NetCDF數據的可視化方法

彭 松

（上海市敬業中學, 上海 200010）

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NetCDF數據的可視化方法

彭 松

（上海市敬業中學, 上海 200010）

摘要：對NetCDF數據格式做了通俗的解釋，并列舉了NetCDF數據獲取的渠道。利用Panoply軟件對NetCDF數據進行可視化，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。

關鍵詞：NetCDF；可視化

一、NetCDF數據簡介

NetCDF（Network Common Data Form）是網絡通用數據格式的簡稱，是由大氣研究合作組織（UCAR）的科學家開發的。NetCDF最初用于存儲氣象數據，現在已經成為許多數據采集軟件的常用文件格式，目前廣泛應用于大氣科學、水文、海洋學、環境模擬等諸多領域。

可以將NetCDF數據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據，有的包含降水數據。打開包含氣溫數據的文件，會發現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于經度，行名相當于緯度，每個單元格中的數據就是這個經緯度在這個時間的氣溫，如圖1所示。可見NetCDF是一種多維數據，高度也是常見的一個維度，NetCDF經常以四維數據的形式儲存，這也為我們按不同維度進行可視化提供了可能。

圖1

二、NetCDF數據的獲取

NetCDF的數據源非常多，NetCDF文件的擴展名為nc，很多網站可以免費下載。例如，美國國家環境預報中心（NCEP）發布的氣候再分析數據，美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）編輯發布的海洋與大氣綜合數據集（COADS）均采用NetCDF作為標準。

三、可視化方法

能夠對NetCDF數據進行可視化的軟件很多，如GrADS、NCL、IDV等，這些軟件功能強大，但對于中學教師來說過于復雜，而且有些軟件還需要在命令行下操作，這更加大了學習和使用的難度。Panoply軟件的出現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運行環境，如果沒有安裝可以到JAVA網站（http://www.java.com/zh_CN）下載安裝。將Panoply的壓縮包解壓后，雙擊Panoply.exe就可以打開數據源窗口。

2.Panoply制圖

（1）二維分布圖

因為NetCDF一般都含有經緯度坐標，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，首先下載數據（ftp://ftp.cdc.noaa.gov/ Datasets/ncep.reanalysis.derived/surface/air.mon.mean. nc），將下載好的文件用鼠標直接拖到Panoply的數據源窗口中，窗口的左側將列出數據集中的所有變量，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”，當然也可以根據需要選擇其它大小。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

在繪圖區下面的“Array（s）”標簽下可以看到，這個數據集是由804個時間的全球氣溫數據構成的，默認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”后面的數字。

點擊繪圖區上面的“Array 1”標簽，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據。Panoply的主要功能是繪圖，所以并不能對數據進行編輯和修改。在nc文件中并沒有地圖數據，繪圖區中的世界地圖是軟件自動添加的。Panoply自帶了一些地圖，可以在繪圖區下面的“Overlay”標簽中進行更改，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據制作出精美的專題地圖。由于NetCDF數據是多維數據，所以這些分布圖可以精確到某日某時，這為研究性學習和命題創造了條件。

（2）一維分布圖

Panoply還可以將經度、緯度、高度（或深度）或時間作為橫坐標，將變量作為縱坐標來繪制一維分布圖。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“lat”（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“lon”（經度）或者“time”（時間）可以生成相應的一維分布圖。這種一維分布圖可以讓學生對地理要素的空間分布有一個宏觀的認識，用于測試學生的地理空間素養。

圖4

（3）聯合制圖

Panoply可以將兩個nc文件的數據組合在一起進行制圖，比較常見的是風向和洋流圖。NetCDF數據將這樣的矢量數據分為緯向（向東為正）和經向（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。首先下載地表風向的緯向分量數據（ftp://ftp.cdc.noaa.gov/Datasets/ncep.reanalysis. derived/surface/uwnd.mon.mean.nc）和經向分量數據（ftp://ftp.cdc.noaa.gov/Datasets/ncep.reanalysis.derived/ surface/vwnd.mon.mean.nc）。點擊數據源窗口右上角的“Remove All”按鈕，將原來載入的氣溫數據移除，將兩個風向數據拖入到窗口中，按著前述方法先繪制“uwnd”的二維分布圖，然后在數據集中選中“vwnd”，點擊數據源窗口上的“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，觀察繪圖區下面的“Array（s）”標簽中是“Array1-Array2”，點擊它然后選擇最后一項“Vector Magnitude”（適量合成），這樣風向圖就繪制完成了。然后再進行簡單的修飾，可以發現顏色和之前不大一樣，選擇“Scale”標簽，選中“Always fit to data”前面的復選框，這樣顏色就按數據進行重新分配了。如果想研究東亞季風，可以按住“CTRL”鍵用鼠標框選東亞地區，也可以對地圖投影進行變換，Panoply自帶多種投影，選擇“Map”標簽，在“Projection”后面的下拉列表框中選擇“Albers Equal-Area Conic”投影，投影參數見圖5。

圖5

再對“Vector”標簽下的參數進行設置，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場圖，見圖7。同理可以制作東亞的夏季風圖，可以用于課堂教學也可以用于學生的研究性學習。

圖7

聯合制圖不僅能繪制矢量圖，還能繪制兩個變量相減的圖，如降水量減蒸發量。

實踐發現只要有相應的NetCDF數據，Panoply就可以生成所需的圖像，而且Panoply還可以將數據按時間輸出為視頻文件。利用Panoply軟件對NetCDF數據進行可視化，可以豐富地理課程資源，為地理課堂教學和評價提供豐富的素材。