Тёплое течение Эль-Ниньо появляется в тропической части Тихого океана раз в несколько лет и перекраивает погоду по всей планете: где-то сушит поля, где-то заливает улицы. Метеорологи давно пытаются поймать его заранее, но океан слишком хитёр: причина явления прячется не в одной точке, а в перекличке между регионами, которые разделяют тысячи километров. Обычные нейросети, которые ищут закономерности в соседних клетках карты, эту перекличку не слышат. Они как жители многоквартирного дома, которые знают только тех, кто живёт за стенкой, и не догадываются, что на другом конце города кто-то открыл кран и изменил давление в трубах.
Авторы новой работы решили дать модели свободу: вместо того чтобы заранее указывать, какие точки важны, они представили карту океана как граф, где узлы — это точки на карте, а рёбра — возможные пути передачи влияния. Сеть сама выяснила, какие рёбра стоит усилить, а какие ослабить. Оказалось, что для прогноза на один месяц вперёд такой подход даёт корреляцию 0,9867, тогда как прежняя свёрточная модель показывала около 0,94. На три месяца вперёд графовая сеть тоже выигрывает: 0,8936 против 0,8742. Разница кажется небольшой, но в климатологии это шаг вперёд, который может означать более раннее предупреждение о засухе или наводнении.
На шесть месяцев вперёд графовая модель пока уступает: 0,6776 против 0,7616. Авторы объясняют это тем, что для дальних прогнозов одной температуры поверхности океана мало, нужно ещё знать, сколько тепла запасено в верхнем слое воды. Но даже этот промежуточный результат важен. После обучения можно посмотреть, какие рёбра модель сочла важными, и сравнить их с известными телесвязями — дальними взаимодействиями, которые климатологи открыли за десятилетия наблюдений. Если связи совпадут, это укрепит доверие к модели и поможет лучше понять механизм Эль-Ниньо.
Уже сегодня такой подход может помочь метеорологическим агентствам улучшить краткосрочные сезонные прогнозы. А в будущем, если добавить в модель данные о теплосодержании океана, давлении и ветре, она сможет заглядывать ещё дальше. Тогда житель дома на другом конце города узнает о кране не по мокрому потолку, а по лёгкому падению давления в трубах — за несколько месяцев до того, как вода хлынет через край.
Название «Эль-Ниньо» (по-испански «мальчик») дали перуанские рыбаки, заметившие, что тёплое течение приходит около Рождества. А графовые нейросети, использованные в работе, изначально разрабатывались для прогнозирования дорожного трафика.
В романе Кима Стэнли Робинсона «Сорок знаков дождя» климатологи борются с последствиями резких изменений океанических течений. Улучшенные прогнозы Эль-Ниньо могли бы стать тем самым инструментом, который помогает человечеству подготовиться к капризам океана.