source: palm/trunk/SOURCE/lpm_init.f90 @ 2101

Last change on this file since 2101 was 2101, checked in by suehring, 5 years ago

last commit documented

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 43.0 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
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.
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!
17! Copyright 1997-2017 Leibniz Universitaet Hannover
18!------------------------------------------------------------------------------!
19!
20! Current revisions:
21! -----------------
22!
23!
24! Former revisions:
25! -----------------
26! $Id: lpm_init.f90 2101 2017-01-05 16:42:31Z suehring $
27!
28! 2000 2016-08-20 18:09:15Z knoop
29! Forced header and separation lines into 80 columns
30!
31! 2016-06-09 16:25:25Z suehring
32! Bugfix in determining initial particle height and grid index in case of
33! seed_follows_topography.
34! Bugfix concerning random positions, ensure that particles do not move more
35! than one grid length.
36! Bugfix logarithmic interpolation.
37! Initial setting of sgs_wf_part.
38!
39! 1890 2016-04-22 08:52:11Z hoffmann
40! Initialization of aerosol equilibrium radius not possible in supersaturated
41! environments. Therefore, a maximum supersaturation of -1 % is assumed during
42! initialization.
43!
44! 1873 2016-04-18 14:50:06Z maronga
45! Module renamed (removed _mod
46
47!
48! 1871 2016-04-15 11:46:09Z hoffmann
49! Initialization of aerosols added.
50!
51! 1850 2016-04-08 13:29:27Z maronga
52! Module renamed
53!
54! 1831 2016-04-07 13:15:51Z hoffmann
55! curvature_solution_effects moved to particle_attributes
56!
57! 1822 2016-04-07 07:49:42Z hoffmann
58! Unused variables removed.
59!
60! 1783 2016-03-06 18:36:17Z raasch
61! netcdf module added
62!
63! 1725 2015-11-17 13:01:51Z hoffmann
64! Bugfix: Processor-dependent seed for random function is generated before it is
65! used.
66!
67! 1691 2015-10-26 16:17:44Z maronga
68! Renamed prandtl_layer to constant_flux_layer.
69!
70! 1685 2015-10-08 07:32:13Z raasch
71! bugfix concerning vertical index offset in case of ocean
72!
73! 1682 2015-10-07 23:56:08Z knoop
74! Code annotations made doxygen readable
75!
76! 1575 2015-03-27 09:56:27Z raasch
77! initial vertical particle position is allowed to follow the topography
78!
79! 1359 2014-04-11 17:15:14Z hoffmann
80! New particle structure integrated.
81! Kind definition added to all floating point numbers.
82! lpm_init changed form a subroutine to a module.
83!
84! 1327 2014-03-21 11:00:16Z raasch
85! -netcdf_output
86!
87! 1322 2014-03-20 16:38:49Z raasch
88! REAL functions provided with KIND-attribute
89!
90! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
91! ONLY-attribute added to USE-statements,
92! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
93! kinds are defined in new module kinds,
94! revision history before 2012 removed,
95! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
96! all variable declaration statements
97! bugfix: #if defined( __parallel ) added
98!
99! 1314 2014-03-14 18:25:17Z suehring
100! Vertical logarithmic interpolation of horizontal particle speed for particles
101! between roughness height and first vertical grid level.
102!
103! 1092 2013-02-02 11:24:22Z raasch
104! unused variables removed
105!
106! 1036 2012-10-22 13:43:42Z raasch
107! code put under GPL (PALM 3.9)
108!
109! 849 2012-03-15 10:35:09Z raasch
110! routine renamed: init_particles -> lpm_init
111! de_dx, de_dy, de_dz are allocated here (instead of automatic arrays in
112! advec_particles),
113! sort_particles renamed lpm_sort_arrays, user_init_particles renamed lpm_init
114!
115! 828 2012-02-21 12:00:36Z raasch
116! call of init_kernels, particle feature color renamed class
117!
118! 824 2012-02-17 09:09:57Z raasch
119! particle attributes speed_x|y|z_sgs renamed rvar1|2|3,
120! array particles implemented as pointer
121!
122! 667 2010-12-23 12:06:00Z suehring/gryschka
123! nxl-1, nxr+1, nys-1, nyn+1 replaced by nxlg, nxrg, nysg, nyng for allocation
124! of arrays.
125!
126! Revision 1.1  1999/11/25 16:22:38  raasch
127! Initial revision
128!
129!
130! Description:
131! ------------
132!> This routine initializes a set of particles and their attributes (position,
133!> radius, ..) which are used by the Lagrangian particle model (see lpm).
134!------------------------------------------------------------------------------!
135 MODULE lpm_init_mod
136 
137
138    USE arrays_3d,                                                             &
139        ONLY:  de_dx, de_dy, de_dz, zu, zw, z0
140
141    USE control_parameters,                                                    &
142        ONLY:  cloud_droplets, constant_flux_layer, current_timestep_number,   &
143               dz, initializing_actions, message_string, ocean, simulated_time
144
145    USE grid_variables,                                                        &
146        ONLY:  ddx, dx, ddy, dy
147
148    USE indices,                                                               &
149        ONLY:  nx, nxl, nxlg, nxrg, nxr, ny, nyn, nys, nyng, nysg, nz, nzb,    &
150               nzb_w_inner, nzt
151
152    USE kinds
153
154    USE lpm_collision_kernels_mod,                                             &
155        ONLY:  init_kernels
156
157    USE netcdf_interface,                                                      &
158        ONLY:  netcdf_data_format
159
160    USE particle_attributes,                                                   &
161        ONLY:   alloc_factor, bc_par_b, bc_par_lr, bc_par_ns, bc_par_t,        &
162                block_offset, block_offset_def, collision_kernel,              &
163                curvature_solution_effects,                                    &
164                density_ratio, grid_particles,                                 &
165                initial_weighting_factor, ibc_par_b, ibc_par_lr, ibc_par_ns,   &
166                ibc_par_t, iran_part, log_z_z0,                                &
167                max_number_of_particle_groups, maximum_number_of_particles,    &
168                min_nr_particle, mpi_particle_type,                            &
169                number_of_particles,                                           &
170                number_of_particle_groups, number_of_sublayers,                &
171                offset_ocean_nzt, offset_ocean_nzt_m1,                         &
172                particles, particle_advection_start, particle_groups,          &
173                particle_groups_type, particles_per_point,                     &
174                particle_type, pdx, pdy, pdz,                                  &
175                prt_count, psb, psl, psn, psr, pss, pst,                       &
176                radius, random_start_position, read_particles_from_restartfile,&
177                seed_follows_topography, sgs_wf_part, sort_count,              &
178                total_number_of_particles,                                     &
179                use_sgs_for_particles,                                         &
180                write_particle_statistics, uniform_particles, zero_particle,   &
181                z0_av_global
182
183    USE pegrid
184
185    USE random_function_mod,                                                   &
186        ONLY:  random_function
187
188    IMPLICIT NONE
189
190    PRIVATE
191
192    INTEGER(iwp), PARAMETER         :: PHASE_INIT    = 1  !<
193    INTEGER(iwp), PARAMETER, PUBLIC :: PHASE_RELEASE = 2  !<
194
195    INTERFACE lpm_init
196       MODULE PROCEDURE lpm_init
197    END INTERFACE lpm_init
198
199    INTERFACE lpm_create_particle
200       MODULE PROCEDURE lpm_create_particle
201    END INTERFACE lpm_create_particle
202
203    PUBLIC lpm_init, lpm_create_particle
204
205 CONTAINS
206
207!------------------------------------------------------------------------------!
208! Description:
209! ------------
210!> @todo Missing subroutine description.
211!------------------------------------------------------------------------------!
212 SUBROUTINE lpm_init
213
214    USE lpm_collision_kernels_mod,                                             &
215        ONLY:  init_kernels
216
217    IMPLICIT NONE
218
219    INTEGER(iwp) ::  i                           !<
220    INTEGER(iwp) ::  j                           !<
221    INTEGER(iwp) ::  k                           !<
222
223#if defined( __parallel )
224    INTEGER(iwp), DIMENSION(3) ::  blocklengths  !<
225    INTEGER(iwp), DIMENSION(3) ::  displacements !<
226    INTEGER(iwp), DIMENSION(3) ::  types         !<
227#endif
228
229    REAL(wp) ::  height_int                      !<
230    REAL(wp) ::  height_p                        !<
231    REAL(wp) ::  z_p                             !<
232    REAL(wp) ::  z0_av_local                     !<
233
234#if defined( __parallel )
235!
236!-- Define MPI derived datatype for FORTRAN datatype particle_type (see module
237!-- particle_attributes). Integer length is 4 byte, Real is 8 byte
238    blocklengths(1)  = 19;  blocklengths(2)  =   6;  blocklengths(3)  =   1
239    displacements(1) =  0;  displacements(2) = 152;  displacements(3) = 176
240
241    types(1) = MPI_REAL
242    types(2) = MPI_INTEGER
243    types(3) = MPI_UB
244    CALL MPI_TYPE_STRUCT( 3, blocklengths, displacements, types, &
245                          mpi_particle_type, ierr )
246    CALL MPI_TYPE_COMMIT( mpi_particle_type, ierr )
247#endif
248
249!
250!-- In case of oceans runs, the vertical index calculations need an offset,
251!-- because otherwise the k indices will become negative
252    IF ( ocean )  THEN
253       offset_ocean_nzt    = nzt
254       offset_ocean_nzt_m1 = nzt - 1
255    ENDIF
256
257!
258!-- Define block offsets for dividing a gridcell in 8 sub cells
259
260    block_offset(0) = block_offset_def (-1,-1,-1)
261    block_offset(1) = block_offset_def (-1,-1, 0)
262    block_offset(2) = block_offset_def (-1, 0,-1)
263    block_offset(3) = block_offset_def (-1, 0, 0)
264    block_offset(4) = block_offset_def ( 0,-1,-1)
265    block_offset(5) = block_offset_def ( 0,-1, 0)
266    block_offset(6) = block_offset_def ( 0, 0,-1)
267    block_offset(7) = block_offset_def ( 0, 0, 0)
268!
269!-- Check the number of particle groups.
270    IF ( number_of_particle_groups > max_number_of_particle_groups )  THEN
271       WRITE( message_string, * ) 'max_number_of_particle_groups =',      &
272                                  max_number_of_particle_groups ,         &
273                                  '&number_of_particle_groups reset to ', &
274                                  max_number_of_particle_groups
275       CALL message( 'lpm_init', 'PA0213', 0, 1, 0, 6, 0 )
276       number_of_particle_groups = max_number_of_particle_groups
277    ENDIF
278
279!
280!-- Set default start positions, if necessary
281    IF ( psl(1) == 9999999.9_wp )  psl(1) = -0.5_wp * dx
282    IF ( psr(1) == 9999999.9_wp )  psr(1) = ( nx + 0.5_wp ) * dx
283    IF ( pss(1) == 9999999.9_wp )  pss(1) = -0.5_wp * dy
284    IF ( psn(1) == 9999999.9_wp )  psn(1) = ( ny + 0.5_wp ) * dy
285    IF ( psb(1) == 9999999.9_wp )  psb(1) = zu(nz/2)
286    IF ( pst(1) == 9999999.9_wp )  pst(1) = psb(1)
287
288    IF ( pdx(1) == 9999999.9_wp  .OR.  pdx(1) == 0.0_wp )  pdx(1) = dx
289    IF ( pdy(1) == 9999999.9_wp  .OR.  pdy(1) == 0.0_wp )  pdy(1) = dy
290    IF ( pdz(1) == 9999999.9_wp  .OR.  pdz(1) == 0.0_wp )  pdz(1) = zu(2) - zu(1)
291
292    DO  j = 2, number_of_particle_groups
293       IF ( psl(j) == 9999999.9_wp )  psl(j) = psl(j-1)
294       IF ( psr(j) == 9999999.9_wp )  psr(j) = psr(j-1)
295       IF ( pss(j) == 9999999.9_wp )  pss(j) = pss(j-1)
296       IF ( psn(j) == 9999999.9_wp )  psn(j) = psn(j-1)
297       IF ( psb(j) == 9999999.9_wp )  psb(j) = psb(j-1)
298       IF ( pst(j) == 9999999.9_wp )  pst(j) = pst(j-1)
299       IF ( pdx(j) == 9999999.9_wp  .OR.  pdx(j) == 0.0_wp )  pdx(j) = pdx(j-1)
300       IF ( pdy(j) == 9999999.9_wp  .OR.  pdy(j) == 0.0_wp )  pdy(j) = pdy(j-1)
301       IF ( pdz(j) == 9999999.9_wp  .OR.  pdz(j) == 0.0_wp )  pdz(j) = pdz(j-1)
302    ENDDO
303
304!
305!-- Allocate arrays required for calculating particle SGS velocities.
306!-- Initialize prefactor required for stoachastic Weil equation.
307    IF ( use_sgs_for_particles  .AND.  .NOT. cloud_droplets )  THEN
308       ALLOCATE( de_dx(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
309                 de_dy(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
310                 de_dz(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
311
312       sgs_wf_part = 1.0_wp / 3.0_wp   
313    ENDIF
314
315!
316!-- Allocate array required for logarithmic vertical interpolation of
317!-- horizontal particle velocities between the surface and the first vertical
318!-- grid level. In order to avoid repeated CPU cost-intensive CALLS of
319!-- intrinsic FORTRAN procedure LOG(z/z0), LOG(z/z0) is precalculated for
320!-- several heights. Splitting into 20 sublayers turned out to be sufficient.
321!-- To obtain exact height levels of particles, linear interpolation is applied
322!-- (see lpm_advec.f90).
323    IF ( constant_flux_layer )  THEN
324       
325       ALLOCATE ( log_z_z0(0:number_of_sublayers) ) 
326       z_p         = zu(nzb+1) - zw(nzb)
327
328!
329!--    Calculate horizontal mean value of z0 used for logartihmic
330!--    interpolation. Note: this is not exact for heterogeneous z0.
331!--    However, sensitivity studies showed that the effect is
332!--    negligible.
333       z0_av_local  = SUM( z0(nys:nyn,nxl:nxr) )
334       z0_av_global = 0.0_wp
335
336#if defined( __parallel )
337       CALL MPI_ALLREDUCE(z0_av_local, z0_av_global, 1, MPI_REAL, MPI_SUM, &
338                          comm2d, ierr )
339#else
340       z0_av_global = z0_av_local
341#endif
342
343       z0_av_global = z0_av_global  / ( ( ny + 1 ) * ( nx + 1 ) )
344!
345!--    Horizontal wind speed is zero below and at z0
346       log_z_z0(0) = 0.0_wp
347!
348!--    Calculate vertical depth of the sublayers
349       height_int  = ( z_p - z0_av_global ) / REAL( number_of_sublayers, KIND=wp )
350!
351!--    Precalculate LOG(z/z0)
352       height_p    = z0_av_global
353       DO  k = 1, number_of_sublayers
354
355          height_p    = height_p + height_int
356          log_z_z0(k) = LOG( height_p / z0_av_global )
357
358       ENDDO
359
360    ENDIF
361
362!
363!-- Check boundary condition and set internal variables
364    SELECT CASE ( bc_par_b )
365   
366       CASE ( 'absorb' )
367          ibc_par_b = 1
368
369       CASE ( 'reflect' )
370          ibc_par_b = 2
371         
372       CASE DEFAULT
373          WRITE( message_string, * )  'unknown boundary condition ',   &
374                                       'bc_par_b = "', TRIM( bc_par_b ), '"'
375          CALL message( 'lpm_init', 'PA0217', 1, 2, 0, 6, 0 )
376         
377    END SELECT
378    SELECT CASE ( bc_par_t )
379   
380       CASE ( 'absorb' )
381          ibc_par_t = 1
382
383       CASE ( 'reflect' )
384          ibc_par_t = 2
385         
386       CASE DEFAULT
387          WRITE( message_string, * ) 'unknown boundary condition ',   &
388                                     'bc_par_t = "', TRIM( bc_par_t ), '"'
389          CALL message( 'lpm_init', 'PA0218', 1, 2, 0, 6, 0 )
390         
391    END SELECT
392    SELECT CASE ( bc_par_lr )
393
394       CASE ( 'cyclic' )
395          ibc_par_lr = 0
396
397       CASE ( 'absorb' )
398          ibc_par_lr = 1
399
400       CASE ( 'reflect' )
401          ibc_par_lr = 2
402         
403       CASE DEFAULT
404          WRITE( message_string, * ) 'unknown boundary condition ',   &
405                                     'bc_par_lr = "', TRIM( bc_par_lr ), '"'
406          CALL message( 'lpm_init', 'PA0219', 1, 2, 0, 6, 0 )
407         
408    END SELECT
409    SELECT CASE ( bc_par_ns )
410
411       CASE ( 'cyclic' )
412          ibc_par_ns = 0
413
414       CASE ( 'absorb' )
415          ibc_par_ns = 1
416
417       CASE ( 'reflect' )
418          ibc_par_ns = 2
419         
420       CASE DEFAULT
421          WRITE( message_string, * ) 'unknown boundary condition ',   &
422                                     'bc_par_ns = "', TRIM( bc_par_ns ), '"'
423          CALL message( 'lpm_init', 'PA0220', 1, 2, 0, 6, 0 )
424         
425    END SELECT
426
427!
428!-- Initialize collision kernels
429    IF ( collision_kernel /= 'none' )  CALL init_kernels
430
431!
432!-- For the first model run of a possible job chain initialize the
433!-- particles, otherwise read the particle data from restart file.
434    IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data'  &
435         .AND.  read_particles_from_restartfile )  THEN
436
437       CALL lpm_read_restart_file
438
439    ELSE
440
441!
442!--    Allocate particle arrays and set attributes of the initial set of
443!--    particles, which can be also periodically released at later times.
444       ALLOCATE( prt_count(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
445                 grid_particles(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr) )
446
447       maximum_number_of_particles = 0
448       number_of_particles         = 0
449
450       sort_count = 0
451       prt_count  = 0
452
453!
454!--    Initialize all particles with dummy values (otherwise errors may
455!--    occur within restart runs). The reason for this is still not clear
456!--    and may be presumably caused by errors in the respective user-interface.
457       zero_particle = particle_type( 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp,  &
458                                      0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp,  &
459                                      0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp,  &
460                                      0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0, 0, 0, &
461                                      0, .FALSE., -1 )
462
463       particle_groups = particle_groups_type( 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp )
464
465!
466!--    Set values for the density ratio and radius for all particle
467!--    groups, if necessary
468       IF ( density_ratio(1) == 9999999.9_wp )  density_ratio(1) = 0.0_wp
469       IF ( radius(1)        == 9999999.9_wp )  radius(1) = 0.0_wp
470       DO  i = 2, number_of_particle_groups
471          IF ( density_ratio(i) == 9999999.9_wp )  THEN
472             density_ratio(i) = density_ratio(i-1)
473          ENDIF
474          IF ( radius(i) == 9999999.9_wp )  radius(i) = radius(i-1)
475       ENDDO
476
477       DO  i = 1, number_of_particle_groups
478          IF ( density_ratio(i) /= 0.0_wp  .AND.  radius(i) == 0 )  THEN
479             WRITE( message_string, * ) 'particle group #', i, 'has a', &
480                                        'density ratio /= 0 but radius = 0'
481             CALL message( 'lpm_init', 'PA0215', 1, 2, 0, 6, 0 )
482          ENDIF
483          particle_groups(i)%density_ratio = density_ratio(i)
484          particle_groups(i)%radius        = radius(i)
485       ENDDO
486
487!
488!--    Set a seed value for the random number generator to be exclusively
489!--    used for the particle code. The generated random numbers should be
490!--    different on the different PEs.
491       iran_part = iran_part + myid
492
493       CALL lpm_create_particle (PHASE_INIT)
494!
495!--    User modification of initial particles
496       CALL user_lpm_init
497
498!
499!--    Open file for statistical informations about particle conditions
500       IF ( write_particle_statistics )  THEN
501          CALL check_open( 80 )
502          WRITE ( 80, 8000 )  current_timestep_number, simulated_time,         &
503                              number_of_particles,                             &
504                              maximum_number_of_particles
505          CALL close_file( 80 )
506       ENDIF
507
508    ENDIF
509
510!
511!-- To avoid programm abort, assign particles array to the local version of
512!-- first grid cell
513    number_of_particles = prt_count(nzb+1,nys,nxl)
514    particles => grid_particles(nzb+1,nys,nxl)%particles(1:number_of_particles)
515!
516!-- Formats
5178000 FORMAT (I6,1X,F7.2,4X,I10,71X,I10)
518
519 END SUBROUTINE lpm_init
520
521!------------------------------------------------------------------------------!
522! Description:
523! ------------
524!> @todo Missing subroutine description.
525!------------------------------------------------------------------------------!
526 SUBROUTINE lpm_create_particle (phase)
527
528    USE lpm_exchange_horiz_mod,                                                &
529        ONLY: lpm_exchange_horiz, lpm_move_particle, realloc_particles_array
530
531    USE lpm_pack_arrays_mod,                                                   &
532        ONLY: lpm_pack_all_arrays
533
534    USE particle_attributes,                                                   &
535        ONLY: deleted_particles, monodisperse_aerosols
536
537    IMPLICIT  NONE
538
539    INTEGER(iwp)               ::  alloc_size  !< relative increase of allocated memory for particles
540    INTEGER(iwp)               ::  i           !< loop variable ( particle groups )
541    INTEGER(iwp)               ::  ip          !< index variable along x
542    INTEGER(iwp)               ::  j           !< loop variable ( particles per point )
543    INTEGER(iwp)               ::  jp          !< index variable along y
544    INTEGER(iwp)               ::  kp          !< index variable along z
545    INTEGER(iwp)               ::  loop_stride !< loop variable for initialization
546    INTEGER(iwp)               ::  n           !< loop variable ( number of particles )
547    INTEGER(iwp)               ::  new_size    !< new size of allocated memory for particles
548
549    INTEGER(iwp), INTENT(IN)   ::  phase       !< mode of inititialization
550
551    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::  local_count !< start address of new particle
552    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::  local_start !< start address of new particle
553
554    LOGICAL                    ::  first_stride !< flag for initialization
555
556    REAL(wp)                   ::  pos_x      !< increment for particle position in x     
557    REAL(wp)                   ::  pos_y      !< increment for particle position in y 
558    REAL(wp)                   ::  pos_z      !< increment for particle position in z     
559    REAL(wp)                   ::  rand_contr !< dummy argument for random position
560
561    TYPE(particle_type),TARGET ::  tmp_particle !< temporary particle used for initialization
562
563!
564!-- Calculate particle positions and store particle attributes, if
565!-- particle is situated on this PE
566    DO  loop_stride = 1, 2
567       first_stride = (loop_stride == 1)
568       IF ( first_stride )   THEN
569          local_count = 0           ! count number of particles
570       ELSE
571          local_count = prt_count   ! Start address of new particles
572       ENDIF
573
574       n = 0
575       DO  i = 1, number_of_particle_groups
576
577          pos_z = psb(i)
578
579          DO WHILE ( pos_z <= pst(i) )
580
581             pos_y = pss(i)
582
583             DO WHILE ( pos_y <= psn(i) )
584
585                IF ( pos_y >= ( nys - 0.5_wp ) * dy  .AND.  &
586                     pos_y <  ( nyn + 0.5_wp ) * dy )  THEN
587
588                   pos_x = psl(i)
589
590            xloop: DO WHILE ( pos_x <= psr(i) )
591
592                      IF ( pos_x >= ( nxl - 0.5_wp ) * dx  .AND.  &
593                           pos_x <  ( nxr + 0.5_wp ) * dx )  THEN
594
595                         DO  j = 1, particles_per_point
596
597                            n = n + 1
598                            tmp_particle%x             = pos_x
599                            tmp_particle%y             = pos_y
600                            tmp_particle%z             = pos_z
601                            tmp_particle%age           = 0.0_wp
602                            tmp_particle%age_m         = 0.0_wp
603                            tmp_particle%dt_sum        = 0.0_wp
604                            tmp_particle%dvrp_psize    = 0.0_wp !unused
605                            tmp_particle%e_m           = 0.0_wp
606                            IF ( curvature_solution_effects )  THEN
607!
608!--                            Initial values (internal timesteps, derivative)
609!--                            for Rosenbrock method
610                               tmp_particle%rvar1      = 1.0E-6_wp     !last Rosenbrock timestep
611                               tmp_particle%rvar2      = 0.1E-6_wp     !dry aerosol radius
612                               tmp_particle%rvar3      = -9999999.9_wp !unused
613                            ELSE
614!
615!--                            Initial values for SGS velocities
616                               tmp_particle%rvar1      = 0.0_wp
617                               tmp_particle%rvar2      = 0.0_wp
618                               tmp_particle%rvar3      = 0.0_wp
619                            ENDIF
620                            tmp_particle%speed_x       = 0.0_wp
621                            tmp_particle%speed_y       = 0.0_wp
622                            tmp_particle%speed_z       = 0.0_wp
623                            tmp_particle%origin_x      = pos_x
624                            tmp_particle%origin_y      = pos_y
625                            tmp_particle%origin_z      = pos_z
626                            tmp_particle%radius        = particle_groups(i)%radius
627                            tmp_particle%weight_factor = initial_weighting_factor
628                            tmp_particle%class         = 1
629                            tmp_particle%group         = i
630                            tmp_particle%tailpoints    = 0     !unused
631                            tmp_particle%particle_mask = .TRUE.
632                            tmp_particle%tail_id       = 0     !unused
633
634
635!
636!--                         Determine the grid indices of the particle position
637                            ip = ( tmp_particle%x + 0.5_wp * dx ) * ddx
638                            jp = ( tmp_particle%y + 0.5_wp * dy ) * ddy
639                            kp = tmp_particle%z / dz + 1 + offset_ocean_nzt
640
641                            IF ( seed_follows_topography )  THEN
642!
643!--                            Particle height is given relative to topography
644                               kp = kp + nzb_w_inner(jp,ip)
645                               tmp_particle%z = tmp_particle%z +               &
646                                                         zw(nzb_w_inner(jp,ip))
647                               IF ( kp > nzt )  THEN
648                                  pos_x = pos_x + pdx(i)
649                                  CYCLE xloop
650                               ENDIF
651                            ELSEIF ( .NOT. seed_follows_topography .AND.       &
652                                     tmp_particle%z <= zw(nzb_w_inner(jp,ip)) )  THEN
653                               pos_x = pos_x + pdx(i)
654                               CYCLE xloop                               
655                            ENDIF
656
657                            local_count(kp,jp,ip) = local_count(kp,jp,ip) + 1
658                            IF ( .NOT. first_stride )  THEN
659                               IF ( ip < nxl  .OR.  jp < nys  .OR.  kp < nzb+1 )  THEN
660                                  write(6,*) 'xl ',ip,jp,kp,nxl,nys,nzb+1
661                               ENDIF
662                               IF ( ip > nxr  .OR.  jp > nyn  .OR.  kp > nzt )  THEN
663                                  write(6,*) 'xu ',ip,jp,kp,nxr,nyn,nzt
664                               ENDIF
665                               grid_particles(kp,jp,ip)%particles(local_count(kp,jp,ip)) = tmp_particle
666
667                            ENDIF
668                         ENDDO
669
670                      ENDIF
671
672                      pos_x = pos_x + pdx(i)
673
674                   ENDDO xloop
675
676                ENDIF
677
678                pos_y = pos_y + pdy(i)
679
680             ENDDO
681
682             pos_z = pos_z + pdz(i)
683
684          ENDDO
685
686       ENDDO
687
688       IF ( first_stride )  THEN
689          DO  ip = nxl, nxr
690             DO  jp = nys, nyn
691                DO  kp = nzb+1, nzt
692                   IF ( phase == PHASE_INIT )  THEN
693                      IF ( local_count(kp,jp,ip) > 0 )  THEN
694                         alloc_size = MAX( INT( local_count(kp,jp,ip) *        &
695                            ( 1.0_wp + alloc_factor / 100.0_wp ) ),            &
696                            min_nr_particle )
697                      ELSE
698                         alloc_size = min_nr_particle
699                      ENDIF
700                      ALLOCATE(grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:alloc_size))
701                      DO  n = 1, alloc_size
702                         grid_particles(kp,jp,ip)%particles(n) = zero_particle
703                      ENDDO
704                   ELSEIF ( phase == PHASE_RELEASE )  THEN
705                      IF ( local_count(kp,jp,ip) > 0 )  THEN
706                         new_size   = local_count(kp,jp,ip) + prt_count(kp,jp,ip)
707                         alloc_size = MAX( INT( new_size * ( 1.0_wp +          &
708                            alloc_factor / 100.0_wp ) ), min_nr_particle )
709                         IF( alloc_size > SIZE( grid_particles(kp,jp,ip)%particles) )  THEN
710                           CALL realloc_particles_array(ip,jp,kp,alloc_size)
711                         ENDIF
712                      ENDIF
713                   ENDIF
714
715                ENDDO
716             ENDDO
717          ENDDO
718       ENDIF
719
720    ENDDO
721
722    local_start = prt_count+1
723    prt_count   = local_count
724
725!
726!-- Initialize aerosol background spectrum
727    IF ( curvature_solution_effects  .AND.  .NOT. monodisperse_aerosols )  THEN
728       CALL lpm_init_aerosols(local_start)
729    ENDIF
730
731!
732!-- Add random fluctuation to particle positions.
733    IF ( random_start_position )  THEN
734       DO  ip = nxl, nxr
735          DO  jp = nys, nyn
736             DO  kp = nzb+1, nzt
737                number_of_particles = prt_count(kp,jp,ip)
738                IF ( number_of_particles <= 0 )  CYCLE
739                particles => grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:number_of_particles)
740!
741!--             Move only new particles. Moreover, limit random fluctuation
742!--             in order to prevent that particles move more than one grid box,
743!--             which would lead to problems concerning particle exchange
744!--             between processors in case pdx/pdy are larger than dx/dy,
745!--             respectively. 
746                DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles
747                   IF ( psl(particles(n)%group) /= psr(particles(n)%group) )  THEN
748                      rand_contr = ( random_function( iran_part ) - 0.5_wp ) * &
749                                     pdx(particles(n)%group)
750                      particles(n)%x = particles(n)%x +                        &
751                              MERGE( rand_contr, SIGN( dx, rand_contr ), &
752                                     ABS( rand_contr ) < dx                    &
753                                   ) 
754                   ENDIF
755                   IF ( pss(particles(n)%group) /= psn(particles(n)%group) )  THEN
756                      rand_contr = ( random_function( iran_part ) - 0.5_wp ) * &
757                                     pdy(particles(n)%group)
758                      particles(n)%y = particles(n)%y +                        &
759                              MERGE( rand_contr, SIGN( dy, rand_contr ), &
760                                     ABS( rand_contr ) < dy                    &
761                                   ) 
762                   ENDIF
763                   IF ( psb(particles(n)%group) /= pst(particles(n)%group) )  THEN
764                      rand_contr = ( random_function( iran_part ) - 0.5_wp ) * &
765                                     pdz(particles(n)%group)
766                      particles(n)%z = particles(n)%z +                        &
767                              MERGE( rand_contr, SIGN( dz, rand_contr ), &
768                                     ABS( rand_contr ) < dz                    &
769                                   ) 
770                   ENDIF
771                ENDDO
772!
773!--             Identify particles located outside the model domain and reflect
774!--             or absorb them if necessary.
775                CALL lpm_boundary_conds( 'bottom/top' )
776!
777!--             Furthermore, remove particles located in topography. Note, as
778!--             the particle speed is still zero at this point, wall
779!--             reflection boundary conditions will not work in this case.
780                particles =>                                                   &
781                       grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:number_of_particles)
782                DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles
783                   i = ( particles(n)%x + 0.5_wp * dx ) * ddx
784                   j = ( particles(n)%y + 0.5_wp * dy ) * ddy
785                   IF ( particles(n)%z <= zw(nzb_w_inner(j,i)) )  THEN
786                      particles(n)%particle_mask = .FALSE.
787                      deleted_particles = deleted_particles + 1
788                   ENDIF
789                ENDDO
790             ENDDO
791          ENDDO
792       ENDDO
793!
794!--    Exchange particles between grid cells and processors
795       CALL lpm_move_particle
796       CALL lpm_exchange_horiz
797
798    ENDIF
799!
800!-- In case of random_start_position, delete particles identified by
801!-- lpm_exchange_horiz and lpm_boundary_conds. Then sort particles into blocks,
802!-- which is needed for a fast interpolation of the LES fields on the particle
803!-- position.
804    CALL lpm_pack_all_arrays
805
806!
807!-- Determine maximum number of particles (i.e., all possible particles that
808!-- have been allocated) and the current number of particles
809    DO  ip = nxl, nxr
810       DO  jp = nys, nyn
811          DO  kp = nzb+1, nzt
812             maximum_number_of_particles = maximum_number_of_particles         &
813                                           + SIZE(grid_particles(kp,jp,ip)%particles)
814             number_of_particles         = number_of_particles                 &
815                                           + prt_count(kp,jp,ip)
816          ENDDO
817       ENDDO
818    ENDDO
819!
820!-- Calculate the number of particles of the total domain
821#if defined( __parallel )
822    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
823    CALL MPI_ALLREDUCE( number_of_particles, total_number_of_particles, 1, &
824    MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d, ierr )
825#else
826    total_number_of_particles = number_of_particles
827#endif
828
829    RETURN
830
831 END SUBROUTINE lpm_create_particle
832
833 SUBROUTINE lpm_init_aerosols(local_start)
834
835    USE arrays_3d,                                                             &
836        ONLY: hyp, pt, q 
837
838    USE cloud_parameters,                                                      &
839        ONLY: l_d_rv, rho_l
840
841    USE constants,                                                             &
842        ONLY: pi
843
844    USE kinds
845
846    USE particle_attributes,                                                   &
847        ONLY: init_aerosol_probabilistic, molecular_weight_of_solute,          &
848              molecular_weight_of_water, n1, n2, n3, rho_s, rm1, rm2, rm3,     &
849              s1, s2, s3, vanthoff
850
851    IMPLICIT NONE
852
853    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  cdf     !< CDF of aerosol spectrum
854    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  r_temp  !< dry aerosol radius spectrum
855
856    REAL(wp)  :: bfactor            !< solute effects
857    REAL(wp)  :: dr                 !< width of radius bin
858    REAL(wp)  :: e_a                !< vapor pressure
859    REAL(wp)  :: e_s                !< saturation vapor pressure
860    REAL(wp)  :: n_init             !< sum of all aerosol concentrations
861    REAL(wp)  :: pdf                !< PDF of aerosol spectrum
862    REAL(wp)  :: rmin = 1.0e-8_wp   !< minimum aerosol radius
863    REAL(wp)  :: rmax = 1.0e-6_wp   !< maximum aerosol radius
864    REAL(wp)  :: rs_rand            !< random number
865    REAL(wp)  :: r_mid              !< mean radius
866    REAL(wp)  :: t_int              !< temperature
867    REAL(wp)  :: weight_sum         !< sum of all weighting factors
868
869    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), INTENT(IN) ::  local_start !<
870
871    INTEGER(iwp)  :: n              !<
872    INTEGER(iwp)  :: nn             !<
873    INTEGER(iwp)  :: no_bins = 999  !< number of bins
874    INTEGER(iwp)  :: ip             !<
875    INTEGER(iwp)  :: jp             !<
876    INTEGER(iwp)  :: kp             !<
877
878    LOGICAL ::  new_pdf = .FALSE.   !< check if aerosol PDF has to be recalculated
879
880!
881!-- Compute aerosol background distribution
882    IF ( init_aerosol_probabilistic )  THEN
883       ALLOCATE( cdf(0:no_bins), r_temp(0:no_bins) )
884       DO n = 0, no_bins
885          r_temp(n) = EXP( LOG(rmin) + ( LOG(rmax) - LOG(rmin ) ) /            &
886                           REAL(no_bins, KIND=wp) * REAL(n, KIND=wp) )
887
888          cdf(n) = 0.0_wp
889          n_init = n1 + n2 + n3
890          IF ( n1 > 0.0_wp )  THEN
891             cdf(n) = cdf(n) + n1 / n_init * ( 0.5_wp + 0.5_wp *        &
892                                  ERF( LOG( r_temp(n) / rm1 ) /         &
893                                       ( SQRT(2.0_wp) * LOG(s1) )       &
894                                     ) )
895          ENDIF
896          IF ( n2 > 0.0_wp )  THEN
897             cdf(n) = cdf(n) + n2 / n_init * ( 0.5_wp + 0.5_wp *        &
898                                  ERF( LOG( r_temp(n) / rm2 ) /         &
899                                       ( SQRT(2.0_wp) * LOG(s2) )       &
900                                     ) )
901          ENDIF
902          IF ( n3 > 0.0_wp )  THEN
903             cdf(n) = cdf(n) + n3 / n_init * ( 0.5_wp + 0.5_wp *        &
904                                  ERF( LOG( r_temp(n) / rm3 ) /         &
905                                       ( SQRT(2.0_wp) * LOG(s3) )       &
906                                     ) )
907          ENDIF
908
909       ENDDO
910    ENDIF
911
912    DO  ip = nxl, nxr
913       DO  jp = nys, nyn
914          DO  kp = nzb+1, nzt
915
916             number_of_particles = prt_count(kp,jp,ip)
917             IF ( number_of_particles <= 0 )  CYCLE
918             particles => grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:number_of_particles)
919!
920!--          Initialize the aerosols with a predefined spectral distribution
921!--          of the dry radius (logarithmically increasing bins) and a varying
922!--          weighting factor
923             IF ( .NOT. init_aerosol_probabilistic )  THEN
924
925                new_pdf = .FALSE.
926                IF ( .NOT. ALLOCATED( r_temp ) )  THEN
927                   new_pdf = .TRUE.
928                ELSE
929                   IF ( SIZE( r_temp ) .NE. &
930                        number_of_particles - local_start(kp,jp,ip) + 2 )  THEN
931                      new_pdf = .TRUE.
932                      DEALLOCATE( r_temp )
933                   ENDIF
934                ENDIF
935
936                IF ( new_pdf )  THEN
937
938                   no_bins = number_of_particles + 1 - local_start(kp,jp,ip)
939                   ALLOCATE( r_temp(0:no_bins) )
940
941                   DO n = 0, no_bins
942                      r_temp(n) = EXP( LOG(rmin) + ( LOG(rmax) - LOG(rmin ) ) / &
943                                       REAL(no_bins, KIND=wp) *                 &
944                                       REAL(n, KIND=wp) )
945                   ENDDO
946
947                ENDIF
948
949!
950!--             Calculate radius and concentration of each aerosol
951                DO n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles
952
953                   nn = n - local_start(kp,jp,ip)
954
955                   r_mid = SQRT( r_temp(nn) * r_temp(nn+1) )
956                   dr    = r_temp(nn+1) - r_temp(nn)
957
958                   pdf    = 0.0_wp
959                   n_init = n1 + n2 + n3
960                   IF ( n1 > 0.0_wp )  THEN
961                      pdf = pdf + n1 / n_init * ( 1.0_wp / ( r_mid * LOG(s1) *      &
962                                                             SQRT( 2.0_wp * pi )    &
963                                                           ) *                      &
964                                                  EXP( -( LOG( r_mid / rm1 ) )**2 / &
965                                                       ( 2.0_wp * LOG(s1)**2 )      &
966                                                     )                              &
967                                                )
968                   ENDIF
969                   IF ( n2 > 0.0_wp )  THEN
970                      pdf = pdf + n2 / n_init * ( 1.0_wp / ( r_mid * LOG(s2) *      &
971                                                             SQRT( 2.0_wp * pi )    &
972                                                           ) *                      &
973                                                  EXP( -( LOG( r_mid / rm2 ) )**2 / &
974                                                       ( 2.0_wp * LOG(s2)**2 )      &
975                                                     )                              &
976                                                )
977                   ENDIF
978                   IF ( n3 > 0.0_wp )  THEN
979                      pdf = pdf + n3 / n_init * ( 1.0_wp / ( r_mid * LOG(s3) *      &
980                                                             SQRT( 2.0_wp * pi )    &
981                                                           ) *                      &
982                                                  EXP( -( LOG( r_mid / rm3 ) )**2 / &
983                                                       ( 2.0_wp * LOG(s3)**2 )      &
984                                                     )                              &
985                                                )
986                   ENDIF
987
988                   particles(n)%rvar2         = r_mid
989                   particles(n)%weight_factor = pdf * dr
990
991                END DO
992!
993!--             Adjust weighting factors to initialize the same number of aerosols
994!--             in every grid box
995                weight_sum = SUM(particles(local_start(kp,jp,ip):number_of_particles)%weight_factor)
996
997                particles(local_start(kp,jp,ip):number_of_particles)%weight_factor =     &
998                   particles(local_start(kp,jp,ip):number_of_particles)%weight_factor /  &
999                   weight_sum * initial_weighting_factor * ( no_bins + 1 )
1000
1001             ENDIF
1002!
1003!--          Initialize the aerosols with a predefined weighting factor but
1004!--          a randomly choosen dry radius
1005             IF ( init_aerosol_probabilistic )  THEN
1006
1007                DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles  !only new particles
1008
1009                   rs_rand = -1.0_wp
1010                   DO WHILE ( rs_rand .LT. cdf(0)  .OR.  rs_rand .GE. cdf(no_bins)  )
1011                      rs_rand = random_function( iran_part )
1012                   ENDDO
1013!
1014!--                Determine aerosol dry radius by a random number generator
1015                   DO nn = 0, no_bins-1
1016                      IF ( cdf(nn) .LE. rs_rand  .AND.  cdf(nn+1) .GT. rs_rand )  THEN
1017                         particles(n)%rvar2 = r_temp(nn) + ( r_temp(nn+1) - r_temp(nn) ) / &
1018                                              ( cdf(nn+1) - cdf(nn) ) * ( rs_rand - cdf(nn) )
1019                         EXIT
1020                      ENDIF
1021                   ENDDO
1022
1023                ENDDO
1024
1025             ENDIF
1026
1027!
1028!--          Set particle radius to equilibrium radius based on the environmental
1029!--          supersaturation (Khvorostyanov and Curry, 2007, JGR). This avoids
1030!--          the sometimes lengthy growth toward their equilibrium radius within
1031!--          the simulation.
1032             t_int  = pt(kp,jp,ip) * ( hyp(kp) / 100000.0_wp )**0.286_wp
1033
1034             e_s = 611.0_wp * EXP( l_d_rv * ( 3.6609E-3_wp - 1.0_wp / t_int ) )
1035             e_a = q(kp,jp,ip) * hyp(kp) / ( 0.378_wp * q(kp,jp,ip) + 0.622_wp )
1036
1037!
1038!--          The formula is only valid for subsaturated environments. For
1039!--          supersaturations higher than -1 %, the supersaturation is set to -1%.
1040             IF ( e_a / e_s < 0.99_wp )  THEN
1041
1042                DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles  !only new particles
1043
1044                   bfactor             = vanthoff * molecular_weight_of_water *    &
1045                                         rho_s * particles(n)%rvar2**3 /           &
1046                                         ( molecular_weight_of_solute * rho_l )
1047                   particles(n)%radius = particles(n)%rvar2 * ( bfactor /          &
1048                                         particles(n)%rvar2**3 )**(1.0_wp/3.0_wp) *&
1049                                         ( 1.0_wp - e_a / e_s )**(-1.0_wp/3.0_wp)
1050
1051                ENDDO
1052
1053             ELSE
1054
1055                DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles  !only new particles
1056
1057                   bfactor             = vanthoff * molecular_weight_of_water *    &
1058                                         rho_s * particles(n)%rvar2**3 /           &
1059                                         ( molecular_weight_of_solute * rho_l )
1060                   particles(n)%radius = particles(n)%rvar2 * ( bfactor /          &
1061                                         particles(n)%rvar2**3 )**(1.0_wp/3.0_wp) *&
1062                                         0.01_wp**(-1.0_wp/3.0_wp)
1063
1064                ENDDO
1065
1066             ENDIF
1067
1068          ENDDO
1069       ENDDO
1070    ENDDO
1071!
1072!-- Deallocate used arrays
1073    IF ( ALLOCATED(r_temp) )  DEALLOCATE( r_temp )
1074    IF ( ALLOCATED(cdf) )     DEALLOCATE( cdf )
1075
1076 END SUBROUTINE lpm_init_aerosols
1077
1078END MODULE lpm_init_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.