پژوهش‌های تغییرات آب و هوایی

پژوهش‌های تغییرات آب و هوایی

تحلیل عملکرد مدل‌های یادگیری ماشین در آشکارسازی سیگنال‌های دورپیوندی مؤثر بر دما و بارش شمال غرب ایران

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه آب وهواشناسی، دانشکده برنامه ریزی و علوم محیطی،(پردیس بین المللی ارس) دانشگاه تبریز، تبریز، ایران
2 گروه آب و هواشناسی،دانشکده برنامه ریزی و علوم محیطی، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران
3 گروه آب و هواشناسی، دانشکده برنامه‌ریزی و علوم محیطی، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران
10.30488/ccr.2026.579366.1337
چکیده
این پژوهش با هدف توسعه یک چارچوب مدل‌سازی هوشمند و تفسیرپذیر برای پیش‌بینی ماهانه بارش و دما در ۲۴ ایستگاه سینوپتیک شمال‌غرب ایران (طی دوره ۳۰ ساله) انجام شده است. بدین منظور، عملکرد سه رویکرد متفاوت شامل مدل‌سازی آماری رگرسیون چندمتغیره (MLR)، استنتاج فازی (ANFIS) و شبکه عصبی مصنوعی (MLP) مورد ارزیابی قرار گرفت. به منظور غلبه بر محدودیت‌های روش‌های کلاسیک در بهینه‌سازی پارامترها، از الگوریتم ژنتیک (GA) برای طراحی معماری بهینه و تعیین وزن‌های شبکه عصبی استفاده شد (مدل هیبریدیGA-MLP). نتایج نشان داد که مدل هیبریدی پیشنهادی GA-MLP با کاهش خطای RMSE (به عنوان نمونه بهبود ۳۰ درصدی در دما و ۲۳.۵ درصدی در بارش نسبت به مدل MLR) و غلبه بر مشکل عدم همگرایی در مدل پایه MLP، کارآمدترین عملکرد را ارائه می‌دهد. این مدل توانست خطای پیش‌بینی دما را در ایستگاه پارس‌آباد به ۱.۳ درجه سانتی‌گراد و خطای بارش را در ایستگاه جلفا به ۱۰.۹ میلی‌متر کاهش دهد. تحلیل حساسیت با رویکرد اهمیت ویژگی، نقش کلیدی تاخیرهای زمانی ۶ ماهه و پیوندهای دور را در نوسانات اقلیمی منطقه آشکار ساخت که مؤید توانایی مدل در درک فیزیک مسئله است. همچنین، ارزیابی عدم قطعیت مدل با روش بوت‌استرپ کالیبره شده، پوشش بالای ۹۵ درصد را نشان داد که قابلیت اطمینان مدل را برای تصمیم‌گیری‌های عملیاتی تضمین می‌کند. در نهایت، تحلیل توپوگرافی عدم وجود همبستگی معنادار بین خطای مدل و ارتفاع را اثبات کرد که بیانگر استواری مکانی مدل پیشنهادی در اقلیم‌های ناهمگن است.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Analyzing the Performance of Machine Learning Models in Detecting Teleconnection Signals Affecting Temperature and Precipitation in Northwest Iran

نویسندگان English

saeed Armaghan Bostanabad 1
Behrouz Sari Sarraf 2
Majid Rezaei Banafsheh Daragh 3
Ali mohmmad Khorshiddoost 3
1 Department of Climatology, Faculty of Planning and Environmental Sciences, (Aras International Campus)University of Tabriz, Tabriz, Iran.
2 Department of Climatology, Faculty of Planning and Environmental Sciences, University of Tabriz, Tabriz, Iran
3 Department of Climatology, Faculty of Planning and Environmental Sciences, University of Tabriz, Tabriz, Iran
چکیده English

This study aimed to develop an intelligent and interpretable modeling framework for the monthly prediction of precipitation and temperature at 24 synoptic stations in northwest Iran over a 30 year period. For this purpose, the performance of three different approaches was evaluated: statistical modeling (Multivariate Linear Regression, MLR), fuzzy inference (Adaptive Neuro Fuzzy Inference System, ANFIS), and artificial intelligence (Multilayer Perceptron neural network, MLP). To overcome the limitations of classical methods in parameter optimization, a genetic algorithm (GA) was employed to design the optimal network architecture and determine the connection weights (resulting in the hybrid GA MLP model). The results showed that the proposed GA-MLP hybrid model delivered the most efficient performance by reducing the RMSE (e.g., demonstrating a 30% improvement in temperature and 23.5% in precipitation compared to the MLR model) and successfully overcoming the non-convergence issue of the baseline MLP model. Specifically, it lowered the temperature prediction error at the Parsabad station to 1.3°C and the precipitation prediction error at the Jolfa station to 10.9 mm. Sensitivity analysis using a feature importance approach revealed the key role of six month time lags and teleconnections in the region’s climatic fluctuations, confirming the model’s ability to grasp the underlying physics of the problem. Furthermore, uncertainty assessment using a calibrated bootstrap method indicated a high coverage rate above 95%, ensuring the model’s reliability for operational decision making. Finally, topographic analysis demonstrated no significant correlation between model error and elevation, which attests to the spatial robustness of the proposed model across heterogeneous climates.

کلیدواژه‌ها English

Teleconnection
Hybrid Neural Network
Genetic Algorithm
Fuzzy Modeling
Northwest Iran

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 06 تیر 1405