پژوهش‌های تغییرات آب و هوایی

پژوهش‌های تغییرات آب و هوایی

داده ‌کاوی دمای‌ هوا 24 ساعته ایران با استفاده از یادگیری ماشین شبکه عصبی پرسپترون چندلایه

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی، دکتری آب و هواشناسی، دانشگاه تبریز، ایران
2 استاد، گروه آب و هواشناسی، دانشگاه تبریز، ایران
چکیده
هدف از این تحقیق، داده‌کاوی دمای‌هوا‌ 24 ساعته ایستگاه‌های هواشناسی سینوپتیک ایران است. مواد و داده‌های به‌کاررفته تحقیق از یک منبع می‌باشد که به ‌صورت ساعتی برای مدت 31 سال از سازمان هواشناسی کشور دریافت شد. در ارتباط با داده‌ها می‌توان گفت که توسط زبان برنامه‌نویسی R یادگیری ماشین شبکۀ عصبی پرسپترون چند‌لایه MLP شبیه ‌سازی ‌شده است. از تابع Anova جهت مقایسه میانگین دمای‌هوا 24 ساعته در ایستگاه‌های مورد بررسی در دوره (پایه و شبیه‌سازی) استفاده شد. با استفاده از تابع گردش، الگوهای زمانی موجود درداده‌ها تحلیل شد تا مشخص شود که دنباله داده‌ها تصادفی هستند یا الگو‌های معناداری دارند؟ در ادامۀ روش‌های یادگیری، از رگرسیون لجستیک با هدف پیش‌بینی اثرات تغییرات آب‌وهوایی در تغییرات دمای‌هوا استفاده شد. در مدل لجستیک، (تغییرات آب‌وهوا) به‌عنوان متغیر وابسته و دمای‌هوا (مشاهداتی و شبیه‌سازی) به‌عنوان متغیرهای پیش‌بین مستقل انتخاب شد. داده‌ها در تحلیل وارد شد و مدل لجستیک معنی‌دار بود. مجذور آماره کای در دمای‌هوا برابر 19/314 محاسبه شد که در سطح خطای کمتر از 05/0 معنی‌دار بود. متغیرهای مستقل مذکور توانسته‌اند بین 92 تا 88 درصد از تغییرات را که منجر به  افزایش یا کاهش دمای‌هوا شده بود، به‌درستی تبیین کند. 4/86 درصد از ماه‌هایی که تغییرات نداشتند، درست طبقه‌بندی شدند و 2/93 درصد از پیش‌بینی‌ها دربارۀ تغییرات دمای‌هوا صحیح بود. درکل، 3/95 درصد از پیش‌بینی‌ها درست تخمین زده شد. نتایج نشان داد که تغییرات آب‌وهوا اثر معنی‌داری روی افزایش یا کاهش دمای ماهانه هوا در ایستگاه‌های مورد بررسی دارد. بیش‌ترین و کم‌ترین میزان دمای مشاهداتی هوا به‌ترتیب در ماه‌های ژوئیه و ژانویه، شبیه‌سازی‌ها نیز بیش‌ترین و کم‌ترین مقدار دما را برای همین ماه‌ها پیش‌بینی کرده‌اند. بیش‌ترین و کم‌ترین دمای‌هوا سالانه نیز به ترتیب برای ایستگاه‌های سیری و زرینه ثبت و پیش­بینی شده است.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Data mining of Iran's 24-hour air temperature by the use of multi-layer perceptron neural network machine learning

نویسندگان English

Mozaffar Faraji 1
majid Rezaibanafsheh 2
Behroz sarisarraf 2
Ali Mohammad Khorshiddoust 2
1 PhD Student, in Climatology, the University of Tabriz, Iran
2 Professor, Department of Climatology, the University of Tabriz, Iran
چکیده English

The main goal of this research was analyzing the 24-hour air temperature of synoptic weather stations in Iran. The materials and data used in the research were from the hourly data from the National Meteorological Organization for a 31 years period. The data was simulated by the R programming language of the MLP multilayer perceptron neural network. The ANOVA function was used to compare the average 24-hour air temperature in the stations under investigation for further simulation. Using the rotation function, the time patterns in the data were analyzed to in order determine whether the data sequences were random or had significant patterns. In the continuation of the learning methods, logistic regression was applied aiming at the predicting the effects of climate changes in air temperature variations. In the logistic model the climate changes were chosen as the dependent variable and air temperature (observational and simulated) as the independent predictor variables. The data were included in the analysis and the results of applying the logistic model were significant. The Chi square function of the temperature was calculated as 314.19, which was significant at the error level of less than 0.05. The mentioned independent variables were able to correctly explain between 92 and 88 percent of the changes that led to an increase or decrease in air temperature. 86.4% of the months that had no changes were correctly classified, and 93.2% of the predictions about air temperature changes were correct. In general, 95.3% of the predictions were estimated correctly. The results showed that climate changes have a significant effect on increasing or decreasing the monthly air temperature. The simulations predicted the highest and lowest observed temperatures to be in July and January, respectively. The highest and lowest annual air temperatures were recorded and predicted for Siri and Zarineh stations, respectively

کلیدواژه‌ها English

24
hour air temperature Multi
layer Perceptron Neural Network Machine Learning Logistic Regression and Circulation Function
  1. امیدی قلعه محمدی، شکوفه، احمد مزیدی سودابه کریمی نجمه حسنی سعدی محبوبه امیدی قلعه محمدی حسن خراج‌پور. (1401). پیش بینی دماهای حداکثر روزانه با استفاده از شبکه‌های عصبی مصنوعی(مطالعه موردی: کرمان)، سرزمین سال نوزدهم، بهار، شماره 1 (پیاپی 73)، صص 120-109.
  2. اسماعیلیان، مهدی، وحدت، جواد و حیدردوست، حامد. (1395). راهنمای نرم افزار R. انتشارات دانشگاه محقق اردبیلی، چاپ اول، اردبیل.
  3. اسماعیلیان، مهدی (1384). راهنمای جامع SPSS. انتشارات ناقوس، چاپ اول، تهران.
  4. بذرافشان مقدم، محمد. (1395). بررسی اثر تغییر اقلیم بر بارش و دمای مناطق مختلف کشور ایران، پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه صنعتی شاهرود.
  5. تاجیک، اعظم و آزاده اربابی سبزواری. (1399). بررسی تغییرات فضایی دماهای حدی در سطح ایران، جغرافیای طبیعی، مقاله 7، دوره 13، شماره 49، مهر، صفحه 109-124.
  6. تقوی، فرحناز، کوثری، مونا و جلالی، مجتبی. (1401). مقایسه روش‌های پس پردازش برونداد مدل WRF برای دمای روزانه در ایستگاه مهرآباد تهران. پژوهش‌های اقلیم شناسی، (50)، 120- 107.
  7. خادمی، معصومه، فضل‌ اولی، رامین و عمادی، علیرضا. (1396). بررسی توانمندی مدل شبکه عصبی مصنوعی در شبیه‌سازی فرآیند بارش-رواناب در شرایط تغییر اقلیم (مطالعه موردی: حوزه سد پاشاکلا بابل) پ‍‍ژوهشنامه مدیریت حوزه آبخیز ۸ (۱۶) :۶۴-۵۳.
  8. ساری صراف, بهروز, بیاتی خطیبی, مریم، فرجی, مظفر. (1403). داده‌کاوی نقش آلاینده‌های هوا (نیترات و نیتریت اکسید) در تغییرات دما و بارش ایستگاه سینوپتیک تبریز با استفاده از یادگیری ماشین شبکۀ عصبی پرسپترون چندلایه و رگرسیون لجستیک. مجلهاکوهیدرولوژی، 11(2)، 248-223. . DOI: 10.22059/ije.2024.373685.1803
  9. سلطانی، فخرالدین، فلاح نژاد، مرتضی، ر اشدی، یداله. (1401). شناسایی مهمترین تغییرات اقلیمی موثر بر امنیت ملی ایران. مطالعات علوم محیط زیست، 7(1)، 4705-4697.  DOI:10.22034/jess.2022.144658           
  10. شایقی, حسین, سبحانی, بهروز, سبحانی, بهروز, حسینی, سید اسعد, صلاحی, برومند و سبحانی, بهروز. (1389). پیش‌بینی دماهای حداکثر با استفاده از مدل شبکه عصبی مصنوعی مطالعه موردی: شهرستان اردبیل. تحقیقات جغرافیایی(توقف انتشار), 25(98), 57-78.
  11. شرفخانی، مبینا. (1396). بررسی و پیش بینی وضعیت دمای هوا با استفاده از شبکه‌های عصبی مصنوعی(مطالعه موردی:شهرستان اسفراین)، پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه آزاد اسلامی سبزوار.
  12. عالی نژاد، محمد حسین، جهانبخش اصل، سعید و خورشید دوست، علی محمد. (1400). بررسی تغییرات دما و بارش حوضه‌ی سیمره با استفاده از مدل‌های اقلیمی سری CMIP5، مجله تحلیل فضایی مخاطرات محیطی، دوره 8،شماره 3، صص 32-17.
  13. عزیزی، حمیدرضا، منتظری، مجید. (1394). پیش­بینی دماهای ماهانه ایستگاه‌های منتخب استان اصفهان با استفاده از شبکه عصبی مصنوعی پرسپترون چند لایه. تحقیقات جغرافیایی(توقف انتشار), 30(118), 241-258.
  14. عساکره، حسین، حسامی، نرگس. (1397). ارزیابی کاربرد مدل‌های شبکه عصبی مصنوعی و SDSM به منظورشبیه سازی دمای کمینه و بیشینه ایستگاه اصفهان. کاوش‌های جغرافیایی مناطق بیابانی, 6(2), 133-158.
  15. عساکره، حسین، متولی میدانشاه، فاطمه، احدی، لیلا. (1402). کاربرد شبکه عصبی مصنوعی در شبیه‌سازی میانگین دمای بیشینه سدۀ آینده - مطالعه موردی: ایستگاه همدید یزد. فصلنامه علمی- پژوهشی اطلاعات جغرافیایی « سپهر»، نشر آنلاین.
  16. فرجی، مظفر، رضایی بنفشه، مجید، ساری صراف، بهروز و خورشید دوست، علی محمد. (1402)، شبیه سازی عددی تغییرات آب و هوایی ایران با استفاده از الگوریتم شبکه‌های عصبی مصنوعی، فصلنامه پژوهشهای تغییرات آب و هوایی، دوره: 4، شماره: 14.
  17. قاسمی­فر، الهام، علیجانی، بهلول، سلیقه، محمد. (1395). بررسی‌ تغییرات ‌دمایی‌ سواحل جنوبی دریای خزر با استفاده از سه مدل LARSWG، SDSM و مدل شبکه عصبی مصنوعی. جغرافیای طبیعی، 9(34)، 23-41.
  18. Alotaibi, K., Ghumman, A.R., Haider, H., Ghazaw, Y.M., & Shafiquzzaman, M. (2018). Future predictions of rainfall and temperature using GCM and ANN for arid regions: a case study for the Qassim Region, Saudi Arabia. Water, 10(9), 1260. [In Persian]
  19. Alavi, A. H., Gandomi, A.H., Gandomi, M., & Sadat Hosseini, S.S. (2009). Prediction of maximum dry density and optimum moisture content of stabilised soil using RBF neural networks. The IES Journal Part A: Civil & Structural Engineering2(2), 98-106. [In Persian]
  20. Chavaillaz, Y., Joussaume, S., Dehecq, A., Braconnot, P., & Vautard, R. (2016). Investigating the pace of temperature change and its implications over the twenty-first century. Climatic Change, 137, 187-200.
  21. Cybenko, G. (1989). Approximations by superpositions of a sigmoidal function. Mathematics of Control, Signals and Systems, 2, 183-192.
  22. Dastorani, M. T., & Afkhami, H. (2011). Application of artificial neural networks on drought prediction in Yazd (Central Iran). [In Persian]
  23. Gandomi, M., Pirooz, M. D., Varjavand, I., & Nikoo, M. R. (2019). Application of multilayer perceptron neural network and support vector machine for modeling the hydrodynamic behavior of permeable breakwaters with porous core. Journal of Marine Engineering, 15(29), 167-179. [In Persian]
  24. Kazemi, S. M., Saffarian, M., & Babaiyan, V. (2021). Time series forecasting of air temperature using an intelligent hybrid model of genetic algorithm and neural network. Journal of Industrial and Systems Engineering, 13(3), 1-15. [In Persian]
  25. Kabir, M., Habiba, U.E., Khan, W., Shah, A., Rahim, S., Farooqi, Z.U.R., & Shafiq, M. (2023). Climate change due to increasing concentration of carbon dioxide and its impacts on environment in 21st century; a mini review. Journal of King Saud University-Science, 102693.
  26. Orcesi, A., O’connor, A., Diamantidis, D., Sykora, M., Wu, T., Akiyama, M., & Schoefs, F. (2022). Investigating the effects of climate change on structural actions. Structural Engineering International, 32(4), 563-576.
  27. Schädler, M., Buscot, F., Klotz, S., Reitz, T., Durka, W., Bumberger, J., & Auge, H. (2019). Investigating the consequences of climate change under different land‐use regimes: a novel experimental infrastructure. Ecosphere, 10(3), e02635.
  28. Tran, T. T. K., Bateni, S. M., Ki, S. J., & Vosoughifar, H. (2021). A review of neural networks for air temperature forecasting. Water, 13(9), 1294. https://doi.org/10.3390/w13091294