研究人员正在利用大数据技术来模拟、解读和演示气候变化对环境的影响。

    你知道吗，今天的全球海平面要比1880年的时候高出8英寸，而就在本世纪内，全球海平面预计还将上涨2到7英尺。另外，美国沿海地区有260万户家庭的500余万人口的住宅，在海水满潮时，只高出海平面不到4英尺。

    毫无疑问，气候变化是个大问题，不管导致它的原因是什么。

    那么如何计算气候对环境的影响呢？事实上，要进行这些复杂的计算，是一个极具挑战性的课题。要想了解气候变化对一国一地的影响水平，绝对不是在一张餐巾纸上写写画画就能算得出来的。

    这时你就需要大数据技术了。

    “上升的海平面”（Surging Seas）是由非盈利组织“气候中心”（Climate Central）开发的一款互动式地图工具，它用图形的形式详细描绘了海平面上升和风暴潮给美国大陆沿海3000多个城市、城镇和农村造成的威胁。它的细节可以精确到每一个街区——你可以搜索一个特定的地理位置，或是按照需要继续缩小目标范围。这个工具会与存在洪泛风险的地区进行匹配，并且提供相关实时报道、数据下载、行动计划、内嵌小工具和其它相关事项的链接。

    这种数据处理方式仅仅在几年前还是不可能实现的。

    能力有多大，困难就多大

    气候中心的战略沟通副总裁兼研究主任理查德•怀尔斯表示：“我们的战略是以人们能够理解的方式告诉他们当地的气候情况，唯一能实现这个目标的方法就是通过大数据分析。大数据让你能够简单、清晰地表达。”

    怀尔斯指出，目前主要有两种大数据形式可以用来帮助人们了解和应对气候变化。第一类是某些在近期才收集到的数据，但它们往往数据量极大且非常复杂，搁在以前很难对其进行有效分析，比如美国国家航空航天局（NASA）对各大城市的热成像绘图。怀尔斯表示，这种数据“一直到不久之前，还因为数据量过大而基本上没法处理，但是现在你已经可以在一台普通的电脑上处理它们了。”

    第二类大数据是一些相对较老但可能不那么可靠的数据。怀尔斯表示，这些数据“基本上一直都在那儿”，比如美国的历史气温趋势。这种数据一般不太复杂，但有可能存在不少缺口和误差。比如怀尔斯就指出：“1936年，俄克拉荷马州的某个负责量气温的家伙有可能不小心把温度计弄坏了。”这样的话，当年可能就有两个月根本没有气温记录。

    怀尔斯表示，要解决这些问题，现有的数据可以说“能力有多大，困难就有多大。但是大数据技术使得揭示一城一地的气候变化成为可能。”

    气候中心从政府的历史记录中获取原始数据，然后为美国各地的150余家地方电视台的天气预报节目制作高度本地化的气候图形，以阐释该地区的气候变化。比如怀尔斯指出：“今年六月，托雷多市变热了。我们一直利用这些数据试图让当地人了解气候变化趋势。”

    100万小时的计算

    气候中心的地图是阐释海平面上升情况的一个非常有效的工具。此外，大数据技术还能帮助研究人员模拟、分析和预测气候变化的影响。

    谷歌地图引擎（Google Earth Engine）的工程经理瑞贝卡•摩尔介绍道：“我们的目标是助力最好的大数据分析技术，以催生新颖的见解并且促进行动。”谷歌地图旨在将全球的卫星图像进行汇总，其中还包括40年来数以万亿计的观测数据，并将其与其它为研究人员开发的工具一道放在网上。

    比如在全球荒漠化问题上，摩尔表示：“全球荒漠化是气候变化的一个重要推手，直到不久之前，还没有一份详细的实时地图能够显示全球各地的森林情况。但现在情况不同了，去年11月，《科学》（Science）杂志在谷歌地图引擎的帮助下，发布了首张2000至2012年的高分辨率全球森林变化图。

    摩尔介绍道：“我们运行的森林测绘算法是由马里兰大学（University of Maryland）的马特•汉森教授开发的，总共利用了70万张美国陆地资源卫星的图像，加起来大约有20万亿个像素点。它需要超过100万小时的计算时间，但由于我们是在10,000台计算机上并行计算的，因此谷歌地球引擎才得以在几天内就得出了结果。

    如果只用一台计算机计算的话，完成这样一次分析大概需要超过15年的时间。但现在全球各地的任何人都可以在电脑或移动设备上查看这次分析得到的这张互动式全球地图。

    传感器无所不在

    在这些项目取得快速进展的背后离不开这样一个事实：如今我们对数据的收集程度已经远超以往任何时候。

    乔治梅森大学的数据学家柯克•波恩教授指出：“大数据技术在气候研究领域的发展，首先意味着传感器已经无所不在。首先是太空中的遥感卫星，其次是地面上的传感器。”这些传感器时刻记录着地球各地的天气、土地利用、植被、海洋、冰层、降水、干旱、水质等信息以及许多变量。同时它们也在跟踪各种数据之间的关联，比如生物多样性的变化、入侵物种和濒危物种等等。

    在这一类监控项目中有两个比较有代表性的大型项目，一个是美国国家生态观测站网络（NEON），一个是海洋观测计划（OOI）。

    波恩指出：“这些传感器令我们现在正在观测和追踪的气候参数无论在等级还是数量上都有了极大的提高。另外无论是在时间上还是在地理空间上，这些数据对气候变化的覆盖都变得越来越深、越来越广。”

    波恩表示，气候变化是科学建模仿真应用得最广泛的例子之一。科学家不仅利用建模仿真来预测明天的天气，而且还用它来预测几十年甚至几百年后的气候。

    他还表示：“大规模的气候模拟现在每天都在运行，有些甚至可能更为频繁。”这些模拟的水平分辨率更高，达到几百公里，而过去的模拟只能达到几十公里。同时它们垂直分辨率也变得更高，这也就表示可以对大气层中更多的层进行建模。另外还有更高的瞬时分辨率，也就是说只需要几分钟或几个小时就可以进行归零校正，而不是几天或几个星期。

    每天的气候模拟都会生成几千兆字节的数据，并且需要一系列工具进行存储、处理、分析、挖掘和图像化。

    所有模型都是错的，但有些很有用

    气候变化数据的解读可能是最具有挑战性的部分。

    波恩指出：“搞大数据时，要建立一个模型来解释我们在数据中发现的某种关联是很容易的。但我们得记住，这种关联并不代表原因，所以我们需要应用系统化的科学方法。”

    波恩还指出，搞大数据最好要记住统计学家乔治•博克斯的名言：“所有模型都是错的，但有些很有用。”他表示：“这对数字计算机模拟尤为重要，因为其中有很多假设和‘代表了我们的无知的参数’”。

    波恩表示：“要想解决这个问题，以及解决博克斯警告我们的问题，最重要的是做好数据同化。”也就是“把最新最好的观测数据纳入一个真实系统的实时模型中，以对数据进行纠正、调整、确认。通过以不间断的数据同化作为校正措施，大数据在气候预测科学中扮演了至关重要且不可或缺的角色。

    我们已经在一场数据革命之中

    今年早些时候，奥巴马政府推出了官方的气象研究网站Climate.data.gov，上面有100多种精心编辑的高质量数据以及网页服务和工具，任何人都可以利用这些数据与工具来研究气候变化的影响。与此同时，NASA也在今年四月的一次大型协作活动上，邀请普通民众协助其寻找应对沿海洪灾的解决方案。

    最近，联合国“全球脉动”行动（UN Global Pulse）推出了一项“大数据气候挑战”项目，将一些用大数据研究气候变化对经济的影响的项目通过众包的形式进行了发布。

    “全球脉动”行动主要致力于全球各地的扶贫救灾与发展事业，该行动的首席科学家卢恩戈•奥罗兹表示：“我们已经收到了来自20多个国家的在能源、智能城市、林业和农业等领域的意见书。我们也希望收到建筑、绿色数据中心、风险管理和材料科学等领域的意见书。”

    卢恩戈•奥罗兹补充道，大数据还可以用于提高突发灾害的应急工作效率，提供更广泛地获取知识的渠道，以及帮助我们更好地了解私人与政府的决策会对地球的气候造成哪些影响。

    奥罗兹表示：“然而拯救我们的不是那些数据，而是那些让我们能做出更好的决策来应对气候变化的数据分析与使用方法。这就像气候变化本身一样，现在已经不是‘它开始了吗’的问题。我们已经在一场数据革命之中。”（财富中文网）

    译者：朴成奎