Reinforcement Learning to Support Monthly Precipitation Prediction. Case Study: Department of Boyacá - Colombia
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Instituto Tecnológico Metropolitano (ITM)
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The emission of greenhouse gases, directly or indirectly attributed to human activity, is the main cause of global climate change. Among the gases emitted, carbon dioxide (CO2) is the most important contributor to the spatio-temporal variation of physical quantities such as relative humidity, atmospheric pressure, ambient temperature and, most significantly, precipitation. The objective of the research was to present an analysis of the prediction of monthly precipitation in the department of Boyacá using models based on reinforced learning (RL). The methodology used consisted of extracting data from CHIRPS 2.0 (Climate Hazards Group InfraRed Precipitation with Station data, version 2.0) with a spatial resolution of 0.05 ° that were subsequently preprocessed for the implementation of Monte Carlo simulation and deep reinforced learning (DRL) approaches to provide monthly precipitation predictions. The results obtained showed that Monte Carlo simulation such as DRL generate meaningful predictions of monthly precipitation. It is essential to recognize that conventional models based on Deep Learning, such as Short-Term Memory (LSTM) or Short-Term Convolutional Networks (ConvLSTM), can outperform Monte Carlo and DRL simulation approaches in terms of prediction accuracy. It is concluded that the implementation of reinforcement learning techniques in monthly precipitation prediction models detects information patterns that can be used to support strategies aimed at mitigating economic and social risks derived from climate phenomena.
La emisión de gases de efecto invernadero, atribuida directa o indirectamente a la actividad humana, es la principal causa del cambio climático a nivel mundial. Entre los gases emitidos, el dióxido de carbono (CO2) es el que más contribuye a la variación espacio temporal de magnitudes físicas como la humedad relativa, la presión atmosférica, la temperatura ambiente y, de manera más significativa, la precipitación. El objetivo de la investigación fue presentar un análisis de la predicción de la precipitación mensual en el departamento de Boyacá mediante el uso de modelos basados en aprendizaje reforzado (RL, por sus siglas en inglés). La metodología empleada consistió en extraer datos desde CHIRPS 2,0 (Climate Hazards Group InfraRed Precipitation with Station data, versión 2,0) con una resolución espacial de 0,05° que posteriormente fueron preprocesados para la implementación de enfoques basados en una simulación Montecarlo y aprendizaje reforzado profundo (DRL, por sus siglas en inglés) para proporcionar predicciones de la precipitación mensual. Los resultados obtenidos demostraron que la simulación Montecarlo como el DRL generan predicciones significativas de la precipitación mensual. Es esencial reconocer que los modelos convencionales basados en Aprendizaje profundo, como Memoria a Corto Plazo (LSTM) o Redes Convolucionales a Corto Plazo (ConvLSTM), pueden superar a los enfoques de simulación Montecarlo y DRL en términos de precisión de predicción. Se concluye que la implementación de técnicas de aprendizaje por refuerzo en modelos de predicción de la precipitación mensual detecta patrones de información que pueden ser usados como soporte a estrategias dirigidas a mitigar los riesgos económicos y sociales derivados de fenómenos climáticos.
La emisión de gases de efecto invernadero, atribuida directa o indirectamente a la actividad humana, es la principal causa del cambio climático a nivel mundial. Entre los gases emitidos, el dióxido de carbono (CO2) es el que más contribuye a la variación espacio temporal de magnitudes físicas como la humedad relativa, la presión atmosférica, la temperatura ambiente y, de manera más significativa, la precipitación. El objetivo de la investigación fue presentar un análisis de la predicción de la precipitación mensual en el departamento de Boyacá mediante el uso de modelos basados en aprendizaje reforzado (RL, por sus siglas en inglés). La metodología empleada consistió en extraer datos desde CHIRPS 2,0 (Climate Hazards Group InfraRed Precipitation with Station data, versión 2,0) con una resolución espacial de 0,05° que posteriormente fueron preprocesados para la implementación de enfoques basados en una simulación Montecarlo y aprendizaje reforzado profundo (DRL, por sus siglas en inglés) para proporcionar predicciones de la precipitación mensual. Los resultados obtenidos demostraron que la simulación Montecarlo como el DRL generan predicciones significativas de la precipitación mensual. Es esencial reconocer que los modelos convencionales basados en Aprendizaje profundo, como Memoria a Corto Plazo (LSTM) o Redes Convolucionales a Corto Plazo (ConvLSTM), pueden superar a los enfoques de simulación Montecarlo y DRL en términos de precisión de predicción. Se concluye que la implementación de técnicas de aprendizaje por refuerzo en modelos de predicción de la precipitación mensual detecta patrones de información que pueden ser usados como soporte a estrategias dirigidas a mitigar los riesgos económicos y sociales derivados de fenómenos climáticos.