ارزیابی کیفیت داده‌های ماهواره‌ای برآورد بارش با استفاده از شبیه‌سازی جریان در مدل‌سازی هیدرولوژیکی (مطالعه موردی: حوضه آبخیز تیغ‌سیاه)

مقدمه: بارش یکی از مهم‌ترین ورودی‌ها در مدل‌های هیدرولوژیکی است. از آنجا که بارش از نظر مکانی و زمانی بسیار متغیر است، داده‌های با تفکیک زمانی و مکانی بالا برای مدل‌سازی دقیق هیدرولوژیکی مورد نیاز است. اندازه‌گیری دقیق بارش را می‌توان به‌طور کلی از ایستگاه‌های هواشناسی معمولی به‎دست آورد. با این‎حال، ایستگاه‌های باران‌سنجی پراکنده می‌توانند منجر به نمایش ضعیف بارش از نظر مکانی شوند. این کمبود در دقت مکانی می‌تواند به‎خصوص در مناطق با تغییرات جغرافیایی شدید، مانند نواحی کوهستانی، تاثیر قابل‎توجهی بر نتایج مدل‌سازی داشته باشد. فقدان داده‌های بارش با وضوح بالا می‌تواند به شبیه‌سازی‌های هیدرولوژیکی با کیفیت پایین و راه‌حل‌های نامناسب برای مشکلات منابع آب منجر شود. در کشورهای در حال توسعه، مانند ایران، کمبود منابع مالی و فنی منجر به شبکه‌های باران‌سنجی با توزیع پراکنده و غیریکنواخت می‌شود. این توزیع نابرابر می‌تواند مشکلات عمده‌ای در زمینه پیش‌بینی و مدیریت منابع آب ایجاد کند. به‎منظور پر کردن این شکاف، داده‌های بارش، دما و تبخیر و تعرق مورد نیاز برای مدل‌سازی هیدرولوژیکی توسط سازمان‌های مختلف با استفاده از محصولات سنجش از راه دور مبتنی بر ماهواره ارائه شده‌اند. محصولات بارش شبکه‌ای در مقیاس جهانی یا شبه جهانی با وضوح‌های زمانی و مکانی مختلف در چند دهه اخیر تولید شده‌اند. این محصولات شامل داده‌هایی هستند که از منابع مختلف جمع‌آوری و سپس با استفاده از مدل‌های پیچیده پردازش می‌شوند تا نقشه‌های بارش با دقت بالا تولید شود. بنابراین، نیاز به ارزیابی کیفیت، تناسب و صحت این محصولات در مناطق مختلف قبل از استفاده از آن‌ها در مدل‌سازی هیدرولوژیکی و تصمیم‌گیری در زمینه منابع آب وجود دارد. مواد و روش: این مطالعه کیفیت داده‌های چهار محصول پرکاربرد برآورد بارش ماهواره‌ای با وضوح بالا شامل: cmorph، 3b42rt، 3b42 و persiann را برای شبیه‌سازی جریان آب با استفاده از مدل هیدرولوژیکی ابزار ارزیابی خاک و آب (swat) در حوضه آبخیز کوهستانی 312 کیلومتر مربعی تیغ سیاه در جنوب‌شرقی ایران ارزیابی می‌کند. حوضه آبخیز تیغ سیاه به‎دلیل ویژگی‌های جغرافیایی و اقلیمی خاص خود، محیط مناسبی برای بررسی دقت و کارایی داده‌های ماهواره‌ای در شبیه‌سازی هیدرولوژیکی فراهم می‌آورد. در این مطالعه، دو رویکرد مختلف واسنجی مدل swat به‎منظور ارزیابی کیفیت داده‌های ماهواره‌ای برآورد بارش مورد بررسی قرار گرفت. اولین رویکرد واسنجی با استفاده از داده‌های اندازه‌گیری شده بارش در ایستگاه‌های باران‌سنجی به‎عنوان ورودی مدل انجام شد. در این رویکرد، داده‌های اندازه‌گیری شده به‎عنوان مرجع و پایه‌ای برای ارزیابی دقت و صحت داده‌های ماهواره‌ای استفاده شدند. دومین رویکرد واسنجی با هریک از محصولات بارش ماهواره‌ای به‎عنوان ورودی مدل صورت گرفت. در این روش، داده‌های ماهواره‌ای به‎طور مستقیم به مدل swat وارد شده و نتایج شبیه‌سازی جریان آب با استفاده از این داده‌ها با نتایج حاصل از داده‌های اندازه‌گیری شده مقایسه شدند. این مقایسه‌ها به‎منظور تعیین دقت و کارایی هریک از محصولات ماهواره‌ای در شبیه‌سازی جریان آب در حوضه آبخیز تیغ سیاه انجام گرفت. نتایج حاصل از این مطالعه می‌تواند به شناسایی نقاط قوت و ضعف هر یک از محصولات ماهواره‌ای برآورد بارش کمک کرده و راهکارهایی برای بهبود دقت شبیه‌سازی‌های هیدرولوژیکی ارائه دهد.یافته‌ها: نتایج این مطالعه نشان‌دهنده خطای قابل‌توجهی در تخمین‌های مربوط به داده‌های ماهواره‌ای برآورد بارش است. با این‎حال، عملکرد هر محصول ماهواره‌ای برآورد بارش متفاوت می‌باشد. به‌طور خاص، محصولات 3b42rt و cmorph کیفیت بهتری در برآورد بارش نسبت به 3b42  وpersiann نشان دادند. این تفاوت‌ها در دقت داده‌های ماهواره‌ای می‌تواند تاثیر زیادی بر نتایج شبیه‌سازی‌های هیدرولوژیکی داشته باشد. مدل واسنجی شده با داده‌های ماهواره‌ای برآورد بارش در مقایسه با مدل واسنجی شده با داده‌های ایستگاه باران‌سنج، عملکرد بهتری در شبیه‌سازی جریان نشان داد. از طرفی، مدل واسنجی شده با داده‌های ماهواره‌ای برآورد بارش منجر به بیش‌برآورد شماره منحنی (cn) شد. بنابراین، هنگام استفاده از مقادیر پارامترهای واسنجی شده با ورودی‌های ماهواره‌ای برآورد بارش باید احتیاط کرد. برای بهبود دقت شبیه‌سازی‌ها، تصحیح خطای داده‌های ماهواره‌ای برآورد بارش در دو مرحله انجام شد. در مرحله اول، در هر پیکسل تخمین، خطا در هر گروه داده ماهواره‌ای با تقسیم تخمین بارش ماهانه بر مقدار بارش باران‌سنج مربوطه برآورد شد. سپس، مقدار بارش ماهانه هر داده ماهواره‌ای در مقدار خطای به‎دست آمده ماهانه ضرب شد تا خطا در تمامی داده‌های ماهواره‌ای برآورد بارش از بین برود. نتایج نشان داد که تصحیح خطای تخمین‌های حاصل از داده‌های ماهواره‌ای برآورد بارش به‎طور قابل‌توجهی شبیه‌سازی جریان با استفاده از مدل swat را بهبود می‌بخشد. این بهبود نشان می‌دهد که با انجام تصحیحات مناسب، داده‌های ماهواره‌ای می‌توانند ابزار مفیدی برای شبیه‌سازی‌های هیدرولوژیکی باشند، به‌ویژه در مناطقی که داده‌های زمینی محدود یا پراکنده هستند. این مطالعه همچنین تاکید می‌کند که استفاده از داده‌های تصحیح شده می‌تواند دقت و قابلیت اعتماد نتایج مدل‌سازی را افزایش دهد و به تصمیم‌گیری‌های بهتر در زمینه مدیریت منابع آب کمک کند.نتیجه‌گیری: این مطالعه نشان داد که تخمین‌های حاصل از ماهواره‌های برآورد بارش هنگامی‌که مستقیماً توسط مدل هیدرولوژیکی به جریان شبیه‌سازی‌شده تبدیل می‌شوند، منجر به خطاهای زیادی می‌شوند. این خطاها ممکن است به‎دلیل وسعت کوچک و کوهستانی بودن حوضه آبخیز تیغ سیاه باشد. در این مورد، تصحیح خطای داده‌های ماهواره‌ای برآورد بارش به‎طور قابل‌توجهی شبیه‌سازی مدل را بهبود می‌بخشد. نتایج این مطالعه حاکی از آن است که بهترین شبیه‌سازی مدل بر اساس ورودی‌های بارش ماهواره‌ای پس از تصحیح خطا و واسنجی مجدد مدل با استفاده از داده‌های ماهواره‌ای تصحیح شده به‎دست می‌آید. این یافته‌ها بر اهمیت اصلاح داده‌های ماهواره‌ای پیش از استفاده در مدل‌سازی‌های هیدرولوژیکی تاکید دارد و نشان می‌دهد که با انجام تصحیحات مناسب، می‌توان به دقت بالاتری در پیش‌بینی‌ها و تصمیم‌گیری‌های مرتبط با مدیریت منابع آب دست یافت.

quality assessment of satellite data for rainfall estimation using streamflow simulation in hydrological modeling (case study: the tighsiah catchment)

extended abstractbackground: precipitation is one of the most critical inputs in hydrological models. due to its significant spatiotemporal variability, high-resolution temporal and spatial data are required for accurate hydrological modeling. precise precipitation measurements are generally obtained from conventional meteorological stations. however, sparse rain gauge stations can lead to poor spatial representation of precipitation. this spatial inaccuracy can have a significant impact on modeling results, especially in areas with significant geographic variations, such as mountainous regions. the lack of high-resolution precipitation data can result in low-quality hydrological simulations and inadequate solutions for water resource problems. in developing countries such as iran, financial and technical limitations result in sparsely and unevenly distributed rain gauge networks, creating major challenges in water resource prediction and management. to address this gap, precipitation, temperature, and evapotranspiration data required for hydrological modeling are provided by various organizations using satellite-based remote sensing products. gridded precipitation products on a global or quasi-global scale with various temporal and spatial resolutions have been produced in recent decades. these products are compiled from various sources and processed using complex models to generate high-accuracy precipitation maps. therefore, evaluating the quality, suitability, and accuracy of these products in different regions is necessary before their use in hydrological modeling and water resource decision-making.methods: this study evaluates the quality of four widely used high-resolution satellite-based precipitation estimation products: cmorph, 3b42rt, 3b42, and persiann, for simulating water flow using the soil and water assessment tool (swat) hydrological model in the 312 km2 mountainous tigh siah catchment in southeastern iran. the unique geographic and climatic features of the tigh siah watershed provide an appropriate environment for assessing the accuracy and efficiency of satellite data in hydrological simulations. two different calibration approaches for the swat model were examined to assess the quality of satellite-based precipitation estimates. the first approach involved calibration using measured precipitation data from rain gauge stations as model inputs. these measured data served as a reference for evaluating the accuracy and precision of the satellite data. the second approach involved calibration using each of the satellite precipitation products as model inputs. in this method, satellite data were directly input into the swat model, and the simulated water flow results were compared with those obtained using measured data. this comparison aimed to determine the accuracy and efficiency of each satellite product in simulating water flow in the tigh siah watershed. the results of this study can help identify the strengths and weaknesses of each satellite-based precipitation product and provide strategies for improving the accuracy of hydrological simulations. results: the results indicate significant errors in the estimates from satellite-based precipitation data, despite variation in the performance of each satellite product. specifically, 3b42rt and cmorph demonstrated better quality in precipitation estimation than 3b42 and persiann. these differences in the accuracy of satellite data can significantly affect hydrological simulation outcomes. the model calibrated with satellite-based precipitation estimates performed better in simulating flow than that calibrated with rain gauge station data. however, the model calibrated with satellite data led to the overestimation of the curve number (cn), suggesting caution when using parameter values calibrated with satellite-based inputs. to improve simulation accuracy, the error correction of satellite precipitation estimates was conducted in two stages. first, the error in each satellite data group was estimated in each pixel by dividing the monthly precipitation estimate by the corresponding rain gauge precipitation. then, the monthly precipitation of each satellite data was multiplied by the estimated monthly error to eliminate errors in all satellite precipitation estimates. the results showed that error correction significantly improved flow simulation using the swat model, indicating that satellite data with appropriate corrections can be a valuable tool for hydrological simulations, especially in areas with limited or scattered ground data. this study also emphasizes that using corrected data can enhance the accuracy and reliability of modeling results, aiding better decision-making in water resource management.conclusion: this study demonstrates that precipitation estimates from satellites, when directly converted to simulated flow by the hydrological model, result in substantial errors, which may be attributed to the small and mountainous nature of the tigh siah watershed. in this case, correcting the errors in satellite-based precipitation estimates significantly improved the model simulation. the findings suggest that the best model simulations are obtained using satellite precipitation inputs after error correction and recalibrating the model with corrected satellite data. these results highlight the importance of correcting satellite data before using them in hydrological models. they show that higher accuracy in predictions and water resource management decisions can be achieved with appropriate corrections.