孿生地球？為什么建造，如何建造？

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

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

（圖解：科學(xué)家們希望能通過(guò)數(shù)字地球來(lái)預(yù)測(cè)自然災(zāi)害。圖源：Getty Images）

大家在中學(xué)都學(xué)過(guò)一個(gè)詞：水循環(huán)。就算你可能不太記得關(guān)于這個(gè)詞你究竟學(xué)過(guò)些什么，但你一定對(duì)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(lè)趣。對(duì)于某些人（包括我）而言，這實(shí)在很難忘記。盡管在成年人的世界里，水循環(huán)的三個(gè)階段思考起來(lái)也十分簡(jiǎn)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(jù)71%地表的物質(zhì)，其中海水有97%，沒(méi)了水地球行將毀滅。話雖如此，但是當(dāng)氣候持續(xù)變化時(shí)，水循環(huán)的整個(gè)過(guò)程會(huì)變得十分復(fù)雜，而諸如燃燒煤炭這樣的人類(lèi)活動(dòng)，和其他各種各樣我們?nèi)粘Ｉ钪袑?duì)社會(huì)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(yù)報(bào)學(xué)家，我十分清楚在預(yù)測(cè)洪水，山體滑坡，干旱等與水有關(guān)的自然災(zāi)害時(shí)，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(xué)家盡可能精確地預(yù)報(bào)天氣并且搞懂水循環(huán)的運(yùn)作方式，我們需要一個(gè)有著大量高精度數(shù)據(jù)的模型并對(duì)它進(jìn)行分析。這些數(shù)據(jù)也必須覆蓋地球的每一個(gè)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(xué)家們正在建造這種模型——一個(gè)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(guó)家研究委員會(huì)的Luca Brocca在一次演說(shuō)中指出：“想要高精度地模擬地球十分困難，基礎(chǔ)就是最開(kāi)始聚焦于一個(gè)特定的觀測(cè)目標(biāo)。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(kāi)發(fā)一個(gè)無(wú)需專(zhuān)家、決策制定者和市民的系統(tǒng)，來(lái)運(yùn)行交互式模擬?！?/p>

Brocca是一篇對(duì)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(gè)模型后，科學(xué)家們就能持續(xù)地向其中導(dǎo)入新的數(shù)據(jù)來(lái)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(zāi)害。例如，通過(guò)復(fù)刻一次塌方，與之相關(guān)聯(lián)的風(fēng)險(xiǎn)和可能伴隨出現(xiàn)的情形就能被檢測(cè)到，與現(xiàn)實(shí)情況并無(wú)差別。在未來(lái)，這個(gè)模型通過(guò)大量測(cè)試進(jìn)行學(xué)習(xí)后，對(duì)于潛在的毀滅性災(zāi)害的預(yù)防和準(zhǔn)備，它能發(fā)揮起作用。

所以，這個(gè)模型是如何建成的呢？

（圖解：圖中展示了從1880年以來(lái)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(shì)。圖源：NASA）

對(duì)于科學(xué)家來(lái)說(shuō)，從大量的地球觀測(cè)中盡可能多地收集和利用行星數(shù)據(jù)需要花費(fèi)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(jù)綜合在一起，從而清晰地展現(xiàn)出全球變量的動(dòng)態(tài)。所以，這個(gè)模型的高精度數(shù)據(jù)就可以作為一個(gè)交互式工具為科學(xué)家所用。

Brocca說(shuō)：“這個(gè)項(xiàng)目是前沿的衛(wèi)星任務(wù)和科學(xué)團(tuán)體結(jié)合的生動(dòng)案例。像這樣的合作，再加上對(duì)計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施的投資，對(duì)于應(yīng)對(duì)氣候變化和其他人類(lèi)活動(dòng)造成的影響來(lái)說(shuō)至關(guān)重要?！?/p>

與任何類(lèi)型的模型一樣，這個(gè)模型也需要大量的實(shí)踐來(lái)打磨，但無(wú)論如何，我們應(yīng)該邁出第一步。

作為開(kāi)端，Brocca和同事們利用這個(gè)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(lái)有計(jì)劃，在和來(lái)自其他大陸的科學(xué)家合作前，建立起針對(duì)整個(gè)的相似模型。該項(xiàng)目的主要目標(biāo)是幫助預(yù)測(cè)哪里可能發(fā)生洪水和山體滑坡，并學(xué)習(xí)如何更好地管理我們的水資源。

Brocca說(shuō)：“我們應(yīng)該從自己熟知的地方起步，波河流域情況十分復(fù)雜，那里有阿爾卑斯山脈，還有雪，這些模擬起來(lái)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(lèi)活動(dòng)——例如工業(yè)和水利工程；有的河流會(huì)發(fā)出現(xiàn)極端狀況，比如旱澇災(zāi)害。于是我們將目光轉(zhuǎn)移到了地中海區(qū)域，這個(gè)地方對(duì)于水太多或者水很少的極端條件來(lái)說(shuō)都很好調(diào)查?！?/p>

（圖解：意大利波河流域。圖源：sina）

該團(tuán)隊(duì)的模型主要是針對(duì)大的區(qū)域，但他們有計(jì)劃進(jìn)行更地域化的研究。但目前而言，科學(xué)家們需要持續(xù)關(guān)注他們的運(yùn)行機(jī)制中最大最持久的挑戰(zhàn)。例如，隨著大量數(shù)據(jù)持續(xù)進(jìn)入體系，他們建立的復(fù)雜算法需要維護(hù)；此外，他們還需要更多的地面觀測(cè)來(lái)證實(shí)他們所用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

同樣地，為了應(yīng)對(duì)使用衛(wèi)星數(shù)據(jù)中可能出現(xiàn)的各種不確定性，Brocca希望能過(guò)在他的項(xiàng)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(xùn)練地很好，它將成為一雙額外的眼睛。正如我們?cè)谄渌鞖饽Ｐ椭幸?jiàn)過(guò)的AI，比如預(yù)測(cè)火災(zāi)中的AI，該模型與AI結(jié)合有很多益處，比如減小由衛(wèi)星拍攝照片時(shí)的大氣變化引起的誤差。應(yīng)用AI同時(shí)也可以節(jié)省時(shí)間，使人類(lèi)工程師得以專(zhuān)注于其他需要關(guān)注的領(lǐng)域。

Brocca指出：“這次科學(xué)家，航天局，決策制定者之間的合作引領(lǐng)我們走向一個(gè)有前景的未來(lái)——在那里為水文學(xué)而生的數(shù)字孿生地球能夠?yàn)榭沙掷m(xù)的水資源管理和災(zāi)害抵抗力提供寶貴的見(jiàn)解?！?/p>

BY:Meredith Garofalo

FY:Stella Zhang（張姝鈴）

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