KR20140004915A - Multi-model probabilistic prediction system and method thereof - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a system and a method for predicting the probability of multi-models. The method can revise the systematic error of individual models participating in multi-models by predicting global climate using a multi-variable step-wise pattern projection method (MSPM) and can increase the accuracy of probability using a multi-model ensemble (MME) formed of only excellent models of which a predictive fluctuation range is revised. The system comprises: a systematic error revising part for revising the systematic error of the individual models using the MSPM; a model selecting part for selecting models based on the predictability of predictive parameters of the individual models revised by the MSPM; a predictive fluctuation range revising part for revising the predictive fluctuation range of the individual models selected by the model selecting part based on the fluctuation range of observation using a statistical method; and a probability predicting part for predicting the probability by forming the MME of the multi-models of which predictive fluctuation range is revised after the revision of the systematic error and the selection of the models. [Reference numerals] (10) Systematic error revising part; (20) Excellent model selecting part; (30) Predictive fluctuation range revising part; (40) Probability predicting part

Description

다중모델 확률예측 시스템 및 방법{Multi-model probabilistic prediction System and Method thereof}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a multi-model probabilistic prediction system,

본 발명은 전지구 기후 예측에 관한 것으로, 구체적으로 다변수 순차적 패턴투영기법(MSPM)을 활용하여 다중모델에 참여하는 개별 모델의 계통적 오차를 보정 하고, 예측 변동 폭을 보정 한 우수모델만으로 다중모델 앙상블(MME)을 하는 것에 의해 확률 예측의 정확도를 향상시킬 수 있도록 한 다중모델 확률예측 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to global climate prediction. More particularly, the present invention relates to a global climate prediction method, and more particularly, to a system and method for correcting systematic errors of individual models participating in multiple models using a multivariate sequential pattern projection technique (MSPM) (MME), thereby improving the accuracy of the probability prediction.

지구환경변화에 대한 피해가 급증하고 있어서 이를 과학적으로 예측하여 그 결과를 얻기 위한 지구변화예측시스템이 개발되어 왔다.As the damage to the global environment has increased rapidly, a system of predicting the earth change has been developed to predict the results and to obtain the results.

지구환경은 대기권, 수권, 암석권, 생물권, 빙권 등 지구환경을 구성하는 하나 이상의 자연환경 요소를 지칭한다.The global environment refers to one or more natural environmental elements constituting the global environment such as the atmosphere, reservoir, lithosphere, biosphere, and cryosphere.

이러한 지구환경 요소는 이를 대상으로 한 실험이 매우 제한적이거나 불가능하여 주로 컴퓨터를 기반으로 지구환경 요소를 지배하는 자연법칙을 나타내는 방정식에 관측 또는 실험값들을 대입하여 지구환경 변화에 대한 수치예측모델결과를 얻고 있다.These global environmental factors are either limited or impossible to test, and numerical prediction models of global environmental changes are obtained by substituting observations or experimental values into equations representing natural laws that dominate global environmental factors based on computers. have.

지구환경변화는 주로 대규모로 발생하므로 이를 수치예측모델을 이용하여 사용자가 원하는 수준의 고해상도 결과로 얻기 위해서는 많은 연산을 필요로 한다.Because global environmental change occurs mainly on a large scale, it requires a lot of computation in order to obtain a high-resolution result desired by a user using a numerical prediction model.

지역기후 모델을 포함한 수치모델들의 기상 및 기후에 대한 예측수준은 일반적으로 사용 모델, 공간 해상도, 물리과정 조합, 계절, 지리적 위치, 사용 경계 조건 등 모델의 모의환경에 따라 매우 상이하다.Numerical models including regional climate models have very different forecasting levels for weather and climate, depending on the simulated environment of the model, such as usage model, spatial resolution, combination of physical processes, season, geographical location, and boundary conditions.

특히 우리 일상생활과 밀접하게 관련되어 있는 기온, 강수량에 대한 예측 수준은 모델의 모의환경에 영향을 더 크게 받는다. 이러한 문제점을 해소하기 위한 하나의 방안으로 최근에는 앙상블 예측 기법이 활용되고 있다.Especially, the forecasting level of temperature and precipitation closely related to our daily life is more affected by the model simulation environment. Recently, ensemble prediction techniques have been used as a solution to solve these problems.

앙상블 예측이란 동일모델에 초기조건을 달리하거나 1개 이상의 모델을 이용하여 산출한 다수의 모의결과들을 평균하여 예측하는 방법이다.The ensemble prediction is a method of predicting a plurality of simulation results calculated by using the same model or different initial conditions or using one or more models.

이때 모의자료들을 평균하는 방법은 앙상블 멤버들에 동등한 가중치를 주는 단순 평균에서부터 경험적 직교분석 등 다양한 분석방법을 통해 정확도가 높은 모델에는 높은 가중치를 주는 가중평균을 사용한다.At this time, the method of averaging the simulation data uses a weighted average giving a high weight to a model with high accuracy through various analytical methods such as simple averaging which gives equal weight to ensemble members and empirical orthogonal analysis.

단순평균의 경우 계산방법이 간단한 장점이 있지만 개별 모델의 예측보다 예측 수준 향상이 크지 않다는 문제점이 있다.Simple averaging has the advantage of a simple calculation method, but there is a problem that the prediction level is not much improved than that of an individual model.

이에 비하여 경험적 직교분석과 같이 복잡한 통계법을 적용할 경우 개별 모델의 예측보다 예측 수준이 좋아지는 장점이 있지만 정확한 통계분석을 위해서는 자료의 양이 많이 필요하고 계산이 복잡하다는 문제점이 있다.On the other hand, the application of complex statistical methods such as empirical orthogonal analysis has the advantage that the prediction level is better than that of the individual models. However, accurate statistical analysis has a problem that the amount of data is large and the calculation is complicated.

본 발명은 이와 같은 종래 기술의 전지구 기후 예측 방법의 문제를 해결하기 위한 것으로, 다변수 순차적 패턴투영기법(MSPM)을 활용하여 다중모델에 참여하는 개별 모델의 계통적 오차를 보정 하고, 예측 변동 폭을 보정 한 우수모델만으로 다중모델 앙상블(MME)을 하는 것에 의해 확률 예측의 정확도를 향상시킬 수 있도록 한 다중모델 확률예측 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.In order to solve the problem of the conventional global climate prediction method, the present invention uses a multivariate sequential pattern projection technique (MSPM) to correct systematic errors of individual models participating in multiple models, And an object of the present invention is to provide a multi-model probability prediction system and method capable of improving the accuracy of probability prediction by performing a multiple model ensemble (MME) using only the corrected best model.

본 발명은 전지구 순환모형의 전구영역(360°×180°)에 대한 예측자료에 통계적인 방법을 처리하여, 확률예측 정확도를 향상시킬 수 있도록 한 다중모델 확률예측 방법 및 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention provides a method and system for estimating the probability of a multi-model of a global circulation model by processing statistical methods on the predicted data of the global area (360 占 180 占) have.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다중모델 확률예측 시스템은 다변수 순차적 패턴투영기법(MSPM)으로 개별 모델의 계통적 오차를 보정하는 계통적 오차 보정부; 상기 다변수 순차적 패턴투영기법(MSPM)을 통해 보정된 개별 모델의 예측변수 예측력을 기준으로 모델을 선정하는 모델 선정부; 상기 모델 선정부에서 선정된 개별 모델의 예측 변동폭을 통계적인 방법으로 관측의 변동폭을 기준으로 보정하는 예측 변동폭 보정부; 상기 계통적 오차 보정 및 모델 선정 후 예측 변동폭 보정이 이루어진 다중모델들을 다중모델 앙상블(MME)을 하여 확률 예측을 하는 확률 예측부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a system for predicting a multi-model probability, comprising: a systematic error corrector for correcting a systematic error of an individual model using a multivariate sequential pattern projection method; A model selection unit for selecting a model based on the prediction variable prediction power of the individual model corrected through the multivariate sequential pattern projection technique (MSPM); A predicted fluctuation width correcting unit for correcting the predicted fluctuation width of the individual model selected by the model selecting unit based on the variation of the observation by a statistical method; And a probability predicting unit for performing a probability prediction by using a multiple model ensemble (MME) for multiple models having the systematic error correction and the post-model-selected predictive fluctuation correction.

여기서, 상기 계통적 오차 보정부는 예측에 사용되는 모델의 계통적 오차를 보정하기 위하여, 전지구 순환모형의 전구영역을 단위 격자로 분할하는 단위 격자 분할부와, 상기 단위 격자 분할부에 의해 분할된 각 단위 격자에 해당하는 예측변수와 예측인자 간의 상관도가 높은 연관지역을 추정하는 연관지역 추정부와, 예측변수의 시계열 변동성과 예측인자의 연관지역의 패턴 변동성을 통계적으로 분석하여 연관관계를 추출하는 연관관계 추출부와, 상기 연관관계 추출부에 의해 결합패턴 내에서 추출된 연관관계 정보를 통해 실제 예측하고자 하는 해의 단위 격자에 해당하는 예측변수를 보정하는 예측변수 보정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.Here, the systematic error correcting unit divides the global region of the global circular model into unit grids in order to correct the systematic error of the model used for prediction, and each unit grid divided by the unit grid divider. A correlation region estimator that estimates the correlation region with high correlation between the predictor and the predictor, and an association relationship by statistically analyzing the time series variability of the predictor and the pattern variability of the associated region of the predictor. And an extractor and a predictor corrector for correcting a predictor corresponding to a unit grid of a solution to be actually predicted through the correlation information extracted in the coupling pattern by the correlation extractor.

그리고 상기 모델 선정부는 MSPM 알고리즘을 통해 보정된 개별 모델의 예측변수 예측력을 기반으로 모델을 선정하기 위하여, 다중모델 앙상블(MME)에 참여하는 모든 모델에서 공통으로 존재하는 과거자료의 보정된 예측변수의 예측력이 기준값 이상이면 우수모델로 판별하고, 기준값 이하이면 예측력이 낮은 것으로 간주하여 MME 수행 시에 제외되도록 하는 것을 특징으로 한다.In order to select a model based on the predictive power of the predicted variable of the individual model corrected through the MSPM algorithm, the model selecting unit selects a corrected predicted variable of past data common to all models participating in the multiple model ensemble (MME) If the predictive force is equal to or greater than the reference value, it is determined as an excellent model. If the predictive force is equal to or less than the reference value, the predictive force is regarded as low and excluded at the time of performing the MME.

그리고 상기 예측 변동폭 보정부는, 실제 예측하고자 하는 해의 개별 모델의 단위 격자 당 보정된 예측값에 23년간의 MSPM 알고리즘을 통해 보정된 예측값의 표준편차에 대한 관측자료의 표준편차의 비율을 곱하여 예측 변동폭을 보정하는 것을 특징으로 한다.The predictive fluctuation width correcting unit multiplies the corrected predicted value per unit lattice of the individual model of the solution to be actually predicted by the ratio of the standard deviation of the observed data to the standard deviation of the predicted value corrected through the 23-year MSPM algorithm, And the correction is performed.

다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다중모델 확률예측 방법은 전지구 순환모형의 전구영역에 대한 예측자료를 통계적인 방법으로 처리하여 확률 예측을 하는 방법에 있어서, 다변수 순차적 패턴투영기법(MSPM)으로 개별 모델의 계통적 오차를 보정 하는 단계; 상기 다변수 순차적 패턴투영기법(MSPM)을 통해 보정된 개별 모델의 예측변수 예측력을 기준으로 모델을 선정하는 단계; 상기 선정된 개별 모델의 예측 변동폭을 통계적인 방법으로 관측의 변동폭을 기준으로 보정 하는 단계; 상기 계통적 오차 보정 및 모델 선정 후 예측 변동폭 보정이 이루어진 다중모델들을 다중모델 앙상블(MME)을 하여 확률 예측을 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for predicting a probability of a multi-model sequential pattern projection method (MSPM) by statistically processing prediction data on a global region of a global circulation model, Correcting systematic errors of individual models; Selecting a model based on the predictive variable prediction power of the individual model corrected through the multivariate sequential pattern projection technique (MSPM); Correcting the predicted fluctuation width of the selected individual model on the basis of the fluctuation width of the observation by a statistical method; And performing a probability prediction by using a multi-model ensemble (MME) for multiple models having the systematic error correction and the post-model-selected prediction-amplitude correction.

여기서, 상기 확률 예측을 하는 단계에 의한 확률예측 정보는 평년보다 높음, 평년 수준, 평년보다 낮음에 대한 확률 값을 의미하는 것을 특징으로 한다.Here, the probability prediction information by the probability prediction step is a probability value with respect to a normal level, a normal level, and a lower level than a normal level.

그리고 상기 개별모델의 계통적 오차를 보정하는 단계는, 전지구 순환모형의 전구영역을 단위 격자로 분할하는 과정과, 과거자료를 바탕으로 각 단위 격자에 해당하는 예측변수와 예측인자 간의 상관도가 높은 연관지역을 추정하는 과정과, 예측변수의 시계열 변동성과 예측인자의 연관지역의 패턴 변동성을 통계적으로 분석하여 연관관계를 추출하는 과정과, 결합패턴 내에서 추출된 정보를 통해 실제 예측하고자 하는 해의 단위 격자에 해당하는 예측변수를 보정하는 과정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.The step of correcting the systematic error of the individual model, the process of dividing the global region of the global circular model into a unit grid, and the high correlation between the predictors and predictors corresponding to each unit grid based on past data The process of estimating the region, statistically analyzing the time series variability of the predictor variable and the pattern variability of the associated region of the predictor, extracting the correlation, and the unit of the solution to be actually predicted through the information extracted from the combined pattern. Characterized in that the process of correcting the predicted variable corresponding to the grid.

그리고 상기 연관관계를 추출하기 위해 사용된 전지구 순환모형의 과거자료는 MME에 참여하는 모든 모델에서 공통으로 존재하는 기간(1981-2003년)을 사용하고, 예측 인자는 500hPa 지위고도, 850hPa 온도, 해수면 기압을 포함하며, 각 예측 인자로부터 보정된 예측변수는 최종적으로 단순 평균하는 것을 특징으로 한다.The historical data of the global circulation model used to extract the associations use the period (1981-2003) common to all models participating in the MME, and the predictive factors are 500 hPa altitude, 850 hPa temperature, And the predicted parameters corrected from the respective predictive factors are finally simply averaged.

그리고 상기 보정된 개별 모델의 예측변수 예측력을 기준으로 모델을 선정하는 단계는, 다중모델 앙상블(MME)에 참여하는 모든 모델에서 공통으로 존재하는 과거자료의 보정된 예측변수의 예측력이 기준값 이상이면 선정되는 모델로 판별하고, 기준값 이하이면 예측력이 낮은 것으로 간주하여 MME 수행 시에 제외되도록 하고, 모델 선정을 위한 기준값은 예측변수와 관측자료의 시계열 변동성간의 상관계수 0.3으로 하는 것을 특징으로 한다.The step of selecting the model based on the predicted predictive power of the corrected individual model is performed when the predictive power of the corrected predictive variable of the past data common to all the models participating in the multiple model ensemble (MME) And the reference value for selecting the model is set to a correlation coefficient of 0.3 between the predicted variable and the time series volatility of the observed data.

그리고 상기 개별 모델의 예측 변동폭을 통계적인 방법으로 관측의 변동폭을 기준으로 보정 하는 단계는, 실제 예측하고자 하는 해의 개별 모델의 단위 격자 당 보정된 예측값에 23년간의 MSPM 알고리즘을 통해 보정된 예측값의 표준편차에 대한 관측자료의 표준편차의 비율을 곱하여 예측 변동폭을 보정 하는 것을 특징으로 한다.The step of correcting the predicted fluctuation width of the individual model based on the fluctuation of the observations by a statistical method includes a step of correcting the corrected predicted value per unit lattice of the individual model of the solution to be actually predicted by using the 23- And multiplying the ratio of the standard deviation of the observed data to the standard deviation to correct the predicted variation.

그리고 상기 다중모델 앙상블(MME)을 하여 확률 예측을 하는 단계는, 관측된 기후자료의 평균(

Figure pat00001
)과 분산(
Figure pat00002
)으로부터 기후자료의 확률분포를 추정하는 과정과,상기 확률분포로부터 평년보다 높음, 평년 수준, 평년보다 낮음, 세 개의 카테고리를 정의하는 기준점 a, b를 추정하는 과정과, 예측력 높은 모델로 선정되어 보정된 예측자료의 확률분포를 이용하여 기후자료 확률분포로부터 결정된 2개의 기준값에 따른 각 카테고리에 해당하는 확률을 정규확률밀도 함수로 계산하는 과정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.And performing the probability prediction by using the multiple model ensemble (MME)
Figure pat00001
) And variance (
Figure pat00002
), The process of estimating the probability distribution of climate data, the process of estimating the reference points a and b that define three categories from the probability distribution, higher than normal years, lower than normal years, and average years, and models with high predictive power. Using the probability distribution of the corrected prediction data, it is characterized by consisting of calculating the probability corresponding to each category according to the two reference values determined from the probability distribution of climate data as a normal probability density function.

이와 같은 본 발명에 따른 다중 모델 확률예측 시스템 및 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.The multi-model probability prediction system and method according to the present invention have the following effects.

첫째, 다변수 순차적 패턴투영기법(MSPM)을 활용하여 다중모델에 참여하는 개별 모델의 계통적 오차를 보정 하고, 예측 변동 폭을 보정하여 다중모델 앙상블(MME)을 하는 것에 의해 확률 예측의 정확도를 향상시킬 수 있다.First, the systematic errors of individual models participating in multiple models are corrected using the multivariate sequential pattern projection method (MSPM), and the accuracy of probability prediction is improved by performing a multiple model ensemble (MME) .

둘째, 모델의 계통적 오차를 보정하고 예측 변동폭을 보정한 우수모델만으로 MME를 하여 예측 수준을 높인 다중모델 확률예측 정보를 제공할 수 있다.Secondly, we can provide multi-model probability prediction information which can increase the prediction level by using MME with only the superior model that corrects the systematic error of the model and corrects the prediction fluctuation.

셋째, 예측 수준을 높인 다중모델 확률예측 정보를 이용하므로 기후를 예측하는데 불확실성을 줄여 기후 예측의 신뢰도를 높일 수 있다.
Third, by using multi - model probability prediction information with higher prediction level, it is possible to increase the reliability of climate prediction by reducing uncertainty in predicting climate.

도 1은 본 발명에 따른 다중모델 확률예측 시스템의 구성도
도 2는 본 발명에 따른 다중모델 확률예측 시스템을 이용한 다중모델 확률예측 방법을 나타낸 플로우 차트
도 3은 본 발명에 따른 다중모델 확률예측 시스템에서의 MSPM 알고리즘을 통한 개별모델의 계통적 오차 보정을 나타낸 구성도
도 4는 본 발명에 따른 다중모델 확률예측 시스템에서의 우수모델 선정 및 예측 변동 폭 보정을 나타낸 구성도
도 5는 본 발명에 따른 다중모델 확률예측 시스템에서의 다중모델을 활용한 확률 예측정보 생산을 나타낸 그래프
도 6은 본 발명에 따른 다중모델 확률예측 시스템의 예측 특성을 나타낸 그래프
1 is a block diagram of a multi-model probability prediction system according to the present invention;
2 is a flowchart showing a method of predicting a multi-model probability using a multi-model probability prediction system according to the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating a systematic error correction of an individual model through an MSPM algorithm in a multi-model probability prediction system according to the present invention.
FIG. 4 is a block diagram illustrating an excellent model selection and prediction fluctuation correction in the multi-model probability prediction system according to the present invention.
5 is a graph showing probability prediction information production using multiple models in a multi-model probability prediction system according to the present invention.
6 is a graph showing prediction characteristics of a multi-model probability prediction system according to the present invention

이하, 본 발명에 따른 다중모델 확률예측 시스템 및 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a preferred embodiment of a multi-model probability prediction system and method according to the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 다중모델 확률예측 시스템 및 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.The features and advantages of the multi-model probability prediction system and method according to the present invention will be apparent from the following detailed description of each embodiment.

도 1은 본 발명에 따른 다중 모델 확률예측 시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 다중모델 확률예측 시스템을 이용한 다중모델 확률예측 방법을 나타낸 플로우 차트이다.FIG. 1 is a configuration diagram of a multi-model probability prediction system according to the present invention, and FIG. 2 is a flowchart illustrating a multi-model probability prediction method using the multi-model probability prediction system according to the present invention.

본 발명은 MSPM(Multi-variable Step-wise Pattern Projection Method) 알고리즘으로 모델의 계통적 오차를 보정하고 예측 변동폭을 보정한 우수모델만으로 MME(Multi-Model Ensemble)를 하여 예측 수준을 높인 다중모델 확률예측 정보를 제공하기 위한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for estimating multi-model probability prediction information (MME) using a multi-variable Step-wise Pattern Projection Method (MSPM) algorithm and correcting a systematic error of a model, .

본 발명에 따른 다중모델 확률예측 시스템은 도 1에서와 같이, 개별 모델의 계통적 오차를 보정 하는 계통적 오차 보정부(10)와, 예측력이 높은 우수 모델을 선정하는 우수 모델 선정부(20)와, 개별 모델들 간의 예측 변동폭을 보정 하는 예측 변동폭 보정부(30)와, 다중모델들을 활용하여 확률 예측을 하는 확률 예측부(40)를 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 1, the multi-model probability prediction system according to the present invention includes a systematic error correction unit 10 for correcting a systematic error of an individual model, an excellent model selection unit 20 for selecting an excellent model having a high prediction power, A prediction fluctuation width correcting unit 30 for correcting a predicted fluctuation width between individual models, and a probability predicting unit 40 for performing a probability prediction using multiple models.

여기서, 계통적 오차 보정부(10)는 MSPM(Multi-variable Step-wise Pattern Projection Method) 알고리즘으로 모델의 계통적 오차를 보정하기 위하여, 전지구 순환모형의 전구영역을 단위 격자로 분할하는 단위 격자 분할부(11)와, 단위 격자 분할부(11)에 의해 분할된 각 단위 격자에 해당하는 예측변수와 예측인자 간의 상관도가 높은 연관지역을 추정하는 연관지역 추정부(12)와, 예측변수의 시계열 변동성과 예측인자의 연관지역의 패턴 변동성을 통계적으로 분석하여 연관관계를 추출하는 연관관계 추출부(13)와, 연관관계 추출부(13)에 의해 결합패턴 내에서 추출된 연관 관계 정보를 통해 실제 예측하고자 하는 해의 단위 격자에 해당하는 예측변수를 보정하는 예측변수 보정부(14)를 포함한다.Here, the systematic error correction unit 10 includes a unit grid dividing unit (not shown) for dividing the global area of the global circulation model into a unit grid to correct systematic errors of the model using a MSPM (Multi-variable Step-wise Pattern Projection Method) 11), an associated region estimator (12) for estimating an associated region having a high degree of correlation between a prediction parameter and a prediction parameter corresponding to each unit grid divided by the unit grid division unit (11) (13) for statistically analyzing the pattern variability of the region where the predictive factors are related to each other and extracting an association, and an association extractor (13) And a predictive variable corrector 14 for correcting a predictive variable corresponding to a unit lattice of a solution to be solved.

그리고 우수 모델 선정부(20)는 MSPM 알고리즘을 통해 보정된 개별 모델의 예측변수 예측력을 기반으로 우수모델을 선정하기 위하여 MME에 참여하는 모든 모델에서 공통으로 존재하는 과거자료의 보정된 예측변수의 예측력이 기준값 이상이면 우수모델로 판별하고, 기준값 이하이면 예측력이 낮은 것으로 간주하여 MME 수행 시에 제외하는 방법으로 우수 모델을 선정한다.In order to select an excellent model based on the predictive power of the individual model corrected through the MSPM algorithm, the best model selection unit 20 calculates the predicted power of the corrected predicted variables of the past data common to all the models participating in the MME If it is greater than or equal to the reference value, it is determined as an excellent model. If it is below the reference value, the model is regarded as having a low prediction power and is excluded when performing the MME.

그리고 예측 변동폭 보정부(30)는 예측의 불확실성을 정확히 추정하기 위해 개별 모델의 예측 변동폭을 통계적인 방법을 사용하여 관측의 변동폭과 유사하게 보정하는 것으로, 실제 예측하고자 하는 해의 개별 모델의 단위 격자 당 보정된 예측값에 23년간의 MSPM 알고리즘을 통해 보정된 예측값의 표준편차에 대한 관측자료의 표준편차의 비율을 곱하여 산출하는 것이다.In order to accurately estimate the uncertainty of the prediction, the predictive fluctuation width correcting unit 30 corrects the predicted fluctuation of the individual model by using a statistical method similar to the fluctuation of the observation, Is calculated by multiplying the corrected predicted value by the ratio of the standard deviation of the observed data to the standard deviation of the corrected predicted value through the 23-year MSPM algorithm.

그리고 확률 예측부(40)는 다변수 순차적 패턴투영기법(multi-variable step-wise pattern projection method, MSPM)을 활용하여 다중모델에 참여하는 개별 모델의 계통적 오차를 보정하고, 개별 모델 중 우수모델을 선정, 예측 변동폭을 보정이 이루어진 상태에서 다중모델 앙상블(multi-model ensemble, MME)을 하여 확률 예측의 정확도를 높인 것이다.The probability estimator 40 corrects the systematic errors of the individual models participating in the multiple models by using a multi-variable step-wise pattern projection method (MSPM) The accuracy of probability prediction is improved by performing a multi-model ensemble (MME) in a state in which the selection and prediction fluctuation are corrected.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 다중모델 확률예측 시스템을 이용한 다중모델 확률예측 방법은 다음과 같다.The multi-model probability prediction method using the multi-model probability prediction system according to the present invention having the above-described configuration is as follows.

본 발명에 따른 다중모델 확률예측 방법은 전지구 순환모형의 전구영역(360°×180°)에 대한 예측자료에 통계적인 방법을 처리하여, 확률예측 정확도를 향상시키는 것이다.The multi-model probability prediction method according to the present invention improves the probability prediction accuracy by processing a statistical method on the predicted data for the global region (360 占 180 占) of the global circulation model.

여기서, 확률예측 정보는 세 개의 카테고리, 즉 평년보다 높음/평년 수준/평년보다 낮음에 대한 확률 값을 의미한다. Here, the probability prediction information means probability values for three categories: higher than normal / normal / lower than normal.

본 발명에 따른 다중모델 확률예측 방법은 크게 개별모델의 계통적 오차를 보정하는 단계(S201), 예측력이 높은 우수 모델을 선정하는 단계(S202), 개별 모델 간의 예측 변동폭을 보정하는 단계(S203), 다중모델을 활용한 확률을 예측하는 단계(S204)를 포함한다.The method of predicting a multi-model probability according to the present invention includes a step S201 of correcting a systematic error of an individual model, a step S202 of selecting an excellent model having a high prediction power, a step S203 of correcting a prediction fluctuation width between individual models, And estimating a probability using the multiple models (S204).

여기서, 개별모델의 계통적 오차를 보정하는 단계(S201)는 도 3에서와 같이, 전지구 순환모형의 전구영역을 2.5°× 2.5°를 단위 격자로 하여 144 × 73 격자로 분할한 다음, 과거자료를 바탕으로 각 단위 격자에 해당하는 예측변수(예, 위도 25°N, 경도 100°E의 온도)와 예측인자 간의 상관도가 높은 연관지역을 추정하고, 예측변수의 시계열 변동성과 예측인자의 연관지역의 패턴 변동성을 통계적으로 분석하여 연관관계를 추출하고, 결합패턴 내에서 추출된 정보를 통해 실제 예측하고자 하는 해의 단위 격자에 해당하는 예측변수를 보정하는 단계이다.In the step S201 of correcting the systematic errors of the individual models, the global area of the global circulation model is divided into a grid of 144 × 73 with a unit of 2.5 ° × 2.5 ° as shown in FIG. 3, Based on the assumption that there is a correlation between predictive variables (eg, latitude 25 ° N, hardness 100 ° E) and predictor variables, And then corrects the predictive variable corresponding to the unit lattice of the solution to be actually predicted through the information extracted from the combined pattern.

여기서, 연관관계를 추출하기 위해 사용된 전지구 순환모형의 과거자료는 MME에 참여하는 모든 모형에서 공통으로 존재하는 기간(1981-2003년)을 사용한다.Here, the historical data of the global circulation model used to extract associations use the period (1981-2003) common to all models participating in the MME.

또한, 예측 인자는 500hPa 지위고도, 850hPa 온도, 해수면 기압을 포함하며, 각 예측 인자로부터 보정된 예측변수는 최종적으로 단순 평균하였고, 이러한 모형의 오차 보정 알고리즘을 MSPM이라 정의한다. In addition, the prediction factors include 500 hPa altitude, 850 hPa temperature, and sea surface pressure, and the predicted variables calibrated from each predictor are finally averaged, and the error correction algorithm of this model is defined as MSPM.

그리고 예측력이 높은 우수 모델을 선정하는 단계(S202)는 도 4에서와 같이, MSPM 알고리즘을 통해 보정된 개별 모델의 예측변수 예측력을 기반으로 우수모델을 선정하는 단계이다.In step S202 of selecting an excellent model having a high predictive power, an excellent model is selected based on the predictive variable predictive power of the individual model corrected through the MSPM algorithm as shown in FIG.

MME에 참여하는 모든 모델에서 공통으로 존재하는 23년간 과거자료의 보정된 예측변수의 예측력이 기준값 이상이면 우수모델로 판별하고, 기준값 이하이면 예측력이 낮은 것으로 간주하여 MME 수행 시에 제외하도록 하는 것이다.If the predictive power of the corrected predictive variables of the past data is more than the reference value, it is determined as the superior model. If it is below the reference value, it is regarded as the low predictive power and is excluded when performing the MME.

여기서, 우수모델 선정을 위한 기준값은 예측변수와 관측자료의 시계열 변동성간의 상관계수 0.3으로 하는 것이 바람직하다.Here, it is desirable that the reference value for selecting an excellent model be a correlation coefficient of 0.3 between the predicted variable and the time series volatility of the observed data.

그리고 개별 모델 간의 예측 변동폭을 보정하는 단계(S203)는 우수 모델로 선정된 개별 모델의 보정된 예측값을 MME 하기에 앞서, 도 4에서와 같이, 예측의 불확실성을 정확히 추정하기 위해 개별 모델의 예측 변동폭을 통계적인 방법을 사용하여 관측의 변동폭과 유사하게 보정하는 기술을 적용시키는 것이다.The step of correcting the predicted fluctuation width between the individual models (S203) is performed before the MME of the individual predicted values of the individual models selected as the excellent models, as shown in FIG. 4, in order to accurately estimate the uncertainty of the predictions, Is to apply a technique to correct the variation of the observations similar to the statistical method.

이 단계에서는 실제 예측하고자 하는 해의 개별 모델의 단위 격자 당 보정된 예측값에 23년간의 MSPM 알고리즘을 통해 보정된 예측값의 표준편차에 대한 관측자료의 표준편차의 비율을 곱하여 산출함으로써, 개별 모델의 예측 변동폭을 관측의 변동폭과 유사하게 보정 하게 된다. In this step, by multiplying the corrected predicted value per unit lattice of the individual model of the solution to be actually predicted by the ratio of the standard deviation of the observed data to the standard deviation of the corrected predicted value through the 23-year MSPM algorithm, The variation is corrected to be similar to the fluctuation of the observation.

그리고 다중모델을 활용한 확률을 예측하는 단계(S204)는 도 5에서와 같이, 여러 단계를 거쳐 예측력 높은 모델로 선택된 모델의 보정된 예측자료들을 바탕으로 최종적으로 확률 정보를 생산하는 것이다.The step of estimating the probability using the multiple models (S204) is to finally generate the probability information based on the corrected predicted data of the model selected as the predictive model through various steps, as shown in FIG.

즉, 여러 모델들의 보정된 값을 하나의 값으로 결정짓는 결정론적 MME 기법이 아니라, 사용자들에게 좀 더 유용한 정보를 함께 제공하기 위해 각각의 모델 예측자료를 하나의 표본으로 생각하고 여러모델의 예측자료를 활용하여 확률분포를 추정하고, 이 확률분포를 활용하여 평년보다 높음/동일 수준/낮음에 대한 확률 정보를 제공하기 위한 확률론적 MME 기법을 적용하는 것이다.In other words, not a deterministic MME technique that determines the corrected values of several models as a single value, but to provide more useful information to users, it considers each model prediction data as one sample, The probability distribution is estimated by using the data and the probabilistic MME method is applied to provide probability information about higher / same level / lower than normal by utilizing this probability distribution.

우선, 관측된 기후자료의 평균(

Figure pat00003
)과 분산(
Figure pat00004
)으로부터 기후자료의 확률분포를 추정하고, 그 확률분포로부터 세 개의 카테고리를 정의하는 기준점 a, b를 추정한다.First, the average of observed climate data (
Figure pat00003
) And variance (
Figure pat00004
), And estimates the reference points a and b that define the three categories from the probability distribution.

여기에 예측력 높은 모델로 선정된 보정된 예측자료의 확률분포를 이용하여 기후자료 확률분포로부터 결정된 2개의 기준값에 따른 각 카테고리에 해당하는 확률은 정규확률밀도 함수로 계산하게 된다. Using the probability distribution of the corrected forecast data selected as a predictive model, the probability corresponding to each category based on the two reference values determined from the probability distribution of climate data is calculated as a normal probability density function.

Figure pat00005
Figure pat00005

Figure pat00006
Figure pat00006

Figure pat00007
Figure pat00007

여기서, f(x)는 정규확률밀도 함수로 아래와 같이 정의된다. Here, f (x) is a normalized probability density function defined as follows.

Figure pat00008
Figure pat00008

즉, 본 발명은 MSPM 알고리즘으로 모델의 계통적 오차를 보정하고 예측 변동폭을 보정한 우수모델만으로 MME를 함으로써, 예측력이 높은 다중모델 확률예측 정보를 제공하는 것이다.That is, the present invention provides multi-model probability prediction information with high prediction power by performing MME using only an excellent model that corrects a systematic error of a model and corrects a prediction fluctuation with an MSPM algorithm.

이와 같은 본 발명에 따른 다중모델 확률예측 시스템 및 방법은 도 5에서와 같이 이전의 확률예측 시스템 및 방법에 비하여 향상된 예측력을 보이는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 5, the multi-model probability prediction system and method according to the present invention show improved predictive power as compared with the prior art probability prediction system and method.

이와 같은 본 발명에 따른 다중모델 확률예측 시스템 및 방법은 전지구 중·장기 예보(월별, 계절별)를 위한 다중모델 확률예측(MMPP) 시스템에 관한 것으로, 다변수 순차적 패턴투영기법(MSPM)을 활용하여 다중모델에 참여하는 개별 모델의 계통적 오차를 보정하고, 개별 모델 중 우수모델을 선정, 예측 변동폭을 보정 하여 다중모델 앙상블(MME)을 함으로써 확률 예측의 정확도를 향상시킨 것이다.The multi-model probability prediction system and method according to the present invention is related to a multi-model probability estimation (MMPP) system for global middle / long-term forecasting (monthly, seasonal), and utilizes a multivariate sequential pattern projection method (MSPM) It improves the accuracy of probability prediction by correcting the systematic error of individual models participating in multiple models, selecting an excellent model among individual models, and correcting the prediction fluctuation to perform a multiple model ensemble (MME).

이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, it will be understood that the present invention is implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention.

그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.It is therefore to be understood that the specified embodiments are to be considered in an illustrative rather than a restrictive sense and that the scope of the invention is indicated by the appended claims rather than by the foregoing description and that all such differences falling within the scope of equivalents thereof are intended to be embraced therein It should be interpreted.

10. 계통적 오차 보정부 20. 우수 모델 선정부
30. 예측 변동폭 보정부 40. 확률 예측부
10. Systematic Error Correction Section 20. Best Model Selection
30. Prediction Variable Width Correction Unit 40. The probability prediction unit

Claims (11)

다변수 순차적 패턴투영기법(MSPM)으로 개별 모델의 계통적 오차를 보정 하는 계통적 오차 보정부;
상기 다변수 순차적 패턴투영기법(MSPM)을 통해 보정된 개별 모델의 예측변수 예측력을 기준으로 모델을 선정하는 모델 선정부;
상기 모델 선정부에서 선정된 개별 모델의 예측 변동폭을 통계적인 방법으로 관측의 변동폭을 기준으로 보정 하는 예측 변동폭 보정부;
상기 계통적 오차 보정 및 모델 선정 후 예측 변동폭 보정이 이루어진 다중 모델들을 다중모델 앙상블(MME)을 하여 확률 예측을 하는 확률 예측부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중모델 확률예측 시스템.
A systematic error correction unit for correcting systematic errors of individual models using a multivariate sequential pattern projection technique (MSPM);
A model selection unit for selecting a model based on the prediction variable prediction power of the individual model corrected through the multivariate sequential pattern projection technique (MSPM);
A predicted fluctuation width correcting unit for correcting the predicted fluctuation width of the individual model selected by the model selecting unit based on the variation of the observation by a statistical method;
And a probability predicting unit for performing a probability prediction by using a multiple model ensemble (MME) for multiple models having the systematic error correction and the post-model predicted amplitude correction.
제 1 항에 있어서, 상기 계통적 오차 보정부는 예측에 사용되는 모델의 계통적 오차를 보정 하기 위하여,
전지구 순환모형의 전구영역을 단위 격자로 분할하는 단위 격자 분할부와,
상기 단위 격자 분할부에 의해 분할된 각 단위 격자에 해당하는 예측변수와 예측인자 간의 상관도가 높은 연관지역을 추정하는 연관지역 추정부와,
예측변수의 시계열 변동성과 예측인자의 연관지역의 패턴 변동성을 통계적으로 분석하여 연관관계를 추출하는 연관관계 추출부와,
상기 연관관계 추출부에 의해 결합패턴 내에서 추출된 연관 관계 정보를 통해 실제 예측하고자 하는 해의 단위 격자에 해당하는 예측변수를 보정하는 예측변수 보정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중모델 확률예측 시스템.
2. The apparatus of claim 1, wherein the systematic error correction unit corrects systematic errors of a model used for prediction,
A unit lattice division unit for dividing the global region of the global circulation model into unit lattices,
An association region estimating unit for estimating a correlation region having a high correlation between the predictor and the predictor corresponding to each unit grid divided by the unit grid dividing unit;
A correlation extracting unit for statistically analyzing the time series volatility of the predictive parameter and the pattern variability of the predictive factor,
And a prediction parameter correcting unit for correcting a prediction parameter corresponding to a unit cell of a solution to be actually predicted through association information extracted by the association extracting unit in the combining pattern.
제 1 항에 있어서, 상기 모델 선정부는 MSPM 알고리즘을 통해 보정된 개별 모델의 예측변수 예측력을 기반으로 모델을 선정하기 위하여,
다중모델 앙상블(MME)에 참여하는 모든 모델에서 공통으로 존재하는 과거자료의 보정된 예측변수의 예측력이 기준값 이상이면 선정되는 모델로 판별하고,
기준값 이하이면 예측력이 낮은 것으로 간주하여 MME 수행 시에 제외되도록 하는 것을 특징으로 하는 다중모델 확률예측 시스템.
2. The method of claim 1, wherein the model selection unit selects the model based on the prediction variable prediction power of the individual model corrected through the MSPM algorithm,
If the predictive power of the corrected predictive variable of past data existing in all models participating in the multiple model ensemble (MME) is greater than the reference value,
And if it is below the reference value, the predictive power is considered to be low and excluded when performing the MME.
제 1 항에 있어서, 상기 예측 변동폭 보정부는,
실제 예측하고자 하는 해의 개별 모델의 단위 격자 당 보정된 예측값에 23년간의 MSPM 알고리즘을 통해 보정된 예측값의 표준편차에 대한 관측자료의 표준편차의 비율을 곱하여 예측 변동폭을 보정 하는 것을 특징으로 하는 다중모델 확률예측 시스템.
The apparatus according to claim 1,
And multiplying the corrected predicted value per unit lattice of the individual model of the solution to be actually predicted by the ratio of the standard deviation of the observed data to the standard deviation of the corrected predicted value through the 23-year MSPM algorithm to correct the predicted fluctuation. Model Probability Prediction System.
전지구 순환모형의 전구영역에 대한 예측자료를 통계적인 방법으로 처리하여 확률 예측을 하는 방법에 있어서,
다변수 순차적 패턴투영기법(MSPM)으로 개별 모델의 계통적 오차를 보정 하는 단계;
상기 다변수 순차적 패턴투영기법(MSPM)을 통해 보정된 개별 모형의 예측변수 예측력을 기준으로 모델을 선정하는 단계;
상기 선정된 개별 모델의 예측 변동폭을 통계적인 방법으로 관측의 변동폭을 기준으로 보정 하는 단계;
상기 계통적 오차 보정 및 모델 선정 후 예측 변동폭 보정이 이루어진 다중 모델들을 다중모델 앙상블(MME)을 하여 확률 예측을 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중모델 확률예측 방법.
A method for estimating probability by processing statistical forecasting data on the global area of the global circulation model,
Correcting systematic errors of individual models with a multivariate sequential pattern projection technique (MSPM);
Selecting a model based on predictive predictive power of individual models corrected through the multivariate sequential pattern projection technique (MSPM);
Correcting the predicted fluctuation width of the selected individual model on the basis of the fluctuation width of the observation by a statistical method;
And performing probability estimation by using a multi-model ensemble (MME) for multiple models having the systematic error correction and the post-model prediction post-prediction correction.
제 5 항에 있어서, 상기 확률 예측을 하는 단계에 의한 확률예측 정보는 평년보다 높음, 평년 수준, 평년보다 낮음에 대한 확률 값을 의미하는 것을 특징으로 하는 다중모델 확률예측 방법.[6] The method of claim 5, wherein the probability prediction information by the probability prediction step is a probability value with respect to a normal level, a normal level, and a lower level than a normal level. 제 5 항에 있어서, 상기 개별모델의 계통적 오차를 보정하는 단계는,
전지구 순환모형의 전구영역을 단위 격자로 분할하는 과정과,
과거자료를 바탕으로 각 단위 격자에 해당하는 예측변수와 예측인자 간의 상관도가 높은 연관지역을 추정하는 과정과,
예측변수의 시계열 변동성과 예측인자의 연관지역의 패턴 변동성을 통계적으로 분석하여 연관관계를 추출하는 과정과,
결합패턴 내에서 추출된 정보를 통해 실제 예측하고자 하는 해의 단위 격자에 해당하는 예측변수를 보정하는 과정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중모델 확률예측 방법.
6. The method of claim 5, wherein correcting systematic errors of the individual models comprises:
A process of dividing the global area of the global circulation model into unit lattices,
The process of estimating the region of high correlation between the predictors and predictors corresponding to each unit grid based on the historical data;
A step of statistically analyzing the time series volatility of the predictive variables and the pattern variability of the predictive factors,
And correcting a prediction parameter corresponding to a unit lattice of a solution to be actually predicted through information extracted from the combined pattern.
제 5 항에 있어서, 상기 연관관계를 추출하기 위해 사용된 전지구 순환모형의 과거자료는 MME에 참여하는 모든 모델에서 공통으로 존재하는 기간(1981-2003년)을 사용하고,
예측인자는 500hPa 지위고도, 850hPa 온도, 해수면 기압을 포함하며, 각 예측인자로부터 보정된 예측변수는 최종적으로 단순 평균하는 것을 특징으로 하는 다중모델 확률예측 방법.
The method of claim 5, wherein the historical data of the global circular model used for extracting the correlation uses a period (1981-2003) that is common to all models participating in the MME.
Wherein the predictor includes a 500 hPa altitude, a temperature of 850 hPa, and a sea surface pressure, and the predicted parameters calibrated from each predictor are finally averaged.
제 5 항에 있어서, 상기 보정된 개별 모델의 예측변수 예측력을 기준으로 모델을 선정하는 단계는,
다중모델 앙상블(MME)에 참여하는 모든 모델에서 공통으로 존재하는 과거자료의 보정된 예측변수의 예측력이 기준값 이상이면 선정되는 모델로 판별하고,
기준값 이하이면 예측력이 낮은 것으로 간주하여 MME 수행 시에 제외되도록 하고,
모델 선정을 위한 기준값은 예측변수와 관측자료의 시계열 변동성간의 상관계수 0.3으로 하는 것을 특징으로 하는 다중모델 확률예측 방법.
6. The method of claim 5, wherein the step of selecting a model based on the predictive variable prediction power of the corrected individual model comprises:
If the predictive power of the corrected predictive variable of past data existing in all models participating in the multiple model ensemble (MME) is greater than the reference value,
If it is below the reference value, the predictive power is considered to be low and excluded at the time of performing the MME,
Wherein the reference value for model selection is set to a correlation coefficient of 0.3 between the predicted variable and the time series volatility of the observed data.
제 5 항에 있어서, 상기 개별 모델의 예측 변동폭을 통계적인 방법으로 관측의 변동폭을 기준으로 보정 하는 단계는,
실제 예측하고자 하는 해의 개별 모델의 단위 격자 당 보정된 예측값에 23년간의 MSPM 알고리즘을 통해 보정된 예측값의 표준편차에 대한 관측자료의 표준편차의 비율을 곱하여 예측 변동폭을 보정 하는 것을 특징으로 하는 다중모델 확률예측 방법.
6. The method of claim 5, wherein the step of correcting the predicted fluctuation width of the individual model based on the variation of the observation by a statistical method comprises:
And multiplying the corrected predicted value per unit lattice of the individual model of the solution to be actually predicted by the ratio of the standard deviation of the observed data to the standard deviation of the corrected predicted value through the 23-year MSPM algorithm to correct the predicted fluctuation. Model Probability Prediction Method.
제 5 항에 있어서, 상기 다중모델 앙상블(MME)을 하여 확률 예측을 하는 단계는,
관측된 기후자료의 평균(
Figure pat00009
)과 분산(
Figure pat00010
)으로부터 기후자료의 확률분포를 추정하는 과정과,
상기 확률분포로부터 평년보다 높음, 평년 수준, 평년보다 낮음, 세 개의 카테고리를 정의하는 기준점 a, b를 추정하는 과정과,
예측력 높은 모델로 선정되어 보정된 예측자료의 확률분포를 이용하여 기후자료 확률분포로부터 결정된 2개의 기준값에 따른 각 카테고리에 해당하는 확률을 정규확률밀도 함수로 계산하는 과정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중모델 확률예측 방법.

6. The method of claim 5, wherein performing the probability estimation using the multiple model ensemble (MME)
Average of observed climate data (
Figure pat00009
) And variance (
Figure pat00010
), Estimating the probability distribution of climatic data,
Estimating reference points a and b that define three categories from the probability distribution, which are higher than normal, higher than normal, and lower than normal,
A multi-model comprising the step of calculating the probability corresponding to each category according to the two reference values determined from the probability distribution of climate data using the probability distribution function of the predicted data, which is selected as a model with high predictive power, and as a normal probability density function. Probability prediction method.

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