source: palm/trunk/SOURCE/vdi_internal_controls.f90 @ 4545

Last change on this file since 4545 was 4497, checked in by raasch, 5 years ago

last bugfix deactivated because of compile problems, files re-formatted to follow the PALM coding standard

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 43.2 KB
Line 
1!> @file vdi_internal_controls.f90
2!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
3! This file is part of the PALM model system.
4!
5! PALM is free software: you can redistribute it and/or modify it under the terms of the GNU General
6! Public License as published by the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
7! (at your option) any later version.
8!
9! PALM is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the
10! implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the GNU General
11! Public License for more details.
12!
13! You should have received a copy of the GNU General Public License along with PALM. If not, see
14! <http://www.gnu.org/licenses/>.
15!
16! Copyright 1997-2020 Leibniz Universitaet Hannover
17!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
18!
19!
20! Current revisions:
21! -----------------
22!
23!
24! Former revisions:
25! -----------------
26! $Id: vdi_internal_controls.f90 4497 2020-04-15 10:20:51Z schwenkel $
27! file re-formatted to follow the PALM coding standard
28!
29!
30! 4481 2020-03-31 18:55:54Z maronga
31! missing preprocessor directive added
32!
33! 4346 2019-12-18 11:55:56Z motisi
34! Introduction of wall_flags_total_0, which currently sets bits based on static topography
35! information used in wall_flags_static_0
36!
37! 4329 2019-12-10 15:46:36Z motisi
38! Renamed wall_flags_0 to wall_flags_static_0
39!
40! 4182 2019-08-22 15:20:23Z scharf
41! added "Authors" section
42!
43! 4175 2019-08-20 13:19:16Z gronemeier
44! bugfix: removed unused variables
45!
46! 4173 2019-08-20 12:04:06Z weniger
47! Initial version
48!
49! Authors:
50! --------
51! @author Viola Weniger
52!
53!
54! Description:
55! ------------
56!> According to VDI Guideline 3783 Part 9, internal assessment has to be carried out within the
57!> program for the model to be considered as evaluated.
58!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
59 MODULE vdi_internal_controls
60
61    USE arrays_3d,                                                                                 &
62        ONLY:  dzw,                                                                                &
63               pt,                                                                                 &
64               q,                                                                                  &
65               u,                                                                                  &
66               u_p,                                                                                &
67               v,                                                                                  &
68               w
69
70    USE control_parameters,                                                                        &
71        ONLY:  bc_dirichlet_l,                                                                     &
72               bc_dirichlet_n,                                                                     &
73               bc_dirichlet_r,                                                                     &
74               bc_dirichlet_s,                                                                     &
75               bc_lr_cyc,                                                                          &
76               bc_ns_cyc,                                                                          &
77               end_time,                                                                           &
78               humidity,                                                                           &
79               message_string,                                                                     &
80               neutral,                                                                            &
81               time_since_reference_point
82
83    USE indices,                                                                                   &
84        ONLY:  nx,                                                                                 &
85               nxl,                                                                                &
86               nxlg,                                                                               &
87               nxr,                                                                                &
88               nxrg,                                                                               &
89               ny,                                                                                 &
90               nyn,                                                                                &
91               nyng,                                                                               &
92               nys,                                                                                &
93               nysg,                                                                               &
94               nzb,                                                                                &
95               nzt,                                                                                &
96               wall_flags_total_0
97
98    USE kinds
99
100#if defined( __parallel )
101    USE pegrid,                                                                                    &
102        ONLY:  collective_wait,                                                                    &
103               comm2d,                                                                             &
104               ierr,                                                                               &
105               MPI_DOUBLE_PRECISION,                                                               &
106               MPI_INTEGER,                                                                        &
107               MPI_MAX,                                                                            &
108               MPI_SUM,                                                                            &
109               myid
110#else
111    USE pegrid,                                                                                    &
112        ONLY:  myid
113#endif
114
115
116    USE grid_variables,                                                                            &
117        ONLY:  dx,                                                                                 &
118               dy
119
120    USE pmc_interface,                                                                             &
121        ONLY: nested_run
122
123    IMPLICIT NONE
124
125    INTEGER(iwp) ::  internal_count = 0  !< counts calls to this module
126
127    INTERFACE vdi_2_deltat_wave
128       MODULE PROCEDURE vdi_2_deltat_wave
129    END INTERFACE vdi_2_deltat_wave
130
131    INTERFACE vdi_standard_differences
132       MODULE PROCEDURE vdi_standard_differences
133    END INTERFACE vdi_standard_differences
134
135    INTERFACE vdi_domain_averages
136       MODULE PROCEDURE vdi_domain_averages
137    END INTERFACE vdi_domain_averages
138
139    INTERFACE vdi_plausible_values
140       MODULE PROCEDURE vdi_plausible_values
141    END INTERFACE vdi_plausible_values
142
143    INTERFACE vdi_actions
144       MODULE PROCEDURE vdi_actions
145    END INTERFACE vdi_actions
146
147    INTERFACE vdi_conservation_of_mass
148       MODULE PROCEDURE vdi_conservation_of_mass
149    END INTERFACE vdi_conservation_of_mass
150
151    SAVE
152
153    PRIVATE
154
155!
156!-- Public functions
157    PUBLIC                                                                                         &
158       vdi_actions
159
160
161 CONTAINS
162
163!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
164! Description:
165! ------------
166!> Call for all grid points
167!> @todo Add proper description
168!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
169 SUBROUTINE vdi_actions( location )
170
171    CHARACTER(LEN=*), INTENT(IN) ::  location  !< call location string
172
173
174    SELECT CASE ( location )
175
176       CASE ( 'after_integration' )
177
178          internal_count = internal_count + 1
179
180          CALL vdi_2_deltat_wave
181
182          CALL vdi_standard_differences
183
184          CALL vdi_domain_averages
185
186          CALL vdi_conservation_of_mass
187
188          CALL vdi_plausible_values
189
190       CASE DEFAULT
191
192          CONTINUE
193
194    END SELECT
195
196 END SUBROUTINE vdi_actions
197!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
198! Description:
199! ------------
200!> At a control grid point in the interior of the model domain, 2 * delta t waves are not to be
201!> generated with increasing simulation time.
202!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
203 SUBROUTINE vdi_2_deltat_wave
204
205    INTEGER(iwp) ::  count_wave = 0  !< counts the number of consecutive waves
206    INTEGER(iwp) ::  count_time = 0  !< counter, so that the waves follow one another without gaps
207    INTEGER(iwp) ::  cgp_i      = 0  !< x coordinate of the control grid point for testing 2 delta t waves
208    INTEGER(iwp) ::  cgp_j      = 0  !< y coordinate of the control grid point for testing 2 delta t waves
209    INTEGER(iwp) ::  cgp_k      = 0  !< z coordinate of the control grid point for testing 2 delta t waves
210
211    INTEGER(iwp), DIMENSION(4) ::  sig_arr = (/ 0, 0, 0, 0 /)  !< indicates an increase(1) or a decrease (0)
212                                                               !< of u in the last four time steps
213
214    REAL(wp) ::  random  !< random number
215
216!
217!-- Defining the control grid point
218    IF ( internal_count == 1 )  THEN
219       cgp_i = INT( nxl + ( nxr - nxl ) / 2 )
220       cgp_j = INT( nys + ( nyn - nys ) / 2 )
221       cgp_k = INT( nzt / 2 )
222!
223!--    If the grid point lies in a building, a new point is defined
224       DO WHILE ( .NOT. BTEST( wall_flags_total_0(cgp_k,cgp_j,cgp_i), 1 ) )
225          CALL RANDOM_NUMBER( random )
226          cgp_k = cgp_k + FLOOR( ( nzt - cgp_k ) * random )   !< Random number upon cgp_k
227!
228!--       If there is topography in the entire grid column, a new x coordinate is chosen
229          IF ( cgp_k >= nzt -1 )  THEN
230             CALL RANDOM_NUMBER( random )
231             cgp_i = nxl + FLOOR( ( nxr + 1 - nxl ) * random )
232             cgp_k = INT( nzt / 2 )
233          ENDIF
234       ENDDO
235    ENDIF
236
237    CALL testing_2_deltat_wave( u_p(cgp_k,cgp_j,cgp_i), u(cgp_k,cgp_j,cgp_i),                      &
238                                sig_arr, count_wave, count_time )
239
240 END SUBROUTINE vdi_2_deltat_wave
241
242
243!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
244! Description:
245! ------------
246!> In this subroutine the quantity quant is tested for 2 delta t waves. For this, the size must have
247!> a wave-shaped course over 4*4 time steps and the amplitude of the wave has to be greater than the
248!> change of quant with increasing time.
249!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
250 SUBROUTINE testing_2_deltat_wave( quant_p_r, quant_r, sig_arr, count_wave, count_time )
251
252    INTEGER(iwp), INTENT(INOUT) ::  count_wave        !< counts the number of consecutive waves
253    INTEGER(iwp), INTENT(INOUT) ::  count_time        !< counter, so that the waves follow one another without gaps
254    INTEGER(iwp), PARAMETER     ::  number_wave = 10  !< number of consecutive waves that are not allowed
255
256    INTEGER(iwp), DIMENSION(4), INTENT(INOUT) ::  sig_arr  !< indicates an increase (1) or a decrease (0) of
257                                                           !> quantity quant in the last four time steps
258
259    REAL(wp), INTENT(IN) ::  quant_p_r           !< quantity from the previous time step as a real
260    REAL(wp), INTENT(IN) ::  quant_r             !< quantity as a real
261    REAL(wp)             ::  quant_rel = 0.0_wp  !< rel. change of the quantity to the previous time step
262
263
264
265
266    IF ( quant_p_r - quant_r > 0.0 )  THEN
267       sig_arr(4) = 0
268    ELSE
269       sig_arr(4) = 1
270    ENDIF
271
272    quant_rel = ABS( ( quant_p_r - quant_r ) / quant_p_r )
273
274!
275!-- With this criterion 2 delta t waves are detected if the amplitude of the wave is greater than
276!-- the change of quant with increasing time
277    IF ( ALL( sig_arr(1:4) == (/ 1, 0, 1, 0 /) )  .AND.  quant_rel > 0.01 )  THEN
278
279       count_wave = count_wave + 1
280
281       IF ( count_wave == number_wave  .AND.  count_time == 4 )  THEN
282          message_string = '2 deltat waves are generated '
283          CALL message( 'vdi_2_deltat_wave', 'PA0669', 2, 2, myid, 6, 0 )
284       ENDIF
285
286       count_time = 0
287
288    ELSE
289
290       IF ( count_time >= 4 )  THEN
291          count_wave = 0
292       ENDIF
293
294    ENDIF
295
296    sig_arr(1) = sig_arr(2)
297    sig_arr(2) = sig_arr(3)
298    sig_arr(3) = sig_arr(4)
299
300    count_time = count_time + 1
301
302 END SUBROUTINE testing_2_deltat_wave
303
304
305!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
306! Description:
307! ------------
308!> In this internal assessment the maxima of standard differences of the meteorological variables,
309!> computed layer by layer will be checked. The maxima should not remain at the open edges of the
310!> model or travel from there into the interior of the domain with increasing simulation time.
311!> @todo try to reduce repeating code.
312!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
313 SUBROUTINE vdi_standard_differences
314
315    INTEGER(iwp) ::  position_pt_deviation    = 0  !< position of the maximum of the standard deviation of pt
316    INTEGER(iwp) ::  position_pt_deviation_p  = 0  !< position of the maximum of the standard deviation of pt
317                                                   !< to the previous time step
318    INTEGER(iwp) ::  position_pt_deviation_pp = 0  !< position of the maximum of the standard deviation of pt two time steps ago
319    INTEGER(iwp) ::  position_q_deviation     = 0  !< position of the maximum of the standard deviation of q
320    INTEGER(iwp) ::  position_q_deviation_p   = 0  !< position of the maximum of the standard deviation of q to
321                                                   !< the previous time step
322    INTEGER(iwp) ::  position_q_deviation_pp  = 0  !< position of the maximum of the standard deviation of q two time steps ago
323    INTEGER(iwp) ::  position_u_deviation     = 0  !< position of the maximum of the standard deviation of u
324    INTEGER(iwp) ::  position_u_deviation_p   = 0  !< position of the maximum of the standard deviation of u to
325                                                   !< the previous time step
326    INTEGER(iwp) ::  position_u_deviation_pp  = 0  !< position of the maximum of the standard deviation of u two time steps ago
327    INTEGER(iwp) ::  position_v_deviation     = 0  !< position of the maximum of the standard deviation of v
328    INTEGER(iwp) ::  position_v_deviation_p   = 0  !< position of the maximum of the standard deviation of v
329                                                   !< to the previous time step
330    INTEGER(iwp) ::  position_v_deviation_pp  = 0  !< position of the maximum of the standard deviation of v two time steps ago
331    INTEGER(iwp) ::  position_w_deviation     = 0  !< position of the maximum of the standard deviation of w
332    INTEGER(iwp) ::  position_w_deviation_p   = 0  !< position of the maximum of the standard deviation of w
333                                                   !< to the previous time step
334    INTEGER(iwp) ::  position_w_deviation_pp  = 0  !< position of the maximum of the standard deviation of w two time steps ago
335
336    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  pt_deviation  !< standard deviation of pt depending on k
337    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  q_deviation   !< standard deviation of q depending on k
338    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  u_deviation   !< standard deviation of u depending on k
339    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  v_deviation   !< standard deviation of v depending on k
340    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  w_deviation   !< standard deviation of w depending on k
341
342!
343!-- Calculation of the standard deviation of u
344    CALL calc_standard_deviation( u, u_deviation, 1 )
345
346!
347!-- Determination of the position of the maximum
348    position_u_deviation = MAXLOC( u_deviation, DIM = 1 )
349
350!
351!-- Check the position of the maximum of the standard deviation of u
352    IF ( internal_count > 2 )  THEN
353       CALL check_position( position_u_deviation, position_u_deviation_p, position_u_deviation_pp )
354    ENDIF
355
356    position_u_deviation_pp = position_u_deviation_p
357    position_u_deviation_p = position_u_deviation
358
359!
360!-- Calculation of the standard deviation of v
361    CALL calc_standard_deviation( v, v_deviation, 2 )
362
363!
364!-- Determination of the position of the maximum
365    position_v_deviation = MAXLOC( v_deviation, DIM = 1 )
366
367!
368!-- Check the position of the maximum of the standard deviation of v
369    IF ( internal_count > 2 )  THEN
370       CALL check_position( position_v_deviation, position_v_deviation_p, position_v_deviation_pp )
371    ENDIF
372
373   position_v_deviation_pp = position_v_deviation_p
374   position_v_deviation_p = position_v_deviation
375
376!
377!-- Calculation of the standard deviation of w
378    CALL calc_standard_deviation( w, w_deviation, 3 )
379
380!
381!-- Determination of the position of the maximum
382    position_w_deviation = MAXLOC( w_deviation, DIM = 1 )
383
384!
385!-- Check the position of the maximum of the standard deviation of w
386    IF ( internal_count > 2 )  THEN
387       CALL check_position( position_w_deviation, position_w_deviation_p, position_w_deviation_pp )
388    ENDIF
389
390    position_w_deviation_pp = position_w_deviation_p
391    position_w_deviation_p = position_w_deviation
392
393
394!
395!-- Calculation of the standard deviation of pt
396    IF ( .NOT. neutral )  THEN
397       CALL calc_standard_deviation( pt, pt_deviation, 0 )
398!
399!--    Determination of the position of the maximum
400       position_pt_deviation = MAXLOC( pt_deviation, DIM = 1 )
401
402!
403!--    Check the position of the maximum of the standard deviation of pt
404       IF ( internal_count > 2 )  THEN
405          CALL check_position( position_pt_deviation,                                              &
406                               position_pt_deviation_p,                                            &
407                               position_pt_deviation_pp )
408       ENDIF
409
410       position_pt_deviation_pp = position_pt_deviation_p
411       position_pt_deviation_p = position_pt_deviation
412
413    ENDIF
414
415!
416!-- Calculation of the standard deviation of q
417    IF ( humidity )  THEN
418       CALL calc_standard_deviation( q, q_deviation, 0 )
419
420!
421!--    Determination of the position of the maximum
422       position_q_deviation = MAXLOC( q_deviation, DIM = 1 )
423
424!
425!--    Check the position of the maximum of the standard deviation of q
426       IF ( internal_count > 2 )  THEN
427          CALL check_position( position_q_deviation,                                               &
428                               position_q_deviation_p,                                             &
429                               position_q_deviation_pp )
430       ENDIF
431
432       position_q_deviation_pp = position_q_deviation_p
433       position_q_deviation_p = position_q_deviation
434
435    ENDIF
436
437 END SUBROUTINE vdi_standard_differences
438
439
440!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
441! Description:
442! ------------
443!> Calculation of the standard deviation
444!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
445 SUBROUTINE calc_standard_deviation( quant, std_deviation, quant_type )
446
447    INTEGER(iwp)             ::  i           !< loop index
448    INTEGER(iwp)             ::  j           !< loop index
449    INTEGER(iwp)             ::  k           !< loop index
450    INTEGER(iwp), INTENT(IN) ::  quant_type  !< bit position (1 for u, 2 for v, 3 for w and 0 for scalar)
451
452    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  count_2d_l  !< counter for averaging (local)
453    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  count_2d    !< counter for averaging
454
455    REAL(wp) ::  flag  !< flag indicating atmosphere (1) or wall (0) grid point
456
457    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1)              ::  quant_av_k_l     !< Mean of the quantity quant depending on k (local)
458    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1)              ::  quant_av_k       !< Mean of the quantity quant depending on k
459    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1), INTENT(OUT) ::  std_deviation    !< standard deviation of quant
460    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1)              ::  std_deviation_l  !< standard deviation of quant (local)
461
462    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), INTENT(IN) ::  quant !< Quantity
463
464!
465!-- Calculation of the standard deviation
466    quant_av_k_l    = 0.0_wp
467    quant_av_k      = 0.0_wp
468    std_deviation   = 0.0_wp
469    std_deviation_l = 0.0_wp
470!
471!-- Average
472    count_2d_l = 0
473    count_2d   = 0
474    DO  i = nxl, nxr
475       DO  j = nys, nyn
476          DO  k = nzb+1, nzt+1
477             flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), quant_type ) )
478             quant_av_k_l(k) = quant_av_k_l(k) + quant(k,j,i) * flag
479             count_2d_l(k)   = count_2d_l(k) + INT( flag, KIND = iwp )
480          ENDDO
481       ENDDO
482    ENDDO
483
484#if defined( __parallel )
485    CALL MPI_ALLREDUCE( quant_av_k_l, quant_av_k, nzt+1 - nzb+1, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
486
487    CALL MPI_ALLREDUCE( count_2d_l, count_2d, nzt+1 - nzb+1, MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d, ierr )
488#else
489    quant_av_k = quant_av_k_l
490    count_2d   = count_2d_l
491#endif
492
493    DO  k = nzb+1, nzt+1
494       quant_av_k(k) = quant_av_k(k) / REAL( count_2d(k), KIND = wp )
495    ENDDO
496
497    DO  i = nxl, nxr
498       DO  j = nys, nyn
499          DO  k = nzb+1, nzt+1
500             std_deviation_l(k) = std_deviation_l(k)                                               &
501                                + ( quant(k,j,i) - quant_av_k(k) )**2                              &
502                                * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                                           &
503                                  BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), quant_type ) )
504          ENDDO
505       ENDDO
506    ENDDO
507
508
509#if defined( __parallel )
510    CALL MPI_ALLREDUCE( std_deviation_l, std_deviation, nzt+1-nzb+1, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
511#else
512    std_deviation = std_deviation_l
513#endif
514
515    DO  k = nzb+1, nzt+1
516       std_deviation(k) = SQRT( std_deviation(k) / REAL( count_2d(k), KIND = wp ) )
517    ENDDO
518
519 END SUBROUTINE calc_standard_deviation
520
521
522!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
523! Description:
524! ------------
525!> Tests for the position of the maxima of the standard deviation. If the maxima remain at the open
526!> edges of the model or travel from the open edges into the interior of the domain with increasing
527!> simulation time, the simulation should be aborted.
528!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
529 SUBROUTINE check_position( position_std_deviation, position_std_deviation_p, &
530                            position_std_deviation_pp )
531
532    INTEGER(iwp), INTENT(IN) ::  position_std_deviation     !< position of the maximum of the std
533    INTEGER(iwp), INTENT(IN) ::  position_std_deviation_p   !< previous position of std-max
534    INTEGER(iwp), INTENT(IN) ::  position_std_deviation_pp  !< prev. prev. position of std-max
535
536
537    IF ( position_std_deviation == nzt    .AND.                                                    &
538         position_std_deviation_p == nzt  .AND.                                                    &
539         position_std_deviation_pp == nzt       )  THEN
540       message_string = 'The maxima of the standard deviation' //                                  &
541                        'remain at the open edges of the model.'
542       CALL message( 'vdi_standard_differences', 'PA0663', 1, 2, 0, 6, 0 )
543    ENDIF
544
545    IF ( position_std_deviation == nzt-2    .AND.                                                  &
546         position_std_deviation_p == nzt-1  .AND.                                                  &
547         position_std_deviation_pp == nzt         )  THEN
548       message_string = 'The maxima of the standard deviation travel ' //                          &
549                        'from the open edges into the interior ' //                                &
550                        'of the domain with increasing simulation time.'
551       CALL message( 'vdi_standard_differences', 'PA0664', 1, 2, 0, 6, 0 )
552    ENDIF
553
554 END SUBROUTINE check_position
555
556
557!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
558! Description:
559! ------------
560!> In this control it will be checked, if the means of the meteorological variables over the model
561!> grid are not to exhibit 2 delta t waves or monotonic increase or decrease with increasing
562!> simulation time.
563!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
564 SUBROUTINE vdi_domain_averages
565
566    INTEGER(iwp) ::  count_time_u  = 0  !< counter, so that the waves of u follow each other without gaps
567    INTEGER(iwp) ::  count_time_v  = 0  !< counter, so that the waves of v follow each other without gaps
568    INTEGER(iwp) ::  count_time_w  = 0  !< counter, so that the waves of w follow each other without gaps
569    INTEGER(iwp) ::  count_time_q  = 0  !< counter, so that the waves of q follow each other without gaps
570    INTEGER(iwp) ::  count_time_pt = 0  !< counter, so that the waves of pt follow each other without gaps
571    INTEGER(iwp) ::  count_wave_u  = 0  !< counts the number of consecutive waves of u
572    INTEGER(iwp) ::  count_wave_v  = 0  !< counts the number of consecutive waves of v
573    INTEGER(iwp) ::  count_wave_w  = 0  !< counts the number of consecutive waves of w
574    INTEGER(iwp) ::  count_wave_q  = 0  !< counts the number of consecutive waves of q
575    INTEGER(iwp) ::  count_wave_pt = 0  !< counts the number of consecutive waves of pt
576    INTEGER(iwp) ::  mono_count_u  = 0  !< counter for monotonic decrease or increase of u
577    INTEGER(iwp) ::  mono_count_v  = 0  !< counter for monotonic decrease or increase of v
578    INTEGER(iwp) ::  mono_count_w  = 0  !< counter for monotonic decrease or increase of w
579    INTEGER(iwp) ::  mono_count_q  = 0  !< counter for monotonic decrease or increase of q
580    INTEGER(iwp) ::  mono_count_pt = 0  !< counter for monotonic decrease or increase of pt
581
582    INTEGER(iwp), DIMENSION(4) ::  sig_u_arr = (/ 0, 0, 0, 0/)   !< indicates an increase(1) or a decrease (0)
583                                                                 !< of u in the last four time steps
584    INTEGER(iwp), DIMENSION(4) ::  sig_v_arr = (/ 0, 0, 0, 0/)   !< indicates an increase(1) or a decrease (0)
585                                                                 !< of v in the last four time steps
586    INTEGER(iwp), DIMENSION(4) ::  sig_w_arr = (/ 0, 0, 0, 0/)   !< indicates an increase(1) or a decrease (0)
587                                                                 !< of w in the last four time steps
588    INTEGER(iwp), DIMENSION(4) ::  sig_q_arr = (/ 0, 0, 0, 0/)   !< indicates an increase(1) or a decrease (0)
589                                                                 !< of q in the last four time steps
590    INTEGER(iwp), DIMENSION(4) ::  sig_pt_arr = (/ 0, 0, 0, 0/)  !< indicates an increase(1) or a decrease (0)
591                                                                 !< of pt in the last four time steps
592
593    REAL(wp) ::  pt_av = 0.0_wp    !< Mean of pt
594    REAL(wp) ::  pt_av_p = 0.0_wp  !< Mean of pt at the previous time step
595    REAL(wp) ::  q_av = 0.0_wp     !< Mean of q
596    REAL(wp) ::  q_av_p = 0.0_wp   !< Mean of q at the previous time step
597    REAL(wp) ::  u_av = 0.0_wp     !< Mean of u
598    REAL(wp) ::  u_av_p = 0.0_wp   !< Mean of u at the previous time step
599    REAL(wp) ::  v_av = 0.0_wp     !< Mean of v
600    REAL(wp) ::  v_av_p = 0.0_wp   !< Mean of v at the previous time step
601    REAL(wp) ::  w_av = 0.0_wp     !< Mean of w
602    REAL(wp) ::  w_av_p = 0.0_wp   !< Mean of w at the previous time step
603
604!
605!-- Averaging the meteorological variables over the model grid
606    CALL calc_average( u, u_av, 1 )
607    CALL calc_average( v, v_av, 2 )
608    CALL calc_average( w, w_av, 3 )
609    IF ( .NOT. neutral )  THEN
610       CALL calc_average( pt, pt_av, 0 )
611    ENDIF
612    IF ( humidity )  THEN
613       CALL calc_average( q, q_av, 0 )
614    ENDIF
615
616!
617!-- Testing the meteorological variables for 2 delta t waves
618    IF ( internal_count > 1 )  THEN
619       CALL testing_2_deltat_wave( u_av_p, u_av, sig_u_arr, count_wave_u, count_time_u )
620       CALL testing_2_deltat_wave( v_av_p, v_av, sig_v_arr, count_wave_v, count_time_v )
621       CALL testing_2_deltat_wave( w_av_p, w_av, sig_w_arr, count_wave_w, count_time_w )
622       IF ( .NOT. neutral )  THEN
623          CALL testing_2_deltat_wave( pt_av_p, pt_av, sig_pt_arr, count_wave_pt, count_time_pt )
624       ENDIF
625       IF ( humidity )  THEN
626          CALL testing_2_deltat_wave( q_av_p, q_av, sig_q_arr, count_wave_q, count_time_q )
627       ENDIF
628    ENDIF
629
630!
631!-- Testing if there is a monotonic increase or decrease with increasing simulation time
632    IF ( sig_u_arr(2) /= sig_u_arr(3) )  THEN
633       mono_count_u = 0
634    ELSE
635       mono_count_u = mono_count_u + 1
636    ENDIF
637
638    IF ( time_since_reference_point >= end_time  .AND.                                             &
639         mono_count_u > 0.9_wp * internal_count )  THEN
640
641       message_string = 'Monotonic decrease or increase with increasing simulation time for u'
642       CALL message( 'vdi_domain_averages', 'PA0665', 0, 1, 0, 6, 0 )
643    ENDIF
644
645    IF ( sig_v_arr(2) /= sig_v_arr(3) )  THEN
646       mono_count_v = 0
647    ELSE
648       mono_count_v = mono_count_v + 1
649    ENDIF
650
651    IF ( time_since_reference_point >= end_time  .AND.                                             &
652         mono_count_v > 0.9_wp * internal_count )  THEN
653       message_string = 'Monotonic decrease or increase with increasing simulation time for v'
654       CALL message( 'vdi_domain_averages', 'PA0665', 0, 1, 0, 6, 0 )
655    ENDIF
656
657    IF ( sig_w_arr(2) /= sig_w_arr(3) )  THEN
658       mono_count_w = 0
659    ELSE
660       mono_count_w = mono_count_w + 1
661    ENDIF
662
663    IF ( time_since_reference_point >= end_time  .AND.                                             &
664         mono_count_w > 0.9_wp * internal_count )  THEN
665       message_string = 'Monotonic decrease or increase with increasing simulation time for w'
666       CALL message( 'vdi_domain_averages', 'PA0665', 0, 1, 0, 6, 0 )
667    ENDIF
668
669    IF ( .NOT. neutral )  THEN
670       IF ( sig_pt_arr(2) /= sig_pt_arr(3) )  THEN
671          mono_count_pt = 0
672       ELSE
673          mono_count_pt = mono_count_pt + 1
674       ENDIF
675
676       IF ( time_since_reference_point >= end_time  .AND.                                          &
677            mono_count_pt > 0.9_wp * internal_count )  THEN
678          message_string = 'Monotonic decrease or increase with increasing simulation time for pt'
679          CALL message( 'vdi_domain_averages', 'PA0665', 0, 1, 0, 6, 0 )
680       ENDIF
681    ENDIF
682
683    IF ( humidity )  THEN
684       IF ( sig_q_arr(2) /= sig_q_arr(3) )  THEN
685          mono_count_q = 0
686       ELSE
687          mono_count_q = mono_count_q + 1
688       ENDIF
689
690       IF ( time_since_reference_point >= end_time  .AND.                                          &
691            mono_count_q > 0.9_wp * internal_count )  THEN
692          message_string = 'Monotonic decrease or increase with increasing simulation time for q'
693          CALL message( 'vdi_domain_averages', 'PA0665', 0, 1, 0, 6, 0 )
694       ENDIF
695    ENDIF
696
697!
698!-- Save the values from the previous time step
699    u_av_p = u_av
700    v_av_p = v_av
701    w_av_p = w_av
702
703    IF ( .NOT. neutral )  THEN
704       pt_av_p = pt_av
705    ENDIF
706
707    IF ( humidity )  THEN
708       q_av_p = q_av
709    ENDIF
710
711 END SUBROUTINE vdi_domain_averages
712
713
714!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
715! Description:
716! ------------
717!> Calculate the average of a quantity 'quant'.
718!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
719 SUBROUTINE calc_average( quant, quant_av, quant_type )
720
721    INTEGER(iwp) ::  average_count   = 0  !< counter for averaging
722    INTEGER(iwp) ::  average_count_l = 0  !< counter for averaging (local)
723    INTEGER      ::  i                    !< loop index
724    INTEGER      ::  j                    !< loop index
725    INTEGER      ::  k                    !< loop index
726    INTEGER(iwp) ::  quant_type           !< bit position (1 for u, 2 for v, 3 for w and 0 for scalar)
727
728    REAL(wp) ::  flag                 !< flag indicating atmosphere (1) or wall (0) grid point
729    REAL(wp) ::  quant_av             !< average of the quantity quant
730    REAL(wp) ::  quant_av_l = 0.0_wp  !< average of the quantity quant (local)
731
732    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::  quant  !<
733
734!
735!-- Averaging the quantity over the model grid
736   average_count_l = 0
737   quant_av_l = 0.0_wp
738   DO  i = nxl, nxr
739      DO  j = nys, nyn
740         DO  k = nzb, nzt+1
741            flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), quant_type ) )
742            quant_av_l = quant_av_l + quant(k,j,i) * flag
743            average_count_l = average_count_l + INT( flag, KIND = iwp )
744         ENDDO
745      ENDDO
746   ENDDO
747
748#if defined( __parallel )
749    CALL MPI_ALLREDUCE( quant_av_l, quant_av, 1, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
750    CALL MPI_ALLREDUCE( average_count_l, average_count, 1, MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d, ierr )
751#else
752    quant_av = quant_av_l
753    average_count = average_count_l
754#endif
755
756    quant_av = quant_av / REAL( average_count, KIND(wp) )
757
758 END SUBROUTINE calc_average
759
760
761!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
762! Description:
763! ------------
764!> Testing for conservation of mass.
765!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
766 SUBROUTINE vdi_conservation_of_mass
767
768    INTEGER(iwp) ::  i  !< loop index
769    INTEGER(iwp) ::  j  !< loop index
770    INTEGER(iwp) ::  k  !< loop index
771
772    REAL(wp)     ::  sum_mass_flux  !< sum of the mass flow
773
774    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  volume_flow    !< volume flow
775    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  volume_flow_l  !< volume flow (local)
776
777
778    volume_flow   = 0.0_wp
779    volume_flow_l = 0.0_wp
780
781!
782!-- Left/right:
783!-- Sum up the volume flow through the left boundary
784    IF ( nxl == 0 )  THEN
785       i = 0
786       DO  j = nys, nyn
787          DO  k = nzb+1, nzt
788             volume_flow_l(1) = volume_flow_l(1) + u(k,j,i) * dzw(k) * dy                          &
789                                * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 1 ) )
790          ENDDO
791       ENDDO
792    ENDIF
793!
794!-- Sum up the volume flow through the right boundary
795    IF ( nxr == nx )  THEN
796       i = nx+1
797       DO  j = nys, nyn
798          DO  k = nzb+1, nzt
799             volume_flow_l(1) = volume_flow_l(1) - u(k,j,i) * dzw(k) * dy                          &
800                                * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 1 ) )
801          ENDDO
802       ENDDO
803    ENDIF
804!
805!-- South/north:
806!-- Sum up the volume flow through the south boundary
807    IF ( nys == 0 )  THEN
808       j = 0
809       DO  i = nxl, nxr
810          DO  k = nzb+1, nzt
811             volume_flow_l(2) = volume_flow_l(2) + v(k,j,i) * dzw(k) * dx                          &
812                                * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 2 ) )
813          ENDDO
814       ENDDO
815    ENDIF
816!
817!-- Sum up the volume flow through the north boundary
818    IF ( nyn == ny )  THEN
819       j = ny+1
820       DO  i = nxl, nxr
821          DO  k = nzb+1, nzt
822             volume_flow_l(2) = volume_flow_l(2) - v(k,j,i) * dzw(k) * dx                          &
823                                * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 2 ) )
824          ENDDO
825       ENDDO
826    ENDIF
827!
828!-- Top boundary
829    k = nzt
830    DO  i = nxl, nxr
831       DO  j = nys, nyn
832          volume_flow_l(3) = volume_flow_l(3) - w(k,j,i) * dx * dy
833       ENDDO
834    ENDDO
835
836#if defined( __parallel )
837    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
838    CALL MPI_ALLREDUCE( volume_flow_l, volume_flow, 3, MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
839#else
840    volume_flow = volume_flow_l
841#endif
842
843    sum_mass_flux = SUM( volume_flow ) / ( ( nx + 1 ) * dx * ( ny + 1 ) * dy )
844
845   IF ( ABS( sum_mass_flux ) > 0.001 )  THEN
846      message_string = 'The mass is not conserved. '
847      CALL message( 'vdi_conservation_of_mass', 'PA0666', 1, 2, 0, 6, 0 )
848   ENDIF
849
850 END SUBROUTINE vdi_conservation_of_mass
851
852
853!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
854! Description:
855! ------------
856!> The results will be checked for exceedance of the specified limits. The controls are performed at
857!> every time step and at every grid point. No wind component is allowed to have a magnitude greater
858!> than ten times the maximum wind velocity at the approach flow profile (Vdi 3783 part 9).
859!> Note, that the supersaturation can not be higher than 10%. Therefore, no test is required.
860!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
861 SUBROUTINE vdi_plausible_values
862
863    INTEGER(iwp) ::  i  !< loop index
864    INTEGER(iwp) ::  j  !< loop index
865    INTEGER(iwp) ::  k  !< loop index
866
867    REAL(wp)     :: max_uv      !< maximum speed of all edges
868    REAL(wp)     :: max_uv_l_l  !< maximum speed at the left edge (local)
869    REAL(wp)     :: max_uv_l    !< maximum speed at the left edge
870    REAL(wp)     :: max_uv_n_l  !< maximum speed at the north edge (local)
871    REAL(wp)     :: max_uv_n    !< maximum speed at the north edge
872    REAL(wp)     :: max_uv_r_l  !< maximum speed at the right edge (local)
873    REAL(wp)     :: max_uv_r    !< maximum speed at the right edge
874    REAL(wp)     :: max_uv_s_l  !< maximum speed at the south edge (local)
875    REAL(wp)     :: max_uv_s    !< maximum speed at the south edge
876
877    REAL(wp), DIMENSION(4)                 ::  max_arr  !<
878    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE    ::  uv       !< wind velocity at the approach flow
879    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE    ::  uv_l     !< wind velocity at the approach flow (local)
880
881    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nys:nyn) ::  uv_l_nest  !< wind profile at the left edge (nesting)
882    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nys:nyn) ::  uv_r_nest  !< wind profile at the right edge (nesting)
883    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nxl:nxr) ::  uv_s_nest  !< wind profile at the south edge (nesting)
884    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nxl:nxr) ::  uv_n_nest  !< wind profile at the north edge (nesting)
885
886
887    IF ( .NOT. ALLOCATED( uv ) )  THEN
888      ALLOCATE( uv(nzb:nzt+1)   )
889      ALLOCATE( uv_l(nzb:nzt+1) )
890
891      uv   = 0.0_wp
892      uv_l = 0.0_wp
893    ENDIF
894
895!
896!-- Determination of the approach flow profile
897    IF ( nested_run )  THEN
898
899       uv_l_nest = 0.0_wp
900       uv_r_nest = 0.0_wp
901       uv_s_nest = 0.0_wp
902       uv_n_nest = 0.0_wp
903!
904!--    Left boundary
905       IF ( nxl == 0 )  THEN
906          i = nxl
907          DO  j = nys, nyn
908             DO  k = nzb, nzt+1
909                uv_l_nest(k,j) = SQRT( ( 0.5_wp * ( u(k,j,i-1) + u(k,j,i) ) )**2                   &
910                                     + ( 0.5_wp * ( v(k,j-1,i) + v(k,j,i) ) )**2 )
911             ENDDO
912          ENDDO
913          max_uv_l_l = MAXVAL(uv_l_nest)
914       ENDIF
915!
916!--    Right boundary
917       IF ( nxr == nx )  THEN
918          i = nxr
919          DO  j = nys, nyn
920             DO  k = nzb, nzt+1
921                uv_r_nest(k,j) = SQRT( ( 0.5_wp * ( u(k,j,i-1) + u(k,j,i) ) )**2                   &
922                                     + ( 0.5_wp * ( v(k,j-1,i) + v(k,j,i) ) )**2 )
923
924             ENDDO
925          ENDDO
926          max_uv_r_l = MAXVAL(uv_r_nest)
927       ENDIF
928!
929!--    South boundary
930       IF ( nys == 0 )  THEN
931          j = nys
932          DO  i = nxl, nxr
933             DO  k = nzb, nzt+1
934                uv_s_nest(k,i) = SQRT( ( 0.5_wp * ( u(k,j,i-1) + u(k,j,i) ) )**2                   &
935                                     + ( 0.5_wp * ( v(k,j-1,i) + v(k,j,i) ) )**2 )
936             ENDDO
937          ENDDO
938          max_uv_s_l = MAXVAL(uv_s_nest)
939       ENDIF
940!
941!--    North boundary
942       IF ( nyn == ny )  THEN
943          j = nyn
944          DO  i = nxl, nxr
945             DO  k = nzb, nzt+1
946                uv_n_nest(k,i) = SQRT( ( 0.5_wp * ( u(k,j,i-1) + u(k,j,i) ) )**2                   &
947                                     + ( 0.5_wp * ( v(k,j-1,i) + v(k,j,i) ) )**2 )
948
949             ENDDO
950          ENDDO
951          max_uv_n_l = MAXVAL(uv_n_nest)
952       ENDIF
953
954#if defined( __parallel )
955       CALL MPI_ALLREDUCE( max_uv_l_l, max_uv_l, 1, MPI_REAL, MPI_MAX, comm2d, ierr )
956       CALL MPI_ALLREDUCE( max_uv_r_l, max_uv_r, 1, MPI_REAL, MPI_MAX, comm2d, ierr )
957       CALL MPI_ALLREDUCE( max_uv_s_l, max_uv_s, 1, MPI_REAL, MPI_MAX, comm2d, ierr )
958       CALL MPI_ALLREDUCE( max_uv_n_l, max_uv_n, 1, MPI_REAL, MPI_MAX, comm2d, ierr )
959#else
960       max_uv_l = max_uv_l_l
961       max_uv_r = max_uv_r_l
962       max_uv_s = max_uv_s_l
963       max_uv_n = max_uv_n_l
964#endif
965
966       max_arr = (/ max_uv_r, max_uv_l, max_uv_s, max_uv_n /)
967       max_uv = MAXVAl( max_arr )
968
969    ELSE  ! non-nested run
970
971       IF ( bc_lr_cyc  .AND.  bc_ns_cyc )  THEN
972          IF ( nxl == 0  .AND.  nys == 0 )  THEN
973             DO  k = nzb, nzt+1
974                uv_l(k) = SQRT( ( 0.5_wp * ( u(k,0,-1) + u(k,0,0) ) )**2                           &
975                              + ( 0.5_wp * ( v(k,-1,0) + v(k,0,0) ) )**2 )
976             ENDDO
977          ENDIF
978       ENDIF
979
980
981       IF ( bc_dirichlet_l )  THEN
982          IF ( nxl == 0 .AND. nys == 0 )  THEN
983             DO  k = nzb, nzt+1
984                uv_l(k) = SQRT( ( 0.5_wp * ( u(k,0,-1) + u(k,0,0) ) )**2                           &
985                              + ( 0.5_wp * ( v(k,-1,0) + v(k,0,0) ) )**2 )
986             ENDDO
987          ENDIF
988
989       ELSEIF (bc_dirichlet_r )  THEN
990          IF ( nxr == nx .AND. nys == 0 )  THEN
991             DO  k = nzb, nzt+1
992                uv_l(k) = SQRT( ( 0.5_wp * ( u(k,0,nxr) + u(k,0,nxr+1) ) )**2                      &
993                              + ( 0.5_wp * ( v(k,-1,nxr) + v(k,0,nxr) ) )**2 )
994             ENDDO
995          ENDIF
996       ENDIF
997
998       IF ( bc_dirichlet_n )  THEN
999          IF ( nxl == 0 .AND. nyn == ny )  THEN
1000             DO  k = nzb, nzt+1
1001                uv_l(k) = SQRT( ( 0.5_wp * ( u(k,nyn,-1) + u(k,nyn,0) ) )**2                       &
1002                              + ( 0.5_wp * ( v(k,nyn+1,0) + v(k,nyn,0) ) )**2 )
1003             ENDDO
1004          ENDIF
1005
1006       ELSEIF ( bc_dirichlet_s )  THEN
1007          IF ( nxl == 0 .AND. nys == 0 )  THEN
1008             DO  k = nzb, nzt+1
1009                uv_l(k) = SQRT( ( 0.5_wp * ( u(k,0,-1) + u(k,0,0) ) )**2                           &
1010                              + ( 0.5_wp * ( v(k,-1,0) + v(k,0,0) ) )**2 )
1011             ENDDO
1012          ENDIF
1013       ENDIF
1014
1015#if defined( __parallel )
1016       CALL MPI_ALLREDUCE( uv_l, uv, nzt+1-nzb+1, MPI_REAL, MPI_MAX, comm2d, ierr )
1017#else
1018       uv = uv_l
1019#endif
1020
1021       max_uv = MAXVAL( uv )
1022
1023   ENDIF
1024
1025!
1026!-- Test for exceedance of the specified limits
1027    message_string = 'A wind component have a magnitude greater than ten times the maximum' //     &
1028                     'wind velocity at the approach flow profile.'
1029
1030    IF ( MAXVAL( ABS( u ) ) > 10.0_wp * max_uv )  THEN
1031       CALL message( 'vdi_plausible_values', 'PA0667', 2, 2, myid, 6, 0 )
1032    ENDIF
1033
1034    IF ( MAXVAL( ABS( v ) ) > 10.0_wp * max_uv )  THEN
1035       CALL message( 'vdi_plausible_values', 'PA0667', 2, 2, myid, 6, 0 )
1036    ENDIF
1037
1038    IF ( MAXVAL( ABS( w ) ) > 10.0_wp * max_uv )  THEN
1039       CALL message( 'vdi_plausible_values', 'PA0667', 2, 2, myid, 6, 0 )
1040    ENDIF
1041
1042!
1043!-- Test if the potential temperature lies between 220 K and 330 K
1044    IF ( MAXVAL( pt ) > 330.0_wp .OR. MAXVAL( pt ) < 220.0_wp )  THEN
1045       message_string = 'The potential temperature does not lie between 220 K and 330 K.'
1046       CALL message( 'vdi_plausible_values', 'PA0668', 2, 2, myid, 6, 0 )
1047    ENDIF
1048
1049 END SUBROUTINE vdi_plausible_values
1050
1051 END MODULE vdi_internal_controls
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.