بررسی کارایی و اصلاح نمایه SPI در پایش خشکسالی مناطق خشک و نیمه خشک ایران

محورهای موضوعی : مدیریت آب در مزرعه با هدف بهبود شاخص های مدیریتی آبیاری

سعید شیوخی سوغانلو ¹ , مهدی نادی ²

1 - دانشجوی دکتری هواشناسی کشاورزی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران.
2 - استادیار، گروه مهندسی آب، دانشکده مهندسی زراعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران.

تاریخ دریافت : 1398/06/25 تاریخ پذیرش : 1399/10/25 تاریخ انتشار : 1399/12/01

کلید واژه: شاخص کاپا, پایش خشکسالی, نمایه پایش خشکسالی, تابع توزیع احتمال,

چکیده مقاله :

نمایه بارش استاندارد پرکاربردترین نمایه برای پایش وضعیت خشکسالی است. اما این نمایه تنها از تابع توزیع پیش فرض گاما برای برازش بر داده‌های بارش استفاده می‌کند و تغییرات فصلی بارش را در نظر نمی‌گیرد. هدف از این پژوهش، بررسی کارایی نمایه SPI در پایش خشکسالی مناطق خشک و نیمه خشک ایران و رفع ایرادات آن است. پس از آن نمایه‌ SPI با حالت اصلاح شده آن (SPImod) در طی دوره‌ی (1956-2010) مقایسه شد. نتایج نشان داد تابع توزیع حدنهایی عمومی در بیش از 57 درصد موارد مناسب‌ترین تابع توزیع احتمال داده‌های بارش است و توزیع پیش فرض گاما تنها در 11 درصد موارد به عنوان توزیع مناسب انتخاب شد. مقایسه ضرایب کاپا نشان داد که با افزایش پنجره زمانی میزان توافق نمایه‌های SPImod و SPI افزایش می‌یابد. مقدار این شاخص برای مقیاس یک ماهه ایستگاه‌های تهران (31/0)، مشهد (33/0)، بوشهر (32/0) و خرم‌آباد (26/0) بدست آمد درحالی که در پنجره زمانی نه ماهه، شاخص کاپا در ایستگاه تهران به مقدار (49/0) و در ایستگاه‌های مشهد، بوشهر و خرم‌آباد به‌ترتیب با مقادیر (47/0)، (56/0) و (45/0) افزایش یافت. همچنین نتایج نشان داد فراوانی و جابه‌جایی طبقات خشکسالی در مقایسه این دو نمایه دستخوش تغییرات بسیار زیادی خواهد شد. به‌ طوریکه جابه‌جایی طبقات نرمال، خشکسالی شدید و ترسالی شدید به‌ترتیب با مجموع فراوانی 259، 147 و 111 رخداد در پنجره زمانی سه ماهه و جابه‌جایی طبقات خشکسالی متوسط، نرمال و ترسالی متوسط به‌ترتیب با مجموع فراوانی 68، 54 و 28 رخداد در پنجره زمانی نه ماهه قابل توجه بود.

چکیده انگلیسی:

Standard precipitation index (SPI) is the most widely drought monitoring index. However, this index only uses the gamma distribution function for fitting precipitation data and does not consider seasonal variations. The purpose of this study was to evaluate the efficiency of SPI in drought monitoring of arid and semi-arid regions of Iran and fix the related problems with this Index. Then the SPI was compared with its modified state (SPImod) over (1956–2010). The results showed that the generalized extreme value distribution function in more than 57% of the cases was the most appropriate probability distribution function of rainfall data. But the default distribution (Gamma) was selected only in 11% of months. Comparison of Kappa index showed that with increasing time window, the agreement between SPImod and SPI indexes increases. The amounts of one-month Kappa for studied stations was Tehran (0.31), Mashhad (0.33), Bushehr (0.32) and Khorram-Abad (0.26), while for nine-month the Kappa increased. Such that in Tehran (0.49) and in Mashhad, Bushehr and Khorramabad, respectively, with values (0.47), (0.56) and (0.45). Also, the results showed that the frequency and displacement of drought classes would be very variable in comparison to these two indices. As the displacement of normal, severe drought and severe, with a total of 259, 147 and 111 events in the time window-three and displacement of moderate drought, normal and moderate wet year, with a total of 68, 54 And 28 events in time window-nine were noticeable.

منابع و مأخذ:

اقتدارنژاد، م. ا،. بذرافشان، ا. و بذرافشان، ج. 1396. بررسی تغییرات زمانی و مکانی خشکسالی هواشناسی بر اساس شاخص بارش-تبخیرتعرق استاندارد شده در ایران. نشریه هواشناسی کشاورزی. 5(2): 46-35.

آوند، م. و دولت کردستانی، م. 1398. پایش و پهنه­بندی خشکسالی با استفاده از مقایسه شاخص­های CZI، ZSI، SPI و MCZI (مطالعه موردی: استان کهکلویه و بویر احمد). نشریه ترویج و توسعه آبخیزداری. 7(27): 22-10.

حجابی، س. و بذرافشان، ج. 1390. مقایسه­ی دو رهیافت محاسبه­ی شاخص بارندگی استاندارد در اقلیم­های خشک و مرطوب ایران. نشریه علوم مهندسی آبخیزداری ایران. 9(28): 64-61.

محسنی­ساروی، م.، صفدری، ع.، ثقفیان، ب. و مهدوی، م. 1383. تحلیل شدت، مدت، فراوانی و گستره خشکسالی­های حوزه کارون به­کمک شاخص بارش استاندارد (SPI). نشریه منابع طبیعی ایران، 57(4): 620-607.

مساعدی، ا. و قبائی­سوق، م. 1390. تصحیح شاخص بارش استاندارد شده (SPI) بر اساس انتخاب مناسب­ترین تابع توزیع احتمال. نشریه آب و خاک، 25(5): 1206-1216.

مقدسی، م.، مرید، س.، قائمی، ه. و سامانی، ج. م. a1384. پایش روزانه خشکسالی در استان تهران. مجله علوم کشاورزی ایران. 36 (1): 62-51.

مقدسی م.، پایمزد، ش. و مرید، س. b1384. پایش مکانی خشکسالی سالهای 1378-1377 تا 1379-1380 استان تهران با استفاده از شاخصهای DI ،SPI و EDI و سیستم اطلاعات جغرافیائی. فصلنامه علمی- پژوهشی مدرس علوم انسانی ، دانشگاه تربیت مدرس. سال 9 شماره 1 ،197-217 .

نادی، م.، پورطهماسبی، ک.، بذرافشان، ج. و براونینگ، ه. 1393. بازسازی حلقه درختی دوره­های خشک دو قرن اخیر در چند رویشگاه جنگلی ایران. 1393. رساله دکتری. استاد راهنما: دکتر کامران پورطهماسبی. پردیش کشاورزی و منابع طبیعی دانشگاه تهران.

نصرتی، ک. 1393. ارزیابی شاخص بارش-تبخیر و تعرق استاندارد شده (SPEI) جهت شناسایی خشکسالی در اقلیم­های مختلف ایران. فصلنامه علوم محیطی، 12(4): 74-63.

نوحی، ک. و عسگری، ع. 1385. مطالعه خشکسالی و دوره بازگشت خشکسالی­ها و ترسالی­ها در منطقه قم. خشکسالی کشاورزی، شماره 15، 47-59.

هاشمی نسب، آ.، بذرافشان، ج. و نازی قمشلو، آ. 1394. ارزیابی شاخص خشکسالی کمبود توام تحت شرایط اقلیمی ایران، نشریه حفاظت منابع آب و خاک ایران، 4(3): 53-64.

هدایتی دزفولی، ا.، و صداقت­کردار، ع. 1386. بررسی خشکسالی و روند آن در استان کهکلویه و بویراحمد. مجله علمی و فنی نیوار، شماره­های 58 و 59، 61-74.

Akbari, M., M. Ownegh., Asgari, H., Sadoddin, A. and Khosrvi, H. 2016. Drought Monitoring Based on the SPI AND RDI Indicers under Climate Change Scenarios (Case Study: Semi-Arid Area of West Golestan Province). ECOPERSIA. 4(4), 1585-1602.

Bazrafshan, J., Nadi M. and Ghorbani, KH. 2015. Comparison of Empirical Copula-Based Joint Deficit Index (JDI) and Multivariate Standardized Precipitation Index (MSPI) for Drought Monitoring in Iran. Water Resources Management. 29(6): 2027-2044.

Blain, G.C. 2011. Standardized Precipitation Index based on Pearson Type III Distribution. Journal of Revista Brasiliera de Meteorologia, 26(2): 167-180.

Cohen, J. 1960. A coefficient of agreement for nominal scales. Educational and Psychological Measurement, 20: 37–46.

Edwards, D.C. and McKee, T.B. 1997. Characteristics of 20th century drought in the United States at multiple time scales. Journal of Atmospheric Science, 634:1–30.

Guttman, N.B. 1999. Accepting the Standardized Precipitation Index: a Calculation Algorithm. Journal of American Water Resources Association. 35(2):311-322.

Haied, N., Foufou, A. Chaab, S. Azlaoui, M. Khadri. Benzahia, K. and Benzahia, I. 2017. Drought assessment and monitoring using meteorological indices in a semi-arid region. Energy Procedia. 119: 518-529.

Henry, F., Herwindiati, E. D. and Mulyono, S. 2016. Sugarcane Land Classification with Satellite Imagery using Logistic Regression Model. International Conference on Information Technology and Digital Applications. 6pp.

Kao, Sh.Ch. and Govindaraju, R.S. 2010. A copula-based joint deficit index for droughts. Journal of Hydrology, 380: 121–134.

Keyantash, J. and Dracup, J.A. 2002. The Quantification of Drought Indices, American Meteorological Society, 83(8): 1167-1180.

Landis, J.R. and Koch, G.G. 1977. The measurement of observer agreement for categorical data. Journal of Biometrics, 33: 159–174.

McKee, T.B., Doesken, N.J. and Kleist, J. 1993. The Relationship of Drought frequency and Duration to Time Scales. Preprints 8th Conference on Applied Climatology, 179-184.

Mohammadi, H.,  Abasi,M. and Bazrafshan, J. 2017. Drought Monitoring in Chaharmahl-Bakhtiyari Province in Iran. Revista Brasileira de Meteorologia. v (32):4, 615-621.

Moghaddasi, M., Morid S., Byun, H. R., Ghaemi, H. and Samani L.M. (2006) Drought monitoring using deciles index, standardized precipitation index and effective drought index in Tehran Province, Iran, Iran Agriculture Research, 23(1)

Morid, S., Smakhtin, V. and Moghaddasi, M. (2005) Comparison of seven meteorological indices for drought monitoring in Iran. International Journal of Climatology.26:971-985.

Rahimi, J., Ebrahimpour, M. and Khalili, A. 2013. Spatial changes of Extended De Martonne climatic zones affected by climate change in Iran. Theoretical and Applied Climatology. 112: 409-418.

Said., A.A., Cetin, M. and Yurtal, R. 2019. Drough Assessment and Monitoring Using Some Drought Indicators in the Semi-Arid Putland State of Somalia. Fresenius Environmental Bulletin. 28(11A): 8765-8772.

Sonmez, F.K., Komuscu, A.U., Erkan, A. and Turgu, E. 2005. An analysis of spatial and temporal dimension of drought vulverability in Turkey using the precipitation index. Natural Hazards, 35: 243-264.

Surendran, U., Anagha, B., Raja, P., Kumar, V., Rajan, K. and Jayakumar, M. 2019. Analysis of Drought from Humid, Semi-Arid and Arid Regions of India Using DrinC Model with Different Drought Indices. Water Resourcees Management. 33: 1521-1540.

Tirivarombo, S., Osupile, D. and Eliasson, P. 2018. Drought monitoring and analysis: Standardised Precipitation Evapotranspiration Index (SPEI) and Standardised Precipitation Index (SPI). Physics and Chemistry of the Earth, 106: 1-10.

Wilhite, D.A., Svoboda, M.D. and Hayes, M.J. 2007. Understanding the complex impacts of drought: a key to enhancing drought mitigation and preparedness. Water Recourses Management 21:763–774. doi:10.1007/s11269-006-9076-5.