云計算和大數(shù)據(jù)在氣候變化領域的應用研究

王思文 胡杰

（山西農(nóng)業(yè)大學，山西晉中 030600）

0.引言

大數(shù)據(jù)是現(xiàn)代社會計算機技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)共同孕育的新型產(chǎn)物，云運算是一種利用互聯(lián)網(wǎng)“云”技術(shù)把龐大的數(shù)據(jù)分裂成無數(shù)小程序，并對它進行處理和分類最后返回結(jié)果的一種分布式計算。在技術(shù)發(fā)展的高度來看，大數(shù)據(jù)和云計算的關系就好像一枚硬幣的正反兩面，缺一不可。大數(shù)據(jù)所具有的海量而又龐大的數(shù)據(jù)就注定了所面臨的問題必然不能單靠一個算法、一個計算機就能夠解決，必須引入分布式計算框架。當下，大數(shù)據(jù)與云計算被廣泛應用于生活的方方面面，尤其是在傳統(tǒng)的信息采集與處理領域，已經(jīng)發(fā)生了巨大變化。

氣候變化所帶來的挑戰(zhàn)正逐漸成為未來人類發(fā)展的威脅之一，氣候數(shù)據(jù)量目前已達到PB級別甚至在持續(xù)增長。怎樣才能更嚴謹有效地挖掘天氣信息、為應對氣候變化造成的多種影響提供更嚴謹有效的信息保障，成為亟待解決的重大決策問題與現(xiàn)實發(fā)展問題。氣候變化的跨科學特征表明了氣候變化所引發(fā)的數(shù)據(jù)具有高緯度、高計算復雜度和高不確定性，大數(shù)據(jù)與云計算時代的到來就像荒漠中的甘露。大數(shù)據(jù)分析擁有較高的協(xié)調(diào)度與集成度，可以減少分析結(jié)果中的突變性與離散性；云計算提供可伸縮的分布式計算能力，滿足從繁雜的氣候變化數(shù)據(jù)中挖掘出可用信息的迫切需求。二者相互促進、相互協(xié)調(diào)，共同解決領域的缺口難題。

1.相關研究

針對當前緊張迫切的全球氣候形勢，根據(jù)聯(lián)合國政府可繼續(xù)增長任務報告（SDGs）第13項—“氣候行動：采取緊急行動應對氣候變化及其影響”（SDG13）就是要讓世界各國都參與到氣候行動中來，沒有國界限制，需要在國際層面上加強協(xié)調(diào)，尋求解決方案來幫助發(fā)展中國家向低碳經(jīng)濟體邁進。SDG13當前主要包括5項具體任務、8項數(shù)據(jù)分析。其中，有2項是ⅰ級，即“有技術(shù)有數(shù)據(jù)分析”；6個屬于ⅱ級，即“有方法無數(shù)據(jù)”。根據(jù)地球氣候大數(shù)據(jù)的特點又可將其分為SDG13.1和SDG13.2[1]。SDG13具體實現(xiàn)如圖1所示。

圖1 SDG 13具體實現(xiàn)

2.聯(lián)合國SDG 1.3.的提出與發(fā)展

SDG 13協(xié)議實施的基礎是《巴黎協(xié)定》。該協(xié)議的簽訂表明了應對氣候變化的國際合作符合全人類的共同利益，也是人權(quán)保護的重要內(nèi)容。2020年9月22日，國家主席習近平總書記在聯(lián)合國大會第75次會議上發(fā)表重要演講:“我們將進一步提高我國獨立自主貢獻度，采用更為得力的優(yōu)惠政策和舉措，二氧化碳排放量爭取得于2030前到達歷史峰值點，2030年將會比2005年制碳力度減少60%～65%，爭取于2060年前完成碳中和?！绷硗?，歐洲國家和英國均宣布在2050年實現(xiàn)低碳中和。截至2021年年底，美國將排放超過5090億噸二氧化碳，占全球總量的20.3%，將成為世界上最大的累計排放量國家，并引發(fā)了約0.2℃的全球升溫。

2019年全球二氧化碳排放量約為36.7Gt，較1990年提高了約有62%；2016—2020年的世界平均氣溫比工業(yè)化發(fā)展初期漲幅約1.1℃。2000—2019年間，全世界一共記錄下了由極端氣候所引發(fā)的7348次重大災難事故，共造成了123萬人的死亡，直接影響了42億人次，并給世界經(jīng)濟帶來了2.97萬億美元的損失。我國在2021年發(fā)生的特大自然災害“7·20河南暴雨”，初步虧損124億元，造成近400人遇害。溫室氣體的排放污染持續(xù)擴大，使得世界氣溫上升、降水分布不均勻加重，由此引發(fā)了高溫熱浪、干旱、洪災，森林大火等各種天災出現(xiàn)的頻率上升和極端性加劇。

減緩世界年均溫度上升幅度，對人體健康、糧食安全、陸地與海洋生態(tài)環(huán)境有著重大意義。目前而言，人類離《巴黎協(xié)定》對溫室氣體排放量之要求尚有較大的差距[2]。2020年爆發(fā)的新冠肺炎疫情全球大流行，曾對減緩溫室氣體的高排放量取到了曇花一現(xiàn)的作用，但實際上長期繼續(xù)升高的趨勢仍舊存在。不過，目前的有關自然災害指標調(diào)查結(jié)果通常都是數(shù)字統(tǒng)計分析結(jié)果，而對于自然災害種類、影響范圍和頻率、災害人口分布、災害地形分析等調(diào)查結(jié)果都沒有空間數(shù)據(jù)基礎支撐和多層次、多維度分析。因此，也無法對預災、減害形成更多的指示和警示。

3.大數(shù)據(jù)平臺與云計算方法

氣候大數(shù)據(jù)分析綜合集成了基于衛(wèi)星遙感、傳感技術(shù)對地探測數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計數(shù)據(jù)。衛(wèi)星還能夠?qū)Υ髿鈱涌諝饬鲃臃较蚍治?，以及通過在地球上的地面站點能夠收集地面基站基礎數(shù)據(jù)和基本地理數(shù)據(jù)等。從而能夠更高效地收集到大地域范圍內(nèi)氣候變動的指數(shù)，以及精確預報即將出現(xiàn)的重大天氣活動。使災害災情的監(jiān)測更為及時、精確。包括對風災、洪水、旱災、泥石流、地震等主要自然災害突發(fā)狀況的及時預報。在氣候數(shù)據(jù)的采集方面，應用高速氣候采集設備與傳感器提供更加精準的數(shù)據(jù)。根據(jù)當前的“一帶一路”沿線災害風險挑戰(zhàn)，建立極端氣候與災害數(shù)據(jù)集成分析處理平臺，將對多年災害的發(fā)生、發(fā)展和風險評估、救援決策等提供支持。而“星—機—地”一體化的監(jiān)測將對不同的時間空間范圍的極端天氣和自然災害情況，實現(xiàn)持續(xù)、主動、大范圍、實時監(jiān)控，同時也為分析不同時空的氣象數(shù)據(jù)和大氣參數(shù)提供更加詳細的數(shù)據(jù)和信息[3]。

所使用的大數(shù)據(jù)繼承存儲基于地球的大數(shù)據(jù)云平臺，通過采用云計算技術(shù)的虛擬化使計算機系統(tǒng)的效率大大提高，在同一個機器上就能夠同時操作多個邏輯算法;分布式存儲將使TB級別，甚至TB級以上的超大規(guī)模數(shù)據(jù)處理的存儲也能夠得心應手;分布式計算能夠在短距離內(nèi)快速掌握大量計算能力，在短距離內(nèi)迅速實現(xiàn)對大量數(shù)據(jù)的運算;多租戶旨在使大量客戶能夠共用同一個堆棧的軟硬件空間，提升架構(gòu)擴展性與性能定制。任何一種全球性業(yè)務都需要使用的上萬景甚至數(shù)十萬景遙感資料，再加上基礎的網(wǎng)絡資料等，對操作要求都很高。通過采用云計算平臺的智能計算方法使計算與數(shù)據(jù)處理質(zhì)量大大提高。

4.應用實例

4.1 “一帶一路”沿線高溫熱浪

全球溫室氣體含量和平均氣溫的增加，造成了極端高溫熱浪將會較多地侵襲“一帶一路”沿線城市及其周邊地區(qū)。精準的空間探測與科學的氣候研究預報，將會給“一帶一路”沿途各國和地方帶來有效的預警和災情緩解的應對保障。

“一帶一路”沿途領域多年高溫災害熱浪分析表明，長期高溫危害的要點地區(qū)一般處在亞歐大洲的中南方，此外還有在非洲和大洋洲的大部分地域。2010—2020年的熱浪，持續(xù)時間在歐洲地區(qū)中北段、亞洲北段和大洋洲中南段地區(qū)出現(xiàn)明顯增加。上述地域就是近年來熱浪耦合災害影響的重點地區(qū)，主要表現(xiàn)在地球近極圈區(qū)內(nèi)異常高溫與澳大利亞多年熱浪所造成的干旱和大火頻發(fā)。最近10年內(nèi)，極端高溫的活動強度也在明顯增加。例如：東南亞和歐洲北部極端氣溫增加了近2℃～5℃；澳大利亞部分地區(qū)的極端氣溫升高達到了10℃以上。

4.2 全球溫室氣體排放

降低溫室氣體的排放量是為了減緩氣候變化、降低全球升溫的程度，從而達成《巴黎協(xié)定》的基礎。二氧化碳是地球大氣自然環(huán)境中的存在比例最大的氣體。天然氣、石油和煤炭的燃燒都是二氧化碳氣體釋放堆積的來源，是全球大氣變暖2/3的來源。由于新冠疫情的限制，2020年二氧化碳排放量比2019年減少了約5%。但世界氣象組織研究表明，大量二氧化碳仍被注入了大氣中，這意味著新冠病毒導致的經(jīng)濟減速“沒有對大氣中的溫室氣體水平及其增長速度產(chǎn)生任何明顯影響”。聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）公布了第十次國際污染差距公報。報道還認為，在過去10多年中，世界排放量年均以約1.5%的速率上升。到2100年，這將導致溫度升高近4℃，“帶來廣泛的破壞性氣候影響?！敝袊F(xiàn)在的人均排放量與歐盟（EU）處于同一范圍，幾乎與日本處于相似水平。因此，認清中國的碳排放結(jié)構(gòu)，將有利于中國在國際上承擔溫室氣體的責任。

4.3 農(nóng)作物的種植與產(chǎn)銷

依靠有關氣候?qū)＜业难芯勘砻鳎诮窈蠛荛L的一段時間里，農(nóng)作物的生產(chǎn)率和種植方式會因氣候的變遷而發(fā)生較大的影響與改變。在世界溫度高舉不下的情況下，即使是在一年中溫度最低的嚴冬時節(jié)，溫度也較往常有了顯著提高，這對于我國小麥的成長是非常有益的。因此，在一些以種植小麥為主的地域，如東北、華北等地，可以選擇適當增大小麥的種植面積以達到增加產(chǎn)量的目的。但是相較于其他地區(qū)的農(nóng)作物可能無法應對這種差異變化，所以需要研究出可以應對這種氣候變化的新品種小麥。針對全世界高溫的狀態(tài)，一些耐高溫的適種小麥可能會更多地出現(xiàn)在田間地頭。國內(nèi)種植業(yè)應對于不同的地域采取不同的種植方案，以保證農(nóng)產(chǎn)品的高產(chǎn)播種，達到預期的結(jié)果[4]。

5.總結(jié)與展望

5.1 總結(jié)

隨著計算機技術(shù)的發(fā)達和科學技術(shù)研究水平的提升、信息化國家戰(zhàn)略的提出，大數(shù)據(jù)與云計算的應用會更加廣泛。引入新型計算機技術(shù)是未來各行各業(yè)的發(fā)展趨勢。本文通過應用實例具體闡述了大數(shù)據(jù)和和云計算技術(shù)對氣候行動做出的貢獻。大數(shù)據(jù)分析和云計算的廣泛應用也給SDG13帶來了一系列應對世界氣候變化威脅的多時空空間數(shù)據(jù)集。包括了“一帶一路”沿線的高溫熱浪、全球溫室氣體排放、影響農(nóng)作物種植等。多角度多方面地展現(xiàn)了大數(shù)據(jù)與云計算技術(shù)的互通融合為我們氣候變化這項服務型產(chǎn)業(yè)帶來的影響與啟發(fā)[5-6]。

5.2 未來展望

無論是為了更好地預測氣候變化所產(chǎn)生的影響，還是人類為適應氣候變遷所采取的行為都在潛移默化地影響著人們的生存方法與工作目標，并可能帶來一個高科技時代的技術(shù)革命。氣候變化產(chǎn)生的影響方面多、覆蓋面廣、持續(xù)時間長，因此需要大數(shù)據(jù)分析與云計算技術(shù)充分發(fā)揮自身優(yōu)勢，通過回溯分析過去的氣候蹤跡，監(jiān)控與分析當前的氣候態(tài)勢，預測預報未來的走勢。希望大數(shù)據(jù)和云計算的結(jié)合使用可以應用在更多的氣候領域研究，為社會各界提供優(yōu)質(zhì)的氣候數(shù)據(jù)分析，使得氣候數(shù)據(jù)信息透明化、全面化。愿望的實現(xiàn)需要相關領域不斷地深入研究，創(chuàng)造更大的社會效益與經(jīng)濟效益的同時，為人類未來走在可持續(xù)發(fā)展的道路上指明方向。