NetCDF數(shù)據(jù)的可視化方法

彭 松

（上海市敬業(yè)中學(xué), 上海 200010）

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NetCDF數(shù)據(jù)的可視化方法

彭 松

（上海市敬業(yè)中學(xué), 上海 200010）

摘要：對(duì)NetCDF數(shù)據(jù)格式做了通俗的解釋?zhuān)⒘信e了NetCDF數(shù)據(jù)獲取的渠道。利用Panoply軟件對(duì)NetCDF數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，通過(guò)三個(gè)實(shí)例具體說(shuō)明了利用Panoply進(jìn)行可視化的三種常見(jiàn)方法。

關(guān)鍵詞：NetCDF；可視化

一、NetCDF數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介

NetCDF（Network Common Data Form）是網(wǎng)絡(luò)通用數(shù)據(jù)格式的簡(jiǎn)稱(chēng)，是由大氣研究合作組織（UCAR）的科學(xué)家開(kāi)發(fā)的。NetCDF最初用于存儲(chǔ)氣象數(shù)據(jù)，現(xiàn)在已經(jīng)成為許多數(shù)據(jù)采集軟件的常用文件格式，目前廣泛應(yīng)用于大氣科學(xué)、水文、海洋學(xué)、環(huán)境模擬等諸多領(lǐng)域。

可以將NetCDF數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單地理解為一個(gè)包含有多個(gè)Excel文件的文件夾，這些Excel文件有的包含氣溫?cái)?shù)據(jù)，有的包含降水?dāng)?shù)據(jù)。打開(kāi)包含氣溫?cái)?shù)據(jù)的文件，會(huì)發(fā)現(xiàn)里面有很多以不同時(shí)間命名的工作表，每個(gè)工作表的列名相當(dāng)于經(jīng)度，行名相當(dāng)于緯度，每個(gè)單元格中的數(shù)據(jù)就是這個(gè)經(jīng)緯度在這個(gè)時(shí)間的氣溫，如圖1所示。可見(jiàn)NetCDF是一種多維數(shù)據(jù)，高度也是常見(jiàn)的一個(gè)維度，NetCDF經(jīng)常以四維數(shù)據(jù)的形式儲(chǔ)存，這也為我們按不同維度進(jìn)行可視化提供了可能。

圖1

二、NetCDF數(shù)據(jù)的獲取

NetCDF的數(shù)據(jù)源非常多，NetCDF文件的擴(kuò)展名為nc，很多網(wǎng)站可以免費(fèi)下載。例如，美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）發(fā)布的氣候再分析數(shù)據(jù)，美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）編輯發(fā)布的海洋與大氣綜合數(shù)據(jù)集（COADS）均采用NetCDF作為標(biāo)準(zhǔn)。

三、可視化方法

能夠?qū)etCDF數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化的軟件很多，如GrADS、NCL、IDV等，這些軟件功能強(qiáng)大，但對(duì)于中學(xué)教師來(lái)說(shuō)過(guò)于復(fù)雜，而且有些軟件還需要在命令行下操作，這更加大了學(xué)習(xí)和使用的難度。Panoply軟件的出現(xiàn)將可視化的難度大大降低，它操作簡(jiǎn)單，界面友好，是一個(gè)不可多得的好軟件。

1.Panoply的下載和安裝

軟件可以到它的官方網(wǎng)站（http://www.giss.nasa. gov/tools/panoply）下載。軟件是用JAVA編寫(xiě)的，所以必須安裝JAVA運(yùn)行環(huán)境，如果沒(méi)有安裝可以到JAVA網(wǎng)站（http://www.java.com/zh_CN）下載安裝。將Panoply的壓縮包解壓后，雙擊Panoply.exe就可以打開(kāi)數(shù)據(jù)源窗口。

2.Panoply制圖

（1）二維分布圖

因?yàn)镹etCDF一般都含有經(jīng)緯度坐標(biāo)，所以可以將變量直接繪制成二維地圖。以NCEP氣候再分析資料的氣溫為例，首先下載數(shù)據(jù)（ftp://ftp.cdc.noaa.gov/ Datasets/ncep.reanalysis.derived/surface/air.mon.mean. nc），將下載好的文件用鼠標(biāo)直接拖到Panoply的數(shù)據(jù)源窗口中，窗口的左側(cè)將列出數(shù)據(jù)集中的所有變量，但并不是所有的變量都能繪圖。我們選擇air這個(gè)變量，然后右鍵單擊，在彈出的菜單中選擇“Create Extra Small Plot”，當(dāng)然也可以根據(jù)需要選擇其它大小。然后會(huì)彈出一個(gè)對(duì)話(huà)框，選擇第一個(gè)單選按鈕，如圖2所示，按“Create”鍵就可以繪圖了，生成的地圖如圖3所示。

圖2

圖3

在繪圖區(qū)下面的“Array（s）”標(biāo)簽下可以看到，這個(gè)數(shù)據(jù)集是由804個(gè)時(shí)間的全球氣溫?cái)?shù)據(jù)構(gòu)成的，默認(rèn)顯示的是第一個(gè)時(shí)間（1948-01-01 00:00:00）的氣溫分布。通過(guò)單擊時(shí)間下拉列表可以顯示不同時(shí)間段的氣溫分布狀況，由于下拉列表比較長(zhǎng)，也可以直接更改“Time”后面的數(shù)字。

點(diǎn)擊繪圖區(qū)上面的“Array 1”標(biāo)簽，我們可以看到一個(gè)電子表格，表格里面存儲(chǔ)的就是這一時(shí)間全球的氣溫?cái)?shù)據(jù)。Panoply的主要功能是繪圖，所以并不能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯和修改。在nc文件中并沒(méi)有地圖數(shù)據(jù)，繪圖區(qū)中的世界地圖是軟件自動(dòng)添加的。Panoply自帶了一些地圖，可以在繪圖區(qū)下面的“Overlay”標(biāo)簽中進(jìn)行更改，Panoply可以同時(shí)使用兩張底圖，并可以對(duì)底圖的輪廓線(xiàn)進(jìn)行更改。如果這些底圖還不能滿(mǎn)足要求，可以到Panoply的官網(wǎng)下載其它底圖。

用同樣的方法可以制作降水分布圖、鹽度分布圖等?？梢?jiàn)通過(guò)簡(jiǎn)單的幾步就能利用真實(shí)數(shù)據(jù)制作出精美的專(zhuān)題地圖。由于NetCDF數(shù)據(jù)是多維數(shù)據(jù)，所以這些分布圖可以精確到某日某時(shí)，這為研究性學(xué)習(xí)和命題創(chuàng)造了條件。

（2）一維分布圖

Panoply還可以將經(jīng)度、緯度、高度（或深度）或時(shí)間作為橫坐標(biāo)，將變量作為縱坐標(biāo)來(lái)繪制一維分布圖。在圖2所示的那一步，選擇第三個(gè)單選按鈕，在“along”后面的下拉列表中可以選擇自變量，先選擇“l(fā)at”（緯度），點(diǎn)擊“Create”鍵就可以生成一張平均溫隨緯度的變化圖，如圖4所示。自變量選擇“l(fā)on”（經(jīng)度）或者“time”（時(shí)間）可以生成相應(yīng)的一維分布圖。這種一維分布圖可以讓學(xué)生對(duì)地理要素的空間分布有一個(gè)宏觀的認(rèn)識(shí)，用于測(cè)試學(xué)生的地理空間素養(yǎng)。

圖4

（3）聯(lián)合制圖

Panoply可以將兩個(gè)nc文件的數(shù)據(jù)組合在一起進(jìn)行制圖，比較常見(jiàn)的是風(fēng)向和洋流圖。NetCDF數(shù)據(jù)將這樣的矢量數(shù)據(jù)分為緯向（向東為正）和經(jīng)向（向北為正）兩個(gè)分量，Panoply可以將這兩個(gè)變量按平行四邊形法則進(jìn)行合成，用箭頭表示出來(lái)，箭頭的方向?yàn)槭噶糠较?，長(zhǎng)度為大小。首先下載地表風(fēng)向的緯向分量數(shù)據(jù)（ftp://ftp.cdc.noaa.gov/Datasets/ncep.reanalysis. derived/surface/uwnd.mon.mean.nc）和經(jīng)向分量數(shù)據(jù)（ftp://ftp.cdc.noaa.gov/Datasets/ncep.reanalysis.derived/ surface/vwnd.mon.mean.nc）。點(diǎn)擊數(shù)據(jù)源窗口右上角的“Remove All”按鈕，將原來(lái)載入的氣溫?cái)?shù)據(jù)移除，將兩個(gè)風(fēng)向數(shù)據(jù)拖入到窗口中，按著前述方法先繪制“uwnd”的二維分布圖，然后在數(shù)據(jù)集中選中“vwnd”，點(diǎn)擊數(shù)據(jù)源窗口上的“Combine Plot”按鈕，在彈出的對(duì)話(huà)框中點(diǎn)擊“Combine”，繪圖窗口會(huì)生成一張新的地圖，觀察繪圖區(qū)下面的“Array（s）”標(biāo)簽中是“Array1-Array2”，點(diǎn)擊它然后選擇最后一項(xiàng)“Vector Magnitude”（適量合成），這樣風(fēng)向圖就繪制完成了。然后再進(jìn)行簡(jiǎn)單的修飾，可以發(fā)現(xiàn)顏色和之前不大一樣，選擇“Scale”標(biāo)簽，選中“Always fit to data”前面的復(fù)選框，這樣顏色就按數(shù)據(jù)進(jìn)行重新分配了。如果想研究東亞季風(fēng)，可以按住“CTRL”鍵用鼠標(biāo)框選東亞地區(qū)，也可以對(duì)地圖投影進(jìn)行變換，Panoply自帶多種投影，選擇“Map”標(biāo)簽，在“Projection”后面的下拉列表框中選擇“Albers Equal-Area Conic”投影，投影參數(shù)見(jiàn)圖5。

圖5

再對(duì)“Vector”標(biāo)簽下的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如圖6所示。

圖6

這樣就可以生成一張1948年1月的東亞地表平均風(fēng)場(chǎng)圖，見(jiàn)圖7。同理可以制作東亞的夏季風(fēng)圖，可以用于課堂教學(xué)也可以用于學(xué)生的研究性學(xué)習(xí)。

圖7

聯(lián)合制圖不僅能繪制矢量圖，還能繪制兩個(gè)變量相減的圖，如降水量減蒸發(fā)量。

實(shí)踐發(fā)現(xiàn)只要有相應(yīng)的NetCDF數(shù)據(jù)，Panoply就可以生成所需的圖像，而且Panoply還可以將數(shù)據(jù)按時(shí)間輸出為視頻文件。利用Panoply軟件對(duì)NetCDF數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，可以豐富地理課程資源，為地理課堂教學(xué)和評(píng)價(jià)提供豐富的素材。