3 風(fēng)玫瑰圖的算法實(shí)現(xiàn)
　　通過分析上一節(jié)中對(duì)風(fēng)玫瑰圖的氣象學(xué)定義和對(duì)風(fēng)向平均和相對(duì)風(fēng)向的平均風(fēng)速的參數(shù)化表達(dá)式，我們就可以設(shè)計(jì)算法，對(duì)風(fēng)玫瑰圖的繪制功能加以實(shí)現(xiàn)。風(fēng)玫瑰圖的算法實(shí)現(xiàn)必須具備以下幾個(gè)功能：1）實(shí)時(shí)風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)采集，歷史數(shù)據(jù)獲取；2）自動(dòng)將實(shí)時(shí)采集的各個(gè)風(fēng)向（0 ～ 360°的實(shí)數(shù)）統(tǒng)計(jì)到16 個(gè)風(fēng)向上；3）能夠檢查風(fēng)向異常值并將之剔除，以免影響風(fēng)玫瑰圖的繪制；4）能按照統(tǒng)計(jì)出的風(fēng)向頻率和平均風(fēng)速的取值范圍動(dòng)態(tài)的調(diào)整極坐標(biāo)系的取值，自適應(yīng)的繪制出風(fēng)玫瑰圖。所涉及的工作包括：1）選擇合適的數(shù)據(jù)源獲得實(shí)時(shí)的和歷史的風(fēng)速風(fēng)向觀測(cè)數(shù)據(jù)并設(shè)計(jì)合理的數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)保存風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，可以方便地通過讀庫(kù)操作進(jìn)行風(fēng)向統(tǒng)計(jì)；2）實(shí)現(xiàn)可以進(jìn)行異常值處理的風(fēng)向頻率和平均風(fēng)速計(jì)算；3）實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)自適應(yīng)的極坐標(biāo)作圖。
　　3.1 數(shù)據(jù)源和庫(kù)表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　參考?xì)庀髮W(xué)的統(tǒng)計(jì)實(shí)踐，風(fēng)玫瑰圖的統(tǒng)計(jì)時(shí)間跨度通常最短為1 個(gè)月，常至1 年乃至數(shù)年。如果時(shí)間跨度過短，統(tǒng)計(jì)結(jié)果不具有規(guī)律性，數(shù)據(jù)沒有實(shí)用價(jià)值。而跨度10 年以上的統(tǒng)計(jì)結(jié)果通常只作為分析氣候變遷規(guī)律時(shí)使用。一旦確定了時(shí)間跨度，則采樣頻率即多長(zhǎng)一段時(shí)間采樣一次風(fēng)速風(fēng)向值參與計(jì)算成為另一個(gè)重要的參考量。單位時(shí)間內(nèi)，獲得的樣本數(shù)越多，也就是采樣空間越密，統(tǒng)計(jì)結(jié)果通常會(huì)更有意義。
　　自動(dòng)氣象站是由電子設(shè)備或計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)進(jìn)行氣象觀測(cè)和資料收集傳輸?shù)臍庀笳窘M成，按照現(xiàn)在工藝水平，廣泛分布在我國(guó)各個(gè)地區(qū)的自動(dòng)氣象站可以按照10 ～ 15 分鐘為時(shí)間間隔，定時(shí)采集發(fā)送其所觀測(cè)到的氣象六要素（溫、濕、雨、壓、風(fēng)速、風(fēng)向）數(shù)據(jù)。按照這個(gè)采樣頻率，月風(fēng)玫瑰圖可以獲得平均4320 個(gè)樣本點(diǎn)，基本滿足統(tǒng)計(jì)計(jì)算的需要。因此自動(dòng)氣象站的數(shù)據(jù)可以作為風(fēng)玫瑰圖的有效數(shù)據(jù)源。
　　為了計(jì)算平均風(fēng)速和風(fēng)向頻率，數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)中至少需要包含時(shí)標(biāo)，風(fēng)速，風(fēng)向3 個(gè)字段。對(duì)應(yīng)月玫瑰圖，可以直接取自動(dòng)氣象站保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中的原始采樣數(shù)據(jù)。原始采樣數(shù)據(jù)通常包含采樣時(shí)刻的瞬時(shí)值和10 分鐘、15 分鐘的平均值，為了統(tǒng)計(jì)需要我們通常選擇平均值作為源數(shù)據(jù)。對(duì)應(yīng)年或者數(shù)年玫瑰圖，為了方便地去除不合理結(jié)果和減少運(yùn)算時(shí)間，可以對(duì)自動(dòng)氣象站的10 分鐘平均值結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)整編，首先獲得按小時(shí)或者日平均風(fēng)速、風(fēng)向的整編統(tǒng)計(jì)結(jié)果，然后再進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。
　　3.2 風(fēng)向頻率和平均風(fēng)速計(jì)算與風(fēng)玫瑰圖繪制
　　風(fēng)向頻率和平均風(fēng)速計(jì)算的算法主要包含以下步驟：1）按照從數(shù)據(jù)庫(kù)表中獲得的10 分鐘（15 分鐘）平均風(fēng)向d，通過取整計(jì)算將它歸納到16 個(gè)統(tǒng)計(jì)風(fēng)向上（對(duì)任意風(fēng)向d，如果0 ≤ d<22.5, 則將它統(tǒng)計(jì)到0°統(tǒng)計(jì)風(fēng)向上，如果22.5 ≤ d<45,則將它統(tǒng)計(jì)到22.5°風(fēng)向上，依次類推。）；2）祛除d<0 和d/22.5>15 的不合理點(diǎn)；3）統(tǒng)計(jì)各個(gè)統(tǒng)計(jì)風(fēng)向上風(fēng)出現(xiàn)的次數(shù)，按照上節(jié)中描述的風(fēng)向頻率計(jì)算公式計(jì)算出風(fēng)頻值和其對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)風(fēng)向n 一起保存在極坐標(biāo)系二元組數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，其中n 作為極坐標(biāo)系中的極角，而作為極徑；4）統(tǒng)計(jì)出各個(gè)統(tǒng)計(jì)風(fēng)向上風(fēng)速取值，按照上節(jié)中描述的平均風(fēng)速計(jì)算公式計(jì)算平均風(fēng)速和對(duì)應(yīng)統(tǒng)計(jì)風(fēng)向n 一起保存在極坐標(biāo)系二元組數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，其中n 作為極坐標(biāo)系中的極角， 作為極徑。
　　在分布式信息系統(tǒng)環(huán)境中，我們?cè)趯?shí)踐中選擇了java 作為主要開發(fā)平臺(tái)，基于java 的JFreeChart，是科學(xué)圖表的最好解決方案之一，成為一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)的選擇。它的java 包可以支持繪制餅圖、曲線圖、直方圖、雷達(dá)圖等等種類豐富的科學(xué)圖形。其中雷達(dá)圖支持用戶以極坐標(biāo)形式輸入一個(gè)或多個(gè)參數(shù)序列，自動(dòng)進(jìn)行坐標(biāo)自適應(yīng)，繪制并以圖片形式輸出極坐標(biāo)下的折線圖。如果將風(fēng)向頻率和平均風(fēng)速的統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果作為參數(shù)序列輸入到JFreeChart 的雷達(dá)圖模塊，則可以很方便的繪制出符合定義要求的風(fēng)玫瑰圖。圖1 中展示了在西北某個(gè)地區(qū)2010 年3 月全月的風(fēng)速玫瑰圖，它被集成在該地區(qū)的電力氣象信息系統(tǒng)中。