تحلیل منطقه‌ای و استخراج منحنی بزرگی- مساحت- فراوانی خشکسالی با استفاده از توابع مفصل در حوضه آبریز دریاچه ارومیه

آب و خاک

مقاله 1، دوره 31، شماره 4 - شماره پیاپی 54، مهر 1396، صفحه 1260-1277   

نوع مقاله: مقالات پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jsw.v31i4.60382

نویسندگان

مجید منتصری^* ؛ بابک امیرعطایی؛ حسین رضایی

دانشگاه ارومیه

چکیده

خشکسالی‌ها رویدادهای کرانه‌ای هستند که براساس تداوم در زمان و تاثیرات مکانی آن مشخص می‌شوند. بطورکلی خشکسالی‏های منطقه‌ای متاثر از گردش عمومی جو (در مقیاس بزرگ) و عوامل طبیعی منطقه‌ای شامل شرایط توپوگرافی، دریاچه‌های طبیعی، موقعیت نسبت به مرکز و مسیر جریان‌های آب و هوایی در جو (در مقیاس ریز) بوده و اثرات کاملأ همسانی در یک منطقه وسیع را نشان نمی‌دهند. لذا در این مطالعه توزیع احتمال توام بزرگی-مساحت تحت پوشش خشکسالی در حوضه آبریز دریاچه ارومیه با استفاده از تکنیک توابع مفصل انجام پذیرفته و منحنی بزرگی-مساحت-فراوانی/احتمال خشکسالی (S-A-F) توسعه داده شده است. بدین منظور از سری داده‌های شاخص خشکسالی یکماهه SPI در 24 ایستگاه هواشناسی در محدوده مطالعاتی و 7 خانواده تابع مفصل شامل کلایتون، گامبل، فرانک، جو، گالامبوس، پلاکت و نرمال برای مدل‌سازی توزیع احتمال توام دو متغیر همبسته بزرگی و مساحت تحت پوشش خشکسالی استفاده شده است. عملکرد توابع مفصل هفتگانه مذکور براساس معیارهای آماری رایج مورد آزمون قرار گرفته و در نهایت بازای مناسب‌ترین تابع مفصل (مفصل فرانک)، دوره‏های بازگشت شرطی تعیین و منحنی S-A-F برای منطقه مطالعاتی استخراج شد. نتایج مطالعه نشان می‏دهد که رفتارهای کرانه‌ای اقلیمی (خشکسالی یا ترسالی) اکثریت محدوده مطالعاتی را تحت تاثیر قرار می‏دهند. درحالیکه رفتارهای نیمه یا شبه‏خشک دارای پوشش مساحت متفاوت با پراکندگی قابل توجه در محدوده مطالعاتی بوده و با افزایش بزرگی خشکسالی مساحت بیشتری از حوضه آبریز را در بر می‏گیرند. بطوریکه بعنوان مثال، بزرگی خشکسالی برای زمان برگشت 50 ساله با کمترین و بیشترین مقادیر در منطقه یعنی 42/0 و 0/1 بترتیب حدود 5 و 95 درصد مساحت محدوده مطالعاتی را پوشش می‏دهد.

کلیدواژه‌ها

بزرگی خشکسالی؛ توزیع حاشیه‌ای؛ شاخص بارش استاندارد؛ مساحت تحت پوشش خشکسالی

مراجع

1- Abdul Rauf U. and Zeephongsekul P. 2014. Copula based analysis of rainfall severity and duration: a case study. Theoretical and Applied Climatology, 115(1):153–166.

2- Alemaw B.F. and Kileshye-Onema J.M. 2014. Evaluation of drought regimes and impacts in the Limpopo basin. Hydrology and Earth System Sciences Discussion, 11:199-222.

3- Bonaccorso B., Peres D.J., Castano A. and Cancelliere A. 2015. SPI-based probabilistic analysis of drought areal extent in Sicily. Water Resources Management, 29:459–470.

4- Chen L., Singh V.P., Guo S., Mishra A.K. and Guo J. 2013. Drought analysis using copulas. Journal of Hydrologic Engineering, 18(7):797–808.

5- Fisher N.I. and Switzer P. 1985. Chi-plots for assessing dependence. Biometrika 72:253-265.

6- Genest C. and Favre A.C. 2007. Everything you always wanted to know about copula modeling but were afraid to ask. Journal of Hydrologic Engineering, 12(4):347–368.

7- Genest C., Ghoudi K. and Rivest L. 1995. A semi-parametric estimation procedure of dependence parameters in multivariate families of distributions. Biometrika, 82:543–552.

8- Genest C. and Rivest L.P. 1993. Statistical inference procedures for bivariate archimedean copulas. Journal of the American Statistical Association, 88(423):1034–1043.

9- Genest C. and Boies J.C. 2003. Detecting dependence with Kendall plots, American Statistician, 57:275–284.

10- Ghorbani Aghdam M., Dinpazhuh Y., Fakheri Fard A. and Darbandi S. 2012. Regionalization of Urmia lake basin from the view of drought using factor analysis. Journal of Water and Soil, 26(5):1268-1276. (in Persian with English abstract)

11- Griffiths D.V. and Fenton G.A. 2007. Probabilistic Methods in Geotechnical Engineering. SpringerWien, New York.

12- Hisdal H. and Tallaksen L.M. 2003. Estimation of regional meteorological and hydrological drought characteristics: a case study for Denmark. Journal of Hydrology, 281(3):230-247.

13- Hisdal H., Stahl K., Tallaksen L.M. and Demuth S. 2001. Have streamflow droughts in Europe become more severe or frequent?. International Journal of Climatology, 21:317–333.

14- Hosseini Safa H. and Morid S. 2008. Probabilistic analysis of spatial-temporal characteristics of droughts severity in Tehran province. Journal of Agricultural Science and Natural Resources, 15(15):1-11. (in Persian)

15- Joe H. 1997. Multivariate Models and Dependence Concepts. Chapman and Hall, New York.

16- Joe H. and Xu J.J. 1996. The estimation method of inference functions for margins for multivariate models. Technical Report 166, Department of Statistics, University of British Columbia.

17- Karmakar S. and Simonovic S.P. 2009. Bivariate flood frequency analysis. Part 2: a copula-based approach with mixed marginal distributions. Journal of Flood Risk Management, 2:32–44.

18- Khadr M. 2016. Temporal and spatial analysis of meteorological drought characteristics in the upper Blue Nile river region. Hydrology Research, DOI: 10.2166/nh.2016.194

19- Kim T.W., Valdes J.B. and Aparicio J. 2002. Frequency and spatial characteristics of droughts in the Conchos River basin, Mexico. Water International, 27(3):420-430.

20- Lee T., Modarres R. and Quarda T.B.M.J. 2013. Data-based analysis of bivariate copula tail dependence for drought duration and severity. Hydrological Processes, 27(10):1454–1463.

21- Li T., Guo S., Chen L. and Guo J. 2013. Bivariate flood frequency analysis with historical information based on copula. Journal of Hydrologic Engineering, 10.1061/(ASCE)HE.1943-5584.0000684, 1018-1030.

22- Liu X., Wang S., Zhou Y., Wang F., Yang G. and Liu W. 2016. Spatial analysis of meteorological drought return periods in China using copulas. Natural Hazards, 80(1):367–388.

23- Loukas A., Vasiliades L. 2004. Probabilistic analysis of drought spatiotemporal characteristics in Thessaly region, Greece. Natural Hazards and Earth System Sciences, 4:719–731.

24- McKee T.B., Doesken N.J. and Kleist J. 1993. The relationship of drought frequency and duration on time scales. In Proceedings of the 8th Conference on Applied Climatology (Vol. 17, No. 22, pp. 179-183). Boston, MA: American Meteorological Society.

25- Mirabbasi R., Fakheri-Fard A. and Dinpashoh Y. 2012. Bivariate drought frequency analysis using the copula method. Theoretical and Applied Climatology, 108:191–206.

26- Mirabbasi R., Fakheri-Fard A., Dinpashoh Y. and Eslamian S.S. 2013. Longterm drought monitoring of urmia using joint deficit index (JDI). Water and Soil Science, 23(4):87-103. (in Persian with English abstract)

27- Mirakbari M. and Ganji A. 2012. A bivariatie analysis of meteorological drought duration and severity (case study: Kermnashah province). Iranian Water Research Journal, 6(11):17-25. (in Persian with English abstract)

28- Mishra A.K. and Desai V.R. 2005. Spatial and temporal drought analysis in the Kansabati river basin, India. International Journal River Basin Management, 3(1):31–41.

29- Mishra A.K. and Singh V.P. 2011. Drought modeling—a review. Journal of Hydrology, 403:157 175.

30- Montaseri M. and Amirataee B. 2015. Stochastic forecasting of drought probabilities (case study on northwest of Iran). Journal of Civil and Environmental Engineering, 45(78):51-63. (in Persian with English abstract)

31- Montaseri M. and Amirataee B. 2016. Comprehensive stochastic assessment of meteorological drought indices. International Journal of Climatology, doi:10.1002/joc.4755.

32- Nelsen R.B. 2006. An Introduction to Copulas. Springer, New York.

33- Obasi G.O.P. 1994. WMO’s role in the international decade for natural disaster reduction. Bulletin of the American Meteorological Society, 75(9):1655–1661.

34- Peel M.C., Finlayson B.L. and McMahon T.A. 2007. Updated world map of the Köppen-Geiger climate classification. Hydrology and Earth System Sciences, 11:1633-1644.

35- Reddy M. and Ganguli P. 2012. Application of copulas for derivation of drought severity–duration–frequency curves. Hydrological Processes, 26(11):1672–1685.

36- Reddy M.J. and Ganguli P. 2013. Spatio-temporal analysis and derivation of copula-based intensity-area-frequency curves for droughts in western Rajasthan (India). Stochastic Environmental Research and Risk Assessment, 27:1975–1989.

37- Rossi G. Benedini M. Tsakiris G. and Giakoumakis S. 1992. On regional drought estimation and analysis, Water Resources Management, 6:249-277.

38- Saghafian B. and Mehdikhani H. 2014. Drought characterization using a new copula-based trivariate approach. Natural Hazards, 72:1391–1407.

39- Salvadori G., De Michele C., Kottegoda N.T. and Rosso R. 2007. Extremes in Nature: An Approach Using Copulas. Springer, Dordrecht.

40- Santos J.F., Pulido-Calvo I. and Portela M. 2010. Spatial and temporal variability of droughts in Portugal. Water Resources Research, 46:W03503.

41- Santos MA. 1983. Regional droughts: a stochastic characterization, Journal of Hydrology, 66:183-211.

42- Sen Z. 1980. Regional drought and flood frequency analysis: theoretical consideration. Journal of Hydrology, 46:265-279.

43- Sen Z. 1998. Probabilistic formulation of spatio-temporal drought pattern, Theoretical and Applied Climatology, 61:197-206.

44- Shiau J.T. 2006. Fitting drought duration and severity with two dimensional copulas. Water Resources Management, 20(5):795–815.

45- Shiau J.T. and Modarres R. 2009. Copula-based drought severity duration frequency analysis in Iran. Meteorological Applications, 16(4):481–489.

46- Shin H.S. and Salas J.D. 2000. Regional drought analysis based on neural networks. Journal of Hydrologic Engineering, 5(2):145-155.

47- Sklar A. 1959. Functions de repartition a n dimensions et leurs marges. Publ Inst Stat Univ Paris 8:229–231.

48- Song S. and Singh V.P. 2010. Frequency analysis of droughts using the Plackett copula and parameter estimation by genetic algorithm. Stochastic Environmental Research and Risk Assessment, 24(5):783–805.

49- Tallaksen L.M. and Hisdal H. 1997. Regional analysis of extreme streamflow drought duration and deficit volume, In: FRIEND’97-Regional Hydrology: Concepts and Models for Sustainable Water Resource Management (ed. by A. Gustard, S. Blazkova, M. Brilly, S. Demuth, J. Dixon, H. van Lanen, C. Llasat, S. Mkhandi & E. Servat), 141-150. IAHS Publ. no. 246.

50- Tase N. 1976. Area-Deficit-Intensity characteristics of droughts, Hydrology Papers, 87, Colorado State University, Fort Collins, USA.

51- Vogt J.V. and Somma F. 2000. Drought and Drought Mitigation in Europe, Kluwer Academic Publishers, the Netherlands.

52- WMO Report, 2006. Drought monitoring and early warning: concepts, progress and future challenges. WMO report no. 1006, World Meteorological Organization.

53- Yusof F., Hui-Mean F., Suhaila J. and Yusof Z. 2013. Characterisation of drought properties with bivariate copula analysis. Water Resources Management, 27(12):4183–4207.

54- Zhang L. and Singh V.P. 2007. Bivariate rainfall frequency distributions using Archimedean copulas. Journal of Hydrology, 332(1-2):93–109.

55- Zhang L. and Singh V.P. 2012. Bivariate rainfall and runoff analysis using entropy and copula theories. Entropy, 14(9):1784-1812.