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Deep learning approach for one-hour ahead forecasting of weather data

自回归积分移动平均 平均绝对百分比误差 均方误差 风速 自适应神经模糊推理系统 统计 气象学 相关系数 环境科学 时间序列 数学 计算机科学 模糊逻辑 人工智能 模糊控制系统 地理
作者
Arif Özbek
出处
期刊:Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, And Environmental Effects [Taylor & Francis]
卷期号:45 (3): 7606-7628 被引量:4
标识
DOI:10.1080/15567036.2023.2222690
摘要

Weather is made up of multiple parameters, including solar radiation (SR), atmospheric pressure (AP), soil temperature (ST), atmospheric temperature (AT), wind speed (WS), relative humidity (RH), and sunshine duration (SD). These factors are also crucial for the renewable energy sector, solar simulation, agriculture, air pollution, water supply and distribution, avalanche warning, forestry, and town and regional planning. A deep learning method based on a neural network with Long Short-Term Memory (LSTM) was employed in this investigation for one-hour-ahead weather data forecasting. The ability of the LSTM model was compared with the Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System (ANFIS) with that of the fuzzy c-means (FCM), Autoregressive Integrated Moving Average (ARIMA) model, and the Autoregressive Moving Average (ARMA) model. Mean absolute error (MAE), correlation coefficient (R), root means square error (RMSE), average bias, Nash – Sutcliffe efficiency coefficient (NSE), and mean absolute percentage error (MAPE) were selected as evaluation criteria. Results indicated that the proposed LSTM model presented good enough results compared to other used methods. 7 different types of meteorological data from a total of 4 years (35040 hours) were divided into 25% test data and 75% training data for the models. The best result was obtained for the hourly ST estimation of Adana province using the LSTM method, the MAE, RMSE, R, bias, NSE, and MAPE values were computed as 0.016°C, 0.078°C, 0.9999, −0.00018°C, 0.0805%, and 0.9999, respectively. On the other hand, the worst result was obtained for the hourly SD for Mardin province when ARIMA was used, and the statistical measures were derived as 0.128 hours for MAE, 0.215 hours for RMSE, 0.8851 for R, 0.00091 hours for bias, and 0.7657 for NSE. In this regard, it is demonstrated that the LSTM technique outperformed the other models in terms of all-weather data estimates and delivered highly sensitive outcomes.
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