KR101856042B1 - Bias correction method of extreme precipitation data in global climate model using mixture distributions - Google Patents

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Abstract

본 발명은 혼합분포형을 이용한 지구 기후 모델의 극치 강수자료의 오차 보정방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 혼합분포형을 이용한 지구 기후 모델의 극치 강수자료의 오차 보정방법은, 알고리즘의 실행에 의해 지구 기후 모델(GCM) 또는 지역 기후 모델(RCM) 산출물들의 기후 시나리오를 설정하는 단계; 지구 기후 모델(GCM) 또는 지역 기후 모델(RCM) 산출물들의 편차를 보정하기 위해, 분위 사상(QM)을 이용하여 관측 데이터의 확률 분포에 대해 상기 지역 기후 모델(RCM)의 변수의 확률 분포를 조정하는 단계; 조정된 지역 기후 모델(RCM)의 변수의 확률 분포를 바탕으로 기후 변화 영향의 평가를 위해 복수의 혼합 분포 함수의 모델들을 테스트하는 단계; 메타-휴리스틱 최우도(MHML) 기법을 이용하여 상기 혼합 분포 함수 모델들의 매개변수를 추정하는 단계; 테스트된 복수의 혼합 분포 함수 모델들 중에서 이상치를 생산함 없이 관측자료가 지니고 있는 분포 패턴을 가장 근접하게 양산하는 성능이 가장 우수한 혼합 분포 함수의 모델에 의해 획득된 결과 데이터와 상기 추정된 매개변수를 바탕으로 편이 보정을 수행하는 단계; 및 편이 보정 결과를 기후 모델의 극치 강수자료에 반영함으로써 기후 모델의 극치 강수자료의 오차를 보정하는 단계를 포함한다.
The present invention relates to a method of correcting errors in extreme precipitation data of a global climate model using a mixed distribution type.
The error correction method of the extreme precipitation data of the global climate model using the mixed distribution type according to the present invention comprises the steps of: setting a climate scenario of the global climate model (GCM) or regional climate model (RCM) (QM) to adjust the probability distribution of the variables of the regional climate model (RCM) to the probability distribution of the observed data, to correct deviations of the global climate model (GCM) or regional climate model (RCM) ; Testing models of multiple mixed distribution functions for evaluation of climate change impacts based on a probability distribution of variables of the adjusted regional climate model (RCM); Estimating parameters of the mixed distribution function models using a meta-heuristic maximum likelihood (MHML) technique; Among the plurality of mixed distribution function models tested, the result data obtained by a model of the best mixed distribution function having the best ability to produce a distribution pattern closest to the distribution pattern of the observation data without producing an ideal value and the estimated parameters Performing shift correction based on the correction; And correcting the error of the extreme precipitation data of the climate model by reflecting the result of the correction to the extreme precipitation data of the climate model.

Description

혼합분포형을 이용한 지구 기후 모델의 극치 강수자료의 오차 보정방법{Bias correction method of extreme precipitation data in global climate model using mixture distributions}[0001] The present invention relates to a method for correcting errors of extreme precipitation data of a global climate model using a mixed distribution type,

본 발명은 혼합분포형을 이용한 지구 기후 모델에서 생산되는 극치 강수자료의 오차 보정방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 기후자료의 일반적 특성 확률분포형과 극치들의 특성 확률분포형을 혼합하여 적용함으로써 기존의 극치에서 이상치가 생성되는 단점을 극복하고 모든 분위(分位)에 대해 신뢰도 높은 자료를 생산할 수 있는 혼합분포형을 이용한 지구 기후 모델의 극치 강수자료의 오차 보정방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of correcting errors in extreme precipitation data produced by a global climate model using a mixed distribution type, more particularly, by mixing a general characteristic probability distribution type of climatic data with a characteristic probability distribution type of extreme values, This paper deals with the correction method of the error of the extreme precipitation data of the global climate model using the mixed distribution type which can overcome the disadvantage that the extreme value is generated at the extreme of the extreme value and can produce reliable data for all the quartiles.

기후 변화는 주로 홍수의 주요 원인인 극치 강수(강우)의 빈도와 크기에 영향을 미친다. 미래 기후를 모의실험하고 관찰된 기후 변화를 온실 가스의 인위적 방출에 따른 것으로 모의하는 지구 기후 모델(global climate model; GCM)들은, 현재 극치 강수량(강우량)에 대한 기후 변화 시나리오를 얻기 위한 최상의 자원(source)이다. 지구 기후 모델 산출의 역학적 상세화인 지역 기후 모델 (regional climate model; RCM)은 증대된 해상도를 제공하며, 이는 하부 격자 규모의 기후 변화 영향에 대해 분석을 가능하게 한다. 그러나 지역 기후 모델을 통해 생성된 인자들이(예를 들어, 강수량 및 온도)여전히 시스템적인 편차가 남아 있어 수문학적 적용을 위한 직접적인 사용에는 어려움이 있다. 이렇게 여전히 오차가 수정되지 않은 지역 기후 모델의 결과들에 관한 개선은 편차 보정 방법을 적용함으로써 개선될 수 있다. Climate change mainly affects the frequency and magnitude of extreme precipitation (rainfall), which is a major cause of flooding. Global climate models (GCMs), which simulate future climates and simulate observed climate change as a result of anthropogenic greenhouse gas emissions, are the best resources to obtain climate change scenarios for current extreme precipitation (rainfall) source. The regional climate model (RCM), an epidemiological detail of the global climate model output, provides increased resolution, enabling analysis of climate change impacts on the lower lattice scale. However, there are still systematic deviations from factors (eg, precipitation and temperature) generated by local climate models, making direct use difficult for hydrological applications. This improvement in the results of the local climate model, which still has no error correction, can be improved by applying the deviation correction method.

델타 방법, 다중 선형 회귀, 아날로그 방법, 지역 강도 크기 조정, 분위 사상(quantile mapping; QM) 방법 등과 같은 많은 편차 보정 방법들이 지구 기후 모델 또는 지역 기후 모델에서 생성되는 자료의 오차를 제거하기 위해 제안되어 왔다. 대부분의 편차 보정 방법이 주로 평균값에 초점을 맞추어, 표준 편차 또는 백분위수와 같은 다른 통계적 특성들에서는 명백한 차이점들이 보이고 있다. 지역 기후 모델을 통해 일 강수량을 편차 보정하는 방법들이 비교되었고, 분위 사상 방법이 특히 극치 강수량(강우량) 사상에 대해 최상의 성능을 보이는 것으로 결론지어졌다. 비매개변수적 방법인 경험적 분포를 사용함으로써 현재의 기후를 성공적으로 보정할 수 있는 반면에, 그것은 관측된 값들의 범위를 벗어나는 미래 기후 데이터에 대한 적용에는 적합하지 않다. 이러한 이유로, 매개변수 접근법이 미래 기후 시나리오를 보정하기 위해 사용되어 왔고, 지수, 감마 및 와이불(Weibull)과 같은 분포형들이 적용되어 왔다. 하지만, 지수 및 감마와 같은 분포들은 얇은 꼬리(light-tailed) 분포이기 때문에, 여전히 미래 극치들에 대해 불안정하다. 이러한 일반적 분포들은 일 강수량(강우량)에서의 기후 변화를 표현함에 있어서 어느 정도의 제한을 갖는 문제점이 있다.Many deviation correction methods such as delta method, polynomial regression, analog method, local intensity scaling, quantile mapping (QM) method, etc. have been proposed to eliminate the error of data generated in global or regional climate models come. Most deviation correction methods mainly focus on the mean value, and there are obvious differences in other statistical properties such as standard deviation or percentile. Regional climate models were used to compare variance correction methods for daily precipitation and it was concluded that the declination method had the best performance, especially for extreme precipitation (rainfall) events. While using the nonparametric method empirical distribution can successfully correct the current climate, it is not suitable for application to future climate data beyond the range of observed values. For this reason, parameter approaches have been used to correct future climate scenarios and distribution types such as exponential, gamma and weibull have been applied. However, since distributions such as exponential and gamma are light-tailed distributions, they are still unstable to future extreme values. These general distributions have some limitations in expressing climate change in daily precipitation (rainfall).

한편, 공개특허공보 제10-2014-0111822호(특허문헌 1)에는 "비정상성 분위 사상을 적용한 전지구 기후모델의 오차보정방법"이 개시되어 있는 바, 이에 의한 오차보정방법은, 과거기간의 모의값에 분위 사상을 적용하여 모의 결과를 구하는 단계; 미래기간의 장기시계열 자료를 얻는 단계; 상기 모의 결과와 상기 장기시계열 자료에 대한 선형회귀식을 각각 구하는 단계; 상기 각각의 선형회귀식이 만나는 지점의 바이어스를 구하는 단계; 상기 미래기간의 장기시계열 자료에 대한 선형회귀식(y=ax+b)의 y축 절편(b)을 보정하여 새로운 선형회귀식(y=ax+b')을 산정하는 단계; 및 보정 전후의 선형회귀식의 매개변수를 이용하여 통계분포모수에 대해 맵핑(mapping)하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, Japanese Patent Laid-Open Publication No. 10-2014-0111822 (Patent Document 1) discloses a method of correcting an error of a global climate model applying an abnormal seismic pattern. In this method, Obtaining a simulation result by applying a decimal mapping to the value; Obtaining long-term time series data of a future period; Obtaining a linear regression equation for the simulation result and the long-term time series data; Obtaining a bias at a point where each of the linear regression equations meets; Calculating a new linear regression equation (y = ax + b ') by correcting the y-axis intercept (b) of the linear regression equation (y = ax + b) for the long term time series data of the future period; And mapping the statistical distribution parameters using the parameters of the linear regression equation before and after the correction.

이상과 같은 특허문헌 1의 오차보정방법은 비정상성 분위 사상법을 적용하기 때문에 비정상성을 가지는 장기 시계열자료에 적용되더라도 장기 시계열자료가 과소 추정되는 것을 방지하고, 강우량과 같이 통계분포의 모수가 비정상성을 가지는 경우 과거기간과 모의기간 사이에 부적합이 발생하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있을지는 몰라도, 이 역시 통계분포에만 의존하고 있어 기존의 극치에서 이상치가 생성되는 단점을 극복하기 어려운 문제점을 내포하고 있다.Since the error correction method of Patent Document 1 adopts the abnormal seismic mapping method, it is possible to prevent the long-term time series data from underestimating even if applied to long-term time series data having abnormality, If there is an effect, it is possible to prevent the occurrence of nonconformity between the past period and the simulation period. However, this also depends on the statistical distribution, and it is difficult to overcome the disadvantage that the abnormal value is generated in the existing extreme. .

공개특허공보 제10-2014-0111822호(2014.09.22.)Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-2014-0111822 (Feb.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 기후자료의 일반적 특성 확률분포형과 극치들의 특성 확률분포형을 혼합하여 적용함으로써, 기존의 극치에서 이상치가 생성되는 단점을 극복하고 모든 분위에 대해 신뢰도 높은 자료를 생산할 수 있는 혼합분포형을 이용한 지구 기후 모델의 극치 강수자료의 오차 보정방법을 제공함에 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to overcome the problems of the prior art as described above, and it is an object of the present invention to overcome the disadvantage that a general characteristic probability distribution type of climatic data and a characteristic probability distribution type of extreme values are mixed, The purpose of this study is to provide a method for correcting errors in extreme precipitation data of a global climate model using a mixed distribution type that can produce reliable data for all quartiles.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 혼합분포형을 이용한 지구 기후 모델의 극치 강수자료의 오차 보정방법은,In order to achieve the above object, there is provided a method for correcting errors in extreme precipitation data of a global climate model using a mixed distribution type,

컴퓨터에 탑재된 소정의 기후 모델의 강수자료의 오차를 보정하기 위한 알고리즘(소프트웨어 프로그램)의 실행에 의해 기후 모델의 극치 강수자료의 오차를 보정하는 방법으로서,A method for correcting an error of extreme precipitation data of a climate model by executing an algorithm (software program) for correcting an error of precipitation data of a predetermined climate model mounted on a computer,

a) 상기 알고리즘의 실행에 의해 지구 기후 모델(GCM) 또는 지역 기후 모델(RCM) 산출물들의 기후 시나리오를 설정하는 단계; a) establishing a climate scenario of global climate model (GCM) or regional climate model (RCM) outputs by execution of the algorithm;

b) 상기 지구 기후 모델(GCM) 또는 지역 기후 모델(RCM) 산출물들의 편차를 보정하기 위해, 분위 사상(quantile mapping; QM)을 이용하여 관측 데이터의 확률 분포에 대해 상기 지역 기후 모델(RCM)의 변수의 확률 분포를 조정하는 단계;(b) using the quantile mapping (QM) to calibrate the deviation of the global climate model (GCM) or regional climate model (RCM) Adjusting a probability distribution of the variable;

c) 상기 조정된 지역 기후 모델(RCM)의 변수의 확률 분포를 바탕으로 기후 변화 영향의 평가를 위해 복수의 혼합 분포(mixture distribution) 함수의 모델들을 테스트하는 단계;c) testing models of a plurality of mixture distribution functions for evaluation of climate change impacts based on a probability distribution of the parameters of the adjusted regional climate model (RCM);

d) 메타-휴리스틱 최우도(Meta-heuristic Maximum Likelihood; MHML) 기법을 이용하여 상기 혼합 분포 함수 모델들의 매개변수를 추정하는 단계; d) estimating parameters of the mixed distribution function models using a meta-heuristic maximum likelihood (MHML) technique;

e) 상기 테스트된 복수의 혼합 분포 함수 모델들 중에서 극치 강수량 (Extreme precip.)에 대해 관측자료(Obs.) 그래프 특성과 가장 가까운 그래프 특성을 보이는 혼합 분포 함수의 모델에 의해 획득된 결과 데이터와 상기 추정된 매개변수를 바탕으로 편이 보정을 수행하는 단계; 및 e) comparing the result data obtained by the model of the mixed distribution function showing the graph characteristic closest to the Observation Data (Obs.) graph characteristic with respect to the extreme precipitation among the plurality of mixed distribution function models tested, Performing shift correction based on the estimated parameters; And

f) 상기 편이 보정 결과를 기후 모델의 극치 강수자료에 반영함으로써 기후 모델의 극치 강수자료의 오차를 보정하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.and f) correcting the error of the extreme precipitation data of the climate model by reflecting the result of the deviation correction on the extreme precipitation data of the climate model.

여기서, 상기 단계 a)에서 상기 지구 기후 모델(GCM) 또는 지역 기후 모델(RCM) 산출물들의 기후 시나리오는 기초(역사적인) 기간과 미래 기간으로 구성될 수 있다.Here, the climate scenario of the global climate model (GCM) or local climate model (RCM) products in step a) may consist of a basic (historical) period and a future period.

또한, 상기 단계 b)에서 상기 관측 데이터의 확률 분포(y)는 다음의 수식 관계로 정의될 수 있다.In the step b), the probability distribution (y) of the observed data may be defined by the following equation.

Figure 112016050873228-pat00001
Figure 112016050873228-pat00001

또한, 상기 단계 c)에서 상기 혼합 분포 함수는 다음의 수식 관계로 정의될 수 있다.Also, in the step c), the mixed distribution function may be defined by the following equation.

Figure 112016050873228-pat00002
Figure 112016050873228-pat00002

또한, 상기 단계 d)에서 상기 매개변수의 추정자는 우도함수의 최대화를 통해 결정될 수 있다.Further, in the step d), the estimator of the parameter may be determined through maximization of the likelihood function.

또한, 상기 단계 e)에서 상기 편이 보정을 수행하기 위해 G-U(Gamma-Gumbel) 혼합 분포가 사용될 수 있다. Also, a G-U (Gamma-Gumbel) mixture distribution may be used to perform the deviation correction in step e).

이와 같은 본 발명에 의하면, 기후자료의 일반적 특성 확률분포형과 극치들의 특성 확률분포형을 혼합하여 적용함으로써, 종래 기술에서의 극치에서 이상치가 생성되는 단점을 극복하고 지점별 모든 분위에 대해 신뢰도 높은 자료를 생산할 수 있는 장점이 있다.According to the present invention, by applying the general characteristic probability distribution type of climatic data and the characteristic probability distribution type of extreme values to each other, it is possible to overcome the disadvantage that abnormal values are generated in extreme values in the conventional technology, There is an advantage in producing data.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 혼합분포형을 이용한 지구 기후 모델의 극치 강수자료의 오차 보정방법의 실행 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 관측소 119(수원)에 대한 일일 강수의 편이 보정 RCM(BCRCM) 산출물(적색 정사각형)뿐만 아니라 관측값과 RCM 산출물(청색 다이아몬드) 간의 QQ(quantile-quantile) 플롯을 보여주는 도면이다.
도 3은 관측소 189(서귀포)에 대한 도 2에서와 동일한 플롯을 보여주는 도면이다.
도 4는 관측소 119(수원)에 대한 100mm 이상의 극치 강수량에 대해 그 편이 보정인 BCRCM(적색 사각형)뿐만 아니라 관측값(크로스 표시)과 RCM 산출물(청색 다이아몬드)에 대해 대응하는 재현 기간을 나타낸 도면이다.
도 5는 관측소 189(서귀포)에 대한 도 4에서와 동일한 플롯을 보여주는 도면이다.
도 6은 1979-2005의 기간 동안 남한의 60개의 관측소의 일일 강수 및 극치 강수에 대해 4개의 비혼합 및 혼합의 서로 다른 분포형을 갖는 BCRCM뿐만 아니라 관측값과 RCM 산출물(미가공) 간의 평균 절대 오차(MAE)의 박스플롯을 나타낸 도면이다.
도 7은 남한의 60개의 관측소의 일일 강수 및 극치 강수에 대해 4개의 비혼합 및 혼합의 서로 다른 분포형을 갖는 BCRCM뿐만 아니라 관측값과 RCM 산출물(미가공) 간의 평균 제곱근 오차(RMSE)를 나타낸 도면이다.
도 8은 관측값과 남한의 60개의 관측소에 대하여 선택된 분포형을 가지는, 1979-2005의 BCRCM과 2006-2055의 BCRCM의 RCP 4.5 및 RCP 8.5에 대한 99퍼센트 이상 극치값의 평균에 관한 박스플롯을 나타낸 도면이다.
도 9는 남한에서의 1979-2005 동안 관측된 극치 강수(99퍼센트 이상) 평균의 공간적 분포를 나타낸 도면이다.
도 10은 1979-2005의 관측 기간 동안 특정 혼합 분포형들을 이용하여 관측된 극치(99퍼센트 이상)의 평균과 BCRCM 산출물의 극치의 평균 간의 차이를 나타낸 도면이다.
도 11은 1979-2005의 기간 동안 관측된 극치(99퍼센트 이상)의 평균과 2006-2055의 미래 시나리오 기간 동안 RCP 4.5 BCRCM 산출물의 극치의 평균 간의 차이를 나타낸 도면이다.
도 12는 1979-2005의 기간 동안 관측된 극치(99퍼센트 이상)의 평균과 2006-2055의 미래 시나리오 기간 동안 RCP 8.5 BCRCM 산출물의 극치의 평균 간의 차이를 나타낸 도면이다.
FIG. 1 is a flowchart illustrating a method of correcting an error of extreme precipitation data of a global climate model using a mixed distribution type according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a plot showing QQ (quantile-quantile) plots between observed values and RCM output (blue diamonds) as well as corrected RCM (BCRCM) outputs (red squares) for daily precipitation for station 119 (source).
Figure 3 is a plot showing the same plot as Figure 2 for station 189 (Seogwipo).
4 is a view showing a reproduction period corresponding to an observed value (cross display) and an RCM output (blue diamond) as well as a BCRCM (red square) in which the deviation is corrected with respect to an extreme precipitation amount of 100 mm or more with respect to the observation station 119 .
Figure 5 is a plot showing the same plot as in Figure 4 for station 189 (Seogwipo).
Figure 6 shows the mean absolute error between the observed values and the RCM output (raw) as well as the BCRCM with the four non-mixed and mixed different distribution types for daily precipitation and extreme precipitation of 60 observatories in South Korea over the period 1979-2005 (MAE). ≪ / RTI >
Figure 7 shows the mean square root error (RMSE) between observed values and RCM output (raw) as well as BCRCMs with different distribution types of four non-mixing and mixing for daily precipitation and extreme precipitation of 60 observatories in South Korea to be.
Figure 8 shows a box plot of the average of more than 99 percent extreme values for BCRCM of 1979-2005 and BCRCM of 2006-2055 with RCR 4.5 and RCP 8.5, with observed values and distribution types selected for 60 observatories in South Korea Fig.
Figure 9 is a plot of the spatial distribution of mean extreme precipitation (greater than 99 percent) observed over the period 1979-2005 in South Korea.
10 is a graph showing the difference between the mean of extreme values (over 99%) observed using specific mixed distribution types over the 1979-2005 observation period and the extreme values of the BCRCM product.
Figure 11 is a plot of the difference between the mean of extreme values (over 99 percent) observed over the period 1979-2005 and the extreme values of the RCP 4.5 BCRCM over the duration of the future scenario of 2006-2055.
Figure 12 is a plot of the difference between the mean of extreme values (over 99 percent) observed over the period 1979-2005 and the extreme values of the RCP 8.5 BCRCM over the duration of the future scenario of 2006-2055.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되지 말아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms and the inventor can properly define the concept of the term to describe its invention in the best way Should be construed in accordance with the principles and meanings and concepts consistent with the technical idea of the present invention.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Throughout the specification, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements as well, without excluding other elements unless specifically stated otherwise. Also, the terms " part, "" module, "and" device " Lt; / RTI >

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 혼합분포형을 이용한 지구 기후 모델의 극치 강수자료의 오차 보정방법의 실행 과정을 나타낸 흐름도이다.FIG. 1 is a flowchart illustrating a method of correcting an error of extreme precipitation data of a global climate model using a mixed distribution type according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 혼합분포형을 이용한 지구 기후 모델에서 생성된 극치 강수자료의 오차 보정방법은, 컴퓨터에 탑재된 소정의 기후 모델의 강수자료의 오차를 보정하기 위한 알고리즘(소프트웨어 프로그램)의 실행에 의해 기후 모델의 극치 강수자료의 오차를 보정하는 방법으로서, 먼저 상기 알고리즘의 실행에 의해 지구 기후 모델(GCM) 또는 지역 기후 모델(RCM) 산출물들의 기후 시나리오를 설정한다(단계 S101). 여기서, 상기 지구 기후 모델(GCM) 또는 지역 기후 모델(RCM) 산출물들의 기후 시나리오는 기초(역사적인) 기간과 미래 기간으로 구성될 수 있다.Referring to FIG. 1, an error correction method for extreme precipitation data generated in a global climate model using a mixed distribution type according to the present invention includes an algorithm for correcting an error of precipitation data of a predetermined climate model installed in a computer (GCM) or local climate model (RCM) products by the execution of the algorithm, as set forth in step S101 ). Here, the climate scenario of the Global Climate Model (GCM) or Regional Climate Model (RCM) deliverables may consist of a base (historical) period and a future period.

이상에 의해 지구 기후 모델(GCM) 또는 지역 기후 모델(RCM) 산출물들의 기후 시나리오의 설정이 완료되면, 상기 지구 기후 모델(GCM) 또는 지역 기후 모델(RCM) 산출물들의 편차를 보정하기 위해, 분위 사상(quantile mapping; QM)을 이용하여 관측 데이터의 확률 분포에 대해 상기 지역 기후 모델(RCM)의 변수의 확률 분포를 조정한다(단계 S102). 여기서, 상기 관측 데이터의 확률 분포(y)는 다음의 수식 관계로 정의될 수 있다. 이와 관련해서는 뒤에서 다시 설명된다.(GCM) or regional climate model (RCM) deliverables upon completion of the establishment of the climate scenario of the global climate model (GCM) or regional climate model (RCM) the probability distribution of the variables of the regional climate model (RCM) is adjusted for the probability distribution of the observation data using quantile mapping (QM) (step S102). Here, the probability distribution (y) of the observed data can be defined by the following mathematical relation. This is explained again later.

Figure 112016050873228-pat00003
Figure 112016050873228-pat00003

이상과 같이, 지역 기후 모델(RCM) 변수의 확률 분포의 조정이 완료되면, 그 조정된 지역 기후 모델(RCM) 변수의 확률 분포를 바탕으로 기후 변화 영향의 평가를 위해 복수의 혼합 분포(mixture distribution) 함수의 모델들을 테스트한다(단계 S103). 여기서, 상기 혼합 분포 함수는 다음의 수식 관계로 정의될 수 있다. 마찬가지로 이에 대해서는 뒤에서 다시 설명된다.Thus, when the adjustment of the probability distribution of the RCM variables is completed, a mixture distribution (RCM) is estimated for the assessment of the climate change impact based on the probability distribution of the adjusted RCM variables ) Function (step S103). Here, the mixed distribution function can be defined by the following equation. Likewise, this will be explained later.

Figure 112016050873228-pat00004
Figure 112016050873228-pat00004

이후, 메타-휴리스틱 최우도(Meta-heuristic Maximum Likelihood; MHML) 기법을 이용하여 상기 혼합 분포 함수 모델들의 매개변수를 추정한다(단계 S104). 여기서, 상기 매개변수의 추정자는 우도함수의 최대화를 통해 결정될 수 있다.Then, parameters of the mixed distribution function models are estimated using a meta-heuristic maximum likelihood (MHML) technique (step S104). Here, the estimator of the parameter may be determined by maximizing the likelihood function.

상기 혼합 분포 함수 모델들의 매개변수의 추정이 완료되면, 상기 단계 S103에서의 테스트된 복수의 혼합 분포 함수 모델들 중에서 극치 강수량(Extreme precip.)에 대해 관측자료(Obs.) 그래프 특성과 가장 가까운 그래프 특성을 보이는 혼합 분포 함수의 모델에 의해 획득된 결과 데이터와 상기 추정된 매개변수를 바탕으로 편이 보정을 수행한다(단계 S105). 이때, 이와 같은 편이 보정을 수행하기 위해 G-U(Gamma-Gumbel) 혼합 분포가 사용될 수 있다.When the estimation of the parameters of the mixed distribution function models is completed, the graph of the observation data (Obs.) Graph nearest to the extreme precipitation (Extreme precip.) Among the plurality of mixed distribution function models tested in step S103 And performs deviation correction based on the resultant data obtained by the model of the mixed distribution function showing the characteristics and the estimated parameter (step S105). At this time, a G-U (Gamma-Gumbel) mixed distribution can be used to perform such deviation correction.

이상에 의해 편이 보정이 완료되면, 그 편이 보정 결과를 기후 모델의 극치 강수자료에 반영하며, 이로써 기후 모델의 극치 강수자료의 오차 보정이 완료된다(단계 S106).When the deviation correction is completed as described above, the correction result is reflected in the extreme precipitation data of the climate model, thereby completing the error correction of the extreme precipitation data of the climate model (step S106).

이하에서는 이상과 같은 본 발명에 따른 혼합분포형을 이용한 지구 기후 모델의 극치 강수자료의 오차 보정방법과 관련하여 부연설명해 보기로 한다.Hereinafter, the method of correcting the error of the extreme precipitation data of the global climate model using the mixed distribution type according to the present invention will be described in detail.

본 발명은 지역 기후 모델 산출들 중 특히 극치 강수량의 편차 보정을 위해 분위 사상에서의 혼합 분포형을 적용한다. 혼합 분포형은 강수량 및 홍수 빈도 분석 분야에서 널리 사용되어 왔다. 더욱이, 극치 강수량 사건들의 다양한 자원이 이러한 영역에 영향을 미치기 때문에 불균일 혼합 분포형이 남한에 걸쳐 극치 강수량 빈도 분석을 위한 좋은 대안이 될 수 있다고 보고되었다.The present invention applies a mixed distribution type on the mantle to compensate for variations in local precipitation, particularly among local climate model calculations. Mixed distribution types have been widely used in the area of precipitation and flood frequency analysis. Furthermore, it is reported that heterogeneous mixed-distribution types can be a good alternative for the analysis of extreme precipitation frequency in South Korea, since various resources of extreme precipitation events affect these regions.

본 발명의 발명자는 특히 극치 사건들의 통계적 특성을 보존하기 위해, 지역 기후 모델 산출의 미래 강수량의 편차 보정을 위한 가장 적합한 분포형을 찾기 위해 혼합 분포형들을 테스트했다.The inventors of the present invention have tested mixed distribution types to find the most suitable distribution type for compensating future precipitation variations of local climate model outputs, in particular, to preserve statistical properties of extreme events.

<수학적 설명><Mathematical Explanation>

지구 기후 모델(GCM) 또는 지역 기후 모델(RCM) 산출물의 기후 시나리오는 기초(역사적인) 기간과 미래 기간으로 구성된다. 분위 사상을 위한 필요한 매개변수들은 기초 기간의 자료를 가지고 추정되며, 추정된 매개변수들은 기후 변화의 영향을 극치 강수량 사건으로 평가하기 위해 미래 기간의 자료에 적용된다. Climate scenarios of the Global Climate Model (GCM) or Regional Climate Model (RCM) deliverables consist of a basic (historical) period and a future period. The necessary parameters for the mantle mapping are estimated with data from the baseline period, and the estimated parameters are applied to the data for the future period to assess the impact of climate change as an extreme precipitation event.

이하에서는 본 발명에 채용된 확률 분포뿐만 아니라 모의실험된 기상학적 변수들(즉, 지역 기후 모델 산출물들)에서의 편차들을 보정하기 위한 분위 사상 절차가 설명된다.Hereinafter, a deconvolution process for correcting deviations in simulated meteorological variables (i.e., local climate model outputs) as well as the probability distribution employed in the present invention is described.

<분위 사상(QM) 및 채용된 확률 분포><Quadratic mapping (QM) and employed probability distribution>

분위 사상(QM)은, 관측 데이터의 확률 분포(y로 나타낸)에 대해 지역 기후 모델(RCM) 변수(x로 나타낸)의 확률 분포를 두 분포의 동일한 누적 분포 함수 (Cumulative Distribution Function; CDF)의 매칭을 통해 조정하는 것을 가능하게 한다. 분위 사상을 통해, 지역 기후 모델(RCM) 산출 데이터의 누적 분포 함수는 관측 데이터 중의 하나로 이동된다. 간단히 분위 사상은 다음의 수식과 같이 나타낼 수 있다.Quadratic mapping (QM) maps the probability distribution of regional climate model (RCM) variables (denoted by x) to the cumulative distribution function (CDF) of two distributions for the probability distribution of observed data It is possible to adjust through matching. Through the decadent mapping, the cumulative distribution function of the regional climate model (RCM) output data is shifted to one of the observed data. In simple terms, the idempotent can be expressed as

Figure 112016050873228-pat00005
Figure 112016050873228-pat00005

여기서,

Figure 112016050873228-pat00006
은 관측 데이터에 대한 누적 분포 함수의 역함수를 나타내고,
Figure 112016050873228-pat00007
은 RCM 산출의 누적 분포 함수를 나타낸다.here,
Figure 112016050873228-pat00006
Represents the inverse of the cumulative distribution function for the observed data,
Figure 112016050873228-pat00007
Represents the cumulative distribution function of the RCM calculation.

일반적으로, 감마 분포는 특히 강수량 변수에 대한 관측 데이터뿐만 아니라 지역 기후 모델 데이터를 적합하게 하기 위해 널리 사용되어 왔다. 이러한 감마 분포의 확률 분포 함수(PDF) 및 누적 분포 함수(CDF)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.In general, gamma distributions have been widely used to fit local climate model data, as well as observational data, particularly for precipitation variables. The probability distribution function (PDF) and the cumulative distribution function (CDF) of the gamma distribution can be expressed as follows.

Figure 112016050873228-pat00008
Figure 112016050873228-pat00008

Figure 112016050873228-pat00009
Figure 112016050873228-pat00009

여기서,

Figure 112016050873228-pat00010
는 감마 함수이고,
Figure 112016050873228-pat00011
Figure 112016050873228-pat00012
는 각각 크기와 형태 매개변수이다.here,
Figure 112016050873228-pat00010
Is a gamma function,
Figure 112016050873228-pat00011
Wow
Figure 112016050873228-pat00012
Are size and shape parameters, respectively.

본 발명에서 발명자는 "Exponential", "Gumbel", "GEV(Generalized Extreme Value)"와 같은 수문학적 응용분야에서 일반적으로 채용되는 가능한 분포형들을 더 테스트했다. 그들의 확률 분포 함수들과 누적 분포 함수들은 다음과 같이 정의된다. GEV 분포의 확률 분포 함수 및 누적 분포 함수는 다음과 같이 나타낼 수 있다.In the present invention, the inventors have further tested possible distribution types commonly employed in hydrological applications such as "Exponential "," Gumbel ", and "GEV (Generalized Extreme Value) ". Their probability distribution functions and cumulative distribution functions are defined as follows. The probability distribution function and the cumulative distribution function of the GEV distribution can be expressed as follows.

Figure 112016050873228-pat00013
Figure 112016050873228-pat00013

Figure 112016050873228-pat00014
Figure 112016050873228-pat00014

여기서,

Figure 112016050873228-pat00015
는 위치 매개변수이고,
Figure 112016050873228-pat00016
Figure 112016050873228-pat00017
는 각각 크기와 형태 매개변수이다.here,
Figure 112016050873228-pat00015
Is a positional parameter,
Figure 112016050873228-pat00016
Wow
Figure 112016050873228-pat00017
Are size and shape parameters, respectively.

또한, "Gumbel" 분포의 확률 분포 함수 및 누적 분포 함수는 다음과 같이 나타낼 수 있다.In addition, the probability distribution function and the cumulative distribution function of the "Gumbel" distribution can be expressed as follows.

Figure 112016050873228-pat00018
Figure 112016050873228-pat00018

Figure 112016050873228-pat00019
Figure 112016050873228-pat00019

또한, "Exponential" 분포의 확률 분포 함수와 누적 분포 함수는 다음과 같이 나타낼 수 있다.In addition, the probability distribution function and the cumulative distribution function of the "Exponential" distribution can be expressed as follows.

Figure 112016050873228-pat00020
Figure 112016050873228-pat00020

Figure 112016050873228-pat00021
Figure 112016050873228-pat00021

한편, 일강수량 기록의 대부분은 간헐성이라 지칭되는(건조한 날을 나타내는) 영(zero)값이지만, 지역 기후 모델 강우량 자료는 이러한 간헐성을 적절하게 포함하지 못하고 있다. 간헐성 부분은 사전에 기초(관측자료) 기간에 대해 맞추어져야 하며 지역 기후 모델 일강수량 데이터들의 영값을 부여하게 되는 한계값은 하나의 매개변수로 추정되어야 한다. 관측된 일 강수량 데이터에서의 영값들의 확률은 다음과 같이 나타낼 수 있다.On the other hand, most of the daily precipitation records are zero values (referred to as dry days) called intermittent, but local climate model rainfall data do not adequately contain these intermittency. The intermittent part must be fitted in advance to the baseline (observation data) period and the limit value that gives the local climate model day zero value of precipitation data should be estimated as one parameter. The probability of zero values in the observed daily precipitation data can be expressed as:

Figure 112016050873228-pat00022
Figure 112016050873228-pat00022

여기서,

Figure 112016050873228-pat00023
는 기초 기간에 있어서의 연간 총일수이고,
Figure 112016050873228-pat00024
Figure 112016050873228-pat00025
중의 건조일수이다. 지역 기후 모델 산출에 있어서의 일일 강수량의 제로(zero) 부분은 일반적으로 관측 데이터의 부분보다 더 작다. 즉, 기초 기간에 대하여
Figure 112016050873228-pat00026
의 관계를 갖는다. 그러므로, 지역 기후 모델 강수량 값들의 일부는 다음의 수식과 같이
Figure 112016050873228-pat00027
가 되도록 제로(zero)로 할당되어야 한다.here,
Figure 112016050873228-pat00023
Is the total number of days per year in the base period,
Figure 112016050873228-pat00024
The
Figure 112016050873228-pat00025
Lt; / RTI &gt; The zero portion of the daily precipitation in the local climate model output is generally smaller than the portion of the observed data. That is,
Figure 112016050873228-pat00026
. Therefore, some of the local climate model precipitation values are given by
Figure 112016050873228-pat00027
To be zero.

Figure 112016050873228-pat00028
Figure 112016050873228-pat00028

여기서,

Figure 112016050873228-pat00029
는 상기 수학식 3을 적용하여
Figure 112016050873228-pat00030
가 되도록 하기 위한 한계값이다. 이러한 한계값
Figure 112016050873228-pat00031
는 미래 지역 기후 모델 강수량에도 바로 적용되도록 한다.here,
Figure 112016050873228-pat00029
Lt; RTI ID = 0.0 &gt; (3) &lt;
Figure 112016050873228-pat00030
. &Lt; / RTI &gt; These limits
Figure 112016050873228-pat00031
To be applied immediately to future climate model precipitation.

또한, 본 발명자는 극치 강수량 사건들이 열대성 사이클론(이른바 태풍) 및 계절풍의 강우(장마)와 같은 다양한 기후적 또는 기상학적인 원천(source)으로부터 유도되기 때문에 여러 혼합 분포 모델들을 고려했다.The present inventors have also considered several mixed distribution models since extreme precipitation events are derived from various climatic or meteorological sources such as tropical cyclones (so-called typhoons) and seasonal rainfall (rainy season).

<혼합 분포><Mixed distribution>

혼합 분포 함수(f(x))는 요소 밀도들의 계량된 합으로서 다음과 같이 나타낼 수 있다.The mixed distribution function f (x) can be expressed as a metered sum of element densities as follows.

Figure 112016050873228-pat00032
Figure 112016050873228-pat00032

여기서,

Figure 112016050873228-pat00033
는 j번째 밀도 요소들의 매개변수 세트이고,
Figure 112016050873228-pat00034
는 j번째 혼합 부분 또는 가중치이다.
Figure 112016050873228-pat00035
는 1보다 크지 않은 음수가 아닌 값이고, h는 적용된 혼합형들의 개수이다.here,
Figure 112016050873228-pat00033
Is the parameter set of the jth density elements,
Figure 112016050873228-pat00034
Is the jth mixing part or weight.
Figure 112016050873228-pat00035
Is a nonnegative value that is not greater than 1, and h is the number of hybrid types applied.

혼합 분포형들의 많은 조합이 테스트되었다. 그들 중에 "Exponential-Exponential(E-E)", "Exponential-Gamma(E-G)", "Gamma-Gumbel(G-U)", 및 "Gamma-GEV(G-V)"와 같이 그들의 성능을 바탕으로 몇 개의 혼합 분포형들을 제시했다. 그들의 확률 분포 함수들은 다음의 수식 13∼16과 같이 나타낼 수 있다.Many combinations of mixed distribution types have been tested. Based on their performance such as Exponential-Exponential (EE), Exponential-Gamma (EG), Gamma-Gumbel (GU), and Gamma- . Their probability distribution functions can be expressed by the following equations 13-16.

Figure 112016050873228-pat00036
Figure 112016050873228-pat00036

Figure 112016050873228-pat00037
Figure 112016050873228-pat00037

Figure 112016050873228-pat00038
Figure 112016050873228-pat00038

Figure 112016050873228-pat00039
Figure 112016050873228-pat00039

발명자는 또한 GEV-GEV 조합을 테스트했다. 이것은 상당한 개선을 보여주지 않으면서 너무나 많은 매개변수를 초래한다. 2개 이상의 요소를 가지는 혼합 모델은 그것의 복잡성과 인색함 때문에 고려되지 않았다.The inventor also tested the GEV-GEV combination. This results in too many parameters without showing significant improvement. Mixed models with more than two elements have not been considered because of its complexity and stinginess.

<후발견적 최우도(Meta-Heuristic Maximum Likelihood; MHML)> <Meta-Heuristic Maximum Likelihood (MHML)>

분포 모델들의 매개변수를 추정하기 위하여, 모멘트법(Method of Moment), 최우도(Maximum Likelihood), 확률 가중 모멘트와 같은 몇몇 기법들이 개발되어 왔다. 최우도(ML)는 일반 분포 모델들의 매개변수들을 추정하기 위한 가장 일반적인 대안 중의 하나이다. 매개변수 추정자는 우도함수의 최대화를 통해 결정된다. 알려진(또는 가정의) 밀도 함수

Figure 112016050873228-pat00040
이지만 알려지지 않은 매개변수
Figure 112016050873228-pat00041
로부터 무작위 샘플들
Figure 112016050873228-pat00042
을 가지고, 우도함수는 무작위 샘플의 결합 분포가 된다. 이것은 다음과 같이 나타낼 수 있다.Several methods have been developed to estimate the parameters of distribution models, such as Method of Moment, Maximum Likelihood, and Probability Weighted Moment. The maximum likelihood (ML) is one of the most common alternatives for estimating the parameters of the general distribution models. The parameter estimator is determined by maximizing the likelihood function. Known (or assumed) density function
Figure 112016050873228-pat00040
But unknown parameters
Figure 112016050873228-pat00041
From random samples
Figure 112016050873228-pat00042
And the likelihood function is the joint distribution of the random samples. This can be expressed as:

Figure 112016050873228-pat00043
Figure 112016050873228-pat00043

여기서, n은 데이터 포인트들의 수이다. 대수(logarithm)는 아래의 수학식 18과 같이 쉬운 계산을 위해 우도함수에 대해 취해졌다.Where n is the number of data points. The logarithm was taken for the likelihood function for easy calculation as shown in Equation 18 below.

Figure 112016050873228-pat00044
Figure 112016050873228-pat00044

매개변수들 θ(즉, θ1,...,θk)에 대한 최우도(ML) 방법은 매개변수 전체에 걸쳐 최대화(

Figure 112016050873228-pat00045
)함으로써 추정된다. 본 발명에서 최우도(ML) 기법이 "exponential", "Gamma", "Gumbel" 및 "GEV"와 같은 일반 분포형들의 매개변수를 추정하기 위해 채용되었다. 함수들의 도함수(미분계수)를 취함으로써 로그 우도함수들을 최대화하기 위한 분석적 해 및 수치적 해는 도함수의 값을 영(zero)으로 놓고 풀게 된다.The maximum likelihood (ML) method for the parameters θ (ie, θ 1 , ..., θ k ) is maximized across parameters
Figure 112016050873228-pat00045
). In the present invention, a maximum likelihood (ML) technique has been employed to estimate parameters of common distribution types such as "exponential", "Gamma", "Gumbel", and "GEV". The analytic solution and the numerical solution for maximizing the log-likelihood functions by taking derivatives of the functions (differential coefficients) are solved by setting the value of the derivative to zero.

더 나아가, 혼합 분포의 로그 우도함수는 다음과 같이 표현될 수 있다.Furthermore, the log-likelihood function of the mixed distribution can be expressed as:

Figure 112016050873228-pat00046
Figure 112016050873228-pat00046

여기서, n은 데이터 포인트들의 개수이다.

Figure 112016050873228-pat00047
의 미분계수가 혼합 요소들의 역이 되기 때문에 혼합 분포형들의 우도함수의 최대화를 해결하기 위한 간단한 분석적 및 수치적 해는 존재하지 않는다. 하나의 가능한 접근법은 예상 최대화(Expectation Maximization;EM) 알고리즘이다. 하지만, 이것은 관측치들의 수가 불충분할 때 해를 추정하는 과정에서 수렴되지 않고 발산하게 된다.Where n is the number of data points.
Figure 112016050873228-pat00047
There is no simple analytical and numerical solution to solve the maximization of the likelihood function of the mixed distribution types. One possible approach is the Expectation Maximization (EM) algorithm. However, this is not converged in the course of estimating the solution when the number of observations is insufficient.

대신에, 상기 수학식 19에서 로그 우도함수를 최대화하는 매개변수 세트를 발견하기 위해 최적화 알고리즘과 같은 메타-휴리스틱(meta-heuristic) 알고리즘이 본 발명에 채용되었다. "Shin et al.(2014)"은 혼합 분포 모델을 적합하게 하기 위해 메타-휴리스틱 최우도(MHML) 방법을 채용했다. 결과는 MHML 방법이 종래의 EM 알고리즘보다 우수하다는 것을 나타내 보였다. Instead, meta-heuristic algorithms such as optimization algorithms are employed in the present invention to find a set of parameters that maximize the log likelihood function in Equation 19 above. Shin et al. (2014) employed a meta-heuristic maximum likelihood (MHML) method to fit the mixed distribution model. The results showed that the MHML method is superior to the conventional EM algorithm.

메타-휴리스틱 알고리즘은 주어진 초기 해를 개선하려고 반복적으로 노력한다. 유전적 알고리즘(GA), 입자 무리 최적화(particle swarm optimization) 및 조화탐색법(harmony search;HS)과 같은 많은 메타-휴리스틱 프로그램들이 제안되어 왔다.The meta-heuristic algorithm repeatedly tries to improve the given initial solution. Many meta-heuristic programs have been proposed, such as genetic algorithm (GA), particle swarm optimization, and harmony search (HS).

본 발명자는 유전적 알고리즘과 조화탐색법을 테스트했고, 조화탐색법이 유전적 알고리즘에 대해 성능면에서 차이가 없으면서 적은 계산 시간을 나타낸다는 것을 알았다. 그러므로, 조화탐색법이 메타-휴리스틱 알고리즘들의 대표로서 본 발명에서 사용된다.The present inventor has tested genetic algorithms and harmonic searches, and found that the harmonic searches show little computational time for the genetic algorithms without any difference in performance. Therefore, harmonic search is used in the present invention as a representative of meta-heuristic algorithms.

최적화 문제를 해결하기 위하여, 조화탐색법의 절차는 다음과 같다.In order to solve the optimization problem, the procedure of the harmonic search method is as follows.

(1) 다음의 수학식 20과 같이, 균일 분포로부터 조화 메모리 사이즈(HMS, NHM)까지 조화 메모리(harmony memory; HM)를 무작위로 시뮬레이션을 수행함.(1) A harmony memory (HM) is randomly simulated from a uniform distribution to a harmonic memory size (HMS, N HM ) as shown in the following Equation (20).

Figure 112016050873228-pat00048
Figure 112016050873228-pat00048

여기서, i= 1,...,k, j=1,...,NHM이고, U[Lowi, Upi]는 i번째 매개변수에 대하여 하부 경계의 "Lowi"로부터 상부 경계의 Upi까지의 균일 분포 영역이다. 생성된 HM은 다음의 수식과 같이 나타낼 수 있다.Here, i = 1, ..., k , j = 1, ..., a N HM, U [i Low, Up i] is the upper boundary from "Low i" of the lower boundary i with respect to the second parameter, Up i . The generated HM can be expressed as the following equation.

Figure 112016050873228-pat00049
Figure 112016050873228-pat00049

(2) 새로운 세트(

Figure 112016050873228-pat00050
)를 다음의 수학식 22로 처리함.(2) a new set
Figure 112016050873228-pat00050
) Is processed by the following equation (22).

Figure 112016050873228-pat00051
Figure 112016050873228-pat00051

여기서, HMCR은 모든 변수들

Figure 112016050873228-pat00052
에 대한 조화 메모리 고려율(harmony memory considering rate)이다. 이러한 절차는 HMCR의 확률에 대해서는 수학식 22에서 HM의 동일한 변수로부터 새로운 조화 세트의 각 결정 변수를 샘플링한다. 그 외에는 수학식 20에서와 같은 균일 분포로부터 조화 세트를 생성한다.In this case,
Figure 112016050873228-pat00052
Is the harmony memory considering rate for the memory. This procedure samples each decision variable of the new harmonization set from the same variable of HM in equation (22) for the probability of HMCR. Otherwise, a harmonization set is generated from the uniform distribution as in Equation (20).

(3) 수학식 23과 같은 피치 조정률(pitch adjusting rate; PAR)의 확률을 가지고 위에서 처리된 새로운 세트 (

Figure 112016050873228-pat00053
)의 각 변수를 조정함.(3) The probability of a pitch adjustment rate (PAR) as shown in equation (23)
Figure 112016050873228-pat00053
) Are adjusted.

Figure 112016050873228-pat00054
Figure 112016050873228-pat00054

여기에서, ε은 U[-h, h]로서 균일 랜덤 변수이고, h는 임의의 거리 대역폭이다. 여기서, h가 클 경우, 조정값

Figure 112016050873228-pat00055
의 가변성도 또한 크고, 그 반대도 마찬가지이다.Here, ε is a uniform random variable as U [-h, h], and h is an arbitrary distance bandwidth. Here, when h is large,
Figure 112016050873228-pat00055
Is also large, and vice versa.

(4) 처리되고 조정된 새로운 세트를 가지고 가장 나쁜 목적 함수에 상응하는 가장 나쁜 조화를 대체함으로써 HM(harmony memory)을 갱신함.(4) update HM (harmony memory) by replacing the worst harmonics corresponding to the worst objective function with a new set that is processed and adjusted.

(5) 종료 기준이 충족될 때까지 상기 단계 (2)∼(4)를 반복함.(5) Repeat steps (2) to (4) until the termination criterion is satisfied.

경험적으로 근거를 둔 HS(harmony search) 매개변수 범위를 추종하는 것은 HMCR에 대해 0.7-0.95, PAR에 대해 0.2-0.5, 그리고 HMS(Geem et al., 2001)에 대해 10-50의 충분한 해를 산출하기 위해 추천된다. 본 발명에서 발명자는 범위와 비율에 대해 서로 다른 값들을 테스트했고 중간값이 상당히 적절하고, 성능에 대해서는 큰 차이가 없다는 것을 알았다. 본 발명에서 나타난 결과들은 비율과 숫자의 중간값(즉, HMCR=0.8, PAR=0.4, HMS=20)을 가지고 획득되었다.Following an empirically based harmonic search parameter range is a sufficient solution of 10-50 for HMS (0.7-0.95 for HMCR, 0.2-0.5 for PAR, and HEM (Geem et al., 2001) It is recommended to calculate. In the present invention, the inventors have tested different values for ranges and ratios, found that the median values are fairly appropriate and there is no significant difference in performance. The results shown in the present invention were obtained with a median of ratios and numbers (i.e., HMCR = 0.8, PAR = 0.4, HMS = 20).

<연구 영역 및 데이터 설명><Study area and data explanation>

본 연구에서, 편이보정에 채용된 혼합 분포형들의 성능을 해명하고 극치 날씨 시스템에 반영하기 위한 관측 데이터를 위해 60 곳의 기상관측소가 남한 전역에서 선정되었다. 데이터는 기상청(KMA)으로부터 획득하였다. 선정된 관측소 전체에 걸쳐 적용된 데이터의 일관성을 위해, 채용된 RCM(Remote Control Processing Module) 자료의 사용된 기록 기간은 1979-2005이다. In this study, 60 meteorological stations were selected throughout South Korea for observational data to clarify the performance of the mixed distribution types employed in the deviation correction and to reflect them in extreme weather systems. Data were obtained from the Korea Meteorological Administration (KMA). For the consistency of the data applied across selected stations, the used recording period of the adopted Remote Control Processing Module (RCM) data is 1979-2005.

극치 강수의 미래 기후 패턴을 평가하기 위하여, 미래 RCM 시나리오들(RCP4.5 및 8.5)이 기상관측소(KMA)로부터 선택되었다. 선택된 시나리오들은, MOHC(Met Office Hadley Center) 기관에서 지구 대기 HadGEM2-AO를 바탕으로 한 HadGEM3-RA인 지역 기후 모델을 가지고 지역 기후 상세화 사업(Coordinated Regional climate Downscaling Experiment; CORDEX)을 통해 국립기상연구소(National Institute of Meteorological Research; NIMR)로부터 산출된 시나리오들을 이용하였다. 역학적인 핵심 사항 및 물리적인 패키지에 대한 상세한 설명은 "Davies et al.(2005)" 및 "Martin et al.(2006)"에서 알 수 있다. 한반도 상에서의 고해상도 실험을 위해, 격자 포인트들의 수는 184(동-서)×164(남-북)이고, 수평 해상도는 약 12.5km이다. 적용된 시간 규모는 관리 실행에 대해 1979-2005이고, 미래 시나리오에 대해 2006-2100이다.To assess future climate patterns of extreme precipitation, future RCM scenarios (RCP 4.5 and 8.5) were selected from meteorological stations (KMA). The selected scenarios are based on the regional climate model HadGEM3-RA based on the global atmospheric HadGEM2-AO at the Met Office Hadley Center (MOHC) and the National Weather Research Institute (CORDEX) through the Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment NIMR) from the National Institute of Meteorological Research (NIMR). A detailed description of the mechanical core and physical packages can be found in "Davies et al. (2005)" and "Martin et al. (2006)". For high resolution experiments on the Korean Peninsula, the number of grid points is 184 (East - West) × 164 (South - North) and the horizontal resolution is about 12.5 km. The time scale applied is 1979-2005 for management practices and 2006-2100 for future scenarios.

<응용 방법론 및 결과><Application Methodology and Results>

1)응용 방법론1) Application Methodology

남한 전체에 걸쳐 60개의 기상관측소에 대하여, 관측 기간에 대한 RCM 일강우자료를 "Exponential(E)", "Gamma(G)", "Gumbel(U)", "GEV(V)", "Exponential-Exponential(E-E)", "Exponential-Gamma(E-G)", "Gamma-Gumbel(G-U)" 및 "Gamma-GEV(G-V)" 분포형들을 이용하여 테스트하였다. "Exponential(E)" 및 "Gamma(G)" 분포형들은 문헌에서 일 강수 데이터를 위해 일반적으로 채용되어 왔기 때문에 선택되었다. 두 개의 극치 분포형(U & V)이 강수 데이터의 극치 분석에 널리 사용되어 왔기 때문에 선택되었다. For the 60 meteorological stations across South Korea, the RCM daily rainfall data for the observation period are shown as Exponential (E), Gamma (G), Gumbel (U), GEV Gamma-Gumbel (GU) "and" Gamma-GEV (GV) "distribution types. The "Exponential (E)" and "Gamma (G)" distribution types were chosen because they have been commonly employed for daily precipitation data in literature. Two extreme value distributions (U & V) have been chosen because they have been extensively used in the extreme analysis of precipitation data.

관측 데이터와 RCM 데이터의 기초 기간의 데이터로부터 확률분포들의 매개변수가 추정되었다. 기초 기간에 대한 편이-보정된 RCM(BCRCM) 강수자료가 수학식 1과 관측값들에 관한 추정된 매개변수 및 RCM 산출물에 의해 획득되었다. BCRCM 산출물들의 결과는 관측값들 및 특히 관측된 극치 사건들의 통계적 특성을 보존하면서 얼마나 각 분포가 적절한지를 RCM 산출물들과 비교되었다. 또한, BCRCM 데이터의 미래 RCP 시나리오들(RCP4.5 및 RCP8.5)이 획득되었고, 그 결과들이 미래 기후 시나리오에 대하여 미래 극치들이 어떻게 변화될 것인지를 보여주게 된다.Parameters of probability distributions were estimated from the data of the baseline period of the observed data and RCM data. The deviation-corrected RCM (BCRCM) precipitation data for the baseline period was obtained by the estimated parameters and RCM outputs on equation (1) and observations. The results of the BCRCM outputs were compared with the RCM outputs to determine how angular distribution was appropriate, while preserving the observations and, in particular, the statistical properties of observed extreme events. In addition, future RCP scenarios (RCP 4.5 and RCP 8.5) of the BCRCM data have been obtained and the results will show how future extreme values will change for future climate scenarios.

남한의 60개의 관측소에 대한 전체 결과들이 박스플롯으로 주어진다. 박스들은 사분위수 범위(interquartile range; IQR)와 1.5×IQR로 연장하는 수염들을 나타낸다. 박스 내부의 수평 라인들은 데이터의 중간값을 나타낸다. 수염들(1.5×IQR)을 벗어난 데이터는 플러스 표시기(+)에 의해 표시된다. The overall results for 60 observatories in South Korea are given as box plots. The boxes represent the interquartile range (IQR) and whiskers extending to 1.5 × IQR. The horizontal lines inside the box represent the median of the data. Data outside the whiskers (1.5 × IQR) is indicated by the plus indicator (+).

60개의 관측소의 결과들 중에서, 제한된 공간으로 인해 모든 정보가 주어질 수 없을 때마다 관측소 119(수원)와 관측소 189(서귀포)와 같은 높은 위도 및 낮은 위도의 지리적 위치를 가지는 두 개의 관측소들이 선택되어 제공되었다.Among the results of the 60 stations, two observatories with high latitude and low latitude geographical positions such as Observatory 119 (Suwon) and Observation 189 (Seogwipo) are selected and provided whenever all information can not be given due to limited space .

2)결과2) Results

비혼합 및 혼합 분포형들의 성과를 보여주기 위해, 60개 관측소 모두의 보정전 RCM 산출물들이 1979-2005의 관측 기간에 대한 선택된 분포형들로 보정되었다. 도 2 및 도 3에서, 편이 보정된 RCM(BCRCM) 산출물들이 119(수원) 관측소와 189(서귀포) 관측소와 같은 선택된 2개의 관측소에 대한 일일 강수의 보정전 RCM 산출물(흑색 십자 표시) 뿐만 아니라 x축에 대한 관측값들과 y축에 대한 BCRCM 산출물(적색 정사각형 모양의) 간의 변위치(분위)-변위치(분위)(QQ) 소규모 구획을 통해 주어진다. 45도 라인에 더 가까운 마커가 관측 데이터에 대해 더 좋은 조화를 암시하며 그 역도 마찬가지이다.To show the performance of the non-mixed and mixed distribution types, the pre-calibration RCM outputs of all 60 stations were calibrated to the selected distribution types for the observation period of 1979-2005. In FIGS. 2 and 3, the RCM (BCRCM) artifacts that have been corrected for the binomial are plotted as the RCM product (black cross) for pre-calibration of daily precipitation for two selected stations such as 119 (Suwon) and 189 (Seogwipo) (Quartile) (QQ) between the observed values for the axis and the BCRCM output (in the form of a red square) for the y-axis. Markers closer to the 45 degree line imply better coordination of the observed data and vice versa.

도 2에서, G-V 분포로부터의 BCRCM 산출물은 이상치(여기에서는 1000mm 초과로 규정되는)를 보이는 반면에 G-U 및 G-V 혼합 분포형((f) 및 (h) 참조)을 갖는 BCRCM 산출물만이 좋은 성과를 나타내었다. 도 3에서 서귀포에 대하여, V, G-U 및 G-V는 관측 데이터에 대하여 양호한 일치를 보이는 반면에 U, V 및 G-V는 이상치를 보여준다.In Fig. 2, the BCRCM output from the GV distribution shows an outlier (defined here above 1000 mm), whereas only the BCRCM output with GU and GV mixed distribution types (see (f) and (h) Respectively. In FIG. 3, for Seogwipo, V, G-U, and G-V show good agreement with the observed data, while U, V, and G-V show anomalies.

이러한 두 도면(도 2 및 도 3)은 G-U 혼합 분포가 확률적 분포형들을 보존하기 위한 RCM 데이터의 편이 보정을 위해 훌륭한 대안일 수 있다는 것을 분명히 보여준다.These two figures (Figs. 2 and 3) clearly show that the G-U mixed distribution can be an excellent alternative for the shift correction of RCM data to preserve probabilistic distribution types.

관측치들뿐만 아니라 RCM 및 BCRCM의 극치 강수의 99퍼센트 이상이 수원 및 서귀포에 대하여 도 4 및 도 5에서 대응하는 재현 기간에 따라 주어졌다. 극치 강수 관측값들은 어떠한 이상치도 없이 G-U 분포로 BCRCM에 잘 맞는 반면 V 및 G-V 분포들을 제외한 나머지 분포들은 전 재현 기간에 대해 관측된 극치 강수를 너무 적게 추산하고 있다. 이러한 분포들을 통해 추정된 미래 추산치들이 실제 예상치보다 더 낮은 추세를 도출한다는 것을 나타낸다. 이러한 과소평가는 수리 구조물에 대한 이러한 미래 기후 시나리오들을 고려한 설계 강우는 상당히 적게 추산될 것이다.More than 99 percent of extreme precipitation of RCM and BCRCM as well as observations were given to Suwon and Seogwipo according to corresponding reproduction periods in Figs. 4 and 5. Extreme precipitation observations fit the BCRCM with a G-U distribution without any anomalies, while the remaining distributions, except for the V and G-V distributions, estimate too little extreme precipitation observed over the entire replenishment period. These distributions indicate that estimated future estimates lead to lower trends than actual expectations. Such an underestimation would considerably less design rainfall considering these future climate scenarios for hydraulic structures.

도 6에서, 테스트된 8개의 분포형들을 가지는 BCRCM 산출물들뿐만 아니라관측값들과 미가공 RCM 산출물들 간의 차이에 관한 전체적인 결과가 모든 일간 강수(상측 패널) 및 극치 강수(99퍼센트 이상, 하측 패널)를 이용하여 남한에서의 60개의 기상관측소에 대하여 평균 절대 오차(mean absolute error; MAE)로 주어졌다. 모든 강수의 MAE 결과는 E-E, E-G 및 G-V 분포들이 나머지 분포들에 비해 우수하다는 것을 보여주는 반면, G-U 분포는 그러한 3개의 분포들(도 6의 상측 패널 참조)보다 약간 더 높은 오차를 보여준다. 그렇지만, G-U 분포를 제외한 모든 테스트된 분포형들은 남한에서의 강수치에 대해 불합리하게 큰 값인 이상치들을 낳고 있다. 99퍼센트 이상의 극치 강수에 대하여, G-U는 이상치 없이 나머지 분포형들보다 우세하다. In Figure 6, the overall result of the difference between the observations and the raw RCM products as well as the BCRCM products with the eight tested distribution types is shown for all day precipitation (upper panel) and extreme precipitation (greater than 99 percent, lower panel) Were used as mean absolute errors (MAEs) for 60 meteorological stations in South Korea. The MAE results for all precipitation show that the E-E, E-G and G-V distributions are superior to the rest distributions, while the G-U distributions show slightly higher errors than those three distributions (see the upper panel of FIG. 6). However, all of the tested distribution types except for the G-U distribution yield unreasonably large outliers for the river values in South Korea. For extreme precipitation above 99 percent, G-U is dominant over the remaining distributions with no odds.

도 7에서 MAE와 유사하게, 모든 강수 데이터의 RMSE들은 E-G 분포가 좋은 대안이기는 하나, G-U 분포가 이상치를 산출하지 않는 유일한 분포임을 보여준다. 한편, 극치 강수의 RMSE(99퍼센트 이상)는 G-U 분포가 어떠한 이상치도 없는 최상의 대안일 수 있다는 것을 보여준다.Similar to the MAE in FIG. 7, the RMSEs of all precipitation data show that the E-G distribution is a good alternative, but that the G-U distribution is the only distribution that does not produce anomalies. On the other hand, the RMSE (over 99 percent) of extreme precipitation shows that the G-U distribution can be the best alternative without any abnormalities.

도 8에서, 과거 시기(1979-2005)와 미래 시기(2006-2055)에 대한 BCRCM 데이터뿐만 아니라 극치 강수 관측값들의 평균값이, 적용된 분포형들의 전체 성과를 보이기 위해 비교되었다. G-U 분포는 최상의 성과를 보여준다. G-U 분포를 보여주는 도 8의 (f)에서 볼 수 있는 바와 같이, RCM 데이터(수평 점선으로 표시된)에 대한 평균 강수의 중간값은 관측 데이터에 대한 중간값과 대략 같다. 대조적으로, 나머지 분포 모델들은 과대 또는 과소 추산치를 보여준다. 그 외에는, 평균 통계에 대한 이상치들의 생성이 보인다. 더 나아가, G-U 분포를 제외한 모든 테스트된 분포형들은 기후 변화(즉, RCP 4.5 및 8.5)에 의해 영향을 받은 미래 극치 강수에 대해 이상치들을 양산한다.In FIG. 8, the mean values of extreme precipitation observations as well as BCRCM data for past time (1979-2005) and future time (2006-2055) were compared to show the overall performance of the applied distribution types. The G-U distribution shows the best performance. As can be seen in Figure 8 (f) showing the G-U distribution, the median of the mean precipitation for the RCM data (indicated by the horizontal dotted line) is approximately equal to the median for the observed data. In contrast, the remaining distribution models show overestimated or underestimated estimates. Otherwise, the generation of outliers for the mean statistics is visible. Furthermore, all tested distribution types except the G-U distribution produce outliers for future extreme precipitation affected by climate change (ie, RCP 4.5 and 8.5).

관측된 극치 강수(99퍼센트 이상)의 평균값들은 남한 전체에 걸쳐 도 9에서 공간적으로 도해되어 있다. 공간적 도해는 남한의 남부 및 북부 지방이 중부 지방보다 상대적으로 더 높은 극치를 갖는다는 것을 보여준다. 관측값들의 극치 평균 강수량과 관측 기간(1979-2005)에 대하여 테스트된 분포형들(즉, RCM-Obs)로부터 BCRCM의 극치 평균 강수량 간의 차이들이 도 10에 도시되어 있다. 그뿐만 아니라, 관측값들의 극치 평균 강수량과 RCP4.5 및 RCP8.5를 가지는 미래 시나리오 시기 2006-2055에 대하여 테스트된 분포형들(즉, RCM-Obs)로부터의 BCRCM의 극치 평균 강수량 간의 차이들이 도 11 및 도 12에 각각 도시되어 있다.Mean values of observed extreme precipitation (greater than 99 percent) are plotted spatially in Figure 9 throughout South Korea. Spatial illustrations show that the southern and northern regions of South Korea have relatively higher extreme values than central regions. The differences between the extreme mean precipitation of the observed values and the extreme mean precipitation of the BCRCM from the tested distribution types (ie, RCM-Obs) for the observation period (1979-2005) are shown in FIG. In addition, differences between the extreme mean precipitation of the BCRCM from the tested distribution types (ie, RCM-Obs) for future scenario time 2006-2055 with extreme mean precipitation of observations and RCP 4.5 and RCP 8.5 11 and 12, respectively.

도 10에서 관측 시기에 대한 평균 극치 강수의 차이는 성과 측정을 보여주는 것이며, 더 좋은 성과를 위해 영(zero)에 더 근접되어야 한다. In Figure 10, the difference in mean extreme precipitation over the observation period is a measure of performance measurement and should be closer to zero for better performance.

앞의 결과들에서 나타낸 바와 같이, G-U 분포는 관측값들과 BCRCM 산출물들 간의 최소 차이를 보여준다. 남부 지방의 서쪽 및 동쪽 측면은 G-U 분포로부터 BCRCM의 평균 극치가 관측값들보다 약간 더 낮은 것을 보여준다.As shown in the previous results, the G-U distribution shows the minimum difference between the observations and the BCRCM outputs. The western and eastern sides of the southern region show that the mean extrema of the BCRCM from the G-U distribution is slightly lower than the observations.

도 11에서와 같은 RCP4.5는 평균 극치들의 변화가 각 테스트된 분포형들 사이에서 상당히 다르다는 것을 보여준다. E, G, U 및 E-E 분포는 2055년까지 미래에 극치 강수의 감소를 보여주는 반면, 나머지 4개의 분포형들은 극치 강수의 증가를 보여준다. 이것은 적절한 분포의 선택이 미래의 극치 강수의 변화를 가늠함에 있어서 대단히 중요한 역할을 한다는 것을 시사한다. G-U 분포에 있어서, 좌측의 남부 지방 및 북부 지방은 높은 증가를 보이는 반면, 우측 및 중부 지방은 증가가 없거나 약간의 증가를 보여준다. RCP4.5에 대한 미래 평균 극치 강수의 이러한 공간적 특징들은 도 12에서 보여주는 RCP8.5에 대한 유사한 습성을 보여준다.RCP 4.5 as in FIG. 11 shows that the change in average extreme values is significantly different between each tested distribution type. The E, G, U, and E-E distributions show a decrease in extreme precipitation in the future up to 2055, while the remaining four distributions show an increase in extreme precipitation. This suggests that the selection of an appropriate distribution plays a very important role in gauging future changes in extreme precipitation. In the G-U distribution, the left southern and northern regions show a high increase, while the right and middle regions show no or slight increase. These spatial features of future mean extreme precipitation for RCP 4.5 show similar habits for RCP 8.5 as shown in FIG.

<요약 및 결론> <Summary and Conclusion>

적절한 편이 보정이 특히 극치 강수 사건에 대해 기후 변화 영향의 올바른 평가를 위해 중대한 역할을 한다. 본 연구의 목적은 GCM 또는 RCM 데이터의 적절한 편이 보정을 위해 종래의 비혼합 분포형들에 비교되는 혼합 분포형을 테스트하는 것이다. 본 발명자는 특히 극치 강수들에 대한 분위 사상(QM)의 성과를 평가했다. 더 나아가, 채용된 분포형들을 가지는 분위 사상이 확률 분포 모델의 선택에 대하여 얼마만큼의 차이가 형성될 수 있는지를 알아보기 위해 미래 기후 시나리오에 적용되었다.Appropriate side correction plays a crucial role in the correct assessment of climate change impacts, especially for extreme precipitation events. The purpose of this study is to test the mixed distribution types compared to the conventional non-mixed distribution types for proper side correction of GCM or RCM data. The present inventors have evaluated the performance of the quintiles (QM), especially for extreme precipitation. Furthermore, we have applied it to future climate scenarios to see how much difference can be formed for the choice of the probability distribution model with the deconcentration with adopted distribution types.

결과는 G-U(Gamma-Gumbel) 혼합 분포가 이상치를 생산함 없이 관측 분포 패턴을 양산하는 최상의 대안임을 나타냈다. 남한에서의 극치 사건들은 열대성 사이클론(태풍)과 계절풍 강우와 같은 다양한 소스로부터 발생하기 때문에 G-U 분포가 특히 극치 분석에 있어서 좋은 대안이라는 점에서, 이러한 결과는 "Shin et al.(2015a)"과 동일한 결론을 공유한다. 역사적 분포 특성의 정확한 재현은 특히 물과 관련된 재난에 대하여 미래 기후 패턴의 신뢰할만한 평가를 시사한다.The results show that the G-U (Gamma-Gumbel) mixed distribution is the best alternative to produce an observational distribution pattern without producing anomalies. Since extreme events in South Korea originate from a variety of sources, such as tropical cyclones (typhoons) and monsoon rainfall, these results are consistent with "Shin et al. (2015a)" Share the conclusion. Accurate reproduction of historical distribution characteristics suggests a reliable assessment of future climate patterns, especially for water-related disasters.

결론적으로, 본 연구의 결과는 기후 모델들로부터의 일 강수의 시간 기반의 통계 자료가 단지 강도 기반의 통계적 편이 보정 기법에 의해 상당히, 일관성 있게 개선되었음을 증명한다. In conclusion, the results of this study demonstrate that time-based statistics of daily precipitation from climate models are significantly and consistently improved only by intensity-based statistical deviation correction techniques.

이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but many variations and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention. Be clear to the technician. Accordingly, the true scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of the same should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (6)

컴퓨터에 탑재된 소정의 기후 모델의 강수자료의 오차를 보정하기 위한 알고리즘(소프트웨어 프로그램)의 실행에 의해 기후 모델의 극치 강수자료의 오차를 보정하는 방법으로서,
a) 상기 알고리즘의 실행에 의해 지구 기후 모델(GCM) 또는 지역 기후 모델(RCM) 산출물들의 기후 시나리오를 설정하는 단계;
b) 상기 지구 기후 모델(GCM) 또는 지역 기후 모델(RCM) 산출물들의 편차를 보정하기 위해, 분위 사상(quantile mapping; QM)을 이용하여 관측 데이터의 확률 분포에 대해 상기 지역 기후 모델(RCM)의 변수의 확률 분포를 조정하는 단계;
c) 상기 조정된 지역 기후 모델(RCM)의 변수의 확률 분포를 바탕으로 기후 변화 영향의 평가를 위해 복수의 혼합 분포(mixture distribution) 함수의 모델들을 테스트하는 단계;
d) 메타-휴리스틱 최우도(Meta-heuristic Maximum Likelihood; MHML) 기법을 이용하여 상기 혼합 분포 함수 모델들의 매개변수를 추정하는 단계;
e) 상기 테스트된 복수의 혼합 분포 함수 모델들 중에서 극치 강수량 (Extreme precip.)에 대해 관측자료(Obs.) 그래프 특성과 가장 가까운 그래프 특성을 보이는 혼합 분포 함수의 모델에 의해 획득된 결과 데이터와 상기 추정된 매개변수를 바탕으로 편이 보정을 수행하는 단계; 및
f) 상기 편이 보정 결과를 기후 모델의 극치 강수자료에 반영함으로써 기후 모델의 극치 강수자료의 오차를 보정하는 단계를 포함하는 혼합분포형을 이용한 지구 기후 모델의 극치 강수자료의 오차 보정방법.
A method for correcting an error of extreme precipitation data of a climate model by executing an algorithm (software program) for correcting an error of precipitation data of a predetermined climate model mounted on a computer,
a) establishing a climate scenario of global climate model (GCM) or regional climate model (RCM) outputs by execution of the algorithm;
(b) using the quantile mapping (QM) to calibrate the deviation of the global climate model (GCM) or regional climate model (RCM) Adjusting a probability distribution of the variable;
c) testing models of a plurality of mixture distribution functions for evaluation of climate change impacts based on a probability distribution of the parameters of the adjusted regional climate model (RCM);
d) estimating parameters of the mixed distribution function models using a meta-heuristic maximum likelihood (MHML) technique;
e) comparing the result data obtained by the model of the mixed distribution function showing the graph characteristic closest to the Observation Data (Obs.) graph characteristic with respect to the extreme precipitation among the plurality of mixed distribution function models tested, Performing shift correction based on the estimated parameters; And
and f) correcting the error of the extreme precipitation data of the climate model by reflecting the result of the deviation correction to the extreme precipitation data of the climate model.
제1항에 있어서,
상기 단계 a)에서 상기 지구 기후 모델(GCM) 또는 지역 기후 모델(RCM) 산출물들의 기후 시나리오는 기초(역사적인) 기간과 미래 기간으로 구성된 혼합분포형을 이용한 지구 기후 모델의 극치 강수자료의 오차 보정방법.
The method according to claim 1,
The climate scenario of the Global Climate Model (GCM) or Regional Climate Model (RCM) products in step a) above is a method of correcting errors in extreme precipitation data of a global climate model using a mixed distribution type consisting of a basic (historical) .
제1항에 있어서,
상기 단계 b)에서 상기 관측 데이터의 확률 분포(y)는 다음의 수식 관계로 정의되는, 혼합분포형을 이용한 지구 기후 모델의 극치 강수자료의 오차 보정방법.
Figure 112016050873228-pat00056

여기서,
Figure 112016050873228-pat00057
은 관측 데이터에 대한 누적 분포 함수의 역함수를 나타내고,
Figure 112016050873228-pat00058
은 RCM 산출의 누적 분포 함수를 나타낸다.
The method according to claim 1,
Wherein the probability distribution (y) of the observed data in step b) is defined by the following equation:
Figure 112016050873228-pat00056

here,
Figure 112016050873228-pat00057
Represents the inverse of the cumulative distribution function for the observed data,
Figure 112016050873228-pat00058
Represents the cumulative distribution function of the RCM calculation.
제1항에 있어서,
상기 단계 c)에서 상기 혼합 분포 함수는 다음의 수식 관계로 정의되는, 혼합분포형을 이용한 지구 기후 모델의 극치 강수자료의 오차 보정방법.
Figure 112016050873228-pat00059

여기서,
Figure 112016050873228-pat00060
는 j번째 밀도 요소들의 매개변수 세트이고,
Figure 112016050873228-pat00061
는 j번째 혼합 부분 또는 가중치이다.
Figure 112016050873228-pat00062
는 1보다 크지 않은 음수가 아닌 값이고, h는 적용된 혼합형들의 개수이다.
The method according to claim 1,
Wherein the mixed distribution function in the step c) is defined by the following mathematical relation: a method of correcting the error of extreme precipitation data of a global climate model using a mixed distribution type.
Figure 112016050873228-pat00059

here,
Figure 112016050873228-pat00060
Is the parameter set of the jth density elements,
Figure 112016050873228-pat00061
Is the jth mixing part or weight.
Figure 112016050873228-pat00062
Is a nonnegative value that is not greater than 1, and h is the number of hybrid types applied.
제1항에 있어서,
상기 단계 d)에서 상기 매개변수의 추정자는 우도함수의 최대화를 통해 결정되는, 혼합분포형을 이용한 지구 기후 모델의 극치 강수자료의 오차 보정방법.
The method according to claim 1,
Wherein the estimator of the parameter is determined by maximizing the likelihood function in step d).
제1항에 있어서,
상기 단계 e)에서 G-U(Gamma-Gumbel) 혼합 분포를 사용하여 상기 편이 보정을 수행하는, 혼합분포형을 이용한 지구 기후 모델의 극치 강수자료의 오차 보정방법.
The method according to claim 1,
A method for correcting errors in extreme precipitation data of a global climate model using a mixed distribution type, wherein the deviation correction is performed using a GU (Gamma-Gumbel) mixture distribution in step e).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102075370B1 (en) * 2018-05-09 2020-02-10 경상대학교산학협력단 Apparatus and method for processing time series data
KR102092391B1 (en) 2019-11-13 2020-03-23 부경대학교 산학협력단 System and Method for producing Composite Map of Tropical Cyclone Beta Gyre Circulation
CN111797131B (en) * 2020-06-09 2024-02-20 武汉大学 Extreme precipitation area frequency analysis method based on remote sensing precipitation product
CN114676641B (en) * 2022-04-16 2024-05-14 江苏省气象台 Precipitation probability prediction algorithm based on non-homogeneous regression variable sliding training period
CN116224946B (en) * 2023-03-24 2023-11-14 华中科技大学 Optimized scheduling method and system for production and logistics integration of mechanical part processing workshop
CN117456045A (en) * 2023-10-19 2024-01-26 陕西省地质科技中心 Drawing method for rainfall-related natural disasters
CN117708113B (en) * 2024-02-06 2024-05-17 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司 Precipitation data construction method

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
김문환 외 1인, 'RCM과 단계적 스케일링기법을 연계한 혼합 상세화기법의 적용성 평가', 한국수자원학회논문집, 제46권, 제6호, 2013.06., pp.585-596.
김병식 외 3인, '기후변화가 극한강우와 I-D-F 분석에 미치는 영향 평가', 한국수자원학회논문집, 제41권, 제4호, 2008.04., pp.379-394.
문수진 외 2인, '비정상성 분위사상법을 이용한 GCM 장기예측 편차보정', 한국수자원학회논문집, 제46권, 제8호, 2013.08., pp.833-842.
한정우 외 2인, '강우-빈도 곡선의 불확실성 분석을 이용한 매개뱐수 추정법의 평가', 한국수자원학회 2009년도 학술발표회 초록집, pp.1272-1276.

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