Verification of ERA5 Hourly Air Temperature Data over Turkey

Abstract

In this study, produced by European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF), ERA5 reanalysis hourly 2 m surface air temperature is validated over Turkey and 7 geographic regions using hourly temperature observations collected between 2011 and 2020 over 1773 ground-based meteorological observation stations operated by Turkish State Meteorological Service. In the analyses, error statistics were calculated for hourly, daily and monthly average temperatures. The results show ERA5 simulates air temperatures at different temporal resolutions with a bias of -0.01 - 0.06 °C, while the mean absolute error and mean error standard deviation are 3.3 - 4.0 °C and 1.6 - 3,4 °C, respectively. Although there is no significant hourly variation in mean error statistics during the day and monthly variation during the year, the error variability was found to be higher in winter compared to the other seasons. The correlations of ERA5 and station temperature data are very high (0.93 - 0.99). Compared to the high temporal correlation, low spatial correlation (0.36) suggests that spatially variable correction coefficients will be needed before reliable use of ERA5 temperature data in different regions. Mean error statistics are consistent with validation studies in the literature in different regions. Accordingly, the results obtained in this study suggest that ERA5 datasets can be reliably used in various applications in Turkey, especially focusing on regions with sparse meteorological station networks.

Keywords

• Air Temperature
• ERA5
• Validation
• Error
• Turkey

Türkiye Üzerinde ERA5 Saatlik Hava Sıcaklığı Verilerinin Doğrulanması

Abstract

Bu çalışmada, Avrupa Orta Vadeli Hava Tahmin Merkezi (ECMWF) tarafından üretilen ERA5 yeniden analiz ürünü saatlik 2 m yüzey hava sıcaklığı verileri, Meteoroloji Genel tarafından işletilen 1773 meteorolojik gözlem istasyonunda elde edilen saatlik sıcaklık verileri kullanılarak 2011 - 2020 yılları arasında Türkiye üzerinde ve 7 coğrafi bölgede doğrulanmıştır. Analizlerde, saatlik, günlük ve aylık ortalama sıcaklık için hata istatistikleri hesaplanmıştır. Sonuçlar, ERA5'in farklı zamansal çözünürlüklerde hava sıcaklıklarını istasyonlardan -0,01 - 0,06 °C sapmayla modellediğini, ortlama mutlak hata ve ortalama hata standart sapmasının ise sırasıyla 3,3 - 4,0 °C ile 1,6 - 3,4 °C olduğunu göstermektedir. Ortalama hata istatistiklerinin gün içinde saatlik ve yıl içinde aylık belirgin bir değişimi olmamakla birlikte, diğer mevsimlere kıyasla kış aylarında hata değişkenliği daha yüksek çıkmaktadır. ERA5 ve istasyon sıcaklık verilerinin korelasyonları çok yüksek çıkmaktadır (0,93 - 0,99). Yüksek zamansal korelasyona karşılık mekansal korelasyonun (0,36) düşüklüğü, ERA5 sıcaklık verisinin farklı bölgelerde güvenilir kullanımından önce mekansal olarak değişken düzeltme katsayılarına ihtiyaç duyacağını ortaya koymaktadır. Ortalama hata istatistikleri, farklı bölgelerde literatürde yapılan doğrulama çalışmalarıyla tutarlıdır. Buna göre, çalışmada elde edilen sonuçlar, ERA5 veri setlerinin Türkiye’de özellikle daha seyrek meteorolojik istasyon ağı içeren bölgelere odaklanan çeşitli uygulamalarda güvenilir bir şekilde kullanılabileceğini önermektedir.

Keywords

• Hava Sıcaklığı
• ERA5
• Doğrulama
• Hata
• Türkiye

References

1. Amjad M., Yılmaz M.T., Yılmaz K., Yücel İ., (2020), Performance evaluation of satellite- and model-based precipitation products over varying climate and complex topography, Journal of Hydrology, 584, 124707, doi: 10.1016/j.jhydrol.2020.124707.
2. Aziz R., Yücel İ., Yozgatlıgil C., (2020), Nonstationarity impacts on frequency analysis of yearly and seasonal extreme temperature in Turkey, Atmospheric Research, 238, 104875.
3. Bağçacı S., Yücel İ., Düzenli E., Yılmaz M.T., (2021), Intercomparison of the expected change in the temperature and the precipitation retrieved from CMIP6 and CMIP5 climate projections: A Mediterranean hot spot case, Turkey, Atmospheric Research, 256, 105576.
4. CDS, (2021), Climate Data Store, ECMWF Copernicus, https://cds.climate.copernicus.eu/, [Erişim 6 Ağustos 2021].
5. Coşkuner K.A., (2021), Doğu Karadeniz Orman Yangınlarının Uzun Dönem Meteorolojik Parametrelerle Değerlendirilmesi, Doğal Afetler ve Çevre Dergisi, 7(2), 374-381.
6. Demchev D.M., Kulakov M.Y., Makshtas A.P., Makhotina I.A., Fil’chuk K.V., Frolov, I.E., (2020), Verification of ERA-Interim and ERA5 Reanalyses Data on Surface Air Temperature in the Arctic, Russian Meteorology and Hydrology, 45(11), 771-777.
7. Demirok M.C., (2020), Hayat Tablosu Verileri Kullanarak Elde Edilen Matematiksel Model ve Uygulamaları. Yüksek Lisans Tezi, Hacettepe Üniversitesi, Ankara.
8. Elibüyük M., Yılmaz E., (2010), Türkiye’nin Coğrafi Bölge ve Bölümlerine Göre Yükselti Basamakları ve Eğim Grupları, Coğrafi Bilimler Dergisi, 8(1), 27-55.

9. Essou G.R., Sabarly F., Lucas-Picher P., Brissette F., Poulin A., (2016), Can Precipitation and Temperature from Meteorological Reanalyses Be Used for Hydrological Modeling?, Journal of Hydrometeorology, 17(7), 1929-1950.
10. Frederiksen L.-E., (2018), An evaluation of the reanalyses ERA-Interim and ERA5 in the Arctic using N-ICE2015 data, Yüksek Lisans Tezi, UiT The Arctic University of Norway, Tromsø, Norway.
11. Hersbach H., Dee D., (2016), ERA5 reanalysis is in production, ECMWF Newsletter, 147(7), https://www.ecmwf.int/en/newsletter/ 147/news/era5-reanalysis-production, [Erişim 6 Ağustos 2021].
12. Kadıoğlu M., (1997), Trends in Surface Air Temperature Data over Turkey, International Journal of Climatology, 17, 511-520.
13. KC U.A., Aryal J., Hilton J., Garg S., (2021), A Surrogate Model for Rapidly Assessing the Size of a Wildfire over Time, Fire, 4(2), 20, doi: 10.3390/fire4020020.
14. Kelebek M.B., Batıbeniz, F., Önol B., (2021), Exposure Assessment of Climate Extremes over the Europe–Mediterranean Region, Atmosphere, 12(5), 633, doi: 10.3390/atmos12050633.
15. King J., Marshall G., Colwell S., Allen-Sader C., Phillips T., (2021), Validation of atmospheric reanalyses over the Weddell Sea, Antarctica, using observations from drifting buoys, EGU General Assembly Conference Abstracts’ın içinde, Vienna, Austria, EGU21-10127.
16. Kömüşçü A., Oğuz K., (2021), Analysis of cold anomalies observed over Turkey during the 2018/2019 winter in relation to polar vortex and other atmospheric patterns, Meteorology and Atmospheric Physics, 133, 1327–1354.
17. MGM, (2021a), İstasyon Bilgileri Veritabanı, T.C. Tarım ve Orman Bakanlığı Meteoroloji Genel Müdürlüğü, https://mgm.gov.tr/ kurumsal/istasyonlarimiz.aspx [Erişim 28 Ağustos 2021].
18. MGM, (2021b), Türkiye Meteoroloji Gözlem Sistemleri İstatistiksel Analizleri: (1970-2021), https://www.mgm.gov.tr/FILES/resmi-istatistikler/gozlemSistemleri/Turkiye-Meteorolojik-Gozlem-Sistemleri-Istatistiki-Analizler.pdf [Erişim 12 Ocak 2022].
19. Mutiibwa D., Strachan S., Albright T., (2015), Land Surface Temperature and Surface Air Temperature in Complex Terrain, IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 8(10), 4762-4774.
20. NASA, (2021), Which measurement is more accurate: taking Earth’s surface temperature from the ground or from space? NASA Global Climate Change, https://climate.nasa.gov/faq/49/which-measurement-is-more-accurate-taking-earths-surface-temperature-from-the-ground-or-from-space/, [Erişim 1 Temmuz 2021].
21. NOAA, (2021), Weather and Climate Models, NOAA National Centers for Environmental Information. https://www.ncdc.noaa.gov/data-access/model-data/model-datasets, [Erişim 1 Temmuz 2021].
22. Özgür E., Akbayır İ., Deniz A., (2017), Monthly and Seasonal Trend Analysis of Maximum Temperatures over Turkey, International Journal of Engineering Science and Computing, 7 (11), 15537-15541.
23. Rakhmatova N., Arushanov M., Shardakova L., Nishonov B., Taryannikova R., Rakhmatova V., Belikov D., (2021), Evaluation of the Perspective of ERA-Interim and ERA5 Reanalyses for Calculation of Drought Indicators for Uzbekistan, Atmosphere, 12(5), 527, doi: 10.3390/atmos12050527.
24. Rasp S., Lerch S., (2018), Neural Networks for Postprocessing Ensemble Weather Forecasts, Monthly Weather Review, 146(11), 3885-3900.
25. 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, 2527-2544.
26. Vitolo C., Di Giuseppe F., Barnard C., Coughlan R., San-Miguel-Ayanz J., Libertá G., Krzeminski B., (2020), ERA5-based global meteorological wildfire danger maps, Scientific Data, 7(1), 216, doi: 10.1038/s41597-020-0554-z.
27. WMO, (2010), Implementation Plan for the Global Observing System for Climate in support of the UNFCCC: (2010 update), GCOS-138 World Meteorological Organization, Geneva, Switzerland.
28. Yılmaz E., Darende V., (2021), Türkiye’de yağış ölçümü yapılan manuel-otomatik meteoroloji gözlem istasyonu verilerinin karşılaştırılması, Türk Coğrafya Dergisi, 77, 53-66.