吳寧 劉煜 趙紅梅

(1云南師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院 昆明 650500) (2中國科學(xué)院云南天文臺 昆明 650011) (3四川省稻城縣氣象局甘 孜州 627750)

川西無名山天文址點G IS分析研究?

吳寧1?劉煜2?趙紅梅3

(1云南師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院 昆明 650500) (2中國科學(xué)院云南天文臺 昆明 650011) (3四川省稻城縣氣象局甘 孜州 627750)

隨著西部天文選址工作在川西無名山地區(qū)的逐步深入,利用地理信息科學(xué)(Geographic In form ation System,GIS)手段收集了大量長期數(shù)據(jù),對無名山及周邊地區(qū)的地理、地質(zhì)、氣候、氣象、社會與人口發(fā)展趨勢等方面開展了詳細(xì)的調(diào)查研究.資料分析結(jié)果顯示:無名山地處青藏高原向東延伸的褶皺地帶—典型的橫斷山脈地區(qū),形成地勢整體落差大、山脊走勢平緩、地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特色.無名山區(qū)域最高點海拔高度超過5000 m,但附近存在海拔僅2000–3000 m的人口定居點多處,可實現(xiàn)低成本后勤保障;鮮有地震泥石流等不良地質(zhì)災(zāi)害記錄;大氣干燥、植被稀少、地表半干旱狀態(tài);常年盛行西南風(fēng),冬季氣候寒冷、降雨量稀少,夏季受南部印度洋暖濕氣流影響存在明顯的雨季;屬大香格里拉核心地帶,大氣潔凈度高,無沙塵暴等惡劣天氣記錄;年均云量少于5成,風(fēng)向穩(wěn)定、風(fēng)速小,可利用晴日/夜數(shù)多;人口稀少、經(jīng)濟發(fā)展緩慢、社會和諧穩(wěn)定、遠離川滇藏經(jīng)濟相對發(fā)達地區(qū);近年來隨著本地區(qū)旅游資源開發(fā),交通條件得到明顯改善,具備高質(zhì)量公路維護與日常航空運輸能力,鮮有其他高原地區(qū)常見的大雪封山、航空停運等運輸不暢情形發(fā)生.因此,GIS綜合分析結(jié)果表明:無名山地區(qū)滿足建設(shè)高海拔天文觀測站的一系列基本保障條件,是我國西部難得的光學(xué)/紅外天文址點資源.

址點檢測,技術(shù):圖像處理,方法:數(shù)據(jù)分析,方法:統(tǒng)計

1 引言

發(fā)現(xiàn)和建立優(yōu)秀天文臺址歷來是實現(xiàn)高效天文觀測與空間監(jiān)測的一個前提條件[1?2].考慮到大型天文址點建設(shè)需要的投入往往巨大,天文選址研究成為其中一項重要的任務(wù)環(huán)節(jié),需慎重對待、不容輕視.國際上多年的天文選址經(jīng)驗表明:成功的選址離不開多學(xué)科的密切交叉分析、野外苛刻環(huán)境中的長期科考、實地科學(xué)數(shù)據(jù)的收集與處理、天文/氣象與社會等多因素的反復(fù)考察與比較等一系列周密而又嚴(yán)格的過程[3?7].在我國西部高海拔地區(qū)發(fā)現(xiàn)和建設(shè)一流天文臺站,是幾代天文學(xué)者的夙愿.我國在上世紀(jì)就有在南方放置大口徑望遠鏡的戰(zhàn)略規(guī)劃.為找到一個綜合條件好、能夠讓大口徑望遠鏡發(fā)揮功能的天文觀測臺址,云南天文臺與國內(nèi)外單位合作,從上世紀(jì)70年代就著手開展當(dāng)時新一輪選址工作,先后開展和參與了針對云南賓川、轎子山、麗江、楚雄、澄江及西藏、新疆等一些地區(qū)的大量選址工作[8?12].他們當(dāng)時在艱苦的條件下開展了卓越的野外選址工作,使國際天文界對我國西部天文址點情況第一次有了深刻認(rèn)識.他們的工作為下一步選址確立了科學(xué)量化的選址標(biāo)準(zhǔn),同時也收獲了豐富的選址經(jīng)驗與技術(shù)儲備.得益于此,近年來我們在大香格里拉地區(qū)的白天(太陽)與夜間天文選址工作也就是在此基礎(chǔ)上順利開展的[13?16].

一個優(yōu)良的天文觀測址點除了需要滿足常規(guī)天文因子的指標(biāo)要求,另外還必須滿足一定的地理、氣候與后勤保障條件[3].過去為了進行地形地貌數(shù)據(jù)的獲取,我們需要攜帶專業(yè)設(shè)備到野外去進行實地踏勘,往往費時費力而且效率不高.現(xiàn)代天文選址與過去最大的不同就是海量遠程共享資源的快速獲取與集中科學(xué)處理,通過這些資源整合獲取的結(jié)果為下一步實施定點監(jiān)測提供重要依據(jù).

GIS手段當(dāng)前被廣泛應(yīng)用在信息資源各個領(lǐng)域.由于GIS資源庫中具有各類長時間積累的權(quán)威數(shù)據(jù)和指標(biāo),因此它同樣可以被用來研究天文選址.利用GIS手段不僅大大節(jié)約了選址的人力、物力,還能提高我們對區(qū)域進行分析評判的客觀性和準(zhǔn)確性,以及對一批候選址點進行最優(yōu)地理位置的甄別與挑選.另外,如果再結(jié)合高分辨率的地形數(shù)字高程模型(DEM),我們對感興趣的區(qū)域的地形地貌進行數(shù)值模擬,還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,從而節(jié)省了野外地形的精細(xì)勘探工作;特別是在候選址點的初選階段,GIS可以幫助我們很快排除許多不適宜的地點.

針對道路交通和居民點人口分布狀況的研究,GIS的可視化手段可以將研究區(qū)域的交通分布和等級狀況描繪得一目了然,能夠有效地劃分出適宜的研究區(qū)域;針對地質(zhì)、地震災(zāi)害的分析,GIS同樣可以較準(zhǔn)確地描繪出它們的具體分布范圍和影響范圍,從而劃定可靠的址點范圍;進一步利用GIS手段將以上所有因素進行綜合疊加分析,就可以針對候選址點得出全面客觀的評估和結(jié)論.目前,隨著空間信息技術(shù)的不斷發(fā)展,地理空間數(shù)據(jù)的觀測與獲取方式已經(jīng)上了一個新的臺階,可以實現(xiàn)全天候、連續(xù)、實時的三維觀測,也就是說這些地理空間數(shù)據(jù)除了具備三維特征外,還具有時效性[17].

綜合上述因素,與傳統(tǒng)遠程天文選址手段相比,GIS選址的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在:(1) GIS空間分析采用一定的數(shù)學(xué)模型,精度較高;(2)GIS能夠有效地組織多源相關(guān)數(shù)據(jù)進行綜合分析,尤其是空間地理數(shù)據(jù)的操作和分析[18];(3)GIS可以專題圖或地理模型的形式為決策人員提供直觀的分析結(jié)果[19];(4)使用GIS對地理信息進行分析得到的結(jié)果更客觀、更真實、更能排除研究人員的主觀因素;(5)GIS可以節(jié)約大量野外調(diào)研的時間,能為初期的選址工作節(jié)省大量的人力、物力和時間.現(xiàn)代選址可以利用更多來自地面和空間的數(shù)字化信息,為候選區(qū)域的劃定以及選址的策略選擇提供科學(xué)、客觀的關(guān)鍵參數(shù).因此,GIS技術(shù)極大地提高了我們處理和分析有關(guān)地球資源、環(huán)境、社會與經(jīng)濟數(shù)據(jù)的綜合能力.

我們在文獻[20]中曾以云南省大姚縣百草嶺地區(qū)為例,首次嘗試?yán)肎IS技術(shù)對遠程天文選址對象的自然地理、人文地理以及氣象、氣候條件進行了地理信息的空間分析,取得了有價值的選址結(jié)果.我們對該地區(qū)周邊的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地形地貌、氣象氣候特征以及道路交通及后勤條件均做出了有效的科學(xué)評估,并給出了相應(yīng)結(jié)論.

自2014年10月至2016年4月,我們在四川省甘孜州稻城縣無名山已經(jīng)開展了連續(xù)一年半的選址定點監(jiān)測,實地采集了大量大氣視寧度、天空背景亮度、大氣積分水汽、大氣氣溶膠參量、全天云量以及常規(guī)氣象數(shù)據(jù).視寧度是用于描述天文觀測的目標(biāo)受大氣湍流的影響而看起來變得模糊和閃爍程度的物理量,取決于大氣湍流活動程度,它是考察光學(xué)天文址點中一個非常重要的參量[21].大氣積分水汽是指整層大氣積分總水汽量,也稱大氣可沉降水,以單位面積空氣柱中所有水汽都凝結(jié)成液態(tài)水時所具有的厚度表示.在無名山,我們利用基于紅外波段的大氣消光特征來測量大氣積分水汽含量,使用的儀器是我們自主研發(fā)的新一代日暈光度計.通過對該儀器觀測結(jié)果的分析和反演,我們就可以得到無名山的大氣可沉降水的測量結(jié)果[22?23].這一階段的觀測數(shù)據(jù)以及后續(xù)處理的結(jié)果表明[24]:無名山全天24 h視寧度中值為1′′,每晚的夜間視寧度中值最低能達到0.5′′,大氣積分水汽含量中值2.5mm,夜天光背景亮度中值21.8 mag(V波段),大氣氣溶膠因子低(空氣潔凈);2015年的晴夜數(shù)270 d,晴日數(shù)250 d.這些結(jié)果都是我們在上述這一年多的時間內(nèi)連續(xù)觀測獲得的,是以前從來沒有取得過的.它們初步證實無名山區(qū)域可能是一個非常優(yōu)秀的天文觀測候選點,值得保持長期天文選址監(jiān)測研究.

因此,類似針對大姚縣百草嶺的分析方法[20],本文中我們結(jié)合GIS手段對稻城無名山地區(qū)及其周邊環(huán)境也進行了詳細(xì)分析,充分利用地理信息系統(tǒng)的空間可視化和空間綜合分析功能,力圖對整個無名山區(qū)域得出一個整體的GIS選址綜合評價,為最終完成該區(qū)域選址工作提供重要的輔助依據(jù).

我們的分析影像數(shù)據(jù)包括DEM數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)、中國1 km分辨率地表溫度月數(shù)據(jù)和中國250 m歸一化植被分布指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)影像,均來源于中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn)[20],其他數(shù)據(jù)來源于《鄉(xiāng)城縣志》[25]、《稻城縣志》[26]和《稻城年鑒》[27]以及地方氣象等資料庫.這些資料可用于對無名山周邊包括稻城縣及其鄰縣鄉(xiāng)城縣的地形地貌、植被概況、礦產(chǎn)資源、人口分布、交通狀況等做較全面的分析.最后我們對該地區(qū)的地理環(huán)境作出了綜合評估.

2 稻城縣基本概況

稻城縣位于四川省甘孜藏族自治州南部,地處青藏高原東南緣、橫斷山脈東側(cè),地跨北緯27?58′至29?42′,東經(jīng)99?58′至100?38′,面積7323 km2.稻城縣地圖呈南北向長條形(圖1左).稻城縣地形復(fù)雜,總體上地勢西北高、東南低;東南與涼山彝族自治州木里縣接壤,西面與甘孜州鄉(xiāng)城縣相接,南面與云南省迪慶藏族自治州的香格里拉鎮(zhèn)毗鄰,北部連接甘孜州理塘縣.圖1右顯示,它東南方向與攀枝花市相距大約320 km,與昆明市相距大約520 km,東偏北方向與成都市相距大約400 km.稻城縣轄12鄉(xiāng)、2鎮(zhèn),共124個村, 2011年末總?cè)丝?2450人,其中藏族占總?cè)丝诒壤秊?6%左右,康巴藏區(qū)文化濃郁[26?27].

圖1 稻城縣的地理位置(左)及到周邊市縣的直線距離(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 稻城縣地形地貌特征

全縣自西北至東南,共劃分為3個區(qū)域.北部屬典型丘狀高原區(qū),這個區(qū)域主要分布于海子山-稻城河谷和波瓦山以北地帶,海拔一般在3600?5200m之間,包括的鄉(xiāng)鎮(zhèn)有鄧坡、桑堆、省母、金珠鎮(zhèn)、傍河、色拉、木拉等7個鄉(xiāng)鎮(zhèn),面積達到4017.4 km2,占全縣總面積的54.9%[27],超過了一半比例.該區(qū)域地勢平緩、水草豐茂、河谷寬闊,冰蝕地貌發(fā)育得比較成熟,是重要的牧業(yè)產(chǎn)區(qū).中部為山原區(qū),是丘狀高原向高山峽谷的過渡地帶.南部為高山峽谷區(qū),河流切割深,谷深坡陡,河谷狹窄,高差大,形成了仙乃日、央邁勇和夏諾多吉這3座著名雪山.

我們所選址點無名山位于北部丘狀高原區(qū),距桑堆鎮(zhèn)的直線距離在6 km左右.由于道路盤山而上,通常駕車時間需要20多分鐘.因為無名山所在位置處在稻城和鄉(xiāng)城的邊界地帶,所以在研究中就把鄉(xiāng)城縣的部分區(qū)域也納入分析的范圍.如前所述,該區(qū)域內(nèi)雖然海拔地勢較高,但是整體地勢較為平坦,特別是山梁子的頂部,大部分都是平頂,即可謂是谷底仰望是山,山頂平視是平原.

圖2顯示了無名山的地勢照片,山下壩子形成了桑堆鎮(zhèn),其周邊被高大的山梁子環(huán)繞,這些山梁的海拔基本上都在4000 m以上;特別是無名山址點附近的幾座山梁子,最高海拔都在4600m以上,甚至超過5000m.山梁本身相對底部峽谷的落差也較大,超過1000 m.另一個可貴之處就是山頂區(qū)域的面積大(～2 km2),而且山頂平面相對平緩(僅數(shù)米的落差)(圖3左),這為以后建設(shè)大型觀測基地提供了天然的便利條件.據(jù)我們長期的野外選址考察,稻城縣北部高山上的這種大面積平頂?shù)孛矖l件在我國整個西部地區(qū)都十分罕見,通常其他大多數(shù)高山的頂部都呈現(xiàn)陡峭、不平整、且面積狹窄有限的地貌特征.

圖2 稻城縣無名山地勢Fig.2 The terrain of W um ingshan m oun tain in Daocheng coun ty

2.2 稻城縣地質(zhì)概況

從地質(zhì)構(gòu)造上看,稻城界于川、滇、藏三省交界地帶,屬“三江地槽褶皺”系、玉樹-義敦優(yōu)地槽褶皺帶[26],地層發(fā)育齊全.同時,稻城地處理塘次生擴張帶的南部,受多期構(gòu)造運動的影響,形成一系列褶皺和斷裂.

距離稻城最近的地震帶是鮮水河地震帶.該地震帶北起石渠縣,經(jīng)爐霍、道孚、康定等縣,到瀘定縣南部為止,由西北向東南延伸(圖3右),全帶都在甘孜藏族自治州境內(nèi).從四川地震資料匯編獲得的強震統(tǒng)計來看,鮮水河地震帶是四川地震活動的高強度地帶.但是其發(fā)生的地震活動分布很不均勻,北段略高于南段.鮮水河活動斷裂帶的歷史地震記載比較短,從公元1700年以來,在該地震帶上曾發(fā)生過8次7級和7級以上大地震,最大的幾次是1786年康定瀘定間7.75級地震、1816年爐霍7.0級和1973年爐霍7.6級大地震等(表1),距今最近的一次強震為1981年道孚6.9級地震.如果包括6.0級地震在內(nèi),則東南段發(fā)生過8次6.0級及以上地震,而西北段發(fā)生18次.這說明鮮水河斷裂西北段地震活動性明顯高于東南段.從1967年侏倭6.8級地震、1973年爐霍7.6級地震、1981年道孚6.9級地震可以看出,強震沿著鮮水河斷裂帶具有往東南遷移的規(guī)律,圖3右顯示了這個地震帶的延伸方向.值得一提的是:從地理位置、延伸方向和地質(zhì)構(gòu)造上看,鮮水河斷裂帶對稻城的影響并不大.統(tǒng)計資料顯示:稻城縣境內(nèi)發(fā)生的地震震級均不高,一般屬于有感地震,現(xiàn)有記錄的最高級別的地震只有5級左右,主要在稻城南端的東義區(qū)境內(nèi),其他地震一般是毗鄰縣發(fā)生的地震波及稻城.所以稻城縣地震活躍度不高,屬一般地震監(jiān)視區(qū).

表1 甘孜州1725年以來發(fā)生的里氏6級以上的地震列表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

圖3 稻城縣周邊地區(qū)地勢(左)以及甘孜州近百年來主要地震帶與5級及以上地震震點分布(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 稻城的氣象氣候概況

稻城地處亞熱帶.由于青藏高原復(fù)雜地形的影響,使該地區(qū)呈現(xiàn)青藏高原型氣候和大陸性氣候特征,屬典型的大陸性季風(fēng)高原型氣候,四季不明顯.5—10月為夏季,11月至次年4月為冬季.這里主要受來自亞洲西部高原上空的南支西風(fēng)氣流的影響,空氣干燥,雨雪天氣較少.偶爾受北方的冷空氣部分穿過巴彥克拉山南下的影響,造成本縣的雨雪天氣[26].從稻城縣1991年到2005年15 yr期間的氣象記錄可以看出,稻城縣歷年相對濕度的平均值均在60%以下.全年降水主要集中在6—9月,主要是因為受到來自印度洋的西南暖濕氣流影響.年均降水量最高為1998年的1058.3 mm,最低為1992年的519.9 mm.不過,本地區(qū)夏季也常常受副熱帶高壓的影響,往往造成夏季也天晴少雨的天氣.當(dāng)副熱帶高壓維持時間較長,還容易發(fā)生夏伏旱.平均最大蒸發(fā)量是1895.8mm,而同期的降水量僅為800.5mm[26].

圖4顯示了稻城縣最近4 yr的月均降雨量(左上)、平均云量(右上)、相對濕度(左下)與日照時數(shù)(右下)的統(tǒng)計分布.平均云量、相對濕度和降雨量呈現(xiàn)同步變化的趨勢和規(guī)律,表現(xiàn)出每年氣候上干濕兩季的西南地區(qū)特征,稻城全年降雨量的絕大部分(>90%)發(fā)生在6—9月的雨季.各參量年度變化之間差異較小,日照時數(shù)自6月份開始逐漸衰減,7—8月份往往達到全年日照最少的時期(約為干季期間日照時數(shù)的一半), 10月份開始恢復(fù)干季時的高日照比例.2015年受全球厄爾尼諾現(xiàn)象影響,稻城日照時數(shù)與前幾年相比有所降低,但僅幾十小時的差異.從平均云量覆蓋率來看,稻城云量處于西南地區(qū)云量最低的地帶,這為夜間連續(xù)天文觀測提供了較高的晴夜率.參考國際經(jīng)驗,短暫的雨季也往往可被利用來開展大型望遠鏡系統(tǒng)的維護與升級建設(shè)等復(fù)雜工作.

圖4 稻城縣2012—2015年期間逐月降雨量(左上)、平均云量(右上)、相對濕度(左下)與日照時數(shù)(右下)的統(tǒng)計分布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

稻城是甘孜州內(nèi)日照最充足的縣之一,日照率達60%以上,冬季達84%.從1991年至2005年15 yr的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,年平均日照時數(shù)最高為2582.4 h,最低也達到2331.5 h,有統(tǒng)計記錄的一日最長日照時數(shù)為13 h.

稻城縣冬春季風(fēng)速較大,時有大風(fēng)出現(xiàn),一年中6—10月的風(fēng)速較小.多年氣象統(tǒng)計資料顯示,稻城縣城一年內(nèi)出現(xiàn)8級以上大風(fēng)(瞬時風(fēng)速在17 m/s至20 m/s之間)的天數(shù)平均在9.6 d左右;年平均風(fēng)速在1.6–2.3 m/s之間;由于受地域、地形影響,稻城縣區(qū)域低空盛行西風(fēng).地面風(fēng)季節(jié)變化明顯,并且隨著高度增加西風(fēng)頻率增大,風(fēng)速增大.這里需要說明的是:由于氣象部門的所有報表給出的數(shù)據(jù)都是相應(yīng)參數(shù)的平均值,我們目前暫時無法獲得完整的數(shù)據(jù)來計算中值,所以在本文中使用到氣象數(shù)據(jù)的時候均使用平均值,而沒有采用中值來描述相關(guān)參數(shù)的大小.今后如果氣象部門提供中值數(shù)據(jù),我們將增加對這部分信息的分析和研究.

稻城縣由于海拔較高,氣溫比同緯度的我國東部各地低,年平均氣溫4.1?C,7月份平均氣溫最高達11.9?C,1月份平均氣溫低達?5.9?C.稻城每年最熱月是7月,平均最高氣溫為18.3?C,極端最高氣溫為27.9?C,最冷月為1月,最低極端氣溫為?27.6?C.以上所提的氣溫均為大氣溫度.

圖5顯示了稻城無名山及周邊地區(qū)地面的日間和夜間平均溫度分布.這些數(shù)據(jù)來自美國Terra對地觀測衛(wèi)星所攜帶的中分辨率成像光譜儀(M oderate Resolution Imaging Spectroradiom eter,MODIS)[28],空間分辨率為1 km.圖5的4幅圖中的平均溫度分布分別代表6月份白天(左上)、12月份白天(右上)、6月份夜間(左下)與12月份夜間(右下)的統(tǒng)計結(jié)果.這些結(jié)果表明:無論夏季還是冬季，無名山地區(qū)的地面溫度變化區(qū)間為?20?C?+20?C.冬季需要注意地面有較厚實的凍土,因此動土性施工計劃需要避開冬季.

3 利用G IS手段對無名山周邊地理的空間分析

3.1 無名山周邊地勢及坡面分析

圖6反映了坡度值分布的顏色差異,顯示了無名山和桑堆鎮(zhèn)周邊及東北部大片區(qū)域均是地勢平坦的高平原地帶(綠色),坡度都在25?以內(nèi),地勢平坦.以無名山為中心向外輻射10 km的直線距離內(nèi),地勢均較為平坦,非常適合大型觀測站的建設(shè)和道路運行.圖中坡度較大的區(qū)域(偏黃顏色)主要分布在距離無名山10 km以外的西部和南部,為山谷公路區(qū)域和鄉(xiāng)城縣境內(nèi).

為更清晰地了解無名山天文址點監(jiān)測站周邊的地形及其起伏度,我們對圖6無名山局部放大(圖7左下角),并分別按其上的4條不同色彩直線做出相應(yīng)的坡度輪廓,對應(yīng)色彩的結(jié)果顯示在圖7之中.各輪廓圖中的橫坐標(biāo)起點表示切線的左端.這4條切線的海拔高度輪廓中最高點都超過4800m,最低點也都不低于3600m.剖線1(紫色)穿過無名山1號監(jiān)測點附近延伸出去.其東邊落差較大,從山頂點到桑堆鎮(zhèn)的高差接近1000m.在1號點向東延伸的8 km直線距離內(nèi),雖然山坡陡峭,但是山頂基本上都是平坦的.剖線2(綠色)穿過無名山2號監(jiān)測點附近,顯示了在無名山以南直線6 km左右也存在類似剖線1的山頂?shù)貏莘植?從這條剖線輪廓圖中可以看出,雖然這一帶山體海拔懸殊大,溝壑縱橫,山坡陡峭,但山頂周圍地勢也都很平坦,而且面積較大,這種類型的山體也就是通常所說的平頂山.剖線2同樣顯示其上各點相對落差較大,比如在無名山的西部沿著鄉(xiāng)城縣沙貢鄉(xiāng)有一條南北延伸溝谷,與無名山的相對落差在1200m左右.剖線3(藍色)和剖線4(粉紅)從不同的角度、方位和地理位置分別顯示了在無名山南部位置的剖面輪廓.這2個輪廓上都分布著頂部平坦的梁子,頂部的面積平均都在1–2 km2左右.

圖5無名山周邊地區(qū)2010年6月份(左)與12月份(右)的日間(上)與夜間(下)地表平均溫度分布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)

圖7 上方兩幅小圖分別顯示當(dāng)前的1號監(jiān)測點與2號監(jiān)測點附近的切線地勢輪廓.從整體來看,1號點地勢更加平整、陡度變化相對小,周圍小山包較少;而2號點起伏較快、西邊分布了更多小山包.

圖6 無名山及其周邊坡度示意圖Fig.6 The gradient m ap of W um ingshan m ountain and its su rrounding areas

圖7 無名山周邊地勢典型區(qū)域的直線剖面圖Fig.7 T he p rofile m aps of the nearby terrain of W um ingshan m oun tain

3.2 稻城縣和鄉(xiāng)城縣土質(zhì)植被分布情況

土質(zhì)植被方面,由于稻城大氣干燥、海拔高,雖然低海拔村莊附近會有樹木,但海拔達4000m以上地帶的植被會迅速變得稀少、土壤荒涼、無樹少草.全縣土壤多為物理風(fēng)化,質(zhì)地差,無名山周圍地表主要覆蓋物為沙礫頁巖,有非常稀疏的植被分布.無名山海拔最高處超過5000m,加上日照強,造成陽坡多為草甸,陰坡多為灌叢,因此無名山植物成分十分單調(diào).主要的植被類型以高山和亞高山灌叢草甸為主.這類植被的植株都比較低矮,群落結(jié)構(gòu)簡單,層次不明顯;生長密集處有時形成平坦的植氈.草甸的群高只有3–10 cm左右,常為分散片狀分布.無名山址點周邊的海拔范圍為4000–4800m,按海拔升高依次分布著高山灌叢草甸、高山荒漠植被和高山流石灘植被(圖8,相片攝于夏季).

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

利用美國氣象衛(wèi)星Terra所攜帶的中分辨率成像光譜儀(MODIS)獲得的區(qū)域影像數(shù)據(jù)[28],我們對無名山周邊土壤植被環(huán)境作進一步的量化分析.MODIS的多波段數(shù)據(jù)可以同時提供反映陸地表面狀況、云邊界、云特性、海洋水色、浮游植物、生物地理、化學(xué)、大氣中水汽、氣溶膠、地表溫度、云頂溫度、大氣溫度、臭氧和云頂高度等特征的重要信息.在進行無名山植被研究以及植物物候研究中,我們主要對MODIS影像的NDVI指數(shù)進行分析.這個方法在遙感分析中得到廣泛應(yīng)用,因為NDVI指數(shù)是植物生長狀態(tài)以及植被空間分布密度的最佳指示因子,與植被分布密度呈線性相關(guān).NDVI指數(shù)在?1和+1之間變化,較高的NDVI值預(yù)示著包含較多的綠色植被;通常,云、水體或是雪地的NDVI值為負(fù),巖石和裸露土地的NDVI值在0左右,NDVI>0.55時表明有明顯植被分布,而NDVI>0.7時則為全植被覆蓋.

以2010年的無名山NDVI數(shù)據(jù)為例,通過6月和12月的晝夜兩類圖像進行分析對比,可以看到無名山周邊監(jiān)測區(qū)的NDVI在寒冬時節(jié)(以12月1日的數(shù)據(jù)為代表)居于0.01和0.1之間,符合干旱土壤裸露的情況;在仲夏時節(jié)(以雨水最多的6月30日為代表),NDVI處在0.11到0.55之間(圖9),屬略有植被覆蓋情況.這些結(jié)果表明:無名山定點監(jiān)測區(qū)周邊基本沒有大量植被分布;即便是在6月份,NDVI也只反映出僅有零星的植被覆蓋.

圖9 無名山植被指數(shù)的季節(jié)變化.注意圖中白色區(qū)域為沒有數(shù)據(jù)區(qū)域,主要是由于云層遮擋引起.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 稻城的礦產(chǎn)資源概況

稻城縣地處理塘次生擴張帶的南段,受多起構(gòu)造運動的影響,形成一系列褶皺和斷裂,對成礦具有重要地質(zhì)作用,因此稻城具有一定的礦產(chǎn)資源.這些礦產(chǎn)資源主要是分布在縣境西南和東部的金礦,分布在南部香格里拉鎮(zhèn)、鄧坡鄉(xiāng)、吉呷鄉(xiāng)的銅礦,還有分布在香格里拉鎮(zhèn)的鉛鋅礦以及蒙自鄉(xiāng)的褐鐵礦等[27].但這些礦點都不在縣城北端的無名山址點附近,所以址點附近目前未有大規(guī)模礦產(chǎn)開發(fā)的可能.

3.4 稻城縣和鄉(xiāng)城縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口基本情況分析

據(jù)2005年末的人口統(tǒng)計,稻城全縣總?cè)丝?832戶29112人.其中,農(nóng)牧業(yè)人口4619戶25711人,非農(nóng)業(yè)人口3401人,占總?cè)丝诘?1.7%.從分布區(qū)域來看,縣府所在地金珠鎮(zhèn)人口最多、密度最高,為37.13人/km2.距離無名山最近的桑堆鎮(zhèn)人口總數(shù)為2359人,平均人口密度僅為2.2人/km2;鄉(xiāng)城的沙貢鄉(xiāng)2005年人口1055人,其人口密度為3人/km2.在稻城境內(nèi),直線距離無名山監(jiān)測點最近的人口相對較多的地方就是桑堆鎮(zhèn),其次為傍河鄉(xiāng)與色拉鄉(xiāng).距離無名山最近的鄉(xiāng)城縣的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為沙貢鄉(xiāng)和尼斯鄉(xiāng),但沙貢鄉(xiāng)人口僅1000人左右.

表2詳細(xì)列出了兩縣的鄉(xiāng)鎮(zhèn)面積與對應(yīng)的人口數(shù)量.無論是人口數(shù)量還是人口密度,這兩縣的人口分布密度都大大低于我國整體平均水平(～150人/km2),也低于我國西部高原地區(qū)的平均人口密度(～10人/km2)[29].另外,從圖1中可以看出,無名山周邊300 km范圍內(nèi)沒有人口集中的大城市.

表2 稻城縣、鄉(xiāng)城縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)面積及人口數(shù)(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 稻城無名山交通與電力基本條件分析

從甘孜州以外進入稻城縣主要有4條道路(圖1左):(1)經(jīng)川藏北線即317國道到川藏南線即318國道,具體為從成都經(jīng)都江堰-臥龍-四姑娘山-小金縣-丹巴縣-八美-塔公鄉(xiāng)-新都橋-雅江縣-理塘縣向南折向稻城.(2)從內(nèi)地向西走川藏南線即318國道,具體為從成都經(jīng)雅安市-天全縣-二郎山-康定縣-新都橋-雅江縣-理塘縣向南折向稻城.(3)從云南香格里拉鎮(zhèn)出發(fā)過大小雪山經(jīng)鄉(xiāng)城在桑堆鎮(zhèn)南折進稻城縣.(4)從西藏向東走川藏南線即318國道,具體為拉薩-林芝-芒康-巴塘-理塘再向南折向稻城.

稻城縣無名山附近的公路主要有S217與S216兩條省道,無名山北部18 km處的稻城亞丁機場已于2013年9月正式通航.目前,成都、西安、瀘州、重慶、杭州、昆明等多地都開通直飛稻城的航班,其中成都每日至少有1趟航班計劃飛往稻城,航程50m in.驅(qū)車從亞丁機場沿S217省道經(jīng)過桑堆鎮(zhèn)抵達無名山天文監(jiān)測址點約需40m in,從稻城縣城沿省道S216過桑堆鎮(zhèn)也是約40m in可到達無名山(圖1左).

值得一提的是:沿著省道S217一線,從桑堆鎮(zhèn)到鄉(xiāng)城縣的沙貢鄉(xiāng)之間國家已建成有高壓輸電線路.圖10顯示了無名山監(jiān)測站附近200 m處的高壓線路.如果未來在無名山建大型天文觀測站,高功率供電可以很快實現(xiàn).另外，從桑堆鎮(zhèn)直達鄉(xiāng)城縣城的穿山隧道也在計劃施工中.隧道交通實現(xiàn)后,無名山至低海拔鄉(xiāng)城縣香巴拉鎮(zhèn)的開車時間將縮短至～40 m in.香巴拉鎮(zhèn)海拔～2800 m,這一高度恰好是國際上一些高海拔天文臺建立本地總部或中轉(zhuǎn)調(diào)度與援助中心的參考高度,如海拔4200m的夏威夷Mauna Kea天文臺建部在2800 m的位置,海拔5100m的智利ALMA(Atacama Large M illimeter A rray)天文臺建部在2900m的位置,這有利于工作人員的臨時住宿、身體恢復(fù)與后勤物資的中繼與提供.

圖10 高壓輸電系統(tǒng)經(jīng)過無名山F ig.10 The h igh voltage transm ission line passing through W um ingshan m ountain

4 總結(jié)與展望

經(jīng)過選址定點監(jiān)測的階段性數(shù)據(jù)積累,稻城無名山顯示了較優(yōu)秀的視寧度等觀測條件.但光學(xué)天文址點還需滿足如下地理條件:相對落差較大、交通可行、盡量遠離人口集中的區(qū)域.從未來建站維護和人員長期駐站的角度考慮,天文址點以海拔處于3000–5000m的范圍、距離大本營1 h左右行程為最佳[2,20].本文利用GIS手段,以稻城縣無名山地區(qū)為重點選址研究對象,力圖全面了解該選址候選區(qū)域的三維地形地貌、江川河流、道路村落、電力分布以及預(yù)測該地區(qū)未來人口和城市化發(fā)展趨勢等方面的內(nèi)容.重點對無名山地區(qū)的天文址點資源從地理、地質(zhì)、地震、氣候、人文、電力、交通等多角度進行了綜合分析和評估,為我國西部大型天文設(shè)備的選址提供權(quán)威、直觀、定量的參考數(shù)據(jù).

基于GIS分析手段,我們參考了稻城縣與鄉(xiāng)城縣縣志資料,并結(jié)合其他權(quán)威數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計資料,得出以下結(jié)論：

(1)川西甘孜州稻城縣和鄉(xiāng)城縣位于青藏高原東部褶皺地區(qū)、大香格里拉核心地帶,大氣潔凈度高,平均風(fēng)速小,云量覆蓋率低,無沙塵暴、泥石流等惡劣天氣記錄,每年氣候分干濕兩季,90%以上降雨量主要集中在6–9月份,日照充沛,晴天/夜數(shù)多;

(2)無名山最高海拔5000m以上,最低海拔約3600m,地勢相對落差大.無名山山頂坡度較緩、面積大且地表植被覆蓋指數(shù)低,建站不會對現(xiàn)有周邊植被造成破壞,同時有足夠的建筑空間建造巨型望遠鏡設(shè)施;

(3)稻城縣屬一般地震監(jiān)視區(qū),偏離甘孜州地震活躍帶.統(tǒng)計的100 yr來的5級以上地震中,僅1次震源出現(xiàn)在稻城縣,而且是在遠離無名山的稻城南部地區(qū);

(4)稻城康巴藏文化濃郁,人口密度低,社會穩(wěn)定和諧.縣內(nèi)最大的居民點是東南部的稻城縣城,距離無名山直線距離是25 km,人口6000人.距離無名山最近的鄉(xiāng)鎮(zhèn)是桑堆鎮(zhèn),人口約2000多人,直線距離有6 km,夜間街道主要使用太陽能路燈,對無名山夜間觀測不會造成顯著的燈光污染;

(5)稻城縣公路與航空交通便利,正常天氣狀況下,從成都機場出發(fā)直抵無名山監(jiān)測站僅需2 h.無名山下桑堆鎮(zhèn)連接鄉(xiāng)城與理塘的穿山隧道目前在建設(shè)之中.國家電網(wǎng)在無名山已建有高壓電力輸送系統(tǒng).

(6)無名山西南35 km的香巴拉鎮(zhèn)海拔2800m,為未來總部建站所在地提供了一處理想候選點.

根據(jù)以上重要結(jié)果,川西無名山地區(qū)的確具備建立高海拔天文觀測站的所有基本條件,包括天文觀測與后勤保障條件.最近國外研究機構(gòu)的分析結(jié)果也證實了這一點[30],他們利用空間衛(wèi)星的長期氣象資料歸算出稻城無名山地區(qū)的大氣積分水汽含量、晴夜概率與理論視寧度值均達到很高水平,與我們目前的定點實測結(jié)果高度類似(將另文發(fā)表).另一方面，西藏阿里獅泉河、當(dāng)雄羊八井和青海德令哈灶火溝也是當(dāng)前我國在青藏高原天文選址的重要考察址點,因此我們有必要在這篇文章結(jié)束前對國內(nèi)現(xiàn)有的其他幾個選址數(shù)據(jù)采集點的情況也做一個簡單說明與比較.

羊八井平均海拔4300m,地勢開闊平坦,曾建有中國科學(xué)院國際宇宙線觀測站.但是由于它靠近拉薩市,已被規(guī)劃成為西藏經(jīng)濟開發(fā)重點地區(qū),因此今后留給天文發(fā)展的空間可能十分有限.羊八井離拉薩90 km,且間隔多道山,除羊八井鎮(zhèn)外,還有很多地方適合天文觀測,拉索陣就選擇過幾處很好的地點,只是因為其他原因,才轉(zhuǎn)到稻城.德令哈灶火溝址點位于德令哈市西北部30 km處,存在許多海拔3000–4000m的山頂,氣候干燥,晴天數(shù)多.但是候選點附近的山頂大多比較陡峭、難以抵達,而且這些山頂?shù)拿娣e一般比較狹窄.在氣候方面,這里每年會有超過10 d的沙塵暴和雪暴等不利天氣[31?32].

最后,值得一提的是,許多人認(rèn)為阿里獅泉河址點是目前適合在干燥條件觀測的地區(qū),如紅外和亞毫米波天文觀測;其夜間視寧度觀測的樣本統(tǒng)計能達到0.8′′的優(yōu)秀水平[30],但這僅只是基于27 d累計的結(jié)果,還需要長期監(jiān)測數(shù)據(jù)的積累才能得出最終的結(jié)論.另一方面,阿里平均海拔4350m以上,周邊地勢平坦,季節(jié)變化不明顯,全年平均氣溫0?C左右,年均8級及以上大風(fēng)天數(shù)超過150 d左右[31?32](材料亦見西藏阿里地區(qū)政府網(wǎng):http://www.xzali.gov.cn/news/index.jhtm l).同時,由于其周邊平均坡度和地勢的落差過小,尋找附近低海拔的后勤保障站點將是在阿里建站需要面臨和解決的問題.

實際上,阿里現(xiàn)在的候選址點距離獅泉河鎮(zhèn)只有十幾公里,比前面所提到的任何一個其他址點離城市都近得多,從山上就可以直接看到獅泉河市;另外,該候選址點附近有個機場,飛機起降就要在山頂上盤旋,這對于計劃建造的大光學(xué)紅外望遠鏡的臺址和今后的觀測來說是個巨大的干擾;其次,到目前為止還沒有任何實地大氣可沉降水的觀測數(shù)據(jù)和分析結(jié)果,因此,尚無法切實證明這個地方就是亞毫米波和紅外的最佳觀測地區(qū).

與上述幾個址點相比,無名山海拔雖然較高,但其周邊地勢的相對落差是這幾個址點中最大的(超過1000m),而且山頂開闊,山梁面積十分充裕,空氣也最為潔凈,尚無沙塵暴和雪暴等記錄[31?32].晴夜率、理論視寧度均與阿里地區(qū)同等水平[30];無名山經(jīng)常能夠發(fā)現(xiàn)整晚視寧度均值達到0.5′′水平的情況,這一數(shù)值可以與國際上最優(yōu)秀的觀測址點相比.從選址參量的長期監(jiān)測累計方面來看,稻城無名山也是迄今為止在這幾個址點當(dāng)中監(jiān)測數(shù)據(jù)最為系統(tǒng)、最為完整的址點,觀測和累計的數(shù)據(jù)已經(jīng)完全能夠覆蓋全年12個月份.

綜合上述各個候選址點的具體情況和相應(yīng)的數(shù)據(jù)積累,我們認(rèn)為無名山的整體情況屬于上乘.除了具備優(yōu)良的天文觀測條件之外,周邊的生活和工作條件也能夠滿足天文工作的保障要求.周邊較大的坡度(或是高差)允許我們在工作區(qū)周圍不遠的低海拔區(qū)域建立基地和后勤保障點,可以大大降低設(shè)備運輸、人員交通和觀測站運行的成本與費用.這些因素對于將來在這里建立大型天文臺、發(fā)展大規(guī)模天文觀測集群非常有利.

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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

?國家自然科學(xué)基金項目(11078004,11533009)及中國科學(xué)院天文臺站設(shè)備更新及重大儀器設(shè)備運行專項(天文財政專項)稻城選址定點監(jiān)測項目資助

?wuning@ynnu.edu.cn

?lyu@ynao.ac.cn