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研究生: 許燕哲
Hsu, Che-Yen
論文名稱: 應用倒傳遞類神經網路預報颱風降雨量歷程之探討
Application of Back Propagation Neural Network in Typhoon Rainfall Forecasting
指導教授: 周乃昉
Zhou, Nai-Fang
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 水利及海洋工程學系
Department of Hydraulic & Ocean Engineering
論文出版年: 2020
畢業學年度: 108
語文別: 中文
論文頁數: 104
中文關鍵詞: 類神經網路倒傳遞類神經網路颱風降雨量模擬
外文關鍵詞: Typhoon rainfall, artificial neural network, back-propagation
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  •   颱風是臺灣水資源的重要來源之一。颱風降雨量隨著其移動路徑、本身特性及降雨地點地域因子的影響,有關因子對颱風降雨之共同影響為非線性。雖然有許多描述降雨機制的物理公式已被發展來推估即時降雨,但成果都不盡理想。
      本研究使用倒傳遞網路建立颱風降雨量模擬模式與預測模式,將複雜的颱風降雨機制映射在類神經網路架構內,據以推估颱風降雨量。本研究中以颱風資料及測站氣象資料做為類神經網路的輸入變量以模擬降雨量。在模擬模式基礎上,預測模式先將輸入變量與雨量做相關係數分析,對於相關係數較接近0的變量以不同輸入變量組合選取模式中較佳之模式做為類神經網路的輸入變量以預測降雨量。
      本研究在模擬模式及預測模式中以輸入變量時間上不同分別建立三種模式,模式I輸入變量為t時刻;模式II輸入變量時間為t+1時刻;模式III則為模式I及模式II的所有輸入變量一併納入模擬。另一方面,模擬模式再以變量中有無考慮前1小時雨量細分為模式A及模式B。在預測模式中依據領先時間不同而建置領先1時段、領先3時段及領先N時段。在領先3時段中再建置兩種模式,方法1以領先1時段方法預測未來第1小時雨量,再將預測雨量帶回原本模式做為前1小時雨量持續計算致第3小時雨量,方法2是以t時刻輸入變量直接預測t+3時刻雨量,由預測結果可知以方法1有較好的預測結果。在領先N時段中,N是指颱風事件中海上颱風警報第一報至解除海上颱風警報之間的時間,模式中由於N通常離第1小時相差甚遠,故此模式在輸入變量中未考慮前1小時雨量。在模擬模式中模式A及模式B及預測模式中領先1、3及N時段皆是以模式III有較佳的模擬結果。

    Typhoon is one of the most important source of water resources of Taiwan. Typhoon brought abundant rainfall to its covering area. It is generally regarded moving path, characteristics of typhoon, local terrain and meteorological factors of a gage station as major factors affect rainfall depth. There are many approaches were developed to simulate the complicated non-linear process of typhoon rainfall. However, the accuracy of simulation may be improved. It takes typhoon data and weather station data as input of BPN model.

    In this study, a typhoon rainfall simulation model and a prediction model were established using the back-propagation artificial neural network model (BPN) to estimate the typhoon rainfall. On the basis of the simulation model, the prediction model firstly analyzes the correlation coefficient (CC) between the input variables and rainfall, For the variables with a CC close to 0, the better model selected from different combinations of input variables is used as the input of the BPN.

    In the simulation model and the prediction model, three models are established according to the different time of input variables, mode I input variable time is t; mode II input variable time is t+1; For mode III, all input variables of mode I and mode II are included in the simulation. On the other hand, the variables including and excluding the rainfall before one hour were subdivided into mode A and mode B. In the prediction model, lead time 1 hour, lead time 3 hour and lead time N hour are constructed according to different lead times, among them two different models were constructed in the lead 3 time, method 1 uses the lead time 1 hour method to predict the rainfall of the first hour in the future, and then takes the predicted rainfall back to the original model as the continuous calculation of the rainfall of the third hour in the previous hour, method 2 directly predicted the rainfall at time t+3 with the input variable at time t, the prediction results show that method 1 has better prediction results. In the lead time N hour, N refers to the time between the first report of the typhoon warning at sea and the lifting of the typhoon warning at sea in a typhoon event. The results in the simulation mode that mode A and mode B has better simulation results in mode III. In the prediction model, the mode III at the lead time 1 hour and lead time 3 hour had a better prediction result, while the mode III at the lead time N hour had a better prediction result.

    摘要 I Abstract II 誌謝 VI 目錄 VII 表目錄 X 符號對照表 XVI 第一章 前言 1 1.1 研究背景 1 1.2 研究目的 1 第二章 文獻回顧 3 2.1 颱風降雨量模擬研究 3 2.2 機器學習應用於降雨量分析 4 2.3 應用類神經網路模擬於預測颱風降雨量之研究 4 第三章 研究方法 6 3.1 研究構想與定位 6 3.2 倒傳遞類神經網路 7 3.2.1 演算原理 7 3.2.2 演算步驟 12 3.2.3 精簡類神經網路 15 3.3 颱風降雨量影響因素 19 3.3.1 颱風模式法 19 3.3.2 其他影響颱風降雨因素 22 3.4 應用倒傳遞網路模擬颱風降雨量 23 3.4.1 模擬模式架構與輸入變量 23 3.5 應用倒傳遞網路預測颱風降雨量 25 3.5.1 預測模式架構與變量未來值之預測 25 3.5.2 領先1時段_預測 30 3.5.3 領先3時段_預測 31 3.5.4 領先N時段_預測 31 3.6 評鑑指標 31 第四章 實例分析 33 4.1 研究地區簡介 33 4.2 颱風降雨資料蒐集與整理 34 4.2.1 颱風資料 34 4.2.2 測站氣象資料 36 4.3 模式發展 37 4.3.1 模式架構 37 4.3.2 模式訓練與測試 38 第五章 模擬模式探討 39 5.1 輸出與輸入變量 40 5.2 模式架構選取訓練 43 5.3 模式測試 49 5.4 模擬成果檢討 63 第六章 預測模式探討 65 6.1 預測模式建置-領先1時段 65 6.1.1 模式輸入變量組合測試 65 6.1.2 輸出與輸入變量 67 6.1.3 模式架構選取訓練 68 6.1.4 模式測試 70 6.1.5 預測成果檢討 75 6.2 預測模式建置-領先3時段 76 6.2.1 模式輸入變量組合測試 76 6.2.2 輸出與輸入變量 77 6.2.3 模式架構選取訓練 79 6.2.4 模式測試 81 6.2.5 預測成果檢討 86 6.3 預測模式建置-領先N時段 87 6.3.1 模式輸入變量組合測試 87 6.3.2 輸出與輸入變量 88 6.3.3 模式架構選取訓練 90 6.3.4 模式測試 92 6.3.5 預測成果檢討 97 第七章 結論與建議 99 7.1 結論 99 7.2 建議 100 參考文獻 102

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    下載圖示 校內:2025-09-04公開
    校外:2025-09-04公開
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