Geri Dön

Investigating effects of better soil moisture initialization on forecasting capability with WRF model

Başlangıç koşullarında daha iyi toprak nemi kullanılmasının WRF modeli ile tahmin kapasitesi üzerindeki etkilerinin incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 777015
  2. Yazar: ŞULE HALİLOĞLU
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. BARIŞ ÖNOL, DOÇ. DR. MERAL DEMİRTAŞ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Meteoroloji, Meteorology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Atmosfer Bilimleri Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 103

Özet

Meteorolojik araştırmalarda yağışı etkileyen faktörlerin daha iyi anlaşılması, yağışın tahmin edilebilirliğine katkı sağlayan önemli bir unsurdur. Bu bağlamda, toprak neminin buharlaşma ve hissedilir ısı akısı gibi yağışı etkileyen değişkenler üzerindeki etkisi, yağış üzerinde de etkiye sahip olabileceği düşüncesini doğurur. Bu etki konvektif yağışlarda daha net gözlemlenebilir, çünkü bu tip yağışlarda cephesel sistem yağışlarının aksine atmosfere nem girdisi yüzeydeki nem miktarına bağlıdır. Tüm bu nedenlerden dolayı, toprak neminin yağışa olan etkisi konvektif yağışların sıklıkla görüldüğü yaz aylarında daha belirgin olarak incelenebilir. Ayrıca aşırı nemli ve kurak bölgelerden çok bu bölgeler arasındaki geçiş alanlarında iki değişken arasındaki ilişki daha belirgin bir şekilde incelenebilir. Toprak neminin yağışa olan bu belirgin etkisini ortaya koyma amacıyla, bu çalışma Türkiye bağlamında The Weather Research and Forecasting (WRF, Hava Araştırma ve Öngörüsü) modeli kullanılarak toprak nemi başlangıç değerlerinin yağış üzerindeki etkisini incelemeyi amaçlar. Çalışmanın coğrafi kapsamı, Karadeniz'in büyük bir bölümünü ve doğu Akdeniz'i içeren bir alanı ve çevresindeki ülkeleri kapsamaktadır. Çalışmada, WRF simülasyonlarının periyodunu belirlemek için değişkenlerin tarihsel analizinde yapılmış olup, toprak nemine ilişkin uydu gözlemleri (ASCAT) ve yağış için Çok Kaynaklı Ağırlıklı Topluluk Yağış (MSWEP) verileri kullanılmıştır. ASCAT toprak nemi ve MSWEP yağış verileri kullanılarak 1992-2016 yılları arasında gözlemsel analizler gerçekleştirilmişitir. İlk olarak iki değişken arasındaki Mayıs ve Haziran ayları çapraz korelasyonu incelenmiştir. Ardından aynı yıllar için Ege ve Güneydoğu bölgelerinde alansal ortalama alınarak 60 günlük zaman serileri elde edilmiş ve yağış ve toprak nemi arasındaki ilişkinin gözlemsel kanıtları araştırılmıştır. 1992-2016 dönemi için çok yıllık gözlemsel yağış ve toprak nemi veri setlerinin analizleri, 2007, 2012 ve 2015 yıllarının daha derin analizler için uygun olduğunu ortaya koymuştur. Bu üç yıl için toprak nemi ve yağış anomali haritaları çizdirilmiş ve sırasıyla kurak ve yağışlı olan 2007 ve 2015 yılları WRF simülasyonlarını gerçekleştirmek üzere seçilmiştir. WRF modeli, başlangıç ve sınır koşulları olarak ERA5 yeniden analiz verileriyle 3 km yatay çözünürlükte çalıştırılmıştır. Gözlemsel analizlere analizlere dayalı olarak, toprak neminin etkilerini tespit etmek için WRF simülasyonları üç aylık (Mayıs-Haziran-Temmuz), iki aylık (Haziran-Temmuz) ve bir aylık (Temmuz) olarak tasarlanmıştır. Bu metodoloji, toprak neminin farklı başlangıç zamanlamasıyla yağış üzerindeki etkisini anlamak için uygulanmıştır. Seçilen WRF çıktıları, maksimum ve minimum sıcaklık, toprak nemi ve yağış, ERA5 yeniden analiz verileri ile karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırma, 2007'nin üç aylık WRF simülasyonunun maksimum sıcaklık değerlerinin batıda ve İç Anadolu Bölgesinde 5oC'ye kadar soğuk olduğunu, bir aylık simülasyonda ise güneydoğudaki minimum sıcaklık farkının 6oC'ye yükseldiğini ortaya koymuştur. Yağışlı olan 2015 yılında ise üç simülasyon da güneydoğuda 4oC'ye yaklaşan düşük minimum sıcaklık değerleri sağlamıştır. Topoğrafik etkinin yağış üzerinde büyük etkiye sahip olduğu alanlarda simülasyonlar ile yeniden analiz verileri arasındaki yağış farkının 80 mm'ye kadar çıktığı gözlemlenmiştir. Toprak nemi farkı çoğunlukla negatiftir, bu da modelin Mayıs ayındaki toprak nemini daha az tahmin ettiği anlamına gelmektedir. 2015 Haziran ayında, varlığı ve konumu doğru olmasına rağmen, modelde Karadeniz'in doğu kıyısındaki yağış miktarı olduğundan az tahmin edilmiştir. Öte yandan, Batı Karadeniz bölgesinde yağış miktarı, model çıktısındaki yeniden analiz verilerinden daha yüksektir. 2015 yılının, 2007'den daha yağışlı olması sebebiyle, tüm alanda WRF ve ERA5 arasındaki farkın 2015'te daha büyük olduğu görülmüştür. 2015 Temmuz ayı, Mayıs ve Haziran'a kıyasla kurak bir aydır, bu nedenle çalışma alanının geniş bir bölümünde fark gözlemlenmemiştir. WRF çıktalarının ERA5 ile karşılaştırılmasının ardından, herbir WRF simülasyonunun birbirlerinden farkları alınarak WRF çıktıları arasındaki farklar tartışılmış ve bu farkın sebepleri araştırılmıştır. Bunun için, 2007 ve 2015 yıllarının aylık minimum ve maksimum sıcaklık, yağış ve toprak nemi değişkenlerinin ortalamaları ayrı ayrı incelenmiştir. 3 aylık simülasyonun ve 2 aylık simülasyondan maksimum sıcaklık için 2007 yılı Haziran ayında çalışma alanının güney doğusunda 1oC daha soğuk, minimum sıcaklığın ise aynı bölgede 3-4oC daha sıcak tahmin edildiği göülmüştür. Her iki yılda da 3 aylık ve 1 aylık simülasyonlar arasındaki topraktaki nem farkı miktar olarak 3 aylık ve 2 aylık farklardan daha fazla olduğu görülmüştür. Yağışlı bir yıl olduğu için seçilen 2015 yılı sonuçlarında yağışlı bir ayla başlandığı için güneydoğuda toprak neminin daha yüksek olduğu simülasyonda (3 aylık simülasyon) minimum sıcaklığın da daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir. Seçilen alt bölgeler olan Ege Bölgesi, İç Anadolu Bölgesi ve Güneydoğu Bölgesi üzerinden tüm aylık simülasyonlar birbiriyle karşılaştırılmıştır.Simülasyonlarda toprak neminin başlangıç durumundaki değişikliklerden dolayı sıcaklık sonuçlarının iyileştiği gözlemlenmiştir. Seçilen bölgeler için, yağış ve toprak nemine ilişkin zaman serisi analizleri yapılmıştır ve başlangıçtaki toprak neminin yağış üzerindeki etkisinin kurak yılda daha fazla olduğu ortaya çıkmıştır. Ayrıca bu bölgelerde WRF simülasyonları ile ERA5 verilerinin aylık ortalamalarının farklarının dağılım fonksiyonları analiz edilmiştir. Bu analizler sonucunda 3 aylık simülasyondaki hataların daha az olduğu görülmüştür. Minimum ve maksimum sıcaklık, toprak nemi ve yağışa değişkenlerine ek olarak simülasyonlar arasındaki aşağı seviye bulut kapalılığı farkları da incelenmiştir. Alçak seviyeli bulutlar, toprak nemini etkileyen maksimum ve minimum sıcaklık üzerinde etkili olmaları ve yağışla ilgili olmaları nedeniyle bu çalışmanın araştırma konusu olmuştur. 2007 yılında, 3 aylık simülasyonun Haziran ayında Orta Anadolu'da daha fazla, Orta Karadeniz ve Trakya'da daha az bulut olacağını tahmin etmiştir. Kurak yıl olan 2007 ile karşılaştırıldığında, Haziran 2015'te düşük seviyeli bulut örtüsünde simülasyonlar arasında önemli farklılıkların gözlemlendiği bölgeler bulunmaktadır. Orta Karadeniz kıyı ve iç kesimlerinden başlayarak Karadeniz kıyı şeridi boyunca 3 aylık simülasyonda alçak seviyeli bulutların 2 aylık simülasyondan daha az olduğu ve aralarındaki farkın %5'in üzerinde olduğu görülmektedir. Tüm bu sonuçlar göz önüne alındığında, simülasyonun ıslak koşullarda başlatılmasının, Orta Anadolu bölgesinde yağışın iyileştirilmesine katkıda bulduğu ve toprak nemindeki küçük değişikliklerin, WRF modelinin tahmininin doğruluğunu artırdığı sonucuna ulaşılmıştır. Toprak nemi ile yağış arasındaki ilişki Türkiye'nin farklı bölgelerinde farklı özelliklere sahiptir. Toprak nemindeki düşüşün Orta Anadolu'da yağışların olduğundan az tahmin edilmesine neden olduğu görülürken, güneydoğuda bu bölgede yaz aylarında yağış olmadığı için böyle bir sonuca varılamamaktadır. Toprak neminin yağışa etkisinin belirgin olmadığı güneydoğu bölgesinde toprak nemi ile sıcaklık arasında bir ilişki kurulabileceği görülmüştür. Minimum sıcaklıkta yaklaşık 4oC'lik bir iyileşme gözlenmiştir. Yağışlı 2015 yılında Mayıs ve Haziran aylarında toprak nemi yağışları etkilemezken, Temmuz ayında İç Ege bölgesinde yağışlarda iyileşme görülmektedir. Aynı yılın simülasyonları arasında, başlangıç durumunun diğer simülasyonlara göre daha nemli olduğu simülasyonda zamanla toprak nemindeki düşüşün daha hızlı olduğu gözlemlenmiştir. Toprak neminin başlangıç koşullarındaki değişikliklerin WRF modelinin performansını etkilediği sonucuna varılmıştır ve mevsimsel yağış tahmininin iyileştirilmesinde başlangıç koşullarındaki iyileştirmenin önemi anlaşılmıştır.

Özet (Çeviri)

This thesis aims to analyze the effect of soil moisture on precipitation over Turkey by using of numerical weather prediction model (The Weather Research and Forecasting: WRF). The model domain covers most of the Black Sea, the Eastern Mediterranean Sea, and surrounding countries. In this study, satellite based soil moisture (ASCAT : Advanced Scatterometer) and precipitation (MSWEP : Multi-Source Weighted-Ensemble Precipitation) observations have been analyzed to define WRF simulation periods. WRF simulations have been accomplished in 3-km horizontal resolution forcing with ERA5 Re-analysis data. Analyses of Multi-annual observational datasets of precipitation and soil moisture for the period 1992-2016 pronounced that years of 2007 and 2015 are appropriate for deeper analysis. Anomalies of soil moisture and precipitation analyses exhibit dry and wet years which are 2007 and 2015, repectively. Based on these analyses, WRF simulations have been designed as three months (May-June-July), two months (June-July), and one month (July) for these two years to detect effects of soil moisture. This methodology has been applied to understand the effect of soil moisture on precipitation by different initialization timing. Selected WRF outputs, the maximum and minimum temperature, soil moisture, and precipitation have been compared with ERA5 Re-analysis. This comparison revealed that the three-month WRF simulation has cold bias up to 5oC over the western and central Anatolian region for maximum temperature in July while the minimum temperature bias reaches 6oC over the southeast in the one-month simulation of 2007. In 2015, all three simulations deliver lower minimum temperatures, approaching 4oC in the southeast, than ERA5 re-analysis. It is observed that the precipitation difference between simulations and reanalysis data is up to 80 mm. All monthly simulations have been compared with each other over the selected subregions which are Aegean Region, Central Anatolia Region and Southeast Region. It is detected that the temperature results are improved in one-month 2007 simulation by 3oC due to the initial condition changes in the soil moisture. For the year of 2015, wet initial conditions of the soil produced 2oC colder maximum temperatures over Central Anatolian Region in July. For the selected regions, time series analyses of precipitation and soil moisture are conducted and it exposes that the effect of initial soil moisture on precipitation is larger in the dry year.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    376062

    Kazova'da toprak sıkışmasının zamansal ve mekansal değişiminin incelenemesi

    Investigation of temporal and spatial soil compaction variability in Kazova

    TOLGA ÇORUK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    ZiraatGaziosmanpaşa Üniversitesi

    Biyosistem Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ENGİN ÖZGÖZ

  2. Tez No

    563206

    Yukarı Fırat havzasındaki mevsimsel kar erimesinin WRF-ARW simülasyonu ve uydu verileri kullanılarak incelenmesi : Mart 2004 örneği

    Investigation of seasonal snow melting by using WRF-ARW simulation and satellite data in the Upper Fırat basin: March 2004 case

    ELİS GÜLER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Meteorolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BARIŞ ÖNOL

  3. 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

  4. Tez No

    671590

    Atık malzemelerin drenaj sistemlerinde kullanım uygunluğunun deneysel olarak incelenmesi

    Experimental investigation of waste materials sustainability for use in drainage systems

    AYŞEGÜL BAYIN SARIAHMETOĞLU

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. RECEP İYİSAN

  5. Tez No

    815599

    Nükleer güç santralı alanlarının arazi örtüsü değişimlerinin incelenmesi

    Investigation of land cover changes of nuclear power plant areas

    ALEKSANDRA MELNIK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    KazalarAkdeniz Üniversitesi

    Uzay Bilimleri ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. NUSRET DEMİR

Geri Dön