Vattnets kretslopp ser enkelt ut i teorin - men mänsklig påverkan, klimatförändringar och komplicerad geografi gör att översvämningar och torka i praktiken fortfarande är svåra att förutse. För att modellera vatten på jorden behöver du otroligt högupplöst data över en enorm vidd, och du behöver modellering sofistikerad nog att ta hänsyn till allt från snökåpor på berg till markfuktighet i dalar. Nu har forskare tagit ett enormt steg framåt genom att bygga de mest detaljerade modeller som skapats hittills.
"Att simulera jorden i hög upplösning är mycket komplext, och så i grund och botten är tanken att först fokusera på ett specifikt mål", säger Dr Luca Brocca från Italiens nationella forskningsråd, huvudförfattare till artikeln publicerad i Frontiers i naturvetenskap . "Det är tanken bakom det vi har utvecklat – digitala tvillingfallstudier för det terrestra vattnets kretslopp i Medelhavsområdet. Vårt mål är att skapa ett system som tillåter icke-experter, inklusive beslutsfattare och medborgare, att köra interaktiva simuleringar."
Inom teknik är en digital tvilling en virtuell modell av ett fysiskt objekt som kan testas till förstörelse utan att göra verklig skada. En digital tvilling av jorden, ständigt uppdaterad med nya data, skulle tillåta oss att simulera bästa och värsta scenarier, bedöma risker och spåra utvecklingen av farliga förhållanden innan de inträffar. Sådan information är avgörande för hållbar utveckling och för att skydda utsatta befolkningar.
För att bygga sina digitala tvillingmodeller utnyttjade Brocca och hans kollegor extraordinära volymer av satellitdata, genom att kombinera nya jordobservationsdata som mäter markfuktighet, nederbörd, avdunstning, flodutsläpp och snödjup. Dessa nyligen tillgängliga data, avgörande för utvecklingen av modellerna, inkluderar mätningar som tas mycket oftare över rum och tid:så ofta som en gång per kilometer och en gång i timmen.
Precis som en skärm med fler pixlar skapar denna högre upplösning en mer detaljerad bild. Forskarna använde dessa data för att utveckla sin modellering och integrerade sedan modelleringen i en molnbaserad plattform som kan användas för simuleringar och visualiseringar. Detta är det slutliga målet:ett interaktivt verktyg som alla kan använda för att kartlägga risker som översvämningar och jordskred och hantera vattenresurser.
"Detta projekt är ett perfekt exempel på synergin mellan banbrytande satellituppdrag och det vetenskapliga samfundet", säger Brocca. "Sådana samarbeten, tillsammans med investeringar i beräkningsinfrastruktur, kommer att vara avgörande för att hantera effekterna av klimatförändringar och andra mänskliga effekter."
Forskarna började med att modellera Po-flodens dalgång och utökade sedan den digitala tvillingen till andra delar av Medelhavsområdet. Kommande projekt planerar att expandera till att täcka hela Europa, och framtida samarbeten kommer att göra det möjligt för samma principer att tillämpas över hela världen.
"Berättelsen började med ett initiativ från European Space Agency", sa Brocca. "Jag sa att vi skulle utgå från något vi känner mycket väl till. Poflodens dal är väldigt komplex – vi har Alperna, vi har snö, vilket är svårt att simulera, särskilt i oregelbunden och komplex terräng som berg. Sedan har vi dalen. med alla mänskliga aktiviteter – industri, bevattning Sedan har vi en flod och extrema händelser – översvämningar, torka och sedan flyttade vi till Medelhavet, som är ett bra ställe att undersöka extrema händelser både för mycket och för lite vatten.
Plattformens primära användningsfall är att förbättra förutsägelsen av översvämningar och jordskred och optimera förvaltningen av vattenresurser. För att få detta att fungera bättre på en mer lokal nivå kommer mer detaljerad data och mer sofistikerad modellering att behövas. Till exempel, för att maximera potentialen för en digital tvilling för jordbruket, bör dataupplösningen mätas i tiotals meter, inte hundratals.
Kända okända
Ytterligare utmaningar kvarstår. Dessa inkluderar förseningar i överföringen av satellitdata till modellen, behovet av fler markobservationer för att validera satellitdata och den ökande komplexiteten hos de algoritmer som behövs för att hantera data.
Dessutom är ingen modell perfekt, och satellitdata kan innehålla fel:osäkerheter måste karakteriseras ordentligt så att användarna har en korrekt bild av modellens tillförlitlighet. Enligt Brocca kommer artificiell intelligens och maskininlärning att ha en avgörande roll för att övervinna dessa utmaningar, genom att förbättra dataanalys, insamling och bearbetningshastighet och effektivisera bedömning av datakvalitet.
"Samarbetet mellan forskare, rymdorganisationer och beslutsfattare lovar en framtid där digitala tvillingjordar för hydrologi ger ovärderliga insikter för hållbar vattenhantering och motståndskraft mot katastrofer", avslutade Brocca.
Mer information: En digital tvilling av det terrestra vattnets kretslopp:en inblick i framtiden genom högupplösta jordobservationer, Frontiers in Science (2024). DOI:10.3389/fsci.2023.1190191
Tillhandahålls av Frontiers
