未來的地球的真實面貌（未來地球什麼樣）

2023-09-17 04:34:22

今年，地球似乎變得很「極端」：

地球怎麼了？我們迫切地需要「讀懂」地球，弄清楚地球系統運轉的機理，明白人類活動如何影響地球系統。然而地球系統是個超級複雜的系統，要探究它的過去、現在和未來，談何容易。

當今世界公認最為重要的地球系統研究工具是「地球模擬器」，通過在專用超級計算機上運行地球系統模式（模型），計算出地球各圈層的運動變化規律，從而反演地球的過去、觀察地球的現在、預測地球的未來。

長期以來，美國、日本等發達國家在地球模擬科學特別是在全球氣候變化領域具有主導權和話語權，這在很大程度上得益於上述國家早已提出或建設了自己的地球系統模擬計劃。

這個「模擬器」現在我們國家也有了！

我們國家已經建設了這樣一套大科學裝置——「地球系統數值模擬裝置」。它有個暱稱——「寰」，是我國首個具有自主智慧財產權，以地球系統各圈層數值模擬軟體為核心，軟硬體指標相適應，規模及綜合技術水平位於世界前列的高性能模擬裝置。它能服務於氣候變化、生態環境建設、「雙碳」目標、防災減災等國家重大需求。

科學家們建設地球模擬器的初心是為了更好地解讀地球， 所謂「解讀」，包括「解」和「讀」兩部分。在「解」的部分，科學家不斷地研究地球系統的各種規律，建立並不斷優化模型，用數值方法把地球算個明白，追求高精確度的計算結果。這個過程就好比在給地球「算命」。

有了計算結果後，就需要「讀」了。然而，科學數據是不那麼容易讀懂的。

下面是模擬計算出的1850年到2100年北極逐月海冰密集度數據的千分之一（2022年10月~12月）：

從這密密麻麻的數據裡，你能看出什麼規律？又能否推測出未來北極海冰的情況？

海量數據已經超出了普通人的認知和理解能力，為了讓解讀被真正「看見」、「讀懂」，需要藉助可視化技術手段，讓隱藏在數據中的「密碼」直觀呈現，因為一圖勝千言，人類80%的信息來源於視覺。

通過下面這個圖，我們可以直觀地看到，這次模擬數據所揭示的北極海冰消融情況。

北極海冰消融 圖片來源：中科院計算機網絡信息中心

這就是科學可視化的「威力」。模擬的精度越來越高，產出數據的規模也越來越大，動輒一次模擬產出數據可達GB級、TB級甚至PB級。直觀、可交互的科學數據可視化就可以將海量複雜的科學數據形象化，更有助於科學家對數據進行理解與分析，同時也可以拉近公眾與科學之間的距離。

科學可視化最初稱為「科學計算的可視化」，是可視化領域歷史最久遠的一門學科。它以視覺形式來表達複雜的科學數據所隱含的特徵信息，是一種對原始科學數據進行理解和解釋的手段。

你知道下圖是什麼？

「鳳凰涅槃」——黑洞吸積盤流場可視化 圖片來源：中國科學院計算機網絡信息中心

這個圖是黑洞吸積盤的縱切面，利用熱圖、流線展示黑洞吸積盤縱切面上能量和力場的分布情況。圓盤中心點為黑洞，彩色的線表示黑洞周圍的流場，線的顏色表示當前點的速度，紅色速度快、藍色速度慢，通過可視化可清晰地看到黑洞吸積盤上物質的運行狀態。

讓我們繼續看看科學可視化在科學研究中的應用吧：

1. 在天文研究領域，科學可視化可以為探究宇宙起源的天文學家呈現宇宙演化過程、描繪宇宙結構。

宇宙結構可視化 圖片來源：中科院計算機網絡信息中心

說明：圖示逐步放大的圖像展示了宇宙從混沌均勻狀態演化為具有絮狀結構分布的過程。亮度代表物質分布，顏色代表能量分布。

2.在腦科學領域，科學可視化可以數位化呈現腦區三維結構，支持腦區結構連通性和功能相關性的探索分析。

腦網絡組圖譜可視分析 圖片來源：中科院計算機網絡信息中心

說明：大腦是一種複雜的生物器官，圖示呈現了宏觀尺度下大腦皮層腦區結構、腦區結構和功能間的關聯關係，這可以幫助研究人員更準確地對大腦結構進行探索分析。

3. 在流體力學領域，科學可視化可以展現數值風洞流場特徵，為飛機、列車等的設計提供參考信息。

伴隨燃燒過程的空氣湍流的空間速度分布可視化 圖片來源：中國科學院計算機網絡信息中心

說明：圖示的流線為空氣湍流的空間速度分布，線的顏色表示速度的大小。直觀的可視化結果有助於對內部流動和燃燒過程的深入觀察與分析，以幫助研究人員發現宏觀實驗觀測難以發現的新規律新現象。

總之，科學可視化用圖形圖像直觀地展現隱藏在數據中的規律，加速科學探索與發現，是分析數據不可或缺的關鍵手段，也同時為公眾帶來了科普的視覺盛宴

大科學裝置「寰」中專門建設了可視化系統，它是一套軟硬體一體化系統，服務於裝置數據的可視分析與展示需求，由中科院計算機網絡信息中心負責建設完成。

這套可視分析系統有什麼特別呢？

1. 超算並行可視化。採用並行可視化技術，將原來在桌面上運行的可視化算法移到超級計算機上，以前需要幾個小時來完成的可視化處理計算任務，現在只需要幾分鐘甚至幾秒鐘就能完成。

2. 遠程實時響應。可視分析系統與模擬裝置緊密融合，科學家們不用把數據下載到桌面就可以對上GB甚至上TB的數據進行可視化交互，實時定位模擬計算中潛藏的科學規律或者異常現象。

3. 虛實融合互動。與先進的虛擬實境技術相結合，通過虛實融合的立體眼鏡將虛擬的數據投射到現實空間中來，讓科學家以酷炫的方式與自己的研究成果互動，將可視化的分析結果與同行在虛擬空間中分享。

有了這套系統，科學家就可以更好地解讀地球了（他們的結論，你也看得懂了）：

1.看得見的「地球」

在「寰」的科普展廳中建有一個直徑3米的「地球」，裝置計算產生的模擬數據，通過可視化軟體可以在這個「地球」上實時顯示。工業革命以來的氣溫變化、北極冰蓋的消融過程、人類活動不加以控制條件下的碳排放情況，我們都能從這個「地球」上看到。

打開「上帝」視角，在「地球」上，可以看到多個模式數據的「西瓜皮」方式顯示亦或某個模式的完整顯示，可以通過手機或者透明屏和「地球」互動。

2. 海洋環流模式

模式研究人員計算出的全球海洋環流模式數據，解析度高，數據中蘊含著很多細節，通過應用高精度特徵流場可視化方法，這些隱秘的細節特徵得到了精彩呈現。

全球海洋環流的可視化 來源：中科院計算機網絡信息中心

3. 大氣環流模式

天空中的雲變幻莫測，大氣環流模式，能夠模擬雲量變化。結合可視化軟體提供的變量派生計算功能以及就地可視化架構，基於海量模式數據的雲量可視化交互操作比以往更加快速便捷。

全球雲量分布 來源：中科院計算機網絡信息中心

4. 氣溶膠

科學家有時希望同時查看多種變量，以分析其關聯性或分布特徵，比如氣溶膠。多變量可視化方法的引入，將有限的顏色空間充分對應到不同的物理變量，提升了數據的可見性。

全球氣溶膠多變量分布 來源：中科院計算機網絡信息中心

5. 當科學遇上虛擬實境

科學也可以很酷，在大科學裝置「寰」中，科學可視化和虛擬實境技術相遇，為裝置的數據分析與科普帶來了新的形態和新的可能，要知道科學家本來研究的就是三維的世界，虛擬實境技術可以讓科學家跳進三維中來探究科學的秘密。

我國南海地區的海洋環流到底是什麼樣子？戴上眼鏡沉入海底，可以一探究竟，感受下渦旋在身邊環繞。

體驗人員頭戴VR眼鏡沉浸式分析海洋環流模擬數據

這個應用是基於全球海洋環流模式模擬數據製作的，全球海洋就在腳下，還可以深入海底，近距離全方位的觀察渦旋的結構和運動。

沉浸式海底渦旋探索

地球系統數值模擬裝置已建設完成並於近日通過國家驗收，它將顯著提升氣象和海洋狀況預報、災害預警預報能力，使我國防災減災水平躍升到新高度，從中長期看，也能給國家實施生態文明、「一帶一路」、碳中和等提供強有力的科技支撐。

解讀地球的任務任重道遠，可視化作為數據到知識之間的橋梁，也在不斷地自我優化，為科學數據提供更易用的工具，更直觀的展示形式和更友好的交互。

作者：GPVis（中國科學院計算機網絡信息中心）