Сигнал и шум. Почему одни прогнозы сбываются, а другие - нет

Здесь находится штаб-квартира NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration – Национального управления по исследованию океанов и атмосферы) – материнской организации Национальной службы погоды (National Weather Service, NWS), входящей в состав правительственных служб {260} . В отличие от зданий NCAR в Булдере, расположенных в живописном уголке Скалистых гор, это здание заставляет думать исключительно о бюрократии.

Изначально Служба погоды была организована в 1879 г. в структуре военного ведомства Соединенных Штатов президентом Улиссом С. Грантом. Отчасти это было связано с убежденностью президента Гранта в том, что только культура, основанная на военной дисциплине, обеспечит должный уровень точности прогнозирования {261} , а отчасти с тем, что это предприятие выглядело настолько безнадежным, что заниматься им имело смысл лишь во время военных действий, когда вы пробуете все, что угодно, для достижения военного перевеса.

260

NCAR не входит в состав этой бюрократической структуры, напротив, она управляется некоммерческим консорциумом исследовательских университетов и получает финансирование из Национального научного фонда. Именно поэтому у фонда более приятные на вид здания.

261

«History of the National Weather Service», Public Affairs Office, National Weather Service, National Oceanic and Atmospheric Administration, United States Department of Commerce. http://www.weather.gov/pa/history/index.php.

Широкая публика заинтересовалась вопросами прогнозирования погоды после знаменитой «Школьной метели» (Schoolhouse Blizzard). В сравнительно теплый день 12 января 1888 г. на Великих Равнинах температура воздуха упала за несколько часов почти на 30 °, и вдруг началась ослепляющая метель {262} . Сотни детей, вышедших из школы, попали в эту снежную бурю по дороге домой и умерли от переохлаждения. Несмотря на неточность ранних прогнозов погоды, все надеялись, что эта служба поможет хоть как-то предупредить о столь значительных колебаниях температуры. Соответственно, Национальная служба погоды была переведена в структуру департамента сельского хозяйства и начала заниматься более мирными делами [66] .

262

«The Blizzard of 1988», Nebraska State Historical Society, last updated June 4, 2004. http://www.nebraskahistory.org/publish/markers/texts/blizzard_of_1888.htm.

66

Это было не последним перемещением Службы погоды. В 1940 г., желая помочь Управлению гражданской аэронавтики и принимая во внимание активно развивавшуюся отрасль пилотируемых полетов, Конгресс перевел ее в подчинение Министерства торговли, где она находится и сейчас. – Прим. авт.

История происхождения Службы погоды до сих пор проявляется в культуре организации. Специалисты по прогнозированию погоды работают в ней круглыми сутками за довольно скромную оплату {263} и воспринимают себя важными государственными служащими. Метеорологи, с которыми я встретился в Кэмп-Спрингз, были настоящими патриотами, редко упускавшими возможность напомнить мне о важности прогнозов погоды для работы сельскохозяйственных ферм, небольших бизнесов, авиакомпаний, энергетического сектора, воинских подразделений, сектора общественных услуг, площадок для гольфа, организации пикников и экскурсий для школьников – прогнозов, которые можно было бы получить за копейки. (NWS удается работать с бюджетом, составляющим всего 900 млн долл. в год {264} , то есть примерно 3 долл. на каждого гражданина США. И это несмотря на то что погода напрямую влияет примерно на 20 % экономики страны {265} .)

263

Младшие синоптики обычно начинают с пятого уровня шкалы зарплат для государственных служащих, то есть получают около 27 тыс. долл. в год до корректировок, связанных со стоимостью жизни. Самая высокая зарплата правительственного служащего в этой схеме составляет порядка 130 тыс. долл. плюс вышеупомянутые корректировки.

264

«National Weather Service: FY 2012 Budget Highlights», National Oceanic and Atmospheric Administration, United States Department of Commerce. http://www.corporateservices.noaa.gov/nbo/FY09_Rollout_Materials/NWS_One_Pager_FINAL.pdf.

265

«Weather Impact on USA Economy», National Oceanic and Atmospheric Association Magazine, Nov. 1, 2001. http://www.magazine.noaa.gov/stories/mag4.htm.

Одним из тех метеорологов, с которыми мне удалось встретиться, был Джим Хоук – директор центра гидрометеорологического прогнозирования NWS. Хоук проработал в этой области около 35 лет, занимаясь и вычислительной стороной процесса (он помогал выстраивать компьютерные модели, которые используют его прогнозисты), и операционной (создавая эти прогнозы и сообщая их широкой публике). И, благодаря этому, он достаточно хорошо представляет себе, как взаимодействуют люди и машины в мире метеорологии.

Так что же конкретно люди могут делать лучше, чем компьютеры, способные обрабатывать данные со скоростью 77 терафлоп [67] ? Они обладают видением. Хоук отвел меня на этаж прогнозирования, заставленный рабочими станциями, около каждой из которых видела табличка с пояснением типа «военно-морской центр прогнозов» или «центр прогнозов на национальном уровне». Каждая станция управлялась одним-двумя метеорологами, а рядом с каждым из них имелась целая армада жидкокристаллических мониторов с полноцветными картами всевозможных типов погодных данных для каждого уголка страны.

67

Терафлоп – триллион операций с плавающей точкой в секунду; флопс – единица измерения производительности процессора.

Прогнозисты работали тихо и быстро, с точностью, о которой, наверное, и мечтал Грант {266} .

Некоторые из прогнозистов рисовали на этих картах световыми указками, тщательно корректируя контуры температурных градиентов, созданных компьютерными моделями, – 25 миль к западу в сторону дельты Миссисипи, 50 миль к северу в направлении озера Эри. Постепенно, шаг за шагом они приводили карты к желанному платоническому идеалу.

Прогнозисты отлично представляют себе недостатки компьютерных моделей. Это возникает неминуемо, поскольку, как следует из теории хаоса, даже самая тривиальная ошибка в модели может привести к значительным последствиям. Возможно, компьютер оказывается слишком консервативным при прогнозировании ночных дождей в Сиэтле, когда над заливом Пьюджет-Саунд образуется зона низкого давления. Возможно, он не знает, что при одном направлении ветра туман в национальном парке Акадия в Мэйне рассеивается к восходу солнца, при другом – может остаться до середины дня.

266

Возможно, это не просто совпадение – прогнозирование погоды представляет собой постоянно работающий бизнес, поэтому все сотрудники World Weather Building время от времени выходят в ночную смену. С учетом отсутствия солнечного света и окон в World Weather Building мне порой казалось, что я нахожусь внутри подводной лодки.

Подобные вещи прогнозисты понимают со временем, учась обходить недостатки модели, наподобие того как опытный игрок в пул привыкает обходить слепые зоны бильярдного стола в местном баре.

Уникальным ресурсом этих прогнозистов было и остается их умение видеть. Этот инструмент важен в любой дисциплине – визуальное изучение графика, показывающего взаимодействие между двумя переменными, часто оказывается более быстрым и более надежным способом выявить странные искажения данных, чем статистический тест. Это также одна из тех областей, в которых компьютеры сильно отстают от человеческого мозга. Стоит немного изменить последовательность букв – как в случае технологии CAPTCHA [68] , часто использующейся для противостояния спаму в качестве средства защиты паролей (рис. 4.3), – и даже самые «толковые» компьютеры начинают смущаться. Они воспринимают информацию слишком буквально. Они неспособны распознать закономерность, подвергшуюся даже небольшой манипуляции. Люди же, в силу эволюционной необходимости, обладают мощными визуальными способностями. Они быстро отсеивают любые искажения закономерностей и могут распознать такие абстрактные вещи, как закономерности и организация, то есть то, что оказывается особенно важным в различных типах погодных систем.

68

CAPTCHA (Completely Automated Public Turing test to tell Humans from Computers Apart) – полностью автоматический тест Тьюринга для распознания компьютеров и людей; в русской транскрипции – капча.

Рис. 4.3. Пример теста CAPTCHA

На самом деле, в старые времена, когда метеорологические компьютеры были еще не особенно полезными, прогнозирование погоды представляло собой почти полностью визуальный процесс. Вместо дисплеев в офисах стояли столы с подсветкой, на которых лежали карты. Метеорологи корректировали рисунки на картах с помощью мелков или цветных карандашей. Хотя последняя доска с подсветкой была отправлена в отставку уже много лет назад, дух этого метода живет и в наши дни.

По словам Хоука, самые квалифицированные синоптики-прогнозисты должны обладать способностью думать визуально и абстрактно, но в то же самое время им необходимо разбираться с огромными массивами информации, которой снабжает их компьютер. Более того, они должны понимать динамическую и нелинейную природу изучаемой ими системы. Это непростая задача, требующая тщательного использования и правого, и левого полушарий. Многие из прогнозистов могли бы стать хорошими инженерами или программистами с куда большей зарплатой, однако они сознательно решают стать метеорологами.

NWS постоянно отслеживает два типа данных: первый показывает, насколько хорошо компьютеры справляются в одиночку, а второй оценивает долю человеческого вклада. Судя по статистическим данным, люди способны улучшить правильность компьютерных прогнозов выпадения осадков примерно на 25 % {267} , а прогнозов погоды – примерно на 10 % {268} .

Более того, согласно Хоуку, эти сравнительные данные практически не менялись со временем: какой бы прогресс ни происходил в компьютерных технологиях, люди-прогнозисты могут еще лучше повысить их ценность. Видение стоит дорогого.

267

«HPC% Improvement to NCEP Models (1-Inch Day 1 QPF Forecast)», Hydro Meteorological Prediction Center, National Oceanic and Atmospheric Association. http://www.hpc.ncep.noaa.gov/images/hpcvrf/1inQPFImpann.gif.

268

«HPC Pct Improvement vs MOS (Max Temp MAE: Stations Adjusted >= 1 F)», Hydro Meteorological Prediction Center, National Oceanic and Atmospheric Association. http://www.hpc.ncep.noaa.gov/images/hpcvrf/max1.gif.

Вероятность погибнуть от удара молнии становится все меньше

Когда Хоук только начинал начал свою карьеру в середине 1970-х, анекдоты о синоптиках были недалеки от истины. Например, в прогнозах погоды NWS, сделанных за три дня, максимальное отклонение от прогнозируемой температуры достигало примерно 6 ° F (рис. 4.4). Это ненамного лучше, чем в случае составления прогноза на основе обычного изучения таблицы долгосрочных средних значений. Однако партнерство между человеком и машиной способно принести немалые дивиденды. В наши дни средняя величина ошибки составляет примерно 3,5 ° F – иными словами, она стала примерно наполовину меньше. Также синоптикам удается значительно лучше предсказывать аномальные погодные явления.