source: palm/trunk/SOURCE/turbulence_closure_mod.f90 @ 3724

Last change on this file since 3724 was 3724, checked in by kanani, 2 years ago

Correct double-used log_point_s units (bulk_cloud_model_mod, time_integration, turbulence_closure_mod)

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 193.5 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 3724 2019-02-06 16:28:23Z kanani $
[3724]27! Correct double-used log_point_s units
28!
29! 3719 2019-02-06 13:10:18Z kanani
[3719]30! Changed log_point to log_point_s, otherwise this overlaps with
31! 'all progn.equations' cpu measurement.
32!
33! 3684 2019-01-20 20:20:58Z knoop
[3646]34! Remove unused variable simulated_time
35!
36! 3636 2018-12-19 13:48:34Z raasch
[3636]37! nopointer option removed
38!
39! 3634 2018-12-18 12:31:28Z knoop
[3634]40! OpenACC port for SPEC
41!
42! 3550 2018-11-21 16:01:01Z gronemeier
[3550]43! - calculate diss production same in vector and cache optimization
44! - move boundary condition for e and diss to boundary_conds
45!
46! 3545 2018-11-21 11:19:41Z gronemeier
[3545]47! - Set rans_mode according to value of turbulence_closure
48! - removed debug output
49!
50! 3430 2018-10-25 13:36:23Z maronga
[3430]51! Added support for buildings in the dynamic SGS model
52!
53! 3398 2018-10-22 19:30:24Z knoop
[3398]54! Refactored production_e and production_e_ij (removed code redundancy)
55!
56! 3386 2018-10-19 16:28:22Z gronemeier
[3386]57! Renamed tcm_prognostic to tcm_prognostic_equations
58!
59! 3385 2018-10-19 14:52:29Z knoop
[3359]60! Restructured loops and ifs in production_e to ease vectorization on GPUs
61!
62! 3300 2018-10-02 14:16:54Z gronemeier
[3299]63! - removed global array wall_flags_0_global, hence reduced accuracy of l_wall
64!   calculation
65! - removed maxloc call as this produced different results for different
66!   compiler options
67!
68! 3294 2018-10-01 02:37:10Z raasch
[3294]69! changes concerning modularization of ocean option
70!
71! 3274 2018-09-24 15:42:55Z knoop
[3274]72! Modularization of all bulk cloud physics code components
73!
74! 3245 2018-09-13 14:08:16Z knoop
[3241]75! unused variables removed, shortest_distance has wp now
76!
77! 3183 2018-07-27 14:25:55Z suehring
[3183]78! Rename variables and remove unused variable from USE statement
79!
80! 3182 2018-07-27 13:36:03Z suehring
[3145]81! Use MOST for km only in RANS mode
82!
83! 3130 2018-07-16 11:08:55Z gronemeier
[3130]84! - move boundary condition of km and kh to tcm_diffusivities
85! - calculate km at boundaries according to MOST
86! - move phi_m to surface_layer_fluxes_mod
87!
88! 3129 2018-07-16 07:45:13Z gronemeier
[3129]89! - move limitation of diss to boundary_conds
90! - move boundary conditions for e and diss to boundary_conds
91! - consider non-default surfaces in tcm_diffusivities
92! - use z_mo within surface layer instead of calculating it
93! - resort output after case select -> reduced code duplication
94! - when using rans_tke_e and 1d-model, do not use e1d, km1d and diss1d
95!
96! 3121 2018-07-11 18:46:49Z gronemeier
[3121]97! - created the function phi_m
98! - implemented km = u* * kappa * zp / phi_m in production_e_init for all
99!   surfaces
100!
101! 3120 2018-07-11 18:30:57Z gronemeier
[3120]102! - changed tcm_diffusivities to tcm_diffusivities_default
103! - created subroutine tcm_diffusivities that calls tcm_diffusivities_default
104!   and tcm_diffusivities_dynamic
105!
106! 3086 2018-06-25 09:08:04Z gronemeier
[3086]107! bugfix: set rans_const_sigma(1) = 1.3
108!
109! 3083 2018-06-19 14:03:12Z gronemeier
[3083]110! - set limits of diss at the end of prognostic equations
111! - call production_e to calculate production term of diss
112! - limit change of diss to -90% to +100%
113! - remove factor 0.5 from diffusion_diss_ij
114! - rename c_m into c_0, and c_h into c_4
115! - add rans_const_c and rans_const_sigma as namelist parameters
116! - add calculation of mixing length for profile output in case of rans_tke_e
117! - changed format of annotations to comply with doxygen standards
118! - calculate and save dissipation rate during rans_tke_l mode
119! - set bc at vertical walls for e, diss, km, kh
120! - bugfix: set l_wall = 0.0 within buildings
121! - set l_wall at bottom and top boundary (rans-mode)
122! - bugfix in production term for dissipation rate
123! - bugfix in diffusion of dissipation rate
124! - disable check for 1D model if rans_tke_e is used
125! - bugfixes for initialization (rans-mode):
126!    - correction of dissipation-rate formula
127!    - calculate km based on l_wall
128!    - initialize diss if 1D model is not used
129!
130! 3045 2018-05-28 07:55:41Z Giersch
[3045]131! Error message revised
132!
133! 3014 2018-05-09 08:42:38Z maronga
[3014]134! Bugfix: nzb_do and nzt_do were not used for 3d data output
135!
136! 3004 2018-04-27 12:33:25Z Giersch
[3004]137! Further allocation checks implemented
138!
139! 2938 2018-03-27 15:52:42Z suehring
[2938]140! Further todo's
141!
[3083]142! 2936 2018-03-27 14:49:27Z gronemeier
[2913]143! - defined l_grid only within this module
144! - Moved l_wall definition from modules.f90
[2916]145! - Get level of highest topography, used to limit upward distance calculation
146! - Consider cyclic boundary conditions for mixing length calculation
147! - Moved copy of wall_flags into subarray to subroutine
148! - Implemented l_wall calculation in case of RANS simulation
149! - Moved init of l_black to tcm_init_mixing_length
[2902]150! - Moved init_mixing_length from init_grid.f90 and
[2916]151!   renamed it to tcm_init_mixing_length
[2353]152!
[2918]153! 2764 2018-01-22 09:25:36Z gronemeier
[2842]154! Bugfix: remove duplicate SAVE statements
155!
156! 2746 2018-01-15 12:06:04Z suehring
[2761]157! Move flag plant canopy to modules
[2353]158!
[2761]159! 2718 2018-01-02 08:49:38Z maronga
160! Corrected "Former revisions" section
161!
162! 2701 2017-12-15 15:40:50Z suehring
163! Changes from last commit documented
164!
165! 2698 2017-12-14 18:46:24Z suehring
166! Bugfix in get_topography_top_index
[2353]167!
[2761]168! 2696 2017-12-14 17:12:51Z kanani
169! Initial revision
170!
171!
172!
173!
[2353]174! Authors:
175! --------
176! @author Tobias Gronemeier
[3120]177! @author Hauke Wurps
[2353]178!
179! Description:
180! ------------
181!> This module contains the available turbulence closures for PALM.
182!>
183!>
184!> @todo test initialization for all possibilities
[2680]185!>       add OpenMP directives whereever possible
[2938]186!> @todo Check for random disturbances
[2353]187!> @note <Enter notes on the module>
188!------------------------------------------------------------------------------!
189 MODULE turbulence_closure_mod
190 
191
192    USE arrays_3d,                                                             &
[2680]193        ONLY:  diss, diss_1, diss_2, diss_3, diss_p, dzu, e, e_1, e_2, e_3,    &
[2913]194               e_p, kh, km, mean_inflow_profiles, prho, pt, tdiss_m,           &
[2680]195               te_m, tend, u, v, vpt, w
[2353]196
[3274]197    USE basic_constants_and_equations_mod,                                     &
[3361]198        ONLY:  g, kappa, lv_d_cp, lv_d_rd, rd_d_rv
[3274]199
[2353]200    USE control_parameters,                                                    &
[3182]201        ONLY:  constant_diffusion, dt_3d, e_init, humidity,                    &
[2680]202               initializing_actions, intermediate_timestep_count,              &
[3274]203               intermediate_timestep_count_max, km_constant,                   &
[3294]204               les_dynamic, les_mw, ocean_mode, plant_canopy, prandtl_number,  &
205               pt_reference, rans_mode, rans_tke_e, rans_tke_l,                &
[3646]206               timestep_scheme, turbulence_closure,                            &
[3120]207               turbulent_inflow, use_upstream_for_tke, vpt_reference,          &
[3430]208               ws_scheme_sca, current_timestep_number
[2353]209
210    USE advec_ws,                                                              &
211        ONLY:  advec_s_ws
212
213    USE advec_s_bc_mod,                                                        &
214        ONLY:  advec_s_bc
215
216    USE advec_s_pw_mod,                                                        &
217        ONLY:  advec_s_pw
218
219    USE advec_s_up_mod,                                                        &
220        ONLY:  advec_s_up
221
222    USE cpulog,                                                                &
[3719]223        ONLY:  cpu_log, log_point_s
[2353]224
225    USE indices,                                                               &
[3120]226        ONLY:  nbgp, nxl, nxlg, nxr, nxrg, nyn, nyng, nys, nysg, nzb, nzt,     &
[2680]227               wall_flags_0
[2353]228
229    USE kinds
230
[3294]231    USE ocean_mod,                                                             &
232        ONLY:  prho_reference
233
[2353]234    USE pegrid
235
236    USE plant_canopy_model_mod,                                                &
[2761]237        ONLY:  pcm_tendency
[2353]238
239    USE statistics,                                                            &
240        ONLY:  hom, hom_sum, statistic_regions
241
242
243    IMPLICIT NONE
244
245
[3083]246    REAL(wp) ::  c_0                !< constant used for diffusion coefficient and dissipation (dependent on mode RANS/LES)
247    REAL(wp) ::  c_1                !< model constant for RANS mode
248    REAL(wp) ::  c_2                !< model constant for RANS mode
[3398]249    REAL(wp) ::  c_3                !< model constant for RANS mode
[3083]250    REAL(wp) ::  c_4                !< model constant for RANS mode
251    REAL(wp) ::  l_max              !< maximum length scale for Blackadar mixing length
252    REAL(wp) ::  dsig_e = 1.0_wp    !< factor to calculate Ke from Km (1/sigma_e)
253    REAL(wp) ::  dsig_diss = 1.0_wp !< factor to calculate K_diss from Km (1/sigma_diss)
[2353]254
[3083]255    REAL(wp), DIMENSION(0:4) :: rans_const_c = &       !< model constants for RANS mode (namelist param)
[3398]256       (/ 0.55_wp, 1.44_wp, 1.92_wp, 1.44_wp, 0.0_wp /) !> default values fit for standard-tke-e closure
[3083]257
258    REAL(wp), DIMENSION(2) :: rans_const_sigma = &     !< model constants for RANS mode, sigma values (sigma_e, sigma_diss) (namelist param)
[3086]259       (/ 1.0_wp, 1.30_wp /)
[3083]260
[2913]261    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  l_black    !< mixing length according to Blackadar
[3182]262
[2913]263    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  l_grid     !< geometric mean of grid sizes dx, dy, dz
[2353]264
[2913]265    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  l_wall !< near-wall mixing length
266
[2353]267
[3083]268    PUBLIC c_0, rans_const_c, rans_const_sigma
[2358]269
[2353]270!
[2680]271!-- PALM interfaces:
272!-- Input parameter checks to be done in check_parameters
273    INTERFACE tcm_check_parameters
274       MODULE PROCEDURE tcm_check_parameters
275    END INTERFACE tcm_check_parameters
[2353]276
277!
278!-- Data output checks for 2D/3D data to be done in check_parameters
279    INTERFACE tcm_check_data_output
280       MODULE PROCEDURE tcm_check_data_output
281    END INTERFACE tcm_check_data_output
[2680]282
[2353]283!
[2680]284!-- Definition of data output quantities
285    INTERFACE tcm_define_netcdf_grid
286       MODULE PROCEDURE tcm_define_netcdf_grid
287    END INTERFACE tcm_define_netcdf_grid
[2353]288
289!
290!-- Averaging of 3D data for output
291    INTERFACE tcm_3d_data_averaging
292       MODULE PROCEDURE tcm_3d_data_averaging
293    END INTERFACE tcm_3d_data_averaging
294
295!
296!-- Data output of 2D quantities
297    INTERFACE tcm_data_output_2d
298       MODULE PROCEDURE tcm_data_output_2d
299    END INTERFACE tcm_data_output_2d
300
301!
302!-- Data output of 3D data
303    INTERFACE tcm_data_output_3d
304       MODULE PROCEDURE tcm_data_output_3d
305    END INTERFACE tcm_data_output_3d
306
307!
308!-- Initialization actions 
309    INTERFACE tcm_init
310       MODULE PROCEDURE tcm_init
311    END INTERFACE tcm_init
[2680]312
[2353]313!
314!-- Initialization of arrays
315    INTERFACE tcm_init_arrays
316       MODULE PROCEDURE tcm_init_arrays
317    END INTERFACE tcm_init_arrays
318
319!
[2680]320!-- Initialization of TKE production term
321    INTERFACE production_e_init
322       MODULE PROCEDURE production_e_init
323    END INTERFACE production_e_init
[2353]324
325!
[2680]326!-- Prognostic equations for TKE and TKE dissipation rate
[3386]327    INTERFACE tcm_prognostic_equations
328       MODULE PROCEDURE tcm_prognostic_equations
329       MODULE PROCEDURE tcm_prognostic_equations_ij
330    END INTERFACE tcm_prognostic_equations
[2353]331
[2680]332!
333!-- Production term for TKE
[2353]334    INTERFACE production_e
335       MODULE PROCEDURE production_e
336       MODULE PROCEDURE production_e_ij
337    END INTERFACE production_e
338
[2680]339!
340!-- Diffusion term for TKE
[2353]341    INTERFACE diffusion_e
342       MODULE PROCEDURE diffusion_e
343       MODULE PROCEDURE diffusion_e_ij
344    END INTERFACE diffusion_e
345
[2680]346!
347!-- Diffusion term for TKE dissipation rate
[2353]348    INTERFACE diffusion_diss
349       MODULE PROCEDURE diffusion_diss
350       MODULE PROCEDURE diffusion_diss_ij
351    END INTERFACE diffusion_diss
352
[2680]353!
354!-- Mixing length for LES case
355    INTERFACE mixing_length_les
356       MODULE PROCEDURE mixing_length_les
357    END INTERFACE mixing_length_les
[2353]358
359!
[2680]360!-- Mixing length for RANS case
361    INTERFACE mixing_length_rans
362       MODULE PROCEDURE mixing_length_rans
363    END INTERFACE mixing_length_rans
[2353]364
[2680]365!
[3120]366!-- Call tcm_diffusivities_default and tcm_diffusivities_dynamic
[2680]367    INTERFACE tcm_diffusivities
368       MODULE PROCEDURE tcm_diffusivities
369    END INTERFACE tcm_diffusivities
[2353]370
371!
[3120]372!-- Calculate diffusivities
373    INTERFACE tcm_diffusivities_default
374       MODULE PROCEDURE tcm_diffusivities_default
375    END INTERFACE tcm_diffusivities_default
376
377!
378!-- Calculate diffusivities according to dynamic sgs model
379    INTERFACE tcm_diffusivities_dynamic
380       MODULE PROCEDURE tcm_diffusivities_dynamic
381    END INTERFACE tcm_diffusivities_dynamic
382
383!
384!-- Box-filter method for dynamic sgs model
385    INTERFACE tcm_box_filter_2d
386       MODULE PROCEDURE tcm_box_filter_2d_single
387       MODULE PROCEDURE tcm_box_filter_2d_array
388    END INTERFACE tcm_box_filter_2d
389
390!
[2680]391!-- Swapping of time levels (required for prognostic variables)
392    INTERFACE tcm_swap_timelevel
393       MODULE PROCEDURE tcm_swap_timelevel
394    END INTERFACE tcm_swap_timelevel
[2353]395
[2680]396    SAVE
[2353]397
[2680]398    PRIVATE
[2353]399!
[2680]400!-- Add INTERFACES that must be available to other modules (alphabetical order)
401    PUBLIC production_e_init, tcm_3d_data_averaging, tcm_check_data_output,    &
402           tcm_check_parameters, tcm_data_output_2d, tcm_data_output_3d,       &
403           tcm_define_netcdf_grid, tcm_diffusivities, tcm_init,                &
[3386]404           tcm_init_arrays, tcm_prognostic_equations, tcm_swap_timelevel
[2353]405
406
[2680]407 CONTAINS
[2353]408
409!------------------------------------------------------------------------------!
410! Description:
411! ------------
[2680]412!> Check parameters routine for turbulence closure module.
[2353]413!------------------------------------------------------------------------------!
414 SUBROUTINE tcm_check_parameters
415
416    USE control_parameters,                                                    &
[3241]417        ONLY:  message_string, turbulent_inflow, turbulent_outflow
[2353]418
419    IMPLICIT NONE
420
421!
422!-- Define which turbulence closure is going to be used
[3545]423    SELECT CASE ( TRIM( turbulence_closure ) )
[2353]424
[3545]425       CASE ( 'dynamic' )
426          les_dynamic = .TRUE.
427
428       CASE ( 'Moeng_Wyngaard' )
429          les_mw = .TRUE.
430
431       CASE ( 'TKE-l' )
432          rans_tke_l = .TRUE.
433          rans_mode = .TRUE.
434
435       CASE ( 'TKE-e' )
436          rans_tke_e = .TRUE.
437          rans_mode = .TRUE.
438
439       CASE DEFAULT
440          message_string = 'Unknown turbulence closure: ' //                &
441                           TRIM( turbulence_closure )
442          CALL message( 'tcm_check_parameters', 'PA0500', 1, 2, 0, 6, 0 )
443
444    END SELECT
[3083]445!
[3545]446!-- Set variables for RANS mode or LES mode
447    IF ( rans_mode )  THEN
448!
[3083]449!--    Assign values to constants for RANS mode
450       dsig_e    = 1.0_wp / rans_const_sigma(1)
451       dsig_diss = 1.0_wp / rans_const_sigma(2)
[2353]452
[3083]453       c_0 = rans_const_c(0)
454       c_1 = rans_const_c(1)
455       c_2 = rans_const_c(2)
[3398]456       c_3 = rans_const_c(3)   !> @todo clarify how to switch between different models
[3083]457       c_4 = rans_const_c(4)
458
459       IF ( turbulent_inflow .OR. turbulent_outflow )  THEN
460          message_string = 'turbulent inflow/outflow is not yet '//            &
461                           'implemented for RANS mode'
462          CALL message( 'tcm_check_parameters', 'PA0501', 1, 2, 0, 6, 0 )
463       ENDIF
464
[2353]465       message_string = 'RANS mode is still in development! ' //               &
466                        '&Not all features of PALM are yet compatible '//      &
467                        'with RANS mode. &Use at own risk!'
[3083]468       CALL message( 'tcm_check_parameters', 'PA0502', 0, 1, 0, 6, 0 )
[2353]469
470    ELSE
[3545]471!
472!--    LES mode
473       c_0 = 0.1_wp    !according to Lilly (1967) and Deardorff (1980)
[2353]474
[3083]475       dsig_e = 1.0_wp !assure to use K_m to calculate TKE instead
476                       !of K_e which is used in RANS mode
477
[2353]478    ENDIF
479
480 END SUBROUTINE tcm_check_parameters
481
482!------------------------------------------------------------------------------!
[2680]483! Description:
484! ------------
485!> Check data output.
486!------------------------------------------------------------------------------!
[3241]487 SUBROUTINE tcm_check_data_output( var, unit )
[2680]488 
489    IMPLICIT NONE
490
[3083]491    CHARACTER (LEN=*) ::  unit     !< unit of output variable
492    CHARACTER (LEN=*) ::  var      !< name of output variable
[2680]493
494
495    SELECT CASE ( TRIM( var ) )
496
497       CASE ( 'diss' )
498          unit = 'm2/s3'
499
500       CASE ( 'kh', 'km' )
501          unit = 'm2/s'
502
503       CASE DEFAULT
504          unit = 'illegal'
505
506    END SELECT
507
508 END SUBROUTINE tcm_check_data_output
509
510
511!------------------------------------------------------------------------------!
512! Description:
513! ------------
514!> Define appropriate grid for netcdf variables.
515!> It is called out from subroutine netcdf.
516!------------------------------------------------------------------------------!
517 SUBROUTINE tcm_define_netcdf_grid( var, found, grid_x, grid_y, grid_z )
518   
519    IMPLICIT NONE
520
[3083]521    CHARACTER (LEN=*), INTENT(OUT) ::  grid_x   !< x grid of output variable
522    CHARACTER (LEN=*), INTENT(OUT) ::  grid_y   !< y grid of output variable
523    CHARACTER (LEN=*), INTENT(OUT) ::  grid_z   !< z grid of output variable
524    CHARACTER (LEN=*), INTENT(IN)  ::  var      !< name of output variable
525
526    LOGICAL, INTENT(OUT) ::  found   !< flag if output variable is found
527
[2680]528    found  = .TRUE.
529
[2353]530!
[2680]531!-- Check for the grid
532    SELECT CASE ( TRIM( var ) )
533
534       CASE ( 'diss', 'diss_xy', 'diss_xz', 'diss_yz' )
535          grid_x = 'x'
536          grid_y = 'y'
537          grid_z = 'zu'
538
539       CASE ( 'kh', 'kh_xy', 'kh_xz', 'kh_yz' )
540          grid_x = 'x'
541          grid_y = 'y'
542          grid_z = 'zu'
543
544       CASE ( 'km', 'km_xy', 'km_xz', 'km_yz' )
545          grid_x = 'x'
546          grid_y = 'y'
547          grid_z = 'zu'
548
549       CASE DEFAULT
550          found  = .FALSE.
551          grid_x = 'none'
552          grid_y = 'none'
553          grid_z = 'none'
554
555    END SELECT
556
557 END SUBROUTINE tcm_define_netcdf_grid
558
559
560!------------------------------------------------------------------------------!
[2353]561! Description:
562! ------------
[2680]563!> Average 3D data.
[2353]564!------------------------------------------------------------------------------!
565 SUBROUTINE tcm_3d_data_averaging( mode, variable )
566 
567
568    USE averaging,                                                             &
[2680]569        ONLY:  diss_av, kh_av, km_av
[2353]570
[2680]571    USE control_parameters,                                                    &
572        ONLY:  average_count_3d
[2353]573
574    IMPLICIT NONE
575
[3083]576    CHARACTER (LEN=*) ::  mode       !< flag defining mode 'allocate', 'sum' or 'average'
577    CHARACTER (LEN=*) ::  variable   !< name of variable
[2353]578
[3083]579    INTEGER(iwp) ::  i   !< loop index
580    INTEGER(iwp) ::  j   !< loop index
581    INTEGER(iwp) ::  k   !< loop index
[2353]582
583    IF ( mode == 'allocate' )  THEN
584
585       SELECT CASE ( TRIM( variable ) )
586
587          CASE ( 'diss' )
588             IF ( .NOT. ALLOCATED( diss_av ) )  THEN
[2680]589                ALLOCATE( diss_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
[2353]590             ENDIF
591             diss_av = 0.0_wp
592
[2680]593          CASE ( 'kh' )
594             IF ( .NOT. ALLOCATED( kh_av ) )  THEN
595                ALLOCATE( kh_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
596             ENDIF
597             kh_av = 0.0_wp
598
599          CASE ( 'km' )
600             IF ( .NOT. ALLOCATED( km_av ) )  THEN
601                ALLOCATE( km_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
602             ENDIF
603             km_av = 0.0_wp
604
[2353]605          CASE DEFAULT
606             CONTINUE
607
608       END SELECT
609
610    ELSEIF ( mode == 'sum' )  THEN
611
612       SELECT CASE ( TRIM( variable ) )
613
614          CASE ( 'diss' )
[3004]615             IF ( ALLOCATED( diss_av ) ) THEN             
616                DO  i = nxlg, nxrg
617                   DO  j = nysg, nyng
618                      DO  k = nzb, nzt+1
619                         diss_av(k,j,i) = diss_av(k,j,i) + diss(k,j,i)
620                      ENDDO
[2353]621                   ENDDO
622                ENDDO
[3004]623             ENDIF
[2353]624
[2680]625          CASE ( 'kh' )
[3004]626             IF ( ALLOCATED( kh_av ) ) THEN
627                DO  i = nxlg, nxrg
628                   DO  j = nysg, nyng
629                      DO  k = nzb, nzt+1
630                         kh_av(k,j,i) = kh_av(k,j,i) + kh(k,j,i)
631                      ENDDO
[2680]632                   ENDDO
633                ENDDO
[3004]634             ENDIF
[2680]635
636          CASE ( 'km' )
[3004]637             IF ( ALLOCATED( km_av ) ) THEN
638                DO  i = nxlg, nxrg
639                   DO  j = nysg, nyng
640                      DO  k = nzb, nzt+1
641                         km_av(k,j,i) = km_av(k,j,i) + km(k,j,i)
642                      ENDDO
[2680]643                   ENDDO
644                ENDDO
[3004]645             ENDIF
[2680]646
[2353]647          CASE DEFAULT
648             CONTINUE
649
650       END SELECT
651
652    ELSEIF ( mode == 'average' )  THEN
653
654       SELECT CASE ( TRIM( variable ) )
655
656          CASE ( 'diss' )
[3004]657             IF ( ALLOCATED( diss_av ) ) THEN
658                DO  i = nxlg, nxrg
659                   DO  j = nysg, nyng
660                      DO  k = nzb, nzt+1
661                         diss_av(k,j,i) = diss_av(k,j,i)                       & 
662                                        / REAL( average_count_3d, KIND=wp )
663                      ENDDO
[2353]664                   ENDDO
665                ENDDO
[3004]666             ENDIF
[2353]667
[2680]668          CASE ( 'kh' )
[3004]669             IF ( ALLOCATED( kh_av ) ) THEN
670                DO  i = nxlg, nxrg
671                   DO  j = nysg, nyng
672                      DO  k = nzb, nzt+1
673                         kh_av(k,j,i) = kh_av(k,j,i)                           & 
674                                        / REAL( average_count_3d, KIND=wp )
675                      ENDDO
[2680]676                   ENDDO
677                ENDDO
[3004]678             ENDIF
[2680]679
680          CASE ( 'km' )
[3004]681             IF ( ALLOCATED( km_av ) ) THEN
682                DO  i = nxlg, nxrg
683                   DO  j = nysg, nyng
684                      DO  k = nzb, nzt+1
685                         km_av(k,j,i) = km_av(k,j,i)                           & 
686                                        / REAL( average_count_3d, KIND=wp )
687                      ENDDO
[2680]688                   ENDDO
689                ENDDO
[3004]690             ENDIF
[2680]691
[2353]692       END SELECT
693
694    ENDIF
695
696 END SUBROUTINE tcm_3d_data_averaging
697
698
699!------------------------------------------------------------------------------!
700! Description:
701! ------------
[2680]702!> Define 2D output variables.
[2353]703!------------------------------------------------------------------------------!
[2680]704 SUBROUTINE tcm_data_output_2d( av, variable, found, grid, mode, local_pf,     &
[3241]705                                nzb_do, nzt_do )
[2353]706 
[2680]707    USE averaging,                                                             &
708        ONLY:  diss_av, kh_av, km_av
[2353]709
710    IMPLICIT NONE
711
[3083]712    CHARACTER (LEN=*) ::  grid       !< name of vertical grid
713    CHARACTER (LEN=*) ::  mode       !< either 'xy', 'xz' or 'yz'
714    CHARACTER (LEN=*) ::  variable   !< name of variable
[2353]715
[3129]716    INTEGER(iwp) ::  av        !< flag for (non-)average output
717    INTEGER(iwp) ::  flag_nr   !< number of masking flag
718    INTEGER(iwp) ::  i         !< loop index
719    INTEGER(iwp) ::  j         !< loop index
720    INTEGER(iwp) ::  k         !< loop index
721    INTEGER(iwp) ::  nzb_do    !< vertical output index (bottom)
722    INTEGER(iwp) ::  nzt_do    !< vertical output index (top)
[2353]723
[3545]724    LOGICAL ::  found     !< flag if output variable is found
[3129]725    LOGICAL ::  resorted  !< flag if output is already resorted
[2353]726
[3545]727    REAL(wp) ::  fill_value = -9999.0_wp  !< value for the _FillValue attribute
[3004]728
[3014]729    REAL(wp), DIMENSION(nxl:nxr,nys:nyn,nzb_do:nzt_do) ::  local_pf !< local
[2353]730       !< array to which output data is resorted to
731
[3129]732    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), POINTER ::  to_be_resorted  !< points to selected output variable
733   
[2353]734    found = .TRUE.
[3129]735    resorted = .FALSE.
736!
737!-- Set masking flag for topography for not resorted arrays
738    flag_nr = 0
[2353]739
740    SELECT CASE ( TRIM( variable ) )
741
[2680]742       CASE ( 'diss_xy', 'diss_xz', 'diss_yz' )
743          IF ( av == 0 )  THEN
[3129]744             to_be_resorted => diss
[2680]745          ELSE
[3004]746             IF ( .NOT. ALLOCATED( diss_av ) ) THEN
747                ALLOCATE( diss_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
748                diss_av = REAL( fill_value, KIND = wp )
749             ENDIF
[3129]750             to_be_resorted => diss_av
[2680]751          ENDIF
752          IF ( mode == 'xy' ) grid = 'zu'
753
754       CASE ( 'kh_xy', 'kh_xz', 'kh_yz' )
755          IF ( av == 0 )  THEN
[3129]756             to_be_resorted => kh
[2680]757          ELSE
[3129]758             IF ( .NOT. ALLOCATED( kh_av ) ) THEN
759                ALLOCATE( kh_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
760                kh_av = REAL( fill_value, KIND = wp )
[3004]761             ENDIF
[3129]762             to_be_resorted => kh_av
[2680]763          ENDIF
764          IF ( mode == 'xy' ) grid = 'zu'
765
766       CASE ( 'km_xy', 'km_xz', 'km_yz' )
767          IF ( av == 0 )  THEN
[3129]768             to_be_resorted => km
[2680]769          ELSE
[3129]770             IF ( .NOT. ALLOCATED( km_av ) ) THEN
771                ALLOCATE( km_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
772                km_av = REAL( fill_value, KIND = wp )
[3004]773             ENDIF
[3129]774             to_be_resorted => km_av
[2680]775          ENDIF
776          IF ( mode == 'xy' ) grid = 'zu'
777
[2353]778       CASE DEFAULT
779          found = .FALSE.
780          grid  = 'none'
781
782    END SELECT
[3129]783
784    IF ( found .AND. .NOT. resorted )  THEN
785       DO  i = nxl, nxr
786          DO  j = nys, nyn
787             DO  k = nzb_do, nzt_do
788                local_pf(i,j,k) = MERGE( to_be_resorted(k,j,i),                &
789                                         REAL( fill_value, KIND = wp ),        &
790                                         BTEST( wall_flags_0(k,j,i), flag_nr ) ) 
791             ENDDO
792          ENDDO
793       ENDDO
794    ENDIF
[2353]795 
796 END SUBROUTINE tcm_data_output_2d
797
798 
799!------------------------------------------------------------------------------!
800! Description:
801! ------------
[2680]802!> Define 3D output variables.
[2353]803!------------------------------------------------------------------------------!
[3014]804 SUBROUTINE tcm_data_output_3d( av, variable, found, local_pf, nzb_do, nzt_do )
[2353]805 
806
807    USE averaging,                                                             &
[2680]808        ONLY:  diss_av, kh_av, km_av
[2353]809
810    IMPLICIT NONE
811
[3083]812    CHARACTER (LEN=*) ::  variable   !< name of variable
[2353]813
[3129]814    INTEGER(iwp) ::  av        !< flag for (non-)average output
815    INTEGER(iwp) ::  flag_nr   !< number of masking flag
816    INTEGER(iwp) ::  i         !< loop index
817    INTEGER(iwp) ::  j         !< loop index
818    INTEGER(iwp) ::  k         !< loop index
819    INTEGER(iwp) ::  nzb_do    !< lower limit of the data output (usually 0)
820    INTEGER(iwp) ::  nzt_do    !< vertical upper limit of the data output (usually nz_do3d)
[2353]821
[3129]822    LOGICAL ::  found     !< flag if output variable is found
823    LOGICAL ::  resorted  !< flag if output is already resorted
[2353]824
[3545]825    REAL(wp) ::  fill_value = -9999.0_wp  !< value for the _FillValue attribute
[3004]826
[3014]827    REAL(sp), DIMENSION(nxl:nxr,nys:nyn,nzb_do:nzt_do) ::  local_pf   !< local
[2353]828       !< array to which output data is resorted to
829
[3129]830    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), POINTER ::  to_be_resorted  !< points to selected output variable
[2353]831
832    found = .TRUE.
[3129]833    resorted = .FALSE.
834!
835!-- Set masking flag for topography for not resorted arrays
836    flag_nr = 0
[2353]837
838    SELECT CASE ( TRIM( variable ) )
839
840       CASE ( 'diss' )
841          IF ( av == 0 )  THEN
[3129]842             to_be_resorted => diss
[2353]843          ELSE
[3004]844             IF ( .NOT. ALLOCATED( diss_av ) ) THEN
845                ALLOCATE( diss_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
846                diss_av = REAL( fill_value, KIND = wp )
847             ENDIF
[3129]848             to_be_resorted => diss_av
[2353]849          ENDIF
850
[2680]851       CASE ( 'kh' )
852          IF ( av == 0 )  THEN
[3129]853             to_be_resorted => kh
[2680]854          ELSE
[3004]855             IF ( .NOT. ALLOCATED( kh_av ) ) THEN
856                ALLOCATE( kh_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
857                kh_av = REAL( fill_value, KIND = wp )
858             ENDIF
[3129]859             to_be_resorted => kh_av
[2680]860          ENDIF
[2358]861
[2680]862       CASE ( 'km' )
863          IF ( av == 0 )  THEN
[3129]864             to_be_resorted => km
[2680]865          ELSE
[3004]866             IF ( .NOT. ALLOCATED( km_av ) ) THEN
867                ALLOCATE( km_av(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
868                km_av = REAL( fill_value, KIND = wp )
869             ENDIF
[3129]870             to_be_resorted => km_av
[2680]871          ENDIF
[3083]872         
[2353]873       CASE DEFAULT
[2680]874          found = .FALSE.
[2353]875
876    END SELECT
877
[3129]878
879    IF ( found .AND. .NOT. resorted )  THEN
880       DO  i = nxl, nxr
881          DO  j = nys, nyn
882             DO  k = nzb_do, nzt_do
883                local_pf(i,j,k) = MERGE(                                 &
884                                   to_be_resorted(k,j,i),                &
885                                   REAL( fill_value, KIND = wp ),        &
886                                   BTEST( wall_flags_0(k,j,i), flag_nr ) )
887             ENDDO
888          ENDDO
889       ENDDO
890       resorted = .TRUE.
891    ENDIF
892
[2680]893 END SUBROUTINE tcm_data_output_3d
[2353]894
895
896!------------------------------------------------------------------------------!
897! Description:
898! ------------
[2761]899!> Allocate arrays and assign pointers.
900!------------------------------------------------------------------------------!
901 SUBROUTINE tcm_init_arrays
902
[3274]903    USE bulk_cloud_model_mod,                                                  &
[2761]904        ONLY:  collision_turbulence
905
906    USE particle_attributes,                                                   &
907        ONLY:  use_sgs_for_particles, wang_kernel
908
[2938]909    USE pmc_interface,                                                         &
910        ONLY:  nested_run
911
[2761]912    IMPLICIT NONE
913
914    ALLOCATE( kh(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
915    ALLOCATE( km(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
916
917    ALLOCATE( e_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
918    ALLOCATE( e_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
919    ALLOCATE( e_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
[3636]920
[2938]921!
922!-- Allocate arrays required for dissipation.
923!-- Please note, if it is a nested run, arrays need to be allocated even if
924!-- they do not necessarily need to be transferred, which is attributed to
925!-- the design of the model coupler which allocates memory for each variable.
[3083]926    IF ( rans_mode  .OR.  use_sgs_for_particles  .OR.  wang_kernel  .OR.       &
[2938]927         collision_turbulence  .OR.  nested_run )  THEN
[3636]928
[2761]929       ALLOCATE( diss_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
[2938]930       IF ( rans_tke_e  .OR.  nested_run )  THEN
[2761]931          ALLOCATE( diss_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
932          ALLOCATE( diss_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
933       ENDIF
[3636]934
[2761]935    ENDIF
936
937!
938!-- Initial assignment of pointers
939    e  => e_1;   e_p  => e_2;   te_m  => e_3
940
[3083]941    IF ( rans_mode  .OR.  use_sgs_for_particles  .OR.     &
[2938]942         wang_kernel  .OR.  collision_turbulence  .OR.  nested_run )  THEN
[2761]943       diss => diss_1
[2938]944       IF ( rans_tke_e  .OR.  nested_run )  THEN
[2761]945       diss_p => diss_2; tdiss_m => diss_3
946       ENDIF
947    ENDIF
948
949 END SUBROUTINE tcm_init_arrays
950
951
952!------------------------------------------------------------------------------!
953! Description:
954! ------------
[2680]955!> Initialization of turbulence closure module.
[2353]956!------------------------------------------------------------------------------!
957 SUBROUTINE tcm_init
958
959    USE control_parameters,                                                    &
[3241]960        ONLY:  bc_dirichlet_l, complex_terrain, topography
[2353]961
962    USE model_1d_mod,                                                          &
[3241]963        ONLY:  e1d, kh1d, km1d
[2353]964
[2761]965    USE surface_mod,                                                           &
966        ONLY:  get_topography_top_index_ji
967
[2353]968    IMPLICIT NONE
969
[2761]970    INTEGER(iwp) :: i            !< loop index
971    INTEGER(iwp) :: j            !< loop index
972    INTEGER(iwp) :: k            !< loop index
[3083]973    INTEGER(iwp) :: nz_s_shift   !< lower shift index for scalars
974    INTEGER(iwp) :: nz_s_shift_l !< local lower shift index in case of turbulent inflow
[2353]975
976!
[2913]977!-- Initialize mixing length
978    CALL tcm_init_mixing_length
979
980!
[2353]981!-- Actions for initial runs
982    IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data'  .AND.            &
983         TRIM( initializing_actions ) /= 'cyclic_fill' )  THEN
984
985       IF ( INDEX( initializing_actions, 'set_1d-model_profiles' ) /= 0 )  THEN
[3129]986
987          IF ( .NOT. rans_tke_e ) THEN
[2353]988!
[3129]989!--          Transfer initial profiles to the arrays of the 3D model
990             DO  i = nxlg, nxrg
991                DO  j = nysg, nyng
992                   e(:,j,i)  = e1d
993                   kh(:,j,i) = kh1d
994                   km(:,j,i) = km1d
995                ENDDO
[2353]996             ENDDO
997
[3129]998             IF ( constant_diffusion )  THEN
999                e = 0.0_wp
1000             ENDIF
[2353]1001
[3129]1002          ELSE
1003!
1004!--          In case of TKE-e closure in RANS mode, do not use e, diss, and km
1005!--          profiles from 1D model. Instead, initialize with constant profiles
1006             IF ( constant_diffusion )  THEN
1007                km = km_constant
1008                kh = km / prandtl_number
1009                e  = 0.0_wp
1010             ELSEIF ( e_init > 0.0_wp )  THEN
[2519]1011                DO  i = nxlg, nxrg
1012                   DO  j = nysg, nyng
1013                      DO  k = nzb+1, nzt
[3129]1014                         km(k,j,i) = c_0 * l_wall(k,j,i) * SQRT( e_init )
[2519]1015                      ENDDO
1016                   ENDDO
1017                ENDDO
[3129]1018                km(nzb,:,:)   = km(nzb+1,:,:)
1019                km(nzt+1,:,:) = km(nzt,:,:)
1020                kh = km / prandtl_number
1021                e  = e_init
1022             ELSE
[3294]1023                IF ( .NOT. ocean_mode )  THEN
[3129]1024                   kh   = 0.01_wp   ! there must exist an initial diffusion, because
1025                   km   = 0.01_wp   ! otherwise no TKE would be produced by the
[3545]1026                                    ! production terms, as long as not yet
1027                                    ! e = (u*/cm)**2 at k=nzb+1
[3129]1028                ELSE
1029                   kh   = 0.00001_wp
1030                   km   = 0.00001_wp
1031                ENDIF
1032                e    = 0.0_wp
[2519]1033             ENDIF
[3129]1034
1035             DO  i = nxlg, nxrg
1036                DO  j = nysg, nyng
1037                   DO  k = nzb+1, nzt
1038                      diss(k,j,i) = c_0**4 * e(k,j,i)**2 / km(k,j,i)
1039                   ENDDO
1040                ENDDO
1041             ENDDO
1042             diss(nzb,:,:) = diss(nzb+1,:,:)
1043             diss(nzt+1,:,:) = diss(nzt,:,:)
1044
[2353]1045          ENDIF
1046
[2761]1047       ELSEIF ( INDEX(initializing_actions, 'set_constant_profiles') /= 0 .OR. &
1048                INDEX( initializing_actions, 'inifor' ) /= 0 )  THEN
[2353]1049
1050          IF ( constant_diffusion )  THEN
[3083]1051             km = km_constant
1052             kh = km / prandtl_number
1053             e  = 0.0_wp
[2353]1054          ELSEIF ( e_init > 0.0_wp )  THEN
[3083]1055             DO  i = nxlg, nxrg
1056                DO  j = nysg, nyng
1057                   DO  k = nzb+1, nzt
1058                      km(k,j,i) = c_0 * l_wall(k,j,i) * SQRT( e_init )
1059                   ENDDO
1060                ENDDO
[2353]1061             ENDDO
1062             km(nzb,:,:)   = km(nzb+1,:,:)
1063             km(nzt+1,:,:) = km(nzt,:,:)
[3083]1064             kh = km / prandtl_number
1065             e  = e_init
[2353]1066          ELSE
[3294]1067             IF ( .NOT. ocean_mode )  THEN
[2353]1068                kh   = 0.01_wp   ! there must exist an initial diffusion, because
1069                km   = 0.01_wp   ! otherwise no TKE would be produced by the
[2680]1070                                 ! production terms, as long as not yet
1071                                 ! e = (u*/cm)**2 at k=nzb+1
[2353]1072             ELSE
1073                kh   = 0.00001_wp
1074                km   = 0.00001_wp
1075             ENDIF
1076             e    = 0.0_wp
1077          ENDIF
1078
[3083]1079          IF ( rans_tke_e )  THEN
1080             DO  i = nxlg, nxrg
1081                DO  j = nysg, nyng
1082                   DO  k = nzb+1, nzt
1083                      diss(k,j,i) = c_0**4 * e(k,j,i)**2 / km(k,j,i)
1084                   ENDDO
1085                ENDDO
1086             ENDDO
1087             diss(nzb,:,:) = diss(nzb+1,:,:)
1088             diss(nzt+1,:,:) = diss(nzt,:,:)
1089          ENDIF
1090
[2353]1091       ENDIF
1092!
1093!--    Store initial profiles for output purposes etc.
1094       hom(:,1,23,:) = SPREAD( km(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1095       hom(:,1,24,:) = SPREAD( kh(:,nys,nxl), 2, statistic_regions+1 )
1096!
1097!--    Initialize old and new time levels.
1098       te_m = 0.0_wp
1099       e_p = e
[2519]1100       IF ( rans_tke_e )  THEN
1101          tdiss_m = 0.0_wp
1102          diss_p = diss
1103       ENDIF
[2353]1104
1105    ELSEIF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data'  .OR.         &
1106             TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )                   &
1107    THEN
1108
1109!
[2761]1110!--    In case of complex terrain and cyclic fill method as initialization,
1111!--    shift initial data in the vertical direction for each point in the
1112!--    x-y-plane depending on local surface height
1113       IF ( complex_terrain  .AND.                                             &
1114            TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' )  THEN
1115          DO  i = nxlg, nxrg
1116             DO  j = nysg, nyng
1117                nz_s_shift = get_topography_top_index_ji( j, i, 's' )
1118
1119                e(nz_s_shift:nzt+1,j,i)  =  e(0:nzt+1-nz_s_shift,j,i)
1120                km(nz_s_shift:nzt+1,j,i) = km(0:nzt+1-nz_s_shift,j,i)
1121                kh(nz_s_shift:nzt+1,j,i) = kh(0:nzt+1-nz_s_shift,j,i)
1122             ENDDO
1123          ENDDO
[3083]1124          IF ( rans_tke_e )  THEN
1125             DO  i = nxlg, nxrg
1126                DO  j = nysg, nyng
1127                   nz_s_shift = get_topography_top_index_ji( j, i, 's' )
1128
1129                   diss(nz_s_shift:nzt+1,j,i) = diss(0:nzt+1-nz_s_shift,j,i)
1130                ENDDO
1131             ENDDO
1132          ENDIF
[2761]1133       ENDIF
1134
1135!
[2353]1136!--    Initialization of the turbulence recycling method
1137       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill'  .AND.               &
1138            turbulent_inflow )  THEN
[2680]1139          mean_inflow_profiles(:,5) = hom_sum(:,8,0)   ! e
[2353]1140!
[2761]1141!--       In case of complex terrain, determine vertical displacement at inflow
1142!--       boundary and adjust mean inflow profiles
1143          IF ( complex_terrain )  THEN
[3083]1144             IF ( nxlg <= 0 .AND. nxrg >= 0 .AND.  &
1145                  nysg <= 0 .AND. nyng >= 0        )  THEN
[2761]1146                nz_s_shift_l = get_topography_top_index_ji( 0, 0, 's' )
1147             ELSE
1148                nz_s_shift_l = 0
1149             ENDIF
1150#if defined( __parallel )
1151             CALL MPI_ALLREDUCE(nz_s_shift_l, nz_s_shift, 1, MPI_INTEGER,      &
1152                                MPI_MAX, comm2d, ierr)
1153#else
1154             nz_s_shift = nz_s_shift_l
1155#endif
[3083]1156             mean_inflow_profiles(nz_s_shift:nzt+1,5) =  &
1157                hom_sum(0:nzt+1-nz_s_shift,8,0)  ! e
[2761]1158          ENDIF
1159!
[2353]1160!--       Use these mean profiles at the inflow (provided that Dirichlet
1161!--       conditions are used)
[3182]1162          IF ( bc_dirichlet_l )  THEN
[2353]1163             DO  j = nysg, nyng
1164                DO  k = nzb, nzt+1
1165                   e(k,j,nxlg:-1)  = mean_inflow_profiles(k,5)
1166                ENDDO
1167             ENDDO
1168          ENDIF
1169       ENDIF
1170!
1171!--    Inside buildings set TKE back to zero
1172       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'cyclic_fill' .AND.                &
1173            topography /= 'flat' )  THEN
1174!
[2761]1175!--       Inside buildings set TKE back to zero.
[3083]1176!--       Other scalars (km, kh,...) are ignored at present,
[2353]1177!--       maybe revise later.
1178          DO  i = nxlg, nxrg
1179             DO  j = nysg, nyng
1180                DO  k = nzb, nzt
1181                   e(k,j,i)     = MERGE( e(k,j,i), 0.0_wp,                     &
1182                                         BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
1183                ENDDO
1184             ENDDO
1185          ENDDO
1186
[3083]1187          IF ( rans_tke_e )  THEN
1188             DO  i = nxlg, nxrg
1189                DO  j = nysg, nyng
1190                   DO  k = nzb, nzt
1191                      diss(k,j,i)    = MERGE( diss(k,j,i), 0.0_wp,             &
1192                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
1193                   ENDDO
1194                ENDDO
1195             ENDDO
1196          ENDIF
[2353]1197       ENDIF
1198!
1199!--    Initialize new time levels (only done in order to set boundary values
1200!--    including ghost points)
1201       e_p = e
1202!
1203!--    Allthough tendency arrays are set in prognostic_equations, they have
[3083]1204!--    to be predefined here because there they are used (but multiplied with 0)
1205!--    before they are set.
[2353]1206       te_m = 0.0_wp
1207
[3083]1208       IF ( rans_tke_e )  THEN
1209          diss_p = diss
1210          tdiss_m = 0.0_wp
1211       ENDIF
1212
[2353]1213    ENDIF
1214
1215 END SUBROUTINE tcm_init
1216
1217
[2901]1218! Description:
1219! -----------------------------------------------------------------------------!
1220!> Pre-computation of grid-dependent and near-wall mixing length.
[3299]1221!> @todo consider walls in horizontal direction at a distance further than a
1222!>       single grid point (RANS mode)
[2353]1223!------------------------------------------------------------------------------!
[2901]1224 SUBROUTINE tcm_init_mixing_length
1225
1226    USE arrays_3d,                                                             &
[2913]1227        ONLY:  dzw, ug, vg, zu, zw
[2901]1228
1229    USE control_parameters,                                                    &
[3129]1230        ONLY:  bc_lr_cyc, bc_ns_cyc, f, message_string, wall_adjustment_factor
[2901]1231
1232    USE grid_variables,                                                        &
1233        ONLY:  dx, dy
1234
1235    USE indices,                                                               &
[2905]1236        ONLY:  nbgp, nx, nxl, nxlg, nxr, nxrg, ny, nyn, nyng, nys, nysg, nzb,  &
1237               nzt, wall_flags_0
1238
[2901]1239    USE kinds
1240
[2916]1241
[2901]1242    IMPLICIT NONE
1243
[2910]1244    INTEGER(iwp) :: dist_dx        !< found distance devided by dx
1245    INTEGER(iwp) :: i              !< index variable along x
1246    INTEGER(iwp) :: ii             !< index variable along x
1247    INTEGER(iwp) :: j              !< index variable along y
1248    INTEGER(iwp) :: k              !< index variable along z
1249    INTEGER(iwp) :: k_max_topo = 0 !< index of maximum topography height
1250    INTEGER(iwp) :: kk             !< index variable along z
1251    INTEGER(iwp) :: rad_i          !< search radius in grid points along x
1252    INTEGER(iwp) :: rad_i_l        !< possible search radius to the left
1253    INTEGER(iwp) :: rad_i_r        !< possible search radius to the right
1254    INTEGER(iwp) :: rad_j          !< search radius in grid points along y
1255    INTEGER(iwp) :: rad_j_n        !< possible search radius to north
1256    INTEGER(iwp) :: rad_j_s        !< possible search radius to south
1257    INTEGER(iwp) :: rad_k          !< search radius in grid points along z
1258    INTEGER(iwp) :: rad_k_b        !< search radius in grid points along negative z
1259    INTEGER(iwp) :: rad_k_t        !< search radius in grid points along positive z
[2901]1260
[2915]1261    INTEGER(KIND=1), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE :: vic_yz !< contains a quarter of a single yz-slice of vicinity
1262
[2905]1263    INTEGER(KIND=1), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE :: vicinity !< contains topography information of the vicinity of (i/j/k)
1264
[2907]1265    INTEGER(iwp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE :: wall_flags_dummy    !< dummy array required for MPI_ALLREDUCE command
1266
[2905]1267    REAL(wp) :: radius           !< search radius in meter
1268
[2901]1269    ALLOCATE( l_grid(1:nzt) )
1270    ALLOCATE( l_wall(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
1271!
[2905]1272!-- Initialize the mixing length in case of an LES-simulation
1273    IF ( .NOT. rans_mode )  THEN
[2901]1274!
[2905]1275!--    Compute the grid-dependent mixing length.
1276       DO  k = 1, nzt
1277          l_grid(k)  = ( dx * dy * dzw(k) )**0.33333333333333_wp
1278       ENDDO
1279!
1280!--    Initialize near-wall mixing length l_wall only in the vertical direction
1281!--    for the moment, multiplication with wall_adjustment_factor further below
1282       l_wall(nzb,:,:)   = l_grid(1)
1283       DO  k = nzb+1, nzt
1284          l_wall(k,:,:)  = l_grid(k)
1285       ENDDO
1286       l_wall(nzt+1,:,:) = l_grid(nzt)
[2901]1287
[2905]1288       DO  k = 1, nzt
[3083]1289          IF ( l_grid(k) > 1.5_wp * dx * wall_adjustment_factor .OR.            &
[2905]1290               l_grid(k) > 1.5_wp * dy * wall_adjustment_factor )  THEN
[3083]1291             WRITE( message_string, * ) 'grid anisotropy exceeds ',             &
1292                                        'threshold given by only local',        &
1293                                        ' &horizontal reduction of near_wall ', &
1294                                        'mixing length l_wall',                 &
1295                                        ' &starting from height level k = ', k, &
[3045]1296                                        '.'
[2905]1297             CALL message( 'init_grid', 'PA0202', 0, 1, 0, 6, 0 )
1298             EXIT
1299          ENDIF
1300       ENDDO
[2901]1301!
[2905]1302!--    In case of topography: limit near-wall mixing length l_wall further:
1303!--    Go through all points of the subdomain one by one and look for the closest
1304!--    surface.
1305!--    Is this correct in the ocean case?
1306       DO  i = nxl, nxr
1307          DO  j = nys, nyn
1308             DO  k = nzb+1, nzt
[2901]1309!
[2905]1310!--             Check if current gridpoint belongs to the atmosphere
1311                IF ( BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )  THEN
[2901]1312!
[2905]1313!--                Check for neighbouring grid-points.
1314!--                Vertical distance, down
1315                   IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_0(k-1,j,i), 0 ) )              &
1316                      l_wall(k,j,i) = MIN( l_grid(k), zu(k) - zw(k-1) )
[2901]1317!
[2905]1318!--                Vertical distance, up
1319                   IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_0(k+1,j,i), 0 ) )              &
1320                      l_wall(k,j,i) = MIN( l_grid(k), zw(k) - zu(k) )
[2901]1321!
[2905]1322!--                y-distance
1323                   IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_0(k,j-1,i), 0 )  .OR.          &
1324                        .NOT. BTEST( wall_flags_0(k,j+1,i), 0 ) )              &
1325                      l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i), l_grid(k), 0.5_wp * dy )
[2901]1326!
[2905]1327!--                x-distance
1328                   IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_0(k,j,i-1), 0 )  .OR.          &
1329                        .NOT. BTEST( wall_flags_0(k,j,i+1), 0 ) )              &
1330                      l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i), l_grid(k), 0.5_wp * dx )
[2901]1331!
[2905]1332!--                 yz-distance (vertical edges, down)
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                                          ( zu(k) - zw(k-1) )**2 ) )
[2901]1338!
[2905]1339!--                  yz-distance (vertical edges, up)
1340                    IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_0(k+1,j-1,i), 0 )  .OR.       &
1341                         .NOT. BTEST( wall_flags_0(k+1,j+1,i), 0 )  )          &
1342                      l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i), l_grid(k),           &
1343                                           SQRT( 0.25_wp * dy**2 +             &
1344                                          ( zw(k) - zu(k) )**2 ) )
[2901]1345!   
[2905]1346!--                 xz-distance (vertical edges, down)
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                                          ( zu(k) - zw(k-1) )**2 ) )
[2901]1352!
[2905]1353!--                 xz-distance (vertical edges, up)
1354                    IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_0(k+1,j,i-1), 0 )  .OR.       &
1355                         .NOT. BTEST( wall_flags_0(k+1,j,i+1), 0 )  )          &
1356                     l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i), l_grid(k),            &
1357                                           SQRT( 0.25_wp * dx**2 +             &
1358                                          ( zw(k) - zu(k) )**2 ) )
[2901]1359!
[2905]1360!--                xy-distance (horizontal edges)
1361                   IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_0(k,j-1,i-1), 0 )  .OR.        &
1362                        .NOT. BTEST( wall_flags_0(k,j+1,i-1), 0 )  .OR.        &
1363                        .NOT. BTEST( wall_flags_0(k,j-1,i+1), 0 )  .OR.        &
1364                        .NOT. BTEST( wall_flags_0(k,j+1,i+1), 0 ) )            &
1365                      l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i), l_grid(k),           &
1366                                           SQRT( 0.25_wp * ( dx**2 + dy**2 ) ) )
[2901]1367!
[2905]1368!--                xyz distance (vertical and horizontal edges, down)
1369                   IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_0(k-1,j-1,i-1), 0 )  .OR.      &
1370                        .NOT. BTEST( wall_flags_0(k-1,j+1,i-1), 0 )  .OR.      &
1371                        .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 ) )          &
1373                      l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i), l_grid(k),           &
1374                                           SQRT( 0.25_wp * ( dx**2 + dy**2 )   &
1375                                                 +  ( zu(k) - zw(k-1) )**2  ) )
[2901]1376!
[2905]1377!--                xyz distance (vertical and horizontal edges, up)
1378                   IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_0(k+1,j-1,i-1), 0 )  .OR.      &
1379                        .NOT. BTEST( wall_flags_0(k+1,j+1,i-1), 0 )  .OR.      &
1380                        .NOT. BTEST( wall_flags_0(k+1,j-1,i+1), 0 )  .OR.      &
1381                        .NOT. BTEST( wall_flags_0(k+1,j+1,i+1), 0 ) )          &
1382                      l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i), l_grid(k),           &
1383                                           SQRT( 0.25_wp * ( dx**2 + dy**2 )   &
1384                                                 +  ( zw(k) - zu(k) )**2  ) )
1385                     
1386                ENDIF
1387             ENDDO
[2901]1388          ENDDO
1389       ENDDO
[2905]1390
1391    ELSE
[2901]1392!
[2905]1393!-- Initialize the mixing length in case of a RANS simulation
[3083]1394       ALLOCATE( l_black(nzb:nzt+1) )
[2901]1395
[2902]1396!
[2905]1397!--    Calculate mixing length according to Blackadar (1962)
[2902]1398       IF ( f /= 0.0_wp )  THEN
[3083]1399          l_max = 2.7E-4_wp * SQRT( ug(nzt+1)**2 + vg(nzt+1)**2 ) /            &
1400                  ABS( f ) + 1.0E-10_wp
[2902]1401       ELSE
1402          l_max = 30.0_wp
1403       ENDIF
1404
1405       DO  k = nzb, nzt
1406          l_black(k) = kappa * zu(k) / ( 1.0_wp + kappa * zu(k) / l_max )
1407       ENDDO
1408
1409       l_black(nzt+1) = l_black(nzt)
1410
[2905]1411!
[3299]1412!--    Get height level of highest topography within local subdomain
1413       DO  i = nxlg, nxrg
1414          DO  j = nysg, nyng
[2910]1415             DO  k = nzb+1, nzt-1
[3299]1416                IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) .AND.  &
[2910]1417                     k > k_max_topo )  &
1418                   k_max_topo = k
1419             ENDDO
1420          ENDDO
1421       ENDDO
[3083]1422
1423       l_wall(nzb,:,:) = l_black(nzb)
1424       l_wall(nzt+1,:,:) = l_black(nzt+1)
[2910]1425!
[2905]1426!--    Limit mixing length to either nearest wall or Blackadar mixing length.
1427!--    For that, analyze each grid point (i/j/k) ("analysed grid point") and
1428!--    search within its vicinity for the shortest distance to a wall by cal-
1429!--    culating the distance between the analysed grid point and the "viewed
1430!--    grid point" if it contains a wall (belongs to topography).
1431       DO  k = nzb+1, nzt
[2902]1432
[2905]1433          radius = l_black(k)  ! radius within walls are searched
1434!
1435!--       Set l_wall to its default maximum value (l_back)
1436          l_wall(k,:,:) = radius
1437
1438!
1439!--       Compute search radius as number of grid points in all directions
1440          rad_i = CEILING( radius / dx )
1441          rad_j = CEILING( radius / dy )
1442
1443          DO  kk = 0, nzt-k
1444             rad_k_t = kk
1445!
1446!--          Limit upward search radius to height of maximum topography
[2910]1447             IF ( zu(k+kk)-zu(k) >= radius .OR. k+kk >= k_max_topo )  EXIT
[2905]1448          ENDDO
1449
1450          DO  kk = 0, k
1451             rad_k_b = kk
1452             IF ( zu(k)-zu(k-kk) >= radius )  EXIT
1453          ENDDO
1454
1455!
1456!--       Get maximum vertical radius; necessary for defining arrays
1457          rad_k = MAX( rad_k_b, rad_k_t )
1458!
1459!--       When analysed grid point lies above maximum topography, set search
1460!--       radius to 0 if the distance between the analysed grid point and max
1461!--       topography height is larger than the maximum search radius
[2910]1462          IF ( zu(k-rad_k_b) > zu(k_max_topo) )  rad_k_b = 0
[2905]1463!
1464!--       Search within vicinity only if the vertical search radius is >0
1465          IF ( rad_k_b /= 0 .OR. rad_k_t /= 0 )  THEN
1466
[3083]1467             !> @note shape of vicinity is larger in z direction
1468             !>   Shape of vicinity is two grid points larger than actual search
1469             !>   radius in vertical direction. The first and last grid point is
1470             !>   always set to 1 to asure correct detection of topography. See
1471             !>   function "shortest_distance" for details.
1472             !>   2018-03-16, gronemeier
[2905]1473             ALLOCATE( vicinity(-rad_k-1:rad_k+1,-rad_j:rad_j,-rad_i:rad_i) )
[2915]1474             ALLOCATE( vic_yz(0:rad_k+1,0:rad_j) )
[2905]1475
1476             vicinity = 1
1477
1478             DO  i = nxl, nxr
1479                DO  j = nys, nyn
1480!
1481!--                Start search only if (i/j/k) belongs to atmosphere
1482                   IF ( BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 )  )  THEN
1483!
1484!--                   Reset topography within vicinity
1485                      vicinity(-rad_k:rad_k,:,:) = 0
1486!
[2909]1487!--                   Copy area surrounding analysed grid point into vicinity.
1488!--                   First, limit size of data copied to vicinity by the domain
1489!--                   border
[3299]1490                      !> @note limit copied area to 1 grid point in hor. dir.
1491                      !>   Ignore walls in horizontal direction which are
1492                      !>   further away than a single grid point. This allows to
1493                      !>   only search within local subdomain without the need
1494                      !>   of global topography information.
1495                      !>   The error made by this assumption are acceptable at
1496                      !>   the moment.
1497                      !>   2018-10-01, gronemeier
1498                      rad_i_l = MIN( 1, rad_i, i )
1499                      rad_i_r = MIN( 1, rad_i, nx-i )
[2907]1500
[3299]1501                      rad_j_s = MIN( 1, rad_j, j )
1502                      rad_j_n = MIN( 1, rad_j, ny-j )
[2909]1503
1504                      CALL copy_into_vicinity( k, j, i,           &
1505                                               -rad_k_b, rad_k_t, &
1506                                               -rad_j_s, rad_j_n, &
1507                                               -rad_i_l, rad_i_r  )
[3299]1508                      !> @note in case of cyclic boundaries, those parts of the
1509                      !>   topography which lies beyond the domain borders but
1510                      !>   still within the search radius still needs to be
1511                      !>   copied into 'vicinity'. As the effective search
1512                      !>   radius is limited to 1 at the moment, no further
1513                      !>   copying is needed. Old implementation (prior to
1514                      !>   2018-10-01) had this covered but used a global array.
1515                      !>   2018-10-01, gronemeier
[2907]1516
[2905]1517!
1518!--                   Search for walls only if there is any within vicinity
1519                      IF ( MAXVAL( vicinity(-rad_k:rad_k,:,:) ) /= 0 )  THEN
1520!
1521!--                      Search within first half (positive x)
1522                         dist_dx = rad_i
1523                         DO  ii = 0, dist_dx
1524!
1525!--                         Search along vertical direction only if below
1526!--                         maximum topography
1527                            IF ( rad_k_t > 0 ) THEN
1528!
1529!--                            Search for walls within octant (+++)
[2915]1530                               vic_yz = vicinity(0:rad_k+1,0:rad_j,ii)
[2905]1531                               l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i),             &
[2915]1532                                       shortest_distance( vic_yz, .TRUE., ii ) )
[2905]1533!
1534!--                            Search for walls within octant (+-+)
1535!--                            Switch order of array so that the analysed grid
1536!--                            point is always located at (0/0) (required by
1537!--                            shortest_distance").
[2915]1538                               vic_yz = vicinity(0:rad_k+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, .TRUE., ii ) )
[2905]1541
1542                            ENDIF
1543!
1544!--                         Search for walls within octant (+--)
[2915]1545                            vic_yz = vicinity(0:-rad_k-1:-1,0:-rad_j:-1,ii)
[2905]1546                            l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i),                &
[2915]1547                                      shortest_distance( vic_yz, .FALSE., ii ) )
[2905]1548!
1549!--                         Search for walls within octant (++-)
[2915]1550                            vic_yz = vicinity(0:-rad_k-1:-1,0:rad_j,ii)
[2905]1551                            l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i),                &
[2915]1552                                      shortest_distance( vic_yz, .FALSE., ii ) )
[2905]1553!
1554!--                         Reduce search along x by already found distance
1555                            dist_dx = CEILING( l_wall(k,j,i) / dx )
1556
1557                         ENDDO
1558!
1559!-                       Search within second half (negative x)
1560                         DO  ii = 0, -dist_dx, -1
1561!
1562!--                         Search along vertical direction only if below
1563!--                         maximum topography
1564                            IF ( rad_k_t > 0 ) THEN
1565!
1566!--                            Search for walls within octant (-++)
[2915]1567                               vic_yz = vicinity(0:rad_k+1,0:rad_j,ii)
[2905]1568                               l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i),             &
[2915]1569                                      shortest_distance( vic_yz, .TRUE., -ii ) )
[2905]1570!
1571!--                            Search for walls within octant (--+)
1572!--                            Switch order of array so that the analysed grid
1573!--                            point is always located at (0/0) (required by
1574!--                            shortest_distance").
[2915]1575                               vic_yz = vicinity(0:rad_k+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, .TRUE., -ii ) )
[2905]1578
1579                            ENDIF
1580!
1581!--                         Search for walls within octant (---)
[2915]1582                            vic_yz = vicinity(0:-rad_k-1:-1,0:-rad_j:-1,ii)
[2905]1583                            l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i),                &
[2915]1584                                     shortest_distance( vic_yz, .FALSE., -ii ) )
[2905]1585!
1586!--                         Search for walls within octant (-+-)
[2915]1587                            vic_yz = vicinity(0:-rad_k-1:-1,0:rad_j,ii)
[2905]1588                            l_wall(k,j,i) = MIN( l_wall(k,j,i),                &
[2915]1589                                     shortest_distance( vic_yz, .FALSE., -ii ) )
[2905]1590!
1591!--                         Reduce search along x by already found distance
1592                            dist_dx = CEILING( l_wall(k,j,i) / dx )
1593
1594                         ENDDO
1595
1596                      ENDIF  !Check for any walls within vicinity
1597
1598                   ELSE  !Check if (i,j,k) belongs to atmosphere
1599
[3083]1600                      l_wall(k,j,i) = l_black(k)
[2905]1601
1602                   ENDIF
1603
1604                ENDDO  !j loop
1605             ENDDO  !i loop
1606
[2911]1607             DEALLOCATE( vicinity )
[2915]1608             DEALLOCATE( vic_yz )
[2905]1609
1610          ENDIF  !check vertical size of vicinity
1611
1612       ENDDO  !k loop
1613
[3634]1614       !$ACC ENTER DATA COPYIN(l_black(nzb:nzt+1))
1615
[2905]1616    ENDIF  !LES or RANS mode
1617
1618!
1619!-- Set lateral boundary conditions for l_wall
1620    CALL exchange_horiz( l_wall, nbgp )
1621
[3634]1622    !$ACC ENTER DATA COPYIN(l_grid(nzb:nzt+1)) &
1623    !$ACC COPYIN(l_wall(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg))
1624
[2905]1625    CONTAINS
1626!------------------------------------------------------------------------------!
1627! Description:
1628! ------------
1629!> Calculate the shortest distance between position (i/j/k)=(0/0/0) and
1630!> (pos_i/jj/kk), where (jj/kk) is the position of the maximum of 'array'
1631!> closest to the origin (0/0) of 'array'.
1632!------------------------------------------------------------------------------!
[3241]1633    REAL(wp) FUNCTION shortest_distance( array, orientation, pos_i )
[2905]1634
1635       IMPLICIT NONE
1636
1637       LOGICAL, INTENT(IN) :: orientation    !< flag if array represents an array oriented upwards (true) or downwards (false)
1638
1639       INTEGER(iwp), INTENT(IN) :: pos_i     !< x position of the yz-plane 'array'
1640
[3299]1641       INTEGER(iwp) :: a                     !< loop index
1642       INTEGER(iwp) :: b                     !< loop index
[2905]1643       INTEGER(iwp) :: jj                    !< loop index
1644
[3299]1645       INTEGER(KIND=1) :: maximum            !< maximum of array along z dimension
1646
[2907]1647       INTEGER(iwp), DIMENSION(0:rad_j) :: loc_k !< location of closest wall along vertical dimension
[2905]1648
1649       INTEGER(KIND=1), DIMENSION(0:rad_k+1,0:rad_j), INTENT(IN) :: array !< array containing a yz-plane at position pos_i
1650
1651!
1652!--    Get coordinate of first maximum along vertical dimension
[3299]1653!--    at each y position of array (similar to function maxloc but more stable).
1654       DO  a = 0, rad_j
1655          loc_k(a) = rad_k+1
1656          maximum = MAXVAL( array(:,a) )
1657          DO  b = 0, rad_k+1
[3300]1658             IF ( array(b,a) == maximum )  THEN
[3299]1659                loc_k(a) = b
1660                EXIT
1661             ENDIF
1662          ENDDO
1663       ENDDO
[2905]1664!
1665!--    Set distance to the default maximum value (=search radius)
1666       shortest_distance = radius
1667!
1668!--    Calculate distance between position (0/0/0) and
1669!--    position (pos_i/jj/loc(jj)) and only save the shortest distance.
1670       IF ( orientation ) THEN  !if array is oriented upwards
1671          DO  jj = 0, rad_j
[3083]1672             shortest_distance =                                               &
1673                MIN( shortest_distance,                                        &
1674                     SQRT( MAX(REAL(pos_i, KIND=wp)*dx-0.5_wp*dx, 0.0_wp)**2   &
1675                         + MAX(REAL(jj, KIND=wp)*dy-0.5_wp*dy, 0.0_wp)**2      &
1676                         + MAX(zw(loc_k(jj)+k-1)-zu(k), 0.0_wp)**2             &
1677                         )                                                     &
1678                   )
[2905]1679          ENDDO
1680       ELSE  !if array is oriented downwards
[3083]1681          !> @note MAX within zw required to circumvent error at domain border
1682          !>   At the domain border, if non-cyclic boundary is present, the
1683          !>   index for zw could be -1, which will be errorneous (zw(-1) does
1684          !>   not exist). The MAX function limits the index to be at least 0.
[2905]1685          DO  jj = 0, rad_j
[3083]1686             shortest_distance =                                               &
1687                MIN( shortest_distance,                                        &
1688                     SQRT( MAX(REAL(pos_i, KIND=wp)*dx-0.5_wp*dx, 0.0_wp)**2   &
1689                         + MAX(REAL(jj, KIND=wp)*dy-0.5_wp*dy, 0.0_wp)**2      &
1690                         + MAX(zu(k)-zw(MAX(k-loc_k(jj),0_iwp)), 0.0_wp)**2    &
1691                         )                                                     &
1692                   )
[2905]1693          ENDDO
1694       ENDIF
[3083]1695       
[2905]1696    END FUNCTION
1697
[2908]1698!------------------------------------------------------------------------------!
1699! Description:
1700! ------------
[2909]1701!> Copy a subarray of size (kb:kt,js:jn,il:ir) centered around grid point
1702!> (kp,jp,ip) containing the first bit of wall_flags_0 into the array
1703!> 'vicinity'. Only copy first bit as this indicates the presence of topography.
[2908]1704!------------------------------------------------------------------------------!
1705    SUBROUTINE copy_into_vicinity( kp, jp, ip, kb, kt, js, jn, il, ir )
1706
1707       IMPLICIT NONE
1708
1709       INTEGER(iwp), INTENT(IN) :: il !< left loop boundary
1710       INTEGER(iwp), INTENT(IN) :: ip !< center position in x-direction
1711       INTEGER(iwp), INTENT(IN) :: ir !< right loop boundary
1712       INTEGER(iwp), INTENT(IN) :: jn !< northern loop boundary
1713       INTEGER(iwp), INTENT(IN) :: jp !< center position in y-direction
1714       INTEGER(iwp), INTENT(IN) :: js !< southern loop boundary
1715       INTEGER(iwp), INTENT(IN) :: kb !< bottom loop boundary
1716       INTEGER(iwp), INTENT(IN) :: kp !< center position in z-direction
1717       INTEGER(iwp), INTENT(IN) :: kt !< top loop boundary
1718
1719       INTEGER(iwp) :: i   !< loop index
1720       INTEGER(iwp) :: j   !< loop index
1721       INTEGER(iwp) :: k   !< loop index
1722
[2909]1723       DO  i = il, ir
1724          DO  j = js, jn
1725             DO  k = kb, kt
[2908]1726                vicinity(k,j,i) = MERGE( 0, 1,               &
[3299]1727                       BTEST( wall_flags_0(kp+k,jp+j,ip+i), 0 ) )
[2908]1728             ENDDO
1729          ENDDO
1730       ENDDO
1731
1732    END SUBROUTINE copy_into_vicinity
1733
[2901]1734 END SUBROUTINE tcm_init_mixing_length
1735
1736
1737!------------------------------------------------------------------------------!
[2353]1738! Description:
1739! ------------
[2680]1740!> Initialize virtual velocities used later in production_e.
[2353]1741!------------------------------------------------------------------------------!
[2680]1742 SUBROUTINE production_e_init
[2353]1743
[2680]1744    USE arrays_3d,                                                             &
1745        ONLY:  drho_air_zw, zu
[2353]1746
1747    USE control_parameters,                                                    &
[2680]1748        ONLY:  constant_flux_layer
[2353]1749
[3145]1750    USE surface_layer_fluxes_mod,                                              &
1751        ONLY:  phi_m
1752
[2353]1753    USE surface_mod,                                                           &
[3129]1754        ONLY :  surf_def_h, surf_lsm_h, surf_usm_h
[2353]1755
1756    IMPLICIT NONE
1757
[3120]1758    INTEGER(iwp) ::  i      !< grid index x-direction
1759    INTEGER(iwp) ::  j      !< grid index y-direction
1760    INTEGER(iwp) ::  k      !< grid index z-direction
1761    INTEGER(iwp) ::  m      !< running index surface elements
[3145]1762   
1763    REAL(wp) ::  km_sfc     !< diffusion coefficient, used to compute virtual velocities
[2353]1764
[2680]1765    IF ( constant_flux_layer )  THEN
[2353]1766!
[2680]1767!--    Calculate a virtual velocity at the surface in a way that the
1768!--    vertical velocity gradient at k = 1 (u(k+1)-u_0) matches the
1769!--    Prandtl law (-w'u'/km). This gradient is used in the TKE shear
1770!--    production term at k=1 (see production_e_ij).
1771!--    The velocity gradient has to be limited in case of too small km
1772!--    (otherwise the timestep may be significantly reduced by large
1773!--    surface winds).
1774!--    not available in case of non-cyclic boundary conditions.
1775!--    Default surfaces, upward-facing
1776       !$OMP PARALLEL DO PRIVATE(i,j,k,m)
[3634]1777       !$ACC PARALLEL LOOP PRIVATE(i, j, k, m, km_sfc) &
1778       !$ACC PRESENT(surf_def_h(0), u, v, drho_air_zw, zu)
[2680]1779       DO  m = 1, surf_def_h(0)%ns
[2353]1780
[2680]1781          i = surf_def_h(0)%i(m)           
1782          j = surf_def_h(0)%j(m)
1783          k = surf_def_h(0)%k(m)
[2353]1784!
[3130]1785!--       Note, calculation of u_0 and v_0 is not fully accurate, as u/v
[2680]1786!--       and km are not on the same grid. Actually, a further
1787!--       interpolation of km onto the u/v-grid is necessary. However, the
[3120]1788!--       effect of this error is negligible.
[3145]1789          km_sfc = kappa * surf_def_h(0)%us(m) * surf_def_h(0)%z_mo(m) /       &
1790                   phi_m( surf_def_h(0)%z_mo(m) / surf_def_h(0)%ol(m) )
1791
[2680]1792          surf_def_h(0)%u_0(m) = u(k+1,j,i) + surf_def_h(0)%usws(m) *          &
[3120]1793                                     drho_air_zw(k-1)               *          &
1794                                     ( zu(k+1) - zu(k-1)    )       /          &
[3145]1795                                     ( km_sfc  + 1.0E-20_wp )
[2680]1796          surf_def_h(0)%v_0(m) = v(k+1,j,i) + surf_def_h(0)%vsws(m) *          &
[3120]1797                                     drho_air_zw(k-1)               *          &
1798                                     ( zu(k+1) - zu(k-1)    )       /          &
[3145]1799                                     ( km_sfc  + 1.0E-20_wp )   
[2353]1800
[2680]1801          IF ( ABS( u(k+1,j,i) - surf_def_h(0)%u_0(m) )  >                     &
1802               ABS( u(k+1,j,i) - u(k-1,j,i)           )                        &
1803             )  surf_def_h(0)%u_0(m) = u(k-1,j,i)
[2353]1804
[2680]1805          IF ( ABS( v(k+1,j,i) - surf_def_h(0)%v_0(m) )  >                     &
1806               ABS( v(k+1,j,i) - v(k-1,j,i)           )                        &
1807             )  surf_def_h(0)%v_0(m) = v(k-1,j,i)
1808
1809       ENDDO
[2353]1810!
[2680]1811!--    Default surfaces, downward-facing surfaces
1812       !$OMP PARALLEL DO PRIVATE(i,j,k,m)
[3634]1813       !$ACC PARALLEL LOOP PRIVATE(i, j, k, m, km_sfc) &
1814       !$ACC PRESENT(surf_def_h(1), u, v, drho_air_zw, zu, km)
[2680]1815       DO  m = 1, surf_def_h(1)%ns
[2353]1816
[2680]1817          i = surf_def_h(1)%i(m)           
1818          j = surf_def_h(1)%j(m)
1819          k = surf_def_h(1)%k(m)
[3130]1820!
1821!--       Note, calculation of u_0 and v_0 is not fully accurate, as u/v
1822!--       and km are not on the same grid. Actually, a further
1823!--       interpolation of km onto the u/v-grid is necessary. However, the
1824!--       effect of this error is negligible.
[2680]1825          surf_def_h(1)%u_0(m) = u(k-1,j,i) - surf_def_h(1)%usws(m) *          &
1826                                     drho_air_zw(k-1) *                        &
1827                                     ( zu(k+1)    - zu(k-1)    )  /            &
1828                                     ( km(k,j,i)  + 1.0E-20_wp ) 
1829          surf_def_h(1)%v_0(m) = v(k-1,j,i) - surf_def_h(1)%vsws(m) *          &
1830                                     drho_air_zw(k-1) *                        &
1831                                     ( zu(k+1)    - zu(k-1)    )  /            &
1832                                     ( km(k,j,i)  + 1.0E-20_wp ) 
[2353]1833
[2680]1834          IF ( ABS( surf_def_h(1)%u_0(m) - u(k-1,j,i) )  >                     &
1835               ABS( u(k+1,j,i)           - u(k-1,j,i) )                        &
1836             )  surf_def_h(1)%u_0(m) = u(k+1,j,i)
[2353]1837
[2680]1838          IF ( ABS( surf_def_h(1)%v_0(m) - v(k-1,j,i) )  >                     &
1839               ABS( v(k+1,j,i)           - v(k-1,j,i) )                        &
1840             )  surf_def_h(1)%v_0(m) = v(k+1,j,i)
[2353]1841
[2680]1842       ENDDO
[2353]1843!
[2680]1844!--    Natural surfaces, upward-facing
1845       !$OMP PARALLEL DO PRIVATE(i,j,k,m)
[3634]1846       !$ACC PARALLEL LOOP PRIVATE(i, j, k, m, km_sfc) &
1847       !$ACC PRESENT(surf_lsm_h, u, v, drho_air_zw, zu)
[2680]1848       DO  m = 1, surf_lsm_h%ns
[2353]1849
[3130]1850          i = surf_lsm_h%i(m)
[2680]1851          j = surf_lsm_h%j(m)
1852          k = surf_lsm_h%k(m)
1853!
[3130]1854!--       Note, calculation of u_0 and v_0 is not fully accurate, as u/v
[2680]1855!--       and km are not on the same grid. Actually, a further
1856!--       interpolation of km onto the u/v-grid is necessary. However, the
[3130]1857!--       effect of this error is negligible.
[3145]1858          km_sfc = kappa * surf_lsm_h%us(m) * surf_lsm_h%z_mo(m) /             &
1859                   phi_m( surf_lsm_h%z_mo(m) / surf_lsm_h%ol(m) )
1860
[3120]1861          surf_lsm_h%u_0(m) = u(k+1,j,i) + surf_lsm_h%usws(m)    *             &
1862                                        drho_air_zw(k-1)         *             &
[3145]1863                                        ( zu(k+1) - zu(k-1)    ) /             &
1864                                        ( km_sfc  + 1.0E-20_wp ) 
[3120]1865          surf_lsm_h%v_0(m) = v(k+1,j,i) + surf_lsm_h%vsws(m)    *             &
1866                                        drho_air_zw(k-1)         *             &
1867                                        ( zu(k+1) - zu(k-1)    ) /             &
[3145]1868                                        ( km_sfc  + 1.0E-20_wp )
[2353]1869
[2680]1870          IF ( ABS( u(k+1,j,i) - surf_lsm_h%u_0(m) )  >                        &
1871               ABS( u(k+1,j,i) - u(k-1,j,i)   )                                &
1872             )  surf_lsm_h%u_0(m) = u(k-1,j,i)
1873
1874          IF ( ABS( v(k+1,j,i) - surf_lsm_h%v_0(m) )  >                        &
1875               ABS( v(k+1,j,i) - v(k-1,j,i)   )                                &
1876             )  surf_lsm_h%v_0(m) = v(k-1,j,i)
1877
1878       ENDDO
[2353]1879!
[2680]1880!--    Urban surfaces, upward-facing
1881       !$OMP PARALLEL DO PRIVATE(i,j,k,m)
[3634]1882       !$ACC PARALLEL LOOP PRIVATE(i, j, k, m, km_sfc) &
1883       !$ACC PRESENT(surf_usm_h, u, v, drho_air_zw, zu)
[2680]1884       DO  m = 1, surf_usm_h%ns
[2353]1885
[3130]1886          i = surf_usm_h%i(m)
[2680]1887          j = surf_usm_h%j(m)
1888          k = surf_usm_h%k(m)
[2353]1889!
[3130]1890!--       Note, calculation of u_0 and v_0 is not fully accurate, as u/v
[2680]1891!--       and km are not on the same grid. Actually, a further
1892!--       interpolation of km onto the u/v-grid is necessary. However, the
[3130]1893!--       effect of this error is negligible.
[3145]1894          km_sfc = kappa * surf_usm_h%us(m) * surf_usm_h%z_mo(m) /             &
1895                   phi_m( surf_usm_h%z_mo(m) / surf_usm_h%ol(m) )
1896
[3120]1897          surf_usm_h%u_0(m) = u(k+1,j,i) + surf_usm_h%usws(m)    *             &
1898                                        drho_air_zw(k-1)         *             &
1899                                        ( zu(k+1) - zu(k-1)    ) /             &
[3145]1900                                        ( km_sfc  + 1.0E-20_wp )
[3120]1901          surf_usm_h%v_0(m) = v(k+1,j,i) + surf_usm_h%vsws(m)    *             &
1902                                        drho_air_zw(k-1)         *             &
1903                                        ( zu(k+1) - zu(k-1)    ) /             &
[3145]1904                                        ( km_sfc  + 1.0E-20_wp )
[2353]1905
[2680]1906          IF ( ABS( u(k+1,j,i) - surf_usm_h%u_0(m) )  >                        &
1907               ABS( u(k+1,j,i) - u(k-1,j,i)   )                                &
1908             )  surf_usm_h%u_0(m) = u(k-1,j,i)
[2353]1909
[2680]1910          IF ( ABS( v(k+1,j,i) - surf_usm_h%v_0(m) )  >                        &
1911               ABS( v(k+1,j,i) - v(k-1,j,i)   )                                &
1912             )  surf_usm_h%v_0(m) = v(k-1,j,i)
[2353]1913
[2519]1914       ENDDO
[2353]1915
1916    ENDIF
1917
[2680]1918 END SUBROUTINE production_e_init
[2353]1919
1920
1921!------------------------------------------------------------------------------!
1922! Description:
1923! ------------
[2680]1924!> Prognostic equation for subgrid-scale TKE and TKE dissipation rate.
[2353]1925!> Vector-optimized version
1926!------------------------------------------------------------------------------!
[3386]1927 SUBROUTINE tcm_prognostic_equations
[2353]1928
[2680]1929    USE arrays_3d,                                                             &
1930        ONLY:  ddzu
1931
[2353]1932    USE control_parameters,                                                    &
[2680]1933        ONLY:  f, scalar_advec, tsc
[2353]1934
[2680]1935    USE surface_mod,                                                           &
[3241]1936        ONLY :  surf_def_h
[2353]1937
1938    IMPLICIT NONE
1939
[2680]1940    INTEGER(iwp) ::  i       !< loop index
1941    INTEGER(iwp) ::  j       !< loop index
1942    INTEGER(iwp) ::  k       !< loop index
1943    INTEGER(iwp) ::  m       !< loop index
1944    INTEGER(iwp) ::  surf_e  !< end index of surface elements at given i-j position
1945    INTEGER(iwp) ::  surf_s  !< start index of surface elements at given i-j position
[2353]1946
[2680]1947    REAL(wp)     ::  sbt     !< wheighting factor for sub-time step
[2353]1948
1949!
1950!-- If required, compute prognostic equation for turbulent kinetic
1951!-- energy (TKE)
1952    IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
1953
[3724]1954       CALL cpu_log( log_point_s(67), 'tke-equation', 'start' )
[2353]1955
1956       sbt = tsc(2)
1957       IF ( .NOT. use_upstream_for_tke )  THEN
1958          IF ( scalar_advec == 'bc-scheme' )  THEN
1959
1960             IF ( timestep_scheme(1:5) /= 'runge' )  THEN
1961!
1962!--             Bott-Chlond scheme always uses Euler time step. Thus:
1963                sbt = 1.0_wp
1964             ENDIF
1965             tend = 0.0_wp
1966             CALL advec_s_bc( e, 'e' )
1967
1968          ENDIF
1969       ENDIF
1970
1971!
1972!--    TKE-tendency terms with no communication
1973       IF ( scalar_advec /= 'bc-scheme'  .OR.  use_upstream_for_tke )  THEN
1974          IF ( use_upstream_for_tke )  THEN
1975             tend = 0.0_wp
1976             CALL advec_s_up( e )
1977          ELSE
[3634]1978             !$ACC KERNELS PRESENT(tend)
[2353]1979             tend = 0.0_wp
[3634]1980             !$ACC END KERNELS
[2353]1981             IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
1982                IF ( ws_scheme_sca )  THEN
1983                   CALL advec_s_ws( e, 'e' )
1984                ELSE
1985                   CALL advec_s_pw( e )
1986                ENDIF
1987             ELSE
1988                CALL advec_s_up( e )
1989             ENDIF
1990          ENDIF
1991       ENDIF
1992
[3398]1993       CALL production_e( .FALSE. )
[2680]1994
[2353]1995       IF ( .NOT. humidity )  THEN
[3294]1996          IF ( ocean_mode )  THEN
[2353]1997             CALL diffusion_e( prho, prho_reference )
1998          ELSE
1999             CALL diffusion_e( pt, pt_reference )
2000          ENDIF
2001       ELSE
2002          CALL diffusion_e( vpt, pt_reference )
2003       ENDIF
2004
2005!
2006!--    Additional sink term for flows through plant canopies
2007       IF ( plant_canopy )  CALL pcm_tendency( 6 )
2008
[3684]2009!       CALL user_actions( 'e-tendency' ) ToDo: find general solution for circular dependency between modules
[2353]2010
2011!
2012!--    Prognostic equation for TKE.
2013!--    Eliminate negative TKE values, which can occur due to numerical
2014!--    reasons in the course of the integration. In such cases the old TKE
2015!--    value is reduced by 90%.
[3634]2016       !$ACC PARALLEL LOOP COLLAPSE(3) PRIVATE(i, j, k) &
2017       !$ACC PRESENT(e, tend, te_m, wall_flags_0) &
2018       !$ACC PRESENT(tsc(3:3)) &
2019       !$ACC PRESENT(e_p)
[2353]2020       DO  i = nxl, nxr
2021          DO  j = nys, nyn
2022             DO  k = nzb+1, nzt
2023                e_p(k,j,i) = e(k,j,i) + ( dt_3d * ( sbt * tend(k,j,i) +        &
2024                                                 tsc(3) * te_m(k,j,i) )        &
2025                                        )                                      &
2026                                   * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                    &
2027                                             BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 )   &
2028                                          )
2029                IF ( e_p(k,j,i) < 0.0_wp )  e_p(k,j,i) = 0.1_wp * e(k,j,i)
2030             ENDDO
2031          ENDDO
2032       ENDDO
2033
2034!
2035!--    Calculate tendencies for the next Runge-Kutta step
2036       IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
2037          IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  THEN
[3634]2038             !$ACC PARALLEL LOOP COLLAPSE(3) PRIVATE(i, j, k) &
2039             !$ACC PRESENT(tend, te_m)
[2353]2040             DO  i = nxl, nxr
2041                DO  j = nys, nyn
2042                   DO  k = nzb+1, nzt
2043                      te_m(k,j,i) = tend(k,j,i)
2044                   ENDDO
2045                ENDDO
2046             ENDDO
2047          ELSEIF ( intermediate_timestep_count < &
2048                   intermediate_timestep_count_max )  THEN
[3634]2049             !$ACC PARALLEL LOOP COLLAPSE(3) PRIVATE(i, j, k) &
2050             !$ACC PRESENT(tend, te_m)
[2353]2051             DO  i = nxl, nxr
2052                DO  j = nys, nyn
2053                   DO  k = nzb+1, nzt
2054                      te_m(k,j,i) =   -9.5625_wp * tend(k,j,i)                 &
2055                                     + 5.3125_wp * te_m(k,j,i)
2056                   ENDDO
2057                ENDDO
2058             ENDDO
2059          ENDIF
2060       ENDIF
2061
[3724]2062       CALL cpu_log( log_point_s(67), 'tke-equation', 'stop' )
[2353]2063
[2680]2064    ENDIF   ! TKE equation
[2353]2065
2066!
[2519]2067!-- If required, compute prognostic equation for TKE dissipation rate
[2353]2068    IF ( rans_tke_e )  THEN
2069
[3724]2070       CALL cpu_log( log_point_s(64), 'diss-equation', 'start' )
[2353]2071
2072       sbt = tsc(2)
2073       IF ( .NOT. use_upstream_for_tke )  THEN
2074          IF ( scalar_advec == 'bc-scheme' )  THEN
2075
2076             IF ( timestep_scheme(1:5) /= 'runge' )  THEN
2077!
2078!--             Bott-Chlond scheme always uses Euler time step. Thus:
2079                sbt = 1.0_wp
2080             ENDIF
2081             tend = 0.0_wp
2082             CALL advec_s_bc( diss, 'diss' )
2083
2084          ENDIF
2085       ENDIF
2086
2087!
2088!--    dissipation-tendency terms with no communication
2089       IF ( scalar_advec /= 'bc-scheme'  .OR.  use_upstream_for_tke )  THEN
2090          IF ( use_upstream_for_tke )  THEN
2091             tend = 0.0_wp
2092             CALL advec_s_up( diss )
2093          ELSE
2094             tend = 0.0_wp
2095             IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
2096                IF ( ws_scheme_sca )  THEN
2097                   CALL advec_s_ws( diss, 'diss' )
2098                ELSE
2099                   CALL advec_s_pw( diss )
2100                ENDIF
2101             ELSE
2102                CALL advec_s_up( diss )
2103             ENDIF
2104          ENDIF
2105       ENDIF
[2680]2106!
2107!--    Production of TKE dissipation rate
[3550]2108       CALL production_e( .TRUE. )
2109!
2110!--    Diffusion term of TKE dissipation rate
[2353]2111       CALL diffusion_diss
2112!
2113!--    Additional sink term for flows through plant canopies
[3550]2114!        IF ( plant_canopy )  CALL pcm_tendency( ? )         !> @todo not yet implemented
[2353]2115
[3684]2116!       CALL user_actions( 'e-tendency' ) ToDo: find general solution for circular dependency between modules
[2353]2117
2118!
2119!--    Prognostic equation for TKE dissipation.
2120!--    Eliminate negative dissipation values, which can occur due to numerical
2121!--    reasons in the course of the integration. In such cases the old
2122!--    dissipation value is reduced by 90%.
2123       DO  i = nxl, nxr
2124          DO  j = nys, nyn
2125             DO  k = nzb+1, nzt
2126                diss_p(k,j,i) = diss(k,j,i) + ( dt_3d * ( sbt * tend(k,j,i) +  &
2127                                                 tsc(3) * tdiss_m(k,j,i) )     &
2128                                        )                                      &
2129                                   * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                    &
2130                                             BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 )   &
2131                                          )
2132                IF ( diss_p(k,j,i) < 0.0_wp )                                  &
2133                   diss_p(k,j,i) = 0.1_wp * diss(k,j,i)
2134             ENDDO
2135          ENDDO
2136       ENDDO
2137
2138!
2139!--    Calculate tendencies for the next Runge-Kutta step
2140       IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
2141          IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  THEN
2142             DO  i = nxl, nxr
2143                DO  j = nys, nyn
2144                   DO  k = nzb+1, nzt
2145                      tdiss_m(k,j,i) = tend(k,j,i)
2146                   ENDDO
2147                ENDDO
2148             ENDDO
2149          ELSEIF ( intermediate_timestep_count < &
2150                   intermediate_timestep_count_max )  THEN
2151             DO  i = nxl, nxr
2152                DO  j = nys, nyn
2153                   DO  k = nzb+1, nzt
2154                      tdiss_m(k,j,i) =   -9.5625_wp * tend(k,j,i)              &
2155                                        + 5.3125_wp * tdiss_m(k,j,i)
2156                   ENDDO
2157                ENDDO
2158             ENDDO
2159          ENDIF
2160       ENDIF
2161
[3724]2162       CALL cpu_log( log_point_s(64), 'diss-equation', 'stop' )
[2353]2163
2164    ENDIF
2165
[3386]2166 END SUBROUTINE tcm_prognostic_equations
[2353]2167
2168
2169!------------------------------------------------------------------------------!
2170! Description:
2171! ------------
[2680]2172!> Prognostic equation for subgrid-scale TKE and TKE dissipation rate.
[2353]2173!> Cache-optimized version
2174!------------------------------------------------------------------------------!
[3386]2175 SUBROUTINE tcm_prognostic_equations_ij( i, j, i_omp, tn )
[2353]2176
2177    USE arrays_3d,                                                             &
[3241]2178        ONLY:  diss_l_diss, diss_l_e, diss_s_diss, diss_s_e, flux_l_diss,      &
2179               flux_l_e, flux_s_diss, flux_s_e
[2353]2180
[2680]2181    USE control_parameters,                                                    &
[3241]2182        ONLY:  tsc
[2353]2183
2184    IMPLICIT NONE
2185
[2358]2186    INTEGER(iwp) ::  i       !< loop index x direction
[3083]2187    INTEGER(iwp) ::  i_omp   !< first loop index of i-loop in prognostic_equations
[2358]2188    INTEGER(iwp) ::  j       !< loop index y direction
2189    INTEGER(iwp) ::  k       !< loop index z direction
[3083]2190    INTEGER(iwp) ::  tn      !< task number of openmp task
[2353]2191
2192!
[2680]2193!-- If required, compute prognostic equation for turbulent kinetic
2194!-- energy (TKE)
2195    IF ( .NOT. constant_diffusion )  THEN
[2353]2196
2197!
[2680]2198!--    Tendency-terms for TKE
2199       tend(:,j,i) = 0.0_wp
2200       IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge'  &
2201           .AND.  .NOT. use_upstream_for_tke )  THEN
2202           IF ( ws_scheme_sca )  THEN
2203               CALL advec_s_ws( i, j, e, 'e', flux_s_e, diss_s_e, &
2204                                flux_l_e, diss_l_e , i_omp, tn )
2205           ELSE
2206               CALL advec_s_pw( i, j, e )
2207           ENDIF
2208       ELSE
2209          CALL advec_s_up( i, j, e )
2210       ENDIF
[2358]2211
[3083]2212       CALL production_e( i, j, .FALSE. )
[2373]2213
[2680]2214       IF ( .NOT. humidity )  THEN
[3294]2215          IF ( ocean_mode )  THEN
[2680]2216             CALL diffusion_e( i, j, prho, prho_reference )
2217          ELSE
2218             CALL diffusion_e( i, j, pt, pt_reference )
2219          ENDIF
2220       ELSE
2221          CALL diffusion_e( i, j, vpt, pt_reference )
2222       ENDIF
[2353]2223
2224!
[2680]2225!--    Additional sink term for flows through plant canopies
2226       IF ( plant_canopy )  CALL pcm_tendency( i, j, 6 )
[2353]2227
[3684]2228!       CALL user_actions( i, j, 'e-tendency' ) ToDo: find general solution for circular dependency between modules
[2353]2229
2230!
[2680]2231!--    Prognostic equation for TKE.
2232!--    Eliminate negative TKE values, which can occur due to numerical
2233!--    reasons in the course of the integration. In such cases the old
2234!--    TKE value is reduced by 90%.
2235       DO  k = nzb+1, nzt
2236          e_p(k,j,i) = e(k,j,i) + ( dt_3d * ( tsc(2) * tend(k,j,i) +           &
2237                                              tsc(3) * te_m(k,j,i) )           &
2238                                  )                                            &
2239                                 * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                      &
2240                                          BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 )      &
2241                                        )
2242          IF ( e_p(k,j,i) <= 0.0_wp )  e_p(k,j,i) = 0.1_wp * e(k,j,i)
2243       ENDDO
[2353]2244
2245!
[2680]2246!--    Calculate tendencies for the next Runge-Kutta step
2247       IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
2248          IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  THEN
2249             DO  k = nzb+1, nzt
2250                te_m(k,j,i) = tend(k,j,i)
2251             ENDDO
2252          ELSEIF ( intermediate_timestep_count < &
2253                   intermediate_timestep_count_max )  THEN
2254             DO  k = nzb+1, nzt
2255                te_m(k,j,i) =   -9.5625_wp * tend(k,j,i) +                     &
2256                                 5.3125_wp * te_m(k,j,i)
2257             ENDDO
2258          ENDIF
2259       ENDIF
[2353]2260
[2680]2261    ENDIF   ! TKE equation
[2353]2262
2263!
[2680]2264!-- If required, compute prognostic equation for TKE dissipation rate
2265    IF ( rans_tke_e )  THEN
[2353]2266!
[2680]2267!--    Tendency-terms for dissipation
2268       tend(:,j,i) = 0.0_wp
2269       IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge'  &
2270           .AND.  .NOT. use_upstream_for_tke )  THEN
2271           IF ( ws_scheme_sca )  THEN
2272               CALL advec_s_ws( i, j, diss, 'diss', flux_s_diss, diss_s_diss,  &
2273                                flux_l_diss, diss_l_diss, i_omp, tn )
2274           ELSE
2275               CALL advec_s_pw( i, j, diss )
2276           ENDIF
2277       ELSE
2278          CALL advec_s_up( i, j, diss )
2279       ENDIF
[2358]2280!
[2680]2281!--    Production of TKE dissipation rate
[3083]2282       CALL production_e( i, j, .TRUE. )
2283!
2284!--    Diffusion term of TKE dissipation rate
[2680]2285       CALL diffusion_diss( i, j )
[2353]2286!
[2680]2287!--    Additional sink term for flows through plant canopies
[3550]2288!        IF ( plant_canopy )  CALL pcm_tendency( i, j, ? )     !> @todo not yet implemented
[2353]2289
[3684]2290!       CALL user_actions( i, j, 'diss-tendency' ) ToDo: find general solution for circular dependency between modules
[2353]2291
2292!
[2680]2293!--    Prognostic equation for TKE dissipation
2294!--    Eliminate negative dissipation values, which can occur due to
2295!--    numerical reasons in the course of the integration. In such cases
2296!--    the old dissipation value is reduced by 90%.
2297       DO  k = nzb+1, nzt
2298          diss_p(k,j,i) = diss(k,j,i) + ( dt_3d * ( tsc(2) * tend(k,j,i) +     &
2299                                                    tsc(3) * tdiss_m(k,j,i) )  &
[2353]2300                                        )                                      &
[2680]2301                                        * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,               &
[2353]2302                                                BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 )&
[2680]2303                                               )
2304       ENDDO
[2353]2305
2306!
[2680]2307!--    Calculate tendencies for the next Runge-Kutta step
2308       IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
2309          IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  THEN
2310             DO  k = nzb+1, nzt
2311                tdiss_m(k,j,i) = tend(k,j,i)
2312             ENDDO
2313          ELSEIF ( intermediate_timestep_count < &
2314                   intermediate_timestep_count_max )  THEN
2315             DO  k = nzb+1, nzt
2316                tdiss_m(k,j,i) =   -9.5625_wp * tend(k,j,i) +                  &
2317                                    5.3125_wp * tdiss_m(k,j,i)
2318             ENDDO
2319          ENDIF
2320       ENDIF
[2353]2321
[2680]2322    ENDIF   ! dissipation equation
[2353]2323
[3386]2324 END SUBROUTINE tcm_prognostic_equations_ij
[2353]2325
2326
2327!------------------------------------------------------------------------------!
2328! Description:
2329! ------------
[2680]2330!> Production terms (shear + buoyancy) of the TKE.
2331!> Vector-optimized version
2332!> @warning The case with constant_flux_layer = F and use_surface_fluxes = T is
2333!>          not considered well!
[2353]2334!------------------------------------------------------------------------------!
[3398]2335 SUBROUTINE production_e( diss_production )
[2353]2336
[2680]2337    USE arrays_3d,                                                             &
[3274]2338        ONLY:  ddzw, dd2zu, drho_air_zw, q, ql, d_exner, exner
[2353]2339
[2680]2340    USE control_parameters,                                                    &
[3274]2341        ONLY:  cloud_droplets, constant_flux_layer, neutral,                   &
[2680]2342               rho_reference, use_single_reference_value, use_surface_fluxes,  &
2343               use_top_fluxes
[2353]2344
[2680]2345    USE grid_variables,                                                        &
2346        ONLY:  ddx, dx, ddy, dy
[2353]2347
[3274]2348    USE bulk_cloud_model_mod,                                                  &
2349        ONLY:  bulk_cloud_model
2350
[2680]2351    USE surface_mod,                                                           &
2352        ONLY :  surf_def_h, surf_def_v, surf_lsm_h, surf_lsm_v, surf_usm_h,    &
2353                surf_usm_v
[2353]2354
[2680]2355    IMPLICIT NONE
[2353]2356
[3398]2357    LOGICAL :: diss_production
2358
[2680]2359    INTEGER(iwp) ::  i       !< running index x-direction
2360    INTEGER(iwp) ::  j       !< running index y-direction
2361    INTEGER(iwp) ::  k       !< running index z-direction
2362    INTEGER(iwp) ::  l       !< running index for different surface type orientation
2363    INTEGER(iwp) ::  m       !< running index surface elements
2364    INTEGER(iwp) ::  surf_e  !< end index of surface elements at given i-j position
2365    INTEGER(iwp) ::  surf_s  !< start index of surface elements at given i-j position
[3359]2366    INTEGER(iwp) ::  flag_nr !< number of masking flag
[2353]2367
[3545]2368    REAL(wp)     ::  def         !< ( du_i/dx_j + du_j/dx_i ) * du_i/dx_j
[2680]2369    REAL(wp)     ::  flag        !< flag to mask topography
[3545]2370    REAL(wp)     ::  k1          !< temporary factor
2371    REAL(wp)     ::  k2          !< temporary factor
[2680]2372    REAL(wp)     ::  km_neutral  !< diffusion coefficient assuming neutral conditions - used to compute shear production at surfaces
[3545]2373    REAL(wp)     ::  theta       !< virtual potential temperature
2374    REAL(wp)     ::  temp        !< theta * Exner-function
[2680]2375    REAL(wp)     ::  sign_dir    !< sign of wall-tke flux, depending on wall orientation
2376    REAL(wp)     ::  usvs        !< momentum flux u"v"
2377    REAL(wp)     ::  vsus        !< momentum flux v"u"
2378    REAL(wp)     ::  wsus        !< momentum flux w"u"
2379    REAL(wp)     ::  wsvs        !< momentum flux w"v"
[2353]2380
[3359]2381    REAL(wp), DIMENSION(nzb+1:nzt) ::  dudx  !< Gradient of u-component in x-direction
2382    REAL(wp), DIMENSION(nzb+1:nzt) ::  dudy  !< Gradient of u-component in y-direction
2383    REAL(wp), DIMENSION(nzb+1:nzt) ::  dudz  !< Gradient of u-component in z-direction
2384    REAL(wp), DIMENSION(nzb+1:nzt) ::  dvdx  !< Gradient of v-component in x-direction
2385    REAL(wp), DIMENSION(nzb+1:nzt) ::  dvdy  !< Gradient of v-component in y-direction
2386    REAL(wp), DIMENSION(nzb+1:nzt) ::  dvdz  !< Gradient of v-component in z-direction
2387    REAL(wp), DIMENSION(nzb+1:nzt) ::  dwdx  !< Gradient of w-component in x-direction
2388    REAL(wp), DIMENSION(nzb+1:nzt) ::  dwdy  !< Gradient of w-component in y-direction
2389    REAL(wp), DIMENSION(nzb+1:nzt) ::  dwdz  !< Gradient of w-component in z-direction
[3398]2390    REAL(wp), DIMENSION(nzb+1:nzt) ::  tmp_flux  !< temporary flux-array in z-direction
[2353]2391
2392
2393
2394!
[3359]2395!-- Calculate TKE production by shear. Calculate gradients at all grid
2396!-- points first, gradients at surface-bounded grid points will be
2397!-- overwritten further below.
[3634]2398    !$ACC PARALLEL LOOP COLLAPSE(2) PRIVATE(i, j, l) &
2399    !$ACC PRIVATE(surf_s, surf_e) &
2400    !$ACC PRIVATE(dudx(:), dudy(:), dudz(:), dvdx(:), dvdy(:), dvdz(:), dwdx(:), dwdy(:), dwdz(:)) &
2401    !$ACC PRESENT(e, u, v, w, diss, dd2zu, ddzw, km, wall_flags_0) &
2402    !$ACC PRESENT(tend) &
2403    !$ACC PRESENT(surf_def_h(0:1), surf_def_v(0:3)) &
2404    !$ACC PRESENT(surf_lsm_h, surf_lsm_v(0:3)) &
2405    !$ACC PRESENT(surf_usm_h, surf_usm_v(0:3))
[3359]2406    DO  i = nxl, nxr
2407       DO  j = nys, nyn
[3634]2408          !$ACC LOOP PRIVATE(k)
[3359]2409          DO  k = nzb+1, nzt
[2353]2410
[3359]2411             dudx(k) =           ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i)     ) * ddx
2412             dudy(k) = 0.25_wp * ( u(k,j+1,i) + u(k,j+1,i+1) -                 &
2413                                   u(k,j-1,i) - u(k,j-1,i+1) ) * ddy
2414             dudz(k) = 0.5_wp  * ( u(k+1,j,i) + u(k+1,j,i+1) -                 &
2415                                   u(k-1,j,i) - u(k-1,j,i+1) ) * dd2zu(k)
[2353]2416
[3359]2417             dvdx(k) = 0.25_wp * ( v(k,j,i+1) + v(k,j+1,i+1) -                 &
2418                                   v(k,j,i-1) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx
2419             dvdy(k) =           ( v(k,j+1,i) - v(k,j,i)     ) * ddy
2420             dvdz(k) = 0.5_wp  * ( v(k+1,j,i) + v(k+1,j+1,i) -                 &
2421                                     v(k-1,j,i) - v(k-1,j+1,i) ) * dd2zu(k)
[2353]2422
[3359]2423             dwdx(k) = 0.25_wp * ( w(k,j,i+1) + w(k-1,j,i+1) -                 &
2424                                   w(k,j,i-1) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx
2425             dwdy(k) = 0.25_wp * ( w(k,j+1,i) + w(k-1,j+1,i) -                 &
2426                                   w(k,j-1,i) - w(k-1,j-1,i) ) * ddy
2427             dwdz(k) =           ( w(k,j,i)   - w(k-1,j,i)   ) * ddzw(k)
2428
[2680]2429          ENDDO
[2353]2430
[3359]2431
2432          flag_nr = 29
2433
2434
2435          IF ( constant_flux_layer )  THEN
[2353]2436!
[3359]2437
2438             flag_nr = 0
2439
2440!--          Position beneath wall
2441!--          (2) - Will allways be executed.
2442!--          'bottom and wall: use u_0,v_0 and wall functions'
[2353]2443!
[2680]2444!--          Compute gradients at north- and south-facing surfaces.
[3359]2445!--          First, for default surfaces, then for urban surfaces.
[2680]2446!--          Note, so far no natural vertical surfaces implemented
2447             DO  l = 0, 1
2448                surf_s = surf_def_v(l)%start_index(j,i)
2449                surf_e = surf_def_v(l)%end_index(j,i)
[3634]2450                !$ACC LOOP PRIVATE(m, k, usvs, wsvs, km_neutral, sign_dir)
[2680]2451                DO  m = surf_s, surf_e
2452                   k           = surf_def_v(l)%k(m)
2453                   usvs        = surf_def_v(l)%mom_flux_tke(0,m)
2454                   wsvs        = surf_def_v(l)%mom_flux_tke(1,m)
[3359]2455
[2680]2456                   km_neutral = kappa * ( usvs**2 + wsvs**2 )**0.25_wp         &
2457                                   * 0.5_wp * dy
[2353]2458!
[2680]2459!--                -1.0 for right-facing wall, 1.0 for left-facing wall
2460                   sign_dir = MERGE( 1.0_wp, -1.0_wp,                          &
[3359]2461                                     BTEST( wall_flags_0(k,j-1,i), flag_nr ) )
2462                   dudy(k) = sign_dir * usvs / ( km_neutral + 1E-10_wp )
2463                   dwdy(k) = sign_dir * wsvs / ( km_neutral + 1E-10_wp )
[2680]2464                ENDDO
[2353]2465!
[2680]2466!--             Natural surfaces
2467                surf_s = surf_lsm_v(l)%start_index(j,i)
2468                surf_e = surf_lsm_v(l)%end_index(j,i)
[3634]2469                !$ACC LOOP PRIVATE(m, k, usvs, wsvs, km_neutral, sign_dir)
[2680]2470                DO  m = surf_s, surf_e
2471                   k           = surf_lsm_v(l)%k(m)
2472                   usvs        = surf_lsm_v(l)%mom_flux_tke(0,m)
2473                   wsvs        = surf_lsm_v(l)%mom_flux_tke(1,m)
[3359]2474
[2680]2475                   km_neutral = kappa * ( usvs**2 + wsvs**2 )**0.25_wp         &
2476                                   * 0.5_wp * dy
[2353]2477!
[2680]2478!--                -1.0 for right-facing wall, 1.0 for left-facing wall
2479                   sign_dir = MERGE( 1.0_wp, -1.0_wp,                          &
[3359]2480                                     BTEST( wall_flags_0(k,j-1,i), flag_nr ) )
2481                   dudy(k) = sign_dir * usvs / ( km_neutral + 1E-10_wp )
2482                   dwdy(k) = sign_dir * wsvs / ( km_neutral + 1E-10_wp )
2483                ENDDO
[2353]2484!
[2680]2485!--             Urban surfaces
2486                surf_s = surf_usm_v(l)%start_index(j,i)
2487                surf_e = surf_usm_v(l)%end_index(j,i)
[3634]2488                !$ACC LOOP PRIVATE(m, k, usvs, wsvs, km_neutral, sign_dir)
[2680]2489                DO  m = surf_s, surf_e
2490                   k           = surf_usm_v(l)%k(m)
2491                   usvs        = surf_usm_v(l)%mom_flux_tke(0,m)
2492                   wsvs        = surf_usm_v(l)%mom_flux_tke(1,m)
[3359]2493
[2680]2494                   km_neutral = kappa * ( usvs**2 + wsvs**2 )**0.25_wp         &
2495                                   * 0.5_wp * dy
[2353]2496!
[2680]2497!--                -1.0 for right-facing wall, 1.0 for left-facing wall
2498                   sign_dir = MERGE( 1.0_wp, -1.0_wp,                          &
[3359]2499                                     BTEST( wall_flags_0(k,j-1,i), flag_nr ) )
2500                   dudy(k) = sign_dir * usvs / ( km_neutral + 1E-10_wp )
2501                   dwdy(k) = sign_dir * wsvs / ( km_neutral + 1E-10_wp )
2502                ENDDO
[2680]2503             ENDDO
[2353]2504!
[2680]2505!--          Compute gradients at east- and west-facing walls
2506             DO  l = 2, 3
2507                surf_s = surf_def_v(l)%start_index(j,i)
2508                surf_e = surf_def_v(l)%end_index(j,i)
[3634]2509                !$ACC LOOP PRIVATE(m, k, vsus, wsus, km_neutral, sign_dir)
[2680]2510                DO  m = surf_s, surf_e
2511                   k     = surf_def_v(l)%k(m)
2512                   vsus  = surf_def_v(l)%mom_flux_tke(0,m)
2513                   wsus  = surf_def_v(l)%mom_flux_tke(1,m)
[2353]2514
[2680]2515                   km_neutral = kappa * ( vsus**2 + wsus**2 )**0.25_wp         &
2516                                      * 0.5_wp * dx
[2353]2517!
[2680]2518!--                -1.0 for right-facing wall, 1.0 for left-facing wall
2519                   sign_dir = MERGE( 1.0_wp, -1.0_wp,                          &
[3359]2520                                     BTEST( wall_flags_0(k,j,i-1), flag_nr ) )
2521                   dvdx(k) = sign_dir * vsus / ( km_neutral + 1E-10_wp )
2522                   dwdx(k) = sign_dir * wsus / ( km_neutral + 1E-10_wp )
2523                ENDDO
[2353]2524!
[3359]2525!--             Natural surfaces
[2680]2526                surf_s = surf_lsm_v(l)%start_index(j,i)
2527                surf_e = surf_lsm_v(l)%end_index(j,i)
[3634]2528                !$ACC LOOP PRIVATE(m, k, vsus, wsus, km_neutral, sign_dir)
[2680]2529                DO  m = surf_s, surf_e
2530                   k     = surf_lsm_v(l)%k(m)
2531                   vsus  = surf_lsm_v(l)%mom_flux_tke(0,m)
2532                   wsus  = surf_lsm_v(l)%mom_flux_tke(1,m)
[2353]2533
[2680]2534                   km_neutral = kappa * ( vsus**2 + wsus**2 )**0.25_wp         &
2535                                      * 0.5_wp * dx
[2353]2536!
[2680]2537!--                -1.0 for right-facing wall, 1.0 for left-facing wall
2538                   sign_dir = MERGE( 1.0_wp, -1.0_wp,                          &
[3359]2539                                     BTEST( wall_flags_0(k,j,i-1), flag_nr ) )
2540                   dvdx(k) = sign_dir * vsus / ( km_neutral + 1E-10_wp )
2541                   dwdx(k) = sign_dir * wsus / ( km_neutral + 1E-10_wp )
2542                ENDDO
[2353]2543!
[3359]2544!--             Urban surfaces
[2680]2545                surf_s = surf_usm_v(l)%start_index(j,i)
2546                surf_e = surf_usm_v(l)%end_index(j,i)
[3634]2547                !$ACC LOOP PRIVATE(m, k, vsus, wsus, km_neutral, sign_dir)
[2680]2548                DO  m = surf_s, surf_e
2549                   k     = surf_usm_v(l)%k(m)
2550                   vsus  = surf_usm_v(l)%mom_flux_tke(0,m)
2551                   wsus  = surf_usm_v(l)%mom_flux_tke(1,m)
[2353]2552
[2680]2553                   km_neutral = kappa * ( vsus**2 + wsus**2 )**0.25_wp         &
2554                                      * 0.5_wp * dx
[2353]2555!
[2680]2556!--                -1.0 for right-facing wall, 1.0 for left-facing wall
2557                   sign_dir = MERGE( 1.0_wp, -1.0_wp,                          &
[3359]2558                                     BTEST( wall_flags_0(k,j,i-1), flag_nr ) )
2559                   dvdx(k) = sign_dir * vsus / ( km_neutral + 1E-10_wp )
2560                   dwdx(k) = sign_dir * wsus / ( km_neutral + 1E-10_wp )
2561                ENDDO
[2680]2562             ENDDO
[2353]2563!
[2680]2564!--          Compute gradients at upward-facing surfaces
2565             surf_s = surf_def_h(0)%start_index(j,i)
2566             surf_e = surf_def_h(0)%end_index(j,i)
[3634]2567             !$ACC LOOP PRIVATE(m, k)
[2680]2568             DO  m = surf_s, surf_e
2569                k = surf_def_h(0)%k(m)
[2353]2570!
[3359]2571!--             Please note, actually, an interpolation of u_0 and v_0
2572!--             onto the grid center would be required. However, this
[2680]2573!--             would require several data transfers between 2D-grid and
[3359]2574!--             wall type. The effect of this missing interpolation is
[2680]2575!--             negligible. (See also production_e_init).
[3359]2576                dudz(k) = ( u(k+1,j,i) - surf_def_h(0)%u_0(m) ) * dd2zu(k)
2577                dvdz(k) = ( v(k+1,j,i) - surf_def_h(0)%v_0(m) ) * dd2zu(k)
2578
[2680]2579             ENDDO
[2353]2580!
[2680]2581!--          Natural surfaces
2582             surf_s = surf_lsm_h%start_index(j,i)
2583             surf_e = surf_lsm_h%end_index(j,i)
[3634]2584             !$ACC LOOP PRIVATE(m, k)
[2680]2585             DO  m = surf_s, surf_e
2586                k = surf_lsm_h%k(m)
[2519]2587
[3359]2588                dudz(k) = ( u(k+1,j,i) - surf_lsm_h%u_0(m) ) * dd2zu(k)
2589                dvdz(k) = ( v(k+1,j,i) - surf_lsm_h%v_0(m) ) * dd2zu(k)
2590
[2680]2591             ENDDO
[2353]2592!
[2680]2593!--          Urban surfaces
2594             surf_s = surf_usm_h%start_index(j,i)
2595             surf_e = surf_usm_h%end_index(j,i)
[3634]2596             !$ACC LOOP PRIVATE(m, k)
[2680]2597             DO  m = surf_s, surf_e
2598                k = surf_usm_h%k(m)
[2519]2599
[3359]2600                dudz(k) = ( u(k+1,j,i) - surf_usm_h%u_0(m) ) * dd2zu(k)
2601                dvdz(k) = ( v(k+1,j,i) - surf_usm_h%v_0(m) ) * dd2zu(k)
2602
[2680]2603             ENDDO
[2353]2604!
[3359]2605!--          Compute gradients at downward-facing walls, only for
[2680]2606!--          non-natural default surfaces
2607             surf_s = surf_def_h(1)%start_index(j,i)
2608             surf_e = surf_def_h(1)%end_index(j,i)
[3634]2609             !$ACC LOOP PRIVATE(m, k)
[2680]2610             DO  m = surf_s, surf_e
2611                k = surf_def_h(1)%k(m)
[2519]2612
[3359]2613                dudz(k) = ( surf_def_h(1)%u_0(m) - u(k-1,j,i) ) * dd2zu(k)
2614                dvdz(k) = ( surf_def_h(1)%v_0(m) - v(k-1,j,i) ) * dd2zu(k)
[2353]2615
2616             ENDDO
2617
2618
[3359]2619          ENDIF
[2353]2620
2621
[3634]2622          !$ACC LOOP PRIVATE(k, def, flag)
[3359]2623          DO  k = nzb+1, nzt
[2353]2624
[3359]2625             def = 2.0_wp * ( dudx(k)**2 + dvdy(k)**2 + dwdz(k)**2 ) +         &
2626                              dudy(k)**2 + dvdx(k)**2 + dwdx(k)**2 +           &
2627                              dwdy(k)**2 + dudz(k)**2 + dvdz(k)**2 +           &
2628                   2.0_wp * ( dvdx(k)*dudy(k) + dwdx(k)*dudz(k) +              &
2629                              dwdy(k)*dvdz(k) )
[2353]2630
[3359]2631             IF ( def < 0.0_wp )  def = 0.0_wp
[2353]2632
[3359]2633             flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST(wall_flags_0(k,j,i),flag_nr) )
[2353]2634
[3398]2635             IF ( .NOT. diss_production )  THEN
[2353]2636
[3550]2637!--             Compute tendency for TKE-production from shear
[3398]2638                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def * flag
2639
2640             ELSE
2641
[3550]2642!--             RANS mode: Compute tendency for dissipation-rate-production from shear
[3398]2643                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + km(k,j,i) * def * flag *           &
2644                              diss(k,j,i)/( e(k,j,i) + 1.0E-20_wp ) * c_1
2645
2646             ENDIF
2647
[3359]2648          ENDDO
[2353]2649
2650
[3359]2651       ENDDO
2652    ENDDO
[2353]2653
2654!
[3359]2655!-- If required, calculate TKE production by buoyancy
2656    IF ( .NOT. neutral )  THEN
[2353]2657
[3359]2658       IF ( .NOT. humidity )  THEN
[2353]2659
[3359]2660          IF ( ocean_mode )  THEN
[2353]2661!
[3359]2662!--          So far in the ocean no special treatment of density flux
2663!--          in the bottom and top surface layer
2664             DO  i = nxl, nxr
[2680]2665                DO  j = nys, nyn
[3398]2666
[2680]2667                   DO  k = nzb+1, nzt
[3398]2668                      tmp_flux(k) = kh(k,j,i) * ( prho(k+1,j,i) - prho(k-1,j,i) ) * dd2zu(k)
[2680]2669                   ENDDO
[2353]2670!
[2680]2671!--                Treatment of near-surface grid points, at up- and down-
2672!--                ward facing surfaces
2673                   IF ( use_surface_fluxes )  THEN
2674                      DO  l = 0, 1
2675                         surf_s = surf_def_h(l)%start_index(j,i)
2676                         surf_e = surf_def_h(l)%end_index(j,i)
[2519]2677                         DO  m = surf_s, surf_e
[2680]2678                            k = surf_def_h(l)%k(m)
[3398]2679                            tmp_flux(k) = drho_air_zw(k-1) * surf_def_h(l)%shf(m)
[2519]2680                         ENDDO
[2680]2681                      ENDDO
2682                   ENDIF
[2519]2683
[2680]2684                   IF ( use_top_fluxes )  THEN
2685                      surf_s = surf_def_h(2)%start_index(j,i)
2686                      surf_e = surf_def_h(2)%end_index(j,i)
2687                      DO  m = surf_s, surf_e
2688                         k = surf_def_h(2)%k(m)
[3398]2689                         tmp_flux(k) = drho_air_zw(k) * surf_def_h(2)%shf(m)
[2353]2690                      ENDDO
[2680]2691                   ENDIF
[2353]2692
[3398]2693                   IF ( .NOT. diss_production )  THEN
2694
[3550]2695!--                   Compute tendency for TKE-production from shear
[3398]2696                      DO  k = nzb+1, nzt
2697                         flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST(wall_flags_0(k,j,i),0) )
2698                         tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + flag * tmp_flux(k) * ( g / &
2699                                       MERGE( rho_reference, prho(k,j,i),       &
2700                                              use_single_reference_value ) )
2701                      ENDDO
2702
2703                   ELSE
2704
[3550]2705!--                   RANS mode: Compute tendency for dissipation-rate-production from shear
[3398]2706                      DO  k = nzb+1, nzt
2707                         flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST(wall_flags_0(k,j,i),0) )
2708                         tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + flag * tmp_flux(k) * ( g / &
2709                                       MERGE( rho_reference, prho(k,j,i),       &
2710                                              use_single_reference_value ) ) *  &
2711                                       diss(k,j,i)/( e(k,j,i) + 1.0E-20_wp ) *  &
2712                                       c_3
2713                      ENDDO
2714
2715                   ENDIF
2716
[2680]2717                ENDDO
[3359]2718             ENDDO
[2353]2719
[3359]2720          ELSE ! or IF ( .NOT. ocean_mode )  THEN
[2353]2721
[3634]2722             !$ACC PARALLEL LOOP COLLAPSE(2) PRIVATE(i, j) &
2723             !$ACC PRIVATE(surf_s, surf_e) &
2724             !$ACC PRIVATE(tmp_flux(nzb+1:nzt)) &
2725             !$ACC PRESENT(e, diss, kh, pt, dd2zu, drho_air_zw, wall_flags_0) &
2726             !$ACC PRESENT(tend) &
2727             !$ACC PRESENT(surf_def_h(0:2)) &
2728             !$ACC PRESENT(surf_lsm_h) &
2729             !$ACC PRESENT(surf_usm_h)
[3359]2730             DO  i = nxl, nxr
[2353]2731                DO  j = nys, nyn
[3359]2732
[3634]2733                   !$ACC LOOP PRIVATE(k)
[2353]2734                   DO  k = nzb+1, nzt
[3398]2735                      tmp_flux(k) = -1.0_wp * kh(k,j,i) * ( pt(k+1,j,i) - pt(k-1,j,i) ) * dd2zu(k)
[2353]2736                   ENDDO
2737
[2680]2738                   IF ( use_surface_fluxes )  THEN
[2353]2739!
[2680]2740!--                   Default surfaces, up- and downward-facing
[2353]2741                      DO  l = 0, 1
2742                         surf_s = surf_def_h(l)%start_index(j,i)
2743                         surf_e = surf_def_h(l)%end_index(j,i)
[3634]2744                         !$ACC LOOP PRIVATE(m, k)
[2353]2745                         DO  m = surf_s, surf_e
2746                            k = surf_def_h(l)%k(m)
[3398]2747                            tmp_flux(k) = drho_air_zw(k-1) * surf_def_h(l)%shf(m)
[3359]2748                         ENDDO
[2353]2749                      ENDDO
2750!
[2680]2751!--                   Natural surfaces
[2353]2752                      surf_s = surf_lsm_h%start_index(j,i)
2753                      surf_e = surf_lsm_h%end_index(j,i)
[3634]2754                      !$ACC LOOP PRIVATE(m, k)
[2353]2755                      DO  m = surf_s, surf_e
2756                         k = surf_lsm_h%k(m)
[3398]2757                         tmp_flux(k) = drho_air_zw(k-1) * surf_lsm_h%shf(m)
[2353]2758                      ENDDO
2759!
[2680]2760!--                   Urban surfaces
[2353]2761                      surf_s = surf_usm_h%start_index(j,i)
2762                      surf_e = surf_usm_h%end_index(j,i)
[3634]2763                      !$ACC LOOP PRIVATE(m, k)
[2353]2764                      DO  m = surf_s, surf_e
[2680]2765                         k = surf_usm_h%k(m)
[3398]2766                         tmp_flux(k) = drho_air_zw(k-1) * surf_usm_h%shf(m)
[3359]2767                      ENDDO
[2680]2768                   ENDIF
[2353]2769
[2680]2770                   IF ( use_top_fluxes )  THEN
2771                      surf_s = surf_def_h(2)%start_index(j,i)
2772                      surf_e = surf_def_h(2)%end_index(j,i)
[3634]2773                      !$ACC LOOP PRIVATE(m, k)
[2680]2774                      DO  m = surf_s, surf_e
2775                         k = surf_def_h(2)%k(m)
[3398]2776                         tmp_flux(k) = drho_air_zw(k) * surf_def_h(2)%shf(m)
[2353]2777                      ENDDO
[2680]2778                   ENDIF
[3359]2779
[3398]2780                   IF ( .NOT. diss_production )  THEN
2781
[3550]2782!--                   Compute tendency for TKE-production from shear
[3634]2783                     !$ACC LOOP PRIVATE(k, flag)
[3398]2784                      DO  k = nzb+1, nzt
2785                         flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST(wall_flags_0(k,j,i),0) )
2786                         tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + flag * tmp_flux(k) * ( g / &
2787                                       MERGE( pt_reference, pt(k,j,i),          &
2788                                              use_single_reference_value ) )
2789                      ENDDO
2790
2791                   ELSE
2792
[3550]2793!--                   RANS mode: Compute tendency for dissipation-rate-production from shear
[3398]2794                      DO  k = nzb+1, nzt
2795                         flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST(wall_flags_0(k,j,i),0) )
2796                         tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + flag * tmp_flux(k) * ( g / &
2797                                       MERGE( pt_reference, pt(k,j,i),          &
2798                                              use_single_reference_value ) ) *  &
2799                                       diss(k,j,i)/( e(k,j,i) + 1.0E-20_wp ) *  &
2800                                       c_3
2801                      ENDDO
2802
2803                   ENDIF
2804
[2680]2805                ENDDO
[3359]2806             ENDDO
[2353]2807
[3359]2808          ENDIF ! from IF ( .NOT. ocean_mode )
[2353]2809
[3359]2810       ELSE ! or IF ( humidity )  THEN
[2353]2811
[3359]2812          DO  i = nxl, nxr
[2680]2813             DO  j = nys, nyn
[2353]2814
[2680]2815                DO  k = nzb+1, nzt
[3398]2816
[3274]2817                   IF ( .NOT. bulk_cloud_model .AND. .NOT. cloud_droplets ) THEN
[2680]2818                      k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
2819                      k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[3398]2820                      tmp_flux(k) = -1.0_wp * kh(k,j,i) *                      &
2821                                      ( k1 * ( pt(k+1,j,i) - pt(k-1,j,i) ) +   &
2822                                        k2 * ( q(k+1,j,i)  - q(k-1,j,i) )      &
2823                                      ) * dd2zu(k)
[3274]2824                   ELSE IF ( bulk_cloud_model )  THEN
[2680]2825                      IF ( ql(k,j,i) == 0.0_wp )  THEN
2826                         k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
2827                         k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
2828                      ELSE
[3274]2829                         theta = pt(k,j,i) + d_exner(k) * lv_d_cp * ql(k,j,i)
2830                         temp  = theta * exner(k)
[2680]2831                         k1 = ( 1.0_wp - q(k,j,i) + 1.61_wp *                  &
2832                                       ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) *              &
[3361]2833                              ( 1.0_wp + rd_d_rv * lv_d_rd / temp ) ) /        &
2834                              ( 1.0_wp + rd_d_rv * lv_d_rd * lv_d_cp *         &
[2680]2835                              ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) / ( temp * temp ) )
[3274]2836                         k2 = theta * ( lv_d_cp / temp * k1 - 1.0_wp )
[2680]2837                      ENDIF
[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                                      ) * dd2zu(k)
[2680]2842                   ELSE IF ( cloud_droplets )  THEN
2843                      k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i) - ql(k,j,i)
2844                      k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[3398]2845                      tmp_flux(k) = -1.0_wp * kh(k,j,i) * &
2846                                      ( k1 * ( pt(k+1,j,i) - pt(k-1,j,i) ) +   &
2847                                        k2 * ( q(k+1,j,i)  - q(k-1,j,i) ) -    &
2848                                        pt(k,j,i) * ( ql(k+1,j,i) -            &
2849                                        ql(k-1,j,i) ) ) * dd2zu(k)
[2680]2850                   ENDIF
[2353]2851
[2680]2852                ENDDO
2853
[3359]2854                IF ( use_surface_fluxes )  THEN
[2680]2855!
2856!--                Treat horizontal default surfaces
2857                   DO  l = 0, 1
2858                      surf_s = surf_def_h(l)%start_index(j,i)
2859                      surf_e = surf_def_h(l)%end_index(j,i)
[2353]2860                      DO  m = surf_s, surf_e
[2680]2861                         k = surf_def_h(l)%k(m)
[2353]2862
[3274]2863                         IF ( .NOT. bulk_cloud_model .AND. .NOT. cloud_droplets ) THEN
[2353]2864                            k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
2865                            k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[3274]2866                         ELSE IF ( bulk_cloud_model )  THEN
[2353]2867                            IF ( ql(k,j,i) == 0.0_wp )  THEN
2868                               k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
2869                               k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
2870                            ELSE
[3274]2871                               theta = pt(k,j,i) + d_exner(k) * lv_d_cp * ql(k,j,i)
2872                               temp  = theta * exner(k)
[2353]2873                               k1 = ( 1.0_wp - q(k,j,i) + 1.61_wp *            &
2874                                          ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) *           &
[3361]2875                                 ( 1.0_wp + rd_d_rv * lv_d_rd / temp ) ) /     &
2876                                 ( 1.0_wp + rd_d_rv * lv_d_rd * lv_d_cp *      &
[2353]2877                                 ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) / ( temp * temp ) )
[3274]2878                               k2 = theta * ( lv_d_cp / temp * k1 - 1.0_wp )
[2353]2879                            ENDIF
2880                         ELSE IF ( cloud_droplets )  THEN
2881                            k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i) - ql(k,j,i)
2882                            k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
2883                         ENDIF
2884
[3398]2885                         tmp_flux(k) = ( k1 * surf_def_h(l)%shf(m) +           &
2886                                         k2 * surf_def_h(l)%qsws(m)            &
2887                                       ) * drho_air_zw(k-1)
[2353]2888                      ENDDO
[2680]2889                   ENDDO
2890!
2891!--                Treat horizontal natural surfaces
2892                   surf_s = surf_lsm_h%start_index(j,i)
2893                   surf_e = surf_lsm_h%end_index(j,i)
2894                   DO  m = surf_s, surf_e
2895                      k = surf_lsm_h%k(m)
[2353]2896
[3274]2897                      IF ( .NOT. bulk_cloud_model .AND. .NOT. cloud_droplets ) THEN
[2680]2898                         k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
2899                         k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[3274]2900                      ELSE IF ( bulk_cloud_model )  THEN
[2680]2901                         IF ( ql(k,j,i) == 0.0_wp )  THEN
2902                            k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
2903                            k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
2904                         ELSE
[3274]2905                            theta = pt(k,j,i) + d_exner(k) * lv_d_cp * ql(k,j,i)
2906                            temp  = theta * exner(k)
[2680]2907                            k1 = ( 1.0_wp - q(k,j,i) + 1.61_wp *               &
2908                                          ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) *           &
[3361]2909                                 ( 1.0_wp + rd_d_rv * lv_d_rd / temp ) ) /     &
2910                                 ( 1.0_wp + rd_d_rv * lv_d_rd * lv_d_cp *      &
[2680]2911                                 ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) / ( temp * temp ) )
[3274]2912                            k2 = theta * ( lv_d_cp / temp * k1 - 1.0_wp )
[2680]2913                         ENDIF
2914                      ELSE IF ( cloud_droplets )  THEN
2915                         k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i) - ql(k,j,i)
2916                         k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
2917                      ENDIF
2918
[3398]2919                      tmp_flux(k) = ( k1 * surf_lsm_h%shf(m) +                 &
2920                                      k2 * surf_lsm_h%qsws(m)                  &
2921                                    ) * drho_air_zw(k-1)
[2353]2922                   ENDDO
[2680]2923!
2924!--                Treat horizontal urban surfaces
2925                   surf_s = surf_usm_h%start_index(j,i)
2926                   surf_e = surf_usm_h%end_index(j,i)
2927                   DO  m = surf_s, surf_e
[3385]2928                      k = surf_usm_h%k(m)
[2353]2929
[3274]2930                      IF ( .NOT. bulk_cloud_model .AND. .NOT. cloud_droplets ) THEN
[2680]2931                         k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
2932                         k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[3274]2933                      ELSE IF ( bulk_cloud_model )  THEN
[2680]2934                         IF ( ql(k,j,i) == 0.0_wp )  THEN
2935                            k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
2936                            k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
2937                         ELSE
[3274]2938                            theta = pt(k,j,i) + d_exner(k) * lv_d_cp * ql(k,j,i)
2939                            temp  = theta * exner(k)
[2680]2940                            k1 = ( 1.0_wp - q(k,j,i) + 1.61_wp *               &
2941                                          ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) *           &
[3361]2942                                 ( 1.0_wp + rd_d_rv * lv_d_rd / temp ) ) /     &
2943                                 ( 1.0_wp + rd_d_rv * lv_d_rd * lv_d_cp *      &
[2680]2944                                 ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) / ( temp * temp ) )
[3274]2945                            k2 = theta * ( lv_d_cp / temp * k1 - 1.0_wp )
[2680]2946                         ENDIF
2947                      ELSE IF ( cloud_droplets )  THEN
2948                         k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i) - ql(k,j,i)
2949                         k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
2950                      ENDIF
[2353]2951
[3398]2952                      tmp_flux(k) = ( k1 * surf_usm_h%shf(m) +                 &
2953                                      k2 * surf_usm_h%qsws(m)                  &
2954                                    ) * drho_air_zw(k-1)
[2680]2955                   ENDDO
2956
[3359]2957                ENDIF ! from IF ( use_surface_fluxes )  THEN
[2680]2958
[3359]2959                IF ( use_top_fluxes )  THEN
[2353]2960
[2680]2961                   surf_s = surf_def_h(2)%start_index(j,i)
2962                   surf_e = surf_def_h(2)%end_index(j,i)
2963                   DO  m = surf_s, surf_e
2964                      k = surf_def_h(2)%k(m)
2965
[3274]2966                      IF ( .NOT. bulk_cloud_model .AND. .NOT. cloud_droplets ) THEN
[2680]2967                         k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
2968                         k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
[3274]2969                      ELSE IF ( bulk_cloud_model )  THEN
[2680]2970                         IF ( ql(k,j,i) == 0.0_wp )  THEN
2971                            k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i)
2972                            k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
2973                         ELSE
[3274]2974                            theta = pt(k,j,i) + d_exner(k) * lv_d_cp * ql(k,j,i)
2975                            temp  = theta * exner(k)
[2680]2976                            k1 = ( 1.0_wp - q(k,j,i) + 1.61_wp *               &
2977                                       ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) *              &
[3361]2978                              ( 1.0_wp + rd_d_rv * lv_d_rd / temp ) ) /        &
2979                              ( 1.0_wp + rd_d_rv * lv_d_rd * lv_d_cp *         &
[2680]2980                              ( q(k,j,i) - ql(k,j,i) ) / ( temp * temp ) )
[3274]2981                            k2 = theta * ( lv_d_cp / temp * k1 - 1.0_wp )
[2680]2982                         ENDIF
2983                      ELSE IF ( cloud_droplets )  THEN
2984                         k1 = 1.0_wp + 0.61_wp * q(k,j,i) - ql(k,j,i)
2985                         k2 = 0.61_wp * pt(k,j,i)
2986                      ENDIF
2987
[3398]2988                      tmp_flux(k) = ( k1 * surf_def_h(2)%shf(m) +              &
2989                                      k2 * surf_def_h(2)%qsws(m)               &
2990                                    ) * drho_air_zw(k)
[2680]2991
2992                   ENDDO
2993
[3359]2994                ENDIF ! from IF ( use_top_fluxes )  THEN
[2680]2995
[3398]2996