Jedes Jahr bringt die südasiatische Monsunzeit zwischen Juni und September über einer Milliarde Menschen auf dem indischen Subkontinent heftigen Regen. Der Regen fällt in Schwankungen: In manchen Wochen steht das Wasser 2,5 bis 10 cm hoch, während andere Wochen meist trocken sind. Die Vorhersage, wann diese Trocken- und Regenperioden eintreten werden, ist für die Landwirtschafts- und Stadtplanung von entscheidender Bedeutung, damit Landwirte wissen, wann sie ihre Ernte einbringen müssen, und Stadtbeamte sich auf Überschwemmungen vorbereiten können. Während Wettervorhersagen jedoch meist innerhalb von ein oder zwei Tagen genau sind, ist es sehr schwierig, das Wetter für eine Woche oder einen Monat genau vorherzusagen.
Jetzt hat sich gezeigt, dass eine neue, auf maschinellem Lernen basierende Vorhersage die südasiatischen Monsunniederschläge 10 bis 30 Tage im Voraus genauer vorhersagen kann, eine deutliche Verbesserung gegenüber aktuellen Vorhersagen auf dem neuesten Stand der Technik, die numerische Modelle statt künstlicher Intelligenz verwenden Vorhersagen zu treffen. Es ist auch wichtig, das Verhalten des Monsuns zu verstehen, da diese Art von Niederschlägen ein wichtiges atmosphärisches Merkmal des globalen Klimas darstellt.
Die Forschung wurde von Eviatar Bach geleitet, dem Foster and Coco Stanback Postdoctoral Scholar Research Associate für Umweltwissenschaften und -technik, der in den Laboren von Tapio Schneider, dem Theodore Y. Wu-Professor für Umweltwissenschaften und -technik und leitenden Forschungswissenschaftler am JPL, arbeitet; und Andrew Stuart, der Bren-Professor für Informatik und Mathematik.
Ein Papier beschreibend Die neue Methode erscheint im Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
„Es besteht große Sorge darüber, wie sich der Klimawandel auf den Monsun und andere Wetterereignisse wie Hurrikane, Hitzewellen usw. auswirken wird“, sagt Bach. „Die Verbesserung von Vorhersagen auf kürzeren Zeitskalen ist ein wichtiger Teil der Reaktion auf den Klimawandel, denn wir müssen in der Lage sein, die Vorbereitung auf diese Ereignisse zu verbessern.“
Ein Modell, das zeigt, wie der Monsunniederschlag während einer einzelnen Jahreszeit auf dem indischen Subkontinent variiert und als „Intrasaisonale Monsunoszillation“ bezeichnet wird. Bildnachweis: E. Bach
Die Vorhersage des Wetters ist schwierig, da die Atmosphäre zahlreiche Instabilitäten aufweist – zum Beispiel wird die Atmosphäre kontinuierlich von der Erde unten erwärmt, was zu kalter, dichterer Luft über heißerer, weniger dichter Luft führt – sowie Instabilitäten, die durch ungleichmäßige Erwärmung und Erdrotation verursacht werden. Diese Instabilitäten führen zu einer chaotischen Situation, in der sich die Fehler und Unsicherheiten bei der Modellierung des Verhaltens der Atmosphäre schnell vervielfachen, sodass es nahezu unmöglich ist, Vorhersagen über die Zukunft hinaus zu treffen.
Aktuelle Modelle auf dem neuesten Stand der Technik nutzen numerische Modelle, bei denen es sich um Computersimulationen der Atmosphäre handelt, die auf physikalischen Gleichungen basieren, die die Bewegung von Flüssigkeiten beschreiben. Aufgrund des Chaos liegt die maximal vorhersehbare Zeit für großräumiges Wetter normalerweise bei etwa 10 Tagen. Die Vorhersage des langfristigen durchschnittlichen Verhaltens der Atmosphäre – also des Klimas – ist ebenfalls möglich, aber die Vorhersage des Wetters im Zeitintervall zwischen zwei Wochen und mehreren Monaten war mit numerischen Modellen eine Herausforderung.
Bei südasiatischen Monsunen fällt der Regen in der Regel in Zyklen intensiver Ausbrüche, gefolgt von Trockenperioden. Diese Zyklen werden als Monsun-Intrasaisonale Oszillationen (MISOs) bezeichnet. In der neuen Forschung fügten Bach und seine Mitarbeiter den aktuellen numerischen Modellen auf dem neuesten Stand eine maschinelle Lernkomponente hinzu. Dies ermöglichte es den Forschern, Daten über die MISOs zu sammeln und bessere Vorhersagen über den Niederschlag auf der schwer fassbaren Zeitskala von zwei bis vier Wochen zu treffen. Das resultierende Modell konnte die Korrelationen der Vorhersagen mit Beobachtungen um bis zu 70 % verbessern.
„In den letzten Jahren gab es ein zunehmendes Interesse daran, maschinelles Lernen für die Wettervorhersage zu nutzen“, sagt Bach. „Unsere Arbeit zeigt, dass eine Kombination aus maschinellem Lernen und traditionellerer numerischer Modellierung genaue Ergebnisse liefern kann.“
Der Artikel trägt den Titel „Verbesserte subsaisonale Vorhersage südasiatischer Monsunniederschläge mithilfe datengesteuerter Vorhersagen von Oszillationsmodi.“ Co-Autoren sind neben Bach V. Krishnamurthy und Jagadish Shukla von der George Mason University; Safa Mote von der Portland State University; A. Surjalal Sharma und Eugenia Kalnay von der University of Maryland; und Michael Ghil von der École Normale Supérieure in Paris, der UCLA und dem Imperial College London.
Mehr Informationen:
Eviatar Bach et al., Verbesserte subsaisonale Vorhersage südasiatischer Monsunniederschläge mithilfe datengesteuerter Vorhersagen von Oszillationsmodi, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2024). DOI: 10.1073/pnas.2312573121