source: palm/trunk/SOURCE/lpm_init.f90 @ 1891

Last change on this file since 1891 was 1891, checked in by hoffmann, 5 years ago

last commit documented

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 39.7 KB
Line 
1!> @file lpm_init.f90
2!--------------------------------------------------------------------------------!
3! This file is part of PALM.
4!
5! PALM is free software: you can redistribute it and/or modify it under the terms
6! of the GNU General Public License as published by the Free Software Foundation,
7! either version 3 of the License, or (at your option) any later version.
8!
9! PALM is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY
10! WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR
11! A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License for more details.
12!
13! You should have received a copy of the GNU General Public License along with
14! PALM. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
15!
16! Copyright 1997-2016 Leibniz Universitaet Hannover
17!--------------------------------------------------------------------------------!
18!
19! Current revisions:
20! -----------------
21!
22!
23! Former revisions:
24! -----------------
25! $Id: lpm_init.f90 1891 2016-04-22 08:53:22Z hoffmann $
26!
27! 1890 2016-04-22 08:52:11Z hoffmann
28! Initialization of aerosol equilibrium radius not possible in supersaturated
29! environments. Therefore, a maximum supersaturation of -1 % is assumed during
30! initialization.
31!
32! 1873 2016-04-18 14:50:06Z maronga
33! Module renamed (removed _mod)
34!
35! 1871 2016-04-15 11:46:09Z hoffmann
36! Initialization of aerosols added.
37!
38! 1850 2016-04-08 13:29:27Z maronga
39! Module renamed
40!
41! 1831 2016-04-07 13:15:51Z hoffmann
42! curvature_solution_effects moved to particle_attributes
43!
44! 1822 2016-04-07 07:49:42Z hoffmann
45! Unused variables removed.
46!
47! 1783 2016-03-06 18:36:17Z raasch
48! netcdf module added
49!
50! 1725 2015-11-17 13:01:51Z hoffmann
51! Bugfix: Processor-dependent seed for random function is generated before it is
52! used.
53!
54! 1691 2015-10-26 16:17:44Z maronga
55! Renamed prandtl_layer to constant_flux_layer.
56!
57! 1685 2015-10-08 07:32:13Z raasch
58! bugfix concerning vertical index offset in case of ocean
59!
60! 1682 2015-10-07 23:56:08Z knoop
61! Code annotations made doxygen readable
62!
63! 1575 2015-03-27 09:56:27Z raasch
64! initial vertical particle position is allowed to follow the topography
65!
66! 1359 2014-04-11 17:15:14Z hoffmann
67! New particle structure integrated.
68! Kind definition added to all floating point numbers.
69! lpm_init changed form a subroutine to a module.
70!
71! 1327 2014-03-21 11:00:16Z raasch
72! -netcdf_output
73!
74! 1322 2014-03-20 16:38:49Z raasch
75! REAL functions provided with KIND-attribute
76!
77! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
78! ONLY-attribute added to USE-statements,
79! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
80! kinds are defined in new module kinds,
81! revision history before 2012 removed,
82! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
83! all variable declaration statements
84! bugfix: #if defined( __parallel ) added
85!
86! 1314 2014-03-14 18:25:17Z suehring
87! Vertical logarithmic interpolation of horizontal particle speed for particles
88! between roughness height and first vertical grid level.
89!
90! 1092 2013-02-02 11:24:22Z raasch
91! unused variables removed
92!
93! 1036 2012-10-22 13:43:42Z raasch
94! code put under GPL (PALM 3.9)
95!
96! 849 2012-03-15 10:35:09Z raasch
97! routine renamed: init_particles -> lpm_init
98! de_dx, de_dy, de_dz are allocated here (instead of automatic arrays in
99! advec_particles),
100! sort_particles renamed lpm_sort_arrays, user_init_particles renamed lpm_init
101!
102! 828 2012-02-21 12:00:36Z raasch
103! call of init_kernels, particle feature color renamed class
104!
105! 824 2012-02-17 09:09:57Z raasch
106! particle attributes speed_x|y|z_sgs renamed rvar1|2|3,
107! array particles implemented as pointer
108!
109! 667 2010-12-23 12:06:00Z suehring/gryschka
110! nxl-1, nxr+1, nys-1, nyn+1 replaced by nxlg, nxrg, nysg, nyng for allocation
111! of arrays.
112!
113! Revision 1.1  1999/11/25 16:22:38  raasch
114! Initial revision
115!
116!
117! Description:
118! ------------
119!> This routine initializes a set of particles and their attributes (position,
120!> radius, ..) which are used by the Lagrangian particle model (see lpm).
121!------------------------------------------------------------------------------!
122 MODULE lpm_init_mod
123 
124
125    USE arrays_3d,                                                             &
126        ONLY:  de_dx, de_dy, de_dz, zu, zw, z0
127
128    USE control_parameters,                                                    &
129        ONLY:  cloud_droplets, constant_flux_layer, current_timestep_number,   &
130               dz, initializing_actions, message_string, ocean, simulated_time
131
132    USE grid_variables,                                                        &
133        ONLY:  ddx, dx, ddy, dy
134
135    USE indices,                                                               &
136        ONLY:  nx, nxl, nxlg, nxrg, nxr, ny, nyn, nys, nyng, nysg, nz, nzb,    &
137               nzb_w_inner, nzt
138
139    USE kinds
140
141    USE lpm_collision_kernels_mod,                                             &
142        ONLY:  init_kernels
143
144    USE netcdf_interface,                                                      &
145        ONLY:  netcdf_data_format
146
147    USE particle_attributes,                                                   &
148        ONLY:   alloc_factor, bc_par_b, bc_par_lr, bc_par_ns, bc_par_t,        &
149                block_offset, block_offset_def, collision_kernel,              &
150                curvature_solution_effects,                                    &
151                density_ratio, grid_particles,                                 &
152                initial_weighting_factor, ibc_par_b, ibc_par_lr, ibc_par_ns,   &
153                ibc_par_t, iran_part, log_z_z0,                                &
154                max_number_of_particle_groups, maximum_number_of_particles,    &
155                min_nr_particle, mpi_particle_type,                            &
156                number_of_particles,                                           &
157                number_of_particle_groups, number_of_sublayers,                &
158                offset_ocean_nzt, offset_ocean_nzt_m1,                         &
159                particles, particle_advection_start, particle_groups,          &
160                particle_groups_type, particles_per_point,                     &
161                particle_type, pdx, pdy, pdz,                                  &
162                prt_count, psb, psl, psn, psr, pss, pst,                       &
163                radius, random_start_position, read_particles_from_restartfile,&
164                seed_follows_topography, sort_count,                           &
165                total_number_of_particles,                                     &
166                use_sgs_for_particles,                                         &
167                write_particle_statistics, uniform_particles, zero_particle,   &
168                z0_av_global
169
170    USE pegrid
171
172    USE random_function_mod,                                                   &
173        ONLY:  random_function
174
175    IMPLICIT NONE
176
177    PRIVATE
178
179    INTEGER(iwp), PARAMETER         :: PHASE_INIT    = 1  !<
180    INTEGER(iwp), PARAMETER, PUBLIC :: PHASE_RELEASE = 2  !<
181
182    INTERFACE lpm_init
183       MODULE PROCEDURE lpm_init
184    END INTERFACE lpm_init
185
186    INTERFACE lpm_create_particle
187       MODULE PROCEDURE lpm_create_particle
188    END INTERFACE lpm_create_particle
189
190    PUBLIC lpm_init, lpm_create_particle
191
192CONTAINS
193
194!------------------------------------------------------------------------------!
195! Description:
196! ------------
197!> @todo Missing subroutine description.
198!------------------------------------------------------------------------------!
199 SUBROUTINE lpm_init
200
201    USE lpm_collision_kernels_mod,                                             &
202        ONLY:  init_kernels
203
204    IMPLICIT NONE
205
206    INTEGER(iwp) ::  i                           !<
207    INTEGER(iwp) ::  j                           !<
208    INTEGER(iwp) ::  k                           !<
209
210#if defined( __parallel )
211    INTEGER(iwp), DIMENSION(3) ::  blocklengths  !<
212    INTEGER(iwp), DIMENSION(3) ::  displacements !<
213    INTEGER(iwp), DIMENSION(3) ::  types         !<
214#endif
215
216    REAL(wp) ::  height_int                      !<
217    REAL(wp) ::  height_p                        !<
218    REAL(wp) ::  z_p                             !<
219    REAL(wp) ::  z0_av_local                     !<
220
221#if defined( __parallel )
222!
223!-- Define MPI derived datatype for FORTRAN datatype particle_type (see module
224!-- particle_attributes). Integer length is 4 byte, Real is 8 byte
225    blocklengths(1)  = 19;  blocklengths(2)  =   6;  blocklengths(3)  =   1
226    displacements(1) =  0;  displacements(2) = 152;  displacements(3) = 176
227
228    types(1) = MPI_REAL
229    types(2) = MPI_INTEGER
230    types(3) = MPI_UB
231    CALL MPI_TYPE_STRUCT( 3, blocklengths, displacements, types, &
232                          mpi_particle_type, ierr )
233    CALL MPI_TYPE_COMMIT( mpi_particle_type, ierr )
234#endif
235
236!
237!-- In case of oceans runs, the vertical index calculations need an offset,
238!-- because otherwise the k indices will become negative
239    IF ( ocean )  THEN
240       offset_ocean_nzt    = nzt
241       offset_ocean_nzt_m1 = nzt - 1
242    ENDIF
243
244!
245!-- Define block offsets for dividing a gridcell in 8 sub cells
246
247    block_offset(0) = block_offset_def (-1,-1,-1)
248    block_offset(1) = block_offset_def (-1,-1, 0)
249    block_offset(2) = block_offset_def (-1, 0,-1)
250    block_offset(3) = block_offset_def (-1, 0, 0)
251    block_offset(4) = block_offset_def ( 0,-1,-1)
252    block_offset(5) = block_offset_def ( 0,-1, 0)
253    block_offset(6) = block_offset_def ( 0, 0,-1)
254    block_offset(7) = block_offset_def ( 0, 0, 0)
255!
256!-- Check the number of particle groups.
257    IF ( number_of_particle_groups > max_number_of_particle_groups )  THEN
258       WRITE( message_string, * ) 'max_number_of_particle_groups =',      &
259                                  max_number_of_particle_groups ,         &
260                                  '&number_of_particle_groups reset to ', &
261                                  max_number_of_particle_groups
262       CALL message( 'lpm_init', 'PA0213', 0, 1, 0, 6, 0 )
263       number_of_particle_groups = max_number_of_particle_groups
264    ENDIF
265
266!
267!-- Set default start positions, if necessary
268    IF ( psl(1) == 9999999.9_wp )  psl(1) = -0.5_wp * dx
269    IF ( psr(1) == 9999999.9_wp )  psr(1) = ( nx + 0.5_wp ) * dx
270    IF ( pss(1) == 9999999.9_wp )  pss(1) = -0.5_wp * dy
271    IF ( psn(1) == 9999999.9_wp )  psn(1) = ( ny + 0.5_wp ) * dy
272    IF ( psb(1) == 9999999.9_wp )  psb(1) = zu(nz/2)
273    IF ( pst(1) == 9999999.9_wp )  pst(1) = psb(1)
274
275    IF ( pdx(1) == 9999999.9_wp  .OR.  pdx(1) == 0.0_wp )  pdx(1) = dx
276    IF ( pdy(1) == 9999999.9_wp  .OR.  pdy(1) == 0.0_wp )  pdy(1) = dy
277    IF ( pdz(1) == 9999999.9_wp  .OR.  pdz(1) == 0.0_wp )  pdz(1) = zu(2) - zu(1)
278
279    DO  j = 2, number_of_particle_groups
280       IF ( psl(j) == 9999999.9_wp )  psl(j) = psl(j-1)
281       IF ( psr(j) == 9999999.9_wp )  psr(j) = psr(j-1)
282       IF ( pss(j) == 9999999.9_wp )  pss(j) = pss(j-1)
283       IF ( psn(j) == 9999999.9_wp )  psn(j) = psn(j-1)
284       IF ( psb(j) == 9999999.9_wp )  psb(j) = psb(j-1)
285       IF ( pst(j) == 9999999.9_wp )  pst(j) = pst(j-1)
286       IF ( pdx(j) == 9999999.9_wp  .OR.  pdx(j) == 0.0_wp )  pdx(j) = pdx(j-1)
287       IF ( pdy(j) == 9999999.9_wp  .OR.  pdy(j) == 0.0_wp )  pdy(j) = pdy(j-1)
288       IF ( pdz(j) == 9999999.9_wp  .OR.  pdz(j) == 0.0_wp )  pdz(j) = pdz(j-1)
289    ENDDO
290
291!
292!-- Allocate arrays required for calculating particle SGS velocities
293    IF ( use_sgs_for_particles  .AND.  .NOT. cloud_droplets )  THEN
294       ALLOCATE( de_dx(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
295                 de_dy(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
296                 de_dz(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
297    ENDIF
298
299!
300!-- Allocate array required for logarithmic vertical interpolation of
301!-- horizontal particle velocities between the surface and the first vertical
302!-- grid level. In order to avoid repeated CPU cost-intensive CALLS of
303!-- intrinsic FORTRAN procedure LOG(z/z0), LOG(z/z0) is precalculated for
304!-- several heights. Splitting into 20 sublayers turned out to be sufficient.
305!-- To obtain exact height levels of particles, linear interpolation is applied
306!-- (see lpm_advec.f90).
307    IF ( constant_flux_layer )  THEN
308       
309       ALLOCATE ( log_z_z0(0:number_of_sublayers) ) 
310       z_p         = zu(nzb+1) - zw(nzb)
311
312!
313!--    Calculate horizontal mean value of z0 used for logartihmic
314!--    interpolation. Note: this is not exact for heterogeneous z0.
315!--    However, sensitivity studies showed that the effect is
316!--    negligible.
317       z0_av_local  = SUM( z0(nys:nyn,nxl:nxr) )
318       z0_av_global = 0.0_wp
319
320#if defined( __parallel )
321       CALL MPI_ALLREDUCE(z0_av_local, z0_av_global, 1, MPI_REAL, MPI_SUM, &
322                          comm2d, ierr )
323#else
324       z0_av_global = z0_av_local
325#endif
326
327       z0_av_global = z0_av_global  / ( ( ny + 1 ) * ( nx + 1 ) )
328!
329!--    Horizontal wind speed is zero below and at z0
330       log_z_z0(0) = 0.0_wp
331!
332!--    Calculate vertical depth of the sublayers
333       height_int  = ( z_p - z0_av_global ) / REAL( number_of_sublayers, KIND=wp )
334!
335!--    Precalculate LOG(z/z0)
336       height_p    = 0.0_wp
337       DO  k = 1, number_of_sublayers
338
339          height_p    = height_p + height_int
340          log_z_z0(k) = LOG( height_p / z0_av_global )
341
342       ENDDO
343
344
345    ENDIF
346
347!
348!-- Check boundary condition and set internal variables
349    SELECT CASE ( bc_par_b )
350   
351       CASE ( 'absorb' )
352          ibc_par_b = 1
353
354       CASE ( 'reflect' )
355          ibc_par_b = 2
356         
357       CASE DEFAULT
358          WRITE( message_string, * )  'unknown boundary condition ',   &
359                                       'bc_par_b = "', TRIM( bc_par_b ), '"'
360          CALL message( 'lpm_init', 'PA0217', 1, 2, 0, 6, 0 )
361         
362    END SELECT
363    SELECT CASE ( bc_par_t )
364   
365       CASE ( 'absorb' )
366          ibc_par_t = 1
367
368       CASE ( 'reflect' )
369          ibc_par_t = 2
370         
371       CASE DEFAULT
372          WRITE( message_string, * ) 'unknown boundary condition ',   &
373                                     'bc_par_t = "', TRIM( bc_par_t ), '"'
374          CALL message( 'lpm_init', 'PA0218', 1, 2, 0, 6, 0 )
375         
376    END SELECT
377    SELECT CASE ( bc_par_lr )
378
379       CASE ( 'cyclic' )
380          ibc_par_lr = 0
381
382       CASE ( 'absorb' )
383          ibc_par_lr = 1
384
385       CASE ( 'reflect' )
386          ibc_par_lr = 2
387         
388       CASE DEFAULT
389          WRITE( message_string, * ) 'unknown boundary condition ',   &
390                                     'bc_par_lr = "', TRIM( bc_par_lr ), '"'
391          CALL message( 'lpm_init', 'PA0219', 1, 2, 0, 6, 0 )
392         
393    END SELECT
394    SELECT CASE ( bc_par_ns )
395
396       CASE ( 'cyclic' )
397          ibc_par_ns = 0
398
399       CASE ( 'absorb' )
400          ibc_par_ns = 1
401
402       CASE ( 'reflect' )
403          ibc_par_ns = 2
404         
405       CASE DEFAULT
406          WRITE( message_string, * ) 'unknown boundary condition ',   &
407                                     'bc_par_ns = "', TRIM( bc_par_ns ), '"'
408          CALL message( 'lpm_init', 'PA0220', 1, 2, 0, 6, 0 )
409         
410    END SELECT
411
412!
413!-- Initialize collision kernels
414    IF ( collision_kernel /= 'none' )  CALL init_kernels
415
416!
417!-- For the first model run of a possible job chain initialize the
418!-- particles, otherwise read the particle data from restart file.
419    IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data'  &
420         .AND.  read_particles_from_restartfile )  THEN
421
422       CALL lpm_read_restart_file
423
424    ELSE
425
426!
427!--    Allocate particle arrays and set attributes of the initial set of
428!--    particles, which can be also periodically released at later times.
429       ALLOCATE( prt_count(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
430                 grid_particles(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr) )
431
432       maximum_number_of_particles = 0
433       number_of_particles         = 0
434
435       sort_count = 0
436       prt_count  = 0
437
438!
439!--    Initialize all particles with dummy values (otherwise errors may
440!--    occur within restart runs). The reason for this is still not clear
441!--    and may be presumably caused by errors in the respective user-interface.
442       zero_particle = particle_type( 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp,  &
443                                      0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp,  &
444                                      0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp,  &
445                                      0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0, 0, 0, &
446                                      0, .FALSE., -1)
447
448       particle_groups = particle_groups_type( 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp )
449
450!
451!--    Set values for the density ratio and radius for all particle
452!--    groups, if necessary
453       IF ( density_ratio(1) == 9999999.9_wp )  density_ratio(1) = 0.0_wp
454       IF ( radius(1)        == 9999999.9_wp )  radius(1) = 0.0_wp
455       DO  i = 2, number_of_particle_groups
456          IF ( density_ratio(i) == 9999999.9_wp )  THEN
457             density_ratio(i) = density_ratio(i-1)
458          ENDIF
459          IF ( radius(i) == 9999999.9_wp )  radius(i) = radius(i-1)
460       ENDDO
461
462       DO  i = 1, number_of_particle_groups
463          IF ( density_ratio(i) /= 0.0_wp  .AND.  radius(i) == 0 )  THEN
464             WRITE( message_string, * ) 'particle group #', i, 'has a', &
465                                        'density ratio /= 0 but radius = 0'
466             CALL message( 'lpm_init', 'PA0215', 1, 2, 0, 6, 0 )
467          ENDIF
468          particle_groups(i)%density_ratio = density_ratio(i)
469          particle_groups(i)%radius        = radius(i)
470       ENDDO
471
472!
473!--    Set a seed value for the random number generator to be exclusively
474!--    used for the particle code. The generated random numbers should be
475!--    different on the different PEs.
476       iran_part = iran_part + myid
477
478       CALL lpm_create_particle (PHASE_INIT)
479
480!
481!--    User modification of initial particles
482       CALL user_lpm_init
483
484!
485!--    Open file for statistical informations about particle conditions
486       IF ( write_particle_statistics )  THEN
487          CALL check_open( 80 )
488          WRITE ( 80, 8000 )  current_timestep_number, simulated_time,         &
489                              number_of_particles,                             &
490                              maximum_number_of_particles
491          CALL close_file( 80 )
492       ENDIF
493
494    ENDIF
495
496!
497!-- To avoid programm abort, assign particles array to the local version of
498!-- first grid cell
499    number_of_particles = prt_count(nzb+1,nys,nxl)
500    particles => grid_particles(nzb+1,nys,nxl)%particles(1:number_of_particles)
501
502!
503!-- Formats
5048000 FORMAT (I6,1X,F7.2,4X,I10,71X,I10)
505
506 END SUBROUTINE lpm_init
507
508!------------------------------------------------------------------------------!
509! Description:
510! ------------
511!> @todo Missing subroutine description.
512!------------------------------------------------------------------------------!
513 SUBROUTINE lpm_create_particle (phase)
514
515    USE lpm_exchange_horiz_mod,                                                &
516        ONLY: lpm_exchange_horiz, lpm_move_particle, realloc_particles_array
517
518    USE lpm_pack_arrays_mod,                                                   &
519        ONLY: lpm_pack_all_arrays
520
521    USE particle_attributes,                                                   &
522        ONLY: monodisperse_aerosols
523
524    IMPLICIT  NONE
525
526    INTEGER(iwp)               ::  alloc_size  !<
527    INTEGER(iwp)               ::  i           !<
528    INTEGER(iwp)               ::  ip          !<
529    INTEGER(iwp)               ::  j           !<
530    INTEGER(iwp)               ::  jp          !<
531    INTEGER(iwp)               ::  kp          !<
532    INTEGER(iwp)               ::  loop_stride !<
533    INTEGER(iwp)               ::  n           !<
534    INTEGER(iwp)               ::  new_size    !<
535
536    INTEGER(iwp), INTENT(IN)   ::  phase       !<
537
538    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::  local_count !<
539    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::  local_start !<
540
541    LOGICAL                    ::  first_stride !<
542
543    REAL(wp)                   ::  pos_x !<
544    REAL(wp)                   ::  pos_y !<
545    REAL(wp)                   ::  pos_z !<
546
547    TYPE(particle_type),TARGET ::  tmp_particle !<
548
549!
550!-- Calculate particle positions and store particle attributes, if
551!-- particle is situated on this PE
552    DO  loop_stride = 1, 2
553       first_stride = (loop_stride == 1)
554       IF ( first_stride )   THEN
555          local_count = 0           ! count number of particles
556       ELSE
557          local_count = prt_count   ! Start address of new particles
558       ENDIF
559
560       n = 0
561       DO  i = 1, number_of_particle_groups
562
563          pos_z = psb(i)
564
565          DO WHILE ( pos_z <= pst(i) )
566
567             pos_y = pss(i)
568
569             DO WHILE ( pos_y <= psn(i) )
570
571                IF ( pos_y >= ( nys - 0.5_wp ) * dy  .AND.  &
572                     pos_y <  ( nyn + 0.5_wp ) * dy )  THEN
573
574                   pos_x = psl(i)
575
576            xloop: DO WHILE ( pos_x <= psr(i) )
577
578                      IF ( pos_x >= ( nxl - 0.5_wp ) * dx  .AND.  &
579                           pos_x <  ( nxr + 0.5_wp ) * dx )  THEN
580
581                         DO  j = 1, particles_per_point
582
583                            n = n + 1
584                            tmp_particle%x             = pos_x
585                            tmp_particle%y             = pos_y
586                            tmp_particle%z             = pos_z
587                            tmp_particle%age           = 0.0_wp
588                            tmp_particle%age_m         = 0.0_wp
589                            tmp_particle%dt_sum        = 0.0_wp
590                            tmp_particle%dvrp_psize    = 0.0_wp !unused
591                            tmp_particle%e_m           = 0.0_wp
592                            IF ( curvature_solution_effects )  THEN
593!
594!--                            Initial values (internal timesteps, derivative)
595!--                            for Rosenbrock method
596                               tmp_particle%rvar1      = 1.0E-6_wp     !last Rosenbrock timestep
597                               tmp_particle%rvar2      = 0.1E-6_wp     !dry aerosol radius
598                               tmp_particle%rvar3      = -9999999.9_wp !unused
599                            ELSE
600!
601!--                            Initial values for SGS velocities
602                               tmp_particle%rvar1      = 0.0_wp
603                               tmp_particle%rvar2      = 0.0_wp
604                               tmp_particle%rvar3      = 0.0_wp
605                            ENDIF
606                            tmp_particle%speed_x       = 0.0_wp
607                            tmp_particle%speed_y       = 0.0_wp
608                            tmp_particle%speed_z       = 0.0_wp
609                            tmp_particle%origin_x      = pos_x
610                            tmp_particle%origin_y      = pos_y
611                            tmp_particle%origin_z      = pos_z
612                            tmp_particle%radius        = particle_groups(i)%radius
613                            tmp_particle%weight_factor = initial_weighting_factor
614                            tmp_particle%class         = 1
615                            tmp_particle%group         = i
616                            tmp_particle%tailpoints    = 0     !unused
617                            tmp_particle%particle_mask = .TRUE.
618                            tmp_particle%tail_id       = 0     !unused
619
620!
621!--                         Determine the grid indices of the particle position
622                            ip = ( tmp_particle%x + 0.5_wp * dx ) * ddx
623                            jp = ( tmp_particle%y + 0.5_wp * dy ) * ddy
624                            kp = tmp_particle%z / dz + 1 + offset_ocean_nzt
625
626                            IF ( seed_follows_topography )  THEN
627!
628!--                            Particle height is given relative to topography
629                               kp = kp + nzb_w_inner(jp,ip)
630                               tmp_particle%z = tmp_particle%z + zw(kp)
631                               IF ( kp > nzt )  THEN
632                                  pos_x = pos_x + pdx(i)
633                                  CYCLE xloop
634                               ENDIF
635                            ENDIF
636
637                            local_count(kp,jp,ip) = local_count(kp,jp,ip) + 1
638                            IF ( .NOT. first_stride )  THEN
639                               IF ( ip < nxl  .OR.  jp < nys  .OR.  kp < nzb+1 )  THEN
640                                  write(6,*) 'xl ',ip,jp,kp,nxl,nys,nzb+1
641                               ENDIF
642                               IF ( ip > nxr  .OR.  jp > nyn  .OR.  kp > nzt )  THEN
643                                  write(6,*) 'xu ',ip,jp,kp,nxr,nyn,nzt
644                               ENDIF
645                               grid_particles(kp,jp,ip)%particles(local_count(kp,jp,ip)) = tmp_particle
646                            ENDIF
647                         ENDDO
648
649                      ENDIF
650
651                      pos_x = pos_x + pdx(i)
652
653                   ENDDO xloop
654
655                ENDIF
656
657                pos_y = pos_y + pdy(i)
658
659             ENDDO
660
661             pos_z = pos_z + pdz(i)
662
663          ENDDO
664
665       ENDDO
666
667       IF ( first_stride )  THEN
668          DO  ip = nxl, nxr
669             DO  jp = nys, nyn
670                DO  kp = nzb+1, nzt
671                   IF ( phase == PHASE_INIT )  THEN
672                      IF ( local_count(kp,jp,ip) > 0 )  THEN
673                         alloc_size = MAX( INT( local_count(kp,jp,ip) *        &
674                            ( 1.0_wp + alloc_factor / 100.0_wp ) ),            &
675                            min_nr_particle )
676                      ELSE
677                         alloc_size = min_nr_particle
678                      ENDIF
679                      ALLOCATE(grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:alloc_size))
680                      DO  n = 1, alloc_size
681                         grid_particles(kp,jp,ip)%particles(n) = zero_particle
682                      ENDDO
683                   ELSEIF ( phase == PHASE_RELEASE )  THEN
684                      IF ( local_count(kp,jp,ip) > 0 )  THEN
685                         new_size   = local_count(kp,jp,ip) + prt_count(kp,jp,ip)
686                         alloc_size = MAX( INT( new_size * ( 1.0_wp +          &
687                            alloc_factor / 100.0_wp ) ), min_nr_particle )
688                         IF( alloc_size > SIZE( grid_particles(kp,jp,ip)%particles) )  THEN
689                           CALL realloc_particles_array(ip,jp,kp,alloc_size)
690                         ENDIF
691                      ENDIF
692                   ENDIF
693                ENDDO
694             ENDDO
695          ENDDO
696       ENDIF
697    ENDDO
698
699    local_start = prt_count+1
700    prt_count   = local_count
701
702!
703!-- Initialize aerosol background spectrum
704    IF ( curvature_solution_effects  .AND.  .NOT. monodisperse_aerosols )  THEN
705       CALL lpm_init_aerosols(local_start)
706    ENDIF
707
708!
709!-- Add random fluctuation to particle positions
710    IF ( random_start_position )  THEN
711       DO  ip = nxl, nxr
712          DO  jp = nys, nyn
713             DO  kp = nzb+1, nzt
714                number_of_particles = prt_count(kp,jp,ip)
715                IF ( number_of_particles <= 0 )  CYCLE
716                particles => grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:number_of_particles)
717
718                DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles              !Move only new particles
719                   IF ( psl(particles(n)%group) /= psr(particles(n)%group) )  THEN
720                      particles(n)%x = particles(n)%x +                        &
721                                   ( random_function( iran_part ) - 0.5_wp ) * &
722                                   pdx(particles(n)%group)
723                   ENDIF
724                   IF ( pss(particles(n)%group) /= psn(particles(n)%group) )  THEN
725                      particles(n)%y = particles(n)%y +                        &
726                                   ( random_function( iran_part ) - 0.5_wp ) * &
727                                   pdy(particles(n)%group)
728                   ENDIF
729                   IF ( psb(particles(n)%group) /= pst(particles(n)%group) )  THEN
730                      particles(n)%z = particles(n)%z +                        &
731                                   ( random_function( iran_part ) - 0.5_wp ) * &
732                                   pdz(particles(n)%group)
733                   ENDIF
734                ENDDO
735!
736!--             Identify particles located outside the model domain
737                CALL lpm_boundary_conds( 'bottom/top' )
738             ENDDO
739          ENDDO
740       ENDDO
741!
742!--    Exchange particles between grid cells and processors
743       CALL lpm_move_particle
744       CALL lpm_exchange_horiz
745
746    ENDIF
747!
748!-- In case of random_start_position, delete particles identified by
749!-- lpm_exchange_horiz and lpm_boundary_conds. Then sort particles into blocks,
750!-- which is needed for a fast interpolation of the LES fields on the particle
751!-- position.
752    CALL lpm_pack_all_arrays
753
754!
755!-- Determine maximum number of particles (i.e., all possible particles that
756!-- have been allocated) and the current number of particles
757    DO  ip = nxl, nxr
758       DO  jp = nys, nyn
759          DO  kp = nzb+1, nzt
760             maximum_number_of_particles = maximum_number_of_particles         &
761                                           + SIZE(grid_particles(kp,jp,ip)%particles)
762             number_of_particles         = number_of_particles                 &
763                                           + prt_count(kp,jp,ip)
764          ENDDO
765       ENDDO
766    ENDDO
767!
768!-- Calculate the number of particles of the total domain
769#if defined( __parallel )
770    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
771    CALL MPI_ALLREDUCE( number_of_particles, total_number_of_particles, 1, &
772    MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d, ierr )
773#else
774    total_number_of_particles = number_of_particles
775#endif
776
777    RETURN
778
779 END SUBROUTINE lpm_create_particle
780
781 SUBROUTINE lpm_init_aerosols(local_start)
782
783    USE arrays_3d,                                                             &
784        ONLY: hyp, pt, q 
785
786    USE cloud_parameters,                                                      &
787        ONLY: l_d_rv, rho_l
788
789    USE constants,                                                             &
790        ONLY: pi
791
792    USE kinds
793
794    USE particle_attributes,                                                   &
795        ONLY: init_aerosol_probabilistic, molecular_weight_of_solute,          &
796              molecular_weight_of_water, n1, n2, n3, rho_s, rm1, rm2, rm3,     &
797              s1, s2, s3, vanthoff
798
799    IMPLICIT NONE
800
801    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  cdf     !< CDF of aerosol spectrum
802    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  r_temp  !< dry aerosol radius spectrum
803
804    REAL(wp)  :: bfactor            !< solute effects
805    REAL(wp)  :: dr                 !< width of radius bin
806    REAL(wp)  :: e_a                !< vapor pressure
807    REAL(wp)  :: e_s                !< saturation vapor pressure
808    REAL(wp)  :: n_init             !< sum of all aerosol concentrations
809    REAL(wp)  :: pdf                !< PDF of aerosol spectrum
810    REAL(wp)  :: rmin = 1.0e-8_wp   !< minimum aerosol radius
811    REAL(wp)  :: rmax = 1.0e-6_wp   !< maximum aerosol radius
812    REAL(wp)  :: rs_rand            !< random number
813    REAL(wp)  :: r_mid              !< mean radius
814    REAL(wp)  :: t_int              !< temperature
815    REAL(wp)  :: weight_sum         !< sum of all weighting factors
816
817    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), INTENT(IN) ::  local_start !<
818
819    INTEGER(iwp)  :: n              !<
820    INTEGER(iwp)  :: nn             !<
821    INTEGER(iwp)  :: no_bins = 999  !< number of bins
822    INTEGER(iwp)  :: ip             !<
823    INTEGER(iwp)  :: jp             !<
824    INTEGER(iwp)  :: kp             !<
825
826    LOGICAL ::  new_pdf = .FALSE.   !< check if aerosol PDF has to be recalculated
827
828!
829!-- Compute aerosol background distribution
830    IF ( init_aerosol_probabilistic )  THEN
831       ALLOCATE( cdf(0:no_bins), r_temp(0:no_bins) )
832       DO n = 0, no_bins
833          r_temp(n) = EXP( LOG(rmin) + ( LOG(rmax) - LOG(rmin ) ) /            &
834                           REAL(no_bins, KIND=wp) * REAL(n, KIND=wp) )
835
836          cdf(n) = 0.0_wp
837          n_init = n1 + n2 + n3
838          IF ( n1 > 0.0_wp )  THEN
839             cdf(n) = cdf(n) + n1 / n_init * ( 0.5_wp + 0.5_wp *        &
840                                  ERF( LOG( r_temp(n) / rm1 ) /         &
841                                       ( SQRT(2.0_wp) * LOG(s1) )       &
842                                     ) )
843          ENDIF
844          IF ( n2 > 0.0_wp )  THEN
845             cdf(n) = cdf(n) + n2 / n_init * ( 0.5_wp + 0.5_wp *        &
846                                  ERF( LOG( r_temp(n) / rm2 ) /         &
847                                       ( SQRT(2.0_wp) * LOG(s2) )       &
848                                     ) )
849          ENDIF
850          IF ( n3 > 0.0_wp )  THEN
851             cdf(n) = cdf(n) + n3 / n_init * ( 0.5_wp + 0.5_wp *        &
852                                  ERF( LOG( r_temp(n) / rm3 ) /         &
853                                       ( SQRT(2.0_wp) * LOG(s3) )       &
854                                     ) )
855          ENDIF
856
857       ENDDO
858    ENDIF
859
860    DO  ip = nxl, nxr
861       DO  jp = nys, nyn
862          DO  kp = nzb+1, nzt
863
864             number_of_particles = prt_count(kp,jp,ip)
865             IF ( number_of_particles <= 0 )  CYCLE
866             particles => grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:number_of_particles)
867!
868!--          Initialize the aerosols with a predefined spectral distribution
869!--          of the dry radius (logarithmically increasing bins) and a varying
870!--          weighting factor
871             IF ( .NOT. init_aerosol_probabilistic )  THEN
872
873                new_pdf = .FALSE.
874                IF ( .NOT. ALLOCATED( r_temp ) )  THEN
875                   new_pdf = .TRUE.
876                ELSE
877                   IF ( SIZE( r_temp ) .NE. &
878                        number_of_particles - local_start(kp,jp,ip) + 2 )  THEN
879                      new_pdf = .TRUE.
880                      DEALLOCATE( r_temp )
881                   ENDIF
882                ENDIF
883
884                IF ( new_pdf )  THEN
885
886                   no_bins = number_of_particles + 1 - local_start(kp,jp,ip)
887                   ALLOCATE( r_temp(0:no_bins) )
888
889                   DO n = 0, no_bins
890                      r_temp(n) = EXP( LOG(rmin) + ( LOG(rmax) - LOG(rmin ) ) / &
891                                       REAL(no_bins, KIND=wp) *                 &
892                                       REAL(n, KIND=wp) )
893                   ENDDO
894
895                ENDIF
896
897!
898!--             Calculate radius and concentration of each aerosol
899                DO n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles
900
901                   nn = n - local_start(kp,jp,ip)
902
903                   r_mid = SQRT( r_temp(nn) * r_temp(nn+1) )
904                   dr    = r_temp(nn+1) - r_temp(nn)
905
906                   pdf    = 0.0_wp
907                   n_init = n1 + n2 + n3
908                   IF ( n1 > 0.0_wp )  THEN
909                      pdf = pdf + n1 / n_init * ( 1.0_wp / ( r_mid * LOG(s1) *      &
910                                                             SQRT( 2.0_wp * pi )    &
911                                                           ) *                      &
912                                                  EXP( -( LOG( r_mid / rm1 ) )**2 / &
913                                                       ( 2.0_wp * LOG(s1)**2 )      &
914                                                     )                              &
915                                                )
916                   ENDIF
917                   IF ( n2 > 0.0_wp )  THEN
918                      pdf = pdf + n2 / n_init * ( 1.0_wp / ( r_mid * LOG(s2) *      &
919                                                             SQRT( 2.0_wp * pi )    &
920                                                           ) *                      &
921                                                  EXP( -( LOG( r_mid / rm2 ) )**2 / &
922                                                       ( 2.0_wp * LOG(s2)**2 )      &
923                                                     )                              &
924                                                )
925                   ENDIF
926                   IF ( n3 > 0.0_wp )  THEN
927                      pdf = pdf + n3 / n_init * ( 1.0_wp / ( r_mid * LOG(s3) *      &
928                                                             SQRT( 2.0_wp * pi )    &
929                                                           ) *                      &
930                                                  EXP( -( LOG( r_mid / rm3 ) )**2 / &
931                                                       ( 2.0_wp * LOG(s3)**2 )      &
932                                                     )                              &
933                                                )
934                   ENDIF
935
936                   particles(n)%rvar2         = r_mid
937                   particles(n)%weight_factor = pdf * dr
938
939                END DO
940!
941!--             Adjust weighting factors to initialize the same number of aerosols
942!--             in every grid box
943                weight_sum = SUM(particles(local_start(kp,jp,ip):number_of_particles)%weight_factor)
944
945                particles(local_start(kp,jp,ip):number_of_particles)%weight_factor =     &
946                   particles(local_start(kp,jp,ip):number_of_particles)%weight_factor /  &
947                   weight_sum * initial_weighting_factor * ( no_bins + 1 )
948
949             ENDIF
950!
951!--          Initialize the aerosols with a predefined weighting factor but
952!--          a randomly choosen dry radius
953             IF ( init_aerosol_probabilistic )  THEN
954
955                DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles  !only new particles
956
957                   rs_rand = -1.0_wp
958                   DO WHILE ( rs_rand .LT. cdf(0)  .OR.  rs_rand .GE. cdf(no_bins)  )
959                      rs_rand = random_function( iran_part )
960                   ENDDO
961!
962!--                Determine aerosol dry radius by a random number generator
963                   DO nn = 0, no_bins-1
964                      IF ( cdf(nn) .LE. rs_rand  .AND.  cdf(nn+1) .GT. rs_rand )  THEN
965                         particles(n)%rvar2 = r_temp(nn) + ( r_temp(nn+1) - r_temp(nn) ) / &
966                                              ( cdf(nn+1) - cdf(nn) ) * ( rs_rand - cdf(nn) )
967                         EXIT
968                      ENDIF
969                   ENDDO
970
971                ENDDO
972
973             ENDIF
974
975!
976!--          Set particle radius to equilibrium radius based on the environmental
977!--          supersaturation (Khvorostyanov and Curry, 2007, JGR). This avoids
978!--          the sometimes lengthy growth toward their equilibrium radius within
979!--          the simulation.
980             t_int  = pt(kp,jp,ip) * ( hyp(kp) / 100000.0_wp )**0.286_wp
981
982             e_s = 611.0_wp * EXP( l_d_rv * ( 3.6609E-3_wp - 1.0_wp / t_int ) )
983             e_a = q(kp,jp,ip) * hyp(kp) / ( 0.378_wp * q(kp,jp,ip) + 0.622_wp )
984
985!
986!--          The formula is only valid for subsaturated environments. For
987!--          supersaturations higher than -1 %, the supersaturation is set to -1%.
988             IF ( e_a / e_s < 0.99_wp )  THEN
989
990                DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles  !only new particles
991
992                   bfactor             = vanthoff * molecular_weight_of_water *    &
993                                         rho_s * particles(n)%rvar2**3 /           &
994                                         ( molecular_weight_of_solute * rho_l )
995                   particles(n)%radius = particles(n)%rvar2 * ( bfactor /          &
996                                         particles(n)%rvar2**3 )**(1.0_wp/3.0_wp) *&
997                                         ( 1.0_wp - e_a / e_s )**(-1.0_wp/3.0_wp)
998
999                ENDDO
1000
1001             ELSE
1002
1003                DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles  !only new particles
1004
1005                   bfactor             = vanthoff * molecular_weight_of_water *    &
1006                                         rho_s * particles(n)%rvar2**3 /           &
1007                                         ( molecular_weight_of_solute * rho_l )
1008                   particles(n)%radius = particles(n)%rvar2 * ( bfactor /          &
1009                                         particles(n)%rvar2**3 )**(1.0_wp/3.0_wp) *&
1010                                         0.01_wp**(-1.0_wp/3.0_wp)
1011
1012                ENDDO
1013
1014             ENDIF
1015
1016          ENDDO
1017       ENDDO
1018    ENDDO
1019!
1020!-- Deallocate used arrays
1021    IF ( ALLOCATED(r_temp) )  DEALLOCATE( r_temp )
1022    IF ( ALLOCATED(cdf) )     DEALLOCATE( cdf )
1023
1024 END SUBROUTINE lpm_init_aerosols
1025
1026END MODULE lpm_init_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.