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冰冻圈"大数据+AI+模型"耦合研究范式探索OA

Exploration of An Integrated"Big Data+AI+Modeling"Research Paradigm for Cryosphere Studies

中文摘要英文摘要

[目的]冰冻圈作为地球圈层系统的重要部分,其多要素非线性联动、跨圈层耦合及灾害链对全球气候、水文循环及生态安全具有深刻影响.传统物理模型在多尺度、多要素联动表征冰冻圈变化方面存在局限,亟需建立新的科学研究范式来满足冰冻圈大尺度变化监测、快速演变解析及灾害预警等实际需求.[方法]本文提出了"大数据+AI+模型"冰冻圈研究新范式,研发了支持该范式研究的全球冰冻圈研究引擎(Global Cryosphere research En-gine,GCE),形成了数据管理、模型构建、AI算法应用、任务流程编排等全链条一体化平台,具备多源异构数据融合、跨语言模型协同、高性能计算调度与智能分析能力.[结论]基于GCE平台,实现了"物理模型嵌入AI""AI嵌入物理模型""数据驱动耦合AI的参数优化"模式的构建,并围绕青藏高原土壤水分模拟试验,建立了"观测数据+深度学习(分层LSTM)+物理模型(Noah-MP)"多要素联动框架,土壤水分分层模拟结果与实测值的平均相关系数超过0.8,显著高于Noah模型.研究表明,物理模型融合人工智能的研究范式可有效刻画冰冻圈过程,验证了GCE平台的可用性,可为生态环境、冰冻圈灾害等新范式研究提供环境支持,推动冰冻圈向跨区域多要素联动的智能化研究深入.

[Objective]As a vital component of Earth's system,the cryosphere profoundly impacts global climate,hydrolog-ical cycles,and ecological security through multi-element nonlinear interactions,cross-sphere couplings,and long disaster chains.Traditional physical models exhibit limitations in characterizing multi-scale cryospheric changes,failing to meet practical needs for large-scale monitoring,rapid evolution analysis,and hazard early-warning.[Methods]This paper proposes a"Big Data+AI+Model"research paradigm for cryospheric studies and develops the Global Cryosphere research Engine(GCE)to support this framework.The GCE forms an integrated platform encompassing data management,model construction,AI algorithm application,and task workflow or-chestration,with capabilities for multi-source heterogeneous data fusion,cross-language model collaboration,high-performance computing scheduling,and intelligent analysis.[Conclusions]Based on the GCE platform,model construction approaches such as"embedding AI into physical models","embedding physical models into AI",and"data-driven parameter optimization coupled with AI"have been implemented.Focusing on soil mois-ture simulation experiments over the Tibetan Plateau,a novel multi-element interaction framework integrating"observation data+deep learning(hierarchical LSTM)+physical model(Noah-MP)"was developed.The average correlation between simulated and observed layered soil moisture exceeded 0.8,significantly outperforming the Noah model.The results demonstrate the feasibility of a research paradigm that combines data-driven approach-es,physical model support,and artificial intelligence to effectively characterize cryospheric processes,while also validating the utility of the GCE platform.This framework can provide a supportive environment for new re-search paradigms in ecological environments and cryospheric disasters,promoting intelligent cryospheric re-search with cross-regional multi-element interactions.

张耀南;刘景琦;康建芳;南卓铜;田文彪;敏玉芳;赵书萍;王保得

中国科学院西北生态环境资源研究院,甘肃 兰州 730030||国家冰川冻土沙漠科学数据中心,甘肃 兰州 730030中国科学院西北生态环境资源研究院,甘肃 兰州 730030||国家冰川冻土沙漠科学数据中心,甘肃 兰州 730030||中国科学院大学,北京 100049中国科学院西北生态环境资源研究院,甘肃 兰州 730030||国家冰川冻土沙漠科学数据中心,甘肃 兰州 730030||中国科学院大学,北京 100049南京师范大学,江苏 南京 210023南京师范大学,江苏 南京 210023中国科学院西北生态环境资源研究院,甘肃 兰州 730030||国家冰川冻土沙漠科学数据中心,甘肃 兰州 730030南京师范大学,江苏 南京 210023中国科学院新疆生态与地理研究所,新疆 乌鲁木齐 830011||干旱区生态安全与可持续发展全国重点实验室,新疆 乌鲁木齐 830011

冰冻圈大数据人工智能模型冰冻圈研究引擎GCE

cryospherebig dataAImodelGCE(Global Cryosphere research Engine)

《数据与计算发展前沿》 2026 (2)

3-14,12

国家重点研发计划(2022YFF0711704)2022年度新疆交通运输行业科技项目(2022-ZD-006)新疆交投2021年揭榜挂帅科技项目(ZKXFWCG2022060004)新疆交通设计院公司科研基金(KY2022041101)新疆维吾尔自治区科技支疆项目(2024E02030)

10.11871/jfdc.issn.2096-742X.2026.02.001

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