source: lmdz_wrf/trunk/WRFV3/phys/module_mp_wsm3.F @ 354

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  • -- --- Opening of the WRF+LMDZ coupling repository --- -- -

WRF: version v3.3
LMDZ: version v1818

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Line 
1#ifdef _ACCEL
2#  include "module_mp_wsm3_accel.F"
3#else
4#if ( RWORDSIZE == 4 )
5#  define VREC vsrec
6#  define VSQRT vssqrt
7#else
8#  define VREC vrec
9#  define VSQRT vsqrt
10#endif
11
12MODULE module_mp_wsm3
13!
14!
15   REAL, PARAMETER, PRIVATE :: dtcldcr     = 120. ! maximum time step for minor loops
16   REAL, PARAMETER, PRIVATE :: n0r = 8.e6         ! intercept parameter rain
17   REAL, PARAMETER, PRIVATE :: avtr = 841.9       ! a constant for terminal velocity of rain
18   REAL, PARAMETER, PRIVATE :: bvtr = 0.8         ! a constant for terminal velocity of rain
19   REAL, PARAMETER, PRIVATE :: r0 = .8e-5         ! 8 microm  in contrast to 10 micro m
20   REAL, PARAMETER, PRIVATE :: peaut = .55        ! collection efficiency
21   REAL, PARAMETER, PRIVATE :: xncr = 3.e8        ! maritime cloud in contrast to 3.e8 in tc80
22   REAL, PARAMETER, PRIVATE :: xmyu = 1.718e-5    ! the dynamic viscosity kgm-1s-1
23   REAL, PARAMETER, PRIVATE :: avts = 11.72       ! a constant for terminal velocity of snow
24   REAL, PARAMETER, PRIVATE :: bvts = .41         ! a constant for terminal velocity of snow
25   REAL, PARAMETER, PRIVATE :: n0smax =  1.e11    ! maximum n0s (t=-90C unlimited)
26   REAL, PARAMETER, PRIVATE :: lamdarmax = 8.e4   ! limited maximum value for slope parameter of rain
27   REAL, PARAMETER, PRIVATE :: lamdasmax = 1.e5   ! limited maximum value for slope parameter of snow
28   REAL, PARAMETER, PRIVATE :: lamdagmax = 6.e4   ! limited maximum value for slope parameter of graupel
29   REAL, PARAMETER, PRIVATE :: dicon = 11.9       ! constant for the cloud-ice diamter
30   REAL, PARAMETER, PRIVATE :: dimax = 500.e-6    ! limited maximum value for the cloud-ice diamter
31   REAL, PARAMETER, PRIVATE :: n0s = 2.e6         ! temperature dependent intercept parameter snow
32   REAL, PARAMETER, PRIVATE :: alpha = .12        ! .122 exponen factor for n0s
33   REAL, PARAMETER, PRIVATE :: qcrmin = 1.e-9     ! minimun values for qr, qs, and qg
34   REAL, SAVE ::                                      &
35             qc0, qck1,bvtr1,bvtr2,bvtr3,bvtr4,g1pbr, &
36             g3pbr,g4pbr,g5pbro2,pvtr,eacrr,pacrr,    &
37             precr1,precr2,xmmax,roqimax,bvts1,       &
38             bvts2,bvts3,bvts4,g1pbs,g3pbs,g4pbs,     &
39             g5pbso2,pvts,pacrs,precs1,precs2,pidn0r, &
40             pidn0s,xlv1,pi,                          &
41             rslopermax,rslopesmax,rslopegmax,        &
42             rsloperbmax,rslopesbmax,rslopegbmax,     &
43             rsloper2max,rslopes2max,rslopeg2max,     &
44             rsloper3max,rslopes3max,rslopeg3max
45!
46! Specifies code-inlining of fpvs function in WSM32D below. JM 20040507
47!
48CONTAINS
49!===================================================================
50!
51  SUBROUTINE wsm3(th, q, qci, qrs                     &
52                   , w, den, pii, p, delz             &
53                   , delt,g, cpd, cpv, rd, rv, t0c    &
54                   , ep1, ep2, qmin                   &
55                   , XLS, XLV0, XLF0, den0, denr      &
56                   , cliq,cice,psat                   &
57                   , rain, rainncv                    &
58                   , snow, snowncv                    &
59                   , sr                               &
60                   , ids,ide, jds,jde, kds,kde        &
61                   , ims,ime, jms,jme, kms,kme        &
62                   , its,ite, jts,jte, kts,kte        &
63                                                      )
64!-------------------------------------------------------------------
65  IMPLICIT NONE
66!-------------------------------------------------------------------
67!
68  INTEGER,      INTENT(IN   )    ::                ids,ide, jds,jde, kds,kde , &
69                                                   ims,ime, jms,jme, kms,kme , &
70                                                   its,ite, jts,jte, kts,kte
71  REAL, DIMENSION( ims:ime , kms:kme , jms:jme ),                              &
72        INTENT(INOUT) ::                                                       &
73                                                                          th,  &
74                                                                           q,  &
75                                                                          qci, &
76                                                                          qrs
77  REAL, DIMENSION( ims:ime , kms:kme , jms:jme ),                              &
78        INTENT(IN   ) ::                                                    w, &
79                                                                          den, &
80                                                                          pii, &
81                                                                            p, &
82                                                                         delz
83  REAL, INTENT(IN   ) ::                                                 delt, &
84                                                                            g, &
85                                                                           rd, &
86                                                                           rv, &
87                                                                          t0c, &
88                                                                         den0, &
89                                                                          cpd, &
90                                                                          cpv, &
91                                                                          ep1, &
92                                                                          ep2, &
93                                                                         qmin, &
94                                                                          XLS, &
95                                                                         XLV0, &
96                                                                         XLF0, &
97                                                                         cliq, &
98                                                                         cice, &
99                                                                         psat, &
100                                                                         denr
101  REAL, DIMENSION( ims:ime , jms:jme ),                                        &
102        INTENT(INOUT) ::                                                 rain, &
103                                                                      rainncv
104  REAL, DIMENSION( ims:ime , jms:jme ), OPTIONAL,                              &
105        INTENT(INOUT) ::                                                 snow, &
106                                                                      snowncv, &
107                                                                           sr
108! LOCAL VAR
109  REAL, DIMENSION( its:ite , kts:kte ) ::                                   t
110  INTEGER ::                                                            i,j,k
111!-------------------------------------------------------------------
112      DO j=jts,jte
113         DO k=kts,kte
114         DO i=its,ite
115            t(i,k)=th(i,k,j)*pii(i,k,j)
116         ENDDO
117         ENDDO
118         CALL wsm32D(t, q(ims,kms,j), qci(ims,kms,j)                           &
119                    ,qrs(ims,kms,j),w(ims,kms,j), den(ims,kms,j)               &
120                    ,p(ims,kms,j), delz(ims,kms,j)                             &
121                    ,delt,g, cpd, cpv, rd, rv, t0c                             &
122                    ,ep1, ep2, qmin                                            &
123                    ,XLS, XLV0, XLF0, den0, denr                               &
124                    ,cliq,cice,psat                                            &
125                    ,j                                                         &
126                    ,rain(ims,j), rainncv(ims,j)                               &
127                    ,snow(ims,j),snowncv(ims,j)                                &
128                    ,sr(ims,j)                                                 &
129                    ,ids,ide, jds,jde, kds,kde                                 &
130                    ,ims,ime, jms,jme, kms,kme                                 &
131                    ,its,ite, jts,jte, kts,kte                                 &
132                                                                               )
133         DO K=kts,kte
134         DO I=its,ite
135            th(i,k,j)=t(i,k)/pii(i,k,j)
136         ENDDO
137         ENDDO
138      ENDDO
139  END SUBROUTINE wsm3
140!===================================================================
141!
142  SUBROUTINE wsm32D(t, q                                                       &
143                   ,qci, qrs,w, den, p, delz                                   &
144                   ,delt,g, cpd, cpv, rd, rv, t0c                              &
145                   ,ep1, ep2, qmin                                             &
146                   ,XLS, XLV0, XLF0, den0, denr                                &
147                   ,cliq,cice,psat                                             &
148                   ,lat                                                        &
149                   ,rain, rainncv                                              &
150                   ,snow,snowncv                                               &
151                   ,sr                                                         &
152                   ,ids,ide, jds,jde, kds,kde                                  &
153                   ,ims,ime, jms,jme, kms,kme                                  &
154                   ,its,ite, jts,jte, kts,kte                                  &
155                                                                               )
156!-------------------------------------------------------------------
157  IMPLICIT NONE
158!-------------------------------------------------------------------
159!
160!  This code is a 3-class simple ice microphyiscs scheme (WSM3) of the
161!  Single-Moment MicroPhyiscs (WSMMP). The WSMMP assumes that ice nuclei
162!  number concentration is a function of temperature, and seperate assumption
163!  is developed, in which ice crystal number concentration is a function
164!  of ice amount. A theoretical background of the ice-microphysics and related
165!  processes in the WSMMPs are described in Hong et al. (2004).
166!  Production terms in the WSM6 scheme are described in Hong and Lim (2006).
167!  All units are in m.k.s. and source/sink terms in kgkg-1s-1.
168!
169!  WSM3 cloud scheme
170!
171!  Developed by Song-You Hong (Yonsei Univ.), Jimy Dudhia (NCAR)
172!             and Shu-Hua Chen (UC Davis)
173!             Summer 2002
174!
175!  Implemented by Song-You Hong (Yonsei Univ.) and Jimy Dudhia (NCAR)
176!             Summer 2003
177!
178!  History :  semi-lagrangian scheme sedimentation(JH), and clean up
179!             Hong, August 2009
180!
181!  Reference) Hong, Dudhia, Chen (HDC, 2004) Mon. Wea. Rev.
182!             Dudhia (D89, 1989) J. Atmos. Sci.
183!             Hong and Lim (HL, 2006) J. Korean Meteor. Soc.
184!             Juang and Hong (JH, 2010) Mon. Wea. Rev.
185!
186  INTEGER,      INTENT(IN   )    ::                 ids,ide, jds,jde, kds,kde, &
187                                                    ims,ime, jms,jme, kms,kme, &
188                                                    its,ite, jts,jte, kts,kte, &
189                                                    lat
190  REAL, DIMENSION( its:ite , kts:kte ),                                        &
191        INTENT(INOUT) ::                                                       &
192                                                                            t
193  REAL, DIMENSION( ims:ime , kms:kme ),                                        &
194        INTENT(INOUT) ::                                                       &
195                                                                            q, &
196                                                                          qci, &
197                                                                          qrs
198  REAL, DIMENSION( ims:ime , kms:kme ),                                        &
199        INTENT(IN   ) ::                                                    w, &
200                                                                          den, &
201                                                                            p, &
202                                                                         delz
203  REAL, INTENT(IN   ) ::                                                 delt, &
204                                                                            g, &
205                                                                          cpd, &
206                                                                          cpv, &
207                                                                          t0c, &
208                                                                         den0, &
209                                                                           rd, &
210                                                                           rv, &
211                                                                          ep1, &
212                                                                          ep2, &
213                                                                         qmin, &
214                                                                          XLS, &
215                                                                         XLV0, &
216                                                                         XLF0, &
217                                                                         cliq, &
218                                                                         cice, &
219                                                                         psat, &
220                                                                         denr
221  REAL, DIMENSION( ims:ime ),                                                  &
222        INTENT(INOUT) ::                                                 rain, &
223                                                                      rainncv
224  REAL, DIMENSION( ims:ime ),     OPTIONAL,                                    &
225        INTENT(INOUT) ::                                                 snow, &
226                                                                      snowncv, &
227                                                                           sr
228! LOCAL VAR
229  REAL, DIMENSION( its:ite , kts:kte ) ::                                      &
230                                                                           rh, &
231                                                                           qs, &
232                                                                       denfac, &
233                                                                       rslope, &
234                                                                      rslope2, &
235                                                                      rslope3, &
236                                                                      qrs_tmp, &
237                                                                      den_tmp, &
238                                                                     delz_tmp, &
239                                                                      rslopeb
240  REAL, DIMENSION( its:ite , kts:kte ) ::                                      &
241                                                                         pgen, &
242                                                                         pisd, &
243                                                                         paut, &
244                                                                         pacr, &
245                                                                         pres, &
246                                                                         pcon
247  REAL, DIMENSION( its:ite , kts:kte ) ::                                      &
248                                                                         fall, &
249                                                                         falk, &
250                                                                           xl, &
251                                                                          cpm, &
252                                                                        work1, &
253                                                                        work2, &
254                                                                          xni, &
255                                                                          qs0, &
256                                                                       denqci, &
257                                                                       denqrs, &
258                                                                       n0sfac, &
259                                                                        falkc, &
260                                                                       work1c, &
261                                                                       work2c, &
262                                                                        fallc
263  REAL, DIMENSION( its:ite ) ::                                         delqrs,&
264                                                                         delqi
265  REAL, DIMENSION(its:ite) ::                                        tstepsnow
266  INTEGER, DIMENSION( its:ite ) ::                                      kwork1,&
267                                                                        kwork2
268  INTEGER, DIMENSION( its:ite ) ::                                      mstep, &
269                                                                        numdt
270  LOGICAL, DIMENSION( its:ite ) :: flgcld
271  REAL  ::                                                                     &
272            cpmcal, xlcal, diffus,                                             &
273            viscos, xka, venfac, conden, diffac,                               &
274            x, y, z, a, b, c, d, e,                                            &
275            fallsum, fallsum_qsi, vt2i,vt2s,acrfac,                            &     
276            qdt, pvt, qik, delq, facq, qrsci, frzmlt,                          &
277            snomlt, hold, holdrs, facqci, supcol, coeres,                      &
278            supsat, dtcld, xmi, qciik, delqci, eacrs, satdt,                   &
279            qimax, diameter, xni0, roqi0, supice,holdc, holdci
280  INTEGER :: i, j, k, mstepmax,                                                &
281            iprt, latd, lond, loop, loops, ifsat, kk, n, idim, kdim
282! Temporaries used for inlining fpvs function
283  REAL  :: dldti, xb, xai, tr, xbi, xa, hvap, cvap, hsub, dldt, ttp
284! variables for optimization
285  REAL, DIMENSION( its:ite )    :: tvec1
286!
287!=================================================================
288!   compute internal functions
289!
290      cpmcal(x) = cpd*(1.-max(x,qmin))+max(x,qmin)*cpv
291      xlcal(x) = xlv0-xlv1*(x-t0c)
292!----------------------------------------------------------------
293!     diffus: diffusion coefficient of the water vapor
294!     viscos: kinematic viscosity(m2s-1)
295!     Optimizatin : A**B => exp(log(A)*(B))
296!
297      diffus(x,y) = 8.794e-5 * exp(log(x)*(1.81)) / y        ! 8.794e-5*x**1.81/y
298      viscos(x,y) = 1.496e-6 * (x*sqrt(x)) /(x+120.)/y  ! 1.496e-6*x**1.5/(x+120.)/y
299      xka(x,y) = 1.414e3*viscos(x,y)*y
300      diffac(a,b,c,d,e) = d*a*a/(xka(c,d)*rv*c*c)+1./(e*diffus(c,b))
301      venfac(a,b,c) = exp(log((viscos(b,c)/diffus(b,a)))*((.3333333)))         &
302                     /sqrt(viscos(b,c))*sqrt(sqrt(den0/c))
303      conden(a,b,c,d,e) = (max(b,qmin)-c)/(1.+d*d/(rv*e)*c/(a*a))
304!
305      idim = ite-its+1
306      kdim = kte-kts+1
307!
308!----------------------------------------------------------------
309!     paddint 0 for negative values generated by dynamics
310!
311      do k = kts, kte
312        do i = its, ite
313          qci(i,k) = max(qci(i,k),0.0)
314          qrs(i,k) = max(qrs(i,k),0.0)
315        enddo
316      enddo
317!
318!----------------------------------------------------------------
319!     latent heat for phase changes and heat capacity. neglect the
320!     changes during microphysical process calculation
321!     emanuel(1994)
322!
323      do k = kts, kte
324        do i = its, ite
325          cpm(i,k) = cpmcal(q(i,k))
326          xl(i,k) = xlcal(t(i,k))
327        enddo
328      enddo
329      do k = kts, kte
330        do i = its, ite
331          delz_tmp(i,k) = delz(i,k)
332          den_tmp(i,k) = den(i,k)
333        enddo
334      enddo
335!
336!----------------------------------------------------------------
337!    initialize the surface rain, snow
338!
339      do i = its, ite
340        rainncv(i) = 0.
341        if(PRESENT (snowncv) .AND. PRESENT (snow)) snowncv(i) = 0.
342        sr(i) = 0.
343! new local array to catch step snow
344        tstepsnow(i) = 0.
345      enddo
346!
347!----------------------------------------------------------------
348!     compute the minor time steps.
349!
350      loops = max(nint(delt/dtcldcr),1)
351      dtcld = delt/loops
352      if(delt.le.dtcldcr) dtcld = delt
353!
354      do loop = 1,loops
355!
356!----------------------------------------------------------------
357!     initialize the large scale variables
358!
359      do i = its, ite
360        flgcld(i) = .true.
361      enddo
362!
363      do k = kts, kte
364        CALL VREC( tvec1(its), den(its,k), ite-its+1)
365        do i = its, ite
366          tvec1(i) = tvec1(i)*den0
367        enddo
368        CALL VSQRT( denfac(its,k), tvec1(its), ite-its+1)
369      enddo
370!
371! Inline expansion for fpvs
372!         qs(i,k) = fpvs(t(i,k),1,rd,rv,cpv,cliq,cice,xlv0,xls,psat,t0c)
373!         qs0(i,k) = fpvs(t(i,k),0,rd,rv,cpv,cliq,cice,xlv0,xls,psat,t0c)
374      cvap = cpv
375      hvap=xlv0
376      hsub=xls
377      ttp=t0c+0.01
378      dldt=cvap-cliq
379      xa=-dldt/rv
380      xb=xa+hvap/(rv*ttp)
381      dldti=cvap-cice
382      xai=-dldti/rv
383      xbi=xai+hsub/(rv*ttp)
384      do k = kts, kte
385        do i = its, ite
386          tr=ttp/t(i,k)
387          if(t(i,k).lt.ttp) then
388            qs(i,k) =psat*(exp(log(tr)*(xai)))*exp(xbi*(1.-tr))
389          else
390            qs(i,k) =psat*(exp(log(tr)*(xa)))*exp(xb*(1.-tr))
391          endif
392          qs0(i,k)  =psat*(exp(log(tr)*(xa)))*exp(xb*(1.-tr))
393          qs0(i,k) = (qs0(i,k)-qs(i,k))/qs(i,k)
394          qs(i,k) = min(qs(i,k),0.99*p(i,k))
395          qs(i,k) = ep2 * qs(i,k) / (p(i,k) - qs(i,k))
396          qs(i,k) = max(qs(i,k),qmin)
397          rh(i,k) = max(q(i,k) / qs(i,k),qmin)
398        enddo
399      enddo
400!
401!----------------------------------------------------------------
402!     initialize the variables for microphysical physics
403!
404!
405      do k = kts, kte
406        do i = its, ite
407          pres(i,k) = 0.
408          paut(i,k) = 0.
409          pacr(i,k) = 0.
410          pgen(i,k) = 0.
411          pisd(i,k) = 0.
412          pcon(i,k) = 0.
413          fall(i,k) = 0.
414          falk(i,k) = 0.
415          fallc(i,k) = 0.
416          falkc(i,k) = 0.
417          xni(i,k) = 1.e3
418        enddo
419      enddo
420!-------------------------------------------------------------
421! Ni: ice crystal number concentraiton   [HDC 5c]
422!-------------------------------------------------------------
423      do k = kts, kte
424        do i = its, ite
425          xni(i,k) = min(max(5.38e7                                            &
426                    *exp(log((den(i,k)*max(qci(i,k),qmin)))*(0.75)),1.e3),1.e6)
427        enddo
428      enddo
429!
430!----------------------------------------------------------------
431!     compute the fallout term:
432!     first, vertical terminal velosity for minor loops
433!---------------------------------------------------------------
434      do k = kts, kte
435        do i = its, ite
436          qrs_tmp(i,k) = qrs(i,k)
437        enddo
438      enddo
439      call slope_wsm3(qrs_tmp,den_tmp,denfac,t,rslope,rslopeb,rslope2,rslope3, &
440                      work1,its,ite,kts,kte)
441!
442!
443!  forward semi-laglangian scheme (JH), PCM (piecewise constant),  (linear)
444!
445      do k = kte, kts, -1
446        do i = its, ite
447          denqrs(i,k) = den(i,k)*qrs(i,k)
448        enddo
449      enddo
450      call nislfv_rain_plm(idim,kdim,den_tmp,denfac,t,delz_tmp,work1,denqrs,   &
451                           delqrs,dtcld,1,1)
452      do k = kts, kte
453        do i = its, ite
454          qrs(i,k) = max(denqrs(i,k)/den(i,k),0.)
455          fall(i,k) = denqrs(i,k)*work1(i,k)/delz(i,k)
456        enddo
457      enddo
458      do i = its, ite
459        fall(i,1) = delqrs(i)/delz(i,1)/dtcld
460      enddo
461!---------------------------------------------------------------
462! Vice [ms-1] : fallout of ice crystal [HDC 5a]
463!---------------------------------------------------------------
464      do k = kte, kts, -1
465        do i = its, ite
466          if(t(i,k).lt.t0c.and.qci(i,k).gt.0.) then
467            xmi = den(i,k)*qci(i,k)/xni(i,k)
468            diameter  = max(dicon * sqrt(xmi), 1.e-25)
469            work1c(i,k) = 1.49e4*exp(log(diameter)*(1.31))
470          else
471            work1c(i,k) = 0.
472          endif
473        enddo
474      enddo
475!
476!  forward semi-laglangian scheme (JH), PCM (piecewise constant),  (linear)
477!
478      do k = kte, kts, -1
479        do i = its, ite
480          denqci(i,k) = den(i,k)*qci(i,k)
481        enddo
482      enddo
483      call nislfv_rain_plm(idim,kdim,den_tmp,denfac,t,delz_tmp,work1c,denqci,  &
484                           delqi,dtcld,1,0)
485      do k = kts, kte
486        do i = its, ite
487          qci(i,k) = max(denqci(i,k)/den(i,k),0.)
488        enddo
489      enddo
490      do i = its, ite
491        fallc(i,1) = delqi(i)/delz(i,1)/dtcld
492      enddo
493!
494!----------------------------------------------------------------
495!     compute the freezing/melting term. [D89 B16-B17]
496!     freezing occurs one layer above the melting level
497!
498      do i = its, ite
499        mstep(i) = 0
500      enddo
501      do k = kts, kte
502!
503        do i = its, ite
504          if(t(i,k).ge.t0c) then
505            mstep(i) = k
506          endif
507        enddo
508      enddo
509!
510      do i = its, ite
511        kwork2(i) = mstep(i)
512        kwork1(i) = mstep(i)
513        if(mstep(i).ne.0) then
514          if (w(i,mstep(i)).gt.0.) then
515            kwork1(i) = mstep(i) + 1
516          endif
517        endif
518      enddo
519!
520      do i = its, ite
521        k  = kwork1(i)
522        kk = kwork2(i)
523        if(k*kk.ge.1) then
524          qrsci = qrs(i,k) + qci(i,k)
525          if(qrsci.gt.0..or.fall(i,kk).gt.0.) then
526            frzmlt = min(max(-w(i,k)*qrsci/delz(i,k),-qrsci/dtcld),            &
527                    qrsci/dtcld)
528            snomlt = min(max(fall(i,kk)/den(i,kk),-qrs(i,k)/dtcld),            &
529                    qrs(i,k)/dtcld)
530            if(k.eq.kk) then
531              t(i,k) = t(i,k) - xlf0/cpm(i,k)*(frzmlt+snomlt)*dtcld
532            else
533              t(i,k) = t(i,k) - xlf0/cpm(i,k)*frzmlt*dtcld
534              t(i,kk) = t(i,kk) - xlf0/cpm(i,kk)*snomlt*dtcld
535            endif
536          endif
537        endif
538      enddo
539!
540!----------------------------------------------------------------
541!      rain (unit is mm/sec;kgm-2s-1: /1000*delt ===> m)==> mm for wrf
542!
543      do i = its, ite
544        fallsum = fall(i,1)
545        fallsum_qsi = 0.
546        if((t0c-t(i,1)).gt.0) then
547        fallsum = fallsum+fallc(i,1)
548        fallsum_qsi = fall(i,1)+fallc(i,1)
549        endif
550        if(fallsum.gt.0.) then
551          rainncv(i) = fallsum*delz(i,1)/denr*dtcld*1000. + rainncv(i)
552          rain(i) = fallsum*delz(i,1)/denr*dtcld*1000. + rain(i)
553        endif
554        if(fallsum_qsi.gt.0.) then
555          tstepsnow(i)   = fallsum_qsi*delz(i,kts)/denr*dtcld*1000.            &
556                           +tstepsnow(i)
557        IF ( PRESENT (snowncv) .AND. PRESENT (snow)) THEN
558          snowncv(i) = fallsum_qsi*delz(i,kts)/denr*dtcld*1000. + snowncv(i)
559          snow(i) = fallsum_qsi*delz(i,kts)/denr*dtcld*1000. + snow(i)
560        ENDIF
561        endif
562!       if(fallsum.gt.0.) sr(i) = snowncv(i)/(rainncv(i)+1.e-12)
563        if(fallsum.gt.0.) sr(i) = tstepsnow(i)/(rainncv(i)+1.e-12)
564      enddo
565!
566!----------------------------------------------------------------
567!     update the slope parameters for microphysics computation
568!
569      do k = kts, kte
570        do i = its, ite
571          qrs_tmp(i,k) = qrs(i,k)
572        enddo
573      enddo
574      call slope_wsm3(qrs_tmp,den_tmp,denfac,t,rslope,rslopeb,rslope2,rslope3, &
575                      work1,its,ite,kts,kte)
576!
577!     work1: the thermodynamic term in the denominator associated with
578!             heat conduction and vapor diffusion
579!     work2: parameter associated with the ventilation effects(y93)
580!
581      do k = kts, kte
582        do i = its, ite
583          if(t(i,k).ge.t0c) then
584            work1(i,k) = diffac(xl(i,k),p(i,k),t(i,k),den(i,k),qs(i,k))
585          else
586            work1(i,k) = diffac(xls,p(i,k),t(i,k),den(i,k),qs(i,k))
587          endif
588          work2(i,k) = venfac(p(i,k),t(i,k),den(i,k))
589        enddo
590      enddo
591!
592      do k = kts, kte
593        do i = its, ite
594          supsat = max(q(i,k),qmin)-qs(i,k)
595          satdt = supsat/dtcld
596          if(t(i,k).ge.t0c) then
597!
598!===============================================================
599!
600! warm rain processes
601!
602! - follows the processes in RH83 and LFO except for autoconcersion
603!
604!===============================================================
605!---------------------------------------------------------------
606! praut: auto conversion rate from cloud to rain [HDC 16]
607!        (C->R)
608!---------------------------------------------------------------
609            if(qci(i,k).gt.qc0) then
610!             paut(i,k) = qck1*qci(i,k)**(7./3.)
611              paut(i,k) = qck1*exp(log(qci(i,k))*((7./3.)))
612              paut(i,k) = min(paut(i,k),qci(i,k)/dtcld)
613            endif
614!---------------------------------------------------------------
615! pracw: accretion of cloud water by rain [HL A40] [D89 B15]
616!        (C->R)
617!---------------------------------------------------------------
618            if(qrs(i,k).gt.qcrmin.and.qci(i,k).gt.qmin) then
619                pacr(i,k) = min(pacrr*rslope3(i,k)*rslopeb(i,k)                &
620                     *qci(i,k)*denfac(i,k),qci(i,k)/dtcld)
621            endif
622!---------------------------------------------------------------
623! prevp: evaporation/condensation rate of rain [HDC 14]
624!        (V->R or R->V)
625!---------------------------------------------------------------
626            if(qrs(i,k).gt.0.) then
627                coeres = rslope2(i,k)*sqrt(rslope(i,k)*rslopeb(i,k))
628                pres(i,k) = (rh(i,k)-1.)*(precr1*rslope2(i,k)                  &
629                         +precr2*work2(i,k)*coeres)/work1(i,k)
630              if(pres(i,k).lt.0.) then
631                pres(i,k) = max(pres(i,k),-qrs(i,k)/dtcld)
632                pres(i,k) = max(pres(i,k),satdt/2)
633              else
634                pres(i,k) = min(pres(i,k),satdt/2)
635              endif
636            endif
637          else
638!
639!===============================================================
640!
641! cold rain processes
642!
643! - follows the revised ice microphysics processes in HDC
644! - the processes same as in RH83 and LFO behave
645!   following ice crystal hapits defined in HDC, inclduing
646!   intercept parameter for snow (n0s), ice crystal number
647!   concentration (ni), ice nuclei number concentration
648!   (n0i), ice diameter (d)
649!
650!===============================================================
651!
652            supcol = t0c-t(i,k)
653            n0sfac(i,k) = max(min(exp(alpha*supcol),n0smax/n0s),1.)
654            ifsat = 0
655!-------------------------------------------------------------
656! Ni: ice crystal number concentraiton   [HDC 5c]
657!-------------------------------------------------------------
658            xni(i,k) = min(max(5.38e7                                          &
659                    *exp(log((den(i,k)*max(qci(i,k),qmin)))*(0.75)),1.e3),1.e6)
660            eacrs = exp(0.07*(-supcol))
661            if(qrs(i,k).gt.qcrmin.and.qci(i,k).gt.qmin) then
662              xmi = den(i,k)*qci(i,k)/xni(i,k)
663              diameter  = min(dicon * sqrt(xmi),dimax)
664              vt2i = 1.49e4*diameter**1.31
665              vt2s = pvts*rslopeb(i,k)*denfac(i,k)
666!-------------------------------------------------------------
667! praci: Accretion of cloud ice by rain [HL A15] [LFO 25]
668!        (T<T0: I->R)
669!-------------------------------------------------------------
670              acrfac = 2.*rslope3(i,k)+2.*diameter*rslope2(i,k)                &
671                      +diameter**2*rslope(i,k)
672              pacr(i,k) = min(pi*qci(i,k)*eacrs*n0s*n0sfac(i,k)                &
673                       *abs(vt2s-vt2i)*acrfac/4.,qci(i,k)/dtcld)
674            endif
675!-------------------------------------------------------------
676! pidep: Deposition/Sublimation rate of ice [HDC 9]
677!       (T<T0: V->I or I->V)
678!-------------------------------------------------------------
679            if(qci(i,k).gt.0.) then
680              xmi = den(i,k)*qci(i,k)/xni(i,k)
681              diameter = dicon * sqrt(xmi)
682              pisd(i,k) = 4.*diameter*xni(i,k)*(rh(i,k)-1.)/work1(i,k)
683              if(pisd(i,k).lt.0.) then
684                pisd(i,k) = max(pisd(i,k),satdt/2)
685                pisd(i,k) = max(pisd(i,k),-qci(i,k)/dtcld)
686              else
687                pisd(i,k) = min(pisd(i,k),satdt/2)
688              endif
689              if(abs(pisd(i,k)).ge.abs(satdt)) ifsat = 1
690            endif
691!-------------------------------------------------------------
692! psdep: deposition/sublimation rate of snow [HDC 14]
693!        (V->S or S->V)
694!-------------------------------------------------------------
695            if(qrs(i,k).gt.0..and.ifsat.ne.1) then
696              coeres = rslope2(i,k)*sqrt(rslope(i,k)*rslopeb(i,k))
697              pres(i,k) = (rh(i,k)-1.)*n0sfac(i,k)*(precs1*rslope2(i,k)        &
698                        +precs2*work2(i,k)*coeres)/work1(i,k)
699              supice = satdt-pisd(i,k)
700              if(pres(i,k).lt.0.) then
701                pres(i,k) = max(pres(i,k),-qrs(i,k)/dtcld)
702                pres(i,k) = max(max(pres(i,k),satdt/2),supice)
703              else
704                pres(i,k) = min(min(pres(i,k),satdt/2),supice)
705              endif
706              if(abs(pisd(i,k)+pres(i,k)).ge.abs(satdt)) ifsat = 1
707            endif
708!-------------------------------------------------------------
709! pigen: generation(nucleation) of ice from vapor [HDC 7-8]
710!       (T<T0: V->I)
711!-------------------------------------------------------------
712            if(supsat.gt.0.and.ifsat.ne.1) then
713              supice = satdt-pisd(i,k)-pres(i,k)
714              xni0 = 1.e3*exp(0.1*supcol)
715              roqi0 = 4.92e-11*exp(log(xni0)*(1.33))
716              pgen(i,k) = max(0.,(roqi0/den(i,k)-max(qci(i,k),0.))/dtcld)
717              pgen(i,k) = min(min(pgen(i,k),satdt),supice)
718            endif
719!-------------------------------------------------------------
720! psaut: conversion(aggregation) of ice to snow [HDC 12]
721!       (T<T0: I->S)
722!-------------------------------------------------------------
723            if(qci(i,k).gt.0.) then
724              qimax = roqimax/den(i,k)
725              paut(i,k) = max(0.,(qci(i,k)-qimax)/dtcld)
726            endif
727          endif
728        enddo
729      enddo
730!
731!----------------------------------------------------------------
732!     check mass conservation of generation terms and feedback to the
733!     large scale
734!
735      do k = kts, kte
736        do i = its, ite
737          qciik = max(qmin,qci(i,k))
738          delqci = (paut(i,k)+pacr(i,k)-pgen(i,k)-pisd(i,k))*dtcld
739          if(delqci.ge.qciik) then
740            facqci = qciik/delqci
741            paut(i,k) = paut(i,k)*facqci
742            pacr(i,k) = pacr(i,k)*facqci
743            pgen(i,k) = pgen(i,k)*facqci
744            pisd(i,k) = pisd(i,k)*facqci
745          endif
746          qik = max(qmin,q(i,k))
747          delq = (pres(i,k)+pgen(i,k)+pisd(i,k))*dtcld
748          if(delq.ge.qik) then
749            facq = qik/delq
750            pres(i,k) = pres(i,k)*facq
751            pgen(i,k) = pgen(i,k)*facq
752            pisd(i,k) = pisd(i,k)*facq
753          endif
754          work2(i,k) = -pres(i,k)-pgen(i,k)-pisd(i,k)
755          q(i,k) = q(i,k)+work2(i,k)*dtcld
756          qci(i,k) = max(qci(i,k)-(paut(i,k)+pacr(i,k)-pgen(i,k)-pisd(i,k))    &
757                    *dtcld,0.)
758          qrs(i,k) = max(qrs(i,k)+(paut(i,k)+pacr(i,k)+pres(i,k))*dtcld,0.)
759          if(t(i,k).lt.t0c) then
760            t(i,k) = t(i,k)-xls*work2(i,k)/cpm(i,k)*dtcld
761          else
762            t(i,k) = t(i,k)-xl(i,k)*work2(i,k)/cpm(i,k)*dtcld
763          endif
764        enddo
765      enddo
766!
767      cvap = cpv
768      hvap = xlv0
769      hsub = xls
770      ttp=t0c+0.01
771      dldt=cvap-cliq
772      xa=-dldt/rv
773      xb=xa+hvap/(rv*ttp)
774      dldti=cvap-cice
775      xai=-dldti/rv
776      xbi=xai+hsub/(rv*ttp)
777      do k = kts, kte
778        do i = its, ite
779          tr=ttp/t(i,k)
780          qs(i,k)=psat*(exp(log(tr)*(xa)))*exp(xb*(1.-tr))
781          qs(i,k) = min(qs(i,k),0.99*p(i,k))
782          qs(i,k) = ep2 * qs(i,k) / (p(i,k) - qs(i,k))
783          qs(i,k) = max(qs(i,k),qmin)
784          denfac(i,k) = sqrt(den0/den(i,k))
785        enddo
786      enddo
787!
788!----------------------------------------------------------------
789!  pcond: condensational/evaporational rate of cloud water [HL A46] [RH83 A6]
790!     if there exists additional water vapor condensated/if
791!     evaporation of cloud water is not enough to remove subsaturation
792!
793      do k = kts, kte
794        do i = its, ite
795          work1(i,k) = conden(t(i,k),q(i,k),qs(i,k),xl(i,k),cpm(i,k))
796          work2(i,k) = qci(i,k)+work1(i,k)
797          pcon(i,k) = min(max(work1(i,k),0.),max(q(i,k),0.))/dtcld
798          if(qci(i,k).gt.0..and.work1(i,k).lt.0.and.t(i,k).gt.t0c)             &
799            pcon(i,k) = max(work1(i,k),-qci(i,k))/dtcld
800          q(i,k) = q(i,k)-pcon(i,k)*dtcld
801          qci(i,k) = max(qci(i,k)+pcon(i,k)*dtcld,0.)
802          t(i,k) = t(i,k)+pcon(i,k)*xl(i,k)/cpm(i,k)*dtcld
803        enddo
804      enddo
805!
806!----------------------------------------------------------------
807!     padding for small values
808!
809      do k = kts, kte
810        do i = its, ite
811          if(qci(i,k).le.qmin) qci(i,k) = 0.0
812          if(qrs(i,k).le.qcrmin) qrs(i,k) = 0.0
813        enddo
814      enddo
815!
816      enddo                  ! big loops
817  END SUBROUTINE wsm32D
818! ...................................................................
819      REAL FUNCTION rgmma(x)
820!-------------------------------------------------------------------
821  IMPLICIT NONE
822!-------------------------------------------------------------------
823!     rgmma function:  use infinite product form
824      REAL :: euler
825      PARAMETER (euler=0.577215664901532)
826      REAL :: x, y
827      INTEGER :: i
828      if(x.eq.1.)then
829        rgmma=0.
830          else
831        rgmma=x*exp(euler*x)
832        do i=1,10000
833          y=float(i)
834          rgmma=rgmma*(1.000+x/y)*exp(-x/y)
835        enddo
836        rgmma=1./rgmma
837      endif
838      END FUNCTION rgmma
839!
840!--------------------------------------------------------------------------
841      REAL FUNCTION fpvs(t,ice,rd,rv,cvap,cliq,cice,hvap,hsub,psat,t0c)
842!--------------------------------------------------------------------------
843      IMPLICIT NONE
844!--------------------------------------------------------------------------
845      REAL t,rd,rv,cvap,cliq,cice,hvap,hsub,psat,t0c,dldt,xa,xb,dldti,         &
846           xai,xbi,ttp,tr
847      INTEGER ice
848! - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
849      ttp=t0c+0.01
850      dldt=cvap-cliq
851      xa=-dldt/rv
852      xb=xa+hvap/(rv*ttp)
853      dldti=cvap-cice
854      xai=-dldti/rv
855      xbi=xai+hsub/(rv*ttp)
856      tr=ttp/t
857      if(t.lt.ttp.and.ice.eq.1) then
858        fpvs=psat*(tr**xai)*exp(xbi*(1.-tr))
859      else
860        fpvs=psat*(tr**xa)*exp(xb*(1.-tr))
861      endif
862! - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
863      END FUNCTION fpvs
864!-------------------------------------------------------------------
865  SUBROUTINE wsm3init(den0,denr,dens,cl,cpv,allowed_to_read)
866!-------------------------------------------------------------------
867  IMPLICIT NONE
868!-------------------------------------------------------------------
869!.... constants which may not be tunable
870   REAL, INTENT(IN) :: den0,denr,dens,cl,cpv
871   LOGICAL, INTENT(IN) :: allowed_to_read
872
873   pi = 4.*atan(1.)
874   xlv1 = cl-cpv
875
876   qc0  = 4./3.*pi*denr*r0**3*xncr/den0  ! 0.419e-3 -- .61e-3
877   qck1 = .104*9.8*peaut/(xncr*denr)**(1./3.)/xmyu*den0**(4./3.) ! 7.03
878
879   bvtr1 = 1.+bvtr
880   bvtr2 = 2.5+.5*bvtr
881   bvtr3 = 3.+bvtr
882   bvtr4 = 4.+bvtr
883   g1pbr = rgmma(bvtr1)
884   g3pbr = rgmma(bvtr3)
885   g4pbr = rgmma(bvtr4)            ! 17.837825
886   g5pbro2 = rgmma(bvtr2)          ! 1.8273
887   pvtr = avtr*g4pbr/6.
888   eacrr = 1.0
889   pacrr = pi*n0r*avtr*g3pbr*.25*eacrr
890   precr1 = 2.*pi*n0r*.78
891   precr2 = 2.*pi*n0r*.31*avtr**.5*g5pbro2
892   xmmax = (dimax/dicon)**2
893   roqimax = 2.08e22*dimax**8
894!
895   bvts1 = 1.+bvts
896   bvts2 = 2.5+.5*bvts
897   bvts3 = 3.+bvts
898   bvts4 = 4.+bvts
899   g1pbs = rgmma(bvts1)    !.8875
900   g3pbs = rgmma(bvts3)
901   g4pbs = rgmma(bvts4)    ! 12.0786
902   g5pbso2 = rgmma(bvts2)
903   pvts = avts*g4pbs/6.
904   pacrs = pi*n0s*avts*g3pbs*.25
905   precs1 = 4.*n0s*.65
906   precs2 = 4.*n0s*.44*avts**.5*g5pbso2
907   pidn0r =  pi*denr*n0r
908   pidn0s =  pi*dens*n0s
909!
910   rslopermax = 1./lamdarmax
911   rslopesmax = 1./lamdasmax
912   rsloperbmax = rslopermax ** bvtr
913   rslopesbmax = rslopesmax ** bvts
914   rsloper2max = rslopermax * rslopermax
915   rslopes2max = rslopesmax * rslopesmax
916   rsloper3max = rsloper2max * rslopermax
917   rslopes3max = rslopes2max * rslopesmax
918!
919  END SUBROUTINE wsm3init
920!
921      subroutine slope_wsm3(qrs,den,denfac,t,rslope,rslopeb,rslope2,rslope3,vt,its,ite,kts,kte)
922  IMPLICIT NONE
923  INTEGER       ::               its,ite, jts,jte, kts,kte
924  REAL, DIMENSION( its:ite , kts:kte ) ::                                      &
925                                                                          qrs, &
926                                                                          den, &
927                                                                       denfac, &
928                                                                            t, &
929                                                                       rslope, &
930                                                                      rslopeb, &
931                                                                      rslope2, &
932                                                                      rslope3, &
933                                                                           vt
934  REAL, PARAMETER  :: t0c = 273.15
935  REAL, DIMENSION( its:ite , kts:kte ) ::                                      &
936                                                                       n0sfac
937  REAL       ::  lamdar,lamdas,x, y, z, supcol, pvt
938  integer :: i, j, k
939!----------------------------------------------------------------
940!     size distributions: (x=mixing ratio, y=air density):
941!     valid for mixing ratio > 1.e-9 kg/kg.
942!
943      lamdar(x,y)=   sqrt(sqrt(pidn0r/(x*y)))      ! (pidn0r/(x*y))**.25
944      lamdas(x,y,z)= sqrt(sqrt(pidn0s*z/(x*y)))    ! (pidn0s*z/(x*y))**.25
945!
946      do k = kts, kte
947        do i = its, ite
948          if(t(i,k).ge.t0c) then
949            pvt = pvtr
950            if(qrs(i,k).le.qcrmin)then
951              rslope(i,k) = rslopermax
952              rslopeb(i,k) = rsloperbmax
953              rslope2(i,k) = rsloper2max
954              rslope3(i,k) = rsloper3max
955            else
956              rslope(i,k) = 1./lamdar(qrs(i,k),den(i,k))
957              rslopeb(i,k) = exp(log(rslope(i,k))*(bvtr))
958              rslope2(i,k) = rslope(i,k)*rslope(i,k)
959              rslope3(i,k) = rslope2(i,k)*rslope(i,k)
960            endif
961          else
962            supcol = t0c-t(i,k)
963            n0sfac(i,k) = max(min(exp(alpha*supcol),n0smax/n0s),1.)
964            pvt = pvts
965            if(qrs(i,k).le.qcrmin)then
966              rslope(i,k) = rslopesmax
967              rslopeb(i,k) = rslopesbmax
968              rslope2(i,k) = rslopes2max
969              rslope3(i,k) = rslopes3max
970            else
971              rslope(i,k) = 1./lamdas(qrs(i,k),den(i,k),n0sfac(i,k))
972              rslopeb(i,k) = exp(log(rslope(i,k))*(bvts))
973              rslope2(i,k) = rslope(i,k)*rslope(i,k)
974              rslope3(i,k) = rslope2(i,k)*rslope(i,k)
975            endif
976          endif
977          vt(i,k) = pvt*rslopeb(i,k)*denfac(i,k)
978          if(qrs(i,k).le.0.0) vt(i,k) = 0.0
979        enddo
980      enddo
981  END subroutine slope_wsm3
982!-------------------------------------------------------------------
983      SUBROUTINE nislfv_rain_pcm(im,km,denl,denfacl,tkl,dzl,wwl,rql,precip,dt,id,iter)
984!-------------------------------------------------------------------
985!
986! for non-iteration semi-Lagrangain forward advection for cloud
987! with mass conservation and positive definite advection
988! 2nd order interpolation with monotonic piecewise linear method
989! this routine is under assumption of decfl < 1 for semi_Lagrangian
990!
991! dzl    depth of model layer in meter
992! wwl    terminal velocity at model layer m/s
993! rql    cloud density*mixing ration
994! precip precipitation
995! dt     time step
996! id     kind of precip: 0 test case; 1 raindrop
997! iter   how many time to guess mean terminal velocity: 0 pure forward.
998!        0 : use departure wind for advection
999!        1 : use mean wind for advection
1000!        > 1 : use mean wind after iter-1 iterations
1001!
1002! author: hann-ming henry juang <henry.juang@noaa.gov>
1003!         implemented by song-you hong
1004!
1005      implicit none
1006      integer  im,km,id
1007      real  dt
1008      real  dzl(im,km),wwl(im,km),rql(im,km),precip(im)
1009      real  denl(im,km),denfacl(im,km),tkl(im,km)
1010!
1011      integer  i,k,n,m,kk,kb,kt,iter
1012      real  tl,tl2,qql,dql,qqd
1013      real  th,th2,qqh,dqh
1014      real  zsum,qsum,dim,dip,c1,con1,fa1,fa2
1015      real  zsumt,qsumt,zsumb,qsumb
1016      real  allold, allnew, zz, dzamin, cflmax, decfl
1017      real  dz(km), ww(km), qq(km), wd(km), wa(km), was(km)
1018      real  den(km), denfac(km), tk(km)
1019      real  wi(km+1), zi(km+1), za(km+1)
1020      real  qn(km), qr(km),tmp(km),tmp1(km),tmp2(km),tmp3(km)
1021      real  dza(km+1), qa(km+1), qmi(km+1), qpi(km+1)
1022!
1023      precip(:) = 0.0
1024!
1025      i_loop : do i=1,im
1026! -----------------------------------
1027      dz(:) = dzl(i,:)
1028      qq(:) = rql(i,:)
1029      ww(:) = wwl(i,:)
1030      den(:) = denl(i,:)
1031      denfac(:) = denfacl(i,:)
1032      tk(:) = tkl(i,:)
1033! skip for no precipitation for all layers
1034      allold = 0.0
1035      do k=1,km
1036        allold = allold + qq(k)
1037      enddo
1038      if(allold.le.0.0) then
1039        cycle i_loop
1040      endif
1041!
1042! compute interface values
1043      zi(1)=0.0
1044      do k=1,km
1045        zi(k+1) = zi(k)+dz(k)
1046      enddo
1047!
1048! save departure wind
1049      wd(:) = ww(:)
1050      n=1
1051 100  continue
1052! pcm is 1st order, we should use 2nd order wi
1053! 2nd order interpolation to get wi
1054      wi(1) = ww(1)
1055      do k=2,km
1056        wi(k) = (ww(k)*dz(k-1)+ww(k-1)*dz(k))/(dz(k-1)+dz(k))
1057      enddo
1058      wi(km+1) = ww(km)
1059!
1060! terminate of top of raingroup
1061      do k=2,km
1062        if( ww(k).eq.0.0 ) wi(k)=ww(k-1)
1063      enddo
1064!
1065! diffusivity of wi
1066      con1 = 0.05
1067      do k=km,1,-1
1068        decfl = (wi(k+1)-wi(k))*dt/dz(k)
1069        if( decfl .gt. con1 ) then
1070          wi(k) = wi(k+1) - con1*dz(k)/dt
1071        endif
1072      enddo
1073! compute arrival point
1074      do k=1,km+1
1075        za(k) = zi(k) - wi(k)*dt
1076      enddo
1077!
1078      do k=1,km
1079        dza(k) = za(k+1)-za(k)
1080      enddo
1081      dza(km+1) = zi(km+1) - za(km+1)
1082!
1083! computer deformation at arrival point
1084      do k=1,km
1085        qa(k) = qq(k)*dz(k)/dza(k)
1086        qr(k) = qa(k)/den(k)
1087      enddo
1088      qa(km+1) = 0.0
1089!     call maxmin(km,1,qa,' arrival points ')
1090!
1091! compute arrival terminal velocity, and estimate mean terminal velocity
1092! then back to use mean terminal velocity
1093      if( n.le.iter ) then
1094        call slope_wsm3(qr,den,denfac,tk,tmp,tmp1,tmp2,tmp3,wa,1,1,1,km)
1095        if( n.eq.2 ) wa(1:km) = 0.5*(wa(1:km)+was(1:km))
1096        do k=1,km
1097!#ifdef DEBUG
1098!      print*,' slope_wsm3 ',qr(k)*1000.,den(k),denfac(k),tk(k),tmp(k),tmp1(k),tmp2(k),ww(k),wa(k)
1099!#endif
1100! mean wind is average of departure and new arrival winds
1101          ww(k) = 0.5* ( wd(k)+wa(k) )
1102        enddo
1103        was(:) = wa(:)
1104        n=n+1
1105        go to 100
1106      endif
1107!
1108!
1109! interpolation to regular point
1110      qn = 0.0
1111      kb=1
1112      kt=1
1113      intp : do k=1,km
1114             kb=max(kb-1,1)
1115             kt=max(kt-1,1)
1116! find kb and kt
1117             if( zi(k).ge.za(km+1) ) then
1118               exit intp
1119             else
1120               find_kb : do kk=kb,km
1121                         if( zi(k).le.za(kk+1) ) then
1122                           kb = kk
1123                           exit find_kb
1124                         else
1125                           cycle find_kb
1126                         endif
1127               enddo find_kb
1128               find_kt : do kk=kt,km
1129                         if( zi(k+1).le.za(kk) ) then
1130                           kt = kk
1131                           exit find_kt
1132                         else
1133                           cycle find_kt
1134                         endif
1135               enddo find_kt
1136! compute q with piecewise constant method
1137               if( kt-kb.eq.1 ) then
1138                 qn(k) = qa(kb)
1139               else if( kt-kb.ge.2 ) then
1140                 zsumb = za(kb+1)-zi(k)
1141                 qsumb = qa(kb) * zsumb
1142                 zsumt = zi(k+1)-za(kt-1)
1143                 qsumt = qa(kt-1) * zsumt
1144                 qsum = 0.0
1145                 zsum = 0.0
1146                 if( kt-kb.ge.3 ) then
1147                 do m=kb+1,kt-2
1148                   qsum = qsum + qa(m) * dza(m)
1149                   zsum = zsum + dza(m)
1150                 enddo
1151                 endif
1152                 qn(k) = (qsumb+qsum+qsumt)/(zsumb+zsum+zsumt)
1153               endif
1154               cycle intp
1155             endif
1156!
1157       enddo intp
1158!
1159! rain out
1160      sum_precip: do k=1,km
1161                    if( za(k).lt.0.0 .and. za(k+1).lt.0.0 ) then
1162                      precip(i) = precip(i) + qa(k)*dza(k)
1163                      cycle sum_precip
1164                    else if ( za(k).lt.0.0 .and. za(k+1).ge.0.0 ) then
1165                      precip(i) = precip(i) + qa(k)*(0.0-za(k))
1166                      exit sum_precip
1167                    endif
1168                    exit sum_precip
1169      enddo sum_precip
1170!
1171! replace the new values
1172      rql(i,:) = qn(:)
1173!
1174! ----------------------------------
1175      enddo i_loop
1176!
1177  END SUBROUTINE nislfv_rain_pcm
1178!-------------------------------------------------------------------
1179      SUBROUTINE nislfv_rain_plm(im,km,denl,denfacl,tkl,dzl,wwl,rql,precip,dt,id,iter)
1180!-------------------------------------------------------------------
1181!
1182! for non-iteration semi-Lagrangain forward advection for cloud
1183! with mass conservation and positive definite advection
1184! 2nd order interpolation with monotonic piecewise linear method
1185! this routine is under assumption of decfl < 1 for semi_Lagrangian
1186!
1187! dzl    depth of model layer in meter
1188! wwl    terminal velocity at model layer m/s
1189! rql    cloud density*mixing ration
1190! precip precipitation
1191! dt     time step
1192! id     kind of precip: 0 test case; 1 raindrop
1193! iter   how many time to guess mean terminal velocity: 0 pure forward.
1194!        0 : use departure wind for advection
1195!        1 : use mean wind for advection
1196!        > 1 : use mean wind after iter-1 iterations
1197!
1198! author: hann-ming henry juang <henry.juang@noaa.gov>
1199!         implemented by song-you hong
1200!
1201      implicit none
1202      integer  im,km,id
1203      real  dt
1204      real  dzl(im,km),wwl(im,km),rql(im,km),precip(im)
1205      real  denl(im,km),denfacl(im,km),tkl(im,km)
1206!
1207      integer  i,k,n,m,kk,kb,kt,iter
1208      real  tl,tl2,qql,dql,qqd
1209      real  th,th2,qqh,dqh
1210      real  zsum,qsum,dim,dip,c1,con1,fa1,fa2
1211      real  allold, allnew, zz, dzamin, cflmax, decfl
1212      real  dz(km), ww(km), qq(km), wd(km), wa(km), was(km)
1213      real  den(km), denfac(km), tk(km)
1214      real  wi(km+1), zi(km+1), za(km+1)
1215      real  qn(km), qr(km),tmp(km),tmp1(km),tmp2(km),tmp3(km)
1216      real  dza(km+1), qa(km+1), qmi(km+1), qpi(km+1)
1217!
1218      precip(:) = 0.0
1219!
1220      i_loop : do i=1,im
1221! -----------------------------------
1222      dz(:) = dzl(i,:)
1223      qq(:) = rql(i,:)
1224      ww(:) = wwl(i,:)
1225      den(:) = denl(i,:)
1226      denfac(:) = denfacl(i,:)
1227      tk(:) = tkl(i,:)
1228! skip for no precipitation for all layers
1229      allold = 0.0
1230      do k=1,km
1231        allold = allold + qq(k)
1232      enddo
1233      if(allold.le.0.0) then
1234        cycle i_loop
1235      endif
1236!
1237! compute interface values
1238      zi(1)=0.0
1239      do k=1,km
1240        zi(k+1) = zi(k)+dz(k)
1241      enddo
1242!
1243! save departure wind
1244      wd(:) = ww(:)
1245      n=1
1246 100  continue
1247! plm is 2nd order, we can use 2nd order wi or 3rd order wi
1248! 2nd order interpolation to get wi
1249      wi(1) = ww(1)
1250      wi(km+1) = ww(km)
1251      do k=2,km
1252        wi(k) = (ww(k)*dz(k-1)+ww(k-1)*dz(k))/(dz(k-1)+dz(k))
1253      enddo
1254! 3rd order interpolation to get wi
1255      fa1 = 9./16.
1256      fa2 = 1./16.
1257      wi(1) = ww(1)
1258      wi(2) = 0.5*(ww(2)+ww(1))
1259      do k=3,km-1
1260        wi(k) = fa1*(ww(k)+ww(k-1))-fa2*(ww(k+1)+ww(k-2))
1261      enddo
1262      wi(km) = 0.5*(ww(km)+ww(km-1))
1263      wi(km+1) = ww(km)
1264!
1265! terminate of top of raingroup
1266      do k=2,km
1267        if( ww(k).eq.0.0 ) wi(k)=ww(k-1)
1268      enddo
1269!
1270! diffusivity of wi
1271      con1 = 0.05
1272      do k=km,1,-1
1273        decfl = (wi(k+1)-wi(k))*dt/dz(k)
1274        if( decfl .gt. con1 ) then
1275          wi(k) = wi(k+1) - con1*dz(k)/dt
1276        endif
1277      enddo
1278! compute arrival point
1279      do k=1,km+1
1280        za(k) = zi(k) - wi(k)*dt
1281      enddo
1282!
1283      do k=1,km
1284        dza(k) = za(k+1)-za(k)
1285      enddo
1286      dza(km+1) = zi(km+1) - za(km+1)
1287!
1288! computer deformation at arrival point
1289      do k=1,km
1290        qa(k) = qq(k)*dz(k)/dza(k)
1291        qr(k) = qa(k)/den(k)
1292      enddo
1293      qa(km+1) = 0.0
1294!     call maxmin(km,1,qa,' arrival points ')
1295!
1296! compute arrival terminal velocity, and estimate mean terminal velocity
1297! then back to use mean terminal velocity
1298      if( n.le.iter ) then
1299        call slope_wsm3(qr,den,denfac,tk,tmp,tmp1,tmp2,tmp3,wa,1,1,1,km)
1300        if( n.ge.2 ) wa(1:km)=0.5*(wa(1:km)+was(1:km))
1301        do k=1,km
1302!#ifdef DEBUG
1303!        print*,' slope_wsm3 ',qr(k)*1000.,den(k),denfac(k),tk(k),tmp(k),tmp1(k),tmp2(k),ww(k),wa(k)
1304!#endif
1305! mean wind is average of departure and new arrival winds
1306          ww(k) = 0.5* ( wd(k)+wa(k) )
1307        enddo
1308        was(:) = wa(:)
1309        n=n+1
1310        go to 100
1311      endif
1312!
1313! estimate values at arrival cell interface with monotone
1314      do k=2,km
1315        dip=(qa(k+1)-qa(k))/(dza(k+1)+dza(k))
1316        dim=(qa(k)-qa(k-1))/(dza(k-1)+dza(k))
1317        if( dip*dim.le.0.0 ) then
1318          qmi(k)=qa(k)
1319          qpi(k)=qa(k)
1320        else
1321          qpi(k)=qa(k)+0.5*(dip+dim)*dza(k)
1322          qmi(k)=2.0*qa(k)-qpi(k)
1323          if( qpi(k).lt.0.0 .or. qmi(k).lt.0.0 ) then
1324            qpi(k) = qa(k)
1325            qmi(k) = qa(k)
1326          endif
1327        endif
1328      enddo
1329      qpi(1)=qa(1)
1330      qmi(1)=qa(1)
1331      qmi(km+1)=qa(km+1)
1332      qpi(km+1)=qa(km+1)
1333!
1334! interpolation to regular point
1335      qn = 0.0
1336      kb=1
1337      kt=1
1338      intp : do k=1,km
1339             kb=max(kb-1,1)
1340             kt=max(kt-1,1)
1341! find kb and kt
1342             if( zi(k).ge.za(km+1) ) then
1343               exit intp
1344             else
1345               find_kb : do kk=kb,km
1346                         if( zi(k).le.za(kk+1) ) then
1347                           kb = kk
1348                           exit find_kb
1349                         else
1350                           cycle find_kb
1351                         endif
1352               enddo find_kb
1353               find_kt : do kk=kt,km
1354                         if( zi(k+1).le.za(kk) ) then
1355                           kt = kk
1356                           exit find_kt
1357                         else
1358                           cycle find_kt
1359                         endif
1360               enddo find_kt
1361               kt = kt - 1
1362! compute q with piecewise constant method
1363               if( kt.eq.kb ) then
1364                 tl=(zi(k)-za(kb))/dza(kb)
1365                 th=(zi(k+1)-za(kb))/dza(kb)
1366                 tl2=tl*tl
1367                 th2=th*th
1368                 qqd=0.5*(qpi(kb)-qmi(kb))
1369                 qqh=qqd*th2+qmi(kb)*th
1370                 qql=qqd*tl2+qmi(kb)*tl
1371                 qn(k) = (qqh-qql)/(th-tl)
1372               else if( kt.gt.kb ) then
1373                 tl=(zi(k)-za(kb))/dza(kb)
1374                 tl2=tl*tl
1375                 qqd=0.5*(qpi(kb)-qmi(kb))
1376                 qql=qqd*tl2+qmi(kb)*tl
1377                 dql = qa(kb)-qql
1378                 zsum  = (1.-tl)*dza(kb)
1379                 qsum  = dql*dza(kb)
1380                 if( kt-kb.gt.1 ) then
1381                 do m=kb+1,kt-1
1382                   zsum = zsum + dza(m)
1383                   qsum = qsum + qa(m) * dza(m)
1384                 enddo
1385                 endif
1386                 th=(zi(k+1)-za(kt))/dza(kt)
1387                 th2=th*th
1388                 qqd=0.5*(qpi(kt)-qmi(kt))
1389                 dqh=qqd*th2+qmi(kt)*th
1390                 zsum  = zsum + th*dza(kt)
1391                 qsum  = qsum + dqh*dza(kt)
1392                 qn(k) = qsum/zsum
1393               endif
1394               cycle intp
1395             endif
1396!
1397       enddo intp
1398!
1399! rain out
1400      sum_precip: do k=1,km
1401                    if( za(k).lt.0.0 .and. za(k+1).lt.0.0 ) then
1402                      precip(i) = precip(i) + qa(k)*dza(k)
1403                      cycle sum_precip
1404                    else if ( za(k).lt.0.0 .and. za(k+1).ge.0.0 ) then
1405                      precip(i) = precip(i) + qa(k)*(0.0-za(k))
1406                      exit sum_precip
1407                    endif
1408                    exit sum_precip
1409      enddo sum_precip
1410!
1411! replace the new values
1412      rql(i,:) = qn(:)
1413!
1414! ----------------------------------
1415      enddo i_loop
1416!
1417  END SUBROUTINE nislfv_rain_plm
1418!
1419END MODULE module_mp_wsm3
1420#endif
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.