Как рассчитать направление ветра из U и V компонентов ветра в R

у меня есть данные компонентов ветра U и V, и я хотел бы рассчитать направление ветра из этих значений в R.

Я хотел бы получить данные о направлении ветра в масштабе 0-360 градусов, с 0° или 360°, указывающим на ветер, дующий на север, 90°, указывающий на ветер, дующий на восток, 180°, указывающий на ветер, дующий на юг и 270°, указывающий на ветер, дующий на Запад.

Ниже приведены некоторые примеры данных:

> dput(wind)
structure(list(u_ms = c(-3.711, -2.2417, -1.8188, -1.6164, -1.3941, 
-1.0682, -0.57611, -1.5698, -1.4976, -1.3537, -1.0901, -0.60403, 
-0.70812, -0.49045, -0.39849, 0.17875, 0.48356, 1.5082, 1.4219, 
2.5881), v_ms = c(-1.471, -1.6118, -1.6613, -1.7037, -1.7388, 
-1.8748, -1.8359, -1.6766, -1.6994, -1.7505, -1.4947, -0.96283, 
-1.1194, -0.6849, -0.7847, -0.80349, -0.19352, -0.97815, -1.0835, 
-0.81666), u_rad = c(-0.064769155, -0.039125038, -0.031744042, 
-0.028211496, -0.02433163, -0.018643603, -0.010055014, -0.027398173, 
-0.026138045, -0.023626517, -0.01902583, -0.01054231, -0.012359023, 
-0.008559966, -0.006954961, 0.003119775, 0.008439712, 0.02632305, 
0.024816831, 0.045170857), v_rad = c(-0.025673788, -0.028131211, 
-0.028995149, -0.029735168, -0.030347779, -0.032721426, -0.032042493, 
-0.029262184, -0.029660119, -0.030551982, -0.026087431, -0.01680455, 
-0.019537212, -0.011953758, -0.013695596, -0.014023543, -0.00337756, 
-0.017071935, -0.018910639, -0.014253403)), .Names = c("u_ms", 
"v_ms", "u_rad", "v_rad"), class = "data.frame", row.names = c(NA, 
-20L))

я использовал следующий код, чтобы попытаться получить направление ветра (столбец td), но я не уверен, что возвращаемые углы-это те, которые я хочу (т. е. 0°/360°, указывающее на ветер, дующий на север, 90°, указывающий на ветер, дующий на восток и т. д.). 

u = wind$u_rad # u component in radians
v = wind$v_rad # v component in radians

d = (180/pi)*(atan2(u,v))
td = as.matrix(d + 180)
df = cbind(wind, d, td)

> df
       u_ms     v_ms        u_rad       v_rad         d        td
1  -3.71100 -1.47100 -0.064769155 -0.02567379 -111.6228  68.37716
2  -2.24170 -1.61180 -0.039125038 -0.02813121 -125.7164  54.28357
3  -1.81880 -1.66130 -0.031744042 -0.02899515 -132.4087  47.59129
4  -1.61640 -1.70370 -0.028211496 -0.02973517 -136.5062  43.49379
5  -1.39410 -1.73880 -0.024331630 -0.03034778 -141.2788  38.72124
6  -1.06820 -1.87480 -0.018643603 -0.03272143 -150.3269  29.67308
7  -0.57611 -1.83590 -0.010055014 -0.03204249 -162.5780  17.42199
8  -1.56980 -1.67660 -0.027398173 -0.02926218 -136.8842  43.11576
9  -1.49760 -1.69940 -0.026138045 -0.02966012 -138.6118  41.38819
10 -1.35370 -1.75050 -0.023626517 -0.03055198 -142.2844  37.71557
11 -1.09010 -1.49470 -0.019025830 -0.02608743 -143.8963  36.10365
12 -0.60403 -0.96283 -0.010542310 -0.01680455 -147.8980  32.10204
13 -0.70812 -1.11940 -0.012359023 -0.01953721 -147.6830  32.31699
14 -0.49045 -0.68490 -0.008559966 -0.01195376 -144.3939  35.60607
15 -0.39849 -0.78470 -0.006954961 -0.01369560 -153.0774  26.92258
16  0.17875 -0.80349  0.003119775 -0.01402354  167.4578 347.45783
17  0.48356 -0.19352  0.008439712 -0.00337756  111.8112 291.81121
18  1.50820 -0.97815  0.026323050 -0.01707193  122.9656 302.96561
19  1.42190 -1.08350  0.024816831 -0.01891064  127.3077 307.30771
20  2.58810 -0.81666  0.045170857 -0.01425340  107.5128 287.51279

Я был бы признателен за любые советы о том, является ли мой метод правильным, и если нет, то как я мог бы правильно получить желаемые значения направления ветра. В то время как расчет направления ветра от U и V компонентов ветра с помощью lapply или оператору ifelse было полезно, код действительно работал с моими данными, и я уверен, что есть легче получить направление ветра. Большое спасибо!

7
angle atan2 pi r

2 ответов

есть три проблемы:

  1. вы не можете преобразовать m / s в радианы. Для ввода компонентов ветра в atan2, вы должны нормализовать их, но вы не делаете этого, умножая m / s на pi/180 (что вы сделали, чтобы получить u_rad и v_rad). Вы должны сделать столбец абсолютной скорости ветра (sqrt(u_ms^2 + v_ms^2)) и забрать atan2(u_ms/wind_abs, v_ms/wind_abs). (также обратите внимание, что atan2 сначала принимает компонент y - убедитесь, что это то, что вы хотите)
  2. atan2 даст вам ответ в единичные координаты окружности, которые увеличиваются против часовой стрелки и имеют ноль на оси Х. Вы хотите получить ответ в кардинальных координатах, которые увеличиваются по часовой стрелке и имеют ноль на оси Y. Чтобы преобразовать единичную окружность в кардинальные координаты, необходимо вычесть угол единичной окружности из 90.
  3. вы должны знать, относится ли информация о ветре к направлению ветра (стандарт для кардинальных координат) или направление ветра (стандарт для тригонометрии / вектора операции)

Если вам дают u_ms = = -3.711 и v_ms = -1.471 (на единичном круге он дует вниз и немного влево, поэтому он идет с северо-востока), затем:

wind_abs = sqrt(u_ms^2 + v_ms^2)
wind_dir_trig_to = atan2(u_ms/wind_abs, v_ms/wind_abs) 
wind_dir_trig_to_degrees = wind_dir_trig_to * 180/pi ## -111.6 degrees

затем вы должны преобразовать этот вектор ветра в метеорологическую конвенцию о направлении ветра:

wind_dir_trig_from_degrees = wind_dir_trig_to_degrees + 180 ## 68.38 degrees

затем вы должны преобразовать этот угол из координат" trig " в кардинальные координаты:

wind_dir_cardinal = 90 - wind_dir_trig_from_degrees
[1] 21.62284 #From the northeast.
4

в то время как принятый ответ имеет правильную идею, у него есть недостаток. Как говорится в комментарии не нужно нормализовать компонент u и v, чтобы использовать atan2 на них. Недостаток приходит, когда u == v == 0 и wind_abs становится 0. В C# два подразделения вернут бесконечность (в соответствии с IEEE 754) и atan2 вернет NaN. Когда не нормализуются компоненты atan2(0,0) счастливо возвращает 0. Так что не только нормализация не нужна, она еще и вводит ошибку.

Пожалуйста, также имейте в виду, что наиболее распространенная сигнатура функции atan2 is atan2(y, x) -- Microsoft Excel является исключением.

0