بهار و تابستان
برگشت به فهرست مقالات |
برگشت به فهرست نسخه ها
نادر جندقی*1 
، مجتبی قره محمودلو1 ، مجید عظیم محسنی2 ، مهناز خلفی2
، مجتبی قره محمودلو1 ، مجید عظیم محسنی2 ، مهناز خلفی2
1- دانشگاه گنبد کاووس
2- دانشگاه گلستان
2- دانشگاه گلستان
چکیده: (277 مشاهده)
چکیده مبسوط
مقدمه و هدف: خوشه بندی سری های زمانی بارش و سایر عناصر هیدرولوژیکی با استفاده مستقیم از روش های کلاسیک مانند روش K-میانگین میتواند گمراه کننده باشد؛ زیرا در مشاهدات سری زمانی یک همبستگی تاخیری وجود دارد که در روش های کلاسیک نادیده گرفته می شود. سری های زمانی همبسته متناوب نوعی از سری های زمانی ناایستا بوده که در ساختار کوواریانس آنها دوره تناوب مشاهده میشود. از آنجا که در سری های زمانی مربوط به داده های هیدرولوژی، هواشناسی، اقلیم شناسی و غیره رفتار تناوبی مشاهده میشود، لذا استفاده از سری های زمانی همبسته متناوب در سالیان گذشته مورد توجه متخصصین قرار گرفته است. سریهای زمانی را می توان با دو رویکرد مختلف دامنه زمان و دامنه فرکانس مورد مطالعه قرار داد. از دامنه فرکانس معمولا برای ساختارشناسی سری های زمانی استفاده می شود. در این رویکرد، سری های زمانی با استفاده از تبدیلات فوریه که توابعی از فرکانس هستند مورد مطالعه قرار می گیرند. خوشهبندی ایستگاههای هواشناسی از لحاظ سریهای زمانی بارش اطلاعات مهمی در مورد یک ناحیه جغرافیایی در اختیار کارشناسان قرار داده و نقش مهمی در مدیریت منابع آب آن ناحیه دارد. هدف اصلی این پژوهش محاسبه فاصله بین ایستگاه های هواشناسی استان گلستان بر اساس مشاهدات سری های زمانی همبسته متناوب بارش ماهانه ایستگاههای هواشناسی در دامنه فرکانس و سپس استفاده از یک روش خوشه بندی برای گروه بندی ایستگاه ها می باشد. برای خوشه بندی نیز دو روش خوشه بندی فازی و روش معمول خوشه بندی k-میانگین مقایسه میشود.
مواد و روشها: در این پژوهش، سری زمانی بارش ماهانه 34 ایستگاه هواشناسی استان گلستان در یک بازه زمانی مشترک 15 ساله از شرکت آب منطقه ای گلستان جمع آوری شد. با توجه به اینکه مقادیر بارش ماهانه وابسته به زمان هستند، ابتدا این دادهها به صورت سری زمانی مرتب شدند. با توجه به نوع پراکنش مقادیر بارش و وجود مقادیر صفر در تعدادی از ایستگاههای هواشناسی، برای تثبیت واریانس از تبدیل یک به یک در مدلسازی استفاده گردید. از آنجا که سریهای زمانی بارش ماهانه دارای دوره تناوب 12 میباشند لذا میتوان آنها را بر اساس سریهای زمانی همبسته متناوب مورد مطالعه قرار داد. در این پژوهش، خوشهبندی سریهای زمانی همبسته متناوب در دامنه طیفی مورد استفاده قرار گرفت. در ابتدا فاصله بین سریهای زمانی بارش ماهانه ایستگاههای هواشناسی در دامنه فرکانس بر مبنای شاخص ضریب همبستگی چندگانه متناوب سنجیده شد. سپس بر اساس ماتریس فاصله، خوشهبندی به روش فازی انجام گرفت. پس از محاسبه ماتریس فاصله، خوشهبندی به روش k-میانگین نیز انجام گرفت. برای مقایسه دقت روشهای خوشهبندی مورد استفاده از شاخص میانگین مربعات خطا بارش ماهانه خوشهها استفاده شد و نتایج آنها با هم مقایسه گردید. کلیه محاسبات این پژوهش در محیط نرمافزار مینیتب 17 و آر 4.3.1 انجام شده است.
یافتهها: نتایج بررسی روند فصلی برای سریهای زمانی بارش ماهانه نشان داد که در همه ایستگاههای هواشناسی منتخب در استان گلستان دوره تناوب 12 وجود دارد لذا میتوان آنها را بر اساس سریهای زمانی همبسته متناوب مورد مطالعه قرار داد. بر اساس شاخص ضریب همبستگی متناوب فاصله بین ایستگاههای هواشناسی تعیین و با استفاده از دو روش خوشهبندی فازی و k-میانگین، 8 گروه برای 34 ایستگاه هواشناسی مورد بررسی در استان گلستان شناسایی شد. بزرگترین و کوچکترین گروه در خوشهبندی فازی به ترتیب شامل 8 و 1 ایستگاه و در روش k-میانگین 7 و 1 ایستگاه هواشناسی بوده است. نتایج بررسی دقت دو روش مورد استفاده بر اساس شاخص میانگین مربعات خطا نشان داد مقدار این شاخص برای خوشهبندی بر اساس روش فازی 13/67 بوده در صورتی که این شاخص در روش k-میانگین 165/11 محاسبه شد. در این تحقیق همچنین مشخص شد دقت روش دامنه طیفی به همراه خوشهبندی فازی تقریبا 12 برابر بیشتر از روش دامنه طیفی بر اساس روش k-میانگین بوده است. همچنین بررسی خوشهها در روش فازی نشان دهنده شباهت روند تغییرات بارش در ایستگاه های هواشناسی واقع در هر خوشه بوده که بر دقت روش دامنه طیفی به همراه خوشه بندی فازی دلالت دارد.
نتیجه گیری: در این پژوهش، فاصله بین سری های زمانی بارش ماهانه 34 ایستگاه هواشناسی در استان گلستان در دامنه فرکانس بر مبنای شاخص همبستگی چندگانه متناوب سنجیده شد. سپس در دامنه طیفی و بر اساس دو روش خوشه بندی فازی و k-میانگین ایستگاه های هواشناسی منتخب گروه بندی شدند و در هر یک از روش ها 8 گروه شناسایی شدند. بر این اساس میانگین مربعات خطا برای روش خوشه بندی فازی و k-میانگین به ترتیب 13/67 و 165/11 محاسبه شد. این موضوع نشان داد دقت روش خوشه بندی فازی برای گروهبندی مقادیر بارش ماهانه ایستگاه های هواشناسی منتخب تقریبا 12 برابر بیشتر از روش معمول k-میانگین می باشد. شباهت بسیار زیاد روند تغییرات بارش ماهانه ایستگاه های هواشناسی واقع در هر یک از گروه ها، بیانگر کارایی قابل ملاحظه استفاده از روش دامنه فرکانس و بر اساس خوشه بندی فازی برای گروه بندی سریهای زمانی همبسته متناوب همانند بارش ماهانه است. علاوه بر سادگی و دقت روش خوشه بندی در دامنه فرکانس، از محاسن دیگر آن لحاظ کردن ساختار متناوب سری های زمانی در خوشه بندی است. اهمیت دیگر استفاده از این روش این است که در برخی مطالعات هیدرولوژی که طول سری های زمانی با هم برابر نباشند، در دامنه فرکانس امکان خوشه بندی آنها وجود دارد.
مقدمه و هدف: خوشه بندی سری های زمانی بارش و سایر عناصر هیدرولوژیکی با استفاده مستقیم از روش های کلاسیک مانند روش K-میانگین میتواند گمراه کننده باشد؛ زیرا در مشاهدات سری زمانی یک همبستگی تاخیری وجود دارد که در روش های کلاسیک نادیده گرفته می شود. سری های زمانی همبسته متناوب نوعی از سری های زمانی ناایستا بوده که در ساختار کوواریانس آنها دوره تناوب مشاهده میشود. از آنجا که در سری های زمانی مربوط به داده های هیدرولوژی، هواشناسی، اقلیم شناسی و غیره رفتار تناوبی مشاهده میشود، لذا استفاده از سری های زمانی همبسته متناوب در سالیان گذشته مورد توجه متخصصین قرار گرفته است. سریهای زمانی را می توان با دو رویکرد مختلف دامنه زمان و دامنه فرکانس مورد مطالعه قرار داد. از دامنه فرکانس معمولا برای ساختارشناسی سری های زمانی استفاده می شود. در این رویکرد، سری های زمانی با استفاده از تبدیلات فوریه که توابعی از فرکانس هستند مورد مطالعه قرار می گیرند. خوشهبندی ایستگاههای هواشناسی از لحاظ سریهای زمانی بارش اطلاعات مهمی در مورد یک ناحیه جغرافیایی در اختیار کارشناسان قرار داده و نقش مهمی در مدیریت منابع آب آن ناحیه دارد. هدف اصلی این پژوهش محاسبه فاصله بین ایستگاه های هواشناسی استان گلستان بر اساس مشاهدات سری های زمانی همبسته متناوب بارش ماهانه ایستگاههای هواشناسی در دامنه فرکانس و سپس استفاده از یک روش خوشه بندی برای گروه بندی ایستگاه ها می باشد. برای خوشه بندی نیز دو روش خوشه بندی فازی و روش معمول خوشه بندی k-میانگین مقایسه میشود.
مواد و روشها: در این پژوهش، سری زمانی بارش ماهانه 34 ایستگاه هواشناسی استان گلستان در یک بازه زمانی مشترک 15 ساله از شرکت آب منطقه ای گلستان جمع آوری شد. با توجه به اینکه مقادیر بارش ماهانه وابسته به زمان هستند، ابتدا این دادهها به صورت سری زمانی مرتب شدند. با توجه به نوع پراکنش مقادیر بارش و وجود مقادیر صفر در تعدادی از ایستگاههای هواشناسی، برای تثبیت واریانس از تبدیل یک به یک در مدلسازی استفاده گردید. از آنجا که سریهای زمانی بارش ماهانه دارای دوره تناوب 12 میباشند لذا میتوان آنها را بر اساس سریهای زمانی همبسته متناوب مورد مطالعه قرار داد. در این پژوهش، خوشهبندی سریهای زمانی همبسته متناوب در دامنه طیفی مورد استفاده قرار گرفت. در ابتدا فاصله بین سریهای زمانی بارش ماهانه ایستگاههای هواشناسی در دامنه فرکانس بر مبنای شاخص ضریب همبستگی چندگانه متناوب سنجیده شد. سپس بر اساس ماتریس فاصله، خوشهبندی به روش فازی انجام گرفت. پس از محاسبه ماتریس فاصله، خوشهبندی به روش k-میانگین نیز انجام گرفت. برای مقایسه دقت روشهای خوشهبندی مورد استفاده از شاخص میانگین مربعات خطا بارش ماهانه خوشهها استفاده شد و نتایج آنها با هم مقایسه گردید. کلیه محاسبات این پژوهش در محیط نرمافزار مینیتب 17 و آر 4.3.1 انجام شده است.
یافتهها: نتایج بررسی روند فصلی برای سریهای زمانی بارش ماهانه نشان داد که در همه ایستگاههای هواشناسی منتخب در استان گلستان دوره تناوب 12 وجود دارد لذا میتوان آنها را بر اساس سریهای زمانی همبسته متناوب مورد مطالعه قرار داد. بر اساس شاخص ضریب همبستگی متناوب فاصله بین ایستگاههای هواشناسی تعیین و با استفاده از دو روش خوشهبندی فازی و k-میانگین، 8 گروه برای 34 ایستگاه هواشناسی مورد بررسی در استان گلستان شناسایی شد. بزرگترین و کوچکترین گروه در خوشهبندی فازی به ترتیب شامل 8 و 1 ایستگاه و در روش k-میانگین 7 و 1 ایستگاه هواشناسی بوده است. نتایج بررسی دقت دو روش مورد استفاده بر اساس شاخص میانگین مربعات خطا نشان داد مقدار این شاخص برای خوشهبندی بر اساس روش فازی 13/67 بوده در صورتی که این شاخص در روش k-میانگین 165/11 محاسبه شد. در این تحقیق همچنین مشخص شد دقت روش دامنه طیفی به همراه خوشهبندی فازی تقریبا 12 برابر بیشتر از روش دامنه طیفی بر اساس روش k-میانگین بوده است. همچنین بررسی خوشهها در روش فازی نشان دهنده شباهت روند تغییرات بارش در ایستگاه های هواشناسی واقع در هر خوشه بوده که بر دقت روش دامنه طیفی به همراه خوشه بندی فازی دلالت دارد.
نتیجه گیری: در این پژوهش، فاصله بین سری های زمانی بارش ماهانه 34 ایستگاه هواشناسی در استان گلستان در دامنه فرکانس بر مبنای شاخص همبستگی چندگانه متناوب سنجیده شد. سپس در دامنه طیفی و بر اساس دو روش خوشه بندی فازی و k-میانگین ایستگاه های هواشناسی منتخب گروه بندی شدند و در هر یک از روش ها 8 گروه شناسایی شدند. بر این اساس میانگین مربعات خطا برای روش خوشه بندی فازی و k-میانگین به ترتیب 13/67 و 165/11 محاسبه شد. این موضوع نشان داد دقت روش خوشه بندی فازی برای گروهبندی مقادیر بارش ماهانه ایستگاه های هواشناسی منتخب تقریبا 12 برابر بیشتر از روش معمول k-میانگین می باشد. شباهت بسیار زیاد روند تغییرات بارش ماهانه ایستگاه های هواشناسی واقع در هر یک از گروه ها، بیانگر کارایی قابل ملاحظه استفاده از روش دامنه فرکانس و بر اساس خوشه بندی فازی برای گروه بندی سریهای زمانی همبسته متناوب همانند بارش ماهانه است. علاوه بر سادگی و دقت روش خوشه بندی در دامنه فرکانس، از محاسن دیگر آن لحاظ کردن ساختار متناوب سری های زمانی در خوشه بندی است. اهمیت دیگر استفاده از این روش این است که در برخی مطالعات هیدرولوژی که طول سری های زمانی با هم برابر نباشند، در دامنه فرکانس امکان خوشه بندی آنها وجود دارد.
ارسال پیام به نویسنده مسئول
| بازنشر اطلاعات | |
 |
این مقاله تحت شرایط Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License قابل بازنشر است. |
