source: palm/trunk/SOURCE/lpm_init.f90 @ 2801

Last change on this file since 2801 was 2801, checked in by thiele, 5 years ago

Introduce particle transfer in nested models

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 46.9 KB
Line 
1!> @file lpm_init.f90
2!------------------------------------------------------------------------------!
3! This file is part of the PALM model system.
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 1997-2018 Leibniz Universitaet Hannover
18!------------------------------------------------------------------------------!
19!
20! Current revisions:
21! -----------------
22!
23!
24! Former revisions:
25! -----------------
26! $Id: lpm_init.f90 2801 2018-02-14 16:01:55Z thiele $
27! Introduce particle transfer in nested models.
28!
29! 2718 2018-01-02 08:49:38Z maronga
30! Corrected "Former revisions" section
31!
32! 2701 2017-12-15 15:40:50Z suehring
33! Changes from last commit documented
34!
35! 2698 2017-12-14 18:46:24Z suehring
36! Grid indices passed to lpm_boundary_conds. (responsible Philipp Thiele)
37!
38! 2696 2017-12-14 17:12:51Z kanani
39! Change in file header (GPL part)
40!
41! 2628 2017-11-20 12:40:38Z schwenkel
42! Enabled particle advection with grid stretching.
43!
44! 2608 2017-11-13 14:04:26Z schwenkel
45! Calculation of magnus equation in external module (diagnostic_quantities_mod).
46!
47! 2606 2017-11-10 10:36:31Z schwenkel
48! Changed particle box locations: center of particle box now coincides
49! with scalar grid point of same index.
50! Renamed module and subroutines: lpm_pack_arrays_mod -> lpm_pack_and_sort_mod
51! lpm_pack_all_arrays -> lpm_sort_in_subboxes, lpm_pack_arrays -> lpm_pack
52! lpm_sort -> lpm_sort_timeloop_done
53!
54! 2375 2017-08-29 14:10:28Z schwenkel
55! Initialization of chemical aerosol composition
56!
57! 2346 2017-08-09 16:39:17Z suehring
58! Bugfix, correct determination of topography top index
59!
60! 2318 2017-07-20 17:27:44Z suehring
61! Get topography top index via Function call
62!
63! 2317 2017-07-20 17:27:19Z suehring
64! Extended particle data type. Aerosol initialization improved.
65!
66! 2305 2017-07-06 11:18:47Z hoffmann
67! Improved calculation of particle IDs.
68!
69! 2274 2017-06-09 13:27:48Z Giersch
70!  Changed error messages
71!
72! 2265 2017-06-08 16:58:28Z schwenkel
73! Unused variables removed.
74!
75! 2263 2017-06-08 14:59:01Z schwenkel
76! Implemented splitting and merging algorithm
77!
78! 2233 2017-05-30 18:08:54Z suehring
79!
80! 2232 2017-05-30 17:47:52Z suehring
81! Adjustments according to new topography realization
82!
83!
84! 2223 2017-05-15 16:38:09Z suehring
85! Add check for particle release at model top
86!
87! 2182 2017-03-17 14:27:40Z schwenkel
88! Added parameters for simplified particle initialization.
89!
90! 2122 2017-01-18 12:22:54Z hoffmann
91! Improved initialization of equilibrium aerosol radii
92! Calculation of particle ID
93!
94! 2000 2016-08-20 18:09:15Z knoop
95! Forced header and separation lines into 80 columns
96!
97! 2016-06-09 16:25:25Z suehring
98! Bugfix in determining initial particle height and grid index in case of
99! seed_follows_topography.
100! Bugfix concerning random positions, ensure that particles do not move more
101! than one grid length.
102! Bugfix logarithmic interpolation.
103! Initial setting of sgs_wf_part.
104!
105! 1890 2016-04-22 08:52:11Z hoffmann
106! Initialization of aerosol equilibrium radius not possible in supersaturated
107! environments. Therefore, a maximum supersaturation of -1 % is assumed during
108! initialization.
109!
110! 1873 2016-04-18 14:50:06Z maronga
111! Module renamed (removed _mod
112!
113! 1871 2016-04-15 11:46:09Z hoffmann
114! Initialization of aerosols added.
115!
116! 1850 2016-04-08 13:29:27Z maronga
117! Module renamed
118!
119! 1831 2016-04-07 13:15:51Z hoffmann
120! curvature_solution_effects moved to particle_attributes
121!
122! 1822 2016-04-07 07:49:42Z hoffmann
123! Unused variables removed.
124!
125! 1783 2016-03-06 18:36:17Z raasch
126! netcdf module added
127!
128! 1725 2015-11-17 13:01:51Z hoffmann
129! Bugfix: Processor-dependent seed for random function is generated before it is
130! used.
131!
132! 1691 2015-10-26 16:17:44Z maronga
133! Renamed prandtl_layer to constant_flux_layer.
134!
135! 1685 2015-10-08 07:32:13Z raasch
136! bugfix concerning vertical index offset in case of ocean
137!
138! 1682 2015-10-07 23:56:08Z knoop
139! Code annotations made doxygen readable
140!
141! 1575 2015-03-27 09:56:27Z raasch
142! initial vertical particle position is allowed to follow the topography
143!
144! 1359 2014-04-11 17:15:14Z hoffmann
145! New particle structure integrated.
146! Kind definition added to all floating point numbers.
147! lpm_init changed form a subroutine to a module.
148!
149! 1327 2014-03-21 11:00:16Z raasch
150! -netcdf_output
151!
152! 1322 2014-03-20 16:38:49Z raasch
153! REAL functions provided with KIND-attribute
154!
155! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
156! ONLY-attribute added to USE-statements,
157! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
158! kinds are defined in new module kinds,
159! revision history before 2012 removed,
160! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
161! all variable declaration statements
162! bugfix: #if defined( __parallel ) added
163!
164! 1314 2014-03-14 18:25:17Z suehring
165! Vertical logarithmic interpolation of horizontal particle speed for particles
166! between roughness height and first vertical grid level.
167!
168! 1092 2013-02-02 11:24:22Z raasch
169! unused variables removed
170!
171! 1036 2012-10-22 13:43:42Z raasch
172! code put under GPL (PALM 3.9)
173!
174! 849 2012-03-15 10:35:09Z raasch
175! routine renamed: init_particles -> lpm_init
176! de_dx, de_dy, de_dz are allocated here (instead of automatic arrays in
177! advec_particles),
178! sort_particles renamed lpm_sort_arrays, user_init_particles renamed lpm_init
179!
180! 828 2012-02-21 12:00:36Z raasch
181! call of init_kernels, particle feature color renamed class
182!
183! 824 2012-02-17 09:09:57Z raasch
184! particle attributes speed_x|y|z_sgs renamed rvar1|2|3,
185! array particles implemented as pointer
186!
187! 667 2010-12-23 12:06:00Z suehring/gryschka
188! nxl-1, nxr+1, nys-1, nyn+1 replaced by nxlg, nxrg, nysg, nyng for allocation
189! of arrays.
190!
191! Revision 1.1  1999/11/25 16:22:38  raasch
192! Initial revision
193!
194!
195! Description:
196! ------------
197!> This routine initializes a set of particles and their attributes (position,
198!> radius, ..) which are used by the Lagrangian particle model (see lpm).
199!------------------------------------------------------------------------------!
200 MODULE lpm_init_mod
201
202    USE, INTRINSIC ::  ISO_C_BINDING
203
204    USE arrays_3d,                                                             &
205        ONLY:  de_dx, de_dy, de_dz, zu, zw
206
207    USE control_parameters,                                                    &
208        ONLY:  cloud_droplets, constant_flux_layer, current_timestep_number,   &
209               dt_3d, dz, initializing_actions, message_string, ocean,         &
210               simulated_time
211
212    USE grid_variables,                                                        &
213        ONLY:  ddx, dx, ddy, dy
214
215    USE indices,                                                               &
216        ONLY:  nx, nxl, nxlg, nxrg, nxr, ny, nyn, nys, nyng, nysg, nz, nzb,    &
217               nzt, wall_flags_0
218
219    USE kinds
220
221    USE lpm_collision_kernels_mod,                                             &
222        ONLY:  init_kernels
223
224    USE netcdf_interface,                                                      &
225        ONLY:  netcdf_data_format
226
227    USE particle_attributes,                                                   &
228        ONLY:   alloc_factor, bc_par_b, bc_par_lr, bc_par_ns, bc_par_t,        &
229                block_offset, block_offset_def, collision_kernel,              &
230                curvature_solution_effects, density_ratio, grid_particles,     &
231                isf,i_splitting_mode, initial_weighting_factor, ibc_par_b,     &
232                ibc_par_lr, ibc_par_ns, ibc_par_t, iran_part, log_z_z0,        &
233                max_number_of_particle_groups, min_nr_particle,                &
234                number_concentration,                                          &
235                number_particles_per_gridbox,  number_of_particles,            &
236                number_of_particle_groups, number_of_sublayers,                &
237                offset_ocean_nzt, offset_ocean_nzt_m1,                         &
238                particles, particle_advection_start, particle_groups,          &
239                particle_groups_type, particles_per_point,                     &
240                particle_type, pdx, pdy, pdz,  prt_count, psb, psl, psn, psr,  &
241                pss, pst, radius, random_start_position,                       &
242                read_particles_from_restartfile, seed_follows_topography,      &
243                sgs_wf_part, sort_count, splitting_function, splitting_mode,   &
244                total_number_of_particles, use_sgs_for_particles,              &
245                write_particle_statistics, zero_particle, z0_av_global
246
247    USE pegrid
248
249    USE random_function_mod,                                                   &
250        ONLY:  random_function
251
252    USE surface_mod,                                                           &
253        ONLY:  get_topography_top_index_ji, surf_def_h, surf_lsm_h, surf_usm_h
254
255    USE pmc_particle_interface,                                                &
256        ONLY:  pmcp_g_init
257
258    IMPLICIT NONE
259
260    PRIVATE
261
262    INTEGER(iwp), PARAMETER         :: PHASE_INIT    = 1  !<
263    INTEGER(iwp), PARAMETER, PUBLIC :: PHASE_RELEASE = 2  !<
264
265    INTERFACE lpm_init
266       MODULE PROCEDURE lpm_init
267    END INTERFACE lpm_init
268
269    INTERFACE lpm_create_particle
270       MODULE PROCEDURE lpm_create_particle
271    END INTERFACE lpm_create_particle
272
273    PUBLIC lpm_init, lpm_create_particle
274
275 CONTAINS
276
277!------------------------------------------------------------------------------!
278! Description:
279! ------------
280!> @todo Missing subroutine description.
281!------------------------------------------------------------------------------!
282 SUBROUTINE lpm_init
283
284    USE lpm_collision_kernels_mod,                                             &
285        ONLY:  init_kernels
286
287    IMPLICIT NONE
288
289    INTEGER(iwp) ::  i                           !<
290    INTEGER(iwp) ::  j                           !<
291    INTEGER(iwp) ::  k                           !<
292
293    REAL(wp) ::  div                             !<
294    REAL(wp) ::  height_int                      !<
295    REAL(wp) ::  height_p                        !<
296    REAL(wp) ::  z_p                             !<
297    REAL(wp) ::  z0_av_local                     !<
298
299
300!
301!-- In case of oceans runs, the vertical index calculations need an offset,
302!-- because otherwise the k indices will become negative
303    IF ( ocean )  THEN
304       offset_ocean_nzt    = nzt
305       offset_ocean_nzt_m1 = nzt - 1
306    ENDIF
307
308!
309!-- Define block offsets for dividing a gridcell in 8 sub cells
310!-- See documentation for List of subgrid boxes
311!-- See pack_and_sort in lpm_pack_arrays.f90 for assignment of the subgrid boxes
312    block_offset(0) = block_offset_def ( 0, 0, 0)
313    block_offset(1) = block_offset_def ( 0, 0,-1)
314    block_offset(2) = block_offset_def ( 0,-1, 0)
315    block_offset(3) = block_offset_def ( 0,-1,-1)
316    block_offset(4) = block_offset_def (-1, 0, 0)
317    block_offset(5) = block_offset_def (-1, 0,-1)
318    block_offset(6) = block_offset_def (-1,-1, 0)
319    block_offset(7) = block_offset_def (-1,-1,-1)
320!
321!-- Check the number of particle groups.
322    IF ( number_of_particle_groups > max_number_of_particle_groups )  THEN
323       WRITE( message_string, * ) 'max_number_of_particle_groups =',      &
324                                  max_number_of_particle_groups ,         &
325                                  '&number_of_particle_groups reset to ', &
326                                  max_number_of_particle_groups
327       CALL message( 'lpm_init', 'PA0213', 0, 1, 0, 6, 0 )
328       number_of_particle_groups = max_number_of_particle_groups
329    ENDIF
330!
331!-- Check if downward-facing walls exist. This case, reflection boundary
332!-- conditions (as well as subgrid-scale velocities) may do not work
333!-- propably (not realized so far).
334    IF ( surf_def_h(1)%ns >= 1 )  THEN
335       WRITE( message_string, * ) 'Overhanging topography do not work '// &
336                                  'with particles'
337       CALL message( 'lpm_init', 'PA0212', 0, 1, 0, 6, 0 )
338
339    ENDIF
340
341!
342!-- Set default start positions, if necessary
343    IF ( psl(1) == 9999999.9_wp )  psl(1) = 0.0_wp
344    IF ( psr(1) == 9999999.9_wp )  psr(1) = ( nx +1 ) * dx
345    IF ( pss(1) == 9999999.9_wp )  pss(1) = 0.0_wp
346    IF ( psn(1) == 9999999.9_wp )  psn(1) = ( ny +1 ) * dy
347    IF ( psb(1) == 9999999.9_wp )  psb(1) = zu(nz/2)
348    IF ( pst(1) == 9999999.9_wp )  pst(1) = psb(1)
349
350    IF ( pdx(1) == 9999999.9_wp  .OR.  pdx(1) == 0.0_wp )  pdx(1) = dx
351    IF ( pdy(1) == 9999999.9_wp  .OR.  pdy(1) == 0.0_wp )  pdy(1) = dy
352    IF ( pdz(1) == 9999999.9_wp  .OR.  pdz(1) == 0.0_wp )  pdz(1) = zu(2) - zu(1)
353
354!
355!-- If number_particles_per_gridbox is set, the parametres pdx, pdy and pdz are
356!-- calculated diagnostically. Therfore an isotropic distribution is prescribed.
357    IF ( number_particles_per_gridbox /= -1 .AND.   &
358         number_particles_per_gridbox >= 1 )    THEN
359       pdx(1) = (( dx * dy * ( zu(2) - zu(1) ) ) /  &
360             REAL(number_particles_per_gridbox))**0.3333333_wp
361!
362!--    Ensure a smooth value (two significant digits) of distance between
363!--    particles (pdx, pdy, pdz).
364       div = 1000.0_wp
365       DO  WHILE ( pdx(1) < div )
366          div = div / 10.0_wp
367       ENDDO
368       pdx(1) = NINT( pdx(1) * 100.0_wp / div ) * div / 100.0_wp
369       pdy(1) = pdx(1)
370       pdz(1) = pdx(1)
371
372    ENDIF
373
374    DO  j = 2, number_of_particle_groups
375       IF ( psl(j) == 9999999.9_wp )  psl(j) = psl(j-1)
376       IF ( psr(j) == 9999999.9_wp )  psr(j) = psr(j-1)
377       IF ( pss(j) == 9999999.9_wp )  pss(j) = pss(j-1)
378       IF ( psn(j) == 9999999.9_wp )  psn(j) = psn(j-1)
379       IF ( psb(j) == 9999999.9_wp )  psb(j) = psb(j-1)
380       IF ( pst(j) == 9999999.9_wp )  pst(j) = pst(j-1)
381       IF ( pdx(j) == 9999999.9_wp  .OR.  pdx(j) == 0.0_wp )  pdx(j) = pdx(j-1)
382       IF ( pdy(j) == 9999999.9_wp  .OR.  pdy(j) == 0.0_wp )  pdy(j) = pdy(j-1)
383       IF ( pdz(j) == 9999999.9_wp  .OR.  pdz(j) == 0.0_wp )  pdz(j) = pdz(j-1)
384    ENDDO
385
386!
387!-- Allocate arrays required for calculating particle SGS velocities.
388!-- Initialize prefactor required for stoachastic Weil equation.
389    IF ( use_sgs_for_particles  .AND.  .NOT. cloud_droplets )  THEN
390       ALLOCATE( de_dx(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
391                 de_dy(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
392                 de_dz(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
393
394       sgs_wf_part = 1.0_wp / 3.0_wp
395    ENDIF
396
397!
398!-- Allocate array required for logarithmic vertical interpolation of
399!-- horizontal particle velocities between the surface and the first vertical
400!-- grid level. In order to avoid repeated CPU cost-intensive CALLS of
401!-- intrinsic FORTRAN procedure LOG(z/z0), LOG(z/z0) is precalculated for
402!-- several heights. Splitting into 20 sublayers turned out to be sufficient.
403!-- To obtain exact height levels of particles, linear interpolation is applied
404!-- (see lpm_advec.f90).
405    IF ( constant_flux_layer )  THEN
406
407       ALLOCATE ( log_z_z0(0:number_of_sublayers) )
408       z_p = zu(nzb+1) - zw(nzb)
409
410!
411!--    Calculate horizontal mean value of z0 used for logartihmic
412!--    interpolation. Note: this is not exact for heterogeneous z0.
413!--    However, sensitivity studies showed that the effect is
414!--    negligible.
415       z0_av_local  = SUM( surf_def_h(0)%z0 ) + SUM( surf_lsm_h%z0 ) +         &
416                      SUM( surf_usm_h%z0 )
417       z0_av_global = 0.0_wp
418
419#if defined( __parallel )
420       CALL MPI_ALLREDUCE(z0_av_local, z0_av_global, 1, MPI_REAL, MPI_SUM, &
421                          comm2d, ierr )
422#else
423       z0_av_global = z0_av_local
424#endif
425
426       z0_av_global = z0_av_global  / ( ( ny + 1 ) * ( nx + 1 ) )
427!
428!--    Horizontal wind speed is zero below and at z0
429       log_z_z0(0) = 0.0_wp
430!
431!--    Calculate vertical depth of the sublayers
432       height_int  = ( z_p - z0_av_global ) / REAL( number_of_sublayers, KIND=wp )
433!
434!--    Precalculate LOG(z/z0)
435       height_p    = z0_av_global
436       DO  k = 1, number_of_sublayers
437
438          height_p    = height_p + height_int
439          log_z_z0(k) = LOG( height_p / z0_av_global )
440
441       ENDDO
442
443    ENDIF
444
445!
446!-- Check boundary condition and set internal variables
447    SELECT CASE ( bc_par_b )
448
449       CASE ( 'absorb' )
450          ibc_par_b = 1
451
452       CASE ( 'reflect' )
453          ibc_par_b = 2
454
455       CASE DEFAULT
456          WRITE( message_string, * )  'unknown boundary condition ',   &
457                                       'bc_par_b = "', TRIM( bc_par_b ), '"'
458          CALL message( 'lpm_init', 'PA0217', 1, 2, 0, 6, 0 )
459
460    END SELECT
461    SELECT CASE ( bc_par_t )
462
463       CASE ( 'absorb' )
464          ibc_par_t = 1
465
466       CASE ( 'reflect' )
467          ibc_par_t = 2
468         
469       CASE ( 'nested' )
470          ibc_par_t = 3
471
472       CASE DEFAULT
473          WRITE( message_string, * ) 'unknown boundary condition ',   &
474                                     'bc_par_t = "', TRIM( bc_par_t ), '"'
475          CALL message( 'lpm_init', 'PA0218', 1, 2, 0, 6, 0 )
476
477    END SELECT
478    SELECT CASE ( bc_par_lr )
479
480       CASE ( 'cyclic' )
481          ibc_par_lr = 0
482
483       CASE ( 'absorb' )
484          ibc_par_lr = 1
485
486       CASE ( 'reflect' )
487          ibc_par_lr = 2
488         
489       CASE ( 'nested' )
490          ibc_par_lr = 3
491
492       CASE DEFAULT
493          WRITE( message_string, * ) 'unknown boundary condition ',   &
494                                     'bc_par_lr = "', TRIM( bc_par_lr ), '"'
495          CALL message( 'lpm_init', 'PA0219', 1, 2, 0, 6, 0 )
496
497    END SELECT
498    SELECT CASE ( bc_par_ns )
499
500       CASE ( 'cyclic' )
501          ibc_par_ns = 0
502
503       CASE ( 'absorb' )
504          ibc_par_ns = 1
505
506       CASE ( 'reflect' )
507          ibc_par_ns = 2
508         
509       CASE ( 'nested' )
510          ibc_par_ns = 3
511
512       CASE DEFAULT
513          WRITE( message_string, * ) 'unknown boundary condition ',   &
514                                     'bc_par_ns = "', TRIM( bc_par_ns ), '"'
515          CALL message( 'lpm_init', 'PA0220', 1, 2, 0, 6, 0 )
516
517    END SELECT
518    SELECT CASE ( splitting_mode )
519
520       CASE ( 'const' )
521          i_splitting_mode = 1
522
523       CASE ( 'cl_av' )
524          i_splitting_mode = 2
525
526       CASE ( 'gb_av' )
527          i_splitting_mode = 3
528
529       CASE DEFAULT
530          WRITE( message_string, * )  'unknown splitting condition ',   &
531                                       'splitting_mode = "', TRIM( splitting_mode ), '"'
532          CALL message( 'lpm_init', 'PA0146', 1, 2, 0, 6, 0 )
533
534    END SELECT
535    SELECT CASE ( splitting_function )
536
537       CASE ( 'gamma' )
538          isf = 1
539
540       CASE ( 'log' )
541          isf = 2
542
543       CASE ( 'exp' )
544          isf = 3
545
546       CASE DEFAULT
547          WRITE( message_string, * )  'unknown splitting function ',   &
548                                       'splitting_function = "', TRIM( splitting_function ), '"'
549          CALL message( 'lpm_init', 'PA0147', 1, 2, 0, 6, 0 )
550
551    END SELECT
552
553
554!
555!-- Initialize collision kernels
556    IF ( collision_kernel /= 'none' )  CALL init_kernels
557
558!
559!-- For the first model run of a possible job chain initialize the
560!-- particles, otherwise read the particle data from restart file.
561    IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data'  &
562         .AND.  read_particles_from_restartfile )  THEN
563
564       CALL lpm_read_restart_file
565
566    ELSE
567
568!
569!--    Allocate particle arrays and set attributes of the initial set of
570!--    particles, which can be also periodically released at later times.
571       ALLOCATE( prt_count(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
572                 grid_particles(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr) )
573
574       number_of_particles         = 0
575
576       sort_count = 0
577       prt_count  = 0
578
579!
580!--    initialize counter for particle IDs
581       grid_particles%id_counter = 1
582
583!
584!--    Initialize all particles with dummy values (otherwise errors may
585!--    occur within restart runs). The reason for this is still not clear
586!--    and may be presumably caused by errors in the respective user-interface.
587       zero_particle = particle_type( 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp,  &
588                                      0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp,  &
589                                      0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp,  &
590                                      0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp,  &
591                                      0, 0, 0_idp, .FALSE., -1 )
592
593       particle_groups = particle_groups_type( 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp )
594
595!
596!--    Set values for the density ratio and radius for all particle
597!--    groups, if necessary
598       IF ( density_ratio(1) == 9999999.9_wp )  density_ratio(1) = 0.0_wp
599       IF ( radius(1)        == 9999999.9_wp )  radius(1) = 0.0_wp
600       DO  i = 2, number_of_particle_groups
601          IF ( density_ratio(i) == 9999999.9_wp )  THEN
602             density_ratio(i) = density_ratio(i-1)
603          ENDIF
604          IF ( radius(i) == 9999999.9_wp )  radius(i) = radius(i-1)
605       ENDDO
606
607       DO  i = 1, number_of_particle_groups
608          IF ( density_ratio(i) /= 0.0_wp  .AND.  radius(i) == 0 )  THEN
609             WRITE( message_string, * ) 'particle group #', i, 'has a', &
610                                        'density ratio /= 0 but radius = 0'
611             CALL message( 'lpm_init', 'PA0215', 1, 2, 0, 6, 0 )
612          ENDIF
613          particle_groups(i)%density_ratio = density_ratio(i)
614          particle_groups(i)%radius        = radius(i)
615       ENDDO
616
617!
618!--    Set a seed value for the random number generator to be exclusively
619!--    used for the particle code. The generated random numbers should be
620!--    different on the different PEs.
621       iran_part = iran_part + myid
622
623       CALL lpm_create_particle (PHASE_INIT)
624!
625!--    User modification of initial particles
626       CALL user_lpm_init
627
628!
629!--    Open file for statistical informations about particle conditions
630       IF ( write_particle_statistics )  THEN
631          CALL check_open( 80 )
632          WRITE ( 80, 8000 )  current_timestep_number, simulated_time,         &
633                              number_of_particles
634          CALL close_file( 80 )
635       ENDIF
636
637    ENDIF
638
639    CALL pmcp_g_init
640
641!
642!-- To avoid programm abort, assign particles array to the local version of
643!-- first grid cell
644    number_of_particles = prt_count(nzb+1,nys,nxl)
645    particles => grid_particles(nzb+1,nys,nxl)%particles(1:number_of_particles)
646!
647!-- Formats
6488000 FORMAT (I6,1X,F7.2,4X,I10,71X,I10)
649
650 END SUBROUTINE lpm_init
651
652!------------------------------------------------------------------------------!
653! Description:
654! ------------
655!> @todo Missing subroutine description.
656!------------------------------------------------------------------------------!
657 SUBROUTINE lpm_create_particle (phase)
658   
659    USE arrays_3d,                                                             &
660       ONLY:  zw
661    USE lpm_exchange_horiz_mod,                                                &
662        ONLY: lpm_exchange_horiz, lpm_move_particle, realloc_particles_array
663
664    USE lpm_pack_and_sort_mod,                                                 &
665        ONLY: lpm_sort_in_subboxes
666
667    USE particle_attributes,                                                   &
668        ONLY: deleted_particles
669
670    IMPLICIT  NONE
671
672    INTEGER(iwp)               ::  alloc_size  !< relative increase of allocated memory for particles
673    INTEGER(iwp)               ::  i           !< loop variable ( particle groups )
674    INTEGER(iwp)               ::  ip          !< index variable along x
675    INTEGER(iwp)               ::  j           !< loop variable ( particles per point )
676    INTEGER(iwp)               ::  jp          !< index variable along y
677    INTEGER(iwp)               ::  k           !< index variable along z
678    INTEGER(iwp)               ::  k_surf      !< index of surface grid point
679    INTEGER(iwp)               ::  kp          !< index variable along z
680    INTEGER(iwp)               ::  loop_stride !< loop variable for initialization
681    INTEGER(iwp)               ::  n           !< loop variable ( number of particles )
682    INTEGER(iwp)               ::  new_size    !< new size of allocated memory for particles
683
684    INTEGER(iwp), INTENT(IN)   ::  phase       !< mode of inititialization
685
686    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::  local_count !< start address of new particle
687    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::  local_start !< start address of new particle
688
689    LOGICAL                    ::  first_stride !< flag for initialization
690
691    REAL(wp)                   ::  pos_x      !< increment for particle position in x
692    REAL(wp)                   ::  pos_y      !< increment for particle position in y
693    REAL(wp)                   ::  pos_z      !< increment for particle position in z
694    REAL(wp)                   ::  rand_contr !< dummy argument for random position
695
696    TYPE(particle_type),TARGET ::  tmp_particle !< temporary particle used for initialization
697
698!
699!-- Calculate particle positions and store particle attributes, if
700!-- particle is situated on this PE
701    DO  loop_stride = 1, 2
702       first_stride = (loop_stride == 1)
703       IF ( first_stride )   THEN
704          local_count = 0           ! count number of particles
705       ELSE
706          local_count = prt_count   ! Start address of new particles
707       ENDIF
708
709!
710!--    Calculate initial_weighting_factor diagnostically
711       IF ( number_concentration /= -1.0_wp .AND. number_concentration > 0.0_wp ) THEN
712          initial_weighting_factor =  number_concentration * 1.0E6_wp *             &
713                                      pdx(1) * pdy(1) * pdz(1)
714       END IF
715
716       n = 0
717       DO  i = 1, number_of_particle_groups
718
719          pos_z = psb(i)
720
721          DO WHILE ( pos_z <= pst(i) )
722
723             IF ( pos_z >= 0.0_wp  .AND.  pos_z < zw(nzt) )  THEN
724
725
726                pos_y = pss(i)
727
728                DO WHILE ( pos_y <= psn(i) )
729
730                   IF ( pos_y >= nys * dy  .AND.                  &
731                        pos_y <  ( nyn + 1 ) * dy  ) THEN
732
733                      pos_x = psl(i)
734
735               xloop: DO WHILE ( pos_x <= psr(i) )
736
737                         IF ( pos_x >= nxl * dx  .AND.            &
738                              pos_x <  ( nxr + 1) * dx ) THEN
739
740                            DO  j = 1, particles_per_point
741
742
743                               n = n + 1
744                               tmp_particle%x             = pos_x
745                               tmp_particle%y             = pos_y
746                               tmp_particle%z             = pos_z
747                               tmp_particle%age           = 0.0_wp
748                               tmp_particle%age_m         = 0.0_wp
749                               tmp_particle%dt_sum        = 0.0_wp
750                               tmp_particle%e_m           = 0.0_wp
751                               tmp_particle%rvar1         = 0.0_wp
752                               tmp_particle%rvar2         = 0.0_wp
753                               tmp_particle%rvar3         = 0.0_wp
754                               tmp_particle%speed_x       = 0.0_wp
755                               tmp_particle%speed_y       = 0.0_wp
756                               tmp_particle%speed_z       = 0.0_wp
757                               tmp_particle%origin_x      = pos_x
758                               tmp_particle%origin_y      = pos_y
759                               tmp_particle%origin_z      = pos_z
760                               IF ( curvature_solution_effects )  THEN
761                                  tmp_particle%aux1      = 0.0_wp    ! dry aerosol radius
762                                  tmp_particle%aux2      = dt_3d     ! last Rosenbrock timestep
763                               ELSE
764                                  tmp_particle%aux1      = 0.0_wp    ! free to use
765                                  tmp_particle%aux2      = 0.0_wp    ! free to use
766                               ENDIF
767                               tmp_particle%radius        = particle_groups(i)%radius
768                               tmp_particle%weight_factor = initial_weighting_factor
769                               tmp_particle%class         = 1
770                               tmp_particle%group         = i
771                               tmp_particle%id            = 0_idp
772                               tmp_particle%particle_mask = .TRUE.
773                               tmp_particle%block_nr      = -1
774!
775!--                            Determine the grid indices of the particle position
776                               ip = tmp_particle%x * ddx
777                               jp = tmp_particle%y * ddy
778                               kp = tmp_particle%z / dz + 1 + offset_ocean_nzt                               
779                               DO WHILE( zw(kp) < tmp_particle%z ) 
780                                  kp = kp + 1
781                               ENDDO
782                               DO WHILE( zw(kp-1) > tmp_particle%z )
783                                  kp = kp - 1
784                               ENDDO 
785!
786!--                            Determine surface level. Therefore, check for
787!--                            upward-facing wall on w-grid.
788                               k_surf = get_topography_top_index_ji( jp, ip, 'w' )
789
790                               IF ( seed_follows_topography )  THEN
791!
792!--                               Particle height is given relative to topography
793                                  kp = kp + k_surf
794                                  tmp_particle%z = tmp_particle%z + zw(k_surf)
795!--                               Skip particle release if particle position is
796!--                               above model top, or within topography in case
797!--                               of overhanging structures.
798                                  IF ( kp > nzt  .OR.                          &
799                                 .NOT. BTEST( wall_flags_0(kp,jp,ip), 0 ) )  THEN
800                                     pos_x = pos_x + pdx(i)
801                                     CYCLE xloop
802                                  ENDIF
803!
804!--                            Skip particle release if particle position is
805!--                            below surface, or within topography in case
806!--                            of overhanging structures.
807                               ELSEIF ( .NOT. seed_follows_topography .AND.    &
808                                         tmp_particle%z <= zw(k_surf)  .OR.    &
809                                        .NOT. BTEST( wall_flags_0(kp,jp,ip), 0 ) )&
810                               THEN
811                                  pos_x = pos_x + pdx(i)
812                                  CYCLE xloop
813                               ENDIF
814
815                               local_count(kp,jp,ip) = local_count(kp,jp,ip) + 1
816
817                               IF ( .NOT. first_stride )  THEN
818                                  IF ( ip < nxl  .OR.  jp < nys  .OR.  kp < nzb+1 )  THEN
819                                     write(6,*) 'xl ',ip,jp,kp,nxl,nys,nzb+1
820                                  ENDIF
821                                  IF ( ip > nxr  .OR.  jp > nyn  .OR.  kp > nzt )  THEN
822                                     write(6,*) 'xu ',ip,jp,kp,nxr,nyn,nzt
823                                  ENDIF
824                                  grid_particles(kp,jp,ip)%particles(local_count(kp,jp,ip)) = tmp_particle
825
826                               ENDIF
827                            ENDDO
828
829                         ENDIF
830
831                         pos_x = pos_x + pdx(i)
832
833                      ENDDO xloop
834
835                   ENDIF
836
837                   pos_y = pos_y + pdy(i)
838
839                ENDDO
840
841             ENDIF
842
843             pos_z = pos_z + pdz(i)
844
845          ENDDO
846
847       ENDDO
848
849       IF ( first_stride )  THEN
850          DO  ip = nxl, nxr
851             DO  jp = nys, nyn
852                DO  kp = nzb+1, nzt
853                   IF ( phase == PHASE_INIT )  THEN
854                      IF ( local_count(kp,jp,ip) > 0 )  THEN
855                         alloc_size = MAX( INT( local_count(kp,jp,ip) *        &
856                            ( 1.0_wp + alloc_factor / 100.0_wp ) ),            &
857                            min_nr_particle )
858                      ELSE
859                         alloc_size = min_nr_particle
860                      ENDIF
861                      ALLOCATE(grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:alloc_size))
862                      DO  n = 1, alloc_size
863                         grid_particles(kp,jp,ip)%particles(n) = zero_particle
864                      ENDDO
865                   ELSEIF ( phase == PHASE_RELEASE )  THEN
866                      IF ( local_count(kp,jp,ip) > 0 )  THEN
867                         new_size   = local_count(kp,jp,ip) + prt_count(kp,jp,ip)
868                         alloc_size = MAX( INT( new_size * ( 1.0_wp +          &
869                            alloc_factor / 100.0_wp ) ), min_nr_particle )
870                         IF( alloc_size > SIZE( grid_particles(kp,jp,ip)%particles) )  THEN
871                            CALL realloc_particles_array(ip,jp,kp,alloc_size)
872                         ENDIF
873                      ENDIF
874                   ENDIF
875                ENDDO
876             ENDDO
877          ENDDO
878       ENDIF
879
880    ENDDO
881
882
883
884    local_start = prt_count+1
885    prt_count   = local_count
886
887!
888!-- Calculate particle IDs
889    DO  ip = nxl, nxr
890       DO  jp = nys, nyn
891          DO  kp = nzb+1, nzt
892             number_of_particles = prt_count(kp,jp,ip)
893             IF ( number_of_particles <= 0 )  CYCLE
894             particles => grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:number_of_particles)
895
896             DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles  !only new particles
897
898                particles(n)%id = 10000_idp**3 * grid_particles(kp,jp,ip)%id_counter + &
899                                  10000_idp**2 * kp + 10000_idp * jp + ip
900!
901!--             Count the number of particles that have been released before
902                grid_particles(kp,jp,ip)%id_counter =                          &
903                                         grid_particles(kp,jp,ip)%id_counter + 1
904
905             ENDDO
906
907          ENDDO
908       ENDDO
909    ENDDO
910
911!
912!-- Initialize aerosol background spectrum
913    IF ( curvature_solution_effects )  THEN
914       CALL lpm_init_aerosols(local_start)
915    ENDIF
916
917!
918!-- Add random fluctuation to particle positions.
919    IF ( random_start_position )  THEN
920       DO  ip = nxl, nxr
921          DO  jp = nys, nyn
922             DO  kp = nzb+1, nzt
923                number_of_particles = prt_count(kp,jp,ip)
924                IF ( number_of_particles <= 0 )  CYCLE
925                particles => grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:number_of_particles)
926!
927!--             Move only new particles. Moreover, limit random fluctuation
928!--             in order to prevent that particles move more than one grid box,
929!--             which would lead to problems concerning particle exchange
930!--             between processors in case pdx/pdy are larger than dx/dy,
931!--             respectively.
932                DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles
933                   IF ( psl(particles(n)%group) /= psr(particles(n)%group) )  THEN
934                      rand_contr = ( random_function( iran_part ) - 0.5_wp ) * &
935                                     pdx(particles(n)%group)
936                      particles(n)%x = particles(n)%x +                        &
937                              MERGE( rand_contr, SIGN( dx, rand_contr ),       &
938                                     ABS( rand_contr ) < dx                    &
939                                   )
940                   ENDIF
941                   IF ( pss(particles(n)%group) /= psn(particles(n)%group) )  THEN
942                      rand_contr = ( random_function( iran_part ) - 0.5_wp ) * &
943                                     pdy(particles(n)%group)
944                      particles(n)%y = particles(n)%y +                        &
945                              MERGE( rand_contr, SIGN( dy, rand_contr ),       &
946                                     ABS( rand_contr ) < dy                    &
947                                   )
948                   ENDIF
949                   IF ( psb(particles(n)%group) /= pst(particles(n)%group) )  THEN
950                      rand_contr = ( random_function( iran_part ) - 0.5_wp ) * &
951                                     pdz(particles(n)%group)
952                      particles(n)%z = particles(n)%z +                        &
953                              MERGE( rand_contr, SIGN( dz, rand_contr ),       &
954                                     ABS( rand_contr ) < dz                    &
955                                   )
956                   ENDIF
957                ENDDO
958!
959!--             Identify particles located outside the model domain and reflect
960!--             or absorb them if necessary.
961                CALL lpm_boundary_conds( 'bottom/top', i, j, k )
962!
963!--             Furthermore, remove particles located in topography. Note, as
964!--             the particle speed is still zero at this point, wall
965!--             reflection boundary conditions will not work in this case.
966                particles =>                                                   &
967                       grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:number_of_particles)
968                DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles
969                   i = particles(n)%x * ddx
970                   j = particles(n)%y * ddy
971                   k = particles(n)%z / dz + 1 + offset_ocean_nzt
972                   DO WHILE( zw(k) < particles(n)%z )
973                      k = k + 1
974                   ENDDO
975                   DO WHILE( zw(k-1) > particles(n)%z )
976                      k = k - 1
977                   ENDDO
978!
979!--                Check if particle is within topography
980                   IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )  THEN
981                      particles(n)%particle_mask = .FALSE.
982                      deleted_particles = deleted_particles + 1
983                   ENDIF
984
985                ENDDO
986             ENDDO
987          ENDDO
988       ENDDO
989!
990!--    Exchange particles between grid cells and processors
991       CALL lpm_move_particle
992       CALL lpm_exchange_horiz
993
994    ENDIF
995!
996!-- In case of random_start_position, delete particles identified by
997!-- lpm_exchange_horiz and lpm_boundary_conds. Then sort particles into blocks,
998!-- which is needed for a fast interpolation of the LES fields on the particle
999!-- position.
1000    CALL lpm_sort_in_subboxes
1001
1002!
1003!-- Determine the current number of particles
1004    DO  ip = nxl, nxr
1005       DO  jp = nys, nyn
1006          DO  kp = nzb+1, nzt
1007             number_of_particles         = number_of_particles                 &
1008                                           + prt_count(kp,jp,ip)
1009          ENDDO
1010       ENDDO
1011    ENDDO
1012!
1013!-- Calculate the number of particles of the total domain
1014#if defined( __parallel )
1015    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1016    CALL MPI_ALLREDUCE( number_of_particles, total_number_of_particles, 1, &
1017    MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1018#else
1019    total_number_of_particles = number_of_particles
1020#endif
1021
1022    RETURN
1023
1024 END SUBROUTINE lpm_create_particle
1025
1026 SUBROUTINE lpm_init_aerosols(local_start)
1027
1028    USE arrays_3d,                                                             &
1029        ONLY: hyp, pt, q
1030
1031    USE cloud_parameters,                                                      &
1032        ONLY: l_d_rv, molecular_weight_of_solute,                              &
1033              molecular_weight_of_water, rho_l, r_v, rho_s, vanthoff
1034
1035    USE constants,                                                             &
1036        ONLY: pi
1037
1038    USE diagnostic_quantities_mod,                                             &
1039        ONLY:  magnus
1040
1041
1042    USE kinds
1043
1044    USE particle_attributes,                                                   &
1045        ONLY: aero_species, aero_type, aero_weight, log_sigma, na, rm
1046
1047    IMPLICIT NONE
1048
1049    REAL(wp)  :: afactor            !< curvature effects
1050    REAL(wp)  :: bfactor            !< solute effects
1051    REAL(wp)  :: dlogr              !< logarithmic width of radius bin
1052    REAL(wp)  :: e_a                !< vapor pressure
1053    REAL(wp)  :: e_s                !< saturation vapor pressure
1054    REAL(wp)  :: rmin = 0.005e-6_wp !< minimum aerosol radius
1055    REAL(wp)  :: rmax = 10.0e-6_wp  !< maximum aerosol radius
1056    REAL(wp)  :: r_mid              !< mean radius of bin
1057    REAL(wp)  :: r_l                !< left radius of bin
1058    REAL(wp)  :: r_r                !< right radius of bin
1059    REAL(wp)  :: sigma              !< surface tension
1060    REAL(wp)  :: t_int              !< temperature
1061
1062    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), INTENT(IN) ::  local_start !<
1063
1064    INTEGER(iwp)  :: n              !<
1065    INTEGER(iwp)  :: ip             !<
1066    INTEGER(iwp)  :: jp             !<
1067    INTEGER(iwp)  :: kp             !<
1068
1069!
1070!-- Set constants for different aerosol species
1071    IF ( TRIM(aero_species) .EQ. 'nacl' ) THEN
1072       molecular_weight_of_solute = 0.05844_wp 
1073       rho_s                      = 2165.0_wp
1074       vanthoff                   = 2.0_wp
1075    ELSEIF ( TRIM(aero_species) .EQ. 'c3h4o4' ) THEN
1076       molecular_weight_of_solute = 0.10406_wp 
1077       rho_s                      = 1600.0_wp
1078       vanthoff                   = 1.37_wp
1079    ELSEIF ( TRIM(aero_species) .EQ. 'nh4o3' ) THEN
1080       molecular_weight_of_solute = 0.08004_wp 
1081       rho_s                      = 1720.0_wp
1082       vanthoff                   = 2.31_wp
1083    ELSE
1084       WRITE( message_string, * ) 'unknown aerosol species ',   &
1085                                'aero_species = "', TRIM( aero_species ), '"'
1086       CALL message( 'lpm_init', 'PA0470', 1, 2, 0, 6, 0 )
1087    ENDIF
1088!
1089!-- The following typical aerosol spectra are taken from Jaenicke (1993):
1090!-- Tropospheric aerosols. Published in Aerosol-Cloud-Climate Interactions.
1091    IF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'polar' )  THEN
1092       na        = (/ 2.17e1, 1.86e-1, 3.04e-4 /) * 1.0E6
1093       rm        = (/ 0.0689, 0.375, 4.29 /) * 1.0E-6
1094       log_sigma = (/ 0.245, 0.300, 0.291 /)
1095    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'background' )  THEN
1096       na        = (/ 1.29e2, 5.97e1, 6.35e1 /) * 1.0E6
1097       rm        = (/ 0.0036, 0.127, 0.259 /) * 1.0E-6
1098       log_sigma = (/ 0.645, 0.253, 0.425 /)
1099    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'maritime' )  THEN
1100       na        = (/ 1.33e2, 6.66e1, 3.06e0 /) * 1.0E6
1101       rm        = (/ 0.0039, 0.133, 0.29 /) * 1.0E-6
1102       log_sigma = (/ 0.657, 0.210, 0.396 /)
1103    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'continental' )  THEN
1104       na        = (/ 3.20e3, 2.90e3, 3.00e-1 /) * 1.0E6
1105       rm        = (/ 0.01, 0.058, 0.9 /) * 1.0E-6
1106       log_sigma = (/ 0.161, 0.217, 0.380 /)
1107    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'desert' )  THEN
1108       na        = (/ 7.26e2, 1.14e3, 1.78e-1 /) * 1.0E6
1109       rm        = (/ 0.001, 0.0188, 10.8 /) * 1.0E-6
1110       log_sigma = (/ 0.247, 0.770, 0.438 /)
1111    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'rural' )  THEN
1112       na        = (/ 6.65e3, 1.47e2, 1.99e3 /) * 1.0E6
1113       rm        = (/ 0.00739, 0.0269, 0.0419 /) * 1.0E-6
1114       log_sigma = (/ 0.225, 0.557, 0.266 /)
1115    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'urban' )  THEN
1116       na        = (/ 9.93e4, 1.11e3, 3.64e4 /) * 1.0E6
1117       rm        = (/ 0.00651, 0.00714, 0.0248 /) * 1.0E-6
1118       log_sigma = (/ 0.245, 0.666, 0.337 /)
1119    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'user' )  THEN
1120       CONTINUE
1121    ELSE
1122       WRITE( message_string, * ) 'unknown aerosol type ',   &
1123                                'aero_type = "', TRIM( aero_type ), '"'
1124       CALL message( 'lpm_init', 'PA0459', 1, 2, 0, 6, 0 )
1125    ENDIF
1126
1127    DO  ip = nxl, nxr
1128       DO  jp = nys, nyn
1129          DO  kp = nzb+1, nzt
1130
1131             number_of_particles = prt_count(kp,jp,ip)
1132             IF ( number_of_particles <= 0 )  CYCLE
1133             particles => grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:number_of_particles)
1134
1135             dlogr   = ( LOG10(rmax) - LOG10(rmin) ) / ( number_of_particles - local_start(kp,jp,ip) + 1 )
1136!
1137!--          Initialize the aerosols with a predefined spectral distribution
1138!--          of the dry radius (logarithmically increasing bins) and a varying
1139!--          weighting factor
1140             DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles  !only new particles
1141
1142                r_l   = 10.0**( LOG10( rmin ) + (n-1) * dlogr )
1143                r_r   = 10.0**( LOG10( rmin ) + n * dlogr )
1144                r_mid = SQRT( r_l * r_r )
1145
1146                particles(n)%aux1          = r_mid
1147                particles(n)%weight_factor =                                           &
1148                   ( na(1) / ( SQRT( 2.0 * pi ) * log_sigma(1) ) *                     &
1149                     EXP( - LOG10( r_mid / rm(1) )**2 / ( 2.0 * log_sigma(1)**2 ) ) +  &
1150                     na(2) / ( SQRT( 2.0 * pi ) * log_sigma(2) ) *                     &
1151                     EXP( - LOG10( r_mid / rm(2) )**2 / ( 2.0 * log_sigma(2)**2 ) ) +  &
1152                     na(3) / ( SQRT( 2.0 * pi ) * log_sigma(3) ) *                     &
1153                     EXP( - LOG10( r_mid / rm(3) )**2 / ( 2.0 * log_sigma(3)**2 ) )    &
1154                   ) * ( LOG10(r_r) - LOG10(r_l) ) * ( dx * dy * dz )
1155
1156!
1157!--             Multiply weight_factor with the namelist parameter aero_weight
1158!--             to increase or decrease the number of simulated aerosols
1159                particles(n)%weight_factor = particles(n)%weight_factor * aero_weight
1160
1161                IF ( particles(n)%weight_factor - FLOOR(particles(n)%weight_factor,KIND=wp) &
1162                     .GT. random_function( iran_part ) )  THEN
1163                   particles(n)%weight_factor = FLOOR(particles(n)%weight_factor,KIND=wp) + 1.0
1164                ELSE
1165                   particles(n)%weight_factor = FLOOR(particles(n)%weight_factor,KIND=wp)
1166                ENDIF
1167!
1168!--             Unnecessary particles will be deleted
1169                IF ( particles(n)%weight_factor .LE. 0.0 )  particles(n)%particle_mask = .FALSE.
1170
1171             ENDDO
1172!
1173!--          Set particle radius to equilibrium radius based on the environmental
1174!--          supersaturation (Khvorostyanov and Curry, 2007, JGR). This avoids
1175!--          the sometimes lengthy growth toward their equilibrium radius within
1176!--          the simulation.
1177             t_int  = pt(kp,jp,ip) * ( hyp(kp) / 100000.0_wp )**0.286_wp
1178
1179             e_s = magnus( t_int )
1180             e_a = q(kp,jp,ip) * hyp(kp) / ( q(kp,jp,ip) + 0.622_wp )
1181
1182             sigma   = 0.0761_wp - 0.000155_wp * ( t_int - 273.15_wp )
1183             afactor = 2.0_wp * sigma / ( rho_l * r_v * t_int )
1184
1185             bfactor = vanthoff * molecular_weight_of_water *    &
1186                       rho_s / ( molecular_weight_of_solute * rho_l )
1187!
1188!--          The formula is only valid for subsaturated environments. For
1189!--          supersaturations higher than -5 %, the supersaturation is set to -5%.
1190             IF ( e_a / e_s >= 0.95_wp )  e_a = 0.95_wp * e_s
1191
1192             DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles  !only new particles
1193!
1194!--             For details on this equation, see Eq. (14) of Khvorostyanov and
1195!--             Curry (2007, JGR)
1196                particles(n)%radius = bfactor**0.3333333_wp *                  &
1197                   particles(n)%aux1 / ( 1.0_wp - e_a / e_s )**0.3333333_wp / &
1198                   ( 1.0_wp + ( afactor / ( 3.0_wp * bfactor**0.3333333_wp *   &
1199                     particles(n)%aux1 ) ) /                                  &
1200                     ( 1.0_wp - e_a / e_s )**0.6666666_wp                      &
1201                   )
1202
1203             ENDDO
1204
1205          ENDDO
1206       ENDDO
1207    ENDDO
1208
1209 END SUBROUTINE lpm_init_aerosols
1210
1211END MODULE lpm_init_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.