Drought Analysis with SPI and SPEI Indices Using Different Time Periods

Year 2024, , 13 - 23, 30.06.2024

Cansu Bozkurt

https://doi.org/10.63063/jsat.1380592

Abstract

Drought refers to a situation of insufficient moisture due to lack of precipitation over a certain period of time. Different drought indices are applied to determine temporal and spatial drought characteristics. Determining the drought index and monitoring its changes is of great importance in terms of planning and management of usable water resources such as stream flow, lake and reservoir levels, snow cover, soil moisture and groundwater, and solving problems related to environmental, ecological and economic systems. In this study, Standard Precipitation Index (SPI) and Standardized Precipitation Evapotranspiration Index (SPEI) analysis was carried out using monthly precipitation and monthly average temperature data recorded between the hydrological years 1980-2022 at Ardahan meteorology station no. 17046 in the Eastern Anatolia Region. Drought evaluations were made for different time periods such as 1, 3, 4, 6, 9 and 12 months, and the effects of indices on drought analysis were examined. Accordingly, it has been seen that the SPI index has the advantage of being calculated more practically in cases where only precipitation data is obtained, but is more stable for long periods of time, while the SPEI method can effectively evaluate drought for all time periods. Analysis results show that drought has tended to increase in Ardahan province, especially in the last 6 years, due to the decrease in precipitation and the increase in temperature.

Keywords

Drought, Drought Analysis, Standardized Precipitation Index, Precipitation, Hydrology

Farklı Zaman Periyotları Kullanılarak SPI ve SPEI İndisleri ile Kuraklık Analizleri

Abstract

Kuraklık belirli bir zaman periyodunda yağış eksikliği nedeniyle yetersiz nem durumunu ifade etmektedir. Zamansal ve alansal kuraklık özelliklerinin belirlenmesinde farklı kuraklık indisleri uygulanmaktadır. Kuraklık indisinin belirlenmesi ve değişimlerin izlenmesi akarsu akışı, göl ve rezervuar seviyeleri kar örtüsü, toprak nemi ve yeraltı suları gibi kullanılabilir su kaynaklarının planlaması ve yönetimi, çevresel, ekolojik ve ekonomik sistemlere yönelik sorunların çözümü açısından büyük öneme sahiptir. Bu çalışmada Doğu Anadolu Bölgesi’nde yer alan 17046 no’lu Ardahan meteoroloji istasyonunda 1980-2022 hidrolojik yılları arasında kaydedilen aylık yağış ve aylık ortalama sıcaklık verileri kullanılarak Standart Yağış İndisi (SPI) ve Standartlaştırılmış Yağış Evapotranspirasyon İndisi (SPEI) analizi gerçekleştirilmiştir. 1, 3, 4, 6, 9 ve 12 ay gibi farklı zaman periyotları için kuraklık değerlendirmesi yapılmış ve indislerin kuraklık analizi üzerindeki etkileri incelenmiştir. Buna göre SPI indisinin sadece yağış verilerinin elde edildiği durumlarda daha pratik biçimde hesaplanmasından dolayı avantaj taşıdığı ancak uzun zaman periyotları için daha kararlı olduğu, SPEI yönteminin ise tüm zaman periyotları için kuraklığı etkili bir şekilde değerlendirebildiği görülmüştür. Analiz sonuçları Ardahan ilinde yağışın azalması ve sıcaklığın artmasına bağlı olarak özellikle son 6 yıl içerisinde kuraklığın artış eğiliminde olduğunu göstermektedir.

Keywords

Kuraklık, Kuraklık Analizi, Standart Yağış İndisi, Yağış, Hidroloji

References

• M. A. H. Mondol, X. Zhu, D. Dunkerley, and B. J. Henley, “Observed meteorological drought trends in Bangladesh identified with the Effective Drought Index (EDI),” Agric. Water Manag., vol. 255, no. May, p. 107001, 2021, doi: 10.1016/j.agwat.2021.107001.
• D. Paton, L. Smith, and J. Violanti, “Disaster response: Risk, vulnerability and resilience,” Disaster Prev. Manag. An Int. J., vol. 9, no. 3, pp. 173–179, 2000, doi: 10.1108/09653560010335068.
• M. Yu, Q. Li, M. J. Hayes, M. D. Svoboda, and R. R. Heim, “Are droughts becoming more frequent or severe in China based on the standardized precipitation evapotranspiration index: 1951-2010?,” Int. J. Climatol., vol. 34, no. 3, pp. 545–558, 2014, doi: 10.1002/joc.3701.
• V. Gumus and H. M. Algin, “Meteorological and hydrological drought analysis of the Seyhan−Ceyhan River Basins, Turkey,” Meteorol. Appl., vol. 24, no. 1, pp. 62–73, 2017, doi: 10.1002/met.1605.
• M. J. Uddin, J. Hu, A. R. M. T. Islam, K. U. Eibek, and Z. M. Nasrin, “A comprehensive statistical assessment of drought indices to monitor drought status in Bangladesh,” Arab. J. Geosci., vol. 13, no. 9, 2020, doi: 10.1007/s12517-020-05302-0.
• I. Isia et al., “Drought Analysis Based on Standardized Precipitation Evapotranspiration Index and Standardized Precipitation Index in Sarawak, Malaysia,” Sustain., vol. 15, no. 1, 2023, doi: 10.3390/su15010734.
• D. P. Ariyanto, A. Aziz, Komariah, Sumani, and M. Abara, “Comparing the accuracy of estimating soil moisture using the standardized precipitation Index (SPI) and the standardized precipitation evapotranspiration index (SPEI),” Sains Tanah, vol. 17, no. 1, pp. 23–29, 2020, doi: 10.20961/stjssa.v17i1.41396.
• S. Tirivarombo, D. Osupile, and P. Eliasson, “Drought monitoring and analysis: Standardised Precipitation Evapotranspiration Index (SPEI) and Standardised Precipitation Index (SPI),” Phys. Chem. Earth, vol. 106, pp. 1–10, 2018, doi: 10.1016/j.pce.2018.07.001.
• R. P. Pandey, B.B.Dash, S. K. Mishra, and R. Singh, “Study of indices for drought characterization in KBK districts in Orissa (India),” Hydrol. Process., vol. 22, no. November 2008, pp. 1895–1907, 2008, doi: 10.1002/hyp.
• M. Batan, “Çeşitli Kuraklık İndisleri ile Batman İlinin Kuraklık Analizi ve Kontur Haritalarının Çıkarılması,” Doğal Afetler ve Çevre Derg., vol. 7, no. 2, pp. 252–265, 2021, doi: 10.21324/dacd.817903.
• I. Livada and V. D. Assimakopoulos, “Spatial and temporal analysis of drought in Greece using the Standardized Precipitation Index (SPI),” Theor. Appl. Climatol., vol. 89, no. 3–4, pp. 143–153, 2007, doi: 10.1007/s00704-005-0227-z.
• S. Vicente-Serrano et al., “Performance of drought indices for ecological, agricultural, and hydrological applications,” Earth Interact., vol. 16, no. 10, pp. 1–27, 2012, doi: 10.1175/2012EI000434.1.
• S. Dogan, A. Berktay, and V. P. Singh, “Comparison of multi-monthly rainfall-based drought severity indices, with application to semi-arid Konya closed basin, Turkey,” J. Hydrol., vol. 470–471, pp. 255–268, 2012, doi: 10.1016/j.jhydrol.2012.09.003.
• Z. N. Qaisrani, N. Nuthammachot, K. Techato, and Asadullah, “Drought monitoring based on Standardized Precipitation Index and Standardized Precipitation Evapotranspiration Index in the arid zone of Balochistan province, Pakistan,” Arab. J. Geosci., vol. 14, no. 1, 2021, doi: 10.1007/s12517-020-06302-w.
• İ. H. Yüce, M. İ., Aksoy, H., Aytek, A., Eşit, M., Uğur, F., Yaşar, İ., Şimşek, A., & Değer, “Kahramanmaras Sutcu Imam University Journal of Engineering Sciences,” Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi Mühendislik Bilim. Derg., vol. 25, no. 3, pp. 285–295, 2022.
• İ. Dursun and A. A. Babalık, “De Martonne-Gottman ve Standart Yağış İndeksi yöntemleri kullanılarak kuraklığın belirlenmesi: Isparta ili örneği,” Turkish J. For. | Türkiye Orman. Derg., vol. 22, no. 3, pp. 192–201, 2020, doi: 10.18182/tjf.944195.
• E. Topçu and F. Karaçor, “Erzurum İstasyonunun Standartlaştırılmış Yağış Evapotranspirasyon İndeksi Ve Bütünleşik Kuraklık İndeksi Kullanılarak Kuraklık Analizi,” Politek. Derg., vol. 24, no. 2, pp. 565–574, 2021, doi: 10.2339/politeknik.682168.
• M. Ali Çelik et al., “Doğu Anadolu Bölgesi’nin Mevsimlik Kuraklık Analizi,” Atatürk Üniversitesi Sos. Bilim. Enstitüsü Derg. Eylül, vol. 22, no. 3, pp. 1741–1761, 2018.
• Erdoğan Bölük, “Köppen İklim Sınıflandırmasina Göre Türkiye İklimi,” Meteoroloji Genel Müdürlüğü, p. 18, 2016.
• N. B. Guttman, “Comparing the palmer drought index and the standardized precipitation index,” J. Am. Water Resour. Assoc., vol. 34, no. 1, pp. 113–121, 1998, doi: 10.1111/j.1752-1688.1998.tb05964.x.
• U. G. Bacanli, M. Firat, and F. Dikbas, “Adaptive Neuro-Fuzzy inference system for drought forecasting,” Stoch. Environ. Res. Risk Assess., vol. 23, no. 8, pp. 1143–1154, 2009, doi: 10.1007/s00477-008-0288-5.
• C. W. Thornthwaite, “An Approach toward a Rational Classification of Climate,” Geogr. Rev., vol. 38, no. 1, p. 55, 1948, doi: 10.2307/210739.
• S. M. Vicente-Serrano, S. Beguería, J. I. López-Moreno, M. Angulo, and A. El Kenawy, “A new global 0.5° gridded dataset (1901-2006) of a multiscalar drought index: Comparison with current drought index datasets based on the palmer drought severity index,” J. Hydrometeorol., vol. 11, no. 4, pp. 1033–1043, 2010, doi: 10.1175/2010JHM1224.1.
• V. P. Singh, H. Guo, and E. X. Yu, “Stochastic Hydrology and Hydraufics Parameter estimation for 3-parameter log-logistic distribution (LLD3) by Pome,” Stoch. Hydrol. Hydraul, vol. 7, pp. 163–177, 1993.
• M. Eşit and M. İ. Yüce, “Çok Değişkenli Kuraklık Frekans Analizi ve Risk Değerlendirmesi: Kahramanmaraş Örneği,” Doğal Afetler ve Çevre Derg., vol. 8, no. 2, pp. 368–382, 2022, doi: 10.21324/dacd.1066958.
• B. Bera, P. K. Shit, N. Sengupta, S. Saha, and S. Bhattacharjee, “Trends and variability of drought in the extended part of Chhota Nagpur plateau (Singbhum Protocontinent), India applying SPI and SPEI indices,” Environ. Challenges, vol. 5, no. June, p. 100310, 2021, doi: 10.1016/j.envc.2021.100310.