يتفوق برنامج التنبؤ بالطقس الذي يعمل بالذكاء الاصطناعي من Google DeepMind بسهولة على المعايير العالمية

في سبتمبر/أيلول، كان الباحثون في وحدة DeepMind للذكاء الاصطناعي التابعة لشركة Google في لندن يولون اهتمامًا غير عادي بالطقس عبر البركة. كان إعصار لي على بعد 10 أيام على الأقل من الوصول إلى اليابسة – دهورًا من حيث التنبؤ – وكانت التوقعات الرسمية لا تزال متأرجحة بين هبوط العاصفة على المدن الكبرى في شمال شرق البلاد أو عدم وصولها تمامًا. كان برنامج DeepMind التجريبي الخاص قد قدم تشخيصًا محددًا للغاية للوصول إلى اليابسة في أقصى الشمال. يقول عالم الأبحاث ريمي لام: “لقد تم تثبيتنا في مقاعدنا”.

وبعد أسبوع ونصف، في 16 سبتمبر، ضرب لي الأرض التي تنبأ بها برنامج DeepMind، المسمى GraphCast، قبل أيام: لونغ آيلاند، نوفا سكوتيا، بعيدًا عن المراكز السكانية الرئيسية. لقد أضاف هذا إلى موسم اختراق لجيل جديد من نماذج الطقس التي تعمل بالذكاء الاصطناعي، بما في ذلك النماذج الأخرى التي صممتها Nvidia وHuawei، والتي يتمتع أداؤها القوي أخذت الميدان على حين غرة. المتنبئون القدامى قال WIRED في وقت سابق في موسم الأعاصير هذا، تم استبدال شكوك خبراء الأرصاد الجوية الجدية حول الذكاء الاصطناعي بتوقع حدوث تغييرات كبيرة في المستقبل في هذا المجال.

واليوم، شاركت جوجل أدلة جديدة تمت مراجعتها من قبل النظراء على هذا الوعد. في ورقة نشرت اليوم في علومأفاد باحثو DeepMind أن نموذجها تفوق على توقعات المركز الأوروبي للتنبؤ بالطقس متوسط ​​المدى (ECMWF)، وهو عملاق عالمي للتنبؤ بالطقس، عبر 90 بالمائة من أكثر من 1300 متغير جوي مثل الرطوبة ودرجة الحرارة. والأفضل من ذلك، أنه يمكن تشغيل نموذج DeepMind على جهاز كمبيوتر محمول وإصدار توقعات في أقل من دقيقة، في حين تتطلب النماذج التقليدية حاسوبًا عملاقًا عملاقًا.

هواء نقي

تقوم عمليات محاكاة الطقس القياسية بتنبؤاتها من خلال محاولة تكرار فيزياء الغلاف الجوي. لقد تحسنت على مر السنين، وذلك بفضل الرياضيات الأفضل ومن خلال الحصول على ملاحظات الطقس الدقيقة من الأساطيل المتزايدة من أجهزة الاستشعار والأقمار الصناعية. كما أنها مرهقة. يمكن أن تستغرق التوقعات في مراكز الطقس الرئيسية مثل ECMWF أو الجمعية الوطنية الأمريكية للمحيطات والغلاف الجوي ساعات ليتم حسابها على خوادم قوية.

عندما بدأ بيتر باتاجليا، مدير الأبحاث في DeepMind، في النظر لأول مرة في التنبؤ بالطقس قبل بضع سنوات، بدا الأمر وكأنه المشكلة المثالية لذوقه الخاص في التعلم الآلي. لقد قامت شركة DeepMind بالفعل بتنبؤات هطول الأمطار المحلية باستخدام نظام، دعا NowCasting، مدربة على بيانات الرادار. الآن يريد فريقه محاولة التنبؤ بالطقس على نطاق عالمي.

كان باتاغليا يقود بالفعل فريقًا يركز على تطبيق أنظمة الذكاء الاصطناعي التي تسمى الشبكات العصبية البيانية، أو GNNs، لنمذجة سلوك السوائل، وهو تحدٍ فيزيائي كلاسيكي يمكنه وصف حركة السوائل والغازات. وبالنظر إلى أن التنبؤ بالطقس يدور في جوهره حول نمذجة تدفق الجزيئات، فإن استغلال شبكات GNN بدا أمرًا بديهيًا. في حين أن تدريب هذه الأنظمة يعد أمرًا شاقًا، ويتطلب مئات من وحدات معالجة الرسومات المتخصصة، أو وحدات معالجة الرسومات، لمعالجة كميات هائلة من البيانات، فإن النظام النهائي خفيف الوزن في نهاية المطاف، مما يسمح بتوليد التنبؤات بسرعة بأقل قدر من طاقة الكمبيوتر.

تمثل شبكات GNN البيانات على هيئة “رسوم بيانية” رياضية – شبكات من العقد المترابطة التي يمكن أن تؤثر على بعضها البعض. في حالة تنبؤات الطقس الخاصة بـ DeepMind، تمثل كل عقدة مجموعة من الظروف الجوية في موقع معين، مثل درجة الحرارة والرطوبة والضغط. يتم توزيع هذه النقاط حول العالم وعلى ارتفاعات مختلفة – وهي عبارة عن سحابة فعلية من البيانات. الهدف هو التنبؤ بكيفية تفاعل جميع البيانات في كل تلك النقاط مع جيرانها، ورصد كيفية تغير الظروف بمرور الوقت.

تتطلب برامج التدريب للقيام بتنبؤات جيدة البيانات الصحيحة. قامت DeepMind بتدريب شبكاتها على التنبؤ بدقة بكيفية تطور أي مجموعة معينة من الظروف الجوية باستخدام 39 عامًا من الملاحظات التي تم جمعها ومعالجتها بواسطة ECMWF. تهدف هذه العملية إلى تعليم البرنامج كيف يمكن توقع تحول مجموعة أولية من أنماط الغلاف الجوي على مدى ست ساعات. يتم بعد ذلك إدخال كل توقع في التنبؤ التالي، مما يؤدي في النهاية إلى إنتاج توقعات طويلة المدى يمكن أن تمتد على مدار أسبوع.

المزيد قادم

يقول لام وباتاليا إنهما يعتبران الأداء الرائع لنموذج التنبؤ الخاص بهما بمثابة نقطة انطلاق. ونظرًا لأنه يمكنه حساب أي نوع من التنبؤات بهذه السهولة، فإنهم يعتقدون أنه من الممكن تعديل الإصدارات لتقديم أداء أفضل لأنواع معينة من الظروف الجوية، مثل هطول الأمطار أو الحرارة الشديدة أو مسارات الأعاصير، أو تقديم تنبؤات أكثر تفصيلاً لمناطق محددة . وتقول Google أيضًا إنها تستكشف كيفية إضافة GraphCast إلى منتجاتها. (الشركة مؤخرا أضاف نموذجًا مختلفًا للذكاء الاصطناعي، المصممة للتنبؤ على المدى القريب، في توقعات الطقس المعروضة على الأجهزة المحمولة.)

يقول ماثيو شانتري، الذي يعمل على التنبؤ بالتعلم الآلي في ECMWF، إن GraphCast من Google DeepMind برز كأقوى المتنافسين على الذكاء الاصطناعي. ويقول: “بمرور الوقت، سيكون الوضع أفضل قليلاً على الدوام”. “هذا مثير حقًا.” ويضيف أن الميزة الأخرى هي أن البرنامج هو أداة التنبؤ بالطقس الوحيدة التي تعمل بتقنية الذكاء الاصطناعي والتي تقدم تنبؤات بهطول الأمطار – وهي مهمة صعبة بشكل خاص لنماذج الذكاء الاصطناعي، لأن الفيزياء التي تنتج المطر تميل إلى أن تحدث بدقة أدق بكثير مما يدعمه نظام الذكاء الاصطناعي. البيانات المستخدمة لتدريبهم.

على الرغم من النتائج القوية التي حققتها جوجل، إلا أن التنبؤ بالطقس لا يزال بعيدًا عن الحل. لم يتم تصميم نموذج الذكاء الاصطناعي الخاص به لتوفير تنبؤات جماعية، والتي توضح بالتفصيل النتائج المحتملة المتعددة لعاصفة أو نظام طقس آخر، إلى جانب مجموعة من الاحتمالات التي يمكن أن تكون مفيدة بشكل خاص للأحداث الكبرى مثل الأعاصير.

تميل نماذج الذكاء الاصطناعي أيضًا إلى التقليل من قوة بعض الأحداث الأكثر أهمية، مثل العواصف من الفئة 5. ربما يرجع ذلك إلى أن خوارزمياتهم تفضل التنبؤات الأقرب إلى متوسط ​​الظروف الجوية، مما يجعلهم حذرين من التنبؤ بالسيناريوهات المتطرفة. أفاد باحثو GraphCast أيضًا أن نموذجهم لم يرقى إلى مستوى توقعات ECMWF للظروف في طبقة الستراتوسفير – الجزء العلوي من الغلاف الجوي – على الرغم من أنهم غير متأكدين من السبب بعد.

تغير المناخ

إن الاعتماد على البيانات التاريخية للتدريب ينطوي على نقطة ضعف خطيرة محتملة: ماذا لو كان طقس المستقبل لا يشبه طقس الماضي؟ ونظرًا لأن نماذج الطقس التقليدية تعتمد على قوانين الفيزياء، يُعتقد أنها قوية إلى حد ما في مواجهة التغيرات في مناخ الأرض. يتغير الطقس، لكن القواعد التي تحكمه لا تتغير.

يقول باتاجليا إن قدرة نظام ديب مايند على التنبؤ بمجموعة واسعة من أنظمة الطقس، بما في ذلك الأعاصير، على الرغم من رؤية عدد قليل نسبيًا من كل نوع في بيانات التدريب الخاصة به، تشير إلى أنه استوعب فيزياء الغلاف الجوي. ومع ذلك، يقول باتاجليا إن هذا أحد الأسباب لتدريب النموذج على بيانات حديثة قدر الإمكان.

في الشهر الماضي، عندما ضرب إعصار أوتيس أكابولكو بالمكسيك، كانت شدة الإعصار ومساره على الملايين من الناس بعيدة عن بصيرة جميع نماذج الطقس ــ بما في ذلك تلك التي تعمل بالذكاء الاصطناعي. يقول بريان ماكنولدي، عالم الأرصاد الجوية في جامعة ميامي، إن مثل هذه العواصف هي «ظواهر متطرفة بين القيم المتطرفة». لا يزال خبراء الأرصاد يكتشفون سبب حدوث ذلك، بما في ذلك من خلال النظر في الثغرات في فهم كيف يمكن لظروف المحيطات غير العادية أو العمليات العميقة داخل العاصفة أن تدفعها إلى القوة بسرعة. مهما كانت الرؤى والبيانات الجديدة التي يتم الحصول عليها، فسوف تتدفق مرة أخرى إلى نماذج فيزياء الطقس التقليدية – وكذلك مجموعات البيانات التي تدعم النماذج الأحدث المستندة إلى الذكاء الاصطناعي مثل GraphCast من Google.

تقوم ECMWF بإنشاء نموذج خاص بها للتنبؤ بالطقس يعتمد على الذكاء الاصطناعي، مستوحى من GraphCast، مراهنة على أن خبرة الوكالة في فيزياء الغلاف الجوي يمكن أن تساعد في تصميم نموذج يعمل بشكل أفضل. ويهدف إلى إطلاق تنبؤات مدعومة بالذكاء الاصطناعي في العام أو العامين المقبلين. ويأمل شانتري أن يستمر مجتمع التعلم الآلي في ضخ أموال الباحثين وقطاع الصناعة ووحدات معالجة الرسوميات لتحسين التنبؤات الجوية أيضًا.