收藏本站 劰载中...网站公告 | 吾爱海洋论坛交流QQ群:835383472

[数据处理] 从nc文件中提取风速数据并且进行时间序列分析

[复制链接]
                                   本文目的
  • 介绍了如何从nc文件中,提取风速数据;
  • 介绍如何将风速数据转换成时间序列;
  • 简单的时间序列的趋势拆解(首发)。
    " @! r- [# y, U, k) p) C
    $ A$ I: O9 q7 K; ?9 u6 z& D
代码链接

代码我已经放在Github上面了,免费分享使用,https://github.com/yuanzhoulvpi2 ... ree/main/python_GIS


+ F5 E0 P7 O& r+ Z' S( j  J9 g6 y

过程介绍
" |, w, C/ u2 o0 \2 ~
( O. j0 ^8 _$ T: }. Z
. h$ `( h% ?7 E7 w. {. e% J. y
1. 导入包/ l- K- d- t* m" g) f! p

" i2 i& W& i+ V4 m" l
[Python] 纯文本查看 复制代码
# 基础的数据处理工具
import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt # 可视化
import datetime # 处理python时间函数
import netCDF4 as nc  # 处理nc数据
from netCDF4 import num2date  # 处理nc数据
import geopandas as gpd  # 处理网格数据,shp之类的
import rasterio  # 处理tiff文件
from shapely.geometry import Point  # gis的一些逻辑判断
from cartopy import crs as ccrs  # 设置投影坐标系等
from tqdm import tqdm  # 打印进度条
from joblib import Parallel, delayed  # 并行
import platform  # 检测系统

tqdm.pandas()

# matplotlib 显示中文的问题
if platform.system() == 'Darwin':
    plt.rcParams["font.family"] = 'Arial Unicode MS'
elif platform.system() == 'Windows':
    plt.rcParams["font.family"] = 'SimHei'
else:
    pass
4 [: O( T' \' I. Z  G) k- [" Q

3 L& j  K/ J2 ^$ g' {# Z! C/ ?
% V; J# q/ e1 L5 f6 {
2.导入数据 处理数据
1 @6 J) Y. D7 B. e- `5 o
5 S- j: v& C/ X& G- L8 u

! Z6 f1 w! I( C7 F2 q; K
[Python] 纯文本查看 复制代码
# 导入数据
nc_data = nc.Dataset("./数据集/GIS实践3/2016_2020.nc")

# 处理数据
raw_latitude = np.array(nc_data.variables['latitude'])
raw_longitude = np.array(nc_data.variables['longitude'])
raw_time = np.array(nc_data.variables['time'])
raw_u10 = np.array(nc_data.variables['u10'])
raw_v10 = np.array(nc_data.variables['v10'])
# 提取缺失值,并且将缺失值替换
missing_u10_value = nc_data.variables['u10'].missing_value
missing_v10_value = nc_data.variables['v10'].missing_value
raw_v10[raw_v10 == missing_v10_value] = np.nan
raw_u10[raw_u10 == missing_u10_value] = np.nan


# 处理时间
def cftime2datetime(cftime, units, format='%Y-%m-%d %H:%M:%S'):
    """
    将nc文件里面的时间格式 从cftime 转换到 datetime格式
    :param cftime:
    :param units:
    :param format:
    :return:
    """
    return datetime.datetime.strptime(num2date(times=cftime, units=units).strftime(format), format)

clean_time_data = pd.Series([cftime2datetime(i, units=str(nc_data.variables['time'].units)) for i in tqdm(raw_time)])
clean_time_data[:4]
. X2 L% i0 _0 d/ v3 v

$ ^3 n  e4 E- V$ p/ G1 f/ Y3. 计算风速数据) {  K# C+ l8 }' n$ o- _6 B
% P2 O. U2 c5 \: @  A8 u
( Z6 u" m% Z) Y5 s0 g2 F" L4 @
[Python] 纯文本查看 复制代码
windspeed_mean = pd.Series([np.sqrt(raw_v10[i,:, :] ** 2 + raw_u10[i, :, :]**2).mean() for i in tqdm(range(clean_time_data.shape[0]))])

time_windspeed = pd.DataFrame({'time':clean_time_data,'mean_ws':windspeed_mean})
time_windspeed

7 C% `& p3 T8 X. C; ^- O3 I
6b7fd110a68e6d3fd40460ccdd7a810b.png

5 H! y# r4 k4 l$ y4 `, ?$ ~. d# e0 F3 t" Q. \- P

6 @/ o" G3 {& N0 p. e$ G' g4. 年度数据可视化
5 p: W9 ?' t6 F
. E% ~, L: y$ F8 ^' l

; @! \2 f4 d% h1 i: W) U' v0 D
[Python] 纯文本查看 复制代码
year_data = time_windspeed.groupby(time_windspeed.time.dt.year).agg(
    mean_ws = ('mean_ws', 'mean')
).reset_index()

# year_data

with plt.style.context('fivethirtyeight') as style:

    fig, ax = plt.subplots(figsize=(10,3), dpi=300)
    ax.plot(year_data['time'], year_data['mean_ws'], '-o',linewidth=3, ms=6)
    ax.set_xticks(year_data['time'])
    #
    #
    for i in range(year_data.shape[0]):
        ax.text(year_data.iloc[/size][/font][i][font=新宋体][size=3]['time']+0.1, year_data.iloc[/size][/font][i][font=新宋体][size=3]['mean_ws'], str(np.around(year_data.iloc[/size][/font][i][font=新宋体][size=3]['mean_ws'], 2)),
                bbox=dict(boxstyle='round', facecolor='white', alpha=0.5))
    #
    for i in ['top', 'right']:
        ax.spines[/size][/font][i][font=新宋体][size=3].set_visible(False)

    ax.set_title("各年平均风速")
    ax.set_ylabel("$Wind Speed / m.s^{-1}$")

. Y" o/ ~; K0 z" y; d! J1 G! V
952d93a401a01cd1fa10be892b8b64d6.png

8 U2 \, N! T, D: @4 u
( m/ Q. f- K) B5 V7 C
9 k& P; B" @9 y# ?( P: T
5. 月维度数据可视化
- }  B+ x7 _7 E- t
[Python] 纯文本查看 复制代码
month_data = time_windspeed.groupby(time_windspeed.time.dt.month).agg(
    mean_ws = ('mean_ws', 'mean')
).reset_index()


with plt.style.context('fivethirtyeight') as style:

    fig, ax = plt.subplots(figsize=(10,3), dpi=300)
    ax.plot(month_data['time'], month_data['mean_ws'], '-o',linewidth=3, ms=6)
    ax.set_xticks(month_data['time'])
    _ = ax.set_xticklabels(labels=[f'{i}月' for i in month_data['time']])


    for i in range(month_data.shape[0]):
        ax.text(month_data.iloc[/size][/font][i][font=新宋体][size=3]['time'], month_data.iloc[/size][/font][i][font=新宋体][size=3]['mean_ws']+0.05, str(np.around(month_data.iloc[/size][/font][i][font=新宋体][size=3]['mean_ws'], 2)),
                bbox=dict(boxstyle='round', facecolor='white', alpha=0.5))

    for i in ['top', 'right']:
        ax.spines[/size][/font][i][font=新宋体][size=3].set_visible(False)

    ax.set_title("各月平均风速")
    ax.set_ylabel("$Wind Speed / m.s^{-1}$")
    fig.savefig("month_plot.png")

% ?, Q& `3 ~: i! T5 n
a520cff3361647efbb668c89005a5570.png
: `, x! D' A, ?* P

1 d% S1 R$ Y- ~( c; @) y

* I2 \% I  k; N- D* L# O6.天维度数据可视化
7 d/ h' `) C, G1 L
  • 计算天数据7 J5 `- w, X, _: _0 q

    7 w2 i  _! F" @4 U% q
[Python] 纯文本查看 复制代码
day_data = time_windspeed.groupby(time_windspeed.time.apply(lambda x: x.strftime('%Y-%m-%d'))).agg(
    mean_ws = ('mean_ws', 'mean')
).reset_index()

day_data['time'] = pd.to_datetime(day_data['time'])

day_data = day_data.set_index('time')
day_data.head()
  • 可视化
    2 W4 C. p% y  y2 _7 ~/ v* E

    - W* u* J4 K* K$ B) }
[Python] 纯文本查看 复制代码
# day_data.dtypes
fig, ax = plt.subplots(figsize=(20,4), dpi=300)
ax.plot(day_data.index, day_data['mean_ws'], '-o')
# ax.xaxis.set_ticks_position('none')
# ax.tick_params(axis="x", labelbottom=False)
ax.set_title("每天平均风速")
ax.set_ylabel("$Wind Speed / m.s^{-1}$")
ax.set_xlabel("date")
fig.savefig('day_plot.png')

, Z) F3 K7 z' L5 z: q0 J$ e0 d2 y0 `4 P- Z
7 T8 ?3 G# v3 x; N4 i0 g! @
053571827f212c867e38f40c8aa49ca5.png
! X* J* p$ p, z2 ^6 u* w3 F  j: A
1.天维度数据做趋势拆解5 T2 @' F# u! U; |* L" T. S3 p0 D

8 _/ T0 q5 d2 o+ o3 Y) n( ~
[Python] 纯文本查看 复制代码
# 导入包
from statsmodels.tsa.seasonal import seasonal_decompose
from dateutil.parser import parse
# 乘法模型
result_mul = seasonal_decompose(day_data['mean_ws'], model="multilicative", extrapolate_trend='freq')
result_add = seasonal_decompose(day_data['mean_ws'], model="additive", extrapolate_trend='freq')
font = {'family': 'serif',
        'color': 'darkred',
        'weight': 'normal',
        'size': 16,
        }
# 画图

with plt.style.context('classic'):
    fig, ax = plt.subplots(ncols=2, nrows=4, figsize=(22, 15), sharex=True, dpi=300)


    def plot_decompose(result, ax, index, title, fontdict=font):
        ax[0, index].set_title(title, fontdict=fontdict)
        result.observed.plot(ax=ax[0, index])
        ax[0, index].set_ylabel("Observed")

        result.trend.plot(ax=ax[1, index])
        ax[1, index].set_ylabel("Trend")

        result.seasonal.plot(ax=ax[2, index])
        ax[2, index].set_ylabel("Seasonal")

        result.resid.plot(ax=ax[3, index])
        ax[3, index].set_ylabel("Resid")


    plot_decompose(result=result_add, ax=ax, index=0, title="Additive Decompose", fontdict=font)
    plot_decompose(result=result_mul, ax=ax, index=1, title="Multiplicative Decompose", fontdict=font)
    fig.savefig('decompose.png')

) h1 L* C" H* l. t" H8 I. d
cd8468c3910ecbcfac542ed3328df432.jpeg                 : K8 d3 g% k: Q! X4 K
# K' h3 }& L& k: q- a' w1 ?

. J5 A9 }3 n2 k- J7 g0 E6 Q- w- f7 G; u' H  |

8 g; B4 M) u6 ?9 B( e# p
回复

举报 使用道具

相关帖子

全部回帖
暂无回帖,快来参与回复吧
懒得打字?点击右侧快捷回复 【吾爱海洋论坛发文有奖】
您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册
尖叫的土豆
活跃在3 天前
快速回复 返回顶部 返回列表