《信號(hào)與噪聲》第四章 天氣預(yù)測(cè) 預(yù)測(cè)倫理與衡量預(yù)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)

△本章及之后的幾章(天氣預(yù)測(cè)傍睹、地震預(yù)測(cè)、傳染病預(yù)測(cè))都是講涉及到大規(guī)模公共安全時(shí)的預(yù)測(cè)。對(duì)于此類預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)的結(jié)果如何遠(yuǎn)不如對(duì)預(yù)測(cè)的執(zhí)行重要憔辫,而預(yù)測(cè)的執(zhí)行需要正確的預(yù)測(cè)來(lái)指導(dǎo)。但是如果預(yù)測(cè)者參雜了個(gè)人偏見(或者“動(dòng)機(jī)不純”)抛蚁,那么是無(wú)法做出正確預(yù)測(cè)的。關(guān)于這一點(diǎn)的討論油湖,在之后相關(guān)的那幾章會(huì)一再地出現(xiàn)。另外,下文中的“預(yù)測(cè)”和“預(yù)報(bào)”是同一個(gè)意思玄窝。

△像素化分割

1961年玉凯,物理學(xué)家理查德森第一個(gè)將大氣進(jìn)行像素化(類似于棋盤格)分割后進(jìn)行近似分析捎拯。

引自書中:理查德森矩陣

和計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的迅速提高相比,天氣預(yù)報(bào)的精度只在緩慢增長(zhǎng)盲厌。原因在于:

1署照、要提高精度需要將原先的網(wǎng)格分得更小,這樣計(jì)算量將成倍增長(zhǎng)吗浩;而且不但要對(duì)大氣平面進(jìn)行網(wǎng)格化建芙,對(duì)于大氣高度也要分割,相當(dāng)于對(duì)整個(gè)大氣層進(jìn)行三維上取“塊”懂扼,這樣對(duì)計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的需求就是指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)禁荸。

2、天氣預(yù)測(cè)受混沌理論的影響阀湿。

△混沌理論

1972年赶熟,洛倫茲提出了混沌理論。用混沌理論描述的系統(tǒng)有兩個(gè)特點(diǎn):

1陷嘴、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)映砖,隨時(shí)間不斷變化;

2罩旋、非線性系統(tǒng)啊央,初始的微小波動(dòng)都會(huì)引起之后系統(tǒng)中的劇烈震蕩。

這兩種特性的組合涨醋,會(huì)將系統(tǒng)中本來(lái)無(wú)足輕重的錯(cuò)誤迅速放大瓜饥。

引自書中:初始條件的微小變化引起的氣象變動(dòng)

從上圖可以看到,在預(yù)測(cè)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要性浴骂,數(shù)據(jù)質(zhì)量的微小差別都能帶來(lái)結(jié)果之間數(shù)量級(jí)的不同乓土,甚至,“微小差別”可能僅僅在于保留的精度差了一位而已。

△天氣預(yù)測(cè)中人的優(yōu)勢(shì)

與高速計(jì)算機(jī)相比趣苏,人的優(yōu)勢(shì)是什么狡相?視覺。

對(duì)兩個(gè)相互作用變量的圖標(biāo)進(jìn)行視覺檢查食磕,能比統(tǒng)計(jì)測(cè)試更快捷尽棕、更可靠地發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的一場(chǎng),這一點(diǎn)是計(jì)算機(jī)目前不如人類的地方彬伦。(因?yàn)橛?jì)算機(jī)就是“線性”思維的)

美國(guó)國(guó)家氣象局的數(shù)據(jù)顯示:?jiǎn)为?dú)由計(jì)算機(jī)指導(dǎo)完成對(duì)降雨量和溫度的預(yù)測(cè)后滔悉,人類還能將精度分別提高25%和10%。

△衡量氣象預(yù)報(bào)的標(biāo)準(zhǔn)

目前的氣象預(yù)報(bào)依然無(wú)法做到完全準(zhǔn)確单绑,那么該如何去衡量“好的氣象預(yù)報(bào)”呢回官?

1993年,氣象學(xué)家墨菲發(fā)表了一篇文章搂橙,提出關(guān)于預(yù)測(cè)質(zhì)量的3種標(biāo)準(zhǔn):

1歉提、通過(guò)質(zhì)量衡量;(預(yù)報(bào)與實(shí)際相比準(zhǔn)確與否区转,即準(zhǔn)確性)

2苔巨、通過(guò)一致性衡量;(預(yù)報(bào)的結(jié)果是否經(jīng)過(guò)了修飾蜗帜,即誠(chéng)實(shí))

3恋拷、通過(guò)經(jīng)濟(jì)價(jià)值衡量资厉。(預(yù)報(bào)的結(jié)果能否幫助人們作出更好的決定)

將準(zhǔn)確性和誠(chéng)實(shí)分開厅缺,這在我們做出了錯(cuò)誤的預(yù)測(cè)時(shí)尤為有用。比如宴偿,假如你當(dāng)時(shí)所能做出的最完美的預(yù)測(cè)是個(gè)錯(cuò)誤的預(yù)測(cè)湘捎,那么該如何去評(píng)價(jià)它呢?

△氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)的兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試

好的氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)滿足以下兩點(diǎn):

1窄刘、持續(xù)性窥妇。(能預(yù)測(cè)明天的天氣和今天的一樣好)

2、突破性娩践。(能預(yù)測(cè)明天的天氣和歷史上的任何一個(gè)明天都不一樣)

<有點(diǎn)熟悉對(duì)吧活翩,因?yàn)檫@兩點(diǎn)也適用于棒球預(yù)測(cè)系統(tǒng),大聯(lián)盟球員的重點(diǎn)是持續(xù)性分析翻伺,小聯(lián)盟球員的重點(diǎn)是突破性分析>

△對(duì)氣象預(yù)報(bào)歷史記錄的分析和預(yù)測(cè)中的倫理

ForecastWatch.com對(duì)氣象預(yù)報(bào)的歷史記錄(不是氣象歷史記錄)進(jìn)行了收集和比較材泄。結(jié)果是:

不同機(jī)構(gòu)氣象預(yù)報(bào)歷史的比較

商業(yè)機(jī)構(gòu)的天氣數(shù)據(jù)是由政府提供的,它們?cè)诖嘶A(chǔ)上進(jìn)行了再加工吨岭,你也能發(fā)現(xiàn)拉宗,它們發(fā)揮了各自技術(shù)上的優(yōu)勢(shì),在不同領(lǐng)域中做得更好。一個(gè)特別的例子是旦事,當(dāng)政府部門預(yù)測(cè)氣溫將接近0度時(shí)魁巩,他們并不關(guān)心天氣是會(huì)下雨、下雪還是下冰雹姐浮,而這三種天氣顯然對(duì)民眾有著不同的影響谷遂,精確地預(yù)測(cè)這一點(diǎn),就是商業(yè)機(jī)構(gòu)創(chuàng)造自身價(jià)值的地方卖鲤。

但是埋凯,問(wèn)題也有:提前8天的預(yù)測(cè)沒(méi)有任何技術(shù)含量(你可以參照氣候?qū)W規(guī)律等同于歷史上的同一天);提前9天的預(yù)測(cè)比氣候?qū)W規(guī)律還要糟糕扫尖。

原因是:時(shí)間跨度越長(zhǎng)時(shí)白对,混沌理論的影響就更大。天氣模型若是以一定的初始條件開始演變换怖,經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間之后甩恼,演變的結(jié)果和現(xiàn)實(shí)中的天氣就毫無(wú)相同之處了。就目前的研究水平下沉颂,對(duì)天氣預(yù)測(cè)需要采用最近的天氣資料条摸,使用更久遠(yuǎn)的資料是沒(méi)有多大意義的——由那時(shí)開始演進(jìn)到現(xiàn)在,噪聲會(huì)足以強(qiáng)到掩蓋掉信號(hào)铸屉。

那么钉蒲,為何商業(yè)網(wǎng)站還會(huì)再進(jìn)一步,推出提前10~15天的天氣預(yù)報(bào)呢彻坛?

氣象頻道(這是個(gè)商業(yè)機(jī)構(gòu))的科學(xué)家兼副總裁羅斯認(rèn)為:因?yàn)檫@樣做也不會(huì)有任何傷害顷啼。

注意,這時(shí)候預(yù)測(cè)中的倫理問(wèn)題就開始凸顯了:是為了作出準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)昌屉,還是為了作出幫你更好地做決定的預(yù)測(cè)钙蒙?

商業(yè)機(jī)構(gòu)認(rèn)為,用戶體驗(yàn)比實(shí)際的準(zhǔn)確性更重要间驮。比如躬厌,用戶看到50%的降水概率就不知道該怎么做,于是這時(shí)候商業(yè)機(jī)構(gòu)就寧愿四舍五入為40%或60%竞帽,有時(shí)甚至干脆改數(shù)字扛施。

引自書中:不同機(jī)構(gòu)間預(yù)測(cè)結(jié)果的標(biāo)定

這就涉及到作者所謂的“動(dòng)機(jī)不純”的問(wèn)題。和政治預(yù)測(cè)類似屹篓,假如預(yù)測(cè)的結(jié)果正確與否并不重要疙渣,預(yù)測(cè)者更在意預(yù)測(cè)的過(guò)程,如果該過(guò)程能給他帶來(lái)經(jīng)濟(jì)利益和影響力抱虐,那么他可能就會(huì)故意做出錯(cuò)誤的預(yù)測(cè)昌阿。

本章的商業(yè)機(jī)構(gòu)因?yàn)槔婧皖A(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性部分相關(guān),因此“動(dòng)機(jī)不純”的出發(fā)點(diǎn)只是為了用戶體驗(yàn),在以后的幾章我們會(huì)看到懦冰,當(dāng)預(yù)測(cè)的結(jié)果如何并不重要(當(dāng)然也很難檢驗(yàn))的情況下灶轰,預(yù)測(cè)者和預(yù)測(cè)之間也沒(méi)有密切的利益相關(guān),那么他很可能僅僅為了預(yù)測(cè)過(guò)程中的利益最大化(比如為了發(fā)一篇論文)而做出不負(fù)責(zé)任的預(yù)測(cè)刷钢。

△預(yù)測(cè)的標(biāo)定

對(duì)預(yù)測(cè)進(jìn)行標(biāo)定笋颤,是指假如預(yù)報(bào)為40%的降水概率,那么在長(zhǎng)期而言内地,同樣預(yù)報(bào)40%概率的所有日期的總和里伴澄,真正下雨的天氣也應(yīng)該體現(xiàn)為40%才對(duì)。但實(shí)際上很多預(yù)測(cè)都做不到這點(diǎn)阱缓。

對(duì)標(biāo)定進(jìn)行檢驗(yàn)非凌,對(duì)我們想評(píng)估某個(gè)預(yù)測(cè)時(shí)極為有用,同時(shí)對(duì)預(yù)測(cè)者本身也大有好處——特別是在糾正“過(guò)度自信”上荆针。

△人與機(jī)器

本章中的預(yù)測(cè)敞嗡,因?yàn)樯婕暗骄蘖康倪\(yùn)算,因此以機(jī)器為主(當(dāng)然理論是人設(shè)計(jì)的)航背,人占輔助地位喉悴。

但是,這僅僅針對(duì)作出正確預(yù)測(cè)時(shí)的情況玖媚。作出預(yù)測(cè)之后如何去宣布箕肃,這時(shí)候人——人性——就占據(jù)主導(dǎo)地位了。

也就是說(shuō)今魔,討論預(yù)測(cè)系統(tǒng)中勺像,人與機(jī)器的地位也是個(gè)偽命題,因?yàn)槿苏瓶刂碚撛O(shè)計(jì)和提交預(yù)測(cè)這一“入口”和“出口”涡贱,那么在預(yù)測(cè)的過(guò)程中無(wú)論是機(jī)器輔助人還是人輔助機(jī)器就全局而言是不重要的咏删。在接下來(lái)的章節(jié)中惹想,我們能看到作者不再花大量篇幅去描述預(yù)測(cè)中機(jī)器(或者數(shù)據(jù))的影響问词,主要探討的就是人、人的動(dòng)機(jī)對(duì)預(yù)測(cè)所產(chǎn)生的影響嘀粱。

△思考

一激挪、“拉普拉斯的惡魔”和機(jī)器能否統(tǒng)治世界

“拉普拉斯的惡魔”的簡(jiǎn)要表述是,如果我們能知道地球上每一個(gè)粒子的屬性锋叨,也能知道它們之間相互作用的規(guī)律垄分,那么我們就能模擬任何事物的演變。

天氣預(yù)測(cè)的理論基礎(chǔ)就是基于對(duì)影響天氣的最小單位的研究(目前是三維像素塊娃磺,也許遲早會(huì)演進(jìn)到分子層面吧)薄湿,來(lái)模擬天氣的變化。

而科學(xué)主義指導(dǎo)下的世界觀,比如人定勝天豺瘤、機(jī)器將統(tǒng)治世界等等吆倦,究其本質(zhì)都可歸入“拉普拉斯的惡魔”這類科學(xué)決定論中。這一觀念的產(chǎn)生是如此的自然——我們能預(yù)測(cè)分子的運(yùn)動(dòng)坐求,我們也能預(yù)測(cè)原子的運(yùn)動(dòng)蚕泽,看起來(lái)我們?cè)诶碚撋洗_實(shí)能預(yù)測(cè)一切了——以致 于直到量子力學(xué)出現(xiàn)后我們才看到了我們當(dāng)時(shí)不知道自己不知道的:其實(shí)我們做不到準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)每一個(gè)粒子的位置。

那么是不是我們就再也不用擔(dān)心天網(wǎng)的威脅了桥嗤?也不盡然须妻。我們現(xiàn)在不能測(cè)量更小的粒子不代表未來(lái)也無(wú)法測(cè)量——畢竟理論和技術(shù)都還有突破的可能。

所以只要我們理論上還有預(yù)測(cè)一切的可能泛领,理論上機(jī)器也就能通過(guò)模擬每一個(gè)粒子從而統(tǒng)治世界荒吏。

但這樣思考的局限性很明顯:為什么機(jī)器一定要用人類的方式——通過(guò)建立模型來(lái)戰(zhàn)勝人類進(jìn)而在現(xiàn)實(shí)中戰(zhàn)勝人類——來(lái)統(tǒng)治世界呢?它完全可以用更簡(jiǎn)單的方式:比如病毒式傳播和繁殖渊鞋,擠壓人類的生存空間從而消滅人類司倚。

也許是那樣做一點(diǎn)都不帥吧。

二篓像、預(yù)測(cè)的倫理

作者認(rèn)為动知,即便有商業(yè)利益的誘惑,也應(yīng)該堅(jiān)持預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性员辩。否則在平時(shí)就喪失了公信力盒粮,那么真正到了關(guān)鍵時(shí)刻的預(yù)報(bào)就沒(méi)人采信了。

他舉的例子是卡特里娜颶風(fēng)對(duì)新奧爾良的破壞奠滑,說(shuō)明涉及大規(guī)模公共安全時(shí)的預(yù)測(cè)與預(yù)測(cè)的應(yīng)用之間的矛盾丹皱。這并不是靠預(yù)測(cè)機(jī)構(gòu)在平時(shí)加強(qiáng)道德修養(yǎng)就能改變的。

為了避免政治壓力宋税,美國(guó)國(guó)家颶風(fēng)中心將具體疏散的任務(wù)交由美國(guó)國(guó)家氣象局的122個(gè)地方辦公室摊崭,讓他們?nèi)ズ彤?dāng)?shù)卣畢f(xié)調(diào)疏散事宜。雖然這樣做能保證預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確與獨(dú)立杰赛,但它放棄這一權(quán)力后呢簸,就把地方政府推到了前臺(tái)。

假若根據(jù)國(guó)家颶風(fēng)中心的預(yù)測(cè)結(jié)果發(fā)布了強(qiáng)制疏散的命令乏屯,而颶風(fēng)又沒(méi)有來(lái)的話根时,地方政府會(huì)被問(wèn)責(zé);另一方面辰晕,商業(yè)臺(tái)的氣象預(yù)報(bào)雖然能覆蓋更大范圍蛤迎,但因?yàn)樯虡I(yè) 臺(tái)并不需要對(duì)氣象預(yù)報(bào)的結(jié)果負(fù)責(zé)——所以平時(shí)的預(yù)報(bào)質(zhì)量就很差,導(dǎo)致了——在關(guān)鍵時(shí)刻民眾根本不相信它們含友。那么當(dāng)政府首腦做決策時(shí)擲錯(cuò)了硬幣替裆,這樣的事件似乎是無(wú)可避免的了校辩。

那么不如教育民眾去多關(guān)注國(guó)家颶風(fēng)中心的網(wǎng)站?民選政府的一部分責(zé)任就是降低社會(huì)成本辆童,若事事讓民眾親力親為召川,政府的效用就降低了一半,而且對(duì)颶風(fēng)中心預(yù)測(cè)結(jié)果的解讀也要依靠專業(yè)人員胸遇。所以——這應(yīng)該是民選政府繞不開的結(jié)吧荧呐。

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