В начале июня немецкая метеорологическая служба насчитала 177 000 молний в ночном небе за несколько дней. Природное зрелище имело последствия: несколько человек пострадали от порывов ветра, града и дождя. Вместе с Национальной метеорологической службой Германии, Deutscher Wetterdienst, профессор компьютерных наук Йенс Диттрих и его докторант Кристиан Шён из Саарского университета сейчас работают над системой, которая должна предсказывать локальные грозы более точно, чем раньше. Он основан на спутниковых снимках и искусственном интеллекте. Чтобы изучить этот подход более подробно, исследователи получат 270 000 евро от Федерального министерства транспорта.
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 сильными дождями. Deutscher Wetterdienst (DWD) использует для этой цели систему NowcastMIX. Каждые пять минут он опрашивает несколько систем дистанционного зондирования и сетей наблюдения, чтобы предупредить о грозах, проливных дождях и снегопадах в ближайшие два часа. «Однако NowcastMIX может обнаруживать грозовые ячейки только тогда, когда сильные осадки уже выпали. Вот почему спутниковые данные используются для более раннего обнаружения образования грозовых ячеек и, таким образом, для более раннего предупреждения о них», - объясняет профессор Йенс Диттрих, преподающий информатику. в Саарском университете и возглавляет группу «Аналитика больших данных». Поэтому вместе со своим докторантом Кристианом Шёном и метеорологом Рихардом Мюллером из DWD он разработал систему, которая вскоре может дополнить NowcastMIX в прогнозировании гроз. Их проект - первый шаг к изучению применимости искусственного интеллекта для прогнозирования погодных и климатических явлений.
Для точного прогнозирования гроз в конкретном регионе необходимо заблаговременно и точно обнаруживать так называемую конвекцию воздушных масс, т. е. подъем нагретого воздуха в то время, как более холодный воздух опускается в окружающее пространство. Это давно известно. Однако изюминкой новой системы является то, что ей требуются только двумерные изображения, а именно спутниковые изображения, для обнаружения этих трехмерных воздушных сдвигов.
Чтобы увидеть, что происходит в небе в трех измерениях на основе двухмерных изображений, исследователи используют фотографии, сделанные с интервалом в пятнадцать минут. Часть серии изображений для соответствующей области поступает в качестве входных данных для алгоритма, который вычисляет, как будет выглядеть будущее изображение, не предоставленное алгоритму. Затем ученые сравнивают этот результат с реальным изображением. Размер отклонения между прогнозом и реальностью - исследователи называют его «ошибкой» - затем служит входными данными для второго алгоритма, который исследователи обучили с помощью машинного обучения распознавать взаимосвязь между размером ошибки и ее возникновением. грозы. Таким образом, они могут вычислить, есть ли гром и молния или нет. «В этом сила, когда мы применяем искусственный интеллект к большим объемам данных. Он распознает закономерности, которые остаются скрытыми от нас», - объясняет профессор Диттрих. Это одна из причин, по которой он и другие коллеги только что инициировали новую программу бакалавриата и магистратуры «Наука о данных и искусственный интеллект».
В случае с молнией и громом эта комбинация определенно «многогранна», говорит Диттрих. «Основываясь только на спутниковых снимках, мы можем предсказать вспышки с точностью до 96 процентов в течение следующих 15 минут. Если окно прогноза открывается дальше, точность снижается, но все еще остается выше 83 процентов на срок до пяти часов."
Однако, по мнению исследователей, уровень ложных срабатываний все еще слишком высок. Тем не менее, они считают, что могут значительно уменьшить количество ложных срабатываний, обучив свою модель дополнительным функциям, которые также используются, например, в текущей системе NowcastMIX. Федеральное министерство транспорта уже выделило компьютерным ученым из Саарбрюкена 270 000 евро для более подробного изучения этого вопроса.