利用生成艺术表现过去与未来的气候变迁

摘要

本文介绍了一种将气候数据可视化为生成艺术的实验方案。

摘要

理解现代气候的能力依赖于对过去气候变化特征以及地球系统通过相互关联的反馈机制实现稳定的基本认识。本文介绍了一种独特的方法，通过沉浸式可视化手段，将深海沉积物中保存的古气候转变记录传达给广大受众。该可视化作品是一种多媒体装置，融合了冰期与间冰期转变的地球化学记录以及对未来人为变暖的模型预测，为观众创造沉浸式体验，引导他们深入思考地球历史不同阶段之间微妙而复杂的差异。本作品展示了五个时间段，始于现代冰期-间冰期周期的初始阶段（约一百万年前），并将过去气候变化与未来人为变暖的模型预测结果（至2099年）进行对比。该装置包含多个实验性投影，每个时间段对应一个投影，分别呈现在房间的不同表面上。当观众在空间中移动时，投影会通过动画技术（如速度变化、色彩、图层叠加和重复）缓慢地展示不同的气候转变过程，所有动画均基于特定地点的数据生成，用以呈现地球在全球气候变化背景下的独特行为。本作品为科学数据的可视化提供了创新框架，其核心是采用佩林噪声（Perlin Noise）算法生成的动态动画。研究变量（如海表温度、营养物质动态以及气候变化速率）会影响可视化形式的输出，例如颜色、尺度和动画速度，这些参数均易于调节并与特定数据相连接。该方法还为在线发布数据提供了可能，并建立了将可视化参数扩展应用于多种定量与定性数据的机制。

引言

生成艺术及其所采用的方法能够将定量数据直接转化为动画，同时保持数据的完整性。艺术家利用生成艺术探索对空间和时间的感知^1,2，但生成艺术目前尚未普遍应用于空间或时间性的科学数据。本文所展示的工作提供了一个简单的框架，用于通过生成式视觉作品来呈现气候数据。这些作品具有广泛的应用前景，无论是用于创建线下展览，还是作为演讲或在线出版物中的视觉辅助工具。

利用地球化学测量或估算结果来标定颜色、形状、大小和速度等视觉元素，可直观地传达变化速率和变化幅度，而无需观众阅读论文、解读图表或查阅数据表格。此外，通过对选定变量进行随机化处理，可以表达数据缺失或不确定性，例如在对未来进行预测时即采用此方法。地质历史时期与未来的并置，可能是此类科学传播工具有效性的关键所在。人们通常以近期经历作为现代气候变化的比较基准，这使得人类活动引起的气候变化幅度难以被充分理解³。

本文展示的地球化学测量数据涵盖了中更新世转型期（MPT；距今120万至60万年前），记录了国际海洋发现计划U1475站位^4,5附近南大洋北界区域的环境变化。MPT期间的数据以四个动画形式呈现，突显了地球降温过程中海洋条件的变化，以及冰期与间冰期变率的增强⁶。这些数据提供了揭示地球气候自然节律的地质基线，凸显出长期变冷趋势，与未来的气候预测形成鲜明对比。未来气温估算值基于20个气候模型在代表性碳路径8.5（RCP 8.5；即到2100年辐射强迫达到8.5 W/m²的情景）强迫下的平均结果，位置为美国纽约州纽约市⁷。RCP 8.5代表一种持续高排放的最坏情景，预计到2100年全球平均气温将上升3.7 °C⁸。因此，本文展示了一种将未来气候预测与地质记录进行比较的方法，用于评估气候变化速率与气候变率的差异。

方案

1. 播放现有的可视化内容

1. 下载编码和可视化软件（参见材料表）。
   1. 下载数据和代码。本文使用 Marcks 等人⁴ 和 Cartagena-Sierra 等人⁵ 的数据，结合 Starr 等人⁹ 提出的年龄模型，生成“不确定性的程度”数据集。
      注意：“不确定性的程度”包含五个编码文件，分别为补充编码文件 1、补充编码文件 2、补充编码文件 3、补充编码文件 4和补充编码文件 5，分别对应各个可视化时间段（MPT 1、MPT 2、MPT 3、MPT 4 和未来）。每个文件均包含用于可视化的编码库¹⁰，以及名为“Script”的文件夹，其中包含以 .csv 格式下载的数据、“particle.js”可视化代码，以及将所有相关数据和代码链接在一起的索引文件“index.html”。
2. 从“不确定性的程度”中打开代码编辑软件。
3. 将一个文件（MPT 1、MPT 2、MPT 3 或 MPT 4）拖入代码编辑器以进行可视化。
   1. 文件将显示在窗口左侧的 EXPLORER 菜单中。有关可视化“未来”文件夹中数据的操作步骤，请参见第 1.7 步。
4. 在 EXPLORER 菜单中，单击文件夹（MPT 1、MPT 2、MPT 3或MPT 4）以展开下拉菜单，然后依次单击script和index.html。
   注意：代码将显示在窗口右侧。
5. 用鼠标左键单击窗口中“index.html”的代码区域，然后从菜单中选择使用 Live Server 打开。
   注意：将打开一个互联网浏览器窗口，并开始播放可视化内容。
6. 在加载不同时间段的可视化内容之间，可能需要关闭并重新打开代码编辑器。对每个时间段子集重复执行步骤 1.4–1.6。
7. 要查看基于未来预测的可视化结果，请在计算机上打开“未来”文件夹，并将“累积”或“过渡”文件夹之一拖入代码编辑器。动画之间的差异在结果部分中描述。
8. 在 EXPLORER 窗口中选择文件夹名称，然后单击index.html。用鼠标左键单击窗口中“index.html”的代码区域，然后从菜单中选择使用 Live Server 打开。
   ​注意：将打开一个互联网浏览器窗口，并开始播放可视化内容，可通过屏幕录制将其本地保存到计算机中。

2. 编辑可视化图像

注意：如需编辑可视化结果，请根据需要按照上述步骤 1.1-1.4 加载相关数据。

1. 在代码编辑器的“资源管理器”窗口中选择感兴趣的文件夹，然后单击 sketch.js 打开主脚本文件。
   注意：MPT 1 中的“sketch.js”文件（补充编码文件 1）包含最详细的注释；因此，该文件可能最有助于熟悉代码。
   1. 代码显示在代码编辑器窗口的右侧。在此代码中对可视化参数进行任何编辑。查找以双斜杠 "//" 开头并以绿色文本标示的代码注释，其中包含对代码及其功能的详细描述（补充图 1）。
   2. 定义将与数据关联或用于自定义可视化参数的变量（补充图 1）。
   3. 将数据加载到工作区中（补充图 2）。
   4. 定义画布的可视化参数。使用“for”循环将数据链接到特定特征；此处，大小与氮同位素值“d15N”相关联（补充图 3）。
   5. 使用 for 循环为每个球体定义尾部长度。尾部指球体出现后在屏幕上保留的时间长度，随着可视化过程的进行，产生颜色累积效果（补充图 4）。
      注意：此处尾部长度与烯酮 c37 的累积速率成比例。
   6. 最后，绘制动画，应用 Perlin 噪声算法¹¹ 来定义视觉图形的形状（补充图 5）。
      ​注意：此处使用圆形作为基础形状，并对圆周上的点应用噪声。这会使圆形边界产生“抖动”，从而形成一种有机的、类似球体的形状，其偏离圆形的程度由“wiggle”命令定义。
   7. 根据需要使用注释辅助修改代码。

3. 保存编辑

1. 同时按下 command 和 S 键以保存编辑内容。
2. 在“资源管理器”窗口中导航至“index.html”文件，单击鼠标左键，然后从菜单中选择使用实时服务器打开，以查看更新后的可视化效果。
   注意：浏览器窗口将打开并开始播放可视化内容，可通过屏幕录制将其本地保存到计算机上。

结果

本研究生成了六幅可视化图像，对应五个独特的地质时间区间，其视觉特征按定量数据进行缩放，这些数据要么来自深海沉积物的实测结果（图1、图2、图3、图4、视频1、视频2、视频3 和 视频4），要么基于政府间气候变化专门委员会（IPCC）的RCP情景模型模拟得出（图5 和 图6）。每幅可视化图像均为独特且具有生成性，这意味着由于粒子轨迹和形状边界等变量在每次运行代码时均经过随机化处理，相同的输入数据每次会产生略微不同的视觉输出。在每幅可视化图像中， orbs（由应用于圆周上点集的Perlin噪声算法生成）在黑色背景上移动，拖曳半透明的尾迹以记录其运动轨迹。o...

讨论

本研究强调了生成艺术在科学传播中的应用价值。该工作流程可用于将现有数据转化为动画中的元素。尽管本研究生成的动画每次运行代码时都会产生不同的版本，具有独特性，但其视觉元素是根据地球化学和气候模型数据进行缩放的；因此，只要输入数据保持不变，颜色、速度和大小等视觉元素就会保持恒定。这也有助于直接比较这些视觉元素，从而对数据得出结论。

利用深海沉积物的地球化学测量数据以及对未来人为变暖的模型估算，通过Perlin噪声算法¹¹进行处理，并转化为沉浸式艺术装置。由古海洋学数据生成的动画为未来温度的模型估算提供了对比基准。深海沉积物是过去气候的档案，也是理解气候系统的宝贵资源^12,13。视觉图像采用Perlin噪声算法生成，该算法因其能够平滑地移动生成图形的边界而被选用。在此，Perlin噪声算法应用于勾勒圆形轮廓的点，最终形成一种有机形态，并在背景上平滑移动。选择圆形是因为其形状与沉积岩心的横截面相似，同时在轮廓上添加噪声后也类似...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
画架	Uline	H-1450SIL	可伸缩画架，用于固定泡沫板
泡沫板海报板	Royal Brites	#753064	用作投影画布的泡沫板
Live Server	Microsoft；发布者：Ritwick Dey	版本 5.7.9	Visual Studio Code 的软件扩展，可在浏览器窗口中查看动画。下载地址：https://marketplace.visualstudio.com/items?itemName=ritwickdey.LiveServer
短焦投影仪	Optoma	796435814076	适用于所需投影表面/距离的任意型号短焦投影仪
Visual Studio Code	Microsoft	适用于 MAC OS 的版本 1.74	用于代码编辑与执行的软件。下载地址：https://code.visualstudio.com/