source: palm/trunk/SOURCE/calc_spectra.f90 @ 668

Last change on this file since 668 was 668, checked in by suehring, 11 years ago

last commit documented

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 11.2 KB
Line 
1 SUBROUTINE calc_spectra
2
3!------------------------------------------------------------------------------!
4! Current revisions:
5! -----------------
6!
7! Former revisions:
8! -----------------
9! $Id: calc_spectra.f90 668 2010-12-23 13:22:58Z suehring $
10!
11! 667 2010-12-23 12:06:00Z suehring/gryschka
12! nxl-1, nxr+1, nys-1, nyn+1 replaced by nxlg, nxrg, nysg, nyng for allocation
13! of tend
14!
15! 274 2009-03-26 15:11:21Z heinze
16! Output of messages replaced by message handling routine
17!
18! 225 2009-01-26 14:44:20Z raasch
19! Bugfix: array d is reallocated in case that multigrid is used
20!
21! 192 2008-08-27 16:51:49Z letzel
22! bugfix in calc_spectra_x: exponent = 1.0 / ( ny + 1.0 )
23! allow 100 spectra levels instead of 10 for consistency with
24! define_netcdf_header
25! user-defined spectra, arguments removed from transpose routines
26!
27! February 2007
28! RCS Log replace by Id keyword, revision history cleaned up
29!
30! Revision 1.9  2006/04/11 14:56:00  raasch
31! pl_spectra renamed data_output_sp
32!
33! Revision 1.1  2001/01/05 15:08:07  raasch
34! Initial revision
35!
36!
37! Description:
38! ------------
39! Calculate horizontal spectra along x and y.
40! ATTENTION: 1d-decomposition along y still needs improvement, because in that
41!            case the gridpoint number along z still depends on the PE number
42!            because transpose_xz has to be used (and possibly also
43!            transpose_zyd needs modification).
44!------------------------------------------------------------------------------!
45
46#if defined( __spectra )
47    USE arrays_3d
48    USE control_parameters
49    USE cpulog
50    USE fft_xy
51    USE indices
52    USE interfaces
53    USE pegrid
54    USE spectrum
55
56    IMPLICIT NONE
57
58    INTEGER ::  m, pr
59
60
61    CALL cpu_log( log_point(30), 'calc_spectra', 'start' )
62
63!
64!-- Initialize ffts
65    CALL fft_init
66
67!
68!-- Reallocate array d in required size
69    IF ( psolver == 'multigrid' )  THEN
70       DEALLOCATE( d )
71       ALLOCATE( d(nzb+1:nzta,nys:nyna,nxl:nxra) )
72    ENDIF
73
74!
75!-- Enlarge the size of tend, used as a working array for the transpositions
76    IF ( nxra > nxr  .OR.  nyna > nyn  .OR.  nza > nz )  THEN
77       DEALLOCATE( tend )
78       ALLOCATE( tend(1:nza,nys:nyna,nxl:nxra) )
79    ENDIF
80
81    m = 1
82    DO WHILE ( data_output_sp(m) /= ' '  .AND.  m <= 10 )
83!
84!--    Transposition from z --> x  ( y --> x in case of a 1d-decomposition
85!--    along x)
86       IF ( INDEX( spectra_direction(m), 'x' ) /= 0 )  THEN
87
88!
89!--       Calculation of spectra works for cyclic boundary conditions only
90          IF ( bc_lr /= 'cyclic' )  THEN
91
92             message_string = 'non-cyclic lateral boundaries along x do not'// &
93                              '& allow calculation of spectra along x'
94             CALL message( 'calc_spectra', 'PA0160', 1, 2, 0, 6, 0 )
95          ENDIF
96
97          CALL preprocess_spectra( m, pr )
98
99#if defined( __parallel )
100          IF ( pdims(2) /= 1 )  THEN
101             CALL transpose_zx( d, tend, d )
102          ELSE
103             CALL transpose_yxd( d, tend, d )
104          ENDIF
105          CALL calc_spectra_x( d, pr, m )
106#else
107          message_string = 'sorry, calculation of spectra in non parallel ' // &
108                           'mode& is still not realized'
109          CALL message( 'calc_spectra', 'PA0161', 1, 2, 0, 6, 0 )     
110#endif
111
112       ENDIF
113
114!
115!--    Transposition from z --> y (d is rearranged only in case of a
116!--    1d-decomposition along x)
117       IF ( INDEX( spectra_direction(m), 'y' ) /= 0 )  THEN
118
119!
120!--       Calculation of spectra works for cyclic boundary conditions only
121          IF ( bc_ns /= 'cyclic' )  THEN
122             IF ( myid == 0 )  THEN
123                message_string = 'non-cyclic lateral boundaries along y do' // &
124                                 ' not & allow calculation of spectra along y' 
125                CALL message( 'calc_spectra', 'PA0162', 1, 2, 0, 6, 0 )
126             ENDIF
127             CALL local_stop
128          ENDIF
129
130          CALL preprocess_spectra( m, pr )
131
132#if defined( __parallel )
133          CALL transpose_zyd( d, tend, d )
134          CALL calc_spectra_y( d, pr, m )
135#else
136          message_string = 'sorry, calculation of spectra in non parallel' // &
137                           'mode& is still not realized'
138          CALL message( 'calc_spectra', 'PA0161', 1, 2, 0, 6, 0 )
139#endif
140
141       ENDIF
142
143!
144!--    Increase counter for next spectrum
145       m = m + 1
146         
147    ENDDO
148
149!
150!-- Increase counter for averaging process in routine plot_spectra
151    average_count_sp = average_count_sp + 1
152
153!
154!-- Resize tend to its normal size
155    IF ( nxra > nxr  .OR.  nyna > nyn  .OR.  nza > nz )  THEN
156       DEALLOCATE( tend )
157       ALLOCATE( tend(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
158    ENDIF
159
160    CALL cpu_log( log_point(30), 'calc_spectra', 'stop' )
161
162#endif
163 END SUBROUTINE calc_spectra
164
165
166#if defined( __spectra )
167 SUBROUTINE preprocess_spectra( m, pr )
168
169    USE arrays_3d
170    USE indices
171    USE pegrid
172    USE spectrum
173    USE statistics
174
175    IMPLICIT NONE
176
177    INTEGER :: i, j, k, m, pr
178
179    SELECT CASE ( TRIM( data_output_sp(m) ) )
180         
181    CASE ( 'u' )
182       pr = 1
183       d(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr) = u(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr)
184       
185    CASE ( 'v' )
186       pr = 2
187       d(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr) = v(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr)
188       
189    CASE ( 'w' )
190       pr = 3
191       d(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr) = w(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr)
192       
193    CASE ( 'pt' )
194       pr = 4
195       d(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr) = pt(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr)
196       
197    CASE ( 'q' )
198       pr = 41
199       d(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr) = q(nzb+1:nzt,nys:nyn,nxl:nxr)
200       
201    CASE DEFAULT
202!
203!--    The DEFAULT case is reached either if the parameter data_output_sp(m)
204!--    contains a wrong character string or if the user has coded a special
205!--    case in the user interface. There, the subroutine user_spectra
206!--    checks which of these two conditions applies.
207       CALL user_spectra( 'preprocess', m, pr )
208         
209    END SELECT
210
211!
212!-- Subtract horizontal mean from the array, for which spectra have to be
213!-- calculated
214    DO  i = nxl, nxr
215       DO  j = nys, nyn
216          DO  k = nzb+1, nzt
217             d(k,j,i) = d(k,j,i) - sums(k,pr)
218          ENDDO
219       ENDDO
220    ENDDO
221
222 END SUBROUTINE preprocess_spectra
223
224
225 SUBROUTINE calc_spectra_x( ddd, pr, m )
226
227    USE arrays_3d
228    USE constants
229    USE control_parameters
230    USE fft_xy
231    USE grid_variables
232    USE indices
233    USE pegrid
234    USE spectrum
235    USE statistics
236    USE transpose_indices
237
238    IMPLICIT NONE
239
240    INTEGER                    ::  i, ishape(1), j, k, m, n, pr
241
242    REAL                       ::  fac, exponent
243    REAL, DIMENSION(0:nx)      ::  work
244    REAL, DIMENSION(0:nx/2)    ::  sums_spectra_l
245    REAL, DIMENSION(0:nx/2,100)::  sums_spectra
246
247    REAL, DIMENSION(0:nxa,nys_x:nyn_xa,nzb_x:nzt_xa) ::  ddd
248
249!
250!-- Exponent for geometric average
251    exponent = 1.0 / ( ny + 1.0 )
252
253!
254!-- Loop over all levels defined by the user
255    n = 1
256    DO WHILE ( comp_spectra_level(n) /= 999999  .AND.  n <= 100 )
257
258       k = comp_spectra_level(n)
259
260!
261!--    Calculate FFT only if the corresponding level is situated on this PE
262       IF ( k >= nzb_x  .AND.  k <= nzt_x )  THEN
263         
264          DO  j = nys_x, nyn_x
265
266             work = ddd(0:nx,j,k)
267             CALL fft_x( work, 'forward' )
268
269             ddd(0,j,k) = dx * work(0)**2
270             DO  i = 1, nx/2
271                ddd(i,j,k) = dx * ( work(i)**2 + work(nx+1-i)**2 )
272             ENDDO
273
274          ENDDO
275
276!
277!--       Local sum and geometric average of these spectra
278!--       (WARNING: no global sum should be performed, because floating
279!--       point overflow may occur)
280          DO  i = 0, nx/2
281
282             sums_spectra_l(i) = 1.0
283             DO  j = nys_x, nyn_x
284                sums_spectra_l(i) = sums_spectra_l(i) * ddd(i,j,k)**exponent
285             ENDDO
286
287          ENDDO
288         
289       ELSE
290
291          sums_spectra_l = 1.0
292
293       ENDIF
294
295!
296!--    Global sum of spectra on PE0 (from where they are written on file)
297       sums_spectra(:,n) = 0.0
298#if defined( __parallel )   
299       CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )  ! Necessary?
300       CALL MPI_REDUCE( sums_spectra_l(0), sums_spectra(0,n), nx/2+1, &
301                        MPI_REAL, MPI_PROD, 0, comm2d, ierr )
302#else
303       sums_spectra(:,n) = sums_spectra_l
304#endif
305
306       n = n + 1
307
308    ENDDO
309    n = n - 1
310
311    IF ( myid == 0 )  THEN
312!
313!--    Sum of spectra for later averaging (see routine data_output_spectra)
314!--    Temperton fft results need to be normalized
315       IF ( fft_method == 'temperton-algorithm' )  THEN
316          fac = nx + 1.0
317       ELSE
318          fac = 1.0
319       ENDIF
320       DO  i = 1, nx/2
321          DO k = 1, n
322             spectrum_x(i,k,m) = spectrum_x(i,k,m) + sums_spectra(i,k) * fac
323          ENDDO
324       ENDDO
325
326    ENDIF
327
328!
329!-- n_sp_x is needed by data_output_spectra_x
330    n_sp_x = n
331
332 END SUBROUTINE calc_spectra_x
333
334
335 SUBROUTINE calc_spectra_y( ddd, pr, m )
336
337    USE arrays_3d
338    USE constants
339    USE control_parameters
340    USE fft_xy
341    USE grid_variables
342    USE indices
343    USE pegrid
344    USE spectrum
345    USE statistics
346    USE transpose_indices
347
348    IMPLICIT NONE
349
350    INTEGER :: i, j, jshape(1), k, m, n, pr
351
352    REAL                       ::  fac, exponent
353    REAL, DIMENSION(0:ny)      ::  work
354    REAL, DIMENSION(0:ny/2)    ::  sums_spectra_l
355    REAL, DIMENSION(0:ny/2,100)::  sums_spectra
356
357    REAL, DIMENSION(0:nya,nxl_yd:nxr_yda,nzb_yd:nzt_yda) :: ddd
358
359
360!
361!-- Exponent for geometric average
362    exponent = 1.0 / ( nx + 1.0 )
363
364!
365!-- Loop over all levels defined by the user
366    n = 1
367    DO WHILE ( comp_spectra_level(n) /= 999999  .AND.  n <= 100 )
368
369       k = comp_spectra_level(n)
370
371!
372!--    Calculate FFT only if the corresponding level is situated on this PE
373       IF ( k >= nzb_yd  .AND.  k <= nzt_yd )  THEN
374         
375          DO  i = nxl_yd, nxr_yd
376
377             work = ddd(0:ny,i,k)
378             CALL fft_y( work, 'forward' )
379
380             ddd(0,i,k) = dy * work(0)**2
381             DO  j = 1, ny/2
382                ddd(j,i,k) = dy * ( work(j)**2 + work(ny+1-j)**2 )
383             ENDDO
384
385          ENDDO
386
387!
388!--       Local sum and geometric average of these spectra
389!--       (WARNING: no global sum should be performed, because floating
390!--       point overflow may occur)
391          DO  j = 0, ny/2
392
393             sums_spectra_l(j) = 1.0
394             DO  i = nxl_yd, nxr_yd
395                sums_spectra_l(j) = sums_spectra_l(j) * ddd(j,i,k)**exponent
396             ENDDO
397
398          ENDDO
399         
400       ELSE
401
402          sums_spectra_l = 1.0
403
404       ENDIF
405
406!
407!--    Global sum of spectra on PE0 (from where they are written on file)
408       sums_spectra(:,n) = 0.0
409#if defined( __parallel )   
410       CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )  ! Necessary?
411       CALL MPI_REDUCE( sums_spectra_l(0), sums_spectra(0,n), ny/2+1, &
412                        MPI_REAL, MPI_PROD, 0, comm2d, ierr )
413#else
414       sums_spectra(:,n) = sums_spectra_l
415#endif
416
417       n = n + 1
418
419    ENDDO
420    n = n - 1
421
422
423    IF ( myid == 0 )  THEN
424!
425!--    Sum of spectra for later averaging (see routine data_output_spectra)
426!--    Temperton fft results need to be normalized
427       IF ( fft_method == 'temperton-algorithm' )  THEN
428          fac = ny + 1.0
429       ELSE
430          fac = 1.0
431       ENDIF
432       DO  j = 1, ny/2
433          DO k = 1, n
434             spectrum_y(j,k,m) = spectrum_y(j,k,m) + sums_spectra(j,k) * fac
435          ENDDO
436       ENDDO
437
438    ENDIF
439
440!
441!-- n_sp_y is needed by data_output_spectra_y
442    n_sp_y = n
443
444 END SUBROUTINE calc_spectra_y
445#endif
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.