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NetCDF數(shù)據(jù)格式做了通俗的解釋，并列舉了NetCDF數(shù)據(jù)獲取的渠道。利用Panoply軟件對NetCDF數(shù)據(jù)進行可視化，通過三個實例具體說明了利用Panoply進行可視化的三種常見方法。

關(guān)鍵詞：NetCDF；可視化

一、NetCDF數(shù)據(jù)簡介

NetCDF（Network Common Data Form）是網(wǎng)絡(luò)通用數(shù)據(jù)格式的簡稱，是由大氣研究合作組織（UCAR）的科學(xué)家開發(fā)的。NetCDF最初用于存儲氣象數(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)簡單地理解為一個包含有多個Excel文件的文件夾，這些Excel文件有的包含氣溫數(shù)據(jù)，有的包含降水?dāng)?shù)據(jù)。打開包含氣溫數(shù)據(jù)的文件，會發(fā)現(xiàn)里面有很多以不同時間命名的工作表，每個工作表的列名相當(dāng)于經(jīng)度，行名相當(dāng)于緯度，每個單元格中的數(shù)據(jù)就是這個經(jīng)緯度在這個時間的氣溫，如圖1所示。可見NetCDF是一種多維數(shù)據(jù)，高度也是常見的一個維度，NetCDF經(jīng)常以四維數(shù)據(jù)的形式儲存，這也為我們按不同維度進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文件的擴展名為nc，很多網(wǎng)站可以免費下載。例如，美國國家環(huán)境預(yù)報中心（NCEP）發(fā)布的氣候再分析數(shù)據(jù)，美國國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)進行可視化的軟件很多，如GrADS、NCL、IDV等，這些軟件功能強大，但對于中學(xué)教師來說過于復(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，它操作簡單，界面友好，是一個不可多得的好軟件。

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編寫的，所以必須安裝JAVA運行環(huán)境，如果沒有安裝可以到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就可以打開數(shù)據(jù)源窗口。

2.Panoply制圖

（1）二維分布圖

因為NetCDF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。然后會彈出一個對話框，選擇第一個單選按鈕，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，這個數(shù)據(jù)集是由804個時間的全球氣溫數(shù)據(jù)構(gòu)成的，默認(rèn)顯示的是第一個時間（1948-01-01 00:00:00）的氣溫分布。通過單擊時間下拉列表可以顯示不同時間段的氣溫分布狀況，由于下拉列表比較長，也可以直接更改“Time”后面的數(shù)字。

點擊繪圖區(qū)上面的“Array 1”標(biāo)簽，我們可以看到一個電子表格，表格里面存儲的就是這一時間全球的氣溫數(shù)據(jù)。Panoply的主要功能是繪圖，所以并不能對數(shù)據(jù)進行編輯和修改。在nc文件中并沒有地圖數(shù)據(jù)，繪圖區(qū)中的世界地圖是軟件自動添加的。Panoply自帶了一些地圖，可以在繪圖區(qū)下面的“Overlay”標(biāo)簽中進行更改，Panoply可以同時使用兩張底圖，并可以對底圖的輪廓線進行更改。如果這些底圖還不能滿足要求，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。可見通過簡單的幾步就能利用真實數(shù)據(jù)制作出精美的專題地圖。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，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）或時間作為橫坐標(biāo)，將變量作為縱坐標(biāo)來繪制一維分布圖。在圖2所示的那一步，選擇第三個單選按鈕，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)生對地理要素的空間分布有一個宏觀的認(rèn)識，用于測試學(xué)生的地理空間素養(yǎng)。

圖4

（3）聯(lián)合制圖

Panoply可以將兩個nc文件的數(shù)據(jù)組合在一起進行制圖，比較常見的是風(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）兩個分量，Panoply可以將這兩個變量按平行四邊形法則進行合成，用箭頭表示出來，箭頭的方向為矢量方向，長度為大小。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）。點擊數(shù)據(jù)源窗口右上角的“Remove All”按鈕，將原來載入的氣溫數(shù)據(jù)移除，將兩個風(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”，點擊數(shù)據(jù)源窗口上的“Combine Plot”按鈕，在彈出的對話框中點擊“Combine”，繪圖窗口會生成一張新的地圖，觀察繪圖區(qū)下面的“Array（s）”標(biāo)簽中是“Array1-Array2”，點擊它然后選擇最后一項“Vector Magnitude”（適量合成），這樣風(fēng)向圖就繪制完成了。然后再進行簡單的修飾，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)，也可以對地圖投影進行變換，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)見圖5。

圖5

再對“Vector”標(biāo)簽下的參數(shù)進行設(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)場圖，見圖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，還能繪制兩個變量相減的圖，如降水量減蒸發(fā)量。

實踐發(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)按時間輸出為視頻文件。利用Panoply軟件對NetCDF數(shù)據(jù)進行可視化，可以豐富地理課程資源，為地理課堂教學(xué)和評價提供豐富的素材。