A Global Assessment of Bimodality Underlying Normalized Drought Indices (SPI and SPEI)
このグローバルな評価は、SPIやSPEIといった正規化された干魃指数を支える単峰分布の仮定が、ほとんどの場所や用途において妥当であることを裏付けており、二峰性は、主に乾燥した季節性の強い地域における短い累積期間に限定される稀な現象であり、それは真の気候プロセスというよりもむしろデータ上のアーティファクトに起因することが多い。
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何十年もの間、気象学者や水資源管理者は、ある地域が危機的な状況にあるかどうかを判断するために、特定の降水量測定法に頼ってきました。彼らは単に昨日の降水量を見るのではなく、3ヶ月間や1年間といった一定の期間における降水量を調べ、その合計をその時期の「平年値」と比較します。この比較によって、その場所が通常よりも湿っているのか、あるいは乾燥しているのかを示すスコアが作成されます。これらの生の数値をスコアに変換するために、科学者たちは、あらゆる場所の降水パターンが単一の滑らかな曲線に従うと仮定する数学的ツールを使用しています。中央に一つの頂点を持つ丘を想像してみてください。この形状は、ほとんどの年は平均的であり、極端に湿った年や極端に乾燥した年は少なく、それらの状態の変化が緩やかであることを示唆しています。この仮定は、世界の干魃モニタリングの基礎となってきましたが、これまでは、現実の世界がいたるところでこの「一つの丘」の形状に実際に適合しているかどうかを徹底的に検証した人は誰もいませんでした。
研究チームは、この長年の仮定を検証するために、地球全体を対象とした調査を行いました。彼らは、降水量のデータが、単一の頂点ではなく、二つの明確な頂点を形成することがあるのかどうかを知りたいと考えました。現実の世界における二峰性のパターンとは、その場所が二つの全く異なるタイプの天候の年を持っていることを意味します。例えば、非常に乾燥した年の集まりと、それとは別の非常に湿った年の集まりがあり、その中間となる年はほとんど存在しないといった状態です。もしこの「二つの丘」のパターンが存在する場合、干魃スコアを算出するために使用される標準的な数学的ツールは誤解を招く可能性があり、乾燥の真の深刻さを隠してしまったり、湿潤な時期を誤認したりする恐れがあります。研究者たちは、この二峰性の挙動が気候の一般的な特徴なのか、それとも稀な例外なのかを確認するため、1901年から2021年までの降水データを調べ、世界の気候記録を精査しました。
二つの主要な全球気候データセットを分析したこの研究は、二峰性のパターンに対する懸念は、世界の大部分においてほとんど根拠がないことを明らかにしました。研究者たちは、単一の丘の仮定が、ほとんどの場所およびほぼすべての季節において正しいことを発見しました。二峰性（二つの頂点を持つこと）は、稀な現象であることが分かりました。それが現れる場合は、サハラ砂漠の縁、アラビア半島、そしてオーストラリアや南米の一部のような、高温で乾燥した地域にほぼ限定されていました。こうした乾燥した地域であっても、二峰性のパターンが見られるのは、3ヶ月間の降水蓄積量のような、非常に短い時間枠で見た場合に限られていました。研究者が6ヶ月や1年といったより長い期間を調べると、二つの頂点は消失し、再び一つの滑らかな曲線へと統合されました。これは、乾燥した砂漠における特定の月には二つの異なる気象モードが存在する可能性があるものの、より長いスパンでの気候は、これらの違いを平滑化することを示唆しています。
研究者たちはまた、なぜ一部のデータが本来示すべきではない二つの頂点を示しているのかについても調査しました。彼らは、二峰性のパターンに見える現象の多くは自然によるものではなく、データ自体のエラーによるものであることを発見しました。ある場所では、欠損データが適切なフラグなしに平均値で補完されたために、記録の中に同一の数字が長く続く箇所がありました。他の場所では、データが少数の特定の数値に丸め込まれており、それが人工的なスパイク（突出）を生み出し、第二の頂点のように見せていました。これらのデータエラーを取り除くと、真の二峰性パターンを示す場所の数は大幅に減少しました。また、研究では、降水量がゼロの日を含めることが結果にどのように影響するかについても検討しました。ゼロの降水日を含めることは乾燥地帯における二峰性の出現を増加させましたが、研究者たちは、標準的な干魃計算では通常これらのゼロを別途処理しているため、これはほとんどの利用者にとって大きな実務上の問題ではないと指摘しました。
研究者たちが、蒸発や植物による水利用も考慮した、より複雑な降水指数と比較したところ、結果は一貫していました。より複雑なバージョンは、二峰性の事例をさらに少なく示しており、物理的な詳細を計算に加えることで、データがむしろ単一の滑らかな曲線に近づくことを示唆しています。研究は、干魃モニタリングの規則を二峰性が侵害するという懸念は誇張されていると結論付けました。地球上の圧倒的多数の場所において、また干魃モニターが最も一般的に使用する時間スケールにおいて、単一の丘のモデルは正確です。このモデルが苦戦する可能性がある数少ない場所は、北緯30度から南緯30度の間の、特定の季節的な乾燥気候を持つ地域に限定されており、かつ非常に短い時間枠で見ている場合に限られます。
干魃を追跡する科学者や当局にとって、この発見は安堵をもたらすものです。これは、彼らが世界の大部分において、既存の信頼できる手法を用いて干魃スコアを計算し続けられることを意味しています。しかし、本研究は、明瞭な湿潤期と乾燥期を持つ乾燥地域で活動する人々に対して、具体的な警告も提示しています。これらの特定のゾーン、特に3ヶ月間の短い窓を用いている場合には、データが二つの明確な頂点を持っていないか、素早く確認することが賢明です。もし二峰性が見つかった場合には、それを扱うためのより高度な数学的ツールが存在しますが、それらはごく一部のケースにおいてのみ必要とされるものです。この研究は、単純な単一曲線のアプローチが堅牢であり、世界の複雑な気候を驚くほどの正確さで処理できていることを裏付けています。そして、稀な例外は、科学の根本的な欠陥というよりも、通常はデータの特性によるものであることを示しています。
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