在氣象學和環境科學的研究中，理解和預測氣象數據的周期性變化至關重要。小波分析作為一種高效的數學工具，近年來在氣象數據的周期性分析中得到了廣泛應用。本文將詳細介紹如何通過Python進行小波分析，以探究氣象數據中的周期性變化。 ...
在氣象學和環境科學的研究中，理解和預測氣象數據的周期性變化至關重要。小波分析作為一種高效的數學工具，近年來在氣象數據的周期性分析中得到了廣泛應用。本文將詳細介紹如何通過Python進行小波分析，以探究氣象數據中的周期性變化。
1 數據來源及下載方式
西北農林科技大學的彭守璋研究員在國家青藏高原科學數據中心公開發佈了氣溫、降水、乾燥度等氣象數據，本文所使用的數據為基於其中的 中國1km解析度逐月降水量數據集 轉換得到的某地區歷年降水量數據，可通過FTP進行下載。
以 Filezilla 桌面版軟體為例，輸入官網中給定的主機號、用戶名、密碼、埠等信息後即可將數據從遠程站點下載至本地。
2 代碼編寫
2.1 導入相關模塊
import openpyxl
import pywt
import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib import rcParams
2.2 設置地圖字體及字型大小
config = {
"mathtext.fontset": "stix",
"font.family": "serif",
"font.serif": ["Times New Roman"],
"font.size": 24,
"axes.unicode_minus": False # 處理負號，即-號
}
rcParams.update(config)
2.3 從Excel表讀取數據
# 通過pandas模塊讀取Excel表，並提取表格中的年份及降水量數據
file_path = "file_path" # 此處為Excel文件路徑
data = pd.read_excel(file_path)
Year_list = list(data["Year"])
Pre_list = list(data["Pre"])
2.4 進行小波變換，繪製小波等值線圖
scales = np.arange(1, 31) # 設置小波分析的時間尺度
coef, freqs = pywt.cwt(Pre_list, scales, "morl") # 對降水量數據進行Morlet小波變換
fig, ax = plt.subplots(figsize=(15, 10))
# 繪製小波繫數圖像
im = plt.imshow(abs(coef), extent=[Year_list[0], Year_list[-1], 30, 1],
interpolation="bilinear", cmap="gray", aspect="auto",
vmax=abs(coef).max(), vmin=-abs(coef).max())
plt.colorbar(im, ax=ax) # 添加色帶圖例
# 繪製小波繫數等值線
contour = plt.contour(Year_list, scales, coef.real, colors="black", linewidths=1)
ax.invert_yaxis() # 反轉Y軸，使時間尺度從大到小排列
ax.set_xticks(np.arange(1901, 2024, 20))
ax.set_yticks(np.arange(5, 31, 5))
ax.set_xlabel("Year")
ax.set_ylabel("Scale")
fig.savefig("小波等值線圖.jpg", dpi=600)
2.5 計算小波方差，繪製小波方差圖
variance = np.var(coef, axis=1) # 計算小波方差
variance1 = variance / 10000 # 數值較大，將數值縮小10000倍後顯示在結果圖中
fig, ax = plt.subplots(figsize=(15, 10))
ax.plot(scales, variance1, "k-") # 繪製方差曲線
ax.set_xlabel("Scale (a)")
# \times為LaTeX語法中的叉乘號
# 在Python中，反斜杠"\"為轉義字元，此處需同時輸入兩個反斜杠
ax.set_ylabel("Variance $\mathrm{(\\times 10^4)}$")
ax.set_xticks(np.arange(0, 31, 5))
ax.set_yticks(np.arange(0, 9, 2))
fig.savefig("小波方差圖.jpg", dpi=600)
3 等值線及方差圖示例
