Thermofeel：Python热舒适指数库应用于业务天气预报系统

软件X 18（2022）101005原始软件出版物Thermofeel：一个python热舒适指数库Chloe Brimicombea，b，c，Claudia Di Napolid，a，Tiago Quintinob，Florian Pappenbergerb，放大图片作者：Rosalind Cornforthc. Clokea，e，f，ga雷丁大学地理与环境科学系，雷丁，RG6 6AB，英国b欧洲中期天气预报中心（ECMWF），Shinfield Park，Reading，RG2 9AX，英国c沃克研究所，雷丁大学，英国，RG6d雷丁大学农业、政策与发展学院，雷丁，RG6 6EU，英国英国雷丁大学气象系，雷丁RG6 6URf瑞典乌普萨拉大学地球科学系，SE-751 05乌普萨拉g自然灾害和灾害科学中心，瑞典乌普萨拉SE-751 05ar t i cl e i nf o文章历史记录：收到2021年2022年1月12日收到修订版，2022年保留字：热冷热舒适性天气预报Pythona b st ra ct这里描述了python库thermofeel的开发。 thermofeel的开发是为了将国际上使用的主要热指数（即通用热气候指数和湿球全球温度）应用于业务天气预报系统（即欧洲中期天气预报中心），同时也坚持开放的研究做法。该图书馆将对许多部门有益，包括气象、体育、保健和社会护理、卫生、农业和建筑。此外，它还可用于高温预警系统，如果采取正确的准备措施，有可能在极端高温下挽救生命©2022作者（S）。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本1.2.0此代码版本使用的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-21-00124法律代码许可证Apache许可证版本2使用Git的代码版本控制系统使用Python的软件代码语言、工具和服务文档中指出的某些方法编译要求、操作环境依赖性如果可用，链接到开发人员文档/手册https://thermofeel.readthedocs.io/en/latest/?问题支持电子邮件servicedesk@ecmwf.int1. 动机和意义极端高温是一种越来越严重的杀手危险，围绕热浪和热应激的研究正在增长[1然而，热浪并没有一个通用的定义，这导致全球研究使用许多不同的热量指数[5]。此外，寒冷的天气继续导致死亡率过高，并对基础设施造成挑战，例如2021年德克萨斯州的冬季[6]。关键指数包括全球湿球温度[7，8]和通用热气候指数的生物气象学方法*通讯作者：雷丁大学地理与环境科学系，雷丁，RG6 6AB，英国。电子邮件地址：Chloe ECMWF.int（Chloe Brimicombe）.https://doi.org/10.1016/j.softx.2022.101005UTCI将气象参数和人体模型结合在一起，提供以人为中心的热量指数[9，10]。到目前为止，还没有综合性的库将最突出的热指数集合在一起，只有pyther-malcomfort [11]存在于室内热舒适指数的一小部分选择中，舒适度[12]没有得到维护和记录，瓢虫舒适度[13]不是专门为数值天气预测而开发的，并且不提供与thermofeel相同的方法。 这使得很难将热舒适指数纳入数值天气预报服务中，也很难遵守广泛采用的开放科学最佳实践，例如可重复性和透明度[14]。选择将thermofeel开发为python库是因为该语言在科学应用中很受欢迎2352-7110/©2022作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softxChloe Brimicombe，Claudia Di Napoli，Tiago Quintino等人软件X 18（2022）1010052−命名法t2 mtdvarhsvp/e_hPamrtmrtgtssrdssrfdirstrdstrrlatlonymdhtbegintendcosszautciwbtbgtwbgtwbgts高净CKMJPa2 m温度（K）露点温度（K）10米高风速（m/s）相对湿度（%）饱和蒸汽压（hPa）平均辐射温度（K）平均辐射温度与全球温度（K）地面向下太阳辐射（J/m2）地面净太阳辐射（J/m2）天空总太阳直接辐射（J/m2）地面向下热辐射（J/m2）地面净热辐射（J/m~ 2）纬度经度年月日小时时间步开始时间步结束太阳天顶角的余弦通用热气候指数湿球温度全球温度（摄氏度）湿球温度湿球球温度简单/近似热指数正常有效温度（摄氏）开尔文米焦耳帕斯卡通常在给定系统上的运行时间比R更快，一种类似的语言[15]。它也有一系列与之相关的免费学习课程，使其比其他常见的科学语言（如C，C++或Fortran）更容易学习。此外，它还有一个不断增长的库目录，这些库有助于测试和记录，但补充了thermofeel中提出的方法[17]。thermofeel允许用户重现ERA-5 HEAT数据集开发中使用的方法，该数据集提供了平均辐射温度和通用热气候指数的历史全球数据记录[10]。此外，它还通过为用户提供方法来轻松计算最突出的热指数，扩展了该数据集，目前重点关注户外热舒适性。用户可以通过使用现有的python库在一系列不同的数据类型上使用这些方法。最值得注意的是，该库提供了从平均辐射温度计算湿球全球温度的第一种操作方法[18，19]。此外，thermofeel是由欧洲中期天气预报中心（ECMWF）根据时间关键业务软件的完善开发程序开发的，目前正在测试并集成到ECMWF2. 软件描述2.1. 软件构架库thermofeel包含一个主模块与计算方法和一个助手模块，这是在后台调用的辅助功能。该库的功能设计允许更容易的维护，并且由于每个计算方法都被实现为保证没有副作用的纯函数，因此该库可以很容易地用于并行和并发环境，例如Dask [20]。此外，这还允许每种计算方法同时支持标量和numpy数组作为输入，在适当的情况下按元素执行计算，从而返回兼容的结果（标量或数组）作为输出。这种设计是为了简化与ECMWF并行计算环境的集成这个库是在Linux和Mac OSX操作系统上开发和测试的，我们相信它与任何支持Python 3的POSIX系统完全兼容。2.2. 软件功能thermofeel提供了计算目前关注室外热舒适性的最突出指标的方法。在前面，我们将讨论这些方法，并提供一些更详细描述它们的相 关 文 献 ， 在 thermofeel 文 档 （ https ： //thermofeel.readthedocs.io/en/latest/? ）. 表1显示了不同的热感觉指数计算方法2.3. 软件异常和验证在适当的情况下，我们按照原始方法文档中的指示过滤数据。例如，当UTCI的输入参数（温度、风速、相对湿度和平均辐射温度）超出特定的有效范围时，UTCI被设置为9999此外，还计算了太阳天顶角积分和热量指数调整的设定阈值的调整量。2.4. 软件确认thermofeel库还包含所有提供的计算方法和基于pytest库的单元测试测试的输入基于1996年11月2日和2003年8月2日ERA5再分析[31]的平均小时数据。输入示例见表2，输出示例见表3。我们对一些方法进行了进一步的测试，例如对太阳天顶角余弦法的测试，这些测试可以在软件库中找到3. 说明性实例为了测试用户如何将第2.2节表1中的方法应用于气象数据，我们使用2020年6月8日06 UTC的ERA-5 [ 31 ]再分析数据制作了所有指数的可视化地图，如图所示。1.一、这些图可以很容易地从我们的库和现有的netCDF 4，matplotlib和cartopy库使用源代码1生成。我们还提供了使用ECMWF开发的其他Python库的示例，例如magics 和eccodes ， 这些可以在 GitHub示例目录 中看到（https://github.com/ecmwf-projects/thermofeel/tree/master/examples）。Chloe Brimicombe，Claudia Di Napoli，Tiago Quintino等人软件X 18（2022）101005表33示出了热感觉指数的计算方法。名称功能描述参考太阳赤经角solar_declare_angle（jd，h）返回以度和时间表示的赤经角小时修正相对湿度calculate_relative_humidity_percent（t2 m，td）返回相对湿度的百分比饱和蒸汽压太阳天顶角余弦瞬时太阳天顶角余弦平均辐射温度calculate_saturation_vapor_pressure（t2 m）calculate_cos_solar_zenith_angle（lat，lon，y，m，d，h）calculate_cos_solar_zenith_angle_integrated（lat，lon，y，m，d，h，tbegin，tend，intervals_per_hour=1，integration_order=3，）：计算平均辐射温度（ssrd、ssr、fdir、strd、strr、cossza）返回相对湿度，以水蒸气压为单位hPa返回用于计算平均辐射温度返回太阳天顶角的余弦值，根据预测步骤的积分，根据太阳辐射计算平均辐射温度时需要该值返回平均辐射温度（MRT）（以开尔文为单位），用于utci和wbgt计算的[21日][21日][22日]通用热气候指数（UTCI）湿球全球温度calculate_utci（t2 m，va，mrt，ehPa）返回生物统计学指标通用热气候指数（utci）calculate_wbgts（t2 m）返回湿球温度的近似值，在此库中称为湿球温度simple[9、10][23日]Wet bulb temperature calculate_wbt（t2 m，rh）返回根据温度和相对湿度百分比Globe temperature calculate_bgt（t2 m，mrt，va）返回根据温度年平均辐射温度和10米风速◦ C（未针对Windows操作系统测试[24日][18、19]湿球温度平均辐射温度calculate_wbgt（t2 m，mrt，va，td）使用湿球温度和全球温度方法作为wbgt方程的分量返回wbgtcalculate_mrt_from_bgt（t2 m，bgt，va）使用倒数返回平均辐射温度方法来计算_bgt中的CECC[25日][18、19]Humidex calculate_humidex（t2 m，td）返回一个包含相对湿度的湿度与温度（单位：摄氏度）[26日]正常有效温度（NET）计算净有效温度（t2 m，rh，va）返回正常有效温度（NET），这是人类如何响应气象参数的模型[27日]表观温度calculate_apparent_temperature（t2 m，rh，va）：返回表观温度，一个以湿球全球温度为模型的热指数，单位为摄氏度[28日]Wind chill calculate_wind_chill（t2 m，rh，va）返回wind chill的目的是模拟它有多冷感觉在一个非常多风的环境中，[29日]热指数简化计算_热指数_简化（t2 m，rh=无）回归热指数法简化了CNOC[30个]calculate_heat_index_adjusted（t2 m，td）返回在不同温度阈值在热带地区更准确图1.一、2 0 2 0 年 6 月 8 日 0 6 U T C 的 全球热力指数图 ，如第2.2节表1所述。[30个]此外，在图2中，我们提出了两种计算太阳天顶角余弦的方法[21]。的一种方法集成了预报步骤，专门用于具有开始和结束时间的预报系统，其中辐射值是Chloe Brimicombe，Claudia Di Napoli，Tiago Quintino等人软件X 18（2022）101005表44−1946610.5−1964440.5−1895440.5−1923530.5−1862950.5−1875580.5−1845360.5××Thermofeel的测试变量值。277 273 0.59 286 607954 464531 383763 1061090−183218 0.5277 273 0.59 286 613806 463360 391216277 273.0.60 286 619349 462326 398038 1062483277 273 0.59 286 626611 463422 406661277 273 0.59 286 634958 465688 416602277 273 0.59 287 638089 463850 418866 1066043277 273 0.59 287 640019 462945 42167 1066746图二、利 用 两个余弦方法计算太阳天顶角。积累，以及一个瞬时的方法，只需要UTC（世界时区）小时计算太阳天顶角的余弦。太阳天顶角的余弦是平均辐射温度[22]的关键组成部分，用于计算UTCI和WBGT [10，19]的热指数。这两种方法之间的差异（平均值）很小，为1UTCI为10-8，10−9WBGT最终输出，这使得精确的余弦太阳天顶角可以用更简单的方法计算，需要更少的参数。源代码1：显示2020年6月8日06UTC的方法示例，在Linux操作系统上运行。4. 影响热应激是气候变化的一种日益严重的影响，热浪的强度、频率和持续时间都在增加[1]。此外，寒冷压力仍在继续产生影响[32]。它因此，重要的是要有一套强有力的方法，以帮助研究和发展预警系统在这一领域[33]。我们预计热感觉将对热应力，热浪和热舒适的研究产生很大的影响。它允许开放科学实践[14]更容易地以以前无法使用的方式应用于极端热研究领域。我们还希望这个库可以很容易地扩展T2mTDVAMRTssrdSSRFDIRstrd斯特尔科萨KKm/sK瓦/平方米瓦/平方米瓦/平方米瓦/平方米宽/米2英寸3103002802902.000.0230031060414660413547181846718237415037708410612131061000-182697 0. 5Chloe Brimicombe，Claudia Di Napoli，Tiago Quintino等人软件X 18（2022）1010055表3使用表2中的输入计算热感的测试输出。RHPSVP热度指数热指数调整HumidexMRT净乌特奇WBGTWBGTS风寒% hPaCCCCKCCCCC15.9362.3168.2734.5931.82286.0440.7533.5035.6126.7260.0954.3135.3752.1427.5323.12286.1131.4929.9325.7819.9950.7574.758.1916.822.511.07286.293.418.633.276.029.3074.778.2016.862.531.09286.543.438.643.296.039.3274.748.2316.932.581.14286.813.508.763.346.069.4174.478.2717.072.671.21287.113.608.933.426.119.5674.328.3117.172.731.27287.423.689.103.486.159.6673.808.4017.402.881.40287.703.859.283.636.239.9073.418.4417.532.951.47287.853.949.373.716.2810.01研究和业务天气预报界以及人道主义部门的工作人员提供的信息此外，它还允许将热舒适指数轻松集成到业务天气预报中。此外，我们希望跨部门用户能够从我们的图书馆中受益，从研究人员和业务气象学家[10]到卫生专业人员[5]以及工程和城市规划人员[34]。热感计算方法正在ECMWF进行测试并集成到业务天气预报系统中。在全球范围内，这将是第一次预测这些方法，并导致实际应用。例如，通过正确的准备措施，热感方法可以挽救生命并建立热弹性[33]。该图书馆也有可能通过开发健康服务的移动应用程序来商业化并应用于不断增长的气候服务领域[35，36]。5. 结论在这里，我们列出了python库thermofeel的关键信息。 该库的设计使热指数可以很容易地纳入数值天气预报和业务预报系统。此外，它坚持开源开发和强大的操作测试和验收程序。我们已经制作了全面的文档，并提供了如何使用此库进一步帮助用户的示例。我们设想，这一图书馆将有利于各部门的广泛用户，并有助于进一步发展极端高温预警系统。资金这项工作由欧盟地平线2020研究和创新计划资助竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作致谢作者要感谢thermofeel的所有贡献者和我们的评审员。引用[1] 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