高分辨率海洋模式LLC4320的在线读取

LLC4320模式简介

LLC4320是MITgcm 1/48°全球海洋模式，其诞生的直接原因是为即将到来的SWOT任务提供高分辨率的全球海洋模拟。

LLC4320模式在多个方面具有开创性，特别是其高空间分辨率（全球分辨率在 1 到 2 公里之间）、潮汐驱动、高频（每小时）输出，其海面高度信号中包含了内潮、内波、地转平衡等信号。除了在SWOT相关工作取得应用之外，该模式也在海洋亚中尺度、内波等研究方向得到了广泛应用。

# I7 {' w+ {. y

该模式主要特征是：

• • 全球覆盖（包含极地）
• • 垂向90层
• • 分辨率1/48°
• • 全球海洋分成13个face，每个face的网格数为4320*4320
• • 时间采样是1小时，总计时间维度9030
• • 共14 个月（2011 年 9 月至 2012 年 11 月）
• • 数据量巨大，PB级别
• • 以MDS自定义二进制数据格式存储，为MITgcm独有
• • 模型网格复杂，为lat-lon-cap (LLC) 曲线网格 ，很难在常规地图投影中可视化。
  9 c6 O; ?# i9 z/ x+ m5 @/ w% V$ O% p

在数据发布之初，该数据集存储在高度安全的NASA超级计算机上，只有获得NASA资助的研究人员才能访问。

后来，NASA Ames研究中心创建数据共享网站（https://data.nas.nasa.gov/ecco/），开放了LLC4320数据。任何人都可以通过互联网访问数据。在此网站上，您可以单击下载单个大小40GB的二进制文件。除非您知道如何解码其中的内容，否则这些文件毫无用处。
; d9 E- {2 c0 e

xmitgcm.llcreader

xmitgcm 是一个 python 包，可以将 MITgcm 二进制 MDS 文件读入 xarray 结构。通过 dask，xmitgcm可以实现并行计算。

代码库: https://github.com/MITgcm/xmitgcm

文档: https://xmitgcm.readthedocs.io/en/latest/

博客: https://medium.com/pangeo/petaby ... portal-81e3c5e077be

为了使二进制数据方便利用，Ryan Abernathey等开发了xmitgcm的python包，其中llcreader用于读取这些二进制文件。该模块使用xarray和dask从ECCO数据门户网站在线访问数据，使模式大数据的操作变得轻而易举。

海面温度读取示例

以海面温度读取为例，展示其基本操作。用到了如下库：

• • xmitgcm: 提供llcreader
• • xarray: 基本数据结构和操作
• • dask: 大数据并行和lazy计算
• • sholoviews: 交互式的图像展示
  , n1 N$ V" W9 ]2 Y$ g  _. O

1 导入库
# R8 c6 F5 }6 G$ U
import xmitgcm.llcreader as llcreader
6 u. i( S6 G( q7 M%matplotlib inline
import holoviews as hv
from holoviews.operation.datashader import regrid
& ~* O0 E% ?; [& j  Bhv.extension('bokeh')
/ X+ E& ~5 ^& H* q% g% H9 P9 ~
) D& z3 p' s1 t% K5 s0 S! i0 G7 k1 l2 初始化

这里我们使用LLC4320模式数据：

model = llcreader.ECCOPortalLLC4320Model()
# M* O6 F% C; @model

根据数据分辨率和来源，llcreader 可用模块有：

• • llcreader.ECCOPortalLLC2160Model: LLC2160 accessed via ECCO data portal
• • llcreader.ECCOPortal LLC4320Model: LLC4320 accessed via ECCO data portal
• • llcreader.PleiadesLLC2160Model: LLC2160 accessed on Pleaides filesystem
• • llcreader.PleiadesLLC4320Model: LLC4320 accessed on Pleaides filesystem
• • llcreader.CRIOSPortalASTE270Model: ASTE Release 1 accessed via AWS
• • llcreader.SverdrupASTE270Model: ASTE Release 1 accessed on Sverdrup filesystem at UT Austin
  , s$ y6 o& {$ X% C. V6 E

3 海表温度参数设置
: g$ o4 k7 S3 t: {3 s
7 K8 [" `  k6 ~! Pds_sst = model.get_dataset(varnames=['Theta'], k_levels=[0], type='latlon')
( _2 L& ]7 J1 u/ zds_sst

这里的Theta是模式中固有的海表温度名称。这一行程序执行的lazy模式，数据并没有存储在本地内存，也不会进行计算。该变量的大小接近10T。

ds_sst.nbytes / 1e12

9.257148163328

如果想查看其他变量的名称：

print(model.varnames)

['Eta', 'KPPhbl', 'oceFWflx', 'oceQnet', 'oceQsw', 'oceSflux', 'oceTAUX', 'oceTAUY', 'PhiBot', 'Salt', 'SIarea', 'SIheff', 'SIhsalt', 'SIhsnow', 'SIuice', 'SIvice', 'Theta', 'U', 'V', 'W']

比如Eta表示海面高度，U,V,W为速度。

get_dataset模块的全部参数设置为

get_dataset(varnames=None, iter_start=None, iter_stop=None, iter_step=None, iters=None, k_levels=None, k_chunksize=1, type='faces', read_grid=True, grid_vars_to_coords=True)

常见操作有：

• • ds = model.get_dataset(varnames=['Eta'])
• • ds = model.get_dataset(varnames=['Salt', 'Theta'], k_levels=[1, 10, 40])
• • ds = model.get_dataset(varnames=['Theta'], k_levels=[0], type='latlon')
    f( B" f8 _! b6 o, }3 `

参考：https://xmitgcm.readthedocs.io/e ... LCModel.get_dataset

. |/ E+ @% Z3 N: v) Y

4 动态交互可视化
! ]+ T5 \6 b) U- [
dataset = hv.Dataset(ds_sst.Theta.isel(k=0).astype('f4'))
hv_im = (dataset.to(hv.Image, ['i', 'j'], dynamic=True)
5 `+ y0 @6 ]) @6 J( x' G% c                .options(cmap='Magma', width=950, height=600, colorbar=True))
3 H& W# c: \0 L4 d& g" i
%output holomap='scrubber' fps=3
regrid(hv_im, precompute=True)

上图是南非Aghulhas Rings，可以看到强大的洋流和丰富的中小尺度涡旋。下图作为对比是LLC2160的结果，和4320的分辨能力比较有一定差距。

: ^  p4 A+ U+ `: W, e2 F  `涡度计算示例

下面展示LLC4320涡度计算步骤。

model = llcreader.ECCOPortalLLC4320Model()
print(model)
: S: K, ?6 E3 w' X4 Z0 g% A
0 P) K7 l! m7 i# volecity
ds = model.get_dataset(varnames=['U', 'V'], k_levels=[0], type='latlon',
+ M/ y" E  X8 H' I                        iter_start=model.iter_start,
                        iter_stop=(model.iter_start + model.iter_step),
                        read_grid=True)
9 V# y/ ~7 ]. ]& {* a0 K# a
" h( F/ y# U  `, U" a# Normal gridding
import xgcm
3 y. e( [) H) Y( N" {) W6 ugrid = xgcm.Grid(ds, periodic=['X'])
* X5 R1 ?" f' O. N
% ?5 B% @# V8 G% |0 T$ X# Calculate vorticity
zeta = (-grid.diff(ds.U * ds.dxC, 'Y', boundary='fill') + grid.diff(ds.V * ds.dyC, 'X'))/ds.rAz
. r; o3 L- k! R( F" {, izeta = zeta.squeeze().rename('vorticity').reset_coords(drop=True)

- {6 a% X% h) G3 J9 f. S# load data
1 _# V4 K  X, m! M* n/ uzeta.load()

0 F5 t* I7 k$ i4 M- j+ Z# Show
1 Q+ c# O' B) @3 adataset = hv.Dataset(zeta)
hv_im = (dataset.to(hv.Image, ['i_g', 'j_g'])
2 P; K- C+ ]9 t  f                .options(cmap='RdBu_r', width=950, height=600, colorbar=True, symmetric=True))
9 e1 H# l# S9 d9 g- L. e
regrid(hv_im, precompute=True)

扩展：云

虽然 ECCO 门户实现了数据自由访问，但它的带宽有限，国内用户往往难以正常访问。虽然它适合交互探索，但如果想实际处理PB级别的数据，它可能无法提供足够的网络支持。

商业云存储（例如 Amazon S3 或 Google Cloud Storage）具备两全其美的优势。它既可公开访问，又具有极大的数据处理能力。

目前大量的地学大数据已经存储于云端，并可以通过Pangeo进行操作，这其中就包含LLC4320模式。

后面我将介绍云计算平台Pangeo。

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7 W2 R0 U( v9 o; b
9 B  c, B  H. }: |/ ~# d+ N