source: palm/trunk/SOURCE/wall_fluxes.f90 @ 1341

Last change on this file since 1341 was 1321, checked in by raasch, 10 years ago

last commit documented

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 42.1 KB
RevLine 
[56]1 MODULE wall_fluxes_mod
[1036]2
3!--------------------------------------------------------------------------------!
4! This file is part of PALM.
5!
6! PALM is free software: you can redistribute it and/or modify it under the terms
7! of the GNU General Public License as published by the Free Software Foundation,
8! either version 3 of the License, or (at your option) any later version.
9!
10! PALM is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY
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!
[1310]17! Copyright 1997-2014 Leibniz Universitaet Hannover
[1036]18!--------------------------------------------------------------------------------!
19!
[484]20! Current revisions:
[52]21! -----------------
[1321]22!
23!
24! Former revisions:
25! -----------------
26! $Id: wall_fluxes.f90 1321 2014-03-20 09:40:40Z kanani $
27!
28! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
[1320]29! ONLY-attribute added to USE-statements,
30! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
31! kinds are defined in new module kinds,
32! old module precision_kind is removed,
33! revision history before 2012 removed,
34! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
35! all variable declaration statements
[198]36!
[1258]37! 1257 2013-11-08 15:18:40Z raasch
38! openacc loop and loop vector clauses removed
39!
[1154]40! 1153 2013-05-10 14:33:08Z raasch
41! code adjustments of accelerator version required by PGI 12.3 / CUDA 5.0
42!
[1132]43! 1128 2013-04-12 06:19:32Z raasch
44! loop index bounds in accelerator version replaced by i_left, i_right, j_south,
45! j_north
46!
[1037]47! 1036 2012-10-22 13:43:42Z raasch
48! code put under GPL (PALM 3.9)
49!
[1017]50! 1015 2012-09-27 09:23:24Z raasch
51! accelerator version (*_acc) added
52!
[52]53! Initial version (2007/03/07)
54!
55! Description:
56! ------------
57! Calculates momentum fluxes at vertical walls assuming Monin-Obukhov
58! similarity.
59! Indices: usvs a=1, vsus b=1, wsvs c1=1, wsus c2=1 (other=0).
[56]60! The all-gridpoint version of wall_fluxes_e is not used so far, because
61! it gives slightly different results from the ij-version for some unknown
62! reason.
[52]63!------------------------------------------------------------------------------!
[56]64    PRIVATE
[1015]65    PUBLIC wall_fluxes, wall_fluxes_acc, wall_fluxes_e, wall_fluxes_e_acc
[56]66   
67    INTERFACE wall_fluxes
68       MODULE PROCEDURE wall_fluxes
69       MODULE PROCEDURE wall_fluxes_ij
70    END INTERFACE wall_fluxes
71   
[1015]72    INTERFACE wall_fluxes_acc
73       MODULE PROCEDURE wall_fluxes_acc
74    END INTERFACE wall_fluxes_acc
75
[56]76    INTERFACE wall_fluxes_e
77       MODULE PROCEDURE wall_fluxes_e
78       MODULE PROCEDURE wall_fluxes_e_ij
79    END INTERFACE wall_fluxes_e
80 
[1015]81    INTERFACE wall_fluxes_e_acc
82       MODULE PROCEDURE wall_fluxes_e_acc
83    END INTERFACE wall_fluxes_e_acc
84
[56]85 CONTAINS
[52]86
[56]87!------------------------------------------------------------------------------!
88! Call for all grid points
89!------------------------------------------------------------------------------!
[1320]90    SUBROUTINE wall_fluxes( wall_flux, a, b, c1, c2, nzb_uvw_inner,            &
[56]91                            nzb_uvw_outer, wall )
[52]92
[1320]93       USE arrays_3d,                                                          &
94           ONLY:  rif_wall, u, v, w, z0, pt
95       
96       USE control_parameters,                                                 &
97           ONLY:  g, kappa, rif_max, rif_min
98       
99       USE grid_variables,                                                     &
100           ONLY:  dx, dy
101       
102       USE indices,                                                            &
103           ONLY:  nxl, nxlg, nxr, nxrg, nyn, nyng, nys, nysg, nzb, nzt
104       
105       USE kinds
106       
107       USE statistics,                                                         &
108           ONLY:  hom
[52]109
[56]110       IMPLICIT NONE
[52]111
[1320]112       INTEGER(iwp) ::  i            !:
113       INTEGER(iwp) ::  j            !:
114       INTEGER(iwp) ::  k            !:
115       INTEGER(iwp) ::  wall_index   !:
[52]116
[1320]117       INTEGER(iwp),                                                           &
118          DIMENSION(nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::                                    &
119             nzb_uvw_inner   !:
120       INTEGER(iwp),                                                           &
121          DIMENSION(nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::                                    &
122             nzb_uvw_outer   !:
123       
124       REAL(wp) ::  a           !:
125       REAL(wp) ::  b           !:
126       REAL(wp) ::  c1          !:
127       REAL(wp) ::  c2          !:
128       REAL(wp) ::  h1          !:
129       REAL(wp) ::  h2          !:
130       REAL(wp) ::  zp          !:
131       REAL(wp) ::  pts         !:
132       REAL(wp) ::  pt_i        !:
133       REAL(wp) ::  rifs        !:
134       REAL(wp) ::  u_i         !:
135       REAL(wp) ::  v_i         !:
136       REAL(wp) ::  us_wall     !:
137       REAL(wp) ::  vel_total   !:
138       REAL(wp) ::  ws          !:
139       REAL(wp) ::  wspts       !:
[52]140
[1320]141       REAL(wp),                                                               &
142          DIMENSION(nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::                                    &
143             wall   !:
144       
145       REAL(wp),                                                               &
146          DIMENSION(nzb:nzt+1,nys:nyn,nxl:nxr) ::                              &
147             wall_flux   !:
[52]148
149
[56]150       zp         = 0.5 * ( (a+c1) * dy + (b+c2) * dx )
151       wall_flux  = 0.0
152       wall_index = NINT( a+ 2*b + 3*c1 + 4*c2 )
153
[75]154       DO  i = nxl, nxr
155          DO  j = nys, nyn
[56]156
157             IF ( wall(j,i) /= 0.0 )  THEN
[52]158!
[56]159!--             All subsequent variables are computed for the respective
[187]160!--             location where the respective flux is defined.
[56]161                DO  k = nzb_uvw_inner(j,i)+1, nzb_uvw_outer(j,i)
[53]162
[52]163!
[56]164!--                (1) Compute rifs, u_i, v_i, ws, pt' and w'pt'
165                   rifs  = rif_wall(k,j,i,wall_index)
[53]166
[1320]167                   u_i   = a * u(k,j,i) + c1 * 0.25 *                          &
[56]168                           ( u(k+1,j,i+1) + u(k+1,j,i) + u(k,j,i+1) + u(k,j,i) )
[53]169
[1320]170                   v_i   = b * v(k,j,i) + c2 * 0.25 *                          &
[56]171                           ( v(k+1,j+1,i) + v(k+1,j,i) + v(k,j+1,i) + v(k,j,i) )
[53]172
[56]173                   ws    = ( c1 + c2 ) * w(k,j,i) + 0.25 * (                   &
174                     a * ( w(k-1,j,i-1) + w(k-1,j,i) + w(k,j,i-1) + w(k,j,i) ) &
175                   + b * ( w(k-1,j-1,i) + w(k-1,j,i) + w(k,j-1,i) + w(k,j,i) ) &
176                                                           )
[1320]177                   pt_i  = 0.5 * ( pt(k,j,i) + a *  pt(k,j,i-1) +              &
[56]178                                   b * pt(k,j-1,i) + ( c1 + c2 ) * pt(k+1,j,i) )
[53]179
[56]180                   pts   = pt_i - hom(k,1,4,0)
181                   wspts = ws * pts
[53]182
[52]183!
[56]184!--                (2) Compute wall-parallel absolute velocity vel_total
185                   vel_total = SQRT( ws**2 + (a+c1) * u_i**2 + (b+c2) * v_i**2 )
[53]186
[52]187!
[56]188!--                (3) Compute wall friction velocity us_wall
189                   IF ( rifs >= 0.0 )  THEN
[53]190
[52]191!
[56]192!--                   Stable stratification (and neutral)
193                      us_wall = kappa * vel_total / ( LOG( zp / z0(j,i) ) +    &
194                                            5.0 * rifs * ( zp - z0(j,i) ) / zp &
195                                                    )
196                   ELSE
[53]197
[52]198!
[56]199!--                   Unstable stratification
[187]200                      h1 = SQRT( SQRT( 1.0 - 16.0 * rifs ) )
201                      h2 = SQRT( SQRT( 1.0 - 16.0 * rifs * z0(j,i) / zp ) )
[53]202
[187]203                      us_wall = kappa * vel_total / (                          &
204                           LOG( zp / z0(j,i) ) -                               &
205                           LOG( ( 1.0 + h1 )**2 * ( 1.0 + h1**2 ) / (          &
206                                ( 1.0 + h2 )**2 * ( 1.0 + h2**2 )   ) ) +      &
207                                2.0 * ( ATAN( h1 ) - ATAN( h2 ) )              &
208                                                    )
[56]209                   ENDIF
[53]210
[52]211!
[56]212!--                (4) Compute zp/L (corresponds to neutral Richardson flux
213!--                    number rifs)
[1320]214                   rifs = -1.0 * zp * kappa * g * wspts / ( pt_i *             &
[56]215                                                        ( us_wall**3 + 1E-30 ) )
[53]216
[52]217!
[56]218!--                Limit the value range of the Richardson numbers.
219!--                This is necessary for very small velocities (u,w --> 0),
220!--                because the absolute value of rif can then become very
221!--                large, which in consequence would result in very large
222!--                shear stresses and very small momentum fluxes (both are
223!--                generally unrealistic).
224                   IF ( rifs < rif_min )  rifs = rif_min
225                   IF ( rifs > rif_max )  rifs = rif_max
[53]226
[52]227!
[56]228!--                (5) Compute wall_flux (u'v', v'u', w'v', or w'u')
229                   IF ( rifs >= 0.0 )  THEN
[53]230
[52]231!
[56]232!--                   Stable stratification (and neutral)
233                      wall_flux(k,j,i) = kappa *                               &
234                              ( a*u(k,j,i) + b*v(k,j,i) + (c1+c2)*w(k,j,i) ) / &
235                              (  LOG( zp / z0(j,i) ) +                         &
236                                 5.0 * rifs * ( zp - z0(j,i) ) / zp            &
237                              )
238                   ELSE
[53]239
[52]240!
[56]241!--                   Unstable stratification
[187]242                      h1 = SQRT( SQRT( 1.0 - 16.0 * rifs ) )
243                      h2 = SQRT( SQRT( 1.0 - 16.0 * rifs * z0(j,i) / zp ) )
[53]244
[187]245                      wall_flux(k,j,i) = kappa *                               &
246                           ( a*u(k,j,i) + b*v(k,j,i) + (c1+c2)*w(k,j,i) ) / (  &
247                           LOG( zp / z0(j,i) ) -                               &
248                           LOG( ( 1.0 + h1 )**2 * ( 1.0 + h1**2 ) / (          &
249                                ( 1.0 + h2 )**2 * ( 1.0 + h2**2 )   ) ) +      &
250                                2.0 * ( ATAN( h1 ) - ATAN( h2 ) )              &
251                                                                            )
[56]252                   ENDIF
[187]253                   wall_flux(k,j,i) = -wall_flux(k,j,i) * us_wall
[56]254
255!
256!--                store rifs for next time step
257                   rif_wall(k,j,i,wall_index) = rifs
258
259                ENDDO
260
261             ENDIF
262
263          ENDDO
264       ENDDO
265
266    END SUBROUTINE wall_fluxes
267
268
[1015]269!------------------------------------------------------------------------------!
270! Call for all grid points - accelerator version
271!------------------------------------------------------------------------------!
[1320]272    SUBROUTINE wall_fluxes_acc( wall_flux, a, b, c1, c2, nzb_uvw_inner,        &
[1015]273                                nzb_uvw_outer, wall )
[56]274
[1320]275       USE arrays_3d,                                                          &
276           ONLY:  rif_wall, pt, u, v, w, z0
277       
278       USE control_parameters,                                                 &
279           ONLY:  g, kappa, rif_max, rif_min
280       
281       USE grid_variables,                                                     &
282           ONLY:  dx, dy
283       
284       USE indices,                                                            &
285           ONLY:  i_left, i_right, j_north, j_south, nxl, nxlg, nxr, nxrg,     &
286                  nyn, nyng, nys, nysg, nzb, nzt
287       
288       USE kinds
289       
290       USE statistics,                                                         &
291           ONLY:  hom
[1015]292
293       IMPLICIT NONE
294
[1320]295       INTEGER(iwp) ::  i            !:
296       INTEGER(iwp) ::  j            !:
297       INTEGER(iwp) ::  k            !:
298       INTEGER(iwp) ::  max_outer    !:
299       INTEGER(iwp) ::  min_inner    !:
300       INTEGER(iwp) ::  wall_index   !:
[1015]301
[1320]302       INTEGER(iwp),                                                           &
303          DIMENSION(nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::                                    &
304             nzb_uvw_inner   !:
305       INTEGER(iwp),                                                           &
306          DIMENSION(nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::                                    &
307             nzb_uvw_outer   !:
308       
309       REAL(wp) ::  a           !:
310       REAL(wp) ::  b           !:
311       REAL(wp) ::  c1          !:
312       REAL(wp) ::  c2          !:
313       REAL(wp) ::  h1          !:
314       REAL(wp) ::  h2          !:
315       REAL(wp) ::  zp          !:
316       REAL(wp) ::  pts         !:
317       REAL(wp) ::  pt_i        !:
318       REAL(wp) ::  rifs        !:
319       REAL(wp) ::  u_i         !:
320       REAL(wp) ::  v_i         !:
321       REAL(wp) ::  us_wall     !:
322       REAL(wp) ::  vel_total   !:
323       REAL(wp) ::  ws          !:
324       REAL(wp) ::  wspts       !:
[1015]325
[1320]326       REAL(wp),                                                               &
327          DIMENSION(nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::                                    &
328             wall   !:
329       
330       REAL(wp),                                                               &
331          DIMENSION(nzb:nzt+1,nys:nyn,nxl:nxr) ::                              &
332             wall_flux   !:
[1015]333
334
335       zp         = 0.5 * ( (a+c1) * dy + (b+c2) * dx )
336       wall_flux  = 0.0
337       wall_index = NINT( a+ 2*b + 3*c1 + 4*c2 )
338
339       min_inner = MINVAL( nzb_uvw_inner(nys:nyn,nxl:nxr) ) + 1
340       max_outer = MINVAL( nzb_uvw_outer(nys:nyn,nxl:nxr) )
341
342       !$acc kernels present( hom, nzb_uvw_inner, nzb_uvw_outer, pt, rif_wall ) &
343       !$acc         present( u, v, w, wall, wall_flux, z0 )
[1153]344       !$acc loop independent
[1128]345       DO  i = i_left, i_right
346          DO  j = j_south, j_north
[1153]347
348             IF ( wall(j,i) /= 0.0 )  THEN
[1015]349!
350!--             All subsequent variables are computed for the respective
351!--             location where the respective flux is defined.
[1257]352                !$acc loop independent
[1153]353                DO  k = nzb_uvw_inner(j,i)+1, nzb_uvw_outer(j,i)
354
[1015]355!
356!--                (1) Compute rifs, u_i, v_i, ws, pt' and w'pt'
357                   rifs  = rif_wall(k,j,i,wall_index)
358
[1320]359                   u_i   = a * u(k,j,i) + c1 * 0.25 *                          &
[1015]360                           ( u(k+1,j,i+1) + u(k+1,j,i) + u(k,j,i+1) + u(k,j,i) )
361
[1320]362                   v_i   = b * v(k,j,i) + c2 * 0.25 *                          &
[1015]363                           ( v(k+1,j+1,i) + v(k+1,j,i) + v(k,j+1,i) + v(k,j,i) )
364
365                   ws    = ( c1 + c2 ) * w(k,j,i) + 0.25 * (                   &
366                     a * ( w(k-1,j,i-1) + w(k-1,j,i) + w(k,j,i-1) + w(k,j,i) ) &
367                   + b * ( w(k-1,j-1,i) + w(k-1,j,i) + w(k,j-1,i) + w(k,j,i) ) &
368                                                           )
[1320]369                   pt_i  = 0.5 * ( pt(k,j,i) + a *  pt(k,j,i-1) +              &
[1015]370                                   b * pt(k,j-1,i) + ( c1 + c2 ) * pt(k+1,j,i) )
371
372                   pts   = pt_i - hom(k,1,4,0)
373                   wspts = ws * pts
374
375!
376!--                (2) Compute wall-parallel absolute velocity vel_total
377                   vel_total = SQRT( ws**2 + (a+c1) * u_i**2 + (b+c2) * v_i**2 )
378
379!
380!--                (3) Compute wall friction velocity us_wall
381                   IF ( rifs >= 0.0 )  THEN
382
383!
384!--                   Stable stratification (and neutral)
385                      us_wall = kappa * vel_total / ( LOG( zp / z0(j,i) ) +    &
386                                            5.0 * rifs * ( zp - z0(j,i) ) / zp &
387                                                    )
388                   ELSE
389
390!
391!--                   Unstable stratification
392                      h1 = SQRT( SQRT( 1.0 - 16.0 * rifs ) )
393                      h2 = SQRT( SQRT( 1.0 - 16.0 * rifs * z0(j,i) / zp ) )
394
395                      us_wall = kappa * vel_total / (                          &
396                           LOG( zp / z0(j,i) ) -                               &
397                           LOG( ( 1.0 + h1 )**2 * ( 1.0 + h1**2 ) / (          &
398                                ( 1.0 + h2 )**2 * ( 1.0 + h2**2 )   ) ) +      &
399                                2.0 * ( ATAN( h1 ) - ATAN( h2 ) )              &
400                                                    )
401                   ENDIF
402
403!
404!--                (4) Compute zp/L (corresponds to neutral Richardson flux
405!--                    number rifs)
[1320]406                   rifs = -1.0 * zp * kappa * g * wspts / ( pt_i *             &
[1015]407                                                        ( us_wall**3 + 1E-30 ) )
408
409!
410!--                Limit the value range of the Richardson numbers.
411!--                This is necessary for very small velocities (u,w --> 0),
412!--                because the absolute value of rif can then become very
413!--                large, which in consequence would result in very large
414!--                shear stresses and very small momentum fluxes (both are
415!--                generally unrealistic).
416                   IF ( rifs < rif_min )  rifs = rif_min
417                   IF ( rifs > rif_max )  rifs = rif_max
418
419!
420!--                (5) Compute wall_flux (u'v', v'u', w'v', or w'u')
421                   IF ( rifs >= 0.0 )  THEN
422
423!
424!--                   Stable stratification (and neutral)
425                      wall_flux(k,j,i) = kappa *                               &
426                              ( a*u(k,j,i) + b*v(k,j,i) + (c1+c2)*w(k,j,i) ) / &
427                              (  LOG( zp / z0(j,i) ) +                         &
428                                 5.0 * rifs * ( zp - z0(j,i) ) / zp            &
429                              )
430                   ELSE
431
432!
433!--                   Unstable stratification
434                      h1 = SQRT( SQRT( 1.0 - 16.0 * rifs ) )
435                      h2 = SQRT( SQRT( 1.0 - 16.0 * rifs * z0(j,i) / zp ) )
436
437                      wall_flux(k,j,i) = kappa *                               &
438                           ( a*u(k,j,i) + b*v(k,j,i) + (c1+c2)*w(k,j,i) ) / (  &
439                           LOG( zp / z0(j,i) ) -                               &
440                           LOG( ( 1.0 + h1 )**2 * ( 1.0 + h1**2 ) / (          &
441                                ( 1.0 + h2 )**2 * ( 1.0 + h2**2 )   ) ) +      &
442                                2.0 * ( ATAN( h1 ) - ATAN( h2 ) )              &
443                                                                            )
444                   ENDIF
445                   wall_flux(k,j,i) = -wall_flux(k,j,i) * us_wall
446
447!
448!--                store rifs for next time step
449                   rif_wall(k,j,i,wall_index) = rifs
450
[1153]451                ENDDO
452
453             ENDIF
454
[1015]455          ENDDO
456       ENDDO
457       !$acc end kernels
458
459    END SUBROUTINE wall_fluxes_acc
460
461
[56]462!------------------------------------------------------------------------------!
463! Call for all grid point i,j
464!------------------------------------------------------------------------------!
465    SUBROUTINE wall_fluxes_ij( i, j, nzb_w, nzt_w, wall_flux, a, b, c1, c2 )
466
[1320]467       USE arrays_3d,                                                          &
468           ONLY:  rif_wall, pt, u, v, w, z0
469       
470       USE control_parameters,                                                 &
471           ONLY:  g, kappa, rif_max, rif_min
472       
473       USE grid_variables,                                                     &
474           ONLY:  dx, dy
475       
476       USE indices,                                                            &
477           ONLY:  nzb, nzt
478       
479       USE kinds
480       
481       USE statistics,                                                         &
482           ONLY:  hom
[56]483
484       IMPLICIT NONE
485
[1320]486       INTEGER(iwp) ::  i            !:
487       INTEGER(iwp) ::  j            !:
488       INTEGER(iwp) ::  k            !:
489       INTEGER(iwp) ::  nzb_w        !:
490       INTEGER(iwp) ::  nzt_w        !:
491       INTEGER(iwp) ::  wall_index   !:
492       
493       REAL(wp) ::  a           !:
494       REAL(wp) ::  b           !:
495       REAL(wp) ::  c1          !:
496       REAL(wp) ::  c2          !:
497       REAL(wp) ::  h1          !:
498       REAL(wp) ::  h2          !:
499       REAL(wp) ::  zp          !:
500       REAL(wp) ::  pts         !:
501       REAL(wp) ::  pt_i        !:
502       REAL(wp) ::  rifs        !:
503       REAL(wp) ::  u_i         !:
504       REAL(wp) ::  v_i         !:
505       REAL(wp) ::  us_wall     !:
506       REAL(wp) ::  vel_total   !:
507       REAL(wp) ::  ws          !:
508       REAL(wp) ::  wspts       !:
[56]509
[1320]510       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  wall_flux   !:
[56]511
512
513       zp         = 0.5 * ( (a+c1) * dy + (b+c2) * dx )
514       wall_flux  = 0.0
515       wall_index = NINT( a+ 2*b + 3*c1 + 4*c2 )
516
517!
518!--    All subsequent variables are computed for the respective location where
[187]519!--    the respective flux is defined.
[56]520       DO  k = nzb_w, nzt_w
521
522!
523!--       (1) Compute rifs, u_i, v_i, ws, pt' and w'pt'
524          rifs  = rif_wall(k,j,i,wall_index)
525
[1320]526          u_i   = a * u(k,j,i) + c1 * 0.25 *                                   &
[56]527                  ( u(k+1,j,i+1) + u(k+1,j,i) + u(k,j,i+1) + u(k,j,i) )
528
[1320]529          v_i   = b * v(k,j,i) + c2 * 0.25 *                                   &
[56]530                  ( v(k+1,j+1,i) + v(k+1,j,i) + v(k,j+1,i) + v(k,j,i) )
531
532          ws    = ( c1 + c2 ) * w(k,j,i) + 0.25 * (                            &
533                     a * ( w(k-1,j,i-1) + w(k-1,j,i) + w(k,j,i-1) + w(k,j,i) ) &
534                   + b * ( w(k-1,j-1,i) + w(k-1,j,i) + w(k,j-1,i) + w(k,j,i) ) &
535                                                  )
[1320]536          pt_i  = 0.5 * ( pt(k,j,i) + a *  pt(k,j,i-1) + b * pt(k,j-1,i)       &
[56]537                          + ( c1 + c2 ) * pt(k+1,j,i) )
538
539          pts   = pt_i - hom(k,1,4,0)
540          wspts = ws * pts
541
542!
543!--       (2) Compute wall-parallel absolute velocity vel_total
544          vel_total = SQRT( ws**2 + ( a+c1 ) * u_i**2 + ( b+c2 ) * v_i**2 )
545
546!
547!--       (3) Compute wall friction velocity us_wall
548          IF ( rifs >= 0.0 )  THEN
549
550!
551!--          Stable stratification (and neutral)
552             us_wall = kappa * vel_total / ( LOG( zp / z0(j,i) ) +             &
553                                            5.0 * rifs * ( zp - z0(j,i) ) / zp &
554                                           )
555          ELSE
556
557!
558!--          Unstable stratification
[187]559             h1 = SQRT( SQRT( 1.0 - 16.0 * rifs ) )
560             h2 = SQRT( SQRT( 1.0 - 16.0 * rifs * z0(j,i) / zp ) )
[56]561
[1320]562             us_wall = kappa * vel_total / (                                   &
563                  LOG( zp / z0(j,i) ) -                                        &
564                  LOG( ( 1.0 + h1 )**2 * ( 1.0 + h1**2 ) / (                   &
565                       ( 1.0 + h2 )**2 * ( 1.0 + h2**2 )   ) ) +               &
566                       2.0 * ( ATAN( h1 ) - ATAN( h2 ) )                       &
[187]567                                           )
[56]568          ENDIF
569
570!
571!--       (4) Compute zp/L (corresponds to neutral Richardson flux number
572!--           rifs)
573          rifs = -1.0 * zp * kappa * g * wspts / ( pt_i * (us_wall**3 + 1E-30) )
574
575!
576!--       Limit the value range of the Richardson numbers.
577!--       This is necessary for very small velocities (u,w --> 0), because
578!--       the absolute value of rif can then become very large, which in
579!--       consequence would result in very large shear stresses and very
580!--       small momentum fluxes (both are generally unrealistic).
581          IF ( rifs < rif_min )  rifs = rif_min
582          IF ( rifs > rif_max )  rifs = rif_max
583
584!
585!--       (5) Compute wall_flux (u'v', v'u', w'v', or w'u')
586          IF ( rifs >= 0.0 )  THEN
587
588!
589!--          Stable stratification (and neutral)
[1320]590             wall_flux(k) = kappa *                                            &
591                            ( a*u(k,j,i) + b*v(k,j,i) + (c1+c2)*w(k,j,i) ) /   &
592                            (  LOG( zp / z0(j,i) ) +                           &
593                               5.0 * rifs * ( zp - z0(j,i) ) / zp              &
[53]594                            )
[52]595          ELSE
[53]596
[56]597!
598!--          Unstable stratification
[187]599             h1 = SQRT( SQRT( 1.0 - 16.0 * rifs ) )
600             h2 = SQRT( SQRT( 1.0 - 16.0 * rifs * z0(j,i) / zp ) )
[52]601
[1320]602             wall_flux(k) = kappa *                                            &
603                  ( a*u(k,j,i) + b*v(k,j,i) + (c1+c2)*w(k,j,i) ) / (           &
604                  LOG( zp / z0(j,i) ) -                                        &
605                  LOG( ( 1.0 + h1 )**2 * ( 1.0 + h1**2 ) / (                   &
606                       ( 1.0 + h2 )**2 * ( 1.0 + h2**2 )   ) ) +               &
607                       2.0 * ( ATAN( h1 ) - ATAN( h2 ) )                       &
[187]608                                                                   )
[56]609          ENDIF
[187]610          wall_flux(k) = -wall_flux(k) * us_wall
[53]611
[56]612!
613!--       store rifs for next time step
614          rif_wall(k,j,i,wall_index) = rifs
[53]615
[56]616       ENDDO
[53]617
[56]618    END SUBROUTINE wall_fluxes_ij
[53]619
[56]620
621
[53]622!------------------------------------------------------------------------------!
[56]623! Call for all grid points
624!------------------------------------------------------------------------------!
625    SUBROUTINE wall_fluxes_e( wall_flux, a, b, c1, c2, wall )
626
627!------------------------------------------------------------------------------!
[53]628! Description:
629! ------------
630! Calculates momentum fluxes at vertical walls for routine production_e
631! assuming Monin-Obukhov similarity.
632! Indices: usvs a=1, vsus b=1, wsvs c1=1, wsus c2=1 (other=0).
633!------------------------------------------------------------------------------!
634
[1320]635       USE arrays_3d,                                                          &
636           ONLY:  rif_wall, u, v, w, z0
637       
638       USE control_parameters,                                                 &
639           ONLY:  kappa
640       
641       USE grid_variables,                                                     &
642           ONLY:  dx, dy
643       
644       USE indices,                                                            &
645           ONLY:  nxl, nxlg, nxr, nxrg, nyn, nyng, nys, nysg, nzb,             &
646                  nzb_diff_s_inner, nzb_diff_s_outer, nzt
647       
648       USE kinds
[53]649
[56]650       IMPLICIT NONE
[53]651
[1320]652       INTEGER(iwp) ::  i            !:
653       INTEGER(iwp) ::  j            !:
654       INTEGER(iwp) ::  k            !:
655       INTEGER(iwp) ::  kk           !:
656       INTEGER(iwp) ::  wall_index   !:
657       
658       REAL(wp) ::  a           !:
659       REAL(wp) ::  b           !:
660       REAL(wp) ::  c1          !:
661       REAL(wp) ::  c2          !:
662       REAL(wp) ::  h1          !:
663       REAL(wp) ::  h2          !:
664       REAL(wp) ::  u_i         !:
665       REAL(wp) ::  v_i         !:
666       REAL(wp) ::  us_wall     !:
667       REAL(wp) ::  vel_total   !:
668       REAL(wp) ::  vel_zp      !:
669       REAL(wp) ::  ws          !:
670       REAL(wp) ::  zp          !:
671       REAL(wp) ::  rifs        !:
[53]672
[1320]673       REAL(wp),                                                               &
674          DIMENSION(nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::                                    &
675             wall   !:
676       
677       REAL(wp),                                                               &
678          DIMENSION(nzb:nzt+1,nys:nyn,nxl:nxr) ::                              &
679             wall_flux   !:
[53]680
681
[56]682       zp         = 0.5 * ( (a+c1) * dy + (b+c2) * dx )
683       wall_flux  = 0.0
684       wall_index = NINT( a+ 2*b + 3*c1 + 4*c2 )
[53]685
[56]686       DO  i = nxl, nxr
687          DO  j = nys, nyn
688
689             IF ( wall(j,i) /= 0.0 )  THEN
[53]690!
[187]691!--             All subsequent variables are computed for scalar locations.
[56]692                DO  k = nzb_diff_s_inner(j,i)-1, nzb_diff_s_outer(j,i)-2
[53]693!
[187]694!--                (1) Compute rifs, u_i, v_i, and ws
[56]695                   IF ( k == nzb_diff_s_inner(j,i)-1 )  THEN
696                      kk = nzb_diff_s_inner(j,i)-1
697                   ELSE
698                      kk = k-1
699                   ENDIF
700                   rifs  = 0.5 * ( rif_wall(k,j,i,wall_index) +                &
701                          a * rif_wall(k,j,i+1,1) +  b * rif_wall(k,j+1,i,2) + &
702                          c1 * rif_wall(kk,j,i,3) + c2 * rif_wall(kk,j,i,4)    &
703                                 )
[53]704
[187]705                   u_i   = 0.5 * ( u(k,j,i) + u(k,j,i+1) )
706                   v_i   = 0.5 * ( v(k,j,i) + v(k,j+1,i) )
707                   ws    = 0.5 * ( w(k,j,i) + w(k-1,j,i) )
[53]708!
[187]709!--                (2) Compute wall-parallel absolute velocity vel_total and
710!--                interpolate appropriate velocity component vel_zp.
711                   vel_total = SQRT( ws**2 + (a+c1) * u_i**2 + (b+c2) * v_i**2 )
712                   vel_zp = 0.5 * ( a * u_i + b * v_i + (c1+c2) * ws )
713!
714!--                (3) Compute wall friction velocity us_wall
715                   IF ( rifs >= 0.0 )  THEN
[53]716
717!
[187]718!--                   Stable stratification (and neutral)
719                      us_wall = kappa * vel_total / ( LOG( zp / z0(j,i) ) +    &
720                                            5.0 * rifs * ( zp - z0(j,i) ) / zp &
721                                                    )
722                   ELSE
723
724!
725!--                   Unstable stratification
726                      h1 = SQRT( SQRT( 1.0 - 16.0 * rifs ) )
727                      h2 = SQRT( SQRT( 1.0 - 16.0 * rifs * z0(j,i) / zp ) )
728
729                      us_wall = kappa * vel_total / (                          &
730                           LOG( zp / z0(j,i) ) -                               &
731                           LOG( ( 1.0 + h1 )**2 * ( 1.0 + h1**2 ) / (          &
732                                ( 1.0 + h2 )**2 * ( 1.0 + h2**2 )   ) ) +      &
733                                2.0 * ( ATAN( h1 ) - ATAN( h2 ) )              &
734                                                    )
735                   ENDIF
736
737!
738!--                Skip step (4) of wall_fluxes, because here rifs is already
739!--                available from (1)
740!
[56]741!--                (5) Compute wall_flux (u'v', v'u', w'v', or w'u')
[55]742
[56]743                   IF ( rifs >= 0.0 )  THEN
[53]744
745!
[56]746!--                   Stable stratification (and neutral)
[1320]747                      wall_flux(k,j,i) = kappa *  vel_zp /                     &
[56]748                          ( LOG( zp/z0(j,i) ) + 5.0*rifs * ( zp-z0(j,i) ) / zp )
749                   ELSE
[53]750
751!
[56]752!--                   Unstable stratification
[187]753                      h1 = SQRT( SQRT( 1.0 - 16.0 * rifs ) )
754                      h2 = SQRT( SQRT( 1.0 - 16.0 * rifs * z0(j,i) / zp ) )
[53]755
[187]756                      wall_flux(k,j,i) = kappa * vel_zp / (                    &
757                           LOG( zp / z0(j,i) ) -                               &
758                           LOG( ( 1.0 + h1 )**2 * ( 1.0 + h1**2 ) / (          &
759                                ( 1.0 + h2 )**2 * ( 1.0 + h2**2 )   ) ) +      &
760                                2.0 * ( ATAN( h1 ) - ATAN( h2 ) )              &
761                                                          )
[56]762                   ENDIF
[187]763                   wall_flux(k,j,i) = - wall_flux(k,j,i) * us_wall
[56]764
765                ENDDO
766
767             ENDIF
768
769          ENDDO
770       ENDDO
771
772    END SUBROUTINE wall_fluxes_e
773
774
[1015]775!------------------------------------------------------------------------------!
776! Call for all grid points - accelerator version
777!------------------------------------------------------------------------------!
778    SUBROUTINE wall_fluxes_e_acc( wall_flux, a, b, c1, c2, wall )
[56]779
780!------------------------------------------------------------------------------!
[1015]781! Description:
782! ------------
783! Calculates momentum fluxes at vertical walls for routine production_e
784! assuming Monin-Obukhov similarity.
785! Indices: usvs a=1, vsus b=1, wsvs c1=1, wsus c2=1 (other=0).
786!------------------------------------------------------------------------------!
787
[1320]788       USE arrays_3d,                                                          &
789           ONLY:  rif_wall, u, v, w, z0
790       
791       USE control_parameters,                                                 &
792           ONLY:  kappa
793       
794       USE grid_variables,                                                     &
795           ONLY:  dx, dy
796       
797       USE indices,                                                            &
798           ONLY:  i_left, i_right, j_north, j_south, nxl, nxlg, nxr, nxrg,     &
799                  nyn, nyng, nys, nysg, nzb, nzb_diff_s_inner,                 &
800                  nzb_diff_s_outer, nzt
801       
802       USE kinds
[1015]803
804       IMPLICIT NONE
805
[1320]806       INTEGER(iwp) ::  i            !:
807       INTEGER(iwp) ::  j            !:
808       INTEGER(iwp) ::  k            !:
809       INTEGER(iwp) ::  kk           !:
810       INTEGER(iwp) ::  max_outer    !:
811       INTEGER(iwp) ::  min_inner    !:
812       INTEGER(iwp) ::  wall_index   !:
813       
814       REAL(wp) ::  a           !:
815       REAL(wp) ::  b           !:
816       REAL(wp) ::  c1          !:
817       REAL(wp) ::  c2          !:
818       REAL(wp) ::  h1          !:
819       REAL(wp) ::  h2          !:
820       REAL(wp) ::  u_i         !:
821       REAL(wp) ::  v_i         !:
822       REAL(wp) ::  us_wall     !:
823       REAL(wp) ::  vel_total   !:
824       REAL(wp) ::  vel_zp      !:
825       REAL(wp) ::  ws          !:
826       REAL(wp) ::  zp          !:
827       REAL(wp) ::  rifs        !:
[1015]828
[1320]829       REAL(wp),                                                               &
830          DIMENSION(nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::                                    &
831             wall   !:
832       
833       REAL(wp),                                                               &
834          DIMENSION(nzb:nzt+1,nys:nyn,nxl:nxr) ::                              &
835             wall_flux   !:
[1015]836
837
838       zp         = 0.5 * ( (a+c1) * dy + (b+c2) * dx )
839       wall_flux  = 0.0
840       wall_index = NINT( a+ 2*b + 3*c1 + 4*c2 )
841
842       min_inner = MINVAL( nzb_diff_s_inner(nys:nyn,nxl:nxr) ) - 1
843       max_outer = MAXVAL( nzb_diff_s_outer(nys:nyn,nxl:nxr) ) - 2
844
845       !$acc kernels present( nzb_diff_s_inner, nzb_diff_s_outer, pt, rif_wall ) &
846       !$acc         present( u, v, w, wall, wall_flux, z0 )
[1128]847       DO  i = i_left, i_right
848          DO  j = j_south, j_north
[1015]849             DO  k = min_inner, max_outer
850!
851!--             All subsequent variables are computed for scalar locations
[1320]852                IF ( k >= nzb_diff_s_inner(j,i)-1  .AND.                       &
[1015]853                     k <= nzb_diff_s_outer(j,i)-2  .AND.  wall(j,i) /= 0.0 )  THEN
854!
855!--                (1) Compute rifs, u_i, v_i, and ws
856                   IF ( k == nzb_diff_s_inner(j,i)-1 )  THEN
857                      kk = nzb_diff_s_inner(j,i)-1
858                   ELSE
859                      kk = k-1
860                   ENDIF
861                   rifs  = 0.5 * ( rif_wall(k,j,i,wall_index) +                &
862                          a * rif_wall(k,j,i+1,1) +  b * rif_wall(k,j+1,i,2) + &
863                          c1 * rif_wall(kk,j,i,3) + c2 * rif_wall(kk,j,i,4)    &
864                                 )
865
866                   u_i   = 0.5 * ( u(k,j,i) + u(k,j,i+1) )
867                   v_i   = 0.5 * ( v(k,j,i) + v(k,j+1,i) )
868                   ws    = 0.5 * ( w(k,j,i) + w(k-1,j,i) )
869!
870!--                (2) Compute wall-parallel absolute velocity vel_total and
871!--                interpolate appropriate velocity component vel_zp.
872                   vel_total = SQRT( ws**2 + (a+c1) * u_i**2 + (b+c2) * v_i**2 )
873                   vel_zp = 0.5 * ( a * u_i + b * v_i + (c1+c2) * ws )
874!
875!--                (3) Compute wall friction velocity us_wall
876                   IF ( rifs >= 0.0 )  THEN
877
878!
879!--                   Stable stratification (and neutral)
880                      us_wall = kappa * vel_total / ( LOG( zp / z0(j,i) ) +    &
881                                            5.0 * rifs * ( zp - z0(j,i) ) / zp &
882                                                    )
883                   ELSE
884
885!
886!--                   Unstable stratification
887                      h1 = SQRT( SQRT( 1.0 - 16.0 * rifs ) )
888                      h2 = SQRT( SQRT( 1.0 - 16.0 * rifs * z0(j,i) / zp ) )
889
890                      us_wall = kappa * vel_total / (                          &
891                           LOG( zp / z0(j,i) ) -                               &
892                           LOG( ( 1.0 + h1 )**2 * ( 1.0 + h1**2 ) / (          &
893                                ( 1.0 + h2 )**2 * ( 1.0 + h2**2 )   ) ) +      &
894                                2.0 * ( ATAN( h1 ) - ATAN( h2 ) )              &
895                                                    )
896                   ENDIF
897
898!
899!--                Skip step (4) of wall_fluxes, because here rifs is already
900!--                available from (1)
901!
902!--                (5) Compute wall_flux (u'v', v'u', w'v', or w'u')
903
904                   IF ( rifs >= 0.0 )  THEN
905
906!
907!--                   Stable stratification (and neutral)
[1320]908                      wall_flux(k,j,i) = kappa *  vel_zp /                     &
[1015]909                          ( LOG( zp/z0(j,i) ) + 5.0*rifs * ( zp-z0(j,i) ) / zp )
910                   ELSE
911
912!
913!--                   Unstable stratification
914                      h1 = SQRT( SQRT( 1.0 - 16.0 * rifs ) )
915                      h2 = SQRT( SQRT( 1.0 - 16.0 * rifs * z0(j,i) / zp ) )
916
917                      wall_flux(k,j,i) = kappa * vel_zp / (                    &
918                           LOG( zp / z0(j,i) ) -                               &
919                           LOG( ( 1.0 + h1 )**2 * ( 1.0 + h1**2 ) / (          &
920                                ( 1.0 + h2 )**2 * ( 1.0 + h2**2 )   ) ) +      &
921                                2.0 * ( ATAN( h1 ) - ATAN( h2 ) )              &
922                                                          )
923                   ENDIF
924                   wall_flux(k,j,i) = - wall_flux(k,j,i) * us_wall
925
926                ENDIF
927
928             ENDDO
929          ENDDO
930       ENDDO
931       !$acc end kernels
932
933    END SUBROUTINE wall_fluxes_e_acc
934
935
936!------------------------------------------------------------------------------!
[56]937! Call for grid point i,j
938!------------------------------------------------------------------------------!
939    SUBROUTINE wall_fluxes_e_ij( i, j, nzb_w, nzt_w, wall_flux, a, b, c1, c2 )
940
[1320]941       USE arrays_3d,                                                          &
942           ONLY:  rif_wall, u, v, w, z0
943       
944       USE control_parameters,                                                 &
945           ONLY:  kappa
946       
947       USE grid_variables,                                                     &
948           ONLY:  dx, dy
949       
950       USE indices,                                                            &
951           ONLY:  nzb, nzt
952       
953       USE kinds
[56]954
955       IMPLICIT NONE
956
[1320]957       INTEGER(iwp) ::  i            !:
958       INTEGER(iwp) ::  j            !:
959       INTEGER(iwp) ::  k            !:
960       INTEGER(iwp) ::  kk           !:
961       INTEGER(iwp) ::  nzb_w        !:
962       INTEGER(iwp) ::  nzt_w        !:
963       INTEGER(iwp) ::  wall_index   !:
964       
965       REAL(wp) ::  a           !:
966       REAL(wp) ::  b           !:
967       REAL(wp) ::  c1          !:
968       REAL(wp) ::  c2          !:
969       REAL(wp) ::  h1          !:
970       REAL(wp) ::  h2          !:
971       REAL(wp) ::  u_i         !:
972       REAL(wp) ::  v_i         !:
973       REAL(wp) ::  us_wall     !:
974       REAL(wp) ::  vel_total   !:
975       REAL(wp) ::  vel_zp      !:
976       REAL(wp) ::  ws          !:
977       REAL(wp) ::  zp          !:
978       REAL(wp) ::  rifs        !:
[56]979
[1320]980       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  wall_flux   !:
[56]981
982
983       zp         = 0.5 * ( (a+c1) * dy + (b+c2) * dx )
984       wall_flux  = 0.0
985       wall_index = NINT( a+ 2*b + 3*c1 + 4*c2 )
986
987!
[187]988!--    All subsequent variables are computed for scalar locations.
[56]989       DO  k = nzb_w, nzt_w
990
991!
[187]992!--       (1) Compute rifs, u_i, v_i, and ws
[56]993          IF ( k == nzb_w )  THEN
994             kk = nzb_w
[53]995          ELSE
[56]996             kk = k-1
997          ENDIF
998          rifs  = 0.5 * ( rif_wall(k,j,i,wall_index) +                         &
999                          a * rif_wall(k,j,i+1,1) +  b * rif_wall(k,j+1,i,2) + &
1000                          c1 * rif_wall(kk,j,i,3) + c2 * rif_wall(kk,j,i,4)    &
1001                        )
1002
[187]1003          u_i   = 0.5 * ( u(k,j,i) + u(k,j,i+1) )
1004          v_i   = 0.5 * ( v(k,j,i) + v(k,j+1,i) )
1005          ws    = 0.5 * ( w(k,j,i) + w(k-1,j,i) )
[56]1006!
[187]1007!--       (2) Compute wall-parallel absolute velocity vel_total and
1008!--       interpolate appropriate velocity component vel_zp.
1009          vel_total = SQRT( ws**2 + (a+c1) * u_i**2 + (b+c2) * v_i**2 )
1010          vel_zp = 0.5 * ( a * u_i + b * v_i + (c1+c2) * ws )
1011!
1012!--       (3) Compute wall friction velocity us_wall
1013          IF ( rifs >= 0.0 )  THEN
[56]1014
1015!
[187]1016!--          Stable stratification (and neutral)
1017             us_wall = kappa * vel_total / ( LOG( zp / z0(j,i) ) +             &
1018                                            5.0 * rifs * ( zp - z0(j,i) ) / zp &
1019                                           )
1020          ELSE
1021
1022!
1023!--          Unstable stratification
1024             h1 = SQRT( SQRT( 1.0 - 16.0 * rifs ) )
1025             h2 = SQRT( SQRT( 1.0 - 16.0 * rifs * z0(j,i) / zp ) )
1026
[1320]1027             us_wall = kappa * vel_total / (                                   &
1028                  LOG( zp / z0(j,i) ) -                                        &
1029                  LOG( ( 1.0 + h1 )**2 * ( 1.0 + h1**2 ) / (                   &
1030                       ( 1.0 + h2 )**2 * ( 1.0 + h2**2 )   ) ) +               &
1031                       2.0 * ( ATAN( h1 ) - ATAN( h2 ) )                       &
[187]1032                                           )
1033          ENDIF
1034
1035!
1036!--       Skip step (4) of wall_fluxes, because here rifs is already
1037!--       available from (1)
1038!
[56]1039!--       (5) Compute wall_flux (u'v', v'u', w'v', or w'u')
[187]1040!--       First interpolate the velocity (this is different from
1041!--       subroutine wall_fluxes because fluxes in subroutine
1042!--       wall_fluxes_e are defined at scalar locations).
[1320]1043          vel_zp = 0.5 * (       a * ( u(k,j,i) + u(k,j,i+1) ) +               &
1044                                 b * ( v(k,j,i) + v(k,j+1,i) ) +               &
1045                           (c1+c2) * ( w(k,j,i) + w(k-1,j,i) )                 &
[56]1046                         )
1047
1048          IF ( rifs >= 0.0 )  THEN
1049
1050!
1051!--          Stable stratification (and neutral)
[1320]1052             wall_flux(k) = kappa *  vel_zp /                                  &
[56]1053                          ( LOG( zp/z0(j,i) ) + 5.0*rifs * ( zp-z0(j,i) ) / zp )
1054          ELSE
1055
1056!
1057!--          Unstable stratification
[187]1058             h1 = SQRT( SQRT( 1.0 - 16.0 * rifs ) )
1059             h2 = SQRT( SQRT( 1.0 - 16.0 * rifs * z0(j,i) / zp ) )
[56]1060
[1320]1061             wall_flux(k) = kappa * vel_zp / (                                 &
1062                  LOG( zp / z0(j,i) ) -                                        &
1063                  LOG( ( 1.0 + h1 )**2 * ( 1.0 + h1**2 ) / (                   &
1064                       ( 1.0 + h2 )**2 * ( 1.0 + h2**2 )   ) ) +               &
1065                       2.0 * ( ATAN( h1 ) - ATAN( h2 ) )                       &
[187]1066                                                 )
[53]1067          ENDIF
[187]1068          wall_flux(k) = - wall_flux(k) * us_wall
[53]1069
[56]1070       ENDDO
[53]1071
[56]1072    END SUBROUTINE wall_fluxes_e_ij
1073
1074 END MODULE wall_fluxes_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.