source: palm/trunk/SOURCE/lpm_init.f90 @ 1929

Last change on this file since 1929 was 1929, checked in by suehring, 8 years ago

several bugfixes in particle model and serial mode

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 42.9 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! Bugfix in determining initial particle height and grid index in case of
22! seed_follows_topography.
23! Bugfix concerning random positions, ensure that particles do not move more
24! than one grid length.
25! Bugfix logarithmic interpolation.
26! Initial setting of sgs_wf_part.
27!
28! Former revisions:
29! -----------------
30! $Id: lpm_init.f90 1929 2016-06-09 16:25:25Z suehring $
31!
32! 1890 2016-04-22 08:52:11Z hoffmann
33! Initialization of aerosol equilibrium radius not possible in supersaturated
34! environments. Therefore, a maximum supersaturation of -1 % is assumed during
35! initialization.
36!
37! 1873 2016-04-18 14:50:06Z maronga
38! Module renamed (removed _mod
39
40!
41! 1871 2016-04-15 11:46:09Z hoffmann
42! Initialization of aerosols added.
43!
44! 1850 2016-04-08 13:29:27Z maronga
45! Module renamed
46!
47! 1831 2016-04-07 13:15:51Z hoffmann
48! curvature_solution_effects moved to particle_attributes
49!
50! 1822 2016-04-07 07:49:42Z hoffmann
51! Unused variables removed.
52!
53! 1783 2016-03-06 18:36:17Z raasch
54! netcdf module added
55!
56! 1725 2015-11-17 13:01:51Z hoffmann
57! Bugfix: Processor-dependent seed for random function is generated before it is
58! used.
59!
60! 1691 2015-10-26 16:17:44Z maronga
61! Renamed prandtl_layer to constant_flux_layer.
62!
63! 1685 2015-10-08 07:32:13Z raasch
64! bugfix concerning vertical index offset in case of ocean
65!
66! 1682 2015-10-07 23:56:08Z knoop
67! Code annotations made doxygen readable
68!
69! 1575 2015-03-27 09:56:27Z raasch
70! initial vertical particle position is allowed to follow the topography
71!
72! 1359 2014-04-11 17:15:14Z hoffmann
73! New particle structure integrated.
74! Kind definition added to all floating point numbers.
75! lpm_init changed form a subroutine to a module.
76!
77! 1327 2014-03-21 11:00:16Z raasch
78! -netcdf_output
79!
80! 1322 2014-03-20 16:38:49Z raasch
81! REAL functions provided with KIND-attribute
82!
83! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
84! ONLY-attribute added to USE-statements,
85! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
86! kinds are defined in new module kinds,
87! revision history before 2012 removed,
88! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
89! all variable declaration statements
90! bugfix: #if defined( __parallel ) added
91!
92! 1314 2014-03-14 18:25:17Z suehring
93! Vertical logarithmic interpolation of horizontal particle speed for particles
94! between roughness height and first vertical grid level.
95!
96! 1092 2013-02-02 11:24:22Z raasch
97! unused variables removed
98!
99! 1036 2012-10-22 13:43:42Z raasch
100! code put under GPL (PALM 3.9)
101!
102! 849 2012-03-15 10:35:09Z raasch
103! routine renamed: init_particles -> lpm_init
104! de_dx, de_dy, de_dz are allocated here (instead of automatic arrays in
105! advec_particles),
106! sort_particles renamed lpm_sort_arrays, user_init_particles renamed lpm_init
107!
108! 828 2012-02-21 12:00:36Z raasch
109! call of init_kernels, particle feature color renamed class
110!
111! 824 2012-02-17 09:09:57Z raasch
112! particle attributes speed_x|y|z_sgs renamed rvar1|2|3,
113! array particles implemented as pointer
114!
115! 667 2010-12-23 12:06:00Z suehring/gryschka
116! nxl-1, nxr+1, nys-1, nyn+1 replaced by nxlg, nxrg, nysg, nyng for allocation
117! of arrays.
118!
119! Revision 1.1  1999/11/25 16:22:38  raasch
120! Initial revision
121!
122!
123! Description:
124! ------------
125!> This routine initializes a set of particles and their attributes (position,
126!> radius, ..) which are used by the Lagrangian particle model (see lpm).
127!------------------------------------------------------------------------------!
128 MODULE lpm_init_mod
129 
130
131    USE arrays_3d,                                                             &
132        ONLY:  de_dx, de_dy, de_dz, zu, zw, z0
133
134    USE control_parameters,                                                    &
135        ONLY:  cloud_droplets, constant_flux_layer, current_timestep_number,   &
136               dz, initializing_actions, message_string, ocean, simulated_time
137
138    USE grid_variables,                                                        &
139        ONLY:  ddx, dx, ddy, dy
140
141    USE indices,                                                               &
142        ONLY:  nx, nxl, nxlg, nxrg, nxr, ny, nyn, nys, nyng, nysg, nz, nzb,    &
143               nzb_w_inner, nzt
144
145    USE kinds
146
147    USE lpm_collision_kernels_mod,                                             &
148        ONLY:  init_kernels
149
150    USE netcdf_interface,                                                      &
151        ONLY:  netcdf_data_format
152
153    USE particle_attributes,                                                   &
154        ONLY:   alloc_factor, bc_par_b, bc_par_lr, bc_par_ns, bc_par_t,        &
155                block_offset, block_offset_def, collision_kernel,              &
156                curvature_solution_effects,                                    &
157                density_ratio, grid_particles,                                 &
158                initial_weighting_factor, ibc_par_b, ibc_par_lr, ibc_par_ns,   &
159                ibc_par_t, iran_part, log_z_z0,                                &
160                max_number_of_particle_groups, maximum_number_of_particles,    &
161                min_nr_particle, mpi_particle_type,                            &
162                number_of_particles,                                           &
163                number_of_particle_groups, number_of_sublayers,                &
164                offset_ocean_nzt, offset_ocean_nzt_m1,                         &
165                particles, particle_advection_start, particle_groups,          &
166                particle_groups_type, particles_per_point,                     &
167                particle_type, pdx, pdy, pdz,                                  &
168                prt_count, psb, psl, psn, psr, pss, pst,                       &
169                radius, random_start_position, read_particles_from_restartfile,&
170                seed_follows_topography, sgs_wf_part, sort_count,              &
171                total_number_of_particles,                                     &
172                use_sgs_for_particles,                                         &
173                write_particle_statistics, uniform_particles, zero_particle,   &
174                z0_av_global
175
176    USE pegrid
177
178    USE random_function_mod,                                                   &
179        ONLY:  random_function
180
181    IMPLICIT NONE
182
183    PRIVATE
184
185    INTEGER(iwp), PARAMETER         :: PHASE_INIT    = 1  !<
186    INTEGER(iwp), PARAMETER, PUBLIC :: PHASE_RELEASE = 2  !<
187
188    INTERFACE lpm_init
189       MODULE PROCEDURE lpm_init
190    END INTERFACE lpm_init
191
192    INTERFACE lpm_create_particle
193       MODULE PROCEDURE lpm_create_particle
194    END INTERFACE lpm_create_particle
195
196    PUBLIC lpm_init, lpm_create_particle
197
198 CONTAINS
199
200!------------------------------------------------------------------------------!
201! Description:
202! ------------
203!> @todo Missing subroutine description.
204!------------------------------------------------------------------------------!
205 SUBROUTINE lpm_init
206
207    USE lpm_collision_kernels_mod,                                             &
208        ONLY:  init_kernels
209
210    IMPLICIT NONE
211
212    INTEGER(iwp) ::  i                           !<
213    INTEGER(iwp) ::  j                           !<
214    INTEGER(iwp) ::  k                           !<
215
216#if defined( __parallel )
217    INTEGER(iwp), DIMENSION(3) ::  blocklengths  !<
218    INTEGER(iwp), DIMENSION(3) ::  displacements !<
219    INTEGER(iwp), DIMENSION(3) ::  types         !<
220#endif
221
222    REAL(wp) ::  height_int                      !<
223    REAL(wp) ::  height_p                        !<
224    REAL(wp) ::  z_p                             !<
225    REAL(wp) ::  z0_av_local                     !<
226
227#if defined( __parallel )
228!
229!-- Define MPI derived datatype for FORTRAN datatype particle_type (see module
230!-- particle_attributes). Integer length is 4 byte, Real is 8 byte
231    blocklengths(1)  = 19;  blocklengths(2)  =   6;  blocklengths(3)  =   1
232    displacements(1) =  0;  displacements(2) = 152;  displacements(3) = 176
233
234    types(1) = MPI_REAL
235    types(2) = MPI_INTEGER
236    types(3) = MPI_UB
237    CALL MPI_TYPE_STRUCT( 3, blocklengths, displacements, types, &
238                          mpi_particle_type, ierr )
239    CALL MPI_TYPE_COMMIT( mpi_particle_type, ierr )
240#endif
241
242!
243!-- In case of oceans runs, the vertical index calculations need an offset,
244!-- because otherwise the k indices will become negative
245    IF ( ocean )  THEN
246       offset_ocean_nzt    = nzt
247       offset_ocean_nzt_m1 = nzt - 1
248    ENDIF
249
250!
251!-- Define block offsets for dividing a gridcell in 8 sub cells
252
253    block_offset(0) = block_offset_def (-1,-1,-1)
254    block_offset(1) = block_offset_def (-1,-1, 0)
255    block_offset(2) = block_offset_def (-1, 0,-1)
256    block_offset(3) = block_offset_def (-1, 0, 0)
257    block_offset(4) = block_offset_def ( 0,-1,-1)
258    block_offset(5) = block_offset_def ( 0,-1, 0)
259    block_offset(6) = block_offset_def ( 0, 0,-1)
260    block_offset(7) = block_offset_def ( 0, 0, 0)
261!
262!-- Check the number of particle groups.
263    IF ( number_of_particle_groups > max_number_of_particle_groups )  THEN
264       WRITE( message_string, * ) 'max_number_of_particle_groups =',      &
265                                  max_number_of_particle_groups ,         &
266                                  '&number_of_particle_groups reset to ', &
267                                  max_number_of_particle_groups
268       CALL message( 'lpm_init', 'PA0213', 0, 1, 0, 6, 0 )
269       number_of_particle_groups = max_number_of_particle_groups
270    ENDIF
271
272!
273!-- Set default start positions, if necessary
274    IF ( psl(1) == 9999999.9_wp )  psl(1) = -0.5_wp * dx
275    IF ( psr(1) == 9999999.9_wp )  psr(1) = ( nx + 0.5_wp ) * dx
276    IF ( pss(1) == 9999999.9_wp )  pss(1) = -0.5_wp * dy
277    IF ( psn(1) == 9999999.9_wp )  psn(1) = ( ny + 0.5_wp ) * dy
278    IF ( psb(1) == 9999999.9_wp )  psb(1) = zu(nz/2)
279    IF ( pst(1) == 9999999.9_wp )  pst(1) = psb(1)
280
281    IF ( pdx(1) == 9999999.9_wp  .OR.  pdx(1) == 0.0_wp )  pdx(1) = dx
282    IF ( pdy(1) == 9999999.9_wp  .OR.  pdy(1) == 0.0_wp )  pdy(1) = dy
283    IF ( pdz(1) == 9999999.9_wp  .OR.  pdz(1) == 0.0_wp )  pdz(1) = zu(2) - zu(1)
284
285    DO  j = 2, number_of_particle_groups
286       IF ( psl(j) == 9999999.9_wp )  psl(j) = psl(j-1)
287       IF ( psr(j) == 9999999.9_wp )  psr(j) = psr(j-1)
288       IF ( pss(j) == 9999999.9_wp )  pss(j) = pss(j-1)
289       IF ( psn(j) == 9999999.9_wp )  psn(j) = psn(j-1)
290       IF ( psb(j) == 9999999.9_wp )  psb(j) = psb(j-1)
291       IF ( pst(j) == 9999999.9_wp )  pst(j) = pst(j-1)
292       IF ( pdx(j) == 9999999.9_wp  .OR.  pdx(j) == 0.0_wp )  pdx(j) = pdx(j-1)
293       IF ( pdy(j) == 9999999.9_wp  .OR.  pdy(j) == 0.0_wp )  pdy(j) = pdy(j-1)
294       IF ( pdz(j) == 9999999.9_wp  .OR.  pdz(j) == 0.0_wp )  pdz(j) = pdz(j-1)
295    ENDDO
296
297!
298!-- Allocate arrays required for calculating particle SGS velocities.
299!-- Initialize prefactor required for stoachastic Weil equation.
300    IF ( use_sgs_for_particles  .AND.  .NOT. cloud_droplets )  THEN
301       ALLOCATE( de_dx(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
302                 de_dy(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
303                 de_dz(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
304
305       sgs_wf_part = 1.0_wp / 3.0_wp   
306    ENDIF
307
308!
309!-- Allocate array required for logarithmic vertical interpolation of
310!-- horizontal particle velocities between the surface and the first vertical
311!-- grid level. In order to avoid repeated CPU cost-intensive CALLS of
312!-- intrinsic FORTRAN procedure LOG(z/z0), LOG(z/z0) is precalculated for
313!-- several heights. Splitting into 20 sublayers turned out to be sufficient.
314!-- To obtain exact height levels of particles, linear interpolation is applied
315!-- (see lpm_advec.f90).
316    IF ( constant_flux_layer )  THEN
317       
318       ALLOCATE ( log_z_z0(0:number_of_sublayers) ) 
319       z_p         = zu(nzb+1) - zw(nzb)
320
321!
322!--    Calculate horizontal mean value of z0 used for logartihmic
323!--    interpolation. Note: this is not exact for heterogeneous z0.
324!--    However, sensitivity studies showed that the effect is
325!--    negligible.
326       z0_av_local  = SUM( z0(nys:nyn,nxl:nxr) )
327       z0_av_global = 0.0_wp
328
329#if defined( __parallel )
330       CALL MPI_ALLREDUCE(z0_av_local, z0_av_global, 1, MPI_REAL, MPI_SUM, &
331                          comm2d, ierr )
332#else
333       z0_av_global = z0_av_local
334#endif
335
336       z0_av_global = z0_av_global  / ( ( ny + 1 ) * ( nx + 1 ) )
337!
338!--    Horizontal wind speed is zero below and at z0
339       log_z_z0(0) = 0.0_wp
340!
341!--    Calculate vertical depth of the sublayers
342       height_int  = ( z_p - z0_av_global ) / REAL( number_of_sublayers, KIND=wp )
343!
344!--    Precalculate LOG(z/z0)
345       height_p    = z0_av_global
346       DO  k = 1, number_of_sublayers
347
348          height_p    = height_p + height_int
349          log_z_z0(k) = LOG( height_p / z0_av_global )
350
351       ENDDO
352
353    ENDIF
354
355!
356!-- Check boundary condition and set internal variables
357    SELECT CASE ( bc_par_b )
358   
359       CASE ( 'absorb' )
360          ibc_par_b = 1
361
362       CASE ( 'reflect' )
363          ibc_par_b = 2
364         
365       CASE DEFAULT
366          WRITE( message_string, * )  'unknown boundary condition ',   &
367                                       'bc_par_b = "', TRIM( bc_par_b ), '"'
368          CALL message( 'lpm_init', 'PA0217', 1, 2, 0, 6, 0 )
369         
370    END SELECT
371    SELECT CASE ( bc_par_t )
372   
373       CASE ( 'absorb' )
374          ibc_par_t = 1
375
376       CASE ( 'reflect' )
377          ibc_par_t = 2
378         
379       CASE DEFAULT
380          WRITE( message_string, * ) 'unknown boundary condition ',   &
381                                     'bc_par_t = "', TRIM( bc_par_t ), '"'
382          CALL message( 'lpm_init', 'PA0218', 1, 2, 0, 6, 0 )
383         
384    END SELECT
385    SELECT CASE ( bc_par_lr )
386
387       CASE ( 'cyclic' )
388          ibc_par_lr = 0
389
390       CASE ( 'absorb' )
391          ibc_par_lr = 1
392
393       CASE ( 'reflect' )
394          ibc_par_lr = 2
395         
396       CASE DEFAULT
397          WRITE( message_string, * ) 'unknown boundary condition ',   &
398                                     'bc_par_lr = "', TRIM( bc_par_lr ), '"'
399          CALL message( 'lpm_init', 'PA0219', 1, 2, 0, 6, 0 )
400         
401    END SELECT
402    SELECT CASE ( bc_par_ns )
403
404       CASE ( 'cyclic' )
405          ibc_par_ns = 0
406
407       CASE ( 'absorb' )
408          ibc_par_ns = 1
409
410       CASE ( 'reflect' )
411          ibc_par_ns = 2
412         
413       CASE DEFAULT
414          WRITE( message_string, * ) 'unknown boundary condition ',   &
415                                     'bc_par_ns = "', TRIM( bc_par_ns ), '"'
416          CALL message( 'lpm_init', 'PA0220', 1, 2, 0, 6, 0 )
417         
418    END SELECT
419
420!
421!-- Initialize collision kernels
422    IF ( collision_kernel /= 'none' )  CALL init_kernels
423
424!
425!-- For the first model run of a possible job chain initialize the
426!-- particles, otherwise read the particle data from restart file.
427    IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data'  &
428         .AND.  read_particles_from_restartfile )  THEN
429
430       CALL lpm_read_restart_file
431
432    ELSE
433
434!
435!--    Allocate particle arrays and set attributes of the initial set of
436!--    particles, which can be also periodically released at later times.
437       ALLOCATE( prt_count(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
438                 grid_particles(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr) )
439
440       maximum_number_of_particles = 0
441       number_of_particles         = 0
442
443       sort_count = 0
444       prt_count  = 0
445
446!
447!--    Initialize all particles with dummy values (otherwise errors may
448!--    occur within restart runs). The reason for this is still not clear
449!--    and may be presumably caused by errors in the respective user-interface.
450       zero_particle = particle_type( 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp,  &
451                                      0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp,  &
452                                      0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp,  &
453                                      0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0, 0, 0, &
454                                      0, .FALSE., -1 )
455
456       particle_groups = particle_groups_type( 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp )
457
458!
459!--    Set values for the density ratio and radius for all particle
460!--    groups, if necessary
461       IF ( density_ratio(1) == 9999999.9_wp )  density_ratio(1) = 0.0_wp
462       IF ( radius(1)        == 9999999.9_wp )  radius(1) = 0.0_wp
463       DO  i = 2, number_of_particle_groups
464          IF ( density_ratio(i) == 9999999.9_wp )  THEN
465             density_ratio(i) = density_ratio(i-1)
466          ENDIF
467          IF ( radius(i) == 9999999.9_wp )  radius(i) = radius(i-1)
468       ENDDO
469
470       DO  i = 1, number_of_particle_groups
471          IF ( density_ratio(i) /= 0.0_wp  .AND.  radius(i) == 0 )  THEN
472             WRITE( message_string, * ) 'particle group #', i, 'has a', &
473                                        'density ratio /= 0 but radius = 0'
474             CALL message( 'lpm_init', 'PA0215', 1, 2, 0, 6, 0 )
475          ENDIF
476          particle_groups(i)%density_ratio = density_ratio(i)
477          particle_groups(i)%radius        = radius(i)
478       ENDDO
479
480!
481!--    Set a seed value for the random number generator to be exclusively
482!--    used for the particle code. The generated random numbers should be
483!--    different on the different PEs.
484       iran_part = iran_part + myid
485
486       CALL lpm_create_particle (PHASE_INIT)
487!
488!--    User modification of initial particles
489       CALL user_lpm_init
490
491!
492!--    Open file for statistical informations about particle conditions
493       IF ( write_particle_statistics )  THEN
494          CALL check_open( 80 )
495          WRITE ( 80, 8000 )  current_timestep_number, simulated_time,         &
496                              number_of_particles,                             &
497                              maximum_number_of_particles
498          CALL close_file( 80 )
499       ENDIF
500
501    ENDIF
502
503!
504!-- To avoid programm abort, assign particles array to the local version of
505!-- first grid cell
506    number_of_particles = prt_count(nzb+1,nys,nxl)
507    particles => grid_particles(nzb+1,nys,nxl)%particles(1:number_of_particles)
508!
509!-- Formats
5108000 FORMAT (I6,1X,F7.2,4X,I10,71X,I10)
511
512 END SUBROUTINE lpm_init
513
514!------------------------------------------------------------------------------!
515! Description:
516! ------------
517!> @todo Missing subroutine description.
518!------------------------------------------------------------------------------!
519 SUBROUTINE lpm_create_particle (phase)
520
521    USE lpm_exchange_horiz_mod,                                                &
522        ONLY: lpm_exchange_horiz, lpm_move_particle, realloc_particles_array
523
524    USE lpm_pack_arrays_mod,                                                   &
525        ONLY: lpm_pack_all_arrays
526
527    USE particle_attributes,                                                   &
528        ONLY: deleted_particles, monodisperse_aerosols
529
530    IMPLICIT  NONE
531
532    INTEGER(iwp)               ::  alloc_size  !< relative increase of allocated memory for particles
533    INTEGER(iwp)               ::  i           !< loop variable ( particle groups )
534    INTEGER(iwp)               ::  ip          !< index variable along x
535    INTEGER(iwp)               ::  j           !< loop variable ( particles per point )
536    INTEGER(iwp)               ::  jp          !< index variable along y
537    INTEGER(iwp)               ::  kp          !< index variable along z
538    INTEGER(iwp)               ::  loop_stride !< loop variable for initialization
539    INTEGER(iwp)               ::  n           !< loop variable ( number of particles )
540    INTEGER(iwp)               ::  new_size    !< new size of allocated memory for particles
541
542    INTEGER(iwp), INTENT(IN)   ::  phase       !< mode of inititialization
543
544    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::  local_count !< start address of new particle
545    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::  local_start !< start address of new particle
546
547    LOGICAL                    ::  first_stride !< flag for initialization
548
549    REAL(wp)                   ::  pos_x      !< increment for particle position in x     
550    REAL(wp)                   ::  pos_y      !< increment for particle position in y 
551    REAL(wp)                   ::  pos_z      !< increment for particle position in z     
552    REAL(wp)                   ::  rand_contr !< dummy argument for random position
553
554    TYPE(particle_type),TARGET ::  tmp_particle !< temporary particle used for initialization
555
556!
557!-- Calculate particle positions and store particle attributes, if
558!-- particle is situated on this PE
559    DO  loop_stride = 1, 2
560       first_stride = (loop_stride == 1)
561       IF ( first_stride )   THEN
562          local_count = 0           ! count number of particles
563       ELSE
564          local_count = prt_count   ! Start address of new particles
565       ENDIF
566
567       n = 0
568       DO  i = 1, number_of_particle_groups
569
570          pos_z = psb(i)
571
572          DO WHILE ( pos_z <= pst(i) )
573
574             pos_y = pss(i)
575
576             DO WHILE ( pos_y <= psn(i) )
577
578                IF ( pos_y >= ( nys - 0.5_wp ) * dy  .AND.  &
579                     pos_y <  ( nyn + 0.5_wp ) * dy )  THEN
580
581                   pos_x = psl(i)
582
583            xloop: DO WHILE ( pos_x <= psr(i) )
584
585                      IF ( pos_x >= ( nxl - 0.5_wp ) * dx  .AND.  &
586                           pos_x <  ( nxr + 0.5_wp ) * dx )  THEN
587
588                         DO  j = 1, particles_per_point
589
590                            n = n + 1
591                            tmp_particle%x             = pos_x
592                            tmp_particle%y             = pos_y
593                            tmp_particle%z             = pos_z
594                            tmp_particle%age           = 0.0_wp
595                            tmp_particle%age_m         = 0.0_wp
596                            tmp_particle%dt_sum        = 0.0_wp
597                            tmp_particle%dvrp_psize    = 0.0_wp !unused
598                            tmp_particle%e_m           = 0.0_wp
599                            IF ( curvature_solution_effects )  THEN
600!
601!--                            Initial values (internal timesteps, derivative)
602!--                            for Rosenbrock method
603                               tmp_particle%rvar1      = 1.0E-6_wp     !last Rosenbrock timestep
604                               tmp_particle%rvar2      = 0.1E-6_wp     !dry aerosol radius
605                               tmp_particle%rvar3      = -9999999.9_wp !unused
606                            ELSE
607!
608!--                            Initial values for SGS velocities
609                               tmp_particle%rvar1      = 0.0_wp
610                               tmp_particle%rvar2      = 0.0_wp
611                               tmp_particle%rvar3      = 0.0_wp
612                            ENDIF
613                            tmp_particle%speed_x       = 0.0_wp
614                            tmp_particle%speed_y       = 0.0_wp
615                            tmp_particle%speed_z       = 0.0_wp
616                            tmp_particle%origin_x      = pos_x
617                            tmp_particle%origin_y      = pos_y
618                            tmp_particle%origin_z      = pos_z
619                            tmp_particle%radius        = particle_groups(i)%radius
620                            tmp_particle%weight_factor = initial_weighting_factor
621                            tmp_particle%class         = 1
622                            tmp_particle%group         = i
623                            tmp_particle%tailpoints    = 0     !unused
624                            tmp_particle%particle_mask = .TRUE.
625                            tmp_particle%tail_id       = 0     !unused
626
627
628!
629!--                         Determine the grid indices of the particle position
630                            ip = ( tmp_particle%x + 0.5_wp * dx ) * ddx
631                            jp = ( tmp_particle%y + 0.5_wp * dy ) * ddy
632                            kp = tmp_particle%z / dz + 1 + offset_ocean_nzt
633
634                            IF ( seed_follows_topography )  THEN
635!
636!--                            Particle height is given relative to topography
637                               kp = kp + nzb_w_inner(jp,ip)
638                               tmp_particle%z = tmp_particle%z +               &
639                                                         zw(nzb_w_inner(jp,ip))
640                               IF ( kp > nzt )  THEN
641                                  pos_x = pos_x + pdx(i)
642                                  CYCLE xloop
643                               ENDIF
644                            ELSEIF ( .NOT. seed_follows_topography .AND.       &
645                                     tmp_particle%z <= zw(nzb_w_inner(jp,ip)) )  THEN
646                               pos_x = pos_x + pdx(i)
647                               CYCLE xloop                               
648                            ENDIF
649
650                            local_count(kp,jp,ip) = local_count(kp,jp,ip) + 1
651                            IF ( .NOT. first_stride )  THEN
652                               IF ( ip < nxl  .OR.  jp < nys  .OR.  kp < nzb+1 )  THEN
653                                  write(6,*) 'xl ',ip,jp,kp,nxl,nys,nzb+1
654                               ENDIF
655                               IF ( ip > nxr  .OR.  jp > nyn  .OR.  kp > nzt )  THEN
656                                  write(6,*) 'xu ',ip,jp,kp,nxr,nyn,nzt
657                               ENDIF
658                               grid_particles(kp,jp,ip)%particles(local_count(kp,jp,ip)) = tmp_particle
659
660                            ENDIF
661                         ENDDO
662
663                      ENDIF
664
665                      pos_x = pos_x + pdx(i)
666
667                   ENDDO xloop
668
669                ENDIF
670
671                pos_y = pos_y + pdy(i)
672
673             ENDDO
674
675             pos_z = pos_z + pdz(i)
676
677          ENDDO
678
679       ENDDO
680
681       IF ( first_stride )  THEN
682          DO  ip = nxl, nxr
683             DO  jp = nys, nyn
684                DO  kp = nzb+1, nzt
685                   IF ( phase == PHASE_INIT )  THEN
686                      IF ( local_count(kp,jp,ip) > 0 )  THEN
687                         alloc_size = MAX( INT( local_count(kp,jp,ip) *        &
688                            ( 1.0_wp + alloc_factor / 100.0_wp ) ),            &
689                            min_nr_particle )
690                      ELSE
691                         alloc_size = min_nr_particle
692                      ENDIF
693                      ALLOCATE(grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:alloc_size))
694                      DO  n = 1, alloc_size
695                         grid_particles(kp,jp,ip)%particles(n) = zero_particle
696                      ENDDO
697                   ELSEIF ( phase == PHASE_RELEASE )  THEN
698                      IF ( local_count(kp,jp,ip) > 0 )  THEN
699                         new_size   = local_count(kp,jp,ip) + prt_count(kp,jp,ip)
700                         alloc_size = MAX( INT( new_size * ( 1.0_wp +          &
701                            alloc_factor / 100.0_wp ) ), min_nr_particle )
702                         IF( alloc_size > SIZE( grid_particles(kp,jp,ip)%particles) )  THEN
703                           CALL realloc_particles_array(ip,jp,kp,alloc_size)
704                         ENDIF
705                      ENDIF
706                   ENDIF
707
708                ENDDO
709             ENDDO
710          ENDDO
711       ENDIF
712
713    ENDDO
714
715    local_start = prt_count+1
716    prt_count   = local_count
717
718!
719!-- Initialize aerosol background spectrum
720    IF ( curvature_solution_effects  .AND.  .NOT. monodisperse_aerosols )  THEN
721       CALL lpm_init_aerosols(local_start)
722    ENDIF
723
724!
725!-- Add random fluctuation to particle positions.
726    IF ( random_start_position )  THEN
727       DO  ip = nxl, nxr
728          DO  jp = nys, nyn
729             DO  kp = nzb+1, nzt
730                number_of_particles = prt_count(kp,jp,ip)
731                IF ( number_of_particles <= 0 )  CYCLE
732                particles => grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:number_of_particles)
733!
734!--             Move only new particles. Moreover, limit random fluctuation
735!--             in order to prevent that particles move more than one grid box,
736!--             which would lead to problems concerning particle exchange
737!--             between processors in case pdx/pdy are larger than dx/dy,
738!--             respectively. 
739                DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles
740                   IF ( psl(particles(n)%group) /= psr(particles(n)%group) )  THEN
741                      rand_contr = ( random_function( iran_part ) - 0.5_wp ) * &
742                                     pdx(particles(n)%group)
743                      particles(n)%x = particles(n)%x +                        &
744                              MERGE( rand_contr, SIGN( dx, rand_contr ), &
745                                     ABS( rand_contr ) < dx                    &
746                                   ) 
747                   ENDIF
748                   IF ( pss(particles(n)%group) /= psn(particles(n)%group) )  THEN
749                      rand_contr = ( random_function( iran_part ) - 0.5_wp ) * &
750                                     pdy(particles(n)%group)
751                      particles(n)%y = particles(n)%y +                        &
752                              MERGE( rand_contr, SIGN( dy, rand_contr ), &
753                                     ABS( rand_contr ) < dy                    &
754                                   ) 
755                   ENDIF
756                   IF ( psb(particles(n)%group) /= pst(particles(n)%group) )  THEN
757                      rand_contr = ( random_function( iran_part ) - 0.5_wp ) * &
758                                     pdz(particles(n)%group)
759                      particles(n)%z = particles(n)%z +                        &
760                              MERGE( rand_contr, SIGN( dz, rand_contr ), &
761                                     ABS( rand_contr ) < dz                    &
762                                   ) 
763                   ENDIF
764                ENDDO
765!
766!--             Identify particles located outside the model domain and reflect
767!--             or absorb them if necessary.
768                CALL lpm_boundary_conds( 'bottom/top' )
769!
770!--             Furthermore, remove particles located in topography. Note, as
771!--             the particle speed is still zero at this point, wall
772!--             reflection boundary conditions will not work in this case.
773                particles =>                                                   &
774                       grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:number_of_particles)
775                DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles
776                   i = ( particles(n)%x + 0.5_wp * dx ) * ddx
777                   j = ( particles(n)%y + 0.5_wp * dy ) * ddy
778                   IF ( particles(n)%z <= zw(nzb_w_inner(j,i)) )  THEN
779                      particles(n)%particle_mask = .FALSE.
780                      deleted_particles = deleted_particles + 1
781                   ENDIF
782                ENDDO
783             ENDDO
784          ENDDO
785       ENDDO
786!
787!--    Exchange particles between grid cells and processors
788       CALL lpm_move_particle
789       CALL lpm_exchange_horiz
790
791    ENDIF
792!
793!-- In case of random_start_position, delete particles identified by
794!-- lpm_exchange_horiz and lpm_boundary_conds. Then sort particles into blocks,
795!-- which is needed for a fast interpolation of the LES fields on the particle
796!-- position.
797    CALL lpm_pack_all_arrays
798
799!
800!-- Determine maximum number of particles (i.e., all possible particles that
801!-- have been allocated) and the current number of particles
802    DO  ip = nxl, nxr
803       DO  jp = nys, nyn
804          DO  kp = nzb+1, nzt
805             maximum_number_of_particles = maximum_number_of_particles         &
806                                           + SIZE(grid_particles(kp,jp,ip)%particles)
807             number_of_particles         = number_of_particles                 &
808                                           + prt_count(kp,jp,ip)
809          ENDDO
810       ENDDO
811    ENDDO
812!
813!-- Calculate the number of particles of the total domain
814#if defined( __parallel )
815    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
816    CALL MPI_ALLREDUCE( number_of_particles, total_number_of_particles, 1, &
817    MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d, ierr )
818#else
819    total_number_of_particles = number_of_particles
820#endif
821
822    RETURN
823
824 END SUBROUTINE lpm_create_particle
825
826 SUBROUTINE lpm_init_aerosols(local_start)
827
828    USE arrays_3d,                                                             &
829        ONLY: hyp, pt, q 
830
831    USE cloud_parameters,                                                      &
832        ONLY: l_d_rv, rho_l
833
834    USE constants,                                                             &
835        ONLY: pi
836
837    USE kinds
838
839    USE particle_attributes,                                                   &
840        ONLY: init_aerosol_probabilistic, molecular_weight_of_solute,          &
841              molecular_weight_of_water, n1, n2, n3, rho_s, rm1, rm2, rm3,     &
842              s1, s2, s3, vanthoff
843
844    IMPLICIT NONE
845
846    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  cdf     !< CDF of aerosol spectrum
847    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  r_temp  !< dry aerosol radius spectrum
848
849    REAL(wp)  :: bfactor            !< solute effects
850    REAL(wp)  :: dr                 !< width of radius bin
851    REAL(wp)  :: e_a                !< vapor pressure
852    REAL(wp)  :: e_s                !< saturation vapor pressure
853    REAL(wp)  :: n_init             !< sum of all aerosol concentrations
854    REAL(wp)  :: pdf                !< PDF of aerosol spectrum
855    REAL(wp)  :: rmin = 1.0e-8_wp   !< minimum aerosol radius
856    REAL(wp)  :: rmax = 1.0e-6_wp   !< maximum aerosol radius
857    REAL(wp)  :: rs_rand            !< random number
858    REAL(wp)  :: r_mid              !< mean radius
859    REAL(wp)  :: t_int              !< temperature
860    REAL(wp)  :: weight_sum         !< sum of all weighting factors
861
862    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), INTENT(IN) ::  local_start !<
863
864    INTEGER(iwp)  :: n              !<
865    INTEGER(iwp)  :: nn             !<
866    INTEGER(iwp)  :: no_bins = 999  !< number of bins
867    INTEGER(iwp)  :: ip             !<
868    INTEGER(iwp)  :: jp             !<
869    INTEGER(iwp)  :: kp             !<
870
871    LOGICAL ::  new_pdf = .FALSE.   !< check if aerosol PDF has to be recalculated
872
873!
874!-- Compute aerosol background distribution
875    IF ( init_aerosol_probabilistic )  THEN
876       ALLOCATE( cdf(0:no_bins), r_temp(0:no_bins) )
877       DO n = 0, no_bins
878          r_temp(n) = EXP( LOG(rmin) + ( LOG(rmax) - LOG(rmin ) ) /            &
879                           REAL(no_bins, KIND=wp) * REAL(n, KIND=wp) )
880
881          cdf(n) = 0.0_wp
882          n_init = n1 + n2 + n3
883          IF ( n1 > 0.0_wp )  THEN
884             cdf(n) = cdf(n) + n1 / n_init * ( 0.5_wp + 0.5_wp *        &
885                                  ERF( LOG( r_temp(n) / rm1 ) /         &
886                                       ( SQRT(2.0_wp) * LOG(s1) )       &
887                                     ) )
888          ENDIF
889          IF ( n2 > 0.0_wp )  THEN
890             cdf(n) = cdf(n) + n2 / n_init * ( 0.5_wp + 0.5_wp *        &
891                                  ERF( LOG( r_temp(n) / rm2 ) /         &
892                                       ( SQRT(2.0_wp) * LOG(s2) )       &
893                                     ) )
894          ENDIF
895          IF ( n3 > 0.0_wp )  THEN
896             cdf(n) = cdf(n) + n3 / n_init * ( 0.5_wp + 0.5_wp *        &
897                                  ERF( LOG( r_temp(n) / rm3 ) /         &
898                                       ( SQRT(2.0_wp) * LOG(s3) )       &
899                                     ) )
900          ENDIF
901
902       ENDDO
903    ENDIF
904
905    DO  ip = nxl, nxr
906       DO  jp = nys, nyn
907          DO  kp = nzb+1, nzt
908
909             number_of_particles = prt_count(kp,jp,ip)
910             IF ( number_of_particles <= 0 )  CYCLE
911             particles => grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:number_of_particles)
912!
913!--          Initialize the aerosols with a predefined spectral distribution
914!--          of the dry radius (logarithmically increasing bins) and a varying
915!--          weighting factor
916             IF ( .NOT. init_aerosol_probabilistic )  THEN
917
918                new_pdf = .FALSE.
919                IF ( .NOT. ALLOCATED( r_temp ) )  THEN
920                   new_pdf = .TRUE.
921                ELSE
922                   IF ( SIZE( r_temp ) .NE. &
923                        number_of_particles - local_start(kp,jp,ip) + 2 )  THEN
924                      new_pdf = .TRUE.
925                      DEALLOCATE( r_temp )
926                   ENDIF
927                ENDIF
928
929                IF ( new_pdf )  THEN
930
931                   no_bins = number_of_particles + 1 - local_start(kp,jp,ip)
932                   ALLOCATE( r_temp(0:no_bins) )
933
934                   DO n = 0, no_bins
935                      r_temp(n) = EXP( LOG(rmin) + ( LOG(rmax) - LOG(rmin ) ) / &
936                                       REAL(no_bins, KIND=wp) *                 &
937                                       REAL(n, KIND=wp) )
938                   ENDDO
939
940                ENDIF
941
942!
943!--             Calculate radius and concentration of each aerosol
944                DO n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles
945
946                   nn = n - local_start(kp,jp,ip)
947
948                   r_mid = SQRT( r_temp(nn) * r_temp(nn+1) )
949                   dr    = r_temp(nn+1) - r_temp(nn)
950
951                   pdf    = 0.0_wp
952                   n_init = n1 + n2 + n3
953                   IF ( n1 > 0.0_wp )  THEN
954                      pdf = pdf + n1 / n_init * ( 1.0_wp / ( r_mid * LOG(s1) *      &
955                                                             SQRT( 2.0_wp * pi )    &
956                                                           ) *                      &
957                                                  EXP( -( LOG( r_mid / rm1 ) )**2 / &
958                                                       ( 2.0_wp * LOG(s1)**2 )      &
959                                                     )                              &
960                                                )
961                   ENDIF
962                   IF ( n2 > 0.0_wp )  THEN
963                      pdf = pdf + n2 / n_init * ( 1.0_wp / ( r_mid * LOG(s2) *      &
964                                                             SQRT( 2.0_wp * pi )    &
965                                                           ) *                      &
966                                                  EXP( -( LOG( r_mid / rm2 ) )**2 / &
967                                                       ( 2.0_wp * LOG(s2)**2 )      &
968                                                     )                              &
969                                                )
970                   ENDIF
971                   IF ( n3 > 0.0_wp )  THEN
972                      pdf = pdf + n3 / n_init * ( 1.0_wp / ( r_mid * LOG(s3) *      &
973                                                             SQRT( 2.0_wp * pi )    &
974                                                           ) *                      &
975                                                  EXP( -( LOG( r_mid / rm3 ) )**2 / &
976                                                       ( 2.0_wp * LOG(s3)**2 )      &
977                                                     )                              &
978                                                )
979                   ENDIF
980
981                   particles(n)%rvar2         = r_mid
982                   particles(n)%weight_factor = pdf * dr
983
984                END DO
985!
986!--             Adjust weighting factors to initialize the same number of aerosols
987!--             in every grid box
988                weight_sum = SUM(particles(local_start(kp,jp,ip):number_of_particles)%weight_factor)
989
990                particles(local_start(kp,jp,ip):number_of_particles)%weight_factor =     &
991                   particles(local_start(kp,jp,ip):number_of_particles)%weight_factor /  &
992                   weight_sum * initial_weighting_factor * ( no_bins + 1 )
993
994             ENDIF
995!
996!--          Initialize the aerosols with a predefined weighting factor but
997!--          a randomly choosen dry radius
998             IF ( init_aerosol_probabilistic )  THEN
999
1000                DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles  !only new particles
1001
1002                   rs_rand = -1.0_wp
1003                   DO WHILE ( rs_rand .LT. cdf(0)  .OR.  rs_rand .GE. cdf(no_bins)  )
1004                      rs_rand = random_function( iran_part )
1005                   ENDDO
1006!
1007!--                Determine aerosol dry radius by a random number generator
1008                   DO nn = 0, no_bins-1
1009                      IF ( cdf(nn) .LE. rs_rand  .AND.  cdf(nn+1) .GT. rs_rand )  THEN
1010                         particles(n)%rvar2 = r_temp(nn) + ( r_temp(nn+1) - r_temp(nn) ) / &
1011                                              ( cdf(nn+1) - cdf(nn) ) * ( rs_rand - cdf(nn) )
1012                         EXIT
1013                      ENDIF
1014                   ENDDO
1015
1016                ENDDO
1017
1018             ENDIF
1019
1020!
1021!--          Set particle radius to equilibrium radius based on the environmental
1022!--          supersaturation (Khvorostyanov and Curry, 2007, JGR). This avoids
1023!--          the sometimes lengthy growth toward their equilibrium radius within
1024!--          the simulation.
1025             t_int  = pt(kp,jp,ip) * ( hyp(kp) / 100000.0_wp )**0.286_wp
1026
1027             e_s = 611.0_wp * EXP( l_d_rv * ( 3.6609E-3_wp - 1.0_wp / t_int ) )
1028             e_a = q(kp,jp,ip) * hyp(kp) / ( 0.378_wp * q(kp,jp,ip) + 0.622_wp )
1029
1030!
1031!--          The formula is only valid for subsaturated environments. For
1032!--          supersaturations higher than -1 %, the supersaturation is set to -1%.
1033             IF ( e_a / e_s < 0.99_wp )  THEN
1034
1035                DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles  !only new particles
1036
1037                   bfactor             = vanthoff * molecular_weight_of_water *    &
1038                                         rho_s * particles(n)%rvar2**3 /           &
1039                                         ( molecular_weight_of_solute * rho_l )
1040                   particles(n)%radius = particles(n)%rvar2 * ( bfactor /          &
1041                                         particles(n)%rvar2**3 )**(1.0_wp/3.0_wp) *&
1042                                         ( 1.0_wp - e_a / e_s )**(-1.0_wp/3.0_wp)
1043
1044                ENDDO
1045
1046             ELSE
1047
1048                DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles  !only new particles
1049
1050                   bfactor             = vanthoff * molecular_weight_of_water *    &
1051                                         rho_s * particles(n)%rvar2**3 /           &
1052                                         ( molecular_weight_of_solute * rho_l )
1053                   particles(n)%radius = particles(n)%rvar2 * ( bfactor /          &
1054                                         particles(n)%rvar2**3 )**(1.0_wp/3.0_wp) *&
1055                                         0.01_wp**(-1.0_wp/3.0_wp)
1056
1057                ENDDO
1058
1059             ENDIF
1060
1061          ENDDO
1062       ENDDO
1063    ENDDO
1064!
1065!-- Deallocate used arrays
1066    IF ( ALLOCATED(r_temp) )  DEALLOCATE( r_temp )
1067    IF ( ALLOCATED(cdf) )     DEALLOCATE( cdf )
1068
1069 END SUBROUTINE lpm_init_aerosols
1070
1071END MODULE lpm_init_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.