近日，《國家科學(xué)評論》在線發(fā)表了清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點實驗室崔一飛副教授和李堯助理研究員以及德國地學(xué)研究中心（GFZ）唐輝研究員關(guān)于冰凍圈災(zāi)害預(yù)警平臺的觀點文章“A digital-twin platform for cryospheric disaster warning”。

全球氣候變暖是當(dāng)前人類生存面臨的共同挑戰(zhàn)。不斷升高的氣溫與頻發(fā)的極端氣象事件，對冰凍圈環(huán)境，特別是冰川產(chǎn)生了顯著影響。據(jù)統(tǒng)計，全球高寒地區(qū)共分布有約20萬條冰川，其中大部分正經(jīng)歷加速物質(zhì)損失過程。退縮的冰川不僅促進了懸冰川發(fā)育，也導(dǎo)致冰湖擴張、冰磧物暴露，為冰巖崩、冰湖潰決-洪水、冰川泥石流等災(zāi)害發(fā)育提供條件。這些災(zāi)害事件對高亞洲、安第斯、阿爾卑斯等山區(qū)數(shù)以億計依賴冰川融水生產(chǎn)生活的居民造成嚴重威脅。因此，建立有效的冰川災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警平臺，已成為冰凍圈防災(zāi)減災(zāi)的迫切需求。

作者首先從傳統(tǒng)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的角度，總結(jié)了當(dāng)前災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的現(xiàn)狀與瓶頸：預(yù)警模型自我更新能力弱，災(zāi)害全過程、多階段、分級預(yù)警自動化程度低?；谝陨掀款i，結(jié)合冰凍圈災(zāi)害獨特的發(fā)育演化特征，作者進一步概括了冰凍圈災(zāi)害預(yù)警平臺構(gòu)建需要面臨的四大挑戰(zhàn)：（1）建立多源傳感器共聯(lián)、高速穩(wěn)定信息傳輸機制；（2）建立基于多源實時數(shù)據(jù)的災(zāi)害信息提取算法庫與高效數(shù)據(jù)存儲平臺；（3）構(gòu)建基于災(zāi)害全過程、多階段反演信息的物理過程模擬方法；（4）實現(xiàn)災(zāi)害中長期預(yù)測、災(zāi)中快速模擬、定量風(fēng)險評估、預(yù)警決策分析、預(yù)警發(fā)布等完整的可視化工作流程。

針對以上挑戰(zhàn)，作者建議引入數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建冰凍圈災(zāi)害預(yù)警平臺。該平臺不僅可集成災(zāi)害發(fā)育、運動、致災(zāi)全過程實時監(jiān)測、信息提取、過程模擬和風(fēng)險分析模塊，還能為算法高速穩(wěn)定執(zhí)行、可視化渲染提供超級算力支撐，保障基于災(zāi)害風(fēng)險的全過程預(yù)警需求。然而，當(dāng)前關(guān)于冰川災(zāi)害形成演化、運動致災(zāi)過程的認識局限，是阻礙平臺構(gòu)建與順利實施的主要瓶頸。因此，作者展望未來的工作主要包括（但不局限于）以下幾個方面：建立可拓展/開放式平臺基礎(chǔ)框架、優(yōu)化現(xiàn)有多源數(shù)據(jù)監(jiān)測方案、加強復(fù)雜環(huán)境冰凍圈災(zāi)害弱信息提取算法研發(fā)、構(gòu)建基于非接觸震動信號的數(shù)值模擬技術(shù)等。

基于數(shù)字孿生平臺的冰凍圈災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)概念框架

研究表明，全球氣候變暖在未來仍將持續(xù)驅(qū)動冰川地貌失穩(wěn)過程，擴大冰凍圈災(zāi)害風(fēng)險。該觀點文章提出的災(zāi)前預(yù)測、災(zāi)中預(yù)警、災(zāi)后評估的全過程數(shù)字孿生平臺解決方案，為冰凍圈災(zāi)害預(yù)警提供了新思路，有望為未來氣候變化下冰凍圈災(zāi)害風(fēng)險防控提供支撐。

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Cui et al. A digital-twin platform for cryospheric disaster warning.
National Science Review, 2024, 11: nwae300.
doi：10.1093/nsr/nwae300