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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：
9 P. L7 H/ w6 F+ R0 C- ! Y0 X7 v$ o) a
\7 d: v3 n5 ]5 ~' J
[figure_handle,count,speeds,directions,Table] = WindRose(dir,spd,Options);; y# Q' s8 W' [1 U& O" C# i' W0 T4 Q
- i: W9 M2 J* y' k9 i ?) w( P
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。 : i. J5 K$ b0 t. ~& i. Q
h4 c$ Q$ v; N. D
Y4 w; C- L& q. O. |$ j2 \- 2 [: M+ ]( [. R" ~* [2 U5 G
4 h: }$ U3 W! f. H- ^1 E5 t2 p
* K% u* q( G9 F5 i' b5 X- ) |0 U6 A& g! ^' M) p
' ?. }3 A Z& [$ v6 C- 9 i o" M( }+ \' Z2 {& u- ^# F
- h) O# b0 H4 c" C' ?9 @* m- 6 Y7 n* U' Z9 L0 O3 z" v2 G
) J9 \; S5 @7 b$ {( M9 @+ X. P
% y* \) U2 ^) V( K" N6 V
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);) l0 ?( N c( [6 z+ P. E' M
( z9 u' \1 Z$ N$ w- O P" ]7 }
8 n7 Z3 X7 X" E' H3 q2 E4 ?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。 - % F( A/ S W4 Z _3 |
: j n+ d' G+ F. {
8 E+ c( ]" c0 l8 c- ; e' a! S$ U2 P" K. D2 M. P! w
- % S& J r! n+ |9 }
' y( G F! s9 _
0 N# C' L" ~9 \* g8 O* P- ! ?9 \; }/ o. g% ?" k" }3 r
. \. s# D E, \: W1 p$ w
5 E/ H f+ w: T, w. t8 ]
/ ]+ r9 j# T ?3 p7 r& E
3 X( m' z7 b' m1 E! V: P! j- 7 i) O; ~' `9 `4 O
& n3 P: s; g- _. m
; f; A$ V& \8 Y! w
3 Z$ i0 c; v1 q! K- @
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)}]);: Z& |' \2 K' I- C, L$ }: e
. `- E! U$ h2 T5 b/ ^: E/ x
Tip： 在画多图时，最好在画图前先使用
" K$ D* _# A# g, P* E
0 y9 \ b4 M+ E; J3 R/ w. `8 U+ c! a7 \7 m6 ]0 T; I
figure('color','w')
2 f6 {3 p% r8 K7 c9 m. \: a% p |5 }# \% C4 |9 o3 Y% T H8 v1 `
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/
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