Python 在气象上的应用

0.7892019.03.15 23:19:31字数 913阅读 1,024

为什么选择python

免费和开源，没有商业许可限制
anaconda
pycharm
jupyter
庞大而稳定的社区
stackoverflow
功能齐全的编程语言，真正面向对象
非常强大和灵活 (https://www.lfd.uci.edu/~gohlke/pythonlibs/）
喜欢可读的代码
出版质量图绘制
轻松读/写netcdf和grib数据
轻松使用Fortran / C / C ++
广泛的库支持数字和非数字工作

科学计算

1.Numpy
　　Numpy是python科学计算的基础包，它提供以下功能（不限于此）：
　　　　(1)快速高效的多维数组对象ndarray
　　　　(2)用于对数组执行元素级计算以及直接对数组执行数学运算的函数
　　　　(3)用于读写硬盘上基于数组的数据集的工具
　　　　(4)线性代数运算、傅里叶变换，以及随机数生成
　　　　(5)用于将C、C++、Fortran代码集成到python的工具

2.pandas
　　pandas提供了使我们能够快速便捷地处理结构化数据的大量数据结构和函数。pandas兼具Numpy高性能的数组计算功能以及电子表格和关系型数据（如SQL）灵活的数据处理能力。它提供了复杂精细的索引功能，以便更为便捷地完成重塑、切片和切块、聚合以及选取数据子集等操作。
　　对于金融行业的用户，pandas提供了大量适用于金融数据的高性能时间序列功能和工具。
　　DataFrame是pandas的一个对象，它是一个面向列的二维表结构，且含有行标和列标。
　　ps.引用一段网上的话说明DataFrame的强大之处：
　　Excel 2007及其以后的版本的最大行数是1048576，最大列数是16384，超过这个规模的数据Excel就会弹出个框框“此文本包含多行文本，无法放置在一个工作表中”。Pandas处理上千万的数据是易如反掌的事情，同时随后我们也将看到它比SQL有更强的表达能力，可以做很多复杂的操作，要写的code也更少。说了一大堆它的好处，要实际感触还得动手码代码。

3.Scipy
　　一组专门解决科学计算中各种标准问题域的包的集合。
scipy/climpy

4.statsmodels
一个Python模块,它提供对许多不同统计模型估计的类和函数,并且可以进行统计测试和统计数据的探索

5.RPy
An interface to R running embedded in a Python process

sympy
A Python library for symbolic mathematics

7.atmqty
A Python Package for Calculating Atmospheric Quantities

8.PyWavelets
A Python wavelet transforms module

数据处理

Read/Write NetCDF file

To create a NetCDF file:

from Scientific.IO.NetCDF import NetCDFFile

import numpy as np

f = NetCDFFile('scientificio.nc', 'w')

# dimension

f.createDimension('time', 12)

# variable

time = f.createVariable('time', 'd', ('time',))

# data

time[:] = np.random.uniform(size=12)

f.close()

To read the file:

from Scientific.IO.NetCDF import NetCDFFile

import matplotlib.pyplot as plt

f = NetCDFFile('scientificio.nc')

fig = plt.figure()

ax = fig.add_subplot(111)

ax.plot(f.variables['time'])

plt.show()

Read/Write NetCDF file with netcdf4-python

To create a NetCDF file:

from netCDF4 import Dataset

import numpy as np

root_grp = Dataset('test.nc', 'w', format='NETCDF4')

root_grp.description = 'Example temperature data'

# dimensions

root_grp.createDimension('time', None)

root_grp.createDimension('lat', 72)

root_grp.createDimension('lon', 144)

# variables

times = root_grp.createVariable('time', 'f8', ('time',))

latitudes = root_grp.createVariable('latitude', 'f4', ('lat',))

longitudes = root_grp.createVariable('longitude', 'f4', ('lon',))

temp = root_grp.createVariable('temp', 'f4', ('time', 'lat', 'lon',))

# data

lats =  np.arange(-90, 90, 2.5)

lons =  np.arange(-180, 180, 2.5)

latitudes[:] = lats

longitudes[:] = lons

for i in range(5):

    temp[i,:,:] = np.random.uniform(size=(len(lats), len(lons)))

# group

# my_grp = root_grp.createGroup('my_group')

root_grp.close()

To read the file:

from netCDF4 import Dataset

import pylab as pl

root_grp = Dataset('test.nc')

temp = root_grp.variables['temp']

for i in range(len(temp)):

    pl.clf()

    pl.contourf(temp[i])

    pl.show()

    raw_input('Press enter.')

Read/Write Grib files with pygrib

To read a Grib file:

import pygrib

grbs = pygrib.open('sampledata/flux.grb')

grbs.seek(2)

grbs.tell()

grb = grbs.read(1)[0]

print grb

grb = grbs.select(name='Maximum temperature')[0]

To write a Grib file:

import pygrib

grbout = open('test.grb','wb')

grbout.write(msg)

grbout.close()

print pygrib.open('test.grb').readline()

Read/Write Matlab .mat file

To read a .mat file:

import scipy.io as sio

mat_contents = sio.loadmat('data.mat')

print mat_contents

To write a .mat file:

import numpy as np

import scipy.io as sio

vect = np.arange(10)

print vect.shape

sio.savemat('data.mat', {'vect':vect})

for hdf5

f = h5py.File('foo.hdf5','w')

其他：

PyCINRAD
PyMICPAS
pynco

绘图

图形的种类

基础绘图类

matplotlib

seaborn

cartopy

气象常用类

4）cis

卫星

ccplot
pysat

其他绘图工具

色标 : https://matplotlib.org/cmocean/
http://colorcet.pyviz.org/
http://holoviews.org/user_guide/Colormaps.html

爬虫

机器学习