0 引言

分享一些自己在完成小論文過程中總結(jié)的一些Python編程技巧，接下來幾篇推文的內(nèi)容主要是Python氣象數(shù)據(jù)處理中的數(shù)值微分和積分法，寫它的目的主要是數(shù)值微分和積分在計算氣象物理量中被廣泛使用（如散度、渦度、大氣整層水汽通量等）。此外，本人在學(xué)習(xí)編程的過程中參考了許多大佬、前輩的推文，在這里對他們的分享表示感謝。

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1 數(shù)值微分法

1.1?散度和渦度

水平散度和渦度的表達式分別為

兩者在診斷中較常用。Metpy模塊提供的函數(shù)metpy.calc.divergence和metpy.calc.vorticity能直接計算，如果輸入數(shù)據(jù)的格式為xarray.DataArray，那么只需要輸入物理量的x和y分量（如u/v風(fēng)、uq/vq水汽通量等）兩個參數(shù)。輸出物理量的單位是輸入物理量的單位除以meter。

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1.2?勢函數(shù)和流函數(shù)

簡單來說，運動可以分解為無旋分量和無輻散分量。對于無旋運動，存在一個勢函數(shù)，無旋運動在勢函數(shù)的梯度方向上，與勢函數(shù)等值線垂直。對于無輻散運動，存在一個流函數(shù)，無輻散運動在流函數(shù)的切線上（背風(fēng)而立，高值在右）。

NCL中提供了直接計算兩者的函數(shù)，而Metpy模塊中沒有提供。這里可使用windspharm模塊（在Linux平臺下可安裝和運行，在Windows平臺下似乎不能），相關(guān)代碼為

u和v為覆蓋全球的緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)數(shù)據(jù)，格式為xarray；w為生成的初始化VectorWind實例；用sfvp函數(shù)獲得流函數(shù)和勢函數(shù)，格式也為xarray。