مدیریت جامع حوزه های آبخیز

مدیریت جامع حوزه های آبخیز

مقایسه مدل‌های Facebook’s Prophet، Thornthwaite و Blaney-Criddle در پیش‌بینی سری‌های زمانی تبخیر و تعرق روزانه (مطالعه موردی: شهرستان الشتر)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
گروه مهندسی مرتع و آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه لرستان، خرم آباد، ایران.
چکیده
چکیده مبسوط
مقدمه: تبخیر و تعرق یکی از مهم‌ترین اجزای چرخه هیدرولوژیکی است، اما به دلیل پیچیدگی، تخمین آن دشوار است، زیرا تحت تأثیر عوامل متعددی قرار گیرد. برآورد تبخیر و تعرق در انجام مطالعاتی از قبیل کنترل و مدیریت منابع آبی و تغییر اقلیم جهانی بسیار حائز اهمیت است. در پژوهش حاضر، به دلیل اهمیت بالای برآورد تبخیر و تعرق، به مدل‌سازی و پیش‌بینی مقادیر تبخیر و تعرق در شهرستان الشتر و انتخاب مناسب‌ترین مدل پرداخته شد.
مواد و روش‌ها: در این پژوهش شبیه‌سازی تبخیر و تعرق با استفاده از روش‌های Blaney-Criddle، Thornthwaite و مدل Facebook’s Prophet انجام شد. مدل Facebook’s Prophet در زبان‌های برنامه‌نویسی R و Python قابل دسترس می‌باشد. در مدل Facebook’s Prophet روند تبخیر و تعرق به صورت هفتگی، فصلی و سالانه تعیین می‌شود. به همین منظور داده‌های مورد استفاده در این پژوهش برای دوره آماری 1402-1396 از ایستگاه هواشناسی شهرستان الشتر دریافت شد. در ابتدا روند تبخیر و تعرق با استفاده از آزمون من-کندال مورد بررسی قرار گرفت. سپس با استفاده از دمای میانگین روش‌های Blaney-Criddle، Thornthwaite و مدل Facebook’s Prophet اجرا شدند. نهایتاً، معیارهای بررسی عملکرد مدل‌ها جهت تعیین مناسب‌ترین مدل مورد ارزیابی قرار گرفتند. این معیارها شامل پارامترهای میانگین مربعات خطا (RMSE)، میانگین خطای مطلق (MAE)، ضریب تعیین (R2) ضریب نش ساتکلایف (NSE) ضریب همبستگی پیرسون (Pearson's r) و شاخص توافق ویلموت (d) بودند.
نتایج و بحث: با بررسی روند سری زمانی داده‌های بارش، دمای میانگین و رطوبت میانگین هوا نسبت به تبخیر و تعرق مشخص گردید که با وجود نوسان در سری زمانی این عوامل، روند افزایشی میانگین دما و همچنین روند افزایشی میانگین بارندگی دیده می‌شود و روند داده‌های تبخیر و تعرق به­صورت صعودی بوده و تبخیر و تعرق در طی سالیان مورد پژوهش در حال افزایش است. نتایج ارزیابی عملکرد مدل‌ها نشان داد که مدل Facebook’s Prophet با میانگین مربعات خطا (RMSE=1.33)، میانگین خطای مطلق (MAE=0.79)، ضریب تعیین (R2=0.88)، ضریب نش ساتکلایف (NSE=0/88)، شاخص توافق ویلموت (d=0/967) و ضریب همبستگی (Pearson's r = 0.939) بهتر نسبت به سایرمدل­ها، دارای بهترین عملکرد بود. نتایج نشان دهنده‌ی این بود که میانگین تبخیر و تعرق واقعی و همچنین شبیه‌سازی شده با استفاده از روش‌های Blaney-Criddle، Thornthwaite و مدل Facebook’s Prophet در طی دوره آماری به­ترتیب برابر با 06/4، 28/5، 26/5 و 11/4 میلی‌متر می‌باشد. مدلFacebook’s  Prophet نزدیک‌ترین شبیه‌سازی تبخیر و تعرق را نسبت به مقادیر مشاهداتی داشت. آزمون من-کندال نشان داد که روند داده‌ها صعودی است و تبخیر و تعرق در طول دوره آماری در حال افزایش می‌باشد. علاوه براین سری زمانی مشاهده شده در روش‌های Blaney-Criddle و مدل Facebook’s Prophet از روند تغییرات تقریباً منظمی برخوردارند، درحالی که در روش Thornthwaite داده‌های تبخیر و تعرق در طول سری زمانی روند نامنظمی داشتند. براساس نتایج مدل Facebook’s Prophet، تبخیر و تعرق در ماه‌های خشک سال از اوایل تیرماه تا اوایل مهرماه بیشترین حد خود را داشته و در ماه‌های سرد سال از قبیل دی­ماه، بهمن­ماه و اسفندماه دارای پایین‌ترین حد خود بودند. همچنین بر اساس بررسی هفتگی مشخص گردید که در روز سه‌شنبه و جمعه به­ترتیب بیشترین و کمترین تبخیر و تعرق اتفاق افتاده است. براساس نتایج تحقیق، عملکرد روش‌های Blaney-Criddle و Thornthwaite بسیار به یکدیگر نزدیک است.
نتیجه‌گیری: براساس نتایج به دست آمده می‌توان نتیجه‌گیری کرد که با توجه به دقت مناسب مدل Facebook’s Prophet در پیش‌بینی تبخیر و تعرق، می‌توان در مطالعات آتی نیز از این مدل استفاده کرد. همچنین براساس نتایج حاصل، روند یکسال پیش‌بینی داده‌ها نشان داد که افزایش تبخیر و تعرق در شهرستان الشتر ادامه خواهد داشت. لذا به منظور کاهش تبخیر و تعرق بایستی برنامه‌ریزی‌های دقیق صورت گیرد. همچنین می‌توان از نتایج پژوهش حاضر در برنامه‌ریزی برای استفاده بهینه از آب استفاده کرد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


Abdelraouf, R. E., El-Shawadfy, M. A., Bakry, A. B., Abdelaal, H. K., El-Shirbeny, M. A., Ragab, R., & Belopukhov, S. L. (2024). Estimating ETO and scheduling crop irrigation using Blaney–Criddle equation when only air-temperature data are available and solving the issue of missing meteorological data in Egypt. In BIO Web of Conferences (Vol. 82, p. 02020). EDP Sciences.  https://doi.org/10.1051/bioconf/20248202020
Adesogan, S. O., & Sasanya, B. F. (2023). Efficiency of indirect and estimated evapotranspiration methods in South Western Nigeria. International Journal of Hydrology Science and Technology15(1), 64-77.  https://doi.org/10.1504/IJHST.2021.10041388
Allen, R. G., Bastiaanssen, W., Wright, J. L., Morse, A., Tasumi, M., & Trezza, R. (2007). Evapotranspiration from satellite images for water management and hydrologic balances. Journal of irrigation and drainage engineering. 380-394.  https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9437(2007)133:4(380)
Amouzegari, P., Panahi, M., Mirnia, S. K., & Daneshi, A. (2020). Estimation of preservation value of groundwater resources from the villagers' perspective in Alashtar Watershed, Iran. Watershed Engineering and Management12(1), 57-71. https://doi.org/10.22092/ijwmse.2019.122994.1532  (In Persian)
Arslan, S. (2022). A hybrid forecasting model using LSTM and Prophet for energy consumption with decomposition of time series data. PeerJ Computer Science8, e1001. https://doi.org/10.7717/peerj-cs.1001
Ataei, H., Tashakori Hashemi, S. A., & Raveian, M. (2020). Analysis of the trend of evapotranspiration of reference crop at synoptic stations of Khorasan Razavi province. Journal of Climate Research1398(38), 113-129. (In Persian)
Basak, A., Rahman, A. S., Das, J., Hosono, T., & Kisi, O. (2022). Drought forecasting using the Prophet model in a semi-arid climate region of western India. Hydrological Sciences Journal67(9), 1397-1417.  https://doi.org/10.1080/02626667.2022.2082876
Blaney, H. F. (1952). Determining water requirements in irrigated areas from climatological and irrigation data. Washington Soil Conservation Service, 48.
Brouwer, C., & Heibloem, M. (1986). Irrigation water management: irrigation water needs. Training manual3, 1-5.
Cem Kuzucu, F., & Taş, İ. (2024). Comparison of Evapotranspiration Values Calculated with Empirical Methods and ETgage Measurements. environmental and earth sciences . Preprints. Online: 11 April 2024: 1-11. https://doi.org/10.20944/preprints202404.0790.v1
Dastaran, M., Jafari, S., Moslemi, H., Attarchi, S., & Alavipanah, S.K. (2022). Monitoring Bakhtegan wetland using a time series of satellite data on the Google Earth Engine platform and predicting parameters with Facebook’s Prophet model. RS & GIS for Natural Resources. 13(4), 1–20. https://doi.org/10.30495/GIRS.2022.685454  (In Persian)
De Witte, C. (2022). Altering functional connectivity in the brain by learning new associations. BSc-Thesis. Artificial Intelligence. Radboud University.
Ding, L., Yu, Y., & Zhang, S. (2024). Trend Projections of Potential Evapotranspiration in Yangtze River Delta and the Uncertainty. Atmosphere15(3), 357.  https://doi.org/10.3390/atmos15030357
Elagib, N. A., Ali, M. M., & Schneider, K. (2024). Evaluation and bias correction of CRU TS4. 05 potential evapotranspiration across vast environments with limited data. Atmospheric Research299, 107194.  https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2023.107194  
Gharbia, S. S., Smullen, T., Gill, L., Johnston, P., & Pilla, F. (2018). Spatially distributed potential evapotranspiration modeling and climate projections. Science of The Total Environment633, 571-592. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.03.208
Granger, R. J. (2000). Satellite-derived estimates of evapotranspiration in the Gediz basin. Journal of Hydrology229(1-2), 70-76.  https://doi.org/10.1016/S0022-1694(99)00200-0
Hamed, K. H. (2008). Trend detection in hydrologic data: The Mann–Kendall trend test under the scaling hypothesis. Journal of hydrology349(3-4), 350-363. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2007.11.009
Haris, M. D., Adytia, D., & Ramadhan, A. W. (2022). Air temperature forecasting with long short-term memory and prophet: a case study of Jakarta, Indonesia. In 2022 International Conference on data science and its applications (ICoDSA) (pp. 251-256). IEEE. https://doi.org/10.1109/ICoDSA55874.2022.9862869
Hassanvand, M., Borna, R., Zohurian Pardel, M., & Shakiba, A. (2022). Study and evaluation of temperature in Aleshtar city based on artificial neural network model. Journal of Geography and Environmental Studies, 11(41), 155-170. (In Persian)
Heidari Motlagh, A., Nasrolahi, A., Sharifipour, M., & Veysi, S. (2021). Evaluation of Different Models for Estimating Reference Evapotranspiration (ETo) in Aleshtar Plain. Iranian Journal of Soil and Water Research52(5), 1409-1421. https://doi.org/10.22059/ijswr.2021.319027.668894
Heydari, S., Bromand, S., Zeinali, B., & Pourghasemi, E. (2024). Precipitation Forecast of Three Stations of Lorestan Province in the Next 20 Years. Journal of Environmental Science Studies9(1), 7963-7976. https://doi.org/10.22034/jes s.2023.394271.2014
Hosseini, S. M., Ganji Khorramdel, N., Kheltabadi Farahani, A. H. (2016). Empirical and intelligence Models Evaluation in Estimation of Reference Evapotranspiration by Minimum Climate Data; case study shahrekord, Irrigation and Water Engineering, 7(1), pp. 128-141.
Le Houérou, H. N. (1996). Climate change, drought and desertification. Journal of arid Environments, 34(2), 133-185. https://doi.org/10.1006/jare.1996.0099
Liu, S., Bai, J., Jia, Z., Jia, L., Zhou, H., & Lu, L. (2010). Estimation of evapotranspiration in the Mu Us Sandland of China. Hydrology and Earth System Sciences14(3), 573-584. https://doi.org/10.5194/hess-14-573-2010
Mobasheri, M., Khavarian, H., Ziaian, P., & Kamali, G. (2005). Estimation of real evaporation and transpiration using MODIS images and Sabal algorithm. 84th Geomatic Conference, Tehran. 1-12. (In Persian)
Oo, Z. Z., & Phyu, S. (2020). Time series prediction based on Facebook Prophet: a case study, temperature forecasting in Myintkyina. International Journal of Applied Mathematics Electronics and Computers8(4), 263-267. https://doi.org/10.18100/ijamec.816894
Pour Yazdankhah, H., Razavipour, T., Khaledian, M., & Rezaei, M. (2013). Determining the appropriate methods to estimate reference evaporation and transpiration in Rasht region. The third national conference on comprehensive management of water resources, Sari (In Persian)
Rahman, A. S., Hosono, T., Kisi, O., Dennis, B., & Imon, A. R. (2020). A minimalistic approach for evapotranspiration estimation using the Prophet model. Hydrological Sciences Journal65(12), 1994-2006. https://doi.org/10.1080/02626667.2020.1787416
Ramezani, M., Islamian, S.S., Aghakhani, A., & Mirzaei, S.M.J. (2015). Selection of the best real evaporation and transpiration equation through lysimetry data. National Congress of Irrigation and Drainage of Iran. 1-8 (In Persian)
Rumsey, C. A., Miller, M. P., Schwarz, G. E., Hirsch, R. M., & Susong, D. D. (2017). The role of baseflow in dissolved solids delivery to streams in the Upper Colorado River Basin. Hydrological Processes31(26), 4705-4718. https://doi.org/10.1002/hyp.13647
Salas, J. D. (1993). Analysis and modelling of hydrological time series. Handbook of hydrology, McGraw-Hill, New York, 19.1-19.72.
Sang, Y. F., Wang, Z., & Liu, C. (2014). Comparison of the MK test and EMD method for trend identification in hydrological time series. Journal of Hydrology510, 293-298. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2013.12.039
Sarıgöl, M., & Katipoğlu, O.M., (2024). Estimation of monthly evaporation values using gradient boosting machines and mode decomposition techniques in the Southeast Anatolia Project (GAP) area in Turkey. Acta Geophysica, 72(2), pp.999-1016. https://doi.org/10.1007/s11600-023-01067-8
Satrio, C. B. A., Darmawan, W., Nadia, B. U., & Hanafiah, N. (2021). Time series analysis and forecasting of coronavirus disease in Indonesia using ARIMA model and PROPHET. Procedia Computer Science179, 524-532.  https://doi.org/10.1016/j.procs.2021.01.036
Shabani, M., Asadi, M. A., & Fathian, H. (2024). Improving the daily pan evaporation estimation of long short-term memory and support vector regression models by using the Wild Horse Optimizer algorithm. Water Supply24(4), 1315-1334. https://doi.org/10.2166/ws.2024.063
Shahedi, K., & Zarei, M. (2011). Assessment of potential evapotranspiration estimation methods in Mazandaran Province. Irrigation and Water Engineering1(3), 12-21. (In Persian)
Taylor, S. J., & Letham, B. (2018). Forecasting at scale. The American Statistician72(1), 37-45. https://doi.org/10.1080/00031305.2017.1380080
Thiyagarajan, K., Kodagoda, S., Ulapane, N., & Prasad, M. (2020). A temporal forecasting driven approach using facebook’s prophet method for anomaly detection in sewer air temperature sensor system. In 2020 15th IEEE Conference on industrial electronics and applications (ICIEA) (pp. 25-30). IEEE. https://doi.org/10.1109/ICIEA48937.2020.9248142
Vishwas, B. V., & Patel, A. (2020). Hands-on Time Series Analysis with Python. From Basics to Bleeding Edge Techniques. Berkeley, CA: Apress. (xvii, 407 pages). https://doi.org/10.1007/978-1-4842-5992-4
Wang, J., Cao, X., Cui, X., Wang, H., Zhang, H., Wang, K., Li, X., Li, Z., & Zhou, Y. (2024). Recent advances of green electricity generation: potential in solar interfacial evaporation system. Advanced Materials36(16), 2311151. https://doi.org/10.1002/adma.202311151
Willmott, C. J., Rowe, C. M., & Mintz, Y. (1985). Climatology of the terrestrial seasonal water cycle. Journal of Climatology5(6), 589-606.  https://doi.org/10.1002/joc.3370050602  
Xiao, Q., Zhou, L., Xiang, X., Liu, L., Liu, X., Li, X., & Ao, T. (2022). Integration of hydrological model and time series model for improving the runoff simulation: a case study on BTOP model in Zhou River Basin, China. Applied Sciences12(14), 6883.  https://doi.org/10.3390/app12146883

  • تاریخ دریافت 08 مرداد 1403
  • تاریخ بازنگری 25 شهریور 1403
  • تاریخ پذیرش 21 مهر 1403