李琪佳，王 瑋

（中國民用航空飛行學(xué)院航空氣象學(xué)院，廣漢 618307）

0 引言

隨著中國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級，通用航空產(chǎn)業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中的作用越來越重要。作為機(jī)場建設(shè)的早期階段，在通用機(jī)場數(shù)量迅速增加的情況下，選址問題顯得尤為重要。關(guān)于機(jī)場選址的研究，學(xué)者們往往從宏觀角度出發(fā)，從人口、交通、社會經(jīng)濟(jì)、地質(zhì)和環(huán)境等多方面疊加考慮，而缺乏氣象等主要因素的定量分析研究。一般來說，機(jī)場選址方法主要是建立評價體系，選擇適當(dāng)?shù)脑u價方法，評價各選址方案的優(yōu)劣。常見的評價方法有層次分析法（AHP）、突變理論、主成分分析法（PCA）等［1-3］，這些方法存在主觀性過高或缺乏客觀信息的缺陷，如今衍生出多種賦權(quán)和評價方法結(jié)合的形式。史躍亞［4］提出綜合賦權(quán)模糊評價選址模型；安然等［5］提出組合權(quán)重法和灰色關(guān)聯(lián)分析的結(jié)合；Yang等［6］基于最小二乘法和TOPSIS進(jìn)行機(jī)場選址評估；張世迪等［7］將組合賦權(quán)法運(yùn)用于云模型對選址方案進(jìn)行評價；陳俊峰等［8］提出基于熵權(quán)法和TOPSIS在水上機(jī)場選址方面的研究。

在全球變暖的背景下，我國氣象災(zāi)害頻發(fā)，根據(jù)近五年民航行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)，天氣原因是導(dǎo)致航班異常的主要原因，由于天氣原因產(chǎn)生的異常航班高達(dá)52.42%，不良?xì)庀髼l件不僅對我們的出行造成了極大的影響，也對航空器運(yùn)行和飛行安全造成了極大的威脅。氣象因素已成為影響機(jī)場選址的主要因素之一，對機(jī)場建設(shè)、航班運(yùn)行以及營運(yùn)效率產(chǎn)生極大影響，因此科學(xué)分析與評估機(jī)場選址中的氣象因素，對優(yōu)化選址方案、保障機(jī)場運(yùn)營、構(gòu)建四型機(jī)場等方面具有重要意義。

目前在一些機(jī)場前期調(diào)研、評估和建設(shè)過程中，尚不清楚影響該地區(qū)的主要?dú)庀鬄?zāi)害，缺乏主要?dú)庀鬄?zāi)害和氣象因素對機(jī)場建設(shè)和運(yùn)行影響程度的定量評價研究。近年來，隨著全球氣象災(zāi)害對機(jī)場建設(shè)和航班運(yùn)行的影響加劇，氣象因素的復(fù)雜多樣性，對機(jī)場選址的影響隨著機(jī)場所處地理位置的不同、地形的差異等變得不同，機(jī)場選址中的氣象因素逐漸引起專家學(xué)者的重視。

1 研究區(qū)域

本文采用DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)中的ASTER GDEM 30M數(shù)據(jù)對研究區(qū)域進(jìn)行地形分析，其垂直精度為20 m，水平精度為30 m，空間分辨率約30 m。研究區(qū)域?yàn)橘F州省黔東南苗族侗族自治州，該自治州位于貴州省東南部，地跨東經(jīng)107°17'20″～109°35'24″，北緯25°19'20″～27°31'40″。地勢西高東低，自西部向北、東、南三面傾斜，區(qū)域內(nèi)地形相對較緩，場內(nèi)地面標(biāo)高在21～4772 m之間，地形相對高差在40～120 m之間，受地形影響易形成云、霧等天氣，強(qiáng)降雨、雷暴等災(zāi)害性天氣也時有發(fā)生。其中天柱縣地處云貴高原東部向湘西丘陵過渡的斜坡地帶，地勢西高東低，由西北、西南向東北逐漸傾斜，境內(nèi)山脈大多呈東西走向。

圖1 研究區(qū)域地形概況圖

2 技術(shù)路線圖

圖2 技術(shù)路線圖

3 基于GIS對氣象要素的空間插值

ArcGIS是一個非常便利的地理信息系統(tǒng)平臺軟件，主要用于創(chuàng)建和使用地圖，編輯和管理地形和空間數(shù)據(jù)，分析和顯示地理信息。它擁有一套完整的GIS產(chǎn)品，為使用者提供了豐富的資源。GIS技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，楊藝苑等［9］利用GIS技術(shù)對東川區(qū)的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行了敏感性分析；文獻(xiàn)［10-12］利用GIS技術(shù)進(jìn)行研究區(qū)的用地或開發(fā)適宜性評價；文獻(xiàn)［13-14］將GIS應(yīng)用與城市網(wǎng)絡(luò)交通結(jié)構(gòu)和評價。

在機(jī)場選址方面，文獻(xiàn)［15-16］描述了GIS的應(yīng)用以及場址優(yōu)化研究；何堯等［17］提出了利用GIS將機(jī)場選址的影響因素加權(quán)疊加的評價方法。GIS技術(shù)也可以將氣象領(lǐng)域和地理數(shù)據(jù)有效融合起來，為未來氣象服務(wù)的廣泛化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。任重［18］分析了GIS技術(shù)在氣象領(lǐng)域中的應(yīng)用，為GIS技術(shù)整理分析氣象數(shù)據(jù)提供了方向；梁書民等［19］利用GIS技術(shù)分析降水量的面積變率和月積分配，評價水資源的開發(fā)程度；文獻(xiàn)［20-21］基于GIS對氣象臺觀測數(shù)據(jù)中的氣溫、降水量等氣象因子進(jìn)行插值，并利用交叉驗(yàn)證對比插值精度。

3.1 空間數(shù)據(jù)的采集

ERA5數(shù)據(jù)將模型數(shù)據(jù)與來自世界各地的觀測數(shù)據(jù)結(jié)合起來，包含眾多氣象數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)大氣科學(xué)研究，其分辨率為0.25°×0.25°。通過ArcGIS工具裁剪出與黔東南苗族侗族自治州相交的點(diǎn)集，根據(jù)點(diǎn)集進(jìn)行插值。由圖3可知，相較于其他同樣能獲取氣象要素的數(shù)據(jù)集，相交的點(diǎn)集更多，最后插值的精度更準(zhǔn)確。因此選取2017年ERA5數(shù)據(jù)中包含風(fēng)速、降水量等六個氣象因子的數(shù)據(jù)作為空間研究數(shù)據(jù)。

圖3 空間數(shù)據(jù)與研究區(qū)域相交的點(diǎn)集對比

3.2 插值分析

利用ArcGIS工具箱中的插值方法，王新宇等［20］通過交叉驗(yàn)證，得出克里金法（Kring）的插值精度明顯優(yōu)于ArcGIS中的反距離權(quán)重法（IDW）、樣條函數(shù)法（Spline）?？死锝鸱ㄊ抢脜^(qū)域性變量的原始數(shù)據(jù)和變異函數(shù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對未采樣點(diǎn)的區(qū)域性變量的取值進(jìn)行線性無偏最優(yōu)估計(jì)的一種方法，它是一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的插值方法。如公式（1）所示，其中，Z為待估氣象柵格數(shù)值，Z(xi)為氣象柵格點(diǎn)的數(shù)據(jù)，λi為賦予氣象數(shù)據(jù)的一組權(quán)重系數(shù)，n為用于氣象數(shù)據(jù)插值點(diǎn)的數(shù)量。

為滿足線性無偏和估計(jì)最優(yōu)兩個條件，通過建立如下克里格方程組來確定權(quán)重的系數(shù)，如公式（2）所示。其中，C(vi,vj)為氣象柵格的點(diǎn)間的協(xié)方差函數(shù)，C(vi,V)為插值的點(diǎn)間的協(xié)方差函數(shù)，μ為拉格朗日乘數(shù)。

利用克里金插值法對ERA5數(shù)據(jù)中的風(fēng)速、降水量、大氣壓力、溫度、相對濕度和積雪進(jìn)行插值，并根據(jù)相關(guān)規(guī)定，采用自然間斷點(diǎn)分級法，將各氣象要素通過重分類進(jìn)行適宜性等級劃分，如表1所示。

表1 空間氣象因子重分類

根據(jù)分級標(biāo)準(zhǔn)得到各要素的分級圖層，第9級為最適宜區(qū)域，等級越低，適宜性程度越低，如圖4所示。

圖4 氣象要素單因子適宜性指數(shù)圖

3.3 秩序質(zhì)心法

ROC權(quán)重法，其基本思路是通過微分所有潛在權(quán)重的質(zhì)心，保持客觀顯著性的排序順序，提供權(quán)重的近似，以減少每個權(quán)重的最大誤差。Barron等［22］得出，從本質(zhì)上以這種方式獲得的價值被證明是高度穩(wěn)定的。ROC方法在確定準(zhǔn)則權(quán)重方面比較實(shí)用，因?yàn)榕cAHP和模糊方法相比，ROC方法簡單易用。此外，在一定條件下，采用最大熵方法得到的權(quán)值與ROC權(quán)值表現(xiàn)出同樣方便的性能。ROC權(quán)重法比其他秩基公式更準(zhǔn)確，其基礎(chǔ)分析非常簡單高效，提供了合適的實(shí)施工具。因此，本研究采用了此方法。收集專家的問卷，確定各指標(biāo)的等級，運(yùn)用ROC法計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重。

ROC權(quán)重方法的目的是確定一組權(quán)重來代表所有可能的、可接受的和可靠的組合，關(guān)于權(quán)重的確定的線性不等式限制，

文獻(xiàn)［22］提出了一個簡單的方程，通過與邊界有關(guān)的坐標(biāo)的近似來確定k中的質(zhì)心：

其中，ωROC1表示最顯著的特征，ωROC2表示第二顯著的特征，以此類推。由于權(quán)重的陡度和非線性處理，ROC是具有很大優(yōu)勢的，它可以顯示許多決策者意見的一致性。

3.4 方法實(shí)現(xiàn)

根據(jù)丁立國等［23］對貴州山區(qū)的航空氣象關(guān)鍵因子分級以及專家意見，對空間氣象要素進(jìn)行排序，利用秩序質(zhì)心法計(jì)算各要素權(quán)重，并在GIS軟件中進(jìn)行加權(quán)疊加。權(quán)重計(jì)算結(jié)果見表2，疊加圖層為圖5。

表2 空間氣象因子排序和權(quán)重

圖5 黔東南苗族侗族自治州空間氣象條件適宜性指數(shù)圖

由圖5可知，全域第9級為氣象條件最適宜區(qū)域，位于天柱縣內(nèi)，圖中三個站點(diǎn)為三個備選場址，均落在最適宜區(qū)域上，后期將通過三個場址附近的氣象觀測站資料分析，從中選取最優(yōu)場址，做到空地結(jié)合。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)的機(jī)場選址需要經(jīng)過初選、預(yù)選和比選三個階段，初選階段備選場址不少于5個，篩選方式主要是圖上作業(yè)和現(xiàn)場勘測，而利用GIS技術(shù)采集和分析數(shù)據(jù)，篩選出相對適宜的場址，可以有效利用數(shù)據(jù)資源以及節(jié)約人力資源。本文通過采集空間氣象數(shù)據(jù)，利用ArcGIS工具對黔東南苗族侗族自治州的氣象條件進(jìn)行適宜性評價，證明了應(yīng)用GIS技術(shù)分析氣象要素的可行性和適用性，保障了后期備用場址比選結(jié)果的客觀性。