Machine Learning-Based Assessment and Forecasting of Temperature–Humidity Index for Dairy Heat Stress Using Multivariate and Panel Data Approaches in Bihar, India

في الحقول الرطبة والمشمسة في بلاد الألبان في الهند، تملي حالة الطقس الإيقاع اليومي للمزرعة. بالنسبة للأبقار التي توفر الحليب، لا يعد الهواء مجرد خلفية، بل هو قوة مادية يمكن أن تدعم صحتها أو تستنزف طاقتها ببطء. فعندما يصبح الهواء حاراً وثقيلاً، تكافح الأبقار لتبريد نفسها، وهي حالة تُعرف بالإجهاد الحراري. لا يقتصر الأمر على مجرد مسأية تتعلق بالراحة؛ بل هو تهديد مباشر لقدرتها على إنتاج الحليب، والبقاء بصحة جيدة، والتكاثر. ولقياس هذا العبء غير المرئي، يستخدم العلماء رقماً واحداً يسمى "مؤشر درجة الحرارة والرطوبة". فكر في هذا المؤشر كقراءة مشتركة لميزان الحرارة والرطوبة في الهواء، مما يعطي صورة واضحة لمدى قسوة البيئة المحيطة بالحيوان. وفي مناطق مثل بيهار، حيث الصيف طويل والرطوبة عالية، يعد فهم هذا الرقم أمراً ضرورياً للمزارعين الذين يحاولون الحفاظ على إنتاجية قطعانهم.

لقد شرع فريق من الباحثين في رسم خريطة لهذا العبء غير المرئي عبر خمس مناطق رئيسية لإنتاج الألبان في ولاية بيهار على مدار عشرين عاماً، من عام 2006 إلى عام 2025. لقد جمعوا مجموعة ضخمة من بيانات الطقس، وتتبعوا درجات الحرارة اليومية القصوى والدنيا، وكمية الرطوبة في الهواء، وسرعة الرياح. كان هدفهم هو معرفة كيف تغيرت هذه الظروف بمرور الوقت وبناء نظام يمكنه التنبؤ متى تصبح الحرارة خطيرة على الماشية. وبدلاً من الاعتماد على المتوسطات البسيطة، لجأوا إلى برامج حاسوبية متقدمة قادرة على إيجاد أنماط معقدة في البيانات. هذه البرامج، المعروفة باسم نماذج تعلم الآلة، تم تدريبها على التعرف على تركيبات الطقس المحددة التي تنذر بالخطر، تماماً كما قد يتعلم مزارع خبير قراءة السماء، ولكن بدقة الحاسوب الذي يحلل آلاف نقاط البيانات في آن واحد.

كشف التحليل أن الأبقار في هذه المناطق تتعرض بشكل متكرر لظروف تدفعها إلى حالة من الإجهاد الحراري الخفيف إلى المتوسط. وفي المتوسط، ظل مؤشر الحرارة حول مستوى يشير إلى أن الحيوانات تبذل جهداً كبيراً لمجرد البقاء باردة. ووجد الباحثون أن العامل الأكثر حرجاً لم يكن الحرارة اللافحة في فترة بعد الظهر، بل الدفء الذي يستمر طوال الليل. فعندما لا تنخفض درجة الحرارة بشكل ملحوظ بعد غروب الشمس، لا تستطيع الأبقار التعافي من حرارة النهار، مما يؤدي إلى عبء تراكمي يتزايد بمرور الوقت. ويتحدى هذا الاكتشاف الفكرة القائلة بأن درجات الحرارة القصوى في النهار هي المهمة فقط؛ إذ يشير إلى أن عدم انخفاض الحرارة ليلاً هو المحرك الحقيقي للإجهاد في هذه المنطقة.

ولفهم أنماط الطقس المتنوعة عبر المناطق الخمس، قام الباحثون بتصنيف البيانات إلى ثلاثة أنواع متميزة من المناخ. تميزت إحدى المجموعات بهواء دافئ ولزج حيث كانت الرطوبة عالية. وكانت أخرى حارة وجافة، مع حرارة شديدة ولكن رطوبة أقل. أما المجموعة الثالثة فكانت فترة أكثر برودة حيث يمكن للحيوانات أن ترتاح بسهولة أكبر. هذا التمييز حيوي لأنه يوضح أن قاعدة واحدة لكل الولاية لن تنجح؛ فما يساعد بقرة في منطقة حارة وجافة قد لا يكون هو الحل المناسب لأخرى في منطقة دافئة ورطبة. وقد أكدت الدراسة أن الإجهاد الحراري الذي تتعرض له ماشية الألبان ليس حدثاً موحداً، بل هو مزيج معقد من الظروف المحلية التي تختلف من مكان لآخر ومن موسم لآخر.

باستخدام خوارزميات حاسوبية قوية، اختبر الفريق طرقاً مختلفة للتنبؤ بمستويات الإجهاد هذه. وأثبتت إحدى الطرق، والمعروفة باسم "الغابة العشوائية" (Random Forest)، أنها الأكثر دقة، حيث حددت فئة الإجهاد الحراري بشكل صحيح في أكثر من 99 بالمائة من الحالات. وتعني هذه الدقة أن النموذج يمكنه إخبار المزارعين بموثوقية متى تتحول الظروف من آمنة إلى خطيرة. كما حدد الحاسوب أن درجة الحرارة الدنيا -أدنى نقطة يتم الوصول إليها خلال الليل- كانت الإشارة الأكثر أهمية للتنبؤ بالإجهاد. وبينما لعبت سرعة الرياح والرطوبة دوراً، كان فشل الليل في التبريد هو الإشارة المهيمنة.

وبالنظر إلى المستقبل، استخدم الباحثون هذه الأنماط للتنبؤ بما قد تبدو عليه السنوات القادمة. وتظهر توقعاتهم دورة متكررة وواضحة: سترتفع الحرارة باطراد خلال فصل الربيع، لتصل إلى ذروتها في أشهر الصيف وهي مايو ويونيو ويوليو، قبل أن تبرد مرة أخرى في الشتاء. وتشير التوقعات إلى أن أعلى مستويات الإجهاد ستحدث باستمرار في شهر يونيو. وعلى الرغم من أن البيانات لم تظهر زيادة كبيرة وطويلة الأمد في الحرارة على مدار العقدين الماضيين، إلا أن النمط الموسمي يظل صارماً. ستواجه الأبقار نفس الحرارة الشديدة كل عام، مع وصول الفترة الأكثر حرجاً في أوائل الصيف.

تكمن قيمة هذا العمل في قدرته على تحويل المخاوف الغامضة بشأن الطقس إلى معلومات ملموسة وقابلة للتنفيذ. فمن خلال معرفة متى وأين ستكون الحرارة في أشد حالاتها بالضبط، يمكن للمزارعين وصناع القرار الاستعداد مسبقاً. يمكنهم التخطيط لتحسين التهوية، أو توفير الظل، أو تعديل أوقات التغذية لمساعدة الحيوانات على التكيف. وتثبت الدراسة أنه من خلال الجمع بين سجلات الطقوة التقليدية وذكاء الحاسوب الحديث، من الممكن بناء نظام إنذار مبكر موثوق. يقدم هذا النهج وسيلة لحماية صحة قطعان الألبان وتأمين سبل عيش أولئك الذين يعتمدون عليها، مما يضمن أنه حتى مع تغير المناخ، يمكن للأبقار أن تستمر في الازدهار في مواجهة الحرارة.