Ignore:
Timestamp:
Sep 19, 2016 5:29:57 PM (5 years ago)
Author:
kanani
Message:

changes related to steering and formating of urban surface model

File:
1 edited

Legend:

Unmodified
Added
Removed
  • palm/trunk/SOURCE/urban_surface_mod.f90

    </
    r2008 r2011  
    1  MODULE urban_surface_mod
    2 
    31!> @file urban_surface_mod.f90
    42!--------------------------------------------------------------------------------!
     
    2321! Current revisions:
    2422! ------------------
    25 !
     23! Major reformatting according to PALM coding standard (comments, blanks,
     24! alphabetical ordering, etc.),
     25! removed debug_prints,
     26! removed auxiliary SUBROUTINE get_usm_info, instead, USM flag urban_surface is
     27! defined in MODULE control_parameters (modules.f90) to avoid circular
     28! dependencies,
     29! renamed canopy_heat_flux to pc_heating_rate, as meaning of quantity changed.
    2630!
    2731! Former revisions:
     
    6771!>
    6872!------------------------------------------------------------------------------!
     73 MODULE urban_surface_mod
     74
     75    USE arrays_3d,                                                             &
     76        ONLY:  zu, pt, pt_1, pt_2, p, ol, shf, ts, us, u, v, w, hyp, tend
     77
     78    USE cloud_parameters,                                                      &
     79        ONLY:  cp, r_d
    6980
    7081    USE constants,                                                             &
    71         only: pi
     82        ONLY:  pi
     83   
     84    USE control_parameters,                                                    &
     85        ONLY:  dz, topography, dt_3d, intermediate_timestep_count,             &
     86               initializing_actions, intermediate_timestep_count_max,          &
     87               simulated_time, end_time, timestep_scheme, tsc,                 &
     88               coupling_char, io_blocks, io_group, message_string,             &
     89               time_since_reference_point, surface_pressure,                   &
     90               g, pt_surface, large_scale_forcing, lsf_surf,                   &
     91               time_do3d, dt_do3d, average_count_3d, urban_surface
     92
     93    USE cpulog,                                                                &
     94        ONLY:  cpu_log, log_point, log_point_s
     95     
     96    USE grid_variables,                                                        &
     97        ONLY:  dx, dy, ddx, ddy, ddx2, ddy2
     98   
     99    USE indices,                                                               &
     100        ONLY:  nx, ny, nnx, nny, nnz, nxl, nxlg, nxr, nxrg, nyn, nyng, nys,    &
     101               nysg, nzb_s_inner, nzb_s_outer, nzb, nzt, nbgp
     102
     103    USE, INTRINSIC :: iso_c_binding
    72104
    73105    USE kinds
     
    75107    USE pegrid
    76108   
    77     USE indices,                                                               &
    78          only: nx, ny, nnx, nny, nnz, nxl, nxlg, nxr, nxrg, nyn, nyng, nys,    &
    79                nysg, nzb_s_inner, nzb_s_outer, nzb, nzt, nbgp
    80    
    81     USE control_parameters,                                                    &
    82          ONLY:  dz, topography, dt_3d, intermediate_timestep_count,            &
    83                 initializing_actions, intermediate_timestep_count_max,         &
    84                 simulated_time, end_time, timestep_scheme, tsc,                &
    85                 coupling_char, io_blocks, io_group, message_string,            &
    86                 time_since_reference_point, surface_pressure,                  &
    87                 g, pt_surface, large_scale_forcing, lsf_surf,                  &
    88                 time_do3d, dt_do3d, average_count_3d
    89      
    90     USE grid_variables,                                                        &
    91         ONLY: dx, dy, ddx, ddy, ddx2, ddy2
    92              
    93     USE arrays_3d,                                                             &
    94         ONLY:  zu, pt, pt_1, pt_2, p, ol, shf, ts, us, u, v, w, hyp, tend
    95 
    96     USE cloud_parameters,                                                      &
    97         ONLY:  cp, r_d
     109    USE plant_canopy_model_mod,                                                &
     110        ONLY:  plant_canopy, pch_index,                                        &
     111               pc_heating_rate, lad_s
    98112   
    99113    USE radiation_model_mod,                                                   &
     
    102116               sigma_sb, sun_direction, sun_dir_lat, sun_dir_lon,              &
    103117               force_radiation_call
    104    
    105     USE plant_canopy_model_mod,                                                &
    106         ONLY:  plant_canopy, pch_index,                                        &
    107                canopy_heat_flux, lad_s
    108118
    109119    USE statistics,                                                            &
    110          ONLY:  hom, statistic_regions
    111 
    112     USE cpulog,                                                                &
    113         ONLY:  cpu_log, log_point, log_point_s
    114 
    115     ! USE ieee_arithmetic
    116     USE, INTRINSIC :: iso_c_binding
     120        ONLY:  hom, statistic_regions
    117121
    118122               
     
    120124    IMPLICIT NONE
    121125
    122     !-- configuration parameters (they can be setup in PALM config)
    123     LOGICAL                                        ::  urban_surface = .FALSE.            !< switch for use of urban surface model
     126!-- configuration parameters (they can be setup in PALM config)
    124127    LOGICAL                                        ::  split_diffusion_radiation = .TRUE. !< split direct and diffusion dw radiation
    125128                                                                                          !< (.F. in case the radiation model already does it)   
    126129    LOGICAL                                        ::  usm_energy_balance_land = .TRUE.   !< flag parameter indicating wheather the energy balance is calculated for land and roofs
    127130    LOGICAL                                        ::  usm_energy_balance_wall = .TRUE.   !< flag parameter indicating wheather the energy balance is calculated for land and roofs
     131    LOGICAL                                        ::  usm_material_model = .TRUE.        !< flag parameter indicating wheather the  model of heat in materials is used
    128132    LOGICAL                                        ::  usm_anthropogenic_heat = .FALSE.   !< flag parameter indicating wheather the anthropogenic heat sources (e.g.transportation) are used
    129     LOGICAL                                        ::  usm_material_model = .TRUE.        !< flag parameter indicating wheather the wsm is used
    130133    LOGICAL                                        ::  force_radiation_call_l = .FALSE.   !< flag parameter for unscheduled radiation model calls
    131134    LOGICAL                                        ::  mrt_factors = .FALSE.              !< whether to generate MRT factor files during init
     
    133136    LOGICAL                                        ::  read_svf_on_init = .FALSE.
    134137    LOGICAL                                        ::  usm_lad_rma = .TRUE.               !< use MPI RMA to access LAD for raytracing (instead of global array)
    135     LOGICAL                                        ::  debug_prints = .FALSE.             !< print debug messages into process debug files
    136138   
    137139    INTEGER(iwp)                                   ::  nrefsteps = 0                      !< number of reflection steps to perform
     
    147149                                                                                          !< of r_a for horizontal surfaces -> TODO
    148150   
    149     !-- parameters of urban surface model
     151!-- parameters of urban surface model
    150152    INTEGER(iwp), PARAMETER                        ::  usm_version_len = 10               !< length of identification string of usm version
    151153    CHARACTER(usm_version_len), PARAMETER          ::  usm_version = 'USM v. 1.0'         !< identification of version of binary svf and restart files
     
    180182                                                                                          !< parameter but set in the code
    181183
    182     !-- indices and sizes of urban surface model
    183 !ketelsen:    INTEGER(iwp), DIMENSION(:,:,:,:), ALLOCATABLE  ::  gridsurf         !< array of indices of the surfaces in local block in global vector of indices
    184                                                                         !< of surfaces for grid coordinates (d,z,y,x)
    185                                                                         !< d = 0 groud/roof, 1 south wall, 2 north wall, 3 west wall, 4 east wall
    186                                                                         !< 5 free north border, 6 free south b., 7 free east b., 8 free west b.
     184!-- indices and sizes of urban surface model
    187185    INTEGER(iwp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE      ::  surfl            !< coordinates of i-th local surface in local grid - surfl[:,k] = [d, z, y, x]
    188186    INTEGER(iwp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE      ::  surf             !< coordinates of i-th surface in grid - surf[:,k] = [d, z, y, x]
     
    211209
    212210
    213     !-- type for calculation of svf
     211!-- type for calculation of svf
    214212    TYPE t_svf
    215213        INTEGER(iwp)                               :: isurflt           !<
     
    219217    END TYPE
    220218
    221     !-- type for calculation of csf
     219!-- type for calculation of csf
    222220    TYPE t_csf
    223221        INTEGER(iwp)                               :: ip                !<
     
    230228    END TYPE
    231229
    232     !-- arrays for calculation of svf and csf
     230!-- arrays for calculation of svf and csf
    233231    TYPE(t_svf), DIMENSION(:), POINTER             ::  asvf             !< pointer to growing svc array
    234232    TYPE(t_csf), DIMENSION(:), POINTER             ::  acsf             !< pointer to growing csf array
     
    240238    INTEGER(iwp), PARAMETER                        ::  gasize = 10000   !< initial size of growing arrays
    241239
    242     !-- arrays storing the values of USM
     240!-- arrays storing the values of USM
    243241    INTEGER(iwp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE      ::  svfsurf          !< svfsurf[:,isvf] = index of source and target surface for svf[isvf]
    244242    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE          ::  svf              !< array of shape view factors+direct irradiation factors
     
    264262    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE            ::  rad_net_l        !< local copy of rad_net (net radiation at surface)
    265263
    266     !-- arrays for time averages
     264!-- arrays for time averages
    267265    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE            ::  rad_net_av       !< average of rad_net_l
    268266    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE            ::  surfinsw_av      !< average of sw radiation falling to local surface including radiation from reflections
     
    277275    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE            ::  surfhf_av        !< average of total radiation flux incoming to minus outgoing from local surface   
    278276   
    279     !-- block variables needed for calculation of the plant canopy model inside the urban surface model
     277!-- block variables needed for calculation of the plant canopy model inside the urban surface model
    280278    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE          ::  pcbl             !< z,y,x coordinates of i-th local plant canopy box pcbl[:,i] = [z, y, x]
    281279    INTEGER(iwp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE    ::  gridpcbl         !< index of local pcb[z,y,x]
     
    290288    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE        ::  nzterr, plantt   !< temporary global arrays for raytracing
    291289   
    292     !-- radiation related arrays (it should be better in interface of radiation module of PALM
     290!-- radiation related arrays (it should be better in interface of radiation module of PALM
    293291    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE          ::  rad_sw_in_dir    !< direct sw radiation
    294292    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE          ::  rad_sw_in_diff   !< diffusion sw radiation
    295293    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE          ::  rad_lw_in_diff   !< diffusion lw radiation
    296294
    297     !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
    298     !-- anthropogenic heat sources
    299     !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
     295!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
     296!-- anthropogenic heat sources
     297!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
    300298    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE          ::  aheat             !< daily average of anthropogenic heat (W/m2)
    301299    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE            ::  aheatprof         !< diurnal profile of anthropogenic heat
    302300
    303     !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
    304     !-- wall surface model
    305     !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
    306     !-- wall surface model constants
     301!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
     302!-- wall surface model
     303!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
     304!-- wall surface model constants
    307305    INTEGER(iwp), PARAMETER                        :: nzb_wall = 0       !< inner side of the wall model (to be switched)
    308306    INTEGER(iwp), PARAMETER                        :: nzt_wall = 3       !< outer side of the wall model (to be switched)
     
    316314    REAL(wp)                                       ::   soil_inner_temperature = 283.0_wp    !< temperature of the deep soil (~10 degrees C) (K)
    317315
    318     !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
    319     !-- surface and material model variables for walls, ground, roofs
    320     !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
     316!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
     317!-- surface and material model variables for walls, ground, roofs
     318!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
    321319    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE        :: surface_types      !< array of types of wall parameters
    322320    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE            :: zwn                !< normalized wall layer depths (m)
     
    339337    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE, TARGET    :: t_surf_av          !< average of wall surface temperature (K)
    340338
    341     !-- Temporal tendencies for time stepping           
     339!-- Temporal tendencies for time stepping           
    342340    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE            :: tt_surface_m       !< surface temperature tendency (K)
    343341
    344     !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
    345     !-- Energy balance variables
    346     !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
    347     !-- parameters of the land, roof and wall surfaces
     342!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
     343!-- Energy balance variables
     344!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
     345!-- parameters of the land, roof and wall surfaces
    348346    LOGICAL,  DIMENSION(:), ALLOCATABLE            :: isroof_surf        !< is the surface the part of a roof
    349347    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE            :: albedo_surf        !< albedo of the surface
    350     !-- parameters of the wall surfaces
     348!-- parameters of the wall surfaces
    351349    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE            :: c_surface          !< heat capacity of the wall surface skin ( J m−2 K−1 )
    352350    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE            :: emiss_surf         !< emissivity of the wall surface
    353351    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE            :: lambda_surf        !< heat conductivity λS between air and surface ( W m−2 K−1 )
    354352   
    355     !-- parameters of the walls material
     353!-- parameters of the walls material
    356354    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE            :: thickness_wall     !< thickness of the wall, roof and soil layers
    357355    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE          :: rho_c_wall         !< volumetric heat capacity of the material ( J m-3 K-1 ) (= 2.19E6)
     
    359357    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE            :: roughness_wall     !< roughness relative to concrete
    360358   
    361     !
    362     !-- output wall heat flux arrays
     359!-- output wall heat flux arrays
    363360    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE            :: wshf               !< kinematic wall heat flux of sensible heat (needed for diffusion_s!<)
    364361    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE            :: wshf_eb            !< wall heat flux of sensible heat in wall normal direction
     
    376373#endif
    377374
    378     !-- Wall temporal tendencies for time stepping
     375!-- Wall temporal tendencies for time stepping
    379376    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE          :: tt_wall_m          !< t_wall prognostic array
    380377
    381     !-- Surface and material parameters classes (surface_type)
    382     !-- albedo, emissivity, lambda_surf, roughness, thickness, volumetric heat capacity, thermal conductivity
     378!-- Surface and material parameters classes (surface_type)
     379!-- albedo, emissivity, lambda_surf, roughness, thickness, volumetric heat capacity, thermal conductivity
    383380    INTEGER(iwp)                                   :: n_surface_types      !< number of the wall type categories
    384381    INTEGER(iwp), PARAMETER                        :: n_surface_params = 8 !< number of parameters for each type of the wall
     
    397394    CHARACTER(len=*), PARAMETER                    :: svf_file_name='usm_svf'
    398395   
    399     !-- interfaces of subroutines accessed from outside of this module
     396!-- interfaces of subroutines accessed from outside of this module
     397    INTERFACE usm_check_data_output
     398       MODULE PROCEDURE usm_check_data_output
     399    END INTERFACE usm_check_data_output
     400   
     401    INTERFACE usm_check_parameters
     402       MODULE PROCEDURE usm_check_parameters
     403    END INTERFACE usm_check_parameters
     404   
     405    INTERFACE usm_data_output_3d
     406       MODULE PROCEDURE usm_data_output_3d
     407    END INTERFACE usm_data_output_3d
     408   
     409    INTERFACE usm_define_netcdf_grid
     410       MODULE PROCEDURE usm_define_netcdf_grid
     411    END INTERFACE usm_define_netcdf_grid
     412
    400413    INTERFACE usm_init_urban_surface
    401414       MODULE PROCEDURE usm_init_urban_surface
    402415    END INTERFACE usm_init_urban_surface
    403416
     417    INTERFACE usm_material_heat_model
     418       MODULE PROCEDURE usm_material_heat_model
     419    END INTERFACE usm_material_heat_model
     420   
     421    INTERFACE usm_parin
     422       MODULE PROCEDURE usm_parin
     423    END INTERFACE usm_parin
     424
    404425    INTERFACE usm_radiation
    405426       MODULE PROCEDURE usm_radiation
    406427    END INTERFACE usm_radiation
     428   
     429    INTERFACE usm_read_restart_data
     430       MODULE PROCEDURE usm_read_restart_data
     431    END INTERFACE usm_read_restart_data
    407432
    408433    INTERFACE usm_surface_energy_balance
    409434       MODULE PROCEDURE usm_surface_energy_balance
    410435    END INTERFACE usm_surface_energy_balance
    411 
    412     INTERFACE usm_material_heat_model
    413        MODULE PROCEDURE usm_material_heat_model
    414     END INTERFACE usm_material_heat_model
     436   
     437    INTERFACE usm_swap_timelevel
     438       MODULE PROCEDURE usm_swap_timelevel
     439    END INTERFACE usm_swap_timelevel
    415440   
    416441    INTERFACE usm_wall_heat_flux
     
    419444    END INTERFACE usm_wall_heat_flux
    420445   
    421     INTERFACE usm_swap_timelevel
    422        MODULE PROCEDURE usm_swap_timelevel
    423     END INTERFACE usm_swap_timelevel
    424    
    425     INTERFACE usm_check_data_output
    426        MODULE PROCEDURE usm_check_data_output
    427     END INTERFACE usm_check_data_output
    428    
    429     INTERFACE usm_check_parameters
    430        MODULE PROCEDURE usm_check_parameters
    431     END INTERFACE usm_check_parameters
    432    
    433     INTERFACE usm_data_output_3d
    434        MODULE PROCEDURE usm_data_output_3d
    435     END INTERFACE usm_data_output_3d
    436    
    437     INTERFACE usm_define_netcdf_grid
    438        MODULE PROCEDURE usm_define_netcdf_grid
    439     END INTERFACE usm_define_netcdf_grid
    440    
    441     INTERFACE usm_parin
    442        MODULE PROCEDURE usm_parin
    443     END INTERFACE usm_parin
    444    
    445     INTERFACE usm_read_restart_data
    446        MODULE PROCEDURE usm_read_restart_data
    447     END INTERFACE usm_read_restart_data
    448    
    449446    INTERFACE usm_write_restart_data
    450447       MODULE PROCEDURE usm_write_restart_data
     
    454451
    455452    PRIVATE
    456     !
    457     !-- Public parameters, constants and initial values
    458     PUBLIC urban_surface, split_diffusion_radiation,                           &
     453   
     454!-- Public parameters, constants and initial values
     455    PUBLIC split_diffusion_radiation,                                          &
    459456           usm_anthropogenic_heat, usm_material_model, mrt_factors,            &
    460457           usm_check_parameters,                                               &
     
    466463           usm_data_output_3d, usm_define_netcdf_grid, usm_parin,              &
    467464           usm_write_restart_data,                                             &
    468            nzub, nzut, ra_horiz_coef, usm_lad_rma, debug_prints,               &
     465           nzub, nzut, ra_horiz_coef, usm_lad_rma,                             &
    469466           land_category, pedestrant_category, wall_category, roof_category,   &
    470467           write_svf_on_init, read_svf_on_init
     
    473470 CONTAINS
    474471
    475 
    476  
    477 !------------------------------------------------------------------------------!
    478 ! Description:
    479 ! ------------
    480 !> Initialization of the urban surface model
    481 !------------------------------------------------------------------------------!
    482     SUBROUTINE usm_init_urban_surface
    483    
    484         IMPLICIT NONE
    485 
    486         INTEGER(iwp) ::  i, j, k, l            ! running indices
    487         REAL(wp)     ::  c, d, tin, exn
    488        
    489         CALL cpu_log( log_point_s(78), 'usm_init', 'start' )
    490         !-- surface forcing have to be disabled for LSF
    491         !-- in case of enabled urban surface module
    492         IF ( large_scale_forcing ) THEN
    493             lsf_surf = .FALSE.
    494         ENDIF
    495        
    496         !-- init anthropogenic sources of heat
    497         CALL usm_allocate_urban_surface()
    498        
    499         !-- read the surface_types array somewhere
    500         CALL usm_read_urban_surface_types()
    501        
    502         !-- init material heat model
    503         CALL usm_init_material_model()
    504        
    505         IF ( usm_anthropogenic_heat ) THEN
    506             !-- init anthropogenic sources of heat (from transportation for now)
    507             CALL usm_read_anthropogenic_heat()
    508         ENDIF
    509        
    510         IF ( read_svf_on_init ) THEN
    511             !-- read svf and svfsurf data from file
    512             WRITE(6,*) myid, 'Before read svf from file'
    513             FLUSH(6)
    514             CALL usm_read_svf_from_file()
    515             WRITE(6,*) myid, 'After read svf from file'
    516             FLUSH(6)
    517         ELSE
    518             !-- calculate SFV and CSF
    519             WRITE(6,*) myid, 'Before calc svf'
    520             FLUSH(6)
    521             CALL cpu_log( log_point_s(79), 'usm_calc_svf', 'start' )     
    522             CALL usm_calc_svf()
    523             CALL cpu_log( log_point_s(79), 'usm_calc_svf', 'stop' )
    524             WRITE(6,*) myid, 'After calc svf'
    525             FLUSH(6)
    526         ENDIF
    527 
    528         IF ( write_svf_on_init ) THEN
    529             !-- write svf and svfsurf data to file
    530             WRITE(6,*) myid, 'Before write svf to file'
    531             FLUSH(6)
    532             CALL usm_write_svf_to_file()
    533             WRITE(6,*) myid, 'After write svf to file'
    534             FLUSH(6)
    535         ENDIF
    536        
    537         IF ( plant_canopy ) THEN
    538             !-- gridpcbl was only necessary for initialization
    539             DEALLOCATE( gridpcbl )
    540             IF ( .NOT. ALLOCATED(canopy_heat_flux) ) THEN
    541                 !-- then canopy_heat_flux is allocated in init_plant_canopy
    542                 !-- in case of cthf /= 0 => we need to allocate it for our use here
    543                 ALLOCATE( canopy_heat_flux(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
    544             ENDIF
    545         ENDIF
    546 
    547         !-- Intitialization of the surface and wall/ground/roof temperature
    548 
    549         !-- Initialization for restart runs
    550         IF (  TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data' )  THEN
    551 
    552             !-- restore data from restart file
    553             CALL usm_read_restart_data()
    554         ELSE
    555        
    556             !-- Calculate initial surface temperature
    557             exn = ( surface_pressure / 1000.0_wp )**0.286_wp
    558 
    559             DO l = startenergy, endenergy
    560                 k = surfl(iz,l)
    561                 j = surfl(iy,l)
    562                 i = surfl(ix,l)
    563 
    564                 !--  Initial surface temperature set from pt of adjacent gridbox
    565                 t_surf(l) = pt(k,j,i) * exn
    566             ENDDO
    567      
    568             !-- initial values for t_wall
    569             !-- outer value is set to surface temperature
    570             !-- inner value is set to wall_inner_temperature
    571             !-- and profile is logaritmic (linear in nz)
    572             DO l = startenergy, endenergy
    573                 IF ( isroof_surf(l) ) THEN
    574                     tin = roof_inner_temperature
    575                 ELSE IF ( surf(id,l)==iroof ) THEN
    576                     tin = soil_inner_temperature
    577                 ELSE
    578                     tin = wall_inner_temperature
    579                 ENDIF
    580                 DO k = nzb_wall, nzt_wall+1
    581                     c = REAL(k-nzb_wall,wp)/REAL(nzt_wall+1-nzb_wall,wp)
    582                     t_wall(k,:) = (1.0_wp-c)*t_surf(:) + c*tin
    583                 ENDDO
    584             ENDDO
    585         ENDIF
    586        
    587         !
    588         !--    Possibly DO user-defined actions (e.g. define heterogeneous wall surface)
    589         CALL user_init_urban_surface
    590 
    591         !-- initialize prognostic values for the first timestep
    592         t_surf_p = t_surf
    593         t_wall_p = t_wall
    594        
    595         !-- Adjust radiative fluxes for urban surface at model start
    596         CALL usm_radiation
    597        
    598         CALL cpu_log( log_point_s(78), 'usm_init', 'stop' )
    599        
    600        
    601     END SUBROUTINE usm_init_urban_surface
    602 
    603    
    604472 
    605473!------------------------------------------------------------------------------!
     
    620488
    621489       
    622         !-- auxiliary vars
     490!--    auxiliary vars
    623491        ddxy2 = (/ddy2,ddy2,ddx2,ddx2/)      !< 1/dx^2 or 1/dy^2 (in surface normal direction)
    624492       
    625493        CALL location_message( '', .TRUE. )
    626494        CALL location_message( '    allocation of needed arrays', .TRUE. )
    627         !-- find nzub, nzut, nzu
     495!--    find nzub, nzut, nzu
    628496        nzubl = minval(nzb_s_inner(nys:nyn,nxl:nxr))
    629497        nzutl = maxval(nzb_s_inner(nys:nyn,nxl:nxr))
    630498        nzubl = max(nzubl,nzb)
    631499       
    632         IF (plant_canopy) THEN
    633             !-- allocate needed arrays
     500        IF ( plant_canopy ) THEN
     501!--        allocate needed arrays
    634502            ALLOCATE( pct(nys:nyn,nxl:nxr) )
    635503            ALLOCATE( pch(nys:nyn,nxl:nxr) )
    636504
    637             !-- calculate plant canopy height
     505!--        calculate plant canopy height
    638506            npcbl = 0
    639507            pct = 0.0_wp
     
    642510                DO j = nys, nyn
    643511                    DO k = nzt+1, 0, -1
    644                         IF ( lad_s(k,j,i) /= 0.0_wp ) THEN
    645                             !-- we are at the top of the pcs
     512                        IF ( lad_s(k,j,i) /= 0.0_wp )  THEN
     513!--                        we are at the top of the pcs
    646514                            pct(j,i) = k + nzb_s_inner(j,i)
    647515                            pch(j,i) = k
     
    654522           
    655523            nzutl = max(nzutl, maxval(pct))
    656             !-- code of plant canopy model uses parameter pch_index
    657             !-- we need to setup it here to right value
    658             !-- (pch_index, lad_s and other arrays in PCM are defined flat)
     524!--        code of plant canopy model uses parameter pch_index
     525!--        we need to setup it here to right value
     526!--        (pch_index, lad_s and other arrays in PCM are defined flat)
    659527            pch_index = maxval(pch)
    660528
    661529            prototype_lad = maxval(lad_s) * .9_wp  !< better be *1.0 if lad is either 0 or maxval(lad) everywhere
    662530            IF ( prototype_lad <= 0._wp ) prototype_lad = .3_wp
    663             WRITE(message_string, '(a,f6.3)') 'Precomputing effective box optical ' &
    664                 // 'depth using prototype leaf area density = ', prototype_lad
    665             CALL message('usm_init_urban_surface', 'PA0520', 0, 0, -1, 6, 0)
     531            !WRITE(message_string, '(a,f6.3)') 'Precomputing effective box optical ' &
     532            !    // 'depth using prototype leaf area density = ', prototype_lad
     533            !CALL message('usm_init_urban_surface', 'PA0520', 0, 0, -1, 6, 0)
    666534        ENDIF
    667          
     535       
    668536        nzutl = min(nzutl+nzut_free, nzt)
    669537                 
     
    676544#endif
    677545
    678         !-- global number of urban layers
     546!--    global number of urban layers
    679547        nzu = nzut - nzub + 1
    680         IF ( debug_prints  .AND.  time_do3d < dt_3d )  THEN       
    681             WRITE(9,*) 'nzub= ', nzub, ' nzut= ', nzut, ' nzu= ', nzu
    682             FLUSH(9)
    683         ENDIF
    684        
    685         !-- allocate urban surfaces grid
    686 !ketelsen:        ALLOCATE(gridsurf(0:9,nzub:nzut,nys:nyn,nxl:nxr))
    687 !ketelsen:        gridsurf = 0
    688        
    689         !-- calc number of surfaces in local proc
     548       
     549!--     allocate urban surfaces grid
     550!--     calc number of surfaces in local proc
    690551        CALL location_message( '    calculation of indices for surfaces', .TRUE. )
    691552        nsurfl = 0
    692         !-- calculate land surface and roof
     553!--    calculate land surface and roof
    693554        startland = nsurfl+1
    694555        nsurfl = nsurfl+(nxr-nxl+1)*(nyn-nys+1)
     
    696557        nlands = endland-startland+1
    697558
    698         !-- calculation of the walls
     559!--    calculation of the walls
    699560        startwall = nsurfl+1
    700561        DO i = nxl, nxr
    701562            DO j = nys, nyn
    702                 !-- test for walls
    703                 !-- (we don't use array flags because it isn't calculated in case of masking_method=.T.)
     563!--            test for walls
     564!--            (we don't use array flags because it isn't calculated in case of masking_method=.T.)
    704565                DO ids = 1, 4  !-- four wall directions
    705566                    jr = min(max(j-jdir(ids),0),ny)
     
    712573        nwalls = endwall-startwall+1
    713574       
    714         !-- range of energy balance surfaces
     575!--    range of energy balance surfaces
    715576        nenergy = 0
    716         IF ( usm_energy_balance_land ) THEN
     577        IF ( usm_energy_balance_land )  THEN
    717578            startenergy = startland
    718579            nenergy = nenergy + nlands
     
    720581            startenergy = startwall
    721582        ENDIF
    722         IF ( usm_energy_balance_wall ) THEN
     583        IF ( usm_energy_balance_wall )  THEN
    723584            endenergy = endwall
    724585            nenergy = nenergy + nwalls
     
    727588        ENDIF
    728589
    729         !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
    730         !-- block of virtual surfaces
    731         !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
    732         !-- calculate sky surfaces
     590!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
     591!--    block of virtual surfaces
     592!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
     593!--    calculate sky surfaces
    733594        startsky = nsurfl+1
    734595        nsurfl = nsurfl+(nxr-nxl+1)*(nyn-nys+1)
     
    736597        nskys = endsky-startsky+1
    737598       
    738         !-- border flags
     599!--    border flags
    739600#if defined( __parallel )
    740601        isborder = (/ north_border_pe, south_border_pe, right_border_pe, left_border_pe /)
     
    742603        isborder = (/.TRUE.,.TRUE.,.TRUE.,.TRUE./)
    743604#endif
    744         !-- fill array of the limits of the local domain borders
     605!--    fill array of the limits of the local domain borders
    745606        ijdb = RESHAPE( (/ nxl,nxr,nyn,nyn,nxl,nxr,nys,nys,nxr,nxr,nys,nyn,nxl,nxl,nys,nyn /), (/4, 4/) )
    746         !-- calulation of the free borders of the domain
     607!--    calulation of the free borders of the domain
    747608        DO ids = 6,9
    748             IF ( isborder(ids) ) THEN
    749                 !-- free border of the domain in direction ids
     609            IF ( isborder(ids) )  THEN
     610!--            free border of the domain in direction ids
    750611                DO i = ijdb(1,ids), ijdb(2,ids)
    751612                    DO j = ijdb(3,ids), ijdb(4,ids)
     
    757618        ENDDO
    758619       
    759         !-- fill gridpcbl and pcbl
    760         IF ( plant_canopy ) THEN
     620!--    fill gridpcbl and pcbl
     621        IF ( plant_canopy )  THEN
    761622            ALLOCATE( pcbl(iz:ix, 1:npcbl) )
    762623            ALLOCATE( gridpcbl(nzub:nzut,nys:nyn,nxl:nxr) )
     
    777638        ENDIF
    778639
    779         !-- fill gridsurf and surfl
     640!--     fill surfl
    780641        ALLOCATE(surfl(4,nsurfl))
    781642        isurf = 0
    782643       
    783         !-- add land surfaces or roofs
     644!--    add land surfaces or roofs
    784645        DO i = nxl, nxr
    785646            DO j = nys, nyn
    786647                isurf = isurf + 1
    787648                k = nzb_s_inner(j,i)+1
    788 !ketelsen:                gridsurf(iroof,k,j,i) = isurf
    789649                surfl(:,isurf) = (/iroof,k,j,i/)
    790650            ENDDO
    791651        ENDDO
    792652
    793         !-- add walls
     653!--    add walls
    794654        DO i = nxl, nxr
    795655            DO j = nys, nyn
     
    799659                    DO k = nzb_s_inner(j,i)+1, nzb_s_inner(jr,ir)
    800660                        isurf = isurf + 1
    801 !ketelsen:                        gridsurf(isouth,k,j,i) = isurf
    802661                        surfl(:,isurf) = (/ids,k,j,i/)
    803662                    ENDDO
     
    806665        ENDDO
    807666
    808         !-- add sky
     667!--    add sky
    809668        DO i = nxl, nxr
    810669            DO j = nys, nyn
    811670                isurf = isurf + 1
    812671                k = nzut
    813 !ketelsen:                gridsurf(isky,k,j,i) = isurf
    814672                surfl(:,isurf) = (/isky,k,j,i/)
    815673            ENDDO
    816674        ENDDO
    817675       
    818         !-- calulation of the free borders of the domain
     676!--    calulation of the free borders of the domain
    819677        DO ids = 6,9
    820             IF ( isborder(ids) ) THEN
    821                 !-- free border of the domain in direction ids
     678            IF ( isborder(ids) )  THEN
     679!--            free border of the domain in direction ids
    822680                DO i = ijdb(1,ids), ijdb(2,ids)
    823681                    DO j = ijdb(3,ids), ijdb(4,ids)
    824682                        DO k = max(nzb_s_inner(j,i),nzb_s_inner(j-jdir(ids),i-idir(ids)))+1, nzut
    825683                            isurf = isurf + 1
    826 !ketelsen:                            gridsurf(ids,k,j,i) = isurf
    827684                            surfl(:,isurf) = (/ids,k,j,i/)
    828685                        ENDDO
     
    832689        ENDDO
    833690       
    834         !-- global array surf of indices of surfaces and displacement index array surfstart
     691!--    global array surf of indices of surfaces and displacement index array surfstart
    835692        ALLOCATE(nsurfs(0:numprocs-1))
    836693       
     
    856713#endif
    857714       
    858         !--
    859         !-- allocation of the arrays for direct and diffusion radiation
     715!--
     716!--    allocation of the arrays for direct and diffusion radiation
    860717        CALL location_message( '    allocation of radiation arrays', .TRUE. )
    861         !-- rad_sw_in, rad_lw_in are computed in radiation model,
    862         !-- splitting of direct and diffusion part is done
    863         !-- in usm_calc_diffusion_radiation for now
     718!--    rad_sw_in, rad_lw_in are computed in radiation model,
     719!--    splitting of direct and diffusion part is done
     720!--    in usm_calc_diffusion_radiation for now
    864721        ALLOCATE( rad_sw_in_dir(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
    865722        ALLOCATE( rad_sw_in_diff(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
    866723        ALLOCATE( rad_lw_in_diff(nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
    867724       
    868         !-- allocate radiation arrays
     725!--    allocate radiation arrays
    869726        ALLOCATE( surfins(nsurfl) )
    870727        ALLOCATE( surfinl(nsurfl) )
     
    883740        ALLOCATE( rad_net_l(startenergy:endenergy) )
    884741
    885         !-- Wall surface model
    886         !-- allocate arrays for wall surface model and define pointers
     742!--    Wall surface model
     743!--    allocate arrays for wall surface model and define pointers
    887744       
    888         !-- allocate array of wall types and wall parameters
     745!--    allocate array of wall types and wall parameters
    889746        ALLOCATE ( surface_types(startenergy:endenergy) )
    890747       
    891         !-- broadband albedo of the land, roof and wall surface
    892         !-- for domain border and sky set artifically to 1.0
    893         !-- what allows us to calculate heat flux leaving over
    894         !-- side and top borders of the domain
     748!--    broadband albedo of the land, roof and wall surface
     749!--    for domain border and sky set artifically to 1.0
     750!--    what allows us to calculate heat flux leaving over
     751!--    side and top borders of the domain
    895752        ALLOCATE ( albedo_surf(nsurfl) )
    896753        albedo_surf = 1.0_wp
    897754       
    898         !-- wall and roof surface parameters
     755!--    wall and roof surface parameters
    899756        ALLOCATE ( isroof_surf(startenergy:endenergy) )
    900757        ALLOCATE ( emiss_surf(startenergy:endenergy) )
     
    903760        ALLOCATE ( roughness_wall(startenergy:endenergy) )
    904761       
    905         !-- allocate wall and roof material parameters
     762!--    allocate wall and roof material parameters
    906763        ALLOCATE ( thickness_wall(startenergy:endenergy) )
    907764        ALLOCATE ( lambda_h(nzb_wall:nzt_wall,startenergy:endenergy) )
    908765        ALLOCATE ( rho_c_wall(nzb_wall:nzt_wall,startenergy:endenergy) )
    909766
    910         !-- allocate wall and roof layers sizes
     767!--    allocate wall and roof layers sizes
    911768        ALLOCATE ( zwn(nzb_wall:nzt_wall) )
    912769        ALLOCATE ( dz_wall(nzb_wall:nzt_wall+1, startenergy:endenergy) )
     
    916773        ALLOCATE ( zw(nzb_wall:nzt_wall, startenergy:endenergy) )
    917774
    918         !-- allocate wall and roof temperature arrays
     775!--    allocate wall and roof temperature arrays
    919776#if defined( __nopointer )
    920777        ALLOCATE ( t_surf(startenergy:endenergy) )
     
    928785        ALLOCATE ( t_wall_2(nzb_wall:nzt_wall+1,startenergy:endenergy) )
    929786
    930         !-- initial assignment of the pointers
     787!--    initial assignment of the pointers
    931788        t_wall    => t_wall_1;    t_wall_p    => t_wall_2
    932789        t_surf => t_surf_1; t_surf_p => t_surf_2
    933790#endif
    934791
    935         !-- allocate intermediate timestep arrays
     792!--    allocate intermediate timestep arrays
    936793        ALLOCATE ( tt_surface_m(startenergy:endenergy) )
    937794        ALLOCATE ( tt_wall_m(nzb_wall:nzt_wall+1,startenergy:endenergy) )
    938795
    939         !-- allocate wall heat flux output array
     796!--    allocate wall heat flux output array
    940797        ALLOCATE ( wshf(startwall:endwall) )
    941798        ALLOCATE ( wshf_eb(startenergy:endenergy) )
    942799        ALLOCATE ( wghf_eb(startenergy:endenergy) )
    943800
    944         !-- set inital values for prognostic quantities
     801!--    set inital values for prognostic quantities
    945802        tt_surface_m = 0.0_wp
    946803        tt_wall_m    = 0.0_wp
     
    953810
    954811
     812
    955813!------------------------------------------------------------------------------!
    956814! Description:
    957815! ------------
    958 !> Initialization of the wall surface model
    959 !------------------------------------------------------------------------------!
    960     SUBROUTINE usm_init_material_model
     816!> Sum up and time-average urban surface output quantities as well as allocate
     817!> the array necessary for storing the average.
     818!------------------------------------------------------------------------------!
     819    SUBROUTINE usm_average_3d_data( mode, variable )
    961820
    962821        IMPLICIT NONE
    963822
    964         INTEGER(iwp) ::  k, l            ! running indices
    965        
    966         CALL location_message( '    initialization of wall surface model', .TRUE. )
    967        
    968         !-- Calculate wall grid spacings.
    969         !-- Temperature is defined at the center of the wall layers,
    970         !-- whereas gradients/fluxes are defined at the edges (_stag)
    971         DO l = nzb_wall, nzt_wall
    972            zwn(l) = zwn_default(l)
     823        CHARACTER (len=*), INTENT(IN) ::  mode
     824        CHARACTER (len=*), INTENT(IN) :: variable
     825 
     826        INTEGER(iwp)                                       :: i, j, k, l, ids, iwl,istat
     827        CHARACTER (len=20)                                 :: var, surfid
     828        INTEGER(iwp), PARAMETER                            :: nd = 5
     829        CHARACTER(len=6), DIMENSION(0:nd-1), PARAMETER     :: dirname = (/ '_roof ', '_south', '_north', '_west ', '_east ' /)
     830
     831!--     find the real name of the variable
     832        var = TRIM(variable)
     833        DO i = 0, nd-1
     834            k = len(TRIM(var))
     835            j = len(TRIM(dirname(i)))
     836            IF ( var(k-j+1:k) == dirname(i) )  THEN
     837                ids = i
     838                var = var(:k-j)
     839                EXIT
     840            ENDIF
    973841        ENDDO
    974        
    975         !-- apply for all particular wall grids
    976         DO l = startenergy, endenergy
    977            zw(:,l) = zwn(:) * thickness_wall(l)
    978            dz_wall(nzb_wall,l) = zw(nzb_wall,l)
    979            DO k = nzb_wall+1, nzt_wall
    980                dz_wall(k,l) = zw(k,l) - zw(k-1,l)
    981            ENDDO
     842        IF ( ids == -1 )  THEN
     843            var = TRIM(variable)
     844        ENDIF
     845        IF ( var(1:11) == 'usm_t_wall_'  .AND.  len(TRIM(var)) >= 12 )  THEN
     846!--          wall layers
     847            READ(var(12:12), '(I1)', iostat=istat ) iwl
     848            IF ( istat == 0  .AND.  iwl >= nzb_wall  .AND.  iwl <= nzt_wall )  THEN
     849                var = var(1:10)
     850            ELSE
     851!--             wrong wall layer index
     852                RETURN
     853            ENDIF
     854        ENDIF
     855
     856        IF ( mode == 'allocate' )  THEN
    982857           
    983            dz_wall(nzt_wall+1,l) = dz_wall(nzt_wall,l)
    984 
    985            DO k = nzb_wall, nzt_wall-1
    986                dz_wall_stag(k,l) = 0.5 * (dz_wall(k+1,l) + dz_wall(k,l))
    987            ENDDO
    988            dz_wall_stag(nzt_wall,l) = dz_wall(nzt_wall,l)
     858           SELECT CASE ( TRIM( var ) )
     859               
     860                CASE ( 'usm_radnet' )
     861!--                 array of complete radiation balance
     862                    IF ( .NOT.  ALLOCATED(rad_net_av) )  THEN
     863                        ALLOCATE( rad_net_av(startenergy:endenergy) )
     864                        rad_net_av = 0.0_wp
     865                    ENDIF
     866                   
     867                CASE ( 'usm_rad_insw' )
     868!--                 array of sw radiation falling to surface after i-th reflection
     869                    IF ( .NOT.  ALLOCATED(surfinsw_av) )  THEN
     870                        ALLOCATE( surfinsw_av(startenergy:endenergy) )
     871                        surfinsw_av = 0.0_wp
     872                    ENDIF
     873                                   
     874                CASE ( 'usm_rad_inlw' )
     875!--                 array of lw radiation falling to surface after i-th reflection
     876                    IF ( .NOT.  ALLOCATED(surfinlw_av) )  THEN
     877                        ALLOCATE( surfinlw_av(startenergy:endenergy) )
     878                        surfinlw_av = 0.0_wp
     879                    ENDIF
     880
     881                CASE ( 'usm_rad_inswdir' )
     882!--                 array of direct sw radiation falling to surface from sun
     883                    IF ( .NOT.  ALLOCATED(surfinswdir_av) )  THEN
     884                        ALLOCATE( surfinswdir_av(startenergy:endenergy) )
     885                        surfinswdir_av = 0.0_wp
     886                    ENDIF
     887
     888                CASE ( 'usm_rad_inswdif' )
     889!--                 array of difusion sw radiation falling to surface from sky and borders of the domain
     890                    IF ( .NOT.  ALLOCATED(surfinswdif_av) )  THEN
     891                        ALLOCATE( surfinswdif_av(startenergy:endenergy) )
     892                        surfinswdif_av = 0.0_wp
     893                    ENDIF
     894
     895                CASE ( 'usm_rad_inswref' )
     896!--                 array of sw radiation falling to surface from reflections
     897                    IF ( .NOT.  ALLOCATED(surfinswref_av) )  THEN
     898                        ALLOCATE( surfinswref_av(startenergy:endenergy) )
     899                        surfinswref_av = 0.0_wp
     900                    ENDIF
     901
     902                CASE ( 'usm_rad_inlwdif' )
     903!--                 array of sw radiation falling to surface after i-th reflection
     904                    IF ( .NOT.  ALLOCATED(surfinlwdif_av) )  THEN
     905                        ALLOCATE( surfinlwdif_av(startenergy:endenergy) )
     906                        surfinlwdif_av = 0.0_wp
     907                    ENDIF
     908
     909                CASE ( 'usm_rad_inlwref' )
     910!--                 array of lw radiation falling to surface from reflections
     911                    IF ( .NOT.  ALLOCATED(surfinlwref_av) )  THEN
     912                        ALLOCATE( surfinlwref_av(startenergy:endenergy) )
     913                        surfinlwref_av = 0.0_wp
     914                    ENDIF
     915
     916                CASE ( 'usm_rad_outsw' )
     917!--                 array of sw radiation emitted from surface after i-th reflection
     918                    IF ( .NOT.  ALLOCATED(surfoutsw_av) )  THEN
     919                        ALLOCATE( surfoutsw_av(startenergy:endenergy) )
     920                        surfoutsw_av = 0.0_wp
     921                    ENDIF
     922
     923                CASE ( 'usm_rad_outlw' )
     924!--                 array of lw radiation emitted from surface after i-th reflection
     925                    IF ( .NOT.  ALLOCATED(surfoutlw_av) )  THEN
     926                        ALLOCATE( surfoutlw_av(startenergy:endenergy) )
     927                        surfoutlw_av = 0.0_wp
     928                    ENDIF
     929
     930                CASE ( 'usm_rad_hf' )
     931!--                 array of heat flux from radiation for surfaces after i-th reflection
     932                    IF ( .NOT.  ALLOCATED(surfhf_av) )  THEN
     933                        ALLOCATE( surfhf_av(startenergy:endenergy) )
     934                        surfhf_av = 0.0_wp
     935                    ENDIF
     936
     937                CASE ( 'usm_wshf' )
     938!--                 array of sensible heat flux from surfaces
     939!--                 land surfaces
     940                    IF ( .NOT.  ALLOCATED(wshf_eb_av) )  THEN
     941                        ALLOCATE( wshf_eb_av(startenergy:endenergy) )
     942                        wshf_eb_av = 0.0_wp
     943                    ENDIF
     944
     945                CASE ( 'usm_wghf' )
     946!--                 array of heat flux from ground (wall, roof, land)
     947                    IF ( .NOT.  ALLOCATED(wghf_eb_av) )  THEN
     948                        ALLOCATE( wghf_eb_av(startenergy:endenergy) )
     949                        wghf_eb_av = 0.0_wp
     950                    ENDIF
     951
     952                CASE ( 'usm_t_surf' )
     953!--                 surface temperature for surfaces
     954                    IF ( .NOT.  ALLOCATED(t_surf_av) )  THEN
     955                        ALLOCATE( t_surf_av(startenergy:endenergy) )
     956                        t_surf_av = 0.0_wp
     957                    ENDIF
     958                   
     959                CASE ( 'usm_t_wall' )
     960!--                 wall temperature for iwl layer of walls and land
     961                    IF ( .NOT.  ALLOCATED(t_wall_av) )  THEN
     962                        ALLOCATE( t_wall_av(nzb_wall:nzt_wall,startenergy:endenergy) )
     963                        t_wall_av = 0.0_wp
     964                    ENDIF
     965
     966               CASE DEFAULT
     967                   CONTINUE
     968
     969           END SELECT
     970
     971        ELSEIF ( mode == 'sum' )  THEN
     972           
     973           SELECT CASE ( TRIM( var ) )
     974               
     975                CASE ( 'usm_radnet' )
     976!--                 array of complete radiation balance
     977                    DO l = startenergy, endenergy
     978                        IF ( surfl(id,l) == ids )  THEN
     979                            rad_net_av(l) = rad_net_av(l) + rad_net_l(l)
     980                        ENDIF
     981                    ENDDO
     982                   
     983                CASE ( 'usm_rad_insw' )
     984!--                 array of sw radiation falling to surface after i-th reflection
     985                    DO l = startenergy, endenergy
     986                        IF ( surfl(id,l) == ids )  THEN
     987                            surfinsw_av(l) = surfinsw_av(l) + surfinsw(l)
     988                        ENDIF
     989                    ENDDO
     990                             
     991                CASE ( 'usm_rad_inlw' )
     992!--                 array of lw radiation falling to surface after i-th reflection
     993                    DO l = startenergy, endenergy
     994                        IF ( surfl(id,l) == ids )  THEN
     995                            surfinlw_av(l) = surfinlw_av(l) + surfinlw(l)
     996                        ENDIF
     997                    ENDDO
     998                   
     999                CASE ( 'usm_rad_inswdir' )
     1000!--                 array of direct sw radiation falling to surface from sun
     1001                    DO l = startenergy, endenergy
     1002                        IF ( surfl(id,l) == ids )  THEN
     1003                            surfinswdir_av(l) = surfinswdir_av(l) + surfinswdir(l)
     1004                        ENDIF
     1005                    ENDDO
     1006                   
     1007                CASE ( 'usm_rad_inswdif' )
     1008!--                 array of difusion sw radiation falling to surface from sky and borders of the domain
     1009                    DO l = startenergy, endenergy
     1010                        IF ( surfl(id,l) == ids )  THEN
     1011                            surfinswdif_av(l) = surfinswdif_av(l) + surfinswdif(l)
     1012                        ENDIF
     1013                    ENDDO
     1014                   
     1015                CASE ( 'usm_rad_inswref' )
     1016!--                 array of sw radiation falling to surface from reflections
     1017                    DO l = startenergy, endenergy
     1018                        IF ( surfl(id,l) == ids )  THEN
     1019                            surfinswref_av(l) = surfinswref_av(l) + surfinsw(l) - &
     1020                                                surfinswdir(l) - surfinswdif(l)
     1021                        ENDIF
     1022                    ENDDO
     1023                   
     1024                CASE ( 'usm_rad_inlwdif' )
     1025!--                 array of sw radiation falling to surface after i-th reflection
     1026                    DO l = startenergy, endenergy
     1027                        IF ( surfl(id,l) == ids )  THEN
     1028                            surfinlwdif_av(l) = surfinlwdif_av(l) + surfinlwdif(l)
     1029                        ENDIF
     1030                    ENDDO
     1031                   
     1032                CASE ( 'usm_rad_inlwref' )
     1033!--                 array of lw radiation falling to surface from reflections
     1034                    DO l = startenergy, endenergy
     1035                        IF ( surfl(id,l) == ids )  THEN
     1036                            surfinlwref_av(l) = surfinlwref_av(l) + &
     1037                                                surfinlw(l) - surfinlwdif(l)
     1038                        ENDIF
     1039                    ENDDO
     1040                   
     1041                CASE ( 'usm_rad_outsw' )
     1042!--                 array of sw radiation emitted from surface after i-th reflection
     1043                    DO l = startenergy, endenergy
     1044                        IF ( surfl(id,l) == ids )  THEN
     1045                            surfoutsw_av(l) = surfoutsw_av(l) + surfoutsw(l)
     1046                        ENDIF
     1047                    ENDDO
     1048                   
     1049                CASE ( 'usm_rad_outlw' )
     1050!--                 array of lw radiation emitted from surface after i-th reflection
     1051                    DO l = startenergy, endenergy
     1052                        IF ( surfl(id,l) == ids )  THEN
     1053                            surfoutlw_av(l) = surfoutlw_av(l) + surfoutlw(l)
     1054                        ENDIF
     1055                    ENDDO
     1056                   
     1057                CASE ( 'usm_rad_hf' )
     1058!--                 array of heat flux from radiation for surfaces after i-th reflection
     1059                    DO l = startenergy, endenergy
     1060                        IF ( surfl(id,l) == ids )  THEN
     1061                            surfhf_av(l) = surfhf_av(l) + surfhf(l)
     1062                        ENDIF
     1063                    ENDDO
     1064                   
     1065                CASE ( 'usm_wshf' )
     1066!--                 array of sensible heat flux from surfaces (land, roof, wall)
     1067                    DO l = startenergy, endenergy
     1068                        IF ( surfl(id,l) == ids )  THEN
     1069                            wshf_eb_av(l) = wshf_eb_av(l) + wshf_eb(l)
     1070                        ENDIF
     1071                    ENDDO
     1072                   
     1073                CASE ( 'usm_wghf' )
     1074!--                 array of heat flux from ground (wall, roof, land)
     1075                    DO l = startenergy, endenergy
     1076                        IF ( surfl(id,l) == ids )  THEN
     1077                            wghf_eb_av(l) = wghf_eb_av(l) + wghf_eb(l)
     1078                        ENDIF
     1079                    ENDDO
     1080                   
     1081                CASE ( 'usm_t_surf' )
     1082!--                 surface temperature for surfaces
     1083                    DO l = startenergy, endenergy
     1084                        IF ( surfl(id,l) == ids )  THEN
     1085                            t_surf_av(l) = t_surf_av(l) + t_surf(l)
     1086                        ENDIF
     1087                    ENDDO
     1088                   
     1089                CASE ( 'usm_t_wall' )
     1090!--                 wall temperature for  iwl layer of walls and land
     1091                    DO l = startenergy, endenergy
     1092                        IF ( surfl(id,l) == ids )  THEN
     1093                            t_wall_av(iwl, l) = t_wall_av(iwl,l) + t_wall(iwl, l)
     1094                        ENDIF
     1095                    ENDDO
     1096                   
     1097                CASE DEFAULT
     1098                    CONTINUE
     1099
     1100           END SELECT
     1101
     1102        ELSEIF ( mode == 'average' )  THEN
     1103           
     1104           SELECT CASE ( TRIM( var ) )
     1105               
     1106                CASE ( 'usm_radnet' )
     1107!--                 array of complete radiation balance
     1108                    DO l = startenergy, endenergy
     1109                        IF ( surfl(id,l) == ids )  THEN
     1110                            rad_net_av(l) = rad_net_av(l) / REAL( average_count_3d, kind=wp )
     1111                        ENDIF
     1112                    ENDDO
     1113                   
     1114                CASE ( 'usm_rad_insw' )
     1115!--                 array of sw radiation falling to surface after i-th reflection
     1116                    DO l = startenergy, endenergy
     1117                        IF ( surfl(id,l) == ids )  THEN
     1118                            surfinsw_av(l) = surfinsw_av(l) / REAL( average_count_3d, kind=wp )
     1119                        ENDIF
     1120                    ENDDO
     1121                                   
     1122                CASE ( 'usm_rad_inlw' )
     1123!--                 array of lw radiation falling to surface after i-th reflection
     1124                    DO l = startenergy, endenergy
     1125                        IF ( surfl(id,l) == ids )  THEN
     1126                            surfinlw_av(l) = surfinlw_av(l) / REAL( average_count_3d, kind=wp )
     1127                        ENDIF
     1128                    ENDDO
     1129
     1130                CASE ( 'usm_rad_inswdir' )
     1131!--                 array of direct sw radiation falling to surface from sun
     1132                    DO l = startenergy, endenergy
     1133                        IF ( surfl(id,l) == ids )  THEN
     1134                            surfinswdir_av(l) = surfinswdir_av(l) / REAL( average_count_3d, kind=wp )
     1135                        ENDIF
     1136                    ENDDO
     1137
     1138                CASE ( 'usm_rad_inswdif' )
     1139!--                 array of difusion sw radiation falling to surface from sky and borders of the domain
     1140                    DO l = startenergy, endenergy
     1141                        IF ( surfl(id,l) == ids )  THEN
     1142                            surfinswdif_av(l) = surfinswdif_av(l) / REAL( average_count_3d, kind=wp )
     1143                        ENDIF
     1144                    ENDDO
     1145
     1146                CASE ( 'usm_rad_inswref' )
     1147!--                 array of sw radiation falling to surface from reflections
     1148                    DO l = startenergy, endenergy
     1149                        IF ( surfl(id,l) == ids )  THEN
     1150                            surfinswref_av(l) = surfinswref_av(l) / REAL( average_count_3d, kind=wp )
     1151                        ENDIF
     1152                    ENDDO
     1153
     1154                CASE ( 'usm_rad_inlwdif' )
     1155!--                 array of sw radiation falling to surface after i-th reflection
     1156                    DO l = startenergy, endenergy
     1157                        IF ( surfl(id,l) == ids )  THEN
     1158                            surfinlwdif_av(l) = surfinlwdif_av(l) / REAL( average_count_3d, kind=wp )
     1159                        ENDIF
     1160                    ENDDO
     1161
     1162                CASE ( 'usm_rad_inlwref' )
     1163!--                 array of lw radiation falling to surface from reflections
     1164                    DO l = startenergy, endenergy
     1165                        IF ( surfl(id,l) == ids )  THEN
     1166                            surfinlwref_av(l) = surfinlwref_av(l) / REAL( average_count_3d, kind=wp )
     1167                        ENDIF
     1168                    ENDDO
     1169
     1170                CASE ( 'usm_rad_outsw' )
     1171!--                 array of sw radiation emitted from surface after i-th reflection
     1172                    DO l = startenergy, endenergy
     1173                        IF ( surfl(id,l) == ids )  THEN
     1174                            surfoutsw_av(l) = surfoutsw_av(l) / REAL( average_count_3d, kind=wp )
     1175                        ENDIF
     1176                    ENDDO
     1177
     1178                CASE ( 'usm_rad_outlw' )
     1179!--                 array of lw radiation emitted from surface after i-th reflection
     1180                    DO l = startenergy, endenergy
     1181                        IF ( surfl(id,l) == ids )  THEN
     1182                            surfoutlw_av(l) = surfoutlw_av(l) / REAL( average_count_3d, kind=wp )
     1183                        ENDIF
     1184                    ENDDO
     1185
     1186                CASE ( 'usm_rad_hf' )
     1187!--                 array of heat flux from radiation for surfaces after i-th reflection
     1188                    DO l = startenergy, endenergy
     1189                        IF ( surfl(id,l) == ids )  THEN
     1190                            surfhf_av(l) = surfhf_av(l) / REAL( average_count_3d, kind=wp )
     1191                        ENDIF
     1192                    ENDDO
     1193
     1194                CASE ( 'usm_wshf' )
     1195!--                 array of sensible heat flux from surfaces (land, roof, wall)
     1196                    DO l = startenergy, endenergy
     1197                        IF ( surfl(id,l) == ids )  THEN
     1198                            wshf_eb_av(l) = wshf_eb_av(l) / REAL( average_count_3d, kind=wp )
     1199                        ENDIF
     1200                    ENDDO
     1201
     1202                CASE ( 'usm_wghf' )
     1203!--                 array of heat flux from ground (wall, roof, land)
     1204                    DO l = startenergy, endenergy
     1205                        IF ( surfl(id,l) == ids )  THEN
     1206                            wghf_eb_av(l) = wghf_eb_av(l) / REAL( average_count_3d, kind=wp )
     1207                        ENDIF
     1208                    ENDDO
     1209
     1210                CASE ( 'usm_t_surf' )
     1211!--                 surface temperature for surfaces
     1212                    DO l = startenergy, endenergy
     1213                        IF ( surfl(id,l) == ids )  THEN
     1214                            t_surf_av(l) = t_surf_av(l) / REAL( average_count_3d, kind=wp )
     1215                        ENDIF
     1216                    ENDDO
     1217                   
     1218                CASE ( 'usm_t_wall' )
     1219!--                 wall temperature for  iwl layer of walls and land
     1220                    DO l = startenergy, endenergy
     1221                        IF ( surfl(id,l) == ids )  THEN
     1222                            t_wall_av(iwl, l) = t_wall_av(iwl,l) / REAL( average_count_3d, kind=wp )
     1223                        ENDIF
     1224                    ENDDO
     1225               
     1226           END SELECT
     1227
     1228        ENDIF
     1229
     1230    END SUBROUTINE usm_average_3d_data
     1231
     1232
     1233!------------------------------------------------------------------------------!
     1234!> Calculates radiation absorbed by box with given size and LAD.
     1235!>
     1236!> Simulates resol**2 rays (by equally spacing a bounding horizontal square
     1237!> conatining all possible rays that would cross the box) and calculates
     1238!> average transparency per ray. Returns fraction of absorbed radiation flux
     1239!> and area for which this fraction is effective.
     1240!------------------------------------------------------------------------------!
     1241    PURE SUBROUTINE usm_box_absorb(boxsize, resol, dens, uvec, area, absorb)
     1242        IMPLICIT NONE
     1243
     1244        REAL(wp), DIMENSION(3), INTENT(in) :: &
     1245            boxsize, &      !< z, y, x size of box in m
     1246            uvec            !< z, y, x unit vector of incoming flux
     1247        INTEGER(iwp), INTENT(in) :: &
     1248            resol           !< No. of rays in x and y dimensions
     1249        REAL(wp), INTENT(in) :: &
     1250            dens            !< box density (e.g. Leaf Area Density)
     1251        REAL(wp), INTENT(out) :: &
     1252            area, &         !< horizontal area for flux absorbtion
     1253            absorb          !< fraction of absorbed flux
     1254        REAL(wp) :: &
     1255            xshift, yshift, &
     1256            xmin, xmax, ymin, ymax, &
     1257            xorig, yorig, &
     1258            dx1, dy1, dz1, dx2, dy2, dz2, &
     1259            crdist, &
     1260            transp
     1261        INTEGER(iwp) :: &
     1262            i, j
     1263
     1264        xshift = uvec(3) / uvec(1) * boxsize(1)
     1265        xmin = min(0._wp, -xshift)
     1266        xmax = boxsize(3) + max(0._wp, -xshift)
     1267        yshift = uvec(2) / uvec(1) * boxsize(1)
     1268        ymin = min(0._wp, -yshift)
     1269        ymax = boxsize(2) + max(0._wp, -yshift)
     1270
     1271        transp = 0._wp
     1272        DO i = 1, resol
     1273            xorig = xmin + (xmax-xmin) * (i-.5_wp) / resol
     1274            DO j = 1, resol
     1275                yorig = ymin + (ymax-ymin) * (j-.5_wp) / resol
     1276
     1277                dz1 = 0._wp
     1278                dz2 = boxsize(1)/uvec(1)
     1279
     1280                IF ( uvec(2) > 0._wp )  THEN
     1281                    dy1 = -yorig             / uvec(2) !< crossing with y=0
     1282                    dy2 = (boxsize(2)-yorig) / uvec(2) !< crossing with y=boxsize(2)
     1283                ELSE IF ( uvec(2) < 0._wp )  THEN
     1284                    dy1 = (boxsize(2)-yorig) / uvec(2) !< crossing with y=boxsize(2)
     1285                    dy2 = -yorig             / uvec(2) !< crossing with y=0
     1286                ELSE !uvec(2)==0
     1287                    dy1 = -huge(1._wp)
     1288                    dy2 = huge(1._wp)
     1289                ENDIF
     1290
     1291                IF ( uvec(3) > 0._wp )  THEN
     1292                    dx1 = -xorig             / uvec(3) !< crossing with x=0
     1293                    dx2 = (boxsize(3)-xorig) / uvec(3) !< crossing with x=boxsize(3)
     1294                ELSE IF ( uvec(3) < 0._wp )  THEN
     1295                    dx1 = (boxsize(3)-xorig) / uvec(3) !< crossing with x=boxsize(3)
     1296                    dx2 = -xorig             / uvec(3) !< crossing with x=0
     1297                ELSE !uvec(1)==0
     1298                    dx1 = -huge(1._wp)
     1299                    dx2 = huge(1._wp)
     1300                ENDIF
     1301
     1302                crdist = max(0._wp, (min(dz2, dy2, dx2) - max(dz1, dy1, dx1)))
     1303                transp = transp + exp(-ext_coef * dens * crdist)
     1304            ENDDO
    9891305        ENDDO
    990        
    991         ddz_wall      = 1.0_wp / dz_wall
    992         ddz_wall_stag = 1.0_wp / dz_wall_stag
    993        
    994         CALL location_message( '    wall structures filed out', .TRUE. )
    995 
    996         CALL location_message( '    initialization of wall surface model finished', .TRUE. )
    997 
    998     END SUBROUTINE usm_init_material_model
    999 
     1306        transp = transp / resol**2
     1307        area = (boxsize(3)+xshift)*(boxsize(2)+yshift)
     1308        absorb = 1._wp - transp
     1309       
     1310    END SUBROUTINE usm_box_absorb
     1311   
     1312   
     1313!------------------------------------------------------------------------------!
     1314! Description:
     1315! ------------
     1316!> This subroutine splits direct and diffusion dw radiation
     1317!> It sould not be called in case the radiation model already does it
     1318!> It follows <CITATION>
     1319!------------------------------------------------------------------------------!
     1320    SUBROUTINE usm_calc_diffusion_radiation
     1321   
     1322        REAL(wp), PARAMETER                          ::  sol_const = 1367.0_wp   !< solar conbstant
     1323        REAL(wp), PARAMETER                          :: lowest_solarUp = 0.1_wp  !< limit the sun elevation to protect stability of the calculation
     1324        INTEGER(iwp)                                 :: i, j
     1325        REAL(wp), PARAMETER                          ::  year_seconds = 86400._wp * 365._wp
     1326        REAL(wp)                                     ::  year_angle              !< angle
     1327        REAL(wp)                                     ::  etr                     !< extraterestrial radiation
     1328        REAL(wp)                                     ::  corrected_solarUp       !< corrected solar up radiation
     1329        REAL(wp)                                     ::  horizontalETR           !< horizontal extraterestrial radiation
     1330        REAL(wp)                                     ::  clearnessIndex          !< clearness index
     1331        REAL(wp)                                     ::  diff_frac               !< diffusion fraction of the radiation
     1332
     1333       
     1334!--     Calculate current day and time based on the initial values and simulation time
     1335        year_angle = ((day_init*86400) + time_utc_init+time_since_reference_point) &
     1336                       / year_seconds * 2.0_wp * pi
     1337       
     1338        etr = sol_const * (1.00011_wp +                                            &
     1339                          0.034221_wp * cos(year_angle) +                          &
     1340                          0.001280_wp * sin(year_angle) +                          &
     1341                          0.000719_wp * cos(2.0_wp * year_angle) +                 &
     1342                          0.000077_wp * sin(2.0_wp * year_angle))
     1343       
     1344!--   
     1345!--     Under a very low angle, we keep extraterestrial radiation at
     1346!--     the last small value, therefore the clearness index will be pushed
     1347!--     towards 0 while keeping full continuity.
     1348!--   
     1349        IF ( zenith(0) <= lowest_solarUp )  THEN
     1350            corrected_solarUp = lowest_solarUp
     1351        ELSE
     1352            corrected_solarUp = zenith(0)
     1353        ENDIF
     1354       
     1355        horizontalETR = etr * corrected_solarUp
     1356       
     1357        DO i = nxlg, nxrg
     1358            DO j = nysg, nyng
     1359                clearnessIndex = rad_sw_in(0,j,i) / horizontalETR
     1360                diff_frac = 1.0_wp / (1.0_wp + exp(-5.0033_wp + 8.6025_wp * clearnessIndex))
     1361                rad_sw_in_diff(j,i) = rad_sw_in(0,j,i) * diff_frac
     1362                rad_sw_in_dir(j,i)  = rad_sw_in(0,j,i) * (1.0_wp - diff_frac)
     1363                rad_lw_in_diff(j,i) = rad_lw_in(0,j,i)
     1364            ENDDO
     1365        ENDDO
     1366       
     1367    END SUBROUTINE usm_calc_diffusion_radiation
     1368   
    10001369
    10011370!------------------------------------------------------------------------------!
     
    10291398        INTEGER(kind=MPI_ADDRESS_KIND)              :: size_lad_rma
    10301399   
    1031         !-- calculation of the SVF
     1400!--    calculation of the SVF
    10321401        CALL location_message( '    calculation of SVF and CSF', .TRUE. )
    10331402
    1034         !-- precalculate face areas for different face directions using normal vector
     1403!--    precalculate face areas for different face directions using normal vector
    10351404        DO d = 0, 9
    10361405            facearea(d) = 1._wp
    1037             IF (idir(d) == 0) facearea(d) = facearea(d) * dx
    1038             IF (jdir(d) == 0) facearea(d) = facearea(d) * dy
    1039             IF (kdir(d) == 0) facearea(d) = facearea(d) * dz
     1406            IF ( idir(d) == 0 ) facearea(d) = facearea(d) * dx
     1407            IF ( jdir(d) == 0 ) facearea(d) = facearea(d) * dy
     1408            IF ( kdir(d) == 0 ) facearea(d) = facearea(d) * dz
    10401409        ENDDO
    10411410
    1042         !-- initialize variables and temporary arrays for calculation of svf and csf
     1411!--    initialize variables and temporary arrays for calculation of svf and csf
    10431412        nsvfl  = 0
    10441413        ncsfl  = 0
     
    10471416        ALLOCATE( asvf1(nsvfla) )
    10481417        asvf => asvf1
    1049         IF ( plant_canopy ) THEN
     1418        IF ( plant_canopy )  THEN
    10501419            ncsfla = gasize
    10511420            mcsf   = 1
     
    10541423        ENDIF
    10551424       
    1056         !-- initialize temporary terrain and plant canopy height arrays (global 2D array!)
     1425!--    initialize temporary terrain and plant canopy height arrays (global 2D array!)
    10571426        ALLOCATE( nzterr(0:(nx+1)*(ny+1)-1) )
    10581427#if defined( __parallel )
     
    10651434        nzterr = RESHAPE( nzb_s_inner(nys:nyn,nxl:nxr), (/(nx+1)*(ny+1)/) )
    10661435#endif
    1067         IF (plant_canopy) THEN
     1436        IF ( plant_canopy ) THEN
    10681437            ALLOCATE( plantt(0:(nx+1)*(ny+1)-1) )
    10691438#if defined( __parallel )
     
    10751444            DEALLOCATE(planthl)
    10761445
    1077             IF ( usm_lad_rma ) THEN
     1446            IF ( usm_lad_rma )  THEN
    10781447                CALL MPI_Info_create(minfo, ierr)
    10791448                CALL MPI_Info_set(minfo, 'accumulate_ordering', '', ierr)
     
    10821451                CALL MPI_Info_set(minfo, 'same_disp_unit', 'true', ierr)
    10831452
    1084                 !-- Allocate and initialize the MPI RMA window
    1085                 !-- must be in accordance with allocation of lad_s in plant_canopy_model
    1086                 !-- optimization of memory should be done
    1087                 !-- Argument X of function c_sizeof(X) needs arbitrary REAL(wp) value, set to 1.0_wp for now
     1453!--            Allocate and initialize the MPI RMA window
     1454!--            must be in accordance with allocation of lad_s in plant_canopy_model
     1455!--            optimization of memory should be done
     1456!--            Argument X of function c_sizeof(X) needs arbitrary REAL(wp) value, set to 1.0_wp for now
    10881457                size_lad_rma = c_sizeof(1.0_wp)*nnx*nny*nzu
    10891458                CALL MPI_Win_allocate(size_lad_rma, c_sizeof(1.0_wp), minfo, comm2d, &
    10901459                                        lad_s_rma_p, win_lad, ierr)
    1091                 IF ( debug_prints ) THEN
    1092                     WRITE(9,*) 'MPI_Win_allocate', myid, ierr
    1093                     FLUSH(9)
    1094                 ENDIF
    10951460                CALL c_f_pointer(lad_s_rma_p, lad_s_rma, (/ nzu, nny, nnx /))
    1096                 !IF ( debug_prints ) THEN
    1097                 !    WRITE(9,*) 'lad_s', 'tsize=',c_sizeof(lad_s(0,0,0)), 'size=',c_sizeof(lad_s), &
    1098                 !        'nnz=', nnz, lbound(lad_s, 1), ubound(lad_s, 1), nzb, nzt, &
    1099                 !        'nny=', nny, lbound(lad_s, 2), ubound(lad_s, 2), nys, nyn, &
    1100                 !        'nnx=', nnx, lbound(lad_s, 3), ubound(lad_s, 3), nxl, nxr
    1101                 !ENDIF
    11021461                usm_lad(nzub:, nys:, nxl:) => lad_s_rma(:,:,:)
    11031462            ELSE
     
    11171476
    11181477#if defined( __parallel )
    1119             IF ( usm_lad_rma ) THEN
     1478            IF ( usm_lad_rma )  THEN
    11201479                CALL MPI_Info_free(minfo, ierr)
    11211480                CALL MPI_Win_lock_all(0, win_lad, ierr)
    1122                 IF ( debug_prints ) THEN
    1123                     WRITE(9,*) 'MPI_Win_lock_all', myid, ierr
    1124                     FLUSH(9)
    1125                 ENDIF
    11261481            ELSE
    11271482                ALLOCATE( usm_lad_g(0:(nx+1)*(ny+1)*nzu-1) )
     
    11321487        ENDIF
    11331488
    1134         IF ( mrt_factors ) THEN
    1135             IF ( debug_prints )  THEN
    1136                 WRITE(9, *) myid, 'mrt factors start'
    1137                 FLUSH(9)
    1138             ENDIF
     1489        IF ( mrt_factors )  THEN
    11391490            OPEN(153, file='MRT_TARGETS', access='SEQUENTIAL', &
    11401491                    action='READ', status='OLD', form='FORMATTED', err=524)
     
    11441495            DO
    11451496                READ(153, *, end=526, err=524) imrtt, i, j, k
    1146                 IF ( i < nxl .OR. i > nxr &
    1147                     .OR. j < nys .OR. j > nyn ) CYCLE
     1497                IF ( i < nxl  .OR. i > nxr &
     1498                     .OR.  j < nys  .OR. j > nyn ) CYCLE
    11481499                tx = REAL(i)
    11491500                ty = REAL(j)
     
    11511502
    11521503                DO isurfs = 1, nsurf
    1153                     IF ( .NOT. usm_facing(i, j, k, -1, &
     1504                    IF ( .NOT.  usm_facing(i, j, k, -1, &
    11541505                        surf(ix, isurfs), surf(iy, isurfs), &
    1155                         surf(iz, isurfs), surf(id, isurfs)) ) THEN
     1506                        surf(iz, isurfs), surf(id, isurfs)) )  THEN
    11561507                        CYCLE
    11571508                    ENDIF
     
    11621513                    sx = REAL(surf(ix, isurfs), wp) - 0.5_wp * idir(sd)
    11631514
    1164                     !-- unit vector source -> target
     1515!--                unit vector source -> target
    11651516                    uv = (/ (tz-sz)*dz, (ty-sy)*dy, (tx-sx)*dx /)
    11661517                    sqdist = SUM(uv(:)**2)
    11671518                    uv = uv / SQRT(sqdist)
    11681519
    1169                     !-- irradiance factor - see svf. Here we consider that target face is always normal,
    1170                     !-- i.e. the second dot product equals 1
     1520!--                irradiance factor - see svf. Here we consider that target face is always normal,
     1521!--                i.e. the second dot product equals 1
    11711522                    rirrf = dot_product((/ kdir(sd), jdir(sd), idir(sd) /), uv) &
    11721523                        / (pi * sqdist) * facearea(sd)
    11731524
    1174                     !-- raytrace while not creating any canopy sink factors
     1525!--                raytrace while not creating any canopy sink factors
    11751526                    CALL usm_raytrace((/sz,sy,sx/), (/tz,ty,tx/), isurfs, rirrf, 1._wp, .FALSE., &
    11761527                            visible, transparency, win_lad)
    1177                     IF ( .NOT. visible ) CYCLE
     1528                    IF ( .NOT.  visible ) CYCLE
    11781529
    11791530                    !rsvf = rirrf * transparency
     
    11971548526         CLOSE(153)
    11981549            CLOSE(154)
    1199             IF ( debug_prints )  THEN
    1200                 WRITE(9, *) myid, 'mrt factors finished', ncsfl !should be always 0
    1201                 FLUSH(9)
    1202             ENDIF
    12031550        ENDIF  !< mrt_factors
    12041551
    12051552       
    12061553        DO isurflt = 1, nsurfl
    1207             !-- determine face centers
     1554!--        determine face centers
    12081555            td = surfl(id, isurflt)
    1209             IF ( td >= isky .AND. .NOT. plant_canopy) CYCLE
     1556            IF ( td >= isky  .AND.  .NOT.  plant_canopy ) CYCLE
    12101557            tz = REAL(surfl(iz, isurflt), wp) - 0.5_wp * kdir(td)
    12111558            ty = REAL(surfl(iy, isurflt), wp) - 0.5_wp * jdir(td)
    12121559            tx = REAL(surfl(ix, isurflt), wp) - 0.5_wp * idir(td)
    1213             IF ( debug_prints ) THEN
    1214                 WRITE(9,'(i3,a,i2,2i4, 4i6,3f7.2,4i6,3f7.2)') myid, 'svft1', &
    1215                     td, isurflt, nsurfl, &
    1216                     surfl(ix, isurflt), surfl(iy, isurflt), &
    1217                     surfl(iz, isurflt), surfl(id, isurflt), tx,ty,tz
    1218                 FLUSH(9)
    1219             ENDIF
    12201560            DO isurfs = 1, nsurf
    1221                 IF ( .NOT. usm_facing(surfl(ix, isurflt), surfl(iy, isurflt), &
     1561                IF ( .NOT.  usm_facing(surfl(ix, isurflt), surfl(iy, isurflt), &
    12221562                    surfl(iz, isurflt), surfl(id, isurflt), &
    12231563                    surf(ix, isurfs), surf(iy, isurfs), &
    1224                     surf(iz, isurfs), surf(id, isurfs)) ) THEN
     1564                    surf(iz, isurfs), surf(id, isurfs)) )  THEN
    12251565                    CYCLE
    12261566                ENDIF
     
    12311571                sx = REAL(surf(ix, isurfs), wp) - 0.5_wp * idir(sd)
    12321572
    1233                 !-- unit vector source -> target
     1573!--            unit vector source -> target
    12341574                uv = (/ (tz-sz)*dz, (ty-sy)*dy, (tx-sx)*dx /)
    12351575                sqdist = SUM(uv(:)**2)
    12361576                uv = uv / SQRT(sqdist)
    12371577               
    1238                 !-- irradiance factor (our unshaded shape view factor) = view factor per differential target area * source area
     1578!--            irradiance factor (our unshaded shape view factor) = view factor per differential target area * source area
    12391579                rirrf = dot_product((/ kdir(sd), jdir(sd), idir(sd) /), uv) & ! cosine of source normal and direction
    1240                     * dot_product((/ kdir(td), jdir(td), idir(td) /), -uv) & ! cosine of target normal and reverse direction
     1580                    * dot_product((/ kdir(td), jdir(td), idir(td) /), -uv) &  ! cosine of target normal and reverse direction
    12411581                    / (pi * sqdist) & ! square of distance between centers
    12421582                    * facearea(sd)
    12431583
    1244                 !-- raytrace + process plant canopy sinks within
     1584!--            raytrace + process plant canopy sinks within
    12451585                CALL usm_raytrace((/sz,sy,sx/), (/tz,ty,tx/), isurfs, rirrf, facearea(td), .TRUE., &
    12461586                        visible, transparency, win_lad)
    12471587               
    1248                 IF ( .NOT. visible ) CYCLE
     1588                IF ( .NOT.  visible ) CYCLE
    12491589                IF ( td >= isky ) CYCLE !< we calculated these only for raytracing
    12501590                                        !< to find plant canopy sinks, we don't need svf for them
    1251 
    1252                 !rsvf = rirrf * transparency
    1253 
    1254                 !-- write to the svf array
     1591                ! rsvf = rirrf * transparency
     1592
     1593!--             write to the svf array
    12551594                nsvfl = nsvfl + 1
    1256                 !-- check dimmension of asvf array and enlarge it if needed
    1257                 IF ( nsvfla < nsvfl ) THEN
     1595!--            check dimmension of asvf array and enlarge it if needed
     1596                IF ( nsvfla < nsvfl )  THEN
    12581597                    k = nsvfla * 2
    1259                     IF ( debug_prints )  THEN
    1260                         WRITE(9,*) 'New dimmension of asvf array set to ', k
    1261                         FLUSH(9)
    1262                     ENDIF
    1263                     IF ( msvf == 0 ) THEN
     1598                    IF ( msvf == 0 )  THEN
    12641599                        msvf = 1
    12651600                        ALLOCATE( asvf1(k) )
     
    12761611                    nsvfla = k
    12771612                ENDIF
    1278                 !-- write svf values into the array
     1613!--            write svf values into the array
    12791614                asvf(nsvfl)%isurflt = isurflt
    12801615                asvf(nsvfl)%isurfs = isurfs
     
    12841619        ENDDO
    12851620
    1286         WRITE(6,*) myid, 'waiting for completion of svf and csf calculation in all processes'
    1287         FLUSH(6)
     1621        CALL location_message( '    waiting for completion of SVF and CSF calculation in all processes', .TRUE. )
    12881622
    12891623#if defined( __parallel )
    1290         IF (plant_canopy) THEN
    1291             IF ( usm_lad_rma ) THEN
     1624        IF ( plant_canopy ) THEN
     1625            IF ( usm_lad_rma )  THEN
    12921626                CALL MPI_Win_flush_all(win_lad, ierr)
    1293                 IF ( debug_prints ) THEN
    1294                     WRITE(9,*) 'MPI_Win_flush_all', myid, ierr
    1295                     FLUSH(9)
    1296                 ENDIF
    1297                 !-- unlock MPI window
     1627!--             unlock MPI window
    12981628                CALL MPI_Win_unlock_all(win_lad, ierr)
    1299                 IF ( debug_prints ) THEN
    1300                     WRITE(9,*) 'MPI_Win_unlock_all', myid, ierr
    1301                     FLUSH(9)
    1302                 ENDIF
    1303                 !-- free MPI window
     1629!--             free MPI window
    13041630                CALL MPI_Win_free(win_lad, ierr)
    1305                 IF ( debug_prints ) THEN
    1306                     WRITE(9,*) 'MPI_Win_free', myid, ierr
    1307                     FLUSH(9)
    1308                 ENDIF
    13091631            ELSE
    13101632                DEALLOCATE(usm_lad)
     
    13161638#endif
    13171639
    1318         !-- deallocate temporary global arrays
     1640!--    deallocate temporary global arrays
    13191641        IF ( ALLOCATED(nzterr) ) DEALLOCATE(nzterr)
    13201642        IF ( ALLOCATED(plantt) ) DEALLOCATE(plantt)
    13211643       
    1322         IF ( debug_prints ) THEN
    1323             WRITE(9,*) myid, 'writing svf finished, nsvfl', nsvfl, ', ncsfl', ncsfl
    1324             FLUSH(9)
    1325         ENDIF
    1326         ! sort svf ( a version of quicksort )
    1327         IF ( debug_prints ) THEN
    1328             WRITE(9,*) myid, 'start svf sort'
    1329             FLUSH(9)
    1330         ENDIF
     1644!--     sort svf ( a version of quicksort )
    13311645        CALL quicksort_svf(asvf,1,nsvfl)
    1332         IF ( debug_prints ) THEN
    1333             WRITE(9,*) myid, 'sort svf finished'
    1334             FLUSH(9)
    1335         ENDIF
    13361646       
    13371647        npcsfl = 0
    1338         IF (plant_canopy) THEN
    1339             ! sort and merge csf for the last time, keeping the array size to minimum
    1340             CALL merge_and_grow_csf(-1)
     1648        IF ( plant_canopy ) THEN
     1649!--        sort and merge csf for the last time, keeping the array size to minimum
     1650            CALL usm_merge_and_grow_csf(-1)
    13411651           
    1342             IF ( debug_prints ) THEN
    1343                 WRITE(9,*) myid, 'distribute CSF into processors'
    1344                 FLUSH(9)
    1345             ENDIF
    1346            
    1347             !-- aggregate csb among processors
    1348             !-- allocate necessary arrays
     1652!--         aggregate csb among processors
     1653!--         allocate necessary arrays
    13491654            ALLOCATE( csflt(ndcsf,max(ncsfl,ndcsf)) )
    13501655            ALLOCATE( kcsflt(kdcsf,max(ncsfl,kdcsf)) )
     
    13541659            ALLOCATE( dpcsflt(0:numprocs-1) )
    13551660           
    1356             !-- fill out arrays of csf values and
    1357             !-- arrays of number of elements and displacements
    1358             !-- for particular precessors
     1661!--        fill out arrays of csf values and
     1662!--        arrays of number of elements and displacements
     1663!--        for particular precessors
    13591664            icsflt = 0
    13601665            dcsflt = 0
     
    13641669            DO kcsf = 1, ncsfl
    13651670                j = j+1
    1366                 IF ( acsf(kcsf)%ip /= ip ) THEN
    1367                     !-- new block of the processor
    1368                     !-- number of elements of previous block
    1369                     IF (ip>=0) icsflt(ip) = j
     1671                IF ( acsf(kcsf)%ip /= ip )  THEN
     1672!--                new block of the processor
     1673!--                number of elements of previous block
     1674                    IF ( ip>=0) icsflt(ip) = j
    13701675                    d = d+j
    1371                     !-- blank blocks
     1676!--                blank blocks
    13721677                    DO jp = ip+1, acsf(kcsf)%ip-1
    1373                         !-- number of elements is zero, displacement is equal to previous
     1678!--                    number of elements is zero, displacement is equal to previous
    13741679                        icsflt(jp) = 0
    13751680                        dcsflt(jp) = d
    13761681                    ENDDO
    1377                     !-- the actual block
     1682!--                the actual block
    13781683                    ip = acsf(kcsf)%ip
    13791684                    dcsflt(ip) = d
    13801685                    j = 0
    13811686                ENDIF
    1382                 !-- fill out real values of rsvf, rtransp
     1687!--            fill out real values of rsvf, rtransp
    13831688                csflt(1,kcsf) = acsf(kcsf)%rsvf
    13841689                csflt(2,kcsf) = acsf(kcsf)%rtransp
    1385                 !-- fill out integer values of itz,ity,itx,isurfs
     1690!--            fill out integer values of itz,ity,itx,isurfs
    13861691                kcsflt(1,kcsf) = acsf(kcsf)%itz
    13871692                kcsflt(2,kcsf) = acsf(kcsf)%ity
     
    13891694                kcsflt(4,kcsf) = acsf(kcsf)%isurfs
    13901695            ENDDO
    1391             !-- last blank blocks at the end of array
     1696!--        last blank blocks at the end of array
    13921697            j = j+1
    1393             IF (ip>=0) icsflt(ip) = j
     1698            IF ( ip>=0 ) icsflt(ip) = j
    13941699            d = d+j
    13951700            DO jp = ip+1, numprocs-1
    1396                 !-- number of elements is zero, displacement is equal to previous
     1701!--            number of elements is zero, displacement is equal to previous
    13971702                icsflt(jp) = 0
    13981703                dcsflt(jp) = d
    13991704            ENDDO
    14001705           
    1401             !-- deallocate temporary acsf array
    1402             ! DEALLOCATE(acsf) - ifort has a problem with deallocation of allocatable target
    1403             ! via pointing pointer - we need to test original targets
    1404             IF ( ALLOCATED(acsf1) ) THEN
     1706!--        deallocate temporary acsf array
     1707!--        DEALLOCATE(acsf) - ifort has a problem with deallocation of allocatable target
     1708!--        via pointing pointer - we need to test original targets
     1709            IF ( ALLOCATED(acsf1) )  THEN
    14051710                DEALLOCATE(acsf1)
    14061711            ENDIF
    1407             IF ( ALLOCATED(acsf2) ) THEN
     1712            IF ( ALLOCATED(acsf2) )  THEN
    14081713                DEALLOCATE(acsf2)
    14091714            ENDIF
    14101715                   
    14111716#if defined( __parallel )
    1412             !-- scatter and gather the number of elements to and from all processor
    1413             !-- and calculate displacements
     1717!--        scatter and gather the number of elements to and from all processor
     1718!--        and calculate displacements
    14141719            CALL mpi_alltoall(icsflt,1,MPI_INTEGER,ipcsflt,1,MPI_INTEGER,comm2d, ierr)
    14151720           
     
    14211726            ENDDO
    14221727       
    1423             !-- exchange csf fields between processors
     1728!--        exchange csf fields between processors
    14241729            ALLOCATE( pcsflt(ndcsf,max(npcsfl,ndcsf)) )
    14251730            ALLOCATE( kpcsflt(kdcsf,max(npcsfl,kdcsf)) )
     
    14291734                kpcsflt, kdcsf*ipcsflt, kdcsf*dpcsflt, MPI_INTEGER, comm2d, ierr)
    14301735           
    1431             IF ( debug_prints ) THEN
    1432                 WRITE(9,*) myid, 'distribution CSF into processors finished'
    1433                 FLUSH(9)
    1434             ENDIF
    14351736#else
    14361737            npcsfl = ncsfl
     
    14411742#endif
    14421743
    1443             !-- deallocate temporary arrays
     1744!--        deallocate temporary arrays
    14441745            DEALLOCATE( csflt )
    14451746            DEALLOCATE( kcsflt )
     
    14491750            DEALLOCATE( dpcsflt )
    14501751
    1451             !-- sort csf ( a version of quicksort )
    1452             IF ( debug_prints ) THEN
    1453                 WRITE(9,*) myid, 'start csf sort2'
    1454                 FLUSH(9)
    1455             ENDIF
     1752!--         sort csf ( a version of quicksort )
    14561753            CALL quicksort_csf2(kpcsflt, pcsflt, 1, npcsfl)
    1457             IF ( debug_prints ) THEN
    1458                 WRITE(9,*) myid, 'sort2 csf finished'
    1459                 FLUSH(9)
    1460             ENDIF
    1461 
    1462             !-- aggregate canopy sink factor records with identical box & source
    1463             !-- againg across all values from all processors
    1464             IF ( npcsfl > 0 ) THEN
    1465                 IF ( debug_prints ) THEN
    1466                     WRITE(9,*) myid, 'csf merge of all values with', npcsfl, 'boxes'
    1467                     FLUSH(9)
    1468                 ENDIF
     1754
     1755!--         aggregate canopy sink factor records with identical box & source
     1756!--         againg across all values from all processors
     1757            IF ( npcsfl > 0 )  THEN
    14691758                icsf = 1 !< reading index
    14701759                kcsf = 1 !< writing index
    14711760                DO while (icsf < npcsfl)
    1472                     !-- here kpcsf(kcsf) already has values from kpcsf(icsf)
    1473                     IF ( kpcsflt(3,icsf) == kpcsflt(3,icsf+1) .AND. &
    1474                          kpcsflt(2,icsf) == kpcsflt(2,icsf+1) .AND. &
    1475                          kpcsflt(1,icsf) == kpcsflt(1,icsf+1) .AND. &
    1476                          kpcsflt(4,icsf) == kpcsflt(4,icsf+1) ) THEN
    1477                         !-- We could simply take either first or second rtransp, both are valid. As a very simple heuristic about which ray
    1478                         !-- probably passes nearer the center of the target box, we choose DIF from the entry with greater CSF, since that
    1479                         !-- might mean that the traced beam passes longer through the canopy box.
    1480                         IF ( pcsflt(1,kcsf) < pcsflt(1,icsf+1) ) THEN
     1761!--                here kpcsf(kcsf) already has values from kpcsf(icsf)
     1762                    IF ( kpcsflt(3,icsf) == kpcsflt(3,icsf+1)  .AND. &
     1763                         kpcsflt(2,icsf) == kpcsflt(2,icsf+1)  .AND. &
     1764                         kpcsflt(1,icsf) == kpcsflt(1,icsf+1)  .AND. &
     1765                         kpcsflt(4,icsf) == kpcsflt(4,icsf+1) )  THEN
     1766!--                    We could simply take either first or second rtransp, both are valid. As a very simple heuristic about which ray
     1767!--                    probably passes nearer the center of the target box, we choose DIF from the entry with greater CSF, since that
     1768!--                    might mean that the traced beam passes longer through the canopy box.
     1769                        IF ( pcsflt(1,kcsf) < pcsflt(1,icsf+1) )  THEN
    14811770                            pcsflt(2,kcsf) = pcsflt(2,icsf+1)
    14821771                        ENDIF
    14831772                        pcsflt(1,kcsf) = pcsflt(1,kcsf) + pcsflt(1,icsf+1)
    14841773
    1485                         !-- advance reading index, keep writing index
     1774!--                    advance reading index, keep writing index
    14861775                        icsf = icsf + 1
    14871776                    ELSE
    1488                         !-- not identical, just advance and copy
     1777!--                    not identical, just advance and copy
    14891778                        icsf = icsf + 1
    14901779                        kcsf = kcsf + 1
     
    14931782                    ENDIF
    14941783                ENDDO
    1495                 !-- last written item is now also the last item in valid part of array
     1784!--            last written item is now also the last item in valid part of array
    14961785                npcsfl = kcsf
    1497                 IF ( debug_prints ) THEN
    1498                     WRITE(9,*) myid, 'csf merge of all values completed,', npcsfl, 'boxes remaining'
    1499                     FLUSH(9)
    1500                 ENDIF
    15011786            ENDIF
    15021787           
     
    15141799        svfsum = 0._wp
    15151800        DO isvf = 1, nsvfl
    1516             !-- normalize svf per target face
    1517             IF ( asvf(ksvf)%isurflt /= isurflt_prev ) THEN
    1518                 IF ( isurflt_prev /= -1 .AND. svfsum /= 0._wp ) THEN
    1519                     !-- TODO detect and log when normalization differs too much from 1
     1801!--        normalize svf per target face
     1802            IF ( asvf(ksvf)%isurflt /= isurflt_prev )  THEN
     1803                IF ( isurflt_prev /= -1  .AND.  svfsum /= 0._wp ) THEN
     1804!--                TODO detect and log when normalization differs too much from 1
    15201805                    svf(1, isvf_surflt:isvf-1) = svf(1, isvf_surflt:isvf-1) / svfsum
    15211806                ENDIF
     
    15301815            svfsurf(:, isvf) = (/ asvf(ksvf)%isurflt, asvf(ksvf)%isurfs /)
    15311816                   
    1532             !-- next element
     1817!--        next element
    15331818            ksvf = ksvf + 1   
    15341819        ENDDO
    15351820       
    1536         IF ( isurflt_prev /= -1 .AND. svfsum /= 0._wp ) THEN
    1537             !-- TODO detect and log when normalization differs too much from 1
     1821        IF ( isurflt_prev /= -1  .AND.  svfsum /= 0._wp ) THEN
     1822!--        TODO detect and log when normalization differs too much from 1
    15381823            svf(1, isvf_surflt:nsvfl) = svf(1, isvf_surflt:nsvfl) / svfsum
    15391824        ENDIF
    15401825       
    1541         !-- deallocate temporary asvf array
    1542         ! DEALLOCATE(asvf) - ifort has a problem with deallocation of allocatable target
    1543         ! via pointing pointer - we need to test original targets
    1544         IF ( ALLOCATED(asvf1) ) THEN
     1826!--    deallocate temporary asvf array
     1827!--    DEALLOCATE(asvf) - ifort has a problem with deallocation of allocatable target
     1828!--    via pointing pointer - we need to test original targets
     1829        IF ( ALLOCATED(asvf1) )  THEN
    15451830            DEALLOCATE(asvf1)
    15461831        ENDIF
    1547         IF ( ALLOCATED(asvf2) ) THEN
     1832        IF ( ALLOCATED(asvf2) )  THEN
    15481833            DEALLOCATE(asvf2)
    15491834        ENDIF
    15501835
    1551         IF (plant_canopy) THEN
     1836        IF ( plant_canopy ) THEN
    15521837            CALL location_message( '    calculation of the complete CSF part of the array', .TRUE. )
    1553             IF ( npcsfl > 0 ) THEN
     1838            IF ( npcsfl > 0 )  THEN
    15541839                DO isvf = 1, npcsfl
    15551840                    svf(:,nsvfl+isvf) = pcsflt(:,isvf)
     
    15591844            ENDIF
    15601845           
    1561             !-- deallocation of temporary arrays
     1846!--        deallocation of temporary arrays
    15621847            DEALLOCATE( pcsflt )
    15631848            DEALLOCATE( kpcsflt )
     
    15731858       
    15741859    END SUBROUTINE usm_calc_svf
    1575    
     1860
     1861
     1862!------------------------------------------------------------------------------!
     1863!
     1864! Description:
     1865! ------------
     1866!> Subroutine checks variables and assigns units.
     1867!> It is caaled out from subroutine check_parameters.
     1868!------------------------------------------------------------------------------!
     1869    SUBROUTINE usm_check_data_output( variable, unit )
     1870       
     1871        IMPLICIT NONE
     1872 
     1873        CHARACTER (len=*),INTENT(IN)    ::  variable !:
     1874        CHARACTER (len=*),INTENT(OUT)   ::  unit     !:
     1875       
     1876        CHARACTER (len=20)              :: var
     1877
     1878        var = TRIM(variable)
     1879        IF ( var(1:11)=='usm_radnet_'  .OR.  var(1:13)=='usm_rad_insw_'  .OR.           &
     1880             var(1:13)=='usm_rad_inlw_'  .OR.  var(1:16)=='usm_rad_inswdir_'  .OR.      &
     1881             var(1:16)=='usm_rad_inswdif_'  .OR.  var(1:16)=='usm_rad_inswref_'  .OR.   &
     1882             var(1:16)=='usm_rad_inlwdif_'  .OR.  var(1:16)=='usm_rad_inlwref_'  .OR.   &
     1883             var(1:14)=='usm_rad_outsw_'  .OR.  var(1:14)=='usm_rad_outlw_'  .OR.       &
     1884             var(1:11)=='usm_rad_hf_'  .OR.                                             &
     1885             var(1:9) =='usm_wshf_'  .OR.  var(1:9)=='usm_wghf_' )  THEN
     1886            unit = 'W/m2'
     1887        ELSE IF ( var(1:10) =='usm_t_surf'  .OR.  var(1:10) =='usm_t_wall' )  THEN
     1888            unit = 'K'
     1889        ELSE IF ( var(1:9) =='usm_surfz'  .OR.  var(1:7) =='usm_svf'  .OR.              &
     1890                  var(1:7) =='usm_dif'  .OR.  var(1:11) =='usm_surfcat'  .OR.           &
     1891                  var(1:11) =='usm_surfalb'  .OR.  var(1:12) =='usm_surfemis')  THEN
     1892            unit = '1'
     1893        ELSE IF ( plant_canopy  .AND.  var(1:7) =='usm_lad' )  THEN
     1894            unit = 'm2/m3'
     1895        ELSE IF ( plant_canopy  .AND.  var(1:14) == 'usm_canopy_khf' )  THEN
     1896            unit = 'K/s'
     1897        ELSE
     1898            unit = 'illegal'
     1899        ENDIF
     1900
     1901    END SUBROUTINE usm_check_data_output
     1902
     1903
     1904!------------------------------------------------------------------------------!
     1905! Description:
     1906! ------------
     1907!> Check parameters routine for urban surface model
     1908!------------------------------------------------------------------------------!
     1909    SUBROUTINE usm_check_parameters
     1910   
     1911       USE control_parameters,                                                 &
     1912           ONLY:  bc_pt_b, bc_q_b, constant_flux_layer, large_scale_forcing,   &
     1913                  lsf_surf, topography
     1914
     1915!
     1916!--    Dirichlet boundary conditions are required as the surface fluxes are
     1917!--    calculated from the temperature/humidity gradients in the urban surface
     1918!--    model
     1919       IF ( bc_pt_b == 'neumann'   .OR.   bc_q_b == 'neumann' )  THEN
     1920          message_string = 'urban surface model requires setting of '//        &
     1921                           'bc_pt_b = "dirichlet" and '//                      &
     1922                           'bc_q_b  = "dirichlet"'
     1923          CALL message( 'check_parameters', 'PA0590', 1, 2, 0, 6, 0 )
     1924       ENDIF
     1925
     1926       IF ( .NOT.  constant_flux_layer )  THEN
     1927          message_string = 'urban surface model requires '//                   &
     1928                           'constant_flux_layer = .T.'
     1929          CALL message( 'check_parameters', 'PA0591', 1, 2, 0, 6, 0 )
     1930       ENDIF
     1931!       
     1932!--    Surface forcing has to be disabled for LSF in case of enabled
     1933!--    urban surface module
     1934       IF ( large_scale_forcing )  THEN
     1935          lsf_surf = .FALSE.
     1936       ENDIF
     1937!
     1938!--    Topography
     1939       IF ( topography == 'flat' )  THEN
     1940          message_string = 'topography /= "flat" is required '//               &
     1941                           'when using the urban surface model'
     1942          CALL message( 'check_parameters', 'PA0592', 1, 2, 0, 6, 0 )
     1943       ENDIF
     1944
     1945
     1946    END SUBROUTINE usm_check_parameters
     1947
     1948
     1949!------------------------------------------------------------------------------!
     1950!
     1951! Description:
     1952! ------------
     1953!> Output of the 3D-arrays in netCDF and/or AVS format
     1954!> for variables of urban_surface model.
     1955!> It resorts the urban surface module output quantities from surf style
     1956!> indexing into temporary 3D array with indices (i,j,k).
     1957!> It is called from subroutine data_output_3d.
     1958!------------------------------------------------------------------------------!
     1959    SUBROUTINE usm_data_output_3d( av, variable, found, local_pf, nzb_do, nzt_do )
     1960       
     1961        IMPLICIT NONE
     1962
     1963        INTEGER(iwp), INTENT(IN)       ::  av        !<
     1964        CHARACTER (len=*), INTENT(IN)  ::  variable  !<
     1965        INTEGER(iwp), INTENT(IN)       ::  nzb_do    !< lower limit of the data output (usually 0)
     1966        INTEGER(iwp), INTENT(IN)       ::  nzt_do    !< vertical upper limit of the data output (usually nz_do3d)
     1967        LOGICAL, INTENT(OUT)           ::  found     !<
     1968        REAL(sp), DIMENSION(nxlg:nxrg,nysg:nyng,nzb_do:nzt_do) ::  local_pf   !< sp - it has to correspond to module data_output_3d
     1969        REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)     ::  temp_pf    !< temp array for urban surface output procedure
     1970       
     1971        CHARACTER (len=20)                                     :: var, surfid
     1972        INTEGER(iwp), PARAMETER                                :: nd = 5
     1973        CHARACTER(len=6), DIMENSION(0:nd-1), PARAMETER         :: dirname = (/ '_roof ', '_south', '_north', '_west ', '_east ' /)
     1974        INTEGER(iwp), DIMENSION(0:nd-1), PARAMETER             :: dirint = (/ iroof, isouth, inorth, iwest, ieast /)
     1975        INTEGER(iwp), DIMENSION(0:nd-1)                        :: dirstart
     1976        INTEGER(iwp), DIMENSION(0:nd-1)                        :: dirend
     1977        INTEGER(iwp)                                           :: ids,isurf,isvf,isurfs,isurflt
     1978        INTEGER(iwp)                                           :: is,js,ks,i,j,k,iwl,istat
     1979
     1980        dirstart = (/ startland, startwall, startwall, startwall, startwall /)
     1981        dirend = (/ endland, endwall, endwall, endwall, endwall /)
     1982
     1983        found = .TRUE.
     1984        temp_pf = -1._wp
     1985       
     1986        ids = -1
     1987        var = TRIM(variable)
     1988        DO i = 0, nd-1
     1989            k = len(TRIM(var))
     1990            j = len(TRIM(dirname(i)))
     1991            IF ( var(k-j+1:k) == dirname(i) )  THEN
     1992                ids = i
     1993                var = var(:k-j)
     1994                EXIT
     1995            ENDIF
     1996        ENDDO
     1997        IF ( ids == -1 )  THEN
     1998            var = TRIM(variable)
     1999        ENDIF
     2000        IF ( var(1:11) == 'usm_t_wall_'  .AND.  len(TRIM(var)) >= 12 )  THEN
     2001!--         wall layers
     2002            READ(var(12:12), '(I1)', iostat=istat ) iwl
     2003            IF ( istat == 0  .AND.  iwl >= nzb_wall  .AND.  iwl <= nzt_wall )  THEN
     2004                var = var(1:10)
     2005            ENDIF
     2006        ENDIF
     2007        IF ( (var(1:8) == 'usm_svf_'  .OR.  var(1:8) == 'usm_dif_')  .AND.  len(TRIM(var)) >= 13 )  THEN
     2008!--         svf values to particular surface
     2009            surfid = var(9:)
     2010            i = index(surfid,'_')
     2011            j = index(surfid(i+1:),'_')
     2012            READ(surfid(1:i-1),*, iostat=istat ) is
     2013            IF ( istat == 0 )  THEN
     2014                READ(surfid(i+1:i+j-1),*, iostat=istat ) js
     2015            ENDIF
     2016            IF ( istat == 0 )  THEN
     2017                READ(surfid(i+j+1:),*, iostat=istat ) ks
     2018            ENDIF
     2019            IF ( istat == 0 )  THEN
     2020                var = var(1:7)
     2021            ENDIF
     2022        ENDIF
     2023       
     2024        SELECT CASE ( TRIM(var) )
     2025
     2026          CASE ( 'usm_surfz' )
     2027!--           array of lw radiation falling to local surface after i-th reflection
     2028              DO isurf = dirstart(ids), dirend(ids)
     2029                  IF ( surfl(id,isurf) == ids )  THEN
     2030                      IF ( surfl(id,isurf) == iroof )  THEN
     2031                          temp_pf(0,surfl(iy,isurf),surfl(ix,isurf)) =             &
     2032                                  max(temp_pf(0,surfl(iy,isurf),surfl(ix,isurf)),  &
     2033                                      REAL(surfl(iz,isurf),wp))
     2034                      ELSE
     2035                          temp_pf(0,surfl(iy,isurf),surfl(ix,isurf)) =             &
     2036                                  max(temp_pf(0,surfl(iy,isurf),surfl(ix,isurf)),  &
     2037                                      REAL(surfl(iz,isurf),wp)+1.0_wp)
     2038                      ENDIF
     2039                  ENDIF
     2040              ENDDO
     2041
     2042          CASE ( 'usm_surfcat' )
     2043!--           surface category
     2044              DO isurf = dirstart(ids), dirend(ids)
     2045                 IF ( surfl(id,isurf) == ids )  THEN
     2046                     temp_pf(surfl(iz,isurf),surfl(iy,isurf),surfl(ix,isurf)) = surface_types(isurf)
     2047                 ENDIF
     2048              ENDDO
     2049             
     2050          CASE ( 'usm_surfalb' )
     2051!--           surface albedo
     2052              DO isurf = dirstart(ids), dirend(ids)
     2053                 IF ( surfl(id,isurf) == ids )  THEN
     2054                     temp_pf(surfl(iz,isurf),surfl(iy,isurf),surfl(ix,isurf)) = albedo_surf(isurf)
     2055                 ENDIF
     2056              ENDDO
     2057             
     2058          CASE ( 'usm_surfemis' )
     2059!--           surface albedo
     2060              DO isurf = dirstart(ids), dirend(ids)
     2061                 IF ( surfl(id,isurf) == ids )  THEN
     2062                     temp_pf(surfl(iz,isurf),surfl(iy,isurf),surfl(ix,isurf)) = emiss_surf(isurf)
     2063                 ENDIF
     2064              ENDDO
     2065             
     2066          CASE ( 'usm_svf', 'usm_dif' )
     2067!--           shape view factors or iradiance factors to selected surface
     2068              IF ( TRIM(var)=='usm_svf' )  THEN
     2069                  k = 1
     2070              ELSE
     2071                  k = 2
     2072              ENDIF
     2073              DO isvf = 1, nsvfl
     2074                  isurflt = svfsurf(1, isvf)
     2075                  isurfs = svfsurf(2, isvf)
     2076                             
     2077                  IF ( surf(ix,isurfs) == is  .AND.  surf(iy,isurfs) == js  .AND.       &
     2078                       surf(iz,isurfs) == ks  .AND.  surf(id,isurfs) == ids )  THEN
     2079  !--                 correct source surface
     2080                      temp_pf(surfl(iz,isurflt),surfl(iy,isurflt),surfl(ix,isurflt)) = svf(k,isvf)
     2081                  ENDIF
     2082              ENDDO
     2083
     2084          CASE ( 'usm_radnet' )
     2085!--           array of complete radiation balance
     2086              DO isurf = dirstart(ids), dirend(ids)
     2087                 IF ( surfl(id,isurf) == ids )  THEN
     2088                   IF ( av == 0 )  THEN
     2089                     temp_pf(surfl(iz,isurf),surfl(iy,isurf),surfl(ix,isurf)) = rad_net_l(isurf)
     2090                   ELSE
     2091                     temp_pf(surfl(iz,isurf),surfl(iy,isurf),surfl(ix,isurf)) = rad_net_av(isurf)
     2092                   ENDIF
     2093                 ENDIF
     2094              ENDDO
     2095
     2096          CASE ( 'usm_rad_insw' )
     2097!--           array of sw radiation falling to surface after i-th reflection
     2098              DO isurf = dirstart(ids), dirend(ids)
     2099                 IF ( surfl(id,isurf) == ids )  THEN
     2100                   IF ( av == 0 )  THEN
     2101                     temp_pf(surfl(iz,isurf),surfl(iy,isurf),surfl(ix,isurf)) = surfinsw(isurf)
     2102                   ELSE
     2103                     temp_pf(surfl(iz,isurf),surfl(iy,isurf),surfl(ix,isurf)) = surfinsw_av(isurf)
     2104                   ENDIF
     2105                 ENDIF
     2106              ENDDO
     2107
     2108          CASE ( 'usm_rad_inlw' )
     2109!--           array of lw radiation falling to surface after i-th reflection
     2110              DO isurf = dirstart(ids), dirend(ids)
     2111                 IF ( surfl(id,isurf) == ids )  THEN
     2112                   IF ( av == 0 )  THEN
     2113                     temp_pf(surfl(iz,isurf),surfl(iy,isurf),surfl(ix,isurf)) = surfinlw(isurf)
     2114                   ELSE
     2115                     temp_pf(surfl(iz,isurf),surfl(iy,isurf),surfl(ix,isurf)) = surfinlw_av(isurf)
     2116                   ENDIF
     2117                 ENDIF
     2118              ENDDO
     2119
     2120          CASE ( 'usm_rad_inswdir' )
     2121!--           array of direct sw radiation falling to surface from sun
     2122              DO isurf = dirstart(ids), dirend(ids)
     2123                 IF ( surfl(id,isurf) == ids )  THEN
     2124                   IF ( av == 0 )  THEN
     2125                     temp_pf(surfl(iz,isurf),surfl(iy,isurf),surfl(ix,isurf)) = surfinswdir(isurf)
     2126                   ELSE
     2127                     temp_pf(surfl(iz,isurf),surfl(iy,isurf),surfl(ix,isurf)) = surfinswdir_av(isurf)
     2128                   ENDIF
     2129                 ENDIF
     2130              ENDDO
     2131
     2132          CASE ( 'usm_rad_inswdif' )
     2133!--           array of difusion sw radiation falling to surface from sky and borders of the domain
     2134              DO isurf = dirstart(ids), dirend(ids)
     2135                 IF ( surfl(id,isurf) == ids )  THEN
     2136                   IF ( av == 0 )  THEN
     2137                     temp_pf(surfl(iz,isurf),surfl(iy,isurf),surfl(ix,isurf)) = surfinswdif(isurf)
     2138                   ELSE
     2139                     temp_pf(surfl(iz,isurf),surfl(iy,isurf),surfl(ix,isurf)) = surfinswdif_av(isurf)
     2140                   ENDIF
     2141                 ENDIF
     2142              ENDDO
     2143
     2144          CASE ( 'usm_rad_inswref' )
     2145!--           array of sw radiation falling to surface from reflections
     2146              DO isurf = dirstart(ids), dirend(ids)
     2147                 IF ( surfl(id,isurf) == ids )  THEN
     2148                   IF ( av == 0 )  THEN
     2149                     temp_pf(surfl(iz,isurf),surfl(iy,isurf),surfl(ix,isurf)) = &
     2150                       surfinsw(isurf) - surfinswdir(isurf) - surfinswdif(isurf)
     2151                   ELSE
     2152                     temp_pf(surfl(iz,isurf),surfl(iy,isurf),surfl(ix,isurf)) = surfinswref_av(isurf)
     2153                   ENDIF
     2154                 ENDIF
     2155              ENDDO
     2156
     2157          CASE ( 'usm_rad_inlwdif' )
     2158!--           array of sw radiation falling to surface after i-th reflection
     2159              DO isurf = dirstart(ids), dirend(ids)
     2160                 IF ( surfl(id,isurf) == ids )  THEN
     2161                   IF ( av == 0 )  THEN
     2162                     temp_pf(surfl(iz,isurf),surfl(iy,isurf),surfl(ix,isurf)) = surfinlwdif(isurf)
     2163                   ELSE
     2164                     temp_pf(surfl(iz,isurf),surfl(iy,isurf),surfl(ix,isurf)) = surfinlwdif_av(isurf)
     2165                   ENDIF
     2166                 ENDIF
     2167              ENDDO
     2168
     2169          CASE ( 'usm_rad_inlwref' )
     2170!--           array of lw radiation falling to surface from reflections
     2171              DO isurf = dirstart(ids), dirend(ids)
     2172                 IF ( surfl(id,isurf) == ids )  THEN
     2173                   IF ( av == 0 )  THEN
     2174                     temp_pf(surfl(iz,isurf),surfl(iy,isurf),surfl(ix,isurf)) = surfinlw(isurf) - surfinlwdif(isurf)
     2175                   ELSE
     2176                     temp_pf(surfl(iz,isurf),surfl(iy,isurf),surfl(ix,isurf)) = surfinlwref_av(isurf)
     2177                   ENDIF
     2178                 ENDIF
     2179              ENDDO
     2180
     2181          CASE ( 'usm_rad_outsw' )
     2182!--           array of sw radiation emitted from surface after i-th reflection
     2183              DO isurf = dirstart(ids), dirend(ids)
     2184                 IF ( surfl(id,isurf) == ids )  THEN
     2185                   IF ( av == 0 )  THEN
     2186                     temp_pf(surfl(iz,isurf),surfl(iy,isurf),surfl(ix,isurf)) = surfoutsw(isurf)
     2187                   ELSE
     2188                     temp_pf(surfl(iz,isurf),surfl(iy,isurf),surfl(ix,isurf)) = surfoutsw_av(isurf)
     2189                   ENDIF
     2190                 ENDIF
     2191              ENDDO
     2192
     2193          CASE ( 'usm_rad_outlw' )
     2194!--           array of lw radiation emitted from surface after i-th reflection
     2195              DO isurf = dirstart(ids), dirend(ids)
     2196                 IF ( surfl(id,isurf) == ids )  THEN
     2197                   IF ( av == 0 )  THEN
     2198                     temp_pf(surfl(iz,isurf),surfl(iy,isurf),surfl(ix,isurf)) = surfoutlw(isurf)
     2199                   ELSE
     2200                     temp_pf(surfl(iz,isurf),surfl(iy,isurf),surfl(ix,isurf)) = surfoutlw_av(isurf)
     2201                   ENDIF
     2202                 ENDIF
     2203              ENDDO
     2204
     2205          CASE ( 'usm_rad_hf' )
     2206!--           array of heat flux from radiation for surfaces after all reflections
     2207              DO isurf = dirstart(ids), dirend(ids)
     2208                 IF ( surfl(id,isurf) == ids )  THEN
     2209                   IF ( av == 0 )  THEN
     2210                     temp_pf(surfl(iz,isurf),surfl(iy,isurf),surfl(ix,isurf)) = surfhf(isurf)
     2211                   ELSE
     2212                     temp_pf(surfl(iz,isurf),surfl(iy,isurf),surfl(ix,isurf)) = surfhf_av(isurf)
     2213                   ENDIF
     2214                 ENDIF
     2215              ENDDO
     2216
     2217          CASE ( 'usm_wshf' )
     2218!--           array of sensible heat flux from surfaces
     2219!--           horizontal surfaces
     2220              DO isurf = dirstart(ids), dirend(ids)
     2221                 IF ( surfl(id,isurf) == ids )  THEN
     2222                   IF ( av == 0 )  THEN
     2223                     temp_pf(surfl(iz,isurf),surfl(iy,isurf),surfl(ix,isurf)) = wshf_eb(isurf)
     2224                   ELSE
     2225                     temp_pf(surfl(iz,isurf),surfl(iy,isurf),surfl(ix,isurf)) = wshf_eb_av(isurf)
     2226                   ENDIF
     2227                 ENDIF
     2228              ENDDO
     2229
     2230          CASE ( 'usm_wghf' )
     2231!--           array of heat flux from ground (land, wall, roof)
     2232              DO isurf = dirstart(ids), dirend(ids)
     2233                 IF ( surfl(id,isurf) == ids )  THEN
     2234                   IF ( av == 0 )  THEN
     2235                     temp_pf(surfl(iz,isurf),surfl(iy,isurf),surfl(ix,isurf)) = wghf_eb(isurf)
     2236                   ELSE
     2237                     temp_pf(surfl(iz,isurf),surfl(iy,isurf),surfl(ix,isurf)) = wghf_eb_av(isurf)
     2238                   ENDIF
     2239                 ENDIF
     2240              ENDDO
     2241
     2242          CASE ( 'usm_t_surf' )
     2243!--           surface temperature for surfaces
     2244              DO isurf = max(startenergy,dirstart(ids)), min(endenergy,dirend(ids))
     2245                 IF ( surfl(id,isurf) == ids )  THEN
     2246                   IF ( av == 0 )  THEN
     2247                     temp_pf(surfl(iz,isurf),surfl(iy,isurf),surfl(ix,isurf)) = t_surf(isurf)
     2248                   ELSE
     2249                     temp_pf(surfl(iz,isurf),surfl(iy,isurf),surfl(ix,isurf)) = t_surf_av(isurf)
     2250                   ENDIF
     2251                 ENDIF
     2252              ENDDO
     2253             
     2254          CASE ( 'usm_t_wall' )
     2255!--           wall temperature for  iwl layer of walls and land
     2256              DO isurf = dirstart(ids), dirend(ids)
     2257                 IF ( surfl(id,isurf) == ids )  THEN
     2258                   IF ( av == 0 )  THEN
     2259                     temp_pf(surfl(iz,isurf),surfl(iy,isurf),surfl(ix,isurf)) = t_wall(iwl,isurf)
     2260                   ELSE
     2261                     temp_pf(surfl(iz,isurf),surfl(iy,isurf),surfl(ix,isurf)) = t_wall_av(iwl,isurf)
     2262                   ENDIF
     2263                 ENDIF
     2264              ENDDO
     2265
     2266          CASE ( 'usm_lad' )
     2267!--           leaf area density
     2268              DO i = nxl, nxr
     2269                 DO j = nys, nyn
     2270                     DO k = nzb_s_inner(j,i), nzut
     2271                         temp_pf(k,j,i) = lad_s(k-nzb_s_inner(j,i),j,i)
     2272                     ENDDO
     2273                 ENDDO
     2274              ENDDO
     2275             
     2276          CASE ( 'usm_canopy_khf' )
     2277!--           canopy kinematic heat flux
     2278              DO i = nxl, nxr
     2279                 DO j = nys, nyn
     2280                     DO k = nzb_s_inner(j,i), nzut
     2281                         temp_pf(k,j,i) = pc_heating_rate(k-nzb_s_inner(j,i),j,i)
     2282                     ENDDO
     2283                 ENDDO
     2284              ENDDO
     2285             
     2286          CASE DEFAULT
     2287              found = .FALSE.
     2288             
     2289        END SELECT
     2290       
     2291!--     fill out array local_pf which is subsequently treated by data_output_3d
     2292        CALL exchange_horiz( temp_pf, nbgp )
     2293        DO j = nysg,nyng
     2294            DO i = nxlg,nxrg
     2295                DO k = nzb_do, nzt_do
     2296                    local_pf(i,j,k) = temp_pf(k,j,i)
     2297                ENDDO
     2298            ENDDO
     2299        ENDDO
     2300       
     2301    END SUBROUTINE usm_data_output_3d
     2302   
     2303
     2304!------------------------------------------------------------------------------!
     2305!
     2306! Description:
     2307! ------------
     2308!> Soubroutine defines appropriate grid for netcdf variables.
     2309!> It is called out from subroutine netcdf.
     2310!------------------------------------------------------------------------------!
     2311    SUBROUTINE usm_define_netcdf_grid( variable, found, grid_x, grid_y, grid_z )
     2312   
     2313        IMPLICIT NONE
     2314
     2315        CHARACTER (len=*), INTENT(IN)  ::  variable    !<
     2316        LOGICAL, INTENT(OUT)           ::  found       !<
     2317        CHARACTER (len=*), INTENT(OUT) ::  grid_x      !<
     2318        CHARACTER (len=*), INTENT(OUT) ::  grid_y      !<
     2319        CHARACTER (len=*), INTENT(OUT) ::  grid_z      !<
     2320
     2321        CHARACTER (len=20)            :: var
     2322
     2323        var = TRIM(variable)
     2324        IF ( var(1:11)=='usm_radnet_'  .OR.  var(1:13) =='usm_rad_insw_'  .OR.            &
     2325             var(1:13) =='usm_rad_inlw_'  .OR.  var(1:16) =='usm_rad_inswdir_'  .OR.      &
     2326             var(1:16) =='usm_rad_inswdif_'  .OR.  var(1:16) =='usm_rad_inswref_'  .OR.   &
     2327             var(1:16) =='usm_rad_inlwdif_'  .OR.  var(1:16) =='usm_rad_inlwref_'  .OR.   &
     2328             var(1:14) =='usm_rad_outsw_'  .OR.  var(1:14) =='usm_rad_outlw_'  .OR.       &
     2329             var(1:11) =='usm_rad_hf_'  .OR.                                              &
     2330             var(1:9) == 'usm_wshf_'  .OR.  var(1:9)== 'usm_wghf_'  .OR.                  &
     2331             var(1:10) == 'usm_t_surf'  .OR.  var(1:10) == 'usm_t_wall'  .OR.             &
     2332             var(1:9) == 'usm_surfz'  .OR.  var(1:7) == 'usm_svf'  .OR.                   &
     2333             var(1:7) =='usm_dif'  .OR.  var(1:11) =='usm_surfcat'  .OR.                  &
     2334             var(1:11) =='usm_surfalb'  .OR.  var(1:12) =='usm_surfemis'  .OR.            &
     2335             var(1:7) == 'usm_lad'  .OR.  var(1:14) == 'usm_canopy_khf' )  THEN
     2336
     2337            found = .TRUE.
     2338            grid_x = 'x'
     2339            grid_y = 'y'
     2340            grid_z = 'zu'
     2341        ELSE
     2342            found  = .FALSE.
     2343            grid_x = 'none'
     2344            grid_y = 'none'
     2345            grid_z = 'none'
     2346        ENDIF
     2347
     2348    END SUBROUTINE usm_define_netcdf_grid
     2349   
     2350   
     2351!------------------------------------------------------------------------------!
     2352!> Finds first model boundary crossed by a ray
     2353!------------------------------------------------------------------------------!
     2354    PURE SUBROUTINE usm_find_boundary_face(origin, uvect, bdycross)
     2355        IMPLICIT NONE
     2356        REAL(wp), DIMENSION(3), INTENT(in)      :: origin    !< ray origin
     2357        REAL(wp), DIMENSION(3), INTENT(in)      :: uvect     !< ray unit vector
     2358        INTEGER(iwp), DIMENSION(4), INTENT(out) :: bdycross  !< found boundary crossing (d, z, y, x)
     2359        REAL(wp), DIMENSION(3)                  :: crossdist !< crossing distance
     2360        INTEGER(iwp), DIMENSION(3)              :: bdyd      !< boundary direction
     2361        REAL(wp)                                :: bdydim    !<
     2362        REAL(wp)                                :: dist      !<
     2363        INTEGER(iwp)                            :: seldim    !< found fist crossing index
     2364        INTEGER(iwp)                            :: d         !<
     2365
     2366        bdydim = nzut + .5_wp !< top boundary
     2367        bdyd(1) = isky
     2368        crossdist(1) = (bdydim - origin(1)) / uvect(1)
     2369
     2370        IF ( uvect(2) >= 0._wp )  THEN
     2371            bdydim = ny + .5_wp !< north global boundary
     2372            bdyd(2) = inorthb
     2373        ELSE
     2374            bdydim = -.5_wp !< south global boundary
     2375            bdyd(2) = isouthb
     2376        ENDIF
     2377        crossdist(2) = (bdydim - origin(2)) / uvect(2)
     2378
     2379        IF ( uvect(3) >= 0._wp )  THEN
     2380            bdydim = nx + .5_wp !< east global boundary
     2381            bdyd(3) = ieastb
     2382        ELSE
     2383            bdydim = -.5_wp !< west global boundary
     2384            bdyd(3) = iwestb
     2385        ENDIF
     2386        crossdist(3) = (bdydim - origin(3)) / uvect(3)
     2387
     2388        seldim = minloc(crossdist, 1)
     2389        dist = crossdist(seldim)
     2390        d = bdyd(seldim)
     2391
     2392        bdycross(1) = d
     2393        bdycross(2:4) = NINT( origin(:) + uvect(:)*dist &
     2394                        + .5_wp * (/ kdir(d), jdir(d), idir(d) /) )
     2395    END SUBROUTINE
     2396
     2397
     2398!------------------------------------------------------------------------------!
     2399!> Determines whether two faces are oriented towards each other
     2400!------------------------------------------------------------------------------!
     2401    PURE LOGICAL FUNCTION usm_facing(x, y, z, d, x2, y2, z2, d2)
     2402        IMPLICIT NONE
     2403        INTEGER(iwp),   INTENT(in)  :: x, y, z, d, x2, y2, z2, d2
     2404     
     2405        usm_facing = .FALSE.
     2406        IF ( d==iroof  .AND.  d2==iroof ) RETURN
     2407        IF ( d==isky  .AND.  d2==isky ) RETURN
     2408        IF ( (d==isouth  .OR.  d==inorthb)  .AND.  (d2==isouth.OR.d2==inorthb) ) RETURN
     2409        IF ( (d==inorth  .OR.  d==isouthb)  .AND.  (d2==inorth.OR.d2==isouthb) ) RETURN
     2410        IF ( (d==iwest  .OR.  d==ieastb)  .AND.  (d2==iwest.OR.d2==ieastb) ) RETURN
     2411        IF ( (d==ieast  .OR.  d==iwestb)  .AND.  (d2==ieast.OR.d2==iwestb) ) RETURN
     2412
     2413        SELECT CASE (d)
     2414            CASE (iroof)                   !< ground, roof
     2415                IF ( z2 < z ) RETURN
     2416            CASE (isky)                    !< sky
     2417                IF ( z2 > z ) RETURN
     2418            CASE (isouth, inorthb)         !< south facing
     2419                IF ( y2 > y ) RETURN
     2420            CASE (inorth, isouthb)         !< north facing
     2421                IF ( y2 < y ) RETURN
     2422            CASE (iwest, ieastb)           !< west facing
     2423                IF ( x2 > x ) RETURN
     2424            CASE (ieast, iwestb)           !< east facing
     2425                IF ( x2 < x ) RETURN
     2426        END SELECT
     2427
     2428        SELECT CASE (d2)
     2429            CASE (iroof)                   !< ground, roof
     2430                IF ( z < z2 ) RETURN
     2431            CASE (isky)                    !< sky
     2432                IF ( z > z2 ) RETURN
     2433            CASE (isouth, inorthb)         !< south facing
     2434                IF ( y > y2 ) RETURN
     2435            CASE (inorth, isouthb)         !< north facing
     2436                IF ( y < y2 ) RETURN
     2437            CASE (iwest, ieastb)           !< west facing
     2438                IF ( x > x2 ) RETURN
     2439            CASE (ieast, iwestb)           !< east facing
     2440                IF ( x < x2 ) RETURN
     2441            CASE (-1)
     2442                CONTINUE
     2443        END SELECT
     2444
     2445        usm_facing = .TRUE.
     2446       
     2447    END FUNCTION usm_facing
     2448   
     2449
     2450!------------------------------------------------------------------------------!
     2451! Description:
     2452! ------------
     2453!> Initialization of the wall surface model
     2454!------------------------------------------------------------------------------!
     2455    SUBROUTINE usm_init_material_model
     2456
     2457        IMPLICIT NONE
     2458
     2459        INTEGER(iwp) ::  k, l            !< running indices
     2460       
     2461        CALL location_message( '    initialization of wall surface model', .TRUE. )
     2462       
     2463!--     Calculate wall grid spacings.
     2464!--     Temperature is defined at the center of the wall layers,
     2465!--     whereas gradients/fluxes are defined at the edges (_stag)
     2466        DO l = nzb_wall, nzt_wall
     2467           zwn(l) = zwn_default(l)
     2468        ENDDO
     2469       
     2470!--     apply for all particular wall grids
     2471        DO l = startenergy, endenergy
     2472           zw(:,l) = zwn(:) * thickness_wall(l)
     2473           dz_wall(nzb_wall,l) = zw(nzb_wall,l)
     2474           DO k = nzb_wall+1, nzt_wall
     2475               dz_wall(k,l) = zw(k,l) - zw(k-1,l)
     2476           ENDDO
     2477           
     2478           dz_wall(nzt_wall+1,l) = dz_wall(nzt_wall,l)
     2479
     2480           DO k = nzb_wall, nzt_wall-1
     2481               dz_wall_stag(k,l) = 0.5 * (dz_wall(k+1,l) + dz_wall(k,l))
     2482           ENDDO
     2483           dz_wall_stag(nzt_wall,l) = dz_wall(nzt_wall,l)
     2484        ENDDO
     2485       
     2486        ddz_wall      = 1.0_wp / dz_wall
     2487        ddz_wall_stag = 1.0_wp / dz_wall_stag
     2488       
     2489        CALL location_message( '    wall structures filed out', .TRUE. )
     2490
     2491        CALL location_message( '    initialization of wall surface model finished', .TRUE. )
     2492
     2493    END SUBROUTINE usm_init_material_model
     2494
     2495 
     2496!------------------------------------------------------------------------------!
     2497! Description:
     2498! ------------
     2499!> Initialization of the urban surface model
     2500!------------------------------------------------------------------------------!
     2501    SUBROUTINE usm_init_urban_surface
     2502   
     2503        IMPLICIT NONE
     2504
     2505        INTEGER(iwp) ::  i, j, k, l            !< running indices
     2506        REAL(wp)     ::  c, d, tin, exn
     2507       
     2508        CALL cpu_log( log_point_s(78), 'usm_init', 'start' )
     2509!--     surface forcing have to be disabled for LSF
     2510!--     in case of enabled urban surface module
     2511        IF ( large_scale_forcing )  THEN
     2512            lsf_surf = .FALSE.
     2513        ENDIF
     2514       
     2515!--     init anthropogenic sources of heat
     2516        CALL usm_allocate_urban_surface()
     2517       
     2518!--     read the surface_types array somewhere
     2519        CALL usm_read_urban_surface_types()
     2520       
     2521!--     init material heat model
     2522        CALL usm_init_material_model()
     2523       
     2524        IF ( usm_anthropogenic_heat )  THEN
     2525!--         init anthropogenic sources of heat (from transportation for now)
     2526            CALL usm_read_anthropogenic_heat()
     2527        ENDIF
     2528       
     2529        IF ( read_svf_on_init )  THEN
     2530!--         read svf and svfsurf data from file
     2531            CALL location_message( '    Start reading SVF from file', .TRUE. )
     2532            CALL usm_read_svf_from_file()
     2533            CALL location_message( '    Reading SVF from file has finished', .TRUE. )
     2534        ELSE
     2535!--         calculate SFV and CSF
     2536            CALL location_message( '    Start calculation of SVF', .TRUE. )
     2537            CALL cpu_log( log_point_s(79), 'usm_calc_svf', 'start' )
     2538            CALL usm_calc_svf()
     2539            CALL cpu_log( log_point_s(79), 'usm_calc_svf', 'stop' )
     2540            CALL location_message( '    Calculation of SVF has finished', .TRUE. )
     2541        ENDIF
     2542
     2543        IF ( write_svf_on_init )  THEN
     2544!--         write svf and svfsurf data to file
     2545            CALL usm_write_svf_to_file()
     2546        ENDIF
     2547       
     2548        IF ( plant_canopy )  THEN
     2549!--         gridpcbl was only necessary for initialization
     2550            DEALLOCATE( gridpcbl )
     2551            IF ( .NOT.  ALLOCATED(pc_heating_rate) )  THEN
     2552!--             then pc_heating_rate is allocated in init_plant_canopy
     2553!--             in case of cthf /= 0 => we need to allocate it for our use here
     2554                ALLOCATE( pc_heating_rate(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
     2555            ENDIF
     2556        ENDIF
     2557
     2558!--     Intitialization of the surface and wall/ground/roof temperature
     2559
     2560!--     Initialization for restart runs
     2561        IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data' )  THEN
     2562
     2563!--         restore data from restart file
     2564            CALL usm_read_restart_data()
     2565        ELSE
     2566       
     2567!--         Calculate initial surface temperature
     2568            exn = ( surface_pressure / 1000.0_wp )**0.286_wp
     2569
     2570            DO l = startenergy, endenergy
     2571                k = surfl(iz,l)
     2572                j = surfl(iy,l)
     2573                i = surfl(ix,l)
     2574
     2575!--              Initial surface temperature set from pt of adjacent gridbox
     2576                t_surf(l) = pt(k,j,i) * exn
     2577            ENDDO
     2578     
     2579!--         initial values for t_wall
     2580!--         outer value is set to surface temperature
     2581!--         inner value is set to wall_inner_temperature
     2582!--         and profile is logaritmic (linear in nz)
     2583            DO l = startenergy, endenergy
     2584                IF ( isroof_surf(l) )  THEN
     2585                    tin = roof_inner_temperature
     2586                ELSE IF ( surf(id,l)==iroof )  THEN
     2587                    tin = soil_inner_temperature
     2588                ELSE
     2589                    tin = wall_inner_temperature
     2590                ENDIF
     2591                DO k = nzb_wall, nzt_wall+1
     2592                    c = REAL(k-nzb_wall,wp)/REAL(nzt_wall+1-nzb_wall,wp)
     2593                    t_wall(k,:) = (1.0_wp-c)*t_surf(:) + c*tin
     2594                ENDDO
     2595            ENDDO
     2596        ENDIF
     2597       
     2598!--   
     2599!--        Possibly DO user-defined actions (e.g. define heterogeneous wall surface)
     2600        CALL user_init_urban_surface
     2601
     2602!--     initialize prognostic values for the first timestep
     2603        t_surf_p = t_surf
     2604        t_wall_p = t_wall
     2605       
     2606!--     Adjust radiative fluxes for urban surface at model start
     2607        CALL usm_radiation
     2608       
     2609        CALL cpu_log( log_point_s(78), 'usm_init', 'stop' )
     2610       
     2611       
     2612    END SUBROUTINE usm_init_urban_surface
     2613
     2614
     2615!------------------------------------------------------------------------------!
     2616! Description:
     2617! ------------
     2618!
     2619!> Wall model as part of the urban surface model. The model predicts wall
     2620!> temperature.
     2621!------------------------------------------------------------------------------!
     2622    SUBROUTINE usm_material_heat_model
     2623
     2624
     2625        IMPLICIT NONE
     2626
     2627        INTEGER(iwp) ::  i,j,k,l,kw                      !< running indices
     2628
     2629        REAL(wp), DIMENSION(nzb_wall:nzt_wall) :: wtend  !< tendency
     2630
     2631                                               
     2632        DO l = startenergy, endenergy
     2633!--         calculate frequently used parameters
     2634            k = surfl(iz,l)
     2635            j = surfl(iy,l)
     2636            i = surfl(ix,l)
     2637
     2638            !
     2639!--         prognostic equation for ground/wall/roof temperature t_wall
     2640            wtend(:) = 0.0_wp
     2641            wtend(nzb_wall) = (1.0_wp/rho_c_wall(nzb_wall,l)) *                     &
     2642                       ( lambda_h(nzb_wall,l) * ( t_wall(nzb_wall+1,l)              &
     2643                         - t_wall(nzb_wall,l) ) * ddz_wall(nzb_wall+1,l)            &
     2644                         + wghf_eb(l) ) * ddz_wall_stag(nzb_wall,l)
     2645           
     2646            DO  kw = nzb_wall+1, nzt_wall
     2647                wtend(kw) = (1.0_wp/rho_c_wall(kw,l))                               &
     2648                              * (   lambda_h(kw,l)                                  &
     2649                                 * ( t_wall(kw+1,l) - t_wall(kw,l) )                &
     2650                                 * ddz_wall(kw+1,l)                                 &
     2651                              - lambda_h(kw-1,l)                                    &
     2652                                 * ( t_wall(kw,l) - t_wall(kw-1,l) )                &
     2653                                 * ddz_wall(kw,l)                                   &
     2654                              ) * ddz_wall_stag(kw,l)
     2655            ENDDO
     2656
     2657            t_wall_p(nzb_wall:nzt_wall,l) = t_wall(nzb_wall:nzt_wall,l)             &
     2658                                             + dt_3d * ( tsc(2)                     &
     2659                                             * wtend(nzb_wall:nzt_wall) + tsc(3)    &
     2660                                             * tt_wall_m(nzb_wall:nzt_wall,l) )   
     2661           
     2662            !
     2663!--         calculate t_wall tendencies for the next Runge-Kutta step
     2664            IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
     2665                IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  THEN
     2666                   DO  kw = nzb_wall, nzt_wall
     2667                      tt_wall_m(kw,l) = wtend(kw)
     2668                   ENDDO
     2669                ELSEIF ( intermediate_timestep_count <                              &
     2670                         intermediate_timestep_count_max )  THEN
     2671                    DO  kw = nzb_wall, nzt_wall
     2672                        tt_wall_m(kw,l) = -9.5625_wp * wtend(kw) + 5.3125_wp        &
     2673                                         * tt_wall_m(kw,l)
     2674                    ENDDO
     2675                ENDIF
     2676            ENDIF
     2677        ENDDO
     2678
     2679    END SUBROUTINE usm_material_heat_model
     2680
     2681
     2682!------------------------------------------------------------------------------!
     2683! Description:
     2684! ------------
     2685!> This subroutine calculates interaction of the solar radiation
     2686!> with urban surface and updates surface, roofs and walls heatfluxes.
     2687!> It also updates rad_sw_out and rad_lw_out.
     2688!------------------------------------------------------------------------------!
     2689    SUBROUTINE usm_radiation
     2690   
     2691        IMPLICIT NONE
     2692       
     2693        INTEGER(iwp)               :: i, j, k, kk, is, js, d, ku, refstep
     2694        INTEGER(iwp)               :: nzubl, nzutl, isurf, isurfsrc, isurf1, isvf, ipcgb
     2695        INTEGER(iwp), DIMENSION(4) :: bdycross
     2696        REAL(wp), DIMENSION(3,3)   :: mrot            !< grid rotation matrix (xyz)
     2697        REAL(wp), DIMENSION(3,0:9) :: vnorm           !< face direction normal vectors (xyz)
     2698        REAL(wp), DIMENSION(3)     :: sunorig         !< grid rotated solar direction unit vector (xyz)
     2699        REAL(wp), DIMENSION(3)     :: sunorig_grid    !< grid squashed solar direction unit vector (zyx)
     2700        REAL(wp), DIMENSION(0:9)   :: costheta        !< direct irradiance factor of solar angle
     2701        REAL(wp), DIMENSION(nzub:nzut) :: pchf_prep   !< precalculated factor for canopy temp tendency
     2702        REAL(wp), PARAMETER        :: alpha = 0._wp   !< grid rotation (TODO: add to namelist or remove)
     2703        REAL(wp)                   :: rx, ry, rz
     2704        REAL(wp)                   :: pc_box_area, pc_abs_frac, pc_abs_eff
     2705        INTEGER(iwp)               :: pc_box_dimshift !< transform for best accuracy
     2706       
     2707       
     2708        IF ( plant_canopy )  THEN
     2709            pchf_prep(:) = r_d * (hyp(nzub:nzut) / 100000.0_wp)**0.286_wp &
     2710                        / (cp * hyp(nzub:nzut) * dx*dy*dz) !< equals to 1 / (rho * c_p * Vbox * T)
     2711        ENDIF
     2712
     2713        sun_direction = .TRUE.
     2714        CALL calc_zenith  !< required also for diffusion radiation
     2715
     2716!--     prepare rotated normal vectors and irradiance factor
     2717        vnorm(1,:) = idir(:)
     2718        vnorm(2,:) = jdir(:)
     2719        vnorm(3,:) = kdir(:)
     2720        mrot(1, :) = (/ cos(alpha), -sin(alpha), 0._wp /)
     2721        mrot(2, :) = (/ sin(alpha),  cos(alpha), 0._wp /)
     2722        mrot(3, :) = (/ 0._wp,       0._wp,      1._wp /)
     2723        sunorig = (/ sun_dir_lon, sun_dir_lat, zenith(0) /)
     2724        sunorig = matmul(mrot, sunorig)
     2725        DO d = 0, 9
     2726            costheta(d) = dot_product(sunorig, vnorm(:,d))
     2727        ENDDO
     2728       
     2729        IF ( zenith(0) > 0 )  THEN
     2730!--         now we will "squash" the sunorig vector by grid box size in
     2731!--         each dimension, so that this new direction vector will allow us
     2732!--         to traverse the ray path within grid coordinates directly
     2733            sunorig_grid = (/ sunorig(3)/dz, sunorig(2)/dy, sunorig(1)/dx /)
     2734!--         sunorig_grid = sunorig_grid / norm2(sunorig_grid)
     2735            sunorig_grid = sunorig_grid / SQRT(SUM(sunorig_grid**2))
     2736
     2737            IF ( plant_canopy )  THEN
     2738!--            precompute effective box depth with prototype Leaf Area Density
     2739               pc_box_dimshift = maxloc(sunorig, 1) - 1
     2740               CALL usm_box_absorb(cshift((/dx,dy,dz/), pc_box_dimshift),      &
     2741                                   60, prototype_lad,                          &
     2742                                   cshift(sunorig, pc_box_dimshift),           &
     2743                                   pc_box_area, pc_abs_frac)
     2744               pc_box_area = pc_box_area * sunorig(pc_box_dimshift+1) / sunorig(3)
     2745               pc_abs_eff = log(1._wp - pc_abs_frac) / prototype_lad
     2746            ENDIF
     2747        ENDIF
     2748       
     2749!--     split diffusion and direct part of the solar downward radiation
     2750!--     comming from radiation model and store it in 2D arrays
     2751!--     rad_sw_in_diff, rad_sw_in_dir and rad_lw_in_diff
     2752        IF ( split_diffusion_radiation )  THEN
     2753            CALL usm_calc_diffusion_radiation
     2754        ELSE
     2755            rad_sw_in_diff = 0.0_wp
     2756            rad_sw_in_dir(:,:)  = rad_sw_in(0,:,:)
     2757            rad_lw_in_diff(:,:) = rad_lw_in(0,:,:)
     2758        ENDIF
     2759
     2760!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
     2761!--     First pass: direct + diffuse irradiance
     2762!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
     2763        surfinswdir   = 0._wp
     2764        surfinswdif   = 0._wp
     2765        surfinlwdif   = 0._wp
     2766        surfins   = 0._wp
     2767        surfinl   = 0._wp
     2768        surfoutsl    = 0._wp
     2769        surfoutll    = 0._wp
     2770       
     2771!--     Set up thermal radiation from surfaces
     2772!--     emiss_surf is defined only for surfaces for which energy balance is calculated
     2773        surfoutll(startenergy:endenergy) = emiss_surf(startenergy:endenergy) * sigma_sb   &
     2774                                           * t_surf(startenergy:endenergy)**4
     2775       
     2776#if defined( __parallel )
     2777!--     might be optimized and gather only values relevant for current processor
     2778        CALL MPI_AllGatherv(surfoutll, nenergy, MPI_REAL, &
     2779                            surfoutl, nsurfs, surfstart, MPI_REAL, comm2d, ierr)
     2780#else
     2781        surfoutl(:) = surfoutll(:)
     2782#endif
     2783       
     2784        isurf1 = -1   !< previous processed surface
     2785        DO isvf = 1, nsvfl
     2786            isurf = svfsurf(1, isvf)
     2787            k = surfl(iz, isurf)
     2788            j = surfl(iy, isurf)
     2789            i = surfl(ix, isurf)
     2790            isurfsrc = svfsurf(2, isvf)
     2791            IF ( zenith(0) > 0  .AND.  isurf /= isurf1 )  THEN
     2792!--             locate the virtual surface where the direct solar ray crosses domain boundary
     2793!--             (once per target surface)
     2794                d = surfl(id, isurf)
     2795                rz = REAL(k, wp) - 0.5_wp * kdir(d)
     2796                ry = REAL(j, wp) - 0.5_wp * jdir(d)
     2797                rx = REAL(i, wp) - 0.5_wp * idir(d)
     2798               
     2799                CALL usm_find_boundary_face( (/ rz, ry, rx /), sunorig_grid, bdycross)
     2800               
     2801                isurf1 = isurf
     2802            ENDIF
     2803
     2804            IF ( surf(id, isurfsrc) >= isky )  THEN
     2805!--             diffuse rad from boundary surfaces. Since it is a simply
     2806!--             calculated value, it is not assigned to surfref(s/l),
     2807!--             instead it is used directly here
     2808!--             we consider the radiation from the radiation model falling on surface
     2809!--             as the radiation falling on the top of urban layer into the place of the source surface
     2810!--             we consider it as a very reasonable simplification which allow as avoid
     2811!--             necessity of other global range arrays and some all to all mpi communication
     2812                surfinswdif(isurf) = surfinswdif(isurf) + rad_sw_in_diff(j,i) * svf(1,isvf) * svf(2,isvf)
     2813                                                                !< canopy shading is applied only to shortwave
     2814                surfinlwdif(isurf) = surfinlwdif(isurf) + rad_lw_in_diff(j,i) * svf(1,isvf)
     2815            ELSE
     2816!--             for surface-to-surface factors we calculate thermal radiation in 1st pass
     2817                surfinl(isurf) = surfinl(isurf) + svf(1,isvf) * surfoutl(isurfsrc)
     2818            ENDIF
     2819           
     2820            IF ( zenith(0) > 0  .AND.  all( surf(:, isurfsrc) == bdycross ) )  THEN
     2821!--             found svf between model boundary and the face => face isn't shaded
     2822                surfinswdir(isurf) = rad_sw_in_dir(j, i) &
     2823                    * costheta(surfl(id, isurf)) * svf(2,isvf) / zenith(0)
     2824
     2825            ENDIF
     2826        ENDDO
     2827
     2828        IF ( plant_canopy )  THEN
     2829       
     2830            pcbinsw(:) = 0._wp
     2831            pcbinlw(:) = 0._wp  !< will stay always 0 since we don't absorb lw anymore
     2832            !
     2833!--         pcsf first pass
     2834            isurf1 = -1  !< previous processed pcgb
     2835            DO isvf = nsvfl+1, nsvfcsfl
     2836                ipcgb = svfsurf(1, isvf)
     2837                i = pcbl(ix,ipcgb)
     2838                j = pcbl(iy,ipcgb)
     2839                k = pcbl(iz,ipcgb)
     2840                isurfsrc = svfsurf(2, isvf)
     2841
     2842                IF ( zenith(0) > 0  .AND.  ipcgb /= isurf1 )  THEN
     2843!--                 locate the virtual surface where the direct solar ray crosses domain boundary
     2844!--                 (once per target PC gridbox)
     2845                    rz = REAL(k, wp)
     2846                    ry = REAL(j, wp)
     2847                    rx = REAL(i, wp)
     2848                    CALL usm_find_boundary_face( (/ rz, ry, rx /), &
     2849                        sunorig_grid, bdycross)
     2850
     2851                    isurf1 = ipcgb
     2852                ENDIF
     2853
     2854                IF ( surf(id, isurfsrc) >= isky )  THEN
     2855!--                 Diffuse rad from boundary surfaces. See comments for svf above.
     2856                    pcbinsw(ipcgb) = pcbinsw(ipcgb) + svf(1,isvf) * svf(2,isvf) * rad_sw_in_diff(j,i)
     2857!--                 canopy shading is applied only to shortwave, therefore no absorbtion for lw
     2858!--                 pcbinlw(ipcgb) = pcbinlw(ipcgb) + svf(1,isvf) * rad_lw_in_diff(j,i)
     2859                !ELSE
     2860!--                 Thermal radiation in 1st pass
     2861!--                 pcbinlw(ipcgb) = pcbinlw(ipcgb) + svf(1,isvf) * surfoutl(isurfsrc)
     2862                ENDIF
     2863
     2864                IF ( zenith(0) > 0  .AND.  all( surf(:, isurfsrc) == bdycross ) )  THEN
     2865!--                 found svf between model boundary and the pcgb => pcgb isn't shaded
     2866                    pc_abs_frac = 1._wp - exp(pc_abs_eff * lad_s(k,j,i))
     2867                    pcbinsw(ipcgb) = pcbinsw(ipcgb) &
     2868                        + rad_sw_in_dir(j, i) * pc_box_area * svf(2,isvf) * pc_abs_frac
     2869                ENDIF
     2870            ENDDO
     2871        ENDIF
     2872        surfins(startenergy:endenergy) = surfinswdir(startenergy:endenergy) + surfinswdif(startenergy:endenergy)
     2873        surfinl(startenergy:endenergy) = surfinl(startenergy:endenergy) + surfinlwdif(startenergy:endenergy)
     2874        surfinsw(:) = surfins(:)
     2875        surfinlw(:) = surfinl(:)
     2876        surfoutsw(:) = 0.0_wp
     2877        surfoutlw(:) = surfoutll(:)
     2878        surfhf(startenergy:endenergy) = surfinsw(startenergy:endenergy) + surfinlw(startenergy:endenergy) &
     2879                                      - surfoutsw(startenergy:endenergy) - surfoutlw(startenergy:endenergy)
     2880       
     2881!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
     2882!--     Next passes - reflections
     2883!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
     2884        DO refstep = 1, nrefsteps
     2885       
     2886            surfoutsl(startenergy:endenergy) = albedo_surf(startenergy:endenergy) * surfins(startenergy:endenergy)
     2887!--         for non-transparent surfaces, longwave albedo is 1 - emissivity
     2888            surfoutll(startenergy:endenergy) = (1._wp - emiss_surf(startenergy:endenergy)) * surfinl(startenergy:endenergy)
     2889
     2890#if defined( __parallel )
     2891            CALL MPI_AllGatherv(surfoutsl, nsurfl, MPI_REAL, &
     2892                surfouts, nsurfs, surfstart, MPI_REAL, comm2d, ierr)
     2893            CALL MPI_AllGatherv(surfoutll, nsurfl, MPI_REAL, &
     2894                surfoutl, nsurfs, surfstart, MPI_REAL, comm2d, ierr)
     2895#else
     2896            surfouts(:) = surfoutsl(:)
     2897            surfoutl(:) = surfoutll(:)
     2898#endif
     2899
     2900!--         reset for next pass input
     2901            surfins(:) = 0._wp
     2902            surfinl(:) = 0._wp
     2903           
     2904!--         reflected radiation
     2905            DO isvf = 1, nsvfl
     2906                isurf = svfsurf(1, isvf)
     2907                isurfsrc = svfsurf(2, isvf)
     2908
     2909!--             TODO: to remove if, use start+end for isvf
     2910                IF ( surf(id, isurfsrc) < isky )  THEN
     2911                    surfins(isurf) = surfins(isurf) + svf(1,isvf) * svf(2,isvf) * surfouts(isurfsrc)
     2912                    surfinl(isurf) = surfinl(isurf) + svf(1,isvf) * surfoutl(isurfsrc)
     2913                ENDIF
     2914            ENDDO
     2915
     2916!--         radiation absorbed by plant canopy
     2917            DO isvf = nsvfl+1, nsvfcsfl
     2918                ipcgb = svfsurf(1, isvf)
     2919                isurfsrc = svfsurf(2, isvf)
     2920
     2921                IF ( surf(id, isurfsrc) < isky )  THEN
     2922                    pcbinsw(ipcgb) = pcbinsw(ipcgb) + svf(1,isvf) * svf(2,isvf) * surfouts(isurfsrc)
     2923!--                 pcbinlw(ipcgb) = pcbinlw(ipcgb) + svf(1,isvf) * surfoutl(isurfsrc)
     2924                ENDIF
     2925            ENDDO
     2926           
     2927            surfinsw(:) = surfinsw(:)  + surfins(:)
     2928            surfinlw(:) = surfinlw(:)  + surfinl(:)
     2929            surfoutsw(startenergy:endenergy) = surfoutsw(startenergy:endenergy) + surfoutsl(startenergy:endenergy)
     2930            surfoutlw(startenergy:endenergy) = surfoutlw(startenergy:endenergy) + surfoutll(startenergy:endenergy)
     2931            surfhf(startenergy:endenergy) = surfinsw(startenergy:endenergy) + surfinlw(startenergy:endenergy) &
     2932                                          - surfoutsw(startenergy:endenergy) - surfoutlw(startenergy:endenergy)
     2933       
     2934        ENDDO
     2935
     2936!--     push heat flux absorbed by plant canopy to respective 3D arrays
     2937        IF ( plant_canopy )  THEN
     2938            pc_heating_rate(:,:,:) = 0._wp
     2939            DO ipcgb = 1, npcbl
     2940                j = pcbl(iy, ipcgb)
     2941                i = pcbl(ix, ipcgb)
     2942                k = pcbl(iz, ipcgb)
     2943                kk = k - nzb_s_inner(j,i)  !- lad arrays are defined flat
     2944                pc_heating_rate(kk, j, i) = (pcbinsw(ipcgb) + pcbinlw(ipcgb)) &
     2945                    * pchf_prep(k) * pt(k, j, i) !-- = dT/dt
     2946            ENDDO
     2947        ENDIF
     2948
     2949!--     return surface radiation to horizontal surfaces
     2950!--     to rad_sw_in, rad_lw_in and rad_net for outputs
     2951        !!!!!!!!!!
     2952!--     we need the original radiation on urban top layer
     2953!--     for calculation of MRT so we can't do adjustment here for now
     2954        !!!!!!!!!!
     2955        !!!DO isurf = 1, nsurfl
     2956        !!!    i = surfl(ix,isurf)
     2957        !!!    j = surfl(iy,isurf)
     2958        !!!    k = surfl(iz,isurf)
     2959        !!!    d = surfl(id,isurf)
     2960        !!!    IF ( d==iroof )  THEN
     2961        !!!        rad_sw_in(:,j,i) = surfinsw(isurf)
     2962        !!!        rad_lw_in(:,j,i) = surfinlw(isurf)
     2963        !!!        rad_net(j,i) = rad_sw_in(k,j,i) - rad_sw_out(k,j,i) + rad_lw_in(k,j,i) - rad_lw_out(k,j,i)
     2964        !!!    ENDIF
     2965        !!!ENDDO
     2966
     2967    END SUBROUTINE usm_radiation
     2968
    15762969   
    15772970!------------------------------------------------------------------------------!
     
    16263019        REAL(wp), PARAMETER                    :: grow_factor = 1.5_wp
    16273020
    1628         !-- Maximum number of gridboxes visited equals to maximum number of boundaries crossed in each dimension plus one. That's also
    1629         !-- the maximum number of plant canopy boxes written. We grow the acsf array accordingly using exponential factor.
     3021!--    Maximum number of gridboxes visited equals to maximum number of boundaries crossed in each dimension plus one. That's also
     3022!--    the maximum number of plant canopy boxes written. We grow the acsf array accordingly using exponential factor.
    16303023        maxboxes = SUM(ABS(NINT(targ) - NINT(src))) + 1
    1631         !IF ( debug_prints ) THEN
    1632         !    WRITE(9, *) 'Raytracing from ', src, ' to ', targ, ' with max ', maxboxes, ' boxes, ncsfl = ', ncsfl, ', ncsfla = ', ncsfla
    1633         !    FLUSH(9)
    1634         !ENDIF
    16353024        IF ( plant_canopy  .AND.  ncsfl + maxboxes > ncsfla )  THEN
    1636             !-- use this code for growing by fixed exponential increments (equivalent to case where ncsfl always increases by 1)
    1637             !-- k = CEILING(grow_factor ** real(CEILING(log(real(ncsfl + maxboxes, kind=wp)) &
    1638             !--                                        / log(grow_factor)), kind=wp))
    1639             !-- or use this code to simply always keep some extra space after growing
     3025!--        use this code for growing by fixed exponential increments (equivalent to case where ncsfl always increases by 1)
     3026!--        k = CEILING(grow_factor ** real(CEILING(log(real(ncsfl + maxboxes, kind=wp)) &
     3027!--                                                / log(grow_factor)), kind=wp))
     3028!--        or use this code to simply always keep some extra space after growing
    16403029            k = CEILING(REAL(ncsfl + maxboxes, kind=wp) * grow_factor)
    16413030
    1642             CALL merge_and_grow_csf(k)
     3031            CALL usm_merge_and_grow_csf(k)
    16433032        ENDIF
    16443033       
     
    16483037        delta(:) = targ(:) - src(:)
    16493038        distance = SQRT(SUM(delta(:)**2))
    1650         IF (distance == 0._wp) THEN
     3039        IF ( distance == 0._wp ) THEN
    16513040            visible = .TRUE.
    16523041            RETURN
     
    16573046        lastdist = 0._wp
    16583047
    1659         !-- Since all face coordinates have values *.5 and we'd like to use
    1660         !-- integers, all these have .5 added
     3048!--    Since all face coordinates have values *.5 and we'd like to use
     3049!--    integers, all these have .5 added
    16613050        DO d = 1, 3
    1662             IF ( uvect(d) == 0._wp ) THEN
     3051            IF ( uvect(d) == 0._wp )  THEN
    16633052                dimnext(d) = 999999999
    16643053                dimdelta(d) = 999999999
    16653054                dimnextdist(d) = 1.0E20_wp
    1666             ELSE IF ( uvect(d) > 0._wp ) THEN
     3055            ELSE IF ( uvect(d) > 0._wp )  THEN
    16673056                dimnext(d) = CEILING(src(d) + .5_wp)
    16683057                dimdelta(d) = 1
     
    16753064        ENDDO
    16763065
    1677 !       dimnextdist(:) = (dimnext(:) - .5_wp - src(:)) / uvect(:)
    1678                         ! will assign Infinity to those dimensions that have
    1679                         ! uvect==0, which is supported by minloc
    1680                         !kanani: with ifort compiler option -fpe0 we get error "division by zero"; there must be a compiler-independent way to handle the setting of dimnextdist to infinity in case of uvect==0. --> This is accounted for in the above DO loop
    1681 
    16823066        DO
    1683             !-- along what dimension will the next wall crossing be?
     3067!--        along what dimension will the next wall crossing be?
    16843068            seldim = minloc(dimnextdist, 1)
    16853069            nextdist = dimnextdist(seldim)
     
    16873071
    16883072            crlen = nextdist - lastdist
    1689             IF (crlen > .001_wp) THEN
     3073            IF ( crlen > .001_wp ) THEN
    16903074                crmid = (lastdist + nextdist) * .5_wp
    16913075                box = NINT(src(:) + uvect(:) * crmid)
    16923076
    1693                 !-- calculate index of the grid with global indices (box(2),box(3))
    1694                 !-- in the array nzterr and plantt and id of the coresponding processor
     3077!--            calculate index of the grid with global indices (box(2),box(3))
     3078!--            in the array nzterr and plantt and id of the coresponding processor
    16953079                px = box(3)/nnx
    16963080                py = box(2)/nny
    16973081                ip = px*pdims(2)+py
    16983082                ig = ip*nnx*nny + (box(3)-px*nnx)*nny + box(2)-py*nny
    1699                 IF ( box(1) <= nzterr(ig) ) THEN
     3083                IF ( box(1) <= nzterr(ig) )  THEN
    17003084                    visible = .FALSE.
    1701                     IF ( ncsb > 0 ) THEN
    1702                         !-- rewind written plant canopy sink factors - they are invalid
     3085                    IF ( ncsb > 0 )  THEN
     3086!--                    rewind written plant canopy sink factors - they are invalid
    17033087                        ncsfl = ncsfl - ncsb
    17043088                    ENDIF
     
    17063090                ENDIF
    17073091
    1708                 IF (plant_canopy) THEN
    1709                     IF ( box(1) <= plantt(ig) ) THEN
     3092                IF ( plant_canopy ) THEN
     3093                    IF ( box(1) <= plantt(ig) )  THEN
    17103094#if defined( __parallel )
    17113095                        lad_disp = (box(3)-px*nnx)*(nny*nzu) + (box(2)-py*nny)*nzu + box(1)-nzub
    17123096                        IF ( usm_lad_rma )  THEN
    1713                             !-- Read LAD using MPI RMA
     3097!--                        Read LAD using MPI RMA
    17143098                            CALL cpu_log( log_point_s(77), 'usm_init_rma', 'start' )
    17153099                            CALL MPI_Get(lad_s_target, 1, MPI_REAL, ip, lad_disp, 1, MPI_REAL, &
    17163100                                win_lad, ierr)
    1717                             IF ( ierr /= 0 ) THEN
     3101                            IF ( ierr /= 0 )  THEN
    17183102                                WRITE(message_string, *) 'MPI error ', ierr, ' at MPI_Get'
    17193103                                CALL message( 'usm_raytrace', 'PA0519', 1, 2, 0, 6, 0 )
     
    17213105                           
    17223106                            CALL MPI_Win_flush_local(ip, win_lad, ierr)
    1723                             IF ( ierr /= 0 ) THEN
     3107                            IF ( ierr /= 0 )  THEN
    17243108                                WRITE(message_string, *) 'MPI error ', ierr, ' at MPI_Win_flush_local'
    17253109                                CALL message( 'usm_raytrace', 'PA0519', 1, 2, 0, 6, 0 )
     
    17353119                            * crlen*realdist)
    17363120
    1737                         IF ( create_csf ) THEN
    1738                             !-- write svf values into the array
     3121                        IF ( create_csf )  THEN
     3122!--                        write svf values into the array
    17393123                            ncsb = ncsb + 1
    17403124                            ncsfl = ncsfl + 1
     
    17443128                            acsf(ncsfl)%itz = box(1)
    17453129                            acsf(ncsfl)%isurfs = isrc
    1746                             acsf(ncsfl)%rsvf = REAL(cursink*rirrf*atarg, wp)!we postpone multiplication by transparency
     3130                            acsf(ncsfl)%rsvf = REAL(cursink*rirrf*atarg, wp) !-- we postpone multiplication by transparency
    17473131                            acsf(ncsfl)%rtransp = REAL(transparency, wp)
    17483132                        ENDIF  !< create_csf
     
    17633147    END SUBROUTINE usm_raytrace
    17643148   
    1765 
    1766 
    1767 !------------------------------------------------------------------------------!
    1768 !> Calculates radiation absorbed by box with given size and LAD.
    1769 !>
    1770 !> Simulates resol**2 rays (by equally spacing a bounding horizontal square
    1771 !> conatining all possible rays that would cross the box) and calculates
    1772 !> average transparency per ray. Returns fraction of absorbed radiation flux
    1773 !> and area for which this fraction is effective.
    1774 !------------------------------------------------------------------------------!
    1775     PURE SUBROUTINE usm_box_absorb(boxsize, resol, dens, uvec, area, absorb)
    1776         IMPLICIT NONE
    1777 
    1778         REAL(wp), DIMENSION(3), INTENT(in) :: &
    1779             boxsize, &      !< z, y, x size of box in m
    1780             uvec            !< z, y, x unit vector of incoming flux
    1781         INTEGER(iwp), INTENT(in) :: &
    1782             resol           !< No. of rays in x and y dimensions
    1783         REAL(wp), INTENT(in) :: &
    1784             dens            !< box density (e.g. Leaf Area Density)
    1785         REAL(wp), INTENT(out) :: &
    1786             area, &         !< horizontal area for flux absorbtion
    1787             absorb          !< fraction of absorbed flux
    1788         REAL(wp) :: &
    1789             xshift, yshift, &
    1790             xmin, xmax, ymin, ymax, &
    1791             xorig, yorig, &
    1792             dx1, dy1, dz1, dx2, dy2, dz2, &
    1793             crdist, &
    1794             transp
    1795         INTEGER(iwp) :: &
    1796             i, j
    1797 
    1798         xshift = uvec(3) / uvec(1) * boxsize(1)
    1799         xmin = min(0._wp, -xshift)
    1800         xmax = boxsize(3) + max(0._wp, -xshift)
    1801         yshift = uvec(2) / uvec(1) * boxsize(1)
    1802         ymin = min(0._wp, -yshift)
    1803         ymax = boxsize(2) + max(0._wp, -yshift)
    1804 
    1805         transp = 0._wp
    1806         DO i = 1, resol
    1807             xorig = xmin + (xmax-xmin) * (i-.5_wp) / resol
    1808             DO j = 1, resol
    1809                 yorig = ymin + (ymax-ymin) * (j-.5_wp) / resol
    1810 
    1811                 dz1 = 0._wp
    1812                 dz2 = boxsize(1)/uvec(1)
    1813 
    1814                 IF ( uvec(2) > 0._wp ) THEN
    1815                     dy1 = -yorig             / uvec(2) !< crossing with y=0
    1816                     dy2 = (boxsize(2)-yorig) / uvec(2) !< crossing with y=boxsize(2)
    1817                 ELSE IF (uvec(2) < 0._wp ) THEN
    1818                     dy1 = (boxsize(2)-yorig) / uvec(2) !< crossing with y=boxsize(2)
    1819                     dy2 = -yorig             / uvec(2) !< crossing with y=0
    1820                 ELSE !uvec(2)==0
    1821                     dy1 = -huge(1._wp)
    1822                     dy2 = huge(1._wp)
    1823                 ENDIF
    1824 
    1825                 IF ( uvec(3) > 0._wp ) THEN
    1826                     dx1 = -xorig             / uvec(3) !< crossing with x=0
    1827                     dx2 = (boxsize(3)-xorig) / uvec(3) !< crossing with x=boxsize(3)
    1828                 ELSE IF (uvec(3) < 0._wp ) THEN
    1829                     dx1 = (boxsize(3)-xorig) / uvec(3) !< crossing with x=boxsize(3)
    1830                     dx2 = -xorig             / uvec(3) !< crossing with x=0
    1831                 ELSE !uvec(1)==0
    1832                     dx1 = -huge(1._wp)
    1833                     dx2 = huge(1._wp)
    1834                 ENDIF
    1835 
    1836                 crdist = max(0._wp, (min(dz2, dy2, dx2) - max(dz1, dy1, dx1)))
    1837                 transp = transp + exp(-ext_coef * dens * crdist)
    1838             ENDDO
    1839         ENDDO
    1840         transp = transp / resol**2
    1841         area = (boxsize(3)+xshift)*(boxsize(2)+yshift)
    1842         absorb = 1._wp - transp
    1843        
    1844     END SUBROUTINE usm_box_absorb
    1845 
    1846    
    1847 !------------------------------------------------------------------------------!
    1848 !> Finds first model boundary crossed by a ray
    1849 !------------------------------------------------------------------------------!
    1850     PURE SUBROUTINE usm_find_boundary_face(origin, uvect, bdycross)
    1851         IMPLICIT NONE
    1852         REAL(wp), DIMENSION(3), INTENT(in)      :: origin    !< ray origin
    1853         REAL(wp), DIMENSION(3), INTENT(in)      :: uvect     !< ray unit vector
    1854         INTEGER(iwp), DIMENSION(4), INTENT(out) :: bdycross  !< found boundary crossing (d, z, y, x)
    1855         REAL(wp), DIMENSION(3)                  :: crossdist !< crossing distance
    1856         INTEGER(iwp), DIMENSION(3)              :: bdyd      !< boundary direction
    1857         REAL(wp)                                :: bdydim    !<
    1858         REAL(wp)                                :: dist      !<
    1859         INTEGER(iwp)                            :: seldim    !< found fist crossing index
    1860         INTEGER(iwp)                            :: d         !<
    1861 
    1862         bdydim = nzut + .5_wp !< top boundary
    1863         bdyd(1) = isky
    1864         crossdist(1) = (bdydim - origin(1)) / uvect(1)
    1865 
    1866         IF ( uvect(2) >= 0._wp ) THEN
    1867             bdydim = ny + .5_wp !< north global boundary
    1868             bdyd(2) = inorthb
    1869         ELSE
    1870             bdydim = -.5_wp !< south global boundary
    1871             bdyd(2) = isouthb
    1872         ENDIF
    1873         crossdist(2) = (bdydim - origin(2)) / uvect(2)
    1874 
    1875         IF ( uvect(3) >= 0._wp ) THEN
    1876             bdydim = nx + .5_wp !< east global boundary
    1877             bdyd(3) = ieastb
    1878         ELSE
    1879             bdydim = -.5_wp !< west global boundary
    1880             bdyd(3) = iwestb
    1881         ENDIF
    1882         crossdist(3) = (bdydim - origin(3)) / uvect(3)
    1883 
    1884         seldim = minloc(crossdist, 1)
    1885         dist = crossdist(seldim)
    1886         d = bdyd(seldim)
    1887 
    1888         bdycross(1) = d
    1889         bdycross(2:4) = NINT( origin(:) + uvect(:)*dist &
    1890                         + .5_wp * (/ kdir(d), jdir(d), idir(d) /) )
    1891     END SUBROUTINE
    1892 
    1893 
    1894 !------------------------------------------------------------------------------!
    1895 !> Determines whether two faces are oriented towards each other
    1896 !------------------------------------------------------------------------------!
    1897     PURE LOGICAL FUNCTION usm_facing(x, y, z, d, x2, y2, z2, d2)
    1898         IMPLICIT NONE
    1899         INTEGER(iwp),   INTENT(in)  :: x, y, z, d, x2, y2, z2, d2
    1900      
    1901         usm_facing = .FALSE.
    1902         IF ( d==iroof .AND. d2==iroof ) RETURN
    1903         IF ( d==isky .AND. d2==isky ) RETURN
    1904         IF ( (d==isouth .OR. d==inorthb) .AND. (d2==isouth.OR.d2==inorthb) ) RETURN
    1905         IF ( (d==inorth .OR. d==isouthb) .AND. (d2==inorth.OR.d2==isouthb) ) RETURN
    1906         IF ( (d==iwest .OR. d==ieastb) .AND. (d2==iwest.OR.d2==ieastb) ) RETURN
    1907         IF ( (d==ieast .OR. d==iwestb) .AND. (d2==ieast.OR.d2==iwestb) ) RETURN
    1908 
    1909         SELECT CASE (d)
    1910             CASE (iroof)                   !< ground, roof
    1911                 IF ( z2 < z ) RETURN
    1912             CASE (isky)                    !< sky
    1913                 IF ( z2 > z ) RETURN
    1914             CASE (isouth, inorthb)         !< south facing
    1915                 IF ( y2 > y ) RETURN
    1916             CASE (inorth, isouthb)         !< north facing
    1917                 IF ( y2 < y ) RETURN
    1918             CASE (iwest, ieastb)           !< west facing
    1919                 IF ( x2 > x ) RETURN
    1920             CASE (ieast, iwestb)           !< east facing
    1921                 IF ( x2 < x ) RETURN
    1922         END SELECT
    1923 
    1924         SELECT CASE (d2)
    1925             CASE (iroof)                   !< ground, roof
    1926                 IF ( z < z2 ) RETURN
    1927             CASE (isky)                    !< sky
    1928                 IF ( z > z2 ) RETURN
    1929             CASE (isouth, inorthb)         !< south facing
    1930                 IF ( y > y2 ) RETURN
    1931             CASE (inorth, isouthb)         !< north facing
    1932                 IF ( y < y2 ) RETURN
    1933             CASE (iwest, ieastb)           !< west facing
    1934                 IF ( x > x2 ) RETURN
    1935             CASE (ieast, iwestb)           !< east facing
    1936                 IF ( x < x2 ) RETURN
    1937             CASE (-1)
    1938                 CONTINUE
    1939         END SELECT
    1940 
    1941         usm_facing = .TRUE.
    1942        
    1943     END FUNCTION usm_facing
    1944    
    1945 
    1946 !------------------------------------------------------------------------------!
    1947 ! Description:
    1948 ! ------------
    1949 !> This subroutine calculates interaction of the solar radiation
    1950 !> with urban surface and updates surface, roofs and walls heatfluxes.
    1951 !> It also updates rad_sw_out and rad_lw_out.
    1952 !------------------------------------------------------------------------------!
    1953     SUBROUTINE usm_radiation
    1954    
    1955         IMPLICIT NONE
    1956        
    1957         INTEGER(iwp)               :: i, j, k, kk, is, js, d, ku, refstep
    1958         INTEGER(iwp)               :: nzubl, nzutl, isurf, isurfsrc, isurf1, isvf, ipcgb
    1959         INTEGER(iwp), DIMENSION(4) :: bdycross
    1960         REAL(wp), DIMENSION(3,3)   :: mrot            !< grid rotation matrix (xyz)
    1961         REAL(wp), DIMENSION(3,0:9) :: vnorm           !< face direction normal vectors (xyz)
    1962         REAL(wp), DIMENSION(3)     :: sunorig         !< grid rotated solar direction unit vector (xyz)
    1963         REAL(wp), DIMENSION(3)     :: sunorig_grid    !< grid squashed solar direction unit vector (zyx)
    1964         REAL(wp), DIMENSION(0:9)   :: costheta        !< direct irradiance factor of solar angle
    1965         REAL(wp), DIMENSION(nzub:nzut) :: pchf_prep   !< precalculated factor for canopy temp tendency
    1966         REAL(wp), PARAMETER        :: alpha = 0._wp   !< grid rotation (TODO: add to namelist or remove)
    1967         REAL(wp)                   :: rx, ry, rz
    1968         REAL(wp)                   :: pc_box_area, pc_abs_frac, pc_abs_eff
    1969         INTEGER(iwp)               :: pc_box_dimshift !< transform for best accuracy
    1970        
    1971        
    1972         IF (plant_canopy) THEN
    1973             pchf_prep(:) = r_d * (hyp(nzub:nzut) / 100000.0_wp)**0.286_wp &
    1974                         / (cp * hyp(nzub:nzut) * dx*dy*dz) !< equals to 1 / (rho * c_p * Vbox * T)
    1975         ENDIF
    1976 
    1977         sun_direction = .TRUE.
    1978         CALL calc_zenith  !< required also for diffusion radiation
    1979 
    1980         !-- prepare rotated normal vectors and irradiance factor
    1981         vnorm(1,:) = idir(:)
    1982         vnorm(2,:) = jdir(:)
    1983         vnorm(3,:) = kdir(:)
    1984         mrot(1, :) = (/ cos(alpha), -sin(alpha), 0._wp /)
    1985         mrot(2, :) = (/ sin(alpha),  cos(alpha), 0._wp /)
    1986         mrot(3, :) = (/ 0._wp,       0._wp,      1._wp /)
    1987         sunorig = (/ sun_dir_lon, sun_dir_lat, zenith(0) /)
    1988         sunorig = matmul(mrot, sunorig)
    1989         DO d = 0, 9
    1990             costheta(d) = dot_product(sunorig, vnorm(:,d))
    1991         ENDDO
    1992        
    1993         IF (zenith(0) > 0) THEN
    1994             !-- now we will "squash" the sunorig vector by grid box size in
    1995             !-- each dimension, so that this new direction vector will allow us
    1996             !-- to traverse the ray path within grid coordinates directly
    1997             sunorig_grid = (/ sunorig(3)/dz, sunorig(2)/dy, sunorig(1)/dx /)
    1998             !-- sunorig_grid = sunorig_grid / norm2(sunorig_grid)
    1999             sunorig_grid = sunorig_grid / SQRT(SUM(sunorig_grid**2))
    2000 
    2001             IF ( plant_canopy )  THEN
    2002                !-- precompute effective box depth with prototype Leaf Area Density
    2003                pc_box_dimshift = maxloc(sunorig, 1) - 1
    2004                CALL usm_box_absorb(cshift((/dx,dy,dz/), pc_box_dimshift),      &
    2005                                    60, prototype_lad,                          &
    2006                                    cshift(sunorig, pc_box_dimshift),           &
    2007                                    pc_box_area, pc_abs_frac)
    2008                pc_box_area = pc_box_area * sunorig(pc_box_dimshift+1) / sunorig(3)
    2009                pc_abs_eff = log(1._wp - pc_abs_frac) / prototype_lad
    2010             ENDIF
    2011         ENDIF
    2012        
    2013         !-- split diffusion and direct part of the solar downward radiation
    2014         !-- comming from radiation model and store it in 2D arrays
    2015         !-- rad_sw_in_diff, rad_sw_in_dir and rad_lw_in_diff
    2016         IF (split_diffusion_radiation) THEN
    2017             CALL usm_calc_diffusion_radiation
    2018         ELSE
    2019             rad_sw_in_diff = 0.0_wp
    2020             rad_sw_in_dir(:,:)  = rad_sw_in(0,:,:)
    2021             rad_lw_in_diff(:,:) = rad_lw_in(0,:,:)
    2022         ENDIF
    2023 
    2024         !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
    2025         !-- First pass: direct + diffuse irradiance
    2026         !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
    2027         surfinswdir   = 0._wp
    2028         surfinswdif   = 0._wp
    2029         surfinlwdif   = 0._wp
    2030         surfins   = 0._wp
    2031         surfinl   = 0._wp
    2032         surfoutsl    = 0._wp
    2033         surfoutll    = 0._wp
    2034        
    2035         !-- Set up thermal radiation from surfaces
    2036         !-- emiss_surf is defined only for surfaces for which energy balance is calculated
    2037         surfoutll(startenergy:endenergy) = emiss_surf(startenergy:endenergy) * sigma_sb   &
    2038                                            * t_surf(startenergy:endenergy)**4
    2039        
    2040 #if defined( __parallel )
    2041         !-- might be optimized and gather only values relevant for current processor
    2042         CALL MPI_AllGatherv(surfoutll, nenergy, MPI_REAL, &
    2043                             surfoutl, nsurfs, surfstart, MPI_REAL, comm2d, ierr)
    2044 #else
    2045         surfoutl(:) = surfoutll(:)
    2046 #endif
    2047        
    2048         isurf1 = -1   !< previous processed surface
    2049         DO isvf = 1, nsvfl
    2050             isurf = svfsurf(1, isvf)
    2051             k = surfl(iz, isurf)
    2052             j = surfl(iy, isurf)
    2053             i = surfl(ix, isurf)
    2054             isurfsrc = svfsurf(2, isvf)
    2055             IF ( zenith(0) > 0 .AND. isurf /= isurf1 ) THEN
    2056                 !-- locate the virtual surface where the direct solar ray crosses domain boundary
    2057                 !-- (once per target surface)
    2058                 d = surfl(id, isurf)
    2059                 rz = REAL(k, wp) - 0.5_wp * kdir(d)
    2060                 ry = REAL(j, wp) - 0.5_wp * jdir(d)
    2061                 rx = REAL(i, wp) - 0.5_wp * idir(d)
    2062                
    2063                 CALL usm_find_boundary_face( (/ rz, ry, rx /), sunorig_grid, bdycross)
    2064                
    2065                 isurf1 = isurf
    2066             ENDIF
    2067 
    2068             IF ( surf(id, isurfsrc) >= isky ) THEN
    2069                 !-- diffuse rad from boundary surfaces. Since it is a simply
    2070                 !-- calculated value, it is not assigned to surfref(s/l),
    2071                 !-- instead it is used directly here
    2072                 !-- we consider the radiation from the radiation model falling on surface
    2073                 !-- as the radiation falling on the top of urban layer into the place of the source surface
    2074                 !-- we consider it as a very reasonable simplification which allow as avoid
    2075                 !-- necessity of other global range arrays and some all to all mpi communication
    2076                 surfinswdif(isurf) = surfinswdif(isurf) + rad_sw_in_diff(j,i) * svf(1,isvf) * svf(2,isvf)
    2077                                                                 !< canopy shading is applied only to shortwave
    2078                 surfinlwdif(isurf) = surfinlwdif(isurf) + rad_lw_in_diff(j,i) * svf(1,isvf)
    2079             ELSE
    2080                 !-- for surface-to-surface factors we calculate thermal radiation in 1st pass
    2081                 surfinl(isurf) = surfinl(isurf) + svf(1,isvf) * surfoutl(isurfsrc)
    2082             ENDIF
    2083            
    2084             IF ( zenith(0) > 0 .AND. all( surf(:, isurfsrc) == bdycross ) ) THEN
    2085                 !-- found svf between model boundary and the face => face isn't shaded
    2086                 surfinswdir(isurf) = rad_sw_in_dir(j, i) &
    2087                     * costheta(surfl(id, isurf)) * svf(2,isvf) / zenith(0)
    2088 
    2089             ENDIF
    2090         ENDDO
    2091 
    2092         IF ( plant_canopy ) THEN
    2093        
    2094             pcbinsw(:) = 0._wp
    2095             pcbinlw(:) = 0._wp  !< will stay always 0 since we don't absorb lw anymore
    2096             !
    2097             !-- pcsf first pass
    2098             isurf1 = -1  !< previous processed pcgb
    2099             DO isvf = nsvfl+1, nsvfcsfl
    2100                 ipcgb = svfsurf(1, isvf)
    2101                 i = pcbl(ix,ipcgb)
    2102                 j = pcbl(iy,ipcgb)
    2103                 k = pcbl(iz,ipcgb)
    2104                 isurfsrc = svfsurf(2, isvf)
    2105 
    2106                 IF ( zenith(0) > 0 .AND. ipcgb /= isurf1 ) THEN
    2107                     !-- locate the virtual surface where the direct solar ray crosses domain boundary
    2108                     !-- (once per target PC gridbox)
    2109                     rz = REAL(k, wp)
    2110                     ry = REAL(j, wp)
    2111                     rx = REAL(i, wp)
    2112                     CALL usm_find_boundary_face( (/ rz, ry, rx /), &
    2113                         sunorig_grid, bdycross)
    2114 
    2115                     isurf1 = ipcgb
    2116                 ENDIF
    2117 
    2118                 IF ( surf(id, isurfsrc) >= isky ) THEN
    2119                     !-- Diffuse rad from boundary surfaces. See comments for svf above.
    2120                     pcbinsw(ipcgb) = pcbinsw(ipcgb) + svf(1,isvf) * svf(2,isvf) * rad_sw_in_diff(j,i)
    2121                     !-- canopy shading is applied only to shortwave, therefore no absorbtion for lw
    2122                     !-- pcbinlw(ipcgb) = pcbinlw(ipcgb) + svf(1,isvf) * rad_lw_in_diff(j,i)
    2123                 !ELSE
    2124                     !-- Thermal radiation in 1st pass
    2125                     !-- pcbinlw(ipcgb) = pcbinlw(ipcgb) + svf(1,isvf) * surfoutl(isurfsrc)
    2126                 ENDIF
    2127 
    2128                 IF ( zenith(0) > 0 .AND. all( surf(:, isurfsrc) == bdycross ) ) THEN
    2129                     !-- found svf between model boundary and the pcgb => pcgb isn't shaded
    2130                     pc_abs_frac = 1._wp - exp(pc_abs_eff * lad_s(k,j,i))
    2131                     pcbinsw(ipcgb) = pcbinsw(ipcgb) &
    2132                         + rad_sw_in_dir(j, i) * pc_box_area * svf(2,isvf) * pc_abs_frac
    2133                 ENDIF
    2134             ENDDO
    2135         ENDIF
    2136         surfins(startenergy:endenergy) = surfinswdir(startenergy:endenergy) + surfinswdif(startenergy:endenergy)
    2137         surfinl(startenergy:endenergy) = surfinl(startenergy:endenergy) + surfinlwdif(startenergy:endenergy)
    2138         surfinsw(:) = surfins(:)
    2139         surfinlw(:) = surfinl(:)
    2140         surfoutsw(:) = 0.0_wp
    2141         surfoutlw(:) = surfoutll(:)
    2142         surfhf(startenergy:endenergy) = surfinsw(startenergy:endenergy) + surfinlw(startenergy:endenergy) &
    2143                                       - surfoutsw(startenergy:endenergy) - surfoutlw(startenergy:endenergy)
    2144        
    2145         !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
    2146         !-- Next passes - reflections
    2147         !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
    2148         DO refstep = 1, nrefsteps
    2149        
    2150             surfoutsl(startenergy:endenergy) = albedo_surf(startenergy:endenergy) * surfins(startenergy:endenergy)
    2151             !-- for non-transparent surfaces, longwave albedo is 1 - emissivity
    2152             surfoutll(startenergy:endenergy) = (1._wp - emiss_surf(startenergy:endenergy)) * surfinl(startenergy:endenergy)
    2153 
    2154 #if defined( __parallel )
    2155             CALL MPI_AllGatherv(surfoutsl, nsurfl, MPI_REAL, &
    2156                 surfouts, nsurfs, surfstart, MPI_REAL, comm2d, ierr)
    2157             CALL MPI_AllGatherv(surfoutll, nsurfl, MPI_REAL, &
    2158                 surfoutl, nsurfs, surfstart, MPI_REAL, comm2d, ierr)
    2159 #else
    2160             surfouts(:) = surfoutsl(:)
    2161             surfoutl(:) = surfoutll(:)
    2162 #endif
    2163 
    2164             !-- reset for next pass input
    2165             surfins(:) = 0._wp
    2166             surfinl(:) = 0._wp
    2167            
    2168             !-- reflected radiation
    2169             DO isvf = 1, nsvfl
    2170                 isurf = svfsurf(1, isvf)
    2171                 isurfsrc = svfsurf(2, isvf)
    2172 
    2173                 !-- TODO: to remove if, use start+end for isvf
    2174                 IF ( surf(id, isurfsrc) < isky ) THEN
    2175                     surfins(isurf) = surfins(isurf) + svf(1,isvf) * svf(2,isvf) * surfouts(isurfsrc)
    2176                     surfinl(isurf) = surfinl(isurf) + svf(1,isvf) * surfoutl(isurfsrc)
    2177                 ENDIF
    2178             ENDDO
    2179 
    2180             !-- radiation absorbed by plant canopy
    2181             DO isvf = nsvfl+1, nsvfcsfl
    2182                 ipcgb = svfsurf(1, isvf)
    2183                 isurfsrc = svfsurf(2, isvf)
    2184 
    2185                 IF ( surf(id, isurfsrc) < isky ) THEN
    2186                     pcbinsw(ipcgb) = pcbinsw(ipcgb) + svf(1,isvf) * svf(2,isvf) * surfouts(isurfsrc)
    2187                     !-- pcbinlw(ipcgb) = pcbinlw(ipcgb) + svf(1,isvf) * surfoutl(isurfsrc)
    2188                 ENDIF
    2189             ENDDO
    2190            
    2191             surfinsw(:) = surfinsw(:)  + surfins(:)
    2192             surfinlw(:) = surfinlw(:)  + surfinl(:)
    2193             surfoutsw(startenergy:endenergy) = surfoutsw(startenergy:endenergy) + surfoutsl(startenergy:endenergy)
    2194             surfoutlw(startenergy:endenergy) = surfoutlw(startenergy:endenergy) + surfoutll(startenergy:endenergy)
    2195             surfhf(startenergy:endenergy) = surfinsw(startenergy:endenergy) + surfinlw(startenergy:endenergy) &
    2196                                           - surfoutsw(startenergy:endenergy) - surfoutlw(startenergy:endenergy)
    2197        
    2198         ENDDO
    2199 
    2200         !-- push heat flux absorbed by plant canopy to respective 3D arrays
    2201         IF (plant_canopy) THEN
    2202             canopy_heat_flux(:,:,:) = 0._wp
    2203             DO ipcgb = 1, npcbl
    2204                 j = pcbl(iy, ipcgb)
    2205                 i = pcbl(ix, ipcgb)
    2206                 k = pcbl(iz, ipcgb)
    2207                 kk = k - nzb_s_inner(j,i)  !- lad arrays are defined flat
    2208                 canopy_heat_flux(kk, j, i) = (pcbinsw(ipcgb) + pcbinlw(ipcgb)) &
    2209                     * pchf_prep(k) * pt(k, j, i) !-- = dT/dt
    2210             ENDDO
    2211         ENDIF
    2212 
    2213         !-- return surface radiation to horizontal surfaces
    2214         !-- to rad_sw_in, rad_lw_in and rad_net for outputs
    2215         !!!!!!!!!!
    2216         !-- we need the original radiation on urban top layer
    2217         !-- for calculation of MRT so we can't do adjustment here for now
    2218         !!!!!!!!!!
    2219         !!!DO isurf = 1, nsurfl
    2220         !!!    i = surfl(ix,isurf)
    2221         !!!    j = surfl(iy,isurf)
    2222         !!!    k = surfl(iz,isurf)
    2223         !!!    d = surfl(id,isurf)
    2224         !!!    IF ( d==iroof ) THEN
    2225         !!!        rad_sw_in(:,j,i) = surfinsw(isurf)
    2226         !!!        rad_lw_in(:,j,i) = surfinlw(isurf)
    2227         !!!        rad_net(j,i) = rad_sw_in(k,j,i) - rad_sw_out(k,j,i) + rad_lw_in(k,j,i) - rad_lw_out(k,j,i)
    2228         !!!    ENDIF
    2229         !!!ENDDO
    2230 
    2231     END SUBROUTINE usm_radiation
    2232 
    2233    
    2234    
    2235 !------------------------------------------------------------------------------!
    2236 ! Description:
    2237 ! ------------
    2238 !> This subroutine splits direct and diffusion dw radiation
    2239 !> It sould not be called in case the radiation model already does it
    2240 !> It follows <CITATION>
    2241 !------------------------------------------------------------------------------!
    2242     SUBROUTINE usm_calc_diffusion_radiation
    2243    
    2244         REAL(wp), PARAMETER                          ::  sol_const = 1367.0_wp   !< solar conbstant
    2245         REAL(wp), PARAMETER                          :: lowest_solarUp = 0.1_wp  !< limit the sun elevation to protect stability of the calculation
    2246         INTEGER(iwp)                                 :: i, j
    2247         REAL(wp), PARAMETER                          ::  year_seconds = 86400._wp * 365._wp
    2248         REAL(wp)                                     ::  year_angle              !< angle
    2249         REAL(wp)                                     ::  etr                     !< extraterestrial radiation
    2250         REAL(wp)                                     ::  corrected_solarUp       !< corrected solar up radiation
    2251         REAL(wp)                                     ::  horizontalETR           !< horizontal extraterestrial radiation
    2252         REAL(wp)                                     ::  clearnessIndex          !< clearness index
    2253         REAL(wp)                                     ::  diff_frac               !< diffusion fraction of the radiation
    2254 
    2255        
    2256         !
    2257         !-- Calculate current day and time based on the initial values and simulation time
    2258         year_angle = ((day_init*86400) + time_utc_init+time_since_reference_point) &
    2259                        / year_seconds * 2.0_wp * pi
    2260        
    2261         etr = sol_const * (1.00011_wp +                                            &
    2262                           0.034221_wp * cos(year_angle) +                          &
    2263                           0.001280_wp * sin(year_angle) +                          &
    2264                           0.000719_wp * cos(2.0_wp * year_angle) +                 &
    2265                           0.000077_wp * sin(2.0_wp * year_angle))
    2266        
    2267         !--
    2268         !-- Under a very low angle, we keep extraterestrial radiation at
    2269         !-- the last small value, therefore the clearness index will be pushed
    2270         !-- towards 0 while keeping full continuity.
    2271         !--
    2272         IF ( zenith(0) <= lowest_solarUp ) THEN
    2273             corrected_solarUp = lowest_solarUp
    2274         ELSE
    2275             corrected_solarUp = zenith(0)
    2276         ENDIF
    2277        
    2278         horizontalETR = etr * corrected_solarUp
    2279        
    2280         DO i = nxlg, nxrg
    2281             DO j = nysg, nyng
    2282                 clearnessIndex = rad_sw_in(0,j,i) / horizontalETR
    2283                 diff_frac = 1.0_wp / (1.0_wp + exp(-5.0033_wp + 8.6025_wp * clearnessIndex))
    2284                 rad_sw_in_diff(j,i) = rad_sw_in(0,j,i) * diff_frac
    2285                 rad_sw_in_dir(j,i)  = rad_sw_in(0,j,i) * (1.0_wp - diff_frac)
    2286                 rad_lw_in_diff(j,i) = rad_lw_in(0,j,i)
    2287             ENDDO
    2288         ENDDO
    2289        
    2290     END SUBROUTINE usm_calc_diffusion_radiation
    2291    
    2292 
    2293 !------------------------------------------------------------------------------!
    2294 ! Description:
    2295 ! ------------
    2296 !> Solver for the energy balance at the ground/roof/wall surface.
    2297 !> It follows basic ideas and structure of lsm_energy_balance
    2298 !> with many simplifications and adjustments.
    2299 !> TODO better description
    2300 !------------------------------------------------------------------------------!
    2301     SUBROUTINE usm_surface_energy_balance
    2302 
    2303         IMPLICIT NONE
    2304 
    2305         INTEGER(iwp)                          :: i, j, k, l, d      ! running indices
    2306        
    2307         REAL(wp)                              :: pt1                ! temperature at first grid box adjacent to surface
    2308         REAL(wp)                              :: u1,v1,w1           ! near wall u,v,w
    2309         REAL(wp)                              :: stend              ! surface tendency
    2310         REAL(wp)                              :: coef_1             ! first coeficient for prognostic equation
    2311         REAL(wp)                              :: coef_2             ! second  coeficient for prognostic equation
    2312         REAL(wp)                              :: rho_cp             ! rho_wall_surface * cp
    2313         REAL(wp)                              :: r_a                ! aerodynamic resistance for horizontal and vertical surfaces
    2314         REAL(wp)                              :: f_shf              ! factor for shf_eb
    2315         REAL(wp)                              :: lambda_surface     ! current value of lambda_surface (heat conductivity between air and wall)
    2316         REAL(wp)                              :: Ueff               ! effective wind speed for calculation of heat transfer coefficients
    2317         REAL(wp)                              :: httc               ! heat transfer coefficient
    2318         REAL(wp), DIMENSION(nzub:nzut)        :: exn                ! value of the Exner function in layers
    2319        
    2320         REAL(wp), DIMENSION(0:4)              :: dxdir              ! surface normal direction gridbox length
    2321         REAL(wp)                              :: dtime              ! simulated time of day (in UTC)
    2322         INTEGER(iwp)                          :: dhour              ! simulated hour of day (in UTC)
    2323         REAL(wp)                              :: acoef              ! actual coefficient of diurnal profile of anthropogenic heat
    2324 
    2325         dxdir = (/dz,dy,dy,dx,dx/)
    2326        
    2327         exn(:) = (hyp(nzub:nzut) / 100000.0_wp )**0.286_wp          !< Exner function
    2328            
    2329         !--
    2330         DO l = startenergy, endenergy
    2331             !--    Calculate frequently used parameters
    2332             d = surfl(id,l)
    2333             k = surfl(iz,l)
    2334             j = surfl(iy,l)
    2335             i = surfl(ix,l)
    2336 
    2337             !-- TODO - how to calculate lambda_surface for horizontal surfaces
    2338             !-- (lambda_surface is set according to stratification in land surface model)
    2339             IF ( ol(j,i) >= 0.0_wp )  THEN
    2340                 lambda_surface = lambda_surf(l)
    2341             ELSE
    2342                 lambda_surface = lambda_surf(l)
    2343             ENDIF
    2344            
    2345             pt1  = pt(k,j,i)
    2346 
    2347             ! calculate rho * cp coefficient at surface layer
    2348             rho_cp  = cp * hyp(k) / ( r_d * pt1 * exn(k) )
    2349 
    2350             ! calculate aerodyamic resistance.
    2351             IF ( d == iroof ) THEN
    2352                 !-- calculation for horizontal surfaces follows LSM formulation
    2353                 !-- pt, us, ts are not available for the prognostic time step,
    2354                 !-- data from the last time step is used here.
    2355                
    2356                 r_a = (pt1 - t_surf(l)/exn(k)) / (ts(j,i) * us(j,i) + 1.0E-10_wp)
    2357                
    2358                 !-- make sure that the resistance does not drop to zero
    2359                 IF ( ABS(r_a) < 1.0E-10_wp )  r_a = 1.0E-10_wp
    2360                
    2361                 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
    2362                 !-- the parameterization is developed originally for larger scales
    2363                 !-- (compare with remark in TUF-3D)
    2364                 !-- our first experiences show that the parameterization underestimates
    2365                 !-- r_a in meter resolution.
    2366                 !-- temporary solution - multiplication by magic constant :-(.
    2367                 r_a = r_a * ra_horiz_coef
    2368                
    2369                 !-- factor for shf_eb
    2370                 f_shf  = rho_cp / r_a
    2371                 IF ( debug_prints  .AND.  time_do3d < dt_3d )  THEN
    2372                     WRITE(9,'(f8.1,2i3,a,4i3,100000g20.5)') simulated_time,intermediate_timestep_count,myid,'wall_f_shf ', &
    2373                              i,j,k,d,f_shf, r_a,ra_horiz_coef,pt1,t_surf(l)/exn(k), ts(j,i), us(j,i)
    2374                     FLUSH(9)
    2375                 ENDIF
    2376             ELSE
    2377                
    2378                 !-- calculation of r_a for vertical surfaces
    2379                 !--
    2380                 !-- heat transfer coefficient for forced convection along vertical walls
    2381                 !-- follows formulation in TUF3d model (Krayenhoff & Voogt, 2006)
    2382                 !--
    2383                 !-- H = httc (Tsfc - Tair)
    2384                 !-- httc = rw * (11.8 + 4.2 * Ueff) - 4.0
    2385                 !--
    2386                 !--       rw: wall patch roughness relative to 1.0 for concrete
    2387                 !--       Ueff: effective wind speed
    2388                 !--       - 4.0 is a reduction of Rowley et al (1930) formulation based on
    2389                 !--       Cole and Sturrock (1977)
    2390                 !
    2391                 !--       Ucan: Canyon wind speed
    2392                 !--       wstar: convective velocity
    2393                 !--       Qs: surface heat flux
    2394                 !--       zH: height of the convective layer
    2395                 !--       wstar = (g/Tcan*Qs*zH)**(1./3.)
    2396                
    2397                 !-- staggered grid needs to be taken into consideration
    2398                 IF ( d == inorth ) THEN
    2399                     u1 = (u(k,j,i)+u(k,j,i+1))*0.5_wp
    2400                     v1 = v(k,j+1,i)
    2401                 ELSE IF ( d == isouth ) THEN
    2402                     u1 = (u(k,j,i)+u(k,j,i+1))*0.5_wp
    2403                     v1 = v(k,j,i)
    2404                 ELSE IF ( d == ieast ) THEN
    2405                     u1 = u(k,j,i+1)
    2406                     v1 = (v(k,j,i)+v(k,j+1,i))*0.5_wp
    2407                 ELSE IF ( d == iwest ) THEN
    2408                     u1 = u(k,j,i)
    2409                     v1 = (v(k,j,i)+v(k,j+1,i))*0.5_wp
    2410                 ELSE
    2411                     STOP
    2412                 ENDIF
    2413                 w1 = (w(k,j,i)+w(k-1,j,i))*0.5_wp
    2414                
    2415                 Ueff = SQRT(u1**2 + v1**2 + w1**2)
    2416 
    2417                 httc = roughness_wall(l) * (11.8 + 4.2 * Ueff) - 4.0
    2418 
    2419                 f_shf  = httc
    2420                 IF ( debug_prints  .AND.  time_do3d < dt_3d )  THEN
    2421                     WRITE(9,'(f8.1,2i3,a,4i3,100000g20.5)') simulated_time,intermediate_timestep_count,myid,'wall_f_shf ', &
    2422                          i,j,k,d,f_shf, Ueff, roughness_wall(l), pt1, t_surf(l)/exn(k)
    2423                     FLUSH(9)
    2424                 ENDIF
    2425             ENDIF
    2426        
    2427             !-- add LW up so that it can be removed in prognostic equation
    2428             rad_net_l(l) = surfinsw(l) - surfoutsw(l) + surfinlw(l) - surfoutlw(l)
    2429 
    2430             IF ( debug_prints  .AND.  time_do3d < dt_3d )  THEN
    2431                 WRITE(9,'(f8.1,2i3,a,4i3,100000f20.5)') simulated_time, intermediate_timestep_count, myid, 'wallrad ',           &
    2432                           i,j,k,d, rad_net_l(l), surfinsw(l), -surfoutsw(l), surfinlw(l), -surfoutlw(l), t_surf(l)
    2433                 FLUSH(9)
    2434             ENDIF
    2435             !-- numerator of the prognostic equation
    2436             coef_1 = rad_net_l(l) +    &    !!!! coef +1 corresponds to -lwout included in calculation of radnet_l
    2437                      (3.0_wp+1.0_wp) * emiss_surf(l) * sigma_sb * t_surf(l) ** 4 +      & 
    2438                      f_shf  * pt1 +                                                     &
    2439                      lambda_surface * t_wall(nzb_wall,l)
    2440 
    2441             IF ( debug_prints  .AND.  time_do3d < dt_3d )  THEN
    2442                 WRITE(9,'(f8.1,2i3,a,4i3,100000g20.5)') simulated_time,intermediate_timestep_count,myid,'wallcoef1 ', &
    2443                          i,j,k,d, coef_1,rad_net_l(l),emiss_surf(l),sigma_sb, t_surf(l), &
    2444                          f_shf, pt1, lambda_surface, t_wall(nzb_wall,l)
    2445                 FLUSH(9)
    2446             ENDIF
    2447            
    2448             !-- denominator of the prognostic equation
    2449             coef_2 = 4.0_wp * emiss_surf(l) * sigma_sb * t_surf(l) ** 3     &
    2450                          + lambda_surface + f_shf / exn(k)
    2451                                
    2452             IF ( debug_prints  .AND.  time_do3d < dt_3d )  THEN
    2453                 WRITE(9,'(f8.1,2i3,a,4i3,100000g20.5)') simulated_time,intermediate_timestep_count,myid,'wallcoef2 ',&
    2454                          i,j,k,d, coef_2, emiss_surf(l), sigma_sb, t_surf(l), lambda_surface, f_shf
    2455                 FLUSH(9)
    2456             ENDIF
    2457 
    2458             !-- implicit solution when the surface layer has no heat capacity,
    2459             !-- otherwise use RK3 scheme.
    2460             t_surf_p(l) = ( coef_1 * dt_3d * tsc(2) + c_surface(l) * t_surf(l) ) /           &
    2461                               ( c_surface(l) + coef_2 * dt_3d * tsc(2) )
    2462             IF ( debug_prints  .AND.  time_do3d < dt_3d )  THEN
    2463                 WRITE(9,'(f8.1,2i3,a,4i3,100000g20.5)') simulated_time,intermediate_timestep_count,myid,'walltsurf ', &
    2464                           i,j,k,d, t_surf_p(l), coef_1, dt_3d, tsc(2), c_surface(l), t_surf(l), coef_2, dt_3d
    2465                 FLUSH(9)
    2466             ENDIF
    2467 
    2468             !-- add RK3 term
    2469             t_surf_p(l) = t_surf_p(l) + dt_3d * tsc(3) * tt_surface_m(l)
    2470            
    2471             IF ( debug_prints  .AND.  time_do3d < dt_3d )  THEN
    2472                 WRITE(9,'(f8.1,2i3,a,4i3,100000f20.5)') simulated_time,intermediate_timestep_count,myid,'t_surf_p_wall3 ', &
    2473                         i,j,k,d,t_surf_p(l), dt_3d, tsc(3), tt_surface_m(l)
    2474                 FLUSH(9)
    2475             ENDIF
    2476        
    2477             !-- calculate true tendency
    2478             stend = (t_surf_p(l) - t_surf(l) - dt_3d * tsc(3) * tt_surface_m(l)) / (dt_3d  * tsc(2))
    2479 
    2480             IF ( debug_prints  .AND.  time_do3d < dt_3d )  THEN
    2481                 WRITE(9,'(f8.1,2i3,a,4i3,100000f20.5)') simulated_time,intermediate_timestep_count,myid,'t_surf_p_tend ', &
    2482                          i,j,k,d,stend,t_surf_p(l),t_surf(l), dt_3d, tsc(3), tt_surface_m(l), tsc(2)
    2483                 FLUSH(9)
    2484             ENDIF
    2485 
    2486             !-- calculate t_surf tendencies for the next Runge-Kutta step
    2487             IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
    2488                 IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  THEN
    2489                     tt_surface_m(l) = stend
    2490                 ELSEIF ( intermediate_timestep_count <                         &
    2491                          intermediate_timestep_count_max )  THEN
    2492                     tt_surface_m(l) = -9.5625_wp * stend + 5.3125_wp            &
    2493                                        * tt_surface_m(l)
    2494                 ENDIF
    2495             ENDIF
    2496 
    2497             !-- in case of fast changes in the skin temperature, it is required to
    2498             !-- update the radiative fluxes in order to keep the solution stable
    2499             IF ( ABS( t_surf_p(l) - t_surf(l) ) > 1.0_wp )  THEN
    2500                force_radiation_call_l = .TRUE.
    2501             ENDIF
    2502            
    2503             !-- for horizontal surfaces is pt(nzb_s_inner(j,i),j,i) = pt_surf.
    2504             !-- there is no equivalent surface gridpoint for vertical surfaces.
    2505             !-- pt(k,j,i) is calculated for all directions in diffusion_s
    2506             !-- using surface and wall heat fluxes
    2507             IF ( d == iroof ) THEN
    2508                pt(nzb_s_inner(j,i),j,i) = t_surf_p(l) / exn(k)
    2509             ENDIF
    2510 
    2511             !-- calculate fluxes
    2512             !-- rad_net_l is never used!!           
    2513             rad_net_l(l)     = rad_net_l(l) + 3.0_wp * sigma_sb                &
    2514                                 * t_surf(l)**4 - 4.0_wp * sigma_sb             &
    2515                                 * t_surf(l)**3 * t_surf_p(l)
    2516             wghf_eb(l)       = lambda_surface * (t_surf_p(l) - t_wall(nzb_wall,l))
    2517 
    2518             !-- ground/wall/roof surface heat flux
    2519             wshf_eb(l)  = - f_shf  * ( pt1 - t_surf_p(l) )
    2520            
    2521             !-- store kinematic surface heat fluxes for utilization in other processes
    2522             !-- diffusion_s, surface_layer_fluxes,...
    2523             IF ( d == iroof ) THEN
    2524                 !-- shf is used in diffusion_s and also
    2525                 !-- for calculation of surface layer fluxes
    2526                 !-- update for horizontal surfaces
    2527                 shf(j,i) = wshf_eb(l) / rho_cp
    2528             ELSE
    2529                 !-- surface heat flux for vertical surfaces
    2530                 !-- used in diffusion_s
    2531                 wshf(l) = wshf_eb(l) / rho_cp
    2532             ENDIF
    2533             IF ( debug_prints  .AND.  time_do3d < dt_3d )  THEN
    2534                 WRITE(9,'(f8.1,2i3,a,4i3,100000f20.5)') simulated_time,   &
    2535                           intermediate_timestep_count, myid, 'shf2 ',         &
    2536                           i,j,k,d, pt1, t_surf_p(l), stend, rho_cp, wshf_eb(l)/rho_cp, wshf_eb(l), &
    2537                           wghf_eb(l), lambda_surface, t_wall(nzb_wall,l)
    2538                 FLUSH(9)
    2539             ENDIF
    2540 
    2541         ENDDO
    2542        
    2543        
    2544         IF ( usm_anthropogenic_heat .AND. &
    2545              intermediate_timestep_count == intermediate_timestep_count_max ) THEN
    2546             !-- application of the additional anthropogenic heat sources
    2547             !-- we considere the traffic for now so all heat is absorbed
    2548             !-- to the first layer, generalization would be worth
    2549            
    2550             !-- calculation of actual profile coefficient
    2551             !-- ??? check time_since_reference_point ???
    2552             dtime = mod(simulated_time + time_utc_init, 24.0_wp*3600.0_wp)
    2553             dhour = INT(dtime/3600.0_wp)
    2554             !-- linear interpolation of coeficient
    2555             acoef = (REAL(dhour+1,wp)-dtime/3600.0_wp)*aheatprof(dhour) + (dtime/3600.0_wp-REAL(dhour,wp))*aheatprof(dhour+1)
    2556             DO i = nxl, nxr
    2557                 DO j = nys, nyn
    2558                     IF ( aheat(j,i) > 0.0_wp ) THEN
    2559                         !-- TODO the increase of pt in box i,j,nzb_s_inner(j,i)+1 in time dt_3d
    2560                         !-- given to anthropogenic heat aheat*acoef (W*m-2)
    2561                         !-- k = nzb_s_inner(j,i)+1
    2562                         !-- pt(k,j,i) = pt(k,j,i) + aheat(j,i)*acoef*dt_3d/(exn(k)*rho_cp*dz)
    2563                         !-- Instead of this, we can adjust shf in case AH only at surface
    2564                         shf(j,i) = shf(j,i) + aheat(j,i)*acoef * ddx * ddy / rho_cp
    2565                         IF ( debug_prints  .AND.  time_do3d < dt_3d )  THEN
    2566                             WRITE(9,'(f8.1,i3,a,3i3,100000f20.5)') simulated_time,  myid, 'ah1 ',     &
    2567                                       i,j,k,shf(j,i), aheat(j,i)*acoef*ddx*ddy/rho_cp, &
    2568                                       aheat(j,i),acoef, ddx,ddy,rho_cp
    2569                             FLUSH(9)
    2570                         ENDIF
    2571                     ENDIF
    2572                 ENDDO
    2573             ENDDO
    2574         ENDIF
    2575        
    2576         !-- pt and shf are defined on nxlg:nxrg,nysg:nyng
    2577         !-- get the borders from neighbours
    2578         CALL exchange_horiz( pt, nbgp )
    2579         CALL exchange_horiz_2d( shf )
    2580 
    2581 
    2582        !-- calculation of force_radiation_call:
    2583        !-- Make logical OR for all processes.
    2584        !-- Force radiation call if at least one processor forces it.
    2585        IF ( intermediate_timestep_count == intermediate_timestep_count_max-1 ) &
    2586        THEN
    2587 #if defined( __parallel )
    2588           IF ( collective_wait )  CALL mpi_barrier( comm2d, ierr )
    2589               CALL mpi_allreduce( force_radiation_call_l, force_radiation_call,    &
    2590                                   1, MPI_LOGICAL, MPI_LOR, comm2d, ierr )
    2591 #else
    2592           force_radiation_call = force_radiation_call_l
    2593 #endif
    2594           force_radiation_call_l = .FALSE.
    2595        ENDIF
    2596 
    2597 
    2598     END SUBROUTINE usm_surface_energy_balance
    2599 
    2600 
     3149 
    26013150!------------------------------------------------------------------------------!
    26023151! Description:
    26033152! ------------
    26043153!
    2605 !> Wall model as part of the urban surface model. The model predicts wall
    2606 !> temperature.
    2607 !------------------------------------------------------------------------------!
    2608     SUBROUTINE usm_material_heat_model
    2609 
    2610 
    2611         IMPLICIT NONE
    2612 
    2613         INTEGER(iwp) ::  i,j,k,l,kw                      !< running indices
    2614 
    2615         REAL(wp), DIMENSION(nzb_wall:nzt_wall) :: wtend  !< tendency
    2616 
    2617                                                
    2618         DO l = startenergy, endenergy
    2619             !-- calculate frequently used parameters
    2620             k = surfl(iz,l)
    2621             j = surfl(iy,l)
    2622             i = surfl(ix,l)
    2623 
    2624             !
    2625             !-- prognostic equation for ground/wall/roof temperature t_wall
    2626             wtend(:) = 0.0_wp
    2627             wtend(nzb_wall) = (1.0_wp/rho_c_wall(nzb_wall,l)) *                     &
    2628                        ( lambda_h(nzb_wall,l) * ( t_wall(nzb_wall+1,l)              &
    2629                          - t_wall(nzb_wall,l) ) * ddz_wall(nzb_wall+1,l)            &
    2630                          + wghf_eb(l) ) * ddz_wall_stag(nzb_wall,l)
    2631             IF ( debug_prints  .AND.  time_do3d < dt_3d )  THEN
    2632                 WRITE(9,'(f8.1,2i3,a,4i3,100000g12.5)') simulated_time,intermediate_timestep_count, &
    2633                                     myid,'wallmodel1b ',                            &
    2634                                     i,j,k,nzb_wall,wtend(nzb_wall),                 &
    2635                                     t_wall(nzb_wall+1,l), t_wall(nzb_wall,l),       &
    2636                                     wghf_eb(l),                                     &
    2637                                     dz_wall(nzb_wall,l), dz_wall_stag(nzb_wall,l),  &
    2638                                     lambda_h(nzb_wall,l)
    2639                 FLUSH(9)
     3154!> This subroutine is part of the urban surface model.
     3155!> It reads daily heat produced by anthropogenic sources
     3156!> and the diurnal cycle of the heat.
     3157!------------------------------------------------------------------------------!
     3158    SUBROUTINE usm_read_anthropogenic_heat
     3159   
     3160        INTEGER(iwp)                  :: i,j,ii
     3161        REAL(wp)                      :: heat
     3162       
     3163!--     allocation of array of sources of anthropogenic heat and their diural profile
     3164        ALLOCATE( aheat(nys:nyn,nxl:nxr) )
     3165        ALLOCATE( aheatprof(0:24) )
     3166
     3167!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
     3168!--     read daily amount of heat and its daily cycle
     3169!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
     3170        aheat = 0.0_wp
     3171        DO  ii = 0, io_blocks-1
     3172            IF ( ii == io_group )  THEN
     3173
     3174!--             open anthropogenic heat file
     3175                OPEN( 151, file='ANTHROPOGENIC_HEAT'//TRIM(coupling_char), action='read', &
     3176                           status='old', form='formatted', err=11 )
     3177                i = 0
     3178                j = 0
     3179                DO
     3180                    READ( 151, *, err=12, end=13 )  i, j, heat
     3181                    IF ( i >= nxl  .AND.  i <= nxr  .AND.  j >= nys  .AND.  j <= nyn )  THEN
     3182!--                     write heat into the array
     3183                        aheat(j,i) = heat
     3184                    ENDIF
     3185                    CYCLE
     3186 12                 WRITE(message_string,'(a,2i4)') 'error in file ANTHROPOGENIC_HEAT'//TRIM(coupling_char)//' after line ',i,j
     3187                    CALL message( 'usm_read_anthropogenic_heat', 'PA0515', 0, 1, 0, 6, 0 )
     3188                ENDDO
     3189 13             CLOSE(151)
     3190                CYCLE
     3191 11             message_string = 'file ANTHROPOGENIC_HEAT'//TRIM(coupling_char)//' does not exist'
     3192                CALL message( 'usm_read_anthropogenic_heat', 'PA0516', 1, 2, 0, 6, 0 )
    26403193            ENDIF
    26413194           
    2642             DO  kw = nzb_wall+1, nzt_wall
    2643                 wtend(kw) = (1.0_wp/rho_c_wall(kw,l))                               &
    2644                               * (   lambda_h(kw,l)                                  &
    2645                                  * ( t_wall(kw+1,l) - t_wall(kw,l) )                &
    2646                                  * ddz_wall(kw+1,l)                                 &
    2647                               - lambda_h(kw-1,l)                                    &
    2648                                  * ( t_wall(kw,l) - t_wall(kw-1,l) )                &
    2649                                  * ddz_wall(kw,l)                                   &
    2650                               ) * ddz_wall_stag(kw,l)
    2651                 IF ( debug_prints  .AND.  time_do3d < dt_3d )  THEN
    2652                     WRITE(9,'(f8.1,2i3,a,4i3,100000g12.5)') simulated_time,intermediate_timestep_count,&
    2653                                     myid,'wallmodel1c ',                            &
    2654                                     i,j,k,kw,wtend(kw),                             &
    2655                                     t_wall(kw+1,l), t_wall(kw,l), t_wall(kw-1,l),   &
    2656                                     dz_wall(kw,l), dz_wall_stag(kw,l),              &
    2657                                     lambda_h(kw,l)
    2658                     FLUSH(9)
    2659                 ENDIF
    2660             ENDDO
    2661 
    2662             t_wall_p(nzb_wall:nzt_wall,l) = t_wall(nzb_wall:nzt_wall,l)             &
    2663                                              + dt_3d * ( tsc(2)                     &
    2664                                              * wtend(nzb_wall:nzt_wall) + tsc(3)    &
    2665                                              * tt_wall_m(nzb_wall:nzt_wall,l) )   
    2666             IF ( debug_prints  .AND.  time_do3d < dt_3d )  THEN
    2667                 WRITE(9,'(f8.1,2i3,a,3i3,100000g15.5)') simulated_time,intermediate_timestep_count,&
    2668                                     myid,'wallmodel2 ',                             &
    2669                                     i,j,k,                                          &
    2670                                     t_wall_p(nzb_wall,l),t_wall(nzb_wall,l),        &
    2671                                     wtend(nzb_wall), tt_wall_m(nzb_wall,l)
    2672                 FLUSH(9)
     3195#if defined( __parallel ) && ! defined ( __check )
     3196            CALL mpi_barrier( comm2d, ierr )
     3197#endif
     3198        ENDDO
     3199       
     3200!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
     3201!--     read diurnal profiles of heat sources
     3202!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
     3203        aheatprof = 0.0_wp
     3204        DO  ii = 0, io_blocks-1
     3205            IF ( ii == io_group )  THEN
     3206
     3207!--             open anthropogenic heat profile file
     3208                OPEN( 151, file='ANTHROPOGENIC_HEAT_PROFILE'//TRIM(coupling_char), action='read', &
     3209                           status='old', form='formatted', err=21 )
     3210                i = 0
     3211                DO
     3212                    READ( 151, *, err=22, end=23 )  i, heat
     3213                    IF ( i >= 0  .AND.  i <= 24 )  THEN
     3214!--                     write heat into the array
     3215                        aheatprof(i) = heat
     3216                    ENDIF
     3217                    CYCLE
     3218 22                 WRITE(message_string,'(a,i4)') 'error in file ANTHROPOGENIC_HEAT_PROFILE'// &
     3219                                                     TRIM(coupling_char)//' after line ',i
     3220                    CALL message( 'usm_read_anthropogenic_heat', 'PA0517', 0, 1, 0, 6, 0 )
     3221                ENDDO
     3222                aheatprof(24) = aheatprof(0)
     3223 23             CLOSE(151)
     3224                CYCLE
     3225 21             message_string = 'file ANTHROPOGENIC_HEAT_PROFILE'//TRIM(coupling_char)//' does not exist'
     3226                CALL message( 'usm_read_anthropogenic_heat', 'PA0518', 1, 2, 0, 6, 0 )
    26733227            ENDIF
    26743228           
    2675             !
    2676             !-- calculate t_wall tendencies for the next Runge-Kutta step
    2677             IF ( timestep_scheme(1:5) == 'runge' )  THEN
    2678                 IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  THEN
    2679                    DO  kw = nzb_wall, nzt_wall
    2680                       tt_wall_m(kw,l) = wtend(kw)
    2681                    ENDDO
    2682                 ELSEIF ( intermediate_timestep_count <                              &
    2683                          intermediate_timestep_count_max )  THEN
    2684                     DO  kw = nzb_wall, nzt_wall
    2685                         tt_wall_m(kw,l) = -9.5625_wp * wtend(kw) + 5.3125_wp        &
    2686                                          * tt_wall_m(kw,l)
    2687                     ENDDO
    2688                 ENDIF
    2689             ENDIF
     3229#if defined( __parallel ) && ! defined ( __check )
     3230            CALL mpi_barrier( comm2d, ierr )
     3231#endif
    26903232        ENDDO
    2691 
    2692     END SUBROUTINE usm_material_heat_model
    2693 
    2694 !------------------------------------------------------------------------------!
     3233       
     3234    END SUBROUTINE usm_read_anthropogenic_heat
     3235   
     3236
     3237!------------------------------------------------------------------------------!
     3238!
    26953239! Description:
    26963240! ------------
     3241!> Soubroutine reads t_surf and t_wall data from restart files
     3242!kanani: Renamed this routine according to corresponging routines in PALM
     3243!kanani: Modified the routine to match read_var_list, from where usm_read_restart_data
     3244!        shall be called in the future. This part has not been tested yet. (see virtual_flight_mod)
     3245!        Also, I had some trouble with the allocation of t_surf, since this is a pointer.
     3246!        So, I added some directives here.
     3247!------------------------------------------------------------------------------!
     3248    SUBROUTINE usm_read_restart_data
     3249
     3250
     3251       IMPLICIT NONE
     3252       
     3253       CHARACTER (LEN=30) ::  variable_chr  !< dummy variable to read string
     3254       
     3255       INTEGER            ::  i             !< running index     
     3256       
     3257
     3258       DO  i = 0, io_blocks-1
     3259          IF ( i == io_group )  THEN
     3260             READ ( 13 )  variable_chr
     3261             DO   WHILE ( TRIM( variable_chr ) /= '*** end usm ***' )
     3262
     3263                SELECT CASE ( TRIM( variable_chr ) )
     3264               
     3265                   CASE ( 't_surf' )
     3266#if defined( __nopointer )                   
     3267                      IF ( .NOT.  ALLOCATED( t_surf ) )                         &
     3268                         ALLOCATE( t_surf(startenergy:endenergy) )
     3269                      READ ( 13 )  t_surf
     3270#else                     
     3271                      IF ( .NOT.  ALLOCATED( t_surf_1 ) )                         &
     3272                         ALLOCATE( t_surf_1(startenergy:endenergy) )
     3273                      READ ( 13 )  t_surf_1
     3274#endif
     3275
     3276                   CASE ( 't_wall' )
     3277#if defined( __nopointer )
     3278                      IF ( .NOT.  ALLOCATED( t_wall ) )                         &
     3279                         ALLOCATE( t_wall(nzb_wall:nzt_wall+1,startenergy:endenergy) )
     3280                      READ ( 13 )  t_wall
     3281#else
     3282                      IF ( .NOT.  ALLOCATED( t_wall_1 ) )                         &
     3283                         ALLOCATE( t_wall_1(nzb_wall:nzt_wall+1,startenergy:endenergy) )
     3284                      READ ( 13 )  t_wall_1
     3285#endif
     3286
     3287                   CASE DEFAULT
     3288                      WRITE ( message_string, * )  'unknown variable named "', &
     3289                                        TRIM( variable_chr ), '" found in',    &
     3290                                        '&data from prior run on PE ', myid
     3291                      CALL message( 'user_read_restart_data', 'UI0012', 1, 2, 0, 6, 0 )
     3292
     3293                END SELECT
     3294
     3295                READ ( 13 )  variable_chr
     3296
     3297             ENDDO
     3298          ENDIF
     3299#if defined( __parallel )
     3300          CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
     3301#endif
     3302       ENDDO
     3303
     3304    END SUBROUTINE usm_read_restart_data
     3305
     3306
     3307!------------------------------------------------------------------------------!
    26973308!
    2698 !> This function applies the kinematic wall heat fluxes
    2699 !> for walls in four directions for all gridboxes in urban layer.
    2700 !> It is called out from subroutine prognostic_equations.
    2701 !> TODO Compare performance with cycle runnig l=startwall,endwall...
    2702 !------------------------------------------------------------------------------!
    2703     SUBROUTINE usm_wall_heat_flux
    2704    
    2705         IMPLICIT NONE
    2706 
    2707         INTEGER(iwp)              ::  i,j,k,d,l             !< running indices
    2708        
    2709 !        DO i = nxl, nxr
    2710 !            DO j = nys, nyn
    2711 !                DO k = nzb_s_inner(j,i)+1, nzb_s_outer(j,i)
    2712 !                    DO d = 1,4
    2713 !                        l = gridsurf(d,k,j,i)
    2714 !                        IF ( l /= 0 ) THEN
    2715 !                            tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + wshf(l) * ddxy2(d)
    2716 !                        ENDIF
    2717 !                    ENDDO
    2718 !                ENDDO
    2719 !            ENDDO
    2720 !        ENDDO
    2721 
    2722 !ketelsen:     To spare the 4 Dimensional array gridsurf, the complete l-loop is executed for every i and j value
    2723 !ketelsen:     This is not very elegant, but also not time critical
    2724         DO l = startenergy, endenergy
    2725             j = surfl(iy,l)
    2726             i = surfl(ix,l)
    2727             k = surfl(iz,l)
    2728             d = surfl(id,l)
    2729             tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + wshf(l) * ddxy2(d)
    2730         ENDDO
    2731 
    2732     END SUBROUTINE usm_wall_heat_flux
    2733  
    2734  
    2735 !------------------------------------------------------------------------------!
    27363309! Description:
    27373310! ------------
    2738 !
    2739 !> This function applies the kinematic wall heat fluxes
    2740 !> for walls in four directions around the gridbox i,j.
    2741 !> It is called out from subroutine prognostic_equations.
    2742 !------------------------------------------------------------------------------!
    2743     SUBROUTINE usm_wall_heat_flux_ij(i,j)
    2744    
     3311!> Soubroutine reads svf and svfsurf data from saved file
     3312!------------------------------------------------------------------------------!
     3313    SUBROUTINE usm_read_svf_from_file
     3314
    27453315        IMPLICIT NONE
    2746 
    2747         INTEGER(iwp), INTENT(in)  ::  i,j                   !< indices of grid box
    2748         INTEGER(iwp)              ::  ii,jj,k,d,l
    2749        
    2750 !        DO k = nzb_s_inner(j,i)+1, nzb_s_outer(j,i)
    2751 !            DO d = 1,4
    2752 !                l = gridsurf(d,k,j,i)
    2753 !                IF ( l /= 0 ) THEN
    2754 !                    tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + wshf(l) * ddxy2(d)
    2755 !                ENDIF
    2756 !            ENDDO
    2757 !        ENDDO
    2758 
    2759 
    2760 !ketelsen:     To spare the 4 Dimensional array gridsurf, the complete l-loop is executed for every i and j value
    2761 !ketelsen:     This is not very elegant, but also not time critical
    2762 
    2763         DO l = startenergy, endenergy
    2764             jj = surfl(iy,l)
    2765             ii = surfl(ix,l)
    2766             IF( ii == i .AND. jj == j) then
    2767                k = surfl(iz,l)
    2768                IF(k >=  nzb_s_inner(j,i)+1 .AND. k <=  nzb_s_outer(j,i)) then
    2769                   d = surfl(id,l)
    2770                   if(d >= 1 .and. d <= 4)   then
    2771                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + wshf(l) * ddxy2(d)
    2772                   end if
    2773                ENDIF
     3316        INTEGER                      :: fsvf = 89
     3317        INTEGER                      :: i
     3318        CHARACTER(usm_version_len)   :: usm_version_field
     3319        CHARACTER(svf_code_len)      :: svf_code_field
     3320
     3321        DO  i = 0, io_blocks-1
     3322            IF ( i == io_group )  THEN
     3323                OPEN ( fsvf, file=TRIM(svf_file_name)//TRIM(coupling_char)//myid_char,               &
     3324                    form='unformatted', status='old' )
     3325
     3326!--             read and check version
     3327                READ ( fsvf ) usm_version_field
     3328                IF ( TRIM(usm_version_field) /= TRIM(usm_version) )  THEN
     3329                    WRITE( message_string, * ) 'Version of binary SVF file "',           &
     3330                                            TRIM(usm_version_field), '" does not match ',            &
     3331                                            'the version of model "', TRIM(usm_version), '"'
     3332                    CALL message( 'usm_read_svf_from_file', 'UI0012', 1, 2, 0, 6, 0 )
     3333                ENDIF
     3334               
     3335!--             read nsvfcsfl, nsvfl
     3336                READ ( fsvf ) nsvfcsfl, nsvfl
     3337                IF ( nsvfcsfl <= 0 )  THEN
     3338                    WRITE( message_string, * ) 'Wrong number of SVF or CSF'
     3339                    CALL message( 'usm_read_svf_from_file', 'UI0012', 1, 2, 0, 6, 0 )
     3340                ELSE
     3341                    WRITE(message_string,*) '    Number of SVF and CSF to read', nsvfcsfl, nsvfl
     3342                    CALL location_message( message_string, .TRUE. )
     3343                ENDIF
     3344               
     3345                ALLOCATE(svf(ndsvf,nsvfcsfl))
     3346                ALLOCATE(svfsurf(ndsvf,nsvfcsfl))
     3347               
     3348                READ(fsvf) svf
     3349                READ(fsvf) svfsurf
     3350                READ ( fsvf ) svf_code_field
     3351               
     3352                IF ( TRIM(svf_code_field) /= TRIM(svf_code) )  THEN
     3353                    WRITE( message_string, * ) 'Wrong structure of binary svf file'
     3354                    CALL message( 'usm_read_svf_from_file', 'UI0012', 1, 2, 0, 6, 0 )
     3355                ENDIF
     3356               
     3357                CLOSE (fsvf)
     3358               
    27743359            ENDIF
     3360#if defined( __parallel )
     3361            CALL mpi_barrier( comm2d, ierr )
     3362#endif
    27753363        ENDDO
    27763364
    2777     END SUBROUTINE usm_wall_heat_flux_ij
    2778  
    2779    
     3365    END SUBROUTINE usm_read_svf_from_file
     3366
    27803367   
    27813368!------------------------------------------------------------------------------!
     
    27923379        REAL(wp), DIMENSION(n_surface_params)                 :: wtp
    27933380   
    2794         INTEGER(iwp), DIMENSION(0:17, nysg:nyng, nxlg:nxrg)   :: us_par
    2795         REAL(wp), DIMENSION(1:14, nysg:nyng, nxlg:nxrg)       :: us_val
     3381        INTEGER(iwp), DIMENSION(0:17, nysg:nyng, nxlg:nxrg)   :: usm_par
     3382        REAL(wp), DIMENSION(1:14, nysg:nyng, nxlg:nxrg)       :: usm_val
    27963383        INTEGER(iwp)                                          :: k, l, d, iw, jw, kw, it, ip, ii, ij
    27973384        INTEGER(iwp)                                          :: i, j
     
    28063393        REAL(wp)                                              :: wealbedo3, wethick3, snalbedo3, snthick3
    28073394       
    2808         !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
    2809         !-- read categories of walls and their parameters
    2810         !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
     3395!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
     3396!--    read categories of walls and their parameters
     3397!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
    28113398        DO  ii = 0, io_blocks-1
    28123399            IF ( ii == io_group )  THEN
    28133400
    2814                 !-- open urban surface file
     3401!--            open urban surface file
    28153402                OPEN( 151, file='SURFACE_PARAMETERS'//coupling_char, action='read', &
    28163403                           status='old', form='formatted', err=15 )
    2817                 !-- first test and get n_surface_types
     3404!--            first test and get n_surface_types
    28183405                k = 0
    28193406                l = 0
     
    28293416                ALLOCATE( surface_type_codes(n_surface_types) )
    28303417                ALLOCATE( surface_params(n_surface_params, n_surface_types) )
    2831                 !-- real reading
     3418!--            real reading
    28323419                rewind( 151 )
    28333420                k = 0
     
    28503437        ENDDO
    28513438   
    2852         !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
    2853         !-- read types of surfaces
    2854         !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
    2855         us_par = 0
     3439!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
     3440!--    read types of surfaces
     3441!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
     3442        usm_par = 0
    28563443        DO  ii = 0, io_blocks-1
    28573444            IF ( ii == io_group )  THEN
    28583445
    28593446                !
    2860                 !-- open csv urban surface file
     3447!--            open csv urban surface file
    28613448                OPEN( 151, file='URBAN_SURFACE'//TRIM(coupling_char), action='read', &
    28623449                      status='old', form='formatted', err=23 )
     
    28653452                DO
    28663453                    l = l+1
    2867                     !-- i, j, height, nz, roof, dirwe, dirsn, category, soilcat,
    2868                     !-- weheight1, wecat1, snheight1, sncat1, weheight2, wecat2, snheight2, sncat2,
    2869                     !-- weheight3, wecat3, snheight3, sncat3
     3454!--                i, j, height, nz, roof, dirwe, dirsn, category, soilcat,
     3455!--                weheight1, wecat1, snheight1, sncat1, weheight2, wecat2, snheight2, sncat2,
     3456!--                weheight3, wecat3, snheight3, sncat3
    28703457                    READ( 151, *, err=21, end=25 )  i, j, height, nz, roof, dirwe, dirsn,            &
    28713458                                            category, albedo, thick,                                 &
     
    28773464                                            snheight3, sncat3, snalbedo3, snthick3
    28783465
    2879                     IF ( i >= nxlg .AND. i <= nxrg .AND. j >= nysg .AND. j <= nyng ) THEN
    2880                         !-- write integer variables into array
    2881                         us_par(:,j,i) = (/1, nz, roof, dirwe, dirsn, category,                       &
     3466                    IF ( i >= nxlg  .AND.  i <= nxrg  .AND.  j >= nysg  .AND.  j <= nyng ) THEN
     3467!--                    write integer variables into array
     3468                        usm_par(:,j,i) = (/1, nz, roof, dirwe, dirsn, category,                      &
    28823469                                          weheight1, wecat1, weheight2, wecat2, weheight3, wecat3,   &
    28833470                                          snheight1, sncat1, snheight2, sncat2, snheight3, sncat3 /)
    2884                         !-- write real values into array
    2885                         us_val(:,j,i) = (/ albedo, thick,                                            &
     3471!--                    write real values into array
     3472                        usm_val(:,j,i) = (/ albedo, thick,                                           &
    28863473                                           wealbedo1, wethick1, wealbedo2, wethick2,                 &
    28873474                                           wealbedo3, wethick3, snalbedo1, snthick1,                 &
     
    29053492       
    29063493        !
    2907         !-- check completeness and formal correctness of the data
     3494!--    check completeness and formal correctness of the data
    29083495        DO i = nxlg, nxrg
    29093496            DO j = nysg, nyng
    2910                 IF ( us_par(0,j,i) /= 0 .AND. (           &  !< incomplete data,supply default values later
    2911                      us_par(1,j,i) < nzb .OR.             &
    2912                      us_par(1,j,i) > nzt .OR.             &  !< incorrect height (nz < nzb .OR. nz > nzt)
    2913                      us_par(2,j,i) < 0 .OR.               &
    2914                      us_par(2,j,i) > 1 .OR.               &  !< incorrect roof sign
    2915                      us_par(3,j,i) < nzb-nzt .OR.         &
    2916                      us_par(3,j,i) > nzt-nzb .OR.         &  !< incorrect west-east wall direction sign
    2917                      us_par(4,j,i) < nzb-nzt .OR.         &
    2918                      us_par(4,j,i) > nzt-nzb .OR.         &  !< incorrect south-north wall direction sign
    2919                      us_par(6,j,i) < nzb .OR.             &
    2920                      us_par(6,j,i) > nzt .OR.             &  !< incorrect pedestrian level height for west-east wall
    2921                      us_par(8,j,i) > nzt .OR.             &
    2922                      us_par(10,j,i) > nzt .OR.            &  !< incorrect wall or roof level height for west-east wall
    2923                      us_par(12,j,i) < nzb .OR.            &
    2924                      us_par(12,j,i) > nzt .OR.            &  !< incorrect pedestrian level height for south-north wall
    2925                      us_par(14,j,i) > nzt .OR.            &
    2926                      us_par(16,j,i) > nzt                 &  !< incorrect wall or roof level height for south-north wall
    2927                     ) ) THEN
    2928                     !-- incorrect input data
    2929                     IF ( debug_prints  .AND.  time_do3d < dt_3d )  THEN
    2930                         WRITE(9,*) 'Incorrect US input data at i,j=', i,j
    2931                         WRITE(9,*) 'us_par = ', us_par(:,j,i)
    2932                     ENDIF
     3497                IF ( usm_par(0,j,i) /= 0  .AND.  (        &  !< incomplete data,supply default values later
     3498                     usm_par(1,j,i) < nzb  .OR.           &
     3499                     usm_par(1,j,i) > nzt  .OR.           &  !< incorrect height (nz < nzb  .OR.  nz > nzt)
     3500                     usm_par(2,j,i) < 0  .OR.             &
     3501                     usm_par(2,j,i) > 1  .OR.             &  !< incorrect roof sign
     3502                     usm_par(3,j,i) < nzb-nzt  .OR.       &
     3503                     usm_par(3,j,i) > nzt-nzb  .OR.       &  !< incorrect west-east wall direction sign
     3504                     usm_par(4,j,i) < nzb-nzt  .OR.       &
     3505                     usm_par(4,j,i) > nzt-nzb  .OR.       &  !< incorrect south-north wall direction sign
     3506                     usm_par(6,j,i) < nzb  .OR.           &
     3507                     usm_par(6,j,i) > nzt  .OR.           &  !< incorrect pedestrian level height for west-east wall
     3508                     usm_par(8,j,i) > nzt  .OR.           &
     3509                     usm_par(10,j,i) > nzt  .OR.          &  !< incorrect wall or roof level height for west-east wall
     3510                     usm_par(12,j,i) < nzb  .OR.          &
     3511                     usm_par(12,j,i) > nzt  .OR.          &  !< incorrect pedestrian level height for south-north wall
     3512                     usm_par(14,j,i) > nzt  .OR.          &
     3513                     usm_par(16,j,i) > nzt                &  !< incorrect wall or roof level height for south-north wall
     3514                    ) )  THEN
     3515!--                 incorrect input data
    29333516                    WRITE (message_string, "(A,2I5)") 'missing or incorrect data in file URBAN_SURFACE'// &
    29343517                                                       TRIM(coupling_char)//' for i,j=', i,j
     
    29363519                ENDIF
    29373520               
    2938                 !IF ( us_alb(j,i) < 0.0_wp .OR.            &
    2939                 !     us_alb(j,i) > 1.0_wp )               &  ! incorrect albedo of the land or roof
    2940                 !THEN
    2941                     !-- incorrect albedo
    2942                     !WRITE (message_string, "(A,2I5)") 'missing or incorrect albedo in file URBAN_SURFACE'//TRIM(coupling_char)//' for i,j=', i,j
    2943                     !CALL message( 'usm_read_urban_surface', 'PA0504', 1, 2, 0, 6, 0 )
    2944                 !ENDIF
    2945 
    2946                
    29473521            ENDDO
    29483522        ENDDO
    29493523       
    2950         ! assign the surface types to local surface array
     3524!--    assign the surface types to local surface array
    29513525        DO  l = startenergy, endenergy
    29523526           
     
    29553529            j = surfl(iy,l)
    29563530            i = surfl(ix,l)
    2957             IF ( d == iroof ) THEN
    2958                 !-- horizontal surface - land or roof
     3531            IF ( d == iroof )  THEN
     3532!--            horizontal surface - land or roof
    29593533                iw = i
    29603534                jw = j
    2961                 IF ( us_par(5,jw,iw) == 0 ) THEN
    2962                     IF ( zu(kw) >= roof_height_limit ) THEN
     3535                IF ( usm_par(5,jw,iw) == 0 ) THEN
     3536                    IF ( zu(kw) >= roof_height_limit )  THEN
    29633537                        isroof_surf(l) = .TRUE.
    29643538                        surface_types(l) = roof_category         !< default category for root surface
     
    29703544                    thickness_wall(l) = -1.0_wp
    29713545                ELSE
    2972                     IF ( us_par(2,jw,iw)==0 ) THEN
     3546                    IF ( usm_par(2,jw,iw)==0 ) THEN
    29733547                        isroof_surf(l) = .FALSE.
    29743548                        thickness_wall(l) = -1.0_wp
    29753549                    ELSE
    29763550                        isroof_surf(l) = .TRUE.
    2977                         thickness_wall(l) = us_val(2,jw,iw)
     3551                        thickness_wall(l) = usm_val(2,jw,iw)
    29783552                    ENDIF
    2979                     surface_types(l) = us_par(5,jw,iw)
    2980                     albedo_surf(l) = us_val(1,jw,iw)
     3553                    surface_types(l) = usm_par(5,jw,iw)
     3554                    albedo_surf(l) = usm_val(1,jw,iw)
    29813555                ENDIF
    29823556            ELSE
     
    30043578                END SELECT
    30053579               
    3006                 IF ( kw <= us_par(ii,jw,iw) ) THEN
    3007                     !-- pedestrant zone
     3580                IF ( kw <= usm_par(ii,jw,iw) ) THEN
     3581!--                pedestrant zone
    30083582                    isroof_surf(l) = .FALSE.
    3009                     IF ( us_par(ii+1,jw,iw) == 0 ) THEN
     3583                    IF ( usm_par(ii+1,jw,iw) == 0 ) THEN
    30103584                        surface_types(l) = pedestrant_category   !< default category for wall surface in pedestrant zone
    30113585                        albedo_surf(l) = -1.0_wp
    30123586                        thickness_wall(l) = -1.0_wp
    30133587                    ELSE
    3014                         surface_types(l) = us_par(ii+1,jw,iw)
    3015                         albedo_surf(l) = us_val(ij,jw,iw)
    3016                         thickness_wall(l) = us_val(ij+1,jw,iw)
     3588                        surface_types(l) = usm_par(ii+1,jw,iw)
     3589                        albedo_surf(l) = usm_val(ij,jw,iw)
     3590                        thickness_wall(l) = usm_val(ij+1,jw,iw)
    30173591                    ENDIF
    3018                 ELSE IF ( kw <= us_par(ii+2,jw,iw) ) THEN
    3019                     ! wall zone
     3592                ELSE IF ( kw <= usm_par(ii+2,jw,iw) ) THEN
     3593!--                wall zone
    30203594                    isroof_surf(l) = .FALSE.
    3021                     IF ( us_par(ii+3,jw,iw) == 0 ) THEN
     3595                    IF ( usm_par(ii+3,jw,iw) == 0 ) THEN
    30223596                        surface_types(l) = wall_category         !< default category for wall surface
    30233597                        albedo_surf(l) = -1.0_wp
    30243598                        thickness_wall(l) = -1.0_wp
    30253599                    ELSE
    3026                         surface_types(l) = us_par(ii+3,jw,iw)
    3027                         albedo_surf(l) = us_val(ij+2,jw,iw)
    3028                         thickness_wall(l) = us_val(ij+3,jw,iw)
     3600                        surface_types(l) = usm_par(ii+3,jw,iw)
     3601                        albedo_surf(l) = usm_val(ij+2,jw,iw)
     3602                        thickness_wall(l) = usm_val(ij+3,jw,iw)
    30293603                    ENDIF
    3030                 ELSE IF ( kw <= us_par(ii+4,jw,iw) ) THEN
    3031                     ! roof zone
     3604                ELSE IF ( kw <= usm_par(ii+4,jw,iw) ) THEN
     3605!--                roof zone
    30323606                    isroof_surf(l) = .TRUE.
    3033                     IF ( us_par(ii+5,jw,iw) == 0 ) THEN
     3607                    IF ( usm_par(ii+5,jw,iw) == 0 ) THEN
    30343608                        surface_types(l) = roof_category         !< default category for roof surface
    30353609                        albedo_surf(l) = -1.0_wp
    30363610                        thickness_wall(l) = -1.0_wp
    30373611                    ELSE
    3038                         surface_types(l) = us_par(ii+5,jw,iw)
    3039                         albedo_surf(l) = us_val(ij+4,jw,iw)
    3040                         thickness_wall(l) = us_val(ij+5,jw,iw)
     3612                        surface_types(l) = usm_par(ii+5,jw,iw)
     3613                        albedo_surf(l) = usm_val(ij+4,jw,iw)
     3614                        thickness_wall(l) = usm_val(ij+5,jw,iw)
    30413615                    ENDIF
    30423616                ELSE
    3043                     !-- something wrong
    3044                     !WRITE (message_string, "(A,3I5)") 'incorrect data in file URBAN_SURFACE'//TRIM(coupling_char)//' for i,j,k=', iw,jw,kw
    3045                     !WRITE(6,'(100i4)'), myid, l, d, ii, iw,jw,kw,us_par(:,jw,iw)
    3046                     !WRITE(6,'(i4,a)'), myid, message_string
    3047                     !FLUSH(6)
     3617!--                 something wrong
    30483618                    CALL message( 'usm_read_urban_surface', 'PA0505', 1, 2, 0, 6, 0 )
    30493619                ENDIF
    30503620            ENDIF
    30513621           
    3052             !-- find the type position
     3622!--        find the type position
    30533623            it = surface_types(l)
    30543624            ip = -99999
    30553625            DO k = 1, n_surface_types
    3056                 IF ( surface_type_codes(k) == it ) THEN
     3626                IF ( surface_type_codes(k) == it )  THEN
    30573627                    ip = k
    30583628                    EXIT
    30593629                ENDIF
    30603630            ENDDO
    3061             IF ( ip == -99999 ) THEN
    3062                 !PRINT*, myid, l, d, iw,jw,kw,it,n_surface_types,surface_type_codes
    3063                 !FLUSH(6)
    3064                 !-- wall category not found
     3631            IF ( ip == -99999 )  THEN
     3632!--             wall category not found
    30653633                WRITE (message_string, "(A,I5,A,3I5)") 'wall category ', it, ' not found  for i,j,k=', iw,jw,kw
    30663634                CALL message( 'usm_read_urban_surface', 'PA0506', 1, 2, 0, 6, 0 )
    30673635            ENDIF
    30683636           
    3069             !-- Fill out the parameters of the wall
    3070             !-- wall surface:
     3637!--        Fill out the parameters of the wall
     3638!--        wall surface:
    30713639           
    3072             !-- albedo
    3073             IF ( albedo_surf(l) < 0.0_wp ) THEN
     3640!--        albedo
     3641            IF ( albedo_surf(l) < 0.0_wp )  THEN
    30743642                albedo_surf(l) = surface_params(ialbedo, ip)
    30753643            ENDIF
    30763644           
    3077             !-- emissivity of the wall
     3645!--        emissivity of the wall
    30783646            emiss_surf(l) = surface_params(iemiss, ip)
    30793647           
    3080             !-- heat conductivity λS between air and wall ( W m−2 K−1 )
     3648!--        heat conductivity λS between air and wall ( W m−2 K−1 )
    30813649            lambda_surf(l) = surface_params(ilambdas, ip)
    3082             !PRINT*, myid, 'lambda_surf=', l, lambda_surf(l)
    30833650           
    3084             !-- roughness relative to concrete
     3651!--        roughness relative to concrete
    30853652            roughness_wall(l) = surface_params(irough, ip)
    30863653           
    3087             !-- Surface skin layer heat capacity (J m−2 K−1 )
     3654!--        Surface skin layer heat capacity (J m−2 K−1 )
    30883655            c_surface(l) = surface_params(icsurf, ip)
    30893656           
    3090             !-- wall material parameters:
     3657!--        wall material parameters:
    30913658           
    3092             !-- thickness of the wall (m)
    3093             !-- missing values are replaced by default value for category
    3094             IF ( thickness_wall(l) <= 0.001_wp ) THEN
     3659!--        thickness of the wall (m)
     3660!--        missing values are replaced by default value for category
     3661            IF ( thickness_wall(l) <= 0.001_wp )  THEN
    30953662                thickness_wall(l) = surface_params(ithick, ip)
    30963663            ENDIF
    30973664           
    3098             !-- volumetric heat capacity rho*C of the wall ( J m−3 K−1 )
     3665!--        volumetric heat capacity rho*C of the wall ( J m−3 K−1 )
    30993666            rho_c_wall(:,l) = surface_params(irhoC, ip)
    31003667           
    3101             !-- thermal conductivity λH of the wall (W m−1 K−1 )
     3668!--        thermal conductivity λH of the wall (W m−1 K−1 )
    31023669            lambda_h(:,l) = surface_params(ilambdah, ip)
    31033670           
    3104             !IF ( debug_prints  .AND.  time_do3d < dt_3d )  THEN
    3105             !    WRITE(9,*) myid, 'readsurface3', l, d, albedo_surf(l), emiss_surf(l), lambda_surf(l), &
    3106             !               roughness_wall(l), c_surface(l), thickness_wall(l), rho_c_wall(0,l), lambda_h(0,l)
    3107             !    FLUSH(9)
    3108             !ENDIF
    31093671        ENDDO
    31103672
     
    31133675    END SUBROUTINE usm_read_urban_surface_types
    31143676
    3115  
     3677
    31163678!------------------------------------------------------------------------------!
    31173679! Description:
    31183680! ------------
    3119 !
    3120 !> This subroutine is part of the urban surface model.
    3121 !> It reads daily heat produced by anthropogenic sources
    3122 !> and the diurnal cycle of the heat.
    3123 !------------------------------------------------------------------------------!
    3124     SUBROUTINE usm_read_anthropogenic_heat
    3125    
    3126         INTEGER(iwp)                  :: i,j,ii
    3127         REAL(wp)                      :: heat
    3128        
    3129         !-- allocation of array of sources of anthropogenic heat and their diural profile
    3130         ALLOCATE( aheat(nys:nyn,nxl:nxr) )
    3131         ALLOCATE( aheatprof(0:24) )
    3132 
    3133         !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
    3134         !-- read daily amount of heat and its daily cycle
    3135         !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
    3136         aheat = 0.0_wp
    3137         DO  ii = 0, io_blocks-1
    3138             IF ( ii == io_group )  THEN
    3139 
    3140                 !-- open anthropogenic heat file
    3141                 OPEN( 151, file='ANTHROPOGENIC_HEAT'//TRIM(coupling_char), action='read', &
    3142                            status='old', form='formatted', err=11 )
    3143                 i = 0
    3144                 j = 0
    3145                 DO
    3146                     READ( 151, *, err=12, end=13 )  i, j, heat
    3147                     IF ( i >= nxl .AND. i <= nxr .AND. j >= nys .AND. j <= nyn ) THEN
    3148                         !-- write heat into the array
    3149                         aheat(j,i) = heat
    3150                     ENDIF
    3151                     CYCLE
    3152  12                 WRITE(message_string,'(a,2i4)') 'error in file ANTHROPOGENIC_HEAT'//TRIM(coupling_char)//' after line ',i,j
    3153                     CALL message( 'usm_read_anthropogenic_heat', 'PA0515', 0, 1, 0, 6, 0 )
    3154                 ENDDO
    3155  13             CLOSE(151)
    3156                 CYCLE
    3157  11             message_string = 'file ANTHROPOGENIC_HEAT'//TRIM(coupling_char)//' does not exist'
    3158                 CALL message( 'usm_read_anthropogenic_heat', 'PA0516', 1, 2, 0, 6, 0 )
     3681!> Solver for the energy balance at the ground/roof/wall surface.
     3682!> It follows basic ideas and structure of lsm_energy_balance
     3683!> with many simplifications and adjustments.
     3684!> TODO better description
     3685!------------------------------------------------------------------------------!
     3686    SUBROUTINE usm_surface_energy_balance
     3687
     3688        IMPLICIT NONE
     3689
     3690        INTEGER(iwp)                          :: i, j, k, l, d      !< running indices
     3691       
     3692        REAL(wp)                              :: pt1                !< temperature at first grid box adjacent to surface
     3693        REAL(wp)                              :: u1,v1,w1           !< near wall u,v,w
     3694        REAL(wp)                              :: stend              !< surface tendency
     3695        REAL(wp)                              :: coef_1             !< first coeficient for prognostic equation
     3696        REAL(wp)                              :: coef_2             !< second  coeficient for prognostic equation
     3697        REAL(wp)                              :: rho_cp             !< rho_wall_surface * cp
     3698        REAL(wp)                              :: r_a                !< aerodynamic resistance for horizontal and vertical surfaces
     3699        REAL(wp)                              :: f_shf              !< factor for shf_eb
     3700        REAL(wp)                              :: lambda_surface     !< current value of lambda_surface (heat conductivity between air and wall)
     3701        REAL(wp)                              :: Ueff               !< effective wind speed for calculation of heat transfer coefficients
     3702        REAL(wp)                              :: httc               !< heat transfer coefficient
     3703        REAL(wp), DIMENSION(nzub:nzut)        :: exn                !< value of the Exner function in layers
     3704       
     3705        REAL(wp), DIMENSION(0:4)              :: dxdir              !< surface normal direction gridbox length
     3706        REAL(wp)                              :: dtime              !< simulated time of day (in UTC)
     3707        INTEGER(iwp)                          :: dhour              !< simulated hour of day (in UTC)
     3708        REAL(wp)                              :: acoef              !< actual coefficient of diurnal profile of anthropogenic heat
     3709
     3710        dxdir = (/dz,dy,dy,dx,dx/)
     3711       
     3712        exn(:) = (hyp(nzub:nzut) / 100000.0_wp )**0.286_wp          !< Exner function
     3713           
     3714!--   
     3715        DO l = startenergy, endenergy
     3716!--         Calculate frequently used parameters
     3717            d = surfl(id,l)
     3718            k = surfl(iz,l)
     3719            j = surfl(iy,l)
     3720            i = surfl(ix,l)
     3721
     3722!--         TODO - how to calculate lambda_surface for horizontal surfaces
     3723!--         (lambda_surface is set according to stratification in land surface model)
     3724            IF ( ol(j,i) >= 0.0_wp )  THEN
     3725                lambda_surface = lambda_surf(l)
     3726            ELSE
     3727                lambda_surface = lambda_surf(l)
    31593728            ENDIF
    31603729           
    3161 #if defined( __parallel ) && ! defined ( __check )
    3162             CALL mpi_barrier( comm2d, ierr )
    3163 #endif
    3164         ENDDO
    3165        
    3166         !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
    3167         !-- read diurnal profiles of heat sources
    3168         !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
    3169         aheatprof = 0.0_wp
    3170         DO  ii = 0, io_blocks-1
    3171             IF ( ii == io_group )  THEN
    3172 
    3173                 !-- open anthropogenic heat profile file
    3174                 OPEN( 151, file='ANTHROPOGENIC_HEAT_PROFILE'//TRIM(coupling_char), action='read', &
    3175                            status='old', form='formatted', err=21 )
    3176                 i = 0
    3177                 DO
    3178                     READ( 151, *, err=22, end=23 )  i, heat
    3179                     IF ( i >= 0 .AND. i <= 24 ) THEN
    3180                         ! write heat into the array
    3181                         aheatprof(i) = heat
    3182                     ENDIF
    3183                     CYCLE
    3184  22                 WRITE(message_string,'(a,i4)') 'error in file ANTHROPOGENIC_HEAT_PROFILE'// &
    3185                                                      TRIM(coupling_char)//' after line ',i
    3186                     CALL message( 'usm_read_anthropogenic_heat', 'PA0517', 0, 1, 0, 6, 0 )
    3187                 ENDDO
    3188                 aheatprof(24) = aheatprof(0)
    3189  23             CLOSE(151)
    3190                 CYCLE
    3191  21             message_string = 'file ANTHROPOGENIC_HEAT_PROFILE'//TRIM(coupling_char)//' does not exist'
    3192                 CALL message( 'usm_read_anthropogenic_heat', 'PA0518', 1, 2, 0, 6, 0 )
     3730            pt1  = pt(k,j,i)
     3731
     3732!--         calculate rho * cp coefficient at surface layer
     3733            rho_cp  = cp * hyp(k) / ( r_d * pt1 * exn(k) )
     3734
     3735!--         calculate aerodyamic resistance.
     3736            IF ( d == iroof )  THEN
     3737!--             calculation for horizontal surfaces follows LSM formulation
     3738!--             pt, us, ts are not available for the prognostic time step,
     3739!--             data from the last time step is used here.
     3740               
     3741                r_a = (pt1 - t_surf(l)/exn(k)) / (ts(j,i) * us(j,i) + 1.0E-10_wp)
     3742               
     3743!--             make sure that the resistance does not drop to zero
     3744                IF ( ABS(r_a) < 1.0E-10_wp )  r_a = 1.0E-10_wp
     3745               
     3746!--             the parameterization is developed originally for larger scales
     3747!--             (compare with remark in TUF-3D)
     3748!--             our first experiences show that the parameterization underestimates
     3749!--             r_a in meter resolution.
     3750!--             temporary solution - multiplication by magic constant :-(.
     3751                r_a = r_a * ra_horiz_coef
     3752               
     3753!--             factor for shf_eb
     3754                f_shf  = rho_cp / r_a
     3755            ELSE
     3756!--             calculation of r_a for vertical surfaces
     3757!--
     3758!--             heat transfer coefficient for forced convection along vertical walls
     3759!--             follows formulation in TUF3d model (Krayenhoff & Voogt, 2006)
     3760!--           
     3761!--             H = httc (Tsfc - Tair)
     3762!--             httc = rw * (11.8 + 4.2 * Ueff) - 4.0
     3763!--           
     3764!--                   rw: wall patch roughness relative to 1.0 for concrete
     3765!--                   Ueff: effective wind speed
     3766!--                   - 4.0 is a reduction of Rowley et al (1930) formulation based on
     3767!--                   Cole and Sturrock (1977)
     3768!--           
     3769!--                   Ucan: Canyon wind speed
     3770!--                   wstar: convective velocity
     3771!--                   Qs: surface heat flux
     3772!--                   zH: height of the convective layer
     3773!--                   wstar = (g/Tcan*Qs*zH)**(1./3.)
     3774               
     3775!--             staggered grid needs to be taken into consideration
     3776                IF ( d == inorth )  THEN