Derin Öğrenme, Makine Öğrenmesi ve İstatistiksel Modellerin Yağış ve Sıcaklık Tahmin Performanslarının Karşılaştırılması: Hakkâri İli Örneği
Öz
Bu çalışma, Türkiye'nin güneydoğusundaki Hakkâri bölgesinde aylık ortalama sıcaklık ve toplam yağış tahmini için derin öğrenme (LSTM), makine öğrenmesi (Random Forest) ve istatistiksel (Prophet) modellerin karşılaştırmalı performansını değerlendirmektedir. 1940–2025 dönemine ait ERA5 reanaliz verileri kullanılmış; model doğruluğu hata kareler ortalamasının karekökü (RMSE), ortalama mutlak hata (MAE), belirtme katsayısı (R²), Nash–Sutcliffe verimliliği (NSE) ve Kling–Gupta verimliliği (KGE) olmak üzere beş metrikle karşılaştırılmıştır.
85 yıllık tarihsel iklim kaydının zamansal analizi, tüm mevsimlerde istatistiksel olarak anlamlı ısınma eğilimleri (0,221°C/10 yıl, p < 0,001) ortaya koymaktadır; ilkbahar ısınması 1,578°C/10 yıl (p < 0,001) ile en belirgin mevsimsel eğilimi oluşturmaktadır. Toplam yağıştaki uzun dönemli değişim ihmal edilebilir düzeydedir (+0,60 mm/10 yıl). Kar örtüsü ve evapotranspirasyon doğrudan modellenmediğinden, kar-yağmur faz geçişi ve kuraklık riskine ilişkin yorumlar ampirik sonuç değil, fiziksel olarak olası hidrolojik çıkarımlar olarak sunulmaktadır.
Sızıntı önleyici değerlendirme çerçevesinde sıcaklık tahmininde Prophet en yüksek doğruluğu sağlamıştır (RMSE = 1,51°C, MAE = 1,15°C, R² = 0,976, NSE = 0,976, KGE = 0,952). Random Forest ikinci sıradadır (RMSE = 1,96°C, MAE = 1,59°C, R² = 0,960, NSE = 0,960, KGE = 0,839); LSTM daha düşük performans göstermiştir (RMSE = 2,52°C, MAE = 2,08°C, R² = 0,933, NSE = 0,933, KGE = 0,791).
Yağış tahmini, sıcaklık tahminine göre belirgin biçimde daha zorlu kalmıştır. Prophet yağışta en iyi performansı sergilemiştir (RMSE = 50,15 mm, MAE = 33,88 mm, R² = 0,601, NSE = 0,601, KGE = 0,681). Random Forest (RMSE = 52,26 mm, MAE = 35,56 mm, R² = 0,567, NSE = 0,567, KGE = 0,672) ve LSTM (RMSE = 53,80 mm, MAE = 36,80 mm, R² = 0,542, NSE = 0,542, KGE = 0,680) benzer ve sınırlı tahmin becerisi göstermiştir. Bu bulgular, sıcaklık gibi güçlü mevsimsellik gösteren değişkenlerin farklı modelleme yaklaşımlarıyla tahmin edilebilirliğini koruduğunu; buna karşılık aylık yağışın, aynı ay bilgisi dışlandığında ve gecikmeli öngörücüler kullanıldığında, sızıntı önleyici koşullar altında yalnızca orta düzeyde tahmin edilebilirlik sergilediğini göstermektedir. Gelecekteki çalışmalar, ek mekânsal öngörücüler, karla ilişkili değişkenler ve hidrometeorolojik göstergelerin dâhil edilmesinden ve ayrıca hibrit derin öğrenme ile topluluk öğrenmesi mimarilerinin test edilmesinden yarar sağlayabilir.
Anahtar Kelimeler
Destekleyen Kurum
Hakkari Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinatörlüğü
Etik Beyan
Hazırlanan makalede herhangi bir kişi veya kurumla çıkar çatışması bulunmamaktadır.” “Yazarlar, hazırlanan makaleyle ilgili olarak herhangi bir kişi veya kurumla çıkar çatışması bulunmadığını beyan ederler.” “Bu makalenin hazırlanması sırasında, “Google” tarafından geliştirilen “Gemini” adlı yapay zeka aracı, yalnızca dilbilimsel düzeltmeler amacıyla sınırlı ölçüde kullanılmıştır. Bilimsel içerik, analizler ve sonuçlar tamamen yazar(lar)ın sorumluluğundadır.
Teşekkür
Bu çalışma, Hakkari Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinatörlüğü tarafından desteklenmiştir (Proje No: FM19BAP).
Comparison of Deep Learning, Machine Learning, and Statistical Models for Precipitation and Temperature Forecasting Performance: A Case Study of Hakkari Province
Öz
This study compares three forecasting approaches for monthly mean temperature and total precipitation over Hakkari, southeastern Turkey: LSTM (deep learning), Random Forest (machine learning), and Prophet (statistical). ERA5 reanalysis data spanning 1940–2025 served as input, and model performance was evaluated using five metrics (RMSE, MAE, R², NSE, and KGE).
Analysis of the 85-year ERA5 record reveals statistically significant warming across all seasons (0.221°C/10 years, p < 0.001), with spring warming being the strongest (1.578°C/10 years, p < 0.001). Long-term precipitation change remains negligible (+0.60 mm/10 years). Because snow cover and evapotranspiration were not directly modeled, interpretations related to snow-rain phase shifts and drought risk are treated as physically plausible implications rather than direct empirical conclusions.
Under the leakage-safe evaluation, Prophet produced the best temperature performance (RMSE = 1.51°C, MAE = 1.15°C, R2 = 0.976, NSE = 0.976, KGE = 0.952), followed by Random Forest (RMSE = 1.96°C, MAE = 1.59°C, R2 = 0.960, NSE = 0.960, KGE = 0.839) and LSTM (RMSE = 2.52°C, MAE = 2.08°C, R² = 0.933, NSE = 0.933, KGE = 0.791).
Precipitation forecasting was consistently more demanding than temperature forecasting. Prophet achieved the best precipitation performance (RMSE = 50.15 mm, MAE = 33.88 mm, R² = 0.601, NSE = 0.601, KGE = 0.681), while Random Forest (RMSE = 52.26 mm, MAE = 35.56 mm, R² = 0.567, NSE = 0.567, KGE = 0.672) and LSTM (RMSE = 53.80 mm, MAE = 36.80 mm, R² = 0.542, NSE = 0.542, KGE = 0.680) showed similar limited skill. These findings suggest that strongly seasonal variables such as temperature remain tractable across modeling frameworks, whereas monthly precipitation exhibits only moderate predictability under leakage-safe conditions when same-month information is excluded and lagged predictors are used. Future studies may benefit from incorporating additional spatial predictors, snow-related variables, and hydrometeorological indicators, as well as testing hybrid deep learning and ensemble learning architectures.
Anahtar Kelimeler
Destekleyen Kurum
Hakkari University Scientific Research Projects Coordination Office
Etik Beyan
“There is no conflict of interest with any individual or organisation in relation to this article.” “The authors declare that there is no conflict of interest with any individual or organisation in relation to this article.” “During the preparation of this article, the artificial intelligence tool ‘Gemini’, developed by ‘Google’, was used to a limited extent solely for linguistic corrections. The scientific content, analyses and results are entirely the responsibility of the author(s).
Teşekkür
This study was supported by the Scientific Research Projects Coordination Office of Hakkari University, Türkiye (Project No: FM19BAP).