پژوهش‌های تغییرات آب و هوایی

پژوهش‌های تغییرات آب و هوایی

پیش‌بینی دمای ماهانه قزوین با کاربرد مدل‌سازی سری زمانی و یادگیری عمیق: رویکردی ترکیبی مبتنی بر ARIMA-LSTM

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه مهندسی آب - دانشکده کشاورزی- دانشگاه تبریز- تبریز- ایران
2 گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران
10.30488/ccr.2026.600430.1360
چکیده
پیش‌بینی دقیق دمای ماهانه، به‌عنوان یکی از پارامترهای اساسی اقلیمی، نقش کلیدی در مدیریت منابع آب، کشاورزی، برنامه‌ریزی انرژی و مقابله با تغییرات اقلیمی دارد. در این پژوهش، چهار مدل شامل (AR)، (ARIMA)، (LSTM) و مدل ترکیبی ARIMA-LSTM با هدف پیش‌بینی دمای ماهانه ایستگاه سینوپتیک قزوین برای ۵ سال آینده توسعه و ارزیابی شدند. برای این منظور، از داده‌های دمای ماهانه این ایستگاه طی یک دوره آماری ۲۵ ساله (دسامبر ۱۹۹۹ تا اوت ۲۰۲۴) مشتمل بر ۲۹۷ رکورد، برای آموزش۲۳۷ ماه (۸۰ درصد) و آزمون ۶۰ ماه (۲۰ درصد) مدل‌ها استفاده شد و عملکرد آن‌ها با معیارهای ضریب همبستگی (R)، ریشه میانگین مربعات خطا (RMSE)، ضریب نش-ساتکلیف (NSE) ، ضریب توافق ویلموت (WI) و درصد اریب PBIAS ارزیابی شد. نتایج نشان داد مدل ترکیبی ARIMA-LSTM با مقادیر R=0/9918، RMSE=1/1397درجه سانتی‌گراد، NSE=0/9837، WI=0/9959 و PBIAS=-0.41% بهترین عملکرد را داشته و خطای RMSE را نسبت به مدل AR حدود 50/2 درصد، نسبت به مدل ARIMA حدود ۵۲ درصد و نسبت به مدل LSTM حدود 42/5 درصد کاهش داده است. تحلیل باقیمانده‌ها نیز نشان داد توزیع باقیمانده‌های مدل نرمال بوده و فرضیات آماری را به‌خوبی برآورده می‌کند. نتایج پیش‌بینی نشان داد میانگین دمای ماهانه نسبت به دوره تاریخی حدود 0/93 درجه سانتی‌گراد افزایش می‌یابد (از 12/32 به 13/25 درجه سانتی‌گراد). این افزایش عمدتاً از طریق افزایش دمای کمینه (حدود ۱۱.۷ درجه) و دمای ماه‌های سرد سال (دی و بهمن، حدود 1/47 درجه) رخ می‌دهد، در حالی‌که دمای بیشینه پیش‌بینی‌شده (23/72 درجه سانتی‌گراد) پایین‌تر از مقدار نظیر بیشینه تاریخی است و میانگین ماه‌های گرم سال (تیر و مرداد) نیز حدود 1/02 درجه کاهش نشان داد؛ الگویی که حاکی از فشرده‌شدن دامنه حرارتی سالانه و گرم‌شدن عمدتاً از مسیر تعدیل زمستان‌ها است. این یافته‌ها ضرورت برنامه‌ریزی برای سازگاری با تغییرات اقلیمی در بخش‌های کشاورزی، منابع آب و انرژی منطقه قزوین را آشکار می‌سازد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Forecasting Monthly Temperature Using Time Series Modeling and Deep Learning: A Hybrid Approach Based on ARIMA-LSTM

نویسندگان English

fatemeh vosoughi 1
Yaghob Dinpazhoh 2
1 Department of Water Engineering, Faculty of Agriculture, University of Tabriz, Tabriz, Iran
2 Department of Water Engineering, Faculty of Agriculture, University of Tabriz, Tabriz, Iran
چکیده English

Accurate monthly temperature forecasting, as a key climatic parameter, plays a vital role in water resources management, agriculture, energy planning, and climate change adaptation. In this study, four models including AR, ARIMA, LSTM, and the hybrid ARIMA-LSTM model were developed to forecast monthly temperature at the Qazvin synoptic station for the next 5 years. For this purpose, monthly temperature data over a 25-year period (December 1999 to August 2024), comprising 297 records, were used for training 237 months (80%) and testing 60 months (20%), and their performance was evaluated using R, RMSE, NSE, WI, and PBIAS. The results showed that the hybrid ARIMA-LSTM model with R = 0.9918, RMSE = 1.1397°C, NSE = 0.9837, WI = 0.9959, and PBIAS = -0.41% had the best performance and reduced the RMSE by approximately 50.2% compared to the AR model, 52% compared to the ARIMA model, and 42.5% compared to the LSTM model. Residual analysis showed that the residual distribution was normal and satisfied statistical assumptions. The forecast results showed that the mean monthly temperature is expected to increase by approximately 0.93°C compared to the historical period (from 12.32°C to 13.25°C). This increase mainly occurs through the rise in minimum temperature (approximately 11.7°C) and the temperature of cold months (January and February, about 1.47°C), while the forecasted maximum temperature (23.72°C) is lower than the historical maximum, and the mean temperature of warm months (July and August) showed a decrease of about 1.02°C; a pattern indicating the compression of the annual thermal range and warming mainly through the moderation of winters. These findings reveal the necessity of planning for adaptation to climate change in the agriculture, water resources, and energy sectors of the Qazvin region.

کلیدواژه‌ها English

Temperature Forecasting
Time Series
ARIMA
Hybrid Model
Qazvin

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 14 مهر 1405