مطالعات جغرافیایی مناطق کوهستانی

مطالعات جغرافیایی مناطق کوهستانی

پیش بینی دمای ماهانه با استفاده از روش‌های جدید مبتنی بر یادگیری ماشین در اقلیم‌های مختلف ایران

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی دکتری اقلیم‌شناسی، گروه جغرافیا، دانشکده ادبیات و علوم انسانی، دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران.
2 دانشیار گروه جغرافیا، دانشکده ادبیات و علوم انسانی، دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران.
3 دانشیار گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران.
4 استاد دانشکده مهندسی، دانشگاه گلف، گلف، کانادا.
چکیده
دمای هوا از اجزای اصلی مطالعات هیدروکلیماتولوژی، و متغیری کاربردی برای مدل­های برنامه­ریزی و بهره­برداری از منابع آب است. دستیابی به داده­های قابل اعتماد برای پیش­بینی تغییرات دمایی در سال­های آتی به منظور کاربرد آن در مدل­های هواشناسی و هیدرولوژیکی از مهم­ترین چالش­ها است. طی سالیان اخیر، مدلهای پیش­بینی مختلفی توانسته­اند به‌عنوان یک راهکار قابل اطمینان مورد توجه قرار گیرند. اکثر این مدل­ها بر اساس داده­های تاریخی و با بهره­گیری از تکنیک­های هوش مصنوعی عمل می کنند. در تحقیق حاضر با استفاده از روشهای مبتنی بر هوش مصنوعی مانند روشهای هیبرید GA-ANN ، ICA-ANN، PSO-ANN و مدلهای ELM، ORELM سعی شد بهترین مدل برای پیش­بینی داده­های دمای ماهانه در اقلیم­های مختلف ایران (ایستگاه­های اهواز، کرمانشاه، مشهد و رشت) در یک دورۀ آماری 58 ساله معرفی گردد، تا بتوان با استفاده از آن به نتایج قابل اعتمادی دست پیدا کرد. نتایج نشان داد که خروجی مدل  ORELMدارای بهترین برازش با داده­های مشاهداتی با ضریب همبستگی 99/0 بوده، و همچنین دارای بهترین و نزدیک­ترین پراکندگی نقاط در اطراف خط 45 درجه می­باشد که از این نظر دقیق­ترین مدل محسوب می­شود. برای اطمینان از صحت انتخاب مدل برتر از نمودار تیلور نیز استفاده شد. نتایج نشان داد که نزدیک­ترین نقطه به نقطه مرجع مربوط به روش ORELM می­باشد. لذا برای پیش بینی دمای ماهانه در اقلیم های مختلف می توان با اطمینان از مدل ORELM  استفاده کرد. این رویکرد کمک زیادی به محققین بخش آب و هواشناسی می‌کند تا با استفاده از هوش مصنوعی، تغییرات دمایی را با دقت بالاتری در سال­های آتی پیش‌بینی نموده و با اطمینان در مدل­های برنامه­ریزی منابع آب استفاده نمایند.
کلیدواژه‌ها

Aghakhani Afshar, A., Hassanzadeh, Y., Besalatpour, A. A., & Pourreza Bilondi, M. (2017). Annual assessment of Kashafrood watershed basin climate components in future periods by using fifth report of intergovernmental panel on climate change. Journal of Water and Soil Conservation, 23(6), 217-233,‏ https://doi.org/10.22069/jwfst.2017.11186.2553. (in Persian)
 Alizamir, M., Kisi, O., Ahmed, A.N., Mert, C., Fai, C.M., Kim, S., Kim, N.W. and El-Shafie, A., )2020(. Advanced machine learning model for better prediction accuracy of soil temperature at different depths. PLoS One, 15(4), p.e0231055, https://doi.org/10.1371/journal.pone.0231055.
Astsatryan, H., Grigoryan, H., Poghosyan, A., Abrahamyan, R., Asmaryan, S., Muradyan, V., ... & Giuliani, G. (2021). Air temperature forecasting using artificial neural network for Ararat valley. Earth Science Informatics, 14, 711-722, https://doi.org/10.1007/s12145-021-00583-9.
Azari, A., Zeynoddin, M., Ebtehaj, I., Sattar, A. M., Gharabaghi, B., & Bonakdari, H. (2021). Integrated preprocessing techniques with linear stochastic approaches in groundwater level forecasting. Acta Geophysica, 69(4), 1395-1411, https://doi.org/10.1007/s11600-021-00617-2.
Azari, B., Hassan, K., Pierce, J., & Ebrahimi, S. (2022). Evaluation of machine learning methods application in temperature prediction. Environ Eng, 8, 1-12, https://doi.org/10.52547/crpase.8.1.2747.
Ebtehaj, I., Bonakdari, H., & Shamshirband, S. (2016). Extreme learning machine assessment for estimating sediment transport in open channels. Engineering with Computers, 32, 691-704, https://doi.org/10.1007/s00366-016-0446-1.
Ebtehaj, I., Bonakdari, H., Zeynoddin, M., Gharabaghi, B., & Azari, A. (2020). Evaluation of preprocessing techniques for improving the accuracy of stochastic rainfall forecast models. International Journal of Environmental Science and Technology, 17, 505-524, https://doi.org/10.1007/s13762-019-02361-z.
Esmaeili, F., Shabanlou, S., & Saadat, M. (2021). A wavelet-outlier robust extreme learning machine for rainfall forecasting in Ardabil City, Iran. Earth Science Informatics, 14(4), 2087-2100, https://doi.org/10.1007/s12145-021-00681-8.
Feigl, M., Lebiedzinski, K., Herrnegger, M., & Schulz, K. (2021). Machine-learning methods for stream water temperature prediction. Hydrology and Earth System Sciences, 25(5), 2951-2977, https://doi.org/10.5194/hess-25-2951-2021.
Huang, G. B., & Siew, C. K. (2004, December). Extreme learning machine: RBF network case. In ICARCV 2004 8th Control, Automation, Robotics and Vision Conference, 2004. (Vol. 2, pp. 1029-1036). IEEE, https://doi.org/10.1109/ICARCV.2004.1468985.
Huang, G. B., Zhu, Q. Y., & Siew, C. K. (2006). Extreme learning machine: theory and applications. Neurocomputing, 70(1-3), 489-501, https://doi.org/10.1016/j.neucom.2005.12.126.
Inard, C., Bouia, H., & Dalicieux, P. (1996). Prediction of air temperature distribution in buildings with a zonal model. Energy and buildings, 24(2), 125-132, https://doi.org/10.1016/03787788(95)00969-8.
IPCC, (2013),Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Stocker, T.F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 1535 pp, https://doi.org/10.1017/CBO978110741532
IPCC. (2001), Special Report on Emission Scenarios. N. Nakicenovic, R. Swart (Eds). Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), Cambridge University Press, Cambridge, UK.
Jusuf, S. K., & Wong, N. H. (2009). Development of empirical models for an estate level air temperature prediction in Singapore. In Proceedings of the second international conference on countermeasures to urban heat islands (pp. 21-23).‏
Masoodian, S. A. (2004). Temperature trends in Iran during the last half century. Geography and Development, 2(3), 89-106. ‏ (in Persian)
Masoompoor Samakoosh, J; Sohrabi, V; & Miri, M. (2022), Evaluation and prediction of droughts in the we.st and northwest of Iran using artificial neural network. Journal of Geographical Studies of Mountainous Areas, 3(10), 19-37, https://doi.org/ 10.52547/gsma.3.2.19. (in Persian)
Mohammed, K. S., Shabanlou, S., Rajabi, A., Yosefvand, F., & Izadbakhsh, M. A. (2023). Prediction of groundwater level fluctuations using artificial intelligence-based models and GMS. Applied Water Science, 13(2), 54, ‏ https://doi.org/10.1007/s13201-022-01861-7.
Pandey, P., & Govind, R. (2016). Analysis of randomized performance of bias parameters and activation function of extreme learning machine. International Journal of Computer Applications, 135(1), 23-28.‏
Roy, D. S. (2020). Forecasting the air temperature at a weather station using deep neural networks. Procedia Computer Science, 178, 38-46, https://doi.org/10.1016/j.procs.2020.11.005
Salcedo-Sanz, S., Deo, R. C., Carro-Calvo, L., & Saavedra-Moreno, B. (2016). Monthly prediction of air temperature in Australia and New Zealand with machine learning algorithms. Theoretical and applied climatology, 125, 13-25, https://doi.org/10.1007/s00704-015-1480-4.
Soltani, K., Ebtehaj, I., Amiri, A., Azari, A., Gharabaghi, B., & Bonakdari, H. (2021). Mapping the spatial and temporal variability of flood susceptibility using remotely sensed normalized difference vegetation index and the forecasted changes in the future. Science of the Total Environment, 770, 145288, https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.145288.
Swaid, H., & Hoffman, M. E. (1990). Prediction of urban air temperature variations using the analytical CTTC model. Energy and Buildings, 14(4), 313-324, https://doi.org/10.1016/03787788(90)90094-Y.
Taylor, K. E. (2001). Summarizing multiple aspects of model performance in a single diagram. Journal of geophysical research: atmospheres, 106(D7), 7183-7192, https://doi.org/10.1029/2000JD900719.
Yang, J., & Zhang, Y. (2011). Alternating direction algorithms for \ell_1-problems in compressive sensing. SIAM journal on scientific computing, 33(1), 250-278, https://doi.org/10.1137/090777761.
Zeynoddin, M., Bonakdari, H., Azari, A., Ebtehaj, I., Gharabaghi, B., & Madavar, H. R. (2018). Novel hybrid linear stochastic with non-linear extreme learning machine methods for forecasting monthly rainfall a tropical climate. Journal of environmental management, 222, 190-206, https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2018.05.072.
Zeynoddin, M., Bonakdari, H., Ebtehaj, I., Azari, A. and Gharabaghi, B. 2020. A generalized linear stochastic model for lake level prediction. Science of The Total Environment. 723, 138015, https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.138015