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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)。
    8 d6 W  S3 `, w- w) n$ [

    ; l; R! H$ m: I0 R, B
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

8 d. ~2 R/ R$ v$ p, w7 ]

过程介绍

) h7 x6 G, w( t9 r) _8 f

# z; k  Q& Y4 `+ M3 k2 A+ z
8 c8 O. a- y3 Z4 o
1. 导入包
$ y- M. @; z6 ^4 o7 b# V0 m  \0 w0 `
[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

5 M4 D: G8 s0 c
  m3 `3 b( q: ]$ Z$ c
  t  h7 P/ Q. A/ a
2.导入数据 处理数据7 c. s! P7 s, O& o7 H4 i
1 M9 Y* q# w! |" V
  w( d8 |$ A; B
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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]

( E: w3 @' o9 W& G
# j( o, X4 M" t6 h6 P6 }/ [9 V3. 计算风速数据
! h' \* z: \1 x4 f$ R
) _' ~; Q% J' q; Q: m" k. k$ h
! W1 _0 g0 {, B2 e: D  Q
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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

3 i% s% w4 w  ~4 r) Y3 ]7 U1 {
6b7fd110a68e6d3fd40460ccdd7a810b.png

* G" W% t# n$ R& t! D; S2 u5 ?" q, ~5 t' G0 I+ `* \

! @& x& v  f6 @6 L7 t9 i4. 年度数据可视化$ h. j- Z# z2 ]0 r$ _  l7 f! |
6 k/ t6 }, m- S) [$ z

, R- K& S: u, Q7 x
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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("$Wind Speed / m.s^{-1}$")
" D& I( x# T7 i: s7 I$ a
952d93a401a01cd1fa10be892b8b64d6.png
  _3 s$ Y6 s: V0 D! t$ e

2 _1 n4 k' Q, x& f

4 k( @8 n8 G$ J5. 月维度数据可视化* `% h: D1 x8 m& h3 C" W4 v3 A+ m
[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")
' I: b, l! ?/ P/ b9 Q1 E
a520cff3361647efbb668c89005a5570.png

: X4 K5 ^4 z" d3 R

  c( ]6 R/ \# A* J! v9 w
9 T" E" d4 e7 x) a1 p: j
6.天维度数据可视化8 ?  H4 y# s0 s; o2 J# T4 z
  • 计算天数据% F. ~" E3 {7 g% Q0 A- V$ B' @
    + o# @1 U; _" z8 i5 S7 v; Q9 p
[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" `1 F3 E1 C+ U
    9 b6 Z& n  F; u
[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+ m& N8 z4 v0 r) x
; ]9 |$ F3 s4 s9 g8 ^% O; z
; R/ u; f& q4 ^- ^; l; v
053571827f212c867e38f40c8aa49ca5.png

' b) f1 u1 R. M/ ~9 S( D! ]1.天维度数据做趋势拆解, l2 N- d" a3 k3 \
. M9 }/ W1 y  G# }
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# 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')
1 f& x" k# k* Y  ]
cd8468c3910ecbcfac542ed3328df432.jpeg                 4 E# r, Z# i9 t, E  a/ _

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