歐美地球系統(tǒng)數(shù)字孿生建設(shè)成效及對我國的啟示

數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實體的虛擬實體，借助歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)以及算法模型等，模擬、驗證、預(yù)測、控制物理實體全生命周期過程的技術(shù)手段。其關(guān)鍵技術(shù)體系包括感知互聯(lián)、實體映射、多維建模、時空計算、仿真推演、可視化、虛實交互等七方面。數(shù)字孿生技術(shù)最早在1969年被NASA應(yīng)用于阿波羅計劃中，用于構(gòu)建航天飛行器的孿生體，反映航天器在軌工作狀態(tài)，輔助緊急事件的處置。2003年，密歇根大學(xué)Grieves教授正式提出數(shù)字孿生概念，并專門強調(diào)了全生命周期交互映射的特征。此后，伴隨數(shù)字孿生概念的演變發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)在各行業(yè)呈現(xiàn)應(yīng)用價值。

近年來，作為新質(zhì)生產(chǎn)力的典型代表，數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)、城市管理領(lǐng)域持續(xù)滲透，并向交通、能源、水利、健康醫(yī)療等垂直行業(yè)拓展，實現(xiàn)機理描述、異常診斷、風(fēng)險預(yù)測、決策輔助等應(yīng)用價值，有望在未來成為經(jīng)濟社會產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的通用技術(shù)。在地球系統(tǒng)科學(xué)領(lǐng)域，地球系統(tǒng)數(shù)字孿生可以顯著提高自然災(zāi)害響應(yīng)速率、提升社會韌性，有力保障國家安全、全球氣候治理和經(jīng)濟社會數(shù)字化轉(zhuǎn)型。2024年6月，歐盟地球系統(tǒng)數(shù)字孿生項目完成初期建設(shè)，預(yù)報預(yù)測精度高，應(yīng)用場景廣泛。2024年4月，美國科技巨頭英偉達(dá)公司也發(fā)布其地球氣候數(shù)字孿生“地球Earth-2”。當(dāng)前地球系統(tǒng)數(shù)字孿生已具備可行性，面臨搶占科技制高點的重要機遇，亟需開展布局和建設(shè)。

一、歐盟“目標(biāo)地球”項目進展

（一）項目組織架構(gòu)和路線圖

作為歐盟委員會綠色協(xié)議和數(shù)字戰(zhàn)略的一部分，歐盟于2022年啟動“目標(biāo)地球”項目，目標(biāo)是計劃到2030年開發(fā)出一個完整的、近乎實時響應(yīng)的、高度復(fù)雜的地球系統(tǒng)“數(shù)字孿生”，可以對自然和人類活動進行高精度監(jiān)測、模擬和預(yù)測，為歐洲到2050年實現(xiàn)碳中和提供決策支持，幫助歐洲更有效地應(yīng)對自然災(zāi)害、適應(yīng)氣候變化以及評估此類事件對社會經(jīng)濟和政策的潛在影響。該地球系統(tǒng)“數(shù)字孿生”不是一個單一的數(shù)字孿生，而是在數(shù)字孿生引擎的統(tǒng)一軟件基礎(chǔ)設(shè)施框架下，由天氣、氣候、海洋、生物多樣性、地球物理、城市環(huán)境等不同的數(shù)字孿生組合而成的一個地球系統(tǒng)整體數(shù)字孿生。基于該系統(tǒng)，將可以提供一些未來情景假設(shè)的預(yù)估信息，例如，預(yù)判氣候變化背景下農(nóng)作物種植適宜區(qū)的遷移變化，或預(yù)判一座新建的兩米高的堤壩能否抵御2050年的極端天氣事件。“目標(biāo)地球”項目將通過促進綠色經(jīng)濟、支持基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和推動技術(shù)創(chuàng)新，提高自然災(zāi)害響應(yīng)速率、改善公共安全和健康、提升社會韌性等，為歐盟帶來顯著的經(jīng)濟社會效益。

“目標(biāo)地球”項目由歐盟主導(dǎo)開發(fā)，由歐盟“數(shù)字歐洲”計劃和“地平線歐洲”計劃資助，“數(shù)字歐洲”計劃投入資金總額已超過3.15億歐元。此外，該項目還與歐盟其他倡議合作，如歐洲高性能計算聯(lián)合項目為“目標(biāo)地球”提供了LUMI、Leonardo等在全球名列前茅的高性能計算設(shè)施。“目標(biāo)地球”由歐洲中期天氣預(yù)報中心（ECMWF）、歐洲氣象衛(wèi)星開發(fā)組織（EUMETSAT）和歐洲空間局（ESA）三家機構(gòu)分別作為牽頭單位，在歐洲委員會通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容與技術(shù)執(zhí)行署（DG-CNECT）的領(lǐng)導(dǎo)下，與來自歐洲的100多家合作伙伴共同實施開發(fā)。這三家機構(gòu)也是驅(qū)動“目標(biāo)地球”項目發(fā)起的主要力量。三方根據(jù)各自職責(zé)和專業(yè)領(lǐng)域優(yōu)勢進行分工。地球系統(tǒng)“數(shù)字孿生”的開發(fā)由ECMWF（歐洲中期天氣預(yù)報中心）負(fù)責(zé)，主要是為了更好地了解地球系統(tǒng)將如何演變，特別是可用于評估全球或區(qū)域范圍內(nèi)氣候變化以及極端天氣事件的影響。歐洲中期天氣預(yù)報中心還開發(fā)了數(shù)字孿生引擎——一個可擴展的、交互式的軟件基礎(chǔ)設(shè)施，可以實時訪問數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)，并具有足夠的靈活性來適應(yīng)未來所有數(shù)字孿生的不同架構(gòu)和需求。數(shù)據(jù)湖（即大數(shù)據(jù)平臺）的開發(fā)由歐洲氣象衛(wèi)星開發(fā)組織負(fù)責(zé)，主要是提供對數(shù)字孿生數(shù)據(jù)和其他歐盟的地球觀測數(shù)據(jù)集的無縫訪問，并提供大數(shù)據(jù)在線處理服務(wù)。核心服務(wù)平臺的開發(fā)由歐洲空間局負(fù)責(zé)，主要是提供用戶和地球系統(tǒng)“數(shù)字孿生”交互的訪問點。

“目標(biāo)地球”項目從發(fā)起時就繪制了未來十年發(fā)展藍(lán)圖（圖1）。在第一階段（2022年3月—2024年6月），優(yōu)先開發(fā)天氣和氣候領(lǐng)域的數(shù)字孿生（包括數(shù)字孿生引擎），開發(fā)核心服務(wù)平臺、數(shù)據(jù)湖；第二階段（到2027年），進一步增強“數(shù)字孿生”系統(tǒng)，包括重點推動機器學(xué)習(xí)和人工智能應(yīng)用以提升地球模擬精度和預(yù)測能力，通過數(shù)據(jù)湖集成地球觀測數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)（野火、洪水、電力等），以及在第一階段數(shù)字孿生基礎(chǔ)上集成其他數(shù)字孿生（生物多樣性、海洋、城市環(huán)境等）；第三階段（到2030年），最終開發(fā)出完整的地球系統(tǒng)“數(shù)字孿生”。2024年6月，歐盟在芬蘭卡亞尼LUMI超級計算機中心舉辦了官方發(fā)布活動，交付了目標(biāo)地球的前兩個地球系統(tǒng)數(shù)字孿生、數(shù)字孿生引擎、數(shù)據(jù)湖和核心服務(wù)平臺。

（二）項目關(guān)鍵特點

下一代公里級地球系統(tǒng)模式是地球系統(tǒng)“數(shù)字孿生”的關(guān)鍵。極端天氣數(shù)字孿生的目標(biāo)是支持在未來幾天的時間范圍內(nèi)，對氣象、水文和空氣質(zhì)量極端事件進行近實時的響應(yīng)，這對于應(yīng)對極端事件造成的挑戰(zhàn)至關(guān)重要。氣候適應(yīng)數(shù)字孿生的目標(biāo)是支持在數(shù)十年時間尺度上的氣候預(yù)測，為適應(yīng)氣候變化、制定綠色政策提供關(guān)鍵支撐。這兩個數(shù)字孿生是地球系統(tǒng)“數(shù)字孿生”的基礎(chǔ)和優(yōu)先示范，其高度依賴于數(shù)值預(yù)報模式，但和目前業(yè)務(wù)化的數(shù)值預(yù)報模式也有很大區(qū)別。首先，下一代公里級風(fēng)暴和渦旋解析地球系統(tǒng)模式是數(shù)字孿生的核心。氣候變化適應(yīng)數(shù)字孿生實現(xiàn)了5公里分辨率的全球氣候模擬，極端天氣數(shù)字孿生實現(xiàn)了4.4公里分辨率的全球天氣模擬和500—750米分辨率的區(qū)域天氣模擬，可提前2—4天預(yù)測極端天氣事件及其影響，均前所未有地實現(xiàn)了高精度天氣預(yù)報，這將有助于更直接地模擬出極端事件和天氣氣候系統(tǒng)演變的小尺度過程，將極大地提升天氣、氣候預(yù)測精準(zhǔn)度。

將影響模型引入數(shù)字孿生工作流程，并將其與地球系統(tǒng)模型模式耦合，是“目標(biāo)地球”項目的一項重大創(chuàng)新。通過耦合影響模型將可以真正實現(xiàn)對自然災(zāi)害的影響預(yù)報。如可以幫助政府公共部門測試洪水發(fā)生時的應(yīng)急救災(zāi)行動方案是否最優(yōu)，以挽救生命并減少財產(chǎn)損失；預(yù)估未來全球平均氣溫升高2或4攝氏度時的高溫?zé)崂耸录约霸撊绾握{(diào)整城市內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施；將極端天氣數(shù)字孿生的百米級區(qū)域模擬數(shù)據(jù)和歐洲輸電系統(tǒng)運營商數(shù)據(jù)耦合，實現(xiàn)雷暴、大霧等天氣對能源生產(chǎn)的影響預(yù)報等。目前，在第一階段，把影響模型（如水文模型、空氣質(zhì)量模型等）通過單向耦合方法嵌入到天氣和氣候數(shù)字孿生中，使影響模型能夠直接利用完整的數(shù)字孿生信息。下一步，該項目將完全耦合地球系統(tǒng)內(nèi)的所有元素，包括水文或空氣污染等受影響領(lǐng)域的元素。這些元素可以影響地球系統(tǒng)的演化。例如，將河流和淹沒區(qū)域的變化反饋到大氣中，可以更真實地反映整個地球系統(tǒng)的演化。通過集成數(shù)字孿生工作流，水文模型將能夠完全訪問模擬的降水，并能夠在天氣模式運行時計算河流流量。

協(xié)同設(shè)計是“目標(biāo)地球”項目的核心理念。在建設(shè)方式上，歐盟認(rèn)為，只有通過全面的國際合作和協(xié)同設(shè)計，才能應(yīng)對天氣氣候預(yù)測和計算科學(xué)的挑戰(zhàn)。因此，地球系統(tǒng)“數(shù)字孿生”采取招標(biāo)方式，與領(lǐng)先的科學(xué)技術(shù)組織、歐盟會員國相關(guān)業(yè)務(wù)服務(wù)機構(gòu)開展廣泛的開放合作。來自影響領(lǐng)域的各類用戶從一開始就參與了數(shù)字孿生的開發(fā)。這種“協(xié)同設(shè)計”方法作為DestinE的核心，旨在確保數(shù)字孿生能夠滿足用戶的需求。如氣候適應(yīng)數(shù)字孿生通過與城市環(huán)境、水文、水文氣象、能源和林業(yè)這五個氣候適應(yīng)高影響領(lǐng)域的用戶一起開發(fā)早期原型用例，以展示其對社會相關(guān)應(yīng)用的附加值。

二、美國英偉達(dá)地球氣候數(shù)字孿生Earth-2

2024年3月18日，英偉達(dá)發(fā)布Earth-2氣候數(shù)字孿生云平臺，實現(xiàn)高精度的天氣氣候模擬和可視化。Earth-2可在數(shù)秒內(nèi)發(fā)布預(yù)警和最新預(yù)報。Earth-2 API提供各種AI模型，并且新添加一種名為CorrDiff的全新英偉達(dá)生成式AI模型。該模型基于領(lǐng)先的擴散模型技術(shù)，能將當(dāng)前數(shù)值模擬的分辨率提升12.5倍，相比傳統(tǒng)方法，速度和能效分別提升了1000倍和3000倍。它不僅可以糾正粗分辨率預(yù)報中的錯誤，還能夠生成對決策至關(guān)重要的指標(biāo)。CorrDiff是一個開創(chuàng)性的生成式AI模型，能夠?qū)崿F(xiàn)超分辨率，生成利益相關(guān)方感興趣的新指標(biāo)，并且可以從高分辨率數(shù)據(jù)集中學(xué)習(xí)小范圍局部天氣的物理特性。Earth-2云API的另一個關(guān)鍵組成部分是英偉達(dá)Omniverse？——提供API、服務(wù)和軟件開發(fā)包的平臺，該計算平臺可幫助個人和團隊開發(fā)基于通用場景描述的3D工作流與應(yīng)用。全球氣象數(shù)據(jù)預(yù)測和洞察領(lǐng)域的領(lǐng)先企業(yè)天氣公司（The Weather Company）計劃將其氣象數(shù)據(jù)和英偉達(dá)氣候數(shù)字孿生云平臺集成，從而使其用戶能以可視化的方式更好地了解和感知實際天氣條件的影響。

三、美國國家海洋大氣管理局地球觀測數(shù)字孿生

美國國家海洋大氣管理局（NOAA）也提出了一個數(shù)字孿生項目，不同的是美國國家海洋大氣管理局關(guān)注的是對地球觀測的數(shù)字孿生，目的是為展示而不是業(yè)務(wù)化。美國國家海洋大氣管理局當(dāng)前產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量為55PB左右，預(yù)計到2030年將達(dá)到900+PB，如何管理和應(yīng)用數(shù)據(jù)是一項重大挑戰(zhàn)。對此，美國國家海洋大氣管理局2022年提出一個地球觀測數(shù)字孿生（EODT）示范項目，計劃在2024年秋季結(jié)束。該項目聚焦了四個方面，分別是數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)同化、異常檢測、互操作性，目標(biāo)是提供一種高效且集中的途徑，用于融合和可視化來自各種地球觀測傳感器的數(shù)據(jù)。為開發(fā)該項目，美國國家海洋大氣管理局采取和私營企業(yè)合作的方式，和洛克希德·馬丁公司和英偉達(dá)公司簽訂了為期2年的合同，研發(fā)AI驅(qū)動的地球觀測數(shù)字孿生。該項目使用洛克希德·馬丁的OpenRosetta3D軟件和NVIDIA的Omniverse？開發(fā)平臺來構(gòu)建實時融合海量大數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序，并實現(xiàn)4D可視化，加快全球氣象監(jiān)測和預(yù)測速度。2024年1月，該項目展示了NOAA的關(guān)鍵數(shù)據(jù)之一——海表面溫度的數(shù)字孿生效果。洛克希德·馬丁的下一步計劃是將額外的數(shù)據(jù)流（如空間天氣和海冰濃度）整合到地球觀測數(shù)字孿生中。美國國家環(huán)境衛(wèi)星、數(shù)據(jù)和信息服務(wù)局（NESDIS）地球觀測數(shù)字孿生快速原型報告指出，現(xiàn)在的業(yè)務(wù)流程中，雖然允許用戶從存檔中查詢和下載數(shù)據(jù)，但用戶在分析結(jié)果之前，需要花費數(shù)小時甚至數(shù)天的時間對數(shù)據(jù)進行“整理”（合并、重新分類、并置）。為改善這一現(xiàn)狀，地球觀測數(shù)字孿生探索了新的功能，例如探索數(shù)據(jù)融合的機器學(xué)習(xí)方法、按需云服務(wù)（在云端數(shù)據(jù)融合，減少數(shù)據(jù)預(yù)處理時間）和新的異常檢測方案。這些數(shù)據(jù)是“分析就序”的格式，用戶可以更快地進行研究。

四、結(jié)語

總的來說，歐盟“目標(biāo)地球”項目和英偉達(dá)公司的地球氣候數(shù)字孿生都是旨在利用先進計算技術(shù)來創(chuàng)建地球的虛擬數(shù)字孿生模型，以實現(xiàn)高精度預(yù)報預(yù)測以及影響預(yù)報，幫助應(yīng)對氣候變化和極端天氣等問題。但“目標(biāo)地球”不像Earth-2是為了盈利而是為了公共利益，由政府部門主導(dǎo)實施，核心是基于物理驅(qū)動的下一代公里級風(fēng)暴和渦旋解析地球系統(tǒng)模式；而美國科技巨頭英偉達(dá)公司的地球氣候數(shù)字孿生Earth-2由英偉達(dá)公司主導(dǎo)開發(fā)，核心是其基于生成式人工智能的模型——CorrDiff。而美國國家海洋大氣管理局關(guān)注的是對地球觀測的數(shù)字孿生，由其和私營公司來合作研發(fā)，目的是為展示而不是業(yè)務(wù)化，主要是實現(xiàn)對地球觀測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)同化、異常檢測、提升互操作性。從國際經(jīng)驗來看，相較美國的相關(guān)進展，歐盟“目標(biāo)地球”項目目的不像Earth-2是為了盈利而是為了公共利益，相較美國國家海洋大氣管理局又更強調(diào)業(yè)務(wù)應(yīng)用場景的全面性和多樣化，其經(jīng)驗更值得我國借鑒。

一是地球系統(tǒng)數(shù)字孿生是應(yīng)對氣候變化、促進數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。地球系統(tǒng)數(shù)字孿生可以顯著提高自然災(zāi)害響應(yīng)速率、提升社會韌性，有力保障國家安全、全球氣候治理和經(jīng)濟社會數(shù)字化轉(zhuǎn)型，將促進數(shù)字中國建設(shè)和推動技術(shù)創(chuàng)新，為我國帶來顯著的經(jīng)濟社會效益。二是政府主導(dǎo)和多方協(xié)同是地球系統(tǒng)數(shù)字孿生項目實施的重要組織保障。歐洲“目標(biāo)地球”這一系統(tǒng)工程挑戰(zhàn)和難度空前之大，其順利實施得益于歐盟委員會的主導(dǎo)協(xié)調(diào)以及歐盟成員國多方機構(gòu)在數(shù)值天氣預(yù)報、氣候服務(wù)、大數(shù)據(jù)、軟件工程、超級計算等領(lǐng)域的高度協(xié)同，且由行業(yè)領(lǐng)軍者歐洲中期天氣預(yù)報中心牽頭開發(fā)地球系統(tǒng)數(shù)字孿生。因此，需要從國家層面組織地球系統(tǒng)數(shù)字孿生的頂層設(shè)計，由在數(shù)字孿生方面基礎(chǔ)最好的部委實施先行計劃，發(fā)揮先導(dǎo)示范作用；加強統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，發(fā)揮新型舉國體制優(yōu)勢，統(tǒng)籌使用國內(nèi)先進超算資源，分階段實施、一體化推進項目建設(shè)；創(chuàng)新采用“揭榜掛帥”等組織方式，鼓勵社會參與，加強政企學(xué)研多方協(xié)同開發(fā)。三是地球大數(shù)據(jù)的整合共享共用是關(guān)鍵。歐洲“目標(biāo)地球”項目能夠整合利用各方已有的地球觀測數(shù)據(jù)，通過建立統(tǒng)一的“數(shù)據(jù)湖”、加強數(shù)據(jù)管理和共享、提升大數(shù)據(jù)技術(shù)支撐能力等舉措，為高精度的地球系統(tǒng)數(shù)字孿生提供堅實數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。因此需要推進我國的地球系統(tǒng)大數(shù)據(jù)中心建設(shè)，發(fā)揮各方數(shù)據(jù)要素的基礎(chǔ)資源作用和創(chuàng)新引擎作用，為自主可控的地球系統(tǒng)數(shù)字孿生建設(shè)夯實基礎(chǔ)。四是公里級地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報模式是地球系統(tǒng)數(shù)字孿生的關(guān)鍵核心技術(shù)。下一代公里級風(fēng)暴和渦旋解析地球系統(tǒng)模式是歐盟氣候適應(yīng)和極端天氣數(shù)字孿生的核心，因此，需要狠抓我國下一代公里級地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報模式研發(fā)，以新型舉國體制推進地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報模式發(fā)展，著力培養(yǎng)數(shù)值預(yù)報領(lǐng)域的院士級戰(zhàn)略科學(xué)家，建設(shè)開放研發(fā)平臺吸引整合國內(nèi)外數(shù)值預(yù)報科研資源，推動實現(xiàn)核心科技突破。

資助項目：2024年氣象軟科學(xué)面上項目“地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報科技創(chuàng)新平臺國際對比與啟示研究”（2024MSXM18）；中國氣象局青年創(chuàng)新團隊人才支撐計劃（CMA2023QN18）