绘制海洋温度变化的地图
在本教程中，您将针对第六次耦合模式比较计划 (CMIP6) 中的气候变化预测数据绘制地图。 气候模型模拟地球系统，可以帮助科学家了解当下和未来的气候变化情况。 CMIP 结合了许多气候模型的结果，用于联合国政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 发布的评估报告。
首先，您将下载并浏览 CMIP6 地图，以获取海面温度。 在 ArcGIS Pro 中，您将使用此数据绘制近期温度 (1985–2014)、未来预计温度 (2070–2099) 以及这两个时间段之间的温差。
下载 CMIP6 数据
CMIP6 数据由美国国家海洋与大气管理局 (NOAA) 在其气候变化 Web 门户上共享。 门户包含许多数据集，您将配置站点参数，以下载专门表示海面温度的地图。
注：
如果您无法按照这些步骤下载数据，则可以继续阅读。 在需要数据时，将提供数据副本。
- 转至 NOAA CMIP6 气候变化 Web 门户。
- 在选择数据下，对于实验，选择 SSP3-7.0。
共享社会经济路径 (SSP) 是一组用于模拟气候变化的情景。 SSP3-7.0 模拟了未来情景，此情景以伴随高温室气体排放量的区域竞争为特征。
- 在选择数据下，对于阴影和等值线或矢量，选择海面温度。
- 以下设置保持不变，模型设置为所有模型的平均值，统计数据设置为异常。
您下载的数据将采用多维格式，这意味着可以同时存储多个变量。 其中一个变量将为异常数据：未来的温度和过去的温度之间的差异。
- 确保未来气候已设置为否。
接下来，您将选择要比较的时间段。
- 在时间段下，选择以下参数：
- 确保季节已设置为全年。
- 对于历史时间段，选择 1985-2014。
- 对于 21 世纪时间段，选择 2070-2099。
- 对于区域，选择全球。
在下载数据之前，您将预览数据。
- 在页面顶部附近，单击制作幻灯片。
地图随即更新。 左上角的地图使用摄氏温度表示 1985 年至 2014 年的平均海面温度。
右上角的地图显示了过去 (1985–2014) 和未来 (2070–2099) 的平均海面温度之间的差异，此数据由 CMIP6 模型使用 SSP3-7.0 情景预测。
问题 1：预计哪些纬度的海面温度变化最大？ 预计温度变化有多大？
注：
将在本教程结束时提供答案。
- 在页面顶部附近，单击下载数据。
- 数据就绪后，单击单击此处下载 netCDF 文件。
- 在计算机上找到下载的 .nc 文件。
注：
根据 web 浏览器的不同，系统可能会提示您选择文件的下载位置。 大多数浏览器将默认下载到计算机的 Downloads 文件夹下。
- 将文件重命名为 temperature_1985_2014.nc。
您下载的数据包括过去海面温度的地图。 您将更改参数并下载另一个数据集，该数据集绘制了未来的预计海面温度。
- 在气候变化 Web 门户上，对于未来气候，选择是。
- 单击下载数据，然后单击单击此处下载 netCDF 文件。
- 将下载的文件重命名为 temperature_2070_2099.nc。
将多维数据添加到地图
您已经下载了两个包含全球海面温度数据的 .nc 文件。 接下来，您要将其添加到 ArcGIS Pro 中的地图。 将使用一个图层绘制过去的温度，使用另一个图层绘制未来的温度。
- 下载 OceanClimate .zip 文件并将其解压缩到计算机上的某个位置，例如 C 盘。
- 在您的计算机上找到并解压缩下载的文件。 在 OceanClimate 文件夹中，双击 OceanClimate.aprx 以将其在 ArcGIS Pro 中打开。
- 如果出现提示，请使用 ArcGIS 帐户登录。
注：
如果您没有 ArcGIS Pro 的访问权限或者 ArcGIS 组织帐户，请参阅软件访问权限选项。
随即出现一个地图，在等地球投影中显示洋流。
您可能在 ArcGIS Pro 中打开了许多窗格。 您将重置工作空间，以便在本教程中找到所需的工具。
- 单击功能区上的视图选项卡。 在窗口组中，单击重置窗格，然后单击重置窗格以进行映射（默认）。
您需将下载的温度数据添加到此地图。 温度数据在 netCDF 文件中，这是一种多维文件格式。 将其添加到地图时，需要选择要显示的变量（或维度）。 要执行此操作，其中一种方法是使用子集化多维栅格工具。
- 在功能区上方，单击命令搜索。
- 输入 subset。 在搜索结果中，单击子集化多维栅格。
将出现地理处理窗格。
- 对于输入多维栅格，单击浏览按钮。
- 浏览并选择您之前下载的 temperature_1985_2014.nc 文件。
注：
如果您无法下载该文件，您可以在解压缩的 OceanClimate 文件夹中找到其副本。
- 对于输出多维栅格，输入 temperature_1985_2014 并按 Tab 键。
文件扩展名 .crf 将添加到输出名称中。 输出将以云栅格格式存储。
- 对于变量，取消选中 anomaly。 选中 histclim。
该变量将绘制所选时间段的温度，而不是温度变化。
- 对于维度定义，选择全部。
- 单击运行。
图层随即添加到地图。 表示 1985 年至 2014 年之间的平均海面温度。 最冷的海水显示为蓝色，最热的海水显示为红色。 在内容窗格中，图例显示平均温度范围为 -1.9 到 31.3 摄氏度。
该地图显示了高纬度地区较冷水域和赤道地区较暖水域的预期模式。 但是，洋流也发挥着作用。
- 在地图上，将 Ocean surface currents 图层与 temperature_1985_2014.crf 图层进行比较。
问题 2：描述地图上一些可见的温度模式与洋流的关系。
- 在内容窗格中，取消选中 Ocean surface currents 图层以将其关闭。
接下来，您将绘制未来的预计海面温度图层。
- 在地理处理窗格中，更新以下参数：
- 对于输入多维栅格，浏览至 temperature_2070_2099.nc 文件并选择。
- 对于输出多维栅格，输入 temperature_2070_2099 并按 Tab 键。
- 对于变量，确保已选中 histclim。
- 单击运行。
名为 temperature_2070_2099.crf 的新图层将添加到地图中。 其外观与 temperature_1985_2014.crf 非常相似。
比较过去和未来的海面温度
您的地图现在有两个表示海面温度的图层，一个图层记录过去的平均值，另一个图层根据 SSP3.0-7 情景预测未来的平均值。 您将通过图表直观地比较这两个图层，以了解气候变化将如何影响海面温度。
- 在内容窗格中，关闭并打开 temperature_2070_2099.crf 图层以观察它和下方的 temperature_1985_2014.crf 图层之间的差异。
变化很微妙，但仍然可见。 地图在未来显示稍多的橙色和更少的蓝色。
- 在内容窗格中，比较两个图层的图例。
2070–2099 图层的最小值和最大值均高于 1985–2014 图层。 这种数值差异证实了海面温度正在上升，即使这种差异在地图上不是非常明显。
在图表上可能会看到更有意义的差异。
- 在内容窗格中，右键单击 temperature_1985_2014.crf。 指向创建图表并单击直方图。
- 在图表属性窗格中，对于数字，选择波段 1。 在统计数据下，选中平均值和中值复选框。
- 为 temperature_2070_2099.crf 图层制作另一个具有相同设置的图表。
这两个直方图外观十分相似，都显示出双峰分布。
- 在两个图表之间切换，以比较其平均值和中值。
平均值 中值 1985–2014
12.8
12.3
2070–2099
14.7
14.7
提示：
您可以在图表视图和图表属性窗格中读取平均值和中值。
两个值均显示在两个时间范围之间增加了约 2 度。 虽然 2 摄氏度似乎不是很大的数字，但这种差异足以改变海洋的化学组成并影响生物多样性。 海洋变暖也会导致海平面上升、陆地天气模式变化以及极端天气事件。
注：
有关海洋变暖的更多信息，请参阅伍兹霍尔海洋研究所 (WHOI) 网站。
- 关闭两个图表和图表属性窗格。
可视化海面温度的变化
海洋没有均匀地变暖。 一些部分的温度上升比其他部分更剧烈。 接下来，您将添加第三个图层，用于绘制过去和未来的海洋温度之间的差异。
- 在地理处理窗格中，更新以下参数：
- 对于输出多维栅格，输入 temperature_change 并按 Tab 键。
- 对于变量，取消选中 histclim 并选中 anomaly。
注：
您可以为输入多维栅格参数选择任一 .nc 文件。 两者均包含相同的异常数据。
- 单击运行。
一个新的图层将出现在地图中。 预计变化最大（升温高达 4.8 度）的区域显示为红色。 预计变化最小（降温 1.3 度）的区域显示为蓝色。 极低具有最高和最低变化值。
temperature_change.crf 图层配色方案的应用不均匀。 值分布在 -1.3 和 4.8 之间。 这意味着中间值为 1.73，而不是零，因此地图上显示为蓝色和绿色的区域造成了温度降低的假象，而实际上其温度正在升高。 您将调整符号系统，使没有变化的区域（值为 0）显示为白色，温度升高的区域显示为红色，而温度降低的区域显示为蓝色。
- 关闭地理处理窗格。
- 在内容窗格中，右键单击 temperature_change.crf，然后单击符号系统。
随即显示符号系统窗格。
首先，您将选择一个扩散配色方案来匹配数据的扩散性质。 扩散配色方案在两端有两种对比颜色，中间是中性颜色。
- 在符号系统窗格中，单击配色方案菜单。 选中显示名称复选框。
- 滚动到列表底部附近，然后单击红-蓝（连续）配色方案。
- 确保选中反向复选框。
地图和图例使用红色显示较高值，使用蓝色显示较低值。
接下来，您将确保中间颜色白色与 0 对齐。
- 在符号系统窗格中，确保将拉伸类型设置为最小值、最大值。
此设置可确保数据的完整范围映射到配色方案的完整范围。
- 在符号系统窗格的下半部分，对于统计数据，选择自定义。
您将确保最小值和最大值与零的差距相等。 零是所需的中间值，因为它表示 0 摄氏度的温度变化。
- 复制最大值 4.80763292。
- 对于最小值，删除负号后的所有内容并粘贴 4.80763292。
地图随即更新。 现在所有大于 0 的值（正在变暖的区域）均显示为红色，所有小于 0 的值（正在变冷的区域）均显示为蓝色。 越深的颜色表示的变化越剧烈。
该地图几乎完全是红色的，表明几乎所有海洋区域预计在下个世纪都会变暖。 南极洲沿岸和格陵兰峡湾只有少数区域为淡蓝色。
您可以比较 temperature_1985_2014.crf 和 temperature_2070_2099.crf 图层以了解海洋变换的位置，但是 temperature_change.crf 图层可以更清楚地显示变化。
- 在内容窗格中，打开 Ocean surface currents 图层。
您之前制作的地图显示海洋温度主要由纬度决定，但此地图显示温度上升的速度很大程度上受到洋流的影响。
- 关闭 Ocean surface currents 图层。
- 单击 Reference data 旁边的箭头以折叠图层组。
- 在快速访问工具栏上，单击保存以保存工程。
到目前为止，您在本教程中直观地比较了过去和未来的海面温度地图，并在其中包含了洋流。 您学习了如何预览和下载 CMIP6 气候模型数据、将 netCDF 数据添加到地图、创建图表以及使用以零为中心的扩散配色方案配置栅格符号系统。
绘制海洋 pH 值和溶氧量变化的地图
您已绘制了海面温度预测变化的地图。 接下来，您将绘制受气候变化影响的另外两个海洋变量的预测变化：溶解氧和酸度。 在 ArcGIS Pro 工程中提供了数据，因此无需下载其他 netCDF 文件，但您需要对图层应用一致的符号系统，以便可以公平地比较全部三个变量。
可视化溶解氧的变化
鱼类和其他海洋动物需要溶解氧才能生存，即使是氧气供应的轻微减少也会对生态系统造成严重影响。 气候变化导致海洋含氧量下降。 您将可视化从 1985-2014 年到 2070-2099 年间溶解氧的预测变化。
- 在内容窗格中，关闭所有三个温度图层。
- 单击 oxygen_change 旁边的箭头，以展开图层，并查看其图例。 打开图层。
注：
此地图中的溶解氧浓度以每立方米水中 0.001 个分子为单位。
oxygen_change 图层包含一些负值（表示溶解氧浓度降低）和一些正值（表示含氧量增加）。 您将为此图层使用不同的配色方案，因此零值（表示没有变化）以白色显示。
- 打开 oxygen_change 图层的符号系统窗格。
提示：
如果符号系统窗格已打开，请单击内容窗格中的 oxygen_change 图层。 符号系统窗格将进行更新，以显示所选图层的属性。
- 对于配色方案，选择红-蓝（连续）。
- 取消选中反向复选框。
现在，含氧量会增加的区域以蓝色显示（表明健康的海洋），而含氧量会减少的区域以红色显示（表明不健康的海洋）。
此配色方案与您为 temperature_change.crf 图层选择的配色方案一致，因为更受关注的区域均以红色显示。 接下来，您将把配色方案集中在白色上。
- 在符号系统窗格中，确保将拉伸类型设置为最小值、最大值。
- 对于统计数据，选择自定义。 将最大值更改为 42.09399414。
可视化 pH 值的变化
pH 值范围从 0 到 14，用于测量水的酸度或碱度。 pH 值 7 为中性，较高的值为碱性，较低的值为酸性。 海水的自然 pH 值约为 8.1，但随着海洋吸收二氧化碳的量增加，其 pH 值正在下降，从而使海洋酸性增加。 海洋的酸化导致了贝类和珊瑚的死亡。
您将可视化从 1985-2014 年到 2070-2099 年间海洋中 pH 值的预测变化。
- 在内容窗格中，关闭 oxygen_change 图层。
- 展开 pH_change 图层并将其打开。
pH_change 图层的符号系统难以阅读。 整个地图以橙色显示，因为数据范围内的异常值使用了大部分配色方案范围。 您将调整符号系统以显示颜色变化并匹配其他两个更改图层的配色方案。
- 打开 pH_change 图层的符号系统窗格。
- 对于配色方案，选择红-蓝（连续）。
您将使用红色来映射较低的值，因为它们代表较高的酸化程度，并且对海洋健康的危害更大。 您将使用蓝色来表示较高的值或较少的酸度变化。
- 取消选中反向复选框。
地图大部分显示为蓝色。 接下来，您将移除异常值对配色方案的影响。
- 对于拉伸类型，选择百分比裁剪。
此拉伸类型将配色方案拉伸到数据范围的较小部分。 最小值和最大值数字（均设置为 2.000）表示将裁剪的数据范围大小。 在这种情况下，数据范围顶部或底部 2% 以内的所有值都将被视为异常值。 他们将使用最深的红色或最深的蓝色绘制，为大部分数据保留大部分配色方案范围。
地图随即更新，以显示深红色北极地区和深蓝色赤道的更加引人注目的模式。
- 将地图与其图例进行比较，以确认符号系统具有意义。
不同配色方案表明，红色区域酸性升高，蓝色区域酸性降低，而白色区域保持不变。 但是，图例显示所有像素都有负值。 这意味着到本世纪末，海洋的所有部分都将具有较低的 pH 值。 在这张地图中使用任何蓝色都会产生误导。 您将更新地图，使其仅包含红色阴影。
- 在符号系统窗格中，单击配色方案，然后单击格式化配色方案。
配色方案编辑器窗口随即出现。
- 在颜色方案编辑器窗口中，单击最深的蓝色色标以将其选中。 单击移除颜色按钮。
- 继续单击移除颜色按钮四次以移除所有蓝色色标。
现在，配色方案的范围是从深红色到白色。
- 单击确定。
该地图现在更准确地反映了海洋酸化的预测。
注：
您可以在海洋学配色方案中找到更多专为科学海洋制图设计的配色方案。 要了解如何为 ArcGIS Pro 添加样式，请观看One Minute Map Hack 视频。
问题 4：预测海洋的哪些部分酸化最为严重？ 预测哪些部分最轻？
注：
在 NOAA 网站上阅读有关海洋酸化的详细信息。
比较结果
到目前为止，根据您已进行的工作已经预测海洋在未来会变得更温暖、酸度更高，并且含有更少的氧气。 要完成本教程，您将比较所有三个变化图层，以找出所有三个气候变化压力源风险都很高的区域。
- 在内容窗格中，折叠 temperature_2070_2099.crf 和 temperature_1985_2014.crf。
- 通过打开和关闭 temperature_change.crf 图层将其与 pH_change 图层进行比较。
- 将 temperature_change.crf 图层与 oxygen_change 图层进行比较。
- 将 oxygen_change 图层与 pH_change 图层进行比较。
这三个变化图层有一些相似之处，也有一些不同之处。 最显著的变化发生在某一极点，即在此投影上难以看到的地图区域。 您需要将地图转换为全球场景以更清晰地查看极地地区。
- 单击功能区上的视图选项卡。
- 在视图组中，单击转换，然后单击至全球场景。
在 ArcGIS 中，地图是 2D 的，而场景是 3D 的。 全球场景将地球表示为一个球体，更适合可视化整个地球。 当您想使用投影坐标系时，必须使用局部场景。
随即显示新的场景。
- 在地球上单击并拖动以使您的视图居中于北极。
- 打开和关闭变化图层以在地球上进行比较。
temperature_change.crf 和oxygen_change 图层显示了环绕北冰洋的相似暗红色图案，仅 pH_change 图层在北极和格陵兰岛东海岸显示了暗红色。
溶解氧（左）、温度（中）和 pH 值（右）的变化。 问题 5：海洋的哪些区域最容易受到所有三种气候变化压力因素的影响？
- 保存工程。
气候变化正在对海洋产生严重影响，预计这种影响将在未来持续存在。 然而，这些变化不仅是气温上升：全球变暖会影响所有海洋特性（包括溶解氧和 pH 值水平），而且这些影响在地球上分布不均。 绘制和比较这些海洋变化可以改善对其的理解。
注：
本教程仅探索海洋表面的测量数据。 温度、pH 值和溶解氧也因海洋深度而异。 尝试使用体素可视化和探索珊瑚礁栖息地教程，学习如何可视化 3D 海洋数据。
在本教程中，您学习了以下技能：
- 如何下载 CMIP6 气候模型数据
- 如何使用“子集化多维栅格”工具将 netCDF 数据添加到 ArcGIS Pro 中的地图
- 如何创建图表并跨图层比较平均值和中值
- 如何使用不同的配色方案配置栅格符号系统
- 如何将地图转换为全球场景
问题答案
- 预计哪些纬度的海面温度变化最大？ 预计温度变化有多大？
预计北部水域（尤其是北纬 35 至 80 度之间的水域）将发生最大的变化，气温将上升超过 2.8 摄氏度。
- 描述地图上一些可见的温度模式与洋流的关系。
来自大西洋的暖流通过欧洲和格陵兰之间的洋流进入北极。 被陆地阻挡的北太平洋或被强冷流包围的南大洋不存在类似的洋流。
- 预测海洋的哪些部分脱氧最为严重？ 预测哪些部分最轻？
该地图显示，高纬度地区（特别是阿留申群岛以北的海域、斯堪的纳维亚半岛和俄罗斯西部），将在未来几年出现最大的氧气消耗。 南极和格陵兰东南部地区的溶解氧将增加。
- 预测海洋的哪些部分酸化最为严重？ 预测哪些部分最轻？
预计北冰洋以及北美和亚洲的西北海岸将在未来几年经历最严重的酸化。 南美洲西海岸和太平洋赤道地区将经历最少的酸化。
- 海洋的哪些区域最容易受到所有三种气候变化压力因素的影响？
北方水域最容易受到气温升高、酸化和脱氧的威胁。 巴伦支海（位于斯瓦尔巴群岛和新地岛之间）将受到这三个气候变化因素的严重影响。
