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Improved rainfall prediction through nonlinear autoregressive network with exogenous variables: a case study in Andes high mountain region

dc.contributor.authorPeña Ortega, Mario Patricio
dc.contributor.authorVázquez Patiño, Angel Oswaldo
dc.contributor.authorZhiña, Dario
dc.contributor.authorMontenegro, Martin
dc.contributor.authorAvilés Añazco, Alex Manuel
dc.date.accessioned2020-10-25T21:55:45Z
dc.date.available2020-10-25T21:55:45Z
dc.date.issued2020
dc.descriptionLa precipitación es el elemento más relevante del ciclo hidrológico y vital para la biosfera. Sin embargo, cuando ocurren eventos extremos de precipitación, las consecuencias pueden ser devastadoras para los humanos (sequías o inundaciones). Una predicción precisa de la precipitación ayuda a los responsables de la toma de decisiones a desarrollar planes de mitigación adecuados. En este estudio se utilizaron modelos lineales y no lineales con predictores rezagados y la implementación de un modelo autorregresivo no lineal con red de variables exógenas (NARX) para predecir la precipitación mensual en las estaciones meteorológicas de Labrado y Chirimachay. Para definir un modelo adecuado, se utilizaron regresión de crestas, lazo, bosque aleatorio (RF), máquina de vectores de soporte (SVM) y red NARX. Aunque los resultados fueron “insatisfactorios” con los modelos lineales, se identificaron las influencias directas específicas de variables como Niño 1 + 2, precipitación del Sahel, actividad de huracanes, Oscilación del Pacífico Norte y la misma señal de precipitación retardada. RF y SVM también demostraron un rendimiento deficiente. Sin embargo, RF tuvo un mejor ajuste que los modelos lineales y SVM tiene un mejor ajuste que los modelos de RF. En cambio, el modelo NARX se entrenó utilizando varias arquitecturas para identificar una óptima para la mejor predicción con doce meses de antelación. Como evaluación general, el modelo NARX mostró resultados “buenos” para Labrado y resultados “satisfactorios” para Chirimachay. Las predicciones arrojadas por los modelos NARX, para los primeros seis meses, fueron completamente precisas. Este estudio destacó las fortalezas de las redes NARX en la predicción de señales caóticas y no lineales como la lluvia en regiones que obedecen a procesos complejos. Los resultados servirían para hacer planes a corto plazo y dar apoyo a los tomadores de decisiones en la gestión de los recursos hídricos.
dc.description.abstractPrecipitation is the most relevant element in the hydrological cycle and vital for the biosphere. However, when extreme pre- cipitation events occur, the consequences could be devastating for humans (droughts or floods). An accurate prediction of precipitation helps decision-makers to develop adequate mitigation plans. In this study, linear and nonlinear models with lagged predictors and the implementation of a nonlinear autoregressive model with exogenous variables (NARX) network were used to predict monthly rainfall in Labrado and Chirimachay meteorological stations. To define a suitable model, ridge regression, lasso, random forest (RF), support vector machine (SVM), and NARX network were used. Although the results were “unsatisfactory” with the linear models, the specific direct influences of variables such as Niño 1 + 2, Sahel rainfall, hurricane activity, North Pacific Oscillation, and the same delayed rainfall signal were identified. RF and SVM also demonstrated poor performance. However, RF had a better fit than linear models, and SVM has a better fit than RF models. Instead, the NARX model was trained using several architectures to identify an optimal one for the best prediction twelve months ahead. As an overall evaluation, the NARX model showed “good” results for Labrado and “satisfactory” results for Chirimachay. The predictions yielded by NARX models, for the first six months ahead, were entirely accurate. This study highlighted the strengths of NARX networks in the prediction of chaotic and nonlinear signals such as rainfall in regions that obey complex processes. The results would serve to make short-term plans and give support to decision-makers in the management of water resources.
dc.identifier.doidoi.org/10.1155/2020/1828319
dc.identifier.issn1687-9309, e 1687-9317
dc.identifier.urihttps://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-85092150724&origin=resultslist&sort=plf-f&src=s&st1=IMPROVED+RAINFALL+PREDICTION+THROUGH+NONLINEAR+AUTOREGRESSIVE+NETWORK+WITH+EXOGENOUS+VARIABLES%3a+A+CASE+STUDY+IN+ANDES+HIGH+MOUNTAIN+REGION&sid=64433e178b7110414bd55bae09d7198e&sot=b&sdt=b&sl=153&s=TITLE-ABS-KEY%28IMPROVED+RAINFALL+PREDICTION+THROUGH+NONLINEAR+AUTOREGRESSIVE+NETWORK+WITH+EXOGENOUS+VARIABLES%3a+A+CASE+STUDY+IN+ANDES+HIGH+MOUNTAIN+REGION%29&relpos=0&citeCnt=4&searchTerm=
dc.language.isoes_ES
dc.sourceAdvances in Meteorology
dc.subjectRainfall prediction
dc.subjectNARX
dc.subjectAndes watershed
dc.titleImproved rainfall prediction through nonlinear autoregressive network with exogenous variables: a case study in Andes high mountain region
dc.title.alternative
dc.typeARTÍCULO
dc.ucuenca.afiliacionPeña, M., Universidad de Cuenca, Facultad de Ciencias Químicas, Cuenca, Ecuador; Peña, M., Universidad de Cuenca, Departamento de Química Aplicada y Sistemas de Producción, Cuenca, Ecuador
dc.ucuenca.afiliacionVazquez, A., Universidad de Cuenca, Facultad de Ingeniería, Cuenca, Ecuador; Vazquez, A., Universidad de Cuenca, Departamento de Ingeniería Civil, Cuenca, Ecuador
dc.ucuenca.afiliacionZhiña, D., Universidad de Cuenca, Facultad de Ciencias Químicas, Cuenca, Ecuador
dc.ucuenca.afiliacionMontenegro, M., Universidad de Cuenca, Facultad de Ciencias Químicas, Cuenca, Ecuador
dc.ucuenca.afiliacionAviles, A., Universidad de Cuenca, Facultad de Ciencias Químicas, Cuenca, Ecuador
dc.ucuenca.areaconocimientofrascatiamplio1. Ciencias Naturales y Exactas
dc.ucuenca.areaconocimientofrascatidetallado1.5.9 Meteorología y Ciencias Atmosféricas
dc.ucuenca.areaconocimientofrascatiespecifico1.5 Ciencias de la Tierra y el Ambiente
dc.ucuenca.areaconocimientounescoamplio05 - Ciencias Físicas, Ciencias Naturales, Matemáticas y Estadísticas
dc.ucuenca.areaconocimientounescodetallado0521 - Ciencias Ambientales
dc.ucuenca.areaconocimientounescoespecifico052 - Medio Ambiente
dc.ucuenca.correspondenciaAviles Añazco, Alex Manuel, alex.aviles@ucuenca.edu.ec
dc.ucuenca.cuartilQ2
dc.ucuenca.factorimpacto0.482
dc.ucuenca.idautor0302168141
dc.ucuenca.idautor0105725634
dc.ucuenca.idautorsgrp-3238-003
dc.ucuenca.idautorsgrp-3238-004
dc.ucuenca.idautor0102247186
dc.ucuenca.indicebibliograficoSCOPUS
dc.ucuenca.numerocitaciones0
dc.ucuenca.urifuentehttps://www.hindawi.com/journals/amete/about/
dc.ucuenca.versionVersión publicada
dc.ucuenca.volumenVolumen 2020
dspace.entity.typePublication
relation.isAuthorOfPublication365dd174-69d4-457a-80f4-0e34fe0b76e6
relation.isAuthorOfPublication222503fc-0fb8-42d0-8b4f-ef411570f098
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