Assessing added value of wave coupling for the Mediterranean climate and extremes in regional earth system model simulations

Bölgesel yer sı̇stem modelı̇ sı̇mülasyonlarında Akdenı̇z ı̇klı̇mı̇ ve ekstremlerı̇ ı̇çı̇n dalga bı̇rleşı̇mı̇nı̇n katma değerı̇nı̇n belı̇rlenmesı̇

PDF İndir

Tez No: 645243
Yazar: FULDEN BATIBENİZ
Danışmanlar: DOÇ. DR. BARIŞ ÖNOL
Tez Türü: Doktora
Konular: Meteoroloji, Meteorology
Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
Yıl: 2020
Dil: İngilizce
Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
Ana Bilim Dalı: Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Bilim Dalı: Atmosfer Bilimleri Bilim Dalı
Sayfa Sayısı: 174

Özet

Akdeniz Bölgesi'nin birçok Avrupa, Asya ve Afrika ülkesine ev sahipliği yapması ve iklim değişikliğine karşı potansiyel duyarlılığı nedeniyle Akdeniz iklimi bilimsel ve sosyo-ekonomik çalışmalar için bir motivasyon oluşturmaktadır. Akdeniz Bölgesi yarı kurak bozkırları, büyük su kaynakları, karmaşık topografik özellikleri ile yağış, sıcaklık gibi değişkenlerin mekânsal olarak heterojen dağılım göstermesine neden olur. Bu nedenle, iklim değişikliğiyle birlikte anılan su mevcudiyeti, bölgesel hidro- iklim, ekstrem olaylar ve insan maruziyeti gibi konular karşılaşılacak temel zorluklar arasındadır. Bu olası problemler düşünüldüğünde, Akdeniz Bölgesi'nin mevcut iklimini hava-deniz etkileşimi, büyük ölçekli iklim değişkenliği ve potansiyel nem kaynaklarını göz önüne alarak değerlendirmek büyük önem taşır. Bu tezde, orta enlem siklonları, yağış nem kaynakları, dalga aktivitesi ve tekil/birleşik iklim modelleme yaklaşımlarının faydaları bağlamında Akdeniz iklimine yönelik bir anlayış oluşturmak için kapsamlı bir araştırma yapılmıştır. Tez çalışması üç ana araştırma sorusuna cevap verecek şekilde tasarlanmıştır. İlk olarak, dört farklı re-analiz veri setinin ortalaması kullanarak Akdeniz bölgesindeki yağış dinamiklerini araştırmak hedeflenmiştir. Bu amaçla, Akdeniz Havzası üzerindeki mevsimsel yağış dağılımına katkıda bulunan çeşitli okyanus ve karasal nem kaynaklarının rolünü anlamak için nemi kaynağına kadar zamanda geriye doğru takip etmeyi sağlayan Lagrange yaklaşımı kullanılmıştır. Böylece, bölgedeki nem arzını belirleyen ana kaynakların bağıl önemi incelenmiş ve bu kaynakların Kuzey Atlantik Salnımı (NAO), La Niña ve El Niño hadiseleriyle ilişkisi ortaya konulmuştur. İkinci olarak, Med-CORDEX (Mediterranean - Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment) bölgesinin genel klimatolojisini en iyi şekilde üreten konfigürasyonu tespit edebilmek amacıyla ve birleşik modellerin kullanılmasının katma değerini araştırmak için yüksek ve düşük çözünürlüklü tekil ve birleşik simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Son olarak, üç yüksek çözünürlüklü tekil/birleşik simülasyon Akdeniz'de meydana gelen ve tropikal fırtınalara benzeyen medikanların genel karakteristiklerini oluşturabilmedeki becerilerini ölçmek için re-analiz verileriyle karşılaştırılmıştır. Ayrıca, bu ekstrem olayı yakalamada okyanus ve okyanus-dalga bileşenleri ile çalıştırılan simülasyonların katma değeri detaylı olarak ortaya konulmuştur. Akdeniz Bölgesi'nin karasal alanlarının (30°N ile 49.5°N ve 9.75°W ile 61.5°E) mevsimsel nem kaynaklarının kapsamlı bir şekilde anlaşılmasını sağlamak için 1980- 2013 dönemini kapsayan dört re-analiz verisine nemi kaynağına geri takip etmeye olanak veren Lagrange yöntemi uygulanmıştır. Yapılan analizlerde, Akdeniz kara bölgesini içine alacak şekilde, enlemler boyunca 10°S ile 71.35°N arasında ve boylamlar boyunca 80°W ile 84.88°E arasında olan ve on tamamlayıcı alt bölgeden oluşan bir kaynak bölgesi kullanılmıştır. Bu kaynak bölgesi, Akdeniz Bölgesi'nin karasal alanlarındaki her bir ızgara hücresindeki mevsimsel yağışın %90'dan fazlasını kaynağına kadar takip etmemize olanak sağlar. Analizlerimiz, mevsimsel yağışların mekânsal dağılımında Kuzey Atlantik ve Akdeniz'den gelen nemin ve lokal çevrimin önemli bir rol oynadığını göstermektedir. Ancak bu ana nem kaynaklarının her birinin göreceli öneminin belirlenmesinde açık bir doğu-batı kontrastı göze çarpmaktadır. Kuzey Atlantik'in Batı Akdeniz üzerindeki nem arzını belirlediği, Akdeniz'den gelen nem ve lokal çevrimin ise Doğu Akdeniz üzerinde önemli bir rol oynadığı gözlenmektedir. Analizlerimiz ayrıca Kuzey Atlantik Salınımının (NAO) Akdeniz Bölgesi'nin karasal alanlarındaki yağış değişkenliğinde önemli bir rol oynadığını, NAO'nun negatif fazında ıslak yıllar ve pozitif fazında kuru yıllarla benzer sonuçlar verdiğini göstermektedir. Burada rapor edilen bulgular dört re-analiz veri setinde genel olarak tutarlıdır. Özetle, tezin bu kısmında Akdeniz Bölgesi'nin karasal alanlarına etki eden komşu ve uzak, okyanus ve karasal evaporatif nem kaynaklarının görece rolleri tespit edilmiştir. Böylelikle, çalışma bölgede meydana gelen yağış değişkenliği ve değişiminin etkenlerinin uzun yıllar boyunca ve mevsimsel ölçekte anlaşılmasına yardımcı olmaktadır. RegESM modeli, CORDEX çerçevesi altında öngörülen ve Akdeniz'i içine alan Med- CORDEX alanı üzerinde hem birleşik (atm-ocn-dalga / atm-ocn) hem de tekil (bağımsız atmosfer) olarak çalıştırılmıştır. Bu simülasyonlarda atmosfer modeli için iki farklı çözünürlük kullanılmıştır: 12 km ve 50 km. Okyanus modeli için ~9km ve dalga modeli ~14km çözünürlük kullanılmıştır. Buna ek olarak, RegCM4'ün Med- CORDEX alanı üzerindeki tekil simülasyonunun başlangıç ve sınır koşulları ERA- Interim re-analiz verisi ile oluşturulmuştur. Birleşik modellerdeki okyanus modeli (ROMS) ise World Ocean Atlas 2009 (WOA09; Locarnini et al. 2010; Antonov et al. 2010) ve MEDATLAS-II (MEDAR Group 2002) iklimsel veri setlerinin kombinasyonu ile zorlanmıştır. Akdeniz üzerindeki tekil dalga modelinin (WAM) simülasyonu ise, tekil RegCM4 simülasyonunun rüzgar alanı tarafından zorlanmıştır. Bu çalışmada, yüksek/düşük çözünürlüklü ve tekil/birleşik modelleme sistemlerinin Med-CORDEX alanı üzerindeki performansı, gözlemler ve re-analiz veri setleri kullanılarak değerlendirilmiştir. Ayrıca, iklim simülasyonları arasında atmosfer- okyanus-dalga birleşimi ile üretilen hava-deniz etkileşiminin katma değeri araştırılmıştır. Akdeniz Havzası'nın genel klimatolojisine yön veren temel değişkenlerin simülasyonunda birleşik modellerin rolünü araştırmak için detaylı analizler yapılmıştır. Sonuçlar, çözünürlük, hava-deniz etkileşimi, etkileşimli okyanus ve dalga süreçlerinin model sonuçları üzerinde çeşitli rollere sahip olduğunu ortaya koymaktadır. Analizlerimiz tekil ve birleşik modellerin Akdeniz'in genel iklim benzetimini yapabildiğini göstermektedir. Bunun yanında yüksek çözünürlüklü benzetimlerin, topoğrafyayı daha iyi çözerek, özellikle yüksek rakımlı bölgelerde yağış için daha iyi sonuçlar verdiği gözlenmiştir. Ayrıca, atmosfer ve dalga bileşenleri ile gerçekleştirilen benzetimlerin deniz-atmosfer arasındaki etkileşimi daha iyi temsil ettiği bulunmuştur. Tezin bu kısmında yapılan analizler, iklim değişkenlerinin simülasyonunda çözünürlüğün ve deniz-atmosfer etkileşiminin önemini ortaya koymaktadır. Güçlü rüzgarlar, düşük basınç merkezleri ve aşırı yağışlarla ilişkilendirilen tropikal fırtına benzeri Akdeniz fırtınalarına medikan denir. Bu yıkıcı fırtınalar kıyı bölgeler ve Akdeniz'deki küçük adalar için tehdit oluşmaktadır. Ayrıca gelecekteki iklim projeksiyonlarını da içeren son çalışmalar, iklim değişikliği koşullarında medikanların yoğunluğunun artabileceğini göstermektedir. Bu nedenle, medikanlarin deniz ve atmosfer arasındaki termodinamik süreçleri içeren oluşum mekanizmalarının kapsamlı bir şekilde anlaşılması önemlidir. Çalışma alanı boyunca medikan olaylarını yöneten anahtar süreçlerin simülasyonunda hava-deniz etkileşiminin rolünü ve gözlemlenen medikanların özelliklerini yeniden üretme bakımından tekil ve birleşik modellerin performansları değerlendirilmiştir. Bunun sonucunda, atmosfer-okyanus-dalga bileşenlerini içeren simülasyonun, gözlenen medikanların konumunu ve zamanlamasını daha iyi temsil ettiği gözlenmektedir. Birleşik modelin bu performansının nedeni, dalga modelinin pürüzlülük uzunluğu girdisi ile yüzey rüzgarlarında medikan oluşumu için gerekli koşulları sağlayacak değişikliklere sebep olmasıdır. Sonuçlarımız ayrıca kısa süre önce geliştirilen yer sistem modeli RegESM'in atmosfer, okyanus ve dalga bileşenlerini içermesiyle medikanların oluşum mekanizmalarını anlamada öne çıktığını göstermektedir. Çalışma kapsamında yapılan analizler, hidro-iklim, yağışa neden olan komşu ve uzak nem kaynakları, iklim ekstremleri ve deniz-atmosfer etkileşiminin böylesine karakteristik bir coğrafyadaki önemi bağlamında Akdeniz İklimine dair kapsamlı bir araştırma sunmaktadır. Ayrıca, çalışmada benzeri görülmemiş yeni teknikler kullanılarak Akdeniz iklimi ve ekstremleri araştırılmış, böylece gelecekteki çalışmalar için bir giriş ve/veya bir referans niteliğindedir. Sonuçlarımız, otuz dört yıllık zaman ölçeğinde mevsimsel yağışa katkıda bulunan nem kaynaklarının titiz ve kapsamlı bir anlayışını sağlamakla kalmaz, aynı zamanda önceki çalışmalardaki metodolojiler, zaman periyotları ve veri setlerindeki uyumsuzluklardan kaynaklanan farklılıkları da ortadan kaldırır. Burada sağladığımız bilgiler, ilgilenilen bölge üzerindeki iklimi etkileyen uzak bölgelerdeki iklim anomalileriyle ilişkileri belirlemeye yönelik gelecek çalışmalar için bir temel oluşturabilir. Buna ek olarak, sonuçlarımız hava-deniz etkileşiminin, okyanus/atmosfer süreçlerinin ve dinamiklerinin model simülasyonlarındaki belirsizlikler üzerindeki önemini de ortaya koymaktadır. Dolayısıyla, meydana geldiği bölgede bir çok hasara sebep olabilen medikanların oluşumu sırasında atmosfer ile deniz arasındaki geri bildirim mekanizmalarının daha iyi anlaşılmasını sağlar. Elde edilen bu bilgiler böylesi bir ekstrem olayın simülasyonunda birleşik model kullanmanın önemi ortaya koymakta, ve böylece sel risklerinin değerlendirmesine ve kıyı faaliyetlerinde daha iyi yönetim / planlama stratejileri geliştirmeye yardımcı olabilir. Bu çalışmanın, daha az anlaşılan alanlarda daha fazla çabayı teşvik edeceğini umuyoruz.

Özet (Çeviri)

The Mediterranean Region and its climate have been a motivation for scientific and socio-economic environments due to its feature of being host to many European, Asian and African countries and its potential sensitivity to climate change. The characteristics of this region with semi-arid steppes, large water bodies and complex topographic features cause a heterogeneous distribution of primary climate variables. Therefore, water availability, the regional hydro-climate, extremes and human exposure would be the key challenges in this region with the effects of climate change. Given these possible problems, it is important to understand the current climate of the Mediterranean region, considering the air-sea interaction, large-scale climate variability and potential moisture sources. In this thesis, an extensive research has been conducted to establish an understanding towards the Mediterranean climate within the context of mid-latitude cyclones, precipitation moisture sources, wave activity and benefits of using coupled and standalone climate modeling approaches. We designed the thesis to answer three main science questions. First, we investigate precipitation dynamics over the Mediterranean region using an ensemble of four different reanalysis dataset. For this purpose, we used a Lagrangian based moisture back trajectory approach to understand the role of various oceanic and terrestrial moisture sources that contribute to the seasonal precipitation distribution over the Mediterranean Basin. Secondly, we performed standalone and coupled simulations with high and low resolution to assess the added value of using coupled models in producing the general climatology of the Med-CORDEX (Mediterranean - Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment) region. Thirdly, a tropical- like storm (medicane) that is peculiar to Mediterranean, have been analyzed with the three high resolution coupled/uncoupled simulations to investigate the capturing ability of the coupled model in producing the main characteristics of these extreme events. We employ a Lagrangian based moisture back trajectory method on an ensemble of four reanalysis datasets to provide a comprehensive understanding of moisture sources over the Mediterranean land region (30°N to 49.5°N and 9.75°W to 61.5°E) at seasonal timescales for 1980 to 2013 period. Using a source region between 10°S to 71.35°N along the latitude and 80°W to 84.88°E along the longitude that is subdivided into ten complimentary sub-regions, our analyses is able to backtrack up to >90% of seasonal precipitation at each grid point within the target region. Our results indicate a significant role of moisture advected from the North Atlantic and Mediterranean Sea, and locally recycled moisture over the target region in shaping the spatial distribution of seasonal precipitation. However, a clear east-west contrast is witnessed in determining the relative importance of each of these major moisture sources where the North Atlantic dictates the moisture supply over the western Mediterranean while moisture from Mediterranean Sea and local recycling play a key role over the eastern Mediterranean. Our analyses also demonstrate a major footprint of the North Atlantic Oscillation (NAO) on precipitation variability over the Mediterranean land as dynamic and thermodynamic anomalies during the negative phase of NAO match with those during wet years and vice versa. The findings reported here are generally consistent across the four reanalysis datasets. Overall, this part of the thesis establishes the relative roles of adjacent and far-off oceanic and terrestrial evaporative sources over the Mediterranean land and should help in understanding the drivers of precipitation variability and change at varying timescales. The RegESM (Regional Earth System Model) model is run in both coupled mode (atmosphere-ocean-wave/atmosphere-ocean) and uncoupled mode (standalone atmosphere) for 1979-2012 period over the Med-CORDEX domain prescribed under the CORDEX framework. For the atmosphere model, we used two different resolutions: 50 km and 12 km. Additionally, standalone simulation of RegCM4 is forced by ERA-Interim Reanalysis over the Med-CORDEX domain and the standalone simulation of the wave model (WAM) is forced by the standalone RegCM4 wind field for the Mediterranean Sea. Detailed analyses are conducted to investigate the added value of the air-sea interaction produced by atmosphere-ocean-wave coupling among the climate simulations, the effect of the resolution and the capturing ability of the coupled model in generating the general characteristics of the Mediterranean climate. Our analysis show that both coupled and standalone models are able to capture the general climatology. Finer resolution helps to resolve the topography better and it improves precipitation representation especially over the high elevations. Apart from that, using coupled model with ocean and wave components increases the interaction with the Mediterranean Sea. This part of the thesis hereby improves our understanding regarding the importance of the resolution and air-sea interaction in the simulation of primary climate variables. Thirdly, we investigated tropical-like Mediterranean storms associated with strong winds, low pressure centers and extreme precipitation that are also called medicanes. These devastating storms threaten the coastal regions and islands in the Mediterranean. Recent studies including future climate projections indicate that the intensity of medicanes could increase under the climate change conditions. Therefore, it is important to improve a comprehensive understanding of the medicanes and their occurrence processes including thermodynamic mechanisms between the atmosphere and the sea. In pursuing these mechanisms, we used three high resolution coupled/uncoupled simulations to investigate 16 medicane cases. We analyze the ability of the coupled and uncoupled models to reproduce the characteristics of the observed medicanes and to investigate the role of air-sea interaction in the simulation of key processes that govern medicane occurrences over the study area. In general, the spatial extent and the timing of the observed medicanes better simulated with the coupled model. The reason behind this better replication with the coupled model is the wave model's interactive contribution with the roughness length to the surface winds, which allows necessary conditions for medicane formation. Our results also reveal that the recently developed modeling system RegESM incorporates atmosphere, ocean and wave components and thereby is better capable to improve the understanding of the mechanisms driving medicanes. The results of the thesis presents extensive information regarding the Mediterranean climate within the context of hydro-climate, local and remote precipitation moisture sources, climate extremes and importance of the air-sea interaction in such a unique region. Additionally, this study uses unprecedented and novel techniques to investigate the Mediterranean climate and its extremes, thereby is an introduction and/or reference for future studies.

Benzer Tezler

Tez No
75409
Uzaktan algılama verileriyle orman yangını analizi
Forest fire analysis with remote sensing data
COŞKUN ÖZKAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Jeodezi ve Fotogrametri İstanbul Teknik Üniversitesi
Jeodezi ve Fotogrametri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FİLİZ SUNAR
Tez No
467210
Gemilerin yapısal güvenilirliğinin birinci düzey güvenilirlik yöntemleri kullanılarak incelenmesi
Assesment of ship structural reliability with using first order reliability methods
ORHAN PEHLİVAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Gemi Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET ERGİN
Tez No
778844
Determinants of social capital in Middle East and North African (MENA) countries
Orta Doğu ve Kuzey Afrika'da sosyal sermayenin etkenleri
DEENA SALEH MOHAMED HASHAD
Doktora
İngilizce
2023
Ekonomi İstanbul Üniversitesi
İktisat (İngilizce) Ana Bilim Dalı
Prof. Dr. HASAN VERGİL
Tez No
545250
Technical and economic feasibility of the concurrent desalination and boron removal process
Ters ozmos uygulamasını kullanan eş zamanlı bor ve tuz ayırma prosesinin teknik ve ekonomik fizibilitesi
SEDA KAYACI
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Kimya Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET GÖKTUĞ AHUNBAY
Tez No
30842
Otomatik vezne makinaları (ATMs) ve uygulamaları
Autamated teller machines (ATMs) and applications
A. C. BANU ÇAĞLAR
Yüksek Lisans
Türkçe
1994
Bankacılık Marmara Üniversitesi
Bankacılık Ekonomisi ve İşletmeciliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. METE DOĞRUER

Geri Dön