Table of Contents

Картографические прогнозы являются важными инструментами в исследованиях изменения климата. Они помогают визуализировать данные, связанные с глобальным потеплением и его воздействием в разных регионах мира. Выбор правильной проекции обеспечивает точное представление и интерпретацию пространственной информации. Поскольку климатология все больше полагается на геопространственные данные для передачи рисков и информирования политики, выбор картографической проекции может значительно повлиять на то, как тенденции понимаются исследователями, лицами, принимающими решения, и общественностью. В этой статье рассматривается роль картографических прогнозов в исследованиях климата, наиболее часто используемых типах, их сильных и слабых сторонах и передовой практике для отбора.

Роль картографических прогнозов в информировании климатических данных

Климатические данные по своей природе пространственные. Аномалии температуры, изменения осадков, потеря льда и повышение уровня моря измеряются в конкретных местах или в сетках, которые охватывают земной шар. Чтобы визуализировать эти наборы данных в двумерном формате - будь то на бумаге или на экране - картографы и ученые должны преобразовать изогнутую поверхность Земли в плоскую карту. Это преобразование - проекция карты. Ни одна проекция не может сохранить все пространственные свойства (область, форма, расстояние, направление) одновременно; каждый вводит некоторое искажение. Выбор проекции, следовательно, определяет, какие аспекты данных представлены верно и которые скомпрометированы.

В связи с изменением климата важна точность. Карта, которая преувеличивает размер полярных регионов, может преувеличивать масштабы потери арктического морского льда, в то время как карта, которая искажает площадь, может искажать географическое распределение уязвимых групп населения. И наоборот, хорошо подобранная проекция может выделить критические модели, такие как сдвиг полюсов температурных поясов или концентрация экстремальных погодных явлений в определенных широтах. Как отмечает Обсерватория Земли НАСА, эффективная визуализация климата помогает аудитории понять масштаб и срочность глобальных изменений, не вводя непреднамеренные предубеждения.

Основы картографических прогнозов

Что такое проекция карты?

Карточная проекция — математический метод преобразования трехмерных координат Земли (широты и долготы) в двумерные координаты x,y на плоскости. Земля — сплюснутый сфероид, но часто она аппроксимируется как сфера для глобального картирования. Проекции могут быть классифицированы по развиваемой поверхности (цилиндр, конус, плоскость), на которую проецируется земной шар, или по свойству, которое они сохраняют (равномерная, конформная, равноудаленная или азимутальная). Понимание этих семейств помогает в выборе проекции, подходящей для аналитической цели.

Типы распространенных искажений

Каждая проекция искажает по меньшей мере одно из четырех свойств:

  • Зона — Равномерные прогнозы сохраняют относительный размер регионов, что делает их необходимыми для сравнения географического распределения таких явлений, как население, земельный покров или выбросы.
  • Форма (FLT:0) Форма (FLT:1) — Конформные проекции сохраняют локальные углы и формы, важные для навигации, погодных карт и отображения таких функций, как береговые линии, точно в небольших масштабах.
  • Расстояние (FLT:0) Расстояние (FLT:1) — Эквидистантные проекции поддерживают истинные расстояния от одной или двух точек, полезные для анализа близости к климатическому событию или измерения воздействия вдоль трансекта.
  • Направление — Азимутальные проекции сохраняют направления от центральной точки, ценные для изучения моделей атмосферной циркуляции или штормовых следов относительно конкретного местоположения.

Ни одна проекция не может сохранить все четыре свойства на большой площади.Компромиссы требуют тщательного рассмотрения на основе предполагаемого использования визуализации.

Ключевые прогнозы карт, используемые в исследованиях климата

Климатологи и картографы используют ряд прогнозов для удовлетворения конкретных аналитических потребностей. Ниже приведены некоторые из наиболее распространенных прогнозов, используемых в исследованиях климата, наряду с их типичными приложениями и ограничениями.

Проекция Меркатора – сильные и ограниченные стороны

Разработанная в 1569 году для морского судоходства, проекция Меркатора является конформной, сохраняя углы и формы локально. Она стала по умолчанию во многих приложениях веб-карт, включая ранние версии Google Maps. Однако ее серьезное искажение площади — особенно в высоких широтах — заставляет Гренландию казаться больше, чем Южная Америка, когда на самом деле Южная Америка почти в девять раз больше. Для климатических исследований, которые включают полярные регионы (Арктический морской лед, баланс массы ледяного покрова), проекция Меркатора резко преувеличивает воспринимаемый масштаб изменений. Несмотря на ее удобство для интерактивных карт, использование Меркатора для глобальных климатических данных может ввести в заблуждение зрителей. Многие порталы климатических данных теперь избегают Меркатора в пользу проекций равной площади для глобальных обзоров. Межправительственная группа экспертов по изменению климата (IPCC) обычно использует проекции равной площади для своих сводных цифр.

Robinson Projection: компромисс для глобальных взглядов

Проекция Робинсона, созданная в 1963 году, представляет собой псевдоцилиндрический компромисс, уравновешивающий искажения площади, формы, расстояния и направления. Она не является ни равной по площади, ни конформной, но её визуальная привлекательность и умеренные искажения делают её популярной для универсальных карт мира в учебниках и СМИ. В климатической коммуникации проекция Робинсона часто используется для тематических карт, которые показывают широкие закономерности, такие как глобальные температурные аномалии или тенденции подкисления океана. Её главный недостаток в том, что она не является равной по площади, поэтому сравнение масштабов явлений в разных широтах может быть проблематичным. Для строгого пространственного анализа предпочтительны альтернативы равной площади.

Равноареальные проекции: Eckert IV, Mollweide и другие

Проекции равной площади сохраняют относительный размер регионов, что делает их незаменимыми для количественных сравнений. Проекция Моллвейда (1805) использует синусоидальное искажение для поддержания площади, показывая весь земной шар в эллипсе. Обычно она используется климатологами для визуализации глобальных наборов данных, таких как температура поверхности земли, индексы растительности и карты углеродного потока. Проекция Эккерта IV предлагает другую форму, с меньшим искажением на полюсах и большим на экваторе, а также часто используется в публикациях по исследованию климата.Проекция Галла-Петерса, в то время как спорная для искажения формы, является равной областью и используется некоторыми организациями для подчеркивания справедливого представления земельных массивов. Для климатических данных, которые должны отражать фактические пропорции — такие как площадь земли, пострадавшей от засухи или протяженности оттепели вечной мерз

Ламберт Конформный коник для региональных исследований

Многие оценки воздействия на климат сосредоточены на конкретных регионах — континентах, странах или водоразделах. Для такой региональной работы широко используется проекция Ламберта Конформного конуса (LCC). Она конформна (сохраняет формы хорошо) и дает минимальное искажение вдоль двух стандартных параллелей. Проекция LCC является стандартом для многих национальных метеорологических служб и для Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA) [FLT: 3] при отображении температурных и атмосферных карт над смежными Соединенными Штатами. Она позволяет детально анализировать штормовые трассы, тепловые волны и региональные климатические тенденции без искажения формы, которое произойдет с глобальной проекцией.

Азимутальные прогнозы для полярных регионов

Полярные регионы критически важны в исследованиях климата из-за их роли в обратной связи ледяного альбедо, повышении уровня моря и атмосферной циркуляции. Азимутальные проекции, такие как Azimuthal Equidistant и Lambert Azimuthal Equal-Area (LAEA) , центрируются на полюсе и обеспечивают точные расстояния или области вокруг этой точки. LAEA особенно полезна для отображения концентрации арктического морского льда, распределения вечной мерзлоты и динамики антарктического ледяного покрова, поскольку она сохраняет отношения области в полярной области. Эти проекции минимизируют искажения вблизи центра, позволяя отображать все полушарие. Климатологи часто используют полярные стереографические проекции (которые являются конформными) для представления топографии ледяного покрова и линий ледникового потока.

Влияние выбора прогноза на климатические визуализации

Выбор проекции может в корне изменить сообщение, переданное климатической картой. Ниже приведены конкретные примеры, показывающие, как различные проекции влияют на интерпретацию общих типов климатических данных.

Визуализация температурных аномалий

Карты глобальной температурной аномалии, показывающие отклонения от базового периода, являются основным элементом климатической отчетности. При составлении на графике проекции на равную площадь карта точно представляет долю площади поверхности каждого региона, где температуры выше или ниже среднего. Используя проекцию Меркатора, однако, переоценивает потепление на высокой широте, потому что Гренландия, Канада и Сибирь кажутся намного более крупными, чем они есть. Это может создать визуальное впечатление, что полярное усиление (более быстрое потепление в высоких широтах) еще более доминирующее, чем показывают данные. Хотя полярное усиление реально, карта не должна преувеличивать свою видимую пространственную протяженность. Отчеты от таких организаций, как Национальные центры экологической информации NOAA часто используют проекции на равной площади или модифицированные проекции Робинсона, чтобы избежать этого смещения.

Картографирование повышения уровня моря

Проекции повышения уровня моря часто иллюстрируются глобальными картами риска затопления прибрежных районов. Проекция на равную площадь гарантирует, что относительная площадь суши, угрожаемая в разных регионах, правильно масштабируется. Например, низменные дельты регионов Южной и Юго-Восточной Азии, в которых проживают миллионы людей, не должны визуально сводиться к минимуму по сравнению с меньшими, но более крупными на вид массивами суши в высоких широтах. Использование проекции, искажающей площадь, может преуменьшать опасность в густонаселенных районах или преувеличивать риски в малонаселенных полярных регионах. Наилучшая практика заключается в использовании проекции на равную площадь для любой карты, которая подчеркивает географическую степень риска.

Отображение шаблонов осадков

На картах изменения осадков часто показывают прогнозируемое увеличение или уменьшение осадков при различных сценариях выбросов. Опять же, искажение площади может ввести зрителей в заблуждение, что изменения в больших высокоширотных областях более значительны, чем в более мелких экваториальных областях. Кроме того, конформные проекции, такие как Меркатор, сохраняют форму за счет площади, что может сделать штормовые дорожки более однородными по масштабу, чем они есть на самом деле. Для региональных исследований осадков в тропиках простая цилиндрическая проекция равной площади (например, цилиндрическая равная площадь Ламберта) часто эффективна, потому что она сохраняет площадь и выравнивается с широтными полосами моделей осадков.

Вводящие в заблуждение восприятия и примеры

Один из самых известных примеров неправильной интерпретации, основанной на проекции, происходит из медиа-карт арктического морского льда. Новостные издания иногда используют веб-карты, полученные из Меркатора, которые делают ледяной покров намного больше и более линейным, чем он мог бы выглядеть на проекции в равных областях. И наоборот, некоторые карты глобального обезлесения или изменения землепользования использовали проекцию Галла-Петерса, чтобы намеренно подчеркнуть размер тропических лесов по сравнению с умеренными. В то время как Галл-Петерс сохраняет площадь, его искажение формы может сделать регионы растянутыми и незнакомыми, потенциально снижая эффективность карты. Ключевой урок заключается в том, что выбор проекций несет неявные нарративы, и климатические коммуникаторы должны быть прозрачными в своих методах.

Вызовы и лучшие практики

Несмотря на десятилетия исследований, эффективное использование картографических проекций в визуализации климата остается сложной задачей.Ученые и коммуникаторы должны балансировать точность с визуальной ясностью, особенно когда аудитория может не быть знакома с картографическими концепциями.

Выбор правильного прогноза для данных

Первый шаг - определение аналитической цели. Если цель состоит в том, чтобы сравнить ареальную степень явления (например, площадь земель, затронутых засухой), то обязательна проекция на равную площадь. Если цель состоит в том, чтобы проследить погодные системы или океанские течения, то конформная проекция, такая как Меркатор или Ламберт Конформный Коник, может быть лучше. Для коммуникации с широкой аудиторией компромиссная проекция, такая как Робинсон или Винкель Трипель (которая также уравновешивает искажения), может создать естественную карту, минимизируя крайности искажений. Многие центры моделирования климата теперь предоставляют данные в родной сетке (например, широта-долгота), но при региддинге или репроектировании они документируют проекцию, используемую в их окончательных визуализациях.

Интерактивные веб-карты представляют дополнительные проблемы. Современные библиотеки веб-картирования (например, Leaflet, Mapbox) по умолчанию для проекции Web Mercator по техническим причинам (наклон, производительность). Для глобальных климатических данных это может быть проблематичным. К счастью, многие библиотеки теперь поддерживают альтернативные проекции через плагины, позволяя разработчикам создавать интерактивные карты равной площади. Например, библиотека D3.js предлагает широкий спектр проекций, которые журналисты и исследователи климатических данных могут использовать для создания пользовательских визуализаций.

Сочетание нескольких проекций

Для комплексного анализа, охватывающего как глобальные, так и региональные масштабы, может потребоваться использование нескольких проекций. Исследование потери арктического морского льда и его влияния на погоду средней широты, например, может использовать полярную стереографическую проекцию для Арктики и полярный конформный коник для средних широт, с тщательным вниманием к тому, как выровнены и интерпретированы две карты. Мультимедийные отчеты иногда используют небольшой входящий глобус с проекцией на равную площадь для обеспечения контекста, в то время как основная карта использует региональную проекцию, оптимизированную для деталей.

Программное обеспечение и инструменты

Современное программное обеспечение ГИС и библиотеки программирования упрощают использование проекций. Популярные инструменты с открытым исходным кодом включают:

  • QGIS — предлагает полный набор проекций и репроекций на лету.
  • Питон (Cartopy, Matplotlib) — Cartopy предоставляет большую базу данных проекций и широко используется в науке о климате для построения графиков.
  • R (ggplot2, sf) — пакет sf поддерживает преобразования системы координатных отсчетов.
  • JavaScript (D3.js, Leaflet) — Включить интерактивные веб-карты с пользовательскими проекциями.

При использовании этих инструментов всегда проверяйте, правильно ли определена проектируемая система координат и что в базовых данных перед преобразованием используется система координат широты и долготы. Метаданные и происхождение имеют решающее значение для воспроизводимости.

Будущие направления: динамические и интерактивные проекции

По мере роста объемов климатических данных и развития технологий визуализации появляются новые подходы к картографическим проекциям. Одна тенденция — использование динамических проекций, которые могут быть скорректированы пользователем. Например, интерактивный глобус может позволить зрителям вращаться и увеличивать масштаб, по существу позволяя им выбирать проекцию для той части, которую они просматривают. В то время как это смягчает искажение, фокусируясь на меньшей площади, глобальные представления по-прежнему требуют проекции. Другая тенденция — принятие проекций равной площади на основных порталах данных. Веб-сайт NASA по климату и Портал знаний о климате Всемирного банка все чаще используют проекции равной площади для своих флагманских визуализаций. Также растет интерес к методам без проекций, таким как сферические карты, визуализируемые в 3D виртуальных глобусах, которые полностью устраняют планарные искажения. Они особенно полезны для интерактивного исследования, но могут не подходить для статических печатных отчетов. В конечном счете, будущее, вероятно, увидит гибридный подход: проекции равной площади для статических сравнений, конформные проекции для подробн

Заключение

Картографические проекции не являются нейтральными инструментами; они активно формируют то, как мы воспринимаем изменение климата. Проекция, которая преувеличивает регионы высоких широт, может преувеличивать визуальное воздействие полярного потепления, в то время как та, которая искажает область, может скрыть уязвимость экваториальных наций. Климатологи, педагоги и коммуникаторы должны понимать математику, стоящую за проекциями и компромиссами, которые они влекут. Выбирая проекции, которые точно представляют предполагаемое сообщение данных - будь то область, форма, расстояние или направление - мы можем создавать визуализации, которые информируют, а не вводят в заблуждение. Поскольку изменение климата продолжает изменять наш мир, ясное и честное картирование важнее, чем когда-либо.