evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

43
Supplementary material Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise in southern Europe Sergio M. Vicente-Serrano 1 , Juan-I. Lopez–Moreno 1 , Santiago Beguería 2 , Jorge Lorenzo–Lacruz 1 , Arturo Sanchez–Lorenzo 3 , José M. García–Ruiz 1 , Cesar Azorin–Molina 1 , Enrique Morán-Tejeda 1 , Jesús Revuelto 1 , Ricardo Trigo 4 , Fatima Coelho 5 , Francisco Espejo 6 1 Instituto Pirenaico de Ecología, Consejo Superior de Investigaciones Científicas (IPE–CSIC), Spain, 2 Estación Experimental de Aula Dei (EEAD–CSIC), Zaragoza, 3 Department of Physics, University of Girona, Girona, Spain, 4 Instituto Dom Luiz, Universidade de Lisboa, Lisboa, Portugal, 5 Instituto Português do Mar e da Atmosfera, I.P. Departamento de Meteorologia e Geofísica, Portugal, 6Agencia Estatal de Meteorologia (AEMET), Spain * Corresponding author: [email protected] This document contains: 1. Supplemental material and methods 1.1. Climate Datasets 1.2. Calculation of the Reference Evapotranspiration (ET 0 ) 1.3. Drought index calculation 2. Supplemental Figures 1 to 28 and Supplementary Tables 1 and 2 3. Supplementary references

Upload: builien

Post on 08-Jan-2017

218 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

Page 1: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

Supplementary material 

Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise in southern Europe

Sergio M. Vicente-Serrano1, Juan-I. Lopez–Moreno1, Santiago Beguería2, Jorge Lorenzo–Lacruz1, Arturo Sanchez–Lorenzo3, José M. García–Ruiz1, Cesar Azorin–Molina1, Enrique Morán-Tejeda1, Jesús Revuelto1, Ricardo Trigo4, Fatima Coelho5, Francisco Espejo6 1 Instituto Pirenaico de Ecología, Consejo Superior de Investigaciones Científicas (IPE–CSIC), Spain, 2 Estación Experimental de Aula Dei (EEAD–CSIC), Zaragoza, 3 Department of Physics, University of Girona, Girona, Spain, 4 Instituto Dom Luiz, Universidade de Lisboa, Lisboa, Portugal,  5 Instituto Português do Mar e da Atmosfera, I.P. Departamento de Meteorologia e Geofísica, Portugal, 6Agencia Estatal de Meteorologia (AEMET), Spain

* Corresponding author: [email protected]  

 

This document contains: 

1. Supplemental material and methods 

1.1. Climate Datasets 

1.2. Calculation of the Reference Evapotranspiration (ET0) 

1.3. Drought index calculation 

2. Supplemental Figures 1 to 28 and Supplementary Tables 1 and 2 

3. Supplementary references 

   

Page 2: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

1. Supplementary material and methods 

1.1. Climate Datasets 

Only the first‐order meteorological stations (113) in the weather observation networks of Spain and Portugal 

measure  all  the  variables  necessary  to  calculate  drought  indices,  taking  into  account  both  precipitation 

inputs  and  robust  estimates  of  the  evaporative  demand  by  the  atmosphere. Using  the  Spanish  records, 

Sanchez‐Lorenzo et al.  (2007) created a homogeneous dataset of sunshine duration since the beginning of 

the 20th century. González‐Hidalgo et al. (2011) developed a dense and homogeneous precipitation dataset 

for Spain, which was extended to Portugal by Lorenzo‐Lacruz et al. (2013). For Spain, Vicente‐Serrano et al. 

(2014) obtained 50 homogeneous  time  series of  relative humidity, maximum and minimum  temperature, 

and surface pressure. These studies used common methodologies for quality control, and reconstruction and 

homogenization of the series. Quality control was based on comparison of the rank of each data record with 

the average  rank  for  the data  recorded at adjacent meteorological stations  (Vicente‐Serrano et al., 2010). 

The standard normal homogeneity  test  (SNHT)  for single breaks, developed by Alexandersson  (1986), was 

used to detect inhomogeneities. As reliability in detecting inhomogeneities is only possible through the use 

of relative homogeneity methods, based on information from neighboring meteorological stations, reference 

series were calculated for each station. The approach of Peterson and Easterling (1994) was used; this relies 

on data from several neighboring stations, which are used to create a reference series for each station and 

variable. The AnClim software (Stepánek, 2007) (available at ; last accessed 1 September 2013) was used in 

applying the SNHT to each meteorological station. Data identified as nonhomogeneous were corrected using 

monthly  coefficients,  and  temporal  gaps  were  filled  using  linear  regressions  based  on  the  respective 

reference series. 

Azorin‐Molina et al. (2014) have recently developed a homogeneous dataset of wind speed at 10 m height 

for the entire  IP. Although the quality control for wind speed data was similar to that applied to the other 

variables cited above, homogeneity testing was slightly different because the reference series were derived 

from  a  climate  version  of  the  Pennsylvania  State  University/National  Center  for  Atmospheric  Research 

numerical model, also known as the MM5 suite. This procedure was followed because  in areas of complex 

topography  surrounded  by  ocean/sea  surfaces,  as  is  the  case  for  the  IP,  the  spatial  dependency  among 

meteorological stations can markedly degrade over short distances. 

We  used  the  datasets  cited  above,  updated  to  2011,  as  they  were  the most  reliable  available  for  the 

meteorological  variables  needed  to  obtain  robust  estimates  of  ET0.  The  series  needed  for  Portugal were 

processed  following the same approaches  indicated above. A total of 46 stations providing data on all  the 

necessary meteorological variables were available for continental Spain and the city of Melilla,  in northern 

Africa, and 8  series were available  for Portugal. Therefore, 54  series were available  for  the period 1961–

Page 3: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

2011. The station names, coordinates and elevations are shown  in Supplementary Table 1, and the spatial 

distribution of the series is shown in Supplementary Figure 1. 

To test the reliability of the estimates of ET0 used  in the drought  indices, we used data series  for pan and 

Piché  evaporimeters  in  Spain  (Sanchez‐Lorenzo  et  al.,  2013). Although  the measurements  obtained  from 

these  evaporimeters  do  not  correspond  directly  to  the  ET0  (they  correspond  to  direct  evaporation 

measurements under no water  restrictions),  they were assumed  to be  consistent with ET0 data. Sánchez‐

Lorenzo  et  al.  (2013) developed  a homogeneous dataset of  the  available pan  and Piché  series  for  Spain. 

Given  the  low spatial density of  the pan evaporation series  (19), a  recently developed method  (HOMER – 

HOMogenization  software  in R‐)  (Mestre et  al., 2013) was used  to  test  inhomogeneity  in  the  series. This 

method compares each candidate series with other available series, without the need to create a reference 

series. Piché measurements were also available for the 19 meteorological stations having pan evaporation 

series  from  1984,  enabling  comparison  between  the  two  evaporation  measurements.  The  Piché 

evaporimeter series are  longer, and are available  from  the 1960s  for 32 of  the 46 meteorological stations 

having data on the variables necessary to calculate ET0. This enabled a comparison between the evolution of 

the ET0 and Piché evaporation for these meteorological stations. Supplementary Figure 26 shows the source 

locations of  the Piché and pan evaporation  series, and  the meteorological  stations having  common Piché 

data and data on the variables necessary to calculate ET0. 

 

 

   

Page 4: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

1.2. Calculation of the Reference Evapotranspiration (ET0) 

Estimating the evaporative demand of the atmopshere is really only possible locally, because in addition to 

atmospheric  (meteorological)  conditions  it  is  also  influenced  by  surface  conditions  (e.g.  type  of  surface, 

vegetation type, soil conditions). For this reason the parameter Reference Evapotranspiration (ET0) has been 

established.  This  is  defined  as  the  evapotranspiration  rate  from  a  reference  surface  with  no  water 

constraints. Allen et al. (1998) strongly discouraged the use of other concepts including potential ET, because 

of  ambiguities  in  their  definitions. Moreover,  ET0  enables  assessment  of  the  evaporative  demand  of  the 

atmosphere  independently of vegetation type and growth conditions, and  it  is spatially comparable among 

different climate regions. This is because ET0 measurements refer to the ET from the same reference surface, 

and the only factors affecting ET0 are climatic parameters. Consequently,  it can be considered to equate to 

the  evaporative  demand  by  the  atmosphere,  and  according  to  Allen  et  al.  (1998)  “ET0  expresses  the 

evaporating power of the atmosphere at a specific  location and time of the year and does not consider the 

crop characteristics and soil factors.” Although transpiration accounts for the majority of water  loss to the 

atmosphere (Jasechko et al., 2013), evaporation and transpiration occur simultaneously and there is no easy 

way of distinguishing these two processes; they are considered together when atmospheric water demand is 

estimated. 

Evapotranspiration is a climate phenomenon because solar radiation, air temperature, air humidity and wind 

speed  determine  the  evaporation  demand  by  the  atmosphere.  Thus,  ET0  can  be  computed  from 

meteorological  data.  From  the  1940s  numerous  methods  were  developed  for  computing  ET0.  The 

International Commission for Irrigation (ICID), the Food and Agriculture Organization of the United Nations 

(FAO), and the American Society of Civil Engineers (ASCE) have adopted the Penman‐Monteith (PM) method 

(Allen et al., 1998; Penman, 1948 and 1963; Walter et al., 2000) as  the  standard  for  computing ET0  from 

climate data. The PM method  is widely used because  it  is predominantly a physically‐based approach that 

can be  used  globally,  and has been widely  tested using  lysimeter data obtained under  a  broad  range  of 

climate conditions  (Allen et al., 1994; Ventura et al., 1999;  Itenfisu et al., 2000; López‐Urrea et al., 2006). 

Therefore,  the  FAO  PM method  is  recommended  as  the  standard,  and  the  use  of  older  FAO  or  other 

reference ET methods is no longer encouraged (Allen et al., 1998). In this study we used the PM method to 

calculate ET0 from 1961 to 2011 for each of the 54 meteorological stations. 

The FAO PM method was developed by defining the reference crop as a hypothetical crop with an assumed 

height  of  0.12 m,  a  surface  resistance  of  70  s m–1  and  an  albedo  of  0.23.  This  closely  approximates  the 

evaporation expected from an extensive surface of actively growing and adequately watered green grass of 

uniform height, and is defined by the equation: 

 

Page 5: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

0.408∆900273

∆ 1 0.34 

 

where ET0 is the reference evapotranspiration (mm day–1), Rn is the net radiation at the crop surface (MJm–2 

day–1), G is the soil heat flux density (MJ m–2 day–1), T is the mean air temperature at a height of 2 m (°C), u2 

is  the wind  speed  at 2 m height  (m  s–1),  es  is  the  saturation  vapor pressure  (kPa),  ea  is  the  actual  vapor 

pressure  (kPa),  es–ea  is  the  saturation  vapor  pressure  deficit  (kPa),    is  the  slope  vapor  pressure  curve 

(dependent on temperature) (kPa °C–1) and  is the psychrometric constant (kPa °C–1). 

The main drawback of the PM method is the relatively large amount of data involved, as it requires data on 

solar radiation, temperature, wind speed and relative humidity (Valiantzas, 2006). For this reason numerous 

alternative methods have been developed  to  calculate ET0 using  less data.  In  this  study we also used  six 

other  widely  used  methods  that  require  much  less  information.  This  was  done  to  assess  the  possible 

influence of the selected ET0 method on the computation of drought severity  in the IP. These methods are 

described below: 

 

a) The Thornthwaite equation (Thorthwaite, 1948) 

This is one of the simplest and most widely used approaches to calculation of ET0, and only requires data on 

monthly mean temperature. The ET0 (mm month–1) is obtained using the equation: 

1610

 

 where I is a heat index (calculated as the sum of 12 monthly index values i, which is derived from the mean 

monthly  temperature  as

 

),  m  is  a  coefficient  depending  on  I  (

),and K is a correction coefficient computed as a function of 

the  latitude and month using the equation , where NDM  is the number of days of the 

month and N is the total daytime hours for the month. 

 

b) The Linacre equation (Linacre, 1977) 

Linacre simplified the PM equation in relation to a vegetation surface having an albedo of 25% and no water 

limitations. In this method ET0 (mm day–1) is calculated using the equation: 

514.1

5

Ti

492.079.171.775.6 22537 IEIEIEm

3012

NDMNK

Page 6: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

500 100 15 0.0023 0.37 0.53 0.35 10.9⁄

80 

where Tm = T + 0.006h, h  is  the elevation above sea  level  (m), A  is  the  latitude  in degrees, and Ran  is  the 

difference between the average mean temperature of the warmest and coldest month. 

 

c) The Hargreaves equation (Hargreaves and Samani, 1985) 

This method only  requires  information on  the maximum and minimum  temperatures, and extraterrestrial 

solar radiation. The ET0 (mm month–1) is calculated using the equation: 

0.0023 . 17.8            

where R is the difference between the maximum and minimum monthly average temperatures (°C), and Ra is

the extraterrestrial solar radiation (mm day–1)

d) The Turc equation (Turc, 1955) 

This method is based on an empirical relationship in which ET0 is calculated using the relative humidity, the 

average  temperature,  and  the  solar  radiation.  ET0  (mm  month–1)  is  a  function  of  the  average  relative 

humidity.  If  the monthly average  relative humidity  is > 50%, ET0 = 0.40  [T/(T +15)]  (23.884RS + 50).  If  the 

monthly average relative humidity  is < 50%, ET0 = 0.40  [T/(T +15)]  (23.884RS + 50)[1+(50–RH)/70].  In these 

equations Rs is the solar radiation (MJ m–2 day–1) and RH is the mean relative humidity (%). 

 

e) The FAO‐Blaney‐Criddle equation (Doorenbos and Pruitt, 1975) 

This is a modification of the original Blaney‐Criddle method, which includes the influence of radiation, wind 

speed and relative humidity. The equation is derived from a calibration using lysimeter measurements. The 

ET0 (mm day–1) is calculated using the equations (Frevert et al., 1983): 

0.46 8.13 , 

0.0043 1.41 and 

0.81917 0.0040922 1.0705 0.065649 0.0059684

0.000597  

Page 7: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

where RHmin  is the minimum monthly average relative humidity (%) and n  is the observed monthly average 

number of sun hours (h). 

 

f) The radiation method (Doorenbos and Pruitt, 1975) 

The equation proposed for this method is: 

∆∆

 

where Rs is the solar radiation (mm day–1). The coefficients a and b can be obtained according to Frevert et al.

(1983), where a = –0.3 and 1.0656 0.0012795 0.044953 0.00020033

0.000031508 0.0011026 .

Allen et al. (2008) detailed (chapter 3 of the FAO‐56 publication) the variables required to obtain the various 

parameters  in  the equations  listed  above. These  include:  i) monthly  average maximum  and minimum  air 

temperatures (°C); ii) monthly average actual vapor pressure (ea; kPa); iii) average monthly net radiation (MJ 

m–2 day–1); and iv) monthly average wind speed (m s–1) measured 2 m above ground level. Among these, ea is 

not measured at meteorological stations, but can be calculated from relative humidity and temperature. In 

addition,  the monthly average net solar radiation  is not commonly available  from meteorological stations, 

and this parameter is usually estimated from the monthly average of daily sunshine hours, measured using 

sunshine duration  recorders  (e.g.  the Campbell‐Stokes  recorder). Among  the other necessary parameters, 

the soil heat flux density (G) was estimated using monthly mean temperatures. The extraterrestrial radiation 

(Ra) was calculated based on the day of the year, and net and surface solar radiation (Rn and Rs, respectively) 

were  obtained  using  the  extraterrestrial  radiation  and  the  relative  sunshine  duration.  The  psychrometric 

constant was obtained using data for atmospheric pressure (kPa). The mean saturation pressure (es) and the 

slope  of  the  saturation  vapor  pressure  curve  () were  obtained  using monthly maximum  and minimum 

temperatures. Wind  speed  is measured at  the meteorological  stations, but  commonly at 10 m above  the 

ground (the standard anemometer height). To adjust wind speed data to the standard height of 2 m above 

ground, a logarithmic relationship was used (Allen et al., 1998). 

 

   

Page 8: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

1.3. Drought index calculation 

Drought  is among  the most complex  climatic phenomena affecting  society and  the environment  (Wilhite, 

1993). At the root of this complexity is the difficulty of quantifying drought severity. Droughts are identified 

by their effects on various systems  (e.g., agriculture, water resources, ecology,  forestry, economy), but no 

physical  variable  can  be  used  as  a measure  to  quantify  drought  severity.  Thus,  droughts  are  difficult  to 

pinpoint  in  time and space because of  the complexity of establishing  the  time when a drought starts and 

ends, and quantifying its duration, magnitude and spatial extent (Wilhite, 2000; Burton et al., 1978). 

These  problems  explain  the  vast  scientific  effort  devoted  to  developing  tools  to  enable  objective  and 

quantitative  evaluation  of  drought  severity.  Drought  impacts  are  commonly  quantified  using  so‐called 

drought  indices, which are proxies based on climate  information and are assumed  to adequately quantify 

the  degree  of  drought  hazard  for  sensitive  systems.  Recent  reports  have  reviewed  the  development  of 

drought  indices and compared their advantages and drawbacks (Heim, 2002; Keyantash and Dracup, 2002; 

Mishra and Singh, 2010; Sivakumar et al., 2010). 

The most widely  used  drought  indices  for  drought  analysis  and monitoring  are  the  SPI  and  the  Palmer 

Drought Severity Index (PDSI). The SPI was increasingly used during the last two decades because of its solid 

theoretical development, robustness and versatility in drought analyses (Redmond, 2002). It is based on the 

conversion  of  precipitation  data  to  probabilities  based  on  long‐term  precipitation  records  computed  for 

different  time  scales.  Probabilities  are  transformed  to  standardized  series  with  an  average  of  0  and  a 

standard deviation of 1. The main advantage of  the SPI  is  that  it  facilitates analysis of drought  impacts at 

various temporal scales (Edwards and McKee, 1997), which  is advantageous because different systems and 

regions can respond to drought conditions at very different time scales (Vicente‐Serrano and López‐Moreno, 

2005; Szalai et al., 2000; Fiorillo and Guadagno, 2010; Lorenzo‐Lacruz et al., 2010; Khan et al., 2008; Vicente‐

Serrano et al., 2011). Several studies have demonstrated variation  in the response of agricultural (Vicente‐

Serrano et al., 2006; Quiring and Ganesh, 2010; Potop et al., 2012) and ecological variables  (Ji and Peters, 

2003;  Vicente‐Serrano,  2007;  Pasho  et  al.,  2011;  Vicente‐Serrano  et  al.,  2011)  to  different  drought  time 

scales. Given  its substantial advantages  in quantifying and monitoring droughts, the SPI has been accepted 

by the World Meteorological Organization (WMO) as the reference drought index. In the 'Lincoln Declaration 

on Drought Indices', 54 experts from all regions of the world agreed on the use of a universal meteorological 

drought  index  for more  effective  drought monitoring  and  climate  risk management.  They  reached  the 

significant  consensus agreement  that  the SPI  should be used by national meteorological and hydrological 

services  worldwide  to  characterize  meteorological  droughts  (Hayes  et  al.,  2011).  The  WMO  provides 

standard guidelines and software to calculate the SPI (WMO, 2012). 

Page 9: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

The  main  problem  with  the  SPI  is  that  it  is  based  only  on  precipitation.  Its  calculation  relies  on  two 

assumptions:  i)  that variability  in precipitation  is much higher  than  that of other variables  that also affect 

drought severity, including temperature and ETo; and ii) the other variables are stationary (i.e., they have no 

temporal  trend).  In  this  scenario  the  importance  of  these  other  variables  is  negligible,  and  droughts  are 

controlled by temporal variability in precipitation. This explains why although the WMO recommends the SPI 

for drought quantification. 

However, studies focused on drought trends and changes under the current global warming scenario mainly 

use  the  PDSI.  The  PDSI  represents  a  landmark  in  the  development  of  drought  indices.  It  enables 

measurement  of  both wetness  (positive  value)  and  dryness  (negative  values),  based  on  the  supply  and 

demand concepts of the water balance equation, and thus incorporates prior precipitation, moisture supply, 

runoff and evaporation demand at the surface level (Karl, 1983 and 1986; Alley, 1984). The PDSI is calculated 

based on precipitation and temperature data, as well as the water content of the soil. All the basic terms of 

the  water  balance  equation  can  be  determined  from  those  inputs,  including  evapotranspiration,  soil 

recharge,  runoff,  and moisture  loss  from  the  surface  layer.  Thus,  the  PDSI  uses  both  precipitation  and 

evaporative demand of the atmosphere as the main  inputs for calculation, and  is sensitive to variations  in 

both  terms. Hu and Willson  (2000) assessed  the effect of precipitation and  temperature on  the PDSI, and 

found  that  the  index responded equally  to changes of similar magnitude  in each variable. Only where  the 

temperature  fluctuation was  smaller  than  that  of  precipitation was  variability  in  the  PDSI  controlled  by 

precipitation. 

 In a global‐scale study based on observed temperature evolution for the period 1900–2008, Dai (2011) used 

the  PDSI  to  confirm  that  drought  severity  is  increasing  as  a  consequence  of  observed  warming.  The 

numerous known problems and deficiencies  in use of  the PDSI  for drought quantification and monitoring 

have  been  reviewed  (Karl,  1986; Alley,  1984;  Soulé,  1992; Akinremi  et  al.,  1996; Weber  and Nkemdirim 

1998). One of  the main problems  is  that  the parameters necessary  to  calculate  the PDSI are determined 

empirically, and most of the data used in testing the index were derived in the USA and are not applicable to 

other regions (Akinremi et al., 1996), significantly  limiting geographical comparisons (Heim, 2002; Guttman 

et al., 1992). This problem was partially solved by development of the self‐calibrated (sc) PDSI (Welles et al., 

2004), but the problems in spatial comparability in drought severity have not been completely solved. Wells 

et al. (2004) stated that: “It  is  important to note that, while the (sc)PDSI  is more spatially comparable than 

the PDSI…,  it  is not as comparable as an  index computed using nonlinear methods  (e.g.,  the Standardized 

Precipitation Index).” The problems of spatial comparability for the PDSI and (sc)PDSI were clearly illustrated 

by Vicente‐Serrano et al. (2010), who showed that the PDSI represents water deficits at different time scales, 

depending on  the  region under  consideration. This problem was  initially  investigated by Guttman  (1998), 

who showed that the spectral characteristics of the PDSI varied from site to site.  In other words, the time 

Page 10: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

scales of the PDSI and the sc‐PDSI are not fixed because they depend on the characteristics of the sites, and 

vary  spatially.  This makes  it  difficult  to  assess what  kind  of  deficit  the  index  is  representing,  and makes 

spatial comparisons problematic. The non‐normality of the (sc)PDSI series (which shows more frequent dry 

than  humid  periods  in  different  regions  of  the world),  and  uncertainties  in  estimates  of  the water  field 

capacity also  limit  its use. Thus, Karl  (1986) analyzed the sensitivity of the PDSI to the water field capacity 

parameter and, consistent with the findings of Weber and Nkemdirim (1998), reported that areas of greater 

water field capacity are more likely to be affected by drought. Moreover, the PDSI lacks flexibility to adapt to 

the intrinsic multi‐scalar nature of drought, which is necessary in determining the varied impacts of drought 

for hydrological, ecological and agricultural systems (Vicente‐Serrano et al., 2011). 

For these reasons the use of a robust non‐linear drought  index, which can be calculated on different time‐

scales and can account for the effect of both precipitation and ET0 on drought severity, appears preferable to 

use  of  the  PDSI  (or  scPDSI).  The  SPEI  resolves  the main  criticism  of  the  SPI,  namely  that  it  is  based  on 

precipitation  data  alone.  It  also  combines  the  sensitivity  of  the  PDSI  to  changes  in  evaporation  demand 

(caused by  temperature  fluctuations and  trends), and  the simplicity of calculation and  the multi‐temporal 

nature of the SPI. As the SPI, the SPEI is perfectly comparable in time and space, and across different time‐

scales, as  it  corresponds  to a  standard normal  variable. Thus,  the  same  SPEI  values occur with  the  same 

frequency  in all  regions of  the world,  independent of  the climate characteristics of  the  region. This  index 

provides objective  information on climatic drought conditions, as  it  relies only on climate data and  is not 

influenced  by  external  variables.  It  is  able  to  identify  climate  change  processes  related  to  changes  in 

precipitation and/or temperature, and can be used to assess the possible influences of warming. Moreover, 

as with the PDSI it is not constrained by the method used to determine ET0 (Beguería et al., 2014). The SPEI 

adapts the varied response times of hydrological variables to the climate variability (Vicente‐Serrano et al., 

2011), and  it facilitates  identification of the complexity of the vegetation response to various drought time 

scales (Vicente‐Serrano et al., 2013). A recent comparison of the capacity of the SPI, SPEI and PDSI to identify 

hydrological, ecological and agricultural droughts at the global scale  (Vicente‐Serrano et al., 2012) showed 

that, independently of the system analyzed, the drought indices calculated at different time scales (the SPEI 

and  the SPI)  show greater correlation with  the  temporal variability of  streamflow,  soil moisture,  tree‐ring 

growth and  crop production. The Palmer  index, which  lacks  the  flexibility of  reflecting  the  intrinsic multi‐

scalar nature of droughts, systematically performed worse than the SPI and SPEI. Moreover, independently 

of the variable of interest, the SPEI was more highly correlated than the SPI; this was particularly the case in 

summer, when soil moisture and forests are affected by drought stress. Consequently, in the season in which 

most  drought‐related  impacts  occur  (water  supply  restrictions,  decreased  soil  moisture,  reduced  tree 

growth,  forest  fires),  and  in which drought monitoring  is most  critical,  the  SPEI  is better  able  to  identify 

drought  impacts than the SPI. However, the SPI and SPEI are comparable  in time and space, and therefore 

Page 11: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

comparison between these  indices  is a robust approach to assessing the effect of variability and change  in 

ET0 on drought severity.  

In  this  study  we  calculated  the  SPI  (from  monthly  precipitation  series)  and  the  SPEI  (from  monthly 

precipitation and ET0 series) for 54 meteorological stations covering the IP and for regional weighted series 

for  the  entire  study  area.  For  the  SPI,  among  the  various models  evaluated  the  Pearson  III  distribution 

showed greater adaptability to precipitation series at different time scales (Guttman, 1999; Vicente‐Serrano, 

2006;  Quiring,  2009)  than  other  distributions.  Therefore,  we  used  the  algorithm  described  by  Vicente‐

Serrano  (2006)  to  calculate  1‐  to  48‐month  SPI  values  based  on  the  Pearson  III  distribution  and  the  L‐

moments approach to obtain the distribution parameters. For the SPEI we used a 3‐parameter  log‐logistic 

distribution.

Page 12: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

2. Supplemental Tables and Figures 

Station  elevation latitude longitude 

Melilla  47 35.27 ‐2.95 

Jerez De La Frontera Aeropuerto  27 36.75 ‐6.05 

Faro  7 37.01 ‐7.96 

Granada Base Aérea  690 37.13 ‐3.63 

Morón De La Frontera  87 37.15 ‐5.60 

Sevilla Aeropuerto  34 37.42 ‐5.87 

San Javier Aeropuerto  4 37.78 ‐0.80 

Córdoba Aeropuerto  90 37.83 ‐4.83 

Alcantarilla, Base Aérea 75 37.95 ‐1.22 

Beja  246 38.02 ‐7.87 

Alicante/Alacant  81 38.37 ‐0.48 

Lisboa/Geofísico  77 38.72 ‐9.15 

Badajoz Aeropuerto  185 38.88 ‐6.80 

Albacete Base Aérea  702 38.95 ‐1.85 

Portalegre  597 39.28 ‐7.42 

Valencia  11 39.47 ‐0.35 

Valencia Aeropuerto  69 39.48 ‐0.47 

Toledo  515 39.88 ‐4.03 

Cuenca  945 40.07 ‐2.12 

Coimbra/Geofísico  141 40.20 ‐8.42 

Getafe  620 40.30 ‐3.72 

Madrid, Cuatro Vientos 690 40.37 ‐3.78 

Madrid  667 40.40 ‐3.67 

Madrid Aeropuerto  609 40.47 ‐3.55 

Torrejón De Ardoz  607 40.48 ‐3.45 

Puerto De Navacerrada 1894 40.78 ‐4.00 

Tortosa  44 40.82 0.48 

Molina De Aragón  1056 40.83 ‐1.87 

Segovia, Instituto  990 40.93 ‐4.10 

Salamanca Aeropuerto 790 40.95 ‐5.48 

Daroca  779 41.10 ‐1.40 

Porto/S. Pilar  93 41.13 ‐8.60 

Vila Real  561 41.27 ‐7.72 

Barcelona Aeropuerto  4 41.28 2.07 

Zamora  656 41.50 ‐5.73 

Lleida  192 41.62 0.58 

Zaragoza Aeropuerto  263 41.65 ‐1.00 

Valladolid Aeropuerto  846 41.70 ‐4.85 

Soria  1082 41.77 ‐2.47 

Bragança  690 41.80 ‐6.73 

Huesca Aeropuerto  541 42.08 ‐0.32 

Vigo Aeropuerto  261 42.23 ‐8.62 

Burgos Aeropuerto  891 42.35 ‐3.62 

Logroño Aeropuerto  353 42.45 ‐2.32 

Ponferrada  534 42.55 ‐6.60 

León Aeropuerto  916 42.58 ‐5.65 

Pamplona Aeropuerto 459 42.77 ‐1.65 

Santiago De Compostela Aeropuerto  370 42.88 ‐8.40 

Bilbao Aeropuerto  42 43.28 ‐2.90 

San Sebastián, Igueldo 251 43.30 ‐2.03 

Hondarribia, Malkarroa 4 43.35 ‐1.78 

A Coruña  58 43.35 ‐8.42 

Santander Aeropuerto 5 43.42 ‐3.82 

Santander, Ciudad  64 43.45 ‐3.82 

 

Supplementary Table 1: Elevation and location of the meteorological stations used in this 

study. 

 

 

Page 13: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

  Variables  Units magnitude of change 

Mann‐Kendall tau p value 

Annual 

Climate 

RH  %  ‐0.95 ‐0.57 0.000 

Max. Temp.  ºC  0.34 0.48 0.000 

Min. Temp.  ºC  0.26 0.47 0.000 

Precip.  mm.  ‐20.03 ‐0.24 0.015 

Wind speed  m/s  ‐0.01 ‐0.13 0.170 

Sun. Hours  hours  0.04 0.14 0.151 

ET0 

Penman‐Monteith  mm.  23.53 0.49 0.000 

Thonrthwaite  mm.  14.04 0.49 0.000 

Hargreaves  mm.  13.69 0.40 0.000 

Turc  mm.  17.91 0.41 0.000 

Linacre  mm.  41.97 0.41 0.000 

FAO‐Radiation  mm.  12.86 0.59 0.000 

FAO‐Blaney‐Criddle  mm.  28.20 0.38 0.000 

Summer 

Climate 

RH  %  ‐1.24 ‐0.45 0.000 

Max. Temp.  ºC  0.42 0.35 0.000 

Min. Temp.  ºC  0.39 0.52 0.000 

Precip.  mm.  ‐2.78 ‐0.08 0.421 

Wind speed  m/s  0.00 ‐0.04 0.679 

Sun. Hours  hours  ‐0.01 0.02 0.839 

ET0 

Penman‐Monteith  mm.  12.92 0.31 0.001 

Thornthwaite  mm.  10.79 0.40 0.000 

Hargreaves  mm.  7.25 0.26 0.008 

Turc  mm.  9.12 0.27 0.005 

Linacre  mm.  19.66 0.33 0.001 

FAO‐Radiation  mm.  7.26 0.44 0.000 

FAO‐Blaney‐Criddle  mm.  13.01 0.22 0.021 

 

Supplementary  Table  2: Magnitude  of  change  (decade‐1)  and  significance  of  trends  in  the 

annual  and  summer  regional  averages of  climate  variables  and  ET0  estimates  for  the  entire 

Iberian Peninsula. 

   

Page 14: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

 

Supplementary Figure 1: Spatial distribution of the main meteorological stations in the Iberian 

Peninsula and Portugal (hollow circles), and the 54 stations selected for the study (red circles). 

   

Page 15: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

 

Supplementary Figure 2: Spatial distribution of  the 287  streamflow gauging  stations used  in 

the study. 

   

Page 16: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

 

Supplementary Figure 3: A) Streamflow basin types based on the impoundment ratio. B) Average annual streamflow (in Hm3) recorded at each streamflow 

gauging station (represented as the streamflow basin). 

Page 17: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

 

Supplementary  Figure  4:  Evolution  of  the  SPEI  at  various  time  scales  for  the  entire  Iberian 

Peninsula. 

  

 

2-month

1960 1970 1980 1990 2000 2010

SP

EI

-3

-2

-1

0

1

2

3

6-month

1960 1970 1980 1990 2000 2010

SP

EI

-3

-2

-1

0

1

2

3

12-month

1960 1970 1980 1990 2000 2010

SP

EI

-3

-2

-1

0

1

2

3

24-month

1960 1970 1980 1990 2000 2010

SP

EI

-3

-2

-1

0

1

2

3

Page 18: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

 

Supplementary Figure 5: A) Upper: Evolution of the regional Standardized Precipitation  Index 

(SPI) (blue columns) and the Standardized Precipitation Evapotranspiration Index (SPEI) (black 

line)  for  the  Iberian  Peninsula  from  1961  to  2011.  The  SPEI  was  determined  from  the 

Hargreaves equation for calculation of ET0. B) Middle: percentage of surface area affected by 

drought  from  1961  to  2011,  based  on  the  SPI  (blue)  and  the  SPEI  (red).  The  surface  area 

affected was selected according to a SPI/SPEI threshold of –1.28, which corresponds to 10% of 

the events according  to  the probability distribution  function. C) Bottom: Difference between 

the SPI and the SPEI (SPI–SPEI) with respect to the surface area affected by drought. Liner fit is 

included. 

   

1960 1970 1980 1990 2000 2010

% o

f su

rfac

e

0

20

40

60

80

100

1960 1970 1980 1990 2000 2010

Ano

ma

lies

-3

-2

-1

0

1

2

3

1960 1970 1980 1990 2000 2010

% o

f su

rfac

e

-40

-20

0

20

40

60

80

A)

B)

C)

y = 0.021 x - 4.5

Page 19: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

 

Supplementary Figure 6: As in Supplementary Figure 5, but determined using the Thornthwaite 

equation. 

   

1960 1970 1980 1990 2000 2010

% o

f su

rfac

e

0

20

40

60

80

100

1960 1970 1980 1990 2000 2010

Ano

ma

lies

-3

-2

-1

0

1

2

3

1960 1970 1980 1990 2000 2010

% o

f su

rfac

e

-40

-20

0

20

40

60

80

A)

B)

C)

y = 0.025 x - 5.9

Page 20: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

 

 

Supplementary Figure 7: As in Supplementary Figure 5, but determined using the Linacre 

equation. 

   

1960 1970 1980 1990 2000 2010

% o

f su

rfac

e

0

20

40

60

80

100

1960 1970 1980 1990 2000 2010

Ano

ma

lies

-3

-2

-1

0

1

2

3

1960 1970 1980 1990 2000 2010

% o

f su

rfac

e

-40

-20

0

20

40

60

80

A)

B)

C)

y = 0.05 x - 13.5

Page 21: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

 

 

Supplementary Figure 8: As in Supplementary Figure 5, but determined using the Turc 

equation. 

   

1960 1970 1980 1990 2000 2010

% o

f su

rfac

e

0

20

40

60

80

100

1960 1970 1980 1990 2000 2010

Ano

ma

lies

-3

-2

-1

0

1

2

3

1960 1970 1980 1990 2000 2010

% o

f su

rfac

e

-40

-20

0

20

40

60

80

A)

B)

C)

y = 0.031 x - 8.0

Page 22: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

 

 

Supplementary Figure 9: As in Supplementary Figure 5, but determined using the FAO‐Blaney‐

Criddle equation. 

   

1960 1970 1980 1990 2000 2010

% o

f su

rfac

e

0

20

40

60

80

100

1960 1970 1980 1990 2000 2010

Ano

ma

lies

-3

-2

-1

0

1

2

3

1960 1970 1980 1990 2000 2010

% o

f su

rfac

e

-40

-20

0

20

40

60

80

A)

B)

C)

y = 0.035 x - 9.2

Page 23: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

 

 

Supplementary Figure 10: As in Supplementary Figure 5, but determined using the FAO‐

Radiation equation. 

   

1960 1970 1980 1990 2000 2010

% o

f su

rfac

e

0

20

40

60

80

100

1960 1970 1980 1990 2000 2010

Ano

ma

lies

-3

-2

-1

0

1

2

3

1960 1970 1980 1990 2000 2010

% o

f su

rfac

e

-40

-20

0

20

40

60

80

A)

B)

C)

y = 0.021 x - 4.6

Page 24: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

 

Supplementary Figure 11: A) Changes  in  the SPI  (z‐units per decade) determined  for each of 

the 54 meteorological  stations  for  the period 1961–2011. B) As  in  (A), but  for  the SPEI. ET0 

input was  estimated using  the Hargreaves  equation. C) Changes  in  the monthly differences 

between the SPEI and the SPI (z‐units per decade) determined for each of the 54 stations for 

the period 1961–2011. The  changes were estimated using  least  square  regression, with  the 

series of time as the independent variable. 

 

 

   

Page 25: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

 

Supplementary Figure 12: As  in Supplementary Figure 11, but with ET0  input estimated using 

the Thornthwaite equation. 

 

 

 

   

Page 26: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

 

Supplementary Figure 13: As  in Supplementary Figure 11, but with ET0  input estimated using 

the Linacre equation. 

 

 

   

Page 27: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

 

Supplementary Figure 14: As  in Supplementary Figure 11, but with ET0  input estimated using 

the Turc equation. 

 

   

Page 28: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

 

 

Supplementary Figure 15: As  in Supplementary Figure 11, but with ET0  input estimated using 

the FAO‐Blaney‐Criddle equation. 

 

 

   

Page 29: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

 

Supplementary Figure 16: As  in Supplementary Figure 11, but with ET0  input estimated using 

the FAO‐Radiation equation. 

 

 

 

 

Page 30: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

 

Supplementary  Figure  17: A) Relationship between  change  in  the  SPEI  (SPEI units decade‐1) 

obtained by  the SPEI calculated by means of  the ET0 Penman‐Monteith and  those  forced by 

Thornthwaite  and  Hargreaves  ET0. Each dot represents the change at  each of the 54

meteorological  stations used in the study. The  dashed  line represents the least-square

regression. B) Box-plot showing  the difference between the magnitude of change in the SPEI

calculated by Penman-Monteith ET0 and Hargreaves and Thornthwaite ET0.

   

Hargreaves Thornthwaite

Diff

eren

ce c

hang

e de

cade

-1

-0.20

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

Change (SPEI decade-1) Penman-Monteith

-0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2Cha

nge

(SP

EI

deca

de-1

) H

argr

eave

s

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

Change (SPEI decade-1) Penman-Monteith

-0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2Cha

nge

(SP

EI

deca

de-1

) T

hor

nthw

aite

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

R2 = 0.77R2 = 0.73

A)

B)

Page 31: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

 

 

Supplementary Figure 18: Annual evolution  (1961–2011)  in  the ET0 and  the climate variables 

involved  in  ET0  calculation  averaged  for  54 meteorological  stations  distributed  across  the 

Iberian Peninsula. 

   

Relative humidity

1960 1970 1980 1990 2000 2010

%

60

62

64

66

68

70

72Temp. max.

1960 1970 1980 1990 2000 2010

ºC

18.018.519.019.520.020.521.021.522.0

Temp. min.

1960 1970 1980 1990 2000 2010

ºC

7.5

8.0

8.5

9.0

9.5

10.0

10.5Wind speed

1960 1970 1980 1990 2000 2010

m s

-1

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

Sunshine duration

1960 1970 1980 1990 2000 2010

hou

rs

6.6

6.8

7.0

7.2

7.4

7.6

7.8

8.0

year vs hr_anual year vs hr_anual year vs hr_anual year vs hr_anual

Precipitation

1960 1970 1980 1990 2000 2010

mm

300

400

500

600

700

800

900

year vs hr_anual year vs hr_anual year vs hr_anual year vs hr_anual

ET0 Penman-Monteith

1960 1970 1980 1990 2000 2010

mm

800

1000

1200

1400

1600

year vs hr_anual year vs hr_anual year vs hr_anual year vs hr_anual

ET0 Thornthwaite

1960 1970 1980 1990 2000 2010

mm

800

1000

1200

1400

1600

year vs hr_anual year vs hr_anual year vs hr_anual year vs hr_anual

ET0 Hargreaves

1960 1970 1980 1990 2000 2010

mm

800

1000

1200

1400

1600

year vs hr_anual year vs hr_anual year vs hr_anual year vs hr_anual

ET0 Turc

1960 1970 1980 1990 2000 2010

mm

800

1000

1200

1400

1600

year vs hr_anual year vs hr_anual year vs hr_anual year vs hr_anual

ET0 Linacre

1960 1970 1980 1990 2000 2010

mm

800

1000

1200

1400

1600

year vs hr_anual year vs hr_anual year vs hr_anual year vs hr_anual

ET0 Radiation

1960 1970 1980 1990 2000 2010

mm

800

1000

1200

1400

1600

year vs hr_anual year vs hr_anual year vs hr_anual year vs hr_anual

ET0 Blaney-Criddle

1960 1970 1980 1990 2000 2010

mm

800

1000

1200

1400

1600

1800

Page 32: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

 

Supplementary Figure 19: As in Supplementary Fig. 18, but for summer (May to August). 

 

 

Relative humidity

1960 1970 1980 1990 2000 2010

%

48505254565860626466

Temp. max.

1960 1970 1980 1990 2000 2010

ºC

232425262728293031

Temp. min.

1960 1970 1980 1990 2000 2010

ºC

11

12

13

14

15

16Wind speed

1960 1970 1980 1990 2000 2010

m s

-1

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

Sunshine duration

1960 1970 1980 1990 2000 2010

hour

s

8.5

9.0

9.5

10.0

10.5

11.0

11.5

year vs hr_anual year vs hr_anual year vs hr_anual year vs hr_anual

Precipitation

1960 1970 1980 1990 2000 2010

mm

406080

100120140160180200220240

year vs hr_anual year vs hr_anual year vs hr_anual year vs hr_anual

ET0 Penman-Monteith

1960 1970 1980 1990 2000 2010

mm

400

500

600

700

800

900

1000

year vs hr_anual year vs hr_anual year vs hr_anual year vs hr_anual

ET0 Thornthwaite

1960 1970 1980 1990 2000 2010

mm

400

500

600

700

800

900

1000

year vs hr_anual year vs hr_anual year vs hr_anual year vs hr_anual

ET0 Hargreaves

1960 1970 1980 1990 2000 2010

mm

400

500

600

700

800

900

1000

year vs hr_anual year vs hr_anual year vs hr_anual year vs hr_anual

ET0 Turc

1960 1970 1980 1990 2000 2010

mm

400

500

600

700

800

900

1000

year vs hr_anual year vs hr_anual year vs hr_anual year vs hr_anual

ET0 Linacre

1960 1970 1980 1990 2000 2010m

m

400

500

600

700

800

900

1000

year vs hr_anual year vs hr_anual year vs hr_anual year vs hr_anual

ET0 Radiation

1960 1970 1980 1990 2000 2010

mm

400

500

600

700

800

900

1000

year vs hr_anual year vs hr_anual year vs hr_anual year vs hr_anual

ET0 Blaney-Criddle

1960 1970 1980 1990 2000 2010

mm

400

500

600

700

800

900

1000

Page 33: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

 

Supplementary Figure 20: Box‐plot showing the magnitude of change (1961–2011)  in the ET0 

and the climate variables  involved  in ET0 calculation, averaged for 54 meteorological stations 

distributed across the Iberian Peninsula.  

   

Relative humidity

Annual Summer

% d

eca

de

-1

-3.0

-2.5

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5Temp. max.

Annual Summer

ºC d

eca

de-1

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7Temp. min.

Annual Summer

ºC d

eca

de-1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7Wind speed

Annual Summer

m/s

de

cad

e-1

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

Sunshine duration

Annual Summer

ho

urs

de

cad

e-1

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20Precipitation

Annual Summer

mm

de

cad

e-1

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40ET0 Penman-Monteith

Annual Summer

mm

de

cad

e-1

0

10

20

30

40

50

60ET0 Thornthwaite

Annual Summer

mm

de

cad

e-1

0

10

20

30

40

50

60

ET0 Hargreaves

Annual Summer

mm

de

cad

e-1

0

10

20

30

40

50

60ET0 Turc

Annual Summer

mm

dec

ad

e-1

0

10

20

30

40

50

60ET0 Linacre

Annual Summer

mm

de

cad

e-1

0

10

20

30

40

50

60ET0 Radiation

Annual Summer

mm

de

cad

e-1

0

10

20

30

40

50

60

ET0 Blaney-Criddle

Annual Summer

mm

de

cad

e-1

0

10

20

30

40

50

60

Page 34: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

 

Supplementary Figure 21: A) Evolution of the average summer pan (blue  line) and Piché (red 

line)  evaporation  at  19 meteorological  stations  in  Spain  (see  Supplementary  Fig.  29).  The 

Pearson’s r correlation for the common period (1985–2011) was 0.80 (p < 0.01). B) Evolution of 

the  average  Penman‐Monteith  ET0  (blue  line)  and  Piché  evaporation  (red  line)  at  30 

meteorological stations  in Spain  (see Supplementary Fig. 26). The Pearson’s  r correlation  for 

the common period (1965–2011) was 0.89 (p < 0.01). 

 

 

   

   

A)

1960 1970 1980 1990 2000 2010

Pic

hé e

vapo

ratio

n (m

m)

500

550

600

650

700

750

800

850

900

Pan

eva

pora

tion

(mm

)

650

700

750

800

850

900

950

1000

B)

1960 1970 1980 1990 2000 2010

Pic

hé e

vapo

ratio

n (m

m)

550

600

650

700

750

800

850

900

Pen

man

-Mon

teith

ET

0 (

mm

)

540

560

580

600

620

640

660

680

700

720

740

Page 35: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

 

Supplementary Figure 22: Location of  the gauging stations closest  to  the mouth of  the main 

Iberian Peninsula rivers, and the drainage basin corresponding to each station. 

   

Page 36: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

 

Supplementary Figure 23: Evolution of the average Standardized Streamflow Index (1961–2011) for the main 

basins shown in Supplementary Figure 18, and for the natural, regulated and highly regulated basins of the 

entire Iberian Peninsula. 

 

1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010

SS

I

-3-2-10123

NATURAL

1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010

SS

I

-3-2-10123 REGULATED

1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010

SS

I

-3-2-10123 HIGHLY REGULATED

1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010

SS

I

-3-2-10123 MAIN

Page 37: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

 

Supplementary Figure 24: Percentage of surface area affected  for streamflow drought  from 1961 to 2009, 

based on the SSI for the natural, regulated and highly regulated basins of the entire Iberian Peninsula. The 

surface  area  affected was  selected  based  on  a  SSI  threshold  of  –1.28, which  corresponds  to  10%  of  the 

events according to the probability distribution function. 

 

   

1960 1970 1980 1990 2000 2010

% o

f su

rfac

e

0

20

40

60

80

All

1960 1970 1980 1990 2000 2010

% o

f su

rfac

e

0

20

40

60

80

Natural

1960 1970 1980 1990 2000 2010

% o

f su

rfac

e

0

20

40

60

80

Regulated

1960 1970 1980 1990 2000 2010

% o

f su

rfac

e

0

20

40

60

80

Highly regulated

Page 38: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

 

 

Supplementary Figure 25: A) Spatial distribution of the maximum summer correlation between the SSI and 

the  SPEI.  B)  Spatial  distribution  of  the maximum  summer  correlation  between  the  SSI  and  the  SPI.  C) 

Difference between the SPEI and the SPI (SPEI – SPI). 

   

Page 39: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

 

 

Supplementary  Figure  26:  Spatial  distribution  of  the  pan  (white  circles)  and  Piché  evaporimeters  (yellow 

circles) in Spain. Black circles indicate the location of stations having the series necessary to obtain Penman‐

Monteith ET0. 

   

Page 40: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

3. Supplemental references 

Alexandersson, H., A homogeneity test applied to precipitation data. Journal of Climatology 6, 661–675 (1986).

Allen R.G., Smith, M., Perrier, A. & Pereira, L.S. An update for the definition of reference evapotranspiration. ICID Bulletin 43, 1–34 (1994).

Alley, W.M. The Palmer drought severity index: limitations and applications. Journal of Applied Meteorology 23, 1100-1109 (1984).

Akinremi, O.O., Mcginn, S.M. & Barr, A.G. Evaluation of the Palmer Drought index on the Canadian prairies. Journal of Climate 9, 897-905 (1996).

Beguería, S., Vicente-Serrano, S.M., Reig, F. & Latorre, B. The Standardized Precipitation Evapotranspiration Index (SPEI) revisited: parameter fitting, evapotranspiration models, kernel weighting, tools, datasets and drought monitoring system. International Journal of Climatology. In press.

Burton, I., Kates, R.W. & White, G.F. The environment as hazard. Oxford University Press. Nueva York, 240 pp (1978).

Dai, A. Characteristics and trends in various forms of the Palmer Drought Severity Index during 1900–2008, J. Geophys. Res., 116, D12115, doi:10.1029/2010JD015541 (2011).

Doorenbos, J. & Pruitt, W.O. Crop water requirements. FAO Irrigation and Drainage Paper nº 24. Roma (1975).

Edwards, D.C. & McKee, T.B. Characteristics of 20th century drought in the United States at multiple time scales. Atmospheric Science Paper No. 634 (1997).

Fiorillo, F. & Guadagno, F.M. Karst spring discharges analysis in relation to drought periods, using the SPI. Water Resources Management 24, 1867-1884 (2010).

Frevert, D.K., Hill, R.W. & Braaten, B.C. Estimation of FAO evapotranspiration coeffi- cients. J. Irrig. and Drain. Eng., ASCE 109(IR2), 265-270 (1983).

Guttman, N.B., Wallis, J.R. & Hosking, J.R.M., Spatial comparability of the Palmer Drought Severity Index. Water Resources Bulletin 28, 1111-1119 (1992).

Guttman, N.B. Comparing the Palmer drought index and the Standardized Precipitation Index. Journal of the American Water Resources Association 34, 113-121 (1998).

Guttman, N.B. Accepting the standardized precipitation index: a calculation algorithm. Journal of the American Water Resources Association 35, 311-322 (1999).

Hargreaves, G.L. & Samani, Z.A. Reference crop evapotranspiration from temperature. Applied Engineering in Agriculture 1, 96–99 (1985).

Hayes, M., Svoboda, M., Wall, N. & Widhalm, M. The Lincoln Declaration on Drought Indices: Universal Meteorological Drought Index recommended, Bulletin of the American Meteorological Society 92, 485–488 (2011).

Heim, R.R. A review of twentieth-century drought indices used in the United States. Bulletin of the American Meteorological Society, 83, 1149-1165 (2002).

Hu, Q. & Willson, G.D. Effect of temperature anomalies on the Palmer drought severity index in the central United States. International Journal of Climatology 20, 1899-1911 (2000).

Itenfisu, D., Elliott, R.L., Allen, R.G. & Walter, I.A. Comparison of reference evapotranspiration calculations across a range of climates. Proceedings of the 4th National Irrigation Symposium. ASAE: Phoenix, AZ (2000).

Jasechko, S. et al. Terrestrial water fluxes dominated by transpiration. Nature 496, 347–350 (2013). Ji, L. & Peters, A.J. Assessing vegetation response to drought in the northern Great Plains using

vegetation and drought indices. Remote Sensing of Environment 87, 85-98 (2003). Karl, T.R. Some spatial characteristics of drought duration in the United States, Journal of Climate

and Applied Meteorology 22, 1356–1366 (1983).

Page 41: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

Karl, T.R. The sensitivity of the Palmer Drought Severity Index and the Palmer z-Index to their calibration coefficients including potential evapotranspiration. Journal of Climate and Applied Meteorology 25, 77-86 (1986).

Keyantash, J. & Dracup, J. The quantification of drought: an evaluation of drought indices. Bulletin of the American Meteorological Society, 83, 1167-1180 (2002).

Khan, S., Gabriel, H.F. & Rana, T. Standard precipitation index to track drought and assess impact of rainfall on watertables in irrigation areas. Irrigation and Drainage Systems 22, 159-177 (2008).

Linacre, E.T. A simple formula for estimating evaporation rates in various climates, using temperature data alone. Agriculture Meteorology 18, 409-424 (1977).

López-Urrea, R., Martín de Santa Olalla, F., Fabeiro, C. & Moratalla A. Testing evapotranspiration equations using lysimeter observations in a semiarid climate. Agricultural Water Management 85, 15–26 (2006).

Lorenzo-Lacruz, J., Vicente-Serrano, S.M., López-Moreno, J.I., Beguería, S., García-Ruiz, J.M. & Cuadrat, J.M. The impact of droughts and water management on various hydrological systems in the headwaters of the Tagus River (central Spain). Journal of Hydrology 386, 13-26 (2010).

Lorenzo-Lacruz, J., Vicente-Serrano, S.M., González-Hidalgo, J.C., López-Moreno, J.I. & Cortesi, N. Hydrological drought response to meteorological drought at various time scales in the Iberian Peninsula. Climate Research, doi: 10.3354/cr01177 (2013).

Mestre, O. et al. HOMER : a homogenization software– methods and applications. IDŐJÁRÁS, Quarterly Journal of the Hungarian Meteorological Service 117, 47-67.

Mishra, A.K. & Singh, V.P. A review of drought concepts, Journal of Hydrology 391, 202–216 (2010).

Pasho, E., Camarero, J.J., de Luis, M. & Vicente-Serrano, S.M. Impacts of drought at different time scales on forest growth across a wide climatic gradient in north-eastern Spain. Agricultural and Forest Meteorology 151, 1800-1811 (2011).

Penman, H.L. Natural evaporation from open water, bare soil, and grass. Proc. Roy. Soc. London A193, 120-146 (1948).

Penman, H.L. Vegetation and hydrology. Tech. Comm. No. 533. Harpenden, England: Commonwealth Bureau of Soils. 125 pp (1963).

Peterson, T.C. & Easterling, D.R. Creation of homogeneous composite climatological reference series. International Journal of Climatology 14, 671–679 (1994).

Potop, V., Možný, M. & Soukup, J. Drought at various time scales in the lowland regions and their impact on vegetable crops in the Czech Republic. Agricultural & Forest Meteorology 156, 121-133 (2012).

Quiring, S.M. Developing objective operational definitions for monitoring drought. Journal of Applied Meteorology and Climatology 48, 1217-1229 (2009).

Quiring, S.M. Developing objective operational definitions for monitoring drought. Journal of Applied Meteorology and Climatology 48, 1217-1229 (2009).

Quiring, S.M. & Ganesh, S. Evaluating the utility of the Vegetation Condition Index (VCI) for

monitoring meteorological drought in Texas Agricultural and Forest Meteorology 150, 330-339 (2010).

Redmond, K.T. The depiction of drought. Bulletin of the American Meteorological Society 83, 1143-1147 (2002).

Sivakumar, M.V.K., Motha, R.P., Wilhite, D.A. & Wood, D.A. (Eds.) Agricultural Drought Indices: Proceedings of an Expert Meeting, 2–4 June 2010, Murcia, Spain, 219 pp., World Meteorol. Org., Geneva, Switzerland (2010).

Page 42: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

Soulé, P.T. Spatial patterns of drought frecuency and duration in the contiguous USA based on multiple drought event definitions. International Journal of Climatology 12, 11-24 (1992).

Stepánek P. 2007b. AnClim – software for time series analysis (for Windows). Dept. of Geography, Fac. of Natural Sciences, Masaryk University, Brno. 1.47 MB.

Szalai, S., Szinell, C.S. & Zoboki, J. Drought monitoring in Hungary. In Early warning systems for drought preparedness and drought management. World Meteorological Organization. Lisbon: 182-199 (2000).

Thornthwaite, C.W. An approach toward a rational classification of climate. Geographical Review 38, 55-94 (1948).

Turc, L. Le bilan d'eau des sols: relation entre les précipitations, l'évaporation et l'écoulement, Annales Agronomie 6, 5-131 (1955).

Valiantzas, J.D. Simplified versions for the Penman evaporation equation using routine weather data. Journal of Hydrology 331, 690-702 (2006).

Ventura, F., Spano, D., Duce, P. & Snyder, R.L. An evaluation of common evapotranspiration equations. Irrigation Science 18. 163–170 (1999).

Vicente-Serrano, S.M. & López-Moreno, J.I. Hydrological response to different time scales of climatological drought: an evaluation of the standardized precipitation index in a mountainous Mediterranean basin. Hydrology and Earth System Sciences 9, 523-533 (2005).

Vicente-Serrano, S.M., Cuadrat, J.M. & Romo, A. Early prediction of crop productions using drought indices at different time scales and remote sensing data: application in the Ebro valley (North-east Spain). International Journal of Remote Sensing 27, 511-518 (2006).

Vicente-Serrano, S.M. Differences in spatial patterns of drought on different time scales: an analysis of the Iberian Peninsula. Water Resources Management 20, 37-60 (2006).

Vicente-Serrano, S.M. Evaluating the impact of drought using remote sensing in a Mediterranean, semi-arid region, Natural Hazards 40, 173-208 (2007).

Vicente-Serrano, S.M., Beguería, S., López-Moreno, J.I., García-Vera, M.A. & Stepanek, P. A complete daily precipitation database for North-East Spain: reconstruction, quality control and homogeneity. International Journal of Climatology 30, 1146-1163 (2010).

Vicente-Serrano, S.M., Beguería, S., López-Moreno, J.I., Angulo, M. & El Kenawy, A. A new global 0.5° gridded dataset (1901-2006) of a multiscalar drought index: comparison with current drought index datasets based on the Palmer Drought Severity Index. Journal of Hydrometeorology. 11, 1033–1043 (2010).

Vicente-Serrano, S.M., Beguería, S. & López-Moreno, J.I. Comment on “Characteristics and trends in various forms of the Palmer Drought Severity Index (PDSI) during 1900-2008” by A. Dai. Journal of Geophysical Research-Atmosphere. 116, D19112, doi:10.1029/2011JD016410 (2011).

Vicente-Serrano, S.M. et al. The response of vegetation to drought time-scales across global land biomes. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 110, 52-57 (2013).

Vicente-Serrano, S.M. et al. Performance of drought índices for ecological, agricultural and hydrological applications. Earth Interactions 16, 1–27 (2012).

Vicente-Serrano, S.M. Differences in spatial patterns of drought on different time scales: an analysis of the Iberian Peninsula. Water Resources Management 20, 37-60 (2006).

Walter I.A., et al. ASCE standardized reference evapotranspiration equation, p 209–215. In Proceedings National Irrigation Symposium, Evans RG, Benham BL, Trooien TP (eds). ASAE: Phoenix, AZ (2000).

Weber, L. & Nkemdirim, L.C. The Palmer drought severity index revisited. Geografiska Annaler 80A, 153-172 (1998).

Wells, N., Goddard, S. & Hayes, M.J. A self-calibrating Palmer Drought Severity Index. Journal of Climate 17, 2335-2351 (2004).

Page 43: Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise

Wilhite, D.A. Drought assessment, management and planning: Theory and case studies. Kluwer. Boston (1993).

Wilhite, D.A. Drought as a natural hazard: concepts and definitions. In Drought: a global assessment. (D. Wilhite ed.). Vol 1: 3-18 (2000).

World Meteorological Organization. Standardized Precipitation Index User Guide (M. Svoboda, M. Hayes and D. Wood). (WMO-No. 1090), Geneva (2012).