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Climate-related variables may not improve monthly scale rainfall predictions by artificial neural networks for the metropolitan region of Belo Horizonte, Brazil
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Instituto de Pesquisas Ambientais em Bacias Hidrográficas
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Áreas Temáticas da Extenção
Objetivos de Desenvolvimento Sustentável
Dados abertos
Resumo
As redes neurais artificiais (RNAs) podem apresentar problemas devido a preditores
insuficientes ou não informativos, o que é comum para previsões complexas, como as de
precipitação pluvial. No entanto, alguns estudos apontam para o uso de variáveis e anomalias
climáticas como preditores para tornar a previsão mais precisa. Esta pesquisa teve como
objetivo prever a precipitação mensal, com um mês de antecedência, em quatro municípios da
região metropolitana de Belo Horizonte utilizando uma RNA treinada com diferentes variáveis
climáticas; além disso, buscou indicar a adequação de tais variáveis como entrada para esses
modelos. Os modelos foram desenvolvidos por meio do software MATLAB® versão R2011a
utilizando a toolbox NNTOOL. As RNAs foram treinadas pela arquitetura multilayer
perceptron e pelo algoritmo feedforward e backpropagation usando duas combinações de
dados de entrada, com duas e seis variáveis, e uma combinação de dados de entrada com as três
variáveis mais correlacionadas com precipitação observada de 1970 a 1999 para prever a
precipitação de 2000 a 2009. A variável climática mais correlacionada com a precipitação do
mês seguinte foi a temperatura média compensada. Mesmo utilizando as variáveis mais
correlacionadas com a precipitação como preditores (0,66 ≤ índice nt ≤ 1,26), não houve
melhora significativa na capacidade preditiva dos modelos quando comparado aos que não
utilizaram variáveis climáticas como preditores (0,55 ≤ índice nt ≤ 0,80).
Abstract
Artificial neural networks (ANNs) may experience problems due to insufficient or uninformative predictors, and these problems are common for complex predictions such as those for rainfall. However, some studies point to the use of climate variables and anomalies as predictors to make the forecast more accurate. This research aimed to predict the monthly rainfall, one month in advance, in four municipalities of the metropolitan region of Belo Horizonte using an ANN trained with different climate variables; additionally, it aimed to indicate the suitability of such variables as inputs to these models. The models were developed using the MATLAB® software Version R2011a using the NNTOOL toolbox. The ANNs were trained by the multilayer perceptron architecture and the feedforward and backpropagation algorithm using two combinations of input data, with two and six variables, and one combination of input data with the three most correlated variables to observed rainfall from 1970 to 1999 to predict the rainfall from 2000 to 2009. The climate variable most correlated with the rainfall of the following month was the average compensated temperature. Even when using the variables most correlated with precipitation as predictors (0.66 ≤ nt index ≤ 1.26), there was no notable improvement in the predictive capacity of the models when compared to those that did not use climate variables as predictors (0.55 ≤ nt index ≤ 0.80).
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SILVA, M. A. da et al. Climate-related variables may not improve monthly scale rainfall predictions by artificial neural networks for the metropolitan region of Belo Horizonte, Brazil. Revista Ambiente Água, Taubaté, v. 18, 2023.
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