4種常用氣象作圖軟件在繪制站點(diǎn)雨量圖中的應(yīng)用

摘要使用ArcGIS、Surfer、GrADS、NCL 4種氣象常用的作圖軟件進(jìn)行了站點(diǎn)雨量圖繪制，介紹了其較為詳細(xì)的操作步驟、部分源程序及所得的圖像，并對(duì)每種軟件在繪制站點(diǎn)雨量圖時(shí)的優(yōu)劣進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，4種軟件在繪圖中各有優(yōu)勢(shì)，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(diǎn)雨量圖，這2種軟件在站點(diǎn)數(shù)據(jù)的插值和圖像的繪制中相對(duì)更為便捷，繪制的圖形也極為美觀。

關(guān)鍵詞站點(diǎn)雨量圖；ArcGIS；Surfer；GrADS；NCL

中圖分類號(hào)TP39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A文章編號(hào)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(jiǎn)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(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。NCL（NCAR Command Language）是美國(guó)國(guó)家大氣中研究中心（NCAR）專為科學(xué)數(shù)據(jù)處理及可視化而設(shè)計(jì)的繪圖軟件，尤其在氣象數(shù)據(jù)分析處理方面優(yōu)勢(shì)明顯，且繪制圖形細(xì)膩美觀。GrADS（Grid Analysis and Display System）是美國(guó)馬里蘭大學(xué)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(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、顯示快速等特點(diǎn)。Surfer是美國(guó)Golden Software公司開發(fā)的一款繪制2D、3D圖形的軟件，具有強(qiáng)大的插值和繪圖能力，在地學(xué)和氣象學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。ArcGIS是美國(guó)ERSI公司開發(fā)的一套完整的GIS平臺(tái)產(chǎn)品，具有強(qiáng)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(lǐng)域的圖形繪制。

目前，關(guān)于上述幾種軟件在氣象上繪圖應(yīng)用的文獻(xiàn)報(bào)道較多[5-8]，但大多報(bào)道都比較簡(jiǎn)單，部分文獻(xiàn)沒有給出源程序，而同時(shí)使用幾種軟件進(jìn)行繪圖的文獻(xiàn)則相對(duì)較少。筆者使用上述4種作圖軟件，分別對(duì)江蘇省常州市的站點(diǎn)雨量進(jìn)行了繪圖，給出了較為詳細(xì)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(diǎn)圖時(shí)的優(yōu)劣，以期為相關(guān)人士繪制站點(diǎn)雨量圖提供參考。

1數(shù)據(jù)資料

使用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為江蘇省常州市80個(gè)自動(dòng)站（3個(gè)國(guó)家站、77個(gè)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(hào)、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(jí)邊界資料提取自國(guó)家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源為國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心。

2繪圖步驟

2.1ArcGIS繪圖

使用ArcGIS 10.0軟件進(jìn)行繪圖。首先，使用該軟件從國(guó)家基礎(chǔ)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(dǎo)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(dǎo)入站點(diǎn)數(shù)據(jù)，使用添加數(shù)據(jù)功能將rain.txt文件導(dǎo)入，再使用添加XY數(shù)據(jù)功能將各物理量導(dǎo)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(diǎn)數(shù)據(jù)添加合適的坐標(biāo)系（如GCS_Beijing_1954坐標(biāo)系）。其次，將站點(diǎn)數(shù)據(jù)插值到格點(diǎn)，使用空間分析工具箱中的一種插值工具，如克里金法進(jìn)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(jìn)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(xiàng)。最后，對(duì)圖像的等值線間距、色標(biāo)、坐標(biāo)軸等屬性進(jìn)行設(shè)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(diǎn)雨量圖（圖1）。從上述繪制站點(diǎn)圖步驟可知，ArcGIS軟件功能齊全，插值計(jì)算等操作步驟簡(jiǎn)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(yùn)行時(shí)占用系統(tǒng)資源較多，數(shù)據(jù)處理過程耗時(shí)較長(zhǎng)。

2.2Surfer繪圖

試驗(yàn)使用Surfer 12.0軟件進(jìn)行繪圖。首先，制作Surfer可用的常州市邊界數(shù)據(jù)，使用導(dǎo)入基地圖功能將“2.1”部分制作的changzhou_boundary.shp導(dǎo)入，再使用導(dǎo)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(diǎn)刪除，第1行為經(jīng)緯度行數(shù)（該試驗(yàn)中經(jīng)緯度行數(shù)970，表示邊界是由970個(gè)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(dǎo)入站點(diǎn)數(shù)據(jù)，選擇網(wǎng)格-數(shù)據(jù)功能將rain.txt導(dǎo)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(jìn)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(dǎo)入數(shù)據(jù)進(jìn)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?！鞍谆瘮?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(dǎo)入。最后，對(duì)圖像的色彩、色標(biāo)、坐標(biāo)等屬性進(jìn)行設(shè)置。但是，這種方法得到的圖像邊界往往會(huì)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(dǎo)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(gè)坐標(biāo)軸頂點(diǎn)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(biāo)軸構(gòu)成一個(gè)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(dǎo)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(duì)圖像進(jìn)行美化設(shè)置，即可得到所需的站點(diǎn)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(diǎn)圖步驟可知，Surfer功能同樣極為強(qiáng)大，插值等操作簡(jiǎn)單快速，無需編程計(jì)算，但在邊界文件制作上稍顯復(fù)雜。

2.3GrADS繪圖

試驗(yàn)使用GrADS 2.0軟件進(jìn)行繪圖。GrADS軟件無法直接識(shí)別十進(jìn)制數(shù)據(jù)，需先使用其他編程語言將站點(diǎn)數(shù)據(jù)處理為二進(jìn)制。通?？墒褂肍ortran語言進(jìn)行編程處理，為避免雷同，采用C#語言進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。新建控制臺(tái)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(shí)別的二進(jìn)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?dāng)?shù)組str

char[] stid = new char[8]；∥定義字符數(shù)組stid表示站號(hào)，按GrADS要求長(zhǎng)度為8個(gè)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(diǎn)型變量tim、 lon、lat、rain分別表示時(shí)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(jìn)制

sr.ReadLine（）；∥讀取文件首行（標(biāo)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(dá)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(hào)為每行第1個(gè)數(shù)據(jù)

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

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

rain = float.Parse（str[4]）； ∥雨量為每行第5個(gè)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(shí)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(guān)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)背景場(chǎng)，為插值做好準(zhǔn)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(gè)格點(diǎn)。同樣，使用C#編程制作格點(diǎn)背景場(chǎng)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?yàn)?1個(gè)格點(diǎn)，經(jīng)向?yàn)?5個(gè)格點(diǎn)

float grid = 1； ∥格點(diǎn)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(jìn)制

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

{

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

{

bw.Write（grid）； ∥寫入文件

}

}

bw.Close（）； fs.Close（）； ∥關(guān)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(gè)步驟，即制作GrADS可用的邊界白化文件。GrADS進(jìn)行圖像白化是一個(gè)難點(diǎn)，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(duì)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(jiǎn)單且限于篇幅，這里不再給出源程序）。最后，編寫gs腳本進(jìn)行插值和繪圖，使用oacres函數(shù)將站點(diǎn)數(shù)據(jù)插值到之前制作的格點(diǎn)場(chǎng)，繪圖并使用province-basemap.gs進(jìn)行邊界白化，即可得到所需的站點(diǎn)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(shè)置經(jīng)度范圍

" set lat 31.05 32.15 "

*設(shè)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(jìn)行插值，插值后的變量賦給rgrid

" set gxout shaded "

*設(shè)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(jìn)行圖像白化

" cbar "

*添加色標(biāo)

" 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(yàn)使用NCL 6.4軟件進(jìn)行繪圖。由于NCL軟件無Windows版本，該試驗(yàn)環(huán)境為Mac系統(tǒng)。與

GrADS繪制站點(diǎn)圖類似的是，NCL也需要編程制作格點(diǎn)場(chǎng)，

并將站點(diǎn)數(shù)據(jù)插值到格點(diǎn)。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(diǎn)背景場(chǎng)，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(gè)格點(diǎn)，并為每個(gè)格點(diǎn)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(diǎn)數(shù)據(jù)插值到格點(diǎn)場(chǎng)。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(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)值，即使市域范圍曲線與4條坐標(biāo)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(yùn)行該腳本，即可得到所需的站點(diǎn)雨量圖（圖5）。

3各種繪圖軟件的比較

筆者詳細(xì)介紹了4種氣象作圖軟件繪制站點(diǎn)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(jìn)行了比較。①ArcGIS的優(yōu)勢(shì)在于軟件功能極其強(qiáng)大，無需手工編程進(jìn)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(duì)應(yīng)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(luò)共享，故使用該軟件幾乎可以獲取縣級(jí)—國(guó)家級(jí)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(shì)在于該軟件是專業(yè)地理信息軟件，使用其繪制站點(diǎn)圖難免有“大材小用”之嫌，軟件功能強(qiáng)大但體積龐大，操作過程相對(duì)較緩慢且消耗大量計(jì)算資源。另外，由于所有操作均需要逐步完成，若要對(duì)中間步驟進(jìn)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(duì)較為繁瑣。②Surfer為地理專業(yè)繪圖軟件，其優(yōu)勢(shì)在于軟件功能強(qiáng)大，同樣無需手工編程進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取、插值等操作，幾乎所有步驟只需選取對(duì)應(yīng)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(jí)，插值計(jì)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(shè)置修改上也較為便捷，故在繪制站點(diǎn)雨量圖方面有一定優(yōu)勢(shì)。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(diǎn)之一。其劣勢(shì)同樣為所有操作均需逐步完成，若要對(duì)中間步驟進(jìn)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(duì)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(shì)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(jìn)行繪圖，故圖像屬性的設(shè)置修

改、圖形的重新繪制都較為方便。但是，其劣勢(shì)也同樣明顯，由于該軟件無法直接處理十進(jìn)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(jìn)制，在插值方面同樣需要其他編程語言先制作格點(diǎn)場(chǎng)，另外還需要對(duì)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(diǎn)雨量圖時(shí)相對(duì)復(fù)雜，步驟較為繁瑣，且繪制的圖像較粗糙，分辨率相對(duì)較低。④

NCL同為氣象專業(yè)繪圖軟件，其優(yōu)勢(shì)在于軟件功能強(qiáng)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(yùn)行批處理腳本進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取、計(jì)算及圖像的繪制，只需要一個(gè)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(duì)圖像屬性的設(shè)置強(qiáng)大且便捷，繪制的圖像極為美觀，故該軟件在站點(diǎn)圖的繪制上優(yōu)勢(shì)明顯。其劣勢(shì)在于白化邊界過程相對(duì)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(jìn)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(jìn)行了站點(diǎn)雨量圖繪制，介紹了較為詳細(xì)的操作步驟、部分源程序及所得的圖像，并對(duì)每種軟件在繪制站點(diǎn)雨量圖時(shí)的優(yōu)劣進(jìn)行了比較。4種軟件在繪圖中各有優(yōu)勢(shì)，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(diǎn)數(shù)據(jù)的插值和圖像的繪制中相對(duì)更為便捷，繪制的圖形也極為美觀。

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