Regional frequency analysis of daily rainfall extremes using L-moments approach

ResumenLos valores extremos de precipitación diaria se encuentran entre los sucesos ambientales con consecuencias más desastrosas para la sociedad. La información sobre las magnitudes y frecuencias de las precipitaciones extremas es vital para el manejo sostenible de los recursos hídricos, la planeación de emergencias vinculadas con el clima y el diseño de estructuras hidráulicas. En este trabajo se analiza la frecuencia de precipitaciones diarias máximas en la provincia de Golestán, localizada en el noreste de Irán. Se trataron de encontrar distribuciones de frecuencias regionales adecuadas para precipitaciones máximas diarias y de predecir los valores de retorno de episodios extremos de precipitación (diseño de la profundidad de la precipitación). Se aplicó la regionalización de procedimientos de momentos-L, en conjunto con un método de indización de las precipitaciones, a los registros máximos de precipitación de 47 estaciones en el área de estudio. Debido a las complejas características geográficas e hidroclimatológicas de la región, un aspecto importante de la investigación fue la desagregación del área en subregiones coherentes y homogéneas. Así, se dividió el área de estudio en cinco regiones homogéneas con base en análisis de conglomerados de las características locales y en pruebas de homogeneidad regional. Los resultados de la precisión del ajuste indicaron que la mejor distribución es diferente para cada región homogénea. La diferencia puede deberse a las condiciones climáticas y geográficas distintivas de cada región. Los cuantiles regionales estimados y sus medidas de precisión, obtenidas mediante simulaciones de Monte Carlo, demuestran que la estimación de incertidumbre mediante valores de la raíz cuadrada del error cuadrático medio (RMSE, por sus siglas en inglés) y límites del error estadístico de 90%, es relativamente baja cuando los periodos de retorno son menores de 100 años. Sin embargo, para periodos más largos, las estimaciones de precipitación deben tomarse con cautela. Más años por estación, ya sea por registros más largos o por más estaciones en las regiones, se requerirían para estimaciones de precipitación mayores a T = 100 años. El análisis encontró que el índice de precipitación (promedio in situ de la máxima precipitación) puede estimarse razonablemente bien como una función de la precipitación media anual en la provincia de Golestán. Pueden utilizarse índices de precipitación combinados con curvas de crecimiento regional para calcular precipitaciones de diseños en sitios carentes de sistemas de medición. En general se encontró que el análisis de conglomerados, en conjunto con la técnica de análisis regional de frecuencias basada en momentos-L, puede aplicarse de manera exitosa para obtener estimados de precipitaciones de diseño en el noreste de Irán. El enfoque de este trabajo y sus resultados tienen gran importancia científica y mérito práctico, en particular para la planeación de emergencias relacionadas con el clima y el diseño de estructuras hidráulicas.

Daily extreme precipitation values are among environmental events with the most disastrous consequences for human society. Information on the magnitudes and frequencies of extreme precipitations is essential for sustainable water resources management, planning for weather-related emergencies, and design of hydraulic structures. In the present study, regional frequency analysis of maximum daily rainfalls was investigated for Golestan province located in the northeastern Iran. This study aimed to find appropriate regional frequency distributions for maximum daily rainfalls and predict the return values of extreme rainfall events (design rainfall depths) for the future. L-moment regionalization procedures coupled with an index rainfall method were applied to maximum rainfall records of 47 stations across the study area. Due to complex geographic and hydro-climatological characteristics of the region, an important research issue focused on breaking down the large area into homogeneous and coherent sub-regions. The study area was divided into five homogeneous regions, based on the cluster analysis of site characteristics and tests for the regional homogeneity. The goodness-of-fit results indicated that the best fitting distribution is different for individual homogeneous regions. The difference may be a result of the distinctive climatic and geographic conditions. The estimated regional quantiles and their accuracy measures produced by Monte Carlo simulations demonstrate that the estimation uncertainty as measured by the RMSE values and 90% error bounds is relatively low when return periods are less than 100 years. But, for higher return periods, rainfall estimates should be treated with caution. More station years, either from longer records or more stations in the regions, would be required for rainfall estimates above T=100 years. It was found from the analyses that, the index rainfall (at-site average maximum rainfall) can be estimated reasonably well as a function of mean annual precipitation in Golestan province. Index rainfalls combined with the regional growth curves, can be used to estimate design rainfalls at ungauged sites. Overall, it was found that cluster analysis together with the L-moments based regional frequency analysis technique could be applied successfully in deriving design rainfall estimates for northeastern Iran. The approach utilized in this study and the findings are of great scientific and practical merit, particularly for the purpose of planning for weather-related emergencies and design of hydraulic engineering structures.