“云計(jì)算”對(duì)科學(xué)家來說有了新的意義

研究人員使用機(jī)器學(xué)習(xí)來提高氣候預(yù)測模型的準(zhǔn)確性

云可能是飄過天空的一縷縷水汽，但對(duì)于想要把它們納入氣候模擬的科學(xué)家來說，它們?cè)谟?jì)算上是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。來自加州大學(xué)歐文分校(University of California, Irvine)、慕尼黑路德維希馬克西米利安大學(xué)(Ludwig Maximilian University of Munich)和哥倫比亞大學(xué)(Columbia University)的研究人員已轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)科學(xué)，以獲得更好的積云計(jì)算結(jié)果。

他們的工作在最近由美國國家科學(xué)院院刊在線發(fā)表的一項(xiàng)研究中得到了詳細(xì)的描述。“云在地球的氣候中扮演著重要的角色，通過運(yùn)輸熱量和水分，反射和吸收太陽光線，捕獲紅外線熱光線和產(chǎn)生降水，”合著者邁克爾·普里查德說，他是UCI地球系統(tǒng)科學(xué)助理教授。“但它們可以小到幾百米，比50到100公里的標(biāo)準(zhǔn)氣候模型網(wǎng)格分辨率要小得多，因此適當(dāng)?shù)啬M它們需要大量的計(jì)算機(jī)能力和時(shí)間。”

標(biāo)準(zhǔn)的氣候預(yù)測模型使用簡單的數(shù)值算法來近似云物理，這些算法依賴于對(duì)相關(guān)過程的不完美假設(shè)。普里查德說，雖然它們可以幫助模擬持續(xù)長達(dá)一個(gè)世紀(jì)的時(shí)間，但仍有一些缺陷限制了它們的有效性，比如顯示毛毛雨而不是更真實(shí)的降雨，完全忽略了其他常見的天氣模式。

根據(jù)普里查德的說法，氣候社區(qū)同意高保真模擬的好處，它支持自然界中豐富多樣的云系統(tǒng)。他說:“但是缺乏超級(jí)計(jì)算機(jī)的力量，或者錯(cuò)誤的類型，意味著這仍然是一個(gè)很長的路要走。”“與此同時(shí)，該領(lǐng)域必須應(yīng)對(duì)與未來降雨變化以及云變化將如何放大或抵消溫室氣體排放導(dǎo)致的全球變暖相關(guān)問題的巨大誤差。”

這個(gè)團(tuán)隊(duì)想要探索的是，深度機(jī)器學(xué)習(xí)是否能夠提供一種有效的、客觀的、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的替代方法，能夠迅速地應(yīng)用到主流的氣候預(yù)測中。該方法基于模擬人腦思維和學(xué)習(xí)能力的計(jì)算機(jī)算法。他們通過訓(xùn)練一個(gè)深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測數(shù)千個(gè)微小的二維云解析模型的結(jié)果，這些模型與虛擬海洋世界中的行星尺度天氣模式相互作用。

據(jù)研究人員說，這個(gè)新教授的程序，被稱為“云腦”，在氣候模型中自由發(fā)揮作用，導(dǎo)致了穩(wěn)定和精確的多年模擬，其中包括真實(shí)的極端降水和熱帶海浪。“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)大約代表的基本物理限制云移動(dòng)熱量和蒸汽的方式不被明確告知這樣做,和工作的一小部分所需的處理能力和時(shí)間由原cloud-modeling方法,”主要作者斯蒂芬說粗聲粗氣地說,一個(gè)LMU博士生在氣象學(xué)開始與普里查德合作在這個(gè)項(xiàng)目在UCI作為訪問學(xué)者。普里查德說:“我非常興奮，僅僅花了三個(gè)月的模擬模型輸出來訓(xùn)練這個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。”“如果你只需要模擬100天的全球大氣，你就可以對(duì)云物理做更多的公正。”現(xiàn)在我們知道這是可能的，看看這種方法在部署在一些真正豐富的訓(xùn)練數(shù)據(jù)時(shí)表現(xiàn)如何將是有趣的。

研究人員打算進(jìn)行后續(xù)研究，將他們的方法擴(kuò)展到更復(fù)雜的模型設(shè)置，包括現(xiàn)實(shí)的地理環(huán)境，并理解機(jī)器學(xué)習(xí)在插值和外推方面的局限性——這是本文中涉及的一些氣候變化應(yīng)用的關(guān)鍵問題。“我們的研究顯示了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的氣候和天氣模型的明顯潛力，”普里查德說。“我們看到計(jì)算機(jī)視覺和自然語言處理開始改變其他科學(xué)領(lǐng)域，比如物理、生物和化學(xué)。將這些新原理中的一些應(yīng)用到氣候科學(xué)中是有意義的，畢竟，氣候科學(xué)主要集中在大型數(shù)據(jù)集上，尤其是在新型全球模型開始解決實(shí)際云層和湍流問題的今天。