Опытный штурман ведёт корабль по проверенной карте, но в незнакомых водах карта врёт. Юнга, который годами смотрел, как штурман ошибается, учится предугадывать, где именно карта подведёт. Вместе они прокладывают курс точнее, чем каждый по отдельности. Так устроена новая гибридная модель прогноза Эль-Ниньо — тёплого течения в тропической части Тихого океана, которое раз в несколько лет перекраивает погоду по всей планете.
Классическая линейная модель (LIM) — тот самый штурман. Она держит в голове карту океана: как температура поверхности связана с высотой воды и как они вместе раскачиваются из месяца в месяц. Карта простая, поэтому модель работает даже на коротких рядах наблюдений, которых у нас всего около ста пятидесяти лет. Но карта не учитывает, что тёплые фазы Эль-Ниньо сильнее холодных, а значит, линейный прогноз систематически ошибается.
Нейросеть с долгой кратковременной памятью (LSTM) — юнга. Её обучают не предсказывать сам Эль-Ниньо, а исправлять ошибки штурмана. Сначала линейная модель выдаёт ансамбль из шестнадцати прогнозов, слегка различающихся случайными шумами. Нейросеть смотрит на этот ансамбль и на историю океана и говорит, где и насколько карта соврала. Так рождается нелинейная поправка, которая улавливает асимметрию: тёплое событие развивается иначе, чем холодное.
Проверка на двухсотлетнем отрезке модельного климата показала: уже после ста лет обучения гибрид даёт прогноз на двенадцать месяцев с навыком выше 0.5 (это значит, что он заметно лучше простого среднего), тогда как чистая нейросеть без штурмана опускается ниже 0.4. Только после пятисот лет обучения чистая нейросеть догоняет гибрид. Наибольший выигрыш — в западной тропической части Тихого океана, где океан и атмосфера связаны особенно нелинейно.
Раньше считалось, что для точного прогноза Эль-Ниньо нужны тысячи лет данных, которых у нас нет. Теперь видно: можно обойтись сотней-другой лет, если дать линейной модели делать основную работу, а нейросети — только исправлять ошибки. Штурман ведёт корабль по карте, юнга шепчет ему на ухо, где карта врёт, и курс становится вернее. Осталось проверить этот дуэт на реальных наблюдениях, а не только на модельном климате.
Для полного охвата разнообразия межгодовых событий Эль-Ниньо может потребоваться около 500 лет наблюдений, но спутниковые данные есть лишь за последние 40 лет.
В романе Кима Стэнли Робинсона «Сорок знаков дождя» точный прогноз Эль-Ниньо становится вопросом национальной безопасности, а в реальности гибридные модели как раз и пытаются выжать максимум из коротких рядов данных.