Detection of change in drought frequency in the Elbe basin: comparison of three methods

Abstract

A comparison study is presented of three methods for evaluating trends in drought frequency: the standardized precipitation index (SPI), the Palmer drought severity index (PDSI), and a new method for estimation of dry spells (DS), which is based on average daily temperature and precipitation, and takes into account the length of a spell. The methods were applied to climate data from 450 stations in the Elbe River basin for the period 1951–2003, as well as data from several stations with longer observed time series. Statistical methods were used to calculate trend lines and evaluate the significance of detected trends. The dry spells estimated with the new method show significant trends in the whole lowland part of the Elbe basin during the last 53 years, and at the 10% level almost everywhere in the German part of the basin excluding mountains and the area around the river mouth. The SPI and PDSI methods also revealed significant trends, but for smaller areas in the lowland. The new DS method provides a useful supplement to other drought indices for the detection of trends in drought frequency. Furthermore, the DS method was able to detect statistically significant trends in areas where the other two methods failed to find significant trends, e.g. in the loess region in the southwest of the German part of the basin, where small insignificant changes in climate can lead to significant changes in water fluxes. This is important, because the loess region is the area within the basin having the highest crop yields. Therefore, additional research has to be done to investigate possible impacts of detected trends on water resources availability, and possible future trends in drought frequency under climate change. Cet article présente une étude de comparaison de trois méthodes pour évaluer les tendances de la fréquence des sècheresses: l'indice de précipitation standardisé (SPI), l'indice de sévérité de la sècheresse de Palmer (PDSI), et une nouvelle méthode pour l'estimation des episodes de sècheresse (DS) basée sur la température moyenne et la précipitation journalières, et prenant en compte la durée de l'épisode. Ces méthodes ont été appliquées sur le bassin de l'Elbe en utilisant les données climatiques de 450 stations pour la période 1951–2003, ainsi que de plusieurs stations disposant d'observations sur des périodes plus longues. Des méthodes statistiques ont été employées pour calculer des tendances et déterminer si elles sont significatives. Les episodes de sècheresse estimés avec la nouvelle méthode montrent des tendances significatives dans toute la partie basse du bassin de l'Elbe au cours des 53 dernières années. Avec un seuil significatif de 10%, presque toute la partie allemande du bassin versant montre une tendance, à l'exception des zones de montagne ainsi que de la région près de l'embouchure. Les méthodes SPI et PDSI révèlent aussi des tendances significatives, mais pour de plus petites régions dans le bas pays. La nouvelle méthode DS apporte une information supplémentaire par rapport aux autres indices de sècheresse pour la détection de tendances dans la fréquence des sècheresses. De plus, la méthode DS a pu détecter des tendances statistiquement significatives dans des régions où les autres méthodes n'ont pas pu en détecter. Par exemple, dans les régions de lœss du sud-ouest de la partie allemande du bassin versant, de faibles changements climatiques non significatifs peuvent conduire à des changements significatifs des flux hydrologiques. C'est un point important, car cette région de lœss est la région du bassin versant qui génère les plus hauts rendements agricoles. Il faut donc poursuivre les recherches afin d'examiner les possibles impacts de ces modifications de tendances sur la disponibilité des ressources en eau, et de déterminer les tendances futures possibles des fréquences de sècheresse accompagnant le changement climatique.