source: palm/trunk/SOURCE/lpm_init.f90 @ 3122

Last change on this file since 3122 was 3065, checked in by Giersch, 6 years ago

New vertical stretching procedure has been introduced

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 47.5 KB
RevLine 
[1873]1!> @file lpm_init.f90
[2000]2!------------------------------------------------------------------------------!
[2696]3! This file is part of the PALM model system.
[1036]4!
[2000]5! PALM is free software: you can redistribute it and/or modify it under the
6! terms of the GNU General Public License as published by the Free Software
7! Foundation, either version 3 of the License, or (at your option) any later
8! version.
[1036]9!
10! PALM is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY
11! WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR
12! A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License for more details.
13!
14! You should have received a copy of the GNU General Public License along with
15! PALM. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
16!
[2718]17! Copyright 1997-2018 Leibniz Universitaet Hannover
[2000]18!------------------------------------------------------------------------------!
[1036]19!
[254]20! Current revisions:
[1]21! -----------------
[2318]22!
[3049]23!
[1930]24! Former revisions:
25! -----------------
26! $Id: lpm_init.f90 3065 2018-06-12 07:03:02Z maronga $
[3065]27! dz was replaced by dzw or dz(1) to allow for right vertical stretching
28!
29! 3049 2018-05-29 13:52:36Z Giersch
[3049]30! Error messages revised
31!
32! 3045 2018-05-28 07:55:41Z Giersch
[3045]33! Error message revised
34!
35! 3039 2018-05-24 13:13:11Z schwenkel
[3039]36! bugfix for lcm with grid stretching
37!
38! 2967 2018-04-13 11:22:08Z raasch
[2967]39! nesting routine is only called if nesting is switched on
40!
41! 2954 2018-04-09 14:35:46Z schwenkel
[2954]42! Bugfix for particle initialization in case of ocean
43!
44! 2801 2018-02-14 16:01:55Z thiele
[2801]45! Introduce particle transfer in nested models.
46!
47! 2718 2018-01-02 08:49:38Z maronga
[2716]48! Corrected "Former revisions" section
[2701]49!
[2716]50! 2701 2017-12-15 15:40:50Z suehring
51! Changes from last commit documented
52!
[2701]53! 2698 2017-12-14 18:46:24Z suehring
[2716]54! Grid indices passed to lpm_boundary_conds. (responsible Philipp Thiele)
55!
56! 2696 2017-12-14 17:12:51Z kanani
57! Change in file header (GPL part)
58!
59! 2628 2017-11-20 12:40:38Z schwenkel
[2628]60! Enabled particle advection with grid stretching.
61!
62! 2608 2017-11-13 14:04:26Z schwenkel
[2608]63! Calculation of magnus equation in external module (diagnostic_quantities_mod).
64!
65! 2606 2017-11-10 10:36:31Z schwenkel
[2606]66! Changed particle box locations: center of particle box now coincides
67! with scalar grid point of same index.
68! Renamed module and subroutines: lpm_pack_arrays_mod -> lpm_pack_and_sort_mod
69! lpm_pack_all_arrays -> lpm_sort_in_subboxes, lpm_pack_arrays -> lpm_pack
70! lpm_sort -> lpm_sort_timeloop_done
71!
72! 2375 2017-08-29 14:10:28Z schwenkel
[2375]73! Initialization of chemical aerosol composition
74!
75! 2346 2017-08-09 16:39:17Z suehring
[2346]76! Bugfix, correct determination of topography top index
77!
78! 2318 2017-07-20 17:27:44Z suehring
[2318]79! Get topography top index via Function call
80!
81! 2317 2017-07-20 17:27:19Z suehring
[2312]82! Extended particle data type. Aerosol initialization improved.
83!
84! 2305 2017-07-06 11:18:47Z hoffmann
[2305]85! Improved calculation of particle IDs.
[2312]86!
[2305]87! 2274 2017-06-09 13:27:48Z Giersch
[2274]88!  Changed error messages
[2312]89!
[2274]90! 2265 2017-06-08 16:58:28Z schwenkel
[2265]91! Unused variables removed.
[2312]92!
[2265]93! 2263 2017-06-08 14:59:01Z schwenkel
[2263]94! Implemented splitting and merging algorithm
[2312]95!
[2263]96! 2233 2017-05-30 18:08:54Z suehring
[1930]97!
[2233]98! 2232 2017-05-30 17:47:52Z suehring
99! Adjustments according to new topography realization
[2312]100!
101!
[2224]102! 2223 2017-05-15 16:38:09Z suehring
103! Add check for particle release at model top
[2312]104!
[2183]105! 2182 2017-03-17 14:27:40Z schwenkel
106! Added parameters for simplified particle initialization.
[2305]107!
[2123]108! 2122 2017-01-18 12:22:54Z hoffmann
[2312]109! Improved initialization of equilibrium aerosol radii
[2123]110! Calculation of particle ID
111!
[2001]112! 2000 2016-08-20 18:09:15Z knoop
113! Forced header and separation lines into 80 columns
[2312]114!
[1930]115! 2016-06-09 16:25:25Z suehring
[2312]116! Bugfix in determining initial particle height and grid index in case of
[1929]117! seed_follows_topography.
[2312]118! Bugfix concerning random positions, ensure that particles do not move more
[1929]119! than one grid length.
120! Bugfix logarithmic interpolation.
121! Initial setting of sgs_wf_part.
[1321]122!
[1891]123! 1890 2016-04-22 08:52:11Z hoffmann
[2312]124! Initialization of aerosol equilibrium radius not possible in supersaturated
[1891]125! environments. Therefore, a maximum supersaturation of -1 % is assumed during
126! initialization.
127!
[1874]128! 1873 2016-04-18 14:50:06Z maronga
[1929]129! Module renamed (removed _mod
[2312]130!
[1872]131! 1871 2016-04-15 11:46:09Z hoffmann
132! Initialization of aerosols added.
133!
[1851]134! 1850 2016-04-08 13:29:27Z maronga
135! Module renamed
136!
[1832]137! 1831 2016-04-07 13:15:51Z hoffmann
138! curvature_solution_effects moved to particle_attributes
139!
[1823]140! 1822 2016-04-07 07:49:42Z hoffmann
141! Unused variables removed.
142!
[1784]143! 1783 2016-03-06 18:36:17Z raasch
144! netcdf module added
145!
[2312]146! 1725 2015-11-17 13:01:51Z hoffmann
147! Bugfix: Processor-dependent seed for random function is generated before it is
[1726]148! used.
149!
[1692]150! 1691 2015-10-26 16:17:44Z maronga
151! Renamed prandtl_layer to constant_flux_layer.
152!
[1686]153! 1685 2015-10-08 07:32:13Z raasch
154! bugfix concerning vertical index offset in case of ocean
155!
[1683]156! 1682 2015-10-07 23:56:08Z knoop
[2312]157! Code annotations made doxygen readable
[1683]158!
[1576]159! 1575 2015-03-27 09:56:27Z raasch
160! initial vertical particle position is allowed to follow the topography
161!
[1360]162! 1359 2014-04-11 17:15:14Z hoffmann
[2312]163! New particle structure integrated.
[1360]164! Kind definition added to all floating point numbers.
165! lpm_init changed form a subroutine to a module.
[2312]166!
[1329]167! 1327 2014-03-21 11:00:16Z raasch
168! -netcdf_output
169!
[1323]170! 1322 2014-03-20 16:38:49Z raasch
171! REAL functions provided with KIND-attribute
172!
[1321]173! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
[1320]174! ONLY-attribute added to USE-statements,
175! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
176! kinds are defined in new module kinds,
177! revision history before 2012 removed,
178! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
179! all variable declaration statements
180! bugfix: #if defined( __parallel ) added
[850]181!
[1315]182! 1314 2014-03-14 18:25:17Z suehring
[2312]183! Vertical logarithmic interpolation of horizontal particle speed for particles
[1315]184! between roughness height and first vertical grid level.
185!
[1093]186! 1092 2013-02-02 11:24:22Z raasch
187! unused variables removed
188!
[1037]189! 1036 2012-10-22 13:43:42Z raasch
190! code put under GPL (PALM 3.9)
191!
[850]192! 849 2012-03-15 10:35:09Z raasch
[849]193! routine renamed: init_particles -> lpm_init
194! de_dx, de_dy, de_dz are allocated here (instead of automatic arrays in
195! advec_particles),
196! sort_particles renamed lpm_sort_arrays, user_init_particles renamed lpm_init
[392]197!
[829]198! 828 2012-02-21 12:00:36Z raasch
199! call of init_kernels, particle feature color renamed class
200!
[826]201! 824 2012-02-17 09:09:57Z raasch
202! particle attributes speed_x|y|z_sgs renamed rvar1|2|3,
203! array particles implemented as pointer
204!
[668]205! 667 2010-12-23 12:06:00Z suehring/gryschka
[2312]206! nxl-1, nxr+1, nys-1, nyn+1 replaced by nxlg, nxrg, nysg, nyng for allocation
[668]207! of arrays.
208!
[1]209! Revision 1.1  1999/11/25 16:22:38  raasch
210! Initial revision
211!
212!
213! Description:
214! ------------
[1682]215!> This routine initializes a set of particles and their attributes (position,
216!> radius, ..) which are used by the Lagrangian particle model (see lpm).
[1]217!------------------------------------------------------------------------------!
[1682]218 MODULE lpm_init_mod
[2312]219
[2305]220    USE, INTRINSIC ::  ISO_C_BINDING
[1]221
[1320]222    USE arrays_3d,                                                             &
[3039]223        ONLY:  de_dx, de_dy, de_dz, dzw, zu, zw
[1320]224
225    USE control_parameters,                                                    &
[1691]226        ONLY:  cloud_droplets, constant_flux_layer, current_timestep_number,   &
[2312]227               dt_3d, dz, initializing_actions, message_string, ocean,         &
228               simulated_time
[1320]229
230    USE grid_variables,                                                        &
[1359]231        ONLY:  ddx, dx, ddy, dy
[1320]232
233    USE indices,                                                               &
[1575]234        ONLY:  nx, nxl, nxlg, nxrg, nxr, ny, nyn, nys, nyng, nysg, nz, nzb,    &
[2317]235               nzt, wall_flags_0
[1320]236
237    USE kinds
238
239    USE lpm_collision_kernels_mod,                                             &
240        ONLY:  init_kernels
241
[1783]242    USE netcdf_interface,                                                      &
243        ONLY:  netcdf_data_format
244
[1320]245    USE particle_attributes,                                                   &
[1359]246        ONLY:   alloc_factor, bc_par_b, bc_par_lr, bc_par_ns, bc_par_t,        &
247                block_offset, block_offset_def, collision_kernel,              &
[2265]248                curvature_solution_effects, density_ratio, grid_particles,     &
249                isf,i_splitting_mode, initial_weighting_factor, ibc_par_b,     &
250                ibc_par_lr, ibc_par_ns, ibc_par_t, iran_part, log_z_z0,        &
251                max_number_of_particle_groups, min_nr_particle,                &
[2305]252                number_concentration,                                          &
[2265]253                number_particles_per_gridbox,  number_of_particles,            &
[1320]254                number_of_particle_groups, number_of_sublayers,                &
[1822]255                offset_ocean_nzt, offset_ocean_nzt_m1,                         &
[1359]256                particles, particle_advection_start, particle_groups,          &
257                particle_groups_type, particles_per_point,                     &
[2312]258                particle_type, pdx, pdy, pdz,  prt_count, psb, psl, psn, psr,  &
259                pss, pst, radius, random_start_position,                       &
[2265]260                read_particles_from_restartfile, seed_follows_topography,      &
261                sgs_wf_part, sort_count, splitting_function, splitting_mode,   &
262                total_number_of_particles, use_sgs_for_particles,              &
263                write_particle_statistics, zero_particle, z0_av_global
[1320]264
[1]265    USE pegrid
266
[1320]267    USE random_function_mod,                                                   &
268        ONLY:  random_function
[1]269
[2232]270    USE surface_mod,                                                           &
[2698]271        ONLY:  get_topography_top_index_ji, surf_def_h, surf_lsm_h, surf_usm_h
[2232]272
[2801]273    USE pmc_particle_interface,                                                &
274        ONLY:  pmcp_g_init
275
[1359]276    IMPLICIT NONE
[1320]277
[1359]278    PRIVATE
279
[1682]280    INTEGER(iwp), PARAMETER         :: PHASE_INIT    = 1  !<
281    INTEGER(iwp), PARAMETER, PUBLIC :: PHASE_RELEASE = 2  !<
[1359]282
283    INTERFACE lpm_init
284       MODULE PROCEDURE lpm_init
285    END INTERFACE lpm_init
286
287    INTERFACE lpm_create_particle
288       MODULE PROCEDURE lpm_create_particle
289    END INTERFACE lpm_create_particle
290
291    PUBLIC lpm_init, lpm_create_particle
292
[1929]293 CONTAINS
[1359]294
[1682]295!------------------------------------------------------------------------------!
296! Description:
297! ------------
298!> @todo Missing subroutine description.
299!------------------------------------------------------------------------------!
[1359]300 SUBROUTINE lpm_init
301
302    USE lpm_collision_kernels_mod,                                             &
303        ONLY:  init_kernels
304
[2967]305    USE pmc_interface,                                                         &
306        ONLY: nested_run
307
[1]308    IMPLICIT NONE
309
[1682]310    INTEGER(iwp) ::  i                           !<
311    INTEGER(iwp) ::  j                           !<
312    INTEGER(iwp) ::  k                           !<
[1320]313
[2312]314    REAL(wp) ::  div                             !<
[1682]315    REAL(wp) ::  height_int                      !<
316    REAL(wp) ::  height_p                        !<
317    REAL(wp) ::  z_p                             !<
318    REAL(wp) ::  z0_av_local                     !<
[1]319
[1359]320
[1]321!
[150]322!-- In case of oceans runs, the vertical index calculations need an offset,
323!-- because otherwise the k indices will become negative
324    IF ( ocean )  THEN
325       offset_ocean_nzt    = nzt
326       offset_ocean_nzt_m1 = nzt - 1
327    ENDIF
328
[1359]329!
330!-- Define block offsets for dividing a gridcell in 8 sub cells
[2606]331!-- See documentation for List of subgrid boxes
332!-- See pack_and_sort in lpm_pack_arrays.f90 for assignment of the subgrid boxes
333    block_offset(0) = block_offset_def ( 0, 0, 0)
334    block_offset(1) = block_offset_def ( 0, 0,-1)
335    block_offset(2) = block_offset_def ( 0,-1, 0)
336    block_offset(3) = block_offset_def ( 0,-1,-1)
337    block_offset(4) = block_offset_def (-1, 0, 0)
338    block_offset(5) = block_offset_def (-1, 0,-1)
339    block_offset(6) = block_offset_def (-1,-1, 0)
340    block_offset(7) = block_offset_def (-1,-1,-1)
[150]341!
[1]342!-- Check the number of particle groups.
343    IF ( number_of_particle_groups > max_number_of_particle_groups )  THEN
[3045]344       WRITE( message_string, * ) 'max_number_of_particle_groups =',           &
345                                  max_number_of_particle_groups ,              &
[3046]346                                  '&number_of_particle_groups reset to ',      &
[254]347                                  max_number_of_particle_groups
[849]348       CALL message( 'lpm_init', 'PA0213', 0, 1, 0, 6, 0 )
[1]349       number_of_particle_groups = max_number_of_particle_groups
350    ENDIF
[2232]351!
352!-- Check if downward-facing walls exist. This case, reflection boundary
353!-- conditions (as well as subgrid-scale velocities) may do not work
[2312]354!-- propably (not realized so far).
[2232]355    IF ( surf_def_h(1)%ns >= 1 )  THEN
[3045]356       WRITE( message_string, * ) 'Overhanging topography do not work '//      &
[2312]357                                  'with particles'
[2232]358       CALL message( 'lpm_init', 'PA0212', 0, 1, 0, 6, 0 )
[1]359
[2312]360    ENDIF
[2232]361
[1]362!
363!-- Set default start positions, if necessary
[2606]364    IF ( psl(1) == 9999999.9_wp )  psl(1) = 0.0_wp
365    IF ( psr(1) == 9999999.9_wp )  psr(1) = ( nx +1 ) * dx
366    IF ( pss(1) == 9999999.9_wp )  pss(1) = 0.0_wp
367    IF ( psn(1) == 9999999.9_wp )  psn(1) = ( ny +1 ) * dy
[1359]368    IF ( psb(1) == 9999999.9_wp )  psb(1) = zu(nz/2)
369    IF ( pst(1) == 9999999.9_wp )  pst(1) = psb(1)
[1]370
[1359]371    IF ( pdx(1) == 9999999.9_wp  .OR.  pdx(1) == 0.0_wp )  pdx(1) = dx
372    IF ( pdy(1) == 9999999.9_wp  .OR.  pdy(1) == 0.0_wp )  pdy(1) = dy
373    IF ( pdz(1) == 9999999.9_wp  .OR.  pdz(1) == 0.0_wp )  pdz(1) = zu(2) - zu(1)
[1]374
[2182]375!
376!-- If number_particles_per_gridbox is set, the parametres pdx, pdy and pdz are
377!-- calculated diagnostically. Therfore an isotropic distribution is prescribed.
[2312]378    IF ( number_particles_per_gridbox /= -1 .AND.   &
[2182]379         number_particles_per_gridbox >= 1 )    THEN
[2312]380       pdx(1) = (( dx * dy * ( zu(2) - zu(1) ) ) /  &
[2182]381             REAL(number_particles_per_gridbox))**0.3333333_wp
382!
[2312]383!--    Ensure a smooth value (two significant digits) of distance between
[2182]384!--    particles (pdx, pdy, pdz).
385       div = 1000.0_wp
386       DO  WHILE ( pdx(1) < div )
387          div = div / 10.0_wp
388       ENDDO
389       pdx(1) = NINT( pdx(1) * 100.0_wp / div ) * div / 100.0_wp
390       pdy(1) = pdx(1)
391       pdz(1) = pdx(1)
392
393    ENDIF
394
[1]395    DO  j = 2, number_of_particle_groups
[1359]396       IF ( psl(j) == 9999999.9_wp )  psl(j) = psl(j-1)
397       IF ( psr(j) == 9999999.9_wp )  psr(j) = psr(j-1)
398       IF ( pss(j) == 9999999.9_wp )  pss(j) = pss(j-1)
399       IF ( psn(j) == 9999999.9_wp )  psn(j) = psn(j-1)
400       IF ( psb(j) == 9999999.9_wp )  psb(j) = psb(j-1)
401       IF ( pst(j) == 9999999.9_wp )  pst(j) = pst(j-1)
402       IF ( pdx(j) == 9999999.9_wp  .OR.  pdx(j) == 0.0_wp )  pdx(j) = pdx(j-1)
403       IF ( pdy(j) == 9999999.9_wp  .OR.  pdy(j) == 0.0_wp )  pdy(j) = pdy(j-1)
404       IF ( pdz(j) == 9999999.9_wp  .OR.  pdz(j) == 0.0_wp )  pdz(j) = pdz(j-1)
[1]405    ENDDO
406
407!
[2312]408!-- Allocate arrays required for calculating particle SGS velocities.
[1929]409!-- Initialize prefactor required for stoachastic Weil equation.
[1822]410    IF ( use_sgs_for_particles  .AND.  .NOT. cloud_droplets )  THEN
[849]411       ALLOCATE( de_dx(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
412                 de_dy(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
413                 de_dz(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
[1929]414
[2312]415       sgs_wf_part = 1.0_wp / 3.0_wp
[849]416    ENDIF
417
418!
[2312]419!-- Allocate array required for logarithmic vertical interpolation of
[1314]420!-- horizontal particle velocities between the surface and the first vertical
[2312]421!-- grid level. In order to avoid repeated CPU cost-intensive CALLS of
422!-- intrinsic FORTRAN procedure LOG(z/z0), LOG(z/z0) is precalculated for
423!-- several heights. Splitting into 20 sublayers turned out to be sufficient.
[1314]424!-- To obtain exact height levels of particles, linear interpolation is applied
425!-- (see lpm_advec.f90).
[1691]426    IF ( constant_flux_layer )  THEN
[2312]427
428       ALLOCATE ( log_z_z0(0:number_of_sublayers) )
[2232]429       z_p = zu(nzb+1) - zw(nzb)
[1314]430
431!
432!--    Calculate horizontal mean value of z0 used for logartihmic
[2312]433!--    interpolation. Note: this is not exact for heterogeneous z0.
434!--    However, sensitivity studies showed that the effect is
435!--    negligible.
[2232]436       z0_av_local  = SUM( surf_def_h(0)%z0 ) + SUM( surf_lsm_h%z0 ) +         &
437                      SUM( surf_usm_h%z0 )
[1359]438       z0_av_global = 0.0_wp
[1314]439
[1320]440#if defined( __parallel )
[1314]441       CALL MPI_ALLREDUCE(z0_av_local, z0_av_global, 1, MPI_REAL, MPI_SUM, &
442                          comm2d, ierr )
[1320]443#else
444       z0_av_global = z0_av_local
445#endif
[1314]446
447       z0_av_global = z0_av_global  / ( ( ny + 1 ) * ( nx + 1 ) )
448!
449!--    Horizontal wind speed is zero below and at z0
[1359]450       log_z_z0(0) = 0.0_wp
[1314]451!
452!--    Calculate vertical depth of the sublayers
[1322]453       height_int  = ( z_p - z0_av_global ) / REAL( number_of_sublayers, KIND=wp )
[1314]454!
455!--    Precalculate LOG(z/z0)
[1929]456       height_p    = z0_av_global
[1314]457       DO  k = 1, number_of_sublayers
458
459          height_p    = height_p + height_int
460          log_z_z0(k) = LOG( height_p / z0_av_global )
461
462       ENDDO
463
464    ENDIF
465
466!
[1359]467!-- Check boundary condition and set internal variables
468    SELECT CASE ( bc_par_b )
[2312]469
[1359]470       CASE ( 'absorb' )
471          ibc_par_b = 1
472
473       CASE ( 'reflect' )
474          ibc_par_b = 2
[2312]475
[1359]476       CASE DEFAULT
[3045]477          WRITE( message_string, * )  'unknown boundary condition ',           &
[1359]478                                       'bc_par_b = "', TRIM( bc_par_b ), '"'
479          CALL message( 'lpm_init', 'PA0217', 1, 2, 0, 6, 0 )
[2312]480
[1359]481    END SELECT
482    SELECT CASE ( bc_par_t )
[2312]483
[1359]484       CASE ( 'absorb' )
485          ibc_par_t = 1
486
487       CASE ( 'reflect' )
488          ibc_par_t = 2
[2801]489         
490       CASE ( 'nested' )
491          ibc_par_t = 3
[2312]492
[1359]493       CASE DEFAULT
[3045]494          WRITE( message_string, * ) 'unknown boundary condition ',            &
[1359]495                                     'bc_par_t = "', TRIM( bc_par_t ), '"'
496          CALL message( 'lpm_init', 'PA0218', 1, 2, 0, 6, 0 )
[2312]497
[1359]498    END SELECT
499    SELECT CASE ( bc_par_lr )
500
501       CASE ( 'cyclic' )
502          ibc_par_lr = 0
503
504       CASE ( 'absorb' )
505          ibc_par_lr = 1
506
507       CASE ( 'reflect' )
508          ibc_par_lr = 2
[2801]509         
510       CASE ( 'nested' )
511          ibc_par_lr = 3
[2312]512
[1359]513       CASE DEFAULT
514          WRITE( message_string, * ) 'unknown boundary condition ',   &
515                                     'bc_par_lr = "', TRIM( bc_par_lr ), '"'
516          CALL message( 'lpm_init', 'PA0219', 1, 2, 0, 6, 0 )
[2312]517
[1359]518    END SELECT
519    SELECT CASE ( bc_par_ns )
520
521       CASE ( 'cyclic' )
522          ibc_par_ns = 0
523
524       CASE ( 'absorb' )
525          ibc_par_ns = 1
526
527       CASE ( 'reflect' )
528          ibc_par_ns = 2
[2801]529         
530       CASE ( 'nested' )
531          ibc_par_ns = 3
[2312]532
[1359]533       CASE DEFAULT
534          WRITE( message_string, * ) 'unknown boundary condition ',   &
535                                     'bc_par_ns = "', TRIM( bc_par_ns ), '"'
536          CALL message( 'lpm_init', 'PA0220', 1, 2, 0, 6, 0 )
[2312]537
[1359]538    END SELECT
[2263]539    SELECT CASE ( splitting_mode )
[2312]540
[2263]541       CASE ( 'const' )
542          i_splitting_mode = 1
[1359]543
[2263]544       CASE ( 'cl_av' )
545          i_splitting_mode = 2
546
547       CASE ( 'gb_av' )
548          i_splitting_mode = 3
[2312]549
[2263]550       CASE DEFAULT
[3045]551          WRITE( message_string, * )  'unknown splitting_mode = "',            &
552                                      TRIM( splitting_mode ), '"'
[2263]553          CALL message( 'lpm_init', 'PA0146', 1, 2, 0, 6, 0 )
[2312]554
[2263]555    END SELECT
556    SELECT CASE ( splitting_function )
[2312]557
[2263]558       CASE ( 'gamma' )
559          isf = 1
560
561       CASE ( 'log' )
562          isf = 2
563
564       CASE ( 'exp' )
565          isf = 3
[2312]566
[2263]567       CASE DEFAULT
[3045]568          WRITE( message_string, * )  'unknown splitting function = "',        &
569                                       TRIM( splitting_function ), '"'
[2263]570          CALL message( 'lpm_init', 'PA0147', 1, 2, 0, 6, 0 )
[2312]571
[2263]572    END SELECT
573
[2312]574
[1359]575!
[828]576!-- Initialize collision kernels
577    IF ( collision_kernel /= 'none' )  CALL init_kernels
578
579!
[1]580!-- For the first model run of a possible job chain initialize the
[849]581!-- particles, otherwise read the particle data from restart file.
[1]582    IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data'  &
583         .AND.  read_particles_from_restartfile )  THEN
584
[849]585       CALL lpm_read_restart_file
[1]586
587    ELSE
588
589!
590!--    Allocate particle arrays and set attributes of the initial set of
591!--    particles, which can be also periodically released at later times.
[1359]592       ALLOCATE( prt_count(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
593                 grid_particles(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr) )
[1]594
[1359]595       number_of_particles         = 0
[792]596
597       sort_count = 0
[1359]598       prt_count  = 0
[792]599
[1]600!
[2312]601!--    initialize counter for particle IDs
[2305]602       grid_particles%id_counter = 1
[2122]603
604!
[1]605!--    Initialize all particles with dummy values (otherwise errors may
606!--    occur within restart runs). The reason for this is still not clear
607!--    and may be presumably caused by errors in the respective user-interface.
[1359]608       zero_particle = particle_type( 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp,  &
609                                      0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp,  &
610                                      0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp,  &
[2312]611                                      0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp,  &
[2305]612                                      0, 0, 0_idp, .FALSE., -1 )
[1822]613
[1359]614       particle_groups = particle_groups_type( 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp )
[1]615
616!
617!--    Set values for the density ratio and radius for all particle
618!--    groups, if necessary
[1359]619       IF ( density_ratio(1) == 9999999.9_wp )  density_ratio(1) = 0.0_wp
620       IF ( radius(1)        == 9999999.9_wp )  radius(1) = 0.0_wp
[1]621       DO  i = 2, number_of_particle_groups
[1359]622          IF ( density_ratio(i) == 9999999.9_wp )  THEN
[1]623             density_ratio(i) = density_ratio(i-1)
624          ENDIF
[1359]625          IF ( radius(i) == 9999999.9_wp )  radius(i) = radius(i-1)
[1]626       ENDDO
627
628       DO  i = 1, number_of_particle_groups
[1359]629          IF ( density_ratio(i) /= 0.0_wp  .AND.  radius(i) == 0 )  THEN
[3045]630             WRITE( message_string, * ) 'particle group #', i, ' has a',       &
[254]631                                        'density ratio /= 0 but radius = 0'
[849]632             CALL message( 'lpm_init', 'PA0215', 1, 2, 0, 6, 0 )
[1]633          ENDIF
634          particle_groups(i)%density_ratio = density_ratio(i)
635          particle_groups(i)%radius        = radius(i)
636       ENDDO
637
638!
[1359]639!--    Set a seed value for the random number generator to be exclusively
640!--    used for the particle code. The generated random numbers should be
641!--    different on the different PEs.
642       iran_part = iran_part + myid
643
[1725]644       CALL lpm_create_particle (PHASE_INIT)
[1359]645!
646!--    User modification of initial particles
647       CALL user_lpm_init
648
649!
650!--    Open file for statistical informations about particle conditions
651       IF ( write_particle_statistics )  THEN
652          CALL check_open( 80 )
653          WRITE ( 80, 8000 )  current_timestep_number, simulated_time,         &
[2312]654                              number_of_particles
[1359]655          CALL close_file( 80 )
656       ENDIF
657
658    ENDIF
659
[2967]660    IF ( nested_run )  CALL pmcp_g_init
[2801]661
[1359]662!
[2312]663!-- To avoid programm abort, assign particles array to the local version of
[1359]664!-- first grid cell
665    number_of_particles = prt_count(nzb+1,nys,nxl)
666    particles => grid_particles(nzb+1,nys,nxl)%particles(1:number_of_particles)
667!
668!-- Formats
6698000 FORMAT (I6,1X,F7.2,4X,I10,71X,I10)
670
671 END SUBROUTINE lpm_init
672
[1682]673!------------------------------------------------------------------------------!
674! Description:
675! ------------
676!> @todo Missing subroutine description.
677!------------------------------------------------------------------------------!
[1359]678 SUBROUTINE lpm_create_particle (phase)
[2628]679   
680    USE arrays_3d,                                                             &
681       ONLY:  zw
[1359]682    USE lpm_exchange_horiz_mod,                                                &
683        ONLY: lpm_exchange_horiz, lpm_move_particle, realloc_particles_array
684
[2628]685    USE lpm_pack_and_sort_mod,                                                 &
[2606]686        ONLY: lpm_sort_in_subboxes
[1359]687
[1871]688    USE particle_attributes,                                                   &
[2312]689        ONLY: deleted_particles
[1871]690
[1359]691    IMPLICIT  NONE
692
[1929]693    INTEGER(iwp)               ::  alloc_size  !< relative increase of allocated memory for particles
694    INTEGER(iwp)               ::  i           !< loop variable ( particle groups )
695    INTEGER(iwp)               ::  ip          !< index variable along x
696    INTEGER(iwp)               ::  j           !< loop variable ( particles per point )
697    INTEGER(iwp)               ::  jp          !< index variable along y
[2232]698    INTEGER(iwp)               ::  k           !< index variable along z
699    INTEGER(iwp)               ::  k_surf      !< index of surface grid point
[1929]700    INTEGER(iwp)               ::  kp          !< index variable along z
701    INTEGER(iwp)               ::  loop_stride !< loop variable for initialization
702    INTEGER(iwp)               ::  n           !< loop variable ( number of particles )
703    INTEGER(iwp)               ::  new_size    !< new size of allocated memory for particles
[1359]704
[1929]705    INTEGER(iwp), INTENT(IN)   ::  phase       !< mode of inititialization
[1359]706
[1929]707    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::  local_count !< start address of new particle
708    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::  local_start !< start address of new particle
[1359]709
[1929]710    LOGICAL                    ::  first_stride !< flag for initialization
[1359]711
[2312]712    REAL(wp)                   ::  pos_x      !< increment for particle position in x
713    REAL(wp)                   ::  pos_y      !< increment for particle position in y
714    REAL(wp)                   ::  pos_z      !< increment for particle position in z
[1929]715    REAL(wp)                   ::  rand_contr !< dummy argument for random position
[1359]716
[1929]717    TYPE(particle_type),TARGET ::  tmp_particle !< temporary particle used for initialization
[1359]718
719!
720!-- Calculate particle positions and store particle attributes, if
721!-- particle is situated on this PE
722    DO  loop_stride = 1, 2
723       first_stride = (loop_stride == 1)
724       IF ( first_stride )   THEN
725          local_count = 0           ! count number of particles
726       ELSE
727          local_count = prt_count   ! Start address of new particles
728       ENDIF
729
[2182]730!
731!--    Calculate initial_weighting_factor diagnostically
732       IF ( number_concentration /= -1.0_wp .AND. number_concentration > 0.0_wp ) THEN
[2312]733          initial_weighting_factor =  number_concentration * 1.0E6_wp *             &
734                                      pdx(1) * pdy(1) * pdz(1)
[2182]735       END IF
736
[1]737       n = 0
738       DO  i = 1, number_of_particle_groups
739
740          pos_z = psb(i)
741
742          DO WHILE ( pos_z <= pst(i) )
743
[2954]744             IF ( pos_z >= zw(0) .AND.  pos_z < zw(nzt) )  THEN
[1]745
746
[2223]747                pos_y = pss(i)
[1]748
[2223]749                DO WHILE ( pos_y <= psn(i) )
[1]750
[2606]751                   IF ( pos_y >= nys * dy  .AND.                  &
752                        pos_y <  ( nyn + 1 ) * dy  ) THEN
[1]753
[2223]754                      pos_x = psl(i)
[1]755
[2223]756               xloop: DO WHILE ( pos_x <= psr(i) )
[1]757
[2606]758                         IF ( pos_x >= nxl * dx  .AND.            &
759                              pos_x <  ( nxr + 1) * dx ) THEN
[2223]760
761                            DO  j = 1, particles_per_point
762
[2305]763
[2223]764                               n = n + 1
765                               tmp_particle%x             = pos_x
766                               tmp_particle%y             = pos_y
767                               tmp_particle%z             = pos_z
768                               tmp_particle%age           = 0.0_wp
769                               tmp_particle%age_m         = 0.0_wp
770                               tmp_particle%dt_sum        = 0.0_wp
771                               tmp_particle%e_m           = 0.0_wp
[2312]772                               tmp_particle%rvar1         = 0.0_wp
773                               tmp_particle%rvar2         = 0.0_wp
774                               tmp_particle%rvar3         = 0.0_wp
[2223]775                               tmp_particle%speed_x       = 0.0_wp
776                               tmp_particle%speed_y       = 0.0_wp
777                               tmp_particle%speed_z       = 0.0_wp
778                               tmp_particle%origin_x      = pos_x
779                               tmp_particle%origin_y      = pos_y
780                               tmp_particle%origin_z      = pos_z
[2312]781                               IF ( curvature_solution_effects )  THEN
782                                  tmp_particle%aux1      = 0.0_wp    ! dry aerosol radius
783                                  tmp_particle%aux2      = dt_3d     ! last Rosenbrock timestep
784                               ELSE
785                                  tmp_particle%aux1      = 0.0_wp    ! free to use
786                                  tmp_particle%aux2      = 0.0_wp    ! free to use
787                               ENDIF
[2223]788                               tmp_particle%radius        = particle_groups(i)%radius
789                               tmp_particle%weight_factor = initial_weighting_factor
790                               tmp_particle%class         = 1
791                               tmp_particle%group         = i
[2305]792                               tmp_particle%id            = 0_idp
[2223]793                               tmp_particle%particle_mask = .TRUE.
794                               tmp_particle%block_nr      = -1
[1]795!
[2223]796!--                            Determine the grid indices of the particle position
[2606]797                               ip = tmp_particle%x * ddx
798                               jp = tmp_particle%y * ddy
[3065]799                               kp = tmp_particle%z / dz(1) + 1 + offset_ocean_nzt                               
[2628]800                               DO WHILE( zw(kp) < tmp_particle%z ) 
801                                  kp = kp + 1
802                               ENDDO
803                               DO WHILE( zw(kp-1) > tmp_particle%z )
804                                  kp = kp - 1
805                               ENDDO 
[2232]806!
807!--                            Determine surface level. Therefore, check for
[2317]808!--                            upward-facing wall on w-grid.
[2698]809                               k_surf = get_topography_top_index_ji( jp, ip, 'w' )
[1]810
[2223]811                               IF ( seed_follows_topography )  THEN
[1575]812!
[2223]813!--                               Particle height is given relative to topography
[2232]814                                  kp = kp + k_surf
815                                  tmp_particle%z = tmp_particle%z + zw(k_surf)
816!--                               Skip particle release if particle position is
817!--                               above model top, or within topography in case
818!--                               of overhanging structures.
819                                  IF ( kp > nzt  .OR.                          &
820                                 .NOT. BTEST( wall_flags_0(kp,jp,ip), 0 ) )  THEN
[2223]821                                     pos_x = pos_x + pdx(i)
822                                     CYCLE xloop
823                                  ENDIF
[2232]824!
[2312]825!--                            Skip particle release if particle position is
[2232]826!--                            below surface, or within topography in case
827!--                            of overhanging structures.
[2223]828                               ELSEIF ( .NOT. seed_follows_topography .AND.    &
[2232]829                                         tmp_particle%z <= zw(k_surf)  .OR.    &
830                                        .NOT. BTEST( wall_flags_0(kp,jp,ip), 0 ) )&
831                               THEN
[1575]832                                  pos_x = pos_x + pdx(i)
[2312]833                                  CYCLE xloop
[1575]834                               ENDIF
835
[2223]836                               local_count(kp,jp,ip) = local_count(kp,jp,ip) + 1
[2182]837
[2223]838                               IF ( .NOT. first_stride )  THEN
839                                  IF ( ip < nxl  .OR.  jp < nys  .OR.  kp < nzb+1 )  THEN
840                                     write(6,*) 'xl ',ip,jp,kp,nxl,nys,nzb+1
841                                  ENDIF
842                                  IF ( ip > nxr  .OR.  jp > nyn  .OR.  kp > nzt )  THEN
843                                     write(6,*) 'xu ',ip,jp,kp,nxr,nyn,nzt
844                                  ENDIF
845                                  grid_particles(kp,jp,ip)%particles(local_count(kp,jp,ip)) = tmp_particle
846
[1359]847                               ENDIF
[2223]848                            ENDDO
[1929]849
[2223]850                         ENDIF
[1]851
[2223]852                         pos_x = pos_x + pdx(i)
[1]853
[2223]854                      ENDDO xloop
[1]855
[2223]856                   ENDIF
[1]857
[2223]858                   pos_y = pos_y + pdy(i)
[1]859
[2223]860                ENDDO
[1]861
[2223]862             ENDIF
[1]863
864             pos_z = pos_z + pdz(i)
865
866          ENDDO
867
868       ENDDO
869
[1359]870       IF ( first_stride )  THEN
871          DO  ip = nxl, nxr
872             DO  jp = nys, nyn
873                DO  kp = nzb+1, nzt
874                   IF ( phase == PHASE_INIT )  THEN
875                      IF ( local_count(kp,jp,ip) > 0 )  THEN
876                         alloc_size = MAX( INT( local_count(kp,jp,ip) *        &
877                            ( 1.0_wp + alloc_factor / 100.0_wp ) ),            &
878                            min_nr_particle )
879                      ELSE
880                         alloc_size = min_nr_particle
881                      ENDIF
882                      ALLOCATE(grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:alloc_size))
883                      DO  n = 1, alloc_size
884                         grid_particles(kp,jp,ip)%particles(n) = zero_particle
885                      ENDDO
886                   ELSEIF ( phase == PHASE_RELEASE )  THEN
887                      IF ( local_count(kp,jp,ip) > 0 )  THEN
888                         new_size   = local_count(kp,jp,ip) + prt_count(kp,jp,ip)
889                         alloc_size = MAX( INT( new_size * ( 1.0_wp +          &
890                            alloc_factor / 100.0_wp ) ), min_nr_particle )
891                         IF( alloc_size > SIZE( grid_particles(kp,jp,ip)%particles) )  THEN
[2182]892                            CALL realloc_particles_array(ip,jp,kp,alloc_size)
[1359]893                         ENDIF
894                      ENDIF
895                   ENDIF
896                ENDDO
897             ENDDO
898          ENDDO
899       ENDIF
[1929]900
[1359]901    ENDDO
[1]902
[2182]903
904
[1359]905    local_start = prt_count+1
906    prt_count   = local_count
[1871]907
[1]908!
[2122]909!-- Calculate particle IDs
910    DO  ip = nxl, nxr
911       DO  jp = nys, nyn
912          DO  kp = nzb+1, nzt
913             number_of_particles = prt_count(kp,jp,ip)
914             IF ( number_of_particles <= 0 )  CYCLE
915             particles => grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:number_of_particles)
916
[2312]917             DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles  !only new particles
[2122]918
[2305]919                particles(n)%id = 10000_idp**3 * grid_particles(kp,jp,ip)%id_counter + &
920                                  10000_idp**2 * kp + 10000_idp * jp + ip
921!
922!--             Count the number of particles that have been released before
[2122]923                grid_particles(kp,jp,ip)%id_counter =                          &
924                                         grid_particles(kp,jp,ip)%id_counter + 1
925
926             ENDDO
927
928          ENDDO
929       ENDDO
930    ENDDO
931
932!
[1871]933!-- Initialize aerosol background spectrum
[2312]934    IF ( curvature_solution_effects )  THEN
[1871]935       CALL lpm_init_aerosols(local_start)
936    ENDIF
937
938!
[1929]939!-- Add random fluctuation to particle positions.
[1359]940    IF ( random_start_position )  THEN
941       DO  ip = nxl, nxr
942          DO  jp = nys, nyn
943             DO  kp = nzb+1, nzt
944                number_of_particles = prt_count(kp,jp,ip)
945                IF ( number_of_particles <= 0 )  CYCLE
946                particles => grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:number_of_particles)
[1929]947!
[2312]948!--             Move only new particles. Moreover, limit random fluctuation
949!--             in order to prevent that particles move more than one grid box,
950!--             which would lead to problems concerning particle exchange
951!--             between processors in case pdx/pdy are larger than dx/dy,
952!--             respectively.
[1929]953                DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles
[1359]954                   IF ( psl(particles(n)%group) /= psr(particles(n)%group) )  THEN
[1929]955                      rand_contr = ( random_function( iran_part ) - 0.5_wp ) * &
956                                     pdx(particles(n)%group)
[1359]957                      particles(n)%x = particles(n)%x +                        &
[2232]958                              MERGE( rand_contr, SIGN( dx, rand_contr ),       &
[1929]959                                     ABS( rand_contr ) < dx                    &
[2312]960                                   )
[1359]961                   ENDIF
962                   IF ( pss(particles(n)%group) /= psn(particles(n)%group) )  THEN
[1929]963                      rand_contr = ( random_function( iran_part ) - 0.5_wp ) * &
964                                     pdy(particles(n)%group)
[1359]965                      particles(n)%y = particles(n)%y +                        &
[2232]966                              MERGE( rand_contr, SIGN( dy, rand_contr ),       &
[1929]967                                     ABS( rand_contr ) < dy                    &
[2312]968                                   )
[1359]969                   ENDIF
970                   IF ( psb(particles(n)%group) /= pst(particles(n)%group) )  THEN
[1929]971                      rand_contr = ( random_function( iran_part ) - 0.5_wp ) * &
972                                     pdz(particles(n)%group)
[1359]973                      particles(n)%z = particles(n)%z +                        &
[3065]974                              MERGE( rand_contr, SIGN( dzw(kp), rand_contr ),  &
975                                     ABS( rand_contr ) < dzw(kp)               &
[2312]976                                   )
[1359]977                   ENDIF
978                ENDDO
[1]979!
[1929]980!--             Identify particles located outside the model domain and reflect
981!--             or absorb them if necessary.
[2698]982                CALL lpm_boundary_conds( 'bottom/top', i, j, k )
[1929]983!
984!--             Furthermore, remove particles located in topography. Note, as
[2312]985!--             the particle speed is still zero at this point, wall
[1929]986!--             reflection boundary conditions will not work in this case.
987                particles =>                                                   &
988                       grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:number_of_particles)
989                DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles
[2606]990                   i = particles(n)%x * ddx
991                   j = particles(n)%y * ddy
[3065]992                   k = particles(n)%z / dz(1) + 1 + offset_ocean_nzt
[2628]993                   DO WHILE( zw(k) < particles(n)%z )
994                      k = k + 1
995                   ENDDO
996                   DO WHILE( zw(k-1) > particles(n)%z )
997                      k = k - 1
998                   ENDDO
[2232]999!
1000!--                Check if particle is within topography
1001                   IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )  THEN
[1929]1002                      particles(n)%particle_mask = .FALSE.
1003                      deleted_particles = deleted_particles + 1
1004                   ENDIF
[2232]1005
[1929]1006                ENDDO
[1359]1007             ENDDO
1008          ENDDO
1009       ENDDO
[1]1010!
[1359]1011!--    Exchange particles between grid cells and processors
1012       CALL lpm_move_particle
1013       CALL lpm_exchange_horiz
[1]1014
[1359]1015    ENDIF
[1]1016!
[2312]1017!-- In case of random_start_position, delete particles identified by
1018!-- lpm_exchange_horiz and lpm_boundary_conds. Then sort particles into blocks,
1019!-- which is needed for a fast interpolation of the LES fields on the particle
[1359]1020!-- position.
[2606]1021    CALL lpm_sort_in_subboxes
[1]1022
1023!
[2265]1024!-- Determine the current number of particles
[1359]1025    DO  ip = nxl, nxr
1026       DO  jp = nys, nyn
1027          DO  kp = nzb+1, nzt
1028             number_of_particles         = number_of_particles                 &
1029                                           + prt_count(kp,jp,ip)
[1]1030          ENDDO
[1359]1031       ENDDO
1032    ENDDO
[1]1033!
[1822]1034!-- Calculate the number of particles of the total domain
[1]1035#if defined( __parallel )
[1359]1036    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1037    CALL MPI_ALLREDUCE( number_of_particles, total_number_of_particles, 1, &
1038    MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d, ierr )
[1]1039#else
[1359]1040    total_number_of_particles = number_of_particles
[1]1041#endif
1042
[1359]1043    RETURN
[1]1044
[1359]1045 END SUBROUTINE lpm_create_particle
[336]1046
[1871]1047 SUBROUTINE lpm_init_aerosols(local_start)
1048
1049    USE arrays_3d,                                                             &
[2312]1050        ONLY: hyp, pt, q
[1871]1051
1052    USE cloud_parameters,                                                      &
[2375]1053        ONLY: l_d_rv, molecular_weight_of_solute,                              &
1054              molecular_weight_of_water, rho_l, r_v, rho_s, vanthoff
[1871]1055
1056    USE constants,                                                             &
1057        ONLY: pi
1058
[2608]1059    USE diagnostic_quantities_mod,                                             &
1060        ONLY:  magnus
1061
1062
[1871]1063    USE kinds
1064
1065    USE particle_attributes,                                                   &
[2375]1066        ONLY: aero_species, aero_type, aero_weight, log_sigma, na, rm
[1871]1067
1068    IMPLICIT NONE
1069
[2122]1070    REAL(wp)  :: afactor            !< curvature effects
[1871]1071    REAL(wp)  :: bfactor            !< solute effects
[2312]1072    REAL(wp)  :: dlogr              !< logarithmic width of radius bin
[1871]1073    REAL(wp)  :: e_a                !< vapor pressure
1074    REAL(wp)  :: e_s                !< saturation vapor pressure
[2312]1075    REAL(wp)  :: rmin = 0.005e-6_wp !< minimum aerosol radius
1076    REAL(wp)  :: rmax = 10.0e-6_wp  !< maximum aerosol radius
1077    REAL(wp)  :: r_mid              !< mean radius of bin
1078    REAL(wp)  :: r_l                !< left radius of bin
1079    REAL(wp)  :: r_r                !< right radius of bin
[2122]1080    REAL(wp)  :: sigma              !< surface tension
[1871]1081    REAL(wp)  :: t_int              !< temperature
1082
[1890]1083    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), INTENT(IN) ::  local_start !<
[1871]1084
1085    INTEGER(iwp)  :: n              !<
1086    INTEGER(iwp)  :: ip             !<
1087    INTEGER(iwp)  :: jp             !<
1088    INTEGER(iwp)  :: kp             !<
1089
1090!
[2375]1091!-- Set constants for different aerosol species
1092    IF ( TRIM(aero_species) .EQ. 'nacl' ) THEN
1093       molecular_weight_of_solute = 0.05844_wp 
1094       rho_s                      = 2165.0_wp
1095       vanthoff                   = 2.0_wp
1096    ELSEIF ( TRIM(aero_species) .EQ. 'c3h4o4' ) THEN
1097       molecular_weight_of_solute = 0.10406_wp 
1098       rho_s                      = 1600.0_wp
1099       vanthoff                   = 1.37_wp
1100    ELSEIF ( TRIM(aero_species) .EQ. 'nh4o3' ) THEN
1101       molecular_weight_of_solute = 0.08004_wp 
1102       rho_s                      = 1720.0_wp
1103       vanthoff                   = 2.31_wp
1104    ELSE
1105       WRITE( message_string, * ) 'unknown aerosol species ',   &
1106                                'aero_species = "', TRIM( aero_species ), '"'
1107       CALL message( 'lpm_init', 'PA0470', 1, 2, 0, 6, 0 )
1108    ENDIF
1109!
[2312]1110!-- The following typical aerosol spectra are taken from Jaenicke (1993):
1111!-- Tropospheric aerosols. Published in Aerosol-Cloud-Climate Interactions.
1112    IF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'polar' )  THEN
1113       na        = (/ 2.17e1, 1.86e-1, 3.04e-4 /) * 1.0E6
1114       rm        = (/ 0.0689, 0.375, 4.29 /) * 1.0E-6
1115       log_sigma = (/ 0.245, 0.300, 0.291 /)
1116    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'background' )  THEN
1117       na        = (/ 1.29e2, 5.97e1, 6.35e1 /) * 1.0E6
1118       rm        = (/ 0.0036, 0.127, 0.259 /) * 1.0E-6
1119       log_sigma = (/ 0.645, 0.253, 0.425 /)
1120    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'maritime' )  THEN
1121       na        = (/ 1.33e2, 6.66e1, 3.06e0 /) * 1.0E6
1122       rm        = (/ 0.0039, 0.133, 0.29 /) * 1.0E-6
1123       log_sigma = (/ 0.657, 0.210, 0.396 /)
1124    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'continental' )  THEN
1125       na        = (/ 3.20e3, 2.90e3, 3.00e-1 /) * 1.0E6
1126       rm        = (/ 0.01, 0.058, 0.9 /) * 1.0E-6
1127       log_sigma = (/ 0.161, 0.217, 0.380 /)
1128    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'desert' )  THEN
1129       na        = (/ 7.26e2, 1.14e3, 1.78e-1 /) * 1.0E6
1130       rm        = (/ 0.001, 0.0188, 10.8 /) * 1.0E-6
1131       log_sigma = (/ 0.247, 0.770, 0.438 /)
1132    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'rural' )  THEN
1133       na        = (/ 6.65e3, 1.47e2, 1.99e3 /) * 1.0E6
1134       rm        = (/ 0.00739, 0.0269, 0.0419 /) * 1.0E-6
1135       log_sigma = (/ 0.225, 0.557, 0.266 /)
1136    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'urban' )  THEN
1137       na        = (/ 9.93e4, 1.11e3, 3.64e4 /) * 1.0E6
1138       rm        = (/ 0.00651, 0.00714, 0.0248 /) * 1.0E-6
1139       log_sigma = (/ 0.245, 0.666, 0.337 /)
1140    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'user' )  THEN
1141       CONTINUE
1142    ELSE
1143       WRITE( message_string, * ) 'unknown aerosol type ',   &
1144                                'aero_type = "', TRIM( aero_type ), '"'
1145       CALL message( 'lpm_init', 'PA0459', 1, 2, 0, 6, 0 )
[1871]1146    ENDIF
1147
1148    DO  ip = nxl, nxr
1149       DO  jp = nys, nyn
1150          DO  kp = nzb+1, nzt
1151
1152             number_of_particles = prt_count(kp,jp,ip)
1153             IF ( number_of_particles <= 0 )  CYCLE
1154             particles => grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:number_of_particles)
[2312]1155
1156             dlogr   = ( LOG10(rmax) - LOG10(rmin) ) / ( number_of_particles - local_start(kp,jp,ip) + 1 )
[1871]1157!
1158!--          Initialize the aerosols with a predefined spectral distribution
[2312]1159!--          of the dry radius (logarithmically increasing bins) and a varying
[1871]1160!--          weighting factor
[2312]1161             DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles  !only new particles
[1871]1162
[2312]1163                r_l   = 10.0**( LOG10( rmin ) + (n-1) * dlogr )
1164                r_r   = 10.0**( LOG10( rmin ) + n * dlogr )
1165                r_mid = SQRT( r_l * r_r )
[1871]1166
[2312]1167                particles(n)%aux1          = r_mid
1168                particles(n)%weight_factor =                                           &
1169                   ( na(1) / ( SQRT( 2.0 * pi ) * log_sigma(1) ) *                     &
1170                     EXP( - LOG10( r_mid / rm(1) )**2 / ( 2.0 * log_sigma(1)**2 ) ) +  &
1171                     na(2) / ( SQRT( 2.0 * pi ) * log_sigma(2) ) *                     &
1172                     EXP( - LOG10( r_mid / rm(2) )**2 / ( 2.0 * log_sigma(2)**2 ) ) +  &
1173                     na(3) / ( SQRT( 2.0 * pi ) * log_sigma(3) ) *                     &
1174                     EXP( - LOG10( r_mid / rm(3) )**2 / ( 2.0 * log_sigma(3)**2 ) )    &
[3039]1175                   ) * ( LOG10(r_r) - LOG10(r_l) ) * ( dx * dy * dzw(kp) )
[1871]1176
[2312]1177!
1178!--             Multiply weight_factor with the namelist parameter aero_weight
1179!--             to increase or decrease the number of simulated aerosols
1180                particles(n)%weight_factor = particles(n)%weight_factor * aero_weight
[1871]1181
[2312]1182                IF ( particles(n)%weight_factor - FLOOR(particles(n)%weight_factor,KIND=wp) &
1183                     .GT. random_function( iran_part ) )  THEN
1184                   particles(n)%weight_factor = FLOOR(particles(n)%weight_factor,KIND=wp) + 1.0
1185                ELSE
1186                   particles(n)%weight_factor = FLOOR(particles(n)%weight_factor,KIND=wp)
[1871]1187                ENDIF
1188!
[2312]1189!--             Unnecessary particles will be deleted
1190                IF ( particles(n)%weight_factor .LE. 0.0 )  particles(n)%particle_mask = .FALSE.
[1871]1191
[2312]1192             ENDDO
[1871]1193!
1194!--          Set particle radius to equilibrium radius based on the environmental
1195!--          supersaturation (Khvorostyanov and Curry, 2007, JGR). This avoids
[2312]1196!--          the sometimes lengthy growth toward their equilibrium radius within
[1871]1197!--          the simulation.
1198             t_int  = pt(kp,jp,ip) * ( hyp(kp) / 100000.0_wp )**0.286_wp
1199
[2608]1200             e_s = magnus( t_int )
1201             e_a = q(kp,jp,ip) * hyp(kp) / ( q(kp,jp,ip) + 0.622_wp )
[1871]1202
[2122]1203             sigma   = 0.0761_wp - 0.000155_wp * ( t_int - 273.15_wp )
1204             afactor = 2.0_wp * sigma / ( rho_l * r_v * t_int )
1205
1206             bfactor = vanthoff * molecular_weight_of_water *    &
1207                       rho_s / ( molecular_weight_of_solute * rho_l )
[1871]1208!
[2312]1209!--          The formula is only valid for subsaturated environments. For
[2122]1210!--          supersaturations higher than -5 %, the supersaturation is set to -5%.
1211             IF ( e_a / e_s >= 0.95_wp )  e_a = 0.95_wp * e_s
[1871]1212
[2312]1213             DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles  !only new particles
[2122]1214!
[2312]1215!--             For details on this equation, see Eq. (14) of Khvorostyanov and
1216!--             Curry (2007, JGR)
[2122]1217                particles(n)%radius = bfactor**0.3333333_wp *                  &
[2312]1218                   particles(n)%aux1 / ( 1.0_wp - e_a / e_s )**0.3333333_wp / &
[2122]1219                   ( 1.0_wp + ( afactor / ( 3.0_wp * bfactor**0.3333333_wp *   &
[2312]1220                     particles(n)%aux1 ) ) /                                  &
[2122]1221                     ( 1.0_wp - e_a / e_s )**0.6666666_wp                      &
1222                   )
[1871]1223
[2122]1224             ENDDO
[1871]1225
1226          ENDDO
1227       ENDDO
1228    ENDDO
1229
1230 END SUBROUTINE lpm_init_aerosols
1231
[1359]1232END MODULE lpm_init_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.