In this research paper, we study the capability of artificial neural network models to emulate storm surge based on the storm track/size/intensity history, leveraging a database of synthetic storm simulations. Traditionally, Computational Fluid Dynamics solvers are employed to numerically solve the storm surge governing equations that are Partial Differential Equations and are generally very costly to simulate. This study presents a neural network model that can predict storm surge, informed by a database of synthetic storm simulations. This model can serve as a fast and affordable emulator for the very expensive CFD solvers. The neural network model is trained with the storm track parameters used to drive the CFD solvers, and the output of the model is the time-series evolution of the predicted storm surge across multiple nodes within the spatial domain of interest. Once the model is trained, it can be deployed for further predictions based on new storm track inputs. The developed neural network model is a time-series model, a Long short-term memory, a variation of Recurrent Neural Network, which is enriched with Convolutional Neural Networks. The convolutional neural network is employed to capture the correlation of data spatially. Therefore, the temporal and spatial correlations of data are captured by the combination of the mentioned models, the ConvLSTM model. As the problem is a sequence to sequence time-series problem, an encoder-decoder ConvLSTM model is designed. Some other techniques in the process of model training are also employed to enrich the model performance. The results show the proposed convolutional recurrent neural network outperforms the Gaussian Process implementation for the examined synthetic storm database.


翻译:在本研究论文中,我们研究了人工神经网络模型的能力,以根据风暴轨迹/规模/强度历史,利用合成风暴模拟数据库,利用风暴轨迹/规模/强度历史,模仿风暴潮。传统上,计算流流体动态解析器用于数字解决风暴潮,对部分差异方程式进行数字化调整,这些方程式一般是模拟成本很高的。本研究展示了一个神经网络模型,通过合成风暴模拟数据库,可以预测风暴潮。这个模型可以作为非常昂贵的CFD解答器快速和负担得起的模拟器。神经网络模型是用用来驱动CFD解答器的风暴轨迹参数来训练的,模型的输出是预测的风暴潮涌在空间利益范围内的多个节点上进行的时间序列演进。模型一旦经过培训,就可以根据新的风暴轨迹投入进行进一步预测。开发的神经网络模型模型是一种时间序列模型模型,一个长期记忆,一个经常神经网络的变换,由Concial Neural 网络加以补充。该模型的配置是用于Colurational-deal 时间序列序列模型运行运行过程的模型,并且将数据显示。

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