Numpy代码中tmp_k与qhum值同步变化的原因问询

问题重现 #

你提供的MCVE代码执行后，出现修改qhum数值时tmp_k同步变化的异常，我补充了未定义的hgt变量以便代码可运行，完整代码如下：

import numpy as np
press_in = [98100,97400,95300,94100]
tmp_in = [285.6,289,290.4,290]
qhum_in = [0.0087998267,0.0089221532,0.0095515558,0.0080244699]
psfc = 980.085*1e2
q2m = 0.00907988
t2m = 285.615
nlev = 4 + 1
press = np.zeros(nlev,dtype = 'float32')
press[:] = np.nan
press[1:] = press_in
tmp_k = np.zeros(nlev,dtype = 'float32')
tmp_k[:] = np.nan
tmp_k[1:] = tmp_in
qhum = np.zeros(nlev,dtype = 'float32')
qhum[:] = np.nan
qhum[1:] = qhum_in
tmp_k[0] = t2m
# 补充定义hgt变量以避免报错
hgt = np.full(nlev, np.nan, dtype='float32')
qhum[0] = q2m
press[0] = psfc
np.put(press,np.squeeze(np.where(press >= psfc))[1:],np.nan)
missing = np.logical_or(np.logical_or(np.isnan(press),np.isnan(qhum)),np.logical_or(np.isnan(tmp_k),np.isnan(hgt)))
allmissing = np.zeros(nlev,dtype = 'float32')
allmissing[:] = np.nan
tmp_k = tmp_k[np.logical_not(np.isnan(np.where(missing,np.nan,tmp_k)))]
allmissing[:len(tmp_k)] = tmp_k
tmp_k = allmissing
qhum = qhum[np.logical_not(np.isnan(np.where(missing,np.nan,qhum)))]
allmissing[:len(qhum)] = qhum
qhum = allmissing

原因分析 #

这个问题的核心是NumPy数组的引用赋值机制，我用大白话给你拆解：
你可以把NumPy数组想象成一个装数据的盒子，变量名（比如tmp_k、qhum、allmissing）就是贴在盒子上的标签。

1. 你先创建了allmissing这个盒子，里面装满了nan。
2. 执行tmp_k = allmissing时，你并没有复制一个新盒子，只是给allmissing这个旧盒子贴了第二个标签tmp_k——现在两个标签指向同一个盒子，动其中一个，另一个的内容肯定会变。
3. 接着你执行allmissing[:len(qhum)] = qhum，直接把qhum的数据塞进了这个共享盒子里，此时tmp_k对应的盒子内容已经被悄悄替换了。
4. 最后执行qhum = allmissing，相当于给这个盒子贴了第三个标签qhum，最终tmp_k和qhum完全指向同一个盒子，数值自然完全一致。

解决办法 #

如果你想让tmp_k和qhum各用各的盒子，需要使用数组复制操作，而不是直接贴标签：

• 用tmp_k = allmissing.copy()代替tmp_k = allmissing，这会复制出一个全新的盒子给tmp_k
• 同理，qhum = allmissing.copy()代替qhum = allmissing

修改后的关键代码片段：

allmissing = np.zeros(nlev,dtype = 'float32')
allmissing[:] = np.nan
tmp_k = tmp_k[np.logical_not(np.isnan(np.where(missing,np.nan,tmp_k)))]
allmissing[:len(tmp_k)] = tmp_k
tmp_k = allmissing.copy()  # 复制出独立的新数组
# 重置allmissing，准备存放qhum的数据
allmissing[:] = np.nan
qhum = qhum[np.logical_not(np.isnan(np.where(missing,np.nan,qhum)))]
allmissing[:len(qhum)] = qhum
qhum = allmissing.copy()  # 复制出独立的新数组

这样修改后，tmp_k和qhum就会指向各自独立的内存空间，修改其中一个不会影响另一个。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Vinayak Huggannavar