source: palm/trunk/SOURCE/microphysics.f90 @ 1359

Last change on this file since 1359 was 1354, checked in by heinze, 11 years ago

last commit documented

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 38.7 KB
Line 
1 MODULE microphysics_mod
2
3!--------------------------------------------------------------------------------!
4! This file is part of PALM.
5!
6! PALM is free software: you can redistribute it and/or modify it under the terms
7! of the GNU General Public License as published by the Free Software Foundation,
8! either version 3 of the License, or (at your option) any later 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 1997-2014 Leibniz Universitaet Hannover
18!--------------------------------------------------------------------------------!
19!
20! Current revisions:
21! ------------------
22!
23!
24! Former revisions:
25! -----------------
26! $Id: microphysics.f90 1354 2014-04-08 15:22:57Z hoffmann $
27!
28! 1353 2014-04-08 15:21:23Z heinze
29! REAL constants provided with KIND-attribute
30!
31! 1346 2014-03-27 13:18:20Z heinze
32! Bugfix: REAL constants provided with KIND-attribute especially in call of
33! intrinsic function like MAX, MIN, SIGN
34!
35! 1334 2014-03-25 12:21:40Z heinze
36! Bugfix: REAL constants provided with KIND-attribute
37!
38! 1322 2014-03-20 16:38:49Z raasch
39! REAL constants defined as wp-kind
40!
41! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
42! ONLY-attribute added to USE-statements,
43! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
44! kinds are defined in new module kinds,
45! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
46! all variable declaration statements
47!
48! 1241 2013-10-30 11:36:58Z heinze
49! hyp and rho have to be calculated at each time step if data from external
50! file LSF_DATA are used
51!
52! 1115 2013-03-26 18:16:16Z hoffmann
53! microphyical tendencies are calculated in microphysics_control in an optimized
54! way; unrealistic values are prevented; bugfix in evaporation; some reformatting
55!
56! 1106 2013-03-04 05:31:38Z raasch
57! small changes in code formatting
58!
59! 1092 2013-02-02 11:24:22Z raasch
60! unused variables removed
61! file put under GPL
62!
63! 1065 2012-11-22 17:42:36Z hoffmann
64! Sedimentation process implemented according to Stevens and Seifert (2008).
65! Turbulence effects on autoconversion and accretion added (Seifert, Nuijens
66! and Stevens, 2010).
67!
68! 1053 2012-11-13 17:11:03Z hoffmann
69! initial revision
70!
71! Description:
72! ------------
73! Calculate cloud microphysics according to the two moment bulk
74! scheme by Seifert and Beheng (2006).
75!------------------------------------------------------------------------------!
76
77    PRIVATE
78    PUBLIC microphysics_control
79
80    INTERFACE microphysics_control
81       MODULE PROCEDURE microphysics_control
82       MODULE PROCEDURE microphysics_control_ij
83    END INTERFACE microphysics_control
84
85    INTERFACE adjust_cloud
86       MODULE PROCEDURE adjust_cloud
87       MODULE PROCEDURE adjust_cloud_ij
88    END INTERFACE adjust_cloud
89
90    INTERFACE autoconversion
91       MODULE PROCEDURE autoconversion
92       MODULE PROCEDURE autoconversion_ij
93    END INTERFACE autoconversion
94
95    INTERFACE accretion
96       MODULE PROCEDURE accretion
97       MODULE PROCEDURE accretion_ij
98    END INTERFACE accretion
99
100    INTERFACE selfcollection_breakup
101       MODULE PROCEDURE selfcollection_breakup
102       MODULE PROCEDURE selfcollection_breakup_ij
103    END INTERFACE selfcollection_breakup
104
105    INTERFACE evaporation_rain
106       MODULE PROCEDURE evaporation_rain
107       MODULE PROCEDURE evaporation_rain_ij
108    END INTERFACE evaporation_rain
109
110    INTERFACE sedimentation_cloud
111       MODULE PROCEDURE sedimentation_cloud
112       MODULE PROCEDURE sedimentation_cloud_ij
113    END INTERFACE sedimentation_cloud
114 
115    INTERFACE sedimentation_rain
116       MODULE PROCEDURE sedimentation_rain
117       MODULE PROCEDURE sedimentation_rain_ij
118    END INTERFACE sedimentation_rain
119
120 CONTAINS
121
122
123!------------------------------------------------------------------------------!
124! Call for all grid points
125!------------------------------------------------------------------------------!
126    SUBROUTINE microphysics_control
127
128       USE arrays_3d
129       USE cloud_parameters
130       USE control_parameters
131       USE grid_variables
132       USE indices
133       USE kinds
134       USE statistics
135
136       IMPLICIT NONE
137
138       INTEGER(iwp) ::  i                 !:
139       INTEGER(iwp) ::  j                 !:
140       INTEGER(iwp) ::  k                 !:
141 
142       DO  i = nxl, nxr
143          DO  j = nys, nyn
144             DO  k = nzb_s_inner(j,i)+1, nzt
145
146             ENDDO
147          ENDDO
148       ENDDO
149
150    END SUBROUTINE microphysics_control
151
152    SUBROUTINE adjust_cloud
153
154       USE arrays_3d
155       USE cloud_parameters
156       USE indices
157       USE kinds
158
159       IMPLICIT NONE
160
161       INTEGER(iwp) ::  i                 !:
162       INTEGER(iwp) ::  j                 !:
163       INTEGER(iwp) ::  k                 !:
164
165 
166       DO  i = nxl, nxr
167          DO  j = nys, nyn
168             DO  k = nzb_s_inner(j,i)+1, nzt
169
170             ENDDO
171          ENDDO
172       ENDDO
173
174    END SUBROUTINE adjust_cloud
175
176
177    SUBROUTINE autoconversion
178
179       USE arrays_3d
180       USE cloud_parameters
181       USE control_parameters
182       USE grid_variables
183       USE indices
184       USE kinds
185
186       IMPLICIT NONE
187
188       INTEGER(iwp) ::  i                 !:
189       INTEGER(iwp) ::  j                 !:
190       INTEGER(iwp) ::  k                 !:
191
192       DO  i = nxl, nxr
193          DO  j = nys, nyn
194             DO  k = nzb_s_inner(j,i)+1, nzt
195
196             ENDDO
197          ENDDO
198       ENDDO
199
200    END SUBROUTINE autoconversion
201
202
203    SUBROUTINE accretion
204
205       USE arrays_3d
206       USE cloud_parameters
207       USE control_parameters
208       USE indices
209       USE kinds
210
211       IMPLICIT NONE
212
213       INTEGER(iwp) ::  i                 !:
214       INTEGER(iwp) ::  j                 !:
215       INTEGER(iwp) ::  k                 !:
216
217       DO  i = nxl, nxr
218          DO  j = nys, nyn
219             DO  k = nzb_s_inner(j,i)+1, nzt
220
221             ENDDO
222          ENDDO
223       ENDDO
224
225    END SUBROUTINE accretion
226
227
228    SUBROUTINE selfcollection_breakup
229
230       USE arrays_3d
231       USE cloud_parameters
232       USE control_parameters
233       USE indices
234       USE kinds
235
236       IMPLICIT NONE
237
238       INTEGER(iwp) ::  i                 !:
239       INTEGER(iwp) ::  j                 !:
240       INTEGER(iwp) ::  k                 !:
241
242 
243       DO  i = nxl, nxr
244          DO  j = nys, nyn
245             DO  k = nzb_s_inner(j,i)+1, nzt
246
247             ENDDO
248          ENDDO
249       ENDDO
250
251    END SUBROUTINE selfcollection_breakup
252
253
254    SUBROUTINE evaporation_rain
255
256       USE arrays_3d
257       USE cloud_parameters
258       USE constants
259       USE control_parameters
260       USE indices
261       USE kinds
262
263       IMPLICIT NONE
264
265       INTEGER(iwp) ::  i                 !:
266       INTEGER(iwp) ::  j                 !:
267       INTEGER(iwp) ::  k                 !:
268 
269       DO  i = nxl, nxr
270          DO  j = nys, nyn
271             DO  k = nzb_s_inner(j,i)+1, nzt
272
273             ENDDO
274          ENDDO
275       ENDDO
276
277    END SUBROUTINE evaporation_rain
278
279
280    SUBROUTINE sedimentation_cloud
281
282       USE arrays_3d
283       USE cloud_parameters
284       USE constants
285       USE control_parameters
286       USE indices
287       USE kinds
288
289       IMPLICIT NONE
290
291       INTEGER(iwp) ::  i                 !:
292       INTEGER(iwp) ::  j                 !:
293       INTEGER(iwp) ::  k                 !:
294 
295       DO  i = nxl, nxr
296          DO  j = nys, nyn
297             DO  k = nzb_s_inner(j,i)+1, nzt
298
299             ENDDO
300          ENDDO
301       ENDDO
302
303    END SUBROUTINE sedimentation_cloud
304
305
306    SUBROUTINE sedimentation_rain
307
308       USE arrays_3d
309       USE cloud_parameters
310       USE constants
311       USE control_parameters
312       USE indices
313       USE kinds
314       USE statistics
315
316       IMPLICIT NONE
317
318       INTEGER(iwp) ::  i                 !:
319       INTEGER(iwp) ::  j                 !:
320       INTEGER(iwp) ::  k                 !:
321 
322       DO  i = nxl, nxr
323          DO  j = nys, nyn
324             DO  k = nzb_s_inner(j,i)+1, nzt
325
326             ENDDO
327          ENDDO
328       ENDDO
329
330    END SUBROUTINE sedimentation_rain
331
332
333!------------------------------------------------------------------------------!
334! Call for grid point i,j
335!------------------------------------------------------------------------------!
336
337    SUBROUTINE microphysics_control_ij( i, j )
338
339       USE arrays_3d,                                                          &
340           ONLY:  hyp, nc_1d,  nr, nr_1d, pt, pt_init, pt_1d, q, q_1d, qc,     &
341                  qc_1d, qr, qr_1d, tend_nr, tend_pt, tend_q, tend_qr, zu
342
343       USE cloud_parameters,                                                   &
344           ONLY:  cp, hyrho, nc_const, pt_d_t, r_d, t_d_pt
345
346       USE control_parameters,                                                 &
347           ONLY:  drizzle, dt_3d, dt_micro, g, intermediate_timestep_count,    &
348                  large_scale_forcing, lsf_surf, precipitation, pt_surface,    &
349                  rho_surface,surface_pressure
350
351       USE indices,                                                            &
352           ONLY:  nzb, nzt
353
354       USE kinds
355
356       USE statistics,                                                         &
357           ONLY:  weight_pres
358
359       IMPLICIT NONE
360
361       INTEGER(iwp) ::  i                 !:
362       INTEGER(iwp) ::  j                 !:
363       INTEGER(iwp) ::  k                 !:
364
365       REAL(wp)     ::  t_surface         !:
366
367       IF ( large_scale_forcing .AND. lsf_surf ) THEN
368!
369!--       Calculate:
370!--       pt / t : ratio of potential and actual temperature (pt_d_t)
371!--       t / pt : ratio of actual and potential temperature (t_d_pt)
372!--       p_0(z) : vertical profile of the hydrostatic pressure (hyp)
373          t_surface = pt_surface * ( surface_pressure / 1000.0_wp )**0.286_wp
374          DO  k = nzb, nzt+1
375             hyp(k)    = surface_pressure * 100.0_wp * &
376                         ( (t_surface - g/cp * zu(k)) / t_surface )**(1.0_wp/0.286_wp)
377             pt_d_t(k) = ( 100000.0_wp / hyp(k) )**0.286_wp
378             t_d_pt(k) = 1.0_wp / pt_d_t(k)
379             hyrho(k)  = hyp(k) / ( r_d * t_d_pt(k) * pt_init(k) )       
380          ENDDO
381!
382!--       Compute reference density
383          rho_surface = surface_pressure * 100.0_wp / ( r_d * t_surface )
384       ENDIF
385
386
387       dt_micro = dt_3d * weight_pres(intermediate_timestep_count)
388!
389!--    Adjust unrealistic values
390       IF ( precipitation )  CALL adjust_cloud( i,j ) 
391!
392!--    Use 1-d arrays
393       q_1d(:)  = q(:,j,i)
394       pt_1d(:) = pt(:,j,i)
395       qc_1d(:) = qc(:,j,i)
396       nc_1d(:) = nc_const
397       IF ( precipitation )  THEN
398          qr_1d(:) = qr(:,j,i)
399          nr_1d(:) = nr(:,j,i)
400       ENDIF
401!
402!--    Compute cloud physics
403       IF ( precipitation )  THEN
404          CALL autoconversion( i,j )
405          CALL accretion( i,j )
406          CALL selfcollection_breakup( i,j )
407          CALL evaporation_rain( i,j )
408          CALL sedimentation_rain( i,j )
409       ENDIF
410
411       IF ( drizzle )  CALL sedimentation_cloud( i,j )
412!
413!--    Derive tendencies
414       tend_q(:,j,i)  = ( q_1d(:) - q(:,j,i) ) / dt_micro
415       tend_pt(:,j,i) = ( pt_1d(:) - pt(:,j,i) ) / dt_micro
416       IF ( precipitation )  THEN
417          tend_qr(:,j,i) = ( qr_1d(:) - qr(:,j,i) ) / dt_micro
418          tend_nr(:,j,i) = ( nr_1d(:) - nr(:,j,i) ) / dt_micro
419       ENDIF
420
421    END SUBROUTINE microphysics_control_ij
422
423    SUBROUTINE adjust_cloud_ij( i, j )
424
425       USE arrays_3d,                                                          &
426           ONLY:  qr, nr
427
428       USE cloud_parameters,                                                   &
429           ONLY:  eps_sb, xrmin, xrmax, hyrho, k_cc, x0
430
431       USE indices,                                                            &
432           ONLY:  nzb, nzb_s_inner, nzt
433
434       USE kinds
435
436       IMPLICIT NONE
437
438       INTEGER(iwp) ::  i                 !:
439       INTEGER(iwp) ::  j                 !:
440       INTEGER(iwp) ::  k                 !:
441!
442!--    Adjust number of raindrops to avoid nonlinear effects in
443!--    sedimentation and evaporation of rain drops due to too small or
444!--    too big weights of rain drops (Stevens and Seifert, 2008).
445!--    The same procedure is applied to cloud droplets if they are determined
446!--    prognostically. 
447       DO  k = nzb_s_inner(j,i)+1, nzt
448
449          IF ( qr(k,j,i) <= eps_sb )  THEN
450             qr(k,j,i) = 0.0_wp
451             nr(k,j,i) = 0.0_wp
452          ELSE
453!
454!--          Adjust number of raindrops to avoid nonlinear effects in
455!--          sedimentation and evaporation of rain drops due to too small or
456!--          too big weights of rain drops (Stevens and Seifert, 2008).
457             IF ( nr(k,j,i) * xrmin > qr(k,j,i) * hyrho(k) )  THEN
458                nr(k,j,i) = qr(k,j,i) * hyrho(k) / xrmin
459             ELSEIF ( nr(k,j,i) * xrmax < qr(k,j,i) * hyrho(k) )  THEN
460                nr(k,j,i) = qr(k,j,i) * hyrho(k) / xrmax
461             ENDIF
462
463          ENDIF
464
465       ENDDO
466
467    END SUBROUTINE adjust_cloud_ij
468
469
470    SUBROUTINE autoconversion_ij( i, j )
471
472       USE arrays_3d,                                                          &
473           ONLY:  diss, dzu, nc_1d, nr_1d, qc_1d, qr_1d
474
475       USE cloud_parameters,                                                   &
476           ONLY:  a_1, a_2, a_3, b_1, b_2, b_3, beta_cc, c_1, c_2, c_3,        &
477                  c_const, dpirho_l, eps_sb, hyrho, k_cc, kin_vis_air, x0
478
479       USE control_parameters,                                                 &
480           ONLY:  dt_micro, rho_surface, turbulence
481
482       USE grid_variables,                                                     &
483           ONLY:  dx, dy
484
485       USE indices,                                                            &
486           ONLY:  nzb, nzb_s_inner, nzt
487
488       USE kinds
489
490       IMPLICIT NONE
491
492       INTEGER(iwp) ::  i                 !:
493       INTEGER(iwp) ::  j                 !:
494       INTEGER(iwp) ::  k                 !:
495
496       REAL(wp)     ::  alpha_cc          !:                   
497       REAL(wp)     ::  autocon           !:
498       REAL(wp)     ::  epsilon           !:
499       REAL(wp)     ::  k_au              !:
500       REAL(wp)     ::  l_mix             !:
501       REAL(wp)     ::  nu_c              !:
502       REAL(wp)     ::  phi_au            !:
503       REAL(wp)     ::  r_cc              !:
504       REAL(wp)     ::  rc                !:
505       REAL(wp)     ::  re_lambda         !:
506       REAL(wp)     ::  selfcoll          !:
507       REAL(wp)     ::  sigma_cc          !:
508       REAL(wp)     ::  tau_cloud         !:
509       REAL(wp)     ::  xc                !:
510
511       k_au = k_cc / ( 20.0_wp * x0 )
512
513       DO  k = nzb_s_inner(j,i)+1, nzt
514
515          IF ( qc_1d(k) > eps_sb )  THEN
516!
517!--          Intern time scale of coagulation (Seifert and Beheng, 2006):
518!--          (1.0_wp - qc(k,j,i) / ( qc(k,j,i) + qr_1d(k) ))
519             tau_cloud = 1.0_wp - qc_1d(k) / ( qr_1d(k) + qc_1d(k) )
520!
521!--          Universal function for autoconversion process
522!--          (Seifert and Beheng, 2006):
523             phi_au    = 600.0_wp * tau_cloud**0.68_wp * ( 1.0_wp - tau_cloud**0.68_wp )**3
524!
525!--          Shape parameter of gamma distribution (Geoffroy et al., 2010):
526!--          (Use constant nu_c = 1.0_wp instead?)
527             nu_c      = 1.0_wp !MAX( 0.0_wp, 1580.0_wp * hyrho(k) * qc(k,j,i) - 0.28_wp )
528!
529!--          Mean weight of cloud droplets:
530             xc = hyrho(k) * qc_1d(k) / nc_1d(k)
531!
532!--          Parameterized turbulence effects on autoconversion (Seifert,
533!--          Nuijens and Stevens, 2010)
534             IF ( turbulence )  THEN
535!
536!--             Weight averaged radius of cloud droplets:
537                rc = 0.5_wp * ( xc * dpirho_l )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
538
539                alpha_cc = ( a_1 + a_2 * nu_c ) / ( 1.0_wp + a_3 * nu_c )
540                r_cc     = ( b_1 + b_2 * nu_c ) / ( 1.0_wp + b_3 * nu_c )
541                sigma_cc = ( c_1 + c_2 * nu_c ) / ( 1.0_wp + c_3 * nu_c )
542!
543!--             Mixing length (neglecting distance to ground and stratification)
544                l_mix = ( dx * dy * dzu(k) )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
545!
546!--             Limit dissipation rate according to Seifert, Nuijens and
547!--             Stevens (2010)
548                epsilon = MIN( 0.06_wp, diss(k,j,i) )
549!
550!--             Compute Taylor-microscale Reynolds number:
551                re_lambda = 6.0_wp / 11.0_wp * ( l_mix / c_const )**( 2.0_wp / 3.0_wp ) *  &
552                               SQRT( 15.0_wp / kin_vis_air ) * epsilon**( 1.0_wp / 6.0_wp )
553!
554!--             The factor of 1.0E4 is needed to convert the dissipation rate
555!--             from m2 s-3 to cm2 s-3.
556                k_au = k_au * ( 1.0_wp +                                             &
557                       epsilon * 1.0E4_wp * ( re_lambda * 1.0E-3_wp )**0.25_wp *     &
558                       ( alpha_cc * EXP( -1.0_wp * ( ( rc - r_cc ) /                 &
559                       sigma_cc )**2 ) + beta_cc ) )
560             ENDIF
561!
562!--          Autoconversion rate (Seifert and Beheng, 2006):
563             autocon = k_au * ( nu_c + 2.0_wp ) * ( nu_c + 4.0_wp ) /                &
564                       ( nu_c + 1.0_wp )**2.0_wp * qc_1d(k)**2.0_wp * xc**2.0_wp *   &
565                       ( 1.0_wp + phi_au / ( 1.0_wp - tau_cloud )**2.0_wp ) *        &
566                       rho_surface
567             autocon = MIN( autocon, qc_1d(k) / dt_micro )
568
569             qr_1d(k) = qr_1d(k) + autocon * dt_micro
570             qc_1d(k) = qc_1d(k) - autocon * dt_micro 
571             nr_1d(k) = nr_1d(k) + autocon / x0 * hyrho(k) * dt_micro
572
573          ENDIF
574
575       ENDDO
576
577    END SUBROUTINE autoconversion_ij
578
579
580    SUBROUTINE accretion_ij( i, j )
581
582       USE arrays_3d,                                                          &
583           ONLY:  diss, qc_1d, qr_1d
584
585       USE cloud_parameters,                                                   &
586           ONLY:  eps_sb, hyrho, k_cr0
587
588       USE control_parameters,                                                 &
589           ONLY:  dt_micro, rho_surface, turbulence
590
591       USE indices,                                                            &
592           ONLY:  nzb, nzb_s_inner, nzt
593
594       USE kinds
595
596       IMPLICIT NONE
597
598       INTEGER(iwp) ::  i                 !:
599       INTEGER(iwp) ::  j                 !:
600       INTEGER(iwp) ::  k                 !:
601
602       REAL(wp)     ::  accr              !:
603       REAL(wp)     ::  k_cr              !:
604       REAL(wp)     ::  phi_ac            !:
605       REAL(wp)     ::  tau_cloud         !:
606       REAL(wp)     ::  xc                !:
607
608       DO  k = nzb_s_inner(j,i)+1, nzt
609          IF ( ( qc_1d(k) > eps_sb )  .AND.  ( qr_1d(k) > eps_sb ) )  THEN
610!
611!--          Intern time scale of coagulation (Seifert and Beheng, 2006):
612             tau_cloud = 1.0_wp - qc_1d(k) / ( qc_1d(k) + qr_1d(k) ) 
613!
614!--          Universal function for accretion process
615!--          (Seifert and Beheng, 2001):
616             phi_ac = tau_cloud / ( tau_cloud + 5.0E-5_wp ) 
617             phi_ac = ( phi_ac**2.0_wp )**2.0_wp
618!
619!--          Parameterized turbulence effects on autoconversion (Seifert,
620!--          Nuijens and Stevens, 2010). The factor of 1.0E4 is needed to
621!--          convert the dissipation (diss) from m2 s-3 to cm2 s-3.
622             IF ( turbulence )  THEN
623                k_cr = k_cr0 * ( 1.0_wp + 0.05_wp *                             &
624                                 MIN( 600.0_wp, diss(k,j,i) * 1.0E4_wp )**0.25_wp )
625             ELSE
626                k_cr = k_cr0                       
627             ENDIF
628!
629!--          Accretion rate (Seifert and Beheng, 2006):
630             accr = k_cr * qc_1d(k) * qr_1d(k) * phi_ac *                 &
631                    SQRT( rho_surface * hyrho(k) )
632             accr = MIN( accr, qc_1d(k) / dt_micro )
633
634             qr_1d(k) = qr_1d(k) + accr * dt_micro 
635             qc_1d(k) = qc_1d(k) - accr * dt_micro
636
637          ENDIF
638
639       ENDDO
640
641    END SUBROUTINE accretion_ij
642
643
644    SUBROUTINE selfcollection_breakup_ij( i, j )
645
646       USE arrays_3d,                                                          &
647           ONLY:  nr_1d, qr_1d
648
649       USE cloud_parameters,                                                   &
650           ONLY:  dpirho_l, eps_sb, hyrho, k_br, k_rr
651
652       USE control_parameters,                                                 &
653           ONLY:  dt_micro, rho_surface
654
655       USE indices,                                                            &
656           ONLY:  nzb, nzb_s_inner, nzt
657
658       USE kinds
659   
660       IMPLICIT NONE
661
662       INTEGER(iwp) ::  i                 !:
663       INTEGER(iwp) ::  j                 !:
664       INTEGER(iwp) ::  k                 !:
665
666       REAL(wp)     ::  breakup           !:
667       REAL(wp)     ::  dr                !:
668       REAL(wp)     ::  phi_br            !:
669       REAL(wp)     ::  selfcoll          !:
670
671       DO  k = nzb_s_inner(j,i)+1, nzt
672          IF ( qr_1d(k) > eps_sb )  THEN
673!
674!--          Selfcollection rate (Seifert and Beheng, 2001):
675             selfcoll = k_rr * nr_1d(k) * qr_1d(k) *         &
676                        SQRT( hyrho(k) * rho_surface )
677!
678!--          Weight averaged diameter of rain drops:
679             dr = ( hyrho(k) * qr_1d(k) / nr_1d(k) * dpirho_l )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
680!
681!--          Collisional breakup rate (Seifert, 2008):
682             IF ( dr >= 0.3E-3_wp )  THEN
683                phi_br  = k_br * ( dr - 1.1E-3_wp )
684                breakup = selfcoll * ( phi_br + 1.0_wp )
685             ELSE
686                breakup = 0.0_wp
687             ENDIF
688
689             selfcoll = MAX( breakup - selfcoll, -nr_1d(k) / dt_micro )
690             nr_1d(k) = nr_1d(k) + selfcoll * dt_micro
691
692          ENDIF         
693       ENDDO
694
695    END SUBROUTINE selfcollection_breakup_ij
696
697
698    SUBROUTINE evaporation_rain_ij( i, j )
699!
700!--    Evaporation of precipitable water. Condensation is neglected for
701!--    precipitable water.
702
703       USE arrays_3d,                                                          &
704           ONLY:  hyp, nr_1d, pt_1d, q_1d,  qc_1d, qr_1d
705
706       USE cloud_parameters,                                                   &
707           ONLY:  a_term, a_vent, b_term, b_vent, c_evap, c_term, diff_coeff_l,&
708                  dpirho_l, eps_sb, hyrho, kin_vis_air, k_st, l_d_cp, l_d_r,   &
709                  l_v, rho_l, r_v, schmidt_p_1d3, thermal_conductivity_l,      &
710                  t_d_pt, ventilation_effect
711
712       USE constants,                                                          &
713           ONLY:  pi
714
715       USE control_parameters,                                                 &
716           ONLY:  dt_micro
717
718       USE indices,                                                            &
719           ONLY:  nzb, nzb_s_inner, nzt
720
721       USE kinds
722
723       IMPLICIT NONE
724
725       INTEGER(iwp) ::  i                 !:
726       INTEGER(iwp) ::  j                 !:
727       INTEGER(iwp) ::  k                 !:
728
729       REAL(wp)     ::  alpha             !:
730       REAL(wp)     ::  dr                !:
731       REAL(wp)     ::  e_s               !:
732       REAL(wp)     ::  evap              !:
733       REAL(wp)     ::  evap_nr           !:
734       REAL(wp)     ::  f_vent            !:
735       REAL(wp)     ::  g_evap            !:
736       REAL(wp)     ::  lambda_r          !:
737       REAL(wp)     ::  mu_r              !:
738       REAL(wp)     ::  mu_r_2            !:
739       REAL(wp)     ::  mu_r_5d2          !:
740       REAL(wp)     ::  nr_0              !:
741       REAL(wp)     ::  q_s               !:
742       REAL(wp)     ::  sat               !:
743       REAL(wp)     ::  t_l               !:
744       REAL(wp)     ::  temp              !:
745       REAL(wp)     ::  xr                !:
746
747       DO  k = nzb_s_inner(j,i)+1, nzt
748          IF ( qr_1d(k) > eps_sb )  THEN
749!
750!--          Actual liquid water temperature:
751             t_l = t_d_pt(k) * pt_1d(k)
752!
753!--          Saturation vapor pressure at t_l:
754             e_s = 610.78_wp * EXP( 17.269_wp * ( t_l - 273.16_wp ) / ( t_l - 35.86_wp ) )
755!
756!--          Computation of saturation humidity:
757             q_s = 0.622_wp * e_s / ( hyp(k) - 0.378_wp * e_s )
758             alpha = 0.622_wp * l_d_r * l_d_cp / ( t_l * t_l )
759             q_s = q_s * ( 1.0_wp + alpha * q_1d(k) ) / ( 1.0_wp + alpha * q_s )
760!
761!--          Supersaturation:
762             sat = MIN( 0.0_wp, ( q_1d(k) - qr_1d(k) - qc_1d(k) ) / q_s - 1.0_wp )
763!
764!--          Actual temperature:
765             temp = t_l + l_d_cp * ( qc_1d(k) + qr_1d(k) )
766   
767             g_evap = 1.0_wp / ( ( l_v / ( r_v * temp ) - 1.0_wp ) * l_v /   &
768                      ( thermal_conductivity_l * temp ) + r_v * temp / &
769                      ( diff_coeff_l * e_s ) )
770!
771!--          Mean weight of rain drops
772             xr = hyrho(k) * qr_1d(k) / nr_1d(k)
773!
774!--          Weight averaged diameter of rain drops:
775             dr = ( xr * dpirho_l )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
776!
777!--          Compute ventilation factor and intercept parameter
778!--          (Seifert and Beheng, 2006; Seifert, 2008):
779             IF ( ventilation_effect )  THEN
780!
781!--             Shape parameter of gamma distribution (Milbrandt and Yau, 2005;
782!--             Stevens and Seifert, 2008):
783                mu_r = 10.0_wp * ( 1.0_wp + TANH( 1.2E3_wp * ( dr - 1.4E-3_wp ) ) )
784!
785!--             Slope parameter of gamma distribution (Seifert, 2008):
786                lambda_r = ( ( mu_r + 3.0_wp ) * ( mu_r + 2.0_wp ) *       &
787                             ( mu_r + 1.0_wp ) )**( 1.0_wp / 3.0_wp ) / dr
788
789                mu_r_2   = mu_r + 2.0_wp
790                mu_r_5d2 = mu_r + 2.5_wp 
791                f_vent = a_vent * gamm( mu_r_2 ) *                            &
792                         lambda_r**( -mu_r_2 ) +                              &
793                         b_vent * schmidt_p_1d3 *                             &
794                         SQRT( a_term / kin_vis_air ) * gamm( mu_r_5d2 ) *    &
795                         lambda_r**( -mu_r_5d2 ) *                            &
796                         ( 1.0_wp - 0.5_wp * ( b_term / a_term ) *            &
797                         ( lambda_r /                                         &
798                         (       c_term + lambda_r ) )**mu_r_5d2 -            &
799                                 0.125_wp * ( b_term / a_term )**2.0_wp *     &
800                         ( lambda_r /                                         &
801                         ( 2.0_wp * c_term + lambda_r ) )**mu_r_5d2 -         &
802                                 0.0625_wp * ( b_term / a_term )**3.0_wp *    &
803                         ( lambda_r /                                         &
804                         ( 3.0_wp * c_term + lambda_r ) )**mu_r_5d2 -         &
805                                 0.0390625_wp * ( b_term / a_term )**4.0_wp * &
806                         ( lambda_r /                                         &
807                         ( 4.0_wp * c_term + lambda_r ) )**mu_r_5d2 )
808                nr_0   = nr_1d(k) * lambda_r**( mu_r + 1.0_wp ) /             &
809                         gamm( mu_r + 1.0_wp ) 
810             ELSE
811                f_vent = 1.0_wp
812                nr_0   = nr_1d(k) * dr
813             ENDIF
814!
815!--          Evaporation rate of rain water content (Seifert and Beheng, 2006):
816             evap = 2.0_wp * pi * nr_0 * g_evap * f_vent * sat /    &
817                    hyrho(k)
818
819             evap    = MAX( evap, -qr_1d(k) / dt_micro )
820             evap_nr = MAX( c_evap * evap / xr * hyrho(k), &
821                            -nr_1d(k) / dt_micro )
822
823             qr_1d(k) = qr_1d(k) + evap * dt_micro
824             nr_1d(k) = nr_1d(k) + evap_nr * dt_micro
825          ENDIF         
826
827       ENDDO
828
829    END SUBROUTINE evaporation_rain_ij
830
831
832    SUBROUTINE sedimentation_cloud_ij( i, j )
833
834       USE arrays_3d,                                                          &
835           ONLY:  ddzu, dzu, nc_1d, pt_1d, q_1d, qc_1d
836
837       USE cloud_parameters,                                                   &
838           ONLY:  eps_sb, hyrho, k_st, l_d_cp, prr, pt_d_t, rho_l, sigma_gc
839
840       USE constants,                                                          &
841           ONLY:  pi
842
843       USE control_parameters,                                                 &
844           ONLY:  dt_do2d_xy, dt_micro, intermediate_timestep_count
845
846       USE indices,                                                            &
847           ONLY:  nzb, nzb_s_inner, nzt
848
849       USE kinds
850       
851       IMPLICIT NONE
852
853       INTEGER(iwp) ::  i                 !:
854       INTEGER(iwp) ::  j                 !:
855       INTEGER(iwp) ::  k                 !:
856
857       REAL(wp)     ::  sed_qc_const      !:
858
859
860       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) :: sed_qc
861
862!
863!--    Sedimentation of cloud droplets (Heus et al., 2010):
864       sed_qc_const = k_st * ( 3.0_wp / ( 4.0_wp * pi * rho_l ))**( 2.0_wp / 3.0_wp ) *   &
865                     EXP( 5.0_wp * LOG( sigma_gc )**2 )
866
867       sed_qc(nzt+1) = 0.0_wp
868
869       DO  k = nzt, nzb_s_inner(j,i)+1, -1
870          IF ( qc_1d(k) > eps_sb )  THEN
871             sed_qc(k) = sed_qc_const * nc_1d(k)**( -2.0_wp / 3.0_wp ) * &
872                        ( qc_1d(k) * hyrho(k) )**( 5.0_wp / 3.0_wp )
873          ELSE
874             sed_qc(k) = 0.0_wp
875          ENDIF
876
877          sed_qc(k) = MIN( sed_qc(k), hyrho(k) * dzu(k+1) * q_1d(k) /     &
878                                      dt_micro + sed_qc(k+1) )
879
880          q_1d(k)  = q_1d(k)  + ( sed_qc(k+1) - sed_qc(k) ) * ddzu(k+1) /  &
881                                hyrho(k) * dt_micro
882          qc_1d(k) = qc_1d(k) + ( sed_qc(k+1) - sed_qc(k) ) * ddzu(k+1) / & 
883                                hyrho(k) * dt_micro
884          pt_1d(k) = pt_1d(k) - ( sed_qc(k+1) - sed_qc(k) ) * ddzu(k+1) / &
885                                hyrho(k) * l_d_cp * pt_d_t(k) * dt_micro
886
887       ENDDO
888
889    END SUBROUTINE sedimentation_cloud_ij
890
891
892    SUBROUTINE sedimentation_rain_ij( i, j )
893
894       USE arrays_3d,                                                          &
895           ONLY:  ddzu, dzu, nr_1d, pt_1d, q_1d, qr_1d
896
897       USE cloud_parameters,                                                   &
898           ONLY:  a_term, b_term, c_term, cof, dpirho_l, eps_sb, hyrho,        &
899                  limiter_sedimentation, l_d_cp, precipitation_amount, prr,    &
900                  pt_d_t, stp
901
902       USE control_parameters,                                                 &
903           ONLY:  dt_do2d_xy, dt_micro, dt_3d, intermediate_timestep_count,    &
904                  intermediate_timestep_count_max,                             &
905                  precipitation_amount_interval, time_do2d_xy
906
907       USE indices,                                                            &
908           ONLY:  nzb, nzb_s_inner, nzt
909
910       USE kinds
911
912       USE statistics,                                                         &
913           ONLY:  weight_substep
914       
915       IMPLICIT NONE
916
917       INTEGER(iwp) ::  i                          !:
918       INTEGER(iwp) ::  j                          !:
919       INTEGER(iwp) ::  k                          !:
920       INTEGER(iwp) ::  k_run                      !:
921
922       REAL(wp)     ::  c_run                      !:
923       REAL(wp)     ::  d_max                      !:
924       REAL(wp)     ::  d_mean                     !:
925       REAL(wp)     ::  d_min                      !:
926       REAL(wp)     ::  dr                         !:
927       REAL(wp)     ::  dt_sedi                    !:
928       REAL(wp)     ::  flux                       !:
929       REAL(wp)     ::  lambda_r                   !:
930       REAL(wp)     ::  mu_r                       !:
931       REAL(wp)     ::  z_run                      !:
932
933      REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  c_nr      !:
934      REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  c_qr      !:
935      REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  d_nr      !:
936      REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  d_qr      !:
937      REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  nr_slope  !:
938      REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  qr_slope  !:
939      REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  sed_nr    !:
940      REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  sed_qr    !:
941      REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  w_nr      !:
942      REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  w_qr      !:
943
944
945!
946!--    Computation of sedimentation flux. Implementation according to Stevens
947!--    and Seifert (2008).
948       IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  prr(:,j,i) = 0.0_wp
949!
950!--    Compute velocities
951       DO  k = nzb_s_inner(j,i)+1, nzt
952          IF ( qr_1d(k) > eps_sb )  THEN
953!
954!--          Weight averaged diameter of rain drops:
955             dr = ( hyrho(k) * qr_1d(k) / nr_1d(k) * dpirho_l )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
956!
957!--          Shape parameter of gamma distribution (Milbrandt and Yau, 2005;
958!--          Stevens and Seifert, 2008):
959             mu_r = 10.0_wp * ( 1.0_wp + TANH( 1.2E3_wp * ( dr - 1.4E-3_wp ) ) )
960!
961!--          Slope parameter of gamma distribution (Seifert, 2008):
962             lambda_r = ( ( mu_r + 3.0_wp ) * ( mu_r + 2.0_wp ) *          &
963                        ( mu_r + 1.0_wp ) )**( 1.0_wp / 3.0_wp ) / dr
964
965             w_nr(k) = MAX( 0.1_wp, MIN( 20.0_wp, a_term - b_term * ( 1.0_wp +    &
966                       c_term / lambda_r )**( -1.0_wp * ( mu_r + 1.0_wp ) ) ) )
967             w_qr(k) = MAX( 0.1_wp, MIN( 20.0_wp, a_term - b_term * ( 1.0_wp +    &
968                       c_term / lambda_r )**( -1.0_wp * ( mu_r + 4.0_wp ) ) ) )
969          ELSE
970             w_nr(k) = 0.0_wp
971             w_qr(k) = 0.0_wp
972          ENDIF
973       ENDDO
974!
975!--    Adjust boundary values
976       w_nr(nzb_s_inner(j,i)) = w_nr(nzb_s_inner(j,i)+1)
977       w_qr(nzb_s_inner(j,i)) = w_qr(nzb_s_inner(j,i)+1)
978       w_nr(nzt+1) = 0.0_wp
979       w_qr(nzt+1) = 0.0_wp
980!
981!--    Compute Courant number
982       DO  k = nzb_s_inner(j,i)+1, nzt
983          c_nr(k) = 0.25_wp * ( w_nr(k-1) + 2.0_wp * w_nr(k) + w_nr(k+1) ) * &
984                    dt_micro * ddzu(k)
985          c_qr(k) = 0.25_wp * ( w_qr(k-1) + 2.0_wp * w_qr(k) + w_qr(k+1) ) * &
986                    dt_micro * ddzu(k)
987       ENDDO     
988!
989!--    Limit slopes with monotonized centered (MC) limiter (van Leer, 1977):
990       IF ( limiter_sedimentation )  THEN
991
992          DO k = nzb_s_inner(j,i)+1, nzt
993             d_mean = 0.5_wp * ( qr_1d(k+1) + qr_1d(k-1) )
994             d_min  = qr_1d(k) - MIN( qr_1d(k+1), qr_1d(k), qr_1d(k-1) )
995             d_max  = MAX( qr_1d(k+1), qr_1d(k), qr_1d(k-1) ) - qr_1d(k)
996
997             qr_slope(k) = SIGN(1.0_wp, d_mean) * MIN ( 2.0_wp * d_min, 2.0_wp * d_max, &
998                                                     ABS( d_mean ) )
999
1000             d_mean = 0.5_wp * ( nr_1d(k+1) + nr_1d(k-1) )
1001             d_min  = nr_1d(k) - MIN( nr_1d(k+1), nr_1d(k), nr_1d(k-1) )
1002             d_max  = MAX( nr_1d(k+1), nr_1d(k), nr_1d(k-1) ) - nr_1d(k)
1003
1004             nr_slope(k) = SIGN(1.0_wp, d_mean) * MIN ( 2.0_wp * d_min, 2.0_wp * d_max, &
1005                                                     ABS( d_mean ) )
1006          ENDDO
1007
1008       ELSE
1009
1010          nr_slope = 0.0_wp
1011          qr_slope = 0.0_wp
1012
1013       ENDIF
1014
1015       sed_nr(nzt+1) = 0.0_wp
1016       sed_qr(nzt+1) = 0.0_wp
1017!
1018!--    Compute sedimentation flux
1019       DO  k = nzt, nzb_s_inner(j,i)+1, -1
1020!
1021!--       Sum up all rain drop number densities which contribute to the flux
1022!--       through k-1/2
1023          flux  = 0.0_wp
1024          z_run = 0.0_wp ! height above z(k)
1025          k_run = k
1026          c_run = MIN( 1.0_wp, c_nr(k) )
1027          DO WHILE ( c_run > 0.0_wp  .AND.  k_run <= nzt )
1028             flux  = flux + hyrho(k_run) *                                    &
1029                     ( nr_1d(k_run) + nr_slope(k_run) * ( 1.0_wp - c_run ) *     &
1030                     0.5_wp ) * c_run * dzu(k_run)
1031             z_run = z_run + dzu(k_run)
1032             k_run = k_run + 1
1033             c_run = MIN( 1.0_wp, c_nr(k_run) - z_run * ddzu(k_run) )
1034          ENDDO
1035!
1036!--       It is not allowed to sediment more rain drop number density than
1037!--       available
1038          flux = MIN( flux,                                                   &
1039                      hyrho(k) * dzu(k+1) * nr_1d(k) + sed_nr(k+1) * dt_micro )
1040
1041          sed_nr(k) = flux / dt_micro
1042          nr_1d(k)  = nr_1d(k) + ( sed_nr(k+1) - sed_nr(k) ) * ddzu(k+1) /    &
1043                                 hyrho(k) * dt_micro
1044!
1045!--       Sum up all rain water content which contributes to the flux
1046!--       through k-1/2
1047          flux  = 0.0_wp
1048          z_run = 0.0_wp ! height above z(k)
1049          k_run = k
1050          c_run = MIN( 1.0_wp, c_qr(k) )
1051
1052          DO WHILE ( c_run > 0.0_wp  .AND.  k_run <= nzt-1 )
1053
1054             flux  = flux + hyrho(k_run) *                                    &
1055                     ( qr_1d(k_run) + qr_slope(k_run) * ( 1.0_wp - c_run ) *    &
1056                     0.5_wp ) * c_run * dzu(k_run)
1057             z_run = z_run + dzu(k_run)
1058             k_run = k_run + 1
1059             c_run = MIN( 1.0_wp, c_qr(k_run) - z_run * ddzu(k_run) )
1060
1061          ENDDO
1062!
1063!--       It is not allowed to sediment more rain water content than available
1064          flux = MIN( flux,                                                   &
1065                      hyrho(k) * dzu(k) * qr_1d(k) + sed_qr(k+1) * dt_micro )
1066
1067          sed_qr(k) = flux / dt_micro
1068
1069          qr_1d(k) = qr_1d(k) + ( sed_qr(k+1) - sed_qr(k) ) * ddzu(k+1) / &
1070                                hyrho(k) * dt_micro
1071          q_1d(k)  = q_1d(k)  + ( sed_qr(k+1) - sed_qr(k) ) * ddzu(k+1) / &
1072                                hyrho(k) * dt_micro 
1073          pt_1d(k) = pt_1d(k) - ( sed_qr(k+1) - sed_qr(k) ) * ddzu(k+1) / &
1074                                hyrho(k) * l_d_cp * pt_d_t(k) * dt_micro
1075!
1076!--       Compute the rain rate
1077          prr(k,j,i) = prr(k,j,i) + sed_qr(k) / hyrho(k) *                    &
1078                       weight_substep(intermediate_timestep_count)
1079       ENDDO
1080
1081!
1082!--    Precipitation amount
1083       IF ( intermediate_timestep_count == intermediate_timestep_count_max    &
1084            .AND.  ( dt_do2d_xy - time_do2d_xy ) <                            &
1085            precipitation_amount_interval )  THEN
1086
1087          precipitation_amount(j,i) = precipitation_amount(j,i) +   &
1088                                      prr(nzb_s_inner(j,i)+1,j,i) *      &
1089                                      hyrho(nzb_s_inner(j,i)+1) * dt_3d
1090       ENDIF
1091
1092    END SUBROUTINE sedimentation_rain_ij
1093
1094
1095!
1096!-- This function computes the gamma function (Press et al., 1992).
1097!-- The gamma function is needed for the calculation of the evaporation
1098!-- of rain drops.
1099    FUNCTION gamm( xx ) 
1100       
1101       USE cloud_parameters,                                                   &
1102           ONLY:  cof, stp
1103
1104       USE kinds
1105
1106       IMPLICIT NONE
1107
1108       INTEGER(iwp) ::  j            !:
1109
1110       REAL(wp)     ::  gamm         !:
1111       REAL(wp)     ::  ser          !:
1112       REAL(wp)     ::  tmp          !:
1113       REAL(wp)     ::  x_gamm       !:
1114       REAL(wp)     ::  xx           !:
1115       REAL(wp)     ::  y_gamm       !:
1116
1117       x_gamm = xx 
1118       y_gamm = x_gamm 
1119       tmp = x_gamm + 5.5_wp
1120       tmp = ( x_gamm + 0.5_wp ) * LOG( tmp ) - tmp 
1121       ser = 1.000000000190015_wp
1122
1123       DO  j = 1, 6 
1124          y_gamm = y_gamm + 1.0_wp 
1125          ser    = ser + cof( j ) / y_gamm 
1126       ENDDO
1127
1128!
1129!--    Until this point the algorithm computes the logarithm of the gamma
1130!--    function. Hence, the exponential function is used. 
1131!       gamm = EXP( tmp + LOG( stp * ser / x_gamm ) )
1132       gamm = EXP( tmp ) * stp * ser / x_gamm 
1133
1134       RETURN
1135 
1136    END FUNCTION gamm 
1137
1138 END MODULE microphysics_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.