نشریه علمی پژوهشی مهندسی آبیاری و آب ایران

نشریه علمی پژوهشی مهندسی آبیاری و آب ایران

مقایسه مدل‌های سری زمانی ARIMA و SARIMA با الگوریتم‌های یادگیری ماشین به منظور پیش‌بینی خشکسالی هواشناسی (مطالعه موردی: استان خوزستان)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجو دکتری، گروه احیاء مناطق خشک و کوهستانی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران.
2 استادیار، گروه احیاء مناطق خشک و کوهستانی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران.
10.22125/iwe.2025.513573.1871
چکیده
تغییرات منطقه‌ای در بارش و دمای هوای سطحی منجر به خشکسالی‌های شدید و متعاقب آن تغییرات در الگوهای هیدرولوژیکی می‌شود. خشکسالی هواشناسی یک سیستم هشدار اولیه از شرایط خشکسالی است که به خشکسالی محیطی منتقل می‌شود و می‌تواند اکوسیستم آبی را به‌طور جدی تحت تأثیر قرار ‌دهد و آسیب‌های اجتماعی - اقتصادی قابل‌ توجهی ایجاد کند. لذا پایش و پیش‌بینی خشکسالی و ایجاد یک سیستم هشدار اولیه و پیش‌آگاهی در مناطق مستعد خشکسالی، امری اجتناب‌ناپذیر است. در پژوهش حاضر، عملکرد مدل‌های سری زمانی ARIMA و SARIMA با الگوریتم‌های یادگیری ماشین ANFIS و ELM به منظور پیش‌بینی خشکسالی هواشناسی در استان خوزستان مورد مقایسه قرار گرفت. به منظور ارزیابی شاخص بارش استاندارد شده (SPI) در مقیاس‌های زمانی یک، سه، شش و 12 ماهه، آمار و اطلاعات هشت ایستگاه سینوپتیک (آبادان، بستان، اهواز، بندر ماهشهر، امیدیه، رامهرمز، مسجد سلیمان و صفی‌آباد (دزفول)) طی سال‌های 1989 تا 2020 به‌کار گرفته شد. سپس، مدل‌های سری زمانی و یادگیری ماشین بر مبنای SPI اجرا و در نهایت بهترین مدل برای پیش‌بینی خشکسالی استخراج شد. به منظور ارزیابی کارایی و عملکرد مدل‌ها از معیارهای ارزیابی RMSE، MAE، NS و R استفاده شد. نتایج نشان داد مدل‌های یادگیری ماشین ELM و ANFIS دقت بالاتری نسبت به مدل‌های سری زمانی ARIMA و SARIMA در پیش‌بینی SPI داشتند و از میان مدل‌های بررسی شده، مدل ELM کمترین پراکندگی، بیشترین دقت و همچنین بالاترین مطابقت را با نیم‌ساز ربع‌های اول و سوم دارد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Comparison of ARIMA and SARIMA time series models with machine learning algorithms for meteorological drought forecasting (Case study: Khuzestan Province)

نویسندگان English

fereshteh Sadeghkhani 1
Mohammad Ansari ghojghar 2
1 Phd candidate, Department of reclamation of arid and mountainous regions Engineering, Faculty of Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran
2 Assistant professor, Department of reclamation of arid and mountainous regions Engineering, Faculty of Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran.
چکیده English

Meteorological drought is an early warning system of drought conditions that are transferred to environmental drought and can seriously affect the aquatic ecosystem. Therefore, monitoring and forecasting drought and establishing an early warning and foresight system in drought-prone areas is inevitable. In the present study, the performance of ARIMA and SARIMA time series models was compared with ANFIS and ELM machine learning algorithms to predict meteorological drought in Khuzestan Province. In order to evaluate the SPI index at one, three, six and 12 month time scales, statistics and information from eight synoptic stations were used during the years 1989 to 2020. Then, time series and machine learning models were run based on SPI and finally the best model for drought prediction was extracted. In order to evaluate the performance of the models, the evaluation criteria of RMSE, MAE, NS and R were used. The results showed that machine learning algorithms had higher accuracy than time series models in predicting SPI, and among the models studied, the ELM model had the lowest dispersion, the highest accuracy, and the highest correspondence with the first and third quadrant bisectors. Also, based on the SPI results, it was determined that in the study area, drought is in a normal state, but a more severe situation could arise in the future. Therefore, using the results of various modeling in forecasting and warning systems can significantly help in managing and reducing the damages caused by this destructive environmental phenomenon.

کلیدواژه‌ها English

Khuzestan
Drought
Machine Learning
Seasonal Patterns
SPI