Цифровой двойник Земли: новый способ предсказывать водный цикл

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Вода — это жизнь. Без нее невозможно существование человечества и всего живого на планете. Но вода — это также источник многих проблем, связанных с изменением климата, человеческим воздействием и сложной географией. Наводнения и засухи угрожают миллионам людей, а управление водными ресурсами требует эффективных и устойчивых решений. Как же лучше понять водный цикл Земли и предсказать его поведение в будущем?

Высокоуровневое описание системы гидрологического моделирования цифрового двойника Земли (DTE). Четырехмерный, т.е. трехмерный в пространстве плюс время, куб данных DTE Hydrology (влажность почвы, осадки, испарение и сток рек) объединяет данные наблюдений за Землей и смоделированные данные спутниковых продуктов высокого разрешения. Он интегрирован в передовую систему гидрологического моделирования CONTINUUM для прогнозирования влажности почвы, испарения и стока рек с высоким разрешением (1 км, 1 час). Результаты моделирования объединяются со спутниковыми наблюдениями в прикладных модулях для прогнозирования оползней, моделирования наводнений и орошения. — Высокоуровневое описание системы гидрологического моделирования цифрового двойника Земли (DTE). Четырехмерный, т. е. трехмерный в пространстве плюс время, куб данных DTE Hydrology (влажность почвы, осадки, испарение и сток рек) объединяет данные наблюдений за Землей и смоделированные данные спутниковых продуктов высокого разрешения. Он интегрирован в передовую систему гидрологического моделирования CONTINUUM для прогнозирования влажности почвы, испарения и стока рек с высоким разрешением (1 км, 1 час). Результаты моделирования объединяются со спутниковыми наблюдениями в прикладных модулях для прогнозирования оползней, моделирования наводнений и орошения.
Автор: Brocca L, Barbetta S, Camici S, Ciabatta L, Dari J, Filippucci P, Massari C, Modanesi S, Tarpanelli A, Bonaccorsi B, Mosaffa H, Wagner W, Vreugdenhil M, Quast R, Alfieri L, Gabellani S, Avanzi F, Rains D, Miralles DG, Mantovani S, Briese C, Domeneghetti A, Jacob A, Castelli M, Camps-Valls G, Volden E and Fernandez D. A Digital Twin of the terrestrial water cycle: a glimpse into the future through high-resolution Earth observations. Front Sci (2024) 1:1190191. doi: 10.3389/fsci.2023.1190191 Источник: www.frontiersin.org

Один из способов — это создание цифровых двойников Земли, то есть виртуальных моделей, которые отражают реальное состояние и динамику воды на планете. Такие модели позволяют проводить симуляции различных сценариев, оценивать риски и отслеживать развитие опасных условий, прежде чем они произойдут. Такая информация может быть полезна для принятия решений в области управления водными ресурсами, сельского хозяйства, промышленности, экологии и защиты от стихийных бедствий.

Но создание цифровых двойников Земли — это не простая задача. Она требует огромных объемов данных, высокого разрешения, сложных алгоритмов и мощных вычислительных ресурсов. К счастью, в последнее время появились новые возможности для решения этой задачи, благодаря развитию спутниковых технологий, искусственного интеллекта и облачных платформ.

Одним из примеров такого подхода является проект, реализованный группой ученых из Италии под руководством доктора Луки Брокки из Национального научного совета Италии. Они разработали цифровые двойники для изучения наземного водного цикла в Средиземноморском бассейне, который является одним из самых сложных и важных регионов с точки зрения водных проблем. Их цель — создать систему, которая позволит неспециалистам, включая принимающих решения и граждан, проводить интерактивные симуляции. Их результаты были опубликованы в журнале Frontiers in Science.

Для построения своих моделей цифровых двойников, ученые использовали новые данные наблюдения за Землей, полученные с помощью спутников, которые измеряют влажность почвы, осадки, испарение, расход рек и глубину снега. Эти данные имеют высокое разрешение в пространстве и времени, что позволяет создавать более детальную и точную картину водного цикла. Затем ученые использовали эти данные для разработки своих алгоритмов моделирования, которые учитывают все факторы, влияющие на воду, от снежных шапок на горах до человеческой деятельности в долинах. Наконец, ученые интегрировали свои модели в облачную платформу, которая может использоваться для симуляций и визуализаций.

Ученые начали с моделирования долины реки По, а затем расширили цифровой двойник на другие части Средиземноморского бассейна. В будущих проектах планируется расширить его на всю Европу, а в рамках будущих сотрудничеств будут применяться те же принципы во всем мире. Основное применение платформы — улучшение прогнозирования наводнений и оползней и оптимизация управления водными ресурсами. Но для этого потребуются более детальные данные и более сложное моделирование, особенно для сельского хозяйства, которое требует разрешения в десятки метров, а не сотни.

Создание цифровых двойников Земли — это сложный и дорогостоящий процесс, который требует совместных усилий ученых, космических агентств и лиц ответственных за принятие рещений. Но это также перспективный и полезный процесс, который может помочь нам лучше понять водный цикл Земли и управлять им в интересах устойчивого развития и защиты от стихийных бедствий.