研究人员利用深度学习精确预测极端天气事件

莱斯大学的研究人员,开发了一个以深度学习技术作为基础的天气预测系统,能以80%精确度预测5天后的极端天气事件。由于新方法计算成本低廉,因此可用来辅助传统数值天气预测模型,缩小需要精确计算的范围。

天气预测技术已经发展了数十年,绝大多数的进步,都是改进数值天气预测(Numerical Weather Prediction,NWP)模型,以取得更好的结果,但是即便数值天气预测模型越来越复杂,投入更多的计算资源与时间,但是在预测极端天气时仍遇到许多困难。

研究人员提到,当有热浪或是寒流出现在,观测天气图通常会发现喷射气流呈现不寻常的状态,像是大量或是不移动的高压系统等异常现象,而气压分布是决定天气变化的关键因素,研究人员认为,预测极端天气是一种模式识别问题,而不使用数值方法来处理。

研究人员同时使用了卷积神经网络(CNN)以及胶囊神经网络(CapsNet),并以1920年到2005年的历史天气数据来训练模型。胶囊神经网络是一种机器学习系统,属于人工神经网络的类型,可以更好地表示模型阶层关系。

用来训练神经网络的数据有地表温度,以及对流层中层大规模环流模式(Z500),使用胶囊神经网络可预测寒流与热浪的发生,以及出现的区域,准确率达到88%,研究人员提到,胶囊神经网络的性能,比卷积神经网络和逻辑回归方法还要好。

这个研究证明,多变量由数据驱动的框架,有望实现准确且即时的极端天气预报,研究人员不认为这个方法可以立即取代数值天气模型,但是可作为早期极端天气警报,帮助缩小需要利用数值天气模型,特别精确计算的范围。