تحقیقات آب و خاک ایران

تحقیقات آب و خاک ایران

پیش‌بینی کوتاه‌مدت[AM1.1] شاخص‌های اقلیمی ـ اقیانوسی AMOو NAO بر پایه روش‌های نوین

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده
گروه آبیاری و آبادانی- دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی البرز-دانشگاه تهران- کرج -ایران
چکیده
پیش‌بینی‌پذیری شاخص‌های دورپیوندی اقیانوس–جو به‌سبب تفاوت بنیادین میان حافظه حرارتی اقیانوس و آشوب‌پذیری جو، با عدم‌قطعیت قابل‌توجهی همراه است. این پژوهش با هدف بازسازی و پیش‌بینی کوتاه‌مدت شاخص‌های نوسان چنددهه‌ای اطلس (AMO) و نوسان اطلس شمالی (NAO)، چارچوب یکپارچه و داده‌محور RIMEF را بر ۹۱۲ مشاهده ماهانه طی ژانویه ۱۹۵۰ تا دسامبر ۲۰۲۵ پیاده‌سازی کرد. داده‌های دمای سطح دریا از ERSSTv6 و میدان‌های فشار سطح دریا و ارتفاع ژئوپتانسیل ۵۰۰ هکتوپاسکال از ERA5 استخراج شدند. AMO در محدوده صفر تا ۷۰ درجه شمالی با وزن‌دهی کسینوسی عرض جغرافیایی و حذف مؤلفه گرمایش جهانی بازسازی شد؛ NAO نیز با تحلیل توابع متعامد تجربی بر ناهنجاری‌های فشار در محدوده ۲۰ تا ۸۰ درجه شمالی و ۹۰ درجه غربی تا ۴۰ درجه شرقی استخراج گردید. بردار پیش‌بین شامل وقفه‌های یک تا شش‌ماهه، میانگین‌های متحرک، مؤلفه‌های فاز و روند و شاخص‌های AO، PDO NINO3.4 بود. مدل‌های RidgeCV، ElasticNetCV، Extra Trees، Random Forest و HistGradientBoosting در افق‌های یک، سه، شش و دوازده‌ماهه با اعتبارسنجی زمانی مبدأ غلتان ارزیابی شدند. نتایج نشان داد ElasticNetCV برای AMO در افق یک‌ماهه کمترین خطا را با RMSE=0/621ثبت کرد و RidgeCV در افق سه‌ماهه با0/772 RMSE=برتر بود. برای NAO، بهترین RMSE در افق‌های یک و سه‌ماهه به‌ترتیب 1/032 و 1/059به‌دست آمد. دقت فاز نیز از 0/592 به 0/515 کاهش یافت. نوآوری پژوهش، تلفیق بازسازی شاخص‌ها، مهندسی ویژگی چندمقیاسه، اعتبارسنجی عاری از نشت، تبیین‌پذیری SHAP و کمی‌سازی عدم‌قطعیت در چارچوبی واحد است. یافته‌ها استفاده از مدل‌های منظم‌شده برای AMO و پیش‌بینی احتمالاتی برای NAO را توصیه می‌کنند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Short-term Forecasting of AMO and NAO via Data-Driven Reconstruction, Multi-scale Learning, and Explain ability

نویسنده English

Alireza saadatmoghadasi
Department of Irrigation and reclamation- Faculty of Agriculture and Nature Resource (Alborz)-Tehran University-Karaj-Iran
چکیده English

Predicting coupled ocean–atmosphere teleconnections is inherently difficult because oceanic thermal memory and atmospheric chaos impose markedly different limits on forecast skill. This study reconstructed and forecast the Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO) and North Atlantic Oscillation (NAO) through the integrated, data-driven RIMEF framework using 912 monthly observations from January 1950 to December 2025. Sea-surface temperature data were obtained from ERSSTv6, whereas sea-level pressure and 500-hPa geopotential-height fields were derived from ERA5. AMO was reconstructed over 0–70°N using latitude-dependent cosine weighting and removal of the contemporaneous global-warming component. NAO was extracted through empirical orthogonal function analysis of pressure anomalies across 20°–80°N and 90°W–40°E. The predictor space comprised one- to six-month lags, rolling means, phase and trend components, and the AO, PDO, and NINO3.4 indices. RidgeCV, ElasticNetCV, Extra Trees, Random Forest, and HistGradientBoosting were evaluated at 1-, 3-, 6-, and 12-month horizons through leakage-free rolling-origin validation. ElasticNetCV produced the lowest one-month AMO error (RMSE=0/621), whereas RidgeCV performed best at three months (RMSE=0/772). For NAO, the optimal RMSE values were 1/032 and 1/059 at one and three months, respectively. Phase accuracy declined from 0/592 to 0/515, revealing rapidly deteriorating atmospheric predictability. What distinguishes this study is its integration of raw-field index reconstruction, multiscale feature engineering, temporally rigorous validation, SHAP-based explain ability, and uncertainty quantification within a unified architecture. The findings support regularized models for AMO and probabilistic, uncertainty-aware forecasting for NAO. Such a bifurcated strategy can improve climate services while preventing deterministic NAO forecasts from being interpreted beyond their empirically demonstrated predictability threshold practice.

کلیدواژه‌ها English

'
Atlantic Ocean'
Prediction'
, '
Explainable computational intelligence'