مطالعۀ تطبیقی شاخص‌های خشکسالی هواشناسی (SPI) و هیدرولوژیک (SSI) بر اساس بهترین تابع توزیع تجمعی برای حوضۀ آبریز ارومیه

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار/ گروه انرژی‌های نو و محیط زیست، دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران، تهران، ایران

2 دانشجوی کارشناسی ارشد/ گروه انرژی‌های نو و محیط‌زیست، دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران، تهران، ایران

3 دانشجوی کارشناسی ارشد/ گروه انرژی‌های نو و محیط زیست، دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران، تهران، ایران

چکیده

خشکسالی نه تنها کشاورزی را مورد تهدید قرار می‌دهد، بلکه باعث ایجاد زنجیره‌ای از آسیب‌های بوم‌شناختی، اجتماعی و اقتصادی است. از این‌رو، وجود شاخص‌های معتبر و مناسب که بتواند خشکسالی را به‌طور کار‌‌آمد ارزیابی و سنجش کند، ضروری است. پایش خشکسالی توسط شاخص‌های هواشناسی و هیدرولوژی همواره مورد توجه محققان و دانشمندان بوده است. کاهش یا افزایش بارش تأثیر مستقیم بر دبی جریان رودخانه و تراز آب زیرزمینی دارد. کاهش بارش منجر به خشکسالی هیدرولوژیک می‌شود. بر همین اساس، در این پژوهش به پایش خشکسالی برای 10 ایستگاه هواشناسی و 10 ایستگاه هیدرومتری در غرب حوضۀ آبریز ارومیه با توابع توزیع مختلف برای شناسایی بهترین تابع توزیع برای برازش داده‌ها پرداخته شد. برای دستیابی به هدف مورد نظر، برای بازة زمانی 31 ساله از تاریخ 1398-1368 در مقیاس سالانه در نرم‌افزار متلب مقادیر دو شاخص بارش استانداردشده (SPI) و جریان دبی استاندارد (SSI) تعیین شدند و سپس مقایسه‌ای برای تعیین بهترین برازش تابع توزیع انجام شد. نتایج بررسی SSI نشان داد که تابع تجمعی گاما بهترین عملکرد را برای برازش داده‌ها برای نه ایستگاه داشته است. فقط در ایستگاه مراکند تابع توزیع تجمعی ویبول برازش بهتری را برای داده‌ها ارائه کرد. ایستگاه بابارود با همبستگی 99 درصد و میانگین مربعات خطا MSE برابر 0/017 بهترین برازش را در میان ایستگاه‌های دیگر داشته است. در این پژوهش عملکرد تطبیقی دو شاخص SPI و SSI  نشان داد که این دو شاخص با یک‌دیگر رابطه مستقیم دارند. هم‌چنین مشخص شد که شاخص SPI برای پیش‌بینی شروع خشکسالی و شاخص SSI برای سنجش شدت و تداوم خشکسالی بهتر هستند. بر اساس دو شاخص SPI وSSI  منطقۀ مورد مطالعه پس از سال 1368 در یک روند خشکسالی شدید با طول دورة طولانی را تا سال 13۸۰ تجربه کرده است. این موضوع در حالی است که در سال‌های بین 1380 تا 1395 شرایط با نوسان بین دورۀ ترسالی و خشکسالی حالت طبیعی‌تری را گذرانده است. از سال 1395 دوره‌های ترسالی با شدت کم‌تر و طول دورة کوتاه‌تر و برعکس دوره‌های خشکسالی با شدت و طول دورة بیش‌تری را تجربه کرده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


اقتدارنژاد، م.، بذرافشان، ا.، و صادقی لاری، ع. (2017). ارزیابی تطبیقی شاخص‌های SPI، RDI و SDI در تحلیل مشخصه‌‍‌های خشکسالی هواشناسی و هیدرولوژیکی (مطالعه موردی: دشت بم). دانش آب و خاک، 26(42)، 69-81.‎
بارانی پسیانی، و.، پوراکرمی، م.، فتوحی مهربانی، ب.، و پوراکرمی، س. (1396). تحلیل روند خشک شدن دریاچه ارومیه و مهم‌ترین تاثیرات آن بر سکونتگاه‌های پیرامونی. پژوهش‌های روستایی، 8(3)، 441-453.
جهانگیر، م.ح.، و موسوی، م. (1399). مطالعه تطبیقی شاخص‌های خشکسالی هواشناسی SPI و هیدرولوژیک SSI بر اساس بهترین تابع توزیع تجمعی در استان تهران. علوم و مهندسی آبخیزداری ایران، 14(48)، 1-10.
مرتضایی فریزهندی، ق.، و میراکبری، م. (1397). پایش خشکسالی هیدرولوژیکی با استفاده از شاخص‌های SDI و GRI در حوزة آبخیز رودخانة اعظم هرات استان یزد. مرتع و آبخیزداری، 71(3)، 775-785.
مصباح‌زاده، ط.، و سلیمانی‌ساردو، ف. (1397). بررسی روند زمانی خشکسالی هیدرولوژیک و هواشناسی در حوضه آبخیز کرخه. علوم و مهندسی آبخیزداری ایران، 12(40)، 105-114.
مقدسی، م.، مرید، س، بایون، ا.، قایمی، ه.، سامانی جمال، م.و. (1383). پایش خشکسالی با استفاده از شاخص‌های SPI ،DI و EDI در استان تهران، ایران. تحقیقات کشاورزی ایران، 23(1)، 95-110.
میراکبری، م.، مرتضایی، ق. ، و محسنی، م. (1397). بررسی تأثیر خشکسالی هواشناسی بر منابع آب سطحی و زیرزمینی با استفاده از شاخص‌های SPI، SPEI، SDI و GRI. علوم و مهندسی آبخیزداری ایران، 12(42)، 70-80.
نوحه‌گر، ا.، و محمودآبادی، س. (1391). ارزیابی چند شاخص خشکسالی اقلیمی و تعیین مناسب‌ترین شاخص در حوضه کهورستان. جغرافیا (برنامه‌ریزی منطقه‌ای)، 2(2)، 89-98.
 
Abramowitz, M., & Irene, S. (1964). Handbook of mathematical functions with formulas, graphs, and mathematical tables. National Bureau of Standards Applied Mathematics Series, 470 pages.
AghaKouchak, A. (2015). A multivariate approach for persistence-based drought prediction: Application to the 2010-2011 East Africa drought. Journal of Hydrology, 526, 127-135.
Barani Pesyan, V., Porakrami, M., Fotouhi Mehrbani, B., & Porakrami, S. (2017). The investigation of lake urmia drying trend and its important consequence on the surrounding settlements. Journal of Rural Research, 8(3), 438-453 (in Persian).
Bazrafshan, J., Nadi, M., & Ghorbani, K. (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, 2027–2044.
Eghtedar Nezhad, M., Bazrafshan, O., & Sadeghi Lari, A. (2016). Adaptive evaluation of SPI, RDI and SDI indices in analyzing the meteorological and hydrological drought characteristics (Case study: Bam Plain). Journal of Water and Soil Science, 26(4.2), 69–81 (in Persian).
Hao, Z., & AghaKouchak, A. (2013). Multivariate standardized drought index: A parametric multi-index model. Advances in Water Resources, 57, 12-18.
Jahangir, M.H., & Mousavi, M. (2020). Comparative study of meteorological (SPI) and hydrological drought index (SSI) based on the best cumulative distribution function in Tehran Province. Iranian Journal of Watershed Management Science and Engineering, 14(48), 1-10 (in Persian).
Li, Y., Luo, L., Chang, J., Wang, Y., Guo, A., Fan, J., & Liu, Q. (2020). Hydrological drought evolution with a nonlinear joint index in regions with significant changes in underlying surface. Journal of Hydrology, 585, 124794.
McKee, T.B., Doesken, N.J., & Kleist, J. (1993). The relationship of drought frequency and duration to time scales. Proceedings of the 8th Conference on Applied Climatology, Anaheim, Pp. 83-179.
MesbahZadeh, T., & Soleimani Sardoo, F. (2018). Temporal trend study of hydrological and meteorological drought in Karkheh watershed. Iranian Journal of Watershed Management Science and Engineering, 12(40), 105-114 (in Persian).
Mielby, S., & Henriksen, H.J. (2020). Hydrogeological studies integrating the climate, freshwater cycle, and catchment geography for the benefit of urban resilience and sustainability. Water, 12(12), 3324.
Mirakbari, M., Mortezaii, G., & Mohseni, M. (2018). Investigation of effect meteorological drought on surface and ground water resources by indices SPI, SPEI, SDI and GRI. Iranian Journal of Watershed Management Science and Engineering, 12(42), 70-80 (in Persian).
Moghadasi, M., Morid, S., Byon, H., Ghaemi, H., & Samani Jamal, M.V. (2004). Drought monitoring using deciles index, standardized precipitation index and effective drought index in Tehran Province, Iran. Iran Agricultural Research, 23(1), 95–110 (in Persian).
Mortezaii Frizhandi, G., & Mirakbari, M. (2018). Hydro logical drought monitoring using SDI and GRI indicators In the watershed of Azam Herat, Yazd province. Journal of Range and Watershed Management, 71(3), 775-785 (in Persian).
Nohegar, A., & Mahmoodabadi, S. (2012). Assessment of Some indicators of drought–regional and appointment of the most suitable indicator in the Kahorestan Zone. Geography (Regional Planning), 2(2), 89–98 (in Persian).
Pathak, A.A., & Dodamani, B.M. (2016). Comparison of two hydrological drought indices. Perspectives in Science, 8, 626-628.
Salimi, H., Asadi, E., & Darbandi, S. (2021). Meteorological and hydrological drought monitoring using several drought indices. Applied Water Science, 11(11), 1-10.
Sobral, B.S., de Oliveira-Junior, J.F., de Gois, G., Pereira-Júnior, E.R., de Bodas Terassi, P.M., Muniz-Júnior, J.G.R., Lyra G.B., & Zeri, M. (2019). Drought characterization for the state of Rio de Janeiro based on the annual SPI index: trends, statistical tests and its relation with ENSO. Atmospheric Research, 220, 141-154.
Soleimani Sardou, F., & Bahremand, A. (2014). Hydrological drought analysis using SDI index in Halilrud basin of Iran. Environmental Resources Research, 2(1), 48-56.
Telesca, L., Lovallo, M., Lopez-Moreno, I., & Vicente-Serrano, S. (2012). Investigation of scaling properties in monthly streamflow and Standardized Streamflow Index (SSI) time series in the Ebro basin (Spain). Physica A: Statistical Mechanics and its Applications, 391(4), 1662-1678.