source: palm/trunk/SOURCE/lpm_init.f90 @ 3049

Last change on this file since 3049 was 3049, checked in by Giersch, 3 years ago

Revision history corrected

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 47.4 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 3049 2018-05-29 13:52:36Z Giersch $
27! Error messages revised
28!
29! 3045 2018-05-28 07:55:41Z Giersch
30! Error message revised
31!
32! 3039 2018-05-24 13:13:11Z schwenkel
33! bugfix for lcm with grid stretching
34!
35! 2967 2018-04-13 11:22:08Z raasch
36! nesting routine is only called if nesting is switched on
37!
38! 2954 2018-04-09 14:35:46Z schwenkel
39! Bugfix for particle initialization in case of ocean
40!
41! 2801 2018-02-14 16:01:55Z thiele
42! Introduce particle transfer in nested models.
43!
44! 2718 2018-01-02 08:49:38Z maronga
45! Corrected "Former revisions" section
46!
47! 2701 2017-12-15 15:40:50Z suehring
48! Changes from last commit documented
49!
50! 2698 2017-12-14 18:46:24Z suehring
51! Grid indices passed to lpm_boundary_conds. (responsible Philipp Thiele)
52!
53! 2696 2017-12-14 17:12:51Z kanani
54! Change in file header (GPL part)
55!
56! 2628 2017-11-20 12:40:38Z schwenkel
57! Enabled particle advection with grid stretching.
58!
59! 2608 2017-11-13 14:04:26Z schwenkel
60! Calculation of magnus equation in external module (diagnostic_quantities_mod).
61!
62! 2606 2017-11-10 10:36:31Z schwenkel
63! Changed particle box locations: center of particle box now coincides
64! with scalar grid point of same index.
65! Renamed module and subroutines: lpm_pack_arrays_mod -> lpm_pack_and_sort_mod
66! lpm_pack_all_arrays -> lpm_sort_in_subboxes, lpm_pack_arrays -> lpm_pack
67! lpm_sort -> lpm_sort_timeloop_done
68!
69! 2375 2017-08-29 14:10:28Z schwenkel
70! Initialization of chemical aerosol composition
71!
72! 2346 2017-08-09 16:39:17Z suehring
73! Bugfix, correct determination of topography top index
74!
75! 2318 2017-07-20 17:27:44Z suehring
76! Get topography top index via Function call
77!
78! 2317 2017-07-20 17:27:19Z suehring
79! Extended particle data type. Aerosol initialization improved.
80!
81! 2305 2017-07-06 11:18:47Z hoffmann
82! Improved calculation of particle IDs.
83!
84! 2274 2017-06-09 13:27:48Z Giersch
85!  Changed error messages
86!
87! 2265 2017-06-08 16:58:28Z schwenkel
88! Unused variables removed.
89!
90! 2263 2017-06-08 14:59:01Z schwenkel
91! Implemented splitting and merging algorithm
92!
93! 2233 2017-05-30 18:08:54Z suehring
94!
95! 2232 2017-05-30 17:47:52Z suehring
96! Adjustments according to new topography realization
97!
98!
99! 2223 2017-05-15 16:38:09Z suehring
100! Add check for particle release at model top
101!
102! 2182 2017-03-17 14:27:40Z schwenkel
103! Added parameters for simplified particle initialization.
104!
105! 2122 2017-01-18 12:22:54Z hoffmann
106! Improved initialization of equilibrium aerosol radii
107! Calculation of particle ID
108!
109! 2000 2016-08-20 18:09:15Z knoop
110! Forced header and separation lines into 80 columns
111!
112! 2016-06-09 16:25:25Z suehring
113! Bugfix in determining initial particle height and grid index in case of
114! seed_follows_topography.
115! Bugfix concerning random positions, ensure that particles do not move more
116! than one grid length.
117! Bugfix logarithmic interpolation.
118! Initial setting of sgs_wf_part.
119!
120! 1890 2016-04-22 08:52:11Z hoffmann
121! Initialization of aerosol equilibrium radius not possible in supersaturated
122! environments. Therefore, a maximum supersaturation of -1 % is assumed during
123! initialization.
124!
125! 1873 2016-04-18 14:50:06Z maronga
126! Module renamed (removed _mod
127!
128! 1871 2016-04-15 11:46:09Z hoffmann
129! Initialization of aerosols added.
130!
131! 1850 2016-04-08 13:29:27Z maronga
132! Module renamed
133!
134! 1831 2016-04-07 13:15:51Z hoffmann
135! curvature_solution_effects moved to particle_attributes
136!
137! 1822 2016-04-07 07:49:42Z hoffmann
138! Unused variables removed.
139!
140! 1783 2016-03-06 18:36:17Z raasch
141! netcdf module added
142!
143! 1725 2015-11-17 13:01:51Z hoffmann
144! Bugfix: Processor-dependent seed for random function is generated before it is
145! used.
146!
147! 1691 2015-10-26 16:17:44Z maronga
148! Renamed prandtl_layer to constant_flux_layer.
149!
150! 1685 2015-10-08 07:32:13Z raasch
151! bugfix concerning vertical index offset in case of ocean
152!
153! 1682 2015-10-07 23:56:08Z knoop
154! Code annotations made doxygen readable
155!
156! 1575 2015-03-27 09:56:27Z raasch
157! initial vertical particle position is allowed to follow the topography
158!
159! 1359 2014-04-11 17:15:14Z hoffmann
160! New particle structure integrated.
161! Kind definition added to all floating point numbers.
162! lpm_init changed form a subroutine to a module.
163!
164! 1327 2014-03-21 11:00:16Z raasch
165! -netcdf_output
166!
167! 1322 2014-03-20 16:38:49Z raasch
168! REAL functions provided with KIND-attribute
169!
170! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
171! ONLY-attribute added to USE-statements,
172! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
173! kinds are defined in new module kinds,
174! revision history before 2012 removed,
175! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
176! all variable declaration statements
177! bugfix: #if defined( __parallel ) added
178!
179! 1314 2014-03-14 18:25:17Z suehring
180! Vertical logarithmic interpolation of horizontal particle speed for particles
181! between roughness height and first vertical grid level.
182!
183! 1092 2013-02-02 11:24:22Z raasch
184! unused variables removed
185!
186! 1036 2012-10-22 13:43:42Z raasch
187! code put under GPL (PALM 3.9)
188!
189! 849 2012-03-15 10:35:09Z raasch
190! routine renamed: init_particles -> lpm_init
191! de_dx, de_dy, de_dz are allocated here (instead of automatic arrays in
192! advec_particles),
193! sort_particles renamed lpm_sort_arrays, user_init_particles renamed lpm_init
194!
195! 828 2012-02-21 12:00:36Z raasch
196! call of init_kernels, particle feature color renamed class
197!
198! 824 2012-02-17 09:09:57Z raasch
199! particle attributes speed_x|y|z_sgs renamed rvar1|2|3,
200! array particles implemented as pointer
201!
202! 667 2010-12-23 12:06:00Z suehring/gryschka
203! nxl-1, nxr+1, nys-1, nyn+1 replaced by nxlg, nxrg, nysg, nyng for allocation
204! of arrays.
205!
206! Revision 1.1  1999/11/25 16:22:38  raasch
207! Initial revision
208!
209!
210! Description:
211! ------------
212!> This routine initializes a set of particles and their attributes (position,
213!> radius, ..) which are used by the Lagrangian particle model (see lpm).
214!------------------------------------------------------------------------------!
215 MODULE lpm_init_mod
216
217    USE, INTRINSIC ::  ISO_C_BINDING
218
219    USE arrays_3d,                                                             &
220        ONLY:  de_dx, de_dy, de_dz, dzw, zu, zw
221
222    USE control_parameters,                                                    &
223        ONLY:  cloud_droplets, constant_flux_layer, current_timestep_number,   &
224               dt_3d, dz, initializing_actions, message_string, ocean,         &
225               simulated_time
226
227    USE grid_variables,                                                        &
228        ONLY:  ddx, dx, ddy, dy
229
230    USE indices,                                                               &
231        ONLY:  nx, nxl, nxlg, nxrg, nxr, ny, nyn, nys, nyng, nysg, nz, nzb,    &
232               nzt, wall_flags_0
233
234    USE kinds
235
236    USE lpm_collision_kernels_mod,                                             &
237        ONLY:  init_kernels
238
239    USE netcdf_interface,                                                      &
240        ONLY:  netcdf_data_format
241
242    USE particle_attributes,                                                   &
243        ONLY:   alloc_factor, bc_par_b, bc_par_lr, bc_par_ns, bc_par_t,        &
244                block_offset, block_offset_def, collision_kernel,              &
245                curvature_solution_effects, density_ratio, grid_particles,     &
246                isf,i_splitting_mode, initial_weighting_factor, ibc_par_b,     &
247                ibc_par_lr, ibc_par_ns, ibc_par_t, iran_part, log_z_z0,        &
248                max_number_of_particle_groups, min_nr_particle,                &
249                number_concentration,                                          &
250                number_particles_per_gridbox,  number_of_particles,            &
251                number_of_particle_groups, number_of_sublayers,                &
252                offset_ocean_nzt, offset_ocean_nzt_m1,                         &
253                particles, particle_advection_start, particle_groups,          &
254                particle_groups_type, particles_per_point,                     &
255                particle_type, pdx, pdy, pdz,  prt_count, psb, psl, psn, psr,  &
256                pss, pst, radius, random_start_position,                       &
257                read_particles_from_restartfile, seed_follows_topography,      &
258                sgs_wf_part, sort_count, splitting_function, splitting_mode,   &
259                total_number_of_particles, use_sgs_for_particles,              &
260                write_particle_statistics, zero_particle, z0_av_global
261
262    USE pegrid
263
264    USE random_function_mod,                                                   &
265        ONLY:  random_function
266
267    USE surface_mod,                                                           &
268        ONLY:  get_topography_top_index_ji, surf_def_h, surf_lsm_h, surf_usm_h
269
270    USE pmc_particle_interface,                                                &
271        ONLY:  pmcp_g_init
272
273    IMPLICIT NONE
274
275    PRIVATE
276
277    INTEGER(iwp), PARAMETER         :: PHASE_INIT    = 1  !<
278    INTEGER(iwp), PARAMETER, PUBLIC :: PHASE_RELEASE = 2  !<
279
280    INTERFACE lpm_init
281       MODULE PROCEDURE lpm_init
282    END INTERFACE lpm_init
283
284    INTERFACE lpm_create_particle
285       MODULE PROCEDURE lpm_create_particle
286    END INTERFACE lpm_create_particle
287
288    PUBLIC lpm_init, lpm_create_particle
289
290 CONTAINS
291
292!------------------------------------------------------------------------------!
293! Description:
294! ------------
295!> @todo Missing subroutine description.
296!------------------------------------------------------------------------------!
297 SUBROUTINE lpm_init
298
299    USE lpm_collision_kernels_mod,                                             &
300        ONLY:  init_kernels
301
302    USE pmc_interface,                                                         &
303        ONLY: nested_run
304
305    IMPLICIT NONE
306
307    INTEGER(iwp) ::  i                           !<
308    INTEGER(iwp) ::  j                           !<
309    INTEGER(iwp) ::  k                           !<
310
311    REAL(wp) ::  div                             !<
312    REAL(wp) ::  height_int                      !<
313    REAL(wp) ::  height_p                        !<
314    REAL(wp) ::  z_p                             !<
315    REAL(wp) ::  z0_av_local                     !<
316
317
318!
319!-- In case of oceans runs, the vertical index calculations need an offset,
320!-- because otherwise the k indices will become negative
321    IF ( ocean )  THEN
322       offset_ocean_nzt    = nzt
323       offset_ocean_nzt_m1 = nzt - 1
324    ENDIF
325
326!
327!-- Define block offsets for dividing a gridcell in 8 sub cells
328!-- See documentation for List of subgrid boxes
329!-- See pack_and_sort in lpm_pack_arrays.f90 for assignment of the subgrid boxes
330    block_offset(0) = block_offset_def ( 0, 0, 0)
331    block_offset(1) = block_offset_def ( 0, 0,-1)
332    block_offset(2) = block_offset_def ( 0,-1, 0)
333    block_offset(3) = block_offset_def ( 0,-1,-1)
334    block_offset(4) = block_offset_def (-1, 0, 0)
335    block_offset(5) = block_offset_def (-1, 0,-1)
336    block_offset(6) = block_offset_def (-1,-1, 0)
337    block_offset(7) = block_offset_def (-1,-1,-1)
338!
339!-- Check the number of particle groups.
340    IF ( number_of_particle_groups > max_number_of_particle_groups )  THEN
341       WRITE( message_string, * ) 'max_number_of_particle_groups =',           &
342                                  max_number_of_particle_groups ,              &
343                                  '&number_of_particle_groups reset to ',      &
344                                  max_number_of_particle_groups
345       CALL message( 'lpm_init', 'PA0213', 0, 1, 0, 6, 0 )
346       number_of_particle_groups = max_number_of_particle_groups
347    ENDIF
348!
349!-- Check if downward-facing walls exist. This case, reflection boundary
350!-- conditions (as well as subgrid-scale velocities) may do not work
351!-- propably (not realized so far).
352    IF ( surf_def_h(1)%ns >= 1 )  THEN
353       WRITE( message_string, * ) 'Overhanging topography do not work '//      &
354                                  'with particles'
355       CALL message( 'lpm_init', 'PA0212', 0, 1, 0, 6, 0 )
356
357    ENDIF
358
359!
360!-- Set default start positions, if necessary
361    IF ( psl(1) == 9999999.9_wp )  psl(1) = 0.0_wp
362    IF ( psr(1) == 9999999.9_wp )  psr(1) = ( nx +1 ) * dx
363    IF ( pss(1) == 9999999.9_wp )  pss(1) = 0.0_wp
364    IF ( psn(1) == 9999999.9_wp )  psn(1) = ( ny +1 ) * dy
365    IF ( psb(1) == 9999999.9_wp )  psb(1) = zu(nz/2)
366    IF ( pst(1) == 9999999.9_wp )  pst(1) = psb(1)
367
368    IF ( pdx(1) == 9999999.9_wp  .OR.  pdx(1) == 0.0_wp )  pdx(1) = dx
369    IF ( pdy(1) == 9999999.9_wp  .OR.  pdy(1) == 0.0_wp )  pdy(1) = dy
370    IF ( pdz(1) == 9999999.9_wp  .OR.  pdz(1) == 0.0_wp )  pdz(1) = zu(2) - zu(1)
371
372!
373!-- If number_particles_per_gridbox is set, the parametres pdx, pdy and pdz are
374!-- calculated diagnostically. Therfore an isotropic distribution is prescribed.
375    IF ( number_particles_per_gridbox /= -1 .AND.   &
376         number_particles_per_gridbox >= 1 )    THEN
377       pdx(1) = (( dx * dy * ( zu(2) - zu(1) ) ) /  &
378             REAL(number_particles_per_gridbox))**0.3333333_wp
379!
380!--    Ensure a smooth value (two significant digits) of distance between
381!--    particles (pdx, pdy, pdz).
382       div = 1000.0_wp
383       DO  WHILE ( pdx(1) < div )
384          div = div / 10.0_wp
385       ENDDO
386       pdx(1) = NINT( pdx(1) * 100.0_wp / div ) * div / 100.0_wp
387       pdy(1) = pdx(1)
388       pdz(1) = pdx(1)
389
390    ENDIF
391
392    DO  j = 2, number_of_particle_groups
393       IF ( psl(j) == 9999999.9_wp )  psl(j) = psl(j-1)
394       IF ( psr(j) == 9999999.9_wp )  psr(j) = psr(j-1)
395       IF ( pss(j) == 9999999.9_wp )  pss(j) = pss(j-1)
396       IF ( psn(j) == 9999999.9_wp )  psn(j) = psn(j-1)
397       IF ( psb(j) == 9999999.9_wp )  psb(j) = psb(j-1)
398       IF ( pst(j) == 9999999.9_wp )  pst(j) = pst(j-1)
399       IF ( pdx(j) == 9999999.9_wp  .OR.  pdx(j) == 0.0_wp )  pdx(j) = pdx(j-1)
400       IF ( pdy(j) == 9999999.9_wp  .OR.  pdy(j) == 0.0_wp )  pdy(j) = pdy(j-1)
401       IF ( pdz(j) == 9999999.9_wp  .OR.  pdz(j) == 0.0_wp )  pdz(j) = pdz(j-1)
402    ENDDO
403
404!
405!-- Allocate arrays required for calculating particle SGS velocities.
406!-- Initialize prefactor required for stoachastic Weil equation.
407    IF ( use_sgs_for_particles  .AND.  .NOT. cloud_droplets )  THEN
408       ALLOCATE( de_dx(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
409                 de_dy(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
410                 de_dz(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
411
412       sgs_wf_part = 1.0_wp / 3.0_wp
413    ENDIF
414
415!
416!-- Allocate array required for logarithmic vertical interpolation of
417!-- horizontal particle velocities between the surface and the first vertical
418!-- grid level. In order to avoid repeated CPU cost-intensive CALLS of
419!-- intrinsic FORTRAN procedure LOG(z/z0), LOG(z/z0) is precalculated for
420!-- several heights. Splitting into 20 sublayers turned out to be sufficient.
421!-- To obtain exact height levels of particles, linear interpolation is applied
422!-- (see lpm_advec.f90).
423    IF ( constant_flux_layer )  THEN
424
425       ALLOCATE ( log_z_z0(0:number_of_sublayers) )
426       z_p = zu(nzb+1) - zw(nzb)
427
428!
429!--    Calculate horizontal mean value of z0 used for logartihmic
430!--    interpolation. Note: this is not exact for heterogeneous z0.
431!--    However, sensitivity studies showed that the effect is
432!--    negligible.
433       z0_av_local  = SUM( surf_def_h(0)%z0 ) + SUM( surf_lsm_h%z0 ) +         &
434                      SUM( surf_usm_h%z0 )
435       z0_av_global = 0.0_wp
436
437#if defined( __parallel )
438       CALL MPI_ALLREDUCE(z0_av_local, z0_av_global, 1, MPI_REAL, MPI_SUM, &
439                          comm2d, ierr )
440#else
441       z0_av_global = z0_av_local
442#endif
443
444       z0_av_global = z0_av_global  / ( ( ny + 1 ) * ( nx + 1 ) )
445!
446!--    Horizontal wind speed is zero below and at z0
447       log_z_z0(0) = 0.0_wp
448!
449!--    Calculate vertical depth of the sublayers
450       height_int  = ( z_p - z0_av_global ) / REAL( number_of_sublayers, KIND=wp )
451!
452!--    Precalculate LOG(z/z0)
453       height_p    = z0_av_global
454       DO  k = 1, number_of_sublayers
455
456          height_p    = height_p + height_int
457          log_z_z0(k) = LOG( height_p / z0_av_global )
458
459       ENDDO
460
461    ENDIF
462
463!
464!-- Check boundary condition and set internal variables
465    SELECT CASE ( bc_par_b )
466
467       CASE ( 'absorb' )
468          ibc_par_b = 1
469
470       CASE ( 'reflect' )
471          ibc_par_b = 2
472
473       CASE DEFAULT
474          WRITE( message_string, * )  'unknown boundary condition ',           &
475                                       'bc_par_b = "', TRIM( bc_par_b ), '"'
476          CALL message( 'lpm_init', 'PA0217', 1, 2, 0, 6, 0 )
477
478    END SELECT
479    SELECT CASE ( bc_par_t )
480
481       CASE ( 'absorb' )
482          ibc_par_t = 1
483
484       CASE ( 'reflect' )
485          ibc_par_t = 2
486         
487       CASE ( 'nested' )
488          ibc_par_t = 3
489
490       CASE DEFAULT
491          WRITE( message_string, * ) 'unknown boundary condition ',            &
492                                     'bc_par_t = "', TRIM( bc_par_t ), '"'
493          CALL message( 'lpm_init', 'PA0218', 1, 2, 0, 6, 0 )
494
495    END SELECT
496    SELECT CASE ( bc_par_lr )
497
498       CASE ( 'cyclic' )
499          ibc_par_lr = 0
500
501       CASE ( 'absorb' )
502          ibc_par_lr = 1
503
504       CASE ( 'reflect' )
505          ibc_par_lr = 2
506         
507       CASE ( 'nested' )
508          ibc_par_lr = 3
509
510       CASE DEFAULT
511          WRITE( message_string, * ) 'unknown boundary condition ',   &
512                                     'bc_par_lr = "', TRIM( bc_par_lr ), '"'
513          CALL message( 'lpm_init', 'PA0219', 1, 2, 0, 6, 0 )
514
515    END SELECT
516    SELECT CASE ( bc_par_ns )
517
518       CASE ( 'cyclic' )
519          ibc_par_ns = 0
520
521       CASE ( 'absorb' )
522          ibc_par_ns = 1
523
524       CASE ( 'reflect' )
525          ibc_par_ns = 2
526         
527       CASE ( 'nested' )
528          ibc_par_ns = 3
529
530       CASE DEFAULT
531          WRITE( message_string, * ) 'unknown boundary condition ',   &
532                                     'bc_par_ns = "', TRIM( bc_par_ns ), '"'
533          CALL message( 'lpm_init', 'PA0220', 1, 2, 0, 6, 0 )
534
535    END SELECT
536    SELECT CASE ( splitting_mode )
537
538       CASE ( 'const' )
539          i_splitting_mode = 1
540
541       CASE ( 'cl_av' )
542          i_splitting_mode = 2
543
544       CASE ( 'gb_av' )
545          i_splitting_mode = 3
546
547       CASE DEFAULT
548          WRITE( message_string, * )  'unknown splitting_mode = "',            &
549                                      TRIM( splitting_mode ), '"'
550          CALL message( 'lpm_init', 'PA0146', 1, 2, 0, 6, 0 )
551
552    END SELECT
553    SELECT CASE ( splitting_function )
554
555       CASE ( 'gamma' )
556          isf = 1
557
558       CASE ( 'log' )
559          isf = 2
560
561       CASE ( 'exp' )
562          isf = 3
563
564       CASE DEFAULT
565          WRITE( message_string, * )  'unknown splitting function = "',        &
566                                       TRIM( splitting_function ), '"'
567          CALL message( 'lpm_init', 'PA0147', 1, 2, 0, 6, 0 )
568
569    END SELECT
570
571
572!
573!-- Initialize collision kernels
574    IF ( collision_kernel /= 'none' )  CALL init_kernels
575
576!
577!-- For the first model run of a possible job chain initialize the
578!-- particles, otherwise read the particle data from restart file.
579    IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data'  &
580         .AND.  read_particles_from_restartfile )  THEN
581
582       CALL lpm_read_restart_file
583
584    ELSE
585
586!
587!--    Allocate particle arrays and set attributes of the initial set of
588!--    particles, which can be also periodically released at later times.
589       ALLOCATE( prt_count(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
590                 grid_particles(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr) )
591
592       number_of_particles         = 0
593
594       sort_count = 0
595       prt_count  = 0
596
597!
598!--    initialize counter for particle IDs
599       grid_particles%id_counter = 1
600
601!
602!--    Initialize all particles with dummy values (otherwise errors may
603!--    occur within restart runs). The reason for this is still not clear
604!--    and may be presumably caused by errors in the respective user-interface.
605       zero_particle = particle_type( 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp,  &
606                                      0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp,  &
607                                      0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp,  &
608                                      0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp,  &
609                                      0, 0, 0_idp, .FALSE., -1 )
610
611       particle_groups = particle_groups_type( 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp )
612
613!
614!--    Set values for the density ratio and radius for all particle
615!--    groups, if necessary
616       IF ( density_ratio(1) == 9999999.9_wp )  density_ratio(1) = 0.0_wp
617       IF ( radius(1)        == 9999999.9_wp )  radius(1) = 0.0_wp
618       DO  i = 2, number_of_particle_groups
619          IF ( density_ratio(i) == 9999999.9_wp )  THEN
620             density_ratio(i) = density_ratio(i-1)
621          ENDIF
622          IF ( radius(i) == 9999999.9_wp )  radius(i) = radius(i-1)
623       ENDDO
624
625       DO  i = 1, number_of_particle_groups
626          IF ( density_ratio(i) /= 0.0_wp  .AND.  radius(i) == 0 )  THEN
627             WRITE( message_string, * ) 'particle group #', i, ' has a',       &
628                                        'density ratio /= 0 but radius = 0'
629             CALL message( 'lpm_init', 'PA0215', 1, 2, 0, 6, 0 )
630          ENDIF
631          particle_groups(i)%density_ratio = density_ratio(i)
632          particle_groups(i)%radius        = radius(i)
633       ENDDO
634
635!
636!--    Set a seed value for the random number generator to be exclusively
637!--    used for the particle code. The generated random numbers should be
638!--    different on the different PEs.
639       iran_part = iran_part + myid
640
641       CALL lpm_create_particle (PHASE_INIT)
642!
643!--    User modification of initial particles
644       CALL user_lpm_init
645
646!
647!--    Open file for statistical informations about particle conditions
648       IF ( write_particle_statistics )  THEN
649          CALL check_open( 80 )
650          WRITE ( 80, 8000 )  current_timestep_number, simulated_time,         &
651                              number_of_particles
652          CALL close_file( 80 )
653       ENDIF
654
655    ENDIF
656
657    IF ( nested_run )  CALL pmcp_g_init
658
659!
660!-- To avoid programm abort, assign particles array to the local version of
661!-- first grid cell
662    number_of_particles = prt_count(nzb+1,nys,nxl)
663    particles => grid_particles(nzb+1,nys,nxl)%particles(1:number_of_particles)
664!
665!-- Formats
6668000 FORMAT (I6,1X,F7.2,4X,I10,71X,I10)
667
668 END SUBROUTINE lpm_init
669
670!------------------------------------------------------------------------------!
671! Description:
672! ------------
673!> @todo Missing subroutine description.
674!------------------------------------------------------------------------------!
675 SUBROUTINE lpm_create_particle (phase)
676   
677    USE arrays_3d,                                                             &
678       ONLY:  zw
679    USE lpm_exchange_horiz_mod,                                                &
680        ONLY: lpm_exchange_horiz, lpm_move_particle, realloc_particles_array
681
682    USE lpm_pack_and_sort_mod,                                                 &
683        ONLY: lpm_sort_in_subboxes
684
685    USE particle_attributes,                                                   &
686        ONLY: deleted_particles
687
688    IMPLICIT  NONE
689
690    INTEGER(iwp)               ::  alloc_size  !< relative increase of allocated memory for particles
691    INTEGER(iwp)               ::  i           !< loop variable ( particle groups )
692    INTEGER(iwp)               ::  ip          !< index variable along x
693    INTEGER(iwp)               ::  j           !< loop variable ( particles per point )
694    INTEGER(iwp)               ::  jp          !< index variable along y
695    INTEGER(iwp)               ::  k           !< index variable along z
696    INTEGER(iwp)               ::  k_surf      !< index of surface grid point
697    INTEGER(iwp)               ::  kp          !< index variable along z
698    INTEGER(iwp)               ::  loop_stride !< loop variable for initialization
699    INTEGER(iwp)               ::  n           !< loop variable ( number of particles )
700    INTEGER(iwp)               ::  new_size    !< new size of allocated memory for particles
701
702    INTEGER(iwp), INTENT(IN)   ::  phase       !< mode of inititialization
703
704    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::  local_count !< start address of new particle
705    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::  local_start !< start address of new particle
706
707    LOGICAL                    ::  first_stride !< flag for initialization
708
709    REAL(wp)                   ::  pos_x      !< increment for particle position in x
710    REAL(wp)                   ::  pos_y      !< increment for particle position in y
711    REAL(wp)                   ::  pos_z      !< increment for particle position in z
712    REAL(wp)                   ::  rand_contr !< dummy argument for random position
713
714    TYPE(particle_type),TARGET ::  tmp_particle !< temporary particle used for initialization
715
716!
717!-- Calculate particle positions and store particle attributes, if
718!-- particle is situated on this PE
719    DO  loop_stride = 1, 2
720       first_stride = (loop_stride == 1)
721       IF ( first_stride )   THEN
722          local_count = 0           ! count number of particles
723       ELSE
724          local_count = prt_count   ! Start address of new particles
725       ENDIF
726
727!
728!--    Calculate initial_weighting_factor diagnostically
729       IF ( number_concentration /= -1.0_wp .AND. number_concentration > 0.0_wp ) THEN
730          initial_weighting_factor =  number_concentration * 1.0E6_wp *             &
731                                      pdx(1) * pdy(1) * pdz(1)
732       END IF
733
734       n = 0
735       DO  i = 1, number_of_particle_groups
736
737          pos_z = psb(i)
738
739          DO WHILE ( pos_z <= pst(i) )
740
741             IF ( pos_z >= zw(0) .AND.  pos_z < zw(nzt) )  THEN
742
743
744                pos_y = pss(i)
745
746                DO WHILE ( pos_y <= psn(i) )
747
748                   IF ( pos_y >= nys * dy  .AND.                  &
749                        pos_y <  ( nyn + 1 ) * dy  ) THEN
750
751                      pos_x = psl(i)
752
753               xloop: DO WHILE ( pos_x <= psr(i) )
754
755                         IF ( pos_x >= nxl * dx  .AND.            &
756                              pos_x <  ( nxr + 1) * dx ) THEN
757
758                            DO  j = 1, particles_per_point
759
760
761                               n = n + 1
762                               tmp_particle%x             = pos_x
763                               tmp_particle%y             = pos_y
764                               tmp_particle%z             = pos_z
765                               tmp_particle%age           = 0.0_wp
766                               tmp_particle%age_m         = 0.0_wp
767                               tmp_particle%dt_sum        = 0.0_wp
768                               tmp_particle%e_m           = 0.0_wp
769                               tmp_particle%rvar1         = 0.0_wp
770                               tmp_particle%rvar2         = 0.0_wp
771                               tmp_particle%rvar3         = 0.0_wp
772                               tmp_particle%speed_x       = 0.0_wp
773                               tmp_particle%speed_y       = 0.0_wp
774                               tmp_particle%speed_z       = 0.0_wp
775                               tmp_particle%origin_x      = pos_x
776                               tmp_particle%origin_y      = pos_y
777                               tmp_particle%origin_z      = pos_z
778                               IF ( curvature_solution_effects )  THEN
779                                  tmp_particle%aux1      = 0.0_wp    ! dry aerosol radius
780                                  tmp_particle%aux2      = dt_3d     ! last Rosenbrock timestep
781                               ELSE
782                                  tmp_particle%aux1      = 0.0_wp    ! free to use
783                                  tmp_particle%aux2      = 0.0_wp    ! free to use
784                               ENDIF
785                               tmp_particle%radius        = particle_groups(i)%radius
786                               tmp_particle%weight_factor = initial_weighting_factor
787                               tmp_particle%class         = 1
788                               tmp_particle%group         = i
789                               tmp_particle%id            = 0_idp
790                               tmp_particle%particle_mask = .TRUE.
791                               tmp_particle%block_nr      = -1
792!
793!--                            Determine the grid indices of the particle position
794                               ip = tmp_particle%x * ddx
795                               jp = tmp_particle%y * ddy
796                               kp = tmp_particle%z / dz + 1 + offset_ocean_nzt                               
797                               DO WHILE( zw(kp) < tmp_particle%z ) 
798                                  kp = kp + 1
799                               ENDDO
800                               DO WHILE( zw(kp-1) > tmp_particle%z )
801                                  kp = kp - 1
802                               ENDDO
803!
804!--                            Determine surface level. Therefore, check for
805!--                            upward-facing wall on w-grid.
806                               k_surf = get_topography_top_index_ji( jp, ip, 'w' )
807
808                               IF ( seed_follows_topography )  THEN
809!
810!--                               Particle height is given relative to topography
811                                  kp = kp + k_surf
812                                  tmp_particle%z = tmp_particle%z + zw(k_surf)
813!--                               Skip particle release if particle position is
814!--                               above model top, or within topography in case
815!--                               of overhanging structures.
816                                  IF ( kp > nzt  .OR.                          &
817                                 .NOT. BTEST( wall_flags_0(kp,jp,ip), 0 ) )  THEN
818                                     pos_x = pos_x + pdx(i)
819                                     CYCLE xloop
820                                  ENDIF
821!
822!--                            Skip particle release if particle position is
823!--                            below surface, or within topography in case
824!--                            of overhanging structures.
825                               ELSEIF ( .NOT. seed_follows_topography .AND.    &
826                                         tmp_particle%z <= zw(k_surf)  .OR.    &
827                                        .NOT. BTEST( wall_flags_0(kp,jp,ip), 0 ) )&
828                               THEN
829                                  pos_x = pos_x + pdx(i)
830                                  CYCLE xloop
831                               ENDIF
832
833                               local_count(kp,jp,ip) = local_count(kp,jp,ip) + 1
834
835                               IF ( .NOT. first_stride )  THEN
836                                  IF ( ip < nxl  .OR.  jp < nys  .OR.  kp < nzb+1 )  THEN
837                                     write(6,*) 'xl ',ip,jp,kp,nxl,nys,nzb+1
838                                  ENDIF
839                                  IF ( ip > nxr  .OR.  jp > nyn  .OR.  kp > nzt )  THEN
840                                     write(6,*) 'xu ',ip,jp,kp,nxr,nyn,nzt
841                                  ENDIF
842                                  grid_particles(kp,jp,ip)%particles(local_count(kp,jp,ip)) = tmp_particle
843
844                               ENDIF
845                            ENDDO
846
847                         ENDIF
848
849                         pos_x = pos_x + pdx(i)
850
851                      ENDDO xloop
852
853                   ENDIF
854
855                   pos_y = pos_y + pdy(i)
856
857                ENDDO
858
859             ENDIF
860
861             pos_z = pos_z + pdz(i)
862
863          ENDDO
864
865       ENDDO
866
867       IF ( first_stride )  THEN
868          DO  ip = nxl, nxr
869             DO  jp = nys, nyn
870                DO  kp = nzb+1, nzt
871                   IF ( phase == PHASE_INIT )  THEN
872                      IF ( local_count(kp,jp,ip) > 0 )  THEN
873                         alloc_size = MAX( INT( local_count(kp,jp,ip) *        &
874                            ( 1.0_wp + alloc_factor / 100.0_wp ) ),            &
875                            min_nr_particle )
876                      ELSE
877                         alloc_size = min_nr_particle
878                      ENDIF
879                      ALLOCATE(grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:alloc_size))
880                      DO  n = 1, alloc_size
881                         grid_particles(kp,jp,ip)%particles(n) = zero_particle
882                      ENDDO
883                   ELSEIF ( phase == PHASE_RELEASE )  THEN
884                      IF ( local_count(kp,jp,ip) > 0 )  THEN
885                         new_size   = local_count(kp,jp,ip) + prt_count(kp,jp,ip)
886                         alloc_size = MAX( INT( new_size * ( 1.0_wp +          &
887                            alloc_factor / 100.0_wp ) ), min_nr_particle )
888                         IF( alloc_size > SIZE( grid_particles(kp,jp,ip)%particles) )  THEN
889                            CALL realloc_particles_array(ip,jp,kp,alloc_size)
890                         ENDIF
891                      ENDIF
892                   ENDIF
893                ENDDO
894             ENDDO
895          ENDDO
896       ENDIF
897
898    ENDDO
899
900
901
902    local_start = prt_count+1
903    prt_count   = local_count
904
905!
906!-- Calculate particle IDs
907    DO  ip = nxl, nxr
908       DO  jp = nys, nyn
909          DO  kp = nzb+1, nzt
910             number_of_particles = prt_count(kp,jp,ip)
911             IF ( number_of_particles <= 0 )  CYCLE
912             particles => grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:number_of_particles)
913
914             DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles  !only new particles
915
916                particles(n)%id = 10000_idp**3 * grid_particles(kp,jp,ip)%id_counter + &
917                                  10000_idp**2 * kp + 10000_idp * jp + ip
918!
919!--             Count the number of particles that have been released before
920                grid_particles(kp,jp,ip)%id_counter =                          &
921                                         grid_particles(kp,jp,ip)%id_counter + 1
922
923             ENDDO
924
925          ENDDO
926       ENDDO
927    ENDDO
928
929!
930!-- Initialize aerosol background spectrum
931    IF ( curvature_solution_effects )  THEN
932       CALL lpm_init_aerosols(local_start)
933    ENDIF
934
935!
936!-- Add random fluctuation to particle positions.
937    IF ( random_start_position )  THEN
938       DO  ip = nxl, nxr
939          DO  jp = nys, nyn
940             DO  kp = nzb+1, nzt
941                number_of_particles = prt_count(kp,jp,ip)
942                IF ( number_of_particles <= 0 )  CYCLE
943                particles => grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:number_of_particles)
944!
945!--             Move only new particles. Moreover, limit random fluctuation
946!--             in order to prevent that particles move more than one grid box,
947!--             which would lead to problems concerning particle exchange
948!--             between processors in case pdx/pdy are larger than dx/dy,
949!--             respectively.
950                DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles
951                   IF ( psl(particles(n)%group) /= psr(particles(n)%group) )  THEN
952                      rand_contr = ( random_function( iran_part ) - 0.5_wp ) * &
953                                     pdx(particles(n)%group)
954                      particles(n)%x = particles(n)%x +                        &
955                              MERGE( rand_contr, SIGN( dx, rand_contr ),       &
956                                     ABS( rand_contr ) < dx                    &
957                                   )
958                   ENDIF
959                   IF ( pss(particles(n)%group) /= psn(particles(n)%group) )  THEN
960                      rand_contr = ( random_function( iran_part ) - 0.5_wp ) * &
961                                     pdy(particles(n)%group)
962                      particles(n)%y = particles(n)%y +                        &
963                              MERGE( rand_contr, SIGN( dy, rand_contr ),       &
964                                     ABS( rand_contr ) < dy                    &
965                                   )
966                   ENDIF
967                   IF ( psb(particles(n)%group) /= pst(particles(n)%group) )  THEN
968                      rand_contr = ( random_function( iran_part ) - 0.5_wp ) * &
969                                     pdz(particles(n)%group)
970                      particles(n)%z = particles(n)%z +                        &
971                              MERGE( rand_contr, SIGN( dz, rand_contr ),       &
972                                     ABS( rand_contr ) < dz                    &
973                                   )
974                   ENDIF
975                ENDDO
976!
977!--             Identify particles located outside the model domain and reflect
978!--             or absorb them if necessary.
979                CALL lpm_boundary_conds( 'bottom/top', i, j, k )
980!
981!--             Furthermore, remove particles located in topography. Note, as
982!--             the particle speed is still zero at this point, wall
983!--             reflection boundary conditions will not work in this case.
984                particles =>                                                   &
985                       grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:number_of_particles)
986                DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles
987                   i = particles(n)%x * ddx
988                   j = particles(n)%y * ddy
989                   k = particles(n)%z / dz + 1 + offset_ocean_nzt
990                   DO WHILE( zw(k) < particles(n)%z )
991                      k = k + 1
992                   ENDDO
993                   DO WHILE( zw(k-1) > particles(n)%z )
994                      k = k - 1
995                   ENDDO
996!
997!--                Check if particle is within topography
998                   IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )  THEN
999                      particles(n)%particle_mask = .FALSE.
1000                      deleted_particles = deleted_particles + 1
1001                   ENDIF
1002
1003                ENDDO
1004             ENDDO
1005          ENDDO
1006       ENDDO
1007!
1008!--    Exchange particles between grid cells and processors
1009       CALL lpm_move_particle
1010       CALL lpm_exchange_horiz
1011
1012    ENDIF
1013!
1014!-- In case of random_start_position, delete particles identified by
1015!-- lpm_exchange_horiz and lpm_boundary_conds. Then sort particles into blocks,
1016!-- which is needed for a fast interpolation of the LES fields on the particle
1017!-- position.
1018    CALL lpm_sort_in_subboxes
1019
1020!
1021!-- Determine the current number of particles
1022    DO  ip = nxl, nxr
1023       DO  jp = nys, nyn
1024          DO  kp = nzb+1, nzt
1025             number_of_particles         = number_of_particles                 &
1026                                           + prt_count(kp,jp,ip)
1027          ENDDO
1028       ENDDO
1029    ENDDO
1030!
1031!-- Calculate the number of particles of the total domain
1032#if defined( __parallel )
1033    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1034    CALL MPI_ALLREDUCE( number_of_particles, total_number_of_particles, 1, &
1035    MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1036#else
1037    total_number_of_particles = number_of_particles
1038#endif
1039
1040    RETURN
1041
1042 END SUBROUTINE lpm_create_particle
1043
1044 SUBROUTINE lpm_init_aerosols(local_start)
1045
1046    USE arrays_3d,                                                             &
1047        ONLY: hyp, pt, q
1048
1049    USE cloud_parameters,                                                      &
1050        ONLY: l_d_rv, molecular_weight_of_solute,                              &
1051              molecular_weight_of_water, rho_l, r_v, rho_s, vanthoff
1052
1053    USE constants,                                                             &
1054        ONLY: pi
1055
1056    USE diagnostic_quantities_mod,                                             &
1057        ONLY:  magnus
1058
1059
1060    USE kinds
1061
1062    USE particle_attributes,                                                   &
1063        ONLY: aero_species, aero_type, aero_weight, log_sigma, na, rm
1064
1065    IMPLICIT NONE
1066
1067    REAL(wp)  :: afactor            !< curvature effects
1068    REAL(wp)  :: bfactor            !< solute effects
1069    REAL(wp)  :: dlogr              !< logarithmic width of radius bin
1070    REAL(wp)  :: e_a                !< vapor pressure
1071    REAL(wp)  :: e_s                !< saturation vapor pressure
1072    REAL(wp)  :: rmin = 0.005e-6_wp !< minimum aerosol radius
1073    REAL(wp)  :: rmax = 10.0e-6_wp  !< maximum aerosol radius
1074    REAL(wp)  :: r_mid              !< mean radius of bin
1075    REAL(wp)  :: r_l                !< left radius of bin
1076    REAL(wp)  :: r_r                !< right radius of bin
1077    REAL(wp)  :: sigma              !< surface tension
1078    REAL(wp)  :: t_int              !< temperature
1079
1080    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), INTENT(IN) ::  local_start !<
1081
1082    INTEGER(iwp)  :: n              !<
1083    INTEGER(iwp)  :: ip             !<
1084    INTEGER(iwp)  :: jp             !<
1085    INTEGER(iwp)  :: kp             !<
1086
1087!
1088!-- Set constants for different aerosol species
1089    IF ( TRIM(aero_species) .EQ. 'nacl' ) THEN
1090       molecular_weight_of_solute = 0.05844_wp 
1091       rho_s                      = 2165.0_wp
1092       vanthoff                   = 2.0_wp
1093    ELSEIF ( TRIM(aero_species) .EQ. 'c3h4o4' ) THEN
1094       molecular_weight_of_solute = 0.10406_wp 
1095       rho_s                      = 1600.0_wp
1096       vanthoff                   = 1.37_wp
1097    ELSEIF ( TRIM(aero_species) .EQ. 'nh4o3' ) THEN
1098       molecular_weight_of_solute = 0.08004_wp 
1099       rho_s                      = 1720.0_wp
1100       vanthoff                   = 2.31_wp
1101    ELSE
1102       WRITE( message_string, * ) 'unknown aerosol species ',   &
1103                                'aero_species = "', TRIM( aero_species ), '"'
1104       CALL message( 'lpm_init', 'PA0470', 1, 2, 0, 6, 0 )
1105    ENDIF
1106!
1107!-- The following typical aerosol spectra are taken from Jaenicke (1993):
1108!-- Tropospheric aerosols. Published in Aerosol-Cloud-Climate Interactions.
1109    IF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'polar' )  THEN
1110       na        = (/ 2.17e1, 1.86e-1, 3.04e-4 /) * 1.0E6
1111       rm        = (/ 0.0689, 0.375, 4.29 /) * 1.0E-6
1112       log_sigma = (/ 0.245, 0.300, 0.291 /)
1113    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'background' )  THEN
1114       na        = (/ 1.29e2, 5.97e1, 6.35e1 /) * 1.0E6
1115       rm        = (/ 0.0036, 0.127, 0.259 /) * 1.0E-6
1116       log_sigma = (/ 0.645, 0.253, 0.425 /)
1117    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'maritime' )  THEN
1118       na        = (/ 1.33e2, 6.66e1, 3.06e0 /) * 1.0E6
1119       rm        = (/ 0.0039, 0.133, 0.29 /) * 1.0E-6
1120       log_sigma = (/ 0.657, 0.210, 0.396 /)
1121    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'continental' )  THEN
1122       na        = (/ 3.20e3, 2.90e3, 3.00e-1 /) * 1.0E6
1123       rm        = (/ 0.01, 0.058, 0.9 /) * 1.0E-6
1124       log_sigma = (/ 0.161, 0.217, 0.380 /)
1125    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'desert' )  THEN
1126       na        = (/ 7.26e2, 1.14e3, 1.78e-1 /) * 1.0E6
1127       rm        = (/ 0.001, 0.0188, 10.8 /) * 1.0E-6
1128       log_sigma = (/ 0.247, 0.770, 0.438 /)
1129    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'rural' )  THEN
1130       na        = (/ 6.65e3, 1.47e2, 1.99e3 /) * 1.0E6
1131       rm        = (/ 0.00739, 0.0269, 0.0419 /) * 1.0E-6
1132       log_sigma = (/ 0.225, 0.557, 0.266 /)
1133    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'urban' )  THEN
1134       na        = (/ 9.93e4, 1.11e3, 3.64e4 /) * 1.0E6
1135       rm        = (/ 0.00651, 0.00714, 0.0248 /) * 1.0E-6
1136       log_sigma = (/ 0.245, 0.666, 0.337 /)
1137    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'user' )  THEN
1138       CONTINUE
1139    ELSE
1140       WRITE( message_string, * ) 'unknown aerosol type ',   &
1141                                'aero_type = "', TRIM( aero_type ), '"'
1142       CALL message( 'lpm_init', 'PA0459', 1, 2, 0, 6, 0 )
1143    ENDIF
1144
1145    DO  ip = nxl, nxr
1146       DO  jp = nys, nyn
1147          DO  kp = nzb+1, nzt
1148
1149             number_of_particles = prt_count(kp,jp,ip)
1150             IF ( number_of_particles <= 0 )  CYCLE
1151             particles => grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:number_of_particles)
1152
1153             dlogr   = ( LOG10(rmax) - LOG10(rmin) ) / ( number_of_particles - local_start(kp,jp,ip) + 1 )
1154!
1155!--          Initialize the aerosols with a predefined spectral distribution
1156!--          of the dry radius (logarithmically increasing bins) and a varying
1157!--          weighting factor
1158             DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles  !only new particles
1159
1160                r_l   = 10.0**( LOG10( rmin ) + (n-1) * dlogr )
1161                r_r   = 10.0**( LOG10( rmin ) + n * dlogr )
1162                r_mid = SQRT( r_l * r_r )
1163
1164                particles(n)%aux1          = r_mid
1165                particles(n)%weight_factor =                                           &
1166                   ( na(1) / ( SQRT( 2.0 * pi ) * log_sigma(1) ) *                     &
1167                     EXP( - LOG10( r_mid / rm(1) )**2 / ( 2.0 * log_sigma(1)**2 ) ) +  &
1168                     na(2) / ( SQRT( 2.0 * pi ) * log_sigma(2) ) *                     &
1169                     EXP( - LOG10( r_mid / rm(2) )**2 / ( 2.0 * log_sigma(2)**2 ) ) +  &
1170                     na(3) / ( SQRT( 2.0 * pi ) * log_sigma(3) ) *                     &
1171                     EXP( - LOG10( r_mid / rm(3) )**2 / ( 2.0 * log_sigma(3)**2 ) )    &
1172                   ) * ( LOG10(r_r) - LOG10(r_l) ) * ( dx * dy * dzw(kp) )
1173
1174!
1175!--             Multiply weight_factor with the namelist parameter aero_weight
1176!--             to increase or decrease the number of simulated aerosols
1177                particles(n)%weight_factor = particles(n)%weight_factor * aero_weight
1178
1179                IF ( particles(n)%weight_factor - FLOOR(particles(n)%weight_factor,KIND=wp) &
1180                     .GT. random_function( iran_part ) )  THEN
1181                   particles(n)%weight_factor = FLOOR(particles(n)%weight_factor,KIND=wp) + 1.0
1182                ELSE
1183                   particles(n)%weight_factor = FLOOR(particles(n)%weight_factor,KIND=wp)
1184                ENDIF
1185!
1186!--             Unnecessary particles will be deleted
1187                IF ( particles(n)%weight_factor .LE. 0.0 )  particles(n)%particle_mask = .FALSE.
1188
1189             ENDDO
1190!
1191!--          Set particle radius to equilibrium radius based on the environmental
1192!--          supersaturation (Khvorostyanov and Curry, 2007, JGR). This avoids
1193!--          the sometimes lengthy growth toward their equilibrium radius within
1194!--          the simulation.
1195             t_int  = pt(kp,jp,ip) * ( hyp(kp) / 100000.0_wp )**0.286_wp
1196
1197             e_s = magnus( t_int )
1198             e_a = q(kp,jp,ip) * hyp(kp) / ( q(kp,jp,ip) + 0.622_wp )
1199
1200             sigma   = 0.0761_wp - 0.000155_wp * ( t_int - 273.15_wp )
1201             afactor = 2.0_wp * sigma / ( rho_l * r_v * t_int )
1202
1203             bfactor = vanthoff * molecular_weight_of_water *    &
1204                       rho_s / ( molecular_weight_of_solute * rho_l )
1205!
1206!--          The formula is only valid for subsaturated environments. For
1207!--          supersaturations higher than -5 %, the supersaturation is set to -5%.
1208             IF ( e_a / e_s >= 0.95_wp )  e_a = 0.95_wp * e_s
1209
1210             DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles  !only new particles
1211!
1212!--             For details on this equation, see Eq. (14) of Khvorostyanov and
1213!--             Curry (2007, JGR)
1214                particles(n)%radius = bfactor**0.3333333_wp *                  &
1215                   particles(n)%aux1 / ( 1.0_wp - e_a / e_s )**0.3333333_wp / &
1216                   ( 1.0_wp + ( afactor / ( 3.0_wp * bfactor**0.3333333_wp *   &
1217                     particles(n)%aux1 ) ) /                                  &
1218                     ( 1.0_wp - e_a / e_s )**0.6666666_wp                      &
1219                   )
1220
1221             ENDDO
1222
1223          ENDDO
1224       ENDDO
1225    ENDDO
1226
1227 END SUBROUTINE lpm_init_aerosols
1228
1229END MODULE lpm_init_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.