Компьютерные ученые предсказывают молнии и гром с помощью искусственного интеллекта

В начале июня метеорологическая служба Германии за несколько дней насчитала 177 000 ударов молнии в ночном небе. Естественное зрелище имело последствия: несколько человек пострадали от порывов ветра, града и дождя. Совместно с Национальной метеорологической службой Германии Deutscher Wetterdienst, профессор информатики Йенс Диттрих и его докторант Кристиан Шон из Саарского университета в настоящее время работают над системой, которая должна предсказывать локальные грозы более точно, чем раньше. Он основан на спутниковых снимках и искусственном интеллекте. Чтобы исследовать этот подход более подробно, исследователи получат 270 000 евро от Федерального министерства транспорта.

Одна из основных задач метеослужбы — предупредить об опасных погодных условиях. К ним относятся, в частности, грозы, так как они часто сопровождаются порывами ветра, града и проливными дождями. Для этой цели Deutscher Wetterdienst (DWD) использует систему«NowcastMIX». Каждые пять минут он опрашивает несколько систем дистанционного зондирования и наблюдательных сетей, чтобы предупредить о грозах, сильном дожде и снегопаде в течение следующих двух часов. «Однако NowcastMIX может обнаруживать грозовые ячейки только тогда, когда уже выпадают сильные осадки.

Вот почему спутниковые данные используются для более раннего обнаружения образования грозовых ячеек и, следовательно, для предупреждения о них раньше», — объясняет профессор Йенс Диттрих, преподаватель компьютерных наук. в Саарском университете и возглавляет группу «Big Data Analytics». Поэтому вместе со своим докторантом Кристианом Шоном и метеорологом Ричардом Мюллером из DWD он разработал систему, которая может вскоре дополнить NowcastMIX в прогнозировании гроз. Их проект является первым шагом для изучения применимости искусственного интеллекта в прогнозировании погодных и климатических явлений.

Чтобы точно предсказать грозы в определенном регионе, так называемая конвекция воздушных масс, то есть подъем нагретого воздуха, в то время как более холодный воздух опускается в окружающую область, должна быть обнаружена рано и точно. Это было известно давно. Однако основным моментом новой системы является то, что для обнаружения этих трехмерных воздушных сдвигов требуются только двухмерные изображения, а именно спутниковые изображения.

Чтобы трехмерно увидеть происходящее в небе на основе двумерных изображений, исследователи используют фотографии, снятые с интервалом в пятнадцать минут. Часть серии изображений для соответствующей области используется в качестве входных данных для алгоритма, который вычисляет, как будет выглядеть будущее изображение, не предоставленное алгоритму. Затем ученые сравнивают этот результат с реальным изображением. Величина отклонения между прогнозом и реальностью — исследователи называют это «ошибкой» — затем служит входом для второго алгоритма, который исследователи обучили с помощью машинного обучения распознавать взаимосвязь между размером ошибки и возникновение грозы.

Таким образом, они могут вычислить, есть ли это гром и молния или нет." Это сила, когда мы применяем искусственный интеллект к большим объемам данных. Он признает закономерности, которые остаются от нас скрытыми», — объясняет профессор Диттрих. Это одна из причин, по которой он и другие коллеги только что начали новую программу бакалавриата и магистратуры «Наука о данных и искусственный интеллект».

В случае молнии и грома эта комбинация определенно «многогранна», говорит Диттрих. «Основываясь только на спутниковых снимках, мы можем прогнозировать вспышки с точностью до 96 процентов в течение следующих 15 минут. Если окно прогнозирования открывается дальше, точность снижается, но все еще остается выше 83 процентов на срок до пяти часов».

Тем не менее, по словам исследователей, уровень ложных срабатываний все еще слишком высок. Тем не менее, они полагают, что могут значительно уменьшить эти ложные тревоги, обучая свою модель дополнительным функциям, которые, например, также используются в текущей системе NowcastMIX. Федеральное министерство транспорта уже предоставило ученым-компьютерщикам из Саарбрюккена 270 000 евро для более подробного расследования.