浅谈地理信息系统（GIS）在大气科学中的重要应用

夏海杰

【摘 要】地理信息系统（GIS）作为新兴的空间信息分析技术手段，其在大气科学领域的研究中的意义和价值已逐渐被广泛认同。由于大气科学中的风向、温湿度、降水量、大气压强等等关键要素都带有时间和空间属性，属于地理信息，地理信息系统近年来在大气科学领域得到的重视和应用正在持续增加。文章从大气环境监测、学科教育、各类气象业务等方面，结合地理信息系统的功能特点，综合讨论了地理信息系统在大气科学领域中的重要应用，期望该技术能引起广泛了解与关注，并得到更加深入的研究和应用。

【关键词】大气科学；地理信息系统（GIS）；气象；空间分析

地理信息系统（Geographic Information System，GIS），或称为“地学信息系统”，是近二十年兴起的一门集地理、统计、计算机等学科于一体的空间信息分析手段。它以计算机技术为基础，存储、管理、显示和分析地理信息数据，为相关研究和决策服务。在大气科学领域，天气信息、气象要素等数据都属于一种地理信息。这些信息中，譬如风向、风速、湿度、温度、大气压强等，都带有其一定的空间和时间条件，若没有时空条件为前提，则这些气象要素就失去了意义。也由此，地理信息系统在大气科学领域得到了更多重视和应用。2010年，在上海世博会的气象馆主题活动日中，基于三维GIS技术开发的气象展示系统受到了大众瞩目。该系统可在三维地球模型中浏览气象信息，并能够对各种天气现象进行真实模拟，可应用于气象科普、宣传等活动。在2016年的第八届气象信息化建设展中，GIS应用也是一大展示亮点。地理信息系统在大气科学领域正焕发着蓬勃生机，并有着广阔的发展前景。

一、GIS在大气环境动态监测中的应用

近些年来，工业废气，汽车尾气排放问题严峻，雾霾天气频现，城市广场如同“寂静岭”，支气管疾病、心脑血管疾病高发，大气环境恶化问题使人深深为之忧虑。做好对大气环境的动态监测，是控制其污染必不可少的关键工作。

大气环境有两个最大的特点：第一，是空间尺度大；第二，是流动性极强。因此大气环境动态监测分析工作十分适合运用GIS技术手段去进行。政府部门可利用GIS手段建立大气污染地理信息数据库，收集整理并储存有大气污染隐患的相关企业位置、该企业的主要大气污染物种类、污染物的可能扩散范围及速度、大气污染高风险区域的地形等信息。除此之外，利用地理信息系统的空间显示和分析功能，可以得到各类主要污染物在大气之中的浓度分布情况，并进一步获取大气污染物的重点污染区域、各类大气污染物的超标状况以及推测主要影响的污染源。

在用GIS手段监测大气环境动态方面，我们国家已经有了许多的成功实例：例如在2015年，成都市新津县环保局开始采用一套“移动污染源点位采集APP系统”，该系统不但可以在地图上反映出污染源位置，还可以显示出主要污染种类和负荷、污染范围等信息，它能够综合统一地管理和分析相关污染要素，极大地助力了环保局的日常环境巡查监管工作。同年，以天津市地理国情普查结果为基础，该市测绘院开发出了“清新空气监督核查APP应用系统”。这一款系统不但能够快速查询全市的锅炉、散煤、垃圾堆放场等21类数据的地理信息，还能够反映污染源位置和对应责任人的联系方式，方便了天津市各级涉气污染源管理部门的监督和查处工作。除此之外，无锡市疾控中心与市气象局正在合作开发的“空气污染与疾病监测预警系统”，以及都江堰开发污染监控應用软件等，都是通过GIS技术来进行大气环境动态监测和分析的。

另外，近些年，由于航空流量增加，国内机场规模不断地扩大，由飞机排放出的污染物也日益增加，这成为了一个新的大气污染关注点。飞机的飞行轨迹是呈线形的，因此飞机排放的污染源可以当作线源处理，于是有学者开始讨论，当污染源为线源时，如何运用地理信息系统对预测区域的大气污染物浓度进行预测，并且也已经有一定进展。

二、GIS在大气科学教育中的应用

GIS技术在大气科学的学科教育领域也得到了重视和应用。在美国，高等院校的大气科学专业大都开设了GIS应用于该学科的专门课程。早在1998年，美国乔治梅森大学地理学院的希普利教授等在ESRI用户大会上就已经提出过一个很重要的概念——“GIS气象学”，并希望大气科学领域的科学家们能够将更多的关注放在这上面。这些大学教授们开设了课程关于“地理信息系统在大气科学中的应用”，旨在让学生了解地理信息系统的基础知识及功能，学会将GIS技术应用于气象决策。课程中，学生们通过地理信息系统来学习如何处理气象数据、如何分析天气条件与天气现象以及如何做数值天气预测预报等等。

而在国内，兰州大学、南京信息工程大学等气象排名较前的高等院校近年来都陆续开设了GIS本科专业，以便培养复合型技术人才。尤为值得一提的是，南京信息工程大学招收研究生时直接开设了3S集成与气象应用方向，其对地理信息系统在大气科学中的应用的重视程度可见一斑。

三、GIS在气象业务中的应用

GIS作为重要的空间地理信息技术，已经在气象预报、气象灾害应急救援、气象站点选址分析等方面都得到了很好的应用。

（一）GIS在气象预报中的应用

在天气预报方面，将地理、气象等影响要素在GIS中进行空间分析，得到所需的预报要素。再通过GIS的数据处理及空间显示功能，制作天气预报图件。气象专家还能够利用GIS技术分析天气数据与形势，从而使天气预报更加准确。

在台风预报方面，利用 GIS进行空间分析，可以实现台风路径查询、气旋影响因子分析、台风源地分析等功能。基于数据和算法，结合遥感技术，还能够建立系统定位热带气旋。这方面应用的具体实例有上海台风研究所和华东师范大学基于 GIS 技术合作完成的“西北太平洋热带气旋信息系统”。

在地质灾害气象预报方面，将影响灾害的地质条件、气象条件和相关的气象灾害数据在GIS中叠加分析，可以构造出灾害预警标准综合判别方法。2006年，国家气象中心与成都山地所合作开发的“滑坡和泥石流区域短期预报应用系统”，以分析滑坡、泥石流的形成条件为基础，以 GIS技术和数值天气预报方法为手段，建立起了针对滑坡和泥石流灾害的预报模型，并已投入使用，为社会服务。

（二）GIS在气象灾害救援指挥中的应用

气象灾害应急救援工作需要多部门及民众配合，十分复杂，气象灾害应急指挥须由有号召力和领导力的政府承担。政府需要正确分析形势，快速评估灾害并迅速应对。地理信息系统可以对复杂的空间属性信息进行管理，当某个区域有气象灾害发生，可用GIS技术快速对受灾面积，区域经济损失进行空间分析，及时完成区域气象灾害评估，为政府做进一步决策提供辅助信息。

另外，在政府进行决策和指挥的时候，还需要知道灾情现状、灾区地理信息、灾区周边医院、物资、救灾人员等分布情况。结合估计的灾害发展趋势，去进行包括救灾物资、人员、车辆的调配以及灾民、财产的疏散转移。无论是了解灾情发展态勢，还是根据现状进行决策、进行各部门间的统筹指挥调度，都需要地理信息系统的协助，以实现科学决策和快速指挥。

（三）GIS在气象监测站点选址分析中的应用

传统的气象站点选址一般都需要工作人员去进行实地考察、现场勘测，但是这种传统的选址方法不但要耗费大量人力物力，还需要花费相当长的时间。而GIS技术能够帮助我们快速、准确、节约地去给气象观测站点进行选址。空间选址是一般要考虑如何使综合指标达到最优，利用GIS技术可以科学，高效地解决该问题。

我国的各级气象部门将我国的行政区划等地理信息和全国各类气象站的相关信息加载到地理信息系统中，建立起全国气象台站网信息库，进行分层管理，该信息库可对气象监测站点选址提供一定参考依据。将区域气象、地理资料以及高程数据一同综合到GIS中进行叠加分析，并根据中国气象局发布的《自动气象站建设技术要求》、《全国基层气象台站建设指导标准》等文件中要求的气象站点建设条件，用GIS技术的缓冲区分析等空间分析方法筛选，初步选出选址地点，然后再进行实地考察并最终定下合适的选址位置。

四、结语

GIS作为一门新兴并且已经较为成熟的学科和技术，在企业开发、科学研究等各个方面的应用日益增多。大气科学与地理信息有着非常密切的联系，气象要素本身含带有地理信息，这就决定了GIS在大气科学领域中必然有广泛且重要的应用。文章结合作者查找的相关资料，简单整理分析了GIS在大气科学中的一些重要应用，并列举了不少实例来论证说明。GIS的兴起不过二十年，作为一门正在蓬勃发展的新兴科学技术，其功能和作用远远不止于此，地理信息系统在大气科学领域中的应用还有待进一步挖掘和研究。

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