انجمن سنجش از دور ایران / دانشگاه شهید بهشتی نشریه سنجش از دور و GIS ایران 2008-5966 18 1 2026 05 22 Comparative Analysis of the Accuracy of Satellite Precipitation Products in Mazandaran Province: Quantitative and Qualitative Evaluation with Emphasis on Station Data تحلیل تطبیقی دقت محصولات بارش ماهواره‌ای در استان مازندران: ارزیابی کمّی‌وکیفی با تأکید بر داده‌های ایستگاهی 105642 10.48308/gisj.2025.237418.1236 FA صدیقه برارخان‌پور احمدی گروه مهندسی آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران 0009-0006-5968-9115 رضا نوروز ولاشدی گروه مهندسی آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران 0000-0003-1543-0866 مهدی نادی گروه مهندسی آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران 0000-0003-0854-8380 خلیل قربانی گروه مهندسی آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران 0000-0002-1901-4045 کریم سلیمانی گروه علوم و مهندسی آبخیزداری، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران 0000-0002-5357-6797 Journal Article 2024 11 01 Introduction: Estimation of spatiotemporal patterns of precipitation is difficult in Mazandaran province due to several factors, including the lack of ground observations, diverse climate zones, and extreme mountain slopes. Satellite precipitation products can provide a suitable solution for measuring the amount of precipitation, especially in areas with scattered ground stations, and provide a new approach to observe precipitation globally with remote sensing. However, despite the wide use of these products in various fields of study, the quantitative evaluation of these products is a fundamental challenge due to their inherent error and uncertainty, which should be considered in different temporal and spatial scales before their direct use. Materials and Methods: In the first step, CHIRPS, CMORPH, SM2RAIN, PERSIANN-CDR and IMERG gridded precipitation products were extracted from the database of each product in NetCDF format at the global level. Then, precipitation data for each product was selected for grids located in Mazandaran province by coding in the R programming environment and Geographic Information System (GIS). In the next step, the evaluation and comparison of these products against 15 synoptic stations in the Mazandaran province at the station-grid and regional spatial scales and monthly and annual time scales using the statistical evaluation criteria of Spearman's correlation coefficient (CC), Root Mean Square Error (RMSE), Mean Absolute Error (MAD), Kling-Gupta efficiency (KGE) and Nash-Sutcliffe efficiency (NSE), as well as drawing statistical diagrams (Taylor, etc.) were performed. In order to evaluate the grid to the station, the data of the closest grid to each synoptic station was extracted for each precipitation product and compared with the precipitation data of station in different time scales. Results and Discussion: The results of the regional evaluation of satellite precipitation products on a monthly and annual scale have shown that the IMERG and CMORPH products are more compatible, while the CHIRPS product performed well only in the dry months of the year. However, the accuracy of the products was higher on a monthly scale than on an annual scale. The Taylor diagram results indicated relatively high accuracy of IMERG, CHIRPS and CMORPH products (correlation 0.8-0.7) at stations located in coastal areas and relatively low accuracy at high altitudes (correlation 0.35). While for the PERSIAN product, the data accuracy was low for all regions, with a negative correlation in coastal areas. However, the results of the evaluation of precipitation products at the station level showed the better performance of the IMERG product and then CMORPH (CC=0.7-0.8 and RMSE=2-4 mm) in estimating monthly precipitation mainly in the eastern half of the province. While the lowest accuracy and the weakest performance was for the PERSIANN-CDR product. The highest CC value of precipitation products was equal to 0.8, which was mainly in the eastern and coastal areas of the province, but the lowest value was related to the PERSIANN-CDR product (CC=0.05). The RMSE values are mainly between 2 and 15 mm in the mountainous and eastern half of the province, respectively, and the lowest values are for the IMERG and CMORPH products. The values of KGE and NSE were also closer to the optimal value mainly in the coastal and eastern areas (NSE=0.5 and KGE=0-1), which was better for the CMORPH product. However, the BIAS values for all products varied between (-0.4)-1 mm, which was underestimated in coastal and low-altitude areas, but overestimated in high-altitude areas. Investigating the effect of the distance between the synoptic station and grid precipitation on the accuracy of the precipitation product has also shown that for the CMORPH, IMERG (in high areas) and SM2RAIN products, a low or higher distance between the station and the grid has reduced or increased the uncertainty. However, for most of the precipitation products, the significant increase in elevation has increased the uncertainty in satellite precipitation estimation. Conclusion: The most accurate precipitation product in Mazandaran province includes the IMERG product. One of the main problems in the accuracy of precipitation products in this region is the complex topography (large height difference) and the proximity to the Caspian Sea. However, the use of modern methods such as remote sensing systems as a solution for estimating precipitation represents scientific advances in this field, and this can be used as a guide for decision-makers in climate and hydrological studies. سابقه و هدف: برآورد الگوهای مکانی‌ـ زمانی بارش در استان مازندران، به‌دلیل عوامل متعددی ازجمله فقدان مشاهدات زمینی، مناطق متنوع آب‌وهوایی و شیب‌های شدید کوه‌نگاری، مشکل است. محصولات بارش ماهواره‌ای می‌توانند راه‌حلی مناسب برای اندازه‌گیری میزان بارش، به‌ویژه در نواحی دارای ایستگاه‌های زمینی پراکنده، فراهم کنند و رویکردی جدید برای مشاهدة بارش در سطح جهانی، با سنجش از دور، به دست دهند. بااین‌حال، به‌رغم استفادة گستردة این محصولات درزَمینه‌های مطالعاتی گوناگون، ارزیابی کمّی این محصولات به‌دلیل خطای ذاتی و عدم‌قطعیت‌ آن‌ها، چالشی اساسی است که قبل‌از استفادة مستقیم از آن‌ها باید در مقیاس‌های زمانی و مکانی متفاوت مورد توجه قرار گیرد. مواد و روش‌ها: در گام نخست، محصولات بارش شبکه‌ای CHIRPS، CMORPH، SM2RAIN، PERSIANN-CDR و IMERG از پایگاه دادة هریک از محصولات، با فرمت NetCDF در سطح جهانی استخراج شد. سپس داده‌های بارش هر محصول برای شبکه‌های واقع در پهنة استان مازندران، با کدنویسی در محیط برنامه‌نویسی R و سامانة اطلاعات جغرافیایی (GIS)، انتخاب شد. در گام بعد، این محصولات در مقابل پانزده ایستگاه هم‌دیدی در سطح استان مازندران، در مقیاس‌های مکانی ایستگاه‌ـ شبکه و منطقه‌ای و مقیاس‌های زمانی ماهیانه و سالیانه ارزیابی و مقایسه شدند. این کار با استفاده از معیارهای ارزیابی آماری ضریب همبستگی اسپیرمن (CC)، ریشة میانگین مربعات خطا (RMSE)، میانگین خطای مطلق (MAD)، کارآیی کلینگ‌ـ گوپتا (KGE) و کارآیی نش‌ساتکلیف (NSE) و همچنین رسم نمودارهای آماری (تیلور و ...) انجام شد. به‌منظور ارزیابی شبکه به ایستگاه، داده‌های نزدیک‌ترین شبکه به هر ایستگاه هم‌دیدی برای هر محصول بارش، استخراج و با داده‌های بارش آن ایستگاه در مقیاس‌های زمانی متفاوت، مقایسه شد. نتایج و بحث: نتایج بررسی منطقه‌ای محصولات بارش ماهواره‌ای، در مقیاس ماهیانه و سالیانه، بیانگر انطباق بیشتر محصولات IMERG و CMORPH بوده است؛ درحالی‌که محصول CHIRPS فقط در ماه‌های خشکِ سال عملکرد مناسبی داشت. بااین‌حال دقت محصولات در مقیاس ماهیانه بیشتر از سالیانه بود. نتایج دیاگرام تیلور گویای دقت نسبتاً بالای محصولات IMERG، CHIRPS و CMORPH (همبستگی 7/0-8/0) در ایستگاه‌های واقع در نواحی ساحلی و دقت نسبتاً پایین در ارتفاعات (همبستگی 35/0) بوده است. درعین‌حال برای محصول بارش PERSIAN، دقت داده‌ها درمورد تمامی مناطق، اندک بود و در نواحی ساحلی، مقدار همبستگی منفی داشت. باوجوداین‌، نتایج ارزیابی محصولات بارش در سطح ایستگاه‌ها بیانگر عملکرد بهتر محصول IMERG و سپس CMORPH (CC=0.7-0.8 و RMSE=2-4 mm) در برآورد بارش ماهیانه، عمدتاً در نیمۀ شرقی استان بود. کمترین دقت و ضعیف‌ترین عملکرد را نیز محصول PERSIANN-CDR داشته است. بیشترین مقدار CC محصولات بارش برابر 8/0 و اغلب در نواحی شرقی و ساحلی استان بود اما کمترین آن به محصول PERSIANN-CDR (CC=0.05) تعلق داشت. مقادیر RMSE معمولاً بین 2 تا 15 میلی‌متر، به‌ترتیب، در نواحی کوهستانی و نیمه‌شرقی استان متغیر بود که کمترین آن به محصول IMERG و CMORPH تعلق داشت. مقادیر KGE و NSE نیز بیشتر در نواحی ساحلی و شرقی به مقدار بهینه نزدیک‌تر بوده است (NSE=0.5 و KGE=0-1) که درمورد محصول CMORPH بهتر بود. بااین‌حال مقادیر بایاس (BIAS)، درمورد همة محصولات، بین 4/0- تا 1 میلی‌متر متغیر و در نواحی ساحلی و کم‌ارتفاع، دارای کم‌برآوردی بود اما در نواحی مرتفع، بیش‌برآوردی داشت. بررسی تأثیر فاصلة ایستگاه هم‌دیدی و بارش شبکه‌ای در دقت محصول بارش نیز نشان داده است که برای محصولات CMORPH، IMERG (در نواحی مرتفع) و SM2RAIN، فاصلة کم یا زیاد بین ایستگاه و شبکه باعث کاهش یا افزایش عدم‌قطعیت شده است. بااین‌حال، درمورد اغلب محصولات بارش، افزایش شایان ملاحظة ارتفاع موجب افزایش عدم‌قطعیت در برآورد بارش ماهواره‌ای شده است. نتیجه‌گیری: دقیق‌ترین محصول بارش در استان مازندران شامل محصول IMERG بوده است. یکی از مشکلات اصلی در دقت محصولات بارش، در این منطقه، توپوگرافی پیچیده (اختلاف ارتفاع زیاد) و هم‌جواری با دریای خزر است. بااین‌حال استفاده از روش‌های نوین، مانند سامانه‌های سنجش از دور به‌منزلة راهکاری برای برآورد بارش، نشان‌دهندۀ پیشرفت‌های علمی در این حوزه است و می‌تواند راهنمای تصمیم‌گیرندگان در مطالعات آب‌وهوایی و هیدرولوژیکی باشد.

https://gisj.sbu.ac.ir/article_105642_a4b3183762b2294c6860c55e741e293c.pdf