分享

[实用]气象Python学习手册 by Unidata

 LibraryPKU 2019-12-27

1.Unidata Python Gallery

基础库安装到位,运行脚本即可出图

脚本可点击文末阅读原文下载

页面链接:https://unidata./python-gallery/examples/index.html


2.Useful Python Tools

This is a list of useful and/or new Python tools that the Unidata Python Team and community are keeping an eye on or using.

Unidata Projects

  • MetPy - General meteorological toolkit

  • siphon - Remote data access

  • netCDF4-python - netCDF4 API

Meteorology Specific

  • PyART - Python ARM Radar Toolkit

Data Wrangling

  • pandas - Easy tabular data manipulation

  • xarray - Gridded/labeled multidimensional data

Plotting

  • matplotlib - Beautiful publication quality graphics

  • Bokeh - Interactive web graphics

  • Cartopy - Plotting maps

Core Python/Interface

  • iPython - Interactive Python shell

  • Jupyter - Notebooks and the new Jupyter Lab

  • pathlib - Easy file path manipulation

Education

  • nbgrader - An automatic homework grader for notebooks

Performance

  • Numba - JIT compiler

  • Dask - Distributed computing

3.实例

1from datetime import datetime
2
3import matplotlib.pyplot as plt
4import metpy.calc as mpcalc
5from metpy.units import units
6import numpy as np
7from pyproj import Geod
8from scipy.interpolate import griddata
9from scipy.ndimage import gaussian_filter
10from siphon.simplewebservice.wyoming import WyomingUpperAir
11
12def vertical_interpolate(vcoord_data, interp_var, interp_levels):
13    '''A function to interpolate sounding data from each station to
14    every millibar. Assumes a log-linear relationship.
15
16    Input
17    -----
18    vcoord_data : A 1D array of vertical level values (e.g., pressure from a radiosonde)
19    interp_var : A 1D array of the variable to be interpolated to all pressure levels
20    vcoord_interp_levels : A 1D array containing veritcal levels to interpolate to
21
22    Return
23    ------
24    interp_data : A 1D array that contains the interpolated variable on the interp_levels
25    '''

26
27    # Make veritcal coordinate data and grid level log variables
28    lnp = np.log(vcoord_data)
29    lnp_intervals = np.log(interp_levels)
30
31    # Use numpy to interpolate from observed levels to grid levels
32    interp_data = np.interp(lnp_intervals[::-1], lnp[::-1], interp_var[::-1])[::-1]
33
34    # Mask for missing data (generally only near the surface)
35    mask_low = interp_levels > vcoord_data[0]
36    mask_high = interp_levels < vcoord_data[-1]
37    interp_data[mask_low] = interp_var[0]
38    interp_data[mask_high] = interp_var[-1]
39
40    return interp_data
41
42def radisonde_cross_section(stns, data, start=1000, end=100, step=10):
43    '''This function takes a list of radiosonde observation sites with a
44    dictionary of Pandas Dataframes with the requesite data for each station.
45
46    Input
47    -----
48    stns : List of statition three-letter identifiers
49    data : A dictionary of Pandas Dataframes containing the radiosonde observations
50    for the stations
51    start : interpolation start value, optional (default = 1000 hPa)
52    end : Interpolation end value, optional (default = 100 hPa)
53    step : Interpolation interval, option (default = 10 hPa)
54
55    Return
56    ------
57    cross_section : A dictionary that contains the following variables
58
59        grid_data : An interpolated grid with 100 points between the first and last station,
60        with the corresponding number of vertical points based on start, end, and interval
61        (default is 90)
62        obs_distance : An array of distances between each radiosonde observation location
63        x_grid : A 2D array of horizontal direction grid points
64        p_grid : A 2D array of vertical pressure levels
65        ground_elevation : A representation of the terrain between radiosonde observation sites
66        based on the elevation of each station converted to pressure using the standard
67        atmosphere
68
69    '''

70    # Set up vertical grid, largest value first (high pressure nearest surface)
71    vertical_levels = np.arange(start, end-1, -step)
72
73    # Number of vertical levels and stations
74    plevs = len(vertical_levels)
75    nstns = len(stns)
76
77    # Create dictionary of interpolated values and include neccsary attribute data
78    # including lat, lon, and elevation of each station
79    lats = []
80    lons = []
81    elev = []
82    keys = data[stns[0]].keys()[:8]
83    tmp_grid = dict.fromkeys(keys)
84
85    # Interpolate all variables for each radiosonde observation
86    # Temperature, Dewpoint, U-wind, V-wind
87    for key in tmp_grid.keys():
88        tmp_grid[key] = np.empty((nstns, plevs))
89        for station, loc in zip(stns, range(nstns)):
90            if key == 'pressure':
91                lats.append(data[station].latitude[0])
92                lons.append(data[station].longitude[0])
93                elev.append(data[station].elevation[0])
94                tmp_grid[key][loc, :] = vertical_levels
95            else:
96                tmp_grid[key][loc, :] = vertical_interpolate(
97                    data[station]['pressure'].values, data[station][key].values,
98                    vertical_levels)
99
100    # Compute distance between each station using Pyproj
101    g = Geod(ellps='sphere')
102    _, _, dist = g.inv(nstns*[lons[0]], nstns*[lats[0]], lons[:], lats[:])
103
104    # Compute sudo ground elevation in pressure from standard atmsophere and the elevation
105    # of each station
106    ground_elevation = mpcalc.height_to_pressure_std(np.array(elev) * units('meters'))
107
108    # Set up grid for 2D interpolation
109    grid = dict.fromkeys(keys)
110    x = np.linspace(dist[0], dist[-1], 100)
111    nx = len(x)
112
113    pp, xx = np.meshgrid(vertical_levels, x)
114    pdist, ddist = np.meshgrid(vertical_levels, dist)
115
116    # Interpolate to 2D grid using scipy.interpolate.griddata
117    for key in grid.keys():
118        grid[key] = np.empty((nx, plevs))
119        grid[key][:] = griddata((ddist.flatten(), pdist.flatten()),
120                                tmp_grid[key][:].flatten(),
121                                (xx, pp),
122                                method='cubic')
123
124    # Gather needed data in dictionary for return
125    cross_section = {'grid_data': grid, 'obs_distance': dist,
126                     'x_grid': xx, 'p_grid': pp, 'elevation': ground_elevation}
127    return cross_section
128# A roughly east-west cross section
129stn_list = ['DNR''LBF''OAX''DVN''DTX''BUF']
130
131# Set a date and hour of your choosing
132date = datetime(201912200)
133
134df = {}
135
136# Loop over stations to get data and put into dictionary
137for station in stn_list:
138    df[station] = WyomingUpperAir.request_data(date, station)
139xsect = radisonde_cross_section(stn_list, df)
140
141potemp = mpcalc.potential_temperature(
142    xsect['p_grid'] * units('hPa'), xsect['grid_data']['temperature'] * units('degC'))
143
144relhum = mpcalc.relative_humidity_from_dewpoint(
145    xsect['grid_data']['temperature'] * units('degC'),
146    xsect['grid_data']['dewpoint'] * units('degC'))
147
148mixrat = mpcalc.mixing_ratio_from_relative_humidity(relhum,
149                                                    xsect['grid_data']['temperature'] *
150                                                    units('degC'),
151                                                    xsect['p_grid'] * units('hPa'))
152
153fig = plt.figure(figsize=(1711))
154
155# Specify plotting axis (single panel)
156ax = plt.subplot(111)
157
158# Set y-scale to be log since pressure decreases exponentially with height
159ax.set_yscale('log')
160
161# Set limits, tickmarks, and ticklabels for y-axis
162ax.set_ylim([1030101])
163ax.set_yticks(range(1000101-100))
164ax.set_yticklabels(range(1000101-100))
165
166# Invert the y-axis since pressure decreases with increasing height
167ax.invert_yaxis()
168
169# Plot the sudo elevation on the cross section
170ax.fill_between(xsect['obs_distance'], xsect['elevation'].m, 1030,
171                where=xsect['elevation'].m <= 1030, facecolor='lightgrey',
172                interpolate=True, zorder=10)
173# Don't plot xticks
174plt.xticks([], [])
175
176# Plot wind barbs for each sounding location
177for stn, stn_name in zip(range(len(stn_list)), stn_list):
178    ax.axvline(xsect['obs_distance'][stn], ymin=0, ymax=1,
179               linewidth=2, color='blue', zorder=11)
180    ax.text(xsect['obs_distance'][stn], 1100, stn_name, ha='center', color='blue')
181    ax.barbs(xsect['obs_distance'][stn], df[stn_name]['pressure'][::2],
182             df[stn_name]['u_wind'][::2None],
183             df[stn_name]['v_wind'][::2None], zorder=15)
184
185# Plot smoothed potential temperature grid (K)
186cs = ax.contour(xsect['x_grid'], xsect['p_grid'], gaussian_filter(
187    potemp, sigma=1.0), range(05005), colors='red')
188ax.clabel(cs, fmt='%i')
189
190# Plot smoothed mixing ratio grid (g/kg)
191cs = ax.contour(xsect['x_grid'], xsect['p_grid'], gaussian_filter(
192    mixrat*1000, sigma=2.0), range(0412), colors='tab:green')
193ax.clabel(cs, fmt='%i')
194
195# Add some informative titles
196plt.title('Cross-Section from DNR to BUF Potential Temp. '
197          '(K; red) and Mix. Rat. (g/kg; green)', loc='left')
198plt.title(date, loc='right')
199
200plt.show()

    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。请注意甄别内容中的联系方式、诱导购买等信息,谨防诈骗。如发现有害或侵权内容,请点击一键举报。
    转藏 分享 献花(0

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多