Карта изменений температуры океана
В этом учебном пособии вы нанесете на карту прогнозы изменения климата из проекта Coupled Model Intercomparison Project версии 6 (CMIP6). Климатические модели имитируют земные системы, чтобы помочь ученым в понимании того, как изменился климат, и как он изменится в будущем. CMIP сочетает результаты нескольких климатических моделей и применяется в оценочных отчетах, опубликованных Межправительственной группой экспертов по изменению климата (Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC)).
Для начала вы скачаете и изучите карты CMIP6 для температур морской поверхности. В ArcGIS Pro, вы примените данные для картографирования температур недавнего прошлого (1985–2014), прогнозируемых температур в будущем (2070–2099) и температурных различий этих двух временных периодов.
Загрузка данных CMIP6
Данные CMIP6 опубликованы Национальным управлением океанических и атмосферных исследований (National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA)) на собственном веб-портале об изменении климата - Climate Change Web Portal. Портал содержит множество наборов данных, поэтому вы настроите параметры сайта, чтобы скачать карты, относящиеся к температурам морской поверхности.
Примечание:
Если вы не можете скачать данные, выполняя эти шаги, вы можете продолжать чтение. Копия данных будет предоставлена позднее, когда они потребуются.
- Перейдите к NOAA's Climate Change Web Portal для CMIP6.
- В разделе Select Data для Experiment, выберите SSP3-7.0.
Shared Socioeconomic Pathways (SSPs) - это набор сценариев, используемых для моделирования изменений климата. SSP3-7.0 моделирует будущее, характеризующееся региональным соперничеством с высокими выбросами парниковых газов.
- В разделе Select Data для Shading и Contour or vector выберите Sea Surface Temperature.
- Оставьте Model заданной как Average Of All Models и Statistic - как Anomaly.
Данные, которые вы скачиваете, будут в многомерном формате, это значит, что они могут хранить сразу несколько переменных. Одной из переменных будет аномалия: разница между температурами в будущем и температурами в прошлом.
- Проверьте, что Future Climate задан как No.
Далее вы выберите периоды для сравнения.
- В Time Period выберите следующие параметры:
- Проверьте, что Season установлен как Entire Year.
- Для Historical Period выберите 1985-2014.
- Для 21st Century Period выберите 2070-2099.
- Для Region выберите Global.
Вы просмотрите данные, прежде, чем скачать их.
- В верхней части страницы щелкните Make Slideshow.
Карты обновятся. Карта в верхнем левом углу представляет средние температуры поверхности моря с 1985 по 2014 в градусах Цельсия.
Карта в верхнем правом углу показывает разницу в средней температуре поверхности моря между прошлым (1985–2014) из будущим (2070–2099), как это спрогнозировала модель CMIP6, используя сценарий SSP3-7.0.
Вопрос 1: В каких широтах, по прогнозам, произойдет наибольшее изменение температуры поверхности моря? Насколько большие изменения температуры прогнозируются?
Примечание:
Ответы приведены в конце урока.
- В верхней части страницы нажмите Download Data.
- Когда данные будут готовы, нажмите Click here to download the netCDF file.
- Найдите загруженный файл .nc на компьютере.
Примечание:
В зависимости от настроек браузера, вам может быть предложено выбрать местоположение для сохранения загружаемого файла. Большинство браузеров по умолчанию скачивают все в папку Загрузки.
- Переименуйте файл в temperature_1985_2014.nc.
Данные, которые вы скачали, включают карту температур поверхности моря в прошлом. Вы измените параметры и скачаете другой набор данных, который картографирует спрогнозированные температуры в будущем.
- На сайте climate change web portal для Future Climate выберите Yes.
- Нажмите Download Data и щелкните Click here to download the netCDF file.
- Переименуйте скачанный файл в temperature_2070_2099.nc.
Добавление многомерных данных на карту
У вас есть два скачанных файла .nc с глобальными данными температуры морской поверхности. Далее вы добавите их на карту в ArcGIS Pro. Один слой будет показывать температуры в прошлом, а другой - температуры в будущем.
- Скачайте файл OceanClimate .zip и разархивируйте его на вашем компьютере, например, на диске C.
- Разместите и разархивируйте загруженный файл на вашем компьютере. В папке OceanClimate дважды щелкните OceanClimate.aprx, чтобы открыть его в ArcGIS Pro.
- При появлении запроса войдите в свою учетную запись ArcGIS.
Примечание:
Если у вас нет доступа к ArcGIS Pro или учетной записи организации ArcGIS, см. варианты доступа к программному обеспечению.
Появится карта, показывающая океанские течения в проекции Equal Earth.
У вас может быть множество панелей, открытых в ArcGIS Pro. Вы очистите рабочую область, чтобы можно было искать инструменты, необходимые для этого урока.
- Щелкните вкладку Вид на ленте. В группе Окна щелкните Сбросить панели и выберите Сбросить панели для картографирования (по умолчанию).
Вы добавите скачанные вами данные по температуре на эту карту. Данные по температуре находятся в файле netCDF, являющемся многомерным файловым форматом. При добавлении его на карту необходимо выбрать, какая переменная (или измерение) будет отображаться. Один из способов сделать это - применить инструмент Поднабор многомерных растров.
- Над лентой щелкните Поиск команд.
- Введите поднабор. В результатах поиска щелкните Поднабор многомерных растров.
Откроется панель Геообработка.
- Для Входного многомерного растра нажмите кнопку Обзор.
- Перейдите к файлу temperature_1985_2014.nc, загруженному вами ранее, и выберите его.
Примечание:
Если вы не смогли скачать файл, его копию вы можете найти в разархивированной папке OceanClimate.
- В Выходном многомерном растре введите temperature_1985_2014 и нажмите Tab.
К выходному имени добавлено расширение файла .crf. Выходные данные будут сохранены в облачном формате растра.
- В Переменных снимите отметку anomaly. Отметьте histclim.
Эта переменная покажет на карте температуры выбранного временного периода, а не изменение в температуре.
- Для Определения измерения выберите Все.
- Щелкните Запустить.
Слой будет добавлен на карту. Он представляет среднюю температуру поверхности моря между 1985 и 2014 годами. Самые холодные воды показаны синим цветом, а самые теплые - красным. На панели Содержание легенда показывает, что средняя температура находится в диапазоне от -53 до 31.3 градусов Цельсия.
Карта отображает ожидаемые закономерности, когда воды холоднее в высоких широтах и теплее на экваторе. Однако течения также игруют свою роль.
- Сравните на карте слои OceanSurfaceCurrents и temperature_1985_2014.crf.
Вопрос 2: Опишите, как некоторые видимые на карте температурные закономерности связаны с океанскими течениями.
- На панели Содержание снимите отметку со слоя OceanSurfaceCurrents, чтобы выключить его.
Далее вы покажете на карте температуры морской поверхности, прогнозируемые в будущем.
- На панели Геообработка обновите следующие параметры:
- Для Входного многомерного растра перейдите к файлу temperature_2070_2099.nc и выберите его.
- В Выходном многомерном растре введите temperature_2070_2099 и нажмите Tab.
- Для Переменных проверьте, что отмечено histclim.
- Щелкните Запустить.
На карту добавлен новый слой с названием temperature_2070_2099.crf. Он очень похож на слой temperature_1985_2014.crf.
Сравнение температур морской поверхности в прошлом и будущем
Теперь на вашей карте есть два слоя, представляющих температуры поверхности моря: один, записывающий средние значения в прошлом, и другой, прогнозирующий средние значения в будущем на основании сценария SSP3.0-7. Вы сравните эти два слоя визуально и при помощи диаграмм, чтобы понять, как изменения климата повлияют на температуры морской поверхности.
- На панели Содержание выключите и включите слой temperature_2070_2099.crf, чтобы рассмотреть разницу между ним и лежащим ниже слоем temperature_1985_2014.crf.
Изменения невелики, но видимы. Карта будущего показывает немного больше оранжевого и меньше голубого.
- На панели Содержание сравните легенды для двух слоев.
И минимальное, и максимальное значения в слое 2070–2099 годов выше, чем в слое 1985–2014 годов. Эта разница в значениях подтверждает, что температура поверхности моря растет, даже если разницу явно на карте не видно.
Более значимые различия можно выявить в диаграмме.
- На панели Содержание щелкните правой кнопкой temperature_1985_2014.crf. Укажите на Построить диаграмму и выберите Гистограмма.
- На панели Свойства диаграммы для Число, выберите Band 1. В разделе Статистика отметьте Среднее и Медиана.
- Создайте другую диаграмму с такими же настройками для слоя temperature_2070_2099.crf.
Обе гистограммы выглядят похоже, обе показывают бимодальное распределение.
- Переключайтесь между двумя диаграммами, чтобы сравнить среднее и медианное значения.
Среднее Медиана 1985–2014
12.8
12.3
2070–2099
14.7
14.7
Подсказка:
Прочитать значения Среднее и Медиана можно и в виде диаграммы, и на панели Свойства диаграммы.
Оба значения показывают возрастание примерно на 2 градуса между двумя временными периодами. И хотя 2 градуса Цельсия могут показаться не большим числом, такой разницы достаточно, чтобы изменить химический состав океана и повлиять на биоразнообразие. Потепление океанов также способствует повышению уровня моря, изменениям погодных условий на суше и экстремальным погодным явлениям.
Примечание:
О потеплении океана более подробно читайте на веб-сайте Океанографического института Вудс-Хоул (Woods Hole Oceanographic institution (WHOI)).
- Закройте обе диаграммы и панель Свойства диаграммы.
Визуализация изменений в температуре морской поверхности
Океан прогревается неравномерно. Некоторые части испытывают более резкое повышение температуры, чем другие. Далее вы добавите третий слой, который показывает разницу температур морской поверхности в прошлом и в будущем.
- На панели Геообработка обновите следующие параметры:
- В Выходном многомерном растре введите temperature_change и нажмите Tab.
- В Переменных снимите отметку с histclim и отметьте anomaly.
Примечание:
Можно выбрать любой из файлов .nc для параметра Входной многомерный растр. Оба содержат одинаковые данные аномалий.
- Щелкните Запустить.
На карте появляется новый слой. Области, где ожидаются наибольшие изменения (теплее до 4.8 градусов), показаны красным. Области, где ожидаются наименьшие изменения (холоднее до 1.3), показаны синим. В полярных областях наблюдаются значения и наибольших, и наименьших изменений.
Цветовая схема, примененная к слою temperature_change.crf, применяется неравномерно. Значения находятся в диапазоне от -1.3 до 4.8. Это означает, что значение в середине - 1.73, а не ноль, таким образом, некоторые области на карте, которые показаны синим и зеленым цветами, создают впечатление охлаждения, хотя на самом деле они относятся к потеплению. Вы настроите символы, чтобы области без изменений (значение, равное 0) показывались белым, области потепления - красным, а области охлаждения - синим.
- Закройте панель Геообработка.
- На панели Содержание щелкните правой кнопкой temperature_change.crf и выберите Символы.
Появится панель Символы.
Сначала вы выберете цветовую схему с переходом, чтобы передать характер данных. Цветовая схема с переходом содержит два контрастных цвета на каждом конце и нейтральных цвет в середине.
- На панели Символы щелкните меню Цветовая схема. Поставьте отметку Показать названия.
- Прокрутите вниз списка и щелкните цветовую схему Красно-синий (Непрерывный).
- Проверьте, что опция Инвертировать включена.
Карта и легенда показывают более высокие значения красным цветом, а более низкие - синим.
Далее вы проверите, что белый цвет в середине выровнен с нулем.
- На панели Символы проверьте, что Тип растяжки задан как Минимум – Максимум.
Эта настройка гарантирует, что полный диапазон данных соответствует полному диапазону цветовой схемы.
- В нижней части панели Символы для Статистики щелкните ниспадающее меню и выберите Пользовательский.
Вы убедитесь, что значения Мин. и Макс. находятся на одинаковом расстоянии от нуля. Ноль является желаемым значением середины, так как представляется изменения в температуре, равные 0 градусов Цельсия.
- Скопируйте значение Max 4.80763292.
- Для Мин. сотрите все, кроме символа минуса, и вставьте 4.80763292.
Карта обновится. Теперь все значения больше 0 (области потепления) показаны красным, а все значения меньше 0 (области похолодания) показаны синим. Более темные области представляют более интенсивные изменения.
Карта почти полностью окрашена в красный цвет, что указывает на то, что почти все части океана, по прогнозам, потеплеют в течение следующего столетия. Здесь только несколько областей вдоль побережья Антарктиды и во фьордах Гренландии имеют бледно-голубой цвет.
Можно сравнивать слои temperature_1985_2014.crf и temperature_2070_2099.crf, чтобы понять, где будет потепление океана, но слой temperature_change.crf визуализирует эти изменения более ясно.
- На панели Содержание снимите отметку со слоя OceanSurfaceCurrents.
Карты, которые вы сделали ранее, показали, что температура океана в основном определяется широтой, но эта карта показывает, что на скорость повышения температуры сильно влияют океанские течения.
- Выключите слой OceanSurfaceCurrents.
- Щелкните стрелку рядом с Reference data, чтобы свернуть составной слой.
- На панели быстрого доступа щёлкните Сохранить, чтобы сохранить проект.
До сих пор в этом уроке вы визуально сравнивали карты температуры поверхности моря в прошлом и будущем друг с другом, а также с океанскими течениями. Вы узнали, как просмотреть и скачать данные климатической модели CMIP6, добавить данные netCDF на карту, построить диаграмму и настроить символы растра как цветовую схему с переходом, центрированную на нуле.
Карта изменений рН океана и растворенного кислорода
Вы нанесли на карту спрогнозированные изменения в температуре морской поверхности. Далее вы отобразите спрогнозированные изменения двух других океанских переменных, которые испытывают стресс из-за изменения климата: растворенный кислород и кислотность. Данные уже предоставлены в проекте ArcGIS Pro, поэтому вам не нужно скачивать дополнительные файлы netCDF, но необходимо применить согласованные символы к слоям, чтобы все три переменные можно было объективно сравнить.
Визуализация изменений растворенного кислорода
Рыбам и другим морским животным для жизни необходим растворенный кислород, и даже незначительное сокращение поступления кислорода вызывает серьезный стресс в экосистемах. Изменение климата привело к снижению содержания кислорода в океанах. Вы визуализируете прогнозируемые изменения в количестве растворимого кислорода за периоды от 1985–2014 до 2070–2099.
- На панели Содержание отключите все три слоя температуры.
- Щелкните стрелку рядом с oxygen_change, чтобы развернуть слой и увидеть его легенду. Включите слой.
Примечание:
Концентрация растворенного кислорода на этой карте измеряется в 0,001 молекулы на кубический метр воды.
Слой oxygen_change содержит некоторые отрицательные значения, указывающие на снижение концентрации растворенного кислорода, и некоторые положительные, указывающие на повышение кислорода. Вы примените для этого слоя цветовую схему с переходом, чтобы нулевые значения, указывающие на отсутствие изменений, показывались белым цветом.
- Откройте панель Символы для слоя oxygen_change.
Подсказка:
Если панель Символы уже открыта, щелкните слой oxygen_change на панели Содержание . Панель Символы, чтобы показать свойства выбранного слоя.
- Для Цветовой схемы выберите Красно-синий (Непрерывный).
- Снимите отметку с опции Инвертировать.
Теперь области, где содержание кислорода будет возрастать (предполагающие здоровый океан), показаны синим цветом, а области с понижением содержания кислорода (предполагающие не здоровый) показаны красным.
Эта цветовая схема совпадает с той, что вы выбрали для слоя temperature_change.crf, поскольку области, вызывающие большую озабоченность, оба выделены красным цветом. Далее вы центрируете цветовую схему по белому цвету.
- На панели Символы проверьте, что Тип растяжки задан как Минимум – Максимум.
- Для Статистики выберите Пользовательский. Измените значение Макс. на 42.09399414.
Карта внешне не очень сильно изменится, так как значения Мин. и Макс. были почти на равном удалении от нуля.
Вопрос 3: В каких областях океана прогнозируется наибольшее уменьшение кислорода? В каких областях наименьшее?
Примечание:
Более подробно об уменьшении содержания кислорода читайте на веб-сайте Международного союза охраны природы (International Union for Conservation of Nature (IUCN)).
Визуализация изменений pH
Значение pH ранжируется по шкале от 0 до 14 и измеряет кислотность или щелочность воды. Значение pH, равное 7, является нейтральным, значения выше указывают на щелочность, а значения ниже - на кислотность. У соленой воды нейтральное значение pH примерно 8.1, но по мере того, как океан поглощает больше углекислого газа, его рН снижается, делая океан более кислым. Увеличение кислотности океана уже приводит к гибели моллюсков и кораллов.
Вы визуализируете прогнозируемые изменения в уровне pH океана за периоды от 1985–2014 до 2070–2099.
- На панели Содержание выключите слой oxygen_change.
- Разверните слой pH_change и включите его.
Символы слоя pH_change трудно воспринимать. Вся карта выглядит оранжевой, так как выбросы в диапазоне данных используются для максимальных значений диапазона цветовой схемы. Вы настроите символы так, чтобы они отображали изменение цвета и соответствовали цветовой схеме двух других слоев изменений.
- Откройте панель Символы для слоя pH_change.
- Для Цветовой схемы выберите Красно-синий (Непрерывный).
Вы используете красный для показа более низких значений, так как они указывают повышение кислотности и более опасны для здоровья океана. Вы используете синий цвет для отображения более высоких значений или меньшего изменения кислотности.
- Снимите отметку с опции Инвертировать.
Карта теперь в основном синяя. Далее вы удалите влияние выбросов в цветовой схеме.
- Для Типа растяжки, выберите Процент отсечения.
Такой тип растяжки размещает цветовую схему над меньшей частью диапазона данных. Числа Мин. и Макс. (оба равны 2.000) указывают, какая часть диапазона данных будет вырезана. В данном случае, любые значения в пределах двух процентов от верхнего или нижнего значения диапазона данных будут рассматриваться как выбросы. Они будут отображены самым темным красным или самым темным синим цветом, оставляя большую часть диапазона цветовой схемы для большинства данных.
Карта обновится, показывая более драматичные закономерности: темно-красный цвет в Арктике и темно-синий на экваторе.
- Сравните карту с ее легендой, чтобы убедиться, что символы обрели смысл.
Цветовая схема с переходом предполагает, что красные области станут более кислотными, синие - менее кислотными, а белые останутся без изменений. Однако легенда показывает, что все пикселы содержат отрицательные значения. Это означает, что к концу века во всем океане будет более низкое значение pH. Использование синего цвета на этой карте будет вводить в заблуждение. Вы обновите карту, чтобы она содержала только оттенки красного.
- На панели Символы щелкните Цветовая схема и выберите Формат цветовой схемы.
Появляется окно Редактор цветовой схемы.
- В окне Редактор цветовой схемы щелкните ограничитель самого темного синего цвета, чтобы выбрать его. Нажмите кнопку Удалить цвет.
- Нажмите кнопку Удалить цвет четыре раза, чтобы убрать все ограничители синего цвета.
Теперь цветовая схема имеет диапазон от темно-красного до белого.
- Нажмите OK.
Сейчас карта более точно отражает прогноз повышения кислотности океана.
Примечание:
Больше цветовых схем, разработанных специально для научного картографирования океана, можно найти в Oceanography Color Schemes. Узнайте, как добавить стиль в ArcGIS Pro в видео One Minute Map Hack.
Вопрос 4: В каких областях океана прогнозируется наибольшее повышение кислотности? В каких областях наименьшее?
Примечание:
О повышении кислотности океана более подробно читайте на веб-сайте NOAA.
Сравнение результатов
Ваша работа до сих пор определяла, что океаны, по прогнозам, в будущем станут теплее и более кислотными и будут содержать меньше кислорода. Чтобы завершить урок, вы сравните все три слоя изменений, чтобы найти области с самым высоким риском всех трех стрессовых факторов изменений климата.
- На панели Содержание сверните слои temperature_2070_2099.crf и temperature_1985_2014.crf.
- Включите и выключите слой temperature_change.crf, чтобы сравнить его со слоем pH_change.
- Сравните слои temperature_change.crf и oxygen_change.
- Сравните слои oxygen_change и pH_change.
В этих трех слоях имеются и сходства, и различия. Наиболее драматичные изменения находятся на обоих полюсах, областях карты, которые трудно разглядеть в данной проекции. Вы конвертируете карту в глобальную сцену, чтобы увидеть полярные области более четко.
- Щелкните вкладку Вид на ленте.
- В группе Вид щелкните Конвертировать и щелкните В глобальную сцену.
В ArcGIS карты - это 2D-вид, а сцены - 3D-вид. Глобальные сцены всегда показывают землю как сферу и более подходят для визуализации глобуса. Локальные сцены необходимы, когда вы хотите использовать систему координат проекции.
Появится новая сцена.
- Щелкните и перетащите глобус, чтобы сосредоточить свой взгляд на северном полюсе.
- Включайте и отключайте слои, чтобы сравнить их на глобусе.
Слои temperature_change.crf и oxygen_change показывают схожие закономерности: темно-красный цвет находится на окраинах Северного Ледовитого океана, в то время как слой pH_change показывает темно-красные цвета над северным полюсом и вдоль восточного побережья Гренландии.
Изменение растворенного кислорода (слева), температуры (в центре) и pH (справа). Вопрос 5: Какие области океана имеют самый высокий риск всех трех стрессовых факторов изменений климата?
- Сохраните проект.
Изменение климата оказывает серьезное воздействие на океаны, которое, по прогнозам, сохранится и в будущем. Однако эти изменения не так просты как повышение температуры: глобальное потепление влияет на все свойства океана, включая растворенный кислород и уровень pH, и это влияние распространяется по Земле неравномерно. Нанесение на карту и сравнение изменений в океане позволяет лучше понять их.
Примечание:
В этом уроке исследуются только измерения на поверхности океана. Температура, pH и растворенный кислород также варьируются в зависимости от глубины океана. Изучите урок Визуализация и изучение мест обитания коралловых рифов с помощью вокселов, чтобы узнать, как визуализировать трехмерные данные об океане.
В этом упражнении вы узнали:
- Как скачать данные климатической модели CMIP6
- Как добавить данные netCDF на карту в ArcGIS Pro при помощи инструмента Поднабор многомерных растров
- Как создать диаграммы и сравнить значения среднего и медианы в слоях
- Как настроить символы растра, используя цветовую схему с переходом
- Как конвертировать карту в глобальную сцену
Ответы на вопросы
- В каких широтах, по прогнозам, произойдет наибольшее изменение температуры поверхности моря? Насколько большие изменения температуры прогнозируются?
Самые большие изменения прогнозируются в северных водах, особенно между 35 и 80 градусами северной широты, где температура возрастет более, чем на 2.8 градуса Цельсия.
- Опишите, как некоторые видимые на карте температурные закономерности связаны с океанскими течениями.
Теплые воды из Атлантического океана попадают в Арктику посредством течений между Европой и Гренландией. Подобных течений нет в северной части Тихого океана, где они блокируются сушей, или в Южном океане, который окружен сильными холодными течениями.
- В каких областях океана прогнозируется наибольшее уменьшение кислорода? В каких областях наименьшее?
Карта показывает, что в ближайшие годы в высоких широтах, особенно в морях к северу от Алеутских островов, Скандинавии и западной России, произойдет наибольшее истощение кислорода. В Антарктике и регионе к юго-востоку от Гренландии будет наблюдаться увеличение содержания растворенного кислорода.
- В каких областях океана прогнозируется наибольшее повышение кислотности? В каких областях наименьшее?
По прогнозам, в ближайшие годы Северный Ледовитый океан, наряду с северо-западными побережьями Северной Америки и Азии, подвергнется наиболее сильному подкислению. Западное побережье Южной Америки и экваториальная область Тихого океана будут испытывать наименьшее подкисление.
- Какие области океана имеют самый высокий риск всех трех стрессовых факторов изменений климата?
Северные воды подвергаются наибольшему риску от повышения температуры, подкисления и уменьшения кислорода. Баренцево море (между Шпицбергеном и Новой Землей) испытывает особую нагрузку от этих трех факторов изменения климата.
