مدیریت آب در کشاورزی

مدیریت آب در کشاورزی

تحلیل مقایسه‌ای روش‌های Bootstrap و GLUE برای ارزیابی عدم‌قطعیت پایگاه‌های اقلیمی در شبیه‌سازی‌های مدل AquaCrop

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 عضو هیات علمی، گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده موضوعی کشاورزی، آب، غذا و فراسودمندها، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی،
2 دانشجوی دکتری مهندسی منابع آب، گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده موضوعی کشاورزی، آب، غذا و فراسودمندها، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه
3 استاد، گروه مهندسی منابع آب، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی، قزوین، ایران
4 دانشیار، گروه مهندسی منابع آب، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی، قزوین، ایران
5 استاد، گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده موضوعی کشاورزی، آب، غذا و فراسودمندها، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
چکیده
تحلیل عدم قطعیت در مدل‌های گیاهی مانند AquaCrop، با توجه به اهمیت داده‌های اقلیمی در شبیه‌سازی عملکرد محصولات کشاورزی، ضروری است. این مطالعه با هدف مقایسه دو روش GLUE و Bootstrap در برآورد عدم قطعیت پایگاه‌های اقلیمی انجام شد. داده‌های اقلیمی از پایگاه‌های CPC Global، CRU TS، ERA5، ERA-Interim و MERRA-2 برای بازه زمانی 1989 تا 2019 و محصولات گندم و ذرت مورد استفاده قرار گرفت. ارزیابی‌ها نشان داد روش GLUE باندهای عدم قطعیت وسیع‌تری ایجاد می‌کند و شاخص‌های p-factor و d-factor بیشتری نسبت به روش Bootstrap ارائه می‌دهد. به‌طور خاص، کمترین عدم قطعیت زیست‌توده ذرت در پایگاه CPC Global و ایستگاه بابلسر با مقادیر p-factor و d-factor معادل 67/96 درصد و 3/3 مشاهده شد، در حالی که بیشترین عدم قطعیت در پایگاه MERRA-2 و ایستگاه قزوین با مقادیر 33/63 درصد و 98/5 ثبت گردید. در روش Bootstrap نیز پایگاه CPC Global در اکثر ایستگاه‌ها بهترین عملکرد را با کمترین باند عدم قطعیت نشان داد. نتایج نشان دادند که پایگاه‌های ERA5 و CPC Global به‌دلیل ارائه داده‌های دقیق‌تر و کاهش عدم قطعیت در زیست‌توده، تبخیر-تعرق، نیاز آبی و عملکرد محصولات، گزینه‌های مناسب‌تری برای مدل‌سازی گیاهی هستند. در مقابل، پایگاه MERRA-2 بالاترین میزان عدم قطعیت را در تمامی متغیرها و ایستگاه‌ها ثبت کرد. به‌طور کلی، روش GLUE برای تحلیل‌های جامع‌تر مناسب‌تر است، در حالی که روش Bootstrap به دلیل سادگی و ارائه باندهای باریک‌تر، گزینه بهتری برای مطالعات آماری با داده‌های محدود محسوب می‌شود. این نتایج اهمیت انتخاب داده‌های اقلیمی با کیفیت و روش تحلیل مناسب را در بهبود دقت پیش‌بینی‌های مدل‌های کشاورزی برجسته می‌کند.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Comparative Analysis of Bootstrap and GLUE Methods for Uncertainty Assessment of Climatic Datasets in AquaCrop Model Simulations

نویسندگان English

Mahdi Sarai Tabrizi 1
Yaghoub Radmanesh 2
Hadi Ramezani Etedali 3
Asghar Azizian 4
Hossein babazadeh 5
1 Academic Faculty Member, Department of Water Engineering and Sciences, Faculty of Agriculture, Water, Food and Biodiversity, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
2 Ph.D. student of Water Resources, Department of Water Engineering and Sciences, Faculty of Agriculture, Water, Food and Biodiversity, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
3 Professor, Department of Water Resources Engineering, Imam Khomeini International University, Qazvin, Iran
4 Associate Professor, Water Sciences and Engineering Department, Imam Khomeini International University, Qazvin, Iran
5 Professor, Department of Water Engineering and Sciences, Faculty of Agriculture, Water, Food and Biodiversity, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
چکیده English

Uncertainty analysis in crop models such as AquaCrop is critical given the importance of climatic data in simulating agricultural crop performance. This study aims to compare two methods, GLUE and Bootstrap, for assessing the uncertainty of climatic datasets. Climatic data from CPC Global, CRU TS, ERA5, ERA-Interim, and MERRA-2 spanning 1989 to 2019 were utilized to model wheat and maize performance. The evaluations revealed that GLUE produced wider uncertainty bands and higher p-factor and d-factor values compared to Bootstrap. Specifically, the lowest uncertainty for maize biomass was observed in the CPC Global dataset, with p-factor and d-factor values of 96.67% and 3.3, respectively, whereas the highest uncertainty was recorded for the MERRA-2 dataset, with values of 63.33% and 5.98. Similarly, in the Bootstrap method, the CPC Global dataset demonstrated superior performance with narrower uncertainty bands across most stations. The results highlighted that ERA5 and CPC Global are more reliable for crop modeling due to their ability to provide more accurate data and reduce uncertainty in biomass, actual evapotranspiration, irrigation, and crop yield. Conversely, MERRA-2 exhibited the highest uncertainty across all variables and stations. Overall, GLUE is more suitable for comprehensive analyses, whereas Bootstrap, owing to its simplicity and narrower uncertainty bands, is better suited for statistical studies with limited data. These results underscore the importance of selecting high-quality climatic datasets and appropriate analytical methods to enhance the accuracy of agricultural model predictions.

کلیدواژه‌ها English

Uncertainty estimation
GLUE method
Bootstrap method
AquaCrop model
Climatic datasets