《信號與噪聲》第四章 天氣預(yù)測 預(yù)測倫理與衡量預(yù)測的標(biāo)準(zhǔn)

△本章及之后的幾章(天氣預(yù)測、地震預(yù)測、傳染病預(yù)測)都是講涉及到大規(guī)模公共安全時的預(yù)測。對于此類預(yù)測,預(yù)測的結(jié)果如何遠(yuǎn)不如對預(yù)測的執(zhí)行重要,而預(yù)測的執(zhí)行需要正確的預(yù)測來指導(dǎo)。但是如果預(yù)測者參雜了個人偏見(或者“動機(jī)不純”),那么是無法做出正確預(yù)測的。關(guān)于這一點(diǎn)的討論,在之后相關(guān)的那幾章會一再地出現(xiàn)。另外,下文中的“預(yù)測”和“預(yù)報”是同一個意思。

△像素化分割

1961年,物理學(xué)家理查德森第一個將大氣進(jìn)行像素化(類似于棋盤格)分割后進(jìn)行近似分析。

引自書中:理查德森矩陣

和計算機(jī)運(yùn)算能力的迅速提高相比,天氣預(yù)報的精度只在緩慢增長。原因在于:

1、要提高精度需要將原先的網(wǎng)格分得更小,這樣計算量將成倍增長;而且不但要對大氣平面進(jìn)行網(wǎng)格化,對于大氣高度也要分割,相當(dāng)于對整個大氣層進(jìn)行三維上取“塊”,這樣對計算機(jī)運(yùn)算能力的需求就是指數(shù)級的增長。

2、天氣預(yù)測受混沌理論的影響。

△混沌理論

1972年,洛倫茲提出了混沌理論。用混沌理論描述的系統(tǒng)有兩個特點(diǎn):

1、動態(tài)系統(tǒng),隨時間不斷變化;

2、非線性系統(tǒng),初始的微小波動都會引起之后系統(tǒng)中的劇烈震蕩。

這兩種特性的組合,會將系統(tǒng)中本來無足輕重的錯誤迅速放大。

引自書中:初始條件的微小變化引起的氣象變動

從上圖可以看到,在預(yù)測系統(tǒng)中數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要性,數(shù)據(jù)質(zhì)量的微小差別都能帶來結(jié)果之間數(shù)量級的不同,甚至,“微小差別”可能僅僅在于保留的精度差了一位而已。

△天氣預(yù)測中人的優(yōu)勢

與高速計算機(jī)相比,人的優(yōu)勢是什么?視覺。

對兩個相互作用變量的圖標(biāo)進(jìn)行視覺檢查,能比統(tǒng)計測試更快捷、更可靠地發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的一場,這一點(diǎn)是計算機(jī)目前不如人類的地方。(因為計算機(jī)就是“線性”思維的)

美國國家氣象局的數(shù)據(jù)顯示:單獨(dú)由計算機(jī)指導(dǎo)完成對降雨量和溫度的預(yù)測后,人類還能將精度分別提高25%和10%。

△衡量氣象預(yù)報的標(biāo)準(zhǔn)

目前的氣象預(yù)報依然無法做到完全準(zhǔn)確,那么該如何去衡量“好的氣象預(yù)報”呢?

1993年,氣象學(xué)家墨菲發(fā)表了一篇文章,提出關(guān)于預(yù)測質(zhì)量的3種標(biāo)準(zhǔn):

1、通過質(zhì)量衡量;(預(yù)報與實(shí)際相比準(zhǔn)確與否,即準(zhǔn)確性)

2、通過一致性衡量;(預(yù)報的結(jié)果是否經(jīng)過了修飾,即誠實(shí))

3、通過經(jīng)濟(jì)價值衡量。(預(yù)報的結(jié)果能否幫助人們作出更好的決定)

將準(zhǔn)確性和誠實(shí)分開,這在我們做出了錯誤的預(yù)測時尤為有用。比如,假如你當(dāng)時所能做出的最完美的預(yù)測是個錯誤的預(yù)測,那么該如何去評價它呢?

△氣象預(yù)報系統(tǒng)的兩項標(biāo)準(zhǔn)測試

好的氣象預(yù)報系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)滿足以下兩點(diǎn):

1、持續(xù)性。(能預(yù)測明天的天氣和今天的一樣好)

2、突破性。(能預(yù)測明天的天氣和歷史上的任何一個明天都不一樣)

<有點(diǎn)熟悉對吧,因為這兩點(diǎn)也適用于棒球預(yù)測系統(tǒng),大聯(lián)盟球員的重點(diǎn)是持續(xù)性分析,小聯(lián)盟球員的重點(diǎn)是突破性分析>

△對氣象預(yù)報歷史記錄的分析和預(yù)測中的倫理

ForecastWatch.com對氣象預(yù)報的歷史記錄(不是氣象歷史記錄)進(jìn)行了收集和比較。結(jié)果是:

不同機(jī)構(gòu)氣象預(yù)報歷史的比較

商業(yè)機(jī)構(gòu)的天氣數(shù)據(jù)是由政府提供的,它們在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了再加工,你也能發(fā)現(xiàn),它們發(fā)揮了各自技術(shù)上的優(yōu)勢,在不同領(lǐng)域中做得更好。一個特別的例子是,當(dāng)政府部門預(yù)測氣溫將接近0度時,他們并不關(guān)心天氣是會下雨、下雪還是下冰雹,而這三種天氣顯然對民眾有著不同的影響,精確地預(yù)測這一點(diǎn),就是商業(yè)機(jī)構(gòu)創(chuàng)造自身價值的地方。

但是,問題也有:提前8天的預(yù)測沒有任何技術(shù)含量(你可以參照氣候?qū)W規(guī)律等同于歷史上的同一天);提前9天的預(yù)測比氣候?qū)W規(guī)律還要糟糕。

原因是:時間跨度越長時,混沌理論的影響就更大。天氣模型若是以一定的初始條件開始演變,經(jīng)過足夠長的時間之后,演變的結(jié)果和現(xiàn)實(shí)中的天氣就毫無相同之處了。就目前的研究水平下,對天氣預(yù)測需要采用最近的天氣資料,使用更久遠(yuǎn)的資料是沒有多大意義的——由那時開始演進(jìn)到現(xiàn)在,噪聲會足以強(qiáng)到掩蓋掉信號。

那么,為何商業(yè)網(wǎng)站還會再進(jìn)一步,推出提前10~15天的天氣預(yù)報呢?

氣象頻道(這是個商業(yè)機(jī)構(gòu))的科學(xué)家兼副總裁羅斯認(rèn)為:因為這樣做也不會有任何傷害。

注意,這時候預(yù)測中的倫理問題就開始凸顯了:是為了作出準(zhǔn)確的預(yù)測,還是為了作出幫你更好地做決定的預(yù)測?

商業(yè)機(jī)構(gòu)認(rèn)為,用戶體驗比實(shí)際的準(zhǔn)確性更重要。比如,用戶看到50%的降水概率就不知道該怎么做,于是這時候商業(yè)機(jī)構(gòu)就寧愿四舍五入為40%或60%,有時甚至干脆改數(shù)字。

引自書中:不同機(jī)構(gòu)間預(yù)測結(jié)果的標(biāo)定

這就涉及到作者所謂的“動機(jī)不純”的問題。和政治預(yù)測類似,假如預(yù)測的結(jié)果正確與否并不重要,預(yù)測者更在意預(yù)測的過程,如果該過程能給他帶來經(jīng)濟(jì)利益和影響力,那么他可能就會故意做出錯誤的預(yù)測。

本章的商業(yè)機(jī)構(gòu)因為利益和預(yù)測的準(zhǔn)確性部分相關(guān),因此“動機(jī)不純”的出發(fā)點(diǎn)只是為了用戶體驗,在以后的幾章我們會看到,當(dāng)預(yù)測的結(jié)果如何并不重要(當(dāng)然也很難檢驗)的情況下,預(yù)測者和預(yù)測之間也沒有密切的利益相關(guān),那么他很可能僅僅為了預(yù)測過程中的利益最大化(比如為了發(fā)一篇論文)而做出不負(fù)責(zé)任的預(yù)測。

△預(yù)測的標(biāo)定

對預(yù)測進(jìn)行標(biāo)定,是指假如預(yù)報為40%的降水概率,那么在長期而言,同樣預(yù)報40%概率的所有日期的總和里,真正下雨的天氣也應(yīng)該體現(xiàn)為40%才對。但實(shí)際上很多預(yù)測都做不到這點(diǎn)。

對標(biāo)定進(jìn)行檢驗,對我們想評估某個預(yù)測時極為有用,同時對預(yù)測者本身也大有好處——特別是在糾正“過度自信”上。

△人與機(jī)器

本章中的預(yù)測,因為涉及到巨量的運(yùn)算,因此以機(jī)器為主(當(dāng)然理論是人設(shè)計的),人占輔助地位。

但是,這僅僅針對作出正確預(yù)測時的情況。作出預(yù)測之后如何去宣布,這時候人——人性——就占據(jù)主導(dǎo)地位了。

也就是說,討論預(yù)測系統(tǒng)中,人與機(jī)器的地位也是個偽命題,因為人掌控著理論設(shè)計和提交預(yù)測這一“入口”和“出口”,那么在預(yù)測的過程中無論是機(jī)器輔助人還是人輔助機(jī)器就全局而言是不重要的。在接下來的章節(jié)中,我們能看到作者不再花大量篇幅去描述預(yù)測中機(jī)器(或者數(shù)據(jù))的影響,主要探討的就是人、人的動機(jī)對預(yù)測所產(chǎn)生的影響。

△思考

一、“拉普拉斯的惡魔”和機(jī)器能否統(tǒng)治世界

“拉普拉斯的惡魔”的簡要表述是,如果我們能知道地球上每一個粒子的屬性,也能知道它們之間相互作用的規(guī)律,那么我們就能模擬任何事物的演變。

天氣預(yù)測的理論基礎(chǔ)就是基于對影響天氣的最小單位的研究(目前是三維像素塊,也許遲早會演進(jìn)到分子層面吧),來模擬天氣的變化。

而科學(xué)主義指導(dǎo)下的世界觀,比如人定勝天、機(jī)器將統(tǒng)治世界等等,究其本質(zhì)都可歸入“拉普拉斯的惡魔”這類科學(xué)決定論中。這一觀念的產(chǎn)生是如此的自然——我們能預(yù)測分子的運(yùn)動,我們也能預(yù)測原子的運(yùn)動,看起來我們在理論上確實(shí)能預(yù)測一切了——以致 于直到量子力學(xué)出現(xiàn)后我們才看到了我們當(dāng)時不知道自己不知道的:其實(shí)我們做不到準(zhǔn)確地預(yù)測每一個粒子的位置。

那么是不是我們就再也不用擔(dān)心天網(wǎng)的威脅了?也不盡然。我們現(xiàn)在不能測量更小的粒子不代表未來也無法測量——畢竟理論和技術(shù)都還有突破的可能。

所以只要我們理論上還有預(yù)測一切的可能,理論上機(jī)器也就能通過模擬每一個粒子從而統(tǒng)治世界。

但這樣思考的局限性很明顯:為什么機(jī)器一定要用人類的方式——通過建立模型來戰(zhàn)勝人類進(jìn)而在現(xiàn)實(shí)中戰(zhàn)勝人類——來統(tǒng)治世界呢?它完全可以用更簡單的方式:比如病毒式傳播和繁殖,擠壓人類的生存空間從而消滅人類。

也許是那樣做一點(diǎn)都不帥吧。

二、預(yù)測的倫理

作者認(rèn)為,即便有商業(yè)利益的誘惑,也應(yīng)該堅持預(yù)測的準(zhǔn)確性。否則在平時就喪失了公信力,那么真正到了關(guān)鍵時刻的預(yù)報就沒人采信了。

他舉的例子是卡特里娜颶風(fēng)對新奧爾良的破壞,說明涉及大規(guī)模公共安全時的預(yù)測與預(yù)測的應(yīng)用之間的矛盾。這并不是靠預(yù)測機(jī)構(gòu)在平時加強(qiáng)道德修養(yǎng)就能改變的。

為了避免政治壓力,美國國家颶風(fēng)中心將具體疏散的任務(wù)交由美國國家氣象局的122個地方辦公室,讓他們?nèi)ズ彤?dāng)?shù)卣畢f(xié)調(diào)疏散事宜。雖然這樣做能保證預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確與獨(dú)立,但它放棄這一權(quán)力后,就把地方政府推到了前臺。

假若根據(jù)國家颶風(fēng)中心的預(yù)測結(jié)果發(fā)布了強(qiáng)制疏散的命令,而颶風(fēng)又沒有來的話,地方政府會被問責(zé);另一方面,商業(yè)臺的氣象預(yù)報雖然能覆蓋更大范圍,但因為商業(yè) 臺并不需要對氣象預(yù)報的結(jié)果負(fù)責(zé)——所以平時的預(yù)報質(zhì)量就很差,導(dǎo)致了——在關(guān)鍵時刻民眾根本不相信它們。那么當(dāng)政府首腦做決策時擲錯了硬幣,這樣的事件似乎是無可避免的了。

那么不如教育民眾去多關(guān)注國家颶風(fēng)中心的網(wǎng)站?民選政府的一部分責(zé)任就是降低社會成本,若事事讓民眾親力親為,政府的效用就降低了一半,而且對颶風(fēng)中心預(yù)測結(jié)果的解讀也要依靠專業(yè)人員。所以——這應(yīng)該是民選政府繞不開的結(jié)吧。

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