فصل اول:

مفاهیم خشکسالی

1-1 نیاز به تحقیق پیرامون موضوع خشکسالی

به دلیل افزایش نیاز به آب و تغییرات آب و هوایی، در سال‌های اخیر شاهد تمرکز بسیار بر سناریوهای خشکسالی  جهانی بوده‌ایم. خشکسالی  به عنوان یک مخاطره  طبیعی به بهترین شکل توسط پارامترهای اقلیم‌شناسی و هیدرولوژیکی متعدد معرفی شده است. درک روابط بین این دو مجموعه پارامتر برای توسعه‌ی روش‌های اندازه گیری جهت کاهش تأثیرات خشکسالی ضروری می‌باشد. این فصل با بحث پیرامون تعاریف خشکسالی آغاز شده و تلاش می‌کند تا مفاهیم بینادین خشکسالی ، طبقه‌‌بندی خشکسالی، شاخص‌های خشکسالی، استفاده از مطالعات اقلیم گذشته و روابط بین خشکسالی و شاخص‌های اقلیمی بزرگ مقیاس را مرور نماید.

خشکسالی به عنوان یک فاجعه‌ی زیست‌محیطی قلمداد می‌شود که توجه محققان محیط زیست ، اکولوژیست‌ها، هیدرولوژیست‌ها، هواشناسان، زمین‌شناسان و دانشمندان علوم کشاورزی را به خود معطوف نموده است.  خشکسالی  در کلیه‌ی نواحی اقلیمی روی می‌دهد، برای مثال در نواحی پرباران و کم‌باران، و بیشتر با کاهش مقدار بارش دریافت شده در یک دوره‌ی طولانی مدت مانند یک فصل یا یک سال مرتبط می‌باشد. دما، بادهای زیاد، رطوبت نسبی کم، زمان‌بندی و خصوصیات بارش، شامل توزیع روزهای بارانی در طول فصل رشد محصولات، شدت و مدت بارش، آغاز و پایان بارش، همگی دارای نقش بسیار مهمی در وقوع خشکسالی می‌باشند. خشکسالی موقتی (Drought) برخلاف خشکسالی دائمی (Aridity) که یک خصوصیت دائمی اقلیمی بوده و محدود به نواحی با بارش کم باشد (ویلهایت، 1992)، یک انحراف از نرمال موقتی محسوب می‌گردد. غالباً بین موج گرما و خشکسالی همبستگی وجود دارد. چنگ و والیس (1987) بر تمایز بین موج گرما و خشکسالی تأکید داشته، و اظهار داشتند که مقیاس زمانی معمول مرتبط با یک موج گرما به اندازه‌ی یک هفته می‌باشد، اما خشکسالی ممکن است برای ماه‌ها یا حتی سال‌ها ادامه داشته باشد. ترکیب موج گرما و خشکسالی دارای پیامدهای اجتماعی-اقتصادی مخربی است. به دلیل رشد جمعیت و توسعه‌ی کشاورزی، انرژی و بخش‌های صنعتی، نیاز به آب چندین برابر افزایش داشته است و حتی کمیاب بودن آب در بسیاری از بخش‌های دنیا تقریباً هر سال روی می‌دهد. دیگر فاکتورها مانند تغییر اقلیم و آلودگی منابع آبی نیز در کمیاب بودن آب نقش دارند. در سال‌های اخیر، سیلاب و خشکسالی  با پیک‌ها و سطوح شدت بالاتری تجربه شده‌اند. دوره‌ی بین رویدادهای حاد در برخی مناطق خاص کوتاه‌تر شده است. لتنمایر و همکاران (1996) و اسواتانارایانا (2001) به این تغییر در وقوع رویدادهای هیدرولوژیکی حاد اشاره کرده‌اند. خشکسالی بر منابع سطحی و زیرزمینی هر دو تأثیر گذاشته و می‌تواند منجر به کاهش منابع آبی، و تغییر کیفیت آن، حاصلخیزی خاک، تولید برق، تخریب سکونت‌گاه‌های اطراف رودها و تخریب مراکز تفریحی شده و همچنین بر بسیاری از فعالیت‌های اقتصادی و اجتماعی تأثیر گذاشته (رایبسیم و همکاران، 1991). با تغییر نوسانات اقلیمی رژیم‌های هیدرولوژیکی نیز متغیر شده و تأثیرات زیادی بر خصوصیات شیمیایی دریاچه­ها و سایر منابع آبی دارند (وبستر و همکاران، 1996). رسوبات، مواد آلی و عناصر تغذیه‌ای توسط روا‌ن‌آب به سمت آب‌های سطحی منتقل می‌شوند، مسیری که در طول خشکسالی  با اختلال مواجه می‌گردد. خشکسالی  دارای اهمیت بسیاری در برنامه‌ریزی و مدیریت منابع آبی می‌باشد. هدف این فصل، مرور جنبه‌های بنیادین و همچنین برخی از پیشرفت‌های اخیر در زمینه‌ی رخداد خشکسالی است.

ارزیابی خشکسالی دارای اهمیت اساسی در برنامه‌ریزی و مدیریت آب‌های شیرین می‌باشد. این امر نیازمند درک خشکسالی ‌های تاریخی در منطقه و همچنین تأثیرات خشکسالی در طول دوره وقوع بوده لذا درک مفاهیم مختلف خشکسالی برای توسعه‌ی مدل‌ها به منظور بررسی خصوصیات مختلف خشکسالی کارساز است.

2-1 تأثیر تغییر اقلیم بر خشکسالی

امروزه تغییر اقلیم به عنوان یکی از تهدیدهای اصلی برای کره‌ی زمین در قرن بیست و یکم محسوب می‌شود. بر اساس گزارش هیات بین الدول تغییر اقلیم  (IPCC)، مشاهداتی که در طول 157 سال گذشته انجام شده، نشان داده است که دمای سطح زمین در کل دنیا افزایش داشته که دارای تغییرات منطقه‌ای معنی‌داری نیز بوده است. رخداد گرم شدن کره زمین در اواخر قرن بیستم در دو فاز از دهه‌ی 1910 تا 1940 (35/0 درجه‌ی سانتی‌گراد)، و با شدت بیشتر از دهه‌ی 1970 تا امروز (55/0 درجه‌ی سانتی‌گراد) بوده است. به طور کلی، این گرم شدن موجب تشدید چرخه‌ی جهانی هیدرولوژیکی شده است (میلی و همکاران، 2002) و به خوبی نشان می­دهد که میانگین دمای سطحی زمین پس از آخرین دوره‌ی یخبندان حداکثر 21000 سال پیش ‌افزایش داشته است (کلارک و همکاران، 1999)، این امر موجب افزایش میانگین جهانی بارش، تبخیر و روان‌آب شده است. پیا‌مد گرم شدن جهانی، تغییر میانگین‌ها نیست، بلکه افزایش کلی رویدادهای حاد می‌باشد. در میان رویدادهای هواشناسی حاد، شاید خشکسالی پدیده‌ای باشد که با سرعت آهسته‌تری پیش می‌رود، و غالباً در مان و مکان تداوم داشته، و در آن لحظه دارای کمترین پیش‌بینی‌پذیری در میان کلیه‌ی مخاطرات اتمسفری می‌باشد. مطالعات انجام شده در زمینه‌ی چگونگی تأثیر تغییر اقلیم بر اکوسیستم‌ها، به صورت تلاش‌های بین‌المللی در جبهه‌های مختلف انجام شده است. بیشتر این مطالعات تأثیرات را در قالب تغییر دبی بر اثر تغییر بارش و دما در نظر گرفته‌اند، تغییراتی که دارای نوسانات گسترده‌ای در میان سناریوهای اتخاذ شده در انواع حوضه‌ها می‌باشد (گلیک، 1987؛ کارل و ریبسام، 1989؛ لیتنمایر و گن، 1990؛ پاناگولا، 1992). اما برخلاف سیلاب، آنالیز تغییر خصوصیات خشکسالی  بر اثر تغییر اقلیم به طور کامل مورد کاوش قرار نگرفته است. در میان مطالعاتی که اخیراً در زمینه‌ی درک تأثیرات خشکسالی  انجام شده، سزپ و همکاران (2005) دریافتند که شرایط موضعی رطوبت خاک در شرق مجارستان در قرن بیستم خشک‌تر شده است، که موازی با تغییرات نیم‌کره‌ای می‌باشد. اندریادیس و لتنمایر (2006) خشکسالی ‌های کشاورزی و هیدرولوژیکی را در ایالات متحده‌ی امریکا بررسی کرده و مشاهده نمودند که خشکسالی در بیشتر بخش‌ها کوتاه‌تر و زودگذر و موقتی شده و بخش کوچک‌تری از کشور را در طول قرن گذشته پوشش داده است، به استثنای جنوب‌غرب و بخش‌هایی از غرب، جایی که روند خصوصیات خشکسالی بیشتر برعکس روند موجود در سایر بخش‌های کشور می‌باشد، بخصوص در مورد مدت و شدت خشکسالی، افزایش یافته است. در مطالعه‌ی دیگری، میشرا و سینگ (2009) بر تغییر شدت-سطح و تکرار خشکسالی به دلیل سناریوهای تغییر اقلیم و درمقایسه با خشکسالی‌های تاریخی در حوضه‌ی رود کانساباتی در هند تأکید کرده است. خشکسالی در آینده خطراتی برای بخش‌های اقتصادی حساس به اقلیم، بخصوص کشاورزی ایجاد خواهد کرد، و این امر بیانگر لزوم ارزیابی تأثیرات احتمالی تغییر اقلیم بر تولید محصولات در مقیاس‌های مختلف می‌باشد. این امر به توسعه‌‌ی روش‌های سنجشی و فعالیت‌ها به منظور کاهش آسیب‌پذیری کشاورزی کمک کرده و در نتیجه زندگی افرادی که به کشاورزی متکی و وابسته هستند را نجات می‌دهد.

3-1 تأثیر خشکسالی ‌های جهان در طول دهه‌های اخیر

رخداد خشکسالی بدنبال تغییرات اقلیمی در اثر بالارفتن درجه حرارت در اطراف کره زمین در روی خشکی­ها و حتی دریاها رخ می­دهد و شبکه‌ی پیچیده‌ای از تأثیرات را ایجاد می‌کند که بخش‌های مختلفی از زندگی مثل اقتصاد، کشاورزی، صنعت و … را تحت‌الشعاع خود قرار داده و می‌تواند به فراسوی مناطقی که خشکسالی را تجربه می‌کنند، سرایت کند. در میان کل مخاطرات طبیعی قرن بیستم، خشکسالی دارای بیشترین تأثیرات خسارت‌آور بوده است (بروس، 1994؛ اوباسی، 1994). در سال‌های اخیر، خشکسالی ‌های شدید بزرگ‌مقیاس در کلیه‌ی کشورها مشاهده شده‌است، و بر نواحی بزرگی از اروپا، افریقا، استرالیا، امریکای جنوبی، امریکای مرکزی تأثیر گذاشته (لی‌کومت 1995؛ لی‌کومت، 1994) و هزینه‌های اقتصادی و اجتماعی زیادی را باعث شده و همین مسئله منجر به افزایش توجهات به موضوع خشکسالی  شده است (داونینگ و باکر، 2000). تأثیر خشکسالی  بر کشورهای مختلف دنیا در این بخش مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرد.

1-3-1- امریکای شمالی

در طول دو دهه‌ی گذشته، بین تأثیرات خشکسالی در ایالات متحده با افزایش تعداد آنها یا افزایش شدت و تداومشان به طور معنی‌داری  همبستگی وجود داشته است (ویلهایت و هایس، 1998؛ چنگنون و همکاران، 2000). برای مثال، تأثیر خشکسالی  بزرگ سال 1988 بر اقتصاد ایالات متحده حدود 40 بیلیون دلار برآورد شد، که 3-2 مرتبه بیشتر از خسارت برآورد شده در زمین‌لرزه‌ی سان‌فرانسیسکو‌ی سال 1989 بوده است (ریبسام و همکاران 1990). بر اساس داده‌های موجود در مرکز داده‌های اقلیمی ملی، ایالات متحده‌ی امریکا (2002)، نزدیک به 10 درصد از کل سطح زمین‌های ایالات متحده‌ی امریکا خشکسالی ‌های شدید را در هر زمانی در طول قرن گذشته تجربه کرده‌اند. طی سال‌های 2003-1980، در ایالات متحده به طور کلی، خشکسالی  (و امواج گرمای مرتبط با آن) 10 مورد از 58 مخاطره مرتبط با آب و هوا را تشکیل داده‌اند (روس و لوت 2003). خشکسالی  (2/17 درصد از کل) به تنهایی 144 بیلیون دلار (2/41 درصد) از کل هزینه‌ی 349 بیلیون دلاری برآورد شده‌ی مخاطرات آب و هوایی را شامل می‌شود (روس و لوت 2003). در نتیجه، تنها از لحاظ اقتصادی، خشکسالی  پرهزینه‌ترین رخداد طبیعی است که ایالات متحده را با خطر مواجه می‌سازد (کوک و همکاران 2007). گرچه بیشتر نواحی کانادا خشکسالی  را تجریه کرده‌‌اند، اما چمن‌زارهای کانادا (و تا حد کمتری بریتیش کلمبیای داخلی) بیشتر در معرض خطر هستند، که عمدتاً به دلیل تغییرپذیری بالای زمانی و مکانی بارش در این منطقه می‌باشد (محیط‌زیست کانادا 2004). در طول دو قرن گذشته، حداقل 40 خشکسالی طولانی‌مدت در غرب کانادا روی داده است. در نواحی جنوبی آلبرتا، ساسکاچوان، و مانیتوبا، خشکسالی­های چند ساله در دهه‌های 1890، 1930 و 1980 مشاهده شده است (فیلیپس 1990؛ ویتون 2000). خشکسالی در شرق کانادا معمولاً از نظر زمانی کوتاه‌تر، از نظر وسعت کوچک‌تر، کم‌تکرارتر و با شدت کمتر می‌باشد. با این وجود، چند خشکسالی ‌بزرگ در طول قرن بیستم روی داده است. در بیشتر چمن‌زارها، چند فصل متوالی با بارش کمتر از میانگین منجر به یکی از شدیدترین خشکسالی ‌های گزارش شده در چمنزارها شد، که موجب تخریب بسیاری از فعالیت‌های وابسته به آب در سال‌های 2001 و 2002 گردید (محیط‌زیست کانادا 2004). در سال 2001، سطح تجمعی دریاچه‌های بزرگ به کمترین سطح‌شان در بیش از 30 سال رسید، به گونه‌ای که دریاچه‌ی سوپریور و هورون کاهش زیادی داشته و نزدیک به رکورد بوده است (میشب 2002).

2-3-1  اروپا

شرایط خشکسالی در بسیاری از نواحی اروپایی خیلی شدید بوده (دموت و استاهل، 2001). برای مثال، لهنر و همکاران (2006) آنالیز قاره‌ای و یک‌پارچه‌ی تأثیرات احتمالی تغییرات جهانی (که در این جا به عنوان تغییرات اقلیمی و مصرف آب تعریف می‌شود) را بر روی وضعیت سیلاب و تکرار خشکسالی در آینده برای نواحی مطالعاتی انتخابی اروپا انجام دادند. مدل آبی یک‌پارچه‌ی جهانی Water GAP از لحاظ ظرفیتش در شبیه‌سازی رژیم‌های جریان بالا و جریان کم ارزیابی شده، و سپس از آن به منظور محاسبه‌ی تغییرات نسبی در وضعیت سیلاب و تکرار خشکسالی  استفاده شد. این نتایج بیانگر «نواحی بحرانی» بزرگ می‌باشد که تغییرات معنی‌داری از نظر ریسک سیلاب و خشکسالی  تحت سناریوهای تغییر اقلیم پیشنهادی برای آن انتظار می‌رود. رخداد سیلاب در مناطق اروپای شمالی و شمال شرقی بیشتر بوده، و خشکسالی در اروپای جنوبی و جنوب‌شرقی افزایش معنی‌داری را با تکرار بیشتر و تداوم زیادتر نشان می­دهند. خشکسالی  به دلیل خصوصیات بزرگ‌مقیاسی که دارد، باید به صورت منطقه‌ای مطالعه شود (دموت و ستاهل، 2001؛ تالاکسن، 2000؛ میشرا و سینگ، 2009).

مشاهده شده است که در طول 30 سال گذشته، اروپا تحت تأثیر چند رویداد خشکسالی  شدید قرار گرفته است، بخصوص در سال 1976 (اروپای شمالی و غربی)، 1989 (بیشتر اروپا)، 1991 (بیشتر اروپا) و اخیراً خشکسالی  طولانی در بخش‌های بزرگی از اروپا همراه با امواج گرمای تابستانه در سال 2003 روی داد (فین و دانکرز 2009). جدی‌ترین خشکسالی  در شبه‌جزیره‌ی ایبرین در 60 سال گذشته، در سال 2005 روی داد، که کل عملکرد غلات را به میزان 10 درصد کاهش داد (برنامه‌ی محیط‌زیست ملل متحد، 2006). از سال 1991، میانگین سالانه‌ی تأثیر اقتصادی خشکسالی  در اروپا 3/5 بیلیون یورو بوده است، و خسارت‌های اقتصادی خشکسالی  2003 در اروپا حداقل به 7/8 بیلیون یورو رسید (انجمن‌های اروپایی، 2007).

3-3-1 آسیا

براساس مطالعه‌ی اخیر IPCC، به دلیل افزایش دما، کاهش تعداد روزهای بارانی، تکرار ال نینو، و افزایش تنش آبی تولید بسیاری از محصولات مانند برنج، ذرت، گندم در بسیاری از بخش­های آسیا با کاهش جدی توام بوده است (بیتس و همکاران، 2008). برای مثال، در طول سال‌های 1999-2000، بالغ بر 60 میلیون نفر در مرکز و جنوب‌غرب آسیا تحت تأثیر خشکسالی  دائمی چند ساله قرار گرفتند که یکی از بزرگ‌ترین خشکسالی ‌ها از دیدگاه جهانی بوده است، به گونه‌ای که ایران، افغانستان، غرب پاکستان، تاجیکستان، ازبکستان و ترکمنستان شدیدترین تأثیرات را تجربه کردند.

خشکسالی ‌های شدید مکرر سال‌های 1997، 1999 تا 2002 در بسیاری از نواحی شمالی چین موجب خسارت‌های اقتصادی و اجتماعی بزرگی شده (ژنگ، 2003). در سال 2000 بیش از 40 میلیون هکتار از اراضی زراعی چین به دلیل رخداد خشکسالی و کمبود آب و ایجاد گردوغبار خسارت وارد شد. برای مثال، در طول سال‌های 1997-1972، رودخانه زرد (هوانگهو) بیش از 20 سال در اثر کمبود باران و خشکسالی و تداوم و شدت آن دچار کم آبی شدید شد. خشکسالی ‌های شدید سال 1997 در شمال چین منجر به یک دوره‌ی 226 روزه‌‌ی بدون جریان رود در رود زرد شد، که طولانی‌ترین دوره‌ی خشکسالی گزارش شده می‌باشد. مشاهده شده است که از دهه‌ی 1970 ریسک خشکسالی رو به افزایش بوده است، زیرا گرم شدن جهانی رو به افزایش بوده و دماهای بالاتر و افزایش خشکسالی را موجب شده است (زو و همکاران، 2005؛ دای و همکاران، 2004).

کشور هند در میان کشورهایی است که بیشترین آسیب‌پذیری را نسبت به خشکسالی  دارد. خشکسالی  حداقل یک بار در هر سه سال در پنج دهه‌ی گذشته گزارش شده است. تداوم خشکسالی در هند موجب نگرانی است. از اواسط قرن نوزدهم، خشکسالی ‌های طولانی و گسترده در سال‌های متوالی روی داده‌اند، در حالی که تکرار خشکسالی  نیز در سال‌های اخیر افزایش یافته است (فائو، 2002؛ بانک جهانی، 2003).

4-3-1 استرالیا

خشکسالی پدیده رایجی در استرالیاست به گونه‌ای که آخرین مورد آن، خشکسالی­های اخیر می­باشد که تداوم آن بیش از یک دهه است (بوند و همکاران، 2008). این خشکسالی  شدید بر بیشتر نواحی جنوبی و شرقی استرالیا تأثیر گذاشته و به عنوان یکی از بدترین خشکسالی ‌ها در این منطقه از زمان استقرار اروپاییان قلمداد می‌شود (مورفی و تیمبال، 2007)، دبی بسیاری از رودها ناچیز بوده که در برخی موارد تقریباً 40 درصد کمتر از گذشته گزارش شده (موردی-کمیسیون حوضه‌ی دارلینگ، 2007). برای مثال، اداره‌ی کشاورزی و منابع اقتصادی استرالیا تخمین زده است که خشکسالی  2006 موجب کاهش عملکرد غلات زمستان به میزان 36 درصد شده، که بسیاری از کشاورزان را دچار مشکلات مالی کرده است (وونگ و همکاران، 2009).

5-3-1 آفریقا

از اواخر دهه‌ی 1960، ساحل که منطقه‌ای نیمه‌خشک در غرب آفریقا بین صحارا و جنگل‌های بارانی ساحل گینه می‌باشد، خشکسالی  را تجربه کرد که دارای شدت غیرقابل پیش‌بینی در تاریخ خود بوده است. این خشکسالی  تأثیرات خسارت‌باری را بر این منطقه‌ی آسیب‌پذیر اکولوژیکی گذاشته و دارای عواقبی نیز برای برپایی پیمان ملل متحد در زمینه‌ی مبارزه با بیابان‌زایی و خشکسالی  بوده است (زنگ، 2003). در حالی که تداوم خشکسالی در این منطقه از پایان قرن نوزدهم افزایش داشته،  سه خشکسالی با تأثیرات محیطی و اجتماعی خاصی در کشورهای ساحل اعمال شده است. به طوری که قحطی­های شدیدی پس از رخداد آن در دهه‌ی 1910، 1940 و 1960، 1970 و 1980 روی داد، هر چند که یک دوره‌ی احیای جزئی در بین سال‌های 1980-1975 وجود داشت. اما تعداد تکرار و شدت خشکسالی اخیر کشور ساحل از همه حادتر بوده است.

4-1 خشکسالی  به عنوان یک مخاطره طبیعی

یک مخاطره طبیعی، عبارت از تهدیدی است که به صورت طبیعی روی داده و دارای تأثیرات منفی بر مردم و محیط بوده، و خشکسالی نوعی از تهدیدهای طبیعی می‌باشد که با افزایش نیاز به آب بدتر می‌شود. دلیل وقوع خشکسالی پیچیده است، زیرا این موضوع نه تنها وابسته به اتمسفر است، بلکه وابسته به فرایندهای هیدرولوژیکی نیز می‌باشد که رطوبت اتمسفر را مصرف می‌کند. وقتی شرایط هیدرولوژیکی خشک برقرار می‌شود، مکانیسم بازخورد مثبت خشکسالی آغار می‌گردد، جایی که تخلیه‌ی رطوبت از لایه‌های بالایی خاک منجر به کاهش نرخ تبخیر و تعرق می‌شود، به نوبه‌ی خود موجب کاهش رطوبت نسبی اتمسفر نیز می‌گردد. هر چه رطوبت نسبی پایین‌تر باشد، احتمال بارش کمتر می‌شود، زیرا رسیدن به شرایط اشباع برای یک سیستم کم فشار معمول بر روی منطقه سخت‌تر می‌باشد. تنها اگر سیستم­هایی رطوبت کافی را از خارج مناطق خشک به داخل آن هدایت کنند، قادر به تولید باران کافی برای پایان دادن به شرایط خشکسالی  می‌باشند (براوار و کاواس، 1991).

هرچند خشکسالی به عنوان یک مخاطره طبیعی، از جهات بسیاری متفاوت از دیگر مخاطرات طبیعی می‌باشد (ویلهایت، 2000 الف). ولی آغاز و پایان خشکسالی به سختی قابل تشخیص و تعیین است، تأثیرات خشکسالی به تدریج افزایش می‌‌یابد، غالباً در یک دوره‌ی قابل توجه تجمع می‌کند و ممکن است سال‌ها پس از اتمام به تأخیر بیفتد. تأثیر خشکسالی یک پدیده‌ی خزنده قلمداد می‌گردد. دوم، به سختی می‌توان خشکسالی  را تعریف کرده و این کار موجب سردرگمی می‌شود، زیرا یک تعریف جهانی قابل قبول و ثابت برای خشکسالی وجود ندارد. سوم، تأثیرات خشکسالی ساختاری نبوده و در مقایسه با آسیب‌هایی که ممکن است منتج از دیگر مخاطرات طبیعی باشند، و در نواحی جغرافیایی بزرگی گسترده شده باشند مقایسه می­شوند. خشکسالی برخلاف سیلاب، گردباد، زمین‌لرزه و تورنادو بر آب­های موجود در ساختار منابع آبی تأثیر گذاشته و گاهی منجر به آسیب‌های ساختاری می‌شود. به همین دلیل، تعیین کمیت تأثیر و تدارک برای رهایی از آن در مورد خشکسالی بسیار سخت‌تر از دیگر مخاطرات طبیعی می‌باشد (ویلهایت، 2000 الف). چهارم، فعالیت‌های انسانی می‌تواند برخلاف دیگر مخاطرات طبیعی، به طور مستقیم خشکسالی را آغاز کند. این فعالیت‌های انسانی شامل کشت و کار افراطی، افزایش آبیاری، جنگل‌زدایی، سوء مدیریت، استفاده‌ی بیش از حد از آب موجود، فرسایش و … می‌باشد که همگی تأثیر منفی بر توانایی زمین در نگهداری آب دارند.

برایانت (1991) رویدادهای خطرناک را بر اساس خصوصیات آنها و تأثیراتشان رتبه‌بندی کرده است. خصوصیات کلیدی خطر که برای این رتبه‌بندی مورد استفاده قرار گرفته، شامل درجه‌ی شدت، مدت تداوم زمان آن، سطح منطقه، کل خسارات جانی و مالی و اقتصادی، تأثیر اجتماعی، تأثیرات بلندمدت، کوتاه مدت، و وقوع مخاطرات مربوطه می‌باشد. خشکسالی در اغلب کشورها نسبت به سایر مخاطرات طبیعی آنها رتبه اول را به عهده دارد. دیگر مخاطرات طبیعی، که در رتبه‌های بعدی پس از خشکسالی  قرار دارند، شامل طوفان‌های حاره‌ای، سیکلون ها، سونامی، سیلاب‌های منطقه‌ای، زمین‌لرزه، آتشفشان، یخبندان و گردوغبار و … می‌باشد. همانطور که در شکل 1-1 مشخص است مخاطرات طبیعی ناشی از آب(خشکسالی، سیلاب، طوفان، گردبادها، و سونامی)  در مقایسه با زمین لرزه ها و زمین لغزه ها، یخبندان، گردوغبار و … تلفات و آسیبهای بیشتری را به زندگی انسان تحمیل می کنند(WMO,2005). همچنین در حدود 90 درصد از مخاطرات طبیعی مربوط به آب، هوا، و آب و هوا می باشد.

شکل (1-1) درصد وقوع مخاطرات طبیعی در جهان

5-1 تعاریف خشکسالی

تفاوت در متغیرهای آب‌وهواشناسی و فاکتورهای اقتصادی-اجتماعی و همچنین طبیعت پیچیده‌ی نیاز آبی در رژیم‌های مختلف کل دنیا، مانعی برای ارائه‌ی یک تعریف دقیق از خشکسالی می‌باشد. یوویچ (1967) اظهار داشت دیدگاه‌های بسیار متفاوتی در مورد تعریف خشکسالی وجود دارد، و موانع اصلی برای بررسی موضوع خشکسالی می‌باشد. در زمان تعریف خشکسالی لازم است میان تعاریف مفهومی و عملیاتی تفاوت قائل شد (ویتهایت و گلنتز، 1987). تعاریف مفهومی (آنهایی که به صورت واژه‌های نسبی بیان می‌شوند، برای مثال خشکسالی عبارت از یک دوره‌ی خشک و طولانی است)، و از سوی دیگر تعاریف عملیاتی، تلاش می‌کنند که آغاز، شدت، تداوم و پایان دوره‌های خشکسالی را مشخص کنند. به طور کلی، خشکسالی  که از نظر عملیاتی تعریف شده است، می‌تواند برای آنالیز تداوم شدت و مدت خشکسالی در یک دوره‌ی بازگشت مشخص استفاده شود (میشرا و سینگ، 2009). برخی از تعاریف رایج عبارتند از : (1) سازمان هواشناسی جهانی (WMO, 1986) بیان داشت که خشکسالی به معنای کمبود میزان ثابت در ریزش بارندگی در بارش است. (2) پیمان ملل متحد برای مبارزه با خشکسالی و بیابان‌زایی خشکسالی  را به عنوان پدیده‌ی طبیعی تعریف کرد که زمانی وجود دارد که بارش به طور معنی‌داری کمتر از سطح نرمال ثبت شده باشد، و عدم تعادل هیدرولوژیکی شدیدی را ایجاد کند که تأثیر منفی بر سیستم‌های تولید منابع زمینی داشته باشد. (3) سازمان غذا و کشاورزی (FAP, 1983) در سازمان ملل متحد خشکسالی را به عنوان درصدی از سال‌هایی تعریف کرد که عملکرد محصولات به دلیل کمبود رطوبت کاهش می‌یابد. (4) دایره‌المعارف اقلیم و آب و هوا (شنیدر  1996) خشکسالی را به عنوان یک دوره‌ی گسترده-فصل، سال یا چندین سال-با کمبود بارش در مقایسه با میانگین آماری چند ساله‌ی آن منطقه تعریف می‌کند. (5) گامبل (1963) خشکسالی را به عنوان کمترین مقدار سالانه‌ی جریان رودخانه تعریف کرد. (6) پالمر (1965) خشکسالی را به عنوان یک انحراف معنی‌دار از شرایط هیدرولوژیکی نرمال منطقه توصیف نمود. (7) لینسلی و همکاران (1959) خشکسالی را به عنوان یک دوره‌ی پایدار زمانی بدون بارش معنی‌دار تعریف کردند. اما تعاریف خشکسالی متفاوت بوده و وابسته به متغیر استفاده شده برای تعریف خشکسالی  می‌باشد. خشکسالی­ها می‌توانند به طبقات مختلفی تقسیم شوند.

6-1 طبقه‌بندی خشکسالی ‌ها

خشکسالی ‌ها عمدتاً به 8 دسته تقسیم می‌شوند که عبارت است از:

• خشکسالی هواشناسی: از رایج­ترین تعاریف خشکسالی است و معمولاً براساس درجه کمبود بارش در زمان(در مقایسه با مقادیر نرمال) و مدت دوره خشک تعریف می­شود. خشکسالی هواشناسی دوره­ای که در آن تعداد روزهای بدون بارش از حدّ مشخصی بیشتر باشد، یا دوره نسبتاً طولانی که در آن بارش قابل توجه نباشد.
• خشکسالی اقلیم­شناسی: به عنوان کمبود بارش در یک منطقه برای یک دوره‌ی زمانی تعریف می‌شود. کمبود بارش در زمان معمولاً برای آنالیز خشکسالی هواشناسی و اقلیم­شناسی مورد استفاده قرار می‌گیرد (پینکی 1966؛ سانتوس 1983؛ چنگ 1991؛ التاهیر 1992). بسیاری از مطالعات با در نظر گرفتن خشکسالی به عنوان کمبود بارش با توجه به مقادیر میانگین، آن را با استفاده از داده‌های بارش ماهانه آنالیز کرده‌اند. دیگر رویکردها مدت و شدت خشکسالی را در رابطه با کمبودهای تجمعی بارش نشان می­دهد (چنگ و کلوپا 1991؛ استرلا و همکاران 2000). همچنین هرگاه بارش دریافتی یک محل در یک دوره زمانی معین کمتر از میانگین بارش در همان دوره زمانی باشد با خشکسالی روبرو هستیم. به عبارت ساده­تر از دید اقلیم­شناسان، خشکسالی یک پدیده طبیعی است که در اثر تغییر الگوهای آب و هوایی ناشی از کاهش نزولات جوی کمتر از حد معمول به وجود می­آید و ادامه آن موجب عدم تعادل هیدرولوژیک و اکولوژیک شده و چرخه حیات گونه­های گیاهی و جانوری را تغییر می­دهد.
• خشکسالی هیدرولوژیکی: با دوره‌ای با منابع آبی سطحی و زیرسطحی ناکافی برای مصارف آبی یک سیستم مدیریت منابع آبی مشخص مرتبط می‌باشد. داده‌های جریان رود در آنالیز خشکسالی هیدرولوژیکی کاربرد گسترده‌ای دارند (دراکوپ و همکاران 1980؛ سن 1980؛ زلنهاسیک و سالوای 1987؛ چنگ و استنسون 1990؛ فریک و همکاران 1990؛ موهان و رانگاچاریا 1991؛ کلاسون و پیرسون 1995). حوضه زمین‌شناسی یکی از فاکتورهای اصلی تأثیرگذار بر خشکسالی هیدرولوژیکی می‌باشد (زپاریاس و بروستسارت 1988؛ ووگل و کرول 1992).
• خشکسالی کشاورزی: معمولاً به دوره‌ای با کاهش رطوبت خاک و کاهش عملکرد محصولات بدون اشاره به منابع آبی سطحی تعریف می‌شود. کاهش رطوبت خاک وابسته به فاکتورهای متعددی می‌باشدکه بر خشکسالی‌های هواشناسی و هیدرولوژیکی تأثیر می‌گذارند، همراه با تفاوت‌هایی بین تبخیر و تعرق واقعی و تبخیر و تعرق پتانسیل. نیاز آبی گیاهان وابسته به شرایط آب و هوایی غالب، خصوصیات بیولوژیکی گیاه خاص و مرحله رشد، و خصوصیات فیزیکی و بیولوژیکی خاک می‌باشد. شاخص‌های متعدد خشکسالی، بر مبنای ترکیبی از بارش، دما و رطوبت خاک، برای مطالعه‌ی خشکسالی کشاورزی بکار گرفته می­شود.
• خشکسالی اجتماعی-اقتصادی: با کمبود ذخایر منابع آبی در اثر تأثیر کمبود ریزش­های جوی و کاهش بازدهی محصولات کشاورزی و فراورده­های صنعتی مشکلات اقتصادی و به دنبال آن مسائل اجتماعی حاصل می­شود.
• خشکسالي سبز : خشکسالي سبز در گزارش اقليم برزيل به کار رفته است و به موقعيتي گفته مي شود که رطوبت براي توليد ماده سبز رويشي کافي بوده و براي توليد ميوه از آن رويش، مواد زایشي کافي نمي باشد (میخائیل و گلانتز ،1990)
• خشکسالي کاغذي: در خشکسالي کاغذي عکس العمل بوروکراسي(وابسته به امور اداري) نسبت به خشکسالي هواشناسي فشار بيشتر روي مسئوليت هاي انساني و موقعيت هاي اقتصادي دارد تا به روي خود خشکسالي، که ممکن است به روي توليدات کشاورزي يا فعاليت هاي انساني به طور معکوس اثر نگذاشته باشد.
• خشکسالی آب­های زیرزمینی: وقتی سیستم‌های آب‌های زیرزمینی تحت تأثیر خشکسالی قرار می‌گیرند، ابتدا تغذیه‌ی آب‌های زیرزمینی و سپس سطح آب‌های زیرزمینی و تخلیه‌ی آنها کاهش می‌یابد. چنین خشکسالی با نام خشکسالی آب‌های زیرزمینی شناخته شده و عموماً در مقیاس زمانی ماه تا سال روی می‌دهد (ون‌لاون و پیترز، 2000). در بیشتر سیستم‌های آب‌های زیرزمینی، تأثیرات منفی تخلیه‌ی ذخیره می‌تواند مدت‌ها قبل از آن‌که کل ذخیره تخلیه گردد، احساس شود (ون‌لاون و پیترز، 2000، کالو و همکاران، 1999). لذا بیشتر اوقات خشکسالی آب‌های زیرزمینی به عنوان کاهش سطح آب‌های زیرزمینی تعریف می‌گردد (چنگ و توه، 1995؛ التاهیر و یه، 1999). اما ذخیره‌ی آب‌های زیرزمینی، یا تغذیه‌ی آب‌های زیرزمینی (مارش و همکاران، 1994) یا تخلیه‌ی آنها (پیترز و همکاران، 2001) می‌توانند برای تعریف یا تعیین کمیت خشکسالی آب‌های زیرزمینی مورد استفاده قرار بگیرند.

مطالعات متعددی در مورد این 8 نوع خشکسالی انجام شده است. اما معرفی خشکسالی  آب زیرزمینی به عنوان نوعی از خشکسالی هیدرولوژیکی که در طبقه‌بندی خشکسالی ‌ها باید لحاظ شود، مهم و مفید می‌باشد. تحقیقات اندکی در مورد وقوع و انتشار خشکسالی ‌در آب‌های زیرزمینی صورت گرفته است.

شکل(2-1 ) انواع خشکسالی ها

خشکسالی آب‌های زیرزمینی همانند دیگر انواع خشکسالی ‌های طبیعی، توسط بارش کم و احتمالاً همراه با تبخیر و تعرق بالا ایجاد می‌گردد. کمبود بارش منجر به کاهش مقدار رطوبت خاک می‌شود که به نوبه‌ی خود موجب کاهش تغذیه‌ی آب‌های زیرزمینی است. کمبود حاصله در بارش، در کل سیستم هیدرولوژیکی منتشر شده، و باعث ایجاد خشکسالی در بخش‌های مختلف سیستم هیدرولوژیکی می‌گردد (منطقه‌ی اشباع نشده، آب‌زیرزمینی اشباع شده، آب سطحی). این بدین معنی است که پاسخ سیستم‌های آب‌های زیرزمینی به خشکسالی و عملکرد آنها تحت شرایط خشکسالی دارای اهمیت فزاینده‌ای می‌باشد (وایت و همکاران، 1999). دلیل دیگر خشکسالی آب‌های زیرزمینی و بهره‌برداری بیش از حد از منابع آبی است (آکرمن و همکاران، 2000، ون‌لانن و پیترز، 2000).

پیامدهای خشکسالی ‌آب‌های زیرزمینی متنوع است. از آن جمله: تأثیرات مستقیم شامل کاهش منحنی­های میزان آب‌های زیرزمینی پایین‌تر و کاهش جریان آب‌های آن به سمت نواحی کنار رود، چشمه‌ها و جریان فلات­ها است. اگر آب‌های زیرزمینی عمق کمی داشته باشد با رخداد خشکسالی، صعود مویینگی  به سمت پوشش گیاهی کاهش داشته و بر زمین‌های مرطوب و عملکرد محصول تأثیر منفی دارد. گاهی چاه‌های کم‌عمق می‌توانند خشک شوند (کالو و همکاران، 1999).

برای شناسایی خشکسالی ‌های کوتاه مدت یا بلندمدت، مقیاس زمانی از ماه تا سال متغیر بوده و غالباً به صورت میانگین، میانه، درصد شدت آن محاسبه شده و مقیاس مکانی نیز بر مبنای محلی، منطقه‌ای یا حتی کشوری در نظر گرفته می­شود.

شکل (3-1) تکامل وقوع خشکسالی ها را از سمت چپ به راست نشان می دهد. با توجه به این شکل می توان متوجه شد در محلی از نمودار که خشکسالی هواشناسی و اقلیم­شناسی با رخداد خود تأثیر گذاشته و فروکش می­کند، در همان جا خشکسالی هیدرولوژیکی آغاز می شود و به دنبال آن خشکسالی کشاورزی شروع شده و در نهایت خشکسالی اجتماعی و اقتصادی روی می دهد. با رخداد خشکسالی شاخص­های آن نیز موردبررسی می­باشد.

شکل (3-1) ابعاد طبیعی و اجتماعی خشکسالی

7-1 شاخص‌های خشکسالی

شاخص‌های خشکسالی مختلفی در دهه‌های اخیر مورد بررسی قرار گرفته­اند. شاخص خشکسالی  عبارت از یک متغیر اولیه برای ارزیابی تأثیر خشکسالی و تعریف پارامترهای خشکسالی مختلف که شامل شدت، مدت، سختی و محدوده‌ی مکانی است. لازم به ذکر است که متغیر خشکسالی باید بتواند خشکسالی  را برای مقیاس‌های مختلف تعیین کمیت کند که برای آن سری‌های زمانی لازم می‌باشند. رایج‌ترین مقیاس زمانی برای آنالیز خشکسالی  عبارت از سال، و پس از آن ماه گرچه مقیاس زمانی سالانه طولانی است، اما می‌تواند برای خلاصه کردن اطلاعات در زمینه‌ی رفتار منطقه‌ای خشکسالی ‌ها مورد استفاده قرار بگیرد. مقیاس زمانی ماهانه بیشتر برای پایش تأثیر خشکسالی در موقعیت‌هایی مناسب می‌باشد که با کشاورزی، ذخیره‌ی آب و آب‌های زیرزمینی مرتبط است (پانو و شارم، 2002). یک مجموعه‌ی زمانی از شاخص‌های خشکسالی  چارچوبی را برای ارزیابی پارامترهای مورد نظر خشکسالی  فراهم می‌آورد.

تعدادی شاخص مختلف برای تعیین کمیت خشکسالی معرفی شده‌اند، که هر کدام دارای نقاط ضعف و قوت می‌باشند. این شاخص‌ها شامل شاخص شدت خشکسالی پالمر (PDSI؛ پالمر 1965)، شاخص ناهنجاری بارش (RAI، وان روی، 1965)، دهک (گیبس و ماهر، 1967)، شاخص رطوبت محصول (CMI، پالمر، 1968)، شاخص بالم و مولی (BMDI، بالم و مولی، 1980)، و ذخیره‌ی آب سطحی (SWSI؛ شافر و دزمان، 1982)، و بارش کشوری (NRI، گومز و پتراسی، 1994)، و بارش استانداردشده (SPI؛ مک‌کی و همکاران 1993، 1995)، و شاخص احیا (RDI؛ وگورست، 1996). شاخص طوبت خاک (SMDI، هولینگر و همکاران، 1993) و شاخص ویژه‌ی محصول (CSDI، میر و پولین، 1992) پس از CMI ظاهر شدند. علاوه‌براین، CSDI به شاخص ذرت (CDI، میر و پولین، 1992) و شاخص سویا (SDI، میر و هوبارد، 1995)، و شاخص شرایط نموگیاه (VCI؛ لیو و کوگان، 1996) تقسیم می‌شود. علاوه بر این شاخص‌ها، شاخص‌های پنمن (1984)، تورنتویت (1984، 1963) و کیتچ و بایرام (1968) در موارد محدودی مورد استفاده قرار گرفتند (هایز، 1996). هیم (2002) مرور جامعی از شاخص‌های خشکسالی  قرن بیستم در ایالات متحده را ارائه نمود.

بر اساس مطالعات انجام شده کلیه‌ی شاخص‌های خشکسالی به صورت انفرادی یا ترکیبی بررسی شده و تأثیر متغیرهای مختلفی در آن مطالعه شده است بعضی از آنها شامل موارد زیر می‌باشد: دما و بارش (شاخص ماکوویچ، 1930، شاخص پالمر، 1965؛ شاخص رطوبت محصول، 1968)، بارش و رطوبت خاک (شاخص کفایت رطوبت، 1957؛ شاخص خشکسالی  کیچ-برایام، 1968) و صرفاً بارش (SPI 1993) که به بررسی آنها می­پردازیم.

1-7-1 شاخص بارش استانداردشده

شاخص بارش استاندارد شده (SPI) برای هر مکان بر اساس اسناد بارش طولانی‌مدت برای یک دوره‌‌ی زمانی مورد استفاده قرار می­گیرد. این اسناد طولانی‌مدت به یک محدوده‌ی احتمال برازش داده می‌شود، و سپس به توزیع نرمال تغییر شکل می‌دهد، لذا میانگین SPI برای مکان و دوره‌ی مورد نظر برابر با صفر می‌باشد (مک‌کی و همکاران، 1993؛ ادواردز و مک‌کی، 1997). نقاط قوت اصلی SPI این است که می‌تواند برای مقیاس‌های زمانی مختلفی محاسبه شود. این تطبیق‌پذیری به SPI اجازه می‌دهد که ذخایر آبی کوتاه‌مدت را پایش کند، مانند رطوبت خاک که برای تولیدات کشاورزی، منابع آبی طولانی مدت، مانند ذخایر زیرزمینی، جریان رود، و سطح دریاچه‌ها و منابع حائز اهمیت می‌باشد. شرایط رطوبت خاک در یک مقیاس نسبتاً کوتاه به ناهنجاری‌های بارشی پاسخ می‌دهد. آب‌های زیرزمینی، جریان رود، و ذخیره‌ی منابع منعکس کننده‌ی ناهنجاری‌های بارشی طولانی مدت می‌باشند. برای مثال زالایی و همکاران (2000) بررسی کردند که ارتباط SPI با خصوصیات هیدرولوژیکی مانند جریان رود و سطح آب‌های زیرزمینی در ایستگاه‌های مجارستان بسیارشدید است. همبستگی SPI با جریان رود در یک مقیاس 2 ماهه بالاترین حد بود، در حالی که برای سطوح آب‌های زیرزمینی، بهترین همبستگی در مقیاس‌های زمانی بسیار متفاوتی یافت شد. آنها همچنین نتیجه‌گیری کردند که خشکسالی  کشاورزی به بهترین شکل توسط SPI در مقیاس 3-2 ماهه تکرار می‌شود. SPI برای مطالعه‌ی جنبه‌های مختلف خشکسالی مورد استفاده قرار می­گیرد، برای مثال پیش‌بینی (میشرا و دسای، 2005 الف؛ میشرا و همکاران، 2007) ، آنالیز تکرار (میشرا و همکاران، 2009) ، آنالیز مکانی زمانی (میشرا و دسای، 2005 ب؛ میشرا و سینگ، 2009) و مطالعات تأثیر اقلیم (میشرا و سینگ 2009).

2-7-1 شاخص شدت خشکسالی  پالمر (PDSI)

پالمر(1965) با استفاده از بارش و دما برای تخمین ذخیره‌و نیاز رطوبتی خاک، آنچه که ما امروزه با نام شاخص خشکسالی پالمر (PDI) می‌شناسیم را فرمول‌بندی کرد. این اولین تلاش جامع برای ارزیابی وضعیت کلی رطوبت یک منطقه می‌باشد. از زمان آغاز، برخی نسخه‌های اصلاح شده‌ی PDSI تکامل یافته‌اند. برای مثال، کارل (1986) نسخه‌ی اصلاح شده‌ای را به عنوان شاخص خشکسالی  هیدرولوژیکی پالمر (PDSI) توصیف نمود که برای پایش ذخیره‌ی آب مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای اهداف عملیاتی، یک نسخه‌ی زمان واقعی از PDSI به نام PDSIی اصلاح شده (PDI) توسط هدینگاست و ساهول (1991) معرفی گردید.

PDSI شاید رایج‌ترین شاخص خشکسالی منطقه‌ای برای پایش خشکسالی باشد. این شاخص برای نشان دادن گستره‌ی مکانی و شدت دوره‌های خشکسالی مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد (پالمر، 1967؛ کارل و اویوال، 1981). کاربرد دیگر آن در بررسی خصوصیات خشکسالی مکانی و زمانی می‌باشد (لاوسون و همکاران، 1971، کلوگمن، 1978؛ کارل و کوسلنی، 1982؛ دیاز، 1983، سول، 1993؛ جونز و همکاران، 1996) و همچنین برای کاوش رفتار دوره‌ای خشکسالی (رائو و پادمانابان، 1984)، پایش روندهای هیدرولوژیکی، پیش‌بینی عملکرد محصولات، و ارزیابی شدت احتمالی آتش‌سوزی (هدینگاس و ساهول، 1991)خشکسالی در نواحی جغرافیایی گسترده (جاسنون و کوهن، 1993) و پیش‌بینی خشکسالی  (کیم و والدس، 2003، اوگرت و همکاران، 2009) مورد استفاده قرار می‌گیرد.

3-7-1 شاخص رطوبت محصول(CMI)

پالمر (1968) شاخص رطوبت محصول (CMI) را برای ارزیابی شرایط رطوبتی کوتاه مدت (هفته به هفته) در مناطق اصلی تولید کننده‌ی محصول ارائه نمود. محاسبه‌ی CMI شامل استفاده از مقادیر هفتگی دما و بارش به منظور محاسبه‌ی بودجه‌ی رطوبتی ساده می‌باشد. متغیرهای حاصل از محاسبه‌ی بودجه‌ی رطوبتی با مقادیر طولانی مدت مقایسه شده و توسط روابط تجربی اصلاح می‌گردد تا به مقادیر CMI نهایی برسند.

4-7-1 شاخص ذخیره‌ی آب سطحی(SWSI)

شاخص ذخیره‌ی آب سطحی (SWSI) (شافر و دزمن، 1982) اساساً به عنوان یک شاخص خشکسالی  هیدرولوژیکی معرفی شده و بر اساس ذخیره‌ی منابع، جریان رود، توده برف (Snowpack) و بارش محاسبه می‌شود. هدف SWSI اساساً پایش ناهنجاری‌های موجود در منابع ذخیره‌ی آب سطحی می‌باشد، لذا سنجش خوبی برای پایش تأثیر خشکسالی­های هیدرولوژیکی بر ذخیره‌ی آب صنعت و مناطق شهری، آبیاری و تولید برق هیدروالکتریک می‌باشد. چهار ورودی در SWSI مورد نیاز می‌باشد: بسته‌ی برف، جریان رود، بارش، و ذخیره‌ی منابع (ویلهایت و گلنتز 1985؛ داکسن و همکاران 1991؛ گارن 1993). SWSI به دلیل وابستگی که به فصل دارد، در زمستان تنها با بسته‌ی برف، بارش و ذخیره‌ی منابع محاسبه می‌گردد. در طول ماه‌های تابستان، جریان رود جایگزین بسته‌ی برف به عنوان یک مؤلفه در معادله‌ی SWSI می‌گردد.

5-7-1 شاخص شرایط پوشش گیاهی(VCI)

از دهه‌ی 1970، مطالعات متعددی از داده‌های مشاهدات زمینی ماهواره‌ای به منظور پایش فرایندهای سطح زمین انجام شده است (برای مثال اندرسون و همکاران، 1976؛ رید و همکاران، 1994؛ یانگ و همکاران، 1998؛ پیترز و همکاران، 2002؛ گو و همکاران، 2007). سنجش از راه دور ماهواره‌ای نگاه سینوپتیکی به زمین و مفهوم مکانی را برای سنجش تأثیرات خشکسالی فراهم آورده و منبع ارزشمندی برای داده‌هایی با پیوستگی مکانی بوده و اطلاعات خوبی را در مورد پایش دینامیک پوشش گیاهی در نواحی وسیع فراهم می‌کند. شاخص شرایط پوشش گیاهی (VCI)، که از داده‌های تابش رادیومتری با رزولوشن بالای پیشرفته‌ی ماهواره‌ای محاسبه می‌شود (مرئی و نزدیک به مادون قرمز) برای زمین، اقلیم، اکولوژی و شرایط آب و هوایی تنظیم می‌شوند، برای استفاده جهت شناسایی و ردیابی خشکسالی بسیار مفید و امیدبخش هستند (کوگان، 1995). VCI امکان شناسایی خشکسالی و سنجش زمان آغاز و شدت، مدت و تأثیر آن را بر پوشش گیاهی فراهم می‌نماید. اما از آنجایی که VCI بر مبنای پوشش گیاهی است، اساساً برای فصل رشد تابستانه مفید می­باشد. این شاخص دارای کاربرد کمی برای فصول سرد بوده، زمانی که پوشش گیاهی عمدتاً خواب هستند (هیک، 2002).

6-7-1 شاخص بارش مؤثر (EP)

مقدار تجمعی بارش روزانه با یک تابع کاهشی وابسته به زمان است که می‌تواند با دقت بیشتری مدت خشکسالی  را تعیین کند و خشکسالی فعلی را پایش کرده، و روش‌های مختلفی را تعریف کند که از طریق آنها خصوصیات خشکسالی می‌توانند توصیف شوند (بیون و ویلهایت، 1999). سه شاخص دیگر نیز وجود دارند که EP را تکمیل می‌کنند. اولین شاخص میانگین هر روزه‌ی EP می‌باشد (MEP). این شاخص خصوصیات اقلیم‌شناسی بارش را به عنوان منبع آب برای یک ایستگاه یا منطقه نشان می‌دهد. دومین شاخص عبارت از انحراف EP (DEP) از MEP می‌باشد. سومین شاخص عبارت از مقدار استاندار شده‌ی DEP (SEP) است. استفاده از این سه شاخص، روزهای متوالی را مشخص می­کنند که دارای SEP منفی بوده، و می‌توانند آغاز، زمان پایان و مدت یک دوره‌ی کمبود آب را نشان دهند.

7-7-1 شاخص کمبود رطوبت خاک

ناراسیمهان و سرینیواسام (2005) شاخص کمبود رطوبت خاک (SMDI) و شاخص کمبود تبخیر و تعرق (ETDI) را بر مبنای رطوبت خاک و تبخیر و تعرق معرفی کردند که توسط یک مدل تنظیم شده‌ی هیدرولوژیکی شبیه‌سازی می‌گردد. شاخص‌های خشکسالی از کمبود رطوبت خاک و کمبود تبخیر و تعرق مشتق شده و بین 4- و 4+ برای مقایسه‌ی مکانی خشکسالی ‌ها، بدون در نظر گرفتن شرایط اقلیمی مقیاس‌بندی شدند. اخیراً شاخص رطوبت خاک (SMI، هونت و همکاران، 2009) بر اساس مقدار آب واقعی و ظرفیت مزرعه و نقطه‌ی پژمردگی معرفی شده است.

8-7-1 شاخص روان‌آب استانداردشده (SRI)

شوکلا و وود (2008) شاخص روان‌آب استاندارد شده را معرفی کردند که فرایندهای هیدرولوژیکی را ادغام می‌کند و تعیین کننده‌ی کاهش فصلی روان‌آب ناشی از تأثیر اقلیم می‌باشد. در نتیجه، برای مقیاس زمانی ماه تا فصل، SRI  تکمیل کننده‌ی خوبی برای SPI جهت نشان دادن جنبه‌های هیدرولوژیکی خشکسالی می‌باشد.

9-7-1 بر اساس سنجش از دور

شاخص آب تفاوت نرمال شده (NDWI) شاخص جدیدتر مشتق شده از ماهواره از NIR و کانال‌های مادون قرمز موج کوتاه (SWIR) می‌باشد که منعکس کننده‌ی تغییرات روی داده در مقدار آب و مزوفیل اسفنجی پوشش گیاهی می‌باشد. شکل(4-1). NDWI که از نوار 500-m SWIR در MODIS محاسبه می‌شود، اخیراً به منظور شناسایی و پایش شرایط رطوبت پوشش گیاهی در نواحی وسیع مورد استفاده قرار گرفته است (زیائو و همکاران، 2002؛ جکسون و همکاران، 2004؛ ماکی و همکاران، 2004؛ چن و همکاران، 2005؛ دلبارت و همکاران، 2005).

شکل (4-1)  خصوصیات خشکسالی  با استفاده از تئوری اجرا برای یک حدآستانه‌ی مشخص

از آنجایی که NDWI تحت تأثیر خشک شدن و پژمردگی پوشش گیاهی قرار می‌گیرد، لذا می‌‌تواند شاخص حساس‌تری در مقایسه با شاخص پوشش گیاهی تفاوت نرمال شده (NDVI) برای پایش خشکسالی  باشد.

10-7-1 پایش خشکسالی  (Drought Monitoring=DM)

NOAA، USDA و کاهش خشکسالی کشوری، محصول پایش خشکسالی هفتگی (DM) را معرفی نموده‌اند که داده‌های اقلیمی و ورودی‌های حرفه‌ای از کلیه‌ی سطوح را ادغام می‌کند (سوودا، 2000). پارامترهای کلیدی به طور هدفمند در پنج طبقه‌خشکسالی DM مقیاس‌بندی می‌شوند. طرح طبقه‌بندی شامل طبقات D₀ (مناطقی که به طور غیرعادی خشک هستند) تا D₄ (رویداد خشکسالی استثنایی) و برچسب‌هایی که نشان دهنده‌ی بخش‌های متأثر از خشکسالی می‌باشد (A برای تأثیرات کشاورزی، W برای تأثیرات هیدرولوژیکی، و F برای نشان دادن ریسک بالای آتش‌سوزی). یکی از محدودیت‌های DM در تلاش آن برای نشان دادن خشکسالی در مقیاس‌های زمانی متعدد (از خشکسالی کوتاه مدت تا خشکسالی  بلندمدت) بر روی یک محصول نقشه نهفته می‌باشد (هیم، 2002).

1-10-7-1 مقایسه‌ی بعضی شاخص‌های خشکسالی

تلاش‌های متعددی به منظور مقایسه‌ی شاخص‌های خشکسالی انجام شده است تا مناسب‌ترین شاخص برای اهدف ویژه‌ی پایش خشکسالی یافت شود. مقایسه‌های بسیاری بین SPI و PDSI جهت پایش خشکسالی  انجام شده است. برخی از تفاوت‌ها عبارتند از:

1)  خصوصیات ویژه‌ی PDI از یک مکان به مکان دیگر تغییر می‌کند (برای مثال مطالعه‌ی موردی ایالات متحده‌ی امریکا توسط گوتمن، 1999) در حالی که خصوصیات SPIاز یک مکان به مکان دیگر تغییر نمی‌کنند. همچنین، PDI دارای ساختار پیچیده‌ای با حافظه‌ی طولانی می‌باشد، در حالی که SPI یک فرایند میانگین است که به سادگی تفسیر شده و به سادگی حرکت می‌کند. لذا SPI می‌تواند به عنوان شاخص خشکسالی اولیه استفاده شود، زیرا ساده بوده، در تفسیرهایش دچار تغییرات مکانی نیست، و احتمالی می‌باشد، لذا می‌تواند در آنالیز ریسک و تصمیم مورد استفاده قرار بگیرد (گوتمن، 1998).

2) SPI در مقایسه با PDSI بیشتر بیانگر بارش کوتاه‌مدت بوده و در نتیجه شاخص بهتری برای تغییر رطوبت و خیسی خاک می‌باشد (سیمز و همکاران، 2002).

3) SPI پیش‌بینی کننده‌ی بهتری برای تولید محصولات می‌باشد، زیرا به شکل بهتری بیانگر وضعیت رطوبتی خاک است (کویرینگ و پاپامیریاکو، 2003).

4) SPI استانداردسازی مکانی بهتری را در مقایسه با PDSI از نظر رویدادهای خشکسالی حاد فراهم می‌آورد (لیوید-هوگز و ساندرز، 2002).

5) کیانتاش و دراکوپ (2002) بر اساس 14 شاخص خشکسالی شناخته شده با استفاده از مجموعه‌ی وزن‌داری از شش معیار ارزیابی دریافت که SPI تخمین‌گر ارزشمندی برای شدت خشکسالی می‌باشد.

(6) SPI شروع خشکسالی را زودتر از PDSI شناسایی می‌کند (هایس و همکاران، 1999).

مرید و همکاران (2006) بر اساس هفت شاخص خشکسالی، عملکرد را در استان تهران در ایران مقایسه نمودند. این شاخص‌ها عبارت بودند از شاخص دهک (DI)، درصد نرمال (PN)، شاخص بارش استاندارد (SPI)، شاخص Z چین (CZI)، CZISی اصلاح شده (MCZI)، امتیاز Z، و شاخص خشکسالی مؤثر (EDI). نتایج نشان داد که SPI، CZI، امتیاز Z دارای عملکرد مشابهی از نظر شناسایی خشکسالی و پاسخ آهسته به شروع خشکسالی بودند. به نظر می‌رسد که DI نسبت به رویداد بارش در یک سال خاص بسیار پاسخ‌گو می‌باشد، اما دارای تغییرات ناپایدار مکانی و زمانی است. SPI و EDI قادر به شناسایی آغاز خشکسالی، و تغییرات مکانی و زمانی آن به شیوه‌ای پایدار بوده، و EDI نسبت به خشکسالی در حال ظهور بیشتر پاسخ‌گو بوده و بهتر عمل می‌کند.

8-1 شناسایی خشکسالی

یوجویچ (1967) تئوری را برای شناسایی پارامترهای خشکسالی و بررسی خصوصیات آماری آنها پیشنهاد نمود: (الف) مدت، (ب) شدت و (ج) سختی. بنیادی‌ترین عنصر برای مشتق کردن این پارامترها عبارت از برش یا حد آستانه است که می‌تواند ثابت یا تابعی از زمان باشد. اجرا به عنوان بخشی از سری‌های زمانی متغیر خشکسالی  X_t معرفی می‌شود که در آن کلیه‌ی مقادیر پایین‌تر یا بالاتر از سطح برش انتخابی X₀ قرار دارند؛ بر همین اساس به عنوان اجرای منفی یا اجزای مثبت شناخته می‌شوند. شکل 4-2 نموداری از متغیر خشکسالی را نشان می‌دهد که به وسیله‌ی X_t مشخص شده، و در بسیاری از مکان‌ها توسط سطح برش X₀ قطع می‌شود، که می‌تواند یک متغیر قطعی، یک متغیر تصادفی، یا ترکیبی از آنها باشد. پارامترهای آماری مختلفی بر اساس مدت، بزرگی و شدت خشکسالی در سطوح برش مختلف برای مشخصه‌سازی خشکسالی  مفید می‌باشند.

اجزای اصلی هر خشکسالی (دراکوپ و همکاران، 1980) شامل موارد زیر است: (الف) زمان آغاز خشکسالی (t_i): که عبارت از آغاز دوره‌ی کمبود آب که بیانگر آغاز خشکسالی است. (ب) زمان پایان خشکسالی (t_e): که عبارت از زمانی که کمبود آب به قدر کافی کاهش می‌یابد که می‌توان گفت دیگر شرایط خشکسالی وجود ندارد. (ج) مدت خشکسالی (D_d): که بر اساس سال/ماه/هفته و غیره بیان می‌شود، که در طول آن پارامتر خشکسالی به طور پیوسته از سطح بحرانی کمتر می‌باشد. در کلامی دیگر، دوره‌ی زمانی بین آغاز و پایان خشکسالی. (د) سختی خشکسالی (S_d): که بیانگر کمبود تجمعی یک پارامتر خشکسالی در زیر سطح بحرانی می‌باشد. (ه) شدت خشکسالی (I_d): مقدار میانگین یک پارامتر خشکسالی زیر سطح بحرانی. این پارامتر به عنوان سختی خشکسالی تقسیم بر مدت آن اندازه‌گیری می‌شود (سن، 1976 و 1980؛ دراکوپ و همکاران، 1980؛ لوایسیگا و لیپنیک، 1996؛ میشرا و همکاران، 2007).

9-1 استفاده از اقلیم‌شناسی گذشته در مطالعات خشکسالی

اقلیم‌شناسی گذشته عبارت از مطالعه‌ی اقلیم در مقیاس کل تاریخ زمین­شناسی می‌باشد. این روش از اسناد صفحات یخی، حلقه‌های درختان، رسوبات و سنگ‌ها به منطور تعیین وضعیت گذشته‌ی سیستم اقلیمی زمین استفاده می‌کند. داده‌های اقلیم گذشته راهی را برای ارزیابی سختی، مدت و گسترده‌ی خشکسالی ‌های قرن بیستم در زمینه‌ی دو هزاره‌ی قبلی فراهم می‌کنند (اورپک، 1996).

 1-9-1 بازسازی حلقه‌های درختان برای مطالعه‌ی خشکسالی

مطالعات اقلیم گذشته، و بخصوص اقلیم‌شناسی با استفاده از حلقه‌های تنه درختان (که لازمه‌ی شناسایی اقلیم گذشته از روی حلقه‌ی درختان می‌باشد)(دندروکرونولوژی)، منبع ارزشمند اطلاعات برای آنالیز وقوع خشکسالی می‌باشد. حلقه‌های درختان احتمالاً بهترین وسیله برای بازسازی الگوی بزرگ مقیاس و حل نشده‌ی اقلیم هستند (فریتس، 1991؛ کوک و کیریوکستیس، 1990). برای مثال، وودهاوس و اورپک (1998) دامنه‌ی وسیعی از مقالات و کتب مربوط به اقلیم گذشته را مرور کرده‌اند، که شامل انواع مختلفی از منابع داده‌ها مانند داده‌های حلقه‌ی درختان و اسناد دیگر بوده، و پیشنهاد نمودند که خشکسالی ‌هایی بسیار شدیدتر از خشکسالی ‌های دهه‌های 1930 و 1950، که با شدیدترین تأثیرات در ایالات متحده رخ داده بودند، در آینده نیز اتفاق افتاد. شواهدی مبنی بر خشکسالی ‌های چند دهه‌ای در اواخر قرن سیزدهم و شانزدهم وجود دارد که دارای شدت و مدت بسیار بیشتری نسبت به خشکسالی ‌های قرن بیستم بوده‌اند (وودهاوس و اورپک 1998). گدالوف و همکاران (2004) از شبکه‌ای از 32 وقایع‌نگاری حلقه‌ی درختان حساس به خشکسالی را به منظور بازسازی میانگین جریان سالانه‌ی آب در رود کلمبیا در دالاس از سال 1750 مورد استفاده قرار دادند. یافته‌های آنها نشان داد که روابط بین خشکسالی و جریان رود در طول زمان تغییر کرده است.

داده‌های حلقه‌ی درختان به منظور فرمول‌بندی روابط سری‌های زمانی سالانه با شاخص‌های خشکسالی  شامل PDSI، HDI و ZNDX مورد استفاده قرار گرفتند. برای مثال، کوک و همکاران (1999) توسعه‌ی بازسازی خشکسالی تابستان با استفاده از PDSI برای ایالات متحده در شبکه‌ای با عرض جغرافیایی 2 درجه و طول جغرافیایی 3 درجه را توصیف کردند که از یک شبکه‌ی متراکم از وقایع‌نگاری حلقه‌ی درختان سالانه برآورد شده بود. در چین، لی و همکاران (2007) بازسازی خشکسالی را برای شمال مرکزی چین بر اساس PDSI ارائه کردند.  اخیراً، بازسازی‌های خوبی مبتنی بر حلقه‌ی درختان در ایالات متحده، برای مثال برای حوضه‌ی رود ساکرامنتو (مکو و همکاران، 2001)، رود گیلا (مکو و گریبیل، 1995)، دریاچه‌ی گریتر (پیترسون و همکاران، 1999)، و رود کلرادو (هیدالگو و همکاران، 2001) انجام شده است.