source: palm/trunk/SOURCE/chem_modules.f90 @ 4564

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1!> @file chem_modules.f90
2!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
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4!
5! PALM is free software: you can redistribute it and/or modify it under the terms of the GNU General
6! Public License as published by the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
7! (at your option) any later version.
8!
9! PALM is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the
10! implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the GNU General
11! Public License for more details.
12!
13! You should have received a copy of the GNU General Public License along with PALM. If not, see
14! <http://www.gnu.org/licenses/>.
15!
16! Copyright 2018-2020 Leibniz Universitaet Hannover
17! Copyright 2018-2020 Karlsruhe Institute of Technology
18! Copyright 2018-2020 Freie Universitaet Berlin
19!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
20!
21! Current revisions:
22! -----------------
23!
24!
25! Former revisions:
26! -----------------
27! $Id: chem_modules.f90 4559 2020-06-11 08:51:48Z raasch $
28! file re-formatted to follow the PALM coding standard
29!
30! 4544 2020-05-21 14:43:05Z raasch
31! conc_av changed from pointer to allocatable array
32!
33! 4511 2020-04-30 12:20:40Z raasch
34! new variables for explicit settings of lateral boundary conditions introduced
35!
36! 4481 2020-03-31 18:55:54Z maronga
37! added namelist flag 'emiss_read_legacy_mode' to allow concurrent functioning of new emission read
38! mode under development (ECC)
39!
40! 4273 2019-10-24 13:40:54Z monakurppa
41! Add logical switches nesting_chem and nesting_offline_chem (both .TRUE. by default)
42!
43! 4182 2019-08-22 15:20:23Z scharf
44! Corrected "Former revisions" section
45!
46! 4110 2019-07-22 17:05:21Z suehring
47! +cs_advc_flags_s
48!
49! 4109 2019-07-22 17:00:34Z suehring
50! - introduced namelist item chem_modules@emiss_lod as future
51! - replacement to chem_modules@mode_emis.  Currently keeping both for backward compatibility.
52!   chem_modules@mode_emis will be depreciated upon migration of all dependent modules (e.g., salsa)
53!   to chem_modules@emiss_lod
54!
55! (ecc) 20190513 replaced nspec_out with n_matched_vars
56!
57! 3877 2019-04-08 19:09:16Z knoop
58! Formatting, clean-up, clarified/corrected comments
59!
60! 3833 2019-03-28 15:04:04Z forkel
61! removed USE chem_gasphase_mod
62!
63! 3827 2019-03-27 17:20:32Z forkel
64! some formatting  and reordering (ecc)
65!
66! 3820 2019-03-27 11:53:41Z forkel
67! renamed do_emis to emissions_anthropogenic, removed USE statistics, variables sorted by type
68!
69! 3780 2019-03-05 11:19:45Z forkel
70! added cs_mech
71!
72! 3652 2019-01-07 15:29:59Z forkel
73! parameter chem_mechanism added (basit)
74!
75! 3282 2018-09-27 10:49:12Z basit
76! Initial revision
77!
78! Authors:
79! --------
80! @author Farah Kanani-Suehring
81! @author Basit Khan
82! @author Sabine Banzhaf
83! @author Emmanuele Russo
84! @author Edward C. Chan
85!
86!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
87! Description:
88! ------------
89!> Definition of global PALM-4U chemistry variables
90!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
91!
92 MODULE chem_modules
93
94    USE kinds
95
96    IMPLICIT NONE
97
98    CHARACTER (LEN=20) ::  bc_cs_b        = 'dirichlet'         !< namelist parameter: surface
99                                                                !< boundary condition for concentration
100    CHARACTER (LEN=20) ::  bc_cs_l        = 'undefined'         !< left boundary condition
101    CHARACTER (LEN=20) ::  bc_cs_n        = 'undefined'         !< north boundary condition
102    CHARACTER (LEN=20) ::  bc_cs_r        = 'undefined'         !< right boundary condition
103    CHARACTER (LEN=20) ::  bc_cs_s        = 'undefined'         !< south boundary condition
104    CHARACTER (LEN=20) ::  bc_cs_t        = 'initial_gradient'  !< namelist parameter: top boudary
105                                                                !< condition for concentration
106    CHARACTER (LEN=30) ::  chem_mechanism = 'phstatp'           !< namelist parameter: chemistry
107                                                                !< mechanism
108    CHARACTER (LEN=80) ::  daytype_mdh    = 'workday'           !< namelist parameter: type of day
109                                                                !< - workday, weekend, holiday
110    CHARACTER (LEN=80) ::  mode_emis      = 'PARAMETERIZED'     !< namelist parameter: mode of
111                                                                !< chemistry emissions -
112                                                                !< DEFAULT, EXPERT, PARAMETERIZED
113    CHARACTER (LEN=10) ::  photolysis_scheme                    !< 'constant',
114                                                                !< 'simple' (Simple parameterisation from MCM,
115                                                                !< Saunders et al., 2003, Atmos. Chem. Phys., 3, 161-180
116                                                                !< 'fastj'  (Wild et al., 2000, J. Atmos. Chem., 37, 245-282)
117                                                                !< STILL NOT IMPLEMENTED
118    CHARACTER (LEN=80) ::  time_fac_type  = 'MDH'               !< namelist parameter: type of time treatment in the mode_emis
119                                                                !< DEFAULT - HOUR, MDH
120
121    CHARACTER (LEN=11), DIMENSION(99) ::  cs_name             = 'novalue'  !< namelist parameter:
122                                                                           !<names of species with given fluxes
123                                                                           !< (see csflux)
124    CHARACTER (LEN=11), DIMENSION(99) ::  cs_profile_name     = 'novalue'  !< namelist parameter:
125                                                                           !< tbc...???
126    CHARACTER (LEN=11), DIMENSION(99) ::  data_output_pr_cs   = 'novalue'  !< namelist parameter:
127                                                                           !< tbc...???
128    CHARACTER (LEN=11), DIMENSION(99) ::  surface_csflux_name = 'novalue'  !< namelist parameter:
129                                                                           !< tbc...???
130
131    INTEGER(iwp) ::  communicator_chem      !< stores the number of the MPI communicator to be used
132                                            !< for ghost layer data exchange
133                                            !< 1: cyclic, 2: cyclic along x, 3: cyclic along y,
134                                            !< 4: non-cyclic
135
136    INTEGER(iwp) ::  cs_pr_count                           = 0      !< counter for chemical species
137                                                                    !< profiles
138    INTEGER(iwp) ::  cs_vertical_gradient_level_ind(99,10) = -9999  !< grid index values of
139                                                                    !< cs_vertical_gradient_level
140    INTEGER(iwp) ::  emiss_lod                             = -1     !< namelist parameter: chem emission LOD (same as mode_emis)
141                                                                    !< -1 = unassigned, 0 = parameterized, 1 = default,
142                                                                    !< 2 = pre-processed
143    INTEGER(iwp) ::  ibc_cs_b                                       !< integer flag for bc_cs_b
144    INTEGER(iwp) ::  ibc_cs_t                                       !< integer flag for bc_cs_t
145    INTEGER(iwp) ::  main_street_id                        = 0      !< namelist parameter: lower bound of main street IDs
146                                                                    !< (OpenStreetMaps) for PARAMETERIZED mode
147    INTEGER(iwp) ::  max_pr_cs                             = 0      !<
148    INTEGER(iwp) ::  max_street_id                         = 0      !< namelist parameter: upper bound of main street IDs
149                                                                    !< (OpenStreetMaps) for PARAMETERIZED mode
150    INTEGER(iwp) ::  n_matched_vars                                 !< number of matched emissions
151                                                                    !< variables
152    INTEGER(iwp) ::  side_street_id                        = 0      !< namelist parameter: lower bound of side street IDs
153                                                                    !< (OpenStreetMaps) for PARAMETERIZED mode
154
155    INTEGER(iwp), DIMENSION(99) ::  cs_pr_index  = 0      !< index for chemical species profiles
156    INTEGER(iwp), DIMENSION(:)  ::  match_spec_nox(1:2)   !< results of matching the input and
157                                                          !< model's NOx
158    INTEGER(iwp), DIMENSION(:)  ::  match_spec_pm(1:3)    !< results of matching the input and
159                                                          !< model's PMs
160    INTEGER(iwp), DIMENSION(:)  ::  match_spec_sox(1:2)   !< results of matching the input and
161                                                          !< model's SOx!
162
163    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  match_spec_input      !< index of input chem species
164                                                                      !< for matching routine
165    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  match_spec_model      !< index of model chem species#
166                                                                      !< for matching routine
167    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  match_spec_voc_input  !< index of VOC input
168                                                                      !< components matching the model's VOCs
169    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  match_spec_voc_model  !< index of VOC model species
170                                                                      !< matching the input VOCs comp.
171
172    INTEGER(iwp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE  ::  cs_advc_flags_s !< flags used to degrade order of advection scheme for
173                                                                     !< chemical species near walls and lateral boundaries
174
175    LOGICAL ::  bc_dirichlet_cs_l         = .FALSE.  !< flag for indicating a dirichlet condition at
176                                                     !< the left boundary
177    LOGICAL ::  bc_dirichlet_cs_n         = .FALSE.  !< flag for indicating a dirichlet condition at
178                                                     !< the north boundary
179    LOGICAL ::  bc_dirichlet_cs_r         = .FALSE.  !< flag for indicating a dirichlet condition at
180                                                     !< the right boundary
181    LOGICAL ::  bc_dirichlet_cs_s         = .FALSE.  !< flag for indicating a dirichlet condition at
182                                                     !< the south boundary
183    LOGICAL ::  bc_radiation_cs_l         = .FALSE.  !< flag for indicating a radiation/neumann
184                                                     !< condition at the left boundary
185    LOGICAL ::  bc_radiation_cs_n         = .FALSE.  !< flag for indicating a radiation/neumann
186                                                     !< condition at the north boundary
187    LOGICAL ::  bc_radiation_cs_r         = .FALSE.  !< flag for indicating a radiation/neumann
188                                                     !< condition at the right boundary
189    LOGICAL ::  bc_radiation_cs_s         = .FALSE.  !< flag for indicating a radiation/neumann
190                                                     !< condition at the south boundary
191    LOGICAL ::  constant_top_csflux(99)   = .TRUE.   !< internal flag, set to .FALSE. if no
192                                                     !< top_csflux is prescribed
193    LOGICAL ::  constant_csflux(99)       = .TRUE.   !< internal flag, set to .FALSE. if no
194                                                     !< surface_csflux is prescribed
195    LOGICAL ::  call_chem_at_all_substeps = .FALSE.  !< namelist parameter: ....???
196    LOGICAL ::  chem_debug0               = .FALSE.  !< namelist parameter: flag for minimum print
197                                                     !< output
198    LOGICAL ::  chem_debug1               = .FALSE.  !< namelist parameter: flag for print output
199    LOGICAL ::  chem_debug2               = .FALSE.  !< namelist parameter: flag for further print
200                                                     !< output
201    LOGICAL ::  chem_gasphase_on          = .TRUE.   !< namelist parameter: flag to switch off
202                                                     !< chemical reactions
203    LOGICAL ::  cs_pr_namelist_found      = .FALSE.  !< ...???
204    LOGICAL ::  deposition_dry            = .FALSE.  !< namelist parameter: flag for activation of
205                                                     !< deposition calculation
206    LOGICAL ::  emissions_anthropogenic   = .FALSE.  !< namelist parameter: flag for turning on
207                                                     !< anthropogenic emissions
208    LOGICAL ::  emission_output_required  = .TRUE.   !< internal flag for requiring emission outputs
209    LOGICAL ::  emiss_read_legacy_mode    = .TRUE.   !< namelist parameter: flag to read emission
210                                                     !< data using legacy mode
211    LOGICAL ::  nesting_chem              = .TRUE.   !< apply self-nesting for the chemistry model
212    LOGICAL ::  nesting_offline_chem      = .TRUE.   !< apply offline nesting for the chemistry
213                                                     !< model
214
215    REAL(wp) ::  cs_surface_initial_change(99)     = 0.0_wp        !< namelist parameter: ...???
216    REAL(wp) ::  cs_vertical_gradient(99,10)       = 0.0_wp        !< namelist parameter: ...???
217    REAL(wp) ::  cs_vertical_gradient_level(99,10) = -999999.9_wp  !< namelist parameter: ...???
218    REAL(wp) ::  emiss_factor_main(99)             = -9999.0_wp    !< namelist parameter: ...???
219    REAL(wp) ::  emiss_factor_side(99)             = -9999.0_wp    !< namelist parameter: ...???
220    REAL(wp) ::  surface_csflux(99)                = 0.0_wp        !< namelist parameter: ...???
221    REAL(wp) ::  top_csflux(99)                    = 0.0_wp        !< namelist parameter: ...???
222    REAL(wp) ::  wall_csflux(99,0:5)               = 0.0_wp        !< namelist parameter: ...???
223
224    REAL(wp), DIMENSION(99)     ::  cs_surface = 0.0_wp        !< namelist parameter: chem species
225                                                               !< concentration at surface
226    REAL(wp), DIMENSION(99,100) ::  cs_heights = 9999999.9_wp  !< namelist parameter: height levels
227                                                               !< for initial chem species concentrations
228    REAL(wp), DIMENSION(99,100) ::  cs_profile = 9999999.9_wp  !< namelist parameter: chem species
229                                                               !< concentration values at cs_heights levels
230
231    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  bc_cs_t_val  !< vertical gradient of chemical species
232                                                         !< near domain top
233    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  css          !< scaling parameter for chem species
234
235    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:,:), ALLOCATABLE ::  emis_distribution  !< emissions final values
236                                                                     !< (main module output) ???
237
238    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:,:), ALLOCATABLE, TARGET ::  cs_1  !< pointer for swapping of
239                                                                !< timelevels for respective quantity
240    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:,:), ALLOCATABLE, TARGET ::  cs_2  !< pointer for swapping of
241                                                                !< timelevels for respective quantity
242    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:,:), ALLOCATABLE, TARGET ::  cs_3  !< pointer for swapping of
243                                                                !< timelevels for respective quantity
244
245    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), POINTER ::  cs     !< pointer: sgs chem spcs  ???
246    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), POINTER ::  cs_p   !< pointer: prognostic value of sgs chem spcs ???
247    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), POINTER ::  tcs_m  !< pointer: to tcs array (temp)
248
249    REAL, PARAMETER ::  xm_air   =   28.964e-3             !< air      molecular weight (kg/mol)
250    REAL, PARAMETER ::  xm_C     =   12.01115e-3           !< C        molecular weight (kg/mol)
251    REAL, PARAMETER ::  xm_Ca    =   40.07800e-3           !< Ca       molecular weight (kg/mol)
252    REAL, PARAMETER ::  xm_Cd    =  112.41000e-3           !< Cd       molecular weight (kg/mol)
253    REAL, PARAMETER ::  xm_Cl    =   35.45300e-3           !< Cl       molecular weight (kg/mol)
254    REAL, PARAMETER ::  xm_dummy = 1000.0e-3               !< dummy    molecular weight (kg/mol)
255    REAL, PARAMETER ::  xm_F     =   18.99840e-3           !< F        molecular weight (kg/mol)
256    REAL, PARAMETER ::  xm_H     =    1.00790e-3           !< H        molecular weight (kg/mol)
257    REAL, PARAMETER ::  xm_K     =   39.09800e-3           !< K        molecular weight (kg/mol)
258    REAL, PARAMETER ::  xm_Mg    =   24.30500e-3           !< Mg       molecular weight (kg/mol)
259    REAL, PARAMETER ::  xm_N     =   14.00670e-3           !< N        molecular weight (kg/mol)
260    REAL, PARAMETER ::  xm_Na    =   22.98977e-3           !< Na       molecular weight (kg/mol)
261    REAL, PARAMETER ::  xm_O     =   15.99940e-3           !< O        molecular weight (kg/mol)
262    REAL, PARAMETER ::  xm_Pb    =  207.20000e-3           !< Pb       molecular weight (kg/mol)
263    REAL, PARAMETER ::  xm_Pb210 =  210.00000e-3           !< Pb (210) molecular weight (kg/mol)
264    REAL, PARAMETER ::  xm_Rn222 =  222.00000e-3           !< Rn (222) molecular weight (kg/mol)
265    REAL, PARAMETER ::  xm_S     =   32.06400e-3           !< S        molecular weight (kg/mol)
266    REAL, PARAMETER ::  xm_CO2   = xm_C + xm_O * 2         !< CO2      molecular weight (kg/mol)
267    REAL, PARAMETER ::  xm_h2o   = xm_H * 2 + xm_O         !< H2O      molecular weight (kg/mol)
268    REAL, PARAMETER ::  xm_HNO3  = xm_H + xm_N + xm_O * 3  !< HNO3     molecular weight (kg/mol)
269    REAL, PARAMETER ::  xm_o3    = xm_O * 3                !< O3       molecular weight (kg/mol)
270    REAL, PARAMETER ::  xm_N2O5  = xm_N * 2 + xm_O * 5     !< N2O5     molecular weight (kg/mol)
271    REAL, PARAMETER ::  xm_NH4   = xm_N + xm_H * 4         !< NH4      molecular weight (kg/mol)
272    REAL, PARAMETER ::  xm_NO3   = xm_N + xm_O * 3         !< NO3      molecular weight (kg/mol)
273    REAL, PARAMETER ::  xm_SO4   = xm_S + xm_O * 4         !< SO4      molecular weight (kg/mol)
274!
275!-  Define chemical variables within chem_species
276    TYPE species_def
277
278       CHARACTER(LEN=15)                            ::  name         !< name of chemical species
279       CHARACTER(LEN=15)                            ::  unit         !< unit (ppm for gases, kg m^-3
280                                                                     !< for aerosol tracers)
281
282       REAL(kind=wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:)     ::  conc_pr_init !< initial profile of chemical
283                                                                     !< species
284
285       REAL(kind=wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:)   ::  cssws_av     !< averaged fluxes of trace
286                                                                     !< gases at surface
287       REAL(kind=wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:)   ::  flux_s_cs    !< 6th-order advective flux at
288                                                                     !< south face of grid box of chemical species (='cs')
289       REAL(kind=wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:)   ::  diss_s_cs    !< artificial numerical dissipation
290                                                                     !< flux at south face of grid box of chemical species
291
292       REAL(kind=wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:) ::  conc_av      !< averaged concentrations
293       REAL(kind=wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:) ::  flux_l_cs    !< 6th-order advective flux at
294                                                                     !< left face of grid box of chemical species (='cs')
295       REAL(kind=wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:) ::  diss_l_cs    !< artificial numerical dissipation
296                                                                     !< flux at left face of grid box of chemical species
297
298       REAL(kind=wp), POINTER, DIMENSION(:,:,:)     ::  conc         !< concentrations of trace
299                                                                     !< gases
300       REAL(kind=wp), POINTER, DIMENSION(:,:,:)     ::  conc_p       !< conc at prognostic time
301                                                                     !< level
302       REAL(kind=wp), POINTER, DIMENSION(:,:,:)     ::  tconc_m      !< weighted tendency of conc
303                                                                     !< for previous sub-timestep (Runge-Kutta)
304
305    END TYPE species_def
306!
307!-- Define photolysis frequencies in phot_frequen
308    TYPE photols_def
309
310       CHARACTER(LEN=15)                            :: name          !< name of pgotolysis frequency
311       CHARACTER(LEN=15)                            :: unit          !< unit (1/s)
312
313       REAL(kind=wp), POINTER, DIMENSION(:,:,:)     :: freq          !< photolysis frequency
314
315    END TYPE photols_def
316
317
318    TYPE(species_def), ALLOCATABLE, DIMENSION(:), TARGET ::  chem_species
319    TYPE(photols_def), ALLOCATABLE, DIMENSION(:), TARGET ::  phot_frequen
320
321    SAVE
322
323 END MODULE chem_modules
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.