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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：
8 Z5 A( @# [- J6 Q1 o) j3 m- 9 G8 f" t; P h7 X1 _% J8 j$ u
4 E/ q$ u8 y4 t; o
[figure_handle,count,speeds,directions,Table] = WindRose(dir,spd,Options);5 H4 B% ^- z9 V* o0 K7 q
1 U, f7 T! ^/ T9 ~) _* A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。
' P3 n6 h- {. v& g# Y3 j ^
$ y3 {& s5 \# b+ I- 2 n* l) R3 T7 G
- 4 v7 X) P- j F
- ' |. A4 i7 @( z, s
7 p' A* @. @1 j- + V/ N; u; ^0 T% \4 t: t. g( A
- ( q( C" i+ l- Y2 t5 o. t5 _
- 3 t, O( l) _! Y" ]1 n9 A$ F- ^. Q
- a1 N1 a0 u+ f b
+ S! x8 _) o0 O! t% G5 u+ ~. R, p: [- 6 Q- S0 B" s* ~
: X% b6 Z9 Q. f- \4 O/ s O7 I
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);( M& m" Y/ W- D+ g$ J- D- z- E
& a' Z- I; L/ R0 U7 x
' [% M: ?# \* N6 K
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。 - . ?0 j' c% r) F4 G% X' M
- : A$ b% @. d1 n% Z7 l$ V/ U. L- l
& ?& p- @: C0 g( M: W9 i- @- 5 P% s' z/ i8 B; j. e3 s& h# j4 i
- 8 W1 T! G+ T* H9 [! q' W
- `4 n( j# O% j7 H+ q' z
# k8 s# C$ A! N! v8 Q
: S$ e& i% A4 ]
" G# R2 _1 H1 \/ o
; z9 l- t) Y' Y; c( L- # D, U1 t+ [3 j1 {" M1 M/ t9 M
- 4 f: g& B7 n& _/ w5 c1 _8 c( X/ n
- 7 i+ F$ o6 C7 x5 q. h( f" @
# a d2 q% ~$ g: C: z& t& ?0 T1 _
, ~9 F4 i/ I3 _2 r- A
6 F* h+ P+ I9 s- q% h' c/ a
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)}]);( I( ?, x, k: a! g3 K: p1 A/ I
P. g6 h, J# R# C
Tip： 在画多图时，最好在画图前先使用 ( M! Z |. c( b# i% ?
- ( `+ i# p' K3 |3 Z, x; j9 ]
2 w5 F) Y; O' I7 ]8 M$ p# Z
figure('color','w')
$ }4 c/ r/ ~9 A8 I+ l3 p) h: S
: m8 C3 Q' @: C+ @. ~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/ ' k& x( |. ?, C7 \
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