海洋数字孪生：加强海洋治理，实现可持续发展

此前，欧盟（EU）和联合国（UN）启动了海洋数字孪生（Digital Twin of the Ocean，DTO）项目，旨在开发创新的海洋学解决方案。

海洋未来模拟

这么做的目的是通过结合与海洋相关的所有可用资源，对海洋或者部分海洋进行高分辨率的模拟。通过使用高性能计算、数据分析和人工智能（AI）技术，可以整合各种数据和模型，并将其转化为可使用的信息，为决策提供支持。

DTO计划旨在提供对海洋当前状态准确且全面的描述，并帮助预测海洋未来的演变，因此，这既是一个连续的、实时的监测（从海岸到远海，从表面到深海），也是一个模拟环境，用于创建可能的未来模型，创建“假设”情景，以分析例如气候变化和人类活动对海洋生态系统的影响，或者减少气候风险措施可能带来的影响。

通过把不同来源的数据和模型汇集在一个单一的、可访问的、交互式的框架中，这一举措可促进科学合作、涉及自然科学、经济学和人文社会科学的跨学科方法，有助于共同打造解决方案。

使用海洋信息的数字框架

2020年9月，欧盟委员会发布了“Transparent and Accessible Seas and Oceans: Towards a Digital Twin of the Ocean”倡议。这个欧洲版的DTO计划旨在帮助欧盟委员会实现在绿色协议和数字化方面做出的承诺，开发非常高精度的地球数字模型（Destination Earth Initiative项目）。根据欧盟委员会估计，第一个版本将在2024年之前投入使用。

与此同时，联合国也宣布2021年是“海洋十年”（Decade of the Ocean）的开始。该计划的十大挑战之一，就是创建海洋的综合数字化虚拟体，目的是帮助国际社会实施可持续发展目标的第14条：“保护和可持续利用海洋、海洋资源”。

在这个背景之下，由德国基尔市海洋学研究中心GEOMAR管理的DITTO计划（“海洋数字孪生”）提出了建立和推进单一的、开放的、共享的数字框架，其中，建模、模拟、人工智能算法和其他技术将帮助海洋专业人士能够以可视化的方式，处理和分析所有类型的海洋数据。

该框架包含了一个基础的数字孪生，让用户（包括科学家、政府、联合国系统、民间社会）创建自己的本地或专有的孪生、测试场景以解决特定问题（例如商船数量的增加，对一定时期内某一海域的酸化程度和对珊瑚礁的影响）变成一种可能。

该计划的第一步，就是针对研究人员和实操海洋学感兴趣的几个场景，开发出多个数字孪生的原型。

DITTO计划下的里海（Caspian Sea）数字孪生项目已经启动了，将一直持续到2027年。Caspian Sea Data Centre将集中最新的数据归档、水动力模型、大气再分析、电子地图集、科学出版物等信息。

海洋数字孪生的构成

DTO是基于多个技术块和共享数据管理原则构建的。

首先，海洋和空间观测系统提供了现场数据、卫星数据以及海洋模型。观测网络为数字孪生提供信息并对其进行更新，反过来数字孪生又可以为它们提供信息并对其进行优化，从而形成一个“良性循环”。

其次，数据基础设施确保开放且公平的访问、海洋观测站之间的互连、以及所有可用数据的整合，这些数据来自船舶或海上自主系统的原位测量、卫星观测、来自多个学科的历史数据、以及来自工业或公民科学的数据等等。这个基础设施依赖于高性能计算能力，部分是在云中，还有一个定义数据交换标准和协议的治理框架。

DTO还集成了基于人工智能和机器学习的预测分析和建模工具，以处理数据和测试不同的场景。DTO还有一个界面，让用户可以根据需求查看、交互和自定义数据和模型。

因此，未来欧洲的DTO必须与当前欧盟的海洋观测能力（欧洲舰队、科研船只、EuroArgo自主系统等）以及成员国的海洋数据、建模和预测基础设施相互兼容，而后者主要是基于European Marine Observation and Data Network（EMODNet）和Copernicus Marine Service（CMEMS）的。

此外，DTO还应该允许实施数据的标准化，尊重欧盟认可的原则，例如FAIR原则（可查找、可访问、可互操作和可重复使用）。

海洋数字孪生正在帮助我们加深对海洋的了解，提高持续监测海洋的能力，让我们能够预测海洋的演变，并以可持续的方式管理海洋资源。这是一个独特的未来治理工具，适用于地球这一广阔地区，在气候、经济、生物多样性和粮食方面都是至关重要的。