مجله ژئوفیزیک ایران

مجله ژئوفیزیک ایران

پیش‌بینی میانگین بارش ماهانه در شمال غرب ایران با به‌کارگیری روش‌های یادگیری ماشین و دورپیوندها

نوع مقاله : مقاله پژوهشی‌

نویسندگان
1 استادیار پژوهشگاه هواشناسی و علوم جو، تهران، ایران
2 دانشیار پژوهشگاه هواشناسی و علوم جو، تهران، ایران
چکیده
در این مقاله با کمک چند روش یادگیری ماشین و استفاده از سه شاخص دورپیوندNino 3.4 ، WP و NAO، میانگین بارش ماهانه منطقه‌ای در شمال غرب ایران شامل حوزه آبریز دریاچه ارومیه پیش‌بینی می­شود. دلیل انتخاب این سه شاخص، مؤثر بودن آنها بر بارش منطقه مورد مطالعه در شمال غرب ایران است. برای این منظور دو روش مدل‌سازی ماهانه و فصلی با یکدیگر مقایسه می­شوند. ازآنجاکه شاخص­های دورپیوند ممکن است با تأخیر بر بارش مؤثر باشند، تأخیرهای مختلف صفر تا سه ماهه برای هر سه شاخص مورد مطالعه لحاظ و بهترین نتیجه استخراج شد. در این پژوهش از سه روش یادگیری ماشین جنگل تصادفی، شبکه عصبی و گرادیان تقویتی استفاده شد. در حالت ماهانه، عملکرد روش گرادیان تقویتی (با سه ماه تأخیر برای شاخص WP و دو شاخص دیگر بدون تأخیر) بهتر از روش جنگل تصادفی بود و شبکه عصبی در جایگاه آخر عملکرد قرار گرفت. از نظر تخمین بارش­های حدی نیز روش گرادیان تقویتی عملکردی پذیرفتنی دارد. در مدل‌سازی فصلی، برای سه فصل بهار (مارس- آوریل- مه)، پاییز (سپتامبر- اکتبر- نوامبر) و زمستان (دسامبر- ژانویه- فوریه)، عملکرد جنگل تصادفی و برای فصل تابستان (ژوئن- ژوئیه- اوت)، عملکرد روش تقویت گرادیان نسبت به سایر روش­ها برتری داشت.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Forecasting the average monthly rainfall in the northwest of Iran using teleconnections and machine learning

نویسندگان English

Morteza Pakdaman 1
Ebrahim Fattahi 2
Zohreh Javanshiri 1
1 Assistant Professor, Research Institute of Meteorological and Atmospheric Science (RIMAS), Tehran, Iran
2 Associate Professor, Research Institute of Meteorological and Atmospheric Science (RIMAS), Tehran, Iran
چکیده English

Forecasting monthly and seasonal rainfall is very important from a hydrological point of view, including the water resources management, as well as from climatic and atmospheric hazards perspective. Monthly and seasonal forecasts are widely used in sectors such as energy and agriculture. On the other hand, it has been proven that large-scale atmospheric teleconnections and indices have an effect on the atmospheric conditions of different parts of the earth. Machine learning methods are widely used to predict different atmospheric variables. The reason for using these methods is the high modeling ability of these algorithms when faced with a large amount of data. At the same time, these algorithms have many other capabilities such as the ability to model uncertainty.
    In this article, three machine learning methods, namely artificial neural network, gradient boosting and random forest are used for prediction. The performance of these algorithms will be compared with each other in monthly and seasonal forecasting scales. The studied area is a part of northwestern Iran, including the area of Lake Urmia basin. Three evaluation criteria, namely Nash-Sutcliffe, correlation coefficient and root mean square error were used to evaluate the results. Moreover, by using the Nino 3.4, WP, and NAO indices, the regional average monthly rainfall in the region is predicted with the help of three mentioned machine learning methods. The reason for choosing these three indicators is their effectiveness on the rainfall of the studied area. Two monthly and seasonal modeling methods are compared. Since teleconnections may be effective on precipitation with a delay, different delays of zero to three months were considered for all three studied teleconnections and the best results were obtained. Three methods of machine learning, i.e., random forest, neural network and gradient boosting were used. In the monthly mode, the performance of the gradient boosting method (with a three-month delay for the WP index and the other two indices without delay) was better than the random forest method, and the neural network ranked last in terms of performance. In terms of estimating the extreme precipitation, the gradient boosting method has an acceptable performance. In seasonal modeling, for the three seasons of spring (March-April-May), autumn (September-October-November) and winter (December-January-February), the performance of random forest and for the summer season (June-July-August), the performance of the gradient boosting method were superior to other methods.

کلیدواژه‌ها English

Precipitation
machine learning
teleconnection
artificial neural network
gradient boosting
random forest
بامری، ا.، خالقی، م.، 1401، تخمین دمای سطحی و عمقی خاک از داده‌های هواشناسی با استفاده از تکنیک‌های یادگیری ماشین در اقلیم فراخشک: تحقیقات کاربردی خاک، 10(1)، 54-68.
پاکدامن، م.، 1401، تأثیر نوع الگوریتم آموزش شبکه عصبی پرسپترون چندلایه در دقت پیش‌بینی بارش ماهانه ایران، مطالعه موردی: مدل ECMWF: فیزیک زمین و فضا، 48(1)، 213-226.
شرفی، م.، صمدیان فرد، س.، هاشمی، س.، 1399، پیش‌بینی بارش ماهانه با استفاده از مدل­های برنامه­ریزی ژنتیک و ماشین بردار پشتیبان: سامانه‌های سطوح آبگیر باران، ۸(۴)، ۶۳-۷۱.
هلالی، ج.، حسین‌زاده، ت.، چراغعلی‌زاده، م.، محمدی قلعه‌نی، م.، 1400، امکان‌سنجی استفاده از شاخص‌های پیوند از دور در پیش‌بینی بارش فصل بهار حوضه‌های آبریز ایران: تحقیقات آب و خاک ایران، 52(3)، 749-769.
Aggarwal, C. C., 2015, Data Mining: The Textbook: Springer.
Ahmadi, M., Kamangar, M., Salimi, S., Hosseini, S. A., Khamoushian, Y., Heidari, S., and Yarmoradi, Z., 2022, A new approach in evaluation impacts of teleconnection indices on temperature and precipitation in Iran: Theoretical and Applied Climatology, 150(1-2), 15-33.
Amini, M., Ghadami, M., Fathian, F., and Modarres, R., 2020, Teleconnections between oceanic–atmospheric indices and drought over Iran using quantile regressions: Hydrological Sciences Journal, 65(13), 2286-2295.
Asadi Oskouei, E., Khaki, B. D., Kouzegaran, S., Navidi, M. N., Haghighatd, M., Davatgar, N., and Lopez-Baeza, E., 2022, Mapping Climate Zones of Iran Using Hybrid Interpolation Methods: Remote Sensing, 14(11), 2632.
Bayraktar, H., Turalioglu, F. S., and Şen, Z., 2005, The estimation of average areal rainfall by percentage weighting polygon method in Southeastern Anatolia Region, Turkey: Atmospheric Research, 73(1-2), 149-160.
Breiman, L., 2001, Random Forests: Machine Learning, 45, 5–32.
Friedman, J. H., 1999, Greedy function approximation: A gradient boosting machine: The Annals of Statistics, 29(5), 1189-1232, DOI: 10.1214/aos/1013203451.
Hastie, T., Tibshirani, R.; and Friedman, J. H., 2009, The Elements of Statistical Learning (2nd ed.): Springer, 337–384.
Javanshiri, Z., Babaeian, I., and Pakdaman, M., 2023, Influence of large-scale climate signals on the precipitation variability over Iran: Stochastic Environmental Research and Risk Assessment, 37(5), 1745-1762.
Javanshiri, Z., Pakdaman, M., and Falamarzi, Y., 2021, Homogenization and trend detection of temperature in Iran for the period 1960–2018: Meteorology and Atmospheric Physics, 133, 1233-1250.
Mason, L., Baxter, J., Bartlett, P., and Frean, M., 1999, Boosting algorithms as gradient descent: Proceeding of the 12th international conference on neural information processing systems, 512-518.
Nash, J. E., and Sutcliffe, J. V., 1970, River flow forecasting through conceptual models part I—A discussion of principles: Journal of Hydrology, 10(3), 282-290. Pakdaman, M., Babaeian, I., and Bouwer, L. M., 2022a, Improved monthly and seasonal multi-model ensemble precipitation forecasts in Southwest Asia using machine learning algorithms: Water, 14(17), 2632.
Pakdaman, M., Babaeian, I., Javanshiri, Z., and Falamarzi, Y., 2022b, European multi model ensemble (EMME): A new approach for monthly forecast of precipitation: Water Resources Management, 36(2), 611-623.
Pakdaman, M., Falamarzi, Y., Babaeian, I., and Javanshiri, Z., 2020, Post-processing of the North American multi-model ensemble for monthly forecast of precipitation based on neural network models: Theoretical and Applied Climatology, 141(1-2), 405-417.
Piryonesi, S. M., and El-Diraby, T., 2021, Using machine learning to examine impact of type of performance indicator on flexible pavement deterioration modeling: Journal of Infrastructure Systems, 27(2).