摘要使用ArcGIS、Surfer、GrADS、NCL 4種氣象常用的作圖軟件進行了站點雨量圖繪制，介紹了其較為詳細的操作步驟、部分源程序及所得的圖像，并對每種軟件在繪制站點雨量圖時的優(yōu)劣進行了比較。結(jié)果表明，4種軟件在繪圖中各有優(yōu)勢，使用者可根據(jù)喜好自行選擇。推薦使用NCL和Surfer軟件來繪制站點雨量圖，這2種軟件在站點數(shù)據(jù)的插值和圖像的繪制中相對更為便捷，繪制的圖形也極為美觀。

關鍵詞站點雨量圖；ArcGIS；Surfer；GrADS；NCL

中圖分類號TP39文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2017）23-0209-05

Application of Four Common Weather Mapping Softwares in Drawing Rainfall Figures of Stations

CHEN Boli1，2（1.Changzhou Meteorological Bureau，Changzhou，Jiangsu 213000； 2.Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou，Gansu 730000）

AbstractThe rainfall figure of stations were drawn by 4 common weather mapping softwares.The detailed operation steps，some source programs and obtained figures were introduced，and the advantages and disadvantages of 4 common weather mapping softwares were compared.The results showed that 4 common weather mapping softwares had their advantages and disadvantages，users could choice according to their preferences.NCL and Surfer were recommended to draw rainfall figure of stations.These two sofatwares were simple in interpolation and figures drawing of station data，and the drawn figures were beautiful.

Key wordsRainfall figures of stations；ArcGIS；Surfer；GrADS；NCL

作者簡介陳渤黎（1987—），男，江蘇無錫人，工程師，碩士，從事環(huán)境氣象與數(shù)值模擬等方面的研究。

收稿日期2017-06-24

NCL[1]、GrADS[2]、Surfer[3]、ArcGIS[4]都是常用的作圖軟件，均在氣象領域有著廣泛的應用。NCL（NCAR Command Language）是美國國家大氣中研究中心（NCAR）專為科學數(shù)據(jù)處理及可視化而設計的繪圖軟件，尤其在氣象數(shù)據(jù)分析處理方面優(yōu)勢明顯，且繪制圖形細膩美觀。GrADS（Grid Analysis and Display System）是美國馬里蘭大學氣象系開發(fā)的一款氣象數(shù)據(jù)分析繪圖軟件，具有操作簡單、功能強大、顯示快速等特點。Surfer是美國Golden Software公司開發(fā)的一款繪制2D、3D圖形的軟件，具有強大的插值和繪圖能力，在地學和氣象學領域應用廣泛。ArcGIS是美國ERSI公司開發(fā)的一套完整的GIS平臺產(chǎn)品，具有強大的地圖制作、空間數(shù)據(jù)管理、空間分析、空間信息整合、發(fā)布與共享功能，也可用于氣象領域的圖形繪制。

目前，關于上述幾種軟件在氣象上繪圖應用的文獻報道較多[5-8]，但大多報道都比較簡單，部分文獻沒有給出源程序，而同時使用幾種軟件進行繪圖的文獻則相對較少。筆者使用上述4種作圖軟件，分別對江蘇省常州市的站點雨量進行了繪圖，給出了較為詳細的操作步驟和部分源程序及所得的圖像，并比較了各種軟件在繪制站點圖時的優(yōu)劣，以期為相關人士繪制站點雨量圖提供參考。

1數(shù)據(jù)資料

使用的試驗數(shù)據(jù)為江蘇省常州市80個自動站（3個國家站、77個區(qū)域站）2017年3月13日的24 h雨量（文件名為rain.txt），數(shù)據(jù)包括序號、經(jīng)度、緯度、站名和雨量（如表1所示），來源為常州市氣象局。繪圖使用的常州市級邊界資料提取自國家基礎地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源為國家基礎地理信息中心。

2繪圖步驟

2.1ArcGIS繪圖

使用ArcGIS 10.0軟件進行繪圖。首先，使用該軟件從國家基礎地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)中提取常州市域范圍；選擇常州市域范圍面要素，使用導出數(shù)據(jù)功能，保存為changzhou.shp文件；再使用數(shù)據(jù)管理工具箱中的要素轉(zhuǎn)線功能將面要素轉(zhuǎn)化為曲線要素，得到常州市邊界數(shù)據(jù)，保存為changzhou_boundary.shp文件。然后，導入站點數(shù)據(jù)，使用添加數(shù)據(jù)功能將rain.txt文件導入，再使用添加XY數(shù)據(jù)功能將各物理量導入，其中X字段選擇經(jīng)度，Y字段選擇緯度，Z字段選擇雨量，注意這里需要為站點數(shù)據(jù)添加合適的坐標系（如GCS_Beijing_1954坐標系）。其次，將站點數(shù)據(jù)插值到格點，使用空間分析工具箱中的一種插值工具，如克里金法進行插值：輸入要素選擇雨量，輸出范圍選擇與常州市域范圍相同。得到插值結(jié)果后，再將常州邊界以外的部分去除，使用數(shù)據(jù)管理工具箱、柵格數(shù)據(jù)處理、裁剪工具，進行圖像裁剪：輸入要素選擇插值結(jié)果，輸出范圍選擇常州市域范圍，注意勾選“將輸入要素用于裁剪幾何”項。最后，對圖像的等值線間距、色標、坐標軸等屬性進行設置，圖形范圍選擇119.05°～120.30° E，31.05°～32.15° N，即可得到所需的站點雨量圖（圖1）。從上述繪制站點圖步驟可知，ArcGIS軟件功能齊全，插值計算等操作步驟簡單，無需手工編程，繪制的圖形較為美觀。由于軟件體積龐大，運行時占用系統(tǒng)資源較多，數(shù)據(jù)處理過程耗時較長。

2.2Surfer繪圖

試驗使用Surfer 12.0軟件進行繪圖。首先，制作Surfer可用的常州市邊界數(shù)據(jù)，使用導入基地圖功能將“2.1”部分制作的changzhou_boundary.shp導入，再使用導出功能保存為Surfer可用的changzhou_boundary.bln（將shp文件轉(zhuǎn)為ASCII碼文件）。打開此bln文件，將數(shù)據(jù)中的斷點刪除，第1行為經(jīng)緯度行數(shù)（該試驗中經(jīng)緯度行數(shù)970，表示邊界是由970個經(jīng)緯度數(shù)據(jù)構(gòu)成的閉合曲線）和“0”。從第2行開始為邊界經(jīng)緯度，表2示例了bln文件的部分格式。然后，導入站點數(shù)據(jù)，選擇網(wǎng)格-數(shù)據(jù)功能將rain.txt導入，X字段選擇經(jīng)度，Y字段選擇緯度，Z字段選擇雨量，并選擇一種插值方法，如克里金法進行插值，注意經(jīng)緯度范圍選擇119.05°～120.30° E，31.05°～32.15° N，將插值后的數(shù)據(jù)保存為rain.grd。接著，導入數(shù)據(jù)進行繪圖并將邊界以外的部分白化掉，這里有以下2種方法：①方法1。“白化數(shù)據(jù)”，即將grd數(shù)據(jù)邊界以外部分去除。選擇網(wǎng)格-白化功能，然后依次選擇rain.grd和changzhou_boundary.bln，即可得到白化后的數(shù)據(jù)，保存為rain_blank.grd，并使用添加等值線圖層功能將其導入。最后，對圖像的色彩、色標、坐標等屬性進行設置。但是，這種方法得到的圖像邊界往往會有“鋸齒”而顯得不夠美觀。②方法2?！鞍谆瘓D形”，即將圖像在邊界以外的部分用白色遮蓋。使用添加等值線圖層功能直接將rain.grd導入，然后制作邊界白化文件。即在之前得到的bln文件末尾依次添加4個坐標軸頂點數(shù)據(jù)（按Surfer要求添加9行數(shù)據(jù)，其原理是使邊界和坐標軸構(gòu)成一個閉合區(qū)域，格式如表2所示），保存為 changzhou_boundary_blank.bln 。使用添加基地圖功能導入該白化bln文件，并將其前景色改為白色，即可將邊界以外部分去除（涂白）。最后，同樣是對圖像進行美化設置，即可得到所需的站點雨量圖（圖2）。方法2步驟較為繁瑣，但所得圖形極為美觀。從上述繪制站點圖步驟可知，Surfer功能同樣極為強大，插值等操作簡單快速，無需編程計算，但在邊界文件制作上稍顯復雜。

2.3GrADS繪圖

試驗使用GrADS 2.0軟件進行繪圖。GrADS軟件無法直接識別十進制數(shù)據(jù)，需先使用其他編程語言將站點數(shù)據(jù)處理為二進制。通常可使用Fortran語言進行編程處理，為避免雷同，采用C#語言進行數(shù)據(jù)處理。新建控制臺程序，編寫如下代碼（代碼均有注釋），用于讀取rain.txt中的數(shù)據(jù)，并輸出為GrADS可以識別的二進制數(shù)據(jù)rain.grd。

static void Main（string[] args）

{

string line； string[] str；∥定義字符串變量line，定義字符串數(shù)組str

char[] stid = new char[8]；∥定義字符數(shù)組stid表示站號，按GrADS要求長度為8個字符

int nlev = 1； int flag = 1；∥定義整形變量nlev表示總層次；flag表示有無地面資料（1表示有）

float tim = 0； float lon = 0； float lat = 0； float rain = 0；∥定義浮點型變量tim、 lon、lat、rain分別表示時次、經(jīng)度、緯度、雨量

StreamReader sr = new StreamReader（@"rain.txt"）；∥從rain.txt中讀取數(shù)據(jù)

FileStream fs = new FileStream（@"rain.grd"，F(xiàn)ileMode.Create）；∥新建文件rain.grd

BinaryWriter bw = new BinaryWriter（fs）；∥rain.grd文件格式為二進制

sr.ReadLine（）；∥讀取文件首行（標題行，無用）

while （（line = sr.ReadLine（）） ！= null）∥讀取文件直到末尾

{

str = Regex.Split（line，@"＼s+"）； ∥使用正則表達式，通過空格分割字符串

for （int i = 0； i < 5；i++ ）

stid[i] = str[0].ToCharArray（）[i]； ∥站號為每行第1個數(shù)據(jù)

lat = float.Parse（str[2]）； ∥緯度為每行第3個數(shù)據(jù)

lon = float.Parse（str[1]）； ∥經(jīng)度為每行第2個數(shù)據(jù)

rain = float.Parse（str[4]）； ∥雨量為每行第5個數(shù)據(jù)

bw.Write（stid）； bw.Write（lat）； bw.Write（lon）； bw.Write（tim）； bw.Write（nlev）； bw.Write（flag）； bw.Write（rain）； ∥按照GrADS格式要求輸出

}

nlev = 0； ∥使nlev為0，表示該時次結(jié)束

bw.Write（stid）； bw.Write（lat）； bw.Write（lon）； bw.Write（tim）； bw.Write（nlev）； bw.Write（flag）； ∥按照GrADS格式要求再輸出1遍

sr.Close（）；fs.Close（）；bw.Close（）； ∥將所有打開的文件逐一關閉

}

然后，為rain.grd編寫描述性文件rain.ctl，文件內(nèi)容如下所示。使用該ctl文件為rain.grd數(shù)據(jù)生成站點映射文件：在GrADS命令行窗口輸入！stnmap –i rain.ctl，即可生成rain.map站點映射文件。

DSET rain.grd

DTYPE station

STNMAP rain.map

UNDEF -32766

TITLE Rain Data Sample

TDEF 1 linear 14mar2017 1mo

VARS 1

rain 0 99 Rain Data

ENDVARS

制作格點背景場，為插值做好準備。經(jīng)緯度范圍選取119.05°～120.3°E，31.05°～32.15°N，分辨率取0.025°×0025°，則可劃分出51×45=2 820個格點。同樣，使用C#編程制作格點背景場文件grid.grd，具體程序如下所示。

static void Main（string[] args）

{

int x = 51； int y = 45； ∥緯向為51個格點，經(jīng)向為45個格點

float grid = 1； ∥格點賦任意值，如1

FileStream fs = new FileStream（@"grid.grd"，F(xiàn)ileMode.Create）； ∥新建文件grid.grd

BinaryWriter bw = new BinaryWriter（fs）； ∥文件格式為二進制

for （int j = 0； j < y； j++） ∥經(jīng)向進行循環(huán)

{

for （int i = 0； i < x； i++） ∥緯向進行循環(huán)

{

bw.Write（grid）； ∥寫入文件

}

}

bw.Close（）； fs.Close（）； ∥關閉文件

}

同樣為grid.grd文件編寫如下所示的描述性文件grid.ctl：

DSET grid.grd

TITLE Grid Data Sample

UNDEF -9.99E33

XDEF 51 LINEAR 119.05 0.025

YDEF 45 LINEAR 31.05 0.025

ZDEF 1 LEVELS 1000

TDEF 1 LINEAR 14mar2017 1mo

VARS 1

g 0 99 Grid Data

ENDVARS

在編寫gs腳本前還有一個步驟，即制作GrADS可用的邊界白化文件。GrADS進行圖像白化是一個難點，但可使用第三方腳本province-basemap.gs幫助完成白化工作。按照該腳本的格式要求制作changzhou_out.txt文件，可利用“2.2”部分制作的changzhou_boundary.bln文件修改為所需格式（二者格式類似，只需對bln文件格式稍做修改即可。制作邊界白化文件的程序較為簡單且限于篇幅，這里不再給出源程序）。最后，編寫gs腳本進行插值和繪圖，使用oacres函數(shù)將站點數(shù)據(jù)插值到之前制作的格點場，繪圖并使用province-basemap.gs進行邊界白化，即可得到所需的站點雨量圖（圖3），完整的gs程序如下所示。

" open grid.ctl "

*打開grid.ctl文件

" open rain.ctl "

*打開rain.ctl文件

" set lon 119.05 120.30 "

*設置經(jīng)度范圍

" set lat 31.05 32.15 "

*設置緯度范圍

" set grid off "

*不畫網(wǎng)格線

" define rgrid=oacres（g，rain.2） "

*使用oacres函數(shù)進行插值，插值后的變量賦給rgrid

" set gxout shaded "

*設置圖像為陰影圖

" d rgrid "

*繪制插值后的圖像

" provincebasemap changzhou rgrid "

*使用provincebasemap.gs進行圖像白化

" cbar "

*添加色標

" draw shp changzhou_boundary.shp "

*添加市域邊界，GrADS2.0可以直接使用shp文件

；

2.4NCL繪圖

試驗使用NCL 6.4軟件進行繪圖。由于NCL軟件無Windows版本，該試驗環(huán)境為Mac系統(tǒng)。與

GrADS繪制站點圖類似的是，NCL也需要編程制作格點場，

并將站點數(shù)據(jù)插值到格點。不同的是NCL可以直接編寫腳本完成數(shù)據(jù)處理，無需借助其他編程語言。編寫NCL腳本文件，步驟如下：首先讀取rain.txt中的數(shù)據(jù)（由于NCL暫不支持中文，故將數(shù)據(jù)中的中文字符全部刪除）。然后，制作格點背景場，經(jīng)緯度范圍選取119.05°～120.30° E，31.05°～3215° N，分辨率取0.025°×0.025°，劃分出51×45=2 820個格點，并為每個格點賦予地理屬性。其次，使用obj_anal_ic_deprecated插值函數(shù)（Cressman方法）將站點數(shù)據(jù)插值到格點場。接下來為繪圖部分，繪制等值線陰影圖，并將市域范圍以外的部分去除，其原理與Surfer“白化圖形”相同。打開“2.2”部分的changzhou_boundary.bln文件，將首行（即“970，0”）刪除，另存為changzhou_boundary1.txt（即該文件為市域范圍經(jīng)緯度，構(gòu)成一條閉合曲線）。最后，在該文件末尾添加5個頂點坐標值，即使市域范圍曲線與4條坐標軸構(gòu)成一條閉合曲線，另存為changzhou_boundary2.txt。白化原理即把后者包圍的部分涂白，即可去除邊界以外的部分。完整的NCL程序如圖4所示，運行該腳本，即可得到所需的站點雨量圖（圖5）。

3各種繪圖軟件的比較

筆者詳細介紹了4種氣象作圖軟件繪制站點雨量圖的操作步驟及所繪制的圖形，下面就各種軟件在繪圖中的優(yōu)劣進行了比較。①ArcGIS的優(yōu)勢在于軟件功能極其強大，無需手工編程進行數(shù)據(jù)讀取、插值、白化邊界等操作，所有步驟均只需選取對應的工具即可完成，所繪制的圖像也較為美觀。由于地理信息數(shù)據(jù)多為網(wǎng)絡共享，故使用該軟件幾乎可以獲取縣級—國家級任何地理區(qū)域的邊界數(shù)據(jù)，所提取的數(shù)據(jù)可為其他軟件的繪圖提供便利。其劣勢在于該軟件是專業(yè)地理信息軟件，使用其繪制站點圖難免有“大材小用”之嫌，軟件功能強大但體積龐大，操作過程相對較緩慢且消耗大量計算資源。另外，由于所有操作均需要逐步完成，若要對中間步驟進行修改則較為困難，往往需要重新繪制。所繪制圖像各種屬性的修改也相對較為繁瑣。②Surfer為地理專業(yè)繪圖軟件，其優(yōu)勢在于軟件功能強大，同樣無需手工編程進行數(shù)據(jù)讀取、插值等操作，幾乎所有步驟只需選取對應功能即可完成，繪制圖像也極為美觀。由于該軟件屬于輕量級，插值計算等數(shù)據(jù)處理速度極快，占用系統(tǒng)資源較少，在圖像各種屬性的設置修改上也較為便捷，故在繪制站點雨量圖方面有一定優(yōu)勢。另外，該軟件還可以直接將shp文件處理為ASCⅡ 碼文件，是其重要特點之一。其劣勢同樣為所有操作均需逐步完成，若要對中間步驟進行修改較為困難，往往需要重新繪制。另外，白化邊界過程相對較為繁瑣，需將邊界數(shù)據(jù)修改為軟件規(guī)定的格式。③GrADS為氣象專業(yè)繪圖軟件，其優(yōu)勢在于處理氣象資料方便快捷，且軟件交互性較好。由于軟件體積極為小巧，數(shù)據(jù)處理速度極快，占用系統(tǒng)資源極少。

軟件通過編寫批處理腳本進行繪圖，故圖像屬性的設置修

改、圖形的重新繪制都較為方便。但是，其劣勢也同樣明顯，由于該軟件無法直接處理十進制數(shù)據(jù)，需要借助其他編程語言將數(shù)據(jù)處理為二進制，在插值方面同樣需要其他編程語言先制作格點場，另外還需要對所有數(shù)據(jù)編寫ctl描述性文件。在圖像的白化方面也較為繁瑣，需使用第三方腳本工具，邊界數(shù)據(jù)還需要修改為該腳本所規(guī)定的格式。該軟件在繪制站點雨量圖時相對復雜，步驟較為繁瑣，且繪制的圖像較粗糙，分辨率相對較低。④

NCL同為氣象專業(yè)繪圖軟件，其優(yōu)勢在于軟件功能強大，幾乎可以直接處理任何格式的氣象數(shù)據(jù)，軟件體積小巧，數(shù)據(jù)處理速度極快，占用系統(tǒng)資源極少。該軟件通過運行批處理腳本進行數(shù)據(jù)的讀取、計算及圖像的繪制，只需要一個腳本就可以完成所有操作，中間步驟的修改與圖像的重繪都極其便捷。該軟件對圖像屬性的設置強大且便捷，繪制的圖像極為美觀，故該軟件在站點圖的繪制上優(yōu)勢明顯。其劣勢在于白化邊界過程相對稍顯繁瑣，同樣需要制作軟件規(guī)定格式的邊界數(shù)據(jù)。另外，該軟件無Windows版本，必須在Linux或Mac系統(tǒng)上進行操作，故入門難度稍大。

4結(jié)語

筆者使用ArcGIS、Surfer、GrADS、NCL 4種常用的氣象作圖軟件進行了站點雨量圖繪制，介紹了較為詳細的操作步驟、部分源程序及所得的圖像，并對每種軟件在繪制站點雨量圖時的優(yōu)劣進行了比較。4種軟件在繪圖中各有優(yōu)勢，使用者可根據(jù)喜好自行選擇。筆者更推薦NCL和Surfer軟件，這2種軟件在站點數(shù)據(jù)的插值和圖像的繪制中相對更為便捷，繪制的圖形也極為美觀。

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