source: palm/trunk/SOURCE/microphysics_mod.f90 @ 2421

Last change on this file since 2421 was 2375, checked in by schwenkel, 7 years ago

improved aerosol initialization for bulk microphysics

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 124.4 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 2375 2017-08-29 14:10:28Z maronga $
27! Improved aerosol initilization and some minor bugfixes
28! for droplet sedimenation
29!
30! 2318 2017-07-20 17:27:44Z suehring
31! Get topography top index via Function call
32!
33! 2317 2017-07-20 17:27:19Z suehring
34! s1 changed to log_sigma
35!
36! 2292 2017-06-20 09:51:42Z schwenkel
37! Implementation of new microphysic scheme: cloud_scheme = 'morrison'
38! includes two more prognostic equations for cloud drop concentration (nc)
39! and cloud water content (qc).
40! - The process of activation is parameterized with a simple Twomey
41!   activion scheme or with considering solution and curvature
42!   effects (Khvorostyanov and Curry ,2006).
43! - The saturation adjustment scheme is replaced by the parameterization
44!   of condensation rates (Khairoutdinov and Kogan, 2000, Mon. Wea. Rev.,128).
45! - All other microphysical processes of Seifert and Beheng are used.
46!   Additionally, in those processes the reduction of cloud number concentration
47!   is considered.
48!
49! 2233 2017-05-30 18:08:54Z suehring
50!
51! 2232 2017-05-30 17:47:52Z suehring
52! Adjustments to new topography and surface concept
53!
54! 2155 2017-02-21 09:57:40Z hoffmann
55! Bugfix in the calculation of microphysical quantities on ghost points.
56!
57! 2031 2016-10-21 15:11:58Z knoop
58! renamed variable rho to rho_ocean
59!
60! 2000 2016-08-20 18:09:15Z knoop
61! Forced header and separation lines into 80 columns
62!
63! 1850 2016-04-08 13:29:27Z maronga
64! Module renamed
65! Adapted for modularization of microphysics.
66!
67! 1845 2016-04-08 08:29:13Z raasch
68! nzb_2d replaced by nzb_s_inner, Kessler precipitation is stored at surface
69! point (instead of one point above surface)
70!
71! 1831 2016-04-07 13:15:51Z hoffmann
72! turbulence renamed collision_turbulence,
73! drizzle renamed cloud_water_sedimentation. cloud_water_sedimentation also
74! avaialble for microphysics_kessler.
75!
76! 1822 2016-04-07 07:49:42Z hoffmann
77! Unused variables removed.
78! Kessler scheme integrated.
79!
80! 1691 2015-10-26 16:17:44Z maronga
81! Added new routine calc_precipitation_amount. The routine now allows to account
82! for precipitation due to sedimenation of cloud (fog) droplets
83!
84! 1682 2015-10-07 23:56:08Z knoop
85! Code annotations made doxygen readable
86!
87! 1646 2015-09-02 16:00:10Z hoffmann
88! Bugfix: Wrong computation of d_mean.
89!
90! 1361 2014-04-16 15:17:48Z hoffmann
91! Bugfix in sedimentation_rain: Index corrected.
92! Vectorized version of adjust_cloud added.
93! Little reformatting of the code.
94!
95! 1353 2014-04-08 15:21:23Z heinze
96! REAL constants provided with KIND-attribute
97!
98! 1346 2014-03-27 13:18:20Z heinze
99! Bugfix: REAL constants provided with KIND-attribute especially in call of
100! intrinsic function like MAX, MIN, SIGN
101!
102! 1334 2014-03-25 12:21:40Z heinze
103! Bugfix: REAL constants provided with KIND-attribute
104!
105! 1322 2014-03-20 16:38:49Z raasch
106! REAL constants defined as wp-kind
107!
108! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
109! ONLY-attribute added to USE-statements,
110! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
111! kinds are defined in new module kinds,
112! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
113! all variable declaration statements
114!
115! 1241 2013-10-30 11:36:58Z heinze
116! hyp and rho_ocean have to be calculated at each time step if data from external
117! file LSF_DATA are used
118!
119! 1115 2013-03-26 18:16:16Z hoffmann
120! microphyical tendencies are calculated in microphysics_control in an optimized
121! way; unrealistic values are prevented; bugfix in evaporation; some reformatting
122!
123! 1106 2013-03-04 05:31:38Z raasch
124! small changes in code formatting
125!
126! 1092 2013-02-02 11:24:22Z raasch
127! unused variables removed
128! file put under GPL
129!
130! 1065 2012-11-22 17:42:36Z hoffmann
131! Sedimentation process implemented according to Stevens and Seifert (2008).
132! Turbulence effects on autoconversion and accretion added (Seifert, Nuijens
133! and Stevens, 2010).
134!
135! 1053 2012-11-13 17:11:03Z hoffmann
136! initial revision
137!
138! Description:
139! ------------
140!> Calculate bilk cloud microphysics.
141!------------------------------------------------------------------------------!
142 MODULE microphysics_mod
143
144    USE  kinds
145
146    IMPLICIT NONE
147
148    LOGICAL ::  cloud_water_sedimentation = .FALSE.       !< cloud water sedimentation
149    LOGICAL ::  curvature_solution_effects_bulk = .FALSE. !< flag for considering koehler theory
150    LOGICAL ::  limiter_sedimentation = .TRUE.            !< sedimentation limiter
151    LOGICAL ::  collision_turbulence = .FALSE.            !< turbulence effects
152    LOGICAL ::  ventilation_effect = .TRUE.               !< ventilation effect
153
154    REAL(wp) ::  a_1 = 8.69E-4_wp          !< coef. in turb. parametrization (cm-2 s3)
155    REAL(wp) ::  a_2 = -7.38E-5_wp         !< coef. in turb. parametrization (cm-2 s3)
156    REAL(wp) ::  a_3 = -1.40E-2_wp         !< coef. in turb. parametrization
157    REAL(wp) ::  a_term = 9.65_wp          !< coef. for terminal velocity (m s-1)
158    REAL(wp) ::  a_vent = 0.78_wp          !< coef. for ventilation effect
159    REAL(wp) ::  b_1 = 11.45E-6_wp         !< coef. in turb. parametrization (m)
160    REAL(wp) ::  b_2 = 9.68E-6_wp          !< coef. in turb. parametrization (m)
161    REAL(wp) ::  b_3 = 0.62_wp             !< coef. in turb. parametrization
162    REAL(wp) ::  b_term = 9.8_wp           !< coef. for terminal velocity (m s-1)
163    REAL(wp) ::  b_vent = 0.308_wp         !< coef. for ventilation effect
164    REAL(wp) ::  beta_cc = 3.09E-4_wp      !< coef. in turb. parametrization (cm-2 s3)
165    REAL(wp) ::  c_1 = 4.82E-6_wp          !< coef. in turb. parametrization (m)
166    REAL(wp) ::  c_2 = 4.8E-6_wp           !< coef. in turb. parametrization (m)
167    REAL(wp) ::  c_3 = 0.76_wp             !< coef. in turb. parametrization
168    REAL(wp) ::  c_const = 0.93_wp         !< const. in Taylor-microscale Reynolds number
169    REAL(wp) ::  c_evap = 0.7_wp           !< constant in evaporation
170    REAL(wp) ::  c_term = 600.0_wp         !< coef. for terminal velocity (m-1)
171    REAL(wp) ::  diff_coeff_l = 0.23E-4_wp  !< diffusivity of water vapor (m2 s-1)
172    REAL(wp) ::  eps_sb = 1.0E-10_wp       !< threshold in two-moments scheme
173    REAL(wp) ::  eps_mr = 0.0_wp           !< threshold for morrison scheme
174    REAL(wp) ::  k_cc = 9.44E09_wp         !< const. cloud-cloud kernel (m3 kg-2 s-1)
175    REAL(wp) ::  k_cr0 = 4.33_wp           !< const. cloud-rain kernel (m3 kg-1 s-1)
176    REAL(wp) ::  k_rr = 7.12_wp            !< const. rain-rain kernel (m3 kg-1 s-1)
177    REAL(wp) ::  k_br = 1000.0_wp          !< const. in breakup parametrization (m-1)
178    REAL(wp) ::  k_st = 1.2E8_wp           !< const. in drizzle parametrization (m-1 s-1)
179    REAL(wp) ::  kappa_rr = 60.7_wp        !< const. in collision kernel (kg-1/3)
180    REAL(wp) ::  kin_vis_air = 1.4086E-5_wp  !< kin. viscosity of air (m2 s-1)
181    REAL(wp) ::  prec_time_const = 0.001_wp  !< coef. in Kessler scheme (s-1)
182    REAL(wp) ::  ql_crit = 0.0005_wp       !< coef. in Kessler scheme (kg kg-1)
183    REAL(wp) ::  schmidt_p_1d3=0.8921121_wp  !< Schmidt number**0.33333, 0.71**0.33333
184    REAL(wp) ::  sigma_gc = 1.3_wp         !< geometric standard deviation cloud droplets
185    REAL(wp) ::  thermal_conductivity_l = 2.43E-2_wp  !< therm. cond. air (J m-1 s-1 K-1)
186    REAL(wp) ::  w_precipitation = 9.65_wp  !< maximum terminal velocity (m s-1)
187    REAL(wp) ::  x0 = 2.6E-10_wp           !< separating drop mass (kg)
188    REAL(wp) ::  xamin = 5.24E-19_wp       !< average aerosol mass (kg) (~ 0.05µm)
189    REAL(wp) ::  xcmin = 4.18E-15_wp       !< minimum cloud drop size (kg) (~ 1µm)
190    REAL(wp) ::  xcmax = 2.6E-10_wp        !< maximum cloud drop size (kg) (~ 40µm)
191    REAL(wp) ::  xrmin = 2.6E-10_wp        !< minimum rain drop size (kg)
192    REAL(wp) ::  xrmax = 5.0E-6_wp         !< maximum rain drop site (kg)
193
194    REAL(wp) ::  c_sedimentation = 2.0_wp        !< Courant number of sedimentation process
195    REAL(wp) ::  dpirho_l                        !< 6.0 / ( pi * rho_l )
196    REAL(wp) ::  dry_aerosol_radius = 0.05E-6_wp !< dry aerosol radius
197    REAL(wp) ::  dt_micro                        !< microphysics time step
198    REAL(wp) ::  sigma_bulk = 2.0_wp             !< width of aerosol spectrum
199    REAL(wp) ::  na_init = 100.0E6_wp            !< Total particle/aerosol concentration (cm-3)
200    REAL(wp) ::  nc_const = 70.0E6_wp            !< cloud droplet concentration
201    REAL(wp) ::  dt_precipitation = 100.0_wp     !< timestep precipitation (s)
202    REAL(wp) ::  sed_qc_const                    !< const. for sedimentation of cloud water
203    REAL(wp) ::  pirho_l                         !< pi * rho_l / 6.0;
204
205    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  nc_1d  !<
206    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  nr_1d  !<
207    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  pt_1d  !<
208    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  qc_1d  !<
209    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  qr_1d  !<
210    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  q_1d   !<
211
212    SAVE
213
214    PRIVATE
215    PUBLIC microphysics_control, microphysics_init
216
217    PUBLIC cloud_water_sedimentation, collision_turbulence,                    &
218           curvature_solution_effects_bulk, c_sedimentation,                   &
219           dry_aerosol_radius, dt_precipitation,                               &
220           limiter_sedimentation, na_init, nc_const, sigma_gc, sigma_bulk,     &
221           ventilation_effect
222
223
224    INTERFACE microphysics_control
225       MODULE PROCEDURE microphysics_control
226       MODULE PROCEDURE microphysics_control_ij
227    END INTERFACE microphysics_control
228
229    INTERFACE adjust_cloud
230       MODULE PROCEDURE adjust_cloud
231       MODULE PROCEDURE adjust_cloud_ij
232    END INTERFACE adjust_cloud
233
234    INTERFACE activation
235       MODULE PROCEDURE activation
236       MODULE PROCEDURE activation_ij
237    END INTERFACE activation
238
239    INTERFACE condensation
240       MODULE PROCEDURE condensation
241       MODULE PROCEDURE condensation_ij
242    END INTERFACE condensation
243
244    INTERFACE autoconversion
245       MODULE PROCEDURE autoconversion
246       MODULE PROCEDURE autoconversion_ij
247    END INTERFACE autoconversion
248
249    INTERFACE autoconversion_kessler
250       MODULE PROCEDURE autoconversion_kessler
251       MODULE PROCEDURE autoconversion_kessler_ij
252    END INTERFACE autoconversion_kessler
253
254    INTERFACE accretion
255       MODULE PROCEDURE accretion
256       MODULE PROCEDURE accretion_ij
257    END INTERFACE accretion
258
259    INTERFACE selfcollection_breakup
260       MODULE PROCEDURE selfcollection_breakup
261       MODULE PROCEDURE selfcollection_breakup_ij
262    END INTERFACE selfcollection_breakup
263
264    INTERFACE evaporation_rain
265       MODULE PROCEDURE evaporation_rain
266       MODULE PROCEDURE evaporation_rain_ij
267    END INTERFACE evaporation_rain
268
269    INTERFACE sedimentation_cloud
270       MODULE PROCEDURE sedimentation_cloud
271       MODULE PROCEDURE sedimentation_cloud_ij
272    END INTERFACE sedimentation_cloud
273
274    INTERFACE sedimentation_rain
275       MODULE PROCEDURE sedimentation_rain
276       MODULE PROCEDURE sedimentation_rain_ij
277    END INTERFACE sedimentation_rain
278
279    INTERFACE calc_precipitation_amount
280       MODULE PROCEDURE calc_precipitation_amount
281       MODULE PROCEDURE calc_precipitation_amount_ij
282    END INTERFACE calc_precipitation_amount
283
284 CONTAINS
285!------------------------------------------------------------------------------!
286! Description:
287! ------------
288!> Initialization of bulk microphysics
289!------------------------------------------------------------------------------!
290    SUBROUTINE microphysics_init
291
292       USE arrays_3d,                                                          &
293           ONLY:  dzu
294
295       USE constants,                                                          &
296           ONLY:  pi
297
298       USE cloud_parameters,                                                   &
299           ONLY:  molecular_weight_of_solute, rho_l, rho_s, vanthoff
300
301       USE control_parameters,                                                 &
302           ONLY:  aerosol_nacl, aerosol_c3h4o4 , aerosol_nh4no3,               &
303                  microphysics_morrison, microphysics_seifert
304
305       USE indices,                                                            &
306           ONLY:  nzb, nzt
307
308       IMPLICIT NONE
309
310!
311!--    constant for the sedimentation of cloud water (2-moment cloud physics)
312       sed_qc_const = k_st * ( 3.0_wp / ( 4.0_wp * pi * rho_l )                &
313                          )**( 2.0_wp / 3.0_wp ) *                             &
314                      EXP( 5.0_wp * LOG( sigma_gc )**2 )
315
316!
317!--    Calculate timestep according to precipitation
318       IF ( microphysics_seifert )  THEN
319          dt_precipitation = c_sedimentation * MINVAL( dzu(nzb+2:nzt) ) /      &
320                             w_precipitation
321       ENDIF
322
323!
324!--    Set constants for certain aerosol type
325       IF ( microphysics_morrison )  THEN
326          IF ( aerosol_nacl ) THEN
327             molecular_weight_of_solute = 0.05844_wp 
328             rho_s                      = 2165.0_wp
329             vanthoff                   = 2.0_wp
330          ELSEIF ( aerosol_c3h4o4 ) THEN
331             molecular_weight_of_solute = 0.10406_wp 
332             rho_s                      = 1600.0_wp
333             vanthoff                   = 1.37_wp
334          ELSEIF ( aerosol_nh4no3 ) THEN
335             molecular_weight_of_solute = 0.08004_wp 
336             rho_s                      = 1720.0_wp
337             vanthoff                   = 2.31_wp
338          ENDIF
339       ENDIF
340 
341!
342!--    Pre-calculate frequently calculated fractions of pi and rho_l
343       pirho_l  = pi * rho_l / 6.0_wp
344       dpirho_l = 1.0_wp / pirho_l
345
346!
347!--    Allocate 1D microphysics arrays
348       ALLOCATE ( pt_1d(nzb:nzt+1), q_1d(nzb:nzt+1),         &
349                  qc_1d(nzb:nzt+1) )
350
351       IF ( microphysics_morrison .OR. microphysics_seifert ) THEN
352          ALLOCATE ( nc_1d(nzb:nzt+1) )
353       ENDIF
354
355       IF ( microphysics_seifert )  THEN
356          ALLOCATE ( nr_1d(nzb:nzt+1), qr_1d(nzb:nzt+1) )
357       ENDIF
358
359    END SUBROUTINE microphysics_init
360
361
362!------------------------------------------------------------------------------!
363! Description:
364! ------------
365!> Control of microphysics for all grid points
366!------------------------------------------------------------------------------!
367    SUBROUTINE microphysics_control
368
369       USE arrays_3d,                                                          &
370           ONLY:  hyp, pt_init, prr, zu
371
372       USE cloud_parameters,                                                   &
373           ONLY:  cp, hyrho, pt_d_t, r_d, t_d_pt
374
375       USE control_parameters,                                                 &
376           ONLY:  call_microphysics_at_all_substeps, dt_3d, g,                 &
377                  intermediate_timestep_count, large_scale_forcing,            &
378                  lsf_surf, microphysics_kessler, microphysics_morrison,       &
379                  microphysics_seifert, pt_surface,                            &
380                  rho_surface,surface_pressure
381
382       USE indices,                                                            &
383           ONLY:  nzb, nzt
384
385       USE kinds
386
387       USE statistics,                                                         &
388           ONLY:  weight_pres
389
390       IMPLICIT NONE
391
392       INTEGER(iwp) ::  k                 !<
393
394       REAL(wp)     ::  t_surface         !<
395
396       IF ( large_scale_forcing  .AND.  lsf_surf ) THEN
397!
398!--       Calculate:
399!--       pt / t : ratio of potential and actual temperature (pt_d_t)
400!--       t / pt : ratio of actual and potential temperature (t_d_pt)
401!--       p_0(z) : vertical profile of the hydrostatic pressure (hyp)
402          t_surface = pt_surface * ( surface_pressure / 1000.0_wp )**0.286_wp
403          DO  k = nzb, nzt+1
404             hyp(k)    = surface_pressure * 100.0_wp * &
405                         ( ( t_surface - g / cp * zu(k) ) /                    &
406                         t_surface )**(1.0_wp / 0.286_wp)
407             pt_d_t(k) = ( 100000.0_wp / hyp(k) )**0.286_wp
408             t_d_pt(k) = 1.0_wp / pt_d_t(k)
409             hyrho(k)  = hyp(k) / ( r_d * t_d_pt(k) * pt_init(k) )
410          ENDDO
411
412!
413!--       Compute reference density
414          rho_surface = surface_pressure * 100.0_wp / ( r_d * t_surface )
415       ENDIF
416
417!
418!--    Compute length of time step
419       IF ( call_microphysics_at_all_substeps )  THEN
420          dt_micro = dt_3d * weight_pres(intermediate_timestep_count)
421       ELSE
422          dt_micro = dt_3d
423       ENDIF
424
425!
426!--    Reset precipitation rate
427       IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  prr = 0.0_wp
428
429!
430!--    Compute cloud physics
431       IF ( microphysics_kessler )  THEN
432
433          CALL autoconversion_kessler
434          IF ( cloud_water_sedimentation )  CALL sedimentation_cloud
435
436       ELSEIF ( microphysics_seifert )  THEN
437
438          CALL adjust_cloud
439          IF ( microphysics_morrison )  CALL activation
440          IF ( microphysics_morrison )  CALL condensation
441          CALL autoconversion
442          CALL accretion
443          CALL selfcollection_breakup
444          CALL evaporation_rain
445          CALL sedimentation_rain
446          IF ( cloud_water_sedimentation )  CALL sedimentation_cloud
447
448       ENDIF
449
450       CALL calc_precipitation_amount
451
452    END SUBROUTINE microphysics_control
453
454!------------------------------------------------------------------------------!
455! Description:
456! ------------
457!> Adjust number of raindrops to avoid nonlinear effects in sedimentation and
458!> evaporation of rain drops due to too small or too big weights
459!> of rain drops (Stevens and Seifert, 2008).
460!------------------------------------------------------------------------------!
461    SUBROUTINE adjust_cloud
462
463       USE arrays_3d,                                                          &
464           ONLY:  qc, nc, qr, nr
465
466       USE cloud_parameters,                                                   &
467           ONLY:  hyrho
468
469       USE control_parameters,                                                 &
470           ONLY:  microphysics_morrison
471
472       USE cpulog,                                                             &
473           ONLY:  cpu_log, log_point_s
474
475       USE indices,                                                            &
476           ONLY:  nxlg, nxrg, nyng, nysg, nzb, nzt, wall_flags_0
477
478       USE kinds
479
480       IMPLICIT NONE
481
482       INTEGER(iwp) ::  i                 !<
483       INTEGER(iwp) ::  j                 !<
484       INTEGER(iwp) ::  k                 !<
485
486       CALL cpu_log( log_point_s(54), 'adjust_cloud', 'start' )
487
488       DO  i = nxlg, nxrg
489          DO  j = nysg, nyng
490             DO  k = nzb+1, nzt
491                IF ( qr(k,j,i) <= eps_sb )  THEN
492                   qr(k,j,i) = 0.0_wp
493                   nr(k,j,i) = 0.0_wp
494                ELSE
495                   IF ( nr(k,j,i) * xrmin > qr(k,j,i) * hyrho(k) )  THEN
496                      nr(k,j,i) = qr(k,j,i) * hyrho(k) / xrmin *               &
497                                       MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
498                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
499                   ELSEIF ( nr(k,j,i) * xrmax < qr(k,j,i) * hyrho(k) )  THEN
500                      nr(k,j,i) = qr(k,j,i) * hyrho(k) / xrmax *               &
501                                       MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                  &
502                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
503                   ENDIF
504                ENDIF
505                IF ( microphysics_morrison ) THEN
506                   IF ( qc(k,j,i) <= eps_sb )  THEN
507                      qc(k,j,i) = 0.0_wp
508                      nc(k,j,i) = 0.0_wp
509                   ELSE
510                      IF ( nc(k,j,i) * xcmin > qc(k,j,i) * hyrho(k) )  THEN
511                         nc(k,j,i) = qc(k,j,i) * hyrho(k) / xcmin *            &
512                                          MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,               &
513                                              BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
514                      ENDIF
515                   ENDIF
516                ENDIF
517             ENDDO
518          ENDDO
519       ENDDO
520
521       CALL cpu_log( log_point_s(54), 'adjust_cloud', 'stop' )
522
523    END SUBROUTINE adjust_cloud
524
525!------------------------------------------------------------------------------!
526! Description:
527! ------------
528!> Calculate number of activated condensation nucleii after simple activation
529!> scheme of Twomey, 1959.
530!------------------------------------------------------------------------------!
531    SUBROUTINE activation
532
533       USE arrays_3d,                                                          &
534           ONLY:  hyp, nc, nr, pt, q,  qc, qr
535
536       USE cloud_parameters,                                                   &
537           ONLY:  hyrho, l_d_cp, l_d_r, l_v, molecular_weight_of_solute,       &
538                  molecular_weight_of_water, rho_l, rho_s, r_v, t_d_pt,        &
539                  vanthoff
540
541       USE constants,                                                          &
542           ONLY:  pi
543
544       USE cpulog,                                                             &
545           ONLY:  cpu_log, log_point_s
546
547       USE indices,                                                            &
548           ONLY:  nxlg, nxrg, nysg, nyng, nzb, nzt
549
550       USE kinds
551
552       USE control_parameters,                                                 &
553          ONLY: simulated_time
554
555       IMPLICIT NONE
556
557       INTEGER(iwp) ::  i                 !<
558       INTEGER(iwp) ::  j                 !<
559       INTEGER(iwp) ::  k                 !<
560
561       REAL(wp)     ::  activ             !<
562       REAL(wp)     ::  afactor           !<
563       REAL(wp)     ::  alpha             !<
564       REAL(wp)     ::  beta_act          !<
565       REAL(wp)     ::  bfactor           !<
566       REAL(wp)     ::  e_s               !<
567       REAL(wp)     ::  k_act             !<
568       REAL(wp)     ::  n_act             !<
569       REAL(wp)     ::  n_ccn             !<
570       REAL(wp)     ::  q_s               !<
571       REAL(wp)     ::  s_0               !<
572       REAL(wp)     ::  sat               !<
573       REAL(wp)     ::  sat_max           !<
574       REAL(wp)     ::  sigma             !<
575       REAL(wp)     ::  sigma_act         !<
576       REAL(wp)     ::  t_int             !<
577       REAL(wp)     ::  t_l               !<
578
579       CALL cpu_log( log_point_s(65), 'activation', 'start' )
580
581       DO  i = nxlg, nxrg
582          DO  j = nysg, nyng
583             DO  k = nzb+1, nzt
584
585!
586!--             Actual liquid water temperature:
587                t_l = t_d_pt(k) * pt(k,j,i)
588
589!
590!--             Calculate actual temperature
591                t_int = pt(k,j,i) * ( hyp(k) / 100000.0_wp )**0.286_wp
592!
593!--             Saturation vapor pressure at t_l:
594                e_s = 610.78_wp * EXP( 17.269_wp * ( t_l - 273.16_wp ) /    &
595                                       ( t_l - 35.86_wp )                   &
596                                     )
597!
598!--             Computation of saturation humidity:
599                q_s   = 0.622_wp * e_s / ( hyp(k) - 0.378_wp * e_s )
600                alpha = 0.622_wp * l_d_r * l_d_cp / ( t_l * t_l )
601                q_s   = q_s * ( 1.0_wp + alpha * q(k,j,i) ) /               &
602                        ( 1.0_wp + alpha * q_s )
603
604!--             Supersaturation:
605                sat   = ( q(k,j,i) - qr(k,j,i) - qc(k,j,i) ) / q_s - 1.0_wp
606
607!
608!--             Prescribe parameters for activation
609!--             (see: Bott + Trautmann, 2002, Atm. Res., 64)
610                k_act  = 0.7_wp
611
612                IF ( sat >= 0.0 .AND. .NOT. curvature_solution_effects_bulk ) THEN
613!
614!--                Compute the number of activated Aerosols
615!--                (see: Twomey, 1959, Pure and applied Geophysics, 43)
616                   n_act     = na_init * sat**k_act
617!
618!--                Compute the number of cloud droplets
619!--                (see: Morrison + Grabowski, 2007, JAS, 64)
620!                  activ = MAX( n_act - nc(k,j,i), 0.0_wp) / dt_micro
621
622!
623!--                Compute activation rate after Khairoutdinov and Kogan
624!--                (see: Khairoutdinov + Kogan, 2000, Mon. Wea. Rev., 128)
625                   sat_max = 1.0_wp / 100.0_wp
626                   activ   = MAX( 0.0_wp, ( (na_init + nc(k,j,i) ) * MIN       &
627                      ( 1.0_wp, ( sat / sat_max )**k_act) - nc(k,j,i) ) ) /    &
628                       dt_micro
629                ELSEIF ( sat >= 0.0 .AND. curvature_solution_effects_bulk ) THEN
630!
631!--                Curvature effect (afactor) with surface tension
632!--                parameterization by Straka (2009)
633                   sigma = 0.0761_wp - 0.000155_wp * ( t_int - 273.15_wp )
634                   afactor = 2.0_wp * sigma / ( rho_l * r_v * t_int )
635!
636!--                Solute effect (bfactor)
637                   bfactor = vanthoff * molecular_weight_of_water *            &
638                       rho_s / ( molecular_weight_of_solute * rho_l )
639
640!
641!--                Prescribe power index that describes the soluble fraction
642!--                of an aerosol particle (beta)
643!--                (see: Morrison + Grabowski, 2007, JAS, 64)
644                   beta_act  = 0.5_wp
645                   sigma_act = sigma_bulk**( 1.0_wp + beta_act )
646!
647!--                Calculate mean geometric supersaturation (s_0) with
648!--                parameterization by Khvorostyanov and Curry (2006)
649                   s_0   = dry_aerosol_radius **(- ( 1.0_wp + beta_act ) ) *    &
650                       ( 4.0_wp * afactor**3 / ( 27.0_wp * bfactor ) )**0.5_wp
651
652!
653!--                Calculate number of activated CCN as a function of
654!--                supersaturation and taking Koehler theory into account
655!--                (see: Khvorostyanov + Curry, 2006, J. Geo. Res., 111)
656                   n_ccn = ( na_init / 2.0_wp ) * ( 1.0_wp - ERF(              &
657                      LOG( s_0 / sat ) / ( SQRT(2.0_wp) * LOG(sigma_act) ) ) )
658                   activ = MAX( ( n_ccn - nc(k,j,i) ) / dt_micro, 0.0_wp )
659                ENDIF
660
661                nc(k,j,i) = MIN( (nc(k,j,i) + activ * dt_micro), na_init)
662
663             ENDDO
664          ENDDO
665       ENDDO
666
667       CALL cpu_log( log_point_s(65), 'activation', 'stop' )
668
669    END SUBROUTINE activation
670
671
672!------------------------------------------------------------------------------!
673! Description:
674! ------------
675!> Calculate condensation rate for cloud water content (after Khairoutdinov and
676!> Kogan, 2000).
677!------------------------------------------------------------------------------!
678    SUBROUTINE condensation
679
680       USE arrays_3d,                                                          &
681           ONLY:  hyp, nr, pt, q,  qc, qr, nc
682
683       USE cloud_parameters,                                                   &
684           ONLY:  hyrho, l_d_cp, l_d_r, l_v, r_v, t_d_pt
685
686       USE constants,                                                          &
687           ONLY:  pi
688
689       USE cpulog,                                                             &
690           ONLY:  cpu_log, log_point_s
691
692       USE indices,                                                            &
693           ONLY:  nxlg, nxrg, nysg, nyng, nzb, nzt
694
695       USE kinds
696
697       USE control_parameters,                                                 &
698          ONLY: simulated_time
699
700       IMPLICIT NONE
701
702       INTEGER(iwp) ::  i                 !<
703       INTEGER(iwp) ::  j                 !<
704       INTEGER(iwp) ::  k                 !<
705
706       REAL(wp)     ::  alpha             !<
707       REAL(wp)     ::  cond              !<
708       REAL(wp)     ::  cond_max          !<
709       REAL(wp)     ::  dc                !<
710       REAL(wp)     ::  e_s               !<
711       REAL(wp)     ::  evap              !<
712       REAL(wp)     ::  evap_nc           !<
713       REAL(wp)     ::  g_fac             !<
714       REAL(wp)     ::  nc_0              !<
715       REAL(wp)     ::  q_s               !<
716       REAL(wp)     ::  sat               !<
717       REAL(wp)     ::  t_l               !<
718       REAL(wp)     ::  temp              !<
719       REAL(wp)     ::  xc                !<
720
721       CALL cpu_log( log_point_s(66), 'condensation', 'start' )
722
723       DO  i = nxlg, nxrg
724          DO  j = nysg, nyng
725             DO  k = nzb+1, nzt
726!
727!--             Actual liquid water temperature:
728                t_l = t_d_pt(k) * pt(k,j,i)
729!
730!--             Saturation vapor pressure at t_l:
731                e_s = 610.78_wp * EXP( 17.269_wp * ( t_l - 273.16_wp ) /       &
732                                       ( t_l - 35.86_wp )                      &
733                                     )
734!
735!--             Computation of saturation humidity:
736                q_s   = 0.622_wp * e_s / ( hyp(k) - 0.378_wp * e_s )
737                alpha = 0.622_wp * l_d_r * l_d_cp / ( t_l * t_l )
738                q_s   = q_s * ( 1.0_wp + alpha * q(k,j,i) ) /                  &
739                        ( 1.0_wp + alpha * q_s )
740
741!--             Supersaturation:
742                sat   = ( q(k,j,i) - qr(k,j,i) - qc(k,j,i) ) / q_s - 1.0_wp
743
744!
745!--             Actual temperature:
746                temp = t_l + l_d_cp * ( qc(k,j,i) + qr(k,j,i) )
747
748                g_fac  = 1.0_wp / ( ( l_v / ( r_v * temp ) - 1.0_wp ) *        &
749                                    l_v / ( thermal_conductivity_l * temp )    &
750                                    + r_v * temp / ( diff_coeff_l * e_s )      &
751                                    )
752!
753!--             Mean weight of cloud drops
754                IF ( nc(k,j,i) <= 0.0_wp) CYCLE
755                xc = MAX( (hyrho(k) * qc(k,j,i) / nc(k,j,i)), xcmin)
756!
757!--             Weight averaged diameter of cloud drops:
758                dc   = ( xc * dpirho_l )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
759!
760!--             Integral diameter of cloud drops
761                nc_0 = nc(k,j,i) * dc
762!
763!--             Condensation needs only to be calculated in supersaturated regions
764                IF ( sat > 0.0_wp )  THEN
765!
766!--                Condensation rate of cloud water content
767!--                after KK scheme.
768!--                (see: Khairoutdinov + Kogan, 2000, Mon. Wea. Rev.,128)
769                   cond      = 2.0_wp * pi * nc_0 * g_fac * sat / hyrho(k)
770                   cond_max  = q(k,j,i) - q_s - qc(k,j,i) - qr(k,j,i)
771                   cond      = MIN( cond, cond_max / dt_micro )
772
773                   qc(k,j,i) = qc(k,j,i) + cond * dt_micro
774                ELSEIF ( sat < 0.0_wp ) THEN
775                   evap      = 2.0_wp * pi * nc_0 * g_fac * sat / hyrho(k)
776                   evap      = MAX( evap, -qc(k,j,i) / dt_micro )
777
778                   qc(k,j,i) = qc(k,j,i) + evap * dt_micro
779                ENDIF
780                IF ( nc(k,j,i) * xcmin > qc(k,j,i) * hyrho(k) )  THEN
781                   nc(k,j,i) = qc(k,j,i) * hyrho(k) / xcmin
782                ENDIF
783             ENDDO
784          ENDDO
785       ENDDO
786
787       CALL cpu_log( log_point_s(66), 'condensation', 'stop' )
788
789    END SUBROUTINE condensation
790
791
792!------------------------------------------------------------------------------!
793! Description:
794! ------------
795!> Autoconversion rate (Seifert and Beheng, 2006).
796!------------------------------------------------------------------------------!
797    SUBROUTINE autoconversion
798
799       USE arrays_3d,                                                          &
800           ONLY:  diss, dzu, nc, nr, qc, qr
801
802       USE cloud_parameters,                                                   &
803           ONLY:  hyrho
804
805       USE control_parameters,                                                 &
806           ONLY:  microphysics_morrison, rho_surface
807
808       USE cpulog,                                                             &
809           ONLY:  cpu_log, log_point_s
810
811       USE grid_variables,                                                     &
812           ONLY:  dx, dy
813
814       USE indices,                                                            &
815           ONLY:  nxlg, nxrg, nyng, nysg, nzb, nzt, wall_flags_0
816
817       USE kinds
818
819       IMPLICIT NONE
820
821       INTEGER(iwp) ::  i                 !<
822       INTEGER(iwp) ::  j                 !<
823       INTEGER(iwp) ::  k                 !<
824
825       REAL(wp)     ::  alpha_cc          !<
826       REAL(wp)     ::  autocon           !<
827       REAL(wp)     ::  dissipation       !<
828       REAL(wp)     ::  flag              !< flag to mask topography grid points
829       REAL(wp)     ::  k_au              !<
830       REAL(wp)     ::  l_mix             !<
831       REAL(wp)     ::  nc_auto           !<
832       REAL(wp)     ::  nu_c              !<
833       REAL(wp)     ::  phi_au            !<
834       REAL(wp)     ::  r_cc              !<
835       REAL(wp)     ::  rc                !<
836       REAL(wp)     ::  re_lambda         !<
837       REAL(wp)     ::  sigma_cc          !<
838       REAL(wp)     ::  tau_cloud         !<
839       REAL(wp)     ::  xc                !<
840
841       CALL cpu_log( log_point_s(55), 'autoconversion', 'start' )
842
843       DO  i = nxlg, nxrg
844          DO  j = nysg, nyng
845             DO  k = nzb+1, nzt
846!
847!--             Predetermine flag to mask topography
848                flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
849
850                nc_auto = MERGE( nc(k,j,i), nc_const, microphysics_morrison )
851
852                IF ( qc(k,j,i) > eps_sb )  THEN
853
854                   k_au = k_cc / ( 20.0_wp * x0 )
855!
856!--                Intern time scale of coagulation (Seifert and Beheng, 2006):
857!--                (1.0_wp - qc(k,j,i) / ( qc(k,j,i) + qr(k,j,i) ))
858                   tau_cloud = 1.0_wp - qc(k,j,i) / ( qr(k,j,i) + qc(k,j,i) )
859!
860!--                Universal function for autoconversion process
861!--                (Seifert and Beheng, 2006):
862                   phi_au = 600.0_wp * tau_cloud**0.68_wp *                    &
863                            ( 1.0_wp - tau_cloud**0.68_wp )**3
864!
865!--                Shape parameter of gamma distribution (Geoffroy et al., 2010):
866!--                (Use constant nu_c = 1.0_wp instead?)
867                   nu_c = 1.0_wp !MAX( 0.0_wp, 1580.0_wp * hyrho(k) * qc(k,j,i) - 0.28_wp )
868!
869!--                Mean weight of cloud droplets:
870                   xc = hyrho(k) * qc(k,j,i) / nc_auto
871!
872!--                Parameterized turbulence effects on autoconversion (Seifert,
873!--                Nuijens and Stevens, 2010)
874                   IF ( collision_turbulence )  THEN
875!
876!--                   Weight averaged radius of cloud droplets:
877                      rc = 0.5_wp * ( xc * dpirho_l )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
878
879                      alpha_cc = ( a_1 + a_2 * nu_c ) / ( 1.0_wp + a_3 * nu_c )
880                      r_cc     = ( b_1 + b_2 * nu_c ) / ( 1.0_wp + b_3 * nu_c )
881                      sigma_cc = ( c_1 + c_2 * nu_c ) / ( 1.0_wp + c_3 * nu_c )
882!
883!--                   Mixing length (neglecting distance to ground and
884!--                   stratification)
885                      l_mix = ( dx * dy * dzu(k) )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
886!
887!--                   Limit dissipation rate according to Seifert, Nuijens and
888!--                   Stevens (2010)
889                      dissipation = MIN( 0.06_wp, diss(k,j,i) )
890!
891!--                   Compute Taylor-microscale Reynolds number:
892                      re_lambda = 6.0_wp / 11.0_wp *                           &
893                                  ( l_mix / c_const )**( 2.0_wp / 3.0_wp ) *   &
894                                  SQRT( 15.0_wp / kin_vis_air ) *              &
895                                  dissipation**( 1.0_wp / 6.0_wp )
896!
897!--                   The factor of 1.0E4 is needed to convert the dissipation
898!--                   rate from m2 s-3 to cm2 s-3.
899                      k_au = k_au * ( 1.0_wp +                                 &
900                                      dissipation * 1.0E4_wp *                 &
901                                      ( re_lambda * 1.0E-3_wp )**0.25_wp *     &
902                                      ( alpha_cc * EXP( -1.0_wp * ( ( rc -     &
903                                                                      r_cc ) / &
904                                                        sigma_cc )**2          &
905                                                      ) + beta_cc              &
906                                      )                                        &
907                                    )
908                   ENDIF
909!
910!--                Autoconversion rate (Seifert and Beheng, 2006):
911                   autocon = k_au * ( nu_c + 2.0_wp ) * ( nu_c + 4.0_wp ) /    &
912                             ( nu_c + 1.0_wp )**2 * qc(k,j,i)**2 * xc**2 *     &
913                             ( 1.0_wp + phi_au / ( 1.0_wp - tau_cloud )**2 ) * &
914                             rho_surface
915                   autocon = MIN( autocon, qc(k,j,i) / dt_micro )
916
917                   qr(k,j,i) = qr(k,j,i) + autocon * dt_micro * flag
918                   qc(k,j,i) = qc(k,j,i) - autocon * dt_micro * flag
919                   nr(k,j,i) = nr(k,j,i) + autocon / x0 * hyrho(k) * dt_micro  &
920                                                              * flag
921                   IF ( microphysics_morrison ) THEN
922                      nc(k,j,i) = nc(k,j,i) - MIN( nc(k,j,i), 2.0_wp *         &
923                                    autocon / x0 * hyrho(k) * dt_micro * flag )
924                   ENDIF
925
926                ENDIF
927
928             ENDDO
929          ENDDO
930       ENDDO
931
932       CALL cpu_log( log_point_s(55), 'autoconversion', 'stop' )
933
934    END SUBROUTINE autoconversion
935
936
937!------------------------------------------------------------------------------!
938! Description:
939! ------------
940!> Autoconversion process (Kessler, 1969).
941!------------------------------------------------------------------------------!
942    SUBROUTINE autoconversion_kessler
943
944       USE arrays_3d,                                                          &
945           ONLY:  dzw, pt, prr, q, qc
946
947       USE cloud_parameters,                                                   &
948           ONLY:  l_d_cp, pt_d_t
949
950       USE indices,                                                            &
951           ONLY:  nxlg, nxrg, nyng, nysg, nzb, nzt, wall_flags_0
952
953       USE kinds
954
955       USE surface_mod,                                                        &
956           ONLY:  get_topography_top_index
957
958
959       IMPLICIT NONE
960
961       INTEGER(iwp) ::  i      !<
962       INTEGER(iwp) ::  j      !<
963       INTEGER(iwp) ::  k      !<
964       INTEGER(iwp) ::  k_wall !< topgraphy top index
965
966       REAL(wp)    ::  dqdt_precip !<
967       REAL(wp)    ::  flag        !< flag to mask topography grid points
968
969       DO  i = nxlg, nxrg
970          DO  j = nysg, nyng
971!
972!--          Determine vertical index of topography top
973             k_wall = get_topography_top_index( j, i, 's' )
974             DO  k = nzb+1, nzt
975!
976!--             Predetermine flag to mask topography
977                flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
978
979                IF ( qc(k,j,i) > ql_crit )  THEN
980                   dqdt_precip = prec_time_const * ( qc(k,j,i) - ql_crit )
981                ELSE
982                   dqdt_precip = 0.0_wp
983                ENDIF
984
985                qc(k,j,i) = qc(k,j,i) - dqdt_precip * dt_micro * flag
986                q(k,j,i)  = q(k,j,i)  - dqdt_precip * dt_micro * flag
987                pt(k,j,i) = pt(k,j,i) + dqdt_precip * dt_micro * l_d_cp *      &
988                                        pt_d_t(k)              * flag
989
990!
991!--             Compute the rain rate (stored on surface grid point)
992                prr(k_wall,j,i) = prr(k_wall,j,i) + dqdt_precip * dzw(k) * flag
993
994             ENDDO
995          ENDDO
996       ENDDO
997
998   END SUBROUTINE autoconversion_kessler
999
1000
1001!------------------------------------------------------------------------------!
1002! Description:
1003! ------------
1004!> Accretion rate (Seifert and Beheng, 2006).
1005!------------------------------------------------------------------------------!
1006    SUBROUTINE accretion
1007
1008       USE arrays_3d,                                                          &
1009           ONLY:  diss, qc, qr, nc
1010
1011       USE cloud_parameters,                                                   &
1012           ONLY:  hyrho
1013
1014       USE control_parameters,                                                 &
1015           ONLY:  microphysics_morrison, rho_surface
1016
1017       USE cpulog,                                                             &
1018           ONLY:  cpu_log, log_point_s
1019
1020       USE indices,                                                            &
1021           ONLY:  nxlg, nxrg, nyng, nysg, nzb, nzt, wall_flags_0
1022
1023       USE kinds
1024
1025       IMPLICIT NONE
1026
1027       INTEGER(iwp) ::  i                 !<
1028       INTEGER(iwp) ::  j                 !<
1029       INTEGER(iwp) ::  k                 !<
1030
1031       REAL(wp)     ::  accr              !<
1032       REAL(wp)     ::  flag              !< flag to mask topography grid points
1033       REAL(wp)     ::  k_cr              !<
1034       REAL(wp)     ::  nc_accr           !<
1035       REAL(wp)     ::  phi_ac            !<
1036       REAL(wp)     ::  tau_cloud         !<
1037       REAL(wp)     ::  xc                !<
1038
1039
1040       CALL cpu_log( log_point_s(56), 'accretion', 'start' )
1041
1042       DO  i = nxlg, nxrg
1043          DO  j = nysg, nyng
1044             DO  k = nzb+1, nzt
1045!
1046!--             Predetermine flag to mask topography
1047                flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
1048
1049                nc_accr = MERGE( nc(k,j,i), nc_const, microphysics_morrison )
1050
1051                IF ( ( qc(k,j,i) > eps_sb )  .AND.  ( qr(k,j,i) > eps_sb )    &
1052                                             .AND.  ( nc_accr > eps_mr ) ) THEN
1053!
1054!--                Intern time scale of coagulation (Seifert and Beheng, 2006):
1055                   tau_cloud = 1.0_wp - qc(k,j,i) / ( qc(k,j,i) + qr(k,j,i) )
1056!
1057!--                Universal function for accretion process (Seifert and
1058!--                Beheng, 2001):
1059                   phi_ac = ( tau_cloud / ( tau_cloud + 5.0E-5_wp ) )**4
1060
1061!
1062!--                Mean weight of cloud drops
1063                   xc = MAX( (hyrho(k) * qc(k,j,i) / nc_accr), xcmin)
1064!
1065!--                Parameterized turbulence effects on autoconversion (Seifert,
1066!--                Nuijens and Stevens, 2010). The factor of 1.0E4 is needed to
1067!--                convert the dissipation rate (diss) from m2 s-3 to cm2 s-3.
1068                   IF ( collision_turbulence )  THEN
1069                      k_cr = k_cr0 * ( 1.0_wp + 0.05_wp *                      &
1070                                       MIN( 600.0_wp,                          &
1071                                            diss(k,j,i) * 1.0E4_wp )**0.25_wp  &
1072                                     )
1073                   ELSE
1074                      k_cr = k_cr0
1075                   ENDIF
1076!
1077!--                Accretion rate (Seifert and Beheng, 2006):
1078                   accr = k_cr * qc(k,j,i) * qr(k,j,i) * phi_ac *              &
1079                          SQRT( rho_surface * hyrho(k) )
1080                   accr = MIN( accr, qc(k,j,i) / dt_micro )
1081
1082                   qr(k,j,i) = qr(k,j,i) + accr * dt_micro * flag
1083                   qc(k,j,i) = qc(k,j,i) - accr * dt_micro * flag
1084                   IF ( microphysics_morrison )  THEN
1085                      nc(k,j,i) = nc(k,j,i) - MIN( nc(k,j,i),                  &
1086                                         accr / xc * hyrho(k) * dt_micro * flag)
1087                   ENDIF
1088
1089                ENDIF
1090
1091             ENDDO
1092          ENDDO
1093       ENDDO
1094
1095       CALL cpu_log( log_point_s(56), 'accretion', 'stop' )
1096
1097    END SUBROUTINE accretion
1098
1099
1100!------------------------------------------------------------------------------!
1101! Description:
1102! ------------
1103!> Collisional breakup rate (Seifert, 2008).
1104!------------------------------------------------------------------------------!
1105    SUBROUTINE selfcollection_breakup
1106
1107       USE arrays_3d,                                                          &
1108           ONLY:  nr, qr
1109
1110       USE cloud_parameters,                                                   &
1111           ONLY:  hyrho
1112
1113       USE control_parameters,                                                 &
1114           ONLY:  rho_surface
1115
1116       USE cpulog,                                                             &
1117           ONLY:  cpu_log, log_point_s
1118
1119       USE indices,                                                            &
1120           ONLY:  nxlg, nxrg, nyng, nysg, nzb, nzt, wall_flags_0
1121
1122       USE kinds
1123
1124       IMPLICIT NONE
1125
1126       INTEGER(iwp) ::  i                 !<
1127       INTEGER(iwp) ::  j                 !<
1128       INTEGER(iwp) ::  k                 !<
1129
1130       REAL(wp)     ::  breakup           !<
1131       REAL(wp)     ::  dr                !<
1132       REAL(wp)     ::  flag              !< flag to mask topography grid points
1133       REAL(wp)     ::  phi_br            !<
1134       REAL(wp)     ::  selfcoll          !<
1135
1136       CALL cpu_log( log_point_s(57), 'selfcollection', 'start' )
1137
1138       DO  i = nxlg, nxrg
1139          DO  j = nysg, nyng
1140             DO  k = nzb+1, nzt
1141!
1142!--             Predetermine flag to mask topography
1143                flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
1144
1145                IF ( qr(k,j,i) > eps_sb )  THEN
1146!
1147!--                Selfcollection rate (Seifert and Beheng, 2001):
1148                   selfcoll = k_rr * nr(k,j,i) * qr(k,j,i) *                   &
1149                              SQRT( hyrho(k) * rho_surface )
1150!
1151!--                Weight averaged diameter of rain drops:
1152                   dr = ( hyrho(k) * qr(k,j,i) /                               &
1153                          nr(k,j,i) * dpirho_l )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
1154!
1155!--                Collisional breakup rate (Seifert, 2008):
1156                   IF ( dr >= 0.3E-3_wp )  THEN
1157                      phi_br  = k_br * ( dr - 1.1E-3_wp )
1158                      breakup = selfcoll * ( phi_br + 1.0_wp )
1159                   ELSE
1160                      breakup = 0.0_wp
1161                   ENDIF
1162
1163                   selfcoll = MAX( breakup - selfcoll, -nr(k,j,i) / dt_micro )
1164                   nr(k,j,i) = nr(k,j,i) + selfcoll * dt_micro * flag
1165
1166                ENDIF
1167             ENDDO
1168          ENDDO
1169       ENDDO
1170
1171       CALL cpu_log( log_point_s(57), 'selfcollection', 'stop' )
1172
1173    END SUBROUTINE selfcollection_breakup
1174
1175
1176!------------------------------------------------------------------------------!
1177! Description:
1178! ------------
1179!> Evaporation of precipitable water. Condensation is neglected for
1180!> precipitable water.
1181!------------------------------------------------------------------------------!
1182    SUBROUTINE evaporation_rain
1183
1184       USE arrays_3d,                                                          &
1185           ONLY:  hyp, nr, pt, q,  qc, qr
1186
1187       USE cloud_parameters,                                                   &
1188           ONLY:  hyrho, l_d_cp, l_d_r, l_v, r_v, t_d_pt
1189
1190       USE constants,                                                          &
1191           ONLY:  pi
1192
1193       USE cpulog,                                                             &
1194           ONLY:  cpu_log, log_point_s
1195
1196       USE indices,                                                            &
1197           ONLY:  nxlg, nxrg, nyng, nysg, nzb, nzt, wall_flags_0
1198
1199       USE kinds
1200
1201       IMPLICIT NONE
1202
1203       INTEGER(iwp) ::  i                 !<
1204       INTEGER(iwp) ::  j                 !<
1205       INTEGER(iwp) ::  k                 !<
1206
1207       REAL(wp)     ::  alpha             !<
1208       REAL(wp)     ::  dr                !<
1209       REAL(wp)     ::  e_s               !<
1210       REAL(wp)     ::  evap              !<
1211       REAL(wp)     ::  evap_nr           !<
1212       REAL(wp)     ::  f_vent            !<
1213       REAL(wp)     ::  flag              !< flag to mask topography grid points
1214       REAL(wp)     ::  g_evap            !<
1215       REAL(wp)     ::  lambda_r          !<
1216       REAL(wp)     ::  mu_r              !<
1217       REAL(wp)     ::  mu_r_2            !<
1218       REAL(wp)     ::  mu_r_5d2          !<
1219       REAL(wp)     ::  nr_0              !<
1220       REAL(wp)     ::  q_s               !<
1221       REAL(wp)     ::  sat               !<
1222       REAL(wp)     ::  t_l               !<
1223       REAL(wp)     ::  temp              !<
1224       REAL(wp)     ::  xr                !<
1225
1226       CALL cpu_log( log_point_s(58), 'evaporation', 'start' )
1227
1228       DO  i = nxlg, nxrg
1229          DO  j = nysg, nyng
1230             DO  k = nzb+1, nzt
1231!
1232!--             Predetermine flag to mask topography
1233                flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
1234
1235                IF ( qr(k,j,i) > eps_sb )  THEN
1236!
1237!--                Actual liquid water temperature:
1238                   t_l = t_d_pt(k) * pt(k,j,i)
1239!
1240!--                Saturation vapor pressure at t_l:
1241                   e_s = 610.78_wp * EXP( 17.269_wp * ( t_l - 273.16_wp ) /    &
1242                                          ( t_l - 35.86_wp )                   &
1243                                        )
1244!
1245!--                Computation of saturation humidity:
1246                   q_s   = 0.622_wp * e_s / ( hyp(k) - 0.378_wp * e_s )
1247                   alpha = 0.622_wp * l_d_r * l_d_cp / ( t_l * t_l )
1248                   q_s   = q_s * ( 1.0_wp + alpha * q(k,j,i) ) /               &
1249                           ( 1.0_wp + alpha * q_s )
1250!
1251!--                Supersaturation:
1252                   sat   = ( q(k,j,i) - qr(k,j,i) - qc(k,j,i) ) / q_s - 1.0_wp
1253!
1254!--                Evaporation needs only to be calculated in subsaturated regions
1255                   IF ( sat < 0.0_wp )  THEN
1256!
1257!--                   Actual temperature:
1258                      temp = t_l + l_d_cp * ( qc(k,j,i) + qr(k,j,i) )
1259
1260                      g_evap = 1.0_wp / ( ( l_v / ( r_v * temp ) - 1.0_wp ) *     &
1261                                          l_v / ( thermal_conductivity_l * temp ) &
1262                                          + r_v * temp / ( diff_coeff_l * e_s )   &
1263                                        )
1264!
1265!--                   Mean weight of rain drops
1266                      xr = hyrho(k) * qr(k,j,i) / nr(k,j,i)
1267!
1268!--                   Weight averaged diameter of rain drops:
1269                      dr = ( xr * dpirho_l )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
1270!
1271!--                   Compute ventilation factor and intercept parameter
1272!--                   (Seifert and Beheng, 2006; Seifert, 2008):
1273                      IF ( ventilation_effect )  THEN
1274!
1275!--                      Shape parameter of gamma distribution (Milbrandt and Yau,
1276!--                      2005; Stevens and Seifert, 2008):
1277                         mu_r = 10.0_wp * ( 1.0_wp + TANH( 1.2E3_wp *          &
1278                                                          ( dr - 1.4E-3_wp ) ) )
1279!
1280!--                      Slope parameter of gamma distribution (Seifert, 2008):
1281                         lambda_r = ( ( mu_r + 3.0_wp ) * ( mu_r + 2.0_wp ) *  &
1282                                      ( mu_r + 1.0_wp )                        &
1283                                    )**( 1.0_wp / 3.0_wp ) / dr
1284
1285                         mu_r_2   = mu_r + 2.0_wp
1286                         mu_r_5d2 = mu_r + 2.5_wp
1287
1288                         f_vent = a_vent * gamm( mu_r_2 ) *                     &
1289                                  lambda_r**( -mu_r_2 ) + b_vent *              &
1290                                  schmidt_p_1d3 * SQRT( a_term / kin_vis_air ) *&
1291                                  gamm( mu_r_5d2 ) * lambda_r**( -mu_r_5d2 ) *  &
1292                                  ( 1.0_wp -                                    &
1293                                    0.5_wp * ( b_term / a_term ) *              &
1294                                    ( lambda_r / ( c_term + lambda_r )          &
1295                                    )**mu_r_5d2 -                               &
1296                                    0.125_wp * ( b_term / a_term )**2 *         &
1297                                    ( lambda_r / ( 2.0_wp * c_term + lambda_r ) &
1298                                    )**mu_r_5d2 -                               &
1299                                    0.0625_wp * ( b_term / a_term )**3 *        &
1300                                    ( lambda_r / ( 3.0_wp * c_term + lambda_r ) &
1301                                    )**mu_r_5d2 -                               &
1302                                    0.0390625_wp * ( b_term / a_term )**4 *     &
1303                                    ( lambda_r / ( 4.0_wp * c_term + lambda_r ) &
1304                                    )**mu_r_5d2                                 &
1305                                  )
1306
1307                         nr_0   = nr(k,j,i) * lambda_r**( mu_r + 1.0_wp ) /    &
1308                                  gamm( mu_r + 1.0_wp )
1309                      ELSE
1310                         f_vent = 1.0_wp
1311                         nr_0   = nr(k,j,i) * dr
1312                      ENDIF
1313   !
1314   !--                Evaporation rate of rain water content (Seifert and
1315   !--                Beheng, 2006):
1316                      evap    = 2.0_wp * pi * nr_0 * g_evap * f_vent * sat /   &
1317                                hyrho(k)
1318                      evap    = MAX( evap, -qr(k,j,i) / dt_micro )
1319                      evap_nr = MAX( c_evap * evap / xr * hyrho(k),            &
1320                                     -nr(k,j,i) / dt_micro )
1321
1322                      qr(k,j,i) = qr(k,j,i) + evap    * dt_micro * flag
1323                      nr(k,j,i) = nr(k,j,i) + evap_nr * dt_micro * flag
1324
1325                   ENDIF
1326                ENDIF
1327
1328             ENDDO
1329          ENDDO
1330       ENDDO
1331
1332       CALL cpu_log( log_point_s(58), 'evaporation', 'stop' )
1333
1334    END SUBROUTINE evaporation_rain
1335
1336
1337!------------------------------------------------------------------------------!
1338! Description:
1339! ------------
1340!> Sedimentation of cloud droplets (Ackermann et al., 2009, MWR).
1341!------------------------------------------------------------------------------!
1342    SUBROUTINE sedimentation_cloud
1343
1344       USE arrays_3d,                                                          &
1345           ONLY:  ddzu, dzu, nc, pt, prr, q, qc
1346
1347       USE cloud_parameters,                                                   &
1348           ONLY:  hyrho, l_d_cp, pt_d_t
1349
1350       USE control_parameters,                                                 &
1351           ONLY:  call_microphysics_at_all_substeps,                           &
1352                  intermediate_timestep_count, microphysics_morrison
1353
1354       USE cpulog,                                                             &
1355           ONLY:  cpu_log, log_point_s
1356
1357       USE indices,                                                            &
1358           ONLY:  nxlg, nxrg, nyng, nysg, nzb, nzt, wall_flags_0
1359
1360       USE kinds
1361
1362       USE statistics,                                                         &
1363           ONLY:  weight_substep
1364
1365
1366       IMPLICIT NONE
1367
1368       INTEGER(iwp) ::  i             !<
1369       INTEGER(iwp) ::  j             !<
1370       INTEGER(iwp) ::  k             !<
1371
1372       REAL(wp) ::  flag              !< flag to mask topography grid points
1373       REAL(wp) ::  nc_sedi           !<
1374
1375       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  sed_qc !<
1376       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  sed_nc !<
1377
1378
1379       CALL cpu_log( log_point_s(59), 'sed_cloud', 'start' )
1380
1381       sed_qc(nzt+1) = 0.0_wp
1382       sed_nc(nzt+1) = 0.0_wp
1383
1384       DO  i = nxlg, nxrg
1385          DO  j = nysg, nyng
1386             DO  k = nzt, nzb+1, -1
1387!
1388!--             Predetermine flag to mask topography
1389                flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
1390                nc_sedi = MERGE ( nc(k,j,i), nc_const, microphysics_morrison )
1391
1392!
1393!--             Sedimentation fluxes for number concentration are only calculated
1394!--             for cloud_scheme = 'morrison'
1395                IF ( microphysics_morrison ) THEN
1396                   IF ( qc(k,j,i) > eps_sb  .AND.  nc(k,j,i) > eps_mr )  THEN
1397                      sed_nc(k) = sed_qc_const *                               &
1398                              ( qc(k,j,i) * hyrho(k) )**( 2.0_wp / 3.0_wp ) *  &
1399                              ( nc(k,j,i) )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
1400                   ELSE
1401                      sed_nc(k) = 0.0_wp
1402                   ENDIF
1403
1404                   sed_nc(k) = MIN( sed_nc(k), hyrho(k) * dzu(k+1) *           &
1405                                    nc(k,j,i) / dt_micro + sed_nc(k+1)         &
1406                                  ) * flag
1407
1408                   nc(k,j,i) = nc(k,j,i) + ( sed_nc(k+1) - sed_nc(k) ) *       &
1409                                         ddzu(k+1) / hyrho(k) * dt_micro * flag
1410                ENDIF
1411
1412                IF ( qc(k,j,i) > eps_sb .AND.  nc_sedi > eps_mr )  THEN
1413                   sed_qc(k) = sed_qc_const * nc_sedi**( -2.0_wp / 3.0_wp ) *  &
1414                               ( qc(k,j,i) * hyrho(k) )**( 5.0_wp / 3.0_wp ) * &
1415                                                                           flag
1416                ELSE
1417                   sed_qc(k) = 0.0_wp
1418                ENDIF
1419
1420                sed_qc(k) = MIN( sed_qc(k), hyrho(k) * dzu(k+1) * q(k,j,i) /   &
1421                                            dt_micro + sed_qc(k+1)             &
1422                               ) * flag
1423
1424                q(k,j,i)  = q(k,j,i)  + ( sed_qc(k+1) - sed_qc(k) ) *          &
1425                                        ddzu(k+1) / hyrho(k) * dt_micro * flag
1426                qc(k,j,i) = qc(k,j,i) + ( sed_qc(k+1) - sed_qc(k) ) *          &
1427                                        ddzu(k+1) / hyrho(k) * dt_micro * flag
1428                pt(k,j,i) = pt(k,j,i) - ( sed_qc(k+1) - sed_qc(k) ) *          &
1429                                        ddzu(k+1) / hyrho(k) * l_d_cp *        &
1430                                        pt_d_t(k) * dt_micro            * flag
1431
1432!
1433!--             Compute the precipitation rate due to cloud (fog) droplets
1434                IF ( call_microphysics_at_all_substeps )  THEN
1435                   prr(k,j,i) = prr(k,j,i) +  sed_qc(k) / hyrho(k)             &
1436                                * weight_substep(intermediate_timestep_count)  &
1437                                * flag
1438                ELSE
1439                   prr(k,j,i) = prr(k,j,i) + sed_qc(k) / hyrho(k) * flag
1440                ENDIF
1441
1442             ENDDO
1443          ENDDO
1444       ENDDO
1445
1446       CALL cpu_log( log_point_s(59), 'sed_cloud', 'stop' )
1447
1448    END SUBROUTINE sedimentation_cloud
1449
1450
1451!------------------------------------------------------------------------------!
1452! Description:
1453! ------------
1454!> Computation of sedimentation flux. Implementation according to Stevens
1455!> and Seifert (2008). Code is based on UCLA-LES.
1456!------------------------------------------------------------------------------!
1457    SUBROUTINE sedimentation_rain
1458
1459       USE arrays_3d,                                                          &
1460           ONLY:  ddzu, dzu, nr, pt, prr, q, qr
1461
1462       USE cloud_parameters,                                                   &
1463           ONLY:  hyrho, l_d_cp, pt_d_t
1464
1465       USE control_parameters,                                                 &
1466           ONLY:  call_microphysics_at_all_substeps, intermediate_timestep_count
1467       USE cpulog,                                                             &
1468           ONLY:  cpu_log, log_point_s
1469
1470       USE indices,                                                            &
1471           ONLY:  nxlg, nxrg, nyng, nysg, nzb, nzt, wall_flags_0
1472
1473       USE kinds
1474
1475       USE statistics,                                                         &
1476           ONLY:  weight_substep
1477
1478       USE surface_mod,                                                        &
1479           ONLY :  bc_h
1480
1481       IMPLICIT NONE
1482
1483       INTEGER(iwp) ::  i             !< running index x direction
1484       INTEGER(iwp) ::  j             !< running index y direction
1485       INTEGER(iwp) ::  k             !< running index z direction
1486       INTEGER(iwp) ::  k_run         !<
1487       INTEGER(iwp) ::  l             !< running index of surface type
1488       INTEGER(iwp) ::  m             !< running index surface elements
1489       INTEGER(iwp) ::  surf_e        !< End index of surface elements at (j,i)-gridpoint
1490       INTEGER(iwp) ::  surf_s        !< Start index of surface elements at (j,i)-gridpoint
1491
1492       REAL(wp)     ::  c_run                      !<
1493       REAL(wp)     ::  d_max                      !<
1494       REAL(wp)     ::  d_mean                     !<
1495       REAL(wp)     ::  d_min                      !<
1496       REAL(wp)     ::  dr                         !<
1497       REAL(wp)     ::  flux                       !<
1498       REAL(wp)     ::  flag                       !< flag to mask topography grid points
1499       REAL(wp)     ::  lambda_r                   !<
1500       REAL(wp)     ::  mu_r                       !<
1501       REAL(wp)     ::  z_run                      !<
1502
1503       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  c_nr     !<
1504       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  c_qr     !<
1505       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  nr_slope !<
1506       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  qr_slope !<
1507       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  sed_nr   !<
1508       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  sed_qr   !<
1509       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  w_nr     !<
1510       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  w_qr     !<
1511
1512       CALL cpu_log( log_point_s(60), 'sed_rain', 'start' )
1513
1514!
1515!--    Compute velocities
1516       DO  i = nxlg, nxrg
1517          DO  j = nysg, nyng
1518             DO  k = nzb+1, nzt
1519!
1520!--             Predetermine flag to mask topography
1521                flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
1522
1523                IF ( qr(k,j,i) > eps_sb )  THEN
1524!
1525!--                Weight averaged diameter of rain drops:
1526                   dr = ( hyrho(k) * qr(k,j,i) /                               &
1527                          nr(k,j,i) * dpirho_l )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
1528!
1529!--                Shape parameter of gamma distribution (Milbrandt and Yau, 2005;
1530!--                Stevens and Seifert, 2008):
1531                   mu_r = 10.0_wp * ( 1.0_wp + TANH( 1.2E3_wp *                &
1532                                                     ( dr - 1.4E-3_wp ) ) )
1533!
1534!--                Slope parameter of gamma distribution (Seifert, 2008):
1535                   lambda_r = ( ( mu_r + 3.0_wp ) * ( mu_r + 2.0_wp ) *        &
1536                                ( mu_r + 1.0_wp ) )**( 1.0_wp / 3.0_wp ) / dr
1537
1538                   w_nr(k) = MAX( 0.1_wp, MIN( 20.0_wp,                        &
1539                                               a_term - b_term * ( 1.0_wp +    &
1540                                                  c_term /                     &
1541                                                  lambda_r )**( -1.0_wp *      &
1542                                                  ( mu_r + 1.0_wp ) )          &
1543                                              )                                &
1544                                ) * flag
1545
1546                   w_qr(k) = MAX( 0.1_wp, MIN( 20.0_wp,                        &
1547                                               a_term - b_term * ( 1.0_wp +    &
1548                                                  c_term /                     &
1549                                                  lambda_r )**( -1.0_wp *      &
1550                                                  ( mu_r + 4.0_wp ) )          &
1551                                             )                                 &
1552                                ) * flag
1553                ELSE
1554                   w_nr(k) = 0.0_wp
1555                   w_qr(k) = 0.0_wp
1556                ENDIF
1557             ENDDO
1558!
1559!--          Adjust boundary values using surface data type.
1560!--          Upward-facing
1561             surf_s = bc_h(0)%start_index(j,i)
1562             surf_e = bc_h(0)%end_index(j,i)
1563             DO  m = surf_s, surf_e
1564                k         = bc_h(0)%k(m)
1565                w_nr(k-1) = w_nr(k)
1566                w_qr(k-1) = w_qr(k)
1567             ENDDO
1568!
1569!--          Downward-facing
1570             surf_s = bc_h(1)%start_index(j,i)
1571             surf_e = bc_h(1)%end_index(j,i)
1572             DO  m = surf_s, surf_e
1573                k         = bc_h(1)%k(m)
1574                w_nr(k+1) = w_nr(k)
1575                w_qr(k+1) = w_qr(k)
1576             ENDDO
1577!
1578!--          Model top boundary value
1579             w_nr(nzt+1) = 0.0_wp
1580             w_qr(nzt+1) = 0.0_wp
1581!
1582!--          Compute Courant number
1583             DO  k = nzb+1, nzt
1584!
1585!--             Predetermine flag to mask topography
1586                flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
1587
1588                c_nr(k) = 0.25_wp * ( w_nr(k-1) +                              &
1589                                      2.0_wp * w_nr(k) + w_nr(k+1) ) *         &
1590                          dt_micro * ddzu(k) * flag
1591                c_qr(k) = 0.25_wp * ( w_qr(k-1) +                              &
1592                                      2.0_wp * w_qr(k) + w_qr(k+1) ) *         &
1593                          dt_micro * ddzu(k) * flag
1594             ENDDO
1595!
1596!--          Limit slopes with monotonized centered (MC) limiter (van Leer, 1977):
1597             IF ( limiter_sedimentation )  THEN
1598
1599                DO k = nzb+1, nzt
1600!
1601!--                Predetermine flag to mask topography
1602                   flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
1603
1604                   d_mean = 0.5_wp * ( qr(k+1,j,i) - qr(k-1,j,i) )
1605                   d_min  = qr(k,j,i) - MIN( qr(k+1,j,i), qr(k,j,i), qr(k-1,j,i) )
1606                   d_max  = MAX( qr(k+1,j,i), qr(k,j,i), qr(k-1,j,i) ) - qr(k,j,i)
1607
1608                   qr_slope(k) = SIGN(1.0_wp, d_mean) * MIN ( 2.0_wp * d_min,  &
1609                                                              2.0_wp * d_max,  &
1610                                                              ABS( d_mean ) )  &
1611                                                      * flag
1612
1613                   d_mean = 0.5_wp * ( nr(k+1,j,i) - nr(k-1,j,i) )
1614                   d_min  = nr(k,j,i) - MIN( nr(k+1,j,i), nr(k,j,i), nr(k-1,j,i) )
1615                   d_max  = MAX( nr(k+1,j,i), nr(k,j,i), nr(k-1,j,i) ) - nr(k,j,i)
1616
1617                   nr_slope(k) = SIGN(1.0_wp, d_mean) * MIN ( 2.0_wp * d_min,  &
1618                                                              2.0_wp * d_max,  &
1619                                                              ABS( d_mean ) )
1620                ENDDO
1621
1622             ELSE
1623
1624                nr_slope = 0.0_wp
1625                qr_slope = 0.0_wp
1626
1627             ENDIF
1628
1629             sed_nr(nzt+1) = 0.0_wp
1630             sed_qr(nzt+1) = 0.0_wp
1631!
1632!--          Compute sedimentation flux
1633             DO  k = nzt, nzb+1, -1
1634!
1635!--             Predetermine flag to mask topography
1636                flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
1637!
1638!--             Sum up all rain drop number densities which contribute to the flux
1639!--             through k-1/2
1640                flux  = 0.0_wp
1641                z_run = 0.0_wp ! height above z(k)
1642                k_run = k
1643                c_run = MIN( 1.0_wp, c_nr(k) )
1644                DO WHILE ( c_run > 0.0_wp  .AND.  k_run <= nzt )
1645                   flux  = flux + hyrho(k_run) *                               &
1646                           ( nr(k_run,j,i) + nr_slope(k_run) *                 &
1647                           ( 1.0_wp - c_run ) * 0.5_wp ) * c_run * dzu(k_run)  &
1648                                              * flag
1649                   z_run = z_run + dzu(k_run) * flag
1650                   k_run = k_run + 1          * flag
1651                   c_run = MIN( 1.0_wp, c_nr(k_run) - z_run * ddzu(k_run) )    &
1652                                              * flag
1653                ENDDO
1654!
1655!--             It is not allowed to sediment more rain drop number density than
1656!--             available
1657                flux = MIN( flux,                                              &
1658                            hyrho(k) * dzu(k+1) * nr(k,j,i) + sed_nr(k+1) *    &
1659                            dt_micro                                           &
1660                          )
1661
1662                sed_nr(k) = flux / dt_micro * flag
1663                nr(k,j,i) = nr(k,j,i) + ( sed_nr(k+1) - sed_nr(k) ) *          &
1664                                        ddzu(k+1) / hyrho(k) * dt_micro * flag
1665!
1666!--             Sum up all rain water content which contributes to the flux
1667!--             through k-1/2
1668                flux  = 0.0_wp
1669                z_run = 0.0_wp ! height above z(k)
1670                k_run = k
1671                c_run = MIN( 1.0_wp, c_qr(k) )
1672
1673                DO WHILE ( c_run > 0.0_wp  .AND.  k_run <= nzt )
1674
1675                   flux  = flux + hyrho(k_run) * ( qr(k_run,j,i) +             &
1676                                  qr_slope(k_run) * ( 1.0_wp - c_run ) *       &
1677                                  0.5_wp ) * c_run * dzu(k_run) * flag
1678                   z_run = z_run + dzu(k_run)                   * flag
1679                   k_run = k_run + 1                            * flag
1680                   c_run = MIN( 1.0_wp, c_qr(k_run) - z_run * ddzu(k_run) )    &
1681                                                                * flag
1682
1683                ENDDO
1684!
1685!--             It is not allowed to sediment more rain water content than
1686!--             available
1687                flux = MIN( flux,                                              &
1688                            hyrho(k) * dzu(k) * qr(k,j,i) + sed_qr(k+1) *      &
1689                            dt_micro                                           &
1690                          )
1691
1692                sed_qr(k) = flux / dt_micro * flag
1693
1694                qr(k,j,i) = qr(k,j,i) + ( sed_qr(k+1) - sed_qr(k) ) *          &
1695                                        ddzu(k+1) / hyrho(k) * dt_micro * flag
1696                q(k,j,i)  = q(k,j,i)  + ( sed_qr(k+1) - sed_qr(k) ) *          &
1697                                        ddzu(k+1) / hyrho(k) * dt_micro * flag
1698                pt(k,j,i) = pt(k,j,i) - ( sed_qr(k+1) - sed_qr(k) ) *          &
1699                                        ddzu(k+1) / hyrho(k) * l_d_cp *        &
1700                                        pt_d_t(k) * dt_micro            * flag
1701!
1702!--             Compute the rain rate
1703                IF ( call_microphysics_at_all_substeps )  THEN
1704                   prr(k,j,i) = prr(k,j,i) + sed_qr(k) / hyrho(k)             &
1705                                * weight_substep(intermediate_timestep_count) &
1706                                * flag
1707                ELSE
1708                   prr(k,j,i) = prr(k,j,i) + sed_qr(k) / hyrho(k) * flag
1709                ENDIF
1710
1711             ENDDO
1712          ENDDO
1713       ENDDO
1714
1715       CALL cpu_log( log_point_s(60), 'sed_rain', 'stop' )
1716
1717    END SUBROUTINE sedimentation_rain
1718
1719
1720!------------------------------------------------------------------------------!
1721! Description:
1722! ------------
1723!> Computation of the precipitation amount due to gravitational settling of
1724!> rain and cloud (fog) droplets
1725!------------------------------------------------------------------------------!
1726    SUBROUTINE calc_precipitation_amount
1727
1728       USE arrays_3d,                                                          &
1729           ONLY:  precipitation_amount, prr
1730
1731       USE cloud_parameters,                                                   &
1732           ONLY:  hyrho
1733
1734       USE control_parameters,                                                 &
1735           ONLY:  call_microphysics_at_all_substeps, dt_do2d_xy, dt_3d,        &
1736                  intermediate_timestep_count, intermediate_timestep_count_max,&
1737                  precipitation_amount_interval, time_do2d_xy
1738
1739       USE indices,                                                            &
1740           ONLY:  nxl, nxr, nys, nyn, nzb, nzt, wall_flags_0
1741
1742       USE kinds
1743
1744       USE surface_mod,                                                        &
1745           ONLY :  bc_h
1746
1747       IMPLICIT NONE
1748
1749       INTEGER(iwp) ::  i             !< running index x direction
1750       INTEGER(iwp) ::  j             !< running index y direction
1751       INTEGER(iwp) ::  k             !< running index y direction
1752       INTEGER(iwp) ::  m             !< running index surface elements
1753       INTEGER(iwp) ::  surf_e        !< End index of surface elements at (j,i)-gridpoint
1754       INTEGER(iwp) ::  surf_s        !< Start index of surface elements at (j,i)-gridpoint
1755
1756       IF ( ( dt_do2d_xy - time_do2d_xy ) < precipitation_amount_interval .AND.&
1757            ( .NOT. call_microphysics_at_all_substeps .OR.                     &
1758            intermediate_timestep_count == intermediate_timestep_count_max ) ) &
1759       THEN
1760!
1761!--       Run over all upward-facing surface elements, i.e. non-natural,
1762!--       natural and urban
1763          DO  m = 1, bc_h(0)%ns
1764             i = bc_h(0)%i(m)
1765             j = bc_h(0)%j(m)
1766             k = bc_h(0)%k(m)
1767             precipitation_amount(j,i) = precipitation_amount(j,i) +           &
1768                                               prr(k,j,i) * hyrho(k) * dt_3d
1769          ENDDO
1770
1771       ENDIF
1772
1773    END SUBROUTINE calc_precipitation_amount
1774
1775
1776!------------------------------------------------------------------------------!
1777! Description:
1778! ------------
1779!> Control of microphysics for grid points i,j
1780!------------------------------------------------------------------------------!
1781
1782    SUBROUTINE microphysics_control_ij( i, j )
1783
1784       USE arrays_3d,                                                          &
1785           ONLY:  hyp, nc, nr, pt, pt_init, prr, q, qc, qr, zu
1786
1787       USE cloud_parameters,                                                   &
1788           ONLY:  cp, hyrho, pt_d_t, r_d, t_d_pt
1789
1790       USE control_parameters,                                                 &
1791           ONLY:  call_microphysics_at_all_substeps, dt_3d, g,                 &
1792                  intermediate_timestep_count, large_scale_forcing,            &
1793                  lsf_surf, microphysics_morrison, microphysics_seifert,       &
1794                  microphysics_kessler, pt_surface, rho_surface,               &
1795                  surface_pressure
1796
1797       USE indices,                                                            &
1798           ONLY:  nzb, nzt
1799
1800       USE kinds
1801
1802       USE statistics,                                                         &
1803           ONLY:  weight_pres
1804
1805       IMPLICIT NONE
1806
1807       INTEGER(iwp) ::  i                 !<
1808       INTEGER(iwp) ::  j                 !<
1809       INTEGER(iwp) ::  k                 !<
1810
1811       REAL(wp)     ::  t_surface         !<
1812
1813       IF ( large_scale_forcing  .AND.  lsf_surf ) THEN
1814!
1815!--       Calculate:
1816!--       pt / t : ratio of potential and actual temperature (pt_d_t)
1817!--       t / pt : ratio of actual and potential temperature (t_d_pt)
1818!--       p_0(z) : vertical profile of the hydrostatic pressure (hyp)
1819          t_surface = pt_surface * ( surface_pressure / 1000.0_wp )**0.286_wp
1820          DO  k = nzb, nzt+1
1821             hyp(k)    = surface_pressure * 100.0_wp * &
1822                         ( ( t_surface - g / cp * zu(k) ) / t_surface )**(1.0_wp / 0.286_wp)
1823             pt_d_t(k) = ( 100000.0_wp / hyp(k) )**0.286_wp
1824             t_d_pt(k) = 1.0_wp / pt_d_t(k)
1825             hyrho(k)  = hyp(k) / ( r_d * t_d_pt(k) * pt_init(k) )
1826          ENDDO
1827!
1828!--       Compute reference density
1829          rho_surface = surface_pressure * 100.0_wp / ( r_d * t_surface )
1830       ENDIF
1831
1832!
1833!--    Compute length of time step
1834       IF ( call_microphysics_at_all_substeps )  THEN
1835          dt_micro = dt_3d * weight_pres(intermediate_timestep_count)
1836       ELSE
1837          dt_micro = dt_3d
1838       ENDIF
1839
1840!
1841!--    Use 1d arrays
1842       q_1d(:)  = q(:,j,i)
1843       pt_1d(:) = pt(:,j,i)
1844       qc_1d(:) = qc(:,j,i)
1845       IF ( microphysics_seifert )  THEN
1846          qr_1d(:) = qr(:,j,i)
1847          nr_1d(:) = nr(:,j,i)
1848       ENDIF
1849       IF ( microphysics_morrison )  THEN
1850          nc_1d(:) = nc(:,j,i)
1851       ENDIF
1852
1853
1854!
1855!--    Reset precipitation rate
1856       IF ( intermediate_timestep_count == 1 )  prr(:,j,i) = 0.0_wp
1857
1858!
1859!--    Compute cloud physics
1860       IF( microphysics_kessler )  THEN
1861
1862          CALL autoconversion_kessler( i,j )
1863          IF ( cloud_water_sedimentation )  CALL sedimentation_cloud( i,j )
1864
1865       ELSEIF ( microphysics_seifert )  THEN
1866
1867          CALL adjust_cloud( i,j )
1868          IF ( microphysics_morrison ) CALL activation( i,j )
1869          IF ( microphysics_morrison ) CALL condensation( i,j )
1870          CALL autoconversion( i,j )
1871          CALL accretion( i,j )
1872          CALL selfcollection_breakup( i,j )
1873          CALL evaporation_rain( i,j )
1874          CALL sedimentation_rain( i,j )
1875          IF ( cloud_water_sedimentation )  CALL sedimentation_cloud( i,j )
1876
1877       ENDIF
1878
1879       CALL calc_precipitation_amount( i,j )
1880
1881!
1882!--    Store results on the 3d arrays
1883       q(:,j,i)  = q_1d(:)
1884       pt(:,j,i) = pt_1d(:)
1885       IF ( microphysics_morrison ) THEN
1886          qc(:,j,i) = qc_1d(:)
1887          nc(:,j,i) = nc_1d(:)
1888       ENDIF
1889       IF ( microphysics_seifert )  THEN
1890          qr(:,j,i) = qr_1d(:)
1891          nr(:,j,i) = nr_1d(:)
1892       ENDIF
1893
1894    END SUBROUTINE microphysics_control_ij
1895
1896!------------------------------------------------------------------------------!
1897! Description:
1898! ------------
1899!> Adjust number of raindrops to avoid nonlinear effects in
1900!> sedimentation and evaporation of rain drops due to too small or
1901!> too big weights of rain drops (Stevens and Seifert, 2008).
1902!> The same procedure is applied to cloud droplets if they are determined
1903!> prognostically. Call for grid point i,j
1904!------------------------------------------------------------------------------!
1905    SUBROUTINE adjust_cloud_ij( i, j )
1906
1907       USE cloud_parameters,                                                   &
1908           ONLY:  hyrho
1909
1910       USE control_parameters,                                                 &
1911           ONLY: microphysics_morrison
1912
1913       USE indices,                                                            &
1914           ONLY:  nzb, nzt, wall_flags_0
1915
1916       USE kinds
1917
1918       IMPLICIT NONE
1919
1920       INTEGER(iwp) ::  i                 !<
1921       INTEGER(iwp) ::  j                 !<
1922       INTEGER(iwp) ::  k                 !<
1923
1924       REAL(wp) ::  flag                  !< flag to indicate first grid level above surface
1925
1926       DO  k = nzb+1, nzt
1927!
1928!--       Predetermine flag to mask topography
1929          flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
1930
1931          IF ( qr_1d(k) <= eps_sb )  THEN
1932             qr_1d(k) = 0.0_wp
1933             nr_1d(k) = 0.0_wp
1934          ELSE
1935!
1936!--          Adjust number of raindrops to avoid nonlinear effects in
1937!--          sedimentation and evaporation of rain drops due to too small or
1938!--          too big weights of rain drops (Stevens and Seifert, 2008).
1939             IF ( nr_1d(k) * xrmin > qr_1d(k) * hyrho(k) )  THEN
1940                nr_1d(k) = qr_1d(k) * hyrho(k) / xrmin * flag
1941             ELSEIF ( nr_1d(k) * xrmax < qr_1d(k) * hyrho(k) )  THEN
1942                nr_1d(k) = qr_1d(k) * hyrho(k) / xrmax * flag
1943             ENDIF
1944
1945          ENDIF
1946
1947          IF ( microphysics_morrison ) THEN
1948             IF ( qc_1d(k) <= eps_sb )  THEN
1949                qc_1d(k) = 0.0_wp
1950                nc_1d(k) = 0.0_wp
1951             ELSE
1952                IF ( nc_1d(k) * xcmin > qc_1d(k) * hyrho(k) )  THEN
1953                   nc_1d(k) = qc_1d(k) * hyrho(k) / xamin * flag
1954                ENDIF
1955             ENDIF
1956          ENDIF
1957
1958       ENDDO
1959
1960    END SUBROUTINE adjust_cloud_ij
1961
1962!------------------------------------------------------------------------------!
1963! Description:
1964! ------------
1965!> Calculate number of activated condensation nucleii after simple activation
1966!> scheme of Twomey, 1959.
1967!------------------------------------------------------------------------------!
1968    SUBROUTINE activation_ij( i, j )
1969
1970       USE arrays_3d,                                                          &
1971           ONLY:  hyp, nr, pt, q,  qc, qr, nc
1972
1973       USE cloud_parameters,                                                   &
1974           ONLY:  hyrho, l_d_cp, l_d_r, l_v, molecular_weight_of_solute,       &
1975                  molecular_weight_of_water, rho_l, rho_s, r_v, t_d_pt,        &
1976                  vanthoff
1977
1978       USE constants,                                                          &
1979           ONLY:  pi
1980
1981       USE cpulog,                                                             &
1982           ONLY:  cpu_log, log_point_s
1983
1984       USE indices,                                                            &
1985           ONLY:  nxlg, nxrg, nysg, nyng, nzb, nzt
1986
1987       USE kinds
1988
1989       USE control_parameters,                                                 &
1990          ONLY: simulated_time
1991
1992       IMPLICIT NONE
1993
1994       INTEGER(iwp) ::  i                 !<
1995       INTEGER(iwp) ::  j                 !<
1996       INTEGER(iwp) ::  k                 !<
1997
1998       REAL(wp)     ::  activ             !<
1999       REAL(wp)     ::  afactor           !<
2000       REAL(wp)     ::  alpha             !<
2001       REAL(wp)     ::  beta_act          !<
2002       REAL(wp)     ::  bfactor           !<
2003       REAL(wp)     ::  e_s               !<
2004       REAL(wp)     ::  k_act             !<
2005       REAL(wp)     ::  n_act             !<
2006       REAL(wp)     ::  n_ccn             !<
2007       REAL(wp)     ::  q_s               !<
2008       REAL(wp)     ::  s_0               !<
2009       REAL(wp)     ::  sat               !<
2010       REAL(wp)     ::  sat_max           !<
2011       REAL(wp)     ::  sigma             !<
2012       REAL(wp)     ::  sigma_act         !<
2013       REAL(wp)     ::  t_int             !<
2014       REAL(wp)     ::  t_l               !<
2015
2016       DO  k = nzb+1, nzt
2017!
2018!--       Actual liquid water temperature:
2019          t_l = t_d_pt(k) * pt_1d(k)
2020
2021!
2022!--       Calculate actual temperature
2023          t_int = pt_1d(k) * ( hyp(k) / 100000.0_wp )**0.286_wp
2024!
2025!--             Saturation vapor pressure at t_l:
2026          e_s = 610.78_wp * EXP( 17.269_wp * ( t_l - 273.16_wp ) /             &
2027                                 ( t_l - 35.86_wp )                            &
2028                                 )
2029!
2030!--       Computation of saturation humidity:
2031          q_s   = 0.622_wp * e_s / ( hyp(k) - 0.378_wp * e_s )
2032          alpha = 0.622_wp * l_d_r * l_d_cp / ( t_l * t_l )
2033          q_s   = q_s * ( 1.0_wp + alpha * q_1d(k) ) /                         &
2034                        ( 1.0_wp + alpha * q_s )
2035
2036!--       Supersaturation:
2037          sat   = ( q_1d(k) - qr_1d(k) - qc_1d(k) ) / q_s - 1.0_wp
2038
2039!
2040!--       Prescribe parameters for activation
2041!--       (see: Bott + Trautmann, 2002, Atm. Res., 64)
2042          k_act  = 0.7_wp
2043
2044          IF ( sat >= 0.0 .AND. .NOT. curvature_solution_effects_bulk )  THEN
2045!
2046!--          Compute the number of activated Aerosols
2047!--          (see: Twomey, 1959, Pure and applied Geophysics, 43)
2048             n_act     = na_init * sat**k_act
2049!
2050!--          Compute the number of cloud droplets
2051!--          (see: Morrison + Grabowski, 2007, JAS, 64)
2052!            activ = MAX( n_act - nc_d1(k), 0.0_wp) / dt_micro
2053
2054!
2055!--          Compute activation rate after Khairoutdinov and Kogan
2056!--          (see: Khairoutdinov + Kogan, 2000, Mon. Wea. Rev., 128)
2057             sat_max = 0.8_wp / 100.0_wp
2058             activ   = MAX( 0.0_wp, ( (na_init + nc_1d(k) ) * MIN              &
2059                 ( 1.0_wp, ( sat / sat_max )**k_act) - nc_1d(k) ) ) /          &
2060                  dt_micro
2061
2062             nc_1d(k) = MIN( (nc_1d(k) + activ * dt_micro), na_init)
2063          ELSEIF ( sat >= 0.0 .AND. curvature_solution_effects_bulk )  THEN
2064!
2065!--          Curvature effect (afactor) with surface tension
2066!--          parameterization by Straka (2009)
2067             sigma = 0.0761_wp - 0.000155_wp * ( t_int - 273.15_wp )
2068             afactor = 2.0_wp * sigma / ( rho_l * r_v * t_int )
2069!
2070!--          Solute effect (bfactor)
2071             bfactor = vanthoff * molecular_weight_of_water *                  &
2072                  rho_s / ( molecular_weight_of_solute * rho_l )
2073
2074!
2075!--          Prescribe power index that describes the soluble fraction
2076!--          of an aerosol particle (beta).
2077!--          (see: Morrison + Grabowski, 2007, JAS, 64)
2078             beta_act  = 0.5_wp
2079             sigma_act = sigma_bulk**( 1.0_wp + beta_act )
2080!
2081!--          Calculate mean geometric supersaturation (s_0) with
2082!--          parameterization by Khvorostyanov and Curry (2006)
2083             s_0   = dry_aerosol_radius **(- ( 1.0_wp + beta_act ) ) *         &
2084               ( 4.0_wp * afactor**3 / ( 27.0_wp * bfactor ) )**0.5_wp
2085
2086!
2087!--          Calculate number of activated CCN as a function of
2088!--          supersaturation and taking Koehler theory into account
2089!--          (see: Khvorostyanov + Curry, 2006, J. Geo. Res., 111)
2090             n_ccn = ( na_init / 2.0_wp ) * ( 1.0_wp - ERF(                    &
2091                LOG( s_0 / sat ) / ( SQRT(2.0_wp) * LOG(sigma_act) ) ) )
2092             activ = MAX( ( n_ccn ) / dt_micro, 0.0_wp )
2093
2094             nc_1d(k) = MIN( (nc_1d(k) + activ * dt_micro), na_init)
2095          ENDIF
2096
2097       ENDDO
2098
2099    END SUBROUTINE activation_ij
2100
2101!------------------------------------------------------------------------------!
2102! Description:
2103! ------------
2104!> Calculate condensation rate for cloud water content (after Khairoutdinov and
2105!> Kogan, 2000).
2106!------------------------------------------------------------------------------!
2107    SUBROUTINE condensation_ij( i, j )
2108
2109       USE arrays_3d,                                                          &
2110           ONLY:  hyp, nr, pt, q,  qc, qr, nc
2111
2112       USE cloud_parameters,                                                   &
2113           ONLY:  hyrho, l_d_cp, l_d_r, l_v, r_v, t_d_pt
2114
2115       USE constants,                                                          &
2116           ONLY:  pi
2117
2118       USE cpulog,                                                             &
2119           ONLY:  cpu_log, log_point_s
2120
2121       USE indices,                                                            &
2122           ONLY:  nxlg, nxrg, nysg, nyng, nzb, nzt
2123
2124       USE kinds
2125
2126       USE control_parameters,                                                 &
2127          ONLY: simulated_time
2128
2129       IMPLICIT NONE
2130
2131       INTEGER(iwp) ::  i                 !<
2132       INTEGER(iwp) ::  j                 !<
2133       INTEGER(iwp) ::  k                 !<
2134
2135       REAL(wp)     ::  alpha             !<
2136       REAL(wp)     ::  cond              !<
2137       REAL(wp)     ::  cond_max          !<
2138       REAL(wp)     ::  dc                !<
2139       REAL(wp)     ::  e_s               !<
2140       REAL(wp)     ::  evap              !<
2141       REAL(wp)     ::  evap_nc           !<
2142       REAL(wp)     ::  g_fac             !<
2143       REAL(wp)     ::  nc_0              !<
2144       REAL(wp)     ::  q_s               !<
2145       REAL(wp)     ::  sat               !<
2146       REAL(wp)     ::  t_l               !<
2147       REAL(wp)     ::  temp              !<
2148       REAL(wp)     ::  xc                !<
2149
2150
2151       DO  k = nzb+1, nzt
2152!
2153!--       Actual liquid water temperature:
2154          t_l = t_d_pt(k) * pt_1d(k)
2155!
2156!--             Saturation vapor pressure at t_l:
2157          e_s = 610.78_wp * EXP( 17.269_wp * ( t_l - 273.16_wp ) /    &
2158                                 ( t_l - 35.86_wp )                   &
2159                                 )
2160!
2161!--       Computation of saturation humidity:
2162          q_s   = 0.622_wp * e_s / ( hyp(k) - 0.378_wp * e_s )
2163          alpha = 0.622_wp * l_d_r * l_d_cp / ( t_l * t_l )
2164          q_s   = q_s * ( 1.0_wp + alpha * q_1d(k) ) /               &
2165                        ( 1.0_wp + alpha * q_s )
2166
2167!--       Supersaturation:
2168          sat   = ( q_1d(k) - qr_1d(k) - qc_1d(k) ) / q_s - 1.0_wp
2169
2170
2171!
2172!--       Actual temperature:
2173          temp = t_l + l_d_cp * ( qc_1d(k) + qr_1d(k) )
2174
2175          g_fac  = 1.0_wp / ( ( l_v / ( r_v * temp ) - 1.0_wp ) *        &
2176                              l_v / ( thermal_conductivity_l * temp )    &
2177                              + r_v * temp / ( diff_coeff_l * e_s )      &
2178                            )
2179!
2180!--       Mean weight of cloud drops
2181          IF ( nc_1d(k) <= 0.0_wp) CYCLE
2182          xc = MAX( (hyrho(k) * qc_1d(k) / nc_1d(k)), xcmin)
2183!
2184!--       Weight averaged diameter of cloud drops:
2185          dc   = ( xc * dpirho_l )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
2186!
2187!--       Integral diameter of cloud drops
2188          nc_0 = nc_1d(k) * dc
2189!
2190!--       Condensation needs only to be calculated in supersaturated regions
2191          IF ( sat > 0.0_wp )  THEN
2192!
2193!--          Condensation rate of cloud water content
2194!--          after KK scheme.
2195!--          (see: Khairoutdinov + Kogan, 2000, Mon. Wea. Rev.,128)
2196             cond      = 2.0_wp * pi * nc_0 * g_fac * sat / hyrho(k)
2197             cond_max  = q_1d(k) - q_s - qc_1d(k) - qr_1d(k)
2198             cond      = MIN( cond, cond_max / dt_micro )
2199
2200             qc_1d(k) = qc_1d(k) + cond * dt_micro
2201          ELSEIF ( sat < 0.0_wp ) THEN
2202             evap      = 2.0_wp * pi * nc_0 * g_fac * sat / hyrho(k)
2203             evap      = MAX( evap, -qc_1d(k) / dt_micro )
2204
2205             qc_1d(k) = qc_1d(k) + evap * dt_micro
2206          ENDIF
2207       ENDDO
2208
2209    END SUBROUTINE condensation_ij
2210
2211
2212!------------------------------------------------------------------------------!
2213! Description:
2214! ------------
2215!> Autoconversion rate (Seifert and Beheng, 2006). Call for grid point i,j
2216!------------------------------------------------------------------------------!
2217    SUBROUTINE autoconversion_ij( i, j )
2218
2219       USE arrays_3d,                                                          &
2220           ONLY:  diss, dzu
2221
2222       USE cloud_parameters,                                                   &
2223           ONLY:  hyrho
2224
2225       USE control_parameters,                                                 &
2226           ONLY:  microphysics_morrison, rho_surface
2227
2228       USE grid_variables,                                                     &
2229           ONLY:  dx, dy
2230
2231       USE indices,                                                            &
2232           ONLY:  nzb, nzt, wall_flags_0
2233
2234       USE kinds
2235
2236       IMPLICIT NONE
2237
2238       INTEGER(iwp) ::  i                 !<
2239       INTEGER(iwp) ::  j                 !<
2240       INTEGER(iwp) ::  k                 !<
2241
2242       REAL(wp)     ::  alpha_cc          !<
2243       REAL(wp)     ::  autocon           !<
2244       REAL(wp)     ::  dissipation       !<
2245       REAL(wp)     ::  flag              !< flag to indicate first grid level above surface
2246       REAL(wp)     ::  k_au              !<
2247       REAL(wp)     ::  l_mix             !<
2248       REAL(wp)     ::  nc_auto           !<
2249       REAL(wp)     ::  nu_c              !<
2250       REAL(wp)     ::  phi_au            !<
2251       REAL(wp)     ::  r_cc              !<
2252       REAL(wp)     ::  rc                !<
2253       REAL(wp)     ::  re_lambda         !<
2254       REAL(wp)     ::  sigma_cc          !<
2255       REAL(wp)     ::  tau_cloud         !<
2256       REAL(wp)     ::  xc                !<
2257
2258       DO  k = nzb+1, nzt
2259!
2260!--       Predetermine flag to mask topography
2261          flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
2262          nc_auto = MERGE ( nc_1d(k), nc_const, microphysics_morrison )
2263
2264          IF ( qc_1d(k) > eps_sb )  THEN
2265
2266             k_au = k_cc / ( 20.0_wp * x0 )
2267!
2268!--          Intern time scale of coagulation (Seifert and Beheng, 2006):
2269!--          (1.0_wp - qc(k,j,i) / ( qc(k,j,i) + qr_1d(k) ))
2270             tau_cloud = 1.0_wp - qc_1d(k) / ( qr_1d(k) + qc_1d(k) )
2271!
2272!--          Universal function for autoconversion process
2273!--          (Seifert and Beheng, 2006):
2274             phi_au = 600.0_wp * tau_cloud**0.68_wp * ( 1.0_wp - tau_cloud**0.68_wp )**3
2275!
2276!--          Shape parameter of gamma distribution (Geoffroy et al., 2010):
2277!--          (Use constant nu_c = 1.0_wp instead?)
2278             nu_c = 1.0_wp !MAX( 0.0_wp, 1580.0_wp * hyrho(k) * qc_1d(k) - 0.28_wp )
2279!
2280!--          Mean weight of cloud droplets:
2281             xc = hyrho(k) * qc_1d(k) / nc_auto
2282!
2283!--          Parameterized turbulence effects on autoconversion (Seifert,
2284!--          Nuijens and Stevens, 2010)
2285             IF ( collision_turbulence )  THEN
2286!
2287!--             Weight averaged radius of cloud droplets:
2288                rc = 0.5_wp * ( xc * dpirho_l )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
2289
2290                alpha_cc = ( a_1 + a_2 * nu_c ) / ( 1.0_wp + a_3 * nu_c )
2291                r_cc     = ( b_1 + b_2 * nu_c ) / ( 1.0_wp + b_3 * nu_c )
2292                sigma_cc = ( c_1 + c_2 * nu_c ) / ( 1.0_wp + c_3 * nu_c )
2293!
2294!--             Mixing length (neglecting distance to ground and stratification)
2295                l_mix = ( dx * dy * dzu(k) )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
2296!
2297!--             Limit dissipation rate according to Seifert, Nuijens and
2298!--             Stevens (2010)
2299                dissipation = MIN( 0.06_wp, diss(k,j,i) )
2300!
2301!--             Compute Taylor-microscale Reynolds number:
2302                re_lambda = 6.0_wp / 11.0_wp *                                 &
2303                            ( l_mix / c_const )**( 2.0_wp / 3.0_wp ) *         &
2304                            SQRT( 15.0_wp / kin_vis_air ) *                    &
2305                            dissipation**( 1.0_wp / 6.0_wp )
2306!
2307!--             The factor of 1.0E4 is needed to convert the dissipation rate
2308!--             from m2 s-3 to cm2 s-3.
2309                k_au = k_au * ( 1.0_wp +                                       &
2310                                dissipation * 1.0E4_wp *                       &
2311                                ( re_lambda * 1.0E-3_wp )**0.25_wp *           &
2312                                ( alpha_cc * EXP( -1.0_wp * ( ( rc - r_cc ) /  &
2313                                                  sigma_cc )**2                &
2314                                                ) + beta_cc                    &
2315                                )                                              &
2316                              )
2317             ENDIF
2318!
2319!--          Autoconversion rate (Seifert and Beheng, 2006):
2320             autocon = k_au * ( nu_c + 2.0_wp ) * ( nu_c + 4.0_wp ) /          &
2321                       ( nu_c + 1.0_wp )**2 * qc_1d(k)**2 * xc**2 *            &
2322                       ( 1.0_wp + phi_au / ( 1.0_wp - tau_cloud )**2 ) *       &
2323                       rho_surface
2324             autocon = MIN( autocon, qc_1d(k) / dt_micro )
2325
2326             qr_1d(k) = qr_1d(k) + autocon * dt_micro                 * flag
2327             qc_1d(k) = qc_1d(k) - autocon * dt_micro                 * flag
2328             nr_1d(k) = nr_1d(k) + autocon / x0 * hyrho(k) * dt_micro * flag
2329             IF ( microphysics_morrison ) THEN
2330                nc_1d(k) = nc_1d(k) - MIN( nc_1d(k), 2.0_wp *                &
2331                                    autocon / x0 * hyrho(k) * dt_micro * flag )
2332             ENDIF
2333
2334          ENDIF
2335
2336       ENDDO
2337
2338    END SUBROUTINE autoconversion_ij
2339
2340!------------------------------------------------------------------------------!
2341! Description:
2342! ------------
2343!> Autoconversion process (Kessler, 1969).
2344!------------------------------------------------------------------------------!
2345    SUBROUTINE autoconversion_kessler_ij( i, j )
2346
2347       USE arrays_3d,                                                          &
2348           ONLY:  dzw, prr
2349
2350       USE cloud_parameters,                                                   &
2351           ONLY:  l_d_cp, pt_d_t
2352
2353       USE indices,                                                            &
2354           ONLY:  nzb, nzt, wall_flags_0
2355
2356       USE kinds
2357
2358       USE surface_mod,                                                        &
2359           ONLY:  get_topography_top_index
2360
2361
2362       IMPLICIT NONE
2363
2364       INTEGER(iwp) ::  i      !<
2365       INTEGER(iwp) ::  j      !<
2366       INTEGER(iwp) ::  k      !<
2367       INTEGER(iwp) ::  k_wall !< topography top index
2368
2369       REAL(wp)    ::  dqdt_precip !<
2370       REAL(wp)    ::  flag              !< flag to indicate first grid level above surface
2371
2372!
2373!--    Determine vertical index of topography top
2374       k_wall = get_topography_top_index( j, i, 's' )
2375       DO  k = nzb+1, nzt
2376!
2377!--       Predetermine flag to mask topography
2378          flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
2379
2380          IF ( qc_1d(k) > ql_crit )  THEN
2381             dqdt_precip = prec_time_const * ( qc_1d(k) - ql_crit )
2382          ELSE
2383             dqdt_precip = 0.0_wp
2384          ENDIF
2385
2386          qc_1d(k) = qc_1d(k) - dqdt_precip * dt_micro * flag
2387          q_1d(k)  = q_1d(k)  - dqdt_precip * dt_micro * flag
2388          pt_1d(k) = pt_1d(k) + dqdt_precip * dt_micro * l_d_cp * pt_d_t(k) * flag
2389
2390!
2391!--       Compute the rain rate (stored on surface grid point)
2392          prr(k_wall,j,i) = prr(k_wall,j,i) + dqdt_precip * dzw(k) * flag
2393
2394       ENDDO
2395
2396    END SUBROUTINE autoconversion_kessler_ij
2397
2398!------------------------------------------------------------------------------!
2399! Description:
2400! ------------
2401!> Accretion rate (Seifert and Beheng, 2006). Call for grid point i,j
2402!------------------------------------------------------------------------------!
2403    SUBROUTINE accretion_ij( i, j )
2404
2405       USE arrays_3d,                                                          &
2406           ONLY:  diss
2407
2408       USE cloud_parameters,                                                   &
2409           ONLY:  hyrho
2410
2411       USE control_parameters,                                                 &
2412           ONLY:  microphysics_morrison, rho_surface
2413
2414       USE indices,                                                            &
2415           ONLY:  nzb, nzt, wall_flags_0
2416
2417       USE kinds
2418
2419       IMPLICIT NONE
2420
2421       INTEGER(iwp) ::  i                 !<
2422       INTEGER(iwp) ::  j                 !<
2423       INTEGER(iwp) ::  k                 !<
2424
2425       REAL(wp)     ::  accr              !<
2426       REAL(wp)     ::  flag              !< flag to indicate first grid level above surface
2427       REAL(wp)     ::  k_cr              !<
2428       REAL(wp)     ::  nc_accr           !<
2429       REAL(wp)     ::  phi_ac            !<
2430       REAL(wp)     ::  tau_cloud         !<
2431       REAL(wp)     ::  xc                !<
2432
2433
2434       DO  k = nzb+1, nzt
2435!
2436!--       Predetermine flag to mask topography
2437          flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
2438          nc_accr = MERGE ( nc_1d(k), nc_const, microphysics_morrison )
2439
2440          IF ( ( qc_1d(k) > eps_sb )  .AND.  ( qr_1d(k) > eps_sb )  .AND.  &
2441               ( nc_accr > eps_mr ) )  THEN
2442!
2443!--          Intern time scale of coagulation (Seifert and Beheng, 2006):
2444             tau_cloud = 1.0_wp - qc_1d(k) / ( qc_1d(k) + qr_1d(k) )
2445!
2446!--          Universal function for accretion process
2447!--          (Seifert and Beheng, 2001):
2448             phi_ac = ( tau_cloud / ( tau_cloud + 5.0E-5_wp ) )**4
2449
2450!
2451!--          Mean weight of cloud drops
2452             xc = MAX( (hyrho(k) * qc_1d(k) / nc_accr), xcmin)
2453!
2454!--          Parameterized turbulence effects on autoconversion (Seifert,
2455!--          Nuijens and Stevens, 2010). The factor of 1.0E4 is needed to
2456!--          convert the dissipation rate (diss) from m2 s-3 to cm2 s-3.
2457             IF ( collision_turbulence )  THEN
2458                k_cr = k_cr0 * ( 1.0_wp + 0.05_wp *                            &
2459                                 MIN( 600.0_wp,                                &
2460                                      diss(k,j,i) * 1.0E4_wp )**0.25_wp        &
2461                               )
2462             ELSE
2463                k_cr = k_cr0
2464             ENDIF
2465!
2466!--          Accretion rate (Seifert and Beheng, 2006):
2467             accr = k_cr * qc_1d(k) * qr_1d(k) * phi_ac *                      &
2468                    SQRT( rho_surface * hyrho(k) )
2469             accr = MIN( accr, qc_1d(k) / dt_micro )
2470
2471             qr_1d(k) = qr_1d(k) + accr * dt_micro * flag
2472             qc_1d(k) = qc_1d(k) - accr * dt_micro * flag
2473             IF ( microphysics_morrison )  THEN
2474                nc_1d(k) = nc_1d(k) - MIN( nc_1d(k), accr / xc *               &
2475                                             hyrho(k) * dt_micro * flag        &
2476                                         )
2477             ENDIF
2478
2479
2480          ENDIF
2481
2482       ENDDO
2483
2484    END SUBROUTINE accretion_ij
2485
2486
2487!------------------------------------------------------------------------------!
2488! Description:
2489! ------------
2490!> Collisional breakup rate (Seifert, 2008). Call for grid point i,j
2491!------------------------------------------------------------------------------!
2492    SUBROUTINE selfcollection_breakup_ij( i, j )
2493
2494       USE cloud_parameters,                                                   &
2495           ONLY:  hyrho
2496
2497       USE control_parameters,                                                 &
2498           ONLY:  rho_surface
2499
2500       USE indices,                                                            &
2501           ONLY:  nzb, nzt, wall_flags_0
2502
2503       USE kinds
2504
2505       IMPLICIT NONE
2506
2507       INTEGER(iwp) ::  i                 !<
2508       INTEGER(iwp) ::  j                 !<
2509       INTEGER(iwp) ::  k                 !<
2510
2511       REAL(wp)     ::  breakup           !<
2512       REAL(wp)     ::  dr                !<
2513       REAL(wp)     ::  flag              !< flag to indicate first grid level above surface
2514       REAL(wp)     ::  phi_br            !<
2515       REAL(wp)     ::  selfcoll          !<
2516
2517       DO  k = nzb+1, nzt
2518!
2519!--       Predetermine flag to mask topography
2520          flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
2521
2522          IF ( qr_1d(k) > eps_sb )  THEN
2523!
2524!--          Selfcollection rate (Seifert and Beheng, 2001):
2525             selfcoll = k_rr * nr_1d(k) * qr_1d(k) * SQRT( hyrho(k) * rho_surface )
2526!
2527!--          Weight averaged diameter of rain drops:
2528             dr = ( hyrho(k) * qr_1d(k) / nr_1d(k) * dpirho_l )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
2529!
2530!--          Collisional breakup rate (Seifert, 2008):
2531             IF ( dr >= 0.3E-3_wp )  THEN
2532                phi_br  = k_br * ( dr - 1.1E-3_wp )
2533                breakup = selfcoll * ( phi_br + 1.0_wp )
2534             ELSE
2535                breakup = 0.0_wp
2536             ENDIF
2537
2538             selfcoll = MAX( breakup - selfcoll, -nr_1d(k) / dt_micro )
2539             nr_1d(k) = nr_1d(k) + selfcoll * dt_micro * flag
2540
2541          ENDIF
2542       ENDDO
2543
2544    END SUBROUTINE selfcollection_breakup_ij
2545
2546
2547!------------------------------------------------------------------------------!
2548! Description:
2549! ------------
2550!> Evaporation of precipitable water. Condensation is neglected for
2551!> precipitable water. Call for grid point i,j
2552!------------------------------------------------------------------------------!
2553    SUBROUTINE evaporation_rain_ij( i, j )
2554
2555       USE arrays_3d,                                                          &
2556           ONLY:  hyp
2557
2558       USE cloud_parameters,                                                   &
2559           ONLY:  hyrho, l_d_cp, l_d_r, l_v, r_v, t_d_pt
2560
2561       USE constants,                                                          &
2562           ONLY:  pi
2563
2564       USE indices,                                                            &
2565           ONLY:  nzb, nzt, wall_flags_0
2566
2567       USE kinds
2568
2569       IMPLICIT NONE
2570
2571       INTEGER(iwp) ::  i                 !<
2572       INTEGER(iwp) ::  j                 !<
2573       INTEGER(iwp) ::  k                 !<
2574
2575       REAL(wp)     ::  alpha             !<
2576       REAL(wp)     ::  dr                !<
2577       REAL(wp)     ::  e_s               !<
2578       REAL(wp)     ::  evap              !<
2579       REAL(wp)     ::  evap_nr           !<
2580       REAL(wp)     ::  f_vent            !<
2581       REAL(wp)     ::  flag              !< flag to indicate first grid level above surface
2582       REAL(wp)     ::  g_evap            !<
2583       REAL(wp)     ::  lambda_r          !<
2584       REAL(wp)     ::  mu_r              !<
2585       REAL(wp)     ::  mu_r_2            !<
2586       REAL(wp)     ::  mu_r_5d2          !<
2587       REAL(wp)     ::  nr_0              !<
2588       REAL(wp)     ::  q_s               !<
2589       REAL(wp)     ::  sat               !<
2590       REAL(wp)     ::  t_l               !<
2591       REAL(wp)     ::  temp              !<
2592       REAL(wp)     ::  xr                !<
2593
2594       DO  k = nzb+1, nzt
2595!
2596!--       Predetermine flag to mask topography
2597          flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
2598
2599          IF ( qr_1d(k) > eps_sb )  THEN
2600!
2601!--          Actual liquid water temperature:
2602             t_l = t_d_pt(k) * pt_1d(k)
2603!
2604!--          Saturation vapor pressure at t_l:
2605             e_s = 610.78_wp * EXP( 17.269_wp * ( t_l - 273.16_wp ) /          &
2606                                    ( t_l - 35.86_wp )                         &
2607                                  )
2608!
2609!--          Computation of saturation humidity:
2610             q_s   = 0.622_wp * e_s / ( hyp(k) - 0.378_wp * e_s )
2611             alpha = 0.622_wp * l_d_r * l_d_cp / ( t_l * t_l )
2612             q_s   = q_s * ( 1.0_wp + alpha * q_1d(k) ) / ( 1.0_wp + alpha * q_s )
2613!
2614!--          Supersaturation:
2615             sat   = ( q_1d(k) - qr_1d(k) - qc_1d(k) ) / q_s - 1.0_wp
2616!
2617!--          Evaporation needs only to be calculated in subsaturated regions
2618             IF ( sat < 0.0_wp )  THEN
2619!
2620!--             Actual temperature:
2621                temp = t_l + l_d_cp * ( qc_1d(k) + qr_1d(k) )
2622
2623                g_evap = 1.0_wp / ( ( l_v / ( r_v * temp ) - 1.0_wp ) * l_v /  &
2624                                    ( thermal_conductivity_l * temp ) +        &
2625                                    r_v * temp / ( diff_coeff_l * e_s )        &
2626                                  )
2627!
2628!--             Mean weight of rain drops
2629                xr = hyrho(k) * qr_1d(k) / nr_1d(k)
2630!
2631!--             Weight averaged diameter of rain drops:
2632                dr = ( xr * dpirho_l )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
2633!
2634!--             Compute ventilation factor and intercept parameter
2635!--             (Seifert and Beheng, 2006; Seifert, 2008):
2636                IF ( ventilation_effect )  THEN
2637!
2638!--                Shape parameter of gamma distribution (Milbrandt and Yau, 2005;
2639!--                Stevens and Seifert, 2008):
2640                   mu_r = 10.0_wp * ( 1.0_wp + TANH( 1.2E3_wp * ( dr - 1.4E-3_wp ) ) )
2641!
2642!--                Slope parameter of gamma distribution (Seifert, 2008):
2643                   lambda_r = ( ( mu_r + 3.0_wp ) * ( mu_r + 2.0_wp ) *        &
2644                                ( mu_r + 1.0_wp )                              &
2645                              )**( 1.0_wp / 3.0_wp ) / dr
2646
2647                   mu_r_2   = mu_r + 2.0_wp
2648                   mu_r_5d2 = mu_r + 2.5_wp
2649
2650                   f_vent = a_vent * gamm( mu_r_2 ) * lambda_r**( -mu_r_2 ) +  &
2651                            b_vent * schmidt_p_1d3 *                           &
2652                            SQRT( a_term / kin_vis_air ) * gamm( mu_r_5d2 ) *  &
2653                            lambda_r**( -mu_r_5d2 ) *                          &
2654                            ( 1.0_wp -                                         &
2655                              0.5_wp * ( b_term / a_term ) *                   &
2656                              ( lambda_r / ( c_term + lambda_r )               &
2657                              )**mu_r_5d2 -                                    &
2658                              0.125_wp * ( b_term / a_term )**2 *              &
2659                              ( lambda_r / ( 2.0_wp * c_term + lambda_r )      &
2660                              )**mu_r_5d2 -                                    &
2661                              0.0625_wp * ( b_term / a_term )**3 *             &
2662                              ( lambda_r / ( 3.0_wp * c_term + lambda_r )      &
2663                              )**mu_r_5d2 -                                    &
2664                              0.0390625_wp * ( b_term / a_term )**4 *          &
2665                              ( lambda_r / ( 4.0_wp * c_term + lambda_r )      &
2666                              )**mu_r_5d2                                      &
2667                            )
2668
2669                   nr_0   = nr_1d(k) * lambda_r**( mu_r + 1.0_wp ) /           &
2670                            gamm( mu_r + 1.0_wp )
2671                ELSE
2672                   f_vent = 1.0_wp
2673                   nr_0   = nr_1d(k) * dr
2674                ENDIF
2675!
2676!--             Evaporation rate of rain water content (Seifert and Beheng, 2006):
2677                evap    = 2.0_wp * pi * nr_0 * g_evap * f_vent * sat / hyrho(k)
2678                evap    = MAX( evap, -qr_1d(k) / dt_micro )
2679                evap_nr = MAX( c_evap * evap / xr * hyrho(k),                  &
2680                               -nr_1d(k) / dt_micro )
2681
2682                qr_1d(k) = qr_1d(k) + evap    * dt_micro * flag
2683                nr_1d(k) = nr_1d(k) + evap_nr * dt_micro * flag
2684
2685             ENDIF
2686          ENDIF
2687
2688       ENDDO
2689
2690    END SUBROUTINE evaporation_rain_ij
2691
2692
2693!------------------------------------------------------------------------------!
2694! Description:
2695! ------------
2696!> Sedimentation of cloud droplets (Ackermann et al., 2009, MWR).
2697!> Call for grid point i,j
2698!------------------------------------------------------------------------------!
2699    SUBROUTINE sedimentation_cloud_ij( i, j )
2700
2701       USE arrays_3d,                                                          &
2702           ONLY:  ddzu, dzu, prr
2703
2704       USE cloud_parameters,                                                   &
2705           ONLY:  hyrho, l_d_cp, pt_d_t
2706
2707       USE control_parameters,                                                 &
2708           ONLY:  call_microphysics_at_all_substeps,                           &
2709                  intermediate_timestep_count, microphysics_morrison
2710
2711       USE indices,                                                            &
2712           ONLY:  nzb, nzb, nzt, wall_flags_0
2713
2714       USE kinds
2715
2716       USE statistics,                                                         &
2717           ONLY:  weight_substep
2718
2719       IMPLICIT NONE
2720
2721       INTEGER(iwp) ::  i             !<
2722       INTEGER(iwp) ::  j             !<
2723       INTEGER(iwp) ::  k             !<
2724
2725       REAL(wp)     ::  flag    !< flag to indicate first grid level above surface
2726       REAL(wp)     ::  nc_sedi !<
2727
2728       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  sed_nc  !<
2729       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  sed_qc  !<
2730
2731       sed_qc(nzt+1) = 0.0_wp
2732       sed_nc(nzt+1) = 0.0_wp
2733
2734
2735       DO  k = nzt, nzb+1, -1
2736!
2737!--       Predetermine flag to mask topography
2738          flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
2739          nc_sedi = MERGE( nc_1d(k), nc_const, microphysics_morrison )
2740!
2741!--       Sedimentation fluxes for number concentration are only calculated
2742!--       for cloud_scheme = 'morrison'
2743          IF ( microphysics_morrison ) THEN
2744             IF ( qc_1d(k) > eps_sb  .AND.  nc_1d(k) > eps_mr )  THEN
2745                sed_nc(k) = sed_qc_const *                                     &
2746                            ( qc_1d(k) * hyrho(k) )**( 2.0_wp / 3.0_wp ) *     &
2747                            ( nc_1d(k) )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
2748             ELSE
2749                sed_nc(k) = 0.0_wp
2750             ENDIF
2751
2752             sed_nc(k) = MIN( sed_nc(k), hyrho(k) * dzu(k+1) *                 &
2753                              nc_1d(k) / dt_micro + sed_nc(k+1)                &
2754                            ) * flag
2755
2756             nc_1d(k) = nc_1d(k) + ( sed_nc(k+1) - sed_nc(k) ) *               &
2757                                         ddzu(k+1) / hyrho(k) * dt_micro * flag
2758          ENDIF
2759
2760          IF ( qc_1d(k) > eps_sb  .AND.  nc_sedi > eps_mr )  THEN
2761             sed_qc(k) = sed_qc_const * nc_sedi**( -2.0_wp / 3.0_wp ) *        &
2762                         ( qc_1d(k) * hyrho(k) )**( 5.0_wp / 3.0_wp )  * flag
2763          ELSE
2764             sed_qc(k) = 0.0_wp
2765          ENDIF
2766
2767          sed_qc(k) = MIN( sed_qc(k), hyrho(k) * dzu(k+1) * q_1d(k) /          &
2768                                      dt_micro + sed_qc(k+1)                   &
2769                         ) * flag
2770
2771          q_1d(k)  = q_1d(k)  + ( sed_qc(k+1) - sed_qc(k) ) * ddzu(k+1) /      &
2772                                hyrho(k) * dt_micro * flag
2773          qc_1d(k) = qc_1d(k) + ( sed_qc(k+1) - sed_qc(k) ) * ddzu(k+1) /      &
2774                                hyrho(k) * dt_micro * flag
2775          pt_1d(k) = pt_1d(k) - ( sed_qc(k+1) - sed_qc(k) ) * ddzu(k+1) /      &
2776                                hyrho(k) * l_d_cp * pt_d_t(k) * dt_micro * flag
2777
2778!
2779!--       Compute the precipitation rate of cloud (fog) droplets
2780          IF ( call_microphysics_at_all_substeps )  THEN
2781             prr(k,j,i) = prr(k,j,i) + sed_qc(k) / hyrho(k) *                  &
2782                              weight_substep(intermediate_timestep_count) * flag
2783          ELSE
2784             prr(k,j,i) = prr(k,j,i) + sed_qc(k) / hyrho(k) * flag
2785          ENDIF
2786
2787       ENDDO
2788
2789    END SUBROUTINE sedimentation_cloud_ij
2790
2791
2792!------------------------------------------------------------------------------!
2793! Description:
2794! ------------
2795!> Computation of sedimentation flux. Implementation according to Stevens
2796!> and Seifert (2008). Code is based on UCLA-LES. Call for grid point i,j
2797!------------------------------------------------------------------------------!
2798    SUBROUTINE sedimentation_rain_ij( i, j )
2799
2800       USE arrays_3d,                                                          &
2801           ONLY:  ddzu, dzu, prr
2802
2803       USE cloud_parameters,                                                   &
2804           ONLY:  hyrho, l_d_cp, pt_d_t
2805
2806       USE control_parameters,                                                 &
2807           ONLY:  call_microphysics_at_all_substeps, intermediate_timestep_count
2808
2809       USE indices,                                                            &
2810           ONLY:  nzb, nzb, nzt, wall_flags_0
2811
2812       USE kinds
2813
2814       USE statistics,                                                         &
2815           ONLY:  weight_substep
2816
2817       USE surface_mod,                                                        &
2818           ONLY :  bc_h
2819
2820       IMPLICIT NONE
2821
2822       INTEGER(iwp) ::  i             !< running index x direction
2823       INTEGER(iwp) ::  j             !< running index y direction
2824       INTEGER(iwp) ::  k             !< running index z direction
2825       INTEGER(iwp) ::  k_run         !<
2826       INTEGER(iwp) ::  m             !< running index surface elements
2827       INTEGER(iwp) ::  surf_e        !< End index of surface elements at (j,i)-gridpoint
2828       INTEGER(iwp) ::  surf_s        !< Start index of surface elements at (j,i)-gridpoint
2829
2830       REAL(wp)     ::  c_run                      !<
2831       REAL(wp)     ::  d_max                      !<
2832       REAL(wp)     ::  d_mean                     !<
2833       REAL(wp)     ::  d_min                      !<
2834       REAL(wp)     ::  dr                         !<
2835       REAL(wp)     ::  flux                       !<
2836       REAL(wp)     ::  flag                       !< flag to indicate first grid level above surface
2837       REAL(wp)     ::  lambda_r                   !<
2838       REAL(wp)     ::  mu_r                       !<
2839       REAL(wp)     ::  z_run                      !<
2840
2841       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  c_nr     !<
2842       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  c_qr     !<
2843       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  nr_slope !<
2844       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  qr_slope !<
2845       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  sed_nr   !<
2846       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  sed_qr   !<
2847       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  w_nr     !<
2848       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  w_qr     !<
2849
2850!
2851!--    Compute velocities
2852       DO  k = nzb+1, nzt
2853!
2854!--       Predetermine flag to mask topography
2855          flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
2856
2857          IF ( qr_1d(k) > eps_sb )  THEN
2858!
2859!--          Weight averaged diameter of rain drops:
2860             dr = ( hyrho(k) * qr_1d(k) / nr_1d(k) * dpirho_l )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
2861!
2862!--          Shape parameter of gamma distribution (Milbrandt and Yau, 2005;
2863!--          Stevens and Seifert, 2008):
2864             mu_r = 10.0_wp * ( 1.0_wp + TANH( 1.2E3_wp * ( dr - 1.4E-3_wp ) ) )
2865!
2866!--          Slope parameter of gamma distribution (Seifert, 2008):
2867             lambda_r = ( ( mu_r + 3.0_wp ) * ( mu_r + 2.0_wp ) *              &
2868                          ( mu_r + 1.0_wp ) )**( 1.0_wp / 3.0_wp ) / dr
2869
2870             w_nr(k) = MAX( 0.1_wp, MIN( 20.0_wp,                              &
2871                                         a_term - b_term * ( 1.0_wp +          &
2872                                            c_term / lambda_r )**( -1.0_wp *   &
2873                                            ( mu_r + 1.0_wp ) )                &
2874                                        )                                      &
2875                          ) * flag
2876             w_qr(k) = MAX( 0.1_wp, MIN( 20.0_wp,                              &
2877                                         a_term - b_term * ( 1.0_wp +          &
2878                                            c_term / lambda_r )**( -1.0_wp *   &
2879                                            ( mu_r + 4.0_wp ) )                &
2880                                       )                                       &
2881                          ) * flag
2882          ELSE
2883             w_nr(k) = 0.0_wp
2884             w_qr(k) = 0.0_wp
2885          ENDIF
2886       ENDDO
2887!
2888!--    Adjust boundary values using surface data type.
2889!--    Upward facing non-natural
2890       surf_s = bc_h(0)%start_index(j,i)
2891       surf_e = bc_h(0)%end_index(j,i)
2892       DO  m = surf_s, surf_e
2893          k         = bc_h(0)%k(m)
2894          w_nr(k-1) = w_nr(k)
2895          w_qr(k-1) = w_qr(k)
2896       ENDDO
2897!
2898!--    Downward facing non-natural
2899       surf_s = bc_h(1)%start_index(j,i)
2900       surf_e = bc_h(1)%end_index(j,i)
2901       DO  m = surf_s, surf_e
2902          k         = bc_h(1)%k(m)
2903          w_nr(k+1) = w_nr(k)
2904          w_qr(k+1) = w_qr(k)
2905       ENDDO
2906!
2907!--    Neumann boundary condition at model top
2908       w_nr(nzt+1) = 0.0_wp
2909       w_qr(nzt+1) = 0.0_wp
2910!
2911!--    Compute Courant number
2912       DO  k = nzb+1, nzt
2913!
2914!--       Predetermine flag to mask topography
2915          flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
2916
2917          c_nr(k) = 0.25_wp * ( w_nr(k-1) + 2.0_wp * w_nr(k) + w_nr(k+1) ) *   &
2918                    dt_micro * ddzu(k) * flag
2919          c_qr(k) = 0.25_wp * ( w_qr(k-1) + 2.0_wp * w_qr(k) + w_qr(k+1) ) *   &
2920                    dt_micro * ddzu(k) * flag
2921       ENDDO
2922!
2923!--    Limit slopes with monotonized centered (MC) limiter (van Leer, 1977):
2924       IF ( limiter_sedimentation )  THEN
2925
2926          DO k = nzb+1, nzt
2927!
2928!--          Predetermine flag to mask topography
2929             flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
2930
2931             d_mean = 0.5_wp * ( qr_1d(k+1) - qr_1d(k-1) )
2932             d_min  = qr_1d(k) - MIN( qr_1d(k+1), qr_1d(k), qr_1d(k-1) )
2933             d_max  = MAX( qr_1d(k+1), qr_1d(k), qr_1d(k-1) ) - qr_1d(k)
2934
2935             qr_slope(k) = SIGN(1.0_wp, d_mean) * MIN ( 2.0_wp * d_min,        &
2936                                                        2.0_wp * d_max,        &
2937                                                        ABS( d_mean ) ) * flag
2938
2939             d_mean = 0.5_wp * ( nr_1d(k+1) - nr_1d(k-1) )
2940             d_min  = nr_1d(k) - MIN( nr_1d(k+1), nr_1d(k), nr_1d(k-1) )
2941             d_max  = MAX( nr_1d(k+1), nr_1d(k), nr_1d(k-1) ) - nr_1d(k)
2942
2943             nr_slope(k) = SIGN(1.0_wp, d_mean) * MIN ( 2.0_wp * d_min,        &
2944                                                        2.0_wp * d_max,        &
2945                                                        ABS( d_mean ) ) * flag
2946          ENDDO
2947
2948       ELSE
2949
2950          nr_slope = 0.0_wp
2951          qr_slope = 0.0_wp
2952
2953       ENDIF
2954
2955       sed_nr(nzt+1) = 0.0_wp
2956       sed_qr(nzt+1) = 0.0_wp
2957!
2958!--    Compute sedimentation flux
2959       DO  k = nzt, nzb+1, -1
2960!
2961!--       Predetermine flag to mask topography
2962          flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
2963!
2964!--       Sum up all rain drop number densities which contribute 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_nr(k) )
2970          DO WHILE ( c_run > 0.0_wp  .AND.  k_run <= nzt )
2971             flux  = flux + hyrho(k_run) *                                     &
2972                     ( nr_1d(k_run) + nr_slope(k_run) * ( 1.0_wp - c_run ) *   &
2973                     0.5_wp ) * c_run * dzu(k_run) * flag
2974             z_run = z_run + dzu(k_run)            * flag
2975             k_run = k_run + 1                     * flag
2976             c_run = MIN( 1.0_wp, c_nr(k_run) - z_run * ddzu(k_run) ) * flag
2977          ENDDO
2978!
2979!--       It is not allowed to sediment more rain drop number density than
2980!--       available
2981          flux = MIN( flux,                                                    &
2982                      hyrho(k) * dzu(k+1) * nr_1d(k) + sed_nr(k+1) * dt_micro )
2983
2984          sed_nr(k) = flux / dt_micro * flag
2985          nr_1d(k)  = nr_1d(k) + ( sed_nr(k+1) - sed_nr(k) ) * ddzu(k+1) /     &
2986                                    hyrho(k) * dt_micro * flag
2987!
2988!--       Sum up all rain water content which contributes to the flux
2989!--       through k-1/2
2990          flux  = 0.0_wp
2991          z_run = 0.0_wp ! height above z(k)
2992          k_run = k
2993          c_run = MIN( 1.0_wp, c_qr(k) )
2994
2995          DO WHILE ( c_run > 0.0_wp  .AND.  k_run <= nzt )
2996
2997             flux  = flux + hyrho(k_run) *                                     &
2998                     ( qr_1d(k_run) + qr_slope(k_run) * ( 1.0_wp - c_run ) *   &
2999                     0.5_wp ) * c_run * dzu(k_run) * flag
3000             z_run = z_run + dzu(k_run)            * flag
3001             k_run = k_run + 1                     * flag
3002             c_run = MIN( 1.0_wp, c_qr(k_run) - z_run * ddzu(k_run) ) * flag
3003
3004          ENDDO
3005!
3006!--       It is not allowed to sediment more rain water content than available
3007          flux = MIN( flux,                                                    &
3008                      hyrho(k) * dzu(k) * qr_1d(k) + sed_qr(k+1) * dt_micro )
3009
3010          sed_qr(k) = flux / dt_micro * flag
3011
3012          qr_1d(k) = qr_1d(k) + ( sed_qr(k+1) - sed_qr(k) ) * ddzu(k+1) /      &
3013                                hyrho(k) * dt_micro * flag
3014          q_1d(k)  = q_1d(k)  + ( sed_qr(k+1) - sed_qr(k) ) * ddzu(k+1) /      &
3015                                hyrho(k) * dt_micro * flag
3016          pt_1d(k) = pt_1d(k) - ( sed_qr(k+1) - sed_qr(k) ) * ddzu(k+1) /      &
3017                                hyrho(k) * l_d_cp * pt_d_t(k) * dt_micro * flag
3018!
3019!--       Compute the rain rate
3020          IF ( call_microphysics_at_all_substeps )  THEN
3021             prr(k,j,i) = prr(k,j,i) + sed_qr(k) / hyrho(k)                    &
3022                          * weight_substep(intermediate_timestep_count) * flag
3023          ELSE
3024             prr(k,j,i) = prr(k,j,i) + sed_qr(k) / hyrho(k) * flag
3025          ENDIF
3026
3027       ENDDO
3028
3029    END SUBROUTINE sedimentation_rain_ij
3030
3031
3032!------------------------------------------------------------------------------!
3033! Description:
3034! ------------
3035!> This subroutine computes the precipitation amount due to gravitational
3036!> settling of rain and cloud (fog) droplets
3037!------------------------------------------------------------------------------!
3038    SUBROUTINE calc_precipitation_amount_ij( i, j )
3039
3040       USE arrays_3d,                                                          &
3041           ONLY:  precipitation_amount, prr
3042
3043       USE cloud_parameters,                                                   &
3044           ONLY:  hyrho
3045
3046       USE control_parameters,                                                 &
3047           ONLY:  call_microphysics_at_all_substeps, dt_do2d_xy, dt_3d,        &
3048                  intermediate_timestep_count, intermediate_timestep_count_max,&
3049                  precipitation_amount_interval, time_do2d_xy
3050
3051       USE indices,                                                            &
3052           ONLY:  nzb, nzt, wall_flags_0
3053
3054       USE kinds
3055
3056       USE surface_mod,                                                        &
3057           ONLY :  bc_h
3058
3059       IMPLICIT NONE
3060
3061       INTEGER(iwp) ::  i             !< running index x direction
3062       INTEGER(iwp) ::  j             !< running index y direction
3063       INTEGER(iwp) ::  k             !< running index z direction
3064       INTEGER(iwp) ::  m             !< running index surface elements
3065       INTEGER(iwp) ::  surf_e        !< End index of surface elements at (j,i)-gridpoint
3066       INTEGER(iwp) ::  surf_s        !< Start index of surface elements at (j,i)-gridpoint
3067
3068       IF ( ( dt_do2d_xy - time_do2d_xy ) < precipitation_amount_interval .AND.&
3069            ( .NOT. call_microphysics_at_all_substeps .OR.                     &
3070            intermediate_timestep_count == intermediate_timestep_count_max ) ) &
3071       THEN
3072
3073          surf_s = bc_h(0)%start_index(j,i)
3074          surf_e = bc_h(0)%end_index(j,i)
3075          DO  m = surf_s, surf_e
3076             k                         = bc_h(0)%k(m)
3077             precipitation_amount(j,i) = precipitation_amount(j,i) +           &
3078                                               prr(k,j,i) * hyrho(k) * dt_3d
3079          ENDDO
3080
3081       ENDIF
3082
3083    END SUBROUTINE calc_precipitation_amount_ij
3084
3085!------------------------------------------------------------------------------!
3086! Description:
3087! ------------
3088!> This function computes the gamma function (Press et al., 1992).
3089!> The gamma function is needed for the calculation of the evaporation
3090!> of rain drops.
3091!------------------------------------------------------------------------------!
3092    FUNCTION gamm( xx )
3093
3094       USE kinds
3095
3096       IMPLICIT NONE
3097
3098       INTEGER(iwp) ::  j            !<
3099
3100       REAL(wp)     ::  gamm         !<
3101       REAL(wp)     ::  ser          !<
3102       REAL(wp)     ::  tmp          !<
3103       REAL(wp)     ::  x_gamm       !<
3104       REAL(wp)     ::  xx           !<
3105       REAL(wp)     ::  y_gamm       !<
3106
3107
3108       REAL(wp), PARAMETER  ::  stp = 2.5066282746310005_wp               !<
3109       REAL(wp), PARAMETER  ::  cof(6) = (/ 76.18009172947146_wp,      &
3110                                           -86.50532032941677_wp,      &
3111                                            24.01409824083091_wp,      &
3112                                            -1.231739572450155_wp,     &
3113                                             0.1208650973866179E-2_wp, &
3114                                            -0.5395239384953E-5_wp /)     !<
3115
3116       x_gamm = xx
3117       y_gamm = x_gamm
3118       tmp = x_gamm + 5.5_wp
3119       tmp = ( x_gamm + 0.5_wp ) * LOG( tmp ) - tmp
3120       ser = 1.000000000190015_wp
3121
3122       DO  j = 1, 6
3123          y_gamm = y_gamm + 1.0_wp
3124          ser    = ser + cof( j ) / y_gamm
3125       ENDDO
3126
3127!
3128!--    Until this point the algorithm computes the logarithm of the gamma
3129!--    function. Hence, the exponential function is used.
3130!       gamm = EXP( tmp + LOG( stp * ser / x_gamm ) )
3131       gamm = EXP( tmp ) * stp * ser / x_gamm
3132
3133       RETURN
3134
3135    END FUNCTION gamm
3136
3137 END MODULE microphysics_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.