Original paper

Global daily precipitation fields from bias-corrected rain gauge and satellite observations. Part I: Design and Development

Kottek, Markus; Rubel, Franz

Meteorologische Zeitschrift Vol. 16 No. 5 (2007), p. 525 - 539

published: Oct 26, 2007

DOI: 10.1127/0941-2948/2007/0214

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Abstract

Global daily precipitation analyses are mainly based on satellite estimates, often calibrated with monthly ground analyses or merged with model predictions. We argue here that an essential improvement of their accuracy is only possible by incorporation of daily ground measurements. In this work we apply geostatistical methods to compile a global precipitation product based on daily rain gauge measurements. The raw ground measurements, disseminated via Global Telecommunication System (GTS), are corrected for their systematic measurement errors and interpolated onto a global 1 degree grid. For interpolation ordinary block kriging is applied, with precalculated spatial auto-correlation functions (ACFs). This technique allows to incorporate additional climate information. First, monthly ACFs are calculated from the daily data; second, they are regionalised according to the five main climatic zones of the Köppen-Geiger climate classification. The interpolation error, a by-product of kriging, is used to flag grid points as missing if the error is above a predefined threshold. But for many applications missing values constitute a problem. Due to a combination of the ground analyses with the daily multi-satellite product of the Global Precipitation Climatology Project (GPCP-1DD) not only these missing values are replaced but also the spatial structure of the satellite estimates is considered. As merging method bivariate ordinary co-kriging is applied. The ACFs necessary for the gauge and the satellite fields as well as the corresponding spatial cross-correlation functions (CCFs) are again precalculated for each of the five main climatic zones and for each individual month. As a result two new global daily data sets for the period 1996 up to today will be available on the Internet (www.gmes-geoland.info): A precipitation product over land, analysed from ground measurements; and a global precipitation product merged from this and the GPCP-1DD multi-satellite product.

Kurzfassung

Globale tägliche Niederschlagsanalysen basieren hauptsächlich auf Satellitenmessungen, oft kalibriert mit Analysen monatlicher Niederschlagsbeobachtungen vom Boden oder kombiniert mit Modellvorhersagen. Eine wesentliche Verbesserung ihrer Genauigkeit ist nur möglich, wenn tägliche Bodenmessungen miteinbezogen werden. In dieser Arbeit wenden wir verschiedene statistische Methoden an um ein globales Niederschlagsprodukt auf Basis von Ombrometermessungen zu erstellen. Zuerst werden die via Global Telecommunication System (GTS) empfangenen Niederschlagsbeobachtungen hinsichtlich ihres systematischen Messfehlers korrigiert und auf ein globales 1 Grad Gitter interpoliert. Zur Interpolation wird Ordinary Block Kriging mit vorberechneten räumlichen Autokorrelationsfunktionen (AKFen) verwendet. Diese Technik ermöglicht es, zusätzliche Klimainformation in die Analyse einzubringen. Zum einen werden monatliche AKFen aus den täglichen Daten berechnet; zum anderen werden sie nach den fünf Hauptklimazonen der Köppen-Geiger Klimaklassifikation regionalisiert. Der Interpolationsfehler, ein Nebenprodukt des Krigings, wird verwendet um Gitterpunkte mit Fehlern über einem definierten Grenzwert mit Fehlwerten zu belegen. Für viele Anwendungen stellen Fehlwerte jedoch ein Problem dar. Durch Kombination der Bodenanalysen mit dem täglichen Multi-Satelliten Produkt des Global Precipitation Climatology Project (GPCP-1DD) werden nicht nur diese Fehlwerte abgedeckt, sondern es wird auch die räumliche Struktur der Satellitenniederschläge berücksichtigt. Als Kombinationsmethode wird bivariates Co-Kriging verwendet. Die dafür benötigten AKFen der Bodenanalyse- und Satellitenfelder sowie deren räumliche Kreuzkorrelationsfunktionen (KKFen) werden wieder für jeden individuellen Monat und für die fünf Hauptklimazonen vorberechnet. Als Ergebnis werden zwei neue, globale, tägliche Datensätze für die Periode von 1996 bis zur Gegenwart im Internet (www.gmes-geoland.info) verfügbar sein: Ein Niederschlagsprodukt über Land analysiert aus Bodenmessungen und ein globales Niederschlagsprodukt kombiniert aus ersterem und dem GPCP-1DD MultiSatelliten Produkt.