مدل‌سازی بارش روزانه و ماهانه تبریز با استفاده از مدل‌های یادگیری جمعی و رگرسیون درخت تصمیم

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

2 گروه مهندسی کامپیوتر، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

10.30488/ccr.2024.433394.1192

چکیده

بارش یکی از مهم‌ترین مولفه‌های هیدرولوژی و هواشناسی است که پیش‌بینی مقادیر آن در زمینه‌های مختلفی همچون کشاورزی، شرب، صنعت، بهداشت، اقلیم و محیط‌زیست از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. با توجه به اینکه وقوع، نوع و میزان بارش به عوامل بسیار زیادی بستگی دارد، مدل‌سازی و پیش‌بینی مقدار بارش همواره دارای پیچیدگی‌ها و چالش‌های فراوان بوده است. در این پژوهش از داده‌های پارامترهای هواشناسی ایستگاه همدیدی تبریز شامل دماهای کمینه، بیشینه و میانگین، رطوبت نسبی میانگین، فشار هوای میانگین، سرعت باد بیشینه و بارش در مقیاس‌های زمانی روزانه و ماهانه در یک دوره 35 ساله (2020-1986) استفاده شد. از روش‌های یادگیری ماشین و یادگیری جمعی شامل شبکه عصبی مصنوعی پرسپترون چندلایه (MLP)، جنگل تصادفی (RF)، آدابوست (AB)، تقویت گرادیان (GB)، درختان اضافی (ET) و مدل رگرسیون درخت تصمیم (DTR) برای مدل‌سازی بارش استفاده شد. بدین منظور 70 درصد از داده‌ها برای آموزش و 30 درصد از داده‌ها نیز برای آزمون مدل‌ها در نظر گرفته شدند. برای ارزیای مدل‌های مورد استفاده، از معیارهای آماری ضریب همبستگی (R)، جذر میانگین مربعات خطاها (RMSE)، میانگین خطای مطلق (MAE) و کلینگ گوپتا (KGE) استفاده شد. مطابق نتایج این تحقیق در مقیاس روزانه مدل MLP با 0/184=R=0/993،RMSE میلی‌متر، 0/184=MAE میلی‌متر و 0/82=KGE و مدل ET با 0/324=R=0/986،RMSE میلی‌متر، 0/324=MAE میلی‌متر و 0/75=KGE و در مقیاس ماهانه به‌ترتیب مدل MLP با 0/153=R=0/999،RMSE میلی‌متر، 0/222=MAE میلی‌متر و 0/88=KGE و مدل ET با 0/266=R=0/981،RMSE میلی‌متر، 0/197=MAE میلی‌متر و 0/71=KGE از بیشترین دقت و کمترین خطا برخوردارند. به‌طورکلی نتایج این پژوهش نشان‌دهنده عملکرد بسیار مناسب مدل‌های یادگیری ماشین و یادگیری جمعی در مدل‌سازی بارش در هر دو مقیاس زمانی روزانه و ماهانه است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Modeling Daily and Monthly Rainfall in Tabriz using Ensemble Learning Models and Decision Tree Regression

نویسندگان [English]

  • Mohammad Taghi Sattari 1
  • Razieh Bagheri 1
  • Kimia Shirirni 2
  • Pouya Allahverdipour 1
1 Associate Professor of Water Resources Engineering, Department of Water Engineering, Faculty of Agriculture, Tabriz University, Tabriz, Iran
2 Department of Computer Engineering, Faculty of Electrical and Computer Engineering, University of Tabriz, Tabriz, Iran,
چکیده [English]

Precipitation is one of the most important components of hydrology and meteorology, and the prediction of its values are important in various fields, such as agriculture and the environment. Considering that the occurrence of precipitation and its amount depend on many factors, the modeling of precipitation has many complications. In this research, the meteorological data of Tabriz synoptic station including minimum, maximum and average temperature, relative humidity, air pressure, maximum wind speed and precipitation in the period of 1986-2020 were used. The machine learning and ensemble learning methods including Multi Layer Perceptron (MLP), Random Forest (RF), Ada Boost (AB), Gradient Boost (GB), Extra Trees (ET) and Decision Tree Regression (DTR) models were used for rainfall modeling. 70% of the data was used for training and 30% for testing the models. The statistical criteria of Coefficient of Correlation (R), Root Mean Square Error (RMSE), Mean Absolute Error (MAE) and Kling-Gupta Efficiency (KGE) were used to evaluate the models. According to the results, on daily scale the MLP model with R=0.993, RMSE=0.184, MAE=0.184 and KGE=0.82, and the ET model with R=0.986, RMSE=0.324, MAE=0.324 and KGE=0.75, respectively, and on monthly scale the MLP model with R=0.999, RMSE=0.153, MAE=0.222 KGE=0.88, and the ET model with R=0.981, RMSE=0.266, MAE=0.197 and KGE=0.71, respectively, have the highest accuracy. Overall, the results show that machine learning and ensemble learning models perform well in predicting daily and monthly rainfall.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Artificial Neural Networks
  • Ensemble Learning
  • Extra Trees
  • Precipitation
  • Random Forest