source: palm/trunk/SOURCE/calc_spectra.f90 @ 144

Last change on this file since 144 was 144, checked in by letzel, 14 years ago

User-defined spectra.

Bugfix: extra '*' removed in user_statistics sample code (user_interface).

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 10.5 KB
Line 
1 SUBROUTINE calc_spectra
2
3!------------------------------------------------------------------------------!
4! Actual revisions:
5! -----------------
6! user-defined spectra
7!
8! Former revisions:
9! -----------------
10! $Id: calc_spectra.f90 144 2008-01-04 04:29:45Z letzel $
11! RCS Log replace by Id keyword, revision history cleaned up
12!
13! Revision 1.9  2006/04/11 14:56:00  raasch
14! pl_spectra renamed data_output_sp
15!
16! Revision 1.1  2001/01/05 15:08:07  raasch
17! Initial revision
18!
19!
20! Description:
21! ------------
22! Calculate horizontal spectra along x and y.
23! ATTENTION: 1d-decomposition along y still needs improvement, because in that
24!            case the gridpoint number along z still depends on the PE number
25!            because transpose_xz has to be used (and possibly also
26!            transpose_zyd needs modification).
27!------------------------------------------------------------------------------!
28
29#if defined( __spectra )
30    USE arrays_3d
31    USE control_parameters
32    USE cpulog
33    USE fft_xy
34    USE indices
35    USE interfaces
36    USE pegrid
37    USE spectrum
38
39    IMPLICIT NONE
40
41    INTEGER ::  m, pr
42
43
44    CALL cpu_log( log_point(30), 'calc_spectra', 'start' )
45
46!
47!-- Initialize ffts
48    CALL fft_init
49
50!
51!-- Enlarge the size of tend, used as a working array for the transpositions
52    IF ( nxra > nxr  .OR.  nyna > nyn  .OR.  nza > nz )  THEN
53       DEALLOCATE( tend )
54       ALLOCATE( tend(1:nza,nys:nyna,nxl:nxra) )
55    ENDIF
56
57    m = 1
58    DO WHILE ( data_output_sp(m) /= ' '  .AND.  m <= 10 )
59!
60!--    Transposition from z --> x  ( y --> x in case of a 1d-decomposition
61!--    along x)
62       IF ( INDEX( spectra_direction(m), 'x' ) /= 0 )  THEN
63
64!
65!--       Calculation of spectra works for cyclic boundary conditions only
66          IF ( bc_lr /= 'cyclic' )  THEN
67             IF ( myid == 0 )  THEN
68                PRINT*, '+++ calc_spectra:'
69                PRINT*, '    non-cyclic lateral boundaries along x do not ', &
70                             'allow calculation of spectra along x' 
71             ENDIF
72             CALL local_stop
73          ENDIF
74
75          CALL preprocess_spectra( m, pr )
76
77#if defined( __parallel )
78          IF ( pdims(2) /= 1 )  THEN
79             CALL transpose_zx( d, tend, d, tend, d )
80          ELSE
81             CALL transpose_yxd( d, tend, d, tend, d )
82          ENDIF
83          CALL calc_spectra_x( d, pr, m )
84#else
85          PRINT*, '+++ calc_spectra: sorry, calculation of spectra ', &
86                                    'in non parallel mode'
87          PRINT*, '                  is still not realized'
88          CALL local_stop
89#endif
90
91       ENDIF
92
93!
94!--    Transposition from z --> y (d is rearranged only in case of a
95!--    1d-decomposition along x)
96       IF ( INDEX( spectra_direction(m), 'y' ) /= 0 )  THEN
97
98!
99!--       Calculation of spectra works for cyclic boundary conditions only
100          IF ( bc_ns /= 'cyclic' )  THEN
101             IF ( myid == 0 )  THEN
102                PRINT*, '+++ calc_spectra:'
103                PRINT*, '    non-cyclic lateral boundaries along y do not ', &
104                             'allow calculation of spectra along y' 
105             ENDIF
106             CALL local_stop
107          ENDIF
108
109          CALL preprocess_spectra( m, pr )
110
111#if defined( __parallel )
112          CALL transpose_zyd( d, tend, d, tend, d )
113          CALL calc_spectra_y( d, pr, m )
114#else
115          PRINT*, '+++ calc_spectra: sorry, calculation of spectra', &
116                                    'in non parallel mode'
117          PRINT*, '                  still not realized'
118          CALL local_stop
119#endif
120
121       ENDIF
122
123!
124!--    Increase counter for next spectrum
125       m = m + 1
126         
127    ENDDO
128
129!
130!-- Increase counter for averaging process in routine plot_spectra
131    average_count_sp = average_count_sp + 1
132
133!
134!-- Resize tend to its normal size
135    IF ( nxra > nxr  .OR.  nyna > nyn  .OR.  nza > nz )  THEN
136       DEALLOCATE( tend )
137       ALLOCATE( tend(nzb:nzt+1,nys-1:nyn+1,nxl-1:nxr+1) )
138    ENDIF
139
140    CALL cpu_log( log_point(30), 'calc_spectra', 'stop' )
141
142#endif
143 END SUBROUTINE calc_spectra
144
145
146#if defined( __spectra )
147 SUBROUTINE preprocess_spectra( m, pr )
148
149    USE arrays_3d
150    USE indices
151    USE pegrid
152    USE spectrum
153    USE statistics
154
155    IMPLICIT NONE
156
157    INTEGER :: i, j, k, m, pr
158
159    SELECT CASE ( TRIM( data_output_sp(m) ) )
160         
161    CASE ( 'u' )
162       pr = 1
163       d(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr) = u(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr)
164       
165    CASE ( 'v' )
166       pr = 2
167       d(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr) = v(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr)
168       
169    CASE ( 'w' )
170       pr = 3
171       d(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr) = w(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr)
172       
173    CASE ( 'pt' )
174       pr = 4
175       d(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr) = pt(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr)
176       
177    CASE ( 'q' )
178       pr = 41
179       d(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr) = q(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr)
180       
181    CASE DEFAULT
182!
183!--    The DEFAULT case is reached either if the parameter data_output_sp(m)
184!--    contains a wrong character string or if the user has coded a special
185!--    case in the user interface. There, the subroutine user_spectra
186!--    checks which of these two conditions applies.
187       CALL user_spectra( 'preprocess', m, pr )
188         
189    END SELECT
190
191!
192!-- Subtract horizontal mean from the array, for which spectra have to be
193!-- calculated
194    DO  i = nxl, nxr
195       DO  j = nys, nyn
196          DO  k = nzb+1, nzt
197             d(k,j,i) = d(k,j,i) - sums(k,pr)
198          ENDDO
199       ENDDO
200    ENDDO
201
202 END SUBROUTINE preprocess_spectra
203
204
205 SUBROUTINE calc_spectra_x( ddd, pr, m )
206
207    USE arrays_3d
208    USE constants
209    USE control_parameters
210    USE fft_xy
211    USE grid_variables
212    USE indices
213    USE pegrid
214    USE spectrum
215    USE statistics
216    USE transpose_indices
217
218    IMPLICIT NONE
219
220    INTEGER                    ::  i, ishape(1), j, k, m, n, pr
221
222    REAL                       ::  fac, exponent
223    REAL, DIMENSION(0:nx)      ::  work
224    REAL, DIMENSION(0:nx/2)    ::  sums_spectra_l
225    REAL, DIMENSION(0:nx/2,10) ::  sums_spectra
226
227    REAL, DIMENSION(0:nxa,nys_x:nyn_xa,nzb_x:nzt_xa) ::  ddd
228
229!
230!-- Exponent for geometric average
231    exponent = 1.0 / ( nx + 1.0 )
232
233!
234!-- Loop over all levels defined by the user
235    n = 1
236    DO WHILE ( comp_spectra_level(n) /= 999999  .AND.  n <= 10 )
237
238       k = comp_spectra_level(n)
239
240!
241!--    Calculate FFT only if the corresponding level is situated on this PE
242       IF ( k >= nzb_x  .AND.  k <= nzt_x )  THEN
243         
244          DO  j = nys_x, nyn_x
245
246             work = ddd(0:nx,j,k)
247             CALL fft_x( work, 'forward' )
248
249             ddd(0,j,k) = dx * work(0)**2
250             DO  i = 1, nx/2
251                ddd(i,j,k) = dx * ( work(i)**2 + work(nx+1-i)**2 )
252             ENDDO
253
254          ENDDO
255
256!
257!--       Local sum and geometric average of these spectra
258!--       (WARNING: no global sum should be performed, because floating
259!--       point overflow may occur)
260          DO  i = 0, nx/2
261
262             sums_spectra_l(i) = 1.0
263             DO  j = nys_x, nyn_x
264                sums_spectra_l(i) = sums_spectra_l(i) * ddd(i,j,k)**exponent
265             ENDDO
266
267          ENDDO
268         
269       ELSE
270
271          sums_spectra_l = 1.0
272
273       ENDIF
274
275!
276!--    Global sum of spectra on PE0 (from where they are written on file)
277       sums_spectra(:,n) = 0.0
278#if defined( __parallel )   
279       CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )  ! Necessary?
280       CALL MPI_REDUCE( sums_spectra_l(0), sums_spectra(0,n), nx/2+1, &
281                        MPI_REAL, MPI_PROD, 0, comm2d, ierr )
282#else
283       sums_spectra(:,n) = sums_spectra_l
284#endif
285
286       n = n + 1
287
288    ENDDO
289    n = n - 1
290
291    IF ( myid == 0 )  THEN
292!
293!--    Sum of spectra for later averaging (see routine plot_spectra)
294!--    Temperton fft results need to be normalized
295       IF ( fft_method == 'temperton-algorithm' )  THEN
296          fac = nx + 1.0
297       ELSE
298          fac = 1.0
299       ENDIF
300       DO  i = 1, nx/2
301          DO k = 1, n
302             spectrum_x(i,k,m) = spectrum_x(i,k,m) + sums_spectra(i,k) * fac
303          ENDDO
304       ENDDO
305
306    ENDIF
307
308!
309!-- n_sp_x is needed by plot_spectra_x
310    n_sp_x = n
311
312 END SUBROUTINE calc_spectra_x
313
314
315 SUBROUTINE calc_spectra_y( ddd, pr, m )
316
317    USE arrays_3d
318    USE constants
319    USE control_parameters
320    USE fft_xy
321    USE grid_variables
322    USE indices
323    USE pegrid
324    USE spectrum
325    USE statistics
326    USE transpose_indices
327
328    IMPLICIT NONE
329
330    INTEGER :: i, j, jshape(1), k, m, n, pr
331
332    REAL                       ::  fac, exponent
333    REAL, DIMENSION(0:ny)      ::  work
334    REAL, DIMENSION(0:ny/2)    ::  sums_spectra_l
335    REAL, DIMENSION(0:ny/2,10) ::  sums_spectra
336
337    REAL, DIMENSION(0:nya,nxl_yd:nxr_yda,nzb_yd:nzt_yda) :: ddd
338
339
340!
341!-- Exponent for geometric average
342    exponent = 1.0 / ( nx + 1.0 )
343
344!
345!-- Loop over all levels defined by the user
346    n = 1
347    DO WHILE ( comp_spectra_level(n) /= 999999  .AND.  n <= 10 )
348
349       k = comp_spectra_level(n)
350
351!
352!--    Calculate FFT only if the corresponding level is situated on this PE
353       IF ( k >= nzb_yd  .AND.  k <= nzt_yd )  THEN
354         
355          DO  i = nxl_yd, nxr_yd
356
357             work = ddd(0:ny,i,k)
358             CALL fft_y( work, 'forward' )
359
360             ddd(0,i,k) = dy * work(0)**2
361             DO  j = 1, ny/2
362                ddd(j,i,k) = dy * ( work(j)**2 + work(ny+1-j)**2 )
363             ENDDO
364
365          ENDDO
366
367!
368!--       Local sum and geometric average of these spectra
369!--       (WARNING: no global sum should be performed, because floating
370!--       point overflow may occur)
371          DO  j = 0, ny/2
372
373             sums_spectra_l(j) = 1.0
374             DO  i = nxl_yd, nxr_yd
375                sums_spectra_l(j) = sums_spectra_l(j) * ddd(j,i,k)**exponent
376             ENDDO
377
378          ENDDO
379         
380       ELSE
381
382          sums_spectra_l = 1.0
383
384       ENDIF
385
386!
387!--    Global sum of spectra on PE0 (from where they are written on file)
388       sums_spectra(:,n) = 0.0
389#if defined( __parallel )   
390       CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )  ! Necessary?
391       CALL MPI_REDUCE( sums_spectra_l(0), sums_spectra(0,n), ny/2+1, &
392                        MPI_REAL, MPI_PROD, 0, comm2d, ierr )
393#else
394       sums_spectra(:,n) = sums_spectra_l
395#endif
396
397       n = n + 1
398
399    ENDDO
400    n = n - 1
401
402
403    IF ( myid == 0 )  THEN
404!
405!--    Sum of spectra for later averaging (see routine plot_spectra)
406!--    Temperton fft results need to be normalized
407       IF ( fft_method == 'temperton-algorithm' )  THEN
408          fac = ny + 1.0
409       ELSE
410          fac = 1.0
411       ENDIF
412       DO  j = 1, ny/2
413          DO k = 1, n
414             spectrum_y(j,k,m) = spectrum_y(j,k,m) + sums_spectra(j,k) * fac
415          ENDDO
416       ENDDO
417
418    ENDIF
419
420!
421!-- n_sp_y is needed by plot_spectra_y
422    n_sp_y = n
423
424 END SUBROUTINE calc_spectra_y
425#endif
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.