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使用原位和 ERA5-Land 再分析数据估计参考蒸散发的时空变化的高级学习模型
Modeling Earth Systems and Environment Pub Date : 2023-10-17 , DOI: 10.1007/s40808-023-01872-6
Oumaima Kaissi , Salwa Belaqziz , Mohamed Hakim Kharrou , Salah Erraki , Chouaib El Hachimi , Abdelhakim Amazirh , Abdelghani Chehbouni

参考蒸散量 (ET0) 是水文学中的一个关键参数。它具有多种实际应用,从了解水文循环到估计农业高效灌溉所需的作物用水量。广泛采用FAO PENMAN-MONTEITH (FAO-PM)方法,也是FAO推荐的ET0估算方法。然而,它需要多个测量的气象参数,而这些参数在某些条件下很难获得。这项工作填补了这一空白,并利用数据驱动方法(即机器学习和深度学习模型)的潜力,在使用有限数量的易于获取的参数的同时准确估计 ET0。该研究使用基于物理的模型(FAO-PM 和 Hargreaves)作为数据驱动模型的 ET0 学习数据提供者。首先,向物理模型输入 2013 年至 2020 年期间每小时的气象数据来估算 ET0。数据来源于我们研究区坦西夫特盆地(摩洛哥中部)的现场当地气象站和哥白尼 ERA5-土地再分析数据。接下来,作为预处理步骤,使用基于决策树的方法执行特征工程。我们评估了天气参数对于 ET0 估算的预测重要性。每个参数的分数在 0 到 1 之间,表明其功效。值得注意的是,平均气温和全球太阳辐射表现突出,共同超过了 86% 的重要性阈值。相比之下,其余参数的重要性较低,仅为 10%。这强调了平均气温和全球太阳辐射作为准确 ET0 估算的重要预测因素的重要意义。最后,在建模阶段,重点介绍了三种深度学习模型:长短期记忆(LSTM)、门控循环单元和卷积神经网络。值得注意的是,LSTM 模型表现出卓越的性能,提供了可比的决定系数 (R 2 ) 和均方根误差 (RMSE) 结果,超越了同类模型。在使用 Hargreaves 和 FAO-56 PM 方法进行单变量预测方面,LSTM 在所有数据源中始终实现 0.90 的高 R 2值,同时在 0.004 至 0.07 mm 的低 MAE、MSE 和 RMSE 值中体现出令人印象深刻的准确性/天。此外,集成学习模型XGBoost具有最佳预测性能,R 2  = 0.93,RMSE = 0.03 mm/day。这证实了机器学习模型在中小型数据集上的性能优于深度学习架构。所提出的模型将被整合到一个欠发达的农业决策支持系统中。





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更新日期:2023-10-17
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