Summary
在这里，提出了一个协议，将气候数据可视化为生成艺术。
Abstract
理解现代气候的能力依赖于对过去气候变率的基本理解，以及地球通过相互关联的反馈稳定的方式。本文介绍了一种独特的方法，通过沉浸式可视化将保存在深海沉积物中的过去气候变化记录翻译给广大受众。这个可视化是一个多媒体装置，结合了冰川和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，为观众创造身临其境的体验，邀请他们参与并反思地球历史子集之间的微妙差异。这项工作展示了五个时间间隔，从现代冰川 - 间冰期周期的开始（~一百万年前），将过去的气候与预测的未来人为变暖的模型结果进行比较（直到2099年）。该装置由几个实验投影组成，每个时间子集一个，显示在房间的不同表面上。当观众在空间中移动时，投影在不同的气候过渡中缓慢循环，使用速度、颜色、分层和重复等动画方法，所有这些都通过特定地点的数据生成，以传达地球与全球气候有关的独特行为。这项工作为独特的科学数据可视化提供了一个框架，在装置的中心使用柏林噪声算法创建生成动画。研究变量，如海面温度、营养动态和气候变化的速度，会影响颜色、比例和动画速度等正式结果，这些都易于操作并连接到特定数据。这种方法还允许在线发布数据的可能性，并提供一种将视觉参数缩放到各种定量和定性数据的机制。
Introduction
生成艺术和这里采用的方法允许将定量数据直接转换为动画，同时保持数据的完整性。艺术家使用生成艺术来探索对空间和时间的感知1,2，但生成艺术尚未与空间或时间科学数据一起使用。这里介绍的工作为使用生成式视觉产品来展示气候数据提供了一个简单的框架。这些产品可以广泛应用，无论是用于创建面对面的展览，还是作为演示或在线出版物的视觉辅助。
使用地球化学测量或估计来缩放颜色、形状、大小和速度等元素提供了一种直观地传达变化速率和幅度的方法，而无需查看者阅读论文、解释图表或查看数据表。或者，使用选定变量的随机化来传达缺乏数据或不确定性，就像未来预测的情况一样。地质过去和未来的并置也许是这些产品作为科学传播工具有效性的组成部分。最近的经验往往作为比较现代气候变化的基线，因此难以掌握人为气候变化的严重程度3.
本文可视化的地球化学测量跨越更新世中期过渡期（MPT;120万至60万年前），记录了国际海洋发现计划站点U1475 4,5在南大洋北部边界附近的变化。MPT数据以四个动画形式呈现，突出显示了随着地球变冷以及冰川和间冰期变化放大而海洋条件的变化6。这提供了一个地质基线，揭示了地球气候的自然节奏，强调了与未来气候预测形成鲜明对比的长期变冷趋势。未来温度估计值是代表性碳途径8.5（RCP 8.5;2100年辐射强迫为8.5 W/m 2的情景）强迫下20个气候模型结果的平均值，适用于纽约州纽约7号。RCP 8.5代表了持续排放的最坏情况，导致到2100年全球平均气温上升3.7°C8。因此，本文展示了一种将未来预测与地质数据进行比较的方法，以比较气候变化和气候变异率。
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Protocol
1. 播放现有可视化效果
- 下载编码和可视化软件（请参阅 材料表）。
- 下载数据和代码。本文使用“不确定性程度”，其中包含来自Marcks等人4和Cartagena-Sierra等人5的数据，这些数据来自Starr等人的年龄模型9。
注意：“不确定度”包含五个编码文件，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，内容与每个可视化时间段有关（分别为 MPT 1、MPT 2、MPT 3、MPT 4 和未来）。其中每个都包含用于可视化的编码库10 以及包含.csv格式下载数据的“脚本”文件夹、用于生成视觉效果“粒子.js”的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”。
- 下载数据和代码。本文使用“不确定性程度”，其中包含来自Marcks等人4和Cartagena-Sierra等人5的数据，这些数据来自Starr等人的年龄模型9。
- 从“不确定性程度”打开代码编辑软件。
- 将文件（MPT 1、MPT 2、MPT 3 或 MPT 4）拖到代码编辑器中以对其进行可视化。
- 这些文件将显示在窗口左侧的“资源管理器”菜单中。检查步骤 1.7 中可视化“未来”文件夹中数据的过程。
- 在资源管理器菜单中，单击文件夹（MPT 1、MPT 2、MPT 3 或 MPT 4）以显示下拉菜单，单击 脚本，然后单击索引 .html。
注意：代码显示在窗口的右侧。 - 左键单击带有“index.html”代码的窗口部分，然后从菜单中选择使用 实时服务器打开 。
注意：互联网浏览器窗口将打开并开始播放可视化效果。 - 从不同时间子集加载视觉对象时，可能需要在可视化效果之间关闭和重新打开代码编辑器。对每个时间子集重复步骤 1.4-1.6。
- 要查看基于未来预测的可视化效果，请打开计算机上的“未来”文件夹，然后将“累积”或“过渡”文件夹拖到代码编辑器中。结果部分介绍了动画之间的差异。
- 在资源管理器窗口中选择文件夹名称，然后单击索引 .html。左键单击带有“index.html”代码的窗口部分，然后从菜单中选择使用 实时服务器打开 。
注意：互联网浏览器窗口打开并开始播放可视化，可以通过屏幕录制将其本地保存在计算机上。
2. 编辑可视化效果
注意：要编辑可视化效果，请根据需要按照上述步骤 1.1-1.4 加载相关数据。
- 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（补充编码文件 1）中的“草图.js”文件包含最详细的注释;因此，此文件对于熟悉代码可能是最有用的。- 代码显示在代码编辑器窗口的右侧。对此代码中的可视化参数执行任何编辑。查找代码注释，其中在双斜杠“//”之后详细说明代码及其功能，并进一步用绿色文本标识（补充图 1）。
- 定义将链接到数据或用于自定义视觉参数的变量（补充图 1）。
- 将数据加载到工作区（补充图 2）。
- 定义画布的可视参数。使用“for”循环将数据链接到特定特征;在这里，尺寸与氮同位素值“d15N”有关（补充图3）。
- 使用 for 循环定义每个球体的尾部长度。尾巴是指球体在出现后在屏幕上停留的时间长度，随着视觉效果的进展，会产生颜色的积累（补充图 4）。
注意：在这里，尾巴长度与烯酮c37的积累速率成比例。 - 最后，绘制动画，应用柏林噪声算法11 来定义视觉对象的形状（补充图5）。
注意： 此处，圆用作基本形状，并将噪声应用于沿圆周的点。这些将“摆动”圆的边界，产生一个有机的球状形状，以“摆动”命令定义的量偏离圆。 - 根据需要使用注释编辑代码以帮助更改。
3. 保存编辑内容
- 通过同时按 命令 和 S 键来保存编辑。
- 通过导航到资源管理器窗口中的“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 ”来查看更新的视觉对象。
注意：互联网浏览器窗口打开并开始播放可视化，可以通过屏幕录制将其本地保存在计算机上。
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Representative Results
这项工作产生了六个可视化，对应于五个独特的地质时间间隔，视觉方面缩放到在深海沉积物上测量的定量数据（图1，图2，图3，图4，视频1，视频2，视频3和视频4）或根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）的RCP情景建模（图5和图6 ).每个可视化都是唯一且生成性的，这意味着由于粒子轨迹和形状边界等变量的随机化，每次运行代码时，相同的输入数据都会产生略有不同的视觉输出。在每个可视化中，根据柏林噪声算法创建的球体应用于黑色背景上的圆遍历周围的点，半透明的尾巴记录它们的轨迹。球体继续在屏幕上无限移动，最终在黑色背景上积累颜色。
在图 1、图 2、图 3 和图 4 中，从 MPT 1-4（补充编码文件 1、补充编码文件 2、补充编码文件 3 和补充编码文件 4）中的代码生成，颜色、大小和速度等元素被定量缩放到基于深海沉积物地球化学测量的海面温度、氮同位素组成和气候变化速率的估计值。颜色范围从蓝色到红色，最冷的间隔以最丰富的蓝色球体和最温暖的间隔为红色球体5。这是通过更改红色、绿色、蓝色 （RGB） 颜色值中的红色数值来实现的，而绿色和蓝色值保持不变。根据海面温度估计值，红色值在 0-200 之间变化，温度越高，红色值越大。每个球体的大小与浮游有孔虫的氮同位素组成成比例，这与浮游植物4消耗的营养和碳量有关。每个球体的大小在1-10之间变化，尺寸越大，氮同位素值越高。每个球体在屏幕上移动时的速度与气候变化的速度相称，估计为一段时间内冰川和间冰期的数量除以每个间隔跨越的年数，冰川和间冰期边界如Lisiecki和Raymo11中定义。
图5 图6（视频5和视频6）来自纽约7号纽约的年平均气温预测。选择纽约的位置是因为它是距离投影装置位置最近的城市，数据可用。图 5（视频 5）和图 6 （视频 6）均将颜色与温度的估计值进行缩放，较低的温度在 RGB 十进制代码中由更大的绿色值标记，而红色和蓝色值保持不变，从而导致更多的橙色。未来的动画依赖于随机数生成来确定每个球体的大小和速度，因为创建这些可视化需要这些参数，但在未来的投影中，相应的数值仍然不确定。图 5（视频 5）使用“累积”代码生成，是与 MPT 视觉对象类似的动画;球体有半透明的尾巴，球体在画布上的持续移动会导致颜色的积累。图 6（视频 6）是使用“过渡”代码创建的更简单的视觉对象，没有尾巴，而是仅显示在黑色背景上移动的球体的轮廓。
产品格式允许以多种方式自定义和呈现数据。使用此代码生成的动画的屏幕记录用于创建沉浸式科学通信展览，只需将计算机或笔记本电脑连接到投影仪并设置合适的显示空间即可。沉浸式和互动展品是通过布置一个画廊来创建的，画廊里有几个投影仪、画架、泡沫板、一个带显微镜的边桌、深海泥浆和微化石供客人检查（图 7 和图 8）。这个画廊允许人流量的定向流动，游客进入一个房间，里面有四个由画架支撑的泡沫板。每个板都用作投影 MPT 4,5 视觉对象之一的画布（图 7）。当观众走进房间时，除了 MPT 投影之外，另一台投影仪在画廊的墙壁和地板上显示未来视觉效果，邀请观众“走进未来”（图 8）。除了“未来”预测之外，还设置了一张桌子，上面有解剖显微镜，包含浮游生物和深海沉积物化石的显微镜载玻片，以及解释科学家如何使用深海泥浆了解过去气候和完善未来气候预测的信息。最终，这项工作将海洋学和气候数据电子表格转换为图形，作为沉浸式装置的基础，邀请观众穿越地质时间，见证由于自然和人为驱动因素而导致的气候变化。
图 1：从 MPT 1 数据和代码生成的图像。这显示了冰川-间冰期延长和冰川冷却之前的最早时间段（~1.2-111.8百万年前）。球体表示独特的数据值，其中RGB颜色值缩放到基于烯酮的海面温度估计值5，尺寸随着有孔虫4的氮同位素组成而增加，这与海洋中初级生产者在IODP站点U1475吸收碳的能力有关。这是从视频 1 拍摄的静止图像。请点击此处查看此图的大图。
图 2：从 MPT 2 数据和代码生成的图像。这显示了第二早的时间片段（~1.112-1.06百万年前），紧接在冰川 - 间冰期延长和冰川冷却之前。球体表示独特的数据值，其中RGB颜色值缩放到基于烯酮的海面温度估计值5，尺寸随着有孔虫4的氮同位素组成而增加，这与海洋中初级生产者在IODP站点U1475吸收碳的能力有关。这是从视频 2 拍摄的静止图像。请点击此处查看此图的大图。
图 3：从 MPT 3 数据和代码生成的图像。这显示了第二个最新的时间段，即冰川-间冰期周期延长（~106万至90万年前）。球体表示独特的数据值，其中RGB颜色值缩放到基于烯酮的海面温度估计值5，尺寸随着有孔虫4的氮同位素组成而增加，这与海洋中初级生产者在IODP站点U1475吸收碳的能力有关。这是从视频3拍摄的静止图像。请点击此处查看此图的大图。
图 4：从 MPT 4 数据和代码生成的图像。这显示了最近的一段时间，当时更长的冰川 - 间冰期周期更加成熟（~900,000-600,000年前）。球体表示独特的数据值，其中RGB颜色值缩放到基于烯酮的海面温度估计值5，尺寸随着有孔虫4的氮同位素组成而增加，这与海洋中初级生产者在IODP站点U1475吸收碳的能力有关。这是从视频4拍摄的静止图像。请点击此处查看此图的大图。
图 5：从 Future 数据和代码生成的累积图像。 这显示了基于纽约7号RCP 8.5模型平均值的温度估计数对未来人为变暖的模型预测。大小和速度是随机的，因为海洋中初级生产者吸收碳的能力，气候变化的速度是不确定的。这是 从视频5拍摄的静止图像。 请点击此处查看此图的大图。
图 6：从 Future 数据和代码生成的过渡图像。 这显示了基于纽约7号RCP 8.5模型平均值的温度估计数对未来人为变暖的模型预测。大小和速度是随机的，因为海洋中初级生产者吸收碳的能力，气候变化的速度是不确定的。这是 从视频6拍摄的静止图像。 请点击此处查看此图的大图。
图 7：四面板投影装置的图像，其中 MPT 数据显示在查看器和照明信息表后面。这显示了安装的一部分，因为查看者进入显示最早 MPT 数据的房间。视频 1、视频 2、视频 3 和视频4 按从左到右的顺序分别投影在每个面板上。请点击此处查看此图的大图。
图 8：沉浸式墙投影的图像。这显示了观众走过纽约7 号的 RCP 8.5 模型平均值的未来温度估计动画。在此动画（视频 5）中，RGB 绿色值显著增加，从而产生更黄的视觉效果。 请点击此处查看此图的大图。
视频 1：从 MPT 1 数据和代码生成的动画。 这显示了从 MPT 1 数据和代码生成的动画的屏幕录制视频。这对应于冰川-间冰期延长和冰川冷却之前的最早时间段（~1.2-1.118百万年前）。球体表示独特的数据值，其中RGB颜色值缩放到基于烯酮的海面温度估计值5，尺寸随着有孔虫4的氮同位素组成而增加，这与海洋中初级生产者在IODP站点U1475吸收碳的能力有关。 请点击此处下载此视频。
视频 2：从 MPT 2 数据和代码生成的动画。 这显示了从 MPT 2 数据和代码生成的动画的屏幕录制视频。这对应于第二早的时间片段（~1.112-1.06百万年前），紧接在冰川 - 间冰期延长和冰川冷却之前。球体表示独特的数据值，其中RGB颜色值缩放到基于烯酮的海面温度估计值5，尺寸随着有孔虫4的氮同位素组成而增加，这与海洋中初级生产者在IODP站点U1475吸收碳的能力有关。 请点击此处下载此视频。
视频 3：从 MPT 3 数据和代码生成的动画。 这显示了从 MPT 3 数据和代码生成的动画的屏幕录制视频。这对应于第二个最新的时间段，即冰川-间冰期周期延长（~106万至90万年前）。球体表示独特的数据值，其中RGB颜色值缩放到基于烯酮的海面温度估计值5，尺寸随着有孔虫4的氮同位素组成而增加，这与海洋中初级生产者在IODP站点U1475吸收碳的能力有关。 请点击此处下载此视频。
视频 4：从 MPT 4 数据和代码生成的动画。 这显示了从 MPT 4 数据和代码生成的动画的屏幕录制视频。这对应于最近的一段时间，当时更长的冰川 - 间冰期周期更加确定（~900,000-600,000年前）。球体表示独特的数据值，其中RGB颜色值缩放到基于烯酮的海面温度估计值5，尺寸随着有孔虫4的氮同位素组成而增加，这与海洋中初级生产者在IODP站点U1475吸收碳的能力有关。 请点击此处下载此视频。
视频 5：从未来数据和代码生成的累积动画。 这显示了从 Future 数据和代码生成的动画的屏幕录制视频。该颜色根据纽约州纽约 7 号的 RCP 8.5 模型平均值的温度估计值，缩放为未来人为变暖的模型预测。大小和速度是随机的，因为海洋中初级生产者吸收碳的能力，气候变化的速度是不确定的。代码中允许尾部，从而导致颜色累积。 请点击此处下载此视频。
视频 6：从未来数据和代码生成的过渡动画。 这显示了从 Future 数据和代码生成的动画的屏幕录制视频。该颜色根据纽约州纽约 7 号的 RCP 8.5 模型平均值的温度估计值，缩放为未来人为变暖的模型预测。大小和速度是随机的，因为海洋中初级生产者吸收碳的能力，气候变化的速度是不确定的。代码中不允许有尾巴，因此不会累积颜色。 请点击此处下载此视频。
补充图1：编码软件和代码定义变量的图像，这些变量将链接到数据或用于自定义视觉参数。请点击此处下载此文件。
补充图 2：编码软件和将数据加载到工作区的代码的图像。请点击此处下载此文件。
补充图 3：编码软件和代码的图像，它定义了画布的视觉参数，并应用 for 循环将数据链接到特定的视觉特征。请点击此处下载此文件。
补充图 4：编码软件和代码的图像，其中应用 for 循环来定义每个球体的尾部长度。请点击此处下载此文件。
补充图5：编码软件和绘制动画的代码的图像，应用柏林噪声算法来定义视觉效果的形状和运动。请点击此处下载此文件。
补充编码文件 1：“不确定程度”_MPT 1.请点击此处下载此文件。
补充编码文件 2：“不确定性程度”_MPT 2.请点击此处下载此文件。
补充编码文件 3：“不确定程度”_MPT 3.请点击此处下载此文件。
补充编码文件 4：“不确定性程度”_MPT 4.请点击此处下载此文件。
补充编码文件5：“不确定性程度”_Future。请点击此处下载此文件。
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Discussion
这项工作突出了生成艺术在科学传播方面的效用。工作流可用于将现有数据转换为动画中的元素。虽然这项工作的动画输出是独一无二的，因为每次运行代码时都会创建不同版本的动画，视觉元素会缩放到地球化学和气候模型数据;因此，只要输入数据保持不变，颜色、速度和大小等元素就保持不变。这也允许直接比较这些视觉元素，以得出有关数据的结论。
来自深海沉积物的地球化学测量和未来人为变暖的模型估计在柏林噪声算法11中使用，并转化为沉浸式装置。根据古海洋学数据生成的动画可作为模型估计未来温度的基线。深海沉积物是过去气候的档案，也是了解气候系统的宝贵资源12,13。视觉效果是使用柏林噪声算法生成的，选择该算法是因为它能够平滑地移动生成的形状的边界。在这里，柏林噪声算法应用于勾勒圆圈的点，最终创建一个在背景中平滑移动的有机形状。选择圆圈是因为其形状与沉积物岩心的横截面相似，以及一旦将噪声添加到轮廓中后与细胞的相似性。这产生了有机形状，这些形状触及了这些地球化学记录的性质，因为它们来自海洋初级生产者或光合作用并消耗海洋中营养物质和碳的小型生物13。这些生物既通过消耗碳来改变全球气候，又通过在其贝壳的化学组成中保存气候信号来记录海洋中过去的变化，这些贝壳保存在海洋沉积物中。每个视觉对象中形状或球体的分层在动画中创造了色彩的积累，并暗示了这些古海洋学记录的保存，这些记录是通过海洋盆地内沉积物的分层保存下来的，进一步将视觉效果与地质过程联系起来。
红色、绿色、蓝色 （RGB） 十进制代码用于定量缩放颜色，其中包含海洋初级生产者的温度估计值，这些温度估计值是在烯酮或结构随温度变化的长碳链上测量的5.在这些视觉效果中，红色和橙色表示温度较高。在地球化学数据和未来预测的缩放中使用了不同的颜色，因为此处使用的数据没有直接相关（由于可用投影数据的性质和作者感兴趣的区域）。在将来的迭代中，可以在所有动画之间以类似的方式缩放颜色，以便直接比较数据。
球体的速度由气候变化的相对速率定义，估计为冰川或间冰期的数量除以以年为单位的时间。这是通过计算每个时间间隔内的冰川期或间冰期的数量来计算的，每个周期由Lisiecki和Raymo12定义。未来预测（图5 和 图6）具有随机速度，因为它们没有涵盖完整的冰川或间冰期周期，并且反映了与地球气候自然节律的显着偏差。同时，数据的随机化在视觉效果中并不明确，也许更多的是确保即使在没有数据的情况下也可以制作视觉效果的必要步骤，而不是对观看者来说是一个重要的不确定性符号。在未来的迭代中，肯定有实验的空间，如何以更尖锐的形式传达不确定性，因为不确定性在理解未来气候的能力方面并非微不足道。
球体的大小取决于浮游生物化石的氮同位素组成，浮游生物是初级生产者吸收养分和碳的代表，这可能会加剧或缓解气候变化;之所以选择它，是因为它代表了生物学与全球气候之间的联系13。目前还不确定生物学能够在多大程度上弥补未来大气二氧化碳的增加，但将这些数据纳入视觉效果提醒人们气候系统的复杂性以及生物学和地质学的交叉点。与球体的速度类似，在未来预测中，该指标不存在数据，因此在没有数据的情况下使用随机速度。这项工作的其他迭代可能会用底栖有孔虫的氧同位素组成代替有孔虫的氮同位素组成，假设它反映了温度和冰体积12的全球变化。尽管在并置过去和未来的动画方面存在挑战，但这项工作突出了自然和人为气候变化之间的差异，并作为创造生成性气候艺术的有用的第一步。
为了将动画融入有形的体验中，投影技术被用来创造一个身临其境的展览，让客人穿越地质时间并进入未来。重要的是要注意，RCP情景的温度预测与过去的海面温度没有直接关系，地质记录中的代理是不完美的，并且有自己的偏差。尽管如此，这项工作为将深海地球化学记录和气候模型输出纳入现代艺术奠定了基础，同时也消除了进入气候科学的障碍。
这项工作依靠观众的抽象直觉来辨别这些离散的时间子集之间的差异，提供了一种参与科学数据的新方法。无需依赖文本、音频或准确解释数据所需的背景知识，观众可以通过离散的时间子集来了解气候变化的幅度和速度，颜色和速度等简单元素引导他们的直觉。这项工作并非没有限制;如上所述，在数据可用性、可比性和位置方面存在明显差异。虽然我们将这些动画限制在作者感兴趣的区域和时间段内，但该协议可以很容易地应用于来自更多位置的数据，跨越不同的时间间隔，并以我们尚未探索的格式共享。此外，在这些动画的展览期间，观众得到了海报、显微镜展示和简短口头解释的帮助，这些解释了理解展览目的所必需的背景。虽然这项研究没有评估这种策略在科学传播方面的有效性，但未来的工作将受益于调查或社会研究分析，以评估这些视觉效果在传达气候数据和激发观众好奇心方面的有效性。尽管存在这些限制，但该框架提供了一种将广泛的地质和/或气候数据纳入生成艺术的方法，这些艺术可以集成到数字和交互式格式中，用于科学传播。
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Disclosures
提交人承认，目前不存在已知的利益冲突。
Acknowledgments
我们要感谢Georgia Rhodes和Stuart Copeland在这个项目开始时给予的支持 - 他们的鼓励和指导对我们的成功至关重要。我们还想强调 https://p5js.org/reference/ 作为学习JavaScript编码的资源的效用。本材料基于美国国家科学基金会根据EPSCoR合作协议 #OIA-1655221及其Vis-a-Thon计划以及罗德岛海洋赠款[NA23OAR4170086]部分支持的工作。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Easel | Uline | H-1450SIL | Telescoping easel to hold foam core board |
| Foam Core Poster Board | Royal Brites | #753064 | Foam core board used as a canvas for projection |
| Live Server | Microsoft; Publisher: Ritwick Dey | Version 5.7.9 | Software extension for Visual Studio Code which allows for viewing of animations in a browser window. Downloaded at: https://marketplace.visualstudio.com/items?itemName=ritwickdey.LiveServer |
| Throw Projector | Optoma | 796435814076 | Any model throw projector which will work for projection surface/distance desired |
| Visual Studio Code | Microsoft | Version 1.74 for MAC OS | Software for code editing and execusion. Downloaded at : https://code.visualstudio.com/ |
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