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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)。1 [$ J/ Y' e1 O) E; @  u) O" G
    ( k% I/ Z1 j. R" V5 r6 F
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

: m1 P# l3 A% h

过程介绍

/ t6 H( x( I& o7 u, Z1 N( q  X
' S+ d5 h% y$ Y9 Q2 |

6 S0 j/ m  A1 U: f: [: B
1. 导入包
  Z3 {# {! W) p
: e% L( x% X0 U  O
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# 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

+ I) ~, W, q0 ~# \3 X" [3 ^& ?+ [8 K$ o3 }
3 T7 A" o% j# c) p- x. E
2.导入数据 处理数据
1 h# @, k+ u) p; M7 W: e
* |- E9 D! O/ M& @1 u5 U

: F9 F+ O" j$ B& l# Z1 d
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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]
/ P- x, g8 v& d4 ]! D" U
7 F# g: V- b# `8 V& f0 r; @
3. 计算风速数据& X$ I7 U! M& H

0 k5 N9 |1 s+ u7 C+ q9 J

6 u4 i+ k; M- ~3 g& I6 k
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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
: l0 W4 X3 E* X% K
6b7fd110a68e6d3fd40460ccdd7a810b.png

; K$ ^9 b: F9 P& x- u, L0 Y$ Z2 q7 `) d
  p  r1 g; h7 U. _+ m. Z( ~
0 C  q. P: C! |. @' r/ G
4. 年度数据可视化
+ s3 |  v0 x7 B7 L: J( {7 |* D, c" @2 _. {2 b

) g- |/ A: Q/ m. W
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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("$Wind Speed / m.s^{-1}$")

$ C# A0 D+ D* U. A( g5 Y1 k; R$ ^
952d93a401a01cd1fa10be892b8b64d6.png
' k' y; L! v6 x& X) G0 L
" q( e( q: J2 `

7 Y2 W8 M. r6 }5. 月维度数据可视化
/ x. @* h: o- A/ p& Z+ s( T
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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")
% c8 [% G# [0 `  |0 T9 A
a520cff3361647efbb668c89005a5570.png

* b3 `8 ~; w1 g+ T3 n
& Y$ h1 M4 v- p, v9 f2 h( q
* f7 F/ n9 Y' t* S* q& {
6.天维度数据可视化0 |1 I; [" D, d2 h( G8 Q
  • 计算天数据7 @; u7 ^& D8 @* H, o" H" N
    - V3 I0 o4 C: W; x/ R+ n9 R9 B* f+ r
[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
    2 {3 E0 ~" F7 I& K; n+ O# X; r4 u& F

    + _# D, b; N; f. E% o
[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')

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/ Y) Y5 K6 e' W" `- M0 _1 A' f* U
9 j9 |9 F7 B) x2 W  ]
053571827f212c867e38f40c8aa49ca5.png
2 w$ c+ C. f* {  J- r
1.天维度数据做趋势拆解
2 \6 k. ?3 o- r& q
/ s! f* H9 s2 M% E1 {! u& |; U
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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')

! t1 j& G7 ^5 z! m
cd8468c3910ecbcfac542ed3328df432.jpeg                 ' B5 g; t% U& \- U) f6 h0 N
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