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Agrarwirtschaftliche Dürre-Indices

Hydrologische Dürre-Indices Dürre-Indices aus Fernerkundungsdaten Kombinierte Dürre-Indices

Ausgehend von Indices, die als Eingabegrößen die Bodenfeuchte und die aktuelle Evapo-transpiration benötigen, führte die weitere Entwicklung zu expliziten agrarwirtschaftlichen, zum Teil kulturspezifischen Dürre-Indices. Als Beispiele sind der Aridity Anomaly Index, der „Crop Moisture Index (CMI)“, der „Crop Water Stress Index (CWSI) und der „Moisture Adequacy Index (MAI) detaillierter aufgeführt.

Aktuelle Evapotranspiration

Tab. 11: Agrarwirtschaftliche Dürre-Indices

Index
Abk
Quelle
SELYANINOV hydrothermal coefficient (Hydrothermaler Koeffizient von SELYANINOV)
HTC
SELYANINOV (1928)
Moisture Adequacy Index (Index zur Berechnung angemessener Feuchte)
MAI
MCGUIRE & PALMER (1957)
Crop moisture index (based on PDSI) (Nutzpflanzen Feuchte Index (basiert auf PDSI))
CMI
PALMER (1968)
Soil moisture drought index (Bodenfeuchte Dürre Index)
SMDI
HOLLINGER et al. (1993)
Crop specific drought index, application to corn (Pflanzenspezifischer Dürre Index, für Mais)
CSDI
MEYER et al. (1993)
Crop specific drought index, application to soyabean (Pflanzenspezifischer Dürre Index, für Sojabohnen)
CSDI
MEYER & HUBBARD (1995)
Aridity Anomaly Index (Trockenheit-Anomalie Index)
KUMAR & PANU 1997
Evapotranspiration deficit index (Evapotranspiration Defizit index)
ETDI
NARASIMAHAN & SRINIVASAN (2005)
Regional agricultural drought index (Regionaler Landwirtschaft Dürre Index)
DTx
MARLETTO et al. (2005)
Standardized deficit index (Standardisierter Defizit Index) - Pflanzen: Wasserangebot und nachfrage
SDI
VERGNI & TODISCO (2010)

Aridity Anomaly Index

Der Trockenheit-Anomalie Index basiert auf der Wasserbilanzberechnung von THORNTH-WAITE & MATHER (1955) und beschreibt die Verschiebung des Normalzustandes, angegeben in Prozent.

Das Indian Meteorological Department benutzt diese Methode unter Berücksichtigung der Bodenfeuchte zur Beschreibung der Trockenheitsverhältnisse. Die Berechnung der Anomalien wird durchgeführt, um das Auftreten landwirtschaftlicher Dürren in wöchentlichem bzw. vierzehntägigem Abstand in Echtzeit überwachen zu können. Diese Vorgehensweise bietet den Vorteil, dass der Feuchtigkeitsstress wachsender Pflanzen direkt beurteilt werden kann (KUMAR & PANU 1997).

Der Aridity Anomaly Index zeigt das Wasserdefizit in einer Region an, wobei jedoch die Anforderungen einzelner Pflanzen sowie geographische Gegebenheiten nicht berücksichtigt werden. Zudem wird bei der Betrachtung der klimatischen Wasserbilanz die Wassersättigung des Bodens außer Acht gelassen.

Wasserbilanz, klimatische

Tab.12: Dürre-Kategorien des Trockenheit-Index

Dürre-Kategorie
Trockenheitanomalie
Leichte Dürre (mild drought)
Bis zu 25%
Gemäßigte Dürre (moderate drought)
26 – 50%
Schwere Dürre (severe drought)
Über 50%

Crop Moisture Index (CMI)

Der Crop Moisture Index (CMI) ist eine Weiterentwicklung des PDSI (PALMER 1968). Das Berechnungsverfahren verwendet einen meteorologischen Ansatz, um kurzfristige Feuchteveränderungen überwachen zu können. Dies ist besonders in Regionen, in denen landwirtschaftlich genutzte Kulturpflanzen angebaut werden, von großer Bedeutung.

Als Eingangsgrößen werden die mittlere Temperatur und die mittleren wöchentlichen Niederschlagsmengen verwendet, wobei eine Gewichtung nach Ort und Zeit erfolgt. Der Index kann zum Vergleich lokaler Feuchtebedingungen herangezogen werden.

Das Verfahren zielt auf kurzfristige Veränderungen ab, für Langzeitbetrachtungen eignet es sich nicht. So kann beispielsweise ein Niederschlag während einer Dürreperiode dazu führen, dass die Feuchtebedingungen kurzfristig als ausreichend angesehen werden, wohingegen die Dürre aber langfristig gesehen weiterhin vorherrscht. Ein weiteres Charakteristikum des Verfahrens besteht darin, dass sich der CMI zu Beginn und am Ende der Vegetationsperiode dem Wert 0 annähert. Aus diesem Grund ist seine Anwendung zu Beginn der Vegetationsperiode, wenn die Saatkeimung einsetzt, nur begrenzt möglich.

Vegetationsperiode

Crop Water Stress Index

Der Pflanzen-Wasserstress Index (CWSI) basiert auf integrativen Tageswerten, die das pflanzenverfügbare Bodenwasser, Verdunstungsanforderung und die Empfindlichkeit der phänologischen Phasen der jeweiligen Pflanze berücksichtigten (RAO & SAXTON 1995).

Zur Berechnung des Index benötigt man ein dynamisches Boden-Pflanze-Atmosphären-Wasser Model, um die Bodenwassergehalte simulieren und die Transpiration der Pflanze berechnen zu können. Das Modell muss dabei für jede Kulturart und jeden Standort neu kalibriert werden.

Moisture Adequacy Index

Der Index zur Berechnung der angemessenen Feuchtigkeit für Pflanzen (MAI) wurde erstmals von MCGUIRE & PALMER (1957) im Osten der Vereinigten Staaten angewendet. Weitere Nutzung findet der Indikator in Indien, wo er zu Überwachung agrarwirtschaftlicher Dürren eingesetzt wird (KUMAR & PANU 1997, SASTRI et al. 1981).

Der Index basiert auf der wöchentlichen Berechnung der Wasserbilanz (Quotient aus tat-sächlicher Evapotranspiration und potentieller Evapotranspiration), wodurch ein stufenweiser Bezug der Wasserverfügbarkeit zu den verschiedenen Wachstumsstadien der Pflanzen hergestellt wird. Dadurch, dass sich das Fehlen von Wasser in den einzelnen Phasen unterschiedlich stark auswirkt, sind gezieltere Maßnahmen zur Anpassung möglich.

Verdunstung (Evapotranspiration) Anpassung (Adaptation)


Hydrologische Dürre-Indices

Hydrologische Dürre-Indices orientieren sich an: a) Abflussmengen, die über Pegelmessungen an Flüssen abgeleitet werden können, b) dem Vergleich von monatlichen Anomalien mit durchschnittlichen Bedingungen (DRACUP et al. 1980) oder c) der Auswertung von Trockenwetterabflüssen. Eine gute Übersicht der Vorgehensweisen bieten z.B. TALLAKSEN & VAN LANEN (2004) oder SMAKHTIN (2001).

Werden die Änderungen der Abflussgrößenordnungen verwendet, so ist es jedoch häufig nicht möglich, die vollständige zeitliche Entwicklung der Dürre zu identifizieren. Bei der Verwendung von Schwellenwerten, deren Unterschreitung eine Dürre anzeigt, ist es dagegen schwierig, die Intensität einer Dürre zu erfassen (FLEIG et al. 2006).

Hydrologische Dürre-Indices sind für die Gewährleistung städtischer Wasserversorgungen, der Bewässerung landwirtschaftlich genutzter Flächen sowie für die Energieversorgung von Interesse. Mit Hilfe des „regional deficiency index“ erstellten HANNAFORD et al. (2011) einen „Dürren-Katalog“ für 23 europäische Regionen.

Tab. 13: Hydrologische Dürre-Indices

Index
Abk.
Quelle
Surface water supply index (Oberflächenwasser-Versorgung-Index)
SWSI
SHAFER & DEZMAN (1982)
Reclamation drought index (Wiedergewinnung Dürre Index)
RDI
WEGHORST (1996)
Regional streamflow deficiency index (Regionaler Abflussmangel Index)
RSDI
STAHL (2001)
Regional deficiency index (Regionaler Mangel Index)
RDI
HANNAFORD et al. (2011)
Regional drought area Index (Regionaler Dürregebiet Index) - basierend auf Abflusswerten und Wetterlagen
RDAI
FLEIG et al. (2011)

Als Beispiele werden nachfolgend der „surface water supply index“ und der „reclamation drought index“ detaillierter beschrieben.

Surface Water Supply Index (SWSI)

Der Oberflächenwasser-Versorgung-Index (SWSI) wurde entwickelt, um die Eigenschaften von Oberflächenwasser zu beschreiben, wobei die Schneebedeckung eine wichtige Komponente bildet (SHAFER & DEZMAN 1982). Ziel des SWSI ist die Kombination hydrologischer und klimatologischer Aspekte zu einem einzelnen Index.

Zur Berechnung werden Angaben zur Schneedecke, zur Abflussmenge, zum Niederschlag und zum Speichervermögen des Reservoirs benötigt, wobei eine monatliche Wichtung der einzelnen Komponenten erfolgt. Änderungen der Wasserbewirtschaftung innerhalb eines betrachteten Einzugsgebietes, wie etwa das Anlegen neuer Reservoire, machen eine Neuberechung notwendig, da Komponenten neu zu gewichten sind. Deshalb ist es schwierig, eine homogene Zeitreihe für diesen Index zu erhalten (HEDDINGHAUS & SABOL 1991).

Tab. 14: Dürre-Klassifikation auf SWSI-Basis (SHAFER & DEZMAN 1982)

SWSI
Klasse
+4
Ausreichend Wasser
+2
Nahe an Normalzustand
-2
Mäßige Dürre
-3
Schwere Dürre
-4
Extreme Dürre

Reclamation Drought Index (RDI)

Der Wiedergewinnung-Dürre-Index (RDI) wurde als Werkzeug entwickelt, um die Schwere und Dauer von Dürren in Flussgebieten zu definieren, sowie um Vorhersagen zu Beginn und Ende von Dürren machen zu können (WEGHORST 1996).

Tab. 15: Dürre-Klassifikation auf RDI-Basis (NDMC 2005)

RDI
Klasse
≥4,0
Extrem nass
1,5 bis 4,0
Mäßig feucht
0,0 bis 1,5
Normal bis leichte Nässe
-1,5 bis 0
Normal bis leichte Dürre
-4,0 bis -1,5
Mäßige Dürre
≤ -4,00
Extreme Dürre

Als Eingabeparameter werden Angaben zu Temperatur, Niederschlag, Schneebedeckung, Abflussmenge und Reservoireigenschaften verwendet. Der große Vorteil dieses Index ist seine Anpassungsfähigkeit an verschiedenste Regionen, wobei die Temperatureinbindung indirekt dafür sorgt, dass die Verdunstung ebenfalls berücksichtigt wird. Nachteilig ist, dass der Index flussgebietsspezifisch ist, was Vergleiche zwischen verschiedenen Einzugsgebieten deutlich einschränkt.


Dürre-Indices aus Fernerkundungsdaten

Fernerkundungstechnologien ermöglichen die räumliche Beschreibung der Erdoberfläche. Aus der Beobachtung von Vegetationsänderungen können Anomalien wie Dürren abgeleitet und daraus Dürre-Indices (sog. „remote sensing drought indices“) entwickelt werden.

Tab. 16: Dürre-Indices aus Fernerkundungsdaten

Index
Abk.
Quelle
Normalized difference vegetation index (Normierter Vegetations-Differenzen Index)
NDVI
TUCKER (1979)
Vegetation condition index (Index nach dem Vegetationszustand)
VCI
KOGAN (1990)
Temperature condition index (Index nach Temperaturbedingungen)
TCI
KOGAN (1995)
Normalized difference water index (Normierter Wasser-Differenzen Index)
NDWI
GAO (1996)
Vegetation temperature index (Vegetation-Temperatur-Index)
VTI
KOGAN (1997)
Anomaly of the NDVI (Anomalie des NDVI)
NDVIA
ANYAMBA et al. (2001)
Standardized vegetation index (Standardisierter Vegetationsindex)
SVI
PETERS et al. (2002)
Temperature vegetation dryness index (Temperatur-Vegetation-Trockenheit-Index
TVDI
SANDHOLT et al. (2002)
Modified perpendicular drought index (Senkrecht-modifzierter Dürre Index)
MPDI
GHULAM et al. (2007)
Normalized multi-band drought index (Normierter Multiband Dürre Index)
NMDI
WANG & QU (2007)
Remote sensing drought risk index (Fernerkundung-Dürre-Risiko-Index)
RDRI
LIU et al. (2008)
Normalized total depth Soil Moisture (Normierte Gesamttiefe der Bodenfeuchte)
NSM
DUTRA et al. (2008)


Kombinierte Dürre-Indices

Die neueste Index-Generation sind Indices, die Informationen aus verschiedenen Sektoren kombinieren. Sie versuchen mit einem integrierten Ansatz ein Maximum an leicht verfügbaren Informationen zu nutzen. Die Kombination von meteorologischen Daten und abgeleiteten Informationen der Landoberfläche aus Fernerkundungsdaten sind eine typische Vorgehensweise dieses Dürre-Index-Typs. Als Beispiel wird der „standardized precipitation evapotranspiration index“ kurz vorgestellt.

Tab. 17: Kombinierte Dürre-Indices

Index
Abk.
Quelle
Vegetation drought response index (Index der Vegetation-Dürre-Reaktion)
VegDri
BROWN et al. (2008)
standardized precipitation evapotranspiration index (Standardisierter Niederschlag-Evapotranspiration Index)
SPEI
VICENTE-SERRANO et al. (2010)

Standardized Precipitation Evaporation Index (SPEI)

Der Standardized Precipitation Evaporation Index (SPEI) bezieht sich auf verschiedene räumliche Ebenen (multi-skalarer Charakter), da zu seiner Berechung Informationen aus verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen herangezogen werden (VICENTE-SERRANO et al. 2010). Mit seiner Hilfe können Dürren erkannt, überwacht und analysiert werden. Der SPEI ermöglicht es schwere Dürren unabhängig von Zeit und Ort zu vergleichen, da die Berechnungsgrundlage in vielen Klimazonen Gültigkeit besitzt.

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