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)。
    ' w# Y/ W4 C/ J) h
    , p; i9 B% D' q: x$ _" T+ }& q
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

" J, y8 Q2 T. s4 n) W) D' J( b

过程介绍

' ~; w! w3 A& |% w
* ?) m) Z& ~; [. H( e" `, m. }

( s8 ~, O+ r6 [8 Q. ~2 v3 r
1. 导入包+ V: I( o! ^3 ]2 V8 U

' V0 ]% j! y* n3 {
[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

9 s& k  Z9 r; D& E1 t, ~, c( K
0 X; j! K/ W5 {5 p
( T3 C1 p0 J6 p" j+ z! I7 [
2.导入数据 处理数据
' r' B& w9 f$ m  V5 x6 Z* V. q2 e  G% @! j. j  n
  R' T  [+ }$ B8 T$ H& x- u% }
[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]

* k7 x# J7 z2 `( p9 q' c2 m
2 p$ M' \  u; @* R! Z3. 计算风速数据  K/ `- n1 {5 H0 y1 l+ Z

+ H9 l2 n% t9 h/ t: R4 F
4 T0 l/ W/ y9 V+ x: I
[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
$ _! `7 d5 l# w# }" D
6b7fd110a68e6d3fd40460ccdd7a810b.png
5 J# y  v. N# _  ]( y0 F
5 Y7 Y7 U' v$ w) e% g  f  S
, o7 ?8 t/ @* v" v* \% i) }
4. 年度数据可视化4 d. V. @# }# r2 F4 A

7 v( b0 Y0 V  K. g5 z" W, H8 p3 ]
! T% q& G! z& H. c; ]  |8 H
[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("$Wind Speed / m.s^{-1}$")

% \' q: _& X% M
952d93a401a01cd1fa10be892b8b64d6.png
% ]* |0 Y& B: |

1 d! e9 R6 ~& q# \6 `8 W2 T

$ M- k8 s5 C: p8 k5. 月维度数据可视化/ y- n% O4 J' F& F
[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")

4 p$ u$ o4 V# M" s7 o" _
a520cff3361647efbb668c89005a5570.png
2 K: V( L* {- U/ u9 l% P# e. X
/ _' o' P) Z% I: @! c
7 }. p( E- X8 n9 k
6.天维度数据可视化5 U3 q# \  q( P3 }4 w" ^( e8 p
  • 计算天数据  K4 \2 r9 M1 j2 w4 }& R+ s

    , K* m  Q. d: G" v# B; {' Y6 Q
[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
    ( k3 c' S, F7 b! X: T& A% M6 R5 E/ E6 }
    1 O( t3 r6 W( B
[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')

+ g3 k4 L7 x+ D/ Z4 Z) G0 q% [3 L7 a  L% {& E' y4 t0 i, y' ^
% v* D) S6 @: j, `8 O5 R9 B6 W
053571827f212c867e38f40c8aa49ca5.png

) u& z8 ~1 X+ [" S# @1.天维度数据做趋势拆解6 y, J" @6 X9 r, x9 A
+ K% c8 n, N  P$ G: x
[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')

$ F4 d, x( y1 h% M- N
cd8468c3910ecbcfac542ed3328df432.jpeg                
' d5 z) ~& f0 W9 W- ^9 n7 B
3 L; c1 p3 n; m0 b! @9 E6 W* C

6 |+ C0 @) m* W% }% B0 z
1 |; \5 @) O. T4 d3 d+ x/ Z
0 J: i- Q: q5 J# @7 ?
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17 小时前
快速回复 返回顶部 返回列表