AI可能让天气预报更加精准

Members of the Emergency Operations Committee (COE) monitor the trayectory of Tropical Storm Erika via satellite in Santo Domingo, August 28, 2015. Tropical Storm Erika threatened Haiti and the Dominican Republic with heavy rain and strong winds on Friday as it swirled across the Caribbean and geared up for a run at South Florida, the U.S. National Hurricane Center said. Due to some likely weakening over mountainous areas, Erika was no longer forecast to make U.S. landfall as a hurricane. REUTERS/Ricardo Rojas - GF10000185479
Some areas experience more rapid changing weather than others.Image: REUTERS/Ricardo Rojas
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能够精准识别天气快速变化区域的人工智能,可能带来更精准的天气预报。

在某些地理区域,天气变化比其他地方快得多、剧烈得多,这意味着现有天气预测模型可能速度慢且效率低下。

在一项新研究中,研究人员利用一种基于自然选择的人工智能模型,找出美国本土温度变化更难预测且波动更大的区域,以便将计算资源集中于这些区域。

由此得出的温度预测算法与现有模型相当或更优,但所需计算能力更少。

更好的短期天气预报

宾夕法尼亚州立大学地理、气象与大气科学教授、网络科学研究所副主任圭多·策尔沃内(Guido Cervone)表示,这项工作可能为解决气象学中最棘手的难题之一——开发更精准的短期预报——提供方案。

“我们的方法有助于将现有计算资源集中投向更难预测的区域,这反过来应有助于生成更好的短期预报,”策尔沃内说。“数值天气预报是计算需求最大的问题之一,其对社会的影响十分深远。”

地理学专业博士生胡伟明(Weiming Hu)表示,目前的天气图被划分为美国境内约20万个网格点的简单网格。天气预报员使用计算机分析这些区域的天气形势时,计算能力被平均分配给各个网格点,而每个网格点约代表直径11公里(7英里)的区域。虽然这听起来像是常识,但胡伟明指出,这种地图并未反映天气预测在计算上的实际情况。地形、海拔、与水体的远近以及其他众多因素都可能扰乱天气形势,使某些区域的预测难度大大增加。

“比如说,如果你想到爱荷华州,它很少会在数十公里范围内经历天气形势的巨大变化,而其他一些地方则不然,因为那里的地形相对简单,你可以使用一些非常简单的插值法,也就是估算,来对未来的气温做出一些很好的判断,”胡伟明说。

“但在落基山脉,你可能只需行进几公里,就能从平原到达山峰,而这在你试图预测天气形势时会带来极大的变化。我们想要解决的问题是,如何找出那些更重要或更值得关注的区域,在这些特定区域中,我们需要更高的分辨率或更精准的天气预报。”

运用遗传算法

研究人员使用遗传算法来帮助创建更灵活的网格,将计算分析集中于天气形势复杂、变化迅速的网格上。在天气较为平稳的美国其他地区,则可以扩展网格。

胡伟明表示,遗传算法程序是一种大致基于生物进化原理的机器学习模型。在生物进化中,在某一环境中生存下来的个体只是众多尝试在此生存者中的少数。同样,在遗传编程中,数百或数千个潜在解决方案会被测试,以筛选出更优的方案,例如在本研究中,即筛选出需要更精细网格的区域。

胡伟明补充说,遗传算法旨在提供良好的解决方案,而非完美的解决方案。

“遗传算法不能保证找到最佳解决方案,但确实能保证更快地找到更优的解决方案,”胡伟明说。“以预测气温变化这类问题为例,你可能并不在意找到终极解决方案,因为其结果可能只是29.56度与29.55度之间的差别。这对普通人来说大概不会有什么影响。”

虽然研究人员的研究专门考察了气温变化,但胡伟明表示,未来研究人员可以在降水和云量等其他天气状况上测试该模型。

研究结果发表于《计算机与地球科学》期刊。美国国家科学基金会资助了这项工作。

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