Rainfall forecasting plays a critical role in climate adaptation, agriculture, and water resource management. This study develops long-term forecasts of monthly rainfall across 19 districts of West Bengal using a century-scale dataset spanning 1900-2019. Daily rainfall records are aggregated into monthly series, resulting in 120 years of observations for each district. The forecasting task involves predicting the next 108 months (9 years, 2011-2019) while accounting for temporal dependencies and spatial interactions among districts. To address the nonlinear and complex structure of rainfall dynamics, we propose a hierarchical modeling framework that combines regression-based forecasting of yearly features with multi-layer perceptrons (MLPs) for monthly prediction. Yearly features, such as annual totals, quarterly proportions, variability measures, skewness, and extremes, are first forecasted using regression models that incorporate both own lags and neighboring-district lags. These forecasts are then integrated as auxiliary inputs into an MLP model, which captures nonlinear temporal patterns and spatial dependencies in the monthly series. The results demonstrate that the hierarchical regression-MLP architecture provides robust long-term spatio-temporal forecasts, offering valuable insights for agriculture, irrigation planning, and water conservation strategies.


翻译:降雨量预测在气候适应、农业和水资源管理领域具有关键作用。本研究利用1900-2019年的世纪尺度数据集,对西孟加拉邦19个地区的月降雨量进行长期预测。通过将日降雨记录聚合为月序列,每个地区获得了120年的观测数据。预测任务涉及对未来108个月(9年,2011-2019年)的降雨量进行预测,同时考虑时间依赖性和地区间的空间交互作用。针对降雨动态的非线性和复杂结构,我们提出了一种分层建模框架:结合基于回归的年际特征预测与多层感知机(MLP)的月尺度预测。首先利用回归模型预测年际特征(包括年总量、季度比例、变异度量、偏度和极端值),该模型同时考虑了自身滞后项和邻近地区滞后项。随后将这些预测结果作为辅助输入集成到MLP模型中,以捕捉月序列中的非线性时间模式和空间依赖性。结果表明,分层回归-MLP架构能够提供稳健的长期时空预测,为农业规划、灌溉管理和水资源保护策略提供重要参考依据。

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