獨(dú)特的降雨預(yù)報(bào)方法

伍茲霍爾海洋研究所的科學(xué)家雷·施密特和他的兩個(gè)雙胞胎兒子在降雨預(yù)報(bào)競賽中獲得最高獎(jiǎng)。

7～10天的天氣預(yù)測，能夠幫助人們規(guī)劃日常生活，但是當(dāng)涉及季節(jié)或者數(shù)周的天氣預(yù)測時(shí)，例如 3周到3個(gè)月的天氣預(yù)報(bào)，我們就不能借助于晚間新聞來獲得這方面的信息，這種中長期的天氣預(yù)測，可能跟我們有更多的利害關(guān)系。例如，干旱可能使數(shù)百萬人面臨糧食不安全和水資源短缺方面的風(fēng)險(xiǎn)，極端洪水和颶風(fēng)可能會(huì)對社區(qū)、企業(yè)和市政基礎(chǔ)設(shè)施造成破壞。

當(dāng)伍茲霍爾海洋研究所的科學(xué)家雷·施密特聽說美國政府贊助旨在改善中長期天氣預(yù)報(bào)的競賽時(shí)，他希望進(jìn)入。作為一名氣候科學(xué)家，他在預(yù)測非洲地區(qū)和美國中西部的中長期降雨方面一直處于領(lǐng)先地位。

“在2016年圣誕節(jié)前幾天，我收到了伍茲霍爾海洋研究所同事史蒂夫·埃爾加的一封電子郵件，該電子郵件告訴我美國國墾局剛剛公布了關(guān)于天氣預(yù)報(bào)的競賽?！崩住な┟芴卣f， “如果能夠在天氣預(yù)報(bào)競賽中為美國西部提供一年中最精準(zhǔn)的降雨預(yù)報(bào)，他們就會(huì)提供巨額獎(jiǎng)金?！?/p>

對雷·施密特來說，參加競賽是對他數(shù)十年來獨(dú)特降雨預(yù)報(bào)技術(shù)的一種檢驗(yàn)，幾十年來他一直在伍茲霍爾海洋研究所潛心研究該技術(shù)。他預(yù)報(bào)方法的獨(dú)特之處，不是根據(jù)大多數(shù)預(yù)測所關(guān)注的厄爾尼諾現(xiàn)象進(jìn)行中長期季節(jié)性預(yù)測，而是將海洋中的鹽度作為天然雨量計(jì)來預(yù)報(bào)。

根據(jù)海洋中的鹽度預(yù)測降雨

1993年，一個(gè)想法始終縈繞在雷·施密特的心頭，在密西西比河和密蘇里河洪水泛濫之后，他注意到墨西哥灣流有鹽度異常低的報(bào)道。

“由于所有洪水流入海洋之后，都使入流處的海洋的含鹽度降低，水和鹽相互作用的規(guī)律使海水的某些部分在洪水之前會(huì)變得更咸。許多淡水不得不提前離開海洋，為陸地提供額外的降雨。”雷·施密特說。海洋某區(qū)域離開的淡水量必須等于陸地某區(qū)域獲得的降雨量，海洋的大部分地區(qū)會(huì)因?yàn)檎舭l(fā)而失去淡水，以便為陸地提供降雨的水源，蒸發(fā)必然會(huì)使海洋表面變得比正常情況更加咸。 他說：“考慮到這個(gè)基本概念，我開始研究海洋的高鹽度區(qū)域，看看鹽度的變化是否可以用來預(yù)測降雨量。”

截至2016年5月，研究取得了豐碩的成果。雷·施密特和來芳·里是伍茲霍爾海洋研究所的物理海洋學(xué)博士后學(xué)者，他們聯(lián)合另外兩名學(xué)者，共同發(fā)表了多項(xiàng)研究成果，研究表明亞熱帶大西洋的春季高鹽度與非洲薩赫勒地區(qū)夏季降水增加密切相關(guān)。眾所周知，即使是降雨模式的一個(gè)微小變化，也可能會(huì)成為數(shù)百萬人生死攸關(guān)的問題。

研究人員還成功地將該技術(shù)應(yīng)用于美國中西部的夏季降雨預(yù)測方面。來芳·里和其他研究人員發(fā)現(xiàn)，美國中西部地區(qū)的夏季降雨與北大西洋西部的春季鹽度有關(guān)。這意味著如果從科德角、馬薩諸塞州到墨西哥灣的水在春季變咸，則美國中西部將會(huì)在夏季發(fā)生洪水泛濫。

父子團(tuán)隊(duì)參加競賽

雷·施密特的想法在保守的同行評(píng)審員們看來是不受歡迎的。到2016年秋季，經(jīng)過多次提案和3項(xiàng)已發(fā)表的研究，他仍然沒有資金用于他的研究。但這并沒有改變他對進(jìn)入天氣預(yù)報(bào)競賽的想法。

雷·施密特說：“這次比賽要求對整整一年的情況進(jìn)行最精準(zhǔn)的預(yù)測?！彼忉屨f，每兩周，他們必須預(yù)測未來第3周和第4周美國西部所有地區(qū)的總降雨量，以及未來第5周和第6周的降雨情況。

除了他的獨(dú)特預(yù)報(bào)方法之外，雷·施密特團(tuán)隊(duì)還有兩個(gè)特殊成員，他覺得可能會(huì)增加他贏得比賽的概率：他的雙胞胎兒子答應(yīng)與他共同參加比賽。

一個(gè)兒子叫埃里克，是一個(gè)曾涉足人工智能（AI）領(lǐng)域的機(jī)械工程師，另一個(gè)兒子是計(jì)算機(jī)程序員斯蒂芬，他有工程技術(shù)方面的經(jīng)歷，使他能夠利用歷史海洋數(shù)據(jù)創(chuàng)建AI模型，這將為他們在即將參加的天氣預(yù)報(bào)競賽中提供方便。

父子團(tuán)隊(duì)就這樣誕生了。他們共同工作，在整個(gè)2017年，他們編制計(jì)算機(jī)代碼，以建立他們的“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”降雨預(yù)報(bào)模型。埃里克設(shè)計(jì)了人工智能算法，斯蒂芬為算法進(jìn)行編碼，并在家用計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。

父子團(tuán)隊(duì)于2017年4月下旬開始提交預(yù)報(bào)模型，大約1個(gè)月后，雷·施密特收到了一封來自美國國墾局的電子郵件。“我們的預(yù)報(bào)結(jié)果非常準(zhǔn)確，一直處于領(lǐng)先地位，遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其他所有人！”雷·施密特說。

“我們對第一次這樣的預(yù)報(bào)表現(xiàn)感到震驚，”埃里克說，“這促使我們更加努力地改進(jìn)人工智能策略?！?/p>

經(jīng)過一整年的預(yù)報(bào)競賽，雷·施密特和他的兒子們在天氣預(yù)報(bào)競賽中擊敗了所有對手， 包括一些專業(yè)的預(yù)測預(yù)報(bào)公司和美國國家海洋和大氣管理局開發(fā)的氣候模型。父子團(tuán)隊(duì)在兩個(gè)降水預(yù)報(bào)類別的競賽中獲得一等獎(jiǎng)，還獲得了資助今后11年研究的額外25萬美元的高額獎(jiǎng)金。雷·施密特說：“對競賽結(jié)果我非常滿意，因?yàn)樗砻魑覀儞碛姓嬲念A(yù)測技能?！?/p>

超越榮耀

對于父子團(tuán)隊(duì)來說，勝利是令人興奮的事情，雷·施密特為預(yù)測技術(shù)的本身感到興奮。他認(rèn)為，該獨(dú)特的預(yù)報(bào)方法可以為更好的中長期降雨預(yù)報(bào)提供參考。美國國墾局可以利用雷·施密特及其兒子開發(fā)的模型，管理分布在美國西部的許多水壩、水力發(fā)電廠和水庫，為水資源管理人員提供天氣模式變化預(yù)測，及早發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致干旱或極端降雨的天氣。也可以使用該預(yù)測系統(tǒng)來定制針對特殊群體的降雨預(yù)報(bào)，例如農(nóng)民、城市規(guī)劃者、山火救援隊(duì)和其他人群，他們可以提前幾周到幾個(gè)月知道未來的降雨情況。

雷·施密特說：“我們的工作是為社會(huì)服務(wù)的科學(xué)典范。我們的模型準(zhǔn)確地預(yù)測了導(dǎo)致去年所有美國西部山火的干旱，我們將模型的應(yīng)用擴(kuò)展到整個(gè)美國，走向全球。了解水的未來可用性對于糧食安全至關(guān)重要，因?yàn)閹资旰笫澜缛丝趯⑦_(dá)到90億。這項(xiàng)工作還證明了海洋在氣候系統(tǒng)中的核心作用，以及繼續(xù)監(jiān)測其特性的重要性?！?/p>