獨特的降雨預報方法

李文

伍茲霍爾海洋研究所的科學家雷·施密特和他的兩個雙胞胎兒子在降雨預報競賽中獲得最高獎。

7～10天的天氣預測，能夠幫助人們規劃日常生活，但是當涉及季節或者數周的天氣預測時，例如 3周到3個月的天氣預報，我們就不能借助于晚間新聞來獲得這方面的信息，這種中長期的天氣預測，可能跟我們有更多的利害關系。例如，干旱可能使數百萬人面臨糧食不安全和水資源短缺方面的風險，極端洪水和颶風可能會對社區、企業和市政基礎設施造成破壞。

當伍茲霍爾海洋研究所的科學家雷·施密特聽說美國政府贊助旨在改善中長期天氣預報的競賽時，他希望進入。作為一名氣候科學家，他在預測非洲地區和美國中西部的中長期降雨方面一直處于領先地位。

“在2016年圣誕節前幾天，我收到了伍茲霍爾海洋研究所同事史蒂夫·埃爾加的一封電子郵件，該電子郵件告訴我美國國墾局剛剛公布了關于天氣預報的競賽。”雷·施密特說， “如果能夠在天氣預報競賽中為美國西部提供一年中最精準的降雨預報，他們就會提供巨額獎金。”

對雷·施密特來說，參加競賽是對他數十年來獨特降雨預報技術的一種檢驗，幾十年來他一直在伍茲霍爾海洋研究所潛心研究該技術。他預報方法的獨特之處，不是根據大多數預測所關注的厄爾尼諾現象進行中長期季節性預測，而是將海洋中的鹽度作為天然雨量計來預報。

根據海洋中的鹽度預測降雨

1993年，一個想法始終縈繞在雷·施密特的心頭，在密西西比河和密蘇里河洪水泛濫之后，他注意到墨西哥灣流有鹽度異常低的報道。

“由于所有洪水流入海洋之后，都使入流處的海洋的含鹽度降低，水和鹽相互作用的規律使海水的某些部分在洪水之前會變得更咸。許多淡水不得不提前離開海洋，為陸地提供額外的降雨。”雷·施密特說。海洋某區域離開的淡水量必須等于陸地某區域獲得的降雨量，海洋的大部分地區會因為蒸發而失去淡水，以便為陸地提供降雨的水源，蒸發必然會使海洋表面變得比正常情況更加咸。 他說：“考慮到這個基本概念，我開始研究海洋的高鹽度區域，看看鹽度的變化是否可以用來預測降雨量。”

截至2016年5月，研究取得了豐碩的成果。雷·施密特和來芳·里是伍茲霍爾海洋研究所的物理海洋學博士后學者，他們聯合另外兩名學者，共同發表了多項研究成果，研究表明亞熱帶大西洋的春季高鹽度與非洲薩赫勒地區夏季降水增加密切相關。眾所周知，即使是降雨模式的一個微小變化，也可能會成為數百萬人生死攸關的問題。

研究人員還成功地將該技術應用于美國中西部的夏季降雨預測方面。來芳·里和其他研究人員發現，美國中西部地區的夏季降雨與北大西洋西部的春季鹽度有關。這意味著如果從科德角、馬薩諸塞州到墨西哥灣的水在春季變咸，則美國中西部將會在夏季發生洪水泛濫。

父子團隊參加競賽

雷·施密特的想法在保守的同行評審員們看來是不受歡迎的。到2016年秋季，經過多次提案和3項已發表的研究，他仍然沒有資金用于他的研究。但這并沒有改變他對進入天氣預報競賽的想法。

雷·施密特說：“這次比賽要求對整整一年的情況進行最精準的預測。”他解釋說，每兩周，他們必須預測未來第3周和第4周美國西部所有地區的總降雨量，以及未來第5周和第6周的降雨情況。

除了他的獨特預報方法之外，雷·施密特團隊還有兩個特殊成員，他覺得可能會增加他贏得比賽的概率：他的雙胞胎兒子答應與他共同參加比賽。

一個兒子叫埃里克，是一個曾涉足人工智能（AI）領域的機械工程師，另一個兒子是計算機程序員斯蒂芬，他有工程技術方面的經歷，使他能夠利用歷史海洋數據創建AI模型，這將為他們在即將參加的天氣預報競賽中提供方便。

父子團隊就這樣誕生了。他們共同工作，在整個2017年，他們編制計算機代碼，以建立他們的“神經網絡”降雨預報模型。埃里克設計了人工智能算法，斯蒂芬為算法進行編碼，并在家用計算機上運行。

父子團隊于2017年4月下旬開始提交預報模型，大約1個月后，雷·施密特收到了一封來自美國國墾局的電子郵件。“我們的預報結果非常準確，一直處于領先地位，遠遠領先于其他所有人！”雷·施密特說。

“我們對第一次這樣的預報表現感到震驚，”埃里克說，“這促使我們更加努力地改進人工智能策略。”

經過一整年的預報競賽，雷·施密特和他的兒子們在天氣預報競賽中擊敗了所有對手， 包括一些專業的預測預報公司和美國國家海洋和大氣管理局開發的氣候模型。父子團隊在兩個降水預報類別的競賽中獲得一等獎，還獲得了資助今后11年研究的額外25萬美元的高額獎金。雷·施密特說：“對競賽結果我非常滿意，因為它表明我們擁有真正的預測技能。”

超越榮耀

對于父子團隊來說，勝利是令人興奮的事情，雷·施密特為預測技術的本身感到興奮。他認為，該獨特的預報方法可以為更好的中長期降雨預報提供參考。美國國墾局可以利用雷·施密特及其兒子開發的模型，管理分布在美國西部的許多水壩、水力發電廠和水庫，為水資源管理人員提供天氣模式變化預測，及早發現可能導致干旱或極端降雨的天氣。也可以使用該預測系統來定制針對特殊群體的降雨預報，例如農民、城市規劃者、山火救援隊和其他人群，他們可以提前幾周到幾個月知道未來的降雨情況。

雷·施密特說：“我們的工作是為社會服務的科學典范。我們的模型準確地預測了導致去年所有美國西部山火的干旱，我們將模型的應用擴展到整個美國，走向全球。了解水的未來可用性對于糧食安全至關重要，因為幾十年后世界人口將達到90億。這項工作還證明了海洋在氣候系統中的核心作用，以及繼續監測其特性的重要性。”