The effect of ground elevation and temperature on the performance of satellite products of precipitation on a monthly scale in Iran

Document Type : Original Research

Authors
Department of Remote Sensing & GIS, Faculty of Humanities, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
Abstract
The estimation and measurement of precipitation in situ presents considerable challenges due to factors such as exorbitant costs, a scarcity of monitoring stations, point sampling limitations, and its lack of generalizability to broader surface areas. Consequently, it is imperative to evaluate the accuracy of satellite-derived precipitation products as viable alternatives to conventional field measurements. Given that precipitation is influenced by the climatic conditions and physiographic characteristics inherent to specific regions, this study aims to not only validate and verify satellite precipitation products but also to examine the impact of temperature and elevation on the efficacy of MERRA, TRMM, and CHIRPS satellite precipitation products over a monthly scale from 2005 to 2019, utilizing data from 222 synoptic stations located throughout Iran. The findings indicated that the root mean square error for the TRMM, MERRA, and CHIRPS satellites was recorded at 23.8 mm, 30.6 mm, and 35 mm respectively, suggesting a superior performance of the TRMM satellite in comparison to the other two products. Moreover, the results demonstrated that the TRMM satellite consistently outperformed the other two satellites across all temperature and elevation classifications. At elevations below 500 m and above 1500 m, as well as at temperatures less than 18 °C, MERRA exhibited superior performance relative to CHIRPS, offering more accurate estimations of actual precipitation. Overall, the results indicate that TRMM satellite products may serve as a reliable substitute for observational data, as this satellite not only demonstrates commendable performance in the assessment of satellite products but also excels across varying elevation and temperature conditions.

Keywords

Subjects


1) احمدی، م؛ داداشی رودباری، ع و یرمجائی، آ. (1399). برآورد رواناب با استفاده از مدل IHACRES بر اساس داده های ماهواره‌ای CHIRPS و مدل‌های CMIP5 (مطالعه موردی: حوضه آبخیز گرگانرود، منطقه آق قلا)، تحقیقات آب و خاک ایران، 51 (3):659 – 671. https://doi.org/10.22059/ijswr.2019.289144.668316
2) امیدوار، ک؛ ترکی، م.(1391). شناسایی الگوهای ریزش بارش های سنگین در استان چهارمحال و بختیاری، برنامه‌ریزی و آمایش فضا، دوره 16، شماره 4، صص :۱35-۱69.
3) بی همتا، آ؛ گهرنژاد، ح و معظمی، ص. (1397). بررسی داده‌های بارش ماهواره‌های TRMM و GPM در مقیاس‌های روزانه، ماهیانه و فصلی در شهر تهران، مجله سنجش از دور و GIS ایران،10 (2): 45-60.
4) پریداد، پ و فریدحسینی، ع. (1395). استخراج مقادیر بارش توسط ادغام داده‌های TRMM(TMI) و MSG-SEVIRI TIR ، اولین کنفرانس ملی سنجش از دور و سیستم اطلاعات جغرافیایی در علوم زمین، 18-19 آبان، دانشگاه شیراز.
5) پورعلی حسین، ش و مساح بوانی، ع. (1392). تحلیل مخاطره و ارزیابی اثر تغییر اقلیم بر دما و بارش استان آذربایجان شرقی دوره 2013-2022، فیزیک زمین و فضا، دوره 39 (4): 191-208. https://doi.org/10.22059/jesphys.2013.35989
6) تقی‌زاده، ا و احمدی گیوی، ف. (1397). ارزیابی محصولات بارش GPM و تصویر‌برداری رطوبت خاک با استفاده از داده‌های SMAP در شمال غرب ایران، ژئوفیزیک ایران، جلد 12 (3): 70 – 86.
https://dorl.net/dor/20.1001.1.20080336.1397.12.3.5.8
7) جعفر‌پور، ا. (1381). اقلیم‌شناسی، چاپ پنجم، انتشارات دانشگاه تهران، تهران.
8) رستم‌زاده، ه؛ رسولی، ع؛ وظیفه‌دوست، م و ملکی، ن. (1398). مقایسه تطبیقی بارش بدست آمده از ماهواره‌های TRMM، GPM و رادار داپلر با داده‌های ایستگاه‌های زمینی (مطالعه موردی بارش فراگیر 26 تا 28 اکتبر 2015 در غرب ایران)، پژوهش‌های اقلیم شناسی، 10 (38): 49-61.
9) رسول‌زاده، ع؛ محمودی بابلان، س و نسترنی عموقین، س. (1401). ارزیابی مکانی – زمانی محصولات بارش ماهواره‌ای در مناطق شمال غرب ایران، تحقیقات آب و خاک ایران، 53 (8): 1241-1260.
https://doi.org/10.22059/ijswr.2022.345392.669311
10) رسولی، ع؛ عرفانیان، م؛ ساری‌صراف، ب و جوان، خ. (1395). ارزیابی تطبیقی مقادیر بارندگی برآورد شده TRMM و بارش ثبت شده ایستگاه‌های زمینی در حوضه دریاچه ارومیه، فصلنامه علمی- پژوهشی فضای جغرافیایی، 16 (54): 195-217.
11) رئیس‌پور، ک و خسروی، ی. (1400)، پایش بلند مدت غلظت آلاینده کربن سیاه (BC) در ایران با استفاده از داده‌های مدل مبنای NASA/MERRA-2، علوم محیطی، دوره نوزدهم، شماره 3، 99- 122.
https://doi.org/10.52547/envs.2021.33941
12) شاهبایی کوتنایی، ع و عساکره، ح. (1398). تحلیل ویژگی‌های مکانی بارش‌های پاییزه شمال غرب ایران، فصلنامه علمی- پژوهشی فضای جغرافیایی، 19 (65): 247 – 267.
13) عرفانیان، م؛ کاظم پور، س و حیدری، ح. (1395). واسنجی داده‌های باران سری 3B42 و 3B43 ماهواره TRMM در زون‌های اقلیمی ایران، پژوهش‌های جغرافیای طبیعی، 48 (2): 287-303.
14) عزیزیان، ا و امینی، س. (1399). تأثیر شرایط اقلیمی و توپوگرافی سطح زمین بر عملکرد داده‌های بارشی خانواده PERSIANN در سطح ایران، تحقیقات منابع آب، 16 (1): 86-101.
https://dorl.net/dor/20.1001.1.17352347.1399.16.1.7.1
15) عزیزیان، ا و 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، 15 (1): 163-177. https://dorl.net/dor/20.1001.1.17352347.1398.15.1.12.9
16) عساکره، ح؛ مسعودیان، ا و ترکارانی، ف. (1400). تغییرپذیری نقش عوامل مکانی موثر بر بارش در ارتباط با تحولات دهه‌ای بارش سالانه ایران زمین، جغرافیا و برنامه ریزی محیطی، 32 (3): 129-146.
https://doi.org/10.22108/gep.2021.127032.1395
17) علیزاده، ا؛ کمالی، غ؛ موسوی، ف و موسوی بایگی، م. (1386). هوا و اقلیم شناسی، انتشارات دانشگاه فردوسی مشهد.
18) فرج‌زاده‌اصل، م؛ فیضی، و.(1389). آشکارسازی تغییرهای زمانی- مکانی عناصر دما و بارش در ایران، برنامه‌ریزی و آمایش فضا، دوره 16، شماره 4، صص :49-66.
19) گرجی‌زاده، ع؛ آخوند‌علی، ع؛ شهبازی، ع و مریدی، ع. (1398). مقایسه و ارزیابی بارش برآورد شده توسط مدلهای ERA-Interim ، PERSIAN-CDR و CHIRPS در بالادست سد مارون، تحقیقات منابع آب ایران، 15 (1): 267-279. https://dorl.net/dor/20.1001.1.17352347.1398.15.1.20.7
20) مبارک‌حسن، ا؛ رنجبر سعادت‌آبادی، ع و فتاحی، ا. (1399). بررسی گرد و خاک در گستره ایران توسط مدل باز تحلیل MERRA-2 / NASA (دوره آماری 2007-2013). تحقیقات آب و خاک ایران، 51 (9): 2203-22019.
https://doi.org/10.22059/ijswr.2020.298505.668518
21) محمدی، ز و لشکری، ح. (1397). نقش توپوگرافی در تشدید بارش‌های جنوب و جنوب غرب ایران، مطالعه موردی: روز 3 دسامبر 2015، جغرافیای طبیعی، 11 (40): 17- 33.
22) محمودی بابلان، س؛ نسترنی عموقین، س و رسول‌زاده، ع. ( 1401)، ارزیابی محصولات بارش ماهواره‌ای جهت برآورد رخدادهای بارشی سنگین در نوار ساحلی دریای خزر، مدلسازی و مدیریت منابع آب و خاک، دوره 2 (4): 107-122.
https://doi.org/10.22108/gep.2021.127032.1395
23) میری، م؛ رحیمی، م و نوروزی، ع. (1398). ارزیابی دقت برآورد بارش روزانه پایگاه داده‌های TRMM و GPM در مقابل داده‌های مشاهده‌ای در ایران، نشریه علمی – پژوهشی مهندسی و مدیریت آبخیز، 11 (4): 972 – 983.
https://doi.org/10.22092/ijwmse.2018.121397.1469
24) نظافت، آ؛ مریدی، ع؛ گرجی‌زاده، ع و یوسفی، ح. (1400). ارزیابی عملکرد محصولات شبکه‌بندی بارش با در نظر گرفتن شرایط اقلیمی و توپوگرافی در ایران، تحقیقات منابع آب ایران، 17(2): 62-81.
https://dorl.net/dor/20.1001.1.17352347.1400.17.2.5.8
25) نقوی، م؛ علیجانی، ب؛ اکبری، م و فتاحی، ا. (1400). ارتباط بین شاخص‌های توپوگرافی با بارش‌های فراگیر منطقه کوهستانی البرز، انجمن جغرافیایی ایران، سال 19 (68): 51-67.
26) نوذر‌پور، ن؛ محجوبی، ع و گلیان، س. ( 1401)، ارزیابی عملکرد محصولات بارش ماهانه TRMM 3B43 V7 و PERSIANN-CDR در نواحی اقلیمی مختلف ایران، تحقیقات منابع آب ایران، 18 (1): 227-242.
https://dorl.net/dor/20.1001.1.17352347.1401.18.1.14.2
ب) منابع لاتین:
27) Ali, H., Fowler, H. J., & Mishra, V. (2018). Global observational evidence of strong linkage between dew point temperature and precipitation extremes. Geophysical Research Letters, 45(22), 12-320.
28) Ahmadi, M., Dadashi Roudbari, A., Deyrmajai, A. (2020). Runoff Estimation Using IHACRES Model Based on CHIRPS Satellite Data and CMIP5 Models (Case Study: Gorganroud Basin – Aq Qala Area), Soil and Water Research, 51(3): 659-671. (In Persian)
29) Alizadeh, A., Kamali, G., Mousavi Bayeghi, M .(2007). Weather and climatology, Publications of Ferdowsi Mashhad University. (In Persian)
30) Asakereh, H., Masoodian, A., Tarkarani, F.(2021). Variation in the Spatial Factors Affecting Precipitation in Relation to the Decadal Changes of Annual Precipitation in Iran, Geography and Environmental Planning, 32(3):129-146. (In Persian)
31) Azizian, A., Amini, S.(2020). The Effect of Climate and Topographic Conditions on the Performance of PERSIANN Family Products over Iran, Water Resources Research, 16(1): 86-101. (In Persian)
32) Azizian, A., Ramezani Etedali, H.(2019). Spatiotemporal Assessment of Reanalysis and Remotely-Sensed Precipitation Datasets, Iran-Water Resources Research, 15(1): 163-177. (In Persian)
33) Bayable, G., Amare, G., Alemo, G., Gashaw,T. (2021). Spatiotemporal variability and trends of rainfall and its association with Pacific Ocean Sea surface temperature in West Harerge Zone,Eastern Ethiopia, Environment System Research, 10:1-21.
34) Berg, P., Haerter, J. O., Thejll, P., Piani, C., Hagemann, S., & Christensen, J. H. (2009). Seasonal characteristics of the relationship between daily precipitation intensity and surface temperature. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 114(D18).
35) Bihamta, A., Goharnejad, H., Moazami, S.(2018).Study of Precipitation Data of GPM and TRMM Satellites in Daily, Monthly and Seasonal Scales at Tehran ,Remote Sensing and GIS ,10(2): 45-60. (In Persian)
36) Chan, S. C., Kendon, E. J., Roberts, N. M., Fowler, H. J., & Blenkinsop, S. (2016). Downturn in scaling of UK extreme rainfall with temperature for future hottest days. Nature Geoscience, 9(1), 24-28.
37) Chen, W., Jiang, Z. and Li, L.(2011). Probabilistic projections of climate change over China under the SRES A1B scenario using 28 AOGCMs, Climate, 24(17), 4741-4756.
38) Mousavi Dehghani, A. M., Gohari, A., Zareian, M. J., & Haghighi, A. T. (2023). A comprehensive evaluation of the satellite precipitation products across Iran. Journal of Hydrology: Regional Studies, 46, 101360.
39) Demirkesen, A., Evrendilek, F and Berberoglu, S. (2008). Quantifying coastal inundation vulnerability of Turkey to sea-level rise, Environ Monit Assess, 138:101–106, DOI 10.1007/s10661-007-9746-7.
40) Dinku, T., Funk, C., Peterson, P., Maidment,R., Tadesse,T., Gadain, H. and Ceccato,P. (2018). Validation of the CHIRPS Satellite rainfall estimates over eastern Africa. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 144,292-312.
41) Duan, Z., Liu, J., Tuo, Y., Chiogna, G. and Disse, M. (2016). Evaluation of eight high spatial resolution gridded precipitation products in Adige Basin (Italy) at multiple temporal and spatial scales, Science of the Total Environment, 573:1536-1553.
42) Erfanian, M., Kazempour , S., Heidari, H .(2016). Calibration of TRMM satellite 3B42 and 3B43 rainfall data in climatic zones of Iran, Physical Geography Research, 48(2): 287-303. (In Persian)
43) Funk, C., Peterson, P., Landsfeld, M., Pedreros, D., Verdin, J., Shukla, S., Huska, G., Rowland, J., Harrison, L. and Hoell, A. (2015). The climate hazards infrared precipitation with stations – a new environmental record for monitoring extremes, Scientific Data, 2150066.
44) Gao, X., Guo, M., Yang, Z., Zhu, Q., Xu, Z., & Gao, K. (2020). Temperature dependence of extreme precipitation over mainland China. Journal of Hydrology, 583, 124595.
45) Ghaedamini, H.A., Morid, S., Nazemosadat, M., Shamsoddini,A., Shafizadeh Moghadam, H. (2021). Validation of the CHIRPS and CPC‑Unified products for estimating extreme daily precipitation over southwestern Iran, Theoretical and Applied Climatology, 146:1207-1225.
46) Gorjizadeh, A., Akhondali, A., Shahbazi, A., Moridi,A .(2019). Comparison and Evaluation of Precipitation estimated by ERA-Interim, PERSIAN-CDR and CHIRPS, Iran Water Resources Research, 15(1): 267-279. (In Persian)
47) Goshime,D.W., Absi,R., Haile ,A.T., Ledesert,B. and Rientjes, T.(2020). Bias -Corrected CHIRPS Satellite Rainfall for Water Level, Journal of Hydrologic Engineering, 25 (9), 05020024.
48) Herath, S. M., & Sarukkalige, R. (2018). Evaluation of empirical relationships between extreme rainfall and daily maximum temperature in Australia. Journal of hydrology, 556, 1171-1181.
49) Hoboushian, M. P., Salio, P., Skabar, Y. G., Vila, D., & Garreaud, R. (2017). Assessment of satellite precipitation estimates over the slopes of the subtropical Andes. Atmospheric Research, 190, 43-54.
50) Hosseini-Moghari, S. M., Sun, S., Tang, Q., & Groisman, P. Y. (2022). Scaling of precipitation extremes with temperature in China’s mainland: Evaluation of satellite precipitation data. Journal of Hydrology, 606, 127391.
51) Jafarpour, A .(2002). climatology, Publications of Tehran University, Tehran. (In Persian)
52) Keikhosravi‐Kiany, M.S., Masoodian, S.A., Balling Jr, R.C., Darand, M., 2022, Evaluation of Tropical Rainfall Measuring Mission, Integrated Multi‐satellite Retrievals for GPM, Climate Hazards Centre InfraRed Precipitation with Station data, and European Centre for Medium‐Range Weather Forecasts Reanalysis v5 data in estimating precipitation and capturing meteorological droughts over Iran, International Journal of Climatology, 42: 2039-2064.
53) Logah, F., Adjei, K., Obouobie, E., Gyamfi, C., Odai, S. (2021). Evaluation and Comparison of Satellite Rainfall Products in the Black Volta Basin, Environmental Processes , 8:119–137.
54) Maeda, E. E., Utsumi, N., & Oki, T. (2012). Decreasing precipitation extremes at higher temperatures in tropical regions. Natural Hazards, 64, 935-941.
55) Mahmoudi Babolan,S., Nastarani Amoghin, S., Rasoulzadeh, A .(2022). Evaluation of satellite precipitation products for estimating heavy precipitation in the Caspian coast, Water and Soil Management and Modeling, 2(4), 107-122. (In Persian)
56) Mekonnen, K., Manohar, N., Leh, M., Akpoti,K., Owusu,A., Tinonetsana,P., Hamouda,T., Ghansah,B., Prabhath, T., Munzimi,Y. (2023). Accuracy of satellite and reanalysis rainfall estimates over Africa: A multi-scale assessment of eight products for continental applications, Journal of Hydrology: Regional Studies, 49:101514.
57) Meybeck, M., Green, P and Vörösmarty, C. (2001). A New Typology for Mountains and Other Relief Classes, Mountain Research and Development, 21(1): 34-45.
58) Miri, M., Rahimi, M., Noroozi, A .(2020). Evaluation and comparison of GPM and TRMM daily precipitation with observed precipitation across Iran, Watershed Engineering and Management ,11(4): 972-983. (In Persian)
59) Moazami, S., Golian, S., Hong, Y., Sheng, C., Kavianpour, M.R., 2016. Comprehensive evaluation of four high-resolution satellite precipitation products under diverse climate conditions in Iran. Hydrol. Sci. J. 61, 420–440. https://doi.org/10.1080/02626667.2014.987675.
60) Mobarak Hassan, E., Saadatabadi, A., Fattahi, E .(2020). Dust Investigation by MERRA-2 / NASA Model in Iran: (during 2007-2017), Soil and Water Research, 51(9): 2203-2219. (In Persian)
61) Mohammadi, Z., Lashkari, H .(2018). The Role of Topography in Intensification of Precipitations in the south and South-west of Iran (Case Study:3 December 2015), Physical Geography , 11(40): 17-33. (In Persian)
62) Mosaffa, H., Shirvani, A., Khalili, D., Nguyen, P., Sorooshian, S., 2020. Post and near real-time satellite precipitation products skill over Karkheh River Basin in Iran. Int. J. Remote Sens. 41, 6484–6502. https://doi.org/10.1080/01431161.2020.1739352.
63) Mousavi Dehghani, A. M., Gohari, A., Zareian, M. J., & Haghighi, A. T. (2023). A comprehensive evaluation of the satellite precipitation products across Iran. Journal of Hydrology: Regional Studies, 46, 101360.
64) Naghavi, M., Alijani, B., Akbari, M and Fattahi, A .(2022). Correlation between topographical indicators and widespread rainfall in Alborz mountainous region, Iranian Geographical Association, 19(68): 51-67. (In Persian)
65) Nezafat, A., Moridi, A., Gorjizadeh, A., Yousefi, H .(2021). Evaluating the Performance of Precipitation Products Taking into Account the Climatic and Topographic Conditions across, Iran Water Resources Research, 17(2):62-81. (In Persian)
66) Nozarpour, N., Mahjoobi, E., Golian, S .(2022). Performance Evaluation of TRMM-3B43-V7 and PERSIANN-CDR Monthly Precipitation Products in Different Climatic Regions of Iran, Iran-Water Resources Research, 18(1): 227-242. (In Persian)
67) Omonge.P, Schulz.K, Olang.L and Hemnegger.M. (2021). Evaluation of satellite precipitation for water allocation studies in the Sio-Malaba -Malakisi River Basin of East Africa, Journal of Hydrology Regional Studies, 1:43.
68) Paridad, P., Farid Hosseini, A .(2016). Extraction of precipitation values by merging TRMM(TMI) and MSG-SEVIRI TIR data,The first national conference on remote sensing and geographic information system in earth sciences, Shiraz, Iran. (In Persian)
69) Pooralihosein, S., Massah Bavani, A.(2013). Risk analysis and assessment of impacts of climate change on temperature and precipitation of East Azerbaijan in 2013-2022, Earth and Space Physics, 39(4): 191-208. (In Persian)
70) Qi. W, Zhang.C, Fu.G, Sweetapple.C and Zhou.H.(2016). Evaluation of global fine resolution precipitation products and their uncertainty quantification in ensemble discharge simulations. Hydrology and Earth System Siences, 920(12):903-920.
71) Qin, Y., Chen, Z., Shen, Y., Zhang, S., Shi, R., 2014. Evaluation of satellite rainfall estimates over the Chinese Mainland. Remote Sens 6, 11649–11672. https://doi. org/10.3390/rs61111649.
72) Rahimi.J, Ebrahimpour.M and Khalili.A. (2013). Spatial changes of extended De Martonne climatic zones affected by climate change in Iran. Theoretical and Applied Climatology. 112(3-4): 409-418.
73) Raispour, K., khosravi, Y.(2021). Long-term monitoring of the concentration of carbon black pollutants in Iran using NASA/MERRA-2 base model data, Environmental Scienses, 19(3):99-122. (In Persian)
74) Rasouli, A., Erfanian, M., Sari sarraf, B., Javan, k .(2016). Comparative evaluation of TRMM estimated rainfall and recorded rainfall of ground stations in Urmia lake basin, Geographic Space, 16(54): 195-217. (In Persian)
75) Rasoulzadeh, A., Mahmoudi Babolan, S., Nastarani Amoghin, S. (2023). Spatio-temporal Evaluation of Satellite Precipitation Products in Northwestern Iran, Soil and Water Research, 53(9): 1241-1260. (In Persian)
76) Rivera, J., Marianetti, G., Hinrich, S. (2018). Validation of CHIRPS precipitation dataset along the Central Andes of Argentina, Atmospheric Research, 213: 437–449.
77) Rostamzadeh, H., Rasouli, A., Vazifeh Doost, M., Maleki, N. (2020). Comparative comparisons of precipitation obtained from TRMM, GPM and Doppler radars with ground station data (Case Study of Surface Wave from October 26 to 28, 2015 in Western Iran), Climate Research, 10(38): 49-61. (In Persian)
78) Shahbaee Kotenaee, A., Asakereh, H.(2019). Spatial analysis features of Autumn rainfall in North West, Geographic Space, 19(65): 247-267. (In Persian)
79) Taghizadeh, E., Ahmadi-Givi, F. (2018). Evaluation of GPM precipitation products and mapping soil moisture using SMAP data in the northwest of Iran, Geophysics, 12(3): 70-86. (In Persian)
80) Tang, X., Li, H., Qin, G., Huang, Y., & Qi, Y. (2023). Evaluation of satellite-based precipitation products over complex topography in mountainous Southwestern China. Remote Sensing, 15(2), 473.
81) Viet, T., Van,T., Tin, D., Hieu, H., Dinh Tuan, N and Hưng,N. (2013). Geoheritage values of the Dong Van Karst Plateau Geopark: A quantitative geomorphological and topographic analysis, Bulletin of the Geological Society of Malaysia, 59: 13 – 17.
82) Yoo, S., & Ahn, K. H. (2023). Understanding extreme precipitation scaling with temperature: insights from multi-spatiotemporal analysis in South Korea. Environmental Research Letters, 18(12), 124032.
83) Zhang, X., Zwiers, F. W., Li, G., Wan, H., & Cannon, A. J. (2017). Complexity in estimating past and future extreme short-duration rainfall. Nature Geoscience, 10(4), 255-259.
84) Zhang, Y., Wu, C.,Yeh, P., Li, J., Hu, B., Feng, G.,Jun, C.(2022). Evaluation and comparison of precipitation estimates and hydrologic utility of CHIRPS, TRMM 3B42 V7 and PERSIANN-CDR products in various climate regimes, Atmospheric Research, 265:105881.