source: palm/trunk/SOURCE/salsa_mod.f90 @ 3630

Last change on this file since 3630 was 3630, checked in by knoop, 3 years ago

Bugfix: changed ERROR STOP to STOP 1 as PGI currently can not handle it.

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 459.5 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 2018-2018 University of Helsinki
18! Copyright 1997-2018 Leibniz Universitaet Hannover
19!--------------------------------------------------------------------------------!
20!
21! Current revisions:
22! -----------------
23!
24!
25! Former revisions:
26! -----------------
27! $Id: salsa_mod.f90 3630 2018-12-17 11:04:17Z knoop $
28! - Moved the control parameter "salsa" from salsa_mod.f90 to control_parameters
29! - Updated salsa_rrd_local and salsa_wrd_local
30! - Add target attribute
31! - Revise initialization in case of restarts
32! - Revise masked data output
33!
34! 3582 2018-11-29 19:16:36Z suehring
35! missing comma separator inserted
36!
37! 3483 2018-11-02 14:19:26Z raasch
38! bugfix: directives added to allow compilation without netCDF
39!
40! 3481 2018-11-02 09:14:13Z raasch
41! temporary variable cc introduced to circumvent a possible Intel18 compiler bug
42! related to contiguous/non-contguous pointer/target attributes
43!
44! 3473 2018-10-30 20:50:15Z suehring
45! NetCDF input routine renamed
46!
47! 3467 2018-10-30 19:05:21Z suehring
48! Initial revision
49!
50! 3412 2018-10-24 07:25:57Z monakurppa
51!
52! Authors:
53! --------
54! @author Mona Kurppa (University of Helsinki)
55!
56!
57! Description:
58! ------------
59!> Sectional aerosol module for large scale applications SALSA
60!> (Kokkola et al., 2008, ACP 8, 2469-2483). Solves the aerosol number and mass
61!> concentration as well as chemical composition. Includes aerosol dynamic
62!> processes: nucleation, condensation/evaporation of vapours, coagulation and
63!> deposition on tree leaves, ground and roofs.
64!> Implementation is based on formulations implemented in UCLALES-SALSA except
65!> for deposition which is based on parametrisations by Zhang et al. (2001,
66!> Atmos. Environ. 35, 549-560) or Petroff&Zhang (2010, Geosci. Model Dev. 3,
67!> 753-769)
68!>
69!> @todo Implement turbulent inflow of aerosols in inflow_turbulence.
70!> @todo Deposition on subgrid scale vegetation
71!> @todo Deposition on vegetation calculated by default for deciduous broadleaf
72!>       trees
73!> @todo Revise masked data output. There is a potential bug in case of
74!>       terrain-following masked output, according to data_output_mask.
75!> @todo There are now improved interfaces for NetCDF data input which can be
76!>       used instead of get variable etc.
77!------------------------------------------------------------------------------!
78 MODULE salsa_mod
79
80    USE basic_constants_and_equations_mod,                                     &
81        ONLY:  c_p, g, p_0, pi, r_d
82 
83    USE chemistry_model_mod,                                                   &
84        ONLY:  chem_species, nspec, nvar, spc_names
85
86    USE chem_modules,                                                          &
87        ONLY:  call_chem_at_all_substeps, chem_gasphase_on
88
89    USE control_parameters
90       
91    USE indices,                                                               &
92        ONLY:  nbgp, nx, nxl, nxlg, nxr, nxrg, ny, nyn, nyng, nys, nysg, nzb,  &
93               nzb_s_inner, nz, nzt, wall_flags_0
94     
95    USE kinds
96   
97    USE pegrid
98   
99    USE salsa_util_mod
100
101    IMPLICIT NONE
102!
103!-- SALSA constants:
104!
105!-- Local constants:
106    INTEGER(iwp), PARAMETER ::  ngast   = 5 !< total number of gaseous tracers:
107                                            !< 1 = H2SO4, 2 = HNO3, 3 = NH3,
108                                            !< 4 = OCNV (non-volatile OC),
109                                            !< 5 = OCSV (semi-volatile) 
110    INTEGER(iwp), PARAMETER ::  nmod    = 7 !< number of modes for initialising
111                                            !< the aerosol size distribution                                             
112    INTEGER(iwp), PARAMETER ::  nreg    = 2 !< Number of main size subranges
113    INTEGER(iwp), PARAMETER ::  maxspec = 7 !< Max. number of aerosol species
114!   
115!-- Universal constants
116    REAL(wp), PARAMETER ::  abo    = 1.380662E-23_wp  !< Boltzmann constant (J/K)
117    REAL(wp), PARAMETER ::  alv    = 2.260E+6_wp      !< latent heat for H2O
118                                                      !< vaporisation (J/kg)
119    REAL(wp), PARAMETER ::  alv_d_rv  = 4896.96865_wp !< alv / rv
120    REAL(wp), PARAMETER ::  am_airmol = 4.8096E-26_wp !< Average mass of one air
121                                                      !< molecule (Jacobson,
122                                                      !< 2005, Eq. 2.3)                                                   
123    REAL(wp), PARAMETER ::  api6   = 0.5235988_wp     !< pi / 6   
124    REAL(wp), PARAMETER ::  argas  = 8.314409_wp      !< Gas constant (J/(mol K))
125    REAL(wp), PARAMETER ::  argas_d_cpd = 8.281283865E-3_wp !< argas per cpd
126    REAL(wp), PARAMETER ::  avo    = 6.02214E+23_wp   !< Avogadro constant (1/mol)
127    REAL(wp), PARAMETER ::  d_sa   = 5.539376964394570E-10_wp !< diameter of
128                                                      !< condensing sulphuric
129                                                      !< acid molecule (m) 
130    REAL(wp), PARAMETER ::  for_ppm_to_nconc =  7.243016311E+16_wp !<
131                                                 !< ppm * avo / R (K/(Pa*m3))
132    REAL(wp), PARAMETER ::  epsoc  = 0.15_wp          !< water uptake of organic
133                                                      !< material     
134    REAL(wp), PARAMETER ::  mclim  = 1.0E-23_wp    !< mass concentration min
135                                                   !< limit for aerosols (kg/m3)                                                   
136    REAL(wp), PARAMETER ::  n3     = 158.79_wp !< Number of H2SO4 molecules in
137                                               !< 3 nm cluster if d_sa=5.54e-10m
138    REAL(wp), PARAMETER ::  nclim  = 1.0_wp    !< number concentration min limit
139                                               !< for aerosols and gases (#/m3)
140    REAL(wp), PARAMETER ::  surfw0 = 0.073_wp  !< surface tension of pure water
141                                               !< at ~ 293 K (J/m2)   
142    REAL(wp), PARAMETER ::  vclim  = 1.0E-24_wp    !< volume concentration min
143                                                   !< limit for aerosols (m3/m3)                                           
144!-- Molar masses in kg/mol
145    REAL(wp), PARAMETER ::  ambc   = 12.0E-3_wp     !< black carbon (BC)
146    REAL(wp), PARAMETER ::  amdair = 28.970E-3_wp   !< dry air
147    REAL(wp), PARAMETER ::  amdu   = 100.E-3_wp     !< mineral dust
148    REAL(wp), PARAMETER ::  amh2o  = 18.0154E-3_wp  !< H2O
149    REAL(wp), PARAMETER ::  amh2so4  = 98.06E-3_wp  !< H2SO4
150    REAL(wp), PARAMETER ::  amhno3 = 63.01E-3_wp    !< HNO3
151    REAL(wp), PARAMETER ::  amn2o  = 44.013E-3_wp   !< N2O
152    REAL(wp), PARAMETER ::  amnh3  = 17.031E-3_wp   !< NH3
153    REAL(wp), PARAMETER ::  amo2   = 31.9988E-3_wp  !< O2
154    REAL(wp), PARAMETER ::  amo3   = 47.998E-3_wp   !< O3
155    REAL(wp), PARAMETER ::  amoc   = 150.E-3_wp     !< organic carbon (OC)
156    REAL(wp), PARAMETER ::  amss   = 58.44E-3_wp    !< sea salt (NaCl)
157!-- Densities in kg/m3
158    REAL(wp), PARAMETER ::  arhobc     = 2000.0_wp !< black carbon
159    REAL(wp), PARAMETER ::  arhodu     = 2650.0_wp !< mineral dust
160    REAL(wp), PARAMETER ::  arhoh2o    = 1000.0_wp !< H2O
161    REAL(wp), PARAMETER ::  arhoh2so4  = 1830.0_wp !< SO4
162    REAL(wp), PARAMETER ::  arhohno3   = 1479.0_wp !< HNO3
163    REAL(wp), PARAMETER ::  arhonh3    = 1530.0_wp !< NH3
164    REAL(wp), PARAMETER ::  arhooc     = 2000.0_wp !< organic carbon
165    REAL(wp), PARAMETER ::  arhoss     = 2165.0_wp !< sea salt (NaCl)
166!-- Volume of molecule in m3/#
167    REAL(wp), PARAMETER ::  amvh2o   = amh2o /avo / arhoh2o      !< H2O
168    REAL(wp), PARAMETER ::  amvh2so4 = amh2so4 / avo / arhoh2so4 !< SO4
169    REAL(wp), PARAMETER ::  amvhno3  = amhno3 / avo / arhohno3   !< HNO3
170    REAL(wp), PARAMETER ::  amvnh3   = amnh3 / avo / arhonh3     !< NH3 
171    REAL(wp), PARAMETER ::  amvoc    = amoc / avo / arhooc       !< OC
172    REAL(wp), PARAMETER ::  amvss    = amss / avo / arhoss       !< sea salt
173   
174!
175!-- SALSA switches:
176    INTEGER(iwp) ::  nj3 = 1 !< J3 parametrization (nucleation)
177                             !< 1 = condensational sink (Kerminen&Kulmala, 2002)
178                             !< 2 = coagulational sink (Lehtinen et al. 2007)
179                             !< 3 = coagS+self-coagulation (Anttila et al. 2010)                                       
180    INTEGER(iwp) ::  nsnucl = 0 !< Choice of the nucleation scheme:
181                                !< 0 = off   
182                                !< 1 = binary nucleation
183                                !< 2 = activation type nucleation
184                                !< 3 = kinetic nucleation
185                                !< 4 = ternary nucleation
186                                !< 5 = nucleation with ORGANICs
187                                !< 6 = activation type of nucleation with
188                                !<     H2SO4+ORG
189                                !< 7 = heteromolecular nucleation with H2SO4*ORG
190                                !< 8 = homomolecular nucleation of  H2SO4 +
191                                !<     heteromolecular nucleation with H2SO4*ORG
192                                !< 9 = homomolecular nucleation of  H2SO4 and ORG
193                                !<     +heteromolecular nucleation with H2SO4*ORG
194    LOGICAL ::  advect_particle_water = .TRUE.  !< advect water concentration of
195                                                !< particles                               
196    LOGICAL ::  decycle_lr            = .FALSE. !< Undo cyclic boundary
197                                                !< conditions: left and right
198    LOGICAL ::  decycle_ns            = .FALSE. !< north and south boundaries
199    LOGICAL ::  feedback_to_palm      = .FALSE. !< allow feedback due to
200                                                !< hydration and/or condensation
201                                                !< of H20
202    LOGICAL ::  no_insoluble          = .FALSE. !< Switch to exclude insoluble 
203                                                !< chemical components
204    LOGICAL ::  read_restart_data_salsa = .FALSE. !< read restart data for salsa
205    LOGICAL ::  salsa_gases_from_chem = .FALSE.   !< Transfer the gaseous
206                                                  !< components to SALSA from 
207                                                  !< from chemistry model
208    LOGICAL ::  van_der_waals_coagc   = .FALSE.   !< Enhancement of coagulation
209                                                  !< kernel by van der Waals and
210                                                  !< viscous forces
211    LOGICAL ::  write_binary_salsa    = .FALSE.   !< read binary for salsa
212!-- Process switches: nl* is read from the NAMELIST and is NOT changed.
213!--                   ls* is the switch used and will get the value of nl*
214!--                       except for special circumstances (spinup period etc.)
215    LOGICAL ::  nlcoag       = .FALSE. !< Coagulation master switch
216    LOGICAL ::  lscoag       = .FALSE. !<
217    LOGICAL ::  nlcnd        = .FALSE. !< Condensation master switch
218    LOGICAL ::  lscnd        = .FALSE. !<
219    LOGICAL ::  nlcndgas     = .FALSE. !< Condensation of precursor gases
220    LOGICAL ::  lscndgas     = .FALSE. !<
221    LOGICAL ::  nlcndh2oae   = .FALSE. !< Condensation of H2O on aerosol
222    LOGICAL ::  lscndh2oae   = .FALSE. !< particles (FALSE -> equilibrium calc.)
223    LOGICAL ::  nldepo       = .FALSE. !< Deposition master switch
224    LOGICAL ::  lsdepo       = .FALSE. !<
225    LOGICAL ::  nldepo_topo  = .FALSE. !< Deposition on vegetation master switch
226    LOGICAL ::  lsdepo_topo  = .FALSE. !<
227    LOGICAL ::  nldepo_vege  = .FALSE. !< Deposition on walls master switch
228    LOGICAL ::  lsdepo_vege  = .FALSE. !<
229    LOGICAL ::  nldistupdate = .TRUE.  !< Size distribution update master switch                                     
230    LOGICAL ::  lsdistupdate = .FALSE. !<                                     
231!
232!-- SALSA variables:
233    CHARACTER (LEN=20) ::  bc_salsa_b = 'neumann'   !< bottom boundary condition                                     
234    CHARACTER (LEN=20) ::  bc_salsa_t = 'neumann'   !< top boundary condition
235    CHARACTER (LEN=20) ::  depo_vege_type = 'zhang2001' !< or 'petroff2010'
236    CHARACTER (LEN=20) ::  depo_topo_type = 'zhang2001' !< or 'petroff2010'
237    CHARACTER (LEN=20), DIMENSION(4) ::  decycle_method = & 
238                             (/'dirichlet','dirichlet','dirichlet','dirichlet'/)
239                                 !< Decycling method at horizontal boundaries,
240                                 !< 1=left, 2=right, 3=south, 4=north
241                                 !< dirichlet = initial size distribution and
242                                 !< chemical composition set for the ghost and
243                                 !< first three layers
244                                 !< neumann = zero gradient
245    CHARACTER (LEN=3), DIMENSION(maxspec) ::  listspec = &  !< Active aerosols
246                                   (/'SO4','   ','   ','   ','   ','   ','   '/)
247    CHARACTER (LEN=20) ::  salsa_source_mode = 'no_source' 
248                                                    !< 'read_from_file',
249                                                    !< 'constant' or 'no_source'                                   
250    INTEGER(iwp) ::  dots_salsa = 0  !< starting index for salsa-timeseries
251    INTEGER(iwp) ::  fn1a = 1    !< last index for bin subranges:  subrange 1a
252    INTEGER(iwp) ::  fn2a = 1    !<                              subrange 2a
253    INTEGER(iwp) ::  fn2b = 1    !<                              subrange 2b
254    INTEGER(iwp), DIMENSION(ngast) ::  gas_index_chem = (/ 1, 1, 1, 1, 1/) !<
255                                 !< Index of gaseous compounds in the chemistry
256                                 !< model. In SALSA, 1 = H2SO4, 2 = HNO3,
257                                 !< 3 = NH3, 4 = OCNV, 5 = OCSV
258    INTEGER(iwp) ::  ibc_salsa_b !<
259    INTEGER(iwp) ::  ibc_salsa_t !<
260    INTEGER(iwp) ::  igctyp = 0  !< Initial gas concentration type
261                                 !< 0 = uniform (use H2SO4_init, HNO3_init,
262                                 !<     NH3_init, OCNV_init and OCSV_init)
263                                 !< 1 = read vertical profile from an input file 
264    INTEGER(iwp) ::  in1a = 1    !< start index for bin subranges: subrange 1a
265    INTEGER(iwp) ::  in2a = 1    !<                              subrange 2a
266    INTEGER(iwp) ::  in2b = 1    !<                              subrange 2b
267    INTEGER(iwp) ::  isdtyp = 0  !< Initial size distribution type
268                                 !< 0 = uniform
269                                 !< 1 = read vertical profile of the mode number
270                                 !<     concentration from an input file 
271    INTEGER(iwp) ::  ibc  = -1 !< Indice for: black carbon (BC)
272    INTEGER(iwp) ::  idu  = -1 !< dust
273    INTEGER(iwp) ::  inh  = -1 !< NH3
274    INTEGER(iwp) ::  ino  = -1 !< HNO3   
275    INTEGER(iwp) ::  ioc  = -1 !< organic carbon (OC)
276    INTEGER(iwp) ::  iso4 = -1 !< SO4 or H2SO4   
277    INTEGER(iwp) ::  iss  = -1 !< sea salt
278    INTEGER(iwp) ::  lod_aero = 0   !< level of detail for aerosol emissions
279    INTEGER(iwp) ::  lod_gases = 0  !< level of detail for gaseous emissions   
280    INTEGER(iwp), DIMENSION(nreg) ::  nbin = (/ 3, 7/)    !< Number of size bins
281                                               !< for each aerosol size subrange
282    INTEGER(iwp) ::  nbins = 1  !< total number of size bins
283    INTEGER(iwp) ::  ncc   = 1  !< number of chemical components used     
284    INTEGER(iwp) ::  ncc_tot = 1!< total number of chemical compounds (ncc+1
285                                !< if particle water is advected)
286    REAL(wp) ::  act_coeff = 1.0E-7_wp     !< Activation coefficient
287    REAL(wp) ::  aerosol_source = 0.0_wp   !< Constant aerosol flux (#/(m3*s))
288    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:) ::  emission_mass_fracs  !< array for
289                                    !< aerosol composition per emission category
290                                    !< 1:SO4 2:OC 3:BC 4:DU 5:SS 6:NO 7:NH 
291    REAL(wp) ::  dt_salsa  = 0.00001_wp    !< Time step of SALSA
292    REAL(wp) ::  H2SO4_init = nclim        !< Init value for sulphuric acid gas
293    REAL(wp) ::  HNO3_init  = nclim        !< Init value for nitric acid gas
294    REAL(wp) ::  last_salsa_time = 0.0_wp  !< time of the previous salsa
295                                           !< timestep
296    REAL(wp) ::  nf2a = 1.0_wp             !< Number fraction allocated to a-
297                                           !< bins in subrange 2
298                                           !< (b-bins will get 1-nf2a)   
299    REAL(wp) ::  NH3_init  = nclim         !< Init value for ammonia gas
300    REAL(wp) ::  OCNV_init = nclim         !< Init value for non-volatile
301                                           !< organic gases
302    REAL(wp) ::  OCSV_init = nclim         !< Init value for semi-volatile
303                                           !< organic gases
304    REAL(wp), DIMENSION(nreg+1) ::  reglim = & !< Min&max diameters of size subranges
305                                 (/ 3.0E-9_wp, 5.0E-8_wp, 1.0E-5_wp/)
306    REAL(wp) ::  rhlim = 1.20_wp    !< RH limit in %/100. Prevents
307                                    !< unrealistically high RH in condensation                           
308    REAL(wp) ::  skip_time_do_salsa = 0.0_wp !< Starting time of SALSA (s)
309!-- Initial log-normal size distribution: mode diameter (dpg, micrometres),
310!-- standard deviation (sigmag) and concentration (n_lognorm, #/cm3)
311    REAL(wp), DIMENSION(nmod) ::  dpg   = (/0.013_wp, 0.054_wp, 0.86_wp,       &
312                                            0.2_wp, 0.2_wp, 0.2_wp, 0.2_wp/) 
313    REAL(wp), DIMENSION(nmod) ::  sigmag  = (/1.8_wp, 2.16_wp, 2.21_wp,        &
314                                              2.0_wp, 2.0_wp, 2.0_wp, 2.0_wp/) 
315    REAL(wp), DIMENSION(nmod) ::  n_lognorm = (/1.04e+5_wp, 3.23E+4_wp, 5.4_wp,&
316                                                0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp/)
317!-- Initial mass fractions / chemical composition of the size distribution   
318    REAL(wp), DIMENSION(maxspec) ::  mass_fracs_a = & !< mass fractions between
319             (/1.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0/) !< aerosol species for A bins
320    REAL(wp), DIMENSION(maxspec) ::  mass_fracs_b = & !< mass fractions between
321             (/0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0/) !< aerosol species for B bins
322             
323    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:) ::  bin_low_limits  !< to deliver
324                                                            !< information about
325                                                            !< the lower
326                                                            !< diameters per bin                                       
327    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:) ::  nsect     !< Background number
328                                                      !< concentration per bin
329    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:) ::  massacc   !< Mass accomodation
330                                                      !< coefficients per bin                                             
331!
332!-- SALSA derived datatypes:
333!
334!-- Prognostic variable: Aerosol size bin information (number (#/m3) and
335!-- mass (kg/m3) concentration) and the concentration of gaseous tracers (#/m3).
336!-- Gas tracers are contained sequentially in dimension 4 as:
337!-- 1. H2SO4, 2. HNO3, 3. NH3, 4. OCNV (non-volatile organics),
338!-- 5. OCSV (semi-volatile)
339    TYPE salsa_variable
340       REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:,:), CONTIGUOUS     ::  conc
341       REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:,:), CONTIGUOUS     ::  conc_p
342       REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:,:), CONTIGUOUS     ::  tconc_m
343       REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:)   ::  flux_s, diss_s
344       REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:) ::  flux_l, diss_l
345       REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:)     ::  init
346       REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:) ::  source
347       REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:)   ::  sums_ws_l
348    END TYPE salsa_variable
349   
350!-- Map bin indices between parallel size distributions   
351    TYPE t_parallelbin
352       INTEGER(iwp) ::  cur  ! Index for current distribution
353       INTEGER(iwp) ::  par  ! Index for corresponding parallel distribution
354    END TYPE t_parallelbin
355   
356!-- Datatype used to store information about the binned size distributions of
357!-- aerosols
358    TYPE t_section
359       REAL(wp) ::  vhilim   !< bin volume at the high limit
360       REAL(wp) ::  vlolim   !< bin volume at the low limit
361       REAL(wp) ::  vratiohi !< volume ratio between the center and high limit
362       REAL(wp) ::  vratiolo !< volume ratio between the center and low limit
363       REAL(wp) ::  dmid     !< bin middle diameter (m)
364       !******************************************************
365       ! ^ Do NOT change the stuff above after initialization !
366       !******************************************************
367       REAL(wp) ::  dwet    !< Wet diameter or mean droplet diameter (m)
368       REAL(wp), DIMENSION(maxspec+1) ::  volc !< Volume concentrations
369                            !< (m^3/m^3) of aerosols + water. Since most of
370                            !< the stuff in SALSA is hard coded, these *have to
371                            !< be* in the order
372                            !< 1:SO4, 2:OC, 3:BC, 4:DU, 5:SS, 6:NO, 7:NH, 8:H2O
373       REAL(wp) ::  veqh2o  !< Equilibrium H2O concentration for each particle
374       REAL(wp) ::  numc    !< Number concentration of particles/droplets (#/m3)
375       REAL(wp) ::  core    !< Volume of dry particle
376    END TYPE t_section 
377!
378!-- Local aerosol properties in SALSA
379    TYPE(t_section), ALLOCATABLE ::  aero(:)
380!
381!-- SALSA tracers:
382!-- Tracers as x = x(k,j,i,bin). The 4th dimension contains all the size bins
383!-- sequentially for each aerosol species  + water.
384!
385!-- Prognostic tracers:
386!
387!-- Number concentration (#/m3)
388    TYPE(salsa_variable), ALLOCATABLE, DIMENSION(:), TARGET ::  aerosol_number
389    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:,:), TARGET ::  nconc_1
390    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:,:), TARGET ::  nconc_2
391    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:,:), TARGET ::  nconc_3
392!
393!-- Mass concentration (kg/m3)
394    TYPE(salsa_variable), ALLOCATABLE, DIMENSION(:), TARGET ::  aerosol_mass
395    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:,:), TARGET ::  mconc_1
396    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:,:), TARGET ::  mconc_2
397    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:,:), TARGET ::  mconc_3
398!
399!-- Gaseous tracers (#/m3)
400    TYPE(salsa_variable), ALLOCATABLE, DIMENSION(:), TARGET ::  salsa_gas
401    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:,:), TARGET ::  gconc_1
402    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:,:), TARGET ::  gconc_2
403    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:,:), TARGET ::  gconc_3
404!
405!-- Diagnostic tracers
406    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:,:) ::  sedim_vd !< sedimentation
407                                                           !< velocity per size
408                                                           !< bin (m/s)
409    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:,:) ::  Ra_dry !< dry radius (m)
410   
411!-- Particle component index tables
412    TYPE(component_index) :: prtcl !< Contains "getIndex" which gives the index
413                                   !< for a given aerosol component name, i.e.
414                                   !< 1:SO4, 2:OC, 3:BC, 4:DU,
415                                   !< 5:SS, 6:NO, 7:NH, 8:H2O 
416!                                   
417!-- Data output arrays:
418!-- Gases:
419    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  g_H2SO4_av  !< H2SO4
420    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  g_HNO3_av   !< HNO3
421    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  g_NH3_av    !< NH3
422    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  g_OCNV_av   !< non-vola-
423                                                                    !< tile OC
424    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  g_OCSV_av   !< semi-vol.
425                                                                    !< OC
426!-- Integrated:                                                                   
427    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  LDSA_av  !< lung-
428                                                                 !< deposited
429                                                                 !< surface area                                                   
430    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  Ntot_av  !< total number
431                                                                 !< conc.
432    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  PM25_av  !< PM2.5
433    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  PM10_av  !< PM10
434!-- In the particle phase:   
435    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  s_BC_av  !< black carbon
436    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  s_DU_av  !< dust
437    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  s_H2O_av !< liquid water
438    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  s_NH_av  !< ammonia
439    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  s_NO_av  !< nitrates
440    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  s_OC_av  !< org. carbon
441    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  s_SO4_av !< sulphates
442    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  s_SS_av  !< sea salt
443!-- Bins:   
444    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:,:), TARGET ::  mbins_av !< bin mass 
445    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:,:), TARGET ::  Nbins_av !< bin number
446
447   
448!
449!-- PALM interfaces:
450!
451!-- Boundary conditions:
452    INTERFACE salsa_boundary_conds
453       MODULE PROCEDURE salsa_boundary_conds
454       MODULE PROCEDURE salsa_boundary_conds_decycle
455    END INTERFACE salsa_boundary_conds
456!   
457!-- Data output checks for 2D/3D data to be done in check_parameters
458    INTERFACE salsa_check_data_output
459       MODULE PROCEDURE salsa_check_data_output
460    END INTERFACE salsa_check_data_output
461   
462!
463!-- Input parameter checks to be done in check_parameters
464    INTERFACE salsa_check_parameters
465       MODULE PROCEDURE salsa_check_parameters
466    END INTERFACE salsa_check_parameters
467
468!
469!-- Averaging of 3D data for output
470    INTERFACE salsa_3d_data_averaging
471       MODULE PROCEDURE salsa_3d_data_averaging
472    END INTERFACE salsa_3d_data_averaging
473
474!
475!-- Data output of 2D quantities
476    INTERFACE salsa_data_output_2d
477       MODULE PROCEDURE salsa_data_output_2d
478    END INTERFACE salsa_data_output_2d
479
480!
481!-- Data output of 3D data
482    INTERFACE salsa_data_output_3d
483       MODULE PROCEDURE salsa_data_output_3d
484    END INTERFACE salsa_data_output_3d
485   
486!
487!-- Data output of 3D data
488    INTERFACE salsa_data_output_mask
489       MODULE PROCEDURE salsa_data_output_mask
490    END INTERFACE salsa_data_output_mask
491
492!
493!-- Definition of data output quantities
494    INTERFACE salsa_define_netcdf_grid
495       MODULE PROCEDURE salsa_define_netcdf_grid
496    END INTERFACE salsa_define_netcdf_grid
497   
498!
499!-- Output of information to the header file
500    INTERFACE salsa_header
501       MODULE PROCEDURE salsa_header
502    END INTERFACE salsa_header
503 
504!
505!-- Initialization actions 
506    INTERFACE salsa_init
507       MODULE PROCEDURE salsa_init
508    END INTERFACE salsa_init
509 
510!
511!-- Initialization of arrays
512    INTERFACE salsa_init_arrays
513       MODULE PROCEDURE salsa_init_arrays
514    END INTERFACE salsa_init_arrays
515
516!
517!-- Writing of binary output for restart runs  !!! renaming?!
518    INTERFACE salsa_wrd_local
519       MODULE PROCEDURE salsa_wrd_local
520    END INTERFACE salsa_wrd_local
521   
522!
523!-- Reading of NAMELIST parameters
524    INTERFACE salsa_parin
525       MODULE PROCEDURE salsa_parin
526    END INTERFACE salsa_parin
527
528!
529!-- Reading of parameters for restart runs
530    INTERFACE salsa_rrd_local
531       MODULE PROCEDURE salsa_rrd_local
532    END INTERFACE salsa_rrd_local
533   
534!
535!-- Swapping of time levels (required for prognostic variables)
536    INTERFACE salsa_swap_timelevel
537       MODULE PROCEDURE salsa_swap_timelevel
538    END INTERFACE salsa_swap_timelevel
539
540    INTERFACE salsa_driver
541       MODULE PROCEDURE salsa_driver
542    END INTERFACE salsa_driver
543
544    INTERFACE salsa_tendency
545       MODULE PROCEDURE salsa_tendency
546       MODULE PROCEDURE salsa_tendency_ij
547    END INTERFACE salsa_tendency
548   
549   
550   
551    SAVE
552
553    PRIVATE
554!
555!-- Public functions:
556    PUBLIC salsa_boundary_conds, salsa_check_data_output,                      &
557           salsa_check_parameters, salsa_3d_data_averaging,                    &
558           salsa_data_output_2d, salsa_data_output_3d, salsa_data_output_mask, &
559           salsa_define_netcdf_grid, salsa_diagnostics, salsa_driver,          &
560           salsa_header, salsa_init, salsa_init_arrays, salsa_parin,           &
561           salsa_rrd_local, salsa_swap_timelevel, salsa_tendency,              &
562           salsa_wrd_local
563!
564!-- Public parameters, constants and initial values
565    PUBLIC dots_salsa, dt_salsa, last_salsa_time, lsdepo, salsa,               &
566           salsa_gases_from_chem, skip_time_do_salsa
567!
568!-- Public prognostic variables
569    PUBLIC aerosol_mass, aerosol_number, fn2a, fn2b, gconc_2, in1a, in2b,      &
570           mconc_2, nbins, ncc, ncc_tot, nclim, nconc_2, ngast, prtcl, Ra_dry, &
571           salsa_gas, sedim_vd
572           
573
574 CONTAINS
575
576!------------------------------------------------------------------------------!
577! Description:
578! ------------
579!> Parin for &salsa_par for new modules
580!------------------------------------------------------------------------------!
581 SUBROUTINE salsa_parin
582
583    IMPLICIT NONE
584
585    CHARACTER (LEN=80) ::  line   !< dummy string that contains the current line
586                                  !< of the parameter file
587                                 
588    NAMELIST /salsa_parameters/             &
589                          advect_particle_water, & ! Switch for advecting
590                                                ! particle water. If .FALSE.,
591                                                ! equilibration is called at
592                                                ! each time step.       
593                          bc_salsa_b,       &   ! bottom boundary condition
594                          bc_salsa_t,       &   ! top boundary condition
595                          decycle_lr,       &   ! decycle SALSA components
596                          decycle_method,   &   ! decycle method applied:
597                                                ! 1=left 2=right 3=south 4=north
598                          decycle_ns,       &   ! decycle SALSA components
599                          depo_vege_type,   &   ! Parametrisation type
600                          depo_topo_type,   &   ! Parametrisation type
601                          dpg,              &   ! Mean diameter for the initial
602                                                ! log-normal modes
603                          dt_salsa,         &   ! SALSA timestep in seconds
604                          feedback_to_palm, &   ! allow feedback due to
605                                                ! hydration / condensation
606                          H2SO4_init,       &   ! Init value for sulphuric acid
607                          HNO3_init,        &   ! Init value for nitric acid
608                          igctyp,           &   ! Initial gas concentration type
609                          isdtyp,           &   ! Initial size distribution type                                               
610                          listspec,         &   ! List of actived aerosols
611                                                ! (string list)
612                          mass_fracs_a,     &   ! Initial relative contribution 
613                                                ! of each species to particle 
614                                                ! volume in a-bins, 0 for unused
615                          mass_fracs_b,     &   ! Initial relative contribution 
616                                                ! of each species to particle
617                                                ! volume in b-bins, 0 for unused
618                          n_lognorm,        &   ! Number concentration for the
619                                                ! log-normal modes                                               
620                          nbin,             &   ! Number of size bins for
621                                                ! aerosol size subranges 1 & 2
622                          nf2a,             &   ! Number fraction of particles
623                                                ! allocated to a-bins in
624                                                ! subrange 2 b-bins will get
625                                                ! 1-nf2a                         
626                          NH3_init,         &   ! Init value for ammonia
627                          nj3,              &   ! J3 parametrization
628                                                ! 1 = condensational sink
629                                                !     (Kerminen&Kulmala, 2002)
630                                                ! 2 = coagulational sink
631                                                !     (Lehtinen et al. 2007)
632                                                ! 3 = coagS+self-coagulation
633                                                !     (Anttila et al. 2010)                                                   
634                          nlcnd,            &   ! Condensation master switch
635                          nlcndgas,         &   ! Condensation of gases
636                          nlcndh2oae,       &   ! Condensation of H2O                           
637                          nlcoag,           &   ! Coagulation master switch
638                          nldepo,           &   ! Deposition master switch
639                          nldepo_vege,      &   ! Deposition on vegetation
640                                                ! master switch
641                          nldepo_topo,      &   ! Deposition on topo master
642                                                ! switch                         
643                          nldistupdate,     &   ! Size distribution update
644                                                ! master switch
645                          nsnucl,           &   ! Nucleation scheme:
646                                                ! 0 = off,
647                                                ! 1 = binary nucleation
648                                                ! 2 = activation type nucleation
649                                                ! 3 = kinetic nucleation
650                                                ! 4 = ternary nucleation
651                                                ! 5 = nucleation with organics
652                                                ! 6 = activation type of
653                                                !     nucleation with H2SO4+ORG
654                                                ! 7 = heteromolecular nucleation
655                                                !     with H2SO4*ORG
656                                                ! 8 = homomolecular nucleation 
657                                                !     of H2SO4 + heteromolecular
658                                                !     nucleation with H2SO4*ORG
659                                                ! 9 = homomolecular nucleation
660                                                !     of H2SO4 and ORG + hetero-
661                                                !     molecular nucleation with
662                                                !     H2SO4*ORG
663                          OCNV_init,        &   ! Init value for non-volatile
664                                                ! organic gases
665                          OCSV_init,        &   ! Init value for semi-volatile
666                                                ! organic gases
667                          read_restart_data_salsa, & ! read restart data for
668                                                     ! salsa
669                          reglim,           &   ! Min&max diameter limits of
670                                                ! size subranges
671                          salsa,            &   ! Master switch for SALSA
672                          salsa_source_mode,&   ! 'read_from_file' or 'constant'
673                                                ! or 'no_source'
674                          sigmag,           &   ! stdev for the initial log-
675                                                ! normal modes                                               
676                          skip_time_do_salsa, & ! Starting time of SALSA (s)
677                          van_der_waals_coagc,& ! include van der Waals forces
678                          write_binary_salsa    ! Write binary for salsa
679                           
680       
681    line = ' '
682       
683!
684!-- Try to find salsa package
685    REWIND ( 11 )
686    line = ' '
687    DO WHILE ( INDEX( line, '&salsa_parameters' ) == 0 )
688       READ ( 11, '(A)', END=10 )  line
689    ENDDO
690    BACKSPACE ( 11 )
691
692!
693!-- Read user-defined namelist
694    READ ( 11, salsa_parameters )
695
696!
697!-- Enable salsa (salsa switch in modules.f90)
698    salsa = .TRUE.
699
700 10 CONTINUE
701       
702 END SUBROUTINE salsa_parin
703
704 
705!------------------------------------------------------------------------------!
706! Description:
707! ------------
708!> Check parameters routine for salsa.
709!------------------------------------------------------------------------------!
710 SUBROUTINE salsa_check_parameters
711
712    USE control_parameters,                                                    &
713        ONLY:  message_string
714       
715    IMPLICIT NONE
716   
717!
718!-- Checks go here (cf. check_parameters.f90).
719    IF ( salsa  .AND.  .NOT.  humidity )  THEN
720       WRITE( message_string, * ) 'salsa = ', salsa, ' is ',                   &
721              'not allowed with humidity = ', humidity
722       CALL message( 'check_parameters', 'SA0009', 1, 2, 0, 6, 0 )
723    ENDIF
724   
725    IF ( bc_salsa_b == 'dirichlet' )  THEN
726       ibc_salsa_b = 0
727    ELSEIF ( bc_salsa_b == 'neumann' )  THEN
728       ibc_salsa_b = 1
729    ELSE
730       message_string = 'unknown boundary condition: bc_salsa_b = "'           &
731                         // TRIM( bc_salsa_t ) // '"'
732       CALL message( 'check_parameters', 'SA0011', 1, 2, 0, 6, 0 )                 
733    ENDIF
734   
735    IF ( bc_salsa_t == 'dirichlet' )  THEN
736       ibc_salsa_t = 0
737    ELSEIF ( bc_salsa_t == 'neumann' )  THEN
738       ibc_salsa_t = 1
739    ELSE
740       message_string = 'unknown boundary condition: bc_salsa_t = "'           &
741                         // TRIM( bc_salsa_t ) // '"'
742       CALL message( 'check_parameters', 'SA0012', 1, 2, 0, 6, 0 )                 
743    ENDIF
744   
745    IF ( nj3 < 1  .OR.  nj3 > 3 )  THEN
746       message_string = 'unknown nj3 (must be 1-3)'
747       CALL message( 'check_parameters', 'SA0044', 1, 2, 0, 6, 0 )
748    ENDIF
749           
750 END SUBROUTINE salsa_check_parameters
751
752!------------------------------------------------------------------------------!
753!
754! Description:
755! ------------
756!> Subroutine defining appropriate grid for netcdf variables.
757!> It is called out from subroutine netcdf.
758!> Same grid as for other scalars (see netcdf_interface_mod.f90)
759!------------------------------------------------------------------------------!
760 SUBROUTINE salsa_define_netcdf_grid( var, found, grid_x, grid_y, grid_z )
761   
762    IMPLICIT NONE
763
764    CHARACTER (LEN=*), INTENT(OUT) ::  grid_x   !<
765    CHARACTER (LEN=*), INTENT(OUT) ::  grid_y   !<
766    CHARACTER (LEN=*), INTENT(OUT) ::  grid_z   !<
767    CHARACTER (LEN=*), INTENT(IN)  ::  var      !<
768   
769    LOGICAL, INTENT(OUT) ::  found   !<
770   
771    found  = .TRUE.
772!
773!-- Check for the grid
774
775    IF ( var(1:2) == 'g_' )  THEN
776       grid_x = 'x' 
777       grid_y = 'y' 
778       grid_z = 'zu'   
779    ELSEIF ( var(1:4) == 'LDSA' )  THEN
780       grid_x = 'x' 
781       grid_y = 'y' 
782       grid_z = 'zu'
783    ELSEIF ( var(1:5) == 'm_bin' )  THEN
784       grid_x = 'x' 
785       grid_y = 'y' 
786       grid_z = 'zu'
787    ELSEIF ( var(1:5) == 'N_bin' )  THEN
788       grid_x = 'x' 
789       grid_y = 'y' 
790       grid_z = 'zu'
791    ELSEIF ( var(1:4) == 'Ntot' ) THEN
792       grid_x = 'x' 
793       grid_y = 'y' 
794       grid_z = 'zu'
795    ELSEIF ( var(1:2) == 'PM' )  THEN
796       grid_x = 'x' 
797       grid_y = 'y' 
798       grid_z = 'zu'
799    ELSEIF ( var(1:2) == 's_' )  THEN
800       grid_x = 'x' 
801       grid_y = 'y' 
802       grid_z = 'zu'
803    ELSE
804       found  = .FALSE.
805       grid_x = 'none'
806       grid_y = 'none'
807       grid_z = 'none'
808    ENDIF
809
810 END SUBROUTINE salsa_define_netcdf_grid
811
812 
813!------------------------------------------------------------------------------!
814! Description:
815! ------------
816!> Header output for new module
817!------------------------------------------------------------------------------!
818 SUBROUTINE salsa_header( io )
819
820    IMPLICIT NONE
821 
822    INTEGER(iwp), INTENT(IN) ::  io   !< Unit of the output file
823!
824!-- Write SALSA header
825    WRITE( io, 1 )
826    WRITE( io, 2 ) skip_time_do_salsa
827    WRITE( io, 3 ) dt_salsa
828    WRITE( io, 12 )  SHAPE( aerosol_number(1)%conc ), nbins
829    IF ( advect_particle_water )  THEN
830       WRITE( io, 16 )  SHAPE( aerosol_mass(1)%conc ), ncc_tot*nbins,          &
831                        advect_particle_water
832    ELSE
833       WRITE( io, 16 )  SHAPE( aerosol_mass(1)%conc ), ncc*nbins,              &
834                        advect_particle_water
835    ENDIF
836    IF ( .NOT. salsa_gases_from_chem )  THEN
837       WRITE( io, 17 )  SHAPE( aerosol_mass(1)%conc ), ngast,                  &
838                        salsa_gases_from_chem
839    ENDIF
840    WRITE( io, 4 ) 
841    IF ( nsnucl > 0 )  THEN
842       WRITE( io, 5 ) nsnucl, nj3
843    ENDIF
844    IF ( nlcoag )  THEN
845       WRITE( io, 6 ) 
846    ENDIF
847    IF ( nlcnd )  THEN
848       WRITE( io, 7 ) nlcndgas, nlcndh2oae
849    ENDIF
850    IF ( nldepo )  THEN
851       WRITE( io, 14 ) nldepo_vege, nldepo_topo
852    ENDIF
853    WRITE( io, 8 )  reglim, nbin, bin_low_limits
854    WRITE( io, 15 ) nsect
855    WRITE( io, 13 ) ncc, listspec, mass_fracs_a, mass_fracs_b
856    IF ( .NOT. salsa_gases_from_chem )  THEN
857       WRITE( io, 18 ) ngast, H2SO4_init, HNO3_init, NH3_init, OCNV_init,      &
858                       OCSV_init
859    ENDIF
860    WRITE( io, 9 )  isdtyp, igctyp
861    IF ( isdtyp == 0 )  THEN
862       WRITE( io, 10 )  dpg, sigmag, n_lognorm
863    ELSE
864       WRITE( io, 11 )
865    ENDIF
866   
867
8681   FORMAT (//' SALSA information:'/                                           &
869              ' ------------------------------'/)
8702   FORMAT   ('    Starts at: skip_time_do_salsa = ', F10.2, '  s')
8713   FORMAT  (/'    Timestep: dt_salsa = ', F6.2, '  s')
87212  FORMAT  (/'    Array shape (z,y,x,bins):'/                                 &
873              '       aerosol_number:  ', 4(I3)) 
87416  FORMAT  (/'       aerosol_mass:    ', 4(I3),/                              &
875              '       (advect_particle_water = ', L1, ')')
87617  FORMAT   ('       salsa_gas: ', 4(I3),/                                    &
877              '       (salsa_gases_from_chem = ', L1, ')')
8784   FORMAT  (/'    Aerosol dynamic processes included: ')
8795   FORMAT  (/'       nucleation (scheme = ', I1, ' and J3 parametrization = ',&
880               I1, ')')
8816   FORMAT  (/'       coagulation')
8827   FORMAT  (/'       condensation (of precursor gases = ', L1,                &
883              '          and water vapour = ', L1, ')' )
88414  FORMAT  (/'       dry deposition (on vegetation = ', L1,                   &
885              '          and on topography = ', L1, ')')             
8868   FORMAT  (/'    Aerosol bin subrange limits (in metres): ',  3(ES10.2E3), / &
887              '    Number of size bins for each aerosol subrange: ', 2I3,/     &
888              '    Aerosol bin limits (in metres): ', *(ES10.2E3))
88915  FORMAT   ('    Initial number concentration in bins at the lowest level',  &
890              ' (#/m**3):', *(ES10.2E3))       
89113  FORMAT  (/'    Number of chemical components used: ', I1,/                 &
892              '       Species: ',7(A6),/                                       &
893              '    Initial relative contribution of each species to particle', & 
894              ' volume in:',/                                                  &
895              '       a-bins: ', 7(F6.3),/                                     &
896              '       b-bins: ', 7(F6.3))
89718  FORMAT  (/'    Number of gaseous tracers used: ', I1,/                     &
898              '    Initial gas concentrations:',/                              &
899              '       H2SO4: ',ES12.4E3, ' #/m**3',/                           &
900              '       HNO3:  ',ES12.4E3, ' #/m**3',/                           &
901              '       NH3:   ',ES12.4E3, ' #/m**3',/                           &
902              '       OCNV:  ',ES12.4E3, ' #/m**3',/                           &
903              '       OCSV:  ',ES12.4E3, ' #/m**3')
9049    FORMAT (/'   Initialising concentrations: ', /                            &
905              '      Aerosol size distribution: isdtyp = ', I1,/               &
906              '      Gas concentrations: igctyp = ', I1 )
90710   FORMAT ( '      Mode diametres: dpg(nmod) = ', 7(F7.3),/                  &
908              '      Standard deviation: sigmag(nmod) = ', 7(F7.2),/           &
909              '      Number concentration: n_lognorm(nmod) = ', 7(ES12.4E3) )
91011   FORMAT (/'      Size distribution read from a file.')
911
912 END SUBROUTINE salsa_header
913
914!------------------------------------------------------------------------------!
915! Description:
916! ------------
917!> Allocate SALSA arrays and define pointers if required
918!------------------------------------------------------------------------------!
919 SUBROUTINE salsa_init_arrays
920 
921    USE surface_mod,                                                           &
922        ONLY:  surf_def_h, surf_def_v, surf_lsm_h, surf_lsm_v, surf_usm_h,     &
923               surf_usm_v
924
925    IMPLICIT NONE
926   
927    INTEGER(iwp) ::  gases_available !< Number of available gas components in
928                                     !< the chemistry model
929    INTEGER(iwp) ::  i   !< loop index for allocating
930    INTEGER(iwp) ::  l   !< loop index for allocating: surfaces
931    INTEGER(iwp) ::  lsp !< loop index for chem species in the chemistry model
932   
933    gases_available = 0
934
935!
936!-- Allocate prognostic variables (see salsa_swap_timelevel)
937#if defined( __nopointer )
938    message_string = 'SALSA runs only with POINTER Version'
939    CALL message( 'salsa_mod: salsa_init_arrays', 'SA0023', 1, 2, 0, 6, 0 )
940#else         
941!
942!-- Set derived indices:
943!-- (This does the same as the subroutine salsa_initialize in SALSA/
944!-- UCLALES-SALSA)       
945    in1a = 1                ! 1st index of subrange 1a
946    in2a = in1a + nbin(1)   ! 1st index of subrange 2a
947    fn1a = in2a - 1         ! last index of subrange 1a
948    fn2a = fn1a + nbin(2)   ! last index of subrange 2a
949   
950!   
951!-- If the fraction of insoluble aerosols in subrange 2 is zero: do not allocate
952!-- arrays for them
953    IF ( nf2a > 0.999999_wp  .AND.  SUM( mass_fracs_b ) < 0.00001_wp )  THEN
954       no_insoluble = .TRUE.
955       in2b = fn2a+1    ! 1st index of subrange 2b
956       fn2b = fn2a      ! last index of subrange 2b
957    ELSE
958       in2b = in2a + nbin(2)   ! 1st index of subrange 2b
959       fn2b = fn2a + nbin(2)   ! last index of subrange 2b
960    ENDIF
961   
962   
963    nbins = fn2b   ! total number of aerosol size bins
964!   
965!-- Create index tables for different aerosol components
966    CALL component_index_constructor( prtcl, ncc, maxspec, listspec )
967   
968    ncc_tot = ncc
969    IF ( advect_particle_water )  ncc_tot = ncc + 1  ! Add water
970   
971!
972!-- Allocate:
973    ALLOCATE( aero(nbins), bin_low_limits(nbins), nsect(nbins), massacc(nbins) )
974    IF ( nldepo ) ALLOCATE( sedim_vd(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg,nbins) )         
975    ALLOCATE( Ra_dry(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg,nbins) )
976   
977!   
978!-- Aerosol number concentration
979    ALLOCATE( aerosol_number(nbins) )
980    ALLOCATE( nconc_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg,nbins),                    &
981              nconc_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg,nbins),                    &
982              nconc_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg,nbins) )
983    nconc_1 = 0.0_wp
984    nconc_2 = 0.0_wp
985    nconc_3 = 0.0_wp
986   
987    DO i = 1, nbins
988       aerosol_number(i)%conc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)    => nconc_1(:,:,:,i)
989       aerosol_number(i)%conc_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)  => nconc_2(:,:,:,i)
990       aerosol_number(i)%tconc_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) => nconc_3(:,:,:,i)
991       ALLOCATE( aerosol_number(i)%flux_s(nzb+1:nzt,0:threads_per_task-1),     &
992                 aerosol_number(i)%diss_s(nzb+1:nzt,0:threads_per_task-1),     &
993                 aerosol_number(i)%flux_l(nzb+1:nzt,nys:nyn,0:threads_per_task-1),&
994                 aerosol_number(i)%diss_l(nzb+1:nzt,nys:nyn,0:threads_per_task-1),&
995                 aerosol_number(i)%init(nzb:nzt+1),                            &
996                 aerosol_number(i)%sums_ws_l(nzb:nzt+1,0:threads_per_task-1) )
997    ENDDO     
998   
999!   
1000!-- Aerosol mass concentration   
1001    ALLOCATE( aerosol_mass(ncc_tot*nbins) ) 
1002    ALLOCATE( mconc_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg,ncc_tot*nbins),            &
1003              mconc_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg,ncc_tot*nbins),            &
1004              mconc_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg,ncc_tot*nbins) )
1005    mconc_1 = 0.0_wp
1006    mconc_2 = 0.0_wp
1007    mconc_3 = 0.0_wp
1008   
1009    DO i = 1, ncc_tot*nbins
1010       aerosol_mass(i)%conc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)    => mconc_1(:,:,:,i)
1011       aerosol_mass(i)%conc_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)  => mconc_2(:,:,:,i)
1012       aerosol_mass(i)%tconc_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) => mconc_3(:,:,:,i)       
1013       ALLOCATE( aerosol_mass(i)%flux_s(nzb+1:nzt,0:threads_per_task-1),       &
1014                 aerosol_mass(i)%diss_s(nzb+1:nzt,0:threads_per_task-1),       &
1015                 aerosol_mass(i)%flux_l(nzb+1:nzt,nys:nyn,0:threads_per_task-1),&
1016                 aerosol_mass(i)%diss_l(nzb+1:nzt,nys:nyn,0:threads_per_task-1),&
1017                 aerosol_mass(i)%init(nzb:nzt+1),                              &
1018                 aerosol_mass(i)%sums_ws_l(nzb:nzt+1,0:threads_per_task-1)  )
1019    ENDDO
1020   
1021!
1022!-- Surface fluxes: answs = aerosol number, amsws = aerosol mass
1023!
1024!-- Horizontal surfaces: default type
1025    DO  l = 0, 2   ! upward (l=0), downward (l=1) and model top (l=2)
1026       ALLOCATE( surf_def_h(l)%answs( 1:surf_def_h(l)%ns, nbins ) )
1027       ALLOCATE( surf_def_h(l)%amsws( 1:surf_def_h(l)%ns, nbins*ncc_tot ) )
1028       surf_def_h(l)%answs = 0.0_wp
1029       surf_def_h(l)%amsws = 0.0_wp
1030    ENDDO
1031!-- Horizontal surfaces: natural type   
1032    IF ( land_surface )  THEN
1033       ALLOCATE( surf_lsm_h%answs( 1:surf_lsm_h%ns, nbins ) )
1034       ALLOCATE( surf_lsm_h%amsws( 1:surf_lsm_h%ns, nbins*ncc_tot ) )
1035       surf_lsm_h%answs = 0.0_wp
1036       surf_lsm_h%amsws = 0.0_wp
1037    ENDIF
1038!-- Horizontal surfaces: urban type
1039    IF ( urban_surface )  THEN
1040       ALLOCATE( surf_usm_h%answs( 1:surf_usm_h%ns, nbins ) )
1041       ALLOCATE( surf_usm_h%amsws( 1:surf_usm_h%ns, nbins*ncc_tot ) )
1042       surf_usm_h%answs = 0.0_wp
1043       surf_usm_h%amsws = 0.0_wp
1044    ENDIF
1045!
1046!-- Vertical surfaces: northward (l=0), southward (l=1), eastward (l=2) and
1047!-- westward (l=3) facing
1048    DO  l = 0, 3   
1049       ALLOCATE( surf_def_v(l)%answs( 1:surf_def_v(l)%ns, nbins ) )
1050       surf_def_v(l)%answs = 0.0_wp
1051       ALLOCATE( surf_def_v(l)%amsws( 1:surf_def_v(l)%ns, nbins*ncc_tot ) )
1052       surf_def_v(l)%amsws = 0.0_wp
1053       
1054       IF ( land_surface)  THEN
1055          ALLOCATE( surf_lsm_v(l)%answs( 1:surf_lsm_v(l)%ns, nbins ) )
1056          surf_lsm_v(l)%answs = 0.0_wp
1057          ALLOCATE( surf_lsm_v(l)%amsws( 1:surf_lsm_v(l)%ns, nbins*ncc_tot ) )
1058          surf_lsm_v(l)%amsws = 0.0_wp
1059       ENDIF
1060       
1061       IF ( urban_surface )  THEN
1062          ALLOCATE( surf_usm_v(l)%answs( 1:surf_usm_v(l)%ns, nbins ) )
1063          surf_usm_v(l)%answs = 0.0_wp
1064          ALLOCATE( surf_usm_v(l)%amsws( 1:surf_usm_v(l)%ns, nbins*ncc_tot ) )
1065          surf_usm_v(l)%amsws = 0.0_wp
1066       ENDIF
1067    ENDDO   
1068   
1069!
1070!-- Concentration of gaseous tracers (1. SO4, 2. HNO3, 3. NH3, 4. OCNV, 5. OCSV)
1071!-- (number concentration (#/m3) )
1072!
1073!-- If chemistry is on, read gas phase concentrations from there. Otherwise,
1074!-- allocate salsa_gas array.
1075
1076    IF ( air_chemistry )  THEN   
1077       DO  lsp = 1, nvar
1078          IF ( TRIM( chem_species(lsp)%name ) == 'H2SO4' )  THEN
1079             gases_available = gases_available + 1
1080             gas_index_chem(1) = lsp
1081          ELSEIF ( TRIM( chem_species(lsp)%name ) == 'HNO3' )  THEN
1082             gases_available = gases_available + 1 
1083             gas_index_chem(2) = lsp
1084          ELSEIF ( TRIM( chem_species(lsp)%name ) == 'NH3' )  THEN
1085             gases_available = gases_available + 1
1086             gas_index_chem(3) = lsp
1087          ELSEIF ( TRIM( chem_species(lsp)%name ) == 'OCNV' )  THEN
1088             gases_available = gases_available + 1
1089             gas_index_chem(4) = lsp
1090          ELSEIF ( TRIM( chem_species(lsp)%name ) == 'OCSV' )  THEN
1091             gases_available = gases_available + 1
1092             gas_index_chem(5) = lsp
1093          ENDIF
1094       ENDDO
1095
1096       IF ( gases_available == ngast )  THEN
1097          salsa_gases_from_chem = .TRUE.
1098       ELSE
1099          WRITE( message_string, * ) 'SALSA is run together with chemistry '// &
1100                                     'but not all gaseous components are '//   &
1101                                     'provided by kpp (H2SO4, HNO3, NH3, '//   &
1102                                     'OCNV, OCSC)'
1103       CALL message( 'check_parameters', 'SA0024', 1, 2, 0, 6, 0 )
1104       ENDIF
1105
1106    ELSE
1107
1108       ALLOCATE( salsa_gas(ngast) ) 
1109       ALLOCATE( gconc_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg,ngast),                 &
1110                 gconc_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg,ngast),                 &
1111                 gconc_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg,ngast) )
1112       gconc_1 = 0.0_wp
1113       gconc_2 = 0.0_wp
1114       gconc_3 = 0.0_wp
1115       
1116       DO i = 1, ngast
1117          salsa_gas(i)%conc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)    => gconc_1(:,:,:,i)
1118          salsa_gas(i)%conc_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)  => gconc_2(:,:,:,i)
1119          salsa_gas(i)%tconc_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) => gconc_3(:,:,:,i)
1120          ALLOCATE( salsa_gas(i)%flux_s(nzb+1:nzt,0:threads_per_task-1),       &
1121                    salsa_gas(i)%diss_s(nzb+1:nzt,0:threads_per_task-1),       &
1122                    salsa_gas(i)%flux_l(nzb+1:nzt,nys:nyn,0:threads_per_task-1),&
1123                    salsa_gas(i)%diss_l(nzb+1:nzt,nys:nyn,0:threads_per_task-1),&
1124                    salsa_gas(i)%init(nzb:nzt+1),                              &
1125                    salsa_gas(i)%sums_ws_l(nzb:nzt+1,0:threads_per_task-1) )
1126       ENDDO       
1127!
1128!--    Surface fluxes: gtsws = gaseous tracer flux
1129!
1130!--    Horizontal surfaces: default type
1131       DO  l = 0, 2   ! upward (l=0), downward (l=1) and model top (l=2)
1132          ALLOCATE( surf_def_h(l)%gtsws( 1:surf_def_h(l)%ns, ngast ) )
1133          surf_def_h(l)%gtsws = 0.0_wp
1134       ENDDO
1135!--    Horizontal surfaces: natural type   
1136       IF ( land_surface )  THEN
1137          ALLOCATE( surf_lsm_h%gtsws( 1:surf_lsm_h%ns, ngast ) )
1138          surf_lsm_h%gtsws = 0.0_wp
1139       ENDIF
1140!--    Horizontal surfaces: urban type         
1141       IF ( urban_surface )  THEN
1142          ALLOCATE( surf_usm_h%gtsws( 1:surf_usm_h%ns, ngast ) )
1143          surf_usm_h%gtsws = 0.0_wp
1144       ENDIF
1145!
1146!--    Vertical surfaces: northward (l=0), southward (l=1), eastward (l=2) and
1147!--    westward (l=3) facing
1148       DO  l = 0, 3     
1149          ALLOCATE( surf_def_v(l)%gtsws( 1:surf_def_v(l)%ns, ngast ) )
1150          surf_def_v(l)%gtsws = 0.0_wp
1151          IF ( land_surface )  THEN
1152             ALLOCATE( surf_lsm_v(l)%gtsws( 1:surf_lsm_v(l)%ns, ngast ) )
1153             surf_lsm_v(l)%gtsws = 0.0_wp
1154          ENDIF
1155          IF ( urban_surface )  THEN
1156             ALLOCATE( surf_usm_v(l)%gtsws( 1:surf_usm_v(l)%ns, ngast ) )
1157             surf_usm_v(l)%gtsws = 0.0_wp
1158          ENDIF
1159       ENDDO
1160    ENDIF
1161   
1162#endif
1163
1164 END SUBROUTINE salsa_init_arrays
1165
1166!------------------------------------------------------------------------------!
1167! Description:
1168! ------------
1169!> Initialization of SALSA. Based on salsa_initialize in UCLALES-SALSA.
1170!> Subroutines salsa_initialize, SALSAinit and DiagInitAero in UCLALES-SALSA are
1171!> also merged here.
1172!------------------------------------------------------------------------------!
1173 SUBROUTINE salsa_init
1174
1175    IMPLICIT NONE
1176   
1177    INTEGER(iwp) :: b
1178    INTEGER(iwp) :: c
1179    INTEGER(iwp) :: g
1180    INTEGER(iwp) :: i
1181    INTEGER(iwp) :: j
1182   
1183    bin_low_limits = 0.0_wp
1184    nsect          = 0.0_wp
1185    massacc        = 1.0_wp 
1186   
1187!
1188!-- Indices for chemical components used (-1 = not used)
1189    i = 0
1190    IF ( is_used( prtcl, 'SO4' ) )  THEN
1191       iso4 = get_index( prtcl,'SO4' )
1192       i = i + 1
1193    ENDIF
1194    IF ( is_used( prtcl,'OC' ) )  THEN
1195       ioc = get_index(prtcl, 'OC')
1196       i = i + 1
1197    ENDIF
1198    IF ( is_used( prtcl, 'BC' ) )  THEN
1199       ibc = get_index( prtcl, 'BC' )
1200       i = i + 1
1201    ENDIF
1202    IF ( is_used( prtcl, 'DU' ) )  THEN
1203       idu = get_index( prtcl, 'DU' )
1204       i = i + 1
1205    ENDIF
1206    IF ( is_used( prtcl, 'SS' ) )  THEN
1207       iss = get_index( prtcl, 'SS' )
1208       i = i + 1
1209    ENDIF
1210    IF ( is_used( prtcl, 'NO' ) )  THEN
1211       ino = get_index( prtcl, 'NO' )
1212       i = i + 1
1213    ENDIF
1214    IF ( is_used( prtcl, 'NH' ) )  THEN
1215       inh = get_index( prtcl, 'NH' )
1216       i = i + 1
1217    ENDIF
1218!   
1219!-- All species must be known
1220    IF ( i /= ncc )  THEN
1221       message_string = 'Unknown aerosol species/component(s) given in the' // &
1222                        ' initialization'
1223       CALL message( 'salsa_mod: salsa_init', 'SA0020', 1, 2, 0, 6, 0 )
1224    ENDIF
1225   
1226!
1227!-- Initialise
1228!
1229!-- Aerosol size distribution (TYPE t_section)
1230    aero(:)%dwet     = 1.0E-10_wp
1231    aero(:)%veqh2o   = 1.0E-10_wp
1232    aero(:)%numc     = nclim
1233    aero(:)%core     = 1.0E-10_wp
1234    DO c = 1, maxspec+1    ! 1:SO4, 2:OC, 3:BC, 4:DU, 5:SS, 6:NO, 7:NH, 8:H2O
1235       aero(:)%volc(c) = 0.0_wp
1236    ENDDO
1237   
1238    IF ( nldepo )  sedim_vd = 0.0_wp 
1239   
1240    DO  b = 1, nbins
1241       IF ( .NOT. read_restart_data_salsa )  aerosol_number(b)%conc = nclim
1242       aerosol_number(b)%conc_p    = 0.0_wp
1243       aerosol_number(b)%tconc_m   = 0.0_wp
1244       aerosol_number(b)%flux_s    = 0.0_wp
1245       aerosol_number(b)%diss_s    = 0.0_wp
1246       aerosol_number(b)%flux_l    = 0.0_wp
1247       aerosol_number(b)%diss_l    = 0.0_wp
1248       aerosol_number(b)%init      = nclim
1249       aerosol_number(b)%sums_ws_l = 0.0_wp
1250    ENDDO
1251    DO  c = 1, ncc_tot*nbins
1252       IF ( .NOT. read_restart_data_salsa )  aerosol_mass(c)%conc = mclim
1253       aerosol_mass(c)%conc_p    = 0.0_wp
1254       aerosol_mass(c)%tconc_m   = 0.0_wp
1255       aerosol_mass(c)%flux_s    = 0.0_wp
1256       aerosol_mass(c)%diss_s    = 0.0_wp
1257       aerosol_mass(c)%flux_l    = 0.0_wp
1258       aerosol_mass(c)%diss_l    = 0.0_wp
1259       aerosol_mass(c)%init      = mclim
1260       aerosol_mass(c)%sums_ws_l = 0.0_wp
1261    ENDDO
1262   
1263    IF ( .NOT. salsa_gases_from_chem )  THEN
1264       DO  g = 1, ngast
1265          salsa_gas(g)%conc_p    = 0.0_wp
1266          salsa_gas(g)%tconc_m   = 0.0_wp
1267          salsa_gas(g)%flux_s    = 0.0_wp
1268          salsa_gas(g)%diss_s    = 0.0_wp
1269          salsa_gas(g)%flux_l    = 0.0_wp
1270          salsa_gas(g)%diss_l    = 0.0_wp
1271          salsa_gas(g)%sums_ws_l = 0.0_wp
1272       ENDDO
1273       IF ( .NOT. read_restart_data_salsa )  THEN
1274          salsa_gas(1)%conc = H2SO4_init
1275          salsa_gas(2)%conc = HNO3_init
1276          salsa_gas(3)%conc = NH3_init
1277          salsa_gas(4)%conc = OCNV_init
1278          salsa_gas(5)%conc = OCSV_init
1279       ENDIF
1280!
1281!--    Set initial value for gas compound tracers and initial values
1282       salsa_gas(1)%init = H2SO4_init
1283       salsa_gas(2)%init = HNO3_init
1284       salsa_gas(3)%init = NH3_init
1285       salsa_gas(4)%init = OCNV_init
1286       salsa_gas(5)%init = OCSV_init     
1287    ENDIF
1288!
1289!-- Aerosol radius in each bin: dry and wet (m)
1290    Ra_dry = 1.0E-10_wp
1291!   
1292!-- Initialise aerosol tracers   
1293    aero(:)%vhilim   = 0.0_wp
1294    aero(:)%vlolim   = 0.0_wp
1295    aero(:)%vratiohi = 0.0_wp
1296    aero(:)%vratiolo = 0.0_wp
1297    aero(:)%dmid     = 0.0_wp
1298!
1299!-- Initialise the sectional particle size distribution
1300    CALL set_sizebins()
1301!
1302!-- Initialise location-dependent aerosol size distributions and
1303!-- chemical compositions:
1304    CALL aerosol_init
1305!
1306!-- Initalisation run of SALSA
1307    DO  i = nxl, nxr
1308       DO  j = nys, nyn
1309          CALL salsa_driver( i, j, 1 )
1310          CALL salsa_diagnostics( i, j )
1311       ENDDO
1312    ENDDO
1313!
1314!-- Set the aerosol and gas sources
1315    IF ( salsa_source_mode == 'read_from_file' )  THEN
1316       CALL salsa_set_source
1317    ENDIF
1318   
1319 END SUBROUTINE salsa_init
1320
1321!------------------------------------------------------------------------------!
1322! Description:
1323! ------------
1324!> Initializes particle size distribution grid by calculating size bin limits
1325!> and mid-size for *dry* particles in each bin. Called from salsa_initialize
1326!> (only at the beginning of simulation).
1327!> Size distribution described using:
1328!>   1) moving center method (subranges 1 and 2)
1329!>      (Jacobson, Atmos. Env., 31, 131-144, 1997)
1330!>   2) fixed sectional method (subrange 3)
1331!> Size bins in each subrange are spaced logarithmically
1332!> based on given subrange size limits and bin number.
1333!
1334!> Mona changed 06/2017: Use geometric mean diameter to describe the mean
1335!> particle diameter in a size bin, not the arithmeric mean which clearly
1336!> overestimates the total particle volume concentration.
1337!
1338!> Coded by:
1339!> Hannele Korhonen (FMI) 2005
1340!> Harri Kokkola (FMI) 2006
1341!
1342!> Bug fixes for box model + updated for the new aerosol datatype:
1343!> Juha Tonttila (FMI) 2014
1344!------------------------------------------------------------------------------!
1345 SUBROUTINE set_sizebins
1346               
1347    IMPLICIT NONE
1348!   
1349!-- Local variables
1350    INTEGER(iwp) ::  cc
1351    INTEGER(iwp) ::  dd
1352    REAL(wp) ::  ratio_d !< ratio of the upper and lower diameter of subranges
1353!
1354!-- vlolim&vhilim: min & max *dry* volumes [fxm]
1355!-- dmid: bin mid *dry* diameter (m)
1356!-- vratiolo&vratiohi: volume ratio between the center and low/high limit
1357!
1358!-- 1) Size subrange 1:
1359    ratio_d = reglim(2) / reglim(1)   ! section spacing (m)
1360    DO  cc = in1a,fn1a
1361       aero(cc)%vlolim = api6 * ( reglim(1) * ratio_d **                       &
1362                                ( REAL( cc-1 ) / nbin(1) ) ) ** 3.0_wp
1363       aero(cc)%vhilim = api6 * ( reglim(1) * ratio_d **                       &
1364                                ( REAL( cc ) / nbin(1) ) ) ** 3.0_wp
1365       aero(cc)%dmid = SQRT( ( aero(cc)%vhilim / api6 ) ** ( 1.0_wp / 3.0_wp ) &
1366                           * ( aero(cc)%vlolim / api6 ) ** ( 1.0_wp / 3.0_wp ) )
1367       aero(cc)%vratiohi = aero(cc)%vhilim / ( api6 * aero(cc)%dmid ** 3.0_wp )
1368       aero(cc)%vratiolo = aero(cc)%vlolim / ( api6 * aero(cc)%dmid ** 3.0_wp )
1369    ENDDO
1370!
1371!-- 2) Size subrange 2:
1372!-- 2.1) Sub-subrange 2a: high hygroscopicity
1373    ratio_d = reglim(3) / reglim(2)   ! section spacing
1374    DO  dd = in2a, fn2a
1375       cc = dd - in2a
1376       aero(dd)%vlolim = api6 * ( reglim(2) * ratio_d **                       &
1377                                  ( REAL( cc ) / nbin(2) ) ) ** 3.0_wp
1378       aero(dd)%vhilim = api6 * ( reglim(2) * ratio_d **                       &
1379                                  ( REAL( cc+1 ) / nbin(2) ) ) ** 3.0_wp
1380       aero(dd)%dmid = SQRT( ( aero(dd)%vhilim / api6 ) ** ( 1.0_wp / 3.0_wp ) &
1381                           * ( aero(dd)%vlolim / api6 ) ** ( 1.0_wp / 3.0_wp ) )
1382       aero(dd)%vratiohi = aero(dd)%vhilim / ( api6 * aero(dd)%dmid ** 3.0_wp )
1383       aero(dd)%vratiolo = aero(dd)%vlolim / ( api6 * aero(dd)%dmid ** 3.0_wp )
1384    ENDDO
1385!         
1386!-- 2.2) Sub-subrange 2b: low hygroscopicity
1387    IF ( .NOT. no_insoluble )  THEN
1388       aero(in2b:fn2b)%vlolim   = aero(in2a:fn2a)%vlolim
1389       aero(in2b:fn2b)%vhilim   = aero(in2a:fn2a)%vhilim
1390       aero(in2b:fn2b)%dmid     = aero(in2a:fn2a)%dmid
1391       aero(in2b:fn2b)%vratiohi = aero(in2a:fn2a)%vratiohi
1392       aero(in2b:fn2b)%vratiolo = aero(in2a:fn2a)%vratiolo
1393    ENDIF
1394!         
1395!-- Initialize the wet diameter with the bin dry diameter to avoid numerical
1396!-- problems later
1397    aero(:)%dwet = aero(:)%dmid
1398!
1399!-- Save bin limits (lower diameter) to be delivered to the host model if needed
1400    DO cc = 1, nbins
1401       bin_low_limits(cc) = ( aero(cc)%vlolim / api6 )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
1402    ENDDO   
1403   
1404 END SUBROUTINE set_sizebins
1405 
1406!------------------------------------------------------------------------------!
1407! Description:
1408! ------------
1409!> Initilize altitude-dependent aerosol size distributions and compositions.
1410!>
1411!> Mona added 06/2017: Correct the number and mass concentrations by normalizing
1412!< by the given total number and mass concentration.
1413!>
1414!> Tomi Raatikainen, FMI, 29.2.2016
1415!------------------------------------------------------------------------------!
1416 SUBROUTINE aerosol_init
1417 
1418    USE arrays_3d,                                                             &
1419        ONLY:  zu
1420 
1421!    USE NETCDF
1422   
1423    USE netcdf_data_input_mod,                                                 &
1424        ONLY:  get_attribute, get_variable,                                    &
1425               netcdf_data_input_get_dimension_length, open_read_file
1426   
1427    IMPLICIT NONE
1428   
1429    INTEGER(iwp) ::  b          !< loop index: size bins
1430    INTEGER(iwp) ::  c          !< loop index: chemical components
1431    INTEGER(iwp) ::  ee         !< index: end
1432    INTEGER(iwp) ::  g          !< loop index: gases
1433    INTEGER(iwp) ::  i          !< loop index: x-direction
1434    INTEGER(iwp) ::  id_faero   !< NetCDF id of PIDS_SALSA
1435    INTEGER(iwp) ::  id_fchem   !< NetCDF id of PIDS_CHEM
1436    INTEGER(iwp) ::  j          !< loop index: y-direction
1437    INTEGER(iwp) ::  k          !< loop index: z-direction
1438    INTEGER(iwp) ::  kk         !< loop index: z-direction
1439    INTEGER(iwp) ::  nz_file    !< Number of grid-points in file (heights)                           
1440    INTEGER(iwp) ::  prunmode
1441    INTEGER(iwp) ::  ss !< index: start
1442    LOGICAL  ::  netcdf_extend = .FALSE. !< Flag indicating wether netcdf
1443                                         !< topography input file or not
1444    REAL(wp), DIMENSION(nbins) ::  core  !< size of the bin mid aerosol particle,
1445    REAL(wp) ::  flag           !< flag to mask topography grid points
1446    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  pr_gas !< gas profiles
1447    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  pr_mass_fracs_a !< mass fraction
1448                                                              !< profiles: a
1449    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  pr_mass_fracs_b !< and b
1450    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  pr_nsect !< sectional size
1451                                                       !< distribution profile
1452    REAL(wp), DIMENSION(nbins)            ::  nsect  !< size distribution (#/m3)
1453    REAL(wp), DIMENSION(0:nz+1,nbins)     ::  pndist !< size dist as a function
1454                                                     !< of height (#/m3)
1455    REAL(wp), DIMENSION(0:nz+1)           ::  pnf2a  !< number fraction: bins 2a
1456    REAL(wp), DIMENSION(0:nz+1,maxspec)   ::  pvf2a  !< mass distributions of 
1457                                                     !< aerosol species for a 
1458    REAL(wp), DIMENSION(0:nz+1,maxspec)   ::  pvf2b  !< and b-bins     
1459    REAL(wp), DIMENSION(0:nz+1)           ::  pvfOC1a !< mass fraction between
1460                                                     !< SO4 and OC in 1a
1461    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE   ::  pr_z
1462
1463    prunmode = 1
1464!
1465!-- Bin mean aerosol particle volume (m3)
1466    core(:) = 0.0_wp
1467    core(1:nbins) = api6 * aero(1:nbins)%dmid ** 3.0_wp
1468!   
1469!-- Set concentrations to zero
1470    nsect(:)     = 0.0_wp
1471    pndist(:,:)  = 0.0_wp
1472    pnf2a(:)     = nf2a   
1473    pvf2a(:,:)   = 0.0_wp
1474    pvf2b(:,:)   = 0.0_wp
1475    pvfOC1a(:)   = 0.0_wp
1476
1477    IF ( isdtyp == 1 )  THEN
1478!
1479!--    Read input profiles from PIDS_SALSA   
1480#if defined( __netcdf )
1481!   
1482!--    Location-dependent size distributions and compositions.     
1483       INQUIRE( FILE='PIDS_SALSA'// TRIM( coupling_char ), EXIST=netcdf_extend )
1484       IF ( netcdf_extend )  THEN
1485!
1486!--       Open file in read-only mode 
1487          CALL open_read_file( 'PIDS_SALSA' // TRIM( coupling_char ), id_faero )
1488!
1489!--       Input heights   
1490          CALL netcdf_data_input_get_dimension_length( id_faero, nz_file,      &
1491                                                       "profile_z" ) 
1492         
1493          ALLOCATE( pr_z(nz_file), pr_mass_fracs_a(maxspec,nz_file),           &
1494                    pr_mass_fracs_b(maxspec,nz_file), pr_nsect(nbins,nz_file) ) 
1495          CALL get_variable( id_faero, 'profile_z', pr_z ) 
1496!       
1497!--       Mass fracs profile: 1: H2SO4 (sulphuric acid), 2: OC (organic carbon),
1498!--                           3: BC (black carbon),      4: DU (dust), 
1499!--                           5: SS (sea salt),          6: HNO3 (nitric acid),
1500!--                           7: NH3 (ammonia)         
1501          CALL get_variable( id_faero, "profile_mass_fracs_a", pr_mass_fracs_a,&
1502                             0, nz_file-1, 0, maxspec-1 )
1503          CALL get_variable( id_faero, "profile_mass_fracs_b", pr_mass_fracs_b,&
1504                             0, nz_file-1, 0, maxspec-1 )
1505          CALL get_variable( id_faero, "profile_nsect", pr_nsect, 0, nz_file-1,&
1506                             0, nbins-1 )                   
1507         
1508          kk = 1
1509          DO  k = nzb, nz+1
1510             IF ( kk < nz_file )  THEN
1511                DO  WHILE ( pr_z(kk+1) <= zu(k) )
1512                   kk = kk + 1
1513                   IF ( kk == nz_file )  EXIT
1514                ENDDO
1515             ENDIF
1516             IF ( kk < nz_file )  THEN
1517!             
1518!--             Set initial value for gas compound tracers and initial values
1519                pvf2a(k,:) = pr_mass_fracs_a(:,kk) + ( zu(k) - pr_z(kk) ) / (  &
1520                            pr_z(kk+1) - pr_z(kk) ) * ( pr_mass_fracs_a(:,kk+1)&
1521                            - pr_mass_fracs_a(:,kk) )   
1522                pvf2b(k,:) = pr_mass_fracs_b(:,kk) + ( zu(k) - pr_z(kk) ) / (  &
1523                            pr_z(kk+1) - pr_z(kk) ) * ( pr_mass_fracs_b(:,kk+1)&
1524                            - pr_mass_fracs_b(:,kk) )             
1525                pndist(k,:) = pr_nsect(:,kk) + ( zu(k) - pr_z(kk) ) / (        &
1526                              pr_z(kk+1) - pr_z(kk) ) * ( pr_nsect(:,kk+1) -   &
1527                              pr_nsect(:,kk) )
1528             ELSE
1529                pvf2a(k,:) = pr_mass_fracs_a(:,kk)       
1530                pvf2b(k,:) = pr_mass_fracs_b(:,kk)
1531                pndist(k,:) = pr_nsect(:,kk)
1532             ENDIF
1533             IF ( iso4 < 0 )  THEN
1534                pvf2a(k,1) = 0.0_wp
1535                pvf2b(k,1) = 0.0_wp
1536             ENDIF
1537             IF ( ioc < 0 )  THEN
1538                pvf2a(k,2) = 0.0_wp
1539                pvf2b(k,2) = 0.0_wp
1540             ENDIF
1541             IF ( ibc < 0 )  THEN
1542                pvf2a(k,3) = 0.0_wp
1543                pvf2b(k,3) = 0.0_wp
1544             ENDIF
1545             IF ( idu < 0 )  THEN
1546                pvf2a(k,4) = 0.0_wp
1547                pvf2b(k,4) = 0.0_wp
1548             ENDIF
1549             IF ( iss < 0 )  THEN
1550                pvf2a(k,5) = 0.0_wp
1551                pvf2b(k,5) = 0.0_wp
1552             ENDIF
1553             IF ( ino < 0 )  THEN
1554                pvf2a(k,6) = 0.0_wp
1555                pvf2b(k,6) = 0.0_wp
1556             ENDIF
1557             IF ( inh < 0 )  THEN
1558                pvf2a(k,7) = 0.0_wp
1559                pvf2b(k,7) = 0.0_wp
1560             ENDIF
1561!
1562!--          Then normalise the mass fraction so that SUM = 1
1563             pvf2a(k,:) = pvf2a(k,:) / SUM( pvf2a(k,:) )
1564             IF ( SUM( pvf2b(k,:) ) > 0.0_wp ) pvf2b(k,:) = pvf2b(k,:) /       &
1565                                                            SUM( pvf2b(k,:) )
1566          ENDDO         
1567          DEALLOCATE( pr_z, pr_mass_fracs_a, pr_mass_fracs_b, pr_nsect )
1568       ELSE
1569          message_string = 'Input file '// TRIM( 'PIDS_SALSA' ) //             &
1570                           TRIM( coupling_char ) // ' for SALSA missing!'
1571          CALL message( 'salsa_mod: aerosol_init', 'SA0032', 1, 2, 0, 6, 0 )               
1572       ENDIF   ! netcdf_extend   
1573#endif
1574 
1575    ELSEIF ( isdtyp == 0 )  THEN
1576!
1577!--    Mass fractions for species in a and b-bins
1578       IF ( iso4 > 0 )  THEN
1579          pvf2a(:,1) = mass_fracs_a(iso4) 
1580          pvf2b(:,1) = mass_fracs_b(iso4)
1581       ENDIF
1582       IF ( ioc > 0 )  THEN
1583          pvf2a(:,2) = mass_fracs_a(ioc)
1584          pvf2b(:,2) = mass_fracs_b(ioc) 
1585       ENDIF
1586       IF ( ibc > 0 )  THEN
1587          pvf2a(:,3) = mass_fracs_a(ibc) 
1588          pvf2b(:,3) = mass_fracs_b(ibc)
1589       ENDIF
1590       IF ( idu > 0 )  THEN
1591          pvf2a(:,4) = mass_fracs_a(idu)
1592          pvf2b(:,4) = mass_fracs_b(idu) 
1593       ENDIF
1594       IF ( iss > 0 )  THEN
1595          pvf2a(:,5) = mass_fracs_a(iss)
1596          pvf2b(:,5) = mass_fracs_b(iss) 
1597       ENDIF
1598       IF ( ino > 0 )  THEN
1599          pvf2a(:,6) = mass_fracs_a(ino)
1600          pvf2b(:,6) = mass_fracs_b(ino)
1601       ENDIF
1602       IF ( inh > 0 )  THEN
1603          pvf2a(:,7) = mass_fracs_a(inh)
1604          pvf2b(:,7) = mass_fracs_b(inh)
1605       ENDIF
1606       DO  k = nzb, nz+1
1607          pvf2a(k,:) = pvf2a(k,:) / SUM( pvf2a(k,:) )
1608          IF ( SUM( pvf2b(k,:) ) > 0.0_wp ) pvf2b(k,:) = pvf2b(k,:) /          &
1609                                                         SUM( pvf2b(k,:) )
1610       ENDDO
1611       
1612       CALL size_distribution( n_lognorm, dpg, sigmag, nsect )
1613!
1614!--    Normalize by the given total number concentration
1615       nsect = nsect * SUM( n_lognorm ) * 1.0E+6_wp / SUM( nsect )     
1616       DO  b = in1a, fn2b
1617          pndist(:,b) = nsect(b)
1618       ENDDO
1619    ENDIF
1620   
1621    IF ( igctyp == 1 )  THEN
1622!
1623!--    Read input profiles from PIDS_CHEM   
1624#if defined( __netcdf )
1625!   
1626!--    Location-dependent size distributions and compositions.     
1627       INQUIRE( FILE='PIDS_CHEM' // TRIM( coupling_char ), EXIST=netcdf_extend )
1628       IF ( netcdf_extend  .AND.  .NOT. salsa_gases_from_chem )  THEN
1629!
1630!--       Open file in read-only mode     
1631          CALL open_read_file( 'PIDS_CHEM' // TRIM( coupling_char ), id_fchem )
1632!
1633!--       Input heights   
1634          CALL netcdf_data_input_get_dimension_length( id_fchem, nz_file,      &
1635                                                       "profile_z" ) 
1636          ALLOCATE( pr_z(nz_file), pr_gas(ngast,nz_file) ) 
1637          CALL get_variable( id_fchem, 'profile_z', pr_z ) 
1638!       
1639!--       Gases:
1640          CALL get_variable( id_fchem, "profile_H2SO4", pr_gas(1,:) )
1641          CALL get_variable( id_fchem, "profile_HNO3", pr_gas(2,:) )
1642          CALL get_variable( id_fchem, "profile_NH3", pr_gas(3,:) )
1643          CALL get_variable( id_fchem, "profile_OCNV", pr_gas(4,:) )
1644          CALL get_variable( id_fchem, "profile_OCSV", pr_gas(5,:) )
1645         
1646          kk = 1
1647          DO  k = nzb, nz+1
1648             IF ( kk < nz_file )  THEN
1649                DO  WHILE ( pr_z(kk+1) <= zu(k) )
1650                   kk = kk + 1
1651                   IF ( kk == nz_file )  EXIT
1652                ENDDO
1653             ENDIF
1654             IF ( kk < nz_file )  THEN
1655!             
1656!--             Set initial value for gas compound tracers and initial values
1657                DO  g = 1, ngast
1658                   salsa_gas(g)%init(k) =  pr_gas(g,kk) + ( zu(k) - pr_z(kk) ) &
1659                                           / ( pr_z(kk+1) - pr_z(kk) ) *       &
1660                                           ( pr_gas(g,kk+1) - pr_gas(g,kk) )
1661                   salsa_gas(g)%conc(k,:,:) = salsa_gas(g)%init(k)
1662                ENDDO
1663             ELSE
1664                DO  g = 1, ngast
1665                   salsa_gas(g)%init(k) =  pr_gas(g,kk) 
1666                   salsa_gas(g)%conc(k,:,:) = salsa_gas(g)%init(k)
1667                ENDDO
1668             ENDIF
1669          ENDDO
1670         
1671          DEALLOCATE( pr_z, pr_gas )
1672       ELSEIF ( .NOT. netcdf_extend  .AND.  .NOT.  salsa_gases_from_chem )  THEN
1673          message_string = 'Input file '// TRIM( 'PIDS_CHEM' ) //              &
1674                           TRIM( coupling_char ) // ' for SALSA missing!'
1675          CALL message( 'salsa_mod: aerosol_init', 'SA0033', 1, 2, 0, 6, 0 )               
1676       ENDIF   ! netcdf_extend     
1677#endif
1678
1679    ENDIF
1680
1681    IF ( ioc > 0  .AND.  iso4 > 0 )  THEN     
1682!--    Both are there, so use the given "massDistrA"
1683       pvfOC1a(:) = pvf2a(:,2) / ( pvf2a(:,2) + pvf2a(:,1) )  ! Normalize
1684    ELSEIF ( ioc > 0 )  THEN
1685!--    Pure organic carbon
1686       pvfOC1a(:) = 1.0_wp
1687    ELSEIF ( iso4 > 0 )  THEN
1688!--    Pure SO4
1689       pvfOC1a(:) = 0.0_wp   
1690    ELSE
1691       message_string = 'Either OC or SO4 must be active for aerosol region 1a!'
1692       CALL message( 'salsa_mod: aerosol_init', 'SA0021', 1, 2, 0, 6, 0 )
1693    ENDIF   
1694   
1695!
1696!-- Initialize concentrations
1697    DO  i = nxlg, nxrg
1698       DO  j = nysg, nyng
1699          DO  k = nzb, nzt+1
1700!
1701!--          Predetermine flag to mask topography         
1702             flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
1703!         
1704!--          a) Number concentrations
1705!--           Region 1:
1706             DO  b = in1a, fn1a
1707                aerosol_number(b)%conc(k,j,i) = pndist(k,b) * flag
1708                IF ( prunmode == 1 )  THEN
1709                   aerosol_number(b)%init = pndist(:,b)
1710                ENDIF
1711             ENDDO
1712!             
1713!--           Region 2:
1714             IF ( nreg > 1 )  THEN
1715                DO  b = in2a, fn2a
1716                   aerosol_number(b)%conc(k,j,i) = MAX( 0.0_wp, pnf2a(k) ) *   &
1717                                                    pndist(k,b) * flag
1718                   IF ( prunmode == 1 )  THEN
1719                      aerosol_number(b)%init = MAX( 0.0_wp, nf2a ) * pndist(:,b)
1720                   ENDIF
1721                ENDDO
1722                IF ( .NOT. no_insoluble )  THEN
1723                   DO  b = in2b, fn2b
1724                      IF ( pnf2a(k) < 1.0_wp )  THEN             
1725                         aerosol_number(b)%conc(k,j,i) = MAX( 0.0_wp, 1.0_wp   &
1726                                               - pnf2a(k) ) * pndist(k,b) * flag
1727                         IF ( prunmode == 1 )  THEN
1728                            aerosol_number(b)%init = MAX( 0.0_wp, 1.0_wp -     &
1729                                                          nf2a ) * pndist(:,b)
1730                         ENDIF
1731                      ENDIF
1732                   ENDDO
1733                ENDIF
1734             ENDIF
1735!
1736!--          b) Aerosol mass concentrations
1737!--             bin subrange 1: done here separately due to the SO4/OC convention
1738!--          SO4:
1739             IF ( iso4 > 0 )  THEN
1740                ss = ( iso4 - 1 ) * nbins + in1a !< start
1741                ee = ( iso4 - 1 ) * nbins + fn1a !< end
1742                b = in1a
1743                DO  c = ss, ee
1744                   aerosol_mass(c)%conc(k,j,i) = MAX( 0.0_wp, 1.0_wp -         &
1745                                                  pvfOC1a(k) ) * pndist(k,b) * &
1746                                                  core(b) * arhoh2so4 * flag
1747                   IF ( prunmode == 1 )  THEN
1748                      aerosol_mass(c)%init = MAX( 0.0_wp, 1.0_wp - MAXVAL(     &
1749                                             pvfOC1a ) ) * pndist(:,b) *       &
1750                                             core(b) * arhoh2so4
1751                   ENDIF
1752                   b = b+1
1753                ENDDO
1754             ENDIF
1755!--          OC:
1756             IF ( ioc > 0 ) THEN
1757                ss = ( ioc - 1 ) * nbins + in1a !< start
1758                ee = ( ioc - 1 ) * nbins + fn1a !< end
1759                b = in1a
1760                DO  c = ss, ee
1761                   aerosol_mass(c)%conc(k,j,i) = MAX( 0.0_wp, pvfOC1a(k) ) *   &
1762                                           pndist(k,b) * core(b) * arhooc * flag
1763                   IF ( prunmode == 1 )  THEN
1764                      aerosol_mass(c)%init = MAX( 0.0_wp, MAXVAL( pvfOC1a ) )  &
1765                                             * pndist(:,b) *  core(b) * arhooc
1766                   ENDIF
1767                   b = b+1
1768                ENDDO
1769             ENDIF
1770             
1771             prunmode = 3  ! Init only once
1772 
1773          ENDDO !< k
1774       ENDDO !< j
1775    ENDDO !< i
1776   
1777!
1778!-- c) Aerosol mass concentrations
1779!--    bin subrange 2:
1780    IF ( nreg > 1 ) THEN
1781   
1782       IF ( iso4 > 0 ) THEN
1783          CALL set_aero_mass( iso4, pvf2a(:,1), pvf2b(:,1), pnf2a, pndist,     &
1784                              core, arhoh2so4 )
1785       ENDIF
1786       IF ( ioc > 0 ) THEN
1787          CALL set_aero_mass( ioc, pvf2a(:,2), pvf2b(:,2), pnf2a, pndist, core,&
1788                              arhooc )
1789       ENDIF
1790       IF ( ibc > 0 ) THEN
1791          CALL set_aero_mass( ibc, pvf2a(:,3), pvf2b(:,3), pnf2a, pndist, core,&
1792                              arhobc )
1793       ENDIF
1794       IF ( idu > 0 ) THEN
1795          CALL set_aero_mass( idu, pvf2a(:,4), pvf2b(:,4), pnf2a, pndist, core,&
1796                              arhodu )
1797       ENDIF
1798       IF ( iss > 0 ) THEN
1799          CALL set_aero_mass( iss, pvf2a(:,5), pvf2b(:,5), pnf2a, pndist, core,&
1800                              arhoss )
1801       ENDIF
1802       IF ( ino > 0 ) THEN
1803          CALL set_aero_mass( ino, pvf2a(:,6), pvf2b(:,6), pnf2a, pndist, core,&
1804                              arhohno3 )
1805       ENDIF
1806       IF ( inh > 0 ) THEN
1807          CALL set_aero_mass( inh, pvf2a(:,7), pvf2b(:,7), pnf2a, pndist, core,&
1808                              arhonh3 )
1809       ENDIF
1810
1811    ENDIF
1812   
1813 END SUBROUTINE aerosol_init
1814 
1815!------------------------------------------------------------------------------!
1816! Description:
1817! ------------
1818!> Create a lognormal size distribution and discretise to a sectional
1819!> representation.
1820!------------------------------------------------------------------------------!
1821 SUBROUTINE size_distribution( in_ntot, in_dpg, in_sigma, psd_sect )
1822   
1823    IMPLICIT NONE
1824   
1825!-- Log-normal size distribution: modes   
1826    REAL(wp), DIMENSION(:), INTENT(in) ::  in_dpg    !< geometric mean diameter
1827                                                     !< (micrometres)
1828    REAL(wp), DIMENSION(:), INTENT(in) ::  in_ntot   !< number conc. (#/cm3)
1829    REAL(wp), DIMENSION(:), INTENT(in) ::  in_sigma  !< standard deviation
1830    REAL(wp), DIMENSION(:), INTENT(inout) ::  psd_sect !< sectional size
1831                                                       !< distribution
1832    INTEGER(iwp) ::  b          !< running index: bin
1833    INTEGER(iwp) ::  ib         !< running index: iteration
1834    REAL(wp) ::  d1             !< particle diameter (m, dummy)
1835    REAL(wp) ::  d2             !< particle diameter (m, dummy)
1836    REAL(wp) ::  delta_d        !< (d2-d1)/10                                                     
1837    REAL(wp) ::  deltadp        !< bin width
1838    REAL(wp) ::  dmidi          !< ( d1 + d2 ) / 2
1839   
1840    DO  b = in1a, fn2b !< aerosol size bins
1841       psd_sect(b) = 0.0_wp
1842!--    Particle diameter at the low limit (largest in the bin) (m)
1843       d1 = ( aero(b)%vlolim / api6 ) ** ( 1.0_wp / 3.0_wp )
1844!--    Particle diameter at the high limit (smallest in the bin) (m)
1845       d2 = ( aero(b)%vhilim / api6 ) ** ( 1.0_wp / 3.0_wp )
1846!--    Span of particle diameter in a bin (m)
1847       delta_d = ( d2 - d1 ) / 10.0_wp
1848!--    Iterate:             
1849       DO  ib = 1, 10
1850          d1 = ( aero(b)%vlolim / api6 ) ** ( 1.0_wp / 3.0_wp ) + ( ib - 1)    &
1851               * delta_d
1852          d2 = d1 + delta_d
1853          dmidi = ( d1 + d2 ) / 2.0_wp
1854          deltadp = LOG10( d2 / d1 )
1855         
1856!--       Size distribution
1857!--       in_ntot = total number, total area, or total volume concentration
1858!--       in_dpg = geometric-mean number, area, or volume diameter
1859!--       n(k) = number, area, or volume concentration in a bin
1860!--       n_lognorm and dpg converted to units of #/m3 and m
1861          psd_sect(b) = psd_sect(b) + SUM( in_ntot * 1.0E+6_wp * deltadp /     &
1862                     ( SQRT( 2.0_wp * pi ) * LOG10( in_sigma ) ) *             &
1863                     EXP( -LOG10( dmidi / ( 1.0E-6_wp * in_dpg ) )**2.0_wp /   &
1864                     ( 2.0_wp * LOG10( in_sigma ) ** 2.0_wp ) ) )
1865 
1866       ENDDO
1867    ENDDO
1868   
1869 END SUBROUTINE size_distribution
1870
1871!------------------------------------------------------------------------------!
1872! Description:
1873! ------------
1874!> Sets the mass concentrations to aerosol arrays in 2a and 2b.
1875!>
1876!> Tomi Raatikainen, FMI, 29.2.2016
1877!------------------------------------------------------------------------------!
1878 SUBROUTINE set_aero_mass( ispec, ppvf2a, ppvf2b, ppnf2a, ppndist, pcore, prho )
1879   
1880    IMPLICIT NONE
1881
1882    INTEGER(iwp), INTENT(in) :: ispec  !< Aerosol species index
1883    REAL(wp), INTENT(in) ::  pcore(nbins) !< Aerosol bin mid core volume   
1884    REAL(wp), INTENT(in) ::  ppndist(0:nz+1,nbins) !< Aerosol size distribution
1885    REAL(wp), INTENT(in) ::  ppnf2a(0:nz+1) !< Number fraction for 2a   
1886    REAL(wp), INTENT(in) ::  ppvf2a(0:nz+1) !< Mass distributions for a
1887    REAL(wp), INTENT(in) ::  ppvf2b(0:nz+1) !< and b bins   
1888    REAL(wp), INTENT(in) ::  prho !< Aerosol density
1889    INTEGER(iwp) ::  b  !< loop index
1890    INTEGER(iwp) ::  c  !< loop index       
1891    INTEGER(iwp) ::  ee !< index: end
1892    INTEGER(iwp) ::  i  !< loop index
1893    INTEGER(iwp) ::  j  !< loop index
1894    INTEGER(iwp) ::  k  !< loop index
1895    INTEGER(iwp) ::  prunmode  !< 1 = initialise
1896    INTEGER(iwp) ::  ss !< index: start
1897    REAL(wp) ::  flag   !< flag to mask topography grid points
1898   
1899    prunmode = 1
1900   
1901    DO i = nxlg, nxrg
1902       DO j = nysg, nyng
1903          DO k = nzb, nzt+1 
1904!
1905!--          Predetermine flag to mask topography
1906             flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) ) 
1907!             
1908!--          Regime 2a:
1909             ss = ( ispec - 1 ) * nbins + in2a
1910             ee = ( ispec - 1 ) * nbins + fn2a
1911             b = in2a
1912             DO c = ss, ee
1913                aerosol_mass(c)%conc(k,j,i) = MAX( 0.0_wp, ppvf2a(k) ) *       &
1914                               ppnf2a(k) * ppndist(k,b) * pcore(b) * prho * flag
1915                IF ( prunmode == 1 )  THEN
1916                   aerosol_mass(c)%init = MAX( 0.0_wp, MAXVAL( ppvf2a(:) ) ) * &
1917                                          MAXVAL( ppnf2a ) * pcore(b) * prho * &
1918                                          MAXVAL( ppndist(:,b) ) 
1919                ENDIF
1920                b = b+1
1921             ENDDO
1922!--          Regime 2b:
1923             IF ( .NOT. no_insoluble )  THEN
1924                ss = ( ispec - 1 ) * nbins + in2b
1925                ee = ( ispec - 1 ) * nbins + fn2b
1926                b = in2a
1927                DO c = ss, ee
1928                   aerosol_mass(c)%conc(k,j,i) = MAX( 0.0_wp, ppvf2b(k) ) * (  &
1929                                         1.0_wp - ppnf2a(k) ) * ppndist(k,b) * &
1930                                         pcore(b) * prho * flag
1931                   IF ( prunmode == 1 )  THEN
1932                      aerosol_mass(c)%init = MAX( 0.0_wp, MAXVAL( ppvf2b(:) ) )&
1933                                        * ( 1.0_wp - MAXVAL( ppnf2a ) ) *      &
1934                                        MAXVAL( ppndist(:,b) ) * pcore(b) * prho
1935                   ENDIF
1936                   b = b+1
1937                ENDDO
1938             ENDIF
1939             prunmode = 3  ! Init only once
1940          ENDDO
1941       ENDDO
1942    ENDDO
1943 END SUBROUTINE set_aero_mass
1944
1945!------------------------------------------------------------------------------!
1946! Description:
1947! ------------
1948!> Swapping of timelevels
1949!------------------------------------------------------------------------------!
1950 SUBROUTINE salsa_swap_timelevel( mod_count )
1951
1952    IMPLICIT NONE
1953
1954    INTEGER(iwp), INTENT(IN) ::  mod_count  !<
1955    INTEGER(iwp) ::  b  !<   
1956    INTEGER(iwp) ::  c  !<   
1957    INTEGER(iwp) ::  cc !<
1958    INTEGER(iwp) ::  g  !<
1959
1960!
1961!-- Example for prognostic variable "prog_var"
1962#if defined( __nopointer )
1963    IF ( myid == 0 )  THEN
1964       message_string =  ' SALSA runs only with POINTER Version'
1965       CALL message( 'salsa_swap_timelevel', 'SA0022', 1, 2, 0, 6, 0 )
1966    ENDIF
1967#else
1968   
1969    SELECT CASE ( mod_count )
1970
1971       CASE ( 0 )
1972
1973          DO  b = 1, nbins
1974             aerosol_number(b)%conc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)   =>        &
1975                nconc_1(:,:,:,b)
1976             aerosol_number(b)%conc_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) =>        &
1977                nconc_2(:,:,:,b)
1978             DO  c = 1, ncc_tot
1979                cc = ( c-1 ) * nbins + b  ! required due to possible Intel18 bug
1980                aerosol_mass(cc)%conc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)   =>      &
1981                   mconc_1(:,:,:,cc)
1982                aerosol_mass(cc)%conc_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) =>      &
1983                   mconc_2(:,:,:,cc)
1984             ENDDO
1985          ENDDO
1986         
1987          IF ( .NOT. salsa_gases_from_chem )  THEN
1988             DO  g = 1, ngast
1989                salsa_gas(g)%conc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)   =>          &
1990                   gconc_1(:,:,:,g)
1991                salsa_gas(g)%conc_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) =>          &
1992                   gconc_2(:,:,:,g)
1993             ENDDO
1994          ENDIF
1995
1996       CASE ( 1 )
1997
1998          DO  b = 1, nbins
1999             aerosol_number(b)%conc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)   =>        &
2000                nconc_2(:,:,:,b)
2001             aerosol_number(b)%conc_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) =>        &
2002                nconc_1(:,:,:,b)
2003             DO  c = 1, ncc_tot
2004                cc = ( c-1 ) * nbins + b  ! required due to possible Intel18 bug
2005                aerosol_mass(cc)%conc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)   =>      &
2006                   mconc_2(:,:,:,cc)
2007                aerosol_mass(cc)%conc_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) =>      &
2008                   mconc_1(:,:,:,cc)
2009             ENDDO
2010          ENDDO
2011         
2012          IF ( .NOT. salsa_gases_from_chem )  THEN
2013             DO  g = 1, ngast
2014                salsa_gas(g)%conc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)   =>          &
2015                   gconc_2(:,:,:,g)
2016                salsa_gas(g)%conc_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) =>          &
2017                   gconc_1(:,:,:,g)
2018             ENDDO
2019          ENDIF
2020
2021    END SELECT
2022#endif
2023
2024 END SUBROUTINE salsa_swap_timelevel
2025
2026
2027!------------------------------------------------------------------------------!
2028! Description:
2029! ------------
2030!> This routine reads the respective restart data.
2031!------------------------------------------------------------------------------!
2032 SUBROUTINE salsa_rrd_local( i, k, nxlf, nxlc, nxl_on_file, nxrf, nxrc,        &
2033                             nxr_on_file, nynf, nync, nyn_on_file, nysf,       &
2034                             nysc, nys_on_file, tmp_3d, found )
2035
2036   
2037    IMPLICIT NONE
2038   
2039    CHARACTER (LEN=20) :: field_char   !<
2040    INTEGER(iwp) ::  b  !<   
2041    INTEGER(iwp) ::  c  !<
2042    INTEGER(iwp) ::  g  !<
2043    INTEGER(iwp) ::  i  !<
2044    INTEGER(iwp) ::  k  !<
2045    INTEGER(iwp) ::  nxlc            !<
2046    INTEGER(iwp) ::  nxlf            !<
2047    INTEGER(iwp) ::  nxl_on_file     !<
2048    INTEGER(iwp) ::  nxrc            !<
2049    INTEGER(iwp) ::  nxrf            !<
2050    INTEGER(iwp) ::  nxr_on_file     !<
2051    INTEGER(iwp) ::  nync            !<
2052    INTEGER(iwp) ::  nynf            !<
2053    INTEGER(iwp) ::  nyn_on_file     !<
2054    INTEGER(iwp) ::  nysc            !<
2055    INTEGER(iwp) ::  nysf            !<
2056    INTEGER(iwp) ::  nys_on_file     !<
2057
2058    LOGICAL, INTENT(OUT)  ::  found
2059
2060    REAL(wp), &
2061       DIMENSION(nzb:nzt+1,nys_on_file-nbgp:nyn_on_file+nbgp,nxl_on_file-nbgp:nxr_on_file+nbgp) :: tmp_3d   !<
2062       
2063    found = .FALSE.
2064   
2065    IF ( read_restart_data_salsa )  THEN
2066   
2067       SELECT CASE ( restart_string(1:length) )
2068       
2069          CASE ( 'aerosol_number' )
2070             DO  b = 1, nbins
2071                IF ( k == 1 )  READ ( 13 ) tmp_3d
2072                aerosol_number(b)%conc(:,nysc-nbgp:nync+nbgp,nxlc-nbgp:nxrc+nbgp) = & 
2073                               tmp_3d(:,nysf-nbgp:nynf+nbgp,nxlf-nbgp:nxrf+nbgp)
2074                found = .TRUE.
2075             ENDDO
2076       
2077          CASE ( 'aerosol_mass' )
2078             DO  c = 1, ncc_tot * nbins
2079                IF ( k == 1 )  READ ( 13 ) tmp_3d
2080                aerosol_mass(c)%conc(:,nysc-nbgp:nync+nbgp,nxlc-nbgp:nxrc+nbgp) = & 
2081                               tmp_3d(:,nysf-nbgp:nynf+nbgp,nxlf-nbgp:nxrf+nbgp)
2082                found = .TRUE.
2083             ENDDO
2084         
2085          CASE ( 'salsa_gas' )
2086             DO  g = 1, ngast
2087                IF ( k == 1 )  READ ( 13 ) tmp_3d
2088                salsa_gas(g)%conc(:,nysc-nbgp:nync+nbgp,nxlc-nbgp:nxrc+nbgp) =  & 
2089                               tmp_3d(:,nysf-nbgp:nynf+nbgp,nxlf-nbgp:nxrf+nbgp)
2090                found = .TRUE.
2091             ENDDO
2092             
2093          CASE DEFAULT
2094             found = .FALSE.
2095             
2096       END SELECT
2097    ENDIF
2098
2099 END SUBROUTINE salsa_rrd_local
2100   
2101
2102!------------------------------------------------------------------------------!
2103! Description:
2104! ------------
2105!> This routine writes the respective restart data.
2106!> Note that the following input variables in PARIN have to be equal between
2107!> restart runs:
2108!>    listspec, nbin, nbin2, nf2a, ncc, mass_fracs_a, mass_fracs_b
2109!------------------------------------------------------------------------------!
2110 SUBROUTINE salsa_wrd_local
2111
2112    IMPLICIT NONE
2113   
2114    INTEGER(iwp) ::  b  !<   
2115    INTEGER(iwp) ::  c  !<
2116    INTEGER(iwp) ::  g  !<
2117   
2118    IF ( write_binary  .AND.  write_binary_salsa )  THEN
2119   
2120       CALL wrd_write_string( 'aerosol_number' )
2121       DO  b = 1, nbins
2122          WRITE ( 14 )  aerosol_number(b)%conc
2123       ENDDO
2124       
2125       CALL wrd_write_string( 'aerosol_mass' )
2126       DO  c = 1, nbins*ncc_tot
2127          WRITE ( 14 )  aerosol_mass(c)%conc
2128       ENDDO
2129       
2130       CALL wrd_write_string( 'salsa_gas' )
2131       DO  g = 1, ngast
2132          WRITE ( 14 )  salsa_gas(g)%conc
2133       ENDDO
2134         
2135    ENDIF
2136       
2137 END SUBROUTINE salsa_wrd_local   
2138
2139
2140!------------------------------------------------------------------------------!
2141! Description:
2142! ------------
2143!> Performs necessary unit and dimension conversion between the host model and
2144!> SALSA module, and calls the main SALSA routine.
2145!> Partially adobted form the original SALSA boxmodel version.
2146!> Now takes masses in as kg/kg from LES!! Converted to m3/m3 for SALSA
2147!> 05/2016 Juha: This routine is still pretty much in its original shape.
2148!>               It's dumb as a mule and twice as ugly, so implementation of
2149!>               an improved solution is necessary sooner or later.
2150!> Juha Tonttila, FMI, 2014
2151!> Jaakko Ahola, FMI, 2016
2152!> Only aerosol processes included, Mona Kurppa, UHel, 2017
2153!------------------------------------------------------------------------------!
2154 SUBROUTINE salsa_driver( i, j, prunmode )
2155
2156    USE arrays_3d,                                                             &
2157        ONLY: pt_p, q_p, rho_air_zw, u, v, w
2158       
2159    USE plant_canopy_model_mod,                                                &
2160        ONLY: lad_s
2161       
2162    USE surface_mod,                                                           &
2163        ONLY:  surf_def_h, surf_def_v, surf_lsm_h, surf_lsm_v, surf_usm_h,     &
2164               surf_usm_v
2165 
2166    IMPLICIT NONE
2167   
2168    INTEGER(iwp), INTENT(in) ::  i   !< loop index
2169    INTEGER(iwp), INTENT(in) ::  j   !< loop index
2170    INTEGER(iwp), INTENT(in) ::  prunmode !< 1: Initialization call
2171                                          !< 2: Spinup period call
2172                                          !< 3: Regular runtime call
2173!-- Local variables
2174    TYPE(t_section), DIMENSION(fn2b) ::  aero_old !< helper array
2175    INTEGER(iwp) ::  bb     !< loop index
2176    INTEGER(iwp) ::  cc     !< loop index
2177    INTEGER(iwp) ::  endi   !< end index
2178    INTEGER(iwp) ::  k_wall !< vertical index of topography top
2179    INTEGER(iwp) ::  k      !< loop index
2180    INTEGER(iwp) ::  l      !< loop index
2181    INTEGER(iwp) ::  nc_h2o !< index of H2O in the prtcl index table
2182    INTEGER(iwp) ::  ss     !< loop index
2183    INTEGER(iwp) ::  str    !< start index
2184    INTEGER(iwp) ::  vc     !< default index in prtcl
2185    REAL(wp) ::  cw_old     !< previous H2O mixing ratio
2186    REAL(wp) ::  flag       !< flag to mask topography grid points
2187    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  in_adn !< air density (kg/m3)   
2188    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  in_cs  !< H2O sat. vapour conc.
2189    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  in_cw  !< H2O vapour concentration
2190    REAL(wp) ::  in_lad                       !< leaf area density (m2/m3)
2191    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  in_p   !< pressure (Pa)     
2192    REAL(wp) ::  in_rh                        !< relative humidity                     
2193    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  in_t   !< temperature (K)
2194    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  in_u   !< wind magnitude (m/s)
2195    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  kvis   !< kinematic viscosity of air(m2/s)                                           
2196    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1,fn2b) ::  Sc      !< particle Schmidt number   
2197    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1,fn2b) ::  vd      !< particle fall seed (m/s,
2198                                                    !< sedimentation velocity)
2199    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  ppm_to_nconc !< Conversion factor
2200                                                    !< from ppm to #/m3                                                     
2201    REAL(wp) ::  zgso4  !< SO4
2202    REAL(wp) ::  zghno3 !< HNO3
2203    REAL(wp) ::  zgnh3  !< NH3
2204    REAL(wp) ::  zgocnv !< non-volatile OC
2205    REAL(wp) ::  zgocsv !< semi-volatile OC
2206   
2207    aero_old(:)%numc = 0.0_wp
2208    in_adn           = 0.0_wp   
2209    in_cs            = 0.0_wp
2210    in_cw            = 0.0_wp 
2211    in_lad           = 0.0_wp
2212    in_rh            = 0.0_wp
2213    in_p             = 0.0_wp 
2214    in_t             = 0.0_wp 
2215    in_u             = 0.0_wp
2216    kvis             = 0.0_wp
2217    Sc               = 0.0_wp
2218    vd               = 0.0_wp
2219    ppm_to_nconc     = 1.0_wp
2220    zgso4            = nclim
2221    zghno3           = nclim
2222    zgnh3            = nclim
2223    zgocnv           = nclim
2224    zgocsv           = nclim
2225   
2226!       
2227!-- Aerosol number is always set, but mass can be uninitialized
2228    DO cc = 1, nbins
2229       aero(cc)%volc     = 0.0_wp
2230       aero_old(cc)%volc = 0.0_wp
2231    ENDDO
2232!   
2233!-- Set the salsa runtime config (How to make this more efficient?)
2234    CALL set_salsa_runtime( prunmode )
2235!             
2236!-- Calculate thermodynamic quantities needed in SALSA
2237    CALL salsa_thrm_ij( i, j, p_ij=in_p, temp_ij=in_t, cw_ij=in_cw,            &
2238                        cs_ij=in_cs, adn_ij=in_adn )
2239!
2240!-- Magnitude of wind: needed for deposition
2241    IF ( lsdepo )  THEN
2242       in_u(nzb+1:nzt) = SQRT(                                                 &
2243                   ( 0.5_wp * ( u(nzb+1:nzt,j,i) + u(nzb+1:nzt,j,i+1) ) )**2 + & 
2244                   ( 0.5_wp * ( v(nzb+1:nzt,j,i) + v(nzb+1:nzt,j+1,i) ) )**2 + &
2245                   ( 0.5_wp * ( w(nzb:nzt-1,j,i) + w(nzb+1:nzt,j,  i) ) )**2 )
2246    ENDIF
2247!
2248!-- Calculate conversion factors for gas concentrations
2249    ppm_to_nconc = for_ppm_to_nconc * in_p / in_t
2250!
2251!-- Determine topography-top index on scalar grid
2252    k_wall = MAXLOC( MERGE( 1, 0, BTEST( wall_flags_0(:,j,i), 12 ) ),          &
2253                     DIM = 1 ) - 1     
2254               
2255    DO k = nzb+1, nzt
2256!
2257!--    Predetermine flag to mask topography
2258       flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
2259!       
2260!--    Do not run inside buildings       
2261       IF ( flag == 0.0_wp )  CYCLE   
2262!
2263!--    Wind velocity for dry depositon on vegetation   
2264       IF ( lsdepo_vege  .AND.  plant_canopy  )  THEN
2265          in_lad = lad_s(k-k_wall,j,i)
2266       ENDIF       
2267!
2268!--    For initialization and spinup, limit the RH with the parameter rhlim
2269       IF ( prunmode < 3 ) THEN
2270          in_cw(k) = MIN( in_cw(k), in_cs(k) * rhlim )
2271       ELSE
2272          in_cw(k) = in_cw(k)
2273       ENDIF
2274       cw_old = in_cw(k) !* in_adn(k)
2275!               
2276!--    Set volume concentrations:
2277!--    Sulphate (SO4) or sulphuric acid H2SO4
2278       IF ( iso4 > 0 )  THEN
2279          vc = 1
2280          str = ( iso4-1 ) * nbins + 1    ! start index
2281          endi = iso4 * nbins             ! end index
2282          cc = 1
2283          DO ss = str, endi
2284             aero(cc)%volc(vc) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) / arhoh2so4
2285             cc = cc+1
2286          ENDDO
2287          aero_old(1:nbins)%volc(vc) = aero(1:nbins)%volc(vc)
2288       ENDIF
2289       
2290!--    Organic carbon (OC) compounds
2291       IF ( ioc > 0 )  THEN
2292          vc = 2
2293          str = ( ioc-1 ) * nbins + 1
2294          endi = ioc * nbins
2295          cc = 1
2296          DO ss = str, endi
2297             aero(cc)%volc(vc) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) / arhooc
2298             cc = cc+1
2299          ENDDO
2300          aero_old(1:nbins)%volc(vc) = aero(1:nbins)%volc(vc)
2301       ENDIF
2302       
2303!--    Black carbon (BC)
2304       IF ( ibc > 0 )  THEN
2305          vc = 3
2306          str = ( ibc-1 ) * nbins + 1 + fn1a
2307          endi = ibc * nbins
2308          cc = 1 + fn1a
2309          DO ss = str, endi
2310             aero(cc)%volc(vc) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) / arhobc
2311             cc = cc+1
2312          ENDDO                   
2313          aero_old(1:nbins)%volc(vc) = aero(1:nbins)%volc(vc)
2314       ENDIF
2315
2316!--    Dust (DU)
2317       IF ( idu > 0 )  THEN
2318          vc = 4
2319          str = ( idu-1 ) * nbins + 1 + fn1a
2320          endi = idu * nbins
2321          cc = 1 + fn1a
2322          DO ss = str, endi
2323             aero(cc)%volc(vc) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) / arhodu
2324             cc = cc+1
2325          ENDDO
2326          aero_old(1:nbins)%volc(vc) = aero(1:nbins)%volc(vc)
2327       ENDIF
2328
2329!--    Sea salt (SS)
2330       IF ( iss > 0 )  THEN
2331          vc = 5
2332          str = ( iss-1 ) * nbins + 1 + fn1a
2333          endi = iss * nbins
2334          cc = 1 + fn1a
2335          DO ss = str, endi
2336             aero(cc)%volc(vc) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) / arhoss 
2337             cc = cc+1
2338          ENDDO
2339          aero_old(1:nbins)%volc(vc) = aero(1:nbins)%volc(vc)
2340       ENDIF
2341
2342!--    Nitrate (NO(3-)) or nitric acid HNO3
2343       IF ( ino > 0 )  THEN
2344          vc = 6
2345          str = ( ino-1 ) * nbins + 1 
2346          endi = ino * nbins
2347          cc = 1
2348          DO ss = str, endi
2349             aero(cc)%volc(vc) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) / arhohno3
2350             cc = cc+1
2351          ENDDO
2352          aero_old(1:nbins)%volc(vc) = aero(1:nbins)%volc(vc)
2353       ENDIF
2354
2355!--    Ammonium (NH(4+)) or ammonia NH3
2356       IF ( inh > 0 )  THEN
2357          vc = 7
2358          str = ( inh-1 ) * nbins + 1
2359          endi = inh * nbins
2360          cc = 1
2361          DO ss = str, endi
2362             aero(cc)%volc(vc) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) / arhonh3 
2363             cc = cc+1
2364          ENDDO
2365          aero_old(1:nbins)%volc(vc) = aero(1:nbins)%volc(vc)
2366       ENDIF
2367
2368!--    Water (always used)
2369       nc_h2o = get_index( prtcl,'H2O' )
2370       vc = 8
2371       str = ( nc_h2o-1 ) * nbins + 1
2372       endi = nc_h2o * nbins
2373       cc = 1
2374       IF ( advect_particle_water )  THEN
2375          DO ss = str, endi
2376             aero(cc)%volc(vc) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) / arhoh2o
2377             cc = cc+1
2378          ENDDO
2379       ELSE
2380         aero(1:nbins)%volc(vc) = mclim
2381       ENDIF
2382       aero_old(1:nbins)%volc(vc) = aero(1:nbins)%volc(vc)
2383!
2384!--    Number concentrations (numc) and particle sizes
2385!--    (dwet = wet diameter, core = dry volume)
2386       DO  bb = 1, nbins
2387          aero(bb)%numc = aerosol_number(bb)%conc(k,j,i) 
2388          aero_old(bb)%numc = aero(bb)%numc
2389          IF ( aero(bb)%numc > nclim )  THEN
2390             aero(bb)%dwet = ( SUM( aero(bb)%volc(:) ) / aero(bb)%numc / api6 )&
2391                                **( 1.0_wp / 3.0_wp )
2392             aero(bb)%core = SUM( aero(bb)%volc(1:7) ) / aero(bb)%numc
2393          ELSE
2394             aero(bb)%dwet = aero(bb)%dmid
2395             aero(bb)%core = api6 * ( aero(bb)%dwet ) ** 3.0_wp
2396          ENDIF
2397       ENDDO
2398!       
2399!--    On EACH call of salsa_driver, calculate the ambient sizes of
2400!--    particles by equilibrating soluble fraction of particles with water
2401!--    using the ZSR method.
2402       in_rh = in_cw(k) / in_cs(k)
2403       IF ( prunmode==1  .OR.  .NOT. advect_particle_water )  THEN
2404          CALL equilibration( in_rh, in_t(k), aero, .TRUE. )
2405       ENDIF
2406!
2407!--    Gaseous tracer concentrations in #/m3
2408       IF ( salsa_gases_from_chem )  THEN       
2409!       
2410!--       Convert concentrations in ppm to #/m3
2411          zgso4  = chem_species(gas_index_chem(1))%conc(k,j,i) * ppm_to_nconc(k)
2412          zghno3 = chem_species(gas_index_chem(2))%conc(k,j,i) * ppm_to_nconc(k)
2413          zgnh3  = chem_species(gas_index_chem(3))%conc(k,j,i) * ppm_to_nconc(k)
2414          zgocnv = chem_species(gas_index_chem(4))%conc(k,j,i) * ppm_to_nconc(k)     
2415          zgocsv = chem_species(gas_index_chem(5))%conc(k,j,i) * ppm_to_nconc(k)                 
2416       ELSE
2417          zgso4  = salsa_gas(1)%conc(k,j,i) 
2418          zghno3 = salsa_gas(2)%conc(k,j,i) 
2419          zgnh3  = salsa_gas(3)%conc(k,j,i) 
2420          zgocnv = salsa_gas(4)%conc(k,j,i) 
2421          zgocsv = salsa_gas(5)%conc(k,j,i)
2422       ENDIF   
2423!
2424!--    ***************************************!
2425!--                   Run SALSA               !
2426!--    ***************************************!
2427       CALL run_salsa( in_p(k), in_cw(k), in_cs(k), in_t(k), in_u(k),          &
2428                       in_adn(k), in_lad, zgso4, zgocnv, zgocsv, zghno3, zgnh3,&
2429                       aero, prtcl, kvis(k), Sc(k,:), vd(k,:), dt_salsa )
2430!--    ***************************************!
2431       IF ( lsdepo ) sedim_vd(k,j,i,:) = vd(k,:)
2432!                           
2433!--    Calculate changes in concentrations
2434       DO bb = 1, nbins
2435          aerosol_number(bb)%conc(k,j,i) = aerosol_number(bb)%conc(k,j,i)      &
2436                                 +  ( aero(bb)%numc - aero_old(bb)%numc ) * flag
2437       ENDDO
2438       
2439       IF ( iso4 > 0 )  THEN
2440          vc = 1
2441          str = ( iso4-1 ) * nbins + 1
2442          endi = iso4 * nbins
2443          cc = 1
2444          DO ss = str, endi
2445             aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i)       &
2446                               + ( aero(cc)%volc(vc) - aero_old(cc)%volc(vc) ) &
2447                               * arhoh2so4 * flag
2448             cc = cc+1
2449          ENDDO
2450       ENDIF
2451       
2452       IF ( ioc > 0 )  THEN
2453          vc = 2
2454          str = ( ioc-1 ) * nbins + 1
2455          endi = ioc * nbins
2456          cc = 1
2457          DO ss = str, endi
2458             aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i)       &
2459                               + ( aero(cc)%volc(vc) - aero_old(cc)%volc(vc) ) &
2460                               * arhooc * flag
2461             cc = cc+1
2462          ENDDO
2463       ENDIF
2464       
2465       IF ( ibc > 0 )  THEN
2466          vc = 3
2467          str = ( ibc-1 ) * nbins + 1 + fn1a
2468          endi = ibc * nbins
2469          cc = 1 + fn1a
2470          DO ss = str, endi
2471             aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i)       &
2472                               + ( aero(cc)%volc(vc) - aero_old(cc)%volc(vc) ) &
2473                               * arhobc * flag
2474             cc = cc+1
2475          ENDDO
2476       ENDIF
2477       
2478       IF ( idu > 0 )  THEN
2479          vc = 4
2480          str = ( idu-1 ) * nbins + 1 + fn1a
2481          endi = idu * nbins
2482          cc = 1 + fn1a
2483          DO ss = str, endi
2484             aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i)       &
2485                               + ( aero(cc)%volc(vc) - aero_old(cc)%volc(vc) ) &
2486                               * arhodu * flag
2487             cc = cc+1
2488          ENDDO
2489       ENDIF
2490       
2491       IF ( iss > 0 )  THEN
2492          vc = 5
2493          str = ( iss-1 ) * nbins + 1 + fn1a
2494          endi = iss * nbins
2495          cc = 1 + fn1a
2496          DO ss = str, endi
2497             aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i)       &
2498                               + ( aero(cc)%volc(vc) - aero_old(cc)%volc(vc) ) &
2499                               * arhoss * flag
2500             cc = cc+1
2501          ENDDO
2502       ENDIF
2503       
2504       IF ( ino > 0 )  THEN
2505          vc = 6
2506          str = ( ino-1 ) * nbins + 1
2507          endi = ino * nbins
2508          cc = 1
2509          DO ss = str, endi
2510             aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i)       &
2511                               + ( aero(cc)%volc(vc) - aero_old(cc)%volc(vc) ) &
2512                               * arhohno3 * flag
2513             cc = cc+1
2514          ENDDO
2515       ENDIF
2516       
2517       IF ( inh > 0 )  THEN
2518          vc = 7
2519          str = ( ino-1 ) * nbins + 1
2520          endi = ino * nbins
2521          cc = 1
2522          DO ss = str, endi
2523             aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i)       &
2524                               + ( aero(cc)%volc(vc) - aero_old(cc)%volc(vc) ) &
2525                               * arhonh3 * flag
2526             cc = cc+1
2527          ENDDO
2528       ENDIF
2529       
2530       IF ( advect_particle_water )  THEN
2531          nc_h2o = get_index( prtcl,'H2O' )
2532          vc = 8
2533          str = ( nc_h2o-1 ) * nbins + 1
2534          endi = nc_h2o * nbins
2535          cc = 1
2536          DO ss = str, endi
2537             aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i)       &
2538                               + ( aero(cc)%volc(vc) - aero_old(cc)%volc(vc) ) &
2539                               * arhoh2o * flag
2540             IF ( prunmode == 1 )  THEN
2541                aerosol_mass(ss)%init(k) = MAX( aerosol_mass(ss)%init(k),      &
2542                                               aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) )
2543             ENDIF
2544             cc = cc+1                             
2545          ENDDO
2546       ENDIF
2547
2548!--    Condensation of precursor gases
2549       IF ( lscndgas )  THEN
2550          IF ( salsa_gases_from_chem )  THEN         
2551!         
2552!--          SO4 (or H2SO4)
2553             chem_species( gas_index_chem(1) )%conc(k,j,i) =                &
2554                            chem_species( gas_index_chem(1) )%conc(k,j,i) + &
2555                                                  ( zgso4 / ppm_to_nconc(k) - &
2556                       chem_species( gas_index_chem(1) )%conc(k,j,i) ) * flag
2557!                           
2558!--          HNO3
2559             chem_species( gas_index_chem(2) )%conc(k,j,i) =                &
2560                            chem_species( gas_index_chem(2) )%conc(k,j,i) + &
2561                                                 ( zghno3 / ppm_to_nconc(k) - &
2562                       chem_species( gas_index_chem(2) )%conc(k,j,i) ) * flag
2563!                           
2564!--          NH3
2565             chem_species( gas_index_chem(3) )%conc(k,j,i) =                &
2566                            chem_species( gas_index_chem(3) )%conc(k,j,i) + &
2567                                                  ( zgnh3 / ppm_to_nconc(k) - &
2568                       chem_species( gas_index_chem(3) )%conc(k,j,i) ) * flag
2569!                           
2570!--          non-volatile OC
2571             chem_species( gas_index_chem(4) )%conc(k,j,i) =                &
2572                            chem_species( gas_index_chem(4) )%conc(k,j,i) + &
2573                                                 ( zgocnv / ppm_to_nconc(k) - &
2574                       chem_species( gas_index_chem(4) )%conc(k,j,i) ) * flag
2575!                           
2576!--          semi-volatile OC
2577             chem_species( gas_index_chem(5) )%conc(k,j,i) =                &
2578                            chem_species( gas_index_chem(5) )%conc(k,j,i) + &
2579                                                 ( zgocsv / ppm_to_nconc(k) - &
2580                       chem_species( gas_index_chem(5) )%conc(k,j,i) ) * flag                 
2581         
2582          ELSE
2583!         
2584!--          SO4 (or H2SO4)
2585             salsa_gas(1)%conc(k,j,i) = salsa_gas(1)%conc(k,j,i) + ( zgso4 -   &
2586                                          salsa_gas(1)%conc(k,j,i) ) * flag
2587!                           
2588!--          HNO3
2589             salsa_gas(2)%conc(k,j,i) = salsa_gas(2)%conc(k,j,i) + ( zghno3 -  &
2590                                          salsa_gas(2)%conc(k,j,i) ) * flag
2591!                           
2592!--          NH3
2593             salsa_gas(3)%conc(k,j,i) = salsa_gas(3)%conc(k,j,i) + ( zgnh3 -   &
2594                                          salsa_gas(3)%conc(k,j,i) ) * flag
2595!                           
2596!--          non-volatile OC
2597             salsa_gas(4)%conc(k,j,i) = salsa_gas(4)%conc(k,j,i) + ( zgocnv -  &
2598                                          salsa_gas(4)%conc(k,j,i) ) * flag
2599!                           
2600!--          semi-volatile OC
2601             salsa_gas(5)%conc(k,j,i) = salsa_gas(5)%conc(k,j,i) + ( zgocsv -  &
2602                                          salsa_gas(5)%conc(k,j,i) ) * flag
2603          ENDIF
2604       ENDIF
2605!               
2606!--    Tendency of water vapour mixing ratio is obtained from the
2607!--    change in RH during SALSA run. This releases heat and changes pt.
2608!--    Assumes no temperature change during SALSA run.
2609!--    q = r / (1+r), Euler method for integration
2610!
2611       IF ( feedback_to_palm )  THEN
2612          q_p(k,j,i) = q_p(k,j,i) + 1.0_wp / ( in_cw(k) * in_adn(k) + 1.0_wp ) &
2613                       ** 2.0_wp * ( in_cw(k) - cw_old ) * in_adn(k) 
2614          pt_p(k,j,i) = pt_p(k,j,i) + alv / c_p * ( in_cw(k) - cw_old ) *      &
2615                        in_adn(k) / ( in_cw(k) / in_adn(k) + 1.0_wp ) ** 2.0_wp&
2616                        * pt_p(k,j,i) / in_t(k)
2617       ENDIF
2618                         
2619    ENDDO   ! k
2620!   
2621!-- Set surfaces and wall fluxes due to deposition 
2622    IF ( lsdepo_topo  .AND.  prunmode == 3 )  THEN
2623       IF ( .NOT. land_surface  .AND.  .NOT. urban_surface )  THEN
2624          CALL depo_topo( i, j, surf_def_h(0), vd, Sc, kvis, in_u, rho_air_zw )
2625          DO  l = 0, 3
2626             CALL depo_topo( i, j, surf_def_v(l), vd, Sc, kvis, in_u,          &
2627                             rho_air_zw**0.0_wp )
2628          ENDDO
2629       ELSE
2630          CALL depo_topo( i, j, surf_usm_h, vd, Sc, kvis, in_u, rho_air_zw )
2631          DO  l = 0, 3
2632             CALL depo_topo( i, j, surf_usm_v(l), vd, Sc, kvis, in_u,          &
2633                             rho_air_zw**0.0_wp )
2634          ENDDO
2635          CALL depo_topo( i, j, surf_lsm_h, vd, Sc, kvis, in_u, rho_air_zw )
2636          DO  l = 0, 3
2637             CALL depo_topo( i, j, surf_lsm_v(l), vd, Sc, kvis, in_u,          &
2638                             rho_air_zw**0.0_wp )
2639          ENDDO
2640       ENDIF
2641    ENDIF
2642   
2643 END SUBROUTINE salsa_driver
2644
2645!------------------------------------------------------------------------------!
2646! Description:
2647! ------------
2648!> The SALSA subroutine
2649!> Modified for the new aerosol datatype,
2650!> Juha Tonttila, FMI, 2014.
2651!> Only aerosol processes included, Mona Kurppa, UHel, 2017
2652!------------------------------------------------------------------------------!   
2653 SUBROUTINE run_salsa( ppres, pcw, pcs, ptemp, mag_u, adn, lad, pc_h2so4,      &
2654                       pc_ocnv, pc_ocsv, pc_hno3, pc_nh3, paero, prtcl, kvis,  &
2655                       Sc, vc, ptstep )
2656
2657    IMPLICIT NONE
2658!
2659!-- Input parameters and variables
2660    REAL(wp), INTENT(in) ::  adn    !< air density (kg/m3)
2661    REAL(wp), INTENT(in) ::  lad    !< leaf area density (m2/m3)
2662    REAL(wp), INTENT(in) ::  mag_u  !< magnitude of wind (m/s)
2663    REAL(wp), INTENT(in) ::  ppres  !< atmospheric pressure at each grid
2664                                    !< point (Pa)
2665    REAL(wp), INTENT(in) ::  ptemp  !< temperature at each grid point (K)
2666    REAL(wp), INTENT(in) ::  ptstep !< time step of salsa processes (s)
2667    TYPE(component_index), INTENT(in) :: prtcl  !< part. component index table
2668!       
2669!-- Input variables that are changed within:
2670    REAL(wp), INTENT(inout) ::  kvis     !< kinematic viscosity of air (m2/s)
2671    REAL(wp), INTENT(inout) ::  Sc(:)    !< particle Schmidt number
2672    REAL(wp), INTENT(inout) ::  vc(:)    !< particle fall speed (m/s,
2673                                         !< sedimentation velocity)
2674!-- Gas phase concentrations at each grid point (#/m3)
2675    REAL(wp), INTENT(inout) ::  pc_h2so4 !< sulphuric acid
2676    REAL(wp), INTENT(inout) ::  pc_hno3  !< nitric acid
2677    REAL(wp), INTENT(inout) ::  pc_nh3   !< ammonia
2678    REAL(wp), INTENT(inout) ::  pc_ocnv  !< nonvolatile OC
2679    REAL(wp), INTENT(inout) ::  pc_ocsv  !< semivolatile OC
2680    REAL(wp), INTENT(inout) ::  pcs      !< Saturation concentration of water
2681                                         !< vapour (kg/m3)
2682    REAL(wp), INTENT(inout) ::  pcw      !< Water vapour concentration (kg/m3)                                                   
2683    TYPE(t_section), INTENT(inout) ::  paero(fn2b) 
2684!
2685!-- Coagulation
2686    IF ( lscoag )   THEN
2687       CALL coagulation( paero, ptstep, ptemp, ppres )
2688    ENDIF
2689!
2690!-- Condensation
2691    IF ( lscnd )   THEN
2692       CALL condensation( paero, pc_h2so4, pc_ocnv, pc_ocsv,  pc_hno3, pc_nh3, &
2693                          pcw, pcs, ptemp, ppres, ptstep, prtcl )
2694    ENDIF   
2695!   
2696!-- Deposition
2697    IF ( lsdepo )  THEN
2698       CALL deposition( paero, ptemp, adn, mag_u, lad, kvis, Sc, vc ) 
2699    ENDIF       
2700!
2701!-- Size distribution bin update
2702!-- Mona: why done 3 times in SALSA-standalone?
2703    IF ( lsdistupdate )   THEN
2704       CALL distr_update( paero )
2705    ENDIF
2706   
2707  END SUBROUTINE run_salsa
2708 
2709!------------------------------------------------------------------------------!
2710! Description:
2711! ------------
2712!> Set logical switches according to the host model state and user-specified
2713!> NAMELIST options.
2714!> Juha Tonttila, FMI, 2014
2715!> Only aerosol processes included, Mona Kurppa, UHel, 2017
2716!------------------------------------------------------------------------------!
2717 SUBROUTINE set_salsa_runtime( prunmode )
2718 
2719    IMPLICIT NONE
2720   
2721    INTEGER(iwp), INTENT(in) ::  prunmode
2722   
2723    SELECT CASE(prunmode)
2724
2725       CASE(1) !< Initialization
2726          lscoag       = .FALSE.
2727          lscnd        = .FALSE.
2728          lscndgas     = .FALSE.
2729          lscndh2oae   = .FALSE.
2730          lsdepo       = .FALSE.
2731          lsdepo_vege  = .FALSE.
2732          lsdepo_topo  = .FALSE.
2733          lsdistupdate = .TRUE.
2734
2735       CASE(2)  !< Spinup period
2736          lscoag      = ( .FALSE. .AND. nlcoag   )
2737          lscnd       = ( .TRUE.  .AND. nlcnd    )
2738          lscndgas    = ( .TRUE.  .AND. nlcndgas )
2739          lscndh2oae  = ( .TRUE.  .AND. nlcndh2oae )
2740
2741       CASE(3)  !< Run
2742          lscoag       = nlcoag
2743          lscnd        = nlcnd
2744          lscndgas     = nlcndgas
2745          lscndh2oae   = nlcndh2oae
2746          lsdepo       = nldepo
2747          lsdepo_vege  = nldepo_vege
2748          lsdepo_topo  = nldepo_topo
2749          lsdistupdate = nldistupdate
2750
2751    END SELECT
2752
2753
2754 END SUBROUTINE set_salsa_runtime
2755 
2756!------------------------------------------------------------------------------!
2757! Description:
2758! ------------
2759!> Calculates the absolute temperature (using hydrostatic pressure), saturation
2760!> vapour pressure and mixing ratio over water, relative humidity and air
2761!> density needed in the SALSA model.
2762!> NOTE, no saturation adjustment takes place -> the resulting water vapour
2763!> mixing ratio can be supersaturated, allowing the microphysical calculations
2764!> in SALSA.
2765!
2766!> Juha Tonttila, FMI, 2014 (original SALSAthrm)
2767!> Mona Kurppa, UHel, 2017 (adjustment for PALM and only aerosol processes)
2768!------------------------------------------------------------------------------!
2769 SUBROUTINE salsa_thrm_ij( i, j, p_ij, temp_ij, cw_ij, cs_ij, adn_ij )
2770 
2771    USE arrays_3d,                                                             &
2772        ONLY: p, pt, q, zu
2773       
2774    USE basic_constants_and_equations_mod,                                     &
2775        ONLY:  barometric_formula, exner_function, ideal_gas_law_rho, magnus
2776       
2777    USE control_parameters,                                                    &
2778        ONLY: pt_surface, surface_pressure
2779       
2780    IMPLICIT NONE
2781   
2782    INTEGER(iwp), INTENT(in) ::  i
2783    INTEGER(iwp), INTENT(in) ::  j
2784    REAL(wp), DIMENSION(:), INTENT(inout) ::  adn_ij
2785    REAL(wp), DIMENSION(:), INTENT(inout) ::  p_ij       
2786    REAL(wp), DIMENSION(:), INTENT(inout) ::  temp_ij
2787    REAL(wp), DIMENSION(:), INTENT(inout), OPTIONAL ::  cw_ij
2788    REAL(wp), DIMENSION(:), INTENT(inout), OPTIONAL ::  cs_ij
2789    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  e_s !< saturation vapour pressure
2790                                           !< over water (Pa)
2791    REAL(wp) ::  t_surface !< absolute surface temperature (K)
2792!
2793!-- Pressure p_ijk (Pa) = hydrostatic pressure + perturbation pressure (p)
2794    t_surface = pt_surface * exner_function( surface_pressure * 100.0_wp )
2795    p_ij(:) = barometric_formula( zu, t_surface, surface_pressure * 100.0_wp ) &
2796              + p(:,j,i)
2797!             
2798!-- Absolute ambient temperature (K)
2799    temp_ij(:) = pt(:,j,i) * exner_function( p_ij(:) )       
2800!
2801!-- Air density
2802    adn_ij(:) = ideal_gas_law_rho( p_ij(:), temp_ij(:) )
2803!
2804!-- Water vapour concentration r_v (kg/m3)
2805    IF ( PRESENT( cw_ij ) )  THEN
2806       cw_ij(:) = ( q(:,j,i) / ( 1.0_wp - q(:,j,i) ) ) * adn_ij(:) 
2807    ENDIF
2808!
2809!-- Saturation mixing ratio r_s (kg/kg) from vapour pressure at temp (Pa)
2810    IF ( PRESENT( cs_ij ) )  THEN
2811       e_s(:) = 611.0_wp * EXP( alv_d_rv * ( 3.6609E-3_wp - 1.0_wp /           &
2812                temp_ij(:) ) )! magnus( temp_ij(:) )
2813       cs_ij(:) = ( 0.622_wp * e_s / ( p_ij(:) - e_s(:) ) ) * adn_ij(:) 
2814    ENDIF
2815
2816 END SUBROUTINE salsa_thrm_ij
2817
2818!------------------------------------------------------------------------------!
2819! Description:
2820! ------------
2821!> Calculates ambient sizes of particles by equilibrating soluble fraction of
2822!> particles with water using the ZSR method (Stokes and Robinson, 1966).
2823!> Method:
2824!> Following chemical components are assumed water-soluble
2825!> - (ammonium) sulphate (100%)
2826!> - sea salt (100 %)
2827!> - organic carbon (epsoc * 100%)
2828!> Exact thermodynamic considerations neglected.
2829!> - If particles contain no sea salt, calculation according to sulphate
2830!>   properties
2831!> - If contain sea salt but no sulphate, calculation according to sea salt
2832!>   properties
2833!> - If contain both sulphate and sea salt -> the molar fraction of these
2834!>   compounds determines which one of them is used as the basis of calculation.
2835!> If sulphate and sea salt coexist in a particle, it is assumed that the Cl is
2836!> replaced by sulphate; thus only either sulphate + organics or sea salt +
2837!> organics is included in the calculation of soluble fraction.
2838!> Molality parameterizations taken from Table 1 of Tang: Thermodynamic and
2839!> optical properties of mixed-salt aerosols of atmospheric importance,
2840!> J. Geophys. Res., 102 (D2), 1883-1893 (1997)
2841!
2842!> Coded by:
2843!> Hannele Korhonen (FMI) 2005
2844!> Harri Kokkola (FMI) 2006
2845!> Matti Niskanen(FMI) 2012
2846!> Anton Laakso  (FMI) 2013
2847!> Modified for the new aerosol datatype, Juha Tonttila (FMI) 2014
2848!
2849!> fxm: should sea salt form a solid particle when prh is very low (even though
2850!> it could be mixed with e.g. sulphate)?
2851!> fxm: crashes if no sulphate or sea salt
2852!> fxm: do we really need to consider Kelvin effect for subrange 2
2853!------------------------------------------------------------------------------!     
2854 SUBROUTINE equilibration( prh, ptemp, paero, init )
2855     
2856    IMPLICIT NONE
2857!
2858!-- Input variables
2859    LOGICAL, INTENT(in) ::  init   !< TRUE: Initialization call
2860                                   !< FALSE: Normal runtime: update water
2861                                   !<        content only for 1a
2862    REAL(wp), INTENT(in) ::  prh   !< relative humidity [0-1]
2863    REAL(wp), INTENT(in) ::  ptemp !< temperature (K)
2864!
2865!-- Output variables
2866    TYPE(t_section), INTENT(inout) ::  paero(fn2b)     
2867!
2868!-- Local
2869    INTEGER(iwp) :: b      !< loop index
2870    INTEGER(iwp) :: counti  !< loop index
2871    REAL(wp) ::  zaw        !< water activity [0-1]       
2872    REAL(wp) ::  zbinmol(7) !< binary molality of each components (mol/kg)
2873    REAL(wp) ::  zcore      !< Volume of dry particle   
2874    REAL(wp) ::  zdold      !< Old diameter
2875    REAL(wp) ::  zdwet      !< Wet diameter or mean droplet diameter
2876    REAL(wp) ::  zke        !< Kelvin term in the Köhler equation
2877    REAL(wp) ::  zlwc       !< liquid water content [kg/m3-air]
2878    REAL(wp) ::  zrh        !< Relative humidity
2879    REAL(wp) ::  zvpart(7)  !< volume of chem. compounds in one particle
2880   
2881    zaw       = 0.0_wp
2882    zbinmol   = 0.0_wp
2883    zcore     = 0.0_wp
2884    zdold     = 0.0_wp
2885    zdwet     = 0.0_wp
2886    zlwc      = 0.0_wp
2887    zrh       = 0.0_wp
2888   
2889!               
2890!-- Relative humidity:
2891    zrh = prh
2892    zrh = MAX( zrh, 0.05_wp )
2893    zrh = MIN( zrh, 0.98_wp)   
2894!
2895!-- 1) Regime 1: sulphate and partly water-soluble OC. Done for every CALL
2896    DO  b = in1a, fn1a   ! size bin
2897         
2898       zbinmol = 0.0_wp
2899       zdold   = 1.0_wp 
2900       zke     = 1.02_wp
2901       
2902       IF ( paero(b)%numc > nclim )  THEN
2903!
2904!--       Volume in one particle
2905          zvpart = 0.0_wp
2906          zvpart(1:2) = paero(b)%volc(1:2) / paero(b)%numc
2907          zvpart(6:7) = paero(b)%volc(6:7) / paero(b)%numc
2908!               
2909!--       Total volume and wet diameter of one dry particle
2910          zcore = SUM( zvpart(1:2) )
2911          zdwet = paero(b)%dwet
2912         
2913          counti = 0
2914          DO  WHILE ( ABS( zdwet / zdold - 1.0_wp ) > 1.0E-2_wp ) 
2915         
2916             zdold = MAX( zdwet, 1.0E-20_wp )
2917             zaw = MAX( 1.0E-3_wp, zrh / zke ) ! To avoid underflow
2918!                   
2919!--          Binary molalities (mol/kg):
2920!--          Sulphate
2921             zbinmol(1) = 1.1065495E+2_wp - 3.6759197E+2_wp * zaw              &
2922                                          + 5.0462934E+2_wp * zaw**2.0_wp      &
2923                                          - 3.1543839E+2_wp * zaw**3.0_wp      &
2924                                          + 6.770824E+1_wp  * zaw**4.0_wp 
2925!--          Organic carbon                     
2926             zbinmol(2) = 1.0_wp / ( zaw * amh2o ) - 1.0_wp / amh2o
2927!--          Nitric acid                             
2928             zbinmol(6) = 2.306844303E+1_wp - 3.563608869E+1_wp * zaw          &
2929                                            - 6.210577919E+1_wp * zaw**2.0_wp  &
2930                                            + 5.510176187E+2_wp * zaw**3.0_wp  &
2931                                            - 1.460055286E+3_wp * zaw**4.0_wp  &
2932                                            + 1.894467542E+3_wp * zaw**5.0_wp  &
2933                                            - 1.220611402E+3_wp * zaw**6.0_wp  &
2934                                            + 3.098597737E+2_wp * zaw**7.0_wp 
2935!
2936!--          Calculate the liquid water content (kg/m3-air) using ZSR (see e.g.
2937!--          Eq. 10.98 in Seinfeld and Pandis (2006))
2938             zlwc = ( paero(b)%volc(1) * ( arhoh2so4 / amh2so4 ) ) /           &
2939                    zbinmol(1) + epsoc * paero(b)%volc(2) * ( arhooc / amoc )  &
2940                    / zbinmol(2) + ( paero(b)%volc(6) * ( arhohno3/amhno3 ) )  &
2941                    / zbinmol(6)
2942!                           
2943!--          Particle wet diameter (m)
2944             zdwet = ( zlwc / paero(b)%numc / arhoh2o / api6 +                 &
2945                     ( SUM( zvpart(6:7) ) / api6 ) +      &
2946                       zcore / api6 )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
2947!                             
2948!--          Kelvin effect (Eq. 10.85 in in Seinfeld and Pandis (2006)). Avoid
2949!--          overflow.
2950             zke = EXP( MIN( 50.0_wp,                                          &
2951                       4.0_wp * surfw0 * amvh2so4 / ( abo * ptemp *  zdwet ) ) )
2952             
2953             counti = counti + 1
2954             IF ( counti > 1000 )  THEN
2955                message_string = 'Subrange 1: no convergence!'
2956                CALL message( 'salsa_mod: equilibration', 'SA0042',            &
2957                              1, 2, 0, 6, 0 )
2958             ENDIF
2959          ENDDO
2960!               
2961!--       Instead of lwc, use the volume concentration of water from now on
2962!--       (easy to convert...)
2963          paero(b)%volc(8) = zlwc / arhoh2o
2964!               
2965!--       If this is initialization, update the core and wet diameter
2966          IF ( init )  THEN
2967             paero(b)%dwet = zdwet
2968             paero(b)%core = zcore
2969          ENDIF
2970         
2971       ELSE
2972!--       If initialization
2973!--       1.2) empty bins given bin average values 
2974          IF ( init )  THEN
2975             paero(b)%dwet = paero(b)%dmid
2976             paero(b)%core = api6 * paero(b)%dmid ** 3.0_wp
2977          ENDIF
2978         
2979       ENDIF
2980             
2981    ENDDO !< b
2982!
2983!-- 2) Regime 2a: sulphate, OC, BC and sea salt
2984!--    This is done only for initialization call, otherwise the water contents
2985!--    are computed via condensation
2986    IF ( init )  THEN
2987       DO  b = in2a, fn2b
2988             
2989!--       Initialize
2990          zke     = 1.02_wp
2991          zbinmol = 0.0_wp
2992          zdold   = 1.0_wp
2993!               
2994!--       1) Particle properties calculated for non-empty bins
2995          IF ( paero(b)%numc > nclim )  THEN
2996!               
2997!--          Volume in one particle [fxm]
2998             zvpart = 0.0_wp
2999             zvpart(1:7) = paero(b)%volc(1:7) / paero(b)%numc
3000!
3001!--          Total volume and wet diameter of one dry particle [fxm]
3002             zcore = SUM( zvpart(1:5) )
3003             zdwet = paero(b)%dwet
3004
3005             counti = 0
3006             DO  WHILE ( ABS( zdwet / zdold - 1.0_wp ) > 1.0E-12_wp )
3007             
3008                zdold = MAX( zdwet, 1.0E-20_wp )
3009                zaw = zrh / zke
3010!                     
3011!--             Binary molalities (mol/kg):
3012!--             Sulphate
3013                zbinmol(1) = 1.1065495E+2_wp - 3.6759197E+2_wp * zaw           & 
3014                        + 5.0462934E+2_wp * zaw**2 - 3.1543839E+2_wp * zaw**3  &
3015                        + 6.770824E+1_wp  * zaw**4 
3016!--             Organic carbon                       
3017                zbinmol(2) = 1.0_wp / ( zaw * amh2o ) - 1.0_wp / amh2o
3018!--             Nitric acid
3019                zbinmol(6) = 2.306844303E+1_wp - 3.563608869E+1_wp * zaw       &
3020                     - 6.210577919E+1_wp * zaw**2 + 5.510176187E+2_wp * zaw**3 &
3021                     - 1.460055286E+3_wp * zaw**4 + 1.894467542E+3_wp * zaw**5 &
3022                     - 1.220611402E+3_wp * zaw**6 + 3.098597737E+2_wp * zaw**7 
3023!--             Sea salt (natrium chloride)                                 
3024                zbinmol(5) = 5.875248E+1_wp - 1.8781997E+2_wp * zaw            &
3025                         + 2.7211377E+2_wp * zaw**2 - 1.8458287E+2_wp * zaw**3 &
3026                         + 4.153689E+1_wp  * zaw**4 
3027!                                 
3028!--             Calculate the liquid water content (kg/m3-air)
3029                zlwc = ( paero(b)%volc(1) * ( arhoh2so4 / amh2so4 ) ) /        &
3030                       zbinmol(1) + epsoc * ( paero(b)%volc(2) * ( arhooc /    &
3031                       amoc ) ) / zbinmol(2) + ( paero(b)%volc(6) * ( arhohno3 &
3032                       / amhno3 ) ) / zbinmol(6) + ( paero(b)%volc(5) *        &
3033                       ( arhoss / amss ) ) / zbinmol(5)
3034                       
3035!--             Particle wet radius (m)
3036                zdwet = ( zlwc / paero(b)%numc / arhoh2o / api6 +              &
3037                          ( SUM( zvpart(6:7) ) / api6 )  + &
3038                           zcore / api6 ) ** ( 1.0_wp / 3.0_wp )
3039!                               
3040!--             Kelvin effect (Eq. 10.85 in Seinfeld and Pandis (2006))
3041                zke = EXP( MIN( 50.0_wp,                                       &
3042                        4.0_wp * surfw0 * amvh2so4 / ( abo * zdwet * ptemp ) ) )
3043                         
3044                counti = counti + 1
3045                IF ( counti > 1000 )  THEN
3046                   message_string = 'Subrange 2: no convergence!'
3047                CALL message( 'salsa_mod: equilibration', 'SA0043',            &
3048                              1, 2, 0, 6, 0 )
3049                ENDIF
3050             ENDDO
3051!                   
3052!--          Liquid water content; instead of LWC use the volume concentration
3053             paero(b)%volc(8) = zlwc / arhoh2o
3054             paero(b)%dwet    = zdwet
3055             paero(b)%core    = zcore
3056             
3057          ELSE
3058!--          2.2) empty bins given bin average values
3059             paero(b)%dwet = paero(b)%dmid
3060             paero(b)%core = api6 * paero(b)%dmid ** 3.0_wp
3061          ENDIF
3062               
3063       ENDDO   ! b
3064    ENDIF
3065
3066 END SUBROUTINE equilibration
3067 
3068!------------------------------------------------------------------------------!
3069!> Description:
3070!> ------------
3071!> Calculation of the settling velocity vc (m/s) per aerosol size bin and
3072!> deposition on plant canopy (lsdepo_vege).
3073!
3074!> Deposition is based on either the scheme presented in:
3075!> Zhang et al. (2001), Atmos. Environ. 35, 549-560 (includes collection due to
3076!> Brownian diffusion, impaction, interception and sedimentation)
3077!> OR
3078!> Petroff & Zhang (2010), Geosci. Model Dev. 3, 753-769 (includes also
3079!> collection due to turbulent impaction)
3080!
3081!> Equation numbers refer to equation in Jacobson (2005): Fundamentals of
3082!> Atmospheric Modeling, 2nd Edition.
3083!
3084!> Subroutine follows closely sedim_SALSA in UCLALES-SALSA written by Juha
3085!> Tonttila (KIT/FMI) and Zubair Maalick (UEF).
3086!> Rewritten to PALM by Mona Kurppa (UH), 2017.
3087!
3088!> Call for grid point i,j,k
3089!------------------------------------------------------------------------------!
3090
3091 SUBROUTINE deposition( paero, tk, adn, mag_u, lad, kvis, Sc, vc )
3092 
3093    USE plant_canopy_model_mod,                                                &
3094        ONLY: cdc
3095 
3096    IMPLICIT NONE
3097   
3098    REAL(wp), INTENT(in)    ::  adn    !< air density (kg/m3) 
3099    REAL(wp), INTENT(out)   ::  kvis   !< kinematic viscosity of air (m2/s)
3100    REAL(wp), INTENT(in) ::     lad    !< leaf area density (m2/m3)
3101    REAL(wp), INTENT(in)    ::  mag_u  !< wind velocity (m/s)
3102    REAL(wp), INTENT(out)   ::  Sc(:)  !< particle Schmidt number 
3103    REAL(wp), INTENT(in)    ::  tk     !< abs.temperature (K)   
3104    REAL(wp), INTENT(out)   ::  vc(:)  !< critical fall speed i.e. settling
3105                                       !< velocity of an aerosol particle (m/s)
3106    TYPE(t_section), INTENT(inout) ::  paero(fn2b)       
3107   
3108    INTEGER(iwp) ::  b      !< loop index
3109    INTEGER(iwp) ::  c      !< loop index
3110    REAL(wp) ::  avis       !< molecular viscocity of air (kg/(m*s))
3111    REAL(wp), PARAMETER ::  c_A = 1.249_wp !< Constants A, B and C for
3112    REAL(wp), PARAMETER ::  c_B = 0.42_wp  !< calculating  the Cunningham 
3113    REAL(wp), PARAMETER ::  c_C = 0.87_wp  !< slip-flow correction (Cc) 
3114                                           !< according to Jacobson (2005),
3115                                           !< Eq. 15.30
3116    REAL(wp) ::  Cc         !< Cunningham slip-flow correction factor     
3117    REAL(wp) ::  Kn         !< Knudsen number   
3118    REAL(wp) ::  lambda     !< molecular mean free path (m)
3119    REAL(wp) ::  mdiff      !< particle diffusivity coefficient   
3120    REAL(wp) ::  pdn        !< particle density (kg/m3)     
3121    REAL(wp) ::  ustar      !< friction velocity (m/s)   
3122    REAL(wp) ::  va         !< thermal speed of an air molecule (m/s)
3123    REAL(wp) ::  zdwet      !< wet diameter (m)                             
3124!
3125!-- Initialise
3126    Cc            = 0.0_wp
3127    Kn            = 0.0_wp
3128    mdiff         = 0.0_wp
3129    pdn           = 1500.0_wp    ! default value
3130    ustar         = 0.0_wp 
3131!
3132!-- Molecular viscosity of air (Eq. 4.54)
3133    avis = 1.8325E-5_wp * ( 416.16_wp / ( tk + 120.0_wp ) ) * ( tk /           &
3134           296.16_wp )**1.5_wp
3135!             
3136!-- Kinematic viscosity (Eq. 4.55)
3137    kvis =  avis / adn
3138!       
3139!-- Thermal velocity of an air molecule (Eq. 15.32)
3140    va = SQRT( 8.0_wp * abo * tk / ( pi * am_airmol ) ) 
3141!
3142!-- Mean free path (m) (Eq. 15.24)
3143    lambda = 2.0_wp * avis / ( adn * va )
3144   
3145    DO  b = 1, nbins
3146   
3147       IF ( paero(b)%numc < nclim )  CYCLE
3148       zdwet = paero(b)%dwet
3149!
3150!--    Knudsen number (Eq. 15.23)
3151       Kn = MAX( 1.0E-2_wp, lambda / ( zdwet * 0.5_wp ) ) ! To avoid underflow
3152!
3153!--    Cunningham slip-flow correction (Eq. 15.30)
3154       Cc = 1.0_wp + Kn * ( c_A + c_B * EXP( -c_C / Kn ) )
3155
3156!--    Particle diffusivity coefficient (Eq. 15.29)
3157       mdiff = ( abo * tk * Cc ) / ( 3.0_wp * pi * avis * zdwet )
3158!       
3159!--    Particle Schmidt number (Eq. 15.36)
3160       Sc(b) = kvis / mdiff       
3161!       
3162!--    Critical fall speed i.e. settling velocity  (Eq. 20.4)                 
3163       vc(b) = MIN( 1.0_wp, terminal_vel( 0.5_wp * zdwet, pdn, adn, avis, Cc) )
3164       
3165       IF ( lsdepo_vege  .AND.  plant_canopy  .AND.  lad > 0.0_wp )  THEN
3166!       
3167!--       Friction velocity calculated following Prandtl (1925):
3168          ustar = SQRT( cdc ) * mag_u
3169          CALL depo_vege( paero, b, vc(b), mag_u, ustar, kvis, Sc(b), lad )
3170       ENDIF
3171    ENDDO
3172 
3173 END SUBROUTINE deposition
3174 
3175!------------------------------------------------------------------------------!
3176! Description:
3177! ------------
3178!> Calculate change in number and volume concentrations due to deposition on
3179!> plant canopy.
3180!------------------------------------------------------------------------------!
3181 SUBROUTINE depo_vege( paero, b, vc, mag_u, ustar, kvis_a, Sc, lad )
3182 
3183    IMPLICIT NONE
3184   
3185    INTEGER(iwp), INTENT(in) ::  b  !< loop index
3186    REAL(wp), INTENT(in) ::  kvis_a !< kinematic viscosity of air (m2/s)
3187    REAL(wp), INTENT(in) ::  lad    !< leaf area density (m2/m3)
3188    REAL(wp), INTENT(in) ::  mag_u  !< wind velocity (m/s)   
3189    REAL(wp), INTENT(in) ::  Sc     !< particle Schmidt number
3190    REAL(wp), INTENT(in) ::  ustar  !< friction velocity (m/s)                                   
3191    REAL(wp), INTENT(in) ::  vc     !< terminal velocity (m/s) 
3192    TYPE(t_section), INTENT(inout) ::  paero(fn2b) 
3193   
3194    INTEGER(iwp) ::  c      !< loop index
3195    REAL(wp), PARAMETER ::  c_A = 1.249_wp !< Constants A, B and C for
3196    REAL(wp), PARAMETER ::  c_B = 0.42_wp  !< calculating  the Cunningham 
3197    REAL(wp), PARAMETER ::  c_C = 0.87_wp  !< slip-flow correction (Cc) 
3198                                           !< according to Jacobson (2005),
3199                                           !< Eq. 15.30
3200    REAL(wp) ::  alpha       !< parameter, Table 3 in Zhang et al. (2001) 
3201    REAL(wp) ::  depo        !< deposition efficiency
3202    REAL(wp) ::  C_Br        !< coefficient for Brownian diffusion
3203    REAL(wp) ::  C_IM        !< coefficient for inertial impaction
3204    REAL(wp) ::  C_IN        !< coefficient for interception
3205    REAL(wp) ::  C_IT        !< coefficient for turbulent impaction   
3206    REAL(wp) ::  gamma       !< parameter, Table 3 in Zhang et al. (2001)   
3207    REAL(wp) ::  par_A       !< parameter A for the characteristic radius of
3208                             !< collectors, Table 3 in Zhang et al. (2001)   
3209    REAL(wp) ::  rt          !< the overall quasi-laminar resistance for
3210                             !< particles
3211    REAL(wp) ::  St          !< Stokes number for smooth surfaces or bluff
3212                             !< surface elements                                 
3213    REAL(wp) ::  tau_plus    !< dimensionless particle relaxation time   
3214    REAL(wp) ::  v_bd        !< deposition velocity due to Brownian diffusion
3215    REAL(wp) ::  v_im        !< deposition velocity due to impaction
3216    REAL(wp) ::  v_in        !< deposition velocity due to interception
3217    REAL(wp) ::  v_it        !< deposition velocity due to turbulent impaction                               
3218!
3219!-- Initialise
3220    depo     = 0.0_wp 
3221    rt       = 0.0_wp
3222    St       = 0.0_wp
3223    tau_plus = 0.0_wp
3224    v_bd     = 0.0_wp     
3225    v_im     = 0.0_wp       
3226    v_in     = 0.0_wp       
3227    v_it     = 0.0_wp         
3228       
3229    IF ( depo_vege_type == 'zhang2001' )  THEN
3230!       
3231!--    Parameters for the land use category 'deciduous broadleaf trees'(Table 3)     
3232       par_A = 5.0E-3_wp
3233       alpha = 0.8_wp
3234       gamma = 0.56_wp 
3235!       
3236!--    Stokes number for vegetated surfaces (Seinfeld & Pandis (2006): Eq.19.24) 
3237       St = vc * ustar / ( g * par_A )         
3238!         
3239!--    The overall quasi-laminar resistance for particles (Zhang et al., Eq. 5)       
3240       rt = MAX( EPSILON( 1.0_wp ), ( 3.0_wp * ustar * EXP( -St**0.5_wp ) *    &
3241                         ( Sc**( -gamma ) + ( St / ( alpha + St ) )**2.0_wp +  &
3242                           0.5_wp * ( paero(b)%dwet / par_A )**2.0_wp ) ) )
3243       depo = ( rt + vc ) * lad
3244       paero(b)%numc = paero(b)%numc - depo * paero(b)%numc * dt_salsa
3245       DO  c = 1, maxspec+1
3246          paero(b)%volc(c) = paero(b)%volc(c) - depo * paero(b)%volc(c) *      &
3247                             dt_salsa
3248       ENDDO
3249       
3250    ELSEIF ( depo_vege_type == 'petroff2010' )  THEN
3251!
3252!--    vd = v_BD + v_IN + v_IM + v_IT + vc
3253!--    Deposition efficiencies from Table 1. Constants from Table 2.
3254       C_Br  = 1.262_wp
3255       C_IM  = 0.130_wp
3256       C_IN  = 0.216_wp
3257       C_IT  = 0.056_wp
3258       par_A = 0.03_wp   ! Here: leaf width (m)     
3259!       
3260!--    Stokes number for vegetated surfaces (Seinfeld & Pandis (2006): Eq.19.24) 
3261       St = vc * ustar / ( g * par_A )         
3262!
3263!--    Non-dimensional relexation time of the particle on top of canopy
3264       tau_plus = vc * ustar**2.0_wp / ( kvis_a * g ) 
3265!
3266!--    Brownian diffusion
3267       v_bd = mag_u * C_Br * Sc**( -2.0_wp / 3.0_wp ) *                        &
3268              ( mag_u * par_A / kvis_a )**( -0.5_wp )
3269!
3270!--    Interception
3271       v_in = mag_u * C_IN * paero(b)%dwet / par_A * ( 2.0_wp + LOG( 2.0_wp *  &
3272              par_A / paero(b)%dwet ) )                     
3273!
3274!--    Impaction: Petroff (2009) Eq. 18
3275       v_im = mag_u * C_IM * ( St / ( St + 0.47_wp ) )**2.0_wp
3276       
3277       IF ( tau_plus < 20.0_wp )  THEN
3278          v_it = 2.5E-3_wp * C_IT * tau_plus**2.0_wp
3279       ELSE
3280          v_it = C_IT
3281       ENDIF
3282       depo = ( v_bd + v_in + v_im + v_it + vc ) * lad     
3283       paero(b)%numc = paero(b)%numc - depo * paero(b)%numc * dt_salsa     
3284       DO  c = 1, maxspec+1
3285          paero(b)%volc(c) = paero(b)%volc(c) - depo * paero(b)%volc(c) *      &
3286                             dt_salsa
3287       ENDDO
3288    ENDIF 
3289 
3290 END SUBROUTINE depo_vege
3291 
3292!------------------------------------------------------------------------------!
3293! Description:
3294! ------------ 
3295!> Calculate deposition on horizontal and vertical surfaces. Implement as
3296!> surface flux.
3297!------------------------------------------------------------------------------!
3298
3299 SUBROUTINE depo_topo( i, j, surf, vc, Sc, kvis, mag_u, norm )
3300 
3301    USE surface_mod,                                                           &
3302        ONLY:  surf_type
3303 
3304    IMPLICIT NONE
3305   
3306    INTEGER(iwp), INTENT(in) ::  i     !< loop index
3307    INTEGER(iwp), INTENT(in) ::  j     !< loop index
3308    REAL(wp), INTENT(in) ::  kvis(:)   !< kinematic viscosity of air (m2/s)
3309    REAL(wp), INTENT(in) ::  mag_u(:)  !< wind velocity (m/s)                                                 
3310    REAL(wp), INTENT(in) ::  norm(:)   !< normalisation (usually air density)
3311    REAL(wp), INTENT(in) ::  Sc(:,:)  !< particle Schmidt number
3312    REAL(wp), INTENT(in) ::  vc(:,:)  !< terminal velocity (m/s)   
3313    TYPE(surf_type), INTENT(inout) :: surf  !< respective surface type
3314    INTEGER(iwp) ::  b      !< loop index
3315    INTEGER(iwp) ::  c      !< loop index
3316    INTEGER(iwp) ::  k      !< loop index
3317    INTEGER(iwp) ::  m      !< loop index
3318    INTEGER(iwp) ::  surf_e !< End index of surface elements at (j,i)-gridpoint
3319    INTEGER(iwp) ::  surf_s !< Start index of surface elements at (j,i)-gridpoint
3320    REAL(wp) ::  alpha      !< parameter, Table 3 in Zhang et al. (2001)
3321    REAL(wp) ::  C_Br       !< coefficient for Brownian diffusion
3322    REAL(wp) ::  C_IM       !< coefficient for inertial impaction
3323    REAL(wp) ::  C_IN       !< coefficient for interception
3324    REAL(wp) ::  C_IT       !< coefficient for turbulent impaction
3325    REAL(wp) ::  depo       !< deposition efficiency
3326    REAL(wp) ::  gamma      !< parameter, Table 3 in Zhang et al. (2001)
3327    REAL(wp) ::  par_A      !< parameter A for the characteristic radius of
3328                            !< collectors, Table 3 in Zhang et al. (2001)
3329    REAL(wp) ::  rt         !< the overall quasi-laminar resistance for
3330                            !< particles
3331    REAL(wp) ::  St         !< Stokes number for bluff surface elements 
3332    REAL(wp) ::  tau_plus   !< dimensionless particle relaxation time   
3333    REAL(wp) ::  v_bd       !< deposition velocity due to Brownian diffusion
3334    REAL(wp) ::  v_im       !< deposition velocity due to impaction
3335    REAL(wp) ::  v_in       !< deposition velocity due to interception
3336    REAL(wp) ::  v_it       !< deposition velocity due to turbulent impaction 
3337!
3338!-- Initialise
3339    rt       = 0.0_wp
3340    St       = 0.0_wp
3341    tau_plus = 0.0_wp
3342    v_bd     = 0.0_wp     
3343    v_im     = 0.0_wp       
3344    v_in     = 0.0_wp       
3345    v_it     = 0.0_wp                                 
3346    surf_s   = surf%start_index(j,i)
3347    surf_e   = surf%end_index(j,i) 
3348   
3349    DO  m = surf_s, surf_e
3350       k = surf%k(m)       
3351       DO  b = 1, nbins
3352          IF ( aerosol_number(b)%conc(k,j,i) <= nclim  .OR.                    &
3353               Sc(k+1,b) < 1.0_wp )  CYCLE   
3354                   
3355          IF ( depo_topo_type == 'zhang2001' )  THEN
3356!       
3357!--          Parameters for the land use category 'urban' in Table 3
3358             alpha = 1.5_wp
3359             gamma = 0.56_wp 
3360             par_A = 10.0E-3_wp
3361!       
3362!--          Stokes number for smooth surfaces or surfaces with bluff roughness
3363!--          elements (Seinfeld and Pandis, 2nd edition (2006): Eq. 19.23)       
3364             St = MAX( 0.01_wp, vc(k+1,b) * surf%us(m) ** 2.0_wp /             &
3365                       ( g * kvis(k+1)  ) ) 
3366!         
3367!--          The overall quasi-laminar resistance for particles (Eq. 5)       
3368             rt = MAX( EPSILON( 1.0_wp ), ( 3.0_wp * surf%us(m) * (            &
3369                       Sc(k+1,b)**( -gamma ) + ( St / ( alpha + St ) )**2.0_wp &
3370                        + 0.5_wp * ( Ra_dry(k,j,i,b) / par_A )**2.0_wp ) *     &
3371                       EXP( -St**0.5_wp ) ) ) 
3372             depo = vc(k+1,b) + rt
3373             
3374          ELSEIF ( depo_topo_type == 'petroff2010' )  THEN 
3375!
3376!--          vd = v_BD + v_IN + v_IM + v_IT + vc
3377!--          Deposition efficiencies from Table 1. Constants from Table 2.
3378             C_Br  = 1.262_wp
3379             C_IM  = 0.130_wp
3380             C_IN  = 0.216_wp
3381             C_IT  = 0.056_wp
3382             par_A = 0.03_wp   ! Here: leaf width (m) 
3383!       
3384!--          Stokes number for smooth surfaces or surfaces with bluff roughness
3385!--          elements (Seinfeld and Pandis, 2nd edition (2006): Eq. 19.23)       
3386             St = MAX( 0.01_wp, vc(k+1,b) * surf%us(m) ** 2.0_wp /             &
3387                       ( g *  kvis(k+1) ) )             
3388!
3389!--          Non-dimensional relexation time of the particle on top of canopy
3390             tau_plus = vc(k+1,b) * surf%us(m)**2.0_wp / ( kvis(k+1) * g ) 
3391!
3392!--          Brownian diffusion
3393             v_bd = mag_u(k+1) * C_Br * Sc(k+1,b)**( -2.0_wp / 3.0_wp ) *      &
3394                    ( mag_u(k+1) * par_A / kvis(k+1) )**( -0.5_wp )
3395!
3396!--          Interception
3397             v_in = mag_u(k+1) * C_IN * Ra_dry(k,j,i,b)/ par_A * ( 2.0_wp +    &
3398                    LOG( 2.0_wp * par_A / Ra_dry(k,j,i,b) ) )                     
3399!
3400!--          Impaction: Petroff (2009) Eq. 18
3401             v_im = mag_u(k+1) * C_IM * ( St / ( St + 0.47_wp ) )**2.0_wp
3402             
3403             IF ( tau_plus < 20.0_wp )  THEN
3404                v_it = 2.5E-3_wp * C_IT * tau_plus**2.0_wp
3405             ELSE
3406                v_it = C_IT
3407             ENDIF
3408             depo =  v_bd + v_in + v_im + v_it + vc(k+1,b)       
3409         
3410          ENDIF
3411          IF ( lod_aero == 3  .OR.  salsa_source_mode ==  'no_source' )  THEN
3412             surf%answs(m,b) = -depo * norm(k) * aerosol_number(b)%conc(k,j,i) 
3413             DO  c = 1, ncc_tot   
3414                surf%amsws(m,(c-1)*nbins+b) = -depo *  norm(k) *               &
3415                                         aerosol_mass((c-1)*nbins+b)%conc(k,j,i)
3416             ENDDO    ! c
3417          ELSE
3418             surf%answs(m,b) = SUM( aerosol_number(b)%source(:,j,i) ) -        &
3419                               MAX( 0.0_wp, depo * norm(k) *                   &
3420                               aerosol_number(b)%conc(k,j,i) )
3421             DO  c = 1, ncc_tot   
3422                surf%amsws(m,(c-1)*nbins+b) = SUM(                             &
3423                               aerosol_mass((c-1)*nbins+b)%source(:,j,i) ) -   &
3424                               MAX(  0.0_wp, depo *  norm(k) *                 &
3425                               aerosol_mass((c-1)*nbins+b)%conc(k,j,i) )
3426             ENDDO
3427          ENDIF
3428       ENDDO    ! b
3429    ENDDO    ! m     
3430     
3431 END SUBROUTINE depo_topo
3432 
3433!------------------------------------------------------------------------------!
3434! Description:
3435! ------------
3436! Function for calculating terminal velocities for different particles sizes.
3437!------------------------------------------------------------------------------!
3438 REAL(wp) FUNCTION terminal_vel( radius, rhop, rhoa, visc, beta )
3439 
3440    IMPLICIT NONE
3441   
3442    REAL(wp), INTENT(in) ::  beta    !< Cunningham correction factor
3443    REAL(wp), INTENT(in) ::  radius  !< particle radius (m)
3444    REAL(wp), INTENT(in) ::  rhop    !< particle density (kg/m3)
3445    REAL(wp), INTENT(in) ::  rhoa    !< air density (kg/m3)
3446    REAL(wp), INTENT(in) ::  visc    !< molecular viscosity of air (kg/(m*s))
3447   
3448    REAL(wp), PARAMETER ::  rhoa_ref = 1.225_wp ! reference air density (kg/m3)
3449!
3450!-- Stokes law with Cunningham slip correction factor
3451    terminal_vel = ( 4.0_wp * radius**2.0_wp ) * ( rhop - rhoa ) * g * beta /  &
3452                   ( 18.0_wp * visc ) ! (m/s)
3453       
3454 END FUNCTION terminal_vel
3455 
3456!------------------------------------------------------------------------------!
3457! Description:
3458! ------------
3459!> Calculates particle loss and change in size distribution due to (Brownian)
3460!> coagulation. Only for particles with dwet < 30 micrometres.
3461!
3462!> Method:
3463!> Semi-implicit, non-iterative method: (Jacobson, 1994)
3464!> Volume concentrations of the smaller colliding particles added to the bin of
3465!> the larger colliding particles. Start from first bin and use the updated
3466!> number and volume for calculation of following bins. NB! Our bin numbering
3467!> does not follow particle size in subrange 2.
3468!
3469!> Schematic for bin numbers in different subranges:
3470!>             1                            2
3471!>    +-------------------------------------------+
3472!>  a | 1 | 2 | 3 || 4 | 5 | 6 | 7 |  8 |  9 | 10||
3473!>  b |           ||11 |12 |13 |14 | 15 | 16 | 17||
3474!>    +-------------------------------------------+
3475!
3476!> Exact coagulation coefficients for each pressure level are scaled according
3477!> to current particle wet size (linear scaling).
3478!> Bins are organized in terms of the dry size of the condensation nucleus,
3479!> while coagulation kernell is calculated with the actual hydrometeor
3480!> size.
3481!
3482!> Called from salsa_driver
3483!> fxm: Process selection should be made smarter - now just lots of IFs inside
3484!>      loops
3485!
3486!> Coded by:
3487!> Hannele Korhonen (FMI) 2005
3488!> Harri Kokkola (FMI) 2006
3489!> Tommi Bergman (FMI) 2012
3490!> Matti Niskanen(FMI) 2012
3491!> Anton Laakso  (FMI) 2013
3492!> Juha Tonttila (FMI) 2014
3493!------------------------------------------------------------------------------!
3494 SUBROUTINE coagulation( paero, ptstep, ptemp, ppres )
3495               
3496    IMPLICIT NONE
3497   
3498!-- Input and output variables
3499    TYPE(t_section), INTENT(inout) ::  paero(fn2b) !< Aerosol properties
3500    REAL(wp), INTENT(in) ::  ppres  !< ambient pressure (Pa)
3501    REAL(wp), INTENT(in) ::  ptemp  !< ambient temperature (K)
3502    REAL(wp), INTENT(in) ::  ptstep !< time step (s)
3503!-- Local variables
3504    INTEGER(iwp) ::  index_2a !< corresponding bin in subrange 2a
3505    INTEGER(iwp) ::  index_2b !< corresponding bin in subrange 2b
3506    INTEGER(iwp) ::  b !< loop index
3507    INTEGER(iwp) ::  ll !< loop index
3508    INTEGER(iwp) ::  mm !< loop index
3509    INTEGER(iwp) ::  nn !< loop index
3510    REAL(wp) ::  pressi !< pressure
3511    REAL(wp) ::  temppi !< temperature
3512    REAL(wp) ::  zcc(fn2b,fn2b)   !< updated coagulation coefficients (m3/s) 
3513    REAL(wp) ::  zdpart_mm        !< diameter of particle (m)
3514    REAL(wp) ::  zdpart_nn        !< diameter of particle (m)   
3515    REAL(wp) ::  zminusterm       !< coagulation loss in a bin (1/s)
3516    REAL(wp) ::  zplusterm(8)     !< coagulation gain in a bin (fxm/s)
3517                                  !< (for each chemical compound)
3518    REAL(wp) ::  zmpart(fn2b)     !< approximate mass of particles (kg)
3519   
3520    zcc       = 0.0_wp
3521    zmpart    = 0.0_wp
3522    zdpart_mm = 0.0_wp
3523    zdpart_nn = 0.0_wp
3524!
3525!-- 1) Coagulation to coarse mode calculated in a simplified way:
3526!--    CoagSink ~ Dp in continuum subrange, thus we calculate 'effective'
3527!--    number concentration of coarse particles
3528
3529!-- 2) Updating coagulation coefficients
3530!   
3531!-- Aerosol mass (kg). Density of 1500 kg/m3 assumed
3532    zmpart(1:fn2b) = api6 * ( MIN( paero(1:fn2b)%dwet, 30.0E-6_wp )**3.0_wp  ) &
3533                     * 1500.0_wp 
3534    temppi = ptemp
3535    pressi = ppres
3536    zcc    = 0.0_wp
3537!
3538!-- Aero-aero coagulation
3539    DO  mm = 1, fn2b   ! smaller colliding particle
3540       IF ( paero(mm)%numc < nclim )  CYCLE
3541       DO  nn = mm, fn2b   ! larger colliding particle
3542          IF ( paero(nn)%numc < nclim )  CYCLE
3543         
3544          zdpart_mm = MIN( paero(mm)%dwet, 30.0E-6_wp )     ! Limit to 30 um
3545          zdpart_nn = MIN( paero(nn)%dwet, 30.0E-6_wp )     ! Limit to 30 um
3546!             
3547!--       Coagulation coefficient of particles (m3/s)
3548          zcc(mm,nn) = coagc( zdpart_mm, zdpart_nn, zmpart(mm), zmpart(nn),    &
3549                              temppi, pressi )
3550          zcc(nn,mm) = zcc(mm,nn)
3551       ENDDO
3552    ENDDO
3553       
3554!   
3555!-- 3) New particle and volume concentrations after coagulation:
3556!--    Calculated according to Jacobson (2005) eq. 15.9
3557!
3558!-- Aerosols in subrange 1a:
3559    DO  b = in1a, fn1a
3560       IF ( paero(b)%numc < nclim )  CYCLE
3561       zminusterm   = 0.0_wp
3562       zplusterm(:) = 0.0_wp
3563!       
3564!--    Particles lost by coagulation with larger aerosols
3565       DO  ll = b+1, fn2b
3566          zminusterm = zminusterm + zcc(b,ll) * paero(ll)%numc
3567       ENDDO
3568!       
3569!--    Coagulation gain in a bin: change in volume conc. (cm3/cm3):
3570       DO ll = in1a, b-1
3571          zplusterm(1:2) = zplusterm(1:2) + zcc(ll,b) * paero(ll)%volc(1:2)
3572          zplusterm(6:7) = zplusterm(6:7) + zcc(ll,b) * paero(ll)%volc(6:7)
3573          zplusterm(8)   = zplusterm(8)   + zcc(ll,b) * paero(ll)%volc(8)
3574       ENDDO
3575!       
3576!--    Volume and number concentrations after coagulation update [fxm]
3577       paero(b)%volc(1:2) = ( paero(b)%volc(1:2) + ptstep * zplusterm(1:2) * &
3578                             paero(b)%numc ) / ( 1.0_wp + ptstep * zminusterm )
3579       paero(b)%volc(6:7) = ( paero(b)%volc(6:7) + ptstep * zplusterm(6:7) * &
3580                             paero(b)%numc ) / ( 1.0_wp + ptstep * zminusterm )
3581       paero(b)%volc(8)   = ( paero(b)%volc(8)   + ptstep * zplusterm(8) *   &
3582                             paero(b)%numc ) / ( 1.0_wp + ptstep * zminusterm )
3583       paero(b)%numc = paero(b)%numc / ( 1.0_wp + ptstep * zminusterm  +     &
3584                        0.5_wp * ptstep * zcc(b,b) * paero(b)%numc )               
3585    ENDDO
3586!             
3587!-- Aerosols in subrange 2a:
3588    DO  b = in2a, fn2a
3589       IF ( paero(b)%numc < nclim )  CYCLE
3590       zminusterm   = 0.0_wp
3591       zplusterm(:) = 0.0_wp
3592!       
3593!--    Find corresponding size bin in subrange 2b
3594       index_2b = b - in2a + in2b
3595!       
3596!--    Particles lost by larger particles in 2a
3597       DO  ll = b+1, fn2a
3598          zminusterm = zminusterm + zcc(b,ll) * paero(ll)%numc
3599       ENDDO
3600!       
3601!--    Particles lost by larger particles in 2b
3602       IF ( .NOT. no_insoluble )  THEN
3603          DO  ll = index_2b+1, fn2b
3604             zminusterm = zminusterm + zcc(b,ll) * paero(ll)%numc
3605          ENDDO
3606       ENDIF
3607!       
3608!--    Particle volume gained from smaller particles in subranges 1, 2a and 2b
3609       DO  ll = in1a, b-1
3610          zplusterm(1:2) = zplusterm(1:2) + zcc(ll,b) * paero(ll)%volc(1:2)
3611          zplusterm(6:7) = zplusterm(6:7) + zcc(ll,b) * paero(ll)%volc(6:7)
3612          zplusterm(8)   = zplusterm(8)   + zcc(ll,b) * paero(ll)%volc(8)
3613       ENDDO 
3614!       
3615!--    Particle volume gained from smaller particles in 2a
3616!--    (Note, for components not included in the previous loop!)
3617       DO  ll = in2a, b-1
3618          zplusterm(3:5) = zplusterm(3:5) + zcc(ll,b)*paero(ll)%volc(3:5)             
3619       ENDDO
3620       
3621!       
3622!--    Particle volume gained from smaller (and equal) particles in 2b
3623       IF ( .NOT. no_insoluble )  THEN
3624          DO  ll = in2b, index_2b
3625             zplusterm(1:8) = zplusterm(1:8) + zcc(ll,b) * paero(ll)%volc(1:8)
3626          ENDDO
3627       ENDIF
3628!       
3629!--    Volume and number concentrations after coagulation update [fxm]
3630       paero(b)%volc(1:8) = ( paero(b)%volc(1:8) + ptstep * zplusterm(1:8) * &
3631                             paero(b)%numc ) / ( 1.0_wp + ptstep * zminusterm )
3632       paero(b)%numc = paero(b)%numc / ( 1.0_wp + ptstep * zminusterm +      &
3633                        0.5_wp * ptstep * zcc(b,b) * paero(b)%numc )
3634    ENDDO
3635!             
3636!-- Aerosols in subrange 2b:
3637    IF ( .NOT. no_insoluble )  THEN
3638       DO  b = in2b, fn2b
3639          IF ( paero(b)%numc < nclim )  CYCLE
3640          zminusterm   = 0.0_wp
3641          zplusterm(:) = 0.0_wp
3642!       
3643!--       Find corresponding size bin in subsubrange 2a
3644          index_2a = b - in2b + in2a
3645!       
3646!--       Particles lost to larger particles in subranges 2b
3647          DO  ll = b+1, fn2b
3648             zminusterm = zminusterm + zcc(b,ll) * paero(ll)%numc
3649          ENDDO
3650!       
3651!--       Particles lost to larger and equal particles in 2a
3652          DO  ll = index_2a, fn2a
3653             zminusterm = zminusterm + zcc(b,ll) * paero(ll)%numc
3654          ENDDO
3655!       
3656!--       Particle volume gained from smaller particles in subranges 1 & 2a
3657          DO  ll = in1a, index_2a-1
3658             zplusterm(1:8) = zplusterm(1:8) + zcc(ll,b) * paero(ll)%volc(1:8)
3659          ENDDO
3660!       
3661!--       Particle volume gained from smaller particles in 2b
3662          DO  ll = in2b, b-1
3663             zplusterm(1:8) = zplusterm(1:8) + zcc(ll,b) * paero(ll)%volc(1:8)
3664          ENDDO
3665!       
3666!--       Volume and number concentrations after coagulation update [fxm]
3667          paero(b)%volc(1:8) = ( paero(b)%volc(1:8) + ptstep * zplusterm(1:8)&
3668                           * paero(b)%numc ) / ( 1.0_wp + ptstep * zminusterm )
3669          paero(b)%numc = paero(b)%numc / ( 1.0_wp + ptstep * zminusterm  +  &
3670                           0.5_wp * ptstep * zcc(b,b) * paero(b)%numc )
3671       ENDDO
3672    ENDIF
3673
3674 END SUBROUTINE coagulation
3675
3676!------------------------------------------------------------------------------!
3677! Description:
3678! ------------
3679!> Calculation of coagulation coefficients. Extended version of the function
3680!> originally found in mo_salsa_init.
3681!
3682!> J. Tonttila, FMI, 05/2014
3683!------------------------------------------------------------------------------!
3684 REAL(wp) FUNCTION coagc( diam1, diam2, mass1, mass2, temp, pres )
3685 
3686    IMPLICIT NONE
3687!       
3688!-- Input and output variables
3689    REAL(wp), INTENT(in) ::  diam1 !< diameter of colliding particle 1 (m)
3690    REAL(wp), INTENT(in) ::  diam2 !< diameter of colliding particle 2 (m)
3691    REAL(wp), INTENT(in) ::  mass1 !< mass of colliding particle 1 (kg)
3692    REAL(wp), INTENT(in) ::  mass2 !< mass of colliding particle 2 (kg)
3693    REAL(wp), INTENT(in) ::  pres  !< ambient pressure (Pa?) [fxm]
3694    REAL(wp), INTENT(in) ::  temp  !< ambient temperature (K)       
3695!
3696!-- Local variables
3697    REAL(wp) ::  fmdist !< distance of flux matching (m)   
3698    REAL(wp) ::  knud_p !< particle Knudsen number
3699    REAL(wp) ::  mdiam  !< mean diameter of colliding particles (m) 
3700    REAL(wp) ::  mfp    !< mean free path of air molecules (m)   
3701    REAL(wp) ::  visc   !< viscosity of air (kg/(m s))                   
3702    REAL(wp), DIMENSION (2) ::  beta   !< Cunningham correction factor
3703    REAL(wp), DIMENSION (2) ::  dfpart !< particle diffusion coefficient
3704                                       !< (m2/s)       
3705    REAL(wp), DIMENSION (2) ::  diam   !< diameters of particles (m)
3706    REAL(wp), DIMENSION (2) ::  flux   !< flux in continuum and free molec.
3707                                       !< regime (m/s)       
3708    REAL(wp), DIMENSION (2) ::  knud   !< particle Knudsen number       
3709    REAL(wp), DIMENSION (2) ::  mpart  !< masses of particles (kg)
3710    REAL(wp), DIMENSION (2) ::  mtvel  !< particle mean thermal velocity (m/s)
3711    REAL(wp), DIMENSION (2) ::  omega  !< particle mean free path             
3712    REAL(wp), DIMENSION (2) ::  tva    !< temporary variable (m)       
3713!
3714!-- Initialisation
3715    coagc   = 0.0_wp
3716!
3717!-- 1) Initializing particle and ambient air variables
3718    diam  = (/ diam1, diam2 /) !< particle diameters (m)
3719    mpart = (/ mass1, mass2 /) !< particle masses (kg)
3720!-- Viscosity of air (kg/(m s))       
3721    visc = ( 7.44523E-3_wp * temp ** 1.5_wp ) /                                &
3722           ( 5093.0_wp * ( temp + 110.4_wp ) ) 
3723!-- Mean free path of air (m)           
3724    mfp = ( 1.656E-10_wp * temp + 1.828E-8_wp ) * ( p_0 + 1325.0_wp ) / pres
3725!
3726!-- 2) Slip correction factor for small particles
3727    knud = 2.0_wp * EXP( LOG(mfp) - LOG(diam) )! Knudsen number for air (15.23)
3728!-- Cunningham correction factor (Allen and Raabe, Aerosol Sci. Tech. 4, 269)       
3729    beta = 1.0_wp + knud * ( 1.142_wp + 0.558_wp * EXP( -0.999_wp / knud ) )
3730!
3731!-- 3) Particle properties
3732!-- Diffusion coefficient (m2/s) (Jacobson (2005) eq. 15.29)
3733    dfpart = beta * abo * temp / ( 3.0_wp * pi * visc * diam ) 
3734!-- Mean thermal velocity (m/s) (Jacobson (2005) eq. 15.32)
3735    mtvel = SQRT( ( 8.0_wp * abo * temp ) / ( pi * mpart ) )
3736!-- Particle mean free path (m) (Jacobson (2005) eq. 15.34 )
3737    omega = 8.0_wp * dfpart / ( pi * mtvel ) 
3738!-- Mean diameter (m)
3739    mdiam = 0.5_wp * ( diam(1) + diam(2) )
3740!
3741!-- 4) Calculation of fluxes (Brownian collision kernels) and flux matching
3742!-- following Jacobson (2005):
3743!-- Flux in continuum regime (m3/s) (eq. 15.28)
3744    flux(1) = 4.0_wp * pi * mdiam * ( dfpart(1) + dfpart(2) )
3745!-- Flux in free molec. regime (m3/s) (eq. 15.31)
3746    flux(2) = pi * SQRT( ( mtvel(1)**2.0_wp ) + ( mtvel(2)**2.0_wp ) ) *      &
3747              ( mdiam**2.0_wp )
3748!-- temporary variables (m) to calculate flux matching distance (m)
3749    tva(1) = ( ( mdiam + omega(1) )**3.0_wp - ( mdiam**2.0_wp +                &
3750               omega(1)**2.0_wp ) * SQRT( ( mdiam**2.0_wp + omega(1)**2.0_wp ) &
3751               ) ) / ( 3.0_wp * mdiam * omega(1) ) - mdiam
3752    tva(2) = ( ( mdiam + omega(2) )**3.0_wp - ( mdiam**2.0_wp +                &
3753               omega(2)**2.0_wp ) * SQRT( ( mdiam**2 + omega(2)**2 ) ) ) /     &
3754             ( 3.0_wp * mdiam * omega(2) ) - mdiam
3755!-- Flux matching distance (m) i.e. the mean distance from the centre of a
3756!-- sphere reached by particles leaving sphere's surface and travelling a
3757!-- distance of particle mean free path mfp (eq. 15 34)                 
3758    fmdist = SQRT( tva(1)**2 + tva(2)**2.0_wp) 
3759!
3760!-- 5) Coagulation coefficient (m3/s) (eq. 15.33). Here assumed
3761!-- coalescence efficiency 1!!
3762    coagc = flux(1) / ( mdiam / ( mdiam + fmdist) + flux(1) / flux(2) ) 
3763!-- coagulation coefficient = coalescence efficiency * collision kernel
3764!
3765!-- Corrected collision kernel following Karl et al., 2016 (ACP):
3766!-- Inclusion of van der Waals and viscous forces
3767    IF ( van_der_waals_coagc )  THEN
3768       knud_p = SQRT( omega(1)**2 + omega(2)**2 ) / mdiam   
3769       IF ( knud_p >= 0.1_wp  .AND.  knud_p <= 10.0_wp )  THEN
3770          coagc = coagc * ( 2.0_wp + 0.4_wp * LOG( knud_p ) )
3771       ELSE
3772          coagc = coagc * 3.0_wp
3773       ENDIF
3774    ENDIF
3775   
3776 END FUNCTION coagc
3777 
3778!------------------------------------------------------------------------------!   
3779! Description:
3780! ------------
3781!> Calculates the change in particle volume and gas phase
3782!> concentrations due to nucleation, condensation and dissolutional growth.
3783!
3784!> Sulphuric acid and organic vapour: only condensation and no evaporation.
3785!
3786!> New gas and aerosol phase concentrations calculated according to Jacobson
3787!> (1997): Numerical techniques to solve condensational and dissolutional growth
3788!> equations when growth is coupled to reversible reactions, Aerosol Sci. Tech.,
3789!> 27, pp 491-498.
3790!
3791!> Following parameterization has been used:
3792!> Molecular diffusion coefficient of condensing vapour (m2/s)
3793!> (Reid et al. (1987): Properties of gases and liquids, McGraw-Hill, New York.)
3794!> D = {1.d-7*sqrt(1/M_air + 1/M_gas)*T^1.75} / &
3795!      {p_atm/p_stand * (d_air^(1/3) + d_gas^(1/3))^2 }
3796! M_air = 28.965 : molar mass of air (g/mol)
3797! d_air = 19.70  : diffusion volume of air
3798! M_h2so4 = 98.08 : molar mass of h2so4 (g/mol)
3799! d_h2so4 = 51.96  : diffusion volume of h2so4
3800!
3801!> Called from main aerosol model
3802!
3803!> fxm: calculated for empty bins too
3804!> fxm: same diffusion coefficients and mean free paths used for sulphuric acid
3805!>      and organic vapours (average values? 'real' values for each?)
3806!> fxm: one should really couple with vapour production and loss terms as well
3807!>      should nucleation be coupled here as well????
3808!
3809! Coded by:
3810! Hannele Korhonen (FMI) 2005
3811! Harri Kokkola (FMI) 2006
3812! Juha Tonttila (FMI) 2014
3813! Rewritten to PALM by Mona Kurppa (UHel) 2017
3814!------------------------------------------------------------------------------!
3815 SUBROUTINE condensation( paero, pcsa, pcocnv, pcocsv, pchno3, pcnh3, pcw, pcs,&
3816                          ptemp, ppres, ptstep, prtcl )
3817       
3818    IMPLICIT NONE
3819   
3820!-- Input and output variables
3821    REAL(wp), INTENT(IN) ::  ppres !< ambient pressure (Pa)
3822    REAL(wp), INTENT(IN) ::  pcs   !< Water vapour saturation concentration
3823                                   !< (kg/m3)     
3824    REAL(wp), INTENT(IN) ::  ptemp !< ambient temperature (K)
3825    REAL(wp), INTENT(IN) ::  ptstep            !< timestep (s) 
3826    TYPE(component_index), INTENT(in) :: prtcl !< Keeps track which substances
3827                                               !< are used                                               
3828    REAL(wp), INTENT(INOUT) ::  pchno3 !< Gas concentrations (#/m3):
3829                                       !< nitric acid HNO3
3830    REAL(wp), INTENT(INOUT) ::  pcnh3  !< ammonia NH3
3831    REAL(wp), INTENT(INOUT) ::  pcocnv !< non-volatile organics
3832    REAL(wp), INTENT(INOUT) ::  pcocsv !< semi-volatile organics
3833    REAL(wp), INTENT(INOUT) ::  pcsa   !< sulphuric acid H2SO4
3834    REAL(wp), INTENT(INOUT) ::  pcw    !< Water vapor concentration (kg/m3)
3835    TYPE(t_section), INTENT(inout) ::  paero(fn2b) !< Aerosol properties                                     
3836!-- Local variables
3837    REAL(wp) ::  zbeta(fn2b) !< transitional correction factor for aerosols
3838    REAL(wp) ::  zcolrate(fn2b) !< collision rate of molecules to particles
3839                                !< (1/s)
3840    REAL(wp) ::  zcolrate_ocnv(fn2b) !< collision rate of organic molecules
3841                                     !< to particles (1/s)
3842    REAL(wp) ::  zcs_ocnv !< condensation sink of nonvolatile organics (1/s)       
3843    REAL(wp) ::  zcs_ocsv !< condensation sink of semivolatile organics (1/s)
3844    REAL(wp) ::  zcs_su !< condensation sink of sulfate (1/s)
3845    REAL(wp) ::  zcs_tot!< total condensation sink (1/s) (gases)
3846!-- vapour concentration after time step (#/m3)
3847    REAL(wp) ::  zcvap_new1 !< sulphuric acid
3848    REAL(wp) ::  zcvap_new2 !< nonvolatile organics
3849    REAL(wp) ::  zcvap_new3 !< semivolatile organics
3850    REAL(wp) ::  zdfpart(in1a+1) !< particle diffusion coefficient (m2/s)     
3851    REAL(wp) ::  zdfvap !< air diffusion coefficient (m2/s)
3852!-- change in vapour concentration (#/m3)
3853    REAL(wp) ::  zdvap1 !< sulphuric acid
3854    REAL(wp) ::  zdvap2 !< nonvolatile organics
3855    REAL(wp) ::  zdvap3 !< semivolatile organics
3856    REAL(wp) ::  zdvoloc(fn2b) !< change of organics volume in each bin [fxm]   
3857    REAL(wp) ::  zdvolsa(fn2b) !< change of sulphate volume in each bin [fxm]
3858    REAL(wp) ::  zj3n3(2)      !< Formation massrate of molecules in
3859                               !< nucleation, (molec/m3s). 1: H2SO4
3860                               !< and 2: organic vapor       
3861    REAL(wp) ::  zknud(fn2b) !< particle Knudsen number       
3862    REAL(wp) ::  zmfp    !< mean free path of condensing vapour (m)
3863    REAL(wp) ::  zrh     !< Relative humidity [0-1]         
3864    REAL(wp) ::  zvisc   !< viscosity of air (kg/(m s))     
3865    REAL(wp) ::  zn_vs_c !< ratio of nucleation of all mass transfer in the
3866                         !< smallest bin
3867    REAL(wp) ::  zxocnv  !< ratio of organic vapour in 3nm particles
3868    REAL(wp) ::  zxsa    !< Ratio in 3nm particles: sulphuric acid
3869   
3870    zj3n3  = 0.0_wp
3871    zrh    = pcw / pcs   
3872    zxocnv = 0.0_wp
3873    zxsa   = 0.0_wp
3874!
3875!-- Nucleation
3876    IF ( nsnucl > 0 )  THEN
3877       CALL nucleation( paero, ptemp, zrh, ppres, pcsa, pcocnv, pcnh3, ptstep, &
3878                        zj3n3, zxsa, zxocnv )
3879    ENDIF
3880!
3881!-- Condensation on pre-existing particles
3882    IF ( lscndgas )  THEN
3883!
3884!--    Initialise:
3885       zdvolsa = 0.0_wp 
3886       zdvoloc = 0.0_wp
3887       zcolrate = 0.0_wp
3888!             
3889!--    1) Properties of air and condensing gases:
3890!--    Viscosity of air (kg/(m s)) (Eq. 4.54 in Jabonson (2005))
3891       zvisc = ( 7.44523E-3_wp * ptemp ** 1.5_wp ) / ( 5093.0_wp *             &
3892                 ( ptemp + 110.4_wp ) )
3893!--    Diffusion coefficient of air (m2/s)
3894       zdfvap = 5.1111E-10_wp * ptemp ** 1.75_wp * ( p_0 + 1325.0_wp ) / ppres
3895!--    Mean free path (m): same for H2SO4 and organic compounds
3896       zmfp = 3.0_wp * zdfvap * SQRT( pi * amh2so4 / ( 8.0_wp * argas * ptemp ) )
3897!                   
3898!--    2) Transition regime correction factor zbeta for particles:
3899!--       Fuchs and Sutugin (1971), In: Hidy et al. (ed.) Topics in current
3900!--       aerosol research, Pergamon. Size of condensing molecule considered 
3901!--       only for nucleation mode (3 - 20 nm)
3902!
3903!--    Particle Knudsen number: condensation of gases on aerosols
3904       zknud(in1a:in1a+1) = 2.0_wp * zmfp / ( paero(in1a:in1a+1)%dwet + d_sa )
3905       zknud(in1a+2:fn2b) = 2.0_wp * zmfp / paero(in1a+2:fn2b)%dwet
3906!   
3907!--    Transitional correction factor: aerosol + gas (the semi-empirical Fuchs-
3908!--    Sutugin interpolation function (Fuchs and Sutugin, 1971))
3909       zbeta = ( zknud + 1.0_wp ) / ( 0.377_wp * zknud + 1.0_wp + 4.0_wp /     &
3910               ( 3.0_wp * massacc ) * ( zknud + zknud ** 2.0_wp ) )
3911!                   
3912!--    3) Collision rate of molecules to particles
3913!--       Particle diffusion coefficient considered only for nucleation mode
3914!--       (3 - 20 nm)
3915!
3916!--    Particle diffusion coefficient (m2/s) (e.g. Eq. 15.29 in Jacobson (2005))
3917       zdfpart = abo * ptemp * zbeta(in1a:in1a+1) / ( 3.0_wp * pi * zvisc *    &
3918                 paero(in1a:in1a+1)%dwet )
3919!             
3920!--    Collision rate (mass-transfer coefficient): gases on aerosols (1/s)
3921!--    (Eq. 16.64 in Jacobson (2005))
3922       zcolrate(in1a:in1a+1) = MERGE( 2.0_wp * pi *                            &
3923                                      ( paero(in1a:in1a+1)%dwet + d_sa ) *     &
3924                                      ( zdfvap + zdfpart ) * zbeta(in1a:in1a+1)& 
3925                                        * paero(in1a:in1a+1)%numc, 0.0_wp,     &
3926                                      paero(in1a:in1a+1)%numc > nclim )
3927       zcolrate(in1a+2:fn2b) = MERGE( 2.0_wp * pi * paero(in1a+2:fn2b)%dwet *  &
3928                                      zdfvap * zbeta(in1a+2:fn2b) *            &
3929                                      paero(in1a+2:fn2b)%numc, 0.0_wp,         &
3930                                      paero(in1a+2:fn2b)%numc > nclim )
3931!                 
3932!-- 4) Condensation sink (1/s)
3933       zcs_tot = SUM( zcolrate )   ! total sink
3934!
3935!--    5) Changes in gas-phase concentrations and particle volume
3936!
3937!--    5.1) Organic vapours
3938!
3939!--    5.1.1) Non-volatile organic compound: condenses onto all bins
3940       IF ( pcocnv > 1.0E+10_wp  .AND.  zcs_tot > 1.0E-30_wp  .AND.            &
3941            is_used( prtcl,'OC' ) )                                            &
3942       THEN
3943!--       Ratio of nucleation vs. condensation rates in the smallest bin   
3944          zn_vs_c = 0.0_wp 
3945          IF ( zj3n3(2) > 1.0_wp )  THEN
3946             zn_vs_c = ( zj3n3(2) ) / ( zj3n3(2) + pcocnv * zcolrate(in1a) )
3947          ENDIF
3948!       
3949!--       Collision rate in the smallest bin, including nucleation and
3950!--       condensation(see Jacobson, Fundamentals of Atmospheric Modeling, 2nd
3951!--       Edition (2005), equation (16.73) )
3952          zcolrate_ocnv = zcolrate
3953          zcolrate_ocnv(in1a) = zcolrate_ocnv(in1a) + zj3n3(2) / pcocnv
3954!       
3955!--       Total sink for organic vapor
3956          zcs_ocnv = zcs_tot + zj3n3(2) / pcocnv
3957!       
3958!--       New gas phase concentration (#/m3)
3959          zcvap_new2 = pcocnv / ( 1.0_wp + ptstep * zcs_ocnv )
3960!       
3961!--       Change in gas concentration (#/m3)
3962          zdvap2 = pcocnv - zcvap_new2
3963!
3964!--       Updated vapour concentration (#/m3)               
3965          pcocnv = zcvap_new2
3966!       
3967!--       Volume change of particles (m3(OC)/m3(air))
3968          zdvoloc = zcolrate_ocnv(in1a:fn2b) / zcs_ocnv * amvoc * zdvap2
3969!       
3970!--       Change of volume due to condensation in 1a-2b
3971          paero(in1a:fn2b)%volc(2) = paero(in1a:fn2b)%volc(2) + zdvoloc 
3972!       
3973!--       Change of number concentration in the smallest bin caused by
3974!--       nucleation (Jacobson (2005), equation (16.75)). If zxocnv = 0, then 
3975!--       the chosen nucleation mechanism doesn't take into account the non-
3976!--       volatile organic vapors and thus the paero doesn't have to be updated.
3977          IF ( zxocnv > 0.0_wp )  THEN
3978             paero(in1a)%numc = paero(in1a)%numc + zn_vs_c * zdvoloc(in1a) /   &
3979                                amvoc / ( n3 * zxocnv )
3980          ENDIF
3981       ENDIF
3982!   
3983!--    5.1.2) Semivolatile organic compound: all bins except subrange 1
3984       zcs_ocsv = SUM( zcolrate(in2a:fn2b) ) !< sink for semi-volatile organics
3985       IF ( pcocsv > 1.0E+10_wp  .AND.  zcs_ocsv > 1.0E-30  .AND.              &
3986            is_used( prtcl,'OC') )                                             &
3987       THEN
3988!
3989!--       New gas phase concentration (#/m3)
3990          zcvap_new3 = pcocsv / ( 1.0_wp + ptstep * zcs_ocsv )
3991!       
3992!--       Change in gas concentration (#/m3)
3993          zdvap3 = pcocsv - zcvap_new3
3994!       
3995!--       Updated gas concentration (#/m3)               
3996          pcocsv = zcvap_new3
3997!       
3998!--       Volume change of particles (m3(OC)/m3(air))
3999          zdvoloc(in2a:fn2b) = zdvoloc(in2a:fn2b) + zcolrate(in2a:fn2b) /      &
4000                               zcs_ocsv * amvoc * zdvap3
4001!                           
4002!--       Change of volume due to condensation in 1a-2b
4003          paero(in1a:fn2b)%volc(2) = paero(in1a:fn2b)%volc(2) + zdvoloc
4004       ENDIF
4005!
4006!-- 5.2) Sulphate: condensed on all bins
4007       IF ( pcsa > 1.0E+10_wp  .AND.  zcs_tot > 1.0E-30_wp  .AND.              &
4008            is_used( prtcl,'SO4' ) )                                           &
4009       THEN
4010!   
4011!--    Ratio of mass transfer between nucleation and condensation
4012          zn_vs_c = 0.0_wp
4013          IF ( zj3n3(1) > 1.0_wp )  THEN
4014             zn_vs_c = ( zj3n3(1) ) / ( zj3n3(1) + pcsa * zcolrate(in1a) )
4015          ENDIF
4016!       
4017!--       Collision rate in the smallest bin, including nucleation and
4018!--       condensation (see Jacobson, Fundamentals of Atmospheric Modeling, 2nd
4019!--       Edition (2005), equation (16.73))
4020          zcolrate(in1a) = zcolrate(in1a) + zj3n3(1) / pcsa     
4021!       
4022!--       Total sink for sulfate (1/s)
4023          zcs_su = zcs_tot + zj3n3(1) / pcsa
4024!       
4025!--       Sulphuric acid:
4026!--       New gas phase concentration (#/m3)
4027          zcvap_new1 = pcsa / ( 1.0_wp + ptstep * zcs_su )
4028!       
4029!--       Change in gas concentration (#/m3)
4030          zdvap1 = pcsa - zcvap_new1
4031!       
4032!--       Updating vapour concentration (#/m3)
4033          pcsa = zcvap_new1
4034!       
4035!--       Volume change of particles (m3(SO4)/m3(air)) by condensation
4036          zdvolsa = zcolrate(in1a:fn2b) / zcs_su * amvh2so4 * zdvap1
4037!--       For validation: zdvolsa = 5.5 mum3/cm3 per 12 h       
4038       !   zdvolsa = zdvolsa / SUM( zdvolsa ) * 5.5E-12_wp * dt_salsa / 43200.0_wp 
4039          !0.3E-12_wp, 0.6E-12_wp, 11.0E-12_wp, 4.6E-12_wp, 9.2E-12_wp   
4040!       
4041!--       Change of volume concentration of sulphate in aerosol [fxm]
4042          paero(in1a:fn2b)%volc(1) = paero(in1a:fn2b)%volc(1) + zdvolsa
4043!       
4044!--       Change of number concentration in the smallest bin caused by nucleation
4045!--       (Jacobson (2005), equation (16.75))
4046          IF ( zxsa > 0.0_wp )  THEN
4047             paero(in1a)%numc = paero(in1a)%numc + zn_vs_c * zdvolsa(in1a) /   &
4048                                amvh2so4 / ( n3 * zxsa )
4049          ENDIF
4050       ENDIF
4051    ENDIF
4052!
4053!
4054!-- Condensation of water vapour
4055    IF ( lscndh2oae )  THEN
4056       CALL gpparth2o( paero, ptemp, ppres, pcs, pcw, ptstep )
4057    ENDIF
4058!   
4059!
4060!-- Partitioning of H2O, HNO3, and NH3: Dissolutional growth
4061    IF ( lscndgas  .AND.  ino > 0  .AND.  inh > 0  .AND.                       &
4062         ( pchno3 > 1.0E+10_wp  .OR.  pcnh3 > 1.0E+10_wp ) )                   &
4063    THEN
4064       CALL gpparthno3( ppres, ptemp, paero, pchno3, pcnh3, pcw, pcs, zbeta,   &
4065                        ptstep )
4066    ENDIF
4067   
4068 END SUBROUTINE condensation
4069 
4070!------------------------------------------------------------------------------!
4071! Description:
4072! ------------
4073!> Calculates the particle number and volume increase, and gas-phase
4074!> concentration decrease due to nucleation subsequent growth to detectable size
4075!> of 3 nm.
4076!
4077!> Method:
4078!> When the formed clusters grow by condensation (possibly also by self-
4079!> coagulation), their number is reduced due to scavenging to pre-existing
4080!> particles. Thus, the apparent nucleation rate at 3 nm is significantly lower
4081!> than the real nucleation rate (at ~1 nm).
4082!
4083!> Calculation of the formation rate of detectable particles at 3 nm (i.e. J3):
4084!> nj3 = 1: Kerminen, V.-M. and Kulmala, M. (2002), J. Aerosol Sci.,33, 609-622.
4085!> nj3 = 2: Lehtinen et al. (2007), J. Aerosol Sci., 38(9), 988-994.
4086!> nj3 = 3: Anttila et al. (2010), J. Aerosol Sci., 41(7), 621-636.
4087!
4088!> Called from subroutine condensation (in module salsa_dynamics_mod.f90)
4089!
4090!> Calls one of the following subroutines:
4091!>  - binnucl
4092!>  - ternucl
4093!>  - kinnucl
4094!>  - actnucl
4095!
4096!> fxm: currently only sulphuric acid grows particles from 1 to 3 nm
4097!>  (if asked from Markku, this is terribly wrong!!!)
4098!
4099!> Coded by:
4100!> Hannele Korhonen (FMI) 2005
4101!> Harri Kokkola (FMI) 2006
4102!> Matti Niskanen(FMI) 2012
4103!> Anton Laakso  (FMI) 2013
4104!------------------------------------------------------------------------------!
4105
4106 SUBROUTINE nucleation( paero, ptemp, prh, ppres, pcsa, pcocnv, pcnh3, ptstep, &
4107                        pj3n3, pxsa, pxocnv )
4108    IMPLICIT NONE
4109!       
4110!-- Input and output variables
4111    REAL(wp), INTENT(in) ::  pcnh3    !< ammonia concentration (#/m3)
4112    REAL(wp), INTENT(in) ::  pcocnv   !< conc. of non-volatile OC (#/m3)     
4113    REAL(wp), INTENT(in) ::  pcsa     !< sulphuric acid conc. (#/m3)
4114    REAL(wp), INTENT(in) ::  ppres    !< ambient air pressure (Pa)
4115    REAL(wp), INTENT(in) ::  prh      !< ambient rel. humidity [0-1]       
4116    REAL(wp), INTENT(in) ::  ptemp    !< ambient temperature (K)
4117    REAL(wp), INTENT(in) ::  ptstep   !< time step (s) of SALSA
4118    TYPE(t_section), INTENT(inout) ::  paero(fn2b) !< aerosol properties                                                 
4119    REAL(wp), INTENT(inout) ::  pj3n3(2) !< formation mass rate of molecules
4120                                         !< (molec/m3s) for 1: H2SO4 and
4121                                         !< 2: organic vapour
4122    REAL(wp), INTENT(out) ::  pxocnv !< ratio of non-volatile organic vapours in
4123                                     !< 3nm aerosol particles
4124    REAL(wp), INTENT(out) ::  pxsa   !< ratio of H2SO4 in 3nm aerosol particles
4125!-- Local variables
4126    INTEGER(iwp) ::  iteration
4127    REAL(wp) ::  zbeta(fn2b)  !< transitional correction factor                                         
4128    REAL(wp) ::  zc_h2so4     !< H2SO4 conc. (#/cm3) !UNITS!
4129    REAL(wp) ::  zc_org       !< organic vapour conc. (#/cm3)
4130    REAL(wp) ::  zCoagStot    !< total losses due to coagulation, including
4131                              !< condensation and self-coagulation       
4132    REAL(wp) ::  zcocnv_local !< organic vapour conc. (#/m3)
4133    REAL(wp) ::  zcsink       !< condensational sink (#/m2)       
4134    REAL(wp) ::  zcsa_local   !< H2SO4 conc. (#/m3)       
4135    REAL(wp) ::  zdcrit       !< diameter of critical cluster (m)
4136    REAL(wp) ::  zdelta_vap   !< change of H2SO4 and organic vapour
4137                              !< concentration (#/m3)       
4138    REAL(wp) ::  zdfvap       !< air diffusion coefficient (m2/s)
4139    REAL(wp) ::  zdmean       !< mean diameter of existing particles (m)
4140    REAL(wp) ::  zeta         !< constant: proportional to ratio of CS/GR (m)
4141                              !< (condensation sink / growth rate)                                   
4142    REAL(wp) ::  zgamma       !< proportionality factor ((nm2*m2)/h)                                       
4143    REAL(wp) ::  zGRclust     !< growth rate of formed clusters (nm/h)
4144    REAL(wp) ::  zGRtot       !< total growth rate       
4145    REAL(wp) ::  zj3          !< number conc. of formed 3nm particles (#/m3)       
4146    REAL(wp) ::  zjnuc        !< nucleation rate at ~1nm (#/m3s)
4147    REAL(wp) ::  zKeff        !< effective cogulation coefficient between
4148                              !< freshly nucleated particles       
4149    REAL(wp) ::  zknud(fn2b)  !< particle Knudsen number       
4150    REAL(wp) ::  zkocnv       !< lever: zkocnv=1 --> organic compounds involved
4151                              !< in nucleation   
4152    REAL(wp) ::  zksa         !< lever: zksa=1 --> H2SO4 involved in nucleation
4153    REAL(wp) ::  zlambda      !< parameter for adjusting the growth rate due to
4154                              !< self-coagulation                                 
4155    REAL(wp) ::  zmfp         !< mean free path of condesing vapour(m)                                       
4156    REAL(wp) ::  zmixnh3      !< ammonia mixing ratio (ppt)
4157    REAL(wp) ::  zNnuc        !< number of clusters/particles at the size range
4158                              !< d1-dx (#/m3) 
4159    REAL(wp) ::  znoc         !< number of organic molecules in critical cluster
4160    REAL(wp) ::  znsa         !< number of H2SO4 molecules in critical cluster                                           
4161!
4162!-- Variable determined for the m-parameter
4163    REAL(wp) ::  zCc_2(fn2b) !<
4164    REAL(wp) ::  zCc_c !<
4165    REAL(wp) ::  zCc_x !<
4166    REAL(wp) ::  zCoagS_c !<
4167    REAL(wp) ::  zCoagS_x !<
4168    REAL(wp) ::  zcv_2(fn2b) !<
4169    REAL(wp) ::  zcv_c !<
4170    REAL(wp) ::  zcv_c2(fn2b) !<
4171    REAL(wp) ::  zcv_x !<
4172    REAL(wp) ::  zcv_x2(fn2b) !<
4173    REAL(wp) ::  zDc_2(fn2b) !<
4174    REAL(wp) ::  zDc_c(fn2b) !<
4175    REAL(wp) ::  zDc_c2(fn2b) !<
4176    REAL(wp) ::  zDc_x(fn2b) !<
4177    REAL(wp) ::  zDc_x2(fn2b) !<
4178    REAL(wp) ::  zgammaF_2(fn2b) !<
4179    REAL(wp) ::  zgammaF_c(fn2b) !<
4180    REAL(wp) ::  zgammaF_x(fn2b) !<
4181    REAL(wp) ::  zK_c2(fn2b) !<
4182    REAL(wp) ::  zK_x2(fn2b) !<
4183    REAL(wp) ::  zknud_2(fn2b) !<
4184    REAL(wp) ::  zknud_c !<
4185    REAL(wp) ::  zknud_x !<       
4186    REAL(wp) ::  zm_2(fn2b) !<
4187    REAL(wp) ::  zm_c !<
4188    REAL(wp) ::  zm_para !<
4189    REAL(wp) ::  zm_x !<
4190    REAL(wp) ::  zmyy !<
4191    REAL(wp) ::  zomega_2c(fn2b) !<
4192    REAL(wp) ::  zomega_2x(fn2b) !<
4193    REAL(wp) ::  zomega_c(fn2b) !<
4194    REAL(wp) ::  zomega_x(fn2b) !<
4195    REAL(wp) ::  zRc2(fn2b) !<
4196    REAL(wp) ::  zRx2(fn2b) !<
4197    REAL(wp) ::  zsigma_c2(fn2b) !<
4198    REAL(wp) ::  zsigma_x2(fn2b) !<
4199!
4200!-- 1) Nucleation rate (zjnuc) and diameter of critical cluster (zdcrit)
4201    zjnuc  = 0.0_wp
4202    znsa   = 0.0_wp
4203    znoc   = 0.0_wp
4204    zdcrit = 0.0_wp
4205    zksa   = 0.0_wp
4206    zkocnv = 0.0_wp
4207   
4208    SELECT CASE ( nsnucl )
4209   
4210    CASE(1)   ! Binary H2SO4-H2O nucleation
4211       
4212       zc_h2so4 = pcsa * 1.0E-6_wp   ! sulphuric acid conc. to #/cm3
4213       CALL binnucl( zc_h2so4, ptemp, prh, zjnuc, znsa, znoc, zdcrit,  zksa, &
4214                     zkocnv )     
4215   
4216    CASE(2)   ! Activation type nucleation
4217   
4218       zc_h2so4 = pcsa * 1.0E-6_wp   ! sulphuric acid conc. to #/cm3
4219       CALL binnucl( zc_h2so4, ptemp, prh, zjnuc, znsa,  znoc, zdcrit, zksa,  &
4220                     zkocnv )
4221       CALL actnucl( pcsa, zjnuc, zdcrit, znsa, znoc, zksa, zkocnv, act_coeff )
4222   
4223    CASE(3)   ! Kinetically limited nucleation of (NH4)HSO4 clusters
4224       
4225       zc_h2so4 = pcsa * 1.0E-6_wp   ! sulphuric acid conc. to #/cm3
4226       CALL binnucl( zc_h2so4, ptemp, prh, zjnuc, znsa, znoc, zdcrit, zksa,    &
4227                     zkocnv )
4228
4229       CALL kinnucl( zc_h2so4, zjnuc, zdcrit, znsa, znoc, zksa, zkocnv )
4230   
4231    CASE(4)   ! Ternary H2SO4-H2O-NH3 nucleation
4232   
4233       zmixnh3 = pcnh3 * ptemp * argas / ( ppres * avo )
4234       zc_h2so4 = pcsa * 1.0E-6_wp   ! sulphuric acid conc. to #/cm3
4235       CALL ternucl( zc_h2so4, zmixnh3, ptemp, prh, zjnuc, znsa, znoc, zdcrit, &
4236                     zksa, zkocnv ) 
4237   
4238    CASE(5)   ! Organic nucleation, J~[ORG] or J~[ORG]**2
4239   
4240       zc_org = pcocnv * 1.0E-6_wp   ! conc. of non-volatile OC to #/cm3
4241       zc_h2so4 = pcsa * 1.0E-6_wp   ! sulphuric acid conc. to #/cm3
4242       CALL binnucl( zc_h2so4, ptemp, prh, zjnuc, znsa, znoc, zdcrit, zksa,    &
4243                     zkocnv ) 
4244       CALL orgnucl( pcocnv, zjnuc, zdcrit, znsa, znoc, zksa, zkocnv )
4245   
4246    CASE(6)   ! Sum of H2SO4 and organic activation type nucleation,
4247              ! J~[H2SO4]+[ORG]
4248       
4249       zc_h2so4 = pcsa * 1.0E-6_wp   ! sulphuric acid conc. to #/cm3
4250       CALL binnucl( zc_h2so4, ptemp, prh, zjnuc, znsa, znoc, zdcrit, zksa,    &
4251                     zkocnv ) 
4252       CALL sumnucl( pcsa, pcocnv, zjnuc, zdcrit, znsa, znoc, zksa, zkocnv )
4253
4254           
4255    CASE(7)   ! Heteromolecular nucleation, J~[H2SO4]*[ORG]
4256       
4257       zc_h2so4 = pcsa * 1.0E-6_wp   ! sulphuric acid conc. to #/cm3
4258       zc_org = pcocnv * 1.0E-6_wp   ! conc. of non-volatile OC to #/cm3
4259       CALL binnucl( zc_h2so4, ptemp, prh, zjnuc, znsa, znoc, zdcrit, zksa,    &
4260                     zkocnv ) 
4261       CALL hetnucl( zc_h2so4, zc_org, zjnuc, zdcrit, znsa, znoc, zksa, zkocnv )
4262   
4263    CASE(8)   ! Homomolecular nucleation of H2SO4 and heteromolecular
4264              ! nucleation of H2SO4 and organic vapour,
4265              ! J~[H2SO4]**2 + [H2SO4]*[ORG] (EUCAARI project)
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       CALL SAnucl( zc_h2so4, zc_org, zjnuc, zdcrit, znsa, znoc, zksa, zkocnv )
4271   
4272    CASE(9)   ! Homomolecular nucleation of H2SO4 and organic vapour and
4273              ! heteromolecular nucleation of H2SO4 and organic vapour,
4274              ! J~[H2SO4]**2 + [H2SO4]*[ORG]+[ORG]**2 (EUCAARI project)
4275   
4276       zc_h2so4 = pcsa * 1.0E-6_wp   ! sulphuric acid conc. to #/cm3
4277       zc_org = pcocnv * 1.0E-6_wp   ! conc. of non-volatile OC to #/cm3
4278       CALL binnucl( zc_h2so4, ptemp, prh, zjnuc, znsa, znoc, zdcrit, zksa,    &
4279                     zkocnv ) 
4280
4281       CALL SAORGnucl( zc_h2so4, zc_org, zjnuc, zdcrit, znsa, znoc, zksa,      &
4282                       zkocnv )
4283    END SELECT
4284   
4285    zcsa_local = pcsa
4286    zcocnv_local = pcocnv
4287!
4288!-- 2) Change of particle and gas concentrations due to nucleation
4289!         
4290!-- 2.1) Check that there is enough H2SO4 and organic vapour to produce the
4291!--      nucleation 
4292    IF ( nsnucl <= 4 )  THEN 
4293!--    If the chosen nucleation scheme is 1-4, nucleation occurs only due to
4294!--    H2SO4. All of the total vapour concentration that is taking part to the
4295!--    nucleation is there for sulphuric acid (sa = H2SO4) and non-volatile
4296!--    organic vapour is zero.
4297       pxsa   = 1.0_wp   ! ratio of sulphuric acid in 3nm particles
4298       pxocnv = 0.0_wp   ! ratio of non-volatile origanic vapour
4299                                ! in 3nm particles
4300    ELSEIF ( nsnucl > 4 )  THEN
4301!--    If the chosen nucleation scheme is 5-9, nucleation occurs due to organic
4302!--    vapour or the combination of organic vapour and H2SO4. The number of
4303!--    needed molecules depends on the chosen nucleation type and it has an
4304!--    effect also on the minimum ratio of the molecules present.
4305       IF ( pcsa * znsa + pcocnv * znoc < 1.E-14_wp )  THEN
4306          pxsa   = 0.0_wp
4307          pxocnv = 0.0_wp             
4308       ELSE
4309          pxsa   = pcsa * znsa / ( pcsa * znsa + pcocnv * znoc ) 
4310          pxocnv = pcocnv * znoc / ( pcsa * znsa + pcocnv * znoc )
4311       ENDIF 
4312    ENDIF
4313!   
4314!-- The change in total vapour concentration is the sum of the concentrations
4315!-- of the vapours taking part to the nucleation (depends on the chosen
4316!-- nucleation scheme)
4317    zdelta_vap = MIN( zjnuc * ( znoc + znsa ), ( pcocnv * zkocnv + pcsa *      &
4318                      zksa ) / ptstep ) 
4319!                     
4320!-- Nucleation rate J at ~1nm (#/m3s)                           
4321    zjnuc = zdelta_vap / ( znoc + znsa )
4322!   
4323!-- H2SO4 concentration after nucleation in #/m3           
4324    zcsa_local = MAX( 1.0_wp, pcsa - zdelta_vap * pxsa ) 
4325!   
4326!-- Non-volative organic vapour concentration after nucleation (#/m3)
4327    zcocnv_local = MAX( 1.0_wp, pcocnv - zdelta_vap * pxocnv )
4328!
4329!-- 2.2) Formation rate of 3 nm particles (Kerminen & Kulmala, 2002)
4330!
4331!-- 2.2.1) Growth rate of clusters formed by H2SO4
4332!
4333!-- GR = 3.0e-15 / dens_clus * sum( molecspeed * molarmass * conc )
4334
4335!-- dens_clus  = density of the clusters (here 1830 kg/m3)
4336!-- molarmass  = molar mass of condensing species (here 98.08 g/mol)
4337!-- conc       = concentration of condensing species [#/m3]
4338!-- molecspeed = molecular speed of condensing species [m/s]
4339!--            = sqrt( 8.0 * R * ptemp / ( pi * molarmass ) )
4340!-- (Seinfeld & Pandis, 1998)
4341!
4342!-- Growth rate by H2SO4 and organic vapour in nm/h (Eq. 21)
4343    zGRclust = 2.3623E-15_wp * SQRT( ptemp ) * ( zcsa_local + zcocnv_local )
4344!   
4345!-- 2.2.2) Condensational sink of pre-existing particle population
4346!
4347!-- Diffusion coefficient (m2/s)
4348    zdfvap = 5.1111E-10_wp * ptemp ** 1.75_wp * ( p_0 + 1325.0_wp ) / ppres
4349!-- Mean free path of condensing vapour (m) (Jacobson (2005), Eq. 15.25 and
4350!-- 16.29)
4351    zmfp = 3.0_wp * zdfvap * SQRT( pi * amh2so4 / ( 8.0_wp * argas * ptemp ) )
4352!-- Knudsen number           
4353    zknud = 2.0_wp * zmfp / ( paero(:)%dwet + d_sa )                     
4354!-- Transitional regime correction factor (zbeta) according to Fuchs and
4355!-- Sutugin (1971), In: Hidy et al. (ed.), Topics in current  aerosol research,
4356!-- Pergamon. (Eq. 4 in Kerminen and Kulmala, 2002)
4357    zbeta = ( zknud + 1.0_wp) / ( 0.377_wp * zknud + 1.0_wp + 4.0_wp /         &
4358            ( 3.0_wp * massacc ) * ( zknud + zknud ** 2 ) ) 
4359!-- Condensational sink (#/m2) (Eq. 3)
4360    zcsink = SUM( paero(:)%dwet * zbeta * paero(:)%numc )
4361!
4362!-- Parameterised formation rate of detectable 3 nm particles (i.e. J3)
4363    IF ( nj3 == 1 )  THEN   ! Kerminen and Kulmala (2002)
4364!--    2.2.3) Parameterised formation rate of detectable 3 nm particles
4365!--    Constants needed for the parameterisation:
4366!--    dapp = 3 nm and dens_nuc = 1830 kg/m3
4367       IF ( zcsink < 1.0E-30_wp )  THEN
4368          zeta = 0._dp
4369       ELSE
4370!--       Mean diameter of backgroud population (nm)
4371          zdmean = 1.0_wp / SUM( paero(:)%numc ) * SUM( paero(:)%numc *        &
4372                   paero(:)%dwet ) * 1.0E+9_wp
4373!--       Proportionality factor (nm2*m2/h) (Eq. 22)
4374          zgamma = 0.23_wp * ( zdcrit * 1.0E+9_wp ) ** 0.2_wp * ( zdmean /     &
4375                 150.0_wp ) ** 0.048_wp * ( ptemp / 293.0_wp ) ** ( -0.75_wp ) &
4376                 * ( arhoh2so4 / 1000.0_wp ) ** ( -0.33_wp )
4377!--       Factor eta (nm) (Eq. 11)
4378          zeta = MIN( zgamma * zcsink / zGRclust, zdcrit * 1.0E11_wp ) 
4379       ENDIF
4380!       
4381!--    Number conc. of clusters surviving to 3 nm in a time step (#/m3) (Eq.14)
4382       zj3 = zjnuc * EXP( MIN( 0.0_wp, zeta / 3.0_wp - zeta /                  &
4383                               ( zdcrit * 1.0E9_wp ) ) )                   
4384
4385    ELSEIF ( nj3 > 1 )  THEN
4386!--    Defining the value for zm_para. The growth is investigated between
4387!--    [d1,reglim(1)] = [zdcrit,3nm]   
4388!--    m = LOG( CoagS_dx / CoagX_zdcrit ) / LOG( reglim / zdcrit )
4389!--    (Lehtinen et al. 2007, Eq. 5)
4390!--    The steps for the coagulation sink for reglim = 3nm and zdcrit ~= 1nm are
4391!--    explained in article of Kulmala et al. (2001). The particles of diameter
4392!--    zdcrit ~1.14 nm  and reglim = 3nm are both in turn the "number 1"
4393!--    variables (Kulmala et al. 2001).             
4394!--    c = critical (1nm), x = 3nm, 2 = wet or mean droplet
4395!--    Sum of the radii, R12 = R1 + zR2 (m) of two particles 1 and 2
4396       zRc2 = zdcrit / 2.0_wp + paero(:)%dwet / 2.0_wp
4397       zRx2 = reglim(1) / 2.0_wp + paero(:)%dwet / 2.0_wp
4398!       
4399!--    The mass of particle (kg) (comes only from H2SO4)
4400       zm_c = 4.0_wp / 3.0_wp * pi * ( zdcrit / 2.0_wp ) ** 3.0_wp * arhoh2so4                     
4401       zm_x = 4.0_wp / 3.0_wp * pi * ( reglim(1) / 2.0_wp ) ** 3.0_wp *        &
4402              arhoh2so4                 
4403       zm_2 = 4.0_wp / 3.0_wp * pi * ( paero(:)%dwet / 2.0_wp )** 3.0_wp *     &
4404              arhoh2so4
4405!             
4406!--    Mean relative thermal velocity between the particles (m/s)
4407       zcv_c = SQRT( 8.0_wp * abo * ptemp / ( pi * zm_c ) )
4408       zcv_x = SQRT( 8.0_wp * abo * ptemp / ( pi * zm_x ) )
4409       zcv_2 = SQRT( 8.0_wp * abo * ptemp / ( pi * zm_2 ) )
4410!       
4411!--    Average velocity after coagulation               
4412       zcv_c2 = SQRT( zcv_c ** 2.0_wp + zcv_2 ** 2.0_wp )
4413       zcv_x2 = SQRT( zcv_x ** 2.0_wp + zcv_2 ** 2.0_wp )
4414!       
4415!--    Knudsen number (zmfp = mean free path of condensing vapour)
4416       zknud_c = 2.0_wp * zmfp / zdcrit
4417       zknud_x = 2.0_wp * zmfp / reglim(1)
4418       zknud_2 = MAX( 0.0_wp, 2.0_wp * zmfp / paero(:)%dwet )
4419!
4420!--    Cunningham correction factor               
4421       zCc_c = 1.0_wp + zknud_c * ( 1.142_wp + 0.558_wp *                      &
4422               EXP( -0.999_wp / zknud_c ) ) 
4423       zCc_x = 1.0_wp + zknud_x * ( 1.142_wp + 0.558_wp *                      &
4424               EXP( -0.999_wp / zknud_x ) )
4425       zCc_2 = 1.0_wp + zknud_2 * ( 1.142_wp + 0.558_wp *                      &
4426               EXP( -0.999_wp / zknud_2 ) )
4427!                     
4428!--    Gas dynamic viscosity (N*s/m2).
4429!--    Viscocity(air @20C) = 1.81e-5_dp N/m2 *s (Hinds, p. 25)                     
4430       zmyy = 1.81E-5_wp * ( ptemp / 293.0_wp) ** ( 0.74_wp ) 
4431!       
4432!--    Particle diffusion coefficient (m2/s)               
4433       zDc_c = abo * ptemp * zCc_c / ( 3.0_wp * pi * zmyy * zdcrit ) 
4434       zDc_x = abo * ptemp * zCc_x / ( 3.0_wp * pi * zmyy * reglim(1) )
4435       zDc_2 = abo * ptemp * zCc_2 / ( 3.0_wp * pi * zmyy * paero(:)%dwet )
4436!       
4437!--    D12 = D1+D2 (Seinfield and Pandis, 2nd ed. Eq. 13.38)
4438       zDc_c2 = zDc_c + zDc_2   
4439       zDc_x2 = zDc_x + zDc_2
4440!       
4441!--    zgammaF = 8*D/pi/zcv (m) for calculating zomega
4442       zgammaF_c = 8.0_wp * zDc_c / pi / zcv_c
4443       zgammaF_x = 8.0_wp * zDc_x / pi / zcv_x
4444       zgammaF_2 = 8.0_wp * zDc_2 / pi / zcv_2
4445!       
4446!--    zomega (m) for calculating zsigma             
4447       zomega_c = ( ( zRc2 + zgammaF_c ) ** 3 - ( zRc2 ** 2 +                  &
4448                      zgammaF_c ) ** ( 3.0_wp / 2.0_wp ) ) / ( 3.0_wp *        &
4449                      zRc2 * zgammaF_c ) - zRc2 
4450       zomega_x = ( ( zRx2 + zgammaF_x ) ** 3.0_wp - ( zRx2 ** 2.0_wp +        &
4451                      zgammaF_x ) ** ( 3.0_wp / 2.0_wp ) ) / ( 3.0_wp *        &
4452                      zRx2 * zgammaF_x ) - zRx2
4453       zomega_2c = ( ( zRc2 + zgammaF_2 ) ** 3.0_wp - ( zRc2 ** 2.0_wp +       &
4454                       zgammaF_2 ) ** ( 3.0_wp / 2.0_wp ) ) / ( 3.0_wp *       &
4455                       zRc2 * zgammaF_2 ) - zRc2
4456       zomega_2x = ( ( zRx2 + zgammaF_2 ) ** 3.0_wp - ( zRx2 ** 2.0_wp +       &
4457                       zgammaF_2 ) ** ( 3.0_wp / 2.0_wp ) ) / ( 3.0_wp *       &
4458                       zRx2 * zgammaF_2 ) - zRx2
4459!                       
4460!--    The distance (m) at which the two fluxes are matched (condensation and
4461!--    coagulation sinks?)           
4462       zsigma_c2 = SQRT( zomega_c ** 2.0_wp + zomega_2c ** 2.0_wp ) 
4463       zsigma_x2 = SQRT( zomega_x ** 2.0_wp + zomega_2x ** 2.0_wp ) 
4464!       
4465!--    Coagulation coefficient in the continuum regime (m*m2/s)
4466       zK_c2 = 4.0_wp * pi * zRc2 * zDc_c2 / ( zRc2 / ( zRc2 + zsigma_c2 ) +   &
4467               4.0_wp * zDc_c2 / ( zcv_c2 * zRc2 ) ) 
4468       zK_x2 = 4.0_wp * pi * zRx2 * zDc_x2 / ( zRx2 / ( zRx2 + zsigma_x2 ) +   &
4469               4.0_wp * zDc_x2 / ( zcv_x2 * zRx2 ) )
4470!               
4471!--    Coagulation sink (1/s)
4472       zCoagS_c = MAX( 1.0E-20_wp, SUM( zK_c2 * paero(:)%numc ) )         
4473       zCoagS_x = MAX( 1.0E-20_wp, SUM( zK_x2 * paero(:)%numc ) ) 
4474!       
4475!--    Parameter m for calculating the coagulation sink onto background
4476!--    particles (Eq. 5&6 in Lehtinen et al. 2007)             
4477       zm_para = LOG( zCoagS_x / zCoagS_c ) / LOG( reglim(1) / zdcrit )
4478!       
4479!--    Parameter gamma for calculating the formation rate J of particles having
4480!--    a diameter zdcrit < d < reglim(1) (Anttila et al. 2010, eq. 5)
4481       zgamma = ( ( ( reglim(1) / zdcrit ) ** ( zm_para + 1.0_wp ) ) - 1.0_wp )&
4482                / ( zm_para + 1.0_wp )     
4483               
4484       IF ( nj3 == 2 )  THEN   ! Coagulation sink
4485!       
4486!--       Formation rate J before iteration (#/m3s)               
4487          zj3 = zjnuc * EXP( MIN( 0.0_wp, -zgamma * zdcrit * zCoagS_c /        &
4488                ( zGRclust * 1.0E-9_wp / ( 60.0_wp ** 2.0_wp ) ) ) )
4489               
4490       ELSEIF ( nj3 == 3 )  THEN  ! Coagulation sink and self-coag.
4491!--       IF polluted air... then the self-coagulation becomes important.
4492!--       Self-coagulation of small particles < 3 nm.
4493!
4494!--       "Effective" coagulation coefficient between freshly-nucleated
4495!--       particles:
4496          zKeff = 5.0E-16_wp   ! cm3/s
4497!         
4498!--       zlambda parameter for "adjusting" the growth rate due to the
4499!--       self-coagulation
4500          zlambda = 6.0_wp 
4501          IF ( reglim(1) >= 10.0E-9_wp )  THEN   ! for particles >10 nm:
4502             zKeff   = 5.0E-17_wp
4503             zlambda = 3.0_wp
4504          ENDIF
4505!         
4506!--       Initial values for coagulation sink and growth rate  (m/s)
4507          zCoagStot = zCoagS_c
4508          zGRtot = zGRclust * 1.0E-9_wp / 60.0_wp ** 2.0_wp 
4509!         
4510!--       Number of clusters/particles at the size range [d1,dx] (#/m3):
4511          zNnuc = zjnuc / zCoagStot !< Initial guess
4512!         
4513!--       Coagulation sink and growth rate due to self-coagulation:
4514          DO  iteration = 1, 5
4515             zCoagStot = zCoagS_c + zKeff * zNnuc * 1.0E-6_wp   ! (1/s) 
4516             zGRtot = zGRclust * 1.0E-9_wp / ( 3600.0_wp ) +  1.5708E-6_wp *   &
4517                      zlambda * zdcrit ** 3.0_wp * ( zNnuc * 1.0E-6_wp ) *     &
4518                      zcv_c * avo * 1.0E-9_wp / 3600.0_wp 
4519             zeta = - zCoagStot / ( ( zm_para + 1.0_wp ) * zGRtot * ( zdcrit **&
4520                      zm_para ) )   ! Eq. 7b (Anttila)
4521             zNnuc =  zNnuc_tayl( zdcrit, reglim(1), zm_para, zjnuc, zeta,     &
4522                      zGRtot )
4523          ENDDO
4524!         
4525!--       Calculate the final values with new zNnuc:   
4526          zCoagStot = zCoagS_c + zKeff * zNnuc * 1.0E-6_wp   ! (1/s)
4527          zGRtot = zGRclust * 1.0E-9_wp / 3600.0_wp + 1.5708E-6_wp *  zlambda  &
4528                   * zdcrit ** 3.0_wp * ( zNnuc * 1.0E-6_wp ) * zcv_c * avo *  &
4529                   1.0E-9_wp / 3600.0_wp !< (m/s)
4530          zj3 = zjnuc * EXP( MIN( 0.0_wp, -zgamma * zdcrit * zCoagStot /       &
4531                zGRtot ) )   ! (Eq. 5a) (#/m3s)
4532               
4533       ENDIF
4534       
4535    ENDIF
4536!-- If J3 very small (< 1 #/cm3), neglect particle formation. In real atmosphere
4537!-- this would mean that clusters form but coagulate to pre-existing particles
4538!-- who gain sulphate. Since CoagS ~ CS (4piD*CS'), we do *not* update H2SO4
4539!-- concentration here but let condensation take care of it.
4540!-- Formation mass rate of molecules (molec/m3s) for 1: H2SO4 and 2: organic
4541!-- vapour
4542    pj3n3(1) = zj3 * n3 * pxsa
4543    pj3n3(2) = zj3 * n3 * pxocnv
4544                                 
4545                         
4546 END SUBROUTINE nucleation
4547
4548!------------------------------------------------------------------------------!
4549! Description:
4550! ------------
4551!> Calculate the nucleation rate and the size of critical clusters assuming
4552!> binary nucleation.
4553!> Parametrisation according to Vehkamaki et al. (2002), J. Geophys. Res.,
4554!> 107(D22), 4622. Called from subroutine nucleation.
4555!------------------------------------------------------------------------------!
4556 SUBROUTINE binnucl( pc_sa, ptemp, prh, pnuc_rate, pn_crit_sa, pn_crit_ocnv,   &
4557                     pd_crit, pk_sa, pk_ocnv )
4558                   
4559    IMPLICIT NONE
4560!       
4561!-- Input and output variables       
4562    REAL(wp), INTENT(in) ::   pc_sa        !< H2SO4 conc. (#/cm3)
4563    REAL(wp), INTENT(in) ::   prh          !< relative humidity [0-1]       
4564    REAL(wp), INTENT(in) ::   ptemp        !< ambient temperature (K)
4565    REAL(wp), INTENT(out) ::  pnuc_rate    !< nucleation rate (#/(m3 s))
4566    REAL(wp), INTENT(out) ::  pn_crit_sa   !< number of H2SO4 molecules in
4567                                           !< cluster (#)
4568    REAL(wp), INTENT(out) ::  pn_crit_ocnv !< number of organic molecules in
4569                                           !< cluster (#)
4570    REAL(wp), INTENT(out) ::  pd_crit      !< diameter of critical cluster (m)
4571    REAL(wp), INTENT(out) ::  pk_sa        !< Lever: if pk_sa = 1, H2SO4 is
4572                                           !< involved in nucleation.
4573    REAL(wp), INTENT(out) ::  pk_ocnv      !< Lever: if pk_ocnv = 1, organic
4574                                           !< compounds are involved in
4575                                           !< nucleation.
4576!-- Local variables
4577    REAL(wp) ::  zx    !< mole fraction of sulphate in critical cluster
4578    REAL(wp) ::  zntot !< number of molecules in critical cluster
4579    REAL(wp) ::  zt    !< temperature
4580    REAL(wp) ::  zpcsa !< sulfuric acid concentration
4581    REAL(wp) ::  zrh   !< relative humidity
4582    REAL(wp) ::  zma   !<
4583    REAL(wp) ::  zmw   !<
4584    REAL(wp) ::  zxmass!<
4585    REAL(wp) ::  za    !<
4586    REAL(wp) ::  zb    !<
4587    REAL(wp) ::  zc    !<
4588    REAL(wp) ::  zroo  !<
4589    REAL(wp) ::  zm1   !<
4590    REAL(wp) ::  zm2   !<
4591    REAL(wp) ::  zv1   !<
4592    REAL(wp) ::  zv2   !<
4593    REAL(wp) ::  zcoll !<
4594   
4595    pnuc_rate = 0.0_wp
4596    pd_crit   = 1.0E-9_wp
4597
4598!             
4599!-- 1) Checking that we are in the validity range of the parameterization 
4600    zt    = MAX( ptemp, 190.15_wp )
4601    zt    = MIN( zt,    300.15_wp )
4602    zpcsa = MAX( pc_sa, 1.0E4_wp  )
4603    zpcsa = MIN( zpcsa, 1.0E11_wp ) 
4604    zrh   = MAX( prh,   0.0001_wp )
4605    zrh   = MIN( zrh,   1.0_wp    )
4606!               
4607!-- 2) Mole fraction of sulphate in a critical cluster (Eq. 11)
4608    zx = 0.7409967177282139_wp                                           &
4609         - 0.002663785665140117_wp * zt                                  &
4610         + 0.002010478847383187_wp * LOG( zrh )                          &
4611         - 0.0001832894131464668_wp* zt * LOG( zrh )                     &
4612         + 0.001574072538464286_wp * LOG( zrh ) ** 2                     &
4613         - 0.00001790589121766952_wp * zt * LOG( zrh ) ** 2              &
4614         + 0.0001844027436573778_wp * LOG( zrh ) ** 3                    &
4615         - 1.503452308794887E-6_wp * zt * LOG( zrh ) ** 3                &
4616         - 0.003499978417957668_wp * LOG( zpcsa )                        &
4617         + 0.0000504021689382576_wp * zt * LOG( zpcsa )
4618!                   
4619!-- 3) Nucleation rate (Eq. 12)
4620    pnuc_rate = 0.1430901615568665_wp                                    &
4621        + 2.219563673425199_wp * zt                                      &
4622        - 0.02739106114964264_wp * zt ** 2                               &
4623        + 0.00007228107239317088_wp * zt ** 3                            &
4624        + 5.91822263375044_wp / zx                                       &
4625        + 0.1174886643003278_wp * LOG( zrh )                             &
4626        + 0.4625315047693772_wp * zt * LOG( zrh )                        &
4627        - 0.01180591129059253_wp * zt ** 2 * LOG( zrh )                  &
4628        + 0.0000404196487152575_wp * zt ** 3 * LOG( zrh )                &
4629        + ( 15.79628615047088_wp * LOG( zrh ) ) / zx                     &
4630        - 0.215553951893509_wp * LOG( zrh ) ** 2                         &
4631        - 0.0810269192332194_wp * zt * LOG( zrh ) ** 2                   &
4632        + 0.001435808434184642_wp * zt ** 2 * LOG( zrh ) ** 2            &
4633        - 4.775796947178588E-6_wp * zt ** 3 * LOG( zrh ) ** 2            &
4634        - (2.912974063702185_wp * LOG( zrh ) ** 2 ) / zx                 &
4635        - 3.588557942822751_wp * LOG( zrh ) ** 3                         &
4636        + 0.04950795302831703_wp * zt * LOG( zrh ) ** 3                  &
4637        - 0.0002138195118737068_wp * zt ** 2 * LOG( zrh ) ** 3           &
4638        + 3.108005107949533E-7_wp * zt ** 3 * LOG( zrh ) ** 3            &
4639        - ( 0.02933332747098296_wp * LOG( zrh ) ** 3 ) / zx              &
4640        + 1.145983818561277_wp * LOG( zpcsa )                            &
4641        - 0.6007956227856778_wp * zt * LOG( zpcsa )                      &
4642        + 0.00864244733283759_wp * zt ** 2 * LOG( zpcsa )                &
4643        - 0.00002289467254710888_wp * zt ** 3 * LOG( zpcsa )             &
4644        - ( 8.44984513869014_wp * LOG( zpcsa ) ) / zx                    &
4645        + 2.158548369286559_wp * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa )               &
4646        + 0.0808121412840917_wp * zt * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa )         &
4647        - 0.0004073815255395214_wp * zt ** 2 * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa ) &
4648        - 4.019572560156515E-7_wp * zt ** 3 * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa )  & 
4649        + ( 0.7213255852557236_wp * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa ) ) / zx     &
4650        + 1.62409850488771_wp * LOG( zrh ) ** 2 * LOG( zpcsa )           &
4651        - 0.01601062035325362_wp * zt * LOG( zrh ) ** 2 * LOG( zpcsa )   &
4652        + 0.00003771238979714162_wp*zt**2* LOG( zrh )**2 * LOG( zpcsa )  &
4653        + 3.217942606371182E-8_wp * zt**3 * LOG( zrh )**2 * LOG( zpcsa ) &
4654        - (0.01132550810022116_wp * LOG( zrh )**2 * LOG( zpcsa ) ) / zx  &
4655        + 9.71681713056504_wp * LOG( zpcsa ) ** 2                        &
4656        - 0.1150478558347306_wp * zt * LOG( zpcsa ) ** 2                 &
4657        + 0.0001570982486038294_wp * zt ** 2 * LOG( zpcsa ) ** 2         &
4658        + 4.009144680125015E-7_wp * zt ** 3 * LOG( zpcsa ) ** 2          &
4659        + ( 0.7118597859976135_wp * LOG( zpcsa ) ** 2 ) / zx             &
4660        - 1.056105824379897_wp * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa ) ** 2          &
4661        + 0.00903377584628419_wp * zt * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa )**2     &
4662        - 0.00001984167387090606_wp*zt**2*LOG( zrh )*LOG( zpcsa )**2     &
4663        + 2.460478196482179E-8_wp * zt**3 * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa )**2 &
4664        - ( 0.05790872906645181_wp * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa )**2 ) / zx &
4665        - 0.1487119673397459_wp * LOG( zpcsa ) ** 3                      &
4666        + 0.002835082097822667_wp * zt * LOG( zpcsa ) ** 3               &
4667        - 9.24618825471694E-6_wp * zt ** 2 * LOG( zpcsa ) ** 3           &
4668        + 5.004267665960894E-9_wp * zt ** 3 * LOG( zpcsa ) ** 3          &
4669        - ( 0.01270805101481648_wp * LOG( zpcsa ) ** 3 ) / zx
4670!           
4671!-- Nucleation rate in #/(cm3 s)
4672    pnuc_rate = EXP( pnuc_rate ) 
4673!       
4674!-- Check the validity of parameterization
4675    IF ( pnuc_rate < 1.0E-7_wp )  THEN
4676       pnuc_rate = 0.0_wp
4677       pd_crit   = 1.0E-9_wp
4678    ENDIF
4679!               
4680!-- 4) Total number of molecules in the critical cluster (Eq. 13)
4681    zntot = - 0.002954125078716302_wp                                    &
4682      - 0.0976834264241286_wp * zt                                       &
4683      + 0.001024847927067835_wp * zt ** 2                                &
4684      - 2.186459697726116E-6_wp * zt ** 3                                &
4685      - 0.1017165718716887_wp / zx                                       &
4686      - 0.002050640345231486_wp * LOG( zrh )                             &
4687      - 0.007585041382707174_wp * zt * LOG( zrh )                        &
4688      + 0.0001926539658089536_wp * zt ** 2 * LOG( zrh )                  &
4689      - 6.70429719683894E-7_wp * zt ** 3 * LOG( zrh )                    &
4690      - ( 0.2557744774673163_wp * LOG( zrh ) ) / zx                      &
4691      + 0.003223076552477191_wp * LOG( zrh ) ** 2                        &
4692      + 0.000852636632240633_wp * zt * LOG( zrh ) ** 2                   &
4693      - 0.00001547571354871789_wp * zt ** 2 * LOG( zrh ) ** 2            &
4694      + 5.666608424980593E-8_wp * zt ** 3 * LOG( zrh ) ** 2              &
4695      + ( 0.03384437400744206_wp * LOG( zrh ) ** 2 ) / zx                &
4696      + 0.04743226764572505_wp * LOG( zrh ) ** 3                         &
4697      - 0.0006251042204583412_wp * zt * LOG( zrh ) ** 3                  &
4698      + 2.650663328519478E-6_wp * zt ** 2 * LOG( zrh ) ** 3              &
4699      - 3.674710848763778E-9_wp * zt ** 3 * LOG( zrh ) ** 3              &
4700      - ( 0.0002672510825259393_wp * LOG( zrh ) ** 3 ) / zx              &
4701      - 0.01252108546759328_wp * LOG( zpcsa )                            &
4702      + 0.005806550506277202_wp * zt * LOG( zpcsa )                      &
4703      - 0.0001016735312443444_wp * zt ** 2 * LOG( zpcsa )                &
4704      + 2.881946187214505E-7_wp * zt ** 3 * LOG( zpcsa )                 &
4705      + ( 0.0942243379396279_wp * LOG( zpcsa ) ) / zx                    &
4706      - 0.0385459592773097_wp * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa )                &
4707      - 0.0006723156277391984_wp * zt * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa )        &
4708      + 2.602884877659698E-6_wp * zt ** 2 * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa )    &
4709      + 1.194163699688297E-8_wp * zt ** 3 * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa )    &
4710      - ( 0.00851515345806281_wp * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa ) ) / zx      &
4711      - 0.01837488495738111_wp * LOG( zrh ) ** 2 * LOG( zpcsa )          &
4712      + 0.0001720723574407498_wp * zt * LOG( zrh ) ** 2 * LOG( zpcsa )   &
4713      - 3.717657974086814E-7_wp * zt**2 * LOG( zrh )**2 * LOG( zpcsa )   &
4714      - 5.148746022615196E-10_wp * zt**3 * LOG( zrh )**2 * LOG( zpcsa )  &
4715      + ( 0.0002686602132926594_wp * LOG(zrh)**2 * LOG(zpcsa) ) / zx     &
4716      - 0.06199739728812199_wp * LOG( zpcsa ) ** 2                       &
4717      + 0.000906958053583576_wp * zt * LOG( zpcsa ) ** 2                 &
4718      - 9.11727926129757E-7_wp * zt ** 2 * LOG( zpcsa ) ** 2             &
4719      - 5.367963396508457E-9_wp * zt ** 3 * LOG( zpcsa ) ** 2            &
4720      - ( 0.007742343393937707_wp * LOG( zpcsa ) ** 2 ) / zx             &
4721      + 0.0121827103101659_wp * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa ) ** 2           &
4722      - 0.0001066499571188091_wp * zt * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa ) ** 2   &
4723      + 2.534598655067518E-7_wp * zt**2 * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa )**2   &
4724      - 3.635186504599571E-10_wp * zt**3 * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa )**2  &
4725      + ( 0.0006100650851863252_wp * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa ) **2 )/ zx &
4726      + 0.0003201836700403512_wp * LOG( zpcsa ) ** 3                     &
4727      - 0.0000174761713262546_wp * zt * LOG( zpcsa ) ** 3                &
4728      + 6.065037668052182E-8_wp * zt ** 2 * LOG( zpcsa ) ** 3            &
4729      - 1.421771723004557E-11_wp * zt ** 3 * LOG( zpcsa ) ** 3           &
4730      + ( 0.0001357509859501723_wp * LOG( zpcsa ) ** 3 ) / zx
4731    zntot = EXP( zntot )  ! in #
4732!
4733!-- 5) Size of the critical cluster pd_crit (m) (diameter) (Eq. 14)
4734    pn_crit_sa = zx * zntot
4735    pd_crit    = 2.0E-9_wp * EXP( -1.6524245_wp + 0.42316402_wp  * zx +        &
4736                 0.33466487_wp * LOG( zntot ) )
4737!
4738!-- 6) Organic compounds not involved when binary nucleation is assumed
4739    pn_crit_ocnv = 0.0_wp   ! number of organic molecules
4740    pk_sa        = 1.0_wp   ! if = 1, H2SO4 involved in nucleation
4741    pk_ocnv      = 0.0_wp   ! if = 1, organic compounds involved
4742!               
4743!-- Set nucleation rate to collision rate               
4744    IF ( pn_crit_sa < 4.0_wp ) THEN
4745!       
4746!--    Volumes of the colliding objects
4747       zma    = 96.0_wp   ! molar mass of SO4 in g/mol
4748       zmw    = 18.0_wp   ! molar mass of water in g/mol
4749       zxmass = 1.0_wp    ! mass fraction of H2SO4
4750       za = 0.7681724_wp + zxmass * ( 2.1847140_wp + zxmass * (     &
4751            7.1630022_wp + zxmass * ( -44.31447_wp + zxmass * (     &
4752            88.75606 + zxmass * ( -75.73729_wp + zxmass