Переводчик на переговорах слышит только уже сказанные слова, но всё равно угадывает следующую фразу. Так работает новый метод прогноза Эль-Ниньо: он не заглядывает в будущее, а опирается лишь на прошлое, как честный слушатель.
Эль-Ниньо — Южное колебание (ЭНЮК) — это главное межгодовое колебание климата в тропической части Тихого океана. Оно вызывает засухи в Австралии, наводнения в Перу и меняет погоду по всему миру. Прогнозировать его сложно: в одном ряду температуры смешиваются быстрые шумы, сезонные циклы и медленные десятилетние тренды. Обычные методы сглаживания, которые убирают лишнее, тайком используют будущие значения ряда. Для оперативного прогноза это недопустимо, ведь будущее ещё не наступило.
Отфильтрованный ряд подавали в резервуарный компьютер — нейросеть со случайными внутренними связями, где обучается только выход. Входной вектор состоял из девяти значений ряда с шагом задержки 4 месяца. Гиперпараметры сети, такие как размер резервуара 244 и спектральный радиус 0,712, настраивались на тренировочном периоде 1986–1995 годов. На независимом тесте с января 2001 по декабрь 2015 года средняя корреляция остаётся выше 0,5 в течение 29 месяцев. С учётом пятимесячного сдвига это означает реальный горизонт предсказания 24 месяца, то есть два года.
Модель хорошо воспроизводит крупные пики ЭНЮК в 2010–2014 годах, но недооценивает рекордное Эль-Ниньо 2015–2016 годов. Тем не менее, простой резервуарный компьютер с правильно подобранным фильтром достигает горизонта, сравнимого с более сложными глубокими нейросетями. Главное достижение — весь конвейер от сырых данных до предсказания работает строго без будущей информации.
Переводчик, который не подглядывает в текст оратора, всё равно угадывает следующую фразу по контексту. Новый фильтр делает то же самое для климатических данных: он слышит только прошлое, но говорит о будущем на два года вперёд. Такой подход применим не только к Эль-Ниньо, но и к любым медленно меняющимся рядам — от финансовых до биомедицинских сигналов.
Обычный индекс Ниньо-3.4, который используют для объявления Эль-Ниньо, сам сглажен пятимесячным скользящим средним — то есть официальный статус явления в каждый момент времени уже содержит информацию о будущих месяцах. Авторы отказались даже от этого, чтобы прогноз был честно оперативным.
В романе Кима Стэнли Робинсона «Сорок знаков дождя» учёные пытаются предсказать резкие изменения климата, сталкиваясь с хаосом и неполнотой данных. Идея фильтра, который работает только с прошлым, перекликается с мечтой о прогнозе, который не зависит от знания будущего.