收藏本站 劰载中...网站公告 | 吾爱海洋论坛交流QQ群:835383472

[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

[复制链接]
                                   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)。
    + k& b! Z# G7 |* c5 h2 D* C- H
    2 @1 H- s; _8 J; Y4 \- j
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


2 \' s$ [2 s# G0 o5 P4 Z$ z4 |2 n

过程介绍

  K& }& Y" g6 D1 Z# e
  ?9 i% I9 o" n

: W2 l; t1 H: m) U" d1 x9 n* a( ^+ \
1. 导入包; |8 {: V9 N+ ?4 F6 r7 n

; k' G) x1 v$ I; u, N8 F
[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
# e) K$ b  q6 F6 R$ v! z  t
" h- N( X; }+ D: {- M

1 q. W/ N1 R9 O+ ~( Y2.导入数据 处理数据
9 o0 O. c- e9 A% F! U9 M& ?4 ^1 G5 K) P

3 O. q& K4 r4 v( D
[Python] 纯文本查看 复制代码
# 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]

+ @  Q& P) `' g# x2 f
2 f7 E6 U6 l& |- ]3. 计算风速数据
- w, m5 t" U' ?" S) j9 ^* g: l2 Y/ C+ i. h+ _/ C8 ?: T
; Z2 Y# J6 v! W9 Z4 ]: ^" T$ Z7 O7 u4 q5 Z
[Python] 纯文本查看 复制代码
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

. T+ z# I* ?  K+ T: Y7 @+ U( D
6b7fd110a68e6d3fd40460ccdd7a810b.png

( O. Z2 X$ L, Y
  c% m; }, Y# x, W7 Q

$ g6 u1 t/ t7 K4 k" I4. 年度数据可视化
+ b! {3 x4 ]4 p) z. r$ P+ Q/ v/ ?+ y3 ^) V) e  a
8 j' V" j+ R9 ~, d- {& Z. ~
[Python] 纯文本查看 复制代码
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("$Wind Speed / m.s^{-1}$")

3 R  Y" R- B3 N
952d93a401a01cd1fa10be892b8b64d6.png
0 }5 n* p$ O  D3 V" p" t
+ ^3 r, x7 v' G

6 A* @+ [4 k5 ^& @" }5. 月维度数据可视化
7 m: R: C5 W9 k' t/ y
[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")

3 c* {5 K4 o. m9 K) e9 ?
a520cff3361647efbb668c89005a5570.png

% Q" a& T- G; M$ `5 n; V
  _# w9 D: K# [2 }
6 G" l1 \( w! {4 p2 R
6.天维度数据可视化
5 y$ z. g7 e1 a5 C# @
  • 计算天数据% r0 m% I. A3 S/ F$ M

    1 n7 \1 f! j1 e# r# T
[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
    7 v2 i0 o, z8 j. p* o

    5 y% b: s5 s! q8 k. 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')

& W) U" D; j; T+ I/ ~% v4 j1 C* T$ i, \+ P6 j

4 {! o2 @* Y' R- S$ R
053571827f212c867e38f40c8aa49ca5.png
3 ~% c. k# W% x$ e& @
1.天维度数据做趋势拆解
4 W" H6 M4 y- @3 n% u* E" N6 j1 L7 h' s, S" V/ X6 q
[Python] 纯文本查看 复制代码
# 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')

+ c  t4 {1 [! ^' x% w
cd8468c3910ecbcfac542ed3328df432.jpeg                 6 z- H0 s: T7 q: F2 _( |
3 Z# t; s3 f; i: [* h$ _

1 I) j" ~" b5 T0 j: @) n) q' ]! M+ |7 `' z
% O& Q0 K+ ^' n
回复

举报 使用道具

相关帖子

全部回帖
暂无回帖,快来参与回复吧
懒得打字?点击右侧快捷回复 【吾爱海洋论坛发文有奖】
您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册
尖叫的土豆
活跃在4 天前
快速回复 返回顶部 返回列表