當科幻成為現實:數字地球

編譯 徐寧

在科幻小說《云球》中，科學家在計算機中模擬出了一個和地球幾乎完全一樣的數字地球。今天，數字地球已經完全成為現實。

數字海洋工程

傳說中護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，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 個浮標組成的全球海洋觀測網全面建成，這個由30 多個國家共同參與的海洋監測項目被命名為“阿爾戈計劃”，其正式名稱為“地轉海洋學實時觀測陣”。就像地面上由天文臺和地震監測站分別組成的天文觀測網和地震臺網一樣，阿爾戈計劃建立的是一個覆蓋海洋的監測網絡。

今天，阿爾戈計劃分布在全球海洋中的3000 多個由衛星跟蹤的剖面浮標，能夠快速、準確地收集全球海洋范圍內的海水溫度、鹽度、洋流運動等數據。浮標以10 天為一個工作周期，其中前9 天浮標會在海面下1000 米處懸?。坏?0 天，浮標會下潛到2000米深的海洋區域，收集那里的海水溫度信息后返回海面?？茖W家也可以根據需求調整浮標的工作周期。

阿爾戈計劃每日能收集海量的海洋數據，其中絕大部分數據是衛星無法采集的深層海水數據。在阿爾戈計劃等海洋監測網的幫助下，全球海洋科學家在21 世紀的前20 多年時間里就收集了數倍于過去100 年的深海剖面數據。

阿爾戈計劃浮標工作周期

數字地球需要哪些技術？

阿爾戈計劃將全球海洋數字化，而科學家甚至希望將整個地球數字化。1998 年，時任美國副總統的戈爾提出“數字地球”的概念，即充分采集地球上每一個角落方方面面的信息，并將它們存入分布式計算網絡中，構成一個地球的實時數字模型，讓全世界的人們快速、直觀地了解到地球上發生的變化。

為了實現數字地球的目標，我們需要在以下技術手段上取得長足發展：

數字地球工程隨時都會有海量的信息進入分布式計算網絡。在戈爾提出數字地球概念的1998 年，個人計算機上安裝的硬盤存儲器容量絕大多數僅為幾十GB。而在今天，大數據處理中心的數據存儲量已經從TB 級逐漸上升到PB 級，甚至是EB 級、ZB 級和YB 級。

截至2019 年，全球在軌的衛星數量達2460 顆。衛星成像的精度近年來也在逐漸提高。我國的高分十一號02 星光學遙感衛星的近距離（衛星在橢圓軌道上靠近地球的運行時段）分辨率可達0.1 米。除了衛星網絡，海洋、大氣、河流等眾多實時監測網絡也為數字地球源源不斷地提供各類信息。

數字地球不但需要輸入大量信息，也需要在網絡上發布各種信息，這一進一出的龐大數據吞吐量要求與之相適應的大容量網絡帶寬。否則，大量數據就難以及時上傳或下載，將會大大影響數字地球的實用性。

互聯網能夠得到快速普及，在很大程度上是因為采用了一系列通用的底層協議，統一標準讓數據交換得以順利進行。數字地球的應用也面臨著統一標準的問題，也就是“互操作性”，指的是不同系統和組織機構之間相互合作、協同工作的能力。

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

計算機架構的提出者馮·諾依曼曾經說過：“科學從不試圖去解釋自然現象，甚至連詮釋自然現象的企圖都未曾有過，反而僅僅是建立科學模型?！苯⒖茖W模型是指使用數學公式、電腦模擬或簡單的圖示來表示一個簡化的自然界。隨著人類在算法等領域取得越來越多的突破，科學家已經可以為大氣活動等自然現象建模。

數字地球工作原理

復雜系統是魔鬼也是真相

差別細微的始終參數，可能輸出完全不同的結果

2021 年諾貝爾物理學獎被授予日裔美籍科學家真鍋淑郎、德國科學家克勞斯·哈塞爾曼和意大利科學家喬治·帕里西，他們為人類理解大氣運動等復雜的現象做出了開創性貢獻。

復雜系統由許多能夠相互作用的成分組成，其內部充斥著隨機和無序。天氣就是典型的復雜系統之一，預測天氣需要用到大量方程組?？茖W家目前只能保證短期天氣預報的準確性，一旦預測中長期天氣，準確度就會大大下降。

20 世紀60 年代，美國氣象學家洛倫茨在一次研究數值天氣預報時偷了個懶，輸入了迭代計算代碼。所謂迭代計算，就是將這一次計算的結果作為下一次計算的原始數據，再進行計算，如此反復。迭代算法能免去人工輸入原始數據的麻煩。不過，當時的計算機運行速度十分緩慢，洛倫茨趁計算機運行時外出喝咖啡。等他回到實驗室時，卻發現計算機得出的結果亂七八糟。當時他百思不得其解，認為哪怕將誤差考慮進來，計算結果也不應該相差這么離譜。又過了十多年，他終于從當年的事件中得到啟發，提出“蝴蝶效應”來解釋當年發生的現象?！昂笔侵福涸趶碗s系統中，一個不起眼的變量改變可能會產生無法預知的巨大后果。

由于復雜系統中涉及過多的相互作用因素，過去許多相關的科學實驗一直受制于計算機性能而無法進一步開展。但在今天，計算機的運算能力大大提升，不僅如此，存儲設備、移動設備、高速寬帶和分布式計算網絡的進步，讓處理復雜系統不再是不可能完成的任務。

復雜系統是魔鬼也是真相

數字地球項目啟動

為了推動歐盟提出的2050 年實現碳中和的計劃，歐盟科學家于2021 年啟動了“目的地地球”計劃。該計劃有望運行10 年，在此期間，高精度的數字地球模型會在時空精度上盡可能準確、及時地反映地球上的氣候變化模式和極端事件?？茖W家將此模型稱為“地球雙胞胎”，它除了能實時模擬地球的大氣和海洋系統，更重要的功能是預測未來。

將數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，如果荷蘭某地區需要規劃一個水電站，通過地球雙胞胎的模擬，計算機就能推測出這個水電站在未來幾十年內的大致發電量，及其對環境產生的一系列影響。風力發電廠、光伏發電廠乃至農場的規劃選擇，都可以參考地球雙胞胎的預測結果。

地球雙胞胎的作用主要還體現在模擬未來世界各地的氣候模式和預測極端天氣。地球雙胞胎對大氣的預測不僅結合傳統天氣預測所采用的天氣圖法、數值預報法和數理預報法，而且可以結合一系列以往容易被忽略的小尺度天氣因素，實現高精度的天氣模擬和預測，從而描繪整個地球大氣的復雜運動過程。

數字地球是科學大數據的典型學科。科學家不滿足于目前的信息收集規模，他們希望下一步能將地球上的人類活動信息也輸入地球雙胞胎模型，讓該模型能真實模擬人類活動對地球的影響，從而真正實現地球的數字化。

數字地球需要借助衛星遙感