Geri Dön

Climate change impacts on catchment-scale extreme rainfall variability

İklim değişiklinin havza ölçeğinde ekstrem yağışlar değışkenliğine etkileri

PDF İndir

  1. Tez No: 439572
  2. Yazar: ALI DANANDEH MEHR
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ERCAN KAHYA
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2016
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 135

Özet

İklim değişikliği bölgesel hidrolojiyi değiştirerek, insan hayatını birçok alanda etkilemektedir. İklim değişikliğinin etkileri, bir ülkenin sınırları içinde yer alan farklı bölgelerde önemli ölçüde değişkenlik gösterebilir. Türkiye, Akdeniz Bölgesi'nin bir parçası olarak, iklim değişikliğine karşı en hassas bölgeler içinde yer almaktadır. Bu doktora tez çalışmasında, Türkiye'nin kuzeydoğusunda yer alan Rize ili genelinde, iklim değişikliğinin ekstrem yağışlar üzerinde etkilerini lokal olarak anlamak amacıyla, farklı genel sirkülasyon modellerinin (GSM) grid tabanlı performans değerlendirmesi yapılarak, üç farklı gelecek zaman periyodu için (2013-2040, 2041-2070 ve 2071-2099) farklı iklim değişikliği senaryoları altında ekstrem yağışların değişkenliği incelenmiştir. Buna ek olarak, Rize ili içinde sınırlı yağış ve akış verisi bulunan bir akarsu için, veri esaslı projeksiyonlu bir yağış-akış modeli oluşturularak gelecekteki akımları tahmin edilmiştir. Havza ölçeğinde iklim değişikliğinin hidrolojik değerlendirme öncesinde uygulanabilir bir performans değerlendirme yöntemi gereklidir. Tezin birinci bölümünde, Rize ili üzerinde yağış üretimi için iklim modellerinin belirsizlik derecesini belirlemek amacıyla grid tabanlı performans değerlendirme yaklaşımı sunulmuştur. Bu amaçla, RegCM3 bölgesel iklim modelinin (BİM), Rize ilini kapsayan beş hücresinin çıktıları kullanılmışır. BİM simülasyonu için başlangıç koşulları iki GSM (ECHAM5 ve CCSM3) tarafından temin edilmiştir. ECHAM5-RegCM3 ve CCSM3-RegCM3 kombinasyonlarının çıktılarından hesaplanan beş farklı yağış kaynaklı iklim istatistiği, 1961-1990 referans dönemi için ildeki gözlem verileri ile karşılaştırılmıştır. Bu istatistikler: (i) toplam aylık yağış (her ayın günlük yağışlarının uzun vadeli ortalamasının toplamı), (ii) aylık maksimum yağış (her aydaki uzun vadeli ortalama günlük yağışların maksimum değeri), (iii) yıllık toplam yağış (uzun vadeli ortalama günlük yağışların toplamı), (iv) yıllık maksimum yağış (her yıl için maksimum günlük yağış), ve (v) yağışlı gün sayısıdır. Her bir kombinasyonun performansı, dağılım şeması, hata, ortalama mutlak hata, hata kareler ortalamasının karekökü ve model performans indeksi (MPİ) kriterleri kullanarak test edilmiştir. Bu aşamanın sonuçlarına göre CCSM3-RegCM3 kombinasyonu gözlenmiş aylık toplam yağış verilerini gerçek değerlerin altında, ECHAM5-RegCM3 kombinasyonu ise gözlem değerlerinin üzerinde tahmin etmektedir. Maksimum aylık ve yıllık maksimum yağış üretimi açısından (özellikle kıyı alanlarda), ECHAM5-RegCM3 daha yüksek bir performans göstermektedir. Buna karşılık, CCSM3-RegCM3 yağışlı gün sayısını ECHAM5-RegCM3'e göre daha doğru (özellikle iç kısmında) tahmin etmektedir. Ayrıca, çalışmanın bu aşamasındaki sonuçları, bir havzanın belirli bir bölümü (istatistiği) için iyi bir performans gösteren GSM-BİM kombinasyonunun, aynı havzanın diğer bölümleri (istatistiği) için uygun olmayabileceğini göstermiştir. Ayrıca, MPİ kriterine göre ECHAM5-RegCM3 kombinasyonu yıllık yağış üretimi için CCSM3-RegCM3 kombinasyonuna göre % 33'e kadar daha iyi sonuç vermiştir. Tezin ikinci bölümünde, gelecekteki ekstrem yağışları tahmin etmek için hücre tabanlı bir metodoloji geliştirilmiştir. Bu metodoloji adaptif havza-ölçekli su kaynakları yönetimine uyumlu olması amacı ile bir orijinal hata düzeltme yöntemi ve ekstrem yağışları olasılığının tam tahmini için yeni bir karar kriteri ortaya koyulmuştur. SRES-A2 ve RCP8.5 senaryolarına göre ECHAM5-RegCM3 ve HadGEM2-RegCM4 çıktılarını kullanarak önerilen yöntemler Rize ili için uygulanmıştır. Bu amaçla, üç gelecek dönemdeki tahmini ekstrem yağışları ve 1961-1990 referans dönemindeki gözlemsel ekstrem yağışları arasında bir mukayese çalışması gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada, BİM hücrelerine dayalı düzeyde ekstrem değer teorisi kullanılarak, hem referans dönemi için, hem de gelecek yüz yıl için Rize iline ait 2, 10, 25, 50, 100 ve 200 yıllık yağışlar elde edilmiştir. Pratik açıdan bakıldığında, yerel yönetimler tarafından genellikle her bölge için en uygun dağılım modeli ve dağılım uygunluk testleri belirlenir. Türkiye'de, Meteoroloji Genel Müdürlüğü tarafından ekstrem değer teorisi kullanılması için gözlem yıllık maksimum yağış serisinin en az 10 yıllık kayıtlardan oluşturulması tavsiye edilmiştir. Ekstrem değer analizleri için, sağ çarpık olasılık dağılımları içeren: iki parametre lognormal (LN-2), üç parametre lognormal (LN-3), genelleştirilmiş ekstrem değer (GEV), Gumbel ve log-Pearson tip 3 (LP-3) dağılım fonkisyonlarının kullanılması önerilmiştir (http://www.mgm.gov.tr/). Dolayısıyla, bu tezde, 20. ve 21. yüzyılda ekstrem yağışları değişikliğini tahmin etmek amacıyla, bu olasılık dağılım fonksiyonları kullanılmıştır. Bahsedilen olasılık dağılımlarının matematiksel ayrıntıları bu bölümde detaylı şekilde anlatılmıştır. Dağılım fonksiyonlarının uygunluğunu test etmek için Kolmogorov–Smirnov (K-S) ve Anderson-Darling (A-D) testleri kullanılmıştır. Bu aşamanın sonuçlarına göre (i) bu tezde önerilen hata düzeltme yöntemi, literatürde mevcut olan klasik yöntemler ile karşılaştırılabilir, (ii) tarihi ekstrem yağış olaylarının desenini en iyi veren dağılım modeli gelecekteki ekstrem olayları için etkili bir model olmayabilir. SRESA2 ve RCP8.5 sera gazı senaryoları göz önüne alındığında, ekstrem değeri analizi Rize ilinin bir çok bölgesinde gelecekteki tahmini tasarım fırtınalar büyüklüğünde önemli bir düşüş göstermektedir. Senaryoların ortalama sonuçlarına dayanarak, Rize ilinin çoğu bölgesinde (özellikle yakın (2013-2040) ve orta (2041-2070) gelecekte) tahmini ekstrem yağışların medyan değerinde 30% azalış vardır. Uzak gelecek (2071-2099) göz önüne alındığında, tahmini ekstrem yağışların medyan değerinde % 15 oranında azalış görülmüştür. Ayrıca, SRESA2 ve RCP8.5 sera gazı senaryolarını karşılaştırıldğında, HadGEM2-RegCM4 kombinasyonu günlük ekstrem yağış üretimi için ECHAM5-RegCM3 kombinasyonuna göre daha şiddetli fırtınalar vermiştir. Ayrıca, K-S ve A-D testlerinin sonuçlarına göre kullanılan dağılım fonksiyonları arasında, GEV modeli çalışma bölgesi için en iyi fonksiyon olarak belirlenmiştir. Mevcut hidrolojik gözlemler ve gelecek klimatolojik projeksiyonlar, veri tabanlı modelleme teknolojisi desteği ile havza ölçekli hidrolojik modelleme çalışmalarına entegre edilebilirse hidrologlara büyük ölçüde yardımcı olacaktır. Bu tez çalışmasının son bölümünde, genetik programlamanın (GP) iki gelişmiş yaklaşımı (lineer GP - LGP ve multigen GP - MGGP), ve bir yapay sinir ağı yöntemi (feed-forward backpropagation - FFBP) geliştirilmiş ve uygulanmıştır. Modelleme çalışmalarında projeksiyon yağış ve sıcaklık verileri ile birlikte gözlenmiş akım değerleri model girdileri olarak kullanılmıştır. Sonuç olarak, Rize İli havzalarının birinde (Şenöz Deresi) projeksiyonlu yağış-akış (PR-R) modelleme metodu ortaya konulmuştur. Önerilen modeller şu beş farklı performans kriteri açısından değerlendirilmiştir: (i) Nash-Sutcliffe verimliliği, (ii) sebat (persistence) indeksi, (iii) Kling-Gupta verimliliği, (iv) hacimsel verim, ve (v) hata kareler ortalamasının kareköküdür. Sonuçlar hem GP tabanlı çift değişkenli, hem de çok değişkenli PR-R modellerin umut verici rolünü göstermektedir. Bir belirgin çift değişkenli LGP modeli çalışma bölgesi için en iyi genel davranışı sergilemiştir. Ayrıca, gecikmeli tahmin, uygulanan FFBP algoritmanın ana dezavantajı olarak tespit edilmiştir.

Özet (Çeviri)

A changing climate alters regional hydrology and thereby virtually affects every aspect of human life. The local impacts of climate change may significantly vary in different locations even within the borders of a country. Turkey, as a part of the Mediterranean region, is located in one of the most vulnerable regions to climate change. In order to figure out the local impacts of climate change on extreme rainfalls across Rize Province, located in the north east of Turkey, this doctoral thesis provides a grid-based performance evaluation of two general circulation models (GCMs) for rainfall reproduction over the province and investigates the variability of extreme rainfall events at three future periods (i.e., 2013-2040; 2041-2070; and 2071-2099) with respect to high emission/concentration greenhouse gas scenarios. In addition, a data-driven projected rainfall-runoff model is provided for projected streamflow prediction concerning the limited data availability in the province. Prior to hydrological assessment of climate change at catchment-scale, an applied methodology is necessary to evaluate the performance of climate models available for a given catchment. Therefor, this thesis, in the first phase, presents a grid-based performance evaluation approach as well as an intercomparison framework to evaluate the uncertainty of climate models for rainfall reproduction over Rize Province. For this purpose, outputs of two general circulation models (GCMs), namely ECHAM5 and CCSM3, downscaled by a regional climate model (RCM), namely RegCM3, are used. To this end, five rainfall-borne climatic statistics are computed from the outputs of ECHAM5-RegCM3 and CCSM3-RegCM3 combinations in order to compare with those of observations in the province for the reference period 1961-1990. Performance of each combination is tested by means of scatter diagram, bias, mean absolute bias, root mean squared error, and model performance index (MPI) measures. The results of this phase of study indicated that ECHAM5-RegCM3 overestimates the total monthly rainfall observations whereas CCSM3-RegCM3 tends to underestimate. In terms of maximum monthly and annual maximum rainfall reproduction, ECHAM5-RegCM3 shows higher performance than CCSM3-RegCM3, particularly in the coastland areas. In contrast, CCSM3-RegCM3 outperforms ECHAM5-RegCM3 in reproducing the number of rainy days, especially in the inland areas. The results also revealed that if a GCM-RCM combination performs well for a portion (statistic) of a catchment, it is not necessarily appropriate for the other portions (statistics). Moreover, the MPI measure demonstrated the superiority of ECHAM5-RegCM3 to CCSM3-RegCM3 up to 33% excelling for annual rainfall reproduction in Rize Province. In the second phase of the thesis, a grid-based methodology is developed and applied to estimate future extreme rainfalls over the province, compatible with adaptive catchment-scale water resources management. Extreme value theory (EVT) is applied to analyse observational and projected extreme rainfall data including dynamically downscaled climate models simulations from two different GCM-RCM combinations including ECHAM5-RegCM3 and HadGEM2-RegCM4 forced by A2 special report on emissions scenarios (SRES-A2) and representative concentration pathway-8.5 (RCP8.5) greenhouse gas scenarios. A new rapid and effective bias correction method is also developed and applied to adjust the climate models simulations. The EVT analysis results demonstrated significant differences between the model runs for both reference and future periods with considerable spatial variability in rainfall extremes. Based upon ensemble mean results, approximately 30% decrease in the median value of extreme rainfall events is projected over the study region for the near future 2013-2039 and middle of the century. This change dramatically decreases down to 15% of its historic value at the end of the century. Results from the implemented scenarios revealed that more intense rainfalls produced by the GCM forced by RCP8.5. In addition, the results from goodness-of-fit tests among different distribution models showed that general extreme value distribution can be used appropriately to characterize the behavior of projected extreme rainfalls over the study region. It would be very helpful to hydrologists if data-driven technology incorporating the existing hydrologic observations and forthcoming climatological projections can be integrated into the catchment-scale hydrological modelling. In the last phase of the study, This thesis delineates the development and implementation of two advancements of state of the art genetic programming (GP) approach, namely linear GP (LGP) and multigene GP (MGGP), and an artificial neural network method, namely feed-forward backpropagation (FFBP), for projected rainfall-runoff (PR-R) modelling at one of the catchments in Rize Province by employing observational streamflow together with projected rainfall and temperature data as model inputs. The proposed models have been evaluated in terms of five efficiency criteria including Nash-Sutcliffe efficiency, persistence index, Kling-Gupta efficiency, volumetric efficiency, and root mean squared error. The results show promising role of GP-based models for both bivariate and multivariate PR-R modelling. An explicit bivariate LGP model exhibited the best overall behaviour for the study region, closely followed by MGGP. The lagged prediction has also been realized as the main drawback of the implemented FFBP algorithm.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    519749

    Catchment scaled drought analysis: Integrated climate and hydrological perspectives

    Havza ölçeğinde kuraklık analizi: Entegre iklim ve hidrolojik perspektifleri

    SAEED VAZIFEHKHAH

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ERCAN KAHYA

  2. Tez No

    384950

    Effects of climate change on water resources in Omerli basin

    İklim değişikliklerinin Ömerli havzasının su kaynakları üzerindeki etkileri

    FATİH KARA

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    İnşaat MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Jeodezi ve Coğrafi Bilgi Teknolojileri Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. İSMAİL YÜCEL

    PROF. DR. SEVDA ZUHAL AKYÜREK

  3. Tez No

    840901

    Development of drought intensity-duration-frequency curves based on standardized climatic indices using physical variables, deficit in precipitation and deficit in streamflow

    Yağiş açiği ve akim açiği fiziksel değişkenlerini kullanan standartlaştirilmiş iklim i̇ndeksleri tabanli kuraklik şiddet-süre-frekans eğrilerinin geliştirilmesi

    YONCA ÇAVUŞ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HAFZÜLLAH AKSOY

    PROF. DR. KERSTIN STAHL

  4. Tez No

    849749

    Barla Dağı Kuşağı'nda moloz akması duyarlılığının ampirik yaklaşımla bölgesel ölçekte değerlendirilmesi

    Debris flow susceptibility assessment at regional scale based on an empirical approach in the Barla Mountain Belt

    FURKAN KARABACAK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Coğrafyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Katı Yer Bilimleri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. TOLGA GÖRÜM

  5. Tez No

    894754

    Kanal İstanbul Projesi'nin içme suyu havzaları ve ulaşım aksları üzerindeki çevresel etki boyutlarının CBS tabanlı analizi

    GIS-based analysis of the environmental impact dimensions of the Canal Istanbul Project on drinking water basins and transportation routes

    NURULLAH BİNGÖLBALİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MURAT ERGÜN

Geri Dön