source: palm/trunk/SOURCE/lpm_init.f90 @ 3560

Last change on this file since 3560 was 3560, checked in by raasch, 4 years ago

bugfix to guarantee correct particle releases in case that the release interval is smaller than the model timestep

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 47.8 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 3560 2018-11-23 09:20:21Z raasch $
27! set the first particle release time
28!
29! 3524 2018-11-14 13:36:44Z raasch
30! added missing working precision
31!
32! 3361 2018-10-16 20:39:37Z knoop
33! ocean renamed ocean_mode
34!
35! 3274 2018-09-24 15:42:55Z knoop
36! Modularization of all bulk cloud physics code components
37!
38! 3241 2018-09-12 15:02:00Z raasch
39! unused variables removed
40!
41! 3065 2018-06-12 07:03:02Z Giersch
42! dz was replaced by dzw or dz(1) to allow for right vertical stretching
43!
44! 3049 2018-05-29 13:52:36Z Giersch
45! Error messages revised
46!
47! 3045 2018-05-28 07:55:41Z Giersch
48! Error message revised
49!
50! 3039 2018-05-24 13:13:11Z schwenkel
51! bugfix for lcm with grid stretching
52!
53! 2967 2018-04-13 11:22:08Z raasch
54! nesting routine is only called if nesting is switched on
55!
56! 2954 2018-04-09 14:35:46Z schwenkel
57! Bugfix for particle initialization in case of ocean
58!
59! 2801 2018-02-14 16:01:55Z thiele
60! Introduce particle transfer in nested models.
61!
62! 2718 2018-01-02 08:49:38Z maronga
63! Corrected "Former revisions" section
64!
65! 2701 2017-12-15 15:40:50Z suehring
66! Changes from last commit documented
67!
68! 2698 2017-12-14 18:46:24Z suehring
69! Grid indices passed to lpm_boundary_conds. (responsible Philipp Thiele)
70!
71! 2696 2017-12-14 17:12:51Z kanani
72! Change in file header (GPL part)
73!
74! 2628 2017-11-20 12:40:38Z schwenkel
75! Enabled particle advection with grid stretching.
76!
77! 2608 2017-11-13 14:04:26Z schwenkel
78! Calculation of magnus equation in external module (diagnostic_quantities_mod).
79!
80! 2606 2017-11-10 10:36:31Z schwenkel
81! Changed particle box locations: center of particle box now coincides
82! with scalar grid point of same index.
83! Renamed module and subroutines: lpm_pack_arrays_mod -> lpm_pack_and_sort_mod
84! lpm_pack_all_arrays -> lpm_sort_in_subboxes, lpm_pack_arrays -> lpm_pack
85! lpm_sort -> lpm_sort_timeloop_done
86!
87! 2375 2017-08-29 14:10:28Z schwenkel
88! Initialization of chemical aerosol composition
89!
90! 2346 2017-08-09 16:39:17Z suehring
91! Bugfix, correct determination of topography top index
92!
93! 2318 2017-07-20 17:27:44Z suehring
94! Get topography top index via Function call
95!
96! 2317 2017-07-20 17:27:19Z suehring
97! Extended particle data type. Aerosol initialization improved.
98!
99! 2305 2017-07-06 11:18:47Z hoffmann
100! Improved calculation of particle IDs.
101!
102! 2274 2017-06-09 13:27:48Z Giersch
103!  Changed error messages
104!
105! 2265 2017-06-08 16:58:28Z schwenkel
106! Unused variables removed.
107!
108! 2263 2017-06-08 14:59:01Z schwenkel
109! Implemented splitting and merging algorithm
110!
111! 2233 2017-05-30 18:08:54Z suehring
112!
113! 2232 2017-05-30 17:47:52Z suehring
114! Adjustments according to new topography realization
115!
116!
117! 2223 2017-05-15 16:38:09Z suehring
118! Add check for particle release at model top
119!
120! 2182 2017-03-17 14:27:40Z schwenkel
121! Added parameters for simplified particle initialization.
122!
123! 2122 2017-01-18 12:22:54Z hoffmann
124! Improved initialization of equilibrium aerosol radii
125! Calculation of particle ID
126!
127! 2000 2016-08-20 18:09:15Z knoop
128! Forced header and separation lines into 80 columns
129!
130! 2016-06-09 16:25:25Z suehring
131! Bugfix in determining initial particle height and grid index in case of
132! seed_follows_topography.
133! Bugfix concerning random positions, ensure that particles do not move more
134! than one grid length.
135! Bugfix logarithmic interpolation.
136! Initial setting of sgs_wf_part.
137!
138! 1890 2016-04-22 08:52:11Z hoffmann
139! Initialization of aerosol equilibrium radius not possible in supersaturated
140! environments. Therefore, a maximum supersaturation of -1 % is assumed during
141! initialization.
142!
143! 1873 2016-04-18 14:50:06Z maronga
144! Module renamed (removed _mod
145!
146! 1871 2016-04-15 11:46:09Z hoffmann
147! Initialization of aerosols added.
148!
149! 1850 2016-04-08 13:29:27Z maronga
150! Module renamed
151!
152! 1831 2016-04-07 13:15:51Z hoffmann
153! curvature_solution_effects moved to particle_attributes
154!
155! 1822 2016-04-07 07:49:42Z hoffmann
156! Unused variables removed.
157!
158! 1783 2016-03-06 18:36:17Z raasch
159! netcdf module added
160!
161! 1725 2015-11-17 13:01:51Z hoffmann
162! Bugfix: Processor-dependent seed for random function is generated before it is
163! used.
164!
165! 1691 2015-10-26 16:17:44Z maronga
166! Renamed prandtl_layer to constant_flux_layer.
167!
168! 1685 2015-10-08 07:32:13Z raasch
169! bugfix concerning vertical index offset in case of ocean
170!
171! 1682 2015-10-07 23:56:08Z knoop
172! Code annotations made doxygen readable
173!
174! 1575 2015-03-27 09:56:27Z raasch
175! initial vertical particle position is allowed to follow the topography
176!
177! 1359 2014-04-11 17:15:14Z hoffmann
178! New particle structure integrated.
179! Kind definition added to all floating point numbers.
180! lpm_init changed form a subroutine to a module.
181!
182! 1327 2014-03-21 11:00:16Z raasch
183! -netcdf_output
184!
185! 1322 2014-03-20 16:38:49Z raasch
186! REAL functions provided with KIND-attribute
187!
188! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
189! ONLY-attribute added to USE-statements,
190! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
191! kinds are defined in new module kinds,
192! revision history before 2012 removed,
193! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
194! all variable declaration statements
195! bugfix: #if defined( __parallel ) added
196!
197! 1314 2014-03-14 18:25:17Z suehring
198! Vertical logarithmic interpolation of horizontal particle speed for particles
199! between roughness height and first vertical grid level.
200!
201! 1092 2013-02-02 11:24:22Z raasch
202! unused variables removed
203!
204! 1036 2012-10-22 13:43:42Z raasch
205! code put under GPL (PALM 3.9)
206!
207! 849 2012-03-15 10:35:09Z raasch
208! routine renamed: init_particles -> lpm_init
209! de_dx, de_dy, de_dz are allocated here (instead of automatic arrays in
210! advec_particles),
211! sort_particles renamed lpm_sort_arrays, user_init_particles renamed lpm_init
212!
213! 828 2012-02-21 12:00:36Z raasch
214! call of init_kernels, particle feature color renamed class
215!
216! 824 2012-02-17 09:09:57Z raasch
217! particle attributes speed_x|y|z_sgs renamed rvar1|2|3,
218! array particles implemented as pointer
219!
220! 667 2010-12-23 12:06:00Z suehring/gryschka
221! nxl-1, nxr+1, nys-1, nyn+1 replaced by nxlg, nxrg, nysg, nyng for allocation
222! of arrays.
223!
224! Revision 1.1  1999/11/25 16:22:38  raasch
225! Initial revision
226!
227!
228! Description:
229! ------------
230!> This routine initializes a set of particles and their attributes (position,
231!> radius, ..) which are used by the Lagrangian particle model (see lpm).
232!------------------------------------------------------------------------------!
233 MODULE lpm_init_mod
234
235    USE, INTRINSIC ::  ISO_C_BINDING
236
237    USE arrays_3d,                                                             &
238        ONLY:  de_dx, de_dy, de_dz, dzw, zu, zw
239
240    USE control_parameters,                                                    &
241        ONLY:  cloud_droplets, constant_flux_layer, current_timestep_number,   &
242               dt_3d, dz, initializing_actions, message_string, ocean_mode,    &
243               simulated_time
244
245    USE grid_variables,                                                        &
246        ONLY:  ddx, dx, ddy, dy
247
248    USE indices,                                                               &
249        ONLY:  nx, nxl, nxlg, nxrg, nxr, ny, nyn, nys, nyng, nysg, nz, nzb,    &
250               nzt, wall_flags_0
251
252    USE kinds
253
254    USE lpm_collision_kernels_mod,                                             &
255        ONLY:  init_kernels
256
257    USE netcdf_interface,                                                      &
258        ONLY:  netcdf_data_format
259
260    USE particle_attributes,                                                   &
261        ONLY:   alloc_factor, bc_par_b, bc_par_lr, bc_par_ns, bc_par_t,        &
262                block_offset, block_offset_def, collision_kernel,              &
263                curvature_solution_effects, density_ratio, grid_particles,     &
264                isf,i_splitting_mode, initial_weighting_factor, ibc_par_b,     &
265                ibc_par_lr, ibc_par_ns, ibc_par_t, iran_part,                  &
266                last_particle_release_time, log_z_z0,                          &
267                max_number_of_particle_groups, min_nr_particle,                &
268                number_concentration,                                          &
269                number_particles_per_gridbox,  number_of_particles,            &
270                number_of_particle_groups, number_of_sublayers,                &
271                offset_ocean_nzt, offset_ocean_nzt_m1,                         &
272                particles, particle_advection_start, particle_groups,          &
273                particle_groups_type, particles_per_point,                     &
274                particle_type, pdx, pdy, pdz,  prt_count, psb, psl, psn, psr,  &
275                pss, pst, radius, random_start_position,                       &
276                read_particles_from_restartfile, seed_follows_topography,      &
277                sgs_wf_part, sort_count, splitting_function, splitting_mode,   &
278                total_number_of_particles, use_sgs_for_particles,              &
279                write_particle_statistics, zero_particle, z0_av_global
280
281    USE pegrid
282
283    USE random_function_mod,                                                   &
284        ONLY:  random_function
285
286    USE surface_mod,                                                           &
287        ONLY:  get_topography_top_index_ji, surf_def_h, surf_lsm_h, surf_usm_h
288
289    USE pmc_particle_interface,                                                &
290        ONLY:  pmcp_g_init
291
292    IMPLICIT NONE
293
294    PRIVATE
295
296    INTEGER(iwp), PARAMETER         :: PHASE_INIT    = 1  !<
297    INTEGER(iwp), PARAMETER, PUBLIC :: PHASE_RELEASE = 2  !<
298
299    INTERFACE lpm_init
300       MODULE PROCEDURE lpm_init
301    END INTERFACE lpm_init
302
303    INTERFACE lpm_create_particle
304       MODULE PROCEDURE lpm_create_particle
305    END INTERFACE lpm_create_particle
306
307    PUBLIC lpm_init, lpm_create_particle
308
309 CONTAINS
310
311!------------------------------------------------------------------------------!
312! Description:
313! ------------
314!> @todo Missing subroutine description.
315!------------------------------------------------------------------------------!
316 SUBROUTINE lpm_init
317
318    USE lpm_collision_kernels_mod,                                             &
319        ONLY:  init_kernels
320
321    USE pmc_interface,                                                         &
322        ONLY: nested_run
323
324    IMPLICIT NONE
325
326    INTEGER(iwp) ::  i                           !<
327    INTEGER(iwp) ::  j                           !<
328    INTEGER(iwp) ::  k                           !<
329
330    REAL(wp) ::  div                             !<
331    REAL(wp) ::  height_int                      !<
332    REAL(wp) ::  height_p                        !<
333    REAL(wp) ::  z_p                             !<
334    REAL(wp) ::  z0_av_local                     !<
335
336
337!
338!-- In case of oceans runs, the vertical index calculations need an offset,
339!-- because otherwise the k indices will become negative
340    IF ( ocean_mode )  THEN
341       offset_ocean_nzt    = nzt
342       offset_ocean_nzt_m1 = nzt - 1
343    ENDIF
344
345!
346!-- Define block offsets for dividing a gridcell in 8 sub cells
347!-- See documentation for List of subgrid boxes
348!-- See pack_and_sort in lpm_pack_arrays.f90 for assignment of the subgrid boxes
349    block_offset(0) = block_offset_def ( 0, 0, 0)
350    block_offset(1) = block_offset_def ( 0, 0,-1)
351    block_offset(2) = block_offset_def ( 0,-1, 0)
352    block_offset(3) = block_offset_def ( 0,-1,-1)
353    block_offset(4) = block_offset_def (-1, 0, 0)
354    block_offset(5) = block_offset_def (-1, 0,-1)
355    block_offset(6) = block_offset_def (-1,-1, 0)
356    block_offset(7) = block_offset_def (-1,-1,-1)
357!
358!-- Check the number of particle groups.
359    IF ( number_of_particle_groups > max_number_of_particle_groups )  THEN
360       WRITE( message_string, * ) 'max_number_of_particle_groups =',           &
361                                  max_number_of_particle_groups ,              &
362                                  '&number_of_particle_groups reset to ',      &
363                                  max_number_of_particle_groups
364       CALL message( 'lpm_init', 'PA0213', 0, 1, 0, 6, 0 )
365       number_of_particle_groups = max_number_of_particle_groups
366    ENDIF
367!
368!-- Check if downward-facing walls exist. This case, reflection boundary
369!-- conditions (as well as subgrid-scale velocities) may do not work
370!-- propably (not realized so far).
371    IF ( surf_def_h(1)%ns >= 1 )  THEN
372       WRITE( message_string, * ) 'Overhanging topography do not work '//      &
373                                  'with particles'
374       CALL message( 'lpm_init', 'PA0212', 0, 1, 0, 6, 0 )
375
376    ENDIF
377
378!
379!-- Set default start positions, if necessary
380    IF ( psl(1) == 9999999.9_wp )  psl(1) = 0.0_wp
381    IF ( psr(1) == 9999999.9_wp )  psr(1) = ( nx +1 ) * dx
382    IF ( pss(1) == 9999999.9_wp )  pss(1) = 0.0_wp
383    IF ( psn(1) == 9999999.9_wp )  psn(1) = ( ny +1 ) * dy
384    IF ( psb(1) == 9999999.9_wp )  psb(1) = zu(nz/2)
385    IF ( pst(1) == 9999999.9_wp )  pst(1) = psb(1)
386
387    IF ( pdx(1) == 9999999.9_wp  .OR.  pdx(1) == 0.0_wp )  pdx(1) = dx
388    IF ( pdy(1) == 9999999.9_wp  .OR.  pdy(1) == 0.0_wp )  pdy(1) = dy
389    IF ( pdz(1) == 9999999.9_wp  .OR.  pdz(1) == 0.0_wp )  pdz(1) = zu(2) - zu(1)
390
391!
392!-- If number_particles_per_gridbox is set, the parametres pdx, pdy and pdz are
393!-- calculated diagnostically. Therfore an isotropic distribution is prescribed.
394    IF ( number_particles_per_gridbox /= -1 .AND.   &
395         number_particles_per_gridbox >= 1 )    THEN
396       pdx(1) = (( dx * dy * ( zu(2) - zu(1) ) ) /  &
397             REAL(number_particles_per_gridbox))**0.3333333_wp
398!
399!--    Ensure a smooth value (two significant digits) of distance between
400!--    particles (pdx, pdy, pdz).
401       div = 1000.0_wp
402       DO  WHILE ( pdx(1) < div )
403          div = div / 10.0_wp
404       ENDDO
405       pdx(1) = NINT( pdx(1) * 100.0_wp / div ) * div / 100.0_wp
406       pdy(1) = pdx(1)
407       pdz(1) = pdx(1)
408
409    ENDIF
410
411    DO  j = 2, number_of_particle_groups
412       IF ( psl(j) == 9999999.9_wp )  psl(j) = psl(j-1)
413       IF ( psr(j) == 9999999.9_wp )  psr(j) = psr(j-1)
414       IF ( pss(j) == 9999999.9_wp )  pss(j) = pss(j-1)
415       IF ( psn(j) == 9999999.9_wp )  psn(j) = psn(j-1)
416       IF ( psb(j) == 9999999.9_wp )  psb(j) = psb(j-1)
417       IF ( pst(j) == 9999999.9_wp )  pst(j) = pst(j-1)
418       IF ( pdx(j) == 9999999.9_wp  .OR.  pdx(j) == 0.0_wp )  pdx(j) = pdx(j-1)
419       IF ( pdy(j) == 9999999.9_wp  .OR.  pdy(j) == 0.0_wp )  pdy(j) = pdy(j-1)
420       IF ( pdz(j) == 9999999.9_wp  .OR.  pdz(j) == 0.0_wp )  pdz(j) = pdz(j-1)
421    ENDDO
422
423!
424!-- Allocate arrays required for calculating particle SGS velocities.
425!-- Initialize prefactor required for stoachastic Weil equation.
426    IF ( use_sgs_for_particles  .AND.  .NOT. cloud_droplets )  THEN
427       ALLOCATE( de_dx(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
428                 de_dy(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
429                 de_dz(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
430
431       sgs_wf_part = 1.0_wp / 3.0_wp
432    ENDIF
433
434!
435!-- Allocate array required for logarithmic vertical interpolation of
436!-- horizontal particle velocities between the surface and the first vertical
437!-- grid level. In order to avoid repeated CPU cost-intensive CALLS of
438!-- intrinsic FORTRAN procedure LOG(z/z0), LOG(z/z0) is precalculated for
439!-- several heights. Splitting into 20 sublayers turned out to be sufficient.
440!-- To obtain exact height levels of particles, linear interpolation is applied
441!-- (see lpm_advec.f90).
442    IF ( constant_flux_layer )  THEN
443
444       ALLOCATE ( log_z_z0(0:number_of_sublayers) )
445       z_p = zu(nzb+1) - zw(nzb)
446
447!
448!--    Calculate horizontal mean value of z0 used for logartihmic
449!--    interpolation. Note: this is not exact for heterogeneous z0.
450!--    However, sensitivity studies showed that the effect is
451!--    negligible.
452       z0_av_local  = SUM( surf_def_h(0)%z0 ) + SUM( surf_lsm_h%z0 ) +         &
453                      SUM( surf_usm_h%z0 )
454       z0_av_global = 0.0_wp
455
456#if defined( __parallel )
457       CALL MPI_ALLREDUCE(z0_av_local, z0_av_global, 1, MPI_REAL, MPI_SUM, &
458                          comm2d, ierr )
459#else
460       z0_av_global = z0_av_local
461#endif
462
463       z0_av_global = z0_av_global  / ( ( ny + 1 ) * ( nx + 1 ) )
464!
465!--    Horizontal wind speed is zero below and at z0
466       log_z_z0(0) = 0.0_wp
467!
468!--    Calculate vertical depth of the sublayers
469       height_int  = ( z_p - z0_av_global ) / REAL( number_of_sublayers, KIND=wp )
470!
471!--    Precalculate LOG(z/z0)
472       height_p    = z0_av_global
473       DO  k = 1, number_of_sublayers
474
475          height_p    = height_p + height_int
476          log_z_z0(k) = LOG( height_p / z0_av_global )
477
478       ENDDO
479
480    ENDIF
481
482!
483!-- Check boundary condition and set internal variables
484    SELECT CASE ( bc_par_b )
485
486       CASE ( 'absorb' )
487          ibc_par_b = 1
488
489       CASE ( 'reflect' )
490          ibc_par_b = 2
491
492       CASE DEFAULT
493          WRITE( message_string, * )  'unknown boundary condition ',           &
494                                       'bc_par_b = "', TRIM( bc_par_b ), '"'
495          CALL message( 'lpm_init', 'PA0217', 1, 2, 0, 6, 0 )
496
497    END SELECT
498    SELECT CASE ( bc_par_t )
499
500       CASE ( 'absorb' )
501          ibc_par_t = 1
502
503       CASE ( 'reflect' )
504          ibc_par_t = 2
505         
506       CASE ( 'nested' )
507          ibc_par_t = 3
508
509       CASE DEFAULT
510          WRITE( message_string, * ) 'unknown boundary condition ',            &
511                                     'bc_par_t = "', TRIM( bc_par_t ), '"'
512          CALL message( 'lpm_init', 'PA0218', 1, 2, 0, 6, 0 )
513
514    END SELECT
515    SELECT CASE ( bc_par_lr )
516
517       CASE ( 'cyclic' )
518          ibc_par_lr = 0
519
520       CASE ( 'absorb' )
521          ibc_par_lr = 1
522
523       CASE ( 'reflect' )
524          ibc_par_lr = 2
525         
526       CASE ( 'nested' )
527          ibc_par_lr = 3
528
529       CASE DEFAULT
530          WRITE( message_string, * ) 'unknown boundary condition ',   &
531                                     'bc_par_lr = "', TRIM( bc_par_lr ), '"'
532          CALL message( 'lpm_init', 'PA0219', 1, 2, 0, 6, 0 )
533
534    END SELECT
535    SELECT CASE ( bc_par_ns )
536
537       CASE ( 'cyclic' )
538          ibc_par_ns = 0
539
540       CASE ( 'absorb' )
541          ibc_par_ns = 1
542
543       CASE ( 'reflect' )
544          ibc_par_ns = 2
545         
546       CASE ( 'nested' )
547          ibc_par_ns = 3
548
549       CASE DEFAULT
550          WRITE( message_string, * ) 'unknown boundary condition ',   &
551                                     'bc_par_ns = "', TRIM( bc_par_ns ), '"'
552          CALL message( 'lpm_init', 'PA0220', 1, 2, 0, 6, 0 )
553
554    END SELECT
555    SELECT CASE ( splitting_mode )
556
557       CASE ( 'const' )
558          i_splitting_mode = 1
559
560       CASE ( 'cl_av' )
561          i_splitting_mode = 2
562
563       CASE ( 'gb_av' )
564          i_splitting_mode = 3
565
566       CASE DEFAULT
567          WRITE( message_string, * )  'unknown splitting_mode = "',            &
568                                      TRIM( splitting_mode ), '"'
569          CALL message( 'lpm_init', 'PA0146', 1, 2, 0, 6, 0 )
570
571    END SELECT
572    SELECT CASE ( splitting_function )
573
574       CASE ( 'gamma' )
575          isf = 1
576
577       CASE ( 'log' )
578          isf = 2
579
580       CASE ( 'exp' )
581          isf = 3
582
583       CASE DEFAULT
584          WRITE( message_string, * )  'unknown splitting function = "',        &
585                                       TRIM( splitting_function ), '"'
586          CALL message( 'lpm_init', 'PA0147', 1, 2, 0, 6, 0 )
587
588    END SELECT
589
590
591!
592!-- Initialize collision kernels
593    IF ( collision_kernel /= 'none' )  CALL init_kernels
594
595!
596!-- For the first model run of a possible job chain initialize the
597!-- particles, otherwise read the particle data from restart file.
598    IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data'  &
599         .AND.  read_particles_from_restartfile )  THEN
600
601       CALL lpm_read_restart_file
602
603    ELSE
604
605!
606!--    Allocate particle arrays and set attributes of the initial set of
607!--    particles, which can be also periodically released at later times.
608       ALLOCATE( prt_count(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
609                 grid_particles(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr) )
610
611       number_of_particles         = 0
612
613       sort_count = 0
614       prt_count  = 0
615
616!
617!--    initialize counter for particle IDs
618       grid_particles%id_counter = 1
619
620!
621!--    Initialize all particles with dummy values (otherwise errors may
622!--    occur within restart runs). The reason for this is still not clear
623!--    and may be presumably caused by errors in the respective user-interface.
624       zero_particle = particle_type( 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp,  &
625                                      0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp,  &
626                                      0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp,  &
627                                      0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp,  &
628                                      0, 0, 0_idp, .FALSE., -1 )
629
630       particle_groups = particle_groups_type( 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp )
631
632!
633!--    Set values for the density ratio and radius for all particle
634!--    groups, if necessary
635       IF ( density_ratio(1) == 9999999.9_wp )  density_ratio(1) = 0.0_wp
636       IF ( radius(1)        == 9999999.9_wp )  radius(1) = 0.0_wp
637       DO  i = 2, number_of_particle_groups
638          IF ( density_ratio(i) == 9999999.9_wp )  THEN
639             density_ratio(i) = density_ratio(i-1)
640          ENDIF
641          IF ( radius(i) == 9999999.9_wp )  radius(i) = radius(i-1)
642       ENDDO
643
644       DO  i = 1, number_of_particle_groups
645          IF ( density_ratio(i) /= 0.0_wp  .AND.  radius(i) == 0 )  THEN
646             WRITE( message_string, * ) 'particle group #', i, ' has a',       &
647                                        'density ratio /= 0 but radius = 0'
648             CALL message( 'lpm_init', 'PA0215', 1, 2, 0, 6, 0 )
649          ENDIF
650          particle_groups(i)%density_ratio = density_ratio(i)
651          particle_groups(i)%radius        = radius(i)
652       ENDDO
653
654!
655!--    Set a seed value for the random number generator to be exclusively
656!--    used for the particle code. The generated random numbers should be
657!--    different on the different PEs.
658       iran_part = iran_part + myid
659
660!
661!--    Create the particle set, and set the initial particles
662       CALL lpm_create_particle( phase_init )
663       last_particle_release_time = particle_advection_start
664
665!
666!--    User modification of initial particles
667       CALL user_lpm_init
668
669!
670!--    Open file for statistical informations about particle conditions
671       IF ( write_particle_statistics )  THEN
672          CALL check_open( 80 )
673          WRITE ( 80, 8000 )  current_timestep_number, simulated_time,         &
674                              number_of_particles
675          CALL close_file( 80 )
676       ENDIF
677
678    ENDIF
679
680    IF ( nested_run )  CALL pmcp_g_init
681
682!
683!-- To avoid programm abort, assign particles array to the local version of
684!-- first grid cell
685    number_of_particles = prt_count(nzb+1,nys,nxl)
686    particles => grid_particles(nzb+1,nys,nxl)%particles(1:number_of_particles)
687!
688!-- Formats
6898000 FORMAT (I6,1X,F7.2,4X,I10,71X,I10)
690
691 END SUBROUTINE lpm_init
692
693!------------------------------------------------------------------------------!
694! Description:
695! ------------
696!> @todo Missing subroutine description.
697!------------------------------------------------------------------------------!
698 SUBROUTINE lpm_create_particle (phase)
699   
700    USE arrays_3d,                                                             &
701       ONLY:  zw
702    USE lpm_exchange_horiz_mod,                                                &
703        ONLY: lpm_exchange_horiz, lpm_move_particle, realloc_particles_array
704
705    USE lpm_pack_and_sort_mod,                                                 &
706        ONLY: lpm_sort_in_subboxes
707
708    USE particle_attributes,                                                   &
709        ONLY: deleted_particles
710
711    IMPLICIT  NONE
712
713    INTEGER(iwp)               ::  alloc_size  !< relative increase of allocated memory for particles
714    INTEGER(iwp)               ::  i           !< loop variable ( particle groups )
715    INTEGER(iwp)               ::  ip          !< index variable along x
716    INTEGER(iwp)               ::  j           !< loop variable ( particles per point )
717    INTEGER(iwp)               ::  jp          !< index variable along y
718    INTEGER(iwp)               ::  k           !< index variable along z
719    INTEGER(iwp)               ::  k_surf      !< index of surface grid point
720    INTEGER(iwp)               ::  kp          !< index variable along z
721    INTEGER(iwp)               ::  loop_stride !< loop variable for initialization
722    INTEGER(iwp)               ::  n           !< loop variable ( number of particles )
723    INTEGER(iwp)               ::  new_size    !< new size of allocated memory for particles
724
725    INTEGER(iwp), INTENT(IN)   ::  phase       !< mode of inititialization
726
727    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::  local_count !< start address of new particle
728    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::  local_start !< start address of new particle
729
730    LOGICAL                    ::  first_stride !< flag for initialization
731
732    REAL(wp)                   ::  pos_x      !< increment for particle position in x
733    REAL(wp)                   ::  pos_y      !< increment for particle position in y
734    REAL(wp)                   ::  pos_z      !< increment for particle position in z
735    REAL(wp)                   ::  rand_contr !< dummy argument for random position
736
737    TYPE(particle_type),TARGET ::  tmp_particle !< temporary particle used for initialization
738
739!
740!-- Calculate particle positions and store particle attributes, if
741!-- particle is situated on this PE
742    DO  loop_stride = 1, 2
743       first_stride = (loop_stride == 1)
744       IF ( first_stride )   THEN
745          local_count = 0           ! count number of particles
746       ELSE
747          local_count = prt_count   ! Start address of new particles
748       ENDIF
749
750!
751!--    Calculate initial_weighting_factor diagnostically
752       IF ( number_concentration /= -1.0_wp .AND. number_concentration > 0.0_wp ) THEN
753          initial_weighting_factor =  number_concentration * 1.0E6_wp *             &
754                                      pdx(1) * pdy(1) * pdz(1)
755       END IF
756
757       n = 0
758       DO  i = 1, number_of_particle_groups
759
760          pos_z = psb(i)
761
762          DO WHILE ( pos_z <= pst(i) )
763
764             IF ( pos_z >= zw(0) .AND.  pos_z < zw(nzt) )  THEN
765
766
767                pos_y = pss(i)
768
769                DO WHILE ( pos_y <= psn(i) )
770
771                   IF ( pos_y >= nys * dy  .AND.                  &
772                        pos_y <  ( nyn + 1 ) * dy  ) THEN
773
774                      pos_x = psl(i)
775
776               xloop: DO WHILE ( pos_x <= psr(i) )
777
778                         IF ( pos_x >= nxl * dx  .AND.            &
779                              pos_x <  ( nxr + 1) * dx ) THEN
780
781                            DO  j = 1, particles_per_point
782
783
784                               n = n + 1
785                               tmp_particle%x             = pos_x
786                               tmp_particle%y             = pos_y
787                               tmp_particle%z             = pos_z
788                               tmp_particle%age           = 0.0_wp
789                               tmp_particle%age_m         = 0.0_wp
790                               tmp_particle%dt_sum        = 0.0_wp
791                               tmp_particle%e_m           = 0.0_wp
792                               tmp_particle%rvar1         = 0.0_wp
793                               tmp_particle%rvar2         = 0.0_wp
794                               tmp_particle%rvar3         = 0.0_wp
795                               tmp_particle%speed_x       = 0.0_wp
796                               tmp_particle%speed_y       = 0.0_wp
797                               tmp_particle%speed_z       = 0.0_wp
798                               tmp_particle%origin_x      = pos_x
799                               tmp_particle%origin_y      = pos_y
800                               tmp_particle%origin_z      = pos_z
801                               IF ( curvature_solution_effects )  THEN
802                                  tmp_particle%aux1      = 0.0_wp    ! dry aerosol radius
803                                  tmp_particle%aux2      = dt_3d     ! last Rosenbrock timestep
804                               ELSE
805                                  tmp_particle%aux1      = 0.0_wp    ! free to use
806                                  tmp_particle%aux2      = 0.0_wp    ! free to use
807                               ENDIF
808                               tmp_particle%radius        = particle_groups(i)%radius
809                               tmp_particle%weight_factor = initial_weighting_factor
810                               tmp_particle%class         = 1
811                               tmp_particle%group         = i
812                               tmp_particle%id            = 0_idp
813                               tmp_particle%particle_mask = .TRUE.
814                               tmp_particle%block_nr      = -1
815!
816!--                            Determine the grid indices of the particle position
817                               ip = INT( tmp_particle%x * ddx )
818                               jp = INT( tmp_particle%y * ddy )
819                               kp = INT( tmp_particle%z / dz(1) + 1 + offset_ocean_nzt )
820                               DO WHILE( zw(kp) < tmp_particle%z ) 
821                                  kp = kp + 1
822                               ENDDO
823                               DO WHILE( zw(kp-1) > tmp_particle%z )
824                                  kp = kp - 1
825                               ENDDO 
826!
827!--                            Determine surface level. Therefore, check for
828!--                            upward-facing wall on w-grid.
829                               k_surf = get_topography_top_index_ji( jp, ip, 'w' )
830
831                               IF ( seed_follows_topography )  THEN
832!
833!--                               Particle height is given relative to topography
834                                  kp = kp + k_surf
835                                  tmp_particle%z = tmp_particle%z + zw(k_surf)
836!--                               Skip particle release if particle position is
837!--                               above model top, or within topography in case
838!--                               of overhanging structures.
839                                  IF ( kp > nzt  .OR.                          &
840                                 .NOT. BTEST( wall_flags_0(kp,jp,ip), 0 ) )  THEN
841                                     pos_x = pos_x + pdx(i)
842                                     CYCLE xloop
843                                  ENDIF
844!
845!--                            Skip particle release if particle position is
846!--                            below surface, or within topography in case
847!--                            of overhanging structures.
848                               ELSEIF ( .NOT. seed_follows_topography .AND.    &
849                                         tmp_particle%z <= zw(k_surf)  .OR.    &
850                                        .NOT. BTEST( wall_flags_0(kp,jp,ip), 0 ) )&
851                               THEN
852                                  pos_x = pos_x + pdx(i)
853                                  CYCLE xloop
854                               ENDIF
855
856                               local_count(kp,jp,ip) = local_count(kp,jp,ip) + 1
857
858                               IF ( .NOT. first_stride )  THEN
859                                  IF ( ip < nxl  .OR.  jp < nys  .OR.  kp < nzb+1 )  THEN
860                                     write(6,*) 'xl ',ip,jp,kp,nxl,nys,nzb+1
861                                  ENDIF
862                                  IF ( ip > nxr  .OR.  jp > nyn  .OR.  kp > nzt )  THEN
863                                     write(6,*) 'xu ',ip,jp,kp,nxr,nyn,nzt
864                                  ENDIF
865                                  grid_particles(kp,jp,ip)%particles(local_count(kp,jp,ip)) = tmp_particle
866
867                               ENDIF
868                            ENDDO
869
870                         ENDIF
871
872                         pos_x = pos_x + pdx(i)
873
874                      ENDDO xloop
875
876                   ENDIF
877
878                   pos_y = pos_y + pdy(i)
879
880                ENDDO
881
882             ENDIF
883
884             pos_z = pos_z + pdz(i)
885
886          ENDDO
887
888       ENDDO
889
890       IF ( first_stride )  THEN
891          DO  ip = nxl, nxr
892             DO  jp = nys, nyn
893                DO  kp = nzb+1, nzt
894                   IF ( phase == PHASE_INIT )  THEN
895                      IF ( local_count(kp,jp,ip) > 0 )  THEN
896                         alloc_size = MAX( INT( local_count(kp,jp,ip) *        &
897                            ( 1.0_wp + alloc_factor / 100.0_wp ) ),            &
898                            min_nr_particle )
899                      ELSE
900                         alloc_size = min_nr_particle
901                      ENDIF
902                      ALLOCATE(grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:alloc_size))
903                      DO  n = 1, alloc_size
904                         grid_particles(kp,jp,ip)%particles(n) = zero_particle
905                      ENDDO
906                   ELSEIF ( phase == PHASE_RELEASE )  THEN
907                      IF ( local_count(kp,jp,ip) > 0 )  THEN
908                         new_size   = local_count(kp,jp,ip) + prt_count(kp,jp,ip)
909                         alloc_size = MAX( INT( new_size * ( 1.0_wp +          &
910                            alloc_factor / 100.0_wp ) ), min_nr_particle )
911                         IF( alloc_size > SIZE( grid_particles(kp,jp,ip)%particles) )  THEN
912                            CALL realloc_particles_array(ip,jp,kp,alloc_size)
913                         ENDIF
914                      ENDIF
915                   ENDIF
916                ENDDO
917             ENDDO
918          ENDDO
919       ENDIF
920
921    ENDDO
922
923
924
925    local_start = prt_count+1
926    prt_count   = local_count
927
928!
929!-- Calculate particle IDs
930    DO  ip = nxl, nxr
931       DO  jp = nys, nyn
932          DO  kp = nzb+1, nzt
933             number_of_particles = prt_count(kp,jp,ip)
934             IF ( number_of_particles <= 0 )  CYCLE
935             particles => grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:number_of_particles)
936
937             DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles  !only new particles
938
939                particles(n)%id = 10000_idp**3 * grid_particles(kp,jp,ip)%id_counter + &
940                                  10000_idp**2 * kp + 10000_idp * jp + ip
941!
942!--             Count the number of particles that have been released before
943                grid_particles(kp,jp,ip)%id_counter =                          &
944                                         grid_particles(kp,jp,ip)%id_counter + 1
945
946             ENDDO
947
948          ENDDO
949       ENDDO
950    ENDDO
951
952!
953!-- Initialize aerosol background spectrum
954    IF ( curvature_solution_effects )  THEN
955       CALL lpm_init_aerosols(local_start)
956    ENDIF
957
958!
959!-- Add random fluctuation to particle positions.
960    IF ( random_start_position )  THEN
961       DO  ip = nxl, nxr
962          DO  jp = nys, nyn
963             DO  kp = nzb+1, nzt
964                number_of_particles = prt_count(kp,jp,ip)
965                IF ( number_of_particles <= 0 )  CYCLE
966                particles => grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:number_of_particles)
967!
968!--             Move only new particles. Moreover, limit random fluctuation
969!--             in order to prevent that particles move more than one grid box,
970!--             which would lead to problems concerning particle exchange
971!--             between processors in case pdx/pdy are larger than dx/dy,
972!--             respectively.
973                DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles
974                   IF ( psl(particles(n)%group) /= psr(particles(n)%group) )  THEN
975                      rand_contr = ( random_function( iran_part ) - 0.5_wp ) * &
976                                     pdx(particles(n)%group)
977                      particles(n)%x = particles(n)%x +                        &
978                              MERGE( rand_contr, SIGN( dx, rand_contr ),       &
979                                     ABS( rand_contr ) < dx                    &
980                                   )
981                   ENDIF
982                   IF ( pss(particles(n)%group) /= psn(particles(n)%group) )  THEN
983                      rand_contr = ( random_function( iran_part ) - 0.5_wp ) * &
984                                     pdy(particles(n)%group)
985                      particles(n)%y = particles(n)%y +                        &
986                              MERGE( rand_contr, SIGN( dy, rand_contr ),       &
987                                     ABS( rand_contr ) < dy                    &
988                                   )
989                   ENDIF
990                   IF ( psb(particles(n)%group) /= pst(particles(n)%group) )  THEN
991                      rand_contr = ( random_function( iran_part ) - 0.5_wp ) * &
992                                     pdz(particles(n)%group)
993                      particles(n)%z = particles(n)%z +                        &
994                              MERGE( rand_contr, SIGN( dzw(kp), rand_contr ),  &
995                                     ABS( rand_contr ) < dzw(kp)               &
996                                   )
997                   ENDIF
998                ENDDO
999!
1000!--             Identify particles located outside the model domain and reflect
1001!--             or absorb them if necessary.
1002                CALL lpm_boundary_conds( 'bottom/top', i, j, k )
1003!
1004!--             Furthermore, remove particles located in topography. Note, as
1005!--             the particle speed is still zero at this point, wall
1006!--             reflection boundary conditions will not work in this case.
1007                particles =>                                                   &
1008                       grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:number_of_particles)
1009                DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles
1010                   i = particles(n)%x * ddx
1011                   j = particles(n)%y * ddy
1012                   k = particles(n)%z / dz(1) + 1 + offset_ocean_nzt
1013                   DO WHILE( zw(k) < particles(n)%z )
1014                      k = k + 1
1015                   ENDDO
1016                   DO WHILE( zw(k-1) > particles(n)%z )
1017                      k = k - 1
1018                   ENDDO
1019!
1020!--                Check if particle is within topography
1021                   IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )  THEN
1022                      particles(n)%particle_mask = .FALSE.
1023                      deleted_particles = deleted_particles + 1
1024                   ENDIF
1025
1026                ENDDO
1027             ENDDO
1028          ENDDO
1029       ENDDO
1030!
1031!--    Exchange particles between grid cells and processors
1032       CALL lpm_move_particle
1033       CALL lpm_exchange_horiz
1034
1035    ENDIF
1036!
1037!-- In case of random_start_position, delete particles identified by
1038!-- lpm_exchange_horiz and lpm_boundary_conds. Then sort particles into blocks,
1039!-- which is needed for a fast interpolation of the LES fields on the particle
1040!-- position.
1041    CALL lpm_sort_in_subboxes
1042
1043!
1044!-- Determine the current number of particles
1045    DO  ip = nxl, nxr
1046       DO  jp = nys, nyn
1047          DO  kp = nzb+1, nzt
1048             number_of_particles         = number_of_particles                 &
1049                                           + prt_count(kp,jp,ip)
1050          ENDDO
1051       ENDDO
1052    ENDDO
1053!
1054!-- Calculate the number of particles of the total domain
1055#if defined( __parallel )
1056    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1057    CALL MPI_ALLREDUCE( number_of_particles, total_number_of_particles, 1, &
1058    MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1059#else
1060    total_number_of_particles = number_of_particles
1061#endif
1062
1063    RETURN
1064
1065 END SUBROUTINE lpm_create_particle
1066
1067 SUBROUTINE lpm_init_aerosols(local_start)
1068
1069    USE arrays_3d,                                                             &
1070        ONLY: hyp, pt, q, exner
1071
1072    USE basic_constants_and_equations_mod,                                     &
1073        ONLY: molecular_weight_of_solute, molecular_weight_of_water, magnus,   &
1074              pi, rd_d_rv, rho_l, r_v, rho_s, vanthoff
1075
1076    USE kinds
1077
1078    USE particle_attributes,                                                   &
1079        ONLY: aero_species, aero_type, aero_weight, log_sigma, na, rm
1080
1081    IMPLICIT NONE
1082
1083    REAL(wp)  :: afactor            !< curvature effects
1084    REAL(wp)  :: bfactor            !< solute effects
1085    REAL(wp)  :: dlogr              !< logarithmic width of radius bin
1086    REAL(wp)  :: e_a                !< vapor pressure
1087    REAL(wp)  :: e_s                !< saturation vapor pressure
1088    REAL(wp)  :: rmin = 0.005e-6_wp !< minimum aerosol radius
1089    REAL(wp)  :: rmax = 10.0e-6_wp  !< maximum aerosol radius
1090    REAL(wp)  :: r_mid              !< mean radius of bin
1091    REAL(wp)  :: r_l                !< left radius of bin
1092    REAL(wp)  :: r_r                !< right radius of bin
1093    REAL(wp)  :: sigma              !< surface tension
1094    REAL(wp)  :: t_int              !< temperature
1095
1096    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), INTENT(IN) ::  local_start !<
1097
1098    INTEGER(iwp)  :: n              !<
1099    INTEGER(iwp)  :: ip             !<
1100    INTEGER(iwp)  :: jp             !<
1101    INTEGER(iwp)  :: kp             !<
1102
1103!
1104!-- Set constants for different aerosol species
1105    IF ( TRIM(aero_species) .EQ. 'nacl' ) THEN
1106       molecular_weight_of_solute = 0.05844_wp 
1107       rho_s                      = 2165.0_wp
1108       vanthoff                   = 2.0_wp
1109    ELSEIF ( TRIM(aero_species) .EQ. 'c3h4o4' ) THEN
1110       molecular_weight_of_solute = 0.10406_wp 
1111       rho_s                      = 1600.0_wp
1112       vanthoff                   = 1.37_wp
1113    ELSEIF ( TRIM(aero_species) .EQ. 'nh4o3' ) THEN
1114       molecular_weight_of_solute = 0.08004_wp 
1115       rho_s                      = 1720.0_wp
1116       vanthoff                   = 2.31_wp
1117    ELSE
1118       WRITE( message_string, * ) 'unknown aerosol species ',   &
1119                                'aero_species = "', TRIM( aero_species ), '"'
1120       CALL message( 'lpm_init', 'PA0470', 1, 2, 0, 6, 0 )
1121    ENDIF
1122!
1123!-- The following typical aerosol spectra are taken from Jaenicke (1993):
1124!-- Tropospheric aerosols. Published in Aerosol-Cloud-Climate Interactions.
1125    IF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'polar' )  THEN
1126       na        = (/ 2.17e1, 1.86e-1, 3.04e-4 /) * 1.0E6
1127       rm        = (/ 0.0689, 0.375, 4.29 /) * 1.0E-6
1128       log_sigma = (/ 0.245, 0.300, 0.291 /)
1129    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'background' )  THEN
1130       na        = (/ 1.29e2, 5.97e1, 6.35e1 /) * 1.0E6
1131       rm        = (/ 0.0036, 0.127, 0.259 /) * 1.0E-6
1132       log_sigma = (/ 0.645, 0.253, 0.425 /)
1133    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'maritime' )  THEN
1134       na        = (/ 1.33e2, 6.66e1, 3.06e0 /) * 1.0E6
1135       rm        = (/ 0.0039, 0.133, 0.29 /) * 1.0E-6
1136       log_sigma = (/ 0.657, 0.210, 0.396 /)
1137    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'continental' )  THEN
1138       na        = (/ 3.20e3, 2.90e3, 3.00e-1 /) * 1.0E6
1139       rm        = (/ 0.01, 0.058, 0.9 /) * 1.0E-6
1140       log_sigma = (/ 0.161, 0.217, 0.380 /)
1141    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'desert' )  THEN
1142       na        = (/ 7.26e2, 1.14e3, 1.78e-1 /) * 1.0E6
1143       rm        = (/ 0.001, 0.0188, 10.8 /) * 1.0E-6
1144       log_sigma = (/ 0.247, 0.770, 0.438 /)
1145    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'rural' )  THEN
1146       na        = (/ 6.65e3, 1.47e2, 1.99e3 /) * 1.0E6
1147       rm        = (/ 0.00739, 0.0269, 0.0419 /) * 1.0E-6
1148       log_sigma = (/ 0.225, 0.557, 0.266 /)
1149    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'urban' )  THEN
1150       na        = (/ 9.93e4, 1.11e3, 3.64e4 /) * 1.0E6
1151       rm        = (/ 0.00651, 0.00714, 0.0248 /) * 1.0E-6
1152       log_sigma = (/ 0.245, 0.666, 0.337 /)
1153    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'user' )  THEN
1154       CONTINUE
1155    ELSE
1156       WRITE( message_string, * ) 'unknown aerosol type ',   &
1157                                'aero_type = "', TRIM( aero_type ), '"'
1158       CALL message( 'lpm_init', 'PA0459', 1, 2, 0, 6, 0 )
1159    ENDIF
1160
1161    DO  ip = nxl, nxr
1162       DO  jp = nys, nyn
1163          DO  kp = nzb+1, nzt
1164
1165             number_of_particles = prt_count(kp,jp,ip)
1166             IF ( number_of_particles <= 0 )  CYCLE
1167             particles => grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:number_of_particles)
1168
1169             dlogr   = ( LOG10(rmax) - LOG10(rmin) ) / ( number_of_particles - local_start(kp,jp,ip) + 1 )
1170!
1171!--          Initialize the aerosols with a predefined spectral distribution
1172!--          of the dry radius (logarithmically increasing bins) and a varying
1173!--          weighting factor
1174             DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles  !only new particles
1175
1176                r_l   = 10.0**( LOG10( rmin ) + (n-1) * dlogr )
1177                r_r   = 10.0**( LOG10( rmin ) + n * dlogr )
1178                r_mid = SQRT( r_l * r_r )
1179
1180                particles(n)%aux1          = r_mid
1181                particles(n)%weight_factor =                                           &
1182                   ( na(1) / ( SQRT( 2.0 * pi ) * log_sigma(1) ) *                     &
1183                     EXP( - LOG10( r_mid / rm(1) )**2 / ( 2.0 * log_sigma(1)**2 ) ) +  &
1184                     na(2) / ( SQRT( 2.0 * pi ) * log_sigma(2) ) *                     &
1185                     EXP( - LOG10( r_mid / rm(2) )**2 / ( 2.0 * log_sigma(2)**2 ) ) +  &
1186                     na(3) / ( SQRT( 2.0 * pi ) * log_sigma(3) ) *                     &
1187                     EXP( - LOG10( r_mid / rm(3) )**2 / ( 2.0 * log_sigma(3)**2 ) )    &
1188                   ) * ( LOG10(r_r) - LOG10(r_l) ) * ( dx * dy * dzw(kp) )
1189
1190!
1191!--             Multiply weight_factor with the namelist parameter aero_weight
1192!--             to increase or decrease the number of simulated aerosols
1193                particles(n)%weight_factor = particles(n)%weight_factor * aero_weight
1194
1195                IF ( particles(n)%weight_factor - FLOOR(particles(n)%weight_factor,KIND=wp) &
1196                     .GT. random_function( iran_part ) )  THEN
1197                   particles(n)%weight_factor = FLOOR(particles(n)%weight_factor,KIND=wp) + 1.0_wp
1198                ELSE
1199                   particles(n)%weight_factor = FLOOR(particles(n)%weight_factor,KIND=wp)
1200                ENDIF
1201!
1202!--             Unnecessary particles will be deleted
1203                IF ( particles(n)%weight_factor .LE. 0.0 )  particles(n)%particle_mask = .FALSE.
1204
1205             ENDDO
1206!
1207!--          Set particle radius to equilibrium radius based on the environmental
1208!--          supersaturation (Khvorostyanov and Curry, 2007, JGR). This avoids
1209!--          the sometimes lengthy growth toward their equilibrium radius within
1210!--          the simulation.
1211             t_int  = pt(kp,jp,ip) * exner(kp)
1212
1213             e_s = magnus( t_int )
1214             e_a = q(kp,jp,ip) * hyp(kp) / ( q(kp,jp,ip) + rd_d_rv )
1215
1216             sigma   = 0.0761_wp - 0.000155_wp * ( t_int - 273.15_wp )
1217             afactor = 2.0_wp * sigma / ( rho_l * r_v * t_int )
1218
1219             bfactor = vanthoff * molecular_weight_of_water *    &
1220                       rho_s / ( molecular_weight_of_solute * rho_l )
1221!
1222!--          The formula is only valid for subsaturated environments. For
1223!--          supersaturations higher than -5 %, the supersaturation is set to -5%.
1224             IF ( e_a / e_s >= 0.95_wp )  e_a = 0.95_wp * e_s
1225
1226             DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles  !only new particles
1227!
1228!--             For details on this equation, see Eq. (14) of Khvorostyanov and
1229!--             Curry (2007, JGR)
1230                particles(n)%radius = bfactor**0.3333333_wp *                  &
1231                   particles(n)%aux1 / ( 1.0_wp - e_a / e_s )**0.3333333_wp / &
1232                   ( 1.0_wp + ( afactor / ( 3.0_wp * bfactor**0.3333333_wp *   &
1233                     particles(n)%aux1 ) ) /                                  &
1234                     ( 1.0_wp - e_a / e_s )**0.6666666_wp                      &
1235                   )
1236
1237             ENDDO
1238
1239          ENDDO
1240       ENDDO
1241    ENDDO
1242
1243 END SUBROUTINE lpm_init_aerosols
1244
1245END MODULE lpm_init_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.