wrfv2_fire/chem/module_data_mosaic_asect.F

   1 !**********************************************************************************
   2 ! This computer software was prepared by Battelle Memorial Institute, hereinafter
   3 ! the Contractor, under Contract No. DE-AC05-76RL0 1830 with the Department of
   4 ! Energy (DOE). NEITHER THE GOVERNMENT NOR THE CONTRACTOR MAKES ANY WARRANTY,
   5 ! EXPRESS OR IMPLIED, OR ASSUMES ANY LIABILITY FOR THE USE OF THIS SOFTWARE.
   6 !
   7 ! MOSAIC module: see module_mosaic_driver.F for information and terms of use
   8 !**********************************************************************************
   9         module module_data_mosaic_asect
  10
  11
  12         implicit none
  13
  14
  15 !-----------------------------------------------------------------------
  16 !
  17 !   The variables in this module provide a means of organizing and accessing
  18 !   aerosol species in the "chem" array by their chemical component,
  19 !   size bin (or mode), "type", and "phase"
  20 !
  21 !   Their purpose is to allow flexible coding of process modules,
  22 !   compared to "hard-coding" using the chem array p_xxx indices
  23 !   (e.g., p_so4_a01, p_so4_a02, ...; p_num_a01, ...)
  24 !
  25 !-----------------------------------------------------------------------
  26 !
  27 !   rce & sg 2004-dec-03 - added phase and type capability,
  28 !       which changed this module almost completely
  29 !
  30 !-----------------------------------------------------------------------
  31 !
  32 !   maxd_atype = maximum allowable number of aerosol types
  33 !   maxd_asize = maximum allowable number of aerosol size bins
  34 !   maxd_acomp = maximum allowable number of chemical components
  35 !       in each aerosol size bin
  36 !   maxd_aphase = maximum allowable number of aerosol phases
  37 !       (gas, cloud, ice, rain, ...)
  38 !
  39 !   ntype_aer = number of aerosol types
  40 !       The aerosol type will allow treatment of an externally mixed
  41 !       aerosol.  The current MOSAIC code has only 1 type, with the implicit
  42 !       assumption of internal mixing.  Eventually, multiple types
  43 !       could treat fresh primary BC/OC, fresh SO4 from nucleation,
  44 !       aged BC/OC/SO4/... mixture, soil dust, sea salt, ...
  45 !
  46 !   nphase_aer = number of aerosol phases
  47 !
  48 !   ai_phase = phase (p) index for interstitial (unactivated) aerosol particles
  49 !   cw_phase = phase (p) index for aerosol particles in cloud water
  50 !   ci_phase = phase (p) index for aerosol particles in cloud ice
  51 !   rn_phase = phase (p) index for aerosol particles in rain
  52 !   sn_phase = phase (p) index for aerosol particles in snow
  53 !   gr_phase = phase (p) index for aerosol particles in graupel
  54 !   [Note:  the value of "xx_phase" will be between 1 and nphase_aer
  55 !       for phases that are active in a simulation.  The others
  56 !       will have non-positive values.]
  57 !
  58 !   nsize_aer(t) = number of aerosol size bins for aerosol type t
  59 !
  60 !   ncomp_aer(t) = number of "regular" chemical components for aerosol type t
  61 !   ncomp_plustracer_aer(t) = number of "regular" plus "tracer"
  62 !       chemical components for aerosol type t
  63 !   [Note:  only "regular" components are used for calculating
  64 !       aerosol physical (mass, volume) and chemical properties.
  65 !       "Tracer" components are optional, and can be used to track source
  66 !       regions, source mechanisms, etc.]
  67 !   [Note:  for aerosol type t, all phases have the same number of size
  68 !       bins, and all size bins have the same number of
  69 !       both regular and tracer components.]
  70 !
  71 !   ntot_mastercomp_aer = number of aerosol chemical components defined
  72 !       in the "master component list".
  73 !   [Note:  each aerosol type will use some but not necessarily all
  74 !       of the components in the "master component list".]
  75 !
  76 !   mastercompptr_aer(c,t) = the position/index/i.d. in the
  77 !       "master component list" for chemical component c of aerosol type t.
  78 !       (1=sulfate, others to be defined by user.)
  79 !
  80 !   massptr_aer(c,s,t,p) = the position/index in the chem array for mixing-
  81 !       ratio for chemical component c, size bin s, type t, and phase p.
  82 !
  83 !   lptr_so4_aer(s,t,p) = the position/index in the chem array for mixing-
  84 !       ratio for sulfate for aerosol size bin s, type t, and phase p
  85 !   (similar lptr's are defined for no3, cl, msa, co3,
  86 !       nh4, na, ca, oin, oc, bc, ...)
  87 !   [Note:  the massptr_aer allow you to loop over all species of
  88 !       an aerosol type.  The lptr_so4_aer, etc., allow you to access
  89 !       a specific chemical component.]
  90 !
  91 !   waterptr_aer(s,t) = the position/index in the chem array for mixing-
  92 !       ratio of aerosol water content for size bin s, type t.
  93 !       [Note:  water content is only carried for the interstitial aerosol
  94 !       phase, so there is no p dimension.]
  95 !
  96 !   hyswptr_aer(s,t) = the position/index in the chem array for mixing-
  97 !       ratio of aerosol "hysteresis water" content for size bin s, type t.
  98 !       This is used to determine if aerosol is in the dry or wet state, when
  99 !       the ambient RH is between the crystallization and deliquescence RH.
 100 !       [Note:  hysteresis water content is only carried for the
 101 !       interstitial aerosol phase, so there is no p dimension.]
 102 !
 103 !   numptr_aer(s,t,p) = the position/index in the chem array for mixing-
 104 !       ratio of particle number for size bin s, type t, and phase p.
 105 !
 106 !   mprognum_aer(s,t,p) - if positive, number mixing-ratio for size s, type t,
 107 !       and phase p will be prognosed.  Otherwise, it is diagnosed using
 108 !       mass mixing-ratio add assumed/prescribed size.
 109 !
 110 !       mixing ratio (moles-water/mole-air) for water
 111 !       associated with aerosol size bin s and type t
 112 !
 113 !
 114 !   mastercompindx_so4_aer = the position/index in the
 115 !       "master component list" for sulfate.
 116 !   (similar lptr's are defined for no3, cl, msa, co3,
 117 !       nh4, na, ca, oin, oc, bc, ...)
 118 !   [Note:  the mastercompindx_xxx_aer are used primarily in
 119 !       initialization routines, and generally aren't needed elsewhere.]
 120 !
 121 !-----------------------------------------------------------------------
 122 !
 123 !   dens_mastercomp_aer(mc) = dry density (g/cm^3) of component mc
 124 !       of the master component list.
 125 !   dens_aer(c,t) = dry density (g/cm^3) of aerosol chemical component
 126 !       c of type t
 127 !   [Note:  dens_aer(c,t) == dens_mastercomp_aer(mastercompptr_aer(c,t))
 128 !       The dens_mastercomp_aer is used in some initialization routines.
 129 !       The dens_aer is used in most other places because of convenience.]
 130 !
 131 !   mw_mastercomp_aer(mc) = molecular weight (g/mole) of component mc
 132 !       of the master component list.
 133 !   mw_aer(c,t) = molecular weight (g/mole) of aerosol chemical component
 134 !       c of type t
 135 !   [Note:  mw_aer(c,t) == mw_mastercomp_aer(mastercompptr_aer(c,t)) ]
 136 !
 137 !   name_mastercomp_aer(mc) = name of component mc of the
 138 !       master component list (e.g., "sulfate", "nitrate", ...).
 139 !   name_aer(c,t) = molecular weight (g/mole) of aerosol chemical component
 140 !       c of type t
 141 !   [Note:  name_aer(c,t) == name_mastercomp_aer(mastercompptr_aer(c,t)) ]
 142 !
 143 !   hygro_mastercomp_aer(mc) = bulk hygroscopicity (--) at dilute conditions
 144 !       (RH near 100%) of component mc of the master component list.
 145 !   hygro_aer(c,t) = bulk hygroscopicity (--) at dilute conditions
 146 !       (RH near 100%) of aerosol chemical component c of type t
 147 !   [For definition of bulk hygroscopicity,
 148 !       see Abdul-Razzak and Ghan, 2004, J Geophys Res, V105, p. 6837-6844.]
 149 !   [Note:  hygro_aer(c,t) == hygro_mastercomp_aer(mastercompptr_aer(c,t)) ]
 150 !
 151 !-----------------------------------------------------------------------
 152 !
 153 !   volumlo_sect(s,t) = 1-particle volume (cm^3) at lower boundary of section m
 154 !   volumhi_sect(s,t) = 1-particle volume (cm^3) at upper boundary of section m
 155 !   volumcen_sect(s,t)= 1-particle volume (cm^3) at "center" of section m
 156 !
 157 !   dlo_sect(s,t) = 1-particle diameter (cm) at lower boundary of section m
 158 !   dhi_sect(s,t) = 1-particle diameter (cm) at upper boundary of section m
 159 !   dcen_sect(s,t) = 1-particle diameter (cm) at "center" section m
 160 !
 161 !   [Note:  the "center" values are defined as follows:
 162 !       volumcen_sect == 0.5*(volumlo_sect + volumhi_sect)
 163 !                     == (pi/6) * (dcen_sect**3) ]
 164 !
 165 !-----------------------------------------------------------------------
 166 !
 167 !   msectional - if positive, each aerosol size bin is a section.
 168 !   if equals 10, use jacobson moving center
 169 !   if equals 20, use tzivion mass-number advection
 170 !       if zero/negative, each size bin is a mode (aitken, accumulation, ...)
 171 !
 172 !   maerosolincw - if positive, both unactivated/interstitial and activated
 173 !       aerosol species are simulated.  if zero/negative, only the
 174 !       unactivated are simulated.  [maerosolincw>0 only when cw_phase>0]
 175 !
 176 !   maerocoag - if positive, aerosol coagulation is done.
 177 !       If zero/negative, it is skipped.
 178 !       (This is not yet implemented in WRF-Chem.)
 179 !
 180 !   maerchem - if positive, aerosol gas-particle condensation/evaporation
 181 !       of inorganic species is done.  If zero/negative, it is skipped.
 182 !       (This is not yet implemented in WRF-Chem.)
 183 !
 184 !   maerchem_boxtest_output - if positive, "boxtest" output is done from
 185 !       the aerchemistry routine.  If zero/negative, it is skipped.
 186 !       (This is not yet implemented in WRF-Chem.)
 187 !
 188 !   maeroptical - if positive, aerosol optical properties are calculated.
 189 !       If zero/negative, it is skipped.
 190 !       (This is not yet implemented in WRF-Chem.)
 191 !
 192 !-----------------------------------------------------------------------
 193
 194         integer, parameter :: maxd_atype = 1
 195         integer, parameter :: maxd_asize = 8
 196         integer, parameter :: maxd_acomp = 12
 197         integer, parameter :: maxd_aphase = 2
 198
 199         integer, save :: ai_phase = -999888777
 200         integer, save :: cw_phase = -999888777
 201         integer, save :: ci_phase = -999888777
 202         integer, save :: rn_phase = -999888777
 203         integer, save :: sn_phase = -999888777
 204         integer, save :: gr_phase = -999888777
 205
 206         integer, save :: ntype_aer = 0 ! number of types
 207         integer, save :: ntot_mastercomp_aer = 0 ! number of master components
 208         integer, save :: nphase_aer = 0 ! number of phases
 209
 210         integer, save ::   &
 211           nsize_aer( maxd_atype ),   & ! number of size bins
 212           ncomp_aer( maxd_atype ),   & ! number of chemical components
 213           ncomp_plustracer_aer( maxd_atype ),   &
 214           mastercompptr_aer(maxd_acomp, maxd_atype), &   !  mastercomp index
 215           massptr_aer( maxd_acomp, maxd_asize, maxd_atype, maxd_aphase ), &
 216                 ! index for mixing ratio
 217           waterptr_aer( maxd_asize, maxd_atype ), & ! index for aerosol water
 218           hyswptr_aer( maxd_asize, maxd_atype ), &
 219           numptr_aer( maxd_asize, maxd_atype, maxd_aphase ), &
 220                 ! index for the number mixing ratio
 221           mprognum_aer(maxd_asize,maxd_atype,maxd_aphase)
 222
 223
 224 !   these indices give the location in the "mastercomp list" of
 225 !   the different aerosol chemical (or tracer) components
 226         integer, save :: mastercompindx_so4_aer = -999888777
 227         integer, save :: mastercompindx_no3_aer = -999888777
 228         integer, save :: mastercompindx_cl_aer  = -999888777
 229         integer, save :: mastercompindx_msa_aer = -999888777
 230         integer, save :: mastercompindx_co3_aer = -999888777
 231         integer, save :: mastercompindx_nh4_aer = -999888777
 232         integer, save :: mastercompindx_na_aer  = -999888777
 233         integer, save :: mastercompindx_ca_aer  = -999888777
 234         integer, save :: mastercompindx_oin_aer = -999888777
 235         integer, save :: mastercompindx_oc_aer  = -999888777
 236         integer, save :: mastercompindx_bc_aer  = -999888777
 237
 238
 239         real, save ::   &
 240           dens_aer( maxd_acomp, maxd_atype ),   &
 241           dens_mastercomp_aer( maxd_acomp ),   &
 242           mw_mastercomp_aer( maxd_acomp ),   &
 243           mw_aer( maxd_acomp, maxd_atype ),   &
 244           hygro_mastercomp_aer( maxd_acomp ),   &
 245           hygro_aer( maxd_acomp, maxd_atype )
 246
 247 !  added by Yang Zhang
 248         real, save ::   &
 249           volumcen_sect( maxd_asize, maxd_atype ),   &
 250           volumlo_sect( maxd_asize, maxd_atype ),   &
 251           volumhi_sect( maxd_asize, maxd_atype ),   &
 252           dcen_sect( maxd_asize, maxd_atype ),   &
 253           dlo_sect( maxd_asize, maxd_atype ),   &
 254           dhi_sect( maxd_asize, maxd_atype ),   &
 255           sigmag_aer(maxd_asize, maxd_atype)
 256
 257         character*10, save ::   &
 258           name_mastercomp_aer( maxd_acomp ),  &
 259           name_aer( maxd_acomp, maxd_atype )
 260
 261         integer, save ::                     &
 262           lptr_so4_aer(maxd_asize, maxd_atype, maxd_aphase),      &
 263           lptr_msa_aer(maxd_asize, maxd_atype, maxd_aphase),      &
 264           lptr_no3_aer(maxd_asize, maxd_atype, maxd_aphase),      &
 265           lptr_cl_aer(maxd_asize, maxd_atype, maxd_aphase),       &
 266           lptr_co3_aer(maxd_asize, maxd_atype, maxd_aphase),      &
 267           lptr_nh4_aer(maxd_asize, maxd_atype, maxd_aphase),      &
 268           lptr_na_aer(maxd_asize, maxd_atype, maxd_aphase),       &
 269           lptr_ca_aer(maxd_asize, maxd_atype, maxd_aphase),       &
 270           lptr_oin_aer(maxd_asize, maxd_atype, maxd_aphase),      &
 271           lptr_oc_aer(maxd_asize, maxd_atype, maxd_aphase),       &
 272           lptr_bc_aer(maxd_asize, maxd_atype, maxd_aphase)
 273
 274 ! rce 11-sep-2004 - eliminated all of the "..._wrfch" pointers
 275 !    so now there is only one set of pointers ("..._amode")
 276 ! sg/rce nov-2004 - totally new pointer system  - "..._aer"
 277
 278
 279 !   molecular weights (g/mol)
 280         real, parameter :: mw_so4_aer = 96.066
 281         real, parameter :: mw_no3_aer = 62.007
 282         real, parameter :: mw_cl_aer  = 35.450
 283         real, parameter :: mw_msa_aer = 96.109
 284         real, parameter :: mw_co3_aer = 60.007
 285         real, parameter :: mw_nh4_aer = 18.042
 286         real, parameter :: mw_na_aer  = 22.990
 287         real, parameter :: mw_ca_aer  = 40.080
 288         real, parameter :: mw_oin_aer = 1.0
 289         real, parameter :: mw_oc_aer  = 1.0
 290         real, parameter :: mw_bc_aer  = 1.0
 291         real, parameter :: mw_water_aer  = 18.016
 292
 293 !   dry densities (g/cm3)
 294         real, parameter :: dens_so4_aer = 1.80
 295         real, parameter :: dens_no3_aer = 1.80
 296         real, parameter :: dens_cl_aer  = 2.20
 297         real, parameter :: dens_msa_aer = 1.80
 298         real, parameter :: dens_co3_aer = 2.60
 299         real, parameter :: dens_nh4_aer = 1.80
 300         real, parameter :: dens_na_aer  = 2.20
 301         real, parameter :: dens_ca_aer  = 2.60
 302         real, parameter :: dens_oin_aer = 2.60
 303         real, parameter :: dens_oc_aer  = 1.00
 304         real, parameter :: dens_bc_aer  = 1.70
 305
 306 !   water density (g/cm3)
 307 !       real, parameter :: dens_water_asize  = 1.0
 308         real, parameter :: dens_water_aer  = 1.0
 309
 310 !   hygroscopicities (dimensionless)
 311         real, parameter :: hygro_so4_aer = 0.5
 312         real, parameter :: hygro_no3_aer = 0.5
 313         real, parameter :: hygro_ca_aer  = 0.1
 314         real, parameter :: hygro_co3_aer = 0.1
 315         real, parameter :: hygro_nh4_aer = 0.5
 316         real, parameter :: hygro_msa_aer = 0.58
 317         real, parameter :: hygro_cl_aer  = 1.16
 318         real, parameter :: hygro_na_aer  = 1.16
 319         real, parameter :: hygro_oin_aer = 0.14
 320         real, parameter :: hygro_oc_aer  = 0.14
 321         real, parameter :: hygro_bc_aer  = 1.e-6
 322
 323
 324         integer, save ::   &
 325           msectional, maerosolincw,   &
 326           maerocoag, maerchem, maeroptical, maerchem_boxtest_output
 327
 328
 329 !-----------------------------------------------------------------------
 330 !   the following arrays are used during "column calculations" within
 331 !       mosaic modules
 332 !
 333 !   aqvoldry_sub(n,k,m) = dry-volume (cm^3-aerosol/mole-air) for mode n,
 334 !                       layer k, subarea m
 335 !   aqmassdry_sub(n,k,m) = dry-mass (g-aerosol/mole-air) for mode n, ...
 336 !   adrydens_sub(n,k,m) = dry-density (g-aerosol/cm^3-aerosol) for mode n, ...
 337 !                       == amassdry_sub/avoldry_sub
 338 !   awetdens_sub(n,k,m) = wet-density (g-aerosol/cm^3-aerosol) for mode n, ...
 339 !
 340 !   admeandry_sub(n,k,m) = current mean dry-diameter (cm)
 341 !       for unactivated aerosol in mode n, layer k, subarea m.
 342 !       (Used in sectional code)
 343 !   admeanwet_sub(n,k,m) = current mean wet-diameter (cm)
 344 !       for unactivated aerosol in mode n, layer k, subarea m.
 345 !       (Used in sectional code)
 346 !
 347 !   awetdens_sfc(n,i,j) = wet-density for mode n and k=1.  This value is
 348 !       saved after the second pass thru subr. aerosol_wetsize
 349 !       for use in subr. bounds
 350 !   admeanwet_sfc(n,i,j) = mean wet-diameter for mode n and k=1.
 351 !       This value is saved after the second pass thru
 352 !       subr. aerosol_wetsize for use in subr. bounds
 353 !
 354 !
 355 !   following are used in aerosol growth routine and are locally
 356 !   defined for the current layer (k) and subarea (m)
 357 !       drymass_pregrow(n) = dry-mass (g/mole-air) for section n
 358 !                       before the aerosol growth
 359 !       drymass_aftgrow(n) = dry-mass (g/mole-air) for section n
 360 !                       after the growth but before inter-section transfer
 361 !       drydens_pregrow(n) = dry-density (g/cm3) for section n
 362 !                       before the aerosol growth
 363 !       drydens_aftgrow(n) = dry-density (g/cm3) for section n
 364 !                       after the growth but before inter-section transfer
 365 !
 366 !-----------------------------------------------------------------------
 367
 368 !       integer, parameter :: imaxd_asize = 78
 369 !       integer, parameter :: jmaxd_asize = 28
 370         integer, parameter :: kmaxd_asize = 100
 371         integer, parameter :: nsubareamaxd_asize = 5
 372
 373 ! rce 22-jul-2006 - added maxd_atype dimension to following 6 arrays
 374 !    and changed avoldry_sub,amassdry_sub to aqvoldry_sub,aqmassdry_sub
 375         real, save :: aqvoldry_sub( maxd_asize,maxd_atype,kmaxd_asize,nsubareamaxd_asize)
 376         real, save :: aqmassdry_sub(maxd_asize,maxd_atype,kmaxd_asize,nsubareamaxd_asize)
 377         real, save :: adrydens_sub( maxd_asize,maxd_atype,kmaxd_asize,nsubareamaxd_asize)
 378         real, save :: awetdens_sub( maxd_asize,maxd_atype,kmaxd_asize,nsubareamaxd_asize)
 379         real, save :: admeandry_sub(maxd_asize,maxd_atype,kmaxd_asize,nsubareamaxd_asize)
 380         real, save :: admeanwet_sub(maxd_asize,maxd_atype,kmaxd_asize,nsubareamaxd_asize)
 381
 382 !       real, save :: awetdens_sfc(maxd_asize,imaxd_asize,jmaxd_asize)
 383 !       real, save :: admeanwet_sfc(maxd_asize,imaxd_asize,jmaxd_asize)
 384
 385         real, save :: drymass_pregrow(maxd_asize,maxd_atype)
 386         real, save :: drydens_pregrow(maxd_asize,maxd_atype)
 387         real, save :: drymass_aftgrow(maxd_asize,maxd_atype)
 388         real, save :: drydens_aftgrow(maxd_asize,maxd_atype)
 389
 390 ! table lookup of aerosol impaction/interception
 391 ! scavenging rates
 392         real dlndg_nimptblgrow
 393         integer nimptblgrow_mind, nimptblgrow_maxd
 394         parameter (nimptblgrow_mind=-7, nimptblgrow_maxd=12)
 395         real scavimptblnum(4, nimptblgrow_mind:nimptblgrow_maxd, maxd_asize, maxd_atype), &
 396              scavimptblvol(4, nimptblgrow_mind:nimptblgrow_maxd, maxd_asize, maxd_atype)
 397
 398
 399         end module module_data_mosaic_asect