Evaluation of ERA5, ERA5-Land, and IMERG-F precipitation with a particular focus on elevation-dependent variations : A comparative analysis using observations from Germany and Brazil

Abstract

Gridded precipitation datasets from ERA5 and ERA5-Land reanalysis, as well as Integrated Multi-satellite Retrievals for GPM (IMERG) satellite-based precipitation estimates were compared with station observations in Brazil and Germany. Because there are notable differences between grid cell and station elevations in areas with complex terrain, there is an elevation-dependent bias. To adjust the gridded precipitation to the station elevation, two models were built from ERA5 and ERA5-Land using the elevation-precipitation relationship found in the model data, in the study area Germany. One model is based on a linear regression, the other model takes into account the model cloud base height. Because values averaged above space and time are used it is desirable to modify the approach to a more physically based one. In the Brazilian study area, it was not possible to find a relationship between model precipitation and model elevation. The correction of altitude differences led to a reduced bias overall, but the effect depends strongly on the individual station, therefore altitude correction can also increase the bias. It is therefore difficult to make general statements about the bias. The altitude adjustment influences performance measures for binary events not notable. However, for higher rainfall intensities and stations with a pronounced elevation difference the adjustment affects single measure. Generally, the reanalyses performed better in the German study area than in the Brazilian study area, and IMERG-F showed better results in the Brazilian study area than in the German study area. Moreover, IMERG-F produced better results during summer than during winter, which is opposite to the reanalyses.

Tägliche Niederschläge aus den Reanalysen ERA5- und ERA-Land sowie IMERG Niederschläge, die auf Satellitenmessungen beruhenden wurden in dieser Arbeit mit Stationsmessungen in Deutschland und einem Untersuchungsgebiet in Brasilien verglichen. Da Rasterdaten im Allgemeinen eher räumliche Mittel als Punktinformation wiedergeben und in Gebieten mit komplexer Topographie zudem deutliche Höhenunterschiede zwischen Modellorographie and Stationshöhe auftreten können wurden die Niederschlagswerte höhenkorrigiert. Hierzu wurden zwei Korrekturansätze aus langjährig gemittelten Niederschlagswerten und der ERA5 bzw. ERA5-Land Orographie erstellt. Eine Höhenkorrektur der IMERG Niederschläge war auf Grund der Messmethode nicht möglich. Außerdem wurde keine Höhenabhängigkeit bzw. keine Zunahme des Niederschlags mit der Höhe in dem Brasilianischen Untersuchungsgebiet gefunden. Die Berücksichtigung und Korrektur von Höhenunterschieden zwischen Modell und Station führt generell zu einem verringerten Bias. Allerdings sind allgemeingültige Aussagen schwierig, da es stark von der einzelnen Station abhängt ob die Höhenkorrektur einen positiven oder negativen Effekt hat. Aus diesem Grund besteht auch Bedarf den Korrekturansatz so anzupassen, dass unter Verwendung weiterer Variablen räumlich und zeitlich begrenzte Verhältnisse berücksichtigt werden. Ereignisbezogene Messgrößen wie der Heidke Skill Score werden nur gering durch die Höhenkorrektur beeinflusst, Hit Rate und False Alarm Rate werden hingegen an Stationen mit deutlichem Höhenunterschied und bei Niederschlagsereignisse mit höheren Intensitäten merkbar beeinflusst. Generell hat sich gezeigt, dass die Reanalysen in dem Deutschen Untersuchungsgebiet bessere Ergebnisse liefern als die IMERG Niederschläge. In dem Brasilianischen Untersuchungsgebiet waren die IMERG Niederschläge näher an den Stationsmessungen als die beiden Reanalyseprodukte. Unabhängig vom Untersuchungsgebiet waren die Ergebnisse der Reanalysen im Winter besser als im Sommer und andersherum waren die Ergebnisse der IMERG Niederschläge im Sommer besser als im Winter.