تحلیل تطبیقی دقت محصولات بارش ماهواره‌ای در استان مازندران: ارزیابی کمی و کیفی با تأکید بر داده‌های ایستگاهی

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری هواشناسی کشاورزی، گروه مهندسی آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران

2 گروه مهندسی آب، دانشکده مهندسی زراعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران

3 . دانشیار گروه مهندسی آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران

4 دانشیار گروه مهندسی آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

5 استاد گروه علوم و مهندسی آبخیزداری، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران

چکیده

سابقه و هدف: برآورد الگوهای مکانی-زمانی بارش در استان مازندران به دلیل عوامل متعددی از جمله فقدان مشاهدات زمینی، مناطق متنوع آب و هوایی و شیب‌های شدید کوه‌نگاری مشکل است. محصولات بارش ماهواره‌ای می‌توانند راه حلی مناسب برای اندازه‌گیری میزان بارش خصوصا در نواحی با ایستگاه‌های زمینی پراکنده ارائه دهد و یک رویکرد جدید برای مشاهده بارش در سطح جهانی با سنجش از دور ارائه می‌دهد. با این‌حال، علی‌رغم استفاده گسترده این محصولات در زمینه‌های مطالعاتی مختلف، ارزیابی کمی این محصولات به دلیل خطای ذاتی و عدم قطعیت‌ آن‌ها یک چالش اساسی است که قبل از استفاده مستقیم از آن‌ها باید در مقیاس‌های زمانی و مکانی مختلف مورد توجه قرار گیرد.

مواد و روش‌ها: در گام اول، محصولات بارش شبکه‌ای CHIRPS، CMORPH، SM2RAIN، PERSIANN-CDR و IMERG از پایگاه داده مربوط به هر یک از محصولات با فرمت NetCDF در سطح جهانی استخراج گردید. سپس داده‌های بارش هر محصول برای شبکه‌های واقع در پهنه استان مازندران با کدنویسی در محیط برنامه‌نویسی R و سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) انتخاب گردید. در گام بعد، به ارزیابی و مقایسه این محصولات در مقابل 15 ایستگاه همدیدی در سطح استان مازندران در مقیاس‌های مکانی ایستگاه-شبکه و منطقه‌ای و مقیاس‌های زمانی ماهانه و سالانه با استفاده از معیارهای ارزیابی آماری ضریب همبستگی اسپیرمن (CC)، ریشه میانگین مربعات خطا (RMSE)، میانگین خطای مطلق (MAD)، کارایی کلینگ-گوپتا (KGE) و کارایی نش‌ساتکلیف (NSE) و همچنین رسم نمودارهای آماری (تیلور و ...) پرداخته شد. به‌منظور ارزیابی شبکه به ایستگاه، داده‌های نزدیک‌ترین شبکه به هر ایستگاه همدیدی برای هر محصول بارش استخراج گردید و با داده‌های بارش آن ایستگاه در مقیاس‌های زمانی مختلف مقایسه گردید.

نتایج و بحث: نتایج بررسی منطقه‌ای محصولات بارش ماهواره‌ای در مقیاس ماهانه و سالانه بیانگر انطباق بیشتر محصولات IMERG و CMORPH بوده است درحالی‌که محصول CHIRPS تنها در ماه‌های خشکِ سال عملکرد مناسبی داشت. بااین‌حال، دقت محصولات در مقیاس ماهانه بیشتر از سالانه بود. نتایج دیاگرام تیلور بیانگر دقت نسبتاً بالای محصولات IMERG، CHIRPS و CMORPH (همبستگی 8/0-7/0) در ایستگاه‌های واقع در نواحی ساحلی و دقت نسبتاً پایین در ارتفاعات (همبستگی 35/0) بوده است. در حالی‌که برای محصول بارش PERSIAN، دقت داده‌ها برای تمامی مناطق پایین بوده به طوری‌که در نواحی ساحلی، مقدار همبستگی منفی داشت. با این‌حال، 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 ماهانه عمدتاٌ در نیمۀ شرقی استان بود. در حالی‌که کمترین دقت و ضعیف‌ترین عملکرد برای محصول PERSIANN-CDR بوده است. بیشترین مقدار CC محصولات بارش برابر 8/0 بوده که عمدتا در نواحی شرقی و ساحلی استان وجود داشت اما کمترین آن مربوط به محصول PERSIANN-CDR (CC=0.05) بوده است. مقادیر RMSE عمدتا بین 2 تا 15 میلی‌متر به ترتیب در نواحی کوهستانی و نیمه شرقی استان متغیر بوده که کمترین آن برای محصول IMERG و CMORPH است. مقادیر KGE و NSE نیز عمدتا در نواحی ساحلی و شرقی به مقدار بهینه نزدیک‌تر بوده است (NSE=0.5 و KGE=0-1) که برای محصول CMORPH بهتر بود. با این‌حال مقادیر BIAS برای همه‌ی محصولات در بین 2-(4-) میلی‌متر متغیر بوده که در نواحی ساحلی و کم ارتفاع دارای کم‌برآوردی اما در نواحی مرتفع دارای بیش‌برآوردی بوده است. بررسی تأثیر فاصله ایستگاه همدیدی و بارش شبکه‌ای بر روی دقت محصول بارش نیز نشان داده است که برای محصولات CMORPH، IMERG (در نواحی مرتفع) و SM2RAIN فاصله کم (زیاد) بین ایستگاه و شبکه باعث کاهش (افزایش) عدم قطعیت شده است. با این‌حال، برای اغلب محصولات بارش، افزایش قابل ملاحظه ارتفاع موجب افزایش عدم قطعیت در برآورد بارش ماهواره‌ای شده است.

نتیجه گیری: 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. با این‌حال، استفاده از روش‌های نوین مانند سامانه‌های سنجش از دور، به‌عنوان راهکاری برای برآورد بارش، نشان‌دهندۀ پیشرفت‌های علمی در این حوزه است و این موضوع می‌تواند به‌عنوان راهنمایی برای تصمیم‌گیرندگان در مطالعات آب و هوایی و هیدرولوژیکی مورد استفاده قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Comparative analysis of the accuracy of satellite precipitation products in Mazandaran province: quantitative and qualitative evaluation with emphasis on station data

نویسندگان [English]

  • Sedigheh Bararkhanpour Ahmadi 1
  • Reza Norooz-Valashedi 2
  • Mehdi Nadi 3
  • Khalil Ghorbani 4
  • Karim Solaimani 5
1 PhD Student in Agricultural Meteorology, Water Engineering Department, Sari University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Sari, Iran
2 Department of Water Engineering, Faculty of Agricultural Engineering, University of Sari Agricultural Sciences and Natural Resources, Sari, Iran
3 Associate Professor, Department of Water Engineering, Sari University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Sari, Iran
4 Associate Professor, Department of Water Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran
5 Professor, Department of Watershed Science and Engineering, Sari University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Sari, Iran
چکیده [English]

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 (-4)-2 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 (higher) distance between the station and the grid has reduced (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.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Precipitation estimation
  • CHIRPS
  • IMERG
  • SM2RAIN
  • PERSIANN-CDR
  • CMORPH