نیوار

نیوار

پس پردازش برونداد مدل WRF برای پیش بینی بارش روزانه با استفاده از شبکه عصبی مصنوعی(مطالعه موردی: استان آذربایجان شرقی)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 بخش حفاظت خاک و آبخیزداری، مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی آذربایجان شرقی، تبریز، ایران
2 پژوهشگاه هواشناسی و علوم جو، تهران، ایران.
3 مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی آذربایجان شرقی، تبریز، ایران.
4 اداره کل هواشناسی آذربایجان شرقی، تبریز، ایران.
5 اداره کل هواشناسی آذربایجان شرقی، تبریز، ایران
10.30467/nivar.2026.553313.1357
چکیده
رخداد بارش به متغیرهای هواشناسی زیادی وابسته است و سبب پیچیدگی پیش بینی بارش می شود یکی از روش ها جهت افزایش دقت پیش بینی استفاده از مدل های شبکه عصبی مصنوعی(ANN) است که به طور مستقیم برای پیش بینی بارش و یا پس پردازش برونداد مدل های عددی پیش بینی وضع هوا استفاده می‌شود. در این مقاله متغیرهای هواشناسی از برونداد مدل عددی WRF استخراج و برای بهبود پیش بینی بارش ساعتی و روزانه از مدل شبکه عصبی مصنوعی برای پس پردازش برونداد مدل WRF استفاده گردید. متغیرهای هواشناسی که طی دوره آماری سه ساله (2023-2021) به صورت ساعتی از برونداد مدل WRF گرفته شده، شامل بارش، نقطه شبنم، میانگین فشار سطح دریا، رطوبت و دمای دومتری و سرعت باد است. این متغیرها در برد‌های پیش‌بینی 6، 12، 18، 24، 48 و 72 ساعته تقسیم‌بندی و هر بردی پیش‌بینی به طور جدا به عنوان ورودی برای هر ایستگاه به مدل شبکه عصبی مصنوعی داده شد. شبکه عصبی مصنوعی مورد استفاده یک پرسپترون چندلایه (MLP) با یک لایه‌ی پنهان و تابع فعال ساز سیگموئید است. بارش‌های مشاهداتی 6 ساعته برای هر ایستگاه به عنوان خروجی مدل شبکه عصبی مصنوعی استفاده شد. مدل روی 16 ایستگاه هواشناسی سینوپتیک استان آذربایجان شرقی اجرا گردید. در هر بار اجرای مدل شبکه عصبی مصنوعی، عملکرد مدل با شاخص‌های آماری میانگین توان دوم خطا (MSE) و ضریب همبستگی پیرسن(R) سنجیده شد. نتایج نشان داد که عملکرد مدل WRF پس از اعمال شبکه عصبی مصنوعی روی برونداد مدل برای شاخص MSE بین 36 تا 92 درصد برای ایستگاه‌های مورد نظر بهبود یافت. همچنین شاخص همبستگی R برای کل ایستگاهها به طور متوسط 85/0 درصد بوده است. همچنین نمودارهای خطای روزانه 95 درصد مدل‌ها نشان داد که در تمام ایستگاهها خطای روزانه مدل اصلاح شده نسبت به مدل WRF به صفر نزدیک‌تر و تغییرات یا واریانس خطا بسیار کمتر است.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Post-processing of daily precipitation forecast output of the WRF model using artificial neural network models (Case study: East Azerbaijan Province)

نویسندگان English

Mahdi Eslahi 1
Majid Azadi 2
Jamshid Yarahmadi 3
Farnaz Pourasghar 4
Seyyedeh Atefeh Mohammadi 2
Younes Akbarzadeh 5
1 Soil Conservation and Watershed Management Department, East Azerbaijan Agricultural and Natural Resources Research and Education Center, Tabriz, Iran.
2 Meteorology and Atmospheric Sciences Research Institute, Tehran, Iran.
3 East Azerbaijan Agricultural and Natural Resources Research and Education Center, Tabriz, Iran.
4 East Azerbaijan Meteorological Department, Tabriz, Iran.
5 East Azerbaijan Meteorological Department, Tabriz, Iran
چکیده English

Precipitation occurrence is influenced by numerous meteorological variables, making its prediction a complex task. Consequently, both numerical weather prediction (NWP) models and statistical approaches have been developed to forecast daily precipitation. One promising method for improving forecast accuracy involves the use of Artificial Neural Networks (ANNs), which can be employed either directly for precipitation prediction or for post-processing the outputs of NWP models. In this study, meteorological variables derived from the output of the WRF (Weather Research and Forecasting) model were utilized to enhance hourly and daily precipitation forecasts. Specifically, an ANN-based post-processing approach was applied to refine the WRF model outputs. The meteorological variables extracted hourly over a three-year period (2021–2023) included accumulated precipitation (APCP), dew point temperature (DPT), mean sea-level pressure (PRMSL), relative humidity at 2 meters (RH2), 2-meter air temperature (T2m), and wind speed (Wspeed). These variables were categorized into forecast lead times of 6, 12, 18, 24, 48, and 72 hours, with each lead time used independently as input to the ANN model for each station.The ANN architecture employed was a multilayer perceptron (MLP) consisting of two layers: a hidden layer with sigmoid activation functions and an output layer with linear activation. The model was trained to predict 6-hour observed precipitation at each station. The ANN was implemented across 16 synoptic meteorological stations in East Azerbaijan Province. Model performance was evaluated using statistical metrics including Mean Squared Error (MSE) and Pearson correlation coefficient (R), calculated for the training, testing, and validation datasets. The model was iteratively trained until the minimum MSE and maximum R values were achieved. Results indicated that the ANN-enhanced WRF model significantly improved precipitation forecasts, with MSE reductions ranging from 36% to 92% depending on the station. Also, the correlation index R for all stations was 0.85 on average. Furthermore, 95% daily error plots demonstrated that the modified model exhibited lower error magnitudes and reduced variability compared to the original WRF outputs.

کلیدواژه‌ها English

Precipitation
WRF
FFN model
MSE index
R correlation index

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 20 تیر 1405

  • تاریخ دریافت 11 آبان 1404
  • تاریخ بازنگری 10 تیر 1405
  • تاریخ پذیرش 20 تیر 1405
  • تاریخ انتشار 20 تیر 1405