|
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： ' u6 u5 o2 X2 C! g% s/ l1 Q
5 X' ^4 Z* c( `2 f6 x/ D! g$ s
L- P. h* k4 a" V8 Y; K
[figure_handle,count,speeds,directions,Table] = WindRose(dir,spd,Options);9 u7 J, x, U6 d9 K1 A2 R( M
& D# f& N v7 F, ?' v
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。 & e# q4 T2 k) M) j
- + ]. `# D: R5 p$ {- i5 N
; n8 Q# T3 X v( `! o6 z4 s
# E9 P3 i) K+ E6 m3 }& F; B6 ~- ) c1 ^: @% V2 @; O7 X
- 9 \3 @9 O, R7 B% ?' c6 }
) y5 C1 S% K! d4 Z( e. P# l' ~
2 [- j, ], ` ?, u4 C6 l7 p- 1 V* w r' g1 u Y
- * u4 Z/ z7 x0 H1 _3 m. s* p
0 s5 ^" t: ?" l/ M* d- 1 D8 [; Z7 H8 o8 b" U$ |
) w5 u# K6 g3 z4 G; u; w; 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);
3 L4 J$ y5 H' }0 Q- f
: {/ w4 u" R4 ]) f4 Q
* @% L' |: ]. i
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。 - 5 Q3 n2 F3 a) k( ~4 R/ F' J
- ; L" d% e' o& C9 K7 M# j5 e
- - S9 T, r9 U7 Q( {0 o3 z6 m
5 C/ J/ p# i- g& F! G: U5 V% M& g
; B, p. c s! G, @7 R8 [
7 X W0 l o' v7 J
3 c! `- N- _* ^$ h2 ~8 L( I
% H2 P/ V3 R$ E/ |, X
" [: m, Q& T. Y8 V% w9 q- 0 R( Z7 ]8 L; G+ K* K* S
- & U: v2 _" b! f5 i, V
* a/ u" h9 c( i) |$ d! T6 L* `2 L
+ m4 T& h5 k. [" L6 K7 n p
3 `$ S& j( L- B X3 ]4 R7 t5 _
: m5 y5 n, \3 Z8 P4 D/ O$ _/ V) N1 M2 i
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)}]);8 c$ L7 G, }. F3 x: M& P1 U
9 E- T0 W$ G. |* ]! f9 v
Tip： 在画多图时，最好在画图前先使用
1 g0 f4 ?: Q6 U& l2 ~+ m8 l- ~$ U5 ?6 q1 ~. [
. \9 ?& Y9 S% L0 I
figure('color','w')
& G. f2 ` W1 F% T g" t9 P! t7 y" l z; q* v
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/
( A- r1 X. Z9 O9 g% |% \1 d |
