source: palm/trunk/SOURCE/wall_fluxes.f90 @ 1683

Last change on this file since 1683 was 1683, checked in by knoop, 9 years ago

last commit documented

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 43.1 KB
Line 
1!> @file wall_fluxes.f90
2!--------------------------------------------------------------------------------!
3! This file is part of PALM.
4!
5! PALM is free software: you can redistribute it and/or modify it under the terms
6! of the GNU General Public License as published by the Free Software Foundation,
7! either version 3 of the License, or (at your option) any later version.
8!
9! PALM is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY
10! WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR
11! A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License for more details.
12!
13! You should have received a copy of the GNU General Public License along with
14! PALM. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
15!
16! Copyright 1997-2014 Leibniz Universitaet Hannover
17!--------------------------------------------------------------------------------!
18!
19! Current revisions:
20! -----------------
21!
22!
23! Former revisions:
24! -----------------
25! $Id: wall_fluxes.f90 1683 2015-10-07 23:57:51Z knoop $
26!
27! 1682 2015-10-07 23:56:08Z knoop
28! Code annotations made doxygen readable
29!
30! 1374 2014-04-25 12:55:07Z raasch
31! pt removed from acc-present-list
32!
33! 1353 2014-04-08 15:21:23Z heinze
34! REAL constants provided with KIND-attribute
35!
36! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
37! ONLY-attribute added to USE-statements,
38! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
39! kinds are defined in new module kinds,
40! old module precision_kind is removed,
41! revision history before 2012 removed,
42! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
43! all variable declaration statements
44!
45! 1257 2013-11-08 15:18:40Z raasch
46! openacc loop and loop vector clauses removed
47!
48! 1153 2013-05-10 14:33:08Z raasch
49! code adjustments of accelerator version required by PGI 12.3 / CUDA 5.0
50!
51! 1128 2013-04-12 06:19:32Z raasch
52! loop index bounds in accelerator version replaced by i_left, i_right, j_south,
53! j_north
54!
55! 1036 2012-10-22 13:43:42Z raasch
56! code put under GPL (PALM 3.9)
57!
58! 1015 2012-09-27 09:23:24Z raasch
59! accelerator version (*_acc) added
60!
61! Initial version (2007/03/07)
62!
63! Description:
64! ------------
65!> Calculates momentum fluxes at vertical walls assuming Monin-Obukhov
66!> similarity.
67!> Indices: usvs a=1, vsus b=1, wsvs c1=1, wsus c2=1 (other=0).
68!> The all-gridpoint version of wall_fluxes_e is not used so far, because
69!> it gives slightly different results from the ij-version for some unknown
70!> reason.
71!------------------------------------------------------------------------------!
72 MODULE wall_fluxes_mod
73 
74    PRIVATE
75    PUBLIC wall_fluxes, wall_fluxes_acc, wall_fluxes_e, wall_fluxes_e_acc
76   
77    INTERFACE wall_fluxes
78       MODULE PROCEDURE wall_fluxes
79       MODULE PROCEDURE wall_fluxes_ij
80    END INTERFACE wall_fluxes
81   
82    INTERFACE wall_fluxes_acc
83       MODULE PROCEDURE wall_fluxes_acc
84    END INTERFACE wall_fluxes_acc
85
86    INTERFACE wall_fluxes_e
87       MODULE PROCEDURE wall_fluxes_e
88       MODULE PROCEDURE wall_fluxes_e_ij
89    END INTERFACE wall_fluxes_e
90 
91    INTERFACE wall_fluxes_e_acc
92       MODULE PROCEDURE wall_fluxes_e_acc
93    END INTERFACE wall_fluxes_e_acc
94
95 CONTAINS
96
97!------------------------------------------------------------------------------!
98! Description:
99! ------------
100!> Call for all grid points
101!------------------------------------------------------------------------------!
102    SUBROUTINE wall_fluxes( wall_flux, a, b, c1, c2, nzb_uvw_inner,            &
103                            nzb_uvw_outer, wall )
104
105       USE arrays_3d,                                                          &
106           ONLY:  rif_wall, u, v, w, z0, pt
107       
108       USE control_parameters,                                                 &
109           ONLY:  g, kappa, rif_max, rif_min
110       
111       USE grid_variables,                                                     &
112           ONLY:  dx, dy
113       
114       USE indices,                                                            &
115           ONLY:  nxl, nxlg, nxr, nxrg, nyn, nyng, nys, nysg, nzb, nzt
116       
117       USE kinds
118       
119       USE statistics,                                                         &
120           ONLY:  hom
121
122       IMPLICIT NONE
123
124       INTEGER(iwp) ::  i            !<
125       INTEGER(iwp) ::  j            !<
126       INTEGER(iwp) ::  k            !<
127       INTEGER(iwp) ::  wall_index   !<
128
129       INTEGER(iwp),                                                           &
130          DIMENSION(nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::                                    &
131             nzb_uvw_inner   !<
132       INTEGER(iwp),                                                           &
133          DIMENSION(nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::                                    &
134             nzb_uvw_outer   !<
135       
136       REAL(wp) ::  a           !<
137       REAL(wp) ::  b           !<
138       REAL(wp) ::  c1          !<
139       REAL(wp) ::  c2          !<
140       REAL(wp) ::  h1          !<
141       REAL(wp) ::  h2          !<
142       REAL(wp) ::  zp          !<
143       REAL(wp) ::  pts         !<
144       REAL(wp) ::  pt_i        !<
145       REAL(wp) ::  rifs        !<
146       REAL(wp) ::  u_i         !<
147       REAL(wp) ::  v_i         !<
148       REAL(wp) ::  us_wall     !<
149       REAL(wp) ::  vel_total   !<
150       REAL(wp) ::  ws          !<
151       REAL(wp) ::  wspts       !<
152
153       REAL(wp),                                                               &
154          DIMENSION(nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::                                    &
155             wall   !<
156       
157       REAL(wp),                                                               &
158          DIMENSION(nzb:nzt+1,nys:nyn,nxl:nxr) ::                              &
159             wall_flux   !<
160
161
162       zp         = 0.5_wp * ( (a+c1) * dy + (b+c2) * dx )
163       wall_flux  = 0.0_wp
164       wall_index = NINT( a+ 2*b + 3*c1 + 4*c2 )
165
166       DO  i = nxl, nxr
167          DO  j = nys, nyn
168
169             IF ( wall(j,i) /= 0.0_wp )  THEN
170!
171!--             All subsequent variables are computed for the respective
172!--             location where the respective flux is defined.
173                DO  k = nzb_uvw_inner(j,i)+1, nzb_uvw_outer(j,i)
174
175!
176!--                (1) Compute rifs, u_i, v_i, ws, pt' and w'pt'
177                   rifs  = rif_wall(k,j,i,wall_index)
178
179                   u_i   = a * u(k,j,i) + c1 * 0.25_wp *                       &
180                           ( u(k+1,j,i+1) + u(k+1,j,i) + u(k,j,i+1) + u(k,j,i) )
181
182                   v_i   = b * v(k,j,i) + c2 * 0.25_wp *                       &
183                           ( v(k+1,j+1,i) + v(k+1,j,i) + v(k,j+1,i) + v(k,j,i) )
184
185                   ws    = ( c1 + c2 ) * w(k,j,i) + 0.25_wp * (                &
186                     a * ( w(k-1,j,i-1) + w(k-1,j,i) + w(k,j,i-1) + w(k,j,i) ) &
187                   + b * ( w(k-1,j-1,i) + w(k-1,j,i) + w(k,j-1,i) + w(k,j,i) ) &
188                                                              )
189                   pt_i  = 0.5_wp * ( pt(k,j,i) + a *  pt(k,j,i-1) +           &
190                                   b * pt(k,j-1,i) + ( c1 + c2 ) * pt(k+1,j,i) )
191
192                   pts   = pt_i - hom(k,1,4,0)
193                   wspts = ws * pts
194
195!
196!--                (2) Compute wall-parallel absolute velocity vel_total
197                   vel_total = SQRT( ws**2 + (a+c1) * u_i**2 + (b+c2) * v_i**2 )
198
199!
200!--                (3) Compute wall friction velocity us_wall
201                   IF ( rifs >= 0.0_wp )  THEN
202
203!
204!--                   Stable stratification (and neutral)
205                      us_wall = kappa * vel_total / ( LOG( zp / z0(j,i) ) +    &
206                                         5.0_wp * rifs * ( zp - z0(j,i) ) / zp &
207                                                    )
208                   ELSE
209
210!
211!--                   Unstable stratification
212                      h1 = SQRT( SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rifs ) )
213                      h2 = SQRT( SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rifs * z0(j,i) / zp ) )
214
215                      us_wall = kappa * vel_total / (                          &
216                           LOG( zp / z0(j,i) ) -                               &
217                           LOG( ( 1.0_wp + h1 )**2 * ( 1.0_wp + h1**2 ) / (    &
218                                ( 1.0_wp + h2 )**2 * ( 1.0_wp + h2**2 )   ) ) +&
219                                2.0_wp * ( ATAN( h1 ) - ATAN( h2 ) )           &
220                                                    )
221                   ENDIF
222
223!
224!--                (4) Compute zp/L (corresponds to neutral Richardson flux
225!--                    number rifs)
226                   rifs = -1.0_wp * zp * kappa * g * wspts /                   &
227                          ( pt_i * ( us_wall**3 + 1E-30 ) )
228
229!
230!--                Limit the value range of the Richardson numbers.
231!--                This is necessary for very small velocities (u,w --> 0),
232!--                because the absolute value of rif can then become very
233!--                large, which in consequence would result in very large
234!--                shear stresses and very small momentum fluxes (both are
235!--                generally unrealistic).
236                   IF ( rifs < rif_min )  rifs = rif_min
237                   IF ( rifs > rif_max )  rifs = rif_max
238
239!
240!--                (5) Compute wall_flux (u'v', v'u', w'v', or w'u')
241                   IF ( rifs >= 0.0_wp )  THEN
242
243!
244!--                   Stable stratification (and neutral)
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                                 5.0_wp * rifs * ( zp - z0(j,i) ) / zp         &
249                              )
250                   ELSE
251
252!
253!--                   Unstable stratification
254                      h1 = SQRT( SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rifs ) )
255                      h2 = SQRT( SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rifs * z0(j,i) / zp ) )
256
257                      wall_flux(k,j,i) = kappa *                               &
258                           ( a*u(k,j,i) + b*v(k,j,i) + (c1+c2)*w(k,j,i) ) / (  &
259                           LOG( zp / z0(j,i) ) -                               &
260                           LOG( ( 1.0_wp + h1 )**2 * ( 1.0_wp + h1**2 ) / (    &
261                                ( 1.0_wp + h2 )**2 * ( 1.0_wp + h2**2 )   ) ) +&
262                                2.0_wp * ( ATAN( h1 ) - ATAN( h2 ) )           &
263                                                                            )
264                   ENDIF
265                   wall_flux(k,j,i) = -wall_flux(k,j,i) * us_wall
266
267!
268!--                store rifs for next time step
269                   rif_wall(k,j,i,wall_index) = rifs
270
271                ENDDO
272
273             ENDIF
274
275          ENDDO
276       ENDDO
277
278    END SUBROUTINE wall_fluxes
279
280
281!------------------------------------------------------------------------------!
282! Description:
283! ------------
284!> Call for all grid points - accelerator version
285!------------------------------------------------------------------------------!
286    SUBROUTINE wall_fluxes_acc( wall_flux, a, b, c1, c2, nzb_uvw_inner,        &
287                                nzb_uvw_outer, wall )
288
289       USE arrays_3d,                                                          &
290           ONLY:  rif_wall, pt, u, v, w, z0
291       
292       USE control_parameters,                                                 &
293           ONLY:  g, kappa, rif_max, rif_min
294       
295       USE grid_variables,                                                     &
296           ONLY:  dx, dy
297       
298       USE indices,                                                            &
299           ONLY:  i_left, i_right, j_north, j_south, nxl, nxlg, nxr, nxrg,     &
300                  nyn, nyng, nys, nysg, nzb, nzt
301       
302       USE kinds
303       
304       USE statistics,                                                         &
305           ONLY:  hom
306
307       IMPLICIT NONE
308
309       INTEGER(iwp) ::  i            !<
310       INTEGER(iwp) ::  j            !<
311       INTEGER(iwp) ::  k            !<
312       INTEGER(iwp) ::  max_outer    !<
313       INTEGER(iwp) ::  min_inner    !<
314       INTEGER(iwp) ::  wall_index   !<
315
316       INTEGER(iwp),                                                           &
317          DIMENSION(nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::                                    &
318             nzb_uvw_inner   !<
319       INTEGER(iwp),                                                           &
320          DIMENSION(nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::                                    &
321             nzb_uvw_outer   !<
322       
323       REAL(wp) ::  a           !<
324       REAL(wp) ::  b           !<
325       REAL(wp) ::  c1          !<
326       REAL(wp) ::  c2          !<
327       REAL(wp) ::  h1          !<
328       REAL(wp) ::  h2          !<
329       REAL(wp) ::  zp          !<
330       REAL(wp) ::  pts         !<
331       REAL(wp) ::  pt_i        !<
332       REAL(wp) ::  rifs        !<
333       REAL(wp) ::  u_i         !<
334       REAL(wp) ::  v_i         !<
335       REAL(wp) ::  us_wall     !<
336       REAL(wp) ::  vel_total   !<
337       REAL(wp) ::  ws          !<
338       REAL(wp) ::  wspts       !<
339
340       REAL(wp),                                                               &
341          DIMENSION(nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::                                    &
342             wall   !<
343       
344       REAL(wp),                                                               &
345          DIMENSION(nzb:nzt+1,nys:nyn,nxl:nxr) ::                              &
346             wall_flux   !<
347
348
349       zp         = 0.5_wp * ( (a+c1) * dy + (b+c2) * dx )
350       wall_flux  = 0.0_wp
351       wall_index = NINT( a+ 2*b + 3*c1 + 4*c2 )
352
353       min_inner = MINVAL( nzb_uvw_inner(nys:nyn,nxl:nxr) ) + 1
354       max_outer = MINVAL( nzb_uvw_outer(nys:nyn,nxl:nxr) )
355
356       !$acc kernels present( hom, nzb_uvw_inner, nzb_uvw_outer, pt, rif_wall ) &
357       !$acc         present( u, v, w, wall, wall_flux, z0 )
358       !$acc loop independent
359       DO  i = i_left, i_right
360          DO  j = j_south, j_north
361
362             IF ( wall(j,i) /= 0.0_wp )  THEN
363!
364!--             All subsequent variables are computed for the respective
365!--             location where the respective flux is defined.
366                !$acc loop independent
367                DO  k = nzb_uvw_inner(j,i)+1, nzb_uvw_outer(j,i)
368
369!
370!--                (1) Compute rifs, u_i, v_i, ws, pt' and w'pt'
371                   rifs  = rif_wall(k,j,i,wall_index)
372
373                   u_i   = a * u(k,j,i) + c1 * 0.25_wp *                       &
374                           ( u(k+1,j,i+1) + u(k+1,j,i) + u(k,j,i+1) + u(k,j,i) )
375
376                   v_i   = b * v(k,j,i) + c2 * 0.25_wp *                       &
377                           ( v(k+1,j+1,i) + v(k+1,j,i) + v(k,j+1,i) + v(k,j,i) )
378
379                   ws    = ( c1 + c2 ) * w(k,j,i) + 0.25_wp * (                &
380                     a * ( w(k-1,j,i-1) + w(k-1,j,i) + w(k,j,i-1) + w(k,j,i) ) &
381                   + b * ( w(k-1,j-1,i) + w(k-1,j,i) + w(k,j-1,i) + w(k,j,i) ) &
382                                                              )
383                   pt_i  = 0.5_wp * ( pt(k,j,i) + a *  pt(k,j,i-1) +           &
384                                   b * pt(k,j-1,i) + ( c1 + c2 ) * pt(k+1,j,i) )
385
386                   pts   = pt_i - hom(k,1,4,0)
387                   wspts = ws * pts
388
389!
390!--                (2) Compute wall-parallel absolute velocity vel_total
391                   vel_total = SQRT( ws**2 + (a+c1) * u_i**2 + (b+c2) * v_i**2 )
392
393!
394!--                (3) Compute wall friction velocity us_wall
395                   IF ( rifs >= 0.0_wp )  THEN
396
397!
398!--                   Stable stratification (and neutral)
399                      us_wall = kappa * vel_total / ( LOG( zp / z0(j,i) ) +    &
400                                         5.0_wp * rifs * ( zp - z0(j,i) ) / zp &
401                                                    )
402                   ELSE
403
404!
405!--                   Unstable stratification
406                      h1 = SQRT( SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rifs ) )
407                      h2 = SQRT( SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rifs * z0(j,i) / zp ) )
408
409                      us_wall = kappa * vel_total / (                          &
410                           LOG( zp / z0(j,i) ) -                               &
411                           LOG( ( 1.0_wp + h1 )**2 * ( 1.0_wp + h1**2 ) / (    &
412                                ( 1.0_wp + h2 )**2 * ( 1.0_wp + h2**2 )   ) ) +&
413                                2.0_wp * ( ATAN( h1 ) - ATAN( h2 ) )           &
414                                                    )
415                   ENDIF
416
417!
418!--                (4) Compute zp/L (corresponds to neutral Richardson flux
419!--                    number rifs)
420                   rifs = -1.0_wp * zp * kappa * g * wspts /                   &
421                          ( pt_i * ( us_wall**3 + 1E-30 ) )
422
423!
424!--                Limit the value range of the Richardson numbers.
425!--                This is necessary for very small velocities (u,w --> 0),
426!--                because the absolute value of rif can then become very
427!--                large, which in consequence would result in very large
428!--                shear stresses and very small momentum fluxes (both are
429!--                generally unrealistic).
430                   IF ( rifs < rif_min )  rifs = rif_min
431                   IF ( rifs > rif_max )  rifs = rif_max
432
433!
434!--                (5) Compute wall_flux (u'v', v'u', w'v', or w'u')
435                   IF ( rifs >= 0.0_wp )  THEN
436
437!
438!--                   Stable stratification (and neutral)
439                      wall_flux(k,j,i) = kappa *                               &
440                              ( a*u(k,j,i) + b*v(k,j,i) + (c1+c2)*w(k,j,i) ) / &
441                              (  LOG( zp / z0(j,i) ) +                         &
442                                 5.0_wp * rifs * ( zp - z0(j,i) ) / zp         &
443                              )
444                   ELSE
445
446!
447!--                   Unstable stratification
448                      h1 = SQRT( SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rifs ) )
449                      h2 = SQRT( SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rifs * z0(j,i) / zp ) )
450
451                      wall_flux(k,j,i) = kappa *                               &
452                           ( a*u(k,j,i) + b*v(k,j,i) + (c1+c2)*w(k,j,i) ) / (  &
453                           LOG( zp / z0(j,i) ) -                               &
454                           LOG( ( 1.0_wp + h1 )**2 * ( 1.0_wp + h1**2 ) / (    &
455                                ( 1.0_wp + h2 )**2 * ( 1.0_wp + h2**2 )   ) ) +&
456                                2.0_wp * ( ATAN( h1 ) - ATAN( h2 ) )           &
457                                                                            )
458                   ENDIF
459                   wall_flux(k,j,i) = -wall_flux(k,j,i) * us_wall
460
461!
462!--                store rifs for next time step
463                   rif_wall(k,j,i,wall_index) = rifs
464
465                ENDDO
466
467             ENDIF
468
469          ENDDO
470       ENDDO
471       !$acc end kernels
472
473    END SUBROUTINE wall_fluxes_acc
474
475
476!------------------------------------------------------------------------------!
477! Description:
478! ------------
479!> Call for all grid point i,j
480!------------------------------------------------------------------------------!
481    SUBROUTINE wall_fluxes_ij( i, j, nzb_w, nzt_w, wall_flux, a, b, c1, c2 )
482
483       USE arrays_3d,                                                          &
484           ONLY:  rif_wall, pt, u, v, w, z0
485       
486       USE control_parameters,                                                 &
487           ONLY:  g, kappa, rif_max, rif_min
488       
489       USE grid_variables,                                                     &
490           ONLY:  dx, dy
491       
492       USE indices,                                                            &
493           ONLY:  nzb, nzt
494       
495       USE kinds
496       
497       USE statistics,                                                         &
498           ONLY:  hom
499
500       IMPLICIT NONE
501
502       INTEGER(iwp) ::  i            !<
503       INTEGER(iwp) ::  j            !<
504       INTEGER(iwp) ::  k            !<
505       INTEGER(iwp) ::  nzb_w        !<
506       INTEGER(iwp) ::  nzt_w        !<
507       INTEGER(iwp) ::  wall_index   !<
508       
509       REAL(wp) ::  a           !<
510       REAL(wp) ::  b           !<
511       REAL(wp) ::  c1          !<
512       REAL(wp) ::  c2          !<
513       REAL(wp) ::  h1          !<
514       REAL(wp) ::  h2          !<
515       REAL(wp) ::  zp          !<
516       REAL(wp) ::  pts         !<
517       REAL(wp) ::  pt_i        !<
518       REAL(wp) ::  rifs        !<
519       REAL(wp) ::  u_i         !<
520       REAL(wp) ::  v_i         !<
521       REAL(wp) ::  us_wall     !<
522       REAL(wp) ::  vel_total   !<
523       REAL(wp) ::  ws          !<
524       REAL(wp) ::  wspts       !<
525
526       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  wall_flux   !<
527
528
529       zp         = 0.5_wp * ( (a+c1) * dy + (b+c2) * dx )
530       wall_flux  = 0.0_wp
531       wall_index = NINT( a+ 2*b + 3*c1 + 4*c2 )
532
533!
534!--    All subsequent variables are computed for the respective location where
535!--    the respective flux is defined.
536       DO  k = nzb_w, nzt_w
537
538!
539!--       (1) Compute rifs, u_i, v_i, ws, pt' and w'pt'
540          rifs  = rif_wall(k,j,i,wall_index)
541
542          u_i   = a * u(k,j,i) + c1 * 0.25_wp *                                &
543                  ( u(k+1,j,i+1) + u(k+1,j,i) + u(k,j,i+1) + u(k,j,i) )
544
545          v_i   = b * v(k,j,i) + c2 * 0.25_wp *                                &
546                  ( v(k+1,j+1,i) + v(k+1,j,i) + v(k,j+1,i) + v(k,j,i) )
547
548          ws    = ( c1 + c2 ) * w(k,j,i) + 0.25_wp * (                         &
549                     a * ( w(k-1,j,i-1) + w(k-1,j,i) + w(k,j,i-1) + w(k,j,i) ) &
550                   + b * ( w(k-1,j-1,i) + w(k-1,j,i) + w(k,j-1,i) + w(k,j,i) ) &
551                                                     )
552          pt_i  = 0.5_wp * ( pt(k,j,i) + a *  pt(k,j,i-1) + b * pt(k,j-1,i)    &
553                          + ( c1 + c2 ) * pt(k+1,j,i) )
554
555          pts   = pt_i - hom(k,1,4,0)
556          wspts = ws * pts
557
558!
559!--       (2) Compute wall-parallel absolute velocity vel_total
560          vel_total = SQRT( ws**2 + ( a+c1 ) * u_i**2 + ( b+c2 ) * v_i**2 )
561
562!
563!--       (3) Compute wall friction velocity us_wall
564          IF ( rifs >= 0.0_wp )  THEN
565
566!
567!--          Stable stratification (and neutral)
568             us_wall = kappa * vel_total / ( LOG( zp / z0(j,i) ) +             &
569                                         5.0_wp * rifs * ( zp - z0(j,i) ) / zp &
570                                           )
571          ELSE
572
573!
574!--          Unstable stratification
575             h1 = SQRT( SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rifs ) )
576             h2 = SQRT( SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rifs * z0(j,i) / zp ) )
577
578             us_wall = kappa * vel_total / (                                   &
579                  LOG( zp / z0(j,i) ) -                                        &
580                  LOG( ( 1.0_wp + h1 )**2 * ( 1.0_wp + h1**2 ) / (             &
581                       ( 1.0_wp + h2 )**2 * ( 1.0_wp + h2**2 )   ) ) +         &
582                       2.0_wp * ( ATAN( h1 ) - ATAN( h2 ) )                    &
583                                           )
584          ENDIF
585
586!
587!--       (4) Compute zp/L (corresponds to neutral Richardson flux number
588!--           rifs)
589          rifs = -1.0_wp * zp * kappa * g * wspts /                            &
590                  ( pt_i * (us_wall**3 + 1E-30) )
591
592!
593!--       Limit the value range of the Richardson numbers.
594!--       This is necessary for very small velocities (u,w --> 0), because
595!--       the absolute value of rif can then become very large, which in
596!--       consequence would result in very large shear stresses and very
597!--       small momentum fluxes (both are generally unrealistic).
598          IF ( rifs < rif_min )  rifs = rif_min
599          IF ( rifs > rif_max )  rifs = rif_max
600
601!
602!--       (5) Compute wall_flux (u'v', v'u', w'v', or w'u')
603          IF ( rifs >= 0.0_wp )  THEN
604
605!
606!--          Stable stratification (and neutral)
607             wall_flux(k) = kappa *                                            &
608                            ( a*u(k,j,i) + b*v(k,j,i) + (c1+c2)*w(k,j,i) ) /   &
609                            (  LOG( zp / z0(j,i) ) +                           &
610                               5.0_wp * rifs * ( zp - z0(j,i) ) / zp           &
611                            )
612          ELSE
613
614!
615!--          Unstable stratification
616             h1 = SQRT( SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rifs ) )
617             h2 = SQRT( SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rifs * z0(j,i) / zp ) )
618
619             wall_flux(k) = kappa *                                            &
620                  ( a*u(k,j,i) + b*v(k,j,i) + (c1+c2)*w(k,j,i) ) / (           &
621                  LOG( zp / z0(j,i) ) -                                        &
622                  LOG( ( 1.0_wp + h1 )**2 * ( 1.0_wp + h1**2 ) / (             &
623                       ( 1.0_wp + h2 )**2 * ( 1.0_wp + h2**2 )   ) ) +         &
624                       2.0_wp * ( ATAN( h1 ) - ATAN( h2 ) )                    &
625                                                                   )
626          ENDIF
627          wall_flux(k) = -wall_flux(k) * us_wall
628
629!
630!--       store rifs for next time step
631          rif_wall(k,j,i,wall_index) = rifs
632
633       ENDDO
634
635    END SUBROUTINE wall_fluxes_ij
636
637
638
639!------------------------------------------------------------------------------!
640! Description:
641! ------------
642!> Call for all grid points
643!> Calculates momentum fluxes at vertical walls for routine production_e
644!> assuming Monin-Obukhov similarity.
645!> Indices: usvs a=1, vsus b=1, wsvs c1=1, wsus c2=1 (other=0).
646!------------------------------------------------------------------------------!
647
648    SUBROUTINE wall_fluxes_e( wall_flux, a, b, c1, c2, wall )
649
650
651       USE arrays_3d,                                                          &
652           ONLY:  rif_wall, u, v, w, z0
653       
654       USE control_parameters,                                                 &
655           ONLY:  kappa
656       
657       USE grid_variables,                                                     &
658           ONLY:  dx, dy
659       
660       USE indices,                                                            &
661           ONLY:  nxl, nxlg, nxr, nxrg, nyn, nyng, nys, nysg, nzb,             &
662                  nzb_diff_s_inner, nzb_diff_s_outer, nzt
663       
664       USE kinds
665
666       IMPLICIT NONE
667
668       INTEGER(iwp) ::  i            !<
669       INTEGER(iwp) ::  j            !<
670       INTEGER(iwp) ::  k            !<
671       INTEGER(iwp) ::  kk           !<
672       INTEGER(iwp) ::  wall_index   !<
673       
674       REAL(wp) ::  a           !<
675       REAL(wp) ::  b           !<
676       REAL(wp) ::  c1          !<
677       REAL(wp) ::  c2          !<
678       REAL(wp) ::  h1          !<
679       REAL(wp) ::  h2          !<
680       REAL(wp) ::  u_i         !<
681       REAL(wp) ::  v_i         !<
682       REAL(wp) ::  us_wall     !<
683       REAL(wp) ::  vel_total   !<
684       REAL(wp) ::  vel_zp      !<
685       REAL(wp) ::  ws          !<
686       REAL(wp) ::  zp          !<
687       REAL(wp) ::  rifs        !<
688
689       REAL(wp),                                                               &
690          DIMENSION(nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::                                    &
691             wall   !<
692       
693       REAL(wp),                                                               &
694          DIMENSION(nzb:nzt+1,nys:nyn,nxl:nxr) ::                              &
695             wall_flux   !<
696
697
698       zp         = 0.5_wp * ( (a+c1) * dy + (b+c2) * dx )
699       wall_flux  = 0.0_wp
700       wall_index = NINT( a+ 2*b + 3*c1 + 4*c2 )
701
702       DO  i = nxl, nxr
703          DO  j = nys, nyn
704
705             IF ( wall(j,i) /= 0.0_wp )  THEN
706!
707!--             All subsequent variables are computed for scalar locations.
708                DO  k = nzb_diff_s_inner(j,i)-1, nzb_diff_s_outer(j,i)-2
709!
710!--                (1) Compute rifs, u_i, v_i, and ws
711                   IF ( k == nzb_diff_s_inner(j,i)-1 )  THEN
712                      kk = nzb_diff_s_inner(j,i)-1
713                   ELSE
714                      kk = k-1
715                   ENDIF
716                   rifs  = 0.5_wp * (      rif_wall(k,j,i,wall_index) +        &
717                                      a  * rif_wall(k,j,i+1,1)        +        &
718                                      b  * rif_wall(k,j+1,i,2)        +        &
719                                      c1 * rif_wall(kk,j,i,3)         +        &
720                                      c2 * rif_wall(kk,j,i,4)                  &
721                                    )
722
723                   u_i   = 0.5_wp * ( u(k,j,i) + u(k,j,i+1) )
724                   v_i   = 0.5_wp * ( v(k,j,i) + v(k,j+1,i) )
725                   ws    = 0.5_wp * ( w(k,j,i) + w(k-1,j,i) )
726!
727!--                (2) Compute wall-parallel absolute velocity vel_total and
728!--                interpolate appropriate velocity component vel_zp.
729                   vel_total = SQRT( ws**2 + (a+c1) * u_i**2 + (b+c2) * v_i**2 )
730                   vel_zp    = 0.5_wp * ( a * u_i + b * v_i + (c1+c2) * ws )
731!
732!--                (3) Compute wall friction velocity us_wall
733                   IF ( rifs >= 0.0_wp )  THEN
734
735!
736!--                   Stable stratification (and neutral)
737                      us_wall = kappa * vel_total / ( LOG( zp / z0(j,i) ) +    &
738                                         5.0_wp * rifs * ( zp - z0(j,i) ) / zp &
739                                                    )
740                   ELSE
741
742!
743!--                   Unstable stratification
744                      h1 = SQRT( SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rifs ) )
745                      h2 = SQRT( SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rifs * z0(j,i) / zp ) )
746
747                      us_wall = kappa * vel_total / (                          &
748                           LOG( zp / z0(j,i) ) -                               &
749                           LOG( ( 1.0_wp + h1 )**2 * ( 1.0_wp + h1**2 ) / (    &
750                                ( 1.0_wp + h2 )**2 * ( 1.0_wp + h2**2 )   ) ) +&
751                                2.0_wp * ( ATAN( h1 ) - ATAN( h2 ) )           &
752                                                    )
753                   ENDIF
754
755!
756!--                Skip step (4) of wall_fluxes, because here rifs is already
757!--                available from (1)
758!
759!--                (5) Compute wall_flux (u'v', v'u', w'v', or w'u')
760
761                   IF ( rifs >= 0.0_wp )  THEN
762
763!
764!--                   Stable stratification (and neutral)
765                      wall_flux(k,j,i) = kappa * vel_zp / ( LOG( zp/z0(j,i) ) +&
766                                         5.0_wp * rifs * ( zp-z0(j,i) ) / zp )
767                   ELSE
768
769!
770!--                   Unstable stratification
771                      h1 = SQRT( SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rifs ) )
772                      h2 = SQRT( SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rifs * z0(j,i) / zp ) )
773
774                      wall_flux(k,j,i) = kappa * vel_zp / (                    &
775                           LOG( zp / z0(j,i) ) -                               &
776                           LOG( ( 1.0_wp + h1 )**2 * ( 1.0_wp + h1**2 ) / (    &
777                                ( 1.0_wp + h2 )**2 * ( 1.0_wp + h2**2 )   ) ) +&
778                                2.0_wp * ( ATAN( h1 ) - ATAN( h2 ) )           &
779                                                          )
780                   ENDIF
781                   wall_flux(k,j,i) = - wall_flux(k,j,i) * us_wall
782
783                ENDDO
784
785             ENDIF
786
787          ENDDO
788       ENDDO
789
790    END SUBROUTINE wall_fluxes_e
791
792
793!------------------------------------------------------------------------------!
794! Description:
795! ------------
796!> Call for all grid points - accelerator version
797!> Calculates momentum fluxes at vertical walls for routine production_e
798!> assuming Monin-Obukhov similarity.
799!> Indices: usvs a=1, vsus b=1, wsvs c1=1, wsus c2=1 (other=0).
800!------------------------------------------------------------------------------!
801    SUBROUTINE wall_fluxes_e_acc( wall_flux, a, b, c1, c2, wall )
802
803
804       USE arrays_3d,                                                          &
805           ONLY:  rif_wall, u, v, w, z0
806       
807       USE control_parameters,                                                 &
808           ONLY:  kappa
809       
810       USE grid_variables,                                                     &
811           ONLY:  dx, dy
812       
813       USE indices,                                                            &
814           ONLY:  i_left, i_right, j_north, j_south, nxl, nxlg, nxr, nxrg,     &
815                  nyn, nyng, nys, nysg, nzb, nzb_diff_s_inner,                 &
816                  nzb_diff_s_outer, nzt
817       
818       USE kinds
819
820       IMPLICIT NONE
821
822       INTEGER(iwp) ::  i            !<
823       INTEGER(iwp) ::  j            !<
824       INTEGER(iwp) ::  k            !<
825       INTEGER(iwp) ::  kk           !<
826       INTEGER(iwp) ::  max_outer    !<
827       INTEGER(iwp) ::  min_inner    !<
828       INTEGER(iwp) ::  wall_index   !<
829       
830       REAL(wp) ::  a           !<
831       REAL(wp) ::  b           !<
832       REAL(wp) ::  c1          !<
833       REAL(wp) ::  c2          !<
834       REAL(wp) ::  h1          !<
835       REAL(wp) ::  h2          !<
836       REAL(wp) ::  u_i         !<
837       REAL(wp) ::  v_i         !<
838       REAL(wp) ::  us_wall     !<
839       REAL(wp) ::  vel_total   !<
840       REAL(wp) ::  vel_zp      !<
841       REAL(wp) ::  ws          !<
842       REAL(wp) ::  zp          !<
843       REAL(wp) ::  rifs        !<
844
845       REAL(wp),                                                               &
846          DIMENSION(nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::                                    &
847             wall   !<
848       
849       REAL(wp),                                                               &
850          DIMENSION(nzb:nzt+1,nys:nyn,nxl:nxr) ::                              &
851             wall_flux   !<
852
853
854       zp         = 0.5_wp * ( (a+c1) * dy + (b+c2) * dx )
855       wall_flux  = 0.0_wp
856       wall_index = NINT( a+ 2*b + 3*c1 + 4*c2 )
857
858       min_inner = MINVAL( nzb_diff_s_inner(nys:nyn,nxl:nxr) ) - 1
859       max_outer = MAXVAL( nzb_diff_s_outer(nys:nyn,nxl:nxr) ) - 2
860
861       !$acc kernels present( nzb_diff_s_inner, nzb_diff_s_outer, rif_wall )   &
862       !$acc         present( u, v, w, wall, wall_flux, z0 )
863       DO  i = i_left, i_right
864          DO  j = j_south, j_north
865             DO  k = min_inner, max_outer
866!
867!--             All subsequent variables are computed for scalar locations
868                IF ( k >= nzb_diff_s_inner(j,i)-1  .AND.                       &
869                     k <= nzb_diff_s_outer(j,i)-2  .AND.                       &
870                     wall(j,i) /= 0.0_wp )         THEN
871!
872!--                (1) Compute rifs, u_i, v_i, and ws
873                   IF ( k == nzb_diff_s_inner(j,i)-1 )  THEN
874                      kk = nzb_diff_s_inner(j,i)-1
875                   ELSE
876                      kk = k-1
877                   ENDIF
878                   rifs  = 0.5_wp * (      rif_wall(k,j,i,wall_index) +        &
879                                      a  * rif_wall(k,j,i+1,1)        +        &
880                                      b  * rif_wall(k,j+1,i,2)        +        &
881                                      c1 * rif_wall(kk,j,i,3)         +        &
882                                      c2 * rif_wall(kk,j,i,4)                  &
883                                    )
884
885                   u_i   = 0.5_wp * ( u(k,j,i) + u(k,j,i+1) )
886                   v_i   = 0.5_wp * ( v(k,j,i) + v(k,j+1,i) )
887                   ws    = 0.5_wp * ( w(k,j,i) + w(k-1,j,i) )
888!
889!--                (2) Compute wall-parallel absolute velocity vel_total and
890!--                interpolate appropriate velocity component vel_zp.
891                   vel_total = SQRT( ws**2 + (a+c1) * u_i**2 + (b+c2) * v_i**2 )
892                   vel_zp    = 0.5_wp * ( a * u_i + b * v_i + (c1+c2) * ws )
893!
894!--                (3) Compute wall friction velocity us_wall
895                   IF ( rifs >= 0.0_wp )  THEN
896
897!
898!--                   Stable stratification (and neutral)
899                      us_wall = kappa * vel_total / ( LOG( zp / z0(j,i) ) +    &
900                                         5.0_wp * rifs * ( zp - z0(j,i) ) / zp &
901                                                    )
902                   ELSE
903
904!
905!--                   Unstable stratification
906                      h1 = SQRT( SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rifs ) )
907                      h2 = SQRT( SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rifs * z0(j,i) / zp ) )
908
909                      us_wall = kappa * vel_total / (                          &
910                           LOG( zp / z0(j,i) ) -                               &
911                           LOG( ( 1.0_wp + h1 )**2 * ( 1.0_wp + h1**2 ) / (    &
912                                ( 1.0_wp + h2 )**2 * ( 1.0_wp + h2**2 )   ) ) +&
913                                2.0_wp * ( ATAN( h1 ) - ATAN( h2 ) )           &
914                                                    )
915                   ENDIF
916
917!
918!--                Skip step (4) of wall_fluxes, because here rifs is already
919!--                available from (1)
920!
921!--                (5) Compute wall_flux (u'v', v'u', w'v', or w'u')
922
923                   IF ( rifs >= 0.0_wp )  THEN
924
925!
926!--                   Stable stratification (and neutral)
927                      wall_flux(k,j,i) = kappa *  vel_zp / (                   &
928                                         LOG( zp/z0(j,i) ) +                   &
929                                         5.0_wp * rifs * ( zp-z0(j,i) ) / zp   &
930                                                           )
931                   ELSE
932
933!
934!--                   Unstable stratification
935                      h1 = SQRT( SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rifs ) )
936                      h2 = SQRT( SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rifs * z0(j,i) / zp ) )
937
938                      wall_flux(k,j,i) = kappa * vel_zp / (                    &
939                           LOG( zp / z0(j,i) ) -                               &
940                           LOG( ( 1.0_wp + h1 )**2 * ( 1.0_wp + h1**2 ) / (    &
941                                ( 1.0_wp + h2 )**2 * ( 1.0_wp + h2**2 )   ) ) +&
942                                2.0_wp * ( ATAN( h1 ) - ATAN( h2 ) )           &
943                                                          )
944                   ENDIF
945                   wall_flux(k,j,i) = - wall_flux(k,j,i) * us_wall
946
947                ENDIF
948
949             ENDDO
950          ENDDO
951       ENDDO
952       !$acc end kernels
953
954    END SUBROUTINE wall_fluxes_e_acc
955
956
957!------------------------------------------------------------------------------!
958! Description:
959! ------------
960!> Call for grid point i,j
961!------------------------------------------------------------------------------!
962    SUBROUTINE wall_fluxes_e_ij( i, j, nzb_w, nzt_w, wall_flux, a, b, c1, c2 )
963
964       USE arrays_3d,                                                          &
965           ONLY:  rif_wall, u, v, w, z0
966       
967       USE control_parameters,                                                 &
968           ONLY:  kappa
969       
970       USE grid_variables,                                                     &
971           ONLY:  dx, dy
972       
973       USE indices,                                                            &
974           ONLY:  nzb, nzt
975       
976       USE kinds
977
978       IMPLICIT NONE
979
980       INTEGER(iwp) ::  i            !<
981       INTEGER(iwp) ::  j            !<
982       INTEGER(iwp) ::  k            !<
983       INTEGER(iwp) ::  kk           !<
984       INTEGER(iwp) ::  nzb_w        !<
985       INTEGER(iwp) ::  nzt_w        !<
986       INTEGER(iwp) ::  wall_index   !<
987       
988       REAL(wp) ::  a           !<
989       REAL(wp) ::  b           !<
990       REAL(wp) ::  c1          !<
991       REAL(wp) ::  c2          !<
992       REAL(wp) ::  h1          !<
993       REAL(wp) ::  h2          !<
994       REAL(wp) ::  u_i         !<
995       REAL(wp) ::  v_i         !<
996       REAL(wp) ::  us_wall     !<
997       REAL(wp) ::  vel_total   !<
998       REAL(wp) ::  vel_zp      !<
999       REAL(wp) ::  ws          !<
1000       REAL(wp) ::  zp          !<
1001       REAL(wp) ::  rifs        !<
1002
1003       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  wall_flux   !<
1004
1005
1006       zp         = 0.5_wp * ( (a+c1) * dy + (b+c2) * dx )
1007       wall_flux  = 0.0_wp
1008       wall_index = NINT( a+ 2*b + 3*c1 + 4*c2 )
1009
1010!
1011!--    All subsequent variables are computed for scalar locations.
1012       DO  k = nzb_w, nzt_w
1013
1014!
1015!--       (1) Compute rifs, u_i, v_i, and ws
1016          IF ( k == nzb_w )  THEN
1017             kk = nzb_w
1018          ELSE
1019             kk = k-1
1020          ENDIF
1021          rifs  = 0.5_wp * (      rif_wall(k,j,i,wall_index) +                 &
1022                             a  * rif_wall(k,j,i+1,1)        +                 &
1023                             b  * rif_wall(k,j+1,i,2)        +                 &
1024                             c1 * rif_wall(kk,j,i,3)         +                 &
1025                             c2 * rif_wall(kk,j,i,4)                           &
1026                           )
1027
1028          u_i   = 0.5_wp * ( u(k,j,i) + u(k,j,i+1) )
1029          v_i   = 0.5_wp * ( v(k,j,i) + v(k,j+1,i) )
1030          ws    = 0.5_wp * ( w(k,j,i) + w(k-1,j,i) )
1031!
1032!--       (2) Compute wall-parallel absolute velocity vel_total and
1033!--       interpolate appropriate velocity component vel_zp.
1034          vel_total = SQRT( ws**2 + (a+c1) * u_i**2 + (b+c2) * v_i**2 )
1035          vel_zp    = 0.5_wp * ( a * u_i + b * v_i + (c1+c2) * ws )
1036!
1037!--       (3) Compute wall friction velocity us_wall
1038          IF ( rifs >= 0.0_wp )  THEN
1039
1040!
1041!--          Stable stratification (and neutral)
1042             us_wall = kappa * vel_total / ( LOG( zp / z0(j,i) ) +             &
1043                                         5.0_wp * rifs * ( zp - z0(j,i) ) / zp &
1044                                           )
1045          ELSE
1046
1047!
1048!--          Unstable stratification
1049             h1 = SQRT( SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rifs ) )
1050             h2 = SQRT( SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rifs * z0(j,i) / zp ) )
1051
1052             us_wall = kappa * vel_total / (                                   &
1053                  LOG( zp / z0(j,i) ) -                                        &
1054                  LOG( ( 1.0_wp + h1 )**2 * ( 1.0_wp + h1**2 ) / (             &
1055                       ( 1.0_wp + h2 )**2 * ( 1.0_wp + h2**2 )   ) ) +         &
1056                       2.0_wp * ( ATAN( h1 ) - ATAN( h2 ) )                    &
1057                                           )
1058          ENDIF
1059
1060!
1061!--       Skip step (4) of wall_fluxes, because here rifs is already
1062!--       available from (1)
1063!
1064!--       (5) Compute wall_flux (u'v', v'u', w'v', or w'u')
1065!--       First interpolate the velocity (this is different from
1066!--       subroutine wall_fluxes because fluxes in subroutine
1067!--       wall_fluxes_e are defined at scalar locations).
1068          vel_zp = 0.5_wp * (       a * ( u(k,j,i) + u(k,j,i+1) ) +            &
1069                                    b * ( v(k,j,i) + v(k,j+1,i) ) +            &
1070                              (c1+c2) * ( w(k,j,i) + w(k-1,j,i) )              &
1071                            )
1072
1073          IF ( rifs >= 0.0_wp )  THEN
1074
1075!
1076!--          Stable stratification (and neutral)
1077             wall_flux(k) = kappa *  vel_zp /                                  &
1078                     ( LOG( zp/z0(j,i) ) + 5.0_wp * rifs * ( zp-z0(j,i) ) / zp )
1079          ELSE
1080
1081!
1082!--          Unstable stratification
1083             h1 = SQRT( SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rifs ) )
1084             h2 = SQRT( SQRT( 1.0_wp - 16.0_wp * rifs * z0(j,i) / zp ) )
1085
1086             wall_flux(k) = kappa * vel_zp / (                                 &
1087                  LOG( zp / z0(j,i) ) -                                        &
1088                  LOG( ( 1.0_wp + h1 )**2 * ( 1.0_wp + h1**2 ) / (             &
1089                       ( 1.0_wp + h2 )**2 * ( 1.0_wp + h2**2 )   ) ) +         &
1090                       2.0_wp * ( ATAN( h1 ) - ATAN( h2 ) )                    &
1091                                             )
1092          ENDIF
1093          wall_flux(k) = - wall_flux(k) * us_wall
1094
1095       ENDDO
1096
1097    END SUBROUTINE wall_fluxes_e_ij
1098
1099 END MODULE wall_fluxes_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.