淺談地理信息系統（GIS）在大氣科學中的重要應用

夏海杰

【摘 要】地理信息系統（GIS）作為新興的空間信息分析技術手段，其在大氣科學領域的研究中的意義和價值已逐漸被廣泛認同。由于大氣科學中的風向、溫濕度、降水量、大氣壓強等等關鍵要素都帶有時間和空間屬性，屬于地理信息，地理信息系統近年來在大氣科學領域得到的重視和應用正在持續增加。文章從大氣環境監測、學科教育、各類氣象業務等方面，結合地理信息系統的功能特點，綜合討論了地理信息系統在大氣科學領域中的重要應用，期望該技術能引起廣泛了解與關注，并得到更加深入的研究和應用。

【關鍵詞】大氣科學；地理信息系統（GIS）；氣象；空間分析

地理信息系統（Geographic Information System，GIS），或稱為“地學信息系統”，是近二十年興起的一門集地理、統計、計算機等學科于一體的空間信息分析手段。它以計算機技術為基礎，存儲、管理、顯示和分析地理信息數據，為相關研究和決策服務。在大氣科學領域，天氣信息、氣象要素等數據都屬于一種地理信息。這些信息中，譬如風向、風速、濕度、溫度、大氣壓強等，都帶有其一定的空間和時間條件，若沒有時空條件為前提，則這些氣象要素就失去了意義。也由此，地理信息系統在大氣科學領域得到了更多重視和應用。2010年，在上海世博會的氣象館主題活動日中，基于三維GIS技術開發的氣象展示系統受到了大眾矚目。該系統可在三維地球模型中瀏覽氣象信息，并能夠對各種天氣現象進行真實模擬，可應用于氣象科普、宣傳等活動。在2016年的第八屆氣象信息化建設展中，GIS應用也是一大展示亮點。地理信息系統在大氣科學領域正煥發著蓬勃生機，并有著廣闊的發展前景。

一、GIS在大氣環境動態監測中的應用

近些年來，工業廢氣，汽車尾氣排放問題嚴峻，霧霾天氣頻現，城市廣場如同“寂靜嶺”，支氣管疾病、心腦血管疾病高發，大氣環境惡化問題使人深深為之憂慮。做好對大氣環境的動態監測，是控制其污染必不可少的關鍵工作。

大氣環境有兩個最大的特點：第一，是空間尺度大；第二，是流動性極強。因此大氣環境動態監測分析工作十分適合運用GIS技術手段去進行。政府部門可利用GIS手段建立大氣污染地理信息數據庫，收集整理并儲存有大氣污染隱患的相關企業位置、該企業的主要大氣污染物種類、污染物的可能擴散范圍及速度、大氣污染高風險區域的地形等信息。除此之外，利用地理信息系統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，并進一步獲取大氣污染物的重點污染區域、各類大氣污染物的超標狀況以及推測主要影響的污染源。

在用GIS手段監測大氣環境動態方面，我們國家已經有了許多的成功實例：例如在2015年，成都市新津縣環保局開始采用一套“移動污染源點位采集APP系統”，該系統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荷、污染范圍等信息，它能夠綜合統一地管理和分析相關污染要素，極大地助力了環保局的日常環境巡查監管工作。同年，以天津市地理國情普查結果為基礎，該市測繪院開發出了“清新空氣監督核查APP應用系統”。這一款系統不但能夠快速查詢全市的鍋爐、散煤、垃圾堆放場等21類數據的地理信息，還能夠反映污染源位置和對應責任人的聯系方式，方便了天津市各級涉氣污染源管理部門的監督和查處工作。除此之外，無錫市疾控中心與市氣象局正在合作開發的“空氣污染與疾病監測預警系統”，以及都江堰開發污染監控應用軟件等，都是通過GIS技術來進行大氣環境動態監測和分析的。

另外，近些年，由于航空流量增加，國內機場規模不斷地擴大，由飛機排放出的污染物也日益增加，這成為了一個新的大氣污染關注點。飛機的飛行軌跡是呈線形的，因此飛機排放的污染源可以當作線源處理，于是有學者開始討論，當污染源為線源時，如何運用地理信息系統對預測區域的大氣污染物濃度進行預測，并且也已經有一定進展。

二、GIS在大氣科學教育中的應用

GIS技術在大氣科學的學科教育領域也得到了重視和應用。在美國，高等院校的大氣科學專業大都開設了GIS應用于該學科的專門課程。早在1998年，美國喬治梅森大學地理學院的希普利教授等在ESRI用戶大會上就已經提出過一個很重要的概念——“GIS氣象學”，并希望大氣科學領域的科學家們能夠將更多的關注放在這上面。這些大學教授們開設了課程關于“地理信息系統在大氣科學中的應用”，旨在讓學生了解地理信息系統的基礎知識及功能，學會將GIS技術應用于氣象決策。課程中，學生們通過地理信息系統來學習如何處理氣象數據、如何分析天氣條件與天氣現象以及如何做數值天氣預測預報等等。

而在國內，蘭州大學、南京信息工程大學等氣象排名較前的高等院校近年來都陸續開設了GIS本科專業，以便培養復合型技術人才。尤為值得一提的是，南京信息工程大學招收研究生時直接開設了3S集成與氣象應用方向，其對地理信息系統在大氣科學中的應用的重視程度可見一斑。

三、GIS在氣象業務中的應用

GIS作為重要的空間地理信息技術，已經在氣象預報、氣象災害應急救援、氣象站點選址分析等方面都得到了很好的應用。

（一）GIS在氣象預報中的應用

在天氣預報方面，將地理、氣象等影響要素在GIS中進行空間分析，得到所需的預報要素。再通過GIS的數據處理及空間顯示功能，制作天氣預報圖件。氣象專家還能夠利用GIS技術分析天氣數據與形勢，從而使天氣預報更加準確。

在臺風預報方面，利用 GIS進行空間分析，可以實現臺風路徑查詢、氣旋影響因子分析、臺風源地分析等功能?；跀祿退惴?，結合遙感技術，還能夠建立系統定位熱帶氣旋。這方面應用的具體實例有上海臺風研究所和華東師范大學基于 GIS 技術合作完成的“西北太平洋熱帶氣旋信息系統”。

在地質災害氣象預報方面，將影響災害的地質條件、氣象條件和相關的氣象災害數據在GIS中疊加分析，可以構造出災害預警標準綜合判別方法。2006年，國家氣象中心與成都山地所合作開發的“滑坡和泥石流區域短期預報應用系統”，以分析滑坡、泥石流的形成條件為基礎，以 GIS技術和數值天氣預報方法為手段，建立起了針對滑坡和泥石流災害的預報模型，并已投入使用，為社會服務。

（二）GIS在氣象災害救援指揮中的應用

氣象災害應急救援工作需要多部門及民眾配合，十分復雜，氣象災害應急指揮須由有號召力和領導力的政府承擔。政府需要正確分析形勢，快速評估災害并迅速應對。地理信息系統可以對復雜的空間屬性信息進行管理，當某個區域有氣象災害發生，可用GIS技術快速對受災面積，區域經濟損失進行空間分析，及時完成區域氣象災害評估，為政府做進一步決策提供輔助信息。

另外，在政府進行決策和指揮的時候，還需要知道災情現狀、災區地理信息、災區周邊醫院、物資、救災人員等分布情況。結合估計的災害發展趨勢，去進行包括救災物資、人員、車輛的調配以及災民、財產的疏散轉移。無論是了解災情發展態勢，還是根據現狀進行決策、進行各部門間的統籌指揮調度，都需要地理信息系統的協助，以實現科學決策和快速指揮。

（三）GIS在氣象監測站點選址分析中的應用

傳統的氣象站點選址一般都需要工作人員去進行實地考察、現場勘測，但是這種傳統的選址方法不但要耗費大量人力物力，還需要花費相當長的時間。而GIS技術能夠幫助我們快速、準確、節約地去給氣象觀測站點進行選址?？臻g選址是一般要考慮如何使綜合指標達到最優，利用GIS技術可以科學，高效地解決該問題。

我國的各級氣象部門將我國的行政區劃等地理信息和全國各類氣象站的相關信息加載到地理信息系統中，建立起全國氣象臺站網信息庫，進行分層管理，該信息庫可對氣象監測站點選址提供一定參考依據。將區域氣象、地理資料以及高程數據一同綜合到GIS中進行疊加分析，并根據中國氣象局發布的《自動氣象站建設技術要求》、《全國基層氣象臺站建設指導標準》等文件中要求的氣象站點建設條件，用GIS技術的緩沖區分析等空間分析方法篩選，初步選出選址地點，然后再進行實地考察并最終定下合適的選址位置。

四、結語

GIS作為一門新興并且已經較為成熟的學科和技術，在企業開發、科學研究等各個方面的應用日益增多。大氣科學與地理信息有著非常密切的聯系，氣象要素本身含帶有地理信息，這就決定了GIS在大氣科學領域中必然有廣泛且重要的應用。文章結合作者查找的相關資料，簡單整理分析了GIS在大氣科學中的一些重要應用，并列舉了不少實例來論證說明。GIS的興起不過二十年，作為一門正在蓬勃發展的新興科學技術，其功能和作用遠遠不止于此，地理信息系統在大氣科學領域中的應用還有待進一步挖掘和研究。

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