python - 使用交错网格上的数据时计算以网格为中心的值

Question

我正在与 MITgcm 合作进行一些模拟，特别是使用内波模型；我得到了包含结果的 .nc 文件，但某些变量的坐标并不完全相同。我会解释一下自己:我想计算出速度的组成部分，但是，由于一些我不完全理解的数字原因，水平速度坐标位于单元格的左侧，垂直坐标位于单元格的底部。要使用速度数据进行操作，我需要统一所有坐标的引用。

我想过做这样的事情

 u (i,j,k) = u(i,j,k) + u(i+1,j,k)
 v (i,j,k) = v(i,j,k) + v(i,j+1,k)

所以我将把坐标全部放在单元格的中心并在相同的引用中。

我不知道如何使用 python 编辑 NetCDF 文件。我很乐意提取所有 u 和 v 数据，像我说的那样进行编辑并仅使用这两个变量创建一个新的 NetCDF 文件。

这可能吗？我怎样才能做到这一点？

编辑:添加了 ncdump 信息

   netcdf state.global {
dimensions:
    T = UNLIMITED ; // (10001 currently)
    Xp1 = 61 ;
    Y = 1 ;
    Z = 20 ;
    X = 60 ;
    Yp1 = 2 ;
    Zl = 20 ;
variables:
    double Xp1(Xp1) ;
        Xp1:long_name = "X-Coordinate of cell corner" ;
        Xp1:units = "meters" ;
    double Y(Y) ;
        Y:long_name = "Y-Coordinate of cell center" ;
        Y:units = "meters" ;
    double Z(Z) ;
        Z:long_name = "vertical coordinate of cell center" ;
        Z:units = "meters" ;
        Z:positive = "up" ;
    double X(X) ;
        X:long_name = "X-coordinate of cell center" ;
        X:units = "meters" ;
    double Yp1(Yp1) ;
        Yp1:long_name = "Y-Coordinate of cell corner" ;
        Yp1:units = "meters" ;
    double Zl(Zl) ;
        Zl:long_name = "vertical coordinate of upper cell interface" ;
        Zl:units = "meters" ;
        Zl:positive = "up" ;
    double T(T) ;
        T:long_name = "model_time" ;
        T:units = "s" ;
    int iter(T) ;
        iter:long_name = "iteration_count" ;
    double U(T, Z, Y, Xp1) ;
        U:units = "m/s" ;
        U:coordinates = "XU YU RC iter" ;
    double V(T, Z, Yp1, X) ;
        V:units = "m/s" ;
        V:coordinates = "XV YV RC iter" ;
    double Temp(T, Z, Y, X) ;
        Temp:units = "degC" ;
        Temp:long_name = "potential_temperature" ;
        Temp:coordinates = "XC YC RC iter" ;
    double S(T, Z, Y, X) ;
        S:long_name = "salinity" ;
        S:coordinates = "XC YC RC iter" ;
    double Eta(T, Y, X) ;
        Eta:long_name = "free-surface_r-anomaly" ;
        Eta:units = "m" ;
        Eta:coordinates = "XC YC iter" ;
    double W(T, Zl, Y, X) ;
        W:units = "m/s" ;
        W:coordinates = "XC YC RC iter" ;

// global attributes:
        :MITgcm_version = "****************" ;
        :build_user = "************" ;
        :build_host = "**************" ;
        :build_date = "*******************" ;
        :MITgcm_URL = "***************" ;
        :MITgcm_tag_id = "*******************" ;
        :MITgcm_mnc_ver = 0.9 ;
        :sNx = 30 ;
        :sNy = 1 ;
        :OLx = 2 ;
        :OLy = 2 ;
        :nSx = 2 ;
        :nSy = 1 ;
        :nPx = 1 ;
        :nPy = 1 ;
        :Nx = 60 ;
        :Ny = 1 ;
        :Nr = 20 ;
}

Answer 1

该模型正在使用 staggered grid其中 u 速度在西/东网格面上求解，而 v 速度在北/南面上求解。

您是对的，现在您需要对组件进行后处理，以便将 u- 和 v- 分别放置在每个网格单元的中心。

让我们将 nx 定义为 x 维度(即求解 u 分量的位置)中网格单元的数量，将 ny 定义为y 维度中的网格单元(即求解 v 分量的位置)。 nz 是垂直模型层数。

然后 u 的尺寸为 nx+1 x ny x nz 和 v > 的尺寸为 nx x ny+1 x nz。这是一个简单的平均，然后将 u 和 v 放入每个单元格的中心:

u_center = 0.5 * (u[0:nx,:,:] + u[1:nx+1,:,:]) # 现在有维度 [nx,ny,nz])

v_center = 0.5 * (v[:,0:ny,:] + v[:,1:ny+1,:]) # 现在有尺寸 [nx,ny,nz])

import netCDF4
import numpy as np

ncfile = netCDF4.Dataset('/path/to/file/foo.nc', 'r')
u = ncfile.variables['u'][:,:,:] # nx+1 x ny x nz 
v = ncfile.variables['v'][:,:,:] # nx x ny+1 x nz 

nx = np.shape(u)[0] - 1 
ny = np.shape(v)[1] - 1 
nz = np.shape(u)[2] 

u_center = 0.5 * (u[0:nx,:,:] + u[1:nx+1,:,:]) 
v_center = 0.5 * (v[:,0:ny,:] + v[:,1:ny+1,:])

# Write out u_center and v_center into a new netCDF file
ncfile_out = netCDF4.Dataset('./output.nc', 'w')
ncfile_out.createDimension('longitude', nx)
ncfile_out.createDimension('latitude', ny)
ncfile_out.createDimension('level', nz)
u_out = ncfile_out.createVariable('u_center', 'f4', ('longitude', 'latitude', 'level')
v_out = ncfile_out.createVariable('v_center', 'f4', ('longitude', 'latitude', 'level')
u_out[:,:,:] = u_center[:,:,:]
v_out[:,:,:] = v_center[:,:,:]
ncfile_out.close()