川西无名山天文址点G IS分析研究∗

吴宁 刘煜 赵红梅

(1云南师范大学旅游与地理科学学院 昆明 650500) (2中国科学院云南天文台 昆明 650011) (3四川省稻城县气象局甘 孜州 627750)

川西无名山天文址点G IS分析研究∗

吴宁1†刘煜2‡赵红梅3

(1云南师范大学旅游与地理科学学院 昆明 650500) (2中国科学院云南天文台 昆明 650011) (3四川省稻城县气象局甘 孜州 627750)

随着西部天文选址工作在川西无名山地区的逐步深入,利用地理信息科学(Geographic In form ation System,GIS)手段收集了大量长期数据,对无名山及周边地区的地理、地质、气候、气象、社会与人口发展趋势等方面开展了详细的调查研究.资料分析结果显示:无名山地处青藏高原向东延伸的褶皱地带—典型的横断山脉地区,形成地势整体落差大、山脊走势平缓、地质结构稳定的特色.无名山区域最高点海拔高度超过5000 m,但附近存在海拔仅2000–3000 m的人口定居点多处,可实现低成本后勤保障;鲜有地震泥石流等不良地质灾害记录;大气干燥、植被稀少、地表半干旱状态;常年盛行西南风,冬季气候寒冷、降雨量稀少,夏季受南部印度洋暖湿气流影响存在明显的雨季;属大香格里拉核心地带,大气洁净度高,无沙尘暴等恶劣天气记录;年均云量少于5成,风向稳定、风速小,可利用晴日/夜数多;人口稀少、经济发展缓慢、社会和谐稳定、远离川滇藏经济相对发达地区;近年来随着本地区旅游资源开发,交通条件得到明显改善,具备高质量公路维护与日常航空运输能力,鲜有其他高原地区常见的大雪封山、航空停运等运输不畅情形发生.因此,GIS综合分析结果表明:无名山地区满足建设高海拔天文观测站的一系列基本保障条件,是我国西部难得的光学/红外天文址点资源.

址点检测,技术:图像处理,方法:数据分析,方法:统计

1 引言

发现和建立优秀天文台址历来是实现高效天文观测与空间监测的一个前提条件[1−2].考虑到大型天文址点建设需要的投入往往巨大,天文选址研究成为其中一项重要的任务环节,需慎重对待、不容轻视.国际上多年的天文选址经验表明:成功的选址离不开多学科的密切交叉分析、野外苛刻环境中的长期科考、实地科学数据的收集与处理、天文/气象与社会等多因素的反复考察与比较等一系列周密而又严格的过程[3−7].在我国西部高海拔地区发现和建设一流天文台站,是几代天文学者的夙愿.我国在上世纪就有在南方放置大口径望远镜的战略规划.为找到一个综合条件好、能够让大口径望远镜发挥功能的天文观测台址,云南天文台与国内外单位合作,从上世纪70年代就着手开展当时新一轮选址工作,先后开展和参与了针对云南宾川、轿子山、丽江、楚雄、澄江及西藏、新疆等一些地区的大量选址工作[8−12].他们当时在艰苦的条件下开展了卓越的野外选址工作,使国际天文界对我国西部天文址点情况第一次有了深刻认识.他们的工作为下一步选址确立了科学量化的选址标准,同时也收获了丰富的选址经验与技术储备.得益于此,近年来我们在大香格里拉地区的白天(太阳)与夜间天文选址工作也就是在此基础上顺利开展的[13−16].

一个优良的天文观测址点除了需要满足常规天文因子的指标要求,另外还必须满足一定的地理、气候与后勤保障条件[3].过去为了进行地形地貌数据的获取,我们需要携带专业设备到野外去进行实地踏勘,往往费时费力而且效率不高.现代天文选址与过去最大的不同就是海量远程共享资源的快速获取与集中科学处理,通过这些资源整合获取的结果为下一步实施定点监测提供重要依据.

GIS手段当前被广泛应用在信息资源各个领域.由于GIS资源库中具有各类长时间积累的权威数据和指标,因此它同样可以被用来研究天文选址.利用GIS手段不仅大大节约了选址的人力、物力,还能提高我们对区域进行分析评判的客观性和准确性,以及对一批候选址点进行最优地理位置的甄别与挑选.另外,如果再结合高分辨率的地形数字高程模型(DEM),我们对感兴趣的区域的地形地貌进行数值模拟,还可以得到不同海拔高度的地形地貌、地形起伏和平整度的分布,从而节省了野外地形的精细勘探工作;特别是在候选址点的初选阶段,GIS可以帮助我们很快排除许多不适宜的地点.

针对道路交通和居民点人口分布状况的研究,GIS的可视化手段可以将研究区域的交通分布和等级状况描绘得一目了然,能够有效地划分出适宜的研究区域;针对地质、地震灾害的分析,GIS同样可以较准确地描绘出它们的具体分布范围和影响范围,从而划定可靠的址点范围;进一步利用GIS手段将以上所有因素进行综合叠加分析,就可以针对候选址点得出全面客观的评估和结论.目前,随着空间信息技术的不断发展,地理空间数据的观测与获取方式已经上了一个新的台阶,可以实现全天候、连续、实时的三维观测,也就是说这些地理空间数据除了具备三维特征外,还具有时效性[17].

综合上述因素,与传统远程天文选址手段相比,GIS选址的优势主要体现在:(1) GIS空间分析采用一定的数学模型,精度较高;(2)GIS能够有效地组织多源相关数据进行综合分析,尤其是空间地理数据的操作和分析[18];(3)GIS可以专题图或地理模型的形式为决策人员提供直观的分析结果[19];(4)使用GIS对地理信息进行分析得到的结果更客观、更真实、更能排除研究人员的主观因素;(5)GIS可以节约大量野外调研的时间,能为初期的选址工作节省大量的人力、物力和时间.现代选址可以利用更多来自地面和空间的数字化信息,为候选区域的划定以及选址的策略选择提供科学、客观的关键参数.因此,GIS技术极大地提高了我们处理和分析有关地球资源、环境、社会与经济数据的综合能力.

我们在文献[20]中曾以云南省大姚县百草岭地区为例,首次尝试利用GIS技术对远程天文选址对象的自然地理、人文地理以及气象、气候条件进行了地理信息的空间分析,取得了有价值的选址结果.我们对该地区周边的地质结构、地形地貌、气象气候特征以及道路交通及后勤条件均做出了有效的科学评估,并给出了相应结论.

自2014年10月至2016年4月,我们在四川省甘孜州稻城县无名山已经开展了连续一年半的选址定点监测,实地采集了大量大气视宁度、天空背景亮度、大气积分水汽、大气气溶胶参量、全天云量以及常规气象数据.视宁度是用于描述天文观测的目标受大气湍流的影响而看起来变得模糊和闪烁程度的物理量,取决于大气湍流活动程度,它是考察光学天文址点中一个非常重要的参量[21].大气积分水汽是指整层大气积分总水汽量,也称大气可沉降水,以单位面积空气柱中所有水汽都凝结成液态水时所具有的厚度表示.在无名山,我们利用基于红外波段的大气消光特征来测量大气积分水汽含量,使用的仪器是我们自主研发的新一代日晕光度计.通过对该仪器观测结果的分析和反演,我们就可以得到无名山的大气可沉降水的测量结果[22−23].这一阶段的观测数据以及后续处理的结果表明[24]:无名山全天24 h视宁度中值为1′′,每晚的夜间视宁度中值最低能达到0.5′′,大气积分水汽含量中值2.5mm,夜天光背景亮度中值21.8 mag(V波段),大气气溶胶因子低(空气洁净);2015年的晴夜数270 d,晴日数250 d.这些结果都是我们在上述这一年多的时间内连续观测获得的,是以前从来没有取得过的.它们初步证实无名山区域可能是一个非常优秀的天文观测候选点,值得保持长期天文选址监测研究.

因此,类似针对大姚县百草岭的分析方法[20],本文中我们结合GIS手段对稻城无名山地区及其周边环境也进行了详细分析,充分利用地理信息系统的空间可视化和空间综合分析功能,力图对整个无名山区域得出一个整体的GIS选址综合评价,为最终完成该区域选址工作提供重要的辅助依据.

我们的分析影像数据包括DEM数字高程模型数据、中国1 km分辨率地表温度月数据和中国250 m归一化植被分布指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)影像,均来源于中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站(http://www.gscloud.cn)[20],其他数据来源于《乡城县志》[25]、《稻城县志》[26]和《稻城年鉴》[27]以及地方气象等资料库.这些资料可用于对无名山周边包括稻城县及其邻县乡城县的地形地貌、植被概况、矿产资源、人口分布、交通状况等做较全面的分析.最后我们对该地区的地理环境作出了综合评估.

2 稻城县基本概况

稻城县位于四川省甘孜藏族自治州南部,地处青藏高原东南缘、横断山脉东侧,地跨北纬27◦58′至29◦42′,东经99◦58′至100◦38′,面积7323 km2.稻城县地图呈南北向长条形(图1左).稻城县地形复杂,总体上地势西北高、东南低;东南与凉山彝族自治州木里县接壤,西面与甘孜州乡城县相接,南面与云南省迪庆藏族自治州的香格里拉镇毗邻,北部连接甘孜州理塘县.图1右显示,它东南方向与攀枝花市相距大约320 km,与昆明市相距大约520 km,东偏北方向与成都市相距大约400 km.稻城县辖12乡、2镇,共124个村, 2011年末总人口32450人,其中藏族占总人口比例为96%左右,康巴藏区文化浓郁[26−27].

图1 稻城县的地理位置(左)及到周边市县的直线距离(右)Fig.1 T he geograph ica l location(left)of Daocheng coun ty and the straight-line d istances to nearby cities(righ t)

2.1 稻城县地形地貌特征

全县自西北至东南,共划分为3个区域.北部属典型丘状高原区,这个区域主要分布于海子山-稻城河谷和波瓦山以北地带,海拔一般在3600−5200m之间,包括的乡镇有邓坡、桑堆、省母、金珠镇、傍河、色拉、木拉等7个乡镇,面积达到4017.4 km2,占全县总面积的54.9%[27],超过了一半比例.该区域地势平缓、水草丰茂、河谷宽阔,冰蚀地貌发育得比较成熟,是重要的牧业产区.中部为山原区,是丘状高原向高山峡谷的过渡地带.南部为高山峡谷区,河流切割深,谷深坡陡,河谷狭窄,高差大,形成了仙乃日、央迈勇和夏诺多吉这3座著名雪山.

我们所选址点无名山位于北部丘状高原区,距桑堆镇的直线距离在6 km左右.由于道路盘山而上,通常驾车时间需要20多分钟.因为无名山所在位置处在稻城和乡城的边界地带,所以在研究中就把乡城县的部分区域也纳入分析的范围.如前所述,该区域内虽然海拔地势较高,但是整体地势较为平坦,特别是山梁子的顶部,大部分都是平顶,即可谓是谷底仰望是山,山顶平视是平原.

图2显示了无名山的地势照片,山下坝子形成了桑堆镇,其周边被高大的山梁子环绕,这些山梁的海拔基本上都在4000 m以上;特别是无名山址点附近的几座山梁子,最高海拔都在4600m以上,甚至超过5000m.山梁本身相对底部峡谷的落差也较大,超过1000 m.另一个可贵之处就是山顶区域的面积大(∼2 km2),而且山顶平面相对平缓(仅数米的落差)(图3左),这为以后建设大型观测基地提供了天然的便利条件.据我们长期的野外选址考察,稻城县北部高山上的这种大面积平顶地貌条件在我国整个西部地区都十分罕见,通常其他大多数高山的顶部都呈现陡峭、不平整、且面积狭窄有限的地貌特征.

图2 稻城县无名山地势Fig.2 The terrain of W um ingshan m oun tain in Daocheng coun ty

2.2 稻城县地质概况

从地质构造上看,稻城界于川、滇、藏三省交界地带,属“三江地槽褶皱”系、玉树-义敦优地槽褶皱带[26],地层发育齐全.同时,稻城地处理塘次生扩张带的南部,受多期构造运动的影响,形成一系列褶皱和断裂.

距离稻城最近的地震带是鲜水河地震带.该地震带北起石渠县,经炉霍、道孚、康定等县,到泸定县南部为止,由西北向东南延伸(图3右),全带都在甘孜藏族自治州境内.从四川地震资料汇编获得的强震统计来看,鲜水河地震带是四川地震活动的高强度地带.但是其发生的地震活动分布很不均匀,北段略高于南段.鲜水河活动断裂带的历史地震记载比较短,从公元1700年以来,在该地震带上曾发生过8次7级和7级以上大地震,最大的几次是1786年康定泸定间7.75级地震、1816年炉霍7.0级和1973年炉霍7.6级大地震等(表1),距今最近的一次强震为1981年道孚6.9级地震.如果包括6.0级地震在内,则东南段发生过8次6.0级及以上地震,而西北段发生18次.这说明鲜水河断裂西北段地震活动性明显高于东南段.从1967年侏倭6.8级地震、1973年炉霍7.6级地震、1981年道孚6.9级地震可以看出,强震沿着鲜水河断裂带具有往东南迁移的规律,图3右显示了这个地震带的延伸方向.值得一提的是:从地理位置、延伸方向和地质构造上看,鲜水河断裂带对稻城的影响并不大.统计资料显示:稻城县境内发生的地震震级均不高,一般属于有感地震,现有记录的最高级别的地震只有5级左右,主要在稻城南端的东义区境内,其他地震一般是毗邻县发生的地震波及稻城.所以稻城县地震活跃度不高,属一般地震监视区.

表1 甘孜州1725年以来发生的里氏6级以上的地震列表Tab le 1 T he list of the ear thquakes with the R ich ter m agn itu de over 6 occu r red in G anzizhou since 1725

图3 稻城县周边地区地势(左)以及甘孜州近百年来主要地震带与5级及以上地震震点分布(右)Fig.3 T he relief m ap of Daocheng coun ty and its su rround ing areas(left),and the d istribu tions of the m ain seism ic zone and the earthquakes with R ich ter m agn itude not less than 5 in G anzizhou du ring the recen t 100 years(righ t)

2.3 稻城的气象气候概况

稻城地处亚热带.由于青藏高原复杂地形的影响,使该地区呈现青藏高原型气候和大陆性气候特征,属典型的大陆性季风高原型气候,四季不明显.5—10月为夏季,11月至次年4月为冬季.这里主要受来自亚洲西部高原上空的南支西风气流的影响,空气干燥,雨雪天气较少.偶尔受北方的冷空气部分穿过巴彦克拉山南下的影响,造成本县的雨雪天气[26].从稻城县1991年到2005年15 yr期间的气象记录可以看出,稻城县历年相对湿度的平均值均在60%以下.全年降水主要集中在6—9月,主要是因为受到来自印度洋的西南暖湿气流影响.年均降水量最高为1998年的1058.3 mm,最低为1992年的519.9 mm.不过,本地区夏季也常常受副热带高压的影响,往往造成夏季也天晴少雨的天气.当副热带高压维持时间较长,还容易发生夏伏旱.平均最大蒸发量是1895.8mm,而同期的降水量仅为800.5mm[26].

图4显示了稻城县最近4 yr的月均降雨量(左上)、平均云量(右上)、相对湿度(左下)与日照时数(右下)的统计分布.平均云量、相对湿度和降雨量呈现同步变化的趋势和规律,表现出每年气候上干湿两季的西南地区特征,稻城全年降雨量的绝大部分(>90%)发生在6—9月的雨季.各参量年度变化之间差异较小,日照时数自6月份开始逐渐衰减,7—8月份往往达到全年日照最少的时期(约为干季期间日照时数的一半), 10月份开始恢复干季时的高日照比例.2015年受全球厄尔尼诺现象影响,稻城日照时数与前几年相比有所降低,但仅几十小时的差异.从平均云量覆盖率来看,稻城云量处于西南地区云量最低的地带,这为夜间连续天文观测提供了较高的晴夜率.参考国际经验,短暂的雨季也往往可被利用来开展大型望远镜系统的维护与升级建设等复杂工作.

图4 稻城县2012—2015年期间逐月降雨量(左上)、平均云量(右上)、相对湿度(左下)与日照时数(右下)的统计分布Fig.4 The m onth ly rain fall(upper left),cloud coverage(upper right),relative hum idity(low er left),and sunsh ine hou rs(low er righ t)du ring 2012—2015 in Daocheng coun ty

稻城是甘孜州内日照最充足的县之一,日照率达60%以上,冬季达84%.从1991年至2005年15 yr的统计数据显示,年平均日照时数最高为2582.4 h,最低也达到2331.5 h,有统计记录的一日最长日照时数为13 h.

稻城县冬春季风速较大,时有大风出现,一年中6—10月的风速较小.多年气象统计资料显示,稻城县城一年内出现8级以上大风(瞬时风速在17 m/s至20 m/s之间)的天数平均在9.6 d左右;年平均风速在1.6–2.3 m/s之间;由于受地域、地形影响,稻城县区域低空盛行西风.地面风季节变化明显,并且随着高度增加西风频率增大,风速增大.这里需要说明的是:由于气象部门的所有报表给出的数据都是相应参数的平均值,我们目前暂时无法获得完整的数据来计算中值,所以在本文中使用到气象数据的时候均使用平均值,而没有采用中值来描述相关参数的大小.今后如果气象部门提供中值数据,我们将增加对这部分信息的分析和研究.

稻城县由于海拔较高,气温比同纬度的我国东部各地低,年平均气温4.1◦C,7月份平均气温最高达11.9◦C,1月份平均气温低达−5.9◦C.稻城每年最热月是7月,平均最高气温为18.3◦C,极端最高气温为27.9◦C,最冷月为1月,最低极端气温为−27.6◦C.以上所提的气温均为大气温度.

图5显示了稻城无名山及周边地区地面的日间和夜间平均温度分布.这些数据来自美国Terra对地观测卫星所携带的中分辨率成像光谱仪(M oderate Resolution Imaging Spectroradiom eter,MODIS)[28],空间分辨率为1 km.图5的4幅图中的平均温度分布分别代表6月份白天(左上)、12月份白天(右上)、6月份夜间(左下)与12月份夜间(右下)的统计结果.这些结果表明:无论夏季还是冬季，无名山地区的地面温度变化区间为−20◦C−+20◦C.冬季需要注意地面有较厚实的冻土,因此动土性施工计划需要避开冬季.

3 利用G IS手段对无名山周边地理的空间分析

3.1 无名山周边地势及坡面分析

图6反映了坡度值分布的颜色差异,显示了无名山和桑堆镇周边及东北部大片区域均是地势平坦的高平原地带(绿色),坡度都在25◦以内,地势平坦.以无名山为中心向外辐射10 km的直线距离内,地势均较为平坦,非常适合大型观测站的建设和道路运行.图中坡度较大的区域(偏黄颜色)主要分布在距离无名山10 km以外的西部和南部,为山谷公路区域和乡城县境内.

为更清晰地了解无名山天文址点监测站周边的地形及其起伏度,我们对图6无名山局部放大(图7左下角),并分别按其上的4条不同色彩直线做出相应的坡度轮廓,对应色彩的结果显示在图7之中.各轮廓图中的横坐标起点表示切线的左端.这4条切线的海拔高度轮廓中最高点都超过4800m,最低点也都不低于3600m.剖线1(紫色)穿过无名山1号监测点附近延伸出去.其东边落差较大,从山顶点到桑堆镇的高差接近1000m.在1号点向东延伸的8 km直线距离内,虽然山坡陡峭,但是山顶基本上都是平坦的.剖线2(绿色)穿过无名山2号监测点附近,显示了在无名山以南直线6 km左右也存在类似剖线1的山顶地势分布;从这条剖线轮廓图中可以看出,虽然这一带山体海拔悬殊大,沟壑纵横,山坡陡峭,但山顶周围地势也都很平坦,而且面积较大,这种类型的山体也就是通常所说的平顶山.剖线2同样显示其上各点相对落差较大,比如在无名山的西部沿着乡城县沙贡乡有一条南北延伸沟谷,与无名山的相对落差在1200m左右.剖线3(蓝色)和剖线4(粉红)从不同的角度、方位和地理位置分别显示了在无名山南部位置的剖面轮廓.这2个轮廓上都分布着顶部平坦的梁子,顶部的面积平均都在1–2 km2左右.

图5无名山周边地区2010年6月份(左)与12月份(右)的日间(上)与夜间(下)地表平均温度分布Fig.5 The d iu rna l(top)and noctu rna l(bottom)tem peratu re d istribu tions for W um ingshan m ountain areas in 2010 June(left)and Decem ber(righ t)

图7 上方两幅小图分别显示当前的1号监测点与2号监测点附近的切线地势轮廓.从整体来看,1号点地势更加平整、陡度变化相对小,周围小山包较少;而2号点起伏较快、西边分布了更多小山包.

图6 无名山及其周边坡度示意图Fig.6 The gradient m ap of W um ingshan m ountain and its su rrounding areas

图7 无名山周边地势典型区域的直线剖面图Fig.7 T he p rofile m aps of the nearby terrain of W um ingshan m oun tain

3.2 稻城县和乡城县土质植被分布情况

土质植被方面,由于稻城大气干燥、海拔高,虽然低海拔村庄附近会有树木,但海拔达4000m以上地带的植被会迅速变得稀少、土壤荒凉、无树少草.全县土壤多为物理风化,质地差,无名山周围地表主要覆盖物为沙砾页岩,有非常稀疏的植被分布.无名山海拔最高处超过5000m,加上日照强,造成阳坡多为草甸,阴坡多为灌丛,因此无名山植物成分十分单调.主要的植被类型以高山和亚高山灌丛草甸为主.这类植被的植株都比较低矮,群落结构简单,层次不明显;生长密集处有时形成平坦的植毡.草甸的群高只有3–10 cm左右,常为分散片状分布.无名山址点周边的海拔范围为4000–4800m,按海拔升高依次分布着高山灌丛草甸、高山荒漠植被和高山流石滩植被(图8,相片摄于夏季).

图8 无名山地表植被Fig.8 The vegetation of W um ingshan m ountain

利用美国气象卫星Terra所携带的中分辨率成像光谱仪(MODIS)获得的区域影像数据[28],我们对无名山周边土壤植被环境作进一步的量化分析.MODIS的多波段数据可以同时提供反映陆地表面状况、云边界、云特性、海洋水色、浮游植物、生物地理、化学、大气中水汽、气溶胶、地表温度、云顶温度、大气温度、臭氧和云顶高度等特征的重要信息.在进行无名山植被研究以及植物物候研究中,我们主要对MODIS影像的NDVI指数进行分析.这个方法在遥感分析中得到广泛应用,因为NDVI指数是植物生长状态以及植被空间分布密度的最佳指示因子,与植被分布密度呈线性相关.NDVI指数在−1和+1之间变化,较高的NDVI值预示着包含较多的绿色植被;通常,云、水体或是雪地的NDVI值为负,岩石和裸露土地的NDVI值在0左右,NDVI>0.55时表明有明显植被分布,而NDVI>0.7时则为全植被覆盖.

以2010年的无名山NDVI数据为例,通过6月和12月的昼夜两类图像进行分析对比,可以看到无名山周边监测区的NDVI在寒冬时节(以12月1日的数据为代表)居于0.01和0.1之间,符合干旱土壤裸露的情况;在仲夏时节(以雨水最多的6月30日为代表),NDVI处在0.11到0.55之间(图9),属略有植被覆盖情况.这些结果表明:无名山定点监测区周边基本没有大量植被分布;即便是在6月份,NDVI也只反映出仅有零星的植被覆盖.

图9 无名山植被指数的季节变化.注意图中白色区域为没有数据区域,主要是由于云层遮挡引起.Fig.9 Seasona l com parison of vegetation indexes for W um ingshan m oun tain.Note the w h ite-co lor regions w h ich are m ain ly caused by data lost due to clouds covering.

3.3 稻城的矿产资源概况

稻城县地处理塘次生扩张带的南段,受多起构造运动的影响,形成一系列褶皱和断裂,对成矿具有重要地质作用,因此稻城具有一定的矿产资源.这些矿产资源主要是分布在县境西南和东部的金矿,分布在南部香格里拉镇、邓坡乡、吉呷乡的铜矿,还有分布在香格里拉镇的铅锌矿以及蒙自乡的褐铁矿等[27].但这些矿点都不在县城北端的无名山址点附近,所以址点附近目前未有大规模矿产开发的可能.

3.4 稻城县和乡城县各乡镇人口基本情况分析

据2005年末的人口统计,稻城全县总人口5832户29112人.其中,农牧业人口4619户25711人,非农业人口3401人,占总人口的11.7%.从分布区域来看,县府所在地金珠镇人口最多、密度最高,为37.13人/km2.距离无名山最近的桑堆镇人口总数为2359人,平均人口密度仅为2.2人/km2;乡城的沙贡乡2005年人口1055人,其人口密度为3人/km2.在稻城境内,直线距离无名山监测点最近的人口相对较多的地方就是桑堆镇,其次为傍河乡与色拉乡.距离无名山最近的乡城县的乡镇为沙贡乡和尼斯乡,但沙贡乡人口仅1000人左右.

表2详细列出了两县的乡镇面积与对应的人口数量.无论是人口数量还是人口密度,这两县的人口分布密度都大大低于我国整体平均水平(∼150人/km2),也低于我国西部高原地区的平均人口密度(∼10人/km2)[29].另外,从图1中可以看出,无名山周边300 km范围内没有人口集中的大城市.

表2 稻城县、乡城县各乡镇面积及人口数(2005年)Tab le 2 T he areas and p opu lation s of the tow ns in D ao cheng coun ty an d X iangcheng coun ty in 2005

3.5 稻城无名山交通与电力基本条件分析

从甘孜州以外进入稻城县主要有4条道路(图1左):(1)经川藏北线即317国道到川藏南线即318国道,具体为从成都经都江堰-卧龙-四姑娘山-小金县-丹巴县-八美-塔公乡-新都桥-雅江县-理塘县向南折向稻城.(2)从内地向西走川藏南线即318国道,具体为从成都经雅安市-天全县-二郎山-康定县-新都桥-雅江县-理塘县向南折向稻城.(3)从云南香格里拉镇出发过大小雪山经乡城在桑堆镇南折进稻城县.(4)从西藏向东走川藏南线即318国道,具体为拉萨-林芝-芒康-巴塘-理塘再向南折向稻城.

稻城县无名山附近的公路主要有S217与S216两条省道,无名山北部18 km处的稻城亚丁机场已于2013年9月正式通航.目前,成都、西安、泸州、重庆、杭州、昆明等多地都开通直飞稻城的航班,其中成都每日至少有1趟航班计划飞往稻城,航程50m in.驱车从亚丁机场沿S217省道经过桑堆镇抵达无名山天文监测址点约需40m in,从稻城县城沿省道S216过桑堆镇也是约40m in可到达无名山(图1左).

值得一提的是:沿着省道S217一线,从桑堆镇到乡城县的沙贡乡之间国家已建成有高压输电线路.图10显示了无名山监测站附近200 m处的高压线路.如果未来在无名山建大型天文观测站,高功率供电可以很快实现.另外，从桑堆镇直达乡城县城的穿山隧道也在计划施工中.隧道交通实现后,无名山至低海拔乡城县香巴拉镇的开车时间将缩短至∼40 m in.香巴拉镇海拔∼2800 m,这一高度恰好是国际上一些高海拔天文台建立本地总部或中转调度与援助中心的参考高度,如海拔4200m的夏威夷Mauna Kea天文台建部在2800 m的位置,海拔5100m的智利ALMA(Atacama Large M illimeter A rray)天文台建部在2900m的位置,这有利于工作人员的临时住宿、身体恢复与后勤物资的中继与提供.

图10 高压输电系统经过无名山F ig.10 The h igh voltage transm ission line passing through W um ingshan m ountain

4 总结与展望

经过选址定点监测的阶段性数据积累,稻城无名山显示了较优秀的视宁度等观测条件.但光学天文址点还需满足如下地理条件:相对落差较大、交通可行、尽量远离人口集中的区域.从未来建站维护和人员长期驻站的角度考虑,天文址点以海拔处于3000–5000m的范围、距离大本营1 h左右行程为最佳[2,20].本文利用GIS手段,以稻城县无名山地区为重点选址研究对象,力图全面了解该选址候选区域的三维地形地貌、江川河流、道路村落、电力分布以及预测该地区未来人口和城市化发展趋势等方面的内容.重点对无名山地区的天文址点资源从地理、地质、地震、气候、人文、电力、交通等多角度进行了综合分析和评估,为我国西部大型天文设备的选址提供权威、直观、定量的参考数据.

基于GIS分析手段,我们参考了稻城县与乡城县县志资料,并结合其他权威数据库统计资料,得出以下结论：

(1)川西甘孜州稻城县和乡城县位于青藏高原东部褶皱地区、大香格里拉核心地带,大气洁净度高,平均风速小,云量覆盖率低,无沙尘暴、泥石流等恶劣天气记录,每年气候分干湿两季,90%以上降雨量主要集中在6–9月份,日照充沛,晴天/夜数多;

(2)无名山最高海拔5000m以上,最低海拔约3600m,地势相对落差大.无名山山顶坡度较缓、面积大且地表植被覆盖指数低,建站不会对现有周边植被造成破坏,同时有足够的建筑空间建造巨型望远镜设施;

(3)稻城县属一般地震监视区,偏离甘孜州地震活跃带.统计的100 yr来的5级以上地震中,仅1次震源出现在稻城县,而且是在远离无名山的稻城南部地区;

(4)稻城康巴藏文化浓郁,人口密度低,社会稳定和谐.县内最大的居民点是东南部的稻城县城,距离无名山直线距离是25 km,人口6000人.距离无名山最近的乡镇是桑堆镇,人口约2000多人,直线距离有6 km,夜间街道主要使用太阳能路灯,对无名山夜间观测不会造成显著的灯光污染;

(5)稻城县公路与航空交通便利,正常天气状况下,从成都机场出发直抵无名山监测站仅需2 h.无名山下桑堆镇连接乡城与理塘的穿山隧道目前在建设之中.国家电网在无名山已建有高压电力输送系统.

(6)无名山西南35 km的香巴拉镇海拔2800m,为未来总部建站所在地提供了一处理想候选点.

根据以上重要结果,川西无名山地区的确具备建立高海拔天文观测站的所有基本条件,包括天文观测与后勤保障条件.最近国外研究机构的分析结果也证实了这一点[30],他们利用空间卫星的长期气象资料归算出稻城无名山地区的大气积分水汽含量、晴夜概率与理论视宁度值均达到很高水平,与我们目前的定点实测结果高度类似(将另文发表).另一方面，西藏阿里狮泉河、当雄羊八井和青海德令哈灶火沟也是当前我国在青藏高原天文选址的重要考察址点,因此我们有必要在这篇文章结束前对国内现有的其他几个选址数据采集点的情况也做一个简单说明与比较.

羊八井平均海拔4300m,地势开阔平坦,曾建有中国科学院国际宇宙线观测站.但是由于它靠近拉萨市,已被规划成为西藏经济开发重点地区,因此今后留给天文发展的空间可能十分有限.羊八井离拉萨90 km,且间隔多道山,除羊八井镇外,还有很多地方适合天文观测,拉索阵就选择过几处很好的地点,只是因为其他原因,才转到稻城.德令哈灶火沟址点位于德令哈市西北部30 km处,存在许多海拔3000–4000m的山顶,气候干燥,晴天数多.但是候选点附近的山顶大多比较陡峭、难以抵达,而且这些山顶的面积一般比较狭窄.在气候方面,这里每年会有超过10 d的沙尘暴和雪暴等不利天气[31−32].

最后,值得一提的是,许多人认为阿里狮泉河址点是目前适合在干燥条件观测的地区,如红外和亚毫米波天文观测;其夜间视宁度观测的样本统计能达到0.8′′的优秀水平[30],但这仅只是基于27 d累计的结果,还需要长期监测数据的积累才能得出最终的结论.另一方面,阿里平均海拔4350m以上,周边地势平坦,季节变化不明显,全年平均气温0◦C左右,年均8级及以上大风天数超过150 d左右[31−32](材料亦见西藏阿里地区政府网:http://www.xzali.gov.cn/news/index.jhtm l).同时,由于其周边平均坡度和地势的落差过小,寻找附近低海拔的后勤保障站点将是在阿里建站需要面临和解决的问题.

实际上,阿里现在的候选址点距离狮泉河镇只有十几公里,比前面所提到的任何一个其他址点离城市都近得多,从山上就可以直接看到狮泉河市;另外,该候选址点附近有个机场,飞机起降就要在山顶上盘旋,这对于计划建造的大光学红外望远镜的台址和今后的观测来说是个巨大的干扰;其次,到目前为止还没有任何实地大气可沉降水的观测数据和分析结果,因此,尚无法切实证明这个地方就是亚毫米波和红外的最佳观测地区.

与上述几个址点相比,无名山海拔虽然较高,但其周边地势的相对落差是这几个址点中最大的(超过1000m),而且山顶开阔,山梁面积十分充裕,空气也最为洁净,尚无沙尘暴和雪暴等记录[31−32].晴夜率、理论视宁度均与阿里地区同等水平[30];无名山经常能够发现整晚视宁度均值达到0.5′′水平的情况,这一数值可以与国际上最优秀的观测址点相比.从选址参量的长期监测累计方面来看,稻城无名山也是迄今为止在这几个址点当中监测数据最为系统、最为完整的址点,观测和累计的数据已经完全能够覆盖全年12个月份.

综合上述各个候选址点的具体情况和相应的数据积累,我们认为无名山的整体情况属于上乘.除了具备优良的天文观测条件之外,周边的生活和工作条件也能够满足天文工作的保障要求.周边较大的坡度(或是高差)允许我们在工作区周围不远的低海拔区域建立基地和后勤保障点,可以大大降低设备运输、人员交通和观测站运行的成本与费用.这些因素对于将来在这里建立大型天文台、发展大规模天文观测集群非常有利.

[1]Fang C.RAA,2011,11:1377

[2]张柏荣,于建明,谭徽松.天文研究与技术,1996,S1:1

[3]Law rence J,A sh ley M,Tokov inin A,et al.Natu re,2004,431:278

[4]Sarazin M.ASPC,2002,266:342

[5]Fischer G,H ill F,Jones W.SoPh,1986,103:33

[6]Zirin H.SoPh,1988,115:183

[7]Tan H,Cen X,Q ian T,et a l.BASI,2002,30:881

[8]谭徽松,岑学奋.天文学进展,2002,20:1

[9]王绶琯,兰松竹,蒋士仰,等.陕西天文台台刊,1989,12:1

[10]李志.陕西天文台台刊,1989,12:18

[11]陈洪卿,漆贯荣.天文学报,1995,36:419

[12]拉巴次仁,孟宪茹,单增罗布,等.西藏大学学报:自然科学版,2008,23:97

[13]Liu Y,Shen Y,Zhang X,et al.SoPh,2012,279:561

[14]Liu Y,Zhao L.M NRAS,2013,434:1674

[15]刘念平,刘煜,申远灯,等.天文学报,2011,52:160

[16]Liu N P,Liu Y,Shen Y D,et al.ChA&A,2011,35:428

[17]Chang K T.地理信息系统导论.陈健飞,译.北京:科学出版社,2003

[18]李晓翠,张跃鹏.测绘科学与工程,2006,26:29

[19]刘小林,温程杰.测绘与空间地理信息,2010,33:19

[20]吴宁,刘煜,赵明宇.天文学报,2015,56:77

[21]刘立勇,姚永强.天文学进展,2010,28:391

[22]王术军,张保洲,李子英.应用光学,2007,28:431

[23]宋腾飞,刘顺庆,张雪飞.气象科技,2013,41:46

[24]刘煜.稻城无名山台址情况.中国地基大口径光学/红外望远镜的科学与技术发展战略学术讨论会,南京,2016年5月

[25]乡城县志编纂委员会.乡城县志.成都:四川民族出版社,2009

[26]四川省稻城县志编纂委员会.稻城县志.成都:四川科学技术出版社,2009

[27]甘孜藏族自治州稻城县志办公室.稻城年鉴.稻城:稻城县人民政府,2015

[28]曹梅盛,李新,陈贤章,等．冰冻圈遥感.北京:科学出版社,2006

[29]中华人民共和国国家统计局.中国统计年鉴.北京:中国统计出版社,2015

[30]Ye Q,Su M,Li H,et al.M NRAS,2016,457:L 1

[31]赵济,陈传康.中国地理(面向21世纪教材).北京:高等教育出版社,1999

[32]史培军.中国自然灾害系统地图集.北京:科学出版社,2003

A stronom ical Site Su rvey for M ountain W um ingshan A rea in W estern Sichuan Based on G IS

WU Ning1LIU Yu2ZHAO Hong-mei3

(1 Schoo l of Tou rism and Geographica l Sciences,Yunnan Norm al U n iversity,K unm ing 650500) (2 Yunnan O bserva to ries,Chinese A cadem y of Scien ces,K unm ing 650011) (3 Daocheng M etero logic Bu reau,G anzizhou 627750)

In the Western-China Astronom ical Site Survey project,we utilize the Geographic Information System(GIS)for the collection of long-term data,in order to investigate and study theWum ingshan(WMS)mountain and its surrounding areas for their geography,geology,climate,meteorology,social and demographic trends.Data analysis results show that the WMSmountain is located in the eastern fold belt of the Tibet Plateau—the typical region of the Hengduan Mountains,which leads to its large elevation,gently trended ridge,and stable geological structure.The highest altitude above the sea levelat theWMS ismore than 5000m,but there are population settlements nearby with the low altitude of only 2000–3000 m,which are important for realizing low-level cost logistics conditions for the future headquarter or logistic base.Earthquake landslides and other geological disasters were rarely recorded.The other facts are such as the dry and clean atmosphere,the sparse vegetation,the sem idry-state land,the perennial prevailing southwest w ind,the rain-less w inter,and the relatively short rainy-season summer,the location in the heartland of the large Shangri-La,no records of dust storm s and the other inclement weather,low cloud coverage,the stability ofw ind direction,the smallw ind speed,thehigh possibility of clear sky,the far distance away from the developed areas in Sichuan and Yunnan provinces,and Tibet Autonomous Region,the sparsely populated people,the slow ly developed economy, the peaceful and stable social environment,etc.Specially,in recent years,with the development of the local tourist resources,the traffic conditions in Daocheng have been significantly improved.with high quality highwaymaintenance and daily air transport capacity,the transportation of land and aviation is rarely interrup ted due to snow ing, which often happens in high p lateau regions.Therefore,the WMS area possesses the potential conditions to establish the future high altitude observatory,and it is really a very rare astronom ical site resource.

site testing,techniques:image processing,methods:data analysis,methods:statistical

P112;

A

10.15940/j.cnki.0001-5245.2016.06.009

2016-03-29收到原稿,2016-07-13收到修改稿

∗国家自然科学基金项目(11078004,11533009)及中国科学院天文台站设备更新及重大仪器设备运行专项(天文财政专项)稻城选址定点监测项目资助

†wuning@ynnu.edu.cn

‡lyu@ynao.ac.cn