基于NetCDF數據格式的氣象圖形可視化軟件NC_PLOT的開發與應用

湯沛　夏冠聰　林美靜

摘要 NECP/NCAR Reanalysis數據已成為廣大氣象研究者的一個重要數據來源，在進行天氣過程分析、小結等過程中，常會用到NECP/NCAR Reanalysis氣象要素數據進行分析、畫圖等。但目前卻并沒有針對這些數據的顯示工具，因此讀取過程較為繁瑣。結合Fortran程序和GrADS軟件，利用Win32應用程序包裝前臺顯示界面，介紹了氣象圖形可視化軟件NC_PLOT的開發及應用。同時，結合2015年7月20日夜間到21日中午前，中山市出現連續性的降雨天氣過程，簡單介紹了該軟件的實際使用方法，為調用NetCDF數據格式的文件提供了一種新的思路。

關鍵詞 NECP/NCAR Reanalysis數據；氣象圖形；可視化軟件；NC_PLOT；開發；應用

中圖分類號 P46 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）07-0260-02

目前，氣象工作者在進行事后天氣過程分析、小結的過程中，經常會用到NECP/NCAR Reanalysis氣象要素數據進行分析、畫圖，此過程較為繁瑣，包括數據下載、分析處理、腳本編寫、圖像輸出，而其每一個要素的細微變化，都可能導致最終的結果發生變化。同時，同一個天氣過程的分析可以有不同的角度，但在進行前期分析時，使用的一些基本要素場是相同的，氣象圖形可視化軟件NC_PLOT在一定程度上解決了上述問題。

1 NECP/NCAR Reanalysis數據簡介

美國國家環境預報中心（NCEP）和美國國家大氣研究中心（NCAR）對全球從1948年到現在的氣象資料進行再分析形成格點數據。這些數據對外公開，成為廣大氣象研究者的重要數據來源。NECP/NCAR Reanalysis氣象要素數據采用NetCDF（Network Common Data Format）數據格式，文件名以.nc為后綴名。這是一種自描述文件，其中包括對本身數據的描述，這為數據的使用提供了方便。

目前NetCDF數據的讀取主要有以下方式：利用NetC-DF4Excel插件可以使用Excel打開Netcdf數據，但只能看到數據，無法實現可視化圖像的生成；利用MATLAB軟件打開。MATLAB自帶了netcdp的工具箱，通過MATLAB命令窗口輸入ncbrowser，即可打開NetCDF數據。但查看過程較為繁瑣，無法快速得到所需圖像。用GrADS軟件打開，該軟件可以通過其集成環境對NetCDF數據進行讀取、加工、圖形顯示和打印輸出，但需要比較了解gs描述語言[1]；通過Fortran程序讀取，這需要較全面地掌握Fortran語言。除了上述方法外，NOAA網站本身也提供了查看NECP/NCAR Reanalysis數據的在線圖形瀏覽頁面，但是圖形顯示形式單一（比如不能實現風矢量的圖形輸出，也不能實現等值線和填色的同時使用）；而且不能實現數據的批量處理、圖形輸出。

2 氣象圖形可視化軟件NC_PLOT簡介

結合Fortran程序和GrADS軟件，再用Win32應用程序包裝其前臺顯示界面，開發了氣象圖形可視化軟件NC_ PLOT。該軟件可以方便調用NECP/NCAR Reana-lysis氣象要素數據，按照用戶的需求選取時間（包括每日的時次）、范圍、要素（各高度層的風矢量圖、位勢高度場、相對濕度、比濕、海平面氣壓、氣溫）來顯示圖形，并實現圖形輸出（包括批量輸出），并且可以隨時調整輸入參數來得到新的結果，具有較強的易操作性和快速響應速度[2-3]。

3 關鍵技術

3.1 參數的收集及腳本生成

用戶從界面上選擇好所需參數之后，將參數打包后生成parameter.h。得到具體參數后，程序開始生成腳本（圖1）。

3.3 圖片的顯示與保存

得到所需圖片之后，在win32應用程序中加載，也可根據所需時間段批量生成圖片并保存，軟件界面見圖2。

3.4 應用

在實際應用中，比如說受熱帶輻合帶影響，2015年7月20日夜間到21日中午前，中山市出現連續性的降雨天氣，中山市普降大雨到暴雨，局部大暴雨，其中本站（紫馬嶺觀測站）7月20日20：00至21日20：00雨量達130.4 mm，是2015年目前為止日雨量最大的一天。對于這種影響大的天氣過程，在分析基本的天氣環流形勢時，就可以利用NC_ PLOT查看環流實況，并輸出想要的圖片，以便后面進行進一步的分析。比如說，下面給出天氣過程發生前后的850 hPa風場（圖3），從而了解風場的輻合位置、大風區域位置與雨強最大時段[最強時雨量出現在21日0：00、6：00附近的站點較多（北京時）]的對應情況。

由圖3可以清楚地看到風場輻合的位置基本徘徊在珠三角沿海，而且風速較大，中山市位于輻合帶右側，急流軸左側，產生明顯降水，之后隨著急流軸的減弱東移，過程結束。由此可見，利用NC_PLOT可以極為方便地調用NECP/NCAR Reanalysis氣象要素數據，并生成可視化界面，為氣象工作者查閱NetCDF數據提供便利。

4 結語

討論了氣象圖形可視化軟件NC_PLOT的開發及應用，NC_PLOT軟件讀取NECP/NCAR Reanalysis氣象要素數據，利用Fortran程序生成腳本調用GrADS軟件進行快速繪圖。該軟件具有圖形生成快速、易操作、易安裝等特點，并且不受網絡條件的限制；今后更可以按照用戶的需求對輸入參數和繪圖細節進行不斷改進（比如增加計算散度、相對渦度、水汽通量等基本量，或者增加圖形種類的設置等），該軟件不僅為氣象工作者查閱NECP/NCAR Reanalysis氣象要素資料提供便利，也為調用NetCDF數據格式的文件提供了一種新的思路[6]。

5 參考文獻

[1] 馬紅云，李麗平.GrADS軟件基礎教程[M].北京：氣象出版社，2011.

[2] 楊兆禮，萬齊林.實例分析如何用GrADS實現NetCDF格式轉換[J].廣東氣象，2008（5）：47-49.

[3] 楊兆禮.用GrADS制作ncep再分析資料氣象要素圖[J].廣東氣象，2004（4）：35-36.

[4] ZHAO DEMING FUCONG BIN.Comparisons of Low-Level Circulation Characteristics between ECHAM5/MPI-OM Results and NCEP/NCAR Re-Analysis Data in East Asia[J].Atmospheric and Oceanic Science Letters，2010（4）：189-194.

[5] 許素芹，陳捷，安汝剛.NCEP再分析資料應用研究[J].青島大學學報（自然科學版），2010（3）：38-42.

[6] 蘇志俠，呂世華，羅四維.美國NCEP/NCAR 40年全球再分析資料及其解碼和圖形顯示軟件簡介[J].高原氣象，1999（2）：199-208.