|
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：
$ u. [/ K; t) Q3 \. M# T7 r) s
N9 y6 N6 i2 `; P+ h. ]# O" y% ]; v) j$ c
[figure_handle,count,speeds,directions,Table] = WindRose(dir,spd,Options);2 L! O* m' a$ y; j2 A
! k' Z4 R1 C* ~$ L I3 q
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。
! A C1 u' L) h- {& \+ i) J
" v" W8 k% j N- / a$ m# F+ p" h
% K' P. b$ x. q8 Q6 }4 W0 }9 K( N4 I9 o& U- ( i" g' M1 m% ~3 M
- ) q* S4 ?$ S- q
- N& J: F$ A! x7 K
- K' y' N7 ?/ r9 x c4 s
4 N# p' v% ?0 f- ; X; M3 }" M& b3 D( A& }$ t0 b8 Z+ J
- $ _% Q9 ~& |& N) {6 T+ \- M# b% i
( u4 a- H" n4 Y2 [4 T7 y& s3 j
$ E3 x0 S* N& F( }# }* ?* G
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);6 M( v) a$ J# s; W" ^; f
# W: D! W8 \% F2 b
0 f$ [. F! b1 ~' s* k7 q
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。
; k/ p5 |5 b4 Z, j* J# _8 h
" c' v( i+ S$ H+ D, A- L
% G) H: e3 ?9 @1 }% h0 \1 {, |
% c/ M& [" p' @" X: p- . ?! A1 j% z9 r4 @$ }
- : z5 V4 p2 d, h. ~- e3 ?4 V
0 L* X. E# J, o5 s
$ W6 Z' |( x. u3 x4 i# E4 @- 8 f& [& }2 t# @0 d" W" i
- ) }0 \% f8 \4 d$ w
* X1 }) y# m/ v4 h5 e0 `3 Q- + G+ b5 K& x: @) U4 t
- 3 w7 h# k$ D; ?
- $ C$ ~3 e x+ F% A ~. ]4 g5 j
- 7 @" u+ U' i4 D1 r! i7 P* Y$ H
( S& A. n4 }8 s
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)}]);! X- u& N8 l" I& P5 T2 g3 I
, H( q- R% V7 H5 Z! B( m
Tip： 在画多图时，最好在画图前先使用 # I' U Q1 }( O: D& \8 O
- + u4 w: U0 ?' x5 k. r( n+ M% }
! W# e- _% A( r; ?& v& ?1 E- P
figure('color','w')# w; ^! E# w u# P
1 S* J- E$ K" U- j- B) @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/
$ p( a9 l; g3 H9 d- j y4 n% b1 I |
