11月22日，由《財(cái)經(jīng)》雜志、財(cái)經(jīng)網(wǎng)、《財(cái)經(jīng)智庫》聯(lián)合主辦的“《財(cái)經(jīng)》年會(huì)2024：預(yù)測與戰(zhàn)略”在北京舉行。在“科技前沿：突破與應(yīng)用”議題中，中國科學(xué)院青藏高原研究所副所長、國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心主任李新發(fā)表了主題演講，他表示全球變化引起的熱浪、洪水、干旱和火災(zāi)等極端氣候和極端事件頻發(fā)，給世界各地造成了嚴(yán)重破壞。作為亞洲水塔的青藏高原及其周邊地區(qū)也發(fā)生了劇烈變化，相比1960年代，已有約20%的冰川面積萎縮，藏東南等很多地區(qū)的冰川正在以垂直方向每年1米的速度快速減�。欢嗄陜鐾烈苍诳焖偃诨�，給青藏鐵路、川藏鐵路建設(shè)等國家重大工程帶來巨大挑戰(zhàn)。
李新直言這些挑戰(zhàn)帶來了兩個(gè)問題：如何更好地理解和預(yù)測全球變化及其影響，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)應(yīng)對全球變化的政策和技術(shù)措施，從而緩解和調(diào)控其不利影響。他表示，回答這些問題有待于一個(gè)集成化的技術(shù)，這個(gè)技術(shù)就是“數(shù)字孿生地球”。
在會(huì)上，李新介紹道數(shù)字孿生可以很好的對過程、系統(tǒng)和環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，在數(shù)字空間完全再現(xiàn)物理或現(xiàn)實(shí)世界中的對應(yīng)物。數(shù)字孿生在復(fù)現(xiàn)的同時(shí)，希望通過實(shí)時(shí)的交互，支持監(jiān)測、控制、管理和決策。數(shù)字孿生地球的概念也是如此，不僅能對地球狀態(tài)進(jìn)行模擬，也希望在地球觀測和物理定律的約束下再現(xiàn)地球系統(tǒng)狀態(tài)的演化過程，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對地球管理路徑的調(diào)控和優(yōu)化。
李新稱國際上多個(gè)國家啟動(dòng)了數(shù)字孿生地球項(xiàng)目。他認(rèn)為新一代大數(shù)據(jù)分析方法、人工智能方法是助力數(shù)字孿生地球?qū)崿F(xiàn)的重要手段，并強(qiáng)調(diào)“大數(shù)據(jù)需要走向智能數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)也需要把動(dòng)力系統(tǒng)的知識融合進(jìn)來，這兩者的相互融合以深度學(xué)習(xí)為起點(diǎn)，在物理知會(huì)的機(jī)器學(xué)習(xí)、因果推理、深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)等工具的強(qiáng)有力支持下，讓數(shù)字孿生地球更加智能，具有更好的預(yù)測能力和調(diào)控能力”。
中國科學(xué)院青藏高原研究所副所長、國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心主任李新
以下為部分發(fā)言實(shí)錄：
我跟大家介紹一下數(shù)字孿生地球的思考。大家都一定感受到了今年的熱浪，今年7月6日是過去12萬年以來地球最熱的一天，這一天全球平均溫度達(dá)到17.2℃，比已知的全球平均溫度15℃高了2.2℃。這一年比工業(yè)革命以來全球平均溫度上升了1.42℃，已經(jīng)非常接近巴黎協(xié)定所限定的1.5度的目標(biāo)，我們希望通過綜合的手段把全球溫度在2050年控制到1.5度，現(xiàn)在看來這個(gè)目標(biāo)非常難實(shí)現(xiàn)了。
全球變化帶來一系列非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，極端氣候、極端事件頻發(fā)，有大量的洪水，大量的熱浪，還有很多火災(zāi)的現(xiàn)象。在青藏高原上冰川在快速退縮，比起1960年代，冰川的20%已經(jīng)消失了。很多地區(qū)，比如藏東南地區(qū)，冰川每年以垂直方向1米的速度快速退縮，多年凍土也在快速融化，多年凍土的變化給青藏鐵路、川藏鐵路建設(shè)都帶來非常大的挑戰(zhàn)。怎么應(yīng)對這些挑戰(zhàn)是擺在我們面前的一個(gè)嚴(yán)峻問題。
從地球科學(xué)的角度講，地球科學(xué)已經(jīng)進(jìn)入到了地球系統(tǒng)科學(xué)的新時(shí)代。地球系統(tǒng)科學(xué)希望在長時(shí)間尺度、在所有空間尺度上和地球的各個(gè)圈層耦合起來。青藏高原就是這樣，青藏高原是地球上最年輕的也是最高的高原，6千萬年前歐亞大陸在這里強(qiáng)烈碰撞，形成了中國氣候，造就了中國的地貌格局和氣候格局。在這樣的軌道尺度上，全球變化帶來的各種影響，升溫和周期性的變化，工業(yè)革命以來加上人類排放二氧化碳的變化，導(dǎo)致冰川、凍土快速變化。地球系統(tǒng)科學(xué)需要用現(xiàn)代建模的手段將地球各個(gè)圈層，包括大氣、生態(tài)、水文、冰凍圈、海洋、人類圈及其相互作用結(jié)合在一塊。提出四個(gè)打通，打通時(shí)間隧道，打通圈層隔離，打通空間局限，打通學(xué)科界線，對地球進(jìn)行整體性的研究，理解和預(yù)測它，同時(shí)也對它可能發(fā)生的變化和可能的干預(yù)做一個(gè)計(jì)算。
有這樣的地球系統(tǒng)模型，地球大數(shù)據(jù)和所有大數(shù)據(jù)一樣，它的快速進(jìn)展為進(jìn)一步推進(jìn)地球系統(tǒng)科學(xué)帶來很大的機(jī)遇。地球大數(shù)據(jù)是四大類數(shù)據(jù)組成的，第一類是遙感數(shù)據(jù)，幾百個(gè)、上千個(gè)遙感衛(wèi)星用各種辦法，用光學(xué)的手段、用微波的手段，和剛才的FAST類似，還有激光、重力的手段對地球進(jìn)行感知。全球的海洋有大量觀測站，觀測站組成新一代的物聯(lián)網(wǎng)，加上實(shí)驗(yàn)室的手段，提供與日俱增的、快速增長的數(shù)據(jù)。此外，我們的社交媒體、手機(jī)提供人和地球有關(guān)的數(shù)據(jù)。地球系統(tǒng)模型生成了PB級或者更大的數(shù)據(jù)量，這些數(shù)據(jù)構(gòu)成了地球大數(shù)據(jù)的主體。
以上的挑戰(zhàn)帶來這樣兩個(gè)問題：如何更好地理解和預(yù)測全球變化及其影響，到2099年全球升溫怎么樣，極端氣候會(huì)怎么樣變化；我們還想在此基礎(chǔ)上回答第二個(gè)問題，如何設(shè)計(jì)應(yīng)對全球變化的政策和技術(shù)措施，從而緩解和調(diào)控其不利影響。回答這些問題有待于一個(gè)集成化的技術(shù)，這個(gè)技術(shù)就是數(shù)字孿生地球。回到調(diào)控，除了自然的變化，科學(xué)家、工程師正在設(shè)想一些手段，我們能夠通過工程措施調(diào)控氣候，比如降溫。這件事情正在成為地球工程，太陽輻射可以用多種手段，可以在地面上造林降低反照率，在平流層、對流層加一些氣溶膠改變它的狀況，它的風(fēng)險(xiǎn)是巨大的，科學(xué)家盡管設(shè)計(jì)了幾十年，我們能不能真的實(shí)施它，實(shí)施它以后會(huì)帶來什么不可逆轉(zhuǎn)的變化，我們真的可以調(diào)控地球還是會(huì)讓它變得更差。這件事情擺在我們面前，怎么樣做好應(yīng)對呢？我們需要用地球系統(tǒng)模型在工程調(diào)控措施下進(jìn)行預(yù)測，對可能的工程方案進(jìn)行評估。
地球的臨界要素，比如淡水資源是有限的，人類對淡水資源，比如灌溉，用到一定程度會(huì)帶來不可逆轉(zhuǎn)的變化，還有溫室氣體的排放、污染物的排放等等，這些都被稱為全球臨界要素。怎么樣控制這些臨界要素呢，科學(xué)家們提出對于地球不僅僅要理解和預(yù)測它，在必要的時(shí)候也要對它進(jìn)行一些干預(yù)，比如地球工程，這件事情又被稱為地球管理。
為了應(yīng)對這些，數(shù)字孿生是一個(gè)重要手段，數(shù)字孿生可以很好地對過程、系統(tǒng)、環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，在數(shù)字空間完全再現(xiàn)物理或現(xiàn)實(shí)世界中的對應(yīng)物。數(shù)字孿生在復(fù)現(xiàn)的同時(shí)希望通過實(shí)時(shí)的交互，支持監(jiān)測、控制、管理和決策。數(shù)字孿生地球的概念是一樣的，不僅希望對地球進(jìn)行模擬，也希望在地球觀測和物理定力的約束下再現(xiàn)地球系統(tǒng)狀態(tài)的演化過程，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對地球管理路徑的調(diào)控和優(yōu)化。例如，怎么樣實(shí)現(xiàn)聯(lián)合國提出的2030議程中17個(gè)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，對它進(jìn)行定量的評估都是必不可少的。
國際上各個(gè)國家啟動(dòng)了很多數(shù)字孿生的項(xiàng)目，例如歐盟面向2030提出幾個(gè)十億歐元級的項(xiàng)目，其中在地球科學(xué)領(lǐng)域就有這樣一個(gè)billion級項(xiàng)目，它的目標(biāo)就是建立非常高分辨率的地球系統(tǒng)模型，并且把地球的各種遙感觀測、遍布海洋和地表的各種觀測都能夠融合到這個(gè)模型中，讓它模擬的更加精確、更加好，并且對我們的未來進(jìn)行各種各樣的預(yù)測。
我們國家也有類似的一些項(xiàng)目，這樣一個(gè)背景是建在中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，由郭華東院士主導(dǎo)的項(xiàng)目，這個(gè)項(xiàng)目叫SDG大數(shù)據(jù)平臺(tái)。SDG是聯(lián)合國提出的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，為了針對這些可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，我們需要對地球的大氣、生態(tài)環(huán)境、冰凍圈各個(gè)方面進(jìn)行高分辨率模擬，預(yù)測SDG的17個(gè)目標(biāo)、100多個(gè)子目標(biāo)和200多個(gè)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。我們國家王成善院士提出不僅要對近幾百年、上千年的地球進(jìn)行模擬預(yù)測，還希望理解在地球46億年的演化歷史上，我們的地球特別是地球的生態(tài)圈中生命是怎么出現(xiàn)的，它們是怎么協(xié)同演進(jìn)的。為了對這件事情進(jìn)行完整的模擬，提出了深時(shí)數(shù)字地球國際大科學(xué)計(jì)劃，這個(gè)計(jì)劃正在快速推進(jìn)中，某種程度也是一個(gè)數(shù)字孿生地球，只不過這個(gè)地球是一個(gè)深時(shí)地球，時(shí)間跨度46億年。
為了做好這件事，新一代的大數(shù)據(jù)分析方法、人工智能方法是助力數(shù)字孿生地球的重要實(shí)現(xiàn)。地球系統(tǒng)科學(xué)已經(jīng)積累了很多知識，我們需要把這些知識和新一代的機(jī)器學(xué)習(xí)融合起來，提出物理知會(huì)的機(jī)器學(xué)習(xí)，提高模型的可移植性。因果推理提高模型的可解釋性，還有強(qiáng)化學(xué)習(xí)，提高地球系統(tǒng)模型在決策中的應(yīng)用。這幾種手段都是支持?jǐn)?shù)字孿生手段的重要數(shù)據(jù)分析方法。
這些方法非常核心的是地球系統(tǒng)科學(xué)領(lǐng)域的重要技術(shù)，這個(gè)技術(shù)就是怎么樣把非常巨量的、幾千個(gè)地球觀測衛(wèi)星的數(shù)據(jù)、全球百萬個(gè)地面監(jiān)測的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)地融合到地球系統(tǒng)模型中，改進(jìn)天氣預(yù)報(bào)，改進(jìn)冰凍圈的預(yù)報(bào)，這樣一個(gè)大數(shù)據(jù)同化技術(shù)和統(tǒng)計(jì)技術(shù)、動(dòng)力技術(shù)，這樣一個(gè)方法充分汲取了動(dòng)力系統(tǒng)和現(xiàn)代概率統(tǒng)計(jì)理論研究的精華，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力和統(tǒng)計(jì)的和諧，也能把各種各樣的遙感觀測、生成式人工智能融合到一個(gè)框架。利用先進(jìn)計(jì)算資源、實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)與數(shù)據(jù)同化方法的共生集成、完成超高分辨率地球系統(tǒng)模型和多源地球觀測的相互融合。
我們不僅僅要靠大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，還要理解地球上各個(gè)系統(tǒng)的相互作用，比如北極的天氣變化怎么通過海洋的調(diào)控影響中緯度的氣候，怎么樣相互作用。因果分析最早來自諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)家格蘭杰，這項(xiàng)方法引入以后可以更好地對全球氣候系統(tǒng)是怎么相互影響的、相互影響的路徑是怎么樣有更好的了解。工業(yè)革命以來，地球的變化離不開人的強(qiáng)烈影響，地球已經(jīng)進(jìn)入人類世的時(shí)代，怎么模擬好自然和環(huán)境的相互作用。幾十年前，計(jì)算機(jī)科學(xué)家包括博弈論學(xué)家已經(jīng)給我們提供了很好的數(shù)學(xué)策略，這些數(shù)學(xué)策略怎么和地球模型結(jié)合起來，如化石燃料排放的路徑是怎么個(gè)路徑，在碳中和的時(shí)候是怎么個(gè)路徑，在中間能不能找一個(gè)既有利于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，同時(shí)又能讓地球更加穩(wěn)定的路徑。深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的加持使我們能更好地做好模擬，做好調(diào)控。
小結(jié)一下，大數(shù)據(jù)需要走向智能數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)也需要把動(dòng)力系統(tǒng)的知識融合進(jìn)來，這兩者的相互融合以深度學(xué)習(xí)為起點(diǎn)，需要利用因果推理這一強(qiáng)有力的工具，實(shí)現(xiàn)物理知會(huì)，讓數(shù)字孿生地球更加智能，有更好的預(yù)測能力，有更好的調(diào)控能力。
國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心和其他地球科學(xué)數(shù)據(jù)中心一樣，希望加入數(shù)字孿生地球的建設(shè)過程中，我們也更好地在我們國家1/3的國土資源上打造數(shù)字孿生。青藏高原大家都熟知，鳳凰涅槃這個(gè)圖非常好，是世界屋脊、亞洲水塔，是地球第三極，是我國重要的生態(tài)安全屏障、戰(zhàn)略資源儲(chǔ)備基地，是中華民族特色文化的重要保護(hù)地，同時(shí)有過去六千萬年來形成的能量，也是打造新一代地球系統(tǒng)科學(xué)理論和方法很好的策源地。國家數(shù)據(jù)中心希望在這個(gè)過程中成為青藏高原地球系統(tǒng)數(shù)據(jù)科學(xué)創(chuàng)新中心，也是國家重大需求的數(shù)據(jù)平臺(tái)，是青藏高原研究項(xiàng)目的數(shù)據(jù)銀行，是青藏高原國際合作的數(shù)據(jù)樞紐，還是青藏高原公眾科學(xué)的數(shù)據(jù)窗口，將成為青藏高原大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)，特別是東數(shù)西算的助推器。
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