中国科学院院士、北京大学环境科学与工程学院院长朱彤：数字孪生为预测未来环境和气候变化提供有力工具

“关于绿色发展，我们需要不断回顾联合国提出的2030年可持续发展目标。”2月25日，中国科学院院士、北京大学环境科学与工程学院院长朱彤在第二届中国数字碳中和高峰论坛演讲中直言，“这17个目标，到今天为止还有很大挑战”。

 

例如，空气污染和气候变化是人类社会共同面临的重大挑战，对人体健康具有很大危害。在“双碳”契机下，如何助推数字技术赋能改善生态环境、保护人体健康？

 

“传统的物理模型在预测预报中存在很多未解的不确定性的因素，因此还需要大量观测数据。”朱彤表示，只有将数字模型和大量数据融合起来，才有可能更加准确模拟地球发生了什么以及预测未来会发生什么样的现象，由此就派生出“数字孪生地球”的概念。

 

“我们正在做的就是在地球模拟实验室里，把科学家开发出来的空气质量模型等用到上面去。不光是一个模型本身，而是和更大的地球系统的变化结合起来。”朱彤接受《每日经济新闻》记者采访表示，数字孪生——观测数据与模型的融合为预测未来环境和气候变化提供了有力的工具，同时，暴露组学与多种组学的大数据关联，在揭示环境对健康影响及其预防措施发挥着越来越重要的作用。

 

“数字孪生地球”更好预测未来

“空气污染、气候变化的预报、预测对保护人体健康至关重要。”朱彤分析指出，气候变化可以从多个维度影响健康，比如不适宜的温度、虫媒传媒疾病、极端天气等等。

 

“为了知道空气污染、气候变化对人体健康的危害，科学家发展了大量的数字模型来预测、预报、预警。”朱彤表示，这些数字模型在区域乃至全球不同的尺度，都可以模拟出PM2.5或气温的变化。

 

与此同时，人们也意识到传统的物理模型在预测预报里有很多未解的不确定性的因素。而大量的观测，比如卫星遥感和地面观测网络等可以获得对地球整个环境认知的大量数据，由此就派生出“数字孪生地球”的概念。

 

“比如中科院建立了可持续发展大数据国际研究中心，北京大学也在国家自然基金委的支持下建立了大气复合污染综合数据共享平台等，这些都是在打破数据孤岛，获得大量数据能为数字模型模拟起到非常重要的支撑作用。”朱彤表示。

 

“另一个非常令人振奋的消息是，我们终于有了中国的地球系统模拟实验室。”朱彤介绍，由中国科学院大气物理研究所和清华大学共同建设的“地球系统数值模拟装置”——“寰”，研究地球系统大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈、生物圈等各圈层之间的相互联系、相互作用，“这种数字模型和数据的融合将是我们的未来”。

 

“公众的参与非常重要”

反过来看，环境如何影响每个人的健康水平？

 

朱彤指出，人体健康大概有90%跟环境有关。通过暴露组学（人在生命周期中暴露多种污染物的特征），有望实现对人的一生的追踪——包括吃饭、呼吸、饮用水等到底有多少污染物进入人体，从胎儿到老年每个阶段都可以预测。

 

“暴露组学发展以后，对大数据、传感器以及数据分析等都提出了更高挑战，这也为科学研究提供了非常重要的基础。”朱彤分析道，“比如我们对糖尿病、慢阻肺疾病受空气污染影响的分析，把暴露组学的关联跟多种组学结合起来，可以识别出很重要的化学成分，它是怎么通过大气PM2.5进入人体，对呼吸系统、循环系统的炎症产生影响等。

 

再比如，通过传感器、穿戴式设备等采集的个体生物标本，与基因组学、表观组学、转录组学、蛋白组学、代谢组学等各种分析结合起来，识别出每一种暴露可能对人体健康产生的危害。

 

在数字赋能改善环境、保护健康方面，城市需要做哪些努力？

 

朱彤建议，未来城市不管是强调数字化或是低碳城市、健康城市等，都应该把这些目标融合起来。比如低碳城市，不仅仅包括“低碳”，还应同时考虑到能源结构、交通出行以及城市电网、新能源基础设施配套等方面。

 

此外，当天举行的第二届中国数字碳中和高峰论坛还发布了多个数字碳中和领域最新成果，包括数字碳中和认知中心公益平台筹备启动，《中国碳普惠发展与实践案例研究报告》、“2022数字碳中和案例征集活动”成果和“碳减排数字账本”发布等。

 

“让我印象深刻的是，有越来越多能够让公众参与的数字化平台，并提供个性化的数字体验。”在朱彤看来，公众的参与非常重要，“让大家切身感受到自己与气候变化、碳排放以及相关政策制定是密不可分的”。