Redes Probabilísticas y Neuronales en las Ciencias Atmosféricas

J.M. Gutiérrez, R. Cano, A.S. Cofiño, and C. Sordo

Monografías del Instituto Nacional de Meteorología,

Ministerio de Medio Ambiente, Madrid (2004)

ISBN: 84-8320-281-6

Grupo AIMet (Universidad de Cantabria / Instituto Nacional de Meteorología)

El precio del libro es de 20€ y se puede comprar directamente online, o a través de los puntos de venta del INM.

Este libro viene acompañado de un software que ilustra los distintos algoritmos y métodos. El software es una toolbox (librería) de Matlab (www.mathworks.com) denominado MeteoLab y se distribuye gratuitamente bajo licencia GNU.

Tabla de Contenidos del Libro

Prefacio ii

Acrónimos y Terminología Utilizados xii

I INTRODUCCIÓN

1. Modelos y Datos Atmosféricos

1.1. Introducción 3

1.2. Las Ecuaciones de la Atmósfera 4

1.2.1. Filtrado de Soluciones Triviales 7

1.3. Resolución Numérica de las Ecuaciones 8

1.3.1. Asimilación de Datos 8

1.3.2. Parametrización de Procesos Físicos 10

1.4. Variabilidad Atmosférica 11

1.4.1. Escalas Atmosféricas 11

1.4.2. Patrones de Oscilación Atmosférica y Teleconexión 12

1.5. Tipos de Modelos Numéricos del Tiempo 14

1.5.1. Modelos Globales de Circulación General 15

1.5.2. Modelos Regionales 16

1.5.3. Modelos Mesoscalares 17

1.6. No Linealidad y Caos en la Atmósfera 18

1.6.1. Predecibilidad y Predicción por Conjuntos 21

1.7. Estado Actual de la Predicción Operativa 24

1.7.1. Nowcasting. Predicción Inmediata 24

1.7.2. Predicción a Corto Plazo 24

1.7.3. Predicción a Medio Plazo por Conjuntos 26

1.7.4. Predicción Estacional por Conjuntos 28

1.7.5. Predicción Climática 30

1.7.6. Tipos de Predicción: Determinista y Probabilística 30

1.8. Futuro de la Predicción Numérica 31

1.9. Datos Climatológicos y Meteorológicos 31

1.9.1. Redes de Observación 32

1.9.2. MeteoLab: Observaciones 34

1.9.3. Datos Paleoclimáticos . 38

1.9.4. Simulaciones de Modelos Numéricos 39

1.9.5. MeteoLab: Patrones Atmosféricos 41

II TÉCNICAS ESTADÍSTICAS ESTÁNDAR

2. Técnicas Estadísticas. Análisis y Exploración de Datos

2.1. Introducción 47

2.2. Probabilidad y Variables Aleatorias 48

2.2.1. Funciones de Probabilidad 49

2.2.2. Probabilidades Conjuntas 52

2.2.3. Probabilidades Marginales y Condicionadas 54

2.3. Generadores de Tiempo (Weather Generators) 56

2.3.1. Generadores Estocásticos de Precipitación 56

2.3.2. Modelos de Intensidad del Evento 59

2.4. Dependencia e Independencia de Variables 61

2.4.1. Correlación e Información Mutua 64

2.5. Componentes Principales y EOF 68

2.5.1. MeteoLab: Componentes Principales y EOF 74

2.5.2. Elección del Número de Componentes 79

2.5.3. Efectos de la Escala Temporal 81

2.6. Técnicas de Agrupamiento 82

2.6.1. Técnicas Jerárquicas 83

2.6.2. Técnicas Particionales 85

2.6.3. MeteoLab: Técnicas de Agrupamiento 89

3. Técnicas Estadísticas. Modelización y Predicción

3.1. Introducción 91

3.2. Downscaling Estadístico 92

3.3. Técnicas Estadísticas para Series Temporales 94

3.3.1. Modelos Autoregresivos 95

3.3.2. MeteoLab: Modelos Autoregresivos 96

3.3.3. Series Caóticas. Técnicas de Inmersión 97

3.3.4. Modelos de Markov 100

3.4. Regresión 101

3.4.1. Regresión Lineal 101

3.4.2. Regresión Lineal Múltiple 104

3.4.3. Regresión No Lineal 106

3.4.4. MeteoLab: Regresión 107

3.5. Correlación Canónica 109

3.5.1. Predicción con Correlación Canónica 111

3.5.2. MeteoLab: Correlación Canónica 111

3.5.3. Efectos de la Escala Temporal 115

3.6. Aplicación al Downscaling. MOS y Perfect Prog 117

3.6.1. Modelos Globales y Locales. Dependencia Espacial 118

3.7. Técnicas Locales de Análogos 120

3.7.1. Influencia del Período de Reanálisis Utilizado 121

3.7.2. MeteoLab: Técnicas Locales de Análogos 122

3.8. Comparación de Técnicas en el Corto Plazo 124

III TÉCNICAS DE APRENDIZAJE AUTOMÁTICO

4. Redes Probabilísticas (Bayesianas)

4.1. Introducción 129

4.2. Sistemas Inteligentes 130

4.3. Sistemas Inteligentes Probabilísticos 132

4.4. Redes Probabilísticas 135

4.4.1. Codificación de Dependencias. Criterios de Separación 135

4.4.2. Factorización de la Probabilidad 137

4.5. Redes Bayesianas. Definición y Tipos 138

4.6. Razonamiento Probabilístico. Inferencia 139

4.6.1. MeteoLab: Modelo de Meteoros (I) 140

4.7. Algoritmos de Aprendizaje Automático 146

4.7.1. Algoritmo K2 147

4.7.2. MeteoLab: Modelo de Meteoros (II) 148

4.7.3. El Algoritmo de Aprendizaje B 150

4.7.4. Algoritmos de Aprendizaje Local. LK2 y LB 151

4.7.5. MeteoLab: Modelado de Meteoros (III) 153

4.8. Aplicaciones 155

4.8.1. Modelos Conceptuales 156

4.8.2. Dependencia Espacial en la Red Pluviométrica 160

4.8.3. Generadores de Tiempo (Weather Generators) 162

4.8.4. Predicción Probabilística Local (Downscaling) 165

4.8.5. Aplicación al Relleno de Lagunas 169

5. Redes Neuronales

5.1. Introducción 175

5.2. Estructura de una Red Neuronal 176

5.3. Aprendizaje y Validación 178

5.4. Perceptrones (Redes de una Capa) 180

5.4.1. Algoritmo de Aprendizaje. La Regla Delta 180

5.4.2. Mejoras y Modificaciones 182

5.5. Redes Multi-Capa 186

5.5.1. El Algoritmo de Retro-propagación 187

5.5.2. MeteoLab: El Sistema de Lorenz 193

5.6. Redes de Función de Base Radial 194

5.6.1. Aprendizaje de los Parámetros 195

5.6.2. MeteoLab: Funciones de Base Radial 196

5.7. Redes Competitivas 198

5.8. Redes Auto-Organizativas (SOM) 201

5.8.1. MeteoLab: Predicción con Redes Neuronales 206

5.9. Predicción a Plazo Medio con SOM 209

5.10. Predicción Estacional 215

IV APÉNDICES

6. Implementación Operativa. El Sistema PROMETEO 225

6.1. Introducción 225

6.2. Sistema Operativo en el INM 226

6.2.1. Configuración e Inicialización del Sistema 227

6.2.2. Explotación Operativa 229

6.2.3. Acceso Web a las Predicciones 230

6.3. Casos de Estudio 231

6.4. Validación. Retroalimentación del Sistema 235

6.4.1. Validación Operativa de Prometeo 236

7. Verificación de Sistemas de Predicción Probabilística 241

7.1. Introducción 241

7.2. Tipos de Predicciones 242

7.2.1. Predicciones Deterministas 243

7.2.2. Predicciones Probabilísticas 243

7.3. Aspectos de la Calidad de una Predicción 244

7.4. Verificación de Predicciones Deterministas 248

7.4.1. Predicciones Binarias 250

7.5. Verificación de Predicciones Probabilísticas 253

7.5.1. Brier Score 253

7.5.2. Brier Skill Score 255

7.6. Predicciones Binarias Probabilísticas 256

7.6.1. Curvas ROC (Relative Operating Characteristics) 256

7.6.2. Valor Económico 259

7.7. MeteoLab: Validación 262

Bibliografía 265

Indice de Palabras 276

Este libro recopila el trabajo de los últimos años llevado a cabo en el grupo de investigación de Inteligencia Artificial en Meteorología, AIMet, de la Universidad de Cantabria, en temas relativos a la aplicación de técnicas estadísticas y de minería de datos / aprendizaje automático en distintos problemas meteorológicos, especialmente en la predicción local (downscaling).

El libro viene acompañado de de un software para MatLab que ilustra los distintos algoritmos y métodos descritos. El software es una toolbox (librería) denominado MeteoLab http://grupos.unican.es/ai/meteo/MeteoLab.html y que incorpora comandos para importar fácilmente observaciones y predicciones (GRIB), cálculo de EOF, CCA, regresiones, generadores de tiempo, aplicación de redes neuronales, visualización, etc. Este software se distribuye gratuitamente bajo licencia GNU.

Por otra parte, tomando como núcleo el software MeteoLab, se han desarrollado tecnologías específicas para la aplicación operativa de las técnicas más eficientes de downscaling, su ejecución en tiempo real, su almacenamiento en bases de datos, y el acceso interactivo via Web. A esta tecnología la denominamos Prometeo, y ya se ha realizado una adaptación a medida para el Instituto Nacional de Meteorología, a través de un contrato de adaptación de la licencia Prometeo a su base de datos de observaciones. Un ejemplo del producto final se tiene en:

http://meteo.macc.unican.es/prometeo que ofrece interactivamente predicciones locales diarias en más de 3000 localidades españolas de precipitación, temperaturas, viento, etc.

Esperamos que este material os sea de utilidad.

Un saludo.

http://grupos.unican.es/ai/meteo/Book.html

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