Международная группа исследователей работает над моделированием водных ресурсов на основе спутниковых данных нового поколения. Модель поможет детально симулировать наводнения и другие экстремальные явления.

Круговорот воды в природе кажется простым явлением, но из-за антропогенного воздействия, изменения климата и географических условий прогнозирование наводнений и засухи является сложной задачей. Для моделирования водных ресурсов необходимы данные очень высокого разрешения, охватывающие огромное пространство. Кроме того, нужно учитывать множество факторов, от снежных шапок гор до влажности почвы в долинах.

Коллектив исследователей при финансовой поддержке Европейского космического агентства создал максимально детализированную на сегодняшний день модель водных ресурсов в бассейне Средиземного моря. «Наша цель – создать систему, которая позволит неспециалистам, – как лицам, принимающим решения, так и обычным гражданам, – осуществлять интерактивное моделирование», – сказал доктор Лука Брокка из Национального исследовательского совета Италии, ведущий автор статьи, опубликованной в Frontiers in Science.

«Цифровой двойник» – это виртуальная модель физического объекта. Цифровой двойник Земли при постоянном обновлении данных даст возможность моделировать лучшие и худшие сценарии развития событий, оценивать риски и отслеживать развитие опасных условий.

Для создания цифровых моделей Брокка и его коллеги использовали значительный объем спутниковых данных. Учитывались свежие измерения влажности почв, осадков, испарения влаги, речного стока и глубины снежного покрова; эти данные включили измерения, которые проводились каждый час и на протяжении каждого километра. На основе этой информации учёные разработали детализированную модель, а затем интегрировали её в облачную платформу. Полученный интерактивный инструмент можно использовать для обозначения рисков, таких как наводнения и оползни, и управления водными ресурсами.

«Этот проект является прекрасным примером взаимодействия передовых спутниковых миссий и научного сообщества, – сказал Брокка. – Подобное сотрудничество в сочетании с инвестициями в вычислительную инфраструктуру будет иметь решающее значение для управления последствиями изменения климата и другим антропогенным воздействием».

Учёные начали с моделирования долины реки По, затем перешли к другим районам Средиземноморского бассейна. Планируется охватить территорию Европы, а будущие совместные проекты позволят применять разработанные принципы во всём мире.

«Эта история началась с инициативы Европейского космического агентства, – рассказал Брокка. – Я сказал, что мы должны начать с хорошо нам известного. Долина реки По очень сложная – у нас есть Альпы, у нас есть снег, который трудно моделировать, особенно на неровной и сложной местности вроде гор. Затем, мы имеем долину, в которой представлена человеческая деятельность – промышленность, ирригация. Помимо того, у нас есть река и экстремальные явления – наводнения, засуха. А далее мы перешли к Средиземному морю, которое хорошо подходит для изучения экстремальных явлений, связанных как с избытком, так и с недостатком воды».

Для того чтобы модель лучше работала на локальном уровне, потребуются более детализированные данные и более сложное моделирование. Например, чтобы максимально использовать потенциал цифрового двойника в сельском хозяйстве, разрешение данных должно измеряться десятками, а не сотнями метров. Существуют и другие сложности. К ним относятся задержки при передаче спутниковых данных, необходимость дополнительных наземных наблюдений для подтверждения спутниковых данных и возрастающая сложность алгоритмов, необходимых для обработки данных. Кроме того, спутниковые данные могут содержать ошибки. По словам Брокки, искусственный интеллект и машинное обучение будут играть ключевую роль в преодолении этих проблем за счет повышения скорости анализа, сбора и обработки данных, а также совершенствования оценки качества данных.

«Совместные усилия ученых, космических агентств и лиц, принимающих решения, обещают будущее, в котором цифровые двойники Земли в сфере гидрологии предоставят бесценную информацию для управления водными ресурсами и устойчивости к стихийным бедствиям», – заключил Брокка.

https://www.frontiersin.org/journals/science/articles/10.3389/fsci.2023.1190191/full