基于GIS的風(fēng)場模擬——以普洱市為例

黃 誠，陳仙云，馬俊仁，段衛(wèi)虎，周汝良

(1.西南林業(yè)大學(xué)，云南 昆明 650224；2.大理學(xué)院，云南 大理

671003；3.云南省景洪市氣象局，云南 景洪 666108)

基于GIS的風(fēng)場模擬——以普洱市為例

黃 誠1，陳仙云2，馬俊仁3，段衛(wèi)虎1，周汝良1

(1.西南林業(yè)大學(xué)，云南 昆明 650224；2.大理學(xué)院，云南 大理

671003；3.云南省景洪市氣象局，云南 景洪 666108)

摘要：提出了一種基于GIS的山地風(fēng)速模擬的方法。該方法以實(shí)際氣象臺(tái)站的觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將其訂正到海拔3300m處，并進(jìn)行克里金插值，以此作為背景風(fēng)速。參照DEM數(shù)據(jù)，考慮風(fēng)速受不同地形的影響，最終得到不同山地地形條件下近地面風(fēng)速場。結(jié)果表明該方法模擬得到的風(fēng)速場具有較好的精度，能夠滿足生產(chǎn)應(yīng)用要求。

關(guān)鍵詞：風(fēng)場模擬；GIS；克里金插值

1引言

森林防火是我國的一項(xiàng)重要的工程。我國的西南地區(qū)有著豐富的森林資源和野生動(dòng)物資源，其中含有大面積的原始森林。作為西南地區(qū)省份之一的云南有著豐富的動(dòng)植物資源，也是每年森林火災(zāi)多發(fā)省份。目前我國的森林防火作業(yè)主要是通過氣象遙感衛(wèi)星影像對火點(diǎn)進(jìn)行目視解譯，對已經(jīng)確認(rèn)的火災(zāi)則通過人工、直升機(jī)灑水和建造隔離帶的方式進(jìn)行撲救作業(yè)。充分了解火勢的蔓延能夠充分發(fā)揮現(xiàn)有的資源利用效率。因此，對火災(zāi)蔓延趨勢的預(yù)測對于火災(zāi)撲救工作具有重要的意義。火災(zāi)蔓延受地表覆蓋物類型、地形和當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件影響，主要包括：風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、降水。其中風(fēng)速和風(fēng)向是影響火勢蔓延發(fā)展的兩個(gè)重要因素。本文將對風(fēng)速這一重要因素進(jìn)行研究，以根據(jù)現(xiàn)有氣象臺(tái)站的實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)模擬出大范圍山地地區(qū)的風(fēng)速分布，為預(yù)測火勢蔓延趨勢提供依據(jù)，便于林火監(jiān)測與撲救部門制定撲救策略與資源配給方案，達(dá)到有效利用現(xiàn)有資源和有效控制火勢的目的。

2研究區(qū)與數(shù)據(jù)

普洱市地處云南省西南部，位于北緯22°02′~24°50′、東經(jīng)99°09′~102°19′之間，東與紅河、玉溪毗鄰，南與西雙版納，西北與臨滄相連，北面有大理、楚雄州。東南與越南和老撾接壤，西南有緬甸(圖1)。普洱市境內(nèi)地形起伏，境內(nèi)山地面積占總面積的98.3%。普洱市地處北回歸線附近，受地形、海拔的影響，境內(nèi)垂直氣候變化明顯。普洱市海拔高度在376~3306m之間。

本文使用的數(shù)據(jù)有普洱市數(shù)字高程模型(空間分辨率90m)，普洱市縣級(jí)氣象臺(tái)站2011~2013年氣象觀測數(shù)據(jù)。

圖1　普洱市地理位置示意

3研究方法

3.1　研究現(xiàn)狀

風(fēng)速的空間分布模擬目前沒有一個(gè)公認(rèn)的模型可以使用。風(fēng)速受地形和氣候環(huán)境的影響非常明顯。不同地形、不同海拔高度的風(fēng)速存在很大的差異，在高海拔的山地地區(qū)，同樣海拔不同海拔高度的風(fēng)速也存在較大差異。鄧湘雯[1]等通過風(fēng)洞試驗(yàn)的方法研究了迎風(fēng)面防火林帶的風(fēng)速空間分布，該實(shí)驗(yàn)為相關(guān)風(fēng)速分布研究提供了參考，但該方法不適于實(shí)際應(yīng)用。史同廣[2]等提出了一種使用GIS技術(shù)的季風(fēng)風(fēng)速空間分布模擬方法，該方法計(jì)算簡單，能夠應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，但是其模擬精度有待于檢驗(yàn)和提高，且其模擬方法對于我國西南地區(qū)多山地地形的適用性還有待于檢驗(yàn)。此外，MACHRER Y[3]，JACKSON P S[4]，YIAHAK F[5]等20世紀(jì)70年代提出了各自的基于不同地形上的氣象模擬模型。傅抱璞[6]在南京方山的實(shí)地觀測發(fā)現(xiàn)孤立小山上的近地面風(fēng)速分布規(guī)律是山頂最大，迎風(fēng)面的山坡中段次之，背風(fēng)坡的底部風(fēng)速最小。基于上述理論與規(guī)律并利用現(xiàn)有氣象臺(tái)站的觀測數(shù)據(jù)，本文提出一種基于GIS技術(shù)的風(fēng)速空間分布模擬方法。以普洱市為實(shí)驗(yàn)區(qū)，對該風(fēng)速模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證與精度評(píng)價(jià)。充分考慮普洱市的實(shí)際地形與氣候條件，對普洱市的風(fēng)速空間分布進(jìn)行模擬。

3.2　模擬方法

3.2.1模擬環(huán)境設(shè)定

由于風(fēng)速的影響因素眾多，本文只討論在大氣主風(fēng)向前提條件下，地表風(fēng)速受地形的影響，而忽略其他眾多次要因素。其次，普洱市受季風(fēng)影響較明顯，為了更好地驗(yàn)證本研究模擬方法的可靠性，本文以普洱市冬季(其大氣結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，突變情況較少)縣級(jí)氣象臺(tái)站的實(shí)際觀測風(fēng)速數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對普洱市方位內(nèi)的風(fēng)速空間分布進(jìn)行模擬。

3.2.2模擬思路

首先，對氣象觀測臺(tái)站(縣級(jí)站)的風(fēng)速觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，包括：剔除空值和異常值，對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與求平局，最終生成冬季風(fēng)速的平均值數(shù)據(jù)。由于普洱市的最高海拔為3313m，故本文將近地面的風(fēng)速訂正到海拔3300m處，作為本研究的背景風(fēng)速，并利用ArcGIS軟件將風(fēng)速數(shù)據(jù)制作成散點(diǎn)矢量圖。風(fēng)速訂正方法采用垂直風(fēng)速廓線方程的指數(shù)公式[7]：

v=v1*(z/z1)m

式中：v、v1分別為海拔z、z1出的風(fēng)速，m為風(fēng)速隨高度變化指數(shù)，與下墊面有關(guān)，其值在1/8~1/2之間。本文由于條件限制無法獲得詳盡的地表覆蓋類型數(shù)據(jù)，故本文暫不考慮地表覆蓋，僅探討裸露地形情況下的山地風(fēng)速模擬，故將m取值為0.1[7]。

使用克里金插值對離散的點(diǎn)狀數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，根據(jù)傅抱璞[6]的實(shí)驗(yàn)得出的各種地形條件下不同風(fēng)速與開闊地風(fēng)速條件下不同風(fēng)速與開闊地風(fēng)速的比值關(guān)系(表1)對風(fēng)速進(jìn)行計(jì)算。

表1　各種地形條件下山體各部分的風(fēng)速

最后，將風(fēng)速從海拔m訂正到地表。訂正方法同樣采用垂直風(fēng)速廓線的指數(shù)方程。

本文采用IDL實(shí)現(xiàn)以上過程并進(jìn)行編程，使風(fēng)速計(jì)算過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)批量計(jì)算。

4結(jié)果與分析

普洱市共有縣級(jí)氣象臺(tái)站10個(gè)，以其中的9個(gè)(寧洱站除外)臺(tái)站進(jìn)行插值(圖2)，之后對插值結(jié)果按照表1進(jìn)行訂正，最后將風(fēng)速訂正到地表(圖3)。

圖2　克里金插值結(jié)果

圖3　訂正后風(fēng)速分布

為驗(yàn)證風(fēng)速的模擬精度，本文將普洱市10個(gè)氣象臺(tái)站中的寧洱站觀測數(shù)據(jù)作為檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，用以評(píng)價(jià)(表2)。

表2　寧洱站觀測值與模擬值對比

由表2可知，寧洱站的模擬值與實(shí)際觀察值的誤差為10.9%。可見本文的風(fēng)速模擬方法在多山、高海拔地區(qū)的普洱市具有較高的模擬精度。該方法可以為相關(guān)的風(fēng)電場的建設(shè)評(píng)估、森林火災(zāi)蔓延預(yù)警與撲救策略制定提供依據(jù)。

從圖2可以看出，克里金插值的結(jié)果顯示破碎較明顯，且風(fēng)速值突變的情況較多，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因與插值算法和插值所使用的點(diǎn)數(shù)等參數(shù)設(shè)置有關(guān)，但是由于總的氣象站點(diǎn)較少，故該狀況尚無法避免。由圖3可以看出，普洱市中部有一條明顯的風(fēng)速值突變的線，這與使用的插值算法有關(guān)。

5討論

本文以普洱市為例研究了一種山地風(fēng)速的模擬方法。由于普洱市現(xiàn)有的縣級(jí)氣象臺(tái)站較少，只有10個(gè)，文中使用了9個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，1個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)作為檢驗(yàn)。雖然檢驗(yàn)結(jié)果表明該站點(diǎn)的模擬值與實(shí)際值的誤差為10.9%，但是在其他地區(qū)的誤差尚無從得知，有待于更多的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。此外，本文的插值過程，使用的氣象臺(tái)站在空間分布上存在不均勻，其影響到插值結(jié)果。本文未考慮地表覆蓋情況，考慮地表覆蓋類型情況下的風(fēng)速模擬與精度評(píng)價(jià)有待于下一步的深入研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄧湘雯，文定元，申初聯(lián).防火林帶迎風(fēng)面風(fēng)速分布規(guī)律的風(fēng)洞試驗(yàn)[J].林業(yè)科學(xué)，2005,41(6)：114~118.

[2]史同廣，閆業(yè)超，王琳琳.基于DEM的大尺度季風(fēng)風(fēng)速空間分布模擬研究[J].地理與地理信息科學(xué)，2007，23(2)：26～29.

[3]MACHRER Y,PIELKE R A.The numerical simulation of the air-flow over Barbados[J]. Monthly Weather Review，1976.

[4]JACKSON P S,HUNT J C R.Turbulent wind flow over a low hill[J]. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society，1975.

[5]YIAHAK F,EHUD G,REUVEN G.Optional vector interpolationof wind fields[J]. Journal of Applied Meteorology，1996.

[6]傅抱璞.山地氣候[M].北京：科學(xué)出版社，1983.

[7]植石群，錢光明，羅金鈴.廣東省沿海風(fēng)隨高度變化研究[J].熱帶地理，2001，21(2)：131～134.

Simulation of the Wind Field Based on GIS

——Taking Pu'er city of Yunnan province as an example

Huang Cheng1, Chen Xianyun2, Ma Junren3, Duan Weihu1, Zhou Ruliang1

(1.SouthwestForestryUniversity,Kunming650224,China; 2.DaliUniversity,

Dali671003,China; 3.JinghongMunicipalWeatherBureau,Jinghong666108,China)

Abstract:This article presents a method of simulating wind speed on mountains based on GIS. On the basis of the observation data of meteorological station, the method revises the data to 3300m above sea level and use Kriging interpolation to get a background wind speed of wind field simulation. Under the background of the wind speed and taking the DEM data and different terrain conditions' influence on wind speed into consideration, the article gets wind speed field that near surface. The result shows that the wind speed which is got through simulation has a high accuracy, which can satisfy the application demands of the production.

Key words:wind field simulation; GIS; Kriging interpolation

中圖分類號(hào)：P208

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9944(2015)04-0028-03

通訊作者：周汝良(1963—)，男，云南祥云人，教授，主要從事森林火災(zāi)、森林病蟲害的監(jiān)測預(yù)警與信息化管理，生物多樣性的監(jiān)測與信息化管理，“3S”技術(shù)的集成與開發(fā)等研究。

作者簡介：黃誠(1988—)，男，江西九江人，西南林業(yè)大學(xué)碩士研究生。

收稿日期：2015-02-12