source: palm/trunk/SOURCE/salsa_mod.f90 @ 3483

Last change on this file since 3483 was 3483, checked in by raasch, 3 years ago

bugfix: misplaced positions of cpp-directives for netCDF and MPI fixed; output format limited to a maximum line length of 80

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 510.0 KB
Line 
1!> @file salsa_mod.f90
2!--------------------------------------------------------------------------------!
3! This file is part of PALM-4U.
4!
5! PALM-4U 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-4U is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY
11! WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR
12! A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License for more details.
13!
14! You should have received a copy of the GNU General Public License along with
15! PALM. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
16!
17! Copyright 1997-2018 Leibniz Universitaet Hannover
18!--------------------------------------------------------------------------------!
19!
20! Current revisions:
21! -----------------
22!
23!
24! Former revisions:
25! -----------------
26! $Id: salsa_mod.f90 3483 2018-11-02 14:19:26Z raasch $
27! bugfix: directives added to allow compilation without netCDF
28!
29! 3481 2018-11-02 09:14:13Z raasch
30! temporary variable cc introduced to circumvent a possible Intel18 compiler bug
31! related to contiguous/non-contguous pointer/target attributes
32!
33! 3473 2018-10-30 20:50:15Z suehring
34! NetCDF input routine renamed
35!
36! 3467 2018-10-30 19:05:21Z suehring
37! Initial revision
38!
39! 3412 2018-10-24 07:25:57Z monakurppa
40!
41! Authors:
42! --------
43! @author monakurppa
44!
45!
46! Description:
47! ------------
48!> Sectional aerosol module for large scale applications SALSA
49!> (Kokkola et al., 2008, ACP 8, 2469-2483). Solves the aerosol number and mass
50!> concentration as well as chemical composition. Includes aerosol dynamic
51!> processes: nucleation, condensation/evaporation of vapours, coagulation and
52!> deposition on tree leaves, ground and roofs.
53!> Implementation is based on formulations implemented in UCLALES-SALSA except
54!> for deposition which is based on parametrisations by Zhang et al. (2001,
55!> Atmos. Environ. 35, 549-560) or Petroff&Zhang (2010, Geosci. Model Dev. 3,
56!> 753-769)
57!>
58!> @todo Implement turbulent inflow of aerosols in inflow_turbulence.
59!> @todo Deposition on walls and horizontal surfaces calculated from the aerosol
60!>       dry radius, not wet
61!> @todo Deposition on subgrid scale vegetation
62!> @todo Deposition on vegetation calculated by default for deciduous broadleaf
63!>       trees
64!> @todo Revise masked data output. There is a potential bug in case of
65!>       terrain-following masked output, according to data_output_mask.
66!> @todo There are now improved interfaces for NetCDF data input which can be
67!>       used instead of get variable etc.
68!------------------------------------------------------------------------------!
69 MODULE salsa_mod
70
71    USE basic_constants_and_equations_mod,                                     &
72        ONLY:  c_p, g, p_0, pi, r_d
73 
74    USE chemistry_model_mod,                                                   &
75        ONLY:  chem_species, nspec, nvar, spc_names
76
77    USE chem_modules,                                                          &
78        ONLY:  call_chem_at_all_substeps, chem_gasphase_on
79
80    USE control_parameters
81       
82    USE indices,                                                               &
83        ONLY:  nbgp, nx, nxl, nxlg, nxr, nxrg, ny, nyn, nyng, nys, nysg, nzb,  &
84               nzb_s_inner, nz, nzt, wall_flags_0
85     
86    USE kinds
87   
88    USE pegrid
89   
90    USE salsa_util_mod
91
92    IMPLICIT NONE
93!
94!-- SALSA constants:
95!
96!-- Local constants:
97    INTEGER(iwp), PARAMETER ::  ngast   = 5 !< total number of gaseous tracers:
98                                            !< 1 = H2SO4, 2 = HNO3, 3 = NH3,
99                                            !< 4 = OCNV (non-volatile OC),
100                                            !< 5 = OCSV (semi-volatile) 
101    INTEGER(iwp), PARAMETER ::  nmod    = 7 !< number of modes for initialising
102                                            !< the aerosol size distribution                                             
103    INTEGER(iwp), PARAMETER ::  nreg    = 2 !< Number of main size subranges
104    INTEGER(iwp), PARAMETER ::  maxspec = 7 !< Max. number of aerosol species
105!   
106!-- Universal constants
107    REAL(wp), PARAMETER ::  abo    = 1.380662E-23_wp  !< Boltzmann constant (J/K)
108    REAL(wp), PARAMETER ::  alv    = 2.260E+6_wp      !< latent heat for H2O
109                                                      !< vaporisation (J/kg)
110    REAL(wp), PARAMETER ::  alv_d_rv  = 4896.96865_wp !< alv / rv
111    REAL(wp), PARAMETER ::  am_airmol = 4.8096E-26_wp !< Average mass of one air
112                                                      !< molecule (Jacobson,
113                                                      !< 2005, Eq. 2.3)                                                   
114    REAL(wp), PARAMETER ::  api6   = 0.5235988_wp     !< pi / 6   
115    REAL(wp), PARAMETER ::  argas  = 8.314409_wp      !< Gas constant (J/(mol K))
116    REAL(wp), PARAMETER ::  argas_d_cpd = 8.281283865E-3_wp !< argas per cpd
117    REAL(wp), PARAMETER ::  avo    = 6.02214E+23_wp   !< Avogadro constant (1/mol)
118    REAL(wp), PARAMETER ::  d_sa   = 5.539376964394570E-10_wp !< diameter of
119                                                      !< condensing sulphuric
120                                                      !< acid molecule (m) 
121    REAL(wp), PARAMETER ::  for_ppm_to_nconc =  7.243016311E+16_wp !<
122                                                 !< ppm * avo / R (K/(Pa*m3))
123    REAL(wp), PARAMETER ::  epsoc  = 0.15_wp          !< water uptake of organic
124                                                      !< material     
125    REAL(wp), PARAMETER ::  mclim  = 1.0E-23_wp    !< mass concentration min
126                                                   !< limit for aerosols (kg/m3)                                                   
127    REAL(wp), PARAMETER ::  n3     = 158.79_wp !< Number of H2SO4 molecules in
128                                               !< 3 nm cluster if d_sa=5.54e-10m
129    REAL(wp), PARAMETER ::  nclim  = 1.0_wp    !< number concentration min limit
130                                               !< for aerosols and gases (#/m3)
131    REAL(wp), PARAMETER ::  surfw0 = 0.073_wp  !< surface tension of pure water
132                                               !< at ~ 293 K (J/m2)   
133    REAL(wp), PARAMETER ::  vclim  = 1.0E-24_wp    !< volume concentration min
134                                                   !< limit for aerosols (m3/m3)                                           
135!-- Molar masses in kg/mol
136    REAL(wp), PARAMETER ::  ambc   = 12.0E-3_wp     !< black carbon (BC)
137    REAL(wp), PARAMETER ::  amdair = 28.970E-3_wp   !< dry air
138    REAL(wp), PARAMETER ::  amdu   = 100.E-3_wp     !< mineral dust
139    REAL(wp), PARAMETER ::  amh2o  = 18.0154E-3_wp  !< H2O
140    REAL(wp), PARAMETER ::  amh2so4  = 98.06E-3_wp  !< H2SO4
141    REAL(wp), PARAMETER ::  amhno3 = 63.01E-3_wp    !< HNO3
142    REAL(wp), PARAMETER ::  amn2o  = 44.013E-3_wp   !< N2O
143    REAL(wp), PARAMETER ::  amnh3  = 17.031E-3_wp   !< NH3
144    REAL(wp), PARAMETER ::  amo2   = 31.9988E-3_wp  !< O2
145    REAL(wp), PARAMETER ::  amo3   = 47.998E-3_wp   !< O3
146    REAL(wp), PARAMETER ::  amoc   = 150.E-3_wp     !< organic carbon (OC)
147    REAL(wp), PARAMETER ::  amss   = 58.44E-3_wp    !< sea salt (NaCl)
148!-- Densities in kg/m3
149    REAL(wp), PARAMETER ::  arhobc     = 2000.0_wp !< black carbon
150    REAL(wp), PARAMETER ::  arhodu     = 2650.0_wp !< mineral dust
151    REAL(wp), PARAMETER ::  arhoh2o    = 1000.0_wp !< H2O
152    REAL(wp), PARAMETER ::  arhoh2so4  = 1830.0_wp !< SO4
153    REAL(wp), PARAMETER ::  arhohno3   = 1479.0_wp !< HNO3
154    REAL(wp), PARAMETER ::  arhonh3    = 1530.0_wp !< NH3
155    REAL(wp), PARAMETER ::  arhooc     = 2000.0_wp !< organic carbon
156    REAL(wp), PARAMETER ::  arhoss     = 2165.0_wp !< sea salt (NaCl)
157!-- Volume of molecule in m3/#
158    REAL(wp), PARAMETER ::  amvh2o   = amh2o /avo / arhoh2o      !< H2O
159    REAL(wp), PARAMETER ::  amvh2so4 = amh2so4 / avo / arhoh2so4 !< SO4
160    REAL(wp), PARAMETER ::  amvhno3  = amhno3 / avo / arhohno3   !< HNO3
161    REAL(wp), PARAMETER ::  amvnh3   = amnh3 / avo / arhonh3     !< NH3 
162    REAL(wp), PARAMETER ::  amvoc    = amoc / avo / arhooc       !< OC
163    REAL(wp), PARAMETER ::  amvss    = amss / avo / arhoss       !< sea salt
164   
165!
166!-- SALSA switches:
167    INTEGER(iwp) ::  nj3 = 1 !< J3 parametrization (nucleation)
168                             !< 1 = condensational sink (Kerminen&Kulmala, 2002)
169                             !< 2 = coagulational sink (Lehtinen et al. 2007)
170                             !< 3 = coagS+self-coagulation (Anttila et al. 2010)                                       
171    INTEGER(iwp) ::  nsnucl = 0 !< Choice of the nucleation scheme:
172                                !< 0 = off   
173                                !< 1 = binary nucleation
174                                !< 2 = activation type nucleation
175                                !< 3 = kinetic nucleation
176                                !< 4 = ternary nucleation
177                                !< 5 = nucleation with ORGANICs
178                                !< 6 = activation type of nucleation with
179                                !<     H2SO4+ORG
180                                !< 7 = heteromolecular nucleation with H2SO4*ORG
181                                !< 8 = homomolecular nucleation of  H2SO4 +
182                                !<     heteromolecular nucleation with H2SO4*ORG
183                                !< 9 = homomolecular nucleation of  H2SO4 and ORG
184                                !<     +heteromolecular nucleation with H2SO4*ORG
185    LOGICAL ::  advect_particle_water = .TRUE.  !< advect water concentration of
186                                                !< particles                               
187    LOGICAL ::  decycle_lr            = .FALSE. !< Undo cyclic boundary
188                                                !< conditions: left and right
189    LOGICAL ::  decycle_ns            = .FALSE. !< north and south boundaries
190    LOGICAL ::  feedback_to_palm      = .FALSE. !< allow feedback due to
191                                                !< hydration and/or condensation
192                                                !< of H20
193    LOGICAL ::  no_insoluble          = .FALSE. !< Switch to exclude insoluble 
194                                                !< chemical components
195    LOGICAL ::  read_restart_data_salsa = .FALSE. !< read restart data for salsa
196    LOGICAL ::  salsa                 = .FALSE.   !< SALSA master switch
197    LOGICAL ::  salsa_gases_from_chem = .FALSE.   !< Transfer the gaseous
198                                                  !< components to SALSA from 
199                                                  !< from chemistry model
200    LOGICAL ::  van_der_waals_coagc   = .FALSE.   !< Enhancement of coagulation
201                                                  !< kernel by van der Waals and
202                                                  !< viscous forces
203    LOGICAL ::  write_binary_salsa    = .FALSE.   !< read binary for salsa
204!-- Process switches: nl* is read from the NAMELIST and is NOT changed.
205!--                   ls* is the switch used and will get the value of nl*
206!--                       except for special circumstances (spinup period etc.)
207    LOGICAL ::  nlcoag       = .FALSE. !< Coagulation master switch
208    LOGICAL ::  lscoag       = .FALSE. !<
209    LOGICAL ::  nlcnd        = .FALSE. !< Condensation master switch
210    LOGICAL ::  lscnd        = .FALSE. !<
211    LOGICAL ::  nlcndgas     = .FALSE. !< Condensation of precursor gases
212    LOGICAL ::  lscndgas     = .FALSE. !<
213    LOGICAL ::  nlcndh2oae   = .FALSE. !< Condensation of H2O on aerosol
214    LOGICAL ::  lscndh2oae   = .FALSE. !< particles (FALSE -> equilibrium calc.)
215    LOGICAL ::  nldepo       = .FALSE. !< Deposition master switch
216    LOGICAL ::  lsdepo       = .FALSE. !<
217    LOGICAL ::  nldepo_topo  = .FALSE. !< Deposition on vegetation master switch
218    LOGICAL ::  lsdepo_topo  = .FALSE. !<
219    LOGICAL ::  nldepo_vege  = .FALSE. !< Deposition on walls master switch
220    LOGICAL ::  lsdepo_vege  = .FALSE. !<
221    LOGICAL ::  nldistupdate = .TRUE.  !< Size distribution update master switch                                     
222    LOGICAL ::  lsdistupdate = .FALSE. !<                                     
223!
224!-- SALSA variables:
225    CHARACTER (LEN=20) ::  bc_salsa_b = 'neumann'   !< bottom boundary condition                                     
226    CHARACTER (LEN=20) ::  bc_salsa_t = 'neumann'   !< top boundary condition
227    CHARACTER (LEN=20) ::  depo_vege_type = 'zhang2001' !< or 'petroff2010'
228    CHARACTER (LEN=20) ::  depo_topo_type = 'zhang2001' !< or 'petroff2010'
229    CHARACTER (LEN=20), DIMENSION(4) ::  decycle_method = & 
230                             (/'dirichlet','dirichlet','dirichlet','dirichlet'/)
231                                 !< Decycling method at horizontal boundaries,
232                                 !< 1=left, 2=right, 3=south, 4=north
233                                 !< dirichlet = initial size distribution and
234                                 !< chemical composition set for the ghost and
235                                 !< first three layers
236                                 !< neumann = zero gradient
237    CHARACTER (LEN=3), DIMENSION(maxspec) ::  listspec = &  !< Active aerosols
238                                   (/'SO4','   ','   ','   ','   ','   ','   '/)
239    CHARACTER (LEN=20) ::  salsa_source_mode = 'no_source' 
240                                                    !< 'read_from_file',
241                                                    !< 'constant' or 'no_source'                                   
242    INTEGER(iwp) ::  dots_salsa = 0  !< starting index for salsa-timeseries
243    INTEGER(iwp) ::  fn1a = 1    !< last index for bin subranges:  subrange 1a
244    INTEGER(iwp) ::  fn2a = 1    !<                              subrange 2a
245    INTEGER(iwp) ::  fn2b = 1    !<                              subrange 2b
246    INTEGER(iwp), DIMENSION(ngast) ::  gas_index_chem = (/ 1, 1, 1, 1, 1/) !<
247                                 !< Index of gaseous compounds in the chemistry
248                                 !< model. In SALSA, 1 = H2SO4, 2 = HNO3,
249                                 !< 3 = NH3, 4 = OCNV, 5 = OCSV
250    INTEGER(iwp) ::  ibc_salsa_b !<
251    INTEGER(iwp) ::  ibc_salsa_t !<
252    INTEGER(iwp) ::  igctyp = 0  !< Initial gas concentration type
253                                 !< 0 = uniform (use H2SO4_init, HNO3_init,
254                                 !<     NH3_init, OCNV_init and OCSV_init)
255                                 !< 1 = read vertical profile from an input file 
256    INTEGER(iwp) ::  in1a = 1    !< start index for bin subranges: subrange 1a
257    INTEGER(iwp) ::  in2a = 1    !<                              subrange 2a
258    INTEGER(iwp) ::  in2b = 1    !<                              subrange 2b
259    INTEGER(iwp) ::  isdtyp = 0  !< Initial size distribution type
260                                 !< 0 = uniform
261                                 !< 1 = read vertical profile of the mode number
262                                 !<     concentration from an input file 
263    INTEGER(iwp) ::  ibc  = -1 !< Indice for: black carbon (BC)
264    INTEGER(iwp) ::  idu  = -1 !< dust
265    INTEGER(iwp) ::  inh  = -1 !< NH3
266    INTEGER(iwp) ::  ino  = -1 !< HNO3   
267    INTEGER(iwp) ::  ioc  = -1 !< organic carbon (OC)
268    INTEGER(iwp) ::  iso4 = -1 !< SO4 or H2SO4   
269    INTEGER(iwp) ::  iss  = -1 !< sea salt
270    INTEGER(iwp) ::  lod_aero = 0   !< level of detail for aerosol emissions
271    INTEGER(iwp) ::  lod_gases = 0  !< level of detail for gaseous emissions   
272    INTEGER(iwp), DIMENSION(nreg) ::  nbin = (/ 3, 7/)    !< Number of size bins
273                                               !< for each aerosol size subrange
274    INTEGER(iwp) ::  nbins = 1  !< total number of size bins
275    INTEGER(iwp) ::  ncc   = 1  !< number of chemical components used     
276    INTEGER(iwp) ::  ncc_tot = 1!< total number of chemical compounds (ncc+1
277                                !< if particle water is advected)
278    REAL(wp) ::  act_coeff = 1.0E-7_wp     !< Activation coefficient
279    REAL(wp) ::  aerosol_source = 0.0_wp   !< Constant aerosol flux (#/(m3*s))
280    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:) ::  emission_mass_fracs  !< array for
281                                    !< aerosol composition per emission category
282                                    !< 1:SO4 2:OC 3:BC 4:DU 5:SS 6:NO 7:NH 
283    REAL(wp) ::  dt_salsa  = 0.00001_wp    !< Time step of SALSA
284    REAL(wp) ::  H2SO4_init = nclim        !< Init value for sulphuric acid gas
285    REAL(wp) ::  HNO3_init  = nclim        !< Init value for nitric acid gas
286    REAL(wp) ::  last_salsa_time = 0.0_wp  !< time of the previous salsa
287                                           !< timestep
288    REAL(wp) ::  nf2a = 1.0_wp             !< Number fraction allocated to a-
289                                           !< bins in subrange 2
290                                           !< (b-bins will get 1-nf2a)   
291    REAL(wp) ::  NH3_init  = nclim         !< Init value for ammonia gas
292    REAL(wp) ::  OCNV_init = nclim         !< Init value for non-volatile
293                                           !< organic gases
294    REAL(wp) ::  OCSV_init = nclim         !< Init value for semi-volatile
295                                           !< organic gases
296    REAL(wp), DIMENSION(nreg+1) ::  reglim = & !< Min&max diameters of size subranges
297                                 (/ 3.0E-9_wp, 5.0E-8_wp, 1.0E-5_wp/)
298    REAL(wp) ::  rhlim = 1.20_wp    !< RH limit in %/100. Prevents
299                                    !< unrealistically high RH in condensation                           
300    REAL(wp) ::  skip_time_do_salsa = 0.0_wp !< Starting time of SALSA (s)
301!-- Initial log-normal size distribution: mode diameter (dpg, micrometres),
302!-- standard deviation (sigmag) and concentration (n_lognorm, #/cm3)
303    REAL(wp), DIMENSION(nmod) ::  dpg   = (/0.013_wp, 0.054_wp, 0.86_wp,       &
304                                            0.2_wp, 0.2_wp, 0.2_wp, 0.2_wp/) 
305    REAL(wp), DIMENSION(nmod) ::  sigmag  = (/1.8_wp, 2.16_wp, 2.21_wp,        &
306                                              2.0_wp, 2.0_wp, 2.0_wp, 2.0_wp/) 
307    REAL(wp), DIMENSION(nmod) ::  n_lognorm = (/1.04e+5_wp, 3.23E+4_wp, 5.4_wp,&
308                                                0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp/)
309!-- Initial mass fractions / chemical composition of the size distribution   
310    REAL(wp), DIMENSION(maxspec) ::  mass_fracs_a = & !< mass fractions between
311             (/1.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0/) !< aerosol species for A bins
312    REAL(wp), DIMENSION(maxspec) ::  mass_fracs_b = & !< mass fractions between
313             (/0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0/) !< aerosol species for B bins
314             
315    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:) ::  bin_low_limits  !< to deliver
316                                                            !< information about
317                                                            !< the lower
318                                                            !< diameters per bin                                       
319    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:) ::  nsect     !< Background number
320                                                      !< concentration per bin
321    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:) ::  massacc   !< Mass accomodation
322                                                      !< coefficients per bin                                             
323!
324!-- SALSA derived datatypes:
325!
326!-- Prognostic variable: Aerosol size bin information (number (#/m3) and
327!-- mass (kg/m3) concentration) and the concentration of gaseous tracers (#/m3).
328!-- Gas tracers are contained sequentially in dimension 4 as:
329!-- 1. H2SO4, 2. HNO3, 3. NH3, 4. OCNV (non-volatile organics),
330!-- 5. OCSV (semi-volatile)
331    TYPE salsa_variable
332       REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:,:), CONTIGUOUS     ::  conc
333       REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:,:), CONTIGUOUS     ::  conc_p
334       REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:,:), CONTIGUOUS     ::  tconc_m
335       REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:)   ::  flux_s, diss_s
336       REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:) ::  flux_l, diss_l
337       REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:)     ::  init
338       REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:) ::  source
339       REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:)   ::  sums_ws_l
340    END TYPE salsa_variable
341   
342!-- Map bin indices between parallel size distributions   
343    TYPE t_parallelbin
344       INTEGER(iwp) ::  cur  ! Index for current distribution
345       INTEGER(iwp) ::  par  ! Index for corresponding parallel distribution
346    END TYPE t_parallelbin
347   
348!-- Datatype used to store information about the binned size distributions of
349!-- aerosols
350    TYPE t_section
351       REAL(wp) ::  vhilim   !< bin volume at the high limit
352       REAL(wp) ::  vlolim   !< bin volume at the low limit
353       REAL(wp) ::  vratiohi !< volume ratio between the center and high limit
354       REAL(wp) ::  vratiolo !< volume ratio between the center and low limit
355       REAL(wp) ::  dmid     !< bin middle diameter (m)
356       !******************************************************
357       ! ^ Do NOT change the stuff above after initialization !
358       !******************************************************
359       REAL(wp) ::  dwet    !< Wet diameter or mean droplet diameter (m)
360       REAL(wp), DIMENSION(maxspec+1) ::  volc !< Volume concentrations
361                            !< (m^3/m^3) of aerosols + water. Since most of
362                            !< the stuff in SALSA is hard coded, these *have to
363                            !< be* in the order
364                            !< 1:SO4, 2:OC, 3:BC, 4:DU, 5:SS, 6:NO, 7:NH, 8:H2O
365       REAL(wp) ::  veqh2o  !< Equilibrium H2O concentration for each particle
366       REAL(wp) ::  numc    !< Number concentration of particles/droplets (#/m3)
367       REAL(wp) ::  core    !< Volume of dry particle
368    END TYPE t_section 
369!
370!-- Local aerosol properties in SALSA
371    TYPE(t_section), ALLOCATABLE ::  aero(:)
372!
373!-- SALSA tracers:
374!-- Tracers as x = x(k,j,i,bin). The 4th dimension contains all the size bins
375!-- sequentially for each aerosol species  + water.
376!
377!-- Prognostic tracers:
378!
379!-- Number concentration (#/m3)
380    TYPE(salsa_variable), ALLOCATABLE, DIMENSION(:), TARGET ::  aerosol_number
381    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:,:), TARGET ::  nconc_1
382    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:,:), TARGET ::  nconc_2
383    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:,:), TARGET ::  nconc_3
384!
385!-- Mass concentration (kg/m3)
386    TYPE(salsa_variable), ALLOCATABLE, DIMENSION(:), TARGET ::  aerosol_mass
387    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:,:), TARGET ::  mconc_1
388    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:,:), TARGET ::  mconc_2
389    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:,:), TARGET ::  mconc_3
390!
391!-- Gaseous tracers (#/m3)
392    TYPE(salsa_variable), ALLOCATABLE, DIMENSION(:), TARGET ::  salsa_gas
393    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:,:), TARGET ::  gconc_1
394    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:,:), TARGET ::  gconc_2
395    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:,:), TARGET ::  gconc_3
396!
397!-- Diagnostic tracers
398    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:,:) ::  sedim_vd !< sedimentation
399                                                           !< velocity per size
400                                                           !< bin (m/s)
401    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:,:) ::  Ra_dry !< dry radius (m)
402   
403!-- Particle component index tables
404    TYPE(component_index) :: prtcl !< Contains "getIndex" which gives the index
405                                   !< for a given aerosol component name, i.e.
406                                   !< 1:SO4, 2:OC, 3:BC, 4:DU,
407                                   !< 5:SS, 6:NO, 7:NH, 8:H2O 
408!                                   
409!-- Data output arrays:
410!-- Gases:
411    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  g_H2SO4_av  !< H2SO4
412    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  g_HNO3_av   !< HNO3
413    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  g_NH3_av    !< NH3
414    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  g_OCNV_av   !< non-vola-
415                                                                    !< tile OC
416    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  g_OCSV_av   !< semi-vol.
417                                                                    !< OC
418!-- Integrated:                                                                   
419    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:) ::  LDSA_av  !< lung deposited
420                                                         !< surface area                                                   
421    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:) ::  Ntot_av  !< total number conc.
422    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:) ::  PM25_av  !< PM2.5
423    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:) ::  PM10_av  !< PM10
424!-- In the particle phase:   
425    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  s_BC_av  !< black carbon
426    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  s_DU_av  !< dust
427    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  s_H2O_av !< liquid water
428    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  s_NH_av  !< ammonia
429    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  s_NO_av  !< nitrates
430    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  s_OC_av  !< org. carbon
431    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  s_SO4_av !< sulphates
432    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  s_SS_av  !< sea salt
433!-- Bins:   
434    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:,:) ::  mbins_av  !< bin mass
435                                                            !< concentration
436    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:,:) ::  Nbins_av  !< bin number
437                                                            !< concentration 
438       
439!
440!-- PALM interfaces:
441!
442!-- Boundary conditions:
443    INTERFACE salsa_boundary_conds
444       MODULE PROCEDURE salsa_boundary_conds
445       MODULE PROCEDURE salsa_boundary_conds_decycle
446    END INTERFACE salsa_boundary_conds
447!   
448!-- Data output checks for 2D/3D data to be done in check_parameters
449    INTERFACE salsa_check_data_output
450       MODULE PROCEDURE salsa_check_data_output
451    END INTERFACE salsa_check_data_output
452   
453!
454!-- Input parameter checks to be done in check_parameters
455    INTERFACE salsa_check_parameters
456       MODULE PROCEDURE salsa_check_parameters
457    END INTERFACE salsa_check_parameters
458
459!
460!-- Averaging of 3D data for output
461    INTERFACE salsa_3d_data_averaging
462       MODULE PROCEDURE salsa_3d_data_averaging
463    END INTERFACE salsa_3d_data_averaging
464
465!
466!-- Data output of 2D quantities
467    INTERFACE salsa_data_output_2d
468       MODULE PROCEDURE salsa_data_output_2d
469    END INTERFACE salsa_data_output_2d
470
471!
472!-- Data output of 3D data
473    INTERFACE salsa_data_output_3d
474       MODULE PROCEDURE salsa_data_output_3d
475    END INTERFACE salsa_data_output_3d
476   
477!
478!-- Data output of 3D data
479    INTERFACE salsa_data_output_mask
480       MODULE PROCEDURE salsa_data_output_mask
481    END INTERFACE salsa_data_output_mask
482
483!
484!-- Definition of data output quantities
485    INTERFACE salsa_define_netcdf_grid
486       MODULE PROCEDURE salsa_define_netcdf_grid
487    END INTERFACE salsa_define_netcdf_grid
488   
489!
490!-- Output of information to the header file
491    INTERFACE salsa_header
492       MODULE PROCEDURE salsa_header
493    END INTERFACE salsa_header
494 
495!
496!-- Initialization actions 
497    INTERFACE salsa_init
498       MODULE PROCEDURE salsa_init
499    END INTERFACE salsa_init
500 
501!
502!-- Initialization of arrays
503    INTERFACE salsa_init_arrays
504       MODULE PROCEDURE salsa_init_arrays
505    END INTERFACE salsa_init_arrays
506
507!
508!-- Writing of binary output for restart runs  !!! renaming?!
509    INTERFACE salsa_wrd_local
510       MODULE PROCEDURE salsa_wrd_local
511    END INTERFACE salsa_wrd_local
512   
513!
514!-- Reading of NAMELIST parameters
515    INTERFACE salsa_parin
516       MODULE PROCEDURE salsa_parin
517    END INTERFACE salsa_parin
518
519!
520!-- Reading of parameters for restart runs
521    INTERFACE salsa_rrd_local
522       MODULE PROCEDURE salsa_rrd_local
523    END INTERFACE salsa_rrd_local
524   
525!
526!-- Swapping of time levels (required for prognostic variables)
527    INTERFACE salsa_swap_timelevel
528       MODULE PROCEDURE salsa_swap_timelevel
529    END INTERFACE salsa_swap_timelevel
530
531    INTERFACE salsa_driver
532       MODULE PROCEDURE salsa_driver
533    END INTERFACE salsa_driver
534
535    INTERFACE salsa_tendency
536       MODULE PROCEDURE salsa_tendency
537       MODULE PROCEDURE salsa_tendency_ij
538    END INTERFACE salsa_tendency
539   
540   
541   
542    SAVE
543
544    PRIVATE
545!
546!-- Public functions:
547    PUBLIC salsa_boundary_conds, salsa_check_data_output,                      &
548           salsa_check_parameters, salsa_3d_data_averaging,                    &
549           salsa_data_output_2d, salsa_data_output_3d, salsa_data_output_mask, &
550           salsa_define_netcdf_grid, salsa_diagnostics, salsa_driver,          &
551           salsa_header, salsa_init, salsa_init_arrays, salsa_parin,           &
552           salsa_rrd_local, salsa_swap_timelevel, salsa_tendency,              &
553           salsa_wrd_local
554!
555!-- Public parameters, constants and initial values
556    PUBLIC dots_salsa, dt_salsa, last_salsa_time, lsdepo, salsa,               &
557           salsa_gases_from_chem, skip_time_do_salsa
558!
559!-- Public prognostic variables
560    PUBLIC aerosol_mass, aerosol_number, fn2a, fn2b, gconc_2, in1a, in2b,      &
561           mconc_2, nbins, ncc, ncc_tot, nclim, nconc_2, ngast, prtcl, Ra_dry, &
562           salsa_gas, sedim_vd
563
564 CONTAINS
565
566!------------------------------------------------------------------------------!
567! Description:
568! ------------
569!> Parin for &salsa_par for new modules
570!------------------------------------------------------------------------------!
571 SUBROUTINE salsa_parin
572
573    IMPLICIT NONE
574
575    CHARACTER (LEN=80) ::  line   !< dummy string that contains the current line
576                                  !< of the parameter file
577                                 
578    NAMELIST /salsa_parameters/             &
579                          advect_particle_water, & ! Switch for advecting
580                                                ! particle water. If .FALSE.,
581                                                ! equilibration is called at
582                                                ! each time step.       
583                          bc_salsa_b,       &   ! bottom boundary condition
584                          bc_salsa_t,       &   ! top boundary condition
585                          decycle_lr,       &   ! decycle SALSA components
586                          decycle_method,   &   ! decycle method applied:
587                                                ! 1=left 2=right 3=south 4=north
588                          decycle_ns,       &   ! decycle SALSA components
589                          depo_vege_type,   &   ! Parametrisation type
590                          depo_topo_type,   &   ! Parametrisation type
591                          dpg,              &   ! Mean diameter for the initial
592                                                ! log-normal modes
593                          dt_salsa,         &   ! SALSA timestep in seconds
594                          feedback_to_palm, &   ! allow feedback due to
595                                                ! hydration / condensation
596                          H2SO4_init,       &   ! Init value for sulphuric acid
597                          HNO3_init,        &   ! Init value for nitric acid
598                          igctyp,           &   ! Initial gas concentration type
599                          isdtyp,           &   ! Initial size distribution type                                               
600                          listspec,         &   ! List of actived aerosols
601                                                ! (string list)
602                          mass_fracs_a,     &   ! Initial relative contribution 
603                                                ! of each species to particle 
604                                                ! volume in a-bins, 0 for unused
605                          mass_fracs_b,     &   ! Initial relative contribution 
606                                                ! of each species to particle
607                                                ! volume in b-bins, 0 for unused
608                          n_lognorm,        &   ! Number concentration for the
609                                                ! log-normal modes                                               
610                          nbin,             &   ! Number of size bins for
611                                                ! aerosol size subranges 1 & 2
612                          nf2a,             &   ! Number fraction of particles
613                                                ! allocated to a-bins in
614                                                ! subrange 2 b-bins will get
615                                                ! 1-nf2a                         
616                          NH3_init,         &   ! Init value for ammonia
617                          nj3,              &   ! J3 parametrization
618                                                ! 1 = condensational sink
619                                                !     (Kerminen&Kulmala, 2002)
620                                                ! 2 = coagulational sink
621                                                !     (Lehtinen et al. 2007)
622                                                ! 3 = coagS+self-coagulation
623                                                !     (Anttila et al. 2010)                                                   
624                          nlcnd,            &   ! Condensation master switch
625                          nlcndgas,         &   ! Condensation of gases
626                          nlcndh2oae,       &   ! Condensation of H2O                           
627                          nlcoag,           &   ! Coagulation master switch
628                          nldepo,           &   ! Deposition master switch
629                          nldepo_vege,      &   ! Deposition on vegetation
630                                                ! master switch
631                          nldepo_topo,      &   ! Deposition on topo master
632                                                ! switch                         
633                          nldistupdate,     &   ! Size distribution update
634                                                ! master switch
635                          nsnucl,           &   ! Nucleation scheme:
636                                                ! 0 = off,
637                                                ! 1 = binary nucleation
638                                                ! 2 = activation type nucleation
639                                                ! 3 = kinetic nucleation
640                                                ! 4 = ternary nucleation
641                                                ! 5 = nucleation with organics
642                                                ! 6 = activation type of
643                                                !     nucleation with H2SO4+ORG
644                                                ! 7 = heteromolecular nucleation
645                                                !     with H2SO4*ORG
646                                                ! 8 = homomolecular nucleation 
647                                                !     of H2SO4 + heteromolecular
648                                                !     nucleation with H2SO4*ORG
649                                                ! 9 = homomolecular nucleation
650                                                !     of H2SO4 and ORG + hetero-
651                                                !     molecular nucleation with
652                                                !     H2SO4*ORG
653                          OCNV_init,        &   ! Init value for non-volatile
654                                                ! organic gases
655                          OCSV_init,        &   ! Init value for semi-volatile
656                                                ! organic gases
657                          read_restart_data_salsa, & ! read restart data for
658                                                     ! salsa
659                          reglim,           &   ! Min&max diameter limits of
660                                                ! size subranges
661                          salsa,            &   ! Master switch for SALSA
662                          salsa_source_mode,&   ! 'read_from_file' or 'constant'
663                                                ! or 'no_source'
664                          sigmag,           &   ! stdev for the initial log-
665                                                ! normal modes                                               
666                          skip_time_do_salsa, & ! Starting time of SALSA (s)
667                          van_der_waals_coagc,& ! include van der Waals forces
668                          write_binary_salsa    ! Write binary for salsa
669                           
670       
671    line = ' '
672       
673!
674!-- Try to find salsa package
675    REWIND ( 11 )
676    line = ' '
677    DO WHILE ( INDEX( line, '&salsa_parameters' ) == 0 )
678       READ ( 11, '(A)', END=10 )  line
679    ENDDO
680    BACKSPACE ( 11 )
681
682!
683!-- Read user-defined namelist
684    READ ( 11, salsa_parameters )
685
686!
687!-- Set flag that indicates that the new module is switched on
688!-- Note that this parameter needs to be declared in modules.f90
689    salsa = .TRUE.
690
691 10 CONTINUE
692       
693 END SUBROUTINE salsa_parin
694
695 
696!------------------------------------------------------------------------------!
697! Description:
698! ------------
699!> Check parameters routine for salsa.
700!------------------------------------------------------------------------------!
701 SUBROUTINE salsa_check_parameters
702
703    USE control_parameters,                                                    &
704        ONLY:  message_string
705       
706    IMPLICIT NONE
707   
708!
709!-- Checks go here (cf. check_parameters.f90).
710    IF ( salsa  .AND.  .NOT.  humidity )  THEN
711       WRITE( message_string, * ) 'salsa = ', salsa, ' is ',                   &
712              'not allowed with humidity = ', humidity
713       CALL message( 'check_parameters', 'SA0009', 1, 2, 0, 6, 0 )
714    ENDIF
715   
716    IF ( bc_salsa_b == 'dirichlet' )  THEN
717       ibc_salsa_b = 0
718    ELSEIF ( bc_salsa_b == 'neumann' )  THEN
719       ibc_salsa_b = 1
720    ELSE
721       message_string = 'unknown boundary condition: bc_salsa_b = "'           &
722                         // TRIM( bc_salsa_t ) // '"'
723       CALL message( 'check_parameters', 'SA0011', 1, 2, 0, 6, 0 )                 
724    ENDIF
725   
726    IF ( bc_salsa_t == 'dirichlet' )  THEN
727       ibc_salsa_t = 0
728    ELSEIF ( bc_salsa_t == 'neumann' )  THEN
729       ibc_salsa_t = 1
730    ELSE
731       message_string = 'unknown boundary condition: bc_salsa_t = "'           &
732                         // TRIM( bc_salsa_t ) // '"'
733       CALL message( 'check_parameters', 'SA0012', 1, 2, 0, 6, 0 )                 
734    ENDIF
735   
736    IF ( nj3 < 1  .OR.  nj3 > 3 )  THEN
737       message_string = 'unknown nj3 (must be 1-3)'
738       CALL message( 'check_parameters', 'SA0044', 1, 2, 0, 6, 0 )
739    ENDIF
740           
741 END SUBROUTINE salsa_check_parameters
742
743!------------------------------------------------------------------------------!
744!
745! Description:
746! ------------
747!> Subroutine defining appropriate grid for netcdf variables.
748!> It is called out from subroutine netcdf.
749!> Same grid as for other scalars (see netcdf_interface_mod.f90)
750!------------------------------------------------------------------------------!
751 SUBROUTINE salsa_define_netcdf_grid( var, found, grid_x, grid_y, grid_z )
752   
753    IMPLICIT NONE
754
755    CHARACTER (LEN=*), INTENT(OUT) ::  grid_x   !<
756    CHARACTER (LEN=*), INTENT(OUT) ::  grid_y   !<
757    CHARACTER (LEN=*), INTENT(OUT) ::  grid_z   !<
758    CHARACTER (LEN=*), INTENT(IN)  ::  var      !<
759   
760    LOGICAL, INTENT(OUT) ::  found   !<
761   
762    found  = .TRUE.
763!
764!-- Check for the grid
765
766    IF ( var(1:2) == 'g_' )  THEN
767       grid_x = 'x' 
768       grid_y = 'y' 
769       grid_z = 'zu'   
770    ELSEIF ( var(1:4) == 'LDSA' )  THEN
771       grid_x = 'x' 
772       grid_y = 'y' 
773       grid_z = 'zu'
774    ELSEIF ( var(1:5) == 'm_bin' )  THEN
775       grid_x = 'x' 
776       grid_y = 'y' 
777       grid_z = 'zu'
778    ELSEIF ( var(1:5) == 'N_bin' )  THEN
779       grid_x = 'x' 
780       grid_y = 'y' 
781       grid_z = 'zu'
782    ELSEIF ( var(1:4) == 'Ntot' ) THEN
783       grid_x = 'x' 
784       grid_y = 'y' 
785       grid_z = 'zu'
786    ELSEIF ( var(1:2) == 'PM' )  THEN
787       grid_x = 'x' 
788       grid_y = 'y' 
789       grid_z = 'zu'
790    ELSEIF ( var(1:2) == 's_' )  THEN
791       grid_x = 'x' 
792       grid_y = 'y' 
793       grid_z = 'zu'
794    ELSE
795       found  = .FALSE.
796       grid_x = 'none'
797       grid_y = 'none'
798       grid_z = 'none'
799    ENDIF
800
801 END SUBROUTINE salsa_define_netcdf_grid
802
803 
804!------------------------------------------------------------------------------!
805! Description:
806! ------------
807!> Header output for new module
808!------------------------------------------------------------------------------!
809 SUBROUTINE salsa_header( io )
810
811    IMPLICIT NONE
812 
813    INTEGER(iwp), INTENT(IN) ::  io   !< Unit of the output file
814!
815!-- Write SALSA header
816    WRITE( io, 1 )
817    WRITE( io, 2 ) skip_time_do_salsa
818    WRITE( io, 3 ) dt_salsa
819    WRITE( io, 12 )  SHAPE( aerosol_number(1)%conc ), nbins
820    IF ( advect_particle_water )  THEN
821       WRITE( io, 16 )  SHAPE( aerosol_mass(1)%conc ), ncc_tot*nbins,          &
822                        advect_particle_water
823    ELSE
824       WRITE( io, 16 )  SHAPE( aerosol_mass(1)%conc ), ncc*nbins,              &
825                        advect_particle_water
826    ENDIF
827    IF ( .NOT. salsa_gases_from_chem )  THEN
828       WRITE( io, 17 )  SHAPE( aerosol_mass(1)%conc ), ngast,                  &
829                        salsa_gases_from_chem
830    ENDIF
831    WRITE( io, 4 ) 
832    IF ( nsnucl > 0 )  THEN
833       WRITE( io, 5 ) nsnucl, nj3
834    ENDIF
835    IF ( nlcoag )  THEN
836       WRITE( io, 6 ) 
837    ENDIF
838    IF ( nlcnd )  THEN
839       WRITE( io, 7 ) nlcndgas, nlcndh2oae
840    ENDIF
841    IF ( nldepo )  THEN
842       WRITE( io, 14 ) nldepo_vege, nldepo_topo
843    ENDIF
844    WRITE( io, 8 )  reglim, nbin, bin_low_limits
845    WRITE( io, 15 ) nsect
846    WRITE( io, 13 ) ncc, listspec, mass_fracs_a, mass_fracs_b
847    IF ( .NOT. salsa_gases_from_chem )  THEN
848       WRITE( io, 18 ) ngast, H2SO4_init, HNO3_init, NH3_init, OCNV_init,      &
849                       OCSV_init
850    ENDIF
851    WRITE( io, 9 )  isdtyp, igctyp
852    IF ( isdtyp == 0 )  THEN
853       WRITE( io, 10 )  dpg, sigmag, n_lognorm
854    ELSE
855       WRITE( io, 11 )
856    ENDIF
857   
858
8591   FORMAT (//' SALSA information:'/                                           &
860              ' ------------------------------'/)
8612   FORMAT   ('    Starts at: skip_time_do_salsa = ', F10.2, '  s')
8623   FORMAT  (/'    Timestep: dt_salsa = ', F6.2, '  s')
86312  FORMAT  (/'    Array shape (z,y,x,bins):'/                                 &
864              '       aerosol_number:  ', 4(I3)) 
86516  FORMAT  (/'       aerosol_mass:    ', 4(I3),/                              &
866              '       (advect_particle_water = ', L1, ')')
86717  FORMAT   ('       salsa_gas: ', 4(I3),/                                    &
868              '       (salsa_gases_from_chem = ', L1, ')')
8694   FORMAT  (/'    Aerosol dynamic processes included: ')
8705   FORMAT  (/'       nucleation (scheme = ', I1, ' and J3 parametrization = ',&
871               I1, ')')
8726   FORMAT  (/'       coagulation')
8737   FORMAT  (/'       condensation (of precursor gases = ', L1,                &
874              '          and water vapour = ', L1, ')' )
87514  FORMAT  (/'       dry deposition (on vegetation = ', L1,                   &
876              '          and on topography = ', L1, ')')             
8778   FORMAT  (/'    Aerosol bin subrange limits (in metres): ',  3(ES10.2E3) /  &
878              '    Number of size bins for each aerosol subrange: ', 2I3,/     &
879              '    Aerosol bin limits (in metres): ', *(ES10.2E3))
88015  FORMAT   ('    Initial number concentration in bins at the lowest level',  &
881              ' (#/m**3):', *(ES10.2E3))       
88213  FORMAT  (/'    Number of chemical components used: ', I1,/                 &
883              '       Species: ',7(A6),/                                       &
884              '    Initial relative contribution of each species to particle', & 
885              ' volume in:',/                                                  &
886              '       a-bins: ', 7(F6.3),/                                     &
887              '       b-bins: ', 7(F6.3))
88818  FORMAT  (/'    Number of gaseous tracers used: ', I1,/                     &
889              '    Initial gas concentrations:',/                              &
890              '       H2SO4: ',ES12.4E3, ' #/m**3',/                           &
891              '       HNO3:  ',ES12.4E3, ' #/m**3',/                           &
892              '       NH3:   ',ES12.4E3, ' #/m**3',/                           &
893              '       OCNV:  ',ES12.4E3, ' #/m**3',/                           &
894              '       OCSV:  ',ES12.4E3, ' #/m**3')
8959    FORMAT (/'   Initialising concentrations: ', /                            &
896              '      Aerosol size distribution: isdtyp = ', I1,/               &
897              '      Gas concentrations: igctyp = ', I1 )
89810   FORMAT ( '      Mode diametres: dpg(nmod) = ', 7(F7.3),/                  &
899              '      Standard deviation: sigmag(nmod) = ', 7(F7.2),/           &
900              '      Number concentration: n_lognorm(nmod) = ', 7(ES12.4E3) )
90111   FORMAT (/'      Size distribution read from a file.')
902
903 END SUBROUTINE salsa_header
904
905!------------------------------------------------------------------------------!
906! Description:
907! ------------
908!> Allocate SALSA arrays and define pointers if required
909!------------------------------------------------------------------------------!
910 SUBROUTINE salsa_init_arrays
911 
912    USE surface_mod,                                                           &
913        ONLY:  surf_def_h, surf_def_v, surf_lsm_h, surf_lsm_v, surf_usm_h,     &
914               surf_usm_v
915
916    IMPLICIT NONE
917   
918    INTEGER(iwp) ::  gases_available !< Number of available gas components in
919                                     !< the chemistry model
920    INTEGER(iwp) ::  i   !< loop index for allocating
921    INTEGER(iwp) ::  l   !< loop index for allocating: surfaces
922    INTEGER(iwp) ::  lsp !< loop index for chem species in the chemistry model
923   
924    gases_available = 0
925
926!
927!-- Allocate prognostic variables (see salsa_swap_timelevel)
928#if defined( __nopointer )
929    message_string = 'SALSA runs only with POINTER Version'
930    CALL message( 'salsa_mod: salsa_init_arrays', 'SA0023', 1, 2, 0, 6, 0 )
931#else         
932!
933!-- Set derived indices:
934!-- (This does the same as the subroutine salsa_initialize in SALSA/
935!-- UCLALES-SALSA)       
936    in1a = 1                ! 1st index of subrange 1a
937    in2a = in1a + nbin(1)   ! 1st index of subrange 2a
938    fn1a = in2a - 1         ! last index of subrange 1a
939    fn2a = fn1a + nbin(2)   ! last index of subrange 2a
940   
941!   
942!-- If the fraction of insoluble aerosols in subrange 2 is zero: do not allocate
943!-- arrays for them
944    IF ( nf2a > 0.999999_wp  .AND.  SUM( mass_fracs_b ) < 0.00001_wp )  THEN
945       no_insoluble = .TRUE.
946       in2b = fn2a+1    ! 1st index of subrange 2b
947       fn2b = fn2a      ! last index of subrange 2b
948    ELSE
949       in2b = in2a + nbin(2)   ! 1st index of subrange 2b
950       fn2b = fn2a + nbin(2)   ! last index of subrange 2b
951    ENDIF
952   
953   
954    nbins = fn2b   ! total number of aerosol size bins
955!   
956!-- Create index tables for different aerosol components
957    CALL component_index_constructor( prtcl, ncc, maxspec, listspec )
958   
959    ncc_tot = ncc
960    IF ( advect_particle_water )  ncc_tot = ncc + 1  ! Add water
961   
962!
963!-- Allocate:
964    ALLOCATE( aero(nbins), bin_low_limits(nbins), nsect(nbins), massacc(nbins) )
965    IF ( nldepo ) ALLOCATE( sedim_vd(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg,nbins) )         
966    ALLOCATE( Ra_dry(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg,nbins) )
967   
968!   
969!-- Aerosol number concentration
970    ALLOCATE( aerosol_number(nbins) )
971    ALLOCATE( nconc_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg,nbins),                    &
972              nconc_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg,nbins),                    &
973              nconc_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg,nbins) )
974    nconc_1 = 0.0_wp
975    nconc_2 = 0.0_wp
976    nconc_3 = 0.0_wp
977   
978    DO i = 1, nbins
979       aerosol_number(i)%conc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)    => nconc_1(:,:,:,i)
980       aerosol_number(i)%conc_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)  => nconc_2(:,:,:,i)
981       aerosol_number(i)%tconc_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) => nconc_3(:,:,:,i)
982       ALLOCATE( aerosol_number(i)%flux_s(nzb+1:nzt,0:threads_per_task-1),     &
983                 aerosol_number(i)%diss_s(nzb+1:nzt,0:threads_per_task-1),     &
984                 aerosol_number(i)%flux_l(nzb+1:nzt,nys:nyn,0:threads_per_task-1),&
985                 aerosol_number(i)%diss_l(nzb+1:nzt,nys:nyn,0:threads_per_task-1),&
986                 aerosol_number(i)%init(nzb:nzt+1),                            &
987                 aerosol_number(i)%sums_ws_l(nzb:nzt+1,0:threads_per_task-1) )
988    ENDDO     
989   
990!   
991!-- Aerosol mass concentration   
992    ALLOCATE( aerosol_mass(ncc_tot*nbins) ) 
993    ALLOCATE( mconc_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg,ncc_tot*nbins),            &
994              mconc_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg,ncc_tot*nbins),            &
995              mconc_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg,ncc_tot*nbins) )
996    mconc_1 = 0.0_wp
997    mconc_2 = 0.0_wp
998    mconc_3 = 0.0_wp
999   
1000    DO i = 1, ncc_tot*nbins
1001       aerosol_mass(i)%conc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)    => mconc_1(:,:,:,i)
1002       aerosol_mass(i)%conc_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)  => mconc_2(:,:,:,i)
1003       aerosol_mass(i)%tconc_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) => mconc_3(:,:,:,i)       
1004       ALLOCATE( aerosol_mass(i)%flux_s(nzb+1:nzt,0:threads_per_task-1),       &
1005                 aerosol_mass(i)%diss_s(nzb+1:nzt,0:threads_per_task-1),       &
1006                 aerosol_mass(i)%flux_l(nzb+1:nzt,nys:nyn,0:threads_per_task-1),&
1007                 aerosol_mass(i)%diss_l(nzb+1:nzt,nys:nyn,0:threads_per_task-1),&
1008                 aerosol_mass(i)%init(nzb:nzt+1),                              &
1009                 aerosol_mass(i)%sums_ws_l(nzb:nzt+1,0:threads_per_task-1)  )
1010    ENDDO
1011   
1012!
1013!-- Surface fluxes: answs = aerosol number, amsws = aerosol mass
1014!
1015!-- Horizontal surfaces: default type
1016    DO  l = 0, 2   ! upward (l=0), downward (l=1) and model top (l=2)
1017       ALLOCATE( surf_def_h(l)%answs( 1:surf_def_h(l)%ns, nbins ) )
1018       ALLOCATE( surf_def_h(l)%amsws( 1:surf_def_h(l)%ns, nbins*ncc_tot ) )
1019       surf_def_h(l)%answs = 0.0_wp
1020       surf_def_h(l)%amsws = 0.0_wp
1021    ENDDO
1022!-- Horizontal surfaces: natural type   
1023    IF ( land_surface )  THEN
1024       ALLOCATE( surf_lsm_h%answs( 1:surf_lsm_h%ns, nbins ) )
1025       ALLOCATE( surf_lsm_h%amsws( 1:surf_lsm_h%ns, nbins*ncc_tot ) )
1026       surf_lsm_h%answs = 0.0_wp
1027       surf_lsm_h%amsws = 0.0_wp
1028    ENDIF
1029!-- Horizontal surfaces: urban type
1030    IF ( urban_surface )  THEN
1031       ALLOCATE( surf_usm_h%answs( 1:surf_usm_h%ns, nbins ) )
1032       ALLOCATE( surf_usm_h%amsws( 1:surf_usm_h%ns, nbins*ncc_tot ) )
1033       surf_usm_h%answs = 0.0_wp
1034       surf_usm_h%amsws = 0.0_wp
1035    ENDIF
1036!
1037!-- Vertical surfaces: northward (l=0), southward (l=1), eastward (l=2) and
1038!-- westward (l=3) facing
1039    DO  l = 0, 3   
1040       ALLOCATE( surf_def_v(l)%answs( 1:surf_def_v(l)%ns, nbins ) )
1041       surf_def_v(l)%answs = 0.0_wp
1042       ALLOCATE( surf_def_v(l)%amsws( 1:surf_def_v(l)%ns, nbins*ncc_tot ) )
1043       surf_def_v(l)%amsws = 0.0_wp
1044       
1045       IF ( land_surface)  THEN
1046          ALLOCATE( surf_lsm_v(l)%answs( 1:surf_lsm_v(l)%ns, nbins ) )
1047          surf_lsm_v(l)%answs = 0.0_wp
1048          ALLOCATE( surf_lsm_v(l)%amsws( 1:surf_lsm_v(l)%ns, nbins*ncc_tot ) )
1049          surf_lsm_v(l)%amsws = 0.0_wp
1050       ENDIF
1051       
1052       IF ( urban_surface )  THEN
1053          ALLOCATE( surf_usm_v(l)%answs( 1:surf_usm_v(l)%ns, nbins ) )
1054          surf_usm_v(l)%answs = 0.0_wp
1055          ALLOCATE( surf_usm_v(l)%amsws( 1:surf_usm_v(l)%ns, nbins*ncc_tot ) )
1056          surf_usm_v(l)%amsws = 0.0_wp
1057       ENDIF
1058    ENDDO   
1059   
1060!
1061!-- Concentration of gaseous tracers (1. SO4, 2. HNO3, 3. NH3, 4. OCNV, 5. OCSV)
1062!-- (number concentration (#/m3) )
1063!
1064!-- If chemistry is on, read gas phase concentrations from there. Otherwise,
1065!-- allocate salsa_gas array.
1066
1067    IF ( air_chemistry )  THEN   
1068       DO  lsp = 1, nvar
1069          IF ( TRIM( chem_species(lsp)%name ) == 'H2SO4' )  THEN
1070             gases_available = gases_available + 1
1071             gas_index_chem(1) = lsp
1072          ELSEIF ( TRIM( chem_species(lsp)%name ) == 'HNO3' )  THEN
1073             gases_available = gases_available + 1 
1074             gas_index_chem(2) = lsp
1075          ELSEIF ( TRIM( chem_species(lsp)%name ) == 'NH3' )  THEN
1076             gases_available = gases_available + 1
1077             gas_index_chem(3) = lsp
1078          ELSEIF ( TRIM( chem_species(lsp)%name ) == 'OCNV' )  THEN
1079             gases_available = gases_available + 1
1080             gas_index_chem(4) = lsp
1081          ELSEIF ( TRIM( chem_species(lsp)%name ) == 'OCSV' )  THEN
1082             gases_available = gases_available + 1
1083             gas_index_chem(5) = lsp
1084          ENDIF
1085       ENDDO
1086
1087       IF ( gases_available == ngast )  THEN
1088          salsa_gases_from_chem = .TRUE.
1089       ELSE
1090          WRITE( message_string, * ) 'SALSA is run together with chemistry '// &
1091                                     'but not all gaseous components are '//   &
1092                                     'provided by kpp (H2SO4, HNO3, NH3, '//   &
1093                                     'OCNV, OCSC)'
1094       CALL message( 'check_parameters', 'SA0024', 1, 2, 0, 6, 0 )
1095       ENDIF
1096
1097    ELSE
1098
1099       ALLOCATE( salsa_gas(ngast) ) 
1100       ALLOCATE( gconc_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg,ngast),                 &
1101                 gconc_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg,ngast),                 &
1102                 gconc_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg,ngast) )
1103       gconc_1 = 0.0_wp
1104       gconc_2 = 0.0_wp
1105       gconc_3 = 0.0_wp
1106       
1107       DO i = 1, ngast
1108          salsa_gas(i)%conc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)    => gconc_1(:,:,:,i)
1109          salsa_gas(i)%conc_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)  => gconc_2(:,:,:,i)
1110          salsa_gas(i)%tconc_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) => gconc_3(:,:,:,i)
1111          ALLOCATE( salsa_gas(i)%flux_s(nzb+1:nzt,0:threads_per_task-1),       &
1112                    salsa_gas(i)%diss_s(nzb+1:nzt,0:threads_per_task-1),       &
1113                    salsa_gas(i)%flux_l(nzb+1:nzt,nys:nyn,0:threads_per_task-1),&
1114                    salsa_gas(i)%diss_l(nzb+1:nzt,nys:nyn,0:threads_per_task-1),&
1115                    salsa_gas(i)%init(nzb:nzt+1),                              &
1116                    salsa_gas(i)%sums_ws_l(nzb:nzt+1,0:threads_per_task-1) )
1117       ENDDO       
1118!
1119!--    Surface fluxes: gtsws = gaseous tracer flux
1120!
1121!--    Horizontal surfaces: default type
1122       DO  l = 0, 2   ! upward (l=0), downward (l=1) and model top (l=2)
1123          ALLOCATE( surf_def_h(l)%gtsws( 1:surf_def_h(l)%ns, ngast ) )
1124          surf_def_h(l)%gtsws = 0.0_wp
1125       ENDDO
1126!--    Horizontal surfaces: natural type   
1127       IF ( land_surface )  THEN
1128          ALLOCATE( surf_lsm_h%gtsws( 1:surf_lsm_h%ns, ngast ) )
1129          surf_lsm_h%gtsws = 0.0_wp
1130       ENDIF
1131!--    Horizontal surfaces: urban type         
1132       IF ( urban_surface )  THEN
1133          ALLOCATE( surf_usm_h%gtsws( 1:surf_usm_h%ns, ngast ) )
1134          surf_usm_h%gtsws = 0.0_wp
1135       ENDIF
1136!
1137!--    Vertical surfaces: northward (l=0), southward (l=1), eastward (l=2) and
1138!--    westward (l=3) facing
1139       DO  l = 0, 3     
1140          ALLOCATE( surf_def_v(l)%gtsws( 1:surf_def_v(l)%ns, ngast ) )
1141          surf_def_v(l)%gtsws = 0.0_wp
1142          IF ( land_surface )  THEN
1143             ALLOCATE( surf_lsm_v(l)%gtsws( 1:surf_lsm_v(l)%ns, ngast ) )
1144             surf_lsm_v(l)%gtsws = 0.0_wp
1145          ENDIF
1146          IF ( urban_surface )  THEN
1147             ALLOCATE( surf_usm_v(l)%gtsws( 1:surf_usm_v(l)%ns, ngast ) )
1148             surf_usm_v(l)%gtsws = 0.0_wp
1149          ENDIF
1150       ENDDO
1151    ENDIF
1152   
1153#endif
1154
1155 END SUBROUTINE salsa_init_arrays
1156
1157!------------------------------------------------------------------------------!
1158! Description:
1159! ------------
1160!> Initialization of SALSA. Based on salsa_initialize in UCLALES-SALSA.
1161!> Subroutines salsa_initialize, SALSAinit and DiagInitAero in UCLALES-SALSA are
1162!> also merged here.
1163!------------------------------------------------------------------------------!
1164 SUBROUTINE salsa_init
1165
1166    IMPLICIT NONE
1167   
1168    INTEGER(iwp) :: b
1169    INTEGER(iwp) :: c
1170    INTEGER(iwp) :: g
1171    INTEGER(iwp) :: i
1172    INTEGER(iwp) :: j
1173   
1174    bin_low_limits = 0.0_wp
1175    nsect          = 0.0_wp
1176    massacc        = 1.0_wp 
1177   
1178!
1179!-- Indices for chemical components used (-1 = not used)
1180    i = 0
1181    IF ( is_used( prtcl, 'SO4' ) )  THEN
1182       iso4 = get_index( prtcl,'SO4' )
1183       i = i + 1
1184    ENDIF
1185    IF ( is_used( prtcl,'OC' ) )  THEN
1186       ioc = get_index(prtcl, 'OC')
1187       i = i + 1
1188    ENDIF
1189    IF ( is_used( prtcl, 'BC' ) )  THEN
1190       ibc = get_index( prtcl, 'BC' )
1191       i = i + 1
1192    ENDIF
1193    IF ( is_used( prtcl, 'DU' ) )  THEN
1194       idu = get_index( prtcl, 'DU' )
1195       i = i + 1
1196    ENDIF
1197    IF ( is_used( prtcl, 'SS' ) )  THEN
1198       iss = get_index( prtcl, 'SS' )
1199       i = i + 1
1200    ENDIF
1201    IF ( is_used( prtcl, 'NO' ) )  THEN
1202       ino = get_index( prtcl, 'NO' )
1203       i = i + 1
1204    ENDIF
1205    IF ( is_used( prtcl, 'NH' ) )  THEN
1206       inh = get_index( prtcl, 'NH' )
1207       i = i + 1
1208    ENDIF
1209!   
1210!-- All species must be known
1211    IF ( i /= ncc )  THEN
1212       message_string = 'Unknown aerosol species/component(s) given in the' // &
1213                        ' initialization'
1214       CALL message( 'salsa_mod: salsa_init', 'SA0020', 1, 2, 0, 6, 0 )
1215    ENDIF
1216   
1217!
1218!-- Initialise
1219!
1220!-- Aerosol size distribution (TYPE t_section)
1221    aero(:)%dwet     = 1.0E-10_wp
1222    aero(:)%veqh2o   = 1.0E-10_wp
1223    aero(:)%numc     = nclim
1224    aero(:)%core     = 1.0E-10_wp
1225    DO c = 1, maxspec+1    ! 1:SO4, 2:OC, 3:BC, 4:DU, 5:SS, 6:NO, 7:NH, 8:H2O
1226       aero(:)%volc(c) = 0.0_wp
1227    ENDDO
1228   
1229    IF ( nldepo )  sedim_vd = 0.0_wp
1230!   
1231!-- Initilisation actions that are NOT conducted for restart runs
1232    IF ( .NOT. read_restart_data_salsa )  THEN   
1233   
1234       DO  b = 1, nbins
1235          aerosol_number(b)%conc      = nclim
1236          aerosol_number(b)%conc_p    = 0.0_wp
1237          aerosol_number(b)%tconc_m   = 0.0_wp
1238          aerosol_number(b)%flux_s    = 0.0_wp
1239          aerosol_number(b)%diss_s    = 0.0_wp
1240          aerosol_number(b)%flux_l    = 0.0_wp
1241          aerosol_number(b)%diss_l    = 0.0_wp
1242          aerosol_number(b)%init      = nclim
1243          aerosol_number(b)%sums_ws_l = 0.0_wp
1244       ENDDO
1245       DO  c = 1, ncc_tot*nbins
1246          aerosol_mass(c)%conc      = mclim
1247          aerosol_mass(c)%conc_p    = 0.0_wp
1248          aerosol_mass(c)%tconc_m   = 0.0_wp
1249          aerosol_mass(c)%flux_s    = 0.0_wp
1250          aerosol_mass(c)%diss_s    = 0.0_wp
1251          aerosol_mass(c)%flux_l    = 0.0_wp
1252          aerosol_mass(c)%diss_l    = 0.0_wp
1253          aerosol_mass(c)%init      = mclim
1254          aerosol_mass(c)%sums_ws_l = 0.0_wp
1255       ENDDO
1256       
1257       IF ( .NOT. salsa_gases_from_chem )  THEN
1258          DO  g = 1, ngast
1259             salsa_gas(g)%conc_p    = 0.0_wp
1260             salsa_gas(g)%tconc_m   = 0.0_wp
1261             salsa_gas(g)%flux_s    = 0.0_wp
1262             salsa_gas(g)%diss_s    = 0.0_wp
1263             salsa_gas(g)%flux_l    = 0.0_wp
1264             salsa_gas(g)%diss_l    = 0.0_wp
1265             salsa_gas(g)%sums_ws_l = 0.0_wp
1266          ENDDO
1267       
1268!
1269!--       Set initial value for gas compound tracers and initial values
1270          salsa_gas(1)%conc = H2SO4_init
1271          salsa_gas(1)%init = H2SO4_init
1272          salsa_gas(2)%conc = HNO3_init
1273          salsa_gas(2)%init = HNO3_init
1274          salsa_gas(3)%conc = NH3_init
1275          salsa_gas(3)%init = NH3_init
1276          salsa_gas(4)%conc = OCNV_init
1277          salsa_gas(4)%init = OCNV_init
1278          salsa_gas(5)%conc = OCSV_init
1279          salsa_gas(5)%init = OCSV_init     
1280       ENDIF
1281!
1282!--    Aerosol radius in each bin: dry and wet (m)
1283       Ra_dry = 1.0E-10_wp
1284!   
1285!--    Initialise aerosol tracers   
1286       aero(:)%vhilim   = 0.0_wp
1287       aero(:)%vlolim   = 0.0_wp
1288       aero(:)%vratiohi = 0.0_wp
1289       aero(:)%vratiolo = 0.0_wp
1290       aero(:)%dmid     = 0.0_wp
1291!
1292!--    Initialise the sectional particle size distribution
1293       CALL set_sizebins()
1294!
1295!--    Initialise location-dependent aerosol size distributions and
1296!--    chemical compositions:
1297       CALL aerosol_init
1298!
1299!--    Initalisation run of SALSA
1300       DO  i = nxl, nxr
1301          DO  j = nys, nyn
1302             CALL salsa_driver( i, j, 1 )
1303             CALL salsa_diagnostics( i, j )
1304          ENDDO
1305       ENDDO
1306    ENDIF
1307!
1308!-- Set the aerosol and gas sources
1309    IF ( salsa_source_mode == 'read_from_file' )  THEN
1310       CALL salsa_set_source
1311    ENDIF
1312   
1313 END SUBROUTINE salsa_init
1314
1315!------------------------------------------------------------------------------!
1316! Description:
1317! ------------
1318!> Initializes particle size distribution grid by calculating size bin limits
1319!> and mid-size for *dry* particles in each bin. Called from salsa_initialize
1320!> (only at the beginning of simulation).
1321!> Size distribution described using:
1322!>   1) moving center method (subranges 1 and 2)
1323!>      (Jacobson, Atmos. Env., 31, 131-144, 1997)
1324!>   2) fixed sectional method (subrange 3)
1325!> Size bins in each subrange are spaced logarithmically
1326!> based on given subrange size limits and bin number.
1327!
1328!> Mona changed 06/2017: Use geometric mean diameter to describe the mean
1329!> particle diameter in a size bin, not the arithmeric mean which clearly
1330!> overestimates the total particle volume concentration.
1331!
1332!> Coded by:
1333!> Hannele Korhonen (FMI) 2005
1334!> Harri Kokkola (FMI) 2006
1335!
1336!> Bug fixes for box model + updated for the new aerosol datatype:
1337!> Juha Tonttila (FMI) 2014
1338!------------------------------------------------------------------------------!
1339 SUBROUTINE set_sizebins
1340               
1341    IMPLICIT NONE
1342!   
1343!-- Local variables
1344    INTEGER(iwp) ::  cc
1345    INTEGER(iwp) ::  dd
1346    REAL(wp) ::  ratio_d !< ratio of the upper and lower diameter of subranges
1347!
1348!-- vlolim&vhilim: min & max *dry* volumes [fxm]
1349!-- dmid: bin mid *dry* diameter (m)
1350!-- vratiolo&vratiohi: volume ratio between the center and low/high limit
1351!
1352!-- 1) Size subrange 1:
1353    ratio_d = reglim(2) / reglim(1)   ! section spacing (m)
1354    DO  cc = in1a,fn1a
1355       aero(cc)%vlolim = api6 * ( reglim(1) * ratio_d **                       &
1356                                ( REAL( cc-1 ) / nbin(1) ) ) ** 3.0_wp
1357       aero(cc)%vhilim = api6 * ( reglim(1) * ratio_d **                       &
1358                                ( REAL( cc ) / nbin(1) ) ) ** 3.0_wp
1359       aero(cc)%dmid = SQRT( ( aero(cc)%vhilim / api6 ) ** ( 1.0_wp / 3.0_wp ) &
1360                           * ( aero(cc)%vlolim / api6 ) ** ( 1.0_wp / 3.0_wp ) )
1361       aero(cc)%vratiohi = aero(cc)%vhilim / ( api6 * aero(cc)%dmid ** 3.0_wp )
1362       aero(cc)%vratiolo = aero(cc)%vlolim / ( api6 * aero(cc)%dmid ** 3.0_wp )
1363    ENDDO
1364!
1365!-- 2) Size subrange 2:
1366!-- 2.1) Sub-subrange 2a: high hygroscopicity
1367    ratio_d = reglim(3) / reglim(2)   ! section spacing
1368    DO  dd = in2a, fn2a
1369       cc = dd - in2a
1370       aero(dd)%vlolim = api6 * ( reglim(2) * ratio_d **                       &
1371                                  ( REAL( cc ) / nbin(2) ) ) ** 3.0_wp
1372       aero(dd)%vhilim = api6 * ( reglim(2) * ratio_d **                       &
1373                                  ( REAL( cc+1 ) / nbin(2) ) ) ** 3.0_wp
1374       aero(dd)%dmid = SQRT( ( aero(dd)%vhilim / api6 ) ** ( 1.0_wp / 3.0_wp ) &
1375                           * ( aero(dd)%vlolim / api6 ) ** ( 1.0_wp / 3.0_wp ) )
1376       aero(dd)%vratiohi = aero(dd)%vhilim / ( api6 * aero(dd)%dmid ** 3.0_wp )
1377       aero(dd)%vratiolo = aero(dd)%vlolim / ( api6 * aero(dd)%dmid ** 3.0_wp )
1378    ENDDO
1379!         
1380!-- 2.2) Sub-subrange 2b: low hygroscopicity
1381    IF ( .NOT. no_insoluble )  THEN
1382       aero(in2b:fn2b)%vlolim   = aero(in2a:fn2a)%vlolim
1383       aero(in2b:fn2b)%vhilim   = aero(in2a:fn2a)%vhilim
1384       aero(in2b:fn2b)%dmid     = aero(in2a:fn2a)%dmid
1385       aero(in2b:fn2b)%vratiohi = aero(in2a:fn2a)%vratiohi
1386       aero(in2b:fn2b)%vratiolo = aero(in2a:fn2a)%vratiolo
1387    ENDIF
1388!         
1389!-- Initialize the wet diameter with the bin dry diameter to avoid numerical
1390!-- problems later
1391    aero(:)%dwet = aero(:)%dmid
1392!
1393!-- Save bin limits (lower diameter) to be delivered to the host model if needed
1394    DO cc = 1, nbins
1395       bin_low_limits(cc) = ( aero(cc)%vlolim / api6 )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
1396    ENDDO   
1397   
1398 END SUBROUTINE set_sizebins
1399 
1400!------------------------------------------------------------------------------!
1401! Description:
1402! ------------
1403!> Initilize altitude-dependent aerosol size distributions and compositions.
1404!>
1405!> Mona added 06/2017: Correct the number and mass concentrations by normalizing
1406!< by the given total number and mass concentration.
1407!>
1408!> Tomi Raatikainen, FMI, 29.2.2016
1409!------------------------------------------------------------------------------!
1410 SUBROUTINE aerosol_init
1411 
1412    USE arrays_3d,                                                             &
1413        ONLY:  zu
1414 
1415!    USE NETCDF
1416   
1417    USE netcdf_data_input_mod,                                                 &
1418        ONLY:  get_attribute, netcdf_data_input_get_dimension_length,          &
1419               get_variable, open_read_file
1420   
1421    IMPLICIT NONE
1422   
1423    INTEGER(iwp) ::  b          !< loop index: size bins
1424    INTEGER(iwp) ::  c          !< loop index: chemical components
1425    INTEGER(iwp) ::  ee         !< index: end
1426    INTEGER(iwp) ::  g          !< loop index: gases
1427    INTEGER(iwp) ::  i          !< loop index: x-direction
1428    INTEGER(iwp) ::  id_faero   !< NetCDF id of PIDS_SALSA
1429    INTEGER(iwp) ::  id_fchem   !< NetCDF id of PIDS_CHEM
1430    INTEGER(iwp) ::  j          !< loop index: y-direction
1431    INTEGER(iwp) ::  k          !< loop index: z-direction
1432    INTEGER(iwp) ::  kk         !< loop index: z-direction
1433    INTEGER(iwp) ::  nz_file    !< Number of grid-points in file (heights)                           
1434    INTEGER(iwp) ::  prunmode
1435    INTEGER(iwp) ::  ss !< index: start
1436    LOGICAL  ::  netcdf_extend = .FALSE. !< Flag indicating wether netcdf
1437                                         !< topography input file or not
1438    REAL(wp), DIMENSION(nbins) ::  core  !< size of the bin mid aerosol particle,
1439    REAL(wp) ::  flag           !< flag to mask topography grid points
1440    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  pr_gas !< gas profiles
1441    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  pr_mass_fracs_a !< mass fraction
1442                                                              !< profiles: a
1443    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  pr_mass_fracs_b !< and b
1444    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  pr_nsect !< sectional size
1445                                                       !< distribution profile
1446    REAL(wp), DIMENSION(nbins)            ::  nsect  !< size distribution (#/m3)
1447    REAL(wp), DIMENSION(0:nz+1,nbins)     ::  pndist !< size dist as a function
1448                                                     !< of height (#/m3)
1449    REAL(wp), DIMENSION(0:nz+1)           ::  pnf2a  !< number fraction: bins 2a
1450    REAL(wp), DIMENSION(0:nz+1,maxspec)   ::  pvf2a  !< mass distributions of 
1451                                                     !< aerosol species for a 
1452    REAL(wp), DIMENSION(0:nz+1,maxspec)   ::  pvf2b  !< and b-bins     
1453    REAL(wp), DIMENSION(0:nz+1)           ::  pvfOC1a !< mass fraction between
1454                                                     !< SO4 and OC in 1a
1455    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE   ::  pr_z
1456
1457    prunmode = 1
1458!
1459!-- Bin mean aerosol particle volume (m3)
1460    core(:) = 0.0_wp
1461    core(1:nbins) = api6 * aero(1:nbins)%dmid ** 3.0_wp
1462!   
1463!-- Set concentrations to zero
1464    nsect(:)     = 0.0_wp
1465    pndist(:,:)  = 0.0_wp
1466    pnf2a(:)     = nf2a   
1467    pvf2a(:,:)   = 0.0_wp
1468    pvf2b(:,:)   = 0.0_wp
1469    pvfOC1a(:)   = 0.0_wp
1470
1471    IF ( isdtyp == 1 )  THEN
1472!
1473!--    Read input profiles from PIDS_SALSA   
1474#if defined( __netcdf )
1475!   
1476!--    Location-dependent size distributions and compositions.     
1477       INQUIRE( FILE='PIDS_SALSA'// TRIM( coupling_char ), EXIST=netcdf_extend )
1478       IF ( netcdf_extend )  THEN
1479!
1480!--       Open file in read-only mode 
1481          CALL open_read_file( 'PIDS_SALSA' // TRIM( coupling_char ), id_faero )
1482!
1483!--       Input heights   
1484          CALL netcdf_data_input_get_dimension_length( id_faero, nz_file, "profile_z" ) 
1485         
1486          ALLOCATE( pr_z(nz_file), pr_mass_fracs_a(maxspec,nz_file),           &
1487                    pr_mass_fracs_b(maxspec,nz_file), pr_nsect(nbins,nz_file) ) 
1488          CALL get_variable( id_faero, 'profile_z', pr_z ) 
1489!       
1490!--       Mass fracs profile: 1: H2SO4 (sulphuric acid), 2: OC (organic carbon),
1491!--                           3: BC (black carbon),      4: DU (dust), 
1492!--                           5: SS (sea salt),          6: HNO3 (nitric acid),
1493!--                           7: NH3 (ammonia)         
1494          CALL get_variable( id_faero, "profile_mass_fracs_a", pr_mass_fracs_a,&
1495                             0, nz_file-1, 0, maxspec-1 )
1496          CALL get_variable( id_faero, "profile_mass_fracs_b", pr_mass_fracs_b,&
1497                             0, nz_file-1, 0, maxspec-1 )
1498          CALL get_variable( id_faero, "profile_nsect", pr_nsect, 0, nz_file-1,&
1499                             0, nbins-1 )                   
1500         
1501          kk = 1
1502          DO  k = nzb, nz+1
1503             IF ( kk < nz_file )  THEN
1504                DO  WHILE ( pr_z(kk+1) <= zu(k) )
1505                   kk = kk + 1
1506                   IF ( kk == nz_file )  EXIT
1507                ENDDO
1508             ENDIF
1509             IF ( kk < nz_file )  THEN
1510!             
1511!--             Set initial value for gas compound tracers and initial values
1512                pvf2a(k,:) = pr_mass_fracs_a(:,kk) + ( zu(k) - pr_z(kk) ) / (  &
1513                            pr_z(kk+1) - pr_z(kk) ) * ( pr_mass_fracs_a(:,kk+1)&
1514                            - pr_mass_fracs_a(:,kk) )   
1515                pvf2b(k,:) = pr_mass_fracs_b(:,kk) + ( zu(k) - pr_z(kk) ) / (  &
1516                            pr_z(kk+1) - pr_z(kk) ) * ( pr_mass_fracs_b(:,kk+1)&
1517                            - pr_mass_fracs_b(:,kk) )             
1518                pndist(k,:) = pr_nsect(:,kk) + ( zu(k) - pr_z(kk) ) / (        &
1519                              pr_z(kk+1) - pr_z(kk) ) * ( pr_nsect(:,kk+1) -   &
1520                              pr_nsect(:,kk) )
1521             ELSE
1522                pvf2a(k,:) = pr_mass_fracs_a(:,kk)       
1523                pvf2b(k,:) = pr_mass_fracs_b(:,kk)
1524                pndist(k,:) = pr_nsect(:,kk)
1525             ENDIF
1526             IF ( iso4 < 0 )  THEN
1527                pvf2a(k,1) = 0.0_wp
1528                pvf2b(k,1) = 0.0_wp
1529             ENDIF
1530             IF ( ioc < 0 )  THEN
1531                pvf2a(k,2) = 0.0_wp
1532                pvf2b(k,2) = 0.0_wp
1533             ENDIF
1534             IF ( ibc < 0 )  THEN
1535                pvf2a(k,3) = 0.0_wp
1536                pvf2b(k,3) = 0.0_wp
1537             ENDIF
1538             IF ( idu < 0 )  THEN
1539                pvf2a(k,4) = 0.0_wp
1540                pvf2b(k,4) = 0.0_wp
1541             ENDIF
1542             IF ( iss < 0 )  THEN
1543                pvf2a(k,5) = 0.0_wp
1544                pvf2b(k,5) = 0.0_wp
1545             ENDIF
1546             IF ( ino < 0 )  THEN
1547                pvf2a(k,6) = 0.0_wp
1548                pvf2b(k,6) = 0.0_wp
1549             ENDIF
1550             IF ( inh < 0 )  THEN
1551                pvf2a(k,7) = 0.0_wp
1552                pvf2b(k,7) = 0.0_wp
1553             ENDIF
1554!
1555!--          Then normalise the mass fraction so that SUM = 1
1556             pvf2a(k,:) = pvf2a(k,:) / SUM( pvf2a(k,:) )
1557             IF ( SUM( pvf2b(k,:) ) > 0.0_wp ) pvf2b(k,:) = pvf2b(k,:) /       &
1558                                                            SUM( pvf2b(k,:) )
1559          ENDDO         
1560          DEALLOCATE( pr_z, pr_mass_fracs_a, pr_mass_fracs_b, pr_nsect )
1561       ELSE
1562          message_string = 'Input file '// TRIM( 'PIDS_SALSA' ) //             &
1563                           TRIM( coupling_char ) // ' for SALSA missing!'
1564          CALL message( 'salsa_mod: aerosol_init', 'SA0032', 1, 2, 0, 6, 0 )               
1565       ENDIF   ! netcdf_extend   
1566#endif
1567 
1568    ELSEIF ( isdtyp == 0 )  THEN
1569!
1570!--    Mass fractions for species in a and b-bins
1571       IF ( iso4 > 0 )  THEN
1572          pvf2a(:,1) = mass_fracs_a(iso4) 
1573          pvf2b(:,1) = mass_fracs_b(iso4)
1574       ENDIF
1575       IF ( ioc > 0 )  THEN
1576          pvf2a(:,2) = mass_fracs_a(ioc)
1577          pvf2b(:,2) = mass_fracs_b(ioc) 
1578       ENDIF
1579       IF ( ibc > 0 )  THEN
1580          pvf2a(:,3) = mass_fracs_a(ibc) 
1581          pvf2b(:,3) = mass_fracs_b(ibc)
1582       ENDIF
1583       IF ( idu > 0 )  THEN
1584          pvf2a(:,4) = mass_fracs_a(idu)
1585          pvf2b(:,4) = mass_fracs_b(idu) 
1586       ENDIF
1587       IF ( iss > 0 )  THEN
1588          pvf2a(:,5) = mass_fracs_a(iss)
1589          pvf2b(:,5) = mass_fracs_b(iss) 
1590       ENDIF
1591       IF ( ino > 0 )  THEN
1592          pvf2a(:,6) = mass_fracs_a(ino)
1593          pvf2b(:,6) = mass_fracs_b(ino)
1594       ENDIF
1595       IF ( inh > 0 )  THEN
1596          pvf2a(:,7) = mass_fracs_a(inh)
1597          pvf2b(:,7) = mass_fracs_b(inh)
1598       ENDIF
1599       DO  k = nzb, nz+1
1600          pvf2a(k,:) = pvf2a(k,:) / SUM( pvf2a(k,:) )
1601          IF ( SUM( pvf2b(k,:) ) > 0.0_wp ) pvf2b(k,:) = pvf2b(k,:) /          &
1602                                                         SUM( pvf2b(k,:) )
1603       ENDDO
1604       
1605       CALL size_distribution( n_lognorm, dpg, sigmag, nsect )
1606!
1607!--    Normalize by the given total number concentration
1608       nsect = nsect * SUM( n_lognorm ) * 1.0E+6_wp / SUM( nsect )     
1609       DO  b = in1a, fn2b
1610          pndist(:,b) = nsect(b)
1611       ENDDO
1612    ENDIF
1613   
1614    IF ( igctyp == 1 )  THEN
1615!
1616!--    Read input profiles from PIDS_CHEM   
1617#if defined( __netcdf )
1618!   
1619!--    Location-dependent size distributions and compositions.     
1620       INQUIRE( FILE='PIDS_CHEM' // TRIM( coupling_char ), EXIST=netcdf_extend )
1621       IF ( netcdf_extend  .AND.  .NOT. salsa_gases_from_chem )  THEN
1622!
1623!--       Open file in read-only mode     
1624          CALL open_read_file( 'PIDS_CHEM' // TRIM( coupling_char ), id_fchem )
1625!
1626!--       Input heights   
1627          CALL netcdf_data_input_get_dimension_length( id_fchem, nz_file, "profile_z" ) 
1628          ALLOCATE( pr_z(nz_file), pr_gas(ngast,nz_file) ) 
1629          CALL get_variable( id_fchem, 'profile_z', pr_z ) 
1630!       
1631!--       Gases:
1632          CALL get_variable( id_fchem, "profile_H2SO4", pr_gas(1,:) )
1633          CALL get_variable( id_fchem, "profile_HNO3", pr_gas(2,:) )
1634          CALL get_variable( id_fchem, "profile_NH3", pr_gas(3,:) )
1635          CALL get_variable( id_fchem, "profile_OCNV", pr_gas(4,:) )
1636          CALL get_variable( id_fchem, "profile_OCSV", pr_gas(5,:) )
1637         
1638          kk = 1
1639          DO  k = nzb, nz+1
1640             IF ( kk < nz_file )  THEN
1641                DO  WHILE ( pr_z(kk+1) <= zu(k) )
1642                   kk = kk + 1
1643                   IF ( kk == nz_file )  EXIT
1644                ENDDO
1645             ENDIF
1646             IF ( kk < nz_file )  THEN
1647!             
1648!--             Set initial value for gas compound tracers and initial values
1649                DO  g = 1, ngast
1650                   salsa_gas(g)%init(k) =  pr_gas(g,kk) + ( zu(k) - pr_z(kk) ) &
1651                                           / ( pr_z(kk+1) - pr_z(kk) ) *       &
1652                                           ( pr_gas(g,kk+1) - pr_gas(g,kk) )
1653                   salsa_gas(g)%conc(k,:,:) = salsa_gas(g)%init(k)
1654                ENDDO
1655             ELSE
1656                DO  g = 1, ngast
1657                   salsa_gas(g)%init(k) =  pr_gas(g,kk) 
1658                   salsa_gas(g)%conc(k,:,:) = salsa_gas(g)%init(k)
1659                ENDDO
1660             ENDIF
1661          ENDDO
1662         
1663          DEALLOCATE( pr_z, pr_gas )
1664       ELSEIF ( .NOT. netcdf_extend  .AND.  .NOT.  salsa_gases_from_chem )  THEN
1665          message_string = 'Input file '// TRIM( 'PIDS_CHEM' ) //              &
1666                           TRIM( coupling_char ) // ' for SALSA missing!'
1667          CALL message( 'salsa_mod: aerosol_init', 'SA0033', 1, 2, 0, 6, 0 )               
1668       ENDIF   ! netcdf_extend     
1669#endif
1670
1671    ENDIF
1672
1673    IF ( ioc > 0  .AND.  iso4 > 0 )  THEN     
1674!--    Both are there, so use the given "massDistrA"
1675       pvfOC1a(:) = pvf2a(:,2) / ( pvf2a(:,2) + pvf2a(:,1) )  ! Normalize
1676    ELSEIF ( ioc > 0 )  THEN
1677!--    Pure organic carbon
1678       pvfOC1a(:) = 1.0_wp
1679    ELSEIF ( iso4 > 0 )  THEN
1680!--    Pure SO4
1681       pvfOC1a(:) = 0.0_wp   
1682    ELSE
1683       message_string = 'Either OC or SO4 must be active for aerosol region 1a!'
1684       CALL message( 'salsa_mod: aerosol_init', 'SA0021', 1, 2, 0, 6, 0 )
1685    ENDIF   
1686   
1687!
1688!-- Initialize concentrations
1689    DO  i = nxlg, nxrg
1690       DO  j = nysg, nyng
1691          DO  k = nzb, nzt+1
1692!
1693!--          Predetermine flag to mask topography         
1694             flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
1695!         
1696!--          a) Number concentrations
1697!--           Region 1:
1698             DO  b = in1a, fn1a
1699                aerosol_number(b)%conc(k,j,i) = pndist(k,b) * flag
1700                IF ( prunmode == 1 )  THEN
1701                   aerosol_number(b)%init = pndist(:,b)
1702                ENDIF
1703             ENDDO
1704!             
1705!--           Region 2:
1706             IF ( nreg > 1 )  THEN
1707                DO  b = in2a, fn2a
1708                   aerosol_number(b)%conc(k,j,i) = MAX( 0.0_wp, pnf2a(k) ) *   &
1709                                                    pndist(k,b) * flag
1710                   IF ( prunmode == 1 )  THEN
1711                      aerosol_number(b)%init = MAX( 0.0_wp, nf2a ) * pndist(:,b)
1712                   ENDIF
1713                ENDDO
1714                IF ( .NOT. no_insoluble )  THEN
1715                   DO  b = in2b, fn2b
1716                      IF ( pnf2a(k) < 1.0_wp )  THEN             
1717                         aerosol_number(b)%conc(k,j,i) = MAX( 0.0_wp, 1.0_wp   &
1718                                               - pnf2a(k) ) * pndist(k,b) * flag
1719                         IF ( prunmode == 1 )  THEN
1720                            aerosol_number(b)%init = MAX( 0.0_wp, 1.0_wp -     &
1721                                                          nf2a ) * pndist(:,b)
1722                         ENDIF
1723                      ENDIF
1724                   ENDDO
1725                ENDIF
1726             ENDIF
1727!
1728!--          b) Aerosol mass concentrations
1729!--             bin subrange 1: done here separately due to the SO4/OC convention
1730!--          SO4:
1731             IF ( iso4 > 0 )  THEN
1732                ss = ( iso4 - 1 ) * nbins + in1a !< start
1733                ee = ( iso4 - 1 ) * nbins + fn1a !< end
1734                b = in1a
1735                DO  c = ss, ee
1736                   aerosol_mass(c)%conc(k,j,i) = MAX( 0.0_wp, 1.0_wp -         &
1737                                                  pvfOC1a(k) ) * pndist(k,b) * &
1738                                                  core(b) * arhoh2so4 * flag
1739                   IF ( prunmode == 1 )  THEN
1740                      aerosol_mass(c)%init = MAX( 0.0_wp, 1.0_wp - MAXVAL(     &
1741                                             pvfOC1a ) ) * pndist(:,b) *       &
1742                                             core(b) * arhoh2so4
1743                   ENDIF
1744                   b = b+1
1745                ENDDO
1746             ENDIF
1747!--          OC:
1748             IF ( ioc > 0 ) THEN
1749                ss = ( ioc - 1 ) * nbins + in1a !< start
1750                ee = ( ioc - 1 ) * nbins + fn1a !< end
1751                b = in1a
1752                DO  c = ss, ee
1753                   aerosol_mass(c)%conc(k,j,i) = MAX( 0.0_wp, pvfOC1a(k) ) *   &
1754                                           pndist(k,b) * core(b) * arhooc * flag
1755                   IF ( prunmode == 1 )  THEN
1756                      aerosol_mass(c)%init = MAX( 0.0_wp, MAXVAL( pvfOC1a ) )  &
1757                                             * pndist(:,b) *  core(b) * arhooc
1758                   ENDIF
1759                   b = b+1
1760                ENDDO
1761             ENDIF
1762             
1763             prunmode = 3  ! Init only once
1764 
1765          ENDDO !< k
1766       ENDDO !< j
1767    ENDDO !< i
1768   
1769!
1770!-- c) Aerosol mass concentrations
1771!--    bin subrange 2:
1772    IF ( nreg > 1 ) THEN
1773   
1774       IF ( iso4 > 0 ) THEN
1775          CALL set_aero_mass( iso4, pvf2a(:,1), pvf2b(:,1), pnf2a, pndist,     &
1776                              core, arhoh2so4 )
1777       ENDIF
1778       IF ( ioc > 0 ) THEN
1779          CALL set_aero_mass( ioc, pvf2a(:,2), pvf2b(:,2), pnf2a, pndist, core,&
1780                              arhooc )
1781       ENDIF
1782       IF ( ibc > 0 ) THEN
1783          CALL set_aero_mass( ibc, pvf2a(:,3), pvf2b(:,3), pnf2a, pndist, core,&
1784                              arhobc )
1785       ENDIF
1786       IF ( idu > 0 ) THEN
1787          CALL set_aero_mass( idu, pvf2a(:,4), pvf2b(:,4), pnf2a, pndist, core,&
1788                              arhodu )
1789       ENDIF
1790       IF ( iss > 0 ) THEN
1791          CALL set_aero_mass( iss, pvf2a(:,5), pvf2b(:,5), pnf2a, pndist, core,&
1792                              arhoss )
1793       ENDIF
1794       IF ( ino > 0 ) THEN
1795          CALL set_aero_mass( ino, pvf2a(:,6), pvf2b(:,6), pnf2a, pndist, core,&
1796                              arhohno3 )
1797       ENDIF
1798       IF ( inh > 0 ) THEN
1799          CALL set_aero_mass( inh, pvf2a(:,7), pvf2b(:,7), pnf2a, pndist, core,&
1800                              arhonh3 )
1801       ENDIF
1802
1803    ENDIF
1804   
1805 END SUBROUTINE aerosol_init
1806 
1807!------------------------------------------------------------------------------!
1808! Description:
1809! ------------
1810!> Create a lognormal size distribution and discretise to a sectional
1811!> representation.
1812!------------------------------------------------------------------------------!
1813 SUBROUTINE size_distribution( in_ntot, in_dpg, in_sigma, psd_sect )
1814   
1815    IMPLICIT NONE
1816   
1817!-- Log-normal size distribution: modes   
1818    REAL(wp), DIMENSION(:), INTENT(in) ::  in_dpg    !< geometric mean diameter
1819                                                     !< (micrometres)
1820    REAL(wp), DIMENSION(:), INTENT(in) ::  in_ntot   !< number conc. (#/cm3)
1821    REAL(wp), DIMENSION(:), INTENT(in) ::  in_sigma  !< standard deviation
1822    REAL(wp), DIMENSION(:), INTENT(inout) ::  psd_sect !< sectional size
1823                                                       !< distribution
1824    INTEGER(iwp) ::  b          !< running index: bin
1825    INTEGER(iwp) ::  ib         !< running index: iteration
1826    REAL(wp) ::  d1             !< particle diameter (m, dummy)
1827    REAL(wp) ::  d2             !< particle diameter (m, dummy)
1828    REAL(wp) ::  delta_d        !< (d2-d1)/10                                                     
1829    REAL(wp) ::  deltadp        !< bin width
1830    REAL(wp) ::  dmidi          !< ( d1 + d2 ) / 2
1831   
1832    DO  b = in1a, fn2b !< aerosol size bins
1833       psd_sect(b) = 0.0_wp
1834!--    Particle diameter at the low limit (largest in the bin) (m)
1835       d1 = ( aero(b)%vlolim / api6 ) ** ( 1.0_wp / 3.0_wp )
1836!--    Particle diameter at the high limit (smallest in the bin) (m)
1837       d2 = ( aero(b)%vhilim / api6 ) ** ( 1.0_wp / 3.0_wp )
1838!--    Span of particle diameter in a bin (m)
1839       delta_d = ( d2 - d1 ) / 10.0_wp
1840!--    Iterate:             
1841       DO  ib = 1, 10
1842          d1 = ( aero(b)%vlolim / api6 ) ** ( 1.0_wp / 3.0_wp ) + ( ib - 1)    &
1843               * delta_d
1844          d2 = d1 + delta_d
1845          dmidi = ( d1 + d2 ) / 2.0_wp
1846          deltadp = LOG10( d2 / d1 )
1847         
1848!--       Size distribution
1849!--       in_ntot = total number, total area, or total volume concentration
1850!--       in_dpg = geometric-mean number, area, or volume diameter
1851!--       n(k) = number, area, or volume concentration in a bin
1852!--       n_lognorm and dpg converted to units of #/m3 and m
1853          psd_sect(b) = psd_sect(b) + SUM( in_ntot * 1.0E+6_wp * deltadp /     &
1854                     ( SQRT( 2.0_wp * pi ) * LOG10( in_sigma ) ) *             &
1855                     EXP( -LOG10( dmidi / ( 1.0E-6_wp * in_dpg ) )**2.0_wp /   &
1856                     ( 2.0_wp * LOG10( in_sigma ) ** 2.0_wp ) ) )
1857 
1858       ENDDO
1859    ENDDO
1860   
1861 END SUBROUTINE size_distribution
1862
1863!------------------------------------------------------------------------------!
1864! Description:
1865! ------------
1866!> Sets the mass concentrations to aerosol arrays in 2a and 2b.
1867!>
1868!> Tomi Raatikainen, FMI, 29.2.2016
1869!------------------------------------------------------------------------------!
1870 SUBROUTINE set_aero_mass( ispec, ppvf2a, ppvf2b, ppnf2a, ppndist, pcore, prho )
1871   
1872    IMPLICIT NONE
1873
1874    INTEGER(iwp), INTENT(in) :: ispec  !< Aerosol species index
1875    REAL(wp), INTENT(in) ::  pcore(nbins) !< Aerosol bin mid core volume   
1876    REAL(wp), INTENT(in) ::  ppndist(0:nz+1,nbins) !< Aerosol size distribution
1877    REAL(wp), INTENT(in) ::  ppnf2a(0:nz+1) !< Number fraction for 2a   
1878    REAL(wp), INTENT(in) ::  ppvf2a(0:nz+1) !< Mass distributions for a
1879    REAL(wp), INTENT(in) ::  ppvf2b(0:nz+1) !< and b bins   
1880    REAL(wp), INTENT(in) ::  prho !< Aerosol density
1881    INTEGER(iwp) ::  b  !< loop index
1882    INTEGER(iwp) ::  c  !< loop index       
1883    INTEGER(iwp) ::  ee !< index: end
1884    INTEGER(iwp) ::  i  !< loop index
1885    INTEGER(iwp) ::  j  !< loop index
1886    INTEGER(iwp) ::  k  !< loop index
1887    INTEGER(iwp) ::  prunmode  !< 1 = initialise
1888    INTEGER(iwp) ::  ss !< index: start
1889    REAL(wp) ::  flag   !< flag to mask topography grid points
1890   
1891    prunmode = 1
1892   
1893    DO i = nxlg, nxrg
1894       DO j = nysg, nyng
1895          DO k = nzb, nzt+1 
1896!
1897!--          Predetermine flag to mask topography
1898             flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) ) 
1899!             
1900!--          Regime 2a:
1901             ss = ( ispec - 1 ) * nbins + in2a
1902             ee = ( ispec - 1 ) * nbins + fn2a
1903             b = in2a
1904             DO c = ss, ee
1905                aerosol_mass(c)%conc(k,j,i) = MAX( 0.0_wp, ppvf2a(k) ) *       &
1906                               ppnf2a(k) * ppndist(k,b) * pcore(b) * prho * flag
1907                IF ( prunmode == 1 )  THEN
1908                   aerosol_mass(c)%init = MAX( 0.0_wp, MAXVAL( ppvf2a(:) ) ) * &
1909                                          MAXVAL( ppnf2a ) * pcore(b) * prho * &
1910                                          MAXVAL( ppndist(:,b) ) 
1911                ENDIF
1912                b = b+1
1913             ENDDO
1914!--          Regime 2b:
1915             IF ( .NOT. no_insoluble )  THEN
1916                ss = ( ispec - 1 ) * nbins + in2b
1917                ee = ( ispec - 1 ) * nbins + fn2b
1918                b = in2a
1919                DO c = ss, ee
1920                   aerosol_mass(c)%conc(k,j,i) = MAX( 0.0_wp, ppvf2b(k) ) * (  &
1921                                         1.0_wp - ppnf2a(k) ) * ppndist(k,b) * &
1922                                         pcore(b) * prho * flag
1923                   IF ( prunmode == 1 )  THEN
1924                      aerosol_mass(c)%init = MAX( 0.0_wp, MAXVAL( ppvf2b(:) ) )&
1925                                        * ( 1.0_wp - MAXVAL( ppnf2a ) ) *      &
1926                                        MAXVAL( ppndist(:,b) ) * pcore(b) * prho
1927                   ENDIF
1928                   b = b+1
1929                ENDDO
1930             ENDIF
1931             prunmode = 3  ! Init only once
1932          ENDDO
1933       ENDDO
1934    ENDDO
1935 END SUBROUTINE set_aero_mass
1936
1937!------------------------------------------------------------------------------!
1938! Description:
1939! ------------
1940!> Swapping of timelevels
1941!------------------------------------------------------------------------------!
1942 SUBROUTINE salsa_swap_timelevel( mod_count )
1943
1944    IMPLICIT NONE
1945
1946    INTEGER(iwp), INTENT(IN) ::  mod_count  !<
1947    INTEGER(iwp) ::  b  !<   
1948    INTEGER(iwp) ::  c  !<   
1949    INTEGER(iwp) ::  cc !<
1950    INTEGER(iwp) ::  g  !<
1951
1952!
1953!-- Example for prognostic variable "prog_var"
1954#if defined( __nopointer )
1955    IF ( myid == 0 )  THEN
1956       message_string =  ' SALSA runs only with POINTER Version'
1957       CALL message( 'salsa_swap_timelevel', 'SA0022', 1, 2, 0, 6, 0 )
1958    ENDIF
1959#else
1960   
1961    SELECT CASE ( mod_count )
1962
1963       CASE ( 0 )
1964
1965          DO  b = 1, nbins
1966             aerosol_number(b)%conc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)   =>        &
1967                nconc_1(:,:,:,b)
1968             aerosol_number(b)%conc_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) =>        &
1969                nconc_2(:,:,:,b)
1970             DO  c = 1, ncc_tot
1971                cc = ( c-1 ) * nbins + b  ! required due to possible Intel18 bug
1972                aerosol_mass(cc)%conc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)   =>      &
1973                   mconc_1(:,:,:,cc)
1974                aerosol_mass(cc)%conc_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) =>      &
1975                   mconc_2(:,:,:,cc)
1976             ENDDO
1977          ENDDO
1978         
1979          IF ( .NOT. salsa_gases_from_chem )  THEN
1980             DO  g = 1, ngast
1981                salsa_gas(g)%conc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)   =>          &
1982                   gconc_1(:,:,:,g)
1983                salsa_gas(g)%conc_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) =>          &
1984                   gconc_2(:,:,:,g)
1985             ENDDO
1986          ENDIF
1987
1988       CASE ( 1 )
1989
1990          DO  b = 1, nbins
1991             aerosol_number(b)%conc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)   =>        &
1992                nconc_2(:,:,:,b)
1993             aerosol_number(b)%conc_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) =>        &
1994                nconc_1(:,:,:,b)
1995             DO  c = 1, ncc_tot
1996                cc = ( c-1 ) * nbins + b  ! required due to possible Intel18 bug
1997                aerosol_mass(cc)%conc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)   =>      &
1998                   mconc_2(:,:,:,cc)
1999                aerosol_mass(cc)%conc_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) =>      &
2000                   mconc_1(:,:,:,cc)
2001             ENDDO
2002          ENDDO
2003         
2004          IF ( .NOT. salsa_gases_from_chem )  THEN
2005             DO  g = 1, ngast
2006                salsa_gas(g)%conc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)   =>          &
2007                   gconc_2(:,:,:,g)
2008                salsa_gas(g)%conc_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) =>          &
2009                   gconc_1(:,:,:,g)
2010             ENDDO
2011          ENDIF
2012
2013    END SELECT
2014#endif
2015
2016 END SUBROUTINE salsa_swap_timelevel
2017
2018
2019!------------------------------------------------------------------------------!
2020! Description:
2021! ------------
2022!> This routine reads the respective restart data.
2023!------------------------------------------------------------------------------!
2024 SUBROUTINE salsa_rrd_local 
2025
2026   
2027    IMPLICIT NONE
2028   
2029    CHARACTER (LEN=20) :: field_char   !<
2030    INTEGER(iwp) ::  b  !<   
2031    INTEGER(iwp) ::  c  !<
2032    INTEGER(iwp) ::  g  !<
2033    INTEGER(iwp) ::  i  !<
2034    INTEGER(iwp) ::  j  !<
2035    INTEGER(iwp) ::  k  !<   
2036   
2037    IF ( read_restart_data_salsa )  THEN
2038       READ ( 13 )  field_char
2039
2040       DO  WHILE ( TRIM( field_char ) /= '*** end salsa ***' )
2041       
2042          DO b = 1, nbins
2043             READ ( 13 )  aero(b)%vlolim
2044             READ ( 13 )  aero(b)%vhilim
2045             READ ( 13 )  aero(b)%dmid
2046             READ ( 13 )  aero(b)%vratiohi
2047             READ ( 13 )  aero(b)%vratiolo
2048          ENDDO
2049
2050          DO  i = nxl, nxr
2051             DO  j = nys, nyn
2052                DO k = nzb+1, nzt
2053                   DO  b = 1, nbins
2054                      READ ( 13 )  aerosol_number(b)%conc(k,j,i)
2055                      DO  c = 1, ncc_tot
2056                         READ ( 13 )  aerosol_mass((c-1)*nbins+b)%conc(k,j,i)
2057                      ENDDO
2058                   ENDDO
2059                   IF ( .NOT. salsa_gases_from_chem )  THEN
2060                      DO  g = 1, ngast
2061                         READ ( 13 )  salsa_gas(g)%conc(k,j,i)
2062                      ENDDO
2063                   ENDIF
2064                ENDDO
2065             ENDDO
2066          ENDDO
2067
2068          READ ( 13 )  field_char
2069
2070       ENDDO
2071       
2072    ENDIF
2073
2074 END SUBROUTINE salsa_rrd_local
2075   
2076
2077!------------------------------------------------------------------------------!
2078! Description:
2079! ------------
2080!> This routine writes the respective restart data.
2081!> Note that the following input variables in PARIN have to be equal between
2082!> restart runs:
2083!>    listspec, nbin, nbin2, nf2a, ncc, mass_fracs_a, mass_fracs_b
2084!------------------------------------------------------------------------------!
2085 SUBROUTINE salsa_wrd_local
2086
2087    IMPLICIT NONE
2088   
2089    INTEGER(iwp) ::  b  !<   
2090    INTEGER(iwp) ::  c  !<
2091    INTEGER(iwp) ::  g  !<
2092    INTEGER(iwp) ::  i  !<
2093    INTEGER(iwp) ::  j  !<
2094    INTEGER(iwp) ::  k  !<
2095   
2096    IF ( write_binary  .AND.  write_binary_salsa )  THEN
2097       
2098       DO b = 1, nbins
2099          WRITE ( 14 )  aero(b)%vlolim
2100          WRITE ( 14 )  aero(b)%vhilim
2101          WRITE ( 14 )  aero(b)%dmid
2102          WRITE ( 14 )  aero(b)%vratiohi
2103          WRITE ( 14 )  aero(b)%vratiolo
2104       ENDDO
2105       
2106       DO  i = nxl, nxr
2107          DO  j = nys, nyn
2108             DO  k = nzb+1, nzt
2109                DO  b = 1, nbins
2110                   WRITE ( 14 )  aerosol_number(b)%conc(k,j,i)
2111                   DO  c = 1, ncc_tot
2112                      WRITE ( 14 )  aerosol_mass((c-1)*nbins+b)%conc(k,j,i)
2113                   ENDDO
2114                ENDDO
2115                IF ( .NOT. salsa_gases_from_chem )  THEN
2116                   DO  g = 1, ngast
2117                      WRITE ( 14 )  salsa_gas(g)%conc(k,j,i)
2118                   ENDDO
2119                ENDIF
2120             ENDDO
2121          ENDDO
2122       ENDDO
2123       
2124       WRITE ( 14 )  '*** end salsa ***   '
2125         
2126    ENDIF
2127       
2128 END SUBROUTINE salsa_wrd_local   
2129
2130
2131!------------------------------------------------------------------------------!
2132! Description:
2133! ------------
2134!> Performs necessary unit and dimension conversion between the host model and
2135!> SALSA module, and calls the main SALSA routine.
2136!> Partially adobted form the original SALSA boxmodel version.
2137!> Now takes masses in as kg/kg from LES!! Converted to m3/m3 for SALSA
2138!> 05/2016 Juha: This routine is still pretty much in its original shape.
2139!>               It's dumb as a mule and twice as ugly, so implementation of
2140!>               an improved solution is necessary sooner or later.
2141!> Juha Tonttila, FMI, 2014
2142!> Jaakko Ahola, FMI, 2016
2143!> Only aerosol processes included, Mona Kurppa, UHel, 2017
2144!------------------------------------------------------------------------------!
2145 SUBROUTINE salsa_driver( i, j, prunmode )
2146
2147    USE arrays_3d,                                                             &
2148        ONLY: pt_p, q_p, rho_air_zw, u, v, w
2149       
2150    USE plant_canopy_model_mod,                                                &
2151        ONLY: lad_s
2152       
2153    USE surface_mod,                                                           &
2154        ONLY:  surf_def_h, surf_def_v, surf_lsm_h, surf_lsm_v, surf_usm_h,     &
2155               surf_usm_v
2156 
2157    IMPLICIT NONE
2158   
2159    INTEGER(iwp), INTENT(in) ::  i   !< loop index
2160    INTEGER(iwp), INTENT(in) ::  j   !< loop index
2161    INTEGER(iwp), INTENT(in) ::  prunmode !< 1: Initialization call
2162                                          !< 2: Spinup period call
2163                                          !< 3: Regular runtime call
2164!-- Local variables
2165    TYPE(t_section), DIMENSION(fn2b) ::  aero_old !< helper array
2166    INTEGER(iwp) ::  bb     !< loop index
2167    INTEGER(iwp) ::  cc     !< loop index
2168    INTEGER(iwp) ::  endi   !< end index
2169    INTEGER(iwp) ::  k_wall !< vertical index of topography top
2170    INTEGER(iwp) ::  k      !< loop index
2171    INTEGER(iwp) ::  l      !< loop index
2172    INTEGER(iwp) ::  nc_h2o !< index of H2O in the prtcl index table
2173    INTEGER(iwp) ::  ss     !< loop index
2174    INTEGER(iwp) ::  str    !< start index
2175    INTEGER(iwp) ::  vc     !< default index in prtcl
2176    REAL(wp) ::  cw_old     !< previous H2O mixing ratio
2177    REAL(wp) ::  flag       !< flag to mask topography grid points
2178    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  in_adn !< air density (kg/m3)   
2179    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  in_cs  !< H2O sat. vapour conc.
2180    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  in_cw  !< H2O vapour concentration
2181    REAL(wp) ::  in_lad                       !< leaf area density (m2/m3)
2182    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  in_p   !< pressure (Pa)     
2183    REAL(wp) ::  in_rh                        !< relative humidity                     
2184    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  in_t   !< temperature (K)
2185    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  in_u   !< wind magnitude (m/s)
2186    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  kvis   !< kinematic viscosity of air(m2/s)                                           
2187    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1,fn2b) ::  Sc      !< particle Schmidt number   
2188    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1,fn2b) ::  vd      !< particle fall seed (m/s,
2189                                                    !< sedimentation velocity)
2190    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  ppm_to_nconc !< Conversion factor
2191                                                    !< from ppm to #/m3                                                     
2192    REAL(wp) ::  zgso4  !< SO4
2193    REAL(wp) ::  zghno3 !< HNO3
2194    REAL(wp) ::  zgnh3  !< NH3
2195    REAL(wp) ::  zgocnv !< non-volatile OC
2196    REAL(wp) ::  zgocsv !< semi-volatile OC
2197   
2198    aero_old(:)%numc = 0.0_wp
2199    in_adn           = 0.0_wp   
2200    in_cs            = 0.0_wp
2201    in_cw            = 0.0_wp 
2202    in_lad           = 0.0_wp
2203    in_rh            = 0.0_wp
2204    in_p             = 0.0_wp 
2205    in_t             = 0.0_wp 
2206    in_u             = 0.0_wp
2207    kvis             = 0.0_wp
2208    Sc               = 0.0_wp
2209    vd               = 0.0_wp
2210    ppm_to_nconc     = 1.0_wp
2211    zgso4            = nclim
2212    zghno3           = nclim
2213    zgnh3            = nclim
2214    zgocnv           = nclim
2215    zgocsv           = nclim
2216   
2217!       
2218!-- Aerosol number is always set, but mass can be uninitialized
2219    DO cc = 1, nbins
2220       aero(cc)%volc     = 0.0_wp
2221       aero_old(cc)%volc = 0.0_wp
2222    ENDDO
2223!   
2224!-- Set the salsa runtime config (How to make this more efficient?)
2225    CALL set_salsa_runtime( prunmode )
2226!             
2227!-- Calculate thermodynamic quantities needed in SALSA
2228    CALL salsa_thrm_ij( i, j, p_ij=in_p, temp_ij=in_t, cw_ij=in_cw,            &
2229                        cs_ij=in_cs, adn_ij=in_adn )
2230!
2231!-- Magnitude of wind: needed for deposition
2232    IF ( lsdepo )  THEN
2233       in_u(nzb+1:nzt) = SQRT(                                                 &
2234                   ( 0.5_wp * ( u(nzb+1:nzt,j,i) + u(nzb+1:nzt,j,i+1) ) )**2 + & 
2235                   ( 0.5_wp * ( v(nzb+1:nzt,j,i) + v(nzb+1:nzt,j+1,i) ) )**2 + &
2236                   ( 0.5_wp * ( w(nzb:nzt-1,j,i) + w(nzb+1:nzt,j,  i) ) )**2 )
2237    ENDIF
2238!
2239!-- Calculate conversion factors for gas concentrations
2240    ppm_to_nconc = for_ppm_to_nconc * in_p / in_t
2241!
2242!-- Determine topography-top index on scalar grid
2243    k_wall = MAXLOC( MERGE( 1, 0, BTEST( wall_flags_0(:,j,i), 12 ) ),          &
2244                     DIM = 1 ) - 1     
2245               
2246    DO k = nzb+1, nzt
2247!
2248!--    Predetermine flag to mask topography
2249       flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
2250!       
2251!--    Do not run inside buildings       
2252       IF ( flag == 0.0_wp )  CYCLE   
2253!
2254!--    Wind velocity for dry depositon on vegetation   
2255       IF ( lsdepo_vege  .AND.  plant_canopy  )  THEN
2256          in_lad = lad_s(k-k_wall,j,i)
2257       ENDIF       
2258!
2259!--    For initialization and spinup, limit the RH with the parameter rhlim
2260       IF ( prunmode < 3 ) THEN
2261          in_cw(k) = MIN( in_cw(k), in_cs(k) * rhlim )
2262       ELSE
2263          in_cw(k) = in_cw(k)
2264       ENDIF
2265       cw_old = in_cw(k) !* in_adn(k)
2266!               
2267!--    Set volume concentrations:
2268!--    Sulphate (SO4) or sulphuric acid H2SO4
2269       IF ( iso4 > 0 )  THEN
2270          vc = 1
2271          str = ( iso4-1 ) * nbins + 1    ! start index
2272          endi = iso4 * nbins             ! end index
2273          cc = 1
2274          DO ss = str, endi
2275             aero(cc)%volc(vc) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) / arhoh2so4
2276             cc = cc+1
2277          ENDDO
2278          aero_old(1:nbins)%volc(vc) = aero(1:nbins)%volc(vc)
2279       ENDIF
2280       
2281!--    Organic carbon (OC) compounds
2282       IF ( ioc > 0 )  THEN
2283          vc = 2
2284          str = ( ioc-1 ) * nbins + 1
2285          endi = ioc * nbins
2286          cc = 1
2287          DO ss = str, endi
2288             aero(cc)%volc(vc) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) / arhooc
2289             cc = cc+1
2290          ENDDO
2291          aero_old(1:nbins)%volc(vc) = aero(1:nbins)%volc(vc)
2292       ENDIF
2293       
2294!--    Black carbon (BC)
2295       IF ( ibc > 0 )  THEN
2296          vc = 3
2297          str = ( ibc-1 ) * nbins + 1 + fn1a
2298          endi = ibc * nbins
2299          cc = 1 + fn1a
2300          DO ss = str, endi
2301             aero(cc)%volc(vc) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) / arhobc
2302             cc = cc+1
2303          ENDDO                   
2304          aero_old(1:nbins)%volc(vc) = aero(1:nbins)%volc(vc)
2305       ENDIF
2306
2307!--    Dust (DU)
2308       IF ( idu > 0 )  THEN
2309          vc = 4
2310          str = ( idu-1 ) * nbins + 1 + fn1a
2311          endi = idu * nbins
2312          cc = 1 + fn1a
2313          DO ss = str, endi
2314             aero(cc)%volc(vc) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) / arhodu
2315             cc = cc+1
2316          ENDDO
2317          aero_old(1:nbins)%volc(vc) = aero(1:nbins)%volc(vc)
2318       ENDIF
2319
2320!--    Sea salt (SS)
2321       IF ( iss > 0 )  THEN
2322          vc = 5
2323          str = ( iss-1 ) * nbins + 1 + fn1a
2324          endi = iss * nbins
2325          cc = 1 + fn1a
2326          DO ss = str, endi
2327             aero(cc)%volc(vc) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) / arhoss 
2328             cc = cc+1
2329          ENDDO
2330          aero_old(1:nbins)%volc(vc) = aero(1:nbins)%volc(vc)
2331       ENDIF
2332
2333!--    Nitrate (NO(3-)) or nitric acid HNO3
2334       IF ( ino > 0 )  THEN
2335          vc = 6
2336          str = ( ino-1 ) * nbins + 1 
2337          endi = ino * nbins
2338          cc = 1
2339          DO ss = str, endi
2340             aero(cc)%volc(vc) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) / arhohno3
2341             cc = cc+1
2342          ENDDO
2343          aero_old(1:nbins)%volc(vc) = aero(1:nbins)%volc(vc)
2344       ENDIF
2345
2346!--    Ammonium (NH(4+)) or ammonia NH3
2347       IF ( inh > 0 )  THEN
2348          vc = 7
2349          str = ( inh-1 ) * nbins + 1
2350          endi = inh * nbins
2351          cc = 1
2352          DO ss = str, endi
2353             aero(cc)%volc(vc) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) / arhonh3 
2354             cc = cc+1
2355          ENDDO
2356          aero_old(1:nbins)%volc(vc) = aero(1:nbins)%volc(vc)
2357       ENDIF
2358
2359!--    Water (always used)
2360       nc_h2o = get_index( prtcl,'H2O' )
2361       vc = 8
2362       str = ( nc_h2o-1 ) * nbins + 1
2363       endi = nc_h2o * nbins
2364       cc = 1
2365       IF ( advect_particle_water )  THEN
2366          DO ss = str, endi
2367             aero(cc)%volc(vc) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) / arhoh2o
2368             cc = cc+1
2369          ENDDO
2370       ELSE
2371         aero(1:nbins)%volc(vc) = mclim
2372       ENDIF
2373       aero_old(1:nbins)%volc(vc) = aero(1:nbins)%volc(vc)
2374!
2375!--    Number concentrations (numc) and particle sizes
2376!--    (dwet = wet diameter, core = dry volume)
2377       DO  bb = 1, nbins
2378          aero(bb)%numc = aerosol_number(bb)%conc(k,j,i) 
2379          aero_old(bb)%numc = aero(bb)%numc
2380          IF ( aero(bb)%numc > nclim )  THEN
2381             aero(bb)%dwet = ( SUM( aero(bb)%volc(:) ) / aero(bb)%numc / api6 )&
2382                                **( 1.0_wp / 3.0_wp )
2383             aero(bb)%core = SUM( aero(bb)%volc(1:7) ) / aero(bb)%numc
2384          ELSE
2385             aero(bb)%dwet = aero(bb)%dmid
2386             aero(bb)%core = api6 * ( aero(bb)%dwet ) ** 3.0_wp
2387          ENDIF
2388       ENDDO
2389!       
2390!--    On EACH call of salsa_driver, calculate the ambient sizes of
2391!--    particles by equilibrating soluble fraction of particles with water
2392!--    using the ZSR method.
2393       in_rh = in_cw(k) / in_cs(k)
2394       IF ( prunmode==1  .OR.  .NOT. advect_particle_water )  THEN
2395          CALL equilibration( in_rh, in_t(k), aero, .TRUE. )
2396       ENDIF
2397!
2398!--    Gaseous tracer concentrations in #/m3
2399       IF ( salsa_gases_from_chem )  THEN       
2400!       
2401!--       Convert concentrations in ppm to #/m3
2402          zgso4  = chem_species(gas_index_chem(1))%conc(k,j,i) * ppm_to_nconc(k)
2403          zghno3 = chem_species(gas_index_chem(2))%conc(k,j,i) * ppm_to_nconc(k)
2404          zgnh3  = chem_species(gas_index_chem(3))%conc(k,j,i) * ppm_to_nconc(k)
2405          zgocnv = chem_species(gas_index_chem(4))%conc(k,j,i) * ppm_to_nconc(k)     
2406          zgocsv = chem_species(gas_index_chem(5))%conc(k,j,i) * ppm_to_nconc(k)                 
2407       ELSE
2408          zgso4  = salsa_gas(1)%conc(k,j,i) 
2409          zghno3 = salsa_gas(2)%conc(k,j,i) 
2410          zgnh3  = salsa_gas(3)%conc(k,j,i) 
2411          zgocnv = salsa_gas(4)%conc(k,j,i) 
2412          zgocsv = salsa_gas(5)%conc(k,j,i)
2413       ENDIF   
2414!
2415!--    ***************************************!
2416!--                   Run SALSA               !
2417!--    ***************************************!
2418       CALL run_salsa( in_p(k), in_cw(k), in_cs(k), in_t(k), in_u(k),          &
2419                       in_adn(k), in_lad, zgso4, zgocnv, zgocsv, zghno3, zgnh3,&
2420                       aero, prtcl, kvis(k), Sc(k,:), vd(k,:), dt_salsa )
2421!--    ***************************************!
2422       IF ( lsdepo ) sedim_vd(k,j,i,:) = vd(k,:)
2423!                           
2424!--    Calculate changes in concentrations
2425       DO bb = 1, nbins
2426          aerosol_number(bb)%conc(k,j,i) = aerosol_number(bb)%conc(k,j,i)      &
2427                                 +  ( aero(bb)%numc - aero_old(bb)%numc ) * flag
2428       ENDDO
2429       
2430       IF ( iso4 > 0 )  THEN
2431          vc = 1
2432          str = ( iso4-1 ) * nbins + 1
2433          endi = iso4 * nbins
2434          cc = 1
2435          DO ss = str, endi
2436             aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i)       &
2437                               + ( aero(cc)%volc(vc) - aero_old(cc)%volc(vc) ) &
2438                               * arhoh2so4 * flag
2439             cc = cc+1
2440          ENDDO
2441       ENDIF
2442       
2443       IF ( ioc > 0 )  THEN
2444          vc = 2
2445          str = ( ioc-1 ) * nbins + 1
2446          endi = ioc * nbins
2447          cc = 1
2448          DO ss = str, endi
2449             aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i)       &
2450                               + ( aero(cc)%volc(vc) - aero_old(cc)%volc(vc) ) &
2451                               * arhooc * flag
2452             cc = cc+1
2453          ENDDO
2454       ENDIF
2455       
2456       IF ( ibc > 0 )  THEN
2457          vc = 3
2458          str = ( ibc-1 ) * nbins + 1 + fn1a
2459          endi = ibc * nbins
2460          cc = 1 + fn1a
2461          DO ss = str, endi
2462             aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i)       &
2463                               + ( aero(cc)%volc(vc) - aero_old(cc)%volc(vc) ) &
2464                               * arhobc * flag
2465             cc = cc+1
2466          ENDDO
2467       ENDIF
2468       
2469       IF ( idu > 0 )  THEN
2470          vc = 4
2471          str = ( idu-1 ) * nbins + 1 + fn1a
2472          endi = idu * nbins
2473          cc = 1 + fn1a
2474          DO ss = str, endi
2475             aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i)       &
2476                               + ( aero(cc)%volc(vc) - aero_old(cc)%volc(vc) ) &
2477                               * arhodu * flag
2478             cc = cc+1
2479          ENDDO
2480       ENDIF
2481       
2482       IF ( iss > 0 )  THEN
2483          vc = 5
2484          str = ( iss-1 ) * nbins + 1 + fn1a
2485          endi = iss * nbins
2486          cc = 1 + fn1a
2487          DO ss = str, endi
2488             aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i)       &
2489                               + ( aero(cc)%volc(vc) - aero_old(cc)%volc(vc) ) &
2490                               * arhoss * flag
2491             cc = cc+1
2492          ENDDO
2493       ENDIF
2494       
2495       IF ( ino > 0 )  THEN
2496          vc = 6
2497          str = ( ino-1 ) * nbins + 1
2498          endi = ino * nbins
2499          cc = 1
2500          DO ss = str, endi
2501             aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i)       &
2502                               + ( aero(cc)%volc(vc) - aero_old(cc)%volc(vc) ) &
2503                               * arhohno3 * flag
2504             cc = cc+1
2505          ENDDO
2506       ENDIF
2507       
2508       IF ( inh > 0 )  THEN
2509          vc = 7
2510          str = ( ino-1 ) * nbins + 1
2511          endi = ino * nbins
2512          cc = 1
2513          DO ss = str, endi
2514             aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i)       &
2515                               + ( aero(cc)%volc(vc) - aero_old(cc)%volc(vc) ) &
2516                               * arhonh3 * flag
2517             cc = cc+1
2518          ENDDO
2519       ENDIF
2520       
2521       IF ( advect_particle_water )  THEN
2522          nc_h2o = get_index( prtcl,'H2O' )
2523          vc = 8
2524          str = ( nc_h2o-1 ) * nbins + 1
2525          endi = nc_h2o * nbins
2526          cc = 1
2527          DO ss = str, endi
2528             aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i)       &
2529                               + ( aero(cc)%volc(vc) - aero_old(cc)%volc(vc) ) &
2530                               * arhoh2o * flag
2531             IF ( prunmode == 1 )  THEN
2532                aerosol_mass(ss)%init(k) = MAX( aerosol_mass(ss)%init(k),      &
2533                                               aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) )
2534             ENDIF
2535             cc = cc+1                             
2536          ENDDO
2537       ENDIF
2538
2539!--    Condensation of precursor gases
2540       IF ( lscndgas )  THEN
2541          IF ( salsa_gases_from_chem )  THEN         
2542!         
2543!--          SO4 (or H2SO4)
2544             chem_species( gas_index_chem(1) )%conc(k,j,i) =                &
2545                            chem_species( gas_index_chem(1) )%conc(k,j,i) + &
2546                                                  ( zgso4 / ppm_to_nconc(k) - &
2547                       chem_species( gas_index_chem(1) )%conc(k,j,i) ) * flag
2548!                           
2549!--          HNO3
2550             chem_species( gas_index_chem(2) )%conc(k,j,i) =                &
2551                            chem_species( gas_index_chem(2) )%conc(k,j,i) + &
2552                                                 ( zghno3 / ppm_to_nconc(k) - &
2553                       chem_species( gas_index_chem(2) )%conc(k,j,i) ) * flag
2554!                           
2555!--          NH3
2556             chem_species( gas_index_chem(3) )%conc(k,j,i) =                &
2557                            chem_species( gas_index_chem(3) )%conc(k,j,i) + &
2558                                                  ( zgnh3 / ppm_to_nconc(k) - &
2559                       chem_species( gas_index_chem(3) )%conc(k,j,i) ) * flag
2560!                           
2561!--          non-volatile OC
2562             chem_species( gas_index_chem(4) )%conc(k,j,i) =                &
2563                            chem_species( gas_index_chem(4) )%conc(k,j,i) + &
2564                                                 ( zgocnv / ppm_to_nconc(k) - &
2565                       chem_species( gas_index_chem(4) )%conc(k,j,i) ) * flag
2566!                           
2567!--          semi-volatile OC
2568             chem_species( gas_index_chem(5) )%conc(k,j,i) =                &
2569                            chem_species( gas_index_chem(5) )%conc(k,j,i) + &
2570                                                 ( zgocsv / ppm_to_nconc(k) - &
2571                       chem_species( gas_index_chem(5) )%conc(k,j,i) ) * flag                 
2572         
2573          ELSE
2574!         
2575!--          SO4 (or H2SO4)
2576             salsa_gas(1)%conc(k,j,i) = salsa_gas(1)%conc(k,j,i) + ( zgso4 -   &
2577                                          salsa_gas(1)%conc(k,j,i) ) * flag
2578!                           
2579!--          HNO3
2580             salsa_gas(2)%conc(k,j,i) = salsa_gas(2)%conc(k,j,i) + ( zghno3 -  &
2581                                          salsa_gas(2)%conc(k,j,i) ) * flag
2582!                           
2583!--          NH3
2584             salsa_gas(3)%conc(k,j,i) = salsa_gas(3)%conc(k,j,i) + ( zgnh3 -   &
2585                                          salsa_gas(3)%conc(k,j,i) ) * flag
2586!                           
2587!--          non-volatile OC
2588             salsa_gas(4)%conc(k,j,i) = salsa_gas(4)%conc(k,j,i) + ( zgocnv -  &
2589                                          salsa_gas(4)%conc(k,j,i) ) * flag
2590!                           
2591!--          semi-volatile OC
2592             salsa_gas(5)%conc(k,j,i) = salsa_gas(5)%conc(k,j,i) + ( zgocsv -  &
2593                                          salsa_gas(5)%conc(k,j,i) ) * flag
2594          ENDIF
2595       ENDIF
2596!               
2597!--    Tendency of water vapour mixing ratio is obtained from the
2598!--    change in RH during SALSA run. This releases heat and changes pt.
2599!--    Assumes no temperature change during SALSA run.
2600!--    q = r / (1+r), Euler method for integration
2601!
2602       IF ( feedback_to_palm )  THEN
2603          q_p(k,j,i) = q_p(k,j,i) + 1.0_wp / ( in_cw(k) * in_adn(k) + 1.0_wp ) &
2604                       ** 2.0_wp * ( in_cw(k) - cw_old ) * in_adn(k) 
2605          pt_p(k,j,i) = pt_p(k,j,i) + alv / c_p * ( in_cw(k) - cw_old ) *      &
2606                        in_adn(k) / ( in_cw(k) / in_adn(k) + 1.0_wp ) ** 2.0_wp&
2607                        * pt_p(k,j,i) / in_t(k)
2608       ENDIF
2609                         
2610    ENDDO   ! k
2611!   
2612!-- Set surfaces and wall fluxes due to deposition 
2613    IF ( lsdepo_topo  .AND.  prunmode == 3 )  THEN
2614       IF ( .NOT. land_surface  .AND.  .NOT. urban_surface )  THEN
2615          CALL depo_topo( i, j, surf_def_h(0), vd, Sc, kvis, in_u, rho_air_zw )
2616          DO  l = 0, 3
2617             CALL depo_topo( i, j, surf_def_v(l), vd, Sc, kvis, in_u,          &
2618                             rho_air_zw**0.0_wp )
2619          ENDDO
2620       ELSE
2621          CALL depo_topo( i, j, surf_usm_h, vd, Sc, kvis, in_u, rho_air_zw )
2622          DO  l = 0, 3
2623             CALL depo_topo( i, j, surf_usm_v(l), vd, Sc, kvis, in_u,          &
2624                             rho_air_zw**0.0_wp )
2625          ENDDO
2626          CALL depo_topo( i, j, surf_lsm_h, vd, Sc, kvis, in_u, rho_air_zw )
2627          DO  l = 0, 3
2628             CALL depo_topo( i, j, surf_lsm_v(l), vd, Sc, kvis, in_u,          &
2629                             rho_air_zw**0.0_wp )
2630          ENDDO
2631       ENDIF
2632    ENDIF
2633   
2634 END SUBROUTINE salsa_driver
2635
2636!------------------------------------------------------------------------------!
2637! Description:
2638! ------------
2639!> The SALSA subroutine
2640!> Modified for the new aerosol datatype,
2641!> Juha Tonttila, FMI, 2014.
2642!> Only aerosol processes included, Mona Kurppa, UHel, 2017
2643!------------------------------------------------------------------------------!   
2644 SUBROUTINE run_salsa( ppres, pcw, pcs, ptemp, mag_u, adn, lad, pc_h2so4,      &
2645                       pc_ocnv, pc_ocsv, pc_hno3, pc_nh3, paero, prtcl, kvis,  &
2646                       Sc, vc, ptstep )
2647
2648    IMPLICIT NONE
2649!
2650!-- Input parameters and variables
2651    REAL(wp), INTENT(in) ::  adn    !< air density (kg/m3)
2652    REAL(wp), INTENT(in) ::  lad    !< leaf area density (m2/m3)
2653    REAL(wp), INTENT(in) ::  mag_u  !< magnitude of wind (m/s)
2654    REAL(wp), INTENT(in) ::  ppres  !< atmospheric pressure at each grid
2655                                    !< point (Pa)
2656    REAL(wp), INTENT(in) ::  ptemp  !< temperature at each grid point (K)
2657    REAL(wp), INTENT(in) ::  ptstep !< time step of salsa processes (s)
2658    TYPE(component_index), INTENT(in) :: prtcl  !< part. component index table
2659!       
2660!-- Input variables that are changed within:
2661    REAL(wp), INTENT(inout) ::  kvis     !< kinematic viscosity of air (m2/s)
2662    REAL(wp), INTENT(inout) ::  Sc(:)    !< particle Schmidt number
2663    REAL(wp), INTENT(inout) ::  vc(:)    !< particle fall speed (m/s,
2664                                         !< sedimentation velocity)
2665!-- Gas phase concentrations at each grid point (#/m3)
2666    REAL(wp), INTENT(inout) ::  pc_h2so4 !< sulphuric acid
2667    REAL(wp), INTENT(inout) ::  pc_hno3  !< nitric acid
2668    REAL(wp), INTENT(inout) ::  pc_nh3   !< ammonia
2669    REAL(wp), INTENT(inout) ::  pc_ocnv  !< nonvolatile OC
2670    REAL(wp), INTENT(inout) ::  pc_ocsv  !< semivolatile OC
2671    REAL(wp), INTENT(inout) ::  pcs      !< Saturation concentration of water
2672                                         !< vapour (kg/m3)
2673    REAL(wp), INTENT(inout) ::  pcw      !< Water vapour concentration (kg/m3)                                                   
2674    TYPE(t_section), INTENT(inout) ::  paero(fn2b) 
2675!
2676!-- Coagulation
2677    IF ( lscoag )   THEN
2678       CALL coagulation( paero, ptstep, ptemp, ppres )
2679    ENDIF
2680!
2681!-- Condensation
2682    IF ( lscnd )   THEN
2683       CALL condensation( paero, pc_h2so4, pc_ocnv, pc_ocsv,  pc_hno3, pc_nh3, &
2684                          pcw, pcs, ptemp, ppres, ptstep, prtcl )
2685    ENDIF   
2686!   
2687!-- Deposition
2688    IF ( lsdepo )  THEN
2689       CALL deposition( paero, ptemp, adn, mag_u, lad, kvis, Sc, vc ) 
2690    ENDIF       
2691!
2692!-- Size distribution bin update
2693!-- Mona: why done 3 times in SALSA-standalone?
2694    IF ( lsdistupdate )   THEN
2695       CALL distr_update( paero )
2696    ENDIF
2697   
2698  END SUBROUTINE run_salsa
2699 
2700!------------------------------------------------------------------------------!
2701! Description:
2702! ------------
2703!> Set logical switches according to the host model state and user-specified
2704!> NAMELIST options.
2705!> Juha Tonttila, FMI, 2014
2706!> Only aerosol processes included, Mona Kurppa, UHel, 2017
2707!------------------------------------------------------------------------------!
2708 SUBROUTINE set_salsa_runtime( prunmode )
2709 
2710    IMPLICIT NONE
2711   
2712    INTEGER(iwp), INTENT(in) ::  prunmode
2713   
2714    SELECT CASE(prunmode)
2715
2716       CASE(1) !< Initialization
2717          lscoag       = .FALSE.
2718          lscnd        = .FALSE.
2719          lscndgas     = .FALSE.
2720          lscndh2oae   = .FALSE.
2721          lsdepo       = .FALSE.
2722          lsdepo_vege  = .FALSE.
2723          lsdepo_topo  = .FALSE.
2724          lsdistupdate = .TRUE.
2725
2726       CASE(2)  !< Spinup period
2727          lscoag      = ( .FALSE. .AND. nlcoag   )
2728          lscnd       = ( .TRUE.  .AND. nlcnd    )
2729          lscndgas    = ( .TRUE.  .AND. nlcndgas )
2730          lscndh2oae  = ( .TRUE.  .AND. nlcndh2oae )
2731
2732       CASE(3)  !< Run
2733          lscoag       = nlcoag
2734          lscnd        = nlcnd
2735          lscndgas     = nlcndgas
2736          lscndh2oae   = nlcndh2oae
2737          lsdepo       = nldepo
2738          lsdepo_vege  = nldepo_vege
2739          lsdepo_topo  = nldepo_topo
2740          lsdistupdate = nldistupdate
2741
2742    END SELECT
2743
2744
2745 END SUBROUTINE set_salsa_runtime
2746 
2747!------------------------------------------------------------------------------!
2748! Description:
2749! ------------
2750!> Calculates the absolute temperature (using hydrostatic pressure), saturation
2751!> vapour pressure and mixing ratio over water, relative humidity and air
2752!> density needed in the SALSA model.
2753!> NOTE, no saturation adjustment takes place -> the resulting water vapour
2754!> mixing ratio can be supersaturated, allowing the microphysical calculations
2755!> in SALSA.
2756!
2757!> Juha Tonttila, FMI, 2014 (original SALSAthrm)
2758!> Mona Kurppa, UHel, 2017 (adjustment for PALM and only aerosol processes)
2759!------------------------------------------------------------------------------!
2760 SUBROUTINE salsa_thrm_ij( i, j, p_ij, temp_ij, cw_ij, cs_ij, adn_ij )
2761 
2762    USE arrays_3d,                                                             &
2763        ONLY: p, pt, q, zu
2764       
2765    USE basic_constants_and_equations_mod,                                     &
2766        ONLY:  barometric_formula, exner_function, ideal_gas_law_rho, magnus
2767       
2768    USE control_parameters,                                                    &
2769        ONLY: pt_surface, surface_pressure
2770       
2771    IMPLICIT NONE
2772   
2773    INTEGER(iwp), INTENT(in) ::  i
2774    INTEGER(iwp), INTENT(in) ::  j
2775    REAL(wp), DIMENSION(:), INTENT(inout) ::  adn_ij
2776    REAL(wp), DIMENSION(:), INTENT(inout) ::  p_ij       
2777    REAL(wp), DIMENSION(:), INTENT(inout) ::  temp_ij
2778    REAL(wp), DIMENSION(:), INTENT(inout), OPTIONAL ::  cw_ij
2779    REAL(wp), DIMENSION(:), INTENT(inout), OPTIONAL ::  cs_ij
2780    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  e_s !< saturation vapour pressure
2781                                           !< over water (Pa)
2782    REAL(wp) ::  t_surface !< absolute surface temperature (K)
2783!
2784!-- Pressure p_ijk (Pa) = hydrostatic pressure + perturbation pressure (p)
2785    t_surface = pt_surface * exner_function( surface_pressure )
2786    p_ij(:) = 100.0_wp * barometric_formula( zu, t_surface, surface_pressure ) &
2787              + p(:,j,i)
2788!             
2789!-- Absolute ambient temperature (K)
2790    temp_ij(:) = pt(:,j,i) * exner_function( p_ij(:) )       
2791!
2792!-- Air density
2793    adn_ij(:) = ideal_gas_law_rho( p_ij(:), temp_ij(:) )
2794!
2795!-- Water vapour concentration r_v (kg/m3)
2796    IF ( PRESENT( cw_ij ) )  THEN
2797       cw_ij(:) = ( q(:,j,i) / ( 1.0_wp - q(:,j,i) ) ) * adn_ij(:) 
2798    ENDIF
2799!
2800!-- Saturation mixing ratio r_s (kg/kg) from vapour pressure at temp (Pa)
2801    IF ( PRESENT( cs_ij ) )  THEN
2802       e_s(:) = magnus( temp_ij(:) ) 
2803       cs_ij(:) = ( 0.622_wp * e_s / ( p_ij(:) - e_s(:) ) ) * adn_ij(:) 
2804    ENDIF
2805   
2806 END SUBROUTINE salsa_thrm_ij
2807
2808!------------------------------------------------------------------------------!
2809! Description:
2810! ------------
2811!> Calculates ambient sizes of particles by equilibrating soluble fraction of
2812!> particles with water using the ZSR method (Stokes and Robinson, 1966).
2813!> Method:
2814!> Following chemical components are assumed water-soluble
2815!> - (ammonium) sulphate (100%)
2816!> - sea salt (100 %)
2817!> - organic carbon (epsoc * 100%)
2818!> Exact thermodynamic considerations neglected.
2819!> - If particles contain no sea salt, calculation according to sulphate
2820!>   properties
2821!> - If contain sea salt but no sulphate, calculation according to sea salt
2822!>   properties
2823!> - If contain both sulphate and sea salt -> the molar fraction of these
2824!>   compounds determines which one of them is used as the basis of calculation.
2825!> If sulphate and sea salt coexist in a particle, it is assumed that the Cl is
2826!> replaced by sulphate; thus only either sulphate + organics or sea salt +
2827!> organics is included in the calculation of soluble fraction.
2828!> Molality parameterizations taken from Table 1 of Tang: Thermodynamic and
2829!> optical properties of mixed-salt aerosols of atmospheric importance,
2830!> J. Geophys. Res., 102 (D2), 1883-1893 (1997)
2831!
2832!> Coded by:
2833!> Hannele Korhonen (FMI) 2005
2834!> Harri Kokkola (FMI) 2006
2835!> Matti Niskanen(FMI) 2012
2836!> Anton Laakso  (FMI) 2013
2837!> Modified for the new aerosol datatype, Juha Tonttila (FMI) 2014
2838!
2839!> fxm: should sea salt form a solid particle when prh is very low (even though
2840!> it could be mixed with e.g. sulphate)?
2841!> fxm: crashes if no sulphate or sea salt
2842!> fxm: do we really need to consider Kelvin effect for subrange 2
2843!------------------------------------------------------------------------------!     
2844 SUBROUTINE equilibration( prh, ptemp, paero, init )
2845     
2846    IMPLICIT NONE
2847!
2848!-- Input variables
2849    LOGICAL, INTENT(in) ::  init   !< TRUE: Initialization call
2850                                   !< FALSE: Normal runtime: update water
2851                                   !<        content only for 1a
2852    REAL(wp), INTENT(in) ::  prh   !< relative humidity [0-1]
2853    REAL(wp), INTENT(in) ::  ptemp !< temperature (K)
2854!
2855!-- Output variables
2856    TYPE(t_section), INTENT(inout) ::  paero(fn2b)     
2857!
2858!-- Local
2859    INTEGER(iwp) :: b      !< loop index
2860    INTEGER(iwp) :: counti  !< loop index
2861    REAL(wp) ::  zaw        !< water activity [0-1]       
2862    REAL(wp) ::  zbinmol(7) !< binary molality of each components (mol/kg)
2863    REAL(wp) ::  zcore      !< Volume of dry particle   
2864    REAL(wp) ::  zdold      !< Old diameter
2865    REAL(wp) ::  zdwet      !< Wet diameter or mean droplet diameter
2866    REAL(wp) ::  zke        !< Kelvin term in the Köhler equation
2867    REAL(wp) ::  zlwc       !< liquid water content [kg/m3-air]
2868    REAL(wp) ::  zrh        !< Relative humidity
2869    REAL(wp) ::  zvpart(7)  !< volume of chem. compounds in one particle
2870   
2871    zaw       = 0.0_wp
2872    zbinmol   = 0.0_wp
2873    zcore     = 0.0_wp
2874    zdold     = 0.0_wp
2875    zdwet     = 0.0_wp
2876    zlwc      = 0.0_wp
2877    zrh       = 0.0_wp
2878   
2879!               
2880!-- Relative humidity:
2881    zrh = prh
2882    zrh = MAX( zrh, 0.05_wp )
2883    zrh = MIN( zrh, 0.98_wp)   
2884!
2885!-- 1) Regime 1: sulphate and partly water-soluble OC. Done for every CALL
2886    DO  b = in1a, fn1a   ! size bin
2887         
2888       zbinmol = 0.0_wp
2889       zdold   = 1.0_wp 
2890       zke     = 1.02_wp
2891       
2892       IF ( paero(b)%numc > nclim )  THEN
2893!
2894!--       Volume in one particle
2895          zvpart = 0.0_wp
2896          zvpart(1:2) = paero(b)%volc(1:2) / paero(b)%numc
2897          zvpart(6:7) = paero(b)%volc(6:7) / paero(b)%numc
2898!               
2899!--       Total volume and wet diameter of one dry particle
2900          zcore = SUM( zvpart(1:2) )
2901          zdwet = paero(b)%dwet
2902         
2903          counti = 0
2904          DO  WHILE ( ABS( zdwet / zdold - 1.0_wp ) > 1.0E-2_wp ) 
2905         
2906             zdold = MAX( zdwet, 1.0E-20_wp )
2907             zaw = MAX( 1.0E-3_wp, zrh / zke ) ! To avoid underflow
2908!                   
2909!--          Binary molalities (mol/kg):
2910!--          Sulphate
2911             zbinmol(1) = 1.1065495E+2_wp - 3.6759197E+2_wp * zaw              &
2912                                          + 5.0462934E+2_wp * zaw**2.0_wp      &
2913                                          - 3.1543839E+2_wp * zaw**3.0_wp      &
2914                                          + 6.770824E+1_wp  * zaw**4.0_wp 
2915!--          Organic carbon                     
2916             zbinmol(2) = 1.0_wp / ( zaw * amh2o ) - 1.0_wp / amh2o
2917!--          Nitric acid                             
2918             zbinmol(6) = 2.306844303E+1_wp - 3.563608869E+1_wp * zaw          &
2919                                            - 6.210577919E+1_wp * zaw**2.0_wp  &
2920                                            + 5.510176187E+2_wp * zaw**3.0_wp  &
2921                                            - 1.460055286E+3_wp * zaw**4.0_wp  &
2922                                            + 1.894467542E+3_wp * zaw**5.0_wp  &
2923                                            - 1.220611402E+3_wp * zaw**6.0_wp  &
2924                                            + 3.098597737E+2_wp * zaw**7.0_wp 
2925!
2926!--          Calculate the liquid water content (kg/m3-air) using ZSR (see e.g.
2927!--          Eq. 10.98 in Seinfeld and Pandis (2006))
2928             zlwc = ( paero(b)%volc(1) * ( arhoh2so4 / amh2so4 ) ) /           &
2929                    zbinmol(1) + epsoc * paero(b)%volc(2) * ( arhooc / amoc )  &
2930                    / zbinmol(2) + ( paero(b)%volc(6) * ( arhohno3/amhno3 ) )  &
2931                    / zbinmol(6)
2932!                           
2933!--          Particle wet diameter (m)
2934             zdwet = ( zlwc / paero(b)%numc / arhoh2o / api6 +                 &
2935                     ( SUM( zvpart(6:7) ) / api6 ) +      &
2936                       zcore / api6 )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
2937!                             
2938!--          Kelvin effect (Eq. 10.85 in in Seinfeld and Pandis (2006)). Avoid
2939!--          overflow.
2940             zke = EXP( MIN( 50.0_wp,                                          &
2941                       4.0_wp * surfw0 * amvh2so4 / ( abo * ptemp *  zdwet ) ) )
2942             
2943             counti = counti + 1
2944             IF ( counti > 1000 )  THEN
2945                message_string = 'Subrange 1: no convergence!'
2946                CALL message( 'salsa_mod: equilibration', 'SA0042',            &
2947                              1, 2, 0, 6, 0 )
2948             ENDIF
2949          ENDDO
2950!               
2951!--       Instead of lwc, use the volume concentration of water from now on
2952!--       (easy to convert...)
2953          paero(b)%volc(8) = zlwc / arhoh2o
2954!               
2955!--       If this is initialization, update the core and wet diameter
2956          IF ( init )  THEN
2957             paero(b)%dwet = zdwet
2958             paero(b)%core = zcore
2959          ENDIF
2960         
2961       ELSE
2962!--       If initialization
2963!--       1.2) empty bins given bin average values 
2964          IF ( init )  THEN
2965             paero(b)%dwet = paero(b)%dmid
2966             paero(b)%core = api6 * paero(b)%dmid ** 3.0_wp
2967          ENDIF
2968         
2969       ENDIF
2970             
2971    ENDDO !< b
2972!
2973!-- 2) Regime 2a: sulphate, OC, BC and sea salt
2974!--    This is done only for initialization call, otherwise the water contents
2975!--    are computed via condensation
2976    IF ( init )  THEN
2977       DO  b = in2a, fn2b
2978             
2979!--       Initialize
2980          zke     = 1.02_wp
2981          zbinmol = 0.0_wp
2982          zdold   = 1.0_wp
2983!               
2984!--       1) Particle properties calculated for non-empty bins
2985          IF ( paero(b)%numc > nclim )  THEN
2986!               
2987!--          Volume in one particle [fxm]
2988             zvpart = 0.0_wp
2989             zvpart(1:7) = paero(b)%volc(1:7) / paero(b)%numc
2990!
2991!--          Total volume and wet diameter of one dry particle [fxm]
2992             zcore = SUM( zvpart(1:5) )
2993             zdwet = paero(b)%dwet
2994
2995             counti = 0
2996             DO  WHILE ( ABS( zdwet / zdold - 1.0_wp ) > 1.0E-12_wp )
2997             
2998                zdold = MAX( zdwet, 1.0E-20_wp )
2999                zaw = zrh / zke
3000!                     
3001!--             Binary molalities (mol/kg):
3002!--             Sulphate
3003                zbinmol(1) = 1.1065495E+2_wp - 3.6759197E+2_wp * zaw           & 
3004                        + 5.0462934E+2_wp * zaw**2 - 3.1543839E+2_wp * zaw**3  &
3005                        + 6.770824E+1_wp  * zaw**4 
3006!--             Organic carbon                       
3007                zbinmol(2) = 1.0_wp / ( zaw * amh2o ) - 1.0_wp / amh2o
3008!--             Nitric acid
3009                zbinmol(6) = 2.306844303E+1_wp - 3.563608869E+1_wp * zaw       &
3010                     - 6.210577919E+1_wp * zaw**2 + 5.510176187E+2_wp * zaw**3 &
3011                     - 1.460055286E+3_wp * zaw**4 + 1.894467542E+3_wp * zaw**5 &
3012                     - 1.220611402E+3_wp * zaw**6 + 3.098597737E+2_wp * zaw**7 
3013!--             Sea salt (natrium chloride)                                 
3014                zbinmol(5) = 5.875248E+1_wp - 1.8781997E+2_wp * zaw            &
3015                         + 2.7211377E+2_wp * zaw**2 - 1.8458287E+2_wp * zaw**3 &
3016                         + 4.153689E+1_wp  * zaw**4 
3017!                                 
3018!--             Calculate the liquid water content (kg/m3-air)
3019                zlwc = ( paero(b)%volc(1) * ( arhoh2so4 / amh2so4 ) ) /        &
3020                       zbinmol(1) + epsoc * ( paero(b)%volc(2) * ( arhooc /    &
3021                       amoc ) ) / zbinmol(2) + ( paero(b)%volc(6) * ( arhohno3 &
3022                       / amhno3 ) ) / zbinmol(6) + ( paero(b)%volc(5) *        &
3023                       ( arhoss / amss ) ) / zbinmol(5)
3024                       
3025!--             Particle wet radius (m)
3026                zdwet = ( zlwc / paero(b)%numc / arhoh2o / api6 +              &
3027                          ( SUM( zvpart(6:7) ) / api6 )  + &
3028                           zcore / api6 ) ** ( 1.0_wp / 3.0_wp )
3029!                               
3030!--             Kelvin effect (Eq. 10.85 in Seinfeld and Pandis (2006))
3031                zke = EXP( MIN( 50.0_wp,                                       &
3032                        4.0_wp * surfw0 * amvh2so4 / ( abo * zdwet * ptemp ) ) )
3033                         
3034                counti = counti + 1
3035                IF ( counti > 1000 )  THEN
3036                   message_string = 'Subrange 2: no convergence!'
3037                CALL message( 'salsa_mod: equilibration', 'SA0043',            &
3038                              1, 2, 0, 6, 0 )
3039                ENDIF
3040             ENDDO
3041!                   
3042!--          Liquid water content; instead of LWC use the volume concentration
3043             paero(b)%volc(8) = zlwc / arhoh2o
3044             paero(b)%dwet    = zdwet
3045             paero(b)%core    = zcore
3046             
3047          ELSE
3048!--          2.2) empty bins given bin average values
3049             paero(b)%dwet = paero(b)%dmid
3050             paero(b)%core = api6 * paero(b)%dmid ** 3.0_wp
3051          ENDIF
3052               
3053       ENDDO   ! b
3054    ENDIF
3055
3056 END SUBROUTINE equilibration
3057 
3058!------------------------------------------------------------------------------!
3059!> Description:
3060!> ------------
3061!> Calculation of the settling velocity vc (m/s) per aerosol size bin and
3062!> deposition on plant canopy (lsdepo_vege).
3063!
3064!> Deposition is based on either the scheme presented in:
3065!> Zhang et al. (2001), Atmos. Environ. 35, 549-560 (includes collection due to
3066!> Brownian diffusion, impaction, interception and sedimentation)
3067!> OR
3068!> Petroff & Zhang (2010), Geosci. Model Dev. 3, 753-769 (includes also
3069!> collection due to turbulent impaction)
3070!
3071!> Equation numbers refer to equation in Jacobson (2005): Fundamentals of
3072!> Atmospheric Modeling, 2nd Edition.
3073!
3074!> Subroutine follows closely sedim_SALSA in UCLALES-SALSA written by Juha
3075!> Tonttila (KIT/FMI) and Zubair Maalick (UEF).
3076!> Rewritten to PALM by Mona Kurppa (UH), 2017.
3077!
3078!> Call for grid point i,j,k
3079!------------------------------------------------------------------------------!
3080
3081 SUBROUTINE deposition( paero, tk, adn, mag_u, lad, kvis, Sc, vc )
3082 
3083    USE plant_canopy_model_mod,                                                &
3084        ONLY: cdc
3085 
3086    IMPLICIT NONE
3087   
3088    REAL(wp), INTENT(in)    ::  adn    !< air density (kg/m3) 
3089    REAL(wp), INTENT(out)   ::  kvis   !< kinematic viscosity of air (m2/s)
3090    REAL(wp), INTENT(in) ::     lad    !< leaf area density (m2/m3)
3091    REAL(wp), INTENT(in)    ::  mag_u  !< wind velocity (m/s)
3092    REAL(wp), INTENT(out)   ::  Sc(:)  !< particle Schmidt number 
3093    REAL(wp), INTENT(in)    ::  tk     !< abs.temperature (K)   
3094    REAL(wp), INTENT(out)   ::  vc(:)  !< critical fall speed i.e. settling
3095                                       !< velocity of an aerosol particle (m/s)
3096    TYPE(t_section), INTENT(inout) ::  paero(fn2b)       
3097   
3098    INTEGER(iwp) ::  b      !< loop index
3099    INTEGER(iwp) ::  c      !< loop index
3100    REAL(wp) ::  avis       !< molecular viscocity of air (kg/(m*s))
3101    REAL(wp), PARAMETER ::  c_A = 1.249_wp !< Constants A, B and C for
3102    REAL(wp), PARAMETER ::  c_B = 0.42_wp  !< calculating  the Cunningham 
3103    REAL(wp), PARAMETER ::  c_C = 0.87_wp  !< slip-flow correction (Cc) 
3104                                           !< according to Jacobson (2005),
3105                                           !< Eq. 15.30
3106    REAL(wp) ::  Cc         !< Cunningham slip-flow correction factor     
3107    REAL(wp) ::  Kn         !< Knudsen number   
3108    REAL(wp) ::  lambda     !< molecular mean free path (m)
3109    REAL(wp) ::  mdiff      !< particle diffusivity coefficient   
3110    REAL(wp) ::  pdn        !< particle density (kg/m3)     
3111    REAL(wp) ::  ustar      !< friction velocity (m/s)   
3112    REAL(wp) ::  va         !< thermal speed of an air molecule (m/s)
3113    REAL(wp) ::  zdwet      !< wet diameter (m)                             
3114!
3115!-- Initialise
3116    Cc            = 0.0_wp
3117    Kn            = 0.0_wp
3118    mdiff         = 0.0_wp
3119    pdn           = 1500.0_wp    ! default value
3120    ustar         = 0.0_wp 
3121!
3122!-- Molecular viscosity of air (Eq. 4.54)
3123    avis = 1.8325E-5_wp * ( 416.16_wp / ( tk + 120.0_wp ) ) * ( tk /           &
3124           296.16_wp )**1.5_wp
3125!             
3126!-- Kinematic viscosity (Eq. 4.55)
3127    kvis =  avis / adn
3128!       
3129!-- Thermal velocity of an air molecule (Eq. 15.32)
3130    va = SQRT( 8.0_wp * abo * tk / ( pi * am_airmol ) ) 
3131!
3132!-- Mean free path (m) (Eq. 15.24)
3133    lambda = 2.0_wp * avis / ( adn * va )
3134   
3135    DO  b = 1, nbins
3136   
3137       IF ( paero(b)%numc < nclim )  CYCLE
3138       zdwet = paero(b)%dwet
3139!
3140!--    Knudsen number (Eq. 15.23)
3141       Kn = MAX( 1.0E-2_wp, lambda / ( zdwet * 0.5_wp ) ) ! To avoid underflow
3142!
3143!--    Cunningham slip-flow correction (Eq. 15.30)
3144       Cc = 1.0_wp + Kn * ( c_A + c_B * EXP( -c_C / Kn ) )
3145
3146!--    Particle diffusivity coefficient (Eq. 15.29)
3147       mdiff = ( abo * tk * Cc ) / ( 3.0_wp * pi * avis * zdwet )
3148!       
3149!--    Particle Schmidt number (Eq. 15.36)
3150       Sc(b) = kvis / mdiff       
3151!       
3152!--    Critical fall speed i.e. settling velocity  (Eq. 20.4)                 
3153       vc(b) = MIN( 1.0_wp, terminal_vel( 0.5_wp * zdwet, pdn, adn, avis, Cc) )
3154       
3155       IF ( lsdepo_vege  .AND.  plant_canopy  .AND.  lad > 0.0_wp )  THEN
3156!       
3157!--       Friction velocity calculated following Prandtl (1925):
3158          ustar = SQRT( cdc ) * mag_u
3159          CALL depo_vege( paero, b, vc(b), mag_u, ustar, kvis, Sc(b), lad )
3160       ENDIF
3161    ENDDO
3162 
3163 END SUBROUTINE deposition
3164 
3165!------------------------------------------------------------------------------!
3166! Description:
3167! ------------
3168!> Calculate change in number and volume concentrations due to deposition on
3169!> plant canopy.
3170!------------------------------------------------------------------------------!
3171 SUBROUTINE depo_vege( paero, b, vc, mag_u, ustar, kvis_a, Sc, lad )
3172 
3173    IMPLICIT NONE
3174   
3175    INTEGER(iwp), INTENT(in) ::  b  !< loop index
3176    REAL(wp), INTENT(in) ::  kvis_a !< kinematic viscosity of air (m2/s)
3177    REAL(wp), INTENT(in) ::  lad    !< leaf area density (m2/m3)
3178    REAL(wp), INTENT(in) ::  mag_u  !< wind velocity (m/s)   
3179    REAL(wp), INTENT(in) ::  Sc     !< particle Schmidt number
3180    REAL(wp), INTENT(in) ::  ustar  !< friction velocity (m/s)                                   
3181    REAL(wp), INTENT(in) ::  vc     !< terminal velocity (m/s) 
3182    TYPE(t_section), INTENT(inout) ::  paero(fn2b) 
3183   
3184    INTEGER(iwp) ::  c      !< loop index
3185    REAL(wp), PARAMETER ::  c_A = 1.249_wp !< Constants A, B and C for
3186    REAL(wp), PARAMETER ::  c_B = 0.42_wp  !< calculating  the Cunningham 
3187    REAL(wp), PARAMETER ::  c_C = 0.87_wp  !< slip-flow correction (Cc) 
3188                                           !< according to Jacobson (2005),
3189                                           !< Eq. 15.30
3190    REAL(wp) ::  alpha       !< parameter, Table 3 in Zhang et al. (2001) 
3191    REAL(wp) ::  depo        !< deposition efficiency
3192    REAL(wp) ::  C_Br        !< coefficient for Brownian diffusion
3193    REAL(wp) ::  C_IM        !< coefficient for inertial impaction
3194    REAL(wp) ::  C_IN        !< coefficient for interception
3195    REAL(wp) ::  C_IT        !< coefficient for turbulent impaction   
3196    REAL(wp) ::  gamma       !< parameter, Table 3 in Zhang et al. (2001)   
3197    REAL(wp) ::  par_A       !< parameter A for the characteristic radius of
3198                             !< collectors, Table 3 in Zhang et al. (2001)   
3199    REAL(wp) ::  rt          !< the overall quasi-laminar resistance for
3200                             !< particles
3201    REAL(wp) ::  St          !< Stokes number for smooth surfaces or bluff
3202                             !< surface elements                                 
3203    REAL(wp) ::  tau_plus    !< dimensionless particle relaxation time   
3204    REAL(wp) ::  v_bd        !< deposition velocity due to Brownian diffusion
3205    REAL(wp) ::  v_im        !< deposition velocity due to impaction
3206    REAL(wp) ::  v_in        !< deposition velocity due to interception
3207    REAL(wp) ::  v_it        !< deposition velocity due to turbulent impaction                               
3208!
3209!-- Initialise
3210    depo     = 0.0_wp 
3211    rt       = 0.0_wp
3212    St       = 0.0_wp
3213    tau_plus = 0.0_wp
3214    v_bd     = 0.0_wp     
3215    v_im     = 0.0_wp       
3216    v_in     = 0.0_wp       
3217    v_it     = 0.0_wp         
3218       
3219    IF ( depo_vege_type == 'zhang2001' )  THEN
3220!       
3221!--    Parameters for the land use category 'deciduous broadleaf trees'(Table 3)     
3222       par_A = 5.0E-3_wp
3223       alpha = 0.8_wp
3224       gamma = 0.56_wp 
3225!       
3226!--    Stokes number for vegetated surfaces (Seinfeld & Pandis (2006): Eq.19.24) 
3227       St = vc * ustar / ( g * par_A )         
3228!         
3229!--    The overall quasi-laminar resistance for particles (Zhang et al., Eq. 5)       
3230       rt = MAX( EPSILON( 1.0_wp ), ( 3.0_wp * ustar * EXP( -St**0.5_wp ) *    &
3231                         ( Sc**( -gamma ) + ( St / ( alpha + St ) )**2.0_wp +  &
3232                           0.5_wp * ( paero(b)%dwet / par_A )**2.0_wp ) ) )
3233       depo = ( rt + vc ) * lad
3234       paero(b)%numc = paero(b)%numc - depo * paero(b)%numc * dt_salsa
3235       DO  c = 1, maxspec+1
3236          paero(b)%volc(c) = paero(b)%volc(c) - depo * paero(b)%volc(c) *      &
3237                             dt_salsa
3238       ENDDO
3239       
3240    ELSEIF ( depo_vege_type == 'petroff2010' )  THEN
3241!
3242!--    vd = v_BD + v_IN + v_IM + v_IT + vc
3243!--    Deposition efficiencies from Table 1. Constants from Table 2.
3244       C_Br  = 1.262_wp
3245       C_IM  = 0.130_wp
3246       C_IN  = 0.216_wp
3247       C_IT  = 0.056_wp
3248       par_A = 0.03_wp   ! Here: leaf width (m)     
3249!       
3250!--    Stokes number for vegetated surfaces (Seinfeld & Pandis (2006): Eq.19.24) 
3251       St = vc * ustar / ( g * par_A )         
3252!
3253!--    Non-dimensional relexation time of the particle on top of canopy
3254       tau_plus = vc * ustar**2.0_wp / ( kvis_a * g ) 
3255!
3256!--    Brownian diffusion
3257       v_bd = mag_u * C_Br * Sc**( -2.0_wp / 3.0_wp ) *                        &
3258              ( mag_u * par_A / kvis_a )**( -0.5_wp )
3259!
3260!--    Interception
3261       v_in = mag_u * C_IN * paero(b)%dwet / par_A * ( 2.0_wp + LOG( 2.0_wp *  &
3262              par_A / paero(b)%dwet ) )                     
3263!
3264!--    Impaction: Petroff (2009) Eq. 18
3265       v_im = mag_u * C_IM * ( St / ( St + 0.47_wp ) )**2.0_wp
3266       
3267       IF ( tau_plus < 20.0_wp )  THEN
3268          v_it = 2.5E-3_wp * C_IT * tau_plus**2.0_wp
3269       ELSE
3270          v_it = C_IT
3271       ENDIF
3272       depo = ( v_bd + v_in + v_im + v_it + vc ) * lad     
3273       paero(b)%numc = paero(b)%numc - depo * paero(b)%numc * dt_salsa     
3274       DO  c = 1, maxspec+1
3275          paero(b)%volc(c) = paero(b)%volc(c) - depo * paero(b)%volc(c) *      &
3276                             dt_salsa
3277       ENDDO
3278    ENDIF 
3279 
3280 END SUBROUTINE depo_vege
3281 
3282!------------------------------------------------------------------------------!
3283! Description:
3284! ------------ 
3285!> Calculate deposition on horizontal and vertical surfaces. Implement as
3286!> surface flux.
3287!------------------------------------------------------------------------------!
3288
3289 SUBROUTINE depo_topo( i, j, surf, vc, Sc, kvis, mag_u, norm )
3290 
3291    USE surface_mod,                                                           &
3292        ONLY:  surf_type
3293 
3294    IMPLICIT NONE
3295   
3296    INTEGER(iwp), INTENT(in) ::  i     !< loop index
3297    INTEGER(iwp), INTENT(in) ::  j     !< loop index
3298    REAL(wp), INTENT(in) ::  kvis(:)   !< kinematic viscosity of air (m2/s)
3299    REAL(wp), INTENT(in) ::  mag_u(:)  !< wind velocity (m/s)                                                 
3300    REAL(wp), INTENT(in) ::  norm(:)   !< normalisation (usually air density)
3301    REAL(wp), INTENT(in) ::  Sc(:,:)  !< particle Schmidt number
3302    REAL(wp), INTENT(in) ::  vc(:,:)  !< terminal velocity (m/s)   
3303    TYPE(surf_type), INTENT(inout) :: surf  !< respective surface type
3304    INTEGER(iwp) ::  b      !< loop index
3305    INTEGER(iwp) ::  c      !< loop index
3306    INTEGER(iwp) ::  k      !< loop index
3307    INTEGER(iwp) ::  m      !< loop index
3308    INTEGER(iwp) ::  surf_e !< End index of surface elements at (j,i)-gridpoint
3309    INTEGER(iwp) ::  surf_s !< Start index of surface elements at (j,i)-gridpoint
3310    REAL(wp) ::  alpha      !< parameter, Table 3 in Zhang et al. (2001)
3311    REAL(wp) ::  C_Br       !< coefficient for Brownian diffusion
3312    REAL(wp) ::  C_IM       !< coefficient for inertial impaction
3313    REAL(wp) ::  C_IN       !< coefficient for interception
3314    REAL(wp) ::  C_IT       !< coefficient for turbulent impaction
3315    REAL(wp) ::  depo       !< deposition efficiency
3316    REAL(wp) ::  gamma      !< parameter, Table 3 in Zhang et al. (2001)
3317    REAL(wp) ::  par_A      !< parameter A for the characteristic radius of
3318                            !< collectors, Table 3 in Zhang et al. (2001)
3319    REAL(wp) ::  rt         !< the overall quasi-laminar resistance for
3320                            !< particles
3321    REAL(wp) ::  St         !< Stokes number for bluff surface elements 
3322    REAL(wp) ::  tau_plus   !< dimensionless particle relaxation time   
3323    REAL(wp) ::  v_bd       !< deposition velocity due to Brownian diffusion
3324    REAL(wp) ::  v_im       !< deposition velocity due to impaction
3325    REAL(wp) ::  v_in       !< deposition velocity due to interception
3326    REAL(wp) ::  v_it       !< deposition velocity due to turbulent impaction 
3327!
3328!-- Initialise
3329    rt       = 0.0_wp
3330    St       = 0.0_wp
3331    tau_plus = 0.0_wp
3332    v_bd     = 0.0_wp     
3333    v_im     = 0.0_wp       
3334    v_in     = 0.0_wp       
3335    v_it     = 0.0_wp                                 
3336    surf_s   = surf%start_index(j,i)
3337    surf_e   = surf%end_index(j,i) 
3338   
3339    DO  m = surf_s, surf_e
3340       k = surf%k(m)       
3341       DO  b = 1, nbins
3342          IF ( aerosol_number(b)%conc(k,j,i) <= nclim  .OR.                    &
3343               Sc(k+1,b) < 1.0_wp )  CYCLE   
3344                   
3345          IF ( depo_topo_type == 'zhang2001' )  THEN
3346!       
3347!--          Parameters for the land use category 'urban' in Table 3
3348             alpha = 1.5_wp
3349             gamma = 0.56_wp 
3350             par_A = 10.0E-3_wp
3351!       
3352!--          Stokes number for smooth surfaces or surfaces with bluff roughness
3353!--          elements (Seinfeld and Pandis, 2nd edition (2006): Eq. 19.23)       
3354             St = MAX( 0.01_wp, vc(k+1,b) * surf%us(m) ** 2.0_wp /             &
3355                       ( g * kvis(k+1)  ) ) 
3356!         
3357!--          The overall quasi-laminar resistance for particles (Eq. 5)       
3358             rt = MAX( EPSILON( 1.0_wp ), ( 3.0_wp * surf%us(m) * (            &
3359                       Sc(k+1,b)**( -gamma ) + ( St / ( alpha + St ) )**2.0_wp &
3360                        + 0.5_wp * ( Ra_dry(k,j,i,b) / par_A )**2.0_wp ) *     &
3361                       EXP( -St**0.5_wp ) ) ) 
3362             depo = vc(k+1,b) + rt
3363             
3364          ELSEIF ( depo_topo_type == 'petroff2010' )  THEN 
3365!
3366!--          vd = v_BD + v_IN + v_IM + v_IT + vc
3367!--          Deposition efficiencies from Table 1. Constants from Table 2.
3368             C_Br  = 1.262_wp
3369             C_IM  = 0.130_wp
3370             C_IN  = 0.216_wp
3371             C_IT  = 0.056_wp
3372             par_A = 0.03_wp   ! Here: leaf width (m) 
3373!       
3374!--          Stokes number for smooth surfaces or surfaces with bluff roughness
3375!--          elements (Seinfeld and Pandis, 2nd edition (2006): Eq. 19.23)       
3376             St = MAX( 0.01_wp, vc(k+1,b) * surf%us(m) ** 2.0_wp /             &
3377                       ( g *  kvis(k+1) ) )             
3378!
3379!--          Non-dimensional relexation time of the particle on top of canopy
3380             tau_plus = vc(k+1,b) * surf%us(m)**2.0_wp / ( kvis(k+1) * g ) 
3381!
3382!--          Brownian diffusion
3383             v_bd = mag_u(k+1) * C_Br * Sc(k+1,b)**( -2.0_wp / 3.0_wp ) *      &
3384                    ( mag_u(k+1) * par_A / kvis(k+1) )**( -0.5_wp )
3385!
3386!--          Interception
3387             v_in = mag_u(k+1) * C_IN * Ra_dry(k,j,i,b)/ par_A * ( 2.0_wp +    &
3388                    LOG( 2.0_wp * par_A / Ra_dry(k,j,i,b) ) )                     
3389!
3390!--          Impaction: Petroff (2009) Eq. 18
3391             v_im = mag_u(k+1) * C_IM * ( St / ( St + 0.47_wp ) )**2.0_wp
3392             
3393             IF ( tau_plus < 20.0_wp )  THEN
3394                v_it = 2.5E-3_wp * C_IT * tau_plus**2.0_wp
3395             ELSE
3396                v_it = C_IT
3397             ENDIF
3398             depo =  v_bd + v_in + v_im + v_it + vc(k+1,b)       
3399         
3400          ENDIF
3401          IF ( lod_aero == 3  .OR.  salsa_source_mode ==  'no_source' )  THEN
3402             surf%answs(m,b) = -depo * norm(k) * aerosol_number(b)%conc(k,j,i) 
3403             DO  c = 1, ncc_tot   
3404                surf%amsws(m,(c-1)*nbins+b) = -depo *  norm(k) *               &
3405                                         aerosol_mass((c-1)*nbins+b)%conc(k,j,i)
3406             ENDDO    ! c
3407          ELSE
3408             surf%answs(m,b) = SUM( aerosol_number(b)%source(:,j,i) ) -        &
3409                               MAX( 0.0_wp, depo * norm(k) *                   &
3410                               aerosol_number(b)%conc(k,j,i) )
3411             DO  c = 1, ncc_tot   
3412                surf%amsws(m,(c-1)*nbins+b) = SUM(                             &
3413                               aerosol_mass((c-1)*nbins+b)%source(:,j,i) ) -   &
3414                               MAX(  0.0_wp, depo *  norm(k) *                 &
3415                               aerosol_mass((c-1)*nbins+b)%conc(k,j,i) )
3416             ENDDO
3417          ENDIF
3418       ENDDO    ! b
3419    ENDDO    ! m     
3420     
3421 END SUBROUTINE depo_topo
3422 
3423!------------------------------------------------------------------------------!
3424! Description:
3425! ------------
3426! Function for calculating terminal velocities for different particles sizes.
3427!------------------------------------------------------------------------------!
3428 REAL(wp) FUNCTION terminal_vel( radius, rhop, rhoa, visc, beta )
3429 
3430    IMPLICIT NONE
3431   
3432    REAL(wp), INTENT(in) ::  beta    !< Cunningham correction factor
3433    REAL(wp), INTENT(in) ::  radius  !< particle radius (m)
3434    REAL(wp), INTENT(in) ::  rhop    !< particle density (kg/m3)
3435    REAL(wp), INTENT(in) ::  rhoa    !< air density (kg/m3)
3436    REAL(wp), INTENT(in) ::  visc    !< molecular viscosity of air (kg/(m*s))
3437   
3438    REAL(wp), PARAMETER ::  rhoa_ref = 1.225_wp ! reference air density (kg/m3)
3439!
3440!-- Stokes law with Cunningham slip correction factor
3441    terminal_vel = ( 4.0_wp * radius**2.0_wp ) * ( rhop - rhoa ) * g * beta /  &
3442                   ( 18.0_wp * visc ) ! (m/s)
3443       
3444 END FUNCTION terminal_vel
3445 
3446!------------------------------------------------------------------------------!
3447! Description:
3448! ------------
3449!> Calculates particle loss and change in size distribution due to (Brownian)
3450!> coagulation. Only for particles with dwet < 30 micrometres.
3451!
3452!> Method:
3453!> Semi-implicit, non-iterative method: (Jacobson, 1994)
3454!> Volume concentrations of the smaller colliding particles added to the bin of
3455!> the larger colliding particles. Start from first bin and use the updated
3456!> number and volume for calculation of following bins. NB! Our bin numbering
3457!> does not follow particle size in subrange 2.
3458!
3459!> Schematic for bin numbers in different subranges:
3460!>             1                            2
3461!>    +-------------------------------------------+
3462!>  a | 1 | 2 | 3 || 4 | 5 | 6 | 7 |  8 |  9 | 10||
3463!>  b |           ||11 |12 |13 |14 | 15 | 16 | 17||
3464!>    +-------------------------------------------+
3465!
3466!> Exact coagulation coefficients for each pressure level are scaled according
3467!> to current particle wet size (linear scaling).
3468!> Bins are organized in terms of the dry size of the condensation nucleus,
3469!> while coagulation kernell is calculated with the actual hydrometeor
3470!> size.
3471!
3472!> Called from salsa_driver
3473!> fxm: Process selection should be made smarter - now just lots of IFs inside
3474!>      loops
3475!
3476!> Coded by:
3477!> Hannele Korhonen (FMI) 2005
3478!> Harri Kokkola (FMI) 2006
3479!> Tommi Bergman (FMI) 2012
3480!> Matti Niskanen(FMI) 2012
3481!> Anton Laakso  (FMI) 2013
3482!> Juha Tonttila (FMI) 2014
3483!------------------------------------------------------------------------------!
3484 SUBROUTINE coagulation( paero, ptstep, ptemp, ppres )
3485               
3486    IMPLICIT NONE
3487   
3488!-- Input and output variables
3489    TYPE(t_section), INTENT(inout) ::  paero(fn2b) !< Aerosol properties
3490    REAL(wp), INTENT(in) ::  ppres  !< ambient pressure (Pa)
3491    REAL(wp), INTENT(in) ::  ptemp  !< ambient temperature (K)
3492    REAL(wp), INTENT(in) ::  ptstep !< time step (s)
3493!-- Local variables
3494    INTEGER(iwp) ::  index_2a !< corresponding bin in subrange 2a
3495    INTEGER(iwp) ::  index_2b !< corresponding bin in subrange 2b
3496    INTEGER(iwp) ::  b !< loop index
3497    INTEGER(iwp) ::  ll !< loop index
3498    INTEGER(iwp) ::  mm !< loop index
3499    INTEGER(iwp) ::  nn !< loop index
3500    REAL(wp) ::  pressi !< pressure
3501    REAL(wp) ::  temppi !< temperature
3502    REAL(wp) ::  zcc(fn2b,fn2b)   !< updated coagulation coefficients (m3/s) 
3503    REAL(wp) ::  zdpart_mm        !< diameter of particle (m)
3504    REAL(wp) ::  zdpart_nn        !< diameter of particle (m)   
3505    REAL(wp) ::  zminusterm       !< coagulation loss in a bin (1/s)
3506    REAL(wp) ::  zplusterm(8)     !< coagulation gain in a bin (fxm/s)
3507                                  !< (for each chemical compound)
3508    REAL(wp) ::  zmpart(fn2b)     !< approximate mass of particles (kg)
3509   
3510    zcc       = 0.0_wp
3511    zmpart    = 0.0_wp
3512    zdpart_mm = 0.0_wp
3513    zdpart_nn = 0.0_wp
3514!
3515!-- 1) Coagulation to coarse mode calculated in a simplified way:
3516!--    CoagSink ~ Dp in continuum subrange, thus we calculate 'effective'
3517!--    number concentration of coarse particles
3518
3519!-- 2) Updating coagulation coefficients
3520!   
3521!-- Aerosol mass (kg). Density of 1500 kg/m3 assumed
3522    zmpart(1:fn2b) = api6 * ( MIN( paero(1:fn2b)%dwet, 30.0E-6_wp )**3.0_wp  ) &
3523                     * 1500.0_wp 
3524    temppi = ptemp
3525    pressi = ppres
3526    zcc    = 0.0_wp
3527!
3528!-- Aero-aero coagulation
3529    DO  mm = 1, fn2b   ! smaller colliding particle
3530       IF ( paero(mm)%numc < nclim )  CYCLE
3531       DO  nn = mm, fn2b   ! larger colliding particle
3532          IF ( paero(nn)%numc < nclim )  CYCLE
3533         
3534          zdpart_mm = MIN( paero(mm)%dwet, 30.0E-6_wp )     ! Limit to 30 um
3535          zdpart_nn = MIN( paero(nn)%dwet, 30.0E-6_wp )     ! Limit to 30 um
3536!             
3537!--       Coagulation coefficient of particles (m3/s)
3538          zcc(mm,nn) = coagc( zdpart_mm, zdpart_nn, zmpart(mm), zmpart(nn),    &
3539                              temppi, pressi )
3540          zcc(nn,mm) = zcc(mm,nn)
3541       ENDDO
3542    ENDDO
3543       
3544!   
3545!-- 3) New particle and volume concentrations after coagulation:
3546!--    Calculated according to Jacobson (2005) eq. 15.9
3547!
3548!-- Aerosols in subrange 1a:
3549    DO  b = in1a, fn1a
3550       IF ( paero(b)%numc < nclim )  CYCLE
3551       zminusterm   = 0.0_wp
3552       zplusterm(:) = 0.0_wp
3553!       
3554!--    Particles lost by coagulation with larger aerosols
3555       DO  ll = b+1, fn2b
3556          zminusterm = zminusterm + zcc(b,ll) * paero(ll)%numc
3557       ENDDO
3558!       
3559!--    Coagulation gain in a bin: change in volume conc. (cm3/cm3):
3560       DO ll = in1a, b-1
3561          zplusterm(1:2) = zplusterm(1:2) + zcc(ll,b) * paero(ll)%volc(1:2)
3562          zplusterm(6:7) = zplusterm(6:7) + zcc(ll,b) * paero(ll)%volc(6:7)
3563          zplusterm(8)   = zplusterm(8)   + zcc(ll,b) * paero(ll)%volc(8)
3564       ENDDO
3565!       
3566!--    Volume and number concentrations after coagulation update [fxm]
3567       paero(b)%volc(1:2) = ( paero(b)%volc(1:2) + ptstep * zplusterm(1:2) * &
3568                             paero(b)%numc ) / ( 1.0_wp + ptstep * zminusterm )
3569       paero(b)%volc(6:7) = ( paero(b)%volc(6:7) + ptstep * zplusterm(6:7) * &
3570                             paero(b)%numc ) / ( 1.0_wp + ptstep * zminusterm )
3571       paero(b)%volc(8)   = ( paero(b)%volc(8)   + ptstep * zplusterm(8) *   &
3572                             paero(b)%numc ) / ( 1.0_wp + ptstep * zminusterm )
3573       paero(b)%numc = paero(b)%numc / ( 1.0_wp + ptstep * zminusterm  +     &
3574                        0.5_wp * ptstep * zcc(b,b) * paero(b)%numc )               
3575    ENDDO
3576!             
3577!-- Aerosols in subrange 2a:
3578    DO  b = in2a, fn2a
3579       IF ( paero(b)%numc < nclim )  CYCLE
3580       zminusterm   = 0.0_wp
3581       zplusterm(:) = 0.0_wp
3582!       
3583!--    Find corresponding size bin in subrange 2b
3584       index_2b = b - in2a + in2b
3585!       
3586!--    Particles lost by larger particles in 2a
3587       DO  ll = b+1, fn2a
3588          zminusterm = zminusterm + zcc(b,ll) * paero(ll)%numc
3589       ENDDO
3590!       
3591!--    Particles lost by larger particles in 2b
3592       IF ( .NOT. no_insoluble )  THEN
3593          DO  ll = index_2b+1, fn2b
3594             zminusterm = zminusterm + zcc(b,ll) * paero(ll)%numc
3595          ENDDO
3596       ENDIF
3597!       
3598!--    Particle volume gained from smaller particles in subranges 1, 2a and 2b
3599       DO  ll = in1a, b-1
3600          zplusterm(1:2) = zplusterm(1:2) + zcc(ll,b) * paero(ll)%volc(1:2)
3601          zplusterm(6:7) = zplusterm(6:7) + zcc(ll,b) * paero(ll)%volc(6:7)
3602          zplusterm(8)   = zplusterm(8)   + zcc(ll,b) * paero(ll)%volc(8)
3603       ENDDO 
3604!       
3605!--    Particle volume gained from smaller particles in 2a
3606!--    (Note, for components not included in the previous loop!)
3607       DO  ll = in2a, b-1
3608          zplusterm(3:5) = zplusterm(3:5) + zcc(ll,b)*paero(ll)%volc(3:5)             
3609       ENDDO
3610       
3611!       
3612!--    Particle volume gained from smaller (and equal) particles in 2b
3613       IF ( .NOT. no_insoluble )  THEN
3614          DO  ll = in2b, index_2b
3615             zplusterm(1:8) = zplusterm(1:8) + zcc(ll,b) * paero(ll)%volc(1:8)
3616          ENDDO
3617       ENDIF
3618!       
3619!--    Volume and number concentrations after coagulation update [fxm]
3620       paero(b)%volc(1:8) = ( paero(b)%volc(1:8) + ptstep * zplusterm(1:8) * &
3621                             paero(b)%numc ) / ( 1.0_wp + ptstep * zminusterm )
3622       paero(b)%numc = paero(b)%numc / ( 1.0_wp + ptstep * zminusterm +      &
3623                        0.5_wp * ptstep * zcc(b,b) * paero(b)%numc )
3624    ENDDO
3625!             
3626!-- Aerosols in subrange 2b:
3627    IF ( .NOT. no_insoluble )  THEN
3628       DO  b = in2b, fn2b
3629          IF ( paero(b)%numc < nclim )  CYCLE
3630          zminusterm   = 0.0_wp
3631          zplusterm(:) = 0.0_wp
3632!       
3633!--       Find corresponding size bin in subsubrange 2a
3634          index_2a = b - in2b + in2a
3635!       
3636!--       Particles lost to larger particles in subranges 2b
3637          DO  ll = b+1, fn2b
3638             zminusterm = zminusterm + zcc(b,ll) * paero(ll)%numc
3639          ENDDO
3640!       
3641!--       Particles lost to larger and equal particles in 2a
3642          DO  ll = index_2a, fn2a
3643             zminusterm = zminusterm + zcc(b,ll) * paero(ll)%numc
3644          ENDDO
3645!       
3646!--       Particle volume gained from smaller particles in subranges 1 & 2a
3647          DO  ll = in1a, index_2a-1
3648             zplusterm(1:8) = zplusterm(1:8) + zcc(ll,b) * paero(ll)%volc(1:8)
3649          ENDDO
3650!       
3651!--       Particle volume gained from smaller particles in 2b
3652          DO  ll = in2b, b-1
3653             zplusterm(1:8) = zplusterm(1:8) + zcc(ll,b) * paero(ll)%volc(1:8)
3654          ENDDO
3655!       
3656!--       Volume and number concentrations after coagulation update [fxm]
3657          paero(b)%volc(1:8) = ( paero(b)%volc(1:8) + ptstep * zplusterm(1:8)&
3658                           * paero(b)%numc ) / ( 1.0_wp + ptstep * zminusterm )
3659          paero(b)%numc = paero(b)%numc / ( 1.0_wp + ptstep * zminusterm  +  &
3660                           0.5_wp * ptstep * zcc(b,b) * paero(b)%numc )
3661       ENDDO
3662    ENDIF
3663
3664 END SUBROUTINE coagulation
3665
3666!------------------------------------------------------------------------------!
3667! Description:
3668! ------------
3669!> Calculation of coagulation coefficients. Extended version of the function
3670!> originally found in mo_salsa_init.
3671!
3672!> J. Tonttila, FMI, 05/2014
3673!------------------------------------------------------------------------------!
3674 REAL(wp) FUNCTION coagc( diam1, diam2, mass1, mass2, temp, pres )
3675 
3676    IMPLICIT NONE
3677!       
3678!-- Input and output variables
3679    REAL(wp), INTENT(in) ::  diam1 !< diameter of colliding particle 1 (m)
3680    REAL(wp), INTENT(in) ::  diam2 !< diameter of colliding particle 2 (m)
3681    REAL(wp), INTENT(in) ::  mass1 !< mass of colliding particle 1 (kg)
3682    REAL(wp), INTENT(in) ::  mass2 !< mass of colliding particle 2 (kg)
3683    REAL(wp), INTENT(in) ::  pres  !< ambient pressure (Pa?) [fxm]
3684    REAL(wp), INTENT(in) ::  temp  !< ambient temperature (K)       
3685!
3686!-- Local variables
3687    REAL(wp) ::  fmdist !< distance of flux matching (m)   
3688    REAL(wp) ::  knud_p !< particle Knudsen number
3689    REAL(wp) ::  mdiam  !< mean diameter of colliding particles (m) 
3690    REAL(wp) ::  mfp    !< mean free path of air molecules (m)   
3691    REAL(wp) ::  visc   !< viscosity of air (kg/(m s))                   
3692    REAL(wp), DIMENSION (2) ::  beta   !< Cunningham correction factor
3693    REAL(wp), DIMENSION (2) ::  dfpart !< particle diffusion coefficient
3694                                       !< (m2/s)       
3695    REAL(wp), DIMENSION (2) ::  diam   !< diameters of particles (m)
3696    REAL(wp), DIMENSION (2) ::  flux   !< flux in continuum and free molec.
3697                                       !< regime (m/s)       
3698    REAL(wp), DIMENSION (2) ::  knud   !< particle Knudsen number       
3699    REAL(wp), DIMENSION (2) ::  mpart  !< masses of particles (kg)
3700    REAL(wp), DIMENSION (2) ::  mtvel  !< particle mean thermal velocity (m/s)
3701    REAL(wp), DIMENSION (2) ::  omega  !< particle mean free path             
3702    REAL(wp), DIMENSION (2) ::  tva    !< temporary variable (m)       
3703!
3704!-- Initialisation
3705    coagc   = 0.0_wp
3706!
3707!-- 1) Initializing particle and ambient air variables
3708    diam  = (/ diam1, diam2 /) !< particle diameters (m)
3709    mpart = (/ mass1, mass2 /) !< particle masses (kg)
3710!-- Viscosity of air (kg/(m s))       
3711    visc = ( 7.44523E-3_wp * temp ** 1.5_wp ) /                                &
3712           ( 5093.0_wp * ( temp + 110.4_wp ) ) 
3713!-- Mean free path of air (m)           
3714    mfp = ( 1.656E-10_wp * temp + 1.828E-8_wp ) * ( p_0 + 1325.0_wp ) / pres
3715!
3716!-- 2) Slip correction factor for small particles
3717    knud = 2.0_wp * EXP( LOG(mfp) - LOG(diam) )! Knudsen number for air (15.23)
3718!-- Cunningham correction factor (Allen and Raabe, Aerosol Sci. Tech. 4, 269)       
3719    beta = 1.0_wp + knud * ( 1.142_wp + 0.558_wp * EXP( -0.999_wp / knud ) )
3720!
3721!-- 3) Particle properties
3722!-- Diffusion coefficient (m2/s) (Jacobson (2005) eq. 15.29)
3723    dfpart = beta * abo * temp / ( 3.0_wp * pi * visc * diam ) 
3724!-- Mean thermal velocity (m/s) (Jacobson (2005) eq. 15.32)
3725    mtvel = SQRT( ( 8.0_wp * abo * temp ) / ( pi * mpart ) )
3726!-- Particle mean free path (m) (Jacobson (2005) eq. 15.34 )
3727    omega = 8.0_wp * dfpart / ( pi * mtvel ) 
3728!-- Mean diameter (m)
3729    mdiam = 0.5_wp * ( diam(1) + diam(2) )
3730!
3731!-- 4) Calculation of fluxes (Brownian collision kernels) and flux matching
3732!-- following Jacobson (2005):
3733!-- Flux in continuum regime (m3/s) (eq. 15.28)
3734    flux(1) = 4.0_wp * pi * mdiam * ( dfpart(1) + dfpart(2) )
3735!-- Flux in free molec. regime (m3/s) (eq. 15.31)
3736    flux(2) = pi * SQRT( ( mtvel(1)**2.0_wp ) + ( mtvel(2)**2.0_wp ) ) *      &
3737              ( mdiam**2.0_wp )
3738!-- temporary variables (m) to calculate flux matching distance (m)
3739    tva(1) = ( ( mdiam + omega(1) )**3.0_wp - ( mdiam**2.0_wp +                &
3740               omega(1)**2.0_wp ) * SQRT( ( mdiam**2.0_wp + omega(1)**2.0_wp ) &
3741               ) ) / ( 3.0_wp * mdiam * omega(1) ) - mdiam
3742    tva(2) = ( ( mdiam + omega(2) )**3.0_wp - ( mdiam**2.0_wp +                &
3743               omega(2)**2.0_wp ) * SQRT( ( mdiam**2 + omega(2)**2 ) ) ) /     &
3744             ( 3.0_wp * mdiam * omega(2) ) - mdiam
3745!-- Flux matching distance (m) i.e. the mean distance from the centre of a
3746!-- sphere reached by particles leaving sphere's surface and travelling a
3747!-- distance of particle mean free path mfp (eq. 15 34)                 
3748    fmdist = SQRT( tva(1)**2 + tva(2)**2.0_wp) 
3749!
3750!-- 5) Coagulation coefficient (m3/s) (eq. 15.33). Here assumed
3751!-- coalescence efficiency 1!!
3752    coagc = flux(1) / ( mdiam / ( mdiam + fmdist) + flux(1) / flux(2) ) 
3753!-- coagulation coefficient = coalescence efficiency * collision kernel
3754!
3755!-- Corrected collision kernel following Karl et al., 2016 (ACP):
3756!-- Inclusion of van der Waals and viscous forces
3757    IF ( van_der_waals_coagc )  THEN
3758       knud_p = SQRT( omega(1)**2 + omega(2)**2 ) / mdiam   
3759       IF ( knud_p >= 0.1_wp  .AND.  knud_p <= 10.0_wp )  THEN
3760          coagc = coagc * ( 2.0_wp + 0.4_wp * LOG( knud_p ) )
3761       ELSE
3762          coagc = coagc * 3.0_wp
3763       ENDIF
3764    ENDIF
3765   
3766 END FUNCTION coagc
3767 
3768!------------------------------------------------------------------------------!   
3769! Description:
3770! ------------
3771!> Calculates the change in particle volume and gas phase
3772!> concentrations due to nucleation, condensation and dissolutional growth.
3773!
3774!> Sulphuric acid and organic vapour: only condensation and no evaporation.
3775!
3776!> New gas and aerosol phase concentrations calculated according to Jacobson
3777!> (1997): Numerical techniques to solve condensational and dissolutional growth
3778!> equations when growth is coupled to reversible reactions, Aerosol Sci. Tech.,
3779!> 27, pp 491-498.
3780!
3781!> Following parameterization has been used:
3782!> Molecular diffusion coefficient of condensing vapour (m2/s)
3783!> (Reid et al. (1987): Properties of gases and liquids, McGraw-Hill, New York.)
3784!> D = {1.d-7*sqrt(1/M_air + 1/M_gas)*T^1.75} / &
3785!      {p_atm/p_stand * (d_air^(1/3) + d_gas^(1/3))^2 }
3786! M_air = 28.965 : molar mass of air (g/mol)
3787! d_air = 19.70  : diffusion volume of air
3788! M_h2so4 = 98.08 : molar mass of h2so4 (g/mol)
3789! d_h2so4 = 51.96  : diffusion volume of h2so4
3790!
3791!> Called from main aerosol model
3792!
3793!> fxm: calculated for empty bins too
3794!> fxm: same diffusion coefficients and mean free paths used for sulphuric acid
3795!>      and organic vapours (average values? 'real' values for each?)
3796!> fxm: one should really couple with vapour production and loss terms as well
3797!>      should nucleation be coupled here as well????
3798!
3799! Coded by:
3800! Hannele Korhonen (FMI) 2005
3801! Harri Kokkola (FMI) 2006
3802! Juha Tonttila (FMI) 2014
3803! Rewritten to PALM by Mona Kurppa (UHel) 2017
3804!------------------------------------------------------------------------------!
3805 SUBROUTINE condensation( paero, pcsa, pcocnv, pcocsv, pchno3, pcnh3, pcw, pcs,&
3806                          ptemp, ppres, ptstep, prtcl )
3807       
3808    IMPLICIT NONE
3809   
3810!-- Input and output variables
3811    REAL(wp), INTENT(IN) ::  ppres !< ambient pressure (Pa)
3812    REAL(wp), INTENT(IN) ::  pcs   !< Water vapour saturation concentration
3813                                   !< (kg/m3)     
3814    REAL(wp), INTENT(IN) ::  ptemp !< ambient temperature (K)
3815    REAL(wp), INTENT(IN) ::  ptstep            !< timestep (s) 
3816    TYPE(component_index), INTENT(in) :: prtcl !< Keeps track which substances
3817                                               !< are used                                               
3818    REAL(wp), INTENT(INOUT) ::  pchno3 !< Gas concentrations (#/m3):
3819                                       !< nitric acid HNO3
3820    REAL(wp), INTENT(INOUT) ::  pcnh3  !< ammonia NH3
3821    REAL(wp), INTENT(INOUT) ::  pcocnv !< non-volatile organics
3822    REAL(wp), INTENT(INOUT) ::  pcocsv !< semi-volatile organics
3823    REAL(wp), INTENT(INOUT) ::  pcsa   !< sulphuric acid H2SO4
3824    REAL(wp), INTENT(INOUT) ::  pcw    !< Water vapor concentration (kg/m3)
3825    TYPE(t_section), INTENT(inout) ::  paero(fn2b) !< Aerosol properties                                     
3826!-- Local variables
3827    REAL(wp) ::  zbeta(fn2b) !< transitional correction factor for aerosols
3828    REAL(wp) ::  zcolrate(fn2b) !< collision rate of molecules to particles
3829                                !< (1/s)
3830    REAL(wp) ::  zcolrate_ocnv(fn2b) !< collision rate of organic molecules
3831                                     !< to particles (1/s)
3832    REAL(wp) ::  zcs_ocnv !< condensation sink of nonvolatile organics (1/s)       
3833    REAL(wp) ::  zcs_ocsv !< condensation sink of semivolatile organics (1/s)
3834    REAL(wp) ::  zcs_su !< condensation sink of sulfate (1/s)
3835    REAL(wp) ::  zcs_tot!< total condensation sink (1/s) (gases)
3836!-- vapour concentration after time step (#/m3)
3837    REAL(wp) ::  zcvap_new1 !< sulphuric acid
3838    REAL(wp) ::  zcvap_new2 !< nonvolatile organics
3839    REAL(wp) ::  zcvap_new3 !< semivolatile organics
3840    REAL(wp) ::  zdfpart(in1a+1) !< particle diffusion coefficient (m2/s)     
3841    REAL(wp) ::  zdfvap !< air diffusion coefficient (m2/s)
3842!-- change in vapour concentration (#/m3)
3843    REAL(wp) ::  zdvap1 !< sulphuric acid
3844    REAL(wp) ::  zdvap2 !< nonvolatile organics
3845    REAL(wp) ::  zdvap3 !< semivolatile organics
3846    REAL(wp) ::  zdvoloc(fn2b) !< change of organics volume in each bin [fxm]   
3847    REAL(wp) ::  zdvolsa(fn2b) !< change of sulphate volume in each bin [fxm]
3848    REAL(wp) ::  zj3n3(2)      !< Formation massrate of molecules in
3849                               !< nucleation, (molec/m3s). 1: H2SO4
3850                               !< and 2: organic vapor       
3851    REAL(wp) ::  zknud(fn2b) !< particle Knudsen number       
3852    REAL(wp) ::  zmfp    !< mean free path of condensing vapour (m)
3853    REAL(wp) ::  zrh     !< Relative humidity [0-1]         
3854    REAL(wp) ::  zvisc   !< viscosity of air (kg/(m s))     
3855    REAL(wp) ::  zn_vs_c !< ratio of nucleation of all mass transfer in the
3856                         !< smallest bin
3857    REAL(wp) ::  zxocnv  !< ratio of organic vapour in 3nm particles
3858    REAL(wp) ::  zxsa    !< Ratio in 3nm particles: sulphuric acid
3859   
3860    zj3n3  = 0.0_wp
3861    zrh    = pcw / pcs   
3862    zxocnv = 0.0_wp
3863    zxsa   = 0.0_wp
3864!
3865!-- Nucleation
3866    IF ( nsnucl > 0 )  THEN
3867       CALL nucleation( paero, ptemp, zrh, ppres, pcsa, pcocnv, pcnh3, ptstep, &
3868                        zj3n3, zxsa, zxocnv )
3869    ENDIF
3870!
3871!-- Condensation on pre-existing particles
3872    IF ( lscndgas )  THEN
3873!
3874!--    Initialise:
3875       zdvolsa = 0.0_wp 
3876       zdvoloc = 0.0_wp
3877       zcolrate = 0.0_wp
3878!             
3879!--    1) Properties of air and condensing gases:
3880!--    Viscosity of air (kg/(m s)) (Eq. 4.54 in Jabonson (2005))
3881       zvisc = ( 7.44523E-3_wp * ptemp ** 1.5_wp ) / ( 5093.0_wp *             &
3882                 ( ptemp + 110.4_wp ) )
3883!--    Diffusion coefficient of air (m2/s)
3884       zdfvap = 5.1111E-10_wp * ptemp ** 1.75_wp * ( p_0 + 1325.0_wp ) / ppres
3885!--    Mean free path (m): same for H2SO4 and organic compounds
3886       zmfp = 3.0_wp * zdfvap * SQRT( pi * amh2so4 / ( 8.0_wp * argas * ptemp ) )
3887!                   
3888!--    2) Transition regime correction factor zbeta for particles:
3889!--       Fuchs and Sutugin (1971), In: Hidy et al. (ed.) Topics in current
3890!--       aerosol research, Pergamon. Size of condensing molecule considered 
3891!--       only for nucleation mode (3 - 20 nm)
3892!
3893!--    Particle Knudsen number: condensation of gases on aerosols
3894       zknud(in1a:in1a+1) = 2.0_wp * zmfp / ( paero(in1a:in1a+1)%dwet + d_sa )
3895       zknud(in1a+2:fn2b) = 2.0_wp * zmfp / paero(in1a+2:fn2b)%dwet
3896!   
3897!--    Transitional correction factor: aerosol + gas (the semi-empirical Fuchs-
3898!--    Sutugin interpolation function (Fuchs and Sutugin, 1971))
3899       zbeta = ( zknud + 1.0_wp ) / ( 0.377_wp * zknud + 1.0_wp + 4.0_wp /     &
3900               ( 3.0_wp * massacc ) * ( zknud + zknud ** 2.0_wp ) )
3901!                   
3902!--    3) Collision rate of molecules to particles
3903!--       Particle diffusion coefficient considered only for nucleation mode
3904!--       (3 - 20 nm)
3905!
3906!--    Particle diffusion coefficient (m2/s) (e.g. Eq. 15.29 in Jacobson (2005))
3907       zdfpart = abo * ptemp * zbeta(in1a:in1a+1) / ( 3.0_wp * pi * zvisc *    &
3908                 paero(in1a:in1a+1)%dwet )
3909!             
3910!--    Collision rate (mass-transfer coefficient): gases on aerosols (1/s)
3911!--    (Eq. 16.64 in Jacobson (2005))
3912       zcolrate(in1a:in1a+1) = MERGE( 2.0_wp * pi *                            &
3913                                      ( paero(in1a:in1a+1)%dwet + d_sa ) *     &
3914                                      ( zdfvap + zdfpart ) * zbeta(in1a:in1a+1)& 
3915                                        * paero(in1a:in1a+1)%numc, 0.0_wp,     &
3916                                      paero(in1a:in1a+1)%numc > nclim )
3917       zcolrate(in1a+2:fn2b) = MERGE( 2.0_wp * pi * paero(in1a+2:fn2b)%dwet *  &
3918                                      zdfvap * zbeta(in1a+2:fn2b) *            &
3919                                      paero(in1a+2:fn2b)%numc, 0.0_wp,         &
3920                                      paero(in1a+2:fn2b)%numc > nclim )
3921!                 
3922!-- 4) Condensation sink (1/s)
3923       zcs_tot = SUM( zcolrate )   ! total sink
3924!
3925!--    5) Changes in gas-phase concentrations and particle volume
3926!
3927!--    5.1) Organic vapours
3928!
3929!--    5.1.1) Non-volatile organic compound: condenses onto all bins
3930       IF ( pcocnv > 1.0E+10_wp  .AND.  zcs_tot > 1.0E-30_wp  .AND.            &
3931            is_used( prtcl,'OC' ) )                                            &
3932       THEN
3933!--       Ratio of nucleation vs. condensation rates in the smallest bin   
3934          zn_vs_c = 0.0_wp 
3935          IF ( zj3n3(2) > 1.0_wp )  THEN
3936             zn_vs_c = ( zj3n3(2) ) / ( zj3n3(2) + pcocnv * zcolrate(in1a) )
3937          ENDIF
3938!       
3939!--       Collision rate in the smallest bin, including nucleation and
3940!--       condensation(see Jacobson, Fundamentals of Atmospheric Modeling, 2nd
3941!--       Edition (2005), equation (16.73) )
3942          zcolrate_ocnv = zcolrate
3943          zcolrate_ocnv(in1a) = zcolrate_ocnv(in1a) + zj3n3(2) / pcocnv
3944!       
3945!--       Total sink for organic vapor
3946          zcs_ocnv = zcs_tot + zj3n3(2) / pcocnv
3947!       
3948!--       New gas phase concentration (#/m3)
3949          zcvap_new2 = pcocnv / ( 1.0_wp + ptstep * zcs_ocnv )
3950!       
3951!--       Change in gas concentration (#/m3)
3952          zdvap2 = pcocnv - zcvap_new2
3953!
3954!--       Updated vapour concentration (#/m3)               
3955          pcocnv = zcvap_new2
3956!       
3957!--       Volume change of particles (m3(OC)/m3(air))
3958          zdvoloc = zcolrate_ocnv(in1a:fn2b) / zcs_ocnv * amvoc * zdvap2
3959!       
3960!--       Change of volume due to condensation in 1a-2b
3961          paero(in1a:fn2b)%volc(2) = paero(in1a:fn2b)%volc(2) + zdvoloc 
3962!       
3963!--       Change of number concentration in the smallest bin caused by
3964!--       nucleation (Jacobson (2005), equation (16.75)). If zxocnv = 0, then 
3965!--       the chosen nucleation mechanism doesn't take into account the non-
3966!--       volatile organic vapors and thus the paero doesn't have to be updated.
3967          IF ( zxocnv > 0.0_wp )  THEN
3968             paero(in1a)%numc = paero(in1a)%numc + zn_vs_c * zdvoloc(in1a) /   &
3969                                amvoc / ( n3 * zxocnv )
3970          ENDIF
3971       ENDIF
3972!   
3973!--    5.1.2) Semivolatile organic compound: all bins except subrange 1
3974       zcs_ocsv = SUM( zcolrate(in2a:fn2b) ) !< sink for semi-volatile organics
3975       IF ( pcocsv > 1.0E+10_wp  .AND.  zcs_ocsv > 1.0E-30  .AND.              &
3976            is_used( prtcl,'OC') )                                             &
3977       THEN
3978!
3979!--       New gas phase concentration (#/m3)
3980          zcvap_new3 = pcocsv / ( 1.0_wp + ptstep * zcs_ocsv )
3981!       
3982!--       Change in gas concentration (#/m3)
3983          zdvap3 = pcocsv - zcvap_new3
3984!       
3985!--       Updated gas concentration (#/m3)               
3986          pcocsv = zcvap_new3
3987!       
3988!--       Volume change of particles (m3(OC)/m3(air))
3989          zdvoloc(in2a:fn2b) = zdvoloc(in2a:fn2b) + zcolrate(in2a:fn2b) /      &
3990                               zcs_ocsv * amvoc * zdvap3
3991!                           
3992!--       Change of volume due to condensation in 1a-2b
3993          paero(in1a:fn2b)%volc(2) = paero(in1a:fn2b)%volc(2) + zdvoloc
3994       ENDIF
3995!
3996!-- 5.2) Sulphate: condensed on all bins
3997       IF ( pcsa > 1.0E+10_wp  .AND.  zcs_tot > 1.0E-30_wp  .AND.              &
3998            is_used( prtcl,'SO4' ) )                                           &
3999       THEN
4000!   
4001!--    Ratio of mass transfer between nucleation and condensation
4002          zn_vs_c = 0.0_wp
4003          IF ( zj3n3(1) > 1.0_wp )  THEN
4004             zn_vs_c = ( zj3n3(1) ) / ( zj3n3(1) + pcsa * zcolrate(in1a) )
4005          ENDIF
4006!       
4007!--       Collision rate in the smallest bin, including nucleation and
4008!--       condensation (see Jacobson, Fundamentals of Atmospheric Modeling, 2nd
4009!--       Edition (2005), equation (16.73))
4010          zcolrate(in1a) = zcolrate(in1a) + zj3n3(1) / pcsa     
4011!       
4012!--       Total sink for sulfate (1/s)
4013          zcs_su = zcs_tot + zj3n3(1) / pcsa
4014!       
4015!--       Sulphuric acid:
4016!--       New gas phase concentration (#/m3)
4017          zcvap_new1 = pcsa / ( 1.0_wp + ptstep * zcs_su )
4018!       
4019!--       Change in gas concentration (#/m3)
4020          zdvap1 = pcsa - zcvap_new1
4021!       
4022!--       Updating vapour concentration (#/m3)
4023          pcsa = zcvap_new1
4024!       
4025!--       Volume change of particles (m3(SO4)/m3(air)) by condensation
4026          zdvolsa = zcolrate(in1a:fn2b) / zcs_su * amvh2so4 * zdvap1
4027!--       For validation: zdvolsa = 5.5 mum3/cm3 per 12 h       
4028       !   zdvolsa = zdvolsa / SUM( zdvolsa ) * 5.5E-12_wp * dt_salsa / 43200.0_wp 
4029          !0.3E-12_wp, 0.6E-12_wp, 11.0E-12_wp, 4.6E-12_wp, 9.2E-12_wp   
4030!       
4031!--       Change of volume concentration of sulphate in aerosol [fxm]
4032          paero(in1a:fn2b)%volc(1) = paero(in1a:fn2b)%volc(1) + zdvolsa
4033!       
4034!--       Change of number concentration in the smallest bin caused by nucleation
4035!--       (Jacobson (2005), equation (16.75))
4036          IF ( zxsa > 0.0_wp )  THEN
4037             paero(in1a)%numc = paero(in1a)%numc + zn_vs_c * zdvolsa(in1a) /   &
4038                                amvh2so4 / ( n3 * zxsa )
4039          ENDIF
4040       ENDIF
4041    ENDIF
4042!
4043!
4044!-- Condensation of water vapour
4045    IF ( lscndh2oae )  THEN
4046       CALL gpparth2o( paero, ptemp, ppres, pcs, pcw, ptstep )
4047    ENDIF
4048!   
4049!
4050!-- Partitioning of H2O, HNO3, and NH3: Dissolutional growth
4051    IF ( lscndgas  .AND.  ino > 0  .AND.  inh > 0  .AND.                       &
4052         ( pchno3 > 1.0E+10_wp  .OR.  pcnh3 > 1.0E+10_wp ) )                   &
4053    THEN
4054       CALL gpparthno3( ppres, ptemp, paero, pchno3, pcnh3, pcw, pcs, zbeta,   &
4055                        ptstep )
4056    ENDIF
4057   
4058 END SUBROUTINE condensation
4059 
4060!------------------------------------------------------------------------------!
4061! Description:
4062! ------------
4063!> Calculates the particle number and volume increase, and gas-phase
4064!> concentration decrease due to nucleation subsequent growth to detectable size
4065!> of 3 nm.
4066!
4067!> Method:
4068!> When the formed clusters grow by condensation (possibly also by self-
4069!> coagulation), their number is reduced due to scavenging to pre-existing
4070!> particles. Thus, the apparent nucleation rate at 3 nm is significantly lower
4071!> than the real nucleation rate (at ~1 nm).
4072!
4073!> Calculation of the formation rate of detectable particles at 3 nm (i.e. J3):
4074!> nj3 = 1: Kerminen, V.-M. and Kulmala, M. (2002), J. Aerosol Sci.,33, 609-622.
4075!> nj3 = 2: Lehtinen et al. (2007), J. Aerosol Sci., 38(9), 988-994.
4076!> nj3 = 3: Anttila et al. (2010), J. Aerosol Sci., 41(7), 621-636.
4077!
4078!> Called from subroutine condensation (in module salsa_dynamics_mod.f90)
4079!
4080!> Calls one of the following subroutines:
4081!>  - binnucl
4082!>  - ternucl
4083!>  - kinnucl
4084!>  - actnucl
4085!
4086!> fxm: currently only sulphuric acid grows particles from 1 to 3 nm
4087!>  (if asked from Markku, this is terribly wrong!!!)
4088!
4089!> Coded by:
4090!> Hannele Korhonen (FMI) 2005
4091!> Harri Kokkola (FMI) 2006
4092!> Matti Niskanen(FMI) 2012
4093!> Anton Laakso  (FMI) 2013
4094!------------------------------------------------------------------------------!
4095
4096 SUBROUTINE nucleation( paero, ptemp, prh, ppres, pcsa, pcocnv, pcnh3, ptstep, &
4097                        pj3n3, pxsa, pxocnv )
4098    IMPLICIT NONE
4099!       
4100!-- Input and output variables
4101    REAL(wp), INTENT(in) ::  pcnh3    !< ammonia concentration (#/m3)
4102    REAL(wp), INTENT(in) ::  pcocnv   !< conc. of non-volatile OC (#/m3)     
4103    REAL(wp), INTENT(in) ::  pcsa     !< sulphuric acid conc. (#/m3)
4104    REAL(wp), INTENT(in) ::  ppres    !< ambient air pressure (Pa)
4105    REAL(wp), INTENT(in) ::  prh      !< ambient rel. humidity [0-1]       
4106    REAL(wp), INTENT(in) ::  ptemp    !< ambient temperature (K)
4107    REAL(wp), INTENT(in) ::  ptstep   !< time step (s) of SALSA
4108    TYPE(t_section), INTENT(inout) ::  paero(fn2b) !< aerosol properties                                                 
4109    REAL(wp), INTENT(inout) ::  pj3n3(2) !< formation mass rate of molecules
4110                                         !< (molec/m3s) for 1: H2SO4 and
4111                                         !< 2: organic vapour
4112    REAL(wp), INTENT(out) ::  pxocnv !< ratio of non-volatile organic vapours in
4113                                     !< 3nm aerosol particles
4114    REAL(wp), INTENT(out) ::  pxsa   !< ratio of H2SO4 in 3nm aerosol particles
4115!-- Local variables
4116    INTEGER(iwp) ::  iteration
4117    REAL(wp) ::  zbeta(fn2b)  !< transitional correction factor                                         
4118    REAL(wp) ::  zc_h2so4     !< H2SO4 conc. (#/cm3) !UNITS!
4119    REAL(wp) ::  zc_org       !< organic vapour conc. (#/cm3)
4120    REAL(wp) ::  zCoagStot    !< total losses due to coagulation, including
4121                              !< condensation and self-coagulation       
4122    REAL(wp) ::  zcocnv_local !< organic vapour conc. (#/m3)
4123    REAL(wp) ::  zcsink       !< condensational sink (#/m2)       
4124    REAL(wp) ::  zcsa_local   !< H2SO4 conc. (#/m3)       
4125    REAL(wp) ::  zdcrit       !< diameter of critical cluster (m)
4126    REAL(wp) ::  zdelta_vap   !< change of H2SO4 and organic vapour
4127                              !< concentration (#/m3)       
4128    REAL(wp) ::  zdfvap       !< air diffusion coefficient (m2/s)
4129    REAL(wp) ::  zdmean       !< mean diameter of existing particles (m)
4130    REAL(wp) ::  zeta         !< constant: proportional to ratio of CS/GR (m)
4131                              !< (condensation sink / growth rate)                                   
4132    REAL(wp) ::  zgamma       !< proportionality factor ((nm2*m2)/h)                                       
4133    REAL(wp) ::  zGRclust     !< growth rate of formed clusters (nm/h)
4134    REAL(wp) ::  zGRtot       !< total growth rate       
4135    REAL(wp) ::  zj3          !< number conc. of formed 3nm particles (#/m3)       
4136    REAL(wp) ::  zjnuc        !< nucleation rate at ~1nm (#/m3s)
4137    REAL(wp) ::  zKeff        !< effective cogulation coefficient between
4138                              !< freshly nucleated particles       
4139    REAL(wp) ::  zknud(fn2b)  !< particle Knudsen number       
4140    REAL(wp) ::  zkocnv       !< lever: zkocnv=1 --> organic compounds involved
4141                              !< in nucleation   
4142    REAL(wp) ::  zksa         !< lever: zksa=1 --> H2SO4 involved in nucleation
4143    REAL(wp) ::  zlambda      !< parameter for adjusting the growth rate due to
4144                              !< self-coagulation                                 
4145    REAL(wp) ::  zmfp         !< mean free path of condesing vapour(m)                                       
4146    REAL(wp) ::  zmixnh3      !< ammonia mixing ratio (ppt)
4147    REAL(wp) ::  zNnuc        !< number of clusters/particles at the size range
4148                              !< d1-dx (#/m3) 
4149    REAL(wp) ::  znoc         !< number of organic molecules in critical cluster
4150    REAL(wp) ::  znsa         !< number of H2SO4 molecules in critical cluster                                           
4151!
4152!-- Variable determined for the m-parameter
4153    REAL(wp) ::  zCc_2(fn2b) !<
4154    REAL(wp) ::  zCc_c !<
4155    REAL(wp) ::  zCc_x !<
4156    REAL(wp) ::  zCoagS_c !<
4157    REAL(wp) ::  zCoagS_x !<
4158    REAL(wp) ::  zcv_2(fn2b) !<
4159    REAL(wp) ::  zcv_c !<
4160    REAL(wp) ::  zcv_c2(fn2b) !<
4161    REAL(wp) ::  zcv_x !<
4162    REAL(wp) ::  zcv_x2(fn2b) !<
4163    REAL(wp) ::  zDc_2(fn2b) !<
4164    REAL(wp) ::  zDc_c(fn2b) !<
4165    REAL(wp) ::  zDc_c2(fn2b) !<
4166    REAL(wp) ::  zDc_x(fn2b) !<
4167    REAL(wp) ::  zDc_x2(fn2b) !<
4168    REAL(wp) ::  zgammaF_2(fn2b) !<
4169    REAL(wp) ::  zgammaF_c(fn2b) !<
4170    REAL(wp) ::  zgammaF_x(fn2b) !<
4171    REAL(wp) ::  zK_c2(fn2b) !<
4172    REAL(wp) ::  zK_x2(fn2b) !<
4173    REAL(wp) ::  zknud_2(fn2b) !<
4174    REAL(wp) ::  zknud_c !<
4175    REAL(wp) ::  zknud_x !<       
4176    REAL(wp) ::  zm_2(fn2b) !<
4177    REAL(wp) ::  zm_c !<
4178    REAL(wp) ::  zm_para !<
4179    REAL(wp) ::  zm_x !<
4180    REAL(wp) ::  zmyy !<
4181    REAL(wp) ::  zomega_2c(fn2b) !<
4182    REAL(wp) ::  zomega_2x(fn2b) !<
4183    REAL(wp) ::  zomega_c(fn2b) !<
4184    REAL(wp) ::  zomega_x(fn2b) !<
4185    REAL(wp) ::  zRc2(fn2b) !<
4186    REAL(wp) ::  zRx2(fn2b) !<
4187    REAL(wp) ::  zsigma_c2(fn2b) !<
4188    REAL(wp) ::  zsigma_x2(fn2b) !<
4189!
4190!-- 1) Nucleation rate (zjnuc) and diameter of critical cluster (zdcrit)
4191    zjnuc  = 0.0_wp
4192    znsa   = 0.0_wp
4193    znoc   = 0.0_wp
4194    zdcrit = 0.0_wp
4195    zksa   = 0.0_wp
4196    zkocnv = 0.0_wp
4197   
4198    SELECT CASE ( nsnucl )
4199   
4200    CASE(1)   ! Binary H2SO4-H2O nucleation
4201       
4202       zc_h2so4 = pcsa * 1.0E-6_wp   ! sulphuric acid conc. to #/cm3
4203       CALL binnucl( zc_h2so4, ptemp, prh, zjnuc, znsa, znoc, zdcrit,  zksa, &
4204                     zkocnv )     
4205   
4206    CASE(2)   ! Activation type nucleation
4207   
4208       zc_h2so4 = pcsa * 1.0E-6_wp   ! sulphuric acid conc. to #/cm3
4209       CALL binnucl( zc_h2so4, ptemp, prh, zjnuc, znsa,  znoc, zdcrit, zksa,  &
4210                     zkocnv )
4211       CALL actnucl( pcsa, zjnuc, zdcrit, znsa, znoc, zksa, zkocnv, act_coeff )
4212   
4213    CASE(3)   ! Kinetically limited nucleation of (NH4)HSO4 clusters
4214       
4215       zc_h2so4 = pcsa * 1.0E-6_wp   ! sulphuric acid conc. to #/cm3
4216       CALL binnucl( zc_h2so4, ptemp, prh, zjnuc, znsa, znoc, zdcrit, zksa,    &
4217                     zkocnv )
4218
4219       CALL kinnucl( zc_h2so4, zjnuc, zdcrit, znsa, znoc, zksa, zkocnv )
4220   
4221    CASE(4)   ! Ternary H2SO4-H2O-NH3 nucleation
4222   
4223       zmixnh3 = pcnh3 * ptemp * argas / ( ppres * avo )
4224       zc_h2so4 = pcsa * 1.0E-6_wp   ! sulphuric acid conc. to #/cm3
4225       CALL ternucl( zc_h2so4, zmixnh3, ptemp, prh, zjnuc, znsa, znoc, zdcrit, &
4226                     zksa, zkocnv ) 
4227   
4228    CASE(5)   ! Organic nucleation, J~[ORG] or J~[ORG]**2
4229   
4230       zc_org = pcocnv * 1.0E-6_wp   ! conc. of non-volatile OC to #/cm3
4231       zc_h2so4 = pcsa * 1.0E-6_wp   ! sulphuric acid conc. to #/cm3
4232       CALL binnucl( zc_h2so4, ptemp, prh, zjnuc, znsa, znoc, zdcrit, zksa,    &
4233                     zkocnv ) 
4234       CALL orgnucl( pcocnv, zjnuc, zdcrit, znsa, znoc, zksa, zkocnv )
4235   
4236    CASE(6)   ! Sum of H2SO4 and organic activation type nucleation,
4237              ! J~[H2SO4]+[ORG]
4238       
4239       zc_h2so4 = pcsa * 1.0E-6_wp   ! sulphuric acid conc. to #/cm3
4240       CALL binnucl( zc_h2so4, ptemp, prh, zjnuc, znsa, znoc, zdcrit, zksa,    &
4241                     zkocnv ) 
4242       CALL sumnucl( pcsa, pcocnv, zjnuc, zdcrit, znsa, znoc, zksa, zkocnv )
4243
4244           
4245    CASE(7)   ! Heteromolecular nucleation, J~[H2SO4]*[ORG]
4246       
4247       zc_h2so4 = pcsa * 1.0E-6_wp   ! sulphuric acid conc. to #/cm3
4248       zc_org = pcocnv * 1.0E-6_wp   ! conc. of non-volatile OC to #/cm3
4249       CALL binnucl( zc_h2so4, ptemp, prh, zjnuc, znsa, znoc, zdcrit, zksa,    &
4250                     zkocnv ) 
4251       CALL hetnucl( zc_h2so4, zc_org, zjnuc, zdcrit, znsa, znoc, zksa, zkocnv )
4252   
4253    CASE(8)   ! Homomolecular nucleation of H2SO4 and heteromolecular
4254              ! nucleation of H2SO4 and organic vapour,
4255              ! J~[H2SO4]**2 + [H2SO4]*[ORG] (EUCAARI project)
4256       zc_h2so4 = pcsa * 1.0E-6_wp   ! sulphuric acid conc. to #/cm3
4257       zc_org = pcocnv * 1.0E-6_wp   ! conc. of non-volatile OC to #/cm3
4258       CALL binnucl( zc_h2so4, ptemp, prh, zjnuc, znsa, znoc, zdcrit, zksa,    &
4259                     zkocnv ) 
4260       CALL SAnucl( zc_h2so4, zc_org, zjnuc, zdcrit, znsa, znoc, zksa, zkocnv )
4261   
4262    CASE(9)   ! Homomolecular nucleation of H2SO4 and organic vapour and
4263              ! heteromolecular nucleation of H2SO4 and organic vapour,
4264              ! J~[H2SO4]**2 + [H2SO4]*[ORG]+[ORG]**2 (EUCAARI project)
4265   
4266       zc_h2so4 = pcsa * 1.0E-6_wp   ! sulphuric acid conc. to #/cm3
4267       zc_org = pcocnv * 1.0E-6_wp   ! conc. of non-volatile OC to #/cm3
4268       CALL binnucl( zc_h2so4, ptemp, prh, zjnuc, znsa, znoc, zdcrit, zksa,    &
4269                     zkocnv ) 
4270
4271       CALL SAORGnucl( zc_h2so4, zc_org, zjnuc, zdcrit, znsa, znoc, zksa,      &
4272                       zkocnv )
4273    END SELECT
4274   
4275    zcsa_local = pcsa
4276    zcocnv_local = pcocnv
4277!
4278!-- 2) Change of particle and gas concentrations due to nucleation
4279!         
4280!-- 2.1) Check that there is enough H2SO4 and organic vapour to produce the
4281!--      nucleation 
4282    IF ( nsnucl <= 4 )  THEN 
4283!--    If the chosen nucleation scheme is 1-4, nucleation occurs only due to
4284!--    H2SO4. All of the total vapour concentration that is taking part to the
4285!--    nucleation is there for sulphuric acid (sa = H2SO4) and non-volatile
4286!--    organic vapour is zero.
4287       pxsa   = 1.0_wp   ! ratio of sulphuric acid in 3nm particles
4288       pxocnv = 0.0_wp   ! ratio of non-volatile origanic vapour
4289                                ! in 3nm particles
4290    ELSEIF ( nsnucl > 4 )  THEN
4291!--    If the chosen nucleation scheme is 5-9, nucleation occurs due to organic
4292!--    vapour or the combination of organic vapour and H2SO4. The number of
4293!--    needed molecules depends on the chosen nucleation type and it has an
4294!--    effect also on the minimum ratio of the molecules present.
4295       IF ( pcsa * znsa + pcocnv * znoc < 1.E-14_wp )  THEN
4296          pxsa   = 0.0_wp
4297          pxocnv = 0.0_wp             
4298       ELSE
4299          pxsa   = pcsa * znsa / ( pcsa * znsa + pcocnv * znoc ) 
4300          pxocnv = pcocnv * znoc / ( pcsa * znsa + pcocnv * znoc )
4301       ENDIF 
4302    ENDIF
4303!   
4304!-- The change in total vapour concentration is the sum of the concentrations
4305!-- of the vapours taking part to the nucleation (depends on the chosen
4306!-- nucleation scheme)
4307    zdelta_vap = MIN( zjnuc * ( znoc + znsa ), ( pcocnv * zkocnv + pcsa *      &
4308                      zksa ) / ptstep ) 
4309!                     
4310!-- Nucleation rate J at ~1nm (#/m3s)                           
4311    zjnuc = zdelta_vap / ( znoc + znsa )
4312!   
4313!-- H2SO4 concentration after nucleation in #/m3           
4314    zcsa_local = MAX( 1.0_wp, pcsa - zdelta_vap * pxsa ) 
4315!   
4316!-- Non-volative organic vapour concentration after nucleation (#/m3)
4317    zcocnv_local = MAX( 1.0_wp, pcocnv - zdelta_vap * pxocnv )
4318!
4319!-- 2.2) Formation rate of 3 nm particles (Kerminen & Kulmala, 2002)
4320!
4321!-- 2.2.1) Growth rate of clusters formed by H2SO4
4322!
4323!-- GR = 3.0e-15 / dens_clus * sum( molecspeed * molarmass * conc )
4324
4325!-- dens_clus  = density of the clusters (here 1830 kg/m3)
4326!-- molarmass  = molar mass of condensing species (here 98.08 g/mol)
4327!-- conc       = concentration of condensing species [#/m3]
4328!-- molecspeed = molecular speed of condensing species [m/s]
4329!--            = sqrt( 8.0 * R * ptemp / ( pi * molarmass ) )
4330!-- (Seinfeld & Pandis, 1998)
4331!
4332!-- Growth rate by H2SO4 and organic vapour in nm/h (Eq. 21)
4333    zGRclust = 2.3623E-15_wp * SQRT( ptemp ) * ( zcsa_local + zcocnv_local )
4334!   
4335!-- 2.2.2) Condensational sink of pre-existing particle population
4336!
4337!-- Diffusion coefficient (m2/s)
4338    zdfvap = 5.1111E-10_wp * ptemp ** 1.75_wp * ( p_0 + 1325.0_wp ) / ppres
4339!-- Mean free path of condensing vapour (m) (Jacobson (2005), Eq. 15.25 and
4340!-- 16.29)
4341    zmfp = 3.0_wp * zdfvap * SQRT( pi * amh2so4 / ( 8.0_wp * argas * ptemp ) )
4342!-- Knudsen number           
4343    zknud = 2.0_wp * zmfp / ( paero(:)%dwet + d_sa )                     
4344!-- Transitional regime correction factor (zbeta) according to Fuchs and
4345!-- Sutugin (1971), In: Hidy et al. (ed.), Topics in current  aerosol research,
4346!-- Pergamon. (Eq. 4 in Kerminen and Kulmala, 2002)
4347    zbeta = ( zknud + 1.0_wp) / ( 0.377_wp * zknud + 1.0_wp + 4.0_wp /         &
4348            ( 3.0_wp * massacc ) * ( zknud + zknud ** 2 ) ) 
4349!-- Condensational sink (#/m2) (Eq. 3)
4350    zcsink = SUM( paero(:)%dwet * zbeta * paero(:)%numc )
4351!
4352!-- Parameterised formation rate of detectable 3 nm particles (i.e. J3)
4353    IF ( nj3 == 1 )  THEN   ! Kerminen and Kulmala (2002)
4354!--    2.2.3) Parameterised formation rate of detectable 3 nm particles
4355!--    Constants needed for the parameterisation:
4356!--    dapp = 3 nm and dens_nuc = 1830 kg/m3
4357       IF ( zcsink < 1.0E-30_wp )  THEN
4358          zeta = 0._dp
4359       ELSE
4360!--       Mean diameter of backgroud population (nm)
4361          zdmean = 1.0_wp / SUM( paero(:)%numc ) * SUM( paero(:)%numc *        &
4362                   paero(:)%dwet ) * 1.0E+9_wp
4363!--       Proportionality factor (nm2*m2/h) (Eq. 22)
4364          zgamma = 0.23_wp * ( zdcrit * 1.0E+9_wp ) ** 0.2_wp * ( zdmean /     &
4365                 150.0_wp ) ** 0.048_wp * ( ptemp / 293.0_wp ) ** ( -0.75_wp ) &
4366                 * ( arhoh2so4 / 1000.0_wp ) ** ( -0.33_wp )
4367!--       Factor eta (nm) (Eq. 11)
4368          zeta = MIN( zgamma * zcsink / zGRclust, zdcrit * 1.0E11_wp ) 
4369       ENDIF
4370!       
4371!--    Number conc. of clusters surviving to 3 nm in a time step (#/m3) (Eq.14)
4372       zj3 = zjnuc * EXP( MIN( 0.0_wp, zeta / 3.0_wp - zeta /                  &
4373                               ( zdcrit * 1.0E9_wp ) ) )                   
4374
4375    ELSEIF ( nj3 > 1 )  THEN
4376!--    Defining the value for zm_para. The growth is investigated between
4377!--    [d1,reglim(1)] = [zdcrit,3nm]   
4378!--    m = LOG( CoagS_dx / CoagX_zdcrit ) / LOG( reglim / zdcrit )
4379!--    (Lehtinen et al. 2007, Eq. 5)
4380!--    The steps for the coagulation sink for reglim = 3nm and zdcrit ~= 1nm are
4381!--    explained in article of Kulmala et al. (2001). The particles of diameter
4382!--    zdcrit ~1.14 nm  and reglim = 3nm are both in turn the "number 1"
4383!--    variables (Kulmala et al. 2001).             
4384!--    c = critical (1nm), x = 3nm, 2 = wet or mean droplet
4385!--    Sum of the radii, R12 = R1 + zR2 (m) of two particles 1 and 2
4386       zRc2 = zdcrit / 2.0_wp + paero(:)%dwet / 2.0_wp
4387       zRx2 = reglim(1) / 2.0_wp + paero(:)%dwet / 2.0_wp
4388!       
4389!--    The mass of particle (kg) (comes only from H2SO4)
4390       zm_c = 4.0_wp / 3.0_wp * pi * ( zdcrit / 2.0_wp ) ** 3.0_wp * arhoh2so4                     
4391       zm_x = 4.0_wp / 3.0_wp * pi * ( reglim(1) / 2.0_wp ) ** 3.0_wp *        &
4392              arhoh2so4                 
4393       zm_2 = 4.0_wp / 3.0_wp * pi * ( paero(:)%dwet / 2.0_wp )** 3.0_wp *     &
4394              arhoh2so4
4395!             
4396!--    Mean relative thermal velocity between the particles (m/s)
4397       zcv_c = SQRT( 8.0_wp * abo * ptemp / ( pi * zm_c ) )
4398       zcv_x = SQRT( 8.0_wp * abo * ptemp / ( pi * zm_x ) )
4399       zcv_2 = SQRT( 8.0_wp * abo * ptemp / ( pi * zm_2 ) )
4400!       
4401!--    Average velocity after coagulation               
4402       zcv_c2 = SQRT( zcv_c ** 2.0_wp + zcv_2 ** 2.0_wp )
4403       zcv_x2 = SQRT( zcv_x ** 2.0_wp + zcv_2 ** 2.0_wp )
4404!       
4405!--    Knudsen number (zmfp = mean free path of condensing vapour)
4406       zknud_c = 2.0_wp * zmfp / zdcrit
4407       zknud_x = 2.0_wp * zmfp / reglim(1)
4408       zknud_2 = MAX( 0.0_wp, 2.0_wp * zmfp / paero(:)%dwet )
4409!
4410!--    Cunningham correction factor               
4411       zCc_c = 1.0_wp + zknud_c * ( 1.142_wp + 0.558_wp *                      &
4412               EXP( -0.999_wp / zknud_c ) ) 
4413       zCc_x = 1.0_wp + zknud_x * ( 1.142_wp + 0.558_wp *                      &
4414               EXP( -0.999_wp / zknud_x ) )
4415       zCc_2 = 1.0_wp + zknud_2 * ( 1.142_wp + 0.558_wp *                      &
4416               EXP( -0.999_wp / zknud_2 ) )
4417!                     
4418!--    Gas dynamic viscosity (N*s/m2).
4419!--    Viscocity(air @20C) = 1.81e-5_dp N/m2 *s (Hinds, p. 25)                     
4420       zmyy = 1.81E-5_wp * ( ptemp / 293.0_wp) ** ( 0.74_wp ) 
4421!       
4422!--    Particle diffusion coefficient (m2/s)               
4423       zDc_c = abo * ptemp * zCc_c / ( 3.0_wp * pi * zmyy * zdcrit ) 
4424       zDc_x = abo * ptemp * zCc_x / ( 3.0_wp * pi * zmyy * reglim(1) )
4425       zDc_2 = abo * ptemp * zCc_2 / ( 3.0_wp * pi * zmyy * paero(:)%dwet )
4426!       
4427!--    D12 = D1+D2 (Seinfield and Pandis, 2nd ed. Eq. 13.38)
4428       zDc_c2 = zDc_c + zDc_2   
4429       zDc_x2 = zDc_x + zDc_2
4430!       
4431!--    zgammaF = 8*D/pi/zcv (m) for calculating zomega
4432       zgammaF_c = 8.0_wp * zDc_c / pi / zcv_c
4433       zgammaF_x = 8.0_wp * zDc_x / pi / zcv_x
4434       zgammaF_2 = 8.0_wp * zDc_2 / pi / zcv_2
4435!       
4436!--    zomega (m) for calculating zsigma             
4437       zomega_c = ( ( zRc2 + zgammaF_c ) ** 3 - ( zRc2 ** 2 +                  &
4438                      zgammaF_c ) ** ( 3.0_wp / 2.0_wp ) ) / ( 3.0_wp *        &
4439                      zRc2 * zgammaF_c ) - zRc2 
4440       zomega_x = ( ( zRx2 + zgammaF_x ) ** 3.0_wp - ( zRx2 ** 2.0_wp +        &
4441                      zgammaF_x ) ** ( 3.0_wp / 2.0_wp ) ) / ( 3.0_wp *        &
4442                      zRx2 * zgammaF_x ) - zRx2
4443       zomega_2c = ( ( zRc2 + zgammaF_2 ) ** 3.0_wp - ( zRc2 ** 2.0_wp +       &
4444                       zgammaF_2 ) ** ( 3.0_wp / 2.0_wp ) ) / ( 3.0_wp *       &
4445                       zRc2 * zgammaF_2 ) - zRc2
4446       zomega_2x = ( ( zRx2 + zgammaF_2 ) ** 3.0_wp - ( zRx2 ** 2.0_wp +       &
4447                       zgammaF_2 ) ** ( 3.0_wp / 2.0_wp ) ) / ( 3.0_wp *       &
4448                       zRx2 * zgammaF_2 ) - zRx2
4449!                       
4450!--    The distance (m) at which the two fluxes are matched (condensation and
4451!--    coagulation sinks?)           
4452       zsigma_c2 = SQRT( zomega_c ** 2.0_wp + zomega_2c ** 2.0_wp ) 
4453       zsigma_x2 = SQRT( zomega_x ** 2.0_wp + zomega_2x ** 2.0_wp ) 
4454!       
4455!--    Coagulation coefficient in the continuum regime (m*m2/s)
4456       zK_c2 = 4.0_wp * pi * zRc2 * zDc_c2 / ( zRc2 / ( zRc2 + zsigma_c2 ) +   &
4457               4.0_wp * zDc_c2 / ( zcv_c2 * zRc2 ) ) 
4458       zK_x2 = 4.0_wp * pi * zRx2 * zDc_x2 / ( zRx2 / ( zRx2 + zsigma_x2 ) +   &
4459               4.0_wp * zDc_x2 / ( zcv_x2 * zRx2 ) )
4460!               
4461!--    Coagulation sink (1/s)
4462       zCoagS_c = MAX( 1.0E-20_wp, SUM( zK_c2 * paero(:)%numc ) )         
4463       zCoagS_x = MAX( 1.0E-20_wp, SUM( zK_x2 * paero(:)%numc ) ) 
4464!       
4465!--    Parameter m for calculating the coagulation sink onto background
4466!--    particles (Eq. 5&6 in Lehtinen et al. 2007)             
4467       zm_para = LOG( zCoagS_x / zCoagS_c ) / LOG( reglim(1) / zdcrit )
4468!       
4469!--    Parameter gamma for calculating the formation rate J of particles having
4470!--    a diameter zdcrit < d < reglim(1) (Anttila et al. 2010, eq. 5)
4471       zgamma = ( ( ( reglim(1) / zdcrit ) ** ( zm_para + 1.0_wp ) ) - 1.0_wp )&
4472                / ( zm_para + 1.0_wp )     
4473               
4474       IF ( nj3 == 2 )  THEN   ! Coagulation sink
4475!       
4476!--       Formation rate J before iteration (#/m3s)               
4477          zj3 = zjnuc * EXP( MIN( 0.0_wp, -zgamma * zdcrit * zCoagS_c /        &
4478                ( zGRclust * 1.0E-9_wp / ( 60.0_wp ** 2.0_wp ) ) ) )
4479               
4480       ELSEIF ( nj3 == 3 )  THEN  ! Coagulation sink and self-coag.
4481!--       IF polluted air... then the self-coagulation becomes important.
4482!--       Self-coagulation of small particles < 3 nm.
4483!
4484!--       "Effective" coagulation coefficient between freshly-nucleated
4485!--       particles:
4486          zKeff = 5.0E-16_wp   ! cm3/s
4487!         
4488!--       zlambda parameter for "adjusting" the growth rate due to the
4489!--       self-coagulation
4490          zlambda = 6.0_wp 
4491          IF ( reglim(1) >= 10.0E-9_wp )  THEN   ! for particles >10 nm:
4492             zKeff   = 5.0E-17_wp
4493             zlambda = 3.0_wp
4494          ENDIF
4495!         
4496!--       Initial values for coagulation sink and growth rate  (m/s)
4497          zCoagStot = zCoagS_c
4498          zGRtot = zGRclust * 1.0E-9_wp / 60.0_wp ** 2.0_wp 
4499!         
4500!--       Number of clusters/particles at the size range [d1,dx] (#/m3):
4501          zNnuc = zjnuc / zCoagStot !< Initial guess
4502!         
4503!--       Coagulation sink and growth rate due to self-coagulation:
4504          DO  iteration = 1, 5
4505             zCoagStot = zCoagS_c + zKeff * zNnuc * 1.0E-6_wp   ! (1/s) 
4506             zGRtot = zGRclust * 1.0E-9_wp / ( 3600.0_wp ) +  1.5708E-6_wp *   &
4507                      zlambda * zdcrit ** 3.0_wp * ( zNnuc * 1.0E-6_wp ) *     &
4508                      zcv_c * avo * 1.0E-9_wp / 3600.0_wp 
4509             zeta = - zCoagStot / ( ( zm_para + 1.0_wp ) * zGRtot * ( zdcrit **&
4510                      zm_para ) )   ! Eq. 7b (Anttila)
4511             zNnuc =  zNnuc_tayl( zdcrit, reglim(1), zm_para, zjnuc, zeta,     &
4512                      zGRtot )
4513          ENDDO
4514!         
4515!--       Calculate the final values with new zNnuc:   
4516          zCoagStot = zCoagS_c + zKeff * zNnuc * 1.0E-6_wp   ! (1/s)
4517          zGRtot = zGRclust * 1.0E-9_wp / 3600.0_wp + 1.5708E-6_wp *  zlambda  &
4518                   * zdcrit ** 3.0_wp * ( zNnuc * 1.0E-6_wp ) * zcv_c * avo *  &
4519                   1.0E-9_wp / 3600.0_wp !< (m/s)
4520          zj3 = zjnuc * EXP( MIN( 0.0_wp, -zgamma * zdcrit * zCoagStot /       &
4521                zGRtot ) )   ! (Eq. 5a) (#/m3s)
4522               
4523       ENDIF
4524       
4525    ENDIF
4526!-- If J3 very small (< 1 #/cm3), neglect particle formation. In real atmosphere
4527!-- this would mean that clusters form but coagulate to pre-existing particles
4528!-- who gain sulphate. Since CoagS ~ CS (4piD*CS'), we do *not* update H2SO4
4529!-- concentration here but let condensation take care of it.
4530!-- Formation mass rate of molecules (molec/m3s) for 1: H2SO4 and 2: organic
4531!-- vapour
4532    pj3n3(1) = zj3 * n3 * pxsa
4533    pj3n3(2) = zj3 * n3 * pxocnv
4534                                 
4535                         
4536 END SUBROUTINE nucleation
4537
4538!------------------------------------------------------------------------------!
4539! Description:
4540! ------------
4541!> Calculate the nucleation rate and the size of critical clusters assuming
4542!> binary nucleation.
4543!> Parametrisation according to Vehkamaki et al. (2002), J. Geophys. Res.,
4544!> 107(D22), 4622. Called from subroutine nucleation.
4545!------------------------------------------------------------------------------!
4546 SUBROUTINE binnucl( pc_sa, ptemp, prh, pnuc_rate, pn_crit_sa, pn_crit_ocnv,   &
4547                     pd_crit, pk_sa, pk_ocnv )
4548                   
4549    IMPLICIT NONE
4550!       
4551!-- Input and output variables       
4552    REAL(wp), INTENT(in) ::   pc_sa        !< H2SO4 conc. (#/cm3)
4553    REAL(wp), INTENT(in) ::   prh          !< relative humidity [0-1]       
4554    REAL(wp), INTENT(in) ::   ptemp        !< ambient temperature (K)
4555    REAL(wp), INTENT(out) ::  pnuc_rate    !< nucleation rate (#/(m3 s))
4556    REAL(wp), INTENT(out) ::  pn_crit_sa   !< number of H2SO4 molecules in
4557                                           !< cluster (#)
4558    REAL(wp), INTENT(out) ::  pn_crit_ocnv !< number of organic molecules in
4559                                           !< cluster (#)
4560    REAL(wp), INTENT(out) ::  pd_crit      !< diameter of critical cluster (m)
4561    REAL(wp), INTENT(out) ::  pk_sa        !< Lever: if pk_sa = 1, H2SO4 is
4562                                           !< involved in nucleation.
4563    REAL(wp), INTENT(out) ::  pk_ocnv      !< Lever: if pk_ocnv = 1, organic
4564                                           !< compounds are involved in
4565                                           !< nucleation.
4566!-- Local variables
4567    REAL(wp) ::  zx    !< mole fraction of sulphate in critical cluster
4568    REAL(wp) ::  zntot !< number of molecules in critical cluster
4569    REAL(wp) ::  zt    !< temperature
4570    REAL(wp) ::  zpcsa !< sulfuric acid concentration
4571    REAL(wp) ::  zrh   !< relative humidity
4572    REAL(wp) ::  zma   !<
4573    REAL(wp) ::  zmw   !<
4574    REAL(wp) ::  zxmass!<
4575    REAL(wp) ::  za    !<
4576    REAL(wp) ::  zb    !<
4577    REAL(wp) ::  zc    !<
4578    REAL(wp) ::  zroo  !<
4579    REAL(wp) ::  zm1   !<
4580    REAL(wp) ::  zm2   !<
4581    REAL(wp) ::  zv1   !<
4582    REAL(wp) ::  zv2   !<
4583    REAL(wp) ::  zcoll !<
4584   
4585    pnuc_rate = 0.0_wp
4586    pd_crit   = 1.0E-9_wp
4587
4588!             
4589!-- 1) Checking that we are in the validity range of the parameterization 
4590    zt    = MAX( ptemp, 190.15_wp )
4591    zt    = MIN( zt,    300.15_wp )
4592    zpcsa = MAX( pc_sa, 1.0E4_wp  )
4593    zpcsa = MIN( zpcsa, 1.0E11_wp ) 
4594    zrh   = MAX( prh,   0.0001_wp )
4595    zrh   = MIN( zrh,   1.0_wp    )
4596!               
4597!-- 2) Mole fraction of sulphate in a critical cluster (Eq. 11)
4598    zx = 0.7409967177282139_wp                                           &
4599         - 0.002663785665140117_wp * zt                                  &
4600         + 0.002010478847383187_wp * LOG( zrh )                          &
4601         - 0.0001832894131464668_wp* zt * LOG( zrh )                     &
4602         + 0.001574072538464286_wp * LOG( zrh ) ** 2                     &
4603         - 0.00001790589121766952_wp * zt * LOG( zrh ) ** 2              &
4604         + 0.0001844027436573778_wp * LOG( zrh ) ** 3                    &
4605         - 1.503452308794887E-6_wp * zt * LOG( zrh ) ** 3                &
4606         - 0.003499978417957668_wp * LOG( zpcsa )                        &
4607         + 0.0000504021689382576_wp * zt * LOG( zpcsa )
4608!                   
4609!-- 3) Nucleation rate (Eq. 12)
4610    pnuc_rate = 0.1430901615568665_wp                                    &
4611        + 2.219563673425199_wp * zt                                      &
4612        - 0.02739106114964264_wp * zt ** 2                               &
4613        + 0.00007228107239317088_wp * zt ** 3                            &
4614        + 5.91822263375044_wp / zx                                       &
4615        + 0.1174886643003278_wp * LOG( zrh )                             &
4616        + 0.4625315047693772_wp * zt * LOG( zrh )                        &
4617        - 0.01180591129059253_wp * zt ** 2 * LOG( zrh )                  &
4618        + 0.0000404196487152575_wp * zt ** 3 * LOG( zrh )                &
4619        + ( 15.79628615047088_wp * LOG( zrh ) ) / zx                     &
4620        - 0.215553951893509_wp * LOG( zrh ) ** 2                         &
4621        - 0.0810269192332194_wp * zt * LOG( zrh ) ** 2                   &
4622        + 0.001435808434184642_wp * zt ** 2 * LOG( zrh ) ** 2            &
4623        - 4.775796947178588E-6_wp * zt ** 3 * LOG( zrh ) ** 2            &
4624        - (2.912974063702185_wp * LOG( zrh ) ** 2 ) / zx                 &
4625        - 3.588557942822751_wp * LOG( zrh ) ** 3                         &
4626        + 0.04950795302831703_wp * zt * LOG( zrh ) ** 3                  &
4627        - 0.0002138195118737068_wp * zt ** 2 * LOG( zrh ) ** 3           &
4628        + 3.108005107949533E-7_wp * zt ** 3 * LOG( zrh ) ** 3            &
4629        - ( 0.02933332747098296_wp * LOG( zrh ) ** 3 ) / zx              &
4630        + 1.145983818561277_wp * LOG( zpcsa )                            &
4631        - 0.6007956227856778_wp * zt * LOG( zpcsa )                      &
4632        + 0.00864244733283759_wp * zt ** 2 * LOG( zpcsa )                &
4633        - 0.00002289467254710888_wp * zt ** 3 * LOG( zpcsa )             &
4634        - ( 8.44984513869014_wp * LOG( zpcsa ) ) / zx                    &
4635        + 2.158548369286559_wp * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa )               &
4636        + 0.0808121412840917_wp * zt * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa )         &
4637        - 0.0004073815255395214_wp * zt ** 2 * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa ) &
4638        - 4.019572560156515E-7_wp * zt ** 3 * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa )  & 
4639        + ( 0.7213255852557236_wp * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa ) ) / zx     &
4640        + 1.62409850488771_wp * LOG( zrh ) ** 2 * LOG( zpcsa )           &
4641        - 0.01601062035325362_wp * zt * LOG( zrh ) ** 2 * LOG( zpcsa )   &
4642        + 0.00003771238979714162_wp*zt**2* LOG( zrh )**2 * LOG( zpcsa )  &
4643        + 3.217942606371182E-8_wp * zt**3 * LOG( zrh )**2 * LOG( zpcsa ) &
4644        - (0.01132550810022116_wp * LOG( zrh )**2 * LOG( zpcsa ) ) / zx  &
4645        + 9.71681713056504_wp * LOG( zpcsa ) ** 2                        &
4646        - 0.1150478558347306_wp * zt * LOG( zpcsa ) ** 2                 &
4647        + 0.0001570982486038294_wp * zt ** 2 * LOG( zpcsa ) ** 2         &
4648        + 4.009144680125015E-7_wp * zt ** 3 * LOG( zpcsa ) ** 2          &
4649        + ( 0.7118597859976135_wp * LOG( zpcsa ) ** 2 ) / zx             &
4650        - 1.056105824379897_wp * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa ) ** 2          &
4651        + 0.00903377584628419_wp * zt * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa )**2     &
4652        - 0.00001984167387090606_wp*zt**2*LOG( zrh )*LOG( zpcsa )**2     &
4653        + 2.460478196482179E-8_wp * zt**3 * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa )**2 &
4654        - ( 0.05790872906645181_wp * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa )**2 ) / zx &
4655        - 0.1487119673397459_wp * LOG( zpcsa ) ** 3                      &
4656        + 0.002835082097822667_wp * zt * LOG( zpcsa ) ** 3               &
4657        - 9.24618825471694E-6_wp * zt ** 2 * LOG( zpcsa ) ** 3           &
4658        + 5.004267665960894E-9_wp * zt ** 3 * LOG( zpcsa ) ** 3          &
4659        - ( 0.01270805101481648_wp * LOG( zpcsa ) ** 3 ) / zx
4660!           
4661!-- Nucleation rate in #/(cm3 s)
4662    pnuc_rate = EXP( pnuc_rate ) 
4663!       
4664!-- Check the validity of parameterization
4665    IF ( pnuc_rate < 1.0E-7_wp )  THEN
4666       pnuc_rate = 0.0_wp
4667       pd_crit   = 1.0E-9_wp
4668    ENDIF
4669!               
4670!-- 4) Total number of molecules in the critical cluster (Eq. 13)
4671    zntot = - 0.002954125078716302_wp                                    &
4672      - 0.0976834264241286_wp * zt                                       &
4673      + 0.001024847927067835_wp * zt ** 2                                &
4674      - 2.186459697726116E-6_wp * zt ** 3                                &
4675      - 0.1017165718716887_wp / zx                                       &
4676      - 0.002050640345231486_wp * LOG( zrh )                             &
4677      - 0.007585041382707174_wp * zt * LOG( zrh )                        &
4678      + 0.0001926539658089536_wp * zt ** 2 * LOG( zrh )                  &
4679      - 6.70429719683894E-7_wp * zt ** 3 * LOG( zrh )                    &
4680      - ( 0.2557744774673163_wp * LOG( zrh ) ) / zx                      &
4681      + 0.003223076552477191_wp * LOG( zrh ) ** 2                        &
4682      + 0.000852636632240633_wp * zt * LOG( zrh ) ** 2                   &
4683      - 0.00001547571354871789_wp * zt ** 2 * LOG( zrh ) ** 2            &
4684      + 5.666608424980593E-8_wp * zt ** 3 * LOG( zrh ) ** 2              &
4685      + ( 0.03384437400744206_wp * LOG( zrh ) ** 2 ) / zx                &
4686      + 0.04743226764572505_wp * LOG( zrh ) ** 3                         &
4687      - 0.0006251042204583412_wp * zt * LOG( zrh ) ** 3                  &
4688      + 2.650663328519478E-6_wp * zt ** 2 * LOG( zrh ) ** 3              &
4689      - 3.674710848763778E-9_wp * zt ** 3 * LOG( zrh ) ** 3              &
4690      - ( 0.0002672510825259393_wp * LOG( zrh ) ** 3 ) / zx              &
4691      - 0.01252108546759328_wp * LOG( zpcsa )                            &
4692      + 0.005806550506277202_wp * zt * LOG( zpcsa )                      &
4693      - 0.0001016735312443444_wp * zt ** 2 * LOG( zpcsa )                &
4694      + 2.881946187214505E-7_wp * zt ** 3 * LOG( zpcsa )                 &
4695      + ( 0.0942243379396279_wp * LOG( zpcsa ) ) / zx                    &
4696      - 0.0385459592773097_wp * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa )                &
4697      - 0.0006723156277391984_wp * zt * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa )        &
4698      + 2.602884877659698E-6_wp * zt ** 2 * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa )    &
4699      + 1.194163699688297E-8_wp * zt ** 3 * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa )    &
4700      - ( 0.00851515345806281_wp * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa ) ) / zx      &
4701      - 0.01837488495738111_wp * LOG( zrh ) ** 2 * LOG( zpcsa )          &
4702      + 0.0001720723574407498_wp * zt * LOG( zrh ) ** 2 * LOG( zpcsa )   &
4703      - 3.717657974086814E-7_wp * zt**2 * LOG( zrh )**2 * LOG( zpcsa )   &
4704      - 5.148746022615196E-10_wp * zt**3 * LOG( zrh )**2 * LOG( zpcsa )  &
4705      + ( 0.0002686602132926594_wp * LOG(zrh)**2 * LOG(zpcsa) ) / zx     &
4706      - 0.06199739728812199_wp * LOG( zpcsa ) ** 2                       &
4707      + 0.000906958053583576_wp * zt * LOG( zpcsa ) ** 2                 &
4708      - 9.11727926129757E-7_wp * zt ** 2 * LOG( zpcsa ) ** 2             &
4709      - 5.367963396508457E-9_wp * zt ** 3 * LOG( zpcsa ) ** 2            &
4710      - ( 0.007742343393937707_wp * LOG( zpcsa ) ** 2 ) / zx             &
4711      + 0.0121827103101659_wp * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa ) ** 2           &
4712      - 0.0001066499571188091_wp * zt * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa ) ** 2   &
4713      + 2.534598655067518E-7_wp * zt**2 * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa )**2   &
4714      - 3.635186504599571E-10_wp * zt**3 * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa )**2  &
4715      + ( 0.0006100650851863252_wp * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa ) **2 )/ zx &
4716      + 0.0003201836700403512_wp * LOG( zpcsa ) ** 3                     &
4717      - 0.0000174761713262546_wp * zt * LOG( zpcsa ) ** 3                &
4718      + 6.065037668052182E-8_wp * zt ** 2 * LOG( zpcsa ) ** 3            &
4719      - 1.421771723004557E-11_wp * zt ** 3 * LOG( zpcsa ) ** 3           &
4720      + ( 0.0001357509859501723_wp * LOG( zpcsa ) ** 3 ) / zx
4721    zntot = EXP( zntot )  ! in #
4722!
4723!-- 5) Size of the critical cluster pd_crit (m) (diameter) (Eq. 14)
4724    pn_crit_sa = zx * zntot
4725    pd_crit    = 2.0E-9_wp * EXP( -1.6524245_wp + 0.42316402_wp  * zx +        &
4726                 0.33466487_wp * LOG( zntot ) )
4727!
4728!-- 6) Organic compounds not involved when binary nucleation is assumed
4729    pn_crit_ocnv = 0.0_wp   ! number of organic molecules
4730    pk_sa        = 1.0_wp   ! if = 1, H2SO4 involved in nucleation
4731    pk_ocnv      = 0.0_wp   ! if = 1, organic compounds involved
4732!               
4733!-- Set nucleation rate to collision rate               
4734    IF ( pn_crit_sa < 4.0_wp ) THEN
4735!       
4736!--    Volumes of the colliding objects
4737       zma    = 96.0_wp   ! molar mass of SO4 in g/mol
4738       zmw    = 18.0_wp   ! molar mass of water in g/mol
4739       zxmass = 1.0_wp    ! mass fraction of H2SO4
4740       za = 0.7681724_wp + zxmass * ( 2.1847140_wp + zxmass * (     &
4741            7.1630022_wp + zxmass * ( -44.31447_wp + zxmass * (     &
4742            88.75606 + zxmass * ( -75.73729_wp + zxmass *           &
4743            23.43228_wp ) ) ) ) )
4744       zb = 1.808225E-3_wp + zxmass * ( -9.294656E-3_wp + zxmass *  &
4745            ( -0.03742148_wp + zxmass * ( 0.2565321_wp + zxmass *   &
4746            ( -0.5362872_wp + zxmass * ( 0.4857736 - zxmass *       &
4747            0.1629592_wp ) ) ) ) )
4748       zc = - 3.478524E-6_wp + zxmass * ( 1.335867E-5_wp + zxmass * &
4749           ( 5.195706E-5_wp + zxmass * ( -3.717636E-4_wp + zxmass * &
4750           ( 7.990811E-4_wp + zxmass * ( -7.458060E-4_wp + zxmass * &
4751             2.58139E-4_wp ) ) ) ) )
4752!             
4753!--    Density for the sulphuric acid solution (Eq. 10 in Vehkamaki)
4754       zroo =