孿生地球？為什么建造，如何建造？

科學家們?yōu)槟M可能發(fā)生的自然災害造出了一個“孿生的數(shù)字地球”

科學家們想通過模擬各種各樣的氣候條件來幫助防止地球上存在的生命危險的發(fā)生。

（圖解：科學家們希望能通過數(shù)字地球來預測自然災害。圖源：Getty Images）

大家在中學都學過一個詞：水循環(huán)。就算你可能不太記得關于這個詞你究竟學過些什么，但你一定對那些異彩紛呈又極具創(chuàng)造力的視頻和圖片印象深刻，正是它們使得我們枯燥的高中生活有了些許樂趣。對于某些人（包括我）而言，這實在很難忘記。盡管在成年人的世界里，水循環(huán)的三個階段思考起來也十分簡潔明了：蒸發(fā)，冷凝，降水。它們也一遍遍地在我們的腦海里循環(huán)。

（圖源：ftourcn.isenlin）

水是占據71%地表的物質，其中海水有97%，沒了水地球行將毀滅。話雖如此，但是當氣候持續(xù)變化時，水循環(huán)的整個過程會變得十分復雜，而諸如燃燒煤炭這樣的人類活動，和其他各種各樣我們日常生活中對社會造成的影響就是引起氣候變化的元兇。我自己作為一名氣象預報學家，我十分清楚在預測洪水，山體滑坡，干旱等與水有關的自然災害時，我們面臨著多大的挑戰(zhàn)。

（圖解：干旱。圖源：zgggzx）

（圖解：山體滑坡。圖源：China Daily）

所以為了讓科學家盡可能精確地預報天氣并且搞懂水循環(huán)的運作方式，我們需要一個有著大量高精度數(shù)據的模型并對它進行分析。這些數(shù)據也必須覆蓋地球的每一個角落，從高山之巔到埋藏在地底深處的水源。

由此，多虧了歐航局提供的基金，科學家們正在建造這種模型——一個數(shù)字孿生地球，有著地球上所有已知的，我們這些令人可喜的水資源。

國家研究委員會的Luca Brocca在一次演說中指出：“想要高精度地模擬地球十分困難，基礎就是最開始聚焦于一個特定的觀測目標。所以，我們的數(shù)字孿生地球就先研究地中海盆地的水循環(huán)情況。我們的目的是開發(fā)一個無需專家、決策制定者和市民的系統(tǒng)，來運行交互式模擬?！?/p>

Brocca是一篇對該研究深入探討的文章的主要作者，他與同事們合作創(chuàng)建了數(shù)字孿生模型。有了這個模型后，科學家們就能持續(xù)地向其中導入新的數(shù)據來模擬最佳狀況、最壞情況和在地球上不同環(huán)境中的自然災害。例如，通過復刻一次塌方，與之相關聯(lián)的風險和可能伴隨出現(xiàn)的情形就能被檢測到，與現(xiàn)實情況并無差別。在未來，這個模型通過大量測試進行學習后，對于潛在的毀滅性災害的預防和準備，它能發(fā)揮起作用。

所以，這個模型是如何建成的呢？

（圖解：圖中展示了從1880年以來的NASA記錄的每年全球平均氣溫，可以看出氣溫穩(wěn)步上升的趨勢。圖源：NASA）

對于科學家來說，從大量的地球觀測中盡可能多地收集和利用行星數(shù)據需要花費大量的工作。不僅如此，他們還要將土壤濕度，降水量，雪層深度，蒸發(fā)量和河流流量等數(shù)據綜合在一起，從而清晰地展現(xiàn)出全球變量的動態(tài)。所以，這個模型的高精度數(shù)據就可以作為一個交互式工具為科學家所用。

Brocca說：“這個項目是前沿的衛(wèi)星任務和科學團體結合的生動案例。像這樣的合作，再加上對計算基礎設施的投資，對于應對氣候變化和其他人類活動造成的影響來說至關重要?！?/p>

與任何類型的模型一樣，這個模型也需要大量的實踐來打磨，但無論如何，我們應該邁出第一步。

作為開端，Brocca和同事們利用這個數(shù)字孿生地球模擬了意大利北部的波河流域和地中海盆地的其他地區(qū)。他們未來有計劃，在和來自其他大陸的科學家合作前，建立起針對整個的相似模型。該項目的主要目標是幫助預測哪里可能發(fā)生洪水和山體滑坡，并學習如何更好地管理我們的水資源。

Brocca說：“我們應該從自己熟知的地方起步，波河流域情況十分復雜，那里有阿爾卑斯山脈，還有雪，這些模擬起來都很困難，特別是在那些在像山脈這樣非常規(guī)的地形中。此外，有的山谷中有著各種各樣的人類活動——例如工業(yè)和水利工程；有的河流會發(fā)出現(xiàn)極端狀況，比如旱澇災害。于是我們將目光轉移到了地中海區(qū)域，這個地方對于水太多或者水很少的極端條件來說都很好調查?！?/p>

（圖解：意大利波河流域。圖源：sina）

該團隊的模型主要是針對大的區(qū)域，但他們有計劃進行更地域化的研究。但目前而言，科學家們需要持續(xù)關注他們的運行機制中最大最持久的挑戰(zhàn)。例如，隨著大量數(shù)據持續(xù)進入體系，他們建立的復雜算法需要維護；此外，他們還需要更多的地面觀測來證實他們所用的衛(wèi)星數(shù)據。

同樣地，為了應對使用衛(wèi)星數(shù)據中可能出現(xiàn)的各種不確定性，Brocca希望能過在他的項目中加入AI（人工智能），以便消除一些困難。在這種情況下，AI如果被訓練地很好，它將成為一雙額外的眼睛。正如我們曾在其他天氣模型中見過的AI，比如預測火災中的AI，該模型與AI結合有很多益處，比如減小由衛(wèi)星拍攝照片時的大氣變化引起的誤差。應用AI同時也可以節(jié)省時間，使人類工程師得以專注于其他需要關注的領域。

Brocca指出：“這次科學家，航天局，決策制定者之間的合作引領我們走向一個有前景的未來——在那里為水文學而生的數(shù)字孿生地球能夠為可持續(xù)的水資源管理和災害抵抗力提供寶貴的見解。”

BY:Meredith Garofalo

FY:Stella Zhang（張姝鈴）

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