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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)。$ _7 W8 u8 w; m

    ) n, o! K$ T( H& M! w8 `/ H
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


1 p& M1 b) r. b

过程介绍
5 y* Z/ v- U: R2 l3 ~

6 n8 U7 _; E& i1 ]! I. Y/ d
$ u* c. U/ ?/ N: c( e5 s
1. 导入包
9 L: s* ?1 |! U9 h! w1 Y; k" V6 a7 R/ r5 r# {
[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
5 p# A% `3 q7 l9 }/ V7 n$ I* u) f
' i( L3 S( K; B6 d9 U9 ^9 T
, @2 k) v- W4 h" s) Z# q
2.导入数据 处理数据+ Q1 ~. f( N4 T6 w. ?$ X9 E

& j! S& w' Z* P6 B) ^. U" e/ ]

/ x/ N% x) F* W' E$ {! u& t
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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]

# i4 ]3 {6 ?, S
& j7 f& j' A: z7 L3 I. x* x3. 计算风速数据
! L  z9 O7 p1 o1 z3 y4 F4 L$ z
, Y9 q& u/ S0 j& Z, L

  ^- z8 g% B' |5 L8 {; a
[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 l& g6 I3 {# v5 S/ u
6b7fd110a68e6d3fd40460ccdd7a810b.png

: _$ k, O" `7 v: g: q1 R7 e% z
1 `6 S, K  ^6 ~5 s9 |

: a# L; R  O) J* c, Y4 t4. 年度数据可视化/ e, c; c) Y) v- q
, k/ {: ]; k/ e* ]
6 C: E6 l: M. p* s
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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("$Wind Speed / m.s^{-1}$")
) }4 [$ e- j( h# u" L
952d93a401a01cd1fa10be892b8b64d6.png

& S, j. ]$ u& X; ~7 g& c: I6 }+ D) A
( }) ]: [: f; _8 d2 P

% n% k: `$ }* z  w, m% N3 k5. 月维度数据可视化, `+ C5 ^# x4 n9 u* C1 }( M) Z
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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")
( p, H7 m0 d8 c, a
a520cff3361647efbb668c89005a5570.png

! f9 M, k4 h+ I! i8 Q- n
: m+ K7 g/ }; q; H4 J, r$ x

. T% e, \, n) |2 q" k/ M6.天维度数据可视化, f8 a% w0 K# ]% a; r$ G
  • 计算天数据
    4 s1 a7 m" C% S' q2 ?8 C; V
    : e; ]9 a  X2 ?
[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; B/ |/ `: X: _4 W& s
    1 q8 P; b! J( A- E5 U7 n  U% G
[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')
6 F7 n# k& W# X

" p. b3 T, j; |* f, a8 ~

# s+ g0 v9 A; h* `
053571827f212c867e38f40c8aa49ca5.png

, V& m: W% v) M1.天维度数据做趋势拆解
8 G8 k% {$ I% v0 H
8 s* @* O, p2 @  T
[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')

2 T. R5 h6 {$ l% N
cd8468c3910ecbcfac542ed3328df432.jpeg                   D* z; r. G% ^& d/ u; a) X
! P1 c% b- k. l- i* `( q9 m  [& }
- {. L8 f: y5 E1 \0 U& _0 }+ z
5 Y8 B# z) m  C  x* O

+ _& k! I: g( |1 }9 ~
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