Iranian Journal of Geophysics

Iranian Journal of Geophysics

Evaluation of spatio-temporal accuracy of precipitation estimation of ERA-5 database over Iran

Document Type : Research Article

Authors
1 M.Sc. Graduate, Department of Climatology, Natural Resources Faculty, University of Kurdistan, Sanandaj, Iran
2 Professor, Department of Climatology, Natural Resources Faculty, University of Kurdistan, Sanandaj, Iran
Abstract
Precipitation is one of the most important climatic elements. It is one of the main components of the global water cycle which has influences on socioeconomic development, environmental planning, and life on the Earth. Proper knowledge of the spatial and temporal distribution of precipitation cannot be acquired unless there is a good distribution of meteorological stations. Despite the importance of precipitation, rain gauge datasets for hydroclimate applications, due to some limitations, such as the lack of long data records, the distribution and density of meteorological stations, and late updating, particularly in the case of complex terrains like those in Iran, has been a huge challenge both spatially and temporally. Gridded precipitation datasets are good alternatives for the monitoring of precipitation characteristics over regions where gaugebased observations are sparse or nonexistent. In the current study, the tempo-spatial accuracy of the ERA-5 database was evaluated in the estimation of precipitation over Iran during the statistical period of 1998-2019. For this purpose, the precipitation data of ERA-5 base with a spatial resolution of 0.25 degrees of arc was used in comparison with the data of meteorological stations. In order to evaluate the accuracy of the rainfall estimation of ERA-5, diffrent statistical methods including correlation coefficient (R), percentage bias (PBias), root mean square error (RMSE), probability of detection (POD), false alarm ratio (FAR), success threshold index (CSI) and Taylor diagram have been used. The findings showed that the ERA-5 database shows the spatial distribution pattern of precipitation in Iran well. Area-averaged correlation between the ERA-5 database and gaugebased observations is more than 0.9. There is a high agreement between the time series of precipitation values estimated by ERA-5 and the precipitation values observed on meteorological stations in most regions of Iran. The amount of precipitation estimated by the database in the rainy months is more than dry months. This overestimation is high in the high precipitation regions than in other areas of the country (PBias >100%). While in the dry interior regions of the country, the database has underestimated the amount of precipitation (PBias <100%). The RMSE values are more than 100 mm in January, February, March, April and December in the high precipitation regions on the Zagros heights in the west of the country and the southwest of the Caspian Sea. The RMSE value is less than 20 mm in most of the months of the year in the dry regions. The database correctly detects rainy days and dry days in the rainy months of the year over the rainy areas.
   The accuracy of detecting rainy days in the months of January to April, November and December is more than 0.9, and the rate of misdiagnosis of dry days in the mentioned months is less than 0.3. In general, the accuracy of detecting rainy and dry days reaches more than 0.6 in the high precipitation regions of the country.
Keywords

Subjects


پورانتظاری، س. اسماعیلی، ک. فرید، ح. غفاری، ا. 1401، ارزیابی هیدروگراف جریان با استفاده از داده‌های بارش ERA5 در نرم‌افزار HEC-HMS. آب و خاک. دانشگاه فردوسی مشهد. 
پگاه فر، ن. 1403، ارزیابی عملکرد داده‌های ERA5 در برآورد انواع مختلف CAPE و CIN در ایستگاه‌های جو بالا در ایران. فیزیک زمین و فضا، 50، 249-231.
دارند، م. زندکریمی، س. 1395، ارزیابی دقت داده‌های بارش مرکز اقلیم شناسی بارش جهانی بر روی ایران، مجله ژئوفیزیک ایران، جلد 10، شماره 3، ص 95-113.
دارند، م؛ زندکریمی، س. 1394، واکاوی سنجش دقت زمانی-مکانی بارش پایگاه داده مرکز پیش‌بینی میان مدت جوی اروپایی (ECMWF) بر روی ایران زمین، پژوهش‌های جغرافیای طبیعی، دوره 47، شماره 4، ص 675-651.
رضایی، م. اژدری مقدم، م. عزیزیان، غ.  شمسی‌پور، ع.ا. 1401، ارزیابی پایگاه‌‌های داده شبکه‌‌ای بارش در حوزه آبخیز بلوچستان جنوبی. محیط زیست و مهندسی آب. 9 (1)، 76-61.
سیاوشی، ز. 1399، ارزیابی دقت برآورد داده‌های بارش پایگاه GSMaP بر روی ایران. پایان­نامه کارشناسی ارشد آب و هواشناسی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه کردستا ن، 117 صفحه.
عزیزی، ج. رسول‌زاده، ع. رحمتی، ا. شایقی، ا.  باختر، آ. 1399، ارزیابی عملکرد داده‌های بازتحلیل شده ERA5 در تخمین بارش روزانه و ماهانه در استان اردبیل. تحقیقات آب و خاک ایران، دوره 51، شماره 1، ص 2938-2951.
عزیزیان، ا. رمضانی اعتدالی، ه. 1398، پایش زمانی و مکانی داده‌های بازتحلیل شده ECMWF و منابع بارشی مبتنی بر تکنیک‌های سنجش از دور، تحقیقات منابع آب ایران، سال 15، شماره 2‎.
مجیدی کرهرودی، ف.س. قرایلو، م. ثابت قدم، س.س. 1403، ارزیابی عملکرد بانک داده‌های بازتحلیل ERA5 و MERRA2 در تخمین میزان عمق برف در شمال غرب ایران, فیزیک زمین و فضا، 50(1)، 251-263.
میری، م. رحیمی، م. نوروزی، ع. 1398، ارزیابی دقت برآورد بارش روزانه پایگاه داده  در مقابل GPM و TRMM داده‌های مشاهده‌ای در ایران، نشریه علمی-پژوهشی مهندسی و مدیریت آبخیز، جلد 11، شماره 4، ص 972-983.
میری، م. رضیئی، ط. رحیمی، م. 1395، ارزیابی و مقایسه آماری داده‌های بارش TRMM و  GPCC با داده‌های مشاهده‌ای در ایران، فیزیک زمین و فضا، دوره 42، شماره 3، ص 657-672.
Bidlot, J.R., Abdalla, S. Hersbach, H., 2017, ERA5 wave data. Geophysical Research Abstracts. Vol. 19, EGU2017-8707, 2017.
Beck, H.E., Pan, M., Roy, T., Weedon, G.P., Pappenberger, F., Van Dijk, A. I., Wood, E.F., 2019, Daily evaluation of 26 precipitation datasets using Stage-IV gauge-radar data for the CONUS. Hydrology and Earth System Sciences, 23(1):207-224.
Davison, S., Benetazzo, A., Barbariol, F., Cavaleri, L., & Pezzutto, P. Assessment of ERA5 winds in the Mediterranean Sea.
Hersbach, H., Bell, B., Berrisford, P., Hirahara, S., Horányi, A., Muñoz‐Sabater, J., and Thépaut, J.N., 2020, The ERA-5 global reanalysis. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 146(730): 1999-2049.
Jiao, D., Xu, N., Yang, F., Xu, K., 2021, Evaluation of spatial‑temporal variation performance of ERA5 precipitation data in China. Scientific Reports, 11:17956.
Jiang, Q., Li, W., Fan, Z., He, X., Sun W., Chen, S., Wen, J., Gao, J., Wang, J., 2020, Evaluation of the ERA5 reanalysis precipitation dataset over Chinese Mainland. J. Hydrol. 125660.
Morales-Velázquez, M.I., Socorro Herrera, G., Aparicio, J., Rafieeinasab, A., Lobato-Sánchez, R., 2021, Evaluating reanalysis and satellite-based precipitation at regional scale: A case study in southern Mexico. Atmósfera, 34(2): 189-206.
Tarek, M., Brissette, F.P., & Arsenault, R., 2019, Evaluation of the ERA5 reanalysis as a potential reference dataset for hydrological modeling over North-America. Hydrology and Earth System Sciences Discussions, 1-35.
Varlas, G., Stefanidis, K., Papaioannou, G., Panagopoulos, Y., Pytharoulis, I., Katsafados, P., Dimitriou, E., 2022, Unravelling precipitation trends in Greece since 1950s using ERA5 climate reanalysis data. Climate 10(2), 12.
Vieira, T., Fernandes, M.J., & Lázaro, C., 2019, Impact of the New ERA5 Reanalysis in the Computation of Radar Altimeter Wet Path Delays. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing 57(12): 9849-9857.
Wilks, D.S., 2006, Statistical Methods in the Atmospheric Sciences. Elsevier, London.