淺談地理信息系統(tǒng)（GIS）在大氣科學(xué)中的重要應(yīng)用

夏海杰

【摘 要】地理信息系統(tǒng)（GIS）作為新興的空間信息分析技術(shù)手段，其在大氣科學(xué)領(lǐng)域的研究中的意義和價(jià)值已逐漸被廣泛認(rèn)同。由于大氣科學(xué)中的風(fēng)向、溫濕度、降水量、大氣壓強(qiáng)等等關(guān)鍵要素都帶有時(shí)間和空間屬性，屬于地理信息，地理信息系統(tǒng)近年來在大氣科學(xué)領(lǐng)域得到的重視和應(yīng)用正在持續(xù)增加。文章從大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、學(xué)科教育、各類氣象業(yè)務(wù)等方面，結(jié)合地理信息系統(tǒng)的功能特點(diǎn)，綜合討論了地理信息系統(tǒng)在大氣科學(xué)領(lǐng)域中的重要應(yīng)用，期望該技術(shù)能引起廣泛了解與關(guān)注，并得到更加深入的研究和應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】大氣科學(xué)；地理信息系統(tǒng)（GIS）；氣象；空間分析

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS），或稱為“地學(xué)信息系統(tǒng)”，是近二十年興起的一門集地理、統(tǒng)計(jì)、計(jì)算機(jī)等學(xué)科于一體的空間信息分析手段。它以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，存儲(chǔ)、管理、顯示和分析地理信息數(shù)據(jù)，為相關(guān)研究和決策服務(wù)。在大氣科學(xué)領(lǐng)域，天氣信息、氣象要素等數(shù)據(jù)都屬于一種地理信息。這些信息中，譬如風(fēng)向、風(fēng)速、濕度、溫度、大氣壓強(qiáng)等，都帶有其一定的空間和時(shí)間條件，若沒有時(shí)空條件為前提，則這些氣象要素就失去了意義。也由此，地理信息系統(tǒng)在大氣科學(xué)領(lǐng)域得到了更多重視和應(yīng)用。2010年，在上海世博會(huì)的氣象館主題活動(dòng)日中，基于三維GIS技術(shù)開發(fā)的氣象展示系統(tǒng)受到了大眾矚目。該系統(tǒng)可在三維地球模型中瀏覽氣象信息，并能夠?qū)Ω鞣N天氣現(xiàn)象進(jìn)行真實(shí)模擬，可應(yīng)用于氣象科普、宣傳等活動(dòng)。在2016年的第八屆氣象信息化建設(shè)展中，GIS應(yīng)用也是一大展示亮點(diǎn)。地理信息系統(tǒng)在大氣科學(xué)領(lǐng)域正煥發(fā)著蓬勃生機(jī)，并有著廣闊的發(fā)展前景。

一、GIS在大氣環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

近些年來，工業(yè)廢氣，汽車尾氣排放問題嚴(yán)峻，霧霾天氣頻現(xiàn)，城市廣場(chǎng)如同“寂靜嶺”，支氣管疾病、心腦血管疾病高發(fā)，大氣環(huán)境惡化問題使人深深為之憂慮。做好對(duì)大氣環(huán)境的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，是控制其污染必不可少的關(guān)鍵工作。

大氣環(huán)境有兩個(gè)最大的特點(diǎn)：第一，是空間尺度大；第二，是流動(dòng)性極強(qiáng)。因此大氣環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分析工作十分適合運(yùn)用GIS技術(shù)手段去進(jìn)行。政府部門可利用GIS手段建立大氣污染地理信息數(shù)據(jù)庫，收集整理并儲(chǔ)存有大氣污染隱患的相關(guān)企業(yè)位置、該企業(yè)的主要大氣污染物種類、污染物的可能擴(kuò)散范圍及速度、大氣污染高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的地形等信息。除此之外，利用地理信息系統(tǒng)的空間顯示和分析功能，可以得到各類主要污染物在大氣之中的濃度分布情況，并進(jìn)一步獲取大氣污染物的重點(diǎn)污染區(qū)域、各類大氣污染物的超標(biāo)狀況以及推測(cè)主要影響的污染源。

在用GIS手段監(jiān)測(cè)大氣環(huán)境動(dòng)態(tài)方面，我們國家已經(jīng)有了許多的成功實(shí)例：例如在2015年，成都市新津縣環(huán)保局開始采用一套“移動(dòng)污染源點(diǎn)位采集APP系統(tǒng)”，該系統(tǒng)不但可以在地圖上反映出污染源位置，還可以顯示出主要污染種類和負(fù)荷、污染范圍等信息，它能夠綜合統(tǒng)一地管理和分析相關(guān)污染要素，極大地助力了環(huán)保局的日常環(huán)境巡查監(jiān)管工作。同年，以天津市地理國情普查結(jié)果為基礎(chǔ)，該市測(cè)繪院開發(fā)出了“清新空氣監(jiān)督核查APP應(yīng)用系統(tǒng)”。這一款系統(tǒng)不但能夠快速查詢?nèi)械腻仩t、散煤、垃圾堆放場(chǎng)等21類數(shù)據(jù)的地理信息，還能夠反映污染源位置和對(duì)應(yīng)責(zé)任人的聯(lián)系方式，方便了天津市各級(jí)涉氣污染源管理部門的監(jiān)督和查處工作。除此之外，無錫市疾控中心與市氣象局正在合作開發(fā)的“空氣污染與疾病監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)”，以及都江堰開發(fā)污染監(jiān)控應(yīng)用軟件等，都是通過GIS技術(shù)來進(jìn)行大氣環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和分析的。

另外，近些年，由于航空流量增加，國內(nèi)機(jī)場(chǎng)規(guī)模不斷地?cái)U(kuò)大，由飛機(jī)排放出的污染物也日益增加，這成為了一個(gè)新的大氣污染關(guān)注點(diǎn)。飛機(jī)的飛行軌跡是呈線形的，因此飛機(jī)排放的污染源可以當(dāng)作線源處理，于是有學(xué)者開始討論，當(dāng)污染源為線源時(shí)，如何運(yùn)用地理信息系統(tǒng)對(duì)預(yù)測(cè)區(qū)域的大氣污染物濃度進(jìn)行預(yù)測(cè)，并且也已經(jīng)有一定進(jìn)展。

二、GIS在大氣科學(xué)教育中的應(yīng)用

GIS技術(shù)在大氣科學(xué)的學(xué)科教育領(lǐng)域也得到了重視和應(yīng)用。在美國，高等院校的大氣科學(xué)專業(yè)大都開設(shè)了GIS應(yīng)用于該學(xué)科的專門課程。早在1998年，美國喬治梅森大學(xué)地理學(xué)院的希普利教授等在ESRI用戶大會(huì)上就已經(jīng)提出過一個(gè)很重要的概念——“GIS氣象學(xué)”，并希望大氣科學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家們能夠?qū)⒏嗟年P(guān)注放在這上面。這些大學(xué)教授們開設(shè)了課程關(guān)于“地理信息系統(tǒng)在大氣科學(xué)中的應(yīng)用”，旨在讓學(xué)生了解地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)及功能，學(xué)會(huì)將GIS技術(shù)應(yīng)用于氣象決策。課程中，學(xué)生們通過地理信息系統(tǒng)來學(xué)習(xí)如何處理氣象數(shù)據(jù)、如何分析天氣條件與天氣現(xiàn)象以及如何做數(shù)值天氣預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)等等。

而在國內(nèi)，蘭州大學(xué)、南京信息工程大學(xué)等氣象排名較前的高等院校近年來都陸續(xù)開設(shè)了GIS本科專業(yè)，以便培養(yǎng)復(fù)合型技術(shù)人才。尤為值得一提的是，南京信息工程大學(xué)招收研究生時(shí)直接開設(shè)了3S集成與氣象應(yīng)用方向，其對(duì)地理信息系統(tǒng)在大氣科學(xué)中的應(yīng)用的重視程度可見一斑。

三、GIS在氣象業(yè)務(wù)中的應(yīng)用

GIS作為重要的空間地理信息技術(shù)，已經(jīng)在氣象預(yù)報(bào)、氣象災(zāi)害應(yīng)急救援、氣象站點(diǎn)選址分析等方面都得到了很好的應(yīng)用。

（一）GIS在氣象預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

在天氣預(yù)報(bào)方面，將地理、氣象等影響要素在GIS中進(jìn)行空間分析，得到所需的預(yù)報(bào)要素。再通過GIS的數(shù)據(jù)處理及空間顯示功能，制作天氣預(yù)報(bào)圖件。氣象專家還能夠利用GIS技術(shù)分析天氣數(shù)據(jù)與形勢(shì)，從而使天氣預(yù)報(bào)更加準(zhǔn)確。

在臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)方面，利用 GIS進(jìn)行空間分析，可以實(shí)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)路徑查詢、氣旋影響因子分析、臺(tái)風(fēng)源地分析等功能。基于數(shù)據(jù)和算法，結(jié)合遙感技術(shù)，還能夠建立系統(tǒng)定位熱帶氣旋。這方面應(yīng)用的具體實(shí)例有上海臺(tái)風(fēng)研究所和華東師范大學(xué)基于 GIS 技術(shù)合作完成的“西北太平洋熱帶氣旋信息系統(tǒng)”。

在地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報(bào)方面，將影響災(zāi)害的地質(zhì)條件、氣象條件和相關(guān)的氣象災(zāi)害數(shù)據(jù)在GIS中疊加分析，可以構(gòu)造出災(zāi)害預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)綜合判別方法。2006年，國家氣象中心與成都山地所合作開發(fā)的“滑坡和泥石流區(qū)域短期預(yù)報(bào)應(yīng)用系統(tǒng)”，以分析滑坡、泥石流的形成條件為基礎(chǔ)，以 GIS技術(shù)和數(shù)值天氣預(yù)報(bào)方法為手段，建立起了針對(duì)滑坡和泥石流災(zāi)害的預(yù)報(bào)模型，并已投入使用，為社會(huì)服務(wù)。

（二）GIS在氣象災(zāi)害救援指揮中的應(yīng)用

氣象災(zāi)害應(yīng)急救援工作需要多部門及民眾配合，十分復(fù)雜，氣象災(zāi)害應(yīng)急指揮須由有號(hào)召力和領(lǐng)導(dǎo)力的政府承擔(dān)。政府需要正確分析形勢(shì)，快速評(píng)估災(zāi)害并迅速應(yīng)對(duì)。地理信息系統(tǒng)可以對(duì)復(fù)雜的空間屬性信息進(jìn)行管理，當(dāng)某個(gè)區(qū)域有氣象災(zāi)害發(fā)生，可用GIS技術(shù)快速對(duì)受災(zāi)面積，區(qū)域經(jīng)濟(jì)損失進(jìn)行空間分析，及時(shí)完成區(qū)域氣象災(zāi)害評(píng)估，為政府做進(jìn)一步?jīng)Q策提供輔助信息。

另外，在政府進(jìn)行決策和指揮的時(shí)候，還需要知道災(zāi)情現(xiàn)狀、災(zāi)區(qū)地理信息、災(zāi)區(qū)周邊醫(yī)院、物資、救災(zāi)人員等分布情況。結(jié)合估計(jì)的災(zāi)害發(fā)展趨勢(shì)，去進(jìn)行包括救災(zāi)物資、人員、車輛的調(diào)配以及災(zāi)民、財(cái)產(chǎn)的疏散轉(zhuǎn)移。無論是了解災(zāi)情發(fā)展態(tài)勢(shì)，還是根據(jù)現(xiàn)狀進(jìn)行決策、進(jìn)行各部門間的統(tǒng)籌指揮調(diào)度，都需要地理信息系統(tǒng)的協(xié)助，以實(shí)現(xiàn)科學(xué)決策和快速指揮。

（三）GIS在氣象監(jiān)測(cè)站點(diǎn)選址分析中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的氣象站點(diǎn)選址一般都需要工作人員去進(jìn)行實(shí)地考察、現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，但是這種傳統(tǒng)的選址方法不但要耗費(fèi)大量人力物力，還需要花費(fèi)相當(dāng)長的時(shí)間。而GIS技術(shù)能夠幫助我們快速、準(zhǔn)確、節(jié)約地去給氣象觀測(cè)站點(diǎn)進(jìn)行選址?？臻g選址是一般要考慮如何使綜合指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)，利用GIS技術(shù)可以科學(xué)，高效地解決該問題。

我國的各級(jí)氣象部門將我國的行政區(qū)劃等地理信息和全國各類氣象站的相關(guān)信息加載到地理信息系統(tǒng)中，建立起全國氣象臺(tái)站網(wǎng)信息庫，進(jìn)行分層管理，該信息庫可對(duì)氣象監(jiān)測(cè)站點(diǎn)選址提供一定參考依據(jù)。將區(qū)域氣象、地理資料以及高程數(shù)據(jù)一同綜合到GIS中進(jìn)行疊加分析，并根據(jù)中國氣象局發(fā)布的《自動(dòng)氣象站建設(shè)技術(shù)要求》、《全國基層氣象臺(tái)站建設(shè)指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)》等文件中要求的氣象站點(diǎn)建設(shè)條件，用GIS技術(shù)的緩沖區(qū)分析等空間分析方法篩選，初步選出選址地點(diǎn)，然后再進(jìn)行實(shí)地考察并最終定下合適的選址位置。

四、結(jié)語

GIS作為一門新興并且已經(jīng)較為成熟的學(xué)科和技術(shù)，在企業(yè)開發(fā)、科學(xué)研究等各個(gè)方面的應(yīng)用日益增多。大氣科學(xué)與地理信息有著非常密切的聯(lián)系，氣象要素本身含帶有地理信息，這就決定了GIS在大氣科學(xué)領(lǐng)域中必然有廣泛且重要的應(yīng)用。文章結(jié)合作者查找的相關(guān)資料，簡(jiǎn)單整理分析了GIS在大氣科學(xué)中的一些重要應(yīng)用，并列舉了不少實(shí)例來論證說明。GIS的興起不過二十年，作為一門正在蓬勃發(fā)展的新興科學(xué)技術(shù)，其功能和作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于此，地理信息系統(tǒng)在大氣科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用還有待進(jìn)一步挖掘和研究。

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