اقلیم و بوم سازگان مناطق خشک و نیمه خشک

اقلیم و بوم سازگان مناطق خشک و نیمه خشک

تحلیل روند خشکسالی هواشناسی با استفاده از شاخص SPI در منطقه دامغان

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانش آموخته دکتری، دانشکده کویرشناسی، دانشگاه سمنان.
2 دانش آموخته کارشناسی ارشد، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه صنعتی اصفهان.
چکیده
سابقه و هدف: خشکسالی هواشناسی، به عنوان چالشی کلیدی در مناطق نیمه‌خشک، کشاورزی، منابع آب، و اکوسیستم‌های استان سمنان را تهدید می‌کند. حوضه دامغان‌رود، به دلیل اقلیم خشک و وابستگی به بارش‌های فصلی، در برابر نوسانات اقلیمی آسیب‌پذیر است. این مطالعه با هدف تحلیل چندمقیاسی خشکسالی در این حوضه با استفاده از شاخص بارش استانداردشده (SPI) در یک دوره سی‌ساله انجام شد. داده‌های بارش ماهانه از سه ایستگاه هواشناسی (کشاورزی دیم، انتقالی، خشک) برای بررسی الگوهای خشکسالی در مقیاس‌های کوتاه‌مدت، میان‌مدت، و بلندمدت تحلیل شد تا چارچوبی برای پایش خشکسالی ارائه شود.

مواد و روش: داده‌های ماهانه بارش از سه ایستگاه هواشناسی در منطقه دامغان، که نشان‌دهنده کاربری‌های مختلف زمین و میکرواقلیم‌ها هستند، از سال 1990 تا2020 جمع‌آوری شدند. کیفیت داده‌ها با استفاده از آزمون‌های آماری شامل نرمال بودن (شاپیرو-ویلک)، همگنی (پتیت) و تشخیص داده‌های پرت (روشIQR ) بررسی شد و ناهنجاری‌ها از طریق درون‌یابی اصلاح شدند. شاخص SPI در مقیاس‌های 1، 3، 6، 12، 24، 48 ماهه با استفاده از توزیع گاما که از طریق برآورد حداکثر درست‌نمایی تنظیم شده بود، محاسبه شد و سپس به توزیع نرمال استاندارد تبدیل شد تا دوره‌های خشک (SPI < -1) و مرطوب (SPI > 1) شناسایی شوند. تحلیل‌ها با استفاده از نرم‌افزار R برای اطمینان از دقت محاسباتی انجام شدند. تغییرات مکانی با مقایسه نتایج ایستگاه‌ها بر اساس خصوصیات منطقه‌ای (توپوگرافی، کاربری زمین) ارزیابی شد.

یافته‌ها: تحلیل شاخص SPI، تنوع قابل‌ملاحظه‌ای در الگوهای خشکسالی بین سه ایستگاه را نشان داد که عمدتاً به تفاوت‌های میکروکلیمایی و کاربری اراضی نسبت داده می‌شود. ایستگاه دامغان، واقع در منطقه‌ای با کشاورزی دیم، خشکسالی‌های کوتاه‌مدت را در اواخر زمستان و بهار نشان داد. این دوره‌ها، که با مراحل کاشت محصولات کلیدی مانند گندم و جو هم‌زمان هستند، می‌تواندً بهره‌وری کشاورزی را کاهش داده و برنامه‌ریزی زراعی را مختل کند. ایستگاه فولادمحله، در ناحیه‌ای انتقالی، خشکسالی‌های پاییزی و زمستانی را نشان داد که رطوبت خاک را برای کشت غلات و حبوبات کاهش داده و نیاز به آبیاری تکمیلی را افزایش داده است. ایستگاه چهارده دامغان، در منطقه‌ای خشک‌تر و حساس از نظر زیست‌محیطی، خشکسالی‌های بهاری و اوایل تابستان را تجربه کرده است که می‎تواند به کاهش پوشش گیاهی منجر شود. در مطالعه‌ای در مناطق نیمه خشک ایران (Bazrafshan et al. 2019) نتایج مشابهی را گزارش نمودند. در مقیاس‌های میان‌مدت (6 و 12 ماهه)، هر سه ایستگاه دوره‌های خشکی پایداری را ثبت کردند که می‎تواند به کاهش منابع آب سطحی و زیرزمینی منجر شود. در مقیاس بلندمدت (24 ماهه)، خشکسالی‌های شدید اما با فراوانی کم‌ مشاهده شد که پایداری اکوسیستم‌های وابسته به آب‎زیرزمینی را تهدید می‎کند. این تنوع الگوها اهمیت مدیریت منطقه‌محور منابع آب را برجسته می‌سازد از محدودیت‎های موجود در این تحقیق تعداد محدود ایستگاه‌های هواشناسی است، که وضوح مکانی مطالعه را کاهش داد. تمرکز بر بارش و نبود داده‌های دما، تبخیر وداده‎های اجتماعی- اقتصادی تحلیل جامع خشکسالی را محدود کرده است. پیشنهاد می‌شود در مطالعات آتی از داده‌های ماهواره‌ای (TRMM، GPM)، شاخص SPEI و مدل‌های هیدرولوژیکی (SWAT، CMIP6) استفاده شود.

نتیجه‌گیری: تحلیل SPI در دوره‎های بازگشت مختلف، آسیب‌پذیری منطقه دامغان را به خشکسالی‌های هواشناسی تأیید کرد. الگوهای خشکسالی، مناطق کشاورزی، انتقالی و خشک را به‌طور متفاوتی تحت تأثیر قرار می‌دهند که نشان‎دهنده‎ی ضرورت مدیریت آب منطقه‌محور است. بنابراین، پایش پیشرفته، مدل‌سازی تلفیقی وپیادهسازی روش‎های سازگار با اقلیم برای پایداری منابع آب و کشاورزی ضروری است.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Trend Analysis of Meteorological Drought Using SPI in Damghan Region

نویسندگان English

Mahin Khosravi 1
Soghra Pudineh 2
1 Ph.D. Graduate, Department of Desertification, Faculty of Desert Studies, Semnan University, Semnan, Iran.
2 M.Sc. Graduate, Department of Natural Resoources, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran.
چکیده English

Background and Objectives: Meteorological drought, a critical challenge in semi-arid regions, profoundly impacts agriculture, water resources, and ecosystems in Semnan Province, Iran. The Damghan region, a vital agricultural area, is highly vulnerable to climatic fluctuations due to its arid climate and reliance on seasonal precipitation. Understanding temporal and spatial drought patterns is essential for effective water management and enhancing agricultural resilience. This study aims to analyze meteorological drought in the Damghan region using Standardized Precipitation Index (SPI) over a 30-year period. Selected for its simplicity and flexibility across the time scales, SPI enables assessment of drought severity and frequency. Monthly precipitation data from three meteorological stations, representing distinct regions (rain-fed agriculture, transitional, and ecologically sensitive arid zones), were analyzed to evaluate drought patterns at short-term (1- and 3-month), medium-term (6- and 12-month), and long-term (24- and 48-month) scales, providing a framework for drought monitoring and sustainable water policy.
Materials and Methods: Monthly precipitation data from three meteorological stations in the Damghan region, which reflect diverse land uses and microclimates, were collected from 1990 to 2020. Data quality was ensured through statistical tests, including normality (Shapiro-Wilk), homogeneity (Pettitt), and outlier detection (IQR method), with anomalies corrected via interpolation. The SPI was calculated at 1-, 3-, 6-, 12-, and 24-month scales using a gamma distribution fitted via maximum likelihood estimation, followed by transformation to a standard normal distribution to identify dry (SPI < -1) and wet (SPI > 1) periods. Analyses were conducted using R software to ensure computational accuracy. Spatial variability was assessed by comparing station results based on regional characteristics (topography, land use).
Results : SPI analysis revealed significant variability in drought patterns across the three stations, driven by microclimatic and land-use differences. The Damghan station, in a rain-fed agricultural area, exhibited frequent short-term droughts in late winter and spring, coinciding with critical planting phases for crops like wheat and barley, likely reducing yields and disrupting farming schedules. The Fooladmahale station, in a transitional zone, recorded autumn and winter droughts, decreasing soil moisture for cereals and pulses, and increasing irrigation needs. The Chahardeh-Damghan station, in a drier, ecologically fragile area, experienced spring and early summer droughts, leading to reduced vegetation cover, increased soil erosion, and land degradation. At medium-term scales (6 and 12 months), all stations showed persistent dry periods, straining surface and groundwater resources and challenging irrigated agriculture and rural water supply. Long-term (24-month) droughts, though less frequent, were severe, threatening groundwater-dependent ecosystems. The limited number of stations reduced spatial resolution, while the focus on precipitation excluded factors like temperature and evapotranspiration, limiting comprehensive drought analysis. Future studies should incorporate satellite data (e.g., TRMM, GPM), complementary indices like SPEI, and hydrological models (e.g., SWAT, CMIP6). Practical measures, such as farmer training, drip irrigation, and rainwater harvesting, are recommended.
Conclusion: Multi-scale SPI analysis confirmed Damghan's high vulnerability to meteorological droughts, with distinct impacts on agricultural, transitional, and arid zones, underscoring the need for region-specific water management. Advanced monitoring, integrated modeling, and climate adaptation strategies are crucial for sustaining water resources and agriculture. This study offers a framework for local policy-making.

کلیدواژه‌ها English

Meteorological Drought
Standardized Precipitation Index
Damghanroud Watershed
Spatial-Temporal Patterns
Water Management
1. Adib, A., Amiri, M., Lotfirad, M., & Farajpanah, H. (2024). Evaluation of meteorological drought using SPI and SPEI on wheat yield in southwestern Iran. Earth (Switzerland), 5(4), 1023-1051. https://doi.org/10.3390/EARTH5040053/S1
2. Babaeian, F., Delavar, M., Morid, S., & Srinivasan, R. (2021). Robust climate change adaptation pathways in agricultural water management. Agricultural Water Management, 252. https://doi.org/10.1016/j.agwat.2021.106904
3. Babaousmail, H., Hou, R., Ayugi, B., Ojara, M., Ngoma, H., Karim, R., et al. (2021). Evaluation of the performance of CMIP6 models in reproducing rainfall patterns over North Africa. Atmosphere, 12, 475. https://doi.org/10.3390/ATMOS12040475
4. Barker, L. J., Hannaford, J., Chiverton, A., & Svensson, C. (2016). From meteorological to hydrological drought using standardised indicators. Hydrology and Earth System Sciences, 20(6). https://doi.org/10.5194/hess-20-2483-2016
5. Bazrafshan, O., Mahmoudzadeh, F., Asgari Nezhad, A., & Bazrafshan, J. (2019). Adaptive evaluation of SPI, RDI, and SPEI indices in analyzing the trend of intensity, duration, and frequency of drought in arid and semi-arid regions of Iran. Irrigation Sciences and Engineering, 42(3), 117–131. https://doi.org/10.22055/jise.2017.22113.1585
6. Cavus, Y., Stahl, K., & Aksoy, H. (2023). Drought intensity-duration-frequency curves based on deficit in precipitation and streamflow for water resources management. Hydrology and Earth System Sciences, 27(18), 3427–3445. https://doi.org/10.5194/hess-27-3427-2023
7. Ebrahimi, R. S., Eslamian, S., Zareian, M. J., Soltani, F., Javadi, S., Roozbahani, A., et al. (2023). Assessing climate change impact on water balance components using integrated groundwater–surface water models (Case study: Shazand Plain, Iran). Water (Switzerland), 15(3), 118843. https://doi.org/10.3390/su15031993
8. Isazade, V., Qasimi, A. B., Toomanian, A., & Isazade, E. (2023). The effect of drought phenomenon on the surface of groundwater aquifer in Qazvin Plain in Iran. Journal of Applied Science and Technology Trends, 4(02), 80–85. https://doi.org/10.38094/jastt42176
9. Javadian, R., & Nemati, M. (2018). Study of thermal comfort in adaptation of architecture to climatic conditions in Semnan city. Journal of Application of Geographic Information Systems and Remote Sensing in Urban Planning, 1, 74 –92.[In Persian]
10. Khalili, K., Tahoudi, M. N., Mirabbasi, R., & Ahmadi, F. (2016). Investigation of spatial and temporal variability of precipitation in Iran over the last half century. Stochastic Environmental Research and Risk Assessment, 30(4), 1205–1221. https://doi.org/10.1007/S00477-015-1095-4/METRICS
11. Kheyruri, Y., Sharafati, A., & Neshat, A. (2023). The socioeconomic impact of severe droughts on agricultural lands over different provinces of Iran. Agricultural Water Management, 289, 108550. https://doi.org/10.1016/j.agwat.2023.108550
12. Khosravi, M., & Yazdani, M. R. (2024). Evaluating the effect of drought on the temporal pattern of groundwater recharge in Damghanroud watershed. Watershed Management Research, 38(1), 146–164.[In Persian] https://doi.org/10.22092/wmrj.2024.365662.1585
13. Li, X., Jia, H., & Wang, L. (2023). Remote sensing monitoring of drought in southwest China using Random Forest and eXtreme Gradient Boosting methods. Remote Sensing, 15(19), 4840. https://doi.org/10.3390/RS15194840
14. Madani, K. (2014). Water management in Iran: What is causing the looming crisis? Journal of Environmental Studies and Sciences, 4(4), 315–328. https://doi.org/10.1007/S13412-014-0182-Z/METRICS
15. McKee, T. B., Nolan, J., & Kleist, J. (1993). The relationship of drought frequency and duration to time scales. Preprints, Eighth Conf. on Applied Climatology, Amer. Meteor. Soc.
16. Noori, R., Maghrebi, M., Jessen, S., Bateni, S. M., Heggy, E., Javadi, S., et al. (2023). Decline in Iran’s groundwater recharge. Nature Communications, 14(1), 6674. https://doi.org/10.1038/S41467-023-42411-2.
17. Raziei, T., Saghafian, B., Paulo, A. A., Pereira, L. S., & Bordi, I. (2009). Spatial patterns and temporal variability of drought in Western Iran. Water Resources Management, 23(3), 439–455. [In Persian] https://doi.org/10.1007/S11269-008-9282-4/METRICS
18. Sharafi, S., & Ghaleni, M. M. (2022). Spatial assessment of drought features over different climates and seasons across Iran. Theoretical and Applied Climatology, 147(3–4), 941–957. https://doi.org/10.1007/S00704-021-03853-0/METRICS
19. Zarei, A. R. (2019). Analysis of changes trend in spatial and temporal pattern of drought over south of Iran using standardized precipitation index (SPI). SN Applied Sciences, 1(5), 1–14. https://doi.org/10.1007/S42452-019-0498-0/TABLES/6
20. Zarei, A. R., Shabani, A., & Moghimi, M. M. (2021). Accuracy assessment of the SPEI, RDI and SPI drought indices in regions of Iran with different climate conditions. Pure and Applied Geophysics, 178(4), 1387–1403. https://doi.org/10.1007/S00024-021-02704-3/TABLES/9
21. Zarei, M., Hosseini, S. H., & Naemitabar, M. (2023). Assessing vulnerability and population exposed to drought in various climatic regions of northeastern Iran. Weather, Climate, and Society, 15(4), 925–941. https://doi.org/10.1175/WCAS-D-22-0143.1
22. Zarei, M., & Destouni, G. (2024). Research gaps and priorities for terrestrial water and earth system connections from catchment to global scale. Earth’s Future, 12(1), e2023EF003792. https://doi.org/10.1029/2023EF003792
23. Zhou, M., Haseeb, M., Tahir, Z., Mahmood, S. A., Arif, H., Abdullah-Al-Wadud, M., & Tariq, A. (2025). Multiscale drought assessment with analyzing agricultural, meteorological, and hydrological impacts multi-index approaches (1991–2021). Theoretical and Applied Climatology, 156(5), 1–21. https://doi.org/10.1007/S00704-025-05494-Z/METRICS

  • تاریخ دریافت 05 خرداد 1404
  • تاریخ بازنگری 07 دی 1404
  • تاریخ پذیرش 07 دی 1404