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[数据处理] 风玫瑰图的绘制--matlab在科研中的应用

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第13期,和大家讨论一下风玫瑰图的绘制。

风玫瑰图(Wind Rose)是气象学中描述风速和风向发生频率的图。由于风是矢量,常用的统计量如平均值、中值等可能错误地描述风速和风向在一段时间内的特征,比如反向风可能相互抵消,东北风(45°)和西北风(315°)的平均值为南风(180°)等。使用风玫瑰图,用概率来描述各风向、风速区间风的出现频率,可以避免这些问题,从而更准确地描述风在一段时间内的特征。

支持绘制风玫瑰图的工具有很多。NCL中提供WindRoseBasic等命令来实现;python的windrose库也可以绘制不同风格的风玫瑰图;R语言的windRose命令也可以提供类似操作。我最习惯使用的是MATLAB的WindRose工具箱,以下对其进行具体介绍。

WindRose工具箱由Daniel Pereira编写,至该推文撰写日,最后一次更新是在2020年3月5日,其最新代码和说明文件可从以下link下载:

https://dpereira.asempyme.com/windrose/

该工具箱的使用方法比较简单,只有WindRose一句主命令。具体语法为:


3 r% \$ O& t+ g+ N
  • + G/ J# d( P+ q  X
    6 W! r# W" o0 B' ]

[figure_handle,count,speeds,directions,Table] = WindRose(dir,spd,Options);
3 G9 z2 k9 w& V' n/ M# J) B


, [1 x0 M: |, I$ ?

该命令中,输入量有三个:dir为风向时间序列(0-360,气象标准,0代表风从北方吹来,度数顺时针增大);spd为风速时间序列;Options为与图相关的各项设置,变量类型为Cell。Options内包含的设置选项非常多,比如风速、风向区间,colormap,文本及坐标标记,中心零风速设置,多图摆放等等。具体内容参考工具箱说明文件。

输出量有五个,使用场景不多,主要用于数据检查。figure_handle为图句柄,之前figure的所有设置参数都会保存在这里;count为矩阵,保存不同风向、风速区间风的出现频率;speeds为向量,保存风速区间分段的临界值;Table则以表格形式,具体记录的风玫瑰图中各个数值,适合检查错误。

以美国东海岸Nantucket Sound的风场观测为例。从美国NDBC的网站可以下载到该海域浮标44020在2010至2019年间的十年风场观测资料,在进行简单处理后,我们可以使用以下命令对2010-2019十年间44020站风场数据绘制风玫瑰图。由图我们可以直观的看到,该区域风速主要在4-12m/s,西南风居多。

6 w) O+ G4 x1 h+ l* K
  • ; z8 n  P. v; r% o! ?" C( |8 t

  • ( r! k" j# u" \. |4 H$ E

  • + c9 W+ o0 F1 S( k: Y

  • & q. G* J# {/ l$ g. Q* ?# s5 l
  • / `3 n( K4 b( Z& J+ A) F
  • 1 V) x: [; ^( S( K/ }* B3 x& E

  • ' d& C% D1 X& f- b& k: a: p* y  ^( |
  • 5 P3 J7 o4 ?1 ^1 B/ Y

  • 2 P( ~  A9 U8 F$ ?5 G
  • . z9 O! u0 l) C0 S# \

  • 7 N7 C+ k1 e: T; Z9 o
    2 ?& z: q1 c; o1 t3 o% k' h4 z

Options = {'anglenorth',0,...           'angleeast',90,...           'labels',{'N (0^o)','NE (45^o)','E (90^o)','SE (135^o)','S (180^o)','SW (225^o)','W (270^o)','NW (315^o)'},...           'freqlabelangle','auto',...           'MaxFrequency',6,...           'nFreq',6,...           'vWinds',[0 4 8 12 16],...           'LabLegend','Wind Speed (m/s)',...           'legendtype',2,...           'titlestring',''};[figure_handle,count,speeds,directions,Table] = WindRose(dir,spd,Options);
: o6 q# g2 S& B! y

/ f, w8 ?- R2 E* r3 R; d  F

8a53a731c1714e1c0ef30b7de9c58093.png

; w/ H) C2 |0 \1 F7 J

另外,该工具箱还很好地整合了MATLAB中subplot命令,进而在一张图中画多张子图。比如,对10年的风场数据按照季节分开,使用以下命令,可以绘制该海域不同季节的风场特点。可以看到,该海域夏季多西南风;冬季多西北风,且风速较大。

  • ; N7 R4 `6 p" }; L

  • # c: Q, _2 W9 U% o: V. M

  • 5 K( g& L1 N( f! H

  • / o  X" l4 M) d/ d" p

  • / P2 A& a  @* R6 ^1 Z8 g
  • . e: q  F7 B% N. m' P1 W
  •   [' Z$ Y" A' E

  • 8 [2 h. ^- e; Y2 I# r, R* \( M

  • 8 n9 b: L% u6 j3 S
  • # e1 n$ Y! f) p
  •   W7 f* o* ?. ]1 U
  • ; J! N; Q2 S! w9 g9 c
  •   x) D  q& w* |0 n
  • ( Y% \# `5 Z* {8 A

  • $ h6 n! @0 ]$ u; `! G" V* H% \* V! W+ b* w0 D9 t+ y

figure('color','w')Options = {'anglenorth',0,...            'angleeast',90,...           'labels',{'','E','S','W'},...           'freqlabelangle','auto',...           'min_radius',0.25,...           'vWinds',[0 4 8 12 16],...           'MaxFrequency',8,...           'nFreq',4,...           'LabLegend','Wind Speed (m/s)',...           };[figure_handle,count,speeds,directions,Table] = WindRose(dir_spring,spd_spring,[Options,{'titlestring','Spring'},{'legendtype',2},{'axes',subplot(2,2,1)}]);[figure_handle,count,speeds,directions,Table] = WindRose(dir_summer,spd_summer,[Options,{'titlestring','Summer'},{'legendtype',0},{'axes',subplot(2,2,2)}]);[figure_handle,count,speeds,directions,Table] = WindRose(dir_autumn,spd_autumn,[Options,{'titlestring','Autumn'},{'legendtype',0},{'axes',subplot(2,2,3)}]);[figure_handle,count,speeds,directions,Table] = WindRose(dir_winter,spd_winter,[Options,{'titlestring','Winter'},{'legendtype',0},{'axes',subplot(2,2,4)}]);
2 Q$ G% M+ Z0 W3 [' m5 f" X4 i


  w0 `! `) e7 w! ?" J6 I

a4233c6157b36da13a7ab921684eebf4.png

Tip:

在画多图时,最好在画图前先使用


5 E  N- u3 u. a% W9 [1 z

  •   \5 U% B. X& _5 j$ F' P  n: Z. T  [

figure('color','w')
1 n/ X0 |0 [; _) U) r" J

" y5 z5 x, W( B& Z

否则,第一张分图和legend部分可能会变成MATLAB默认画图底色(一般为灰色)。Options中有figcolor选项来更改图底色,然而我测试时依然有上述bug。如果你也遇到相同问题,不妨尝试该方法。

Reference:

浮标数据:

https://www.ndbc.noaa.gov/station_history.php?station=44020

各语言中风玫瑰图的相关命令介绍:

https://www.ncl.ucar.edu/Applications/rose.shtml

https://pypi.org/project/windrose/

https://www.rdocumentation.org/packages/openair/versions/2.7-2/topics/windRose

https://dpereira.asempyme.com/windrose/

                ( N" N2 X* {# \( `1 C5 f2 E
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原来可以笑
活跃在2026-4-10
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