一、实习目的:

熟悉垂直差分在气象中的应用，掌握垂直速度的实际编程计算。

二、实习内容:

编制计算垂直速度程序，并绘制500hPa垂直速度。用第二种修正方案，其中大气层顶的垂直速度可以直接采用0，也可以用绝热法。并且绘制出两个时次25日20时，26日20时的修正后的垂直速度分布（850hPa,500hPa)

三、算法原理:

垂直涡度计算：

修正方案二：

四、代码实现

# -*- coding: utf-8 -*-
import numpy as np
import pandas as pd
import math
import matplotlib.pyplot as plt
import cartopy.crs as ccrs
import cartopy.feature as cfeature
import cartopy.mpl.ticker as cticker
from pylab import *                                 #支持中文
mpl.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']

##角度转弧度
def hd(x):
    a=math.pi/180*x
    return a
##micaps读数据函数
def micaps(a):
    data=np.zeros((29,53))
    for i in range(0,29):
        data[i,0:10]=a[i*6,0:10]
        data[i,10:20]=a[i*6+1,0:10]
        data[i,20:30]=a[i*6+2,0:10]
        data[i,30:40]=a[i*6+3,0:10]
        data[i,40:50]=a[i*6+4,0:10]
        data[i,50:53]=a[i*6+5,0:3]
    return data
##散度计算
def sd(u,v,leftlon, rightlon, lowerlat, upperlat,f):
    a=6371000
    b=hd(f)
    n1=len(u[:,0])-1
    n2=len(u[0,:])-1
    N=int((upperlat-lowerlat)/f+1)
    lat=np.linspace(lowerlat, upperlat,N)
    lat= lat[::-1]
    data=np.zeros((29,53))
    ##四边差分
    for i in range(1,n1):
        for j in range (1,n2):
            data[0,j]=(1/2/a)*((u[1,j+1]-u[0,j-1])/(math.cos(hd(lat[0]))*b)+(v[1,j]-v[0,j])/b-2*v[0,j]*math.tan(hd(lat[0])))
            data[n1,j]=(1/2/a)*((u[n1,j+1]-u[n1,j-1])/(math.cos(hd(lat[n1]))*b)+(v[n1-1,j]-v[n1,j])/b-2*v[n1,j]*math.tan(hd(lat[n1])))
            data[i,0]=(1/2/a)*((u[i,1]-u[i,0])/(math.cos(hd(lat[i]))*b)+(v[i+1,1]-v[i-1,0])/b-2*v[i,0]*math.tan(hd(lat[i])))
            data[i,n2]=(1/2/a)*((u[i,n2-1]-u[i,n2])/(math.cos(hd(lat[i]))*b)+(v[i+1,n2]-v[i-1,n2])/b-2*v[i,n2]*math.tan(hd(lat[i])))
    ##中间部分差分
    for i in range(1,n1):
        for j in range (1,n2):
            data[i,j]=(1/2/a)*((u[i,j+1]-u[i,j-1])/(math.cos(hd(lat[i]))*b)+(v[i+1,j]-v[i-1,j])/b-2*v[i,j]*math.tan(hd(lat[i])))
    ##四角差分
    data[0,0]=(1/2/a)*((u[0,1]-u[0,0])/(math.cos(hd(lat[0]))*b)+(v[1,0]-v[0,0])/b-2*v[0,0]*math.tan(hd(lat[0])))
    data[0,n2]=(1/2/a)*((u[0,n2-1]-u[0,n2])/(math.cos(hd(lat[0]))*b)+(v[0,n2-1]-v[0,n2])/b-2*v[0,n2]*math.tan(hd(lat[0])))
    data[n1,0]=(1/2/a)*((u[n1,1]-u[n1,0])/(math.cos(hd(lat[n1]))*b)+(v[n1-1,0]-v[n1,0])/b-2*v[n1,0]*math.tan(hd(lat[n1])))
    data[n1,n2]=(1/2/a)*((u[n1-1,n2]-u[n1,n2])/(math.cos(hd(lat[n1]))*b)+(v[n1-1,n2]-v[n1,n2])/b-2*v[n1,n1]*math.tan(hd(lat[n1])))
    return data
##画图函数
def draw(data,leftlon, rightlon, lowerlat, upperlat,a,name):
    lon=np.arange(leftlon, rightlon+0.01,a)
    lat=np.arange(lowerlat, upperlat+0.01,a)
    data=data[::-1, :]##坐标反转
    #建立画布
    proj = ccrs.PlateCarree() # 设置投影
    fig, f2_ax1 = plt.subplots(figsize=(15,15), subplot_kw=dict(projection=proj))
    leftlon, rightlon, lowerlat, upperlat = (leftlon, rightlon, lowerlat, upperlat)
    #绘制
    data1=f2_ax1.contourf(lon,lat,data)
    # data2=f2_ax1.contour(lon,lat,data,colors='k', linewidths=1, linestyles='solid',levels=np.linspace(-32,60,23))
    # plt.clabel(data2,fontsize=10,colors='r',fmt='%.2f')
    #在画布的绝对坐标建立子图
    f2_ax1.set_extent([leftlon, rightlon, lowerlat, upperlat], crs=ccrs.PlateCarree())
    #海岸线，50m精度
    f2_ax1.add_feature(cfeature.COASTLINE.with_scale('50m'))
    #湖泊数据
    f2_ax1.add_feature(cfeature.LAKES, alpha=0.5)
    #以下6条语句是定义地理坐标标签格式
    f2_ax1.set_xticks(np.arange(leftlon,rightlon+10,10), crs=ccrs.PlateCarree())
    f2_ax1.set_yticks(np.arange(lowerlat,upperlat+10,10), crs=ccrs.PlateCarree())
    lon_formatter = cticker.LongitudeFormatter()
    lat_formatter = cticker.LatitudeFormatter()
    f2_ax1.xaxis.set_major_formatter(lon_formatter)
    f2_ax1.yaxis.set_major_formatter(lat_formatter)
    f2_ax1.set_title(name,loc='center',fontsize =20)
    # shrink 控制 colorbar 长度，pad 控制colorbar和图的距离
    plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False##负号显示问题
    plt.colorbar(data1, shrink=0.3, pad=0.02)#orientation='horizontal'位置参数

namespace = globals()
a=[1000,925,850,700,500,400,300,250,200,150,100]
#读数据
for x in a:
    namespace['uv_%d' % x] = pd.read_table(r'C:\Users\马冠龙\Desktop\micaps 11层\micaps 11层\uv\%d\13052620.000'%(x),header=None,skiprows=3,sep='\s+')
    namespace['uv_%d' % x] = np.array(namespace['uv_%d' % x])
    namespace['u_%d' % x]=micaps(namespace['uv_%d' % x][0:174,:])
    namespace['v_%d' % x]=micaps(namespace['uv_%d' % x][174:,:])

#散度计算
for x in a:
    namespace['D%d' % x]=sd(namespace['u_%d' % x],namespace['v_%d' % x],30,160,10,80,2.5)

#垂直速度计算
w_1000=np.zeros((29,53))
w_925=w_1000+0.5*(D1000+D925)*75
w_850=w_925+0.5*(D925+D850)*75
w_700=w_850+0.5*(D850+D700)*150
w_500=w_700+0.5*(D700+D500)*200
w_400=w_500+0.5*(D500+D400)*100
w_300=w_400+0.5*(D400+D300)*100
w_250=w_300+0.5*(D300+D250)*50
w_200=w_250+0.5*(D250+D200)*50
w_150=w_200+0.5*(D200+D150)*50
w_100=w_150+0.5*(D150+D100)*50
##垂直速度修正
M=0.5*11*10
k=2
w_850=w_850-k*(k+1)/2/M*(w_100-0)
k=4
w_500=w_500-k*(k+1)/2/M*(w_100-0)
draw(w_500,30,160,10,80,2.5,'500hPa垂直速度图  2013年5月26日20时')
draw(w_850,30,160,10,80,2.5,'850hPa垂直速度图  2013年5月26日20时')

五、实习结果