In bczernecki/imgw: Polish Meteorological and Hydrological Data

knitr::opts_chunk$set(
  collapse = TRUE,
  comment = "#>"
)
library(imgw)
library(tidyr)
library(dplyr)
options(scipen=999)

Głównym celem pakietu imgw jest dostarczenie wygodnego i programowalnego interfejsu do repozytorium danych meteorologicznych i hydrologicznych IMGW-PIB. Pakiet pozwala także na pobieranie danych radiosondażowych.

Pakiet imgw dla języka programowania *R umożliwia:

Dostęp i pobieranie archiwalnych danych meteorologicznych i hydrologicznych udostępnionych przez Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej - Państwowy Instytut badawczy IMGW)
Uzupełnienie pobieranego zbioru danych o informacje (metadane) przestrzenne w układzie współrzędnych WGS 84
Wybór określonego zestawu danych - łącznie istnieje 11 dostępnych formatów w zależności od wybranego interwału czasowego, zbioru danych oraz standardu zapisu
Dostarczenie pełnego opisu parametrów w języku polskim i angielskim oraz w formach skróconych wygodnych do pracy w środowisku programistycznym lub w arkuszu kalkulacyjnym

Funkcje

Pakiet imgw zawiera trzy główne grupy funkcji do pobierania danych, na które składają się cztery funkcje do danych meteorologicznych, cztery do danych hydrologicznych oraz jedna do danych radiosondażowych.

Dane meteorologiczne:
meteo() - pobieranie danych meteorologicznych - ogólna funkcja (nadrzędna) umożliwiająca wybór m.in. określonego rzędu stacji, interwału czasowego, dodanie metadanych geograficznych do pobieranych danych, ...
meteo_hourly() - pobieranie danych meteorologicznych - pomiary terminowe (godzinowe)
meteo_daily() - pobieranie danych meteorologicznych - serie danych dobowych
meteo_monthly() - pobieranie danych meteorologicznych - serie danych miesięcznych
Dane hydrologiczne:
hydro() - pobieranie danych hydrologicznych z dowolnie zdefiniowanym interwałem (funkcja nadrzędna/interfejs dla pozostałych niżej wymienionych)
hydro_daily() - pobieranie danych hydrologicznych - serie dobowe
hydro_monthly() - pobieranie danych hydrologicznych - serie miesięczne
hydro_annual() - pobieranie danych hydrologicznych - serie roczne
Pomiary radiosondażowe:
meteo_sounding() - pobieranie danych (i metadanych) dla pomiarów aerologicznych udostępnionych przez Uniwersytet Wyoming

Bazy danych

Pakiet imgw zawiera dodatkowe bazy danych przydatne do pracy z danymi meteo- i hydrologicznymi:

hydro_abberv/meteo_abberv - wykaz parametrów wraz z opisem stosowanym w repozytorium IMGW-PIB oraz zastosowane formy skrótów do wygodnej pracy w środowisku programistycznym lub w arkuszach kalkulacyjnych

abbev = meteo_abbrev
head(abbev)

library(knitr)
abbev = meteo_abbrev
kable(head(abbev), caption = "Parametry meteorologiczne i skróty zastosowane w pakiecie.")

hydro_stations/meteo_stations - zbiór metadanych dla większości stacji meteorologicznych i hydrologicznych wraz z numerem stacji, długością, szerokością gegoraficzną i wysokością stacji

station = meteo_stations
head(station)

station = meteo_stations
kable(head(station), caption = "Metadane dla stacji meteorologicznych.")

Przykłady

Poniżej zamieszczono przykłady zastosowania pakietu imgw w połączeniu z pakietami dplyr oraz tidyr.

Dane hydrologiczne - przykład

Pobranie 10-letniej serii miesięcznych danych hydrologicznych dla wszystkich dostępnych stacji w okresie 2001-2010, wraz z automatycznym dodaniem informacji przestrzennych (długość geograficzna, szerokość geograficzna).

h = hydro_monthly(year = 2001:2010, coords = TRUE)
head(h)

h = hydro_monthly(year = 2001:2010, coords = TRUE)
kable(head(h), caption = "Pierwsze 6 wierszy pobranych danych:")

Kolumna idex zawiera informację o rodzaju ekstremum, tj. 1 - minimum, 2 - średnia, 3 - maximum.^[Szczegółowe informacje znajdują się w zbiorze hydro_abbrev].

Dla osób preferujących pracę w arkuszach kalkulacyjnych możliwe jest zapisanie pobranych danych do formatów .csv lub .xlsx. W tym drugim przypadku konieczne będzie aktywowanie (a gdy konieczne także wcześniejsze zainstalowanie) odpowiedniego pakietu:

# CSV:
write.csv(h, file = "result.csv", sep = ";",dec = ".")
# powyzsza instrukcja zapisze pobrane dane do pliku  `result.csv` z separatoratorem dla kolumn `;` i miejscem dziesietnym `.` 

# XLSX:
library(writexl)
# lub jesli biblioteka 'writexl' nie byla instalowana wowczas nalezy wczesniej wywolac komende: install.packages("writexl")
write_xlsx(result, path =  "result.xlsx")

Analizy hydrologiczne często koncentrują się na jednej grupy zjawisk, np. związanych z przepływami maksymalnymi. W tym celu pozostaną w ramce danych tylko wartości przepływów maksymalnych oraz kolumny zawierające interesujące nas informacje, tj. identyfikator stacji - id, rok hydrologiczny - hyy, szerokość geograficzną - X oraz długość geograficzną - Y.
Następnie obliczmy średni przepływ maksymalny na każdej z dostępnych stacji, w każdym z analizowanych lat hydrologicznych. W tym celu można wykorzystać funkcję summarise() z pakietu dplyr. Zmiana postaci otrzymanej tabeli (z wąskiej do szerokiej) może zostać wykonana za pomocą pakietu tidyr i funkcji spread().

h2 = h %>%
  filter(idex == 3) %>%
  select(id, station, X, Y, hyy, Q) %>%
  group_by(hyy, id, station, X, Y) %>%
  summarise(mean_Q = round(mean(Q, na.rm = TRUE),1)) %>%
  spread(hyy, mean_Q)

kable(head(h2), caption = "Przykład wyniku przetwarzania danych hydrologicznych.")

Uzyskane wyniki mogą zostać następnie zwizualizowane w formie przestrzennej za pomocą np. pakietów GIS: sf i tmap. Poniżej zamieszczono przykładowy kod dla średnich maksymalnych przepływów rocznych:

library(sf)
library(tmap)
library(rnaturalearth)
library(rnaturalearthdata)
world = ne_countries(scale = "medium", returnclass = "sf")

h3 = h2 %>% 
  filter(!is.na(X)) %>% 
  st_as_sf(coords = c("X", "Y"))

tm_shape(h3) + 
  tm_symbols(size = as.character(c(2001:2010)),
             title.size = "Średni przepływ maksymalny") +
  tm_facets(free.scales = FALSE, ncol = 4) + 
  tm_shape(world) + 
  tm_borders(col = "black", lwd = 2) +
  tm_layout(legend.position = c(-1.25, 0.05),
            outer.margins = c(0, 0.05, 0, -0.25),
            panel.labels = as.character(c(2001:2010)))