GIS Based Spatiotemporal Comparation Between SPI and CZI Drought Index: A Case Study of Burdur Lake Basin

Abstract

In recent years, the negative effects of climate change on water resources have been observed. Due to the decrease in precipitation in the Burdur Lake basin, there is serious volume loss especially in surface waters. In this study, basin drought analysis was performed using standardized precipitation index (SPI) and China Z index (CZI) methods. For this, precipitation data of 6 different meteorological stations located in and around the basin were used. In addition, the relationships between SPI and CZI indices are statistically revealed. In Burdur Meteorology station, it was determined that the longest drought period was experienced in the 24-month time scale with the SPI method since January 1951 with 1612 days. However, the most severe drought has been determined to have lasted 2250 days with a severity of 70.027 since January 1989. According to the drought analysis using the China Z index at the same meteorology station, the longest drought periods were 1553 days since January 1989, with a severity of 70.782. According to the obtained results, medium and mild droughts were detected around the Burdur Lake and south of the basin in 2019. In addition, the R2 values of both methods (0.96-0.98) are quite high and very close index values were calculated.

Keywords

• Drought Analysis
• Standardized Precipitation Index (SPI)
• China Z Index (CZI)
• Burdur Lake Basin

SPI ve CZI Kuraklık İndislerinin CBS Tabanlı Zamansal ve Konumsal Karşılaştırması: Burdur Gölü Havzası Örneği

Abstract

Son yıllarda su kaynakları üzerinde iklim değişikliğinin olumsuz etkileri daha fazla gözlenmeye başlamıştır. Burdur Gölü havzasında da yağışların azalmasına bağlı olarak özellikle yüzey sularında ciddi miktarlarda hacim kayıpları söz konusudur. Bu çalışmada, standartlaştırılmış yağış indeksi (SPI) ve Çin Z indeksi (CZI) yöntemleri kullanılarak havzaya yönelik kuraklık analizleri yapılmıştır. Bunun için havza içerisinde ve çevresinde bulunan 6 farklı meteoroloji istasyonuna ait yağış verileri kullanılmıştır. Ayrıca SPI ve CZI indeksleri arasındaki ilişkiler istatistiksel olarak ortaya konulmuştur. Burdur Meteoroloji istasyonunda en uzun kuraklık döneminin 24 aylık zaman ölçeğinde SPI yöntem ile yapılan analizlerde 1612 gün ile 1951 yılının Ocak ayından itibaren yaşandığı, bununla birlikte en şiddetli kuraklığın ise 1989 yılının Ocak ayından itibaren 70.027 şiddetinde 2250 gün sürdüğü belirlenmiştir. Aynı meteoroloji istasyonunda Çin Z indeksi kullanılarak yapılan kuraklık analizlerine göre ise en uzun kuraklık dönemlerinin 1989 yılının Ocak ayından itibaren 70.782 şiddetinde 1553 gün sürdüğü belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre 2019 yılında Burdur Gölü çevresi ile havzanın güneyinde orta ve hafif kuraklıklar tespit edilmiştir. Ayrıca her iki yöntemin R2 değerleri (0.96-0.98) oldukça yüksek olup birbirlerine çok yakın indeks değerleri hesaplanmıştır.

Keywords

• Kuraklık Analizi
• Standartlaştırılmış Yağış İndeksi (SPI)
• Çin Z İndeksi (CZI)
• Burdur Gölü Havzası

References

1. Anisfeld S.C., (2010), Water Resources, Island Press, Washington, DC., 352ss.
2. Ataol M., (2010), Burdur Gölü Havzası İçin Yeni Bir Su Yönetim Modeli Önerisi, Doktora Tezi, Ankara Üniversitesi, Sosyal Bilimler Enstitüsü, Ankara.
3. Awchi T.A., Kalyana M.M., (2017), Meteorological drought analysis in northern Iraq using SPI and GIS, Sustainable Water Resources Management, 3(4), 451-463.
4. Bakanoğulları F., (2020a), Kırsal havzalarda kuraklığın iki yöntem (SPEI ve SPI) kullanılarak belirlenmesi: Kumdere Havzası örneği, Türk Tarım ve Doğa Bilimleri Dergisi, 7(1), 146-156.
5. Bakanoğulları F., (2020b), SPEI ve SPI indisleri kullanılarak İstanbul-Damlıca Deresi Havzasında kuraklık şiddetlerinin analizi, Toprak Su Dergisi, 9(1), 1-10.
6. Byun H.R., Wilhite D.A., (1999), Objective quantification of drought severity and duration, Journal of Climate, 12(9), 2747-2756.
7. Choi M., Jacobs J.M., Anderson M.C., Bosch D.D., (2013), Evaluation of drought indices via remotely sensed data with hydrological variables. Journal of Hydrology, 476, 265-273.
8. Çaldağ B., Şaylan L., Toros H., Bakanoğulları F., (2004), Drought Analysis in northwest Turkey, Agroenvironment 2004, 20-24 October, Udine, Italy, ss.169-179.

9. Dikici M., (2019), Asi Havzası’nda (Türkiye) kuraklık analizi, Doğal Afetler ve Çevre Dergisi, 5(1), 22-40.
10. Dogan S., Berktay A., Singh V.P., (2012), Comparison of multi-monthly rainfall-based drought severity indices, with application to semi-arid Konya closed basin, Turkey, Journal of Hydrology,70(471), 255-268.
11. Dracup J.A., Lee KS., Paulson Jr. EG., (1980), On the definition of drought, Water Resource Research, 16(2), 297-302.
12. Gibbs W.J., Maher, J.V., (1967), Rainfall Deciles as Drought Indicators, Bureau of Meteorology Bulletin, 48, Melbourne, Australia.
13. İlker A., Terzi Ö., Şener E., (2019), Yağışın Alansal Dağılımının Haritalandırılmasında Enterpolasyon Yöntemlerinin Karşılaştırılması: Akdeniz Bölgesi Örneği, Teknik Dergi, 30(3), 9213-9219.
14. İrvem A., Özbuldu M., (2019), Analysis of drought period with SPI for Muğla province of Turkey, Mustafa Kemal Üniversitesi Tarım Bilimleri Dergisi, 24 (Özel Sayı):142-148.
15. Jain V.K., Pandey R.P., Jain M.K., Byun H.R., (2015), Comparison of drought indices for appraisal of drought characteristics in the Ken River Basin, Weather and Climate Extremes, 8, 1-11.
16. Kassaye A.Y., Shao G., Wang X., Wu S., (2020), Quantification of drought severity change in Ethiopia during 1952–2017, Environment, Development and Sustainability, doi: 10.1007/s10668-020-00805-y.
17. Kendall M., Stuart A., (1977), The advanced theory of statistics, Vol. 1: Distribution Theory, 4th edition, C. Griffin, 484ss.
18. Kömüşçü A., Erkan A., (2006), Kuraklık ve Türkiye Açısından Genel Bir Değerlendirme, DMİ Genel Müdürlüğü Araştırma ve Bilgi İşlem Dairesi Başkanlığı, Ankara.
19. Köroğlu S., (2006), Farklı EnterpolasyonYöntemlerinin Hacim Hesabına Etkisinin Araştırılması, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
20. Mahmoudi P., Rigi A., Kamak M.M., (2019), A comparative study of precipitation-based drought indices with the aim of selecting the best index for drought monitoring in Iran, Theoretical and Applied Climatology, 137(3-4), 3123-3138.
21. McKee T.B., Doesken N.J., Kleist J., (1993), The Relationship of Drought Frequency and Duration to Time Scales, 8th Conference on Applied Climatology, 17-22 January, Anaheim, California, ss.179-183.
22. McKee T.B., Doesken N.J., Kleist J., (1995), Drought monitoring with multiple time scales, 9th Conference on Applied Climatology, 15-20 January, Dallas, TX, USA, ss.233-236.
23. Mishra A.K., Singh VP., (2011), Drought modeling - a review, Journal of Hydrology, 403, 157-175.
24. Morid S., Smakhtin V., Moghaddasi M., (2006), Comparison of seven meteorological indices for drought monitoring in Iran, International Journal of Climatology: A Journal of the Royal Meteorological Society, 26(7), 971-985.
25. Orhan O., (2014), Konya Kapalı Havzası’nda Uzaktan Algılama ve CBS Teknolojileri İle İklim Değişikliği ve Kuraklık Analizi, Yüksek Lisans Tezi, Aksaray Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Aksaray.
26. Palmer W.C., (1965), Meteorological Drought, U.S. Department of Commerce, Weather Bureau, Research Paper No: 45, Washington, DC., USA, 58ss.
27. Pamuk G., Özgürel M., Topçuoğlu K., (2004), Standart yağış indisi (SPI) ile Ege bölgesinde kuraklık analizi, Ege Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi, 41(1), 99-106.
28. Shukla S., Wood A., (2008), Use of a Standardized Runoff Index For Characterizing Hydrologic, Geophysical Research Letters, 35(2), L02405, doi:10.1029/2007GL032487.
29. Sırdaş S., (2002), Meteorolojik Kuraklık Modellemesi ve Türkiye Uygulaması, Doktora Tezi, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul
30. Sırdaş S., Şen Z., (2003), GAP Bölgesinde kurak dönem özelliklerinin araştırılması, III. Atmosfer Bilimleri Sempozyumu, 19-21 Mart, İstanbul, Türkiye, ss.305‐317.
31. Şen Z., (2001), Kuraklık Kıranı Yuvarlak Masası Toplantısı, 20 Mart 2001, Ankara Hilton Oteli.
32. Şener E., Şener Ş., (2019), Meteorolojik kuraklığın coğrafi bilgi sistemleri tabanlı zamansal ve konumsal analizi: Çorak Gölü Havzası (Burdur-Türkiye) örneği, Mühendislik Bilimleri ve Tasarım Dergisi, 7(3), 596-607.
33. TOB, (2018), Burdur Gölü Sulak Alan Revize Yönetim Planı Projesi Sonuç Raporu, Tarım ve Orman Bakanlığı, Doğa Koruma ve Milli Parklar Genel Müdürlüğü, Sulak Alanlar Şube Müdürlüğü, 322ss.
34. Thom H.C.S., (1966), Some Methods of Climatological Analysis. WMO Technical Note, 81, World Meteorological Organization, Geneva, Switzerland, 63ss.
35. Tsakiris G., Vangelis H.J.E.W., (2005), Establishing a drought index incorporating evapotranspiration, European water, 9(10), 3-11.
36. Tuna H., Malkoç F., Yılmaz Ö., (2009), Çoruh Havzasında SPI ile Kuraklık Analizi ve Çevresel Etkileri, Doğu Karadeniz Bölgesi Hidroelektrik Enerji Potansiyeli ve Bunun Ülke Enerji Politikalarındaki Yeri Forumu, Trabzon, ss.114-129.
37. Vicente-Serrano S.M., Beguería S., López-Moreno J.I., (2010), A multiscalar drought index sensitive to global warming: The standardized precipitation evapotranspiration index. Journal of Climate, 23, 1696-1718.
38. WMO, (1997), Extreme Agrometeorological Events, CagM-X Working Group, WMO/TD-No.836, Geneva, Switzerland, 182ss.
39. WMO, (2016), Handbook of Drought Indicators and Indices, Integrated Drought Management Programme (IDMP), WMO-No. 1173, Geneva, Switzerland, 45ss.
40. Wambua R.M., Mutua B.M., Raude J.M., (2018), Detection of spatial, temporal and trend of meteorological drought using standardized precipitation index (spi) and effective drought index (edi) in the upper Tana river basin, Open Journal of Modern Hydrology, 8, 83-100.
41. Wilhite D.A., Glantz M.H., (1985), Understanding The Drought Phenomenon: The Role of Definitions, Water International, 10(3), 111-120.
42. Wilhite D.A., Svoboda M.D., (2000), Drought early warning systems in the context of drought preparedness and mitigation, Early warning systems for drought preparedness and drought management’in İçinde, (Wilhite D.A, Sivakumar M.V.K., Wood D.A., Eds.), Lisbon, Portugal, ss.1‐21.
43. Willeke G., Hosking J.R.M., Wallis J.R., Guttman N.B., (1994), The National Drought Atlas, U.S. Army Corps of Engineers Institute for Water Resources Report 94-NDS-4, 587ss.
44. Wilson E.B., Hilferty M.M., (1931), The distribution of chi-square, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 17(12), 684-688.
45. Wu H., Hayes M.J., Welss A., Hu Q., (2001), An evaluation the standardized precipitation index, the China-z index and the statistical Z-Score, International Journal of Climatology, 21, 745-758.