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NOAA Global Hydro Estimator (GHE)

Weather GHE AIforEarth NOAA

Estimativas de precipitação global em intervalos de 15 minutos.

O programa Global Hydro Estimator (GHE, Calculadora de Precipitação Global) da NOAA produz estimativas de precipitação global (entre -60° e +60° de latitude) a cada 15 minutos, numa resolução de ~4km. As estimativas são obtidas de imagens de satélite e dados do Global Forecast System (Sistema de Previsão Global) da NOAA. Os detalhes do algoritmo do GHE estão disponíveis aqui.

Este conjunto de dados está disponível no Azure graças ao NOAA Big Data Program (Programa de Macrodados da NOAA).

Recursos de armazenamento

Os dados são armazenados em blobs no formato NetCDF em gzip no datacenter da região E.U.A. Leste, no seguinte contentor de blobs:

https://ghe.blob.core.windows.net/noaa-ghe

Nesse contentor, os dados terão o nome de:

[product]/[year]/[month]/[day]/[filename]

  • product é o nome de um produto. Deve ser sempre “rainfall”
  • year é um ano com quatro dígitos
  • month é um código de mês do ano de dois dígitos a partir de 01
  • day é um código de dia do mês de dois dígitos a partir de 01
  • filename codifica o produto, data e hora, em que os últimos quatro dígitos codificam a hora no formato de 24 horas em limites de 15 minutos

Por exemplo, este nome de ficheiro:

https://ghe.blob.core.windows.net/noaa-ghe/rain_rate/2020/04/02/NPR.GEO.GHE.v1.S202004020030.nc.gz

…contém a estimativa de precipitação de 15 minutos de 2 de abril de 2020 às 00:30 UTC.

A amostragem de latitude e longitude não é perfeitamente uniforme, pelo que existe um ficheiro adicional disponível para especificar a grelha de lat/lon precisa associada a todos os ficheiros do GHE (~160 MB):

https://ghe.blob.core.windows.net/noaa-ghe/NPR.GEO.GHE.v1.Navigation.netcdf.gz

Um exemplo completo de Python do acesso e traçado de uma imagem do GHE (isto é, uma estimativa global instantânea) está disponível no bloco de notas fornecido em “data access” (acesso aos dados).

Também disponibilizamos um token de SAS (assinatura de acesso partilhado) só de leitura para permitir o acesso aos dados do GHE através, por exemplo, do BlobFuse, que lhe permite montar contentores de blobs como unidades:

st=2020-04-14T00%3A09%3A17Z&se=2034-04-15T00%3A09%3A00Z&sp=rl&sv=2018-03-28&sr=c&sig=%2F1X7FhDPqwF9TYzXVvB8D%2BX%2F%2B3OYbDdMkXpKU37T6eI%3D

As instruções de montagem para Linux estão disponíveis aqui.

O processamento de grande escala com este conjunto de dados é realizado com o máximo da sua eficiência no datacenter do Azure da região E.U.A. Leste, onde os dados estão armazenados. Se utilizar dados do GHE para aplicações de ciência ambiental, considere candidatar-se a uma bolsa AI for Earth para apoiar os seus requisitos de computação.

Imagem gráfica


Precipitação diária global a 9 de abril de 2020.

Contacto

Para colocar questões sobre este conjunto de dados, contacte aiforearthdatasets@microsoft.com.

Avisos

A MICROSOFT DISPONIBILIZA OS CONJUNTOS DE DADOS ABERTOS DO AZURE TAL COMO ESTÃO. A MICROSOFT NÃO FAZ GARANTIAS, EXPRESSAS OU IMPLÍCITAS, NEM CONDIÇÕES RELATIVAMENTE À SUA UTILIZAÇÃO DOS CONJUNTOS DE DADOS. ATÉ AO LIMITE MÁXIMO PERMITIDO PELA LEGISLAÇÃO LOCAL, A MICROSOFT REJEITA QUALQUER RESPONSABILIDADE POR DANOS OU PERDAS, INCLUINDO DIRETOS, CONSEQUENCIAIS, ESPECIAIS, INDIRETOS, INCIDENTAIS OU PUNITIVOS, QUE RESULTEM DA SUA UTILIZAÇÃO DOS CONJUNTOS DE DADOS.

Este conjunto de dados é disponibilizado de acordo com os termos originais em que a Microsoft recebeu os dados de origem. O conjunto de dados pode incluir dados obtidos junto da Microsoft.

Access

Available inWhen to use
Azure Notebooks

Quickly explore the dataset with Jupyter notebooks hosted on Azure or your local machine.

Select your preferred service:

Azure Notebooks

Azure Notebooks

Package: Language: Python

Demo notebook for accessing NOAA Global Hydro Estimator data on Azure

This notebook provides an example of accessing NOAA Global Hydro Estimator (GHE) data from blob storage on Azure, including (1) finding data files corresponding to a date, (2) retrieving those files from blob storage, (3) opening the downloaded files using the NetCDF4 library, and (4) rendering global rainfall on a map.

GHE data are stored in the East US data center, so this notebook will run most efficiently on Azure compute located in East US. We recommend that substantial computation depending on GHE data also be situated in East US. If you are using GHE data for environmental science applications, consider applying for an AI for Earth grant to support your compute requirements.

Imports and environment

In [1]:
# Mostly-standard imports
import os
import gzip
import tempfile
import numpy as np
import shutil
import urllib
import requests
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib as mpl
from scipy.interpolate import interp2d
from tqdm import tqdm

# Less-common-but-still-pip-installable imports
import netCDF4
from azure.storage.blob import ContainerClient
from mpl_toolkits.basemap import Basemap

# pip install progressbar2, not progressbar
import progressbar

# Storage locations are documented at http://aka.ms/ai4edata-ghe
ghe_account_name = 'ghe'
ghe_container_name = 'noaa-ghe'
ghe_account_url = 'https://' + ghe_account_name + '.blob.core.windows.net'
ghe_blob_root = ghe_account_url + '/' + ghe_container_name + '/'

# Create a ContainerClient to enumerate blobs
ghe_container_client = ContainerClient(account_url=ghe_account_url, 
                                         container_name=ghe_container_name,
                                         credential=None)

# The grid spacing for all GHE files is defined in a separate NetCDF file.  Uniform
# interpolation is close, but it's not perfectly regular.
grid_file_url = 'https://ghe.blob.core.windows.net/noaa-ghe/NPR.GEO.GHE.v1.Navigation.netcdf.gz'

temp_dir = os.path.join(tempfile.gettempdir(),'ghe')
os.makedirs(temp_dir,exist_ok=True)

%matplotlib inline

Functions

In [2]:
def download_url(url, destination_filename=None, progress_updater=None,
                 force_download=False, verbose=True):
    """
    Download a URL to a temporary file
    """
    if not verbose:
        progress_updater = None
		
    # This is not intended to guarantee uniqueness, we just know it happens to guarantee
    # uniqueness for this application.
    if destination_filename is None:
        url_as_filename = url.replace('://', '_').replace('/', '_')    
        destination_filename = \
            os.path.join(temp_dir,url_as_filename)
    if (not force_download) and (os.path.isfile(destination_filename)):
        if verbose:
            print('Bypassing download of already-downloaded file {}'.format(
                os.path.basename(url)))
        return destination_filename
    if verbose:
        print('Downloading file {} to {}'.format(os.path.basename(url),
                                                 destination_filename),end='')
    urllib.request.urlretrieve(url, destination_filename, progress_updater)  
    assert(os.path.isfile(destination_filename))
    nBytes = os.path.getsize(destination_filename)
    if verbose:
        print('...done, {} bytes.'.format(nBytes))
    return destination_filename

Download the grid spacing file

In [3]:
# This file is ~150MB, so best to cache this
grid_filename_gz = download_url(grid_file_url,verbose=True)
with gzip.open(grid_filename_gz) as gz:
        grid_dataset = netCDF4.Dataset('dummy', mode='r', memory=gz.read())
        print(grid_dataset.variables)
        lat_grid_raw = grid_dataset['latitude']
        lon_grid_raw = grid_dataset['longitude']
Bypassing download of already-downloaded file NPR.GEO.GHE.v1.Navigation.netcdf.gz
{'latitude': <class 'netCDF4._netCDF4.Variable'>
float32 latitude(lines, elems)
    long_name: latitude of GHE (positive North)
    units: degrees
    parameter_type: GHE rain
    valid_range: [-65.  65.]
    _FillValue: -9999.0
unlimited dimensions: 
current shape = (4800, 10020)
filling on, 'longitude': <class 'netCDF4._netCDF4.Variable'>
float32 longitude(lines, elems)
    long_name: longitude of GHE (positive East)
    units: degrees
    parameter_type: GHE rain
    valid_range: [-180.  180.]
    _FillValue: -9999.0
unlimited dimensions: 
current shape = (4800, 10020)
filling on}

Select data

In [4]:
# Data are stored as product/year/month/day/filename
product = 'rain_rate'

# Grab data from April 9, 2020
syear = '2020'; smonth = '04'; sday = '09'

# Filenames look like:
#
# NPR.GEO.GHE.v1.S202001170000.nc.gz
#
# ...where the last four digits represent time, n increments of 15 minutes from 0000

# We can either sum over a whole day, or take a single 15-minute window
single_time_point = False

if single_time_point:
    
    # Pick an arbitrary time of day to plot
    stime = '0200'
    
    filename = 'NPR.GEO.GHE.v1.S' + syear + smonth + sday + stime + '.nc.gz'
    blob_urls = [ghe_blob_root + product + '/' + syear + '/' + smonth + '/' + sday + '/' \
                 + filename]
    
else:
    
    prefix = product + '/' + syear + '/' + smonth + '/' + sday
    print('Finding blobs matching prefix: {}'.format(prefix))
    generator = ghe_container_client.list_blobs(name_starts_with=prefix)
    blob_urls = []
    for blob in generator:
        blob_urls.append(ghe_blob_root + blob.name)
    print('Found {} matching scans'.format(len(blob_urls)))
Finding blobs matching prefix: rain_rate/2020/04/09
Found 96 matching scans

Read and sum the datasets

In [5]:
rainfall = None
variable_description = None

n_valid = np.zeros(lat_grid_raw.shape)
rainfall = np.zeros(lat_grid_raw.shape)

for i_blob,blob_url in tqdm(enumerate(blob_urls),total=len(blob_urls)):
    
    # Typical files are ~3MB compressed
    filename = download_url(blob_url,verbose=False)

    # NetCDF4 can read directly from gzip without unzipping the file to disk
    with gzip.open(filename) as gz:
        dataset = netCDF4.Dataset('dummy', mode='r', memory=gz.read())

    rainfall_sample = dataset['rain'][:]
    
    # There are fill values in here where data isn't available.  If we were really trying to
    # produce global rainfall estimates over a fixed time period, we would think carefully
    # about what we want to do with those invalid values, e.g. averaging over all the *valid*
    # values at each grid cell, instead of summing.
    rainfall_sample[rainfall_sample < 0] = 0
    
    variable_description = str(dataset.variables)        
    rain_units = dataset['rain'].units
    rainfall = rainfall + rainfall_sample
        
    dataset.close()

min_rf = np.min(rainfall)
max_rf = np.max(rainfall)

print('Ranfall ranges from {}{} to {}{}'.format(min_rf,rain_units,max_rf,rain_units))

# Make a 'backup' so we can tinker, as one does in notebooks
rainfall_raw = rainfall.copy();

# Take a look at what's in each NetCDF file
print(variable_description)
100%|██████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████| 96/96 [01:53<00:00,  1.18s/it]
Ranfall ranges from 0.0mm to 1110.815962344408mm
{'rain': <class 'netCDF4._netCDF4.Variable'>
float32 rain(lines, elems)
    long_name: GHE Global Instantaneous rain total for 202004092345
    grid_range: Lat 65 to -65, Lon -180 to +180
    units: mm
    parameter_type: GHE rain
    valid_range: [  0. 508.]
    _FillValue: -9999.0
unlimited dimensions: 
current shape = (4800, 10020)
filling on}

Prepare indices, downsample for faster plotting

In [6]:
image_size = np.shape(rainfall_raw)
nlat = image_size[0]; nlon = image_size[1]

assert(np.shape(rainfall_raw)==np.shape(lat_grid_raw))
assert(np.shape(rainfall_raw)==np.shape(lon_grid_raw))

# Downsample by decimation
ds_factor = 10

lon_grid = lon_grid_raw[::ds_factor,::ds_factor,]
lat_grid = lat_grid_raw[::ds_factor,::ds_factor,]
rainfall = rainfall_raw[::ds_factor,::ds_factor,]

Plot rainfall

In [7]:
plt.figure(figsize=(20,20))

# Prepare a matplotlib Basemap so we can render coastlines and borders
m = Basemap(projection='merc',
  llcrnrlon=np.nanmin(lon_grid),urcrnrlon=np.nanmax(lon_grid),
  llcrnrlat=np.nanmin(lat_grid),urcrnrlat=np.nanmax(lat_grid),
  resolution='c')

# Convert lat/lon to a 2D grid
# lon_grid,lat_grid = np.meshgrid(lon,lat)
x,y = m(lon_grid,lat_grid)

# Clip our plot values to an upper threshold, and leave anything
# below the lower threshold as white (i.e., unplotted)
n_files = len(blob_urls)
upper_plot_threshold = n_files*10
lower_plot_threshold = n_files*0.01

Z = rainfall.copy()
Z[Z > upper_plot_threshold] = upper_plot_threshold
Z[Z < lower_plot_threshold] = np.nan
Z = np.ma.masked_where(np.isnan(Z),Z)

# Choose normalization and color mapping
norm = mpl.colors.LogNorm(vmin=Z.min(), vmax=Z.max(), clip=True)
cmap = plt.cm.Blues

# Plot as a color mesh
cs = m.pcolormesh(x,y,Z,norm=norm,cmap=cmap)

# Draw extra stuff to make our plot look fancier... sweeping clouds on a plain background
# are great, but sweeping clouds on contentinal outlines are *very* satisfying.
m.drawcoastlines()
m.drawmapboundary()
m.drawparallels(np.arange(-90.,120.,30.),labels=[1,0,0,0])
m.drawmeridians(np.arange(-180.,180.,60.),labels=[0,0,0,1])
m.colorbar(cs)

plt.title('Global rainfall ({})'.format(rain_units))
plt.show()

Clean up temporary files

In [ ]:
shutil.rmtree(temp_dir