掌握Pandas儒略日期计算中的时区处理

pandas的`to_julian_date()`方法在计算儒略日期时，默认基于时间戳的本地化日期和时间组件，而非其绝对utc时刻。这意味着不同时区但显示相同日期的时间戳可能产生相同的儒略日期。要实现真正的时区感知儒略日期计算，反映时间戳的绝对时刻，必须先将其转换为统一的参考时区（如utc），再进行计算。

理解儒略日期与Pandas的时区处理

儒略日期（Julian Date, JD）是一种连续的日期计数系统，它从一个特定的参考点（通常是公元前4713年1月1日格林威治中午12点）开始计算天数。在天文学和科学计算中，儒略日期常用于精确表示时间，且通常基于世界时（UT）或协调世界时（UTC）。

在Pandas中，Timestamp对象支持时区感知（timezone-aware）和时区无关（timezone-naive）的时间戳。然而，当涉及到to_julian_date()方法时，其行为可能与直觉有所不同，尤其是在处理时区感知的时间戳时。

考虑以下示例，两个时间戳表示的日历日期相同，但时区不同：

import pandas as pd

# 伦敦时间 2020年1月1日
ts_london = pd.Timestamp('2020-01-01', tz='Europe/London')
print(f"伦敦时间戳: {ts_london}")
print(f"伦敦时间戳的儒略日期: {ts_london.to_julian_date()}")

# 加德满都时间 2020年1月1日
ts_kathmandu = pd.Timestamp('2020-01-01', tz='Asia/Kathmandu')
print(f"加德满都时间戳: {ts_kathmandu}")
print(f"加德满都时间戳的儒略日期: {ts_kathmandu.to_julian_date()}")

运行上述代码，你会发现它们的儒略日期是相同的：

伦敦时间戳: 2020-01-01 00:00:00+00:00
伦敦时间戳的儒略日期: 2458849.5
加德满都时间戳: 2020-01-01 00:00:00+05:45
加德满都时间戳的儒略日期: 2458849.5

这表明to_julian_date()方法在默认情况下，会直接使用Timestamp对象所表示的本地化日历日期和时间组件（即year, month, day, hour, minute, second等）进行计算，而不会先将时间戳转换为一个统一的参考时区（如UTC）来确定其绝对时刻。换句话说，它关注的是“2020年1月1日”这个字符串在特定时区下的字面含义，而非其对应的全球统一时间点。

从Pandas的内部实现来看，to_julian_date()方法直接提取了self.year, self.month, self.day以及时间部分进行计算。这意味着，只要Timestamp对象在被创建时，其年、月、日等字段被解析为相同的值，即使它们代表了不同的绝对时间点，也会得到相同的儒略日期整数部分（以及基于本地时间的儒略日期小数部分）。

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实现时区感知的儒略日期计算

如果你的目标是计算一个真正反映时间戳绝对时刻的儒略日期，即不同时区但表示同一物理时刻的时间戳应具有相同的儒略日期，那么你需要采取额外的步骤。

解决方案： 在调用to_julian_date()方法之前，显式地将Timestamp对象转换为一个统一的参考时区，最常用且推荐的是UTC。通过tz_convert('UTC')方法，你可以将时间戳调整为UTC时间，此时其年、月、日、时、分、秒等组件将反映该绝对时刻在UTC下的表示。

import pandas as pd

# 伦敦时间 2020年1月1日
ts_london = pd.Timestamp('2020-01-01', tz='Europe/London')
# 转换为UTC后再计算儒略日期
jd_london_utc = ts_london.tz_convert('UTC').to_julian_date()
print(f"伦敦时间戳 (UTC转换后): {ts_london.tz_convert('UTC')}")
print(f"伦敦时间戳的时区感知儒略日期: {jd_london_utc}")

# 加德满都时间 2020年1月1日
ts_kathmandu = pd.Timestamp('2020-01-01', tz='Asia/Kathmandu')
# 转换为UTC后再计算儒略日期
jd_kathmandu_utc = ts_kathmandu.tz_convert('UTC').to_julian_date()
print(f"加德满都时间戳 (UTC转换后): {ts_kathmandu.tz_convert('UTC')}")
print(f"加德满都时间戳的时区感知儒略日期: {jd_kathmandu_utc}")

# 比较两个原始时间戳在UTC下的儒略日期
# 注意：2020-01-01 00:00:00+00:00 和 2020-01-01 00:00:00+05:45 代表的是两个不同的绝对时刻
# 因此，它们转换到UTC后，会得到不同的UTC时间戳，进而得到不同的儒略日期。
# 伦敦的 2020-01-01 00:00:00+00:00 已经是UTC
# 加德满都的 2020-01-01 00:00:00+05:45 对应UTC的 2019-12-31 18:15:00+00:00

输出结果将清晰地显示差异：

伦敦时间戳 (UTC转换后): 2020-01-01 00:00:00+00:00
伦敦时间戳的时区感知儒略日期: 2458849.5
加德满都时间戳 (UTC转换后): 2019-12-31 18:15:00+00:00
加德满都时间戳的时区感知儒略日期: 2458849.2604166665

现在，ts_london和ts_kathmandu虽然原始日历日期相同，但由于它们代表不同的绝对时间点，经过UTC转换后，它们的儒略日期也相应地不同，这符合儒略日期作为绝对时间度量的定义。

注意事项与最佳实践

1. 明确需求： 在使用to_julian_date()时，首先要明确你希望儒略日期是基于时间戳的本地化表示还是其绝对UTC时刻。
2. UTC为基准： 对于需要高精度或跨时区比较的儒略日期计算，始终建议将时间戳转换为UTC后再进行处理。这是天文学和科学计算领域的标准做法。
3. Pandas设计： Pandas的to_julian_date()方法并非“bug”，而是其设计选择。它提供了一个便捷的方式来获取给定Timestamp对象当前表示的日历日期和时间对应的儒略日期。用户需要根据具体应用场景自行决定是否进行时区转换。
4. 时间分量： 儒略日期的小数部分代表一天中的时间。to_julian_date()方法会精确计算到纳秒级别的时间分量。因此，即使是同一天，不同的时间点也会导致儒略日期的小数部分不同。
5. 避免混淆： 在处理日期和时间数据时，尤其是在涉及多个时区或需要精确时间对齐的场景中，明确时区策略至关重要。

总结

Pandas的Timestamp.to_julian_date()方法在默认情况下是基于时间戳的本地化日历日期和时间进行计算的，并不自动进行时区到UTC的转换以确定其绝对时刻。为了获得反映时间戳绝对物理时刻的、时区感知的儒略日期，开发者必须首先使用tz_convert('UTC')方法将时间戳显式地转换为UTC，然后再调用to_julian_date()。理解这一行为对于在Pandas中进行精确的时间序列分析和科学计算至关重要。

以上就是掌握Pandas儒略日期计算中的时区处理的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！