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추계학적 강우모형 매개변수 추정기법의 적합성 분석
Analysis of the Applicability of Parameter Estimation Methods for a Stochastic Rainfall Model 원문보기

대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, v.34 no.4, 2014년, pp.1105 - 1116  

조현곤 (경북대학교 건설환경에너지공학부) ,  김광섭 (경북대학교 건설환경에너지공학부) ,  이재응 (아주대학교 환경건설교통공학부)

초록
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추계학적 강우모형 NSRPM (Neyman-Scott Rectangular Pulse Model)은 RPM (Rectangular Pulse Model)에서 반영하지 못하는 강우의 군집특성을 잘 반영하여 시간 스케일의 강우를 생성함으로서 수문학적 적용성이 뛰어난 강우모형이다. NSRPM은 5개의 모형 매개변수로 이루어져 있으며 매개변수 추정을 위하여 최적화 기법으로 널리 쓰이고 있는 수치해석 기법인 DFP (Davidon-Fletcher-Powell)기법, 직접적 탐색 기법인 유전자 알고리즘을 사용하고 있다. 그러나 DFP 기법은 입력 초기값에 민감하며 국소 최저치에 수렴하는 확률이 높은 단점이 있으며 유전자 알고리즘기법은 탐색에 소요되는 시간이 많이 걸린다는 단점이 있다. 본 연구에서 사용된 Nelder-Mead기법은 순차적 탐색기법으로 연산 속도가 빠르며 입력 초기값이 필요하지 않아 사용하기 쉬운 장점을 가지고 있다. 본 연구는 전국 지상기상관측소 59개소를 대상으로 1973-2011년 39년 동안의 시간강우 자료를 수집하고 최적화 기법 DFP 기법, 유전자 알고리즘, Nelder-Mead 기법을 이용하여 NSRPM의 매개변수를 추정하여 지속시간 1시간, 6시간, 12시간, 24시간 별 평균, 분산, 공분산에 대해서 각 기법의 정확성을 평가하였다. 본 연구결과 전반적으로 Nelder-Mead기법이 가장 높은 정확도를 보였으며 유전자 알고리즘, DFP 기법 순으로 나타났다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A stochastic rainfall model, NSRPM (Neyman-Scott Rectangular Pulse Model), is able to reflect the cluster characteristics of rainfall events which is unable in the RPM (Rectangular Pulse Model). Therefore NSRPM has advantage in the hydrological applications. The NSRPM consists of five model paramete...

주제어

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제안 방법

  • 매개변수 추정을 위해 비제약 비선형 최적화기법 중 널리 쓰이고 있는 DFP 기법과 유전자 알고리즘과 본 연구에서 사용된 NelderMead 기법을 이용하였다. DFP 기법, 유전자 알고리즘을 이용하여 추정된 매개변수와 Nelder-Mead 기법을 이용하여 추정된 매개변수의 정확도를 비교하기 위해서 지속시간 1시간 강우의 평균, 분산, lag 1시간 자기상관계수, 지속시간 6시간 분산, 자기상관계수를 이용하여 총 5개의 항으로 이루어진 목적함수를 구성하였다.
  • (4)). 관측된 평균, 분산, 상관계수 제곱오차의 최소화를 통하여 매개변수를 추정하였다.
  • 강우의 변동은 시․공간적으로 상이한 특성을 보이기 때문에 하나의 지점을 이용한 NSRPM 매개변수 추정의 정확도 판단은 한계가 있다. 따라서 기상청에서 운영하고 있는 전국 지상기상 관측소중 30년 이상의 장기자료를 보유하고 있는 59개의 지점에 대하여 1972-2011년 동안의 시간단위 강우자료를 이용하여 각 기법별로 매개변수를 추정하고 정확도를 분석 하였다.
  • NSRPM을 구축하기 위한 매개변수의 추정은 일반적으로 DFP(Davidon-Fletcher-Powell)기법과 유전자 알고리즘을 이용하고 있다. 본 연구에서는 Nelder-Mead 기법을 이용한 NSRPM 매개변수 추정과 유전자 알고리즘, DFP 기법을 이용한 매개변수 추정의 정확도를 비교 분석하였다.
  • 특히 강우는 시․공간적인 변동이 매우 크며 기상인자들 간의 상관관계 또한 복잡하고 다양하게 연결되어있어 강우분포 특성을 파악하고 실생활에 적용하기에는 한계가 있다. 본 연구에서는 강우생성 모형으로 수문학 분야에서 널리 쓰이고 있는 NSRPM의 매개변수를 비선형 계획법인 DFP 기법, 직접적인 탐색기법인 유전자알고리즘과 Nelder-Mead 기법을 이용하여 추정하고 각 기법의 정확도 및 적합성을 비교하였다. DFP 기법은 비제약 비선형 최적화기법으로 널리 쓰이며 다차원 미분가능한 함수의 최소화 기법으로 이용된다.
  • 본 연구에서는 기하함수를 이용하여 강우세포의 개수를 정하였으며 매개변수 μ를 가진다.
  • 서울지점을 대상으로 본 연구에서 이용된 기법들을 통한 생성된 강우와 관측된 강우의 건조, 습윤 기간의 지속시간분포별로 비교 분석하였다. 습윤 지속시간분포 비교분석에서 Nelder-Mead를 이용한 모의가 다른 기법에 비해 관측과 가장 비슷한 분포를 보였으며 DFP를 이용한 모의도 이와 비슷한 분포형태를 보였으나 GA를 이용한 모의에서는 관측과 다소 상이한 분포형태를 보였다.
  • 지속시간 1시간 강우의 평균, 분산, 공분산과 지속시간 6시간 강우의 분산, 공분산을 이용하여 평균, 분산, 자기상관계수로 구성된 목적함수를 생성하여 NSRPM 매개변수를 추정하였다. 낙동강 유역의 20개 지점에 대하여 DFP 기법, 유전자 알고리즘, NelderMead 기법을 이용하여 추정한 매개변수는 다음과 같다(Table 2).
  • 추정된 매개변수를 이용하여 지속시간 1시간, 6시간, 12시간, 24시간별 강우통계를 계산하였다. 계산된 강우통계 특성은 지속시간이 짧을수록 정확도가 우수했으며 평균, 분산의 정확도가 공분산, 상관계수보다 높은 정확도를 보였다.

데이터처리

  • Table 3에서 M, V, C는 각각 평균, 분산, 공분산을 나타내며 괄호안의 숫자는 지속시간을 의미한다. 관측된 강우 통계량과 각 기법별로 추정된 강우 통계량의 정확도를 분석하기 위해서 절대오차를 이용하였다(Eq. (6)).

이론/모형

  • NSRPM의 매개변수를 추정하기 위하여 본 연구에서의 목적함수는 Cowpertwait et al. (1996)의 연구에 사용된 목적함수를 이용하였다(Eq. (4)).
  • 지속시간 1시간 강우의 평균, 분산, 공분산과 지속시간 6시간 강우의 분산, 공분산을 이용하여 평균, 분산, 자기상관계수로 구성된 목적함수를 생성하여 NSRPM 매개변수를 추정하였다. 낙동강 유역의 20개 지점에 대하여 DFP 기법, 유전자 알고리즘, NelderMead 기법을 이용하여 추정한 매개변수는 다음과 같다(Table 2).
  • 본 연구에 사용된 매개변수의 범위는 다음과 같다(Table 1). 매개변수 추정을 위해 비제약 비선형 최적화기법 중 널리 쓰이고 있는 DFP 기법과 유전자 알고리즘과 본 연구에서 사용된 NelderMead 기법을 이용하였다. DFP 기법, 유전자 알고리즘을 이용하여 추정된 매개변수와 Nelder-Mead 기법을 이용하여 추정된 매개변수의 정확도를 비교하기 위해서 지속시간 1시간 강우의 평균, 분산, lag 1시간 자기상관계수, 지속시간 6시간 분산, 자기상관계수를 이용하여 총 5개의 항으로 이루어진 목적함수를 구성하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
Nelder-Mead 기법의 장점은 무엇인가? 그러나 DFP 기법은 입력 초기값에 민감하며 국소 최저치에 수렴하는 확률이 높은 단점이 있으며 유전자 알고리즘기법은 탐색에 소요되는 시간이 많이 걸린다는 단점이 있다. 본 연구에서 사용된 Nelder-Mead기법은 순차적 탐색기법으로 연산 속도가 빠르며 입력 초기값이 필요하지 않아 사용하기 쉬운 장점을 가지고 있다. 본 연구는 전국 지상기상관측소 59개소를 대상으로 1973-2011년 39년 동안의 시간강우 자료를 수집하고 최적화 기법 DFP 기법, 유전자 알고리즘, Nelder-Mead 기법을 이용하여 NSRPM의 매개변수를 추정하여 지속시간 1시간, 6시간, 12시간, 24시간 별 평균, 분산, 공분산에 대해서 각 기법의 정확성을 평가하였다.
유전자 알고리즘은 어떤 과정을 거쳐 최적화 문제를 해결하는가? 다윈의 자연진화 이론을 기본으로 한 기법 EA (Evolutionary Algorithm)의 종류이며 경험적인 기법으로 해를 탐색하는 최적화 기법이다. 유전자 알고리즘은 선택(selection)-교배(crossover)-돌연변이(mutation) 순의 연산과정을 거쳐 최적화 문제를 해결한다. 초기 부모집단을 무작위로 형성하고 선택-교배-돌연변이 연산을 거쳐 부모세대보다 높은 적합도를 가지는 자식세대가 다시 부모세대와 교체되면서 최적해를 결정한다.
Davidon-Fletcher-Powell 기법의 단점은 무엇인가? NSRPM은 5개의 모형 매개변수로 이루어져 있으며 매개변수 추정을 위하여 최적화 기법으로 널리 쓰이고 있는 수치해석 기법인 DFP (Davidon-Fletcher-Powell)기법, 직접적 탐색 기법인 유전자 알고리즘을 사용하고 있다. 그러나 DFP 기법은 입력 초기값에 민감하며 국소 최저치에 수렴하는 확률이 높은 단점이 있으며 유전자 알고리즘기법은 탐색에 소요되는 시간이 많이 걸린다는 단점이 있다. 본 연구에서 사용된 Nelder-Mead기법은 순차적 탐색기법으로 연산 속도가 빠르며 입력 초기값이 필요하지 않아 사용하기 쉬운 장점을 가지고 있다.
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참고문헌 (17)

  1. Austin, P. M. and Houze, R. A. (1972). "Analysis of the structure of precipitation patterns in new england."Journal of Applied Meteorology, Vol. 11, pp. 926-934. 

  2. Burlando, P. and Rosso, R. (1991). "Comment on parameter estimation and sensitivity analysis for the modified Bartlett- Lewis rectangular pulses mode of rainfall by S. Islam et al." Journal of Geophysical Research, Vol. 96, No. D5, pp. 9391-9395. 

  3. Burlando, P. and Rosso, R. (1996). "Scaling and multiscaling models of depth-duration-frequency curves for storm precipitation." Journal of Hydrology, Vol. 187, pp. 45-64. 

  4. Cowpertwait, P. S. P. (1991). "Further developments of the Neyman-Scott clustered point process for modeling rainfall." Water Resources Research, Vol. 27, No. 7, pp. 1431-1438. 

  5. Cowperwait, P. S. P., O'Connell, P. E., Metcalfe, A. V. and Mawdsley, J. A. (1996). "Stochastic point process modelling of rainfall. I. Single-site fitting and validation."Journal of Hydrology, Vol. 175, pp. 17-46. 

  6. Entekhabi, D., Rodriguez-Iturbe, I. and Eagleson, P. S. (1989). "Probabilistic representation of the temporal rainfall by a modified Neyman-Scott rectangular pulse model: Parameter Estimation and Validation."Water Resources Research, Vol. 25, No. 2, pp. 295-302. 

  7. Islam, S., Entekhabi, D., Bras, R. L. and Rodriguez-Iturbe, I. (1990). "Parameter estimation and sensitivity analysis for the modified Bartlett-Lewis rectangular pulses model of rainfall."Journal of Geophysical Research, Vol. 95, No. D3, pp. 2093-2100. 

  8. Jeong, C. S. (2009). "Study of direct parameter estimation for Neyman-Scott ractangular pulse model."Journal of Korea Water Resources Association, Vol. 42, No. 11, pp. 1017-1028 (in Korean). 

  9. Kim, J. H., Lee, J. S., Lee, J. J. and Son, K. I. (1998). "A modeling of daily precipitation series using the poisson cluster process." Journal of Korean Society of Civil Engineers, Vol. 18, No. 2(3), pp. 231-241 (in Korean). 

  10. Kum, J. H., Ahn, J. H., Kim, J. H. and Yoon, Y. N. (2001). "Parameter estimation of a point rainfall model, Neyman-Scott rectangular pulses model."Proceedings of Korea Water Resources Association Conference, pp. 206-211 (in Korean). 

  11. Nelder, J. A. and Mead, R. (1965). "A simplex method for function minimization."The Computer Journal, Vol. 7, No. 4, pp. 308-313. 

  12. Rodriguez-Iturbe, I. (1986). "Scale of fluctuation of rainfall models." Water Resources Research, Vol. 22, No. 9, pp. 15-37 

  13. Rodriguez-Iturbe, I., Cox, D. R. and Isham. V. (1988). "A point process for rainfall: Further Development."Proceedings of the Royal Society of London A, 417, pp. 283-298. 

  14. Rodriguez-Iturbe, I., Cox, D. R. and Isham, V. (1987). "Some models for rainfall based on stochastic point processes."Proceedings of the Royal Society of London A, 410, pp. 269-288. 

  15. Shin, J. Y., Joo, K. W. and Heo, J. H. (2011). "A study of new modified Neyman-Scott rectangular pulse model development using direct parameter estimation."Journal of Korea Water Resources Association, Vol. 44, No. 2, pp. 135-144 (in Korean). 

  16. Shin, J. Y., Jeong, C. S., Kim, T. S., Heo, J. H. (2008). "Study of direct parameter estimation for Neyman-scott rectangular pulse model."Proceedings of Korean Society of Civil Engineers Conference, pp. 1612-1616 (in Korean). 

  17. Velghe, T., Troch, P. A., De Troch, F. P. and Van de Velde, J. (1994). "Evaluation of cluster-based rectangular pulse point process models for rainfall."Water Resource Research, Vol. 30, No. 10, pp. 2847-2857. 

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