!-- !---------------------------------------------------------------------- ! Copyright(c) 2017 SPMDODEL Development Group. All rights reserved. !---------------------------------------------------------------------- !表題 wt_module_svpack ! ! spml/wt_module_svpack モジュールは球面上および球殻内での流体運動を ! スペクトル法によって数値計算するための Fortran90 関数を提供する ! ものである. ! ! 水平方向に球面調和函数変換および上下の境界壁を扱うための ! チェビシェフ変換を用いる場合のスペクトル計算のためのさまざまな ! 関数を提供する. ! ! 内部で wa_module_svpack, at_module を用いている. 最下部では ! 球面調和変換およびチェビシェフ変換のエンジンとして ISPACK の ! Fortran77 サブルーチンを用いている. ! ! 関数, サブルーチンの名前と機能は wt_module のものと同じである. ! したがって use 文を wt_module から wt_module_svpack に ! 変更するだけで SVPACK の機能が使えるようになる. ! ! ただし l_nm, nm_l の使い方には注意されたい. wt_module の l_nm, nm_l は ! wt_Initial で初期化しなくとも用いることができる(結果が切断波数に依らない)が, ! wt_module_svpack のものは初期化したのちにしか使うことができない. ! ! !履歴 2017/05/24 竹広真一 ! !凡例 ! データ種類と index ! x : 経度 y : 緯度 z : 動径 ! w : 球面調和関数スペクトル ! n : 球面調和関数スペクトル(水平全波数) ! m : 球面調和関数スペクトル(帯状波数) ! t : チェビシェフ関数スペクトル ! a : 任意の次元 ! ! xyz : 3 次元格子点データ ! xy : 水平 2 次元格子点データ ! yz : 子午面 2 次元格子点データ ! xz : 緯度面 2 次元格子点データ ! ! wz : 水平スペクトル動径格子点データ ! wt : スペクトルデータ ! !++ module wt_module_svpack ! != wt_module_svpack ! ! Authors:: Shin-ichi Takehiro, Youhei SASAKI ! Version:: $Id$ ! Copyright&License:: See COPYRIGHT[link:../COPYRIGHT] ! !== 概要 ! ! spml/wt_module_svpack モジュールは球面上および球殻内での流体運動を ! スペクトル法によって数値計算するための Fortran90 関数を提供する ! ものである. ! ! 水平方向に球面調和函数変換および上下の境界壁を扱うための ! チェビシェフ変換を用いる場合のスペクトル計算のためのさまざまな ! 関数を提供する. ! ! 内部で wa_module_svpack, at_module を用いている. 最下部では ! 球面調和変換およびチェビシェフ変換のエンジンとして ISPACK の ! Fortran77 サブルーチンを用いている. ! !== 関数・変数の名前と型について ! !=== 命名法 ! ! * 関数名の先頭 (wt_, nmz_, nz_, xyz_, wz_, w_, xy_, x_, y_, z_, a_) は, ! 返す値の形を示している. ! wt_ :: スペクトルデータ(球面調和函数・チェビシェフ変換) ! nmz_ :: 水平スペクトルデータ(全波数 n, 帯状波数各成分, 動径) ! nz_ :: 水平スペクトルデータ(全波数 n, 動径) ! xyz_ :: 3 次元格子点データ(経度・緯度・動径) ! wz_ :: 水平スペクトル, 動径格子点データ ! ! * 関数名の間の文字列(DLon, GradLat, GradLat, DivLon, DivLat, Lapla,..) ! は, その関数の作用を表している. ! ! * 関数名の最後 (wt_, xyz_, wz_, w_, xy_, x_, y_, z_, a_) は, 入力変数の ! 形がスペクトルデータおよび格子点データであることを示している. ! _wt :: スペクトルデータ ! _xyz :: 3 次元格子点データ ! _xyz_xyz :: 2 つの3 次元格子点データ, ... ! !=== 各データの種類の説明 ! ! * xyz : 3 次元格子点データ(経度・緯度・動径) ! * 変数の種類と次元は real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km). ! * im, jm, km はそれぞれ経度, 緯度, 動径座標の格子点数であり, ! サブルーチン wt_Initial にてあらかじめ設定しておく. ! ! * wt : スペクトルデータ ! * 変数の種類と次元は real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm). ! * nm は球面調和函数の最大全波数, lm はチェビシェフ多項式の最大次数 ! であり, サブルーチン wt_Initial にてあらかじめ設定しておく. ! * 水平スペクトルデータの格納のされ方は関数 l_nm, nm_l によって調べる ! ことができる. ! ! * nmz : 水平スペクトルデータの並んだ 3 次元配列. ! * 変数の種類と次元は real(8), dimension(0:nm,-nm:nm,0:km). ! * 第 1 次元が水平全波数, 第 2 次元が帯状波数, 第 3 次元が動径座標を表す. ! * nm は球面調和函数の最大全波数であり, サブルーチン wt_Initial にて ! あらかじめ設定しておく. ! ! * nz : スペクトルデータの並んだ 2 次元配列. ! * 変数の種類と次元は real(8), dimension(0:nm,0:km). ! * 第 1 次元が水平全波数を表す. nm は球面調和函数の最大全波数であり, ! サブルーチン wt_Initial にてあらかじめ設定しておく. ! ! * wz : 水平スペクトル, 動径格子点データ. ! * 変数の種類と次元は real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:km). ! ! * wt_ で始まる関数が返す値はスペクトルデータに同じ. ! ! * xyz_ で始まる関数が返す値は 3 次元格子点データに同じ. ! ! * wz_ で始まる関数が返す値は水平スペクトル, 動径格子点データに同じ. ! ! * スペクトルデータに対する微分等の作用とは, 対応する格子点データに ! 微分などを作用させたデータをスペクトル変換したものことである. ! ! !== 変数・手続き群の要約 ! !==== 初期化 ! ! wt_Initial :: スペクトル変換の格子点数, 波数, 領域の大きさの設定 ! !==== 座標変数 ! ! x_Lon, y_Lat, z_Rad :: 格子点座標(緯度, 経度, 動径座標)を ! 格納した1 次元配列 ! x_Lon_Weight, y_Lat_Weight, z_Rad_Weight :: 重み座標を格納した 1 次元配列 ! xyz_Lon, xyz_Lat, xyz_Rad :: 格子点データの経度・緯度・動径座標(X,Y,Z) ! (格子点データ型 3 次元配列) ! !==== 基本変換 ! ! xyz_wt, wt_xyz :: スペクトルデータと 3 次元格子データの間の変換 ! (球面調和函数, チェビシェフ変換) ! xyz_wz, wz_xyz :: 3 次元格子データと水平スペクトル・動径格子データとの間 ! の変換 (球面調和函数) ! wz_wt, wt_wz :: スペクトルデータと水平スペクトル・動径格子データとの間 ! の変換 (チェビシェフ変換) ! w_xy, xy_w :: スペクトルデータと 2 次元水平格子データの間の変換 ! (球面調和函数変換) ! az_at, at_az :: 同時に複数個行う (チェビシェフ変換)格子データと ! チェビシェフデータの間の変換を ! l_nm, nm_l :: スペクトルデータの格納位置と全波数・帯状波数の変換 ! !==== 微分 ! ! wt_DRad_wt :: スペクトルデータに動径微分∂/∂r を作用させる ! wt_DivRad_wt :: スペクトルデータに発散型動径微分 ! 1/r^2 ∂/∂r r^2 = ∂/∂r + 2/r を作用させる ! wt_RotRad_wt :: スペクトルデータに回転型動径微分 ! 1/r ∂/∂rr = ∂/∂r + 1/r を作用させる ! wt_Lapla_wt :: スペクトルデータにラプラシアンを作用させる ! xyz_GradLon_wt :: スペクトルデータに勾配型経度微分 ! 1/rcosφ・∂/∂λを作用させる ! xyz_GradLat_wt :: スペクトルデータに勾配型緯度微分 ! 1/r・∂/∂φを作用させる ! wt_DivLon_xyz :: 格子データに発散型経度微分 ! 1/rcosφ・∂/∂λを作用させる ! wt_DivLat_xyz :: 格子データに発散型緯度微分 ! 1/rcosφ・∂(g cosφ)/∂φを作用させる ! wt_Div_xyz_xyz_xyz :: ベクトル成分である 3 つの格子データに ! 発散を作用させる ! xyz_Div_xyz_xyz_xyz :: ベクトル成分である 3 つの格子データに ! 発散を作用させる ! xyz_RotLon_wt_wt :: ベクトル場の回転の経度成分を計算する ! xyz_RotLat_wt_wt :: ベクトル場の回転の緯度成分を計算する ! wt_RotRad_xyz_xyz :: ベクトル場の回転の動径成分を計算する ! !==== トロイダルポロイダル計算用微分 ! ! wt_KxRGrad_wt :: スペクトルデータに ! 経度微分 k×r・▽ = ∂/∂λを作用させる ! xyz_KGrad_wt :: スペクトルデータに軸方向微分 ! k・▽ = cosφ/r ∂/∂φ + sinφ∂/∂r を ! 作用させる ! wt_L2_wt :: スペクトルデータに ! L2 演算子 = -水平ラプラシアンを作用させる ! wt_L2Inv_wt :: スペクトルデータに ! L2 演算子の逆 = -逆水平ラプラシアンを作用させる ! wt_QOperator_wt :: スペクトルデータに ! 演算子 Q=(k・▽-1/2(L2 k・▽+ k・▽L2)) を ! 作用させる ! wt_RadRot_xyz_xyz :: ベクトル v の渦度と動径ベクトル r の内積 ! r・(▽×v) を計算する ! wt_RadRotRot_xyz_xyz_xyz :: ベクトルの v の r・(▽×▽×v) を計算する ! wt_Potential2Vector :: トロイダルポロイダルポテンシャルから ! ベクトル場を計算する ! wt_Potential2Rotation :: トロイダルポロイダルポテンシャルで表される ! 非発散ベクトル場の回転の各成分を計算する ! !==== 非線形計算 ! ! wt_VGradV :: ベクトル v から v・▽v を計算する ! !==== ポロイダル/トロイダルモデル用スペクトル解析 ! ! nmz_ToroidalEnergySpectrum_wt, nz_ToroidalEnergySpectrum_wt :: ! トロイダルポテンシャルからエネルギーの球面調和函数各成分を計算する ! nmz_PoloidalEnergySpectrum_wt, nz_PoloidalEnergySpectrum_wt :: ! ポロイダルポテンシャルからエネルギーの球面調和函数各成分を計算する ! !==== 境界値問題 ! ! wt_BoundariesTau, wt_BoundariesGrid, wt_Boundaries :: ! ディリクレ, ノイマン境界条件を適用する(タウ法, 選点法) ! wt_TorBoundariesTau, wt_TorBoundariesGrid, wt_TorBoundaries :: ! 速度トロイダルポテンシャルの境界条件を適用する(タウ法,選点法) ! ! wz_LaplaPol2Pol_wz, wt_LaplaPol2PolTau_wt, wt_LaplaPol2PolGrid_wt :: ! 速度ポロイダルポテンシャルΦを▽^2Φから求める ! (入出力がそれぞれチェビシェフ格子点,チェビシェフ係数) ! wt_TorMagBoundariesTau, wt_TorMagBoundariesGrid, wt_TorMagBoundaries :: ! 磁場トロイダルポテンシャルの境界条件を適用する(タウ法, 選点法) ! ! wt_PolMagBoundariesTau, wt_PolMagBoundariesGrid, wt_PolMagBoundaries :: ! 磁場トロイダルポテンシャル境界の境界条件を適用する(タウ法, 選点法) ! !==== 積分・平均(3 次元データ) ! ! IntLonLatRad_xyz, AvrLonLatRad_xyz :: 3 次元格子点データの ! 全領域積分および平均 ! z_IntLonLat_xyz, z_AvrLonLat_xyz :: 3 次元格子点データの ! 緯度経度(水平・球面)積分および平均 ! y_IntLonRad_xyz, y_AvrLonRad_xyz :: 3 次元格子点データの ! 緯度動径積分および平均 ! z_IntLatRad_xyz, z_AvrLatRad_xyz :: 3 次元格子点データの ! 経度動径(子午面)積分および平均 ! yz_IntLon_xyz, yz_AvrLon_xyz :: 3 次元格子点データの ! 経度方向積分および平均 ! xz_IntLat_xyz, xz_AvrLat_xyz :: 3 次元格子点データの ! 緯度方向積分および平均 ! xz_IntRad_xyz, xz_AvrRad_xyz :: 3 次元格子点データの ! 動径方向積分および平均 ! !==== 積分・平均(2 次元データ) ! ! IntLonLat_xy, AvrLonLat_xy :: 2 次元格子点データの水平(球面)積分および平均 ! IntLonRad_xz, AvrLonRad_xz :: 2 次元(XZ)格子点データの経度動径積分 ! および平均 ! IntLatRad_yz, AvrLatRad_yz :: 2 次元(YZ)格子点データの緯度動径(子午面) ! 積分および平均 ! y_IntLon_xy, y_AvrLon_xy :: 水平 2 次元(球面)格子点データの経度方向 ! 積分および平均 ! x_IntLat_xy, x_AvrLat_xy :: 水平2 次元(球面)格子点データの緯度方向積分 ! および平均 ! z_IntLon_xz, z_AvrLon_xz :: 2 次元(XZ)格子点データの経度方向積分および ! 平均 ! x_IntRad_xz, x_AvrRad_xz :: 2 次元(XZ)格子点データの動径方向積分および ! 平均 ! z_IntLat_yz, z_AvrLat_yz :: 2 次元(YZ)格子点データの緯度方向積分および ! 平均 ! y_IntRad_yz, y_AvrRad_yz :: 2 次元(YZ)格子点データの動径方向積分および ! 平均 ! !==== 積分・平均(1 次元データ) ! ! IntLon_x, AvrLon_x :: 1 次元(X)格子点データの経度方向積分および平均 ! IntLat_y, AvrLat_y :: 1 次元(Y)格子点データの緯度方向積分および平均 ! IntRad_z, AvrRad_z :: 1 次元(Z)格子点データの動径方向積分および平均 ! !==== 補間計算 ! ! Interpolate_wt :: スペクトルデータから任意の点の値を補間する. ! use dc_message use lumatrix use wa_module_svpack use at_module, z_RAD => g_X, z_RAD_WEIGHT => g_X_WEIGHT, & at_az => at_ag, az_at => ag_at, & t_z => t_g, z_t => g_t, & t_Dr_t => t_Dx_t, at_Dr_at => at_Dx_at implicit none private public wt_Initial public x_Lon, x_Lon_Weight public y_Lat, y_Lat_Weight public z_Rad, z_Rad_Weight public l_nm, nm_l public xy_Lon, xy_Lat public xyz_Lon, xyz_Lat, xyz_Rad public wz_Rad public wt_VMiss public w_xy, xy_w public at_Dr_at, t_Dr_t, az_at, at_az public xyz_wt, wt_xyz, xyz_wz, wz_xyz, wz_wt, wt_wz public wt_DRad_wt, wt_DivRad_wt, wt_RotRad_wt, wt_Lapla_wt public xyz_GradLon_wt, xyz_gradlat_wt public wt_DivLon_xyz, wt_DivLat_xyz public wt_Div_xyz_xyz_xyz, xyz_Div_xyz_xyz_xyz public xyz_RotLon_wt_wt, xyz_RotLat_wt_wt, wt_RotRad_xyz_xyz public yz_IntLon_xyz, xz_IntLat_xyz, xy_IntRad_xyz public x_IntLatRad_xyz, y_IntLonRad_xyz, z_IntLonLat_xyz public IntLonLatRad_xyz public x_IntLat_xy, y_IntLon_xy, IntLonLat_xy public z_IntLat_yz, y_IntRad_yz, IntLatRad_yz public z_IntLon_xz, x_IntRad_xz, IntLonRad_xz public IntLon_x, IntLat_y, IntRad_z public yz_AvrLon_xyz, xz_AvrLat_xyz, xy_AvrRad_xyz public x_AvrLatRad_xyz, y_AvrLonRad_xyz, z_AvrLonLat_xyz public AvrLonLatRad_xyz public x_AvrLat_xy, y_AvrLon_xy, AvrLonLat_xy public z_AvrLat_yz, y_AvrRad_yz, AvrLatRad_yz public z_AvrLon_xz, x_AvrRad_xz, AvrLonRad_xz public AvrLon_x, AvrLat_y, AvrRad_z public wt_KxRGrad_wt, xyz_KGrad_wt, wt_L2_wt, wt_L2Inv_wt, wt_QOperator_wt public wt_RadRot_xyz_xyz, wt_RadRotRot_xyz_xyz_xyz public wt_Potential2vector, wt_Potential2Rotation public wt_VGradV public Interpolate_wt public nmz_ToroidalEnergySpectrum_wt, nz_ToroidalEnergySpectrum_wt public nmz_PoloidalEnergySpectrum_wt, nz_PoloidalEnergySpectrum_wt public wt_Boundaries, wt_TorBoundaries public wt_LaplaPol2Pol_wt, wz_LaplaPol2Pol_wz public wt_TormagBoundaries, wt_PolmagBoundaries public wt_BoundariesTau, wt_TorBoundariesTau, wt_LaplaPol2PolTau_wt public wt_TormagBoundariesTau, wt_PolmagBoundariesTau public wt_BoundariesGrid, wt_TorBoundariesGrid, wt_LaplaPol2PolGrid_wt public wt_TormagBoundariesGrid, wt_PolmagBoundariesGrid interface wt_Boundaries module procedure wt_BoundariesTau end interface interface wt_TorBoundaries module procedure wt_TorBoundariesTau end interface interface wt_LaplaPol2Pol_wt module procedure wt_LaplaPol2PolTau_wt end interface interface wt_TorMagBoundaries module procedure wt_TorMagBoundariesTau end interface interface wt_PolMagBoundaries module procedure wt_PolMagBoundariesTau end interface integer :: im=64, jm=32, km=16 ! 格子点の設定(経度, 緯度, 動径) integer :: nm=21, lm=16 ! 切断波数の設定(水平, 動径) real(8) :: ri=0.0, ro=1.0 ! 球殻内外半径 real(8), parameter :: pi=3.1415926535897932385D0 real(8), dimension(:,:,:), allocatable :: xyz_LON, xyz_LAT, xyz_RAD ! 座標 real(8), dimension(:,:), allocatable :: wz_RAD ! 座標 real(8) :: wt_VMiss = -999.0 ! 欠損値 save im, jm, km, nm, lm, ri, ro contains !--------------- 初期化 ----------------- subroutine wt_Initial(i,j,k,n,l,r_in,r_out,np,wa_init) ! ! スペクトル変換の格子点数, 波数, 動径座標の範囲を設定する. ! ! 他の関数を呼ぶ前に, 最初にこのサブルーチンを呼んで初期設定を ! しなければならない. ! ! np に 1 より大きな値を指定すれば ISPACK の球面調和函数変換 ! OPENMP 並列計算ルーチンが用いられる. 並列計算を実行するには, ! 実行時に環境変数 OMP_NUM_THREADS を np 以下の数字に設定する等の ! システムに応じた準備が必要となる. ! ! np に 1 より大きな値を指定しなければ並列計算ルーチンは呼ばれない. ! ! integer,intent(in) :: i ! 格子点数(経度λ) integer,intent(in) :: j ! 格子点数(緯度φ) integer,intent(in) :: k ! 格子点数(動径 r) integer,intent(in) :: n ! 切断波数(水平全波数) integer,intent(in) :: l ! 切断波数(動径波数) real(8),intent(in) :: r_in ! 球殻内半径 real(8),intent(in) :: r_out ! 球殻外半径 integer,intent(in), optional :: np ! OPENMP での最大スレッド数 logical,intent(in), optional :: wa_init ! wa_initial スイッチ logical :: wa_initialize=.true. ! wa_initial スイッチ im = i ; jm = j ; km = k nm = n ; lm = l ri = r_in ; ro = r_out if ( present(wa_init) ) then wa_initialize = wa_init else wa_initialize = .true. endif if ( wa_initialize ) then if ( present(np) ) then call wa_Initial(nm,im,jm,km+1,np) else call wa_Initial(nm,im,jm,km+1) endif endif call at_Initial(km,lm,r_in,r_out) allocate(xyz_Lon(0:im-1,1:jm,0:km)) allocate(xyz_Lat(0:im-1,1:jm,0:km)) allocate(xyz_Rad(0:im-1,1:jm,0:km)) allocate(wz_Rad((nm+1)*(nm+1),0:km)) xyz_Lon = spread(xy_Lon,3,km+1) xyz_Lat = spread(xy_Lat,3,km+1) xyz_Rad = spread(spread(z_Rad,1,jm),1,im) wz_Rad = spread(z_Rad,1,(nm+1)*(nm+1)) z_Rad_Weight = z_Rad_Weight * z_Rad**2 ! r^2 dr の積分重み call MessageNotify('M','wt_initial', & 'wt_module_svpack (2017/05/24) is initialized') end subroutine wt_initial !--------------- 基本変換 ----------------- function xyz_wt(wt) ! ! スペクトルデータから 3 次元格子点データへ(逆)変換する. ! real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm), intent(in) :: wt !(in) 2 次元球面調和函数チェビシェフスペクトルデータ real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km) :: xyz_wt !(out) 3 次元経度緯度動径格子点データ xyz_wt = xya_wa(wz_wt(wt)) end function xyz_wt function wt_xyz(xyz) ! ! 3 次元格子点データからスペクトルデータへ(正)変換する. ! real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km), intent(in) :: xyz !(in) 3 次元経度緯度動径格子点データ real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm) :: wt_xyz !(out) 2 次元球面調和函数チェビシェフスペクトルデータ wt_xyz = wt_wz(wa_xya(xyz)) end function wt_xyz function xyz_wz(wz) ! ! 水平スペクトル・動径格子点データから 3 次元格子点データへ(逆)変換する. ! real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:km), intent(in) :: wz !(in) 2 次元球面調和函数スペクトル・動径格子点データ real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km) :: xyz_wz !(out) 3 次元経度緯度動径格子点データ xyz_wz = xya_wa(wz) end function xyz_wz function wz_xyz(xyz) ! ! 3 次元格子データから水平スペクトル・動径格子点データへ(正)変換する. ! real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km), intent(in) :: xyz !(in) 3 次元経度緯度動径格子点データ real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:km) :: wz_xyz !(out) 2 次元球面調和函数スペクトル・動径格子点データ wz_xyz = wa_xya(xyz) end function wz_xyz function wz_wt(wt) ! ! スペクトルデータから水平スペクトル・動径格子点データへ(正)変換する. ! real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm), intent(in) :: wt !(in) 2 次元球面調和函数チェビシェフスペクトルデータ real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:km) :: wz_wt !(out) 2 次元球面調和函数スペクトル・動径格子点データ wz_wt = az_at(wt) end function wz_wt function wt_wz(wz) ! ! 水平スペクトル・動径格子点データからスペクトルデータへ(正)変換する. ! real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:km), intent(in) :: wz !(in) 2 次元球面調和函数スペクトル・動径格子点データ real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm) :: wt_wz !(out) 2 次元球面調和函数チェビシェフスペクトルデータ wt_wz = at_az(wz) end function wt_wz !--------------- 微分計算 ----------------- function wt_DRad_wt(wt) ! ! 入力スペクトルデータに動径微分 ∂/∂r を作用する. ! ! スペクトルデータの動径微分とは, 対応する格子点データに動径微分を ! 作用させたデータのスペクトル変換のことである. ! real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm), intent(in) :: wt !(in) 2 次元球面調和函数チェビシェフスペクトルデータ real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm) :: wt_DRad_wt !(in) 動径微分された2 次元球面調和函数チェビシェフスペクトルデータ wt_DRad_wt = at_Dr_at(wt) end function wt_DRad_wt function wt_DivRad_wt(wt) ! ! 入力スペクトルデータに発散型動径微分 ! ! 1/r^2 ∂/∂r (r^2 .)= ∂/∂r + 2/r ! ! を作用する. ! ! スペクトルデータの発散型動径微分とは, 対応する格子点データに ! 発散型動径微分を作用させたデータのスペクトル変換のことである. ! real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm), intent(in) :: wt !(in) 2 次元球面調和函数チェビシェフスペクトルデータ real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm) :: wt_DivRad_wt !(out) 発散型動径微分を作用された 2 次元スペクトルデータ wt_DivRad_wt = wt_Drad_wt(wt) + wt_wz(2/wz_rad*wz_wt(wt)) end function wt_DivRad_wt function wt_RotRad_wt(wt) ! ! 入力スペクトルデータに回転型動径微分 ! ! 1/r ∂(r.)/∂r = ∂(.)/∂r + (.)/r ! ! を作用する. ! ! スペクトルデータの回転型動径微分とは, 対応する格子点データに ! 回転型動径微分を作用させたデータのスペクトル変換のことである. ! real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm), intent(in) :: wt !(in) 2 次元球面調和函数チェビシェフスペクトルデータ real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm) :: wt_RotRad_wt !(out) 回転型動径微分を作用された 2 次元スペクトルデータ wt_RotRad_wt = wt_Drad_wt(wt) + wt_wz(1/wz_Rad*wz_wt(wt)) end function wt_RotRad_wt function wt_Lapla_wt(wt) ! 入力スペクトルデータにラプラシアン ! ! ▽^2 = 1/r^2 cos^2φ・∂^2/∂λ^2 ! + 1/r^2 cosφ・∂/∂φ(cosφ∂/∂φ) ! + 1/r^2 ∂/∂r (r^2 ∂/∂r) ! ! を作用する. ! ! スペクトルデータのラプラシアンとは, 対応する格子点データに ! ラプラシアンを作用させたデータのスペクトル変換のことである. ! real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm), intent(in) :: wt !(in) 2 次元球面調和函数チェビシェフスペクトルデータ real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm) :: wt_Lapla_wt !(out) ラプラシアンを作用された 2 次元スペクトルデータ wt_Lapla_wt = wt_DivRad_wt(wt_Drad_wt(wt)) & + wt_wz(wz_wt(wa_Lapla_wa(wt))/wz_Rad**2) end function wt_Lapla_wt function xyz_GradLon_wt(wt) ! ! スペクトルデータに勾配型経度微分 1/rcosφ・∂/∂λ ! を作用させる. ! real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm), intent(in) :: wt !(in) 2 次元球面調和函数チェビシェフスペクトルデータ real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km) :: xyz_GradLon_wt !(out) 勾配型経度微分を作用された 2 次元スペクトルデータ xyz_GradLon_wt = xya_GradLon_wa(wz_wt(wt))/xyz_Rad end function xyz_GradLon_wt function xyz_GradLat_wt(wt) ! ! スペクトルデータに勾配型経度微分 1/r ∂/∂φ を作用させる. ! real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm), intent(in) :: wt !(in) 2 次元球面調和函数チェビシェフスペクトルデータ real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km) :: xyz_GradLat_wt !(out) 勾配型緯度微分を作用された 2 次元スペクトルデータ xyz_GradLat_wt = xya_GradLat_wa(wz_wt(wt))/xyz_Rad end function xyz_GradLat_wt function wt_DivLon_xyz(xyz) ! ! 格子点データに発散型経度微分 1/rcosφ・∂/∂λ を作用させた ! スペクトルデータを返す. ! real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km), intent(in) :: xyz !(in) 3 次元経度緯度動径格子点データ real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm) :: wt_DivLon_xyz !(out) 発散型経度微分を作用された 2 次元スペクトルデータ wt_DivLon_xyz = wt_wz(wa_DivLon_xya(xyz/xyz_Rad)) end function wt_DivLon_xyz function wt_DivLat_xyz(xyz) ! ! 格子データに発散型緯度微分 1/rcosφ・∂(f cosφ)/∂φ を ! 作用させたスペクトルデータを返す. ! real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km), intent(in) :: xyz !(in) 3 次元経度緯度動径格子点データ real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm) :: wt_DivLat_xyz !(out) 発散型緯度微分を作用された 2 次元スペクトルデータ wt_DivLat_xyz = wt_wz(wa_divlat_xya(xyz/xyz_Rad)) end function wt_DivLat_xyz function wt_Div_xyz_xyz_xyz(xyz_Vlon,xyz_Vlat,xyz_Vrad) ! ! べクトル成分である 3 つの格子データに発散を作用させた ! スペクトルデータを返す. ! ! 第 1, 2 ,3 引数(u,v,w)がそれぞれベクトルの経度成分, 緯度成分, ! 動径成分を表し, 発散は ! ! 1/rcosφ・∂u/∂λ + 1/rcosφ・∂(v cosφ)/∂φ ! + 1/r^2 ∂/∂r (r^2 w) ! ! と計算される. ! real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km), intent(in) :: xyz_Vlon !(in) ベクトル場の経度成分 real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km), intent(in) :: xyz_Vlat !(in) ベクトル場の緯度成分 real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km), intent(in) :: xyz_Vrad !(in) ベクトル場の動径成分 real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm) :: wt_Div_xyz_xyz_xyz !(out) ベクトル場の発散 wt_Div_xyz_xyz_xyz = wt_DivLon_xyz(xyz_Vlon) & + wt_DivLat_xyz(xyz_Vlat) & + wt_DivRad_wt(wt_xyz(xyz_Vrad)) end function wt_Div_xyz_xyz_xyz function xyz_Div_xyz_xyz_xyz(xyz_Vlon,xyz_Vlat,xyz_Vrad) ! ! ベクトル成分である 3 つの格子データに発散を作用させる. ! ! 第 1, 2 ,3 引数(u,v,w)がそれぞれベクトルの経度成分, 緯度成分, ! 動径成分を表す. ! ! 極の特異性を回避するためにベクトル場に cosφ/r の重みをかけて ! 計算している. ! ! div V = (r/cosφ)・div (Vcosφ/r) + V_φtanφ/r + V_r/r ! real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km), intent(in) :: xyz_Vlon !(in) ベクトル場の経度成分 real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km), intent(in) :: xyz_Vlat !(in) ベクトル場の緯度成分 real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km), intent(in) :: xyz_Vrad !(in) ベクトル場の動径成分 real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km) :: xyz_Div_xyz_xyz_xyz !(out) ベクトル場の発散 xyz_Div_xyz_xyz_xyz & = xyz_Rad/cos(xyz_Lat) & * xyz_wt(wt_Div_xyz_xyz_xyz(xyz_VLon*cos(xyz_Lat)/xyz_Rad, & xyz_VLat*cos(xyz_Lat)/xyz_Rad, & xyz_VRad*cos(xyz_Lat)/xyz_Rad ))& + xyz_VLat*tan(xyz_Lat)/xyz_Rad & + xyz_VRad/xyz_Rad end function xyz_Div_xyz_xyz_xyz function xyz_RotLon_wt_wt(wt_Vrad,wt_Vlat) ! ! ベクトル場の動径成分, 緯度成分である第 1, 2 引数 Vrad, Vlat から ! 回転の経度成分 ! ! 1/r ∂Vrad/∂φ-1/r ∂(r Vlat)/∂r を計算する. ! ! を計算する ! real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm), intent(in) :: wt_Vrad !(in) ベクトル場の動径成分 real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm), intent(in) :: wt_Vlat !(in) ベクトル場の緯度成分 real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km) :: xyz_RotLon_wt_wt !(out) ベクトル場の回転の経度成分 xyz_RotLon_wt_wt = xyz_GradLat_wt(wt_Vrad) & - xyz_wt(wt_RotRad_wt(wt_Vlat)) end function xyz_RotLon_wt_wt function xyz_RotLat_wt_wt(wt_Vlon,wt_Vrad) ! ! ベクトル場の経度成分, 動径成分である第 1, 2 引数 Vlon, Vrad から ! 回転の緯度成分 ! ! 1/r ∂(r Vlon)/∂r - 1/rcosφ・∂Vrad/∂λ ! ! を計算する. ! real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm), intent(in) :: wt_Vlon !(in) ベクトル場の経度成分 real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm), intent(in) :: wt_Vrad !(in) ベクトル場の動径成分 real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km) :: xyz_RotLat_wt_wt !(out) ベクトル場の回転の緯度成分 xyz_RotLat_wt_wt = xyz_wt(wt_RotRad_wt(wt_Vlon)) & - xyz_GradLon_wt(wt_Vrad) end function xyz_RotLat_wt_wt function wt_RotRad_xyz_xyz(xyz_Vlat,xyz_Vlon) ! ! ベクトルの緯度成分, 経度成分である第 1, 2 引数 Vlat, Vlon に対して ! ベクトル場の回転の動径成分 ! ! 1/rcosφ・∂Vlat/∂λ - 1/rcosφ・∂(Vlon cosφ)/∂φ ! ! を計算する. ! real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km), intent(in) :: xyz_Vlat !(in) ベクトル場の緯度成分 real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km), intent(in) :: xyz_Vlon !(in) ベクトル場の経度成分 real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm) :: wt_RotRad_xyz_xyz !(out) ベクトル場の回転の動径成分 wt_RotRad_xyz_xyz = wt_DivLon_xyz(xyz_Vlat) & - wt_DivLat_xyz(xyz_Vlon) end function wt_RotRad_xyz_xyz !--------------- 積分計算 ----------------- !----(入力データ xyz)--- function yz_IntLon_xyz(xyz) ! 経度(帯状)積分 ! ! 3 次元格子点データの経度方向(帯状)積分. ! ! 3 次元データ f(λ,φ,r) に対して ∫f(λ,φ,r)dλ を計算する. ! real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km), intent(in) :: xyz !(in) 3 次元経度緯度動径格子点データ real(8), dimension(1:jm,0:km) :: yz_IntLon_xyz !(out) 経度方向(帯状)積分された 2 次元子午面格子点データ integer :: i yz_IntLon_xyz = 0.0d0 do i=0,im-1 yz_IntLon_xyz(:,:) = yz_IntLon_xyz(:,:) & + xyz(i,:,:) * x_Lon_Weight(i) enddo end function yz_IntLon_xyz function xz_IntLat_xyz(xyz) ! ! 3 次元格子点データの緯度方向域積分. ! ! 3 次元データ f(λ,φ,r) に対して∫f(λ,φ,r) cosφ dφ を計算する. ! real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km), intent(in) :: xyz !(in) 3 次元経度緯度動径格子点データ real(8), dimension(0:im-1,0:km) :: xz_IntLat_xyz !(out) 緯度積分された 2 次元緯度動径格子点データ. ! 緯度円格子点データ integer :: j xz_IntLat_xyz = 0.0d0 do j=1,jm xz_IntLat_xyz(:,:) = xz_IntLat_xyz(:,:) & + xyz(:,j,:) * y_Lat_Weight(j) enddo end function xz_IntLat_xyz function xy_IntRad_xyz(xyz) ! 動径積分 ! ! 3 次元格子点データの動径方向域積分. ! ! 3 次元データ f(λ,φ,r) に対して∫f(λ,φ,r) r^2dr を計算する. ! real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km), intent(in) :: xyz !(in) 3 次元経度緯度動径格子点データ real(8), dimension(0:im-1,1:jm) :: xy_IntRad_xyz !(out) 動径積分された 2 次元経度緯度(水平, 球面)格子点データ integer :: k xy_IntRad_xyz = 0.0d0 do k=0,km xy_IntRad_xyz(:,:) = xy_IntRad_xyz(:,:) & + xyz(:,:,k) * z_Rad_Weight(k) enddo end function xy_IntRad_xyz function x_IntLatRad_xyz(xyz) ! ! 3 次元格子点データの緯度動径(子午面)積分 ! ! 3 次元データ f(λ,φ,r) に対して ! ! ∫f(λ,φ,r) r^2cosφ dφdr ! ! を計算する. ! real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km), intent(in) :: xyz !(in) 3 次元経度緯度動径格子点データ real(8), dimension(0:im-1) :: x_IntLatRad_xyz !(out) 緯度動径(子午面)積分された 1 次元経度格子点データ integer :: j, k x_IntLatRad_xyz = 0.0D0 do k=0,km do j=1,jm x_IntLatRad_xyz = x_IntLatRad_xyz & + xyz(:,j,k) * y_Lat_Weight(j) * z_Rad_Weight(k) enddo enddo end function x_IntLatRad_xyz function y_IntLonRad_xyz(xyz) ! ! 3 次元格子点データの経度動径(緯度円)積分. ! ! 3 次元データ f(λ,φ,r) に対して∫f(λ,φ,r) r^2dλdr を計算する. ! real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km), intent(in) :: xyz !(in) 3 次元経度緯度動径格子点データ real(8), dimension(1:jm) :: y_IntLonRad_xyz !(out) 経度動径(緯度円)積分された 1 次元緯度格子点データ integer :: i, k y_IntLonRad_xyz = 0 do k=0,km do i=0,im-1 y_IntLonRad_xyz = y_IntLonRad_xyz & + xyz(i,:,k) * x_Lon_Weight(i) * z_Rad_Weight(k) enddo enddo end function y_IntLonRad_xyz function z_IntLonLat_xyz(xyz) ! 緯度経度(水平)積分 ! ! 3 次元格子点データの緯度経度(水平, 球面)積分 ! ! 3 次元データ f(λ,φ,r) に対して ! ! ∫f(λ,φ,r) cosφ dλdφ ! ! を計算する. ! real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km), intent(in) :: xyz !(in) 3 次元経度緯度動径格子点データ real(8), dimension(0:km) :: z_IntLonLat_xyz !(out) 緯度経度(水平, 球面)積分された 1 次元動径格子点データ integer :: i, j z_IntLonLat_xyz = 0 do j=1,jm do i=0,im-1 z_IntLonLat_xyz = z_IntLonLat_xyz & + xyz(i,j,:) * x_Lon_Weight(i) * y_Lat_Weight(j) enddo enddo end function z_IntLonLat_xyz function IntLonLatRad_xyz(xyz) ! 緯度経度動径(全球)積分 ! ! 3 次元格子点データの緯度経度動径(全球)積分 ! ! 3 次元データ f(λ,φ,r) に対して ! ! ∫f(λ,φ,r) r^2cosφ dλdφdr ! ! を計算する. ! real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km), intent(in) :: xyz !(in) 3 次元経度緯度動径格子点データ real(8) :: IntLonLatRad_xyz !(out) 全球積分値 integer :: i, j, k IntLonLatRad_xyz = 0 do k=0,km do j=1,jm do i=0,im-1 IntLonLatRad_xyz = IntLonLatRad_xyz & + xyz(i,j,k) * x_Lon_Weight(i) & * y_Lat_Weight(j) * z_Rad_Weight(k) enddo enddo enddo end function IntLonLatRad_xyz !----(入力データ yz)--- function z_IntLat_yz(yz) ! 緯度積分 ! ! 2 次元(YZ)格子点データの緯度方向域積分. ! ! 2 次元データ f(φ,r) に対して∫f(φ,r) cosφ dφ を計算する. ! real(8), dimension(jm,0:km), intent(in) :: yz !(in) 2 次元緯度動径(子午面)格子点データ real(8), dimension(0:km) :: z_IntLat_yz !(out) 緯度積分された 1 次元動径格子点データ integer :: j z_IntLat_yz = 0.0d0 do j=1,jm z_IntLat_yz(:) = z_IntLat_yz(:) + yz(j,:) * y_Lat_Weight(j) enddo end function z_IntLat_yz function y_IntRad_yz(yz) ! 動径積分 ! ! 2 次元(YZ)格子点データの動径方向域積分. ! ! 2 次元データ f(φ,r) に対して∫f(φ,r) r^2dr を計算する. ! real(8), dimension(1:jm,0:km), intent(in) :: yz !(in) 2 次元緯度動径(子午面)格子点データ real(8), dimension(1:jm) :: y_IntRad_yz !(out) 動径積分された 1 次元緯度格子点データ integer :: k y_IntRad_yz = 0.0d0 do k=0,km y_IntRad_yz(:) = y_IntRad_yz(:) & + yz(:,k) * z_Rad_Weight(k) enddo end function y_IntRad_yz function IntLatRad_yz(yz) ! ! 2 次元(YZ)格子点データの緯度動径積分(子午面)および平均 ! ! 2 次元データ f(φ,r) に対して ∫f(φ,r) r^2cosφ dφdr を計算する. ! real(8), dimension(1:jm,0:km), intent(in) :: yz !(in) 2 次元緯度動径(子午面)格子点データ real(8) :: IntLatRad_yz !(out) 積分値 integer :: j, k IntLatRad_yz = 0 do k=0,km do j=1,jm IntLatRad_yz = IntLatRad_yz & + yz(j,k) * y_Lat_Weight(j) * z_Rad_Weight(k) enddo enddo end function IntLatRad_yz !----(入力データ xz)--- function z_IntLon_xz(xz) ! ! 2 次元(XZ)格子点データの経度方向積分. ! ! 2 次元データ f(λ,r) に対して ∫f(λ,r)dλ を計算する. ! real(8), dimension(0:im-1,0:km), intent(in) :: xz !(in) 2 次元緯度動径格子点データ real(8), dimension(0:km) :: z_IntLon_xz !(out) 経度積分された 1 次元動径格子点データ integer :: i z_IntLon_xz = 0.0d0 do i=0,im-1 z_IntLon_xz(:) = z_IntLon_xz(:) + xz(i,:) * x_Lon_Weight(i) enddo end function z_IntLon_xz function x_IntRad_xz(xz) ! ! 2 次元(XZ)格子点データの動径方向域積分. ! ! 2 次元データ f(λ,r) に対して ∫f(λ,r) r^2dr を計算する. ! real(8), dimension(0:im-1,0:km), intent(in) :: xz !(in) 2 次元緯度動径格子点データ real(8), dimension(0:im-1) :: x_IntRad_xz !(out) 動径積分された 1 次元経度格子点データ integer :: k x_IntRad_xz = 0.0d0 do k=0,km x_IntRad_xz(:) = x_IntRad_xz(:) & + xz(:,k) * z_Rad_Weight(k) enddo end function x_IntRad_xz function IntLonRad_xz(xz) ! 経度動径(緯度円)積分 ! ! 2 次元(XZ)格子点データの経度動径積分 ! ! 2 次元データ f(λ,r) に対して∫f(λ,r) r^2dλdr を計算する. ! real(8), dimension(0:im-1,0:km), intent(in) :: xz !(in) 2 次元緯度動径格子点データ real(8) :: IntLonRad_xz !(out) 積分値 integer :: i, k IntLonRad_xz = 0 do k=0,km do i=0,im-1 IntLonRad_xz = IntLonRad_xz & + xz(i,k) * x_Lon_Weight(i) * z_Rad_Weight(k) enddo enddo end function IntLonRad_xz !----(入力データ z)--- function IntRad_z(z) ! 動径積分 ! ! 1 次元(Z)格子点データの動径方向域積分. ! ! 1 次元データ f(r) に対して ∫f(r) r^2dr を計算する. ! real(8), dimension(0:km), intent(in) :: z !(in) 1 次元動径格子点データ real(8) :: IntRad_z !(out) 積分値 integer :: k IntRad_z = 0.0d0 do k=0,km IntRad_z = IntRad_z + z(k) * z_Rad_Weight(k) enddo end function IntRad_z !--------------- 平均計算 ----------------- !----(入力データ xyz)--- function yz_AvrLon_xyz(xyz) ! 経度(帯状)積分 ! ! 3 次元格子点データの経度方向(帯状)平均. ! ! 3 次元データ f(λ,φ,r) に対して ∫f(λ,φ,r)dλ/2π を計算する. ! real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km), intent(in) :: xyz !(in) 3 次元経度緯度動径格子点データ real(8), dimension(1:jm,0:km) :: yz_AvrLon_xyz !(out) 経度方向(帯状)平均された 2 次元子午面格子点データ yz_AvrLon_xyz = yz_IntLon_xyz(xyz)/sum(x_Lon_Weight) end function yz_AvrLon_xyz function xz_AvrLat_xyz(xyz) ! 緯度積分 ! ! 3 次元格子点データの緯度方向域平均. ! ! 3 次元データ f(λ,φ,r) に対して ∫f(λ,φ,r)cosφ dφ/2 を計算する. ! real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km), intent(in) :: xyz !(in) 3 次元経度緯度動径格子点データ real(8), dimension(0:im-1,0:km) :: xz_AvrLat_xyz !(out) 緯度平均された 2 次元緯度動径格子点データ xz_AvrLat_xyz = xz_IntLat_xyz(xyz)/sum(y_Lat_Weight) end function xz_AvrLat_xyz function xy_AvrRad_xyz(xyz) ! ! 3 次元格子点データの動径方向域平均. ! ! 3 次元データ f(λ,φ,r) に対して ! ! ∫f(λ,φ,r) r^2dr/((r[o]^3-r[i]^3)/3) ! ! を計算する. ! real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km), intent(in) :: xyz !(in) 3 次元経度緯度動径格子点データ real(8), dimension(0:im-1,1:jm) :: xy_AvrRad_xyz !(out) 動径平均された 2 次元経度緯度(水平, 球面)格子点データ ! 水平格子点データ xy_AvrRad_xyz = xy_IntRad_xyz(xyz)/sum(z_Rad_Weight) end function xy_AvrRad_xyz function x_AvrLatRad_xyz(xyz) ! 緯度動径(子午面)積分 ! ! 3 次元格子点データの緯度動径(子午面)平均 ! ! 3 次元データ f(λ,φ,r) に対して ! ! ∫f(λ,,r) r^2cosφ dφdr /(2(r[o]^3-r[i]^3)/3) ! ! を計算する. ! real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km), intent(in) :: xyz !(in) 3 次元経度緯度動径格子点データ real(8), dimension(0:im-1) :: x_AvrLatRad_xyz !(out) 緯度動径(子午面)平均された 1 次元経度格子点データ x_AvrLatRad_xyz = x_IntLatRad_xyz(xyz) & /( sum(y_Lat_Weight)*sum(z_Rad_Weight) ) end function x_AvrLatRad_xyz function y_AvrLonRad_xyz(xyz) ! 経度動径(緯度円)積分 ! ! 3 次元格子点データの経度動径(緯度円)平均. ! ! 3 次元データ f(λ,φ,r) に対して ! ! ∫f(λ,φ,r) r^2dλdr /(2π(r[o]^3-r[i]^3)/3) ! ! を計算する. ! real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km), intent(in) :: xyz !(in) 3 次元経度緯度動径格子点データ real(8), dimension(1:jm) :: y_AvrLonRad_xyz !(out) 経度動径(緯度円)平均された 1 次元緯度格子点データ y_AvrLonRad_xyz = y_IntLonRad_xyz(xyz) & /(sum(x_Lon_Weight)*sum(z_Rad_Weight)) end function y_AvrLonRad_xyz function z_AvrLonLat_xyz(xyz) ! 緯度経度(水平)積分 ! ! 3 次元格子点データの緯度経度(水平, 球面)積分 ! ! 3 次元データ f(λ,φ,r) に対して ! ! ∫f(λ,φ,r) cosφ dλdφ /4π ! ! を計算する. ! real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km), intent(in) :: xyz !(in) 3 次元経度緯度動径格子点データ real(8), dimension(0:km) :: z_AvrLonLat_xyz !(out) 緯度経度(水平, 球面)平均された 1 次元動径格子点データ z_AvrLonLat_xyz = z_IntLonLat_xyz(xyz) & /(sum(x_Lon_Weight)*sum(y_Lat_Weight)) end function z_AvrLonLat_xyz function AvrLonLatRad_xyz(xyz) ! 緯度経度動径(全球)積分 ! ! 3 次元格子点データの緯度経度動径(全球)積分 ! ! 3 次元データ f(λ,φ,r) に対して ! ! ∫f(λ,φ,r) r^2cosφ dλdφdr /(4π(r[o]^3-r[i]^3)/3) ! ! を計算する. ! real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km), intent(in) :: xyz !(in) 3 次元経度緯度動径格子点データ real(8) :: AvrLonLatRad_xyz !(out) 全球平均値 AvrLonLatRad_xyz = IntLonLatRad_xyz(xyz) & /(sum(x_Lon_Weight)*sum(y_Lat_Weight) * sum(z_Rad_Weight)) end function AvrLonLatRad_xyz !----(入力データ yz)--- function z_AvrLat_yz(yz) ! ! 2 次元(YZ)格子点データの緯度方向域平均. ! ! 2 次元データ f(φ,r) に対して ∫f(φ,r) cosφ dφ/2 を計算する. ! real(8), dimension(1:jm,0:km), intent(in) :: yz !(in) 2 次元緯度動径(子午面)格子点データ real(8), dimension(0:km) :: z_AvrLat_yz !(out) 緯度平均された 1 次元動径格子点データ z_AvrLat_yz = z_IntLat_yz(yz)/sum(y_Lat_Weight) end function z_AvrLat_yz function y_AvrRad_yz(yz) ! ! 2 次元(YZ)格子点データの動径方向域平均. ! ! 2 次元データ f(φ,r) に対して ∫f(φ,r) r^2dr /((r[o]^3-r[i]^3)/3) ! を計算する. ! real(8), dimension(1:jm,0:km), intent(in) :: yz !(in) 2 次元緯度動径(子午面)格子点データ real(8), dimension(1:jm) :: y_AvrRad_yz !(out) 動径平均された 1 次元緯度格子点データ y_AvrRad_yz = y_IntRad_yz(yz)/sum(z_Rad_Weight) end function y_AvrRad_yz function AvrLatRad_yz(yz) ! 緯度動径(子午面)積分 ! ! 2 次元(YZ)格子点データの緯度動径(子午面)平均 ! ! 2 次元データ f(φ,r) に対して ! ! ∫f(φ,r) r^2cosφ dφdr /(2(r[o]^3-r[i]^3)/3) ! ! を計算する. ! real(8), dimension(1:jm,0:km), intent(in) :: yz !(in) 2 次元緯度動径(子午面)格子点データ real(8) :: AvrLatRad_yz !(out) 平均値 AvrLatRad_yz = IntLatRad_yz(yz)/(sum(y_Lat_Weight)*sum(z_Rad_Weight)) end function AvrLatRad_yz !----(入力データ xz)--- function z_AvrLon_xz(xz) ! 経度(帯状)積分 ! ! 2 次元(XZ)格子点データの経度方向平均. ! ! 2 次元データ f(λ,r) に対して ∫f(λ,r)dλ/2π を計算する. ! real(8), dimension(0:im-1,0:km), intent(in) :: xz !(in) 2 次元緯度動径格子点データ real(8), dimension(0:km) :: z_AvrLon_xz !(out) 経度平均された 1 次元動径格子点データ z_AvrLon_xz = z_IntLon_xz(xz)/sum(x_Lon_Weight) end function z_AvrLon_xz function x_AvrRad_xz(xz) ! 動径積分 ! ! 2 次元(XZ)格子点データの動径方向域平均. ! ! 2 次元データ f(λ,r) に対して ! ! ∫f(λ,r) r^2dr /((r[o]^3-r[i]^3)/3) ! ! を計算する. ! real(8), dimension(0:im-1,0:km), intent(in) :: xz !(in) 2 次元緯度動径格子点データ real(8), dimension(0:im-1) :: x_AvrRad_xz !(out) 動径平均された 1 次元経度格子点データ x_AvrRad_xz = x_IntRad_xz(xz)/sum(z_Rad_Weight) end function x_AvrRad_xz function AvrLonRad_xz(xz) ! 経度動径(緯度円)積分 ! ! 2 次元(XZ)格子点データの経度動径平均 ! ! 2 次元データ f(λ,r) に対して ! ! ∫f(λ,r) r^2dλdr /(2π(r[o]^3-r[i]^3)/3) ! ! を計算する. ! real(8), dimension(0:im-1,0:km), intent(in) :: xz ! (in) 2 次元格子点データ real(8) :: AvrLonRad_xz ! 積分値 AvrLonRad_xz = IntLonRad_xz(xz)/(sum(x_Lon_Weight)*sum(z_Rad_Weight)) end function AvrLonRad_xz !----(入力データ z)--- function AvrRad_z(z) ! ! 1 次元(Z)格子点データの動径方向域平均. ! ! 1 次元データ f(r) に対して ∫f(r) r^2dr /((r[o]^3-r[i]^3)/3) を ! 計算する. ! real(8), dimension(0:km), intent(in) :: z !(in) 1 次元動径格子点データ real(8) :: AvrRad_z !(out) 平均値 AvrRad_z = IntRad_z(z)/sum(z_Rad_Weight) end function AvrRad_z !--------------- ポロイダル/トロイダルモデル用微分 ----------------- function wt_KxRGrad_wt(wt) ! ! 入力スペクトルデータに経度微分 k×r・▽ = ∂/∂λを作用する. ! real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm), intent(in) :: wt !(in) 2 次元球面調和函数チェビシェフスペクトルデータ real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm) :: wt_KxRGrad_wt !(out) 経度微分を作用された 2 次元スペクトルデータ wt_KxRGrad_wt = wa_Dlon_wa(wt) end function wt_KxRGrad_wt function xyz_KGrad_wt(wt) ! k・▽ = cosφ/r ∂/∂φ + sinφ∂/∂r ! ! 入力スペクトルデータに対応する格子データに軸方向微分 ! ! k・▽ = cosφ/r ∂/∂φ + sinφ∂/∂r ! ! を作用させた格子データが返される. ! ここでベクトル k は球の中心から北極向きの単位ベクトルである. ! real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm), intent(in) :: wt !(in) 2 次元球面調和函数チェビシェフスペクトルデータ real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km) :: xyz_KGrad_wt !(out) 軸方向微分を作用された 2 次元スペクトルデータ xyz_KGrad_wt = cos(xyz_Lat)*xyz_GradLat_wt(wt) & + sin(xyz_Lat)*xyz_wt(wt_Drad_wt(wt)) end function xyz_KGrad_wt function wt_L2_wt(wt) ! ! 入力スペクトルデータに L^2 演算子(=-水平ラプラシアン)を作用する. ! ! L^2 演算子は単位球面上の水平ラプラシアンの逆符号にあたる. ! 入力スペクトルデ ータに対応する格子点データに演算子 ! ! L^2 = -1/cos^2φ・∂^2/∂λ^2 - 1/cosφ・∂/∂φ(cosφ∂/∂φ) ! ! を作用させたデータのスペクトル変換が返される. ! real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm), intent(in) :: wt !(in) 2 次元球面調和函数チェビシェフスペクトルデータ real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm) :: wt_L2_wt !(out) L^2 演算子を作用された 2 次元スペクトルデータ wt_L2_wt = -wa_Lapla_wa(wt) end function wt_L2_wt function wt_L2Inv_wt(wt) ! ! 入力スペクトルデータに L^2 演算子の逆演算(-逆水平ラプラシアン)を ! 作用する. ! ! スペクトルデータに L^2 演算子を作用させる関数 wt_L2_wt の逆計算を ! 行う関数である. ! real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm), intent(in) :: wt !(in) 2 次元球面調和函数チェビシェフスペクトルデータ real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm) :: wt_L2Inv_wt !(out) L^2 演算子の逆演算を作用された 2 次元スペクトルデータ wt_L2Inv_wt = -wa_LaplaInv_wa(wt) end function wt_L2Inv_wt function wt_QOperator_wt(wt) ! ! 入力スペクトルデータに対応する格子点データに演算子 ! ! Q=(k・▽-1/2(L2 k・▽+ k・▽L2)) ! ! を作用させたデータのスペクトル変換が返される. ! real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm), intent(in) :: wt !(in) 2 次元球面調和函数チェビシェフスペクトルデータ real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm) :: wt_QOperator_wt !(out) Q 演算子を作用された 2 次元スペクトルデータ wt_QOperator_wt = & wt_xyz(xyz_KGrad_wt(wt) - xyz_KGrad_wt(wt_L2_wt(wt))/2) & - wt_L2_wt(wt_xyz(xyz_KGrad_wt(wt)))/2 end function wt_QOperator_wt function wt_RadRot_xyz_xyz(xyz_VLON,xyz_VLAT) ! r・(▽×v) ! ! ベクトルの渦度と動径ベクトルの内積 r・(▽×v) を計算する. ! ! 第 1, 2 引数(v[λ], v[φ])がそれぞれベクトルの経度成分, 緯度成分を表す. ! ! r・(▽×v) = 1/cosφ・∂v[φ]/∂λ - 1/cosφ・∂(v[λ] cosφ)/∂φ ! ! のスペクトル データが返される. ! real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km), intent(in) :: xyz_VLON !(in) ベクトルの経度成分 real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km), intent(in) :: xyz_VLAT !(in) ベクトルの緯度成分 real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm) :: wt_RadRot_xyz_xyz !(out) ベクトルの渦度と動径ベクトルの内積 wt_RadRot_xyz_xyz = wt_wz(wa_DivLon_xya(xyz_VLAT) & - wa_DivLat_xya(xyz_VLON)) end function wt_RadRot_xyz_xyz function wt_RadRotRot_xyz_xyz_xyz(xyz_VLON,xyz_VLAT,xyz_VRAD) ! ! ベクトル v に対して r・(▽×▽×v) を計算する. ! ! 第 1, 2, 3 引数(v[λ], v[φ], v[r])がそれぞれベクトルの経度成分, ! 緯度成分, 動径成分を表す. ! ! r・(▽×▽×v) = 1/r ∂/∂r (r・( 1/cosφ・∂v[λ]/∂λ ! + 1/cosφ・∂(v[φ] cosφ)/∂φ ) ) ! + L^2 v[r]/r ! ! のスペクトルデータが返される. ! real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km), intent(in) :: xyz_VLON !(in) ベクトルの経度成分 real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km), intent(in) :: xyz_VLAT !(in) ベクトルの緯度成分 real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km), intent(in) :: xyz_VRAD !(in) ベクトルの動径成分 real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm) :: wt_RadRotRot_xyz_xyz_xyz !(out) ベクトル v の r・(▽×▽×v) wt_RadRotRot_xyz_xyz_xyz = & wt_RotRad_wt(wt_wz( & (wa_DivLon_xya(xyz_VLON)+ wa_DivLat_xya(xyz_VLAT)))) & + wt_L2_wt(wt_xyz(xyz_VRAD/xyz_RAD)) end function wt_RadRotRot_xyz_xyz_xyz subroutine wt_Potential2Vector(& xyz_VLON,xyz_VLAT,xyz_VRAD,wt_TORPOT,wt_POLPOT) ! ! トロイダルポロイダルポテンシャルΨ,Φで表される非発散ベクトル場 ! ! v = ▽x(Ψr) + ▽x▽x(Φr) ! ! の各成分を計算する ! real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km) :: xyz_VLON !(out) ベクトル場の経度成分 real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km) :: xyz_VLAT !(out) ベクトル場の緯度成分 real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km) :: xyz_VRAD !(out) ベクトル場の動径成分 real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm), intent(in) :: wt_TORPOT !(in) トロイダルポテンシャル real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm), intent(in) :: wt_POLPOT !(in) ポロイダルポテンシャル xyz_VLON = xyz_RAD * xyz_GradLat_wt(wt_TORPOT) & + xya_GradLon_wa(wz_wt(wt_RotRad_wt(wt_POLPOT))) xyz_VLAT = - xyz_RAD * xyz_GradLon_wt(wt_TORPOT) & + xya_GradLat_wa(wz_wt(wt_RotRad_wt(wt_POLPOT))) xyz_VRAD = xyz_wt(wt_L2_wt(wt_POLPOT))/xyz_RAD end subroutine wt_Potential2Vector subroutine wt_Potential2Rotation(& xyz_RotVLON,xyz_RotVLAT,xyz_RotVRAD,wt_TORPOT,wt_POLPOT) ! ! トロイダルポロイダルポテンシャルΨ,Φで表される非発散ベクトル場 ! ! v = ▽x(Ψr) + ▽x▽x(Φr) ! ! に対して, その回転 ! ! ▽xv = ▽x▽x(Ψr) + ▽x▽x▽x(Φr) = ▽x▽x(Ψr) - ▽x((▽^2Φ)r) ! ! を計算する. ! ベクトル場の回転 real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km), intent(OUT) :: xyz_RotVLON !(out) 回転の経度成分 real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km), intent(OUT) :: xyz_RotVLAT !(out) 回転の緯度成分 real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km), intent(OUT) :: xyz_RotVRAD !(out) 回転の動径成分 ! 入力ベクトル場を表すポテンシャル real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm), intent(in) :: wt_TORPOT !(in) トロイダルポテンシャル real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm), intent(in) :: wt_POLPOT !(in) ポロイダルポテンシャル call wt_Potential2Vector( & xyz_RotVLON,xyz_RotVLAT,xyz_RotVRAD, & -wt_Lapla_wt(wt_POLPOT), wt_TORPOT) end subroutine wt_Potential2Rotation !------------------- 非線形項計算 ---------------------- subroutine wt_VGradV(xyz_VGRADV_LON,xyz_VGRADV_LAT,xyz_VGRADV_RAD, & xyz_VLON,xyz_VLAT,xyz_VRAD ) ! ! ベクトル場の v・▽v を計算する. ! ! ベクトル場 v=(v[λ],v[φ],v[r]) に対するv・▽vの各成分は ! 次のように計算される. ! ! (v・▽v)[λ] = ▽・(v[λ]v) + v[λ]v[r]/r - v[λ]v[φ]tan(φ)/r ! (v・▽v)[φ] = ▽・(v[φ]v) + v[φ]v[r]/r - v[λ]^2tan(φ)/r ! (v・▽v)[r] = ▽・(v[r]v) + (v[λ]^2+v[φ]^2)/r ! ! 非発散速度場に対してはポテンシャルから wt_Potential2Rotation を ! 用いて回転を計算し, 恒等式 v・▽v = ▽(v[2^/2) - vx▽xv を ! 用いる方がよいだろう. ! real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km),intent(out) :: xyz_VGRADV_LON !(out) (v・▽v) 経度成分 real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km),intent(out) :: xyz_VGRADV_LAT !(out) (v・▽v) 緯度成分 real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km),intent(out) :: xyz_VGRADV_RAD !(out) (v・▽v) 動径成分 real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km),intent(in) :: xyz_VLON !(in) ベクトル場 v の経度成分 real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km),intent(in) :: xyz_VLAT !(in) ベクトル場 v の緯度成分 real(8), dimension(0:im-1,1:jm,0:km),intent(in) :: xyz_VRAD !(in) ベクトル場 v の動径成分 xyz_VGRADV_LON = & xyz_Div_xyz_xyz_xyz( & xyz_VLON * xyz_VLON, xyz_VLON*xyz_VLAT, xyz_VLON*xyz_VRAD ) & + xyz_VLON*xyz_VRAD/xyz_RAD & - xyz_VLON*xyz_VLAT*tan(xyz_LAT)/xyz_RAD xyz_VGRADV_LAT = & xyz_Div_xyz_xyz_xyz( & xyz_VLAT*xyz_VLON, xyz_VLAT*xyz_VLAT, xyz_VLAT*xyz_VRAD ) & + xyz_VLAT*xyz_VRAD/xyz_RAD & + xyz_VLON**2*tan(xyz_LAT)/xyz_RAD xyz_VGRADV_RAD = & xyz_Div_xyz_xyz_xyz( & xyz_VRAD*xyz_VLON, xyz_VRAD*xyz_VLAT, xyz_VRAD*xyz_VRAD ) & - (xyz_VLON**2 + xyz_VLAT**2)/xyz_RAD end subroutine wt_VGradV !--------------- 補間計算 ----------------- function Interpolate_wt(wt_data,alon,alat,arad) ! ! 緯度 alon, 経度 alat 動径 arad における関数値を ! その球面調和変換係数 wa_data から補間計算する ! real(8), intent(IN) :: wt_data((nm+1)**2,0:lm) ! スペクトルデータ real(8), intent(IN) :: alon ! 補間する位置(経度) real(8), intent(IN) :: alat ! 補間する位置(緯度) real(8), intent(IN) :: arad ! 補間する位置(動径) real(8) :: Interpolate_wt ! 補間した値 Interpolate_wt = & Interpolate_w(a_Interpolate_at(wt_data,arad),alon,alat) end function Interpolate_wt !--------------- ポロイダル/トロイダルモデル用スペクトル解析 ---------------- function nmz_ToroidalEnergySpectrum_wt(wt_TORPOT) ! ! トロイダルポテンシャルから, トロイダルエネルギーの ! 球面調和函数全波数 n, 帯状波数 m の各成分を計算する ! ! * 全波数 n, 帯状波数 m のトロイダルポテンシャルのスペクトル成分 ! ψ(n,m,r)から全波数 n, 帯状波数 m 成分のトロイダルエネルギー ! スペクトルは (1/2)n(n+1)4πr^2|ψ(n,m,r)|^2 と計算される. ! ! * 全てのエネルギースペクトル成分の和を動径積分したもの(r^2の重み無し) ! が球殻内での全エネルギーに等しい. ! ! * データの存在しない全波数 n, 帯状波数 m の配列には欠損値が格納される. ! wt_VMiss によって設定できる (初期値は -999.0) ! real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm), intent(in) :: wt_TORPOT !(in) トロイダルポテンシャル real(8), dimension(0:nm,-nm:nm,0:km) :: nmz_ToroidalEnergySpectrum_wt !(out) エネルギースペクトルトロイダル成分 real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:km) ::wz_DATA ! 作業領域 integer :: n, m nmz_ToroidalEnergySpectrum_wt = wt_VMiss wz_DATA = wz_wt(wt_TORPOT) do n=0,nm nmz_ToroidalEnergySpectrum_wt(n,0,:) & = 0.5 * n*(n+1)* (4*pi) * z_Rad**2 & * wz_DATA(l_nm(n,0),:)**2 do m=1,n nmz_ToroidalEnergySpectrum_wt(n,m,:) & = 0.5 * n*(n+1)* (4*pi) * z_Rad**2 & * (wz_DATA(l_nm(n,m),:)**2+wz_DATA(l_nm(n,-m),:)**2) nmz_ToroidalEnergySpectrum_wt(n,-m,:) & = nmz_ToroidalEnergySpectrum_wt(n,m,:) enddo enddo end function nmz_ToroidalEnergySpectrum_wt function nz_ToroidalEnergySpectrum_wt(wt_TORPOT) ! ! トロイダルポテンシャルから, トロイダルエネルギーの ! 球面調和函数全波数の各成分を計算する. ! ! * 全波数 n, 帯状波数 m のトロイダルポテンシャルのスペクトル成分 ! ψ(n,m,r)から全波数 n 成分のトロイダルエネルギースペクトルは ! Σ[m=-n]^n(1/2)n(n+1)4πr^2|ψ(n,m,r)|^2 と計算される. ! ! * 全てのエネルギースペクトル成分の和を動径積分したもの(r^2の重み無し) ! が球殻内での全エネルギーに等しい. ! real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm), intent(in) :: wt_TORPOT !(in) トロイダルポテンシャル real(8), dimension(0:nm,0:km) :: nz_ToroidalEnergySpectrum_wt !(out) エネルギースペクトルトロイダル成分 real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:km) ::wz_DATA ! 作業領域 integer :: n, m wz_DATA = wz_wt(wt_TORPOT) do n=0,nm nz_ToroidalEnergySpectrum_wt(n,:) & = 0.5 * n*(n+1)* (4*pi) * z_Rad**2 * wz_Data(l_nm(n,0),:)**2 do m=1,n nz_ToroidalEnergySpectrum_wt(n,:) & = nz_ToroidalEnergySpectrum_wt(n,:) & + 0.5 * n*(n+1)* (4*pi) * z_Rad**2 & * 2* (wz_Data(l_nm(n,m),:)**2 + wz_Data(l_nm(n,-m),:)**2) enddo enddo end function nz_ToroidalEnergySpectrum_wt function nmz_PoloidalEnergySpectrum_wt(wt_POLPOT) ! ! ポロイダルポテンシャルから, ポロイダルエネルギーの ! 球面調和函数全波数 n, 帯状波数 m の各成分を計算する. ! ! * 全波数 n, 帯状波数 m のポロイダルポテンシャルのスペクトル成分 ! φ(n,m,r)から全波数 n, 帯状波数 m 成分のポロイダルエネルギー ! スペクトルは ! ! (1/2)n(n+1)4π{|d(rφ(n,m,r))/dr|^2 + n(n+1)|φ(n,m,r)|^2} ! ! と計算される. ! ! * 全てのエネルギースペクトル成分の和を動径積分したもの(r^2の重み無し) ! が球殻内での全エネルギーに等しい. ! ! * データの存在しない全波数 n, 帯状波数 m の配列には欠損値が格納される. ! 欠損値の値はモジュール変数 wt_VMiss によって設定できる ! (初期値は -999.0) ! real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm), intent(in) :: wt_POLPOT !(in) ポロイダルポテンシャル real(8), dimension(0:nm,-nm:nm,0:km) :: nmz_PoloidalEnergySpectrum_wt !(out) エネルギースペクトルポロイダル成分 real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:km) ::wz_DATA1 ! 作業領域 real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:km) ::wz_DATA2 ! 作業領域 integer :: n, m nmz_PoloidalEnergySpectrum_wt = wt_VMiss wz_Data1 = wz_wt(wt_POLPOT) wz_Data2 = wz_Rad*wz_wt(wt_DRad_wt(wt_POLPOT)) & ! d(rφ)/dr + wz_wt(wt_POLPOT) ! = rdφ/dr+φ do n=0,nm nmz_PoloidalEnergySpectrum_wt(n,0,:) = & + 0.5* n*(n+1)* (4*pi) & *( wz_Data2(l_nm(n,0),:)**2 & + n*(n+1)*wz_Data1(l_nm(n,0),:)**2 ) do m=1,n nmz_PoloidalEnergySpectrum_wt(n,m,:) = & + 0.5* n*(n+1)* (4*pi) & *( wz_Data2(l_nm(n,m),:)**2 + wz_Data2(l_nm(n,-m),:)**2 & + n*(n+1)* ( wz_Data1(l_nm(n,m),:)**2 + wz_Data1(l_nm(n,-m),:)**2)) nmz_PoloidalEnergySpectrum_wt(n,-m,:) = & nmz_PoloidalEnergySpectrum_wt(n,m,:) enddo enddo end function nmz_PoloidalEnergySpectrum_wt function nz_PoloidalEnergySpectrum_wt(wt_POLPOT) ! ! ポロイダルポテンシャルから, ポロイダルエネルギーの ! 球面調和函数全波数の各成分を計算する ! ! * 全波数 n, 帯状波数 m のポロイダルポテンシャルのスペクトル成分 ! φ(n,m,r)から全波数 n 成分のポロイダルエネルギースペクトルは ! ! Σ[m=-n]^n ((1/2)n(n+1)4π{|d(rφ(n,m,r))/dr|^2 ! + n(n+1)|φ(n,m,r)|^2} ! ! と計算される. ! ! * 全ての全波数に対してのエネルギースペクトル成分の和を動径積分したもの ! (r^2の重み無し)が球殻内での全エネルギーに等しい. ! real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm), intent(in) :: wt_POLPOT !(in) ポロイダルポテンシャル real(8), dimension(0:nm,0:km) :: nz_PoloidalEnergySpectrum_wt !(out) エネルギースペクトルポロイダル成分 real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:km) ::wz_DATA1 ! 作業領域 real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:km) ::wz_DATA2 ! 作業領域 integer :: n, m wz_Data1 = wz_wt(wt_POLPOT) wz_Data2 = wz_Rad*wz_wt(wt_DRad_wt(wt_POLPOT)) & ! d(rφ)/dr + wz_wt(wt_POLPOT) ! = rdφ/dr+φ do n=0,nm nz_PoloidalEnergySpectrum_wt(n,:) & = 0.5* n*(n+1)* (4*pi) & *( wz_Data2(l_nm(n,0),:)**2 + n*(n+1)*wz_Data1(l_nm(n,0),:)**2 ) do m=1,n nz_PoloidalEnergySpectrum_wt(n,:) & = nz_PoloidalEnergySpectrum_wt(n,:) & + 2 * 0.5* n*(n+1)* (4*pi) & *( wz_Data2(l_nm(n,m),:)**2 + wz_Data2(l_nm(n,-m),:)**2 & + n*(n+1)*(wz_Data1(l_nm(n,m),:)**2 +wz_Data1(l_nm(n,-m),:)**2)) enddo enddo end function nz_PoloidalEnergySpectrum_wt !--------------- 境界値問題 ----------------- subroutine wt_BoundariesTau(wt,values,cond) ! ! スペクトルデータにディリクレ・ノイマン境界条件を適用する ! Chebyshev 空間での境界条件適用(タウ法) ! ! チェビシェフ空間において境界条件を満たすべく高次の係数を ! 定める方法をとっている(タウ法). ! real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm),intent(inout) :: wt !(inout) 境界条件を適用するデータ. 修正された値を返す. real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),2), intent(in), optional :: values !(in) 境界での 値/勾配 分布を水平スペクトル変換したものを与える. ! 省略時は値/勾配 0 となる. character(len=2), intent(in), optional :: cond !(in) 境界条件. 省略時は 'DD' ! DD : 両端ディリクレ条件 ! DN : 上端ディリクレ, 下端ノイマン条件 ! ND : 上端ノイマン, 下端ディリクレ条件 ! NN : 両端ノイマン条件 if (.not. present(cond)) then if (present(values)) then call at_BoundariesTau_DD(wt,values) else call at_BoundariesTau_DD(wt) endif return endif select case(cond) case ('NN') if (present(values)) then call at_BoundariesTau_NN(wt,values) else call at_BoundariesTau_NN(wt) endif case ('DN') if (present(values)) then call at_BoundariesTau_DN(wt,values) else call at_BoundariesTau_DN(wt) endif case ('ND') if (present(values)) then call at_BoundariesTau_ND(wt,values) else call at_BoundariesTau_ND(wt) endif case ('DD') if (present(values)) then call at_BoundariesTau_DD(wt,values) else call at_BoundariesTau_DD(wt) endif case default call MessageNotify('E','wt_BoundariesTau','B.C. not supported') end select end subroutine wt_BoundariesTau subroutine wt_BoundariesGrid(wt,values,cond) ! ! スペクトルデータにディリクレ・ノイマン境界条件を適用する ! 実空間での境界条件適用 ! ! 鉛直実格子点空間において内部領域の値と境界条件を満たすように ! 条件を課している(選点法). このルーチンを用いるためには ! wt_Initial にて設定するチェビシェフ切断波数(lm)と鉛直格子点数(km)を ! 等しくしておく必要がある. ! real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm),intent(inout) :: wt !(inout) 境界条件を適用するデータ. 修正された値を返す. real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),2), intent(in), optional :: values !(in) 境界での 値/勾配 分布を水平スペクトル変換したものを与える. ! 省略時は値/勾配 0 となる. character(len=2), intent(in), optional :: cond !(in) 境界条件. 省略時は 'DD' ! DD : 両端ディリクレ条件 ! DN : 上端ディリクレ, 下端ノイマン条件 ! ND : 上端ノイマン, 下端ディリクレ条件 ! NN : 両端ノイマン条件 if (.not. present(cond)) then if (present(values)) then call at_boundariesGrid_DD(wt,values) else call at_boundariesGrid_DD(wt) endif return endif select case(cond) case ('NN') if (present(values)) then call at_BoundariesGrid_NN(wt,values) else call at_BoundariesGrid_NN(wt) endif case ('DN') if (present(values)) then call at_BoundariesGrid_DN(wt,values) else call at_BoundariesGrid_DN(wt) endif case ('ND') if (present(values)) then call at_BoundariesGrid_ND(wt,values) else call at_BoundariesGrid_ND(wt) endif case ('DD') if (present(values)) then call at_BoundariesGrid_DD(wt,values) else call at_BoundariesGrid_DD(wt) endif case default call MessageNotify('E','wt_BoundariesGrid','B.C. not supported') end select end subroutine wt_BoundariesGrid subroutine wt_TorBoundariesTau(wt_TORPOT,values,cond,new) ! ! 速度トロイダルポテンシャルに対して境界条件を適用する. ! Chebyshev 空間での境界条件適用. ! ! 速度トロイダルポテンシャルΨに対して与えられる境界条件は ! ! * 粘着条件 : Ψ = Ψb(lon,lat). Ψb は境界球面での速度分布. ! default は 0(静止状態). ! ! * 応力なし条件 : ∂(Ψ/r)/∂r = 0. ! ! 最初に呼ばれるときはオプショナル引数 new に関係なく行列が設定される. ! real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm),intent(inout) :: wt_TORPOT !(inout) 境界条件を適用するデータ. 修正された値を返す. real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),2), intent(in), optional :: values !(in) 両端境界でのトロイダルポテンシャル ! 粘着条件の時のみ有効 character(len=2), intent(in), optional :: cond !(in) 境界条件スイッチ. 省略時は 'RR' ! RR : 両端粘着条件 ! RF : 上端粘着, 下端応力なし条件 ! FR : 上端応力なし, 下端粘着条件 ! FF : 両端応力なし条件 logical, intent(IN), optional :: new !(in) true だと境界条件計算用行列を強制的に新たに作る. ! default は false. real(8), dimension(:,:), allocatable :: alu integer, dimension(:), allocatable :: kp real(8), dimension(0:lm) :: t_data real(8), dimension(0:km) :: z_data logical :: rigid1, rigid2 ! 境界条件 logical :: first = .true. logical :: new_matrix = .false. integer :: l save :: alu, kp, first if (.not. present(cond)) then rigid1=.TRUE. ; rigid2=.TRUE. else select case (cond) case ('RR') rigid1 = .TRUE. ; rigid2 = .TRUE. case ('RF') rigid1 = .TRUE. ; rigid2 = .FALSE. case ('FR') rigid1 = .FALSE. ; rigid2 = .TRUE. case ('FF') rigid1 = .FALSE. ; rigid2 = .FALSE. case default call MessageNotify('E','wt_TorBoundariesTau','B.C. not supported') end select endif if (.not. present(new)) then new_matrix=.false. else new_matrix=new endif if ( first .OR. new_matrix ) then first = .false. if ( allocated(alu) ) deallocate(alu) if ( allocated(kp) ) deallocate(kp) allocate(alu(0:lm,0:lm),kp(0:lm)) do l=0,lm t_data = 0.0D0 ; t_data(l) = 1.0D0 alu(:,l) = t_data ! 力学的条件粘着条件 if ( rigid1 ) then z_data = z_t(t_data) else z_data = z_t(t_dr_t(t_z(z_t(t_data)/z_rad))) endif alu(lm-1,l) = z_data(0) ! 境界 k=0 での条件式代入 if ( rigid2 ) then z_data = z_t(t_data) else z_data = z_t(t_dr_t(t_z(z_t(t_data)/z_rad))) endif alu(lm,l) = z_data(km) ! 境界 k=km での条件式代入 enddo call ludecomp(alu,kp) if ( rigid1 .AND. present(values) ) then call MessageNotify('M','wt_TorBoundariesTau',& 'Toroidal potential at k=0 was given by the optional variable.') else if ( rigid1 .AND. (.NOT.present(values)) ) then call MessageNotify('M','wt_TorBoundariesTau',& 'Toroidal potential at k=0 was set to zero.') else if ( (.NOT. rigid1) .AND. present(values) ) then call MessageNotify('W','wt_TorBoundariesTau',& 'Boundary value k=0 cannot be set under stress-free condition.') endif if ( rigid2 .AND. present(values) ) then call MessageNotify('M','wt_TorBoundariesTau',& 'Toroidal potential at k=0 was given by the optional variable.') else if ( rigid2 .AND. (.NOT.present(values)) ) then call MessageNotify('M','wt_TorBoundariesTau',& 'Toroidal potential at k=0 was set to zero.') else if ( (.NOT. rigid2) .AND. present(values) ) then call MessageNotify('W','wt_TorBoundariesTau',& 'Boundary value k=0 cannot be set under stress-free condition.') endif call MessageNotify('M','wt_TorBoundariesTau',& 'Matrix to apply b.c. newly produced.') endif if ( rigid1 .AND. present(values) ) then wt_torpot(:,lm-1) = values(:,1) else wt_torpot(:,lm-1) = 0.0D0 endif if ( rigid2 .AND. present(values) ) then wt_torpot(:,lm) = values(:,2) else wt_torpot(:,lm) = 0.0D0 endif wt_torpot = lusolve(alu,kp,wt_TORPOT) end subroutine wt_TorBoundariesTau subroutine wt_TorBoundariesGrid(wt_TORPOT,values,cond,new) ! ! 速度トロイダルポテンシャルに対して境界条件を適用する. ! 実空間での境界条件適用 ! ! 鉛直実格子点空間において内部領域の値と境界条件を満たすように ! 条件を課している(選点法). このルーチンを用いるためには ! wt_Initial にて設定するチェビシェフ切断波数(lm)と鉛直格子点数(km)を ! 等しくしておく必要がある. ! ! 速度トロイダルポテンシャルΨに対して与えられる境界条件は ! ! * 粘着条件 : Ψ = Ψb(lon,lat). Ψb は境界球面での速度分布. ! default は 0 (静止状態). ! ! * 応力なし条件 : ∂(Ψ/r)/∂r = 0. ! ! 最初に呼ばれるときはオプショナル引数 new に関係なく行列が設定される. ! real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm),intent(inout) :: wt_TORPOT !(inout) 境界条件を適用するデータ. 修正された値を返す. real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),2), intent(in), optional :: values !(in) 両端境界でのトロイダルポテンシャル ! 粘着条件の時のみ有効 character(len=2), intent(in), optional :: cond !(in) 境界条件スイッチ. 省略時は 'RR' ! RR : 両端粘着条件 ! RF : 上端粘着, 下端応力なし条件 ! FR : 上端応力なし, 下端粘着条件 ! FF : 両端応力なし条件 logical, intent(IN), optional :: new !(in) true だと境界条件計算用行列を強制的に新たに作る. ! default は false. real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:km):: wz_TORPOT real(8), dimension(:,:), allocatable :: alu integer, dimension(:), allocatable :: kp real(8), dimension(0:lm) :: t_data real(8), dimension(0:km) :: z_data logical :: rigid1, rigid2 ! 境界条件 logical :: first = .true. logical :: new_matrix = .false. integer :: l save :: alu, kp, first if (.not. present(cond)) then rigid1=.TRUE. ; rigid2=.TRUE. else select case (cond) case ('RR') rigid1 = .TRUE. ; rigid2 = .TRUE. case ('RF') rigid1 = .TRUE. ; rigid2 = .FALSE. case ('FR') rigid1 = .FALSE. ; rigid2 = .TRUE. case ('FF') rigid1 = .FALSE. ; rigid2 = .FALSE. case default call MessageNotify('E','wt_TorBoundariesGrid','B.C. not supported') end select endif if (.not. present(new)) then new_matrix=.false. else new_matrix=new endif if ( first .OR. new_matrix ) then first = .false. if ( lm /= km ) then call MessageNotify('E','TorBoundariesGrid', & 'Chebyshev truncation and number of grid points should be same.') endif if ( allocated(alu) ) deallocate(alu) if ( allocated(kp) ) deallocate(kp) allocate(alu(0:km,0:lm),kp(0:lm)) do l=0,lm t_data = 0.0D0 ; t_data(l)=1.0D0 alu(:,l) = z_t(t_data) if ( rigid1 ) then z_data = z_t(t_data) else z_data = z_t(t_dr_t(t_z(z_t(t_data)/z_rad))) endif alu(0,l) = z_data(0) ! 境界 k=0 での条件式代入 if ( rigid2 ) then z_data = z_t(t_data) else z_data = z_t(t_dr_t(t_z(z_t(t_data)/z_rad))) endif alu(km,l) = z_data(km) ! 境界 k=km での条件式代入 end do call ludecomp(alu,kp) if ( rigid1 .AND. present(values) ) then call MessageNotify('M','wt_TorBoundariesGrid',& 'Toroidal potential at k=0 was given by the optional variable.') else if ( rigid1 .AND. (.NOT.present(values)) ) then call MessageNotify('M','wt_TorBoundariesGrid',& 'Toroidal potential at k=0 was set to zero.') else if ( (.NOT. rigid1) .AND. present(values) ) then call MessageNotify('W','wt_TorBoundariesGrid',& 'Boundary value at k=0 cannot be set under stress-free condition.') endif if ( rigid2 .AND. present(values) ) then call MessageNotify('M','wt_TorBoundariesGrid',& 'Toroidal potential at k=km was given by the optional variable.') else if ( rigid2 .AND. (.NOT.present(values)) ) then call MessageNotify('M','wt_TorBoundariesGrid',& 'Toroidal potential at k=km was set to zero.') else if ( (.NOT. rigid2) .AND. present(values) ) then call MessageNotify('W','wt_TorBoundariesGrid',& 'Boundary value at k=km cannot be set under stress-free condition.') endif call MessageNotify('M','wt_TorBoundariesGrid',& 'Matrix to apply b.c. newly produced.') endif wz_TorPot = wz_wt(wt_TorPot) if ( rigid1 .AND. present(values) ) then wz_TorPot(:,0) = values(:,1) else wz_TorPot(:,0) = 0.0D0 endif if ( rigid2 .AND. present(values) ) then wz_TorPot(:,km) = values(:,2) else wz_TorPot(:,km) = 0.0D0 endif wt_torpot = lusolve(alu,kp,wz_TorPot) end subroutine wt_TorBoundariesGrid function wz_LaplaPol2Pol_wz(wz,cond,new) ! ! 速度ポロイダルポテンシャルΦを▽^2Φから計算する. ! ! チェビシェフ格子点空間で境界条件を適用している. ! この関数を用いるためには wt_Initial にて設定する ! チェビシェフ切断波数(lm)と鉛直格子点数(km)を等しく ! しておく必要がある. ! ! 速度ポロイダルポテンシャルΦを f = ▽^2Φから定める式は ! ! ▽^2Φ = f ! Φ = const. at boundaries. ! ∂Φ/∂r = 0 at boundaries (粘着条件) ! or ∂^2Φ/∂r^2 = 0 at boundaries (応力なし条件) ! ! 最初に呼ばれるときはオプショナル引数 new に関係なく行列が設定される. ! real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:km),intent(in) :: wz !(in) 入力▽^2φ分布 real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:km) :: wz_LaplaPol2Pol_wz !(out) 出力ポロイダルポテンシャル分布 character(len=2), intent(in), optional :: cond !(in) 境界条件スイッチ. 省略時は 'RR' ! RR : 両端粘着条件 ! RF : 上端粘着, 下端応力なし条件 ! FR : 上端応力なし, 下端粘着条件 ! FF : 両端応力なし条件 logical, intent(IN), optional :: new !(in) true だと境界条件計算用行列を強制的に新たに作る. ! default は false. real(8), dimension(:,:,:), allocatable :: alu integer, dimension(:,:), allocatable :: kp real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:km) :: wz_work real(8), dimension(0:km,0:km) :: gg real(8), dimension(0:km,0:km) :: gg_work logical :: rigid1, rigid2 ! 境界条件 logical :: first = .true. logical :: new_matrix = .false. integer :: k,n save :: alu, kp, first if (.not. present(cond)) then rigid1=.TRUE. ; rigid2=.TRUE. else select case (cond) case ('RR') rigid1 = .TRUE. ; rigid2 = .TRUE. case ('RF') rigid1 = .TRUE. ; rigid2 = .FALSE. case ('FR') rigid1 = .FALSE. ; rigid2 = .TRUE. case ('FF') rigid1 = .FALSE. ; rigid2 = .FALSE. case default call MessageNotify('E','wz_LaplaPol2Pol_wt','B.C. not supported') end select endif if (.not. present(new)) then new_matrix=.false. else new_matrix=new endif if ( first .OR. new_matrix ) then first = .false. if ( lm /= km ) then call MessageNotify('E','wz_LaplaPol2Pol_wz', & 'Chebyshev truncation and number of grid points should be same.') endif if ( allocated(alu) ) deallocate(alu) if ( allocated(kp) ) deallocate(kp) allocate(alu((nm+1)*(nm+1),0:km,0:km),kp((nm+1)*(nm+1),0:km)) do k=0,km wz_work = 0.0D0 ; wz_work(:,k) = 1.0D0 ! 各水平波数に関して独立の式 alu(:,:,k) = wz_wt(wt_lapla_wt(wt_wz(wz_work))) enddo ! 運動学的条件. 流線は境界で一定 gg = 0.0D0 do k=0,km gg(k,k)=1.0D0 enddo do n=1,(nm+1)*(nm+1) alu(n,0,:) = gg(:,0) alu(n,km,:) = gg(:,km) enddo ! 力学的条件粘着条件 if ( rigid1 ) then gg_work=az_at(at_dr_at(at_az(gg))) else gg_work=az_at(at_dr_at(at_dr_at(at_az(gg)))) endif do n=1,(nm+1)*(nm+1) alu(n,1,:) = gg_work(:,0) enddo ! 力学的条件粘着条件 if ( rigid2 ) then gg_work=az_at(at_dr_at(at_az(gg))) else gg_work=az_at(at_dr_at(at_dr_at(at_az(gg)))) endif do n=1,(nm+1)*(nm+1) alu(n,km-1,:) = gg_work(:,km) enddo call ludecomp(alu,kp) call MessageNotify('M','wz_LaplaPol2Pol_wz',& 'Matrix to apply b.c. newly produced.') endif wz_work = wz wz_work(:,1) = 0.0D0 ! 力学的条件 wz_work(:,km-1) = 0.0D0 ! 力学的条件 wz_work(:,0) = 0.0D0 ! 運動学的条件 wz_work(:,km) = 0.0D0 ! 運動学的条件 wz_laplapol2pol_wz = lusolve(alu,kp,wz_work) end function wz_LaplaPol2Pol_wz function wt_LaplaPol2PolTau_wt(wt,cond,new) ! ! 速度ポロイダルポテンシャルΦを▽^2Φから計算する. ! チェビシェフタウ法で境界条件を適用している. ! ! 速度ポロイダルポテンシャルΦを f = ▽^2Φから定める式は ! ! ▽^2Φ = f ! Φ = const. at boundaries. ! ∂Φ/∂r = 0 at boundaries (粘着条件) ! or ∂^2Φ/∂r^2 = 0 at boundaries (応力なし条件) ! ! 最初に呼ばれるときはオプショナル引数 new に関係なく行列が設定される. ! real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm),intent(in) :: wt !(in) 入力▽^2φ分布 real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm) :: wt_LaplaPol2PolTau_wt !(out) 出力ポロイダルポテンシャル分布 character(len=2), intent(in), optional :: cond !(in) 境界条件スイッチ. 省略時は 'RR' ! RR : 両端粘着条件 ! RF : 上端粘着, 下端応力なし条件 ! FR : 上端応力なし, 下端粘着条件 ! FF : 両端応力なし条件 logical, intent(IN), optional :: new !(in) true だと境界条件計算用行列を強制的に新たに作る. ! default は false. real(8), dimension(:,:,:), allocatable :: alu integer, dimension(:,:), allocatable :: kp real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:km) :: wz_work real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm) :: wt_work logical :: rigid1, rigid2 ! 境界条件 logical :: first = .true. logical :: new_matrix = .false. integer :: l save :: alu, kp, first if (.not. present(cond)) then rigid1=.TRUE. ; rigid2=.TRUE. else select case (cond) case ('RR') rigid1 = .TRUE. ; rigid2 = .TRUE. case ('RF') rigid1 = .TRUE. ; rigid2 = .FALSE. case ('FR') rigid1 = .FALSE. ; rigid2 = .TRUE. case ('FF') rigid1 = .FALSE. ; rigid2 = .FALSE. case default call MessageNotify('E','wt_LaplaPol2PolTau_wt','B.C. not supported') end select endif if (.not. present(new)) then new_matrix=.false. else new_matrix=new endif if ( first .OR. new_matrix ) then first = .false. if ( allocated(alu) ) deallocate(alu) if ( allocated(kp) ) deallocate(kp) allocate(alu((nm+1)*(nm+1),0:lm,0:lm),kp((nm+1)*(nm+1),0:lm)) alu = 0.0D0 do l=0,lm-2 wt_work = 0.0D0 ; wt_work(:,l) = 1.0D0 ! 各水平波数に関して独立の式 alu(:,:,l) = wt_Lapla_wt(wt_work) enddo ! 運動学的条件. 流線は境界で一定 do l=0,lm wt_work=0.0D0 wt_work(:,l) = 1.0D0 wz_work = wz_wt(wt_work) alu(:,lm-1,l) = wz_work(:,0) alu(:,lm,l) = wz_work(:,km) ! 力学的条件粘着条件 if ( rigid1 ) then wz_work=wz_wt(wt_DRad_wt(wt_work)) else wz_work=wz_wt(wt_DRad_wt(wt_DRad_wt(wt_work))) endif alu(:,lm-2,l) = wz_work(:,0) ! 力学的条件粘着条件 if ( rigid2 ) then wz_work=wz_wt(wt_DRad_wt(wt_work)) else wz_work=wz_wt(wt_DRad_wt(wt_DRad_wt(wt_work))) endif alu(:,lm-3,l) = wz_work(:,km) end do call ludecomp(alu,kp) call MessageNotify('M','wt_LaplaPol2PolTau_wt',& 'Matrix to apply b.c. newly produced.') endif wt_work = wt wt_work(:,lm) = 0.0D0 ! 運動学的条件 wt_work(:,lm-1) = 0.0D0 ! 運動学的条件 wt_work(:,lm-2) = 0.0D0 ! 力学的条件 wt_work(:,lm-3) = 0.0D0 ! 力学的条件 wt_LaplaPol2PolTau_wt = lusolve(alu,kp,wt_work) end function wt_LaplaPol2PolTau_wt function wt_LaplaPol2PolGrid_wt(wt,cond,new) ! ! 速度ポロイダルポテンシャルΦを▽^2Φから計算する. ! チェビシェフ格子点空間で境界条件を適用している. ! ! この関数を用いるためには wt_Initial にて設定する ! チェビシェフ切断波数(lm)と鉛直格子点数(km)を等しく ! しておく必要がある. ! ! 速度ポロイダルポテンシャルΦを f = ▽^2Φから定める式は ! ! ▽^2Φ = f ! Φ = const. at boundaries. ! ∂Φ/∂r = 0 at boundaries (粘着条件) ! or ∂^2Φ/∂r^2 = 0 at boundaries (応力なし条件) ! ! 最初に呼ばれるときはオプショナル引数 new に関係なく行列が設定される. ! ! 最終的にチェビシェフ係数の解が欲しい場合には, wz_LaplaPol2Pol_wz に ! 比べてチェビシェフ -- 格子点変換が 1 回分少なくて済む. ! real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm),intent(in) :: wt !(in) 入力▽^2φ分布 real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm) :: wt_LaplaPol2PolGrid_wt !(out) 出力ポロイダルポテンシャル分布 character(len=2), intent(in), optional :: cond !(in) 境界条件スイッチ. 省略時は 'RR' ! RR : 両端粘着条件 ! RF : 上端粘着, 下端応力なし条件 ! FR : 上端応力なし, 下端粘着条件 ! FF : 両端応力なし条件 logical, intent(IN), optional :: new !(in) true だと境界条件計算用行列を強制的に新たに作る. ! default は false. real(8), dimension(:,:,:), allocatable :: alu integer, dimension(:,:), allocatable :: kp real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:km) :: wz_work real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm) :: wt_work real(8), dimension(0:lm,0:lm) :: tt_I real(8), dimension(0:lm,0:km) :: tz_work logical :: rigid1, rigid2 ! 境界条件 logical :: first = .true. logical :: new_matrix = .false. integer :: l,n save :: alu, kp, first if (.not. present(cond)) then rigid1=.TRUE. ; rigid2=.TRUE. else select case (cond) case ('RR') rigid1 = .TRUE. ; rigid2 = .TRUE. case ('RF') rigid1 = .TRUE. ; rigid2 = .FALSE. case ('FR') rigid1 = .FALSE. ; rigid2 = .TRUE. case ('FF') rigid1 = .FALSE. ; rigid2 = .FALSE. case default call MessageNotify('E','wt_LaplaPol2PolGrid_wt','B.C. not supported') end select endif if (.not. present(new)) then new_matrix=.false. else new_matrix=new endif if ( first .OR. new_matrix ) then first = .false. if ( lm /= km ) then call MessageNotify('E','wt_LaplaPol2PolGrid_wt', & 'Chebyshev truncation and number of grid points should be same.') endif if ( allocated(alu) ) deallocate(alu) if ( allocated(kp) ) deallocate(kp) allocate(alu((nm+1)*(nm+1),0:km,0:lm),kp((nm+1)*(nm+1),0:lm)) do l=0,lm wt_work = 0.0D0 ; wt_work(:,l) = 1.0D0 ! 各水平波数に関して独立の式 alu(:,:,l) = wz_wt(wt_Lapla_wt(wt_work)) enddo ! 運動学的条件. 流線は境界で一定 tt_I = 0.0D0 do l=0,lm tt_I(l,l)=1.0D0 enddo ! 非電気伝導体 tz_work = az_at(tt_I) do n=1,(nm+1)*(nm+1) alu(n,0,:) = tz_work(:,0) alu(n,km,:) = tz_work(:,km) enddo ! 力学的条件粘着条件 if ( rigid1 ) then tz_work=az_at(at_Dr_at(tt_I)) else tz_work=az_at(at_Dr_at(at_Dr_at(tt_I))) endif do n=1,(nm+1)*(nm+1) alu(n,1,:) = tz_work(:,0) enddo ! 力学的条件粘着条件 if ( rigid2 ) then tz_work=az_at(at_Dr_at(tt_I)) else tz_work=az_at(at_Dr_at(at_Dr_at(tt_I))) endif do n=1,(nm+1)*(nm+1) alu(n,km-1,:) = tz_work(:,km) enddo call ludecomp(alu,kp) call MessageNotify('M','wt_LaplaPol2PolGrid_wt',& 'Matrix to apply b.c. newly produced.') endif wz_work = wz_wt(wt) wz_work(:,1) = 0.0D0 ! 力学的条件 wz_work(:,km-1) = 0.0D0 ! 力学的条件 wz_work(:,0) = 0.0D0 ! 運動学的条件 wz_work(:,km) = 0.0D0 ! 運動学的条件 wt_LaplaPol2PolGrid_wt = lusolve(alu,kp,wz_work) end function wt_LaplaPol2PolGrid_wt subroutine wt_TormagBoundariesTau(wt_TOR,new) ! 磁場トロイダルポテンシャルに対して境界条件を適用する. ! Chebyshev 空間での境界条件適用 ! ! チェビシェフ空間において境界条件を満たすべく高次の係数を定める方法を ! とっている(タウ法). 現在のところ境界物質が非電気伝導体の場合のみ ! 対応している. その場合, 磁場トロイダルポテンシャルの境界条件は ! ! 外側 ! wt_psi = 0 at the outer boundary ! 内側 ! wt_psi = 0 at the inner boundary ! ! であるから wt_Boundaries で対応可能だが, 将来のため別途作成しておく. ! ! 最初に呼ばれるときはオプショナル引数 new に関係なく行列が設定される. ! real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm),intent(inout) :: wt_TOR !(inout) 境界条件を適用するデータ. 修正された値を返す. logical, intent(IN), optional :: new !(in) true だと境界条件計算用行列を強制的に新たに作る. ! default は false. real(8), dimension(:,:,:), allocatable :: alu integer, dimension(:,:), allocatable :: kp real(8), dimension(:,:), allocatable :: wt_I real(8), dimension(:,:), allocatable :: wz_PSI logical :: first = .true. logical :: new_matrix = .false. integer :: l save :: alu, kp, first if (.not. present(new)) then new_matrix=.false. else new_matrix=new endif if ( first .OR. new_matrix ) then first = .false. if ( allocated(alu) ) deallocate(alu) if ( allocated(kp) ) deallocate(kp) if ( allocated(wt_I) ) deallocate(wt_I) if ( allocated(wz_PSI) ) deallocate(wz_PSI) allocate(alu((nm+1)*(nm+1),0:lm,0:lm),kp((nm+1)*(nm+1),0:lm)) allocate(wt_I((nm+1)*(nm+1),0:lm),wz_PSI((nm+1)*(nm+1),0:km)) do l=0,lm wt_I = 0.0D0 ; wt_I(:,l)=1.0D0 alu(:,:,l) = wt_I ! 非電気伝導体 wz_PSI = wz_wt(wt_I) alu(:,lm-1,l) = wz_PSI(:,0) alu(:,lm,l) = wz_PSI(:,km) enddo call ludecomp(alu,kp) deallocate(wt_I,wz_PSI) call MessageNotify('M','TormagBoundariesTau',& 'Matrix to apply b.c. newly produced.') endif wt_TOR(:,lm-1) = 0.0D0 wt_TOR(:,lm) = 0.0D0 wt_TOR = lusolve(alu,kp,wt_TOR) end subroutine wt_TormagBoundariesTau subroutine wt_TormagBoundariesGrid(wt_TOR,new) ! ! 磁場トロイダルポテンシャルに対して境界条件を適用する. ! 鉛直実空間での境界条件適用. ! ! 鉛直実格子点空間において内部領域の値と境界条件を満たすように ! 条件を課している(選点法). このルーチンを用いるためには ! wt_Initial にて設定するチェビシェフ切断波数(lm)と鉛直格子点数(km)を ! 等しくしておく必要がある. ! ! 現在のところ境界物質が非電気伝導体の場合のみ対応している. ! その場合, 磁場トロイダルポテンシャルの境界条件は ! ! 外側 ! wt_psi = 0 at the outer boundary ! 内側 ! wt_psi = 0 at the inner boundary ! ! であるので wt_Boundaries で対応可能だが, 将来のため別途作成しておく ! ! 最初に呼ばれるときはオプショナル引数 new に関係なく行列が設定される. ! real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm),intent(inout) :: wt_TOR !(inout) 境界条件を適用するデータ. 修正された値を返す. logical, intent(IN), optional :: new !(in) true だと境界条件計算用行列を強制的に新たに作る. ! default は false. real(8), dimension(:,:,:), allocatable :: alu integer, dimension(:,:), allocatable :: kp real(8), dimension(:,:), allocatable :: wt_I real(8), dimension(:,:), allocatable :: wz_PSI real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:km) :: wz_TOR logical :: first = .true. logical :: new_matrix = .false. integer :: l save :: alu, kp, first if (.not. present(new)) then new_matrix=.false. else new_matrix=new endif if ( first .OR. new_matrix ) then first = .false. if ( lm /= km ) then call MessageNotify('E','TorMagBoundariesGrid', & 'Chebyshev truncation and number of grid points should be same.') endif if ( allocated(alu) ) deallocate(alu) if ( allocated(kp) ) deallocate(kp) if ( allocated(wt_I) ) deallocate(wt_I) if ( allocated(wz_PSI) ) deallocate(wz_PSI) allocate(alu((nm+1)*(nm+1),0:km,0:lm),kp((nm+1)*(nm+1),0:lm)) allocate(wt_I((nm+1)*(nm+1),0:lm),wz_PSI((nm+1)*(nm+1),0:km)) do l=0,lm wt_I = 0.0D0 ; wt_I(:,l)=1.0D0 wz_PSI = wz_wt(wt_I) alu(:,:,l) = wz_PSI ! 非電気伝導体 alu(:,0,l) = wz_PSI(:,0) alu(:,km,l) = wz_PSI(:,km) enddo call ludecomp(alu,kp) deallocate(wt_I,wz_PSI) call MessageNotify('M','TormagBoundariesGrid',& 'Matrix to apply b.c. newly produced.') endif wz_TOR = wz_wt(wt_TOR) wz_TOR(:,0) = 0.0D0 wz_TOR(:,km) = 0.0D0 wt_TOR = lusolve(alu,kp,wz_TOR) end subroutine wt_TormagBoundariesGrid subroutine wt_PolmagBoundariesTau(wt_POL,new) ! ! 磁場ポロイダルポテンシャルに対して境界条件を適用する. ! Chebyshev 空間での境界条件適用 ! ! チェビシェフ空間において境界条件を満たすべく高次の係数を定める方法を ! とっている(タウ法). 現在のところ境界物質が非電気伝導体の場合のみ ! 対応している. その場合, 磁場ポロイダルポテンシャルの各水平スペクトル ! 成分 h にたいして境界条件が与えられ, ! ! * 外側境界 : dh/dr + (n+1)h/r = 0 ! * 内側境界 : dh/dr - nh/r = 0 ! ! である. ここで n は h の水平全波数である. ! ! 最初に呼ばれるときはオプショナル引数 new に関係なく行列が設定される. ! real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm),intent(inout) :: wt_POL !(inout) 境界条件を適用するデータ. 修正された値を返す. logical, intent(IN), optional :: new !(in) true だと境界条件計算用行列を強制的に新たに作る. ! default は false. real(8), dimension(:,:,:), allocatable :: alu integer, dimension(:,:), allocatable :: kp real(8), dimension(:,:), allocatable :: wt_I real(8), dimension(:,:), allocatable :: wz_PSI real(8), dimension(:,:), allocatable :: wz_DPSIDR real(8), dimension(:), allocatable :: w_n logical :: first = .true. logical :: new_matrix = .false. integer :: l, n, nn(2) save :: alu, kp, first if (.not. present(new)) then new_matrix=.false. else new_matrix=new endif if ( first .OR. new_matrix ) then first = .false. if ( allocated(alu) ) deallocate(alu) if ( allocated(kp) ) deallocate(kp) if ( allocated(wt_I) ) deallocate(wt_I) if ( allocated(wz_PSI) ) deallocate(wz_PSI) if ( allocated(wz_DPSIDR) ) deallocate(wz_DPSIDR) if ( allocated(w_n) ) deallocate(w_n) allocate(alu((nm+1)*(nm+1),0:lm,0:lm),kp((nm+1)*(nm+1),0:lm)) allocate(wt_I((nm+1)*(nm+1),0:lm),w_n((nm+1)*(nm+1))) allocate(wz_PSI((nm+1)*(nm+1),0:km),wz_DPSIDR((nm+1)*(nm+1),0:km)) do n=1,(nm+1)*(nm+1) nn=nm_l(n) w_n(n) = nn(1) enddo do l=0,lm wt_I = 0.0D0 ; wt_I(:,l) = 1.0D0 alu(:,:,l) = wt_I wz_PSI = wz_wt(wt_I) wz_DPSIDR = wz_wt(wt_DRad_wt(wt_I)) alu(:,lm-1,l) = wz_DPSIDR(:,0) + (w_n+1) * wz_PSI(:,0)/z_RAD(0) alu(:,lm,l) = wz_DPSIDR(:,km) - w_n * wz_PSI(:,km)/z_RAD(km) enddo call ludecomp(alu,kp) deallocate(wt_I,wz_PSI,wz_DPSIDR,w_n) call MessageNotify('M','PolmagBoundariesTau',& 'Matrix to apply b.c. newly produced.') endif wt_POL(:,lm-1) = 0.0D0 wt_POL(:,lm) = 0.0D0 wt_POL = lusolve(alu,kp,wt_POL) end subroutine wt_PolmagBoundariesTau subroutine wt_PolmagBoundariesGrid(wt_POL,new) ! ! 磁場ポロイダルポテンシャルに対して境界条件を適用する. ! 鉛直実空間での境界条件適用. ! ! 鉛直実格子点空間において内部領域の値と境界条件を満たすように ! 条件を課している(選点法). このルーチンを用いるためには ! wt_Initial にて設定するチェビシェフ切断波数(lm)と鉛直格子点数(km)を ! 等しくしておく必要がある. ! ! 現在のところ境界物質が非電気伝導体の場合のみ対応している. ! その場合, 磁場ポロイダルポテンシャルの各水平スペクトル成分 h に ! たいして境界条件が与えられ, ! ! * 外側境界 : dh/dr + (n+1)h/r = 0 ! * 内側境界 : dh/dr - nh/r = 0 ! ! である. ここで n は h の水平全波数である. ! ! 最初に呼ばれるときはオプショナル引数 new に関係なく行列が設定される. ! real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:lm),intent(inout) :: wt_POL !(inout) 境界条件を適用するデータ. 修正された値を返す. logical, intent(IN), optional :: new !(in) true だと境界条件計算用行列を強制的に新たに作る. ! default は false. real(8), dimension(:,:,:), allocatable :: alu integer, dimension(:,:), allocatable :: kp real(8), dimension(:,:), allocatable :: wt_I real(8), dimension(:,:), allocatable :: wz_PSI real(8), dimension(:,:), allocatable :: wz_DPSIDR real(8), dimension(:), allocatable :: w_n real(8), dimension((nm+1)*(nm+1),0:km) :: wz_POL logical :: first = .true. logical :: new_matrix = .false. integer :: l, n, nn(2) save :: alu, kp, first if (.not. present(new)) then new_matrix=.false. else new_matrix=new endif if ( first .OR. new_matrix ) then first = .false. if ( lm /= km ) then call MessageNotify('E','PolMagBoundariesGrid', & 'Chebyshev truncation and number of grid points should be same.') endif if ( allocated(alu) ) deallocate(alu) if ( allocated(kp) ) deallocate(kp) if ( allocated(wt_I) ) deallocate(wt_I) if ( allocated(wz_PSI) ) deallocate(wz_PSI) if ( allocated(wz_DPSIDR) ) deallocate(wz_DPSIDR) if ( allocated(w_n) ) deallocate(w_n) allocate(alu((nm+1)*(nm+1),0:lm,0:lm),kp((nm+1)*(nm+1),0:lm)) allocate(wt_I((nm+1)*(nm+1),0:lm),w_n((nm+1)*(nm+1))) allocate(wz_PSI((nm+1)*(nm+1),0:km),wz_DPSIDR((nm+1)*(nm+1),0:km)) do n=1,(nm+1)*(nm+1) nn=nm_l(n) w_n(n) = nn(1) enddo do l=0,lm wt_I = 0.0D0 ; wt_I(:,l) = 1.0D0 wz_PSI = wz_wt(wt_I) alu(:,:,l) = wz_PSI wz_DPSIDR = wz_wt(wt_DRad_wt(wt_I)) alu(:,0,l) = wz_DPSIDR(:,0) + (w_n+1) * wz_PSI(:,0)/z_RAD(0) alu(:,km,l) = wz_DPSIDR(:,km) - w_n * wz_PSI(:,km)/z_RAD(km) enddo call ludecomp(alu,kp) deallocate(wt_I,wz_PSI,wz_DPSIDR,w_n) call MessageNotify('M','PolmagBoundariesGrid',& 'Matrix to apply b.c. newly produced.') endif wz_POL = wz_wt(wt_POL) wz_POL(:,0) = 0.0D0 wz_POL(:,km) = 0.0D0 wt_POL = lusolve(alu,kp,wz_POL) end subroutine wt_PolmagBoundariesGrid end module wt_module_svpack