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时空滤波

时空滤波是指使用 FFT 过滤出符合特定波数、频率条件的信号，即在下面这张频谱图中画一个区域，提取该区域内对应频率与波数的信号。 如果我们画的区域与波动的频散曲线一致，那么就能提取出该波动的信号。

WHEELER M, KILADIS G N, 1999. Convectively Coupled Equatorial Waves: Analysis of Clouds and Temperature in the Wavenumber–Frequency Domain[J/OL].

wk99

内置滤波区域

moisten_ew 提供了各种波动的默认滤波区域：

  • KelvinFilterArea：Kelvin 波区域
  • MRGFilterArea：混合罗斯贝-重力波区域（默认为西传 MRG 波区域）
  • ERFilterArea：赤道罗斯贝波区域
  • IGFilterArea：惯性重力波区域（默认为西传 IG 波区域）
  • MJOFilterArea：MJO 区域
  • TDFilterArea：TD-type 波区域

以及两个几何形状的滤波区域：

  • RectangleFilterArea：矩形区域
  • EllipseFilterArea：椭圆区域

下图左侧为内置滤波区域的默认范围，右侧为自定义的滤波区域，代码见示例 画滤波区域。

filter_areas.png

自定义区域

所有的滤波区域类均继承自基类 FilterArea，该类提供了区域的布尔运算方法：

  • union(other_area)：并集
  • intersection(other_area)：交集
  • difference(other_area)：差集

例如同时过滤 MRG 波与 Kelvin 波的信号，可以使用并集操作：

mrg_and_kelvin = mew.MRGFilterArea().union(mew.KelvinFilterArea())

如果还需要更复杂的区域，可以使用 shapely 库自定义 Polygon | MultiPoligon 对象，传入 FilterArea 来实例化一个过滤区域。这里的多边形 x 坐标为波数(zonal_wavenumber)，y 坐标为频率(cpd)。

from shapely.geometry import Polygon
import moisten_ew as mew

# 自定义多边形区域，例如一个三角形
custom_shape = Polygon([(-10, 0), (0, 0.2), (10, 0)])
# 定义区域属性
shape_attrs = mew.FilterAreaAttributes(name='Custom Area')

# 实例化 FilterArea
custom_area = mew.FilterArea(custom_shape, shape_attrs)

# 使用自定义区域进行时空滤波
filtered_data = mew.fft_time_lon_area_filter(
    data, custom_area,
)

滤波

使用 fft_time_lon_area_filter 函数进行时空滤波。

函数传入的数据必须为 xarray.DataArray 对象，且至少包含时间与经度两个维度，维度的名称需要通过 time_name 与 lon_name 参数指定。 函数还需要传入一个 FilterArea 对象，指定滤波区域。

可参考示例 对 MRG 与 Kelvin 波时空滤波 以及 对任意信号时空滤波。