Assessment of the ability of the standardized precipitation evapotranspiration index (SPEI) to model historical streamflow in watersheds of Western Canada

Abstract

Knowledge of present-day spatial and temporal distribution of water resources is vital for successful water management and policies for planned adaptation to climate change. Measured quantities of hydroclimatic variables, including precipitation, evapotranspiration, streamflow, etc., are the primary indicators of water availability, and indices derived using several such primary variables provide a means to express water availability across a range of spatio-temporal scales. In this study, the ability of one such multi-scalar index, the Standardized Precipitation Evapotranspiration Index (SPEI), computed at a range of time scales, was examined to see how well it could model historically observed warm season monthly and annual streamflow in 24 natural-flowing watersheds of western Canada. The empirical relationships between the SPEI, computed at 1-, 3-, 6-, 9-, 12- and 24-month time scales, and monthly and annual streamflow were analyzed, showing significant correlations for all watersheds. The time scale of the SPEI with the strongest correlations varied seasonally. Based on these results, SPEI-based principal component regression (PCR) equations were calculated to model warm season monthly and annual historical streamflow. These PCR equations are able to adequately capture historical streamflow in these watersheds. Annual streamflow variability was better captured (mean $R_{\mathit{adj}}^2$ = 0.46) than monthly variability (mean $R_{\mathit{adj}}^2$ = 0.30 over March–October). Summer and fall streamflow variability was better captured (mean $R_{\mathit{adj}}^2$ = 0.42 over June–September) than spring variability (mean $R_{\mathit{adj}}^2$ = 0.15 over March–April).

RÉSUMÉ

La connaissance de la distribution spatiale et temporelle actuelle des ressources en eau est vitale pour une gestion réussie de l'eau et des politiques d'adaptation planifiée au changement climatique. Les quantités mesurées de variables hydroclimatiques, y compris les précipitations, l'évapotranspiration, le débit, etc., sont les indicateurs primaires de la disponibilité de l'eau; les indices dérivés avec l'aide de plusieurs de ces variables primaires fournissent un moyen d'exprimer la disponibilité de l'eau à travers une gamme d'échelles spatio-temporelles. Dans cette étude, la capacité d'un tel indice multi-scalaire, l'indice standardisé d'évapotranspiration et des précipitations (SPEI), calculé pour une gamme d'échelles de temps, a été examinée pour voir dans quelle mesure il pouvait modéliser les débits mensuels et annuels de la saison chaude observés historiquement dans 24 bassins versants naturels de l'ouest du Canada. Les relations empiriques entre le SPEI, calculé à des échelles de 1, 3, 6, 9, 12 et 24 mois, et les débits mensuels et annuels ont été analysés, montrant des corrélations significatives pour tous les bassins versants. L'échelle temporelle du SPEI avec les corrélations les plus fortes variait selon les saisons. Basé sur ces résultats, des équations de régression en composantes principales (PCR) basées sur le SPEI ont été calculées pour modéliser les débits historiques mensuels et annuels de la saison chaude. Ces équations PCR sont capables de capturer adéquatement les débits historiques de ces bassins versants. La variabilité annuelle des flux était mieux capturée (moyenne $R_{\mathit{adj}}^2$ = 0,46) que la variabilité mensuelle (moyenne $R_{\mathit{adj}}^2$ = 0,30 de mars à octobre). La variabilité des flux mensuels d'été et d'automne a été mieux capturée (moyenne $R_{\mathit{adj}}^2$ = 0,42 de juin à septembre) que la variabilité des flux mensuels de printemps (moyenne $R_{\mathit{adj}}^2$ = 0,15 de mars à avril).

Acknowledgements

We extend special thanks and appreciation to the editors and the three anonymous reviewers whose comments greatly helped us improve the manuscript.

Disclosure statement

No potential conflict of interest was reported by the authors.

Data availability

Observed streamflow data are publicly available at the WSC database: http://www.ec.gc.ca/rhc-wsc/default.asp?lang=En&n=9018B5EC-1. ANUSPLIN data are currently freely available online through Natural Resources Canada at https://cfs.nrcan.gc.ca/projects/3/3 (McKenney et al. 2011; NRCAN 2018).