GIS技術在氣象領域的應用

摘 要：GIS是一種基于計算機的工具，可以對空間信息進行分析和處理。目前，GIS技術已被廣泛應用于氣象領域。本文主要對GIS技術在氣象災害風險區劃、農業氣候區劃、天氣預報以及人工影響天氣中的應用進行歸納分析，通過探討GIS技術在氣象領域中的相關應用，為氣象業務的發展提供參考。

關鍵詞：GIS技術;氣象;氣象災害風險區劃;農業氣候區劃;天氣預報

中圖分類號：P409 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）14-0150-03

The Application of GIS Technology in the Meteorology Field

WANG Yuyan

（Xinxiang Meteorological Bureau，Xinxiang Henan 453000）

Abstract： GIS is a computer-based tool that can analyze and process spatial information. At present， GIS technology has been widely used in meteorological field. This paper mainly summarized and analysed the application of GIS technology in meteorological disaster risk zoning， agroclimatic zoning， weather forecast and weather modification. By discussing the related application of GIS technology in meteorological field， it can provide reference for the development of meteorological business.

Keywords： GIS technology;meteorology;meteorological disaster risk zoning;agroclimatic zoning;weather forecast

1 研究背景

隨著全球化、網絡化和知識經濟的快速發展，地理信息系統（Geographic Information System，GIS）作為一門綜合性學科，結合地理科學、地圖學、遙感科學以及計算機科學等學科，被廣泛應用于不同領域。地理信息系統（GIS）是在計算機硬件與軟件系統的支持下，對地球表層空間的相關地理要素信息數據進行采集、存儲、管理、計算、分析、顯示和描述的技術系統。GIS技術憑借其強大的數據管理和空間分析功能，在國土、林業、農業、旅游、交通等多種行業得到廣泛應用。近年來，GIS技術在氣象領域的應用也越來越廣泛，氣象工作者將其應用于氣象歷史資料管理、氣象災害風險區劃、農業氣候區劃、天氣預報及人工影響天氣等方面。

在國內外研究中，GIS技術現已被廣泛應用于氣象領域。國外氣象部門與專業GIS開發公司合作，開發出專業的氣象GIS模塊，使GIS平臺能滿足氣象科研的需求。NCAR（美國國家大氣研究中心）不斷研究GIS技術，實現了應用GIS技術從簡單的氣象數據共享發展為較復雜的空間分析功能，對空間數據分析功能、空間信息基礎設施建設功能、氣象要素插值方法等模式進行二次開發，最終取得了一系列的成果;NCAR還與ESRI公司（美國環境系統研究所公司）合作建立了氣象數據模型，多種氣象專業分析模型和應用系統就建立在這樣的GIS平臺上[1]。國外許多學者還對GIS技術的空間分析方法進行了研究，并將其應用到氣象領域。例如，Gergelova M等學者通過改進IDW（Inverse Distance Weighted）空間插值法形成了一種新的方法，并將其命名為梯度加反距離平方法。該方法能有效消除地形、坡度和海拔的影響，通過對區域氣候數據生成的表面溫度、壓強等氣象要素的比較，進一步加強分析的準確性。

國內也對GIS技術與氣象的結合進行了多方面研究，研究主要集中在氣象數據管理、氣象災害風險區劃、農業氣候區劃、天氣預報和人工影響天氣等多個方面。接下來，主要從這幾個方面研究GIS技術在氣象領域中的應用。

2 GIS技術在氣象領域的應用

2.1 GIS技術在氣象數據管理中的應用

近年來，氣象部門利用GIS技術實現了氣象數據的管理和應用，基于GIS技術來存儲海量的氣象觀測數據、氣象離散數據及氣象格網數據等，建立氣象資料空間數據庫。GIS技術可以提供多種空間數據結構，使氣象數據以點、線、面的形式存在，并以對象方式存儲和操作，使多種氣象數據之間形成相互聯系。GIS空間數據庫可用于氣象監測站點、氣象歷史與實時數據、氣象衛星影像數據、空氣污染預測數據、空氣質量標準及法規條例和評價等級、決策項目和邊界條件數據等氣象資料管理工作。目前，我國國家氣象局信息中心已建立了1∶50 000基礎地理信息數據庫，還陸續建立了其他氣象資料空間數據庫;同時，國家衛星氣象中心建立了風云系列衛星觀測影像數據庫。這些數據庫的建立實現了空間數據的一體化管理，為氣象科研工作提供了有效的數據基礎，為廣大人民群眾提供了更加精確、更高質量的公共氣象服務[2]。

2.2 GIS技術在氣象災害風險區劃中的應用

氣象災害是自然災害之一，主要包括暴雨洪澇、干旱、高溫、臺風等。氣象災害波及范圍廣，影響程度深，對社會經濟發展及人民生命財產安全造成重大威脅。我國是氣象災害最為嚴重的國家之一，災害種類多、分布地域廣、發生頻率高、造成損失嚴重。聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）[3]在《管理極端事件和災害風險，推進氣候變化適應》中指出，氣象災害風險是災害事件、暴露度和脆弱性三者的函數，即氣象災害事件及其影響是災害發生的事實和自然系統的暴露度與脆弱性共同作用的結果[4]。氣象災害風險的形成受多重因素影響，必須具備引發氣象災害的致災因子，并對人類的人身和財產造成威脅，這樣才能被稱作風險。進行氣象災害風險區劃及氣象災害風險評估有助于防范氣象災害的發生，減少氣象災害給人們生命財產安全帶來的損失。而將GIS技術應用于氣象災害風險區劃中，能為以區域為對象的防災減災規劃提供科學的依據和理論參考。

例如，暴雨洪澇災害是我國發生頻率較高的氣象災害之一，造成的社會經濟損失嚴重。利用GIS的空間分析功能，結合氣象數據、水文數據、社會經濟數據等，得到某一區域某一時間段發生暴雨洪澇災害的頻次和強度。通過分析暴雨洪澇災害的暴露度和脆弱性指標，利用GIS的空間插值功能繪制出某一區域暴雨洪澇災害的風險區劃圖。結合風險區劃圖可以對未來某一時間可能發生暴雨洪澇災害的區域進行評估，評估暴雨洪澇災害可能影響的區域范圍以及可能影響到的人口數，進而建立災害損失評估模型，評估災害損失，使災害評估結果定量化，為決策者制定有效的預警措施提供依據。

2.3 GIS技術在農業氣候區劃中的應用

隨著科技的進步，農業生產也朝著科技農業、智慧農業的方向發展。農業生產的前提是因地制宜，適宜的氣候條件是農作物生長的基礎，是最基本的外界條件。因此，進行合理的農業氣候區劃有助于提高農作物種植的合理性，提高農作物產量，保證農作物高質量生產，從而提升經濟效益，滿足廣大農民群眾的需求。由于不同農作物生長所需的外界條件不同，對溫度、降水量、日照時數、海拔高度、地溫等氣象要素都有一定的嚴格要求，因此，廣大農民及農業技術人員需要根據不同區域的氣候特征，選取較為適宜的農作物進行種植，這樣才能更高效地利用自然資源，提升農作物的質量與產量。部分農民在種植農作物時，可能會忽視自然條件，主觀性較強，種植的作物可能不適應當地的氣候特征，造成農作物產量較低。而進行農業氣候區劃能為廣大農民提供一定的數據支撐和科學分析，為農作物的選取提供參考，具有重要意義。

目前，GIS技術已在農業氣候區劃中得到廣泛應用，對農業相關要素進行空間分析，通過農業數據與氣象資料、地形數據等空間數據的疊加，對緩沖區進行分析，獲取精細化的農業產品。例如，利用GIS工具中的反距離加權插值方法對某一區域的地面氣象要素，如降水、氣溫、日照時數等進行空間插值，疊加DEM數據進行分析，最后生成農業氣候區劃圖，最后結合不同作物所需的最優生長條件，選取適合該區域種植的作物。

2.4 GIS技術在天氣預報中的應用

GIS具有強大的空間分析功能。近年來，GIS技術在數值天氣預報業務中發揮著越來越重要的作用，其在天氣預報中的應用主要表現在以下幾方面。①對單個站點的實測數據進行網格化，根據不同需求建立模式方程，利用方程將地理信息數據、氣象數據資料等作為自變量進行空間分析，從而得到所需的不同天氣要素的預報結論。②通過發揮GIS的加工、處理及顯示的功能，制作出數字化的天氣預報圖，也可以利用GIS繪制出不同氣象要素的預報結果，用來分析天氣數據及天氣形勢，從而獲得更加準確的天氣預報結論。③將氣象要素如降水、日照時數等與地圖信息、DEM數據等疊加，進而分析天氣要素受地形等因素的影響程度，為區域性的天氣預報提供參考。

2.5 GIS技術在人工影響天氣中的應用

人工影響天氣主要是利用人為手段，使天氣現象朝著人們所預定的方向進行轉化。人工影響天氣主要包括人工降水、人工防雹等。其是在一定的有利條件下，通過人工催化等技術手段，對局部大氣中的物理過程進行人工干預，使某些天氣現象發生變化，達到減輕或避免氣象災害的目的。人工影響天氣工作是氣象服務的重點內容，特別是人工降水作業，對緩解旱情、增加農作物產量發揮了重要作用。利用GIS技術，可以對大量地理信息數據進行系統化管理，提出適用于飛機、火箭人工降水的科學決策，創建實時監控、信息查詢等人工影響天氣平臺。王以琳等[5]以GIS技術為基礎，把人工增雨資料、人工防雹資料、作業指揮方法、數據傳遞路徑和效果分析結論等多種信息完整地匯總到一個工作平臺上，直觀有效地為人工影響天氣作業提供技術參考。李艷萍[6]利用GIS技術對炮站的定位數據、衛星云圖資料、雷達回波數據和氣象觀測數據等進行疊加，使多種數據融合，對人工影響天氣進行分析論述，為人工影響天氣作業時間的選取提供較為完善的氣象數據資料。王媛等[7]利用GIS技術實現觀測資料在人工影響天氣作業指揮中的應用，開發了基于GIS的人影作業指揮系統。該系統利用GIS實現各類氣象數據的分析、融合、疊加、顯示，建立了基于GIS的人工影響天氣作業指揮平臺，實現了對土壤墑情、自動氣象站、衛星和雷達等氣象資料的綜合分析應用，為制訂科學合理的人工影響天氣作業方案提供依據和理論參考。

3 結語

GIS技術具有空間數據管理、集成和空間分析等能力。將GIS技術廣泛應用于氣象領域，能為氣象研究提供信息與技術支撐，推動氣象事業快速發展。

參考文獻：

[1]劉維.基于RS和GIS的江蘇省重大農業氣象災害監測、預警系統的研究[D].南京：南京信息工程大學，2012.

[2]楊桂菊，石偉偉，黃騫.GIS技術在氣象領域應用綜述[J].廣西師范學院學報（自然科學版），2014（1）：67-72.

[3]Intergovernmental Panel on Climate Change（IPCC）.Managing the Risks of Extreme Events and Disasters to Advance Climate Change Adaptation：Special Report of Working Groups I and II of the Intergovernmental Panel on Climate Change[M]. Cambridge ：Cambridge University Press，2012.

[4]王豫燕，王艷君，姜彤.江蘇省暴雨洪澇災害的暴露度和脆弱性時空演變特征[J].長江科學院院報，2016（4）：27-32.

[5]王以琳，黃磊.地市級人工影響天氣業務技術系統[J].氣象科技，2007（4）：535-540.

[6]李艷萍.基于GIS技術的人工影響天氣業務系統的設計[J].氣象研究與應用，2005（4）：35-37.

[7]王媛，劉佳，楊娜娜，等.GIS技術在人工影響天氣作業氣象探測資料分析中的應用[J].中國農學通報，2011（6）：455-458.