source: palm/trunk/SOURCE/calc_spectra.f90 @ 1683

Last change on this file since 1683 was 1683, checked in by knoop, 6 years ago

last commit documented

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 16.6 KB
Line 
1!> @file calc_spectra.f90
2!--------------------------------------------------------------------------------!
3! This file is part of PALM.
4!
5! PALM is free software: you can redistribute it and/or modify it under the terms
6! of the GNU General Public License as published by the Free Software Foundation,
7! either version 3 of the License, or (at your option) any later version.
8!
9! PALM is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY
10! WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR
11! A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License for more details.
12!
13! You should have received a copy of the GNU General Public License along with
14! PALM. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
15!
16! Copyright 1997-2014 Leibniz Universitaet Hannover
17!--------------------------------------------------------------------------------!
18!
19! Current revisions:
20! -----------------
21!
22!
23! Former revisions:
24! -----------------
25! $Id: calc_spectra.f90 1683 2015-10-07 23:57:51Z knoop $
26!
27! 1682 2015-10-07 23:56:08Z knoop
28! Code annotations made doxygen readable
29!
30! 1575 2015-03-27 09:56:27Z raasch
31! adjustments for psolver-queries
32!
33! 1511 2014-12-16 15:54:16Z suehring
34! Bugfix concerning spectra normalization
35!
36! 1431 2014-07-15 14:47:17Z suehring
37! Wavenumber-integrated spectra coincide with respective variance.
38!
39! 1342 2014-03-26 17:04:47Z kanani
40! REAL constants defined as wp-kinds
41!
42! 1324 2014-03-21 09:13:16Z suehring
43! Bugfix: nzb_x, nzb_yd, nyn_x, nyn_x, nzt_x, nzt_yd belong to transpose_indices
44!
45! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
46! ONLY-attribute added to USE-statements,
47! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
48! kinds are defined in new module kinds,
49! revision history before 2012 removed,
50! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
51! all variable declaration statements
52!
53! 1318 2014-03-17 13:35:16Z raasch
54! module interfaces removed
55!
56! 1216 2013-08-26 09:31:42Z raasch
57! resorting of array moved to separate routine resort_for_zx,
58! one argument removed from the transpose_..d routines
59!
60! 1120 2013-04-05 15:11:35Z raasch
61! bugfix: calls of fft_x|y replaced by fft_x|y_1d
62!
63! 1036 2012-10-22 13:43:42Z raasch
64! code put under GPL (PALM 3.9)
65!
66! 1003 2012-09-14 14:35:53Z raasch
67! adjustment of array tend for cases with unequal subdomain sizes removed
68!
69! Revision 1.1  2001/01/05 15:08:07  raasch
70! Initial revision
71!
72!
73! Description:
74! ------------
75!> Calculate horizontal spectra along x and y.
76!> ATTENTION: 1d-decomposition along y still needs improvement, because in that
77!>            case the gridpoint number along z still depends on the PE number
78!>            because transpose_xz has to be used (and possibly also
79!>            transpose_zyd needs modification).
80!------------------------------------------------------------------------------!
81 SUBROUTINE calc_spectra
82 
83
84#if defined( __spectra )
85    USE arrays_3d,                                                             &
86        ONLY:  d, tend
87
88    USE control_parameters,                                                    &
89        ONLY:  average_count_sp, bc_lr_cyc, bc_ns_cyc, message_string, psolver
90
91    USE cpulog,                                                                &
92        ONLY:  cpu_log, log_point
93
94    USE fft_xy,                                                                &
95        ONLY:  fft_init
96
97    USE indices,                                                               &
98        ONLY:  nxl, nxr, nyn, nys, nzb, nzt
99
100    USE kinds
101
102    USE pegrid
103
104    USE spectrum,                                                              &
105        ONLY:  data_output_sp, spectra_direction
106
107
108    IMPLICIT NONE
109
110    INTEGER(iwp) ::  m  !<
111    INTEGER(iwp) ::  pr !<
112
113
114    CALL cpu_log( log_point(30), 'calc_spectra', 'start' )
115
116!
117!-- Initialize ffts
118    CALL fft_init
119
120!
121!-- Reallocate array d in required size
122    IF ( psolver(1:9) == 'multigrid' )  THEN
123       DEALLOCATE( d )
124       ALLOCATE( d(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr) )
125    ENDIF
126
127    m = 1
128    DO WHILE ( data_output_sp(m) /= ' '  .AND.  m <= 10 )
129!
130!--    Transposition from z --> x  ( y --> x in case of a 1d-decomposition
131!--    along x)
132       IF ( INDEX( spectra_direction(m), 'x' ) /= 0 )  THEN
133
134!
135!--       Calculation of spectra works for cyclic boundary conditions only
136          IF ( .NOT. bc_lr_cyc )  THEN
137
138             message_string = 'non-cyclic lateral boundaries along x do not'// &
139                              '& allow calculation of spectra along x'
140             CALL message( 'calc_spectra', 'PA0160', 1, 2, 0, 6, 0 )
141          ENDIF
142
143          CALL preprocess_spectra( m, pr )
144
145#if defined( __parallel )
146          IF ( pdims(2) /= 1 )  THEN
147             CALL resort_for_zx( d, tend )
148             CALL transpose_zx( tend, d )
149          ELSE
150             CALL transpose_yxd( d, d )
151          ENDIF
152          CALL calc_spectra_x( d, pr, m )
153#else
154          message_string = 'sorry, calculation of spectra in non parallel ' // &
155                           'mode& is still not realized'
156          CALL message( 'calc_spectra', 'PA0161', 1, 2, 0, 6, 0 )     
157#endif
158
159       ENDIF
160
161!
162!--    Transposition from z --> y (d is rearranged only in case of a
163!--    1d-decomposition along x)
164       IF ( INDEX( spectra_direction(m), 'y' ) /= 0 )  THEN
165
166!
167!--       Calculation of spectra works for cyclic boundary conditions only
168          IF ( .NOT. bc_ns_cyc )  THEN
169             IF ( myid == 0 )  THEN
170                message_string = 'non-cyclic lateral boundaries along y do' // &
171                                 ' not & allow calculation of spectra along y' 
172                CALL message( 'calc_spectra', 'PA0162', 1, 2, 0, 6, 0 )
173             ENDIF
174             CALL local_stop
175          ENDIF
176
177          CALL preprocess_spectra( m, pr )
178
179#if defined( __parallel )
180          CALL transpose_zyd( d, d )
181          CALL calc_spectra_y( d, pr, m )
182#else
183          message_string = 'sorry, calculation of spectra in non parallel' //  &
184                           'mode& is still not realized'
185          CALL message( 'calc_spectra', 'PA0161', 1, 2, 0, 6, 0 )
186#endif
187
188       ENDIF
189
190!
191!--    Increase counter for next spectrum
192       m = m + 1
193         
194    ENDDO
195
196!
197!-- Increase counter for averaging process in routine plot_spectra
198    average_count_sp = average_count_sp + 1
199
200    CALL cpu_log( log_point(30), 'calc_spectra', 'stop' )
201
202#endif
203 END SUBROUTINE calc_spectra
204
205
206#if defined( __spectra )
207!------------------------------------------------------------------------------!
208! Description:
209! ------------
210!> @todo Missing subroutine description.
211!------------------------------------------------------------------------------!
212 SUBROUTINE preprocess_spectra( m, pr )
213
214    USE arrays_3d,                                                             &
215        ONLY:  d, pt, q, u, v, w
216
217    USE indices,                                                               &
218        ONLY:  ngp_2dh, nxl, nxr, nyn, nys, nzb, nzt
219
220    USE kinds
221
222    USE pegrid
223
224    USE spectrum,                                                              &
225        ONLY:  data_output_sp
226
227    USE statistics,                                                            &
228        ONLY:  hom, var_d
229
230
231    IMPLICIT NONE
232
233    INTEGER(iwp) :: i  !<
234    INTEGER(iwp) :: j  !<
235    INTEGER(iwp) :: k  !<
236    INTEGER(iwp) :: m  !<
237    INTEGER(iwp) :: pr !<
238
239    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) :: var_d_l
240
241    SELECT CASE ( TRIM( data_output_sp(m) ) )
242         
243    CASE ( 'u' )
244       pr = 1
245       d(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr) = u(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr)
246       
247    CASE ( 'v' )
248       pr = 2
249       d(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr) = v(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr)
250       
251    CASE ( 'w' )
252       pr = 3
253       d(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr) = w(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr)
254       
255    CASE ( 'pt' )
256       pr = 4
257       d(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr) = pt(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr)
258       
259    CASE ( 'q' )
260       pr = 41
261       d(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr) = q(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr)
262       
263    CASE DEFAULT
264!
265!--    The DEFAULT case is reached either if the parameter data_output_sp(m)
266!--    contains a wrong character string or if the user has coded a special
267!--    case in the user interface. There, the subroutine user_spectra
268!--    checks which of these two conditions applies.
269       CALL user_spectra( 'preprocess', m, pr )
270         
271    END SELECT
272
273!
274!-- Subtract horizontal mean from the array, for which spectra have to be
275!-- calculated
276    var_d_l(:) = 0.0_wp
277    DO  i = nxl, nxr
278       DO  j = nys, nyn
279          DO  k = nzb+1, nzt
280             d(k,j,i)   = d(k,j,i) - hom(k,1,pr,0)
281             var_d_l(k) = var_d_l(k) + d(k,j,i) * d(k,j,i)
282          ENDDO
283       ENDDO
284    ENDDO
285!
286!-- Compute total variance from local variances
287    var_d(:) = 0.0_wp
288#if defined( __parallel )
289    IF ( collective_wait )  CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
290    CALL MPI_ALLREDUCE( var_d_l(0), var_d(0), nzt+1-nzb, MPI_REAL,   &
291                        MPI_SUM, comm2d, ierr )
292#else
293    var_d(:) = var_d_l(:)
294#endif
295    var_d(:) = var_d(:) / ngp_2dh(0)
296
297 END SUBROUTINE preprocess_spectra
298
299
300!------------------------------------------------------------------------------!
301! Description:
302! ------------
303!> @todo Missing subroutine description.
304!------------------------------------------------------------------------------!
305 SUBROUTINE calc_spectra_x( ddd, pr, m )
306
307    USE arrays_3d,                                                             &
308        ONLY: 
309
310    USE control_parameters,                                                    &
311        ONLY:  fft_method
312
313    USE fft_xy,                                                                &
314        ONLY:  fft_x_1d
315
316    USE grid_variables,                                                        &
317        ONLY:  dx
318
319    USE indices,                                                               &
320        ONLY:  nx, ny
321
322    USE kinds
323
324    USE pegrid
325
326    USE spectrum,                                                              &
327        ONLY:  comp_spectra_level, n_sp_x
328
329    USE statistics,                                                            &
330        ONLY:  spectrum_x, var_d
331
332    USE transpose_indices,                                                     &
333        ONLY:  nyn_x, nys_x, nzb_x, nzt_x
334
335
336    IMPLICIT NONE
337
338    INTEGER(iwp) ::  i         !<
339    INTEGER(iwp) ::  ishape(1) !<
340    INTEGER(iwp) ::  j         !<
341    INTEGER(iwp) ::  k         !<
342    INTEGER(iwp) ::  m         !<
343    INTEGER(iwp) ::  n         !<
344    INTEGER(iwp) ::  pr        !<
345
346    REAL(wp) ::  exponent     !<
347    REAL(wp) ::  sum_spec_dum !< wavenumber-integrated spectrum
348   
349    REAL(wp), DIMENSION(0:nx) ::  work !<
350   
351    REAL(wp), DIMENSION(0:nx/2) ::  sums_spectra_l !<
352   
353    REAL(wp), DIMENSION(0:nx/2,100) ::  sums_spectra !<
354   
355    REAL(wp), DIMENSION(0:nx,nys_x:nyn_x,nzb_x:nzt_x) ::  ddd !<
356
357!
358!-- Exponent for geometric average
359    exponent = 1.0_wp / ( ny + 1.0_wp )
360
361!
362!-- Loop over all levels defined by the user
363    n = 1
364    DO WHILE ( comp_spectra_level(n) /= 999999  .AND.  n <= 100 )
365
366       k = comp_spectra_level(n)
367
368!
369!--    Calculate FFT only if the corresponding level is situated on this PE
370       IF ( k >= nzb_x  .AND.  k <= nzt_x )  THEN
371         
372          DO  j = nys_x, nyn_x
373
374             work = ddd(0:nx,j,k)
375             CALL fft_x_1d( work, 'forward' )
376
377             ddd(0,j,k) = dx * work(0)**2
378             DO  i = 1, nx/2
379                ddd(i,j,k) = dx * ( work(i)**2 + work(nx+1-i)**2 )
380             ENDDO
381
382          ENDDO
383
384!
385!--       Local sum and geometric average of these spectra
386!--       (WARNING: no global sum should be performed, because floating
387!--       point overflow may occur)
388          DO  i = 0, nx/2
389
390             sums_spectra_l(i) = 1.0_wp
391             DO  j = nys_x, nyn_x
392                sums_spectra_l(i) = sums_spectra_l(i) * ddd(i,j,k)**exponent
393             ENDDO
394
395          ENDDO
396         
397       ELSE
398
399          sums_spectra_l = 1.0_wp
400
401       ENDIF
402
403!
404!--    Global sum of spectra on PE0 (from where they are written on file)
405       sums_spectra(:,n) = 0.0_wp
406#if defined( __parallel )   
407       CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )  ! Necessary?
408       CALL MPI_REDUCE( sums_spectra_l(0), sums_spectra(0,n), nx/2+1,          &
409                        MPI_REAL, MPI_PROD, 0, comm2d, ierr )
410#else
411       sums_spectra(:,n) = sums_spectra_l
412#endif
413!
414!--    Normalize spectra by variance
415       sum_spec_dum = SUM( sums_spectra(:,n) )
416       IF ( sum_spec_dum /= 0.0_wp )  THEN
417          sums_spectra(:,n) = sums_spectra(:,n) * var_d(k) / sum_spec_dum
418       ENDIF
419       n = n + 1
420
421    ENDDO
422    n = n - 1
423
424    IF ( myid == 0 )  THEN
425!
426!--    Sum of spectra for later averaging (see routine data_output_spectra)
427       DO  i = 1, nx/2
428          DO k = 1, n
429             spectrum_x(i,k,m) = spectrum_x(i,k,m) + sums_spectra(i,k)
430          ENDDO
431       ENDDO
432
433    ENDIF
434!
435!-- n_sp_x is needed by data_output_spectra_x
436    n_sp_x = n
437
438 END SUBROUTINE calc_spectra_x
439
440
441!------------------------------------------------------------------------------!
442! Description:
443! ------------
444!> @todo Missing subroutine description.
445!------------------------------------------------------------------------------!
446 SUBROUTINE calc_spectra_y( ddd, pr, m )
447
448    USE arrays_3d,                                                             &
449        ONLY: 
450
451    USE control_parameters,                                                    &
452        ONLY:  fft_method
453
454    USE fft_xy,                                                                &
455        ONLY:  fft_y_1d
456
457    USE grid_variables,                                                        &
458        ONLY:  dy
459
460    USE indices,                                                               &
461        ONLY:  nx, ny
462
463    USE kinds
464
465    USE pegrid
466
467    USE spectrum,                                                              &
468        ONLY:  comp_spectra_level, n_sp_y
469
470    USE statistics,                                                            &
471        ONLY:  spectrum_y, var_d
472
473    USE transpose_indices,                                                     &
474        ONLY:  nxl_yd, nxr_yd, nzb_yd, nzt_yd
475
476
477    IMPLICIT NONE
478
479    INTEGER(iwp) ::  i         !<
480    INTEGER(iwp) ::  j         !<
481    INTEGER(iwp) ::  jshape(1) !<
482    INTEGER(iwp) ::  k         !<
483    INTEGER(iwp) ::  m         !<
484    INTEGER(iwp) ::  n         !<
485    INTEGER(iwp) ::  pr        !<
486
487    REAL(wp) ::  exponent !<
488    REAL(wp) ::  sum_spec_dum !< wavenumber-integrated spectrum
489   
490    REAL(wp), DIMENSION(0:ny) ::  work !<
491   
492    REAL(wp), DIMENSION(0:ny/2) ::  sums_spectra_l !<
493   
494    REAL(wp), DIMENSION(0:ny/2,100) ::  sums_spectra !<
495   
496    REAL(wp), DIMENSION(0:ny,nxl_yd:nxr_yd,nzb_yd:nzt_yd) :: ddd !<
497
498
499!
500!-- Exponent for geometric average
501    exponent = 1.0_wp / ( nx + 1.0_wp )
502
503!
504!-- Loop over all levels defined by the user
505    n = 1
506    DO WHILE ( comp_spectra_level(n) /= 999999  .AND.  n <= 100 )
507
508       k = comp_spectra_level(n)
509
510!
511!--    Calculate FFT only if the corresponding level is situated on this PE
512       IF ( k >= nzb_yd  .AND.  k <= nzt_yd )  THEN
513         
514          DO  i = nxl_yd, nxr_yd
515
516             work = ddd(0:ny,i,k)
517             CALL fft_y_1d( work, 'forward' )
518
519             ddd(0,i,k) = dy * work(0)**2
520             DO  j = 1, ny/2
521                ddd(j,i,k) = dy * ( work(j)**2 + work(ny+1-j)**2 )
522             ENDDO
523
524          ENDDO
525
526!
527!--       Local sum and geometric average of these spectra
528!--       (WARNING: no global sum should be performed, because floating
529!--       point overflow may occur)
530          DO  j = 0, ny/2
531
532             sums_spectra_l(j) = 1.0_wp
533             DO  i = nxl_yd, nxr_yd
534                sums_spectra_l(j) = sums_spectra_l(j) * ddd(j,i,k)**exponent
535             ENDDO
536
537          ENDDO
538         
539       ELSE
540
541          sums_spectra_l = 1.0_wp
542
543       ENDIF
544
545!
546!--    Global sum of spectra on PE0 (from where they are written on file)
547       sums_spectra(:,n) = 0.0_wp
548#if defined( __parallel )   
549       CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )  ! Necessary?
550       CALL MPI_REDUCE( sums_spectra_l(0), sums_spectra(0,n), ny/2+1,          &
551                        MPI_REAL, MPI_PROD, 0, comm2d, ierr )
552#else
553       sums_spectra(:,n) = sums_spectra_l
554#endif
555!
556!--    Normalize spectra by variance
557       sum_spec_dum = SUM( sums_spectra(:,n) )
558       IF ( SUM(sums_spectra(:,n)) /= 0.0_wp )  THEN
559          sums_spectra(:,n) = sums_spectra(:,n) * var_d(k) / SUM(sums_spectra(:,n))
560       ENDIF
561       n = n + 1
562
563    ENDDO
564    n = n - 1
565
566
567    IF ( myid == 0 )  THEN
568!
569!--    Sum of spectra for later averaging (see routine data_output_spectra)
570       DO  j = 1, ny/2
571          DO k = 1, n
572             spectrum_y(j,k,m) = spectrum_y(j,k,m) + sums_spectra(j,k)
573          ENDDO
574       ENDDO
575
576    ENDIF
577
578!
579!-- n_sp_y is needed by data_output_spectra_y
580    n_sp_y = n
581
582 END SUBROUTINE calc_spectra_y
583#endif
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.