中国科学院李新：用“数字孪生地球”技术应对全球气候挑战

11月22日，由《财经》杂志、财经网、《财经智库》联合主办的“《财经》年会2024：预测与战略”在北京举行。在“科技前沿：突破与应用”议题中，中国科学院青藏高原研究所副所长、国家青藏高原科学数据中心主任李新发表了主题演讲，他表示全球变化引起的热浪、洪水、干旱和火灾等极端气候和极端事件频发，给世界各地造成了严重破坏。作为亚洲水塔的青藏高原及其周边地区也发生了剧烈变化，相比1960年代，已有约20%的冰川面积萎缩，藏东南等很多地区的冰川正在以垂直方向每年1米的速度快速减薄；多年冻土也在快速融化，给青藏铁路、川藏铁路建设等国家重大工程带来巨大挑战。

李新直言这些挑战带来了两个问题：如何更好地理解和预测全球变化及其影响，并在此基础上设计应对全球变化的政策和技术措施，从而缓解和调控其不利影响。他表示，回答这些问题有待于一个集成化的技术，这个技术就是“数字孪生地球”。

在会上，李新介绍道数字孪生可以很好的对过程、系统和环境进行动态模拟，在数字空间完全再现物理或现实世界中的对应物。数字孪生在复现的同时，希望通过实时的交互，支持监测、控制、管理和决策。数字孪生地球的概念也是如此，不仅能对地球状态进行模拟，也希望在地球观测和物理定律的约束下再现地球系统状态的演化过程，同时能够实现对地球管理路径的调控和优化。

李新称国际上多个国家启动了数字孪生地球项目。他认为新一代大数据分析方法、人工智能方法是助力数字孪生地球实现的重要手段，并强调“大数据需要走向智能数据，传统的机器学习也需要把动力系统的知识融合进来，这两者的相互融合以深度学习为起点，在物理知会的机器学习、因果推理、深度强化学习等工具的强有力支持下，让数字孪生地球更加智能，具有更好的预测能力和调控能力”。

中国科学院青藏高原研究所副所长、国家青藏高原科学数据中心主任李新

以下为部分发言实录：

我跟大家介绍一下数字孪生地球的思考。大家都一定感受到了今年的热浪，今年7月6日是过去12万年以来地球最热的一天，这一天全球平均温度达到17.2℃，比已知的全球平均温度15℃高了2.2℃。这一年比工业革命以来全球平均温度上升了1.42℃，已经非常接近巴黎协定所限定的1.5度的目标，我们希望通过综合的手段把全球温度在2050年控制到1.5度，现在看来这个目标非常难实现了。

全球变化带来一系列非常严峻的挑战，极端气候、极端事件频发，有大量的洪水，大量的热浪，还有很多火灾的现象。在青藏高原上冰川在快速退缩，比起1960年代，冰川的20%已经消失了。很多地区，比如藏东南地区，冰川每年以垂直方向1米的速度快速退缩，多年冻土也在快速融化，多年冻土的变化给青藏铁路、川藏铁路建设都带来非常大的挑战。怎么应对这些挑战是摆在我们面前的一个严峻问题。

从地球科学的角度讲，地球科学已经进入到了地球系统科学的新时代。地球系统科学希望在长时间尺度、在所有空间尺度上和地球的各个圈层耦合起来。青藏高原就是这样，青藏高原是地球上最年轻的也是最高的高原，6千万年前欧亚大陆在这里强烈碰撞，形成了中国气候，造就了中国的地貌格局和气候格局。在这样的轨道尺度上，全球变化带来的各种影响，升温和周期性的变化，工业革命以来加上人类排放二氧化碳的变化，导致冰川、冻土快速变化。地球系统科学需要用现代建模的手段将地球各个圈层，包括大气、生态、水文、冰冻圈、海洋、人类圈及其相互作用结合在一块。提出四个打通，打通时间隧道，打通圈层隔离，打通空间局限，打通学科界线，对地球进行整体性的研究，理解和预测它，同时也对它可能发生的变化和可能的干预做一个计算。

有这样的地球系统模型，地球大数据和所有大数据一样，它的快速进展为进一步推进地球系统科学带来很大的机遇。地球大数据是四大类数据组成的，第一类是遥感数据，几百个、上千个遥感卫星用各种办法，用光学的手段、用微波的手段，和刚才的FAST类似，还有激光、重力的手段对地球进行感知。全球的海洋有大量观测站，观测站组成新一代的物联网，加上实验室的手段，提供与日俱增的、快速增长的数据。此外，我们的社交媒体、手机提供人和地球有关的数据。地球系统模型生成了PB级或者更大的数据量，这些数据构成了地球大数据的主体。

以上的挑战带来这样两个问题：如何更好地理解和预测全球变化及其影响，到2099年全球升温怎么样，极端气候会怎么样变化；我们还想在此基础上回答第二个问题，如何设计应对全球变化的政策和技术措施，从而缓解和调控其不利影响。回答这些问题有待于一个集成化的技术，这个技术就是数字孪生地球。回到调控，除了自然的变化，科学家、工程师正在设想一些手段，我们能够通过工程措施调控气候，比如降温。这件事情正在成为地球工程，太阳辐射可以用多种手段，可以在地面上造林降低反照率，在平流层、对流层加一些气溶胶改变它的状况，它的风险是巨大的，科学家尽管设计了几十年，我们能不能真的实施它，实施它以后会带来什么不可逆转的变化，我们真的可以调控地球还是会让它变得更差。这件事情摆在我们面前，怎么样做好应对呢？我们需要用地球系统模型在工程调控措施下进行预测，对可能的工程方案进行评估。

地球的临界要素，比如淡水资源是有限的，人类对淡水资源，比如灌溉，用到一定程度会带来不可逆转的变化，还有温室气体的排放、污染物的排放等等，这些都被称为全球临界要素。怎么样控制这些临界要素呢，科学家们提出对于地球不仅仅要理解和预测它，在必要的时候也要对它进行一些干预，比如地球工程，这件事情又被称为地球管理。

为了应对这些，数字孪生是一个重要手段，数字孪生可以很好地对过程、系统、环境进行动态模拟，在数字空间完全再现物理或现实世界中的对应物。数字孪生在复现的同时希望通过实时的交互，支持监测、控制、管理和决策。数字孪生地球的概念是一样的，不仅希望对地球进行模拟，也希望在地球观测和物理定力的约束下再现地球系统状态的演化过程，同时能够实现对地球管理路径的调控和优化。例如，怎么样实现联合国提出的2030议程中17个可持续发展的目标，对它进行定量的评估都是必不可少的。

国际上各个国家启动了很多数字孪生的项目，例如欧盟面向2030提出几个十亿欧元级的项目，其中在地球科学领域就有这样一个billion级项目，它的目标就是建立非常高分辨率的地球系统模型，并且把地球的各种遥感观测、遍布海洋和地表的各种观测都能够融合到这个模型中，让它模拟的更加精确、更加好，并且对我们的未来进行各种各样的预测。

我们国家也有类似的一些项目，这样一个背景是建在中国科学院空天信息创新研究院，由郭华东院士主导的项目，这个项目叫SDG大数据平台。SDG是联合国提出的可持续发展目标，为了针对这些可持续发展目标，我们需要对地球的大气、生态环境、冰冻圈各个方面进行高分辨率模拟，预测SDG的17个目标、100多个子目标和200多个指标的实现。我们国家王成善院士提出不仅要对近几百年、上千年的地球进行模拟预测，还希望理解在地球46亿年的演化历史上，我们的地球特别是地球的生态圈中生命是怎么出现的，它们是怎么协同演进的。为了对这件事情进行完整的模拟，提出了深时数字地球国际大科学计划，这个计划正在快速推进中，某种程度也是一个数字孪生地球，只不过这个地球是一个深时地球，时间跨度46亿年。

为了做好这件事，新一代的大数据分析方法、人工智能方法是助力数字孪生地球的重要实现。地球系统科学已经积累了很多知识，我们需要把这些知识和新一代的机器学习融合起来，提出物理知会的机器学习，提高模型的可移植性。因果推理提高模型的可解释性，还有强化学习，提高地球系统模型在决策中的应用。这几种手段都是支持数字孪生手段的重要数据分析方法。

这些方法非常核心的是地球系统科学领域的重要技术，这个技术就是怎么样把非常巨量的、几千个地球观测卫星的数据、全球百万个地面监测的数据，实时地融合到地球系统模型中，改进天气预报，改进冰冻圈的预报，这样一个大数据同化技术和统计技术、动力技术，这样一个方法充分汲取了动力系统和现代概率统计理论研究的精华，实现了动力和统计的和谐，也能把各种各样的遥感观测、生成式人工智能融合到一个框架。利用先进计算资源、实现机器学习与数据同化方法的共生集成、完成超高分辨率地球系统模型和多源地球观测的相互融合。

我们不仅仅要靠大量的统计数据，还要理解地球上各个系统的相互作用，比如北极的天气变化怎么通过海洋的调控影响中纬度的气候，怎么样相互作用。因果分析最早来自诺贝尔经济学家格兰杰，这项方法引入以后可以更好地对全球气候系统是怎么相互影响的、相互影响的路径是怎么样有更好的了解。工业革命以来，地球的变化离不开人的强烈影响，地球已经进入人类世的时代，怎么模拟好自然和环境的相互作用。几十年前，计算机科学家包括博弈论学家已经给我们提供了很好的数学策略，这些数学策略怎么和地球模型结合起来，如化石燃料排放的路径是怎么个路径，在碳中和的时候是怎么个路径，在中间能不能找一个既有利于经济快速发展，同时又能让地球更加稳定的路径。深度强化学习的加持使我们能更好地做好模拟，做好调控。

小结一下，大数据需要走向智能数据，传统的机器学习也需要把动力系统的知识融合进来，这两者的相互融合以深度学习为起点，需要利用因果推理这一强有力的工具，实现物理知会，让数字孪生地球更加智能，有更好的预测能力，有更好的调控能力。

国家青藏高原科学数据中心和其他地球科学数据中心一样，希望加入数字孪生地球的建设过程中，我们也更好地在我们国家1/3的国土资源上打造数字孪生。青藏高原大家都熟知，凤凰涅槃这个图非常好，是世界屋脊、亚洲水塔，是地球第三极，是我国重要的生态安全屏障、战略资源储备基地，是中华民族特色文化的重要保护地，同时有过去六千万年来形成的能量，也是打造新一代地球系统科学理论和方法很好的策源地。国家数据中心希望在这个过程中成为青藏高原地球系统数据科学创新中心，也是国家重大需求的数据平台，是青藏高原研究项目的数据银行，是青藏高原国际合作的数据枢纽，还是青藏高原公众科学的数据窗口，将成为青藏高原大数据产业，特别是东数西算的助推器。