chem/module_data_cmu_bulkaqchem.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 references and terms of use
   8 !**********************************************************************************
   9
  10       module module_data_cmu_bulkaqchem
  11
  12
  13       implicit none
  14
  15
  16 !
  17 !   summary of module **variables**
  18 !
  19 !   the following variables are flags that could be converted to parameters
  20 !       integer, save :: maqurxn_all = 1
  21 !       integer, save :: maqurxn_sulf1 = 0
  22 !       integer, save :: mopt_eqrt_cons = 0
  23 !       integer, save :: mequlib_h2o2_ho2m = 0
  24 !       integer, save :: mgasrxn = 0
  25 !       integer, save :: mdiag_fullequil = 1
  26 !       integer, save :: mdiag_hybrd = 1
  27 !       integer, save :: mdiag_negconc = 1
  28 !       integer, save :: mdiag_rsrate = 1
  29 !       integer, save :: mdiag_svode = 1
  30 !
  31 !   the following variables are constants (they are set in subr dropinit, then never changed)
  32 !       double precision, save :: wso2, wh2o2, whcho, whcooh, wnh3, whno3, whcl, wh2so4
  33 !       double precision, save :: wmol(29), amol(3), gmol(22)
  34 !
  35
  36
  37 !-----------------------------------------------------------------------
  38 !   aerpar.inc
  39 !-----------------------------------------------------------------------
  40 !******************************************************************
  41 !                        aerosol parameters
  42 !******************************************************************
  43 !
  44 ! useful constants
  45 !
  46       double precision, parameter :: pi  = 3.14159
  47       double precision, parameter :: pi6 = pi/6.0
  48
  49       double precision, parameter :: rho = 1.4e12       ! particle density [ug/m^3]
  50 !
  51 ! aerosol components in the aerosol concentration vector
  52 !
  53       integer, parameter :: nas =  1           ! sodium
  54       integer, parameter :: nah =  2           ! hydrogen
  55       integer, parameter :: naa =  3           ! ammonium
  56       integer, parameter :: nan =  4           ! nitrate
  57       integer, parameter :: nac =  5           ! chloride
  58       integer, parameter :: na4 =  6           ! sulfate
  59       integer, parameter :: naw =  7           ! water
  60       integer, parameter :: nae =  8           ! elemental carbon
  61       integer, parameter :: nao =  9           ! organics
  62       integer, parameter :: nar = 10           ! crustal
  63       integer, parameter :: nahso5 = 11        ! hso5-
  64       integer, parameter :: nahmsa = 12        ! hmsa
  65       integer, parameter :: naspec = 12        ! number of aerosol species
  66 !
  67 ! condensible gas-phase components in local arrays
  68 !
  69       integer, parameter :: ngca =  1          ! ammonia
  70       integer, parameter :: ngcn =  2          ! nitric acid
  71       integer, parameter :: ngcc =  3          ! hydrochloric acid
  72       integer, parameter :: ngc4 =  4          ! gas-phase sulfate
  73       integer, parameter :: ngco =  5          ! gas-phase organics
  74       integer, parameter :: ngcspec = 5        ! number of condensible gas-phase species
  75 !
  76 ! condensible gas-phase components in global gas-phase array
  77 !
  78 ! this must be customized to have the correct addresses
  79 !
  80       integer, parameter :: nga =  1           ! ammonia
  81       integer, parameter :: ngn =  2           ! nitric acid
  82       integer, parameter :: ngc =  3           ! hydrochloric acid
  83       integer, parameter :: ng4 =  4           ! gas-phase sulfate
  84       integer, parameter :: ngo =  5           ! gas-phase organics
  85       integer, parameter :: ngspec = 5         ! number of condensible gas-phase species
  86 !
  87 ! total number of gas phase species so we know where the aerosol starts
  88 !
  89 !     integer, parameter :: ngtotal = 50
  90       integer, parameter :: ngtotal = 26                ! 2004-nov-15 rce
  91       integer, parameter :: ngas=ngtotal
  92       integer, parameter :: naers=naspec
  93
  94
  95
  96 !-----------------------------------------------------------------------
  97 !   droppar.inc
  98 !-----------------------------------------------------------------------
  99 ! updated droppar.inc for the bulk model
 100 ! last update : 10 june 1998
 101 !*************************************************************************
 102 !                                droppar.inc
 103 !*************************************************************************
 104 !
 105 !                aqueous-phase parameters and variables
 106 !
 107 ! aqueous-phase components
 108 !
 109 !   important : all components have the same positions in
 110 !               both aerosol and aqueous matrices
 111 !               never change this convention because aqmain
 112 !               depends on it
 113 !
 114       integer, parameter :: ksod = nas               ! na(+)
 115       integer, parameter :: khyd = nah               ! h(+)
 116       integer, parameter :: kamm = naa               ! nh4(+)
 117       integer, parameter :: knit = nan               ! no3(-)
 118       integer, parameter :: kchl = nac               ! cl(-)
 119       integer, parameter :: ksvi = na4               ! s(vi)
 120       integer, parameter :: kwat = naw               ! h2o
 121       integer, parameter :: kec  = nae               ! ec
 122       integer, parameter :: koc  = nao               ! oc
 123       integer, parameter :: kcru = nar               ! crustal
 124 !      integer, parameter :: khso5 = 1                ! hso5-
 125 !      integer, parameter :: khmsa = 2                ! hmsa
 126 !      integer, parameter :: kform = 3                ! formic acid
 127 !
 128 ! gases in local array
 129 !
 130       integer, parameter :: ngso2     = 11
 131       integer, parameter :: ngh2o2    = 12
 132       integer, parameter :: nghcho    = 13
 133       integer, parameter :: nghcooh   = 14
 134       integer, parameter :: nghno2    = 15
 135       integer, parameter :: ngno      = 16
 136       integer, parameter :: ngno2     = 17
 137       integer, parameter :: ngo3      = 18
 138       integer, parameter :: ngpan     = 19
 139       integer, parameter :: ngoh      = 20
 140       integer, parameter :: ngho2     = 21
 141       integer, parameter :: ngno3     = 22
 142       integer, parameter :: ngch3o2   = 23
 143       integer, parameter :: ngch3o2h  = 24
 144       integer, parameter :: ngch3oh   = 25
 145       integer, parameter :: ngch3co3h = 26
 146 !
 147 !     number of equations for aqueous-phase chemistry solution
 148 !
 149       integer, parameter :: meqn1max = 20
 150 !     integer, save :: meqn1 = meqn1max     ! rce 2008-mar-12 ELIMINATED
 151 !
 152 !     activation diameter (dry)
 153 !
 154       double precision, parameter :: dactiv = 0.7e-6       ! in m
 155 !
 156 !
 157 !
 158 !     wet diameter
 159 !
 160       double precision, parameter :: avdiam = 20.e-6
 161 !
 162 !     choice of expression for iron chemistry
 163 !               = 0 (no iron/manganese chemistry)
 164 !          kiron = 1 (phenomenological, martin et al., 1991)
 165 !                = 2 (martin, 1984)
 166 !
 167 !     integer, parameter :: kiron = 1            ! was 1
 168 !     integer, parameter :: kiron = 0            ! rce 2004-mar-24 - turn off metal chem
 169       integer, parameter :: kiron = 1            ! rce 2005-jan-17 - turn it back on
 170 !
 171 !     choice of turning on or off radical chemisty
 172 !     (it is better to turn it off during the night)
 173 !
 174 !     integer, save :: iradical                    ! rce 2008-mar-12 ELIMINATED
 175 !     integer, parameter :: iradical = 0           ! rce 2004-nov-15 - now a variable
 176
 177 !
 178 !     choice of turning off chlorine chemistry
 179 !
 180       double precision, parameter :: chlorine = 0.0
 181 !
 182 !     parameter for scaling of photolysis rates
 183 !
 184 !     double precision, save :: photo               ! rce 2008-mar-12 ELIMINATED
 185 !     double precision, parameter :: photo = 1.0
 186 !     double precision, parameter :: photo = 0.0    ! rce 2004-mar-24 - turn off photo chem
 187                                                     ! rce 2004-nov-15 - now a variable
 188 !
 189 !     fraction of crustal material that is alkaline
 190 !
 191 !     double precision, parameter :: caratio = 0.05        ! was 0.1
 192 ! rce 2005-jul-14 - reduce caratio to .001 to get lower ph
 193 !     with 0.05 value, ca=.05*oin, and the initial aerosol is alkaline
 194       double precision, parameter :: caratio = 0.001
 195 !
 196 !
 197 !
 198 !     fraction of liquid water content that goes to each s.r. section
 199 !
 200       double precision, parameter :: frac1 = 0.8               ! fraction of lwc in sect. 1
 201       double precision, parameter :: frac2 = 0.2               ! fraction of lwc in sect. 2
 202 !
 203 !
 204 !     assumption : fe(3+) and mn(2+) = 0.003%, 0.001% of crustal mass
 205 !
 206 !     double precision, parameter :: firon = 0.00003
 207 !     double precision, parameter :: fman  = 0.00001
 208 !     double precision, parameter :: firon = 0.0           ! rce 2004-mar-24 - turn off metal chem
 209 !     double precision, parameter :: fman  = 0.0           ! rce 2004-mar-24 - turn off metal chem
 210       double precision, parameter :: firon = 0.00003       ! rce 2005-jan-17 - turn it back on
 211       double precision, parameter :: fman  = 0.00001       ! rce 2005-jan-17 - turn it back on
 212
 213 !     co2 mixing ratio (ppm)
 214 !     double precision, save :: co2_mixrat     ! rce 2008-mar-12 ELIMINATED
 215
 216
 217 !-----------------------------------------------------------------------
 218 !   dropcom.inc
 219 !-----------------------------------------------------------------------
 220 !
 221 ! cmn groups and corresponding matrices for aqueous-phase module
 222 !
 223 !       double precision, save :: akeq(17), akhen(21), akre(120)     ! rce 2008-mar-12 ELIMINATED
 224         double precision, save :: wso2, wh2o2, whcho, whcooh, wnh3, whno3, whcl, wh2so4
 225         double precision, save :: wmol(29), amol(3), gmol(22)
 226
 227 !       double precision, save :: gcon(22), con(28), cmet(4), rad, wvol, chyd     ! rce 2008-mar-12 ELIMINATED
 228
 229
 230
 231 !-----------------------------------------------------------------------
 232 !   math.inc
 233 !-----------------------------------------------------------------------
 234 !     include file for svode parameters and non-changing values
 235 !     input to hybrid.f
 236
 237 !      for svode
 238       integer, parameter :: itol = 4
 239       integer, parameter :: itask = 1
 240 !     integer, parameter :: istate = 1       ! rce 2004-mar-18 - istate is a variable
 241       integer, parameter :: iopt = 1
 242       integer, parameter :: mf = 22
 243       integer, parameter :: worki = 100000             ! maximum steps allowed
 244 !  for bulk
 245       integer, parameter :: lrw1 = 22+9*meqn1max+2*meqn1max**2
 246       integer, parameter :: liw1 = 30+meqn1max
 247
 248 !     double precision, parameter :: tola = 1.e-4             ! was 1.e-3
 249 !     double precision, parameter :: tola = 1.e-6             ! 17-may-2006 rce - need smaller tola
 250       double precision, parameter :: tola = 1.e-8             ! 24-mar-2008 rce - need smaller tola
 251
 252       double precision, parameter :: tolr = 1.e-5             ! was 1.e-3
 253
 254       double precision, parameter :: workr = 300.0
 255
 256 !
 257 !   where
 258 !      itol: 4=use arrays for tolerances
 259 !      tola: absolute tolerance in ug/m3
 260 !      tolr: relative tolerance
 261 !      itask: 1 for normal computation of output values of y at t = tout.
 262 !      istate: integer flag (input and output).  set istate = 1.
 263 !      iopt: 0 to indicate no optional input used.
 264 !      rwork: double precision work array of length at least..
 265 !             20 + 16*neq                      for mf = 10,
 266 !             22 +  9*neq + 2*neq**2           for mf = 21 or 22,
 267 !             22 + 11*neq + (3*ml + 2*mu)*neq  for mf = 24 or 25.
 268 !      lrw: declared length of rwork (in user's dimension statement).
 269 !      iwork: integer work array of length at least..
 270 !             30        for mf = 10,
 271 !             30 + neq  for mf = 21, 22, 24, or 25.
 272 !          if mf = 24 or 25, input in iwork(1),iwork(2) the lower
 273 !          and upper half-bandwidths ml,mu.
 274 !      liw: declared length of iwork (in user's dimension statement).
 275 !      mf: method flag.  standard values are..
 276 !          10 for nonstiff (adams) method, no jacobian used.
 277 !          21 for stiff (bdf) method, user-supplied full jacobian.
 278 !          22 for stiff method, internally generated full jacobian.
 279 !          24 for stiff method, user-supplied banded jacobian.
 280 !          25 for stiff method, internally generated banded jacobian.
 281 !      iopt: 1 = some optional parameters used
 282 !           here:  workr: rwork(6) (max absolute step size allowed -
 283 !                                    default value is infinite.)
 284 !                  worki: iwork(6) (maximum number of (internally defined)
 285 !                                    steps allowed during one call to the
 286 !                                   solver. the default value is 500.)
 287
 288 !      for hybrid.f
 289
 290        integer, parameter :: numfunc = 7
 291        integer, parameter :: maxfev = 300*(numfunc+1)
 292        integer, parameter :: ml = numfunc - 1, mu = numfunc -1
 293        integer, parameter :: nprint = 0
 294        integer, parameter :: lr = numfunc*(numfunc+1)/2, ldfjac = numfunc
 295        integer, parameter :: mode = 2
 296
 297 !      double precision, parameter :: xtol = 0.1e0**3
 298        double precision, parameter :: xtol = 1.0e-3
 299        double precision, parameter :: epsfcn = 0.0e0, factor = 100.
 300 !
 301 !      numfunc : number of functions and variables
 302 !      xtol : termination occurs when the rel error  between two consecutive
 303 !             iterates is at most xtol
 304 !      maxfev : termination occurs when the number of calls to fcn is at least maxfev
 305 !      ml     : specifies the number of subdiagonals within the band of the
 306 !               jacobian matrix.  if the jacobian is not banded, set ml to at
 307 !               least n -1.
 308 !      mu     : specifies the number of superdiagonals within the band of the
 309 !               jacobian matrix.  if the jacobian is not banded, set mu to at
 310 !               least n -1.
 311 !      epsfcn : used in determining a suitable step length for the
 312 !               forward-difference approximation
 313 !      factor : used in determining the initial step bound
 314 !      mode   : if 1, the variables will be scaled internally; if 2, the
 315 !               scaling is specified by the input diag.
 316 !      nprint : input variable that enables controlled
 317 !               printing of iterates if it is positive. in this case,
 318 !               fcn is called with iflag = 0 at the beginning of the first
 319 !               iteration and every nprint iterations thereafter and
 320 !               immediately prior to return, with x and fvec available
 321 !               for printing. if nprint is not positive, no special calls
 322 !               of fcn with iflag = 0 are made.
 323
 324
 325
 326 !-----------------------------------------------------------------------
 327 !   etest_cmn71.inc
 328 !-----------------------------------------------------------------------
 329 !
 330 !   maqurxn_all - if positive, all reactions are enabled.
 331 !           If zero/negative, all reactions rates are zeroed.
 332 !   maqurxn_sulf1 - if positive, 4 primary sulfur reactions are enabled.
 333 !           This has no effect when maqurxn_all=1.
 334 !           When maqurxn_all=0 & maqurxn_sulf1=1, only the 4 primary
 335 !           sulfur reactions (rxns 72-75) are enabled.
 336 !
 337 !   mopt_eqrt_cons - if =20, certain equilib. constants and reaction rates
 338 !           are modified to allow closer comparison with
 339 !           other cloud chemistry codes
 340 !   mequlib_h2o2_ho2m - currently not used
 341 !   mgasrxn - currently not used
 342 !
 343 !   mdiag_fullequil - if positive, warning messages from subr. fullequil
 344 !           are enabled
 345 !   mdiag_hybrd - if positive, warning messages from subr. hybrd are enabled
 346 !   mdiag_negconc - if positive, warning messages from subr. aqoperator1
 347 !           about negative concentrations are enabled
 348 !   mdiag_rsrate - if positive, warning messages from subr. aqratesa
 349 !           about sulfur mass balance are enabled.  This diagnostic is somewhat
 350 !           misleading as some reactions do not conserve sulfur.
 351 !   mdiag_svode - if positive, warning messages from subr. svode are enabled
 352 !
 353 !   mprescribe_ph - if positive, cloudwater ph is set to xprescribe_ph
 354 !
 355         integer, save :: maqurxn_all = 1
 356         integer, save :: maqurxn_sulf1 = 0
 357         integer, save :: mopt_eqrt_cons = 0
 358         integer, save :: mequlib_h2o2_ho2m = 0
 359         integer, save :: mgasrxn = 0
 360         integer, save :: mdiag_fullequil = 1
 361         integer, save :: mdiag_hybrd = 1
 362         integer, save :: mdiag_negconc = 1
 363         integer, save :: mdiag_rsrate = 1
 364         integer, save :: mdiag_svode = 1
 365 !       integer, save :: mprescribe_ph = 0     ! rce 2008-mar-12 ELIMINATED
 366 !       double precision,    save :: xprescribe_ph = 4.5     ! rce 2008-mar-12 ELIMINATED
 367
 368 !   gas constant in [atm/K/(mol/liter)]
 369       double precision, parameter :: rideal = 0.082058e0
 370
 371 !   indices to wmol array, for molecular weights of aqueous species
 372       integer, parameter :: kaqx_siv   = 1
 373       integer, parameter :: kaqx_svi   = 2
 374       integer, parameter :: kaqx_no3m  = 4
 375       integer, parameter :: kaqx_h2o2  = 6
 376       integer, parameter :: kaqx_clm   = 15
 377       integer, parameter :: kaqx_nh4p  = 19
 378       integer, parameter :: kaqx_hso5m = 26
 379       integer, parameter :: kaqx_hmsa  = 27
 380
 381
 382
 383       end module module_data_cmu_bulkaqchem
 384