Погода, катастрофи і космічні аномалії: як наука навчилася все передбачати

Що таке прогнозування?

Прогнозування - це розробка прогнозу; у вузькому значенні - спеціальне

наукове дослідження конкретних перспектив подальшого розвитку будь-якого процесу.

Необхідність прогнозу обумовлена ​​бажанням знатиподії майбутнього, що достовірно - неможливо в принципі, виходячи зі статистичних (помилки поточних оцінок), імовірнісних (багатоваріантність наслідків), емпіричних (методологічні помилки моделей), філософських (обмеженість поточних знань) принципів.

Точність будь-якого прогнозу обумовлена:

  • об'ємом «істинних» (верифікованих з відомою похибкою) вихідних даних і періодом їх збору;
  • об'ємом неверифікованих вихідних даних і періодом їх збору;
  • властивостями об'єкта прогнозування і системи його взаємодії з суб'єктом прогнозу;
  • методиками та моделями прогнозування.

При зростанні сукупності факторів, що впливають на точність прогнозу, він практично заміщається рутинним розрахунком з деякою сталою похибкою.

Прогнози діляться (умовно):

  • за термінами: короткострокові, середньострокові, довгострокові, далекостроковій;
  • за масштабом: приватні, місцеві, регіональні, галузеві, країнові, світові (глобальні);
  • по відповідальності (авторству): особисті, на рівні підприємства (організації), на рівні державних органів.

До основних методів прогнозування відносять:

  • статистичні методи;
  • експертні оцінки (наприклад, метод Дельфі);
  • методи моделювання, в тому числі імітаційного;
  • інтуїтивні (тобто виконані без застосування технічних засобів, експромтом, «в умі» фахівцем, що має досвід раніше застосовуваних наукових методів в даному типі прогнозів).

Статистичні методи прогнозування

Статистичні методи прогнозування - наукова інавчальна дисципліна, до основних завдань якої відносяться розробка, вивчення і застосування сучасних математико-статистичних методів прогнозування на основі об'єктивних даних.

Розвиток теорії і практикиймовірносно-статистичного моделювання експертних методів прогнозування; методів прогнозування в умовах ризику і комбінованих методів прогнозування з використанням спільно економіко-математичних і економетричних (як математико-статистичних, так і експертних) моделей.

Науковою базою статистичних методів прогнозування є прикладна статистика і теорія прийняття рішень.

Найпростіші методи відновлення використовуваних для прогнозування залежностей виходять із заданого тимчасового ряду, т. Е. Функції, визначеної в кінцевому числі точок на осі часу.

Оцінювання точності прогнозу (зокрема здопомогою довірчих інтервалів) - необхідна частина процедури прогнозування. Зазвичай використовують ймовірносно-статистичні моделі відновлення залежності, наприклад, будують найкращий прогноз за методом максимальної правдоподібності.

Розроблено параметричні (зазвичай на основімоделі нормальних помилок) і непараметричні оцінки точності прогнозу і довірчі кордону для нього (на основі Центральної граничної теореми теорії ймовірностей). Застосовуються також евристичні прийоми, які базуються на ймовірносно-статистичної теорії, наприклад, метод ковзних середніх.

Багатовимірна регресія, в тому числі з використанням непараметричних оцінок щільності розподілу - основний на даний момент статистичний апарат прогнозування.

Нереалістичне припущення про нормальністьпохибок вимірювань і відхилень від лінії (поверхні) регресії використовувати не обов'язково; однак для відмови від припущення нормальності необхідно спертися на інший математичний апарат, заснований на багатовимірної Центральної граничній теоремі теорії ймовірностей, технології лінеаризації і успадкування збіжності.

Додатки для прогнозування

Для прогнозування по тимчасовому ряду зазвичайвикористовують комп'ютерні програми. Це дозволяє автоматизувати велику частину операцій при побудові прогнозу, а також дозволяє уникнути помилок, пов'язаних з введенням даних і побудовою моделей.

Такі додатки можуть бути як локальними (длявикористання на одному комп'ютері), так і інтернет-додатками (доступними у вигляді веб-сайту, наприклад). Як локальних програм слід виділити такі програми, як R, SPSS, Statistica, Forecast Pro, Forecast Expert.

Що можна прогнозувати?

  • Погода

Помилки при розрахунках майбутніх станів атмосфери та інших хаотичних систем з часом накопичуються, тому прогноз погоди на добу вперед значно краще, ніж на місяць.

Проте, точність поступово зростає: Сучасні п'ятиденні прогнози так само хороші,як 40 років тому - одноденні. Корисний прогноз можна зробити і на дев'ять-десять днів. А межа передбачуваності класичними моделями, за словами Олександра Чернокульского, становить два тижні.

Всі ці моделі побудовані за одним принципом.Погода описується декількома базовими рівняннями, які вирішуються покроково підстановкою даних спостережень, а не в загальному вигляді, як вчать в школі, - так їх просто неможливо вирішити.

Щоб не опинитися в незручному становищі, як колись Лоренц, модель запускають 10-20 разів, трохи змінюючи вихідні значення, - вносять шум, щоб розглянути різні варіанти.

  • Магнітні бурі

Вчені всього світу вже 70 років працюють над тим,що з'ясовують причини аномального нагріву сонячної корони. Цей процес пов'язують з магнітними бурями, які до сих пір неможливо точно спрогнозувати.

Температура сонячної корони - зовнішньої шаруатмосфери Сонця - становить близько 1 млн градусів Цельсія, а подекуди сягає майже 10 млн. Однак нижні шари атмосфери досягають всього лише 5,5 тис. градусів.

В результаті висновок: чим далі від центру Сонця, тим спекотніше, хоча всередині нього все навпаки. Механізм роботи цього нагріву корони досі незрозумілий.

Поширення альфвенівських хвиль самарськівчені досліджують за допомогою рівнянь магнітної газодинаміки. За підсумками роботи вчені представлять системи рівнянь, математично точно описують різні параметри і моделі нагріву сонячної корональної плазми.

  • виверження вулканів

Дослідники зі Стенфордського університетупроаналізували розташування кристалів олівіну, які застигли в лаві після виверження вулкана Кілауеа. Так вчені змогли дізнатися подробиці процесів, що відбуваються в надрах землі - ця інформація допоможе передбачити майбутні виверження.

Вчені пояснили, що вони спробували створитиалгоритм для того, щоб передбачити виверження вулканів. Однак багато процесів, які можуть підказати про це, відбуваються глибоко під землею в лавових трубках. Після виверження будь підземні маркери, які могли б дати підказки дослідникам, знищуються в переважній більшості випадків.

Тому дослідники сфокусувалися на дослідженнях кристалів олівіну, які утворилися під час сильного виверження на Гаваях понад півстоліття тому.

Після цього дослідники Стенфордськогоуніверситету знайшли спосіб протестувати комп'ютерні моделі потоку магми, які, за їхніми словами, могли б розкрити більше даних про минулі виверженнях і, можливо, допомогти передбачити майбутні.

  • Пожежі

Дослідження пожежної лабораторії УніверситетуБригама Янга в США дозволяє отримати більш точне уявлення про те, де починаються лісові пожежі і як вони поширюються. Вчені впевнені, що будь-які нові дані, які дозволять контролювати стихійні лиха, заощадять бюджету країни мільйони доларів.

Дослідження показали, що хімічний складчагарників має важливе значення для того, наскільки швидко вони горять. Тип рослин, знайдений поряд з осередком займання, може допомогти передбачити, як буде поширюватися вогонь і як швидко він може перекинутися на інші види рослин.

Експеримент спрямований на вдосконаленнямоделей прогнозування пожеж. Оскільки боротьба з ними обходиться лісової службі і державним установам США в мільярди доларів щорічно, будь-які дослідження, які можуть допомогти зробити боротьбу з пожежами більш ефективної, мають важливе значення, відзначили дослідники.

  • зміни клімату

Дослідники з Норвезької бізнес-школи в Ослостворили математичну модель змін клімату, згідно з якою, після припинення всіх викидів зростання температур триватиме ще мінімум 100 років.

Дослідники використовували в своїй моделіінформацію про клімат з 1850 року і до наших днів. На основі цього вони спрогнозували, як зміняться глобальні температури і на скільки підвищиться рівень моря до 2500 року.

В результаті з'ясувалося, що якщо пік викидівпарникових газів доведеться приблизно на 20-30 рік, а до 2100 впаде до нуля, то до 2500 все одно глобальні температури будуть на три градуси більше, а рівень моря на 2,5 м вище, ніж в 1850 році. І це найсприятливіший прогноз.

Несмотя на те, що частина вуглекислого газу з повітря буде поглинена біомасою, грунтом і океанами, це ніяк не зупинить глобальне потепління. Точка неповернення була пройдена раніше 2020 року.

Як поліпшити наші прогнози?

В майбутньому якість даних підвищиться завдякиспектрорадіометра, радарах і лидара (лазерів) на нових супутниках. Передові космічні апарати вже зараз здатні в разі потреби наводити апаратуру.

Інше перспективний напрямок - вимірювання за допомогою звичайних смартфонів, обладнаних всілякими датчиками, і іншої споживчої електроніки.

Є ще одна проблема - зі зменшенням масштабумоделі і зростанням обсягу даних складність обчислень колосально зростає. Наприклад, для прогнозування погоди застосовуються одні з найпотужніших комп'ютерів у світі.

Коштують вони дорого, а їх продуктивність більшене збільшується колишніми темпами: кремнієві мікросхеми майже нікуди вдосконалювати. До того ж сучасним метеорологам залишилося спадок з мільйонів рядків програмного коду, через що обчислення не так-то просто оптимізувати.

Читати далі

Фізики створили аналог чорної діри і підтвердили теорію Хокінга. До чого це призведе?

Вчені виявили міфічну частку Оддерона

Саме таємниче природне явище. Звідки береться кульова блискавка і чим вона небезпечна?