فصلنامه علمی- پژوهشی اطلاعات جغرافیایی « سپهر»

فصلنامه علمی- پژوهشی اطلاعات جغرافیایی « سپهر»

کاربرد شبکه عصبی مصنوعی در شبیه‌سازی میانگین دمای بیشینه سدۀ آینده - مطالعه موردی: ایستگاه همدید یزد

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 استاد، گروه اقلیم‌شناسی، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران
2 دانشجوی دکترای آب و هواشناسی، گروه اقلیم‌شناسی، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران
چکیده
در سال‌های اخیر فعالیت‌های انسانی، افزایش غلظت گازهای گلخانه‌ای در جو، گرمایش جهانی و تغییر اقلیم در مقیاس جهانی و محلی را به‌همراه داشته است. از این‌رو شبیه‌سازی رفتار و تغییرات محتمل هریک از متغیرهای جوّی - اقیلمی در آینده و بررسی پاسخ‌های احتمالی دستگاه اقلیم به آن تغییرات، بسیار حائز اهمیت است. در پژوهش حاضر به‌منظور ریزگردانی آماری، برازش و آزمون صحت مدل شبکه عصبی مصنوعی، داده‌های روزانۀ دمای بیشینۀ ایستگاه همدید یزد و متغیرهای جوّی مدل HadCM3 در دوره آماری 2005 - 1961 مورد استفاده قرار گرفت. پس از انتخاب معماری و ساختار مناسب شبکه عصبی، از مقادیر شبیه‌سازی شده مدل HadCM3 تحت واداشت‌های تابشی RCP2.6، RCP4.5 و RCP8.5 در دو دوره آماری 2050 - 2006 و 2095 - 2051 استفاده شد. نتایج حاکی از این بود که در هر دو دورۀ یاد شده افزایش دمای بیشینۀ ایستگاه همدید یزد در فصول زمستان (0.4 تا 6.9 درجه سلسیوس )، بهار (1.1 تا 5.7 درجه سلسیوس) و تابستان (1.1 تا 5.7 درجه سلسیوس) مورد انتظار است. در فصل پاییز فقط در ماه‌های نوامبر و دسامبر و تحت سناریوهای RCP4.5 و RCP8.5 افزایش دما در دوره دوم مورد انتظار است و در ماه اکتبر دمای بیشینه کاسته (0.6 تا 4.1 درجه‌ سلسیوس ) می‌شود.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Application of Artificial Neural Networks (ANN) to simulate the daily maximum temperature for the coming century - A Case study of Yazd synoptic station

نویسندگان English

Hossein Asakereh 1
Fatemeh Motevali Meydanshah 2
Leila Ahadi 2
1 Professor, Department of Climatology, University of Zanjan, Zanjan, Iran
2 PhD Student of climatology, Department of climatology, University of Zanjan, Zanjan, Iran
چکیده English

Extended Abstract
Introduction
Temperature is a significant atmospheric element that manifests climate change, specifically global warming resulting from an increase in greenhouse gas concentration. Atmospheric simulation is a critical tool in studying changes in atmospheric-climatic elements, particularly temperature.
The most commonly used tool for simulating the responses of the climate to greenhouse gas increases and examining future temperature changes is the use of climate variables simulated by coupled atmosphere-ocean models (AOGCMs). General circulation models (GCMs) are powerful tools aimed at generating climate scenarios. However, GCMs cannot provide effective information on climate simulation at local and regional scales. Therefore, the downscaling method is used to bridge the gap between local and global scales.
The current research aims to simulate maximum temperature using an artificial neural network model that adopts data from the atmospheric general circulation model (HadCM3) under RCP8.5, RCP4.5, and RCP2.6 scenarios for the Yazd synoptic station from 2006 to 2095. The independent variable, as the input to the artificial neural network, was selected for statistical downscaling using four statistical criteria: Percentile Reduction, Backward Variable Elimination, Forward Variable Selection, and Stepwise Variable Entry. Finally, the maximum temperature of the Yazd synoptic station for the next century was simulated.
Data and Methodology
The present study aims to investigate the maximum temperature of Yazd's synoptic station in the context of climate change based on valid scenarios until 2095. To achieve this, three sets of data were used: average daily maximum temperature data from Yazd's synoptic station, observed atmospheric data for the period of 1961 to 2005 (NCEP data), and simulated data from 2006 to 2095 based on release RCP scenarios. The NCEP data from 1961 to 2005 included 26 atmospheric variables that will be used as independent or predictor variables.
Modeling, simulating, and forecasting temperature based on nonlinear and chaotic time series is a challenging task. Prior studies have shown that artificial neural networks (ANNs) are suitable for simulating and predicting basic processes that are not well known. It is crucial to select the correct input variables intelligently and according to the purpose of the artificial neural network's design for prediction and simulation. Accordingly, in this study, the most suitable atmospheric parameters as the input of the artificial neural network were selected by pre-processing and selecting the atmospheric variables for the base period (1961-2005) to simulate with four statistical criteria (Percentile Reduction, Backward Variable Elimination, Forward Variable Selection, and Stepwise Variable Entry). The resulting mean square error (MSE) obtained from the statistical criteria was compared, and the correlation coefficient and the similarity of the monthly time series trend of the simulated values with the target values were also analyzed. The best network architecture was selected to simulate the maximum temperature of Yazd's synoptic station from 2006 to 2095 under different RCP emission scenarios.
Discussion
The selection of explanatory variables for downscaling was based on four statistical methods: Percentile Reduction, Backward Variable Elimination, Forward Variable Selection, and Stepwise Variable Entry. After analyzing the mean square error (MSE), correlation coefficient, monthly average values of the maximum temperature of Yazd station, and estimated values from 1961 to 2005, the probability density function, cumulative probability function, and monthly time series trend obtained from all four methods, the explanatory variables were selected. These variables include mean sea level pressure, the divergence of 1000 hPa, zonal wind component, zonal wind intensity of 850 and 500 hPa, altitude and vorticity of 500 hPa, average temperature, and relative humidity at a 2 m height.
The structure and architecture of the neural network were designed based on these selected variables. The network consisted of a two-layer feedforward, with a sigmoid transfer function in the hidden layer, a linear function in the output layer, an input layer with eight variables, eight neurons, and the Lunberg-Marquardt training algorithm. This architecture was used to simulate the maximum temperature of Yazd's synoptic station under RCP2.6, RCP4.5, and RCP8.5 scenarios for two periods of 2050-2006 and 2095-2051.
Comparing the monthly average values of RCPs (RCP2.6, RCP4.5, and RCP8.5) in the first statistical period (2050-2006) with the base period (1961-2005), the maximum temperature of Yazd station indicates an increase in temperature in winter, spring, and summer, and a decrease in the autumn season under all three RCPs.
Comparing the monthly mean values of RCPs (RCP2.6, RCP4.5, and RCP8.5) of the second period (2051-1995) with measured mean maximum temperature (2005-1961) showed that temperature will increase the most in winter, spring, and summer, similar to the first period of the RCP8.5 scenario. In this scenario, unlike the other scenarios, the increase in temperature is evident in both subperiods for the autumn season. Finally, in the second period (2051-1995), the increase in the average maximum temperature of Yazd station in winter, spring, and summer, and the decrease in the average maximum temperature in autumn will be more significant.
Conclusion
The increase in greenhouse gas concentration resulting from human industrial activities is expected to cause global and regional warming in the future. The current study's findings indicate that the average maximum temperature of Yazd station will rise between 0.4 to 6.9  in winter, 0.2 to 8.1  in spring, and 1.1 to 7.7 in summer from 2006 to 2095. However, a decrease in the maximum temperature between 0.6 and 1.4  is expected in autumn. These results are consistent with those of other researchers.

کلیدواژه‌ها English

Yazd's synoptic station
The maximum temperature
Downscaling
Simulation
Artificial neural network
1- پیری صحراگرد، پیری، بهمنی؛ حسین، جمشید،  فاطمه، 1395، شبیه‌سازی دمای خاک در اعماق مختلف با استفاده از شبکه عصبی (ANN) و مدل شبکه استنتاج تطبیقی عصبی- فازی (ANFIS) (مطالعه موردی: ایستگاه سینوپتیک زابل)، پنجمین همایش ملی علمی - پژوهشی مدیریت جامع منابع آب.
2- خلیلی، خداشناس، داوری، موسوی بایگی؛ نجمه، سعیدرضا، کامران، محمد، 1389، پیش‌بینی بارش روزانه با استفاده از شبکه‌های عصبی مصنوعی، مطالعه موردی ایستگاه سینوپتیک مشهد. نشریه پژوهش‌های آبخیزداری، شماره 89، 7-15
3- خوش‌اخلاق، حیدری، مرادی مقدم، مولایی پارده؛ فرامرز، محمدامین، محمدامین، اصغر، 1392، شبیه‌سازی تغییرات رژیم دمای مراغه در اثر خشک شدن دریاچه ارومیه، مجله جغرافیا و مخاطرات محیطی، شماره 8.، 1-18.
4- روشن، قانقرمه؛ غلامرضا، عبدالعظیم، 1394، رویکردی متفاوت در ریزمقیاس‌نمایی و پیش‌بینی اقلیمی مؤلفه دما (مطالعه موردی استان گلستان). مجله فیزیک زمین و فضا، شماره 1، 197-212.
5- سبحانی، اصلاحی، اکبرزاده؛ بهروز، مهدی، یونس، 1395، مقایسه عملکرد مدل‌های SDSM و LARS_WG در شبیه‌سازی متغیرهای هواشناسی در منطقه شمال‌غرب ایران. نشریه هواشناسی کشاورزی، شماره 2، 49-60.
6- سلاجقه، رفیعی ساردوئی، مقدم‌نیا، ملکیان، عراقی‌نژاد، خلیقی سیگارودی، صالح‌پور جم؛ علی، الهام، علیرضا، آرش، شهاب، شهرام، امین، 1396، بررسی کارایی مدل‌های ریزمقیاس‌نمایی آماری LARS-WG و SDSM در شبیه‌سازی دما و بارش، نشریه تحقیقات آب و خاک ایران، شماه 2، صص 253-262.
7- سیدکابلی، آخوندعلی، مساح بوانی، رادمنش؛ حسام، علی‌محمد، علیرضا، فریدون،1391، ارائه مدل ریزمقیاس‌نمایی داده‌های اقلیمی براساس روش ناپارامتریک نزدیک‌ترین همسایگی (K-NN)، نشریه آب و خاک، شماره 4، 808-779.
8- شمسی‌پور؛ علی‌اکبر، 1392، مدل‌سازی آب و هوایی. دانشگاه تهران.
9- شیرانی، مزیدی، خداقلی؛ فرزانه، احمد، مرتضی، 1388، پهنه‌بندی اقلیمی استان یزد با روش‌های آماری چندمتغیره، مجله جفرافیا و توسعه ناحیه‌ای، شماره 13، 139-157.
10- صالح‌پور‌جم، محسنی ساروی، بذرافشان، خلیفی سیگارودی، امین، محسن، جواد،  شهرام، 1394، بررسی اثر تغییر اقلیم بر ویژگی‌های خشکسالی دوره آینده با کاربرد مدل گردش عمومی جوّ (مطالعه موردی: شمال غربی ایران). مجله مرتع و آبخیزداری، شماره 4، 537-548.
11- عساکره؛ حسین، 1390، مبانی اقلیم‌شناسی آماری. دانشگاه زنجان.
12- عساکره، اکبرزاده؛ حسین، یونس، 1396، شبیه‌سازی تغییرات دما و بارش ایستگاه سینوپتیک تبریز طی دوره (2100-2010) با استفاده از ریزمقیاس‌نمایی آماری (SDSM) و خروجی مدل CanESM2. نشریه جغرافیا و مخاطرات محیطی، شماره 21، 153-174.
13- عساکره، کیانی؛ حسین، حدیث، 1397، ارزیابی کارایی مدل SDSM در شبیه‌سازی میانگین دمای شهر کرمانشاه. نشریه اطلاعات جغرافیایی، شماره 105، 49-62.
14- عساکره، مطلبی‌زاده؛ حسین، سلماز، 1396، مقایسه عملکرد دو مدل SDSM و شبکه‌های عصبی مصنوعی در پیش‌بینی تغییرات دمای حداقل (ایستگاه موردی: ارومیه). نشریه برنامه‌ریزی و آمایش فضا، شماره 4، 140-160.
15- عساکره، شاه‌منصوری؛ حسین، بهرام، 1395، بررسی و پیش‌بینی تغییرات دمای ایستگاه اراک بر اساس مدل ریزمقیاس‌نمایی آماری. نشریه پژوهش‌های جغرافیای طبیعی، شماره 2، 193-212.
16- عساکره، صیادی؛ حسین، فریبا،1393، تحلیل و پیش‌بینی روزهای خشک با استفاده از مدل شبکه عصبی مصنوعی (مطالعه موردی: ایستگاه تهران). نشریه علمی- پژوهشی جغرافیا و برنامه‌ریزی، شماره 6، 177-161.
17- علیزاده پهلوان، زهرایی؛ حسین، بنفشه،1392، ریزمقیاس‌نمایی آماری بارش با هدف ارزیابی اثرات تغییر اقلیم بر رویدادهای حدی در نواحی شهری. نخستین همایش تغییر اقلیم و راهی به سوی آینده پایدار.
18- فاتحی، جباریان امیری، محمدزاده؛ ایمان، بهمن، ناصر،1394، ریزمقیاس‌نمایی مدل گردش عمومی جوّ و کاربرد آن در شبیه‌سازی داده‌های هواشناسی استان گیلان. نشریه محیط زیست طبیعی، منابع طبیعی ایران، شماره 1، 143-158.
19- کاویانی، میررکنی؛ محمد، سیدمجید، 1393، انتخاب ورودی شبکه عصبی مصنوعی به‌کمک تحلیل مولفة اصلی، مجموعه مقالات شانزدهمین کنفرانس ژئوفیزیک ایران، 25 اردیبهشت، 1-4.
20- کوثری، اسماعیل‌زاده حسینی؛ محمدرضا، میتراسادات، 1395، متلب در علوم محیطی. پارک علم و فناوری یزد.
21- مسعودیان، غیور؛ سیدابوالفضل، حسینعلی، 1386، نخستین گام در مدل‌سازی اقلیمی. دانشگاه اصفهان.
22- مشاری، ابراهیمی، صدری، ابراهیمی؛ امیر، اکبر، سعید، محمد، 1388، پالایش داده‌های آموزشی شبکه عصبی و بررسی تأثیر آن در کاهش خطای پیش‌بینی کوتاه مدت بار سیستم‌های قدرت. روش‌های عددی در مهندسی، شماره 2، 67-79.
23- موسوی، فلاحتکار، فرج‌زاده اصل؛ سید محسن، سامره، منوچهر، 1396، تغییرات غلظت گازهای گلخانه‌ای دی اکسید کربن و متان در ارتباط با متغیرهای محیطی ایران. نشریه بوم‌شناسی کاربردی، شماره 4، 66-79.
24- یعقوبی، مساح بوانی؛ مژگان، علیرضا،1393، شبیه‌سازی دما و بارش دوره آتی رودخانه اعظم هرات با استفاده از مدل LARS-WG. نخستین همایش تغییر اقلیم و راهی به سوی آینده پایدار.
 
25- Abdelkhalek H S, Medhat H, Zeidan I, Amad M. 2012. Simulation and Prediction for a Satellite Temperature Sensors based Artificial Neural Network. The Journal of Aerospace Technology and Management 11: 1-14
26- Ahrens C D. 2007.  Meteorology Today: An Introduction to Weather, Climate, and the Environment. BROOKS/COLE. CENGAGE Learning. USA.
27- Charron I. 2016. A Guidebook on Climate Scenarios: Using Climate Information to Guide Adaptation Research and Decisions, Ouranos, Montreal, Quebec, Canada.
28- Eden J. M, Widmann M. 2013. Downscaling of GCM-simulated precipitation using model output statistics. Journal of Climate, 27(1): 312-324
29- Holton J R. 2004. An introduction to dynamic meteorology. Academic Press USA.
30- Hung N Q, B S Weesakul, Tripathi N. K. 2009. An Artificial Neural Network Model for Rainfall forecasting in Bangkok, Thailand. Hydrology and Earth System Sciences 13:1413-1455
31- IPCC 2001. Climate Change 2001. The Physical Science Basis: Working Group I Contribution to the Third Assessment Report of the IPCC. University Press Cambridge
32- IPCC-TGCIA, (2004). Guidelines for Use of Climate Scenarios Developed from Statistical Downscaling Methods. University Press Cambridge
33- IPCC 2007. Climate Change 2007- The Physical Science Basis: Working Group I Contribution to the Fourth Assessment Report of the IPCC. University Press Cambridge
34- IPCC 2007. General Guidlines on the Use of  Scenario Data for Climate Impact and Adaptation Assessment. Version 2, June 2007, Prepared by T.R. Carter. Task Group on Data and Scenario Support for Impact and Climate Assessment (TGICA). Intergovernmental Panel on Climate Change. University Press Cambridge
35- IPCC 2011. Ppecial Report on Renewable Energy Source and Climate Change Mitigation, This Summary for Policymakers was formally approved at the 11th Session of Working Group III of the IPCC. University Press Cambridge
36- Johnson F M, Sharma A. 2009. GCM simulation of a Future Climate: How does the skill of GCM precipitation simulations compare to Temperature simulations? 18th World IMACS/MODSIM Congress, Cairns, Australia. 13-17 July.
37- Junita Mohamad-Saleh, Brain S Hoyle. 2008. Improved Neural Network Performance Using Principal Component Analysis on Matlab: International Journal of The Computer, the Internet and Management 16: 1-8
38- Kumar P. 2013. Temperature forecasting using artificial neutral networks (ANN). Journal of Hill Agriculture, 13:110-112
39- Laflamme E. M, Linder E, Pan Y. 2016. Statistical downscaling of regional climate model output to achieve projections of precipitation extremes. Weather and Climate Extremes 12: 15-23‏
40- Maduako I D, Yun Z, Patrick B. 2016. Simulation and prediction of land surface temperature (LST) dynamics within Ikom City in Nigeria using artificial neural network (ANN). Journal of Remote Sensing & GIS 5(1): 1-7‏
41- Mislan H H S, Samaryono A m. 2015. Rainfall Monthly Prediction based on Artificial Neural Network: A case study in Tenggarong Station, East Kalimantan- Indonesia. Procedia Computer Science 59: 142-151
42- Palutikof J P, Winkler J A, Goodess C M, Andresen J. 1997. The Simulation of Daily Temperature Time Series from GCM Output. Part I: Comparison of Model Data with Observation, The Journal of Climate, 10(10): 2497-2513.
43- Salby M L. 1996. Fundamentals of Atmospheric Physics. Academic Press USA.
44- Salehpourjam A, Mohseni Saravi M, Bazrafshan J, Khalifa Sigaroudi Sh. 2015. Investigating the Impact of Climate Change on Future Drought Properties Using the General Circulation Model (Case Study: Northwestern Iran). Journal of Range and Watershed Management 4: 537-548
45- Schmidli H, Goodess C M, Frei C, Haylock M R, HundechaY, Ribalaygua J, Schmith T. 2007. Statistical and Dynamical Downscailng Precipitation: An Valuation and Comparison of Scenario for the European alps. Journal of Geophysical Researches 112:1-20.
46- Schubert S. Henderson-Sellers A. 1997. A Statistical Model to Downscaling Local Temperature Extremes from Synoptic-scale Atmospheric Circulation Patterns in the Australian Region, Climate Dynamics 13:223-234
47- Stephan P, Charles B C, Bates I N, James P H. 2004. Statistical Downscaling of Daily Precipitation from Observed and modeled Atmospheric Fields. Hydrological Processes 18:1373-1394   
48- Trail M, Tsimpidi A P, Liu P, Tsigaridis K, Nenes A, Russell A G. 2013. Downscaling a Global Climate model to Simulation Climate Change over the US and the implication on region and urban air quality. Geoscientific Model Development 6:1429-1445
49- Trzaska S, Schnarr E. 2014. A Review of Downscaling method for Climate change Projections. NASA. USA.
50- Varghese B, Shrivastava G, Karmakar S, Kumar M, Guhathakurta P. 2012. Artificial Neural Network in Isdentification of Internal Dynamics and Prediction of Dynamic System Rainfall Data time series. International Journal of Computer Science and Infomatics 1(4): 2231-2292
51- Vorobyev V. I, Tarakanov G G. 2005. Introduction to Synoptic Meteorology. Russian State Hydrometerlogical University .
Wilby L R, Dawson C W. 2007. User Manual SDSM: Version 2.2-A Decision Support Tool for the Assessment of Climate Impacts. 1-94
52- Yaghoubi M, Masah Bowani A. 2013. Simulating the future temperature and precipitation of the Harat high river using the LARS-WG model, the first climate change conference and a path to a sustainable future. The Conference on climate change and sustainable future
53- Yire S, Chaeyeon Y. 2019. Statistical Downscaling of Urban- Scale Air Temperatures Using an Analog Model Output Statistics Technique. The Journal of Atmosphere 10: 427-430