Analysis of annual hydrological droughts: the case of northwest Ontario, Canada

Abstract

Two important parameters of hydrological droughts are the longest duration and the greatest severity (in standardized form) over a desired return period (say T years), referred to as critical drought. The long-term mean of the annual flow sequences has been used as the truncation level for defining hydrological drought. Two well-known approaches—time series simulation and a probability theory-based approach—were used to estimate drought parameters. The drought episodes are treated as runs of deficits, and so the theory of runs forms a major tool for analysis. The sample estimates of the mean, coefficient of variation (or standard deviation), skewness, lag-1 serial correlation, and/or information on the probability distribution of flow sequences, are the basic input parameters in both approaches. The applicability of both approaches was tested for deducing drought parameters across Canada, with emphasis on northwest Ontario, a region bordering Lake Superior. Natural annual flow sequences in this region can be treated as normal independent sequences in the stochastic sense. The results of the probabilistic approach yielded marginally better results than the simulation approach. A main advantage of the probabilistic approach turned out to be parsimony with only two parameters, viz. drought probability at the truncation level and return period for normal independent annual flow sequences. Furthermore, estimates of the greatest standardized severity can be taken as equal to the longest duration, thus eliminating the need for severity analysis. The regional variation of droughts in northwest Ontario was portrayed through a map plotting the values of drought potential index (DPI). In northwest Ontario, a 100-year drought may persist continuously for 6 years and a 25-year drought for 4 years. The DPI map indicated proneness to drought along the Ontario—Manitoba border in the northwest Ontario region. Deux paramètres importants des sécheresses hydrologiques sont la plus longue durée et la plus intense sévérité (sous forme standardisée) pendant une période de retour considérée (soit T années), caractérisant la sécheresse critique. La moyenne à long terme et les séquences de débit annuel ont été utilisées comme niveau de troncature pour définir la sécheresse hydrologique. Deux approches bien connues—la simulation de série temporelle et l'approche probabiliste théorique—ont été utilisées pour estimer les paramètres de sécheresse. Les épisodes de sécheresse sont traités comme des séquences (“runs”) de déficit, si bien que la théorie des séquences est un outil d'analyse primordial. Les estimations expérimentales de la moyenne, de l'écart type, de l'asymétrie, de la corrélation sérielle avec décalage, et/ou une information sur la distribution de probabilité des séquences d'écoulement sont les paramètres d'entrée de base pour chacune des deux approches. L'applicabilité des deux approches a été testée pour déduire les paramètres de sécheresse à travers le Canada, avec une priorité dans le nord-ouest de l'Ontario, une région riveraine du Lac Supérieur. Les séquences d'écoulement annuel naturel de cette région peuvent être traitées comme des séquences indépendantes normales au sens stochastique. Les résultats de l'approche probabiliste ont donné des résultats marginalement meilleurs que l'approche par simulation. La parcimonie s'est révélé être un point fort de l'approche probabiliste avec seulement deux paramètres, en l'occurrence la probabilité de sécheresse au niveau de troncature et la période de retour des séquences indépendantes normales d'écoulement annuel. De plus, les estimations de la plus intense sévérité standardisée peuvent être considérées comme étant égales à la plus longue durée, rendant non-nécessaire l'analyse de la sévérité. La variation régionale des sécheresses dans le nord-ouest de l'Ontario a été représentée sous la forme d'une carte des valeurs de l'indice de sécheresse potentielle (ISP). Dans le nord-ouest de l'Ontario, les sécheresses de période de retour 100 et 25 ans peuvent persister pendant 6 et 4 ans respectivement. La carte de l'ISP indique une prédisposition à la sécheresse le long de la frontière entre Ontario et Manitoba dans le nord-ouest de l'Ontario.