تحقیقات منابع آب ایران

تحقیقات منابع آب ایران

ارزیابی عملکرد مدل یادگیری ماشین تقویت گرادیان شدید در پیش‌بینی زمانی ارتفاع بارش با هدف بهبود دقت تخمین بارش در مناطق بدون داده

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی کارشناسی مهندسی عمران، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران.
2 دانشیار گروه مهندسی آب و محیطزیست، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران.
چکیده
تخمین ارتفاع بارش در مناطق فاقد اندازه‌گیری میدانی،‌ به دلیل کاربرد وسیع آن در موضوعات مرتبط با مدیریت منابع آب، اهمیت فراوانی دارد. در این پژوهش، کارایی الگوریتم یادگیری ماشین تقویت گرادیان شدید (XGBoost) برای پیش‌بینی ارتفاع بارش در افق‌های پیش‌بینی کوتاه‌مدت، از مقیاس روزانه تا میانگین هفت‌روزه در حوضه آبریز کرخه ارزیابی شده است. برای این منظور، از داده‌های سه‌ساعته بارش، دمای هوا و رطوبت نسبیِ ثبت‌شده در ایستگاه‌های سینوپتیک حوضه در بازه زمانی دی‌ماه 1379 تا بهمن‌ماه 1402 استفاده شد. سپس مراحل پیش‌پردازش داده شامل تکمیل داده‌های ثبت نشده توسط ایستگاه‌ها، تبدیل داده‌های سه ساعته‌ی بارش، رطوبت نسبی و دمای هوای به روزانه، و حذف داده‌های پرت انجام شد. همچنین برای لحاظ کردن اثر تاریخچه‌ی بارش، رطوبت نسبی و دمای هوا در پیش‌بینی بارش روز جاری، وقفه‌های زمانی یک تا هفت روز گذشته به داده‌ها اعمال شد و در قالب هفت سناریوی مختلف، این داده‌ها به‌عنوان ورودی‌های مدل یادگیری ماشین آماده شدند. نتایج بخش آزمون نشان داد که دقت پیش‌بینی مدل با استفاده‌ی هر چه بیشتر از اطلاعات تاریخی افزایش می‌یابد؛ به‌طوری‌که در سناریوی هفت روزه، مدل با مقدار R2=0.93، RMSE=0.41 میلی‌متر و MAE=0.19 میلی‌متر نسبت به سناریوی یک روزه با شاخص‌های R2=0.46، RMSE=1.13 میلی‌متر و MAE=0.61 میلی‌متر عملکرد دقیق‌تری در پیش‌بینی زمانی بارش‌ها نشان داد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Assessing the Performance of the Extreme Gradient Boosting Machine Model in Forecasting Precipitation Depth Aiming at Improved Accuracy for Precipitation Estimation in Data-Scarce Regions

نویسندگان English

Amirhossein Haddadi 1
Mohammad Danesh Yazdi 2
1 Undergraduate Student, Department of Civil Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran.
2 Associate Professor, Department of Civil Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran.
چکیده English

Estimating precipitation height in data-scarce regions is important for its wide application in water resource management-related topics. In this study, the performance of the Extreme Gradient Boosting (XGBoost) model was evaluated for predicting precipitation depth at short-term forecasting horizons, ranging from daily to 7-day averaged precipitation, in the Karkheh River Basin. For this purpose, three-hourly data on precipitation, air temperature, and relative humidity recorded at synoptic stations during the period from January 2001 to February 2024 were used. Then, data preprocessing steps were carried out, including completing missing data recorded by stations and removing outliers. Additionally, to consider the effects of precipitation, relative humidity, and air temperature from previous days on the current day’s precipitation prediction, time lags from one to seven past days were applied to the data and prepared as inputs to the machine learning model in seven different scenarios. Test section results showed that the prediction accuracy of the model increased with the use of more historical information; such that in the seven-day scenario, the model demonstrated more accurate precipitation time prediction with R² = 0.93, RMSE = 0.41 mm, and MAE = 0.19 mm compared to the one-day scenario, which had indices of R² = 0.46, RMSE = 1.13 mm, and MAE = 0.61 mm.

کلیدواژه‌ها English

Precipitation prediction
Machine learning
XGBoost
Karkheh River Basin
Aderyani FR, Jamshid Mousavi S, and Jafari F (2022) Short‑term rainfall forecasting using machine learning‑based approaches of PSO‑SVR, LSTM and CNN. Journal of Hydrology 678:128‑140
Aguasca-Colomo R, Castellanos-Nieves D, and Méndez M (2019) Comparative analysis of rainfall prediction models using machine learning in islands with complex orography: Tenerife Island. Applied Sciences 9(22):4931
Anochi JA, de Almeida VA, and de Campos Velho HF (2021) Machine learning for climate precipitation prediction modeling over South America. Remote Sensing 13(13):2468
Bayat-Afshary N, Khoejh S and Danesh Yazdi M (2022) Identification and analysis of the dominant factors contributing in intensification of floods and damages in the Karkheh Basin in April 2018. Iran-Water Resources Research 18(3):92–110 (In Persian)
Belete DM and Huchaiah MD (2022) Grid search in hyperparameter optimization of machine learning models for prediction of HIV/AIDS test results. International Journal of Computers and Applications, Taylor & Francis 44(9):875–886
Bochenek B and Ustrnul Z (2022) Machine learning in weather prediction and climate analyses-applications and perspectives. Atmosphere 13(2):180
Chen L, Han B, Wang X, Zhao J, Yang W, and Yang Z (2023) Machine learning methods in weather and climate applications: A Survey.  Applied Sciences 13(21):12019
Friedman JH (2001) Greedy function approximation: A gradient boosting machine. The Annals of Statistics. Institute of Mathematical Statistics 29(5):1189 – 1232
Karbassiyazdi E, Fattahi F, Yousefi N, Tahmassebi A, Taromi AA, et al. (2022) XGBoost model as an efficient machine learning approach for PFAS removal: Effects of material characteristics and operation conditions. Environmental Research 215(Pt 1):114286
Kumar V, Kedam N, Sharma KV, Khedher KM and Alluqmani AE (2023) A Comparison of Machine Learning Models for Predicting Rainfall in Urban Metropolitan Cities. Sustainability 15(18):13724
Latif SD, Alyaa Binti Hazrin N, Hoon Koo C, Lin Ng J, Chaplot B, Feng Huang Y, El-Shafie A and Najah Ahmed A (2023) Assessing rainfall prediction models: Exploring the advantages of machine learning and remote sensing approaches. Alexandria Engineering Journal 38(1):1‑15
Liyew CM and Melese HA (2021) Machine learning techniques to predict daily rainfall amount. Journal of Big Data 8(1):1–11
Monego VS, Anochi JA and de Campos Velho HF (2022) South America seasonal precipitation prediction by Gradient-Boosting Machine-Learning Approach. Atmosphere 13(2):243
Ougahi JH and Rowan JS (2025) Enhanced streamflow forecasting using hybrid modelling integrating glacio-hydrological outputs, deep learning and wavelet transformation.  Scientific Reports 15:87187
Rahman A, Abbas S, Gollapalli M, Ahmed R, Aftab S, Ahmad M, Khan MA, and Mosavi A (2022) Rainfall prediction system using machine learning fusion for smart cities. Sensors 22(9):3504
Shah U, Garg S, Sisodiya N, Dube N and Sharma S (2018) Rainfall prediction: Accuracy enhancement using machine learning and forecasting techniques. 5th IEEE International Conference on Parallel, Distributed and Grid Computing (PDGC-2018), 20-22 Dec, 2018, Solan, India
Woldesenbet TA, Elagib NA, Ribbe L, and Heinrich J (2017) Gap filling and homogenization of climatological datasets in the headwater region of the Upper Blue Nile Basin, Ethiopia. International Journal of Climatology 37(4):2122–2140
Yang B, Xiao Z, Meng Q, Yuan Y, Wang W, Wang H, Wang Y and Feng X (2023) Deep learning-based prediction of effluent quality of a constructed wetland. Environmental Science and Pollution Research 30(5):5300‑5315
Yu J, Li Y, Huang X, and Ye X (2025) Data quality and uncertainty issues in flood prediction: A systematic review. International Journal of Digital Earth. Taylor & Francis 18(1):2495738

  • تاریخ دریافت 05 شهریور 1404
  • تاریخ بازنگری 08 دی 1404
  • تاریخ پذیرش 09 دی 1404