鄭艷萍

摘要：相對(duì)于GrADS等氣象繪圖軟件，NCAR Command Language（簡(jiǎn)稱NCL）在數(shù)據(jù)處理及可視化方面優(yōu)勢(shì)明顯，故其用戶群數(shù)量不斷增加。為了更好地利用NCL工具為數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的解釋?xiě)?yīng)用服務(wù)，為天氣預(yù)報(bào)和研究提供更實(shí)用的圖形產(chǎn)品服務(wù)，從NCL的介紹、下載安裝、數(shù)據(jù)分析處理及可視化四個(gè)方面介紹了NCL在氣象業(yè)務(wù)中應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：NCL；氣象應(yīng)用；數(shù)據(jù)處理；圖形展示；數(shù)值預(yù)報(bào)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）10-0093-03

NCAR Command Language（簡(jiǎn)稱NCL）是美國(guó)國(guó)家大氣研究中心專為科學(xué)數(shù)據(jù)處理及可視化而設(shè)計(jì)的高級(jí)語(yǔ)言[1-2]，尤其是在氣象數(shù)據(jù)分析處理方面優(yōu)勢(shì)明顯，故其用戶數(shù)量也不斷增加。相對(duì)于GrADS等繪圖軟件，NCL的優(yōu)勢(shì)不僅表現(xiàn)在繪圖更加細(xì)膩美觀，更表現(xiàn)在它強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，它包含了氣象數(shù)據(jù)常用的分析方法，如樣條插值、經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解（EOF）、波譜分析等，此外，還可與Fortran、Shell進(jìn)行混合編程，使得程序更加簡(jiǎn)潔高效，使用更加方便。這些優(yōu)勢(shì)使得NCL成為氣象數(shù)據(jù)分析展示軟件的后起之秀[3]。

數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品是天氣預(yù)報(bào)的重要參考依據(jù)之一[4-5]，對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的業(yè)務(wù)應(yīng)用需求也越來(lái)越高。數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)分析及圖形化就必不可少，針對(duì)這一迫切需求，本文利用NCL軟件進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的診斷分析及圖形化。主要介紹了NCL的安裝、下載、編程思路，及在氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用中的兩部分關(guān)鍵技術(shù)：數(shù)據(jù)處理功能及可視化功能。

1 NCL軟件的下載、安裝及運(yùn)行

NCL可以在AIX、Linux、Mac OS X 等系統(tǒng)上安裝運(yùn)行，對(duì)于Windows用戶，可安裝Cygwin/X軟件后在這個(gè)軟件環(huán)境中運(yùn)行。NCL的官方下載地址：http：//www.earthsystemgrid.org，注冊(cè)之后，根據(jù)用戶自身的系統(tǒng)選擇相應(yīng)的NCL版本。NCL在Unix系統(tǒng)上的安裝不需要編譯，只需要三個(gè)步驟：

1） 解壓安裝包

打開(kāi)終端，將安裝包解壓到/home/yourname/ncl目錄下：

# cd /home/yourname/ncl

# tar–xvfncl_ncarg-6.1.2.Linux_Debian6.0_x86_64_nodap_gcc445.tar.gz

2） 設(shè)置環(huán)境變量

用“echo $SHELL”返回當(dāng)前系統(tǒng)所用的shell，若為C-shell（csh）則設(shè)置環(huán)境變量：

setenv NCARG_ROOT /home/yourname/ncl

setenv PATH $PATH：$NCARG_ROOT/bin

若為bash或ksh，則添加環(huán)境變量：

export NCARG_ROOT=/home/yourname/ncl

export PATH=$PATH：$NCARG_ROOT/bin

保存該文件后，運(yùn)行source命令使環(huán)境變量生效。

3） 檢驗(yàn)安裝是否成功

安裝好后，運(yùn)行NCL自帶的例子，檢驗(yàn)下NCL是否已正確安裝：

#cd /usr/ncl/lib/ncarg/nclex/xyplot

#ncl xy04n.ncl

若出現(xiàn)一組平面曲線圖則說(shuō)明測(cè)試通過(guò)。

更簡(jiǎn)便的測(cè)試可利用NCL提供了一個(gè)腳本程序“ng4ex”，運(yùn)行一系列的范例，# ng4ex gsun01n，若彈出一個(gè)圖形窗口顯示XY坐標(biāo)圖，則說(shuō)明安裝成功。

NCL可直接在終端用命令行進(jìn)行簡(jiǎn)單的測(cè)試，復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和圖形化則用批處理腳本來(lái)實(shí)現(xiàn)。NCL腳本的編程思路大致分為步：1）加載NCARG庫(kù)函數(shù)及共享對(duì)象，提供繪圖及運(yùn)算接口。2）讀入需要處理的數(shù)據(jù)。3）打開(kāi)一個(gè)繪圖窗口。4）設(shè)置窗口圖形的屬性，包括繪圖類型、線條顏色、底圖等一系列屬性。5）數(shù)據(jù)可視化。在此不作詳細(xì)介紹。

2 NCL數(shù)據(jù)處理功能的業(yè)務(wù)應(yīng)用

數(shù)據(jù)的加工處理是數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的解釋?xiě)?yīng)用的重要部分。NCL不僅支持多種數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)格式的基本數(shù)學(xué)運(yùn)算，如求平均、求最值、三角函數(shù)運(yùn)算等，還具有完整的氣象分析算法模塊，并且具有Fortran外部代碼的接口，支持用戶自行編寫(xiě)的算法接入。這三大塊構(gòu)成了NCL數(shù)據(jù)處理的強(qiáng)大功能，為數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的診斷分析提供有效的支持。與傳統(tǒng)的圖形化工具相比，NCL在數(shù)據(jù)方面更為簡(jiǎn)潔高效，靈活多變。

2.1 NCL內(nèi)置函數(shù)處理數(shù)據(jù)的方法

NCL支持多種數(shù)據(jù)格式的讀寫(xiě)操作：NetCDF3/4，HDF4，HDF4-EOS，HDF5，HDF5-EOS，GRIB-1，GRIB-2，shapefile，ASCII和CCM History Tape format 格式，滿足了不同用戶對(duì)數(shù)據(jù)格式讀寫(xiě)的需求。目前，數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品種類豐富，不同的數(shù)值預(yù)報(bào)有各自不同的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式，為了能夠?qū)v史及實(shí)時(shí)資料完整、有序的存儲(chǔ)并提供業(yè)務(wù)和研究應(yīng)用，我省統(tǒng)一采用標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)格式NetCDF存儲(chǔ)數(shù)值預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)[6]。

NCL內(nèi)部提供了不同的數(shù)據(jù)處理方法：數(shù)組運(yùn)算、基本數(shù)學(xué)運(yùn)算和完整的氣象分析算法模塊[2]。其中氣象分析算法是NCL數(shù)據(jù)處理的一大特色，它包含了經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)展開(kāi)法（EOF），濾波（Filters），小波分析（Wavelets）等常用的氣象分析方法。此外，由于NCL是開(kāi)源軟件，用戶也可使用NCL語(yǔ)言編寫(xiě)算法，嵌入軟件使用。下面以站點(diǎn)到格點(diǎn)的插值為例介紹NCL的數(shù)據(jù)處理流程，原始數(shù)據(jù)為廣東省自動(dòng)站溫度temp.csv，ASCII碼格式，數(shù)據(jù)如下圖所示：

1）讀取數(shù)據(jù)

讀入數(shù)據(jù)之后，將不同的要素分開(kāi)并轉(zhuǎn)換成需要的數(shù)據(jù)類型（部分代碼）：

fin = asciiread（“./temp.csv"，nstn，"string"）

delim = "，"

sname = str_get_cols（str_get_field（fin，1，delim），1，5）

slon = stringtofloat（str_get_cols（str_get_field（stn，2，delim），1，8））

slat =......

2）插值計(jì)算

首先根據(jù)原始數(shù)據(jù)的密度，定義插值網(wǎng)格的分辨率為0.001°x0.001°：

resolution=0.001

nx = floattoint（（max（slon）-min（slon））/resolution）

ny = floattoint（（max（slat）-min（slat））/resolution）

glon = fspan（min（slon），（min（slon）+（nx+1）*resolution），nx）

glat = fspan（min（slat），（min（slat）+（ny+1）*resolution），ny）

定義好目標(biāo)網(wǎng)格后，調(diào)用NCL內(nèi)部插值函數(shù)進(jìn)行插值計(jì)算：

gval = cssgrid（slat，slon，sval，glat，glon）

3）結(jié)果輸出為NetCDF格式

首先打開(kāi)一個(gè)輸出文件：

fout= addfile （"./temp_out.nc"， "c"）

聲明輸出文件的格式定義模式：

setfileoption（"nc"，"Format"，"NetCDF4Classic"）

然后定義輸出文件的全局屬性、坐標(biāo)范圍、變量維數(shù)等信息，最后輸出插值結(jié)果：

fout->lat= （/glat/）

fout->lon = （/glon/）

fout->temp= （/gval/）

詳細(xì)的NetCDF文件定義過(guò)程請(qǐng)參考NCL官網(wǎng)，在此不做詳述。

2.2外部代碼接口處理數(shù)據(jù)的方法

除了運(yùn)用內(nèi)部算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理外，NCL還提供了Fortran外部代碼接口，用戶可通過(guò)這個(gè)接口直接在NCL腳本內(nèi)部調(diào)用Fortran代碼。步驟也很簡(jiǎn)單，例如有代碼thse.f包含計(jì)算假相當(dāng)位溫的算法：CAL_THSE（PLEV，STC，STD，NLEV，NSTN，THSE）

首先用NCL的WRAPIT將Fortran程序編譯成共享對(duì)象：

#WRAPIT thse.f

生成共享對(duì)象thse.so，然后在NCL腳本內(nèi)部加載該共享：

external FORTRAN “../thse.so”

調(diào)用thse.so計(jì)算：

FORTRAN：：CAL_THSE（plev，stc，std，nlev，nstn，thse）

至此調(diào)用外部代碼完成計(jì)算。需要注意的是NCL與Fortran之間的參數(shù)傳遞，由于NCL與Fortran的數(shù)組排列方式與數(shù)據(jù)類型有差異，數(shù)組定義時(shí)要特別小心。兩者之間的數(shù)組對(duì)應(yīng)關(guān)系如下圖所示：

3 NCL可視化功能的業(yè)務(wù)應(yīng)用

傳統(tǒng)的氣象分析中，一般先用Fortran等工具先進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，再輸入繪圖軟件顯示。NCL將數(shù)據(jù)處理與可視化相結(jié)合，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)處理方式要分兩步走的不足，為數(shù)值預(yù)報(bào)的分析展示帶來(lái)了極大的便利。NCL的可視化功能同樣不遜色于數(shù)據(jù)處理功能，為數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的展示提供有力支持。

3.1 NCL可繪制的圖形類型

NCL支持多種圖形格式：。且擁有超過(guò)40個(gè)的繪圖模板，這些模板包括XY坐標(biāo)圖、等值線圖、矢量圖、流線圖等，豐富的繪圖模板滿足了氣象數(shù)據(jù)多樣化的圖形展示方式，為氣象工作者提供更多選擇。圖形類型分類如下表所示：

同時(shí)，NCL還提供了豐富的色彩庫(kù)[8]，定義了上百種顏色搭配表供用戶選擇，顏色搭配表種類豐富、色彩搭配科學(xué)美觀，為氣象數(shù)據(jù)的可視化帶來(lái)美感。我省利用NCL豐富的繪圖模板及色彩庫(kù)，得到了一系列美觀實(shí)用的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品，如下圖所示。

3.2 NCL與ImageMagick的聯(lián)合應(yīng)用

除了自身豐富的可視化處理，NCL還可與ImageMagick（簡(jiǎn)稱IM）圖像處理軟件聯(lián)合使用，極大得提高了圖形處理能力。IM是強(qiáng)大的圖片處理工具，可對(duì)圖片進(jìn)行縮放、剪切、疊加等[7]。NCL可有效利用IM的功能，實(shí)現(xiàn)圖片的再加工：圖片疊加、做成動(dòng)畫(huà)等。本文利用IM的疊加能力對(duì)氣象場(chǎng)met.png和地圖map.png進(jìn)行疊加，代碼如下：

system（"composite -compose Multiply -gravity center met.png map.png met_map.png"）

這樣避免了批量畫(huà)圖時(shí)重復(fù)畫(huà)地圖消耗過(guò)多時(shí)間，不僅可以大幅提高出圖效率，又方便用戶根據(jù)需要重新設(shè)計(jì)地圖，比如加入地形高度信息等。

如果需要生動(dòng)地表現(xiàn)氣象要素的變化過(guò)程，可按時(shí)間順序?qū)庀笠貓D做成動(dòng)畫(huà)，其中delay為每幅圖的時(shí)間間隔，pngname為一組圖片，animation為輸出的動(dòng)畫(huà)，代碼如下：

system（"convert -delay 100 pngname.ps animation.gif"）

4 結(jié)論

NCL是集數(shù)據(jù)分析處理和可視化于一身的高級(jí)語(yǔ)言，利用其基本數(shù)學(xué)運(yùn)算、氣象分析算法模塊及其Fortran接口，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的分析加工，計(jì)算診斷分析物理量，進(jìn)行插值計(jì)算等，進(jìn)一步挖掘了數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的價(jià)值；利用其豐富的繪圖模板、色彩庫(kù)及ImageMagick的聯(lián)合使用，使可視化方式更加靈活多變，繪圖速度更加快捷。目前，基于NCL平臺(tái)的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品分析及可視化系統(tǒng)已業(yè)務(wù)化運(yùn)行，每日為預(yù)報(bào)員提供上萬(wàn)張數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品再分析圖，為預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)提供有力的保障。

參考文獻(xiàn)：

[1] National Center for Atmospheric Reseach.NCAR Command Language Mini Graphics Manual[Z].Document Version 1.3，NCL 6.0.0，march ，2011.

[2] National Center for Atmospheric Research.NCAR Command Language Mini-Language Reference Manual[Z].Document Version 1.1.10，NCL 6.1.2，September，2014.

[3] 王繼竹，王詠青，李春虎.NCL在氣象數(shù)據(jù)圖形化中的應(yīng)用[J].山東氣象，2007，27（109）：33-36.

[4] 林良勛， 馮業(yè)榮， 黃忠， 等.廣東省天氣預(yù)報(bào)技術(shù)手冊(cè)[ M]. 北京：氣象出版社， 2006.

[5] 溫之平，吳乃庚，馮業(yè)榮，等.定量診斷華南春旱的形成機(jī)理[J].大氣科學(xué)， 2007，31（6）：1223-1236.

[6] 李永生，劉修偉，楊玉紅.氣象大數(shù)據(jù)跨平臺(tái)分析與應(yīng)用技術(shù)研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2013，9（31）：6943-6947.

[7]ImageMagick：Convert，Edit，Or Compose Bitmap Images[EB/OL]. http：//www.imagemagick.org/.

[8]Color Table Gallery[EB/OL].http：//www.ncl.ucar.edu/Document/Graphics/color_table_gallery.shtml.