Nowcasting de precipitación basado en técnicas de aprendizaje profundo de máquinas e imágenes de radar: Caso de estudio, Valle del Aburrá. Trabajo de Grado
El pronostico a muy corto plazo (nowcasting) cumple un rol crucial en la predicción meteorológica, donde el radar meteorológico constituye un instrumento clave para la observación de fenómenos atmosféricos. Sin embargo, los modelos tradicionales presentan desafíos importantes: los enfoques basados e...
- Autores:
-
Bohórquez Hurtado, Julio Simón Pedro
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2025
- Institución:
- Universidad de Antioquia
- Repositorio:
- Repositorio UdeA
- Idioma:
- OAI Identifier:
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- Acceso en línea:
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- Palabra clave:
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Radar
Precipitación atmosférica
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Pronóstico del tiempo
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El pronostico a muy corto plazo (nowcasting) cumple un rol crucial en la predicción meteorológica, donde el radar meteorológico constituye un instrumento clave para la observación de fenómenos atmosféricos. Sin embargo, los modelos tradicionales presentan desafíos importantes: los enfoques basados en extrapolación tienen dificultades para representar procesos no lineales, mientras que los modelos numéricos requieren un uso intensivo de recursos computacionales. En respuesta a estas limitaciones, este trabajo implementa técnicas de aprendizaje profundo de maquinas en el contexto del nowcasting, aprovechando su capacidad para modelar relaciones no lineales y su mayor eficiencia computacional. En particular, se entreno un modelo basado en redes neuronales ConvLSTM, cuya estructura permite capturar dinámicas espacio-temporales, con el objetivo de predecir 30 minutos en el futuro (a intervalos de 6 minutos) a partir de una secuencia de 29 imágenes de radar consecutivas. Los resultados muestran que el modelo alcanza un buen desempeño en el primer paso de tiempo en comparación con el modelo de persistencia, lo cual se explica por su entrenamiento enfocado en la predicción de la imagen siguiente; no obstante, el rendimiento decrece conforme avanza el horizonte temporal, lo que sugiere la necesidad de ajustar la estrategia de entrenamiento para incluir múltiples pasos de predicción en el proceso de optimización. |
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(2018). Caracterizaci´on de la microf´ısica de la precipitaci´on mediante informaci´on de disdr´ometros y radar polarim´etrico para la estimaci´on cuantitativa de lluvia en el ´area metropolitana del Valle de Aburr´a. https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/63867 Mandapaka, P. V., Germann, U., Panziera, L., & Hering, A. (2012). Can Lagrangian Extrapolation of Radar Fields Be Used for Precipitation Nowcasting over Complex Alpine Orography? Weather and Forecasting, 27 (1), 28-49. https://doi.org/10.1175/WAF-D-11-00050.1 National Academies of Sciences, E., & Medicine. (2022). Machine Learning and Artificial Intelligence to Advance Earth System Science: Opportunities and Challenges: Proceedings of a Workshop (R. Silvern, Ed.). The National Academies Press. https://doi.org/10.17226/26566 Ni˜no Medina, J. S., Bar´on, M. J. S., & Suarez, J. A. R. (2024). Application of Deep Learning for the Analysis of the Spatiotemporal Prediction of Monthly Total Precipitation in the Boyac´a Department, Colombia. Hydrology, 11 (8). https://doi.org/10.3390/hydrology11080127 Paaß, G. (s.f.). Deep Learning: How do deep neural networks work? https://lamarr-institute.org/blog/deep-neuralnetworks/ (accedido: 02.05.2025). Paul Markowski, Y. R. (2010). Mesoscale Convective Systems. En Mesoscale Meteorology in Midlatitudes (pp. 245-272). John Wiley & Sons, Ltd. https://doi.org/https://doi.org/10.1002/9780470682104.ch9 Ravuri, S., Lenc, K., Willson, M., Kangin, D., Lam, R., Mirowski, P., Fitzsimons, M., Athanassiadou, M., Kashem, S., Madge, S., Prudden, R., Mandhane, A., Clark, A., Brock, A., Simonyan, K., Hadsell, R., Robinson, N., Clancy, E., Arribas, A., & Mohamed, S. (2021). Skilful precipitation nowcasting using deep generative models of radar. 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IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. https://doi.org/10.1109/TGRS.2022.3176642 Tian, L., Li, X., Ye, Y., Xie, P., & Li, Y. (2020). A Generative Adversarial Gated Recurrent Unit Model for Precipitation Nowcasting. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 17 (4), 601-605. https://doi.org/10.1109/ LGRS.2019.2926776 Vaughan, A., Markou, S., Tebbutt, W., Requeima, J., Bruinsma, W. P., Andersson, T. R., Herzog, M., Lane, N. D., Chantry, M., Hosking, J. S., & Turner, R. E. (2024). Aardvark weather: end-to-end data-driven weather forecasting. https://arxiv.org/abs/2404.00411 Vel´asquez, N. (2022). Assessment of Deep Convective Systems in the Colombian Andean Region. Hydrology, 9 (7). https://doi.org/10.3390/hydrology9070119 Wang, Y., Coning, E., Harou, A., Jacobs, W., Joe, P., Nikitina, L., Roberts, R., Wang, J., Wilson, J., Atencia, A., Bica, B., Brown, B., Goodmann, S., Kann, A., Li, P. W., Monterio, I., Schmid, F., Seed, A., & Sun, J. (2017, noviembre). Guidelines for Nowcasting Techniques. Wilks, D. S. (2019, junio). Statistical methods in the atmospheric sciences (4.a ed.). Elsevier Science Publishing. Xiong, T., Wang, W., He, J., Su, R., Wang, H., & Hu, J. (2024). Spatiotemporal Feature Fusion Transformer for Precipitation Nowcasting via Feature Crossing. Remote Sensing, 16 (14). https://doi.org/10.3390/rs16142685 Yin, J., Meo, C., Roy, A., Cher, Z. B., Wang, Y., Imhoff, R., Uijlenhoet, R., & Dauwels, J. (2024). Precipitation Nowcasting Using Physics Informed Discriminator Generative Models. 32nd European Signal Processing Conference, EUSIPCO 2024 - Proceedings, 1967-1971. https://doi.org/10.23919/EUSIPCO63174. 2024. 10715141 |
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Silva Villa, EstebanMartínez, John AlejandroBohórquez Hurtado, Julio Simón Pedro2025-11-05T16:31:33Z2025https://hdl.handle.net/10495/48132El pronostico a muy corto plazo (nowcasting) cumple un rol crucial en la predicción meteorológica, donde el radar meteorológico constituye un instrumento clave para la observación de fenómenos atmosféricos. Sin embargo, los modelos tradicionales presentan desafíos importantes: los enfoques basados en extrapolación tienen dificultades para representar procesos no lineales, mientras que los modelos numéricos requieren un uso intensivo de recursos computacionales. En respuesta a estas limitaciones, este trabajo implementa técnicas de aprendizaje profundo de maquinas en el contexto del nowcasting, aprovechando su capacidad para modelar relaciones no lineales y su mayor eficiencia computacional. En particular, se entreno un modelo basado en redes neuronales ConvLSTM, cuya estructura permite capturar dinámicas espacio-temporales, con el objetivo de predecir 30 minutos en el futuro (a intervalos de 6 minutos) a partir de una secuencia de 29 imágenes de radar consecutivas. Los resultados muestran que el modelo alcanza un buen desempeño en el primer paso de tiempo en comparación con el modelo de persistencia, lo cual se explica por su entrenamiento enfocado en la predicción de la imagen siguiente; no obstante, el rendimiento decrece conforme avanza el horizonte temporal, lo que sugiere la necesidad de ajustar la estrategia de entrenamiento para incluir múltiples pasos de predicción en el proceso de optimización.Nowcasting, or very short-term weather forecasting, plays a crucial role in meteorology, with weather radar serving as a key observation instrument. However, traditional models face significant challenges: extrapolation-based approaches struggle to capture nonlinear atmospheric processes, while numerical models demand high computational resources. To address these limitations, this study implements deep learning techniques for nowcasting task, leveraging their ability to model nonlinear relationships and their greater computational efficiency. Specifically, a ConvLSTM-based neural network model was trained to capture spatiotemporal dynamics, aiming to forecast 30 minutes into the future (at 6 minute intervals) using a sequence of 29 consecutive radar images as input. The results show that the model performs well for the first prediction step when compared to the persistence model, which is explained under its training strategy focused on predicting the next image in the sequence; however, performance deteriorates as the forecast horizon increases, suggesting the need for an improved training approach that includes multiple future steps in the optimization process.PregradoIngeniero Ambiental48 páginasapplication/pdfUniversidad de AntioquiaIngeniería AmbientalDepartamento de Ingeniería Sanitaria y AmbientalMedellín, ColombiaFacultad de IngenieríaCampus Medellín - Ciudad Universitariahttp://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/info:eu-repo/semantics/openAccessCC0 1.0 Universalhttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Nowcasting de precipitación basado en técnicas de aprendizaje profundo de máquinas e imágenes de radar: Caso de estudio, Valle del Aburrá. Trabajo de GradoTrabajo de grado - Pregradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fhttp://purl.org/redcol/resource_type/TPTexthttp://purl.org/coar/version/c_b1a7d7d4d402bcceinfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisinfo:eu-repo/semantics/draftAgrawal, S., Barrington, L., Bromberg, C., Burge, J., Gazen, C., & Hickey, J. (2019). Machine Learning for Precipitation Nowcasting from Radar Images.Arias, P. A., Garreaud, R., Poveda, G., Espinoza, J. C., Molina-Carpio, J., Masiokas, M., Viale, M., Scaff, L., & van Oevelen, P. J. (2021). Hydroclimate of the Andes Part II: Hydroclimate Variability and Sub-Continental Patterns. Frontiers in Earth Science, Volume 8 - 2020. https://doi.org/10.3389/feart.2020.505467Bedoya Soto, J. M., Aristiz´abal, E., Carmona, A. M., & Poveda, G. (2019). Seasonal shift of the diurnal cycle of rainfall over medellin’s valley, central Andes of Colombia (1998–2005). Front. Earth Sci., 7.Chen, B., Wen, M., Shi, Y., Lin, D., Rajbahadur, G. K., & Jiang, Z. M. ( (2022). Towards training reproducible deep learning models.CPC NOAA Team, I. (2025). Cold & Warm Episodes by Season. https: / / origin. cpc. ncep. noaa. gov / products / analysis monitoring/ensostuff/ONI v5.php (accessed: 19.04.2025).D¨uben, P., Modigliani, U., Geer, A., Siemen, S., Pappenberger, F., Bauer, P., Brown, A., Palkovic, M., Raoult, B., Wedi, N., & Baousis, V. (2021). Machine learning at ECMWF: A roadmap for the next 10 years. https: //doi.org/10.21957/ge7ckgmFang, W., Shen, L., S. Sheng, V., & Xue, Q. (2022). A novel method for precipitation nowcasting based on ST-LSTM. Comput. Mater. Contin., 72 (3), 4867-4877.G´eron, A. (2019). Hands-On Machine Learning with Scikit-Learn, Keras, and TensorFlow, 2nd Edition (2nd). O’Reilly Media.Houze Jr, R. A. (2014). Cloud Dynamics, Volume 104, Second Edition (2.a ed.). Academic Press.IDEAM. (2025). IMAGENES DE RADAR ´ . http : / / www . pronosticosyalertas . gov . co / archivos - radar (accedido: 14.05.2025).Jianzhu, L., Shi, Y., Zhang, T., Li, Z., Wang, C., & Liu, J. (2024). Radar precipitation nowcasting based on ConvLSTM model in a small watershed in north China. Natural Hazards, 120, 63-85. https: / / doi. org /10.1007/s11069-023-06193-6Ladino Rinc´on, A. (2018). Caracterizaci´on de la microf´ısica de la precipitaci´on mediante informaci´on de disdr´ometros y radar polarim´etrico para la estimaci´on cuantitativa de lluvia en el ´area metropolitana del Valle de Aburr´a. https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/63867Mandapaka, P. V., Germann, U., Panziera, L., & Hering, A. (2012). Can Lagrangian Extrapolation of Radar Fields Be Used for Precipitation Nowcasting over Complex Alpine Orography? Weather and Forecasting, 27 (1), 28-49. https://doi.org/10.1175/WAF-D-11-00050.1National Academies of Sciences, E., & Medicine. (2022). Machine Learning and Artificial Intelligence to Advance Earth System Science: Opportunities and Challenges: Proceedings of a Workshop (R. Silvern, Ed.). The National Academies Press. https://doi.org/10.17226/26566Ni˜no Medina, J. S., Bar´on, M. J. S., & Suarez, J. A. R. (2024). Application of Deep Learning for the Analysis of the Spatiotemporal Prediction of Monthly Total Precipitation in the Boyac´a Department, Colombia. Hydrology, 11 (8). https://doi.org/10.3390/hydrology11080127Paaß, G. (s.f.). Deep Learning: How do deep neural networks work? https://lamarr-institute.org/blog/deep-neuralnetworks/ (accedido: 02.05.2025).Paul Markowski, Y. R. (2010). Mesoscale Convective Systems. En Mesoscale Meteorology in Midlatitudes (pp. 245-272). John Wiley & Sons, Ltd. https://doi.org/https://doi.org/10.1002/9780470682104.ch9Ravuri, S., Lenc, K., Willson, M., Kangin, D., Lam, R., Mirowski, P., Fitzsimons, M., Athanassiadou, M., Kashem, S., Madge, S., Prudden, R., Mandhane, A., Clark, A., Brock, A., Simonyan, K., Hadsell, R., Robinson, N., Clancy, E., Arribas, A., & Mohamed, S. (2021). Skilful precipitation nowcasting using deep generative models of radar. Nature, 597 (7878), 672-677. https://doi.org/10.1038/s41586-021-03854-zRitvanen, J., Harnist, B., Aldana, M., M¨akinen, T., & Pulkkinen, S. (2023). Advection-Free Convolutional Neural Network for Convective Rainfall Nowcasting. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 16, 1654-1667. https://doi.org/10.1109/JSTARS.2023.3238016Russell, S., & Norvig, P. (2010). Artificial Intelligence: A Modern Approach (3rd). Pearson Education.Sepulveda Berr´ıo, J. (2016). Estimaci´on cuantitativa de precipitaci´on a partir de la informaci´on de Radar Meteorol´ogico del Area Metropolitana del Valle de Aburr´a. https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/58046 ´Shi, C., Zhang, Z., Zhang, W., Zhang, C., & Xu, Q. (2022). Learning Multiscale Temporal–Spatial–Spectral Features via a Multipath Convolutional LSTM Neural Network for Change Detection With Hyperspectral Images. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. https://doi.org/10.1109/TGRS.2022.3176642Tian, L., Li, X., Ye, Y., Xie, P., & Li, Y. (2020). A Generative Adversarial Gated Recurrent Unit Model for Precipitation Nowcasting. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 17 (4), 601-605. https://doi.org/10.1109/ LGRS.2019.2926776Vaughan, A., Markou, S., Tebbutt, W., Requeima, J., Bruinsma, W. P., Andersson, T. R., Herzog, M., Lane, N. D., Chantry, M., Hosking, J. S., & Turner, R. E. (2024). 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