當(dāng)科幻成為現(xiàn)實(shí):數(shù)字地球

編譯 徐寧

在科幻小說《云球》中，科學(xué)家在計(jì)算機(jī)中模擬出了一個(gè)和地球幾乎完全一樣的數(shù)字地球。今天，數(shù)字地球已經(jīng)完全成為現(xiàn)實(shí)。

數(shù)字海洋工程

傳說中護(hù)送一眾英雄開啟尋寶之途的“阿爾戈號”

在古希臘神話中，伊阿宋和一眾英雄前往黑海沿岸地區(qū)，尋找稀世寶物“金羊毛”，他們乘坐的是傳奇船工阿爾戈打造的“阿爾戈號”。2007 年11 月，由3000 個(gè)浮標(biāo)組成的全球海洋觀測網(wǎng)全面建成，這個(gè)由30 多個(gè)國家共同參與的海洋監(jiān)測項(xiàng)目被命名為“阿爾戈計(jì)劃”，其正式名稱為“地轉(zhuǎn)海洋學(xué)實(shí)時(shí)觀測陣”。就像地面上由天文臺和地震監(jiān)測站分別組成的天文觀測網(wǎng)和地震臺網(wǎng)一樣，阿爾戈計(jì)劃建立的是一個(gè)覆蓋海洋的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

今天，阿爾戈計(jì)劃分布在全球海洋中的3000 多個(gè)由衛(wèi)星跟蹤的剖面浮標(biāo)，能夠快速、準(zhǔn)確地收集全球海洋范圍內(nèi)的海水溫度、鹽度、洋流運(yùn)動(dòng)等數(shù)據(jù)。浮標(biāo)以10 天為一個(gè)工作周期，其中前9 天浮標(biāo)會在海面下1000 米處懸??；第10 天，浮標(biāo)會下潛到2000米深的海洋區(qū)域，收集那里的海水溫度信息后返回海面?？茖W(xué)家也可以根據(jù)需求調(diào)整浮標(biāo)的工作周期。

阿爾戈計(jì)劃每日能收集海量的海洋數(shù)據(jù)，其中絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)是衛(wèi)星無法采集的深層海水?dāng)?shù)據(jù)。在阿爾戈計(jì)劃等海洋監(jiān)測網(wǎng)的幫助下，全球海洋科學(xué)家在21 世紀(jì)的前20 多年時(shí)間里就收集了數(shù)倍于過去100 年的深海剖面數(shù)據(jù)。

阿爾戈計(jì)劃浮標(biāo)工作周期

數(shù)字地球需要哪些技術(shù)？

阿爾戈計(jì)劃將全球海洋數(shù)字化，而科學(xué)家甚至希望將整個(gè)地球數(shù)字化。1998 年，時(shí)任美國副總統(tǒng)的戈?duì)柼岢觥皵?shù)字地球”的概念，即充分采集地球上每一個(gè)角落方方面面的信息，并將它們存入分布式計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中，構(gòu)成一個(gè)地球的實(shí)時(shí)數(shù)字模型，讓全世界的人們快速、直觀地了解到地球上發(fā)生的變化。

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字地球的目標(biāo)，我們需要在以下技術(shù)手段上取得長足發(fā)展：

數(shù)字地球工程隨時(shí)都會有海量的信息進(jìn)入分布式計(jì)算網(wǎng)絡(luò)。在戈?duì)柼岢鰯?shù)字地球概念的1998 年，個(gè)人計(jì)算機(jī)上安裝的硬盤存儲器容量絕大多數(shù)僅為幾十GB。而在今天，大數(shù)據(jù)處理中心的數(shù)據(jù)存儲量已經(jīng)從TB 級逐漸上升到PB 級，甚至是EB 級、ZB 級和YB 級。

截至2019 年，全球在軌的衛(wèi)星數(shù)量達(dá)2460 顆。衛(wèi)星成像的精度近年來也在逐漸提高。我國的高分十一號02 星光學(xué)遙感衛(wèi)星的近距離（衛(wèi)星在橢圓軌道上靠近地球的運(yùn)行時(shí)段）分辨率可達(dá)0.1 米。除了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，海洋、大氣、河流等眾多實(shí)時(shí)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)也為數(shù)字地球源源不斷地提供各類信息。

數(shù)字地球不但需要輸入大量信息，也需要在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布各種信息，這一進(jìn)一出的龐大數(shù)據(jù)吞吐量要求與之相適應(yīng)的大容量網(wǎng)絡(luò)帶寬。否則，大量數(shù)據(jù)就難以及時(shí)上傳或下載，將會大大影響數(shù)字地球的實(shí)用性。

互聯(lián)網(wǎng)能夠得到快速普及，在很大程度上是因?yàn)椴捎昧艘幌盗型ㄓ玫牡讓訁f(xié)議，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)讓數(shù)據(jù)交換得以順利進(jìn)行。數(shù)字地球的應(yīng)用也面臨著統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的問題，也就是“互操作性”，指的是不同系統(tǒng)和組織機(jī)構(gòu)之間相互合作、協(xié)同工作的能力。

元數(shù)據(jù)是“描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)”?！度龂萘x》中是這樣描繪張飛外貌的：身長八尺，豹頭環(huán)眼，燕頷虎須，聲若巨雷，勢如奔馬。在這段描寫中，讀者可以得到關(guān)于張飛身高、長相、說話聲音和行為特點(diǎn)這四個(gè)方面的信息，而“身高”“長相”這類數(shù)據(jù)就屬于元數(shù)據(jù)。如果要讓數(shù)字地球從全世界匯總來的各種數(shù)據(jù)能夠被各地科學(xué)家解讀，就要在這些數(shù)據(jù)上標(biāo)明“名稱”“采集地點(diǎn)”“作者或來源”“數(shù)據(jù)格式”“分辨率”等一系列信息，以增加這些數(shù)據(jù)的可利用度。

計(jì)算機(jī)架構(gòu)的提出者馮·諾依曼曾經(jīng)說過：“科學(xué)從不試圖去解釋自然現(xiàn)象，甚至連詮釋自然現(xiàn)象的企圖都未曾有過，反而僅僅是建立科學(xué)模型。”建立科學(xué)模型是指使用數(shù)學(xué)公式、電腦模擬或簡單的圖示來表示一個(gè)簡化的自然界。隨著人類在算法等領(lǐng)域取得越來越多的突破，科學(xué)家已經(jīng)可以為大氣活動(dòng)等自然現(xiàn)象建模。

數(shù)字地球工作原理

復(fù)雜系統(tǒng)是魔鬼也是真相

差別細(xì)微的始終參數(shù)，可能輸出完全不同的結(jié)果

2021 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)被授予日裔美籍科學(xué)家真鍋淑郎、德國科學(xué)家克勞斯·哈塞爾曼和意大利科學(xué)家喬治·帕里西，他們?yōu)槿祟惱斫獯髿膺\(yùn)動(dòng)等復(fù)雜的現(xiàn)象做出了開創(chuàng)性貢獻(xiàn)。

復(fù)雜系統(tǒng)由許多能夠相互作用的成分組成，其內(nèi)部充斥著隨機(jī)和無序。天氣就是典型的復(fù)雜系統(tǒng)之一，預(yù)測天氣需要用到大量方程組。科學(xué)家目前只能保證短期天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，一旦預(yù)測中長期天氣，準(zhǔn)確度就會大大下降。

20 世紀(jì)60 年代，美國氣象學(xué)家洛倫茨在一次研究數(shù)值天氣預(yù)報(bào)時(shí)偷了個(gè)懶，輸入了迭代計(jì)算代碼。所謂迭代計(jì)算，就是將這一次計(jì)算的結(jié)果作為下一次計(jì)算的原始數(shù)據(jù)，再進(jìn)行計(jì)算，如此反復(fù)。迭代算法能免去人工輸入原始數(shù)據(jù)的麻煩。不過，當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度十分緩慢，洛倫茨趁計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)外出喝咖啡。等他回到實(shí)驗(yàn)室時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)得出的結(jié)果亂七八糟。當(dāng)時(shí)他百思不得其解，認(rèn)為哪怕將誤差考慮進(jìn)來，計(jì)算結(jié)果也不應(yīng)該相差這么離譜。又過了十多年，他終于從當(dāng)年的事件中得到啟發(fā)，提出“蝴蝶效應(yīng)”來解釋當(dāng)年發(fā)生的現(xiàn)象?！昂?yīng)”是指：在復(fù)雜系統(tǒng)中，一個(gè)不起眼的變量改變可能會產(chǎn)生無法預(yù)知的巨大后果。

由于復(fù)雜系統(tǒng)中涉及過多的相互作用因素，過去許多相關(guān)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)一直受制于計(jì)算機(jī)性能而無法進(jìn)一步開展。但在今天，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力大大提升，不僅如此，存儲設(shè)備、移動(dòng)設(shè)備、高速寬帶和分布式計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)步，讓處理復(fù)雜系統(tǒng)不再是不可能完成的任務(wù)。

復(fù)雜系統(tǒng)是魔鬼也是真相

數(shù)字地球項(xiàng)目啟動(dòng)

為了推動(dòng)歐盟提出的2050 年實(shí)現(xiàn)碳中和的計(jì)劃，歐盟科學(xué)家于2021 年啟動(dòng)了“目的地地球”計(jì)劃。該計(jì)劃有望運(yùn)行10 年，在此期間，高精度的數(shù)字地球模型會在時(shí)空精度上盡可能準(zhǔn)確、及時(shí)地反映地球上的氣候變化模式和極端事件?？茖W(xué)家將此模型稱為“地球雙胞胎”，它除了能實(shí)時(shí)模擬地球的大氣和海洋系統(tǒng)，更重要的功能是預(yù)測未來。

將數(shù)字地球打造成地球的雙胞胎

地球雙胞胎能為決策提供幫助。例如，如果荷蘭某地區(qū)需要規(guī)劃一個(gè)水電站，通過地球雙胞胎的模擬，計(jì)算機(jī)就能推測出這個(gè)水電站在未來幾十年內(nèi)的大致發(fā)電量，及其對環(huán)境產(chǎn)生的一系列影響。風(fēng)力發(fā)電廠、光伏發(fā)電廠乃至農(nóng)場的規(guī)劃選擇，都可以參考地球雙胞胎的預(yù)測結(jié)果。

地球雙胞胎的作用主要還體現(xiàn)在模擬未來世界各地的氣候模式和預(yù)測極端天氣。地球雙胞胎對大氣的預(yù)測不僅結(jié)合傳統(tǒng)天氣預(yù)測所采用的天氣圖法、數(shù)值預(yù)報(bào)法和數(shù)理預(yù)報(bào)法，而且可以結(jié)合一系列以往容易被忽略的小尺度天氣因素，實(shí)現(xiàn)高精度的天氣模擬和預(yù)測，從而描繪整個(gè)地球大氣的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)過程。

數(shù)字地球是科學(xué)大數(shù)據(jù)的典型學(xué)科?？茖W(xué)家不滿足于目前的信息收集規(guī)模，他們希望下一步能將地球上的人類活動(dòng)信息也輸入地球雙胞胎模型，讓該模型能真實(shí)模擬人類活動(dòng)對地球的影響，從而真正實(shí)現(xiàn)地球的數(shù)字化。

數(shù)字地球需要借助衛(wèi)星遙感