云計(jì)算和大數(shù)據(jù)在氣候變化領(lǐng)域的應(yīng)用研究

王思文 胡杰

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)，山西晉中 030600）

0.引言

大數(shù)據(jù)是現(xiàn)代社會(huì)計(jì)算機(jī)技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)共同孕育的新型產(chǎn)物，云運(yùn)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(wú)數(shù)小程序，并對(duì)它進(jìn)行處理和分類最后返回結(jié)果的一種分布式計(jì)算。在技術(shù)發(fā)展的高度來(lái)看，大數(shù)據(jù)和云計(jì)算的關(guān)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(gè)算法、一個(gè)計(jì)算機(jī)就能夠解決，必須引入分布式計(jì)算框架。當(dāng)下，大數(shù)據(jù)與云計(jì)算被廣泛應(yīng)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(lǐng)域，已經(jīng)發(fā)生了巨大變化。

氣候變化所帶來(lái)的挑戰(zhàn)正逐漸成為未來(lái)人類發(fā)展的威脅之一，氣候數(shù)據(jù)量目前已達(dá)到PB級(jí)別甚至在持續(xù)增長(zhǎng)。怎樣才能更嚴(yán)謹(jǐn)有效地挖掘天氣信息、為應(yīng)對(duì)氣候變化造成的多種影響提供更嚴(yán)謹(jǐn)有效的信息保障，成為亟待解決的重大決策問題與現(xiàn)實(shí)發(fā)展問題。氣候變化的跨科學(xué)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(jì)算復(fù)雜度和高不確定性，大數(shù)據(jù)與云計(jì)算時(shí)代的到來(lái)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(jì)算提供可伸縮的分布式計(jì)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(jìn)、相互協(xié)調(diào)，共同解決領(lǐng)域的缺口難題。

1.相關(guān)研究

針對(duì)當(dāng)前緊張迫切的全球氣候形勢(shì)，根據(jù)聯(lián)合國(guó)政府可繼續(xù)增長(zhǎng)任務(wù)報(bào)告（SDGs）第13項(xiàng)—“氣候行動(dòng)：采取緊急行動(dòng)應(yīng)對(duì)氣候變化及其影響”（SDG13）就是要讓世界各國(guó)都參與到氣候行動(dòng)中來(lái)，沒有國(guó)界限制，需要在國(guó)際層面上加強(qiáng)協(xié)調(diào)，尋求解決方案來(lái)幫助發(fā)展中國(guó)家向低碳經(jīng)濟(jì)體邁進(jìn)。SDG13當(dāng)前主要包括5項(xiàng)具體任務(wù)、8項(xiàng)數(shù)據(jù)分析。其中，有2項(xiàng)是ⅰ級(jí)，即“有技術(shù)有數(shù)據(jù)分析”；6個(gè)屬于ⅱ級(jí)，即“有方法無(wú)數(shù)據(jù)”。根據(jù)地球氣候大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)又可將其分為SDG13.1和SDG13.2[1]。SDG13具體實(shí)現(xiàn)如圖1所示。

圖1 SDG 13具體實(shí)現(xiàn)

2.聯(lián)合國(guó)SDG 1.3.的提出與發(fā)展

SDG 13協(xié)議實(shí)施的基礎(chǔ)是《巴黎協(xié)定》。該協(xié)議的簽訂表明了應(yīng)對(duì)氣候變化的國(guó)際合作符合全人類的共同利益，也是人權(quán)保護(hù)的重要內(nèi)容。2020年9月22日，國(guó)家主席習(xí)近平總書記在聯(lián)合國(guó)大會(huì)第75次會(huì)議上發(fā)表重要演講:“我們將進(jìn)一步提高我國(guó)獨(dú)立自主貢獻(xiàn)度，采用更為得力的優(yōu)惠政策和舉措，二氧化碳排放量爭(zhēng)取得于2030前到達(dá)歷史峰值點(diǎn)，2030年將會(huì)比2005年制碳力度減少60%～65%，爭(zhēng)取于2060年前完成碳中和。”另外，歐洲國(guó)家和英國(guó)均宣布在2050年實(shí)現(xiàn)低碳中和。截至2021年年底，美國(guó)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(jì)排放量國(guó)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(zāi)難事故，共造成了123萬(wàn)人的死亡，直接影響了42億人次，并給世界經(jīng)濟(jì)帶來(lái)了2.97萬(wàn)億美元的損失。我國(guó)在2021年發(fā)生的特大自然災(zāi)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(kuò)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?zé)崂恕⒏珊怠⒑闉?zāi)，森林大火等各種天災(zāi)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(duì)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(duì)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(duì)減緩溫室氣體的高排放量取到了曇花一現(xiàn)的作用，但實(shí)際上長(zhǎng)期繼續(xù)升高的趨勢(shì)仍舊存在。不過，目前的有關(guān)自然災(zāi)害指標(biāo)調(diào)查結(jié)果通常都是數(shù)字統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，而對(duì)于自然災(zāi)害種類、影響范圍和頻率、災(zāi)害人口分布、災(zāi)害地形分析等調(diào)查結(jié)果都沒有空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)支撐和多層次、多維度分析。因此，也無(wú)法對(duì)預(yù)災(zāi)、減害形成更多的指示和警示。

3.大數(shù)據(jù)平臺(tái)與云計(jì)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(duì)地探測(cè)數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。衛(wèi)星還能夠?qū)Υ髿鈱涌諝饬鲃?dòng)方向分析，以及通過在地球上的地面站點(diǎn)能夠收集地面基站基礎(chǔ)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(dòng)的指數(shù)，以及精確預(yù)報(bào)即將出現(xiàn)的重大天氣活動(dòng)。使災(zāi)害災(zāi)情的監(jiān)測(cè)更為及時(shí)、精確。包括對(duì)風(fēng)災(zāi)、洪水、旱災(zāi)、泥石流、地震等主要自然災(zāi)害突發(fā)狀況的及時(shí)預(yù)報(bào)。在氣候數(shù)據(jù)的采集方面，應(yīng)用高速氣候采集設(shè)備與傳感器提供更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。根據(jù)當(dāng)前的“一帶一路”沿線災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)，建立極端氣候與災(zāi)害數(shù)據(jù)集成分析處理平臺(tái)，將對(duì)多年災(zāi)害的發(fā)生、發(fā)展和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、救援決策等提供支持。而“星—機(jī)—地”一體化的監(jiān)測(cè)將對(duì)不同的時(shí)間空間范圍的極端天氣和自然災(zāi)害情況，實(shí)現(xiàn)持續(xù)、主動(dòng)、大范圍、實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)也為分析不同時(shí)空的氣象數(shù)據(jù)和大氣參數(shù)提供更加詳細(xì)的數(shù)據(jù)和信息[3]。

所使用的大數(shù)據(jù)繼承存儲(chǔ)基于地球的大數(shù)據(jù)云平臺(tái)，通過采用云計(jì)算技術(shù)的虛擬化使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率大大提高，在同一個(gè)機(jī)器上就能夠同時(shí)操作多個(gè)邏輯算法;分布式存儲(chǔ)將使TB級(jí)別，甚至TB級(jí)以上的超大規(guī)模數(shù)據(jù)處理的存儲(chǔ)也能夠得心應(yīng)手;分布式計(jì)算能夠在短距離內(nèi)快速掌握大量計(jì)算能力，在短距離內(nèi)迅速實(shí)現(xiàn)對(duì)大量數(shù)據(jù)的運(yùn)算;多租戶旨在使大量客戶能夠共用同一個(gè)堆棧的軟硬件空間，提升架構(gòu)擴(kuò)展性與性能定制。任何一種全球性業(yè)務(wù)都需要使用的上萬(wàn)景甚至數(shù)十萬(wàn)景遙感資料，再加上基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)資料等，對(duì)操作要求都很高。通過采用云計(jì)算平臺(tái)的智能計(jì)算方法使計(jì)算與數(shù)據(jù)處理質(zhì)量大大提高。

4.應(yīng)用實(shí)例

4.1 “一帶一路”沿線高溫?zé)崂?/h3>

全球溫室氣體含量和平均氣溫的增加，造成了極端高溫?zé)崂藢?huì)較多地侵襲“一帶一路”沿線城市及其周邊地區(qū)。精準(zhǔn)的空間探測(cè)與科學(xué)的氣候研究預(yù)報(bào)，將會(huì)給“一帶一路”沿途各國(guó)和地方帶來(lái)有效的預(yù)警和災(zāi)情緩解的應(yīng)對(duì)保障。

“一帶一路”沿途領(lǐng)域多年高溫災(zāi)害熱浪分析表明，長(zhǎng)期高溫危害的要點(diǎn)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(shí)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(lái)熱浪耦合災(zāi)害影響的重點(diǎn)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(dòng)強(qiáng)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(dá)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(dá)成《巴黎協(xié)定》的基礎(chǔ)。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?xì)怏w釋放堆積的來(lái)源，是全球大氣變暖2/3的來(lái)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(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)減速“沒有對(duì)大氣中的溫室氣體水平及其增長(zhǎng)速度產(chǎn)生任何明顯影響”。聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）公布了第十次國(guó)際污染差距公報(bào)。報(bào)道還認(rèn)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(dǎo)致溫度升高近4℃，“帶來(lái)廣泛的破壞性氣候影響。”中國(guó)現(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(rèn)清中國(guó)的碳排放結(jié)構(gòu)，將有利于中國(guó)在國(guó)際上承擔(dān)溫室氣體的責(zé)任。

4.3 農(nóng)作物的種植與產(chǎn)銷

依靠有關(guān)氣候?qū)＜业难芯勘砻鳎诮窈蠛荛L(zhǎng)的一段時(shí)間里，農(nóng)作物的生產(chǎn)率和種植方式會(huì)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(yán)冬時(shí)節(jié)，溫度也較往常有了顯著提高，這對(duì)于我國(guó)小麥的成長(zhǎng)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(dāng)增大小麥的種植面積以達(dá)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(wú)法應(yīng)對(duì)這種差異變化，所以需要研究出可以應(yīng)對(duì)這種氣候變化的新品種小麥。針對(duì)全世界高溫的狀態(tài)，一些耐高溫的適種小麥可能會(huì)更多地出現(xiàn)在田間地頭。國(guó)內(nèi)種植業(yè)應(yīng)對(duì)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(dá)到預(yù)期的結(jié)果[4]。

5.總結(jié)與展望

5.1 總結(jié)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)達(dá)和科學(xué)技術(shù)研究水平的提升、信息化國(guó)家戰(zhàn)略的提出，大數(shù)據(jù)與云計(jì)算的應(yīng)用會(huì)更加廣泛。引入新型計(jì)算機(jī)技術(shù)是未來(lái)各行各業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。本文通過應(yīng)用實(shí)例具體闡述了大數(shù)據(jù)和和云計(jì)算技術(shù)對(duì)氣候行動(dòng)做出的貢獻(xiàn)。大數(shù)據(jù)分析和云計(jì)算的廣泛應(yīng)用也給SDG13帶來(lái)了一系列應(yīng)對(duì)世界氣候變化威脅的多時(shí)空空間數(shù)據(jù)集。包括了“一帶一路”沿線的高溫?zé)崂恕⑷驕厥覛怏w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(jì)算技術(shù)的互通融合為我們氣候變化這項(xiàng)服務(wù)型產(chǎn)業(yè)帶來(lái)的影響與啟發(fā)[5-6]。

5.2 未來(lái)展望

無(wú)論是為了更好地預(yù)測(cè)氣候變化所產(chǎn)生的影響，還是人類為適應(yīng)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(biāo)，并可能帶來(lái)一個(gè)高科技時(shí)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(shí)間長(zhǎng)，因此需要大數(shù)據(jù)分析與云計(jì)算技術(shù)充分發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)，通過回溯分析過去的氣候蹤跡，監(jiān)控與分析當(dāng)前的氣候態(tài)勢(shì)，預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)未來(lái)的走勢(shì)。希望大數(shù)據(jù)和云計(jì)算的結(jié)合使用可以應(yīng)用在更多的氣候領(lǐng)域研究，為社會(huì)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(shí)現(xiàn)需要相關(guān)領(lǐng)域不斷地深入研究，創(chuàng)造更大的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，為人類未來(lái)走在可持續(xù)發(fā)展的道路上指明方向。