التعلم العميق متعدد المخرجات للتنبؤ بالجسيمات الدقيقة ومؤشر جودة الهواء في الأحواض المرتفعة

يمثل التنبؤ بتلوث الهواء تحديًا خاصًا في الأحواض الجبلية التي تشهد فصول شتاء متكررة وانقلابات حرارية تحبس الملوثات قرب سطح الأرض، وتزداد الحاجة في هذه البيئات إلى نماذج تنبؤ دقيقة تدعم الإنذار المبكر وتحمي الصحة العامة، وتقدم هذه الدراسة إطار تعلم عميق متعدد المخرجات للتنبؤ المتزامن بالجسيمات الدقيقة بي إم 10 ومؤشر جودة الهواء في مدينة إغدير التركية الواقعة في حوض مرتفع تسوده ظروف الركود الشتوي، ويهم هذا العمل الباحثين العرب وطلاب الدراسات العليا في علوم البيانات والهندسة البيئية الساعين إلى توظيف الذكاء الاصطناعي في إدارة جودة الهواء بالمدن وحماية سكانها

وتبرز في نماذج التنبؤ البيئي ميزة التعلم متعدد المهام حين تكون المخرجات مترابطة بطبيعتها كما هي حال الجسيمات الدقيقة ومؤشر جودة الهواء الذي يشتق أصلًا من تركيزات الملوثات، فتشارك التمثيلات يختصر التدريب ويحسن التعميم ويمنح تنبؤات أكثر اتساقًا عبر الأفق الزمني مقارنة بنماذج منفصلة لكل مخرج على حدة

أولًا: أهداف الدراسة ومنهجيتها

طورت الدراسة نماذج تعلم عميق وقيمتها بصرامة باستخدام بيانات ساعية لخمس سنوات امتدت من 2020 إلى 2024 من محطة إغدير المركزية شملت الجسيمات الدقيقة وثاني أكسيد النيتروجين والأوزون وثاني أكسيد الكبريت ومتغيرات أرصادية هي الضغط ودرجة الحرارة وسرعة الرياح والرطوبة النسبية والهطول والغطاء السحابي، وعولجت البيانات بالاستيفاء الخطي والتطبيع بدرجات زد وترميز الدورية الزمنية بخصائص الجيب وجيب التمام للساعة والشهر، واعتمد تصميم يقوم على نافذة رجوع مدتها 72 ساعة للتنبؤ بأفق 24 ساعة، وقورنت نماذج الذاكرة الطويلة قصيرة المدى ووحدة البوابة المتكررة والذاكرة ثنائية الاتجاه والنموذج المدمج الالتفافي عبر ثلاث مراحل متدرجة، وضبطت المعاملات الفائقة بالتحسين البايزي، وقورن الأداء بخط أساس من الانحدار الخطي المتعدد، وبني الإطار على تعلم متعدد المهام بمشفر زمني مشترك ورأسي انحدار خاصين بالمهمتين يتنبآن بالهدفين معًا

ثانيًا: أبرز النتائج

1. حققت النماذج مكاسب متدرجة مع إضافة المشفرات الدورية، وجاءت أقوى المكاسب من إدخال قيم الهدف في الفترات السابقة بما يؤكد قيمة الذاكرة الزمنية في التنبؤ قصير الأفق في أحواض الانقلاب الحراري

2. تفوق نموذج الذاكرة الطويلة قصيرة المدى عند الإعداد الأمثل لأفق 24 ساعة محققًا معامل تحديد 0.7989 للجسيمات الدقيقة وجذر متوسط مربعات خطأ 48.74 ميكروغرامًا لكل متر مكعب، ومعامل تحديد 0.6626 لمؤشر جودة الهواء وجذر متوسط مربعات خطأ 37.81، متجاوزًا وحدة البوابة المتكررة بفارق ضئيل ومتفوقًا بوضوح على النموذجين ثنائي الاتجاه والمدمج الالتفافي

3. أكدت حساسية الأفق فائدة التنبؤ الآني إذ حقق النموذج عند إعادة تدريبه لآفاق أقصر معامل تحديد 0.9991 للجسيمات الدقيقة و0.9535 لمؤشر جودة الهواء عند أفق ساعة واحدة، و0.9792 للجسيمات و0.8849 للمؤشر عند أفق ست ساعات

4. كشف تشخيص البواقي أخطاء متفاوتة التباين ترتبط بالنظام الجوي السائد وتبلغ ذروتها قرب درجة الصفر المئوية ومع الرياح المنخفضة، مع انحياز محافظ يميل إلى التقليل من التنبؤ بالقيم القصوى لتركيزات الملوثات

ثالثًا: دلالات الدراسة وتطبيقاتها

يوفر الإطار المقترح تنبيهات فورية بجودة الهواء ودعمًا للتخطيط اليومي وصنع القرار في إدارة جودة الهواء المستدامة وحماية الصحة العامة ورسم سياسات حضرية قائمة على الأدلة، ويتميز تصميم تعدد المخرجات عن النماذج المنفصلة باستغلاله التباين المشترك بين الهدفين وتحسينه كفاءة البيانات والتعميم عبر التمثيلات المشتركة وإنتاجه تنبؤات متماسكة ومستقرة عبر الأفق، ويمكن نقل الإطار إلى بيئات أحواض قارية مماثلة في المنطقة العربية تعاني انقلابات حرارية شتوية وركودًا هوائيًا يحبس الملوثات

وينبغي مع ذلك التعامل مع هذه النماذج بوصفها أدوات دعم قرار لا بدائل عن شبكات الرصد والقياس الميداني، إذ تتوقف جودة تنبؤاتها على جودة البيانات المدخلة واستمرارية المحطات وتحديث النماذج دوريًا مع تغير أنماط الانبعاثات والمناخ المحلي عبر الفصول والسنوات

وخلاصة القول إن النماذج العميقة متعددة المخرجات الواعية بالزمن قادرة على التنبؤ الدقيق التشغيلي بتلوث الهواء في أحواض الانقلاب الحراري، وإن نموذج الذاكرة الطويلة قصيرة المدى كان الأفضل أداء مع بقاء تحدي التنبؤ بالقيم القصوى قائمًا، بما يوجه البحوث المقبلة نحو تحسين التعامل مع أحداث التلوث المتطرفة