1998年，美国副总统戈尔的演讲中诞生了一个今天听起来依然大胆的概念：“数字地球”(Digital Earth)。当时的他只是想象，也许有一天，人们能在电脑上像浏览相册一样观察地球的每个角落。他不会想到，二十多年后，这个想法正在演变成一场改变人类与地球关系的科学革命——我们不再满足于观看地球的“照片”，而是要创造它的“活体镜像”。
这便是“数字孪生地球”(Digital Twin Earth)，一个能呼吸、会变化、能预测未来的虚拟星球。 一场跨越二十年的进化史 起点是1998年提出的“数字地球(Digital Earth)”，它如同一幅系统性的全球数字画像，旨在整合地理信息、遥感与网络技术，构建静态的地球数据框架。随后，“谷歌地球(Google Earth)”以高分辨率影像和三维地形模型，将这幅画像带入公众视野，实现了从专业工具到大众平台的跨越。
真正的范式突破始于科学家对地球“透明化”的追求。1999年诞生的“玻璃地球(Glass Earth)”概念，聚焦于揭示地下数千米的地质结构，为资源勘探提供透视般的洞察。2008年，“智慧地球(Smart Earth)”则通过物联网与传感器网络，赋予地球感知环境的“神经系统”，标志着从“描述地球”迈向“感知地球”。
然而，上述阶段仍停留在对现实地球的单向数字化。直至“数字孪生(Digital Twin)”技术融入地球科学，才开启双向互动的新篇章。2020年欧洲启动的“目标地球(Destination Earth)”计划，旨在构建一个模拟地表系统、用于气候预测与灾害评估的动态数字孪生体。
在此背景下，中国科学家提出的“元地球(Meta-Earth)”理念，则代表了一次更为根本的思想跃迁。它并非简单的数字副本，而是依托元宇宙BIGANT技术体系，构建一个虚实共生、时空贯通的共同体。元地球不仅融合了以往数字模型的功能，更突破对“现今地球”的表层关注，将“深时地球(Deep-time Earth)”重建与未来情景推演纳入统一框架，实现地球系统全周期、多圈层的耦合模拟与交互推演。
从静态的“数字画像”到感知的“智慧地球”，再到双向的“数字孪生”，最终迈向共生的“元地球”，这条演进脉络清晰勾勒出人类利用数字技术理解、模拟乃至协同地球的路径。而元地球所预示的，已不仅是技术集成，更是一场关于地球认知与交互范式的深刻变革。
图 1地球新理念和数字孪生的发展历程。图源自李三忠等 (2024) 的《元地球与数字孪生：思想突破、技术变革与范式转换》(图1)，《地学前缘》，31(1), 48. 全球视野下的数字孪生地球竞赛 2021年，欧洲航天局22个成员国部长签署宣言，决定加速实施“目标地球”计划。值得注意的是，“加速”一词在该文件中出现了16次，反映出国际社会面对气候危机与自然灾害的紧迫感。欧盟的计划侧重利用地球观测数据应对环境挑战，其三大“加速器”聚焦于气候建模、灾害预警和空间保护。
在2025年美国气象学会(AMS)年会上，地球系统数字孪生成为焦点。NOAA、NASA等机构的专家分享了进展，探讨了其应用潜力与未来挑战。会议报告对比了美国与欧盟的相关计划，并提出了启示与思考。
中国的研究路径则展现出不同的维度。“我们不只是想做真实地球的‘副本’，而是希望创造一个能够与我们对话、帮助我们决策的‘共生地球’。”中国海洋大学的科研团队在论文中如此描述“元地球”的愿景。这一路径不仅关注地表过程，更强调“深时-深地-深海”的一体化建模，形成了独特的“海底透视”技术体系。
图 2“透明海洋”立体观测网概念图。源自吴立新等 (2020) 的《“透明海洋”立体观测网构建》(图1)，《中国科学》，65(25), 2657. 构建镜像：四大技术支柱
第一支柱：全球感知神经网络的构建
数字孪生地球的“感官系统”由多源观测数据构成。据《自然综述》分析，这包括遥感数据(累计已达1.3EB)、原位观测网络、社会感知数据(占全球数据量的75%)以及模型模拟数据。中国科学家在实践中发现，仅气象卫星“向日葵8号”每分钟拍摄一张地球全景，年数据量就达100TB，是前代卫星的25倍。这些数据构成了数字孪生地球感知现实世界的神经末梢。
第二支柱：数据融合与同化的技术炼金术
海量异构数据的融合需要“大数据同化”这一技术炼金术。中国科学院团队创新性地将机器学习算法与传统数据同化方法结合，实现了多源数据的深度融合。一个典型案例是：研究人员将智能手机压力传感器数据同化到高分辨率降雨预报模型中，显著提升了短时强降雨的预测精度。这种“社会传感”数据的引入，突破了传统气象观测的空间限制。
第三支柱：地球系统机理的解构与重构
数字孪生地球的核心在于对地球系统运行机制的深度理解。中国科研团队集成了国际领先的CMG-BCC技术体系，包括：GPlates(板块重建软件)、CitcomS(地幔对流模拟)、Badlands(古地貌模拟)等专业工具。这些软件并非简单的可视化工具，而是基于物理定律、化学过程和地质原理构建的机理模型。例如，通过GPlates软件，科学家能够以百万年为单位“回放”大陆板块的离合过程;而Badlands软件则可以模拟地表侵蚀与沉积的动力学过程。
第四支柱：超算平台与人工智能的协同赋能
数字孪生地球的“大脑”由超级计算平台和人工智能算法共同构成。在中国，青岛海洋试点国家实验室的高性能科学计算与系统仿真平台为这一宏大工程提供了算力基础。与此同时，深度学习、因果推断、强化学习等人工智能技术正被用于解决地球系统的高维数、复杂性和非线性问题。正如研究人员所言：“我们需要找到将物理模型与数据驱动方法结合的最佳方式，这才是实现真正数字孪生的关键。”
图 3地球系统数字孪生组成架构图 (源自 Vance 等, 2024;由包鑫如编译) 应用前景:从科学工具到治理平台 灾害预警系统的范式革新
传统灾害预警依赖历史统计和物理模型，而数字孪生地球能够实现“虚拟推演式预警”。例如，通过构建“震-磁联合监测系统”，研究人员已在西太平洋黑潮延伸体海域布设浮标搭载磁力观测系统，实现了地震前兆信号的实时监测与回传。在数字孪生框架下，这些实时数据将与地球物理模型动态耦合，形成“监测-模拟-预警”的闭环系统。
资源勘探的认知革命
矿产资源分布遵循着深时地球演化的内在逻辑。中国科学家基于微板块理论，将全球划分为数百个微构造单元，建立了全新的全球构造格架。在数字孪生环境中，研究人员可以模拟特定地质时期成矿元素的迁移与富集过程，实现从“经验找矿”到“理论预测”的转变。这一方法已在洋中脊多金属硫化物矿床预测中显示出潜力。
碳中和路径的模拟推演
在应对气候变化的全球行动中，数字孪生地球可作为“政策实验室”。系统能够同时运行数十种不同的排放情景，评估各种减排策略对全球碳循环、温度系统和海平面的长期影响。这种多情景比较分析能力，为气候谈判和政策制定提供了前所未有的科学支持。 挑战与远方：距离完美的镜像还有多远? 然而，创造一个完美的地球镜像，仍是科学上的珠穆朗玛峰。
最大的谜题是人。我们如何量化七十亿人的选择对地球的影响?当经济波动、社会变革、技术创新这些充满不确定性的因素融入模型，方程式变得异常复杂。就像试图预测一场由亿万舞者共同演绎、舞步随时可能改变的盛大舞蹈。
还有数据的“巴别塔”问题。卫星数据说“千米级分辨率”，地面监测说“厘米级精度”，社会经济数据又是完全不同的语言。让这些数据“对话”，犹如让数百个使用不同语言的专家共同完成一首交响乐。
但或许，数字孪生地球最深刻的意义，不在于它最终能否成为完美的镜像，而在于这个尝试过程本身——它标志着人类认知地球的方式，正从“外部观察”转向“深度理解”，从“被动适应”转向“主动塑造”。
当地球有了它的数字镜像，我们不仅是在建造一个科学工具，更是在创造一种新的关系：一种基于深度理解、双向反馈、共同演化的地球伙伴关系。在这个虚拟与真实交织的新空间里，我们每个人都将看到，自己每日的选择如何汇入地球命运的洪流。
这场为地球创造镜像的壮丽工程，正在重新定义何谓人类的智慧——它不仅是征服自然的能力，更是与这颗蓝色星球和谐共生的艺术。 结语 数字孪生地球的构建，不仅是一场技术的远征，更是一次人类认知的深刻跃迁。它为我们提供了一面前所未有的“行星之镜”，让我们得以窥见地球系统复杂而精密的运行机理，并预演自身行为在其上激起的漫长回响。当虚拟的推演照进现实的决策，我们正从一个被动的观察者，转变为一个能与地球系统深度对话、共同进化的责任伙伴。这面镜子最终映照出的，是人类能否以智慧和远见，引领这场虚实共生的文明成年礼。
本文由海洋负排放(ONCE)国际大科学计划、厦门大学碳中和创新研究中心支持。
参考文献
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