Date of Award

11-2022

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy (PhD)

Department

Civil and Environmental Engineering

First Advisor

Mohamed Mostafa Mohamed

Abstract

Accurate and continuous precipitation monitoring is critical to enable effective water resources management; the challenge arises from the spatial and temporal variability of precipitation. The recently launched Global Precipitation Measurement (GPM) satellite has the capability to detect and measure all types of precipitation using advanced instruments. Being at its early stages of development, the products of the GPM IMERG (early, late, and final-run-products) need to be validated using multiple spatial and temporal assessment techniques. Several studies have emerged over the past few years evaluating GPM IMERG results over areas of limited size. These areas were set by hydrologic interest (e.g., a watershed) or administrative boundaries (e.g., a country).
The research presented in this dissertation intends to surpass previous endeavors for GPM IMERG validation by performing a multi-dimensional analysis. The multidimensional analysis and evaluation were carried out across i) different climatological regions; (temperate, arid, and semiarid regions), ii) different geographical zones; (high and moderate latitudes), iii) various topographical zones; (mountainous, in-land, and coastal regions), iv) several temporal resolutions; (hourly, daily, monthly, as well as event-based), and finally v) different precipitation intensities. The performance of the satellite products was assessed based on three statistical groups: a) detection accuracy, which includes the probability of detection (POD), false alarm ratio (FAR), and the critical success index (CSI); b) error estimators which include mean absolute error (MAE), root mean squared error (RMSE), and relative bias (RB), and c) consistency measure between the satellite estimates and the corresponding rain gauge measurements using the correlation coefficient (CC).
The results showed that the IMERG Final-run precipitation product had the best performance among the other near-real-time products over Arid and Temperate climates. The three products had poor detection over high latitudes, while they showed significant detection accuracy on moderate latitudes. Also, the three products showed a remarkable performance in detecting various rainfall intensities.
The outcomes of this research can contribute to the continuous improvement of the IMERG algorithms. This could eventually lead to less uncertainty in the results of hydrological and climatological models relying on GPM products in poorly gauged or ungauged areas. It could also provide a good opportunity for real-time evaluation of extreme events in a particular area.

Arabic Abstract


تقییم شامل لمنتجات الامطار المعتمدة على الأقمار الصناعیة وأدائھا فيالمناخات الجافة والمعتدلة

یعد الرصد الدقیق والمستمر لھطول الأمطار أمراً بالغ الأھمیة لتمكین الإدارة الفعالة لموارد المیاه. ینشأ التحدي من التباین المكاني والزماني لھطول الأمطار. یمتلك القمر الصناعي العالمي لقیاس الأمطار (GPM) الذي تم إطلاقه مؤخراً القدرة على اكتشاف وقیاس جمیع أنواع ھطول الأمطار باستخدام أدوات متقدمة. نظراً لكونھا في مراحلھا الأولى من التطویر، یجب التحقق من صحة منتجات القمر الصناعي GPM (بالأخص منتجات التشغیل المبكر والمتأخر والنھائي) باستخدام تقنیات تقییم مكانیة وزمنیة متعددة. تم نشر العدید من الدراسات خلال السنوات القلیلة الماضیة لتقییم نتائج القمر الصناعي GPM على مناطق محدودة الحجم. تم تعیین ھذه المناطق حسب التطبیقات الھیدرولوجیة (على سبیل المثال ، مجمعات المیاه) أو الحدود الإداریة (على سبیل المثال ، بلد ما).
یھدف البحث المقدم في ھذه الرسالة إلى تجاوز المساعي السابقة للتحقق من صحة منتجات القمر الصناعي (GPM IMERG) من خلال إجراء تحلیل متعدد الأبعاد. تم إجراء التحلیل والتقییم متعدد الأبعاد عبر: أ) تقییم مناطق مناخیة مختلفة، (المناطق ذات المناخات المعتدلة والقاحلة وشبه القاحلة)، ب) مناطق جغرافیة مختلفة، (خطوط العرض العالیة والمتوسطة)، ج) مناطق طوبوغرافیة مختلفة، (المناطق الجبلیة والبریة والساحلیة)، د) فترات زمنیة مختلفة، (كل ساعة ، یومیة ، شھریة ، على أساس الحدث المناخي)، وأخیراً على خ) شدة ھطول الأمطار المختلفة. كما تم تقییم أداء منتجات الأقمار الصناعیة على أساس ثلاث مجموعات إحصائیة: أ) دقة القمر الصناعي على التقاط الامطار، والتي تشمل احتمال التقاط المطر (POD)، ونسبة الإنذار الخاطئ (FAR)، ومؤشر النجاح الحرج (CSI)، ب) تقدیرات الخطأ التي تشمل متوسط الخطأ المطلق (MAE)، جذر متوسط الخطأ التربیعي (RMSE)، والتحیز النسبي (RB)، ج) قیاس التوافق بین تقدیرات الامطار بواسطة القمر الصناعي والقیاسات الحقیقیة على الارض بواسطة مقیاس المطر باستخدام معامل الارتباط (CC).
أظھرت النتائج أن منتج ھطول الأمطار الذي یتم انتاجھ بشكل نھائي من منتجات القمر الصناعي GPM حقق أفضل أداء من بین المنتجات الأخرى في الوقت الفعلي تقریباً في المناخات القاحلة والمعتدلة. أیضاً اظھرت النتائج أن المنتجات الثلاثة لھا دقة ضعیفة لقیاس المطر فوق خطوط العرض العالیة، بینما أظھرت دقة قیاس كبیرة على خطوط العرض المعتدلة. كما أظھرت المنتجات الثلاثة أداءً ملحوظًا في الكشف عن شدة ھطول الأمطار المختلفة.
یمكن أن تساھم نتائج ھذا البحث في التحسین المستمر لخوارزمیات القمر الصناعي GPM والمسمیة بـ IMERG. قد یؤدي ھذا في النھایة إلى عدم یقین أقل في نتائج النماذج الھیدرولوجیة والمناخیة التي تعتمد على منتجات GPMفي مناطق لا توجد بھا قیاسات للامطار أو بھا قیاسات قلیلة. كما یمكن أن یوفر أیضًا ھذا البحفرصة جیدة للتقییم في الوقت الفعلي للأحداث المتطرفة في منطقة معینة.

Download

Share

COinS