Погода на месяц вперёд: что умеет машинное обучение ✎

Оригинал: "Sub-Seasonal Climate Forecasting via Machine Learning: Challenges, Analysis, and Advances"
arXiv:2006.07972 · 2020-06-14 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 3 мин
Градиентный бустинг и аккуратно собранные признаки позволяют предсказывать температуру на 3–4 недели лучше, чем климатическая норма.

Контекст

Прогноз погоды на неделю опирается на атмосферную динамику, а сезонный прогноз — на медленные процессы в океане. Между ними лежит полоса от двух недель до двух месяцев, где ни один из этих источников не работает в полную силу. Для сельского хозяйства, управления водными ресурсами и планирования помощи при экстремальных явлениях именно этот диапазон критичен: фермеру нужно знать, когда сеять, а службам спасения — где заранее разместить грузы. Соседние работы в нашем архиве также ищут способы извлечь сигнал из климатических данных с помощью нейросетей, но чаще на других масштабах: одни улучшают прогноз солнечных вспышек, другие предупреждают о засухе за месяцы. Данная статья стоит особняком, потому что систематически проверяет целый набор методов именно на субсезонном горизонте и показывает, какие из них реально работают.

Методы

Авторы собрали данные по температуре, влажности почвы, температуре поверхности океана, давлению и геопотенциальным высотам с 1986 по 2018 год для сетки 2×2 градуса над континентальной частью США. Пространственные поля сжали методом главных компонент, оставив по десять компонент на переменную, и добавили временные индексы: Эль-Ниньо, Северо-Атлантическое колебание, фазу Маддена–Джулиана. Целевой величиной была средняя температура за третью и четвёртую недели вперёд. Обучали модели отдельно для каждого месяца 2017–2018 годов, настраивая гиперпараметры на пяти прошлых годах того же месяца. Сравнили десять подходов: от линейной регрессии с L1-регуляризацией до ансамблей деревьев и трёх вариантов нейросетей, включая LSTM-энкодер с полносвязным декодером.

Результаты

Градиентный бустинг XGBoost показал наивысшую пространственную косинусную схожесть — в среднем 0.304, тогда как у затухающей персистентности, стандартного климатического базового метода, она составила 0.201. Линейная модель Lasso и нейросеть с LSTM-энкодером достигли 0.250 и 0.262 соответственно. Все три метода устойчиво обошли климатологию, то есть прогноз по тридцатилетней норме. На картах видно, что прибрежные и южные регионы предсказываются лучше, чем внутренние, а Монтана, Вайоминг и Айдахо трудны для XGBoost, но легче даются LSTM-модели. Анализ важности признаков показал: модели чаще всего выбирают влажность почвы и индексы Эль-Ниньо, иногда температуру поверхности океана, но почти никогда — атмосферные переменные вроде геопотенциальной высоты 500 гПа.

Значение

Работа подтверждает, что на субсезонных сроках предсказуемость действительно прячется в медленных компонентах климатической системы — почве и океане, а не в атмосфере. Отличие от соседних исследований в том, что здесь не просто применяется одна нейросеть, а честно сравнивается широкий спектр методов на одинаковых данных, и выясняется, что простые модели с правильно подготовленными признаками не уступают глубоким. Это важный ориентир для практиков: не всегда нужно гнаться за сложностью архитектуры, когда данных мало, а корреляции сильны. Кроме того, показано, что ансамбль разных моделей может сгладить их индивидуальные слабости в разных регионах.

Развитие

Естественный следующий шаг — объединить сильные стороны разных моделей в ансамбль, который будет лучше работать во всех регионах. Нейросети, особенно с архитектурой энкодер-декодер, имеют потенциал для дальнейшего роста, если удастся справиться с переобучением и эффективнее использовать историческую информацию. Можно также расширить набор признаков, добавив данные о снежном покрове, растительности или ледовом покрове, которые могут нести дополнительный сигнал на этих сроках.

Влияние

Улучшенные субсезонные прогнозы напрямую повлияют на сельское хозяйство, управление водными ресурсами и логистику помощи при стихийных бедствиях. Методология отбора признаков пригодится и в других задачах с малым числом образцов и сильной пространственно-временной корреляцией.

Следующие шаги

Проверить, работают ли найденные закономерности на других континентах и в другие периоды, а также попробовать включить в модели данные климатических моделей. Стоит изучить, как меняется вклад разных источников предсказуемости по сезонам и регионам.

Ключевые проблемы

Для климатологии ключевая нерешённая проблема — как извлечь максимум информации из ограниченных наблюдений при сильной пространственно-временной корреляции. Данная работа показывает, что даже простые модели могут быть полезны, если правильно сконструированы признаки, но остаётся открытым вопрос о том, какие именно физические механизмы связывают медленные переменные с субсезонными аномалиями температуры.

Максимальный информационный коэффициент между температурой последних двух недель и прогнозом на следующие две недели оказался меньше 0.1 в большинстве точек США. То есть недавняя погода почти ничего не говорит о том, что будет через месяц.

Ключевые числа

  • горизонт прогноза: 15–28 дней
  • разрешение сетки: 2°×2° (197 точек)
  • длина ряда данных: 40 лет (1986–2018)
  • лучшая средняя косинусная схожесть: 0.304 (XGBoost)
  • число сравнённых моделей: 10
Понятия
навык прогноза машинное обучение прогноз весенний барьер предсказуемости температура поверхности моря климатическая модель прогнозирование солнечных вспышек аномалия температуры поверхности моря NOAA CPC IRI важность признаков сезонный цикл прогнозирование энсо реанализ муссон южная осцилляция эль-ниньо климат ла-нинья североатлантическая осцилляция