جغرافیا  (نشریۀ انجمن جغرافیایی ایران)

جغرافیا (نشریۀ انجمن جغرافیایی ایران)

ارزیابی مکانی و زمانی دقت برآورد بارش پایگاه بازکاوی ERA5-Landدر استان اصفهان طی دو دهه اخیر

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی دکتری آب و هواشناسی، گروه جغرافیای طبیعی، دانشکده علوم اجتماعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران.
2 استاد آب و هواشناسی، گروه جغرافیای طبیعی، دانشکده علوم اجتماعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران.
10.22034/jiga.2025.2066496.1426
چکیده
این مطالعه با هدف ارزیابی مکانی و زمانی دقت تخمین بارش پایگاه بازکاوی ERA5-Land استان اصفهان (ایران) در دوره 2004 تا 2023 انجام شده است. برای این منظور، از 6 ایستگاه همدیدی منتخب (اصفهان، داران، سمیروم، نایین، خور و بیابانک و کاشان) به عنوان نماینده منطقه مورد مطالعه استفاده شد. داده‌های ایستگاه زمینی از سازمان هواشناسی ایران و داده‌های مربوط به بازکاوی ERA5-Land از درگاه اینترنتی کوپرنیکس دریافت شد. دقت برونداد بارشی پایگاه مذکور، به‌صورت مقایسه بارش‌های برآورد شده بازکاوی با ایستگاه‌های هواشناسی همدیدی زمینی در مقیاس زمانی ماهانه با استفاده از نمودار تیلور و شاخص‌های آماری کلیدی نظیر RMSE، NSE، میانگین خطا، BIAS و شاخص ویلموت انجام گرفت. برای افزایش دقت برونداد پایگاه بازکاوی از روش تصحیح اریبی نگاشت چارک (Quantile Mapping) استفاده گردید. در گام بعد، برای ارزیابی اختلاف میانگین بارش ماهانه در دوره 20 ساله دو پایگاه داده در نرم‌افزار GIS پهنه‌بندی صورت گرفت تا از لحاظ مکانی مناطق دارای بیش‌برآوردی و کم‌‌برآوردی بارش توسط ERA5-Land تعیین گردد. محاسبات نشان داد که داده‌های بارش پایگاه بازکاوی در این تحقیق تخمین بسیار مناسبی از بارش استان اصفهان را با حداکثر اختلاف 10 میلی‌متر در مقایسه با داده‌های ایستگاه‌های زمینی انجام داده‌اند. یافته‌ها همچنین حاکی از آن است که بهترین عملکرد پایگاه ERA5-Land در فصول زمستان و پاییز است و همچنین بیشینه و کمینه اختلاف داده‌های بارش بین دو پایگاه داده، به ترتیب در غرب و شمال منطقه مورد مطالعه رؤیت شده است. از لحاظ بیش‌برآوردی و کم‌برآوردی توزیع مکانی خاصی مشاهده نشد. نتایج نشان داد که برونداد ریزگردانی شده پایگاه بازکاوی ERA5-Land از دقت بالا و مناسب جهت تخمین بارش منطقه مورد مطالعه برخوردار است.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Spatial and Temporal Assessment of the Accuracy of Precipitation Estimates from the ERA5-Land Reanalysis Database in Isfahan Province over the Past Two Decades

نویسندگان English

Ali Shahi 1
Bromand Salahi 2
1 Ph.D. Student of Climatology, Department of Physical Geography, Faculty of Social Sciences, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran
2 Professor of Climatology, Department of Physical Geography, Faculty of Social Sciences, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran.
چکیده English

Extended Abstract 
Introduction
According to various studies, precipitation has high volatility and greater uncertainty in forecasting than other atmospheric variables, especially temperature. Considering the special importance of precipitation in the life of living organisms, accurate data without statistical gaps must be available to further understand it. Since there are numerous limitations in the construction and maintenance of fixed ground stations, the need for appropriate databases from robust sources is greatly felt. One of these sources is reanalysis data, which can be used in calculations if their performance accuracy is evaluated.
 
Methodology
In the present study, after receiving the reanalysis data, due to its NC format, the precipitation data were converted to text format based on the coordinates of the research stations using R software. Due to the fact that the unit of measurement was meters for comparison under the same conditions, the precipitation data was converted to millimeters by multiplying the data by 1000. To evaluate the accuracy of the ERA5-Land reanalysis data, which have a much stronger horizontal resolution than the ERA5 type (horizontal resolution of approximately 31 km), the Taylor mathematical diagram was used. For this purpose, the reference for precipitation data was synoptic ground stations. Using the Taylor diagram, station precipitation data and reanalysis of all six stations were compared. The studies showed that the raw output of the reanalysis data does not have sufficient quality and accuracy in the study area due to its high bias. To reduce errors and optimize the data, bias correction was applied using the Quantile Mapping method. For each station, separated by monthly time scale, a Taylor diagram was drawn as the average precipitation over the 20-year study period. Then, for each month, separately for each station, the precipitation calculated by the two databases was compared using R software. The difference in average precipitation calculated by two ground stations and reanalysis was visually zoned with a geographic information system, and the amount of difference, overestimation, and underestimation of the ERA5-Land station was evaluated at each station.
 
Results and Discussion
According to the comparison between the precipitation data of the two ground stations and the reanalysis, the evaluation results with the Taylor diagram indicated a high error in the precipitation estimation by ERA5-Land in Isfahan province, so that the correlation coefficient value was zero in all months. Based on the Quantile Mapping method, bias correction optimized the precipitation data with very good performance, and the correlation coefficient reached 0.97 in some months. According to the graph drawn in the R software environment, the performance of the reanalysis database compared to the ground station in different months based on 6 stations in Isfahan province was consistent and had a low error. Zoning the difference in the average precipitation estimated by the reanalysis database with the synoptic station in the geographic information system software environment showed that the difference in precipitation between the two databases was appropriate and acceptable.
 
Conclusion
The results showed that the ERA5-Land precipitation data are not able to estimate the precipitation of the study area directly (raw), but after bias correction using the quantile mapping method, it made a very good estimate of the precipitation of Isfahan province with a maximum difference of 10 mm compared to the ground station data. The best performance of the ERA5-Land database is in the winter and autumn seasons. In terms of spatiality, the maximum and minimal differences of precipitation data between the two databases have been visible in the west and north of the study area, respectively. No specific spatial distribution was observed in terms of overestimation and underestimation.

 

کلیدواژه‌ها English

ERA5-Land
Precipitation
Quantile Mapping
Reanalysis data
Isfahan Province
1)       آقامیری، حمیده سادات و رحمانی، بیژن (1397). تأثیر مهاجرت روستایی در امنیت غذایی با تأکید بر منابع آب مطالعه موردی: روستاهای شهرستان خوانسار استان اصفهان. جغرافیا (نشریۀ انجمن جغرافیایی ایران)، 16(59)، 56-76.
2)       احمدی، محمود و داداشی رودباری، عباسعلی (1398). پایش روند دمای ماهیانه ایران مبتنی بر برونداد پایگاه داده مرکز پیش‌بینی میان‌مدت هواسپهر اروپایی. جغرافیا (نشریۀ انجمن جغرافیایی ایران)، 17(60)، 86-104.
3)       احمدی، محمود؛ نصرتی، کاظم و سلکی، هیوا (1392). خشکسالی و ارتباط آن با رطوبت خاک. جغرافیا (نشریۀ انجمن جغرافیایی ایران)، 11(38)، 77-92.
4)       باقری، مهرداد؛ مختاری هشی، حسین؛ گندمکار، امیر و خادم الحسینی، احمد (1402). شناسایی و رتبه‌بندی عوامل مؤثر بر بحران آب در استان اصفهان. جغرافیا (نشریۀ انجمن جغرافیایی ایران)، 21(77)، 13-29.
 بهرامی، اسرین و دارند، محمد (1404). ارزیابی دقت زمانی- مکانی برآورد بارش پایگاه داده‌ ERA-5 بر روی ایران. مجله ژئوفیزیک ایران، 19(1)، 27-46.
5)       حمیدیان پور، محسن و شجاع، فائزه (1401). مقدمه‌ای بر روش‌ها و شگردهای مدل‌سازی اقلیم و تغییر اقلیم. چاپ اول. سیستان و بلوچستان: انتشارات دانشگاه سیستان و بلوچستان.
6)        حجازی­زاده، زهرا و پژوه، فرشاد (1401). واکاوی رابطه الگوهای همدید با میزان ذرات معلق آلاینده فراگیر در استان تهران. جغرافیا (نشریۀ انجمن جغرافیایی ایران)، 15(53)، 21-36.
7)       حیدری، سوسن؛ کریمی، مصطفی و بیرانوند، آذر (1403). ارزیابی عملکرد دادههای بازتحلیل ERA5 در تخمین بارش ایران و واکاوی فضایی رژیم بارشی کشور. پژوهش‌های دانش زمین، 15(2)، 1-24.  
8)       سیف، عبدالله و بیرانوند، حجت اله (1403). بازسازی برفمرزهای دائمی کواترنر پایانی در ارتفاعات گرین در زاگرس ایران. جغرافیا (نشریۀ انجمن جغرافیایی ایران)، 22(80)، 151-171.
9)                صلاحی، برومند و شاهی، علی (1404). ارزیابی عدم قطعیت عمق برف بازتحلیل ‌شده در شمال غرب ایران با استفاده از ERA5-Land  و MERRA-2. جغرافیا و مخاطرات محیطی.
10)    عزیزی مبصر، جوانشیر؛ رسول‌زاده، علی؛ رحمتی، اکبر؛ شایقی، افشین و باختر، آیدین (1399). ارزیابی عملکرد داده‌های بازتحلیل ‌شده Era-5 در تخمین بارش روزانه و ماهانه در استان اردبیل. تحقیقات آب و خاک ایران، 51(11)، 2937-2951.
11)    فرخ­نیا، اشکان؛ انوری، صدیقه و نجفی، محمدسعید (1403). ارزیابی دقت پایگاه‌های اطلاعات ماهواره‌ای و بازتحلیلی بارش در ایران با تمرکز بر پایگاه‌های با تفکیک مکانی بالا. تحقیقات منابع آب ایران، 20(1)، 68-89.
12)    کاظمی آذر، فراهم؛ خلیلی، کیوان؛ رضایی، حسین و میرعباسی نجف‌آبادی، رسول (1404). ارزیابی عملکرد داده‌های بازتحلیلی ERA5 و ERA5-Land در تخمین بارش ماهانه حوضه آبریز بالادست سد زاینده‌رود. نشریه آبیاری و زهکشی ایران، 19(1)، 75-87.
13)    مجیدی کرهرودی، فائزه سادات؛ قرایلو، مریم و ثابت‌قدم، سیده سمانه (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.
14)    محمدی، مجتبی و  فروزان فرد، معصومه (1403). ارزیابی داده‌های بازتحلیل ERA5 به‌منظور تحلیل روند پارامترهای اقلیم در سیستان و بلوچستان، ایران. پژوهش‌های تغییرات آب و هوایی، 5(19)، 37-54.
15)    مسعودیان، سید ابوالفضل (1391). آب و هوای ایران، چاپ اول، مشهد: انتشارات شریعه توس
16)    ملک‌زاده، فرخ؛ رامشت، محمدحسین و شاهزیدی، سمیه­­السادات (1400). تحلیل هنجاری ویژگی‌های بارشی و منابع آبی ایران در متون      جغرافیدانان ایران. جغرافیا (نشریۀ انجمن جغرافیایی ایران)، 19(68)، 38-50.
17)    نیک‌اندیش، نسرین (1404). تحلیل تغییرات مکانی و زمانی بارش فرین استان اصفهان. مجله جغرافیا و توسعه،(81)23، 175-194. 
18)   Aghamiri, H. S. & Rahmani, B. (2019). The Impact of Rural Migration on Food Security with Emphasis on Water Resources Case study: villages of Khansar city of Isfahan province. Geography, 16(59), 56-76. [Persian] https://mag.iga.ir/article_246083.html?lang=en
19)   Ahmadi, M. & Dadashi Rudbari, A. A. (2019). Monitoring Iran's monthly temperature trend based on the output of the European Medium Term Forecast Center. Geography, 17(60), 86-104. [Persian]
20)   ahmadi, M., nosrati, K. & solki, H. (2013). Drought and its relationship with soil moisture. Geography, 11(38), 77-92. [Persian]
21)   Azizimobaser, J., Rasoulzadeh, A., rahmati, A., shayeghi, A. & Bakhtar, A. (2021). Evaluating the Performance of Era-5 Re-Analysis Data in Estimating Daily and Monthly Precipitation, Case Study., Ardabil Province. Iranian Journal of Soil and Water Research, 51(11), 2937-2951. [Persian]
22)   Bagheri, M., Mokhtari Hashi, H., Gandomkar, A. & khademolhoseiny, A. (2023). Identification and Ranking of the Factors Affecting the Water Crisis in Isfahan Province. Geography, 21(77), 13-29. [Persian]
23)   Bahrami, A. & Darand, M. (2025). Evaluation of spatio-temporal accuracy of precipitation estimation of ERA-5 database over Iran. Iranian Journal of Geophysics, 19(1), 27-46. [Persian]
24)   Dinku, T. (2019). Challenges with availability and quality of climate data in Africa. Extreme hydrology and climate variability, 71-80. Elsevier.
25)   Farokhnia, A., Anvari, S. & Najafi, M. S. (2024). Assessing the Accuracy of Satellite and Reanalysis Precipitation in Iran, Focusing on Datasets with High Spatial Resolution. Iran-Water Resources Research, 20(1), 68-89. [Persian]
26)   Gleixner, S., Demissie, T. & Diro, G. T. (2020). Did ERA5 Improve Temperature and Precipitation Reanalysis over East Africa? Atmosphere, 11(9), 996.
27)   Hamidianpour, M. & Shoja, F. (2022). Introduction to Methods and Techniques of Climate Modeling and Climate Change. First Edition. Sistan and Baluchestan: Sistan and Baluchestan University Press. [Persian]
28)   Hejazizadeh, Z. & Pagooh, F. (2022). Analyzing the relationship between synoptic patterns and the amount of pervasive pollutant suspended particles in Tehran province. Geography, 15(53), 21-36. [Persian], https://mag.iga.ir/article_254292.html
29)   Heidari, S., Karimi, M. & Beyranvand, A. (2024). Evaluation the performance of ERA5 reanalysis data in Iran's rainfall estimation and spatial analysis of the country's precipitation regime. Researches in Earth Sciences, 15(2), 1-24. [Persian]
30)   Jiao, D., Xu, N., Yang, F. & Xu, K. (2021). Evaluation of spatial-temporal variation performance of ERA5 precipitation data in China. Scientific Reports, 11(1), 17956.
31)   kazemiazar, F., Rezaie, H. & Mirabbasi, R. (2025). Performance evaluation of monthly ERA5 and ERA5-Land Reanalysis precipitation data in the upstream of the Zayandehroud reservoir basin. Iranian Journal of Irrigation & Drainage, 19(1), 75-87. [Persian]
32)   Lanzante, J. R., Adams‐Smith, D., Dixon, K. W., Nath, M. & Whitlock, C. E. (2020). Evaluation of some distributional downscaling methods as applied to daily maximum temperature with emphasis on extremes. International Journal of Climatology, 40(3), 1571-1585.
33)   Li, Q., Jiang, Y., Wei, L. & Zhu, J. (2025). Comparison of ERA5-Land and CMPAS reanalysis data for the regional assessment of precipitation in Chongqing, China. Meteorology and Atmospheric Physics, 137(16), Article 16.
34)   Majidi Karhroudi, F. S., Gharaylou, M. & Sabetghadam, S. S. (2024). Evaluation of the performance of the ERA5 and MERRA2 reanalysis datasets in estimating snow depth over Northwestern Iran. Journal of the Earth and Space Physics, 50(1), 251-263. [Persian]
35)   Malekzadeh, A., Ramesht, M. H. & Shahzidi, S. S. (2021). Normative analysis of precipitation characteristics and water resources of Iran in the texts of Iranian geographers (research article). Geography, 19(68), 38-50.  [Persian]
36)   Masoudian, S. A. (2012). The Climate of Iran, First Edition, Mashhad: Sharia Toos Publications. [Persian]
37)   Mohammadi, M. & Forozanfard, M. (2024). Evaluating ERA5 Reanalysis for Climate Trend Analysis in Sistan and Baluchestan, Iran. Climate Change Research, 5(19), 37-54. [Persian]
38)   Morales-Velázquez, M. I., Herrera, G. D. S., 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.
39)   Muñoz‑Sabater, J., Dutra, E., Agustí‑Panareda, A., Albergel, C., Arduini, G., Balsamo, G., Boussetta, S., Choulga, M., Harrigan, S., Hersbach, H., Martens, B., Miralles, D. G., Piles, M., Rodríguez‑Fernández, N. J., Zsoter, E., Buontempo, C. & Thépaut, J.‑N. (2021). ERA5‑Land: A state‑of‑the‑art global reanalysis dataset for land applications. Earth System Science Data, 13(9), 4349–4383.
41)   Nasr Isfahani, M. & Ghasemi, A. R. (2023). The Investigation of the Performance of Reanalyzed Global Forecast System (GFS (Data for Identifying evening thunderstorms in Iran. Journal of Natural Environmental Hazards, 12(37), 39-56.  [Persian]
42)   Nikandish, N. (2025). Analysis of spatial and temporal changes of extreme precipitation in Isfahan province. Geography and Development,  [Persian]
43)   Nuñez-Ibarra, D. A., Zambrano-Bigiarini, M. & Galleguillos, M. (2025). From grid to ground: How well do gridded products represent soil moisture dynamics in natural ecosystems during precipitation events? EGUsphere. Advance online preprint.
44)   Panofsky, H. A. & Brier, G. W. (1968). Some applications of statistics to meteorology, Pennsylvania State University.
45)   Salahi, B. & Shahi, A. (2025). Assessment of Uncertainty of Reanalyzed Snow Depth in Northwestern Iran Using Era5-Land and Merra-2. Journal of Geography and Environmental Hazards, [Persian], https://doi.org/10.22067/geoeh.2025.95012.1604  
46)   Seif, A. & Beranvand, H. (2024). ELA Reconstruction of late Quaternary in the Green Mountain in Zagros, Iran. Geography, 22(80), 151-171. [Persian]
47)   Tarek, M., Brissette, F. P. & Arsenault, R. (2020). Evaluation of the ERA5 reanalysis as a potential reference dataset for hydrological modelling over North America. Hydrology and Earth System Sciences, 24(5), 2527-2544.
48)   Taylor, K. E. (2001). Summarizing multiple aspects of model performance in a single diagram. Journal of geophysical research: atmospheres, 106(D7), 7183-7192.
49)   Varlas, G., Stefanidis, K., Papaioannou, G., Panagopoulos, Y., Pytharoulis, I., Katsafados, P., Papadopoulos, A. & Dimitriou, E. (2022). Unravelling Precipitation Trends in Greece since 1950s Using ERA5 Climate Reanalysis Data. Climate, 10(2), 12.
50)   Yilmaz, M. (2023). Accuracy assessment of temperature trends from ERA5 and ERA5-Land. Science of the Total Environment, 856, 159182.‏