Сигнал и шум. Почему одни прогнозы сбываются, а другие – нет - Нейт Сильвер

Я бы не хотел сводить процесс прогнозирования до набора простых лозунгов. Конечно, эвристические правила типа «бритвы Оккама» («при прочих равных условиях более простое объяснение всегда лучше более сложного»{842}) звучат достаточно привлекательно, однако их трудно реализовать на практике. Нам доводилось видеть случаи довольно простых и элегантных предположений (например, в моделях SIR, использовавшихся для прогнозирования всплесков болезней). Однако при этом они слишком наивны, чтобы на их основе можно было сделать толковый прогноз. Также (как в случае предсказания землетрясений) мы видели, как невероятно сложные схемы прогнозирования, отлично смотревшиеся в рамках компьютерной программы, терпели на практике унизительное поражение.

Признание, подобное выражению «чем более сложной вы делаете модель, тем хуже становится прогноз», можно сравнить с фразой «не пересолите блюдо». С какого уровня сложности вы начали (сколько соли вы насыпали с самого начала)? Если вы хотите добиться успеха в прогнозировании, то вам нужно заставить себя погрузиться в эксперименты и доверять собственным рецепторам.

Неопределенность в климатических прогнозах

Знать ограничения прогнозов – уже наполовину выиграть сражение, и в этом направлении дела прогнозистов климата идут довольно хорошо. Эти ученые остро осознают суть неопределенности – различные варианты понятий неуверенность и неопределенность использовались в одном из отчетов МГЭИК за 1990 г. 159 раз{843}. Авторы отчета МГЭИК смогли найти массу различных способов объяснения степени согласия или определенности при формулировке того или иного вывода. Например, фраза «скорее всего» в отчете МГЭИК предполагает, что вероятное значение точности предсказания не менее 66 %, а фраза «практически наверняка» предполагает степень согласованности на 99 % и более{844}.

Тем не менее одно дело – понимать суть неопределенности, и совсем другое – реально правильно ее оценить. Когда дело заходит о политических опросах, мы можем полагаться на достаточно широкую базу данных исторических свидетельств. Если кандидат лидирует по итогам опроса на десять пунктов за месяц до выборов, то насколько велики его шансы на победу? Для получения эмпирического ответа на этот вопрос мы можем изучить данные, полученные при проведении десятков прошедших выборов.

Модели, которые создаются прогнозистами климата, не могут полагаться на эту методику. У нас есть только одна планета, и прогнозы ее дальнейшего развития создаются на интервалы, захватывающие десятилетия. Хотя климатологам и приходится много думать о неопределенности, нужно помнить и о том, что существует неопределенность и в отношении того, сколько неопределенности у нас есть. С проблемами такого рода встречаются прогнозисты в любой дисциплине.

Тем не менее мы вполне можем анализировать неопределенность климатических прогнозов, учитывая три ее составные части. Для обсуждения этого вопроса я встретился с коллегой Хансена по НАСА, саркастичным лондонцем, соавтором блога RealClimate.org Гэвином Шмидтом. Встреча состоялась в пабе неподалеку от его офиса, расположенного в нью-йоркском районе Морнингсайд-Хайтс в Нью-Йорке.

Во время разговора Шмидт нарисовал на салфетке для коктейлей график, который был похож на тот, что вы видите на рис. 12.3. На нем отображены три значимые проблемы, с которыми сталкиваются ученые, и различные типы неопределенности, начинающие занимать более-менее главенствующее положение в процессе создания климатического прогноза.

Рис. 12.3. Схема, отражающая неопределенность в прогнозах глобального потепления

Прежде всего, речь пойдет о том, что Шмидт называет изначальным условием неопределенности, – это краткосрочные факторы, конкурирующие с парниковым сигналом и влияющие на то, как мы ощущаем климат. Парниковый эффект представляет собой долгосрочное явление, и день ото дня или даже год от года его влияние может быть незаметно за другими всевозможными событиями.

Самый очевидный тип неопределенности изначального условия – это обычная погода. Когда дело касается прогнозирования климата, она представляет собой скорее шум, а не сигнал. Текущий прогноз МГЭИК предсказывает, что температуры в течение следующего столетия должны повыситься на 2 °C (или около 4 °F). Это значит, что за десятилетие температура увеличится примерно на 0,2 °C, а за год – на 0,02 °C. Такой сигнал сложно заметить, когда разница дневных и ночных температур может колебаться в пределах 15 °C, а на некоторых широтах – в пределах 30 °C от сезона к сезону.

Так получилось, что всего за несколько дней до моей встречи со Шмидтом в 2011 г. в Нью-Йорке и других регионах Северо-Востока разразилась довольно необычная октябрьская метель. Высота снежного покрова в Центральном парке, достигающая 33 мм, побила прежний октябрьский рекорд{845}, а в Коннектикуте, Нью-Джерси и Массачусетсе последствия оказались значительно более суровыми – миллионы жителей остались без электричества{846}.

При этом в том же Центральном парке был установлен и первый температурный рекорд{847} с момента начала измерений в 1869 г.{848}. На рис. 12.4 показано изменение ежемесячной средней температуры, изменяемой в Центральном парке, за столетие с 1912 по 2011 г. На графике наглядно видна смена времен года; температура заметно (но достаточно предсказуемо) меняется с теплой на холодную и наоборот, причем в некоторые годы сильнее, чем в другие. По сравнению с погодой климатический сигнал едва заметен. Однако он существует – в течение этого 100-летнего периода температура в Центральном парке повысилась в среднем на 4 °F (примерно, на 2,5 °C).

Рис. 12.4. Ежемесячные средние температуры, в градусах °F Центральный парк (Нью-Йорк), 1912–011 гг.

Также периодически возникают флуктуации температуры, которые могут длиться от года до десяти лет. Одна из них определяется циклом ENSO (Эль-Ниньо – Южная осцилляция). Этот цикл, развивающийся примерно с трехлетними интервалами{849}, возникает в результате температурных сдвигов в водах тропической части Тихого океана. В годы, когда цикл Эль-Ниньо набирает полную силу, наблюдается более теплая погода в значительной части Северного полушария и снижается активность ураганов в Мексиканском заливе{850}. В годы, когда Тихий океан охлаждается, наблюдается противоположная картина. Кроме этих фактов, мы практически ничего не знаем о цикле ENSO.

Другой среднесрочный процесс – это солнечные циклы, в течение которых Солнце излучает чуть больше или чуть меньше тепла. Средняя продолжительность циклов составляет в среднем примерно 11 лет (зачастую цикл рассчитывается по пятнам на солнце, наличие которых коррелирует с более высокими уровнями солнечной активности). Однако эти циклы довольно нерегулярны. Например, солнечный цикл 24, который должен был обеспечить максимум солнечной активности (и, следовательно, более высокую температуру) в 2012 или 2013 гг., несколько запоздал{851}. На самом деле Солнце может «дремать» десятилетиями; возможно, что «минимум Маундера» – период продолжительностью около 70 лет в конце XVII и начале XVIII в., сопровождавшийся незначительной солнечной активностью, мог привести к серьезным похолоданиям в Европе и Северной Америке{852}.

И наконец, периодические флуктуации температуры возможны в результате деятельности вулканов, выбрасывающих в атмосферу серу – газ, обладающий антипарниковым эффектом: увеличение концентрации серы в атмосфере может сопровождаться охлаждением планеты. Извержение вулкана Пинатубо в 1991 г. привело к снижению глобальной температуры примерно на 0,2 °C за два года, что эквивалентно парниковому потеплению за период в 10 лет.

Чем больше ваш временной горизонт, тем меньше вы беспокоитесь о среднесрочных эффектах. Они могут доминировать в парниковом сигнале в течение периодов от года до десяти, однако между этими периодами их влияние незначительно.

Однако со временем усиливается влияние другого типа неопределенности, который Шмидт называет неопределенностью сценария. Эта неопределенность связана с уровнем CO2 и других парниковых газов в атмосфере. В краткосрочной перспективе состав атмосферы достаточно предсказуем. Уровень загрязнения атмосферы в результате промышленной деятельности достаточно стабилен, однако CO2 быстро попадает в атмосферу и остается там в течение длительного времени (период его химического полураспада оценивается примерно в 30 лет{853}). Даже если бы крупные промышленно развитые страны немедленно согласились значительно сократить выбросы CO2, то для снижения темпов его роста в атмосфере (не говоря уже об уменьшении) потребовались бы годы. «Ни вы, ни я не доживем до того момента, когда концентрация диоксида углерода начнет падать, – сказал мне Шмидт. – Этого не увидят и ваши дети». Тем не менее, поскольку климатические модели полагаются на довольно конкретные предположения о содержании CO2 в атмосфере, это может значительно усложнить прогнозы, сделанные на 50 или 100 лет, и сильно повлиять на их результаты в краткосрочной перспективе, Многое зависит от того, как повлияют на выбросы CO2 политические и экономические решения.