv_d_rd / temp ) ) /     &
2936                                 ( 1.0_wp + rd_d_rv * lv_d_rd * lv_d_cp *      &
[2680]2937                                 ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) / ( temp * temp ) )
[3274]2938                            k2 = theta * ( lv_d_cp / temp * k1 - 1.0_wp )
[2680]2939                         ENDIF
2940                      ELSE IF ( cloud_droplets )  THEN
2941                         k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i) - ql(k,j,i)
2942                         k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
2943                      ENDIF
[2353]2944
[3398]2945                      tmp_flux(k) = ( k1 * surf_usm_h%shf(m) +                 &
2946                                      k2 * surf_usm_h%qsws(m)                  &
2947                                    ) * drho_air_zw(k-1)
[2680]2948                   ENDDO
2949
[3359]2950                ENDIF ! from IF ( use_surface_fluxes )  THEN
[2680]2951
[3359]2952                IF ( use_top_fluxes )  THEN
[2353]2953
[2680]2954                   surf_s = surf_def_h(2)%start_index(j,i)
2955                   surf_e = surf_def_h(2)%end_index(j,i)
2956                   DO  m = surf_s, surf_e
2957                      k = surf_def_h(2)%k(m)
2958
[3274]2959                      IF ( .NOT. bulk_cloud_model .AND. .NOT. cloud_droplets ) THEN
[2680]2960                         k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
2961                         k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[3274]2962                      ELSE IF ( bulk_cloud_model )  THEN
[2680]2963                         IF ( ql(k,j,i) == 0.0_wp )  THEN
2964                            k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
2965                            k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
2966                         ELSE
[3274]2967                            theta = pt(k,j,i) + d_exner(k) * lv_d_cp * ql(k,j,i)
2968                            temp  = theta * exner(k)
[2680]2969                            k1 = ( 1.0_wp - q(k,j,i) + 1.61_wp *               &
2970                                       ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) *              &
[3361]2971                              ( 1.0_wp + rd_d_rv * lv_d_rd / temp ) ) /        &
2972                              ( 1.0_wp + rd_d_rv * lv_d_rd * lv_d_cp *         &
[2680]2973                              ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) / ( temp * temp ) )
[3274]2974                            k2 = theta * ( lv_d_cp / temp * k1 - 1.0_wp )
[2680]2975                         ENDIF
2976                      ELSE IF ( cloud_droplets )  THEN
2977                         k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i) - ql(k,j,i)
2978                         k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
2979                      ENDIF
2980
[3398]2981                      tmp_flux(k) = ( k1 * surf_def_h(2)%shf(m) +              &
2982                                      k2 * surf_def_h(2)%qsws(m)               &
2983                                    ) * drho_air_zw(k)
[2680]2984
2985                   ENDDO
2986
[3359]2987                ENDIF ! from IF ( use_top_fluxes )  THEN
[2680]2988
[3398]2989                IF ( .NOT. diss_production )  THEN
2990
[3550]2991!--                Compute tendency for TKE-production from shear
[3398]2992                   DO  k = nzb+1, nzt
2993                      flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST(wall_flags_0(k,j,i),0) )
2994                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + flag * tmp_flux(k) * ( g / &
2995                                    MERGE( vpt_reference, vpt(k,j,i),          &
2996                                           use_single_reference_value ) )
2997                   ENDDO
2998
2999