مدیریت جامع حوزه های آبخیز

مدیریت جامع حوزه های آبخیز

مدل‌سازی و پیش‌بینی مکانی-زمانی رطوبت خاک در ایران با استفاده از داده‌های GLDAS و الگوریتم XGBoost

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
پژوهشگاه هواشناسی و علوم جو، تهران، ایران
10.22034/iwm.2026.2089458.1274
چکیده
چکیده مبسوط
مقدمه: رطوبت خاک متغیر کلیدی پیونددهنده سطح زمین و اتمسفر است و چرخه آب، توازن انرژی و پویایی پوشش گیاهی را کنترل می‌کند. اطلاعات دقیق و پیوسته مکانی از این متغیر، پیش‌نیاز مدیریت پایدار منابع آب، کشاورزی دقیق، پیش‌بینی سیل و پایش خشکسالی است؛ به‌ویژه در ایران که خشکسالی‌های مکرر و طولانی و کاهش آب زیرزمینی، تخصیص کارآمد آب را به اولویتی فوری تبدیل کرده است. اندازه‌گیری‌های زمینی اگرچه دقیق‌اند، همچنان نقطه‌ای و پرهزینه‌اند و از نمایش ناهمگنی مکانی رطوبت خاک در مقیاس‌های بزرگ ناتوان‌اند و شبکه‌های ملی پایش نیز پراکنده‌اند. در دهه‌های اخیر، فناوری سنجش از دور و محصولات بازتحلیل اقلیمی مانند سامانه جهانی یکسان‌سازی داده‌های زمینی (GLDAS) به‌عنوان جایگزین‌های قدرتمندی ظهور کرده‌اند که میدان‌های پیوسته مکانی-زمانی رطوبت سطحی خاک را فراهم می‌کنند؛ هم‌زمان الگوریتم‌های یادگیری ماشین و به‌ویژه روش‌های گرادیان بوستینگ مبتنی بر درخت مانند XGBoost توانایی شگرفی در رمزگشایی روابط پیچیده و غیرخطی میان متغیرهای محیطی نشان داده‌اند. پژوهش حاضر بررسی می‌کند که یک مدل داده‌محور تا چه اندازه می‌تواند رفتار مکانی-زمانی رطوبت سطحی خاک در ایران را صرفاً با مختصات جغرافیایی و زمان تقویمی بازسازی کند.
مواد و روش‌ها: رطوبت روزانه لایه سطحی خاک از محصول GLDAS-CLSM نسخه ۲.۲ (تفکیک ۲۵/۰ × ۲۵/۰ درجه) برای دوره ۲۱ ساله ۲۰۰۵ تا ۲۰۲۵ از مرکز خدمات داده و اطلاعات علوم زمین ناسا (GES DISC) دریافت شد؛ به مرز سیاسی ایران (پایگاه داده GADM) برش خورد، از کیلوگرم بر مترمربع به عمق معادل آب (میلی‌متر) تبدیل و در محیط R به میانگین‌های ماهانه تجمیع گردید. مدل رگرسیون XGBoost تنها با چهار پیش‌گو، یعنی طول، عرض، شماره ماه و سال، آموزش داده شد؛ متغیرهایی که به‌طور ضمنی گرادیان‌های ایستای محیطی (توپوگرافی، خاک و اقلیم) و نیز سیگنال‌های فصلی و بین‌سالانه را کدگذاری می‌کنند. داده‌ها به‌طور تصادفی به دو زیرمجموعه آموزش (۸۰ درصد) و آزمون مستقل (۲۰ درصد) تقسیم و ابرپارامترها (نرخ یادگیری 05/0، حداکثر عمق درخت ۸، نسبت زیرنمونه‌برداری 8/0 و ۳۰۰ دور بوستینگ) از طریق اعتبارسنجی متقابل ۵-بخشی روی داده‌های آموزش تنظیم شد. عملکرد مدل با هشت معیار آماری (، NSE، KGE، شاخص توافق، RMSE، MAE، بایاس و درصد بایاس) ارزیابی و هفت شاخص استاندارد خشکسالی (SMI، SMA، SSI، SMD، RSMI، SMAP و DSI) به‌همراه شاخص صدکی (SMP) از نقشه‌های پیش‌بینی‌شده برای پایش خشکسالی محاسبه شد.
نتایج و بحث: در مجموعه آزمون دست‌نخورده، مدل دقتی ممتاز از خود نشان داد: برابر با ۹۶۶/۰، NSE برابر با ۹۶۵/۰، KGE برابر با ۹۶۰/۰، شاخص توافق برابر با ۹۹۱/۰، RMSE برابر با ۲۸/۰ میلی‌متر و MAE برابر با ۱۸/۰ میلی‌متر؛ بایاس نزدیک به صفر بود و پیش‌بینی‌ها در مجاورت خط ۱:۱ متمرکز ماندند. نقشه‌های ماهانه ۲۰۲۰ تا ۲۰۲۵ گرادیان اقلیمی مورد انتظار کشور را بازتاب دادند: بیشترین مقادیر در سواحل خزر و دامنه‌های شمالی البرز، مقادیر میانه در امتداد زاگرس و کمترین مقادیر در نواحی خشک مرکزی، شرقی و جنوب‌شرقی، همراه با چرخه آشکار مرطوب در زمستان و خشک در تابستان. تحلیل اهمیت متغیرها تسلط متغیرهای زمانی را تأیید و نظم فصلی قوی داده‌ها را آشکار ساخت که با مطالعات پیشین همخوانی دارد. با این وجود، مدل حاضر یک درون‌یاب مکانی-زمانی است نه مدل فرایندی؛ تقسیم تصادفی داده‌ها خودهمبستگی مکانی و زمانی ذاتی داده‌های شبکه‌ای GLDAS را به‌طور کامل برنمی‌تابد، از این‌رو دقت گزارش‌شده ممکن است تا حدی خوش‌بینانه باشد و برون‌یابی به خارج از دامنه آموزش نیز قابل اعتماد نیست.
نتیجه‌گیری: XGBoost تنها با چهار ورودی حداقلی، ابزاری دقیق و کم‌هزینه برای بازسازی و پرکردن خلأهای داده رطوبت سطحی خاک GLDAS در مقیاس ملی فراهم می‌آورد که برای سامانه‌های هشدار زودهنگام خشکسالی، برنامه‌ریزی آبیاری و مدیریت منابع آب در مناطق فاقد ایستگاه ارزشمند است. در مطالعات آینده باید از اعتبارسنجی متقابل بلوکی-مکانی یا حذف یک‌سال-در-میان برای تضمین استقلال داده‌های آموزش و آزمون استفاده و مشاهدات ماهواره‌ای با تفکیک مکانی بالاتر (نظیر Sentinel-1) و پیش‌ران‌های فیزیکی مانند بارش، دما، بافت خاک و پوشش گیاهی برای ارتقای دقت و انتقال‌پذیری تلفیق شود؛ این چارچوب را می‌توان برای واکاوی اثر تغییر اقلیم بر رطوبت خاک آینده نیز به‌کار گرفت.
کلیدواژه‌ها
موضوعات


مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 23 شهریور 1405

  • تاریخ دریافت 03 خرداد 1405
  • تاریخ بازنگری 07 شهریور 1405
  • تاریخ پذیرش 23 شهریور 1405