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[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

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                                   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)。
    , K3 K3 D$ q6 N2 w, d
    3 F0 B0 k7 {* z9 c1 J
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

2 a0 D8 ~4 O) {- K& ^# v# ~

过程介绍
, ^3 T* R6 c$ ~# F. M4 D7 R

; P: m7 x6 h! ?1 v, z7 b- A7 C
) Y  P  `' o. Y; M) J
1. 导入包
, G3 J) M1 y" x9 [- B( H/ f/ K' t! C$ N" i9 S/ [2 V
[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 Y7 a" Z# t- q
0 X. U8 t4 k8 E, O# D* B: `& N, U1 ~

( @6 Q5 @6 q' c* ~  x2.导入数据 处理数据4 g3 F  G) G7 D: ]
0 L) t2 q3 R7 L! S' P  _
0 e( C6 U1 A* `
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# 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]

- E2 a, l% \% u
1 U/ O6 s. o  F' p" @* p3. 计算风速数据: c! f% y5 }/ \+ s, C
) W2 _; Y/ [4 j
& W6 }" v( }1 [& \8 ^0 v. c
[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
( S/ P; q2 j4 H9 M$ l, o3 H! L
6b7fd110a68e6d3fd40460ccdd7a810b.png
2 C8 z( D/ S; h) G8 z

. q2 f  Z/ m$ u, [7 L2 ?3 v% a9 J

6 O4 {7 C8 I* _* r+ p4. 年度数据可视化2 e/ g) @( Z3 E8 l5 [
, W6 P& g$ t$ G, `! f/ c. x
7 s2 C) k% m" r' Q# d8 R
[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("$Wind Speed / m.s^{-1}$")
! {4 a' `& R( c  z7 A7 F
952d93a401a01cd1fa10be892b8b64d6.png

) g7 S4 h4 ]& C
( L; O" S5 F% ^& K0 [6 R8 h

9 u" }; m3 [# z. ]. F5. 月维度数据可视化! n( R4 N# ~% ]+ ^7 \) G6 R
[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")
% T; {. L. K" d
a520cff3361647efbb668c89005a5570.png
; r" O( B' X* r6 n' d* B

! g* C2 u% Y5 Z

7 x- v, v% m3 e  F6.天维度数据可视化
& j* {* Y, `( l- i# n5 b8 B/ I
  • 计算天数据
    - h% w6 w( }: A7 \# M- p
    ) S- b* \- r; T. p( V9 u
[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. p6 b) C! y2 |- P
    9 e+ v0 Y' Q9 J0 |
[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')

- Q$ b% q  [, @6 g. {: G* ]$ Z( x( N
5 @, }2 R, t( K& x
053571827f212c867e38f40c8aa49ca5.png
1 n3 ^7 ?5 G, j0 j/ Z6 p' p8 c% `7 @
1.天维度数据做趋势拆解3 H) o3 N* B: q! T1 m

, j3 o; V% n; u; J8 c1 S
[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')
5 o$ ]0 A" T  b! n+ \: k
cd8468c3910ecbcfac542ed3328df432.jpeg                
( d( j1 i0 A8 e; ~& h" R: }! ]

- G0 e6 x/ y) z' I$ g  u; z; x# F. }

  ^" r, e; U' x9 ~, J8 a, N
" W& |: j+ W7 Q1 i. Y. N* l" }9 B9 z
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