phys/module_data_cam_mam_asect.F

   1         module module_data_cam_mam_asect
   2
   3 !-----------------------------------------------------------------------
   4 !   New in June 2010, by r.c.easter
   5 !   This file is similar to module_data_mosaic_asect,
   6 !   but works with the CAM modal aerosol packages in WRF-Chem.
   7 !
   8 !   Note that the position/index arrays in this file refer to the "chem" array,
   9 !   while those in file module_data_cam_mam_aero refer to the "q" array
  10 !   used in the CAM modal aerosol routines
  11 !
  12 !   *** Important note on units ***
  13 !   in this file,
  14 !       aerosol densities here are g/cm3
  15 !       aerosol sizes and volumes are cm and cm3
  16 !       thus the density/size/volume variables in the file have the same units
  17 !           as their counterparts in module_data_mosaic_asect.F and module_data_sorgam.F
  18 !   in module_data_cam_mam_aero.F,
  19 !       aerosol densities here are kg/m3
  20 !       aerosol sizes and volumes are m and m3
  21 !-----------------------------------------------------------------------
  22
  23
  24         use shr_kind_mod,    only:  r8 => shr_kind_r8
  25
  26         use modal_aero_data, only:  ntot_amode, maxd_aspectype
  27
  28
  29         implicit none
  30
  31
  32 !-----------------------------------------------------------------------
  33 !
  34 !   The variables in this module provide a means of organizing and accessing
  35 !   aerosol species in the "chem" array by their chemical component,
  36 !   size bin (or mode), "type", and "phase"
  37 !
  38 !   Their purpose is to allow flexible coding of process modules,
  39 !   compared to "hard-coding" using the chem array p_xxx indices
  40 !   (e.g., p_so4_a01, p_so4_a02, ...; p_num_a01, ...)
  41 !
  42 !-----------------------------------------------------------------------
  43 !
  44 !   rce & sg 2004-dec-03 - added phase and type capability,
  45 !       which changed this module almost completely
  46 !
  47 !-----------------------------------------------------------------------
  48 !
  49 !   maxd_atype = maximum allowable number of aerosol types
  50 !   maxd_asize = maximum allowable number of aerosol size bins
  51 !   maxd_acomp = maximum allowable number of chemical components
  52 !       in each aerosol size bin
  53 !   maxd_aphase = maximum allowable number of aerosol phases
  54 !       (gas, cloud, ice, rain, ...)
  55 !
  56 !   ntype_aer = number of aerosol types
  57 !       The aerosol type will allow treatment of an externally mixed
  58 !       aerosol.  The current MOSAIC code has only 1 type, with the implicit
  59 !       assumption of internal mixing.  Eventually, multiple types
  60 !       could treat fresh primary BC/OC, fresh SO4 from nucleation,
  61 !       aged BC/OC/SO4/... mixture, soil dust, sea salt, ...
  62 !
  63 !   nphase_aer = number of aerosol phases
  64 !
  65 !   ai_phase = phase (p) index for interstitial (unactivated) aerosol particles
  66 !   cw_phase = phase (p) index for aerosol particles in cloud water
  67 !   ci_phase = phase (p) index for aerosol particles in cloud ice
  68 !   rn_phase = phase (p) index for aerosol particles in rain
  69 !   sn_phase = phase (p) index for aerosol particles in snow
  70 !   gr_phase = phase (p) index for aerosol particles in graupel
  71 !   [Note:  the value of "xx_phase" will be between 1 and nphase_aer
  72 !       for phases that are active in a simulation.  The others
  73 !       will have non-positive values.]
  74 !
  75 !   nsize_aer(t) = number of aerosol size bins for aerosol type t
  76 !
  77 !   ncomp_aer(t) = number of "regular" chemical components for aerosol type t
  78 !   ncomp_plustracer_aer(t) = number of "regular" plus "tracer"
  79 !       chemical components for aerosol type t
  80 !   [Note:  only "regular" components are used for calculating
  81 !       aerosol physical (mass, volume) and chemical properties.
  82 !       "Tracer" components are optional, and can be used to track source
  83 !       regions, source mechanisms, etc.]
  84 !   [Note:  for aerosol type t, all phases have the same number of size
  85 !       bins, and all size bins have the same number of
  86 !       both regular and tracer components.]
  87 !
  88 !   ntot_mastercomp_aer = number of aerosol chemical components defined
  89 !       in the "master component list".
  90 !   [Note:  each aerosol type will use some but not necessarily all
  91 !       of the components in the "master component list".]
  92 !
  93 !   mastercompptr_aer(c,t) = the position/index/i.d. in the
  94 !       "master component list" for chemical component c of aerosol type t.
  95 !       (1=sulfate, others to be defined by user.)
  96 !
  97 !   massptr_aer(c,s,t,p) = the position/index in the chem array for mixing-
  98 !       ratio for chemical component c, size bin s, type t, and phase p.
  99 !
 100 !   lptr_so4_aer(s,t,p) = the position/index in the chem array for mixing-
 101 !       ratio for sulfate for aerosol size bin s, type t, and phase p
 102 !   (similar lptr's are defined for no3, cl, msa, co3,
 103 !       nh4, na, ca, oin, oc, bc, ...)
 104 !   [Note:  the massptr_aer allow you to loop over all species of
 105 !       an aerosol type.  The lptr_so4_aer, etc., allow you to access
 106 !       a specific chemical component.]
 107 !
 108 !   waterptr_aer(s,t) = the position/index in the chem array for mixing-
 109 !       ratio of aerosol water content for size bin s, type t.
 110 !       [Note:  water content is only carried for the interstitial aerosol
 111 !       phase, so there is no p dimension.]
 112 !
 113 !   hyswptr_aer(s,t) = the position/index in the chem array for mixing-
 114 !       ratio of aerosol "hysteresis water" content for size bin s, type t.
 115 !       This is used to determine if aerosol is in the dry or wet state, when
 116 !       the ambient RH is between the crystallization and deliquescence RH.
 117 !       [Note:  hysteresis water content is only carried for the
 118 !       interstitial aerosol phase, so there is no p dimension.]
 119 !
 120 !   numptr_aer(s,t,p) = the position/index in the chem array for mixing-
 121 !       ratio of particle number for size bin s, type t, and phase p.
 122 !
 123 !   mprognum_aer(s,t,p) - if positive, number mixing-ratio for size s, type t,
 124 !       and phase p will be prognosed.  Otherwise, it is diagnosed using
 125 !       mass mixing-ratio add assumed/prescribed size.
 126 !
 127 !       mixing ratio (moles-water/mole-air) for water
 128 !       associated with aerosol size bin s and type t
 129 !
 130 !
 131 !   mastercompindx_so4_aer = the position/index in the
 132 !       "master component list" for sulfate.
 133 !   (similar lptr's are defined for no3, cl, msa, co3,
 134 !       nh4, na, ca, oin, oc, bc, ...)
 135 !   [Note:  the mastercompindx_xxx_aer are used primarily in
 136 !       initialization routines, and generally aren't needed elsewhere.]
 137 !
 138 !-----------------------------------------------------------------------
 139 !
 140 !   dens_mastercomp_aer(mc) = dry density (g/cm^3) of component mc
 141 !       of the master component list.
 142 !   dens_aer(c,t) = dry density (g/cm^3) of aerosol chemical component
 143 !       c of type t
 144 !   [Note:  dens_aer(c,t) == dens_mastercomp_aer(mastercompptr_aer(c,t))
 145 !       The dens_mastercomp_aer is used in some initialization routines.
 146 !       The dens_aer is used in most other places because of convenience.]
 147 !
 148 !   mw_mastercomp_aer(mc) = molecular weight (g/mole) of component mc
 149 !       of the master component list.
 150 !   mw_aer(c,t) = molecular weight (g/mole) of aerosol chemical component
 151 !       c of type t
 152 !   [Note:  mw_aer(c,t) == mw_mastercomp_aer(mastercompptr_aer(c,t)) ]
 153 !
 154 !   name_mastercomp_aer(mc) = name of component mc of the
 155 !       master component list (e.g., "sulfate", "nitrate", ...).
 156 !   name_aer(c,t) = molecular weight (g/mole) of aerosol chemical component
 157 !       c of type t
 158 !   [Note:  name_aer(c,t) == name_mastercomp_aer(mastercompptr_aer(c,t)) ]
 159 !
 160 !   hygro_mastercomp_aer(mc) = bulk hygroscopicity (--) at dilute conditions
 161 !       (RH near 100%) of component mc of the master component list.
 162 !   hygro_aer(c,t) = bulk hygroscopicity (--) at dilute conditions
 163 !       (RH near 100%) of aerosol chemical component c of type t
 164 !   [For definition of bulk hygroscopicity,
 165 !       see Abdul-Razzak and Ghan, 2004, J Geophys Res, V105, p. 6837-6844.]
 166 !   [Note:  hygro_aer(c,t) == hygro_mastercomp_aer(mastercompptr_aer(c,t)) ]
 167 !
 168 !-----------------------------------------------------------------------
 169 !
 170 !   volumlo_sect(s,t) = 1-particle volume (cm^3) at lower boundary of section m
 171 !   volumhi_sect(s,t) = 1-particle volume (cm^3) at upper boundary of section m
 172 !   volumcen_sect(s,t)= 1-particle volume (cm^3) at "center" of section m
 173 !
 174 !   dlo_sect(s,t) = 1-particle diameter (cm) at lower boundary of section m
 175 !   dhi_sect(s,t) = 1-particle diameter (cm) at upper boundary of section m
 176 !   dcen_sect(s,t) = 1-particle diameter (cm) at "center" section m
 177 !
 178 !   [Note:  the "center" values are defined as follows:
 179 !       volumcen_sect == 0.5*(volumlo_sect + volumhi_sect)
 180 !                     == (pi/6) * (dcen_sect**3) ]
 181 !
 182 !-----------------------------------------------------------------------
 183 !
 184 !   msectional - if positive, each aerosol size bin is a section.
 185 !   if equals 10, use jacobson moving center
 186 !   if equals 20, use tzivion mass-number advection
 187 !       if zero/negative, each size bin is a mode (aitken, accumulation, ...)
 188 !
 189 !   maerosolincw - if positive, both unactivated/interstitial and activated
 190 !       aerosol species are simulated.  if zero/negative, only the
 191 !       unactivated are simulated.  [maerosolincw>0 only when cw_phase>0]
 192 !
 193 !   maerocoag - if positive, aerosol coagulation is done.
 194 !       If zero/negative, it is skipped.
 195 !       (This is not yet implemented in WRF-Chem.)
 196 !
 197 !   maerchem - if positive, aerosol gas-particle condensation/evaporation
 198 !       of inorganic species is done.  If zero/negative, it is skipped.
 199 !       (This is not yet implemented in WRF-Chem.)
 200 !
 201 !   maerchem_boxtest_output - if positive, "boxtest" output is done from
 202 !       the aerchemistry routine.  If zero/negative, it is skipped.
 203 !       (This is not yet implemented in WRF-Chem.)
 204 !
 205 !   maeroptical - if positive, aerosol optical properties are calculated.
 206 !       If zero/negative, it is skipped.
 207 !       (This is not yet implemented in WRF-Chem.)
 208 !
 209 !-----------------------------------------------------------------------
 210
 211         integer, parameter :: maxd_atype = ntot_amode
 212         integer, parameter :: maxd_asize = 1
 213         integer, parameter :: maxd_acomp = maxd_aspectype
 214         integer, parameter :: maxd_aphase = 2
 215
 216         integer, save :: ai_phase = 1
 217         integer, save :: cw_phase = 2
 218         integer, save :: ci_phase = -999888777
 219         integer, save :: rn_phase = -999888777
 220         integer, save :: sn_phase = -999888777
 221         integer, save :: gr_phase = -999888777
 222
 223         integer, save :: ntype_aer = 0 ! number of types
 224         integer, save :: ntot_mastercomp_aer = 0 ! number of master components
 225         integer, save :: nphase_aer = 0 ! number of phases
 226
 227         integer, save ::   &
 228           nsize_aer( maxd_atype ),   & ! number of size bins
 229           ncomp_aer( maxd_atype ),   & ! number of chemical components
 230           ncomp_plustracer_aer( maxd_atype ),   &
 231           mastercompptr_aer(maxd_acomp, maxd_atype), &   !  mastercomp index
 232           massptr_aer( maxd_acomp, maxd_asize, maxd_atype, maxd_aphase ), &
 233                 ! index for mixing ratio
 234           waterptr_aer( maxd_asize, maxd_atype ), & ! index for aerosol water
 235           hyswptr_aer( maxd_asize, maxd_atype ), &
 236           numptr_aer( maxd_asize, maxd_atype, maxd_aphase ), &
 237                 ! index for the number mixing ratio
 238           mprognum_aer(maxd_asize,maxd_atype,maxd_aphase)
 239
 240
 241 !   these indices give the location in the "mastercomp list" of
 242 !   the different aerosol chemical (or tracer) components
 243         integer, save :: mastercompindx_so4_aer = -999888777
 244         integer, save :: mastercompindx_nh4_aer = -999888777
 245         integer, save :: mastercompindx_no3_aer = -999888777
 246         integer, save :: mastercompindx_pom_aer = -999888777
 247         integer, save :: mastercompindx_soa_aer = -999888777
 248         integer, save :: mastercompindx_bc_aer  = -999888777
 249         integer, save :: mastercompindx_dust_aer = -999888777
 250         integer, save :: mastercompindx_seas_aer = -999888777
 251
 252
 253         real, save ::   &
 254           dens_aer( maxd_acomp, maxd_atype ),  &
 255           dens_mastercomp_aer( maxd_acomp ),   &
 256           mw_mastercomp_aer( maxd_acomp ),     &
 257           mw_aer( maxd_acomp, maxd_atype ),    &
 258           hygro_mastercomp_aer( maxd_acomp ),  &
 259           hygro_aer( maxd_acomp, maxd_atype )
 260
 261         real, save ::   &
 262           volumcen_sect( maxd_asize, maxd_atype ),  &
 263           volumlo_sect( maxd_asize, maxd_atype ),   &
 264           volumhi_sect( maxd_asize, maxd_atype ),   &
 265           dcen_sect( maxd_asize, maxd_atype ),      &
 266           dlo_sect( maxd_asize, maxd_atype ),       &
 267           dhi_sect( maxd_asize, maxd_atype ),       &
 268           sigmag_aer(maxd_asize, maxd_atype)
 269
 270         character*10, save ::   &
 271           name_mastercomp_aer( maxd_acomp ),  &
 272           namebb_mastercomp_aer( maxd_acomp ),  &
 273           name_aer( maxd_acomp, maxd_atype )
 274
 275         integer, save ::                     &
 276           lptr_so4_aer(maxd_asize, maxd_atype, maxd_aphase),      &
 277           lptr_nh4_aer(maxd_asize, maxd_atype, maxd_aphase),      &
 278           lptr_no3_aer(maxd_asize, maxd_atype, maxd_aphase),      &
 279           lptr_pom_aer(maxd_asize, maxd_atype, maxd_aphase),      &
 280           lptr_soa_aer(maxd_asize, maxd_atype, maxd_aphase),      &
 281           lptr_bc_aer(maxd_asize, maxd_atype, maxd_aphase),       &
 282           lptr_dust_aer(maxd_asize, maxd_atype, maxd_aphase),     &
 283           lptr_seas_aer(maxd_asize, maxd_atype, maxd_aphase)
 284
 285 ! rce 11-sep-2004 - eliminated all of the "..._wrfch" pointers
 286 !    so now there is only one set of pointers ("..._amode")
 287 ! sg/rce nov-2004 - totally new pointer system  - "..._aer"
 288
 289
 290 !   the mw_xxx_aer and dens_xxx_aer will be set from
 291 !      the values in module_data_cam_mam_aero
 292 !   molecular weights (g/mol)
 293         real, save ::   &
 294           mw_so4_aer, mw_nh4_aer,   &
 295           mw_no3_aer, mw_pom_aer,   &
 296           mw_soa_aer, mw_bc_aer,   &
 297           mw_dust_aer, mw_seas_aer
 298
 299 !   dry densities (g/cm3)
 300         real, save ::   &
 301           dens_so4_aer, dens_nh4_aer,   &
 302           dens_no3_aer, dens_pom_aer,   &
 303           dens_soa_aer, dens_bc_aer,   &
 304           dens_dust_aer, dens_seas_aer
 305
 306 !   water density (g/cm3)
 307 !       real, parameter :: dens_water_asize  = 1.0
 308         real, parameter :: dens_water_aer  = 1.0
 309
 310
 311         integer, save ::   &
 312           msectional, maerosolincw,   &
 313           maerocoag, maerchem, maeroptical, maerchem_boxtest_output
 314
 315
 316       integer, allocatable ::  &
 317          lptr_chem_to_q(:), lptr_chem_to_qqcw(:)
 318 ! for chem array species l, the corresponding q    array species is lptr_chem_to_q(l)
 319 ! for chem array species l, the corresponding qqcw array species is lptr_chem_to_qqcw(l)
 320
 321       real, allocatable ::  &
 322          factconv_chem_to_q(:), factconv_chem_to_qqcw(:)
 323 ! factor for converting chem array species l to corresponding q    array species is factconv_chem_to_q(l)
 324 ! factor for converting chem array species l to corresponding qqcw array species is factconv_chem_to_qqcw(l)
 325
 326 !     real(r8), allocatable ::  &
 327       real, allocatable ::  &
 328          mw_chem_array(:), mw_q_array(:), mw_q_mo_array(:)
 329 ! mw_chem_array = molecular weights for species in wrf-chem chem array (g)
 330 ! mw_q_array    = molecular weights for species in cam      q    array (g)
 331 ! mw_q_mo_array = molecular weights for species in chemistry portion of the cam q array (g)
 332 !                 (trace gas and aerosol species, but no water species)
 333 ! *** note - for gases, value is 1.0 currently, unless the gas is really used by cam_mam routines
 334 !            (e.g., mw for nox/noy and vocs are 1.0)
 335
 336
 337         end module module_data_cam_mam_asect
 338