Vorhersage der Fließgewässertemperaturen in österreichischen Einzugsgebieten mittels Machine Learning-Verfahren

Abstract

Die Fließgewässertemperatur ist ein essenzieller Umweltfaktor, der das Potenzial hat, sowohl ökologische als auch sozio-ökonomische Rahmenbedingungen im Umfeld eines Gewässers zu verändern. Um Fließgewässertemperaturen als Grundlage für effektive Anpassungsstrategien für zukünftige Veränderungen (z.\u202fB. durch den Klimawandel) berechnen zu können, sind adäquate Modellierungskonzepte notwendig. Die vorliegende Studie untersucht hierfür 6\xa0Machine Learning-Modelle: Schrittweise Lineare Regression, Random Forest, eXtreme Gradient Boosting, Feedforward Neural Networks und zwei Arten von Recurrent Neural Networks. Die Modelle wurden an 10\xa0österreichischen Einzugsgebieten mit unterschiedlichen physiographischen Eigenschaften und Eingangsdatenkombinationen getestet. Die Hyperparameter der angewandten Modelle wurden mittels Bayes’scher Hyperparameteroptimierung optimiert. Um die Ergebnisse mit anderen Studien vergleichbar zu machen, wurden die Vorhersagen der 6\xa0Machine Learning-Modelle den Ergebnissen der linearen Regression und dem häufig verwendeten und bekannten Wassertemperaturmodell air2stream gegenübergestellt.Von den 6\xa0getesteten Modellen zeigten die Feedforward Neural Networks und das eXtreme Gradient Boosting die besten Vorhersagen in jeweils 4 von 10\xa0Einzugsgebieten. Mit einem durchschnittlichen RMSE (Wurzel der mittleren Fehlerquadratsumme; root mean squared error) von 0,55\u202f°C konnten die getesteten Modelle die Fließgewässertemperaturen deutlich besser prognostizieren als die lineare Regression (1,55\u202f°C) und air2stream (0,98\u202f°C). Generell zeigten die Ergebnisse der 6\xa0Modelle eine sehr vergleichbare Leistung mit lediglich einer mittleren Abweichung um den Medianwert von 0,08\u202f°C zwischen den einzelnen Modellen. Im größten untersuchten Einzugsgebiet –\xa0Donau bei Kienstock\xa0– wiesen Recurrent Neural Networks die höchste Modellgüte auf, was darauf hinweist, dass sie sich am besten eignen, wenn im Einzugsgebiet Prozesse mit langfristigen Abhängigkeiten ausschlaggebend sind. Die Wahl der Hyperparameter beeinflusste die Vorhersagefähigkeit der Modelle stark, was die Bedeutung der Hyperparameteroptimierung besonders hervorhebt.Die Ergebnisse dieser Studie fassen die Bedeutung unterschiedlicher Eingangsdaten, Modelle und Trainingscharakteristiken für die Modellierung von mittleren täglichen Fließgewässertemperaturen zusammen. Gleichzeitig dient diese Studie als Basis für die Entwicklung zukünftiger Modelle für eine regionale Fließgewässertemperaturvorhersage. Die getesteten Modelle stehen im open source R‑Paket wateRtemp allen AnwenderInnen der Forschungsgemeinschaft und der Praxis zur Verfügung.