От засухи, истощающей озера в Калифорнии, до наводнений, разрушающих мосты в Китае, экстремальная погода сеет хаос. Однако подготовка к экстремальным погодным явлениям в условиях меняющегося климата остается сложной задачей, поскольку их причины сложны, а их реакция на глобальное потепление часто недостаточно изучена. Теперь исследователи из Стэнфорда разработали инструмент машинного обучения для определения условий экстремальных осадков на Среднем Западе, на которые приходится более половины всех крупных наводнений в США. Опубликованный в журнале Geophysical Research Letters, их подход является одним из первых примеров использования ИИ для анализа причин долгосрочных изменений экстремальных явлений и может помочь сделать прогнозы таких событий более точными.

"Мы знаем, что наводнения становятся все хуже", - сказала ведущий автор исследования Фрэнсис Дэвенпорт, аспирантка по науке о системах Земли в Стэнфордской школе наук о Земле, энергии и окружающей среде (Стэнфордская Земля). "Наша цель состояла в том, чтобы понять, почему увеличивается количество экстремальных осадков, что, в свою очередь, может привести к улучшению прогнозов о будущих наводнениях".

Среди других последствий ожидается, что глобальное потепление приведет к увеличению количества дождей и снегопадов, создавая более теплую атмосферу, которая может удерживать больше влаги. Ученые выдвигают гипотезу, что изменение климата может повлиять на осадки и другими способами, такими как изменение времени и места возникновения штормов. Однако выявить эти последствия по-прежнему сложно, отчасти потому, что глобальные климатические модели не обязательно обладают пространственным разрешением для моделирования этих региональных экстремальных явлений.

"Этот новый подход к использованию методов машинного обучения открывает новые возможности в нашем понимании глубинных причин изменения экстремальных явлений",-сказал соавтор исследования Ноа Диффенбо, профессор Фонда Кара Джей в Школе наук о Земле, энергии и окружающей среде. "Это могло бы позволить сообществам и лицам, принимающим решения, лучше подготовиться к событиям с высокой отдачей, таким как те, которые настолько экстремальны, что выходят за рамки нашего исторического опыта".

Дэвенпорт и Диффенбо сосредоточили свое внимание на верхнем водоразделе Миссисипи и восточной части водораздела Миссури. В регионе, сильно подверженном наводнениям, который охватывает часть девяти штатов, в последние десятилетия наблюдаются экстремальные осадки, и крупные наводнения участились. Исследователи начали с использования общедоступных климатических данных для расчета количества дней с экстремальными осадками в регионе с 1981 по 2019 год. Затем они обучили алгоритм машинного обучения, предназначенный для анализа сеточных данных, таких как изображения, для выявления крупномасштабных закономерностей циркуляции атмосферы, связанных с экстремальными осадками (выше 95-го процентиля).

"Алгоритм, который мы используем, правильно определяет более 90 процентов экстремальных дней осадков, что выше, чем производительность традиционных статистических методов, которые мы тестировали", - сказал Дэвенпорт.

Обученный алгоритм машинного обучения показал, что несколько факторов ответственны за недавнее увеличение экстремальных осадков на Среднем Западе. В 21 веке закономерности атмосферного давления, приводящие к экстремальным осадкам на Среднем Западе, участились, увеличиваясь со скоростью примерно на один дополнительный день в год, хотя исследователи отмечают, что изменения намного слабее, начиная с 1980-х годов.

Тем не менее, исследователи обнаружили, что, когда эти изменения атмосферного давления действительно происходят, количество осадков, которые в результате выпадают, явно увеличивается. В результате в дни с такими условиями сейчас более вероятно выпадение экстремальных осадков, чем в прошлом. Дэвенпорт и Диффенбо также обнаружили, что увеличение интенсивности осадков в эти дни было связано с более высокими потоками атмосферной влаги из Мексиканского залива на Средний Запад, принося воду, необходимую для обильных осадков в регионе.

Исследователи надеются расширить свой подход, чтобы посмотреть, как эти различные факторы повлияют на экстремальные осадки в будущем. Они также предполагают использовать этот инструмент для сосредоточения внимания на других регионах и типах экстремальных явлений, а также для анализа различных причин экстремальных осадков, таких как погодные фронты или тропические циклоны. Эти приложения помогут в дальнейшем анализировать связь изменения климата с экстремальными погодными условиями.

"Хотя изначально мы сосредоточились на Среднем Западе, наш подход может быть применен к другим регионам и использован для более широкого понимания изменений в экстремальных явлениях", - сказал Дэвенпорт. "Это поможет обществу лучше подготовиться к последствиям изменения климата".

ИСТОЧНИК