作者:苏黎世联邦理工学院西蒙·乌尔姆 地球的一个数字双胞胎是以高分辨率全面模拟地球系统，并作为例如指导适应气候变化措施的基础
信用:欧空局 我们星球的一个数字双胞胎将在未来模拟地球系统
它旨在支持决策者采取适当措施，更好地为极端事件做准备
欧洲科学家和苏黎世联邦理工学院计算机科学家的一份新战略论文展示了如何实现这一目标
为了到2050年实现气候中和，欧盟启动了两个雄心勃勃的项目:绿色交易和数字战略
作为其成功实施的一个关键组成部分，气候科学家和计算机科学家发起了目的地地球倡议，该倡议将于2021年年中开始，预计将持续长达十年
在此期间，将创建一个高度精确的地球数字模型，一个地球的数字孪生模型，以尽可能准确地在空间和时间上绘制气候发展和极端事件
观测数据将不断被纳入数字双生子，以使数字地球模型更准确地监测演变和预测未来可能的轨迹
但是，除了传统上用于天气和气候模拟的观测数据之外，研究人员还希望将有关人类活动的新数据整合到模型中
新的地球系统模型将尽可能真实地反映地球表面的所有过程，包括人类对水、食物和能源管理的影响，以及地球物理系统中的过程
决策信息系统 地球的数字孪生兄弟旨在成为一个信息系统，开发和测试显示更可持续发展的情景，从而更好地为政策提供信息
“例如，如果你计划在荷兰修建一座两米高的堤坝，我可以浏览我的数字双胞胎中的数据，检查堤坝是否有可能在2050年抵御预期的极端事件，”欧洲中期天气预报中心(ECMWF)研究副主任、《目的地地球》的联合发起人彼得·鲍尔说
数字双胞胎还将用于淡水和食品供应或风力发电场和太阳能发电厂的战略规划
目的地地球背后的驱动力是ECMWF、欧洲航天局(欧空局)和欧洲气象卫星应用组织
鲍尔正与其他科学家一起推动地球数字双胞胎的气候科学和气象方面，但他们也依赖于苏黎世联邦理工学院和瑞士国家超级计算中心(CSCS)的计算机科学家的专业知识，即来自高性能计算系统研究所的联邦理工学院教授托尔斯滕·霍弗勒和CSCS的主任托马斯·舒尔赫斯
为了在数字革命中迈出这一大步，鲍尔强调地球科学需要与计算机科学相结合
在《自然计算科学》最近的一份出版物中，来自地球和计算机科学的研究团队讨论了他们希望使用哪些具体措施来推进这一“地球系统科学的数字革命”，他们在其中看到了挑战，以及可以找到哪些可能的解决方案
天气和气候模型作为基础 在他们的论文中，研究人员回顾了自20世纪40年代以来天气模型的稳步发展，这是一个悄悄发生的成功故事
可以说，气象学家率先在世界上最大的计算机上模拟物理过程
作为一名物理学家和计算机科学家，CSCS的舒尔赫斯因此相信，今天的天气和气候模型非常适合为许多更科学的学科确定如何高效使用超级计算机的全新方法
过去，天气和气候建模使用不同的方法来模拟地球系统
尽管气候模型代表了一系列非常广泛的物理过程，但它们通常忽略了小规模的过程，而小规模的过程对于更精确的天气预报来说是至关重要的，而更精确的天气预报则侧重于数量较少的过程
这对数码双胞胎将把这两个领域结合在一起，实现描绘整个地球系统复杂过程的高分辨率模拟
但是为了实现这一点，模拟程序的代码必须适应新技术，以保证更强的计算能力
有了今天可用的计算机和算法，高度复杂的模拟很难在计划的一公里的极高分辨率下进行，因为几十年来，从计算机科学的角度来看，代码开发停滞不前
气候研究受益于能够通过新一代处理器获得更高的性能，而不必从根本上改变他们的程序
每一代新处理器的这种免费性能提升在大约10年前就停止了
因此，今天的程序通常只能利用传统处理器峰值性能的5%
为了实现必要的改进，作者强调了协同设计的必要性
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同时开发硬件和算法，正如CSCS在过去十年中成功展示的那样
他们建议特别注意通用数据结构、待计算网格的优化空间离散化和时间步长的优化
科学家们进一步提出将用于解决科学问题的代码与在各自的系统架构上最优地执行计算的代码分开
这种更灵活的程序结构将允许更快、更有效地切换到未来的体系结构
从人工智能中获益 作者也看到了人工智能的巨大潜力
例如，它可用于数据同化或观测数据处理、模型中不确定物理过程的表示和数据压缩
人工智能因此使得加速模拟和从大量数据中过滤出最重要的信息成为可能
此外，研究人员假设机器学习的使用不仅使计算更加有效，而且有助于更准确地描述物理过程
科学家们将他们的战略文件视为通往地球数字双胞胎之路的起点
在当今可用的计算机体系结构和不久的将来可能出现的体系结构中，基于图形处理单元的超级计算机似乎是最有前途的选择
研究人员估计，在全尺寸下操作一个数字双胞胎将需要一个具有大约20，000个图形处理器的系统，估计消耗20MW的功率
出于经济和生态两方面的原因，这种计算机应该在二氧化碳中和产生的电力充足的地方运行
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