Картографические проекции — это математические методы, которые переводят трехмерную поверхность Земли на двумерную плоскость. Поскольку Земля является сфероидом, каждая плоская карта вносит некоторую форму искажения — будь то в области, форме, расстоянии или направлении. Это внутреннее искажение напрямую влияет на то, как мы визуализируем и интерпретируем глобальные климатические зоны, которые определяются температурой, осадками и растительными узорами. Для ученых, педагогов и политиков понимание этих искажений не является вопросом картографического любопытства; это необходимое условие для получения точных выводов о распределении и степени климатических регионов. Кажущийся небольшим выбор проекции может сделать тропические леса непропорционально маленькими или полярные ледяные шапки кажутся неестественно огромными, искажая общественное восприятие и даже влияя на международные климатические соглашения.

Классическая система классификации климата Кёппена, например, разграничивает зоны на основе месячной температуры и осадков. При составлении карты Меркатора умеренные и континентальные зоны Северного полушария кажутся растянутыми и сжатыми способами, которые затемняют их истинные широтные границы. И наоборот, проекции на равных территориях сохраняют относительные размеры этих зон, позволяя более точно представлять глобальные климатические модели. В этой статье исследуются основные семейства проекций карт, подробно описывается, как каждый из них искажает наше представление о климатических зонах, и предлагает руководство для выбора соответствующих проекций в исследованиях и образовании.

Наука о проекциях карт

Все проекции карты делятся на три основных геометрических семейства: цилиндрические, конические и азимутальные (или плоские). Каждая семья имеет свои сильные и слабые стороны, и выбор зависит от области интереса и свойств, которые картограф хочет сохранить. Ни одна проекция не может одновременно поддерживать все четыре пространственных свойства - площадь, форму, расстояние и направление. Понимание компромиссов имеет важное значение для точной интерпретации климатических данных.

Цилиндрические проекции

Цилиндрические проекции создаются путем обертывания цилиндра вокруг Земли (обычно касательным на экваторе) и проецирования на него земного шара. Наиболее известным примером является проекция Меркатора, разработанная Герардусом Меркатором в 1569 году. Она сохраняет углы и формы локально (конформные), что делает ее бесценной для навигации. Однако она грубо преувеличивает площадь на высоких широтах: Гренландия кажется такой же большой, как Африка, хотя на самом деле Африка примерно в 14 раз больше. Это преувеличение оказывает глубокое влияние на восприятие полярных и субполярных климатических зон, делая Арктику и Антарктику гораздо более обширными, чем они есть на самом деле. Вариант Web Mercator, используемый Google Maps и другими онлайн-платформами, усугубляет эту проблему в цифровом контексте.

Другие цилиндрические проекции включают в себя равноугольную (Plate Carrée), которая проста, но искажает как форму, так и площадь, и проекцию Галла-Петерса, которая является равной площадью, но сильно искажает форму. Карта Галла-Петерса показывает климатические зоны в их правильном пропорциональном размере: тропические леса Амазонки и пустыня Сахара изображены в истинном масштабе, но стоимость экстремально растягивается вблизи экватора и сжатие вблизи полюсов. Для климатологов, которым необходимо сравнить общую площадь тропических и полярных зон, цилиндрические проекции равной площади намного надежнее, чем Меркатор.

Конусные проекции

Конические проекции формируются путем размещения конуса над Землей (часто тангенсного вдоль параллельной или стандартной линии). Они лучше всего подходят для среднеширотных регионов, таких как США, Европа и большая часть Азии. Ламбертская конформная проекция сохраняет форму хорошо в пределах стандартных параллелей, что делает ее популярной для аэронавигационных карт и региональных климатических карт. Альберская равноареальная коническая проекция, напротив, сохраняет площадь, допуская некоторое искажение формы. Для анализа климатических зон континентальных Соединенных Штатов или центральной Европы коническая проекция минимизирует искажение как широтной ширины умеренной зоны, так и относительных масштабов влажного субтропического по сравнению с континентальным климатом.

Азимуталь (планарные) проекции

Азимутальные проекции проецируют земной шар на плоскость, касающуюся одной точки. Они часто используются для полярных карт, поскольку показывают истинное направление от центральной точки и минимальное искажение вблизи точки осязания. Проекция Ламберта Азимутала в равной зоне отлично подходит для отображения арктических и антарктических климатических зон без массивного преувеличения площади, наблюдаемого в цилиндрических проекциях. Для исследователей, изучающих протяженность морского льда или границы полярной тундры, эта проекция обеспечивает верный пространственный контекст. Стереографическая проекция, другой азимутальный тип, конформна и используется для высокоширотной навигации, но сильно искажает область от центра.

Искажение и его влияние на визуализацию климатических зон

Климатические зоны определяются географическими координатами (широтой и долготой) и физическими границами, такими как горные хребты и океанические течения. Искажение карты может изменить воспринимаемую форму, размер и связь этих зон. Наиболее критическими искажениями для климатических исследований являются искажение площади и искажение формы, хотя расстояние и направление также имеют значение для анализа моделей циркуляции атмосферы.

Ошибка Меркатора и полярные климатические зоны

Поскольку проекция Меркатора раздувает полярные регионы, арктическая тундра и антарктический ледяной щит, по-видимому, покрывают гораздо больший процент поверхности Земли, чем они на самом деле. Это может привести к ошибочному представлению о том, что полярный климат доминирует на планете. В действительности тропические и субтропические регионы покрывают около 40% площади суши Земли, в то время как полярные зоны составляют лишь около 10%. Проекция Меркатора визуально меняет эти пропорции. Климатологи, использующие карты на основе Меркатора, рискуют переоценить криосферу и недопредставить тропики, что имеет последствия для понимания глобального потепления: люди могут ошибочно предполагать, что полярные районы больше, чем они есть, тем самым недооценив относительное влияние изменений температуры в тропиках на глобальную климатическую динамику.

Равномерные проекции: более истинный размер, но искаженные формы

Проекции равной площади, такие как Моллвейд, Гуд-Гомолозин и Экерт IV, решают проблему искажения площади. В этих проекциях квадратный сантиметр в любом месте на карте представляет собой один и тот же участок земли. Когда климатические зоны нанесены на карту равной площади, относительный охват тропических лесов, саванн, пустынь и ледяных шапок точен. Однако эти проекции часто значительно искажают формы, особенно вблизи краев. Например, на проекции Моллвейда Антарктида становится удлиненной, причудливой формой суши, которая может ввести в заблуждение студентов о фактических особенностях береговой линии. Проекция Гуда-Гомолозина (также известная как прерванная проекция) избегает большей части этого искажения формы, разрезая карту на доли, но это создает разрывы, которые могут разбить климатические зоны по швам карты - Тихий океан показан в двух отдельных частях, что затрудняет полное следование по пути зоны межтропической конвергенции (ITCZ).

Робинсон и Винкель Трипель: Компромиссные прогнозы

Компромиссные проекции, такие как Робинсон и Винкель Трипель, пытаются сбалансировать все виды искажений, не превосходя ни одного. Проекция Робинсона была разработана Артуром Х. Робинсоном в 1963 году для создания визуально приятной карты мира. Она не является ни равной, ни конформной, но она сохраняет искажения умеренными. Многие классные атласы и климатические атласы (в том числе National Geographic) использовали проекцию Робинсона. При применении к глобальным климатическим зонам она обеспечивает разумное представление как площади, так и формы, хотя полярные области все еще несколько увеличены. Проекция Винкель Трипель, используемая Национальным географическим обществом с 1998 года, предлагает еще лучший баланс. Для целей общего образования компромиссные проекции часто являются лучшим выбором, потому что они избегают крайних искажений, которые могут ввести в заблуждение учащихся.

Практические последствия для исследований климата и образования

Выбор прогноза карты не является чисто академической проблемой; он имеет реальные последствия для климатической политики, планирования стихийных бедствий и научной коммуникации. Ниже приведены ключевые области, в которых выбор прогноза влияет на результаты.

Климатическая модель результат и анализ данных

Глобальные климатические модели (GCM) работают на трехмерной сетке Земли. Когда исследователи визуализируют выход модели — такие как температурные аномалии или экстремальные осадки — они должны проецировать эти данные на плоскую карту. Выбор проекции может повлиять на величины пространственных средних и выявление тенденций. Например, исследование, анализирующее расширение ячейки Хэдли (тропическая атмосферная циркуляция), может использовать проекцию равной площади для точного измерения широтного сдвига сухих зон. Всемирная программа исследований климата поощряет использование стандартных проекций для межсопоставления, но отдельные исследовательские группы часто выбирают проекции, которые наилучшим образом подчеркивают их результаты. Эта непоследовательность может затруднить сравнение опубликованных карт.

Общественные коммуникации и политика

Карты в новостных статьях, политических брифах и социальных сетях часто используют знакомые проекции Меркатора или Веб-Меркатора, не признавая их искажений. Когда новостное издание показывает карту глобальных температурных аномалий, увеличенные полярные регионы могут преувеличивать визуальное воздействие усиления Арктики. И наоборот, относительно небольшой внешний вид тропиков может преуменьшать значение тепловых экстремумов в экваториальных регионах. Политики, которые полагаются на такие карты, могут разрабатывать искаженные приоритеты. Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) использует различные проекции в своих отчетах, но ее знаковые карты часто используют проекции равной площади или компромиссные проекции для обеспечения сбалансированного представления. Для максимальной ясности, климатические коммуникаторы должны явно отметить используемую проекцию и ее ограничения.

Учебные материалы и обучение в классе

В 2019 году исследование показало, что более 60% карт мира в американских учебниках средней школы использовали проекцию Меркатора, что привело к дико переоценке размеров Европы и Северной Америки по сравнению с Африкой и Южной Америкой. Когда климатические зоны вводятся в такие учебники, студенты разрабатывают некорректные ментальные карты. Например, они могут полагать, что умеренная зона (где живет большинство пользователей учебников) охватывает гораздо большую часть земного шара, чем тропики, когда на самом деле тропики больше. Для борьбы с этим такие организации, как Национальное географическое общество ], сместили свои карты класса в проекцию Винкель Трипл и предоставили ресурсы на грамотность проекции карты.

Выбор правильного прогноза для климатических исследований

Выбор подходящей проекции зависит от целей анализа, географической протяженности и представляющих интерес климатических переменных. Не существует универсального решения, но следующие руководящие принципы могут помочь.

  • Глобальные исследования зон климатических зон: Используйте проекцию на равную площадь (например, Моллвейд, Гуд-Гомолозин или Эккерт IV) для обеспечения правильности относительных размеров. Это необходимо для количественной оценки масштабов тропических, умеренных и полярных зон.
  • Региональные или континентальные исследования: Используйте коническую проекцию (конформный конический Ламберт или конический равной зоны Альберса) для минимизации искажений в интересующем регионе. Для Европы стандартный конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический конический кон
  • Полярные исследования климата: Используйте азимутальную проекцию равной площади (Lambert Azimuthal Equal-Area) для точного представления размера и формы ледяных шапок и тундры. Стереографическая проекция также распространена для навигации, но искажает площадь.
  • Визуализация для публичной аудитории: Используйте компромиссную проекцию (Робинсон или Винкель Трипель) для сбалансированного, знакомого внешнего вида. Избегайте Меркатора, за исключением навигации или когда ожидается, что аудитория поймет его ограничения.
  • Интерактивные цифровые карты: Web Mercator почти повсеместно из-за технических ограничений (услуги плитки, уровни масштабирования). При создании пользовательских климатических приборных панелей рассмотрите возможность использования услуги плитки, которая поддерживает альтернативные проекции, или наложения климатических данных на карту базы с равными областями с использованием современных библиотек ГИС.

Во всех случаях хорошей практикой является включение штрих-шкалы, сетки широт и долгот и заметки об используемой проекции. Многие современные географические информационные системы (ГИС) позволяют пользователям перепроектировать данные на лету, поэтому исследователи могут экспериментировать с несколькими проекциями для проверки артефактов. Библиотека PROJ является стандартным инструментом с открытым исходным кодом для преобразования координат.

За пределами карты: Проекционная осведомленность в мире, управляемом данными

По мере того, как климатические данные становятся все более доступными с помощью веб-инструментов и интерактивных глобусов, базовая проекция карты продолжает формировать то, как мы понимаем глобальные закономерности. Виртуальные глобусы, такие как Google Earth, обеспечивают трехмерное представление, которое позволяет избежать многих проблем с проекцией, но статические карты остаются распространенными в отчетах, статьях и презентациях. Разработка критического взгляда на проекции карт является ключевым компонентом климатической грамотности. Педагоги должны включать проекционную осведомленность в свою учебную программу, объясняя не только климатические зоны Кёппена, но и картографические инструменты, которые их представляют.

Разговор выходит за рамки климатических зон и охватывает любые пространственно распределенные явления — плотность населения, биоразнообразие, распределение ресурсов. Те же искажения, которые искажают Арктику, также влияют на наше восприятие обезлесения в Амазонии или распространения опустынивания в Африке к югу от Сахары. Выбирая прогнозы вдумчиво и обучая других делать то же самое, мы можем гарантировать, что наше понимание планеты столь же точно, как и данные, которые мы собираем.