Сигнал и шум. Почему одни прогнозы сбываются, а другие - нет

Сильвер Нейт

Изменения погоды представляют собой проявление динамической системы, а уравнения, описывающие движение атмосферных газов и жидкостей, нелинейны (чаще всего это дифференциальные уравнения) {259} . Таким образом, теория хаоса явным образом применима к прогнозированию погоды, а следовательно, наши прогнозы оказываются в высшей степени уязвимы к неточностям в исходных данных.

Иногда эти неточности возникают в результате человеческой ошибки. Еще большая фундаментальная проблема состоит в том, что мы можем наблюдать за окружающим нас миром лишь с определенной степенью точности. Ни один термометр не идеален, и ошибка в его показаниях в третьем или даже четвертом знаке после запятой может оказать огромное влияние на прогноз.

259

Да, в исчислениях подобного рода есть своя польза.

На рис. 4.2 показаны результаты, полученные после 50 запусков программ, моделирующих прогноз

погоды для Франции и Германии на сочельник 1999 г. Все модели используют одни и те же программы и основаны на одних и тех же предположениях о поведении погоды. Фактически эти модели являются детерминистическими: в них заложено допущение, что если мы в полной мере знаем все изначальные параметры, то можем создать идеальный прогноз. Однако небольшие различия во входных параметрах способны привести к огромным отличиям в результатах, полученных на выходе. В Европейском центре метеорологических прогнозов пытались принять во внимание эти ошибки. В одном из процессов имитационного моделирования закладывалось условие, что атмосферное давление в Ганновере подвергалось лишь незначительным колебаниям. В другом менялись характеристики ветра в Штутгарте, причем на долю процента. Однако даже таких небольших изменений может быть достаточно для того, чтобы в одних прогнозах говорилось об урагане в Париже, а в других – о тихом зимнем вечере.

Рис. 4.2. Результаты расчетов прогноза погоды с немного различающимися начальными условиями

Именно такие модели и используют для создания современных прогнозов погоды. Небольшие изменения, сознательно добавляемые в модель для имитации неопределенности в качестве данных, превращают детерминистический прогноз в вероятностный. Допустим, если ваш местный метеоролог говорит о том, что вероятность дождя на следующий день составляет 40 %, это можно понимать и так, что результаты расчетов используемых им моделей в 40 % случаев говорят о том, что ожидается предштормовое состояние, а в 60 % случаев – при использовании лишь незначительно измененных начальных параметров – результат противоположный.

Но на практике все не так просто. Программы, которые метеорологи используют для прогнозирования погоды, довольно хороши, но не идеальны. Прогнозы, которые вы слышите постоянно, представляют собой комбинацию компьютерных расчетов и человеческого суждения. Порой люди способны улучшить компьютерные прогнозы, а порой – ухудшить их.

Важность видения

Здание World Weather Building – довольно уродливое сооружение в стиле 1970-х гг., выкрашенное в цвет ириски и расположенное в Кэмп-Спрингз, штат Мэриленд, примерно в 20 минутах езды от Вашингтона.

Здесь находится штаб-квартира NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration – Национального управления по исследованию океанов и атмосферы) – материнской организации Национальной службы погоды (National Weather Service, NWS), входящей в состав правительственных служб {260} . В отличие от зданий NCAR в Булдере, расположенных в живописном уголке Скалистых гор, это здание заставляет думать исключительно о бюрократии.

Изначально Служба погоды была организована в 1879 г. в структуре военного ведомства Соединенных Штатов президентом Улиссом С. Грантом. Отчасти это было связано с убежденностью президента Гранта в том, что только культура, основанная на военной дисциплине, обеспечит должный уровень точности прогнозирования {261} , а отчасти с тем, что это предприятие выглядело настолько безнадежным, что заниматься им имело смысл лишь во время военных действий, когда вы пробуете все, что угодно, для достижения военного перевеса.

260

NCAR не входит в состав этой бюрократической структуры, напротив, она управляется некоммерческим консорциумом исследовательских университетов и получает финансирование из Национального научного фонда. Именно поэтому у фонда более приятные на вид здания.

261

«History of the National Weather Service», Public Affairs Office, National Weather Service, National Oceanic and Atmospheric Administration, United States Department of Commerce. http://www.weather.gov/pa/history/index.php.

Широкая публика заинтересовалась вопросами прогнозирования погоды после знаменитой «Школьной метели» (Schoolhouse Blizzard). В сравнительно теплый день 12 января 1888 г. на Великих Равнинах температура воздуха упала за несколько часов почти на 30 °, и вдруг началась ослепляющая метель {262} . Сотни детей, вышедших из школы, попали в эту снежную бурю по дороге домой и умерли от переохлаждения. Несмотря на неточность ранних прогнозов погоды, все надеялись, что эта служба поможет хоть как-то предупредить о столь значительных колебаниях температуры. Соответственно, Национальная служба погоды была переведена в структуру департамента сельского хозяйства и начала заниматься более мирными делами [66] .

262

«The Blizzard of 1988», Nebraska State Historical Society, last updated June 4, 2004. http://www.nebraskahistory.org/publish/markers/texts/blizzard_of_1888.htm.

66

Это

было не последним перемещением Службы погоды. В 1940 г., желая помочь Управлению гражданской аэронавтики и принимая во внимание активно развивавшуюся отрасль пилотируемых полетов, Конгресс перевел ее в подчинение Министерства торговли, где она находится и сейчас. – Прим. авт.

История происхождения Службы погоды до сих пор проявляется в культуре организации. Специалисты по прогнозированию погоды работают в ней круглыми сутками за довольно скромную оплату {263} и воспринимают себя важными государственными служащими. Метеорологи, с которыми я встретился в Кэмп-Спрингз, были настоящими патриотами, редко упускавшими возможность напомнить мне о важности прогнозов погоды для работы сельскохозяйственных ферм, небольших бизнесов, авиакомпаний, энергетического сектора, воинских подразделений, сектора общественных услуг, площадок для гольфа, организации пикников и экскурсий для школьников – прогнозов, которые можно было бы получить за копейки. (NWS удается работать с бюджетом, составляющим всего 900 млн долл. в год {264} , то есть примерно 3 долл. на каждого гражданина США. И это несмотря на то что погода напрямую влияет примерно на 20 % экономики страны {265} .)

263

Младшие синоптики обычно начинают с пятого уровня шкалы зарплат для государственных служащих, то есть получают около 27 тыс. долл. в год до корректировок, связанных со стоимостью жизни. Самая высокая зарплата правительственного служащего в этой схеме составляет порядка 130 тыс. долл. плюс вышеупомянутые корректировки.

264

«National Weather Service: FY 2012 Budget Highlights», National Oceanic and Atmospheric Administration, United States Department of Commerce. http://www.corporateservices.noaa.gov/nbo/FY09_Rollout_Materials/NWS_One_Pager_FINAL.pdf.

265

«Weather Impact on USA Economy», National Oceanic and Atmospheric Association Magazine, Nov. 1, 2001. http://www.magazine.noaa.gov/stories/mag4.htm.

Одним из тех метеорологов, с которыми мне удалось встретиться, был Джим Хоук – директор центра гидрометеорологического прогнозирования NWS. Хоук проработал в этой области около 35 лет, занимаясь и вычислительной стороной процесса (он помогал выстраивать компьютерные модели, которые используют его прогнозисты), и операционной (создавая эти прогнозы и сообщая их широкой публике). И, благодаря этому, он достаточно хорошо представляет себе, как взаимодействуют люди и машины в мире метеорологии.

Так что же конкретно люди могут делать лучше, чем компьютеры, способные обрабатывать данные со скоростью 77 терафлоп [67] ? Они обладают видением. Хоук отвел меня на этаж прогнозирования, заставленный рабочими станциями, около каждой из которых видела табличка с пояснением типа «военно-морской центр прогнозов» или «центр прогнозов на национальном уровне». Каждая станция управлялась одним-двумя метеорологами, а рядом с каждым из них имелась целая армада жидкокристаллических мониторов с полноцветными картами всевозможных типов погодных данных для каждого уголка страны.

67

Терафлоп – триллион операций с плавающей точкой в секунду; флопс – единица измерения производительности процессора.

Прогнозисты работали тихо и быстро, с точностью, о которой, наверное, и мечтал Грант {266} .

Некоторые из прогнозистов рисовали на этих картах световыми указками, тщательно корректируя контуры температурных градиентов, созданных компьютерными моделями, – 25 миль к западу в сторону дельты Миссисипи, 50 миль к северу в направлении озера Эри. Постепенно, шаг за шагом они приводили карты к желанному платоническому идеалу.

Прогнозисты отлично представляют себе недостатки компьютерных моделей. Это возникает неминуемо, поскольку, как следует из теории хаоса, даже самая тривиальная ошибка в модели может привести к значительным последствиям. Возможно, компьютер оказывается слишком консервативным при прогнозировании ночных дождей в Сиэтле, когда над заливом Пьюджет-Саунд образуется зона низкого давления. Возможно, он не знает, что при одном направлении ветра туман в национальном парке Акадия в Мэйне рассеивается к восходу солнца, при другом – может остаться до середины дня.

266

Возможно, это не просто совпадение – прогнозирование погоды представляет собой постоянно работающий бизнес, поэтому все сотрудники World Weather Building время от времени выходят в ночную смену. С учетом отсутствия солнечного света и окон в World Weather Building мне порой казалось, что я нахожусь внутри подводной лодки.