|
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： . R$ c) n9 Q" m1 ]: ~, a
5 D5 j' Q8 T, h+ U) f9 j, \
5 K" u# q( _# b8 y& h, F
[figure_handle,count,speeds,directions,Table] = WindRose(dir,spd,Options);" b9 ?+ E% P# m. W
5 ? E: S" x3 U9 ~6 f$ R6 _6 L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。 K5 |; I% s0 Q! n" s1 [) j3 T7 _
- / O! P# J" g( U k; {
- ; a4 M1 }/ P9 L; O
- 4 o6 x! g+ O* p+ Z1 n: |6 T; Z
" P l$ q+ Y+ i/ \2 F1 B' O- X3 B4 P3 T3 I
4 D# M: s3 k3 k( E, L+ H
7 M3 T8 k5 S9 ^( b. g$ E- 1 u* N4 E1 o3 F, w* r1 y$ e
; u4 I; J& B1 h9 C9 e3 W- # M2 b5 H1 ^1 H" e8 F) o
: O+ A7 A, y. Q3 U
: @7 C& C# A4 ]' g& A2 A; t
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);
* p9 T2 u! ~/ w& K" y ( w; y; P7 i, J; F( N: G/ `) I
2 a$ V7 F$ J' ?. I% a+ _' F3 P1 U M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。
$ A) t9 B$ T$ j9 K) P1 H
# b7 b9 `( U: D; k7 Q
/ M1 e. b2 P2 ^+ @7 c& S2 \1 @
1 M& T# d6 q) _9 J% {3 c/ O7 h) @" o
+ i. c( x" U- }! Z% f( T- I4 q2 a
$ [/ a" I/ ^ Y, V. b
/ v1 M& o: |- Q7 j ]
5 K5 ]& L4 t6 w' `1 S, P6 T; g
; s! \. D# @. u" x1 C
6 [0 B8 o4 |. s3 d# T- J8 g+ q* \9 y
- ' S; v: k9 R0 p% M8 ^3 Y l. D
- ; u$ }# s; J* u O* a+ \
3 ]3 ?6 W2 K+ u2 M; g" j' E2 [- - e- H8 \. f z# Q, r' t' [
7 d2 u2 c( }* F6 s# ^3 ~
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)}]);
) E& h( V) @! ~% g! X ) `7 }' N; g& ]( |* J/ a2 _9 c, S) q
Tip： 在画多图时，最好在画图前先使用
5 O! r- d* g7 p2 p( W" R/ _- ' s3 [$ S' Z3 r& g8 Z7 \: w! k( b+ u
, O& ~+ M; j- ?4 U$ p
figure('color','w')
7 ?$ L2 x5 v4 b: u7 D. g% |5 T$ N
& z7 q2 O0 T# C& r# R6 o/ f7 a& g, D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/
! I+ W- y) I. ]( y# m( C( u |
