MIT: Brytyjskie Met Office fabrykowało dane pomiarowe z nieistniejących stacji

Interpolacja – czym jest i dlaczego jej potrzebujemy

Interpolacja jest jedną z podstawowych metod używanych w statystyce i jej praktycznych zastosowaniach, i polega na oszacowaniu nieznanych wartości pośrednich – w czasie, przestrzeni, albo jakimś zakresie parametrów fizycznych – na podstawie wartości znanych. 

Jeśli na przykład metodami geodezyjnymi zmierzymy wysokość nad jakimś poziomem odniesienia (np. poziomem morza) w jednym punkcie i wyjdzie nam 120 metrów; a 500 metrów dalej kolejny pomiar wykaże nam 128 metrów, możemy oszacować, najprostszą metodą zwaną interpolacją liniową, że w punkcie pośrodku wysokość wynosi 124 metry (patrz ilustracja poniżej). Albo, jeśli o godzinie 8 rano termometr pokazywał nam temperaturę -4 stopnie Celsjusza, a godzinę później -2 stopnie, interpolacja liniowa sugeruje nam że o 8:30 temperatura wynosiła -3°C (ten przykład również znajdziesz na ilustracji poniżej).  

Używane metody interpolacji nie muszą być takie proste jak narysowanie prostej linii pomiędzy dwoma punktami, a same dane (a także kryjące się za nimi problemy fizyczne czy statystyczne) też mogą zachowywać się w bardziej skomplikowany sposób. 
Gęstość pomiarów znanych musi być dopasowana do zmienności oszacowywanego parametru: rozumiemy na przykład, że w terenie o skomplikowanej topografii (np. górach) interpolowanie wysokości w oparciu o pomiary wykonywane co kilka kilometrów może dać bardzo niedokładne wyniki (patrz ilustracja poniżej). Tak samo, interpolowanie prędkości wiatru co godzinę w sytuacji, gdy w trakcie tego okresu zdarzyła się burza też prowadziłoby do dużych błędów. Tym niemniej, interpolacja należy do zestawu standardowych narzędzi używanych w nauce.

Metod interpolacji używamy powszechnie także w meteorologii i klimatologii (oraz innych dziedzinach nauk o Ziemi). Kiedy wykonujemy pomiary w stacji meteorologicznej, są one używane do określenia stanu przypowierzchniowej warstwy atmosfery na obszarze wielokrotnie większym, niż wnętrze klatki meteorologicznej. Używając sieci wielu punktów pomiarowych, mimo że próbkują one tylko malutki ułamek całkowitej powierzchni kraju, kontynentu czy całej planety, możemy odtworzyć wartości interesujących nas parametrów na znacznie większym obszarze. Dokładność tego oszacowania zależy od wielu czynników, na przykład gęstości sieci pomiarowej, ale w przypadku zmian temperatury, zwłaszcza w dłuższych okresach, gęstość ta nie musi być bardzo duża.

Co znajdziemy w archiwum danych klimatycznych HadUK-Grid?

Przykładem archiwum danych klimatycznych wykorzystujących interpolację jest HadUK-Grid, zawierający zestaw parametrów takich jak temperatura, wielkość opadu i ciśnienie atmosferyczne dla obszaru całego Zjednoczonego Królestwa Wielkiej Brytanii i Irlandii Północnej. Dane te występują w kilku różnych rozdzielczościach przestrzennych, z których największą jest siatka 1km x 1km. Oczywiście, brytyjska służba meteorologiczna nie posiada stacji meteorologicznych na każdym kilometrze kwadratowym, ale oszacowuje jak zmienia się temperatura (a także inne parametry meteorologiczne) dla każdego oczka siatki na podstawie obserwacji z najbliżej położonych stacji, przy uwzględnieniu rzeźby terenu i pokrywy gruntu (które wpływają np. na wysokość temperatury).

W 2024 roku Met Office udostępniło zestaw danych HadUK-Grid (Hollis i in., 2019) na swojej stronie, z prostym interfejsem umożliwiającym wybranie dowolnego miejsca na mapie UK. Wcześniej był on również dostępny w formie plików źródłowych, ale ich odczytanie i interpretacja wymagało specjalistycznej wiedzy. 

Met Office na swojej stronie udostępniło też listę lokalizacji odpowiadających niektórym z kilku tysięcy stacji meteorologicznych które wykorzystano przy tworzeniu danych. Choć strona Met Office wyraźnie opisywała źródło danych jako HadUK-Grid, niezrozumienie na czym polega i czemu służy proces interpolacji sprawił, że w internecie pojawiły się oskarżenia, że brytyjska służba meteorologiczna „fałszuje” dane w lokalizacjach, w których stacje meteorologiczne zostały zamknięte i w których nie prowadzi się pomiarów.

Oskarżenia te miały dokładnie tyle samo sensu, co pomysł że mapy takie jak poniższa (po lewej), narysowana ponad 200 lat temu albo mapy produkowane przez Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej (poniżej po prawej) opierają się o „sfałszowane” albo „wymyślone” dane. 

W rzeczywistości niemal każda mapa opiera się, przynajmniej częściowo, o dane które były interpolowane, a różne warianty metod interpolacji są stosowane w każdej dziedzinie nauk przyrodniczych.

Oszacowywanie wartości parametrów meteorologicznych na większym obszarze przy użyciu punktowych wyników pomiarów pochodzących ze stacji meteorologicznych, tak jak czyni to brytyjskie Met Office, jest normalną praktyką naukową używaną od zarania współczesnej nauki.