Python气象数据处理与绘图(1):数据读取

Python09

Python气象数据处理与绘图(1):数据读取,第1张

python很多库支持了对nc格式文件的读取,比如NetCDF4,PyNio(PyNio和PyNgl可以看做是NCL的Python版本)以及Xarray等等。

我最初使用PyNio,但是由于NCL到Python的移植并不完全,导致目前远不如直接使用NCL方便,而在接触Xarray库后,发现其功能强大远超NCL(也可能是我NCL太菜的原因)。

安装同其它库一致:

我这里以一套中国逐日最高温度格点资料(CN05.1)为例,其水平精度为0.5°X0.5°。

可以看到,文件的坐标有时间, 经度,纬度,变量有日最高温

我们将最高温数据取出

这与Linux系统中的ncl_filedump指令看到的信息是类似的

Xarray在读取坐标信息时,自动将时间坐标读取为了datetime64 格式,这对我们挑选目的时间十分方便。Xarray通常与pandas配合使用。

比如我们想选取1979.06.01-1979.06.20时期数据,我们只需

再比如我们想选取夏季数据时,只需

更多的时间操作同python的datetime函数类似。

当我们想选取特定经纬度范围(高度)的数据时,.loc[]函数同样可以解决。

在这里,我选取了40°N-55°N,115°E-135°E范围的数据

甚至,我们还可以套娃,同时叠加时间和范围的选取

这足够满足常用到的数据索引要求。

对于这类简单排列的.txt文件,可以通过np.load读取,用pandas的.read_csv更为方便

读取txt的同时,对每列赋予了一个列名,通过data.a可以直接按列名调用相应数据。

对于较复杂的.txt文件,仍可通过该函数读取

skiprows=5跳过了前5行的文件头,sep='\s+'定义了数据间隔为空格,这里用的是正则表达。

pd.read_csv函数有很多的参数,可以处理各种复杂情况下的文本文件读取。

grib文件可通过pygrib库读取

import pygrib

f = pygrib.open('xxx.grb')

需要对指定格点排放源的数值进行更改,写了ncl和python两个脚本

图为关闭湖南湖北排放源前后对比

code:

需要经纬度格点数的txt文件del_d01.txt,del_d02.txt

NCL:

Python:

对于气象绘图来讲,第一步是对数据的处理,通过各类公式,或者统计方法将原始数据处理为目标数据。

按照气象统计课程的内容,我给出了一些常用到的统计方法的对应函数:

在计算气候态,区域平均时均要使用到求均值函数,对应NCL中的dim_average函数,在python中通常使用np.mean()函数

numpy.mean(a, axis, dtype)

假设a为[time,lat,lon]的数据,那么

需要特别注意的是,气象数据中常有缺测,在NCL中,使用求均值函数会自动略过,而在python中,当任意一数与缺测(np.nan)计算的结果均为np.nan,比如求[1,2,3,4,np.nan]的平均值,结果为np.nan

因此,当数据存在缺测数据时,通常使用np.nanmean()函数,用法同上,此时[1,2,3,4,np.nan]的平均值为(1+2+3+4)/4 = 2.5

同样的,求某数组最大最小值时也有np.nanmax(), np.nanmin()函数来补充np.max(), np.min()的不足。

其他很多np的计算函数也可以通过在前边加‘nan’来使用。

另外,

也可以直接将a中缺失值全部填充为0。

np.std(a, axis, dtype)

用法同np.mean()

在NCL中有直接求数据标准化的函数dim_standardize()

其实也就是一行的事,根据需要指定维度即可。

皮尔逊相关系数:

相关可以说是气象科研中最常用的方法之一了,numpy函数中的np.corrcoef(x, y)就可以实现相关计算。但是在这里我推荐scipy.stats中的函数来计算相关系数:

这个函数缺点和有点都很明显,优点是可以直接返回相关系数R及其P值,这避免了我们进一步计算置信度。而缺点则是该函数只支持两个一维数组的计算,也就是说当我们需要计算一个场和一个序列的相关时,我们需要循环来实现。

其中a[time,lat,lon],b[time]

(NCL中为regcoef()函数)

同样推荐Scipy库中的stats.linregress(x,y)函数:

slop: 回归斜率

intercept:回归截距

r_value: 相关系数

p_value: P值

std_err: 估计标准误差

直接可以输出P值,同样省去了做置信度检验的过程,遗憾的是仍需同相关系数一样循环计算。