關於支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保關於塑造我們今天世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
在矽谷，坎貝爾聯合學區的灑水器過去盡職盡責地為12個校區的足球場和花園澆水，即使在春雨期間也是如此。手動臨時關閉45個灌溉控制箱中的每一個是不值得管理員花費時間的。但在2009年，該學區安裝了新的“智慧”控制器，可以根據天氣自動調整每日澆水。每個裝有微處理器和天線的控制箱，都透過衛星接收來自位於加利福尼亞州佩塔盧馬的HydroPoint Data Systems, Inc.運營的WeatherTRAK氣候中心超級計算機的本地即時天氣資訊。
在一次三天的暴雨後的四月的一個早晨，坎貝爾聯合學區的設施主管大衛·拉德克透過登入WeatherTRAK.net查看了控制器的狀態。該服務在暴雨開始時暫停了該學區的灌溉網路，並且根據WeatherTRAK的計算，該網路在8到11天內不需要恢復澆水。
如果需要，拉德克可以從他的Web帳戶重新程式設計控制器，但是由於他的工作人員仔細定製了每個控制箱的設定，他發現“實際上沒有什麼可做的。這就是它的美妙之處。”足球場看起來比以往任何時候都好，但在2009年，WeatherTRAK將坎貝爾聯合學區的水消耗量減少了39％，並將其水電費減少了108,000美元，幾乎兩倍地收回了安裝費用。
對於大多數灑水系統，業主將傳統的控制器（基本上是一個計時器）設定為以特定的時間間隔進行灌溉。通常，在炎熱的天氣中，太多的水會因蒸發而流失，或者在涼爽的天氣中因徑流而流失，這也會將化學物質帶入當地的流域或海洋。由於室外灌溉可能會消耗城市用水量的50％或更多，因此智慧灌溉服務已在像加利福尼亞州這樣易受乾旱影響的西部州流行開來，那裡的水價不斷上漲。（偶爾發生的大洪水無助於解決長期問題。）HydroPoint現在有超過8,000個客戶在使用其24,000個智慧控制器，包括沃爾瑪、可口可樂、希爾頓、傑克在盒子和亞利桑那大學，以及南卡羅來納州的查爾斯頓、休斯頓和聖巴巴拉市。預計在2011年，客戶將節省644億升水和超過1.11億美元的水費，以及6800萬千瓦時的水泵用電。
該技術仍在經歷成長的痛苦，但是HydroPoint已經解決了幾個令人生畏的天氣預報和建模挑戰，這有助於它在最有效的時間提供適量的水。
透過衛星供水
HydroPoint於2002年在舊金山以北65公里的佩塔盧馬成立，它設計了一種似乎是競爭者中基於天氣的最先進的灌溉系統。該公司在鹽湖城郊外建立了主要的氣候建模中心，對一臺超級計算機進行程式設計，以模擬整個北美每平方公里的本地天氣——所有這些都只是為了給草坪澆水。該中心透過雙向衛星鏈路與控制箱通訊，這些控制箱操作客戶灌溉系統的不同區域。從室外控制箱延伸到地下的電線開啟和關閉水管中的閥門。每天晚上，氣候中心都會將本地天氣相關資料廣播到每個控制器內部的微處理器，該微處理器執行軟體，該軟體使用該資訊來精確計算其區域的澆水量和澆水時間，並根據18種植物型別以及土壤型別和地面坡度等其他因素進行自定義。
這些控制箱也可以進行反饋。例如，坎貝爾聯合學區安裝了額外的無線雨水感測器（固定在建築物的外牆上），當檢測到水分時，會向控制器發出訊號，控制器會暫停灌溉並通知氣候中心。
WeatherTRAK原型於2003年投入使用，最初在加利福尼亞州提供單向衛星服務。基於網際網路的雙向通訊於2006年推出，允許客戶從一個Web帳戶調整多個物業的數千個控制器。每月訂閱費目前在4美元到18.75美元之間。該服務是新興的水資訊系統領域的一個主要示例，該系統分析即時資料以解決水管理問題——直到最近，該行業還嚴重缺乏這些資料。HydroPoint的聯合創始人克里斯·斯佩恩說：“你不能管理你看不見的東西。”
真正的本地即時預報
斯佩恩和他的同事們透過收購一家當地的灌溉控制器公司並聘請了該公司的主人邁克·馬裡安（一位自學成才的工程師）進入該行業。馬裡安（他後來於2006年離開了HydroPoint）獲得了使用尋呼訊號將有關蒸發蒸騰量（ET）的資訊傳輸到控制器的想法的專利——土壤因蒸發以及生長在那裡的植物的蒸騰作用而損失的水量。馬裡安的系統使用了來自最近的州氣象站的免費ET資料，該氣象站由加利福尼亞州灌溉管理資訊系統為農民維護。
然而，整個州只有大約120個站點。簡單地平均兩個最近站點的ET值（就像農民經常做的那樣）可能會產生誤導，因為即使相隔幾公里的微氣候也會產生差異很大的值。儘管物業經理可以購買自己的小型氣象站，但這些氣象站的可靠性較低。
初出茅廬的HydroPoint團隊大膽地探索了一種前沿的替代方案：利用美國各地公共氣象站的測量資料，建模任何位置（精確到平方公里）的準確ET——而無需現場實際站點或感測器。並且每天晚上都這樣做。
在猶他州立大學（洛根）從事高解析度天氣建模的計算機科學家丹·丹塞羅認為這是可以做到的。但是他說他告訴馬裡安和斯佩恩“你需要一臺大型計算機”，然後他以HydroPoint首席科學家的身份加入他們。丹塞羅回憶說，一位著名的同事警告說：“這永遠行不通。”
實際上，建模被證明是一項複雜的任務。該團隊希望使用最準確的估算ET的方法，即彭曼-蒙特斯方程，該方程考慮了溫度、風、太陽輻射和相對溼度。但是，在各處推匯出即時ET的訣竅是為美國大陸和加拿大1920萬個一平方公里的網格中的每一個建立這四個輸入引數。
丹塞羅的計劃是使用美國空軍依賴的相同高度複雜（且公開）的預測軟體來模擬這些引數，該軟體稱為中尺度模型（或MM5），由賓夕法尼亞州立大學和位於科羅拉多州博爾德的國家大氣研究中心（NCAR）建立。以每天一平方公里的解析度在全國範圍內執行MM5需要如此巨大的計算能力，以至於沒有人嘗試過。每天，氣候中心必須透過衛星從美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）和其他公共來源下載數百萬個即時資料點。其中包括從全球地面氣象站、海洋浮標和探空氣球每小時收集的地表觀測資料、每15分鐘的全球衛星成像資料以及美國每小時的多普勒雷達資料。此外，MM5程式還需要256個類別的本地地面資訊，例如地形、土壤、植被和土地利用。
為了管理資料雪崩，HydroPoint工程師編寫了專有程式碼來組織這些資料並將其鏟入資料庫。但是他們仍然“真正受阻”，因為MM5需要大量手動資料輸入，聯合創始人兼副總裁彼得·卡爾森回憶說，他與丹塞羅一起每天都逐字輸入引數。為了簡化該過程，他們設計了自動化程式，以便模型可以從單個指令碼自行執行。
使預測準確
第二個主要障礙是驗證準確性。工程師如何知道WeatherTRAK的ET計算是否正確？斯佩恩說：“'地面實況'的整個概念是一個相當複雜的問題。”
首先，斯佩恩指出，MM5本身“容易受到垃圾輸入–垃圾輸出”的影響，因為地面天氣讀數本身可能是錯誤的。答案是編寫一種啟發式演算法，該演算法全天候24小時爬取傳入的資料並清除異常讀數。例如，如果程式檢測到來自同一氣象站的溫度或溼度讀數在一小時之內發生了不可能的大幅波動，則該資料將被取消資格。丹塞羅和卡爾森後來在MM5的更高階的後續版本中程式設計了類似的驗證步驟，即天氣研究和預報模型（由NCAR、NOAA和合作夥伴開發），這是美國國家氣象局所依賴的。HydroPoint今天執行的該模型版本的最終結果是北美每個平方公里的“虛擬氣象站”。然後，將溫度、風、太陽輻射和相對溼度的輸出輸入到ET值的計算中，這些值在太平洋時間晚上8點之前傳輸給客戶的控制器。
準確性問題的第二部分是驗證WeatherTRAK的數字是否符合目標。工程師們最初專注於加利福尼亞州，他們意識到他們可以根據該州120個氣象站陣列報告的實際ET測量值來檢查他們的每日結果，這些測量值將在第二天早上釋出。丹塞羅解釋說：“我們處理我們的資料併發布答案。然後，我們將在明天檢查以檢視我們的答案有多準確。”如果WeatherTRAK發現錯誤或在此事發生後獲得更好的資訊，它將重新執行過去幾天的模型，並且可以將追溯性更正傳送給控制器，以不斷確保準確性。
一杯半滿——或更多
HydroPoint的第三個關鍵障礙是將ET值轉換為灌溉計劃，該計劃將保持草和植物處於最佳健康狀態。該公司為智慧控制器開發了排程軟體，該軟體考慮了ET以及客戶輸入的19個地面引數：從植物和土壤型別到灑水噴頭型號。卡爾森說，如果草坪的最大供水量相當於滿杯水，那麼目標是在將水加滿之前讓水位降至半滿。
WeatherTRAK系統一直在不斷發展。一個持續的挑戰是下雨。該公司一直建議安裝雨水開關，以便在檢測到降水時關閉控制器。自2007年以來，WeatherTRAK還分析了多普勒雷達資料，以近似估計每個平方公里上累積的降雨量。氣候中心透過減去每個網格估計的每日ET損失來粗略預測水分消耗率，從而確定灌溉暫停應持續多長時間——此資訊將傳送給控制器。
透過超級計算節省
如今，HydroPoint在具有兩萬億次浮點運算能力（teraflops）的刀片超級計算叢集上執行WeatherTRAK。NCAR的大氣物理學家吉米·杜迪亞（Jimy Dudhia）幫助開發了天氣研究和預報模型，他說，HydroPoint能夠在整個美國以如此精細的解析度計算即時ET令人驚訝。這些計算所需的計算能力比美國國家氣象局的12公里解析度預報要大。“就科學而言，它處於前端，”杜迪亞說。
其他人也認為蒸散量（ET）建模是未來的發展方向。例如，加州灌溉管理資訊系統 (California Irrigation Management Information System) 的管理人員已經開發出他們自己的方法來模擬全州的 ET 值。他們在網上釋出免費的空間資料，但僅覆蓋加利福尼亞州，且解析度僅為 2 平方公里。
與任何天氣建模結果一樣，HydroPoint 的結果也不會是完美的。但這種計算工作值得嗎？佛羅里達大學的農業工程師 Michael Dukes 曾研究過各種智慧灌溉系統，他表示 HydroPoint 在最佳條件下可以很準確，但也指出其他領先的智慧灌溉公司也設計了創新的解決方案。例如，雨鳥公司（Rain Bird Corp.）的 ET 管理器控制器（和 HydroPoint 一樣，在標準化灌溉行業測試中獲得了最高分）透過從私人當地氣象站無線接收的每小時資料來估算 ET。Dukes 認為，與 WeatherTRAK 相比，ET 管理器在考慮降雨量方面可能做得更好，它使用客戶現場的翻鬥式雨量計，可以比大多數雨量感測器更可靠地量化降水量。
儘管如此，HydroPoint 仍然可以引用 二十多項獨立研究，這些研究表明 WeatherTRAK 將用水量減少了 14% 到 82% 不等。但是，你能節省多少取決於你之前浪費了多少。一項跟蹤了加州 2294 個使用 14 個不同品牌智慧控制器的地點的重大研究發現，第一年用水量平均僅下降了令人失望的 6%。近 57% 的地點節省了用水量，但另外 42% 的地點實際上使用了更多的水。
Aquacraft 是一家位於博爾德的公司，負責進行加州研究，該公司的土木工程師 Peter Mayer 表示，其中一種解釋是，一些景觀之前灌溉不足，因此用水量增加了。如果灌溉系統有洩漏的閥門，高階控制器可能也無濟於事。該研究指出，HydroPoint 的控制器平均而言，第一年並沒有節省任何用水量。Spain 表示，這是因為大多數裝置安裝不正確。在洛杉磯的供水機構解決了安裝問題後，WeatherTRAK 控制器將用水量減少了約 16%。
最重要的是，景觀承包商和業主必須接受關於設定和調整智慧灌溉系統的教育。Mayer 說，安裝問題是一個真正的絆腳石。“我們現在處於智慧控制器的錄影機時代，沒有人知道如何正確程式設計。” 然而，Mayer 認為不斷發展的技術是一項關鍵的保護工具。美國環境保護署的節水計劃 (Water Sense program) 計劃在今年年底開始為透過效率認證的智慧控制器品牌頒發標籤。
從 HydroPoint 的角度來看，最大的障礙是舊習慣，這些習慣浪費了廉價的水資源。現在價格正在上漲，人們的態度正在發生變化。Spain 說，水危機“將真正成為本世紀最大的問題”。