摘 要：GIS是一種基于計(jì)算機(jī)的工具，可以對(duì)空間信息進(jìn)行分析和處理。目前，GIS技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于氣象領(lǐng)域。本文主要對(duì)GIS技術(shù)在氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃、農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃、天氣預(yù)報(bào)以及人工影響天氣中的應(yīng)用進(jìn)行歸納分析，通過探討GIS技術(shù)在氣象領(lǐng)域中的相關(guān)應(yīng)用，為氣象業(yè)務(wù)的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：GIS技術(shù);氣象;氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃;農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃;天氣預(yù)報(bào)

中圖分類號(hào)：P409 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(wǎng)絡(luò)化和知識(shí)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）作為一門綜合性學(xué)科，結(jié)合地理科學(xué)、地圖學(xué)、遙感科學(xué)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科，被廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域。地理信息系統(tǒng)（GIS）是在計(jì)算機(jī)硬件與軟件系統(tǒng)的支持下，對(duì)地球表層空間的相關(guān)地理要素信息數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、管理、計(jì)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。GIS技術(shù)憑借其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理和空間分析功能，在國(guó)土、林業(yè)、農(nóng)業(yè)、旅游、交通等多種行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。近年來，GIS技術(shù)在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，氣象工作者將其應(yīng)用于氣象歷史資料管理、氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃、農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃、天氣預(yù)報(bào)及人工影響天氣等方面。

在國(guó)內(nèi)外研究中，GIS技術(shù)現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于氣象領(lǐng)域。國(guó)外氣象部門與專業(yè)GIS開發(fā)公司合作，開發(fā)出專業(yè)的氣象GIS模塊，使GIS平臺(tái)能滿足氣象科研的需求。NCAR（美國(guó)國(guó)家大氣研究中心）不斷研究GIS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用GIS技術(shù)從簡(jiǎn)單的氣象數(shù)據(jù)共享發(fā)展為較復(fù)雜的空間分析功能，對(duì)空間數(shù)據(jù)分析功能、空間信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)功能、氣象要素插值方法等模式進(jìn)行二次開發(fā)，最終取得了一系列的成果;NCAR還與ESRI公司（美國(guó)環(huán)境系統(tǒng)研究所公司）合作建立了氣象數(shù)據(jù)模型，多種氣象專業(yè)分析模型和應(yīng)用系統(tǒng)就建立在這樣的GIS平臺(tái)上[1]。國(guó)外許多學(xué)者還對(duì)GIS技術(shù)的空間分析方法進(jìn)行了研究，并將其應(yīng)用到氣象領(lǐng)域。例如，Gergelova M等學(xué)者通過改進(jìn)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(duì)區(qū)域氣候數(shù)據(jù)生成的表面溫度、壓強(qiáng)等氣象要素的比較，進(jìn)一步加強(qiáng)分析的準(zhǔn)確性。

國(guó)內(nèi)也對(duì)GIS技術(shù)與氣象的結(jié)合進(jìn)行了多方面研究，研究主要集中在氣象數(shù)據(jù)管理、氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃、農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃、天氣預(yù)報(bào)和人工影響天氣等多個(gè)方面。接下來，主要從這幾個(gè)方面研究GIS技術(shù)在氣象領(lǐng)域中的應(yīng)用。

2 GIS技術(shù)在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 GIS技術(shù)在氣象數(shù)據(jù)管理中的應(yīng)用

近年來，氣象部門利用GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了氣象數(shù)據(jù)的管理和應(yīng)用，基于GIS技術(shù)來存儲(chǔ)海量的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)、氣象離散數(shù)據(jù)及氣象格網(wǎng)數(shù)據(jù)等，建立氣象資料空間數(shù)據(jù)庫。GIS技術(shù)可以提供多種空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使氣象數(shù)據(jù)以點(diǎn)、線、面的形式存在，并以對(duì)象方式存儲(chǔ)和操作，使多種氣象數(shù)據(jù)之間形成相互聯(lián)系。GIS空間數(shù)據(jù)庫可用于氣象監(jiān)測(cè)站點(diǎn)、氣象歷史與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、氣象衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、空氣污染預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)條例和評(píng)價(jià)等級(jí)、決策項(xiàng)目和邊界條件數(shù)據(jù)等氣象資料管理工作。目前，我國(guó)國(guó)家氣象局信息中心已建立了1∶50 000基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫，還陸續(xù)建立了其他氣象資料空間數(shù)據(jù)庫;同時(shí)，國(guó)家衛(wèi)星氣象中心建立了風(fēng)云系列衛(wèi)星觀測(cè)影像數(shù)據(jù)庫。這些數(shù)據(jù)庫的建立實(shí)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)，為廣大人民群眾提供了更加精確、更高質(zhì)量的公共氣象服務(wù)[2]。

2.2 GIS技術(shù)在氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃中的應(yīng)用

氣象災(zāi)害是自然災(zāi)害之一，主要包括暴雨洪澇、干旱、高溫、臺(tái)風(fēng)等。氣象災(zāi)害波及范圍廣，影響程度深，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成重大威脅。我國(guó)是氣象災(zāi)害最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，災(zāi)害種類多、分布地域廣、發(fā)生頻率高、造成損失嚴(yán)重。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）[3]在《管理極端事件和災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，推進(jìn)氣候變化適應(yīng)》中指出，氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)是災(zāi)害事件、暴露度和脆弱性三者的函數(shù)，即氣象災(zāi)害事件及其影響是災(zāi)害發(fā)生的事實(shí)和自然系統(tǒng)的暴露度與脆弱性共同作用的結(jié)果[4]。氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的形成受多重因素影響，必須具備引發(fā)氣象災(zāi)害的致災(zāi)因子，并對(duì)人類的人身和財(cái)產(chǎn)造成威脅，這樣才能被稱作風(fēng)險(xiǎn)。進(jìn)行氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃及氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估有助于防范氣象災(zāi)害的發(fā)生，減少氣象災(zāi)害給人們生命財(cái)產(chǎn)安全帶來的損失。而將GIS技術(shù)應(yīng)用于氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃中，能為以區(qū)域?yàn)閷?duì)象的防災(zāi)減災(zāi)規(guī)劃提供科學(xué)的依據(jù)和理論參考。

例如，暴雨洪澇災(zāi)害是我國(guó)發(fā)生頻率較高的氣象災(zāi)害之一，造成的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。利用GIS的空間分析功能，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等，得到某一區(qū)域某一時(shí)間段發(fā)生暴雨洪澇災(zāi)害的頻次和強(qiáng)度。通過分析暴雨洪澇災(zāi)害的暴露度和脆弱性指標(biāo)，利用GIS的空間插值功能繪制出某一區(qū)域暴雨洪澇災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖。結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖可以對(duì)未來某一時(shí)間可能發(fā)生暴雨洪澇災(zāi)害的區(qū)域進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估暴雨洪澇災(zāi)害可能影響的區(qū)域范圍以及可能影響到的人口數(shù)，進(jìn)而建立災(zāi)害損失評(píng)估模型，評(píng)估災(zāi)害損失，使災(zāi)害評(píng)估結(jié)果定量化，為決策者制定有效的預(yù)警措施提供依據(jù)。

2.3 GIS技術(shù)在農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃中的應(yīng)用

隨著科技的進(jìn)步，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也朝著科技農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)的方向發(fā)展。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的前提是因地制宜，適宜的氣候條件是農(nóng)作物生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，是最基本的外界條件。因此，進(jìn)行合理的農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃有助于提高農(nóng)作物種植的合理性，提高農(nóng)作物產(chǎn)量，保證農(nóng)作物高質(zhì)量生產(chǎn)，從而提升經(jīng)濟(jì)效益，滿足廣大農(nóng)民群眾的需求。由于不同農(nóng)作物生長(zhǎng)所需的外界條件不同，對(duì)溫度、降水量、日照時(shí)數(shù)、海拔高度、地溫等氣象要素都有一定的嚴(yán)格要求，因此，廣大農(nóng)民及農(nóng)業(yè)技術(shù)人員需要根據(jù)不同區(qū)域的氣候特征，選取較為適宜的農(nóng)作物進(jìn)行種植，這樣才能更高效地利用自然資源，提升農(nóng)作物的質(zhì)量與產(chǎn)量。部分農(nóng)民在種植農(nóng)作物時(shí)，可能會(huì)忽視自然條件，主觀性較強(qiáng)，種植的作物可能不適應(yīng)當(dāng)?shù)氐臍夂蛱卣鳎斐赊r(nóng)作物產(chǎn)量較低。而進(jìn)行農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃能為廣大農(nóng)民提供一定的數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)分析，為農(nóng)作物的選取提供參考，具有重要意義。

目前，GIS技術(shù)已在農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃中得到廣泛應(yīng)用，對(duì)農(nóng)業(yè)相關(guān)要素進(jìn)行空間分析，通過農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)與氣象資料、地形數(shù)據(jù)等空間數(shù)據(jù)的疊加，對(duì)緩沖區(qū)進(jìn)行分析，獲取精細(xì)化的農(nóng)業(yè)產(chǎn)品。例如，利用GIS工具中的反距離加權(quán)插值方法對(duì)某一區(qū)域的地面氣象要素，如降水、氣溫、日照時(shí)數(shù)等進(jìn)行空間插值，疊加DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最后生成農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃圖，最后結(jié)合不同作物所需的最優(yōu)生長(zhǎng)條件，選取適合該區(qū)域種植的作物。

2.4 GIS技術(shù)在天氣預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

GIS具有強(qiáng)大的空間分析功能。近年來，GIS技術(shù)在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中發(fā)揮著越來越重要的作用，其在天氣預(yù)報(bào)中的應(yīng)用主要表現(xiàn)在以下幾方面。①對(duì)單個(gè)站點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化，根據(jù)不同需求建立模式方程，利用方程將地理信息數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)資料等作為自變量進(jìn)行空間分析，從而得到所需的不同天氣要素的預(yù)報(bào)結(jié)論。②通過發(fā)揮GIS的加工、處理及顯示的功能，制作出數(shù)字化的天氣預(yù)報(bào)圖，也可以利用GIS繪制出不同氣象要素的預(yù)報(bào)結(jié)果，用來分析天氣數(shù)據(jù)及天氣形勢(shì)，從而獲得更加準(zhǔn)確的天氣預(yù)報(bào)結(jié)論。③將氣象要素如降水、日照時(shí)數(shù)等與地圖信息、DEM數(shù)據(jù)等疊加，進(jìn)而分析天氣要素受地形等因素的影響程度，為區(qū)域性的天氣預(yù)報(bào)提供參考。

2.5 GIS技術(shù)在人工影響天氣中的應(yīng)用

人工影響天氣主要是利用人為手段，使天氣現(xiàn)象朝著人們所預(yù)定的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)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(shù)手段，對(duì)局部大氣中的物理過程進(jìn)行人工干預(yù)，使某些天氣現(xiàn)象發(fā)生變化，達(dá)到減輕或避免氣象災(zāi)害的目的。人工影響天氣工作是氣象服務(wù)的重點(diǎn)內(nèi)容，特別是人工降水作業(yè)，對(duì)緩解旱情、增加農(nóng)作物產(chǎn)量發(fā)揮了重要作用。利用GIS技術(shù)，可以對(duì)大量地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)化管理，提出適用于飛機(jī)、火箭人工降水的科學(xué)決策，創(chuàng)建實(shí)時(shí)監(jiān)控、信息查詢等人工影響天氣平臺(tái)。王以琳等[5]以GIS技術(shù)為基礎(chǔ)，把人工增雨資料、人工防雹資料、作業(yè)指揮方法、數(shù)據(jù)傳遞路徑和效果分析結(jié)論等多種信息完整地匯總到一個(gè)工作平臺(tái)上，直觀有效地為人工影響天氣作業(yè)提供技術(shù)參考。李艷萍[6]利用GIS技術(shù)對(duì)炮站的定位數(shù)據(jù)、衛(wèi)星云圖資料、雷達(dá)回波數(shù)據(jù)和氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)等進(jìn)行疊加，使多種數(shù)據(jù)融合，對(duì)人工影響天氣進(jìn)行分析論述，為人工影響天氣作業(yè)時(shí)間的選取提供較為完善的氣象數(shù)據(jù)資料。王媛等[7]利用GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)觀測(cè)資料在人工影響天氣作業(yè)指揮中的應(yīng)用，開發(fā)了基于GIS的人影作業(yè)指揮系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用GIS實(shí)現(xiàn)各類氣象數(shù)據(jù)的分析、融合、疊加、顯示，建立了基于GIS的人工影響天氣作業(yè)指揮平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤墑情、自動(dòng)氣象站、衛(wèi)星和雷達(dá)等氣象資料的綜合分析應(yīng)用，為制訂科學(xué)合理的人工影響天氣作業(yè)方案提供依據(jù)和理論參考。

3 結(jié)語

GIS技術(shù)具有空間數(shù)據(jù)管理、集成和空間分析等能力。將GIS技術(shù)廣泛應(yīng)用于氣象領(lǐng)域，能為氣象研究提供信息與技術(shù)支撐，推動(dòng)氣象事業(yè)快速發(fā)展。

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