#流量變現來齊家#科學家們為模擬可能發生的自然災害造出了一個「孿生的數位地球」
科學家們想透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生。
（圖解：科學家們希望能透過數位地球來預測自然災害。圖源：Getty Images）
大家在中學都學過一個詞：水迴圈。就算你可能不太記得關於這個詞你究竟學過些什麽，但你一定對那些異彩紛呈又極具創造力的視訊和圖片印象深刻，正是它們使得我們枯燥的高中生活有了些許樂趣。對於某些人（包括我）而言，這實在很難忘記。盡管在成年人的世界裏，水迴圈的三個階段思考起來也十分簡潔明了：蒸發，冷凝，降雨。它們也一遍遍地在我們的腦海裏迴圈。
（圖源：ftourcn.isenlin）
水是占據71%地表的物質，其中海水有97%，沒了水地球行將淪陷。話雖如此，但是當氣候持續變化時，水迴圈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遷的元兇。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，幹旱等與水有關的自然災害時，我們面臨著多大的挑戰。
（圖解：幹旱。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並且搞懂水迴圈的運作方式，我們需要一個有著大量高精度數據的模型並對它進行分析。這些數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——一個數位孿生地球，有著地球上所有已知的，我們這些令人可喜的水資源。
美國國家研究委員會的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於一個特定的觀測目標。所以，我們的數位孿生地球就先研究地中海盆地的水迴圈情況。我們的目的是開發一個無需專家、決策制定者和市民的系統，來執行互動式模擬。」
Brocca是一篇對該研究深入探討的文章的主要作者，他與同事們合作建立了數位孿生模型。有了這個模型後，科學家們就能持續地向其中匯入新的數據來模擬最佳狀況、最壞情況和在地球上不同環境中的自然災害。例如，透過復刻一次塌方，與之相關聯的風險和可能伴隨出現的情形就能被檢測到，與現實情況並無差別。在未來，這個模型透過大量測試進行學習後，對於潛在的淪陷性災害的預防和準備，它能發揮起作用。
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，可以看出氣溫穩步上升的趨勢。圖源：NASA）
對於科學家來說，從大量的地球觀測中盡可能多地收集和利用行星數據需要花費大量的工作。不僅如此，他們還要將土壤濕度，降雨量，雪層深度，蒸發量和河流流量等數據綜合在一起，從而清晰地展現出全球變量的動態。所以，這個模型的高精度數據就可以作為一個互動式工具為科學家所用。
Brocca說：「這個計畫是前沿的衛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，對於應對氣候變遷和其他人類活動造成的影響來說至關重要。」
與任何型別的模型一樣，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位孿生地球模擬了義大利北部的波河流域和地中海盆地的其他地區。他們未來有計劃，在和來自其他大陸的科學家合作前，建立起針對整個歐洲的相似模型。該計畫的主要目標是幫助預測哪裏可能發生洪水和山體滑坡，並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，那裏有艾爾卑斯山脈，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——例如工業和水利工程；有的河流會發出現極端狀況，比如旱澇災害。於是我們將目光轉移到了地中海區域，這個地方對於水太多或者水很少的極端條件來說都很好調查。」
（圖解：義大利波河流域。圖源：sina）
該團隊的模型主要是針對大的區域，但他們有計劃進行更地域化的研究。但目前而言，科學家們需要持續關註他們的執行機制中最大最持久的挑戰。例如，隨著大量數據持續進入體系，他們建立的復雜演算法需要維護；此外，他們還需要更多的地面觀測來證實他們所用的衛星數據。
同樣地，為了應對使用衛星數據中可能出現的各種不確定性，Brocca希望能過在他的計畫中加入AI（人工智慧），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，比如減小由衛星拍攝照片時的大氣變化引起的誤差。套用AI同時也可以節省時間，使人類工程師得以專註於其他需要關註的領域。
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——在那裏為水文學而生的數位孿生地球能夠為永續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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