هواشناسی کشاورزی

هواشناسی کشاورزی

شبیه‌سازی بارش استان خوزستان با تلفیق داده‌های ماهواره‌ای و ایستگاهی و بهره‌گیری از مدل‌های یادگیری ماشین و روش‌های درون‌یابی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشیار، گروه مهندسی آب، هواشناسی کشاورزی، دانشکده مهندسی زراعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران،
2 دانشجوی دکتری، گروه مهندسی آب، هواشناسی کشاورزی، دانشکده مهندسی زراعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران
10.22125/agmj.2026.569310.1192
چکیده
بارش در مناطق خشک و نیمه‌خشک دارای تغییرپذیری شدید زمانی در مقیاس ماهانه و سالانه و ناهمگنی فضایی در توزیع مکانی است و برآورد دقیق آن برای تحلیل الگوهای فضایی–زمانی و مدیریت منابع آب از اهمیت بالایی برخوردار است. در این پژوهش، بارش ماهانه استان خوزستان طی دوره ۲۰۱۰ تا ۲۰۲۲ با استفاده از بارش ماهواره‌ای GPM، میانگین دمای هوا، دمای سطح زمین (LST)، ارتفاع و مختصات جغرافیایی مدل‌سازی شد. تحلیل‌های اولیه با روش‌های خطی (پیرسون) و غیرخطی (اسپیرمن، کندال-تاو، اطلاعات متقابل) نشان داد که GPM با ضریب همبستگی 85/0، LST با ضریب اسپیرمن 74/0-، دمای هوا با ضریب اسپیرمن 0.73- و ارتفاع با ضریب همبستگی 35/0 بیشترین ارتباط را با بارش دارند. پنج روش Extra Trees (ET)، XGBoost (XGB)، LightGBM، کریجینگ و وزنی عکس فاصله (IDW)استفاده شد. نتایج نشان داد ET با ضریب تعیین 91/0، RMSE 7 میلی‌متر، MAE 4/9 میلی‌متر، MAPE 26/8 درصد و MBE 1/7- میلی‌متر دقیق‌ترین مدل است. XGB با ضریب تعیین 77/0 و RMSE 11/4 میلی‌متر در رتبه دوم قرار گرفت. اما با کم‌برآوردی پیک‌های بارش همراه بود. در روش‌های سنتی، IDW با ضریب تعیین 71/0 بهتر از کریجینگ با ضریب تعیین 69/0 عمل کرد اما هر دو خطای بالاتر و MBE مثبت (بیش‌برآوردی) داشتند. تحلیل وابستگی به ارتفاع نشان داد با افزایش ارتفاع، خطای کم‌برآوردی در همه مدل‌ها افزایش می‌یابد. بر این اساس، ادغام داده‌های ماهواره‌ای و اقلیمی با مدل Extra Trees رویکردی مؤثر برای افزایش دقت برآورد بارش در مناطق خشک و نیمه‌خشک فراهم می‌کند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Simulation of precipitation in Khuzestan Province using integrated satellite and station data and machine learning models and interpolation methods

نویسندگان English

Mehdi Nadi 1
alireza yousefi kebriya 2
1 2- Associate Professor, Department of Water Engineering and Agricultural Meteorology, Faculty of Agricultural Engineering, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Sari, Iran
2 1- PhD student, Department of Water Engineering and Agricultural Meteorology, Faculty of Agricultural Engineering, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Sari, Iran.
چکیده English

Rainfall in arid and semi-arid regions is characterized by strong temporal variability at monthly and annual scales as well as pronounced spatial heterogeneity in its distribution. Therefore, accurate estimation is crucial for analyzing spatio-temporal patterns and supporting water resources management. In this study, monthly precipitation over Khuzestan Province during 2010–2022 was modeled using satellite-based GPM rainfall data, mean air temperature, land surface temperature (LST), elevation, and geographical coordinates. Initial analyses using linear (Pearson) and nonlinear (Spearman, Kendall-Tau, and mutual information) methods indicated that GPM shows the strongest relationship with precipitation (r = 0.85), while LST exhibits a strong negative Spearman correlation (−0.74), air temperature also shows a negative Spearman correlation (−0.73), and elevation has a weaker positive correlation (r = 0.35). Five methods, including Extra Trees (ET), XGBoost (XGB), LightGBM, Kriging, and Inverse Distance Weighting (IDW), were applied. The results demonstrated that ET achieved the highest performance with R² = 0.91, RMSE = 7 mm, MAE = 4.9 mm, MAPE = 26.8%, and MBE = −1.7 mm. XGB ranked second with R² = 0.77 and RMSE = 11.4 mm, although it tended to underestimate peak precipitation values. Among traditional methods, IDW performed better than Kriging with R² values of 0.71 and 0.69, respectively; however, both exhibited higher errors and positive MBE values, indicating overestimation. Elevation-dependent analysis further showed that underestimation errors increased with altitude across all models. Overall, integrating satellite-based and climatological data with the Extra Trees model provides an effective approach for improving precipitation estimation in arid and semi-arid regions.

کلیدواژه‌ها English

Rainfall prediction
Machine learning models
Inverse distance weighting
Kriging
GPM satellite

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 20 تیر 1405