基于R語(yǔ)言的風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單處理

于紅明　劉寶君　宋志龍

摘 要：風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)在氣象上應(yīng)用廣泛，對(duì)其產(chǎn)品數(shù)據(jù)資料的分析、處理和可視化十分重要。本文利用免費(fèi)的開源軟件R語(yǔ)言，對(duì)雷達(dá)資料產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行批量讀取、計(jì)算和繪圖。展示了R語(yǔ)言在處理風(fēng)廓線雷達(dá)資料的特點(diǎn)：簡(jiǎn)潔、易學(xué)。

關(guān)鍵詞：R語(yǔ)言 風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù) 風(fēng)廓線圖

中圖分類號(hào)：P49 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）08（c）-0039-03

風(fēng)廓線雷達(dá)作為中小尺度天氣系統(tǒng)有效的探測(cè)工具，能夠24小時(shí)不間斷的提供：水平風(fēng)向、風(fēng)速、垂直氣流等氣象要素隨高度的分布，是進(jìn)行邊界層和高空氣象探測(cè)的重要設(shè)備，能對(duì)現(xiàn)有的氣象觀測(cè)進(jìn)行補(bǔ)充。其觀測(cè)資料在氣象上應(yīng)用廣泛：對(duì)高影響天氣的監(jiān)測(cè)和預(yù)警；對(duì)災(zāi)害天氣系統(tǒng)的天氣學(xué)分析；用于數(shù)值預(yù)報(bào)中的觀測(cè)資料同化和數(shù)據(jù)后處理等。因此開展風(fēng)廓線雷達(dá)的處理十分必要[1～4]。

現(xiàn)有的氣象數(shù)據(jù)處理一般使用Fortran，C等高級(jí)編程語(yǔ)言。雖然有著處理速度快，計(jì)算結(jié)果可靠等優(yōu)點(diǎn)。但是其使用并不便：需要掌握編程語(yǔ)法和算法，不同計(jì)算機(jī)平臺(tái)可能需要不同的編譯系統(tǒng)等。所以本文針對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)資料，使用R語(yǔ)言來(lái)對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單處理。R語(yǔ)言的全稱：為統(tǒng)計(jì)計(jì)算和圖形展示而設(shè)計(jì)的一種編程語(yǔ)言和統(tǒng)計(jì)環(huán)境。目前有一個(gè)R核心開發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)其進(jìn)行定期維護(hù)和更新[5]。其主要的特點(diǎn)在于：（1）完全免費(fèi)：可以在其官方網(wǎng)站（http：//cran.r-project.org）下載到完整的安裝包并免費(fèi)使用；（2）開源軟件：R語(yǔ)言源代碼完全公開，任何人均能提供各種數(shù)據(jù)處理模塊，下載相應(yīng)模塊后能迅速地完成數(shù)據(jù)處理等工作；（3）圖形顯示：可以利用R語(yǔ)言處理數(shù)據(jù)后，直接獲取各種統(tǒng)計(jì)分析圖形；（4）多平臺(tái)使用：R語(yǔ)言可以在Windows、mac、Unix這些操作系統(tǒng)上安裝，不需要重復(fù)編譯，其腳本在不同操作系統(tǒng)間可以任意使用。針對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)資料，我們可以利用R語(yǔ)言對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)要的數(shù)據(jù)處理，統(tǒng)計(jì)分析，然后利用圖形顯示系統(tǒng)得到各種分析圖片。

本文將在第二部分介紹R語(yǔ)言讀取和儲(chǔ)存風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)資料；文章第三部分對(duì)資料進(jìn)行簡(jiǎn)要處理，最后會(huì)利用R語(yǔ)言的圖形顯示功能作圖。

1 雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的讀取

測(cè)站觀測(cè)的風(fēng)廓線雷達(dá)資料有兩種數(shù)據(jù)[6]：原始數(shù)據(jù)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)。其中原始數(shù)據(jù)為二進(jìn)制格式，主要包含功率譜數(shù)據(jù)文件，瞬時(shí)徑向譜數(shù)據(jù)文件。產(chǎn)品數(shù)據(jù)文件為文本格式，包括實(shí)時(shí)的采樣高度上的、半小時(shí)平均的采樣高度上的、一小時(shí)平均的采樣高度上的產(chǎn)品數(shù)據(jù)文件。本文所處理資料為實(shí)時(shí)的采樣高度上的產(chǎn)品數(shù)據(jù)文件。R語(yǔ)言也能讀取處理二進(jìn)制格式文件，對(duì)雷達(dá)原始數(shù)據(jù)資料的處理會(huì)在以后的工作中進(jìn)行。

1.1 單個(gè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的讀取

R語(yǔ)言有許多函數(shù)能夠直接從文本文件中讀取數(shù)據(jù)，比較常用的有：read.table（），read.csv（），read.fwf（）。其中和Fortran比較接近的是read.fwf（），可以指定讀取數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度和格式。于Fortran不同的是，R語(yǔ)言在讀取數(shù)據(jù)的時(shí)候，不用先給定數(shù)據(jù)類型，程序會(huì)直接讀取數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到一個(gè)數(shù)據(jù)框（data.frame）里。例如針對(duì)本文要處理的雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，可以直接使用read.table（）命令讀取產(chǎn)品數(shù)據(jù)：

raw_data<-read.table（fname，fill=TRUE）

其中raw_data為一個(gè)數(shù)據(jù)框（data.frame），用于儲(chǔ)存我們需要處理的雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，fname 為要讀取的雷達(dá)數(shù)據(jù)文件名字；“header=FALSE”表示該實(shí)體數(shù)據(jù)中沒(méi)有數(shù)據(jù)說(shuō)明頭文件；由于本文要處理的雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)不是規(guī)則的表格形式，所以需要使用參數(shù)：“fill=TRUE”，來(lái)自動(dòng)填滿不是數(shù)據(jù)表格的部分。產(chǎn)品數(shù)據(jù)文件的前三行為測(cè)站基本參數(shù)，最后一行為結(jié)束行，中間部分為實(shí)際數(shù)據(jù)，包含：采樣高度，水平風(fēng)向，水平風(fēng)速，垂直風(fēng)速，水平方向可信度，垂直方向可信度，Cn2。為了便于資料處理，將實(shí)體數(shù)據(jù)單獨(dú)儲(chǔ)存到一個(gè)名為r_data的新數(shù)據(jù)框中：

r_data<-raw_data[4：（length（raw_data[，1]）-1），]

其中使用“l(fā)ength（raw_data[，1]）”函數(shù)判斷raw_data一共有多少行，通過(guò)“4：（length（raw_data[，1]）-1）”截取其第四行到倒數(shù)第二行到新的數(shù)據(jù)框r_data中。

值得注意的是，產(chǎn)品數(shù)據(jù)文件中一般含有缺測(cè)值，本文件中用“////////”表示。R在讀取其數(shù)據(jù)的時(shí)候?qū)⑺械臄?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型默認(rèn)為因子（factor，一種R的數(shù)據(jù)類型）。而在數(shù)據(jù)處理計(jì)算中，我們使用的數(shù)據(jù)類型為數(shù)值形（numeric），通過(guò)如下簡(jiǎn)單語(yǔ)句即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換：

r_data<-lapply（r_data，as.character）

r_data<-lapply（r_data，as.numeric）

r_data<-as.data.frame（r_data）

先使用函數(shù)“l(fā)apply”和“as.character”把每列元素轉(zhuǎn)換為字符型，再使用as.numeric轉(zhuǎn)換為數(shù)值型，最后再用as.data.frame把r_data轉(zhuǎn)換成一個(gè)數(shù)據(jù)框。從這些處理過(guò)程中不難看出，R語(yǔ)言能十分方便的利用“l(fā)apply”函數(shù)實(shí)現(xiàn)整列（整行）的數(shù)據(jù)處理，相應(yīng)的apply類函數(shù)還有許多，從而省去了程序中的循環(huán)語(yǔ)句編寫；而且R的數(shù)據(jù)類型使用十分靈活，能夠方便的將其轉(zhuǎn)換為不同的數(shù)據(jù)類型，類似的函數(shù)還有as.matrix，as.logical等。R在使用as.numeric時(shí)，會(huì)自動(dòng)將無(wú)法轉(zhuǎn)換成數(shù)值的字符，轉(zhuǎn)換成R的缺測(cè)值（NA），本數(shù)據(jù)中的“//////”在經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后全部轉(zhuǎn)換為了“NA”。“NA”在R語(yǔ)言中可以參與計(jì)算，也可以使用一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)將數(shù)據(jù)中的“NA”去除。例如針對(duì)本文中的數(shù)據(jù)：endprint

m_data<-r_data[complete.cases（r_data），]

其中complete.case函數(shù)能夠獲取數(shù)據(jù)中不含缺測(cè)的所有列，進(jìn)而賦值后的數(shù)據(jù)框m_data中剔除了r_data的缺測(cè)值。

1.2 批量數(shù)據(jù)文件的讀取

通過(guò)1.1中幾個(gè)簡(jiǎn)單的語(yǔ)句即可完成單個(gè)雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)讀取和初始化，而在業(yè)務(wù)運(yùn)行中，雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)肯定是大批量的生成，也需要程序腳本具有批處理功能。

我們將1.1中單個(gè)文件的雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)處理過(guò)程，整合成一個(gè)R語(yǔ)言函數(shù)readradar：

readradar <- function（dir，fname）{… …}

readradar只需要給定路徑和文件名，即可讀取雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)資料并去除缺測(cè)值。函數(shù)最后返還一個(gè)數(shù)據(jù)框，其中包含該文件中所有非缺測(cè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)。給定所有需要處理的路徑和文件名后，即可完成資料的批處理。

而R語(yǔ)言能夠十分便利的獲取文件名，因?yàn)槠淠芡ㄟ^(guò)腳本語(yǔ)言進(jìn)入當(dāng)前運(yùn)行的操作系統(tǒng)。簡(jiǎn)單的說(shuō)，R語(yǔ)言能夠在程序內(nèi)部完成操作系統(tǒng)的文件、文件夾處理、安裝包的安裝等。例如可以直接使用file.create（create.dir）函數(shù)直接在R語(yǔ)言中生成新的文件（文件夾）等。 本文只需要R語(yǔ)言讀取要處理的文件名：

fname<-list.files（path="./Qingdao/"

fname中存儲(chǔ)了所有“./Qingdao”下的雷達(dá)數(shù)據(jù)文件名。通過(guò)循環(huán)即可完成雷達(dá)數(shù)據(jù)的批量讀取：

for （i in 1：length（fname）） {

m_data<-readradar（dir，fname[i]）

}

別的批量處理過(guò)程（資料簡(jiǎn)要處理，雷達(dá)風(fēng)廓線圖等）和讀取類似，只需要加入循環(huán)即可。

2 雷達(dá)資料的簡(jiǎn)要處理和畫圖

第二節(jié)中給出了R語(yǔ)言對(duì)雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)文件的批讀取。R語(yǔ)言最為實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)在于其計(jì)算和畫圖功能。

2.1 雷達(dá)風(fēng)廓線的簡(jiǎn)要計(jì)算

為了便于處理資料。我們利用names函數(shù)將m_data數(shù)據(jù)框的每一列分別命名：

names（m_data）<-c（"hgt"，"h_dir"，"h_speed"，"w_speed"，"h_rel"，"w_rel"，"cn2"）

每一列表示對(duì)應(yīng)的資料的采樣高度，水平風(fēng)向，水平風(fēng)速，垂直風(fēng)速，水平方向可信度，垂直方向可信度，Cn2。

水平風(fēng)的u分量計(jì)算如下：

m_data$u <- m_data$h_speed * cos（（270 - m_data$h_dir）* pi/180）

其中pi為R語(yǔ)言中自帶的圓周率的取值3.141593。而計(jì)算出來(lái)的u風(fēng)速可以直接存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)框m_data的新的一列中。

同理可以計(jì)算出水平風(fēng)速的v分量：

m_data$v <- m_data$h_speed * sin（（270 - m_data$h_dir）* pi/180）

上述計(jì)算過(guò)程可以看出，R語(yǔ)言中數(shù)據(jù)框的計(jì)算處理十分方便，不需要使用循環(huán)語(yǔ)句計(jì)算不同高度上的u/v分量，而且計(jì)算結(jié)果可以直接作為數(shù)據(jù)框新的一列存到原數(shù)據(jù)框中。而R語(yǔ)言除了基本的計(jì)算外，還能使用內(nèi)部函數(shù)做各種復(fù)雜數(shù)學(xué)計(jì)算，例如矩陣的求逆、線性回歸分析、抽樣分布、顯著性試驗(yàn)等。如果R語(yǔ)言自帶的函數(shù)已經(jīng)不能解決當(dāng)前數(shù)學(xué)問(wèn)題，還能上網(wǎng)搜索下載對(duì)應(yīng)函數(shù)包。

2.2 雷達(dá)風(fēng)廓線圖

R語(yǔ)言主要有三種繪圖函數(shù)：高級(jí)、低級(jí)和交互式。通過(guò)調(diào)用高級(jí)繪圖函數(shù)，能在R語(yǔ)言中直接繪制各種統(tǒng)計(jì)圖；低級(jí)繪圖函數(shù)能夠?qū)ΜF(xiàn)有的圖進(jìn)行修改；交互式繪圖能夠讓用戶直接利用鼠標(biāo)修改圖形。大量的內(nèi)置函數(shù)讓繪圖變得十分的簡(jiǎn)易。例如本文需要的u風(fēng)場(chǎng)隨高度變化圖可以通過(guò)以下函數(shù)實(shí)現(xiàn)：

plot（m_data$u，m_data$hgt）

在plot函數(shù)中增加各種參數(shù)，能夠優(yōu)化所繪圖形。例如本文中使用如下命令獲取風(fēng)廓線圖：

plot（m_data$u，m_data$hgt，type="b"，

main=title，xlim=c（-20，20），ylim=c（0，5000），

xlab="風(fēng)速（m/s）"，ylab="采樣高度（m）"，pch=16，col=2）

其中tpye=“b”表示曲線為點(diǎn)畫線；main為主標(biāo)題；xlim和ylim表示橫縱坐標(biāo)取值范圍；xlab、ylab表示橫、縱坐標(biāo)標(biāo)題；pch=16表示點(diǎn)為實(shí)心圓圈，col=12表示顏色為紅色。

通過(guò)使用低級(jí)繪圖命令如points、lines等，可以在剛畫的u風(fēng)場(chǎng)廓線后增加v風(fēng)場(chǎng)廓線：

points（m_data$v，m_data$hgt）

lines（m_data$v，m_data$hgt）

圖例則可以用lengend函數(shù)添加：

legend（"topleft"，pch=c（16，17），col=c（2，19），lty=c（1，1），legend=c（"u"，"v"），bty="n"）

R語(yǔ)言還能使用par函數(shù)對(duì)圖片進(jìn)行設(shè)置，例如本文中使用如下函數(shù)將2014年4月26日每隔3小時(shí)的風(fēng)廓線顯示到同一圖片中：

par（mfrow=c（2，4），mar=c（5， 4， 4， 2） + 0.1，oma=c（0.1，0.1，0.4，0.1））

其中mfrow=c（2，4）表示圖片分割為兩行四列，參數(shù)mar和oma指定了圖片的間距。

將上述命令和第二節(jié)的數(shù)據(jù)讀取函數(shù)整合到一個(gè)R腳本中，運(yùn)行腳本即可得到如圖1風(fēng)廓線圖。

R語(yǔ)言的繪圖函數(shù)很多，除了文中繪制風(fēng)廓線圖外還能繪制：直方圖、散點(diǎn)圖、餅圖等。在安裝繪圖包后還能繪制3D圖等。其繪圖功能，能滿足大部分氣象資料統(tǒng)計(jì)分析的出圖需求。

3 結(jié)語(yǔ)和討論

免費(fèi)的開源軟件R語(yǔ)言，能夠用于數(shù)據(jù)分析和圖形顯示。文中使用其對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)資料進(jìn)行了批量讀取、計(jì)算和繪圖。

使用read.table函數(shù)簡(jiǎn)潔的實(shí)現(xiàn)資料讀取。

R語(yǔ)言的操作系統(tǒng)函數(shù)，能便利的實(shí)現(xiàn)資料的批處理。

R語(yǔ)言的各種繪圖函數(shù)，能迅速地繪制較為美觀的風(fēng)廓線圖。

R語(yǔ)言的統(tǒng)計(jì)計(jì)算功能十分強(qiáng)大，本文只是簡(jiǎn)單的使用基礎(chǔ)計(jì)算，在隨后的工作中，可以使用R語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，雷達(dá)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制，統(tǒng)計(jì)分析等。

本文只分析了雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，R語(yǔ)言也能處理二進(jìn)制數(shù)據(jù)資料，以后的工作中可以利用R語(yǔ)言分析其他類型的氣象資料。

參考文獻(xiàn)

[1] Green，J.L.，Atmospheric measurements by VHF pulsed Doppler radar.IEEE Trans.On Geoscience electronics.GE-17（4）：262-280.1979

[2] 何平.相控陣風(fēng)廓線雷達(dá)[M].氣象出版社，2006：104—122.

[3] 王欣，卞林根，彭浩，李劍東.風(fēng)廓線儀系統(tǒng)探測(cè)試驗(yàn)與應(yīng)用[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2005，16（5）：693-698.

[4] 胡明寶.風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用研究[D].南京信息工程大學(xué)博士論文，2012.

[5] John M.Chambers.Facets of R.The R Journal，1（1）：5-8，2009.

[6] 關(guān)于進(jìn)行風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄖ?氣測(cè)函[2011]61號(hào).內(nèi)部資料endprint

m_data<-r_data[complete.cases（r_data），]

其中complete.case函數(shù)能夠獲取數(shù)據(jù)中不含缺測(cè)的所有列，進(jìn)而賦值后的數(shù)據(jù)框m_data中剔除了r_data的缺測(cè)值。

1.2 批量數(shù)據(jù)文件的讀取

通過(guò)1.1中幾個(gè)簡(jiǎn)單的語(yǔ)句即可完成單個(gè)雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)讀取和初始化，而在業(yè)務(wù)運(yùn)行中，雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)肯定是大批量的生成，也需要程序腳本具有批處理功能。

我們將1.1中單個(gè)文件的雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)處理過(guò)程，整合成一個(gè)R語(yǔ)言函數(shù)readradar：

readradar <- function（dir，fname）{… …}

readradar只需要給定路徑和文件名，即可讀取雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)資料并去除缺測(cè)值。函數(shù)最后返還一個(gè)數(shù)據(jù)框，其中包含該文件中所有非缺測(cè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)。給定所有需要處理的路徑和文件名后，即可完成資料的批處理。

而R語(yǔ)言能夠十分便利的獲取文件名，因?yàn)槠淠芡ㄟ^(guò)腳本語(yǔ)言進(jìn)入當(dāng)前運(yùn)行的操作系統(tǒng)。簡(jiǎn)單的說(shuō)，R語(yǔ)言能夠在程序內(nèi)部完成操作系統(tǒng)的文件、文件夾處理、安裝包的安裝等。例如可以直接使用file.create（create.dir）函數(shù)直接在R語(yǔ)言中生成新的文件（文件夾）等。 本文只需要R語(yǔ)言讀取要處理的文件名：

fname<-list.files（path="./Qingdao/"

fname中存儲(chǔ)了所有“./Qingdao”下的雷達(dá)數(shù)據(jù)文件名。通過(guò)循環(huán)即可完成雷達(dá)數(shù)據(jù)的批量讀?。?/p>

for （i in 1：length（fname）） {

m_data<-readradar（dir，fname[i]）

}

別的批量處理過(guò)程（資料簡(jiǎn)要處理，雷達(dá)風(fēng)廓線圖等）和讀取類似，只需要加入循環(huán)即可。

2 雷達(dá)資料的簡(jiǎn)要處理和畫圖

第二節(jié)中給出了R語(yǔ)言對(duì)雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)文件的批讀取。R語(yǔ)言最為實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)在于其計(jì)算和畫圖功能。

2.1 雷達(dá)風(fēng)廓線的簡(jiǎn)要計(jì)算

為了便于處理資料。我們利用names函數(shù)將m_data數(shù)據(jù)框的每一列分別命名：

names（m_data）<-c（"hgt"，"h_dir"，"h_speed"，"w_speed"，"h_rel"，"w_rel"，"cn2"）

每一列表示對(duì)應(yīng)的資料的采樣高度，水平風(fēng)向，水平風(fēng)速，垂直風(fēng)速，水平方向可信度，垂直方向可信度，Cn2。

水平風(fēng)的u分量計(jì)算如下：

m_data$u <- m_data$h_speed * cos（（270 - m_data$h_dir）* pi/180）

其中pi為R語(yǔ)言中自帶的圓周率的取值3.141593。而計(jì)算出來(lái)的u風(fēng)速可以直接存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)框m_data的新的一列中。

同理可以計(jì)算出水平風(fēng)速的v分量：

m_data$v <- m_data$h_speed * sin（（270 - m_data$h_dir）* pi/180）

上述計(jì)算過(guò)程可以看出，R語(yǔ)言中數(shù)據(jù)框的計(jì)算處理十分方便，不需要使用循環(huán)語(yǔ)句計(jì)算不同高度上的u/v分量，而且計(jì)算結(jié)果可以直接作為數(shù)據(jù)框新的一列存到原數(shù)據(jù)框中。而R語(yǔ)言除了基本的計(jì)算外，還能使用內(nèi)部函數(shù)做各種復(fù)雜數(shù)學(xué)計(jì)算，例如矩陣的求逆、線性回歸分析、抽樣分布、顯著性試驗(yàn)等。如果R語(yǔ)言自帶的函數(shù)已經(jīng)不能解決當(dāng)前數(shù)學(xué)問(wèn)題，還能上網(wǎng)搜索下載對(duì)應(yīng)函數(shù)包。

2.2 雷達(dá)風(fēng)廓線圖

R語(yǔ)言主要有三種繪圖函數(shù)：高級(jí)、低級(jí)和交互式。通過(guò)調(diào)用高級(jí)繪圖函數(shù)，能在R語(yǔ)言中直接繪制各種統(tǒng)計(jì)圖；低級(jí)繪圖函數(shù)能夠?qū)ΜF(xiàn)有的圖進(jìn)行修改；交互式繪圖能夠讓用戶直接利用鼠標(biāo)修改圖形。大量的內(nèi)置函數(shù)讓繪圖變得十分的簡(jiǎn)易。例如本文需要的u風(fēng)場(chǎng)隨高度變化圖可以通過(guò)以下函數(shù)實(shí)現(xiàn)：

plot（m_data$u，m_data$hgt）

在plot函數(shù)中增加各種參數(shù)，能夠優(yōu)化所繪圖形。例如本文中使用如下命令獲取風(fēng)廓線圖：

plot（m_data$u，m_data$hgt，type="b"，

main=title，xlim=c（-20，20），ylim=c（0，5000），

xlab="風(fēng)速（m/s）"，ylab="采樣高度（m）"，pch=16，col=2）

其中tpye=“b”表示曲線為點(diǎn)畫線；main為主標(biāo)題；xlim和ylim表示橫縱坐標(biāo)取值范圍；xlab、ylab表示橫、縱坐標(biāo)標(biāo)題；pch=16表示點(diǎn)為實(shí)心圓圈，col=12表示顏色為紅色。

通過(guò)使用低級(jí)繪圖命令如points、lines等，可以在剛畫的u風(fēng)場(chǎng)廓線后增加v風(fēng)場(chǎng)廓線：

points（m_data$v，m_data$hgt）

lines（m_data$v，m_data$hgt）

圖例則可以用lengend函數(shù)添加：

legend（"topleft"，pch=c（16，17），col=c（2，19），lty=c（1，1），legend=c（"u"，"v"），bty="n"）

R語(yǔ)言還能使用par函數(shù)對(duì)圖片進(jìn)行設(shè)置，例如本文中使用如下函數(shù)將2014年4月26日每隔3小時(shí)的風(fēng)廓線顯示到同一圖片中：

par（mfrow=c（2，4），mar=c（5， 4， 4， 2） + 0.1，oma=c（0.1，0.1，0.4，0.1））

其中mfrow=c（2，4）表示圖片分割為兩行四列，參數(shù)mar和oma指定了圖片的間距。

將上述命令和第二節(jié)的數(shù)據(jù)讀取函數(shù)整合到一個(gè)R腳本中，運(yùn)行腳本即可得到如圖1風(fēng)廓線圖。

R語(yǔ)言的繪圖函數(shù)很多，除了文中繪制風(fēng)廓線圖外還能繪制：直方圖、散點(diǎn)圖、餅圖等。在安裝繪圖包后還能繪制3D圖等。其繪圖功能，能滿足大部分氣象資料統(tǒng)計(jì)分析的出圖需求。

3 結(jié)語(yǔ)和討論

免費(fèi)的開源軟件R語(yǔ)言，能夠用于數(shù)據(jù)分析和圖形顯示。文中使用其對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)資料進(jìn)行了批量讀取、計(jì)算和繪圖。

使用read.table函數(shù)簡(jiǎn)潔的實(shí)現(xiàn)資料讀取。

R語(yǔ)言的操作系統(tǒng)函數(shù)，能便利的實(shí)現(xiàn)資料的批處理。

R語(yǔ)言的各種繪圖函數(shù)，能迅速地繪制較為美觀的風(fēng)廓線圖。

R語(yǔ)言的統(tǒng)計(jì)計(jì)算功能十分強(qiáng)大，本文只是簡(jiǎn)單的使用基礎(chǔ)計(jì)算，在隨后的工作中，可以使用R語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，雷達(dá)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制，統(tǒng)計(jì)分析等。

本文只分析了雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，R語(yǔ)言也能處理二進(jìn)制數(shù)據(jù)資料，以后的工作中可以利用R語(yǔ)言分析其他類型的氣象資料。

參考文獻(xiàn)

[1] Green，J.L.，Atmospheric measurements by VHF pulsed Doppler radar.IEEE Trans.On Geoscience electronics.GE-17（4）：262-280.1979

[2] 何平.相控陣風(fēng)廓線雷達(dá)[M].氣象出版社，2006：104—122.

[3] 王欣，卞林根，彭浩，李劍東.風(fēng)廓線儀系統(tǒng)探測(cè)試驗(yàn)與應(yīng)用[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2005，16（5）：693-698.

[4] 胡明寶.風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用研究[D].南京信息工程大學(xué)博士論文，2012.

[5] John M.Chambers.Facets of R.The R Journal，1（1）：5-8，2009.

[6] 關(guān)于進(jìn)行風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄖ?氣測(cè)函[2011]61號(hào).內(nèi)部資料endprint

m_data<-r_data[complete.cases（r_data），]

其中complete.case函數(shù)能夠獲取數(shù)據(jù)中不含缺測(cè)的所有列，進(jìn)而賦值后的數(shù)據(jù)框m_data中剔除了r_data的缺測(cè)值。

1.2 批量數(shù)據(jù)文件的讀取

通過(guò)1.1中幾個(gè)簡(jiǎn)單的語(yǔ)句即可完成單個(gè)雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)讀取和初始化，而在業(yè)務(wù)運(yùn)行中，雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)肯定是大批量的生成，也需要程序腳本具有批處理功能。

我們將1.1中單個(gè)文件的雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)處理過(guò)程，整合成一個(gè)R語(yǔ)言函數(shù)readradar：

readradar <- function（dir，fname）{… …}

readradar只需要給定路徑和文件名，即可讀取雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)資料并去除缺測(cè)值。函數(shù)最后返還一個(gè)數(shù)據(jù)框，其中包含該文件中所有非缺測(cè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)。給定所有需要處理的路徑和文件名后，即可完成資料的批處理。

而R語(yǔ)言能夠十分便利的獲取文件名，因?yàn)槠淠芡ㄟ^(guò)腳本語(yǔ)言進(jìn)入當(dāng)前運(yùn)行的操作系統(tǒng)。簡(jiǎn)單的說(shuō)，R語(yǔ)言能夠在程序內(nèi)部完成操作系統(tǒng)的文件、文件夾處理、安裝包的安裝等。例如可以直接使用file.create（create.dir）函數(shù)直接在R語(yǔ)言中生成新的文件（文件夾）等。 本文只需要R語(yǔ)言讀取要處理的文件名：

fname<-list.files（path="./Qingdao/"

fname中存儲(chǔ)了所有“./Qingdao”下的雷達(dá)數(shù)據(jù)文件名。通過(guò)循環(huán)即可完成雷達(dá)數(shù)據(jù)的批量讀?。?/p>

for （i in 1：length（fname）） {

m_data<-readradar（dir，fname[i]）

}

別的批量處理過(guò)程（資料簡(jiǎn)要處理，雷達(dá)風(fēng)廓線圖等）和讀取類似，只需要加入循環(huán)即可。

2 雷達(dá)資料的簡(jiǎn)要處理和畫圖

第二節(jié)中給出了R語(yǔ)言對(duì)雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)文件的批讀取。R語(yǔ)言最為實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)在于其計(jì)算和畫圖功能。

2.1 雷達(dá)風(fēng)廓線的簡(jiǎn)要計(jì)算

為了便于處理資料。我們利用names函數(shù)將m_data數(shù)據(jù)框的每一列分別命名：

names（m_data）<-c（"hgt"，"h_dir"，"h_speed"，"w_speed"，"h_rel"，"w_rel"，"cn2"）

每一列表示對(duì)應(yīng)的資料的采樣高度，水平風(fēng)向，水平風(fēng)速，垂直風(fēng)速，水平方向可信度，垂直方向可信度，Cn2。

水平風(fēng)的u分量計(jì)算如下：

m_data$u <- m_data$h_speed * cos（（270 - m_data$h_dir）* pi/180）

其中pi為R語(yǔ)言中自帶的圓周率的取值3.141593。而計(jì)算出來(lái)的u風(fēng)速可以直接存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)框m_data的新的一列中。

同理可以計(jì)算出水平風(fēng)速的v分量：

m_data$v <- m_data$h_speed * sin（（270 - m_data$h_dir）* pi/180）

上述計(jì)算過(guò)程可以看出，R語(yǔ)言中數(shù)據(jù)框的計(jì)算處理十分方便，不需要使用循環(huán)語(yǔ)句計(jì)算不同高度上的u/v分量，而且計(jì)算結(jié)果可以直接作為數(shù)據(jù)框新的一列存到原數(shù)據(jù)框中。而R語(yǔ)言除了基本的計(jì)算外，還能使用內(nèi)部函數(shù)做各種復(fù)雜數(shù)學(xué)計(jì)算，例如矩陣的求逆、線性回歸分析、抽樣分布、顯著性試驗(yàn)等。如果R語(yǔ)言自帶的函數(shù)已經(jīng)不能解決當(dāng)前數(shù)學(xué)問(wèn)題，還能上網(wǎng)搜索下載對(duì)應(yīng)函數(shù)包。

2.2 雷達(dá)風(fēng)廓線圖

R語(yǔ)言主要有三種繪圖函數(shù)：高級(jí)、低級(jí)和交互式。通過(guò)調(diào)用高級(jí)繪圖函數(shù)，能在R語(yǔ)言中直接繪制各種統(tǒng)計(jì)圖；低級(jí)繪圖函數(shù)能夠?qū)ΜF(xiàn)有的圖進(jìn)行修改；交互式繪圖能夠讓用戶直接利用鼠標(biāo)修改圖形。大量的內(nèi)置函數(shù)讓繪圖變得十分的簡(jiǎn)易。例如本文需要的u風(fēng)場(chǎng)隨高度變化圖可以通過(guò)以下函數(shù)實(shí)現(xiàn)：

plot（m_data$u，m_data$hgt）

在plot函數(shù)中增加各種參數(shù)，能夠優(yōu)化所繪圖形。例如本文中使用如下命令獲取風(fēng)廓線圖：

plot（m_data$u，m_data$hgt，type="b"，

main=title，xlim=c（-20，20），ylim=c（0，5000），

xlab="風(fēng)速（m/s）"，ylab="采樣高度（m）"，pch=16，col=2）

其中tpye=“b”表示曲線為點(diǎn)畫線；main為主標(biāo)題；xlim和ylim表示橫縱坐標(biāo)取值范圍；xlab、ylab表示橫、縱坐標(biāo)標(biāo)題；pch=16表示點(diǎn)為實(shí)心圓圈，col=12表示顏色為紅色。

通過(guò)使用低級(jí)繪圖命令如points、lines等，可以在剛畫的u風(fēng)場(chǎng)廓線后增加v風(fēng)場(chǎng)廓線：

points（m_data$v，m_data$hgt）

lines（m_data$v，m_data$hgt）

圖例則可以用lengend函數(shù)添加：

legend（"topleft"，pch=c（16，17），col=c（2，19），lty=c（1，1），legend=c（"u"，"v"），bty="n"）

R語(yǔ)言還能使用par函數(shù)對(duì)圖片進(jìn)行設(shè)置，例如本文中使用如下函數(shù)將2014年4月26日每隔3小時(shí)的風(fēng)廓線顯示到同一圖片中：

par（mfrow=c（2，4），mar=c（5， 4， 4， 2） + 0.1，oma=c（0.1，0.1，0.4，0.1））

其中mfrow=c（2，4）表示圖片分割為兩行四列，參數(shù)mar和oma指定了圖片的間距。

將上述命令和第二節(jié)的數(shù)據(jù)讀取函數(shù)整合到一個(gè)R腳本中，運(yùn)行腳本即可得到如圖1風(fēng)廓線圖。

R語(yǔ)言的繪圖函數(shù)很多，除了文中繪制風(fēng)廓線圖外還能繪制：直方圖、散點(diǎn)圖、餅圖等。在安裝繪圖包后還能繪制3D圖等。其繪圖功能，能滿足大部分氣象資料統(tǒng)計(jì)分析的出圖需求。

3 結(jié)語(yǔ)和討論

免費(fèi)的開源軟件R語(yǔ)言，能夠用于數(shù)據(jù)分析和圖形顯示。文中使用其對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)資料進(jìn)行了批量讀取、計(jì)算和繪圖。

使用read.table函數(shù)簡(jiǎn)潔的實(shí)現(xiàn)資料讀取。

R語(yǔ)言的操作系統(tǒng)函數(shù)，能便利的實(shí)現(xiàn)資料的批處理。

R語(yǔ)言的各種繪圖函數(shù)，能迅速地繪制較為美觀的風(fēng)廓線圖。

R語(yǔ)言的統(tǒng)計(jì)計(jì)算功能十分強(qiáng)大，本文只是簡(jiǎn)單的使用基礎(chǔ)計(jì)算，在隨后的工作中，可以使用R語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，雷達(dá)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制，統(tǒng)計(jì)分析等。

本文只分析了雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，R語(yǔ)言也能處理二進(jìn)制數(shù)據(jù)資料，以后的工作中可以利用R語(yǔ)言分析其他類型的氣象資料。

參考文獻(xiàn)

[1] Green，J.L.，Atmospheric measurements by VHF pulsed Doppler radar.IEEE Trans.On Geoscience electronics.GE-17（4）：262-280.1979

[2] 何平.相控陣風(fēng)廓線雷達(dá)[M].氣象出版社，2006：104—122.

[3] 王欣，卞林根，彭浩，李劍東.風(fēng)廓線儀系統(tǒng)探測(cè)試驗(yàn)與應(yīng)用[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2005，16（5）：693-698.

[4] 胡明寶.風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用研究[D].南京信息工程大學(xué)博士論文，2012.

[5] John M.Chambers.Facets of R.The R Journal，1（1）：5-8，2009.

[6] 關(guān)于進(jìn)行風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄖ?氣測(cè)函[2011]61號(hào).內(nèi)部資料endprint