NetCDF

网络通用数据格式（英語：，NetCDF）是一种自描述、与机器无关、基于数组的科学数据格式，同时也是支持创建、访问和共享这一数据格式的函式库。该项目主页位于美国大气科学研究大学联盟（UCAR）的Unidata规划网站。它也是netCDF软件、标准开发、更新等的主要来源。NetCDF格式是一种开放标准。NetCDF的经典格式和64位偏移量格式是开放地理空间协会采用的国际标准[1]。

Network Common Data Form
.nc
application/netcdf
application/x-netcdf
特征签名CDF\001
CDF\002
\211HDF\r\n\032\n
CDF\005
开发者美国大气科学研究大学联盟（UCAR）
最新版本
4.7.4
(2020年6月2日​（2020-06-02）)
格式类型科学二进制数据
延伸自通用数据格式（CDF）
外部数据表示法（XDR）
层级数据格式（HDF）
网站

该项目开始于1989年，UCAR目前对其积极支持，在新发行版中改进性能、增加功能并修正缺陷，当前版本系列是netCDF-4，在编译时也可以选择只建造netCDF-3库[2]。

历史

1985年美国国家航空航天局（NASA）的国家空间科学数据中心（NSSDC）设计并开发了通用数据格式（CDF），CDF最初是用FORTRAN写成并只能在VAX/VMS环境下获得[3]。Unidata在1987年8月成立了关于CDF的工作组，提议探索与NASA协作扩展CDF的FORTRAN接口，定义C接口，并允许用一个单一调用访问数据聚集，同时要维持与现存NASA接口兼容的可能性。在1988年早些时候，Unidata的Glenn Davis用C开发了原型netCDF包，它位于网络表示层XDR格式的上层[4]。这个原型证明了CDF接口的基于XDR的一个单一文件实现可以在可接受代价下完成，而结果的程序可以在UNIX和VMS系统二者上实现。但这也说明了提供一个小的、可移植的、兼容于NASA CDF的有想要的通用性的FORTRAN接口是不实际的。NASA的CDF和Unidata的netCDF从此独立发展，但新近的CDF版本与netCDF共享了很多特征。[5]

1991年Unidata发布了netCDF版本2.0，1997年发布了版本3.3。2003年7月美国能源部的阿贡国家实验室和西北大学贡献了叫做并行-NetCDF（或称PnetCDF）的一个netCDF并行计算扩展[6]。2004年在NASA的资助下，Unidata与美国国家超级计算应用中心（NCSA）开始合作增进netCDF和HDF5的互操作性。2008年Unidata发布了版本4.0，允许使用HDF5数据文件格式。同时发布了版本3.6.3，它与版本4.0是同样的代码但关掉了netcdf-4特征，目前netCDF-3库仍然在世界各地被广泛使用。2010年Unidata发布了版本4.1.1，增加了对C和Fortran客户端通过OPeNDAP访问远程数据的特定子集的支持，并使用PnetCDF库支持在netCDF经典格式（CDF-1、CDF-2和2012年推出的CDF-5）上的并行I/O。[5]

格式描述

netCDF库支持netCDF文件的多种不同的二进制格式[7]：

  • 在最初netCDF发行中使用的经典格式CDF-1，它仍是文件建立的缺省格式。
  • 在版本3.6.0中介入的64-bit偏移量格式CDF-2，它支持更大的变量和文件大小。
  • 在版本4.0中介入的netCDF-4/HDF5格式，它是带有一些限制的HDF5数据格式[8]。
  • 在版本4.1中开始支持对HDF4 SD格式的只读访问[9]。
  • 在版本4.4.0中介入了CDF-5格式，协同于并行-netcdf计划的规定[10]。

所有格式都是“自描述的”。 这意味其中有一个头部，它描述文件余下部分的格局，特别是数组数据，连同以名称/值特性形式的任意文件元数据。这个格式是跨平台的，涉及的问题如字节序在软件库中解决。数据以允许有效的构造子集的方式来存储。

起始于版本4.0，netCDF API允许使用HDF5数据格式[11]。NetCDF用户可以建立HDF5文件从而获得netCDF格式不具备的利益，比如更大的文件和多重无限制的维度。

完全后向兼容，可访问旧有netCDF文件并支持以前版本的C和Fortran API。

软件

netCDF常用于气候学、气象学和海洋学应用，如天气预报、气候变化；也用于地理信息系统应用，是很多GIS应用的输入/输出格式；并用于通用科学数据交换。从它的站点引述如下[12]：netCDF（网络公用数据格式）是用于面向数组数据访问的一组接口，和针对C、Fortran、C++、Java和其他语言的一套自由发行的数据访问库。netCDF库支持用来表示科学数据的一种机器无关格式。接口、库和格式一起支持建立、访问和共享科学数据。

访问库

UCAR发布的软件库提供了对netCDF文件的读写访问，编码和解码所需的数组和元数据。核心库是用C编写的，并为 C、C++应用提供API，为Fortran应用提供两个API，一个给Fortran 77，一个给Fortran 90。Unidata还开发维护一个独立实现，使用100% Java写成，它扩展了核心数据模型并增加了额外的功能。还可获得其他语言的到基于C库的netCDF的接口，包括R（ncdf[13]、ncvar和RNetCDF[14]包）、Perl数据语言、Python、Ruby、Haskell[15]、Mathematica、MATLAB、IDL和Octave。API调用规定在不同语言间非常类似，尽管有着不可避免的不同语法。版本2的API调用与版本3的调用相当不同，但出于后向兼容而被版本3和版本4支持。应用编程者使用受支持语言，在正常情况下不需要关心文件结构自身，即使它是作为开放格式而获得的。

应用

现在已经写出了使用netCDF文件的范围广泛的应用程序。它们的范围从命令行实用程序到图形可视化包。下面列出其中一小部分，而更长的列表可见于UCAR网站列表[16]：

  • NetCDF算子（NCO页面存档备份，存于[17]）套件是针对netCDF文件的常用Unix命令行实用工具集，它提供一套命令来操纵和分析netCDF文件，包括基本记录串接、数组分片和平均。
  • ncview页面存档备份，存于[18]是netCDF格式文件的可视浏览器。这个程序是可视化在netCDF文件中的场的简单、快速、基于GUI的工具。
  • NCAR命令语言页面存档备份，存于[19]（NCL）可用来分析和可视化netCDF中的数据（还支持其他格式）。
  • 网格分析和显示系统（GrADS）是交互式桌面工具，用来容易的访问、操纵和可视化地球科学数据。
  • Python语言访问netCDF文件可以用PyNIO模块（还支持其他格式）[20]；还可以用Python模块netCDF4-python来读取[21]；还可以用xarray模块变成类似pandas的DataFrame[22]。
  • R语言通过包来支持netCDF，包括ncdf4（也支持HDF5）[23]，和RNetCDF（不支持HDF5）[24]。
  • 地理数据抽象库（GDAL页面存档备份，存于[25]）提供对netCDF数据的读写访问支持[26]。
  • Panoply页面存档备份，存于[27]是netCDF文件查看器，它关注地理网格数据的表示。它是用Java写成因而跨平台。
  • ECMWF的Metview页面存档备份，存于[28]工作站和批处理系统可以处理NetCDF和GRIB及BUFR。
  • Ferret页面存档备份，存于[29]是交互式计算机可视化和分析环境，设计用来满足海洋学者和气象学者分析巨大而且复杂的网格数据。
  • HDFql页面存档备份，存于[30]使用户能在C、C++、Java、Python、C#、Fortran和R语言中通过高层语言（类似SQL）来管理netCDF-4/HDF5文件。

元数据约定

气候和预报（CF）约定是对地球科学数据的元数据约定，意图用于促进处理和共享通过NetCDF应用编程接口（API）建立的文件。CF约定于2003年建立，普遍化并扩展了早期的协作海洋/大气研究数据服务（COARDS页面存档备份，存于[31]）约定和对气候数据的Gregory/Drach/Tett（GDT）约定[32]。CF约定定义了与数据包含在同一个文件中的元数据，从而使得文件“自我描述”，提供对在每个变量中的数据表示的是什么的确切描述，和数据的空间的和时间的属性的确切描述，包括关于网格的信息，比如网格单元边界和单元平均方法。这使得能够使用来自不同来源的数据，确定哪些数据是可比较的，并允许建造有着强力的提取、重新插值和显示能力的应用。Unidata 在2007年至2011年开发了LibCF库页面存档备份，存于[33]。

并行-NetCDF

并行-NetCDF扩展建造在MPI-IO之上，它是对MPI的I/O扩展。使用高层netCDF数据结构，并行-NetCDF库可以进行优化而在多处理器间高效分配文件读和写应用。并行-NetCDF包只可以读/写经典和64-bit偏移量格式。并行-NetCDF不能读或写在netCDF-4.0中可获得的基于HDF5的格式。并行-NetCDF包使用不同但类似的Fortran和C的API。

在Unidata netCDF库中自从版本4.0已经支持对HDF5数据文件的并行I/O。Unidata NetCDF C库自从版本4.1.1使用并行-NetCDF库支持对经典和64-bit偏移量文件的并行 I/O，但使用NetCDF API。

与其他格式库的互操作性

netCDF C库，和基于它的库：Fortran 77和Fortran 90、C++和所有第三方库，自从版本4.1.1开始可以读一些其他数据格式的数据。HDF5格式的数据可以读取，但有一些限制[34]。使用HDF4科学数据（SD）API建立的HDF4格式的数据，可以用netCDF C库读取。

NetCDF-Java通用数据模型

NetCDF-Java库目前已经能够读取很多文件格式和远程访问协议，并且正在开发对一些其他的格式的支持。因为这些都是通过NetCDF API透明的进行访问，NetCDF-Java库被称为实现了科学数据集的“通用数据模型”。

参见
  • 通用数据格式 (CDF)
  • CGNS (CFD General Notation System)
  • EAS3 (Ein-Ausgabe-System)
  • FITS (Flexible Image Transport System)
  • GRIB (GRIdded Binary)
  • 层级数据格式（HDF）
  • OPeNDAP 客户-服务器协议
  • Tecplot 二进制文件
  • XMDF (eXtensible Model Data Format)

引用
  1. . Opengeospatial.org. [2013-11-27].
  2. Building netCDF with Classic Library Only 页面存档备份，存于.
  3. . [2019-06-08]. （原始内容存档于2018-06-19）.
  4. File Structure and Performance: The Extended XDR Layer 页面存档备份，存于.
  5. . [2019-06-06].
  6. . Mcs.anl.gov. 2013-11-17 [2013-11-27]. （原始内容存档于2008-12-01）.
  7. The netCDF File Format 页面存档备份，存于.
  8. File Structure and Performance: Parts of a NetCDF-4 HDF5 File 页面存档备份，存于.
  9. Appendix B. File Format Specifications: HDF4 SD Format 页面存档备份，存于.
  10. CDF-5 file format specification 页面存档备份，存于.
  11. . Unidata.ucar.edu. [2013-11-27]. （原始内容存档于2015-06-17）.
  12. . Unidata Program Center. [2012-11-26]. （原始内容存档于2013-03-15）.
  13. . Cirrus.ucsd.edu. 2013-08-06 [2013-11-27]. （原始内容存档于2013-12-03）.
  14. . Cran.r-project.org. 2012-07-19 [2013-11-27]. （原始内容存档于2013-12-02）.
  15. . hackage.haskell.org. 2014-07-10 [2014-07-10]. （原始内容存档于2014-07-09）.
  16. russ. . Unidata.ucar.edu. 1990-01-01 [2013-11-27]. （原始内容存档于2013-12-02）.
  17. . [2019-06-16]. （原始内容存档于2019-06-16）.
  18. . [2019-06-05]. （原始内容存档于2014-02-12）.
  19. . [2020-09-26]. （原始内容存档于2004-05-07）.
  20. . Pyngl.ucar.edu. 2011-07-28 [2013-11-27]. （原始内容存档于2013-11-25）.
  21. . [2017-12-04]. （原始内容存档于2017-11-29）.
  22. . [2016-09-07]. （原始内容存档于2016-09-01）.
  23. David Pierce (2014). ncdf4: Interface to Unidata netCDF (version ) format data files. R package version 1.13. https://cran.r-project.org/package=ncdf4 页面存档备份，存于
  24. Pavel Michna and with contributions from Milton Woods (2015). RNetCDF: Interface to NetCDF Datasets. R package version 1.7-3. https://cran.r-project.org/package=RNetCDF
  25. . [2019-06-21]. （原始内容存档于2019-06-17）.
  26. . Gdal.org. [2013-11-27]. （原始内容存档于2013-06-06）.
  27. . [2019-06-05]. （原始内容存档于2014-06-20）.
  28. . [2019-06-21]. （原始内容存档于2019-06-01）.
  29. . [2019-06-18]. （原始内容存档于2019-06-18）.
  30. . [2020-09-26]. （原始内容存档于2019-09-16）.
  31. . [2019-06-18]. （原始内容存档于2019-06-18）.
  32. NetCDF Conventions 页面存档备份，存于.
  33. . [2019-06-16]. （原始内容存档于2015-02-28）.
  34. File Structure and Performance: Interoperability with HDF5 页面存档备份，存于.

外部链接
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