GIS與精細化氣象服務

哈斯塔木嘎

【摘 要】GIS技術(shù)在氣象行業(yè)應用廣泛，具有強大的空間數(shù)據(jù)處理、分析、交換和展示能力。隨著精細化氣象服務目標的實現(xiàn)，基于GIS的應用場景會越來越普遍。該文介紹了GIS技術(shù)與氣象服務應用及GIS關(guān)鍵技術(shù)在空間氣象數(shù)據(jù)、空間插值、空間分析、空間建模等方面不足，得出GIS技術(shù)在精細化氣象服務應用中面臨的強大的機遇與挑戰(zhàn)，為GIS技術(shù)在氣象服務應用提供了科學參考。

【關(guān)鍵詞】氣象服務；精細化；GIS；氣象

0 引言

20世紀60年代末，加拿大測量學家羅杰·湯姆林森首先提出地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）概念。半個世紀以來，GIS技術(shù)與遙感技術(shù)（RS），全球定位系統(tǒng)（GPS）共同發(fā)展形成了“3S”技術(shù)，并在國土、水文、林業(yè)、農(nóng)業(yè)、旅游、交通、房地產(chǎn)等行業(yè)得到廣泛應用。近幾年，氣象工作者開始認識到GIS技術(shù)的使用價值，氣象行業(yè)中引入GIS技術(shù)取得了豐碩成果。

經(jīng)過氣象工作者不斷探索和實踐，基于GIS“農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃”和“氣象災害風險區(qū)劃”等成果在科學決策及防災、減災中起到了支撐作用。還針對氣象行業(yè)GIS應用和發(fā)展需要，研發(fā)了氣象地理信息系統(tǒng)（Meteo GIS），實現(xiàn)了GIS技術(shù)與氣象行業(yè)應用融合。在應用氣象方面，建立了大量GIS應用系統(tǒng)，特別是運用3S技術(shù)的衛(wèi)星監(jiān)測分析與遙感應用系統(tǒng)（SMART）。該系統(tǒng)借助地理信息處理技術(shù)提供了監(jiān)測、分析和統(tǒng)計工具。

目前，GIS技術(shù)在氣象服務中已取得實踐性成果，較好的實現(xiàn)了氣象數(shù)據(jù)管理、發(fā)布、共享、展示、分析等問題。但氣象數(shù)據(jù)在通用GIS系統(tǒng)中應用仍然存在較多問題。比如精細化氣象格點數(shù)據(jù)GIS應用對業(yè)務系統(tǒng)設(shè)計提出了更加苛刻要求；氣象要素本地化精確插值問題也沒有得到很好的解決。本文參閱前人研究基礎(chǔ)上，綜述精細化氣象服務與GIS技術(shù)融合中必須解決的一些關(guān)鍵問題并作出討論。

1 精細化氣象服務

精細化氣象服務是多行業(yè)、多領(lǐng)域、多學科的融合效能最大化結(jié)果，較高時空分辨率，以“智慧”的方式產(chǎn)生和傳播。所以精細化氣象服務就是基于高分辨率數(shù)值預報解釋應用的多行業(yè)衍生產(chǎn)品，且制作、分發(fā)過程要高度智能化。

2 基于GIS精細化氣象服務

隨著行業(yè)供給側(cè)改革深入開展，氣象服務精細化水平不斷提升，基于GIS的精細化氣象服務場景將會越來越普及，下面分別介紹。

2.1 智能終端氣象服務產(chǎn)品

進入移動互聯(lián)時代，掌上終端氣象服務迅速發(fā)展，為用戶提供智能化、定制化的氣象服務。利用移動定位技術(shù)，隨時隨地獲取當前位置的氣象信息服務。陳治杰等[1]研發(fā)國內(nèi)首個具備屬地化展示和集約管理的掌上氣象服務系統(tǒng)，實現(xiàn)了氣象服務產(chǎn)品的精細化、專業(yè)性和信息化方向。

2.2 評估類氣象服務產(chǎn)品

為決策氣象服務提供科學精細化的評估類產(chǎn)品。王衛(wèi)民[2]等基于GIS進行時空數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)融合，提高了氣象數(shù)據(jù)的使用率和氣象服務的準確率。梁鳳娟等[3]在GIS理論的基礎(chǔ)上，針對農(nóng)業(yè)氣象災害時空分布規(guī)律，建立重大農(nóng)業(yè)災害的災前預警、災中跟蹤、災后評估及其減災控制。

2.3 行業(yè)氣象服務產(chǎn)品

利用GIS結(jié)合監(jiān)測、預報、預警等信息建立行業(yè)氣象應用。諸如電力系統(tǒng)安全保障、公路交通運行保障、氣象條件風險預警。吳彬[4]等研發(fā)了特色農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預警平臺，有效地提升了特色農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預警業(yè)務能力。林志強等[5]基于GIS計算網(wǎng)格森林火險天氣等級，為林區(qū)森林防火工作提供有效參考。沈萍月[6]基于GIS的空間分析對交通氣象服務技術(shù)的應用進行探討，在交通氣象導航的應用也進行了嘗試，改善了交通氣象服務效果。

3 GIS應用關(guān)鍵技術(shù)

氣象服務與GIS技術(shù)融合，需要解決以下幾個關(guān)鍵技術(shù)問題，闡述如下。

3.1 空間氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)大體分為結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)源。結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)主要包括數(shù)據(jù)庫和各類氣象數(shù)據(jù)接口。非結(jié)構(gòu)化諸如格點預報產(chǎn)品和各類融合、同化產(chǎn)品。但這些格式均不是通用GIS數(shù)據(jù)格式，GIS系統(tǒng)不能直接處理。因此，首先要解決的就是氣象數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換問題。氣象數(shù)據(jù)必須重新組織形成空間氣象數(shù)據(jù)，就是說把氣象服務數(shù)據(jù)和GIS數(shù)據(jù)相疊加，形成以GIS格式存儲的氣象信息，就可以在GIS應用中快速交換和處理。

3.2 空間氣象數(shù)據(jù)插值

空間插值是氣象信息處理最為廣泛的分析算法之一。氣象領(lǐng)域應用最多的插值方法為ANUSPLIN[7]和Cressman[8]插值算法。Cressman插值采用逐步訂正方法進行最優(yōu)化插值。ANUSPLIN使用函數(shù)逼近曲面的一種方法。而這些方法在本地應用中哪個能表現(xiàn)出最佳性能就有待進一步研究。

3.3 空間分析技術(shù)

GIS具有強大的空間分析能力，它能表達出地理要素的空間位置與空間關(guān)系。把氣象數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換后形成空間數(shù)據(jù)，可以在GIS系統(tǒng)中進行數(shù)據(jù)檢索、分析。提供基于位置點的氣象信息服務，通過GPS定位的位置信息傳送到服務器，根據(jù)空間搜索得到周邊格點數(shù)據(jù)，經(jīng)過本地空間插值算法，推算出此位置的氣象要素值。還可以提供面統(tǒng)計分析，用于災害預警、災害分析及評估。

3.4 空間建模技術(shù)

GIS技術(shù)提供了較強的空間建模能力，如柵格運算、影響范圍分析、緩沖區(qū)分析等災害損失評估模型建立手段。

4 總結(jié)與思考

GIS技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)氣象信息的綜合查詢與檢索；能夠?qū)暮π蕴鞖庾魃钊敕治銎鸬捷o助決策作用；能夠提高服務產(chǎn)品的可視化水平。上述特性有效提升了氣象服務精細化水平。

未來氣象數(shù)據(jù)空間插值方法將進一步綜合發(fā)展，過程將會越來越復雜。GIS技術(shù)可以大大減少工作量，各類模型與GIS的進一步結(jié)合將會成為趨勢。而通用GIS數(shù)據(jù)模型還不能夠很好地支持氣象數(shù)據(jù)的存儲與管理，部分空間分析能力對于氣象復雜應用支持力度不夠，GIS可視化技術(shù)與氣象信息科學可視化總體要求還存在一定的差距。這些都是亟待解決的關(guān)鍵問題。

【參考文獻】

[1]陳治杰，趙伯聽.基于客戶端移動信息化氣象服務平臺[J].氣象科技進展，2017，7（01）：179-185.

[2]王衛(wèi)民，葉秋菊，賀文麗，李婧.基于GIS的氣象時空數(shù)據(jù)挖掘和融合技術(shù)[J].電子科技，2014，27（02）：130-133.

[3]梁鳳娟，張喜林，高貴榮，仇巧玲，韓軍.基于GIS的巴彥淖爾市政策性農(nóng)業(yè)保險氣象服務的研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2012，40（03）：1792-1793+1808.

[4]吳彬，李艷芳，劉雙喜，陳中赟，駱麗楠，吳亞嵐.基于GIS的湖州特色農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預警平臺研制及應用[J].浙江農(nóng)業(yè)科學，2016，57（05）：760-764.

[5]林志強，馬艷鮮，德慶，邊多.基于GIS和RS的西藏森林火險等級計算方法[J].氣象科技，2014，42（06）：1147-1153.

[6]沈萍月，李建，潘婭英，楊忠恩.高速公路氣象服務技術(shù)及應用[J].氣象科技，2014，42（06）：1159-1162.

[7]劉志紅，Tim R.McVicar，Van Niel，T.G，楊勤科，李銳.專用氣候數(shù)據(jù)空間插值軟件ANUSPLIN及其應用[J].氣象，2008（02）：92-100.

[8]馮錦明，趙天保，張英娟.基于臺站降水資料對不同空間內(nèi)插方法的比較[J].氣候與環(huán)境研究，2004（02）：261-277.