В начале июня Немецкая метеорологическая служба насчитала 177 000 молний в ночном небе в течение нескольких дней. Естественное зрелище имело последствия: несколько человек пострадали от порывов ветра, града и дождя. Совместно с Национальной метеорологической службой Германии, профессором информатики Йенсом Диттрихом и его докторантом Кристианом Шёном из Саарландского университета в настоящее время ведется работа над системой, которая должна более точно, чем раньше, предсказывать локальные грозы. Она основана на спутниковых снимках и искусственном интеллекте. Для более детального изучения этого подхода исследователи получат от Федерального министерства транспорта 270 000 евро.
Одной из основных задач метеорологических служб является предупреждение об опасных погодных условиях. К ним относятся, в частности, грозы, так как они часто сопровождаются порывами ветра, градом и проливными дождями. Для этой цели Deutscher Wetterdienst (DWD) использует систему "NowcastMIX". Каждые пять минут она опрашивает несколько систем дистанционного зондирования и сетей наблюдения, чтобы предупредить о грозах, проливных дождях и снегопадах в ближайшие два часа. "Спутниковые данные используются для раннего обнаружения образования грозовых клеток, потому что система NowcastMIX может обнаружить грозовые ячейки только тогда, когда уже выпали сильные осадки", - объясняет профессор Йенс Диттрих, который преподает информатику в Саарландском университете и возглавляет группу "Большой анализ данных". Поэтому вместе со своим аспирантом Кристианом Шоном и метеорологом Рихардом Мюллером из DWD он разработал систему, которая вскоре может дополнить NowcastMIX в предсказании гроз. Их проект является первым шагом в изучении применимости искусственного интеллекта в прогнозировании погодных и климатических явлений.
Для точного предсказания гроз в конкретном регионе необходимо на ранней стадии и с высокой точностью обнаружить так называемую конвекцию воздушных масс, т.е. подъем нагретого воздуха в то время, как более холодные воздушные массы устремляются в окружающий регион. Это известно давно. Изюминкой новой системы, является то, что для обнаружения этих трехмерных сдвигов воздуха необходимы только двумерные изображения, а именно изображения со спутника.
Для того чтобы увидеть, что происходит в небе в трехмерном пространстве на основе двухмерных изображений, исследователи используют фотографии, сделанные с интервалом в пятнадцать минут. Часть серии изображений для соответствующей области идет в качестве входа в алгоритм, который рассчитывает, как будет выглядеть будущее изображение, не представленное в алгоритме. Затем ученые сравнивают этот результат с реальным изображением. Размер отклонения между прогнозом и реальностью - исследователи называют это "ошибкой" - затем служит входом для второго алгоритма, который исследователи обучили с помощью машинного обучения распознаванию связи между размером ошибки и возникновением грозы. Таким образом, они могут вычислить, есть ли там гром и молния или нет. "Искусственный интеллект распознает закономерности, которые остаются скрытыми от нас", - объясняет профессор Диттрих. Это одна из причин, по которой он и другие его коллеги только что начали обучение по новой программе бакалавриата и магистратуры "Наука о данных и искусственном интеллекте".
В случае молнии и грома эта комбинация определённо "многогранна", - говорит Диттрих. "Только на основе спутниковых снимков мы можем предсказать вспышки с точностью 96 процентов в течение следующих 15 минут". Если окно прогноза открывается дальше, то точность уменьшается, но все равно остается выше 83 процентов в течение пяти часов".
Однако, по мнению исследователей, частота ложных срабатываний все еще слишком высока. Тем не менее, они считают, что могут значительно снизить количество таких ложных срабатываний, обучив свою модель дополнительным функциям, которые также используются в текущей системе NowcastMIX, например. Федеральное министерство транспорта уже выделило ученым-вычислителям из Саарбрюкена 270 000 евро на более детальное изучение этого вопроса.