Norėdami ištirti vandenyno sroves, mokslininkai vandenyne paleidžia GPS pažymėtus plūdurus ir registruoja jų greitį, kad atkurtų jas pernešančias sroves. Šie plūduro duomenys taip pat naudojami nustatant „divergencijas“, kurios yra sritys, kuriose vanduo pakyla iš apačios arba nugrimzta po juo.
Tiksliai numatydami sroves ir nustačius skirtumus, mokslininkai gali tiksliau prognozuoti orą, apytiksliai apskaičiuoti, kaip nafta pasklis išsiliejus, arba išmatuoti energijos perdavimą vandenyne. Naujas modelis, apimantis mašininį mokymąsi, suteikia tikslesnes prognozes nei įprasti modeliai, pranešama naujame tyrime.
Daugiadisciplininė tyrimų grupė, kurią sudaro MIT kompiuterių mokslininkai ir okeanografai, nustatė, kad standartinis statistinis modelis, paprastai naudojamas plūdurų duomenims, gali sunkiai tiksliai atkurti sroves arba nustatyti skirtumus, nes daro nerealias prielaidas apie vandens elgesį.
Tyrėjai sukūrė naują modelį, apimantį skysčių dinamikos žinias, kad geriau atspindėtų vandenyno srovių fiziką. Jie rodo, kad jų metodas, kuriam reikia tik nedidelių papildomų skaičiavimo išlaidų, yra tikslesnis numatant sroves ir nustatant skirtumus nei tradicinis modelis.
Šis naujas modelis galėtų padėti okeanografams atlikti tikslesnius plūdurų duomenų įvertinimus, kurie leistų jiems veiksmingiau stebėti biomasės (pvz., Sargassum jūros dumblių), anglies, plastiko, aliejaus ir maistinių medžiagų transportavimą vandenyne. Ši informacija taip pat svarbi norint suprasti ir sekti klimato kaitą.
„Mūsų metodas tinkamiau ir tiksliau fiksuoja fizines prielaidas. Šiuo atveju mes jau žinome daug fizikos. Mes suteikiame modeliui šiek tiek šios informacijos, kad jis galėtų sutelkti dėmesį į mums svarbių dalykų mokymąsi, pvz., kokios srovės yra toli nuo plūdurų arba kas yra šis skirtumas ir kur jis vyksta? sako vyresnioji autorė Tamara Broderick, MIT Elektros inžinerijos ir kompiuterių mokslo (EECS) katedros docentė ir Informacijos ir sprendimų sistemų laboratorijos bei Duomenų, sistemų ir visuomenės instituto narė.
Brodericko bendraautoriai yra pagrindinis autorius Renato Berlinghieri, elektrotechnikos ir informatikos magistrantūros studentas; Brianas L. Trippe’as, Kolumbijos universiteto doktorantas; David R. Burt ir Ryan Giordano, MIT postdocs; Kaushik Srinivasan, Kalifornijos universiteto Los Andžele atmosferos ir vandenyno mokslų tyrėjo padėjėjas; Tamay Özgökmen, Majamio universiteto Vandenynų mokslų katedros profesorius; ir Junfei Xia, Majamio universiteto magistrantė. Tyrimas bus pristatytas tarptautinėje mašininio mokymosi konferencijoje.
Pasinerti į duomenis
Okeanografai naudoja duomenis apie plūduro greitį, kad prognozuotų vandenyno sroves ir nustatytų „divergencijas“, kai vanduo pakyla į paviršių arba nugrimzta gilyn.
Norėdami įvertinti sroves ir rasti skirtumus, okeanografai naudojo mašininio mokymosi metodą, žinomą kaip Gauso procesas, kuris gali prognozuoti net tada, kai duomenų yra nedaug. Kad šiuo atveju gerai veiktų, Gauso procesas turi daryti prielaidas apie duomenis, kad sukurtų prognozę.
Standartinis Gauso proceso taikymo vandenynų duomenims būdas reiškia, kad srovės platumos ir ilgumos komponentai nesusiję. Tačiau ši prielaida nėra fiziškai tiksli. Pavyzdžiui, šis esamas modelis reiškia, kad srovės divergencija ir jos sūkuriai (skysčio sūkurys) veikia tomis pačiomis dydžio ir ilgio skalėmis. Vandenyno mokslininkai žino, kad tai netiesa, sako Broderickas. Ankstesnis modelis taip pat prisiima atskaitos sistemą, o tai reiškia, kad skystis elgtųsi skirtingai platumos ir ilgumos kryptimi.
„Manėme, kad šias problemas galėtume išspręsti naudodami modelį, kuriame yra fizika“, – sako ji.
Jie sukūrė naują modelį, kuris naudoja vadinamąjį Helmholtz skaidymą, kad tiksliai atspindėtų skysčių dinamikos principus. Šis metodas modeliuoja vandenyno srovę, suskaidydamas ją į sūkurio komponentą (kuri fiksuoja sūkurinį judesį) ir divergencijos komponentą (kuri fiksuoja kylantį arba grimztantį vandenį).
Tokiu būdu jie modeliui suteikia tam tikrų pagrindinių fizikos žinių, kurias jis naudoja tikslesnėms prognozėms.
Šis naujas modelis naudoja tuos pačius duomenis kaip ir senasis modelis. Ir nors jų metodas gali būti intensyvesnis skaičiavimui, mokslininkai rodo, kad papildomos išlaidos yra palyginti nedidelės.
Puikus pasirodymas
Jie įvertino naująjį modelį naudodami sintetinius ir tikrus vandenyno plūdurų duomenis. Kadangi sintetinius duomenis sukūrė mokslininkai, jie galėjo palyginti modelio prognozes su žemės tiesos srovėmis ir skirtumais. Tačiau modeliavimas apima prielaidas, kurios gali neatspindėti tikrojo gyvenimo, todėl mokslininkai taip pat išbandė savo modelį naudodami duomenis, užfiksuotus tikrų Meksikos įlankoje išleistų plūdurų.
Tai rodo maždaug 300 plūdurų, išleistų per Grand LAgrangian dislokavimą (GLAD) Meksikos įlankoje 2013 m. vasarą, trajektorijas, siekiant sužinoti apie vandenyno paviršiaus sroves aplink Deepwater Horizon naftos išsiliejimo vietą. Maži, reguliarūs sukimai pagal laikrodžio rodyklę atsiranda dėl Žemės sukimosi. Kreditas: Pažangių angliavandenilių transportavimo aplinkoje tyrimų konsorciumas
Kiekvienu atveju jų metodas parodė puikų abiejų užduočių našumą, numatant sroves ir nustatant skirtumus, palyginti su standartiniu Gauso procesu ir kitu mašininio mokymosi metodu, kuriame buvo naudojamas neuroninis tinklas. Pavyzdžiui, viename modeliavime, kuriame buvo sūkurys šalia vandenyno srovės, naujasis metodas teisingai nenumatė jokio skirtumo, o ankstesnis Gauso proceso metodas ir neuroninio tinklo metodas numatė skirtumą labai patikimai.
Ši technika taip pat gerai atpažįsta sūkurius iš nedidelio plūdurų rinkinio, priduria Broderickas.
Dabar, kai jie įrodė Helmholtz skilimo efektyvumą, mokslininkai nori įtraukti laiko elementą į savo modelį, nes srovės gali skirtis laikui bėgant ir erdvėje. Be to, jie nori geriau užfiksuoti, kaip triukšmas veikia duomenis, pvz., vėjai, kurie kartais turi įtakos plūduro greičiui. Atskyrus tą triukšmą nuo duomenų, jų požiūris gali būti tikslesnis.
„Tikimės paimti šį triukšmingai stebimą greičių lauką iš plūdurų, tada pasakyti, koks yra tikrasis skirtumas ir tikrasis sūkurys, ir numatyti, kad atsitrauksime nuo plūdurų, ir manome, kad mūsų nauja technika bus naudinga tam“, – ji. sako.
„Autoriai sumaniai integruoja žinomą elgesį nuo skysčių dinamikos iki vandenyno srovių modeliavimo lanksčiame modelyje“, – sako Massimiliano Russo, Brighamo ir moterų ligoninės asocijuotas biostatistikas ir Harvardo medicinos mokyklos instruktorius, kuris nedalyvavo šiame darbe. „Susidaręs metodas išlaiko lankstumą modeliuojant srovių netiesiškumą, bet taip pat gali apibūdinti tokius reiškinius kaip sūkuriai ir sujungtos srovės, kurios būtų pastebėtos tik tuo atveju, jei skysčio dinaminė struktūra būtų integruota į modelį. Tai puikus pavyzdys, kai lankstus modelis gali būti iš esmės patobulintas naudojant gerai apgalvotą ir moksliškai pagrįstą specifikaciją.
Šį tyrimą iš dalies remia Jūrų tyrimų biuras, Nacionalinio mokslo fondo (NSF) KARJEROS apdovanojimas ir Majamio universiteto Rosenstiel jūrų, atmosferos ir žemės mokslų mokykla.
