تحلیل دومتغیره شدت و مدت خشکسالی در ایستگاه های سنندج و سقز

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه علوم و مهندسی آب، دانشگاه کردستان

2 گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه کردستان، سنندج، ایران

3 گروه علوم و مهندسی آب، داشگاه کردستان

4 گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهرکرد

10.22125/iwe.2020.120726

چکیده

خشکسالی یکی از رخدادهای طبیعی است که اثرات مخرب زیادی بر محیط زیست دارد. شدت و مدت خشکسالی دو مشخصه مهم برای تشخیص خشکسالی بوده و معمولا از روی داده­های آب و هواشناسی، مانند بارش مشخص می­شوند. در این مطالعه، از توابع مفصل دو بعدی برای ایجاد توزیع دومتغیره از مشخصه­های خشکسالی ایستگاه های سنندج و سقز در غرب ایران استفاده شد. دو مشخصه مهم خشکسالی، مدت و شدت خشکسالی، از سری زمانی شاخص بارش استاندارد شده (SPI) استخراج گردید. به منظور استفاده از توابع مفصل، ابتدا ضرایب همبستگی اسپیرمن و تاو کندال برای بررسی همبستگی بین متغیرهای شدت و مدت خشکسالی برای هر دو ایستگاه محاسبه شدند که نتایج نشان داد همبستگی معناداری بین شدت و مدت خشکسالی وجود دارد. پس از تعیین بهترین توزیع فراوانی حاشیه ای برای مشخصه های خشکسالی، برازش پنج تابع مفصل مختلف برای ایجاد توزیع دومتغیره شدت و مدت خشکسالی مورد بررسی قرار گرفت و پارامتر وابستگی هر کدام از توابع مفصل با استفاده از روش تابع استنتاج برای حاشیه­ها (IFM) محاسبه گردید. نتایج نشان داد که برای هر دو ایستگاه (سنندج و سقز) تابع مفصل فرانک به دلیل دارا بودن بیشترین مقدار لگاریتم درستنمایی (9737/328- و 3758/339-) و NSE (9393/0 و 9174/0) و کمترین مقدار RMSE (0655/0 و 0763/0) و AIC (8280/695 و 7516/680) مناسب ترین مفصل برای ایجاد توزیع دومتغیره شدت و مدت خشکسالی می باشد. در نهایت احتمال وقوع دومتغیره توام، احتمال شرطی خشکسالی و دوره های بازگشت توأم و شرطی خشکسالی محاسبه شدند که نتایج حاصله می­تواند اطلاعات مفیدی را برای برنامه ریزی و مدیریت منابع آب در این منطقه فراهم کند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Bivariate Analysis of Duration and Severity of Drought in Sanandaj and Saqez Stations

نویسندگان [English]

  • neshat jahannamaii 1
  • payam khosravinia 2
  • Hadi Sanikhani 3
  • Rasoul. Mirabbasi 4
1 water sciences and engineering,university of kurdistan
2 water sciences and engineering department,faculty of agriculture, university of kurdistan, sanandaj,iran.
3 Water Sciences and Eng. Dep., University of Kurdistan
چکیده [English]

Drought is one of the natural events that has a great impact on the environment. The severity and duration of drought are two important characteristics for the detection of drought and are usually derived from the weather data such as precipitation. In this study, two-dimensional copulas were used to construct bivariate distribution of drought characteristics for Sanandaj and Saqez stations located in the western part of Iran. Two important characteristics of drought including; duration and severity were derived from the standardized precipitation index (SPI) time series. In order to use copulas functions, Spearman’s rho and Kendall’s tau correlation coefficients were first calculated to assess correlation between variables of severity and duration of drought for both of considered stations. The results showed that there is a significant correlation between severity and duration of drought. After determining the best fitted marginal distributions on drought characteristics, the fittness of five different copulas for developing the bivariate distribution of severity and duration of drought was examined and the dependency parameter of each copula was calculated using the inference function for the margins technique (IFM). The results showed that for both stations (i.e. Sanandaj & Saqez) Frank copula function, due to having the highest log-likelihood (-328.9137 & -339.3758) and NSE (0.9393 & 0.9174), and the lowest values of RMSE (0.0655 & 0.0763) and AIC (695.8280 & 680.7516), is the most appropriate function for constructing the bivariate distribution of duration and severity of drought. Finally, the conditional probability of drought, joint and conditional returns periods of drought were calculated. The obtained results can provide useful information for planning and management of water resources over the studied area.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Copulas functions
  • meteorological drought
  • Drought characteristics
  • Water Resources Management
کارآموز، م.، و ش. عراقی نژاد.1384. هیدرولوژی پیشرفته. چاپ اول. انتشارات دانشگاه امیرکبیر.
متولی­باشی­نائینی، ا. 1396. تحلیل خصوصیات خشکسالی با در نطر گرفتن تغییر اقلیم با روش توابع مفصل، مطالعه موردی: حوزه آبریز زاینده رود. پایان­نامه دکتری دانشگاه شهید چمران اهواز.
منتصری، م.، ب. امیرعطایی و ح. رضایی.1396. ﺗﺤﻠﻴﻞ ﻣﻨﻄﻘﻪ ﺑﺰرﮔﻲ ای و اﺳﺘﺨﺮاج ﻣﻨﺤﻨﻲ - ﻣﺴﺎﺣﺖ-  ﻓﺮاواﻧﻲ ﺧﺸﻜﺴﺎﻟﻲ ﺑﺎ اﺳﺘﻔﺎده از ﺗﻮاﺑﻊ ﻣﻔﺼﻞ در ﺣﻮﺿﻪ آﺑﺮﻳﺰ درﻳﺎﭼﻪ ارومیه. نشریه آب و خاک(علوم و صنایع کشاورزی)، جلد31، شماره 4.
Loukas, A. and L. Vasiliades. 2004. Probabilistic analysis of drought spatiotemporal characteristics inThessaly region, Greece. Natural Hazards and Earth System Science, 4:719-731.
McKee, T.B., N.J.  Doesken and J. Kleist. 1993. The relationship of drought frequency and duration to time scales. In Proceedings of the 8th Conference on Applied Climatology, 17:179-183.
Mirakbari, M., A. Ganji and S.R. Fallah. 2010. Regional bivariate frequency analysis of meteorological droughts. Journal of Hydrologic Engineering, 15(12): 985-1000.
Mirabbasi, R., A. Fakheri-Fard and Y. Dinpashoh. 2012. Bivariate drought frequency analysis using the copula method. Theoretical and Applied Climatology, 108(1-2): 191-206.
Mitková, V.B. and D. Halmová. 2014. Joint modeling of flood peak discharges, volume and duration: a case study of the Danube River in Bratislava. Journal of Hydrology and Hydromechanics, 62(3): 186-196.
Nelsen, R.B. 2006. An introduction to copulas, ser. Lecture Notes in Statistics. New York: Springer.
Reddy, M.J. and P. Ganguli. 2012. Bivariate flood frequency analysis of Upper Godavari River flows using Archimedean copulas. Water Resources Management, 26(14): 3995-4018.
Salvadori, G., C. De Michele, N.T. Kottegoda and R. Rosso. 2007. Extremes in nature: an approach using copulas. Springer Science & Business Media. Vol. 56.
Sklar, M. 1959. Functions de repartition an dimensions et leurs marges. Publ. inst. statist. univ. Paris, 8: 229-231.
Shafaei, M., A. Fakheri-Fard, Y. Dinpashoh, R. Mirabbasi and C. De Michele. 2017. Modeling flood event characteristics using D-vine structures. Theoretical and Applied Climatology, 130(3-4): 713-724.
She, D. and J. Xia. 2018. Copulas-based drought characteristics analysis and risk assessment across the Loess Plateau of China. Water Resources Management, 32(2): 547-564.
Shiau, J.T. 2006. Fitting drought duration and severity with two-dimensional copulas. Water resources management, 20(5):  795-815.
Singh, S.K., A. Chamorro, M.S. Srinivasan and L. Breuer. 2017. A copula-based analysis of severity-duration-frequency of droughts in six climatic regions of New Zealand. Journal of Hydrology (New Zealand), 56(1):13.
Tosunoglu, F. and O. Kisi. 2016. Joint modelling of annual maximum drought severity and corresponding duration. Journal of Hydrology, 543: 406-422.
Zhang, L. and V.P. Singh. 2012. Bivariate rainfall and runoff analysis using entropy and copula theories. Entropy, 14(9): 1784-1812.
Zhang, J., Z. Ding and J. You. 2014. The joint probability distribution of runoff and sediment and its change characteristics with multi-time scales. Journal of Hydrology and Hydromechanics, 62(3): 218-225.