Helmholtz-Zentrum Geesthacht, 2016-07-26
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Dürre, Index

Agrarwirtschaftliche Dürre-Indices, Hydrologische Dürre-Indices, Dürre-Indices aus Fernerkundungsdaten, Kombinierte Dürre-Indices


Dürre-Indices sind unverzichtbare Hilfsmittel, um Dürren zu erkennen, zu überwachen und zu bewerten. Es gibt jedoch keinen universellen Dürre-Index. Vielmehr existieren viele Indices, die nach Gebietsgröße, Lage des Gebietes oder sektoralen Kriterien entwickelt wurden. Sammlungen von Dürre-Indices sind HEIM (2000, 2002), VOGT & SOMMA (2000) bzw. HAYES et al. (2007) zu entnehmen.

Die Dürre-Indices (DI) wurden von NIEMEYER (2008) in sechs Hauptgruppen eingeteilt:
a) meteorologische DI,
b) umfangreiche DI,
c) landwirtschaftliche DI,
d) hydrologische DI,
e) auf Fernerkundung basierende DI,
f) kombinierte DI.

Meteorologische Dürre-Indices

Die Wasserverfügbarkeit ist eine zentrale Größe bei der Beuteilung von Dürren. Da der Niederschlag die wichtigste Wasserquelle darstellt, stützte sich die erste Generation der Dürre-Indices im Wesentlichen auf meteorologische Variablen, die bei synoptischen Stationen beobachtet wurden.

Als einfachste Vorgehensweise zur Index-Berechnung („monthly drought index", DRI) dient die Verwendung der Wasserbilanz, wobei von der monatlichen Niederschlagssumme die Monatssumme der potentiellen Evapotranspiration abgezogen wird (vgl. BIGLER et al. 2006). Nachfolgend werden die Dezil-Methode von GIBBS & MAHER (1967), der Dürreindex von KÖNIG & MAYER (1989) und der „standard precipitation index“ detaillierter betrachtet.

Potentielle Evapotranspiration


Tab. 5: Übersicht meteorologischer Dürre-Indices
Index Abk. Quelle
Blumenstock`s Index BLUMENSTOCK (1942)
Rainfall anomaly index (Niederschlag-Anomalie-Index) RAI VAN ROOY (1965)
Dezil-Methode GIBBS & MAHER (1967)
PED’s index (Index von PED) Si PED (1975)
BHALME & MOOLEY drought index (Dürre Index von BHALME & MOOLEY) BMDI BHALME & MOOLEY (1980)
Standardized anomaly index of KATZ & GLANTZ (Standardisierter Anomalie-Index von KATZ & GLANTZ) KATZ & GLANTZ (1986)
Dürreindex für Waldschäden KÖNIG & MAYER (1989)
PÁLFAI aridity index (Ariditäts-Index von PÁLFAI) PAI PÁLFAI (1991)
Drought severity index (Index für “Schwere Dürre”) DSI BRYANT et al. (1992)
Standardized precipitation index (Standardisierte Niederschlag-Index) SPI MCKEE et. al (1993)
Effective drought index (Index für “Tatsächliche Dürre”) EDI BYUN & WILHITE (1999)
Monthly drought index (Monatliche Dürre Index) DRI BIGLER et al. (2006)
Reconnaissance drought index (Informierender Dürre Index) RDI TSAKIRIS et al. (2007) (Erweiterung von SPI)
Precipitation Potential Evaporation Anomaly (Niederschlag-Potentielle Evaporation-Anomalie) PPEA BURKE & BROWN (2008)
ELLENBERG’s drought index (Dürre Index von ELLENBERG) EQ MÁTYÁS et al. (2010) (forest vegetation)

Blumenstock’s Index

Der Index basiert auf der Definition von BLUMENSTOCK (1942), nachdem eine Trockenheit als beendet anzusehen ist, wenn 2,54 mm (=0,10 Inch) Niederschlag innerhalb von 48 Stunden gefallen sind.

Trockenheitsindex nach Brushek

Der Trockenheitsindex nach BRUSCHEK (1994) ist ein jährlicher Index, der sich aus der Niederschlagssumme, dividiert durch die Anzahl der Sommertage errechnet.

Sommertag


Dezil-Methode

Die Dezil-Methode ist ein einfaches Verfahren, um mit monatlichen Niederschlagsdaten ein Dürre-Monitoring durchzuführen. Das Verfahren wurde von GIBBS & MAHER (1967) ent-wickelt, um die Schwächen eines prozentbezogenen Ansatzes zu umgehen. Bei der Durch-führung der Dezil-Methode unterteilt man die langjährigen Ereignisse in Kategorien (Dezile). Per Definition entspricht das fünfte Dezil dem Median und nicht der halben Niederschlags-menge (50%).

Diese Vorgehensweise wird im australischen Dürre-Überwachungssystem (drought watch system) eingesetzt. Im Falle einer Dürre können Landwirte und Viehzüchter jedoch nur dann staatliche Hilfe beantragen, wenn ein Dürre-Ereignis mit einer Wiederkehrrate von 20 bis 25 Jahren auftritt (Dezile 1 und 2 eines 100-jährigen Eintrags) und gleichzeitig länger als 12 Monate andauert (WHITE & O'MEAGHER 1995).

Das einheitliche Klassifikationsverfahren zeigt deutliche administrative Vorteile gegenüber Verfahren, die Prozentangaben von Niederschlagsmengen betrachten. Ein Nachteil des Dezil-Ansatzes ist die Notwendigkeit, auf lange klimatologische Zeitreihen zurückgreifen zu müssen.


Tab. 6: Dürre-Klassifikation auf Basis der Dezil-Methode
Dezile Klasse
Dezile 1 – 2, 0% – 20% Weit unter Normalzustand
Dezile 3 – 4, 21% – 40% Unter Normalzustand
Dezile 5 – 6, 41% – 60% Nahe Normalzustand
Dezile 7 – 8, 61% – 80% Über Normalzustand
Dezile 9 – 10, 81% – 100% Weit über Normalzustand

Dürre-Index für Waldschäden (KÖNIG & MAYER 1989)

Zur Untersuchung der klimatisch bedingten Waldschäden in Bayern definierten KÖNIG & MAYER (1989) einen Dürre-Index, nach dem an mindestens 10 aufeinanderfolgenden Tagen die tägliche Niederschlagssumme unter 5 mm/d und das Tagesmittel der Lufttemperatur in 2 m Höhe über 20°C sein muss.

Standard Precipitation Index (SPI)

Der standardisierte Niederschlag-Index (SPI) ist ein robuster Index zur Beschreibung von Dürren. Er wurde vom Colorado Climate Center entwickelt, um Dürreereignisse definieren und überwachen zu können (McKee et al. 1993). Der SPI basiert auf aktuellen und histo-rischen Niederschlagsdaten. Die daraus berechneten Werte geben die Abweichung von einem Durchschnittswert an. Der SPI wird für mehrere Zeiträume berechnet, die zwischen einem Monat und bis zu 2 Jahren umfassen können. Damit können kurz- und langfristige Entwicklungen erfasst und der Beginn sowie das Ende jeder Dürre, einschließlich der monatlichen Intensität, identifiziert werden.

Der SPI betrachtet nur den Parameter Niederschlagsmenge und ermittelt daraus standar-disierte Eintrittswahrscheinlichkeiten. Der Wert „0“ ist der Median des Niederschlagswertes, d.h. die Hälfte der historischen Niederschlagsmengen liegt unter dem Median, die andere Hälfte darüber.
Tab. 7: Dürre-Klassifikation auf SPI-Basis (LOUCKS et al. 2006)
SPI Klasse
≥2,0 Extrem nass
1,5 bis 1,99 Sehr nass
1,0 bis 1,49 Mäßig feucht
-0,99 bis 0,99 Normalzustand
-1,49 bis -1,0 Mäßig trocken
-1,99 bis -1,5 Schwere Dürre
≤ -2,00 Extreme Dürre

Hydrometeorologische Dürre-Indices

Die nutzbare Wasserspeicherkapazität des Bodens kann Niederschlagsdefizite mehr oder weniger stark ausgleichen. Deshalb ist die Bodenwasserverfügbarkeit ebenfalls eine wichtige Komponente, die es zu betrachten gilt.
Tab. 8: Hydrometeorologische Dürre-Indices
Index Abk. Quelle
PALMER drought severity index (Schwere Dürre Index von PALMER) PDSI PALMER (1965)
- PALMER modified drought index (modifizierter Dürre Index von PALMER) PDMI
- PALMER hydrological drought index (hydrologischer Dürre Index von PALMER) PHDI
- Z-index (Guter Indikator für landwirtschaftliche Dürre) QUIRING & PAPAKRYIAKOU (2003), TRNKA et al. (2007)
- Self calibrated PDSI (selbstkalibrierter PDSI) scPDSI WELLS et al. (2004)
- Self calibrated PDSI with snow modul (selbstkalibrierter PDSI mit Schnee-Modul) scPDSI VAN DER SCHRIER et al. (2007)
- PDSI with modified potential evapotranspiration derivation (PDSI mit modifizierter potentieller Verdunstungsableitung) BURKE et al. (2006), MAVROMATIS (2007)
KEETCH-BYRAM drought index (Dürre Index von KEETCH & BYRAM) KBDI KEETCH & BYRAM (1968)
Aggregate drought index (Aufsummierter Dürre Index) ADI KEYANTASH & DRACUP (2004)
Mit der Entwicklung des „Palmer Drought Severity Index“ (PALMER 1965) wurden neben meteorologischen Parametern auch Elemente des Wasserkreislaufs berücksichtigt. NIEMEYER (2008) fasst diesen und ähnliche Indices als „comprehensive drought indices“ zusammen.

Je nach den verwendeten Verfahren werden hydrologische Parameter wie die Abflussmenge bzw. Änderungen des Grundwasserspeichers verwendet oder man greift auf Informationen der Landoberfläche wie Evapotranspiration, Bodenfeuchte oder Schneemenge zurück. Als Beispiele werden der „Palmer Drought Severity Index“ und „KEETCH-BYRAM Drought Index“ genauer betrachtet.

PALMER Drought Severity Index (PDSI)

Der „Schwere Dürre“- Index von PALMER oder PALMER Drought Severity Index (PDSI) ist ein häufig benutztes Maß, um basierend auf Niederschlag- und Temperaturwerten Aussagen über den Grad der Trockenheit treffen zu können.
Tab. 9: Klassifikation der aktuellen Wetterbedingungen nach PDSI (ALLEY 1984)
PDSI Klasse PDSI Klasse
≥4,00 Extrem nass -0,50 bis -0,99 Beginnende Dürre-Periode
3,00 bis 3,99 Sehr nass -1,00 bis -1,99 Milde Dürre
2,00 bis 2,99 Mäßig nass -2,00 bis -2,99 Mäßige Dürre
1,00 bis 1,99 Leicht feucht -3,00 bis -3,99 Schwere Dürre
0,50 bis 0,99 Beginnende nasse Periode ≤ -4,00 Extreme Dürre
0,49 bis -0,49 Normal
Der PDSI wurde Mitte der 60er-Jahre entwickelt (PALMER 1965) und nachfolgend mehrfach modifiziert. Der PDSI ist mit einigen Anpassungen auch heute noch der gebräuchlichste Dürre-Index in den Vereinigten Staaten. Seit 2007 wird er monatlich für die gesamte Welt durch das UCL Department Space and Climate Physics in Form des Globalen Dürre-Monitors („Global Drought Monitor“) zur Verfügung gestellt.

Der Index gibt die Abweichung der Feuchteversorgung ausgehend von normalen Bedingungen an. Die Feuchteversorgung wird über die monatlichen Größen Niederschlag und Temperatur eines Zwei-Schicht-Boden-Modells sowie lokal verfügbarer Messwerte der Bodenfeuchte ermittelt.

Als Schwachstellen des Modellansatzes erweist sich, dass anthropogene Einflüsse wie etwa die künstliche Bewässerung nicht berücksichtigt werden. Darüber hinaus werden Prozesse wie die Schnee-Akkumulation oder die Schneeschmelze sowie der Einfluss gefrorener Böden von dem Modell ebenfalls vernachlässigt.

KEETCH-BYRAM Drought Index (KBDI)

Der KEETCH-BYRAM Dürre-Index (KDBI) wurde zur Vorhersage der Waldbrandgefahr entwickelt (KEETCH & BYRAM 1968).

Um den KDBI zu berechnen, werden lediglich die tägliche Maximaltemperatur und tägliche Gesamtniederschlagsmenge benötigt. Aus diesen Größen wird die Evapotranspiration oder der Feuchtigkeitsverlust einer bewachsenen Fläche berechnet.

Durch einen mathematischen Ansatz wird das Verhältnis zwischen dem Feuchteverlust des Bodens und dem Laubstreuanteil abgeschätzt. Die Vegetationsdichte wird hierbei durch die durchschnittliche Feuchtigkeitsverfügbarkeit wiedergegeben.

Evapotranspiration


Tab. 10: Allgemeine Beschreibung für relative KDBI-Stufen (SERCC 2002, USDA 2002)
KDBI -Werte Allgemeine Beschreibung
0 – 150 Oberboden und Bodenstreu sind nass. Feuergefahr ist minimal
150 – 300 Oberboden und Bodenstreu sind feucht und tragen nicht dazu bei, die Intensität des Feuers zu erhöhen. Teile des Einstreus werden vom Brand nicht erfasst. Das Brandverhalten ist vorhersagbar.
300 – 500 Oberboden und Bodenstreu sind trocken und können zum Brand beitragen. Das Feuer verzehrt den größten Teil des Einstreus mit einem signifikanten Verlust des organischen Bodenmaterials. Das Feuer ist zwar schwer zu kontrollieren, das Brandverhalten ist in gewisser Weise vorhersagbar.
500 – 700 Oberboden und Bodenstreu sind sehr trocken. Oberhalb von KDBI= 600 tritt schwere Dürre auf. Das Oberbodenmaterial und das Einstreu tragen zum Brand bei. Das gesamte Einstreu und das meiste organische Bodenmaterial werden vom Feuer zerstört. Die Brandbekämpfung ist schwierig.
700 – 800 Oberboden und Bodenstreu sind extrem trocken. Die Waldebene zwischen Boden- und Kronenbereich verbrennt aktiv und trägt zum Brand bei. Auftreten von extremer Dürre und erhöhtes Auftreten von Flächenbränden. Das Feuer ist unberechenbar, trotz Beobachtung der Baumbekronung und der Windrichtung.

Agrarwirtschaftliche Dürre-Indices, Hydrologische Dürre-Indices, Dürre-Indices aus Fernerkundungsdaten, Kombinierte Dürre-Indices


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