KR102389141B1 - Very-short-term forecast method using burgers’equation and semi-lagrangian, recording medium and device for performing the method - Google Patents

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류근수
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Abstract

A very-short-term forecast method using a Burgers equation and a semi-Lagrangian comprises the steps of: calculating an initial motion vector using a variational echo tracking (VET) algorithm which takes a two-dimensional radar precipitation grid field of consecutive time periods as an input value; generating a motion vector at each prediction time by using the Burgers equation with the calculated vector as an initial value; and generating a prediction field by substituting the updated motion vector generated at each prediction time into a posterior semi-Lagrangian at each prediction time. Accordingly, the motion vector is calculated for each prediction field using the Burgers equation, and the calculated motion vector is substituted into a MAPLE semi-Lagrangian at each prediction time, thereby improving prediction accuracy.

Description

버거스 방정식과 반-라그랑지안법을 이용한 초단기 강수 예보 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 장치{VERY-SHORT-TERM FORECAST METHOD USING BURGERS’EQUATION AND SEMI-LAGRANGIAN, RECORDING MEDIUM AND DEVICE FOR PERFORMING THE METHOD}Ultra-short-term precipitation forecasting method using Burgers equation and anti-Lagrangian method, recording medium and apparatus for performing the same

본 발명은 버거스 방정식과 반-라그랑지안법을 이용한 초단기 강수 예보 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 버거스 방정식을 이용하여 매 예측장마다 이동벡터를 산출하고, 산출된 벡터를 예측 시간마다 반-라그랑지안 기법에 대입하여 예측 정확도를 향상시키는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to an ultra-short-term precipitation forecasting method using the Burgers equation and the anti-Lagrangian method, and to a recording medium and apparatus for performing the same, and more particularly, calculating a motion vector for each prediction field using the Burgers equation, It relates to a technique for improving prediction accuracy by substituting a calculated vector into the anti-Lagrangian technique for each prediction time.

레이더 기반의 강수 초단기 예보는 주로 이류(advection)를 기반으로 한 라그랑지안 외삽법에 의해 얻어질 수 있다. 이 방법은 높은 시공간 해상도의 결과물을 산출할 수 있고 Numerical weather Predictions(NWP) 모델에 비해 간단한 알고리즘을 사용한다. Radar-based precipitation ultra-short-term forecasts can be obtained by Lagrangian extrapolation, which is mainly based on advection. This method can produce results with high spatiotemporal resolution and uses a simpler algorithm compared to the Numerical Weather Predictions (NWP) model.

라그랑지안 외삽법을 이용한 대표적인 알고리즘은 McGill 대학에서 개발한 MAPLE(McGill Algorithm for Precipitation Nowcasting by Lagrangian Extrapolation)이다. MAPLE의 외삽법은 German and Zawadzki(2002)에 의해 개발되었고, 추후 다양한 해상도와 예측 영역에 대한 논문이 게재되어 검증되었다.A representative algorithm using Lagrangian extrapolation is MAPLE (McGill Algorithm for Precipitation Nowcasting by Lagrangian Extrapolation) developed at McGill University. The extrapolation method of MAPLE was developed by German and Zawadzki (2002), and later papers on various resolutions and prediction areas were published and verified.

MAPLE은 이동벡터를 산출하기 위하여 비용함수를 최소화하는 VET(variational echo tracking) 알고리즘을 사용하여 고정된 하나의 벡터를 산출하고 이 고정된 벡터를 이용하여 예측장을 생성한다. 이 방법의 단점은 수직 방향의 source-sink 항이나 운동장(motion vector field)의 시간 변동성이 이류(advection)보다 우세할 때 잘 맞지 않는다는 것이다. MAPLE uses the VET (variational echo tracking) algorithm that minimizes the cost function to calculate the motion vector to calculate a single fixed vector and uses this fixed vector to create a prediction field. A disadvantage of this method is that it does not fit well when the vertical source-sink term or the temporal variability of the motion vector field dominates over advection.

성장과 감소를 고려한 강수예측 연구는 기존에 여러 연구팀에서 시도하였지만 성공적인 결과를 도출하지는 못하였다. 또한, 시간 변동성을 고려하기 위해, 매 시간마다 움직이는 이동벡터를 산출하려면, 정확한 초기치와 경계치 조건, 주위의 압력 조건 등 수많은 환경적 변수를 고려하여 복잡한 편미분 방정식(PDE: Partial differential equation)을 풀어야 하는 어려움이 있다.Precipitation prediction studies considering growth and decrease have been attempted by several research teams, but they did not yield successful results. In addition, in order to calculate the movement vector moving every time in order to consider the time variability, it is necessary to solve a complex partial differential equation (PDE) in consideration of numerous environmental variables, such as precise initial and boundary value conditions, and ambient pressure conditions. there is a difficulty

KR 10-2006847 B1KR 10-2006847 B1 KR 10-2013-0049521 AKR 10-2013-0049521 A US 7,062,066 B2US 7,062,066 B2

Germann, U. and Zawadzki, I., December 2002: Scale-dependence of the predictability of precipitation from continental radar images. Part I: Description of the methodology. Monthly, Weather Review, 130(12), 2859-2873. Germann, U. and Zawadzki, I., December 2002: Scale-dependence of the predictability of precipitation from continental radar images. Part I: Description of the methodology. Monthly, Weather Review, 130(12), 2859-2873.

이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 버거스 방정식과 반-라그랑지안법을 이용한 초단기 강수 예보 방법을 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide an ultra-short-term precipitation forecasting method using the Burgers equation and the anti-Lagrangian method.

본 발명의 다른 목적은 상기 버거스 방정식과 반-라그랑지안법을 이용한 초단기 강수 예보 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된 기록 매체를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a recording medium in which a computer program for performing an ultra-short-term precipitation forecasting method using the Bergers equation and the anti-Lagrangian method is recorded.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 버거스 방정식과 반-라그랑지안법을 이용한 초단기 강수 예보 방법을 수행하기 위한 장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an apparatus for performing an ultra-short-term precipitation forecasting method using the Bergers equation and the anti-Lagrangian method.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 버거스 방정식과 반-라그랑지안법을 이용한 초단기 강수 예보 방법은, 연속된 시간대의 2차원 레이더 강수 격자장을 입력값으로 하는 VET 알고리즘(variational echo tracking)을 사용하여 초기 이동벡터를 산출하는 단계; 산출된 초기 이동벡터를 초기값으로 하는 버거스(Burgers) 방정식을 이용하여 각 예측 시간마다 이동벡터를 생성하는 단계; 및 생성된 각 예측 시간마다 업데이트된 이동벡터를 후방 반-라그랑지안(backward semi-Lagrangian) 기법에 예측시간마다 대입하며 예측장을 생성하는 단계;를 포함한다.The ultra-short-term precipitation forecasting method using the Burgers equation and the anti-Lagrangian method according to an embodiment for realizing the object of the present invention is a VET algorithm (variational Calculating an initial motion vector using echo tracking); generating a motion vector for each prediction time using a Burgers equation using the calculated initial motion vector as an initial value; and generating a prediction field by substituting the updated motion vector for each generated prediction time for each prediction time into a backward semi-Lagrangian technique.

본 발명의 실시예에서, 상기 초기 이동벡터를 산출하는 단계는, 2개 또는 3개의 연속된 시간대의 2차원 레이더 강수 격자장을 입력값으로 수신하는 단계; 및 수신한 2차원 레이더 강수 격자장을 비용함수에 입력하여 강수장을 최소화하는 단계;를 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the calculating of the initial motion vector may include: receiving two or three consecutive two-dimensional radar precipitation grid fields as input values; and inputting the received two-dimensional radar precipitation grid field into the cost function to minimize the precipitation field.

본 발명의 실시예에서, 상기 강수장을 최소화하는 단계는, 임의의 초기 추측값(initial guess)을 입력으로 하는 복소구배(conjugate gradient)를 수행할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the step of minimizing the precipitation field may include performing a complex gradient with an arbitrary initial guess as an input.

본 발명의 실시예에서, 상기 초기 추측값은 이전 시간에서의 VET 알고리즘 데이터를 사용하거나 또는 1로 이루어진 벡터를 초기 추측값으로 사용할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the initial guess may use VET algorithm data from a previous time or a vector consisting of 1 may be used as the initial guess.

본 발명의 실시예에서, 상기 각 예측 시간마다 이동벡터를 생성하는 단계는, 버거스 방정식을 이용하여 미리 설정된 시간 간격마다 x방향 속도 u와 y방향 속도 v의 이동벡터를 반복하여 생성하는 단계; 및 반복하여 생성된 이동벡터를 선형 보간법을 이용하여 예측장의 사이즈로 다운 사이징하는 단계;를 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the step of generating the motion vector for each prediction time includes: repeatedly generating motion vectors of the x-direction velocity u and the y-direction velocity v at preset time intervals using the Burgers equation; and downsizing the iteratively generated motion vector to the size of the prediction field using linear interpolation.

본 발명의 실시예에서, 상기 x방향 속도 u와 y방향 속도 v의 이동벡터를 반복하여 생성하는 단계는, 나비에-스톡스 방정식(Navier-Stokes equations)에서 압력항을 고려하지 않은 버거스 방정식을 사용하여 벡터를 근사화할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the step of repeatedly generating the movement vectors of the x-direction velocity u and the y-direction velocity v is the Navier-Stokes equation, which does not consider the pressure term in the Burgers equation. can be used to approximate a vector.

본 발명의 실시예에서, 상기 버거스 방정식은 미리 설정된 확산계수를 이용할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the Burgers equation may use a preset diffusion coefficient.

상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에는, 상기 버거스 방정식과 반-라그랑지안법을 이용한 초단기 강수 예보 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록되어 있다. In a computer-readable storage medium according to an embodiment for realizing another object of the present invention, a computer program for performing the ultra-short-term precipitation forecasting method using the Bergers equation and the anti-Lagrangian method is recorded.

상기한 본 발명의 또 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 버거스 방정식과 반-라그랑지안법을 이용한 초단기 강수 예보 장치는, 연속된 시간대의 2차원 레이더 강수 격자장을 입력값으로 하는 VET 알고리즘(variational echo tracking)을 사용하여 초기 이동벡터를 산출하는 초기 벡터 산출부; 초기 벡터 산출부로부터 산출된 벡터를 초기값으로 하는 버거스(Burgers) 방정식을 이용하여 각 예측 시간마다 이동벡터를 생성하는 이동벡터 산출부; 및 이동벡터 산출부에서 생성된 각 예측 시간마다 업데이트된 이동벡터를 후방 반-라그랑지안(backward semi-Lagrangian) 기법에 예측시간마다 대입하며 예측장을 생성하는 예측장 생성부;를 포함한다.The ultra-short-term precipitation forecasting apparatus using the Burgers equation and the anti-Lagrangian method according to an embodiment for realizing another object of the present invention is a VET algorithm using a two-dimensional radar precipitation grid field of a continuous time period as an input value. an initial vector calculating unit that calculates an initial motion vector using (variational echo tracking); a motion vector calculator for generating a motion vector for each prediction time using a Burgers equation using the vector calculated from the initial vector calculator as an initial value; and a prediction field generator generating a prediction field by substituting the updated motion vector for each prediction time generated by the motion vector calculation unit for each prediction time into a backward semi-Lagrangian technique.

본 발명의 실시예에서, 상기 초기 벡터 산출부는, 2개 또는 3개의 연속된 시간대의 2차원 레이더 강수 격자장을 비용함수의 입력값으로 사용하여 강수장을 최소화할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the initial vector calculator may minimize the precipitation field by using the two-dimensional radar precipitation grid field of two or three consecutive time zones as an input value of the cost function.

본 발명의 실시예에서, 상기 초기 벡터 산출부는, 임의의 초기 추측값(initial guess)을 입력으로 하는 복소구배(conjugate gradient)를 수행하고, 초기 추측값은 이전 시간에서의 VET 알고리즘 데이터를 사용하거나 또는 1로 이루어진 벡터를 초기 추측값으로 사용할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the initial vector calculator performs a complex gradient with an arbitrary initial guess as an input, and the initial guess uses VET algorithm data from a previous time or Alternatively, a vector of 1s can be used as the initial guess.

본 발명의 실시예에서, 상기 이동벡터 산출부는, 버거스 방정식을 이용하여 미리 설정된 시간 간격마다 x방향 속도 u와 y방향 속도 v의 이동벡터를 반복하여 생성하고, 반복하여 생성된 이동벡터를 선형 보간법을 이용하여 예측장의 사이즈로 다운 사이징할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the motion vector calculating unit repeatedly generates motion vectors of the x-direction speed u and the y-direction speed v at preset time intervals using the Burgers equation, and linearly converts the repeatedly generated motion vector It can be downsized to the size of the prediction field using interpolation.

본 발명의 실시예에서, 상기 이동벡터 산출부는, 나비에-스톡스 방정식(Navier-Stokes equations)에서 압력항을 고려하지 않은 버거스 방정식을 사용하여 벡터를 근사화하고, 상기 버거스 방정식은 미리 설정된 확산계수를 이용할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the motion vector calculator approximates the vector using a Burgers equation that does not consider a pressure term in Navier-Stokes equations, and the Burgers equation is a preset diffusion coefficients can be used.

이와 같은 버거스 방정식과 반-라그랑지안법을 이용한 초단기 강수 예보 방법에 따르면, 버거스 방정식을 사용하여 매시간 이동벡터를 업데이트를 통하여 단기 예측의 정확도를 향상시킬 수 있다. 또한, 이류-확산방정식을 직접적으로 풀지 않고 반-라그랑지안 방법을 사용하여 알고리즘을 훨씬 단순화하면서도, 예측장 생성 결과의 정확도를 높일 수 있다.According to the ultra-short-term precipitation forecasting method using the Burgers equation and the anti-Lagrangian method, the short-term prediction accuracy can be improved by updating the movement vector every hour using the Burgers equation. In addition, by using the anti-Lagrangian method without directly solving the advection-diffusion equation, the algorithm can be greatly simplified and the accuracy of the prediction field generation result can be increased.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 버거스 방정식과 반-라그랑지안법을 이용한 초단기 강수 예보 장치의 블록도 및 전체 알고리즘의 개요도이다.
도 2는 도 1의 초기 벡터 산출부의 VET 알고리즘을 보여주는 개요도이다.
도 3은 도 1의 이동벡터 생성부의 이동벡터 생성 알고리즘을 보여주는 개요도이다.
도 4는 실제 사례들과 VET 알고리즘으로부터 만들어낸 속도 벡터를 보여주는 도면이다.
도 5는 각 시각에서 VET 알고리즘으로 산출한 이동벡터와 버거스 방정식으로 만들어낸 벡터를 보여주는 도면이다.
도 6은 동일 시각의 관측장, 종래 기술 및 본 발명의 알고리즘으로부터 생성된 예측장을 보여주는 도면이다.
도 7은 실제 사례들을 대류성 강우과 층운형 강우로 분류하여 종래 기술 및 본 발명의 알고리즘으로부터 생성된 예측장의 카테고리 평가 비교를 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 버거스 방정식과 반-라그랑지안법을 이용한 초단기 강수 예보 방법의 흐름도이다.
1 is a block diagram of an ultra-short-term precipitation forecasting apparatus using the Bergers equation and the anti-Lagrangian method according to an embodiment of the present invention and a schematic diagram of an overall algorithm.
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a VET algorithm of the initial vector calculator of FIG. 1 .
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a motion vector generation algorithm of the motion vector generator of FIG. 1 .
4 is a diagram showing a velocity vector generated from real examples and the VET algorithm.
5 is a diagram showing a motion vector calculated by the VET algorithm at each time and a vector created by the Bergers equation.
6 is a view showing an observation field at the same time, a prediction field generated from the prior art and an algorithm of the present invention.
7 is a view showing a comparison of category evaluations of prediction fields generated from the prior art and the algorithm of the present invention by classifying actual cases into convective rainfall and stratified rainfall.
8 is a flowchart of an ultra-short-term precipitation forecasting method using the Burgers equation and the anti-Lagrangian method according to an embodiment of the present invention.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS [0012] DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS [0010] DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS [0010] Reference is made to the accompanying drawings, which show by way of illustration specific embodiments in which the present invention may be practiced. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the present invention. It should be understood that the various embodiments of the present invention are different but need not be mutually exclusive. For example, certain shapes, structures, and characteristics described herein with respect to one embodiment may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention. In addition, it should be understood that the location or arrangement of individual components within each disclosed embodiment may be changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Accordingly, the following detailed description is not intended to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention, if properly described, is limited only by the appended claims, along with all scope equivalents to those claimed. Like reference numerals in the drawings refer to the same or similar functions throughout the various aspects.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 버거스 방정식과 반-라그랑지안법을 이용한 초단기 강수 예보 장치의 블록도 및 전체 알고리즘의 개요도이다.1 is a block diagram of an ultra-short-term precipitation forecasting apparatus using the Bergers equation and the anti-Lagrangian method according to an embodiment of the present invention and a schematic diagram of an overall algorithm.

본 발명에 따른 버거스 방정식과 반-라그랑지안법을 이용한 초단기 강수 예보 장치(10, 이하 장치)는 기존의 MAPLE의 알고리즘을 개선하기 위해 매시간 벡터를 업데이트하는 방법을 제안한다. 각 예측시간마다 벡터를 개선하기 위해 버거스 방정식을 풀어 벡터를 생성한다. The ultra-short-term precipitation forecasting device (10, hereinafter) using the Burgers equation and the anti-Lagrangian method according to the present invention proposes a method of updating a vector every hour to improve the existing MAPLE algorithm. To improve the vector at each prediction time, the vector is generated by solving the Bergers equation.

종래의 MAPLE과 달리 이동벡터 산출부에서 산출된 벡터를 사용하여 업데이트 된 벡터를 기존의 MAPLE 알고리즘의 예측장 생성부인 반-라그랑지안 알고리즘에 대입하여 개선된 예측장을 생성하는 단기 예측 모델을 제안한다.Unlike conventional MAPLE, we propose a short-term prediction model that generates an improved prediction field by substituting the updated vector using the vector calculated by the motion vector calculation unit to the anti-Lagrangian algorithm, which is the prediction field generation unit of the existing MAPLE algorithm.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 장치(10)는 초기 벡터 산출부(110), 이동벡터 산출부(130) 및 예측장 생성부(150)를 포함한다.Referring to FIG. 1 , an apparatus 10 according to the present invention includes an initial vector calculator 110 , a motion vector calculator 130 , and a prediction field generator 150 .

본 발명의 상기 장치(10)는 버거스 방정식과 반-라그랑지안법을 이용한 초단기 강수 예보를 수행하기 위한 소프트웨어(애플리케이션)가 설치되어 실행될 수 있으며, 상기 초기 벡터 산출부(110), 상기 이동벡터 산출부(130) 및 상기 예측장 생성부(150)의 구성은 상기 장치(10)에서 실행되는 상기 버거스 방정식과 반-라그랑지안법을 이용한 초단기 강수 예보를 수행하기 수행하기 위한 소프트웨어에 의해 제어될 수 있다. In the device 10 of the present invention, software (application) for performing ultra-short-term precipitation forecasting using the Burgers equation and the anti-Lagrangian method may be installed and executed, and the initial vector calculation unit 110, the motion vector calculation The configuration of the unit 130 and the prediction field generator 150 can be controlled by software for performing the ultra-short-term precipitation forecast using the Burgers equation and the anti-Lagrangian method executed in the apparatus 10. there is.

상기 장치(10)는 별도의 단말이거나 또는 단말의 일부 모듈일 수 있다. 또한, 상기 초기 벡터 산출부(110), 상기 이동벡터 산출부(130) 및 상기 예측장 생성부(150)의 구성은 통합 모듈로 형성되거나, 하나 이상의 모듈로 이루어 질 수 있다. 그러나, 이와 반대로 각 구성은 별도의 모듈로 이루어질 수도 있다.The device 10 may be a separate terminal or may be a part of a module of the terminal. In addition, the configuration of the initial vector calculator 110 , the motion vector calculator 130 , and the prediction field generator 150 may be formed of an integrated module or one or more modules. However, on the contrary, each configuration may be formed of a separate module.

상기 장치(10)는 이동성을 갖거나 고정될 수 있다. 상기 장치(10)는, 서버(server) 또는 엔진(engine) 형태일 수 있으며, 디바이스(device), 기구(apparatus), 단말(terminal), UE(user equipment), MS(mobile station), 무선기기(wireless device), 휴대기기(handheld device) 등 다른 용어로 불릴 수 있다. The device 10 may be movable or stationary. The apparatus 10 may be in the form of a server or an engine, and may be a device, an application, a terminal, a user equipment (UE), a mobile station (MS), or a wireless device. (wireless device), may be called other terms such as a handheld device (handheld device).

상기 장치(10)는 운영체제(Operation System; OS), 즉 시스템을 기반으로 다양한 소프트웨어를 실행하거나 제작할 수 있다. 상기 운영체제는 소프트웨어가 장치의 하드웨어를 사용할 수 있도록 하기 위한 시스템 프로그램으로서, 안드로이드 OS, iOS, 윈도우 모바일 OS, 바다 OS, 심비안 OS, 블랙베리 OS 등 모바일 컴퓨터 운영체제 및 윈도우 계열, 리눅스 계열, 유닉스 계열, MAC, AIX, HP-UX 등 컴퓨터 운영체제를 모두 포함할 수 있다.The device 10 may execute or manufacture various software based on an operating system (OS), that is, the system. The operating system is a system program for software to use the hardware of the device, and is a mobile computer operating system such as Android OS, iOS, Windows Mobile OS, Bada OS, Symbian OS, Blackberry OS and Windows series, Linux series, Unix series, It can include all computer operating systems such as MAC, AIX, and HP-UX.

상기 초기 벡터 산출부(110)는 연속된 시간대의 2차원 레이더 강수 격자장을 입력값으로 하는 VET(variational echo tracking) 알고리즘을 사용하여 초기 이동벡터를 산출한다.The initial vector calculating unit 110 calculates an initial motion vector by using a variational echo tracking (VET) algorithm using a two-dimensional radar precipitation grid field of successive time zones as an input value.

매 시간마다 이동벡터를 산출하기 위해서는 정확한 초기 이동벡터가 필요하다. 본 발명에서는 초기 이동벡터를 산출하기 위하여 MAPLE과 동일한 VET 알고리즘을 사용한다. VET 알고리즘의 장점은 강수장에서 강수가 없는 맑은 영역에도 벡터를 생성하여 전체 벡터장을 생성할 수 있다는 점이다. 만들어진 벡터장은 이차원 이동벡터로 V(t0, x', y')=(u(t0, x', y'), v(t0, x', y')) 이다. In order to calculate the motion vector every time, an accurate initial motion vector is required. In the present invention, the same VET algorithm as MAPLE is used to calculate the initial motion vector. The advantage of the VET algorithm is that it can generate a vector field even in a clear area without precipitation in the precipitation field to generate a full vector field. The created vector field is a two-dimensional motion vector, V(t0, x', y')=(u(t0, x', y'), v(t0, x', y')).

필요한 입력값은 2개 또는 3개의 연속된 시간대의 2차원 레이더 강수 격자장이다. 도 1은 초기벡터 산출부(또는 변분에코 추적 기법)의 알고리즘 흐름도를 보여준다. The required input is a two-dimensional radar precipitation grid in two or three consecutive time zones. 1 shows an algorithm flow diagram of an initial vector calculator (or a differential echo tracking technique).

도 1을 참조하면, 예를 들어, 전체 강수 영상의 크기가 n × n 격자로 이루어져 있으면, 입력값은 n × n 행렬 2개 또는 3개가 입력된다. 그러나, 산출자료는 주로 m × m 으로, 영상격자 사이즈 (n × n)보다 훨씬 작은 사이즈의 벡터장을 산출하고, 추후 예측장 생성 부분에서 영상 격자 사이즈 n × n로 보간시켜 사용된다. 예를 들어, 본 발명에서 테스트한 입력장의 격자개수는 n=1248 이며, 벡터 격자개수는 m=25 이다.Referring to FIG. 1 , for example, if the size of the entire precipitation image consists of an n×n grid, two or three n×n matrices are input as input values. However, the calculated data is mainly m × m, which calculates a vector field with a size much smaller than the image grid size (n × n), and is used by interpolating the image grid size n × n in the future prediction field generation part. For example, the number of grids of the input field tested in the present invention is n=1248, and the number of vector grids is m=25.

도 2를 참조하면, 시간 t0와 그 전 시간(t0-βt)의 강수장을 최소화를 시키는 비용함수에 입력한다. 이 때 비용함수는 아래의 수학식 1과 같다. Referring to FIG. 2 , the precipitation field at time t0 and the preceding time (t0-βt) is input into a cost function that minimizes. In this case, the cost function is as shown in Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112021016373243-pat00001
Figure 112021016373243-pat00001

여기서,

Figure 112021016373243-pat00002
Figure 112021016373243-pat00003
는 각각 다음의 수학식 2 및 수학식 3과 같다.here,
Figure 112021016373243-pat00002
class
Figure 112021016373243-pat00003
is the following Equation 2 and Equation 3, respectively.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112021016373243-pat00004
Figure 112021016373243-pat00004

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112021016373243-pat00005
Figure 112021016373243-pat00005

여기서,

Figure 112021016373243-pat00006
는 두 공간 변수 x와 y의 모든 이차 편미분의 합을 의미한다.
Figure 112021016373243-pat00007
(수학식 2) 항은
Figure 112021016373243-pat00008
Figure 112021016373243-pat00009
에서 라그랑지안을 만족하는 벡터를 찾기 위한 항이고,
Figure 112021016373243-pat00010
(수학식 3) 항은 벡터를 단지 매끄럽게하기 위한 벌칙 함수(penalty function)라고 할 수 있다. here,
Figure 112021016373243-pat00006
is the sum of all quadratic partial derivatives of the two spatial variables x and y.
Figure 112021016373243-pat00007
(Equation 2) The term is
Figure 112021016373243-pat00008
Wow
Figure 112021016373243-pat00009
is a term to find a vector that satisfies the Lagrangian in
Figure 112021016373243-pat00010
The term (Equation 3) can be referred to as a penalty function for just smoothing a vector.

최소화 과정을 수행할 때, 예를 들어, 복소구배(conjugate gradient) 방법으로 수행하고, 이 방법은 임의의 초기 추측값(initial guess)을 입력하여야 한다. 이때 초기값은 이전 시간에서의 VET 자료가 있으면, 그 값을 이용하고 없으면, 보통 1로 이루어진 벡터를 초기치로 넣을 수 있다. 초기치의 선택에 때라 최소화하는 과정의 시간이 달라질 수 있다. When performing the minimization process, for example, a complex gradient method is used, and in this method, an arbitrary initial guess must be input. At this time, if there is VET data from the previous time, the initial value is used. The time of the minimization process may vary depending on the selection of the initial value.

상기 편미분(partial differentiation) 계산법은 아래와 같다.The partial differentiation calculation method is as follows.

이동벡터장 u와 v는 m x m의 정방행렬로 주어지는데,

Figure 112021016373243-pat00011
등의 일차 공간 미분은 다음과 같은 중앙유한차분법(centered FDM) 등을 이용할 수 있다.The motion vector fields u and v are given as mxm square matrices,
Figure 112021016373243-pat00011
For the first-order spatial differentiation of , etc., the following centered FDM method may be used.

Figure 112021016373243-pat00012
Figure 112021016373243-pat00012

여기서

Figure 112021016373243-pat00013
는 가로방향 i번째, 세로방향 j 번째 격자를 의미하고, h는 격자 해상도로, 붙어있는 두 격자 사이의 거리로 ‘km’ 나 ‘m’ 의 단위로 표현할 수 있고, 레이더 강수자료의 거리 단위와 일치시켜 사용하여야 한다. 2차 미분도 마찬가지로 다음과 같이 중앙유한차분법을 이용한다.here
Figure 112021016373243-pat00013
denotes the horizontal i-th and vertical j-th grids, h is the grid resolution, and the distance between two adjacent grids can be expressed in units of 'km' or 'm', and the distance unit of radar precipitation data and must be used in harmony. Similarly, the second derivative uses the central finite difference method as follows.

Figure 112021016373243-pat00014
Figure 112021016373243-pat00014

상기 이동벡터 산출부(130)는 상기 초기 벡터 산출부(110)로부터 산출된 벡터를 초기값으로 하는 버거스 방정식을 이용하여 각 예측 시간마다 이동벡터를 생성한다.The motion vector calculator 130 generates a motion vector for each predicted time using the Burgers equation using the vector calculated from the initial vector calculator 110 as an initial value.

도 3을 참조하면, 상기 이동벡터 산출부(130)를 통하여 기존 MAPLE의 방법을 개선할 수 있다. 상기 이동벡터 산출부(130)에서는 상기 예측장 생성부(150)와는 독립적으로, m × m 벡터 방정식을 수치적으로 풀어 시간에 따른 벡터를 생성한다. Referring to FIG. 3 , the existing MAPLE method can be improved through the motion vector calculator 130 . The motion vector calculation unit 130 generates a vector according to time by numerically solving the m × m vector equation independently of the prediction field generation unit 150 .

시간에 따른 벡터를 생성하기 위한 방정식은 아래의 수학식 4와 같이 이차원 버거스방정식(Bugers’ equation)이다. An equation for generating a vector according to time is a two-dimensional Burgess equation as shown in Equation 4 below.

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112021016373243-pat00015
Figure 112021016373243-pat00015

실제로, 정확한 이동벡터를 구하기 위해서는 정확한 초기벡터와 더 많은 환경변수를 고려한 복잡한 방정식을 풀어야 하지만, 단기간 예측 시스템에서는 불가능하다. 따라서, 나비에-스톡스 방정식(Navier-Stokes equations)에서, 압력항을 고려하지 않은 버거스 방정식을 사용하여 벡터를 근사하고 초기값은 VET 으로부터 산출한 벡터를 이용한다.In fact, in order to obtain an accurate motion vector, it is necessary to solve a complex equation that considers an accurate initial vector and more environmental variables, but this is not possible in a short-term prediction system. Therefore, in the Navier-Stokes equations, the vector is approximated using the Burgers equation without considering the pressure term, and the vector calculated from VET is used as the initial value.

도 3을 참조하면, 상기 이동벡터 산출부(130)에서의 반복 알고리즘을 보여준다. 예를 들어, 시간에 대한 방정식을 풀기 위한 시간 간격(βt)이 1분이고 예측장은 10분마다 산출하면서 전체 3시간 예측한다고 할 때, x방향 속도 u와 y 방향 속도 v를 구하기 위해 전체 반복 횟수는 3시간/1분=180회이다. Referring to FIG. 3 , the iteration algorithm in the motion vector calculating unit 130 is shown. For example, assuming that the time interval (βt) for solving the equation for time is 1 minute and the prediction field is calculated every 10 minutes for a total of 3 hours, the total number of iterations to obtain the speed u in the x direction and the speed v in the y direction 3 hours / 1 minute = 180 times.

예측장을 10분마다 산출하므로, 180회 반복 후 보간법(Interpolation)을 사용하여 예측장 사이즈와 일치시킨 10분 간격 벡터를 생성한다. 이동벡터 계산의 정확도를 높이기 위해 작은 시간 스텝 (예: 1분)으로 계산하고 필요한 예측 시간만 보간하여 예측장 생성부(150)에서 사용함으로써 불필요한 시간과 메모리 낭비를 막을 수 있다. Since the predicted field is calculated every 10 minutes, a 10-minute interval vector matched with the predicted field size is generated using interpolation after 180 iterations. In order to increase the accuracy of the motion vector calculation, it is possible to prevent unnecessary time and memory waste by calculating in a small time step (eg, 1 minute), interpolating only the required prediction time, and using it in the prediction field generator 150 .

도 3에서 (x', y')는 m × m 에서의 격자점이고, (x, y)은 n × n에서의 격자점이다. 3, (x', y') is a lattice point in m × m, and (x, y) is a lattice point in n × n.

수학식 4에서 확산계수 ‘s’는 값이 클수록 벡터를 매끄럽게(smoothing)하는 효과가 있으며, 예를 들어 s=0.2로 고정하여 사용하였다. t0 이후의 벡터값을 산출하기 위하여, 반복문을 통한 수치적 상미분 방정식을 풀기 위해 잘 알려진 RK4를 사용할 수 있다. In Equation 4, the diffusion coefficient 's' has an effect of smoothing the vector as the value increases. For example, s=0.2 was fixed and used. To calculate vector values after t0, well-known RK4 can be used to solve numerical ordinary differential equations through loops.

상미분 방정식(ordinary differential equation)의 계산법은 아래와 같다.The calculation method of the ordinary differential equation is as follows.

초기 값

Figure 112021016373243-pat00016
이 주어진, 다음과 같이 일반적인 상미분 방정식의 해를 수치적으로 구하고자 할 때 잘 알려진 Runge-Kutta order 4(RK4) 방법을 이용하여 다음 시간 스텝의
Figure 112021016373243-pat00017
의 값을 구할 수 있다.initial value
Figure 112021016373243-pat00016
Given this, when you want to numerically find the solution of a general ordinary differential equation as follows, you can use the well-known Runge-Kutta order 4 (RK4) method to
Figure 112021016373243-pat00017
value can be obtained.

Figure 112021016373243-pat00018
Figure 112021016373243-pat00018

<RK4 Iteration><RK4 Iteration>

Figure 112021016373243-pat00019
Figure 112021016373243-pat00019

상기 예측장 생성부(150)는 상기 이동벡터 산출부(130)에서 생성된 각 예측 시간마다 업데이트된 이동벡터를 후방 반-라그랑지안 기법에 예측시간마다 대입하며 예측장을 생성한다.The prediction field generation unit 150 generates a prediction field by substituting the motion vector updated for each prediction time generated by the motion vector calculation unit 130 to the backward anti-Lagrangian technique for each prediction time.

본 발명의 알고리즘에서 예측장을 생성하는 방법은 MAPLE과 거의 유사하다. 단, MAPLE에서는 VET에서 만들어진 고정된 이동벡터 이용하여 원하는 시간까지 반복문을 통하여 예측장을 생성하지만 본 발명의 알고리즘은 매시간마다 변하는 이동벡터를 사용한다. The method of generating a prediction field in the algorithm of the present invention is almost similar to that of MAPLE. However, in MAPLE, a prediction field is generated through a loop until a desired time using a fixed motion vector created in VET, but the algorithm of the present invention uses a motion vector that changes every hour.

종래의 MAPLE의 주요 방법은 VET 알고리즘을 사용하여 이동벡터를 찾는 것이고, 이 이동벡터를 반-라그랑지안 방법에 대입하여 예측 강수장을 생성하는 것이다. 반-라그랑지안 후방법은 다음의 수학식 5와 같다.The main method of the conventional MAPLE is to find a motion vector using the VET algorithm, and to generate a predicted precipitation field by substituting the motion vector into the anti-Lagrangian method. The anti-Lagrangian post method is expressed in Equation 5 below.

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112021016373243-pat00020
Figure 112021016373243-pat00020

즉, 수학식 5가 의미하는 것은 시각

Figure 112021016373243-pat00021
, 위치
Figure 112021016373243-pat00022
에서의 예측장은 시각
Figure 112021016373243-pat00023
에서의 예측장의 위치
Figure 112021016373243-pat00024
에서의 값으로 근사된다는 의미이다. 여기서, 초기벡터
Figure 112021016373243-pat00025
는 VET 알고리즘으로부터 얻어지며, 총 예측시간이 L이고 예측생성 간격이
Figure 112021016373243-pat00026
이면, 반복횟수는
Figure 112021016373243-pat00027
이다. 반복문을 통해 원하는 시간까지 예측장을 생성할 수 있다. 여기에 사용된
Figure 112021016373243-pat00028
는 L시간 동안 고정된 값이 사용된다.That is, what Equation 5 means is
Figure 112021016373243-pat00021
, location
Figure 112021016373243-pat00022
The forecast field in
Figure 112021016373243-pat00023
the location of the forecast field in
Figure 112021016373243-pat00024
This means that it is approximated to the value in . Here, the initial vector
Figure 112021016373243-pat00025
is obtained from the VET algorithm, where the total prediction time is L and the prediction generation interval is
Figure 112021016373243-pat00026
If so, the number of iterations is
Figure 112021016373243-pat00027
am. The prediction field can be generated up to the desired time through the loop. used here
Figure 112021016373243-pat00028
A fixed value is used for L time.

MAPLE의 장점은 이류방정식을 후방 반-라그랑지안 방법을 사용하여 계산하는 것으로 이류방정식를 전방법으로 푸는 것보다 빠르고 안정적이다. 따라서 본 발명은, 후방 반-라그랑지안 방법을 사용하되, 상기 이동벡터 산출부(130)에서 생성된 시간마다 업데이트된 벡터를 이용하여 다음의 수학식 6과 같이 기존의 초단기 예측알고리즘인 MAPLE 알고리즘을 개선할 수 있다. The advantage of MAPLE is that the advection equation is calculated using the backward anti-Lagrangian method, which is faster and more stable than solving the advection equation using the forward method. Therefore, the present invention uses the backward anti-Lagrangian method, but improves the MAPLE algorithm, which is an existing ultra-short prediction algorithm, as shown in Equation 6 below by using the vector updated for each time generated by the motion vector calculator 130 can do.

[수학식 6][Equation 6]

Figure 112021016373243-pat00029
Figure 112021016373243-pat00029

여기서,

Figure 112021016373243-pat00030
은 이동벡터 산출부(130)에서 예측시각마다 산출된, 시각
Figure 112021016373243-pat00031
에서의 이동벡터이다. 즉, 후방 반-라그랑지안 방법에서 고정된 하나의 벡터가 아닌 예측시간마다 업데이트된 새로운 벡터에 의해 예측장이 생성된다. here,
Figure 112021016373243-pat00030
is calculated for each predicted time by the motion vector calculating unit 130, the time
Figure 112021016373243-pat00031
is the motion vector in . That is, in the backward anti-Lagrangian method, a prediction field is generated by a new vector updated every prediction time, not by one fixed vector.

모션벡터를 이용한 MAPLE 개선 방법을 검증하기 위하여 도 4와 같이 2012년 여름과 2014년 여름의 여섯 사례를 선정하였다. To verify the MAPLE improvement method using motion vectors, six cases in the summer of 2012 and summer of 2014 were selected as shown in FIG. 4 .

도 4를 참조하면, 대한민국 남동해와 내륙지방의 3개 레이더 합성 영역으로 312(km) x 312(km) 영역을 나타내고 있으며,

Figure 112021016373243-pat00032
의 관계식으로 반사도를 강우강도로 나타낸 값이다. 영상의 격자 크기는 전체 1248 x 1248로, 한 격자의 거리는 0.25 km를 나타낸다. Referring to FIG. 4 , a 312 (km) x 312 (km) area is shown as three radar synthesis areas in the southeastern sea of Korea and the inland region,
Figure 112021016373243-pat00032
It is a value expressing reflectivity as rainfall intensity with the relational expression of . The grid size of the image is 1248 x 1248 in total, and the distance of one grid is 0.25 km.

도 4의 붉은색 안의 격자수는 1000 x 1000 이다. 벡터는 이 붉은색 안의 영역을 이용하여 만들고 정확도 평가 또한 붉은색 영역 안에서 이루어진다. 여기서 각 관측 강수장은 2.5분 간격으로 산출되었으며, 2.5분 간격 두 개의 관측장으로부터 VET 알고리즘을 이용하여 벡터를 산출하고 예측장은 5분마다 3시간까지 산출하여 결과를 테스트 하였다. The number of grids in red in FIG. 4 is 1000 x 1000. A vector is created using this red area, and accuracy evaluation is also performed within the red area. Here, each observed precipitation field was calculated at 2.5-minute intervals, and vectors were calculated from two observation stations at 2.5-minute intervals using the VET algorithm, and the predicted field was calculated every 5 minutes for up to 3 hours, and the results were tested.

예측장의 정량적인 정확도를 비교 검증하기 위하여 카테고리(categorical) 정확도 검사 방법을 이용한다(German and Zawadzki (2002)). 카테고리 정확도 검사는 아래 표 1의 강우강도 카테고리 정확도 검사의 강우 유무 분할표를 이용하며 POD(Probability of Detection), FAR(False Alarm Rate), CSI(Critical success index), ETS(equitable treat score)등을 구하는 것으로 다음의 수학식 7과 같이 정의한다. In order to compare and verify the quantitative accuracy of the prediction field, a categorical accuracy test method is used (German and Zawadzki (2002)). The category accuracy test uses the rainfall presence/absence division table of the rainfall intensity category accuracy test in Table 1 below. It is defined as Equation 7 below.

RObs ≥ r0RObs ≥ r0 RObs < r0RObs < r0 RF ≥r0RF ≥r0 a(hits)a(hits) c(false alarms)c(false alarms) RF < r0 RF < r0 b(misses)b (misses) d(correct negative)d(correct negative)

[수학식 7][Equation 7]

Figure 112021016373243-pat00033
Figure 112021016373243-pat00033

여기서,

Figure 112021016373243-pat00034
이다. 표 1에서 RObs는 관측장의 강우강도, RF는 예측장의 강우강도 값으로, 문턱값 r0를 기준으로 각 조건을 만족하는 격자수를 각각 a(hits), b(misses), c(false alarms), d(correct negative)로 나타낸다. 모두 0과 1사이의 값이며, FAR은 값이 작을수록, POD, CSI, ETS는 값이 클수록 정확한 예측장을 의미한다. here,
Figure 112021016373243-pat00034
am. In Table 1, RObs is the rainfall intensity of the observation site and RF is the rainfall intensity value of the forecasting field. It is denoted by d (correct negative). All values are between 0 and 1, and the smaller the FAR value, the larger the POD, CSI, and ETS values mean more accurate prediction fields.

도 5는 2012년 6월 30일 3시, 4시, 5시 VET으로부터 산출된 이동벡터를 보여준다. MAPLE에서는 3시에서 만들어진 이동벡터 하나만을 이용하여 예측한다. 하지만, VET에서 만들어진 이동벡터(첫 번째 행)를 보면 각 시간별로 이동벡터가 달라지는 것을 볼 수 있다. 5 shows motion vectors calculated from VET at 3 o'clock, 4 o'clock, and 5 o'clock on June 30, 2012. In MAPLE, prediction is made using only one motion vector created at 3 o'clock. However, if you look at the motion vector created in VET (the first row), you can see that the motion vector changes for each time.

두 번째 행은 VET에서 만들어진 3시의 이동벡터를 본 발명의 이동벡터 산출부(130)에서 만들어진 이동벡터를 보여준다. 도 5에서 3시의 이동벡터만을 이용하여 Burgers 방정식으로부터 만들어진 이동벡터는 각 시간마다 관측장을 이용하여 산출한 VET의 이동벡터와 비슷한 패턴을 보이는 것을 알 수 있다.The second row shows the motion vector generated by the motion vector calculating unit 130 of the present invention for the 3 o'clock motion vector generated in the VET. In FIG. 5, it can be seen that the motion vector generated from the Burgers equation using only the motion vector at 3 o'clock shows a similar pattern to the motion vector of the VET calculated using the observation field at each time.

상기 이동벡터 산출부(130)에서 Burgers 방정식은 25 x 25 행렬로 2.5분 간격 반복문을 사용하여 벡터를 하였다. 2.5분마다 산출된 25 x 25 벡터는 1248 x 1248 크기로 아래의 수학식 8과 같은 예측장 생성 알고리즘에 대입하기 위하여 전체 영상크기인 1248 x 1248 크기로 내/외삽하여 사용된다.In the motion vector calculating unit 130, the Burgers equation is a 25 x 25 matrix, and is vectored using a 2.5-minute interval loop. A 25 x 25 vector calculated every 2.5 minutes has a size of 1248 x 1248 and is used by interpolation/extrapolation to a size of 1248 x 1248, which is the entire image size, for substituting the prediction field generation algorithm as in Equation 8 below.

[수학식 8][Equation 8]

Figure 112021016373243-pat00035
Figure 112021016373243-pat00035

도 6은 2012년 6월 30일 19시부터 세 시간 동안 한 시간 간격의 관측장과 같은 시각에서 생성되는 MAPLE의 결과와 버거스 방정식에 의해 업데이트되는 본 발명 알고리즘의 예측장을 보여준다. 6 shows the results of MAPLE generated at the same time as the observation field at one time interval for three hours from 19:00 on June 30, 2012 and the prediction field of the present invention algorithm updated by the Bergers equation.

도 6을 참조하면, 개선된 MAPLE 알고리즘으로 산출된 예측장은 MAPLE의 결과와 다르며, 실제 관측장과 더 유사해 보인다. Referring to FIG. 6 , the predicted field calculated by the improved MAPLE algorithm is different from the MAPLE result, and looks more similar to the actual observation field.

도 6에서 첫 번째 행은 2012년 6월 30일 19시(LST)부터 세시간 동안 한 시간 간격의 관측장이고, 두 번째 행은 같은 시각 MAPLE로부터 만들어진 예측장이고, 세 번째 행은 본 발명의 알고리즘으로부터 만들어진 예측장이다.In Fig. 6, the first row is an observation field at one time interval for three hours from 19:00 (LST) on June 30, 2012, the second row is a prediction field made from MAPLE at the same time, and the third row is the algorithm of the present invention It is a prediction field made from

또한, 도 4에서의 사례를 대류성 강우와 층운형 강우로 분류하여 MAPLE과 비교하였다. 두 가지 종류로 나누어 평균하여 카테고리 평가를 하였다. 그 결과, 본 방법의 경우, 대류성 사례에서 검증결과가 훨씬 좋았다. In addition, the case in FIG. 4 was classified into convective rainfall and stratified rainfall and compared with MAPLE. The categories were evaluated by dividing them into two types and averaging them. As a result, in the case of this method, the verification result was much better in the convective case.

도 7(a)는 층운형 강우 사례의 경우, 카테고리 정확도 평가값을 평균하여 비교한 도면이고, 도 7(b)는 대류성 강우의 경우 비교 결과이다. 층운형의 경우, MAPLE과 본 발명의 개선된 MAPLE에서의 결과는 확연한 차이가 없었으나 본 발명의 결과에서 POD가 약간 높게 나타나는 것을 볼 수 있다. Fig. 7(a) is a view comparing the average category accuracy evaluation values in the case of stratified rainfall, and Fig. 7(b) is a comparison result in the case of convective rainfall. In the case of stratiform type, there was no clear difference between the results of MAPLE and the improved MAPLE of the present invention, but it can be seen that the POD is slightly higher in the results of the present invention.

도 7(b)의 대류성 강우의 경우, 움직이는 이동벡터를 이용한 본 방법이 POD, CSI, ETS 모두 훨씬 높게 나타나는 것을 볼 수 있다. In the case of convective rainfall in Fig. 7(b), it can be seen that the POD, CSI, and ETS of the present method using a moving vector are much higher.

결론적으로, 본 발명에서 제시하는 방법으로 6사례를 이용하여 3시간 예측장을 생성하였을 때, 층운형 강우사례의 경우 정확도 평가 결과가 유사하거나 약간 개선되었고, 대류성 강우사례의 경우, 카테고리 정확도 평가에서 훨씬 높은 점수를 보였다,In conclusion, when a 3-hour forecast field was generated using 6 cases by the method presented in the present invention, the accuracy evaluation results were similar or slightly improved in the case of the stratified rainfall case, and in the case of the convective rainfall case, the category accuracy evaluation showed much higher scores in

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 버거스 방정식과 반-라그랑지안법을 이용한 초단기 강수 예보 방법의 흐름도이다.8 is a flowchart of an ultra-short-term precipitation forecasting method using the Burgers equation and the anti-Lagrangian method according to an embodiment of the present invention.

본 실시예에 따른 버거스 방정식과 반-라그랑지안법을 이용한 초단기 강수 예보 방법은, 도 1의 장치(10)와 실질적으로 동일한 구성에서 진행될 수 있다. 따라서, 도 1의 장치(10)와 동일한 구성요소는 동일한 도면부호를 부여하고, 반복되는 설명은 생략한다. The ultra-short-term precipitation forecasting method using the Burgers equation and the anti-Lagrangian method according to the present embodiment may proceed in substantially the same configuration as the apparatus 10 of FIG. 1 . Accordingly, the same components as those of the device 10 of FIG. 1 are given the same reference numerals, and repeated descriptions are omitted.

또한, 본 실시예에 따른 버거스 방정식과 반-라그랑지안법을 이용한 초단기 강수 예보 방법은 버거스 방정식과 반-라그랑지안법을 이용한 초단기 강수 예보를 수행하기 위한 소프트웨어(애플리케이션)에 의해 실행될 수 있다.In addition, the ultra-short-term precipitation forecasting method using the Burgers equation and the anti-Lagrangian method according to the present embodiment may be executed by software (application) for performing the ultra-short-term precipitation forecasting using the Burgers equation and the anti-Lagrangian method.

본 발명은 기존의 MAPLE의 알고리즘을 개선하기 위해 매시간 벡터를 업데이트하는 방법을 제안한다. 각 예측시간마다 벡터를 개선하기 위해 버거스 방정식을 풀어 벡터를 생성한다. The present invention proposes a method of updating a vector every time in order to improve the existing MAPLE algorithm. To improve the vector at each prediction time, the vector is generated by solving the Bergers equation.

종래의 MAPLE과 달리 이동벡터 산출부에서 산출된 벡터를 사용하여 업데이트 된 벡터를 기존의 MAPLE 알고리즘의 예측장 생성부인 반-라그랑지안 알고리즘에 대입하여 개선된 예측장을 생성하는 단기 예측 모델을 제안한다.Unlike conventional MAPLE, we propose a short-term prediction model that generates an improved prediction field by substituting the updated vector using the vector calculated by the motion vector calculation unit to the anti-Lagrangian algorithm, which is the prediction field generation unit of the existing MAPLE algorithm.

도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 버거스 방정식과 반-라그랑지안법을 이용한 초단기 강수 예보 방법은, 연속된 시간대의 2차원 레이더 강수 격자장을 입력값으로 하는 VET 알고리즘(variational echo tracking)을 사용하여 초기 이동벡터를 산출한다(단계 S10). Referring to FIG. 8 , the ultra-short-term precipitation forecasting method using the Burgers equation and the anti-Lagrangian method according to the present embodiment uses a VET algorithm (variational echo tracking) using a two-dimensional radar precipitation grid field of a continuous time period as an input value. to calculate the initial motion vector (step S10).

상기 초기 이동벡터를 산출하는 단계(단계 S10)는, 2개 또는 3개의 연속된 시간대의 2차원 레이더 강수 격자장을 입력값으로 하여, 수신한 2차원 레이더 강수 격자장을 비용함수에 입력하여 강수장을 최소화하는 과정을 거친다.In the step of calculating the initial motion vector (step S10), the two-dimensional radar precipitation grid field of two or three consecutive time zones is taken as an input value, and the received two-dimensional radar precipitation grid field is inputted into the cost function to precipitation. Go through the process of minimizing the intestine.

여기서, 상기 강수장을 최소화하는 단계는, 임의의 초기 추측값(initial guess)을 입력으로 하는 복소구배(conjugate gradient)를 수행할 수 있으며, 초기 추측값은 이전 시간에서의 VET 알고리즘 데이터를 사용하거나 또는 1로 이루어진 벡터를 초기 추측값으로 사용할 수 있다.Here, in the step of minimizing the precipitation field, a complex gradient may be performed with an arbitrary initial guess as an input, and the initial guess may be obtained using VET algorithm data from a previous time or Alternatively, a vector of 1s can be used as an initial guess.

산출된 벡터를 초기값으로 하는 버거스 방정식을 이용하여 각 예측 시간마다 이동벡터를 생성한다(단계 S30).A motion vector is generated for each prediction time using the Burgers equation using the calculated vector as an initial value (step S30).

상기 각 예측 시간마다 이동벡터를 생성하는 단계(단계 S30)는, 버거스 방정식을 이용하여 미리 설정된 시간 간격마다 x방향 속도 u와 y방향 속도 v의 이동벡터를 반복하여 생성하고, 반복하여 생성된 이동벡터를 선형 보간법을 이용하여 예측장의 사이즈로 다운 사이징한다.The step of generating the motion vector for each predicted time (step S30) is to repeatedly generate the motion vectors of the x-direction velocity u and the y-direction velocity v at preset time intervals using the Burgers equation, and repeatedly generated The motion vector is downsized to the size of the prediction field using linear interpolation.

이 경우, 나비에-스톡스 방정식(Navier-Stokes equations)에서 압력항을 고려하지 않은 버거스 방정식을 사용하여 벡터를 근사화할 수 있다. 또한, 상기 버거스 방정식은 미리 설정된 확산계수를 이용할 수 있다.In this case, the vector can be approximated using the Burgers equation without taking the pressure term into account in the Navier-Stokes equations. In addition, the Burgers equation may use a preset diffusion coefficient.

생성된 각 예측 시간마다 업데이트된 이동벡터를 후방 반-라그랑지안 기법에 예측시간마다 대입하며 예측장을 생성한다(단계 S50).A prediction field is generated by substituting the updated motion vector for each generated prediction time for each prediction time in the backward anti-Lagrangian technique (step S50).

본 발명은 종래 기술의 방법이 실용화에 적합하도록, 시간에 따른 미분방정식을 푸는 대신 MAPLE에서처럼 후방법(backward method)을 사용한 반-라그랑지안 방법이다. 즉, MAPLE과의 차이점은 버거스 방정식을 사용하여 매시간 이동벡터를 업데이트를 통하여 단기예측을 향상시킨다는 점이고, 종래 기술과의 차이점은 이류-확산방정식을 직접적으로 풀지 않고 반-라그랑지안 방법을 사용하여 알고리즘을 훨씬 단순화시켰다는 점이다. The present invention is an anti-Lagrangian method using a backward method as in MAPLE instead of solving a time-dependent differential equation so that the prior art method is suitable for practical use. That is, the difference from MAPLE is that the short-term prediction is improved by updating the motion vector every hour using the Bergers equation. is much simplified.

이와 같은, 버거스 방정식과 반-라그랑지안법을 이용한 초단기 강수 예보 방법은 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. Such an ultra-short-term precipitation forecasting method using the Burgers equation and the anti-Lagrangian method may be implemented as an application or implemented in the form of program instructions that may be executed through various computer components and recorded in a computer-readable recording medium. The computer-readable recording medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination.

상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. The program instructions recorded on the computer readable recording medium are specially designed and configured for the present invention, and may be known and used by those skilled in the art of computer software.

컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. Examples of the computer-readable recording medium include a hard disk, a magnetic medium such as a floppy disk and a magnetic tape, an optical recording medium such as a CD-ROM and DVD, and a magneto-optical medium such as a floppy disk. media), and hardware devices specially configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like.

프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.Examples of program instructions include not only machine language codes such as those generated by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware device may be configured to operate as one or more software modules for carrying out the processing according to the present invention, and vice versa.

이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to the embodiments, those skilled in the art can variously modify and change the present invention within the scope without departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below You will understand.

본 발명은 기존의 수치예보 모델보다 규모가 가볍고 MAPLE 보다 정확도가 높은 모델로 초단기 예측의 정확도 향상시키는 알고리즘으로 한반도 단기간 날씨예측, 태풍이동 예측 등 기상 및 방재 서비스 분야에 유용하게 적용 가능하다.The present invention is an algorithm that improves the accuracy of ultra-short-term prediction with a model that is lighter in scale than the existing numerical forecasting model and has higher accuracy than MAPLE.

10: 초단기 강수 예보 장치
110: 초기 벡터 산출부
130: 이동벡터 산출부
150: 예측장 생성부
10: Ultra-short-term precipitation forecasting device
110: initial vector calculation unit
130: motion vector calculation unit
150: prediction field generator

Claims (13)

연속된 시간대의 2차원 레이더 강수 격자장을 입력값으로 하는 VET 알고리즘(variational echo tracking)을 사용하여 초기 이동벡터를 산출하는 단계;
산출된 초기 이동벡터를 초기값으로 하는 버거스(Burgers) 방정식을 이용하여 각 예측 시간마다 이동벡터를 생성하는 단계; 및
생성된 각 예측 시간마다 업데이트된 이동벡터를 후방 반-라그랑지안(backward semi-Lagrangian) 기법에 예측시간마다 대입하며 예측장을 생성하는 단계;를 포함하고,
상기 각 예측 시간마다 이동벡터를 생성하는 단계는,
버거스 방정식을 이용하여 미리 설정된 시간 간격마다 x방향 속도 u와 y방향 속도 v의 이동벡터를 반복하여 생성하는 단계; 및
반복하여 생성된 이동벡터를 선형 보간법을 이용하여 예측장의 사이즈로 다운 사이징하는 단계;를 포함하는, 버거스 방정식과 반-라그랑지안법을 이용한 초단기 강수 예보 방법.
calculating an initial motion vector using a VET algorithm (variational echo tracking) using a two-dimensional radar precipitation grid field of successive time zones as an input value;
generating a motion vector for each prediction time using a Burgers equation using the calculated initial motion vector as an initial value; and
generating a prediction field by substituting the updated motion vector for each generated prediction time for each prediction time into a backward semi-Lagrangian technique;
The step of generating a motion vector for each prediction time comprises:
repeatedly generating motion vectors of x-direction velocity u and y-direction velocity v at preset time intervals using the Burgers equation; and
Downsizing the iteratively generated motion vector to the size of the prediction field using linear interpolation.
제1항에 있어서, 상기 초기 이동벡터를 산출하는 단계는,
2개 또는 3개의 연속된 시간대의 2차원 레이더 강수 격자장을 입력값으로 수신하는 단계; 및
수신한 2차원 레이더 강수 격자장을 비용함수에 입력하여 강수장을 최소화하는 단계;를 포함하는, 버거스 방정식과 반-라그랑지안법을 이용한 초단기 강수 예보 방법.
The method of claim 1, wherein calculating the initial motion vector comprises:
receiving two or three consecutive two-dimensional radar precipitation grid fields as input values; and
Minimizing the precipitation field by inputting the received two-dimensional radar precipitation grid field into a cost function; an ultra-short-term precipitation forecasting method using the Bergers equation and the anti-Lagrangian method, including.
제2항에 있어서, 상기 강수장을 최소화하는 단계는,
초기 추측값(initial guess)을 입력으로 하는 복소구배(conjugate gradient)를 수행하는, 버거스 방정식과 반-라그랑지안법을 이용한 초단기 강수 예보 방법.
3. The method of claim 2, wherein minimizing the precipitation field comprises:
An ultra-short-term precipitation forecasting method using the Burgers equation and the anti-Lagrangian method, which performs a complex gradient with an initial guess as input.
제3항에 있어서,
상기 초기 추측값은 이전 시간에서의 VET 알고리즘 데이터를 사용하거나 또는 1로 이루어진 벡터를 초기 추측값으로 사용하는, 버거스 방정식과 반-라그랑지안법을 이용한 초단기 강수 예보 방법.
4. The method of claim 3,
The initial guess value is an ultra-short-term precipitation forecasting method using VET algorithm data from a previous time or using a vector consisting of 1 as an initial guess value, using the Burgers equation and the anti-Lagrangian method.
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 x방향 속도 u와 y방향 속도 v의 이동벡터를 반복하여 생성하는 단계는,
나비에-스톡스 방정식(Navier-Stokes equations)에서 압력항을 고려하지 않은 버거스 방정식을 사용하여 벡터를 근사화하는, 버거스 방정식과 반-라그랑지안법을 이용한 초단기 강수 예보 방법.
The method of claim 1, wherein the step of repeatedly generating the motion vectors of the x-direction velocity u and the y-direction velocity v comprises:
An ultra-short-term precipitation forecasting method using the Burgers equation and the anti-Lagrangian method, which approximates a vector using the Burgers equation without taking the pressure term into account in the Navier-Stokes equations.
제6항에 있어서,
상기 버거스 방정식은 미리 설정된 확산계수를 이용하는, 버거스 방정식과 반-라그랑지안법을 이용한 초단기 강수 예보 방법.
7. The method of claim 6,
The Burgers equation is an ultra-short-term precipitation forecasting method using the Burgers equation and the anti-Lagrangian method, which uses a preset diffusion coefficient.
제1항 내지 제4항, 제6항 및 제7항 중 어느 하나의 항에 따른 상기 버거스 방정식과 반-라그랑지안법을 이용한 초단기 강수 예보 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체.
A computer readable computer program for performing the ultra-short-term precipitation forecasting method using the Burgers equation and the anti-Lagrangian method according to any one of claims 1 to 4, 6 and 7 storage medium.
연속된 시간대의 2차원 레이더 강수 격자장을 입력값으로 하는 VET 알고리즘(variational echo tracking)을 사용하여 초기 이동벡터를 산출하는 초기 벡터 산출부;
초기 벡터 산출부로부터 산출된 벡터를 초기값으로 하는 버거스(Burgers) 방정식을 이용하여 각 예측 시간마다 이동벡터를 생성하는 이동벡터 산출부; 및
이동벡터 산출부에서 생성된 각 예측 시간마다 업데이트된 이동벡터를 후방 반-라그랑지안(backward semi-Lagrangian) 기법에 예측시간마다 대입하며 예측장을 생성하는 예측장 생성부;를 포함하고,
상기 이동벡터 산출부는,
버거스 방정식을 이용하여 미리 설정된 시간 간격마다 x방향 속도 u와 y방향 속도 v의 이동벡터를 반복하여 생성하고, 반복하여 생성된 이동벡터를 선형 보간법을 이용하여 예측장의 사이즈로 다운 사이징하는, 버거스 방정식과 반-라그랑지안법을 이용한 초단기 강수 예보 장치.
an initial vector calculation unit that calculates an initial motion vector using a VET algorithm (variational echo tracking) using a two-dimensional radar precipitation grid field of a continuous time period as an input value;
a motion vector calculator for generating a motion vector for each prediction time using a Burgers equation using the vector calculated from the initial vector calculator as an initial value; and
a prediction field generator generating a prediction field by substituting the updated motion vector for each prediction time generated by the motion vector calculation unit at each prediction time in a backward semi-Lagrangian technique;
The motion vector calculation unit,
Burger that repeatedly generates motion vectors of x-direction velocity u and y-direction velocity v at preset time intervals using the Burgers equation, and downsizing the repeatedly generated motion vector to the size of the prediction field using linear interpolation. An ultra-short-term precipitation forecasting device using the S equation and the anti-Lagrangian method.
제9항에 있어서, 상기 초기 벡터 산출부는,
2개 또는 3개의 연속된 시간대의 2차원 레이더 강수 격자장을 비용함수의 입력값으로 사용하여 강수장을 최소화하는, 버거스 방정식과 반-라그랑지안법을 이용한 초단기 강수 예보 장치.
The method of claim 9, wherein the initial vector calculator,
An ultra-short-term precipitation forecasting device using the Burgers equation and the anti-Lagrangian method that minimizes the precipitation field by using the two-dimensional radar precipitation grid field of two or three consecutive time zones as the input value of the cost function.
제10항에 있어서, 상기 초기 벡터 산출부는,
초기 추측값(initial guess)을 입력으로 하는 복소구배(conjugate gradient)를 수행하고, 초기 추측값은 이전 시간에서의 VET 알고리즘 데이터를 사용하거나 또는 1로 이루어진 벡터를 초기 추측값으로 사용하는, 버거스 방정식과 반-라그랑지안법을 이용한 초단기 강수 예보 장치.
The method of claim 10, wherein the initial vector calculator,
Burgers, which performs a complex gradient with an initial guess as input, and uses the VET algorithm data from the previous time or a vector of 1s as the initial guess for the initial guess. An ultra-short-term precipitation forecasting device using equations and anti-Lagrangian method.
삭제delete 제9항에 있어서, 상기 이동벡터 산출부는,
나비에-스톡스 방정식(Navier-Stokes equations)에서 압력항을 고려하지 않은 버거스 방정식을 사용하여 벡터를 근사화하고, 상기 버거스 방정식은 미리 설정된 확산계수를 이용하는, 버거스 방정식과 반-라그랑지안법을 이용한 초단기 강수 예보 장치.
The method of claim 9, wherein the motion vector calculator comprises:
The vector is approximated using a Burgers equation that does not take the pressure term into account in the Navier-Stokes equations, and the Burgers equation uses a preset diffusion coefficient, the Burgers equation and the anti-Lagrangian method. An ultra-short-term precipitation forecasting device.
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