source: palm/trunk/SOURCE/lpm_init.f90 @ 3288

Last change on this file since 3288 was 3274, checked in by knoop, 6 years ago

Modularization of all bulk cloud physics code components

  • 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 3274 2018-09-24 15:42:55Z suehring $
27! Modularization of all bulk cloud physics code components
28!
29! 3241 2018-09-12 15:02:00Z raasch
30! unused variables removed
31!
32! 3065 2018-06-12 07:03:02Z Giersch
33! dz was replaced by dzw or dz(1) to allow for right vertical stretching
34!
35! 3049 2018-05-29 13:52:36Z Giersch
36! Error messages revised
37!
38! 3045 2018-05-28 07:55:41Z Giersch
39! Error message revised
40!
41! 3039 2018-05-24 13:13:11Z schwenkel
42! bugfix for lcm with grid stretching
43!
44! 2967 2018-04-13 11:22:08Z raasch
45! nesting routine is only called if nesting is switched on
46!
47! 2954 2018-04-09 14:35:46Z schwenkel
48! Bugfix for particle initialization in case of ocean
49!
50! 2801 2018-02-14 16:01:55Z thiele
51! Introduce particle transfer in nested models.
52!
53! 2718 2018-01-02 08:49:38Z maronga
54! Corrected "Former revisions" section
55!
56! 2701 2017-12-15 15:40:50Z suehring
57! Changes from last commit documented
58!
59! 2698 2017-12-14 18:46:24Z suehring
60! Grid indices passed to lpm_boundary_conds. (responsible Philipp Thiele)
61!
62! 2696 2017-12-14 17:12:51Z kanani
63! Change in file header (GPL part)
64!
65! 2628 2017-11-20 12:40:38Z schwenkel
66! Enabled particle advection with grid stretching.
67!
68! 2608 2017-11-13 14:04:26Z schwenkel
69! Calculation of magnus equation in external module (diagnostic_quantities_mod).
70!
71! 2606 2017-11-10 10:36:31Z schwenkel
72! Changed particle box locations: center of particle box now coincides
73! with scalar grid point of same index.
74! Renamed module and subroutines: lpm_pack_arrays_mod -> lpm_pack_and_sort_mod
75! lpm_pack_all_arrays -> lpm_sort_in_subboxes, lpm_pack_arrays -> lpm_pack
76! lpm_sort -> lpm_sort_timeloop_done
77!
78! 2375 2017-08-29 14:10:28Z schwenkel
79! Initialization of chemical aerosol composition
80!
81! 2346 2017-08-09 16:39:17Z suehring
82! Bugfix, correct determination of topography top index
83!
84! 2318 2017-07-20 17:27:44Z suehring
85! Get topography top index via Function call
86!
87! 2317 2017-07-20 17:27:19Z suehring
88! Extended particle data type. Aerosol initialization improved.
89!
90! 2305 2017-07-06 11:18:47Z hoffmann
91! Improved calculation of particle IDs.
92!
93! 2274 2017-06-09 13:27:48Z Giersch
94!  Changed error messages
95!
96! 2265 2017-06-08 16:58:28Z schwenkel
97! Unused variables removed.
98!
99! 2263 2017-06-08 14:59:01Z schwenkel
100! Implemented splitting and merging algorithm
101!
102! 2233 2017-05-30 18:08:54Z suehring
103!
104! 2232 2017-05-30 17:47:52Z suehring
105! Adjustments according to new topography realization
106!
107!
108! 2223 2017-05-15 16:38:09Z suehring
109! Add check for particle release at model top
110!
111! 2182 2017-03-17 14:27:40Z schwenkel
112! Added parameters for simplified particle initialization.
113!
114! 2122 2017-01-18 12:22:54Z hoffmann
115! Improved initialization of equilibrium aerosol radii
116! Calculation of particle ID
117!
118! 2000 2016-08-20 18:09:15Z knoop
119! Forced header and separation lines into 80 columns
120!
121! 2016-06-09 16:25:25Z suehring
122! Bugfix in determining initial particle height and grid index in case of
123! seed_follows_topography.
124! Bugfix concerning random positions, ensure that particles do not move more
125! than one grid length.
126! Bugfix logarithmic interpolation.
127! Initial setting of sgs_wf_part.
128!
129! 1890 2016-04-22 08:52:11Z hoffmann
130! Initialization of aerosol equilibrium radius not possible in supersaturated
131! environments. Therefore, a maximum supersaturation of -1 % is assumed during
132! initialization.
133!
134! 1873 2016-04-18 14:50:06Z maronga
135! Module renamed (removed _mod
136!
137! 1871 2016-04-15 11:46:09Z hoffmann
138! Initialization of aerosols added.
139!
140! 1850 2016-04-08 13:29:27Z maronga
141! Module renamed
142!
143! 1831 2016-04-07 13:15:51Z hoffmann
144! curvature_solution_effects moved to particle_attributes
145!
146! 1822 2016-04-07 07:49:42Z hoffmann
147! Unused variables removed.
148!
149! 1783 2016-03-06 18:36:17Z raasch
150! netcdf module added
151!
152! 1725 2015-11-17 13:01:51Z hoffmann
153! Bugfix: Processor-dependent seed for random function is generated before it is
154! used.
155!
156! 1691 2015-10-26 16:17:44Z maronga
157! Renamed prandtl_layer to constant_flux_layer.
158!
159! 1685 2015-10-08 07:32:13Z raasch
160! bugfix concerning vertical index offset in case of ocean
161!
162! 1682 2015-10-07 23:56:08Z knoop
163! Code annotations made doxygen readable
164!
165! 1575 2015-03-27 09:56:27Z raasch
166! initial vertical particle position is allowed to follow the topography
167!
168! 1359 2014-04-11 17:15:14Z hoffmann
169! New particle structure integrated.
170! Kind definition added to all floating point numbers.
171! lpm_init changed form a subroutine to a module.
172!
173! 1327 2014-03-21 11:00:16Z raasch
174! -netcdf_output
175!
176! 1322 2014-03-20 16:38:49Z raasch
177! REAL functions provided with KIND-attribute
178!
179! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
180! ONLY-attribute added to USE-statements,
181! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
182! kinds are defined in new module kinds,
183! revision history before 2012 removed,
184! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
185! all variable declaration statements
186! bugfix: #if defined( __parallel ) added
187!
188! 1314 2014-03-14 18:25:17Z suehring
189! Vertical logarithmic interpolation of horizontal particle speed for particles
190! between roughness height and first vertical grid level.
191!
192! 1092 2013-02-02 11:24:22Z raasch
193! unused variables removed
194!
195! 1036 2012-10-22 13:43:42Z raasch
196! code put under GPL (PALM 3.9)
197!
198! 849 2012-03-15 10:35:09Z raasch
199! routine renamed: init_particles -> lpm_init
200! de_dx, de_dy, de_dz are allocated here (instead of automatic arrays in
201! advec_particles),
202! sort_particles renamed lpm_sort_arrays, user_init_particles renamed lpm_init
203!
204! 828 2012-02-21 12:00:36Z raasch
205! call of init_kernels, particle feature color renamed class
206!
207! 824 2012-02-17 09:09:57Z raasch
208! particle attributes speed_x|y|z_sgs renamed rvar1|2|3,
209! array particles implemented as pointer
210!
211! 667 2010-12-23 12:06:00Z suehring/gryschka
212! nxl-1, nxr+1, nys-1, nyn+1 replaced by nxlg, nxrg, nysg, nyng for allocation
213! of arrays.
214!
215! Revision 1.1  1999/11/25 16:22:38  raasch
216! Initial revision
217!
218!
219! Description:
220! ------------
221!> This routine initializes a set of particles and their attributes (position,
222!> radius, ..) which are used by the Lagrangian particle model (see lpm).
223!------------------------------------------------------------------------------!
224 MODULE lpm_init_mod
225
226    USE, INTRINSIC ::  ISO_C_BINDING
227
228    USE arrays_3d,                                                             &
229        ONLY:  de_dx, de_dy, de_dz, dzw, zu, zw
230
231    USE control_parameters,                                                    &
232        ONLY:  cloud_droplets, constant_flux_layer, current_timestep_number,   &
233               dt_3d, dz, initializing_actions, message_string, ocean,         &
234               simulated_time
235
236    USE grid_variables,                                                        &
237        ONLY:  ddx, dx, ddy, dy
238
239    USE indices,                                                               &
240        ONLY:  nx, nxl, nxlg, nxrg, nxr, ny, nyn, nys, nyng, nysg, nz, nzb,    &
241               nzt, wall_flags_0
242
243    USE kinds
244
245    USE lpm_collision_kernels_mod,                                             &
246        ONLY:  init_kernels
247
248    USE netcdf_interface,                                                      &
249        ONLY:  netcdf_data_format
250
251    USE particle_attributes,                                                   &
252        ONLY:   alloc_factor, bc_par_b, bc_par_lr, bc_par_ns, bc_par_t,        &
253                block_offset, block_offset_def, collision_kernel,              &
254                curvature_solution_effects, density_ratio, grid_particles,     &
255                isf,i_splitting_mode, initial_weighting_factor, ibc_par_b,     &
256                ibc_par_lr, ibc_par_ns, ibc_par_t, iran_part, log_z_z0,        &
257                max_number_of_particle_groups, min_nr_particle,                &
258                number_concentration,                                          &
259                number_particles_per_gridbox,  number_of_particles,            &
260                number_of_particle_groups, number_of_sublayers,                &
261                offset_ocean_nzt, offset_ocean_nzt_m1,                         &
262                particles, particle_advection_start, particle_groups,          &
263                particle_groups_type, particles_per_point,                     &
264                particle_type, pdx, pdy, pdz,  prt_count, psb, psl, psn, psr,  &
265                pss, pst, radius, random_start_position,                       &
266                read_particles_from_restartfile, seed_follows_topography,      &
267                sgs_wf_part, sort_count, splitting_function, splitting_mode,   &
268                total_number_of_particles, use_sgs_for_particles,              &
269                write_particle_statistics, zero_particle, z0_av_global
270
271    USE pegrid
272
273    USE random_function_mod,                                                   &
274        ONLY:  random_function
275
276    USE surface_mod,                                                           &
277        ONLY:  get_topography_top_index_ji, surf_def_h, surf_lsm_h, surf_usm_h
278
279    USE pmc_particle_interface,                                                &
280        ONLY:  pmcp_g_init
281
282    IMPLICIT NONE
283
284    PRIVATE
285
286    INTEGER(iwp), PARAMETER         :: PHASE_INIT    = 1  !<
287    INTEGER(iwp), PARAMETER, PUBLIC :: PHASE_RELEASE = 2  !<
288
289    INTERFACE lpm_init
290       MODULE PROCEDURE lpm_init
291    END INTERFACE lpm_init
292
293    INTERFACE lpm_create_particle
294       MODULE PROCEDURE lpm_create_particle
295    END INTERFACE lpm_create_particle
296
297    PUBLIC lpm_init, lpm_create_particle
298
299 CONTAINS
300
301!------------------------------------------------------------------------------!
302! Description:
303! ------------
304!> @todo Missing subroutine description.
305!------------------------------------------------------------------------------!
306 SUBROUTINE lpm_init
307
308    USE lpm_collision_kernels_mod,                                             &
309        ONLY:  init_kernels
310
311    USE pmc_interface,                                                         &
312        ONLY: nested_run
313
314    IMPLICIT NONE
315
316    INTEGER(iwp) ::  i                           !<
317    INTEGER(iwp) ::  j                           !<
318    INTEGER(iwp) ::  k                           !<
319
320    REAL(wp) ::  div                             !<
321    REAL(wp) ::  height_int                      !<
322    REAL(wp) ::  height_p                        !<
323    REAL(wp) ::  z_p                             !<
324    REAL(wp) ::  z0_av_local                     !<
325
326
327!
328!-- In case of oceans runs, the vertical index calculations need an offset,
329!-- because otherwise the k indices will become negative
330    IF ( ocean )  THEN
331       offset_ocean_nzt    = nzt
332       offset_ocean_nzt_m1 = nzt - 1
333    ENDIF
334
335!
336!-- Define block offsets for dividing a gridcell in 8 sub cells
337!-- See documentation for List of subgrid boxes
338!-- See pack_and_sort in lpm_pack_arrays.f90 for assignment of the subgrid boxes
339    block_offset(0) = block_offset_def ( 0, 0, 0)
340    block_offset(1) = block_offset_def ( 0, 0,-1)
341    block_offset(2) = block_offset_def ( 0,-1, 0)
342    block_offset(3) = block_offset_def ( 0,-1,-1)
343    block_offset(4) = block_offset_def (-1, 0, 0)
344    block_offset(5) = block_offset_def (-1, 0,-1)
345    block_offset(6) = block_offset_def (-1,-1, 0)
346    block_offset(7) = block_offset_def (-1,-1,-1)
347!
348!-- Check the number of particle groups.
349    IF ( number_of_particle_groups > max_number_of_particle_groups )  THEN
350       WRITE( message_string, * ) 'max_number_of_particle_groups =',           &
351                                  max_number_of_particle_groups ,              &
352                                  '&number_of_particle_groups reset to ',      &
353                                  max_number_of_particle_groups
354       CALL message( 'lpm_init', 'PA0213', 0, 1, 0, 6, 0 )
355       number_of_particle_groups = max_number_of_particle_groups
356    ENDIF
357!
358!-- Check if downward-facing walls exist. This case, reflection boundary
359!-- conditions (as well as subgrid-scale velocities) may do not work
360!-- propably (not realized so far).
361    IF ( surf_def_h(1)%ns >= 1 )  THEN
362       WRITE( message_string, * ) 'Overhanging topography do not work '//      &
363                                  'with particles'
364       CALL message( 'lpm_init', 'PA0212', 0, 1, 0, 6, 0 )
365
366    ENDIF
367
368!
369!-- Set default start positions, if necessary
370    IF ( psl(1) == 9999999.9_wp )  psl(1) = 0.0_wp
371    IF ( psr(1) == 9999999.9_wp )  psr(1) = ( nx +1 ) * dx
372    IF ( pss(1) == 9999999.9_wp )  pss(1) = 0.0_wp
373    IF ( psn(1) == 9999999.9_wp )  psn(1) = ( ny +1 ) * dy
374    IF ( psb(1) == 9999999.9_wp )  psb(1) = zu(nz/2)
375    IF ( pst(1) == 9999999.9_wp )  pst(1) = psb(1)
376
377    IF ( pdx(1) == 9999999.9_wp  .OR.  pdx(1) == 0.0_wp )  pdx(1) = dx
378    IF ( pdy(1) == 9999999.9_wp  .OR.  pdy(1) == 0.0_wp )  pdy(1) = dy
379    IF ( pdz(1) == 9999999.9_wp  .OR.  pdz(1) == 0.0_wp )  pdz(1) = zu(2) - zu(1)
380
381!
382!-- If number_particles_per_gridbox is set, the parametres pdx, pdy and pdz are
383!-- calculated diagnostically. Therfore an isotropic distribution is prescribed.
384    IF ( number_particles_per_gridbox /= -1 .AND.   &
385         number_particles_per_gridbox >= 1 )    THEN
386       pdx(1) = (( dx * dy * ( zu(2) - zu(1) ) ) /  &
387             REAL(number_particles_per_gridbox))**0.3333333_wp
388!
389!--    Ensure a smooth value (two significant digits) of distance between
390!--    particles (pdx, pdy, pdz).
391       div = 1000.0_wp
392       DO  WHILE ( pdx(1) < div )
393          div = div / 10.0_wp
394       ENDDO
395       pdx(1) = NINT( pdx(1) * 100.0_wp / div ) * div / 100.0_wp
396       pdy(1) = pdx(1)
397       pdz(1) = pdx(1)
398
399    ENDIF
400
401    DO  j = 2, number_of_particle_groups
402       IF ( psl(j) == 9999999.9_wp )  psl(j) = psl(j-1)
403       IF ( psr(j) == 9999999.9_wp )  psr(j) = psr(j-1)
404       IF ( pss(j) == 9999999.9_wp )  pss(j) = pss(j-1)
405       IF ( psn(j) == 9999999.9_wp )  psn(j) = psn(j-1)
406       IF ( psb(j) == 9999999.9_wp )  psb(j) = psb(j-1)
407       IF ( pst(j) == 9999999.9_wp )  pst(j) = pst(j-1)
408       IF ( pdx(j) == 9999999.9_wp  .OR.  pdx(j) == 0.0_wp )  pdx(j) = pdx(j-1)
409       IF ( pdy(j) == 9999999.9_wp  .OR.  pdy(j) == 0.0_wp )  pdy(j) = pdy(j-1)
410       IF ( pdz(j) == 9999999.9_wp  .OR.  pdz(j) == 0.0_wp )  pdz(j) = pdz(j-1)
411    ENDDO
412
413!
414!-- Allocate arrays required for calculating particle SGS velocities.
415!-- Initialize prefactor required for stoachastic Weil equation.
416    IF ( use_sgs_for_particles  .AND.  .NOT. cloud_droplets )  THEN
417       ALLOCATE( de_dx(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
418                 de_dy(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
419                 de_dz(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
420
421       sgs_wf_part = 1.0_wp / 3.0_wp
422    ENDIF
423
424!
425!-- Allocate array required for logarithmic vertical interpolation of
426!-- horizontal particle velocities between the surface and the first vertical
427!-- grid level. In order to avoid repeated CPU cost-intensive CALLS of
428!-- intrinsic FORTRAN procedure LOG(z/z0), LOG(z/z0) is precalculated for
429!-- several heights. Splitting into 20 sublayers turned out to be sufficient.
430!-- To obtain exact height levels of particles, linear interpolation is applied
431!-- (see lpm_advec.f90).
432    IF ( constant_flux_layer )  THEN
433
434       ALLOCATE ( log_z_z0(0:number_of_sublayers) )
435       z_p = zu(nzb+1) - zw(nzb)
436
437!
438!--    Calculate horizontal mean value of z0 used for logartihmic
439!--    interpolation. Note: this is not exact for heterogeneous z0.
440!--    However, sensitivity studies showed that the effect is
441!--    negligible.
442       z0_av_local  = SUM( surf_def_h(0)%z0 ) + SUM( surf_lsm_h%z0 ) +         &
443                      SUM( surf_usm_h%z0 )
444       z0_av_global = 0.0_wp
445
446#if defined( __parallel )
447       CALL MPI_ALLREDUCE(z0_av_local, z0_av_global, 1, MPI_REAL, MPI_SUM, &
448                          comm2d, ierr )
449#else
450       z0_av_global = z0_av_local
451#endif
452
453       z0_av_global = z0_av_global  / ( ( ny + 1 ) * ( nx + 1 ) )
454!
455!--    Horizontal wind speed is zero below and at z0
456       log_z_z0(0) = 0.0_wp
457!
458!--    Calculate vertical depth of the sublayers
459       height_int  = ( z_p - z0_av_global ) / REAL( number_of_sublayers, KIND=wp )
460!
461!--    Precalculate LOG(z/z0)
462       height_p    = z0_av_global
463       DO  k = 1, number_of_sublayers
464
465          height_p    = height_p + height_int
466          log_z_z0(k) = LOG( height_p / z0_av_global )
467
468       ENDDO
469
470    ENDIF
471
472!
473!-- Check boundary condition and set internal variables
474    SELECT CASE ( bc_par_b )
475
476       CASE ( 'absorb' )
477          ibc_par_b = 1
478
479       CASE ( 'reflect' )
480          ibc_par_b = 2
481
482       CASE DEFAULT
483          WRITE( message_string, * )  'unknown boundary condition ',           &
484                                       'bc_par_b = "', TRIM( bc_par_b ), '"'
485          CALL message( 'lpm_init', 'PA0217', 1, 2, 0, 6, 0 )
486
487    END SELECT
488    SELECT CASE ( bc_par_t )
489
490       CASE ( 'absorb' )
491          ibc_par_t = 1
492
493       CASE ( 'reflect' )
494          ibc_par_t = 2
495         
496       CASE ( 'nested' )
497          ibc_par_t = 3
498
499       CASE DEFAULT
500          WRITE( message_string, * ) 'unknown boundary condition ',            &
501                                     'bc_par_t = "', TRIM( bc_par_t ), '"'
502          CALL message( 'lpm_init', 'PA0218', 1, 2, 0, 6, 0 )
503
504    END SELECT
505    SELECT CASE ( bc_par_lr )
506
507       CASE ( 'cyclic' )
508          ibc_par_lr = 0
509
510       CASE ( 'absorb' )
511          ibc_par_lr = 1
512
513       CASE ( 'reflect' )
514          ibc_par_lr = 2
515         
516       CASE ( 'nested' )
517          ibc_par_lr = 3
518
519       CASE DEFAULT
520          WRITE( message_string, * ) 'unknown boundary condition ',   &
521                                     'bc_par_lr = "', TRIM( bc_par_lr ), '"'
522          CALL message( 'lpm_init', 'PA0219', 1, 2, 0, 6, 0 )
523
524    END SELECT
525    SELECT CASE ( bc_par_ns )
526
527       CASE ( 'cyclic' )
528          ibc_par_ns = 0
529
530       CASE ( 'absorb' )
531          ibc_par_ns = 1
532
533       CASE ( 'reflect' )
534          ibc_par_ns = 2
535         
536       CASE ( 'nested' )
537          ibc_par_ns = 3
538
539       CASE DEFAULT
540          WRITE( message_string, * ) 'unknown boundary condition ',   &
541                                     'bc_par_ns = "', TRIM( bc_par_ns ), '"'
542          CALL message( 'lpm_init', 'PA0220', 1, 2, 0, 6, 0 )
543
544    END SELECT
545    SELECT CASE ( splitting_mode )
546
547       CASE ( 'const' )
548          i_splitting_mode = 1
549
550       CASE ( 'cl_av' )
551          i_splitting_mode = 2
552
553       CASE ( 'gb_av' )
554          i_splitting_mode = 3
555
556       CASE DEFAULT
557          WRITE( message_string, * )  'unknown splitting_mode = "',            &
558                                      TRIM( splitting_mode ), '"'
559          CALL message( 'lpm_init', 'PA0146', 1, 2, 0, 6, 0 )
560
561    END SELECT
562    SELECT CASE ( splitting_function )
563
564       CASE ( 'gamma' )
565          isf = 1
566
567       CASE ( 'log' )
568          isf = 2
569
570       CASE ( 'exp' )
571          isf = 3
572
573       CASE DEFAULT
574          WRITE( message_string, * )  'unknown splitting function = "',        &
575                                       TRIM( splitting_function ), '"'
576          CALL message( 'lpm_init', 'PA0147', 1, 2, 0, 6, 0 )
577
578    END SELECT
579
580
581!
582!-- Initialize collision kernels
583    IF ( collision_kernel /= 'none' )  CALL init_kernels
584
585!
586!-- For the first model run of a possible job chain initialize the
587!-- particles, otherwise read the particle data from restart file.
588    IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data'  &
589         .AND.  read_particles_from_restartfile )  THEN
590
591       CALL lpm_read_restart_file
592
593    ELSE
594
595!
596!--    Allocate particle arrays and set attributes of the initial set of
597!--    particles, which can be also periodically released at later times.
598       ALLOCATE( prt_count(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
599                 grid_particles(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr) )
600
601       number_of_particles         = 0
602
603       sort_count = 0
604       prt_count  = 0
605
606!
607!--    initialize counter for particle IDs
608       grid_particles%id_counter = 1
609
610!
611!--    Initialize all particles with dummy values (otherwise errors may
612!--    occur within restart runs). The reason for this is still not clear
613!--    and may be presumably caused by errors in the respective user-interface.
614       zero_particle = particle_type( 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp,  &
615                                      0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp,  &
616                                      0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp,  &
617                                      0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp,  &
618                                      0, 0, 0_idp, .FALSE., -1 )
619
620       particle_groups = particle_groups_type( 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp )
621
622!
623!--    Set values for the density ratio and radius for all particle
624!--    groups, if necessary
625       IF ( density_ratio(1) == 9999999.9_wp )  density_ratio(1) = 0.0_wp
626       IF ( radius(1)        == 9999999.9_wp )  radius(1) = 0.0_wp
627       DO  i = 2, number_of_particle_groups
628          IF ( density_ratio(i) == 9999999.9_wp )  THEN
629             density_ratio(i) = density_ratio(i-1)
630          ENDIF
631          IF ( radius(i) == 9999999.9_wp )  radius(i) = radius(i-1)
632       ENDDO
633
634       DO  i = 1, number_of_particle_groups
635          IF ( density_ratio(i) /= 0.0_wp  .AND.  radius(i) == 0 )  THEN
636             WRITE( message_string, * ) 'particle group #', i, ' has a',       &
637                                        'density ratio /= 0 but radius = 0'
638             CALL message( 'lpm_init', 'PA0215', 1, 2, 0, 6, 0 )
639          ENDIF
640          particle_groups(i)%density_ratio = density_ratio(i)
641          particle_groups(i)%radius        = radius(i)
642       ENDDO
643
644!
645!--    Set a seed value for the random number generator to be exclusively
646!--    used for the particle code. The generated random numbers should be
647!--    different on the different PEs.
648       iran_part = iran_part + myid
649
650       CALL lpm_create_particle (PHASE_INIT)
651!
652!--    User modification of initial particles
653       CALL user_lpm_init
654
655!
656!--    Open file for statistical informations about particle conditions
657       IF ( write_particle_statistics )  THEN
658          CALL check_open( 80 )
659          WRITE ( 80, 8000 )  current_timestep_number, simulated_time,         &
660                              number_of_particles
661          CALL close_file( 80 )
662       ENDIF
663
664    ENDIF
665
666    IF ( nested_run )  CALL pmcp_g_init
667
668!
669!-- To avoid programm abort, assign particles array to the local version of
670!-- first grid cell
671    number_of_particles = prt_count(nzb+1,nys,nxl)
672    particles => grid_particles(nzb+1,nys,nxl)%particles(1:number_of_particles)
673!
674!-- Formats
6758000 FORMAT (I6,1X,F7.2,4X,I10,71X,I10)
676
677 END SUBROUTINE lpm_init
678
679!------------------------------------------------------------------------------!
680! Description:
681! ------------
682!> @todo Missing subroutine description.
683!------------------------------------------------------------------------------!
684 SUBROUTINE lpm_create_particle (phase)
685   
686    USE arrays_3d,                                                             &
687       ONLY:  zw
688    USE lpm_exchange_horiz_mod,                                                &
689        ONLY: lpm_exchange_horiz, lpm_move_particle, realloc_particles_array
690
691    USE lpm_pack_and_sort_mod,                                                 &
692        ONLY: lpm_sort_in_subboxes
693
694    USE particle_attributes,                                                   &
695        ONLY: deleted_particles
696
697    IMPLICIT  NONE
698
699    INTEGER(iwp)               ::  alloc_size  !< relative increase of allocated memory for particles
700    INTEGER(iwp)               ::  i           !< loop variable ( particle groups )
701    INTEGER(iwp)               ::  ip          !< index variable along x
702    INTEGER(iwp)               ::  j           !< loop variable ( particles per point )
703    INTEGER(iwp)               ::  jp          !< index variable along y
704    INTEGER(iwp)               ::  k           !< index variable along z
705    INTEGER(iwp)               ::  k_surf      !< index of surface grid point
706    INTEGER(iwp)               ::  kp          !< index variable along z
707    INTEGER(iwp)               ::  loop_stride !< loop variable for initialization
708    INTEGER(iwp)               ::  n           !< loop variable ( number of particles )
709    INTEGER(iwp)               ::  new_size    !< new size of allocated memory for particles
710
711    INTEGER(iwp), INTENT(IN)   ::  phase       !< mode of inititialization
712
713    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::  local_count !< start address of new particle
714    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::  local_start !< start address of new particle
715
716    LOGICAL                    ::  first_stride !< flag for initialization
717
718    REAL(wp)                   ::  pos_x      !< increment for particle position in x
719    REAL(wp)                   ::  pos_y      !< increment for particle position in y
720    REAL(wp)                   ::  pos_z      !< increment for particle position in z
721    REAL(wp)                   ::  rand_contr !< dummy argument for random position
722
723    TYPE(particle_type),TARGET ::  tmp_particle !< temporary particle used for initialization
724
725!
726!-- Calculate particle positions and store particle attributes, if
727!-- particle is situated on this PE
728    DO  loop_stride = 1, 2
729       first_stride = (loop_stride == 1)
730       IF ( first_stride )   THEN
731          local_count = 0           ! count number of particles
732       ELSE
733          local_count = prt_count   ! Start address of new particles
734       ENDIF
735
736!
737!--    Calculate initial_weighting_factor diagnostically
738       IF ( number_concentration /= -1.0_wp .AND. number_concentration > 0.0_wp ) THEN
739          initial_weighting_factor =  number_concentration * 1.0E6_wp *             &
740                                      pdx(1) * pdy(1) * pdz(1)
741       END IF
742
743       n = 0
744       DO  i = 1, number_of_particle_groups
745
746          pos_z = psb(i)
747
748          DO WHILE ( pos_z <= pst(i) )
749
750             IF ( pos_z >= zw(0) .AND.  pos_z < zw(nzt) )  THEN
751
752
753                pos_y = pss(i)
754
755                DO WHILE ( pos_y <= psn(i) )
756
757                   IF ( pos_y >= nys * dy  .AND.                  &
758                        pos_y <  ( nyn + 1 ) * dy  ) THEN
759
760                      pos_x = psl(i)
761
762               xloop: DO WHILE ( pos_x <= psr(i) )
763
764                         IF ( pos_x >= nxl * dx  .AND.            &
765                              pos_x <  ( nxr + 1) * dx ) THEN
766
767                            DO  j = 1, particles_per_point
768
769
770                               n = n + 1
771                               tmp_particle%x             = pos_x
772                               tmp_particle%y             = pos_y
773                               tmp_particle%z             = pos_z
774                               tmp_particle%age           = 0.0_wp
775                               tmp_particle%age_m         = 0.0_wp
776                               tmp_particle%dt_sum        = 0.0_wp
777                               tmp_particle%e_m           = 0.0_wp
778                               tmp_particle%rvar1         = 0.0_wp
779                               tmp_particle%rvar2         = 0.0_wp
780                               tmp_particle%rvar3         = 0.0_wp
781                               tmp_particle%speed_x       = 0.0_wp
782                               tmp_particle%speed_y       = 0.0_wp
783                               tmp_particle%speed_z       = 0.0_wp
784                               tmp_particle%origin_x      = pos_x
785                               tmp_particle%origin_y      = pos_y
786                               tmp_particle%origin_z      = pos_z
787                               IF ( curvature_solution_effects )  THEN
788                                  tmp_particle%aux1      = 0.0_wp    ! dry aerosol radius
789                                  tmp_particle%aux2      = dt_3d     ! last Rosenbrock timestep
790                               ELSE
791                                  tmp_particle%aux1      = 0.0_wp    ! free to use
792                                  tmp_particle%aux2      = 0.0_wp    ! free to use
793                               ENDIF
794                               tmp_particle%radius        = particle_groups(i)%radius
795                               tmp_particle%weight_factor = initial_weighting_factor
796                               tmp_particle%class         = 1
797                               tmp_particle%group         = i
798                               tmp_particle%id            = 0_idp
799                               tmp_particle%particle_mask = .TRUE.
800                               tmp_particle%block_nr      = -1
801!
802!--                            Determine the grid indices of the particle position
803                               ip = tmp_particle%x * ddx
804                               jp = tmp_particle%y * ddy
805                               kp = tmp_particle%z / dz(1) + 1 + offset_ocean_nzt                               
806                               DO WHILE( zw(kp) < tmp_particle%z ) 
807                                  kp = kp + 1
808                               ENDDO
809                               DO WHILE( zw(kp-1) > tmp_particle%z )
810                                  kp = kp - 1
811                               ENDDO 
812!
813!--                            Determine surface level. Therefore, check for
814!--                            upward-facing wall on w-grid.
815                               k_surf = get_topography_top_index_ji( jp, ip, 'w' )
816
817                               IF ( seed_follows_topography )  THEN
818!
819!--                               Particle height is given relative to topography
820                                  kp = kp + k_surf
821                                  tmp_particle%z = tmp_particle%z + zw(k_surf)
822!--                               Skip particle release if particle position is
823!--                               above model top, or within topography in case
824!--                               of overhanging structures.
825                                  IF ( kp > nzt  .OR.                          &
826                                 .NOT. BTEST( wall_flags_0(kp,jp,ip), 0 ) )  THEN
827                                     pos_x = pos_x + pdx(i)
828                                     CYCLE xloop
829                                  ENDIF
830!
831!--                            Skip particle release if particle position is
832!--                            below surface, or within topography in case
833!--                            of overhanging structures.
834                               ELSEIF ( .NOT. seed_follows_topography .AND.    &
835                                         tmp_particle%z <= zw(k_surf)  .OR.    &
836                                        .NOT. BTEST( wall_flags_0(kp,jp,ip), 0 ) )&
837                               THEN
838                                  pos_x = pos_x + pdx(i)
839                                  CYCLE xloop
840                               ENDIF
841
842                               local_count(kp,jp,ip) = local_count(kp,jp,ip) + 1
843
844                               IF ( .NOT. first_stride )  THEN
845                                  IF ( ip < nxl  .OR.  jp < nys  .OR.  kp < nzb+1 )  THEN
846                                     write(6,*) 'xl ',ip,jp,kp,nxl,nys,nzb+1
847                                  ENDIF
848                                  IF ( ip > nxr  .OR.  jp > nyn  .OR.  kp > nzt )  THEN
849                                     write(6,*) 'xu ',ip,jp,kp,nxr,nyn,nzt
850                                  ENDIF
851                                  grid_particles(kp,jp,ip)%particles(local_count(kp,jp,ip)) = tmp_particle
852
853                               ENDIF
854                            ENDDO
855
856                         ENDIF
857
858                         pos_x = pos_x + pdx(i)
859
860                      ENDDO xloop
861
862                   ENDIF
863
864                   pos_y = pos_y + pdy(i)
865
866                ENDDO
867
868             ENDIF
869
870             pos_z = pos_z + pdz(i)
871
872          ENDDO
873
874       ENDDO
875
876       IF ( first_stride )  THEN
877          DO  ip = nxl, nxr
878             DO  jp = nys, nyn
879                DO  kp = nzb+1, nzt
880                   IF ( phase == PHASE_INIT )  THEN
881                      IF ( local_count(kp,jp,ip) > 0 )  THEN
882                         alloc_size = MAX( INT( local_count(kp,jp,ip) *        &
883                            ( 1.0_wp + alloc_factor / 100.0_wp ) ),            &
884                            min_nr_particle )
885                      ELSE
886                         alloc_size = min_nr_particle
887                      ENDIF
888                      ALLOCATE(grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:alloc_size))
889                      DO  n = 1, alloc_size
890                         grid_particles(kp,jp,ip)%particles(n) = zero_particle
891                      ENDDO
892                   ELSEIF ( phase == PHASE_RELEASE )  THEN
893                      IF ( local_count(kp,jp,ip) > 0 )  THEN
894                         new_size   = local_count(kp,jp,ip) + prt_count(kp,jp,ip)
895                         alloc_size = MAX( INT( new_size * ( 1.0_wp +          &
896                            alloc_factor / 100.0_wp ) ), min_nr_particle )
897                         IF( alloc_size > SIZE( grid_particles(kp,jp,ip)%particles) )  THEN
898                            CALL realloc_particles_array(ip,jp,kp,alloc_size)
899                         ENDIF
900                      ENDIF
901                   ENDIF
902                ENDDO
903             ENDDO
904          ENDDO
905       ENDIF
906
907    ENDDO
908
909
910
911    local_start = prt_count+1
912    prt_count   = local_count
913
914!
915!-- Calculate particle IDs
916    DO  ip = nxl, nxr
917       DO  jp = nys, nyn
918          DO  kp = nzb+1, nzt
919             number_of_particles = prt_count(kp,jp,ip)
920             IF ( number_of_particles <= 0 )  CYCLE
921             particles => grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:number_of_particles)
922
923             DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles  !only new particles
924
925                particles(n)%id = 10000_idp**3 * grid_particles(kp,jp,ip)%id_counter + &
926                                  10000_idp**2 * kp + 10000_idp * jp + ip
927!
928!--             Count the number of particles that have been released before
929                grid_particles(kp,jp,ip)%id_counter =                          &
930                                         grid_particles(kp,jp,ip)%id_counter + 1
931
932             ENDDO
933
934          ENDDO
935       ENDDO
936    ENDDO
937
938!
939!-- Initialize aerosol background spectrum
940    IF ( curvature_solution_effects )  THEN
941       CALL lpm_init_aerosols(local_start)
942    ENDIF
943
944!
945!-- Add random fluctuation to particle positions.
946    IF ( random_start_position )  THEN
947       DO  ip = nxl, nxr
948          DO  jp = nys, nyn
949             DO  kp = nzb+1, nzt
950                number_of_particles = prt_count(kp,jp,ip)
951                IF ( number_of_particles <= 0 )  CYCLE
952                particles => grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:number_of_particles)
953!
954!--             Move only new particles. Moreover, limit random fluctuation
955!--             in order to prevent that particles move more than one grid box,
956!--             which would lead to problems concerning particle exchange
957!--             between processors in case pdx/pdy are larger than dx/dy,
958!--             respectively.
959                DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles
960                   IF ( psl(particles(n)%group) /= psr(particles(n)%group) )  THEN
961                      rand_contr = ( random_function( iran_part ) - 0.5_wp ) * &
962                                     pdx(particles(n)%group)
963                      particles(n)%x = particles(n)%x +                        &
964                              MERGE( rand_contr, SIGN( dx, rand_contr ),       &
965                                     ABS( rand_contr ) < dx                    &
966                                   )
967                   ENDIF
968                   IF ( pss(particles(n)%group) /= psn(particles(n)%group) )  THEN
969                      rand_contr = ( random_function( iran_part ) - 0.5_wp ) * &
970                                     pdy(particles(n)%group)
971                      particles(n)%y = particles(n)%y +                        &
972                              MERGE( rand_contr, SIGN( dy, rand_contr ),       &
973                                     ABS( rand_contr ) < dy                    &
974                                   )
975                   ENDIF
976                   IF ( psb(particles(n)%group) /= pst(particles(n)%group) )  THEN
977                      rand_contr = ( random_function( iran_part ) - 0.5_wp ) * &
978                                     pdz(particles(n)%group)
979                      particles(n)%z = particles(n)%z +                        &
980                              MERGE( rand_contr, SIGN( dzw(kp), rand_contr ),  &
981                                     ABS( rand_contr ) < dzw(kp)               &
982                                   )
983                   ENDIF
984                ENDDO
985!
986!--             Identify particles located outside the model domain and reflect
987!--             or absorb them if necessary.
988                CALL lpm_boundary_conds( 'bottom/top', i, j, k )
989!
990!--             Furthermore, remove particles located in topography. Note, as
991!--             the particle speed is still zero at this point, wall
992!--             reflection boundary conditions will not work in this case.
993                particles =>                                                   &
994                       grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:number_of_particles)
995                DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles
996                   i = particles(n)%x * ddx
997                   j = particles(n)%y * ddy
998                   k = particles(n)%z / dz(1) + 1 + offset_ocean_nzt
999                   DO WHILE( zw(k) < particles(n)%z )
1000                      k = k + 1
1001                   ENDDO
1002                   DO WHILE( zw(k-1) > particles(n)%z )
1003                      k = k - 1
1004                   ENDDO
1005!
1006!--                Check if particle is within topography
1007                   IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )  THEN
1008                      particles(n)%particle_mask = .FALSE.
1009                      deleted_particles = deleted_particles + 1
1010                   ENDIF
1011
1012                ENDDO
1013             ENDDO
1014          ENDDO
1015       ENDDO
1016!
1017!--    Exchange particles between grid cells and processors
1018       CALL lpm_move_particle
1019       CALL lpm_exchange_horiz
1020
1021    ENDIF
1022!
1023!-- In case of random_start_position, delete particles identified by
1024!-- lpm_exchange_horiz and lpm_boundary_conds. Then sort particles into blocks,
1025!-- which is needed for a fast interpolation of the LES fields on the particle
1026!-- position.
1027    CALL lpm_sort_in_subboxes
1028
1029!
1030!-- Determine the current number of particles
1031    DO  ip = nxl, nxr
1032       DO  jp = nys, nyn
1033          DO  kp = nzb+1, nzt
1034             number_of_particles         = number_of_particles                 &
1035                                           + prt_count(kp,jp,ip)
1036          ENDDO
1037       ENDDO
1038    ENDDO
1039!
1040!-- Calculate the number of particles of the total domain
1041#if defined( __parallel )
1042    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1043    CALL MPI_ALLREDUCE( number_of_particles, total_number_of_particles, 1, &
1044    MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1045#else
1046    total_number_of_particles = number_of_particles
1047#endif
1048
1049    RETURN
1050
1051 END SUBROUTINE lpm_create_particle
1052
1053 SUBROUTINE lpm_init_aerosols(local_start)
1054
1055    USE arrays_3d,                                                             &
1056        ONLY: hyp, pt, q, exner
1057
1058    USE basic_constants_and_equations_mod,                                     &
1059        ONLY: molecular_weight_of_solute, molecular_weight_of_water, magnus,   &
1060              pi, rho_l, r_v, rho_s, vanthoff
1061
1062    USE kinds
1063
1064    USE particle_attributes,                                                   &
1065        ONLY: aero_species, aero_type, aero_weight, log_sigma, na, rm
1066
1067    IMPLICIT NONE
1068
1069    REAL(wp)  :: afactor            !< curvature effects
1070    REAL(wp)  :: bfactor            !< solute effects
1071    REAL(wp)  :: dlogr              !< logarithmic width of radius bin
1072    REAL(wp)  :: e_a                !< vapor pressure
1073    REAL(wp)  :: e_s                !< saturation vapor pressure
1074    REAL(wp)  :: rmin = 0.005e-6_wp !< minimum aerosol radius
1075    REAL(wp)  :: rmax = 10.0e-6_wp  !< maximum aerosol radius
1076    REAL(wp)  :: r_mid              !< mean radius of bin
1077    REAL(wp)  :: r_l                !< left radius of bin
1078    REAL(wp)  :: r_r                !< right radius of bin
1079    REAL(wp)  :: sigma              !< surface tension
1080    REAL(wp)  :: t_int              !< temperature
1081
1082    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), INTENT(IN) ::  local_start !<
1083
1084    INTEGER(iwp)  :: n              !<
1085    INTEGER(iwp)  :: ip             !<
1086    INTEGER(iwp)  :: jp             !<
1087    INTEGER(iwp)  :: kp             !<
1088
1089!
1090!-- Set constants for different aerosol species
1091    IF ( TRIM(aero_species) .EQ. 'nacl' ) THEN
1092       molecular_weight_of_solute = 0.05844_wp 
1093       rho_s                      = 2165.0_wp
1094       vanthoff                   = 2.0_wp
1095    ELSEIF ( TRIM(aero_species) .EQ. 'c3h4o4' ) THEN
1096       molecular_weight_of_solute = 0.10406_wp 
1097       rho_s                      = 1600.0_wp
1098       vanthoff                   = 1.37_wp
1099    ELSEIF ( TRIM(aero_species) .EQ. 'nh4o3' ) THEN
1100       molecular_weight_of_solute = 0.08004_wp 
1101       rho_s                      = 1720.0_wp
1102       vanthoff                   = 2.31_wp
1103    ELSE
1104       WRITE( message_string, * ) 'unknown aerosol species ',   &
1105                                'aero_species = "', TRIM( aero_species ), '"'
1106       CALL message( 'lpm_init', 'PA0470', 1, 2, 0, 6, 0 )
1107    ENDIF
1108!
1109!-- The following typical aerosol spectra are taken from Jaenicke (1993):
1110!-- Tropospheric aerosols. Published in Aerosol-Cloud-Climate Interactions.
1111    IF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'polar' )  THEN
1112       na        = (/ 2.17e1, 1.86e-1, 3.04e-4 /) * 1.0E6
1113       rm        = (/ 0.0689, 0.375, 4.29 /) * 1.0E-6
1114       log_sigma = (/ 0.245, 0.300, 0.291 /)
1115    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'background' )  THEN
1116       na        = (/ 1.29e2, 5.97e1, 6.35e1 /) * 1.0E6
1117       rm        = (/ 0.0036, 0.127, 0.259 /) * 1.0E-6
1118       log_sigma = (/ 0.645, 0.253, 0.425 /)
1119    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'maritime' )  THEN
1120       na        = (/ 1.33e2, 6.66e1, 3.06e0 /) * 1.0E6
1121       rm        = (/ 0.0039, 0.133, 0.29 /) * 1.0E-6
1122       log_sigma = (/ 0.657, 0.210, 0.396 /)
1123    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'continental' )  THEN
1124       na        = (/ 3.20e3, 2.90e3, 3.00e-1 /) * 1.0E6
1125       rm        = (/ 0.01, 0.058, 0.9 /) * 1.0E-6
1126       log_sigma = (/ 0.161, 0.217, 0.380 /)
1127    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'desert' )  THEN
1128       na        = (/ 7.26e2, 1.14e3, 1.78e-1 /) * 1.0E6
1129       rm        = (/ 0.001, 0.0188, 10.8 /) * 1.0E-6
1130       log_sigma = (/ 0.247, 0.770, 0.438 /)
1131    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'rural' )  THEN
1132       na        = (/ 6.65e3, 1.47e2, 1.99e3 /) * 1.0E6
1133       rm        = (/ 0.00739, 0.0269, 0.0419 /) * 1.0E-6
1134       log_sigma = (/ 0.225, 0.557, 0.266 /)
1135    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'urban' )  THEN
1136       na        = (/ 9.93e4, 1.11e3, 3.64e4 /) * 1.0E6
1137       rm        = (/ 0.00651, 0.00714, 0.0248 /) * 1.0E-6
1138       log_sigma = (/ 0.245, 0.666, 0.337 /)
1139    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'user' )  THEN
1140       CONTINUE
1141    ELSE
1142       WRITE( message_string, * ) 'unknown aerosol type ',   &
1143                                'aero_type = "', TRIM( aero_type ), '"'
1144       CALL message( 'lpm_init', 'PA0459', 1, 2, 0, 6, 0 )
1145    ENDIF
1146
1147    DO  ip = nxl, nxr
1148       DO  jp = nys, nyn
1149          DO  kp = nzb+1, nzt
1150
1151             number_of_particles = prt_count(kp,jp,ip)
1152             IF ( number_of_particles <= 0 )  CYCLE
1153             particles => grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:number_of_particles)
1154
1155             dlogr   = ( LOG10(rmax) - LOG10(rmin) ) / ( number_of_particles - local_start(kp,jp,ip) + 1 )
1156!
1157!--          Initialize the aerosols with a predefined spectral distribution
1158!--          of the dry radius (logarithmically increasing bins) and a varying
1159!--          weighting factor
1160             DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles  !only new particles
1161
1162                r_l   = 10.0**( LOG10( rmin ) + (n-1) * dlogr )
1163                r_r   = 10.0**( LOG10( rmin ) + n * dlogr )
1164                r_mid = SQRT( r_l * r_r )
1165
1166                particles(n)%aux1          = r_mid
1167                particles(n)%weight_factor =                                           &
1168                   ( na(1) / ( SQRT( 2.0 * pi ) * log_sigma(1) ) *                     &
1169                     EXP( - LOG10( r_mid / rm(1) )**2 / ( 2.0 * log_sigma(1)**2 ) ) +  &
1170                     na(2) / ( SQRT( 2.0 * pi ) * log_sigma(2) ) *                     &
1171                     EXP( - LOG10( r_mid / rm(2) )**2 / ( 2.0 * log_sigma(2)**2 ) ) +  &
1172                     na(3) / ( SQRT( 2.0 * pi ) * log_sigma(3) ) *                     &
1173                     EXP( - LOG10( r_mid / rm(3) )**2 / ( 2.0 * log_sigma(3)**2 ) )    &
1174                   ) * ( LOG10(r_r) - LOG10(r_l) ) * ( dx * dy * dzw(kp) )
1175
1176!
1177!--             Multiply weight_factor with the namelist parameter aero_weight
1178!--             to increase or decrease the number of simulated aerosols
1179                particles(n)%weight_factor = particles(n)%weight_factor * aero_weight
1180
1181                IF ( particles(n)%weight_factor - FLOOR(particles(n)%weight_factor,KIND=wp) &
1182                     .GT. random_function( iran_part ) )  THEN
1183                   particles(n)%weight_factor = FLOOR(particles(n)%weight_factor,KIND=wp) + 1.0
1184                ELSE
1185                   particles(n)%weight_factor = FLOOR(particles(n)%weight_factor,KIND=wp)
1186                ENDIF
1187!
1188!--             Unnecessary particles will be deleted
1189                IF ( particles(n)%weight_factor .LE. 0.0 )  particles(n)%particle_mask = .FALSE.
1190
1191             ENDDO
1192!
1193!--          Set particle radius to equilibrium radius based on the environmental
1194!--          supersaturation (Khvorostyanov and Curry, 2007, JGR). This avoids
1195!--          the sometimes lengthy growth toward their equilibrium radius within
1196!--          the simulation.
1197             t_int  = pt(kp,jp,ip) * exner(kp)
1198
1199             e_s = magnus( t_int )
1200             e_a = q(kp,jp,ip) * hyp(kp) / ( q(kp,jp,ip) + 0.622_wp )
1201
1202             sigma   = 0.0761_wp - 0.000155_wp * ( t_int - 273.15_wp )
1203             afactor = 2.0_wp * sigma / ( rho_l * r_v * t_int )
1204
1205             bfactor = vanthoff * molecular_weight_of_water *    &
1206                       rho_s / ( molecular_weight_of_solute * rho_l )
1207!
1208!--          The formula is only valid for subsaturated environments. For
1209!--          supersaturations higher than -5 %, the supersaturation is set to -5%.
1210             IF ( e_a / e_s >= 0.95_wp )  e_a = 0.95_wp * e_s
1211
1212             DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles  !only new particles
1213!
1214!--             For details on this equation, see Eq. (14) of Khvorostyanov and
1215!--             Curry (2007, JGR)
1216                particles(n)%radius = bfactor**0.3333333_wp *                  &
1217                   particles(n)%aux1 / ( 1.0_wp - e_a / e_s )**0.3333333_wp / &
1218                   ( 1.0_wp + ( afactor / ( 3.0_wp * bfactor**0.3333333_wp *   &
1219                     particles(n)%aux1 ) ) /                                  &
1220                     ( 1.0_wp - e_a / e_s )**0.6666666_wp                      &
1221                   )
1222
1223             ENDDO
1224
1225          ENDDO
1226       ENDDO
1227    ENDDO
1228
1229 END SUBROUTINE lpm_init_aerosols
1230
1231END MODULE lpm_init_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.