source: palm/trunk/SOURCE/lpm_init.f90 @ 3981

Last change on this file since 3981 was 3981, checked in by suehring, 5 years ago

Bugfix in particlel nesting, TKE-gradients at ghost points at non-cyclic boundaries were not initialized

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 48.1 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 1997-2019 Leibniz Universitaet Hannover
18!------------------------------------------------------------------------------!
19!
20! Current revisions:
21! -----------------
22!
23!
24! Former revisions:
25! -----------------
26! $Id: lpm_init.f90 3981 2019-05-15 14:43:01Z suehring $
27! Bugfix in particle nesting, initialize TKE gradient with zero
28!
29! 3655 2019-01-07 16:51:22Z knoop
30! Changed number concentration unit to SI standard
31!
32! 3560 2018-11-23 09:20:21Z raasch
33! set the first particle release time
34!
35! 3524 2018-11-14 13:36:44Z raasch
36! added missing working precision
37!
38! 3361 2018-10-16 20:39:37Z knoop
39! ocean renamed ocean_mode
40!
41! 3274 2018-09-24 15:42:55Z knoop
42! Modularization of all bulk cloud physics code components
43!
44! 3241 2018-09-12 15:02:00Z raasch
45! unused variables removed
46!
47! 3065 2018-06-12 07:03:02Z Giersch
48! dz was replaced by dzw or dz(1) to allow for right vertical stretching
49!
50! 3049 2018-05-29 13:52:36Z Giersch
51! Error messages revised
52!
53! 3045 2018-05-28 07:55:41Z Giersch
54! Error message revised
55!
56! 3039 2018-05-24 13:13:11Z schwenkel
57! bugfix for lcm with grid stretching
58!
59! 2967 2018-04-13 11:22:08Z raasch
60! nesting routine is only called if nesting is switched on
61!
62! 2954 2018-04-09 14:35:46Z schwenkel
63! Bugfix for particle initialization in case of ocean
64!
65! 2801 2018-02-14 16:01:55Z thiele
66! Introduce particle transfer in nested models.
67!
68! 2718 2018-01-02 08:49:38Z maronga
69! Corrected "Former revisions" section
70!
71! 2701 2017-12-15 15:40:50Z suehring
72! Changes from last commit documented
73!
74! 2698 2017-12-14 18:46:24Z suehring
75! Grid indices passed to lpm_boundary_conds. (responsible Philipp Thiele)
76!
77! 2696 2017-12-14 17:12:51Z kanani
78! Change in file header (GPL part)
79!
80! 2628 2017-11-20 12:40:38Z schwenkel
81! Enabled particle advection with grid stretching.
82!
83! 2608 2017-11-13 14:04:26Z schwenkel
84! Calculation of magnus equation in external module (diagnostic_quantities_mod).
85!
86! 2606 2017-11-10 10:36:31Z schwenkel
87! Changed particle box locations: center of particle box now coincides
88! with scalar grid point of same index.
89! Renamed module and subroutines: lpm_pack_arrays_mod -> lpm_pack_and_sort_mod
90! lpm_pack_all_arrays -> lpm_sort_in_subboxes, lpm_pack_arrays -> lpm_pack
91! lpm_sort -> lpm_sort_timeloop_done
92!
93! 2375 2017-08-29 14:10:28Z schwenkel
94! Initialization of chemical aerosol composition
95!
96! 2346 2017-08-09 16:39:17Z suehring
97! Bugfix, correct determination of topography top index
98!
99! 2318 2017-07-20 17:27:44Z suehring
100! Get topography top index via Function call
101!
102! 2317 2017-07-20 17:27:19Z suehring
103! Extended particle data type. Aerosol initialization improved.
104!
105! 2305 2017-07-06 11:18:47Z hoffmann
106! Improved calculation of particle IDs.
107!
108! 2274 2017-06-09 13:27:48Z Giersch
109!  Changed error messages
110!
111! 2265 2017-06-08 16:58:28Z schwenkel
112! Unused variables removed.
113!
114! 2263 2017-06-08 14:59:01Z schwenkel
115! Implemented splitting and merging algorithm
116!
117! 2233 2017-05-30 18:08:54Z suehring
118!
119! 2232 2017-05-30 17:47:52Z suehring
120! Adjustments according to new topography realization
121!
122!
123! 2223 2017-05-15 16:38:09Z suehring
124! Add check for particle release at model top
125!
126! 2182 2017-03-17 14:27:40Z schwenkel
127! Added parameters for simplified particle initialization.
128!
129! 2122 2017-01-18 12:22:54Z hoffmann
130! Improved initialization of equilibrium aerosol radii
131! Calculation of particle ID
132!
133! 2000 2016-08-20 18:09:15Z knoop
134! Forced header and separation lines into 80 columns
135!
136! 2016-06-09 16:25:25Z suehring
137! Bugfix in determining initial particle height and grid index in case of
138! seed_follows_topography.
139! Bugfix concerning random positions, ensure that particles do not move more
140! than one grid length.
141! Bugfix logarithmic interpolation.
142! Initial setting of sgs_wf_part.
143!
144! 1890 2016-04-22 08:52:11Z hoffmann
145! Initialization of aerosol equilibrium radius not possible in supersaturated
146! environments. Therefore, a maximum supersaturation of -1 % is assumed during
147! initialization.
148!
149! 1873 2016-04-18 14:50:06Z maronga
150! Module renamed (removed _mod
151!
152! 1871 2016-04-15 11:46:09Z hoffmann
153! Initialization of aerosols added.
154!
155! 1850 2016-04-08 13:29:27Z maronga
156! Module renamed
157!
158! 1831 2016-04-07 13:15:51Z hoffmann
159! curvature_solution_effects moved to particle_attributes
160!
161! 1822 2016-04-07 07:49:42Z hoffmann
162! Unused variables removed.
163!
164! 1783 2016-03-06 18:36:17Z raasch
165! netcdf module added
166!
167! 1725 2015-11-17 13:01:51Z hoffmann
168! Bugfix: Processor-dependent seed for random function is generated before it is
169! used.
170!
171! 1691 2015-10-26 16:17:44Z maronga
172! Renamed prandtl_layer to constant_flux_layer.
173!
174! 1685 2015-10-08 07:32:13Z raasch
175! bugfix concerning vertical index offset in case of ocean
176!
177! 1682 2015-10-07 23:56:08Z knoop
178! Code annotations made doxygen readable
179!
180! 1575 2015-03-27 09:56:27Z raasch
181! initial vertical particle position is allowed to follow the topography
182!
183! 1359 2014-04-11 17:15:14Z hoffmann
184! New particle structure integrated.
185! Kind definition added to all floating point numbers.
186! lpm_init changed form a subroutine to a module.
187!
188! 1327 2014-03-21 11:00:16Z raasch
189! -netcdf_output
190!
191! 1322 2014-03-20 16:38:49Z raasch
192! REAL functions provided with KIND-attribute
193!
194! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
195! ONLY-attribute added to USE-statements,
196! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
197! kinds are defined in new module kinds,
198! revision history before 2012 removed,
199! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
200! all variable declaration statements
201! bugfix: #if defined( __parallel ) added
202!
203! 1314 2014-03-14 18:25:17Z suehring
204! Vertical logarithmic interpolation of horizontal particle speed for particles
205! between roughness height and first vertical grid level.
206!
207! 1092 2013-02-02 11:24:22Z raasch
208! unused variables removed
209!
210! 1036 2012-10-22 13:43:42Z raasch
211! code put under GPL (PALM 3.9)
212!
213! 849 2012-03-15 10:35:09Z raasch
214! routine renamed: init_particles -> lpm_init
215! de_dx, de_dy, de_dz are allocated here (instead of automatic arrays in
216! advec_particles),
217! sort_particles renamed lpm_sort_arrays, user_init_particles renamed lpm_init
218!
219! 828 2012-02-21 12:00:36Z raasch
220! call of init_kernels, particle feature color renamed class
221!
222! 824 2012-02-17 09:09:57Z raasch
223! particle attributes speed_x|y|z_sgs renamed rvar1|2|3,
224! array particles implemented as pointer
225!
226! 667 2010-12-23 12:06:00Z suehring/gryschka
227! nxl-1, nxr+1, nys-1, nyn+1 replaced by nxlg, nxrg, nysg, nyng for allocation
228! of arrays.
229!
230! Revision 1.1  1999/11/25 16:22:38  raasch
231! Initial revision
232!
233!
234! Description:
235! ------------
236!> This routine initializes a set of particles and their attributes (position,
237!> radius, ..) which are used by the Lagrangian particle model (see lpm).
238!------------------------------------------------------------------------------!
239 MODULE lpm_init_mod
240
241    USE, INTRINSIC ::  ISO_C_BINDING
242
243    USE arrays_3d,                                                             &
244        ONLY:  de_dx, de_dy, de_dz, dzw, zu, zw
245
246    USE control_parameters,                                                    &
247        ONLY:  cloud_droplets, constant_flux_layer, current_timestep_number,   &
248               dt_3d, dz, initializing_actions, message_string, ocean_mode,    &
249               simulated_time
250
251    USE grid_variables,                                                        &
252        ONLY:  ddx, dx, ddy, dy
253
254    USE indices,                                                               &
255        ONLY:  nx, nxl, nxlg, nxrg, nxr, ny, nyn, nys, nyng, nysg, nz, nzb,    &
256               nzt, wall_flags_0
257
258    USE kinds
259
260    USE lpm_collision_kernels_mod,                                             &
261        ONLY:  init_kernels
262
263    USE netcdf_interface,                                                      &
264        ONLY:  netcdf_data_format
265
266    USE particle_attributes,                                                   &
267        ONLY:   alloc_factor, bc_par_b, bc_par_lr, bc_par_ns, bc_par_t,        &
268                block_offset, block_offset_def, collision_kernel,              &
269                curvature_solution_effects, density_ratio, grid_particles,     &
270                isf,i_splitting_mode, initial_weighting_factor, ibc_par_b,     &
271                ibc_par_lr, ibc_par_ns, ibc_par_t, iran_part,                  &
272                last_particle_release_time, log_z_z0,                          &
273                max_number_of_particle_groups, min_nr_particle,                &
274                number_concentration,                                          &
275                number_particles_per_gridbox,  number_of_particles,            &
276                number_of_particle_groups, number_of_sublayers,                &
277                offset_ocean_nzt, offset_ocean_nzt_m1,                         &
278                particles, particle_advection_start, particle_groups,          &
279                particle_groups_type, particles_per_point,                     &
280                particle_type, pdx, pdy, pdz,  prt_count, psb, psl, psn, psr,  &
281                pss, pst, radius, random_start_position,                       &
282                read_particles_from_restartfile, seed_follows_topography,      &
283                sgs_wf_part, sort_count, splitting_function, splitting_mode,   &
284                total_number_of_particles, use_sgs_for_particles,              &
285                write_particle_statistics, zero_particle, z0_av_global
286
287    USE pegrid
288
289    USE random_function_mod,                                                   &
290        ONLY:  random_function
291
292    USE surface_mod,                                                           &
293        ONLY:  get_topography_top_index_ji, surf_def_h, surf_lsm_h, surf_usm_h
294
295    USE pmc_particle_interface,                                                &
296        ONLY:  pmcp_g_init
297
298    IMPLICIT NONE
299
300    PRIVATE
301
302    INTEGER(iwp), PARAMETER         :: PHASE_INIT    = 1  !<
303    INTEGER(iwp), PARAMETER, PUBLIC :: PHASE_RELEASE = 2  !<
304
305    INTERFACE lpm_init
306       MODULE PROCEDURE lpm_init
307    END INTERFACE lpm_init
308
309    INTERFACE lpm_create_particle
310       MODULE PROCEDURE lpm_create_particle
311    END INTERFACE lpm_create_particle
312
313    PUBLIC lpm_init, lpm_create_particle
314
315 CONTAINS
316
317!------------------------------------------------------------------------------!
318! Description:
319! ------------
320!> @todo Missing subroutine description.
321!------------------------------------------------------------------------------!
322 SUBROUTINE lpm_init
323
324    USE lpm_collision_kernels_mod,                                             &
325        ONLY:  init_kernels
326
327    USE pmc_interface,                                                         &
328        ONLY: nested_run
329
330    IMPLICIT NONE
331
332    INTEGER(iwp) ::  i                           !<
333    INTEGER(iwp) ::  j                           !<
334    INTEGER(iwp) ::  k                           !<
335
336    REAL(wp) ::  div                             !<
337    REAL(wp) ::  height_int                      !<
338    REAL(wp) ::  height_p                        !<
339    REAL(wp) ::  z_p                             !<
340    REAL(wp) ::  z0_av_local                     !<
341
342
343!
344!-- In case of oceans runs, the vertical index calculations need an offset,
345!-- because otherwise the k indices will become negative
346    IF ( ocean_mode )  THEN
347       offset_ocean_nzt    = nzt
348       offset_ocean_nzt_m1 = nzt - 1
349    ENDIF
350
351!
352!-- Define block offsets for dividing a gridcell in 8 sub cells
353!-- See documentation for List of subgrid boxes
354!-- See pack_and_sort in lpm_pack_arrays.f90 for assignment of the subgrid boxes
355    block_offset(0) = block_offset_def ( 0, 0, 0)
356    block_offset(1) = block_offset_def ( 0, 0,-1)
357    block_offset(2) = block_offset_def ( 0,-1, 0)
358    block_offset(3) = block_offset_def ( 0,-1,-1)
359    block_offset(4) = block_offset_def (-1, 0, 0)
360    block_offset(5) = block_offset_def (-1, 0,-1)
361    block_offset(6) = block_offset_def (-1,-1, 0)
362    block_offset(7) = block_offset_def (-1,-1,-1)
363!
364!-- Check the number of particle groups.
365    IF ( number_of_particle_groups > max_number_of_particle_groups )  THEN
366       WRITE( message_string, * ) 'max_number_of_particle_groups =',           &
367                                  max_number_of_particle_groups ,              &
368                                  '&number_of_particle_groups reset to ',      &
369                                  max_number_of_particle_groups
370       CALL message( 'lpm_init', 'PA0213', 0, 1, 0, 6, 0 )
371       number_of_particle_groups = max_number_of_particle_groups
372    ENDIF
373!
374!-- Check if downward-facing walls exist. This case, reflection boundary
375!-- conditions (as well as subgrid-scale velocities) may do not work
376!-- propably (not realized so far).
377    IF ( surf_def_h(1)%ns >= 1 )  THEN
378       WRITE( message_string, * ) 'Overhanging topography do not work '//      &
379                                  'with particles'
380       CALL message( 'lpm_init', 'PA0212', 0, 1, 0, 6, 0 )
381
382    ENDIF
383
384!
385!-- Set default start positions, if necessary
386    IF ( psl(1) == 9999999.9_wp )  psl(1) = 0.0_wp
387    IF ( psr(1) == 9999999.9_wp )  psr(1) = ( nx +1 ) * dx
388    IF ( pss(1) == 9999999.9_wp )  pss(1) = 0.0_wp
389    IF ( psn(1) == 9999999.9_wp )  psn(1) = ( ny +1 ) * dy
390    IF ( psb(1) == 9999999.9_wp )  psb(1) = zu(nz/2)
391    IF ( pst(1) == 9999999.9_wp )  pst(1) = psb(1)
392
393    IF ( pdx(1) == 9999999.9_wp  .OR.  pdx(1) == 0.0_wp )  pdx(1) = dx
394    IF ( pdy(1) == 9999999.9_wp  .OR.  pdy(1) == 0.0_wp )  pdy(1) = dy
395    IF ( pdz(1) == 9999999.9_wp  .OR.  pdz(1) == 0.0_wp )  pdz(1) = zu(2) - zu(1)
396
397!
398!-- If number_particles_per_gridbox is set, the parametres pdx, pdy and pdz are
399!-- calculated diagnostically. Therfore an isotropic distribution is prescribed.
400    IF ( number_particles_per_gridbox /= -1 .AND.   &
401         number_particles_per_gridbox >= 1 )    THEN
402       pdx(1) = (( dx * dy * ( zu(2) - zu(1) ) ) /  &
403             REAL(number_particles_per_gridbox))**0.3333333_wp
404!
405!--    Ensure a smooth value (two significant digits) of distance between
406!--    particles (pdx, pdy, pdz).
407       div = 1000.0_wp
408       DO  WHILE ( pdx(1) < div )
409          div = div / 10.0_wp
410       ENDDO
411       pdx(1) = NINT( pdx(1) * 100.0_wp / div ) * div / 100.0_wp
412       pdy(1) = pdx(1)
413       pdz(1) = pdx(1)
414
415    ENDIF
416
417    DO  j = 2, number_of_particle_groups
418       IF ( psl(j) == 9999999.9_wp )  psl(j) = psl(j-1)
419       IF ( psr(j) == 9999999.9_wp )  psr(j) = psr(j-1)
420       IF ( pss(j) == 9999999.9_wp )  pss(j) = pss(j-1)
421       IF ( psn(j) == 9999999.9_wp )  psn(j) = psn(j-1)
422       IF ( psb(j) == 9999999.9_wp )  psb(j) = psb(j-1)
423       IF ( pst(j) == 9999999.9_wp )  pst(j) = pst(j-1)
424       IF ( pdx(j) == 9999999.9_wp  .OR.  pdx(j) == 0.0_wp )  pdx(j) = pdx(j-1)
425       IF ( pdy(j) == 9999999.9_wp  .OR.  pdy(j) == 0.0_wp )  pdy(j) = pdy(j-1)
426       IF ( pdz(j) == 9999999.9_wp  .OR.  pdz(j) == 0.0_wp )  pdz(j) = pdz(j-1)
427    ENDDO
428
429!
430!-- Allocate arrays required for calculating particle SGS velocities.
431!-- Initialize prefactor required for stoachastic Weil equation.
432    IF ( use_sgs_for_particles  .AND.  .NOT. cloud_droplets )  THEN
433       ALLOCATE( de_dx(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
434                 de_dy(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
435                 de_dz(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
436       de_dx = 0.0_wp
437       de_dy = 0.0_wp
438       de_dz = 0.0_wp
439
440       sgs_wf_part = 1.0_wp / 3.0_wp
441    ENDIF
442
443!
444!-- Allocate array required for logarithmic vertical interpolation of
445!-- horizontal particle velocities between the surface and the first vertical
446!-- grid level. In order to avoid repeated CPU cost-intensive CALLS of
447!-- intrinsic FORTRAN procedure LOG(z/z0), LOG(z/z0) is precalculated for
448!-- several heights. Splitting into 20 sublayers turned out to be sufficient.
449!-- To obtain exact height levels of particles, linear interpolation is applied
450!-- (see lpm_advec.f90).
451    IF ( constant_flux_layer )  THEN
452
453       ALLOCATE ( log_z_z0(0:number_of_sublayers) )
454       z_p = zu(nzb+1) - zw(nzb)
455
456!
457!--    Calculate horizontal mean value of z0 used for logartihmic
458!--    interpolation. Note: this is not exact for heterogeneous z0.
459!--    However, sensitivity studies showed that the effect is
460!--    negligible.
461       z0_av_local  = SUM( surf_def_h(0)%z0 ) + SUM( surf_lsm_h%z0 ) +         &
462                      SUM( surf_usm_h%z0 )
463       z0_av_global = 0.0_wp
464
465#if defined( __parallel )
466       CALL MPI_ALLREDUCE(z0_av_local, z0_av_global, 1, MPI_REAL, MPI_SUM, &
467                          comm2d, ierr )
468#else
469       z0_av_global = z0_av_local
470#endif
471
472       z0_av_global = z0_av_global  / ( ( ny + 1 ) * ( nx + 1 ) )
473!
474!--    Horizontal wind speed is zero below and at z0
475       log_z_z0(0) = 0.0_wp
476!
477!--    Calculate vertical depth of the sublayers
478       height_int  = ( z_p - z0_av_global ) / REAL( number_of_sublayers, KIND=wp )
479!
480!--    Precalculate LOG(z/z0)
481       height_p    = z0_av_global
482       DO  k = 1, number_of_sublayers
483
484          height_p    = height_p + height_int
485          log_z_z0(k) = LOG( height_p / z0_av_global )
486
487       ENDDO
488
489    ENDIF
490
491!
492!-- Check boundary condition and set internal variables
493    SELECT CASE ( bc_par_b )
494
495       CASE ( 'absorb' )
496          ibc_par_b = 1
497
498       CASE ( 'reflect' )
499          ibc_par_b = 2
500
501       CASE DEFAULT
502          WRITE( message_string, * )  'unknown boundary condition ',           &
503                                       'bc_par_b = "', TRIM( bc_par_b ), '"'
504          CALL message( 'lpm_init', 'PA0217', 1, 2, 0, 6, 0 )
505
506    END SELECT
507    SELECT CASE ( bc_par_t )
508
509       CASE ( 'absorb' )
510          ibc_par_t = 1
511
512       CASE ( 'reflect' )
513          ibc_par_t = 2
514         
515       CASE ( 'nested' )
516          ibc_par_t = 3
517
518       CASE DEFAULT
519          WRITE( message_string, * ) 'unknown boundary condition ',            &
520                                     'bc_par_t = "', TRIM( bc_par_t ), '"'
521          CALL message( 'lpm_init', 'PA0218', 1, 2, 0, 6, 0 )
522
523    END SELECT
524    SELECT CASE ( bc_par_lr )
525
526       CASE ( 'cyclic' )
527          ibc_par_lr = 0
528
529       CASE ( 'absorb' )
530          ibc_par_lr = 1
531
532       CASE ( 'reflect' )
533          ibc_par_lr = 2
534         
535       CASE ( 'nested' )
536          ibc_par_lr = 3
537
538       CASE DEFAULT
539          WRITE( message_string, * ) 'unknown boundary condition ',   &
540                                     'bc_par_lr = "', TRIM( bc_par_lr ), '"'
541          CALL message( 'lpm_init', 'PA0219', 1, 2, 0, 6, 0 )
542
543    END SELECT
544    SELECT CASE ( bc_par_ns )
545
546       CASE ( 'cyclic' )
547          ibc_par_ns = 0
548
549       CASE ( 'absorb' )
550          ibc_par_ns = 1
551
552       CASE ( 'reflect' )
553          ibc_par_ns = 2
554         
555       CASE ( 'nested' )
556          ibc_par_ns = 3
557
558       CASE DEFAULT
559          WRITE( message_string, * ) 'unknown boundary condition ',   &
560                                     'bc_par_ns = "', TRIM( bc_par_ns ), '"'
561          CALL message( 'lpm_init', 'PA0220', 1, 2, 0, 6, 0 )
562
563    END SELECT
564    SELECT CASE ( splitting_mode )
565
566       CASE ( 'const' )
567          i_splitting_mode = 1
568
569       CASE ( 'cl_av' )
570          i_splitting_mode = 2
571
572       CASE ( 'gb_av' )
573          i_splitting_mode = 3
574
575       CASE DEFAULT
576          WRITE( message_string, * )  'unknown splitting_mode = "',            &
577                                      TRIM( splitting_mode ), '"'
578          CALL message( 'lpm_init', 'PA0146', 1, 2, 0, 6, 0 )
579
580    END SELECT
581    SELECT CASE ( splitting_function )
582
583       CASE ( 'gamma' )
584          isf = 1
585
586       CASE ( 'log' )
587          isf = 2
588
589       CASE ( 'exp' )
590          isf = 3
591
592       CASE DEFAULT
593          WRITE( message_string, * )  'unknown splitting function = "',        &
594                                       TRIM( splitting_function ), '"'
595          CALL message( 'lpm_init', 'PA0147', 1, 2, 0, 6, 0 )
596
597    END SELECT
598
599
600!
601!-- Initialize collision kernels
602    IF ( collision_kernel /= 'none' )  CALL init_kernels
603
604!
605!-- For the first model run of a possible job chain initialize the
606!-- particles, otherwise read the particle data from restart file.
607    IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data'  &
608         .AND.  read_particles_from_restartfile )  THEN
609
610       CALL lpm_read_restart_file
611
612    ELSE
613
614!
615!--    Allocate particle arrays and set attributes of the initial set of
616!--    particles, which can be also periodically released at later times.
617       ALLOCATE( prt_count(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), &
618                 grid_particles(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr) )
619
620       number_of_particles         = 0
621
622       sort_count = 0
623       prt_count  = 0
624
625!
626!--    initialize counter for particle IDs
627       grid_particles%id_counter = 1
628
629!
630!--    Initialize all particles with dummy values (otherwise errors may
631!--    occur within restart runs). The reason for this is still not clear
632!--    and may be presumably caused by errors in the respective user-interface.
633       zero_particle = particle_type( 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp,  &
634                                      0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp,  &
635                                      0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp,  &
636                                      0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp,  &
637                                      0, 0, 0_idp, .FALSE., -1 )
638
639       particle_groups = particle_groups_type( 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp )
640
641!
642!--    Set values for the density ratio and radius for all particle
643!--    groups, if necessary
644       IF ( density_ratio(1) == 9999999.9_wp )  density_ratio(1) = 0.0_wp
645       IF ( radius(1)        == 9999999.9_wp )  radius(1) = 0.0_wp
646       DO  i = 2, number_of_particle_groups
647          IF ( density_ratio(i) == 9999999.9_wp )  THEN
648             density_ratio(i) = density_ratio(i-1)
649          ENDIF
650          IF ( radius(i) == 9999999.9_wp )  radius(i) = radius(i-1)
651       ENDDO
652
653       DO  i = 1, number_of_particle_groups
654          IF ( density_ratio(i) /= 0.0_wp  .AND.  radius(i) == 0 )  THEN
655             WRITE( message_string, * ) 'particle group #', i, ' has a',       &
656                                        'density ratio /= 0 but radius = 0'
657             CALL message( 'lpm_init', 'PA0215', 1, 2, 0, 6, 0 )
658          ENDIF
659          particle_groups(i)%density_ratio = density_ratio(i)
660          particle_groups(i)%radius        = radius(i)
661       ENDDO
662
663!
664!--    Set a seed value for the random number generator to be exclusively
665!--    used for the particle code. The generated random numbers should be
666!--    different on the different PEs.
667       iran_part = iran_part + myid
668
669!
670!--    Create the particle set, and set the initial particles
671       CALL lpm_create_particle( phase_init )
672       last_particle_release_time = particle_advection_start
673
674!
675!--    User modification of initial particles
676       CALL user_lpm_init
677
678!
679!--    Open file for statistical informations about particle conditions
680       IF ( write_particle_statistics )  THEN
681          CALL check_open( 80 )
682          WRITE ( 80, 8000 )  current_timestep_number, simulated_time,         &
683                              number_of_particles
684          CALL close_file( 80 )
685       ENDIF
686
687    ENDIF
688
689    IF ( nested_run )  CALL pmcp_g_init
690
691!
692!-- To avoid programm abort, assign particles array to the local version of
693!-- first grid cell
694    number_of_particles = prt_count(nzb+1,nys,nxl)
695    particles => grid_particles(nzb+1,nys,nxl)%particles(1:number_of_particles)
696!
697!-- Formats
6988000 FORMAT (I6,1X,F7.2,4X,I10,71X,I10)
699
700 END SUBROUTINE lpm_init
701
702!------------------------------------------------------------------------------!
703! Description:
704! ------------
705!> @todo Missing subroutine description.
706!------------------------------------------------------------------------------!
707 SUBROUTINE lpm_create_particle (phase)
708   
709    USE arrays_3d,                                                             &
710       ONLY:  zw
711    USE lpm_exchange_horiz_mod,                                                &
712        ONLY: lpm_exchange_horiz, lpm_move_particle, realloc_particles_array
713
714    USE lpm_pack_and_sort_mod,                                                 &
715        ONLY: lpm_sort_in_subboxes
716
717    USE particle_attributes,                                                   &
718        ONLY: deleted_particles
719
720    IMPLICIT  NONE
721
722    INTEGER(iwp)               ::  alloc_size  !< relative increase of allocated memory for particles
723    INTEGER(iwp)               ::  i           !< loop variable ( particle groups )
724    INTEGER(iwp)               ::  ip          !< index variable along x
725    INTEGER(iwp)               ::  j           !< loop variable ( particles per point )
726    INTEGER(iwp)               ::  jp          !< index variable along y
727    INTEGER(iwp)               ::  k           !< index variable along z
728    INTEGER(iwp)               ::  k_surf      !< index of surface grid point
729    INTEGER(iwp)               ::  kp          !< index variable along z
730    INTEGER(iwp)               ::  loop_stride !< loop variable for initialization
731    INTEGER(iwp)               ::  n           !< loop variable ( number of particles )
732    INTEGER(iwp)               ::  new_size    !< new size of allocated memory for particles
733
734    INTEGER(iwp), INTENT(IN)   ::  phase       !< mode of inititialization
735
736    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::  local_count !< start address of new particle
737    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) ::  local_start !< start address of new particle
738
739    LOGICAL                    ::  first_stride !< flag for initialization
740
741    REAL(wp)                   ::  pos_x      !< increment for particle position in x
742    REAL(wp)                   ::  pos_y      !< increment for particle position in y
743    REAL(wp)                   ::  pos_z      !< increment for particle position in z
744    REAL(wp)                   ::  rand_contr !< dummy argument for random position
745
746    TYPE(particle_type),TARGET ::  tmp_particle !< temporary particle used for initialization
747
748!
749!-- Calculate particle positions and store particle attributes, if
750!-- particle is situated on this PE
751    DO  loop_stride = 1, 2
752       first_stride = (loop_stride == 1)
753       IF ( first_stride )   THEN
754          local_count = 0           ! count number of particles
755       ELSE
756          local_count = prt_count   ! Start address of new particles
757       ENDIF
758
759!
760!--    Calculate initial_weighting_factor diagnostically
761       IF ( number_concentration /= -1.0_wp .AND. number_concentration > 0.0_wp ) THEN
762          initial_weighting_factor =  number_concentration  *                        &
763                                      pdx(1) * pdy(1) * pdz(1)
764       END IF
765
766       n = 0
767       DO  i = 1, number_of_particle_groups
768
769          pos_z = psb(i)
770
771          DO WHILE ( pos_z <= pst(i) )
772
773             IF ( pos_z >= zw(0) .AND.  pos_z < zw(nzt) )  THEN
774
775
776                pos_y = pss(i)
777
778                DO WHILE ( pos_y <= psn(i) )
779
780                   IF ( pos_y >= nys * dy  .AND.                  &
781                        pos_y <  ( nyn + 1 ) * dy  ) THEN
782
783                      pos_x = psl(i)
784
785               xloop: DO WHILE ( pos_x <= psr(i) )
786
787                         IF ( pos_x >= nxl * dx  .AND.            &
788                              pos_x <  ( nxr + 1) * dx ) THEN
789
790                            DO  j = 1, particles_per_point
791
792
793                               n = n + 1
794                               tmp_particle%x             = pos_x
795                               tmp_particle%y             = pos_y
796                               tmp_particle%z             = pos_z
797                               tmp_particle%age           = 0.0_wp
798                               tmp_particle%age_m         = 0.0_wp
799                               tmp_particle%dt_sum        = 0.0_wp
800                               tmp_particle%e_m           = 0.0_wp
801                               tmp_particle%rvar1         = 0.0_wp
802                               tmp_particle%rvar2         = 0.0_wp
803                               tmp_particle%rvar3         = 0.0_wp
804                               tmp_particle%speed_x       = 0.0_wp
805                               tmp_particle%speed_y       = 0.0_wp
806                               tmp_particle%speed_z       = 0.0_wp
807                               tmp_particle%origin_x      = pos_x
808                               tmp_particle%origin_y      = pos_y
809                               tmp_particle%origin_z      = pos_z
810                               IF ( curvature_solution_effects )  THEN
811                                  tmp_particle%aux1      = 0.0_wp    ! dry aerosol radius
812                                  tmp_particle%aux2      = dt_3d     ! last Rosenbrock timestep
813                               ELSE
814                                  tmp_particle%aux1      = 0.0_wp    ! free to use
815                                  tmp_particle%aux2      = 0.0_wp    ! free to use
816                               ENDIF
817                               tmp_particle%radius        = particle_groups(i)%radius
818                               tmp_particle%weight_factor = initial_weighting_factor
819                               tmp_particle%class         = 1
820                               tmp_particle%group         = i
821                               tmp_particle%id            = 0_idp
822                               tmp_particle%particle_mask = .TRUE.
823                               tmp_particle%block_nr      = -1
824!
825!--                            Determine the grid indices of the particle position
826                               ip = INT( tmp_particle%x * ddx )
827                               jp = INT( tmp_particle%y * ddy )
828                               kp = INT( tmp_particle%z / dz(1) + 1 + offset_ocean_nzt )
829                               DO WHILE( zw(kp) < tmp_particle%z ) 
830                                  kp = kp + 1
831                               ENDDO
832                               DO WHILE( zw(kp-1) > tmp_particle%z )
833                                  kp = kp - 1
834                               ENDDO 
835!
836!--                            Determine surface level. Therefore, check for
837!--                            upward-facing wall on w-grid.
838                               k_surf = get_topography_top_index_ji( jp, ip, 'w' )
839
840                               IF ( seed_follows_topography )  THEN
841!
842!--                               Particle height is given relative to topography
843                                  kp = kp + k_surf
844                                  tmp_particle%z = tmp_particle%z + zw(k_surf)
845!--                               Skip particle release if particle position is
846!--                               above model top, or within topography in case
847!--                               of overhanging structures.
848                                  IF ( kp > nzt  .OR.                          &
849                                 .NOT. BTEST( wall_flags_0(kp,jp,ip), 0 ) )  THEN
850                                     pos_x = pos_x + pdx(i)
851                                     CYCLE xloop
852                                  ENDIF
853!
854!--                            Skip particle release if particle position is
855!--                            below surface, or within topography in case
856!--                            of overhanging structures.
857                               ELSEIF ( .NOT. seed_follows_topography .AND.    &
858                                         tmp_particle%z <= zw(k_surf)  .OR.    &
859                                        .NOT. BTEST( wall_flags_0(kp,jp,ip), 0 ) )&
860                               THEN
861                                  pos_x = pos_x + pdx(i)
862                                  CYCLE xloop
863                               ENDIF
864
865                               local_count(kp,jp,ip) = local_count(kp,jp,ip) + 1
866
867                               IF ( .NOT. first_stride )  THEN
868                                  IF ( ip < nxl  .OR.  jp < nys  .OR.  kp < nzb+1 )  THEN
869                                     write(6,*) 'xl ',ip,jp,kp,nxl,nys,nzb+1
870                                  ENDIF
871                                  IF ( ip > nxr  .OR.  jp > nyn  .OR.  kp > nzt )  THEN
872                                     write(6,*) 'xu ',ip,jp,kp,nxr,nyn,nzt
873                                  ENDIF
874                                  grid_particles(kp,jp,ip)%particles(local_count(kp,jp,ip)) = tmp_particle
875
876                               ENDIF
877                            ENDDO
878
879                         ENDIF
880
881                         pos_x = pos_x + pdx(i)
882
883                      ENDDO xloop
884
885                   ENDIF
886
887                   pos_y = pos_y + pdy(i)
888
889                ENDDO
890
891             ENDIF
892
893             pos_z = pos_z + pdz(i)
894
895          ENDDO
896
897       ENDDO
898
899       IF ( first_stride )  THEN
900          DO  ip = nxl, nxr
901             DO  jp = nys, nyn
902                DO  kp = nzb+1, nzt
903                   IF ( phase == PHASE_INIT )  THEN
904                      IF ( local_count(kp,jp,ip) > 0 )  THEN
905                         alloc_size = MAX( INT( local_count(kp,jp,ip) *        &
906                            ( 1.0_wp + alloc_factor / 100.0_wp ) ),            &
907                            min_nr_particle )
908                      ELSE
909                         alloc_size = min_nr_particle
910                      ENDIF
911                      ALLOCATE(grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:alloc_size))
912                      DO  n = 1, alloc_size
913                         grid_particles(kp,jp,ip)%particles(n) = zero_particle
914                      ENDDO
915                   ELSEIF ( phase == PHASE_RELEASE )  THEN
916                      IF ( local_count(kp,jp,ip) > 0 )  THEN
917                         new_size   = local_count(kp,jp,ip) + prt_count(kp,jp,ip)
918                         alloc_size = MAX( INT( new_size * ( 1.0_wp +          &
919                            alloc_factor / 100.0_wp ) ), min_nr_particle )
920                         IF( alloc_size > SIZE( grid_particles(kp,jp,ip)%particles) )  THEN
921                            CALL realloc_particles_array(ip,jp,kp,alloc_size)
922                         ENDIF
923                      ENDIF
924                   ENDIF
925                ENDDO
926             ENDDO
927          ENDDO
928       ENDIF
929
930    ENDDO
931
932
933
934    local_start = prt_count+1
935    prt_count   = local_count
936
937!
938!-- Calculate particle IDs
939    DO  ip = nxl, nxr
940       DO  jp = nys, nyn
941          DO  kp = nzb+1, nzt
942             number_of_particles = prt_count(kp,jp,ip)
943             IF ( number_of_particles <= 0 )  CYCLE
944             particles => grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:number_of_particles)
945
946             DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles  !only new particles
947
948                particles(n)%id = 10000_idp**3 * grid_particles(kp,jp,ip)%id_counter + &
949                                  10000_idp**2 * kp + 10000_idp * jp + ip
950!
951!--             Count the number of particles that have been released before
952                grid_particles(kp,jp,ip)%id_counter =                          &
953                                         grid_particles(kp,jp,ip)%id_counter + 1
954
955             ENDDO
956
957          ENDDO
958       ENDDO
959    ENDDO
960
961!
962!-- Initialize aerosol background spectrum
963    IF ( curvature_solution_effects )  THEN
964       CALL lpm_init_aerosols(local_start)
965    ENDIF
966
967!
968!-- Add random fluctuation to particle positions.
969    IF ( random_start_position )  THEN
970       DO  ip = nxl, nxr
971          DO  jp = nys, nyn
972             DO  kp = nzb+1, nzt
973                number_of_particles = prt_count(kp,jp,ip)
974                IF ( number_of_particles <= 0 )  CYCLE
975                particles => grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:number_of_particles)
976!
977!--             Move only new particles. Moreover, limit random fluctuation
978!--             in order to prevent that particles move more than one grid box,
979!--             which would lead to problems concerning particle exchange
980!--             between processors in case pdx/pdy are larger than dx/dy,
981!--             respectively.
982                DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles
983                   IF ( psl(particles(n)%group) /= psr(particles(n)%group) )  THEN
984                      rand_contr = ( random_function( iran_part ) - 0.5_wp ) * &
985                                     pdx(particles(n)%group)
986                      particles(n)%x = particles(n)%x +                        &
987                              MERGE( rand_contr, SIGN( dx, rand_contr ),       &
988                                     ABS( rand_contr ) < dx                    &
989                                   )
990                   ENDIF
991                   IF ( pss(particles(n)%group) /= psn(particles(n)%group) )  THEN
992                      rand_contr = ( random_function( iran_part ) - 0.5_wp ) * &
993                                     pdy(particles(n)%group)
994                      particles(n)%y = particles(n)%y +                        &
995                              MERGE( rand_contr, SIGN( dy, rand_contr ),       &
996                                     ABS( rand_contr ) < dy                    &
997                                   )
998                   ENDIF
999                   IF ( psb(particles(n)%group) /= pst(particles(n)%group) )  THEN
1000                      rand_contr = ( random_function( iran_part ) - 0.5_wp ) * &
1001                                     pdz(particles(n)%group)
1002                      particles(n)%z = particles(n)%z +                        &
1003                              MERGE( rand_contr, SIGN( dzw(kp), rand_contr ),  &
1004                                     ABS( rand_contr ) < dzw(kp)               &
1005                                   )
1006                   ENDIF
1007                ENDDO
1008!
1009!--             Identify particles located outside the model domain and reflect
1010!--             or absorb them if necessary.
1011                CALL lpm_boundary_conds( 'bottom/top', i, j, k )
1012!
1013!--             Furthermore, remove particles located in topography. Note, as
1014!--             the particle speed is still zero at this point, wall
1015!--             reflection boundary conditions will not work in this case.
1016                particles =>                                                   &
1017                       grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:number_of_particles)
1018                DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles
1019                   i = particles(n)%x * ddx
1020                   j = particles(n)%y * ddy
1021                   k = particles(n)%z / dz(1) + 1 + offset_ocean_nzt
1022                   DO WHILE( zw(k) < particles(n)%z )
1023                      k = k + 1
1024                   ENDDO
1025                   DO WHILE( zw(k-1) > particles(n)%z )
1026                      k = k - 1
1027                   ENDDO
1028!
1029!--                Check if particle is within topography
1030                   IF ( .NOT. BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )  THEN
1031                      particles(n)%particle_mask = .FALSE.
1032                      deleted_particles = deleted_particles + 1
1033                   ENDIF
1034
1035                ENDDO
1036             ENDDO
1037          ENDDO
1038       ENDDO
1039!
1040!--    Exchange particles between grid cells and processors
1041       CALL lpm_move_particle
1042       CALL lpm_exchange_horiz
1043
1044    ENDIF
1045!
1046!-- In case of random_start_position, delete particles identified by
1047!-- lpm_exchange_horiz and lpm_boundary_conds. Then sort particles into blocks,
1048!-- which is needed for a fast interpolation of the LES fields on the particle
1049!-- position.
1050    CALL lpm_sort_in_subboxes
1051
1052!
1053!-- Determine the current number of particles
1054    DO  ip = nxl, nxr
1055       DO  jp = nys, nyn
1056          DO  kp = nzb+1, nzt
1057             number_of_particles         = number_of_particles                 &
1058                                           + prt_count(kp,jp,ip)
1059          ENDDO
1060       ENDDO
1061    ENDDO
1062!
1063!-- Calculate the number of particles of the total domain
1064#if defined( __parallel )
1065    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
1066    CALL MPI_ALLREDUCE( number_of_particles, total_number_of_particles, 1, &
1067    MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1068#else
1069    total_number_of_particles = number_of_particles
1070#endif
1071
1072    RETURN
1073
1074 END SUBROUTINE lpm_create_particle
1075
1076 SUBROUTINE lpm_init_aerosols(local_start)
1077
1078    USE arrays_3d,                                                             &
1079        ONLY: hyp, pt, q, exner
1080
1081    USE basic_constants_and_equations_mod,                                     &
1082        ONLY: molecular_weight_of_solute, molecular_weight_of_water, magnus,   &
1083              pi, rd_d_rv, rho_l, r_v, rho_s, vanthoff
1084
1085    USE kinds
1086
1087    USE particle_attributes,                                                   &
1088        ONLY: aero_species, aero_type, aero_weight, log_sigma, na, rm
1089
1090    IMPLICIT NONE
1091
1092    REAL(wp)  :: afactor            !< curvature effects
1093    REAL(wp)  :: bfactor            !< solute effects
1094    REAL(wp)  :: dlogr              !< logarithmic width of radius bin
1095    REAL(wp)  :: e_a                !< vapor pressure
1096    REAL(wp)  :: e_s                !< saturation vapor pressure
1097    REAL(wp)  :: rmin = 0.005e-6_wp !< minimum aerosol radius
1098    REAL(wp)  :: rmax = 10.0e-6_wp  !< maximum aerosol radius
1099    REAL(wp)  :: r_mid              !< mean radius of bin
1100    REAL(wp)  :: r_l                !< left radius of bin
1101    REAL(wp)  :: r_r                !< right radius of bin
1102    REAL(wp)  :: sigma              !< surface tension
1103    REAL(wp)  :: t_int              !< temperature
1104
1105    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg), INTENT(IN) ::  local_start !<
1106
1107    INTEGER(iwp)  :: n              !<
1108    INTEGER(iwp)  :: ip             !<
1109    INTEGER(iwp)  :: jp             !<
1110    INTEGER(iwp)  :: kp             !<
1111
1112!
1113!-- Set constants for different aerosol species
1114    IF ( TRIM(aero_species) .EQ. 'nacl' ) THEN
1115       molecular_weight_of_solute = 0.05844_wp 
1116       rho_s                      = 2165.0_wp
1117       vanthoff                   = 2.0_wp
1118    ELSEIF ( TRIM(aero_species) .EQ. 'c3h4o4' ) THEN
1119       molecular_weight_of_solute = 0.10406_wp 
1120       rho_s                      = 1600.0_wp
1121       vanthoff                   = 1.37_wp
1122    ELSEIF ( TRIM(aero_species) .EQ. 'nh4o3' ) THEN
1123       molecular_weight_of_solute = 0.08004_wp 
1124       rho_s                      = 1720.0_wp
1125       vanthoff                   = 2.31_wp
1126    ELSE
1127       WRITE( message_string, * ) 'unknown aerosol species ',   &
1128                                'aero_species = "', TRIM( aero_species ), '"'
1129       CALL message( 'lpm_init', 'PA0470', 1, 2, 0, 6, 0 )
1130    ENDIF
1131!
1132!-- The following typical aerosol spectra are taken from Jaenicke (1993):
1133!-- Tropospheric aerosols. Published in Aerosol-Cloud-Climate Interactions.
1134    IF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'polar' )  THEN
1135       na        = (/ 2.17e1, 1.86e-1, 3.04e-4 /) * 1.0E6
1136       rm        = (/ 0.0689, 0.375, 4.29 /) * 1.0E-6
1137       log_sigma = (/ 0.245, 0.300, 0.291 /)
1138    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'background' )  THEN
1139       na        = (/ 1.29e2, 5.97e1, 6.35e1 /) * 1.0E6
1140       rm        = (/ 0.0036, 0.127, 0.259 /) * 1.0E-6
1141       log_sigma = (/ 0.645, 0.253, 0.425 /)
1142    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'maritime' )  THEN
1143       na        = (/ 1.33e2, 6.66e1, 3.06e0 /) * 1.0E6
1144       rm        = (/ 0.0039, 0.133, 0.29 /) * 1.0E-6
1145       log_sigma = (/ 0.657, 0.210, 0.396 /)
1146    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'continental' )  THEN
1147       na        = (/ 3.20e3, 2.90e3, 3.00e-1 /) * 1.0E6
1148       rm        = (/ 0.01, 0.058, 0.9 /) * 1.0E-6
1149       log_sigma = (/ 0.161, 0.217, 0.380 /)
1150    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'desert' )  THEN
1151       na        = (/ 7.26e2, 1.14e3, 1.78e-1 /) * 1.0E6
1152       rm        = (/ 0.001, 0.0188, 10.8 /) * 1.0E-6
1153       log_sigma = (/ 0.247, 0.770, 0.438 /)
1154    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'rural' )  THEN
1155       na        = (/ 6.65e3, 1.47e2, 1.99e3 /) * 1.0E6
1156       rm        = (/ 0.00739, 0.0269, 0.0419 /) * 1.0E-6
1157       log_sigma = (/ 0.225, 0.557, 0.266 /)
1158    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'urban' )  THEN
1159       na        = (/ 9.93e4, 1.11e3, 3.64e4 /) * 1.0E6
1160       rm        = (/ 0.00651, 0.00714, 0.0248 /) * 1.0E-6
1161       log_sigma = (/ 0.245, 0.666, 0.337 /)
1162    ELSEIF ( TRIM(aero_type) .EQ. 'user' )  THEN
1163       CONTINUE
1164    ELSE
1165       WRITE( message_string, * ) 'unknown aerosol type ',   &
1166                                'aero_type = "', TRIM( aero_type ), '"'
1167       CALL message( 'lpm_init', 'PA0459', 1, 2, 0, 6, 0 )
1168    ENDIF
1169
1170    DO  ip = nxl, nxr
1171       DO  jp = nys, nyn
1172          DO  kp = nzb+1, nzt
1173
1174             number_of_particles = prt_count(kp,jp,ip)
1175             IF ( number_of_particles <= 0 )  CYCLE
1176             particles => grid_particles(kp,jp,ip)%particles(1:number_of_particles)
1177
1178             dlogr   = ( LOG10(rmax) - LOG10(rmin) ) / ( number_of_particles - local_start(kp,jp,ip) + 1 )
1179!
1180!--          Initialize the aerosols with a predefined spectral distribution
1181!--          of the dry radius (logarithmically increasing bins) and a varying
1182!--          weighting factor
1183             DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles  !only new particles
1184
1185                r_l   = 10.0**( LOG10( rmin ) + (n-1) * dlogr )
1186                r_r   = 10.0**( LOG10( rmin ) + n * dlogr )
1187                r_mid = SQRT( r_l * r_r )
1188
1189                particles(n)%aux1          = r_mid
1190                particles(n)%weight_factor =                                           &
1191                   ( na(1) / ( SQRT( 2.0 * pi ) * log_sigma(1) ) *                     &
1192                     EXP( - LOG10( r_mid / rm(1) )**2 / ( 2.0 * log_sigma(1)**2 ) ) +  &
1193                     na(2) / ( SQRT( 2.0 * pi ) * log_sigma(2) ) *                     &
1194                     EXP( - LOG10( r_mid / rm(2) )**2 / ( 2.0 * log_sigma(2)**2 ) ) +  &
1195                     na(3) / ( SQRT( 2.0 * pi ) * log_sigma(3) ) *                     &
1196                     EXP( - LOG10( r_mid / rm(3) )**2 / ( 2.0 * log_sigma(3)**2 ) )    &
1197                   ) * ( LOG10(r_r) - LOG10(r_l) ) * ( dx * dy * dzw(kp) )
1198
1199!
1200!--             Multiply weight_factor with the namelist parameter aero_weight
1201!--             to increase or decrease the number of simulated aerosols
1202                particles(n)%weight_factor = particles(n)%weight_factor * aero_weight
1203
1204                IF ( particles(n)%weight_factor - FLOOR(particles(n)%weight_factor,KIND=wp) &
1205                     .GT. random_function( iran_part ) )  THEN
1206                   particles(n)%weight_factor = FLOOR(particles(n)%weight_factor,KIND=wp) + 1.0_wp
1207                ELSE
1208                   particles(n)%weight_factor = FLOOR(particles(n)%weight_factor,KIND=wp)
1209                ENDIF
1210!
1211!--             Unnecessary particles will be deleted
1212                IF ( particles(n)%weight_factor .LE. 0.0 )  particles(n)%particle_mask = .FALSE.
1213
1214             ENDDO
1215!
1216!--          Set particle radius to equilibrium radius based on the environmental
1217!--          supersaturation (Khvorostyanov and Curry, 2007, JGR). This avoids
1218!--          the sometimes lengthy growth toward their equilibrium radius within
1219!--          the simulation.
1220             t_int  = pt(kp,jp,ip) * exner(kp)
1221
1222             e_s = magnus( t_int )
1223             e_a = q(kp,jp,ip) * hyp(kp) / ( q(kp,jp,ip) + rd_d_rv )
1224
1225             sigma   = 0.0761_wp - 0.000155_wp * ( t_int - 273.15_wp )
1226             afactor = 2.0_wp * sigma / ( rho_l * r_v * t_int )
1227
1228             bfactor = vanthoff * molecular_weight_of_water *    &
1229                       rho_s / ( molecular_weight_of_solute * rho_l )
1230!
1231!--          The formula is only valid for subsaturated environments. For
1232!--          supersaturations higher than -5 %, the supersaturation is set to -5%.
1233             IF ( e_a / e_s >= 0.95_wp )  e_a = 0.95_wp * e_s
1234
1235             DO  n = local_start(kp,jp,ip), number_of_particles  !only new particles
1236!
1237!--             For details on this equation, see Eq. (14) of Khvorostyanov and
1238!--             Curry (2007, JGR)
1239                particles(n)%radius = bfactor**0.3333333_wp *                  &
1240                   particles(n)%aux1 / ( 1.0_wp - e_a / e_s )**0.3333333_wp / &
1241                   ( 1.0_wp + ( afactor / ( 3.0_wp * bfactor**0.3333333_wp *   &
1242                     particles(n)%aux1 ) ) /                                  &
1243                     ( 1.0_wp - e_a / e_s )**0.6666666_wp                      &
1244                   )
1245
1246             ENDDO
1247
1248          ENDDO
1249       ENDDO
1250    ENDDO
1251
1252 END SUBROUTINE lpm_init_aerosols
1253
1254END MODULE lpm_init_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.