中国农学通报 ›› 2024, Vol. 40 ›› Issue (28): 126-133.doi: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb2023-0793
收稿日期:
2023-11-08
修回日期:
2024-07-23
出版日期:
2024-10-05
发布日期:
2024-09-29
通讯作者:
作者简介:
朱春霞,女,1971年出生,河南周口人,高级农艺师,本科,研究方向为水肥一体化技术。通信地址:466000 河南省周口市川汇区交通路中段60号,Tel:0394-8106517,E-mail:zkszcx2266@163.com。
基金资助:
Received:
2023-11-08
Revised:
2024-07-23
Published:
2024-10-05
Online:
2024-09-29
摘要:
为提高黄淮海平原参考作物蒸散量(ET0)的预测精度,在豫北地区新乡市利用2020—2021年历史气象数据和2022年日数值天气预报数据(最高气温、最低气温、太阳总辐射量、日照时数、相对湿度和2 m风速),建立反向传播(BP)、极限梯度提升(XGBoost)和梯度提升决策树(CatBoost)3种预测ET0的机器学习模型,并与FAO-56 Penman-Monteith模型的结果进行比较。结果显示,气象参数中太阳总辐射量(Ra)、最高气温(Tmax)和最低气温(Tmin)与ET0的相关性最高,可作为模型的输入因子。从预测时间尺度来看,3种机器学习模型对1~16 d的ET0预报效果最佳。其中,XGBoost模型在验证期的R=0.875、RMSE=0.230 mm/d、MAE=0.181 mm/d、MAPE=8.45%。R较CatBoost和BP模型平均提高10.2%,RMSE、MAE和MAPE平均下降39.9%~62.4%。鉴于XGBoost模型预测ET0的精度和稳定性,推荐将其作为黄淮海平原参考作物蒸散量的预测方法。
朱春霞, 秦安振. 基于XGBoost和数值天气预报的黄淮海平原参考作物蒸散量预测模型研究[J]. 中国农学通报, 2024, 40(28): 126-133.
ZHU Chunxia, QIN Anzhen. Forecasting of Reference Crop Evapotranspiration in Huang-Huai-Hai Plain Based on XGBoost Machine Learning Model and Numerical Weather Prediction Data[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2024, 40(28): 126-133.
Tmax | Tmin | Tmean | Ra | S | RH | U2 | |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Tmin | 0.912** | 1.000 | |||||
Tmean | 0.943** | 0.867** | 1.000 | ||||
Ra | 0.865** | 0.835** | 0.876** | 1.000 | |||
S | 0.635* | 0.685* | 0.638* | 0.785* | 1.000 | ||
RH | 0.762* | 0.635* | 0.586 | 0.672* | 0.324 | 1.000 | |
U2 | 0.124 | 0.213 | 0.215 | 0.314 | 0.121 | 0.168 | 1.000 |
ET0 | 0.884** | 0.715* | 0.735* | 0.727* | 0.477 | 0.458 | 0.125 |
Tmax | Tmin | Tmean | Ra | S | RH | U2 | |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Tmin | 0.912** | 1.000 | |||||
Tmean | 0.943** | 0.867** | 1.000 | ||||
Ra | 0.865** | 0.835** | 0.876** | 1.000 | |||
S | 0.635* | 0.685* | 0.638* | 0.785* | 1.000 | ||
RH | 0.762* | 0.635* | 0.586 | 0.672* | 0.324 | 1.000 | |
U2 | 0.124 | 0.213 | 0.215 | 0.314 | 0.121 | 0.168 | 1.000 |
ET0 | 0.884** | 0.715* | 0.735* | 0.727* | 0.477 | 0.458 | 0.125 |
模型 | 训练阶段 | 验证阶段 | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
R | RMSE/(mm/d) | MAE/(mm/d) | MAPE/% | R | RMSE/(mm/d) | MAE/(mm/d) | MAPE/% | ||
BP | 0.817b | 0.496a | 0.864a | 23.5a | 0.757b | 0.485a | 0.452a | 33.6a | |
CatBoost | 0.857b | 0.335b | 0.268b | 15.2b | 0.831a | 0.281b | 0.226b | 11.4b | |
XGBoost | 0.923a | 0.183c | 0.122c | 7.32c | 0.875a | 0.230b | 0.181c | 8.45b |
模型 | 训练阶段 | 验证阶段 | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
R | RMSE/(mm/d) | MAE/(mm/d) | MAPE/% | R | RMSE/(mm/d) | MAE/(mm/d) | MAPE/% | ||
BP | 0.817b | 0.496a | 0.864a | 23.5a | 0.757b | 0.485a | 0.452a | 33.6a | |
CatBoost | 0.857b | 0.335b | 0.268b | 15.2b | 0.831a | 0.281b | 0.226b | 11.4b | |
XGBoost | 0.923a | 0.183c | 0.122c | 7.32c | 0.875a | 0.230b | 0.181c | 8.45b |
模型 | 预报天数/d | R | RMSE/(mm/d) | MAE/(mm/d) | MAPE/% |
---|---|---|---|---|---|
BP | 1~8 | 0.65b | 0.185c | 0.240b | 21.6b |
1~16 | 0.54c | 0.230b | 0.281b | 27.6ab | |
1~32 | 0.33e | 0.315a | 0.311a | 30.7a | |
1~56 | 0.31e | 0.326a | 0.325a | 32.6a | |
CatBoost | 1~8 | 0.62b | 0.190c | 0.183c | 9.63c |
1~16 | 0.55c | 0.176c | 0.153cd | 12.6c | |
1~32 | 0.30e | 0.275b | 0.221b | 22.6b | |
1~56 | 0.28e | 0.281b | 0.226b | 24.8b | |
XGBoost | 1~8 | 0.72a | 0.118c | 0.114d | 4.65d |
1~16 | 0.74a | 0.126c | 0.113d | 10.7c | |
1~32 | 0.48d | 0.226b | 0.193c | 16.7b | |
1~56 | 0.43d | 0.230b | 0.181c | 15.6b |
模型 | 预报天数/d | R | RMSE/(mm/d) | MAE/(mm/d) | MAPE/% |
---|---|---|---|---|---|
BP | 1~8 | 0.65b | 0.185c | 0.240b | 21.6b |
1~16 | 0.54c | 0.230b | 0.281b | 27.6ab | |
1~32 | 0.33e | 0.315a | 0.311a | 30.7a | |
1~56 | 0.31e | 0.326a | 0.325a | 32.6a | |
CatBoost | 1~8 | 0.62b | 0.190c | 0.183c | 9.63c |
1~16 | 0.55c | 0.176c | 0.153cd | 12.6c | |
1~32 | 0.30e | 0.275b | 0.221b | 22.6b | |
1~56 | 0.28e | 0.281b | 0.226b | 24.8b | |
XGBoost | 1~8 | 0.72a | 0.118c | 0.114d | 4.65d |
1~16 | 0.74a | 0.126c | 0.113d | 10.7c | |
1~32 | 0.48d | 0.226b | 0.193c | 16.7b | |
1~56 | 0.43d | 0.230b | 0.181c | 15.6b |
日期(年-月-日) | ET0真实值 | ET0预测值 | ||
---|---|---|---|---|
BP模型 | CatBoost模型 | XGBoost模型 | ||
2022-3-1 | 1.88 | 1.75 | 1.81 | 1.76 |
2022-3-2 | 1.85 | 1.72 | 1.65 | 1.77 |
2022-3-3 | 1.89 | 1.62 | 1.69 | 1.77 |
2022-3-4 | 1.86 | 1.64 | 1.61 | 1.78 |
2022-3-5 | 1.94 | 2.01 | 1.76 | 1.76 |
2022-3-6 | 1.79 | 1.85 | 1.78 | 1.77 |
2022-3-7 | 1.87 | 1.96 | 1.75 | 1.74 |
2022-3-8 | 1.82 | 2.01 | 1.81 | 1.78 |
2022-3-9 | 1.96 | 2.16 | 1.70 | 1.75 |
2022-3-10 | 1.74 | 1.68 | 1.95 | 1.90 |
2022-3-11 | 1.98 | 1.63 | 2.01 | 1.95 |
2022-3-12 | 2.01 | 1.62 | 2.15 | 1.98 |
2022-3-13 | 2.14 | 1.68 | 2.23 | 2.03 |
2022-3-14 | 1.86 | 1.98 | 2.10 | 2.16 |
2022-3-15 | 2.16 | 1.85 | 2.32 | 2.14 |
2022-3-16 | 2.23 | 1.69 | 2.14 | 2.19 |
日期(年-月-日) | ET0真实值 | ET0预测值 | ||
---|---|---|---|---|
BP模型 | CatBoost模型 | XGBoost模型 | ||
2022-3-1 | 1.88 | 1.75 | 1.81 | 1.76 |
2022-3-2 | 1.85 | 1.72 | 1.65 | 1.77 |
2022-3-3 | 1.89 | 1.62 | 1.69 | 1.77 |
2022-3-4 | 1.86 | 1.64 | 1.61 | 1.78 |
2022-3-5 | 1.94 | 2.01 | 1.76 | 1.76 |
2022-3-6 | 1.79 | 1.85 | 1.78 | 1.77 |
2022-3-7 | 1.87 | 1.96 | 1.75 | 1.74 |
2022-3-8 | 1.82 | 2.01 | 1.81 | 1.78 |
2022-3-9 | 1.96 | 2.16 | 1.70 | 1.75 |
2022-3-10 | 1.74 | 1.68 | 1.95 | 1.90 |
2022-3-11 | 1.98 | 1.63 | 2.01 | 1.95 |
2022-3-12 | 2.01 | 1.62 | 2.15 | 1.98 |
2022-3-13 | 2.14 | 1.68 | 2.23 | 2.03 |
2022-3-14 | 1.86 | 1.98 | 2.10 | 2.16 |
2022-3-15 | 2.16 | 1.85 | 2.32 | 2.14 |
2022-3-16 | 2.23 | 1.69 | 2.14 | 2.19 |
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