داده‌کاوی داده‌های بارش تجمعی 24 ساعتۀ ایران با استفاده از یادگیری ماشین شبکۀ عصبی پرسپترون چندلایه و درخت تصمیم

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، گروه آب‌وهواشناسی، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

2 استاد، گروه آب‌وهواشناسی، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

3 استاد، گروه آب‌وهواشناسی، دانشگاه تیریز، تبریز، ایران

چکیده

موضوع: این مطالعه به بررسی داده‌های بارش تجمعی ۲۴ ساعته در ایران و پیش‌بینی میزان بارش در دوره‌های زمانی مختلف ازطریق داده‌کاوی و یادگیری ماشین می‌پردازد.
هدف: توسعۀ مدلی دقیق برای پیش‌بینی بارش تجمعی ۲۴ ساعته در مناطق ایران با استفاده از شبکه‌های عصبی چندلایه و درخت تصمیم، به‌منظور بهبود برنامه‌ریزی هیدرولوژیکی و مدیریت منابع آب.
روش تحقیق: مجموعه دادۀ بارش روزانۀ D از ایستگاه‌های ایران جمع‌آوری و با نرمال‌سازی آماده شد. دو مدل یادگیری ماشین شامل MLP با تابع فعال‌سازی σ و درخت تصمیم با معیار آنتروپی پیاده‌سازی شد. عملکرد مدل‌ها با معیارهای دقت، صحت و خطا ارزیابی و مقایسه گردید.
یافته‌ها: مدل MLP در تخمین بارش ماهانه با حداقل‌سازی MSE به میزان 04/0 کارایی نشان داد. تحلیل درخت تصمیم، استان‌های ایران را براساس ویژگی‌های بارش به هفت خوشه‌بندی تقسیم کرد؛ خوشه‌های 4 و 7 به‌ترتیب استان‌های با کمینه (شامل اصفهان، سیستان و بلوچستان، یزد) و بیشینۀ بارش (شامل گیلان، کهگیلویه و بویراحمد، مازندران) را نشان داد. رگرسیون خطی تأثیر معنادار متغیر زمان با 209/0 بر واریانس بارش را نشان داد.
نتیجه‌گیری: استفاده از یادگیری ماشین، به‌ویژه شبکه‌های عصبی، در تحلیل داده‌های هیدرولوژیکی ایران مؤثر است و می‌تواند به بهبود سیستم‌های پیش‌بینی بارش کمک کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


Akbari, M., & Sayad, V. (2021). Analysis of climate change studies in Iran. Journal of Natural Geography Research, 53(1), 37–74. (in Persian) 
Asakereh, H., & Mottalebizad, S. (2017). Comparison of SDSM and artificial neural networks performance in predicting minimum temperature changes (Case study: Urmia station). Spatial Planning, 21(4), 140–160. (in Persian) 
Asakereh, H., Masoudian, S. A., & Torkarani, F. (2021). Disentangling the role of internal and external factors in the decadal variability of annual rainfall in Iran during the last four decades (1976–2015). Journal of Natural Geography Research, 53(1), 91–107. https://doi.org/10.22059/jphgr.2021.304776.1007529
Babaei Hesar, S., & Ghazavi, R. (2015). Comparison of time series and neural network models with emission scenario results in rainfall prediction. Water and Soil, 29(4), 943–953. (in Persian) 
Bahrami, M., Salari, A., Amiri, M. J., & Bahrami, A. (2023). Performance evaluation of artificial neural network in estimating rainfall using climatic and geographic data (Case study: Fars province). Irrigation and Water Engineering, 13(3), 121–140. https://doi.org/10.22125/iwe.2023.168171 
Cybenko, G. (1989). Approximations by superpositions of a sigmoidal function. Mathematics of Control, Signals and Systems, 2, 183–192. https://doi.org/10.1080/19373260802659226 
Dastorani, M. T., & Afkhami, H. (2011). Application of artificial neural networks on drought prediction in Yazd (Central Iran). Desert, 16(1), 39–48. (in Persian)  
Dehghani Navid, V., Vafakhah, M., & Bahrehmand, A. R. (2016). Rainfall-runoff modeling using artificial neural network and adaptive neuro-fuzzy network in Kasilian watershed. Watershed Management Research Journal, 7(13), 128–137. (in Persian) 
Esmaeilian, M. (2005). Comprehensive SPSS Guide. Naghoos Publications. (in Persian) 
Esmaeilian, M., Vahdat, J., & Heidardoust, H. (2016). R software guide. University of Mohaghegh Ardabili Publications. (in Persian) 
Fallah Ghalhari, G., & Shakeri, F. (2015). Application of artificial neural networks in winter rainfall forecasting. Iranian Journal of Watershed Management Science & Engineering, 9(31), 98–110. (in Persian) 
Faraji, M., Rezaei Banafsheh, M., Sari Sarraf, B., & Khorshiddoost, A. (2023). Numerical simulation of climate change in Iran using artificial neural network algorithm. Climate Change Researches, 4(14), 43–64. (in Persian) 
Faraji, M., Rezaei Banafsheh, M., Sari Sarraf, B., & Khorshiddoost, A. (2024). Data mining of 24-hour air temperature in Iran using machine learning multilayer perceptron neural network. Climate Change Researches, 5(20), 33–48. https://doi.org/10.30488/ccr.2024.458168.1216 
Ghermezechashme, B., Rasouli, A. A., Rezaei Banafsheh, M., Massah Bavani, A. R., & Khorshiddoost, A. M. (2015). Uncertainty assessment of neural network model in downscaling HadCM3 using bootstrap confidence interval method. Journal of Watershed Engineering and Management, No. 3, 306–316. (in Persian) 
Gholizadeh, M. H., & Darand, M. (2011). Monthly rainfall forecasting using artificial neural networks (Case study: Tehran). Journal of Natural Geography Research, 42(7), 51–63. (in Persian) 
Jahanbakhsh Asl, S., Sari Sarraf, B., Asakereh, H., & Shirmohammadi, S. (2020). Analysis of temporal-spatial changes of critical rainfalls (extreme high) in the west of Iran during the years 1965–2016. Journal of Environmental Hazards Analysis, 7(1), 89–106. (in Persian)
Moon, S. H., Kim, Y. H., Lee, Y. H., & Moon, B. R. (2019). Application of machine learning to an early warning system for very short-term heavy rainfall. Journal of Hydrology, 568, 1042–1054. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2018.11.060 
Pakdaman, M. (2022). The effect of training algorithm type of multilayer perceptron neural network on the accuracy of monthly rainfall forecast of Iran, case study: ECMWF model. Journal of Earth and Space Physics, 48(1), 213–226. https://dor.isc.ac/dor/20.1001.1.2538371.1401.48.1.14.2 (in Persian) 
*R Programming Language. Available functions guide. 
S Programming Language. Available functions guide. 
Sadatinejad, S. J., Soleimani Sardo, F., & Mirzavand, M. (1403). Modeling and Predicting Climatic Parameters Using the CanESM2 Model Under RCP Scenarios (Case Study: Karaj Station). Ecohydrology Journal, 11(3), 411-426. doi: 10.22059/ije.2024.382370.1845 (in Persian).
Shahbaii Kotnaei, A., & Asakereh, H. (2023). Evaluation of fuzzy clustering and artificial neural network methods in spatial zoning of annual rainfall in Iran. Journal of Water and Soil Science, 27(1), 17–32. (in Persian)
Shahgholian, K., Bazrafshan, J., & Irannejad, P. (2023). Synoptic weather variables and data mining methods for predicting regional heavy precipitation over the southwest of Iran. Theoretical and Applied Climatology, 147, 401–416. https://link.springer.com/article/10.1007/s12040-021-01725-9
Subrahmanyam, K. V., Ramsenthil, C., Girach Imran, A., Chakravorty, A., Sreedhar, R., Ezhilrajan, E., & Jha, C. S. (2021). Prediction of heavy rainfall days over a peninsular Indian station using the machine learning algorithms. Journal of Earth System Science, No. 130, 1–9. https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-3768340/v
Tajbar, M., Khourshid Doost, S., Saeed Jahanbakhsh Asl, S. (2022). Application of Artificial Intelligence Approach in Studying the Impact of Large-Scale Climatic Drivers on Rainfall in Balochistan, Pakistan. Journal of Geography and Environmental Planning, 33(87), 1-20 (in Persian).
دوره 12، شماره 2
تیر 1404
صفحه 795-811
  • تاریخ دریافت: 17 فروردین 1404
  • تاریخ بازنگری: 25 اردیبهشت 1404
  • تاریخ پذیرش: 10 خرداد 1404
  • تاریخ اولین انتشار: 01 تیر 1404
  • تاریخ انتشار: 01 تیر 1404