source: palm/trunk/SOURCE/salsa_mod.f90 @ 3655

Last change on this file since 3655 was 3655, checked in by knoop, 2 years ago

Bugfix: made "unit" and "found" intend INOUT in module interface subroutines + automatic copyright update

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 459.3 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 1997-2019 Leibniz Universitaet Hannover
19!--------------------------------------------------------------------------------!
20!
21! Current revisions:
22! -----------------
23!
24!
25! Former revisions:
26! -----------------
27! $Id: salsa_mod.f90 3655 2019-01-07 16:51:22Z knoop $
28! Implementation of the PALM module interface
29!
30! 3636 2018-12-19 13:48:34Z raasch
31! nopointer option removed
32!
33! 3630 2018-12-17 11:04:17Z knoop
34! - Moved the control parameter "salsa" from salsa_mod.f90 to control_parameters
35! - Updated salsa_rrd_local and salsa_wrd_local
36! - Add target attribute
37! - Revise initialization in case of restarts
38! - Revise masked data output
39!
40! 3582 2018-11-29 19:16:36Z suehring
41! missing comma separator inserted
42!
43! 3483 2018-11-02 14:19:26Z raasch
44! bugfix: directives added to allow compilation without netCDF
45!
46! 3481 2018-11-02 09:14:13Z raasch
47! temporary variable cc introduced to circumvent a possible Intel18 compiler bug
48! related to contiguous/non-contguous pointer/target attributes
49!
50! 3473 2018-10-30 20:50:15Z suehring
51! NetCDF input routine renamed
52!
53! 3467 2018-10-30 19:05:21Z suehring
54! Initial revision
55!
56! 3412 2018-10-24 07:25:57Z monakurppa
57!
58! Authors:
59! --------
60! @author Mona Kurppa (University of Helsinki)
61!
62!
63! Description:
64! ------------
65!> Sectional aerosol module for large scale applications SALSA
66!> (Kokkola et al., 2008, ACP 8, 2469-2483). Solves the aerosol number and mass
67!> concentration as well as chemical composition. Includes aerosol dynamic
68!> processes: nucleation, condensation/evaporation of vapours, coagulation and
69!> deposition on tree leaves, ground and roofs.
70!> Implementation is based on formulations implemented in UCLALES-SALSA except
71!> for deposition which is based on parametrisations by Zhang et al. (2001,
72!> Atmos. Environ. 35, 549-560) or Petroff&Zhang (2010, Geosci. Model Dev. 3,
73!> 753-769)
74!>
75!> @todo Implement turbulent inflow of aerosols in inflow_turbulence.
76!> @todo Deposition on subgrid scale vegetation
77!> @todo Deposition on vegetation calculated by default for deciduous broadleaf
78!>       trees
79!> @todo Revise masked data output. There is a potential bug in case of
80!>       terrain-following masked output, according to data_output_mask.
81!> @todo There are now improved interfaces for NetCDF data input which can be
82!>       used instead of get variable etc.
83!------------------------------------------------------------------------------!
84 MODULE salsa_mod
85
86    USE basic_constants_and_equations_mod,                                     &
87        ONLY:  c_p, g, p_0, pi, r_d
88 
89    USE chemistry_model_mod,                                                   &
90        ONLY:  chem_species, nspec, nvar, spc_names
91
92    USE chem_modules,                                                          &
93        ONLY:  call_chem_at_all_substeps, chem_gasphase_on
94
95    USE control_parameters
96
97    USE indices,                                                               &
98        ONLY:  nbgp, nx, nxl, nxlg, nxr, nxrg, ny, nyn, nyng, nys, nysg, nzb,  &
99               nzb_s_inner, nz, nzt, wall_flags_0
100     
101    USE kinds
102   
103    USE pegrid
104   
105    USE salsa_util_mod
106
107    IMPLICIT NONE
108!
109!-- SALSA constants:
110!
111!-- Local constants:
112    INTEGER(iwp), PARAMETER ::  ngast   = 5 !< total number of gaseous tracers:
113                                            !< 1 = H2SO4, 2 = HNO3, 3 = NH3,
114                                            !< 4 = OCNV (non-volatile OC),
115                                            !< 5 = OCSV (semi-volatile) 
116    INTEGER(iwp), PARAMETER ::  nmod    = 7 !< number of modes for initialising
117                                            !< the aerosol size distribution                                             
118    INTEGER(iwp), PARAMETER ::  nreg    = 2 !< Number of main size subranges
119    INTEGER(iwp), PARAMETER ::  maxspec = 7 !< Max. number of aerosol species
120!   
121!-- Universal constants
122    REAL(wp), PARAMETER ::  abo    = 1.380662E-23_wp  !< Boltzmann constant (J/K)
123    REAL(wp), PARAMETER ::  alv    = 2.260E+6_wp      !< latent heat for H2O
124                                                      !< vaporisation (J/kg)
125    REAL(wp), PARAMETER ::  alv_d_rv  = 4896.96865_wp !< alv / rv
126    REAL(wp), PARAMETER ::  am_airmol = 4.8096E-26_wp !< Average mass of one air
127                                                      !< molecule (Jacobson,
128                                                      !< 2005, Eq. 2.3)                                                   
129    REAL(wp), PARAMETER ::  api6   = 0.5235988_wp     !< pi / 6   
130    REAL(wp), PARAMETER ::  argas  = 8.314409_wp      !< Gas constant (J/(mol K))
131    REAL(wp), PARAMETER ::  argas_d_cpd = 8.281283865E-3_wp !< argas per cpd
132    REAL(wp), PARAMETER ::  avo    = 6.02214E+23_wp   !< Avogadro constant (1/mol)
133    REAL(wp), PARAMETER ::  d_sa   = 5.539376964394570E-10_wp !< diameter of
134                                                      !< condensing sulphuric
135                                                      !< acid molecule (m) 
136    REAL(wp), PARAMETER ::  for_ppm_to_nconc =  7.243016311E+16_wp !<
137                                                 !< ppm * avo / R (K/(Pa*m3))
138    REAL(wp), PARAMETER ::  epsoc  = 0.15_wp          !< water uptake of organic
139                                                      !< material     
140    REAL(wp), PARAMETER ::  mclim  = 1.0E-23_wp    !< mass concentration min
141                                                   !< limit for aerosols (kg/m3)                                                   
142    REAL(wp), PARAMETER ::  n3     = 158.79_wp !< Number of H2SO4 molecules in
143                                               !< 3 nm cluster if d_sa=5.54e-10m
144    REAL(wp), PARAMETER ::  nclim  = 1.0_wp    !< number concentration min limit
145                                               !< for aerosols and gases (#/m3)
146    REAL(wp), PARAMETER ::  surfw0 = 0.073_wp  !< surface tension of pure water
147                                               !< at ~ 293 K (J/m2)   
148    REAL(wp), PARAMETER ::  vclim  = 1.0E-24_wp    !< volume concentration min
149                                                   !< limit for aerosols (m3/m3)                                           
150!-- Molar masses in kg/mol
151    REAL(wp), PARAMETER ::  ambc   = 12.0E-3_wp     !< black carbon (BC)
152    REAL(wp), PARAMETER ::  amdair = 28.970E-3_wp   !< dry air
153    REAL(wp), PARAMETER ::  amdu   = 100.E-3_wp     !< mineral dust
154    REAL(wp), PARAMETER ::  amh2o  = 18.0154E-3_wp  !< H2O
155    REAL(wp), PARAMETER ::  amh2so4  = 98.06E-3_wp  !< H2SO4
156    REAL(wp), PARAMETER ::  amhno3 = 63.01E-3_wp    !< HNO3
157    REAL(wp), PARAMETER ::  amn2o  = 44.013E-3_wp   !< N2O
158    REAL(wp), PARAMETER ::  amnh3  = 17.031E-3_wp   !< NH3
159    REAL(wp), PARAMETER ::  amo2   = 31.9988E-3_wp  !< O2
160    REAL(wp), PARAMETER ::  amo3   = 47.998E-3_wp   !< O3
161    REAL(wp), PARAMETER ::  amoc   = 150.E-3_wp     !< organic carbon (OC)
162    REAL(wp), PARAMETER ::  amss   = 58.44E-3_wp    !< sea salt (NaCl)
163!-- Densities in kg/m3
164    REAL(wp), PARAMETER ::  arhobc     = 2000.0_wp !< black carbon
165    REAL(wp), PARAMETER ::  arhodu     = 2650.0_wp !< mineral dust
166    REAL(wp), PARAMETER ::  arhoh2o    = 1000.0_wp !< H2O
167    REAL(wp), PARAMETER ::  arhoh2so4  = 1830.0_wp !< SO4
168    REAL(wp), PARAMETER ::  arhohno3   = 1479.0_wp !< HNO3
169    REAL(wp), PARAMETER ::  arhonh3    = 1530.0_wp !< NH3
170    REAL(wp), PARAMETER ::  arhooc     = 2000.0_wp !< organic carbon
171    REAL(wp), PARAMETER ::  arhoss     = 2165.0_wp !< sea salt (NaCl)
172!-- Volume of molecule in m3/#
173    REAL(wp), PARAMETER ::  amvh2o   = amh2o /avo / arhoh2o      !< H2O
174    REAL(wp), PARAMETER ::  amvh2so4 = amh2so4 / avo / arhoh2so4 !< SO4
175    REAL(wp), PARAMETER ::  amvhno3  = amhno3 / avo / arhohno3   !< HNO3
176    REAL(wp), PARAMETER ::  amvnh3   = amnh3 / avo / arhonh3     !< NH3 
177    REAL(wp), PARAMETER ::  amvoc    = amoc / avo / arhooc       !< OC
178    REAL(wp), PARAMETER ::  amvss    = amss / avo / arhoss       !< sea salt
179   
180!
181!-- SALSA switches:
182    INTEGER(iwp) ::  nj3 = 1 !< J3 parametrization (nucleation)
183                             !< 1 = condensational sink (Kerminen&Kulmala, 2002)
184                             !< 2 = coagulational sink (Lehtinen et al. 2007)
185                             !< 3 = coagS+self-coagulation (Anttila et al. 2010)                                       
186    INTEGER(iwp) ::  nsnucl = 0 !< Choice of the nucleation scheme:
187                                !< 0 = off   
188                                !< 1 = binary nucleation
189                                !< 2 = activation type nucleation
190                                !< 3 = kinetic nucleation
191                                !< 4 = ternary nucleation
192                                !< 5 = nucleation with ORGANICs
193                                !< 6 = activation type of nucleation with
194                                !<     H2SO4+ORG
195                                !< 7 = heteromolecular nucleation with H2SO4*ORG
196                                !< 8 = homomolecular nucleation of  H2SO4 +
197                                !<     heteromolecular nucleation with H2SO4*ORG
198                                !< 9 = homomolecular nucleation of  H2SO4 and ORG
199                                !<     +heteromolecular nucleation with H2SO4*ORG
200    LOGICAL ::  advect_particle_water = .TRUE.  !< advect water concentration of
201                                                !< particles                               
202    LOGICAL ::  decycle_lr            = .FALSE. !< Undo cyclic boundary
203                                                !< conditions: left and right
204    LOGICAL ::  decycle_ns            = .FALSE. !< north and south boundaries
205    LOGICAL ::  feedback_to_palm      = .FALSE. !< allow feedback due to
206                                                !< hydration and/or condensation
207                                                !< of H20
208    LOGICAL ::  no_insoluble          = .FALSE. !< Switch to exclude insoluble 
209                                                !< chemical components
210    LOGICAL ::  read_restart_data_salsa = .FALSE. !< read restart data for salsa
211    LOGICAL ::  salsa_gases_from_chem = .FALSE.   !< Transfer the gaseous
212                                                  !< components to SALSA from 
213                                                  !< from chemistry model
214    LOGICAL ::  van_der_waals_coagc   = .FALSE.   !< Enhancement of coagulation
215                                                  !< kernel by van der Waals and
216                                                  !< viscous forces
217    LOGICAL ::  write_binary_salsa    = .FALSE.   !< read binary for salsa
218!-- Process switches: nl* is read from the NAMELIST and is NOT changed.
219!--                   ls* is the switch used and will get the value of nl*
220!--                       except for special circumstances (spinup period etc.)
221    LOGICAL ::  nlcoag       = .FALSE. !< Coagulation master switch
222    LOGICAL ::  lscoag       = .FALSE. !<
223    LOGICAL ::  nlcnd        = .FALSE. !< Condensation master switch
224    LOGICAL ::  lscnd        = .FALSE. !<
225    LOGICAL ::  nlcndgas     = .FALSE. !< Condensation of precursor gases
226    LOGICAL ::  lscndgas     = .FALSE. !<
227    LOGICAL ::  nlcndh2oae   = .FALSE. !< Condensation of H2O on aerosol
228    LOGICAL ::  lscndh2oae   = .FALSE. !< particles (FALSE -> equilibrium calc.)
229    LOGICAL ::  nldepo       = .FALSE. !< Deposition master switch
230    LOGICAL ::  lsdepo       = .FALSE. !<
231    LOGICAL ::  nldepo_topo  = .FALSE. !< Deposition on vegetation master switch
232    LOGICAL ::  lsdepo_topo  = .FALSE. !<
233    LOGICAL ::  nldepo_vege  = .FALSE. !< Deposition on walls master switch
234    LOGICAL ::  lsdepo_vege  = .FALSE. !<
235    LOGICAL ::  nldistupdate = .TRUE.  !< Size distribution update master switch                                     
236    LOGICAL ::  lsdistupdate = .FALSE. !<                                     
237!
238!-- SALSA variables:
239    CHARACTER (LEN=20) ::  bc_salsa_b = 'neumann'   !< bottom boundary condition                                     
240    CHARACTER (LEN=20) ::  bc_salsa_t = 'neumann'   !< top boundary condition
241    CHARACTER (LEN=20) ::  depo_vege_type = 'zhang2001' !< or 'petroff2010'
242    CHARACTER (LEN=20) ::  depo_topo_type = 'zhang2001' !< or 'petroff2010'
243    CHARACTER (LEN=20), DIMENSION(4) ::  decycle_method = & 
244                             (/'dirichlet','dirichlet','dirichlet','dirichlet'/)
245                                 !< Decycling method at horizontal boundaries,
246                                 !< 1=left, 2=right, 3=south, 4=north
247                                 !< dirichlet = initial size distribution and
248                                 !< chemical composition set for the ghost and
249                                 !< first three layers
250                                 !< neumann = zero gradient
251    CHARACTER (LEN=3), DIMENSION(maxspec) ::  listspec = &  !< Active aerosols
252                                   (/'SO4','   ','   ','   ','   ','   ','   '/)
253    CHARACTER (LEN=20) ::  salsa_source_mode = 'no_source' 
254                                                    !< 'read_from_file',
255                                                    !< 'constant' or 'no_source'                                   
256    INTEGER(iwp) ::  dots_salsa = 0  !< starting index for salsa-timeseries
257    INTEGER(iwp) ::  fn1a = 1    !< last index for bin subranges:  subrange 1a
258    INTEGER(iwp) ::  fn2a = 1    !<                              subrange 2a
259    INTEGER(iwp) ::  fn2b = 1    !<                              subrange 2b
260    INTEGER(iwp), DIMENSION(ngast) ::  gas_index_chem = (/ 1, 1, 1, 1, 1/) !<
261                                 !< Index of gaseous compounds in the chemistry
262                                 !< model. In SALSA, 1 = H2SO4, 2 = HNO3,
263                                 !< 3 = NH3, 4 = OCNV, 5 = OCSV
264    INTEGER(iwp) ::  ibc_salsa_b !<
265    INTEGER(iwp) ::  ibc_salsa_t !<
266    INTEGER(iwp) ::  igctyp = 0  !< Initial gas concentration type
267                                 !< 0 = uniform (use H2SO4_init, HNO3_init,
268                                 !<     NH3_init, OCNV_init and OCSV_init)
269                                 !< 1 = read vertical profile from an input file 
270    INTEGER(iwp) ::  in1a = 1    !< start index for bin subranges: subrange 1a
271    INTEGER(iwp) ::  in2a = 1    !<                              subrange 2a
272    INTEGER(iwp) ::  in2b = 1    !<                              subrange 2b
273    INTEGER(iwp) ::  isdtyp = 0  !< Initial size distribution type
274                                 !< 0 = uniform
275                                 !< 1 = read vertical profile of the mode number
276                                 !<     concentration from an input file 
277    INTEGER(iwp) ::  ibc  = -1 !< Indice for: black carbon (BC)
278    INTEGER(iwp) ::  idu  = -1 !< dust
279    INTEGER(iwp) ::  inh  = -1 !< NH3
280    INTEGER(iwp) ::  ino  = -1 !< HNO3   
281    INTEGER(iwp) ::  ioc  = -1 !< organic carbon (OC)
282    INTEGER(iwp) ::  iso4 = -1 !< SO4 or H2SO4   
283    INTEGER(iwp) ::  iss  = -1 !< sea salt
284    INTEGER(iwp) ::  lod_aero = 0   !< level of detail for aerosol emissions
285    INTEGER(iwp) ::  lod_gases = 0  !< level of detail for gaseous emissions   
286    INTEGER(iwp), DIMENSION(nreg) ::  nbin = (/ 3, 7/)    !< Number of size bins
287                                               !< for each aerosol size subrange
288    INTEGER(iwp) ::  nbins = 1  !< total number of size bins
289    INTEGER(iwp) ::  ncc   = 1  !< number of chemical components used     
290    INTEGER(iwp) ::  ncc_tot = 1!< total number of chemical compounds (ncc+1
291                                !< if particle water is advected)
292    REAL(wp) ::  act_coeff = 1.0E-7_wp     !< Activation coefficient
293    REAL(wp) ::  aerosol_source = 0.0_wp   !< Constant aerosol flux (#/(m3*s))
294    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:) ::  emission_mass_fracs  !< array for
295                                    !< aerosol composition per emission category
296                                    !< 1:SO4 2:OC 3:BC 4:DU 5:SS 6:NO 7:NH 
297    REAL(wp) ::  dt_salsa  = 0.00001_wp    !< Time step of SALSA
298    REAL(wp) ::  H2SO4_init = nclim        !< Init value for sulphuric acid gas
299    REAL(wp) ::  HNO3_init  = nclim        !< Init value for nitric acid gas
300    REAL(wp) ::  last_salsa_time = 0.0_wp  !< time of the previous salsa
301                                           !< timestep
302    REAL(wp) ::  nf2a = 1.0_wp             !< Number fraction allocated to a-
303                                           !< bins in subrange 2
304                                           !< (b-bins will get 1-nf2a)   
305    REAL(wp) ::  NH3_init  = nclim         !< Init value for ammonia gas
306    REAL(wp) ::  OCNV_init = nclim         !< Init value for non-volatile
307                                           !< organic gases
308    REAL(wp) ::  OCSV_init = nclim         !< Init value for semi-volatile
309                                           !< organic gases
310    REAL(wp), DIMENSION(nreg+1) ::  reglim = & !< Min&max diameters of size subranges
311                                 (/ 3.0E-9_wp, 5.0E-8_wp, 1.0E-5_wp/)
312    REAL(wp) ::  rhlim = 1.20_wp    !< RH limit in %/100. Prevents
313                                    !< unrealistically high RH in condensation                           
314    REAL(wp) ::  skip_time_do_salsa = 0.0_wp !< Starting time of SALSA (s)
315!-- Initial log-normal size distribution: mode diameter (dpg, micrometres),
316!-- standard deviation (sigmag) and concentration (n_lognorm, #/cm3)
317    REAL(wp), DIMENSION(nmod) ::  dpg   = (/0.013_wp, 0.054_wp, 0.86_wp,       &
318                                            0.2_wp, 0.2_wp, 0.2_wp, 0.2_wp/) 
319    REAL(wp), DIMENSION(nmod) ::  sigmag  = (/1.8_wp, 2.16_wp, 2.21_wp,        &
320                                              2.0_wp, 2.0_wp, 2.0_wp, 2.0_wp/) 
321    REAL(wp), DIMENSION(nmod) ::  n_lognorm = (/1.04e+5_wp, 3.23E+4_wp, 5.4_wp,&
322                                                0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp/)
323!-- Initial mass fractions / chemical composition of the size distribution   
324    REAL(wp), DIMENSION(maxspec) ::  mass_fracs_a = & !< mass fractions between
325             (/1.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0/) !< aerosol species for A bins
326    REAL(wp), DIMENSION(maxspec) ::  mass_fracs_b = & !< mass fractions between
327             (/0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0/) !< aerosol species for B bins
328             
329    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:) ::  bin_low_limits  !< to deliver
330                                                            !< information about
331                                                            !< the lower
332                                                            !< diameters per bin                                       
333    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:) ::  nsect     !< Background number
334                                                      !< concentration per bin
335    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:) ::  massacc   !< Mass accomodation
336                                                      !< coefficients per bin                                             
337!
338!-- SALSA derived datatypes:
339!
340!-- Prognostic variable: Aerosol size bin information (number (#/m3) and
341!-- mass (kg/m3) concentration) and the concentration of gaseous tracers (#/m3).
342!-- Gas tracers are contained sequentially in dimension 4 as:
343!-- 1. H2SO4, 2. HNO3, 3. NH3, 4. OCNV (non-volatile organics),
344!-- 5. OCSV (semi-volatile)
345    TYPE salsa_variable
346       REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:,:), CONTIGUOUS     ::  conc
347       REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:,:), CONTIGUOUS     ::  conc_p
348       REAL(wp), POINTER, DIMENSION(:,:,:), CONTIGUOUS     ::  tconc_m
349       REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:)   ::  flux_s, diss_s
350       REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:) ::  flux_l, diss_l
351       REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:)     ::  init
352       REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:) ::  source
353       REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:)   ::  sums_ws_l
354    END TYPE salsa_variable
355   
356!-- Map bin indices between parallel size distributions   
357    TYPE t_parallelbin
358       INTEGER(iwp) ::  cur  ! Index for current distribution
359       INTEGER(iwp) ::  par  ! Index for corresponding parallel distribution
360    END TYPE t_parallelbin
361   
362!-- Datatype used to store information about the binned size distributions of
363!-- aerosols
364    TYPE t_section
365       REAL(wp) ::  vhilim   !< bin volume at the high limit
366       REAL(wp) ::  vlolim   !< bin volume at the low limit
367       REAL(wp) ::  vratiohi !< volume ratio between the center and high limit
368       REAL(wp) ::  vratiolo !< volume ratio between the center and low limit
369       REAL(wp) ::  dmid     !< bin middle diameter (m)
370       !******************************************************
371       ! ^ Do NOT change the stuff above after initialization !
372       !******************************************************
373       REAL(wp) ::  dwet    !< Wet diameter or mean droplet diameter (m)
374       REAL(wp), DIMENSION(maxspec+1) ::  volc !< Volume concentrations
375                            !< (m^3/m^3) of aerosols + water. Since most of
376                            !< the stuff in SALSA is hard coded, these *have to
377                            !< be* in the order
378                            !< 1:SO4, 2:OC, 3:BC, 4:DU, 5:SS, 6:NO, 7:NH, 8:H2O
379       REAL(wp) ::  veqh2o  !< Equilibrium H2O concentration for each particle
380       REAL(wp) ::  numc    !< Number concentration of particles/droplets (#/m3)
381       REAL(wp) ::  core    !< Volume of dry particle
382    END TYPE t_section 
383!
384!-- Local aerosol properties in SALSA
385    TYPE(t_section), ALLOCATABLE ::  aero(:)
386!
387!-- SALSA tracers:
388!-- Tracers as x = x(k,j,i,bin). The 4th dimension contains all the size bins
389!-- sequentially for each aerosol species  + water.
390!
391!-- Prognostic tracers:
392!
393!-- Number concentration (#/m3)
394    TYPE(salsa_variable), ALLOCATABLE, DIMENSION(:), TARGET ::  aerosol_number
395    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:,:), TARGET ::  nconc_1
396    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:,:), TARGET ::  nconc_2
397    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:,:), TARGET ::  nconc_3
398!
399!-- Mass concentration (kg/m3)
400    TYPE(salsa_variable), ALLOCATABLE, DIMENSION(:), TARGET ::  aerosol_mass
401    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:,:), TARGET ::  mconc_1
402    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:,:), TARGET ::  mconc_2
403    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:,:), TARGET ::  mconc_3
404!
405!-- Gaseous tracers (#/m3)
406    TYPE(salsa_variable), ALLOCATABLE, DIMENSION(:), TARGET ::  salsa_gas
407    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:,:), TARGET ::  gconc_1
408    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:,:), TARGET ::  gconc_2
409    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:,:), TARGET ::  gconc_3
410!
411!-- Diagnostic tracers
412    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:,:) ::  sedim_vd !< sedimentation
413                                                           !< velocity per size
414                                                           !< bin (m/s)
415    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:,:) ::  Ra_dry !< dry radius (m)
416   
417!-- Particle component index tables
418    TYPE(component_index) :: prtcl !< Contains "getIndex" which gives the index
419                                   !< for a given aerosol component name, i.e.
420                                   !< 1:SO4, 2:OC, 3:BC, 4:DU,
421                                   !< 5:SS, 6:NO, 7:NH, 8:H2O 
422!                                   
423!-- Data output arrays:
424!-- Gases:
425    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  g_H2SO4_av  !< H2SO4
426    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  g_HNO3_av   !< HNO3
427    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  g_NH3_av    !< NH3
428    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  g_OCNV_av   !< non-vola-
429                                                                    !< tile OC
430    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  g_OCSV_av   !< semi-vol.
431                                                                    !< OC
432!-- Integrated:                                                                   
433    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  LDSA_av  !< lung-
434                                                                 !< deposited
435                                                                 !< surface area                                                   
436    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  Ntot_av  !< total number
437                                                                 !< conc.
438    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  PM25_av  !< PM2.5
439    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  PM10_av  !< PM10
440!-- In the particle phase:   
441    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  s_BC_av  !< black carbon
442    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  s_DU_av  !< dust
443    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  s_H2O_av !< liquid water
444    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  s_NH_av  !< ammonia
445    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  s_NO_av  !< nitrates
446    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  s_OC_av  !< org. carbon
447    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  s_SO4_av !< sulphates
448    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:), TARGET ::  s_SS_av  !< sea salt
449!-- Bins:   
450    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:,:), TARGET ::  mbins_av !< bin mass 
451    REAL(wp), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:,:,:), TARGET ::  Nbins_av !< bin number
452
453   
454!
455!-- PALM interfaces:
456!
457!-- Boundary conditions:
458    INTERFACE salsa_boundary_conds
459       MODULE PROCEDURE salsa_boundary_conds
460       MODULE PROCEDURE salsa_boundary_conds_decycle
461    END INTERFACE salsa_boundary_conds
462!   
463!-- Data output checks for 2D/3D data to be done in check_parameters
464    INTERFACE salsa_check_data_output
465       MODULE PROCEDURE salsa_check_data_output
466    END INTERFACE salsa_check_data_output
467   
468!
469!-- Input parameter checks to be done in check_parameters
470    INTERFACE salsa_check_parameters
471       MODULE PROCEDURE salsa_check_parameters
472    END INTERFACE salsa_check_parameters
473
474!
475!-- Averaging of 3D data for output
476    INTERFACE salsa_3d_data_averaging
477       MODULE PROCEDURE salsa_3d_data_averaging
478    END INTERFACE salsa_3d_data_averaging
479
480!
481!-- Data output of 2D quantities
482    INTERFACE salsa_data_output_2d
483       MODULE PROCEDURE salsa_data_output_2d
484    END INTERFACE salsa_data_output_2d
485
486!
487!-- Data output of 3D data
488    INTERFACE salsa_data_output_3d
489       MODULE PROCEDURE salsa_data_output_3d
490    END INTERFACE salsa_data_output_3d
491   
492!
493!-- Data output of 3D data
494    INTERFACE salsa_data_output_mask
495       MODULE PROCEDURE salsa_data_output_mask
496    END INTERFACE salsa_data_output_mask
497
498!
499!-- Definition of data output quantities
500    INTERFACE salsa_define_netcdf_grid
501       MODULE PROCEDURE salsa_define_netcdf_grid
502    END INTERFACE salsa_define_netcdf_grid
503   
504!
505!-- Output of information to the header file
506    INTERFACE salsa_header
507       MODULE PROCEDURE salsa_header
508    END INTERFACE salsa_header
509 
510!
511!-- Initialization actions 
512    INTERFACE salsa_init
513       MODULE PROCEDURE salsa_init
514    END INTERFACE salsa_init
515 
516!
517!-- Initialization of arrays
518    INTERFACE salsa_init_arrays
519       MODULE PROCEDURE salsa_init_arrays
520    END INTERFACE salsa_init_arrays
521
522!
523!-- Writing of binary output for restart runs  !!! renaming?!
524    INTERFACE salsa_wrd_local
525       MODULE PROCEDURE salsa_wrd_local
526    END INTERFACE salsa_wrd_local
527   
528!
529!-- Reading of NAMELIST parameters
530    INTERFACE salsa_parin
531       MODULE PROCEDURE salsa_parin
532    END INTERFACE salsa_parin
533
534!
535!-- Reading of parameters for restart runs
536    INTERFACE salsa_rrd_local
537       MODULE PROCEDURE salsa_rrd_local
538    END INTERFACE salsa_rrd_local
539   
540!
541!-- Swapping of time levels (required for prognostic variables)
542    INTERFACE salsa_swap_timelevel
543       MODULE PROCEDURE salsa_swap_timelevel
544    END INTERFACE salsa_swap_timelevel
545
546    INTERFACE salsa_driver
547       MODULE PROCEDURE salsa_driver
548    END INTERFACE salsa_driver
549
550    INTERFACE salsa_tendency
551       MODULE PROCEDURE salsa_tendency
552       MODULE PROCEDURE salsa_tendency_ij
553    END INTERFACE salsa_tendency
554   
555   
556   
557    SAVE
558
559    PRIVATE
560!
561!-- Public functions:
562    PUBLIC salsa_boundary_conds, salsa_check_data_output,                      &
563           salsa_check_parameters, salsa_3d_data_averaging,                    &
564           salsa_data_output_2d, salsa_data_output_3d, salsa_data_output_mask, &
565           salsa_define_netcdf_grid, salsa_diagnostics, salsa_driver,          &
566           salsa_header, salsa_init, salsa_init_arrays, salsa_parin,           &
567           salsa_rrd_local, salsa_swap_timelevel, salsa_tendency,              &
568           salsa_wrd_local
569!
570!-- Public parameters, constants and initial values
571    PUBLIC dots_salsa, dt_salsa, last_salsa_time, lsdepo, salsa,               &
572           salsa_gases_from_chem, skip_time_do_salsa
573!
574!-- Public prognostic variables
575    PUBLIC aerosol_mass, aerosol_number, fn2a, fn2b, gconc_2, in1a, in2b,      &
576           mconc_2, nbins, ncc, ncc_tot, nclim, nconc_2, ngast, prtcl, Ra_dry, &
577           salsa_gas, sedim_vd
578           
579
580 CONTAINS
581
582!------------------------------------------------------------------------------!
583! Description:
584! ------------
585!> Parin for &salsa_par for new modules
586!------------------------------------------------------------------------------!
587 SUBROUTINE salsa_parin
588
589    IMPLICIT NONE
590
591    CHARACTER (LEN=80) ::  line   !< dummy string that contains the current line
592                                  !< of the parameter file
593                                 
594    NAMELIST /salsa_parameters/             &
595                          advect_particle_water, & ! Switch for advecting
596                                                ! particle water. If .FALSE.,
597                                                ! equilibration is called at
598                                                ! each time step.       
599                          bc_salsa_b,       &   ! bottom boundary condition
600                          bc_salsa_t,       &   ! top boundary condition
601                          decycle_lr,       &   ! decycle SALSA components
602                          decycle_method,   &   ! decycle method applied:
603                                                ! 1=left 2=right 3=south 4=north
604                          decycle_ns,       &   ! decycle SALSA components
605                          depo_vege_type,   &   ! Parametrisation type
606                          depo_topo_type,   &   ! Parametrisation type
607                          dpg,              &   ! Mean diameter for the initial
608                                                ! log-normal modes
609                          dt_salsa,         &   ! SALSA timestep in seconds
610                          feedback_to_palm, &   ! allow feedback due to
611                                                ! hydration / condensation
612                          H2SO4_init,       &   ! Init value for sulphuric acid
613                          HNO3_init,        &   ! Init value for nitric acid
614                          igctyp,           &   ! Initial gas concentration type
615                          isdtyp,           &   ! Initial size distribution type                                               
616                          listspec,         &   ! List of actived aerosols
617                                                ! (string list)
618                          mass_fracs_a,     &   ! Initial relative contribution 
619                                                ! of each species to particle 
620                                                ! volume in a-bins, 0 for unused
621                          mass_fracs_b,     &   ! Initial relative contribution 
622                                                ! of each species to particle
623                                                ! volume in b-bins, 0 for unused
624                          n_lognorm,        &   ! Number concentration for the
625                                                ! log-normal modes                                               
626                          nbin,             &   ! Number of size bins for
627                                                ! aerosol size subranges 1 & 2
628                          nf2a,             &   ! Number fraction of particles
629                                                ! allocated to a-bins in
630                                                ! subrange 2 b-bins will get
631                                                ! 1-nf2a                         
632                          NH3_init,         &   ! Init value for ammonia
633                          nj3,              &   ! J3 parametrization
634                                                ! 1 = condensational sink
635                                                !     (Kerminen&Kulmala, 2002)
636                                                ! 2 = coagulational sink
637                                                !     (Lehtinen et al. 2007)
638                                                ! 3 = coagS+self-coagulation
639                                                !     (Anttila et al. 2010)                                                   
640                          nlcnd,            &   ! Condensation master switch
641                          nlcndgas,         &   ! Condensation of gases
642                          nlcndh2oae,       &   ! Condensation of H2O                           
643                          nlcoag,           &   ! Coagulation master switch
644                          nldepo,           &   ! Deposition master switch
645                          nldepo_vege,      &   ! Deposition on vegetation
646                                                ! master switch
647                          nldepo_topo,      &   ! Deposition on topo master
648                                                ! switch                         
649                          nldistupdate,     &   ! Size distribution update
650                                                ! master switch
651                          nsnucl,           &   ! Nucleation scheme:
652                                                ! 0 = off,
653                                                ! 1 = binary nucleation
654                                                ! 2 = activation type nucleation
655                                                ! 3 = kinetic nucleation
656                                                ! 4 = ternary nucleation
657                                                ! 5 = nucleation with organics
658                                                ! 6 = activation type of
659                                                !     nucleation with H2SO4+ORG
660                                                ! 7 = heteromolecular nucleation
661                                                !     with H2SO4*ORG
662                                                ! 8 = homomolecular nucleation 
663                                                !     of H2SO4 + heteromolecular
664                                                !     nucleation with H2SO4*ORG
665                                                ! 9 = homomolecular nucleation
666                                                !     of H2SO4 and ORG + hetero-
667                                                !     molecular nucleation with
668                                                !     H2SO4*ORG
669                          OCNV_init,        &   ! Init value for non-volatile
670                                                ! organic gases
671                          OCSV_init,        &   ! Init value for semi-volatile
672                                                ! organic gases
673                          read_restart_data_salsa, & ! read restart data for
674                                                     ! salsa
675                          reglim,           &   ! Min&max diameter limits of
676                                                ! size subranges
677                          salsa,            &   ! Master switch for SALSA
678                          salsa_source_mode,&   ! 'read_from_file' or 'constant'
679                                                ! or 'no_source'
680                          sigmag,           &   ! stdev for the initial log-
681                                                ! normal modes                                               
682                          skip_time_do_salsa, & ! Starting time of SALSA (s)
683                          van_der_waals_coagc,& ! include van der Waals forces
684                          write_binary_salsa    ! Write binary for salsa
685                           
686       
687    line = ' '
688       
689!
690!-- Try to find salsa package
691    REWIND ( 11 )
692    line = ' '
693    DO WHILE ( INDEX( line, '&salsa_parameters' ) == 0 )
694       READ ( 11, '(A)', END=10 )  line
695    ENDDO
696    BACKSPACE ( 11 )
697
698!
699!-- Read user-defined namelist
700    READ ( 11, salsa_parameters )
701
702!
703!-- Enable salsa (salsa switch in modules.f90)
704    salsa = .TRUE.
705
706 10 CONTINUE
707       
708 END SUBROUTINE salsa_parin
709
710 
711!------------------------------------------------------------------------------!
712! Description:
713! ------------
714!> Check parameters routine for salsa.
715!------------------------------------------------------------------------------!
716 SUBROUTINE salsa_check_parameters
717
718    USE control_parameters,                                                    &
719        ONLY:  message_string
720       
721    IMPLICIT NONE
722   
723!
724!-- Checks go here (cf. check_parameters.f90).
725    IF ( salsa  .AND.  .NOT.  humidity )  THEN
726       WRITE( message_string, * ) 'salsa = ', salsa, ' is ',                   &
727              'not allowed with humidity = ', humidity
728       CALL message( 'check_parameters', 'SA0009', 1, 2, 0, 6, 0 )
729    ENDIF
730   
731    IF ( bc_salsa_b == 'dirichlet' )  THEN
732       ibc_salsa_b = 0
733    ELSEIF ( bc_salsa_b == 'neumann' )  THEN
734       ibc_salsa_b = 1
735    ELSE
736       message_string = 'unknown boundary condition: bc_salsa_b = "'           &
737                         // TRIM( bc_salsa_t ) // '"'
738       CALL message( 'check_parameters', 'SA0011', 1, 2, 0, 6, 0 )                 
739    ENDIF
740   
741    IF ( bc_salsa_t == 'dirichlet' )  THEN
742       ibc_salsa_t = 0
743    ELSEIF ( bc_salsa_t == 'neumann' )  THEN
744       ibc_salsa_t = 1
745    ELSE
746       message_string = 'unknown boundary condition: bc_salsa_t = "'           &
747                         // TRIM( bc_salsa_t ) // '"'
748       CALL message( 'check_parameters', 'SA0012', 1, 2, 0, 6, 0 )                 
749    ENDIF
750   
751    IF ( nj3 < 1  .OR.  nj3 > 3 )  THEN
752       message_string = 'unknown nj3 (must be 1-3)'
753       CALL message( 'check_parameters', 'SA0044', 1, 2, 0, 6, 0 )
754    ENDIF
755           
756 END SUBROUTINE salsa_check_parameters
757
758!------------------------------------------------------------------------------!
759!
760! Description:
761! ------------
762!> Subroutine defining appropriate grid for netcdf variables.
763!> It is called out from subroutine netcdf.
764!> Same grid as for other scalars (see netcdf_interface_mod.f90)
765!------------------------------------------------------------------------------!
766 SUBROUTINE salsa_define_netcdf_grid( var, found, grid_x, grid_y, grid_z )
767   
768    IMPLICIT NONE
769
770    CHARACTER (LEN=*), INTENT(OUT) ::  grid_x   !<
771    CHARACTER (LEN=*), INTENT(OUT) ::  grid_y   !<
772    CHARACTER (LEN=*), INTENT(OUT) ::  grid_z   !<
773    CHARACTER (LEN=*), INTENT(IN)  ::  var      !<
774   
775    LOGICAL, INTENT(OUT) ::  found   !<
776   
777    found  = .TRUE.
778!
779!-- Check for the grid
780
781    IF ( var(1:2) == 'g_' )  THEN
782       grid_x = 'x' 
783       grid_y = 'y' 
784       grid_z = 'zu'   
785    ELSEIF ( var(1:4) == 'LDSA' )  THEN
786       grid_x = 'x' 
787       grid_y = 'y' 
788       grid_z = 'zu'
789    ELSEIF ( var(1:5) == 'm_bin' )  THEN
790       grid_x = 'x' 
791       grid_y = 'y' 
792       grid_z = 'zu'
793    ELSEIF ( var(1:5) == 'N_bin' )  THEN
794       grid_x = 'x' 
795       grid_y = 'y' 
796       grid_z = 'zu'
797    ELSEIF ( var(1:4) == 'Ntot' ) THEN
798       grid_x = 'x' 
799       grid_y = 'y' 
800       grid_z = 'zu'
801    ELSEIF ( var(1:2) == 'PM' )  THEN
802       grid_x = 'x' 
803       grid_y = 'y' 
804       grid_z = 'zu'
805    ELSEIF ( var(1:2) == 's_' )  THEN
806       grid_x = 'x' 
807       grid_y = 'y' 
808       grid_z = 'zu'
809    ELSE
810       found  = .FALSE.
811       grid_x = 'none'
812       grid_y = 'none'
813       grid_z = 'none'
814    ENDIF
815
816 END SUBROUTINE salsa_define_netcdf_grid
817
818 
819!------------------------------------------------------------------------------!
820! Description:
821! ------------
822!> Header output for new module
823!------------------------------------------------------------------------------!
824 SUBROUTINE salsa_header( io )
825
826    IMPLICIT NONE
827 
828    INTEGER(iwp), INTENT(IN) ::  io   !< Unit of the output file
829!
830!-- Write SALSA header
831    WRITE( io, 1 )
832    WRITE( io, 2 ) skip_time_do_salsa
833    WRITE( io, 3 ) dt_salsa
834    WRITE( io, 12 )  SHAPE( aerosol_number(1)%conc ), nbins
835    IF ( advect_particle_water )  THEN
836       WRITE( io, 16 )  SHAPE( aerosol_mass(1)%conc ), ncc_tot*nbins,          &
837                        advect_particle_water
838    ELSE
839       WRITE( io, 16 )  SHAPE( aerosol_mass(1)%conc ), ncc*nbins,              &
840                        advect_particle_water
841    ENDIF
842    IF ( .NOT. salsa_gases_from_chem )  THEN
843       WRITE( io, 17 )  SHAPE( aerosol_mass(1)%conc ), ngast,                  &
844                        salsa_gases_from_chem
845    ENDIF
846    WRITE( io, 4 ) 
847    IF ( nsnucl > 0 )  THEN
848       WRITE( io, 5 ) nsnucl, nj3
849    ENDIF
850    IF ( nlcoag )  THEN
851       WRITE( io, 6 ) 
852    ENDIF
853    IF ( nlcnd )  THEN
854       WRITE( io, 7 ) nlcndgas, nlcndh2oae
855    ENDIF
856    IF ( nldepo )  THEN
857       WRITE( io, 14 ) nldepo_vege, nldepo_topo
858    ENDIF
859    WRITE( io, 8 )  reglim, nbin, bin_low_limits
860    WRITE( io, 15 ) nsect
861    WRITE( io, 13 ) ncc, listspec, mass_fracs_a, mass_fracs_b
862    IF ( .NOT. salsa_gases_from_chem )  THEN
863       WRITE( io, 18 ) ngast, H2SO4_init, HNO3_init, NH3_init, OCNV_init,      &
864                       OCSV_init
865    ENDIF
866    WRITE( io, 9 )  isdtyp, igctyp
867    IF ( isdtyp == 0 )  THEN
868       WRITE( io, 10 )  dpg, sigmag, n_lognorm
869    ELSE
870       WRITE( io, 11 )
871    ENDIF
872   
873
8741   FORMAT (//' SALSA information:'/                                           &
875              ' ------------------------------'/)
8762   FORMAT   ('    Starts at: skip_time_do_salsa = ', F10.2, '  s')
8773   FORMAT  (/'    Timestep: dt_salsa = ', F6.2, '  s')
87812  FORMAT  (/'    Array shape (z,y,x,bins):'/                                 &
879              '       aerosol_number:  ', 4(I3)) 
88016  FORMAT  (/'       aerosol_mass:    ', 4(I3),/                              &
881              '       (advect_particle_water = ', L1, ')')
88217  FORMAT   ('       salsa_gas: ', 4(I3),/                                    &
883              '       (salsa_gases_from_chem = ', L1, ')')
8844   FORMAT  (/'    Aerosol dynamic processes included: ')
8855   FORMAT  (/'       nucleation (scheme = ', I1, ' and J3 parametrization = ',&
886               I1, ')')
8876   FORMAT  (/'       coagulation')
8887   FORMAT  (/'       condensation (of precursor gases = ', L1,                &
889              '          and water vapour = ', L1, ')' )
89014  FORMAT  (/'       dry deposition (on vegetation = ', L1,                   &
891              '          and on topography = ', L1, ')')             
8928   FORMAT  (/'    Aerosol bin subrange limits (in metres): ',  3(ES10.2E3), / &
893              '    Number of size bins for each aerosol subrange: ', 2I3,/     &
894              '    Aerosol bin limits (in metres): ', *(ES10.2E3))
89515  FORMAT   ('    Initial number concentration in bins at the lowest level',  &
896              ' (#/m**3):', *(ES10.2E3))       
89713  FORMAT  (/'    Number of chemical components used: ', I1,/                 &
898              '       Species: ',7(A6),/                                       &
899              '    Initial relative contribution of each species to particle', & 
900              ' volume in:',/                                                  &
901              '       a-bins: ', 7(F6.3),/                                     &
902              '       b-bins: ', 7(F6.3))
90318  FORMAT  (/'    Number of gaseous tracers used: ', I1,/                     &
904              '    Initial gas concentrations:',/                              &
905              '       H2SO4: ',ES12.4E3, ' #/m**3',/                           &
906              '       HNO3:  ',ES12.4E3, ' #/m**3',/                           &
907              '       NH3:   ',ES12.4E3, ' #/m**3',/                           &
908              '       OCNV:  ',ES12.4E3, ' #/m**3',/                           &
909              '       OCSV:  ',ES12.4E3, ' #/m**3')
9109    FORMAT (/'   Initialising concentrations: ', /                            &
911              '      Aerosol size distribution: isdtyp = ', I1,/               &
912              '      Gas concentrations: igctyp = ', I1 )
91310   FORMAT ( '      Mode diametres: dpg(nmod) = ', 7(F7.3),/                  &
914              '      Standard deviation: sigmag(nmod) = ', 7(F7.2),/           &
915              '      Number concentration: n_lognorm(nmod) = ', 7(ES12.4E3) )
91611   FORMAT (/'      Size distribution read from a file.')
917
918 END SUBROUTINE salsa_header
919
920!------------------------------------------------------------------------------!
921! Description:
922! ------------
923!> Allocate SALSA arrays and define pointers if required
924!------------------------------------------------------------------------------!
925 SUBROUTINE salsa_init_arrays
926 
927    USE surface_mod,                                                           &
928        ONLY:  surf_def_h, surf_def_v, surf_lsm_h, surf_lsm_v, surf_usm_h,     &
929               surf_usm_v
930
931    IMPLICIT NONE
932   
933    INTEGER(iwp) ::  gases_available !< Number of available gas components in
934                                     !< the chemistry model
935    INTEGER(iwp) ::  i   !< loop index for allocating
936    INTEGER(iwp) ::  l   !< loop index for allocating: surfaces
937    INTEGER(iwp) ::  lsp !< loop index for chem species in the chemistry model
938   
939    gases_available = 0
940
941!
942!-- Allocate prognostic variables (see salsa_swap_timelevel)
943
944!
945!-- Set derived indices:
946!-- (This does the same as the subroutine salsa_initialize in SALSA/
947!-- UCLALES-SALSA)       
948    in1a = 1                ! 1st index of subrange 1a
949    in2a = in1a + nbin(1)   ! 1st index of subrange 2a
950    fn1a = in2a - 1         ! last index of subrange 1a
951    fn2a = fn1a + nbin(2)   ! last index of subrange 2a
952   
953!   
954!-- If the fraction of insoluble aerosols in subrange 2 is zero: do not allocate
955!-- arrays for them
956    IF ( nf2a > 0.999999_wp  .AND.  SUM( mass_fracs_b ) < 0.00001_wp )  THEN
957       no_insoluble = .TRUE.
958       in2b = fn2a+1    ! 1st index of subrange 2b
959       fn2b = fn2a      ! last index of subrange 2b
960    ELSE
961       in2b = in2a + nbin(2)   ! 1st index of subrange 2b
962       fn2b = fn2a + nbin(2)   ! last index of subrange 2b
963    ENDIF
964   
965   
966    nbins = fn2b   ! total number of aerosol size bins
967!   
968!-- Create index tables for different aerosol components
969    CALL component_index_constructor( prtcl, ncc, maxspec, listspec )
970   
971    ncc_tot = ncc
972    IF ( advect_particle_water )  ncc_tot = ncc + 1  ! Add water
973   
974!
975!-- Allocate:
976    ALLOCATE( aero(nbins), bin_low_limits(nbins), nsect(nbins), massacc(nbins) )
977    IF ( nldepo ) ALLOCATE( sedim_vd(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg,nbins) )         
978    ALLOCATE( Ra_dry(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg,nbins) )
979   
980!   
981!-- Aerosol number concentration
982    ALLOCATE( aerosol_number(nbins) )
983    ALLOCATE( nconc_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg,nbins),                    &
984              nconc_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg,nbins),                    &
985              nconc_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg,nbins) )
986    nconc_1 = 0.0_wp
987    nconc_2 = 0.0_wp
988    nconc_3 = 0.0_wp
989   
990    DO i = 1, nbins
991       aerosol_number(i)%conc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)    => nconc_1(:,:,:,i)
992       aerosol_number(i)%conc_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)  => nconc_2(:,:,:,i)
993       aerosol_number(i)%tconc_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) => nconc_3(:,:,:,i)
994       ALLOCATE( aerosol_number(i)%flux_s(nzb+1:nzt,0:threads_per_task-1),     &
995                 aerosol_number(i)%diss_s(nzb+1:nzt,0:threads_per_task-1),     &
996                 aerosol_number(i)%flux_l(nzb+1:nzt,nys:nyn,0:threads_per_task-1),&
997                 aerosol_number(i)%diss_l(nzb+1:nzt,nys:nyn,0:threads_per_task-1),&
998                 aerosol_number(i)%init(nzb:nzt+1),                            &
999                 aerosol_number(i)%sums_ws_l(nzb:nzt+1,0:threads_per_task-1) )
1000    ENDDO     
1001   
1002!   
1003!-- Aerosol mass concentration   
1004    ALLOCATE( aerosol_mass(ncc_tot*nbins) ) 
1005    ALLOCATE( mconc_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg,ncc_tot*nbins),            &
1006              mconc_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg,ncc_tot*nbins),            &
1007              mconc_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg,ncc_tot*nbins) )
1008    mconc_1 = 0.0_wp
1009    mconc_2 = 0.0_wp
1010    mconc_3 = 0.0_wp
1011   
1012    DO i = 1, ncc_tot*nbins
1013       aerosol_mass(i)%conc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)    => mconc_1(:,:,:,i)
1014       aerosol_mass(i)%conc_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)  => mconc_2(:,:,:,i)
1015       aerosol_mass(i)%tconc_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) => mconc_3(:,:,:,i)       
1016       ALLOCATE( aerosol_mass(i)%flux_s(nzb+1:nzt,0:threads_per_task-1),       &
1017                 aerosol_mass(i)%diss_s(nzb+1:nzt,0:threads_per_task-1),       &
1018                 aerosol_mass(i)%flux_l(nzb+1:nzt,nys:nyn,0:threads_per_task-1),&
1019                 aerosol_mass(i)%diss_l(nzb+1:nzt,nys:nyn,0:threads_per_task-1),&
1020                 aerosol_mass(i)%init(nzb:nzt+1),                              &
1021                 aerosol_mass(i)%sums_ws_l(nzb:nzt+1,0:threads_per_task-1)  )
1022    ENDDO
1023   
1024!
1025!-- Surface fluxes: answs = aerosol number, amsws = aerosol mass
1026!
1027!-- Horizontal surfaces: default type
1028    DO  l = 0, 2   ! upward (l=0), downward (l=1) and model top (l=2)
1029       ALLOCATE( surf_def_h(l)%answs( 1:surf_def_h(l)%ns, nbins ) )
1030       ALLOCATE( surf_def_h(l)%amsws( 1:surf_def_h(l)%ns, nbins*ncc_tot ) )
1031       surf_def_h(l)%answs = 0.0_wp
1032       surf_def_h(l)%amsws = 0.0_wp
1033    ENDDO
1034!-- Horizontal surfaces: natural type   
1035    IF ( land_surface )  THEN
1036       ALLOCATE( surf_lsm_h%answs( 1:surf_lsm_h%ns, nbins ) )
1037       ALLOCATE( surf_lsm_h%amsws( 1:surf_lsm_h%ns, nbins*ncc_tot ) )
1038       surf_lsm_h%answs = 0.0_wp
1039       surf_lsm_h%amsws = 0.0_wp
1040    ENDIF
1041!-- Horizontal surfaces: urban type
1042    IF ( urban_surface )  THEN
1043       ALLOCATE( surf_usm_h%answs( 1:surf_usm_h%ns, nbins ) )
1044       ALLOCATE( surf_usm_h%amsws( 1:surf_usm_h%ns, nbins*ncc_tot ) )
1045       surf_usm_h%answs = 0.0_wp
1046       surf_usm_h%amsws = 0.0_wp
1047    ENDIF
1048!
1049!-- Vertical surfaces: northward (l=0), southward (l=1), eastward (l=2) and
1050!-- westward (l=3) facing
1051    DO  l = 0, 3   
1052       ALLOCATE( surf_def_v(l)%answs( 1:surf_def_v(l)%ns, nbins ) )
1053       surf_def_v(l)%answs = 0.0_wp
1054       ALLOCATE( surf_def_v(l)%amsws( 1:surf_def_v(l)%ns, nbins*ncc_tot ) )
1055       surf_def_v(l)%amsws = 0.0_wp
1056       
1057       IF ( land_surface)  THEN
1058          ALLOCATE( surf_lsm_v(l)%answs( 1:surf_lsm_v(l)%ns, nbins ) )
1059          surf_lsm_v(l)%answs = 0.0_wp
1060          ALLOCATE( surf_lsm_v(l)%amsws( 1:surf_lsm_v(l)%ns, nbins*ncc_tot ) )
1061          surf_lsm_v(l)%amsws = 0.0_wp
1062       ENDIF
1063       
1064       IF ( urban_surface )  THEN
1065          ALLOCATE( surf_usm_v(l)%answs( 1:surf_usm_v(l)%ns, nbins ) )
1066          surf_usm_v(l)%answs = 0.0_wp
1067          ALLOCATE( surf_usm_v(l)%amsws( 1:surf_usm_v(l)%ns, nbins*ncc_tot ) )
1068          surf_usm_v(l)%amsws = 0.0_wp
1069       ENDIF
1070    ENDDO   
1071   
1072!
1073!-- Concentration of gaseous tracers (1. SO4, 2. HNO3, 3. NH3, 4. OCNV, 5. OCSV)
1074!-- (number concentration (#/m3) )
1075!
1076!-- If chemistry is on, read gas phase concentrations from there. Otherwise,
1077!-- allocate salsa_gas array.
1078
1079    IF ( air_chemistry )  THEN   
1080       DO  lsp = 1, nvar
1081          IF ( TRIM( chem_species(lsp)%name ) == 'H2SO4' )  THEN
1082             gases_available = gases_available + 1
1083             gas_index_chem(1) = lsp
1084          ELSEIF ( TRIM( chem_species(lsp)%name ) == 'HNO3' )  THEN
1085             gases_available = gases_available + 1 
1086             gas_index_chem(2) = lsp
1087          ELSEIF ( TRIM( chem_species(lsp)%name ) == 'NH3' )  THEN
1088             gases_available = gases_available + 1
1089             gas_index_chem(3) = lsp
1090          ELSEIF ( TRIM( chem_species(lsp)%name ) == 'OCNV' )  THEN
1091             gases_available = gases_available + 1
1092             gas_index_chem(4) = lsp
1093          ELSEIF ( TRIM( chem_species(lsp)%name ) == 'OCSV' )  THEN
1094             gases_available = gases_available + 1
1095             gas_index_chem(5) = lsp
1096          ENDIF
1097       ENDDO
1098
1099       IF ( gases_available == ngast )  THEN
1100          salsa_gases_from_chem = .TRUE.
1101       ELSE
1102          WRITE( message_string, * ) 'SALSA is run together with chemistry '// &
1103                                     'but not all gaseous components are '//   &
1104                                     'provided by kpp (H2SO4, HNO3, NH3, '//   &
1105                                     'OCNV, OCSC)'
1106       CALL message( 'check_parameters', 'SA0024', 1, 2, 0, 6, 0 )
1107       ENDIF
1108
1109    ELSE
1110
1111       ALLOCATE( salsa_gas(ngast) ) 
1112       ALLOCATE( gconc_1(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg,ngast),                 &
1113                 gconc_2(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg,ngast),                 &
1114                 gconc_3(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg,ngast) )
1115       gconc_1 = 0.0_wp
1116       gconc_2 = 0.0_wp
1117       gconc_3 = 0.0_wp
1118       
1119       DO i = 1, ngast
1120          salsa_gas(i)%conc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)    => gconc_1(:,:,:,i)
1121          salsa_gas(i)%conc_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)  => gconc_2(:,:,:,i)
1122          salsa_gas(i)%tconc_m(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) => gconc_3(:,:,:,i)
1123          ALLOCATE( salsa_gas(i)%flux_s(nzb+1:nzt,0:threads_per_task-1),       &
1124                    salsa_gas(i)%diss_s(nzb+1:nzt,0:threads_per_task-1),       &
1125                    salsa_gas(i)%flux_l(nzb+1:nzt,nys:nyn,0:threads_per_task-1),&
1126                    salsa_gas(i)%diss_l(nzb+1:nzt,nys:nyn,0:threads_per_task-1),&
1127                    salsa_gas(i)%init(nzb:nzt+1),                              &
1128                    salsa_gas(i)%sums_ws_l(nzb:nzt+1,0:threads_per_task-1) )
1129       ENDDO       
1130!
1131!--    Surface fluxes: gtsws = gaseous tracer flux
1132!
1133!--    Horizontal surfaces: default type
1134       DO  l = 0, 2   ! upward (l=0), downward (l=1) and model top (l=2)
1135          ALLOCATE( surf_def_h(l)%gtsws( 1:surf_def_h(l)%ns, ngast ) )
1136          surf_def_h(l)%gtsws = 0.0_wp
1137       ENDDO
1138!--    Horizontal surfaces: natural type   
1139       IF ( land_surface )  THEN
1140          ALLOCATE( surf_lsm_h%gtsws( 1:surf_lsm_h%ns, ngast ) )
1141          surf_lsm_h%gtsws = 0.0_wp
1142       ENDIF
1143!--    Horizontal surfaces: urban type         
1144       IF ( urban_surface )  THEN
1145          ALLOCATE( surf_usm_h%gtsws( 1:surf_usm_h%ns, ngast ) )
1146          surf_usm_h%gtsws = 0.0_wp
1147       ENDIF
1148!
1149!--    Vertical surfaces: northward (l=0), southward (l=1), eastward (l=2) and
1150!--    westward (l=3) facing
1151       DO  l = 0, 3     
1152          ALLOCATE( surf_def_v(l)%gtsws( 1:surf_def_v(l)%ns, ngast ) )
1153          surf_def_v(l)%gtsws = 0.0_wp
1154          IF ( land_surface )  THEN
1155             ALLOCATE( surf_lsm_v(l)%gtsws( 1:surf_lsm_v(l)%ns, ngast ) )
1156             surf_lsm_v(l)%gtsws = 0.0_wp
1157          ENDIF
1158          IF ( urban_surface )  THEN
1159             ALLOCATE( surf_usm_v(l)%gtsws( 1:surf_usm_v(l)%ns, ngast ) )
1160             surf_usm_v(l)%gtsws = 0.0_wp
1161          ENDIF
1162       ENDDO
1163    ENDIF
1164   
1165 END SUBROUTINE salsa_init_arrays
1166
1167!------------------------------------------------------------------------------!
1168! Description:
1169! ------------
1170!> Initialization of SALSA. Based on salsa_initialize in UCLALES-SALSA.
1171!> Subroutines salsa_initialize, SALSAinit and DiagInitAero in UCLALES-SALSA are
1172!> also merged here.
1173!------------------------------------------------------------------------------!
1174 SUBROUTINE salsa_init
1175
1176    IMPLICIT NONE
1177   
1178    INTEGER(iwp) :: b
1179    INTEGER(iwp) :: c
1180    INTEGER(iwp) :: g
1181    INTEGER(iwp) :: i
1182    INTEGER(iwp) :: j
1183   
1184    bin_low_limits = 0.0_wp
1185    nsect          = 0.0_wp
1186    massacc        = 1.0_wp 
1187   
1188!
1189!-- Indices for chemical components used (-1 = not used)
1190    i = 0
1191    IF ( is_used( prtcl, 'SO4' ) )  THEN
1192       iso4 = get_index( prtcl,'SO4' )
1193       i = i + 1
1194    ENDIF
1195    IF ( is_used( prtcl,'OC' ) )  THEN
1196       ioc = get_index(prtcl, 'OC')
1197       i = i + 1
1198    ENDIF
1199    IF ( is_used( prtcl, 'BC' ) )  THEN
1200       ibc = get_index( prtcl, 'BC' )
1201       i = i + 1
1202    ENDIF
1203    IF ( is_used( prtcl, 'DU' ) )  THEN
1204       idu = get_index( prtcl, 'DU' )
1205       i = i + 1
1206    ENDIF
1207    IF ( is_used( prtcl, 'SS' ) )  THEN
1208       iss = get_index( prtcl, 'SS' )
1209       i = i + 1
1210    ENDIF
1211    IF ( is_used( prtcl, 'NO' ) )  THEN
1212       ino = get_index( prtcl, 'NO' )
1213       i = i + 1
1214    ENDIF
1215    IF ( is_used( prtcl, 'NH' ) )  THEN
1216       inh = get_index( prtcl, 'NH' )
1217       i = i + 1
1218    ENDIF
1219!   
1220!-- All species must be known
1221    IF ( i /= ncc )  THEN
1222       message_string = 'Unknown aerosol species/component(s) given in the' // &
1223                        ' initialization'
1224       CALL message( 'salsa_mod: salsa_init', 'SA0020', 1, 2, 0, 6, 0 )
1225    ENDIF
1226   
1227!
1228!-- Initialise
1229!
1230!-- Aerosol size distribution (TYPE t_section)
1231    aero(:)%dwet     = 1.0E-10_wp
1232    aero(:)%veqh2o   = 1.0E-10_wp
1233    aero(:)%numc     = nclim
1234    aero(:)%core     = 1.0E-10_wp
1235    DO c = 1, maxspec+1    ! 1:SO4, 2:OC, 3:BC, 4:DU, 5:SS, 6:NO, 7:NH, 8:H2O
1236       aero(:)%volc(c) = 0.0_wp
1237    ENDDO
1238   
1239    IF ( nldepo )  sedim_vd = 0.0_wp 
1240   
1241    DO  b = 1, nbins
1242       IF ( .NOT. read_restart_data_salsa )  aerosol_number(b)%conc = nclim
1243       aerosol_number(b)%conc_p    = 0.0_wp
1244       aerosol_number(b)%tconc_m   = 0.0_wp
1245       aerosol_number(b)%flux_s    = 0.0_wp
1246       aerosol_number(b)%diss_s    = 0.0_wp
1247       aerosol_number(b)%flux_l    = 0.0_wp
1248       aerosol_number(b)%diss_l    = 0.0_wp
1249       aerosol_number(b)%init      = nclim
1250       aerosol_number(b)%sums_ws_l = 0.0_wp
1251    ENDDO
1252    DO  c = 1, ncc_tot*nbins
1253       IF ( .NOT. read_restart_data_salsa )  aerosol_mass(c)%conc = mclim
1254       aerosol_mass(c)%conc_p    = 0.0_wp
1255       aerosol_mass(c)%tconc_m   = 0.0_wp
1256       aerosol_mass(c)%flux_s    = 0.0_wp
1257       aerosol_mass(c)%diss_s    = 0.0_wp
1258       aerosol_mass(c)%flux_l    = 0.0_wp
1259       aerosol_mass(c)%diss_l    = 0.0_wp
1260       aerosol_mass(c)%init      = mclim
1261       aerosol_mass(c)%sums_ws_l = 0.0_wp
1262    ENDDO
1263   
1264    IF ( .NOT. salsa_gases_from_chem )  THEN
1265       DO  g = 1, ngast
1266          salsa_gas(g)%conc_p    = 0.0_wp
1267          salsa_gas(g)%tconc_m   = 0.0_wp
1268          salsa_gas(g)%flux_s    = 0.0_wp
1269          salsa_gas(g)%diss_s    = 0.0_wp
1270          salsa_gas(g)%flux_l    = 0.0_wp
1271          salsa_gas(g)%diss_l    = 0.0_wp
1272          salsa_gas(g)%sums_ws_l = 0.0_wp
1273       ENDDO
1274       IF ( .NOT. read_restart_data_salsa )  THEN
1275          salsa_gas(1)%conc = H2SO4_init
1276          salsa_gas(2)%conc = HNO3_init
1277          salsa_gas(3)%conc = NH3_init
1278          salsa_gas(4)%conc = OCNV_init
1279          salsa_gas(5)%conc = OCSV_init
1280       ENDIF
1281!
1282!--    Set initial value for gas compound tracers and initial values
1283       salsa_gas(1)%init = H2SO4_init
1284       salsa_gas(2)%init = HNO3_init
1285       salsa_gas(3)%init = NH3_init
1286       salsa_gas(4)%init = OCNV_init
1287       salsa_gas(5)%init = OCSV_init     
1288    ENDIF
1289!
1290!-- Aerosol radius in each bin: dry and wet (m)
1291    Ra_dry = 1.0E-10_wp
1292!   
1293!-- Initialise aerosol tracers   
1294    aero(:)%vhilim   = 0.0_wp
1295    aero(:)%vlolim   = 0.0_wp
1296    aero(:)%vratiohi = 0.0_wp
1297    aero(:)%vratiolo = 0.0_wp
1298    aero(:)%dmid     = 0.0_wp
1299!
1300!-- Initialise the sectional particle size distribution
1301    CALL set_sizebins()
1302!
1303!-- Initialise location-dependent aerosol size distributions and
1304!-- chemical compositions:
1305    CALL aerosol_init
1306!
1307!-- Initalisation run of SALSA
1308    DO  i = nxl, nxr
1309       DO  j = nys, nyn
1310          CALL salsa_driver( i, j, 1 )
1311          CALL salsa_diagnostics( i, j )
1312       ENDDO
1313    ENDDO
1314!
1315!-- Set the aerosol and gas sources
1316    IF ( salsa_source_mode == 'read_from_file' )  THEN
1317       CALL salsa_set_source
1318    ENDIF
1319   
1320 END SUBROUTINE salsa_init
1321
1322!------------------------------------------------------------------------------!
1323! Description:
1324! ------------
1325!> Initializes particle size distribution grid by calculating size bin limits
1326!> and mid-size for *dry* particles in each bin. Called from salsa_initialize
1327!> (only at the beginning of simulation).
1328!> Size distribution described using:
1329!>   1) moving center method (subranges 1 and 2)
1330!>      (Jacobson, Atmos. Env., 31, 131-144, 1997)
1331!>   2) fixed sectional method (subrange 3)
1332!> Size bins in each subrange are spaced logarithmically
1333!> based on given subrange size limits and bin number.
1334!
1335!> Mona changed 06/2017: Use geometric mean diameter to describe the mean
1336!> particle diameter in a size bin, not the arithmeric mean which clearly
1337!> overestimates the total particle volume concentration.
1338!
1339!> Coded by:
1340!> Hannele Korhonen (FMI) 2005
1341!> Harri Kokkola (FMI) 2006
1342!
1343!> Bug fixes for box model + updated for the new aerosol datatype:
1344!> Juha Tonttila (FMI) 2014
1345!------------------------------------------------------------------------------!
1346 SUBROUTINE set_sizebins
1347               
1348    IMPLICIT NONE
1349!   
1350!-- Local variables
1351    INTEGER(iwp) ::  cc
1352    INTEGER(iwp) ::  dd
1353    REAL(wp) ::  ratio_d !< ratio of the upper and lower diameter of subranges
1354!
1355!-- vlolim&vhilim: min & max *dry* volumes [fxm]
1356!-- dmid: bin mid *dry* diameter (m)
1357!-- vratiolo&vratiohi: volume ratio between the center and low/high limit
1358!
1359!-- 1) Size subrange 1:
1360    ratio_d = reglim(2) / reglim(1)   ! section spacing (m)
1361    DO  cc = in1a,fn1a
1362       aero(cc)%vlolim = api6 * ( reglim(1) * ratio_d **                       &
1363                                ( REAL( cc-1 ) / nbin(1) ) ) ** 3.0_wp
1364       aero(cc)%vhilim = api6 * ( reglim(1) * ratio_d **                       &
1365                                ( REAL( cc ) / nbin(1) ) ) ** 3.0_wp
1366       aero(cc)%dmid = SQRT( ( aero(cc)%vhilim / api6 ) ** ( 1.0_wp / 3.0_wp ) &
1367                           * ( aero(cc)%vlolim / api6 ) ** ( 1.0_wp / 3.0_wp ) )
1368       aero(cc)%vratiohi = aero(cc)%vhilim / ( api6 * aero(cc)%dmid ** 3.0_wp )
1369       aero(cc)%vratiolo = aero(cc)%vlolim / ( api6 * aero(cc)%dmid ** 3.0_wp )
1370    ENDDO
1371!
1372!-- 2) Size subrange 2:
1373!-- 2.1) Sub-subrange 2a: high hygroscopicity
1374    ratio_d = reglim(3) / reglim(2)   ! section spacing
1375    DO  dd = in2a, fn2a
1376       cc = dd - in2a
1377       aero(dd)%vlolim = api6 * ( reglim(2) * ratio_d **                       &
1378                                  ( REAL( cc ) / nbin(2) ) ) ** 3.0_wp
1379       aero(dd)%vhilim = api6 * ( reglim(2) * ratio_d **                       &
1380                                  ( REAL( cc+1 ) / nbin(2) ) ) ** 3.0_wp
1381       aero(dd)%dmid = SQRT( ( aero(dd)%vhilim / api6 ) ** ( 1.0_wp / 3.0_wp ) &
1382                           * ( aero(dd)%vlolim / api6 ) ** ( 1.0_wp / 3.0_wp ) )
1383       aero(dd)%vratiohi = aero(dd)%vhilim / ( api6 * aero(dd)%dmid ** 3.0_wp )
1384       aero(dd)%vratiolo = aero(dd)%vlolim / ( api6 * aero(dd)%dmid ** 3.0_wp )
1385    ENDDO
1386!         
1387!-- 2.2) Sub-subrange 2b: low hygroscopicity
1388    IF ( .NOT. no_insoluble )  THEN
1389       aero(in2b:fn2b)%vlolim   = aero(in2a:fn2a)%vlolim
1390       aero(in2b:fn2b)%vhilim   = aero(in2a:fn2a)%vhilim
1391       aero(in2b:fn2b)%dmid     = aero(in2a:fn2a)%dmid
1392       aero(in2b:fn2b)%vratiohi = aero(in2a:fn2a)%vratiohi
1393       aero(in2b:fn2b)%vratiolo = aero(in2a:fn2a)%vratiolo
1394    ENDIF
1395!         
1396!-- Initialize the wet diameter with the bin dry diameter to avoid numerical
1397!-- problems later
1398    aero(:)%dwet = aero(:)%dmid
1399!
1400!-- Save bin limits (lower diameter) to be delivered to the host model if needed
1401    DO cc = 1, nbins
1402       bin_low_limits(cc) = ( aero(cc)%vlolim / api6 )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
1403    ENDDO   
1404   
1405 END SUBROUTINE set_sizebins
1406 
1407!------------------------------------------------------------------------------!
1408! Description:
1409! ------------
1410!> Initilize altitude-dependent aerosol size distributions and compositions.
1411!>
1412!> Mona added 06/2017: Correct the number and mass concentrations by normalizing
1413!< by the given total number and mass concentration.
1414!>
1415!> Tomi Raatikainen, FMI, 29.2.2016
1416!------------------------------------------------------------------------------!
1417 SUBROUTINE aerosol_init
1418 
1419    USE arrays_3d,                                                             &
1420        ONLY:  zu
1421 
1422!    USE NETCDF
1423   
1424    USE netcdf_data_input_mod,                                                 &
1425        ONLY:  get_attribute, get_variable,                                    &
1426               netcdf_data_input_get_dimension_length, open_read_file
1427   
1428    IMPLICIT NONE
1429   
1430    INTEGER(iwp) ::  b          !< loop index: size bins
1431    INTEGER(iwp) ::  c          !< loop index: chemical components
1432    INTEGER(iwp) ::  ee         !< index: end
1433    INTEGER(iwp) ::  g          !< loop index: gases
1434    INTEGER(iwp) ::  i          !< loop index: x-direction
1435    INTEGER(iwp) ::  id_faero   !< NetCDF id of PIDS_SALSA
1436    INTEGER(iwp) ::  id_fchem   !< NetCDF id of PIDS_CHEM
1437    INTEGER(iwp) ::  j          !< loop index: y-direction
1438    INTEGER(iwp) ::  k          !< loop index: z-direction
1439    INTEGER(iwp) ::  kk         !< loop index: z-direction
1440    INTEGER(iwp) ::  nz_file    !< Number of grid-points in file (heights)                           
1441    INTEGER(iwp) ::  prunmode
1442    INTEGER(iwp) ::  ss !< index: start
1443    LOGICAL  ::  netcdf_extend = .FALSE. !< Flag indicating wether netcdf
1444                                         !< topography input file or not
1445    REAL(wp), DIMENSION(nbins) ::  core  !< size of the bin mid aerosol particle,
1446    REAL(wp) ::  flag           !< flag to mask topography grid points
1447    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  pr_gas !< gas profiles
1448    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  pr_mass_fracs_a !< mass fraction
1449                                                              !< profiles: a
1450    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  pr_mass_fracs_b !< and b
1451    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  pr_nsect !< sectional size
1452                                                       !< distribution profile
1453    REAL(wp), DIMENSION(nbins)            ::  nsect  !< size distribution (#/m3)
1454    REAL(wp), DIMENSION(0:nz+1,nbins)     ::  pndist !< size dist as a function
1455                                                     !< of height (#/m3)
1456    REAL(wp), DIMENSION(0:nz+1)           ::  pnf2a  !< number fraction: bins 2a
1457    REAL(wp), DIMENSION(0:nz+1,maxspec)   ::  pvf2a  !< mass distributions of 
1458                                                     !< aerosol species for a 
1459    REAL(wp), DIMENSION(0:nz+1,maxspec)   ::  pvf2b  !< and b-bins     
1460    REAL(wp), DIMENSION(0:nz+1)           ::  pvfOC1a !< mass fraction between
1461                                                     !< SO4 and OC in 1a
1462    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE   ::  pr_z
1463
1464    prunmode = 1
1465!
1466!-- Bin mean aerosol particle volume (m3)
1467    core(:) = 0.0_wp
1468    core(1:nbins) = api6 * aero(1:nbins)%dmid ** 3.0_wp
1469!   
1470!-- Set concentrations to zero
1471    nsect(:)     = 0.0_wp
1472    pndist(:,:)  = 0.0_wp
1473    pnf2a(:)     = nf2a   
1474    pvf2a(:,:)   = 0.0_wp
1475    pvf2b(:,:)   = 0.0_wp
1476    pvfOC1a(:)   = 0.0_wp
1477
1478    IF ( isdtyp == 1 )  THEN
1479!
1480!--    Read input profiles from PIDS_SALSA   
1481#if defined( __netcdf )
1482!   
1483!--    Location-dependent size distributions and compositions.     
1484       INQUIRE( FILE='PIDS_SALSA'// TRIM( coupling_char ), EXIST=netcdf_extend )
1485       IF ( netcdf_extend )  THEN
1486!
1487!--       Open file in read-only mode 
1488          CALL open_read_file( 'PIDS_SALSA' // TRIM( coupling_char ), id_faero )
1489!
1490!--       Input heights   
1491          CALL netcdf_data_input_get_dimension_length( id_faero, nz_file,      &
1492                                                       "profile_z" ) 
1493         
1494          ALLOCATE( pr_z(nz_file), pr_mass_fracs_a(maxspec,nz_file),           &
1495                    pr_mass_fracs_b(maxspec,nz_file), pr_nsect(nbins,nz_file) ) 
1496          CALL get_variable( id_faero, 'profile_z', pr_z ) 
1497!       
1498!--       Mass fracs profile: 1: H2SO4 (sulphuric acid), 2: OC (organic carbon),
1499!--                           3: BC (black carbon),      4: DU (dust), 
1500!--                           5: SS (sea salt),          6: HNO3 (nitric acid),
1501!--                           7: NH3 (ammonia)         
1502          CALL get_variable( id_faero, "profile_mass_fracs_a", pr_mass_fracs_a,&
1503                             0, nz_file-1, 0, maxspec-1 )
1504          CALL get_variable( id_faero, "profile_mass_fracs_b", pr_mass_fracs_b,&
1505                             0, nz_file-1, 0, maxspec-1 )
1506          CALL get_variable( id_faero, "profile_nsect", pr_nsect, 0, nz_file-1,&
1507                             0, nbins-1 )                   
1508         
1509          kk = 1
1510          DO  k = nzb, nz+1
1511             IF ( kk < nz_file )  THEN
1512                DO  WHILE ( pr_z(kk+1) <= zu(k) )
1513                   kk = kk + 1
1514                   IF ( kk == nz_file )  EXIT
1515                ENDDO
1516             ENDIF
1517             IF ( kk < nz_file )  THEN
1518!             
1519!--             Set initial value for gas compound tracers and initial values
1520                pvf2a(k,:) = pr_mass_fracs_a(:,kk) + ( zu(k) - pr_z(kk) ) / (  &
1521                            pr_z(kk+1) - pr_z(kk) ) * ( pr_mass_fracs_a(:,kk+1)&
1522                            - pr_mass_fracs_a(:,kk) )   
1523                pvf2b(k,:) = pr_mass_fracs_b(:,kk) + ( zu(k) - pr_z(kk) ) / (  &
1524                            pr_z(kk+1) - pr_z(kk) ) * ( pr_mass_fracs_b(:,kk+1)&
1525                            - pr_mass_fracs_b(:,kk) )             
1526                pndist(k,:) = pr_nsect(:,kk) + ( zu(k) - pr_z(kk) ) / (        &
1527                              pr_z(kk+1) - pr_z(kk) ) * ( pr_nsect(:,kk+1) -   &
1528                              pr_nsect(:,kk) )
1529             ELSE
1530                pvf2a(k,:) = pr_mass_fracs_a(:,kk)       
1531                pvf2b(k,:) = pr_mass_fracs_b(:,kk)
1532                pndist(k,:) = pr_nsect(:,kk)
1533             ENDIF
1534             IF ( iso4 < 0 )  THEN
1535                pvf2a(k,1) = 0.0_wp
1536                pvf2b(k,1) = 0.0_wp
1537             ENDIF
1538             IF ( ioc < 0 )  THEN
1539                pvf2a(k,2) = 0.0_wp
1540                pvf2b(k,2) = 0.0_wp
1541             ENDIF
1542             IF ( ibc < 0 )  THEN
1543                pvf2a(k,3) = 0.0_wp
1544                pvf2b(k,3) = 0.0_wp
1545             ENDIF
1546             IF ( idu < 0 )  THEN
1547                pvf2a(k,4) = 0.0_wp
1548                pvf2b(k,4) = 0.0_wp
1549             ENDIF
1550             IF ( iss < 0 )  THEN
1551                pvf2a(k,5) = 0.0_wp
1552                pvf2b(k,5) = 0.0_wp
1553             ENDIF
1554             IF ( ino < 0 )  THEN
1555                pvf2a(k,6) = 0.0_wp
1556                pvf2b(k,6) = 0.0_wp
1557             ENDIF
1558             IF ( inh < 0 )  THEN
1559                pvf2a(k,7) = 0.0_wp
1560                pvf2b(k,7) = 0.0_wp
1561             ENDIF
1562!
1563!--          Then normalise the mass fraction so that SUM = 1
1564             pvf2a(k,:) = pvf2a(k,:) / SUM( pvf2a(k,:) )
1565             IF ( SUM( pvf2b(k,:) ) > 0.0_wp ) pvf2b(k,:) = pvf2b(k,:) /       &
1566                                                            SUM( pvf2b(k,:) )
1567          ENDDO         
1568          DEALLOCATE( pr_z, pr_mass_fracs_a, pr_mass_fracs_b, pr_nsect )
1569       ELSE
1570          message_string = 'Input file '// TRIM( 'PIDS_SALSA' ) //             &
1571                           TRIM( coupling_char ) // ' for SALSA missing!'
1572          CALL message( 'salsa_mod: aerosol_init', 'SA0032', 1, 2, 0, 6, 0 )               
1573       ENDIF   ! netcdf_extend   
1574#endif
1575 
1576    ELSEIF ( isdtyp == 0 )  THEN
1577!
1578!--    Mass fractions for species in a and b-bins
1579       IF ( iso4 > 0 )  THEN
1580          pvf2a(:,1) = mass_fracs_a(iso4) 
1581          pvf2b(:,1) = mass_fracs_b(iso4)
1582       ENDIF
1583       IF ( ioc > 0 )  THEN
1584          pvf2a(:,2) = mass_fracs_a(ioc)
1585          pvf2b(:,2) = mass_fracs_b(ioc) 
1586       ENDIF
1587       IF ( ibc > 0 )  THEN
1588          pvf2a(:,3) = mass_fracs_a(ibc) 
1589          pvf2b(:,3) = mass_fracs_b(ibc)
1590       ENDIF
1591       IF ( idu > 0 )  THEN
1592          pvf2a(:,4) = mass_fracs_a(idu)
1593          pvf2b(:,4) = mass_fracs_b(idu) 
1594       ENDIF
1595       IF ( iss > 0 )  THEN
1596          pvf2a(:,5) = mass_fracs_a(iss)
1597          pvf2b(:,5) = mass_fracs_b(iss) 
1598       ENDIF
1599       IF ( ino > 0 )  THEN
1600          pvf2a(:,6) = mass_fracs_a(ino)
1601          pvf2b(:,6) = mass_fracs_b(ino)
1602       ENDIF
1603       IF ( inh > 0 )  THEN
1604          pvf2a(:,7) = mass_fracs_a(inh)
1605          pvf2b(:,7) = mass_fracs_b(inh)
1606       ENDIF
1607       DO  k = nzb, nz+1
1608          pvf2a(k,:) = pvf2a(k,:) / SUM( pvf2a(k,:) )
1609          IF ( SUM( pvf2b(k,:) ) > 0.0_wp ) pvf2b(k,:) = pvf2b(k,:) /          &
1610                                                         SUM( pvf2b(k,:) )
1611       ENDDO
1612       
1613       CALL size_distribution( n_lognorm, dpg, sigmag, nsect )
1614!
1615!--    Normalize by the given total number concentration
1616       nsect = nsect * SUM( n_lognorm ) * 1.0E+6_wp / SUM( nsect )     
1617       DO  b = in1a, fn2b
1618          pndist(:,b) = nsect(b)
1619       ENDDO
1620    ENDIF
1621   
1622    IF ( igctyp == 1 )  THEN
1623!
1624!--    Read input profiles from PIDS_CHEM   
1625#if defined( __netcdf )
1626!   
1627!--    Location-dependent size distributions and compositions.     
1628       INQUIRE( FILE='PIDS_CHEM' // TRIM( coupling_char ), EXIST=netcdf_extend )
1629       IF ( netcdf_extend  .AND.  .NOT. salsa_gases_from_chem )  THEN
1630!
1631!--       Open file in read-only mode     
1632          CALL open_read_file( 'PIDS_CHEM' // TRIM( coupling_char ), id_fchem )
1633!
1634!--       Input heights   
1635          CALL netcdf_data_input_get_dimension_length( id_fchem, nz_file,      &
1636                                                       "profile_z" ) 
1637          ALLOCATE( pr_z(nz_file), pr_gas(ngast,nz_file) ) 
1638          CALL get_variable( id_fchem, 'profile_z', pr_z ) 
1639!       
1640!--       Gases:
1641          CALL get_variable( id_fchem, "profile_H2SO4", pr_gas(1,:) )
1642          CALL get_variable( id_fchem, "profile_HNO3", pr_gas(2,:) )
1643          CALL get_variable( id_fchem, "profile_NH3", pr_gas(3,:) )
1644          CALL get_variable( id_fchem, "profile_OCNV", pr_gas(4,:) )
1645          CALL get_variable( id_fchem, "profile_OCSV", pr_gas(5,:) )
1646         
1647          kk = 1
1648          DO  k = nzb, nz+1
1649             IF ( kk < nz_file )  THEN
1650                DO  WHILE ( pr_z(kk+1) <= zu(k) )
1651                   kk = kk + 1
1652                   IF ( kk == nz_file )  EXIT
1653                ENDDO
1654             ENDIF
1655             IF ( kk < nz_file )  THEN
1656!             
1657!--             Set initial value for gas compound tracers and initial values
1658                DO  g = 1, ngast
1659                   salsa_gas(g)%init(k) =  pr_gas(g,kk) + ( zu(k) - pr_z(kk) ) &
1660                                           / ( pr_z(kk+1) - pr_z(kk) ) *       &
1661                                           ( pr_gas(g,kk+1) - pr_gas(g,kk) )
1662                   salsa_gas(g)%conc(k,:,:) = salsa_gas(g)%init(k)
1663                ENDDO
1664             ELSE
1665                DO  g = 1, ngast
1666                   salsa_gas(g)%init(k) =  pr_gas(g,kk) 
1667                   salsa_gas(g)%conc(k,:,:) = salsa_gas(g)%init(k)
1668                ENDDO
1669             ENDIF
1670          ENDDO
1671         
1672          DEALLOCATE( pr_z, pr_gas )
1673       ELSEIF ( .NOT. netcdf_extend  .AND.  .NOT.  salsa_gases_from_chem )  THEN
1674          message_string = 'Input file '// TRIM( 'PIDS_CHEM' ) //              &
1675                           TRIM( coupling_char ) // ' for SALSA missing!'
1676          CALL message( 'salsa_mod: aerosol_init', 'SA0033', 1, 2, 0, 6, 0 )               
1677       ENDIF   ! netcdf_extend     
1678#endif
1679
1680    ENDIF
1681
1682    IF ( ioc > 0  .AND.  iso4 > 0 )  THEN     
1683!--    Both are there, so use the given "massDistrA"
1684       pvfOC1a(:) = pvf2a(:,2) / ( pvf2a(:,2) + pvf2a(:,1) )  ! Normalize
1685    ELSEIF ( ioc > 0 )  THEN
1686!--    Pure organic carbon
1687       pvfOC1a(:) = 1.0_wp
1688    ELSEIF ( iso4 > 0 )  THEN
1689!--    Pure SO4
1690       pvfOC1a(:) = 0.0_wp   
1691    ELSE
1692       message_string = 'Either OC or SO4 must be active for aerosol region 1a!'
1693       CALL message( 'salsa_mod: aerosol_init', 'SA0021', 1, 2, 0, 6, 0 )
1694    ENDIF   
1695   
1696!
1697!-- Initialize concentrations
1698    DO  i = nxlg, nxrg
1699       DO  j = nysg, nyng
1700          DO  k = nzb, nzt+1
1701!
1702!--          Predetermine flag to mask topography         
1703             flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
1704!         
1705!--          a) Number concentrations
1706!--           Region 1:
1707             DO  b = in1a, fn1a
1708                aerosol_number(b)%conc(k,j,i) = pndist(k,b) * flag
1709                IF ( prunmode == 1 )  THEN
1710                   aerosol_number(b)%init = pndist(:,b)
1711                ENDIF
1712             ENDDO
1713!             
1714!--           Region 2:
1715             IF ( nreg > 1 )  THEN
1716                DO  b = in2a, fn2a
1717                   aerosol_number(b)%conc(k,j,i) = MAX( 0.0_wp, pnf2a(k) ) *   &
1718                                                    pndist(k,b) * flag
1719                   IF ( prunmode == 1 )  THEN
1720                      aerosol_number(b)%init = MAX( 0.0_wp, nf2a ) * pndist(:,b)
1721                   ENDIF
1722                ENDDO
1723                IF ( .NOT. no_insoluble )  THEN
1724                   DO  b = in2b, fn2b
1725                      IF ( pnf2a(k) < 1.0_wp )  THEN             
1726                         aerosol_number(b)%conc(k,j,i) = MAX( 0.0_wp, 1.0_wp   &
1727                                               - pnf2a(k) ) * pndist(k,b) * flag
1728                         IF ( prunmode == 1 )  THEN
1729                            aerosol_number(b)%init = MAX( 0.0_wp, 1.0_wp -     &
1730                                                          nf2a ) * pndist(:,b)
1731                         ENDIF
1732                      ENDIF
1733                   ENDDO
1734                ENDIF
1735             ENDIF
1736!
1737!--          b) Aerosol mass concentrations
1738!--             bin subrange 1: done here separately due to the SO4/OC convention
1739!--          SO4:
1740             IF ( iso4 > 0 )  THEN
1741                ss = ( iso4 - 1 ) * nbins + in1a !< start
1742                ee = ( iso4 - 1 ) * nbins + fn1a !< end
1743                b = in1a
1744                DO  c = ss, ee
1745                   aerosol_mass(c)%conc(k,j,i) = MAX( 0.0_wp, 1.0_wp -         &
1746                                                  pvfOC1a(k) ) * pndist(k,b) * &
1747                                                  core(b) * arhoh2so4 * flag
1748                   IF ( prunmode == 1 )  THEN
1749                      aerosol_mass(c)%init = MAX( 0.0_wp, 1.0_wp - MAXVAL(     &
1750                                             pvfOC1a ) ) * pndist(:,b) *       &
1751                                             core(b) * arhoh2so4
1752                   ENDIF
1753                   b = b+1
1754                ENDDO
1755             ENDIF
1756!--          OC:
1757             IF ( ioc > 0 ) THEN
1758                ss = ( ioc - 1 ) * nbins + in1a !< start
1759                ee = ( ioc - 1 ) * nbins + fn1a !< end
1760                b = in1a
1761                DO  c = ss, ee
1762                   aerosol_mass(c)%conc(k,j,i) = MAX( 0.0_wp, pvfOC1a(k) ) *   &
1763                                           pndist(k,b) * core(b) * arhooc * flag
1764                   IF ( prunmode == 1 )  THEN
1765                      aerosol_mass(c)%init = MAX( 0.0_wp, MAXVAL( pvfOC1a ) )  &
1766                                             * pndist(:,b) *  core(b) * arhooc
1767                   ENDIF
1768                   b = b+1
1769                ENDDO
1770             ENDIF
1771             
1772             prunmode = 3  ! Init only once
1773 
1774          ENDDO !< k
1775       ENDDO !< j
1776    ENDDO !< i
1777   
1778!
1779!-- c) Aerosol mass concentrations
1780!--    bin subrange 2:
1781    IF ( nreg > 1 ) THEN
1782   
1783       IF ( iso4 > 0 ) THEN
1784          CALL set_aero_mass( iso4, pvf2a(:,1), pvf2b(:,1), pnf2a, pndist,     &
1785                              core, arhoh2so4 )
1786       ENDIF
1787       IF ( ioc > 0 ) THEN
1788          CALL set_aero_mass( ioc, pvf2a(:,2), pvf2b(:,2), pnf2a, pndist, core,&
1789                              arhooc )
1790       ENDIF
1791       IF ( ibc > 0 ) THEN
1792          CALL set_aero_mass( ibc, pvf2a(:,3), pvf2b(:,3), pnf2a, pndist, core,&
1793                              arhobc )
1794       ENDIF
1795       IF ( idu > 0 ) THEN
1796          CALL set_aero_mass( idu, pvf2a(:,4), pvf2b(:,4), pnf2a, pndist, core,&
1797                              arhodu )
1798       ENDIF
1799       IF ( iss > 0 ) THEN
1800          CALL set_aero_mass( iss, pvf2a(:,5), pvf2b(:,5), pnf2a, pndist, core,&
1801                              arhoss )
1802       ENDIF
1803       IF ( ino > 0 ) THEN
1804          CALL set_aero_mass( ino, pvf2a(:,6), pvf2b(:,6), pnf2a, pndist, core,&
1805                              arhohno3 )
1806       ENDIF
1807       IF ( inh > 0 ) THEN
1808          CALL set_aero_mass( inh, pvf2a(:,7), pvf2b(:,7), pnf2a, pndist, core,&
1809                              arhonh3 )
1810       ENDIF
1811
1812    ENDIF
1813   
1814 END SUBROUTINE aerosol_init
1815 
1816!------------------------------------------------------------------------------!
1817! Description:
1818! ------------
1819!> Create a lognormal size distribution and discretise to a sectional
1820!> representation.
1821!------------------------------------------------------------------------------!
1822 SUBROUTINE size_distribution( in_ntot, in_dpg, in_sigma, psd_sect )
1823   
1824    IMPLICIT NONE
1825   
1826!-- Log-normal size distribution: modes   
1827    REAL(wp), DIMENSION(:), INTENT(in) ::  in_dpg    !< geometric mean diameter
1828                                                     !< (micrometres)
1829    REAL(wp), DIMENSION(:), INTENT(in) ::  in_ntot   !< number conc. (#/cm3)
1830    REAL(wp), DIMENSION(:), INTENT(in) ::  in_sigma  !< standard deviation
1831    REAL(wp), DIMENSION(:), INTENT(inout) ::  psd_sect !< sectional size
1832                                                       !< distribution
1833    INTEGER(iwp) ::  b          !< running index: bin
1834    INTEGER(iwp) ::  ib         !< running index: iteration
1835    REAL(wp) ::  d1             !< particle diameter (m, dummy)
1836    REAL(wp) ::  d2             !< particle diameter (m, dummy)
1837    REAL(wp) ::  delta_d        !< (d2-d1)/10                                                     
1838    REAL(wp) ::  deltadp        !< bin width
1839    REAL(wp) ::  dmidi          !< ( d1 + d2 ) / 2
1840   
1841    DO  b = in1a, fn2b !< aerosol size bins
1842       psd_sect(b) = 0.0_wp
1843!--    Particle diameter at the low limit (largest in the bin) (m)
1844       d1 = ( aero(b)%vlolim / api6 ) ** ( 1.0_wp / 3.0_wp )
1845!--    Particle diameter at the high limit (smallest in the bin) (m)
1846       d2 = ( aero(b)%vhilim / api6 ) ** ( 1.0_wp / 3.0_wp )
1847!--    Span of particle diameter in a bin (m)
1848       delta_d = ( d2 - d1 ) / 10.0_wp
1849!--    Iterate:             
1850       DO  ib = 1, 10
1851          d1 = ( aero(b)%vlolim / api6 ) ** ( 1.0_wp / 3.0_wp ) + ( ib - 1)    &
1852               * delta_d
1853          d2 = d1 + delta_d
1854          dmidi = ( d1 + d2 ) / 2.0_wp
1855          deltadp = LOG10( d2 / d1 )
1856         
1857!--       Size distribution
1858!--       in_ntot = total number, total area, or total volume concentration
1859!--       in_dpg = geometric-mean number, area, or volume diameter
1860!--       n(k) = number, area, or volume concentration in a bin
1861!--       n_lognorm and dpg converted to units of #/m3 and m
1862          psd_sect(b) = psd_sect(b) + SUM( in_ntot * 1.0E+6_wp * deltadp /     &
1863                     ( SQRT( 2.0_wp * pi ) * LOG10( in_sigma ) ) *             &
1864                     EXP( -LOG10( dmidi / ( 1.0E-6_wp * in_dpg ) )**2.0_wp /   &
1865                     ( 2.0_wp * LOG10( in_sigma ) ** 2.0_wp ) ) )
1866 
1867       ENDDO
1868    ENDDO
1869   
1870 END SUBROUTINE size_distribution
1871
1872!------------------------------------------------------------------------------!
1873! Description:
1874! ------------
1875!> Sets the mass concentrations to aerosol arrays in 2a and 2b.
1876!>
1877!> Tomi Raatikainen, FMI, 29.2.2016
1878!------------------------------------------------------------------------------!
1879 SUBROUTINE set_aero_mass( ispec, ppvf2a, ppvf2b, ppnf2a, ppndist, pcore, prho )
1880   
1881    IMPLICIT NONE
1882
1883    INTEGER(iwp), INTENT(in) :: ispec  !< Aerosol species index
1884    REAL(wp), INTENT(in) ::  pcore(nbins) !< Aerosol bin mid core volume   
1885    REAL(wp), INTENT(in) ::  ppndist(0:nz+1,nbins) !< Aerosol size distribution
1886    REAL(wp), INTENT(in) ::  ppnf2a(0:nz+1) !< Number fraction for 2a   
1887    REAL(wp), INTENT(in) ::  ppvf2a(0:nz+1) !< Mass distributions for a
1888    REAL(wp), INTENT(in) ::  ppvf2b(0:nz+1) !< and b bins   
1889    REAL(wp), INTENT(in) ::  prho !< Aerosol density
1890    INTEGER(iwp) ::  b  !< loop index
1891    INTEGER(iwp) ::  c  !< loop index       
1892    INTEGER(iwp) ::  ee !< index: end
1893    INTEGER(iwp) ::  i  !< loop index
1894    INTEGER(iwp) ::  j  !< loop index
1895    INTEGER(iwp) ::  k  !< loop index
1896    INTEGER(iwp) ::  prunmode  !< 1 = initialise
1897    INTEGER(iwp) ::  ss !< index: start
1898    REAL(wp) ::  flag   !< flag to mask topography grid points
1899   
1900    prunmode = 1
1901   
1902    DO i = nxlg, nxrg
1903       DO j = nysg, nyng
1904          DO k = nzb, nzt+1 
1905!
1906!--          Predetermine flag to mask topography
1907             flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) ) 
1908!             
1909!--          Regime 2a:
1910             ss = ( ispec - 1 ) * nbins + in2a
1911             ee = ( ispec - 1 ) * nbins + fn2a
1912             b = in2a
1913             DO c = ss, ee
1914                aerosol_mass(c)%conc(k,j,i) = MAX( 0.0_wp, ppvf2a(k) ) *       &
1915                               ppnf2a(k) * ppndist(k,b) * pcore(b) * prho * flag
1916                IF ( prunmode == 1 )  THEN
1917                   aerosol_mass(c)%init = MAX( 0.0_wp, MAXVAL( ppvf2a(:) ) ) * &
1918                                          MAXVAL( ppnf2a ) * pcore(b) * prho * &
1919                                          MAXVAL( ppndist(:,b) ) 
1920                ENDIF
1921                b = b+1
1922             ENDDO
1923!--          Regime 2b:
1924             IF ( .NOT. no_insoluble )  THEN
1925                ss = ( ispec - 1 ) * nbins + in2b
1926                ee = ( ispec - 1 ) * nbins + fn2b
1927                b = in2a
1928                DO c = ss, ee
1929                   aerosol_mass(c)%conc(k,j,i) = MAX( 0.0_wp, ppvf2b(k) ) * (  &
1930                                         1.0_wp - ppnf2a(k) ) * ppndist(k,b) * &
1931                                         pcore(b) * prho * flag
1932                   IF ( prunmode == 1 )  THEN
1933                      aerosol_mass(c)%init = MAX( 0.0_wp, MAXVAL( ppvf2b(:) ) )&
1934                                        * ( 1.0_wp - MAXVAL( ppnf2a ) ) *      &
1935                                        MAXVAL( ppndist(:,b) ) * pcore(b) * prho
1936                   ENDIF
1937                   b = b+1
1938                ENDDO
1939             ENDIF
1940             prunmode = 3  ! Init only once
1941          ENDDO
1942       ENDDO
1943    ENDDO
1944 END SUBROUTINE set_aero_mass
1945
1946!------------------------------------------------------------------------------!
1947! Description:
1948! ------------
1949!> Swapping of timelevels
1950!------------------------------------------------------------------------------!
1951 SUBROUTINE salsa_swap_timelevel( mod_count )
1952
1953    IMPLICIT NONE
1954
1955    INTEGER(iwp), INTENT(IN) ::  mod_count  !<
1956    INTEGER(iwp) ::  b  !<   
1957    INTEGER(iwp) ::  c  !<   
1958    INTEGER(iwp) ::  cc !<
1959    INTEGER(iwp) ::  g  !<
1960
1961    IF ( simulated_time >= time_since_reference_point )  THEN
1962
1963    SELECT CASE ( mod_count )
1964
1965       CASE ( 0 )
1966
1967          DO  b = 1, nbins
1968             aerosol_number(b)%conc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)   =>        &
1969                nconc_1(:,:,:,b)
1970             aerosol_number(b)%conc_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) =>        &
1971                nconc_2(:,:,:,b)
1972             DO  c = 1, ncc_tot
1973                cc = ( c-1 ) * nbins + b  ! required due to possible Intel18 bug
1974                aerosol_mass(cc)%conc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)   =>      &
1975                   mconc_1(:,:,:,cc)
1976                aerosol_mass(cc)%conc_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) =>      &
1977                   mconc_2(:,:,:,cc)
1978             ENDDO
1979          ENDDO
1980         
1981          IF ( .NOT. salsa_gases_from_chem )  THEN
1982             DO  g = 1, ngast
1983                salsa_gas(g)%conc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)   =>          &
1984                   gconc_1(:,:,:,g)
1985                salsa_gas(g)%conc_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) =>          &
1986                   gconc_2(:,:,:,g)
1987             ENDDO
1988          ENDIF
1989
1990       CASE ( 1 )
1991
1992          DO  b = 1, nbins
1993             aerosol_number(b)%conc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)   =>        &
1994                nconc_2(:,:,:,b)
1995             aerosol_number(b)%conc_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) =>        &
1996                nconc_1(:,:,:,b)
1997             DO  c = 1, ncc_tot
1998                cc = ( c-1 ) * nbins + b  ! required due to possible Intel18 bug
1999                aerosol_mass(cc)%conc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)   =>      &
2000                   mconc_2(:,:,:,cc)
2001                aerosol_mass(cc)%conc_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) =>      &
2002                   mconc_1(:,:,:,cc)
2003             ENDDO
2004          ENDDO
2005         
2006          IF ( .NOT. salsa_gases_from_chem )  THEN
2007             DO  g = 1, ngast
2008                salsa_gas(g)%conc(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg)   =>          &
2009                   gconc_2(:,:,:,g)
2010                salsa_gas(g)%conc_p(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) =>          &
2011                   gconc_1(:,:,:,g)
2012             ENDDO
2013          ENDIF
2014
2015    END SELECT
2016
2017    ENDIF
2018
2019 END SUBROUTINE salsa_swap_timelevel
2020
2021
2022!------------------------------------------------------------------------------!
2023! Description:
2024! ------------
2025!> This routine reads the respective restart data.
2026!------------------------------------------------------------------------------!
2027 SUBROUTINE salsa_rrd_local( i, k, nxlf, nxlc, nxl_on_file, nxrf, nxrc,        &
2028                             nxr_on_file, nynf, nync, nyn_on_file, nysf,       &
2029                             nysc, nys_on_file, tmp_3d, found )
2030
2031   
2032    IMPLICIT NONE
2033   
2034    CHARACTER (LEN=20) :: field_char   !<
2035    INTEGER(iwp) ::  b  !<   
2036    INTEGER(iwp) ::  c  !<
2037    INTEGER(iwp) ::  g  !<
2038    INTEGER(iwp) ::  i  !<
2039    INTEGER(iwp) ::  k  !<
2040    INTEGER(iwp) ::  nxlc            !<
2041    INTEGER(iwp) ::  nxlf            !<
2042    INTEGER(iwp) ::  nxl_on_file     !<
2043    INTEGER(iwp) ::  nxrc            !<
2044    INTEGER(iwp) ::  nxrf            !<
2045    INTEGER(iwp) ::  nxr_on_file     !<
2046    INTEGER(iwp) ::  nync            !<
2047    INTEGER(iwp) ::  nynf            !<
2048    INTEGER(iwp) ::  nyn_on_file     !<
2049    INTEGER(iwp) ::  nysc            !<
2050    INTEGER(iwp) ::  nysf            !<
2051    INTEGER(iwp) ::  nys_on_file     !<
2052
2053    LOGICAL, INTENT(OUT)  ::  found
2054
2055    REAL(wp), &
2056       DIMENSION(nzb:nzt+1,nys_on_file-nbgp:nyn_on_file+nbgp,nxl_on_file-nbgp:nxr_on_file+nbgp) :: tmp_3d   !<
2057       
2058    found = .FALSE.
2059   
2060    IF ( read_restart_data_salsa )  THEN
2061   
2062       SELECT CASE ( restart_string(1:length) )
2063       
2064          CASE ( 'aerosol_number' )
2065             DO  b = 1, nbins
2066                IF ( k == 1 )  READ ( 13 ) tmp_3d
2067                aerosol_number(b)%conc(:,nysc-nbgp:nync+nbgp,nxlc-nbgp:nxrc+nbgp) = & 
2068                               tmp_3d(:,nysf-nbgp:nynf+nbgp,nxlf-nbgp:nxrf+nbgp)
2069                found = .TRUE.
2070             ENDDO
2071       
2072          CASE ( 'aerosol_mass' )
2073             DO  c = 1, ncc_tot * nbins
2074                IF ( k == 1 )  READ ( 13 ) tmp_3d
2075                aerosol_mass(c)%conc(:,nysc-nbgp:nync+nbgp,nxlc-nbgp:nxrc+nbgp) = & 
2076                               tmp_3d(:,nysf-nbgp:nynf+nbgp,nxlf-nbgp:nxrf+nbgp)
2077                found = .TRUE.
2078             ENDDO
2079         
2080          CASE ( 'salsa_gas' )
2081             DO  g = 1, ngast
2082                IF ( k == 1 )  READ ( 13 ) tmp_3d
2083                salsa_gas(g)%conc(:,nysc-nbgp:nync+nbgp,nxlc-nbgp:nxrc+nbgp) =  & 
2084                               tmp_3d(:,nysf-nbgp:nynf+nbgp,nxlf-nbgp:nxrf+nbgp)
2085                found = .TRUE.
2086             ENDDO
2087             
2088          CASE DEFAULT
2089             found = .FALSE.
2090             
2091       END SELECT
2092    ENDIF
2093
2094 END SUBROUTINE salsa_rrd_local
2095   
2096
2097!------------------------------------------------------------------------------!
2098! Description:
2099! ------------
2100!> This routine writes the respective restart data.
2101!> Note that the following input variables in PARIN have to be equal between
2102!> restart runs:
2103!>    listspec, nbin, nbin2, nf2a, ncc, mass_fracs_a, mass_fracs_b
2104!------------------------------------------------------------------------------!
2105 SUBROUTINE salsa_wrd_local
2106
2107    IMPLICIT NONE
2108   
2109    INTEGER(iwp) ::  b  !<   
2110    INTEGER(iwp) ::  c  !<
2111    INTEGER(iwp) ::  g  !<
2112   
2113    IF ( write_binary  .AND.  write_binary_salsa )  THEN
2114   
2115       CALL wrd_write_string( 'aerosol_number' )
2116       DO  b = 1, nbins
2117          WRITE ( 14 )  aerosol_number(b)%conc
2118       ENDDO
2119       
2120       CALL wrd_write_string( 'aerosol_mass' )
2121       DO  c = 1, nbins*ncc_tot
2122          WRITE ( 14 )  aerosol_mass(c)%conc
2123       ENDDO
2124       
2125       CALL wrd_write_string( 'salsa_gas' )
2126       DO  g = 1, ngast
2127          WRITE ( 14 )  salsa_gas(g)%conc
2128       ENDDO
2129         
2130    ENDIF
2131       
2132 END SUBROUTINE salsa_wrd_local   
2133
2134
2135!------------------------------------------------------------------------------!
2136! Description:
2137! ------------
2138!> Performs necessary unit and dimension conversion between the host model and
2139!> SALSA module, and calls the main SALSA routine.
2140!> Partially adobted form the original SALSA boxmodel version.
2141!> Now takes masses in as kg/kg from LES!! Converted to m3/m3 for SALSA
2142!> 05/2016 Juha: This routine is still pretty much in its original shape.
2143!>               It's dumb as a mule and twice as ugly, so implementation of
2144!>               an improved solution is necessary sooner or later.
2145!> Juha Tonttila, FMI, 2014
2146!> Jaakko Ahola, FMI, 2016
2147!> Only aerosol processes included, Mona Kurppa, UHel, 2017
2148!------------------------------------------------------------------------------!
2149 SUBROUTINE salsa_driver( i, j, prunmode )
2150
2151    USE arrays_3d,                                                             &
2152        ONLY: pt_p, q_p, rho_air_zw, u, v, w
2153       
2154    USE plant_canopy_model_mod,                                                &
2155        ONLY: lad_s
2156       
2157    USE surface_mod,                                                           &
2158        ONLY:  surf_def_h, surf_def_v, surf_lsm_h, surf_lsm_v, surf_usm_h,     &
2159               surf_usm_v
2160 
2161    IMPLICIT NONE
2162   
2163    INTEGER(iwp), INTENT(in) ::  i   !< loop index
2164    INTEGER(iwp), INTENT(in) ::  j   !< loop index
2165    INTEGER(iwp), INTENT(in) ::  prunmode !< 1: Initialization call
2166                                          !< 2: Spinup period call
2167                                          !< 3: Regular runtime call
2168!-- Local variables
2169    TYPE(t_section), DIMENSION(fn2b) ::  aero_old !< helper array
2170    INTEGER(iwp) ::  bb     !< loop index
2171    INTEGER(iwp) ::  cc     !< loop index
2172    INTEGER(iwp) ::  endi   !< end index
2173    INTEGER(iwp) ::  k_wall !< vertical index of topography top
2174    INTEGER(iwp) ::  k      !< loop index
2175    INTEGER(iwp) ::  l      !< loop index
2176    INTEGER(iwp) ::  nc_h2o !< index of H2O in the prtcl index table
2177    INTEGER(iwp) ::  ss     !< loop index
2178    INTEGER(iwp) ::  str    !< start index
2179    INTEGER(iwp) ::  vc     !< default index in prtcl
2180    REAL(wp) ::  cw_old     !< previous H2O mixing ratio
2181    REAL(wp) ::  flag       !< flag to mask topography grid points
2182    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  in_adn !< air density (kg/m3)   
2183    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  in_cs  !< H2O sat. vapour conc.
2184    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  in_cw  !< H2O vapour concentration
2185    REAL(wp) ::  in_lad                       !< leaf area density (m2/m3)
2186    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  in_p   !< pressure (Pa)     
2187    REAL(wp) ::  in_rh                        !< relative humidity                     
2188    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  in_t   !< temperature (K)
2189    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  in_u   !< wind magnitude (m/s)
2190    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  kvis   !< kinematic viscosity of air(m2/s)                                           
2191    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1,fn2b) ::  Sc      !< particle Schmidt number   
2192    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1,fn2b) ::  vd      !< particle fall seed (m/s,
2193                                                    !< sedimentation velocity)
2194    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  ppm_to_nconc !< Conversion factor
2195                                                    !< from ppm to #/m3                                                     
2196    REAL(wp) ::  zgso4  !< SO4
2197    REAL(wp) ::  zghno3 !< HNO3
2198    REAL(wp) ::  zgnh3  !< NH3
2199    REAL(wp) ::  zgocnv !< non-volatile OC
2200    REAL(wp) ::  zgocsv !< semi-volatile OC
2201   
2202    aero_old(:)%numc = 0.0_wp
2203    in_adn           = 0.0_wp   
2204    in_cs            = 0.0_wp
2205    in_cw            = 0.0_wp 
2206    in_lad           = 0.0_wp
2207    in_rh            = 0.0_wp
2208    in_p             = 0.0_wp 
2209    in_t             = 0.0_wp 
2210    in_u             = 0.0_wp
2211    kvis             = 0.0_wp
2212    Sc               = 0.0_wp
2213    vd               = 0.0_wp
2214    ppm_to_nconc     = 1.0_wp
2215    zgso4            = nclim
2216    zghno3           = nclim
2217    zgnh3            = nclim
2218    zgocnv           = nclim
2219    zgocsv           = nclim
2220   
2221!       
2222!-- Aerosol number is always set, but mass can be uninitialized
2223    DO cc = 1, nbins
2224       aero(cc)%volc     = 0.0_wp
2225       aero_old(cc)%volc = 0.0_wp
2226    ENDDO
2227!   
2228!-- Set the salsa runtime config (How to make this more efficient?)
2229    CALL set_salsa_runtime( prunmode )
2230!             
2231!-- Calculate thermodynamic quantities needed in SALSA
2232    CALL salsa_thrm_ij( i, j, p_ij=in_p, temp_ij=in_t, cw_ij=in_cw,            &
2233                        cs_ij=in_cs, adn_ij=in_adn )
2234!
2235!-- Magnitude of wind: needed for deposition
2236    IF ( lsdepo )  THEN
2237       in_u(nzb+1:nzt) = SQRT(                                                 &
2238                   ( 0.5_wp * ( u(nzb+1:nzt,j,i) + u(nzb+1:nzt,j,i+1) ) )**2 + & 
2239                   ( 0.5_wp * ( v(nzb+1:nzt,j,i) + v(nzb+1:nzt,j+1,i) ) )**2 + &
2240                   ( 0.5_wp * ( w(nzb:nzt-1,j,i) + w(nzb+1:nzt,j,  i) ) )**2 )
2241    ENDIF
2242!
2243!-- Calculate conversion factors for gas concentrations
2244    ppm_to_nconc = for_ppm_to_nconc * in_p / in_t
2245!
2246!-- Determine topography-top index on scalar grid
2247    k_wall = MAXLOC( MERGE( 1, 0, BTEST( wall_flags_0(:,j,i), 12 ) ),          &
2248                     DIM = 1 ) - 1     
2249               
2250    DO k = nzb+1, nzt
2251!
2252!--    Predetermine flag to mask topography
2253       flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 0 ) )
2254!       
2255!--    Do not run inside buildings       
2256       IF ( flag == 0.0_wp )  CYCLE   
2257!
2258!--    Wind velocity for dry depositon on vegetation   
2259       IF ( lsdepo_vege  .AND.  plant_canopy  )  THEN
2260          in_lad = lad_s(k-k_wall,j,i)
2261       ENDIF       
2262!
2263!--    For initialization and spinup, limit the RH with the parameter rhlim
2264       IF ( prunmode < 3 ) THEN
2265          in_cw(k) = MIN( in_cw(k), in_cs(k) * rhlim )
2266       ELSE
2267          in_cw(k) = in_cw(k)
2268       ENDIF
2269       cw_old = in_cw(k) !* in_adn(k)
2270!               
2271!--    Set volume concentrations:
2272!--    Sulphate (SO4) or sulphuric acid H2SO4
2273       IF ( iso4 > 0 )  THEN
2274          vc = 1
2275          str = ( iso4-1 ) * nbins + 1    ! start index
2276          endi = iso4 * nbins             ! end index
2277          cc = 1
2278          DO ss = str, endi
2279             aero(cc)%volc(vc) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) / arhoh2so4
2280             cc = cc+1
2281          ENDDO
2282          aero_old(1:nbins)%volc(vc) = aero(1:nbins)%volc(vc)
2283       ENDIF
2284       
2285!--    Organic carbon (OC) compounds
2286       IF ( ioc > 0 )  THEN
2287          vc = 2
2288          str = ( ioc-1 ) * nbins + 1
2289          endi = ioc * nbins
2290          cc = 1
2291          DO ss = str, endi
2292             aero(cc)%volc(vc) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) / arhooc
2293             cc = cc+1
2294          ENDDO
2295          aero_old(1:nbins)%volc(vc) = aero(1:nbins)%volc(vc)
2296       ENDIF
2297       
2298!--    Black carbon (BC)
2299       IF ( ibc > 0 )  THEN
2300          vc = 3
2301          str = ( ibc-1 ) * nbins + 1 + fn1a
2302          endi = ibc * nbins
2303          cc = 1 + fn1a
2304          DO ss = str, endi
2305             aero(cc)%volc(vc) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) / arhobc
2306             cc = cc+1
2307          ENDDO                   
2308          aero_old(1:nbins)%volc(vc) = aero(1:nbins)%volc(vc)
2309       ENDIF
2310
2311!--    Dust (DU)
2312       IF ( idu > 0 )  THEN
2313          vc = 4
2314          str = ( idu-1 ) * nbins + 1 + fn1a
2315          endi = idu * nbins
2316          cc = 1 + fn1a
2317          DO ss = str, endi
2318             aero(cc)%volc(vc) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) / arhodu
2319             cc = cc+1
2320          ENDDO
2321          aero_old(1:nbins)%volc(vc) = aero(1:nbins)%volc(vc)
2322       ENDIF
2323
2324!--    Sea salt (SS)
2325       IF ( iss > 0 )  THEN
2326          vc = 5
2327          str = ( iss-1 ) * nbins + 1 + fn1a
2328          endi = iss * nbins
2329          cc = 1 + fn1a
2330          DO ss = str, endi
2331             aero(cc)%volc(vc) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) / arhoss 
2332             cc = cc+1
2333          ENDDO
2334          aero_old(1:nbins)%volc(vc) = aero(1:nbins)%volc(vc)
2335       ENDIF
2336
2337!--    Nitrate (NO(3-)) or nitric acid HNO3
2338       IF ( ino > 0 )  THEN
2339          vc = 6
2340          str = ( ino-1 ) * nbins + 1 
2341          endi = ino * nbins
2342          cc = 1
2343          DO ss = str, endi
2344             aero(cc)%volc(vc) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) / arhohno3
2345             cc = cc+1
2346          ENDDO
2347          aero_old(1:nbins)%volc(vc) = aero(1:nbins)%volc(vc)
2348       ENDIF
2349
2350!--    Ammonium (NH(4+)) or ammonia NH3
2351       IF ( inh > 0 )  THEN
2352          vc = 7
2353          str = ( inh-1 ) * nbins + 1
2354          endi = inh * nbins
2355          cc = 1
2356          DO ss = str, endi
2357             aero(cc)%volc(vc) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) / arhonh3 
2358             cc = cc+1
2359          ENDDO
2360          aero_old(1:nbins)%volc(vc) = aero(1:nbins)%volc(vc)
2361       ENDIF
2362
2363!--    Water (always used)
2364       nc_h2o = get_index( prtcl,'H2O' )
2365       vc = 8
2366       str = ( nc_h2o-1 ) * nbins + 1
2367       endi = nc_h2o * nbins
2368       cc = 1
2369       IF ( advect_particle_water )  THEN
2370          DO ss = str, endi
2371             aero(cc)%volc(vc) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) / arhoh2o
2372             cc = cc+1
2373          ENDDO
2374       ELSE
2375         aero(1:nbins)%volc(vc) = mclim
2376       ENDIF
2377       aero_old(1:nbins)%volc(vc) = aero(1:nbins)%volc(vc)
2378!
2379!--    Number concentrations (numc) and particle sizes
2380!--    (dwet = wet diameter, core = dry volume)
2381       DO  bb = 1, nbins
2382          aero(bb)%numc = aerosol_number(bb)%conc(k,j,i) 
2383          aero_old(bb)%numc = aero(bb)%numc
2384          IF ( aero(bb)%numc > nclim )  THEN
2385             aero(bb)%dwet = ( SUM( aero(bb)%volc(:) ) / aero(bb)%numc / api6 )&
2386                                **( 1.0_wp / 3.0_wp )
2387             aero(bb)%core = SUM( aero(bb)%volc(1:7) ) / aero(bb)%numc
2388          ELSE
2389             aero(bb)%dwet = aero(bb)%dmid
2390             aero(bb)%core = api6 * ( aero(bb)%dwet ) ** 3.0_wp
2391          ENDIF
2392       ENDDO
2393!       
2394!--    On EACH call of salsa_driver, calculate the ambient sizes of
2395!--    particles by equilibrating soluble fraction of particles with water
2396!--    using the ZSR method.
2397       in_rh = in_cw(k) / in_cs(k)
2398       IF ( prunmode==1  .OR.  .NOT. advect_particle_water )  THEN
2399          CALL equilibration( in_rh, in_t(k), aero, .TRUE. )
2400       ENDIF
2401!
2402!--    Gaseous tracer concentrations in #/m3
2403       IF ( salsa_gases_from_chem )  THEN       
2404!       
2405!--       Convert concentrations in ppm to #/m3
2406          zgso4  = chem_species(gas_index_chem(1))%conc(k,j,i) * ppm_to_nconc(k)
2407          zghno3 = chem_species(gas_index_chem(2))%conc(k,j,i) * ppm_to_nconc(k)
2408          zgnh3  = chem_species(gas_index_chem(3))%conc(k,j,i) * ppm_to_nconc(k)
2409          zgocnv = chem_species(gas_index_chem(4))%conc(k,j,i) * ppm_to_nconc(k)     
2410          zgocsv = chem_species(gas_index_chem(5))%conc(k,j,i) * ppm_to_nconc(k)                 
2411       ELSE
2412          zgso4  = salsa_gas(1)%conc(k,j,i) 
2413          zghno3 = salsa_gas(2)%conc(k,j,i) 
2414          zgnh3  = salsa_gas(3)%conc(k,j,i) 
2415          zgocnv = salsa_gas(4)%conc(k,j,i) 
2416          zgocsv = salsa_gas(5)%conc(k,j,i)
2417       ENDIF   
2418!
2419!--    ***************************************!
2420!--                   Run SALSA               !
2421!--    ***************************************!
2422       CALL run_salsa( in_p(k), in_cw(k), in_cs(k), in_t(k), in_u(k),          &
2423                       in_adn(k), in_lad, zgso4, zgocnv, zgocsv, zghno3, zgnh3,&
2424                       aero, prtcl, kvis(k), Sc(k,:), vd(k,:), dt_salsa )
2425!--    ***************************************!
2426       IF ( lsdepo ) sedim_vd(k,j,i,:) = vd(k,:)
2427!                           
2428!--    Calculate changes in concentrations
2429       DO bb = 1, nbins
2430          aerosol_number(bb)%conc(k,j,i) = aerosol_number(bb)%conc(k,j,i)      &
2431                                 +  ( aero(bb)%numc - aero_old(bb)%numc ) * flag
2432       ENDDO
2433       
2434       IF ( iso4 > 0 )  THEN
2435          vc = 1
2436          str = ( iso4-1 ) * nbins + 1
2437          endi = iso4 * nbins
2438          cc = 1
2439          DO ss = str, endi
2440             aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i)       &
2441                               + ( aero(cc)%volc(vc) - aero_old(cc)%volc(vc) ) &
2442                               * arhoh2so4 * flag
2443             cc = cc+1
2444          ENDDO
2445       ENDIF
2446       
2447       IF ( ioc > 0 )  THEN
2448          vc = 2
2449          str = ( ioc-1 ) * nbins + 1
2450          endi = ioc * nbins
2451          cc = 1
2452          DO ss = str, endi
2453             aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i)       &
2454                               + ( aero(cc)%volc(vc) - aero_old(cc)%volc(vc) ) &
2455                               * arhooc * flag
2456             cc = cc+1
2457          ENDDO
2458       ENDIF
2459       
2460       IF ( ibc > 0 )  THEN
2461          vc = 3
2462          str = ( ibc-1 ) * nbins + 1 + fn1a
2463          endi = ibc * nbins
2464          cc = 1 + fn1a
2465          DO ss = str, endi
2466             aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i)       &
2467                               + ( aero(cc)%volc(vc) - aero_old(cc)%volc(vc) ) &
2468                               * arhobc * flag
2469             cc = cc+1
2470          ENDDO
2471       ENDIF
2472       
2473       IF ( idu > 0 )  THEN
2474          vc = 4
2475          str = ( idu-1 ) * nbins + 1 + fn1a
2476          endi = idu * nbins
2477          cc = 1 + fn1a
2478          DO ss = str, endi
2479             aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i)       &
2480                               + ( aero(cc)%volc(vc) - aero_old(cc)%volc(vc) ) &
2481                               * arhodu * flag
2482             cc = cc+1
2483          ENDDO
2484       ENDIF
2485       
2486       IF ( iss > 0 )  THEN
2487          vc = 5
2488          str = ( iss-1 ) * nbins + 1 + fn1a
2489          endi = iss * nbins
2490          cc = 1 + fn1a
2491          DO ss = str, endi
2492             aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i)       &
2493                               + ( aero(cc)%volc(vc) - aero_old(cc)%volc(vc) ) &
2494                               * arhoss * flag
2495             cc = cc+1
2496          ENDDO
2497       ENDIF
2498       
2499       IF ( ino > 0 )  THEN
2500          vc = 6
2501          str = ( ino-1 ) * nbins + 1
2502          endi = ino * nbins
2503          cc = 1
2504          DO ss = str, endi
2505             aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i)       &
2506                               + ( aero(cc)%volc(vc) - aero_old(cc)%volc(vc) ) &
2507                               * arhohno3 * flag
2508             cc = cc+1
2509          ENDDO
2510       ENDIF
2511       
2512       IF ( inh > 0 )  THEN
2513          vc = 7
2514          str = ( ino-1 ) * nbins + 1
2515          endi = ino * nbins
2516          cc = 1
2517          DO ss = str, endi
2518             aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i)       &
2519                               + ( aero(cc)%volc(vc) - aero_old(cc)%volc(vc) ) &
2520                               * arhonh3 * flag
2521             cc = cc+1
2522          ENDDO
2523       ENDIF
2524       
2525       IF ( advect_particle_water )  THEN
2526          nc_h2o = get_index( prtcl,'H2O' )
2527          vc = 8
2528          str = ( nc_h2o-1 ) * nbins + 1
2529          endi = nc_h2o * nbins
2530          cc = 1
2531          DO ss = str, endi
2532             aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) = aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i)       &
2533                               + ( aero(cc)%volc(vc) - aero_old(cc)%volc(vc) ) &
2534                               * arhoh2o * flag
2535             IF ( prunmode == 1 )  THEN
2536                aerosol_mass(ss)%init(k) = MAX( aerosol_mass(ss)%init(k),      &
2537                                               aerosol_mass(ss)%conc(k,j,i) )
2538             ENDIF
2539             cc = cc+1                             
2540          ENDDO
2541       ENDIF
2542
2543!--    Condensation of precursor gases
2544       IF ( lscndgas )  THEN
2545          IF ( salsa_gases_from_chem )  THEN         
2546!         
2547!--          SO4 (or H2SO4)
2548             chem_species( gas_index_chem(1) )%conc(k,j,i) =                &
2549                            chem_species( gas_index_chem(1) )%conc(k,j,i) + &
2550                                                  ( zgso4 / ppm_to_nconc(k) - &
2551                       chem_species( gas_index_chem(1) )%conc(k,j,i) ) * flag
2552!                           
2553!--          HNO3
2554             chem_species( gas_index_chem(2) )%conc(k,j,i) =                &
2555                            chem_species( gas_index_chem(2) )%conc(k,j,i) + &
2556                                                 ( zghno3 / ppm_to_nconc(k) - &
2557                       chem_species( gas_index_chem(2) )%conc(k,j,i) ) * flag
2558!                           
2559!--          NH3
2560             chem_species( gas_index_chem(3) )%conc(k,j,i) =                &
2561                            chem_species( gas_index_chem(3) )%conc(k,j,i) + &
2562                                                  ( zgnh3 / ppm_to_nconc(k) - &
2563                       chem_species( gas_index_chem(3) )%conc(k,j,i) ) * flag
2564!                           
2565!--          non-volatile OC
2566             chem_species( gas_index_chem(4) )%conc(k,j,i) =                &
2567                            chem_species( gas_index_chem(4) )%conc(k,j,i) + &
2568                                                 ( zgocnv / ppm_to_nconc(k) - &
2569                       chem_species( gas_index_chem(4) )%conc(k,j,i) ) * flag
2570!                           
2571!--          semi-volatile OC
2572             chem_species( gas_index_chem(5) )%conc(k,j,i) =                &
2573                            chem_species( gas_index_chem(5) )%conc(k,j,i) + &
2574                                                 ( zgocsv / ppm_to_nconc(k) - &
2575                       chem_species( gas_index_chem(5) )%conc(k,j,i) ) * flag                 
2576         
2577          ELSE
2578!         
2579!--          SO4 (or H2SO4)
2580             salsa_gas(1)%conc(k,j,i) = salsa_gas(1)%conc(k,j,i) + ( zgso4 -   &
2581                                          salsa_gas(1)%conc(k,j,i) ) * flag
2582!                           
2583!--          HNO3
2584             salsa_gas(2)%conc(k,j,i) = salsa_gas(2)%conc(k,j,i) + ( zghno3 -  &
2585                                          salsa_gas(2)%conc(k,j,i) ) * flag
2586!                           
2587!--          NH3
2588             salsa_gas(3)%conc(k,j,i) = salsa_gas(3)%conc(k,j,i) + ( zgnh3 -   &
2589                                          salsa_gas(3)%conc(k,j,i) ) * flag
2590!                           
2591!--          non-volatile OC
2592             salsa_gas(4)%conc(k,j,i) = salsa_gas(4)%conc(k,j,i) + ( zgocnv -  &
2593                                          salsa_gas(4)%conc(k,j,i) ) * flag
2594!                           
2595!--          semi-volatile OC
2596             salsa_gas(5)%conc(k,j,i) = salsa_gas(5)%conc(k,j,i) + ( zgocsv -  &
2597                                          salsa_gas(5)%conc(k,j,i) ) * flag
2598          ENDIF
2599       ENDIF
2600!               
2601!--    Tendency of water vapour mixing ratio is obtained from the
2602!--    change in RH during SALSA run. This releases heat and changes pt.
2603!--    Assumes no temperature change during SALSA run.
2604!--    q = r / (1+r), Euler method for integration
2605!
2606       IF ( feedback_to_palm )  THEN
2607          q_p(k,j,i) = q_p(k,j,i) + 1.0_wp / ( in_cw(k) * in_adn(k) + 1.0_wp ) &
2608                       ** 2.0_wp * ( in_cw(k) - cw_old ) * in_adn(k) 
2609          pt_p(k,j,i) = pt_p(k,j,i) + alv / c_p * ( in_cw(k) - cw_old ) *      &
2610                        in_adn(k) / ( in_cw(k) / in_adn(k) + 1.0_wp ) ** 2.0_wp&
2611                        * pt_p(k,j,i) / in_t(k)
2612       ENDIF
2613                         
2614    ENDDO   ! k
2615!   
2616!-- Set surfaces and wall fluxes due to deposition 
2617    IF ( lsdepo_topo  .AND.  prunmode == 3 )  THEN
2618       IF ( .NOT. land_surface  .AND.  .NOT. urban_surface )  THEN
2619          CALL depo_topo( i, j, surf_def_h(0), vd, Sc, kvis, in_u, rho_air_zw )
2620          DO  l = 0, 3
2621             CALL depo_topo( i, j, surf_def_v(l), vd, Sc, kvis, in_u,          &
2622                             rho_air_zw**0.0_wp )
2623          ENDDO
2624       ELSE
2625          CALL depo_topo( i, j, surf_usm_h, vd, Sc, kvis, in_u, rho_air_zw )
2626          DO  l = 0, 3
2627             CALL depo_topo( i, j, surf_usm_v(l), vd, Sc, kvis, in_u,          &
2628                             rho_air_zw**0.0_wp )
2629          ENDDO
2630          CALL depo_topo( i, j, surf_lsm_h, vd, Sc, kvis, in_u, rho_air_zw )
2631          DO  l = 0, 3
2632             CALL depo_topo( i, j, surf_lsm_v(l), vd, Sc, kvis, in_u,          &
2633                             rho_air_zw**0.0_wp )
2634          ENDDO
2635       ENDIF
2636    ENDIF
2637   
2638 END SUBROUTINE salsa_driver
2639
2640!------------------------------------------------------------------------------!
2641! Description:
2642! ------------
2643!> The SALSA subroutine
2644!> Modified for the new aerosol datatype,
2645!> Juha Tonttila, FMI, 2014.
2646!> Only aerosol processes included, Mona Kurppa, UHel, 2017
2647!------------------------------------------------------------------------------!   
2648 SUBROUTINE run_salsa( ppres, pcw, pcs, ptemp, mag_u, adn, lad, pc_h2so4,      &
2649                       pc_ocnv, pc_ocsv, pc_hno3, pc_nh3, paero, prtcl, kvis,  &
2650                       Sc, vc, ptstep )
2651
2652    IMPLICIT NONE
2653!
2654!-- Input parameters and variables
2655    REAL(wp), INTENT(in) ::  adn    !< air density (kg/m3)
2656    REAL(wp), INTENT(in) ::  lad    !< leaf area density (m2/m3)
2657    REAL(wp), INTENT(in) ::  mag_u  !< magnitude of wind (m/s)
2658    REAL(wp), INTENT(in) ::  ppres  !< atmospheric pressure at each grid
2659                                    !< point (Pa)
2660    REAL(wp), INTENT(in) ::  ptemp  !< temperature at each grid point (K)
2661    REAL(wp), INTENT(in) ::  ptstep !< time step of salsa processes (s)
2662    TYPE(component_index), INTENT(in) :: prtcl  !< part. component index table
2663!       
2664!-- Input variables that are changed within:
2665    REAL(wp), INTENT(inout) ::  kvis     !< kinematic viscosity of air (m2/s)
2666    REAL(wp), INTENT(inout) ::  Sc(:)    !< particle Schmidt number
2667    REAL(wp), INTENT(inout) ::  vc(:)    !< particle fall speed (m/s,
2668                                         !< sedimentation velocity)
2669!-- Gas phase concentrations at each grid point (#/m3)
2670    REAL(wp), INTENT(inout) ::  pc_h2so4 !< sulphuric acid
2671    REAL(wp), INTENT(inout) ::  pc_hno3  !< nitric acid
2672    REAL(wp), INTENT(inout) ::  pc_nh3   !< ammonia
2673    REAL(wp), INTENT(inout) ::  pc_ocnv  !< nonvolatile OC
2674    REAL(wp), INTENT(inout) ::  pc_ocsv  !< semivolatile OC
2675    REAL(wp), INTENT(inout) ::  pcs      !< Saturation concentration of water
2676                                         !< vapour (kg/m3)
2677    REAL(wp), INTENT(inout) ::  pcw      !< Water vapour concentration (kg/m3)                                                   
2678    TYPE(t_section), INTENT(inout) ::  paero(fn2b) 
2679!
2680!-- Coagulation
2681    IF ( lscoag )   THEN
2682       CALL coagulation( paero, ptstep, ptemp, ppres )
2683    ENDIF
2684!
2685!-- Condensation
2686    IF ( lscnd )   THEN
2687       CALL condensation( paero, pc_h2so4, pc_ocnv, pc_ocsv,  pc_hno3, pc_nh3, &
2688                          pcw, pcs, ptemp, ppres, ptstep, prtcl )
2689    ENDIF   
2690!   
2691!-- Deposition
2692    IF ( lsdepo )  THEN
2693       CALL deposition( paero, ptemp, adn, mag_u, lad, kvis, Sc, vc ) 
2694    ENDIF       
2695!
2696!-- Size distribution bin update
2697!-- Mona: why done 3 times in SALSA-standalone?
2698    IF ( lsdistupdate )   THEN
2699       CALL distr_update( paero )
2700    ENDIF
2701   
2702  END SUBROUTINE run_salsa
2703 
2704!------------------------------------------------------------------------------!
2705! Description:
2706! ------------
2707!> Set logical switches according to the host model state and user-specified
2708!> NAMELIST options.
2709!> Juha Tonttila, FMI, 2014
2710!> Only aerosol processes included, Mona Kurppa, UHel, 2017
2711!------------------------------------------------------------------------------!
2712 SUBROUTINE set_salsa_runtime( prunmode )
2713 
2714    IMPLICIT NONE
2715   
2716    INTEGER(iwp), INTENT(in) ::  prunmode
2717   
2718    SELECT CASE(prunmode)
2719
2720       CASE(1) !< Initialization
2721          lscoag       = .FALSE.
2722          lscnd        = .FALSE.
2723          lscndgas     = .FALSE.
2724          lscndh2oae   = .FALSE.
2725          lsdepo       = .FALSE.
2726          lsdepo_vege  = .FALSE.
2727          lsdepo_topo  = .FALSE.
2728          lsdistupdate = .TRUE.
2729
2730       CASE(2)  !< Spinup period
2731          lscoag      = ( .FALSE. .AND. nlcoag   )
2732          lscnd       = ( .TRUE.  .AND. nlcnd    )
2733          lscndgas    = ( .TRUE.  .AND. nlcndgas )
2734          lscndh2oae  = ( .TRUE.  .AND. nlcndh2oae )
2735
2736       CASE(3)  !< Run
2737          lscoag       = nlcoag
2738          lscnd        = nlcnd
2739          lscndgas     = nlcndgas
2740          lscndh2oae   = nlcndh2oae
2741          lsdepo       = nldepo
2742          lsdepo_vege  = nldepo_vege
2743          lsdepo_topo  = nldepo_topo
2744          lsdistupdate = nldistupdate
2745
2746    END SELECT
2747
2748
2749 END SUBROUTINE set_salsa_runtime
2750 
2751!------------------------------------------------------------------------------!
2752! Description:
2753! ------------
2754!> Calculates the absolute temperature (using hydrostatic pressure), saturation
2755!> vapour pressure and mixing ratio over water, relative humidity and air
2756!> density needed in the SALSA model.
2757!> NOTE, no saturation adjustment takes place -> the resulting water vapour
2758!> mixing ratio can be supersaturated, allowing the microphysical calculations
2759!> in SALSA.
2760!
2761!> Juha Tonttila, FMI, 2014 (original SALSAthrm)
2762!> Mona Kurppa, UHel, 2017 (adjustment for PALM and only aerosol processes)
2763!------------------------------------------------------------------------------!
2764 SUBROUTINE salsa_thrm_ij( i, j, p_ij, temp_ij, cw_ij, cs_ij, adn_ij )
2765 
2766    USE arrays_3d,                                                             &
2767        ONLY: p, pt, q, zu
2768       
2769    USE basic_constants_and_equations_mod,                                     &
2770        ONLY:  barometric_formula, exner_function, ideal_gas_law_rho, magnus
2771       
2772    USE control_parameters,                                                    &
2773        ONLY: pt_surface, surface_pressure
2774       
2775    IMPLICIT NONE
2776   
2777    INTEGER(iwp), INTENT(in) ::  i
2778    INTEGER(iwp), INTENT(in) ::  j
2779    REAL(wp), DIMENSION(:), INTENT(inout) ::  adn_ij
2780    REAL(wp), DIMENSION(:), INTENT(inout) ::  p_ij       
2781    REAL(wp), DIMENSION(:), INTENT(inout) ::  temp_ij
2782    REAL(wp), DIMENSION(:), INTENT(inout), OPTIONAL ::  cw_ij
2783    REAL(wp), DIMENSION(:), INTENT(inout), OPTIONAL ::  cs_ij
2784    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  e_s !< saturation vapour pressure
2785                                           !< over water (Pa)
2786    REAL(wp) ::  t_surface !< absolute surface temperature (K)
2787!
2788!-- Pressure p_ijk (Pa) = hydrostatic pressure + perturbation pressure (p)
2789    t_surface = pt_surface * exner_function( surface_pressure * 100.0_wp )
2790    p_ij(:) = barometric_formula( zu, t_surface, surface_pressure * 100.0_wp ) &
2791              + p(:,j,i)
2792!             
2793!-- Absolute ambient temperature (K)
2794    temp_ij(:) = pt(:,j,i) * exner_function( p_ij(:) )       
2795!
2796!-- Air density
2797    adn_ij(:) = ideal_gas_law_rho( p_ij(:), temp_ij(:) )
2798!
2799!-- Water vapour concentration r_v (kg/m3)
2800    IF ( PRESENT( cw_ij ) )  THEN
2801       cw_ij(:) = ( q(:,j,i) / ( 1.0_wp - q(:,j,i) ) ) * adn_ij(:) 
2802    ENDIF
2803!
2804!-- Saturation mixing ratio r_s (kg/kg) from vapour pressure at temp (Pa)
2805    IF ( PRESENT( cs_ij ) )  THEN
2806       e_s(:) = 611.0_wp * EXP( alv_d_rv * ( 3.6609E-3_wp - 1.0_wp /           &
2807                temp_ij(:) ) )! magnus( temp_ij(:) )
2808       cs_ij(:) = ( 0.622_wp * e_s / ( p_ij(:) - e_s(:) ) ) * adn_ij(:) 
2809    ENDIF
2810
2811 END SUBROUTINE salsa_thrm_ij
2812
2813!------------------------------------------------------------------------------!
2814! Description:
2815! ------------
2816!> Calculates ambient sizes of particles by equilibrating soluble fraction of
2817!> particles with water using the ZSR method (Stokes and Robinson, 1966).
2818!> Method:
2819!> Following chemical components are assumed water-soluble
2820!> - (ammonium) sulphate (100%)
2821!> - sea salt (100 %)
2822!> - organic carbon (epsoc * 100%)
2823!> Exact thermodynamic considerations neglected.
2824!> - If particles contain no sea salt, calculation according to sulphate
2825!>   properties
2826!> - If contain sea salt but no sulphate, calculation according to sea salt
2827!>   properties
2828!> - If contain both sulphate and sea salt -> the molar fraction of these
2829!>   compounds determines which one of them is used as the basis of calculation.
2830!> If sulphate and sea salt coexist in a particle, it is assumed that the Cl is
2831!> replaced by sulphate; thus only either sulphate + organics or sea salt +
2832!> organics is included in the calculation of soluble fraction.
2833!> Molality parameterizations taken from Table 1 of Tang: Thermodynamic and
2834!> optical properties of mixed-salt aerosols of atmospheric importance,
2835!> J. Geophys. Res., 102 (D2), 1883-1893 (1997)
2836!
2837!> Coded by:
2838!> Hannele Korhonen (FMI) 2005
2839!> Harri Kokkola (FMI) 2006
2840!> Matti Niskanen(FMI) 2012
2841!> Anton Laakso  (FMI) 2013
2842!> Modified for the new aerosol datatype, Juha Tonttila (FMI) 2014
2843!
2844!> fxm: should sea salt form a solid particle when prh is very low (even though
2845!> it could be mixed with e.g. sulphate)?
2846!> fxm: crashes if no sulphate or sea salt
2847!> fxm: do we really need to consider Kelvin effect for subrange 2
2848!------------------------------------------------------------------------------!     
2849 SUBROUTINE equilibration( prh, ptemp, paero, init )
2850     
2851    IMPLICIT NONE
2852!
2853!-- Input variables
2854    LOGICAL, INTENT(in) ::  init   !< TRUE: Initialization call
2855                                   !< FALSE: Normal runtime: update water
2856                                   !<        content only for 1a
2857    REAL(wp), INTENT(in) ::  prh   !< relative humidity [0-1]
2858    REAL(wp), INTENT(in) ::  ptemp !< temperature (K)
2859!
2860!-- Output variables
2861    TYPE(t_section), INTENT(inout) ::  paero(fn2b)     
2862!
2863!-- Local
2864    INTEGER(iwp) :: b      !< loop index
2865    INTEGER(iwp) :: counti  !< loop index
2866    REAL(wp) ::  zaw        !< water activity [0-1]       
2867    REAL(wp) ::  zbinmol(7) !< binary molality of each components (mol/kg)
2868    REAL(wp) ::  zcore      !< Volume of dry particle   
2869    REAL(wp) ::  zdold      !< Old diameter
2870    REAL(wp) ::  zdwet      !< Wet diameter or mean droplet diameter
2871    REAL(wp) ::  zke        !< Kelvin term in the Köhler equation
2872    REAL(wp) ::  zlwc       !< liquid water content [kg/m3-air]
2873    REAL(wp) ::  zrh        !< Relative humidity
2874    REAL(wp) ::  zvpart(7)  !< volume of chem. compounds in one particle
2875   
2876    zaw       = 0.0_wp
2877    zbinmol   = 0.0_wp
2878    zcore     = 0.0_wp
2879    zdold     = 0.0_wp
2880    zdwet     = 0.0_wp
2881    zlwc      = 0.0_wp
2882    zrh       = 0.0_wp
2883   
2884!               
2885!-- Relative humidity:
2886    zrh = prh
2887    zrh = MAX( zrh, 0.05_wp )
2888    zrh = MIN( zrh, 0.98_wp)   
2889!
2890!-- 1) Regime 1: sulphate and partly water-soluble OC. Done for every CALL
2891    DO  b = in1a, fn1a   ! size bin
2892         
2893       zbinmol = 0.0_wp
2894       zdold   = 1.0_wp 
2895       zke     = 1.02_wp
2896       
2897       IF ( paero(b)%numc > nclim )  THEN
2898!
2899!--       Volume in one particle
2900          zvpart = 0.0_wp
2901          zvpart(1:2) = paero(b)%volc(1:2) / paero(b)%numc
2902          zvpart(6:7) = paero(b)%volc(6:7) / paero(b)%numc
2903!               
2904!--       Total volume and wet diameter of one dry particle
2905          zcore = SUM( zvpart(1:2) )
2906          zdwet = paero(b)%dwet
2907         
2908          counti = 0
2909          DO  WHILE ( ABS( zdwet / zdold - 1.0_wp ) > 1.0E-2_wp ) 
2910         
2911             zdold = MAX( zdwet, 1.0E-20_wp )
2912             zaw = MAX( 1.0E-3_wp, zrh / zke ) ! To avoid underflow
2913!                   
2914!--          Binary molalities (mol/kg):
2915!--          Sulphate
2916             zbinmol(1) = 1.1065495E+2_wp - 3.6759197E+2_wp * zaw              &
2917                                          + 5.0462934E+2_wp * zaw**2.0_wp      &
2918                                          - 3.1543839E+2_wp * zaw**3.0_wp      &
2919                                          + 6.770824E+1_wp  * zaw**4.0_wp 
2920!--          Organic carbon                     
2921             zbinmol(2) = 1.0_wp / ( zaw * amh2o ) - 1.0_wp / amh2o
2922!--          Nitric acid                             
2923             zbinmol(6) = 2.306844303E+1_wp - 3.563608869E+1_wp * zaw          &
2924                                            - 6.210577919E+1_wp * zaw**2.0_wp  &
2925                                            + 5.510176187E+2_wp * zaw**3.0_wp  &
2926                                            - 1.460055286E+3_wp * zaw**4.0_wp  &
2927                                            + 1.894467542E+3_wp * zaw**5.0_wp  &
2928                                            - 1.220611402E+3_wp * zaw**6.0_wp  &
2929                                            + 3.098597737E+2_wp * zaw**7.0_wp 
2930!
2931!--          Calculate the liquid water content (kg/m3-air) using ZSR (see e.g.
2932!--          Eq. 10.98 in Seinfeld and Pandis (2006))
2933             zlwc = ( paero(b)%volc(1) * ( arhoh2so4 / amh2so4 ) ) /           &
2934                    zbinmol(1) + epsoc * paero(b)%volc(2) * ( arhooc / amoc )  &
2935                    / zbinmol(2) + ( paero(b)%volc(6) * ( arhohno3/amhno3 ) )  &
2936                    / zbinmol(6)
2937!                           
2938!--          Particle wet diameter (m)
2939             zdwet = ( zlwc / paero(b)%numc / arhoh2o / api6 +                 &
2940                     ( SUM( zvpart(6:7) ) / api6 ) +      &
2941                       zcore / api6 )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
2942!                             
2943!--          Kelvin effect (Eq. 10.85 in in Seinfeld and Pandis (2006)). Avoid
2944!--          overflow.
2945             zke = EXP( MIN( 50.0_wp,                                          &
2946                       4.0_wp * surfw0 * amvh2so4 / ( abo * ptemp *  zdwet ) ) )
2947             
2948             counti = counti + 1
2949             IF ( counti > 1000 )  THEN
2950                message_string = 'Subrange 1: no convergence!'
2951                CALL message( 'salsa_mod: equilibration', 'SA0042',            &
2952                              1, 2, 0, 6, 0 )
2953             ENDIF
2954          ENDDO
2955!               
2956!--       Instead of lwc, use the volume concentration of water from now on
2957!--       (easy to convert...)
2958          paero(b)%volc(8) = zlwc / arhoh2o
2959!               
2960!--       If this is initialization, update the core and wet diameter
2961          IF ( init )  THEN
2962             paero(b)%dwet = zdwet
2963             paero(b)%core = zcore
2964          ENDIF
2965         
2966       ELSE
2967!--       If initialization
2968!--       1.2) empty bins given bin average values 
2969          IF ( init )  THEN
2970             paero(b)%dwet = paero(b)%dmid
2971             paero(b)%core = api6 * paero(b)%dmid ** 3.0_wp
2972          ENDIF
2973         
2974       ENDIF
2975             
2976    ENDDO !< b
2977!
2978!-- 2) Regime 2a: sulphate, OC, BC and sea salt
2979!--    This is done only for initialization call, otherwise the water contents
2980!--    are computed via condensation
2981    IF ( init )  THEN
2982       DO  b = in2a, fn2b
2983             
2984!--       Initialize
2985          zke     = 1.02_wp
2986          zbinmol = 0.0_wp
2987          zdold   = 1.0_wp
2988!               
2989!--       1) Particle properties calculated for non-empty bins
2990          IF ( paero(b)%numc > nclim )  THEN
2991!               
2992!--          Volume in one particle [fxm]
2993             zvpart = 0.0_wp
2994             zvpart(1:7) = paero(b)%volc(1:7) / paero(b)%numc
2995!
2996!--          Total volume and wet diameter of one dry particle [fxm]
2997             zcore = SUM( zvpart(1:5) )
2998             zdwet = paero(b)%dwet
2999
3000             counti = 0
3001             DO  WHILE ( ABS( zdwet / zdold - 1.0_wp ) > 1.0E-12_wp )
3002             
3003                zdold = MAX( zdwet, 1.0E-20_wp )
3004                zaw = zrh / zke
3005!                     
3006!--             Binary molalities (mol/kg):
3007!--             Sulphate
3008                zbinmol(1) = 1.1065495E+2_wp - 3.6759197E+2_wp * zaw           & 
3009                        + 5.0462934E+2_wp * zaw**2 - 3.1543839E+2_wp * zaw**3  &
3010                        + 6.770824E+1_wp  * zaw**4 
3011!--             Organic carbon                       
3012                zbinmol(2) = 1.0_wp / ( zaw * amh2o ) - 1.0_wp / amh2o
3013!--             Nitric acid
3014                zbinmol(6) = 2.306844303E+1_wp - 3.563608869E+1_wp * zaw       &
3015                     - 6.210577919E+1_wp * zaw**2 + 5.510176187E+2_wp * zaw**3 &
3016                     - 1.460055286E+3_wp * zaw**4 + 1.894467542E+3_wp * zaw**5 &
3017                     - 1.220611402E+3_wp * zaw**6 + 3.098597737E+2_wp * zaw**7 
3018!--             Sea salt (natrium chloride)                                 
3019                zbinmol(5) = 5.875248E+1_wp - 1.8781997E+2_wp * zaw            &
3020                         + 2.7211377E+2_wp * zaw**2 - 1.8458287E+2_wp * zaw**3 &
3021                         + 4.153689E+1_wp  * zaw**4 
3022!                                 
3023!--             Calculate the liquid water content (kg/m3-air)
3024                zlwc = ( paero(b)%volc(1) * ( arhoh2so4 / amh2so4 ) ) /        &
3025                       zbinmol(1) + epsoc * ( paero(b)%volc(2) * ( arhooc /    &
3026                       amoc ) ) / zbinmol(2) + ( paero(b)%volc(6) * ( arhohno3 &
3027                       / amhno3 ) ) / zbinmol(6) + ( paero(b)%volc(5) *        &
3028                       ( arhoss / amss ) ) / zbinmol(5)
3029                       
3030!--             Particle wet radius (m)
3031                zdwet = ( zlwc / paero(b)%numc / arhoh2o / api6 +              &
3032                          ( SUM( zvpart(6:7) ) / api6 )  + &
3033                           zcore / api6 ) ** ( 1.0_wp / 3.0_wp )
3034!                               
3035!--             Kelvin effect (Eq. 10.85 in Seinfeld and Pandis (2006))
3036                zke = EXP( MIN( 50.0_wp,                                       &
3037                        4.0_wp * surfw0 * amvh2so4 / ( abo * zdwet * ptemp ) ) )
3038                         
3039                counti = counti + 1
3040                IF ( counti > 1000 )  THEN
3041                   message_string = 'Subrange 2: no convergence!'
3042                CALL message( 'salsa_mod: equilibration', 'SA0043',            &
3043                              1, 2, 0, 6, 0 )
3044                ENDIF
3045             ENDDO
3046!                   
3047!--          Liquid water content; instead of LWC use the volume concentration
3048             paero(b)%volc(8) = zlwc / arhoh2o
3049             paero(b)%dwet    = zdwet
3050             paero(b)%core    = zcore
3051             
3052          ELSE
3053!--          2.2) empty bins given bin average values
3054             paero(b)%dwet = paero(b)%dmid
3055             paero(b)%core = api6 * paero(b)%dmid ** 3.0_wp
3056          ENDIF
3057               
3058       ENDDO   ! b
3059    ENDIF
3060
3061 END SUBROUTINE equilibration
3062 
3063!------------------------------------------------------------------------------!
3064!> Description:
3065!> ------------
3066!> Calculation of the settling velocity vc (m/s) per aerosol size bin and
3067!> deposition on plant canopy (lsdepo_vege).
3068!
3069!> Deposition is based on either the scheme presented in:
3070!> Zhang et al. (2001), Atmos. Environ. 35, 549-560 (includes collection due to
3071!> Brownian diffusion, impaction, interception and sedimentation)
3072!> OR
3073!> Petroff & Zhang (2010), Geosci. Model Dev. 3, 753-769 (includes also
3074!> collection due to turbulent impaction)
3075!
3076!> Equation numbers refer to equation in Jacobson (2005): Fundamentals of
3077!> Atmospheric Modeling, 2nd Edition.
3078!
3079!> Subroutine follows closely sedim_SALSA in UCLALES-SALSA written by Juha
3080!> Tonttila (KIT/FMI) and Zubair Maalick (UEF).
3081!> Rewritten to PALM by Mona Kurppa (UH), 2017.
3082!
3083!> Call for grid point i,j,k
3084!------------------------------------------------------------------------------!
3085
3086 SUBROUTINE deposition( paero, tk, adn, mag_u, lad, kvis, Sc, vc )
3087 
3088    USE plant_canopy_model_mod,                                                &
3089        ONLY: cdc
3090 
3091    IMPLICIT NONE
3092   
3093    REAL(wp), INTENT(in)    ::  adn    !< air density (kg/m3) 
3094    REAL(wp), INTENT(out)   ::  kvis   !< kinematic viscosity of air (m2/s)
3095    REAL(wp), INTENT(in) ::     lad    !< leaf area density (m2/m3)
3096    REAL(wp), INTENT(in)    ::  mag_u  !< wind velocity (m/s)
3097    REAL(wp), INTENT(out)   ::  Sc(:)  !< particle Schmidt number 
3098    REAL(wp), INTENT(in)    ::  tk     !< abs.temperature (K)   
3099    REAL(wp), INTENT(out)   ::  vc(:)  !< critical fall speed i.e. settling
3100                                       !< velocity of an aerosol particle (m/s)
3101    TYPE(t_section), INTENT(inout) ::  paero(fn2b)       
3102   
3103    INTEGER(iwp) ::  b      !< loop index
3104    INTEGER(iwp) ::  c      !< loop index
3105    REAL(wp) ::  avis       !< molecular viscocity of air (kg/(m*s))
3106    REAL(wp), PARAMETER ::  c_A = 1.249_wp !< Constants A, B and C for
3107    REAL(wp), PARAMETER ::  c_B = 0.42_wp  !< calculating  the Cunningham 
3108    REAL(wp), PARAMETER ::  c_C = 0.87_wp  !< slip-flow correction (Cc) 
3109                                           !< according to Jacobson (2005),
3110                                           !< Eq. 15.30
3111    REAL(wp) ::  Cc         !< Cunningham slip-flow correction factor     
3112    REAL(wp) ::  Kn         !< Knudsen number   
3113    REAL(wp) ::  lambda     !< molecular mean free path (m)
3114    REAL(wp) ::  mdiff      !< particle diffusivity coefficient   
3115    REAL(wp) ::  pdn        !< particle density (kg/m3)     
3116    REAL(wp) ::  ustar      !< friction velocity (m/s)   
3117    REAL(wp) ::  va         !< thermal speed of an air molecule (m/s)
3118    REAL(wp) ::  zdwet      !< wet diameter (m)                             
3119!
3120!-- Initialise
3121    Cc            = 0.0_wp
3122    Kn            = 0.0_wp
3123    mdiff         = 0.0_wp
3124    pdn           = 1500.0_wp    ! default value
3125    ustar         = 0.0_wp 
3126!
3127!-- Molecular viscosity of air (Eq. 4.54)
3128    avis = 1.8325E-5_wp * ( 416.16_wp / ( tk + 120.0_wp ) ) * ( tk /           &
3129           296.16_wp )**1.5_wp
3130!             
3131!-- Kinematic viscosity (Eq. 4.55)
3132    kvis =  avis / adn
3133!       
3134!-- Thermal velocity of an air molecule (Eq. 15.32)
3135    va = SQRT( 8.0_wp * abo * tk / ( pi * am_airmol ) ) 
3136!
3137!-- Mean free path (m) (Eq. 15.24)
3138    lambda = 2.0_wp * avis / ( adn * va )
3139   
3140    DO  b = 1, nbins
3141   
3142       IF ( paero(b)%numc < nclim )  CYCLE
3143       zdwet = paero(b)%dwet
3144!
3145!--    Knudsen number (Eq. 15.23)
3146       Kn = MAX( 1.0E-2_wp, lambda / ( zdwet * 0.5_wp ) ) ! To avoid underflow
3147!
3148!--    Cunningham slip-flow correction (Eq. 15.30)
3149       Cc = 1.0_wp + Kn * ( c_A + c_B * EXP( -c_C / Kn ) )
3150
3151!--    Particle diffusivity coefficient (Eq. 15.29)
3152       mdiff = ( abo * tk * Cc ) / ( 3.0_wp * pi * avis * zdwet )
3153!       
3154!--    Particle Schmidt number (Eq. 15.36)
3155       Sc(b) = kvis / mdiff       
3156!       
3157!--    Critical fall speed i.e. settling velocity  (Eq. 20.4)                 
3158       vc(b) = MIN( 1.0_wp, terminal_vel( 0.5_wp * zdwet, pdn, adn, avis, Cc) )
3159       
3160       IF ( lsdepo_vege  .AND.  plant_canopy  .AND.  lad > 0.0_wp )  THEN
3161!       
3162!--       Friction velocity calculated following Prandtl (1925):
3163          ustar = SQRT( cdc ) * mag_u
3164          CALL depo_vege( paero, b, vc(b), mag_u, ustar, kvis, Sc(b), lad )
3165       ENDIF
3166    ENDDO
3167 
3168 END SUBROUTINE deposition
3169 
3170!------------------------------------------------------------------------------!
3171! Description:
3172! ------------
3173!> Calculate change in number and volume concentrations due to deposition on
3174!> plant canopy.
3175!------------------------------------------------------------------------------!
3176 SUBROUTINE depo_vege( paero, b, vc, mag_u, ustar, kvis_a, Sc, lad )
3177 
3178    IMPLICIT NONE
3179   
3180    INTEGER(iwp), INTENT(in) ::  b  !< loop index
3181    REAL(wp), INTENT(in) ::  kvis_a !< kinematic viscosity of air (m2/s)
3182    REAL(wp), INTENT(in) ::  lad    !< leaf area density (m2/m3)
3183    REAL(wp), INTENT(in) ::  mag_u  !< wind velocity (m/s)   
3184    REAL(wp), INTENT(in) ::  Sc     !< particle Schmidt number
3185    REAL(wp), INTENT(in) ::  ustar  !< friction velocity (m/s)                                   
3186    REAL(wp), INTENT(in) ::  vc     !< terminal velocity (m/s) 
3187    TYPE(t_section), INTENT(inout) ::  paero(fn2b) 
3188   
3189    INTEGER(iwp) ::  c      !< loop index
3190    REAL(wp), PARAMETER ::  c_A = 1.249_wp !< Constants A, B and C for
3191    REAL(wp), PARAMETER ::  c_B = 0.42_wp  !< calculating  the Cunningham 
3192    REAL(wp), PARAMETER ::  c_C = 0.87_wp  !< slip-flow correction (Cc) 
3193                                           !< according to Jacobson (2005),
3194                                           !< Eq. 15.30
3195    REAL(wp) ::  alpha       !< parameter, Table 3 in Zhang et al. (2001) 
3196    REAL(wp) ::  depo        !< deposition efficiency
3197    REAL(wp) ::  C_Br        !< coefficient for Brownian diffusion
3198    REAL(wp) ::  C_IM        !< coefficient for inertial impaction
3199    REAL(wp) ::  C_IN        !< coefficient for interception
3200    REAL(wp) ::  C_IT        !< coefficient for turbulent impaction   
3201    REAL(wp) ::  gamma       !< parameter, Table 3 in Zhang et al. (2001)   
3202    REAL(wp) ::  par_A       !< parameter A for the characteristic radius of
3203                             !< collectors, Table 3 in Zhang et al. (2001)   
3204    REAL(wp) ::  rt          !< the overall quasi-laminar resistance for
3205                             !< particles
3206    REAL(wp) ::  St          !< Stokes number for smooth surfaces or bluff
3207                             !< surface elements                                 
3208    REAL(wp) ::  tau_plus    !< dimensionless particle relaxation time   
3209    REAL(wp) ::  v_bd        !< deposition velocity due to Brownian diffusion
3210    REAL(wp) ::  v_im        !< deposition velocity due to impaction
3211    REAL(wp) ::  v_in        !< deposition velocity due to interception
3212    REAL(wp) ::  v_it        !< deposition velocity due to turbulent impaction                               
3213!
3214!-- Initialise
3215    depo     = 0.0_wp 
3216    rt       = 0.0_wp
3217    St       = 0.0_wp
3218    tau_plus = 0.0_wp
3219    v_bd     = 0.0_wp     
3220    v_im     = 0.0_wp       
3221    v_in     = 0.0_wp       
3222    v_it     = 0.0_wp         
3223       
3224    IF ( depo_vege_type == 'zhang2001' )  THEN
3225!       
3226!--    Parameters for the land use category 'deciduous broadleaf trees'(Table 3)     
3227       par_A = 5.0E-3_wp
3228       alpha = 0.8_wp
3229       gamma = 0.56_wp 
3230!       
3231!--    Stokes number for vegetated surfaces (Seinfeld & Pandis (2006): Eq.19.24) 
3232       St = vc * ustar / ( g * par_A )         
3233!         
3234!--    The overall quasi-laminar resistance for particles (Zhang et al., Eq. 5)       
3235       rt = MAX( EPSILON( 1.0_wp ), ( 3.0_wp * ustar * EXP( -St**0.5_wp ) *    &
3236                         ( Sc**( -gamma ) + ( St / ( alpha + St ) )**2.0_wp +  &
3237                           0.5_wp * ( paero(b)%dwet / par_A )**2.0_wp ) ) )
3238       depo = ( rt + vc ) * lad
3239       paero(b)%numc = paero(b)%numc - depo * paero(b)%numc * dt_salsa
3240       DO  c = 1, maxspec+1
3241          paero(b)%volc(c) = paero(b)%volc(c) - depo * paero(b)%volc(c) *      &
3242                             dt_salsa
3243       ENDDO
3244       
3245    ELSEIF ( depo_vege_type == 'petroff2010' )  THEN
3246!
3247!--    vd = v_BD + v_IN + v_IM + v_IT + vc
3248!--    Deposition efficiencies from Table 1. Constants from Table 2.
3249       C_Br  = 1.262_wp
3250       C_IM  = 0.130_wp
3251       C_IN  = 0.216_wp
3252       C_IT  = 0.056_wp
3253       par_A = 0.03_wp   ! Here: leaf width (m)     
3254!       
3255!--    Stokes number for vegetated surfaces (Seinfeld & Pandis (2006): Eq.19.24) 
3256       St = vc * ustar / ( g * par_A )         
3257!
3258!--    Non-dimensional relexation time of the particle on top of canopy
3259       tau_plus = vc * ustar**2.0_wp / ( kvis_a * g ) 
3260!
3261!--    Brownian diffusion
3262       v_bd = mag_u * C_Br * Sc**( -2.0_wp / 3.0_wp ) *                        &
3263              ( mag_u * par_A / kvis_a )**( -0.5_wp )
3264!
3265!--    Interception
3266       v_in = mag_u * C_IN * paero(b)%dwet / par_A * ( 2.0_wp + LOG( 2.0_wp *  &
3267              par_A / paero(b)%dwet ) )                     
3268!
3269!--    Impaction: Petroff (2009) Eq. 18
3270       v_im = mag_u * C_IM * ( St / ( St + 0.47_wp ) )**2.0_wp
3271       
3272       IF ( tau_plus < 20.0_wp )  THEN
3273          v_it = 2.5E-3_wp * C_IT * tau_plus**2.0_wp
3274       ELSE
3275          v_it = C_IT
3276       ENDIF
3277       depo = ( v_bd + v_in + v_im + v_it + vc ) * lad     
3278       paero(b)%numc = paero(b)%numc - depo * paero(b)%numc * dt_salsa     
3279       DO  c = 1, maxspec+1
3280          paero(b)%volc(c) = paero(b)%volc(c) - depo * paero(b)%volc(c) *      &
3281                             dt_salsa
3282       ENDDO
3283    ENDIF 
3284 
3285 END SUBROUTINE depo_vege
3286 
3287!------------------------------------------------------------------------------!
3288! Description:
3289! ------------ 
3290!> Calculate deposition on horizontal and vertical surfaces. Implement as
3291!> surface flux.
3292!------------------------------------------------------------------------------!
3293
3294 SUBROUTINE depo_topo( i, j, surf, vc, Sc, kvis, mag_u, norm )
3295 
3296    USE surface_mod,                                                           &
3297        ONLY:  surf_type
3298 
3299    IMPLICIT NONE
3300   
3301    INTEGER(iwp), INTENT(in) ::  i     !< loop index
3302    INTEGER(iwp), INTENT(in) ::  j     !< loop index
3303    REAL(wp), INTENT(in) ::  kvis(:)   !< kinematic viscosity of air (m2/s)
3304    REAL(wp), INTENT(in) ::  mag_u(:)  !< wind velocity (m/s)                                                 
3305    REAL(wp), INTENT(in) ::  norm(:)   !< normalisation (usually air density)
3306    REAL(wp), INTENT(in) ::  Sc(:,:)  !< particle Schmidt number
3307    REAL(wp), INTENT(in) ::  vc(:,:)  !< terminal velocity (m/s)   
3308    TYPE(surf_type), INTENT(inout) :: surf  !< respective surface type
3309    INTEGER(iwp) ::  b      !< loop index
3310    INTEGER(iwp) ::  c      !< loop index
3311    INTEGER(iwp) ::  k      !< loop index
3312    INTEGER(iwp) ::  m      !< loop index
3313    INTEGER(iwp) ::  surf_e !< End index of surface elements at (j,i)-gridpoint
3314    INTEGER(iwp) ::  surf_s !< Start index of surface elements at (j,i)-gridpoint
3315    REAL(wp) ::  alpha      !< parameter, Table 3 in Zhang et al. (2001)
3316    REAL(wp) ::  C_Br       !< coefficient for Brownian diffusion
3317    REAL(wp) ::  C_IM       !< coefficient for inertial impaction
3318    REAL(wp) ::  C_IN       !< coefficient for interception
3319    REAL(wp) ::  C_IT       !< coefficient for turbulent impaction
3320    REAL(wp) ::  depo       !< deposition efficiency
3321    REAL(wp) ::  gamma      !< parameter, Table 3 in Zhang et al. (2001)
3322    REAL(wp) ::  par_A      !< parameter A for the characteristic radius of
3323                            !< collectors, Table 3 in Zhang et al. (2001)
3324    REAL(wp) ::  rt         !< the overall quasi-laminar resistance for
3325                            !< particles
3326    REAL(wp) ::  St         !< Stokes number for bluff surface elements 
3327    REAL(wp) ::  tau_plus   !< dimensionless particle relaxation time   
3328    REAL(wp) ::  v_bd       !< deposition velocity due to Brownian diffusion
3329    REAL(wp) ::  v_im       !< deposition velocity due to impaction
3330    REAL(wp) ::  v_in       !< deposition velocity due to interception
3331    REAL(wp) ::  v_it       !< deposition velocity due to turbulent impaction 
3332!
3333!-- Initialise
3334    rt       = 0.0_wp
3335    St       = 0.0_wp
3336    tau_plus = 0.0_wp
3337    v_bd     = 0.0_wp     
3338    v_im     = 0.0_wp       
3339    v_in     = 0.0_wp       
3340    v_it     = 0.0_wp                                 
3341    surf_s   = surf%start_index(j,i)
3342    surf_e   = surf%end_index(j,i) 
3343   
3344    DO  m = surf_s, surf_e
3345       k = surf%k(m)       
3346       DO  b = 1, nbins
3347          IF ( aerosol_number(b)%conc(k,j,i) <= nclim  .OR.                    &
3348               Sc(k+1,b) < 1.0_wp )  CYCLE   
3349                   
3350          IF ( depo_topo_type == 'zhang2001' )  THEN
3351!       
3352!--          Parameters for the land use category 'urban' in Table 3
3353             alpha = 1.5_wp
3354             gamma = 0.56_wp 
3355             par_A = 10.0E-3_wp
3356!       
3357!--          Stokes number for smooth surfaces or surfaces with bluff roughness
3358!--          elements (Seinfeld and Pandis, 2nd edition (2006): Eq. 19.23)       
3359             St = MAX( 0.01_wp, vc(k+1,b) * surf%us(m) ** 2.0_wp /             &
3360                       ( g * kvis(k+1)  ) ) 
3361!         
3362!--          The overall quasi-laminar resistance for particles (Eq. 5)       
3363             rt = MAX( EPSILON( 1.0_wp ), ( 3.0_wp * surf%us(m) * (            &
3364                       Sc(k+1,b)**( -gamma ) + ( St / ( alpha + St ) )**2.0_wp &
3365                        + 0.5_wp * ( Ra_dry(k,j,i,b) / par_A )**2.0_wp ) *     &
3366                       EXP( -St**0.5_wp ) ) ) 
3367             depo = vc(k+1,b) + rt
3368             
3369          ELSEIF ( depo_topo_type == 'petroff2010' )  THEN 
3370!
3371!--          vd = v_BD + v_IN + v_IM + v_IT + vc
3372!--          Deposition efficiencies from Table 1. Constants from Table 2.
3373             C_Br  = 1.262_wp
3374             C_IM  = 0.130_wp
3375             C_IN  = 0.216_wp
3376             C_IT  = 0.056_wp
3377             par_A = 0.03_wp   ! Here: leaf width (m) 
3378!       
3379!--          Stokes number for smooth surfaces or surfaces with bluff roughness
3380!--          elements (Seinfeld and Pandis, 2nd edition (2006): Eq. 19.23)       
3381             St = MAX( 0.01_wp, vc(k+1,b) * surf%us(m) ** 2.0_wp /             &
3382                       ( g *  kvis(k+1) ) )             
3383!
3384!--          Non-dimensional relexation time of the particle on top of canopy
3385             tau_plus = vc(k+1,b) * surf%us(m)**2.0_wp / ( kvis(k+1) * g ) 
3386!
3387!--          Brownian diffusion
3388             v_bd = mag_u(k+1) * C_Br * Sc(k+1,b)**( -2.0_wp / 3.0_wp ) *      &
3389                    ( mag_u(k+1) * par_A / kvis(k+1) )**( -0.5_wp )
3390!
3391!--          Interception
3392             v_in = mag_u(k+1) * C_IN * Ra_dry(k,j,i,b)/ par_A * ( 2.0_wp +    &
3393                    LOG( 2.0_wp * par_A / Ra_dry(k,j,i,b) ) )                     
3394!
3395!--          Impaction: Petroff (2009) Eq. 18
3396             v_im = mag_u(k+1) * C_IM * ( St / ( St + 0.47_wp ) )**2.0_wp
3397             
3398             IF ( tau_plus < 20.0_wp )  THEN
3399                v_it = 2.5E-3_wp * C_IT * tau_plus**2.0_wp
3400             ELSE
3401                v_it = C_IT
3402             ENDIF
3403             depo =  v_bd + v_in + v_im + v_it + vc(k+1,b)       
3404         
3405          ENDIF
3406          IF ( lod_aero == 3  .OR.  salsa_source_mode ==  'no_source' )  THEN
3407             surf%answs(m,b) = -depo * norm(k) * aerosol_number(b)%conc(k,j,i) 
3408             DO  c = 1, ncc_tot   
3409                surf%amsws(m,(c-1)*nbins+b) = -depo *  norm(k) *               &
3410                                         aerosol_mass((c-1)*nbins+b)%conc(k,j,i)
3411             ENDDO    ! c
3412          ELSE
3413             surf%answs(m,b) = SUM( aerosol_number(b)%source(:,j,i) ) -        &
3414                               MAX( 0.0_wp, depo * norm(k) *                   &
3415                               aerosol_number(b)%conc(k,j,i) )
3416             DO  c = 1, ncc_tot   
3417                surf%amsws(m,(c-1)*nbins+b) = SUM(                             &
3418                               aerosol_mass((c-1)*nbins+b)%source(:,j,i) ) -   &
3419                               MAX(  0.0_wp, depo *  norm(k) *                 &
3420                               aerosol_mass((c-1)*nbins+b)%conc(k,j,i) )
3421             ENDDO
3422          ENDIF
3423       ENDDO    ! b
3424    ENDDO    ! m     
3425     
3426 END SUBROUTINE depo_topo
3427 
3428!------------------------------------------------------------------------------!
3429! Description:
3430! ------------
3431! Function for calculating terminal velocities for different particles sizes.
3432!------------------------------------------------------------------------------!
3433 REAL(wp) FUNCTION terminal_vel( radius, rhop, rhoa, visc, beta )
3434 
3435    IMPLICIT NONE
3436   
3437    REAL(wp), INTENT(in) ::  beta    !< Cunningham correction factor
3438    REAL(wp), INTENT(in) ::  radius  !< particle radius (m)
3439    REAL(wp), INTENT(in) ::  rhop    !< particle density (kg/m3)
3440    REAL(wp), INTENT(in) ::  rhoa    !< air density (kg/m3)
3441    REAL(wp), INTENT(in) ::  visc    !< molecular viscosity of air (kg/(m*s))
3442   
3443    REAL(wp), PARAMETER ::  rhoa_ref = 1.225_wp ! reference air density (kg/m3)
3444!
3445!-- Stokes law with Cunningham slip correction factor
3446    terminal_vel = ( 4.0_wp * radius**2.0_wp ) * ( rhop - rhoa ) * g * beta /  &
3447                   ( 18.0_wp * visc ) ! (m/s)
3448       
3449 END FUNCTION terminal_vel
3450 
3451!------------------------------------------------------------------------------!
3452! Description:
3453! ------------
3454!> Calculates particle loss and change in size distribution due to (Brownian)
3455!> coagulation. Only for particles with dwet < 30 micrometres.
3456!
3457!> Method:
3458!> Semi-implicit, non-iterative method: (Jacobson, 1994)
3459!> Volume concentrations of the smaller colliding particles added to the bin of
3460!> the larger colliding particles. Start from first bin and use the updated
3461!> number and volume for calculation of following bins. NB! Our bin numbering
3462!> does not follow particle size in subrange 2.
3463!
3464!> Schematic for bin numbers in different subranges:
3465!>             1                            2
3466!>    +-------------------------------------------+
3467!>  a | 1 | 2 | 3 || 4 | 5 | 6 | 7 |  8 |  9 | 10||
3468!>  b |           ||11 |12 |13 |14 | 15 | 16 | 17||
3469!>    +-------------------------------------------+
3470!
3471!> Exact coagulation coefficients for each pressure level are scaled according
3472!> to current particle wet size (linear scaling).
3473!> Bins are organized in terms of the dry size of the condensation nucleus,
3474!> while coagulation kernell is calculated with the actual hydrometeor
3475!> size.
3476!
3477!> Called from salsa_driver
3478!> fxm: Process selection should be made smarter - now just lots of IFs inside
3479!>      loops
3480!
3481!> Coded by:
3482!> Hannele Korhonen (FMI) 2005
3483!> Harri Kokkola (FMI) 2006
3484!> Tommi Bergman (FMI) 2012
3485!> Matti Niskanen(FMI) 2012
3486!> Anton Laakso  (FMI) 2013
3487!> Juha Tonttila (FMI) 2014
3488!------------------------------------------------------------------------------!
3489 SUBROUTINE coagulation( paero, ptstep, ptemp, ppres )
3490               
3491    IMPLICIT NONE
3492   
3493!-- Input and output variables
3494    TYPE(t_section), INTENT(inout) ::  paero(fn2b) !< Aerosol properties
3495    REAL(wp), INTENT(in) ::  ppres  !< ambient pressure (Pa)
3496    REAL(wp), INTENT(in) ::  ptemp  !< ambient temperature (K)
3497    REAL(wp), INTENT(in) ::  ptstep !< time step (s)
3498!-- Local variables
3499    INTEGER(iwp) ::  index_2a !< corresponding bin in subrange 2a
3500    INTEGER(iwp) ::  index_2b !< corresponding bin in subrange 2b
3501    INTEGER(iwp) ::  b !< loop index
3502    INTEGER(iwp) ::  ll !< loop index
3503    INTEGER(iwp) ::  mm !< loop index
3504    INTEGER(iwp) ::  nn !< loop index
3505    REAL(wp) ::  pressi !< pressure
3506    REAL(wp) ::  temppi !< temperature
3507    REAL(wp) ::  zcc(fn2b,fn2b)   !< updated coagulation coefficients (m3/s) 
3508    REAL(wp) ::  zdpart_mm        !< diameter of particle (m)
3509    REAL(wp) ::  zdpart_nn        !< diameter of particle (m)   
3510    REAL(wp) ::  zminusterm       !< coagulation loss in a bin (1/s)
3511    REAL(wp) ::  zplusterm(8)     !< coagulation gain in a bin (fxm/s)
3512                                  !< (for each chemical compound)
3513    REAL(wp) ::  zmpart(fn2b)     !< approximate mass of particles (kg)
3514   
3515    zcc       = 0.0_wp
3516    zmpart    = 0.0_wp
3517    zdpart_mm = 0.0_wp
3518    zdpart_nn = 0.0_wp
3519!
3520!-- 1) Coagulation to coarse mode calculated in a simplified way:
3521!--    CoagSink ~ Dp in continuum subrange, thus we calculate 'effective'
3522!--    number concentration of coarse particles
3523
3524!-- 2) Updating coagulation coefficients
3525!   
3526!-- Aerosol mass (kg). Density of 1500 kg/m3 assumed
3527    zmpart(1:fn2b) = api6 * ( MIN( paero(1:fn2b)%dwet, 30.0E-6_wp )**3.0_wp  ) &
3528                     * 1500.0_wp 
3529    temppi = ptemp
3530    pressi = ppres
3531    zcc    = 0.0_wp
3532!
3533!-- Aero-aero coagulation
3534    DO  mm = 1, fn2b   ! smaller colliding particle
3535       IF ( paero(mm)%numc < nclim )  CYCLE
3536       DO  nn = mm, fn2b   ! larger colliding particle
3537          IF ( paero(nn)%numc < nclim )  CYCLE
3538         
3539          zdpart_mm = MIN( paero(mm)%dwet, 30.0E-6_wp )     ! Limit to 30 um
3540          zdpart_nn = MIN( paero(nn)%dwet, 30.0E-6_wp )     ! Limit to 30 um
3541!             
3542!--       Coagulation coefficient of particles (m3/s)
3543          zcc(mm,nn) = coagc( zdpart_mm, zdpart_nn, zmpart(mm), zmpart(nn),    &
3544                              temppi, pressi )
3545          zcc(nn,mm) = zcc(mm,nn)
3546       ENDDO
3547    ENDDO
3548       
3549!   
3550!-- 3) New particle and volume concentrations after coagulation:
3551!--    Calculated according to Jacobson (2005) eq. 15.9
3552!
3553!-- Aerosols in subrange 1a:
3554    DO  b = in1a, fn1a
3555       IF ( paero(b)%numc < nclim )  CYCLE
3556       zminusterm   = 0.0_wp
3557       zplusterm(:) = 0.0_wp
3558!       
3559!--    Particles lost by coagulation with larger aerosols
3560       DO  ll = b+1, fn2b
3561          zminusterm = zminusterm + zcc(b,ll) * paero(ll)%numc
3562       ENDDO
3563!       
3564!--    Coagulation gain in a bin: change in volume conc. (cm3/cm3):
3565       DO ll = in1a, b-1
3566          zplusterm(1:2) = zplusterm(1:2) + zcc(ll,b) * paero(ll)%volc(1:2)
3567          zplusterm(6:7) = zplusterm(6:7) + zcc(ll,b) * paero(ll)%volc(6:7)
3568          zplusterm(8)   = zplusterm(8)   + zcc(ll,b) * paero(ll)%volc(8)
3569       ENDDO
3570!       
3571!--    Volume and number concentrations after coagulation update [fxm]
3572       paero(b)%volc(1:2) = ( paero(b)%volc(1:2) + ptstep * zplusterm(1:2) * &
3573                             paero(b)%numc ) / ( 1.0_wp + ptstep * zminusterm )
3574       paero(b)%volc(6:7) = ( paero(b)%volc(6:7) + ptstep * zplusterm(6:7) * &
3575                             paero(b)%numc ) / ( 1.0_wp + ptstep * zminusterm )
3576       paero(b)%volc(8)   = ( paero(b)%volc(8)   + ptstep * zplusterm(8) *   &
3577                             paero(b)%numc ) / ( 1.0_wp + ptstep * zminusterm )
3578       paero(b)%numc = paero(b)%numc / ( 1.0_wp + ptstep * zminusterm  +     &
3579                        0.5_wp * ptstep * zcc(b,b) * paero(b)%numc )               
3580    ENDDO
3581!             
3582!-- Aerosols in subrange 2a:
3583    DO  b = in2a, fn2a
3584       IF ( paero(b)%numc < nclim )  CYCLE
3585       zminusterm   = 0.0_wp
3586       zplusterm(:) = 0.0_wp
3587!       
3588!--    Find corresponding size bin in subrange 2b
3589       index_2b = b - in2a + in2b
3590!       
3591!--    Particles lost by larger particles in 2a
3592       DO  ll = b+1, fn2a
3593          zminusterm = zminusterm + zcc(b,ll) * paero(ll)%numc
3594       ENDDO
3595!       
3596!--    Particles lost by larger particles in 2b
3597       IF ( .NOT. no_insoluble )  THEN
3598          DO  ll = index_2b+1, fn2b
3599             zminusterm = zminusterm + zcc(b,ll) * paero(ll)%numc
3600          ENDDO
3601       ENDIF
3602!       
3603!--    Particle volume gained from smaller particles in subranges 1, 2a and 2b
3604       DO  ll = in1a, b-1
3605          zplusterm(1:2) = zplusterm(1:2) + zcc(ll,b) * paero(ll)%volc(1:2)
3606          zplusterm(6:7) = zplusterm(6:7) + zcc(ll,b) * paero(ll)%volc(6:7)
3607          zplusterm(8)   = zplusterm(8)   + zcc(ll,b) * paero(ll)%volc(8)
3608       ENDDO 
3609!       
3610!--    Particle volume gained from smaller particles in 2a
3611!--    (Note, for components not included in the previous loop!)
3612       DO  ll = in2a, b-1
3613          zplusterm(3:5) = zplusterm(3:5) + zcc(ll,b)*paero(ll)%volc(3:5)             
3614       ENDDO
3615       
3616!       
3617!--    Particle volume gained from smaller (and equal) particles in 2b
3618       IF ( .NOT. no_insoluble )  THEN
3619          DO  ll = in2b, index_2b
3620             zplusterm(1:8) = zplusterm(1:8) + zcc(ll,b) * paero(ll)%volc(1:8)
3621          ENDDO
3622       ENDIF
3623!       
3624!--    Volume and number concentrations after coagulation update [fxm]
3625       paero(b)%volc(1:8) = ( paero(b)%volc(1:8) + ptstep * zplusterm(1:8) * &
3626                             paero(b)%numc ) / ( 1.0_wp + ptstep * zminusterm )
3627       paero(b)%numc = paero(b)%numc / ( 1.0_wp + ptstep * zminusterm +      &
3628                        0.5_wp * ptstep * zcc(b,b) * paero(b)%numc )
3629    ENDDO
3630!             
3631!-- Aerosols in subrange 2b:
3632    IF ( .NOT. no_insoluble )  THEN
3633       DO  b = in2b, fn2b
3634          IF ( paero(b)%numc < nclim )  CYCLE
3635          zminusterm   = 0.0_wp
3636          zplusterm(:) = 0.0_wp
3637!       
3638!--       Find corresponding size bin in subsubrange 2a
3639          index_2a = b - in2b + in2a
3640!       
3641!--       Particles lost to larger particles in subranges 2b
3642          DO  ll = b+1, fn2b
3643             zminusterm = zminusterm + zcc(b,ll) * paero(ll)%numc
3644          ENDDO
3645!       
3646!--       Particles lost to larger and equal particles in 2a
3647          DO  ll = index_2a, fn2a
3648             zminusterm = zminusterm + zcc(b,ll) * paero(ll)%numc
3649          ENDDO
3650!       
3651!--       Particle volume gained from smaller particles in subranges 1 & 2a
3652          DO  ll = in1a, index_2a-1
3653             zplusterm(1:8) = zplusterm(1:8) + zcc(ll,b) * paero(ll)%volc(1:8)
3654          ENDDO
3655!       
3656!--       Particle volume gained from smaller particles in 2b
3657          DO  ll = in2b, b-1
3658             zplusterm(1:8) = zplusterm(1:8) + zcc(ll,b) * paero(ll)%volc(1:8)
3659          ENDDO
3660!       
3661!--       Volume and number concentrations after coagulation update [fxm]
3662          paero(b)%volc(1:8) = ( paero(b)%volc(1:8) + ptstep * zplusterm(1:8)&
3663                           * paero(b)%numc ) / ( 1.0_wp + ptstep * zminusterm )
3664          paero(b)%numc = paero(b)%numc / ( 1.0_wp + ptstep * zminusterm  +  &
3665                           0.5_wp * ptstep * zcc(b,b) * paero(b)%numc )
3666       ENDDO
3667    ENDIF
3668
3669 END SUBROUTINE coagulation
3670
3671!------------------------------------------------------------------------------!
3672! Description:
3673! ------------
3674!> Calculation of coagulation coefficients. Extended version of the function
3675!> originally found in mo_salsa_init.
3676!
3677!> J. Tonttila, FMI, 05/2014
3678!------------------------------------------------------------------------------!
3679 REAL(wp) FUNCTION coagc( diam1, diam2, mass1, mass2, temp, pres )
3680 
3681    IMPLICIT NONE
3682!       
3683!-- Input and output variables
3684    REAL(wp), INTENT(in) ::  diam1 !< diameter of colliding particle 1 (m)
3685    REAL(wp), INTENT(in) ::  diam2 !< diameter of colliding particle 2 (m)
3686    REAL(wp), INTENT(in) ::  mass1 !< mass of colliding particle 1 (kg)
3687    REAL(wp), INTENT(in) ::  mass2 !< mass of colliding particle 2 (kg)
3688    REAL(wp), INTENT(in) ::  pres  !< ambient pressure (Pa?) [fxm]
3689    REAL(wp), INTENT(in) ::  temp  !< ambient temperature (K)       
3690!
3691!-- Local variables
3692    REAL(wp) ::  fmdist !< distance of flux matching (m)   
3693    REAL(wp) ::  knud_p !< particle Knudsen number
3694    REAL(wp) ::  mdiam  !< mean diameter of colliding particles (m) 
3695    REAL(wp) ::  mfp    !< mean free path of air molecules (m)   
3696    REAL(wp) ::  visc   !< viscosity of air (kg/(m s))                   
3697    REAL(wp), DIMENSION (2) ::  beta   !< Cunningham correction factor
3698    REAL(wp), DIMENSION (2) ::  dfpart !< particle diffusion coefficient
3699                                       !< (m2/s)       
3700    REAL(wp), DIMENSION (2) ::  diam   !< diameters of particles (m)
3701    REAL(wp), DIMENSION (2) ::  flux   !< flux in continuum and free molec.
3702                                       !< regime (m/s)       
3703    REAL(wp), DIMENSION (2) ::  knud   !< particle Knudsen number       
3704    REAL(wp), DIMENSION (2) ::  mpart  !< masses of particles (kg)
3705    REAL(wp), DIMENSION (2) ::  mtvel  !< particle mean thermal velocity (m/s)
3706    REAL(wp), DIMENSION (2) ::  omega  !< particle mean free path             
3707    REAL(wp), DIMENSION (2) ::  tva    !< temporary variable (m)       
3708!
3709!-- Initialisation
3710    coagc   = 0.0_wp
3711!
3712!-- 1) Initializing particle and ambient air variables
3713    diam  = (/ diam1, diam2 /) !< particle diameters (m)
3714    mpart = (/ mass1, mass2 /) !< particle masses (kg)
3715!-- Viscosity of air (kg/(m s))       
3716    visc = ( 7.44523E-3_wp * temp ** 1.5_wp ) /                                &
3717           ( 5093.0_wp * ( temp + 110.4_wp ) ) 
3718!-- Mean free path of air (m)           
3719    mfp = ( 1.656E-10_wp * temp + 1.828E-8_wp ) * ( p_0 + 1325.0_wp ) / pres
3720!
3721!-- 2) Slip correction factor for small particles
3722    knud = 2.0_wp * EXP( LOG(mfp) - LOG(diam) )! Knudsen number for air (15.23)
3723!-- Cunningham correction factor (Allen and Raabe, Aerosol Sci. Tech. 4, 269)       
3724    beta = 1.0_wp + knud * ( 1.142_wp + 0.558_wp * EXP( -0.999_wp / knud ) )
3725!
3726!-- 3) Particle properties
3727!-- Diffusion coefficient (m2/s) (Jacobson (2005) eq. 15.29)
3728    dfpart = beta * abo * temp / ( 3.0_wp * pi * visc * diam ) 
3729!-- Mean thermal velocity (m/s) (Jacobson (2005) eq. 15.32)
3730    mtvel = SQRT( ( 8.0_wp * abo * temp ) / ( pi * mpart ) )
3731!-- Particle mean free path (m) (Jacobson (2005) eq. 15.34 )
3732    omega = 8.0_wp * dfpart / ( pi * mtvel ) 
3733!-- Mean diameter (m)
3734    mdiam = 0.5_wp * ( diam(1) + diam(2) )
3735!
3736!-- 4) Calculation of fluxes (Brownian collision kernels) and flux matching
3737!-- following Jacobson (2005):
3738!-- Flux in continuum regime (m3/s) (eq. 15.28)
3739    flux(1) = 4.0_wp * pi * mdiam * ( dfpart(1) + dfpart(2) )
3740!-- Flux in free molec. regime (m3/s) (eq. 15.31)
3741    flux(2) = pi * SQRT( ( mtvel(1)**2.0_wp ) + ( mtvel(2)**2.0_wp ) ) *      &
3742              ( mdiam**2.0_wp )
3743!-- temporary variables (m) to calculate flux matching distance (m)
3744    tva(1) = ( ( mdiam + omega(1) )**3.0_wp - ( mdiam**2.0_wp +                &
3745               omega(1)**2.0_wp ) * SQRT( ( mdiam**2.0_wp + omega(1)**2.0_wp ) &
3746               ) ) / ( 3.0_wp * mdiam * omega(1) ) - mdiam
3747    tva(2) = ( ( mdiam + omega(2) )**3.0_wp - ( mdiam**2.0_wp +                &
3748               omega(2)**2.0_wp ) * SQRT( ( mdiam**2 + omega(2)**2 ) ) ) /     &
3749             ( 3.0_wp * mdiam * omega(2) ) - mdiam
3750!-- Flux matching distance (m) i.e. the mean distance from the centre of a
3751!-- sphere reached by particles leaving sphere's surface and travelling a
3752!-- distance of particle mean free path mfp (eq. 15 34)                 
3753    fmdist = SQRT( tva(1)**2 + tva(2)**2.0_wp) 
3754!
3755!-- 5) Coagulation coefficient (m3/s) (eq. 15.33). Here assumed
3756!-- coalescence efficiency 1!!
3757    coagc = flux(1) / ( mdiam / ( mdiam + fmdist) + flux(1) / flux(2) ) 
3758!-- coagulation coefficient = coalescence efficiency * collision kernel
3759!
3760!-- Corrected collision kernel following Karl et al., 2016 (ACP):
3761!-- Inclusion of van der Waals and viscous forces
3762    IF ( van_der_waals_coagc )  THEN
3763       knud_p = SQRT( omega(1)**2 + omega(2)**2 ) / mdiam   
3764       IF ( knud_p >= 0.1_wp  .AND.  knud_p <= 10.0_wp )  THEN
3765          coagc = coagc * ( 2.0_wp + 0.4_wp * LOG( knud_p ) )
3766       ELSE
3767          coagc = coagc * 3.0_wp
3768       ENDIF
3769    ENDIF
3770   
3771 END FUNCTION coagc
3772 
3773!------------------------------------------------------------------------------!   
3774! Description:
3775! ------------
3776!> Calculates the change in particle volume and gas phase
3777!> concentrations due to nucleation, condensation and dissolutional growth.
3778!
3779!> Sulphuric acid and organic vapour: only condensation and no evaporation.
3780!
3781!> New gas and aerosol phase concentrations calculated according to Jacobson
3782!> (1997): Numerical techniques to solve condensational and dissolutional growth
3783!> equations when growth is coupled to reversible reactions, Aerosol Sci. Tech.,
3784!> 27, pp 491-498.
3785!
3786!> Following parameterization has been used:
3787!> Molecular diffusion coefficient of condensing vapour (m2/s)
3788!> (Reid et al. (1987): Properties of gases and liquids, McGraw-Hill, New York.)
3789!> D = {1.d-7*sqrt(1/M_air + 1/M_gas)*T^1.75} / &
3790!      {p_atm/p_stand * (d_air^(1/3) + d_gas^(1/3))^2 }
3791! M_air = 28.965 : molar mass of air (g/mol)
3792! d_air = 19.70  : diffusion volume of air
3793! M_h2so4 = 98.08 : molar mass of h2so4 (g/mol)
3794! d_h2so4 = 51.96  : diffusion volume of h2so4
3795!
3796!> Called from main aerosol model
3797!
3798!> fxm: calculated for empty bins too
3799!> fxm: same diffusion coefficients and mean free paths used for sulphuric acid
3800!>      and organic vapours (average values? 'real' values for each?)
3801!> fxm: one should really couple with vapour production and loss terms as well
3802!>      should nucleation be coupled here as well????
3803!
3804! Coded by:
3805! Hannele Korhonen (FMI) 2005
3806! Harri Kokkola (FMI) 2006
3807! Juha Tonttila (FMI) 2014
3808! Rewritten to PALM by Mona Kurppa (UHel) 2017
3809!------------------------------------------------------------------------------!
3810 SUBROUTINE condensation( paero, pcsa, pcocnv, pcocsv, pchno3, pcnh3, pcw, pcs,&
3811                          ptemp, ppres, ptstep, prtcl )
3812       
3813    IMPLICIT NONE
3814   
3815!-- Input and output variables
3816    REAL(wp), INTENT(IN) ::  ppres !< ambient pressure (Pa)
3817    REAL(wp), INTENT(IN) ::  pcs   !< Water vapour saturation concentration
3818                                   !< (kg/m3)     
3819    REAL(wp), INTENT(IN) ::  ptemp !< ambient temperature (K)
3820    REAL(wp), INTENT(IN) ::  ptstep            !< timestep (s) 
3821    TYPE(component_index), INTENT(in) :: prtcl !< Keeps track which substances
3822                                               !< are used                                               
3823    REAL(wp), INTENT(INOUT) ::  pchno3 !< Gas concentrations (#/m3):
3824                                       !< nitric acid HNO3
3825    REAL(wp), INTENT(INOUT) ::  pcnh3  !< ammonia NH3
3826    REAL(wp), INTENT(INOUT) ::  pcocnv !< non-volatile organics
3827    REAL(wp), INTENT(INOUT) ::  pcocsv !< semi-volatile organics
3828    REAL(wp), INTENT(INOUT) ::  pcsa   !< sulphuric acid H2SO4
3829    REAL(wp), INTENT(INOUT) ::  pcw    !< Water vapor concentration (kg/m3)
3830    TYPE(t_section), INTENT(inout) ::  paero(fn2b) !< Aerosol properties                                     
3831!-- Local variables
3832    REAL(wp) ::  zbeta(fn2b) !< transitional correction factor for aerosols
3833    REAL(wp) ::  zcolrate(fn2b) !< collision rate of molecules to particles
3834                                !< (1/s)
3835    REAL(wp) ::  zcolrate_ocnv(fn2b) !< collision rate of organic molecules
3836                                     !< to particles (1/s)
3837    REAL(wp) ::  zcs_ocnv !< condensation sink of nonvolatile organics (1/s)       
3838    REAL(wp) ::  zcs_ocsv !< condensation sink of semivolatile organics (1/s)
3839    REAL(wp) ::  zcs_su !< condensation sink of sulfate (1/s)
3840    REAL(wp) ::  zcs_tot!< total condensation sink (1/s) (gases)
3841!-- vapour concentration after time step (#/m3)
3842    REAL(wp) ::  zcvap_new1 !< sulphuric acid
3843    REAL(wp) ::  zcvap_new2 !< nonvolatile organics
3844    REAL(wp) ::  zcvap_new3 !< semivolatile organics
3845    REAL(wp) ::  zdfpart(in1a+1) !< particle diffusion coefficient (m2/s)     
3846    REAL(wp) ::  zdfvap !< air diffusion coefficient (m2/s)
3847!-- change in vapour concentration (#/m3)
3848    REAL(wp) ::  zdvap1 !< sulphuric acid
3849    REAL(wp) ::  zdvap2 !< nonvolatile organics
3850    REAL(wp) ::  zdvap3 !< semivolatile organics
3851    REAL(wp) ::  zdvoloc(fn2b) !< change of organics volume in each bin [fxm]   
3852    REAL(wp) ::  zdvolsa(fn2b) !< change of sulphate volume in each bin [fxm]
3853    REAL(wp) ::  zj3n3(2)      !< Formation massrate of molecules in
3854                               !< nucleation, (molec/m3s). 1: H2SO4
3855                               !< and 2: organic vapor       
3856    REAL(wp) ::  zknud(fn2b) !< particle Knudsen number       
3857    REAL(wp) ::  zmfp    !< mean free path of condensing vapour (m)
3858    REAL(wp) ::  zrh     !< Relative humidity [0-1]         
3859    REAL(wp) ::  zvisc   !< viscosity of air (kg/(m s))     
3860    REAL(wp) ::  zn_vs_c !< ratio of nucleation of all mass transfer in the
3861                         !< smallest bin
3862    REAL(wp) ::  zxocnv  !< ratio of organic vapour in 3nm particles
3863    REAL(wp) ::  zxsa    !< Ratio in 3nm particles: sulphuric acid
3864   
3865    zj3n3  = 0.0_wp
3866    zrh    = pcw / pcs   
3867    zxocnv = 0.0_wp
3868    zxsa   = 0.0_wp
3869!
3870!-- Nucleation
3871    IF ( nsnucl > 0 )  THEN
3872       CALL nucleation( paero, ptemp, zrh, ppres, pcsa, pcocnv, pcnh3, ptstep, &
3873                        zj3n3, zxsa, zxocnv )
3874    ENDIF
3875!
3876!-- Condensation on pre-existing particles
3877    IF ( lscndgas )  THEN
3878!
3879!--    Initialise:
3880       zdvolsa = 0.0_wp 
3881       zdvoloc = 0.0_wp
3882       zcolrate = 0.0_wp
3883!             
3884!--    1) Properties of air and condensing gases:
3885!--    Viscosity of air (kg/(m s)) (Eq. 4.54 in Jabonson (2005))
3886       zvisc = ( 7.44523E-3_wp * ptemp ** 1.5_wp ) / ( 5093.0_wp *             &
3887                 ( ptemp + 110.4_wp ) )
3888!--    Diffusion coefficient of air (m2/s)
3889       zdfvap = 5.1111E-10_wp * ptemp ** 1.75_wp * ( p_0 + 1325.0_wp ) / ppres
3890!--    Mean free path (m): same for H2SO4 and organic compounds
3891       zmfp = 3.0_wp * zdfvap * SQRT( pi * amh2so4 / ( 8.0_wp * argas * ptemp ) )
3892!                   
3893!--    2) Transition regime correction factor zbeta for particles:
3894!--       Fuchs and Sutugin (1971), In: Hidy et al. (ed.) Topics in current
3895!--       aerosol research, Pergamon. Size of condensing molecule considered 
3896!--       only for nucleation mode (3 - 20 nm)
3897!
3898!--    Particle Knudsen number: condensation of gases on aerosols
3899       zknud(in1a:in1a+1) = 2.0_wp * zmfp / ( paero(in1a:in1a+1)%dwet + d_sa )
3900       zknud(in1a+2:fn2b) = 2.0_wp * zmfp / paero(in1a+2:fn2b)%dwet
3901!   
3902!--    Transitional correction factor: aerosol + gas (the semi-empirical Fuchs-
3903!--    Sutugin interpolation function (Fuchs and Sutugin, 1971))
3904       zbeta = ( zknud + 1.0_wp ) / ( 0.377_wp * zknud + 1.0_wp + 4.0_wp /     &
3905               ( 3.0_wp * massacc ) * ( zknud + zknud ** 2.0_wp ) )
3906!                   
3907!--    3) Collision rate of molecules to particles
3908!--       Particle diffusion coefficient considered only for nucleation mode
3909!--       (3 - 20 nm)
3910!
3911!--    Particle diffusion coefficient (m2/s) (e.g. Eq. 15.29 in Jacobson (2005))
3912       zdfpart = abo * ptemp * zbeta(in1a:in1a+1) / ( 3.0_wp * pi * zvisc *    &
3913                 paero(in1a:in1a+1)%dwet )
3914!             
3915!--    Collision rate (mass-transfer coefficient): gases on aerosols (1/s)
3916!--    (Eq. 16.64 in Jacobson (2005))
3917       zcolrate(in1a:in1a+1) = MERGE( 2.0_wp * pi *                            &
3918                                      ( paero(in1a:in1a+1)%dwet + d_sa ) *     &
3919                                      ( zdfvap + zdfpart ) * zbeta(in1a:in1a+1)& 
3920                                        * paero(in1a:in1a+1)%numc, 0.0_wp,     &
3921                                      paero(in1a:in1a+1)%numc > nclim )
3922       zcolrate(in1a+2:fn2b) = MERGE( 2.0_wp * pi * paero(in1a+2:fn2b)%dwet *  &
3923                                      zdfvap * zbeta(in1a+2:fn2b) *            &
3924                                      paero(in1a+2:fn2b)%numc, 0.0_wp,         &
3925                                      paero(in1a+2:fn2b)%numc > nclim )
3926!                 
3927!-- 4) Condensation sink (1/s)
3928       zcs_tot = SUM( zcolrate )   ! total sink
3929!
3930!--    5) Changes in gas-phase concentrations and particle volume
3931!
3932!--    5.1) Organic vapours
3933!
3934!--    5.1.1) Non-volatile organic compound: condenses onto all bins
3935       IF ( pcocnv > 1.0E+10_wp  .AND.  zcs_tot > 1.0E-30_wp  .AND.            &
3936            is_used( prtcl,'OC' ) )                                            &
3937       THEN
3938!--       Ratio of nucleation vs. condensation rates in the smallest bin   
3939          zn_vs_c = 0.0_wp 
3940          IF ( zj3n3(2) > 1.0_wp )  THEN
3941             zn_vs_c = ( zj3n3(2) ) / ( zj3n3(2) + pcocnv * zcolrate(in1a) )
3942          ENDIF
3943!       
3944!--       Collision rate in the smallest bin, including nucleation and
3945!--       condensation(see Jacobson, Fundamentals of Atmospheric Modeling, 2nd
3946!--       Edition (2005), equation (16.73) )
3947          zcolrate_ocnv = zcolrate
3948          zcolrate_ocnv(in1a) = zcolrate_ocnv(in1a) + zj3n3(2) / pcocnv
3949!       
3950!--       Total sink for organic vapor
3951          zcs_ocnv = zcs_tot + zj3n3(2) / pcocnv
3952!       
3953!--       New gas phase concentration (#/m3)
3954          zcvap_new2 = pcocnv / ( 1.0_wp + ptstep * zcs_ocnv )
3955!       
3956!--       Change in gas concentration (#/m3)
3957          zdvap2 = pcocnv - zcvap_new2
3958!
3959!--       Updated vapour concentration (#/m3)               
3960          pcocnv = zcvap_new2
3961!       
3962!--       Volume change of particles (m3(OC)/m3(air))
3963          zdvoloc = zcolrate_ocnv(in1a:fn2b) / zcs_ocnv * amvoc * zdvap2
3964!       
3965!--       Change of volume due to condensation in 1a-2b
3966          paero(in1a:fn2b)%volc(2) = paero(in1a:fn2b)%volc(2) + zdvoloc 
3967!       
3968!--       Change of number concentration in the smallest bin caused by
3969!--       nucleation (Jacobson (2005), equation (16.75)). If zxocnv = 0, then 
3970!--       the chosen nucleation mechanism doesn't take into account the non-
3971!--       volatile organic vapors and thus the paero doesn't have to be updated.
3972          IF ( zxocnv > 0.0_wp )  THEN
3973             paero(in1a)%numc = paero(in1a)%numc + zn_vs_c * zdvoloc(in1a) /   &
3974                                amvoc / ( n3 * zxocnv )
3975          ENDIF
3976       ENDIF
3977!   
3978!--    5.1.2) Semivolatile organic compound: all bins except subrange 1
3979       zcs_ocsv = SUM( zcolrate(in2a:fn2b) ) !< sink for semi-volatile organics
3980       IF ( pcocsv > 1.0E+10_wp  .AND.  zcs_ocsv > 1.0E-30  .AND.              &
3981            is_used( prtcl,'OC') )                                             &
3982       THEN
3983!
3984!--       New gas phase concentration (#/m3)
3985          zcvap_new3 = pcocsv / ( 1.0_wp + ptstep * zcs_ocsv )
3986!       
3987!--       Change in gas concentration (#/m3)
3988          zdvap3 = pcocsv - zcvap_new3
3989!       
3990!--       Updated gas concentration (#/m3)               
3991          pcocsv = zcvap_new3
3992!       
3993!--       Volume change of particles (m3(OC)/m3(air))
3994          zdvoloc(in2a:fn2b) = zdvoloc(in2a:fn2b) + zcolrate(in2a:fn2b) /      &
3995                               zcs_ocsv * amvoc * zdvap3
3996!                           
3997!--       Change of volume due to condensation in 1a-2b
3998          paero(in1a:fn2b)%volc(2) = paero(in1a:fn2b)%volc(2) + zdvoloc
3999       ENDIF
4000!
4001!-- 5.2) Sulphate: condensed on all bins
4002       IF ( pcsa > 1.0E+10_wp  .AND.  zcs_tot > 1.0E-30_wp  .AND.              &
4003            is_used( prtcl,'SO4' ) )                                           &
4004       THEN
4005!   
4006!--    Ratio of mass transfer between nucleation and condensation
4007          zn_vs_c = 0.0_wp
4008          IF ( zj3n3(1) > 1.0_wp )  THEN
4009             zn_vs_c = ( zj3n3(1) ) / ( zj3n3(1) + pcsa * zcolrate(in1a) )
4010          ENDIF
4011!       
4012!--       Collision rate in the smallest bin, including nucleation and
4013!--       condensation (see Jacobson, Fundamentals of Atmospheric Modeling, 2nd
4014!--       Edition (2005), equation (16.73))
4015          zcolrate(in1a) = zcolrate(in1a) + zj3n3(1) / pcsa     
4016!       
4017!--       Total sink for sulfate (1/s)
4018          zcs_su = zcs_tot + zj3n3(1) / pcsa
4019!       
4020!--       Sulphuric acid:
4021!--       New gas phase concentration (#/m3)
4022          zcvap_new1 = pcsa / ( 1.0_wp + ptstep * zcs_su )
4023!       
4024!--       Change in gas concentration (#/m3)
4025          zdvap1 = pcsa - zcvap_new1
4026!       
4027!--       Updating vapour concentration (#/m3)
4028          pcsa = zcvap_new1
4029!       
4030!--       Volume change of particles (m3(SO4)/m3(air)) by condensation
4031          zdvolsa = zcolrate(in1a:fn2b) / zcs_su * amvh2so4 * zdvap1
4032!--       For validation: zdvolsa = 5.5 mum3/cm3 per 12 h       
4033       !   zdvolsa = zdvolsa / SUM( zdvolsa ) * 5.5E-12_wp * dt_salsa / 43200.0_wp 
4034          !0.3E-12_wp, 0.6E-12_wp, 11.0E-12_wp, 4.6E-12_wp, 9.2E-12_wp   
4035!       
4036!--       Change of volume concentration of sulphate in aerosol [fxm]
4037          paero(in1a:fn2b)%volc(1) = paero(in1a:fn2b)%volc(1) + zdvolsa
4038!       
4039!--       Change of number concentration in the smallest bin caused by nucleation
4040!--       (Jacobson (2005), equation (16.75))
4041          IF ( zxsa > 0.0_wp )  THEN
4042             paero(in1a)%numc = paero(in1a)%numc + zn_vs_c * zdvolsa(in1a) /   &
4043                                amvh2so4 / ( n3 * zxsa )
4044          ENDIF
4045       ENDIF
4046    ENDIF
4047!
4048!
4049!-- Condensation of water vapour
4050    IF ( lscndh2oae )  THEN
4051       CALL gpparth2o( paero, ptemp, ppres, pcs, pcw, ptstep )
4052    ENDIF
4053!   
4054!
4055!-- Partitioning of H2O, HNO3, and NH3: Dissolutional growth
4056    IF ( lscndgas  .AND.  ino > 0  .AND.  inh > 0  .AND.                       &
4057         ( pchno3 > 1.0E+10_wp  .OR.  pcnh3 > 1.0E+10_wp ) )                   &
4058    THEN
4059       CALL gpparthno3( ppres, ptemp, paero, pchno3, pcnh3, pcw, pcs, zbeta,   &
4060                        ptstep )
4061    ENDIF
4062   
4063 END SUBROUTINE condensation
4064 
4065!------------------------------------------------------------------------------!
4066! Description:
4067! ------------
4068!> Calculates the particle number and volume increase, and gas-phase
4069!> concentration decrease due to nucleation subsequent growth to detectable size
4070!> of 3 nm.
4071!
4072!> Method:
4073!> When the formed clusters grow by condensation (possibly also by self-
4074!> coagulation), their number is reduced due to scavenging to pre-existing
4075!> particles. Thus, the apparent nucleation rate at 3 nm is significantly lower
4076!> than the real nucleation rate (at ~1 nm).
4077!
4078!> Calculation of the formation rate of detectable particles at 3 nm (i.e. J3):
4079!> nj3 = 1: Kerminen, V.-M. and Kulmala, M. (2002), J. Aerosol Sci.,33, 609-622.
4080!> nj3 = 2: Lehtinen et al. (2007), J. Aerosol Sci., 38(9), 988-994.
4081!> nj3 = 3: Anttila et al. (2010), J. Aerosol Sci., 41(7), 621-636.
4082!
4083!> Called from subroutine condensation (in module salsa_dynamics_mod.f90)
4084!
4085!> Calls one of the following subroutines:
4086!>  - binnucl
4087!>  - ternucl
4088!>  - kinnucl
4089!>  - actnucl
4090!
4091!> fxm: currently only sulphuric acid grows particles from 1 to 3 nm
4092!>  (if asked from Markku, this is terribly wrong!!!)
4093!
4094!> Coded by:
4095!> Hannele Korhonen (FMI) 2005
4096!> Harri Kokkola (FMI) 2006
4097!> Matti Niskanen(FMI) 2012
4098!> Anton Laakso  (FMI) 2013
4099!------------------------------------------------------------------------------!
4100
4101 SUBROUTINE nucleation( paero, ptemp, prh, ppres, pcsa, pcocnv, pcnh3, ptstep, &
4102                        pj3n3, pxsa, pxocnv )
4103    IMPLICIT NONE
4104!       
4105!-- Input and output variables
4106    REAL(wp), INTENT(in) ::  pcnh3    !< ammonia concentration (#/m3)
4107    REAL(wp), INTENT(in) ::  pcocnv   !< conc. of non-volatile OC (#/m3)     
4108    REAL(wp), INTENT(in) ::  pcsa     !< sulphuric acid conc. (#/m3)
4109    REAL(wp), INTENT(in) ::  ppres    !< ambient air pressure (Pa)
4110    REAL(wp), INTENT(in) ::  prh      !< ambient rel. humidity [0-1]       
4111    REAL(wp), INTENT(in) ::  ptemp    !< ambient temperature (K)
4112    REAL(wp), INTENT(in) ::  ptstep   !< time step (s) of SALSA
4113    TYPE(t_section), INTENT(inout) ::  paero(fn2b) !< aerosol properties                                                 
4114    REAL(wp), INTENT(inout) ::  pj3n3(2) !< formation mass rate of molecules
4115                                         !< (molec/m3s) for 1: H2SO4 and
4116                                         !< 2: organic vapour
4117    REAL(wp), INTENT(out) ::  pxocnv !< ratio of non-volatile organic vapours in
4118                                     !< 3nm aerosol particles
4119    REAL(wp), INTENT(out) ::  pxsa   !< ratio of H2SO4 in 3nm aerosol particles
4120!-- Local variables
4121    INTEGER(iwp) ::  iteration
4122    REAL(wp) ::  zbeta(fn2b)  !< transitional correction factor                                         
4123    REAL(wp) ::  zc_h2so4     !< H2SO4 conc. (#/cm3) !UNITS!
4124    REAL(wp) ::  zc_org       !< organic vapour conc. (#/cm3)
4125    REAL(wp) ::  zCoagStot    !< total losses due to coagulation, including
4126                              !< condensation and self-coagulation       
4127    REAL(wp) ::  zcocnv_local !< organic vapour conc. (#/m3)
4128    REAL(wp) ::  zcsink       !< condensational sink (#/m2)       
4129    REAL(wp) ::  zcsa_local   !< H2SO4 conc. (#/m3)       
4130    REAL(wp) ::  zdcrit       !< diameter of critical cluster (m)
4131    REAL(wp) ::  zdelta_vap   !< change of H2SO4 and organic vapour
4132                              !< concentration (#/m3)       
4133    REAL(wp) ::  zdfvap       !< air diffusion coefficient (m2/s)
4134    REAL(wp) ::  zdmean       !< mean diameter of existing particles (m)
4135    REAL(wp) ::  zeta         !< constant: proportional to ratio of CS/GR (m)
4136                              !< (condensation sink / growth rate)                                   
4137    REAL(wp) ::  zgamma       !< proportionality factor ((nm2*m2)/h)                                       
4138    REAL(wp) ::  zGRclust     !< growth rate of formed clusters (nm/h)
4139    REAL(wp) ::  zGRtot       !< total growth rate       
4140    REAL(wp) ::  zj3          !< number conc. of formed 3nm particles (#/m3)       
4141    REAL(wp) ::  zjnuc        !< nucleation rate at ~1nm (#/m3s)
4142    REAL(wp) ::  zKeff        !< effective cogulation coefficient between
4143                              !< freshly nucleated particles       
4144    REAL(wp) ::  zknud(fn2b)  !< particle Knudsen number       
4145    REAL(wp) ::  zkocnv       !< lever: zkocnv=1 --> organic compounds involved
4146                              !< in nucleation   
4147    REAL(wp) ::  zksa         !< lever: zksa=1 --> H2SO4 involved in nucleation
4148    REAL(wp) ::  zlambda      !< parameter for adjusting the growth rate due to
4149                              !< self-coagulation                                 
4150    REAL(wp) ::  zmfp         !< mean free path of condesing vapour(m)                                       
4151    REAL(wp) ::  zmixnh3      !< ammonia mixing ratio (ppt)
4152    REAL(wp) ::  zNnuc        !< number of clusters/particles at the size range
4153                              !< d1-dx (#/m3) 
4154    REAL(wp) ::  znoc         !< number of organic molecules in critical cluster
4155    REAL(wp) ::  znsa         !< number of H2SO4 molecules in critical cluster                                           
4156!
4157!-- Variable determined for the m-parameter
4158    REAL(wp) ::  zCc_2(fn2b) !<
4159    REAL(wp) ::  zCc_c !<
4160    REAL(wp) ::  zCc_x !<
4161    REAL(wp) ::  zCoagS_c !<
4162    REAL(wp) ::  zCoagS_x !<
4163    REAL(wp) ::  zcv_2(fn2b) !<
4164    REAL(wp) ::  zcv_c !<
4165    REAL(wp) ::  zcv_c2(fn2b) !<
4166    REAL(wp) ::  zcv_x !<
4167    REAL(wp) ::  zcv_x2(fn2b) !<
4168    REAL(wp) ::  zDc_2(fn2b) !<
4169    REAL(wp) ::  zDc_c(fn2b) !<
4170    REAL(wp) ::  zDc_c2(fn2b) !<
4171    REAL(wp) ::  zDc_x(fn2b) !<
4172    REAL(wp) ::  zDc_x2(fn2b) !<
4173    REAL(wp) ::  zgammaF_2(fn2b) !<
4174    REAL(wp) ::  zgammaF_c(fn2b) !<
4175    REAL(wp) ::  zgammaF_x(fn2b) !<
4176    REAL(wp) ::  zK_c2(fn2b) !<
4177    REAL(wp) ::  zK_x2(fn2b) !<
4178    REAL(wp) ::  zknud_2(fn2b) !<
4179    REAL(wp) ::  zknud_c !<
4180    REAL(wp) ::  zknud_x !<       
4181    REAL(wp) ::  zm_2(fn2b) !<
4182    REAL(wp) ::  zm_c !<
4183    REAL(wp) ::  zm_para !<
4184    REAL(wp) ::  zm_x !<
4185    REAL(wp) ::  zmyy !<
4186    REAL(wp) ::  zomega_2c(fn2b) !<
4187    REAL(wp) ::  zomega_2x(fn2b) !<
4188    REAL(wp) ::  zomega_c(fn2b) !<
4189    REAL(wp) ::  zomega_x(fn2b) !<
4190    REAL(wp) ::  zRc2(fn2b) !<
4191    REAL(wp) ::  zRx2(fn2b) !<
4192    REAL(wp) ::  zsigma_c2(fn2b) !<
4193    REAL(wp) ::  zsigma_x2(fn2b) !<
4194!
4195!-- 1) Nucleation rate (zjnuc) and diameter of critical cluster (zdcrit)
4196    zjnuc  = 0.0_wp
4197    znsa   = 0.0_wp
4198    znoc   = 0.0_wp
4199    zdcrit = 0.0_wp
4200    zksa   = 0.0_wp
4201    zkocnv = 0.0_wp
4202   
4203    SELECT CASE ( nsnucl )
4204   
4205    CASE(1)   ! Binary H2SO4-H2O nucleation
4206       
4207       zc_h2so4 = pcsa * 1.0E-6_wp   ! sulphuric acid conc. to #/cm3
4208       CALL binnucl( zc_h2so4, ptemp, prh, zjnuc, znsa, znoc, zdcrit,  zksa, &
4209                     zkocnv )     
4210   
4211    CASE(2)   ! Activation type nucleation
4212   
4213       zc_h2so4 = pcsa * 1.0E-6_wp   ! sulphuric acid conc. to #/cm3
4214       CALL binnucl( zc_h2so4, ptemp, prh, zjnuc, znsa,  znoc, zdcrit, zksa,  &
4215                     zkocnv )
4216       CALL actnucl( pcsa, zjnuc, zdcrit, znsa, znoc, zksa, zkocnv, act_coeff )
4217   
4218    CASE(3)   ! Kinetically limited nucleation of (NH4)HSO4 clusters
4219       
4220       zc_h2so4 = pcsa * 1.0E-6_wp   ! sulphuric acid conc. to #/cm3
4221       CALL binnucl( zc_h2so4, ptemp, prh, zjnuc, znsa, znoc, zdcrit, zksa,    &
4222                     zkocnv )
4223
4224       CALL kinnucl( zc_h2so4, zjnuc, zdcrit, znsa, znoc, zksa, zkocnv )
4225   
4226    CASE(4)   ! Ternary H2SO4-H2O-NH3 nucleation
4227   
4228       zmixnh3 = pcnh3 * ptemp * argas / ( ppres * avo )
4229       zc_h2so4 = pcsa * 1.0E-6_wp   ! sulphuric acid conc. to #/cm3
4230       CALL ternucl( zc_h2so4, zmixnh3, ptemp, prh, zjnuc, znsa, znoc, zdcrit, &
4231                     zksa, zkocnv ) 
4232   
4233    CASE(5)   ! Organic nucleation, J~[ORG] or J~[ORG]**2
4234   
4235       zc_org = pcocnv * 1.0E-6_wp   ! conc. of non-volatile OC to #/cm3
4236       zc_h2so4 = pcsa * 1.0E-6_wp   ! sulphuric acid conc. to #/cm3
4237       CALL binnucl( zc_h2so4, ptemp, prh, zjnuc, znsa, znoc, zdcrit, zksa,    &
4238                     zkocnv ) 
4239       CALL orgnucl( pcocnv, zjnuc, zdcrit, znsa, znoc, zksa, zkocnv )
4240   
4241    CASE(6)   ! Sum of H2SO4 and organic activation type nucleation,
4242              ! J~[H2SO4]+[ORG]
4243       
4244       zc_h2so4 = pcsa * 1.0E-6_wp   ! sulphuric acid conc. to #/cm3
4245       CALL binnucl( zc_h2so4, ptemp, prh, zjnuc, znsa, znoc, zdcrit, zksa,    &
4246                     zkocnv ) 
4247       CALL sumnucl( pcsa, pcocnv, zjnuc, zdcrit, znsa, znoc, zksa, zkocnv )
4248
4249           
4250    CASE(7)   ! Heteromolecular nucleation, J~[H2SO4]*[ORG]
4251       
4252       zc_h2so4 = pcsa * 1.0E-6_wp   ! sulphuric acid conc. to #/cm3
4253       zc_org = pcocnv * 1.0E-6_wp   ! conc. of non-volatile OC to #/cm3
4254       CALL binnucl( zc_h2so4, ptemp, prh, zjnuc, znsa, znoc, zdcrit, zksa,    &
4255                     zkocnv ) 
4256       CALL hetnucl( zc_h2so4, zc_org, zjnuc, zdcrit, znsa, znoc, zksa, zkocnv )
4257   
4258    CASE(8)   ! Homomolecular nucleation of H2SO4 and heteromolecular
4259              ! nucleation of H2SO4 and organic vapour,
4260              ! J~[H2SO4]**2 + [H2SO4]*[ORG] (EUCAARI project)
4261       zc_h2so4 = pcsa * 1.0E-6_wp   ! sulphuric acid conc. to #/cm3
4262       zc_org = pcocnv * 1.0E-6_wp   ! conc. of non-volatile OC to #/cm3
4263       CALL binnucl( zc_h2so4, ptemp, prh, zjnuc, znsa, znoc, zdcrit, zksa,    &
4264                     zkocnv ) 
4265       CALL SAnucl( zc_h2so4, zc_org, zjnuc, zdcrit, znsa, znoc, zksa, zkocnv )
4266   
4267    CASE(9)   ! Homomolecular nucleation of H2SO4 and organic vapour and
4268              ! heteromolecular nucleation of H2SO4 and organic vapour,
4269              ! J~[H2SO4]**2 + [H2SO4]*[ORG]+[ORG]**2 (EUCAARI project)
4270   
4271       zc_h2so4 = pcsa * 1.0E-6_wp   ! sulphuric acid conc. to #/cm3
4272       zc_org = pcocnv * 1.0E-6_wp   ! conc. of non-volatile OC to #/cm3
4273       CALL binnucl( zc_h2so4, ptemp, prh, zjnuc, znsa, znoc, zdcrit, zksa,    &
4274                     zkocnv ) 
4275
4276       CALL SAORGnucl( zc_h2so4, zc_org, zjnuc, zdcrit, znsa, znoc, zksa,      &
4277                       zkocnv )
4278    END SELECT
4279   
4280    zcsa_local = pcsa
4281    zcocnv_local = pcocnv
4282!
4283!-- 2) Change of particle and gas concentrations due to nucleation
4284!         
4285!-- 2.1) Check that there is enough H2SO4 and organic vapour to produce the
4286!--      nucleation 
4287    IF ( nsnucl <= 4 )  THEN 
4288!--    If the chosen nucleation scheme is 1-4, nucleation occurs only due to
4289!--    H2SO4. All of the total vapour concentration that is taking part to the
4290!--    nucleation is there for sulphuric acid (sa = H2SO4) and non-volatile
4291!--    organic vapour is zero.
4292       pxsa   = 1.0_wp   ! ratio of sulphuric acid in 3nm particles
4293       pxocnv = 0.0_wp   ! ratio of non-volatile origanic vapour
4294                                ! in 3nm particles
4295    ELSEIF ( nsnucl > 4 )  THEN
4296!--    If the chosen nucleation scheme is 5-9, nucleation occurs due to organic
4297!--    vapour or the combination of organic vapour and H2SO4. The number of
4298!--    needed molecules depends on the chosen nucleation type and it has an
4299!--    effect also on the minimum ratio of the molecules present.
4300       IF ( pcsa * znsa + pcocnv * znoc < 1.E-14_wp )  THEN
4301          pxsa   = 0.0_wp
4302          pxocnv = 0.0_wp             
4303       ELSE
4304          pxsa   = pcsa * znsa / ( pcsa * znsa + pcocnv * znoc ) 
4305          pxocnv = pcocnv * znoc / ( pcsa * znsa + pcocnv * znoc )
4306       ENDIF 
4307    ENDIF
4308!   
4309!-- The change in total vapour concentration is the sum of the concentrations
4310!-- of the vapours taking part to the nucleation (depends on the chosen
4311!-- nucleation scheme)
4312    zdelta_vap = MIN( zjnuc * ( znoc + znsa ), ( pcocnv * zkocnv + pcsa *      &
4313                      zksa ) / ptstep ) 
4314!                     
4315!-- Nucleation rate J at ~1nm (#/m3s)                           
4316    zjnuc = zdelta_vap / ( znoc + znsa )
4317!   
4318!-- H2SO4 concentration after nucleation in #/m3           
4319    zcsa_local = MAX( 1.0_wp, pcsa - zdelta_vap * pxsa ) 
4320!   
4321!-- Non-volative organic vapour concentration after nucleation (#/m3)
4322    zcocnv_local = MAX( 1.0_wp, pcocnv - zdelta_vap * pxocnv )
4323!
4324!-- 2.2) Formation rate of 3 nm particles (Kerminen & Kulmala, 2002)
4325!
4326!-- 2.2.1) Growth rate of clusters formed by H2SO4
4327!
4328!-- GR = 3.0e-15 / dens_clus * sum( molecspeed * molarmass * conc )
4329
4330!-- dens_clus  = density of the clusters (here 1830 kg/m3)
4331!-- molarmass  = molar mass of condensing species (here 98.08 g/mol)
4332!-- conc       = concentration of condensing species [#/m3]
4333!-- molecspeed = molecular speed of condensing species [m/s]
4334!--            = sqrt( 8.0 * R * ptemp / ( pi * molarmass ) )
4335!-- (Seinfeld & Pandis, 1998)
4336!
4337!-- Growth rate by H2SO4 and organic vapour in nm/h (Eq. 21)
4338    zGRclust = 2.3623E-15_wp * SQRT( ptemp ) * ( zcsa_local + zcocnv_local )
4339!   
4340!-- 2.2.2) Condensational sink of pre-existing particle population
4341!
4342!-- Diffusion coefficient (m2/s)
4343    zdfvap = 5.1111E-10_wp * ptemp ** 1.75_wp * ( p_0 + 1325.0_wp ) / ppres
4344!-- Mean free path of condensing vapour (m) (Jacobson (2005), Eq. 15.25 and
4345!-- 16.29)
4346    zmfp = 3.0_wp * zdfvap * SQRT( pi * amh2so4 / ( 8.0_wp * argas * ptemp ) )
4347!-- Knudsen number           
4348    zknud = 2.0_wp * zmfp / ( paero(:)%dwet + d_sa )                     
4349!-- Transitional regime correction factor (zbeta) according to Fuchs and
4350!-- Sutugin (1971), In: Hidy et al. (ed.), Topics in current  aerosol research,
4351!-- Pergamon. (Eq. 4 in Kerminen and Kulmala, 2002)
4352    zbeta = ( zknud + 1.0_wp) / ( 0.377_wp * zknud + 1.0_wp + 4.0_wp /         &
4353            ( 3.0_wp * massacc ) * ( zknud + zknud ** 2 ) ) 
4354!-- Condensational sink (#/m2) (Eq. 3)
4355    zcsink = SUM( paero(:)%dwet * zbeta * paero(:)%numc )
4356!
4357!-- Parameterised formation rate of detectable 3 nm particles (i.e. J3)
4358    IF ( nj3 == 1 )  THEN   ! Kerminen and Kulmala (2002)
4359!--    2.2.3) Parameterised formation rate of detectable 3 nm particles
4360!--    Constants needed for the parameterisation:
4361!--    dapp = 3 nm and dens_nuc = 1830 kg/m3
4362       IF ( zcsink < 1.0E-30_wp )  THEN
4363          zeta = 0._dp
4364       ELSE
4365!--       Mean diameter of backgroud population (nm)
4366          zdmean = 1.0_wp / SUM( paero(:)%numc ) * SUM( paero(:)%numc *        &
4367                   paero(:)%dwet ) * 1.0E+9_wp
4368!--       Proportionality factor (nm2*m2/h) (Eq. 22)
4369          zgamma = 0.23_wp * ( zdcrit * 1.0E+9_wp ) ** 0.2_wp * ( zdmean /     &
4370                 150.0_wp ) ** 0.048_wp * ( ptemp / 293.0_wp ) ** ( -0.75_wp ) &
4371                 * ( arhoh2so4 / 1000.0_wp ) ** ( -0.33_wp )
4372!--       Factor eta (nm) (Eq. 11)
4373          zeta = MIN( zgamma * zcsink / zGRclust, zdcrit * 1.0E11_wp ) 
4374       ENDIF
4375!       
4376!--    Number conc. of clusters surviving to 3 nm in a time step (#/m3) (Eq.14)
4377       zj3 = zjnuc * EXP( MIN( 0.0_wp, zeta / 3.0_wp - zeta /                  &
4378                               ( zdcrit * 1.0E9_wp ) ) )                   
4379
4380    ELSEIF ( nj3 > 1 )  THEN
4381!--    Defining the value for zm_para. The growth is investigated between
4382!--    [d1,reglim(1)] = [zdcrit,3nm]   
4383!--    m = LOG( CoagS_dx / CoagX_zdcrit ) / LOG( reglim / zdcrit )
4384!--    (Lehtinen et al. 2007, Eq. 5)
4385!--    The steps for the coagulation sink for reglim = 3nm and zdcrit ~= 1nm are
4386!--    explained in article of Kulmala et al. (2001). The particles of diameter
4387!--    zdcrit ~1.14 nm  and reglim = 3nm are both in turn the "number 1"
4388!--    variables (Kulmala et al. 2001).             
4389!--    c = critical (1nm), x = 3nm, 2 = wet or mean droplet
4390!--    Sum of the radii, R12 = R1 + zR2 (m) of two particles 1 and 2
4391       zRc2 = zdcrit / 2.0_wp + paero(:)%dwet / 2.0_wp
4392       zRx2 = reglim(1) / 2.0_wp + paero(:)%dwet / 2.0_wp
4393!       
4394!--    The mass of particle (kg) (comes only from H2SO4)
4395       zm_c = 4.0_wp / 3.0_wp * pi * ( zdcrit / 2.0_wp ) ** 3.0_wp * arhoh2so4                     
4396       zm_x = 4.0_wp / 3.0_wp * pi * ( reglim(1) / 2.0_wp ) ** 3.0_wp *        &
4397              arhoh2so4                 
4398       zm_2 = 4.0_wp / 3.0_wp * pi * ( paero(:)%dwet / 2.0_wp )** 3.0_wp *     &
4399              arhoh2so4
4400!             
4401!--    Mean relative thermal velocity between the particles (m/s)
4402       zcv_c = SQRT( 8.0_wp * abo * ptemp / ( pi * zm_c ) )
4403       zcv_x = SQRT( 8.0_wp * abo * ptemp / ( pi * zm_x ) )
4404       zcv_2 = SQRT( 8.0_wp * abo * ptemp / ( pi * zm_2 ) )
4405!       
4406!--    Average velocity after coagulation               
4407       zcv_c2 = SQRT( zcv_c ** 2.0_wp + zcv_2 ** 2.0_wp )
4408       zcv_x2 = SQRT( zcv_x ** 2.0_wp + zcv_2 ** 2.0_wp )
4409!       
4410!--    Knudsen number (zmfp = mean free path of condensing vapour)
4411       zknud_c = 2.0_wp * zmfp / zdcrit
4412       zknud_x = 2.0_wp * zmfp / reglim(1)
4413       zknud_2 = MAX( 0.0_wp, 2.0_wp * zmfp / paero(:)%dwet )
4414!
4415!--    Cunningham correction factor               
4416       zCc_c = 1.0_wp + zknud_c * ( 1.142_wp + 0.558_wp *                      &
4417               EXP( -0.999_wp / zknud_c ) ) 
4418       zCc_x = 1.0_wp + zknud_x * ( 1.142_wp + 0.558_wp *                      &
4419               EXP( -0.999_wp / zknud_x ) )
4420       zCc_2 = 1.0_wp + zknud_2 * ( 1.142_wp + 0.558_wp *                      &
4421               EXP( -0.999_wp / zknud_2 ) )
4422!                     
4423!--    Gas dynamic viscosity (N*s/m2).
4424!--    Viscocity(air @20C) = 1.81e-5_dp N/m2 *s (Hinds, p. 25)                     
4425       zmyy = 1.81E-5_wp * ( ptemp / 293.0_wp) ** ( 0.74_wp ) 
4426!       
4427!--    Particle diffusion coefficient (m2/s)               
4428       zDc_c = abo * ptemp * zCc_c / ( 3.0_wp * pi * zmyy * zdcrit ) 
4429       zDc_x = abo * ptemp * zCc_x / ( 3.0_wp * pi * zmyy * reglim(1) )
4430       zDc_2 = abo * ptemp * zCc_2 / ( 3.0_wp * pi * zmyy * paero(:)%dwet )
4431!       
4432!--    D12 = D1+D2 (Seinfield and Pandis, 2nd ed. Eq. 13.38)
4433       zDc_c2 = zDc_c + zDc_2   
4434       zDc_x2 = zDc_x + zDc_2
4435!       
4436!--    zgammaF = 8*D/pi/zcv (m) for calculating zomega
4437       zgammaF_c = 8.0_wp * zDc_c / pi / zcv_c
4438       zgammaF_x = 8.0_wp * zDc_x / pi / zcv_x
4439       zgammaF_2 = 8.0_wp * zDc_2 / pi / zcv_2
4440!       
4441!--    zomega (m) for calculating zsigma             
4442       zomega_c = ( ( zRc2 + zgammaF_c ) ** 3 - ( zRc2 ** 2 +                  &
4443                      zgammaF_c ) ** ( 3.0_wp / 2.0_wp ) ) / ( 3.0_wp *        &
4444                      zRc2 * zgammaF_c ) - zRc2 
4445       zomega_x = ( ( zRx2 + zgammaF_x ) ** 3.0_wp - ( zRx2 ** 2.0_wp +        &
4446                      zgammaF_x ) ** ( 3.0_wp / 2.0_wp ) ) / ( 3.0_wp *        &
4447                      zRx2 * zgammaF_x ) - zRx2
4448       zomega_2c = ( ( zRc2 + zgammaF_2 ) ** 3.0_wp - ( zRc2 ** 2.0_wp +       &
4449                       zgammaF_2 ) ** ( 3.0_wp / 2.0_wp ) ) / ( 3.0_wp *       &
4450                       zRc2 * zgammaF_2 ) - zRc2
4451       zomega_2x = ( ( zRx2 + zgammaF_2 ) ** 3.0_wp - ( zRx2 ** 2.0_wp +       &
4452                       zgammaF_2 ) ** ( 3.0_wp / 2.0_wp ) ) / ( 3.0_wp *       &
4453                       zRx2 * zgammaF_2 ) - zRx2
4454!                       
4455!--    The distance (m) at which the two fluxes are matched (condensation and
4456!--    coagulation sinks?)           
4457       zsigma_c2 = SQRT( zomega_c ** 2.0_wp + zomega_2c ** 2.0_wp ) 
4458       zsigma_x2 = SQRT( zomega_x ** 2.0_wp + zomega_2x ** 2.0_wp ) 
4459!       
4460!--    Coagulation coefficient in the continuum regime (m*m2/s)
4461       zK_c2 = 4.0_wp * pi * zRc2 * zDc_c2 / ( zRc2 / ( zRc2 + zsigma_c2 ) +   &
4462               4.0_wp * zDc_c2 / ( zcv_c2 * zRc2 ) ) 
4463       zK_x2 = 4.0_wp * pi * zRx2 * zDc_x2 / ( zRx2 / ( zRx2 + zsigma_x2 ) +   &
4464               4.0_wp * zDc_x2 / ( zcv_x2 * zRx2 ) )
4465!               
4466!--    Coagulation sink (1/s)
4467       zCoagS_c = MAX( 1.0E-20_wp, SUM( zK_c2 * paero(:)%numc ) )         
4468       zCoagS_x = MAX( 1.0E-20_wp, SUM( zK_x2 * paero(:)%numc ) ) 
4469!       
4470!--    Parameter m for calculating the coagulation sink onto background
4471!--    particles (Eq. 5&6 in Lehtinen et al. 2007)             
4472       zm_para = LOG( zCoagS_x / zCoagS_c ) / LOG( reglim(1) / zdcrit )
4473!       
4474!--    Parameter gamma for calculating the formation rate J of particles having
4475!--    a diameter zdcrit < d < reglim(1) (Anttila et al. 2010, eq. 5)
4476       zgamma = ( ( ( reglim(1) / zdcrit ) ** ( zm_para + 1.0_wp ) ) - 1.0_wp )&
4477                / ( zm_para + 1.0_wp )     
4478               
4479       IF ( nj3 == 2 )  THEN   ! Coagulation sink
4480!       
4481!--       Formation rate J before iteration (#/m3s)               
4482          zj3 = zjnuc * EXP( MIN( 0.0_wp, -zgamma * zdcrit * zCoagS_c /        &
4483                ( zGRclust * 1.0E-9_wp / ( 60.0_wp ** 2.0_wp ) ) ) )
4484               
4485       ELSEIF ( nj3 == 3 )  THEN  ! Coagulation sink and self-coag.
4486!--       IF polluted air... then the self-coagulation becomes important.
4487!--       Self-coagulation of small particles < 3 nm.
4488!
4489!--       "Effective" coagulation coefficient between freshly-nucleated
4490!--       particles:
4491          zKeff = 5.0E-16_wp   ! cm3/s
4492!         
4493!--       zlambda parameter for "adjusting" the growth rate due to the
4494!--       self-coagulation
4495          zlambda = 6.0_wp 
4496          IF ( reglim(1) >= 10.0E-9_wp )  THEN   ! for particles >10 nm:
4497             zKeff   = 5.0E-17_wp
4498             zlambda = 3.0_wp
4499          ENDIF
4500!         
4501!--       Initial values for coagulation sink and growth rate  (m/s)
4502          zCoagStot = zCoagS_c
4503          zGRtot = zGRclust * 1.0E-9_wp / 60.0_wp ** 2.0_wp 
4504!         
4505!--       Number of clusters/particles at the size range [d1,dx] (#/m3):
4506          zNnuc = zjnuc / zCoagStot !< Initial guess
4507!         
4508!--       Coagulation sink and growth rate due to self-coagulation:
4509          DO  iteration = 1, 5
4510             zCoagStot = zCoagS_c + zKeff * zNnuc * 1.0E-6_wp   ! (1/s) 
4511             zGRtot = zGRclust * 1.0E-9_wp / ( 3600.0_wp ) +  1.5708E-6_wp *   &
4512                      zlambda * zdcrit ** 3.0_wp * ( zNnuc * 1.0E-6_wp ) *     &
4513                      zcv_c * avo * 1.0E-9_wp / 3600.0_wp 
4514             zeta = - zCoagStot / ( ( zm_para + 1.0_wp ) * zGRtot * ( zdcrit **&
4515                      zm_para ) )   ! Eq. 7b (Anttila)
4516             zNnuc =  zNnuc_tayl( zdcrit, reglim(1), zm_para, zjnuc, zeta,     &
4517                      zGRtot )
4518          ENDDO
4519!         
4520!--       Calculate the final values with new zNnuc:   
4521          zCoagStot = zCoagS_c + zKeff * zNnuc * 1.0E-6_wp   ! (1/s)
4522          zGRtot = zGRclust * 1.0E-9_wp / 3600.0_wp + 1.5708E-6_wp *  zlambda  &
4523                   * zdcrit ** 3.0_wp * ( zNnuc * 1.0E-6_wp ) * zcv_c * avo *  &
4524                   1.0E-9_wp / 3600.0_wp !< (m/s)
4525          zj3 = zjnuc * EXP( MIN( 0.0_wp, -zgamma * zdcrit * zCoagStot /       &
4526                zGRtot ) )   ! (Eq. 5a) (#/m3s)
4527               
4528       ENDIF
4529       
4530    ENDIF
4531!-- If J3 very small (< 1 #/cm3), neglect particle formation. In real atmosphere
4532!-- this would mean that clusters form but coagulate to pre-existing particles
4533!-- who gain sulphate. Since CoagS ~ CS (4piD*CS'), we do *not* update H2SO4
4534!-- concentration here but let condensation take care of it.
4535!-- Formation mass rate of molecules (molec/m3s) for 1: H2SO4 and 2: organic
4536!-- vapour
4537    pj3n3(1) = zj3 * n3 * pxsa
4538    pj3n3(2) = zj3 * n3 * pxocnv
4539                                 
4540                         
4541 END SUBROUTINE nucleation
4542
4543!------------------------------------------------------------------------------!
4544! Description:
4545! ------------
4546!> Calculate the nucleation rate and the size of critical clusters assuming
4547!> binary nucleation.
4548!> Parametrisation according to Vehkamaki et al. (2002), J. Geophys. Res.,
4549!> 107(D22), 4622. Called from subroutine nucleation.
4550!------------------------------------------------------------------------------!
4551 SUBROUTINE binnucl( pc_sa, ptemp, prh, pnuc_rate, pn_crit_sa, pn_crit_ocnv,   &
4552                     pd_crit, pk_sa, pk_ocnv )
4553                   
4554    IMPLICIT NONE
4555!       
4556!-- Input and output variables       
4557    REAL(wp), INTENT(in) ::   pc_sa        !< H2SO4 conc. (#/cm3)
4558    REAL(wp), INTENT(in) ::   prh          !< relative humidity [0-1]       
4559    REAL(wp), INTENT(in) ::   ptemp        !< ambient temperature (K)
4560    REAL(wp), INTENT(out) ::  pnuc_rate    !< nucleation rate (#/(m3 s))
4561    REAL(wp), INTENT(out) ::  pn_crit_sa   !< number of H2SO4 molecules in
4562                                           !< cluster (#)
4563    REAL(wp), INTENT(out) ::  pn_crit_ocnv !< number of organic molecules in
4564                                           !< cluster (#)
4565    REAL(wp), INTENT(out) ::  pd_crit      !< diameter of critical cluster (m)
4566    REAL(wp), INTENT(out) ::  pk_sa        !< Lever: if pk_sa = 1, H2SO4 is
4567                                           !< involved in nucleation.
4568    REAL(wp), INTENT(out) ::  pk_ocnv      !< Lever: if pk_ocnv = 1, organic
4569                                           !< compounds are involved in
4570                                           !< nucleation.
4571!-- Local variables
4572    REAL(wp) ::  zx    !< mole fraction of sulphate in critical cluster
4573    REAL(wp) ::  zntot !< number of molecules in critical cluster
4574    REAL(wp) ::  zt    !< temperature
4575    REAL(wp) ::  zpcsa !< sulfuric acid concentration
4576    REAL(wp) ::  zrh   !< relative humidity
4577    REAL(wp) ::  zma   !<
4578    REAL(wp) ::  zmw   !<
4579    REAL(wp) ::  zxmass!<
4580    REAL(wp) ::  za    !<
4581    REAL(wp) ::  zb    !<
4582    REAL(wp) ::  zc    !<
4583    REAL(wp) ::  zroo  !<
4584    REAL(wp) ::  zm1   !<
4585    REAL(wp) ::  zm2   !<
4586    REAL(wp) ::  zv1   !<
4587    REAL(wp) ::  zv2   !<
4588    REAL(wp) ::  zcoll !<
4589   
4590    pnuc_rate = 0.0_wp
4591    pd_crit   = 1.0E-9_wp
4592
4593!             
4594!-- 1) Checking that we are in the validity range of the parameterization 
4595    zt    = MAX( ptemp, 190.15_wp )
4596    zt    = MIN( zt,    300.15_wp )
4597    zpcsa = MAX( pc_sa, 1.0E4_wp  )
4598    zpcsa = MIN( zpcsa, 1.0E11_wp ) 
4599    zrh   = MAX( prh,   0.0001_wp )
4600    zrh   = MIN( zrh,   1.0_wp    )
4601!               
4602!-- 2) Mole fraction of sulphate in a critical cluster (Eq. 11)
4603    zx = 0.7409967177282139_wp                                           &
4604         - 0.002663785665140117_wp * zt                                  &
4605         + 0.002010478847383187_wp * LOG( zrh )                          &
4606         - 0.0001832894131464668_wp* zt * LOG( zrh )                     &
4607         + 0.001574072538464286_wp * LOG( zrh ) ** 2                     &
4608         - 0.00001790589121766952_wp * zt * LOG( zrh ) ** 2              &
4609         + 0.0001844027436573778_wp * LOG( zrh ) ** 3                    &
4610         - 1.503452308794887E-6_wp * zt * LOG( zrh ) ** 3                &
4611         - 0.003499978417957668_wp * LOG( zpcsa )                        &
4612         + 0.0000504021689382576_wp * zt * LOG( zpcsa )
4613!                   
4614!-- 3) Nucleation rate (Eq. 12)
4615    pnuc_rate = 0.1430901615568665_wp                                    &
4616        + 2.219563673425199_wp * zt                                      &
4617        - 0.02739106114964264_wp * zt ** 2                               &
4618        + 0.00007228107239317088_wp * zt ** 3                            &
4619        + 5.91822263375044_wp / zx                                       &
4620        + 0.1174886643003278_wp * LOG( zrh )                             &
4621        + 0.4625315047693772_wp * zt * LOG( zrh )                        &
4622        - 0.01180591129059253_wp * zt ** 2 * LOG( zrh )                  &
4623        + 0.0000404196487152575_wp * zt ** 3 * LOG( zrh )                &
4624        + ( 15.79628615047088_wp * LOG( zrh ) ) / zx                     &
4625        - 0.215553951893509_wp * LOG( zrh ) ** 2                         &
4626        - 0.0810269192332194_wp * zt * LOG( zrh ) ** 2                   &
4627        + 0.001435808434184642_wp * zt ** 2 * LOG( zrh ) ** 2            &
4628        - 4.775796947178588E-6_wp * zt ** 3 * LOG( zrh ) ** 2            &
4629        - (2.912974063702185_wp * LOG( zrh ) ** 2 ) / zx                 &
4630        - 3.588557942822751_wp * LOG( zrh ) ** 3                         &
4631        + 0.04950795302831703_wp * zt * LOG( zrh ) ** 3                  &
4632        - 0.0002138195118737068_wp * zt ** 2 * LOG( zrh ) ** 3           &
4633        + 3.108005107949533E-7_wp * zt ** 3 * LOG( zrh ) ** 3            &
4634        - ( 0.02933332747098296_wp * LOG( zrh ) ** 3 ) / zx              &
4635        + 1.145983818561277_wp * LOG( zpcsa )                            &
4636        - 0.6007956227856778_wp * zt * LOG( zpcsa )                      &
4637        + 0.00864244733283759_wp * zt ** 2 * LOG( zpcsa )                &
4638        - 0.00002289467254710888_wp * zt ** 3 * LOG( zpcsa )             &
4639        - ( 8.44984513869014_wp * LOG( zpcsa ) ) / zx                    &
4640        + 2.158548369286559_wp * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa )               &
4641        + 0.0808121412840917_wp * zt * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa )         &
4642        - 0.0004073815255395214_wp * zt ** 2 * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa ) &
4643        - 4.019572560156515E-7_wp * zt ** 3 * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa )  & 
4644        + ( 0.7213255852557236_wp * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa ) ) / zx     &
4645        + 1.62409850488771_wp * LOG( zrh ) ** 2 * LOG( zpcsa )           &
4646        - 0.01601062035325362_wp * zt * LOG( zrh ) ** 2 * LOG( zpcsa )   &
4647        + 0.00003771238979714162_wp*zt**2* LOG( zrh )**2 * LOG( zpcsa )  &
4648        + 3.217942606371182E-8_wp * zt**3 * LOG( zrh )**2 * LOG( zpcsa ) &
4649        - (0.01132550810022116_wp * LOG( zrh )**2 * LOG( zpcsa ) ) / zx  &
4650        + 9.71681713056504_wp * LOG( zpcsa ) ** 2                        &
4651        - 0.1150478558347306_wp * zt * LOG( zpcsa ) ** 2                 &
4652        + 0.0001570982486038294_wp * zt ** 2 * LOG( zpcsa ) ** 2         &
4653        + 4.009144680125015E-7_wp * zt ** 3 * LOG( zpcsa ) ** 2          &
4654        + ( 0.7118597859976135_wp * LOG( zpcsa ) ** 2 ) / zx             &
4655        - 1.056105824379897_wp * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa ) ** 2          &
4656        + 0.00903377584628419_wp * zt * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa )**2     &
4657        - 0.00001984167387090606_wp*zt**2*LOG( zrh )*LOG( zpcsa )**2     &
4658        + 2.460478196482179E-8_wp * zt**3 * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa )**2 &
4659        - ( 0.05790872906645181_wp * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa )**2 ) / zx &
4660        - 0.1487119673397459_wp * LOG( zpcsa ) ** 3                      &
4661        + 0.002835082097822667_wp * zt * LOG( zpcsa ) ** 3               &
4662        - 9.24618825471694E-6_wp * zt ** 2 * LOG( zpcsa ) ** 3           &
4663        + 5.004267665960894E-9_wp * zt ** 3 * LOG( zpcsa ) ** 3          &
4664        - ( 0.01270805101481648_wp * LOG( zpcsa ) ** 3 ) / zx
4665!           
4666!-- Nucleation rate in #/(cm3 s)
4667    pnuc_rate = EXP( pnuc_rate ) 
4668!       
4669!-- Check the validity of parameterization
4670    IF ( pnuc_rate < 1.0E-7_wp )  THEN
4671       pnuc_rate = 0.0_wp
4672       pd_crit   = 1.0E-9_wp
4673    ENDIF
4674!               
4675!-- 4) Total number of molecules in the critical cluster (Eq. 13)
4676    zntot = - 0.002954125078716302_wp                                    &
4677      - 0.0976834264241286_wp * zt                                       &
4678      + 0.001024847927067835_wp * zt ** 2                                &
4679      - 2.186459697726116E-6_wp * zt ** 3                                &
4680      - 0.1017165718716887_wp / zx                                       &
4681      - 0.002050640345231486_wp * LOG( zrh )                             &
4682      - 0.007585041382707174_wp * zt * LOG( zrh )                        &
4683      + 0.0001926539658089536_wp * zt ** 2 * LOG( zrh )                  &
4684      - 6.70429719683894E-7_wp * zt ** 3 * LOG( zrh )                    &
4685      - ( 0.2557744774673163_wp * LOG( zrh ) ) / zx                      &
4686      + 0.003223076552477191_wp * LOG( zrh ) ** 2                        &
4687      + 0.000852636632240633_wp * zt * LOG( zrh ) ** 2                   &
4688      - 0.00001547571354871789_wp * zt ** 2 * LOG( zrh ) ** 2            &
4689      + 5.666608424980593E-8_wp * zt ** 3 * LOG( zrh ) ** 2              &
4690      + ( 0.03384437400744206_wp * LOG( zrh ) ** 2 ) / zx                &
4691      + 0.04743226764572505_wp * LOG( zrh ) ** 3                         &
4692      - 0.0006251042204583412_wp * zt * LOG( zrh ) ** 3                  &
4693      + 2.650663328519478E-6_wp * zt ** 2 * LOG( zrh ) ** 3              &
4694      - 3.674710848763778E-9_wp * zt ** 3 * LOG( zrh ) ** 3              &
4695      - ( 0.0002672510825259393_wp * LOG( zrh ) ** 3 ) / zx              &
4696      - 0.01252108546759328_wp * LOG( zpcsa )                            &
4697      + 0.005806550506277202_wp * zt * LOG( zpcsa )                      &
4698      - 0.0001016735312443444_wp * zt ** 2 * LOG( zpcsa )                &
4699      + 2.881946187214505E-7_wp * zt ** 3 * LOG( zpcsa )                 &
4700      + ( 0.0942243379396279_wp * LOG( zpcsa ) ) / zx                    &
4701      - 0.0385459592773097_wp * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa )                &
4702      - 0.0006723156277391984_wp * zt * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa )        &
4703      + 2.602884877659698E-6_wp * zt ** 2 * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa )    &
4704      + 1.194163699688297E-8_wp * zt ** 3 * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa )    &
4705      - ( 0.00851515345806281_wp * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa ) ) / zx      &
4706      - 0.01837488495738111_wp * LOG( zrh ) ** 2 * LOG( zpcsa )          &
4707      + 0.0001720723574407498_wp * zt * LOG( zrh ) ** 2 * LOG( zpcsa )   &
4708      - 3.717657974086814E-7_wp * zt**2 * LOG( zrh )**2 * LOG( zpcsa )   &
4709      - 5.148746022615196E-10_wp * zt**3 * LOG( zrh )**2 * LOG( zpcsa )  &
4710      + ( 0.0002686602132926594_wp * LOG(zrh)**2 * LOG(zpcsa) ) / zx     &
4711      - 0.06199739728812199_wp * LOG( zpcsa ) ** 2                       &
4712      + 0.000906958053583576_wp * zt * LOG( zpcsa ) ** 2                 &
4713      - 9.11727926129757E-7_wp * zt ** 2 * LOG( zpcsa ) ** 2             &
4714      - 5.367963396508457E-9_wp * zt ** 3 * LOG( zpcsa ) ** 2            &
4715      - ( 0.007742343393937707_wp * LOG( zpcsa ) ** 2 ) / zx             &
4716      + 0.0121827103101659_wp * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa ) ** 2           &
4717      - 0.0001066499571188091_wp * zt * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa ) ** 2   &
4718      + 2.534598655067518E-7_wp * zt**2 * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa )**2   &
4719      - 3.635186504599571E-10_wp * zt**3 * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa )**2  &
4720      + ( 0.0006100650851863252_wp * LOG( zrh ) * LOG( zpcsa ) **2 )/ zx &
4721      + 0.0003201836700403512_wp * LOG( zpcsa ) ** 3                     &
4722      - 0.0000174761713262546_wp * zt * LOG( zpcsa ) ** 3                &
4723      + 6.065037668052182E-8_wp * zt ** 2 * LOG( zpcsa ) ** 3            &
4724      - 1.421771723004557E-11_wp * zt ** 3 * LOG( zpcsa ) ** 3           &
4725      + ( 0.0001357509859501723_wp * LOG( zpcsa ) ** 3 ) / zx
4726    zntot = EXP( zntot )  ! in #
4727!
4728!-- 5) Size of the critical cluster pd_crit (m) (diameter) (Eq. 14)
4729    pn_crit_sa = zx * zntot
4730    pd_crit    = 2.0E-9_wp * EXP( -1.6524245_wp + 0.42316402_wp  * zx +        &
4731                 0.33466487_wp * LOG( zntot ) )
4732!
4733!-- 6) Organic compounds not involved when binary nucleation is assumed
4734    pn_crit_ocnv = 0.0_wp   ! number of organic molecules
4735    pk_sa        = 1.0_wp   ! if = 1, H2SO4 involved in nucleation
4736    pk_ocnv      = 0.0_wp   ! if = 1, organic compounds involved
4737!               
4738!-- Set nucleation rate to collision rate               
4739    IF ( pn_crit_sa < 4.0_wp ) THEN
4740!       
4741!--    Volumes of the colliding objects
4742       zma    = 96.0_wp   ! molar mass of SO4 in g/mol
4743       zmw    = 18.0_wp   ! molar mass of water in g/mol
4744       zxmass = 1.0_wp    ! mass fraction of H2SO4
4745       za = 0.7681724_wp + zxmass * ( 2.1847140_wp + zxmass * (     &
4746            7.1630022_wp + zxmass * ( -44.31447_wp + zxmass * (     &
4747            88.75606 + zxmass * ( -75.73729_wp + zxmass *           &
4748            23.43228_wp ) ) ) ) )
4749       zb = 1.808225E-3_wp + zxmass * ( -9.294656E-3_wp + zxmass *  &
4750            ( -0.03742148_wp + zxmass * ( 0.2565321_wp + zxmass *   &
4751            ( -0.5362872_wp + zxmass * ( 0.4857736 - zxmass *       &
4752            0.1629592_wp