科学家们建造了我们星球的高度准确的数字双胞胎

地球的数字双胞胎是全面地和高分辨率模拟地球系统，并以高分辨率为基础，以指导适应气候变化的措施。

我们星球的数字双胞胎是将来模拟地球系统。它旨在支持政策制定者采取适当措施，以更好地为极端事件做好准备。欧洲科学家和埃尔希希计算机科学家的新战略纸张显示了如何实现这一目标。

欧洲联盟成为2050年的气候中立，推出了两项雄心勃勃的计划：“绿色交易”和“DigitalStrategy”。作为他们成功实施的关键组成部分，气候科学家和计算机科学家推出了“目的地地球”倡议，将于2021年中期开始，预计将持续十年。在此期间，将创建一个高度准确的地球数字模型，是地球的数字双胞胎，在空间和时间尽可能准确地将气候开发和极端事件映射。

观察数据将不断纳入数字双床，以使数字地球模型更准确地监控进化并预测可能的未来轨迹。但除了常规用于天气和气候模拟的观测数据外，研究人员还希望将相关人类活动的新数据集成到模型中。新的“地球系统模型”将尽可能地逼真地代表地球表面上的所有过程，包括人类对水，食品和能源管理的影响，以及物理地球系统的过程。

决策信息系统

地球的数字双胞胎旨在成为发展和测试展现更可持续发展的情景，从而更好地通知政策。例如，如果您计划在荷兰中的两米高的堤防，我可以通过我的数字双胞胎中的数据，并检查堤防是否有可能仍然可以防止2050年的预期极端事件，“彼得说欧盟天气预报中心研究中心（ECMWF）和目的地地球的共同引发剂研究副主任Bauer。数字双胞胎还将用于淡水和食品供应或风电场和太阳能厂的战略规划。

目的地地球背后的驱动力是Ecmwf，欧洲航天局（ESA），以及欧洲剥削气象卫星的组织（Eumetsat）。与其他科学家一起，鲍尔正在推动地球数码双胞胎的气候科学和气象方面，但他们也依靠从苏黎世和瑞士国家超级计算中心（CSCS）的计算机科学家的知识，即Eth教授Torsten从高性能计算系统研究所和CSC总监托马斯·斯普勒斯研究所的赫夫勒。

为了在数字革命中迈出这一步，鲍尔强调了地球科学的需要与计算机科学结婚。在最近在自然计算科学的出版物中，来自地球和计算机科学的研究人员讨论了他们希望使用哪种具体措施来推进这一挑战的“地球系统科学的数字革命”可以找到解决方案。

天气和气候模型是一个基础

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定发展，这是一个悄然发生的成功故事。气象学家开创了，所以说，在世界上最大的电脑上模拟物理流程。作为物理学家和计算机科学家，CSCS的Schulthess因此相信今天的天气和气候模型非常适合为许多科学学科识别如何使用高效使用超级计算机的全新方法。

在过去，天气和气候建模使用不同的方法来模拟地球系统。然而，气候模型代表了一系列非常广泛的物理过程，而且它们通常忽略小规模过程，然而，对于更精确的天气预报又关注较少数量的过程，这对小规模的过程是必不可少的。数字双胞胎将共同带来两个区域，并实现描述整个地球系统的复杂过程的高分辨率模拟。但是为了实现这一目标，模拟程序的代码必须适应新技术，这是具有很大增强的计算能力的新技术。

随着今日可用的计算机和算法，高度复杂的模拟几乎不能在计划的极高分辨率上进行一公里，因为几十年来，从计算机科学的角度陷入困境。气候研究受益于能够通过新一代处理器的方式获得更高的性能，而无需从根本上改变他们的计划。这次免费的绩效增益随着大约10年前停止的每个新的处理器一代。结果，今天的程序通常只能利用传统处理器（CPU）的5％的峰值性能。

为了实现必要的改进，作者强调了COM设计的需要，即在过去十年中成功展示的CSC在过去十年中成功展示的同时，开发硬件和算法。他们建议特别注意通用数据结构，优化网格的空间离散化，以计算和优化时间步长。科学家们进一步建议将代码分开，以解决从最佳地执行各个系统架构上计算的代码中的科学问题。这种更灵活的程序结构将允许更快，更高效的开关到未来的架构。

从人工智能中获利

作者还看到了人工智能（AI）的巨大潜力。例如，可以使用例如数据同化或观察数据的处理，模型和数据压缩中不确定物理过程的表示。因此，AI使得可以加速模拟并从大量数据中过滤出最重要的信息。此外，研究人员认为，使用机器学习不仅使计算更有效，而且还可以帮助更准确地描述物理过程。

科学家认为他们的战略纸作为地球数码双胞胎道路的起点。在今天可用的计算机架构中和在不久的将来的计算机架构中，基于图形处理单元（GPU）的超级计算机似乎是最有前途的选择。研究人员估计，以满量程运行数字双胞胎的估计需要一个大约20,000个GPU的系统，估计估计的20MW功率。对于经济和生态原因，这种计算机应在二氧化碳产生电量以足够数量的位置运行。

参考：

Peter Bauer，Peter D. Duplyben，Tiago Quintino，Tiago Quintino，Tiagas C. Schulthess and Nils P.Wedi，1921年2月22日，自然计算Science.doi：
10.1038 / s43588-021-00023-0

Peter Bauer，Bjorn Stevens和Wilco Hazeleger，1921年2月1日，自然气候变化。
10.1038 / s41558-021-00986-y