Modellbeschreibung

Im Hauptverzeichnis befinden sich die beiden make-Dateien makelib und maketurb zum Kompilieren, das Programm turbz, die Programmbibliothek turblib.a und die Datei run zum Starten des Modells. Weiterhin gibt es sechs Unterverzeichnisse:

• Das Verzeichnis src enthält den Quellcode des Modells.
  
  
• obj heißt das Verzeichnis, in das die beim Kompilieren erzeugten Objekt-Dateien abgelegt werden.
  
  
• indata enthält die Parameterdateien input.dat und bopara.dat.
  Außerdem befindet sich hier 1) eine Datei mit Werten der Globalstrahlung, radein.dat, für den Antrieb des Modells mit gemessenen Werten der Globalstrahlung und 2) die Datei init_atm.dat in der das Startprofil für die Initialisierung abgelegt ist, falls diese Optionen gewählt ist.
  
  
• Der Modelloutput wird in das Verzeichnis outdata geschrieben.
  
  
• Das Verzeichnis progs enthält Programme und Daten zum Erstellen der Dateien radein.dat und init_atm.dat.
  
  
• Im Verzeichnis doku ist diese HTML-Dokumentation abgelegt.

Die Programmiersprache von MS3 ist Fortran77. In den hier vorhandenen make-Dateien sind Optionen für den g77-Kompiler unter Linux eingetragen. Es gibt zwei make-Dateien: makelib erzeugt die Programmbibliothek, maketurb das Programm. Der Aufruf erfolgt mit:

1) make -f makelib
2) make -f maketurb

Vorausgesetzt, das die Eingabeparameter in den entsprechenden Dateien stimmen, kann das Modell nun mit der Datei run gestartet werden (vorher ausführbar machen). Die Modellergebnisse werden sequentiell und formatiert in das Verzeichnis outdata ausgegeben.

• Initialisierung, bzw. Antrieb
• Iteration der Oberflächentemperatur(en)
• Neuberechnung der Profile
• Ausgabe der Ergebnisse

Das Hauptprogramm turbz.f dient der Steuerung und Koordination des Modellablaufes. Zu Beginn der Zeitschleife werden die wichtigsten Modellparameter aus den Dateien input.dat und bopara.dat ausgelesen. Danach erfolgt der Aufruf der Initialisierungsprogramme für Boden, Atmosphäre und Vegetation (letztere nur dann falls diese Option gewählt wurde):

• bopro.f
• init1.f / init2.f
• vegpro.f

Bei der Initialisierung gibt es zwei Auswahlmöglichkeiten:

Die erste Möglichkeit läßt so wenig Informationen über die Grenzschicht wie möglich in den Modellstart einfließen:
Die Initialisierung erfolgt in der Routine init1.f um 0 Uhr des angegebenen Anfangstages. Die Atmosphäre ist neutral geschichtet, das Windprofil homogen. TKE, Mischungsweglänge, Richardson-Flußzahl und die turbulenten Flüsse sind nur auf der untersten Modellfläche des Atmosphärenmodells vorgegeben und entwickeln sich während der ersten Zeitschritte nach oben in die Grenzschicht hinein (Olk, 1993). Der obere Rand wird von den obersten beiden Modellflächen gebildet und weist einen konstanten geostrophischen Wind und eine stabile Temperaturschichtung auf. Die turbulenten Flüsse verschwinden dort. Im Fall dieser Initialisierung sollte ein vollständiger Tagesgang zum Einschwingen des Modells verwendet werden.

Die zweite Möglichkeit ist die Initialisierung mit einem Startprofil, das vorher im Verzeichnis progs mit dem Programm infeld.f aus den Ergebnissen eines vorherigen Modellaufes erstellt wurde (oder wie auch immer, wichtig ist vor allem, das die Eingabedatei die notwendige Struktur besitzt). Das Startprofil init_atm.dat ist im Verzeichnis indata abgelegt und enthält die Felder von potentieller Temperatur, Wind, spezifischer Feuchte, TKE, Richardson-Flußzahl und der turbulenten Flüsse. Im Fall einer Initialisierung mit Startprofil wird die Routine init2.f verwendet. Der Zeitpunkt der Initialisierung ist nun nicht mehr 0 Uhr, vielmehr wird dem Modell ein "Vorlauf" von -12000 Sekunden gegeben. Stimmen die im Profil verwendeten Werte von Oberflächentemperatur (tpn(0)) und Feuchte (Qn(0)) nicht mit den in input.dat angegebenen Werten überein, so werden die Startprofile von Temperatur und spezifischer Feuchte mit den entsprechenden Differenzen korrigiert.

Das Bodenmodell wird mit einem konstanten Matrixpotential in allen Schichten initialisiert. Das Temperaturprofil ist dagegen linear von der Tiefe abhängig und wird aus der Differenz zwischen der Temperatur im unteren Rand des Bodenmodells, Tc und der Temperatur an der Erdoberfläche ath=Tso ermittelt. Es empfiehlt sich, Tc kleiner als Tso zu wählen, und so den Bodenwärmestrom gleich in die richtige Richtung auszulenken. Am unteren Rand des Bodenmodells bleiben Matrixpotential und Temperatur während der Simulation konstant.

Im Fall mit Vegetation werden zusätzlich noch die Big-Leaf Temperatur, die spezifischen Feuchten an Blattober- und Unterseite und die Widerstände initialisiert.

Nach der Initialisierung erfolgt der erste Zeitschritt. Nach der Berechnung oder dem Auslesen der Globalstrahlung erfolgt der Aufruf des Unterprogrammes boden.f, in dem die Kopplung der Teilmodelle durchgeführt wird:

• Im Fall ohne Vegetation wird die Iterationsroutine ebit.f aufgerufen, die aus der Nullstelle der Energiebilanzgleichung mit der Regula falsi die neue Oberflächentemperatur Tso ermittelt. Danach erfolgt die Iteration der Monin-Obukhov-Skalierungsgrößen in der Routine monin.f. Abschließend werden die Modellgrößen am oberen Rand des Bodenmodells (noch innerhalb von ebit.f) und die Quellen- und Senkenterme am unteren Rand des Grenzschichtmodells (am Schluß von boden.f) bestimmt.

• Im Fall mit Vegetation müssen zwei Energiebilanzen ins Gleichgewicht gebracht werden: An der Erdoberfläche und am Big-Leaf. Dementsprechend werden zwei Iterationsroutinen benötigt:
  ebavit.f für die Energiebilanz Vegetation-Grenzschicht und ebvbit.f für die Energiebilanz Boden-Vegetation. Die Randgrößen von Grenzschicht und Bodenmodell werden ähnlich behandelt, wie im Fall ohne Vegetation. Zusätzlich dazu werden in der Routine boden.f noch die aerodynamischen Widerstände, der Stomatawiderstand und die Zusatzterme für die Bodenwasserkopplung berechnet.

Nach erfolgter Iteration der Oberflächentemperatur(en) und der Bestimmung der Quellen- und Senkenterme am Unterrand des Grenzschichtmodells und am Oberrand des Bodenmodells, werden diese nun dazu verwendet, die progostischen Variablen und die übrigen Modellwerte zu berechnen. Dazu erfolgt im Hauptprogramm turbz.f der Aufruf weiterer Unterprogramme, so z.B. zur Berechnung der TKE, der spezifischen Feuchte oder des Bodenwasserhaushaltes. Eine kurze Beschreibung dieser Programme befindet sich auf der Seite "Programmdateien".