source: palm/trunk/SOURCE/microphysics_mod.f90 @ 2316

Last change on this file since 2316 was 2312, checked in by hoffmann, 7 years ago

various improvements of the LCM

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 123.6 KB
Line 
1!> @file microphysics_mod.f90
2!------------------------------------------------------------------------------!
3! This file is part of PALM.
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 1997-2017 Leibniz Universitaet Hannover
18!------------------------------------------------------------------------------!
19!
20! Current revisions:
21! ------------------
22!
23!
24! Former revisions:
25! -----------------
26! $Id: microphysics_mod.f90 2312 2017-07-14 20:26:51Z maronga $
27! s1 changed to log_sigma
28!
29! 2292 2017-06-20 09:51:42Z schwenkel
30! Implementation of new microphysic scheme: cloud_scheme = 'morrison'
31! includes two more prognostic equations for cloud drop concentration (nc)
32! and cloud water content (qc).
33! - The process of activation is parameterized with a simple Twomey
34!   activion scheme or with considering solution and curvature
35!   effects (Khvorostyanov and Curry ,2006).
36! - The saturation adjustment scheme is replaced by the parameterization
37!   of condensation rates (Khairoutdinov and Kogan, 2000, Mon. Wea. Rev.,128).
38! - All other microphysical processes of Seifert and Beheng are used.
39!   Additionally, in those processes the reduction of cloud number concentration
40!   is considered.
41!
42! 2233 2017-05-30 18:08:54Z suehring
43!
44! 2232 2017-05-30 17:47:52Z suehring
45! Adjustments to new topography and surface concept
46!
47! 2155 2017-02-21 09:57:40Z hoffmann
48! Bugfix in the calculation of microphysical quantities on ghost points.
49!
50! 2031 2016-10-21 15:11:58Z knoop
51! renamed variable rho to rho_ocean
52!
53! 2000 2016-08-20 18:09:15Z knoop
54! Forced header and separation lines into 80 columns
55!
56! 1850 2016-04-08 13:29:27Z maronga
57! Module renamed
58! Adapted for modularization of microphysics.
59!
60! 1845 2016-04-08 08:29:13Z raasch
61! nzb_2d replaced by nzb_s_inner, Kessler precipitation is stored at surface
62! point (instead of one point above surface)
63!
64! 1831 2016-04-07 13:15:51Z hoffmann
65! turbulence renamed collision_turbulence,
66! drizzle renamed cloud_water_sedimentation. cloud_water_sedimentation also
67! avaialble for microphysics_kessler.
68!
69! 1822 2016-04-07 07:49:42Z hoffmann
70! Unused variables removed.
71! Kessler scheme integrated.
72!
73! 1691 2015-10-26 16:17:44Z maronga
74! Added new routine calc_precipitation_amount. The routine now allows to account
75! for precipitation due to sedimenation of cloud (fog) droplets
76!
77! 1682 2015-10-07 23:56:08Z knoop
78! Code annotations made doxygen readable
79!
80! 1646 2015-09-02 16:00:10Z hoffmann
81! Bugfix: Wrong computation of d_mean.
82!
83! 1361 2014-04-16 15:17:48Z hoffmann
84! Bugfix in sedimentation_rain: Index corrected.
85! Vectorized version of adjust_cloud added.
86! Little reformatting of the code.
87!
88! 1353 2014-04-08 15:21:23Z heinze
89! REAL constants provided with KIND-attribute
90!
91! 1346 2014-03-27 13:18:20Z heinze
92! Bugfix: REAL constants provided with KIND-attribute especially in call of
93! intrinsic function like MAX, MIN, SIGN
94!
95! 1334 2014-03-25 12:21:40Z heinze
96! Bugfix: REAL constants provided with KIND-attribute
97!
98! 1322 2014-03-20 16:38:49Z raasch
99! REAL constants defined as wp-kind
100!
101! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
102! ONLY-attribute added to USE-statements,
103! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
104! kinds are defined in new module kinds,
105! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
106! all variable declaration statements
107!
108! 1241 2013-10-30 11:36:58Z heinze
109! hyp and rho_ocean have to be calculated at each time step if data from external
110! file LSF_DATA are used
111!
112! 1115 2013-03-26 18:16:16Z hoffmann
113! microphyical tendencies are calculated in microphysics_control in an optimized
114! way; unrealistic values are prevented; bugfix in evaporation; some reformatting
115!
116! 1106 2013-03-04 05:31:38Z raasch
117! small changes in code formatting
118!
119! 1092 2013-02-02 11:24:22Z raasch
120! unused variables removed
121! file put under GPL
122!
123! 1065 2012-11-22 17:42:36Z hoffmann
124! Sedimentation process implemented according to Stevens and Seifert (2008).
125! Turbulence effects on autoconversion and accretion added (Seifert, Nuijens
126! and Stevens, 2010).
127!
128! 1053 2012-11-13 17:11:03Z hoffmann
129! initial revision
130!
131! Description:
132! ------------
133!> Calculate bilk cloud microphysics.
134!------------------------------------------------------------------------------!
135 MODULE microphysics_mod
136
137    USE  kinds
138
139    IMPLICIT NONE
140
141    LOGICAL ::  cloud_water_sedimentation = .FALSE.       !< cloud water sedimentation
142    LOGICAL ::  curvature_solution_effects_bulk = .FALSE. !< flag for considering koehler theory
143    LOGICAL ::  limiter_sedimentation = .TRUE.            !< sedimentation limiter
144    LOGICAL ::  collision_turbulence = .FALSE.            !< turbulence effects
145    LOGICAL ::  ventilation_effect = .TRUE.               !< ventilation effect
146
147    REAL(wp) ::  a_1 = 8.69E-4_wp          !< coef. in turb. parametrization (cm-2 s3)
148    REAL(wp) ::  a_2 = -7.38E-5_wp         !< coef. in turb. parametrization (cm-2 s3)
149    REAL(wp) ::  a_3 = -1.40E-2_wp         !< coef. in turb. parametrization
150    REAL(wp) ::  a_term = 9.65_wp          !< coef. for terminal velocity (m s-1)
151    REAL(wp) ::  a_vent = 0.78_wp          !< coef. for ventilation effect
152    REAL(wp) ::  b_1 = 11.45E-6_wp         !< coef. in turb. parametrization (m)
153    REAL(wp) ::  b_2 = 9.68E-6_wp          !< coef. in turb. parametrization (m)
154    REAL(wp) ::  b_3 = 0.62_wp             !< coef. in turb. parametrization
155    REAL(wp) ::  b_term = 9.8_wp           !< coef. for terminal velocity (m s-1)
156    REAL(wp) ::  b_vent = 0.308_wp         !< coef. for ventilation effect
157    REAL(wp) ::  beta_cc = 3.09E-4_wp      !< coef. in turb. parametrization (cm-2 s3)
158    REAL(wp) ::  c_1 = 4.82E-6_wp          !< coef. in turb. parametrization (m)
159    REAL(wp) ::  c_2 = 4.8E-6_wp           !< coef. in turb. parametrization (m)
160    REAL(wp) ::  c_3 = 0.76_wp             !< coef. in turb. parametrization
161    REAL(wp) ::  c_const = 0.93_wp         !< const. in Taylor-microscale Reynolds number
162    REAL(wp) ::  c_evap = 0.7_wp           !< constant in evaporation
163    REAL(wp) ::  c_term = 600.0_wp         !< coef. for terminal velocity (m-1)
164    REAL(wp) ::  diff_coeff_l = 0.23E-4_wp  !< diffusivity of water vapor (m2 s-1)
165    REAL(wp) ::  eps_sb = 1.0E-10_wp       !< threshold in two-moments scheme
166    REAL(wp) ::  eps_mr = 0.0_wp           !< threshold for morrison scheme
167    REAL(wp) ::  k_cc = 9.44E09_wp         !< const. cloud-cloud kernel (m3 kg-2 s-1)
168    REAL(wp) ::  k_cr0 = 4.33_wp           !< const. cloud-rain kernel (m3 kg-1 s-1)
169    REAL(wp) ::  k_rr = 7.12_wp            !< const. rain-rain kernel (m3 kg-1 s-1)
170    REAL(wp) ::  k_br = 1000.0_wp          !< const. in breakup parametrization (m-1)
171    REAL(wp) ::  k_st = 1.2E8_wp           !< const. in drizzle parametrization (m-1 s-1)
172    REAL(wp) ::  kappa_rr = 60.7_wp        !< const. in collision kernel (kg-1/3)
173    REAL(wp) ::  kin_vis_air = 1.4086E-5_wp  !< kin. viscosity of air (m2 s-1)
174    REAL(wp) ::  prec_time_const = 0.001_wp  !< coef. in Kessler scheme (s-1)
175    REAL(wp) ::  ql_crit = 0.0005_wp       !< coef. in Kessler scheme (kg kg-1)
176    REAL(wp) ::  schmidt_p_1d3=0.8921121_wp  !< Schmidt number**0.33333, 0.71**0.33333
177    REAL(wp) ::  sigma_gc = 1.3_wp         !< geometric standard deviation cloud droplets
178    REAL(wp) ::  thermal_conductivity_l = 2.43E-2_wp  !< therm. cond. air (J m-1 s-1 K-1)
179    REAL(wp) ::  w_precipitation = 9.65_wp  !< maximum terminal velocity (m s-1)
180    REAL(wp) ::  x0 = 2.6E-10_wp           !< separating drop mass (kg)
181    REAL(wp) ::  xamin = 5.24E-19_wp       !< average aerosol mass (kg) (~ 0.05µm)
182    REAL(wp) ::  xcmin = 4.18E-15_wp       !< minimum cloud drop size (kg) (~ 1µm)
183    REAL(wp) ::  xcmax = 2.6E-10_wp        !< maximum cloud drop size (kg) (~ 40µm)
184    REAL(wp) ::  xrmin = 2.6E-10_wp        !< minimum rain drop size (kg)
185    REAL(wp) ::  xrmax = 5.0E-6_wp         !< maximum rain drop site (kg)
186
187    REAL(wp) ::  c_sedimentation = 2.0_wp  !< Courant number of sedimentation process
188    REAL(wp) ::  dpirho_l                  !< 6.0 / ( pi * rho_l )
189    REAL(wp) ::  dt_micro                  !< microphysics time step
190    REAL(wp) ::  na_init = 100.0E6_wp      !< Total particle/aerosol concentration (cm-3)
191    REAL(wp) ::  nc_const = 70.0E6_wp      !< cloud droplet concentration
192    REAL(wp) ::  dt_precipitation = 100.0_wp !< timestep precipitation (s)
193    REAL(wp) ::  sed_qc_const              !< const. for sedimentation of cloud water
194    REAL(wp) ::  pirho_l                   !< pi * rho_l / 6.0;
195
196    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  nc_1d  !<
197    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  nr_1d  !<
198    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  pt_1d  !<
199    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  qc_1d  !<
200    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  qr_1d  !<
201    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  q_1d   !<
202
203    SAVE
204
205    PRIVATE
206    PUBLIC microphysics_control, microphysics_init
207
208    PUBLIC cloud_water_sedimentation, collision_turbulence,                    &
209           curvature_solution_effects_bulk, c_sedimentation, dt_precipitation, &
210           limiter_sedimentation, na_init, nc_const, sigma_gc,                 &
211           ventilation_effect
212
213
214    INTERFACE microphysics_control
215       MODULE PROCEDURE microphysics_control
216       MODULE PROCEDURE microphysics_control_ij
217    END INTERFACE microphysics_control
218
219    INTERFACE adjust_cloud
220       MODULE PROCEDURE adjust_cloud
221       MODULE PROCEDURE adjust_cloud_ij
222    END INTERFACE adjust_cloud
223
224    INTERFACE activation
225       MODULE PROCEDURE activation
226       MODULE PROCEDURE activation_ij
227    END INTERFACE activation
228
229    INTERFACE condensation
230       MODULE PROCEDURE condensation
231       MODULE PROCEDURE condensation_ij
232    END INTERFACE condensation
233
234    INTERFACE autoconversion
235       MODULE PROCEDURE autoconversion
236       MODULE PROCEDURE autoconversion_ij
237    END INTERFACE autoconversion
238
239    INTERFACE autoconversion_kessler
240       MODULE PROCEDURE autoconversion_kessler
241       MODULE PROCEDURE autoconversion_kessler_ij
242    END INTERFACE autoconversion_kessler
243
244    INTERFACE accretion
245       MODULE PROCEDURE accretion
246       MODULE PROCEDURE accretion_ij
247    END INTERFACE accretion
248
249    INTERFACE selfcollection_breakup
250       MODULE PROCEDURE selfcollection_breakup
251       MODULE PROCEDURE selfcollection_breakup_ij
252    END INTERFACE selfcollection_breakup
253
254    INTERFACE evaporation_rain
255       MODULE PROCEDURE evaporation_rain
256       MODULE PROCEDURE evaporation_rain_ij
257    END INTERFACE evaporation_rain
258
259    INTERFACE sedimentation_cloud
260       MODULE PROCEDURE sedimentation_cloud
261       MODULE PROCEDURE sedimentation_cloud_ij
262    END INTERFACE sedimentation_cloud
263
264    INTERFACE sedimentation_rain
265       MODULE PROCEDURE sedimentation_rain
266       MODULE PROCEDURE sedimentation_rain_ij
267    END INTERFACE sedimentation_rain
268
269    INTERFACE calc_precipitation_amount
270       MODULE PROCEDURE calc_precipitation_amount
271       MODULE PROCEDURE calc_precipitation_amount_ij
272    END INTERFACE calc_precipitation_amount
273
274 CONTAINS
275!------------------------------------------------------------------------------!
276! Description:
277! ------------
278!> Initialization of bulk microphysics
279!------------------------------------------------------------------------------!
280    SUBROUTINE microphysics_init
281
282       USE arrays_3d,                                                          &
283           ONLY:  dzu
284
285       USE constants,                                                          &
286           ONLY:  pi
287
288       USE cloud_parameters,                                                   &
289           ONLY:  rho_l
290
291       USE control_parameters,                                                 &
292           ONLY:  microphysics_morrison, microphysics_seifert
293
294       USE indices,                                                            &
295           ONLY:  nzb, nzt
296
297       IMPLICIT NONE
298
299!
300!--    constant for the sedimentation of cloud water (2-moment cloud physics)
301       sed_qc_const = k_st * ( 3.0_wp / ( 4.0_wp * pi * rho_l )                &
302                          )**( 2.0_wp / 3.0_wp ) *                             &
303                      EXP( 5.0_wp * LOG( sigma_gc )**2 )
304
305!
306!--    Calculate timestep according to precipitation
307       IF ( microphysics_seifert )  THEN
308          dt_precipitation = c_sedimentation * MINVAL( dzu(nzb+2:nzt) ) /      &
309                             w_precipitation
310       ENDIF
311
312!
313!--    Pre-calculate frequently calculated fractions of pi and rho_l
314       pirho_l  = pi * rho_l / 6.0_wp
315       dpirho_l = 1.0_wp / pirho_l
316
317!
318!--    Allocate 1D microphysics arrays
319       ALLOCATE ( pt_1d(nzb:nzt+1), q_1d(nzb:nzt+1),         &
320                  qc_1d(nzb:nzt+1) )
321
322       IF ( microphysics_morrison .OR. microphysics_seifert ) THEN
323          ALLOCATE ( nc_1d(nzb:nzt+1) )
324       ENDIF
325
326       IF ( microphysics_seifert )  THEN
327          ALLOCATE ( nr_1d(nzb:nzt+1), qr_1d(nzb:nzt+1) )
328       ENDIF
329
330    END SUBROUTINE microphysics_init
331
332
333!------------------------------------------------------------------------------!
334! Description:
335! ------------
336!> Control of microphysics for all grid points
337!------------------------------------------------------------------------------!
338    SUBROUTINE microphysics_control
339
340       USE arrays_3d,                                                          &
341           ONLY:  hyp, pt_init, prr, zu
342
343       USE cloud_parameters,                                                   &
344           ONLY:  cp, hyrho, pt_d_t, r_d, t_d_pt
345
346       USE control_parameters,                                                 &
347           ONLY:  call_microphysics_at_all_substeps, dt_3d, g,                 &
348                  intermediate_timestep_count, large_scale_forcing,            &
349                  lsf_surf, microphysics_kessler, microphysics_morrison,       &
350                  microphysics_seifert, pt_surface,                            &
351                  rho_surface,surface_pressure
352
353       USE indices,                                                            &
354           ONLY:  nzb, nzt
355
356       USE kinds
357
358       USE statistics,                                                         &
359           ONLY:  weight_pres
360
361       IMPLICIT NONE
362
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) ) /                    &
377                         t_surface )**(1.0_wp / 0.286_wp)
378             pt_d_t(k) = ( 100000.0_wp / hyp(k) )**0.286_wp
379             t_d_pt(k) = 1.0_wp / pt_d_t(k)
380             hyrho(k)  = hyp(k) / ( r_d * t_d_pt(k) * pt_init(k) )
381          ENDDO
382
383!
384!--       Compute reference density
385          rho_surface = surface_pressure * 100.0_wp / ( r_d * t_surface )
386       ENDIF
387
388!
389!--    Compute length of time step
390       IF ( call_microphysics_at_all_substeps )  THEN
391          dt_micro = dt_3d * weight_pres(intermediate_timestep_count)
392       ELSE
393          dt_micro = dt_3d
394       ENDIF
395
396!
397!--    Reset precipitation rate
398       IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  prr = 0.0_wp
399
400!
401!--    Compute cloud physics
402       IF ( microphysics_kessler )  THEN
403
404          CALL autoconversion_kessler
405          IF ( cloud_water_sedimentation )  CALL sedimentation_cloud
406
407       ELSEIF ( microphysics_seifert )  THEN
408
409          CALL adjust_cloud
410          IF ( microphysics_morrison )  CALL activation
411          IF ( microphysics_morrison )  CALL condensation
412          CALL autoconversion
413          CALL accretion
414          CALL selfcollection_breakup
415          CALL evaporation_rain
416          CALL sedimentation_rain
417          IF ( cloud_water_sedimentation )  CALL sedimentation_cloud
418
419       ENDIF
420
421       CALL calc_precipitation_amount
422
423    END SUBROUTINE microphysics_control
424
425!------------------------------------------------------------------------------!
426! Description:
427! ------------
428!> Adjust number of raindrops to avoid nonlinear effects in sedimentation and
429!> evaporation of rain drops due to too small or too big weights
430!> of rain drops (Stevens and Seifert, 2008).
431!------------------------------------------------------------------------------!
432    SUBROUTINE adjust_cloud
433
434       USE arrays_3d,                                                          &
435           ONLY:  qc, nc, qr, nr
436
437       USE cloud_parameters,                                                   &
438           ONLY:  hyrho
439
440       USE control_parameters,                                                 &
441           ONLY:  microphysics_morrison
442
443       USE cpulog,                                                             &
444           ONLY:  cpu_log, log_point_s
445
446       USE indices,                                                            &
447           ONLY:  nxlg, nxrg, nyng, nysg, nzb, nzb_max, nzt, wall_flags_0
448
449       USE kinds
450
451       IMPLICIT NONE
452
453       INTEGER(iwp) ::  i                 !<
454       INTEGER(iwp) ::  j                 !<
455       INTEGER(iwp) ::  k                 !<
456
457       CALL cpu_log( log_point_s(54), 'adjust_cloud', 'start' )
458
459       DO  i = nxlg, nxrg
460          DO  j = nysg, nyng
461             DO  k = nzb+1, nzt
462                IF ( qr(k,j,i) <= eps_sb )  THEN
463                   qr(k,j,i) = 0.0_wp
464                   nr(k,j,i) = 0.0_wp
465                ELSE
466                   IF ( nr(k,j,i) * xrmin > qr(k,j,i) * hyrho(k) )  THEN
467                      nr(k,j,i) = qr(k,j,i) * hyrho(k) / xrmin *               &
468                                       MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
469                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
470                   ELSEIF ( nr(k,j,i) * xrmax < qr(k,j,i) * hyrho(k) )  THEN
471                      nr(k,j,i) = qr(k,j,i) * hyrho(k) / xrmax *               &
472                                       MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
473                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
474                   ENDIF
475                ENDIF
476                IF ( microphysics_morrison ) THEN
477                   IF ( qc(k,j,i) <= eps_sb )  THEN
478                      qc(k,j,i) = 0.0_wp
479                      nc(k,j,i) = 0.0_wp
480                   ELSE
481                      IF ( nc(k,j,i) * xcmin > qc(k,j,i) * hyrho(k) )  THEN
482                         nc(k,j,i) = qc(k,j,i) * hyrho(k) / xcmin *            &
483                                          MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,               &
484                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
485                      ENDIF
486                   ENDIF
487                ENDIF
488             ENDDO
489          ENDDO
490       ENDDO
491
492       CALL cpu_log( log_point_s(54), 'adjust_cloud', 'stop' )
493
494    END SUBROUTINE adjust_cloud
495
496!------------------------------------------------------------------------------!
497! Description:
498! ------------
499!> Calculate number of activated condensation nucleii after simple activation
500!> scheme of Twomey, 1959.
501!------------------------------------------------------------------------------!
502    SUBROUTINE activation
503
504       USE arrays_3d,                                                          &
505           ONLY:  hyp, nc, nr, pt, q,  qc, qr
506
507       USE cloud_parameters,                                                   &
508           ONLY:  hyrho, l_d_cp, l_d_r, l_v, rho_l, r_v, t_d_pt
509
510       USE constants,                                                          &
511           ONLY:  pi
512
513       USE cpulog,                                                             &
514           ONLY:  cpu_log, log_point_s
515
516       USE indices,                                                            &
517           ONLY:  nxlg, nxrg, nysg, nyng, nzb, nzt
518
519       USE kinds
520
521       USE control_parameters,                                                 &
522          ONLY: simulated_time
523
524       USE particle_attributes,                                                &
525          ONLY:  molecular_weight_of_solute, molecular_weight_of_water, rho_s, &
526              log_sigma, vanthoff
527
528       IMPLICIT NONE
529
530       INTEGER(iwp) ::  i                 !<
531       INTEGER(iwp) ::  j                 !<
532       INTEGER(iwp) ::  k                 !<
533
534       REAL(wp)     ::  activ             !<
535       REAL(wp)     ::  afactor           !<
536       REAL(wp)     ::  alpha             !<
537       REAL(wp)     ::  beta_act          !<
538       REAL(wp)     ::  bfactor           !<
539       REAL(wp)     ::  e_s               !<
540       REAL(wp)     ::  k_act             !<
541       REAL(wp)     ::  n_act             !<
542       REAL(wp)     ::  n_ccn             !<
543       REAL(wp)     ::  q_s               !<
544       REAL(wp)     ::  rd0               !<
545       REAL(wp)     ::  s_0               !<
546       REAL(wp)     ::  sat               !<
547       REAL(wp)     ::  sat_max           !<
548       REAL(wp)     ::  sigma             !<
549       REAL(wp)     ::  t_int             !<
550       REAL(wp)     ::  t_l               !<
551
552       CALL cpu_log( log_point_s(65), 'activation', 'start' )
553
554       DO  i = nxlg, nxrg
555          DO  j = nysg, nyng
556             DO  k = nzb+1, nzt
557
558!
559!--             Actual liquid water temperature:
560                t_l = t_d_pt(k) * pt(k,j,i)
561
562!
563!--             Calculate actual temperature
564                t_int = pt(k,j,i) * ( hyp(k) / 100000.0_wp )**0.286_wp
565!
566!--             Saturation vapor pressure at t_l:
567                e_s = 610.78_wp * EXP( 17.269_wp * ( t_l - 273.16_wp ) /    &
568                                       ( t_l - 35.86_wp )                   &
569                                     )
570!
571!--             Computation of saturation humidity:
572                q_s   = 0.622_wp * e_s / ( hyp(k) - 0.378_wp * e_s )
573                alpha = 0.622_wp * l_d_r * l_d_cp / ( t_l * t_l )
574                q_s   = q_s * ( 1.0_wp + alpha * q(k,j,i) ) /               &
575                        ( 1.0_wp + alpha * q_s )
576
577!--             Supersaturation:
578                sat   = ( q(k,j,i) - qr(k,j,i) - qc(k,j,i) ) / q_s - 1.0_wp
579
580!
581!--             Prescribe parameters for activation
582!--             (see: Bott + Trautmann, 2002, Atm. Res., 64)
583                k_act  = 0.7_wp
584
585                IF ( sat >= 0.0 .AND. .NOT. curvature_solution_effects_bulk ) THEN
586!
587!--                Compute the number of activated Aerosols
588!--                (see: Twomey, 1959, Pure and applied Geophysics, 43)
589                   n_act     = na_init * sat**k_act
590!
591!--                Compute the number of cloud droplets
592!--                (see: Morrison + Grabowski, 2007, JAS, 64)
593!                  activ = MAX( n_act - nc(k,j,i), 0.0_wp) / dt_micro
594
595!
596!--                Compute activation rate after Khairoutdinov and Kogan
597!--                (see: Khairoutdinov + Kogan, 2000, Mon. Wea. Rev., 128)
598                   sat_max = 1.0_wp / 100.0_wp
599                   activ   = MAX( 0.0_wp, ( (na_init + nc(k,j,i) ) * MIN       &
600                      ( 1.0_wp, ( sat / sat_max )**k_act) - nc(k,j,i) ) ) /    &
601                       dt_micro
602                ELSEIF ( sat >= 0.0 .AND. curvature_solution_effects_bulk ) THEN
603!
604!--                Curvature effect (afactor) with surface tension
605!--                parameterization by Straka (2009)
606                   sigma = 0.0761_wp - 0.000155_wp * ( t_int - 273.15_wp )
607                   afactor = 2.0_wp * sigma / ( rho_l * r_v * t_int )
608!
609!--                Solute effect (bfactor)
610                   bfactor = vanthoff * molecular_weight_of_water *            &
611                       rho_s / ( molecular_weight_of_solute * rho_l )
612
613!
614!--                Prescribe power index that describes the soluble fraction
615!--                of an aerosol particle (beta) and mean geometric radius of
616!--                dry aerosol spectrum
617!--                (see: Morrison + Grabowski, 2007, JAS, 64)
618                   beta_act = 0.5_wp
619                   rd0      = 0.05E-6_wp
620!
621!--                Calculate mean geometric supersaturation (s_0) with
622!--                parameterization by Khvorostyanov and Curry (2006)
623                   s_0   = rd0 **(- ( 1.0_wp + beta_act ) ) *                  &
624                       ( 4.0_wp * afactor**3 / ( 27.0_wp * bfactor ) )**0.5_wp
625
626!
627!--                Calculate number of activated CCN as a function of
628!--                supersaturation and taking Koehler theory into account
629!--                (see: Khvorostyanov + Curry, 2006, J. Geo. Res., 111)
630                   n_ccn = ( na_init / 2.0_wp ) * ( 1.0_wp - ERF(              &
631                      LOG( s_0 / sat ) / ( SQRT(2.0_wp) * log_sigma(1) ) ) )
632                   activ = MAX( ( n_ccn - nc(k,j,i) ) / dt_micro, 0.0_wp )
633                ENDIF
634
635                nc(k,j,i) = MIN( (nc(k,j,i) + activ * dt_micro), na_init)
636
637             ENDDO
638          ENDDO
639       ENDDO
640
641       CALL cpu_log( log_point_s(65), 'activation', 'stop' )
642
643    END SUBROUTINE activation
644
645
646!------------------------------------------------------------------------------!
647! Description:
648! ------------
649!> Calculate condensation rate for cloud water content (after Khairoutdinov and
650!> Kogan, 2000).
651!------------------------------------------------------------------------------!
652    SUBROUTINE condensation
653
654       USE arrays_3d,                                                          &
655           ONLY:  hyp, nr, pt, q,  qc, qr, nc
656
657       USE cloud_parameters,                                                   &
658           ONLY:  hyrho, l_d_cp, l_d_r, l_v, r_v, t_d_pt
659
660       USE constants,                                                          &
661           ONLY:  pi
662
663       USE cpulog,                                                             &
664           ONLY:  cpu_log, log_point_s
665
666       USE indices,                                                            &
667           ONLY:  nxlg, nxrg, nysg, nyng, nzb, nzt
668
669       USE kinds
670
671       USE control_parameters,                                                 &
672          ONLY: simulated_time
673
674       IMPLICIT NONE
675
676       INTEGER(iwp) ::  i                 !<
677       INTEGER(iwp) ::  j                 !<
678       INTEGER(iwp) ::  k                 !<
679
680       REAL(wp)     ::  alpha             !<
681       REAL(wp)     ::  cond              !<
682       REAL(wp)     ::  cond_max          !<
683       REAL(wp)     ::  dc                !<
684       REAL(wp)     ::  e_s               !<
685       REAL(wp)     ::  evap              !<
686       REAL(wp)     ::  evap_nc           !<
687       REAL(wp)     ::  g_fac             !<
688       REAL(wp)     ::  nc_0              !<
689       REAL(wp)     ::  q_s               !<
690       REAL(wp)     ::  sat               !<
691       REAL(wp)     ::  t_l               !<
692       REAL(wp)     ::  temp              !<
693       REAL(wp)     ::  xc                !<
694
695       CALL cpu_log( log_point_s(66), 'condensation', 'start' )
696
697       DO  i = nxlg, nxrg
698          DO  j = nysg, nyng
699             DO  k = nzb+1, nzt
700!
701!--             Actual liquid water temperature:
702                t_l = t_d_pt(k) * pt(k,j,i)
703!
704!--             Saturation vapor pressure at t_l:
705                e_s = 610.78_wp * EXP( 17.269_wp * ( t_l - 273.16_wp ) /       &
706                                       ( t_l - 35.86_wp )                      &
707                                     )
708!
709!--             Computation of saturation humidity:
710                q_s   = 0.622_wp * e_s / ( hyp(k) - 0.378_wp * e_s )
711                alpha = 0.622_wp * l_d_r * l_d_cp / ( t_l * t_l )
712                q_s   = q_s * ( 1.0_wp + alpha * q(k,j,i) ) /                  &
713                        ( 1.0_wp + alpha * q_s )
714
715!--             Supersaturation:
716                sat   = ( q(k,j,i) - qr(k,j,i) - qc(k,j,i) ) / q_s - 1.0_wp
717
718!
719!--             Actual temperature:
720                temp = t_l + l_d_cp * ( qc(k,j,i) + qr(k,j,i) )
721
722                g_fac  = 1.0_wp / ( ( l_v / ( r_v * temp ) - 1.0_wp ) *        &
723                                    l_v / ( thermal_conductivity_l * temp )    &
724                                    + r_v * temp / ( diff_coeff_l * e_s )      &
725                                    )
726!
727!--             Mean weight of cloud drops
728                IF ( nc(k,j,i) <= 0.0_wp) CYCLE
729                xc = MAX( (hyrho(k) * qc(k,j,i) / nc(k,j,i)), xcmin)
730!
731!--             Weight averaged diameter of cloud drops:
732                dc   = ( xc * dpirho_l )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
733!
734!--             Integral diameter of cloud drops
735                nc_0 = nc(k,j,i) * dc
736!
737!--             Condensation needs only to be calculated in supersaturated regions
738                IF ( sat > 0.0_wp )  THEN
739!
740!--                Condensation rate of cloud water content
741!--                after KK scheme.
742!--                (see: Khairoutdinov + Kogan, 2000, Mon. Wea. Rev.,128)
743                   cond      = 2.0_wp * pi * nc_0 * g_fac * sat / hyrho(k)
744                   cond_max  = q(k,j,i) - q_s - qc(k,j,i) - qr(k,j,i)
745                   cond      = MIN( cond, cond_max / dt_micro )
746
747                   qc(k,j,i) = qc(k,j,i) + cond * dt_micro
748                ELSEIF ( sat < 0.0_wp ) THEN
749                   evap      = 2.0_wp * pi * nc_0 * g_fac * sat / hyrho(k)
750                   evap      = MAX( evap, -qc(k,j,i) / dt_micro )
751
752                   qc(k,j,i) = qc(k,j,i) + evap * dt_micro
753                ENDIF
754                IF ( nc(k,j,i) * xcmin > qc(k,j,i) * hyrho(k) )  THEN
755                   nc(k,j,i) = qc(k,j,i) * hyrho(k) / xcmin
756                ENDIF
757             ENDDO
758          ENDDO
759       ENDDO
760
761       CALL cpu_log( log_point_s(66), 'condensation', 'stop' )
762
763    END SUBROUTINE condensation
764
765
766!------------------------------------------------------------------------------!
767! Description:
768! ------------
769!> Autoconversion rate (Seifert and Beheng, 2006).
770!------------------------------------------------------------------------------!
771    SUBROUTINE autoconversion
772
773       USE arrays_3d,                                                          &
774           ONLY:  diss, dzu, nc, nr, qc, qr
775
776       USE cloud_parameters,                                                   &
777           ONLY:  hyrho
778
779       USE control_parameters,                                                 &
780           ONLY:  microphysics_morrison, rho_surface
781
782       USE cpulog,                                                             &
783           ONLY:  cpu_log, log_point_s
784
785       USE grid_variables,                                                     &
786           ONLY:  dx, dy
787
788       USE indices,                                                            &
789           ONLY:  nxlg, nxrg, nyng, nysg, nzb, nzb_max, nzt, wall_flags_0
790
791       USE kinds
792
793       IMPLICIT NONE
794
795       INTEGER(iwp) ::  i                 !<
796       INTEGER(iwp) ::  j                 !<
797       INTEGER(iwp) ::  k                 !<
798
799       REAL(wp)     ::  alpha_cc          !<
800       REAL(wp)     ::  autocon           !<
801       REAL(wp)     ::  dissipation       !<
802       REAL(wp)     ::  flag              !< flag to mask topography grid points
803       REAL(wp)     ::  k_au              !<
804       REAL(wp)     ::  l_mix             !<
805       REAL(wp)     ::  nc_auto           !<
806       REAL(wp)     ::  nu_c              !<
807       REAL(wp)     ::  phi_au            !<
808       REAL(wp)     ::  r_cc              !<
809       REAL(wp)     ::  rc                !<
810       REAL(wp)     ::  re_lambda         !<
811       REAL(wp)     ::  sigma_cc          !<
812       REAL(wp)     ::  tau_cloud         !<
813       REAL(wp)     ::  xc                !<
814
815       CALL cpu_log( log_point_s(55), 'autoconversion', 'start' )
816
817       DO  i = nxlg, nxrg
818          DO  j = nysg, nyng
819             DO  k = nzb+1, nzt
820!
821!--             Predetermine flag to mask topography
822                flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
823
824                nc_auto = MERGE( nc(k,j,i), nc_const, microphysics_morrison )
825
826                IF ( qc(k,j,i) > eps_sb )  THEN
827
828                   k_au = k_cc / ( 20.0_wp * x0 )
829!
830!--                Intern time scale of coagulation (Seifert and Beheng, 2006):
831!--                (1.0_wp - qc(k,j,i) / ( qc(k,j,i) + qr(k,j,i) ))
832                   tau_cloud = 1.0_wp - qc(k,j,i) / ( qr(k,j,i) + qc(k,j,i) )
833!
834!--                Universal function for autoconversion process
835!--                (Seifert and Beheng, 2006):
836                   phi_au = 600.0_wp * tau_cloud**0.68_wp *                    &
837                            ( 1.0_wp - tau_cloud**0.68_wp )**3
838!
839!--                Shape parameter of gamma distribution (Geoffroy et al., 2010):
840!--                (Use constant nu_c = 1.0_wp instead?)
841                   nu_c = 1.0_wp !MAX( 0.0_wp, 1580.0_wp * hyrho(k) * qc(k,j,i) - 0.28_wp )
842!
843!--                Mean weight of cloud droplets:
844                   xc = hyrho(k) * qc(k,j,i) / nc_auto
845!
846!--                Parameterized turbulence effects on autoconversion (Seifert,
847!--                Nuijens and Stevens, 2010)
848                   IF ( collision_turbulence )  THEN
849!
850!--                   Weight averaged radius of cloud droplets:
851                      rc = 0.5_wp * ( xc * dpirho_l )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
852
853                      alpha_cc = ( a_1 + a_2 * nu_c ) / ( 1.0_wp + a_3 * nu_c )
854                      r_cc     = ( b_1 + b_2 * nu_c ) / ( 1.0_wp + b_3 * nu_c )
855                      sigma_cc = ( c_1 + c_2 * nu_c ) / ( 1.0_wp + c_3 * nu_c )
856!
857!--                   Mixing length (neglecting distance to ground and
858!--                   stratification)
859                      l_mix = ( dx * dy * dzu(k) )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
860!
861!--                   Limit dissipation rate according to Seifert, Nuijens and
862!--                   Stevens (2010)
863                      dissipation = MIN( 0.06_wp, diss(k,j,i) )
864!
865!--                   Compute Taylor-microscale Reynolds number:
866                      re_lambda = 6.0_wp / 11.0_wp *                           &
867                                  ( l_mix / c_const )**( 2.0_wp / 3.0_wp ) *   &
868                                  SQRT( 15.0_wp / kin_vis_air ) *              &
869                                  dissipation**( 1.0_wp / 6.0_wp )
870!
871!--                   The factor of 1.0E4 is needed to convert the dissipation
872!--                   rate from m2 s-3 to cm2 s-3.
873                      k_au = k_au * ( 1.0_wp +                                 &
874                                      dissipation * 1.0E4_wp *                 &
875                                      ( re_lambda * 1.0E-3_wp )**0.25_wp *     &
876                                      ( alpha_cc * EXP( -1.0_wp * ( ( rc -     &
877                                                                      r_cc ) / &
878                                                        sigma_cc )**2          &
879                                                      ) + beta_cc              &
880                                      )                                        &
881                                    )
882                   ENDIF
883!
884!--                Autoconversion rate (Seifert and Beheng, 2006):
885                   autocon = k_au * ( nu_c + 2.0_wp ) * ( nu_c + 4.0_wp ) /    &
886                             ( nu_c + 1.0_wp )**2 * qc(k,j,i)**2 * xc**2 *     &
887                             ( 1.0_wp + phi_au / ( 1.0_wp - tau_cloud )**2 ) * &
888                             rho_surface
889                   autocon = MIN( autocon, qc(k,j,i) / dt_micro )
890
891                   qr(k,j,i) = qr(k,j,i) + autocon * dt_micro * flag
892                   qc(k,j,i) = qc(k,j,i) - autocon * dt_micro * flag
893                   nr(k,j,i) = nr(k,j,i) + autocon / x0 * hyrho(k) * dt_micro  &
894                                                              * flag
895                   IF ( microphysics_morrison ) THEN
896                      nc(k,j,i) = nc(k,j,i) - MIN( nc(k,j,i), 2.0_wp *         &
897                                    autocon / x0 * hyrho(k) * dt_micro * flag )
898                   ENDIF
899
900                ENDIF
901
902             ENDDO
903          ENDDO
904       ENDDO
905
906       CALL cpu_log( log_point_s(55), 'autoconversion', 'stop' )
907
908    END SUBROUTINE autoconversion
909
910
911!------------------------------------------------------------------------------!
912! Description:
913! ------------
914!> Autoconversion process (Kessler, 1969).
915!------------------------------------------------------------------------------!
916    SUBROUTINE autoconversion_kessler
917
918       USE arrays_3d,                                                          &
919           ONLY:  dzw, pt, prr, q, qc
920
921       USE cloud_parameters,                                                   &
922           ONLY:  l_d_cp, pt_d_t
923
924       USE indices,                                                            &
925           ONLY:  nxlg, nxrg, nyng, nysg, nzb, nzb_max, nzt, wall_flags_0
926
927       USE kinds
928
929
930       IMPLICIT NONE
931
932       INTEGER(iwp) ::  i      !<
933       INTEGER(iwp) ::  j      !<
934       INTEGER(iwp) ::  k      !<
935       INTEGER(iwp) ::  k_wall !< topgraphy top index
936
937       REAL(wp)    ::  dqdt_precip !<
938       REAL(wp)    ::  flag        !< flag to mask topography grid points
939
940       DO  i = nxlg, nxrg
941          DO  j = nysg, nyng
942!
943!--          Determine vertical index of topography top
944             k_wall = MAXLOC(                                                  &
945                          MERGE( 1, 0,                                         &
946                                 BTEST( wall_flags_0(nzb:nzb_max,j,i), 12 )    &
947                               ), DIM = 1                                      &
948                            ) - 1
949             DO  k = nzb+1, nzt
950!
951!--             Predetermine flag to mask topography
952                flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
953
954                IF ( qc(k,j,i) > ql_crit )  THEN
955                   dqdt_precip = prec_time_const * ( qc(k,j,i) - ql_crit )
956                ELSE
957                   dqdt_precip = 0.0_wp
958                ENDIF
959
960                qc(k,j,i) = qc(k,j,i) - dqdt_precip * dt_micro * flag
961                q(k,j,i)  = q(k,j,i)  - dqdt_precip * dt_micro * flag
962                pt(k,j,i) = pt(k,j,i) + dqdt_precip * dt_micro * l_d_cp *      &
963                                        pt_d_t(k)              * flag
964
965!
966!--             Compute the rain rate (stored on surface grid point)
967                prr(k_wall,j,i) = prr(k_wall,j,i) + dqdt_precip * dzw(k) * flag
968
969             ENDDO
970          ENDDO
971       ENDDO
972
973   END SUBROUTINE autoconversion_kessler
974
975
976!------------------------------------------------------------------------------!
977! Description:
978! ------------
979!> Accretion rate (Seifert and Beheng, 2006).
980!------------------------------------------------------------------------------!
981    SUBROUTINE accretion
982
983       USE arrays_3d,                                                          &
984           ONLY:  diss, qc, qr, nc
985
986       USE cloud_parameters,                                                   &
987           ONLY:  hyrho
988
989       USE control_parameters,                                                 &
990           ONLY:  microphysics_morrison, rho_surface
991
992       USE cpulog,                                                             &
993           ONLY:  cpu_log, log_point_s
994
995       USE indices,                                                            &
996           ONLY:  nxlg, nxrg, nyng, nysg, nzb, nzb_max, nzt, wall_flags_0
997
998       USE kinds
999
1000       IMPLICIT NONE
1001
1002       INTEGER(iwp) ::  i                 !<
1003       INTEGER(iwp) ::  j                 !<
1004       INTEGER(iwp) ::  k                 !<
1005
1006       REAL(wp)     ::  accr              !<
1007       REAL(wp)     ::  flag              !< flag to mask topography grid points
1008       REAL(wp)     ::  k_cr              !<
1009       REAL(wp)     ::  nc_accr           !<
1010       REAL(wp)     ::  phi_ac            !<
1011       REAL(wp)     ::  tau_cloud         !<
1012       REAL(wp)     ::  xc                !<
1013
1014
1015       CALL cpu_log( log_point_s(56), 'accretion', 'start' )
1016
1017       DO  i = nxlg, nxrg
1018          DO  j = nysg, nyng
1019             DO  k = nzb+1, nzt
1020!
1021!--             Predetermine flag to mask topography
1022                flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
1023
1024                nc_accr = MERGE( nc(k,j,i), nc_const, microphysics_morrison )
1025
1026                IF ( ( qc(k,j,i) > eps_sb )  .AND.  ( qr(k,j,i) > eps_sb )    &
1027                                             .AND.  ( nc_accr > eps_mr ) ) THEN
1028!
1029!--                Intern time scale of coagulation (Seifert and Beheng, 2006):
1030                   tau_cloud = 1.0_wp - qc(k,j,i) / ( qc(k,j,i) + qr(k,j,i) )
1031!
1032!--                Universal function for accretion process (Seifert and
1033!--                Beheng, 2001):
1034                   phi_ac = ( tau_cloud / ( tau_cloud + 5.0E-5_wp ) )**4
1035
1036!
1037!--                Mean weight of cloud drops
1038                   xc = MAX( (hyrho(k) * qc(k,j,i) / nc_accr), xcmin)
1039!
1040!--                Parameterized turbulence effects on autoconversion (Seifert,
1041!--                Nuijens and Stevens, 2010). The factor of 1.0E4 is needed to
1042!--                convert the dissipation rate (diss) from m2 s-3 to cm2 s-3.
1043                   IF ( collision_turbulence )  THEN
1044                      k_cr = k_cr0 * ( 1.0_wp + 0.05_wp *                      &
1045                                       MIN( 600.0_wp,                          &
1046                                            diss(k,j,i) * 1.0E4_wp )**0.25_wp  &
1047                                     )
1048                   ELSE
1049                      k_cr = k_cr0
1050                   ENDIF
1051!
1052!--                Accretion rate (Seifert and Beheng, 2006):
1053                   accr = k_cr * qc(k,j,i) * qr(k,j,i) * phi_ac *              &
1054                          SQRT( rho_surface * hyrho(k) )
1055                   accr = MIN( accr, qc(k,j,i) / dt_micro )
1056
1057                   qr(k,j,i) = qr(k,j,i) + accr * dt_micro * flag
1058                   qc(k,j,i) = qc(k,j,i) - accr * dt_micro * flag
1059                   IF ( microphysics_morrison )  THEN
1060                      nc(k,j,i) = nc(k,j,i) - MIN( nc(k,j,i),                  &
1061                                         accr / xc * hyrho(k) * dt_micro * flag)
1062                   ENDIF
1063
1064                ENDIF
1065
1066             ENDDO
1067          ENDDO
1068       ENDDO
1069
1070       CALL cpu_log( log_point_s(56), 'accretion', 'stop' )
1071
1072    END SUBROUTINE accretion
1073
1074
1075!------------------------------------------------------------------------------!
1076! Description:
1077! ------------
1078!> Collisional breakup rate (Seifert, 2008).
1079!------------------------------------------------------------------------------!
1080    SUBROUTINE selfcollection_breakup
1081
1082       USE arrays_3d,                                                          &
1083           ONLY:  nr, qr
1084
1085       USE cloud_parameters,                                                   &
1086           ONLY:  hyrho
1087
1088       USE control_parameters,                                                 &
1089           ONLY:  rho_surface
1090
1091       USE cpulog,                                                             &
1092           ONLY:  cpu_log, log_point_s
1093
1094       USE indices,                                                            &
1095           ONLY:  nxlg, nxrg, nyng, nysg, nzb, nzb_max, nzt, wall_flags_0
1096
1097       USE kinds
1098
1099       IMPLICIT NONE
1100
1101       INTEGER(iwp) ::  i                 !<
1102       INTEGER(iwp) ::  j                 !<
1103       INTEGER(iwp) ::  k                 !<
1104
1105       REAL(wp)     ::  breakup           !<
1106       REAL(wp)     ::  dr                !<
1107       REAL(wp)     ::  flag              !< flag to mask topography grid points
1108       REAL(wp)     ::  phi_br            !<
1109       REAL(wp)     ::  selfcoll          !<
1110
1111       CALL cpu_log( log_point_s(57), 'selfcollection', 'start' )
1112
1113       DO  i = nxlg, nxrg
1114          DO  j = nysg, nyng
1115             DO  k = nzb+1, nzt
1116!
1117!--             Predetermine flag to mask topography
1118                flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
1119
1120                IF ( qr(k,j,i) > eps_sb )  THEN
1121!
1122!--                Selfcollection rate (Seifert and Beheng, 2001):
1123                   selfcoll = k_rr * nr(k,j,i) * qr(k,j,i) *                   &
1124                              SQRT( hyrho(k) * rho_surface )
1125!
1126!--                Weight averaged diameter of rain drops:
1127                   dr = ( hyrho(k) * qr(k,j,i) /                               &
1128                          nr(k,j,i) * dpirho_l )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
1129!
1130!--                Collisional breakup rate (Seifert, 2008):
1131                   IF ( dr >= 0.3E-3_wp )  THEN
1132                      phi_br  = k_br * ( dr - 1.1E-3_wp )
1133                      breakup = selfcoll * ( phi_br + 1.0_wp )
1134                   ELSE
1135                      breakup = 0.0_wp
1136                   ENDIF
1137
1138                   selfcoll = MAX( breakup - selfcoll, -nr(k,j,i) / dt_micro )
1139                   nr(k,j,i) = nr(k,j,i) + selfcoll * dt_micro * flag
1140
1141                ENDIF
1142             ENDDO
1143          ENDDO
1144       ENDDO
1145
1146       CALL cpu_log( log_point_s(57), 'selfcollection', 'stop' )
1147
1148    END SUBROUTINE selfcollection_breakup
1149
1150
1151!------------------------------------------------------------------------------!
1152! Description:
1153! ------------
1154!> Evaporation of precipitable water. Condensation is neglected for
1155!> precipitable water.
1156!------------------------------------------------------------------------------!
1157    SUBROUTINE evaporation_rain
1158
1159       USE arrays_3d,                                                          &
1160           ONLY:  hyp, nr, pt, q,  qc, qr
1161
1162       USE cloud_parameters,                                                   &
1163           ONLY:  hyrho, l_d_cp, l_d_r, l_v, r_v, t_d_pt
1164
1165       USE constants,                                                          &
1166           ONLY:  pi
1167
1168       USE cpulog,                                                             &
1169           ONLY:  cpu_log, log_point_s
1170
1171       USE indices,                                                            &
1172           ONLY:  nxlg, nxrg, nyng, nysg, nzb, nzb_max, nzt, wall_flags_0
1173
1174       USE kinds
1175
1176       IMPLICIT NONE
1177
1178       INTEGER(iwp) ::  i                 !<
1179       INTEGER(iwp) ::  j                 !<
1180       INTEGER(iwp) ::  k                 !<
1181
1182       REAL(wp)     ::  alpha             !<
1183       REAL(wp)     ::  dr                !<
1184       REAL(wp)     ::  e_s               !<
1185       REAL(wp)     ::  evap              !<
1186       REAL(wp)     ::  evap_nr           !<
1187       REAL(wp)     ::  f_vent            !<
1188       REAL(wp)     ::  flag              !< flag to mask topography grid points
1189       REAL(wp)     ::  g_evap            !<
1190       REAL(wp)     ::  lambda_r          !<
1191       REAL(wp)     ::  mu_r              !<
1192       REAL(wp)     ::  mu_r_2            !<
1193       REAL(wp)     ::  mu_r_5d2          !<
1194       REAL(wp)     ::  nr_0              !<
1195       REAL(wp)     ::  q_s               !<
1196       REAL(wp)     ::  sat               !<
1197       REAL(wp)     ::  t_l               !<
1198       REAL(wp)     ::  temp              !<
1199       REAL(wp)     ::  xr                !<
1200
1201       CALL cpu_log( log_point_s(58), 'evaporation', 'start' )
1202
1203       DO  i = nxlg, nxrg
1204          DO  j = nysg, nyng
1205             DO  k = nzb+1, nzt
1206!
1207!--             Predetermine flag to mask topography
1208                flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
1209
1210                IF ( qr(k,j,i) > eps_sb )  THEN
1211!
1212!--                Actual liquid water temperature:
1213                   t_l = t_d_pt(k) * pt(k,j,i)
1214!
1215!--                Saturation vapor pressure at t_l:
1216                   e_s = 610.78_wp * EXP( 17.269_wp * ( t_l - 273.16_wp ) /    &
1217                                          ( t_l - 35.86_wp )                   &
1218                                        )
1219!
1220!--                Computation of saturation humidity:
1221                   q_s   = 0.622_wp * e_s / ( hyp(k) - 0.378_wp * e_s )
1222                   alpha = 0.622_wp * l_d_r * l_d_cp / ( t_l * t_l )
1223                   q_s   = q_s * ( 1.0_wp + alpha * q(k,j,i) ) /               &
1224                           ( 1.0_wp + alpha * q_s )
1225!
1226!--                Supersaturation:
1227                   sat   = ( q(k,j,i) - qr(k,j,i) - qc(k,j,i) ) / q_s - 1.0_wp
1228!
1229!--                Evaporation needs only to be calculated in subsaturated regions
1230                   IF ( sat < 0.0_wp )  THEN
1231!
1232!--                   Actual temperature:
1233                      temp = t_l + l_d_cp * ( qc(k,j,i) + qr(k,j,i) )
1234
1235                      g_evap = 1.0_wp / ( ( l_v / ( r_v * temp ) - 1.0_wp ) *     &
1236                                          l_v / ( thermal_conductivity_l * temp ) &
1237                                          + r_v * temp / ( diff_coeff_l * e_s )   &
1238                                        )
1239!
1240!--                   Mean weight of rain drops
1241                      xr = hyrho(k) * qr(k,j,i) / nr(k,j,i)
1242!
1243!--                   Weight averaged diameter of rain drops:
1244                      dr = ( xr * dpirho_l )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
1245!
1246!--                   Compute ventilation factor and intercept parameter
1247!--                   (Seifert and Beheng, 2006; Seifert, 2008):
1248                      IF ( ventilation_effect )  THEN
1249!
1250!--                      Shape parameter of gamma distribution (Milbrandt and Yau,
1251!--                      2005; Stevens and Seifert, 2008):
1252                         mu_r = 10.0_wp * ( 1.0_wp + TANH( 1.2E3_wp *          &
1253                                                          ( dr - 1.4E-3_wp ) ) )
1254!
1255!--                      Slope parameter of gamma distribution (Seifert, 2008):
1256                         lambda_r = ( ( mu_r + 3.0_wp ) * ( mu_r + 2.0_wp ) *  &
1257                                      ( mu_r + 1.0_wp )                        &
1258                                    )**( 1.0_wp / 3.0_wp ) / dr
1259
1260                         mu_r_2   = mu_r + 2.0_wp
1261                         mu_r_5d2 = mu_r + 2.5_wp
1262
1263                         f_vent = a_vent * gamm( mu_r_2 ) *                     &
1264                                  lambda_r**( -mu_r_2 ) + b_vent *              &
1265                                  schmidt_p_1d3 * SQRT( a_term / kin_vis_air ) *&
1266                                  gamm( mu_r_5d2 ) * lambda_r**( -mu_r_5d2 ) *  &
1267                                  ( 1.0_wp -                                    &
1268                                    0.5_wp * ( b_term / a_term ) *              &
1269                                    ( lambda_r / ( c_term + lambda_r )          &
1270                                    )**mu_r_5d2 -                               &
1271                                    0.125_wp * ( b_term / a_term )**2 *         &
1272                                    ( lambda_r / ( 2.0_wp * c_term + lambda_r ) &
1273                                    )**mu_r_5d2 -                               &
1274                                    0.0625_wp * ( b_term / a_term )**3 *        &
1275                                    ( lambda_r / ( 3.0_wp * c_term + lambda_r ) &
1276                                    )**mu_r_5d2 -                               &
1277                                    0.0390625_wp * ( b_term / a_term )**4 *     &
1278                                    ( lambda_r / ( 4.0_wp * c_term + lambda_r ) &
1279                                    )**mu_r_5d2                                 &
1280                                  )
1281
1282                         nr_0   = nr(k,j,i) * lambda_r**( mu_r + 1.0_wp ) /    &
1283                                  gamm( mu_r + 1.0_wp )
1284                      ELSE
1285                         f_vent = 1.0_wp
1286                         nr_0   = nr(k,j,i) * dr
1287                      ENDIF
1288   !
1289   !--                Evaporation rate of rain water content (Seifert and
1290   !--                Beheng, 2006):
1291                      evap    = 2.0_wp * pi * nr_0 * g_evap * f_vent * sat /   &
1292                                hyrho(k)
1293                      evap    = MAX( evap, -qr(k,j,i) / dt_micro )
1294                      evap_nr = MAX( c_evap * evap / xr * hyrho(k),            &
1295                                     -nr(k,j,i) / dt_micro )
1296
1297                      qr(k,j,i) = qr(k,j,i) + evap    * dt_micro * flag
1298                      nr(k,j,i) = nr(k,j,i) + evap_nr * dt_micro * flag
1299
1300                   ENDIF
1301                ENDIF
1302
1303             ENDDO
1304          ENDDO
1305       ENDDO
1306
1307       CALL cpu_log( log_point_s(58), 'evaporation', 'stop' )
1308
1309    END SUBROUTINE evaporation_rain
1310
1311
1312!------------------------------------------------------------------------------!
1313! Description:
1314! ------------
1315!> Sedimentation of cloud droplets (Ackermann et al., 2009, MWR).
1316!------------------------------------------------------------------------------!
1317    SUBROUTINE sedimentation_cloud
1318
1319       USE arrays_3d,                                                          &
1320           ONLY:  ddzu, dzu, nc, pt, prr, q, qc
1321
1322       USE cloud_parameters,                                                   &
1323           ONLY:  hyrho, l_d_cp, pt_d_t
1324
1325       USE control_parameters,                                                 &
1326           ONLY:  call_microphysics_at_all_substeps,                           &
1327                  intermediate_timestep_count, microphysics_morrison
1328
1329       USE cpulog,                                                             &
1330           ONLY:  cpu_log, log_point_s
1331
1332       USE indices,                                                            &
1333           ONLY:  nxlg, nxrg, nyng, nysg, nzb, nzb_max, nzt, wall_flags_0
1334
1335       USE kinds
1336
1337       USE statistics,                                                         &
1338           ONLY:  weight_substep
1339
1340
1341       IMPLICIT NONE
1342
1343       INTEGER(iwp) ::  i             !<
1344       INTEGER(iwp) ::  j             !<
1345       INTEGER(iwp) ::  k             !<
1346
1347       REAL(wp) ::  flag              !< flag to mask topography grid points
1348       REAL(wp) ::  nc_sedi           !<
1349
1350       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  sed_qc !<
1351       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  sed_nc !<
1352
1353
1354       CALL cpu_log( log_point_s(59), 'sed_cloud', 'start' )
1355
1356       sed_qc(nzt+1) = 0.0_wp
1357
1358       DO  i = nxlg, nxrg
1359          DO  j = nysg, nyng
1360             DO  k = nzt, nzb+1, -1
1361!
1362!--             Predetermine flag to mask topography
1363                flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
1364                nc_sedi = MERGE ( nc(k,j,i), nc_const, microphysics_morrison )
1365
1366!
1367!--             Sedimentation fluxes for number concentration are only calculated
1368!--             for cloud_scheme = 'morrison'
1369                IF ( microphysics_morrison ) THEN
1370                   IF ( qc(k,j,i) > eps_sb  .AND.  nc(k,j,i) > eps_mr )  THEN
1371                      sed_nc(k) = sed_qc_const *                               &
1372                              ( qc(k,j,i) * hyrho(k) )**( 2.0_wp / 3.0_wp ) *  &
1373                              ( nc(k,j,i) )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
1374                   ELSE
1375                      sed_nc(k) = 0.0_wp
1376                   ENDIF
1377
1378                   sed_nc(k) = MIN( sed_nc(k), hyrho(k) * dzu(k+1) *           &
1379                                    nc(k,j,i) / dt_micro + sed_nc(k+1)         &
1380                                  ) * flag
1381
1382                   nc(k,j,i) = nc(k,j,i) + ( sed_nc(k+1) - sed_nc(k) ) *       &
1383                                         ddzu(k+1) / hyrho(k) * dt_micro * flag
1384                ENDIF
1385
1386                IF ( qc(k,j,i) > eps_sb )  THEN
1387                   sed_qc(k) = sed_qc_const * nc_sedi**( -2.0_wp / 3.0_wp ) *  &
1388                               ( qc(k,j,i) * hyrho(k) )**( 5.0_wp / 3.0_wp ) * &
1389                                                                           flag
1390                ELSE
1391                   sed_qc(k) = 0.0_wp
1392                ENDIF
1393
1394                sed_qc(k) = MIN( sed_qc(k), hyrho(k) * dzu(k+1) * q(k,j,i) /   &
1395                                            dt_micro + sed_qc(k+1)             &
1396                               ) * flag
1397
1398                q(k,j,i)  = q(k,j,i)  + ( sed_qc(k+1) - sed_qc(k) ) *          &
1399                                        ddzu(k+1) / hyrho(k) * dt_micro * flag
1400                qc(k,j,i) = qc(k,j,i) + ( sed_qc(k+1) - sed_qc(k) ) *          &
1401                                        ddzu(k+1) / hyrho(k) * dt_micro * flag
1402                pt(k,j,i) = pt(k,j,i) - ( sed_qc(k+1) - sed_qc(k) ) *          &
1403                                        ddzu(k+1) / hyrho(k) * l_d_cp *        &
1404                                        pt_d_t(k) * dt_micro            * flag
1405
1406!
1407!--             Compute the precipitation rate due to cloud (fog) droplets
1408                IF ( call_microphysics_at_all_substeps )  THEN
1409                   prr(k,j,i) = prr(k,j,i) +  sed_qc(k) / hyrho(k)             &
1410                                * weight_substep(intermediate_timestep_count)  &
1411                                * flag
1412                ELSE
1413                   prr(k,j,i) = prr(k,j,i) + sed_qc(k) / hyrho(k) * flag
1414                ENDIF
1415
1416             ENDDO
1417          ENDDO
1418       ENDDO
1419
1420       CALL cpu_log( log_point_s(59), 'sed_cloud', 'stop' )
1421
1422    END SUBROUTINE sedimentation_cloud
1423
1424
1425!------------------------------------------------------------------------------!
1426! Description:
1427! ------------
1428!> Computation of sedimentation flux. Implementation according to Stevens
1429!> and Seifert (2008). Code is based on UCLA-LES.
1430!------------------------------------------------------------------------------!
1431    SUBROUTINE sedimentation_rain
1432
1433       USE arrays_3d,                                                          &
1434           ONLY:  ddzu, dzu, nr, pt, prr, q, qr
1435
1436       USE cloud_parameters,                                                   &
1437           ONLY:  hyrho, l_d_cp, pt_d_t
1438
1439       USE control_parameters,                                                 &
1440           ONLY:  call_microphysics_at_all_substeps, intermediate_timestep_count
1441       USE cpulog,                                                             &
1442           ONLY:  cpu_log, log_point_s
1443
1444       USE indices,                                                            &
1445           ONLY:  nxlg, nxrg, nyng, nysg, nzb, nzb_max, nzt, wall_flags_0
1446
1447       USE kinds
1448
1449       USE statistics,                                                         &
1450           ONLY:  weight_substep
1451
1452       USE surface_mod,                                                        &
1453           ONLY :  bc_h
1454
1455       IMPLICIT NONE
1456
1457       INTEGER(iwp) ::  i             !< running index x direction
1458       INTEGER(iwp) ::  j             !< running index y direction
1459       INTEGER(iwp) ::  k             !< running index z direction
1460       INTEGER(iwp) ::  k_run         !<
1461       INTEGER(iwp) ::  l             !< running index of surface type
1462       INTEGER(iwp) ::  m             !< running index surface elements
1463       INTEGER(iwp) ::  surf_e        !< End index of surface elements at (j,i)-gridpoint
1464       INTEGER(iwp) ::  surf_s        !< Start index of surface elements at (j,i)-gridpoint
1465
1466       REAL(wp)     ::  c_run                      !<
1467       REAL(wp)     ::  d_max                      !<
1468       REAL(wp)     ::  d_mean                     !<
1469       REAL(wp)     ::  d_min                      !<
1470       REAL(wp)     ::  dr                         !<
1471       REAL(wp)     ::  flux                       !<
1472       REAL(wp)     ::  flag                       !< flag to mask topography grid points
1473       REAL(wp)     ::  lambda_r                   !<
1474       REAL(wp)     ::  mu_r                       !<
1475       REAL(wp)     ::  z_run                      !<
1476
1477       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  c_nr     !<
1478       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  c_qr     !<
1479       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  nr_slope !<
1480       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  qr_slope !<
1481       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  sed_nr   !<
1482       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  sed_qr   !<
1483       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  w_nr     !<
1484       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  w_qr     !<
1485
1486       CALL cpu_log( log_point_s(60), 'sed_rain', 'start' )
1487
1488!
1489!--    Compute velocities
1490       DO  i = nxlg, nxrg
1491          DO  j = nysg, nyng
1492             DO  k = nzb+1, nzt
1493!
1494!--             Predetermine flag to mask topography
1495                flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
1496
1497                IF ( qr(k,j,i) > eps_sb )  THEN
1498!
1499!--                Weight averaged diameter of rain drops:
1500                   dr = ( hyrho(k) * qr(k,j,i) /                               &
1501                          nr(k,j,i) * dpirho_l )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
1502!
1503!--                Shape parameter of gamma distribution (Milbrandt and Yau, 2005;
1504!--                Stevens and Seifert, 2008):
1505                   mu_r = 10.0_wp * ( 1.0_wp + TANH( 1.2E3_wp *                &
1506                                                     ( dr - 1.4E-3_wp ) ) )
1507!
1508!--                Slope parameter of gamma distribution (Seifert, 2008):
1509                   lambda_r = ( ( mu_r + 3.0_wp ) * ( mu_r + 2.0_wp ) *        &
1510                                ( mu_r + 1.0_wp ) )**( 1.0_wp / 3.0_wp ) / dr
1511
1512                   w_nr(k) = MAX( 0.1_wp, MIN( 20.0_wp,                        &
1513                                               a_term - b_term * ( 1.0_wp +    &
1514                                                  c_term /                     &
1515                                                  lambda_r )**( -1.0_wp *      &
1516                                                  ( mu_r + 1.0_wp ) )          &
1517                                              )                                &
1518                                ) * flag
1519
1520                   w_qr(k) = MAX( 0.1_wp, MIN( 20.0_wp,                        &
1521                                               a_term - b_term * ( 1.0_wp +    &
1522                                                  c_term /                     &
1523                                                  lambda_r )**( -1.0_wp *      &
1524                                                  ( mu_r + 4.0_wp ) )          &
1525                                             )                                 &
1526                                ) * flag
1527                ELSE
1528                   w_nr(k) = 0.0_wp
1529                   w_qr(k) = 0.0_wp
1530                ENDIF
1531             ENDDO
1532!
1533!--          Adjust boundary values using surface data type.
1534!--          Upward-facing
1535             surf_s = bc_h(0)%start_index(j,i)
1536             surf_e = bc_h(0)%end_index(j,i)
1537             DO  m = surf_s, surf_e
1538                k         = bc_h(0)%k(m)
1539                w_nr(k-1) = w_nr(k)
1540                w_qr(k-1) = w_qr(k)
1541             ENDDO
1542!
1543!--          Downward-facing
1544             surf_s = bc_h(1)%start_index(j,i)
1545             surf_e = bc_h(1)%end_index(j,i)
1546             DO  m = surf_s, surf_e
1547                k         = bc_h(1)%k(m)
1548                w_nr(k+1) = w_nr(k)
1549                w_qr(k+1) = w_qr(k)
1550             ENDDO
1551!
1552!--          Model top boundary value
1553             w_nr(nzt+1) = 0.0_wp
1554             w_qr(nzt+1) = 0.0_wp
1555!
1556!--          Compute Courant number
1557             DO  k = nzb+1, nzt
1558!
1559!--             Predetermine flag to mask topography
1560                flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
1561
1562                c_nr(k) = 0.25_wp * ( w_nr(k-1) +                              &
1563                                      2.0_wp * w_nr(k) + w_nr(k+1) ) *         &
1564                          dt_micro * ddzu(k) * flag
1565                c_qr(k) = 0.25_wp * ( w_qr(k-1) +                              &
1566                                      2.0_wp * w_qr(k) + w_qr(k+1) ) *         &
1567                          dt_micro * ddzu(k) * flag
1568             ENDDO
1569!
1570!--          Limit slopes with monotonized centered (MC) limiter (van Leer, 1977):
1571             IF ( limiter_sedimentation )  THEN
1572
1573                DO k = nzb+1, nzt
1574!
1575!--                Predetermine flag to mask topography
1576                   flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
1577
1578                   d_mean = 0.5_wp * ( qr(k+1,j,i) - qr(k-1,j,i) )
1579                   d_min  = qr(k,j,i) - MIN( qr(k+1,j,i), qr(k,j,i), qr(k-1,j,i) )
1580                   d_max  = MAX( qr(k+1,j,i), qr(k,j,i), qr(k-1,j,i) ) - qr(k,j,i)
1581
1582                   qr_slope(k) = SIGN(1.0_wp, d_mean) * MIN ( 2.0_wp * d_min,  &
1583                                                              2.0_wp * d_max,  &
1584                                                              ABS( d_mean ) )  &
1585                                                      * flag
1586
1587                   d_mean = 0.5_wp * ( nr(k+1,j,i) - nr(k-1,j,i) )
1588                   d_min  = nr(k,j,i) - MIN( nr(k+1,j,i), nr(k,j,i), nr(k-1,j,i) )
1589                   d_max  = MAX( nr(k+1,j,i), nr(k,j,i), nr(k-1,j,i) ) - nr(k,j,i)
1590
1591                   nr_slope(k) = SIGN(1.0_wp, d_mean) * MIN ( 2.0_wp * d_min,  &
1592                                                              2.0_wp * d_max,  &
1593                                                              ABS( d_mean ) )
1594                ENDDO
1595
1596             ELSE
1597
1598                nr_slope = 0.0_wp
1599                qr_slope = 0.0_wp
1600
1601             ENDIF
1602
1603             sed_nr(nzt+1) = 0.0_wp
1604             sed_qr(nzt+1) = 0.0_wp
1605!
1606!--          Compute sedimentation flux
1607             DO  k = nzt, nzb+1, -1
1608!
1609!--             Predetermine flag to mask topography
1610                flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
1611!
1612!--             Sum up all rain drop number densities which contribute to the flux
1613!--             through k-1/2
1614                flux  = 0.0_wp
1615                z_run = 0.0_wp ! height above z(k)
1616                k_run = k
1617                c_run = MIN( 1.0_wp, c_nr(k) )
1618                DO WHILE ( c_run > 0.0_wp  .AND.  k_run <= nzt )
1619                   flux  = flux + hyrho(k_run) *                               &
1620                           ( nr(k_run,j,i) + nr_slope(k_run) *                 &
1621                           ( 1.0_wp - c_run ) * 0.5_wp ) * c_run * dzu(k_run)  &
1622                                              * flag
1623                   z_run = z_run + dzu(k_run) * flag
1624                   k_run = k_run + 1          * flag
1625                   c_run = MIN( 1.0_wp, c_nr(k_run) - z_run * ddzu(k_run) )    &
1626                                              * flag
1627                ENDDO
1628!
1629!--             It is not allowed to sediment more rain drop number density than
1630!--             available
1631                flux = MIN( flux,                                              &
1632                            hyrho(k) * dzu(k+1) * nr(k,j,i) + sed_nr(k+1) *    &
1633                            dt_micro                                           &
1634                          )
1635
1636                sed_nr(k) = flux / dt_micro * flag
1637                nr(k,j,i) = nr(k,j,i) + ( sed_nr(k+1) - sed_nr(k) ) *          &
1638                                        ddzu(k+1) / hyrho(k) * dt_micro * flag
1639!
1640!--             Sum up all rain water content which contributes to the flux
1641!--             through k-1/2
1642                flux  = 0.0_wp
1643                z_run = 0.0_wp ! height above z(k)
1644                k_run = k
1645                c_run = MIN( 1.0_wp, c_qr(k) )
1646
1647                DO WHILE ( c_run > 0.0_wp  .AND.  k_run <= nzt )
1648
1649                   flux  = flux + hyrho(k_run) * ( qr(k_run,j,i) +             &
1650                                  qr_slope(k_run) * ( 1.0_wp - c_run ) *       &
1651                                  0.5_wp ) * c_run * dzu(k_run) * flag
1652                   z_run = z_run + dzu(k_run)                   * flag
1653                   k_run = k_run + 1                            * flag
1654                   c_run = MIN( 1.0_wp, c_qr(k_run) - z_run * ddzu(k_run) )    &
1655                                                                * flag
1656
1657                ENDDO
1658!
1659!--             It is not allowed to sediment more rain water content than
1660!--             available
1661                flux = MIN( flux,                                              &
1662                            hyrho(k) * dzu(k) * qr(k,j,i) + sed_qr(k+1) *      &
1663                            dt_micro                                           &
1664                          )
1665
1666                sed_qr(k) = flux / dt_micro * flag
1667
1668                qr(k,j,i) = qr(k,j,i) + ( sed_qr(k+1) - sed_qr(k) ) *          &
1669                                        ddzu(k+1) / hyrho(k) * dt_micro * flag
1670                q(k,j,i)  = q(k,j,i)  + ( sed_qr(k+1) - sed_qr(k) ) *          &
1671                                        ddzu(k+1) / hyrho(k) * dt_micro * flag
1672                pt(k,j,i) = pt(k,j,i) - ( sed_qr(k+1) - sed_qr(k) ) *          &
1673                                        ddzu(k+1) / hyrho(k) * l_d_cp *        &
1674                                        pt_d_t(k) * dt_micro            * flag
1675!
1676!--             Compute the rain rate
1677                IF ( call_microphysics_at_all_substeps )  THEN
1678                   prr(k,j,i) = prr(k,j,i) + sed_qr(k) / hyrho(k)             &
1679                                * weight_substep(intermediate_timestep_count) &
1680                                * flag
1681                ELSE
1682                   prr(k,j,i) = prr(k,j,i) + sed_qr(k) / hyrho(k) * flag
1683                ENDIF
1684
1685             ENDDO
1686          ENDDO
1687       ENDDO
1688
1689       CALL cpu_log( log_point_s(60), 'sed_rain', 'stop' )
1690
1691    END SUBROUTINE sedimentation_rain
1692
1693
1694!------------------------------------------------------------------------------!
1695! Description:
1696! ------------
1697!> Computation of the precipitation amount due to gravitational settling of
1698!> rain and cloud (fog) droplets
1699!------------------------------------------------------------------------------!
1700    SUBROUTINE calc_precipitation_amount
1701
1702       USE arrays_3d,                                                          &
1703           ONLY:  precipitation_amount, prr
1704
1705       USE cloud_parameters,                                                   &
1706           ONLY:  hyrho
1707
1708       USE control_parameters,                                                 &
1709           ONLY:  call_microphysics_at_all_substeps, dt_do2d_xy, dt_3d,        &
1710                  intermediate_timestep_count, intermediate_timestep_count_max,&
1711                  precipitation_amount_interval, time_do2d_xy
1712
1713       USE indices,                                                            &
1714           ONLY:  nxl, nxr, nys, nyn, nzb, nzt, wall_flags_0
1715
1716       USE kinds
1717
1718       USE surface_mod,                                                        &
1719           ONLY :  bc_h
1720
1721       IMPLICIT NONE
1722
1723       INTEGER(iwp) ::  i             !< running index x direction
1724       INTEGER(iwp) ::  j             !< running index y direction
1725       INTEGER(iwp) ::  k             !< running index y direction
1726       INTEGER(iwp) ::  m             !< running index surface elements
1727       INTEGER(iwp) ::  surf_e        !< End index of surface elements at (j,i)-gridpoint
1728       INTEGER(iwp) ::  surf_s        !< Start index of surface elements at (j,i)-gridpoint
1729
1730       IF ( ( dt_do2d_xy - time_do2d_xy ) < precipitation_amount_interval .AND.&
1731            ( .NOT. call_microphysics_at_all_substeps .OR.                     &
1732            intermediate_timestep_count == intermediate_timestep_count_max ) ) &
1733       THEN
1734!
1735!--       Run over all upward-facing surface elements, i.e. non-natural,
1736!--       natural and urban
1737          DO  m = 1, bc_h(0)%ns
1738             i = bc_h(0)%i(m)
1739             j = bc_h(0)%j(m)
1740             k = bc_h(0)%k(m)
1741             precipitation_amount(j,i) = precipitation_amount(j,i) +           &
1742                                               prr(k,j,i) * hyrho(k) * dt_3d
1743          ENDDO
1744
1745       ENDIF
1746
1747    END SUBROUTINE calc_precipitation_amount
1748
1749
1750!------------------------------------------------------------------------------!
1751! Description:
1752! ------------
1753!> Control of microphysics for grid points i,j
1754!------------------------------------------------------------------------------!
1755
1756    SUBROUTINE microphysics_control_ij( i, j )
1757
1758       USE arrays_3d,                                                          &
1759           ONLY:  hyp, nc, nr, pt, pt_init, prr, q, qc, qr, zu
1760
1761       USE cloud_parameters,                                                   &
1762           ONLY:  cp, hyrho, pt_d_t, r_d, t_d_pt
1763
1764       USE control_parameters,                                                 &
1765           ONLY:  call_microphysics_at_all_substeps, dt_3d, g,                 &
1766                  intermediate_timestep_count, large_scale_forcing,            &
1767                  lsf_surf, microphysics_morrison, microphysics_seifert,       &
1768                  microphysics_kessler, pt_surface, rho_surface,               &
1769                  surface_pressure
1770
1771       USE indices,                                                            &
1772           ONLY:  nzb, nzt
1773
1774       USE kinds
1775
1776       USE statistics,                                                         &
1777           ONLY:  weight_pres
1778
1779       IMPLICIT NONE
1780
1781       INTEGER(iwp) ::  i                 !<
1782       INTEGER(iwp) ::  j                 !<
1783       INTEGER(iwp) ::  k                 !<
1784
1785       REAL(wp)     ::  t_surface         !<
1786
1787       IF ( large_scale_forcing  .AND.  lsf_surf ) THEN
1788!
1789!--       Calculate:
1790!--       pt / t : ratio of potential and actual temperature (pt_d_t)
1791!--       t / pt : ratio of actual and potential temperature (t_d_pt)
1792!--       p_0(z) : vertical profile of the hydrostatic pressure (hyp)
1793          t_surface = pt_surface * ( surface_pressure / 1000.0_wp )**0.286_wp
1794          DO  k = nzb, nzt+1
1795             hyp(k)    = surface_pressure * 100.0_wp * &
1796                         ( ( t_surface - g / cp * zu(k) ) / t_surface )**(1.0_wp / 0.286_wp)
1797             pt_d_t(k) = ( 100000.0_wp / hyp(k) )**0.286_wp
1798             t_d_pt(k) = 1.0_wp / pt_d_t(k)
1799             hyrho(k)  = hyp(k) / ( r_d * t_d_pt(k) * pt_init(k) )
1800          ENDDO
1801!
1802!--       Compute reference density
1803          rho_surface = surface_pressure * 100.0_wp / ( r_d * t_surface )
1804       ENDIF
1805
1806!
1807!--    Compute length of time step
1808       IF ( call_microphysics_at_all_substeps )  THEN
1809          dt_micro = dt_3d * weight_pres(intermediate_timestep_count)
1810       ELSE
1811          dt_micro = dt_3d
1812       ENDIF
1813
1814!
1815!--    Use 1d arrays
1816       q_1d(:)  = q(:,j,i)
1817       pt_1d(:) = pt(:,j,i)
1818       qc_1d(:) = qc(:,j,i)
1819       IF ( microphysics_seifert )  THEN
1820          qr_1d(:) = qr(:,j,i)
1821          nr_1d(:) = nr(:,j,i)
1822       ENDIF
1823       IF ( microphysics_morrison )  THEN
1824          nc_1d(:) = nc(:,j,i)
1825       ENDIF
1826
1827
1828!
1829!--    Reset precipitation rate
1830       IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  prr(:,j,i) = 0.0_wp
1831
1832!
1833!--    Compute cloud physics
1834       IF( microphysics_kessler )  THEN
1835
1836          CALL autoconversion_kessler( i,j )
1837          IF ( cloud_water_sedimentation )  CALL sedimentation_cloud( i,j )
1838
1839       ELSEIF ( microphysics_seifert )  THEN
1840
1841          CALL adjust_cloud( i,j )
1842          IF ( microphysics_morrison ) CALL activation( i,j )
1843          IF ( microphysics_morrison ) CALL condensation( i,j )
1844          CALL autoconversion( i,j )
1845          CALL accretion( i,j )
1846          CALL selfcollection_breakup( i,j )
1847          CALL evaporation_rain( i,j )
1848          CALL sedimentation_rain( i,j )
1849          IF ( cloud_water_sedimentation )  CALL sedimentation_cloud( i,j )
1850
1851       ENDIF
1852
1853       CALL calc_precipitation_amount( i,j )
1854
1855!
1856!--    Store results on the 3d arrays
1857       q(:,j,i)  = q_1d(:)
1858       pt(:,j,i) = pt_1d(:)
1859       IF ( microphysics_morrison ) THEN
1860          qc(:,j,i) = qc_1d(:)
1861          nc(:,j,i) = nc_1d(:)
1862       ENDIF
1863       IF ( microphysics_seifert )  THEN
1864          qr(:,j,i) = qr_1d(:)
1865          nr(:,j,i) = nr_1d(:)
1866       ENDIF
1867
1868    END SUBROUTINE microphysics_control_ij
1869
1870!------------------------------------------------------------------------------!
1871! Description:
1872! ------------
1873!> Adjust number of raindrops to avoid nonlinear effects in
1874!> sedimentation and evaporation of rain drops due to too small or
1875!> too big weights of rain drops (Stevens and Seifert, 2008).
1876!> The same procedure is applied to cloud droplets if they are determined
1877!> prognostically. Call for grid point i,j
1878!------------------------------------------------------------------------------!
1879    SUBROUTINE adjust_cloud_ij( i, j )
1880
1881       USE cloud_parameters,                                                   &
1882           ONLY:  hyrho
1883
1884       USE control_parameters,                                                 &
1885           ONLY: microphysics_morrison
1886
1887       USE indices,                                                            &
1888           ONLY:  nzb, nzt, wall_flags_0
1889
1890       USE kinds
1891
1892       IMPLICIT NONE
1893
1894       INTEGER(iwp) ::  i                 !<
1895       INTEGER(iwp) ::  j                 !<
1896       INTEGER(iwp) ::  k                 !<
1897
1898       REAL(wp) ::  flag                  !< flag to indicate first grid level above surface
1899
1900       DO  k = nzb+1, nzt
1901!
1902!--       Predetermine flag to mask topography
1903          flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
1904
1905          IF ( qr_1d(k) <= eps_sb )  THEN
1906             qr_1d(k) = 0.0_wp
1907             nr_1d(k) = 0.0_wp
1908          ELSE
1909!
1910!--          Adjust number of raindrops to avoid nonlinear effects in
1911!--          sedimentation and evaporation of rain drops due to too small or
1912!--          too big weights of rain drops (Stevens and Seifert, 2008).
1913             IF ( nr_1d(k) * xrmin > qr_1d(k) * hyrho(k) )  THEN
1914                nr_1d(k) = qr_1d(k) * hyrho(k) / xrmin * flag
1915             ELSEIF ( nr_1d(k) * xrmax < qr_1d(k) * hyrho(k) )  THEN
1916                nr_1d(k) = qr_1d(k) * hyrho(k) / xrmax * flag
1917             ENDIF
1918
1919          ENDIF
1920
1921          IF ( microphysics_morrison ) THEN
1922             IF ( qc_1d(k) <= eps_sb )  THEN
1923                qc_1d(k) = 0.0_wp
1924                nc_1d(k) = 0.0_wp
1925             ELSE
1926                IF ( nc_1d(k) * xcmin > qc_1d(k) * hyrho(k) )  THEN
1927                   nc_1d(k) = qc_1d(k) * hyrho(k) / xamin * flag
1928                ENDIF
1929             ENDIF
1930          ENDIF
1931
1932       ENDDO
1933
1934    END SUBROUTINE adjust_cloud_ij
1935
1936!------------------------------------------------------------------------------!
1937! Description:
1938! ------------
1939!> Calculate number of activated condensation nucleii after simple activation
1940!> scheme of Twomey, 1959.
1941!------------------------------------------------------------------------------!
1942    SUBROUTINE activation_ij( i, j )
1943
1944       USE arrays_3d,                                                          &
1945           ONLY:  hyp, nr, pt, q,  qc, qr, nc
1946
1947       USE cloud_parameters,                                                   &
1948           ONLY:  hyrho, l_d_cp, l_d_r, l_v, rho_l, r_v, t_d_pt
1949
1950       USE constants,                                                          &
1951           ONLY:  pi
1952
1953       USE cpulog,                                                             &
1954           ONLY:  cpu_log, log_point_s
1955
1956       USE indices,                                                            &
1957           ONLY:  nxlg, nxrg, nysg, nyng, nzb, nzt
1958
1959       USE kinds
1960
1961       USE control_parameters,                                                 &
1962          ONLY: simulated_time
1963
1964       USE particle_attributes,                                                &
1965          ONLY:  molecular_weight_of_solute, molecular_weight_of_water, rho_s, &
1966              log_sigma, vanthoff
1967
1968       IMPLICIT NONE
1969
1970       INTEGER(iwp) ::  i                 !<
1971       INTEGER(iwp) ::  j                 !<
1972       INTEGER(iwp) ::  k                 !<
1973
1974       REAL(wp)     ::  activ             !<
1975       REAL(wp)     ::  afactor           !<
1976       REAL(wp)     ::  alpha             !<
1977       REAL(wp)     ::  beta_act          !<
1978       REAL(wp)     ::  bfactor           !<
1979       REAL(wp)     ::  e_s               !<
1980       REAL(wp)     ::  k_act             !<
1981       REAL(wp)     ::  n_act             !<
1982       REAL(wp)     ::  n_ccn             !<
1983       REAL(wp)     ::  q_s               !<
1984       REAL(wp)     ::  rd0               !<
1985       REAL(wp)     ::  s_0               !<
1986       REAL(wp)     ::  sat               !<
1987       REAL(wp)     ::  sat_max           !<
1988       REAL(wp)     ::  sigma             !<
1989       REAL(wp)     ::  t_int             !<
1990       REAL(wp)     ::  t_l               !<
1991
1992       DO  k = nzb+1, nzt
1993!
1994!--       Actual liquid water temperature:
1995          t_l = t_d_pt(k) * pt_1d(k)
1996
1997!
1998!--       Calculate actual temperature
1999          t_int = pt_1d(k) * ( hyp(k) / 100000.0_wp )**0.286_wp
2000!
2001!--             Saturation vapor pressure at t_l:
2002          e_s = 610.78_wp * EXP( 17.269_wp * ( t_l - 273.16_wp ) /             &
2003                                 ( t_l - 35.86_wp )                            &
2004                                 )
2005!
2006!--       Computation of saturation humidity:
2007          q_s   = 0.622_wp * e_s / ( hyp(k) - 0.378_wp * e_s )
2008          alpha = 0.622_wp * l_d_r * l_d_cp / ( t_l * t_l )
2009          q_s   = q_s * ( 1.0_wp + alpha * q_1d(k) ) /                         &
2010                        ( 1.0_wp + alpha * q_s )
2011
2012!--       Supersaturation:
2013          sat   = ( q_1d(k) - qr_1d(k) - qc_1d(k) ) / q_s - 1.0_wp
2014
2015!
2016!--       Prescribe parameters for activation
2017!--       (see: Bott + Trautmann, 2002, Atm. Res., 64)
2018          k_act  = 0.7_wp
2019
2020          IF ( sat >= 0.0 .AND. .NOT. curvature_solution_effects_bulk )  THEN
2021!
2022!--          Compute the number of activated Aerosols
2023!--          (see: Twomey, 1959, Pure and applied Geophysics, 43)
2024             n_act     = na_init * sat**k_act
2025!
2026!--          Compute the number of cloud droplets
2027!--          (see: Morrison + Grabowski, 2007, JAS, 64)
2028!            activ = MAX( n_act - nc_d1(k), 0.0_wp) / dt_micro
2029
2030!
2031!--          Compute activation rate after Khairoutdinov and Kogan
2032!--          (see: Khairoutdinov + Kogan, 2000, Mon. Wea. Rev., 128)
2033             sat_max = 0.8_wp / 100.0_wp
2034             activ   = MAX( 0.0_wp, ( (na_init + nc_1d(k) ) * MIN              &
2035                 ( 1.0_wp, ( sat / sat_max )**k_act) - nc_1d(k) ) ) /          &
2036                  dt_micro
2037
2038             nc_1d(k) = MIN( (nc_1d(k) + activ * dt_micro), na_init)
2039          ELSEIF ( sat >= 0.0 .AND. curvature_solution_effects_bulk )  THEN
2040!
2041!--          Curvature effect (afactor) with surface tension
2042!--          parameterization by Straka (2009)
2043             sigma = 0.0761_wp - 0.000155_wp * ( t_int - 273.15_wp )
2044             afactor = 2.0_wp * sigma / ( rho_l * r_v * t_int )
2045!
2046!--          Solute effect (bfactor)
2047             bfactor = vanthoff * molecular_weight_of_water *                  &
2048                  rho_s / ( molecular_weight_of_solute * rho_l )
2049
2050!
2051!--          Prescribe power index that describes the soluble fraction
2052!--          of an aerosol particle (beta) and mean geometric radius of
2053!--          dry aerosol spectrum
2054!--          (see: Morrison + Grabowski, 2007, JAS, 64)
2055             beta_act = 0.5_wp
2056             rd0      = 0.05E-6_wp
2057!
2058!--          Calculate mean geometric supersaturation (s_0) with
2059!--          parameterization by Khvorostyanov and Curry (2006)
2060             s_0   = rd0 **(- ( 1.0_wp + beta_act ) ) *                        &
2061               ( 4.0_wp * afactor**3 / ( 27.0_wp * bfactor ) )**0.5_wp
2062
2063!
2064!--          Calculate number of activated CCN as a function of
2065!--          supersaturation and taking Koehler theory into account
2066!--          (see: Khvorostyanov + Curry, 2006, J. Geo. Res., 111)
2067             n_ccn = ( na_init / 2.0_wp ) * ( 1.0_wp - ERF(                     &
2068                LOG( s_0 / sat ) / ( SQRT(2.0_wp) * log_sigma(1) ) ) )
2069             activ = MAX( ( n_ccn ) / dt_micro, 0.0_wp )
2070
2071             nc_1d(k) = MIN( (nc_1d(k) + activ * dt_micro), na_init)
2072          ENDIF
2073
2074       ENDDO
2075
2076    END SUBROUTINE activation_ij
2077
2078!------------------------------------------------------------------------------!
2079! Description:
2080! ------------
2081!> Calculate condensation rate for cloud water content (after Khairoutdinov and
2082!> Kogan, 2000).
2083!------------------------------------------------------------------------------!
2084    SUBROUTINE condensation_ij( i, j )
2085
2086       USE arrays_3d,                                                          &
2087           ONLY:  hyp, nr, pt, q,  qc, qr, nc
2088
2089       USE cloud_parameters,                                                   &
2090           ONLY:  hyrho, l_d_cp, l_d_r, l_v, r_v, t_d_pt
2091
2092       USE constants,                                                          &
2093           ONLY:  pi
2094
2095       USE cpulog,                                                             &
2096           ONLY:  cpu_log, log_point_s
2097
2098       USE indices,                                                            &
2099           ONLY:  nxlg, nxrg, nysg, nyng, nzb, nzt
2100
2101       USE kinds
2102
2103       USE control_parameters,                                                 &
2104          ONLY: simulated_time
2105
2106       IMPLICIT NONE
2107
2108       INTEGER(iwp) ::  i                 !<
2109       INTEGER(iwp) ::  j                 !<
2110       INTEGER(iwp) ::  k                 !<
2111
2112       REAL(wp)     ::  alpha             !<
2113       REAL(wp)     ::  cond              !<
2114       REAL(wp)     ::  cond_max          !<
2115       REAL(wp)     ::  dc                !<
2116       REAL(wp)     ::  e_s               !<
2117       REAL(wp)     ::  evap              !<
2118       REAL(wp)     ::  evap_nc           !<
2119       REAL(wp)     ::  g_fac             !<
2120       REAL(wp)     ::  nc_0              !<
2121       REAL(wp)     ::  q_s               !<
2122       REAL(wp)     ::  sat               !<
2123       REAL(wp)     ::  t_l               !<
2124       REAL(wp)     ::  temp              !<
2125       REAL(wp)     ::  xc                !<
2126
2127
2128       DO  k = nzb+1, nzt
2129!
2130!--       Actual liquid water temperature:
2131          t_l = t_d_pt(k) * pt_1d(k)
2132!
2133!--             Saturation vapor pressure at t_l:
2134          e_s = 610.78_wp * EXP( 17.269_wp * ( t_l - 273.16_wp ) /    &
2135                                 ( t_l - 35.86_wp )                   &
2136                                 )
2137!
2138!--       Computation of saturation humidity:
2139          q_s   = 0.622_wp * e_s / ( hyp(k) - 0.378_wp * e_s )
2140          alpha = 0.622_wp * l_d_r * l_d_cp / ( t_l * t_l )
2141          q_s   = q_s * ( 1.0_wp + alpha * q_1d(k) ) /               &
2142                        ( 1.0_wp + alpha * q_s )
2143
2144!--       Supersaturation:
2145          sat   = ( q_1d(k) - qr_1d(k) - qc_1d(k) ) / q_s - 1.0_wp
2146
2147
2148!
2149!--       Actual temperature:
2150          temp = t_l + l_d_cp * ( qc_1d(k) + qr_1d(k) )
2151
2152          g_fac  = 1.0_wp / ( ( l_v / ( r_v * temp ) - 1.0_wp ) *        &
2153                              l_v / ( thermal_conductivity_l * temp )    &
2154                              + r_v * temp / ( diff_coeff_l * e_s )      &
2155                            )
2156!
2157!--       Mean weight of cloud drops
2158          IF ( nc_1d(k) <= 0.0_wp) CYCLE
2159          xc = MAX( (hyrho(k) * qc_1d(k) / nc_1d(k)), xcmin)
2160!
2161!--       Weight averaged diameter of cloud drops:
2162          dc   = ( xc * dpirho_l )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
2163!
2164!--       Integral diameter of cloud drops
2165          nc_0 = nc_1d(k) * dc
2166!
2167!--       Condensation needs only to be calculated in supersaturated regions
2168          IF ( sat > 0.0_wp )  THEN
2169!
2170!--          Condensation rate of cloud water content
2171!--          after KK scheme.
2172!--          (see: Khairoutdinov + Kogan, 2000, Mon. Wea. Rev.,128)
2173             cond      = 2.0_wp * pi * nc_0 * g_fac * sat / hyrho(k)
2174             cond_max  = q_1d(k) - q_s - qc_1d(k) - qr_1d(k)
2175             cond      = MIN( cond, cond_max / dt_micro )
2176
2177             qc_1d(k) = qc_1d(k) + cond * dt_micro
2178          ELSEIF ( sat < 0.0_wp ) THEN
2179             evap      = 2.0_wp * pi * nc_0 * g_fac * sat / hyrho(k)
2180             evap      = MAX( evap, -qc_1d(k) / dt_micro )
2181
2182             qc_1d(k) = qc_1d(k) + evap * dt_micro
2183          ENDIF
2184       ENDDO
2185
2186    END SUBROUTINE condensation_ij
2187
2188
2189!------------------------------------------------------------------------------!
2190! Description:
2191! ------------
2192!> Autoconversion rate (Seifert and Beheng, 2006). Call for grid point i,j
2193!------------------------------------------------------------------------------!
2194    SUBROUTINE autoconversion_ij( i, j )
2195
2196       USE arrays_3d,                                                          &
2197           ONLY:  diss, dzu
2198
2199       USE cloud_parameters,                                                   &
2200           ONLY:  hyrho
2201
2202       USE control_parameters,                                                 &
2203           ONLY:  microphysics_morrison, rho_surface
2204
2205       USE grid_variables,                                                     &
2206           ONLY:  dx, dy
2207
2208       USE indices,                                                            &
2209           ONLY:  nzb, nzt, wall_flags_0
2210
2211       USE kinds
2212
2213       IMPLICIT NONE
2214
2215       INTEGER(iwp) ::  i                 !<
2216       INTEGER(iwp) ::  j                 !<
2217       INTEGER(iwp) ::  k                 !<
2218
2219       REAL(wp)     ::  alpha_cc          !<
2220       REAL(wp)     ::  autocon           !<
2221       REAL(wp)     ::  dissipation       !<
2222       REAL(wp)     ::  flag              !< flag to indicate first grid level above surface
2223       REAL(wp)     ::  k_au              !<
2224       REAL(wp)     ::  l_mix             !<
2225       REAL(wp)     ::  nc_auto           !<
2226       REAL(wp)     ::  nu_c              !<
2227       REAL(wp)     ::  phi_au            !<
2228       REAL(wp)     ::  r_cc              !<
2229       REAL(wp)     ::  rc                !<
2230       REAL(wp)     ::  re_lambda         !<
2231       REAL(wp)     ::  sigma_cc          !<
2232       REAL(wp)     ::  tau_cloud         !<
2233       REAL(wp)     ::  xc                !<
2234
2235       DO  k = nzb+1, nzt
2236!
2237!--       Predetermine flag to mask topography
2238          flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
2239          nc_auto = MERGE ( nc_1d(k), nc_const, microphysics_morrison )
2240
2241          IF ( qc_1d(k) > eps_sb )  THEN
2242
2243             k_au = k_cc / ( 20.0_wp * x0 )
2244!
2245!--          Intern time scale of coagulation (Seifert and Beheng, 2006):
2246!--          (1.0_wp - qc(k,j,i) / ( qc(k,j,i) + qr_1d(k) ))
2247             tau_cloud = 1.0_wp - qc_1d(k) / ( qr_1d(k) + qc_1d(k) )
2248!
2249!--          Universal function for autoconversion process
2250!--          (Seifert and Beheng, 2006):
2251             phi_au = 600.0_wp * tau_cloud**0.68_wp * ( 1.0_wp - tau_cloud**0.68_wp )**3
2252!
2253!--          Shape parameter of gamma distribution (Geoffroy et al., 2010):
2254!--          (Use constant nu_c = 1.0_wp instead?)
2255             nu_c = 1.0_wp !MAX( 0.0_wp, 1580.0_wp * hyrho(k) * qc_1d(k) - 0.28_wp )
2256!
2257!--          Mean weight of cloud droplets:
2258             xc = hyrho(k) * qc_1d(k) / nc_auto
2259!
2260!--          Parameterized turbulence effects on autoconversion (Seifert,
2261!--          Nuijens and Stevens, 2010)
2262             IF ( collision_turbulence )  THEN
2263!
2264!--             Weight averaged radius of cloud droplets:
2265                rc = 0.5_wp * ( xc * dpirho_l )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
2266
2267                alpha_cc = ( a_1 + a_2 * nu_c ) / ( 1.0_wp + a_3 * nu_c )
2268                r_cc     = ( b_1 + b_2 * nu_c ) / ( 1.0_wp + b_3 * nu_c )
2269                sigma_cc = ( c_1 + c_2 * nu_c ) / ( 1.0_wp + c_3 * nu_c )
2270!
2271!--             Mixing length (neglecting distance to ground and stratification)
2272                l_mix = ( dx * dy * dzu(k) )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
2273!
2274!--             Limit dissipation rate according to Seifert, Nuijens and
2275!--             Stevens (2010)
2276                dissipation = MIN( 0.06_wp, diss(k,j,i) )
2277!
2278!--             Compute Taylor-microscale Reynolds number:
2279                re_lambda = 6.0_wp / 11.0_wp *                                 &
2280                            ( l_mix / c_const )**( 2.0_wp / 3.0_wp ) *         &
2281                            SQRT( 15.0_wp / kin_vis_air ) *                    &
2282                            dissipation**( 1.0_wp / 6.0_wp )
2283!
2284!--             The factor of 1.0E4 is needed to convert the dissipation rate
2285!--             from m2 s-3 to cm2 s-3.
2286                k_au = k_au * ( 1.0_wp +                                       &
2287                                dissipation * 1.0E4_wp *                       &
2288                                ( re_lambda * 1.0E-3_wp )**0.25_wp *           &
2289                                ( alpha_cc * EXP( -1.0_wp * ( ( rc - r_cc ) /  &
2290                                                  sigma_cc )**2                &
2291                                                ) + beta_cc                    &
2292                                )                                              &
2293                              )
2294             ENDIF
2295!
2296!--          Autoconversion rate (Seifert and Beheng, 2006):
2297             autocon = k_au * ( nu_c + 2.0_wp ) * ( nu_c + 4.0_wp ) /          &
2298                       ( nu_c + 1.0_wp )**2 * qc_1d(k)**2 * xc**2 *            &
2299                       ( 1.0_wp + phi_au / ( 1.0_wp - tau_cloud )**2 ) *       &
2300                       rho_surface
2301             autocon = MIN( autocon, qc_1d(k) / dt_micro )
2302
2303             qr_1d(k) = qr_1d(k) + autocon * dt_micro                 * flag
2304             qc_1d(k) = qc_1d(k) - autocon * dt_micro                 * flag
2305             nr_1d(k) = nr_1d(k) + autocon / x0 * hyrho(k) * dt_micro * flag
2306             IF ( microphysics_morrison ) THEN
2307                nc_1d(k) = nc_1d(k) - MIN( nc_1d(k), 2.0_wp *                &
2308                                    autocon / x0 * hyrho(k) * dt_micro * flag )
2309             ENDIF
2310
2311          ENDIF
2312
2313       ENDDO
2314
2315    END SUBROUTINE autoconversion_ij
2316
2317!------------------------------------------------------------------------------!
2318! Description:
2319! ------------
2320!> Autoconversion process (Kessler, 1969).
2321!------------------------------------------------------------------------------!
2322    SUBROUTINE autoconversion_kessler_ij( i, j )
2323
2324       USE arrays_3d,                                                          &
2325           ONLY:  dzw, prr
2326
2327       USE cloud_parameters,                                                   &
2328           ONLY:  l_d_cp, pt_d_t
2329
2330       USE indices,                                                            &
2331           ONLY:  nzb, nzb_max, nzt, wall_flags_0
2332
2333       USE kinds
2334
2335
2336       IMPLICIT NONE
2337
2338       INTEGER(iwp) ::  i      !<
2339       INTEGER(iwp) ::  j      !<
2340       INTEGER(iwp) ::  k      !<
2341       INTEGER(iwp) ::  k_wall !< topography top index
2342
2343       REAL(wp)    ::  dqdt_precip !<
2344       REAL(wp)    ::  flag              !< flag to indicate first grid level above surface
2345
2346!
2347!--    Determine vertical index of topography top
2348       k_wall = MAXLOC(                                                        &
2349                        MERGE( 1, 0,                                           &
2350                               BTEST( wall_flags_0(nzb:nzb_max,j,i), 12 )      &
2351                             ), DIM = 1                                        &
2352                      ) - 1
2353       DO  k = nzb+1, nzt
2354!
2355!--       Predetermine flag to mask topography
2356          flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
2357
2358          IF ( qc_1d(k) > ql_crit )  THEN
2359             dqdt_precip = prec_time_const * ( qc_1d(k) - ql_crit )
2360          ELSE
2361             dqdt_precip = 0.0_wp
2362          ENDIF
2363
2364          qc_1d(k) = qc_1d(k) - dqdt_precip * dt_micro * flag
2365          q_1d(k)  = q_1d(k)  - dqdt_precip * dt_micro * flag
2366          pt_1d(k) = pt_1d(k) + dqdt_precip * dt_micro * l_d_cp * pt_d_t(k) * flag
2367
2368!
2369!--       Compute the rain rate (stored on surface grid point)
2370          prr(k_wall,j,i) = prr(k_wall,j,i) + dqdt_precip * dzw(k) * flag
2371
2372       ENDDO
2373
2374    END SUBROUTINE autoconversion_kessler_ij
2375
2376!------------------------------------------------------------------------------!
2377! Description:
2378! ------------
2379!> Accretion rate (Seifert and Beheng, 2006). Call for grid point i,j
2380!------------------------------------------------------------------------------!
2381    SUBROUTINE accretion_ij( i, j )
2382
2383       USE arrays_3d,                                                          &
2384           ONLY:  diss
2385
2386       USE cloud_parameters,                                                   &
2387           ONLY:  hyrho
2388
2389       USE control_parameters,                                                 &
2390           ONLY:  microphysics_morrison, rho_surface
2391
2392       USE indices,                                                            &
2393           ONLY:  nzb, nzt, wall_flags_0
2394
2395       USE kinds
2396
2397       IMPLICIT NONE
2398
2399       INTEGER(iwp) ::  i                 !<
2400       INTEGER(iwp) ::  j                 !<
2401       INTEGER(iwp) ::  k                 !<
2402
2403       REAL(wp)     ::  accr              !<
2404       REAL(wp)     ::  flag              !< flag to indicate first grid level above surface
2405       REAL(wp)     ::  k_cr              !<
2406       REAL(wp)     ::  nc_accr           !<
2407       REAL(wp)     ::  phi_ac            !<
2408       REAL(wp)     ::  tau_cloud         !<
2409       REAL(wp)     ::  xc                !<
2410
2411
2412       DO  k = nzb+1, nzt
2413!
2414!--       Predetermine flag to mask topography
2415          flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
2416          nc_accr = MERGE ( nc_1d(k), nc_const, microphysics_morrison )
2417
2418          IF ( ( qc_1d(k) > eps_sb )  .AND.  ( qr_1d(k) > eps_sb )  .AND.  &
2419               ( nc_accr > eps_mr ) )  THEN
2420!
2421!--          Intern time scale of coagulation (Seifert and Beheng, 2006):
2422             tau_cloud = 1.0_wp - qc_1d(k) / ( qc_1d(k) + qr_1d(k) )
2423!
2424!--          Universal function for accretion process
2425!--          (Seifert and Beheng, 2001):
2426             phi_ac = ( tau_cloud / ( tau_cloud + 5.0E-5_wp ) )**4
2427
2428!
2429!--          Mean weight of cloud drops
2430             xc = MAX( (hyrho(k) * qc_1d(k) / nc_accr), xcmin)
2431!
2432!--          Parameterized turbulence effects on autoconversion (Seifert,
2433!--          Nuijens and Stevens, 2010). The factor of 1.0E4 is needed to
2434!--          convert the dissipation rate (diss) from m2 s-3 to cm2 s-3.
2435             IF ( collision_turbulence )  THEN
2436                k_cr = k_cr0 * ( 1.0_wp + 0.05_wp *                            &
2437                                 MIN( 600.0_wp,                                &
2438                                      diss(k,j,i) * 1.0E4_wp )**0.25_wp        &
2439                               )
2440             ELSE
2441                k_cr = k_cr0
2442             ENDIF
2443!
2444!--          Accretion rate (Seifert and Beheng, 2006):
2445             accr = k_cr * qc_1d(k) * qr_1d(k) * phi_ac *                      &
2446                    SQRT( rho_surface * hyrho(k) )
2447             accr = MIN( accr, qc_1d(k) / dt_micro )
2448
2449             qr_1d(k) = qr_1d(k) + accr * dt_micro * flag
2450             qc_1d(k) = qc_1d(k) - accr * dt_micro * flag
2451             IF ( microphysics_morrison )  THEN
2452                nc_1d(k) = nc_1d(k) - MIN( nc_1d(k), accr / xc *               &
2453                                             hyrho(k) * dt_micro * flag        &
2454                                         )
2455             ENDIF
2456
2457
2458          ENDIF
2459
2460       ENDDO
2461
2462    END SUBROUTINE accretion_ij
2463
2464
2465!------------------------------------------------------------------------------!
2466! Description:
2467! ------------
2468!> Collisional breakup rate (Seifert, 2008). Call for grid point i,j
2469!------------------------------------------------------------------------------!
2470    SUBROUTINE selfcollection_breakup_ij( i, j )
2471
2472       USE cloud_parameters,                                                   &
2473           ONLY:  hyrho
2474
2475       USE control_parameters,                                                 &
2476           ONLY:  rho_surface
2477
2478       USE indices,                                                            &
2479           ONLY:  nzb, nzt, wall_flags_0
2480
2481       USE kinds
2482
2483       IMPLICIT NONE
2484
2485       INTEGER(iwp) ::  i                 !<
2486       INTEGER(iwp) ::  j                 !<
2487       INTEGER(iwp) ::  k                 !<
2488
2489       REAL(wp)     ::  breakup           !<
2490       REAL(wp)     ::  dr                !<
2491       REAL(wp)     ::  flag              !< flag to indicate first grid level above surface
2492       REAL(wp)     ::  phi_br            !<
2493       REAL(wp)     ::  selfcoll          !<
2494
2495       DO  k = nzb+1, nzt
2496!
2497!--       Predetermine flag to mask topography
2498          flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
2499
2500          IF ( qr_1d(k) > eps_sb )  THEN
2501!
2502!--          Selfcollection rate (Seifert and Beheng, 2001):
2503             selfcoll = k_rr * nr_1d(k) * qr_1d(k) * SQRT( hyrho(k) * rho_surface )
2504!
2505!--          Weight averaged diameter of rain drops:
2506             dr = ( hyrho(k) * qr_1d(k) / nr_1d(k) * dpirho_l )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
2507!
2508!--          Collisional breakup rate (Seifert, 2008):
2509             IF ( dr >= 0.3E-3_wp )  THEN
2510                phi_br  = k_br * ( dr - 1.1E-3_wp )
2511                breakup = selfcoll * ( phi_br + 1.0_wp )
2512             ELSE
2513                breakup = 0.0_wp
2514             ENDIF
2515
2516             selfcoll = MAX( breakup - selfcoll, -nr_1d(k) / dt_micro )
2517             nr_1d(k) = nr_1d(k) + selfcoll * dt_micro * flag
2518
2519          ENDIF
2520       ENDDO
2521
2522    END SUBROUTINE selfcollection_breakup_ij
2523
2524
2525!------------------------------------------------------------------------------!
2526! Description:
2527! ------------
2528!> Evaporation of precipitable water. Condensation is neglected for
2529!> precipitable water. Call for grid point i,j
2530!------------------------------------------------------------------------------!
2531    SUBROUTINE evaporation_rain_ij( i, j )
2532
2533       USE arrays_3d,                                                          &
2534           ONLY:  hyp
2535
2536       USE cloud_parameters,                                                   &
2537           ONLY:  hyrho, l_d_cp, l_d_r, l_v, r_v, t_d_pt
2538
2539       USE constants,                                                          &
2540           ONLY:  pi
2541
2542       USE indices,                                                            &
2543           ONLY:  nzb, nzt, wall_flags_0
2544
2545       USE kinds
2546
2547       IMPLICIT NONE
2548
2549       INTEGER(iwp) ::  i                 !<
2550       INTEGER(iwp) ::  j                 !<
2551       INTEGER(iwp) ::  k                 !<
2552
2553       REAL(wp)     ::  alpha             !<
2554       REAL(wp)     ::  dr                !<
2555       REAL(wp)     ::  e_s               !<
2556       REAL(wp)     ::  evap              !<
2557       REAL(wp)     ::  evap_nr           !<
2558       REAL(wp)     ::  f_vent            !<
2559       REAL(wp)     ::  flag              !< flag to indicate first grid level above surface
2560       REAL(wp)     ::  g_evap            !<
2561       REAL(wp)     ::  lambda_r          !<
2562       REAL(wp)     ::  mu_r              !<
2563       REAL(wp)     ::  mu_r_2            !<
2564       REAL(wp)     ::  mu_r_5d2          !<
2565       REAL(wp)     ::  nr_0              !<
2566       REAL(wp)     ::  q_s               !<
2567       REAL(wp)     ::  sat               !<
2568       REAL(wp)     ::  t_l               !<
2569       REAL(wp)     ::  temp              !<
2570       REAL(wp)     ::  xr                !<
2571
2572       DO  k = nzb+1, nzt
2573!
2574!--       Predetermine flag to mask topography
2575          flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
2576
2577          IF ( qr_1d(k) > eps_sb )  THEN
2578!
2579!--          Actual liquid water temperature:
2580             t_l = t_d_pt(k) * pt_1d(k)
2581!
2582!--          Saturation vapor pressure at t_l:
2583             e_s = 610.78_wp * EXP( 17.269_wp * ( t_l - 273.16_wp ) /          &
2584                                    ( t_l - 35.86_wp )                         &
2585                                  )
2586!
2587!--          Computation of saturation humidity:
2588             q_s   = 0.622_wp * e_s / ( hyp(k) - 0.378_wp * e_s )
2589             alpha = 0.622_wp * l_d_r * l_d_cp / ( t_l * t_l )
2590             q_s   = q_s * ( 1.0_wp + alpha * q_1d(k) ) / ( 1.0_wp + alpha * q_s )
2591!
2592!--          Supersaturation:
2593             sat   = ( q_1d(k) - qr_1d(k) - qc_1d(k) ) / q_s - 1.0_wp
2594!
2595!--          Evaporation needs only to be calculated in subsaturated regions
2596             IF ( sat < 0.0_wp )  THEN
2597!
2598!--             Actual temperature:
2599                temp = t_l + l_d_cp * ( qc_1d(k) + qr_1d(k) )
2600
2601                g_evap = 1.0_wp / ( ( l_v / ( r_v * temp ) - 1.0_wp ) * l_v /  &
2602                                    ( thermal_conductivity_l * temp ) +        &
2603                                    r_v * temp / ( diff_coeff_l * e_s )        &
2604                                  )
2605!
2606!--             Mean weight of rain drops
2607                xr = hyrho(k) * qr_1d(k) / nr_1d(k)
2608!
2609!--             Weight averaged diameter of rain drops:
2610                dr = ( xr * dpirho_l )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
2611!
2612!--             Compute ventilation factor and intercept parameter
2613!--             (Seifert and Beheng, 2006; Seifert, 2008):
2614                IF ( ventilation_effect )  THEN
2615!
2616!--                Shape parameter of gamma distribution (Milbrandt and Yau, 2005;
2617!--                Stevens and Seifert, 2008):
2618                   mu_r = 10.0_wp * ( 1.0_wp + TANH( 1.2E3_wp * ( dr - 1.4E-3_wp ) ) )
2619!
2620!--                Slope parameter of gamma distribution (Seifert, 2008):
2621                   lambda_r = ( ( mu_r + 3.0_wp ) * ( mu_r + 2.0_wp ) *        &
2622                                ( mu_r + 1.0_wp )                              &
2623                              )**( 1.0_wp / 3.0_wp ) / dr
2624
2625                   mu_r_2   = mu_r + 2.0_wp
2626                   mu_r_5d2 = mu_r + 2.5_wp
2627
2628                   f_vent = a_vent * gamm( mu_r_2 ) * lambda_r**( -mu_r_2 ) +  &
2629                            b_vent * schmidt_p_1d3 *                           &
2630                            SQRT( a_term / kin_vis_air ) * gamm( mu_r_5d2 ) *  &
2631                            lambda_r**( -mu_r_5d2 ) *                          &
2632                            ( 1.0_wp -                                         &
2633                              0.5_wp * ( b_term / a_term ) *                   &
2634                              ( lambda_r / ( c_term + lambda_r )               &
2635                              )**mu_r_5d2 -                                    &
2636                              0.125_wp * ( b_term / a_term )**2 *              &
2637                              ( lambda_r / ( 2.0_wp * c_term + lambda_r )      &
2638                              )**mu_r_5d2 -                                    &
2639                              0.0625_wp * ( b_term / a_term )**3 *             &
2640                              ( lambda_r / ( 3.0_wp * c_term + lambda_r )      &
2641                              )**mu_r_5d2 -                                    &
2642                              0.0390625_wp * ( b_term / a_term )**4 *          &
2643                              ( lambda_r / ( 4.0_wp * c_term + lambda_r )      &
2644                              )**mu_r_5d2                                      &
2645                            )
2646
2647                   nr_0   = nr_1d(k) * lambda_r**( mu_r + 1.0_wp ) /           &
2648                            gamm( mu_r + 1.0_wp )
2649                ELSE
2650                   f_vent = 1.0_wp
2651                   nr_0   = nr_1d(k) * dr
2652                ENDIF
2653!
2654!--             Evaporation rate of rain water content (Seifert and Beheng, 2006):
2655                evap    = 2.0_wp * pi * nr_0 * g_evap * f_vent * sat / hyrho(k)
2656                evap    = MAX( evap, -qr_1d(k) / dt_micro )
2657                evap_nr = MAX( c_evap * evap / xr * hyrho(k),                  &
2658                               -nr_1d(k) / dt_micro )
2659
2660                qr_1d(k) = qr_1d(k) + evap    * dt_micro * flag
2661                nr_1d(k) = nr_1d(k) + evap_nr * dt_micro * flag
2662
2663             ENDIF
2664          ENDIF
2665
2666       ENDDO
2667
2668    END SUBROUTINE evaporation_rain_ij
2669
2670
2671!------------------------------------------------------------------------------!
2672! Description:
2673! ------------
2674!> Sedimentation of cloud droplets (Ackermann et al., 2009, MWR).
2675!> Call for grid point i,j
2676!------------------------------------------------------------------------------!
2677    SUBROUTINE sedimentation_cloud_ij( i, j )
2678
2679       USE arrays_3d,                                                          &
2680           ONLY:  ddzu, dzu, prr
2681
2682       USE cloud_parameters,                                                   &
2683           ONLY:  hyrho, l_d_cp, pt_d_t
2684
2685       USE control_parameters,                                                 &
2686           ONLY:  call_microphysics_at_all_substeps,                           &
2687                  intermediate_timestep_count, microphysics_morrison
2688
2689       USE indices,                                                            &
2690           ONLY:  nzb, nzb, nzt, wall_flags_0
2691
2692       USE kinds
2693
2694       USE statistics,                                                         &
2695           ONLY:  weight_substep
2696
2697       IMPLICIT NONE
2698
2699       INTEGER(iwp) ::  i             !<
2700       INTEGER(iwp) ::  j             !<
2701       INTEGER(iwp) ::  k             !<
2702
2703       REAL(wp)     ::  flag    !< flag to indicate first grid level above surface
2704       REAL(wp)     ::  nc_sedi !<
2705
2706       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  sed_nc  !<
2707       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  sed_qc  !<
2708
2709       sed_qc(nzt+1) = 0.0_wp
2710
2711       DO  k = nzt, nzb+1, -1
2712!
2713!--       Predetermine flag to mask topography
2714          flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
2715          nc_sedi = MERGE( nc_1d(k), nc_const, microphysics_morrison )
2716!
2717!--       Sedimentation fluxes for number concentration are only calculated
2718!--       for cloud_scheme = 'morrison'
2719          IF ( microphysics_morrison ) THEN
2720             IF ( qc_1d(k) > eps_sb  .AND.  nc_1d(k) > eps_mr )  THEN
2721                sed_nc(k) = sed_qc_const *                                     &
2722                            ( qc_1d(k) * hyrho(k) )**( 2.0_wp / 3.0_wp ) *     &
2723                            ( nc_1d(k) )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
2724             ELSE
2725                sed_nc(k) = 0.0_wp
2726             ENDIF
2727
2728             sed_nc(k) = MIN( sed_nc(k), hyrho(k) * dzu(k+1) *                 &
2729                              nc_1d(k) / dt_micro + sed_nc(k+1)                &
2730                            ) * flag
2731
2732             nc_1d(k) = nc_1d(k) + ( sed_nc(k+1) - sed_nc(k) ) *               &
2733                                         ddzu(k+1) / hyrho(k) * dt_micro * flag
2734          ENDIF
2735
2736          IF ( qc_1d(k) > eps_sb )  THEN
2737             sed_qc(k) = sed_qc_const * nc_sedi**( -2.0_wp / 3.0_wp ) *        &
2738                         ( qc_1d(k) * hyrho(k) )**( 5.0_wp / 3.0_wp )  * flag
2739          ELSE
2740             sed_qc(k) = 0.0_wp
2741          ENDIF
2742
2743          sed_qc(k) = MIN( sed_qc(k), hyrho(k) * dzu(k+1) * q_1d(k) /          &
2744                                      dt_micro + sed_qc(k+1)                   &
2745                         ) * flag
2746
2747          q_1d(k)  = q_1d(k)  + ( sed_qc(k+1) - sed_qc(k) ) * ddzu(k+1) /      &
2748                                hyrho(k) * dt_micro * flag
2749          qc_1d(k) = qc_1d(k) + ( sed_qc(k+1) - sed_qc(k) ) * ddzu(k+1) /      &
2750                                hyrho(k) * dt_micro * flag
2751          pt_1d(k) = pt_1d(k) - ( sed_qc(k+1) - sed_qc(k) ) * ddzu(k+1) /      &
2752                                hyrho(k) * l_d_cp * pt_d_t(k) * dt_micro * flag
2753
2754!
2755!--       Compute the precipitation rate of cloud (fog) droplets
2756          IF ( call_microphysics_at_all_substeps )  THEN
2757             prr(k,j,i) = prr(k,j,i) + sed_qc(k) / hyrho(k) *                  &
2758                              weight_substep(intermediate_timestep_count) * flag
2759          ELSE
2760             prr(k,j,i) = prr(k,j,i) + sed_qc(k) / hyrho(k) * flag
2761          ENDIF
2762
2763       ENDDO
2764
2765    END SUBROUTINE sedimentation_cloud_ij
2766
2767
2768!------------------------------------------------------------------------------!
2769! Description:
2770! ------------
2771!> Computation of sedimentation flux. Implementation according to Stevens
2772!> and Seifert (2008). Code is based on UCLA-LES. Call for grid point i,j
2773!------------------------------------------------------------------------------!
2774    SUBROUTINE sedimentation_rain_ij( i, j )
2775
2776       USE arrays_3d,                                                          &
2777           ONLY:  ddzu, dzu, prr
2778
2779       USE cloud_parameters,                                                   &
2780           ONLY:  hyrho, l_d_cp, pt_d_t
2781
2782       USE control_parameters,                                                 &
2783           ONLY:  call_microphysics_at_all_substeps, intermediate_timestep_count
2784
2785       USE indices,                                                            &
2786           ONLY:  nzb, nzb, nzt, wall_flags_0
2787
2788       USE kinds
2789
2790       USE statistics,                                                         &
2791           ONLY:  weight_substep
2792
2793       USE surface_mod,                                                        &
2794           ONLY :  bc_h
2795
2796       IMPLICIT NONE
2797
2798       INTEGER(iwp) ::  i             !< running index x direction
2799       INTEGER(iwp) ::  j             !< running index y direction
2800       INTEGER(iwp) ::  k             !< running index z direction
2801       INTEGER(iwp) ::  k_run         !<
2802       INTEGER(iwp) ::  m             !< running index surface elements
2803       INTEGER(iwp) ::  surf_e        !< End index of surface elements at (j,i)-gridpoint
2804       INTEGER(iwp) ::  surf_s        !< Start index of surface elements at (j,i)-gridpoint
2805
2806       REAL(wp)     ::  c_run                      !<
2807       REAL(wp)     ::  d_max                      !<
2808       REAL(wp)     ::  d_mean                     !<
2809       REAL(wp)     ::  d_min                      !<
2810       REAL(wp)     ::  dr                         !<
2811       REAL(wp)     ::  flux                       !<
2812       REAL(wp)     ::  flag                       !< flag to indicate first grid level above surface
2813       REAL(wp)     ::  lambda_r                   !<
2814       REAL(wp)     ::  mu_r                       !<
2815       REAL(wp)     ::  z_run                      !<
2816
2817       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  c_nr     !<
2818       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  c_qr     !<
2819       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  nr_slope !<
2820       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  qr_slope !<
2821       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  sed_nr   !<
2822       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  sed_qr   !<
2823       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  w_nr     !<
2824       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  w_qr     !<
2825
2826!
2827!--    Compute velocities
2828       DO  k = nzb+1, nzt
2829!
2830!--       Predetermine flag to mask topography
2831          flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
2832
2833          IF ( qr_1d(k) > eps_sb )  THEN
2834!
2835!--          Weight averaged diameter of rain drops:
2836             dr = ( hyrho(k) * qr_1d(k) / nr_1d(k) * dpirho_l )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
2837!
2838!--          Shape parameter of gamma distribution (Milbrandt and Yau, 2005;
2839!--          Stevens and Seifert, 2008):
2840             mu_r = 10.0_wp * ( 1.0_wp + TANH( 1.2E3_wp * ( dr - 1.4E-3_wp ) ) )
2841!
2842!--          Slope parameter of gamma distribution (Seifert, 2008):
2843             lambda_r = ( ( mu_r + 3.0_wp ) * ( mu_r + 2.0_wp ) *              &
2844                          ( mu_r + 1.0_wp ) )**( 1.0_wp / 3.0_wp ) / dr
2845
2846             w_nr(k) = MAX( 0.1_wp, MIN( 20.0_wp,                              &
2847                                         a_term - b_term * ( 1.0_wp +          &
2848                                            c_term / lambda_r )**( -1.0_wp *   &
2849                                            ( mu_r + 1.0_wp ) )                &
2850                                        )                                      &
2851                          ) * flag
2852             w_qr(k) = MAX( 0.1_wp, MIN( 20.0_wp,                              &
2853                                         a_term - b_term * ( 1.0_wp +          &
2854                                            c_term / lambda_r )**( -1.0_wp *   &
2855                                            ( mu_r + 4.0_wp ) )                &
2856                                       )                                       &
2857                          ) * flag
2858          ELSE
2859             w_nr(k) = 0.0_wp
2860             w_qr(k) = 0.0_wp
2861          ENDIF
2862       ENDDO
2863!
2864!--    Adjust boundary values using surface data type.
2865!--    Upward facing non-natural
2866       surf_s = bc_h(0)%start_index(j,i)
2867       surf_e = bc_h(0)%end_index(j,i)
2868       DO  m = surf_s, surf_e
2869          k         = bc_h(0)%k(m)
2870          w_nr(k-1) = w_nr(k)
2871          w_qr(k-1) = w_qr(k)
2872       ENDDO
2873!
2874!--    Downward facing non-natural
2875       surf_s = bc_h(1)%start_index(j,i)
2876       surf_e = bc_h(1)%end_index(j,i)
2877       DO  m = surf_s, surf_e
2878          k         = bc_h(1)%k(m)
2879          w_nr(k+1) = w_nr(k)
2880          w_qr(k+1) = w_qr(k)
2881       ENDDO
2882!
2883!--    Neumann boundary condition at model top
2884       w_nr(nzt+1) = 0.0_wp
2885       w_qr(nzt+1) = 0.0_wp
2886!
2887!--    Compute Courant number
2888       DO  k = nzb+1, nzt
2889!
2890!--       Predetermine flag to mask topography
2891          flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
2892
2893          c_nr(k) = 0.25_wp * ( w_nr(k-1) + 2.0_wp * w_nr(k) + w_nr(k+1) ) *   &
2894                    dt_micro * ddzu(k) * flag
2895          c_qr(k) = 0.25_wp * ( w_qr(k-1) + 2.0_wp * w_qr(k) + w_qr(k+1) ) *   &
2896                    dt_micro * ddzu(k) * flag
2897       ENDDO
2898!
2899!--    Limit slopes with monotonized centered (MC) limiter (van Leer, 1977):
2900       IF ( limiter_sedimentation )  THEN
2901
2902          DO k = nzb+1, nzt
2903!
2904!--          Predetermine flag to mask topography
2905             flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
2906
2907             d_mean = 0.5_wp * ( qr_1d(k+1) - qr_1d(k-1) )
2908             d_min  = qr_1d(k) - MIN( qr_1d(k+1), qr_1d(k), qr_1d(k-1) )
2909             d_max  = MAX( qr_1d(k+1), qr_1d(k), qr_1d(k-1) ) - qr_1d(k)
2910
2911             qr_slope(k) = SIGN(1.0_wp, d_mean) * MIN ( 2.0_wp * d_min,        &
2912                                                        2.0_wp * d_max,        &
2913                                                        ABS( d_mean ) ) * flag
2914
2915             d_mean = 0.5_wp * ( nr_1d(k+1) - nr_1d(k-1) )
2916             d_min  = nr_1d(k) - MIN( nr_1d(k+1), nr_1d(k), nr_1d(k-1) )
2917             d_max  = MAX( nr_1d(k+1), nr_1d(k), nr_1d(k-1) ) - nr_1d(k)
2918
2919             nr_slope(k) = SIGN(1.0_wp, d_mean) * MIN ( 2.0_wp * d_min,        &
2920                                                        2.0_wp * d_max,        &
2921                                                        ABS( d_mean ) ) * flag
2922          ENDDO
2923
2924       ELSE
2925
2926          nr_slope = 0.0_wp
2927          qr_slope = 0.0_wp
2928
2929       ENDIF
2930
2931       sed_nr(nzt+1) = 0.0_wp
2932       sed_qr(nzt+1) = 0.0_wp
2933!
2934!--    Compute sedimentation flux
2935       DO  k = nzt, nzb+1, -1
2936!
2937!--       Predetermine flag to mask topography
2938          flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
2939!
2940!--       Sum up all rain drop number densities which contribute to the flux
2941!--       through k-1/2
2942          flux  = 0.0_wp
2943          z_run = 0.0_wp ! height above z(k)
2944          k_run = k
2945          c_run = MIN( 1.0_wp, c_nr(k) )
2946          DO WHILE ( c_run > 0.0_wp  .AND.  k_run <= nzt )
2947             flux  = flux + hyrho(k_run) *                                     &
2948                     ( nr_1d(k_run) + nr_slope(k_run) * ( 1.0_wp - c_run ) *   &
2949                     0.5_wp ) * c_run * dzu(k_run) * flag
2950             z_run = z_run + dzu(k_run)            * flag
2951             k_run = k_run + 1                     * flag
2952             c_run = MIN( 1.0_wp, c_nr(k_run) - z_run * ddzu(k_run) ) * flag
2953          ENDDO
2954!
2955!--       It is not allowed to sediment more rain drop number density than
2956!--       available
2957          flux = MIN( flux,                                                    &
2958                      hyrho(k) * dzu(k+1) * nr_1d(k) + sed_nr(k+1) * dt_micro )
2959
2960          sed_nr(k) = flux / dt_micro * flag
2961          nr_1d(k)  = nr_1d(k) + ( sed_nr(k+1) - sed_nr(k) ) * ddzu(k+1) /     &
2962                                    hyrho(k) * dt_micro * flag
2963!
2964!--       Sum up all rain water content which contributes to the flux
2965!--       through k-1/2
2966          flux  = 0.0_wp
2967          z_run = 0.0_wp ! height above z(k)
2968          k_run = k
2969          c_run = MIN( 1.0_wp, c_qr(k) )
2970
2971          DO WHILE ( c_run > 0.0_wp  .AND.  k_run <= nzt )
2972
2973             flux  = flux + hyrho(k_run) *                                     &
2974                     ( qr_1d(k_run) + qr_slope(k_run) * ( 1.0_wp - c_run ) *   &
2975                     0.5_wp ) * c_run * dzu(k_run) * flag
2976             z_run = z_run + dzu(k_run)            * flag
2977             k_run = k_run + 1                     * flag
2978             c_run = MIN( 1.0_wp, c_qr(k_run) - z_run * ddzu(k_run) ) * flag
2979
2980          ENDDO
2981!
2982!--       It is not allowed to sediment more rain water content than available
2983          flux = MIN( flux,                                                    &
2984                      hyrho(k) * dzu(k) * qr_1d(k) + sed_qr(k+1) * dt_micro )
2985
2986          sed_qr(k) = flux / dt_micro * flag
2987
2988          qr_1d(k) = qr_1d(k) + ( sed_qr(k+1) - sed_qr(k) ) * ddzu(k+1) /      &
2989                                hyrho(k) * dt_micro * flag
2990          q_1d(k)  = q_1d(k)  + ( sed_qr(k+1) - sed_qr(k) ) * ddzu(k+1) /      &
2991                                hyrho(k) * dt_micro * flag
2992          pt_1d(k) = pt_1d(k) - ( sed_qr(k+1) - sed_qr(k) ) * ddzu(k+1) /      &
2993                                hyrho(k) * l_d_cp * pt_d_t(k) * dt_micro * flag
2994!
2995!--       Compute the rain rate
2996          IF ( call_microphysics_at_all_substeps )  THEN
2997             prr(k,j,i) = prr(k,j,i) + sed_qr(k) / hyrho(k)                    &
2998                          * weight_substep(intermediate_timestep_count) * flag
2999          ELSE
3000             prr(k,j,i) = prr(k,j,i) + sed_qr(k) / hyrho(k) * flag
3001          ENDIF
3002
3003       ENDDO
3004
3005    END SUBROUTINE sedimentation_rain_ij
3006
3007
3008!------------------------------------------------------------------------------!
3009! Description:
3010! ------------
3011!> This subroutine computes the precipitation amount due to gravitational
3012!> settling of rain and cloud (fog) droplets
3013!------------------------------------------------------------------------------!
3014    SUBROUTINE calc_precipitation_amount_ij( i, j )
3015
3016       USE arrays_3d,                                                          &
3017           ONLY:  precipitation_amount, prr
3018
3019       USE cloud_parameters,                                                   &
3020           ONLY:  hyrho
3021
3022       USE control_parameters,                                                 &
3023           ONLY:  call_microphysics_at_all_substeps, dt_do2d_xy, dt_3d,        &
3024                  intermediate_timestep_count, intermediate_timestep_count_max,&
3025                  precipitation_amount_interval, time_do2d_xy
3026
3027       USE indices,                                                            &
3028           ONLY:  nzb, nzt, wall_flags_0
3029
3030       USE kinds
3031
3032       USE surface_mod,                                                        &
3033           ONLY :  bc_h
3034
3035       IMPLICIT NONE
3036
3037       INTEGER(iwp) ::  i             !< running index x direction
3038       INTEGER(iwp) ::  j             !< running index y direction
3039       INTEGER(iwp) ::  k             !< running index z direction
3040       INTEGER(iwp) ::  m             !< running index surface elements
3041       INTEGER(iwp) ::  surf_e        !< End index of surface elements at (j,i)-gridpoint
3042       INTEGER(iwp) ::  surf_s        !< Start index of surface elements at (j,i)-gridpoint
3043
3044       IF ( ( dt_do2d_xy - time_do2d_xy ) < precipitation_amount_interval .AND.&
3045            ( .NOT. call_microphysics_at_all_substeps .OR.                     &
3046            intermediate_timestep_count == intermediate_timestep_count_max ) ) &
3047       THEN
3048
3049          surf_s = bc_h(0)%start_index(j,i)
3050          surf_e = bc_h(0)%end_index(j,i)
3051          DO  m = surf_s, surf_e
3052             k                         = bc_h(0)%k(m)
3053             precipitation_amount(j,i) = precipitation_amount(j,i) +           &
3054                                               prr(k,j,i) * hyrho(k) * dt_3d
3055          ENDDO
3056
3057       ENDIF
3058
3059    END SUBROUTINE calc_precipitation_amount_ij
3060
3061!------------------------------------------------------------------------------!
3062! Description:
3063! ------------
3064!> This function computes the gamma function (Press et al., 1992).
3065!> The gamma function is needed for the calculation of the evaporation
3066!> of rain drops.
3067!------------------------------------------------------------------------------!
3068    FUNCTION gamm( xx )
3069
3070       USE kinds
3071
3072       IMPLICIT NONE
3073
3074       INTEGER(iwp) ::  j            !<
3075
3076       REAL(wp)     ::  gamm         !<
3077       REAL(wp)     ::  ser          !<
3078       REAL(wp)     ::  tmp          !<
3079       REAL(wp)     ::  x_gamm       !<
3080       REAL(wp)     ::  xx           !<
3081       REAL(wp)     ::  y_gamm       !<
3082
3083
3084       REAL(wp), PARAMETER  ::  stp = 2.5066282746310005_wp               !<
3085       REAL(wp), PARAMETER  ::  cof(6) = (/ 76.18009172947146_wp,      &
3086                                           -86.50532032941677_wp,      &
3087                                            24.01409824083091_wp,      &
3088                                            -1.231739572450155_wp,     &
3089                                             0.1208650973866179E-2_wp, &
3090                                            -0.5395239384953E-5_wp /)     !<
3091
3092       x_gamm = xx
3093       y_gamm = x_gamm
3094       tmp = x_gamm + 5.5_wp
3095       tmp = ( x_gamm + 0.5_wp ) * LOG( tmp ) - tmp
3096       ser = 1.000000000190015_wp
3097
3098       DO  j = 1, 6
3099          y_gamm = y_gamm + 1.0_wp
3100          ser    = ser + cof( j ) / y_gamm
3101       ENDDO
3102
3103!
3104!--    Until this point the algorithm computes the logarithm of the gamma
3105!--    function. Hence, the exponential function is used.
3106!       gamm = EXP( tmp + LOG( stp * ser / x_gamm ) )
3107       gamm = EXP( tmp ) * stp * ser / x_gamm
3108
3109       RETURN
3110
3111    END FUNCTION gamm
3112
3113 END MODULE microphysics_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.