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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：
( d! [5 g$ h8 I* g' o8 m- / U$ v; t" y2 w$ M1 B! `4 {7 ~
! h; }$ J# f- H# K+ S
[figure_handle,count,speeds,directions,Table] = WindRose(dir,spd,Options);
8 V- u$ O2 O& U. B3 D% b( `& F `, X# p! \$ F! f" U
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。
5 ]7 a( ]% y$ L2 X: \) O( O! t
0 S# [& H( C; L& n! V
% o) a& j' o& y& h8 s+ d9 h0 v" ~- : L1 \) X$ q1 D8 w8 l* G; S
7 a @% x& w9 x/ K& S! F2 H
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1 p8 d% u# H; D7 F1 B7 R
; C! O3 T) g6 r8 m$ r! J* R
' i% q5 j. R* I D: M/ M- * u o. q8 A: O, p* p8 E) r: W
- A$ l! b: g! ^# T( |( P
2 h9 n( N9 p+ p# d
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);3 }0 f7 d/ t0 w
+ G: _2 [* v0 a; v, h: }/ Q0 u: M
! r& k, S3 G. J- n: Y8 z {7 s
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。
6 h# d, O. L: T4 q- q2 z) g3 m- m; ^" Y
0 n: X2 E$ Z( P. I8 @# b- j! e8 k- 0 K! S- Z F* X" n, h- C' @
" w3 E: ~+ K' k- 2 l, o& _1 D3 D) P3 x
7 T5 s Y: t6 B& V# K2 t
) n6 `% V' z# ?+ ~
- k$ {( e9 L, x6 L
I* Z/ q/ y" D1 i. l7 `
9 Y* @& j: r% X2 ?4 i) F8 @- . E/ W/ M: `1 I5 F8 F8 V9 Q
' b& v* J! F2 _9 I) g& n- # g0 L$ Q6 C. N5 Z
, Q! f6 k8 M: L- w) b) b7 e0 `9 M
# ]' K6 A: q G0 l6 P ]% M4 G9 |4 E% {
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)}]);
+ W2 O& P. R8 H3 J |2 d 4 r* i& Y1 m; G+ y
Tip： 在画多图时，最好在画图前先使用
3 h) ?9 E! A* Q E! ?
$ a9 T& ^* {8 N6 N7 U8 L# _
# d e+ ?, y( n& n$ N" ^9 u
figure('color','w')/ V' e/ ]5 G" N% t# q6 i$ i
% I& a h4 G) I+ N$ N1 i! _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/
& ~) e) M- n4 M. O6 `7 ?% c ? |
