地理信息系統(tǒng)在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用

王煥哲

摘 要：地理信息系統(tǒng)作為一門重要的信息技術(shù)，近年來已經(jīng)被深入應(yīng)用于氣象領(lǐng)域。GIS在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用不僅僅是直觀地表達(dá)天氣預(yù)報的結(jié)果，而且還可以利用GIS強(qiáng)大的空間分析功能，對氣象信息與其他地理空間信息進(jìn)行綜合的空間疊加分析。本文主要分析地理信息系統(tǒng)在天氣預(yù)報應(yīng)用、人工影響天氣、地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報、氣象災(zāi)害評估、氣象資料管理與可視化分析以及綜合氣象服務(wù)系統(tǒng)等氣象業(yè)務(wù)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng);天氣預(yù)報;人工影響天氣;氣象防災(zāi)減災(zāi)

中圖分類號：P208文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）01-0156-03

Abstract： As an important information technology， geographic information system （GIS） has been widely used in the field of Meteorology in recent years. GIS is not only used to analyze weather information， but also to analyze weather information. This paper mainly analyzed the application of GIS in weather forecast， weather modification， geological disaster weather forecast， meteorological disaster assessment， meteorological data management and visualization analysis and integrated meteorological service system.

Keywords： geographic information system;weather forecast;weather modification;meteorological disaster prevention and mitigation

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）是運(yùn)用計算機(jī)軟、硬件系統(tǒng)，對目標(biāo)空間的相關(guān)地理要素信息數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、管理、計算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)[1]，具有強(qiáng)大的空間分析和數(shù)據(jù)管理能力。氣象業(yè)務(wù)與地理信息密切相關(guān)，氣象預(yù)報與服務(wù)產(chǎn)品、人工影響天氣作業(yè)、氣象防災(zāi)減災(zāi)等重大氣象業(yè)務(wù)都是作用于某一地理坐標(biāo)范圍內(nèi)的產(chǎn)品與服務(wù)，不存在沒有地理坐標(biāo)的氣象業(yè)務(wù)活動。GIS技術(shù)在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用推動氣象事業(yè)的精準(zhǔn)化、信息化發(fā)展。圖1是地理信息系統(tǒng)概述圖。

1 GIS的重要性和優(yōu)勢

GIS是一門綜合性的空間信息技術(shù)，它具備儲存、管理、分析、顯示與應(yīng)用地理信息的功能（圖2）。GIS的優(yōu)勢在于可以管理和查詢海量的氣象信息，通過參照氣象模型對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和分析處理，并且可以在地圖上以可視化的方式表達(dá)模型計算結(jié)果[1]。同時，根據(jù)長期積累下來的歷史數(shù)據(jù)，GIS還可以體現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)在空間和時間范圍內(nèi)的動態(tài)信息，為氣象服務(wù)提供科學(xué)依據(jù)。由于氣象數(shù)據(jù)往往包含空間信息，如距離地面的氣壓層垂直高度以及經(jīng)緯度等，因此借助GIS處理氣象數(shù)據(jù)適配性很高。

近年來，隨著GIS技術(shù)的迅速發(fā)展，其在實用性及功能方面有所提升，運(yùn)用GIS技術(shù)發(fā)展新一代氣象分析軟件系統(tǒng)，讓預(yù)報人員能將各式各樣的實用探測資料有序地在同一個平臺上顯示出來，包括自動氣象站數(shù)據(jù)、天氣雷達(dá)圖像、氣象衛(wèi)星云圖、高空探測數(shù)據(jù)、閃電定位資料以及預(yù)報模式數(shù)據(jù)等。GIS不僅能有效處理數(shù)據(jù)，而且在處理圖像方面也有著獨(dú)特的優(yōu)勢。氣象部門向測繪地信部門提供相關(guān)的氣象數(shù)據(jù)與服務(wù)，包括地面氣象觀測站、高空氣象觀測站觀測資料，地面、高空氣候標(biāo)準(zhǔn)值數(shù)據(jù)集，氣象衛(wèi)星云圖、全國天氣雷達(dá)圖像產(chǎn)品，數(shù)值預(yù)報模式產(chǎn)品等，同時測繪地信局也會向氣象局提供不同比例的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，以及國家地理信息公眾服務(wù)平臺在線服務(wù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和交換，加強(qiáng)信息交流與互動溝通，進(jìn)一步推動氣象事業(yè)的發(fā)展。

2 GIS在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用

GIS技術(shù)能實現(xiàn)天氣預(yù)報結(jié)果的直觀表達(dá)，即定位與天氣預(yù)報結(jié)論一一對應(yīng)的地理坐標(biāo)。通過對地理信息圖層的繪制、透明和疊加，對氣象信息與地理信息空間進(jìn)行多維度分析，結(jié)合遙感圖像技術(shù)實現(xiàn)多維可視化。GIS憑借其強(qiáng)大的空間分析能力以及數(shù)據(jù)管理、處理、加工、顯示能力，實現(xiàn)預(yù)報預(yù)警、氣候分析、資源監(jiān)控、公眾服務(wù)、信息發(fā)布、系統(tǒng)管理等功能，為各級各類氣象服務(wù)提供智能化、網(wǎng)格化、全面化的綜合管理，通過對GIS技術(shù)的深度應(yīng)用以及衛(wèi)星監(jiān)測、雷達(dá)監(jiān)測、外推預(yù)報圖形、自動站數(shù)據(jù)等產(chǎn)品的疊加，為短臨天氣預(yù)報、精細(xì)化格點預(yù)報、災(zāi)害氣象風(fēng)險預(yù)警等服務(wù)提供有力支撐。GIS在氣象預(yù)報與服務(wù)、人工影響天氣、氣象防災(zāi)減災(zāi)、氣象數(shù)據(jù)資料管理等關(guān)鍵環(huán)節(jié)都發(fā)揮著重要作用。

2.1 GIS在天氣預(yù)報與服務(wù)過程的應(yīng)用

GIS技術(shù)與氣象業(yè)務(wù)流程緊密結(jié)合，將點射的實時數(shù)據(jù)網(wǎng)格化管理，業(yè)務(wù)人員借助其較好的空間分析、加工、處理和顯示能力，將地理信息、觀測采集到的氣象要素數(shù)據(jù)資料作為自變量，建立模式方程，得出相應(yīng)要素的預(yù)報結(jié)論，繪制出氣象預(yù)報圖、區(qū)域天氣多因素影響疊加分析圖，制作智能化的多媒體系統(tǒng)天氣預(yù)報的數(shù)據(jù)圖表和圖像，使天氣預(yù)報完成數(shù)據(jù)可視化，協(xié)助預(yù)報員更好地解讀和敘述天氣狀況，同時使公眾能更為形象化地掌握天氣狀況。天氣預(yù)報數(shù)據(jù)可視化極大地提高了氣象服務(wù)的效率和質(zhì)量。

GIS技術(shù)在農(nóng)牧業(yè)氣候區(qū)劃服務(wù)中應(yīng)用廣泛。GIS對農(nóng)作物和牲畜生長特性、地理信息、氣象資料等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加空間分析，生成農(nóng)業(yè)氣象區(qū)劃圖，幫助廣大農(nóng)民群眾根據(jù)區(qū)域條件，選擇適宜的農(nóng)作物、牲畜開展生產(chǎn)、養(yǎng)殖活動。GIS技術(shù)依據(jù)氣候資料、行政部門界限、等值線、氣象站網(wǎng)站部位等信息內(nèi)容，創(chuàng)建氣候地理模型，獲得農(nóng)業(yè)區(qū)劃氣象數(shù)據(jù)信息，并制成服務(wù)產(chǎn)品?？茖W(xué)種植有利于提高農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)效益，降低歉收風(fēng)險。

2.2 GIS在人工影響天氣業(yè)務(wù)的應(yīng)用

人工影響天氣是通過一定的技術(shù)手段對目標(biāo)空間范圍內(nèi)的大氣環(huán)境進(jìn)行趨利避害的人為干預(yù)。人工影響天氣作業(yè)的過程離不開運(yùn)用GIS技術(shù)的預(yù)先資料準(zhǔn)備。作業(yè)前期，通過GIS技術(shù)對作業(yè)炮點、空域地理位置數(shù)據(jù)、衛(wèi)星云圖資料、雷達(dá)回波數(shù)據(jù)及實時上傳的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加空間分析與數(shù)據(jù)管理，生成專業(yè)數(shù)據(jù)資料。人工影響天氣部門的作業(yè)單位可通過搭建基于GIS技術(shù)的作業(yè)指揮平臺，實現(xiàn)各類氣象數(shù)據(jù)的分析、融合、疊加、顯示，為人工影響天氣作業(yè)人員提供有效的科學(xué)決策依據(jù)。王以琳等以GIS為基礎(chǔ)，把人工增雨、防雹資料分析、作業(yè)指揮、數(shù)據(jù)傳遞、效果分析等項市級人工增雨、防雹業(yè)務(wù)較完整地匯總到一個工作平臺上，建立了可視化地市級人工影響天氣業(yè)務(wù)技術(shù)系統(tǒng)[2]。

2.3 GIS在氣象防災(zāi)減災(zāi)業(yè)務(wù)的應(yīng)用

我國幅員遼闊，具有溫帶大陸性氣候、溫帶季風(fēng)氣候、亞熱帶季風(fēng)氣候、高原山地氣候等多種氣候類型，自然災(zāi)害種類較多且發(fā)生較為頻繁。相關(guān)業(yè)務(wù)人員在雷達(dá)原始觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的基礎(chǔ)上，借助GIS技術(shù)將不同的雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)與地理數(shù)據(jù)分析、數(shù)值模型計算相結(jié)合，通過提供臺風(fēng)、暴雨、強(qiáng)對流天氣的監(jiān)測圖像，實現(xiàn)氣象災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)布、氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)的三維可視化展示、雷達(dá)站點運(yùn)行情況監(jiān)測等功能，滿足氣象業(yè)務(wù)和公眾生活對氣象信息資源的需求，提高災(zāi)害性氣象分析的精確度和應(yīng)急決策的科學(xué)性。利用公眾服務(wù)平臺監(jiān)測報警功能，事先在天氣災(zāi)害易爆發(fā)區(qū)域設(shè)定報警警戒值，一旦氣象數(shù)據(jù)達(dá)到警戒值，會自動報警，氣象部門的工作人員根據(jù)事先制定好的流程制作相應(yīng)的服務(wù)材料，向各個相關(guān)部門分發(fā)預(yù)警信息，做好防災(zāi)減災(zāi)的準(zhǔn)備，以減少災(zāi)害損失，保障國家和人民的生命財產(chǎn)安全。

GIS可以有效地助力日常管理和汛情防范工作，也能為防汛指揮調(diào)度有序進(jìn)行提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和決策依據(jù)，確保防汛工作更加科學(xué)、高效。利用GIS技術(shù)對地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、水利和水務(wù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、氣象時空數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析，整合河道產(chǎn)匯流分析、水情水質(zhì)相關(guān)關(guān)系分析、水質(zhì)水量調(diào)度分析、受災(zāi)影響預(yù)測、河段水污染風(fēng)險分析等資料，為防汛業(yè)務(wù)決策提供科學(xué)依據(jù)。GIS技術(shù)結(jié)合遙感影像技術(shù)可以實現(xiàn)受災(zāi)地點地理信息、河網(wǎng)水系、行政區(qū)劃、責(zé)任河段，以及監(jiān)測站網(wǎng)、監(jiān)控站點、巡河軌跡、定位預(yù)警的空間可視化，通過強(qiáng)大的空間分析技術(shù)支撐，有效實現(xiàn)空間要素定位查詢、業(yè)務(wù)處理可視化交互、大數(shù)據(jù)分析可視化表達(dá)。根據(jù)當(dāng)前雨情、水情和預(yù)判信息，針對流域的大型水庫，生成防洪供水調(diào)度方案，并預(yù)判下游防汛形勢[3]。

2.4 GIS在建立氣象資料數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用

氣象事業(yè)發(fā)展多年來產(chǎn)生了海量的氣象數(shù)據(jù)，利用GIS技術(shù)可實現(xiàn)氣象觀測數(shù)據(jù)、氣象離散數(shù)據(jù)及氣象格網(wǎng)數(shù)據(jù)的完整保存，建立氣象數(shù)據(jù)資料庫，實現(xiàn)氣象歷史數(shù)據(jù)資源的科學(xué)智能化管理與研究應(yīng)用。

目前，我國國家氣象局信息中心、國家衛(wèi)星氣象中心分別利用技術(shù)建立了基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫、風(fēng)云系列衛(wèi)星觀測影像數(shù)據(jù)庫，還將繼續(xù)建立其他氣象資料空間數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)的一體化管理，為氣象科研工作提供了有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[4]。空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)多樣化，使氣象數(shù)據(jù)便于存取調(diào)用與其他管理，便于氣象科學(xué)研究人員對數(shù)據(jù)的分析利用，探索氣象數(shù)據(jù)之間的相互聯(lián)系。空間數(shù)據(jù)庫可用于氣象監(jiān)測站點、氣象歷史與實時數(shù)據(jù)、氣象衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、空氣污染預(yù)測數(shù)據(jù)、空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)條例和評價等級、決策項目和邊界條件數(shù)據(jù)等氣象資料管理工作[5]。

3 結(jié)語

將地理信息系統(tǒng)應(yīng)用于氣象領(lǐng)域，可實現(xiàn)氣象臺站數(shù)據(jù)的實時采集、分析統(tǒng)計、閾值告警等一系列功能，達(dá)到氣象實況監(jiān)控、圖表分析統(tǒng)計、分級預(yù)警提示、多數(shù)據(jù)地圖疊加展示、氣象臺站精準(zhǔn)定位、設(shè)備遠(yuǎn)程維護(hù)等目的，并能有效解決氣象站臺常見人員緊缺、不能實時監(jiān)控的問題，為開展氣象預(yù)報預(yù)警工作提供全面、直觀的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為管理人員的資源調(diào)度提供可視化支持，推動了氣象事業(yè)的發(fā)展。

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