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虽然天气预报已经成为现代生活的日常 ， 但是这一技术的精确性依然很有限 。 根据相关统计 ， 在1998-2017年期间 ， 因为气候灾害导致全球超过100万人死亡和数万亿美元的经济损失 。 为此 ， 欧盟的科学家们制定了一个雄心勃勃的计划 ， 想要把所有可用的数据全部包含进去 ， 更真实地模拟各种规模的天气过程以及它们在大气、海洋、陆地表面和生物圈之间的相互作用 ， 以建立一个仿真度极高的地球数字模型 ， 用来预测未来可能发生的各种气候变化 。
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地球的数字模型将以高分辨率对地球系统进行全面模拟 。 图源 ：ESA
欧洲的气候科学家和计算机科学家发起了一个被称为“ Destination Earth”的计划 ， 该计划将于2021年中期开始 ， 预计会持续十年 。 在此期间 ， 将建立一个高度精确的地球数字模型 ， 以便尽可能准确地在空间和时间内绘制气候发展和极端天气事件的地图 。
为了使数字地球模型更准确地监测动态变化和预测未来可能的发展轨迹 ， 各种观测数据将不断地被输入地球数字模型 。 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还原地球表面所有发生过的事情 ， 包括人类对水、食物和能源管理的影响 ， 大型工程、基础建设以及其他改变地球面貌的过程 。
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科学家们希望这个数字地球模型像魔法水晶球一样能给出许多有价值的参考意见 。 今年发生在美国德州大范围的停电事故 ， 就是因为没有预测到一向比较温暖的南方也会发生超低温和大范围雨雪天气 ， 导致大量风电设施停转 ， 输电设施损坏 。 将来新的大型基建项目的建设 ， 将可以获得更长时期 ， 比如二十年、三十年内 ， 有可能发生的最极端的天气状况的预测 ， 从而更准确的计算工程和设备所需要的的合理的安全系数 。
20世纪40年代以来,气象学家开创了在超级计算机上模拟物理过程的先河 ， 利用电脑求解复杂的方程以预测天气变化成为了现代科技的重要进步 。 然而最近几十年来 ， 相关算法从计算机科学的角度看是停滞的 。 气候研究的进步得益于能够通过新一代处理器获得更高的性能 ， 而无需从根本上改变其程序 ， 而这种被动的计算效率提高在大约十年前就停止了 ， 今天的程序通常只能利用传统处理器（CPU）最高性能的5% 。
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适用于地球数字模型的高效软件基础架构的概念图 。
“ Destination Earth”背后的推动力是欧洲中距离天气预报中心（ECMWF） ， 欧洲航天局（ESA）和欧洲气象卫星开发组织（EUMETSAT） ， 他们重要的合作伙伴是苏黎世联邦理工学院和瑞士国家超级计算中心（CSCS）的计算机科学家们——他们将负责为计划实现必要的改进 ， 即同时开发硬件和算法 ， 以解决老旧的计算模型无法充分发挥新设备的计算潜力的问题 。 基于灵活控制和数据结构的计算和数据感知算法框架可以大大减少计算和数据占用空间 ， 同时人工智能的作用也非常重要 ， 它可以加快模拟速度 ， 从大量数据中过滤出最重要的信息 ， 提高计算效率 ， 有助于更准确地描述物理过程 。
在当今和不久的将来可以使用的计算机体系结构中 ， 基于图形处理单元（GPU）的超级计算机似乎是最有希望的选择 。 研究人员估计 ， 建立这样一个数字地球模型可能需要一个大约两万个GPU的系统 ， 估计耗电20兆瓦 。 如果一切顺利 ， 这项计划的投入产出比是相当惊人的 ， 假设新的地球数字模型可以将气候灾害带来的损失降低1% ， 也意味着将有数百亿美元的经济损失和许多人的生命得以挽回 ， 意义非常重大 。
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参考文献：
【地球|透过魔法水晶球看到全世界？地球数字模型在路上】https://phys.org/news/2021-02-scientists-highly-accurate-digital-twin.html
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