Agricultural Drought Monitoring in the Aras River Catchment using Satellite and Meteorological Indicators

Document Type : Applied Article

Authors

Department of Physical Geography, Faculty of Social Sciences, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran

10.22059/jhsci.2024.384523.847

Abstract

Drought is the most damaging natural phenomenon that occurs in all climates of the world, even in humid regions. Agricultural drought not only damages crops and causes changes in vegetation cover, but also causes social and economic damage. The aim of this study is to monitor agricultural drought and analyze the spatial-temporal distribution of drought severity in the Aras River Basin for the vegetation growth months (April to July) in the statistical period 2012 to 2021. To assess drought conditions, the Standard Precipitation Index (SPI) obtained from precipitation data from 7 synoptic stations was used as the dependent variable, and the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), Vegetation Condition Index (VCI), Temperature Conditions Index (TCI), and Vegetation Health Index (VHI) were used as independent variables. The results of the correlation between meteorological indices and satellite indices showed that the SPI index has the highest correlation with the VCI index. This index also had high accuracy compared to other indices based on validation criteria, indicating its ability to monitor agricultural drought. Examination of classified drought severity maps based on SPI, VCI, VHI, and NDVI indices showed that April and May were the wettest months and July was the driest month. According to the TCI index, April was the driest month and July was the wettest month during the statistical period, and in all indices, 2021 was accompanied by severe drought. In terms of location, stations located in the western half of the Aras River Basin had more severe drought and rainfall deficiency than stations in its eastern half.

Keywords


[۱] اسکندری دامنه، هادی؛ اسکندری دامنه، حامد؛ خسروی، حسن؛ و غلامی، حمید (۱۳۹۸). تحلیل و پایش خشکسالی با استفاده از شاخص پوشش گیاهی NDVI (مطالعۀ موردی: حوضۀ غرب تالاب جازموریان). مرتع، ۱۳ (۳)، ۴۶۱-۴۷۵. http://rangelandsrm.ir/article-785-1-fa.html
[۲] اصلان‌پنجه، بهزاد؛ ارزانی، حسین؛ طویلی، علی؛ کشت‌کار، حمیدرضا؛ و خلیقی سیگارودی، شهرام (۱۴۰۲). بررسی تأثیر تغییرات خشکسالی اقلیمی بر شاخص‌های پوشش گیاهی (مطالعۀ موردی: شهرستان اشتهارد، استان البرز)، مدیریت جامع حوضه‌های آبریز، ۳ (۴)، ۱۸-۳۲. doi: 10.22034/IWM.2023.2010428.1103
[۳] انصاری قوجقار، محمد؛ پورغلام آمیجی، مسعود؛ بذرافشان، جواد؛ لیاقت، عبدالمجید؛ و عراقی‌نژاد، شهاب (۱۳۹۹). مقایسۀ کارایی شبکه‌های عصبی آماری، فازی و پرسپترونی در پیش‌بینی طوفان‌های گرد‌و‌غبار در نواحی بحرانی کشور. تحقیقات آب و خاک ایران، ۵۱(۸)، ۲۰۵۱-۲۰۶۳. doi: 10.22059/ijswr.2020.302529.668607
[۴] آرخی، صالح؛ برزگر سواسری، مرضیه؛ و عمادالدین، سمیه (۱۴۰۱). بررسی کارایی شاخص‌های منتج از فناوری سنجش‌ از دور VCI، TCI و VHI در ارزیابی خشکسالی با تصاویر مودیس (مطالعۀ موردی: مناطق مرکزی ایران). جغرافیا و مخاطرات محیطی، ۱۱(۳)، ۱۸۹-۲۲۴. doi:10.22067/geoeh.2021.72253.1102
[۵] جهانگیر، محمدحسین؛ و محمدی، علی (۱۳۹۵). مقایسۀ شاخص استاندارد بارش و نظام رتبه‌بندی تاپسیس به‌منظور ارزیابی وضعیت مخاطرۀ خشکسالی در استان خوزستان. مدیریت مخاطرات محیطی، ۳(۲)، ۱۲۵-۱۳۹. doi: 10.22059/jhsci.2016.60343
[۶] جهانگیر، محمدحسین؛ و مشیدی، ضحی (۱۳۹۹). ارزیابی پایش خشکسالی کشاورزی مبتنی بر سنجش‌ از دور با استفاده از شاخص استاندارد شدۀ بارش در ماه‌های رشد (مطالعۀ موردی: حوضه آبریز کارون بزرگ)، آبیاری و زهکشی ایران، ۴(۱۴)، ۱۲۵۲-۱۲۶۴.
[۷] جهانگیر، محمدحسین؛ اصغری کلشانی، فاطمه؛ و ستاریان اصیل، کتایون (۱۴۰۱). مطالعۀ تطبیقی شاخص‌های خشکسالی هواشناسی (SPI) و هیدرولوژیک (SSI) براساس بهترین تابع توزیع تجمعی برای حوضۀ آبریز ارومیه. مدل‌سازی و مدیریت آب‌وخاک، ۲(۴)، ۵۳-۶۳. doi: 10.22098/mmws.2022.10810.1089
[۸] خسروی یگانه، صمد؛ کرم‌پور، مصطفی؛ و نصیری، بهروز (۱۴۰۳). ارزیابی تأثیر خشکسالی در پوشش گیاهی ایران با استفاده از تصاویر ماهواره‌ای و داده‌های هواشناسی. سنجش‌ از دور و GIS ایران، ۱۶(۱)، ۸۱-۱۰۲. doi: 10.48308/gisj.2023.103394
[۹] داروند، سروه؛ اسکندری دامنه، هادی؛ اسکندری دامنه، حامد؛ و خسروی، حسن (۱۴۰۰). پیش‌بینی روند تغییرات دما و بارش در دورۀ آتی و تأثیر آن بر بیابان‌زایی. مدل‌سازی و مدیریت آب‌وخاک، ۱(۱)، ۵۳-۶۶.  Doi: 10.22098/mmws.2021.118
[۱۰] داودآبادی فراهانی، محمدحسین؛ شریفی علیرضا؛ و عربی، مهدی (۱۴۰۰). پایش خشکسالی کشاورزی استان مرکزی با استفاده از شاخص‌های VHI وPDSI ، علوم و فنون نقشه‌برداری، ۱۱(۳)، ۸۳-۱۰۰. DOI:10.1109/ACCESS.2018.2821717
[۱۱] دستورانی، مصطفی؛ ولی، عباسعلی؛ سپهر، عادل؛ و کمکی چوقی، بایرام (۱۴۰۱). بررسی اثر خشکسالی بر روی پوشش گیاهی با استفاده از سنجندۀ MODIS در خراسان رضوی. مهندسی اکوسیستم بیابان، ۴(۷)، ۱-۸.
[۱۲] دماوندی، علی‌اکبر؛ رحیمی، محمد؛ یزدانی، محمدرضا؛ و نوروزی، علی‌اکبر (۱۳۹۵). پایش مکانی خشکسالی کشاورزی از طریق سری‌های زمانی شاخص‌های NDVI و LST داده‌های MODIS (مطالعۀ موردی: استان مرکزی)، اطلاعات جغرافیایی «سپهر»، (۹۹)۲۵، ۱۱۶-۱۲۵. http://www.sepehr.org/article_23200_7c730a14d43b977341add322922c5035
[۱۳] رزمخواه، هما؛ رستمی، اسحاق؛ رستمی راوری، امین؛ و فرارویی، علیرضا (۱۴۰۱). بررسی تغییرات زمانی و مکانی خشکسالی هواشناسی، مطالعۀ موردی: استان کهگیلویه و بویراحمد. مدیریت جامع حوزه‌های آبخیز، ۲(۴)، ۱۷-۳۵. doi: 10.22034/iwm.2023.1972373.1049
[۱۴] رشیدی قانع، محبوبه؛ متولی، صدرالدین؛ جانباز قبادی، غلامرضا؛ و کوهی، منصوره (۱۴۰۳). فراوانی و ویژگی‌های خشکسالی‌های فرین دشت مشهد تحت سناریوهای SSP. مدیریت مخاطرات محیطی، ۱۱(۲)، ۸۵-۱۰۲. doi: http//doi.org/10.22059/jhsci.2024.380699.837
[۱۵] سپه‌وند، علیرضا؛ قبادی مرتضی؛ کرم‌پور؛ مصطفی؛ و میردریکوند، بهرام (۱۴۰۱). ارزیابی تأثیر وقوع خشکسالی بر تغییرات پوشش گیاهی حوضۀ کشکان لرستان با استفاده از داده‌های چند زمانۀ ETM+ و OLI لندست. مرتع. ۱۶(۱)، ۱۲۴-۱۳۹. http://rangelandsrm.ir/article-761-1-fa.html
[۱۶] سلطانی، میلاد؛ سلطانی، عادل؛ کله‌هوئی، مهین؛ و سلیمانی، کریم (۱۳۹۸). پایش خشکسالی منطقه‌ای با استفاده از تصاویر لندست - منطقۀ مورد مطالعه: شهرستان کرمانشاه. اطلاعات جغرافیایی «سپهر»، ۲۸(۱۰۹)، ۱۳۷-۱۴۶. doi: 10.22131/sepehr.2019.35643.
[۱۷] سلیمانی ساردو، مجتبی؛ و زارعی، مهدی (۱۳۹۸). پایش خشکسالی با استفاده از داده‌های سنجندۀ MODIS و مقایسه با شاخص هواشناسی SPI در دوره‌های کوتاه‌مدت (مطالعۀ موردی: حوزۀ آبخیز جازموریان). پژوهشنامۀ مدیریت حوزۀ آبخیز، ۱۰ (۲۰)، ۲۵۰-۲۶۱. http://jwmr.sanru.ac.ir/article-982-1-fa.html
 [۱۸] سیاسر، هادی؛ محمدرضا‌پور، ام‌البنی؛ و خدامرادپور، مهرانه (۱۴۰۳). پایش خشکسالی با استفاده از داده‌های سنجندۀ MODIS و مقایسه با شاخص هواشناسی SPI در دوره‌های کوتاه‌مدت مطالعۀ موردی: استان گلستان. جغرافیا و توسعه، ۲۲(۷۴)، ۱۶۶-۱۸۶. doi: 10.22111/gdij.2024.8175
[۱۹] سیدی قلدره، جمال؛ احمدی، سلمان؛ و غلام‌نیا، مهدی (۱۴۰۱). ارزیابی شاخص‌های سنجش‌ از دوری پایش خشکسالی با استفاده از رگرسیون بردار پشتیبان و مدل‌های جنگل تصادفی (مطالعۀ موردی: شهرستان مریوان). مهندسی فناوری اطلاعات مکانی، ۱۰ (۳)، ۱۲۱-۱۴۱. http://jgit.kntu.ac.ir/article-891-1-fa.html
[۲۰] شاهدی، کاکا؛ و روزبه کوشاهی، سجاد (۱۴۰۱). تحلیل خشکسالی کشاورزی استان مازندران با استفاده از شاخص‌های مناسب سنجش‌ از دور و هواشناسی. مهندسی آبیاری و آب ایران، ۱۳(۱)، ۳۲۶-۳۴۶ doi: 10.22125/iwe.2022.158531.
[۲۱] شکریان، فاطمه؛ سلیمانی، کریم؛ و درویشی، شادمان (۱۴۰۱). بررسی تغییرات خشکسالی کشاورزی با استفاده از شاخص‌های سنجش‌ از دور و هواشناسی (مطالعۀ موردی: استان خراسان شمالی). مهندسی اکوسیستم بیابان، ۱۰(۳۳)، ۹۳-۱۰۶. doi: ‌10.22052/deej.2021.10.33.51
[۲۲] صالحی، حمید؛ معتمدی، محمد؛ و مافی، عزت‌الله (۱۴۰۰). اعتبارسنجی روش‌های درون‌یابی دمای فصل تابستان در شمال شرق ایران. تحقیقات کاربردی علوم جغرافیایی، (۶۱)۲۱، ۳۵۱-۳۶۹. http://jgs.khu.ac.ir/article-3870-1-fa.html
[۲۳] عسگری دستنائی، آسیه؛ گندمکار، امیر؛ و خداقلی، مرتضی (۱۴۰۰). بررسی تأثیر خودواکاوی روند دمایی در مدیریت مخاطرۀ خشکسالی (مطالعۀ موردی: استان چهارمحال و بختیاری). مدیریت مخاطرات محیطی، ۸(۳)، ۲۸۳-۲۹۹. doi: 10.22059/jhsci.2021.330273.675
[۲۴] عفیفی، محمدابراهیم (۱۴۰۰). بررسی اثر خشکسالی بر روی پوشش گیاهی با استفاده از تکنیک‌های سنجش‌ از دور، مطالعۀ موردی: حوضۀ آبریز سد درودزن. جغرافیا (فصلنامۀ علمی انجمن جغرافیایی ایران)، ۱۹(۷۰)، ۱۵۳-۱۷۲.
[۲۵] فخار، محدثه‌السادات؛ و نظری، بیژن (۱۴۰۳). پایش و ارزیابی ویژگی‌های مکانی و زمانی خشکسالی در ایران با استفاده از سنجش‌ از دور، پژوهش‌های خشکسالی و تغییر اقلیم، ۲(۱)، ۳۹-۵۸. doi: 10.22077/JDCR.2024.7011.1050
[۲۶] فیروزی، فاطمه؛ طاووسی، تقی؛ و محمودی، پیمان (۱۳۹۸). بررسی حساسیت دو شاخص پوشش گیاهی NDVI و EVI به خشکسالی‌ها و ترسالی‌ها در مناطق خشک و نیمه‌خشک؛ مطالعۀ موردی: دشت سیستان ایران. اطلاعات جغرافیایی «سپهر»، ۲۸(۱۱۰)، ۱۶۳-۱۷۹. doi: 10.22131/sepehr.2019.36621
[۲۷] کیخسروی، قاسم (۱۳۹۴). بررسی تطبیقی شاخص‌های خشکسالی هواشناسی و ماهواره‌ای در روند بیابان‌زایی طبقات پوشش گیاهی فصل بهار استان سمنان. کاوش‌های جغرافیایی مناطق بیابانی، ۳(۲)، ۱۸۹-۲۱۳.
[۲۸] مجردی، برات؛ میرمیری، جواد؛ و علیزاده، حسین (۱۳۹۹). ارزیابی شاخص وضعیت پوشش گیاهی VCI با استفاده از شاخص بارش استاندارد اصلاح‌شدۀ MSPI به‌منظور پایش و پهنه‌بندی خشکسالی. مهندسی و مدیریت آبخیز، ۱۲(۳)، ۷۲۵-۷۳۶. doi: 10.22092/ijwmse.2019.116643.1402
[۲۹] مردانی، رامین؛ منتصری، حسین؛ فاضلی، مهدی؛ و خلیلی، رضا (۱۴۰۲). تغییرات زمانی و مکانی خشکسالی هواشناسی و ارتباط آن با شاخص‌های دمایی و وضعیت پوشش گیاهی با استفاده از سنجش‌ از دور و تصاویر ماهواره‌ای در شهرستان مرودشت. مدل‌سازی و مدیریت آب ‌و خاک، ۳(۳)، ۷۲-۸۹. doi: 10.22098/mmws.2022.11541.1140
[۳۰] نگهبان، سعید؛ مکرم، مرضیه؛ و مرادی‌زاده کرمانی، ریحانه (۱۴۰۳). تحلیل اثرهای مخاطرۀ خشکسالی بر جوامع روستاهای پیرامون دریاچۀ مهارلو. مدیریت مخاطرات محیطی، ۱۱(۱)، ۱-۱۳. doi: 10.22059/jhsci.2024.374378.823
[31] Ali, S., Zha, H., Ma, Q., Sun, L., Jiang, N., Qianmin, J., & Fujian, J. (2021). Monitoring drought events and vegetation dynamics in relation to climate change over mainland China from 1983 to 2016. Environmental Science and Pollution Research. 28(17), 21910–21925. DOI:10.1007/s11356-020-12146-4.
[32] Alzurqani, S. A., Zurqani, H. A., Don White Jr, D., Bridges, K., & Shawn Jackson, S. (2024). Google Earth Engine application for mapping and monitoring drought patterns and trends: A case study in Arkansas, USA. Ecological Indicators. 168, 112759. https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2024.112759.
[33] Araghinejad, S. (2013). Data-driven modeling: using MATLAB® in water resources and environmental engineering. Springer Science & Business Media. 67.
[34] Bhuiyan, C., Singh, R. P., & Kogan, F. N. (2006). Monitoring drought dynamics in the Aravalli region (India) sing different indices based on ground and remote sensing data. International Journal of Applied Earth Observationand Geoinformation. 8, 289–302. doi:10.1016/j.jag.2006.03.002.
[35] Burka, A., Biazin, B., & Bewket, W. (2024). Spatial drought occurrences and distribution using VCI, TCI, VHI, and Google Earth Engine in Bilate River Watershed, Rift Valley of Ethiopia, Geomatics. Natural Hazards and Risk. 15(1). https://doi.org/10.1080/19475705.2024.2377672.
 [36] Du, L., Qingjiu, T., Tao, Y., Meng, Q., Jancso, T., Udvardy, P., & Huang, Y. (2013). A comprehensive drought monitoring method integrating MODIS and TRMM data. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation. 23(1), 245–25. doi:10.1016/j.jag.2012.09.010.
[37] Du, T.L.T., Du Bui, D., Nguyen, M.D., & Lee, H. (2018). Satellite-based، multi-indices for evaluation of agricultural droughts in a highly dynamic tropical catchment، Central Vietnam. Water (Switzerland). 10(5), 1-24.  doi:10.3390/w10050659.
[38] Ejaz, N., Bahrawi, J., Alghamdi, K. M., Rahman, K. U., & Shang, S. (2023). Drought Monitoring Using Landsat Derived Indices and Google Earth Engine Platform: A Case S tudy from Al-Lith Watershed. Kingdom of Saudi Arabia، Remote Sensing. 15(4), 984. doi:10.3390/rs15040984.
[39] Gidey, E., Dikinya, O., Sebego, R., Segosebe, E., & Zenebe, A. (2018). Analysis of the long-term agricultural drought onset، cessation، duration، frequency، severity and spatial extent using vegetation health index (VHI) in raya and its environs، Northern Ethiopia. Environmental Systems Research. 7(1), 1–18. doi:10.1186/s40068-018-0115-z.
[40] Gouveia, C.M., Trigo, R.M., Beguería, S., & Vicente-Serrano, S.M. (2016). Drought impacts on vegetation activity in the Mediterranean region: an assessment using remote sensing data and multi-scale drought indicators. Global and Planetary Change. doi: 10.1016/j.gloplacha.2016.06.011.
 [41] Jahangir, k., Wang, P., Xie, Y., Wang, L., & Li, L. (2018). Mapping MODIS LST NDVI Imagery for Drought Monitoring in Punjab Pakistan. IEEE. 6, 19898-19991. doi:10.1109/ACCESS.2018.2821717
[42] Javed, T., Li, Y., Feng, K., Ayantobo, O. O., Ahmad, S., Chen, X., Rashid, S., & Suon, S. (2021). Monitoring responses of vegetation phenology and productivity to extreme climatic conditions using remote sensing across different sub-regions of China. Environmental Science and Pollution Research. 28, 3644-3659. doi:10.1007/s11356-020-10769-1.
[43] Ji, T., Li, G., Yang, H., Liu, R. & He, T. (2018). Comprehensive drought index as an indicator for use in drought monitoring integrating multi-source remote sensing data: a case s tudy covering the Sichuan-Chongqing region. International Journal of Remote Sensing. 39(3), 786–809. doi: 10.1080/01431161.2017.1392635.
[44] Jiao, W., Zhang, L., Chang, Q., Fu, D., Cen, Y., & Tong, Q. (2016). Evaluating an enhanced vegetation condition index (VCI) based on VIUPD for drought monitoring in the continental United States. Remote Sensing. 8(3), 224. doi:10.3390/rs8030224.
[45] Li, K., Tong, Z., Liu, X., Zhang, J., & Tong, S. (2020). Quantitative assessment and driving force analysis of vegetation drought risk to climate change: Methodology and application in Northeast China. Agricultural and Forest Meteorology. 282, 107865. http://dx.doi.org/10.1016/j.agrformet.2019.107865.
[46] Liu, Q., Zhang, J., Zhang, H., Yao, F., Bai, Y., Zhang, S., Meng, X. & Liu, Q. (2021). Evaluating the performance of eight drought indices for capturing soil mois ture dynamics in various vegetation regions over China. Science of the Total Environment. 789, 147803. doi: 10.1016/j.scitotenv.2021.147803.
[47] McKee, T., & Doesken Kleist, N. (1993). The Relationship of Drought Frequency and Duration to Time Scales. Preprints 8th Conference on Applied Climatology. 17-22 January. Anaheim, CA. 170-184.
[48] Moisa, M. B., Merga, B. B., & Gemeda, D.O. (2022). Multiple indices-based assessment of agricultural drought: A case study in Gilgel Gibe Sub-basin, Southern Ethiopia. Theoretical and Applied Climatology. 148(1), 455–464. doi:10.1007/s00704-022-03962-4.
[49] Nejadrekabi, M., Eslamian, S., & Zareian, M. J. (2022). Spatial statistics techniques for SPEI and NDVI drought indices: A case study of Khuzestan Province. International Journal of Environmental Science and Technology. 19(7), 6573-6594. doi:10.1007/s13762-021-03852-8.
[50] Palchaudhuri, M., & Biswas, S. (2020). Application of LISS III and MODIS-derived vegetation indices for assessment of micro-level agricultural drought. The Egyptian Journal of Remote Sensing and Space Science. 23(2), 221–229.  doi:10.1016/j.ejrs.2019.12.004.
[51] Peng, J., Loew, A., Merlin, O., & Verhoest, N.E. (2017). A review of spatial downscaling of satellite remotely sensed soil moisture. Reviews of Geophysics. 55(2), 341-366. http://dx.doi.org/10.1002/2016RG000543.
[52] Pradhan, P., & Patra, S. (2024). Chapter 11 - Agricultural drought monitoring using Google Earth Engine: a study of Paschim Medinipur district, West Bengal. Modern Cartography Series. 12, 261-297. https://doi.org/10.1016/B978-0-443-23890-1.00011-6.
[53] Singh, R.P., Roy, S., Kogan, F. (2003). Vegetation and temperature condition indices from NOAA AVHRR data for drought monitoring over India. International Journal of Remote Sensing. 24(22), 4393-4402. https://doi.org/10.1080/0143116031000084323.
[54] Sun, B., Qian, J., Chen, X., & Zhou, Q. (2020). Comparison and Evaluation of Remote Sensing Indices for Agricultural Drought Monitoring over Kazakhstan. The International Archives of Photogrammetry. Remote Sensing and Spatial Information Sciences. 3, 899–903. doi:10.5194/isprs-archives-XLIII-B3-2020-899-2020.
[55] Tabassum, B., & Ahmed Khan, I. (2024). Comparative Analysis of Drought Indices on Google Earth Engine. Gu Journal of phytosciences, 4(1), 318-330, https://doi.org/10.5281/zenodo.10755127.
[56] Thilagaraj, P.,Masilamani, P., Venkatesh, R., & Killivalavan, J. (2021). Google Earth Engine based agricultural drought monitoring in Kodavanar Watershed, part of amaravathi basin, tamil nadu, india. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. XLIII-B5-2021 XXIV ISPRS Congress. 43-49.
[57] Wang, K., Li, T., & Wei, J. (2019). Exploring drought conditions in the Three River Headwaters Region from 2002 to 2011 using multiple drought indices. Water. 11(2), 190-210.  doi:10.3390/w11020190.
[58] Wassie, S. B., Mengis tu, D. A., & Birlie, A. B. (2022). Agricultural drought assessment and monitoring using MODIS-based multiple indices: the case of North Wollo. Ethiopia, Environmental Monitoring and Assessment. 194(11), 787.  doi:10.1007/s10661-022-10455-4.
[59] Zhang, L., Jiao, W., Zhang, H., Huang, Ch., & Tong, Q. (2017). Studying drought phenomena in the Continental United States in 2011 and 2012 using various drought indices. Remote Sensing of Environment. 190, 96-106. doi: 10.1016/j.rse.2016.12.010.
[60] Zhou, X., Wang, P., Tansey, K., Zhang, S., Li, H., & Wang, L. (2020). Developing a fused vegetation temperature condition index for drought monitoring at field scales usingg Sentinel-2 and MODIS imagery. Computers and electronics in agriculture. 168, 105144. http://dx.doi.org/10.1016/j.compag.2019.105144.