Ανάπτυξη, εφαρμογή και αξιολόγηση σύνθετου δείκτη αναγνώρισης και κατηγοριοποίησης της ξηρασίας και δημιουργία αντίστοιχου συστήματος υποστήριξης αποφάσεων

Abstract

The current work presents the development, application and assessment of a new drought index (Factual Drought Index- FDI) that can be useful in forecasting, identifying and classifying drought, constituting an important tool in Integrated Water Resources Management. The index values are calculated by precipitation and evapotranspiration parameters in contrast with the SPI index which uses only precipitation for its calculation. Α software for the automated calculation of the index values has been created for the users’ convenience to use it as a decision support system. South Europe faces drought events very often, therefore presents an ideal case study for such an index application. Furthermore and in order to assess how the index behaves in more wet regions, it is applied in central Europe as well. FDI was calculated using timeseries data from 1900-2013, gathered from 170 meteorological stations, distributed in 16 countries throughout the case study, for a variety of temporal steps (3, 6, 9 and 12 months’ time steps). The results were compared to the corresponding ones of SPI, calculated by the same data and are presented in graphs. Additionally, 2003 was the greatest drought event in Europe, thus maps for August 2003 are presented showing how FDI 6 and FDI 12 portray the difficult occasion compared to SPI. The maps show that FDI, which through the evapotranspiration parameter can detect temperature variations, depict satisfactorily the drought event. More specifically, it can easily be shown that for both timesteps (6&12) FDI shows severe and extreme drought in France, NE Spain, Italy and West Balkans. On the contrary, SPI shows the event less severe. FDI was correspondingly tested in Greece for 1990, when it was the greater drought event of the latest years and it showed that the phenomenon was reflected also in this case quite well. In this case a weakness of SPI was noted, namely for month October 1990, SPI 6 shows a normal condition, thus SPI 12 shows a severe to extreme drought, which makes SPI less credible.Moreover FDI, SPI and other drought indices were also compared through their correlation to the increase of the annual tree rings of Pinus Brutia trees in Samos Island. The results, presented in graphs and tables, showed that FDI gave higher correlations than the other indices. Then, hypothesis tests were implemented to examine the statistical significance of the difference of the correlations and the result was that the differences in correlations are statistically significant.FDI may constitute a useful tool to be employed for a better understanding of drought and its magnitude in various regions, thus it would be valuable to be applied in other regions as well, such as America and Asia. It may provide some useful anticipatory information on the drought events that are to come and it can also be used to estimate an area’s vulnerability to drought. Hence, FDI may benefit drought contingency planning to amplify the resilience to pertinent natural hazards.

Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή παρουσιάζεται η ανάπτυξη, εφαρμογή και αξιολόγηση ενός νέου δείκτη ξηρασίας (Factual Drought Index – FDI), o οποίος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αναγνώριση και την κατηγοριοποίηση του φαινομένου, αλλά και για την πρόβλεψή του αποτελώντας σημαντικό βοήθημα στην Ολοκληρωμένη Διαχείριση των Υδατικών Πόρων. Οι τιμές του δείκτη υπολογίζονται από εξίσωση που έχει ως παραμέτρους την βροχόπτωση και την εξατμοδιαπνοή και βασίζεται στην εξίσωση του υδατικού ισοζυγίου. Επιπλέον δημιουργήθηκε αντίστοιχο λογισμικό αυτόματου υπολογισμού των τιμών του δείκτη, δηλαδή, ένα σύστημα υποστήριξης αποφάσεων.Η Νότια Ευρώπη αντιμετωπίζει συχνά φαινόμενα ξηρασίας και για το λόγο αυτό αποτελεί ιδανική περιοχή μελέτης για την εφαρμογή ενός δείκτη όπως ο FDI. Επιπλέον, προκειμένου να εξεταστεί η συμπεριφορά του δείκτη και σε πιο υγρές περιοχές, εφαρμόστηκε και στην Κεντρική Ευρώπη. Συνολικά εφαρμόστηκε σε χρονοσειρές από το 1900 έως το 2013 από 170 μετεωρολογικούς σταθμούς από 16 χώρες για διάφορα χρονικά βήματα (3, 6, 9 και 12 μήνες). Τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με τις αντίστοιχες τιμές του δείκτη SPI που υπολογίστηκαν από τα ίδια δεδομένα και παρουσιάζονται σε γραφήματα.Επιπρόσθετα, επειδή το 2003 σημειώθηκε στην Ευρώπη η μεγαλύτερη ξηρασία των τελευταίων ετών, δημιουργήθηκαν χάρτες που δείχνουν πώς αποτυπώνεται το φαινόμενο από τον FDI 6 και τον FDI 12, και έγινε συγκριτική αξιολόγηση με τον SPI 6 και τον SPI 12 αντίστοιχα. Από τους χάρτες λοιπόν προκύπτει ότι ο FDI, ο οποίος μέσω της εξατμοδιαπνοής «αντιλαμβάνεται» τις μεταβολές της θερμοκρασίας αποτυπώνει πολύ ικανοποιητικά το φαινόμενο, αφού και για τα δύο χρονικά βήματα που εξετάστηκαν, δείχνει ότι στη Γαλλία, την Β.Α. Ισπανία, την Ιταλία και τα Δυτικά κυρίως Βαλκάνια υπήρξε έντονη ξηρασία, σε αντίθεση με τον SPI που παρουσίασε λιγότερο έντονο το φαινόμενο.Αντίστοιχα εξετάστηκε και η ξηρασία που σημειώθηκε στην Ελλάδα το 1990 και προέκυψε ότι και σε αυτήν την περίπτωση ο FDI αποτυπώνει πολύ καλά το φαινόμενο. Επιπρόσθετα διαπιστώθηκε και μία αδυναμία του SPI ο οποίος, σε αντίθεση με τον FDI, για τον ίδιο μήνα (Οκτώβριο 1990) δίνει τελείως διαφορετικά αποτελέσματα όταν εξετάζεται για χρονικό βημα 6 και 12 μηνών, γεγονός που τον κάνει στην προκειμένη περίπτωση λιγότερο αξιόπιστο.Επιπλέον, έγινε αξιολόγηση του δείκτη FDI και με άλλους δείκτες ξηρασίας, συγκρίνοντας τις συσχετίσεις τους με χρονοσειρά πάχoυς αυξητικών ετήσιων δακτυλίων δένδρων Pinus Brutia στη Σάμο. Τα αποτελέσματα, από τα οποία φαίνεται ότι ο FDI έδωσε τις καλύτερες συσχετίσεις από τους υπόλοιπους δείκτες, παρουσιάζονται σε πίνακες και γραφήματα. Ταυτόχρονα πραγματοποιήθηκε έλεγχος υποθέσεων για το αν οι διαφορές των συσχετίσεων είναι στατιστικά σημαντικές και σε όλους τους ελέγχους το αποτέλεσμα ήταν ότι οι διαφορές των συσχετίσεων είναι όντως στατιστικά σημαντικές. Ο δείκτης FDI, μπορεί να αποτελέσει ένα χρήσιμο εργαλείο για την καλύτερη κατανόηση της ξηρασίας και του μεγέθους της σε διάφορες περιοχές γι’ αυτό θα ήταν ωφέλιμο να εφαρμοστεί και σε άλλες περιοχές όπως η Αμερική και η Ασία. Ταυτόχρονα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στην πρόβλεψη της ξηρασίας με στόχο τη μείωση της τρωτότητας μίας περιοχής στις επιπτώσεις του φαινομένου. Ως εκ τούτου, ο FDI μπορεί να είναι ιδιαιτέρως ωφέλιμος για τον Προληπτικό Σχεδιασμό της Διαχείρισης της ξηρασίας με απώτερο στόχο την ενίσχυση της ανθεκτικότητας της κοινωνίας σε σχετικές φυσικές καταστροφές.