مدیریت آب و آبیاری

مدیریت آب و آبیاری

مقیاس‌کاهی بارش مبتنی بر الگوریتم‌های یادگیری ماشین جهت واکاوی واداشت‌های کوهساری و بیوفیزیکی سطح در سواحل جنوبی دریای خزر

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده
استادیار اقلیم شناسی، گروه جغرافیا، دانشکده ادبیات و علوم انسانی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران.
10.22059/jwim.2026.420672.1333
چکیده
بازنمایی دقیق برهمکنش‌های غیرخطی واداشت‌های کوهساری و بیوفیزیکی سطح در توپوگرافی‌های پیچیده، غالباً فراتر از توان تفکیک شبکه‌های دیدبانی است. سواحل جنوبی دریای خزر با ناهمگنی‌های شدید مکانی، نیازمند بازتولید دقیق گرادیان‌های بارشی جهت واکاوی دینامیک غیرخطی جو-سطح است. در این پژوهش، برای مقیاس‌کاهی مکانی بارش سالانه CHIRPS به تفکیک افقی ۱۰۰۰ متر، از چهار الگوریتم یادگیری ماشین شامل جنگل تصادفی، XGBoost، ماشین بردار پشتیبان (SVM) و درخت تصمیم طی دوره ۲۰۰۱ تا ۲۰۲۵ استفاده شد. ارزیابی اهمیت متغیرهای پیش‌بین شامل ارتفاع، شاخص NDVI و کاربری اراضی نیز بر پایه رویکرد هوش مصنوعی تبیین‌پذیر (SHAP) انجام شد. تحلیل‌ها، جفت‌شدگی هیدرولوژیک معنی‌داری (ضریب همبستگی 0.78) را میان تغییرات بارش (۲۰۳ تا ۱۵۳۶ میلی‌متر) و شار گرمای نهان (LE) نشان دادند. رویکرد میانگین‌گیری همادی در الگوریتم جنگل تصادفی، بالاترین انطباق فیزیکی را با ضریب تبیین 0.77، میانگین خطای مطلق 146.02 و اریبی 10.39- میلی‌متر ثبت کرد. در مقابل، ماشین بردار پشتیبان دچار هموارسازی بیش‌ازحد و درخت تصمیم متأثر از اثرات بلوک‌بندی مکانی شدند. خروجی‌هایSHAP ارتفاع را به‌عنوان عامل مسلط صعود اوروگرافیک (قدر مطلق ۲۲۹ تا ۲۴۲) و پوشش گیاهی را به‌عنوان دومین واداشت (بیوفیزیکی سطح) شناسایی کردند؛ درحالی‌که تأثیر گسسته کاربری اراضی در حداقل مقدار ممکن ثبت شد. نتایج نشان داد که پوشش گیاهی فراتر از یک مشخصه ایستا، به‌عنوان متغیری فعال در تغییر زبری آیرودینامیکی و تزریق رطوبت به لایه مرزی جو در سواحل جنوبی دریای خزر عمل می‌کند. اریبی منفی و سیستماتیک تمامی مدل‌های یادگیری ماشین، محدودیت فیزیکی-ساختاری داده‌های مرجع را در ثبت پدیده‌های جوی زیرشبکه‌ای نشان می‌دهد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Machine Learning-Based Precipitation Downscaling to Evaluate Orographic and Biophysical Forcings Along the Southern Caspian Sea Coast

نویسنده English

Abbasali Dadashi-Roudbari
Assistant Professor, Department of Geography, Faculty of Letters and Humanities, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran.
چکیده English

Accurately resolving the nonlinear interactions between orographic and biophysical surface forcings in regions of complex topography often surpasses the resolving capacity of conventional observations. The southern coast of the Caspian Sea, characterized by pronounced topographic and land-cover heterogeneity, requires high-resolution reconstruction of steep precipitation gradients to resolve nonlinear atmosphere–surface dynamics adequately. In this study, four machine learning (ML) algorithms—Random Forest (RF), eXtreme Gradient Boosting (XGBoost), Support Vector Machine (SVM), and Decision Tree (DT)—were employed to downscale CHIRPS annual precipitation data to a 1-km horizontal resolution for the 2001–2025 period. We evaluated the relative importance of predictor variables, including elevation, the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), and land use, using SHapley Additive exPlanations (SHAP). The analyses demonstrate a robust hydrological coupling (r = 0.78) between spatial variations in precipitation (203 to 1536 mm) and latent heat flux (LE). The ensemble averaging approach applied within the RF framework achieved the highest predictive accuracy and physical consistency, achieving a coefficient of determination (R2) of 0.77, a mean absolute error (MAE) of 146.02 mm, and a mean bias error (MBE) of −10.39 mm. In contrast, the SVM model exhibited significant over-smoothing, while prominent blocky spatial artifacts hampered the DT algorithm. SHAP analysis identified elevation as the dominant driver of spatial precipitation variability (absolute SHAP values from 229 to 242), followed by vegetation (representing surface biophysics) as the secondary forcing mechanism; conversely, land use had a negligible marginal influence. These findings suggest that the vegetation cover along the southern Caspian coast functions not merely as a static surface feature, but as an active thermodynamic boundary condition that modifies aerodynamic roughness and modulates moisture fluxes into the atmospheric boundary layer (ABL). Finally, the persistent, systematic negative bias across all evaluated ML models highlights the inherent physical and structural limitations of the coarse parent dataset in capturing complex, sub-grid-scale atmospheric processes.

کلیدواژه‌ها English

Machine Learning
Orographic Forcing
Precipitation Downscaling
SHapley Additive exPlanations (SHAP)

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 25 شهریور 1405