Air-Sea Interactions in the Formation of Thunderstorms over Marmara Region: Physical Processes and Modelling

Marmara Bölgesi'nde Orajların Oluşumunda Hava-Deniz Etkileşimlerinin Etkisi: Fiziksel Süreçler ve Modelleme

PDF İndir

Tez No: 794154
Yazar: VELİ YAVUZ
Danışmanlar: PROF. DR. ALİ DENİZ
Tez Türü: Doktora
Konular: Meteoroloji, Meteorology
Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
Yıl: 2022
Dil: İngilizce
Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
Ana Bilim Dalı: Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Bilim Dalı: Atmosfer Bilimleri Bilim Dalı
Sayfa Sayısı: 240

Özet

Oraj ve deniz etkili kar (DEK) yağışı, hem günlük yaşamı hem de ulaşım sektörünü olumsuz etkileyen ve hava-deniz etkileşiminin bir sonucu olarak meydana gelen meteorolojik olaylardır. Oraj ya da diğer bilinen ismiyle gök gürültülü fırtına, bünyesinde genellikle güçlü rüzgarları ihtiva eden, yıldırım ve şimşek eşliğinde güçlü yağışlara (örneğin; yağmur ve dolu) sebebiyet veren bir meteorolojik fenomendir. Yoğun atmosferik kararsızlık, yüksek nem oranı, düşey tetikleyici mekanizmalar, ve rüzgar kaymaları oraj oluşumunda gerekli olan temel bileşenleri oluşturmaktadır. Kümülonimbüs bulutlarının neden olduğu orajlar, yağışlı meydana geldiği gibi yağışsız olarak da meydana gelmektedir. Diğer yandan yalnızca yağmur eşliğinde değil, kar ve dolu ile birlikte de meydana gelmektedirler. Şiddetli hava olayı olarak bilinen bu fenomen, konveksiyonel hareketlerin bir sonucu olarak oluşmaktadır. Bu sebeple yukarı atmosferik seviye hava parsel sıcaklığı ile deniz ya da göl yüzey sıcaklıkları arasındaki artan farklar oraj aktivitelerini şiddetlendirici rol oynamaktadır. DEK ya da deniz etkisinde meydana gelen yağışlar, kuru ve soğuk hava kütlelerinin kendine göre daha sıcak su kütleleri üzerinden geçerken ısı ve nem akılarını kazanması sonucunda ortaya çıkan atmosferik kararsızlığın bir sonucu olarak meydana gelmektedir. Arktik ya da polar kökenli çok soğuk ve kuru hava parsellerinin ülkemizin kuzeyinde yer alan Karadeniz üzerinden geçişi esnasında kararsızlaşması sonucunda Marmara Bölgesi ve Karadeniz Bölgesi kış aylarında DEK yağışlarına maruz kalmaktadır. DEK yağışları şiddetli hava olayı olarak etkili olduğu bölgelerde yoğun kar yağışlarına sebep olsa da, meydana gelmek için sinoptik-ölçek sistemlere ihtiyaç duymamaktadır. Hali hazırda sinoptik-ölçek sistemlerin hakim olduğu bir bölgede meydana gelen DEK yağışları ise deniz etkisi arttırılmış kar yağışı olarak tabir edilmektedir. Bu tür yağışlar nispeten DEK bantlarının geçtiği bölgeler üzerinde daha yoğun yağışa sebep olmaktadır. Ülkemizde, yukarıda bahsi geçen her iki şiddetli hava olayı ile ilgili olarak yapılan çalışmalar yer almaktadır. Oraj hadisesi ile ilgili olarak hem durum analizleri hem de klimatolojik analizler literatürde bulunmaktadır. Fakat Marmara Bölgesi genelinde ve özellikle havacılık sektörüne etkileri açısından yapılan klimatolojik analizler ve kısa süreli tahmin modelleri kısıtlı sayıdadır. Diğer yandan ülkemiz için DEK hadisesi ile ilgili olarak oldukça kısıtlı sayıda çalışma literatürde yer almaktadır. Yalnızca birkaç çeşitli değerlendirme ve durum analizinin uluslararası literatürde yer aldığı bu olay için klimatolojik kapsamlı bir analiz ya da belirli sektörler için oluşturulmuş bir tahmin mekanizması bulunmamaktadır. Ülkemizin kuzey kesimlerinde kış aylarında oldukça etkili olan ve hem günlük yaşamı hem de ulaşım faaliyetlerini doğrudan etkileyen bu şiddetli hava olayı için hem bir bilgi birikimine hem de bilimsel bir altlığa ihtiyaç duyulmaktadır. Bu bağlamda, bu doktora tez çalışmasında, hava-deniz etkileşiminin bir sonucu olarak meydana gelen oraj hadiseleri ile ilgili iki adet, DEK hadisesi ile ilgili yedi adet olmak üzere toplamda dokuz adet makale uluslararası hakemli altı farklı dergide yayımlanmıştır. İlk makalede, 2 Şubat 2015 tarihinde İstanbul Atatürk Uluslararası Havalimanı'nda meydana gelen oraj hadisesinin kısa süreli tahmini gerçekleştirilmiştir. Radar görüntüleri, Yıldırım Tespit Takip Sistemi (YTTS), deniz suyu sıcaklık bilgileri ve yer/yukarı seviye atmosferik bilgiler analiz edilerek, orajın ve şiddetinin 42-57 dakika aralığında önceden tahmin edilebileceği tespit edilmiştir. Bu sonucun meteoroloji ofisinde çalışan karar verici merciiler için önemli olduğu ortaya konulmuştur. İkinci makalede, Marmara Bölgesi'nde yer alan 11 havalimanı için oraj olaylarının 15 yıllık uzun dönem çeşitli istatistikleri çıkartılmıştır. Oraj olaylarının meydana geldiği atmosferik koşullar ve hava-deniz etkileşiminin etkileri araştırılmıştır. Gün içi, aylık, ve yıllık dağılımları analiz edilmiştir. Yıllık bazda herhangi bir trend belirlenmemiş, aylık bazda ise en çok gözlem Eylül ayında yapılmıştır. Gün içi oraj dağılımlarında ise en çok gözlem 1100-1900 saatleri arasında meydana gelmiştir. Orajların %72'si yağmurla birlikte, %22'si ise yağışsız olarak meydana gelmiştir. Çalışmanın en önemli sonuçlarından birisi ise konvektif hazır potansiyel enerji (CAPE) olayların yaklaşık %50'sinde sıfır değerini almıştır. Üçüncü makalede, Karadeniz'de yer alan Danube Deniz Sahası (batı Karadeniz) için DEK bantlarının morfolojik sınıflandırması yapılmıştır. 2009-2018 yılları arasında toplamda 83 günde bölge üzerinde DEK bantları gözlenmiş, 75 günde ise bu bantlar Marmara Bölgesi sınırları içerisinde kar yağışına sebep olmuştur. DEK bantlarının tespiti için Meteoroloji Genel Müdürlüğü'nden temin edilen çeşitli uydu ve radar görüntüleri kullanılmıştır. Toplamda beş farklı tipte DEK bantı bölge için tanımlanmıştır. Tüm olaylar içerisinde en çok meydana gelen bant tipi ise %85 oranla Tip-2 DEK bantı olmuştur. Bunun en önemli sebebi ise bu bant tipinin boylamsal doğrultuda birbirine paralel bantlardan meydana gelmesidir. Batı Karadeniz'in uzun feç mesafesi boyunca polar ve arktik hava kütlelerinin kuzeyden güneye doğru hareketleri Tip-2 bant için uygun atmosferik koşulları meydana getirmiştir. Ortalama olarak en düşük deniz suyu sıcaklıkları Danube Deniz Sahası'nın en kuzeyinde meydana gelmiştir. Bu bölge çoğunlukla DEK bantlarının oluşmaya başladığı ve zayıf şiddette olduğu bölgedir. Güneye doğru inildikçe artan deniz suyu sıcaklığına bağlı olarak bantların şiddeti de artmıştır. Dördüncü makalede, 30-31 Ocak 2012 tarihinde batı Karadeniz'de meydana gelen vorteks (Tip-5) şeklindeki DEK bantlarının analizi gerçekleştirilmiştir. İki farklı uyduya (Terra ve MSG uyduları) ait çeşitli görüntülerle tespit edilen vorteks bant, bölge üzerinde etkisini yaklaşık 24 saat sürdürmüştür. Batı Karadeniz'i çevreleyen ülkelere ait 12 havalimanı, 16 meteoroloji istasyonu ve 5 radyozonde istasyonundan temin edilen yer seviyesi meteorolojik veriler ve yukarı atmosferik seviyelere ait çeşitli kartlar analiz edilerek vorteksin yapısı incelenmiştir. Vortekse bağlı DEK bantlarının etkili olduğu İnebolu meteoroloji istasyonunda 24 cm kar yüksekliği ölçülmüş, ayrıca batı Karadeniz'i çevreleyen ülkeler genelinde toplamda 102 uçuş iptal edilmiştir. Bunların yanı sıra çeşitli trafik kazaları da yoğun ve ani kar yağışlarına bağlı olarak meydana gelmiştir. Vorteksi meydana getiren yer ve yukarı seviye atmosferik koşullar şu şekilde bulunmuştur: yer yüzeyi ve 700 hPa arasında kuvvetli/derin enverziyon tabakasının mevcudiyeti, aynı düşey aralıkta rüzgar yön değişiminin maksimum 50° ile kısıtlı olması, vorteks çekirdeğinin bulunduğu noktada deniz yüzeyi ve 850 hPa seviyesi arasında sıcaklık farkının 25.8 °C'ye ulaşmasıdır. Ayrıca sinoptik kartlarla yapılan analizlerde iki günlük periyot boyunca vorteksin oluştuğu ve çekirdeğinin yer aldığı bölgede alçak basınç merkezinin bulunduğu tespit edilmiştir. Beşinci makalede, batı Karadeniz için DEK olaylarının istatistiksel karakteristikleri 2009-2018 yılları arası için analiz edilmiştir. Çalışmanın temel amacı SES olaylarının bölge geneli için mezo- ve sinoptik-ölçek yapılarının belirlenerek daha sonra yapılacak kısa ve uzun süreli tahminler için bilgi birikimi oluşturulmasıdır. Uydu ve radar görüntüleri kullanılarak toplamda 95 olay tespit edilmiştir. Bu olaylar dört farklı ölçek kategorisine göre belirlenmiştir. Sonuç olarak, 36 olay (%38) Black Sea (BS) Event, 24 (%25) olay Synoptic-scale (SYNOP) Event, 23 olay (%24) Over Sea Convergence (OSC) Event, ve 12 olay (%13) Transition (TRANS) Event olarak tespit edilmiştir. Dört farklı kategoride DEK olaylarının ortalama yaşam süresi 15.9 saat olurken, en uzun süre 59 saat ile SYNOP Event kategorisinde gerçekleşmiştir. OSC Event kategorisi hariç diğer üç kategoride de enverziyon tabakası altı hakim rüzgar yönü kuzeyli olmuştur. BS Event ve SYNOP Event kategorilerinin çoğunda enverziyon tabakası tespit edilmiş, deniz yüzeyi ve yukarı seviye sıcaklık farkı ise diğer iki kategoriye göre ortalamada 4 °C to 6 °C yüksek meydana gelmiştir. En yüksek sayıda olay 51 ile Ocak ayında, en düşük ise 2 ile Mart ayında meydana gelmiştir. Altıncı makalede, batı Karadeniz'de meydana gelen DEK bantlarının formasyonunda ve gelişiminde kısa dalga troflarının etkisi araştırılmıştır. 2010-2018 yılları araında bölge genelinde SES bantlarının mevcudiyetinde toplamda 48 adet kısa dalga trofu ve uzun dalga tespit edilmiştir. Uzun dalgaların en önemli rolü kısa dalga troflarının yönünü tayin etmesi neticesinde gerçekleşmiştir. Sonrasında kısa dalga trofları ve uzun dalgalar hareket yönleri baz alınarak sınıflandırmaya tabii tutulmuştur. Beş farklı tip kısa dalga trofu ve beş farklı tip uzun dalga tespit edilerek, bunların aylık ve yıllık bazda istatistikleri ile devam süreleri ortaya konulmuştur. Ayrıca her bir tip için deniz yüzey sıcaklığı ve yukarı atmosferik seviyeler arasındaki sıcaklık farkları analiz edilmiş, ve enverziyon durumları incelenmiştir. Kısa dalga troflarının ortalama yaşam süresi 27.8 saat olarak bulunmuş, en uzun süre ise 60 saat ile LWT tipinde gözlenmiştir. Tüm olayların %77 ve %79'unda sırasıyla kısa dalga troflarının ve uzun dalgaların mevcut DEK bantları ile aynı hareket doğrultusuna sahip olduğu tespit edilmiştir. Yedinci makalede, 22 yıllık periyot kapsamında Marmara Bölgesi'nde meydana gelen orajlı kar yağışları araştırılmıştır. Bu olaylar için oluşum mekanizmaları, uygun yer, deniz ve yukarı seviye atmosferik koşullar incelenmiştir. Bölgede yer alan 11 havalimanı raporlarından hareketle toplamda 19 olay tespit edilmiştir. Bu olayların 17'sinde DEK mekanizmasının etkili olduğu belirlenmiştir. İstatistiki olarak yapılan zamansal analizlerin ardından, atmosferik kararlılık indeksleri ile bu olayların tahmin edilebilirliği araştırılmıştır. Buna göre en başarılı kararlılık indeksleri Total Total İndeks ve TQ İndeks olmuştur. Sekizinci makalede, İstanbul'da yer alan iki uluslararası havalimanı için DEK ve DEK olmayan kar yağışlarının karşılaştırılması yapılmıştır. 10 yıllık birçok atmosferik veri kullanılarak her iki havalimanı için DEK olayı tahmin algoritması geliştirilmiştir. Aynı zamanda kar derinlikleri baz alınarak uygun atmosferik koşullar belirlenmiştir. Son olarak dokuzuncu makalede, İstanbul'da meydana gelen tarihi ekstrem kışlar araştırılmıştır. 17 yüzyıllık periyot kapsamında meydana gelen olaylar gösterilmiş, son birkaç yüzyılda meydana gelen olaylar baz alınarak 2050 ve 2100 yıllarına kadar olan süreçte yoğun kar yağışı ve sert kış tahminlerinde bulunulmuştur.

Özet (Çeviri)

Thunderstorm and sea-effect snow (SES) are meteorological events that adversely affect both daily life and the transportation sector, and occur as a result of air-sea interaction. Thunderstorm, is a meteorological phenomenon that usually contains strong winds and causes strong precipitation (e.g., rain, hail) accompanied by lightning. Intense atmospheric instability, high humidity, vertical triggering mechanisms, and wind shears are essential components for thunderstorm formation. Thunderstorms caused by cumulonimbus clouds occur both with precipitation and without precipitation. On the other hand, they occur not only with rain, but also with snow and hail. This phenomenon, known as a severe weather event, occurs as a result of convectional movements. For this reason, the increasing differences between the upper atmospheric level air parcel temperature and the sea or lake surface temperatures play an intensifying role in thunderstorm activities. SES occurs as a result of atmospheric instability, which occurs as a result of dry and cold air masses gaining heat and moisture fluxes as they pass over warmer water bodies. As a result of the instability of very cold and dry air parcels of arctic or polar origin during their passage over the Black Sea located in the north of our country, the Marmara Region and the Black Sea Region are exposed to SES in the winter months. Although SES cause heavy snowfalls in regions where they are effective as severe weather events, they do not need synoptic-scale systems to occur. SES that occur in a region where synoptic-scale systems are currently dominant are called as snowfall with increased sea effect. This type of snowfall causes more intense snow on the regions where the SES bands pass. In our country, there are studies on both severe weather events mentioned above. There are both case studies and climatological analyses in the literature regarding the thunderstorm event. However, climatological analyses and short-term forecast models are limited in terms of their effects on the Marmara Region and especially on the aviation sector. On the other hand, there are a very limited number of studies in the literature regarding the SES events for our country. There is no climatological comprehensive analysis or a prediction mechanism established for certain sectors for this event, where only a few assessments and case studies are included in the international literature. Both a knowledge and a scientific base are needed for this severe weather event, which is very effective in the northern parts of our country during the winter months and directly affects both daily life and transportation activities. In this context, in this thesis, a total of nine articles, two on thunderstorm events and seven articles on SES, were published in six different internationally refereed journals. In the first article, a short-term forecast of the thunderstorm that occurred at Istanbul Atatürk International Airport on February 2, 2015 was made. It has been determined that the thunderstorm and its severity can be predicted in the range of 42-57 minutes in advance by analysing radar images, Lightning Detection Tracking System (LDTS), sea surface temperature information, and surface/upper level atmospheric information. It has been revealed that this result is important for the decision makers working in the meteorology office. In the second article, various 15-year long-term statistics of thunderstorm events were investigated at 11 airports in the Marmara Region. Atmospheric conditions in which thunderstorm events occur and the effects of air-sea interaction were examined. Intraday, monthly, and annual distributions were analszed. No trend was determined on an annual basis, and the most observations were made in September on a monthly basis. In the daytime thunderstorm distribution, the most observations occurred between 1100-1900 hours. 72% of thunderstorms occurred with rain and 22% without any precipitation. One of the most important results of the study is that the Convective Available Potential Energy (CAPE) is zero in approximately 50% of the events. In the third article, the morphological classification of SES bands was made for the Danube Sea Area (western Black Sea) in the Black Sea. Between 2009 and 2018, SES bands were observed over the region in a total of 83 days, and these bands caused snowfall within the borders of the Marmara Region in 75 days. Various satellite and radar images obtained from the Turkish State Meteorological Service (TSMS) were used for the detection of SES bands. In total, five different types of SES bands have been defined for the region. The most common type of band among all events was Type-2 SES band with 85%. The most important reason for this is that this band type consists of parallel bands in the longitudinal direction. The north-south movements of polar and arctic air masses along the long fetch distance of the western Black Sea have created suitable atmospheric conditions for the Type-2 band. On average, the lowest sea surface temperatures (SESs) occurred in the northernmost part of the Danube Sea Area. This region is the region where SES bands mostly begin to form and are of weak intensity. The intensity of the bands increased due to the increasing SST towards the south. In the fourth article, the analysis of vortex (Type-5) SES bands that occurred in the western Black Sea on January 30-31, 2012 was carried out. The vortex band, which was detected with various images of two different satellites (Terra and MSG satellites), continued its effect on the region for approximately 24 hours. The structure of the vortex was analysed by analysing the surface level meteorological data obtained from 12 airports, 16 meteorological stations, and 5 radiosonde stations belonging to the countries surrounding the western Black Sea and various charts of the upper atmospheric levels. The 24 cm of snow depth was measured at the İnebolu meteorology station, where the SES bands connected to the vortex were effective, and a total of 102 flights were canceled across the countries surrounding the western Black Sea. In addition to these, many traffic accidents have also occurred due to heavy and sudden snowfalls. The surface and upper level atmospheric conditions that create the vortex were found as follows: presence of a strong/deep inversion layer between the surface and 700 hPa, the wind direction change being limited to a maximum of 50° in the same vertical range, the temperature difference reaches 25.8 °C in between the sea surface and 850 hPa at the point where the vortex core is located. In addition, in the analyses made with the synoptic charts, it was determined that the vortex was formed during the two-day period and there was a low pressure centre in the region where the core is located. In the fifth article, the statistical characteristics of SES events for the western Black Sea were analysed for the years 2009-2018. The main purpose of the study is to determine the meso- and synoptic-scale structures of SES events for the region in general and to create knowledge for nowcasting and forecasting applications to be made later. A total of 95 events were detected using satellite and radar images. These events were determined according to four different scale categories. As a result, 36 events (38%) are determined as Black Sea (BS) Events, 24 (25%) as Synoptic-scale (SYNOP) Events, 23 (24%) as Over Sea Convergence (OSC) Events, and 12 (13%) as Transition (TRANS) Events. While the average duration of SES events in four different categories was 15.9 hours, the longest time was 59 hours in the SYNOP Events. Except for the OSC Events, the prevailing wind direction under the inversion layer was northerly in all three categories. Inversion layer was detected in most of the BS Events and SYNOP Events, and the sea surface and upper level temperature difference was 4 °C to 6 °C higher on average compared to the other two categories. The highest number of events occurred in January with 51, and the lowest in March with 2. In the sixth article, the effect of short-wave troughs on the formation and development of SES bands in the western Black Sea was investigated. Between 2010 and 2018, a total of 48 short-wave troughs and long waves were detected in the presence of SES bands throughout the region. The most important role of long waves has been realized as a result of determining the direction of short-wave troughs. Afterwards, short-wave troughs and long waves were classified based on their direction of motion. Five different types of short-wave troughs and five different types of long waves were determined, and their monthly and annual statistics, and their durations were revealed. In addition, the temperature differences between sea surface and upper atmospheric levels were analysed for each type, and inversion conditions were examined. The average duration of short-wave troughs was found to be 27.8 hours, and the longest time was observed in LWT type with 60 hours. In 77% and 79% of all events, respectively, short-wave troughs and long waves were found to have the same direction of motion as the current SES bands. In the seventh article, thundersnows occurring in the Marmara Region within a 22-year period were investigated. For these events, the formation mechanisms, suitable surface, sea, and upper level atmospheric conditions were investigated. Based on the reports of 11 airports in the region, a total of 19 incidents were identified. In 17 of these events, the SES mechanism was found to be effective. After statistical temporal analysis, the predictability of these events was investigated with atmospheric stability indices. Accordingly, the most successful stability indices were Total Total Index and TQ Index. In the eighth article, a comparison of SES and non-SES for two international airports in Istanbul is made. A SES event prediction algorithm was developed for both airports using 10 years of atmospheric data. At the same time, suitable atmospheric conditions were determined according to the snow depths. Finally, in the ninth article, historical extreme winters in Istanbul were investigated. The events that took place within the scope of the 17-century period are shown, and based on the events that took place in the last few centuries, heavy snowfall and harsh winter forecasts are made for the period up to 2050 and 2100.

Benzer Tezler

Tez No
713205
Sensitivity of atmospheric moisture transport into the Arctic to sea surface temperature changes over the North Atlantic region
Arktik bölgesine atmosferik nem taşınımının Kuzey Atlantik bölgesindeki deniz yüzey sıcaklık değişimlerine duyarlılığı
FEYZA NUR ÖZKAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Meteoroloji İstanbul Teknik Üniversitesi
Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BARIŞ ÖNOL
DOÇ. DR. VICTORIA SINCLAIR
Tez No
879063
Türkiye üzerinde rüzgar şiddetinin ekstrem değer analizi ve sinoptik paternlerle ilişkisi
Analyzing extreme winds over Turkey and their relationships with synoptic patterns using cluster analysis
UMUT GÜL BAŞAR GÖRGÜN
Doktora
Türkçe
2024
Meteoroloji İstanbul Teknik Üniversitesi
Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞÜKRAN SİBEL MENTEŞ
Tez No
39727
Tatil köylerinde arsa-yerleşim şeması-yoğunluk ilişkileri
The Relationship among building area-settlement schema density compenents in holiday villages
ÖMER EREM
Yüksek Lisans
Türkçe
1994
Mimarlık İstanbul Teknik Üniversitesi
PROF.DR. UĞUR ERKMAN
Tez No
451050
Gri madde: Konut alanlarında yarı-kamusal/yarı-özel yarı-açık/açık mekânların genç yetişkinler tarafından algılanma biçimleri
Grey matter: perception of semi-open/open semipublic/semi-private spaces in the housing areas by young adults
SEDEF ÖZÇELİK GÜNEY
Doktora
Türkçe
2016
Mimarlık İstanbul Teknik Üniversitesi
Mimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FAZİLET YURDANUR DÜLGEROĞLU
Tez No
865738
Sürdürülebilirlik perspektifinden petrol endüstrisinde iklim değişikliğine yönelik zarar azaltma çalışmaları: İstanbul akaryakıt istasyonları örneği
Climate change mitigation efforts in the oil industry from a sustainability perspective: The case of İstanbul gas stations
GÖNENÇ BAYRAM
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Deprem Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Afet Yönetimi Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ HİKMET İSKENDER

Geri Dön