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가강수량과 인공신경망을 이용한 중규모수치예보의 강수확률예측 개선기법
Improving Probability of Precipitation of Meso-scale NWP Using Precipitable Water and Artificial Neural Network 원문보기

한국수자원학회 2008년도 학술발표회 논문집, 2008 May 22, 2008년, pp.1027 - 1031  

강부식 (단국대학교 토목환경공학) ,  이봉기 (단국대학교 토목환경공학과)

초록
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본 연구는 한반도 영역을 대상으로 2001년 7, 8월과 2002년 6월로 홍수기를 대상으로 RDAPS 모형, AWS, 상층기상관측(upper-air sounding)의 자료를 이용하였다. 또한 수치예보자료를 범주적 예측확률로 변환하고 인공신경망기법(ANN)을 이용하여 강수발생확률의 예측정확성을 향상시키는데 있다. 신경망의 예측인자로 사용된 대기변수는 500/ 750/ 1000hpa에서의 지위고도, 500-1000hpa에서의 층후(thickness), 500hpa에서의 X와 Y의 바람성분, 750hpa에서의 X와 Y의 바람성분, 표면풍속, 500/ 750hpa/ 표면에서의 온도, 평균해면기압, 3시간 누적 강수, AWS관측소에서 관측된 RDAPS모형 실행전의 6시간과 12시간동안의 누적강수, 가강수량, 상대습도이며, 예측변수로는 강수발생확률로 선택하였다. 강우는 다양한 대기변수들의 비선형 조합으로 발생되기 때문에 예측인자와 예측변수 사이의 복잡한 비선형성을 고려하는데 유용한 인공신경망을 사용하였다. 신경망의 구조는 전방향 다층퍼셉트론으로 구성하였으며 역전파알고리즘을 학습방법으로 사용하였다. 강수예측성과의 질을 평가하기 위해서 $2{\times}2$ 분할표를 이용하여 Hit rate, Threat score, Probability of detection, Kuipers Skill Score를 사용하였으며, 신경망 학습후의 강수발생확률은 학습전의 강수발생확률에 비하여 한반도영역에서 평균적으로 Kuipers Skill Score가 0.2231에서 0.4293로 92.39% 상승하였다.

AI 본문요약
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제안 방법

  • 따라서 본 연구에서는 상층기상관측자료에서 관측된 가강수량, RDAPS모형의 수치예보자료, AWS에서의 관측자료를 예측인자로 구성하고 강수발생확률을 예측변수로 구성하여 ANN기법을 적용하였으며 RDAPS모형의 예측결과와 신경망 학습후의 예측성과를 비교하였다.

데이터처리

  •  본 연구에서는 적중률(H: Hit rate), 위험점수(TS; Threat Score),  탐지확률(POD; Probability Of Detection), Kuipers Skill Score(KSS)를 사용하여 예측자료를 검정하였다(Wilks, 1995).

이론/모형

  • (2)). 또한 가중치의 업데이트를 위해서 경사하강(gradient descent)법을 사용하며, 활성화함수는 반드시 미분 가능한 연속함수이여야 한다.
  • 역전파알고리즘은 예측인자와 예측변수사이의 연결가중치를 조절하기 위해서 목표값(예측변수)과 출력값의 오차를 이용하며, 본 연구에서는 오차제곱합함수(Sum-squared error function)을 사용하였다(Eq. (2)).
  • 은닉층(Hidden layer)의 활성화함수(activation function)는 비선형성을 고려하기 위해서 비선형 양극(bipolar) 활성화함수를 사용하였다. 신경망의 중요한 특징은 학습을 통하여 예측인자와 예측변수사이의 관계를 학습하고 예측인자와 예측변수의 사이의 관계를 추정할 수 있다는데 있다.
  • 뉴런은 임계값(threshold)을 초과하면 활성화되며, 임계값 이하에서는 활성화 되지 않는다. 이번 연구에서는 일반적으로 사용되는 전방향 다층퍼셉트론구조로 모델링하였으며, 학습방법으로는 역전파알고리즘을 사용하였다. 연구에서 사용된 신경망의 구조와 학습순서는 Fig.
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